JP2012003985A - Electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents

Electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery Download PDF

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伸弥 小村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics.SOLUTION: An electrode for the lithium ion secondary battery comprises: an electrode active material capable of occluding and releasing a lithium ion; a carbon-based conductive auxiliary material; and a binder. The carbon-based conductive auxiliary material is an ultrafine fibrous carbon free from branch structure and having a mean fiber diameter of 10 to 900 nm.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用電極、およびそのリチウムイオン二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to an electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the electrode for a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、非水電解質二次電池の一種で、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池であり、正極にリチウム金属酸化物を用い、負極にグラファイトなどの炭素材を用いるものが主流の二次電池である。リチウムイオン二次電池は、二次電池の中でもエネルギー密度が高い特徴を持つことから、携帯電話などの小型機器から、電気自動車などの大型機器まで、応用範囲が広がってきている。   A lithium ion secondary battery is a type of non-aqueous electrolyte secondary battery in which lithium ions in the electrolyte are responsible for electrical conduction, using a lithium metal oxide for the positive electrode and a carbon material such as graphite for the negative electrode. What is used is a mainstream secondary battery. Lithium ion secondary batteries have a feature of high energy density among secondary batteries, and thus have a wide range of applications from small devices such as mobile phones to large devices such as electric vehicles.

リチウムイオン二次電池の課題の一つとして、充放電の繰り返しによる電池容量の低下(劣化)を防止する点が挙げられる(サイクル特性の向上)。サイクル特性の低下の原因としては、電極活物質、電解質、電解液などの変性(劣化)や、電極箔と電極活物質の剥離による電極抵抗の上昇など、様々な要因が複合して生じているが、その改良方法の一つとして、繊維状の炭素材料を電極内に加えることにより、サイクル特性が向上することが提案されている(特許文献1参照)。この提案では、繊維状の炭素材料として気相法炭素繊維を使用しているが、気相法炭素繊維は、分岐構造を有しているため、電極内の分散性を高めることが難しく、繊維状の炭素材料が凝集してしまう問題があり、それに伴いサイクル特性も十分なものではなかった。   One of the problems with lithium ion secondary batteries is that battery capacity reduction (deterioration) due to repeated charge and discharge is prevented (improvement of cycle characteristics). Causes of deterioration of cycle characteristics are caused by a combination of various factors such as denaturation (deterioration) of electrode active material, electrolyte, electrolyte, etc., and increase in electrode resistance due to peeling of electrode foil and electrode active material. However, as one of the improvement methods, it has been proposed to improve the cycle characteristics by adding a fibrous carbon material into the electrode (see Patent Document 1). In this proposal, vapor grown carbon fiber is used as the fibrous carbon material. However, since vapor grown carbon fiber has a branched structure, it is difficult to increase dispersibility in the electrode. There is a problem that the carbon material in the form of agglomeration, and accordingly, the cycle characteristics are not sufficient.

特開2007−42620号公報JP 2007-42620 A

本発明の目的は、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics.

本発明者らは、上記従来技術に鑑み鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の構成を要旨とするものである。
1. リチウムイオンを吸蔵・放出可能な電極活物質、炭素系導電助材及びバインダーを含むリチウムイオン二次電池用電極であって、
該炭素系導電助材が、分岐構造を持たない平均繊維径10〜900nmの超極細繊維状炭素であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。
2. 上記1.項に記載のリチウムイオン二次電池用電極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池
As a result of intensive studies in view of the above prior art, the present inventors have completed the present invention. That is, the gist of the present invention is as follows.
1. An electrode for a lithium ion secondary battery comprising an electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a carbon-based conductive additive and a binder,
The electrode for a lithium ion secondary battery, wherein the carbon-based conductive additive is ultrafine fibrous carbon having an average fiber diameter of 10 to 900 nm that does not have a branched structure.
2. Above 1. A lithium ion secondary battery comprising the electrode for a lithium ion secondary battery as described in the paragraph

本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、優れたサイクル特性を有するので、高性能のリチウムイオン二次電池を与えることができる。   Since the electrode for lithium ion secondary batteries of the present invention has excellent cycle characteristics, a high performance lithium ion secondary battery can be provided.

実施例1の操作で得られた超極細繊維状炭素の走査型電子顕微鏡像(2,000倍)である。2 is a scanning electron microscope image (2,000 times) of ultrafine fibrous carbon obtained by the operation of Example 1. FIG.

本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な電極活物質、炭素系導電助材及びバインダーを含み、該炭素系導電助材が、分岐構造を持たない平均繊維径10〜900nmの超極細繊維状炭素であることを特徴とする。
以下、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な電極活物質(正極活物質、負極活物質)について説明する。
The electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention includes an electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions, a carbon-based conductive aid and a binder, and the carbon-based conductive aid has an average fiber diameter without a branched structure. It is characterized by being ultrafine fiber carbon of 10 to 900 nm.
Hereinafter, electrode active materials (positive electrode active material, negative electrode active material) capable of inserting and extracting lithium ions will be described.

[正極活物質]
本発明のリチウムイオン二次電池に含まれる正極活物質としては、リチウム系電池において正極活物質として知られている従来公知の材料(リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料)の中から、任意のものを一種又は二種以上適宜選択して用いることができるが、これらの中で、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有金属酸化物が好適である。
このリチウム含有金属酸化物としては、リチウムと、Co、Mg、Mn、Ni、Fe、Al、Mo、V、W及びTiなどからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む複合酸化物を挙げることができる。
[Positive electrode active material]
As the positive electrode active material contained in the lithium ion secondary battery of the present invention, any of conventionally known materials (materials capable of occluding and releasing lithium ions) known as positive electrode active materials in lithium batteries can be used. One or two or more of them can be appropriately selected and used, and among these, lithium-containing metal oxides capable of inserting and extracting lithium ions are preferable.
Examples of the lithium-containing metal oxide include a composite oxide containing lithium and at least one element selected from the group consisting of Co, Mg, Mn, Ni, Fe, Al, Mo, V, W, and Ti. Can do.

具体的には、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1−a、LiCo1−b、LiCoFe1−b、LiMn、LiMnCo2−c、LiMnNi2−c、LiMn2−c、LiMnFe2−c(ここで、x=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.8〜0.98、c=1.6〜1.96、z=2.01〜2.3である。)などからなる群より選ばれる少なくとも一種が挙げられる。好ましいリチウム含有金属酸化物としては、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1−a、LiMn、LiCo1−b(ここで、x、a、b及びzは上記と同じである。)からなる群より選ばれる少なくとも一種を挙げることができる。なお、xの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。 Specifically, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co a Ni 1-a O 2, Li x Co b V 1-b O z, Li x Co b Fe 1-b O 2, Li x Mn 2 O 4, Li x Mn c Co 2-c O 4, Li x Mn c Ni 2-c O 4, Li x Mn c V 2-c O 4, Li x Mn c Fe 2- c O 4 (where, x = 0.02~1.2, a = 0.1~0.9 , b = 0.8~0.98, c = 1.6~1.96, z = 2 At least one selected from the group consisting of .01-2.3. Preferred lithium-containing metal oxides, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co a Ni 1-a O 2, Li x Mn 2 O 4, Li x Co b V 1-b There may be mentioned at least one selected from the group consisting of O z (where x, a, b and z are the same as above). In addition, the value of x is a value before the start of charging / discharging, and increases / decreases by charging / discharging.

