JP2011157668A - Method for pitch fiber spinning, method for producing carbon fiber, and carbon nanofiber - Google Patents

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稔 酒井
Yutaka Araki
豊 荒木
Toshihide Suzuki
利英 鈴木
Kunio Miyazawa
邦夫 宮澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for enabling a carbon nanofiber without electroconductivity anisotropy to be produced. <P>SOLUTION: The method is such as to be intended for pitch fiber spinning by electrospinning process to extrude a pitch-based material melt via a spinning nozzle against a collector. In this method, as the pitch-based material 1, nonhydrogenated pitch higher than 210°C and lower than 280°C in softening point or hydrogenated pitch higher than 120°C and lower than 250°C in softening point is used; as a melt-extruding nozzle 5, such one having a space into which a gas is introduced into between the spinning nozzle and an outer cylinder, and a preheated gas is fed into the space; in extruding the pitch-based material 1 melt via the spinning nozzle of the melt-extruding nozzle 5, the preheated gas is sprayed against the collector 6 in parallel to the extruding direction. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、ピッチ繊維の紡糸方法と、この方法からなる紡糸工程を備えた炭素繊維(黒鉛繊維を含む)の製造方法と、カーボンナノファイバーに関する。   The present invention relates to a method for spinning pitch fibers, a method for producing carbon fibers (including graphite fibers) provided with a spinning step comprising this method, and carbon nanofibers.

ピッチ系炭素繊維は、石油系または石炭系のピッチを原料とし、紡糸工程、不融化工程、不活性ガス雰囲気での熱処理工程(炭素化工程または炭素化工程と黒鉛化工程)をこの順に行うことで製造される。紡糸工程では原料のピッチを溶融紡糸することで繊維状にする。紡糸工程で得られたピッチ繊維(繊維状のピッチ)をそのまま高温で熱処理するとピッチ繊維が互いに融着するため、これを避ける目的で不融化工程が行われる。   Pitch-based carbon fiber is made from petroleum-based or coal-based pitch, and the spinning process, infusibilization process, and heat treatment process in an inert gas atmosphere (carbonization process or carbonization process and graphitization process) are performed in this order. Manufactured by. In the spinning process, the raw material pitch is made into a fiber by melt spinning. When pitch fibers (fibrous pitch) obtained in the spinning process are heat-treated as they are at a high temperature, the pitch fibers are fused to each other. Therefore, an infusibilization process is performed for the purpose of avoiding this.

炭素繊維の原料である石油系または石炭系のピッチを得る方法としては、次のような方法がある。一つは、石油系タールまたは石炭タールを常圧蒸留および減圧蒸留して重質留分と軽質留分に分離し、得られた重質留分をそのまま熱処理し、重縮合させて所定の軟化点に調製する方法である。この方法で得られたピッチ(無水添ピッチ)は、光学的等方性を有し、「General Purpose ピッチ」と称される。
もう一つは、得られた重質留分を水添分解することで熱安定性を高めた後に熱処理し、所定の軟化点に調整する方法である。この方法で得られたピッチ(水添ピッチ)は、光学的異方性を有し、「High Peformance ピッチ」、「液晶ピッチ」と称され、高強度、高弾性率の炭素繊維の原料とされる。
As a method for obtaining a petroleum-based or coal-based pitch which is a raw material for carbon fiber, there are the following methods. First, petroleum tar or coal tar is subjected to atmospheric distillation and vacuum distillation to separate heavy and light fractions, and the resulting heavy fractions are heat-treated as they are and subjected to polycondensation to give the desired softening. It is a method to prepare to the point. The pitch (anhydrous added pitch) obtained by this method has optical isotropy and is referred to as “General Purpose pitch”.
The other is a method in which the obtained heavy fraction is hydrocracked to increase thermal stability and then heat treated to adjust to a predetermined softening point. The pitch (hydrogenated pitch) obtained by this method has optical anisotropy and is called “High Peformance pitch” or “Liquid crystal pitch”, and is used as a raw material for carbon fiber with high strength and high elastic modulus. The

一方、カーボンナノファイバー(カーボンナノチューブを含む)は、導電材料および熱伝導材料として極めて有用な素材である。カーボンナノファイバーの製造方法としては、アーク法や気相成長法などがある。これらの方法で製造されたカーボンナノファイバーの構造は、図6の(a)〜(c)に示すように、グラフェンシート(炭素の六員環ネットワーク)が特定の方向を向いて重なった構造や、径の異なる複数の円筒状に巻かれたグラフェンシートが同軸状に入れ子になっている構造である。
図6の(a)はヘリングボーンタイプ、(b)はマルチウォールタイプ(多層型カーボンナノチューブ)、(c)はカップスタックタイプと称されている。このような構造のカーボンナノファイバーは、グラフェンシート面に沿って伝達する電流または熱伝導の程度に方向性(異方性)が生じる。
On the other hand, carbon nanofibers (including carbon nanotubes) are extremely useful materials as conductive materials and heat conductive materials. Examples of methods for producing carbon nanofibers include an arc method and a vapor phase growth method. As shown in FIGS. 6A to 6C, the structure of the carbon nanofibers produced by these methods includes a structure in which graphene sheets (carbon six-membered ring network) overlap each other in a specific direction. This is a structure in which a plurality of graphene sheets wound in a cylindrical shape with different diameters are coaxially nested.
6A is called a herringbone type, FIG. 6B is called a multi-wall type (multi-walled carbon nanotube), and FIG. 6C is called a cup stack type. The carbon nanofiber having such a structure has a directionality (anisotropy) in the degree of current or heat conduction transmitted along the graphene sheet surface.

下記の特許文献1には、リチウムイオン二次電池の大電流放電特性やサイクル特性を改善するために、負極材料として使用される黒鉛に、気相成長法で製造された炭素繊維を添加することが提案されている。しかしながら、この方法では十分な改善効果が得られていないのが実情である。その原因の一つとして、気相成長法で製造された炭素繊維が例えば図6(b)の構造を有する場合、円筒状の繊維の軸に沿った方向の導電性は極めて高いが、円筒状の周面からの導電性が低いため、黒鉛に対する炭素繊維の接触方向を制御しないと高い導電性が得られないことが推定される。   In Patent Document 1 below, in order to improve large current discharge characteristics and cycle characteristics of a lithium ion secondary battery, carbon fiber produced by a vapor phase growth method is added to graphite used as a negative electrode material. Has been proposed. However, the actual situation is that a sufficient improvement effect is not obtained by this method. As one of the causes, when the carbon fiber produced by the vapor growth method has the structure of FIG. 6B, for example, the conductivity in the direction along the axis of the cylindrical fiber is extremely high. Therefore, it is estimated that high conductivity cannot be obtained unless the contact direction of the carbon fiber with respect to graphite is controlled.

下記の特許文献2には、エレクトロスピニング法を実施することができる紡糸装置が記載されている。この紡糸装置は、原料の溶融物を貯蔵する貯蔵容器と、貯蔵容器に貯蔵された溶融物を細糸状に吐出する溶融物吐出ノズルと、溶融物吐出ノズルに対向して配置されたコレクタと、コレクタと溶融物吐出ノズルとの間に電圧を印加して、溶融物吐出ノズルから吐出された溶融物を帯電させる溶融物帯電手段と、を備えている。この溶融物吐出ノズルは、溶融物を入れる第1のノズル部と、ガスを入れる第2のノズル部とからなり、第2のノズル部に入れたガスにより加圧しながら、第1のノズル部内の溶融物を細糸状に吐出するものである。   Patent Document 2 below describes a spinning device that can perform an electrospinning method. The spinning device includes a storage container that stores a raw material melt, a melt discharge nozzle that discharges the melt stored in the storage container in a thin thread shape, a collector that is disposed to face the melt discharge nozzle, And a melt charging means for charging the melt discharged from the melt discharge nozzle by applying a voltage between the collector and the melt discharge nozzle. This melt discharge nozzle is composed of a first nozzle part for introducing a melt and a second nozzle part for containing a gas, and pressurizing with a gas placed in the second nozzle part, while in the first nozzle part The melt is discharged in the form of a fine thread.

特開2003−168429号公報JP 2003-168429 A 特開2009−275339号公報JP 2009-275339 A

しかしながら、特許文献2に記載の装置を用いて紡糸されたピッチ繊維に対して、炭素化工程または炭素化工程と黒鉛化工程を行って得られた炭素繊維は、導電性に異方性がないという点で改善の余地がある。
この発明の課題は、導電性に異方性がない、すなわち繊維の軸方向と軸に垂直な方向の導電性が等しいカーボンナノファイバーが製造できる方法を提供することである。
However, the carbon fiber obtained by performing the carbonization step or the carbonization step and the graphitization step on the pitch fiber spun using the apparatus described in Patent Document 2 has no anisotropy in conductivity. There is room for improvement.
An object of the present invention is to provide a method capable of producing carbon nanofibers having no conductivity anisotropy, that is, having the same conductivity in a direction perpendicular to the axis direction of the fiber.

上記課題を解決するために、この発明のピッチ繊維の紡糸方法は、エレクトロスピニング法により、ピッチ系物質の溶融物を紡糸ノズルからコレクタに向けて吐出することで、ピッチ繊維を紡糸する方法であって、前記ピッチ系物質として、軟化点が210℃を超え280℃未満である無水添ピッチ、または軟化点が120℃を超え250℃未満である水添ピッチを用い、前記紡糸ノズルの周囲に予熱されたガスを供給し、この予熱ガスを、前記紡糸ノズルから前記溶融物を吐出する際に、その吐出方向と平行に前記コレクタに向けて吹き付けることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the pitch fiber spinning method of the present invention is a method for spinning pitch fibers by discharging a melt of a pitch-based material from a spinning nozzle toward a collector by an electrospinning method. Then, as the pitch-based material, an anhydrous addition pitch having a softening point exceeding 210 ° C. and less than 280 ° C. or a hydrogenation pitch having a softening point exceeding 120 ° C. and less than 250 ° C. is used to preheat around the spinning nozzle. When the melted gas is supplied from the spinning nozzle, the preheated gas is blown toward the collector in parallel with the discharge direction.

