JP7754458B2 - Composite particle material, manufacturing method thereof, and electrode - Google Patents
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Description
本発明は、新規なMXeneナノシートと微小体との複合粒子材料及びその製造方法、並びにその複合粒子材料を用いた電極に関する。 The present invention relates to a novel composite particulate material of MXene nanosheets and microparticles, a method for producing the same, and an electrode using the composite particulate material.
従来から層状化合物であるTi3AlC2などのMAX相セラミックス粉末から酸処理によりAlを除去して得られるMXene層状化合物からなる粒子材料(本明細書では適宜「MXene粒子材料」と称したり、「MXeneナノシート」と称したり、「層状化合物粒子材料」と称したり、単に「粒子材料」と称したりすることがある。)が知られている(特許文献1~6)。これらのMXene層状化合物は、Al層が除去された空隙層にNaイオンやLiイオンが貯蔵/脱離可能であることから二次電池(蓄電池)の負極活物質材料、電極界面での酸化還元反応に伴うファラデー電流の関与した電気化学反応及び電極での電気化学的なイオンの吸脱着反応を利用するシュードキャパシタ(レドックスキャパシタとも称される)の正極及び/又は負極活物質材料、また導電性が優れていることから電磁波シールド薄膜、導電薄膜などへの応用が期待されている。 Particle materials made of MXene layered compounds have been known for some time. These particles are obtained by removing Al from MAX-phase ceramic powder, such as Ti3AlC2 , through acid treatment (Patent Documents 1 to 6 ). These MXene layered compounds are capable of storing and desorbing Na and Li ions in the void spaces formed by removing the Al layer. Therefore, they are expected to be used as negative electrode active materials for secondary batteries (storage batteries), as well as positive and/or negative electrode active materials for pseudocapacitors (also known as redox capacitors) that utilize electrochemical reactions involving Faraday currents associated with oxidation-reduction reactions at electrode interfaces and electrochemical ion adsorption/desorption reactions at electrodes. Furthermore, due to their excellent electrical conductivity, they are expected to be used in electromagnetic wave shielding thin films, conductive thin films, and the like.
MAX相セラミックスは層状化合物であり、一般式はMn+1AXnと表される。式中のMは遷移金属(Ti、Sc、Cr、Zr、Nbなど)、AはAグループ元素、XはCか、[C(1.0-x)Nx(0<x≦1.0)]、nは1から3、で構成されている。 MAX phase ceramics are layered compounds with the general formula Mn + 1AXn , where M is a transition metal (Ti, Sc, Cr, Zr, Nb, etc.), A is an A group element, X is C or [C (1.0-x) Nx (0<x≦1.0)], and n is 1 to 3.
その中、AをAlとした時、M-Xとの結合よりもM-Aの結合が弱いため、酸処理で選択的にAl層が除去される。本発明者らは、微小サイズのビーズを用いたビーズミルにより剥離して、MXeneナノシートを調製する方法を提案している(特許文献5、6)。 When A is Al, the bond between M and A is weaker than the bond with M and X, so the Al layer is selectively removed by acid treatment. The inventors have proposed a method for preparing MXene nanosheets by exfoliating the layer using a bead mill with micro-sized beads (Patent Documents 5 and 6).
ここで、MXeneナノシートを二次電池(蓄電池)やシュードキャパシタに用いる場合には、MXeneナノシートだけではなく導電補助剤としてアセチレンブラックが添加されて使用される。サイクル特性(寿命特性)、急速充放電特性、容量などの電池特性を向上させるためには、イオン拡散性を高めること、電子をスムーズに集電体に移動させることが必要となる。具体的には、ナノシートを単層レベルに剥離し、MXeneナノシートと導電性微小体との複合粒子材料の比表面積を大きくすること、導電性微小体がナノシート間に均一に配置されることが求められる。鋭意検討した結果、二次電池(蓄電池)負極活物質として、あるいはシュードキャパシタの正極及び/あるいは負極活物質として、有効なMXeneナノシートと導電性微小体の複合粒子材料を得ることに成功した。 When MXene nanosheets are used in secondary batteries (storage batteries) or pseudocapacitors, acetylene black is added as a conductive additive in addition to the MXene nanosheets. To improve battery characteristics such as cycle characteristics (lifetime characteristics), rapid charge/discharge characteristics, and capacity, it is necessary to increase ion diffusion and ensure smooth electron transfer to the current collector. Specifically, it is necessary to exfoliate the nanosheets to a single layer level, increase the specific surface area of the composite particle material of MXene nanosheets and conductive microparticles, and ensure that the conductive microparticles are uniformly distributed between the nanosheets. After extensive investigation, we have succeeded in obtaining a composite particle material of MXene nanosheets and conductive microparticles that is effective as a negative electrode active material for secondary batteries (storage batteries) or as a positive and/or negative electrode active material for pseudocapacitors.
本出願人が先に出願した複合粒子材料は、一次粒子が凝集した塊になる。そのため、産業に利用するには粉砕や分級を行うことが必須となる。一般的に行われている物理的な応力を凝集塊に付加する粉砕を行うと、一見すると実用上使用可能な粒度に粉砕可能であるが、局所的に凝集構造が破壊されることが分かった。さらに、凝集塊の強度は湿度環境に影響するため季節によって得られる凝集構造が異なり工業的に使用可能な複合粒子材料を得られないことが分かった。凝集構造が破壊された部分を二次電池やシュードキャパシタの電極に使用すると著しく特性劣化に繋がり、更には物理的な応力を付加する粉砕を行うと、粒子形状が不定形になり電極作成時に均一な成膜を行えないなどの問題が生じた。The composite particle material previously filed by the applicant forms clumps of aggregated primary particles. Therefore, for industrial use, milling and classification are essential. It was found that milling, which involves applying physical stress to the aggregates, as is commonly done, appears to result in a practically usable particle size, but that the aggregate structure is locally destroyed. Furthermore, because the strength of the aggregates is affected by the humidity environment, the resulting aggregate structure varies depending on the season, making it impossible to obtain an industrially usable composite particle material. Using portions with a destroyed aggregate structure in electrodes for secondary batteries or pseudocapacitors leads to significant degradation of performance. Furthermore, milling, which involves applying physical stress, results in irregular particle shapes, making it difficult to form uniform films when creating electrodes.
本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、新規なMXeneナノシートと微小体とが高度に分散している、高比表面積を有する3Dポーラス凝集構造をもつ粉末であって、球形度が高い複合粒子材料及びその製造方法、並びにその複合粒子材料を用いた電極を提供することを解決すべき課題とする。 The present invention was completed in consideration of the above-mentioned situation, and its objective is to provide a composite particle material with high sphericity, a powder having a 3D porous aggregate structure with a high specific surface area, in which novel MXene nanosheets and microparticles are highly dispersed, a method for producing the same, and an electrode using the composite particle material.
上記課題を解決する本発明の複合粒子材料は、導電性をもつ微小体を3~10質量部とTi3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXeneナノシートを90~97質量部とを一次粒子として含有し、前記MXeneナノシートは、平均厚さが1.0~3.5nmであり、下記相互分散度が0.01~7.00であって、体積平均径が1.0μm~15.0μmであり、球形度が0.80以上である。 The composite particle material of the present invention, which solves the above-mentioned problems, contains 3 to 10 parts by mass of conductive microparticles and 90 to 97 parts by mass of Ti3Ala ( C ( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more) MXene nanosheets as primary particles, and the MXene nanosheets have an average thickness of 1.0 to 3.5 nm, a mutual dispersion index (described below) of 0.01 to 7.00, a volume average diameter of 1.0 μm to 15.0 μm, and a sphericity of 0.80 or more.
(相互分散度)
532nm波長のレーザーを用いたラマン分光分析において400cm-1のピーク高さAと1332cm-1のピーク高さBの比(B/A)を100個算出し、その100個のB/Aの値から算出した標準偏差を相互分散度とする。
(mutual dispersion degree)
In Raman spectroscopy using a 532 nm laser, the ratio (B/A) of the peak height A at 400 cm −1 to the peak height B at 1332 cm −1 is calculated for 100 samples, and the standard deviation calculated from the 100 B/A values is taken as the mutual dispersion.
上記課題を解決する本発明の複合粒子材料の製造方法は、水を50質量%以上含有する分散媒中において、Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXeneを剥離して剥離物を形成する剥離工程と、
硫酸及び硝酸の混酸水溶液中に、原料カーボン微小体を70℃以上に10分以上処理してカーボン微小体を得る酸処理工程と、
粒子濃度が11.5~17.0mg/Lであって、90:10~97:3の質量比の前記剥離物及びカーボン微小体の混合物スラリーに、0.8~1.0モル/Lの水溶性リチウム塩及び/又は水溶性ナトリウム塩を添加し撹拌する混合工程と、
前記混合物スラリーに0.4~0.7モル/Lのアルカリ性水溶液を添加し、液性をアルカリ性にして凝集させて、前記Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXene及び前記カーボン微小体の凝集物のスラリーを得る凝集工程と、
前記スラリーの分散媒をアルコールに置換して調製した前記凝集物のアルコールスラリーを不活性雰囲気下でスプレードライ法により造粒して造粒体を得る造粒工程と、
を有する。
The method for producing a composite particulate material of the present invention that solves the above-mentioned problems includes a step of exfoliating Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 , (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more)MXene in a dispersion medium containing 50 mass % or more of water to form an exfoliated product;
an acid treatment step in which the raw carbon particles are treated in a mixed acid solution of sulfuric acid and nitric acid at 70°C or higher for 10 minutes or more to obtain carbon particles;
a mixing step of adding 0.8 to 1.0 mol/L of a water-soluble lithium salt and/or a water-soluble sodium salt to a mixture slurry of the exfoliated material and the carbon fine particles in a mass ratio of 90:10 to 97:3 and having a particle concentration of 11.5 to 17.0 mg/L, and stirring the mixture;
an aggregating step of adding 0.4 to 0.7 mol/L of an alkaline aqueous solution to the mixture slurry to make the solution alkaline and cause agglomeration, thereby obtaining a slurry of agglomerates of the Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 , (0≦x≦0.25 , a is 0.01 or more)MXene and the carbon microparticles;
a granulation step in which the dispersion medium of the slurry is replaced with alcohol to prepare an alcohol slurry of the aggregate, and the alcohol slurry is granulated by a spray drying method under an inert atmosphere to obtain granules;
It has.
本発明の複合粒子材料は、上記構成を有することにより、活物質に採用することで二次電池(蓄電池)やシュードキャパシタに用いたときに高い性能を発揮できる電極を提供することができる。 By having the above-mentioned configuration, the composite particle material of the present invention can be used as an active material to provide electrodes that can demonstrate high performance when used in secondary batteries (storage batteries) or pseudo-capacitors.
また、本発明の複合粒子材料の製造方法は、上記構成を有する製造方法により製造することで、理想的な3Dポーラス凝集構造を有した球形度が高い複合粒子材料を製造することが可能になる。 Furthermore, by using the manufacturing method for the composite particulate material of the present invention having the above-mentioned configuration, it is possible to produce a composite particulate material with a high degree of sphericity and an ideal 3D porous aggregation structure.
本発明の複合粒子材料及びその製造方法並びに電極材料について実施形態に基づいて以下に詳細に説明を行う。本実施形態の複合粒子材料は、導電性を示すなどの電気的特性に優れ、Al層が除去されたことから結晶内に形成される大きな空隙層を有することから、二次電池(Liイオン二次電池、Naイオン二次電池など)、及びシュードキャパシタなどの活物質材料(二次電池の場合は負極活物質、シュードキャパシタの場合は正極及び/あるいは負極活物質)、電磁波シールド薄膜や導電薄膜材料などへの応用が可能である。なお、本明細書中に記載した数値は、数値範囲の上限や下限として用いることができ、その場合にはその数値を含む範囲、含まない範囲の何れにすることもできる。The composite particle material, its manufacturing method, and electrode material of the present invention are described in detail below based on embodiments. The composite particle material of this embodiment has excellent electrical properties, such as electrical conductivity, and has a large void layer formed within the crystal due to the removal of the Al layer. Therefore, it can be applied to active materials such as secondary batteries (Li-ion secondary batteries, Na-ion secondary batteries, etc.), pseudocapacitors (negative electrode active materials in the case of secondary batteries, and positive and/or negative electrode active materials in the case of pseudocapacitors), electromagnetic wave shielding thin films, and conductive thin film materials. Note that the numerical values described in this specification can be used as the upper or lower limits of a numerical range, in which case the range can be either inclusive or exclusive of the numerical value.
(複合粒子材料)
本実施形態の複合粒子材料は、電極材料などへの応用のために薄片化されたMXeneと粒子状あるいはチューブ状の微小体とを複合化した粒子材料である。MXeneを薄片化した粒子材料は、数ミクロンメートルの粉末状層状化合物であるマルチレイヤMXeneを剥離することにより得られる。
(Composite particle material)
The composite particulate material of this embodiment is a composite of exfoliated MXene and particulate or tubular microparticles for application to electrode materials, etc. The exfoliated MXene particulate material is obtained by peeling off multilayer MXene, a powdered layered compound of several micrometers in size.
本明細書において、あるパラメータに上限値と下限値をそれぞれ複数設定した場合には特に制限しない限りはそれらの上限値と下限値とを任意に組み合わせることができる。本実施形態の複合粒子材料は、MXeneと微小体との複合粒子材料である。 In this specification, when multiple upper and lower limit values are set for a parameter, these upper and lower limit values can be combined in any way unless otherwise specified. The composite particulate material of this embodiment is a composite particulate material of MXene and microparticles.
MXeneは、MXeneと微小体との質量の和を基準として、90~97%含有し、残りの10%~3%が微小体である。MXeneの含有量が97%を超えると、微小体添加の乾燥収縮における障壁としての効果が薄れ、90%を下回ると活物質材料としての機能が悪くなる。更にMXeneの含有量が97%を超えると、電子が集電体へ移動しにくくなり、90%を下回ると活物質材料としての機能が悪くなる。MXeneの含有量の下限としては93%、92%、90%が挙げられ、上限としては97%、96%、95%が挙げられる。 The MXene content is 90-97% based on the sum of the masses of MXene and microparticles, with the remaining 10-3% being microparticles. If the MXene content exceeds 97%, the effect of the microparticles as a barrier against drying shrinkage is reduced, and if it is below 90%, the function as an active material deteriorates. Furthermore, if the MXene content exceeds 97%, electrons become less likely to move to the current collector, and if it is below 90%, the function as an active material deteriorates. Lower limits for the MXene content include 93%, 92%, and 90%, and upper limits include 97%, 96%, and 95%.
複合粒子材料は、相互分散度が0.01から7.00である。相互分散度はMXeneと微小体との分散度を規定する値である。微小体にカーボン微小体を用いた場合、相互分散度は、無作為に選択された100個の複合粒子材料について、532nm波長のレーザーを用いたラマン分光分析により400cm-1のピーク高さAと1332cm-1のピーク高さBの比(B/A)から算出した標準偏差を相互分散度とする。相互分散度は小さいことが望ましく、7.00を超えると効果的に電子を集電体に移動できなくなる。複合粒子材料の相互分散度は、下限値として0.01、0.05、0.10を採用することができ、上限値として7.00、2.50、1.50を採用することができる。モノレイヤレベルまで剥離したTi3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXeneナノシートは、レーザーを照射すると、容易に酸化してアナターゼが析出するため、アナターゼが析出しないレーザー強度で分析する。分析は、100cm-1から2000cm-1の範囲で行う。Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXeneナノシートのチタニウム原子に吸着した官能基による振動が230~470cm-1(Aピーク)に、カーボン原子に吸着した官能基による振動が580cm-1に現れる。一方、アセチレンブラックについて、SP3混成軌道の炭素が1332cm-1(Bピーク)に、SP2混成軌道の炭素が1500~1600cm-1に現れる。 The composite particle material has a mutual dispersity of 0.01 to 7.00. The mutual dispersity is a value that defines the degree of dispersion between MXene and the microparticles. When carbon microparticles are used as the microparticles, the mutual dispersity is the standard deviation calculated from the ratio (B/A) of the peak height A at 400 cm -1 to the peak height B at 1332 cm -1 by Raman spectroscopy using a 532 nm laser for 100 randomly selected composite particle materials. A small mutual dispersity is desirable; if it exceeds 7.00, electrons cannot be effectively transferred to the current collector. The mutual dispersity of the composite particle material can have a lower limit of 0.01, 0.05, or 0.10, and an upper limit of 7.00, 2.50, or 1.50. Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 0.01 or greater) MXene nanosheets exfoliated to the monolayer level are easily oxidized to form anatase when irradiated with a laser, so analysis is performed at a laser intensity that does not cause anatase precipitation. Analysis is performed in the range of 100 cm -1 to 2000 cm -1 . Vibrations due to functional groups adsorbed on titanium atoms of Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 0.01 or greater) MXene nanosheets appear at 230 to 470 cm -1 (A peak), and vibrations due to functional groups adsorbed on carbon atoms appear at 580 cm -1 . On the other hand, in acetylene black, the carbon of the SP3 hybrid orbital appears at 1332 cm −1 (peak B), and the carbon of the SP2 hybrid orbital appears at 1500 to 1600 cm −1 .