上記正極活物質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該正極活物質の平均粒子径は、10μm以下とする。平均粒子径が10μmを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう。平均粒子径は0.05μm(50nm)〜7μmとすることが好ましく、1μm〜7μmとすることがより好ましい。   The positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more. The average particle diameter of the positive electrode active material is 10 μm or less. When the average particle diameter exceeds 10 μm, the efficiency of the charge / discharge reaction under a large current is reduced. The average particle diameter is preferably 0.05 μm (50 nm) to 7 μm, and more preferably 1 μm to 7 μm.

[負極活物質]
本発明のリチウムイオン二次電池に含まれる負極活物質としては、リチウム系電池において、負極活物質として知られている従来公知の材料(リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料)の中から、一種又は二種以上選択して用いることができる。例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料として、炭素材料、SiおよびSnのいずれか、またはこれらの少なくとも一種を含む合金や酸化物などを用いることができる。これらの中でも炭素材料が好ましい。
[Negative electrode active material]
As the negative electrode active material contained in the lithium ion secondary battery of the present invention, one kind of conventionally known materials (materials capable of occluding and releasing lithium ions) known as negative electrode active materials in lithium-based batteries is used. Or it can select and use 2 or more types. For example, as a material capable of inserting and extracting lithium ions, a carbon material, any of Si and Sn, or an alloy or oxide containing at least one of them can be used. Among these, a carbon material is preferable.

上記炭素材料としては、天然黒鉛、石油系及び石炭系コークスを熱処理することで製造される人造黒鉛、樹脂を炭素化したハードカーボン、メソフェーズピッチ系炭素材料などを代表例として挙げることができる。天然黒鉛や人造黒鉛を用いる場合、電池容量の増大の観点から、粉末X線回折による黒鉛構造の(002)面の面間隔d(002)が0.335〜0.337nmの範囲にあるものが好ましい。   Typical examples of the carbon material include artificial graphite produced by heat-treating natural graphite, petroleum-based and coal-based coke, hard carbon obtained by carbonizing a resin, mesophase pitch-based carbon material, and the like. When natural graphite or artificial graphite is used, one having a (002) plane spacing d (002) of the graphite structure by powder X-ray diffraction in the range of 0.335 to 0.337 nm from the viewpoint of increasing battery capacity. preferable.

天然黒鉛とは、鉱石として天然に産出する黒鉛質材料のことをいう。天然黒鉛は、その外観と性状によって、結晶化度の高い鱗状黒鉛と結晶化度が低い土状黒鉛の二種類に分けられる。鱗状黒鉛はさらに外観が葉状の鱗片状黒鉛と、塊状である鱗状黒鉛とに分けられる。黒鉛質材料となる天然黒鉛は、産地や性状、種類は特に制限されない。また、天然黒鉛または天然黒鉛を原料として製造した粒子に熱処理を施して用いてもよい。   Natural graphite refers to a graphite material that is naturally produced as ore. Natural graphite is classified into two types, scaly graphite having a high degree of crystallinity and earthy graphite having a low degree of crystallinity, depending on its appearance and properties. The scaly graphite is further divided into scaly graphite having a leaf-like appearance and scaly graphite having a lump shape. There are no particular restrictions on the origin, properties, and types of natural graphite used as the graphite material. Further, natural graphite or particles produced using natural graphite as a raw material may be subjected to heat treatment.

また、人造黒鉛とは、広く人工的な手法で作られた黒鉛及び黒鉛の完全結晶に近い黒鉛質材料をいう。代表的な例としては、石炭の乾留、原油の蒸留による残渣などから得られるタールやコークスを原料にして、500〜1000℃程度の焼成工程、2000℃以上の黒鉛化工程を経て得たものが挙げられる。また、溶解鉄から炭素を再析出させることで得られるキッシュグラファイトも人造黒鉛の一種である。   Artificial graphite refers to graphite made by a wide variety of artificial techniques and a graphite material close to a perfect crystal of graphite. As a typical example, a material obtained from a tar and coke obtained from dry distillation of coal, a residue obtained by distillation of crude oil, and the like, through a firing process of about 500 to 1000 ° C. and a graphitization process of 2000 ° C. or more is used. Can be mentioned. Kish graphite obtained by reprecipitation of carbon from dissolved iron is also a kind of artificial graphite.

負極活物質として炭素材料の他に、SiおよびSnの少なくとも一種を含む合金を使用することは、SiおよびSnのそれぞれを単体で用いる場合やそれぞれの酸化物を用いる場合に比べ、電気容量を小さくすることができる点で有効である。なかでもSi系合金が好ましい。   Using an alloy containing at least one of Si and Sn in addition to the carbon material as the negative electrode active material has a smaller electric capacity than when using each of Si and Sn alone or using each oxide. It is effective in that it can be done. Of these, Si-based alloys are preferable.

Si系合金としては、B、Mg、Ca、Ti、Fe、Co、Mo、Cr、V、W、Ni、Mn、Zn及びCuなどからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、Siとの合金などを挙げることができる。具体的には、SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2などからなる群より選ばれる少なくとも一種が挙げられる。 As an Si-based alloy, an alloy of Si and at least one element selected from the group consisting of B, Mg, Ca, Ti, Fe, Co, Mo, Cr, V, W, Ni, Mn, Zn, Cu, and the like And so on. Specifically, SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi 2 , VSi 2 , There may be mentioned at least one selected from the group consisting of WSi 2 , ZnSi 2 and the like.

本発明においては、負極活物質として、既述の材料を一種単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該負極活物質の平均粒子径は10μm以下とする。平均粒子径が10μmを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう。平均粒子径は0.1〜10μmとすることが好ましく、1〜7μmとすることがより好ましい。   In the present invention, as the negative electrode active material, the aforementioned materials may be used alone or in combination of two or more. The average particle diameter of the negative electrode active material is 10 μm or less. When the average particle diameter exceeds 10 μm, the efficiency of the charge / discharge reaction under a large current is reduced. The average particle diameter is preferably 0.1 to 10 μm, and more preferably 1 to 7 μm.

次に、本発明のリチウムイオン二次電池用電極が、炭素系導電助材として含む分岐構造を持たない平均繊維径10〜900nmの超極細繊維状炭素について詳細に説明する。   Next, the ultrafine fibrous carbon having an average fiber diameter of 10 to 900 nm that does not have a branched structure included in the electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention will be described in detail.

<超極細繊維状炭素>
・ 易黒鉛化性炭素
本発明における超極細繊維状炭素は易黒鉛化性炭素であることが好ましい。易黒鉛化性炭素とは、2,500℃以上の高温での加熱処理によって三次元的な積層規則性を持つ黒鉛構造が生成しやすい炭素原料である。軟質炭素、ソフトカーボンなどとも呼ばれる。易黒鉛化性炭素としては、石油コークス、石炭ピッチコークス、ポリ塩化ビニル、3,5−ジメチルフェノールホルムアルデヒド樹脂などが挙げられる。中でも、メソフェ−ズピッチと呼ばれる、溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成しうる化合物またはその混合物が、高結晶性、高導電性が期待されることから好ましい。メソフェ−ズピッチとしては、石油残渣油を水素添加・熱処理を主体とする方法ないし水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする方法で得られる石油系メソフェ−ズピッチ;コ−ルタ−ルピッチを水素添加・熱処理を主体とする方法ないし水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする方法で得られる石炭系メソフェ−ズピッチ;ナフタレン、アルキルナフタレン、アントラセン等の芳香族炭化水素を原料として超強酸(例えばHF、BF等)の存在下で重縮合させて得られる合成液晶ピッチ等が挙げられる。中でも、合成液晶ピッチが、不純物を含まない点でより好ましい。
<Ultrafine fibrous carbon>
-Graphitizable carbon The ultrafine fiber carbon in the present invention is preferably graphitizable carbon. Easily graphitizable carbon is a carbon raw material in which a graphite structure having a three-dimensional lamination regularity is easily generated by heat treatment at a high temperature of 2500 ° C. or higher. Also called soft carbon or soft carbon. Examples of graphitizable carbon include petroleum coke, coal pitch coke, polyvinyl chloride, and 3,5-dimethylphenol formaldehyde resin. Among these, a compound called a mesophase pitch, which can form an optically anisotropic phase (liquid crystal phase) in a molten state, or a mixture thereof is preferable because high crystallinity and high conductivity are expected. As mesophase pitch, petroleum-based mesophase pitch obtained by a method mainly consisting of hydrogenation and heat treatment of petroleum residue oil or a method mainly consisting of hydrogenation, heat treatment and solvent extraction; Coal-based mesophase pitch obtained by a method mainly comprising heat treatment or a method mainly comprising hydrogenation, heat treatment and solvent extraction; super strong acids (for example, HF, BF) using aromatic hydrocarbons such as naphthalene, alkylnaphthalene and anthracene as raw materials 3 ) and the like, and a synthetic liquid crystal pitch obtained by polycondensation in the presence of 3 ). Among these, the synthetic liquid crystal pitch is more preferable in that it does not contain impurities.