この発明のピッチ繊維の紡糸方法は、エレクトロスピニング法により、ピッチ系物質の溶融物を紡糸ノズルからコレクタに向けて吐出することで、ピッチ繊維を紡糸する方法であって、特定の軟化点を有するピッチ系物質を用いることを必須要件としている。
具体的には、無水添ピッチの場合は、軟化点が210℃を超え280℃未満のものを、好ましくは、軟化点が220℃以上250℃以下のものを用いる。また、水添ピッチの場合は、軟化点が120℃を超え250℃未満のものを、好ましくは、軟化点が200℃以上230℃以下のものを用いる。
The pitch fiber spinning method of the present invention is a method of spinning pitch fibers by discharging a melt of a pitch-based material from a spinning nozzle toward a collector by an electrospinning method, and has a specific softening point. The use of pitch-based materials is an essential requirement.
Specifically, in the case of an anhydrous pitch, a pitch having a softening point of more than 210 ° C. and less than 280 ° C., preferably a softening point of 220 ° C. or more and 250 ° C. or less is used. Further, in the case of hydrogenated pitch, those having a softening point exceeding 120 ° C. and less than 250 ° C., preferably those having a softening point of 200 ° C. or more and 230 ° C. or less are used.

軟化点が210℃を超える無水添ピッチには結晶の種(embryo)が多数、非晶質状態で存在するため、これをピッチ系物質として用いて紡糸されたピッチ繊維を、炭素化または黒鉛化する際に、いろいろな方向を向いたembryoを起点とした結晶成長が生じる。これにより、多数の結晶がランダムに存在する炭素繊維が得られる。
ただし、軟化点が280℃以上の無水添ピッチは、ピッチ系物質の熱変質温度(340℃程度)に加熱された溶融物として紡糸ノズルから突出する際の粘度が高くなり、良好な紡糸状態が得られないため使用しない。
Anhydrous pitch with a softening point exceeding 210 ° C contains many crystal seeds in an amorphous state, and pitch fibers spun using this as a pitch-based material can be carbonized or graphitized. When this occurs, crystal growth occurs starting from the embryo in various directions. Thereby, the carbon fiber in which many crystals exist at random is obtained.
However, an anhydrous pitch with a softening point of 280 ° C. or higher has a high viscosity when protruding from the spinning nozzle as a melt heated to the heat-denaturing temperature of the pitch-based material (about 340 ° C.), and a good spinning state is obtained. It is not used because it cannot be obtained.

軟化点が210℃以下の無水添ピッチにはembryoがほとんど存在しないため、これをピッチ系物質として用いて紡糸されたピッチ繊維を、炭素化または黒鉛化しても、多数の結晶がランダムに存在する炭素繊維は得られない。また、紡糸の際に、紡糸ノズルから溶融物を吐出し、この吐出された溶融物に静電引力が加わることで、炭素化または黒鉛化の際に、少し配向しながら結晶が成長していくと考えられる。   Since there is almost no embryo in an anhydride-added pitch having a softening point of 210 ° C. or lower, a large number of crystals are present at random even if the pitch fiber spun using this as a pitch-based material is carbonized or graphitized. Carbon fiber cannot be obtained. In addition, when spinning, the melt is discharged from the spinning nozzle, and an electrostatic attractive force is applied to the discharged melt, so that crystals grow while being oriented slightly during carbonization or graphitization. it is conceivable that.

軟化点が250℃以上の水添ピッチは紡糸の際に配向しやすいため、これをピッチ系物質として用いて紡糸されたピッチ繊維を、炭素化または黒鉛化しても、多数の結晶がランダムに存在する炭素繊維は得られない。得られた炭素繊維の結晶構造はa軸が繊維軸に沿った(配向した)構造となる。よって、水添ピッチの場合は軟化点が250℃未満のものを使用する。   Hydrogenated pitch with a softening point of 250 ° C or higher is easy to be oriented during spinning. Therefore, even if the pitch fiber spun using this as a pitch-based material is carbonized or graphitized, a large number of crystals are present at random. Carbon fiber to be obtained is not obtained. The crystal structure of the obtained carbon fiber is a structure in which the a axis is along (orientated) along the fiber axis. Therefore, in the case of hydrogenated pitch, the one having a softening point of less than 250 ° C is used.

軟化点が120℃以下の水添ピッチは、炭素繊維を得るために、この発明の方法で紡糸工程を行った後に行う不融化工程で、処理温度を100℃程度と低くする必要があり、不融化工程にかかる時間が極端に長くなる。これに対して、軟化点が120℃を超える水添ピッチは、不融化工程の処理温度を100℃を超えた高温で行うことができるため、不融化工程にかかる時間を短縮できる。   A hydrogenated pitch having a softening point of 120 ° C. or lower requires a treatment temperature as low as about 100 ° C. in the infusibilization step performed after the spinning step by the method of the present invention in order to obtain carbon fibers. The time required for the melting process becomes extremely long. On the other hand, since the hydrogenated pitch having a softening point exceeding 120 ° C. can be performed at a high processing temperature exceeding 100 ° C. in the infusibilization step, the time required for the infusibilization step can be shortened.

この発明のピッチ繊維の紡糸方法は、さらに、前記紡糸ノズルの周囲に予熱されたガスを供給し、この予熱ガスを、前記紡糸ノズルから前記溶融物を吐出する際に、その吐出方向と平行に前記コレクタに向けて吹き付けることを必須要件としている。この吹き付けられた予熱ガスの剪断力で、ピッチ繊維がランダムな微細構造を有するようになると推定できる。   The pitch fiber spinning method of the present invention further supplies a preheated gas around the spinning nozzle, and the preheated gas is parallel to the discharge direction when the melt is discharged from the spinning nozzle. Spraying toward the collector is an essential requirement. It can be estimated that the pitch fiber comes to have a random fine structure by the shearing force of the sprayed preheating gas.

そして、この発明の方法でピッチ繊維の紡糸工程を行った後に、ピッチ繊維の不融化工程と、不融化されたピッチ繊維を不活性ガス雰囲気で熱処理する工程(炭素化工程および黒鉛化工程)を通常の方法で行うことにより、平均直径が50nm以上800nm以下であり、ランダムに配向した多数の微結晶の黒鉛から構成され、Cu−Kα線のX線回折により測定される(002)面の面間隔が0.3400nm以上0.3700nm以下であるカーボンナノファイバーを得ることができる。
なお、熱処理する工程(炭素化工程および黒鉛化工程)の温度は、500℃以上2700℃未満が好ましく、800℃以上2500℃以下がより好ましい。
And after performing the spinning process of the pitch fiber by the method of the present invention, the infusibilizing process of the pitch fiber and the process of heat-treating the infusible pitch fiber in an inert gas atmosphere (carbonization process and graphitization process) By carrying out by a normal method, the average diameter is 50 nm or more and 800 nm or less, it is composed of a large number of randomly oriented microcrystalline graphite, and is measured by the X-ray diffraction of Cu—Kα ray. Carbon nanofibers having an interval of 0.3400 nm or more and 0.3700 nm or less can be obtained.
The temperature of the heat treatment step (carbonization step and graphitization step) is preferably 500 ° C. or higher and lower than 2700 ° C., more preferably 800 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower.

この発明のピッチ繊維の紡糸方法によれば、使用するピッチ系物質の軟化点を特定することにより、後工程として、不融化工程、不活性ガス雰囲気での熱処理工程を行うことで得られる炭素繊維を、導電性に異方性がない、すなわち繊維の軸方向と軸に垂直な方向の導電性が等しいカーボンナノファイバーとすることができる。
この発明の炭素繊維の製造方法によれば、ピッチ繊維の紡糸工程で使用するピッチ系物質の軟化点を特定することにより、導電性に異方性がない、すなわち繊維の軸方向と軸に垂直な方向の導電性が等しいカーボンナノファイバーが製造できる。
According to the spinning method of pitch fiber of the present invention, by specifying the softening point of the pitch-based material to be used, carbon fiber obtained by performing an infusibilization step and a heat treatment step in an inert gas atmosphere as a subsequent step. Can be a carbon nanofiber having no conductivity anisotropy, that is, the conductivity in the direction perpendicular to the axis is the same as the axis direction of the fiber.
According to the carbon fiber manufacturing method of the present invention, by specifying the softening point of the pitch-based material used in the spinning process of the pitch fiber, there is no anisotropy in conductivity, that is, the axis direction of the fiber and perpendicular to the axis Carbon nanofibers having the same conductivity in any direction can be manufactured.

この発明の実施形態に相当する方法が実施できる紡糸装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the spinning apparatus which can implement the method equivalent to embodiment of this invention. 図1の装置の溶融物吐出ノズル5の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the melt discharge nozzle 5 of the apparatus of FIG. この発明の方法(実施例のNo.1およびNo.2の方法)で得られた炭素繊維の微細構造を模式的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows typically the microstructure of the carbon fiber obtained by the method (No. 1 and No. 2 method of an Example) of this invention. 気相成長法で得られた(実施例のNo.4で使用した)炭素繊維の微細構造を模式的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows typically the microstructure of the carbon fiber (used by No. 4 of the Example) obtained by the vapor phase growth method. 実施例で作製したNo.1〜No.5の試験用電池のサイクル特性を調べた結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having investigated the cycle characteristic of the test battery of No. 1-No. 5 produced in the Example. 従来の方法で得られるカーボンナノファイバーの微細構造の例を示す図であって、(a)はヘリングボーンタイプ、(b)はマルチウォールタイプ(多層型カーボンナノチューブ)、(c)はカップスタックタイプである。It is a figure which shows the example of the fine structure of the carbon nanofiber obtained by the conventional method, Comprising: (a) is a herringbone type, (b) is a multiwall type (multi-walled carbon nanotube), (c) is a cup stack type. It is.