複合粒子材料は、比表面積が75m2/g以上である。比表面積は、前処理として真空中110℃で6時間加熱した後、窒素を用いたBET法により測定される。複合粒子材料の比表面積は、下限値として75m2/g、80m2/g、105m2/gを採用することができ、上限値として200m2/g、185m2/g、170m2/gを採用することができる。複合粒子材料は、平均細孔直径が10.0~20.0nm、平均細孔容量が0.30~0.70mL/gであることが好ましい。平均細孔直径が10.0~15.0nm、平均細孔容量が0.40~0.60mL/gであることが更に好ましい。平均細孔直径及び細孔容量は、前処理として真空中110℃で6時間加熱した後、窒素を用いたBET法により測定した。 The composite particle material has a specific surface area of 75 m 2 /g or more. The specific surface area is measured by the BET method using nitrogen after pre-treatment of heating in a vacuum at 110°C for 6 hours. The lower limit of the specific surface area of the composite particle material can be 75 m 2 /g, 80 m 2 /g, or 105 m 2 /g, and the upper limit can be 200 m 2 /g, 185 m 2 /g, or 170 m 2 /g. The composite particle material preferably has an average pore diameter of 10.0 to 20.0 nm and an average pore volume of 0.30 to 0.70 mL/g. The average pore diameter is more preferably 10.0 to 15.0 nm and an average pore volume of 0.40 to 0.60 mL/g. The average pore diameter and pore volume are measured by the BET method using nitrogen after pre-treatment of heating in a vacuum at 110°C for 6 hours.
本出願人は、先に出願したPCT/JP2021/018296で、液中で凝集粒子材料のスラリーを作製、遠心沈降させ、その沈降物を室温で風乾、その後60℃真空乾燥して凝集塊を作製し、その後物理的な応力付加により粉砕して二次粒子である複合粒子材料を作製することによって得られた複合材料を開示した。風乾に24時間以上要する。風乾、及び60℃真空乾燥中に収縮する。収縮メカニズムはMXeneナノシートが重なり合って一体化すると同時に収縮の障壁として添加したカーボン微小体が移動する。このようなメカニズムにより相互分散度が低下し、比表面積が低下する。さらに平均細孔直径と平均細孔容量も小さくなる。風乾後110℃真空乾燥すると著しく収縮し比表面積が著しく低下する。一方、アルコール溶媒の複合凝集粒子スラリーをスプレードライすると、液滴が収縮なしで瞬時に乾燥される結果として、優れた相互分散度で高比表面積の3Dポーラス凝集構造を有する球状の複合粒子材料を得ることができる。瞬時に乾燥するスプレードライして複合粒子材料を得る方法では、一般的に行われている凝集塊を物理的な応力付加により二次粒子である複合粒子材料を得る方法に比べて、比表面積が大きくなると同時に、平均細孔直径と平均細孔容量が大きくなる。なお、3Dポーラス凝集構造とは、一次粒子が間隙を形成して凝集することで細孔が3次元網目状に形成された構造を意味する。In our previously filed PCT/JP2021/018296 application, we disclosed a composite material obtained by preparing a slurry of agglomerated particle material in a liquid, centrifuging the resulting sediment, air-drying it at room temperature, and then vacuum-drying it at 60°C to form agglomerates, which were then pulverized by applying physical stress to produce a composite particle material (secondary particles). Air-drying takes more than 24 hours. The material shrinks during air-drying and vacuum-drying at 60°C. The shrinkage mechanism is that MXene nanosheets overlap and integrate, while carbon microparticles added as a shrinkage barrier migrate. This mechanism reduces the interdispersity and the specific surface area. Furthermore, the average pore diameter and average pore volume also decrease. Vacuum drying at 110°C after air-drying significantly shrinks the material, significantly reducing the specific surface area. On the other hand, spray-drying a composite agglomerated particle slurry in an alcohol solvent allows the droplets to dry instantly without shrinkage, resulting in a spherical composite particle material with a 3D porous agglomerated structure that has excellent interdispersity and a high specific surface area. The method of obtaining a composite particulate material by spray drying, which dries instantly, results in a larger specific surface area and larger average pore diameter and average pore volume than the commonly used method of obtaining a composite particulate material as secondary particles by applying physical stress to agglomerates. Note that the 3D porous aggregate structure refers to a structure in which primary particles aggregate with gaps forming, resulting in pores formed in a three-dimensional network.
複合粒子材料は、0.3gの試料を20cm2以上の皿上に均一に拡げ、真空中110℃で5時間加熱したときの質量変化が1.0%以下であることが好ましい。本加熱条件下では、MXene層間中に含まれる水分と外表面に付着した水分が揮散するが、その量を規定することで層間中の水分含有量が小さい複合粒子材料を規定できる。質量変化としては、上限値が0.8%、0.6%、0.4%、0.2%を採用することができる。規定した範囲内の質量変化はMXene 層間中の水ではなく、複合粒子材料の外表面に空気中の水分が吸着した水分量を意味する。MXeneの層間に水分が残留すると二次電池やシュードキャパシタのサイクル特性で特性劣化が認められる。その層間に残留する水は二次電池やシュードキャパシタのセル作製後の真空中熱処理では完全に除去できない。スプレードライした後の複合粒子材料を真空雰囲気下又は不活性雰囲気下、100~120℃で乾燥することが好ましい。 The composite particle material preferably exhibits a mass change of 1.0% or less when a 0.3 g sample is uniformly spread on a 20 cm or larger dish and heated in a vacuum at 110°C for 5 hours. Under these heating conditions, the moisture contained between the MXene layers and the moisture attached to the outer surface volatilize. By specifying the amount of volatilization, a composite particle material with a low interlayer moisture content can be specified. Upper limits of mass change can be set to 0.8%, 0.6%, 0.4%, or 0.2%. The mass change within the specified range refers to the amount of moisture adsorbed from the air onto the outer surface of the composite particle material, not the water between the MXene layers. Residual moisture between the MXene layers can degrade the cycle characteristics of secondary batteries and pseudocapacitors. The residual water between the layers cannot be completely removed by vacuum heat treatment after cell fabrication of secondary batteries or pseudocapacitors. The spray-dried composite particle material is preferably dried in a vacuum or inert atmosphere at 100-120°C.
複合粒子材料は、かさ密度が0.1~0.5g/cm3であることが好ましい。下限値としては、0.1g/cm3、0.15g/cm3を採用することができ、上限値としては、0.45g/cm3、0.50g/cm3を採用することができる。二次電池やシュードキャパシタのセルを作製する時に電極の膜を作製する方法としては特に限定しないが、含有させる複合粒子材料ができるだけ体積充填密度が高くなるように作製することが好ましい。 The composite particulate material preferably has a bulk density of 0.1 to 0.5 g/cm 3. As the lower limit, 0.1 g/cm 3 or 0.15 g/cm 3 can be adopted, and as the upper limit, 0.45 g/cm 3 or 0.50 g/cm 3 can be adopted. When producing a cell for a secondary battery or pseudocapacitor, the method for producing an electrode film is not particularly limited, but it is preferable to produce the composite particulate material to be contained so that the volume packing density is as high as possible.
例えば、汎用技術を用いて、最密充填構造となるアンドレアゼンが示した粒度分布になるよう数種類の二次粒子径を有する複合粒子材料を配合する連続粒子配合(配合する複合粒子材料の粒径が連続的に変化することを意味し、粒度分布が比較的ブロードなもの)、大小の二次粒子径を有する複合粒子材料を配合する二段粒子配合など数種類の平均二次粒子径、かさ密度を有する複合粒子材料を混合して成膜することができる。For example, using general-purpose technology, films can be formed by mixing composite particle materials with several different average secondary particle sizes and bulk densities, such as continuous particle blending (meaning that the particle sizes of the composite particle materials blended change continuously, resulting in a relatively broad particle size distribution) in which composite particle materials with several different secondary particle sizes are blended to achieve the particle size distribution shown by Andreasen, which results in a close-packed structure, or two-stage particle blending in which composite particle materials with large and small secondary particle sizes are blended.
MXeneは前述のMAX相を表す式であるMn+1AXn(Mは遷移金属、AはAグループ元素、XはCか、[C(1.0-x)Nx(0<x≦1.0)]、nは1から3)において、AにAlを用い、酸処理でAl相を除去して得られる。その中、Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上)であることが好ましい。aの下限は0.002にすることができる。aの上限は0.05であることが更に好ましい。xが0.25を超えると微小ビーズを用いたビーズミル処理で、剥離よりも微粒子化が進行し薄くて大きなナノシートが得られない。また、これらの元素以外にもO、OH、ハロゲン基を表面官能基として有することができる。 MXene is obtained by using Al for A in the formula Mn + 1AXn (M is a transition metal, A is an A group element, X is C or [C (1.0-x) Nx (0<x≦1.0)], n is 1 to 3), which represents the aforementioned MAX phase, and removing the Al phase by acid treatment. Among them, Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more) is preferred. The lower limit of a can be 0.002. The upper limit of a is more preferably 0.05. If x exceeds 0.25, bead milling using microbeads will result in more microparticulation than exfoliation, making it impossible to obtain thin, large nanosheets. In addition to these elements, O, OH, and halogen groups can also be present as surface functional groups.
MXeneは、板状、葉状、薄片状、シート状などであり、総称してシート状と定義する。MXeneは、層状化合物の層の積層方向を「厚み」とし、その厚みと直交する無数の方向を「シートの拡がり方向」とする。MXeneの厚みは、平均厚さが1.0~3.5nmであり、1.5~3.0nmであることが好ましい。平均厚さは、ランダムに選択された100個の粒子について親水化処理したSiウエハーを用いたAFM分析により測定した値の平均値として算出する。シートの大きさは親水化処理したSiウエハーにナノシートを滴下しSEMで測定できる。シートの拡がり方向の平均の大きさが0.1~2.0μmであることが好ましく、特に0.1~1.7μmであることがより好ましい。厚みと直交する方向における最大値を「長辺」最小値を「短辺」とした場合に、ランダムに選択された100個の粒子についてSEMにより測定した、[(長辺+短辺)/2]の平均値を拡がり方向の平均の大きさとする。Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXeneにおいて、Ti3Al0.02C2MXeneは平均厚さが1.74nm、平均大きさが0.78μmであるが、炭素サイトの5%を窒素に置き換えると、平均厚さが1.66nm、平均大きさが1.17μm、炭素サイトの25%を窒素に置き換えると、平均厚さが1.81nm、平均大きさが1.61μmとなる。炭素サイトを窒素に置き換えると水中で官能基が生成しやすくなり、MXene の層間結合力が小さくなり、モノレイヤレベルの厚さでより大きなナノシートが得られる。またMAX相セラミックスの焼成(合成)温度を不純物生成のない範囲で低下させると層間の結合力が低下するため、モノレイヤレベルの厚みを維持した上で、平均の大きさを小さくすることが可能となる。例えば、Ti3Al0.02C2MXeneにおいて、MAX相セラミックスの焼成(合成)温度を1450℃から1430℃に低下すると、平均厚さが2.06nm、平均大きさが0.25μmと小さくすることができる。さらに1410℃まで低下させると、平均厚さが1.98nm、平均大きさが0.10μmまで小さくすることができる。 MXene may be in the form of a plate, leaf, flake, or sheet, collectively defined as a sheet. The direction in which the layers of the layered compound are stacked is defined as the "thickness" of MXene, and the countless directions perpendicular to that thickness are defined as the "sheet spreading direction." The average thickness of MXene is 1.0 to 3.5 nm, preferably 1.5 to 3.0 nm. The average thickness is calculated as the average value of the values measured by AFM analysis using a hydrophilized Si wafer for 100 randomly selected particles. The sheet size can be measured by SEM after dropping a nanosheet onto a hydrophilized Si wafer. The average size in the sheet spreading direction is preferably 0.1 to 2.0 μm, and more preferably 0.1 to 1.7 μm. The maximum value in the direction perpendicular to the thickness is defined as the "long side" and the minimum value as the "short side," and the average value of [(long side + short side)/2] measured by SEM for 100 randomly selected particles is defined as the average size in the spreading direction. In Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more)MXene, Ti3Al0.02C2MXene has an average thickness of 1.74 nm and an average size of 0.78 μm. However, when 5% of the carbon sites are replaced with nitrogen, the average thickness becomes 1.66 nm and the average size becomes 1.17 μm, and when 25% of the carbon sites are replaced with nitrogen, the average thickness becomes 1.81 nm and the average size becomes 1.61 μm. Substituting nitrogen for carbon sites facilitates the formation of functional groups in water, weakening the interlayer bonding strength of MXene, resulting in larger nanosheets with monolayer thicknesses. Lowering the sintering (synthesis) temperature of MAX phase ceramics without impurity formation also reduces the interlayer bonding strength, enabling the average size to be reduced while maintaining monolayer thickness. For example, in the case of Ti3Al0.02C2MXene , lowering the sintering (synthesis) temperature of MAX phase ceramics from 1450 °C to 1430°C reduces the average thickness to 2.06 nm and the average size to 0.25 μm. Further lowering the temperature to 1410°C reduces the average thickness to 1.98 nm and the average size to 0.10 μm.
モノレイヤレベルに剥離したMXeneナノシートを収縮なしで複合粒子材料を作製するとイオン拡散に優れた電極材料を得ることができる。更に適度な大きさのMXeneナノシートを用いることにより高比表面積の複合粒子材料を得ることができる。モノレイヤレベルの厚みを維持した上で、平均大きさを小さくすることにより更に高比表面積の複合粒子材料を得ることができる。 By producing composite particle materials from MXene nanosheets exfoliated to the monolayer level without shrinkage, it is possible to obtain electrode materials with excellent ion diffusion. Furthermore, by using MXene nanosheets of an appropriate size, it is possible to obtain composite particle materials with a high specific surface area. By reducing the average size while maintaining monolayer-level thickness, it is possible to obtain composite particle materials with an even higher specific surface area.
XRD分析から得られるMXeneの(002)面の層間距離は、1.400nmから1.700nmであることが好ましい。酸処理によってMAX相のAl相が除去されることによって形成される空隙層の層間距離は、MXeneナノシート粉末のXRDにおける(002)面の層間距離から対応するMAX相セラミックス粉末のXRDにおける(002)面の層間距離を差し引いた値と定義すると、0.770nmから0.470nmとなる。Liイオン直径は0.18nm、Naイオン直径は0.28nmであり、Liイオン二次電池の他、Naイオン二次電池の負極活物質にも使用できる。黒鉛粉末の(002)面の層間距離は0.33nmであるため、Naイオンの挿入脱離を繰り返すと、短時間に急激な劣化が起き、Naイオン二次電池には使用できないと結論づけられている。このことが、MXeneナノシートが特にNaイオン二次電池の負極活物質として期待されている所以である。間隙が大きいとイオンの出入りによる膨張収縮が生じにくいため急速充放電してもサイクル劣化することなく使用可能となる。ここで対応するMAX相セラミックス粉末とは、測定対象のMXeneの組成Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2のうち、aが1である材料から構成される粒子材料である。MXeneナノシートの(002)面の層間距離が1.400nmを下回るとNaイオン二次電池の負極活物質に使用すると、急速充放電による劣化が起きる。1.700nmを上回ると1gあたりの容量が小さくなる。 The interlayer distance of the (002) plane of MXene obtained by XRD analysis is preferably 1.400 nm to 1.700 nm. The interlayer distance of the void layer formed by removing the Al phase of the MAX phase by acid treatment is 0.770 nm to 0.470 nm, defined as the interlayer distance of the (002) plane in the XRD of the MXene nanosheet powder minus the interlayer distance of the (002) plane in the XRD of the corresponding MAX phase ceramic powder. The Li ion diameter is 0.18 nm, and the Na ion diameter is 0.28 nm, making it suitable for use as a negative electrode active material in both Li-ion secondary batteries and Na-ion secondary batteries. Because the interlayer distance of the (002) plane of graphite powder is 0.33 nm, repeated insertion and desorption of Na ions causes rapid deterioration in a short period of time, leading to the conclusion that it cannot be used in Na-ion secondary batteries. This is why MXene nanosheets are particularly promising as anode active materials for Na-ion secondary batteries. Larger gaps reduce expansion and contraction due to ion transfer, allowing for rapid charge/discharge without cycle degradation. The corresponding MAX-phase ceramic powder is a particulate material composed of the MXene composition Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 , where a is 1. If the interlayer distance of the (002) plane of an MXene nanosheet is less than 1.400 nm, rapid charge/discharge degradation occurs when used as anode active materials for Na-ion secondary batteries. If the interlayer distance exceeds 1.700 nm, the capacity per gram decreases.
微小体は、その大きさがナノメートルオーダーであれば充分であり、ナノメートルオーダーであるとは、微小体の長さのうち最も大きい部分の長さが100nm以下であるものである。微小体の形状は、不定形、球状、薄膜状、繊維状などどのような形状でも良い。 It is sufficient for the size of the microparticles to be on the order of nanometers, where nanometers means that the longest part of the length of the microparticle is 100 nm or less. The shape of the microparticles may be any shape, including amorphous, spherical, thin film, or fibrous.
微小体は、一次粒子径が100nm以下であることが好ましく、30~50nmであることが好ましく、特に30~40nmであることがより好ましく、凝集体になっていても良い。微小体は、その形態を限定するものでは無く、球状、シート状、チューブ状、中空状、不定形のものが例示できる。 The primary particle diameter of the microparticles is preferably 100 nm or less, more preferably 30 to 50 nm, and even more preferably 30 to 40 nm, and they may be in the form of aggregates. The shape of the microparticles is not limited, and examples include spherical, sheet-like, tubular, hollow, and amorphous shapes.