・ 平均繊維径
本発明における超極細繊維状炭素の平均繊維径は、10〜900nmの範囲にある。この平均繊維径は、電界放射型走査電子顕微鏡によって倍率2,000倍にて撮影した写真図より測定された値である。上記超極細繊維状炭素の平均繊維径は、10〜600nmの範囲にあることが好ましく、50〜500nmの範囲にあることがより好ましく、50〜400nmの範囲にあることがさらに好ましい。この平均繊維径が10nm未満の超極細繊維状炭素は、嵩密度が非常に小さくハンドリング性に劣る上に、これをリチウムイオン二次電池用の電極に用いる超極細繊維状炭素として用いると、電極強度が低下してしまうため好ましくない。また、平均繊維径が900nm超過の超極細繊維状炭素をリチウムイオン二次電池用電極に用いると、太すぎて電極内の隙間が大きくなり、電極密度を高くできないこととなるため好ましくない。
本発明における超極細繊維状炭素は分岐構造を有さない。ここで、分岐構造を有さないとは、超極細繊維状炭素が末端部以外の場所で他の超極細繊維状炭素と結合した粒状部を持たないことをいい、超極細繊維状炭素の主軸が中途で枝分かれしていないこと、および超極細繊維状炭素の主軸が枝状の副軸を有さないことをいう。
-Average fiber diameter The average fiber diameter of the ultrafine fiber carbon in this invention exists in the range of 10-900 nm. This average fiber diameter is a value measured from a photograph taken at a magnification of 2,000 with a field emission scanning electron microscope. The average fiber diameter of the ultrafine fibrous carbon is preferably in the range of 10 to 600 nm, more preferably in the range of 50 to 500 nm, and still more preferably in the range of 50 to 400 nm. This ultra-fine fibrous carbon having an average fiber diameter of less than 10 nm has a very low bulk density and is inferior in handleability, and when used as an ultra-fine fibrous carbon used for an electrode for a lithium ion secondary battery, This is not preferable because the strength decreases. In addition, if ultra-fine fibrous carbon having an average fiber diameter exceeding 900 nm is used for an electrode for a lithium ion secondary battery, it is not preferable because it is too thick and the gap in the electrode becomes large and the electrode density cannot be increased.
The ultrafine fibrous carbon in the present invention does not have a branched structure. Here, having no branched structure means that the ultrafine fibrous carbon does not have a granular portion bonded to other ultrafine fibrous carbon at a place other than the terminal portion, and the main axis of the ultrafine fibrous carbon. Means that the main axis of the ultrafine fibrous carbon does not have a branch-like minor axis.

・ 平均繊維長
本発明における超極細繊維状炭素の平均繊維長は、1〜100μmの範囲にあることが好ましく、1〜50μmの範囲にあることがより好ましい。超極細繊維状炭素の平均繊維長が長いほど、リチウムイオン二次電池用電極内の導電性、電極の強度、電解液保液性が増し好ましいが、長すぎると、電極内の繊維分散性が損なわれるという問題が生じる。そのため、本発明における超極細繊維状炭素の平均繊維長は上記範囲内にあることが好ましい。
-Average fiber length The average fiber length of the ultrafine fibrous carbon in the present invention is preferably in the range of 1 to 100 µm, and more preferably in the range of 1 to 50 µm. The longer the average fiber length of the ultrafine fibrous carbon, the better the conductivity in the electrode for lithium ion secondary battery, the strength of the electrode, and the electrolyte retention, but if it is too long, the fiber dispersibility in the electrode is increased. The problem of being damaged arises. Therefore, the average fiber length of the ultrafine fibrous carbon in the present invention is preferably within the above range.

・ 平均面間距離
本発明における超極細繊維状炭素は、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が0.335〜0.340nmにあることがより好ましい。
-Average interplanar distance The ultrafine fibrous carbon in the present invention more preferably has an average interplanar spacing d002 of (002) planes of 0.335 to 0.340 nm measured by X-ray diffraction.

<超極細繊維状炭素の製造方法>
本発明における超極細繊維状炭素を製造するには、上記の諸条件を満足する超極細炭素繊維が得られる手法であればいずれも採用することができるが、例えば、350℃、600s−1で測定したときの溶融粘度が5〜100Pa・sである熱可塑性樹脂100質量部と、石油系メソフェ−ズピッチ、石炭系メソフェ−ズピッチおよび合成液晶ピッチよりなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性炭素前駆体1〜150質量部とからなる樹脂組成物を100〜400℃の温度において成形して前駆体成形体を製造し、次いで前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体成形体を形成し、
さらに安定化前駆体成形体から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成し、そして繊維状炭素前駆体を不活性ガス雰囲気下で炭素化し超極細繊維状炭素を製造する方法を好ましい製造方法として例示することができる。
<Method for producing ultrafine fiber carbon>
In order to produce the ultrafine fiber carbon in the present invention, any technique can be used as long as it can obtain an ultrafine carbon fiber that satisfies the above-mentioned conditions. For example, at 350 ° C. and 600 s −1 . At least one thermoplastic carbon selected from the group consisting of 100 parts by mass of a thermoplastic resin having a melt viscosity of 5 to 100 Pa · s when measured, petroleum mesophase pitch, coal mesophase pitch, and synthetic liquid crystal pitch. A resin composition comprising 1 to 150 parts by mass of the precursor is molded at a temperature of 100 to 400 ° C. to produce a precursor molded body, and then the thermoplastic carbon precursor contained in the precursor molded body is stabilized and stabilized. Forming a pre-cured precursor molded body,
Further, a method is preferred in which the thermoplastic resin is removed from the stabilized precursor molded body to form a fibrous carbon precursor, and the fibrous carbon precursor is carbonized under an inert gas atmosphere to produce ultrafine fibrous carbon. It can be illustrated as a manufacturing method.