以下、この発明を実施するための形態について説明する。
この実施形態の方法は図1の紡糸装置を用いて実施することができる。
図1の紡糸装置は、ピッチ系物質1を貯蔵する貯蔵容器2と、貯蔵容器2を加熱して内部のピッチ系物質1を溶融状態に保持する電熱ヒーター3と、貯蔵容器2に接続された窒素ガス供給ライン4と、貯蔵容器2の下端に配置された溶融物吐出ノズル5と、溶融物吐出ノズル5の先端と対向する位置に配置された平板状のコレクタ6と、コレクタ6と溶融物吐出ノズル5との間に電圧を印加する電圧発生器7と、で構成されている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described.
The method of this embodiment can be carried out using the spinning device of FIG.
The spinning device of FIG. 1 is connected to a storage container 2 for storing the pitch-based material 1, an electric heater 3 for heating the storage container 2 to keep the pitch-based material 1 in a molten state, and the storage container 2. Nitrogen gas supply line 4, melt discharge nozzle 5 disposed at the lower end of storage container 2, flat collector 6 disposed at the position facing the tip of melt discharge nozzle 5, collector 6 and melt And a voltage generator 7 for applying a voltage to the discharge nozzle 5.

ピッチ系物質1は別の容器で溶融状態とされ、その容器からギヤポンプ等により貯蔵容器2内に供給されるようになっている。貯蔵容器2は密閉構造となっていて、例えば0.3〜0.7MPa程度に加圧された窒素ガスが、窒素ガス供給ライン4から供給されるように構成されている。この加圧ガスの供給により、貯蔵容器2内のピッチ系物質1が溶融物吐出ノズル5に導入される。   The pitch-based substance 1 is melted in another container, and is supplied from the container into the storage container 2 by a gear pump or the like. The storage container 2 has a sealed structure, and is configured such that, for example, nitrogen gas pressurized to about 0.3 to 0.7 MPa is supplied from the nitrogen gas supply line 4. By supplying the pressurized gas, the pitch-based material 1 in the storage container 2 is introduced into the melt discharge nozzle 5.

溶融物吐出ノズル5は、図2に示すように、紡糸ノズル51と、外筒52と、ノズルガイド53とで構成されている。紡糸ノズル51は、主要部51aと後端部51bと先端ノズル部51cとで構成されている。紡糸ノズル51の後端部51bに、内部5Aに溶融物を導入する配管54が接続されている。この配管54を介して、紡糸ノズル51の内部5Aに、貯蔵容器2から溶融状態のピッチ系物質1が導入される。   As shown in FIG. 2, the melt discharge nozzle 5 includes a spinning nozzle 51, an outer cylinder 52, and a nozzle guide 53. The spinning nozzle 51 includes a main part 51a, a rear end part 51b, and a front end nozzle part 51c. A pipe 54 for introducing a melt into the interior 5A is connected to the rear end 51b of the spinning nozzle 51. Via this pipe 54, the molten pitch-based material 1 is introduced from the storage container 2 into the inside 5 </ b> A of the spinning nozzle 51.

紡糸ノズル51の主要部51aと外筒52およびノズルガイド53との間に、空間5Bが設けてある。この空間5Bにガスを導入する配管55が、外筒52に接続されている。紡糸ノズル51の先端ノズル部51cは、先端に向けて段階的に直径が小さく形成されている。ノズルガイド53は、紡糸ノズル51の先端ノズル部51cの形状に対応させて、先端に向けて内径が段階的に小さく形成されている。そして、ノズルガイド53の先端に、例えば直径が0.5mm程度のノズル口53aが形成されている。
この実施形態の紡糸方法では、軟化点が210℃を超え280℃未満である無水添ピッチ、または軟化点が120℃を超え250℃未満である水添ピッチを用意して、これを別の容器に入れて溶融状態とする。この溶融状態となったピッチ系物質1が、図1の紡糸装置の貯蔵容器2内に供給される。
A space 5 </ b> B is provided between the main portion 51 a of the spinning nozzle 51, the outer cylinder 52, and the nozzle guide 53. A pipe 55 for introducing gas into the space 5B is connected to the outer cylinder 52. The tip nozzle portion 51c of the spinning nozzle 51 is formed such that its diameter decreases stepwise toward the tip. The nozzle guide 53 has an inner diameter that is gradually reduced toward the tip in accordance with the shape of the tip nozzle portion 51 c of the spinning nozzle 51. A nozzle port 53a having a diameter of about 0.5 mm is formed at the tip of the nozzle guide 53, for example.
In the spinning method of this embodiment, an anhydrous pitch having a softening point of more than 210 ° C. and less than 280 ° C. or a hydrogenated pitch having a softening point of more than 120 ° C. and less than 250 ° C. is prepared. Into a molten state. The melted pitch-based material 1 is supplied into the storage container 2 of the spinning device shown in FIG.

電熱ヒーター3で、ピッチ系物質1の粘度が(1〜100ポイズ)となるように貯蔵容器2を加熱し、窒素ガス供給ライン4から供給された加圧窒素ガスにより、貯蔵容器2内のピッチ系物質1を配管54から溶融物吐出ノズル5の紡糸ノズル51内に導入する。また、300℃程度に加熱された不活性ガス(窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等)を、配管55から溶融物吐出ノズル5の空間5Bに導入する。これにより、加熱された不活性ガスが、溶融物吐出ノズル5の空間5B(紡糸ノズル51の主要部51aの周囲)に供給される。   The storage container 2 is heated by the electric heater 3 so that the viscosity of the pitch-based material 1 becomes (1 to 100 poise), and the pitch in the storage container 2 is increased by the pressurized nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply line 4. The system material 1 is introduced into the spinning nozzle 51 of the melt discharge nozzle 5 from the pipe 54. Further, an inert gas (nitrogen gas, helium gas, argon gas, etc.) heated to about 300 ° C. is introduced from the pipe 55 into the space 5B of the melt discharge nozzle 5. Thereby, the heated inert gas is supplied to the space 5B of the melt discharge nozzle 5 (around the main portion 51a of the spinning nozzle 51).

また、電圧発生器7により、コレクタ6と溶融物吐出ノズル5との間に0.5〜100kVの範囲で電圧を印加する。ここでは、安全性の観点から、コレクタ6を接地し、溶融物吐出ノズル5を正電圧側としている。コレクタ6の接地位置と溶融物吐出ノズル5の先端位置との距離は、例えば10〜200mmとする。この距離を10mm以上とすることにより、コレクタ6と溶融物吐出ノズル5との間の絶縁破壊が防止され、安定した電位環境を保持することができる。また、この距離が200mmを超えると、コレクタ6と溶融物吐出ノズル5との間に十分な電場が生じない。   Further, a voltage is applied between the collector 6 and the melt discharge nozzle 5 by the voltage generator 7 in the range of 0.5 to 100 kV. Here, from the viewpoint of safety, the collector 6 is grounded and the melt discharge nozzle 5 is on the positive voltage side. The distance between the ground contact position of the collector 6 and the tip position of the melt discharge nozzle 5 is, for example, 10 to 200 mm. By setting this distance to 10 mm or more, dielectric breakdown between the collector 6 and the melt discharge nozzle 5 is prevented, and a stable potential environment can be maintained. When this distance exceeds 200 mm, a sufficient electric field is not generated between the collector 6 and the melt discharge nozzle 5.

これにより、紡糸ノズル51の内部5Aに導入された溶融状態のピッチ系物質1が、ノズル口53aからコレクタ6に向けて吐出され、その際に、300℃程度に予熱された不活性ガスが溶融物吐出ノズル5の空間5Bに導入され、この不活性ガスが、溶融状態のピッチ系物質1の吐出方向と平行に、コレクタ6に向けて吹き付けられる。この不活性ガスの剪断力により、コレクタ6で捕集されるピッチ繊維の微細構造がランダムになると推定できる。   As a result, the molten pitch-based material 1 introduced into the interior 5A of the spinning nozzle 51 is discharged from the nozzle port 53a toward the collector 6, and at that time, the inert gas preheated to about 300 ° C. is melted. The inert gas is introduced into the space 5B of the material discharge nozzle 5 and sprayed toward the collector 6 in parallel with the discharge direction of the molten pitch-based material 1. It can be estimated that the fine structure of the pitch fibers collected by the collector 6 becomes random by the shearing force of the inert gas.

このようにして得られたピッチ繊維に対して、一般的な不融化工程(ピッチ繊維を酸素含有雰囲気中で加熱する工程)を行った後、不融化されたピッチ繊維を不活性ガス雰囲気で熱処理する炭素化工程および黒鉛化工程を、それぞれ通常の方法で行う。その結果、平均直径が50nm以上800nm以下であり、ランダムに配向した多数の微結晶の黒鉛から構成され、Cu−Kα線のX線回折により測定される(002)面の面間隔が0.3400nm以上0.3700nm以下であるカーボンナノファイバーを得ることができる。   The pitch fiber thus obtained is subjected to a general infusibilization step (step of heating the pitch fiber in an oxygen-containing atmosphere), and then the infusible pitch fiber is heat-treated in an inert gas atmosphere. The carbonization step and the graphitization step to be performed are each performed by a normal method. As a result, the average diameter is 50 nm or more and 800 nm or less, it is composed of a large number of randomly oriented microcrystalline graphite, and the (002) plane spacing measured by X-ray diffraction of Cu—Kα rays is 0.3400 nm. Carbon nanofibers having a thickness of 0.3700 nm or less can be obtained.

なお、不融化工程の加熱温度は、使用したピッチ系物質の軟化点に応じて、例えば100〜300℃とする。また、炭素化工程は500℃以上1200℃以下で行い、黒鉛化工程は、炭素化工程の後に2000℃以上2700℃未満の温度で行う。不融化工程後のピッチ繊維を500〜1200℃で加熱すると揮発性物質が大量に発生するため、炭素化工程は、揮発性物質を除去できる構造になっている炉(炭素化炉)を使用して行う。黒鉛化工程は、炭素化工程で揮発性物質が除去された炭素繊維を、熱効率が高く、酸化性物質の混入がない構造の炉(黒鉛化炉)に移し換えて行う。   Note that the heating temperature in the infusibilization step is set to, for example, 100 to 300 ° C. according to the softening point of the used pitch-based material. The carbonization step is performed at 500 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the graphitization step is performed at a temperature of 2000 ° C. or more and less than 2700 ° C. after the carbonization step. When pitch fibers after the infusibilization process are heated at 500 to 1200 ° C., a large amount of volatile substances are generated. Therefore, the carbonization process uses a furnace (carbonization furnace) having a structure capable of removing volatile substances. Do it. The graphitization step is performed by transferring the carbon fiber from which the volatile substances have been removed in the carbonization step to a furnace (graphitization furnace) having a structure with high thermal efficiency and no mixing of oxidizing substances.