特に微小体は、導電性を有する。微小体としては、炭素材料からなるカーボン微小体や、金属材料からなる金属微小体が例示できる。カーボン微小体としては、アセチレンブラック、ケツチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンファイバ、黒鉛粉末、ハードカーボン粉末などの導電性が高いものを採用することが好ましい。微小体は、カーボン微小体や金属微小体以外にも、その他の無機物から構成される無機微小体を採用することもできる。無機微小体としては、一次粒子径が100nm以下のTiO2、Al2O3、SiO2、BaTiO3が採用できる。 In particular, the microparticles are electrically conductive. Examples of the microparticles include carbon microparticles made of a carbon material and metal microparticles made of a metal material. As the carbon microparticles, it is preferable to use highly conductive materials such as acetylene black, Ketjen black, carbon nanotubes, graphene, carbon fiber, graphite powder, and hard carbon powder. In addition to carbon microparticles and metal microparticles, inorganic microparticles made of other inorganic substances can also be used. As the inorganic microparticles, TiO2 , Al2O3 , SiO2 , and BaTiO3 with a primary particle diameter of 100 nm or less can be used.
(複合粒子材料の製造方法)
本実施形態の複合粒子材料の製造方法は、剥離工程と混合工程と凝集工程と造粒工程とその他必要な工程とを有する。本実施形態の複合粒子材料の製造方法は、上述した本実施形態の複合粒子材料の製造に好適に採用できる製造方法である。
・剥離工程
剥離工程は、数ミクロンメートルの粒子状であり層状のマルチレイヤMXeneに対して分散媒中において微小ビーズを層間に衝突させることにより、剥離させてナノシート状の剥離物スラリーを得る工程である。剥離は、層状のマルチレイヤMXene各層の層間で進行する。剥離物は特に限定するものでは無いが、1~3層程度有するものが好ましい。
(Method for producing composite particle material)
The method for producing a composite particulate material of this embodiment includes an exfoliation step, a mixing step, an aggregation step, a granulation step, and other necessary steps, and is a production method that can be suitably employed for producing the composite particulate material of this embodiment described above.
Peeling process: The peeling process involves exfoliating layered multilayer MXene particles of several micrometers in size by colliding microbeads between the layers in a dispersion medium, thereby obtaining nanosheet-like exfoliated material slurry. Peeling occurs between each layer of the layered multilayer MXene. There are no particular limitations on the exfoliated material, but it is preferable for it to have about 1 to 3 layers.
得られた剥離物は、分散媒に懸濁した剥離物懸濁液になる。この剥離物懸濁液をそのまま混合工程に供したり、分散媒を除去して混合工程に供したりできる。材料となる粒子状であり層状のマルチレイヤMXeneを得る方法としては特に限定しないが、以下の方法が例示できる。The resulting exfoliated material becomes an exfoliated material suspension suspended in a dispersion medium. This exfoliated material suspension can be subjected to the mixing process as is, or the dispersion medium can be removed before the mixing process. There are no particular limitations on the method for obtaining the particulate, layered multilayer MXene material, but examples include the following methods.
MXeneはTi3層のMAX相セラミックス粉末からなる原料を酸処理してAl層を一部溶解して得られる。MXeneを製造する方法の一例を前処理工程として後述する。剥離工程に供される原料は、前述の粒子材料を構成する材料と同じ組成のものが採用できる。剥離工程では組成は概ね変化しない。MXene is obtained by acid-treating a raw material consisting of a Ti3-layer MAX phase ceramic powder to partially dissolve the Al layer. An example of a method for producing MXene is described below as a pretreatment process. The raw material used in the peeling process can have the same composition as the material that makes up the particle material described above. The composition does not change significantly during the peeling process.
この粒子材料を酸処理によってAlの一部を溶解し、数ミクロンメートルの粒子状であり層状のマルチレイヤMXeneとし、そのマルチレイヤMXeneを、水を主成分とする溶媒中に混合して混合物とした後、10μmから300μmのビーズを用いて高速回転を行うビーズミル処理する剥離工程によりナノシート状のMXeneの剥離物が懸濁する剥離物懸濁液が得られる。 This particulate material is treated with acid to dissolve some of the Al, turning it into layered multilayer MXene particles of several microns in size. This multilayer MXene is then mixed into a solvent whose main component is water to form a mixture, which is then subjected to an exfoliation process in which a bead mill is used to rotate at high speed using beads of 10 μm to 300 μm, resulting in an exfoliated suspension of nanosheet-like MXene exfoliated material.
剥離工程を行う分散媒は、特に限定しないが、水を50質量%以上含有することが好ましく、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール、メチルエチルケトン、アセトンなのケトン類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどを含有することができる。水を100質量%とすることがより好ましい。The dispersion medium used in the peeling process is not particularly limited, but preferably contains at least 50% water by mass, and may also contain alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol, ketones such as methyl ethyl ketone, acetone, dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide. It is more preferable to use 100% water by mass.
剥離工程を行う混合物中のMXeneの濃度は特に限定しないが、10.0mg/mL~20.0mg/mL程度にすることができる。混合液の液性については特に限定しないが、pHを6.0~8.0程度にすることができる。The concentration of MXene in the mixture used in the peeling process is not particularly limited, but can be approximately 10.0 mg/mL to 20.0 mg/mL. The liquid properties of the mixture are not particularly limited, but the pH can be approximately 6.0 to 8.0.
剥離工程における具体的なビーズミル処理について説明する。遠心分離で微小なビーズとスラリー状の混合物を分級する機構を具備したビーズミルで剥離することが可能となる。ビーズミル処理により剥離した剥離物は、剥離前の混合物から遠心分離により随時分離でき、最終的には全てのMXeneを剥離物にすることもできる。 The specific bead mill processing used in the peeling process will be explained below. Peeling can be performed using a bead mill equipped with a mechanism for classifying the slurry mixture into tiny beads using centrifugation. The peeled material obtained by bead mill processing can be separated from the mixture before peeling at any time using centrifugation, and ultimately all of the MXene can be removed as peeled material.
例えばビーズの大きさの下限は、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、上限を300μm、200μm、100μmにすることができる。10μm以上であるとビーズとスラリーの分級が容易である。300μm以下のビーズを用いると粒子材料のサイズを小さくするよりも、剥離を優先して進行させることができる。これらの下限及び上限は任意に組み合わせて採用することができる。ビーズの大きさが適正な範囲であると付与するエネルギーが大きくでき、且つ、剥離を優先して進行できるため、50μm~100μmのビーズを採用することが最も好ましい。 For example, the lower limit of the bead size can be 10 μm, 15 μm, 20 μm, 30 μm, or 40 μm, with the upper limit being 300 μm, 200 μm, or 100 μm. Beads of 10 μm or larger facilitate easy classification of the beads and slurry. Using beads of 300 μm or smaller allows for prioritizing exfoliation over reducing the size of the particulate material. These lower and upper limits can be used in any combination. Because the appropriate bead size allows for greater applied energy and prioritizes exfoliation, it is most preferable to use beads between 50 μm and 100 μm.
ビーズの材質は特に限定しないが、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックスが採用できる。特に破壊靭性が大きい部分安定化ジルコニアが好ましい。一方、300μm超のビーズを用いる微小サイズの隙間でビーズとスラリーを分級させる一般的に用いられるビーズミルによると、粒子材料のサイズを小さくすることが、剥離に優先して進行する。また、300μm超のビーズやボールを用いた遊星ボールミルなどのボールミルによっても、粒子材料のサイズを小さくすることが剥離に優先する。結果的に一部しか剥離できず、遠心分離で一部の剥離物を分級することになり、産業で利用できるレベルとは言えない。 The material of the beads is not particularly limited, but ceramics such as zirconia, alumina, and silicon nitride can be used. Partially stabilized zirconia, which has high fracture toughness, is particularly preferred. On the other hand, with commonly used bead mills that use beads larger than 300 μm and separate beads and slurry through tiny gaps, reducing the size of the particulate material takes precedence over exfoliation. Similarly, with ball mills such as planetary ball mills that use beads or balls larger than 300 μm, reducing the size of the particulate material takes precedence over exfoliation. As a result, only a portion of the material is exfoliated, and only a portion of the exfoliated material is classified by centrifugation, which is not at a level suitable for industrial use.
さらに従来からMXeneの剥離は超音波照射で行われている。溶媒に超音波を照射すると、キャビテーションが発生し、その圧壊により、粉体どうしが衝突するメカニズムで層状化合物を構成する層の剥離が進行する。しかしながら、キャビテーションの発生が起きやすい水を用いたとしても、剥離が進行するのは一部のみであり、産業で利用できるレベルとは言えなかった。遊星ボールミルによる方法でも、もちろん剥離は一部であり、粉砕が優先する、更に温度上昇するため表面酸化が著しく進行するため、とても産業に利用できるレベルとは言えない。このような理由から超音波照射により一部のみを剥離させて遠心分離による分級で採取する手法がとられていた。 Furthermore, traditionally, MXene has been exfoliated using ultrasonic irradiation. When ultrasonic waves are applied to a solvent, cavitation occurs, and the resulting collapse causes powder particles to collide with each other, resulting in the exfoliation of the layers that make up the layered compound. However, even when water, which is prone to cavitation, is used, only partial exfoliation occurs, making it unsuitable for industrial use. Even with the planetary ball mill method, only partial exfoliation occurs; grinding takes precedence, and the temperature rises, causing significant surface oxidation, making it unsuitable for industrial use. For these reasons, the method used involves exfoliating only a portion of the powder using ultrasonic irradiation, followed by collection by centrifugation and classification.
剥離工程における周速は、6m/sec~12m/secの周速が採用できる。8m/sec~10m/secの周速がより好ましい。6m/sec以上であると剥離効率が良く、12m/sec以下であると付与する過大なエネルギー付与が抑制され、得られる粒子材料の温度上昇が抑制できるため、得られる粒子材料の表面における酸化の進行が抑制でき、電気抵抗を低くできる。スラリー送り速度は100mL/分から300mL/分が採用できる。スラリー粒子濃度は10.0mg/mL~20.0mg/mLが採用できる。 A peripheral speed of 6 m/sec to 12 m/sec can be used in the peeling process. A peripheral speed of 8 m/sec to 10 m/sec is more preferable. A speed of 6 m/sec or higher improves peeling efficiency, while a speed of 12 m/sec or lower prevents excessive energy from being applied, suppressing the temperature rise of the resulting particulate material. This prevents the progression of oxidation on the surface of the resulting particulate material and reduces electrical resistance. A slurry feed rate of 100 mL/min to 300 mL/min can be used. A slurry particle concentration of 10.0 mg/mL to 20.0 mg/mL can be used.
10.0mg/mL以下の条件によると、MXeneナノシートの作製効率が悪くなり、20.0mg/mL以上にすると剥離が充分に進行できないため、この範囲が好ましい。 If the concentration is below 10.0 mg/mL, the efficiency of producing MXene nanosheets will decrease, and if the concentration is above 20.0 mg/mL, peeling will not proceed sufficiently, so this range is preferable.
スラリー温度は35℃以下の温度範囲が好ましい。35℃以下にすると表面酸化が抑制でき、粒子材料の電気抵抗を低く保つことができる。 The slurry temperature is preferably in the range of 35°C or below. Keeping it below 35°C suppresses surface oxidation and keeps the electrical resistance of the particulate material low.
ビーズの充填量は40%~80%が採用できる。40%以上にすると剥離の効率が良くなり、80%以下にするとビーズとスラリーの分級が容易となる。目的のシート状の粒子を多く含む粒子材料が製造されたかどうかは、SEM、TEMなどの観察によって判断できる。特に粒子材料の厚みについてはAFM分析することによって判断できる。剥離工程で得られた粒子材料は、必要に応じて遠心分離などの方法によって分級して使用することも可能である。剥離工程における最適な条件については、装置の大きさによって変化するので、これらの数値は限定されるものではない。 A bead filling rate of 40% to 80% can be used. A rate of 40% or higher improves peeling efficiency, while a rate of 80% or lower makes it easier to separate the beads and slurry. Whether a particulate material containing a large amount of the desired sheet-like particles has been produced can be determined by observation using an SEM, TEM, etc. The thickness of the particulate material in particular can be determined by AFM analysis. If necessary, the particulate material obtained in the peeling process can be classified using methods such as centrifugation and then used. The optimal conditions for the peeling process vary depending on the size of the equipment, so these values are not limited.
ビーズミル処理によりMXeneが質量基準で98%以上剥離物になるようにすることが好ましく、99%以上剥離物になることがより好ましく、100%剥離物になることが更に好ましい。MXeneが全て剥離物になる条件で剥離工程を完了すると、剥離していないMXeneを除去することなくそのまま混合工程に用いることが可能になる。剥離物以外のMXeneを除去する場合には、遠心分離、濾過などにより分離することができる。 It is preferable to use bead mill processing so that 98% or more of the MXene is exfoliated by mass, more preferably 99% or more, and even more preferably 100%. If the exfoliation process is completed under conditions where all of the MXene is exfoliated, the MXene can be used directly in the mixing process without removing the unexfoliated MXene. To remove MXene other than the exfoliated MXene, it can be separated by centrifugation, filtration, etc.
得られた剥離したMXeneのゼータ電位はpH6からpH8の水中で測定する。特に問題が生じなければゼータ電位はpH7で測定する。ゼータ電位は、-25.0mVから-35.0mVであることが好ましい。-28.0mVから-34.0mVであることが更に好ましい。Ti3C2 MXeneナノシートのゼータ電位は-28.9mVであった。炭素サイトの3%を窒素に置き換えたナノシートは-29.3mV、5%を窒素に置き換えたナノシートは-31.5mV、炭素サイトの10%を窒素に置き換えたナノシートは-32.1mV、炭素サイトの15%を窒素に置き換えたナノシートは-32.4mV、炭素サイトの25%を窒素に置き換えたナノシートは-33.1mVであった。ゼータ電位の絶対値の大きさは水中で付着する官能基の量と言い換えることができる。水中官能基が多く付着するとゼータ電位の絶対値が大きくなる。適度な水中官能基が形成されると剥離性に優れる。MXeneナノシートとカーボン微小体のゼータ電位は、混合工程で説明する負のゼータ電位であるMXeneナノシートとカーボン微小体を水溶性Li塩及び/又は水溶性Na塩の添加による水中で正の電荷を持つLiイオン及び/あるいはNaイオンで固定化する。適度なゼータ電位が必要であり、ゼータ電位の絶対値が小さいと、得られた複合粒子材料は相互分散度の低い、低比表面積となってしまう。ゼータ電位の絶対値が大きいと、電子が移動しにくくなってしまうため、適度なゼータ電位の絶対値を有するMXeneナノシートとカーボン微小体を選択することが好ましい。 The zeta potential of the resulting exfoliated MXene is measured in water with a pH of 6 to 8. If no particular problems arise, the zeta potential is measured at pH 7. The zeta potential is preferably between -25.0 mV and -35.0 mV. It is even more preferably between -28.0 mV and -34.0 mV. The zeta potential of Ti3C2MXene nanosheets was -28.9 mV. Nanosheets with 3% of the carbon sites substituted with nitrogen had a zeta potential of -29.3 mV, nanosheets with 5% of the carbon sites substituted with nitrogen had a zeta potential of -31.5 mV, nanosheets with 10% of the carbon sites substituted with nitrogen had a zeta potential of -32.1 mV, nanosheets with 15% of the carbon sites substituted with nitrogen had a zeta potential of -32.4 mV, and nanosheets with 25% of the carbon sites substituted with nitrogen had a zeta potential of -33.1 mV. The absolute value of the zeta potential can be interpreted as the amount of functional groups attached in water. The greater the amount of water-soluble functional groups attached, the greater the absolute value of the zeta potential. The formation of an adequate amount of water-soluble functional groups results in excellent peelability. The zeta potential of the MXene nanosheets and carbon microparticles is a negative zeta potential, as explained in the mixing process. The MXene nanosheets and carbon microparticles are immobilized with positively charged Li ions and/or Na ions in water by adding a water-soluble Li salt and/or a water-soluble Na salt. A moderate zeta potential is necessary; if the absolute value of the zeta potential is small, the resulting composite particle material will have a low degree of mutual dispersion and a low specific surface area. A high absolute value of the zeta potential makes it difficult for electrons to move, so it is preferable to select MXene nanosheets and carbon microparticles with a moderate absolute value of the zeta potential.
MXeneナノシートの化学組成については、Ti、Al、C、Nのatom%を用いて、Tiを3とした時のAl、C、N量を算出した。化学分析は、試料を白金皿にはかりとり、硝酸+硫酸+フッ化水素酸を加えて、加熱(120℃程度)して溶解後、さらに高温(300℃)で加熱して硝酸とフッ化水素酸を飛ばして試料溶液(硫酸)を作製し、作製した試料溶液を適宜希釈してICPで定量分析を行った。 The chemical composition of MXene nanosheets was calculated using the atom percentages of Ti, Al, C, and N, with the amount of Al, C, and N being taken as 3 for Ti. For chemical analysis, the sample was weighed onto a platinum dish, nitric acid + sulfuric acid + hydrofluoric acid was added, and the solution was heated (to approximately 120°C) to dissolve it. It was then further heated at a high temperature (300°C) to evaporate the nitric acid and hydrofluoric acid, creating a sample solution (sulfuric acid). The resulting sample solution was then diluted appropriately and quantitatively analyzed using ICP.