以下に、上記の好ましい製造方法における
(a)熱可塑性樹脂、
(b)熱可塑性炭素前駆体、
(c)熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体から樹脂組成物を製造する方法、
(d)樹脂組成物を成形して前駆体成形体を形成する方法、
(e)前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体成形体を形成する方法、
(f)安定化前駆体成形体から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する方法
(g)繊維状炭素前駆体から超極細繊維状炭素を製造する方法
(h)粉砕方法
について説明する。
(A) a thermoplastic resin in the above preferred production method,
(B) a thermoplastic carbon precursor;
(C) a method for producing a resin composition from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor;
(D) A method of forming a precursor molded body by molding a resin composition,
(E) a method of forming a stabilized precursor molded body by stabilizing a thermoplastic carbon precursor contained in the precursor molded body,
(F) Method for forming a fibrous carbon precursor by removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor molded body (g) Method for producing ultrafine fibrous carbon from the fibrous carbon precursor (h) About the grinding method explain.

(a)熱可塑性樹脂
上記の好ましい製造方法で使用される熱可塑性樹脂は、350℃、600s−1で測定したときの溶融粘度が5〜100Pa・sであるものが好ましい。溶融粘度が5Pa・s未満の熱可塑性樹脂を使用した場合には、熱可塑性炭素前駆体の形成が困難となることから好ましくない。また、溶融粘度が100Pa・sを超過する場合にも、超極細繊維状炭素を製造するための樹脂組成物を成形することが困難となるため、好ましくない。熱可塑性樹脂の溶融粘度は、より好ましくは7〜100Pa・sであり、さらに好ましくは5〜100Pa・sである。
(A) Thermoplastic resin The thermoplastic resin used in the above preferred production method preferably has a melt viscosity of 5 to 100 Pa · s when measured at 350 ° C. and 600 s −1 . When a thermoplastic resin having a melt viscosity of less than 5 Pa · s is used, it is not preferable because it becomes difficult to form the thermoplastic carbon precursor. Further, when the melt viscosity exceeds 100 Pa · s, it is not preferable because it becomes difficult to mold a resin composition for producing ultrafine fibrous carbon. The melt viscosity of the thermoplastic resin is more preferably 7 to 100 Pa · s, and further preferably 5 to 100 Pa · s.

上記の好ましい製造方法で使用される熱可塑性樹脂は、熱可塑性炭素前駆体と容易に溶融混練および溶融成形できるものであるとの観点から、熱可塑性樹脂が非晶性である場合にはそのガラス転移点が250℃以下、熱可塑性樹脂が結晶性である場合にはその結晶融点が300℃以下であることが好ましい。   In view of the fact that the thermoplastic resin used in the above preferred production method can be easily melt kneaded and melt molded with the thermoplastic carbon precursor, the glass is used when the thermoplastic resin is amorphous. When the transition point is 250 ° C. or lower and the thermoplastic resin is crystalline, the crystal melting point is preferably 300 ° C. or lower.

上記熱可塑性樹脂は、安定化前駆体成形体の製造後に容易に除去される必要がある。このため、不活性ガス雰囲気下、450℃以上600℃未満の温度で2時間保持することにより、初期質量の10質量%以下、より好ましくは5質量%以下にまで分解するものであることが好ましい。   The thermoplastic resin needs to be easily removed after the production of the stabilized precursor molded body. For this reason, it is preferable that it is decomposed | disassembled to 10 mass% or less of initial mass, More preferably to 5 mass% or less by hold | maintaining for 2 hours at the temperature of 450 degreeC or more and less than 600 degreeC in inert gas atmosphere. .

このような熱可塑性樹脂として、例えばポリオレフィンを挙げることができる。かかるポリオレフィンとしては、ホモポリマー、複数の種類のオレフィンのコポリマー、オレフィンと酢酸ビニルまたはメタクリル酸もしくはその誘導体とのコポリマー等からなる群より選ばれる1つ以上を挙げることができるが、ホモポリマーであることが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリメチルペンテンからなる群より選ばれる1つ以上であることがより好ましく、特にポリエチレンが好ましい。   An example of such a thermoplastic resin is polyolefin. Examples of the polyolefin include one or more selected from the group consisting of homopolymers, copolymers of a plurality of types of olefins, copolymers of olefins with vinyl acetate, methacrylic acid or derivatives thereof, and the like. It is more preferable that it is one or more selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene and polymethylpentene, and polyethylene is particularly preferable.

(b)熱可塑性炭素前駆体
上記の好ましい製造方法で使用される熱可塑性炭素前駆体としては、易黒鉛化性炭素である必要があることが好ましい。
上記熱可塑性炭素前駆体は、上記熱可塑性樹脂100質量部に対し1〜150質量部使用され、好ましくは5〜100質量部使用される。熱可塑性炭素前駆体の使用割合が150質量部を超える場合には、所望の分散径を有する炭素前駆体が得られず、一方、この値が1質量部未満であると、超極細繊維状炭素を安価に製造することができない等の問題が生じるため好ましくない。
(B) Thermoplastic carbon precursor It is preferable that the thermoplastic carbon precursor used in the preferred production method should be graphitizable carbon.
The thermoplastic carbon precursor is used in an amount of 1 to 150 parts by weight, preferably 5 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the thermoplastic resin. When the use ratio of the thermoplastic carbon precursor exceeds 150 parts by mass, a carbon precursor having a desired dispersion diameter cannot be obtained. On the other hand, when this value is less than 1 part by mass, the ultrafine fibrous carbon is obtained. This is not preferable because it causes problems such as being unable to be manufactured at low cost.

(c)熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体から樹脂組成物を製造する方法
熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体から樹脂組成物を製造する方法としては、両者を溶融状態において混練する方法によることが好ましい。熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体の溶融混練には、公知の装置を必要に応じて用いることができ、例えば一軸押出機、二軸押出機、ミキシングロ−ル、バンバリ−ミキサ−等を用いることができる。これらの中で上記熱可塑性炭素前駆体を熱可塑性樹脂に良好にミクロ分散させるという目的から、同方向二軸押出機が好ましく使用される。溶融混練温度としては100〜400℃で行うことが好ましい。溶融混練温度が100℃未満であると、熱可塑性炭素前駆体が溶融状態にならず、熱可塑性樹脂とのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、400℃を越える場合、熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体の分解が進行する場合があるため、好ましくない。溶融混練温度のより好ましい範囲は150℃〜350℃である。溶融混練の時間としては0.5〜20分間であることが好ましく、より好ましくは1〜15分間である。溶融混練の時間が0.5分間未満である場合、熱可塑性炭素前駆体のミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、20分間を越える場合、超極細繊維状炭素の生産性が著しく低下するため好ましくない。
(C) Method for producing a resin composition from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor The method for producing a resin composition from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is based on a method of kneading both in a molten state. Is preferred. For melt-kneading the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor, a known apparatus can be used as necessary. For example, a single-screw extruder, a twin-screw extruder, a mixing roll, a Banbury mixer, or the like is used. be able to. Of these, the same-direction twin screw extruder is preferably used for the purpose of favorably microdispersing the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin. The melt kneading temperature is preferably 100 to 400 ° C. When the melt kneading temperature is less than 100 ° C., the thermoplastic carbon precursor is not in a molten state, and micro-dispersion with the thermoplastic resin is difficult, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 400 ° C., decomposition of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor may proceed, which is not preferable. A more preferable range of the melt kneading temperature is 150 ° C to 350 ° C. The melt kneading time is preferably 0.5 to 20 minutes, more preferably 1 to 15 minutes. When the melt kneading time is less than 0.5 minutes, it is not preferable because micro dispersion of the thermoplastic carbon precursor is difficult. On the other hand, if it exceeds 20 minutes, the productivity of the ultrafine fibrous carbon is remarkably lowered, which is not preferable.