この発明の方法で製造されたカーボンナノファイバーは導電性に優れるため、導電材料として使用することができる。例えば、合成樹脂に混合することで、絶縁体である合成樹脂に導電性を付与することもできる。また、リチウムイオン二次電池の負極材料の導電性を向上させる添加剤(導電剤)として使用することもできる。以下に、この発明で製造されたカーボンナノファイバーのリチウムイオン二次電池への適用について説明する。   Since the carbon nanofiber produced by the method of the present invention is excellent in conductivity, it can be used as a conductive material. For example, conductivity can be imparted to the synthetic resin which is an insulator by mixing with the synthetic resin. Moreover, it can also be used as an additive (conductive agent) which improves the electroconductivity of the negative electrode material of a lithium ion secondary battery. Hereinafter, application of the carbon nanofiber produced in the present invention to a lithium ion secondary battery will be described.

<リチウムイオン二次電池の構造>
リチウムイオン二次電池は、通常、負極、正極および非水電解質を主たる電池構成要素としている。正極および負極はそれぞれリチウムイオンの担持体であり、充電時にはリチウムイオンが負極に吸蔵され、放電時に負極から離脱することで、二次電池として作用する。
<Structure of lithium ion secondary battery>
A lithium ion secondary battery usually has a negative electrode, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte as main battery components. Each of the positive electrode and the negative electrode is a lithium ion carrier, and the lithium ions are occluded in the negative electrode during charging and are released from the negative electrode during discharging, thereby acting as a secondary battery.

リチウムイオン二次電池の構造は、用途、搭載機器、要求される充放電容量などに応じて、円筒型、角型、コイン型、ボタン型などの中から任意に選択することができる。より安全性の高い密閉型非水電解液電池を得るためには、過充電などの異常時に電池内圧の上昇を感知して電流を遮断させる手段を備えたものであることが好ましい。高分子固体電解質二次電池や高分子ゲル電解質二次電池などの高分子電解質二次電池の場合には、アルミラミネートフィルムに封入した構造とすることもできる。
これらの高分子電解質二次電池は、負極、正極および高分子電解質を、例えば、負極、高分子電解質、正極の順で積層し、電池の外装内に収容することで構成される。さらに、負極と正極の外側に高分子電解質を配するようにしてもよい。
The structure of the lithium ion secondary battery can be arbitrarily selected from a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, and the like according to the application, installed equipment, required charge / discharge capacity, and the like. In order to obtain a sealed nonaqueous electrolyte battery with higher safety, it is preferable to include a means for detecting an increase in the internal pressure of the battery and shutting off the current when there is an abnormality such as overcharging. In the case of a polymer electrolyte secondary battery such as a polymer solid electrolyte secondary battery or a polymer gel electrolyte secondary battery, a structure enclosed in an aluminum laminate film can also be used.
These polymer electrolyte secondary batteries are configured by laminating a negative electrode, a positive electrode, and a polymer electrolyte in the order of, for example, a negative electrode, a polymer electrolyte, and a positive electrode, and accommodating them in the exterior of the battery. Furthermore, a polymer electrolyte may be disposed outside the negative electrode and the positive electrode.

<リチウムイオン二次電池の負極>
リチウムイオン二次電池の負極は、炭素材料からなる負極材料(負極活物質)と、結合材と、導電剤などの添加剤とで構成される負極合剤を、集電材の表面に塗布することにより形成される。
炭素材料は、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛が使用できる。人造黒鉛としては、ピッチを加熱して黒鉛化したもの、ピッチを加熱して得られるメソカーボン小球体、バルクメソフェーズ、コークスなどの黒鉛化したもの、これらの黒鉛化物の表面をピッチ、フェノール樹脂で被覆後、焼成したものなどが例示できる。また、これらの複数の炭素材料を混合して用いてもよい。さらに、粉状、球状、リン片状、繊維状の炭素材料を負極材料として使用できる。
<Negative electrode of lithium ion secondary battery>
For the negative electrode of a lithium ion secondary battery, a negative electrode mixture composed of a negative electrode material (negative electrode active material) made of a carbon material, a binder, and an additive such as a conductive agent is applied to the surface of the current collector. It is formed by.
As the carbon material, for example, natural graphite or artificial graphite can be used. Artificial graphite is graphitized by heating the pitch, graphitized mesocarbon spherules obtained by heating the pitch, bulk mesophase, coke, etc., and the surface of these graphitized materials is pitch or phenolic resin. What was baked after coating | cover etc. can be illustrated. Moreover, you may use these carbon materials in mixture. Further, powdery, spherical, flake shaped, and fibrous carbon materials can be used as the negative electrode material.

負極の導電剤として、この発明の方法で製造されたカーボンナノファイバーを用いることで、負極材料の導電性を向上させることができる。このカーボンナノファイバーの含有率は、負極材料とカーボンナノファイバーの合計量に対して、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。なお、負極の導電剤としては、この発明の方法で製造されたカーボンナノファイバーだけでなく、カーボンブラック、気相成長法で得られた炭素繊維などが含有されたものを使用してもよい。   By using the carbon nanofibers produced by the method of the present invention as the conductive agent for the negative electrode, the conductivity of the negative electrode material can be improved. The content of the carbon nanofibers is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, and preferably 0.5% by mass or more and 5% by mass or less with respect to the total amount of the negative electrode material and the carbon nanofibers. It is more preferable. In addition, as the conductive agent for the negative electrode, not only carbon nanofibers produced by the method of the present invention, but also carbon black, carbon fibers obtained by a vapor phase growth method, or the like may be used.

リチウムイオン二次電池の負極の作製は、従来公知の負極の作製方法に準じて実施されるが、化学的、電気化学的に安定な負極を作製できる方法であれば、何ら制限されない。負極の作製時には、本発明の複合黒鉛質粒子を含むリチウムイオン二次電池用負極材料に、結合剤を加え、予め調製した負極合剤を用いることが好ましい。
結合剤としては、電解質に対して化学的安定性、電気化学的安定性を有するものが好ましく、有機溶媒に溶解および/または分散させる有機系結合剤はもちろんのこと、水系溶媒に溶解および/または分散する水系結合剤を用いても、優れた充放電特性を発現する負極を得ることができる。
The negative electrode of the lithium ion secondary battery is manufactured according to a conventionally known negative electrode manufacturing method, but is not limited as long as it is a method capable of manufacturing a chemically and electrochemically stable negative electrode. When preparing the negative electrode, it is preferable to use a negative electrode mixture prepared in advance by adding a binder to the negative electrode material for a lithium ion secondary battery containing the composite graphite particles of the present invention.
As the binder, those having chemical stability and electrochemical stability with respect to the electrolyte are preferable, and not only the organic binder that is dissolved and / or dispersed in the organic solvent but also dissolved and / or in the aqueous solvent. Even if the aqueous binder to disperse is used, a negative electrode exhibiting excellent charge / discharge characteristics can be obtained.

例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリビニルアルコールなどの樹脂、さらにはカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴムなどのゴムなどが用いられるが、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、スチレンブタジエンゴムなどの水系結合剤を用いることが好ましい。これらを併用することもできる。結合剤は、通常、負極合剤の全量中0.5〜20質量%の割合で使用されるのが好ましい。
溶媒としては、負極合剤の調製に使用される通常の溶媒が使用される。具体的には、N ーメチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、水、アルコールなどが挙げられるが、水系溶媒の使用が環境汚染、安全性の点から好ましい。
For example, fluororesins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, resins such as polyethylene and polyvinyl alcohol, and rubbers such as carboxymethyl cellulose and styrene butadiene rubber are used, but carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol and styrene butadiene rubber are used. It is preferable to use an aqueous binder such as These can also be used together. In general, the binder is preferably used at a ratio of 0.5 to 20% by mass in the total amount of the negative electrode mixture.
As the solvent, an ordinary solvent used for preparing the negative electrode mixture is used. Specific examples include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, water, alcohol and the like. Use of an aqueous solvent is preferable from the viewpoint of environmental pollution and safety.

より具体的な負極の作製方法は、まず、負極材料を分級などにより所望の粒度に調整し、結合剤と混合して得た混合物を溶媒に分散させ、ペースト状にして負極合剤を調製する。すなわち、負極材料と、結合剤を、水、イソプロピルアルコール、N ーメチルピロリドン、ジメチルホルムアミドなどの溶媒に混合または分散して得たスラリーを、公知の攪拌機、混合機、混練機、ニーダーなどを用いて攪拌混合してペーストを調製する。該ペーストを、集電材の片面または両面に塗布し、乾燥すれば、負極合剤層が均一かつ強固に接着した負極が得られる。負極合剤層の膜厚は10〜200μm、好ましくは20〜100μmである。   A more specific method for producing a negative electrode is as follows. First, the negative electrode material is adjusted to a desired particle size by classification or the like, and a mixture obtained by mixing with a binder is dispersed in a solvent to prepare a negative electrode mixture in the form of a paste. . That is, a slurry obtained by mixing or dispersing the negative electrode material and the binder in a solvent such as water, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, etc., using a known stirrer, mixer, kneader, kneader, etc. To prepare a paste. When the paste is applied to one or both sides of the current collector and dried, a negative electrode in which the negative electrode mixture layer is uniformly and firmly bonded is obtained. The film thickness of the negative electrode mixture layer is 10 to 200 μm, preferably 20 to 100 μm.

また、負極材料と、ポリエチレン、ポリビニルアルコールなどの樹脂粉末を、必要ならば、他の黒鉛質材料とともに乾式混合し、通常の成形方法に準じて負極を成形することができる。例えば、金型内で該混合物をホットプレス成形して負極を成形することができる。負極合剤層を形成した後、プレス加圧などの圧着を行うと、負極合剤層と集電材との接着強度をより高めることができる。
負極に用いる集電材の形状は特に限定されないが、箔状、またはメッシュ、エキスパンドメタルなどの網状のものなどが用いられる。集電材の材質としては、銅、ステンレス、ニッケルなどが挙げられる。集電材の厚さは、箔状の場合は、5〜20μmであることが好ましい。
Further, if necessary, the negative electrode material and resin powder such as polyethylene and polyvinyl alcohol can be dry-mixed together with other graphite materials, and the negative electrode can be molded according to a normal molding method. For example, the negative electrode can be formed by hot press molding the mixture in a mold. When the negative electrode mixture layer is formed and then pressure bonding such as pressurization is performed, the adhesive strength between the negative electrode mixture layer and the current collector can be further increased.
The shape of the current collector used for the negative electrode is not particularly limited, but a foil or a net-like material such as a mesh or expanded metal is used. Examples of the material for the current collector include copper, stainless steel, and nickel. In the case of a foil, the thickness of the current collector is preferably 5 to 20 μm.