・酸処理工程
酸処理工程は、原料カーボン微小体に対して、硫酸と硝酸との混酸溶液で処理を行い、親水性が高いカーボン微小体を得る工程である。原料カーボン微小体は、アセチレンブラック、ケツチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンファイバ、黒鉛粉末、ハードカーボン粉末などが例示できる。導電性から、アセチレンブラック、ケツチェンブラック、カーボンナノチューブ、導電性と純度と価格の両面からアセチレンブラックが更に好ましい。
Acid Treatment Step In the acid treatment step, the raw carbon particles are treated with a mixed acid solution of sulfuric acid and nitric acid to obtain highly hydrophilic carbon particles. Examples of the raw carbon particles include acetylene black, Ketjen black, carbon nanotubes, graphene, carbon fiber, graphite powder, and hard carbon powder. Acetylene black, Ketjen black, and carbon nanotubes are preferred in terms of electrical conductivity, purity, and price, and acetylene black is more preferred.
酸処理工程では、混酸に懸濁したカーボン微小体懸濁液となり、そのまま混合工程で用いることもできるし、混酸を水などによる洗浄を繰り返すことで必要なだけ除去してカーボン微小体として用いることもできる。洗浄は、洗浄液のpHが6程度になるまで行うことができ、更にはpHが6.5や7や8程度になるまで行うこともできる。The acid treatment process results in a suspension of carbon particles suspended in mixed acid, which can be used as is in the mixing process, or the mixed acid can be removed as needed by repeated washing with water or other means and the resulting carbon particles can be used. Washing can be carried out until the pH of the washing solution reaches around 6, and can even be continued until the pH reaches around 6.5, 7, or 8.
本処理によって、カーボン微小体の表面にCOOH基やCO基などの官能基が導入されて親水化される。処理後のカーボン微小体は、混酸中に分散されたカーボン微小体懸濁液になる。酸処理工程と剥離工程との間で行う前後は問わない。This treatment introduces functional groups such as COOH groups and CO groups onto the surface of the carbon particles, making them hydrophilic. After the treatment, the carbon particles become a carbon particle suspension dispersed in mixed acid. This treatment can be performed either before or after the acid treatment process and the peeling process.
処理温度は70℃以上が好ましい。特に沸騰などが起きないように95℃以下にすることが好ましい。処理時間は特に限定しないが、10分以上処理することで確実に親水化できる。処理中は、撹拌したり、超音波を照射したりすることができる。処理後は、そのまま混合工程に供しても良いし、酸を中和乃至分離しても良い。なお酸を中和したり分離したりして所定値以上のpHになると、カーボン微小体が凝集するため、pHが所定値には至らない程度で中和を行うことができる。酸を分離する方法としては、固形分を遠心分離などの分級操作により分離する方法が例示できる。 The treatment temperature is preferably 70°C or higher. It is particularly preferable to keep it below 95°C to prevent boiling. There are no particular restrictions on the treatment time, but treatment for 10 minutes or more will ensure hydrophilization. During treatment, stirring or ultrasonic irradiation can be performed. After treatment, the mixture can be directly subjected to the mixing process, or the acid can be neutralized or separated. If the pH is raised above a predetermined value by neutralizing or separating the acid, the carbon microparticles will aggregate, so neutralization can be performed to a degree that does not cause the pH to reach the predetermined value. An example of a method for separating the acid is to separate the solids by a classification operation such as centrifugation.
硫酸と硝酸との混合比は、体積比で、4:1~1:1程度にすることができ、特に3:1~3:2程度にすることが好ましい。混酸の濃度は、42%~96%程度にすることができ、特に90.0%~95.0%程度にすることが好ましい。The mixing ratio of sulfuric acid to nitric acid can be approximately 4:1 to 1:1 by volume, with approximately 3:1 to 3:2 being particularly preferred. The concentration of the mixed acid can be approximately 42% to 96%, with approximately 90.0% to 95.0% being particularly preferred.
得られた親水性カーボン微小体のゼータ電位は、pH6-pH8の水中で-20.0mVから-25.0mVであることが好ましい。ゼータ電位はCOOHやCOが官能基として吸着するため負となる。-20.0mVよりその絶対値が小さくなると、混合工程で説明する負のゼータ電位であるMXeneナノシートとの水溶性Li塩及び/又は水溶性Na塩の添加による水中で正の電荷を持つLiイオン及び/あるいはNaイオンで固定化できず、相互分散度の低い、低比表面積の複合粒子材料となってしまう。適度なゼータ電位の絶対値を有するMXeneナノシートとカーボン微小体を選択することが好ましい。The zeta potential of the resulting hydrophilic carbon microparticles is preferably between -20.0 mV and -25.0 mV in water at pH 6-8. The zeta potential is negative due to the adsorption of COOH and CO as functional groups. If the absolute value is less than -20.0 mV, the MXene nanosheets, which have a negative zeta potential as described in the mixing process, cannot be immobilized with positively charged Li ions and/or Na ions in water by adding water-soluble Li salt and/or water-soluble Na salt, resulting in a composite particle material with low mutual dispersion and a low specific surface area. It is preferable to select MXene nanosheets and carbon microparticles with an appropriate absolute value of zeta potential.
・混合工程
混合工程は、剥離物及びカーボン微小体が90:10~97:3の質量比、且つ、剥離物が11.5-17.0mg/mLの濃度で、水を50質量%以上含有する第2分散媒に分散した混合物を得る工程である。第2分散媒は水を100質量%とすることがより好ましい。混合物中には、その他の物質を含有させることによりその物質についても複合粒子材料に取り入れることができる。
Mixing Step: The mixing step is a step of obtaining a mixture in which the exfoliated material and carbon microparticles are dispersed in a second dispersion medium containing 50% by mass or more of water at a mass ratio of 90:10 to 97:3 and a concentration of the exfoliated material of 11.5-17.0 mg/mL. It is more preferable that the second dispersion medium contains 100% by mass of water. By adding other substances to the mixture, the substances can also be incorporated into the composite particle material.
特に、Liイオンや、Naイオンを共存させることで、剥離物を構成するMXeneとカーボン微小体を固定化することができる。具体的にはMXeneに吸着した水中で負に帯電した官能基とカーボン微小体に吸着した水中で負に帯電した官能基を、水中で正に帯電したLiイオン及び/あるいはNaイオンで固定化することが好ましい。水溶性リチウム塩としては、塩化リチウム、炭酸リチウムが例示でき、水溶性ナトリウム塩としては、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウムが例示できる。強アルカリや強酸の水溶性塩を添加し長時間撹拌するとMXeneナノシートと水溶性塩とで反応し局所的なMXene表面にチタン酸リチウムやチタン酸ナトリウムが析出する場合があるため、水中に溶解後に中性を維持する水溶性塩が好ましい。MXeneの水スラリーに0.8モル/L~1.0モル/Lとなるように水溶性塩を添加することが好ましい。0.8モル/Lを下回ると十分に固定化できず、1.0モル/Lを上回ると余剰イオンが多数残留する。混合物は、11.5-17.0mg/mLの濃度で剥離物を含有する。第2分散媒は、剥離工程において用いる分散媒や、その他の工程で用いることができる溶媒と同一のものであっても良いし、異なるものであっても良い。剥離工程で得られた剥離物懸濁液をそのまま混合工程に供する場合には、第2分散媒に剥離工程で用いる分散媒が含まれる。複合スラリー中のMXene 粒子濃度を11.5-17.0mg/mLと限定した理由は、11.5を下回ると、あるいは17.0を超えると後述の凝集工程において得られる複合粒子材料の比表面積が小さくなるためである。In particular, the coexistence of Li ions or Na ions enables the immobilization of the MXene and carbon microparticles that constitute the exfoliated material. Specifically, it is preferable to immobilize the negatively charged functional groups adsorbed on MXene in water and the negatively charged functional groups adsorbed on the carbon microparticles with Li ions and/or Na ions that are positively charged in water. Examples of water-soluble lithium salts include lithium chloride and lithium carbonate, and examples of water-soluble sodium salts include sodium chloride and sodium carbonate. Adding a water-soluble salt of a strong alkali or strong acid and stirring for a long period of time can cause the MXene nanosheets to react with the water-soluble salt, resulting in the precipitation of lithium titanate or sodium titanate locally on the MXene surface. Therefore, water-soluble salts that maintain neutrality after dissolution in water are preferred. It is preferable to add a water-soluble salt to the MXene aqueous slurry so that the concentration is 0.8 mol/L to 1.0 mol/L. A concentration below 0.8 mol/L will not result in sufficient immobilization, while a concentration above 1.0 mol/L will leave a large amount of excess ions. The mixture contains exfoliated material at a concentration of 11.5-17.0 mg/mL. The second dispersion medium may be the same as or different from the dispersion medium used in the exfoliation step or the solvent that can be used in other steps. When the exfoliated material suspension obtained in the exfoliation step is directly subjected to the mixing step, the second dispersion medium contains the dispersion medium used in the exfoliation step. The reason for limiting the MXene particle concentration in the composite slurry to 11.5-17.0 mg/mL is that if the concentration is below 11.5 or above 17.0, the specific surface area of the composite particle material obtained in the aggregation step described below will be small.
酸処理したカーボン微小体について、純水に所定量のカーボン微小体を添加し、100rpmから300rpmの回転数、40mmから50mmの振幅の条件で、より好ましくは100rpmから200rpmの回転数、45mmから50mmの振幅の条件で、振とう機を用いて12時間以上撹拌し、凝集をほぐしたカーボン微小体水スラリーをMXene水スラリーに添加し混合することが好ましい。その際の振とう機の条件は、100rpmから300rpmの回転数、振幅は40mmから50mmとすることが好ましい。100rpmから200rpmの回転数、振幅は45mmから50mmとすることが更に好ましい。MXene 水スラリーに酸処理したカーボン微小体 水スラリーと水溶性塩を同時に添加して、100rpmから300rpmの回転数、振幅は40mmから50mmの条件で振とう機を用いて4-6時間、撹拌することで、MXeneナノシートとNa及び/あるいはLiイオンとカーボン微小体の均一配置が液中で固定化され、均一分散した複合凝集粒子水スラリーを得ることが更に好ましい。いずれも回転数が300rpmを超えるとナノシートが破壊されやすく、100rpmを下回ると均一混合できない。振幅が50mmを上回るとナノシートが破壊されやすく、40mmを下回ると均一混合できない。For the acid-treated carbon microparticles, a predetermined amount of carbon microparticles is added to pure water and stirred for 12 hours or more using a shaker at a rotation speed of 100 to 300 rpm and an amplitude of 40 to 50 mm, more preferably at a rotation speed of 100 to 200 rpm and an amplitude of 45 to 50 mm. The resulting carbon microparticle water slurry is then added to and mixed with the MXene water slurry. The shaker conditions for this are preferably a rotation speed of 100 to 300 rpm and an amplitude of 40 to 50 mm, more preferably a rotation speed of 100 to 200 rpm and an amplitude of 45 to 50 mm. It is more preferable to simultaneously add an aqueous slurry of acid-treated carbon microparticles and a water-soluble salt to an aqueous MXene slurry and stir the mixture for 4-6 hours using a shaker at a rotation speed of 100 to 300 rpm and an amplitude of 40 to 50 mm, thereby immobilizing the uniform arrangement of MXene nanosheets, Na and/or Li ions, and carbon microparticles in the liquid and obtaining an aqueous slurry of uniformly dispersed composite agglomerated particles. In both cases, if the rotation speed exceeds 300 rpm, the nanosheets are likely to be destroyed, and if the rotation speed is below 100 rpm, uniform mixing is not possible. If the amplitude exceeds 50 mm, the nanosheets are likely to be destroyed, and if the amplitude is below 40 mm, uniform mixing is not possible.
・凝集工程
凝集工程は、混合工程で得られた混合物スラリーに0.4~0.7モル/Lのアルカリ性水溶液を添加し、液のpHを上昇させることにより、混合物に含有される剥離物とカーボン微小体とを凝集させて、液中に分散した凝集物にする工程である。pHの上昇は、12~14程度まで行うことが好ましい。
The flocculation step is a step in which an alkaline aqueous solution of 0.4 to 0.7 mol/L is added to the mixture slurry obtained in the mixing step to increase the pH of the liquid, thereby flocculating the exfoliated material and carbon microparticles contained in the mixture to form flocs dispersed in the liquid. The pH is preferably increased to about 12 to 14.
アルカリ性水溶液は水酸化リチウム及び/又は水酸化ナトリウムが好ましい。pHの上昇は、アルカリ性の物質を添加する手法、あるいは酸性物質を除去乃至希釈することで行われる。pHの上昇は、アルカリ性水溶液を数秒で添加し、1間以内で100rpmから300rpmの回転数の振とう機で撹拌することが好ましい。その際の振とう機の振幅は40mmから50mmとすることが好ましい。いずれも回転数が300rpm以下にするとナノシートの破壊が抑制され、100rpm以上にすると容易に均一混合することができる。The alkaline aqueous solution is preferably lithium hydroxide and/or sodium hydroxide. The pH can be increased by adding an alkaline substance or by removing or diluting an acidic substance. The pH can be increased by adding the alkaline aqueous solution over a few seconds and stirring within one hour using a shaker at a rotation speed of 100 to 300 rpm. The amplitude of the shaker is preferably 40 to 50 mm. In either case, a rotation speed of 300 rpm or less prevents destruction of the nanosheets, while a rotation speed of 100 rpm or more facilitates uniform mixing.
振幅は50mm以下にするとナノシートの破壊が抑制され、40mm以上にすると容易に均一混合することができる。1時間以内で100rpmから200rpmの回転数で振幅は45mmから50mm振とう機で撹拌することが更に好ましい。アルカリ性水溶液は、複合凝集粒子材料の水スラリー中に含まれる水分量と合わせて、0.4モル/L~0.7モル/Lとなるように添加することが好ましい。0.4モル/L以上にすると十分に凝集することができ、0.7モル/L以下にすると余剰のイオンの残留が抑制できるため好ましい。この範囲内の添加量とすると明確な理由は不明であるが高比表面積の複合粒子材料を得ることができる。更に比誘電率の小さい疎水性の高い有機溶剤を添加することもできる。An amplitude of 50 mm or less prevents nanosheet destruction, while 40 mm or more facilitates uniform mixing. It is more preferable to use a shaker with a rotation speed of 100 to 200 rpm and an amplitude of 45 to 50 mm for less than one hour. The alkaline aqueous solution is preferably added so that the total amount of water contained in the aqueous slurry of the composite agglomerated particle material is 0.4 mol/L to 0.7 mol/L. A concentration of 0.4 mol/L or more ensures sufficient agglomeration, while a concentration of 0.7 mol/L or less is preferable because it prevents excess ions from remaining. Adding an amount within this range allows for a composite particle material with a high specific surface area, although the exact reason is unclear. A highly hydrophobic organic solvent with a low dielectric constant can also be added.
・造粒工程
造粒工程は、凝集工程により得られた液中に分散した凝集物に含まれる分散媒の主成分をアルコールに置換したアルコールスラリーとし、そのアルコールスラリーをスプレードライ法により造粒して造粒体にする工程である。この造粒体をそのまま乃至は乾燥することで本実施形態の複合粒子材料になる。本工程では、スプレードライ法により液滴を瞬時に乾燥することで、ポーラス構造を有する球状の造粒体とすることができる。
Granulation process: In the granulation process, the main component of the dispersion medium contained in the aggregates dispersed in the liquid obtained in the aggregation process is replaced with alcohol to form an alcohol slurry, and the alcohol slurry is granulated by a spray-drying method to form granules. These granules are used as they are or dried to form the composite particulate material of this embodiment. In this process, the droplets are instantly dried by the spray-drying method to form spherical granules with a porous structure.
液中に分散した凝集物に含まれる分散媒の主成分をアルコールに置換する方法としては特に限定しない。例えば、単純にアルコールを添加してアルコールの含有割合を向上したり、アルコールを添加後に分散媒を除去することを繰り返してアルコールの含有割合を向上したりできる。分散媒の除去は遠沈法により分離した分散媒を上澄みとして分離したり、分散媒を蒸発させて分離したりできる。There are no particular limitations on the method for replacing the main component of the dispersant contained in the aggregates dispersed in the liquid with alcohol. For example, the alcohol content can be increased by simply adding alcohol, or by repeatedly adding alcohol and then removing the dispersant. The dispersant can be removed by centrifuging the separated dispersant as the supernatant, or by evaporating the dispersant.
ここでアルコールが主成分であるとは、アルコールの含有割合が分散媒全体を基準として50%以上であることを意味するが、特にアルコールの含有割合の下限値としては、90体積%、95体積%、99体積%であることが好ましい。 Here, alcohol being the main component means that the alcohol content is 50% or more based on the entire dispersion medium, but it is particularly preferable that the lower limit of the alcohol content be 90% by volume, 95% by volume, or 99% by volume.
また、アルコールスラリーに含有できるアルコールとしては特に限定しないが、MXeneナノシートの表面酸化を更に抑制するため低温度で蒸発するアルコール溶媒を選択することが好ましい。例えば分散媒として用いるアルコールとしては、メタノール及びエタノール及びイソプロパノールの少なくとも一方を採用することが好ましい。アルコールの他には、水あるいはMEKなどのケトン類あるいはDMSOを含有していても良い。アルコールの含有量の下限値は、分散媒の体積を基準として、99%、95%、90%が挙げられる。 The alcohol that can be contained in the alcohol slurry is not particularly limited, but it is preferable to select an alcohol solvent that evaporates at low temperatures to further suppress surface oxidation of the MXene nanosheets. For example, it is preferable to use at least one of methanol, ethanol, and isopropanol as the alcohol used as the dispersion medium. In addition to alcohol, water, ketones such as MEK, or DMSO may also be contained. The lower limit of the alcohol content, based on the volume of the dispersion medium, can be 99%, 95%, or 90%.