上記の好ましい製造方法においては、熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体を溶融混練して樹脂組成物を製造する際に、酸素含有量10体積%未満のガス雰囲気下で溶融混練することが好ましい。該製造方法において使用する熱可塑性炭素前駆体は、酸素と反応することにより熱変性し、不融化してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害する場合がある。これを避けるため、不活性ガスを流通させて、できるだけ酸素ガス含有量を低減した条件下で溶融混練を行うことが好ましい。より好ましい溶融混練時の酸素ガス含有量は5体積%未満であり、さらに1体積%未満であることが好ましい。   In the preferable production method described above, when a resin composition is produced by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor, it is preferably melt-kneaded in a gas atmosphere having an oxygen content of less than 10% by volume. The thermoplastic carbon precursor used in the production method is thermally denatured by reacting with oxygen and becomes infusible, which may inhibit micro-dispersion in the thermoplastic resin. In order to avoid this, it is preferable to carry out melt-kneading under conditions where an inert gas is circulated and the oxygen gas content is reduced as much as possible. The oxygen gas content during melt kneading is more preferably less than 5% by volume, and further preferably less than 1% by volume.

上記の方法で得た樹脂組成物は、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmであることが好ましい。樹脂組成物中で熱可塑性炭素前駆体は島相を形成し、球状あるいは回転楕円体状となる。ここでいう分散径とは、樹脂組成物中に含まれる熱可塑性炭素前駆体の球形の直径または回転楕円体の長軸径を意味する。熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmの範囲から逸脱すると、リチウムイオン二次電池用の電極に用いる超極細繊維状炭素を製造することが困難となる場合がある。熱可塑性炭素前駆体の分散径のより好ましい範囲は0.01〜30μmである。   The resin composition obtained by the above method preferably has a dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin of 0.01 to 50 μm. In the resin composition, the thermoplastic carbon precursor forms an island phase and becomes spherical or spheroid. The dispersion diameter here means the spherical diameter of the thermoplastic carbon precursor contained in the resin composition or the major axis diameter of the spheroid. When the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin deviates from the range of 0.01 to 50 μm, it becomes difficult to produce ultrafine fibrous carbon used for an electrode for a lithium ion secondary battery. There is. A more preferable range of the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor is 0.01 to 30 μm.

また、熱可塑性樹脂および熱可塑性炭素前駆体からなる樹脂組成物は、これを300℃で3分間保持した後、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中における分散径が0.01〜50μmとなるものであることが好ましい。一般に、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との溶融混練で得た樹脂組成物を、溶融状態のままで保持しておくと時間とともに熱可塑性炭素前駆体が凝集する現象が見られる。この熱可塑性炭素前駆体の凝集により、熱可塑性炭素前駆体の分散径が50μmを超えると、リチウムイオン二次電池用の電極に用いる超極細繊維状炭素を製造することが困難となる場合がある。熱可塑性炭素前駆体の凝集速度の程度は、使用する熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の種類により変動するが、より好ましくは300℃で5分間、さらには300℃で10分間以上、0.01〜50μmの範囲の分散径を維持していることが好ましい。   Moreover, the resin composition which consists of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor hold | maintains this for 3 minutes at 300 degreeC, Then, the dispersion diameter in the thermoplastic resin of a thermoplastic carbon precursor will be 0.01-50 micrometers. It is preferable. Generally, when a resin composition obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is kept in a molten state, a phenomenon in which the thermoplastic carbon precursor aggregates with time is observed. If the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor exceeds 50 μm due to the aggregation of the thermoplastic carbon precursor, it may be difficult to produce ultrafine fibrous carbon used for an electrode for a lithium ion secondary battery. . The degree of agglomeration rate of the thermoplastic carbon precursor varies depending on the type of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor to be used, but more preferably at 300 ° C. for 5 minutes, more preferably at 300 ° C. for 10 minutes or more. It is preferable to maintain a dispersion diameter in the range of 01 to 50 μm.

(d)樹脂組成物を成形して前駆体成形体を形成する方法
上記の如くして得た樹脂組成物は、次いで好ましくは100〜400℃の温度において適当な成形体に成形される。この成形体の形状は特に問わないが、ハンドリングの観点から繊維状であることが好ましい。なお、ここで言う繊維状とは繊維径0.5μm〜300μm、繊維軸方向の長さ1mm以上の形態を指す。
(D) Method of Forming Resin Composition to Form Precursor Molded Body The resin composition obtained as described above is then molded into an appropriate molded body preferably at a temperature of 100 to 400 ° C. The shape of the molded body is not particularly limited, but is preferably fibrous from the viewpoint of handling. In addition, the fibrous form said here refers to the form of fiber diameter 0.5micrometer-300 micrometers, and the length of 1 mm or more of a fiber axial direction.

繊維状の前駆体成形体とする場合には、溶融混練した樹脂組成物を紡糸口金より溶融紡糸することにより、熱可塑性炭素前駆体を含有した複合繊維形態として前駆体成形体を得る方法等によることができる。溶融紡糸する際の紡糸温度としては好ましくは150〜400℃であり、より好ましくは180〜400℃であり、さらに好ましくは230〜400℃である。紡糸引き取り速度としては10〜2,000m/分であることが好ましい。   In the case of forming a fibrous precursor molded body, a method of obtaining a precursor molded body in the form of a composite fiber containing a thermoplastic carbon precursor by melt spinning the melt-kneaded resin composition from a spinneret, etc. be able to. The spinning temperature at the time of melt spinning is preferably 150 to 400 ° C, more preferably 180 to 400 ° C, and further preferably 230 to 400 ° C. The spinning take-up speed is preferably 10 to 2,000 m / min.

上記範囲を逸脱するとリチウムイオン二次電池用電極に好ましい超極細繊維状炭素を得られないため好ましくない。熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とを溶融混練して得た樹脂組成物を、紡糸口金より溶融紡糸する際、溶融状態のままで配管内を送液し紡糸口金より溶融紡糸することが好ましく、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練から紡糸口金までの移送時間は10分間以内であることが好ましい。また、成形体として繊維状とするのに、溶融混練した樹脂組成物をメルトブロ−法によって溶融紡糸する方法も好適に採用することができる。   If it deviates from the above range, it is not preferable because it is not possible to obtain ultrafine fibrous carbon preferable for an electrode for a lithium ion secondary battery. When melt-spinning a resin composition obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor from a spinneret, it is preferable to send the solution in a molten state and melt-spin from the spinneret. The transfer time from the melt-kneading of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor to the spinneret is preferably within 10 minutes. In addition, a method of melt spinning the melt-kneaded resin composition by a melt blow method can be suitably employed for forming the molded body into a fibrous form.

溶融状態または軟化状態にある繊維状の成形体を延伸することにより、前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体をさらに伸長する方法も好ましく採用することができる。この処理は、100℃〜400℃、より好ましくは150℃〜380℃で実施することが好ましい。   A method of further stretching the thermoplastic carbon precursor contained in the precursor molded body by stretching a fibrous molded body in a molten state or a softened state can also be preferably employed. This treatment is preferably performed at 100 to 400 ° C, more preferably at 150 to 380 ° C.