<リチウムイオン二次電池の正極>
正極は、例えば正極材料と結合剤と導電剤よりなる正極合剤を集電材の表面に塗布することにより形成される。正極材料(正極活物質)は、十分量のLiを吸蔵・離脱し得るものを選択することが好ましい。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物(V2 5 、V6 13、V2 4 、V3 8 など)およびそのリチウム化合物などのリチウム含有化合物、一般式Mx Mo6 8-y (式中Mは少なくとも一種の遷移金属元素であり、Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数である)で表されるシェブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。該リチウム含有遷移金属酸化物はLiと遷移金属との複合酸化物であり、Liと2種類以上の遷移金属を固溶したものであってもよい。
<Positive electrode of lithium ion secondary battery>
The positive electrode is formed, for example, by applying a positive electrode mixture composed of a positive electrode material, a binder, and a conductive agent to the surface of the current collector. It is preferable to select a positive electrode material (positive electrode active material) that can occlude and release a sufficient amount of Li. Examples of positive electrode active materials include lithium-containing transition metal oxides, transition metal chalcogenides, vanadium oxides (V 2 O 5 , V 6 O 13 , V 2 O 4 , V 3 O 8, etc.) and lithium compounds such as lithium compounds thereof. Containing compound, general formula M x Mo 6 S 8-y (wherein M is at least one transition metal element, X is a number in the range of 0 ≦ X ≦ 4, Y is 0 ≦ Y ≦ 1) The chevrel phase compound, activated carbon, activated carbon fiber, etc. which are represented can be used. The lithium-containing transition metal oxide is a composite oxide of Li and a transition metal, and may be a solid solution of Li and two or more transition metals.

該リチウム含有遷移金属酸化物は、具体的には、LiM1 1-p2 p 2 (式中M1 およびM2 は少なくとも一種の遷移金属元素であり、pは0≦p≦1の範囲の数である)、またはLiM1 2-q2 q 4 (式中M1 およびM2 は少なくとも一種の遷移金属元素であり、qは0≦q≦2の範囲の数である)で示される。
M、M1 およびM2 で示される遷移金属は、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、Snなどであり、好ましいのはCo、Fe、Mn、Cr、Ti、V、Alなどである。好ましい具体例はLiCoO2 、LiNiO2 、LiMnO2 、LiNi0.9 Co0.1 2 、LiNi0.5 Co0.5 2 などである。
Specifically, the lithium-containing transition metal oxide is LiM 1 1-p M 2 p O 2 (wherein M 1 and M 2 are at least one transition metal element, and p is 0 ≦ p ≦ 1) LiM 1 2-q M 2 q O 4 (wherein M 1 and M 2 are at least one transition metal element, and q is a number in the range of 0 ≦ q ≦ 2) Indicated by
Transition metals represented by M, M 1 and M 2 are Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al, In, Sn, etc., preferably Co, Fe, Mn, Cr, Ti, V, Al and the like. Preferred examples are LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiNi 0.9 Co 0.1 O 2 , LiNi 0.5 Co 0.5 O 2 and the like.

該リチウム含有遷移金属酸化物は、例えば、Liと遷移金属の酸化物または塩類を出発原料として、これら出発原料を所望の金属酸化物の組成に応じて混合し、酸素雰囲気下、600〜1000℃の温度で焼成することにより得ることができる。出発原料は酸化物または塩類に限定されず、水酸化物などでもよい。
正極活物質は、前記化合物を単独で使用しても、2種類以上併用してもよい。例えば、正極材料に炭酸リチウムなどの炭酸アルカリ塩を添加することもできる。
このような正極材料によって正極を形成するには、例えば、正極活物質と結合剤および電極に導電性を付与するための導電剤よりなる正極合剤を集電材の片面または両面に塗布することで正極合剤層を形成する。結合剤としては、負極で用いたものが使用可能である。導電剤としては、黒鉛やカーボンブラックなどの炭素材料が用いられる。
The lithium-containing transition metal oxide is prepared by mixing, for example, Li and a transition metal oxide or salt as starting materials, and mixing these starting materials according to the composition of the desired metal oxide, in an oxygen atmosphere at 600 to 1000 ° C. It can obtain by baking at the temperature of. The starting material is not limited to oxides or salts, but may be hydroxides.
The positive electrode active material may be used alone or in combination of two or more. For example, an alkali carbonate such as lithium carbonate can be added to the positive electrode material.
In order to form a positive electrode with such a positive electrode material, for example, a positive electrode mixture made of a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent for imparting conductivity to the electrode is applied to one or both sides of the current collector. A positive electrode mixture layer is formed. As the binder, those used in the negative electrode can be used. As the conductive agent, a carbon material such as graphite or carbon black is used.

正極に用いる集電材の形状は特に限定されないが、箔状、またはメッシュ、エキスパンドメタルなどの網状のものなどが用いられる。集電材の材質としては、アルミニウム、銅、ステンレス、ニッケルなどが挙げられる。集電材の厚さは、箔状の場合は、10〜40μmであることが好ましい。
正極の場合も負極の場合と同様に、正極合剤を溶剤中に分散させることでペースト状にし、このペースト状負極合剤を集電材に塗布し乾燥することによって正極合剤層を形成してよく、正極合剤層を形成した後、さらにプレス加圧などの圧着を行っても構わない。これにより、正極合剤層が均一かつ強固に集電材に接着される。
The shape of the current collector used for the positive electrode is not particularly limited, but a foil or a net-like material such as a mesh or expanded metal is used. Examples of the material for the current collector include aluminum, copper, stainless steel, and nickel. In the case of a foil, the thickness of the current collector is preferably 10 to 40 μm.
In the case of the positive electrode, as in the case of the negative electrode, the positive electrode mixture is dispersed in a solvent to form a paste, and the paste-like negative electrode mixture is applied to a current collector and dried to form a positive electrode mixture layer. In addition, after forming the positive electrode mixture layer, pressure bonding such as press pressing may be further performed. Thereby, the positive electrode mixture layer is uniformly and firmly bonded to the current collector.

<リチウムイオン二次電池の非水電解質>
リチウムイオン二次電池は、非水電解質として液系の電解質のほかに、固体電解質またはゲル電解質などの高分子電解質を使用することができる。液系の場合は非水電解質二次電池は、いわゆるリチウムイオン二次電池として構成され、高分子系の場合は高分子固体電解質二次電池、高分子ゲル電解質二次電池などの高分子電解質二次電池として構成される。
<Non-aqueous electrolyte of lithium ion secondary battery>
Lithium ion secondary batteries can use polymer electrolytes such as solid electrolytes or gel electrolytes in addition to liquid electrolytes as non-aqueous electrolytes. In the case of a liquid system, the nonaqueous electrolyte secondary battery is configured as a so-called lithium ion secondary battery, and in the case of a polymer system, a polymer electrolyte secondary battery such as a polymer solid electrolyte secondary battery or a polymer gel electrolyte secondary battery is used. It is configured as a secondary battery.

リチウムイオン二次電池に使用される非水電解質は、通常の非水電解液に使用される電解質塩であり、具体的には、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiClO4 、LiB(C6 5 )、LiCl、LiBr、LiCF3 SO3 、LiCH3 SO3 、LiN(CF3 SO2 2 、LiC(CF3 SO2 3 、LIN(CF3 CH2 OSO2 2 、LIN(CF3 CF3 OSO2 2 、LIN(HCF2 CF2 CH2 OSO2 2 、LIN[(CF3 2 CHOSO2 2 、LIB[C6 3 (CF3 2 4 、LiAlCl4 、LiSiF6 などのリチウム塩が挙げられる。
特にLiPF6 とLiBF4 が酸化安定性の点から好ましい。電解液中の電解質塩の濃度は0.1〜5mol/l であることが好ましく、0.5〜3.0mol/l であることがより好ましい。
Non-aqueous electrolyte used in the lithium ion secondary battery, an electrolyte salt used in the conventional non-aqueous electrolyte, specifically, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiClO 4, LiB (C 6 H 5), LiCl, LiBr, LiCF 3 SO 3, LiCH 3 SO 3, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiC (CF 3 SO 2) 3, LIN (CF 3 CH 2 OSO 2) 2, LIN (CF 3 CF 3 OSO 2) 2, LIN (HCF 2 CF 2 CH 2 OSO 2) 2, LIN [(CF 3) 2 CHOSO 2] 2, LIB [C 6 H 3 (CF 3) 2] 4, LiAlCl 4, A lithium salt such as LiSiF 6 may be mentioned.
In particular, LiPF 6 and LiBF 4 are preferable from the viewpoint of oxidation stability. The concentration of the electrolyte salt in the electrolytic solution is preferably 0.1 to 5 mol / l, and more preferably 0.5 to 3.0 mol / l.

非水電解質液とするための溶媒としては、通常の非水電解液の溶媒として使用されるものが挙げられる。具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート、1,1−または1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソフラン、4−メチルー1,3−ジオキソフラン、アニソール、ジエチルエーテルなどのエーテル、スルホラン、メチルスルホランなどのチオエーテル、アセトニトリル、クロロニトリル、プロピオニトリルなどのニトリル、ホウ酸トリメチル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、酢酸エチル、トリメチルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、ジメチルスルホキシド、3−メチル−2−オキサゾリドン、エチレングリコール、ジメチルサルファイトなどの非プロトン性有機溶媒を用いることができる。   Examples of the solvent for making the non-aqueous electrolyte include those used as a solvent for ordinary non-aqueous electrolytes. Specifically, carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate, 1,1- or 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone 1,3-dioxofuran, 4-methyl-1,3-dioxofuran, ethers such as anisole and diethyl ether, thioethers such as sulfolane and methylsulfolane, nitriles such as acetonitrile, chloronitrile and propionitrile, trimethyl borate, silicic acid Tetramethyl, nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, trimethylorthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydride Thiophene, dimethyl sulfoxide, 3-methyl-2-oxazolidone, ethylene glycol, may be used an aprotic organic solvent such as dimethyl sulfite.