スプレードライ法は、複合粒子材料を構成する各材料と反応性が低い、不活性雰囲気下で行う。不活性雰囲気としては、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを満たした雰囲気や、減圧乃至真空雰囲気が採用できる。不活性雰囲気の温度は、アルコールスラリーに含まれるアルコールが蒸発できる温度である。例えば、不活性雰囲気の温度の下限値としては、80℃、90℃、100℃を採用することができ、上限値としては、100℃、110℃、120℃を採用することができる。上限値及び下限値は任意に組み合わせ可能である。 The spray-drying method is carried out in an inert atmosphere that has low reactivity with the materials that make up the composite particle material. The inert atmosphere can be an atmosphere filled with an inert gas such as nitrogen or argon, or a reduced-pressure or vacuum atmosphere. The temperature of the inert atmosphere is the temperature at which the alcohol contained in the alcohol slurry can evaporate. For example, the lower limit of the temperature of the inert atmosphere can be 80°C, 90°C, or 100°C, and the upper limit can be 100°C, 110°C, or 120°C. The upper and lower limits can be combined in any way.
スプレードライ法は、複合凝集材料のスラリーを高温雰囲気中に液滴を噴霧することで行う。噴霧の方法は、回転ディスクを利用する方法、2流体ノズルなどのノズルを利用する方法など通常の方法が採用できる。アルコールスラリー中の凝集粒子が噴霧時に詰まりにくいという点、さらに任意の二次粒子径を有する球状造粒体を作製可能である点から回転ディスクを利用する方法が好ましい。回転ディスクの回転数を任意に選択することにより必要な二次粒子径の球状造粒体を容易に得ることができる。なお、スプレードライ法に代えて、又は加えて、流動層造粒法により造粒する工程を有することができる。 The spray drying method involves spraying droplets of a slurry of composite agglomerated material into a high-temperature atmosphere. Conventional spraying methods can be used, such as those using a rotating disk or a nozzle such as a two-fluid nozzle. The method using a rotating disk is preferred because the agglomerated particles in the alcohol slurry are less likely to clog during spraying, and it is possible to produce spherical granules with any secondary particle size. Spherical granules with the required secondary particle size can be easily obtained by arbitrarily selecting the rotation speed of the rotating disk. Note that a granulation step using a fluidized bed granulation method can be included instead of, or in addition to, the spray drying method.
噴霧された複合凝集粒子材料とアルコールで構成される液滴から分散媒が瞬時に除去されて複合粒子材料になるため、収縮することなく高比表面積かつMXeneナノシートとカーボン微小体の優れた相互分散を維持する。アルコールスラリー中の凝集粒子の粒子径が大きいため噴霧時あるいは送液中に詰まりやすい。そのため固形分濃度を適宜選択することが必要であり、1.0~10.0質量%にすることが好ましい。1.0~5.0質量%にすることが更に好ましい。二次粒子径の大きさは、回転ディスク法を用いた場合、回転数を低くし噴霧温度を高くすることで大きな二次粒子径を得ることができる。一方、回転数を高くすることで小さな二次粒子径を得ることができる。さらに、複合凝集粒子材料のアルコールスラリーの凝集粒子径を小さくし、2流体ノズルなどのノズルを用いたスプレードライすることで更に小さな二次粒子径を得ることができる。これらを組み合わせることで、平均二次粒子径1.0μm~15.0μmを得ることができる。1.0μm~10.0μmがより好ましい。2流体ノズルなどのノズルを用いたスプレードライには、ノズル詰まりを防ぐためふるいで大きな凝集粒子を取り除いたアルコールスラリーを用いることが好ましい。実用上平均二次粒子径が1.0μm以上にすることで作業中に複合粒子材料が飛散し難くなり好ましい。15.0μm以下にすると複合粒子材料を得るために、高粒子濃度のアルコールスラリーを用いて低速回転で液滴を大きくしたり、高温度で瞬時にアルコールを除去させたりしなくても形成することが可能となる。特に高温度での処理を避けることができるためMXeneの表面酸化などの問題が生じがたいため好ましい。電池材料に用いる際には、平均二次粒子径が1.0μm~15.0μmが好ましい。1.0μm~11.0μmがより好ましい。1.0μm以上にすることで取り扱いが容易になり、15.0μm以下にすることで、作製膜の凹凸の形成が抑制されるためである。特に11.0μm前後(10.5μm~11.5μm)がより好ましい。The dispersion medium is instantly removed from the sprayed droplets composed of the composite agglomerated particle material and alcohol, forming the composite particle material. This prevents shrinkage and maintains a high specific surface area and excellent mutual dispersion of the MXene nanosheets and carbon microparticles. The large particle size of the agglomerated particles in the alcohol slurry makes them prone to clogging during spraying or liquid delivery. Therefore, it is necessary to appropriately select the solids concentration, preferably 1.0 to 10.0 mass%. 1.0 to 5.0 mass% is even more preferable. Regarding secondary particle size, when using the rotating disk method, large secondary particle sizes can be obtained by lowering the rotation speed and increasing the spray temperature. On the other hand, small secondary particle sizes can be obtained by increasing the rotation speed. Furthermore, even smaller secondary particle sizes can be obtained by reducing the agglomerated particle size of the alcohol slurry of the composite agglomerated particle material and spray-drying it using a nozzle such as a two-fluid nozzle. By combining these methods, an average secondary particle size of 1.0 μm to 15.0 μm can be obtained. 1.0 μm to 10.0 μm is more preferable. For spray drying using a nozzle such as a two-fluid nozzle, it is preferable to use an alcohol slurry in which large aggregates have been removed with a sieve to prevent nozzle clogging. In practice, an average secondary particle diameter of 1.0 μm or more is preferable because it reduces the risk of the composite particle material scattering during operation. A value of 15.0 μm or less allows the composite particle material to be formed without using a high-particle-concentration alcohol slurry to enlarge droplets at low speeds or without instantaneously removing the alcohol at high temperatures. This is particularly preferable because it avoids high-temperature processing and reduces the risk of problems such as surface oxidation of MXene. For use as a battery material, an average secondary particle diameter of 1.0 μm to 15.0 μm is preferable, with 1.0 μm to 11.0 μm being more preferable. A value of 1.0 μm or more facilitates handling, while a value of 15.0 μm or less suppresses the formation of unevenness in the resulting film. A value of around 11.0 μm (10.5 μm to 11.5 μm) is particularly preferable.
・乾燥工程
造粒工程で得られた造粒体はそのままでも本実施形態の複合粒子材料とすることができるが、その後にMXeneナノシートの層間水を除去する目的で乾燥させることができる。乾燥工程は、真空雰囲気下又は不活性雰囲気下、100~120℃で造粒体を乾燥して本実施形態の複合粒子材料にする工程である。ここで真空雰囲気及び不活性雰囲気とは、MXeneナノシートの酸化を抑制するために採用する雰囲気であり、空気と比べて酸化が抑制できる雰囲気であれば充分である。
Drying Step: The granules obtained in the granulation step can be used as the composite particulate material of this embodiment as is, but can also be dried afterwards to remove interlayer water from the MXene nanosheets. The drying step involves drying the granules at 100 to 120°C in a vacuum or inert atmosphere to produce the composite particulate material of this embodiment. Here, the vacuum and inert atmospheres are used to suppress oxidation of the MXene nanosheets, and any atmosphere that can suppress oxidation compared to air will suffice.
MXeneナノシートの層間水の残留を抑制すると二次電池やシュードキャパシタの電極として使用した時に、サイクル数を増やした時の特性劣化が抑制できる。乾燥工程の温度は、造粒体の温度で判断する。造粒体の温度を制御するために雰囲気の温度を制御したり、赤外線などにより造粒体を直接加熱したり、造粒体を収納する容器の温度を制御して伝熱により造粒体の温度を制御したりできる。 Preventing residual interlayer water in MXene nanosheets can suppress deterioration of characteristics when used as electrodes in secondary batteries or pseudocapacitors with increased cycle counts. The temperature in the drying process is determined by the temperature of the granules. The temperature of the granules can be controlled by controlling the ambient temperature, directly heating the granules using infrared rays, or controlling the temperature of the container that holds the granules to control the temperature of the granules through heat transfer.
乾燥工程を行う温度は、MXeneナノシートが変性しない又は変性が許容できる範囲内である温度であり、且つ、MXeneナノシートの層間に含まれている水分が除去可能な温度である。乾燥工程を行うことで層間水を効果的に除去することができる。例えば、全体の質量を基準として、10質量%未満の水分量にまで容易に到達することができる。乾燥工程を行う時間としては特に限定しないが、全体の質量を基準として水分量が10%未満になるまで行ったり、質量変化が1時間あたり1.0%以下になるまで行ったりすることが好ましい。水分量としては8%以下、6%以下、4%以下、2%以下、1%以下にすることが更に好ましく、質量変化としては一時間あたり0.5%以下になるまで行うことが更に好ましい。The drying process is performed at a temperature at which the MXene nanosheets do not denature or denature is within an acceptable range, and at which the moisture contained between the layers of the MXene nanosheets can be removed. By performing the drying process, interlayer water can be effectively removed. For example, a moisture content of less than 10% by mass based on the total mass can be easily achieved. The drying time is not particularly limited, but it is preferable to perform the drying process until the moisture content is less than 10% based on the total mass, or until the mass change is 1.0% or less per hour. It is more preferable to perform the drying process until the moisture content is 8% or less, 6% or less, 4% or less, 2% or less, or 1% or less, and it is even more preferable to perform the drying process until the mass change is 0.5% or less per hour.
・その他必要な工程
その他必要な工程としては特に限定しないが、前処理工程が例示できる。前処理工程は、MXeneを製造する方法の一例である。例えば、TiCとTiNとAlとTiの混合原料をCIP又は一軸加圧により1トン/cm2から3トン/cm2の範囲で加圧処理した圧粉体破砕片を、あるいは加圧処理することなく、1400℃から1600℃以下の不活性雰囲気中で熱処理することにより高純度なTi3層のMAX相セラミックスであるTi3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは1.0)を得ることが例示できる。また、MAX相セラミックス粉末に酸性物質を20℃から30℃に制御した温度にて接触させて、MAX相セラミックス粉末に含まれるAl元素の一部を除去することで製造することができる。
Other Necessary Steps: Examples of other necessary steps include, but are not limited to, a pretreatment step. The pretreatment step is an example of a method for producing MXene. For example, a mixed raw material of TiC, TiN, Al, and Ti is pressurized by CIP or uniaxial pressing at a pressure of 1 to 3 ton/ cm² , and the resulting compact fragments are heat-treated in an inert atmosphere at 1400 to 1600°C, or without pressure treatment, to obtain high-purity Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 1.0), which is a MAX-phase ceramic with three Ti layers. Alternatively, MXene can be produced by contacting the MAX-phase ceramic powder with an acidic substance at a controlled temperature of 20 to 30°C to remove a portion of the Al element contained in the MAX-phase ceramic powder.
前処理工程に供する原料は、Ti3層については、Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは1.0)で表される組成を有するMAX相セラミックス粉末である。さらに、Alを除去する量は酸性物質により酸処理されて製造されるMAX相セラミックス粉末中のAlの量(xに相当)が0.01以上になる程度に残存するように調節する。下限としては0.02を採用することができる。上限は0.05になるように調整することがより好ましい。なお、Alを全部除去することも可能であり、その場合にはAlを除去する以上にまで酸処理を進めないことが好ましい。 The raw material used in the pretreatment step is a MAX-phase ceramic powder having a composition expressed as Ti3Ala ( C ( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 1.0) for the Ti3 layer. Furthermore, the amount of Al removed is adjusted so that the amount of Al (corresponding to x) remaining in the MAX-phase ceramic powder produced by acid treatment with an acidic substance is 0.01 or more. A lower limit of 0.02 can be used. It is more preferable to adjust the upper limit to 0.05. It is also possible to remove all of the Al, and in that case, it is preferable not to proceed with the acid treatment beyond the removal of the Al.
除去されるAlの量は、酸性物質(酸水溶液など)と接触する時間(長くすると除去される量が増加する)、酸性物質の濃度(濃度が高い方が除去される量が増加する)、酸性物質の量(酸性物質の絶対量が多い方が除去され得る量を多くできる)、接触させる温度(温度が高い方が除去される量が増加する)を変化させることで調節できる。The amount of Al removed can be adjusted by changing the contact time with the acidic substance (such as an acidic aqueous solution) (longer contact times increase the amount removed), the concentration of the acidic substance (higher concentrations increase the amount removed), the amount of acidic substance (higher absolute amounts of acidic substance increase the amount that can be removed), and the contact temperature (higher temperatures increase the amount removed).
層状化合物であるMAX相セラミックス粉末(A元素がAl)に対して、酸処理を行うことによりAlの一部を除去して粒子材料を構成する空隙層を有する数ミクロンメートルの大きさのマルチレイヤ層状化合物とする。Al層の一部を除去するための酸としてはフッ酸と塩酸との組み合わせた酸性物質を採用する。フッ酸と塩酸との組み合わせを実現するためにはフッ酸の塩(KF、LiFなど)と塩酸とを混合してフッ酸と塩酸との混合物を得ることが好ましい。 A layered compound, MAX phase ceramic powder (A element is Al), is subjected to acid treatment to remove a portion of the Al, resulting in a multi-layered layered compound several microns in size with a void layer that constitutes the particle material. The acid used to remove the portion of the Al layer is an acidic substance that combines hydrofluoric acid and hydrochloric acid. To achieve this combination of hydrofluoric acid and hydrochloric acid, it is preferable to mix a salt of hydrofluoric acid (such as KF or LiF) with hydrochloric acid to obtain a mixture of hydrofluoric acid and hydrochloric acid.
特に酸性物質としてはこれらの酸の水溶液を採用する。フッ化塩が完全に解離したと仮定した時に形成されるフッ酸と塩酸との混合濃度としては特に限定しない。フッ酸の濃度としては下限が1.7mol/L、2.0mol/L、2.3mol/L、上限が2.5mol/L、2.6mol/L、2.7mol/L程度にすることができる。塩酸の濃度としては下限が2.0mol/L、3.0mol/L、4.0mol/L、上限が13.0mol/L、14.0mol/L、15.0mol/L程度にすることができる。 In particular, aqueous solutions of these acids are used as acidic substances. There are no particular restrictions on the mixed concentration of hydrofluoric acid and hydrochloric acid formed when the fluoride salt is assumed to be completely dissociated. The lower limit of the hydrofluoric acid concentration can be approximately 1.7 mol/L, 2.0 mol/L, or 2.3 mol/L, and the upper limit can be approximately 2.5 mol/L, 2.6 mol/L, or 2.7 mol/L. The lower limit of the hydrochloric acid concentration can be approximately 2.0 mol/L, 3.0 mol/L, or 4.0 mol/L, and the upper limit can be approximately 13.0 mol/L, 14.0 mol/L, or 15.0 mol/L.
フッ化塩が完全に解離したと仮定した時に形成されるフッ酸と塩酸との混合比(モル比)についても特に限定しないが、フッ酸の下限として、1:13、1:12、1:11、上限として1:5、1:6、1:7程度を採用することができる。ここで示したフッ酸及び塩酸濃度、混合比についてはそれぞれ任意に組み合わせて採用することができる。酸処理温度については、20℃から30℃が好ましい。20℃から25℃がさらに好ましい。There are no particular restrictions on the mixing ratio (molar ratio) of hydrofluoric acid to hydrochloric acid formed when the fluoride salt is assumed to be completely dissociated, but lower limits for hydrofluoric acid can be 1:13, 1:12, or 1:11, and upper limits can be approximately 1:5, 1:6, or 1:7. The concentrations and mixing ratios of hydrofluoric acid and hydrochloric acid shown here can be used in any combination. The acid treatment temperature is preferably 20°C to 30°C, and more preferably 20°C to 25°C.
(電極材料)
本実施形態の電極材料は、二次電池に好適に用いることができる材料である。特に層間へのLiイオンやNaイオンの挿入脱離が可能であることから、電極活物質として好適に利用できる。また、その導電性から導電補助剤に用いることもできる。リチウム二次電池、及びナトリウム二次電池に有効である。酸処理によってAl層を除去した空隙層にリチウムイオンやナトリウムイオンが貯蔵、脱離される。
(electrode material)
The electrode material of this embodiment is a material that can be suitably used in secondary batteries. In particular, since it is possible to insert and desorb Li ions and Na ions between the layers, it can be suitably used as an electrode active material. In addition, due to its conductivity, it can also be used as a conductive auxiliary agent. It is effective in lithium secondary batteries and sodium secondary batteries. Lithium ions and sodium ions are stored and desorbed in the void layer formed by removing the Al layer by acid treatment.