(e)前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体成形体を形成する方法
次いで、上記の如くして得られた前駆体成形体に含まれる熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体成形体を形成する。この安定化工程を実施せずに、次工程である熱可塑性樹脂の除去工程を行った場合、該工程において熱可塑性炭素前駆体が熱分解したり融着したりする等の問題が生じる場合があり、好ましくない。安定化は、空気、酸素、オゾン、二酸化窒素、ハロゲン等のガス気流下における不融化処理や、酸性水溶液等の溶液処理等公知の方法により行うことができるが、生産性の面からガス気流下における不融化処理が好ましい。使用するガスとしては取り扱いの容易性から空気もしくは酸素の単独ガスまたはこれらを含む混合ガスであることが好ましい。ガス気流下における不融化の具体的な方法としては、好ましくは50〜350℃、より好ましくは60〜300℃の温度において、好ましくは5時間以下、より好ましくは0.5〜3.5時間程度の時間、所定のガス雰囲気に曝す方法によることが好ましい。
(E) Method of stabilizing a thermoplastic carbon precursor contained in a precursor molded body to form a stabilized precursor molded body Next, a thermoplastic carbon precursor contained in a precursor molded body obtained as described above The body is stabilized to form a stabilized precursor compact. If the thermoplastic resin removal step, which is the next step, is performed without carrying out this stabilization step, problems such as thermal decomposition or fusion of the thermoplastic carbon precursor may occur in this step. Yes, not preferred. Stabilization can be performed by a known method such as an infusibilization treatment in a gas stream of air, oxygen, ozone, nitrogen dioxide, halogen, etc., or a solution treatment of an acidic aqueous solution. Infusibilization treatment in is preferred. The gas to be used is preferably a single gas of air or oxygen or a mixed gas containing these for ease of handling. A specific method for infusibilization under a gas stream is preferably 50 to 350 ° C., more preferably 60 to 300 ° C., preferably 5 hours or less, more preferably about 0.5 to 3.5 hours. It is preferable to use a method of exposing to a predetermined gas atmosphere for a period of time.

上記不融化により、前駆体成形体中に含まれる熱可塑性炭素前駆体の軟化点は著しく上昇する。上昇後の軟化点としては、所望の超極細繊維状炭素を得るという目的から、400℃以上とすることが好ましく、500℃以上とすることが、さらに好ましい。   Due to the infusibilization, the softening point of the thermoplastic carbon precursor contained in the precursor compact is significantly increased. The softening point after the rise is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, for the purpose of obtaining desired ultrafine fibrous carbon.

(f)安定化前駆体成形体から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する方法
次いで、安定化前駆体成形体から、これに含まれる熱可塑性樹脂を除去し、微細繊維状炭素前駆体のみを分離する。
この工程では、超極細繊維状炭素前駆体の熱分解をできるだけ抑え、かつ熱可塑性樹脂を分解・除去し、繊維状炭素前駆体のみを分離する必要がある。熱可塑性樹脂を分解・除去する方法としては、例えば適当な溶媒により熱可塑性樹脂を溶融・除去する方法、熱分解により熱可塑性樹脂を分解・除去する方法等を例示することができる。
(F) Method of forming a fibrous carbon precursor by removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor molded body Next, the thermoplastic resin contained therein is removed from the stabilized precursor molded body to obtain a fine fibrous form. Only the carbon precursor is separated.
In this step, it is necessary to suppress thermal decomposition of the ultrafine fibrous carbon precursor as much as possible, decompose and remove the thermoplastic resin, and separate only the fibrous carbon precursor. Examples of the method for decomposing / removing the thermoplastic resin include a method for melting / removing the thermoplastic resin with an appropriate solvent, a method for decomposing / removing the thermoplastic resin by thermal decomposition, and the like.

前者の方法に利用できる溶媒としては、例えばシクロヘキサン、ヘキサン、トルエン、キシレン、デカリン、トリクロロベンゼン等を挙げることができる。溶媒による処理は、好ましくは50〜250℃、より好ましくは60〜210℃において、好ましくは10〜120分、より好ましくは20〜60分浸漬する方法によることができる。   Examples of the solvent that can be used in the former method include cyclohexane, hexane, toluene, xylene, decalin, and trichlorobenzene. The treatment with a solvent can be carried out preferably by dipping at 50 to 250 ° C., more preferably 60 to 210 ° C., preferably for 10 to 120 minutes, more preferably for 20 to 60 minutes.

後者の方法では、安定化樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂を熱分解で除去する。具体的には安定化樹脂組成物中に含まれる熱可塑性樹脂を除去し、安定化された繊維状炭素前駆体のみを分離し、繊維状炭素前駆体を形成する。この工程では、繊維状炭素前駆体の熱分解をできるだけ抑え、かつ熱可塑性樹脂を分解除去し、繊維状炭素前駆体のみを分離する必要がある。   In the latter method, the thermoplastic resin contained in the stabilized resin composition is removed by thermal decomposition. Specifically, the thermoplastic resin contained in the stabilized resin composition is removed, and only the stabilized fibrous carbon precursor is separated to form the fibrous carbon precursor. In this step, it is necessary to suppress the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor as much as possible, to decompose and remove the thermoplastic resin, and to separate only the fibrous carbon precursor.

熱可塑性樹脂の除去は、減圧下で行うことが好ましい。減圧下で行うことにより、熱可塑性樹脂の除去を効率的に行うことができ、続く繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程において、繊維間の融着の少ない炭素繊維を作製することができる。熱可塑性樹脂を除去する際の雰囲気圧力は低いほど好ましいが、完全な真空は達成が困難であり、0.01〜50kPaであることが好ましく、0.01〜30kPaであるとより好ましく、0.01〜10kPaであると更に好ましく、0.01〜5kPaであると特に好ましい。熱可塑性樹脂を除去する際、上記の雰囲気圧力が保たれれば、微量の酸素や不活性ガスが存在しても良く、特に微量の不活性ガスが存在すると、熱可塑性樹脂の熱劣化による融着が抑制される利観点があり好ましい。なお、ここで言う微量の酸素とは、酸素濃度30体積ppm以下の酸素、不活性ガス雰囲気下とは20体積ppm以下の二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガスをさす。熱可塑性樹脂の除去には、減圧下で熱処理を行う必要があるが、熱処理の温度としては、350℃以上600℃未満の温度で除去することが好ましい。熱処理時間としては、0.5〜10時間処理するのが好ましい。   The removal of the thermoplastic resin is preferably performed under reduced pressure. By performing the process under reduced pressure, the thermoplastic resin can be efficiently removed, and in the subsequent carbonization or graphitization process of the fibrous carbon precursor, a carbon fiber with less fusion between the fibers is produced. Can do. The lower the atmospheric pressure when removing the thermoplastic resin, the better. However, it is difficult to achieve a complete vacuum, and it is preferably 0.01 to 50 kPa, more preferably 0.01 to 30 kPa, and More preferably, the pressure is 01 to 10 kPa, and particularly preferably 0.01 to 5 kPa. When removing the thermoplastic resin, a small amount of oxygen or inert gas may be present if the above atmospheric pressure is maintained. In particular, if a small amount of inert gas is present, the thermoplastic resin may melt due to thermal degradation. This is preferred because it has the advantage of suppressing wearing. The trace amount of oxygen referred to here refers to oxygen having an oxygen concentration of 30 volume ppm or less, and the inert gas atmosphere refers to a gas such as carbon dioxide, nitrogen, or argon having a volume of 20 volume ppm or less. In order to remove the thermoplastic resin, it is necessary to perform a heat treatment under reduced pressure, but it is preferable to remove the heat treatment at a temperature of 350 ° C. or higher and lower than 600 ° C. The heat treatment time is preferably 0.5 to 10 hours.