高分子電解質を用いる場合は、マトリックス構成する高分子として可塑剤(非水電解液)でゲル化した高分子を用いる。高分子電解質とするためのマトリックスとしては、ポリエチレンオキサイドやその架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレート系高分子化合物、ポリアクリレート系高分子化合物、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライドーヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系高分子化合物などを単独または混合して用いることができる。これらの中では、酸化還元安定性などの観点から、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライドーヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系高分子化合物などを用いることが好ましい。
高分子電解質の場合、可塑剤が配合されるが、可塑剤としては、前記電解質塩や非水溶媒が使用される。高分子ゲル電解質の場合、可塑剤である非水電解液中の電解質塩濃度は0.1〜5mol/l であることが好ましく、0.5〜2.0mol/l であることがより好ましい。
When a polymer electrolyte is used, a polymer gelled with a plasticizer (non-aqueous electrolyte) is used as the polymer constituting the matrix. As a matrix for forming a polyelectrolyte, ether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and cross-linked products thereof, polymethacrylate-based polymer compounds, polyacrylate-based polymer compounds, polyvinylidene fluoride and vinylidene fluoride-hexafluoro Fluorine polymer compounds such as a propylene copolymer can be used alone or in combination. In these, it is preferable to use fluorine-type high molecular compounds, such as polyvinylidene fluoride and a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, from viewpoints, such as oxidation-reduction stability.
In the case of a polymer electrolyte, a plasticizer is blended, and as the plasticizer, the electrolyte salt or the nonaqueous solvent is used. In the case of a polymer gel electrolyte, the electrolyte salt concentration in the non-aqueous electrolyte as a plasticizer is preferably 0.1 to 5 mol / l, and more preferably 0.5 to 2.0 mol / l.

このような高分子電解質の製造方法は特に制限されないが、例えば、マトリックスを構成する高分子化合物、リチウム塩および非水溶媒(可塑剤)を混合し、加熱して高分子化合物を溶融・溶解する方法、混合用有機溶媒に高分子化合物、リチウム化合物および非水溶媒を溶解させた後、混合用有機溶媒を蒸発させる方法、重合性モノマー、リチウム塩および非水溶媒を混合し、混合物に紫外線、電子線または分子線などを照射して重合させる方法などを挙げることができる。
前記高分子電解質中の非水溶媒の割合は10〜90質量%が好ましく、30〜80質量%がより好ましい。10質量%未満であると導電率が低くなり、90質量%を越えると機械的強度が弱くなり、成膜しにくくなる。
The method for producing such a polymer electrolyte is not particularly limited. For example, a polymer compound constituting a matrix, a lithium salt and a nonaqueous solvent (plasticizer) are mixed and heated to melt and dissolve the polymer compound. A method, a method of dissolving a polymer compound, a lithium compound and a non-aqueous solvent in an organic solvent for mixing, and then evaporating the organic solvent for mixing; a polymerizable monomer, a lithium salt and a non-aqueous solvent are mixed; Examples thereof include a method of polymerizing by irradiating with an electron beam or a molecular beam.
The ratio of the nonaqueous solvent in the polymer electrolyte is preferably 10 to 90% by mass, and more preferably 30 to 80% by mass. If it is less than 10% by mass, the electrical conductivity will be low, and if it exceeds 90% by mass, the mechanical strength will be weak and film formation will be difficult.

<リチウムイオン二次電池のセパレータ>
リチウムイオン二次電池のセパレータとしては、例えば、織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜などが挙げられる。合成樹脂製微多孔膜が好ましいが、なかでもポリオレフィン系製微多孔膜が厚さ、膜強度、膜抵抗などの点から好ましい。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜などである。
<Separator of lithium ion secondary battery>
Examples of the separator of the lithium ion secondary battery include a woven fabric, a nonwoven fabric, and a synthetic resin microporous membrane. A microporous membrane made of synthetic resin is preferred, and among these, a microporous membrane made of polyolefin is preferred from the viewpoint of thickness, membrane strength, membrane resistance, and the like. Specifically, it is a microporous film made of polyethylene and polypropylene, or a microporous film in which these are combined.

以下、具体的な実施例および比較例を挙げてこの発明を説明する。
[サンプルNo.1]
ピッチ系物質として、コールタールを原料として調製された無水添ピッチ(軟化点232℃)を使用した。図1の紡糸装置として、容量が10mLであるステンレス製のバレル(樽形容器)からなる貯蔵容器2を備えたものを用意した。また、この紡糸装置は、溶融物吐出ノズル5として、基本的に図2に示すものであるが、紡糸ノズル51の先端部51cの形状は図2とは異なり、直径が一定のもの(段階的に直径が小さく形成されていないもの)を備えている。この先端部51cが27G(内径0.20mm、外径0.42mm)で、外筒52の内径が0.50mmで、ノズルガイド53のノズル口53aが0.50mmである。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples and comparative examples.
[Sample No.1]
Anhydrous added pitch (softening point 232 ° C.) prepared using coal tar as a raw material was used as the pitch-based material. As the spinning device of FIG. 1, a spinning device having a storage container 2 made of a stainless steel barrel (barrel container) having a capacity of 10 mL was prepared. Further, this spinning device is basically shown in FIG. 2 as the melt discharge nozzle 5, but the shape of the tip 51c of the spinning nozzle 51 is different from that shown in FIG. Are not formed with a small diameter). The tip 51c is 27G (inner diameter 0.20 mm, outer diameter 0.42 mm), the inner diameter of the outer cylinder 52 is 0.50 mm, and the nozzle port 53a of the nozzle guide 53 is 0.50 mm.

電熱ヒーター3に温度調節器を接続して、貯蔵容器2内のピッチ系物質1の温度が330℃となるように制御した。溶融物吐出ノズル5の外筒52の外側にも電熱ヒーターを巻いて温度調節器を接続し、紡糸ノズル51の内部5Aの温度が330℃になるように制御した。
330℃に予熱した窒素ガスを配管55から溶融物吐出ノズル5の空間5Bに導入し、ノズル口53aで1000mm/sの線速度となるように流量を調節した。この状態で、電圧発生器7により30kVの電圧を発生させて、コレクタ6と溶融物吐出ノズル5との間に印加した。溶融物吐出ノズル5の真下で、ノズル口53aとの距離が120mmとなる位置にアース電極を置いた。この状態で、貯蔵容器2に窒素ガス供給ライン4から0.3MPaの加圧窒素を導入して紡糸を行った。これにより、紡糸が良好に進み、直径250nm前後のピッチ繊維が得られた。
A temperature controller was connected to the electric heater 3 to control the temperature of the pitch material 1 in the storage container 2 to be 330 ° C. An electric heater was also wound around the outer side of the outer cylinder 52 of the melt discharge nozzle 5 and a temperature controller was connected to control the temperature inside the spinning nozzle 51 to be 330 ° C.
Nitrogen gas preheated to 330 ° C. was introduced into the space 5B of the melt discharge nozzle 5 from the pipe 55, and the flow rate was adjusted so that the linear velocity was 1000 mm / s at the nozzle port 53a. In this state, a voltage of 7 kV was generated by the voltage generator 7 and applied between the collector 6 and the melt discharge nozzle 5. An earth electrode was placed at a position immediately below the melt discharge nozzle 5 and at a distance of 120 mm from the nozzle port 53a. In this state, 0.3 MPa of pressurized nitrogen was introduced into the storage container 2 from the nitrogen gas supply line 4 to perform spinning. As a result, spinning progressed well and pitch fibers with a diameter of around 250 nm were obtained.

得られたピッチ繊維を、大気中において、先ず200℃で24時間、次に250℃で12時間、さらに300℃で5時間と、段階的に加熱することで不融化工程を行った。次に、不融化工程を行った炉内に窒素ガスを導入して窒素ガス雰囲気とし、3℃/minの速度で1000℃まで昇温した後、1000℃に0.5時間保持する熱処理(炭素化工程)を行った。次に、この熱処理がなされた炭素繊維を黒鉛化炉に入れて、炉内にアルゴンガスを導入してアルゴンガス雰囲気とし、3℃/minの速度で1400℃まで昇温した後、1400℃で10時間保持する熱処理(黒鉛化工程)を行った。これにより、直径が比較的均一で250nm前後であるカーボンナノファイバーが得られた。   The infusible process was performed by heating the obtained pitch fiber stepwise in the atmosphere first at 200 ° C. for 24 hours, then at 250 ° C. for 12 hours, and further at 300 ° C. for 5 hours. Next, after introducing nitrogen gas into the furnace in which the infusibilization step has been performed to form a nitrogen gas atmosphere, the temperature is raised to 1000 ° C. at a rate of 3 ° C./min, and then heat treatment (carbon is maintained at 1000 ° C. for 0.5 hours. Process). Next, the carbon fiber subjected to the heat treatment is placed in a graphitization furnace, and argon gas is introduced into the furnace to form an argon gas atmosphere. The temperature is increased to 1400 ° C. at a rate of 3 ° C./min, and then at 1400 ° C. A heat treatment (graphitization step) was performed for 10 hours. Thereby, carbon nanofibers having a relatively uniform diameter and around 250 nm were obtained.

得られたカーボンナノファイバーを、めのう製乳鉢で粉砕して、平均繊維長が100μmとなるようにした。このカーボンナノファイバーをX線回折装置にかけて、(002)面間隔を測定したところ、0.3462nmであった。なお、この面間隔は(002)面のピークトップのθ角より算出した。このカーボンナノファイバーを透過電子顕微鏡で観察した結果、その繊維構造は、図3に示すような、多数の微細結晶がランダムに存在する構造であることが判明した。図3に示すように、このような構造であると、電子(e- )は繊維の軸に沿った方向だけでなく、軸に交差する方向にも通過する。 The obtained carbon nanofibers were pulverized in an agate mortar so that the average fiber length was 100 μm. When this carbon nanofiber was applied to an X-ray diffractometer and the (002) plane distance was measured, it was 0.3462 nm. The plane spacing was calculated from the θ angle of the peak top of the (002) plane. As a result of observing the carbon nanofibers with a transmission electron microscope, it was found that the fiber structure was a structure in which a large number of fine crystals exist randomly as shown in FIG. As shown in FIG. 3, in such a structure, electrons (e ) pass not only in the direction along the fiber axis but also in the direction intersecting the axis.