ここではリチウム二次電池を例に挙げて説明する。電極は、本実施形態の複合粒子材料からなる活物質を含む活物質層と、金属の薄板などから構成され表面に活物質からなる活物質層が形成される集電体とを有する。活物質層を形成するためにはバインダを含むことができる。また活物質層には必要に応じて本実施形態の複合粒子材料以外の活物質・導電補助剤などを含有させることができる。バインダはカルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、スチレン-ブタジエンゴム、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどの汎用されているバインダやその他バインダとして利用できるものが採用できる。導電補助剤としてはアセチレンブラック、ケツチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンファイバ、黒鉛粉末、ハードカーボン粉末などが採用できる。 Here, a lithium secondary battery will be used as an example. The electrode has an active material layer containing an active material made of the composite particle material of this embodiment, and a current collector made of a thin metal plate or the like, on whose surface an active material layer made of an active material is formed. A binder can be included to form the active material layer. Furthermore, the active material layer can contain active materials other than the composite particle material of this embodiment, conductive additives, and the like, as needed. Commonly used binders such as carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, styrene-butadiene rubber, polyvinylpyrrolidone, and polyvinyl alcohol, as well as other binders, can be used as binders. Acetylene black, Ketjen black, carbon nanotubes, graphene, carbon fiber, graphite powder, hard carbon powder, and the like can be used as conductive additives.
本発明の複合粒子材料及びその製造方法について以下実施例に基づき詳細に説明を行う。 The composite particle material of the present invention and its manufacturing method will be described in detail below based on the examples.
(実施例1)
・前処理工程
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)12.3g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)4.9g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)2.8gをイソプロパノール(IPA)中で12時間 ボールミル混合し、エバポレータでIPAを除去して均一混合された乾燥粉末を得た。
Example 1
Pretreatment step: 12.3 g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 4.9 g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co., Ltd.), and 2.8 g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co., Ltd.) were mixed in isopropanol (IPA) using a ball mill for 12 hours, and the IPA was removed using an evaporator to obtain a uniformly mixed dry powder.
黒鉛抵抗炉を用いてAr気流中1450℃、2hの条件で、均一混合された乾燥粉末をアルミナるつぼに入れて焼成しMAX相セラミックスとしてのTi3AlC2を得た。得られたTi3AlC2について乳鉢と乳棒を用いて粗粉砕した後、IPA中で5mmのジルコニアボールを用いたボールミル粉砕を24時間行った。その後、0.5mmのジルコニアボールを用いた遊星ボールミル粉砕(200rpm、15分を3回)行い、懸濁液を得た。懸濁液に対してエバポレータでIPAを除去して約3μmに粉砕されたTi3AlC2粉末を得た。 The uniformly mixed dried powder was placed in an alumina crucible and fired in a graphite resistance furnace under Ar flow conditions at 1450°C for 2 hours to obtain Ti3AlC2 as MAX phase ceramics. The obtained Ti3AlC2 was coarsely ground using a mortar and pestle, and then ball milled in IPA using 5 mm zirconia balls for 24 hours. This was then ground in a planetary ball mill using 0.5 mm zirconia balls (200 rpm, 15 minutes, three times) to obtain a suspension. The IPA was removed from the suspension using an evaporator, and Ti3AlC2 powder milled to approximately 3 μm was obtained.
300mLの濃HClにLiF18gを入れた酸水溶液を準備し、氷で冷やしながら10gのTi3AlC2粉末を入れて、10℃から20℃に制御された環境下で、24時間、マグネチックスターラーで撹拌することで、Alをエッチングして除去し、Ti3Al0.02C2 MXeneからなる粒子材料を得た。エッチング後、pH6程度になるまで水洗し、最後に水をエタノールに置換した。この操作により、粒子材料は、エタノール中に懸濁された原料懸濁液を得た。 An acidic aqueous solution of 18 g of LiF in 300 mL of concentrated HCl was prepared. 10 g of Ti3AlC2 powder was added while cooling with ice, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer for 24 hours in an environment controlled at 10 to 20 °C to etch and remove the Al, yielding a particulate material consisting of Ti3Al0.02C2MXene . After etching, the material was washed with water until the pH reached about 6, and finally the water was replaced with ethanol. This operation yielded a raw material suspension of the particulate material suspended in ethanol.
原料懸濁液は、粒子濃度を測定し、Ti3Al0.02C2 MXeneの粒子濃度が15.6mg/mLになるように水を添加して調整した。 The particle concentration of the raw material suspension was measured, and water was added to adjust the particle concentration of Ti 3 Al 0.02 C 2 MXene to 15.6 mg/mL.
・剥離工程
この原料懸濁液に対して、ZrO2ビーズ径50μmのビーズミルをスラリー送入速度150mL/min、ZrO2ビーズ充填量80%の条件で処理を行うことで、Ti3Al0.02C2 MXeneからなる剥離物を生成した。この処理を3回繰り返すことにより、原料懸濁液中に含まれるTi3Al0.02C2 MXeneからなる粒子材料は、概ね全て(質量基準で99%以上)剥離物になり、その剥離物を含む剥離物懸濁液を得た。
This raw material suspension was treated in a bead mill with ZrO2 beads of 50 μm diameter at a slurry feed rate of 150 mL/ min and a ZrO2 bead loading of 80%, producing an exfoliated material made of Ti3Al0.02C2MXene . By repeating this treatment three times, almost all (99% or more by mass) of the particulate material made of Ti3Al0.02C2MXene contained in the raw material suspension was converted into exfoliated material, and an exfoliated material suspension containing this exfoliated material was obtained.
得られた剥離物懸濁液について、ピラニア処理(H2SO4:H2O2=3体積部:1体積部の混合液に浸漬)したSi基板上に滴下し、AFM分析を行った。AFM像を図1に示す。剥離した剥離物(ナノシート)を無作為に100個抜き取り、AFMにより測定した厚さの平均値を求め表1に示す。さらにSEM観察の結果を図2に示す。剥離物を無作為に100個抜き取り、SEM写真より縦(厚み方向に直交する方向での最大径)と横(縦方向及び厚み方向に直交する方向)の寸法を測定し、その平均値をその剥離物の大きさと定義し、100個の剥離物の大きさの平均値を表1に示す。MAX相セラミックスであるTi3AlC2の粉末について、XRD測定し、そのプロファイルを図3に示す。 剥離物について、水中 pH7.0におけるゼータ電位を測定し、-28.9mVであった。 The resulting exfoliated material suspension was dropped onto a piranha-treated Si substrate (immersed in a mixed solution of 3 parts by volume of H2SO4 : H2O2 :1 part by volume ) , and AFM analysis was performed. The AFM image is shown in Figure 1. One hundred exfoliated materials (nanosheets) were randomly sampled, and the average thickness measured by AFM was calculated and shown in Table 1. Furthermore, the results of SEM observation are shown in Figure 2. One hundred exfoliated materials were randomly sampled, and the vertical (maximum diameter in the direction perpendicular to the thickness) and horizontal (directions perpendicular to the vertical and thickness directions) dimensions were measured from the SEM photograph. The average value was defined as the size of the exfoliated material, and the average size of the 100 exfoliated materials is shown in Table 1. XRD measurement was performed on powder of Ti3AlC2 , a MAX phase ceramic, and the resulting profile is shown in Figure 3. The zeta potential of the exfoliated material in water at pH 7.0 was measured and found to be -28.9 mV.
・酸処理工程
カーボン微小体としてのアセチレンブラックを酸処理する方法として、硫酸(98質量%)と硝酸(68質量%)を体積比で3:1で混合した混酸100質量部にアセチレンブラックを1.0質量部添加し、85℃の環境下で10分間浸漬して行った。その後、pH6.0程度になるまで水洗し、その後、水をIPAにて置換した。それを室温で風乾して親水性の酸処理アセチレンブラック粉末を得た。FTIR分析し、表面官能基としてCOOH基とCO基を検出した。水中pH7.0におけるゼータ電位を測定した所、-22.5mVであった。酸処理アセチレンブラックは、振とう機で140rpm、振幅45mm、24hの条件で凝集を解砕し、親水性アセチレンブラック水スラリーを準備した。親水性アセチレンブラック水スラリーを親水化処理したSiウエハーに滴下しSEM観察した。100個の一次粒子を任意に観察し、縦と横の寸法を測定し、その平均値である一次粒子径を表1に示す。
Acid Treatment Step: The acid treatment of acetylene black as carbon microparticles was carried out by adding 1.0 part by mass of acetylene black to 100 parts by mass of a mixed acid (a 3:1 volumetric mixture of sulfuric acid (98% by mass) and nitric acid (68% by mass)) and immersing the mixture at 85°C for 10 minutes. The mixture was then washed with water until the pH reached approximately 6.0, after which the water was replaced with IPA. The mixture was air-dried at room temperature to obtain hydrophilic acid-treated acetylene black powder. FTIR analysis detected COOH and CO groups as surface functional groups. The zeta potential at pH 7.0 in water was measured to be -22.5 mV. The acid-treated acetylene black was disaggregated using a shaker at 140 rpm with an amplitude of 45 mm for 24 hours to prepare a hydrophilic acetylene black aqueous slurry. The hydrophilic acetylene black aqueous slurry was then dropped onto a hydrophilically treated Si wafer and observed using an SEM. One hundred primary particles were randomly observed, and the longitudinal and lateral dimensions were measured. The average primary particle diameter is shown in Table 1.
・混合工程と凝集工程
剥離工程で得られた粒子濃度15.6mg/mLの剥離物懸濁液220mLに、塩化リチウム粉末5.3gと、酸処理工程により酸処理したアセチレンブラック粉末を、剥離物(Ti3Al0.02C2 MXene)を基準として5質量%量である0.172gを添加した後、振とう機で140rpm 振幅45mmの条件で5時間均一撹拌した。アセチレンブラックは、先述したように、10mLの水中に分散スラリー化した状態で添加した。均一撹拌後、3.5gの水酸化リチウムを純水30mLに溶かした水溶液をあらかじめ1時間振とう機で140rpm、振幅45mmの条件で完全に溶解させたアルカリ性水溶液を添加し、振とう機で140rpm、振幅45mmの条件で1時間撹拌した。その後、水洗1回、エタノール置換を3回行い、エタノール中で140rpmの条件で6時間振とう機を用いて撹拌して、粗大な凝集体のほぐしを行い、5.0mg/mLの粒子濃度の凝集物のエタノールスラリーを得た。水洗やエタノール置換は、水やエタノールを加えた後に1000~8000G、10分の条件による遠心沈降で凝集物を沈降させ、上澄みを除去することで行った。得られたアルコールスラリー中のアルコールとしてのエタノールの含有量は分散媒全体の質量を基準として99%であった。
Mixing and Aggregation Steps: 5.3 g of lithium chloride powder and 0.172 g of acetylene black powder treated with acid in the acid treatment step (5% by mass based on the exfoliated material ( Ti3Al0.02C2MXene )) were added to 220 mL of the exfoliated material suspension with a particle concentration of 15.6 mg / mL obtained in the exfoliation step, and the mixture was uniformly stirred for 5 hours at 140 rpm and an amplitude of 45 mm using a shaker. As described above, the acetylene black was added in the form of a slurry dispersed in 10 mL of water. After uniform stirring, an alkaline aqueous solution was added, which had been prepared by dissolving 3.5 g of lithium hydroxide in 30 mL of pure water and shaking it at 140 rpm and an amplitude of 45 mm for 1 hour, and the mixture was then stirred for 1 hour at 140 rpm and an amplitude of 45 mm using a shaker. The mixture was then washed with water once and substituted with ethanol three times. The mixture was then stirred in ethanol at 140 rpm for 6 hours using a shaker to loosen coarse aggregates, yielding an ethanol slurry of the aggregates with a particle concentration of 5.0 mg/mL. The water washing and ethanol substitution were carried out by adding water or ethanol, then centrifuging the aggregates at 1000-8000 G for 10 minutes, and removing the supernatant. The content of ethanol as alcohol in the resulting alcohol slurry was 99% based on the mass of the total dispersion medium.
・造粒工程
スプレードライ装置を用いて、複合凝集粒子材料のアルコールスラリーをスプレードライして造粒体を調製した。運転条件は、ディスク回転数20000rpm、窒素雰囲気中、ディスクへのアルコールスラリー投入温度を80℃、アルコールスラリー投入速度を1.4kg/時間とした。
Granulation step: Granules were prepared by spray-drying an alcohol slurry of the composite agglomerated particle material using a spray dryer under the following operating conditions: disk rotation speed: 20,000 rpm, nitrogen atmosphere, alcohol slurry charging temperature to the disk: 80°C, alcohol slurry charging rate: 1.4 kg/hour.
・乾燥工程
造粒工程で得られた造粒体について、真空中110℃、6時間の条件で乾燥を行い、層間の水を除去し、本実施例のMXene/導電性カーボンブラックの複合粒子材料を得た。
Drying Step The granules obtained in the granulation step were dried in a vacuum at 110°C for 6 hours to remove interlayer water, thereby obtaining the MXene/conductive carbon black composite particle material of this example.
・評価
得られた複合粉末のSEM写真(図4)にを示す。図から明らかなように、得られた複合粒子材料は、球形度が高く、拡大すると、アセチレンブラックが均一に分散した極めて薄いMXeneナノシートとの3Dポーラス凝集構造が維持され、高比表面積であることが分かった。100個の二次粒子を同様にSEM観察した所、全て同様のポーラス微細構造を有する複合粒子材料であった。つまり、微細構造が外的な応力により乱されていないことが明らかになった。
Evaluation: An SEM photograph (Figure 4) of the obtained composite powder is shown. As is clear from the figure, the obtained composite particle material has high sphericity, and when magnified, it is clear that the 3D porous aggregate structure with extremely thin MXene nanosheets in which acetylene black is uniformly dispersed is maintained, resulting in a high specific surface area. Similarly, when 100 secondary particles were observed under SEM, they were all found to be composite particle materials with the same porous microstructure. In other words, it was clear that the microstructure was not disturbed by external stress.
表2に二次粒子の平均径、二次粒子の球形度、表3に比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を示す。図5に窒素吸着等温線を示す。二次粒子の平均径はSEM像から任意に100個を抜き取り(長辺+短辺)/2を二次粒子径としその平均を算出し平均径とした。二次粒子の球形度は100個を抜き取り短辺/長辺を測定し、その平均を算出し球形度とした。上限1.0で1.0に近いほど球形度が高い。二次粒子のかさ密度はJIS1628-1997に従って測定した。比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量については、真空中で110℃、6時間加熱した直後にBET法により測定した。Ti3Al0.02C2 MXeneナノシート及びカーボン微小体としてのアセチレンブラックのそれぞれの一次粒子の分散の度合いである相互分散度を測定した。具体的には、ラマン分光分析により、数値化した。アナターゼが析出しないレーザー強度で100cm-1から2000cm-1の範囲で100点について分析を行い、Bピーク強度/Aピーク強度の比率について、標準偏差を算出し相互分散度とした。得られた相互分散度を表4に示す。得られた複合粒子材料を真空中110℃で5h熱処理し質量変化を測定し表5に示す。更に得られた複合粒子材料をXRD測定し図3にプロファイルを示す。XRD測定の結果から、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に示す。得られた複合粒子材料をφ10mmの金型で0.5kg/cm2の圧力で一軸加圧成形し、その後1.0トン/cm2の圧力で冷間静水圧加圧(CIP)処理した圧粉体を用いて、φ0.1mmの銅線を用いた4端子法で測定した表面の電気抵抗を測定し表7に示す。 Table 2 shows the average diameter and sphericity of secondary particles, and Table 3 shows the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density. Figure 5 shows the nitrogen adsorption isotherm. The average diameter of secondary particles was determined by randomly selecting 100 particles from an SEM image, calculating the average of (long side + short side)/2, which was the secondary particle diameter. The sphericity of secondary particles was determined by measuring the short side/long side of 100 particles, and calculating the average. The upper limit is 1.0, with values closer to 1.0 indicating higher sphericity. The bulk density of secondary particles was measured in accordance with JIS 1628-1997. The specific surface area, average pore diameter, and average pore volume were measured by the BET method immediately after heating in a vacuum at 110 °C for 6 hours. The degree of mutual dispersion, which represents the degree of dispersion of primary particles of Ti3Al0.02C2MXene nanosheets and acetylene black as carbon microparticles, was measured. Specifically, the values were quantified using Raman spectroscopy. Analysis was performed at 100 points in the range of 100 cm -1 to 2000 cm -1 using a laser intensity at which anatase does not precipitate. The standard deviation of the B peak intensity/A peak intensity ratio was calculated and used as the interdispersity. The obtained interdispersity is shown in Table 4. The obtained composite particle material was heat-treated in a vacuum at 110°C for 5 hours, and the mass change was measured and shown in Table 5. The obtained composite particle material was also subjected to XRD measurement, and the profile is shown in Figure 3. From the results of the XRD measurement, the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheet is shown in Table 6. The obtained composite particle material was uniaxially pressed in a φ10 mm mold at a pressure of 0.5 kg/ cm2 , and then cold isostatically pressed (CIP) at a pressure of 1.0 ton/ cm2 . The surface electrical resistance was measured using a four-probe method using a φ0.1 mm copper wire and is shown in Table 7.
(実施例2)
黒鉛抵抗炉を用いてAr気流中1430℃、2hの条件で、均一混合された乾燥粉末をアルミナるつぼに入れて焼成しMAX相セラミックスとしてのTi3AlC2を得た以外は実施例1と同様に複合粒子材料を得た。実施例1と同様に測定し結果を図と表に示す。剥離したMXeneナノシートのAFM像を図6に、SEM像を図7に示す。MAX相セラミックスと複合粒子材料のXRDプロファイルを図8に、SEM像を図9示す。剥離したMXeneナノシートの平均厚みと大きさを表1に、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に、表面電気抵抗を表7に示す。
Example 2
The composite particle material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the uniformly mixed dried powder was placed in an alumina crucible and fired in a graphite resistance furnace in an Ar stream at 1430°C for 2 hours to obtain Ti3AlC2 as a MAX phase ceramic. Measurements were performed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in the figures and tables. An AFM image of the exfoliated MXene nanosheets is shown in Figure 6, and an SEM image is shown in Figure 7. XRD profiles of the MAX phase ceramics and the composite particle material are shown in Figure 8, and an SEM image is shown in Figure 9. The average thickness and size of the exfoliated MXene nanosheets are shown in Table 1, the average particle diameter and sphericity of the resulting composite particle material are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density are shown in Table 3, the mutual dispersion is shown in Table 4, the mass change is shown in Table 5, the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheets is shown in Table 6, and the surface electrical resistivity is shown in Table 7.