また、熱可塑性樹脂の除去は、不活性ガス雰囲気下で行うこともできる。不活性ガス雰囲気下で熱可塑性樹脂を除去する場合には、350℃以上600℃未満の温度で除去することが必要である。なお、ここで言う不活性ガス雰囲気下とは、酸素濃度30ppm以下、より好ましくは20ppm以下の二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガスを指す。本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素と窒素が好ましく用いることができ、窒素が特に好ましい。安定化樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂を除去する温度が350℃未満のとき、繊維状炭素前駆体の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を充分行うことができず好ましくない。一方、600℃以上であると、熱可塑性樹脂の熱分解は充分行うことができるものの、繊維状炭素前駆体の熱分解も起こってしまい、結果として熱可塑性炭素前駆体から得られる炭素繊維の炭素化収率を低下させてしまうことから好ましくない。安定化樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂を分解する温度としては、不活性ガス雰囲気下380〜550℃とすることが好ましく、0.5〜10時間処理するのが好ましい。   The removal of the thermoplastic resin can also be performed in an inert gas atmosphere. When removing the thermoplastic resin under an inert gas atmosphere, it is necessary to remove the thermoplastic resin at a temperature of 350 ° C. or higher and lower than 600 ° C. In addition, the inert gas atmosphere said here refers to gas, such as a carbon dioxide, nitrogen, argon, of oxygen concentration 30 ppm or less, More preferably 20 ppm or less. As the inert gas used in this step, carbon dioxide and nitrogen can be preferably used because of cost, and nitrogen is particularly preferable. When the temperature at which the thermoplastic resin contained in the stabilizing resin composition is removed is less than 350 ° C., the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor can be suppressed, but the thermoplastic resin cannot be sufficiently decomposed, which is not preferable. . On the other hand, if it is 600 ° C. or higher, the thermal decomposition of the thermoplastic resin can be sufficiently performed, but the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor also occurs, and as a result, the carbon of the carbon fiber obtained from the thermoplastic carbon precursor This is not preferable because it reduces the conversion yield. The temperature for decomposing the thermoplastic resin contained in the stabilizing resin composition is preferably 380 to 550 ° C. in an inert gas atmosphere, and is preferably treated for 0.5 to 10 hours.

(g)繊維状炭素前駆体から超極細繊維状炭素を製造する方法
熱可塑性樹脂を除いた繊維状炭素前駆体を不活性ガス雰囲気中で炭素化することにより、本発明における繊維状炭素を得ることができる。この処理は、例えば黒鉛ルツボ中における熱処理等により行うことができる。
(G) Method for producing ultrafine fibrous carbon from a fibrous carbon precursor The fibrous carbon precursor excluding the thermoplastic resin is carbonized in an inert gas atmosphere to obtain the fibrous carbon in the present invention. be able to. This treatment can be performed by, for example, heat treatment in a graphite crucible.

ここで、熱処理前に、黒鉛化度を促進させる働きのある黒鉛化触媒であるホウ素を繊維状炭素前駆体に添加することも有効である。触媒の添加量は特に限定されないが、添加量が少なすぎると効果が発現されず、一方多すぎると得られる超極細繊維状炭素中に不純物として残るため好ましくない。好ましい添加量は、1,000ppm以下であり、100〜1,000ppmであることがより好ましい。   Here, before the heat treatment, it is also effective to add boron, which is a graphitization catalyst having a function of promoting the degree of graphitization, to the fibrous carbon precursor. The addition amount of the catalyst is not particularly limited. However, if the addition amount is too small, the effect is not exhibited. On the other hand, if the addition amount is too large, the resulting ultrafine fiber carbon remains as an impurity, which is not preferable. A preferable addition amount is 1,000 ppm or less, and more preferably 100 to 1,000 ppm.

炭素化の温度としては、最高到達温度として500〜1,500℃であることが好ましく、500〜1,000℃であることがより好ましく、500〜900℃であることがより好ましく。600〜800℃であることが更に好ましい。この処理を行うことにより、リチウムイオン二次電池用の電極に用いる超極細繊維状炭素として有用な炭素構造を形成することができる。   The carbonization temperature is preferably 500 to 1,500 ° C., more preferably 500 to 1,000 ° C., and even more preferably 500 to 900 ° C. as the maximum temperature. More preferably, it is 600-800 degreeC. By performing this treatment, it is possible to form a carbon structure that is useful as an ultrafine fibrous carbon used for an electrode for a lithium ion secondary battery.

炭素化処理は、温度を連続的に上昇してその到達温度において一定時間保持することにより行ってもよく、温度を段階的に上昇して各到達温度においてそれぞれ一定時間保持する方法によって行ってもよい。   The carbonization treatment may be performed by continuously increasing the temperature and holding it at the reached temperature for a certain time, or by increasing the temperature stepwise and holding it at each reached temperature for a certain time. Good.

炭素化の処理時間としては、0.1〜24時間であることが好ましく、0.2〜10時間であることがより好ましく、さらに0.5〜8時間であることが好ましい。ここで、繊維状炭素前駆体を2,000℃以上、好ましくは2,600℃以上の温度に保持する時間としては、好ましくは0.1〜3時間であり、より好ましくは0.5〜2時間である。   The carbonization treatment time is preferably 0.1 to 24 hours, more preferably 0.2 to 10 hours, and further preferably 0.5 to 8 hours. Here, the time for holding the fibrous carbon precursor at a temperature of 2,000 ° C. or higher, preferably 2,600 ° C. or higher is preferably 0.1 to 3 hours, more preferably 0.5 to 2 hours. It's time.

上記の繊維状炭素前駆体の炭素化において使用される不活性ガスとしては例えば窒素、アルゴン等を挙げることができるが、安価であるとの観点からは窒素が好ましく、副反応が少ないとの観点からはアルゴンが好ましい。
なお、炭素化する際の不活性ガス中の酸素濃度は20体積ppm以下であることが好ましく、10体積ppm以下であることがより好ましい。
Examples of the inert gas used in the carbonization of the fibrous carbon precursor include nitrogen and argon. From the viewpoint of being inexpensive, nitrogen is preferable, and there are few side reactions. Is preferably argon.
In addition, the oxygen concentration in the inert gas at the time of carbonization is preferably 20 volume ppm or less, and more preferably 10 volume ppm or less.

(h)粉砕方法
次いで、粉砕方法について説明する。本発明の電極材料を作製するためには、粉砕処理を行っても良い。当該粉砕方法を行う工程としては、特に限定はされないが、「安定化前駆体成形体から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する方法」、「繊維状炭素前駆体から超極細繊維状炭素を製造する方法」を行ったの後の何れか、または全てにおいて実施するのが好ましい。
(H) Pulverization method Next, the pulverization method will be described. In order to produce the electrode material of the present invention, pulverization may be performed. The step of performing the pulverization method is not particularly limited, but “a method of forming a fibrous carbon precursor by removing a thermoplastic resin from a stabilized precursor molded body”, “an ultrafine from a fibrous carbon precursor”. It is preferably carried out at any or all after performing the “method for producing fibrous carbon”.

粉砕の方法としては、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等の微粉砕機を適用することが好ましく、粉砕後に必要に応じて分級を行う。分散媒体中に活性炭を分散した状態で粉砕を行う湿式粉砕は、短時間で容易に微粉砕活性炭を得ることが可能であるため、好ましい。湿式粉砕の場合、粉砕後に分散媒体を除去するが、この際に、2次凝集が顕著となるとその後の取り扱いが非常に困難となる。このような場合は、乾燥後、ボールミルやジェットミル等を用いて解砕操作を行う方が好ましい。このようにして、本発明のリチウムイオン二次電池用の電極に炭素系導電助材として用いる超極細繊維状炭素を製造することができる。   As a pulverization method, it is preferable to apply a fine pulverizer such as a jet mill, a ball mill, or a bead mill, and classification is performed as necessary after pulverization. Wet pulverization in which activated carbon is dispersed in a dispersion medium is preferable because finely pulverized activated carbon can be easily obtained in a short time. In the case of wet pulverization, the dispersion medium is removed after pulverization. At this time, if secondary aggregation becomes significant, subsequent handling becomes very difficult. In such a case, it is preferable to perform a crushing operation using a ball mill or a jet mill after drying. In this way, it is possible to produce ultrafine fibrous carbon used as a carbon-based conductive additive for the electrode for the lithium ion secondary battery of the present invention.