上述のようにして製造したカーボンナノファイバーを、メソフェーズ小球体の黒鉛化品に対して、3質量%の含有率となるように混合した。この混合物とバインダーであるポリビニリデンフルオロライド(PVdF)を、質量比で混合物:PVdF=90: 10となるように混合した。この混合物にN−メチルピロリドンを添加することでPVdFを溶解し、ペースト状炭素材を得た。   The carbon nanofibers produced as described above were mixed with respect to the graphitized mesophase spherules so that the content was 3% by mass. This mixture and the polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed so that the mass ratio of the mixture: PVdF = 90: 10. By adding N-methylpyrrolidone to this mixture, PVdF was dissolved to obtain a pasty carbon material.

このペースト状炭素材を、クリアランスを200μmに設定したドクターブレード塗布器具を用いて、集電体である銅箔の片面に塗布して電極板を作製した。この電極板を100℃で12分間乾燥した後、電極密度が1.8〜2.2g/cm3 になるようにプレスした。これを130℃で一昼夜、真空乾燥することで、試験電極を得た。
得られた試験電極のうち電極密度が1.9g/cm3 のものと、対極として用いたリチウム箔との間に多孔質のセパレーターを介在させ、非水系電解液に浸漬させることで、試験用電池を作製した。非水系電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を、体積比でEC:EMC=1: 2の割合で混合した溶媒に、LiPF6 を1mol/kgの濃度となるように溶解させたものを用いた。
This paste-like carbon material was applied to one side of a copper foil as a current collector using a doctor blade applicator with a clearance set to 200 μm to produce an electrode plate. The electrode plate was dried at 100 ° C. for 12 minutes and then pressed so that the electrode density was 1.8 to 2.2 g / cm 3 . This was vacuum-dried at 130 ° C. for a whole day and night to obtain a test electrode.
A porous separator is interposed between the obtained test electrode having an electrode density of 1.9 g / cm 3 and a lithium foil used as a counter electrode, and the test electrode is immersed in a non-aqueous electrolyte. A battery was produced. As a non-aqueous electrolytic solution, LiPF 6 is adjusted to a concentration of 1 mol / kg in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) are mixed at a volume ratio of EC: EMC = 1: 2. What was dissolved in was used.

この試験用電池の電池特性を調べたところ、放電容量は345mAh/gであり、負荷逆容量は20mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.2%であった。また、充電受入れ性は1.0Cの充電で35.4%、放電率は2.0Cの放電で92.0%であった。なお、「C」は、定電流放電(充電)時の電流値の時間率を示す係数であって、「1.0Cの充電(放電)」は、1時間で充電(放電)が終了する電流値で定電流充電(放電)を行うことを意味する。「2.0Cの放電(充電)」は、0.5時間で放電が終了する電流値で定電流放電(充電)を行うことを意味する。   When the battery characteristics of the test battery were examined, the discharge capacity was 345 mAh / g and the load reverse capacity was 20 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.2%. The charge acceptance was 35.4% at a charge of 1.0C, and the discharge rate was 92.0% at a discharge of 2.0C. “C” is a coefficient indicating the time ratio of the current value during constant current discharge (charging), and “1.0 C charging (discharging)” is the current at which charging (discharging) is completed in one hour. It means that constant current charging (discharging) is performed by value. “Discharging (charging) at 2.0 C” means that constant current discharging (charging) is performed at a current value at which discharging is completed in 0.5 hours.

[サンプルNo.2]
ピッチ系物質として、コールタールを原料として調製された水添ピッチ(軟化点158℃)を使用した。図1の紡糸装置としてNo.1と同じものを使用して、貯蔵容器2内のピッチ系物質1の温度を250℃に制御し、紡糸ノズル51の内部5Aの温度を250℃に制御し、コレクタ6と溶融物吐出ノズル5との間に印加する電圧を15kVとした。これ以外はNo.1と同じ方法で紡糸を行った。これにより、紡糸が良好に進み、直径800nm前後のピッチ繊維が得られた。
[Sample No.2]
Hydrogenated pitch (softening point 158 ° C.) prepared using coal tar as a raw material was used as the pitch-based material. 1 using the same spinning device as No. 1 in FIG. 1, controlling the temperature of the pitch-based material 1 in the storage container 2 to 250 ° C., controlling the temperature of the interior 5A of the spinning nozzle 51 to 250 ° C., The voltage applied between the collector 6 and the melt discharge nozzle 5 was 15 kV. Except for this, spinning was performed in the same manner as No. 1. As a result, spinning proceeded satisfactorily and pitch fibers with a diameter of around 800 nm were obtained.

得られたピッチ繊維を、大気中において300℃で5時間加熱することで不融化工程を行った。次に、不融化工程を行った炉内に窒素ガスを導入して窒素ガス雰囲気とし、3℃/minの速度で1000℃まで昇温した後、1000℃に0.5時間保持する熱処理(炭素化工程)を行った。次に、この熱処理がなされた炭素繊維を黒鉛化炉に入れて、炉内にアルゴンガスを導入してアルゴンガス雰囲気とし、3℃/minの速度で2500℃まで昇温した後、2500℃で10時間保持する熱処理(黒鉛化工程)を行った。これにより、平均直径が800nmであるカーボンナノファイバーが得られた。   The infusible process was performed by heating the obtained pitch fiber at 300 ° C. for 5 hours in the air. Next, after introducing nitrogen gas into the furnace in which the infusibilization step has been performed to form a nitrogen gas atmosphere, the temperature is raised to 1000 ° C. at a rate of 3 ° C./min, and then heat treatment (carbon is maintained at 1000 ° C. for 0.5 hours. Process). Next, the carbon fiber subjected to the heat treatment is put into a graphitization furnace, and argon gas is introduced into the furnace to form an argon gas atmosphere. After the temperature is increased to 2500 ° C. at a rate of 3 ° C./min, the temperature is increased to 2500 ° C. A heat treatment (graphitization step) was performed for 10 hours. Thereby, carbon nanofibers having an average diameter of 800 nm were obtained.

得られたカーボンナノファイバーを、めのう製乳鉢で粉砕して、平均繊維長が100μmとなるようにした。このカーボンナノファイバーをX線回折装置にかけて、No.1と同じ方法で(002)面間隔を測定したところ、0.3485nmであった。このカーボンナノファイバーを透過電子顕微鏡で観察した結果、図3に示すような構造であることが判明した。   The obtained carbon nanofibers were pulverized in an agate mortar so that the average fiber length was 100 μm. When this carbon nanofiber was applied to an X-ray diffractometer and the (002) plane spacing was measured by the same method as in No. 1, it was 0.3485 nm. As a result of observing the carbon nanofiber with a transmission electron microscope, it was found that the structure was as shown in FIG.

上述のようにして製造したカーボンナノファイバーを、No.1で使用したものと同じメソフェーズ小球体の黒鉛化品に対して、3質量%の含有率となるように混合した。この混合物を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。得られた試験電極のうち電極密度が1.9g/cm3 のものと、対極として用いたリチウム箔との間に多孔質のセパレーターを介在させ、非水系電解液に浸漬させることで、試験用電池を作製した。非水系電解液はNo.1と同じものを用いた。
この試験用電池の電池特性を調べたところ、放電容量は346mAh/gであり、負荷逆容量は20mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.2%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで35.3%、放電率は2.0Cの放電で91.8%であった。
The carbon nanofibers produced as described above were mixed with the same mesophase microsphere graphitized product as used in No. 1 so as to have a content of 3% by mass. Using this mixture, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. A porous separator is interposed between the obtained test electrode having an electrode density of 1.9 g / cm 3 and a lithium foil used as a counter electrode, and the test electrode is immersed in a non-aqueous electrolyte. A battery was produced. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of this test battery were examined, the discharge capacity was 346 mAh / g and the load reverse capacity was 20 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.2%. Further, the charge acceptability was 35.3% at 1.0 C, and the discharge rate was 91.8% at 2.0 C discharge.

[サンプルNo.3]
ピッチ系物質として、No.1と同じ軟化点が232℃の無水添ピッチを使用した。図1の紡糸装置としてNo.1と同じものを使用したが、予熱した窒素ガスを溶融物吐出ノズル5の空間5Bに導入しなかった。これ以外はNo.1と同じ方法で紡糸を行った。これにより、紡糸が良好に進み、直径250nm前後のピッチ繊維が得られた。
得られたピッチ繊維に対する不融化工程と、炭素化工程と、黒鉛化工程を、No.1と同じ方法で行った。これにより、直径が250nmで均一なカーボンナノファイバーが得られた。
[Sample No.3]
As the pitch material, an anhydrous pitch having a softening point of 232 ° C. as in No. 1 was used. The same spinning device as that of No. 1 was used as the spinning device of FIG. 1, but the preheated nitrogen gas was not introduced into the space 5B of the melt discharge nozzle 5. Except for this, spinning was performed in the same manner as No. 1. As a result, spinning progressed well and pitch fibers with a diameter of around 250 nm were obtained.
The infusibilization process, carbonization process, and graphitization process for the obtained pitch fiber were performed in the same manner as in No. 1. Thereby, a uniform carbon nanofiber having a diameter of 250 nm was obtained.

得られたカーボンナノファイバーを、めのう製乳鉢で粉砕して、平均繊維長が100μmとなるようにした。このカーボンナノファイバーをX線回折装置にかけて、No.1と同じ方法で(002)面間隔を測定したところ、0.3398nmであった。このカーボンナノファイバーを透過電子顕微鏡で観察した結果、図3に示す構造に似ているが、黒鉛微結晶のa軸が、繊維の軸方向に少し配向している構造であった。   The obtained carbon nanofibers were pulverized in an agate mortar so that the average fiber length was 100 μm. When this carbon nanofiber was applied to an X-ray diffractometer and the (002) plane spacing was measured by the same method as in No. 1, it was 0.3398 nm. As a result of observing the carbon nanofiber with a transmission electron microscope, the carbon nanofiber was similar to the structure shown in FIG. 3, but the a-axis of the graphite microcrystal was slightly oriented in the axial direction of the fiber.