(実施例3)
酸処理アセチレンブラックの添加量をTi3Al0.02C2 MXeneナノシートの質量を基準として10質量%とした以外は実施例2と同様にMXeneと酸処理アセチレンブラックとの複合粒子材料を作製した。実施例1と同様の方法で測定し、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXene ナノシートの(002)面の層間距離を表6に、表面電気抵抗を表7に示す。
Example 3
A composite particulate material of MXene and acid -treated acetylene black was prepared in the same manner as in Example 2, except that the amount of acid-treated acetylene black added was 10 mass % based on the mass of the Ti3Al0.02C2MXene nanosheets . Measurements were performed in the same manner as in Example 1, and the average particle diameter and sphericity of the resulting composite particulate material are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the mutual dispersity in Table 4, the mass change in Table 5, the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheets in Table 6, and the surface electrical resistivity in Table 7.
(実施例4)
酸処理アセチレンブラックの添加量をTi3Al0.02C2 MXeneナノシートの質量を基準として3質量%とした以外は実施例2と同様にMXeneと酸処理アセチレンブラックとの複合粒子材料を作製した。実施例1と同様の方法で測定し、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に表面電気抵抗を表7に示す。
Example 4
A composite particulate material of MXene and acid -treated acetylene black was prepared in the same manner as in Example 2, except that the amount of acid-treated acetylene black added was 3 mass % based on the mass of the Ti3Al0.02C2MXene nanosheets . Measurements were performed in the same manner as in Example 1, and the average particle diameter and sphericity of the resulting composite particulate material are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the mutual dispersity in Table 4, the mass change in Table 5, the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheets in Table 6, and the surface electrical resistivity in Table 7.
(実施例5)
TiC粉末(TI-30-10-0020、レアメタリック社)9.2g、TiN粉末(TN-30-10-0020、レアメタリック社)3.2g、Ti粉末(TIE07PB 3N、高純度化学)4.9g、Al粉末(ALE15PB 3NG、高純度化学)2.8gを出発原料に用いて実施例1と同様にTi3Al(C0.75N0.25)2粉末を作製した。XRD分析で不純物のないMAX相セラミックス粉末であることを確認した。これを用いて、実施例1と同様に複合粒子材料を調製した。実施例1と同様の方法で測定し、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に示す。
Example 5
Starting materials were 9.2 g of TiC powder (TI-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 3.2 g of TiN powder (TN-30-10-0020, Rare Metallic Co., Ltd.), 4.9 g of Ti powder (TIE07PB 3N, Kojundo Chemical Co., Ltd.), and 2.8 g of Al powder (ALE15PB 3NG, Kojundo Chemical Co., Ltd.) , and Ti3Al ( C0.75N0.25 ) 2 powder was prepared in the same manner as in Example 1. XRD analysis confirmed that the powder was a MAX-phase ceramic powder without impurities. This powder was used to prepare a composite particle material in the same manner as in Example 1. The average particle diameter and sphericity of the obtained composite particle material were measured in the same manner as in Example 1, and are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the mutual dispersion in Table 4, the mass change in Table 5, and the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheet in Table 6.
(比較例1)
酸処理アセチレンブラックの添加量をTi3Al0.02C2MXeneナノシートの質量を基準として2質量%とした以外は実施例2と同様にMXeneと酸処理アセチレンブラックとの複合粒子材料を作製した。実施例1と同様の方法で測定し、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に示す。
(Comparative Example 1)
A composite particulate material of MXene and acid -treated acetylene black was prepared in the same manner as in Example 2, except that the amount of acid-treated acetylene black added was 2 mass % based on the mass of the Ti3Al0.02C2MXene nanosheets . Measurements were performed in the same manner as in Example 1, and the average particle diameter and sphericity of the resulting composite particulate material are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the mutual dispersity in Table 4, the mass change in Table 5, and the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheets in Table 6.
(比較例2)
混合工程と凝集工程までは実施例2と同様に複合凝集粒子材料のエタノールスラリーを作製した。溶媒中に残留する水をさらに少なくするため、溶媒をエタノールからIPAに置換し複合凝集粒子材料のIPAスラリーを作製した。IPAスラリーに遠心沈降(7900G)を行い、その沈降物を12時間 室温環境下で風乾した。その後、真空中60℃、6hで熱処理し、複合凝集粒子材料の塊を得た。その後、乳鉢と乳棒で構成される擂潰機で、物理的な応力を付加して粉砕して本比較例の複合粒子材料を作製した。その他の工程については実施例1と同様の操作を行った。
(Comparative Example 2)
An ethanol slurry of the composite agglomerated particle material was prepared in the same manner as in Example 2 up to the mixing and aggregating steps. To further reduce the amount of water remaining in the solvent, the solvent was replaced from ethanol to IPA, producing an IPA slurry of the composite agglomerated particle material. The IPA slurry was subjected to centrifugal sedimentation (7900 G), and the sediment was air-dried for 12 hours at room temperature. This was then heat-treated in a vacuum at 60°C for 6 hours to obtain a mass of the composite agglomerated particle material. This was then crushed by applying physical stress in a crusher consisting of a mortar and pestle, producing the composite particle material of this comparative example. The remaining steps were the same as in Example 1.
実施例1と同様に測定し、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に、表面電気抵抗を表7に示す。更に100個の二次粒子をSEM観察し、物理的な応力を付加して粉砕した場合の微細構造の均一性を調べた。ほとんどの二次粒子について凝集構造を維持していたが、数個の二次粒子について凝集構造が破壊されていた(図10)。Measurements were performed in the same manner as in Example 1. The average particle diameter and sphericity of the resulting composite particle material are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the mutual dispersity in Table 4, the mass change in Table 5, the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheet in Table 6, and the surface electrical resistance in Table 7. Furthermore, 100 secondary particles were observed under SEM to examine the uniformity of their microstructure when crushed by applying physical stress. Most secondary particles maintained their aggregated structure, but the aggregated structure was destroyed for several secondary particles (Figure 10).
(比較例3)
剥離工程まで実施例1と同様に剥離物懸濁液を得た。剥離工程で得られた粒子濃度15.6mg/mLの剥離物懸濁液220mLに、3.5gの水酸化リチウムを純水40mLに溶かした水溶液をあらかじめ1時間振とう機で140rpm、振幅45mmの条件で完全に溶解させたアルカリ性水溶液を添加し、振とう機で140rpm、振幅45mmの条件で1時間撹拌した。その後、水洗1回、エタノール置換を3回行い、エタノール中で140rpmの条件で6時間振とう機を用いて撹拌して、粗大な凝集体のほぐしを行い、5.0mg/mLの粒子濃度の凝集物のエタノールスラリーを得た。比較例2と同様に溶媒をIPAに置換し複合凝集粒子材料のIPAスラリーを作製した。IPAスラリーに遠心沈降(7900G)を行い、複合凝集粒子材料を沈降させ、その沈降物を12時間室温で風乾した。その後、真空中60℃、6hで乾燥を行い、複合凝集粒子材料の塊を得た。その後、乳鉢と乳棒で構成される擂潰機で、物理的な応力を付加して粉砕して複合粒子材料を作製した。作製した二次粒子を、MXeneの質量を基準として5%の酸処理アセチレンブラックとN-メチルピロリドン(NMP)を添加してペーストを作製した。ペースト作製は乳鉢と乳棒で構成される擂潰機で行った。その後、真空中110℃、6hで乾燥しNMPを除去し、MXeneとアセチレンブラックの複合粒子材料を作製した。その他の工程については比較例2と同様の操作を行った。
(Comparative Example 3)
A suspension of exfoliated material was obtained in the same manner as in Example 1 up to the peeling step. To 220 mL of the suspension of exfoliated material obtained in the peeling step, with a particle concentration of 15.6 mg/mL, was added an alkaline aqueous solution in which 3.5 g of lithium hydroxide had been dissolved in 40 mL of pure water and completely dissolved by shaking at 140 rpm and 45 mm amplitude for 1 hour. The mixture was then stirred for 1 hour at 140 rpm and 45 mm amplitude. The mixture was then washed with water once and substituted with ethanol three times. The mixture was then stirred in ethanol at 140 rpm for 6 hours using a shaker to loosen coarse aggregates, yielding an ethanol slurry of aggregates with a particle concentration of 5.0 mg/mL. The solvent was replaced with IPA in the same manner as in Comparative Example 2, producing an IPA slurry of the composite agglomerated particle material. The IPA slurry was subjected to centrifugal sedimentation (7900 G) to settle the composite agglomerated particle material, and the sediment was air-dried at room temperature for 12 hours. The mixture was then dried in a vacuum at 60°C for 6 hours to obtain a lump of composite agglomerated particle material. It was then crushed by applying physical stress in a grinder consisting of a mortar and pestle to produce a composite particle material. The produced secondary particles were then added with 5% acid-treated acetylene black and N-methylpyrrolidone (NMP) based on the mass of MXene to produce a paste. The paste was produced in a grinder consisting of a mortar and pestle. It was then dried in a vacuum at 110°C for 6 hours to remove the NMP, producing a composite particle material of MXene and acetylene black. The remaining steps were the same as in Comparative Example 2.
実施例1と同様に測定し得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、(002)面の層間距離を表6に示す。 The average particle diameter and sphericity of the composite particle material obtained, measured in the same manner as in Example 1, are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the mutual dispersion in Table 4, the mass change in Table 5, and the interlayer distance of the (002) plane in Table 6.
(比較例4)
剥離工程まで実施例1と同様に220mLの剥離物懸濁液を得た。220mLのIPAを添加し、IPAと水の混合溶液中MXene凝集粒子スラリーを作製した。これを遠心沈降(7900G)し、その沈降物を12時間室温で風乾した。その後、真空中60℃、6hで乾燥し、凝集体の塊を得た。その後、乳鉢と乳棒で構成される擂潰機で、物理的な応力を付加して粉砕して二次粒子を作製した。作製した二次粒子を、MXeneの質量を基準として5%の酸処理アセチレンブラックが分散されたN-メチルピロリドン(NMP)を添加してペーストを作製した。ペーストは乳鉢と乳棒で構成された擂潰機を用いた。その後、真空中110℃、6hでNMPを除去し、MXeneとアセチレンブラックの複合粒子材料を作製した。その他の工程については比較例3と同様の操作を行った。
(Comparative Example 4)
The procedure up to the peeling step was the same as in Example 1, yielding 220 mL of a suspension of exfoliated material. 220 mL of IPA was added to prepare an MXene agglomerated particle slurry in a mixed solution of IPA and water. This was centrifuged (7900 G), and the resulting sediment was air-dried at room temperature for 12 hours. It was then dried in a vacuum at 60°C for 6 hours to obtain agglomerated masses. Secondary particles were then prepared by applying physical stress and grinding in a grinder consisting of a mortar and pestle. The resulting secondary particles were then added to N-methylpyrrolidone (NMP) in which 5% acid-treated acetylene black was dispersed, based on the mass of MXene, to prepare a paste. The paste was prepared using a grinder consisting of a mortar and pestle. The NMP was then removed in a vacuum at 110°C for 6 hours to produce a composite particle material of MXene and acetylene black. The remaining steps were the same as in Comparative Example 3.
実施例1と同様に測定し、得られた複合粒子材料の平均粒子直径、球形度を表2に、比表面積、平均細孔直径、平均細孔容量、かさ密度を表3に、窒素吸着等温線を図5に、相互分散度を表4に、質量変化を表5に、MXeneナノシートの(002)面の層間距離を表6に、表面電気抵抗を表7に示す。 Measurements were carried out in the same manner as in Example 1. The average particle diameter and sphericity of the obtained composite particle material are shown in Table 2, the specific surface area, average pore diameter, average pore volume, and bulk density in Table 3, the nitrogen adsorption isotherm in Figure 5, the mutual dispersion in Table 4, the mass change in Table 5, the interlayer distance of the (002) plane of the MXene nanosheet in Table 6, and the surface electrical resistance in Table 7.
表2、図4、図9から、Ti3Al0.02C2 MXene(97.0-90.0質量%)/カーボン微小体(3.0-10.0質量%)組成及びTi3Al0.02(C0.75N0.25)2MXene(95質量%)/カーボン微小体(5.0質量%)組成の凝集粉末アルコールスラリーをスプレードライした複合粉末材料は、概ねシングルミクロンメートルの平均二次粒子径で球形度に優れた。100個の二次粒子について高倍率のSEM観察を実施した結果、いずれも代表例として図4及び図9に示した3Dポーラス構造を示した。一方、凝集粉末の塊を風乾及び60℃、真空乾燥した後に乳鉢乳棒を用いて物理的な応力を付加して粉砕すると(擂潰機)、図10のSEM像を見て分かるように、細かく粉砕された部分と粉砕されていない粗大部分が混在し、さらに不定形となる。これではセルの膜作製時に均一な膜を得ることができない。さらに100個の複合粉末材料を高倍率のSEM観察を行い物理的な応力付加で凝集構造が破壊されていないかを調べた。代表例として図10に示したように、数個について凝集構造が破壊されていることが確認された。二次粒子径を小さくするために長時間物理的な応力を付加すると、凝集構造がさらに破壊されてしまった。 As shown in Table 2, Figures 4, and 9, the composite powder materials prepared by spray-drying alcohol slurries of Ti3Al0.02C2MXene ( 97.0-90.0 % by mass)/carbon nanoparticles ( 3.0-10.0 % by mass) and Ti3Al0.02 ( C0.75N0.25 ) 2MXene (95% by mass)/carbon nanoparticles (5.0% by mass) compositions had average secondary particle diameters of approximately single micrometers and excellent sphericity. High-magnification SEM observations of 100 secondary particles revealed the 3D porous structures shown in Figures 4 and 9 as representative examples. On the other hand, when the aggregated powder lumps were air-dried and vacuum-dried at 60°C and then crushed using a mortar and pestle under physical stress (crushing), finely crushed portions and large uncrushed portions coexisted, resulting in an amorphous structure, as seen in the SEM image in Figure 10. This makes it impossible to obtain a uniform film when fabricating the cell membrane. Furthermore, 100 pieces of composite powder material were observed under high magnification using an SEM to check whether the agglomerated structure had been destroyed by the application of physical stress. As shown in Figure 10 as a representative example, it was confirmed that the agglomerated structure had been destroyed in several pieces. Applying physical stress for a long period of time to reduce the secondary particle size further destroyed the agglomerated structure.
表3に3Dポーラス構造の物理的な数値を示す。Ti3Al0.02C2 MXene(97.0-90.0質量%)/カーボン微小体(3.0-10.0質量%)組成及びTi3Al0.02(C0.75N0.25)2MXene(95質量%)/カーボン微小体(5.0質量%)組成の凝集粉末アルコールスラリーをスプレードライした複合粉末材料は、凝集塊を物理的な応力付加により粉砕した複合粒子材料に比べて比表面積が高く、平均細孔直径、平均細孔容量が大きくなる。凝集粉末アルコールスラリーの液滴が瞬時に乾燥されるため乾燥時の収縮が抑制されるためである。表1に示したようにMXeneをモノレイヤレベル、具体的には厚みが1.5nmレベルまで剥離している。乾燥時の収縮はMXeneナノシートどうしが付着することを意味し、収縮させずに複合粉末材料を得る事はモノレイヤレベルのMXeneナノシートを維持して複合粉末材料が作製されていることを示す。イオン拡散性がスムーズになるため急速充放電可能、優れたサイクル特性、高容量に繋がる。 Table 3 shows the physical values of the 3D porous structure. Composite powder materials prepared by spray - drying agglomerated powder alcohol slurries of Ti3Al0.02C2MXene ( 97.0-90.0 % by mass)/carbon nanoparticles (3.0-10.0% by mass) and Ti3Al0.02 ( C0.75N0.25 ) 2MXene (95% by mass)/carbon nanoparticles (5.0% by mass) have higher specific surface areas, average pore diameters, and average pore volumes than composite particle materials prepared by crushing agglomerates through physical stress application. This is because the droplets of the agglomerated powder alcohol slurry dry instantly, suppressing shrinkage during drying. As shown in Table 1, the MXene is exfoliated to a monolayer level, specifically, a thickness of 1.5 nm. Shrinkage during drying means that the MXene nanosheets adhere to each other, and obtaining a composite powder material without shrinkage indicates that the composite powder material is made while maintaining a monolayer of MXene nanosheets. Smooth ion diffusion leads to rapid charge/discharge, excellent cycle characteristics, and high capacity.