上述のようにして製造したカーボンナノファイバーを、No.1で使用したものと同じメソフェーズ小球体の黒鉛化品に対して、3質量%の含有率となるように混合した。この混合物を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。得られた試験電極のうち電極密度が1.9g/cm3 のものと、対極として用いたリチウム箔との間に多孔質のセパレーターを介在させ、非水系電解液に浸漬させることで、試験用電池を作製した。非水系電解液はNo.1と同じものを用いた。
この試験用電池の電池特性を調べたところ、放電容量は345mAh/gであり、負荷逆容量は21mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は93.9%であった。また、充電受入れ性は1.0Cの充電で33.3%、放電率は2.0Cの放電で90.5%であった。
The carbon nanofibers produced as described above were mixed with the same mesophase microsphere graphitized product as used in No. 1 so as to have a content of 3% by mass. Using this mixture, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. A porous separator is interposed between the obtained test electrode having an electrode density of 1.9 g / cm 3 and a lithium foil used as a counter electrode, and the test electrode is immersed in a non-aqueous electrolyte. A battery was produced. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of this test battery were examined, the discharge capacity was 345 mAh / g, and the load reverse capacity was 21 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 93.9%. The charge acceptance was 33.3% with a charge of 1.0 C, and the discharge rate was 90.5% with a discharge of 2.0 C.

[サンプルNo.4]
気相成長法で作製された炭素繊維(VGCF)として、平均直径が150nmで平均繊維長がμmであるカーボンナノファイバーを入手した。このカーボンナノファイバーをX線回折装置にかけて(002)面間隔を測定したところ、0.3383nmであった。また、このカーボンナノファイバーを透過電子顕微鏡で観察した結果、その繊維構造は、図4に示すようなマルチウォールタイプであった。図4に示すように、このような構造であると、電子(e- )は繊維の軸に沿った方向には通過するが、軸に交差する方向には通過しない。
[Sample No.4]
Carbon nanofibers having an average diameter of 150 nm and an average fiber length of 8 μm were obtained as carbon fibers (VGCF) produced by vapor deposition. The carbon nanofibers were subjected to an X-ray diffractometer and the (002) plane spacing was measured to be 0.3383 nm. Moreover, as a result of observing this carbon nanofiber with a transmission electron microscope, the fiber structure was a multi-wall type as shown in FIG. As shown in FIG. 4, with such a structure, electrons (e ) pass in the direction along the fiber axis, but do not pass in the direction intersecting the axis.

このカーボンナノファイバーを、No.1で使用したものと同じメソフェーズ小球体の黒鉛化品に対して、3質量%の含有率となるように混合した。この混合物を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。得られた試験電極のうち電極密度が1.9g/cm3 のものと、対極として用いたリチウム箔との間に多孔質のセパレーターを介在させ、非水系電解液に浸漬させることで、試験用電池を作製した。非水系電解液はNo.1と同じものを用いた。
この試験用電池の電池特性を調べたところ、放電容量は345mAh/gであり、負荷逆容量は22mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は93.6%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで29.2%、放電率は2.0Cの放電で89.0%であった。
This carbon nanofiber was mixed with a graphitized product of the same mesophase spherules used in No. 1 so as to have a content of 3% by mass. Using this mixture, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. A porous separator is interposed between the obtained test electrode having an electrode density of 1.9 g / cm 3 and a lithium foil used as a counter electrode, and the test electrode is immersed in a non-aqueous electrolyte. A battery was produced. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of the test battery were examined, the discharge capacity was 345 mAh / g, and the load reverse capacity was 22 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 93.6%. The charge acceptance was 29.2% at 1.0 C, and the discharge rate was 89.0% at 2.0 C discharge.

[サンプルNo.5]
No.1で使用したものと同じメソフェーズ小球体の黒鉛化品(カーボンナノファイバーを混合しないでそのままのもの)と、バインダーであるポリビニリデンフルオロライド(PVdF)を、質量比でメソフェーズ小球体の黒鉛化品:PVdF=90: 10となるように混合した。この混合物にN−メチルピロリドンを添加することでPVdFを溶解し、ペースト状炭素材を得た。
[Sample No.5]
The same mesophase spheroidized graphitized product as used in No. 1 (without mixing carbon nanofibers) and the polyvinylidene fluoride (PVdF) binder, the mass ratio of mesophase spheroidized graphite Chemical product: Mixed so that PVdF = 90: 10. By adding N-methylpyrrolidone to this mixture, PVdF was dissolved to obtain a pasty carbon material.

このペースト状炭素材を用いた以外はNo.1と同じ方法で、試験電極を得た。得られた試験電極のうち電極密度が1.9g/cm3 のものと、対極として用いたリチウム箔との間に多孔質のセパレーターを介在させ、非水系電解液に浸漬させることで、試験用電池を作製した。非水系電解液はNo.1と同じものを用いた。
この試験用電池の電池特性を調べたところ、放電容量は345mAh/gであり、負荷逆容量は20mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.2%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで25.1%、放電率は2.0Cの放電で87.4%であった。
得られたNo.1〜No.5の試験用電池の電池特性を、下記の表1にまとめて示す。
A test electrode was obtained by the same method as No. 1 except that this pasty carbon material was used. A porous separator is interposed between the obtained test electrode having an electrode density of 1.9 g / cm 3 and a lithium foil used as a counter electrode, and the test electrode is immersed in a non-aqueous electrolyte. A battery was produced. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of the test battery were examined, the discharge capacity was 345 mAh / g and the load reverse capacity was 20 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.2%. The charge acceptance was 25.1% at 1.0C and the discharge rate was 87.4% at 2.0C discharge.
The battery characteristics of the obtained test batteries No. 1 to No. 5 are summarized in Table 1 below.

Figure 2011157668
Figure 2011157668

また、No.1〜No.5の試験用電池のサイクル特性を調べたところ、図5に示すグラフが得られた。
これらの試験結果から以下のことが分かる。炭素繊維(CF)を添加した炭素材からなる試験電極を有するNo.1〜No.4の試験用電池は、炭素繊維を添加しない炭素材からなる試験電極を有するNo.5の試験用電池と比較して、優れた電池特性が得られている。また、No.1〜No.4の試験用電池のうちNo.1とNo.2の試験用電池は、この発明の実施形態の方法で製造されたカーボンナノファイバーを添加していることで、特に優れた電池特性が得られている。
Further, when the cycle characteristics of the test batteries No. 1 to No. 5 were examined, the graph shown in FIG. 5 was obtained.
From these test results, the following can be understood. Test batteries No. 1 to No. 4 having test electrodes made of carbon material added with carbon fiber (CF) are No. 5 test batteries having test electrodes made of carbon material to which no carbon fiber is added. In comparison, excellent battery characteristics are obtained. In addition, the test batteries No. 1 and No. 2 among the test batteries No. 1 to No. 4 are added with the carbon nanofibers manufactured by the method of the embodiment of the present invention. Particularly excellent battery characteristics are obtained.

1 ピッチ系物質
2 貯蔵容器
3 電熱ヒーター
4 窒素ガス供給ライン
5 溶融物吐出ノズル
51 紡糸ノズル
51a 主要部
51b 後端部
51c 先端ノズル部
52 外筒
53 ノズルガイド
53a ノズル口
54 溶融物導入用の配管
55 ガス導入用の配管
5A 紡糸ノズルの内部
5B ガスが導入される空間
6 コレクタ
7 電圧発生器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pitch-type substance 2 Storage container 3 Electric heater 4 Nitrogen gas supply line 5 Melt discharge nozzle 51 Spinning nozzle 51a Main part 51b Rear end part 51c Front end nozzle part 52 Outer cylinder 53 Nozzle guide 53a Nozzle port 54 Piping for melt introduction 55 Pipe for Gas Introduction 5A Inside Spinning Nozzle 5B Space where Gas is Introduced 6 Collector 7 Voltage Generator

Claims (3)

エレクトロスピニング法により、ピッチ系物質の溶融物を紡糸ノズルからコレクタに向けて吐出することで、ピッチ繊維を紡糸する方法であって、
前記ピッチ系物質として、軟化点が210℃を超え280℃未満である無水添ピッチ、または軟化点が120℃を超え250℃未満である水添ピッチを用い、
前記紡糸ノズルの周囲に予熱されたガスを供給し、この予熱ガスを、前記紡糸ノズルから前記溶融物を吐出する際に、その吐出方向と平行に前記コレクタに向けて吹き付けることを特徴とするピッチ繊維の紡糸方法。
A method of spinning pitch fibers by discharging a melt of a pitch-based material from a spinning nozzle toward a collector by an electrospinning method,
As the pitch-based material, an anhydrous pitch having a softening point exceeding 210 ° C and less than 280 ° C, or a hydrogenating pitch having a softening point exceeding 120 ° C and less than 250 ° C,
A pitch in which preheated gas is supplied around the spinning nozzle, and the preheated gas is blown toward the collector in parallel with the discharge direction when the melt is discharged from the spinning nozzle. Fiber spinning method.
ピッチ繊維の紡糸工程と、ピッチ繊維の不融化工程と、不融化されたピッチ繊維を不活性ガス雰囲気で熱処理する工程と、を有する炭素繊維の製造方法であって、
前記紡糸工程として、請求項1記載の紡糸方法を行うことを特徴とする炭素繊維の製造方法。
A process for producing carbon fibers comprising: a spinning process of pitch fibers; an infusible process of pitch fibers; and a process of heat-treating the infusible pitch fibers in an inert gas atmosphere,
A method for producing carbon fiber, comprising performing the spinning method according to claim 1 as the spinning step.
平均直径が50nm以上800nm以下であり、ランダムに配向した多数の微結晶の黒鉛から構成され、Cu−Kα線のX線回折により測定される(002)面の面間隔が0.3400nm以上0.3700nm以下であるカーボンナノファイバー。   The average diameter is 50 nm or more and 800 nm or less, and it is made of a large number of randomly oriented microcrystalline graphite, and the (002) plane spacing measured by Cu-Kα ray X-ray diffraction is 0.3400 nm or more and 0.00. Carbon nanofiber which is 3700 nm or less.
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