MXeneナノシートの平均の大きさが造粒後の複合粒子材料の3Dポーラス構造の物理的な数値に及ぼす影響について具体的に説明する。実施例1と実施例2を比較すると実施例2の方が、比表面積が大きい。MAX相セラミックスの焼成(合成)温度を不純物生成のない範囲で低下させると層間の結合力が小さくなり、剥離工程でモノレイヤレベルの厚みを維持しつつ、平均の大きさが小さくなる。平均の大きさが0.2μm程度(実施例2)と小さい方が、0.8μm程度(実施例1)より比表面積が大きく、平均細孔直径が小さく、細孔容量が大きくなった。 The effect of the average size of the MXene nanosheets on the physical values of the 3D porous structure of the composite particle material after granulation will be specifically explained. Comparing Example 1 and Example 2, Example 2 has a larger specific surface area. Lowering the firing (synthesis) temperature of the MAX phase ceramics within a range that does not generate impurities weakens the interlayer bonding force, reducing the average size while maintaining a monolayer-level thickness during the exfoliation process. A smaller average size of approximately 0.2 μm (Example 2) had a larger specific surface area, smaller average pore diameter, and larger pore volume than a size of approximately 0.8 μm (Example 1).
図5に代表的な例として実施例1、実施例2と比較例4の吸着等温線を示した。本発明の複合粒子材料は優れた3Dポーラス材料であることが分かる。 Figure 5 shows the adsorption isotherms of Examples 1 and 2 and Comparative Example 4 as representative examples. It can be seen that the composite particle material of the present invention is an excellent 3D porous material.
表5に0.3gの複合粉末材料を20cm3以上の皿上に均一に拡げ真空中110℃で5時間加熱した時の質量変化を示した。Ti3Al0.02C2 MXene(97.0-90.0質量%)/カーボン微小体(3.0-10.0質量%)組成、及びTi3Al0.02(C0.75N0.25)2MXene(95質量%)/カーボン微小体(5.0質量%)組成の凝集粉末アルコールスラリーをスプレードライした複合粉末材料は、液滴を瞬時に乾燥した造粒体作製後に110℃真空乾燥しMXeneの層間に残存した水を完全に除去されている。一方、風乾後60℃真空乾燥した凝集塊を物理的な応力付加により粉砕した複合粒子材料はMXene層間に多量の水が残存した。凝集塊を風乾後110℃真空乾燥すると著しく収縮し、低比表面積化が起こる。通常セル作製時の膜作製後に110℃真空乾燥するがMXeneの層間の水を完全に除去することが困難でサイクル特性で劣化が生じるなどの問題が生じた。 Table 5 shows the mass change when 0.3 g of composite powder material was uniformly spread on a 20 cm3 or larger dish and heated in a vacuum at 110 °C for 5 hours. The composite powder material was prepared by spray-drying an alcohol slurry of agglomerated powder with a Ti3Al0.02C2MXene (97.0-90.0 wt%)/carbon microparticle (3.0-10.0 wt%) composition and a Ti3Al0.02 ( C0.75N0.25 ) 2MXene (95 wt%)/carbon microparticle (5.0 wt%) composition. The droplets were instantly dried to produce granules, which were then vacuum-dried at 110°C to completely remove the water remaining between the MXene layers. On the other hand, the composite particle material prepared by pulverizing the agglomerates, which had been air-dried and then vacuum-dried at 60°C, by physical stress application, still had a large amount of water remaining between the MXene layers. When the aggregates are air-dried and then vacuum-dried at 110°C, they shrink significantly, resulting in a low specific surface area. While vacuum drying at 110°C is typically performed after membrane fabrication in cell fabrication, it is difficult to completely remove the water between the MXene layers, which can lead to problems such as deterioration of cycle characteristics.
表3に得られた複合粒子材料のかさ密度を示した。Ti3Al0.02C2 MXene(97.0~90.0質量%)/カーボン微小体(3.0~10.0質量%)組成、及びTi3Al0.02(C0.75N0.25)2MXene(95質量%)/カーボン微小体(5.0質量%)組成の凝集粉末アルコールスラリーをスプレードライした複合粉末材料を、凝集塊を物理的な応力付加により粉砕した複合粒子材料と比較した。前者は3Dポーラス凝集構造をもち、均一な二次粒子径であって、球状の形態をもつことが特徴であり、後者は3Dポーラス凝集構造をもたず、前者に比べて緻密質で不定形ではあるが連続粒子配合となる特徴がある。このことからかさ密度は前者の方が小さくなる。 Table 3 shows the bulk densities of the resulting composite particulate materials. Composite powder materials prepared by spray - drying alcohol slurries of agglomerated powders of Ti3Al0.02C2MXene (97.0-90.0% by mass)/carbon microparticles (3.0-10.0% by mass) and Ti3Al0.02 ( C0.75N0.25 ) 2MXene (95% by mass)/carbon microparticles (5.0% by mass) were compared with composite particulate materials prepared by crushing the agglomerates by applying physical stress. The former are characterized by a 3D porous agglomerated structure, uniform secondary particle size, and spherical morphology, while the latter lack a 3D porous agglomerated structure and are denser and more amorphous than the former, resulting in a continuous particle blend. This results in a lower bulk density for the former.
しかし二次電池などのセルを作製する時には、前者では作製した膜が均一な組織となり製造された二次電池などの性能を高くすることができる。高密度な膜を作製するためには、適宜細密充填となるよう数種類の二次粒子径を有する複合粒子材料を準備し、アンドレアゼンの式で最密充填をつくる分布法則が提案されている連続粒子配合を行うこと、あるいは粗粒と微粒の二種類の複合粒子材料を配合する二段粒子配合を行ったりすることが好ましい。However, when producing cells such as secondary batteries, the former method produces a uniform structure in the film, which can improve the performance of the manufactured secondary battery. To produce a high-density film, it is preferable to prepare composite particle materials with several different secondary particle sizes to achieve appropriately close packing, and to perform continuous particle blending, for which the Andreasen equation has proposed a distribution law for creating close packing, or to perform two-stage particle blending, in which two types of composite particle materials, one coarse and one fine, are blended.
表6に得られた複合粒子材料のXRDで得られるMXeneの(002)面の層間距離を示した。カーボン微小体を均一配置させた本発明の複合粒子材料は、MXeneのみで凝集粉末作製後にNMP添加してカーボン微小体を混合したプロセスに比べて層間距離が大きくなっている。これはカーボン微小体を均一配置させるプロセスでLi及び/又はNaイオン、塩素イオンがMXeneの層間にインターカレーションし、層間が拡がったためである。MXeneの(002)面からMAX相セラミックスの(002)面の層間距離を差し引いた数値が、MAX相セラミックスのAl相を除去した後に生じる間隙の距離と考えることができる(図11参照)。本発明の複合粒子材料は約0.6nmとなる。例えばNaイオンなどLiイオンより大きなイオンも挿入脱離可能となる。更に間隙が大きいため急速充放電が可能になると共に高寿命化ができるなどの利点がある。Table 6 shows the interlayer distance of the (002) plane of MXene obtained by XRD of the resulting composite particle material. The composite particle material of the present invention, in which carbon nanoparticles are uniformly distributed, has a larger interlayer distance than the composite particle material of the present invention, in which agglomerated powder was prepared using only MXene, followed by the addition of NMP and the carbon nanoparticles. This is because Li and/or Na ions and chlorine ions intercalated between the MXene layers during the process of uniformly distributing the carbon nanoparticles, widening the gap between the layers. The value obtained by subtracting the interlayer distance of the (002) plane of the MAX-phase ceramic from the (002) plane of MXene can be considered the gap distance resulting from the removal of the Al phase from the MAX-phase ceramic (see Figure 11). For the composite particle material of the present invention, this is approximately 0.6 nm. Ions larger than Li ions, such as Na ions, can be inserted and removed. Furthermore, the larger gaps enable rapid charging and discharging, as well as a longer lifespan.
表7に圧粉体の表面電気抵抗を示す。MXeneナノシート表面の酸化状態と層間に残留する水の量を規定するために行った。MXeneナノシートの表面が酸化すると電気抵抗が大きくなる。また、層間に残留する水が存在すると経時変化し層間表面の酸化が進行して表面電気抵抗が大きくなる。そのため、酸化が進んでいたり、層間の水分量が多かったりすると表面の電気抵抗が大きくなる。 Table 7 shows the surface electrical resistance of the compact. This was done to determine the oxidation state of the MXene nanosheet surface and the amount of water remaining between the layers. When the surface of the MXene nanosheet is oxidized, the electrical resistance increases. Furthermore, if there is water remaining between the layers, the surface changes over time, causing oxidation of the interlayer surface to progress and increasing the surface electrical resistance. Therefore, if oxidation progresses or if there is a large amount of water between the layers, the surface electrical resistance increases.
圧粉体の表面電気抵抗は、粉体どうしの接触数にも影響する。接触数は圧粉体の相対密度で示される。相対密度は(かさ比重/真比重)×100、で決定される。二次電池の負極活物質や電気化学キャパシタの電極に用いる複合粒子材料は、表7に示す様に、圧粉体の表面電気抵抗が1.0~100.0Ω/□の範囲が好ましい。 The surface electrical resistance of a powder compact is also affected by the number of contacts between powder particles. The number of contacts is indicated by the relative density of the powder compact. Relative density is determined by (bulk specific gravity/true specific gravity) x 100. For composite particle materials used as negative electrode active materials in secondary batteries and electrodes in electrochemical capacitors, it is preferable that the surface electrical resistance of the powder compact be in the range of 1.0 to 100.0 Ω/□, as shown in Table 7.
以上説明したように、MXeneと微小体とが高度に分散し、凝集構造を維持し、球形度が高い複合粒子材料を得ることができることが分かった。元々の複合粒子材料は、本出願人が先に出願したPCT/JP2021/018296で明らかにしたように、イオン拡散性に優れた、電子をスムーズに集電体に移動可能な、理想的な二次電池(蓄電池)の負極活物質に適する、あるいは理想的なシュードキャパシタの正極及び/又は負極活物質に適する複合粒子材料であるため、3Dポーラス凝集構造を維持できるために、イオン拡散性が更に高くなることが期待され、球形度を高くできるために成膜した時の均一性が高くなることが期待できる。As explained above, it has been found that a composite particle material can be obtained in which MXene and microparticles are highly dispersed, maintain an aggregated structure, and have high sphericity. As revealed in PCT/JP2021/018296, previously filed by the applicant, the original composite particle material has excellent ion diffusivity and is capable of smoothly transferring electrons to a current collector, making it ideal for use as a negative electrode active material in secondary batteries (storage batteries), or as an ideal positive and/or negative electrode active material in pseudocapacitors. Therefore, since the 3D porous aggregated structure can be maintained, it is expected that ion diffusivity will be further improved, and since the sphericity can be increased, it is expected that the uniformity of the formed film will be improved.
更に、実施例1におけるエタノールの代わりにメタノールやイソプロパノールを利用して複合粒子材料を製造したときにも実施例1と同様の複合粒子材料が得られた。ここで、実施例1におけるエタノールの代わりにイソプロパノールを利用して複合粒子材料を製造したときには、造粒工程の噴霧温度を85℃に上げる必要があった。実施例1と同様に、表面電気抵抗を測定した結果、60.5Ω/□であり、エタノールを用いた時は41.1Ω/□であったが、少し抵抗増加した。噴霧温度を少し上げたため表面においてわずかに酸化が進行したためである。実施例1におけるエタノールの代わりにメタノールを利用して複合粒子材料を製造したときには、造粒工程の噴霧温度を75℃に下げることができた。実施例1と同様に、表面電気抵抗を測定した結果、40.7Ω/□であり、エタノールを用いた時とほぼ同程度であった。これらのことより、造粒工程で用いる溶媒はエタノール、メタノール、イソプロピルアルコールのいずれを用いても構わない。Furthermore, when a composite particulate material was produced using methanol or isopropanol instead of the ethanol used in Example 1, a composite particulate material similar to that used in Example 1 was obtained. Here, when isopropanol was used instead of the ethanol used in Example 1 to produce the composite particulate material, the spray temperature during the granulation process had to be increased to 85°C. As in Example 1, the surface electrical resistance was measured to be 60.5 Ω/□, compared to 41.1 Ω/□ when ethanol was used, resulting in a slight increase in resistance. This was due to slight oxidation on the surface caused by the slight increase in spray temperature. When a composite particulate material was produced using methanol instead of the ethanol used in Example 1, the spray temperature during the granulation process could be lowered to 75°C. As in Example 1, the surface electrical resistance was measured to be 40.7 Ω/□, which was approximately the same as when ethanol was used. Based on these findings, it is acceptable to use any of ethanol, methanol, and isopropyl alcohol as the solvent used in the granulation process.
Claims (15)
前記MXeneナノシートは、平均厚さが1.0~3.5nmであり、
前記微小体の一次粒子径が100nm以下であり、
下記相互分散度が0.01~7.00であって、平均二次粒子径が1.0μm~15.0μmであり、球形度が0.8以上である複合粒子材料。
(相互分散度)
532nm波長のレーザーを用いたラマン分光分析において400cm-1のピーク高さAと1332cm-1のピーク高さBの比(B/A)を100個算出し、その100個のB/Aの値から算出した標準偏差を相互分散度とする。 The conductive nanoparticles are contained as primary particles in an amount of 3 to 10 parts by mass, and Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25 , a is 0.01 or more) MXene nanosheets are contained in an amount of 90 to 97 parts by mass,
The MXene nanosheet has an average thickness of 1.0 to 3.5 nm;
The primary particle diameter of the microscopic objects is 100 nm or less,
A composite particle material having a mutual dispersion of 0.01 to 7.00, an average secondary particle diameter of 1.0 μm to 15.0 μm, and a sphericity of 0.8 or more.
(mutual dispersion degree)
In Raman spectroscopy using a 532 nm laser, the ratio (B/A) of the peak height A at 400 cm −1 to the peak height B at 1332 cm −1 is calculated for 100 samples, and the standard deviation calculated from the 100 B/A values is taken as the mutual dispersion.
前記微小体の一次粒子径が30~50nmである請求項1~5のうちの何れか1項に記載の複合粒子材料。 the Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more) MXene nanosheet has an average size of 0.1 to 2.0 μm in the spreading direction;
6. The composite particulate material according to claim 1, wherein the primary particle diameter of the microparticles is 30 to 50 nm.
(ゼータ電位)
水中においてpH6.0からpH8.0の範囲で測定したゼータ電位とする。 8. The composite particle material according to claim 1, comprising Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 , (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more)MXene having a zeta potential of −25.0 mV to −35.0 mV, and carbon microparticles having a zeta potential of −20.0 mV to −25.0 mV.
(Zeta potential)
The zeta potential is measured in water in the pH range of 6.0 to 8.0.
(表面電気抵抗)
真空中で110℃、5時間加熱処理した後、φ10mmの金型で0.5kg/cm2の圧力で一軸加圧成形し、その後1.0トン/cm2の圧力で冷間静水圧加圧処理した圧粉体を用いて、φ0.1mmの銅線を用いた4端子法で測定した表面の電気抵抗を表面電気抵抗とする。 9. The composite particle material according to claim 1, having a surface electrical resistance of 1.0 Ω/□ to 100.0 Ω/□.
(Surface Electrical Resistivity)
After heat treatment in a vacuum at 110°C for 5 hours, the powder was uniaxially pressed in a φ10 mm mold at a pressure of 0.5 kg/ cm² and then cold isostatically pressed at a pressure of 1.0 ton/ cm² . The surface electrical resistance of the green compact measured by the four-terminal method using φ0.1 mm copper wires was taken as the surface electrical resistance.
硫酸及び硝酸の混酸水溶液中に、原料カーボン微小体を70℃以上に10分以上処理してカーボン微小体を得る酸処理工程と、
粒子濃度が11.5~17.0mg/Lであって、90:10~97:3の質量比の前記剥離物及びカーボン微小体の混合物スラリーに、0.8~1.0モル/Lの水溶性リチウム塩及び/又は水溶性ナトリウム塩を添加し撹拌する混合工程と、
前記混合物スラリーに0.4~0.7モル/Lのアルカリ性水溶液を添加し、液性をアルカリ性にして凝集させて、前記Ti3Ala(C(1.0-x)Nx)2、(0≦x≦0.25、aは0.01以上) MXene及び前記カーボン微小体の凝集物のスラリーを得る凝集工程と、
前記スラリーの分散媒をアルコールに置換して調製した前記凝集物のアルコールスラリーを不活性雰囲気下でスプレードライ法により造粒して造粒体を得る造粒工程と、
を有し、
前記カーボン微小体の一次粒子径が100nm以下である複合粒子材料の製造方法。 a peeling step of peeling Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 , (0≦x≦0.25, a is 0.01 or more)MXene in a dispersion medium containing 50 mass % or more of water to form a peeled product;
an acid treatment step in which the raw carbon particles are treated in a mixed acid solution of sulfuric acid and nitric acid at 70°C or higher for 10 minutes or more to obtain carbon particles;
a mixing step of adding 0.8 to 1.0 mol/L of a water-soluble lithium salt and/or a water-soluble sodium salt to a mixture slurry of the exfoliated material and the carbon fine particles in a mass ratio of 90:10 to 97:3 and having a particle concentration of 11.5 to 17.0 mg/L, and stirring the mixture;
an aggregating step of adding 0.4 to 0.7 mol/L of an alkaline aqueous solution to the mixture slurry to make the solution alkaline and cause agglomeration, thereby obtaining a slurry of agglomerates of the Ti3Ala (C( 1.0 -x ) Nx ) 2 , (0≦x≦0.25 , a is 0.01 or more)MXene and the carbon microparticles;
a granulation step in which the dispersion medium of the slurry is replaced with alcohol to prepare an alcohol slurry of the aggregate, and the alcohol slurry is granulated by a spray drying method under an inert atmosphere to obtain granules;
and
The method for producing a composite particulate material , wherein the carbon microparticles have a primary particle diameter of 100 nm or less .
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