以下、本発明のリチウムイオン二次電池を製造する方法、並びに当該リチウムイオン二次電池を構成するセパレータおよび非水電解液について説明する。   Hereinafter, a method for producing the lithium ion secondary battery of the present invention, and a separator and a non-aqueous electrolyte constituting the lithium ion secondary battery will be described.

[リチウムイオン二次電池用電極を製造する方法]
リチウムイオン二次電池の電極作製方法としては、以下の二つの手法が一般的である。
一つの方法は、活性炭、導電助剤およびバインダーを混合・混練して、押し出し成形によりフィルム化して、これを圧延、延伸した後、集電体と張り合わせる方法である。もう一つの方法は、活性炭、導電助剤、バインダーおよびバインダーを溶解する溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを集電体上へ塗布し溶媒を除去後にプレスを行う方法である。
[Method for producing electrode for lithium ion secondary battery]
The following two methods are generally used as a method for producing an electrode of a lithium ion secondary battery.
One method is a method in which activated carbon, a conductive additive, and a binder are mixed and kneaded, formed into a film by extrusion molding, rolled, stretched, and then bonded to a current collector. The other method is a method in which activated carbon, a conductive additive, a binder, and a solvent for dissolving the binder are mixed to prepare a slurry, this slurry is applied onto a current collector, and the solvent is removed, followed by pressing.

本発明の場合、どちらでも可能であるが、後者の方法が好適であるので、以下後者の方法について詳述する。
上記バインダーとしては、電極成形が可能であり、十分な電気化学的安定性を有していれば好適に用いることが可能である。かかるバインダーとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、合成ブタジエンゴム(SBR)、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリイミド、石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂等よりなる群から選ばれる1種以上を用いることが好ましく、特にポリフッ化ビニリデン(PVDF)が好ましい。
In the present invention, either method is possible, but since the latter method is suitable, the latter method will be described in detail below.
The binder can be suitably used as long as it can be formed into an electrode and has sufficient electrochemical stability. Examples of the binder include polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), synthetic butadiene rubber (SBR), a cross-linked fluoroolefin copolymer, polyimide, petroleum pitch, It is preferable to use at least one selected from the group consisting of coal pitch, phenol resin, and the like, and polyvinylidene fluoride (PVDF) is particularly preferable.

バインダーとして用いる際の形状としては特に制限はなく、固体状であっても液体状(例えばエマルジョン状)であってもよく、電極の製造方法(特に乾式混練か湿式混練か)、電解液への溶解性等を考慮のうえ、適宜に選択することができる。   The shape when used as a binder is not particularly limited, and may be solid or liquid (for example, emulsion), electrode manufacturing method (especially dry kneading or wet kneading), electrolyte solution, In consideration of solubility and the like, it can be appropriately selected.

バインダーを溶解する上記溶媒としては、バインダーを溶解するものである限り特に制限はない。具体的には、例えばN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホオキシド(DMSO)等よりなる群から選ばれる1種類以上を挙げることができ、特にNMPまたはDMAcが好適である。   The solvent for dissolving the binder is not particularly limited as long as it dissolves the binder. Specific examples include one or more selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), and the like. Or DMAc is preferable.

また、バインダーの添加割合としては、特に限定されるものではないが、正極の場合は、本発明の電極材料に対して、1〜20質量%であることが好ましく。より好ましくは、3〜15質量%である。また、負極の場合は、レドックス容量を有する材料に対して、1〜20質量%であることが好ましく。より好ましくは、5〜15質量%である。   Further, the addition ratio of the binder is not particularly limited, but in the case of the positive electrode, it is preferably 1 to 20% by mass with respect to the electrode material of the present invention. More preferably, it is 3 to 15% by mass. Moreover, in the case of a negative electrode, it is preferable that it is 1-20 mass% with respect to the material which has a redox capacity. More preferably, it is 5 to 15% by mass.

電極を作製する際に、スラリー中の分散状態が悪いことから、塗布に適した流動性を確保することが困難であることがある。このような場合には、スラリー化助剤を使用してもよい。スラリー化助剤としては、スラリー化助剤として、例えばポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール等よりなる群から選ばれる1つ以上を挙げることができ、特にポリビニルピロリドンを使用することが好適である。上記の如きスラリー化助剤を添加することにより、比較的に少ない溶媒量であっても十分な流動性を確保することができ、微粉砕活性炭の分散性も格段に向上する。また、溶媒除去後のクラックの発生も低減できる。スラリー化助剤の添加量としては、スラリー中の溶媒以外の成分の合計に対して、10質量%以下であることが好ましく、0.5〜10質量%であることがより好ましく、0.5〜8質量%であることがさらに好ましい。スラリー化助剤の添加量が10質量%より多いと逆にスラリー粘度が急激に低下し、分散不良を生じて好適なスラリー作製が困難となる場合がある。また、この値が0.5質量%より少ないと、スラリー化助剤の効果が現れない。   When producing an electrode, since the dispersion state in a slurry is bad, it may be difficult to ensure the fluidity suitable for application | coating. In such a case, a slurrying aid may be used. Examples of the slurrying aid include one or more selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol and the like, and it is particularly preferable to use polyvinylpyrrolidone. It is. By adding the above-mentioned slurrying aid, sufficient fluidity can be secured even with a relatively small amount of solvent, and the dispersibility of the finely pulverized activated carbon is remarkably improved. Moreover, the generation of cracks after removal of the solvent can be reduced. The addition amount of the slurrying aid is preferably 10% by mass or less, more preferably 0.5 to 10% by mass with respect to the total of components other than the solvent in the slurry, More preferably, it is -8 mass%. On the other hand, when the amount of the slurrying aid added is more than 10% by mass, the slurry viscosity is suddenly lowered, and a dispersion failure may occur, making it difficult to produce a suitable slurry. Moreover, when this value is less than 0.5 mass%, the effect of the slurrying aid does not appear.

上記スラリーにおける固形分濃度(上記スラリーの溶媒以外の成分の合計重量がスラリーの全質量に占める割合をいう。)は、好ましくは10〜30質量%であり、より好ましくは15〜25質量%である。   The solid content concentration in the slurry (referring to the ratio of the total weight of components other than the solvent of the slurry to the total mass of the slurry) is preferably 10 to 30% by mass, more preferably 15 to 25% by mass. is there.

上記電極層を形成する集電体としては、アルミ箔が好適である。この集電体の厚みは10〜50μm範囲が好適である。
上記の如き集電体上に上記スラリーを塗布するには、例えばドクターブレード等の適宜の塗布方法を採用することができる。塗布後、例えば60〜100℃、好ましくは75〜85℃において、好ましくは60〜180分処理することにより溶媒を除去する。その後、溶媒除去後の塗布物をプレスすることにより、集電体上に電極層を製造することができる。このプレスは、より好ましくは10〜30Paの圧力下、好ましくは1〜5分行われる。
As the current collector for forming the electrode layer, an aluminum foil is suitable. The thickness of the current collector is preferably in the range of 10 to 50 μm.
In order to apply the slurry onto the current collector as described above, an appropriate application method such as a doctor blade can be employed. After application, the solvent is removed, for example, by treating at 60 to 100 ° C., preferably 75 to 85 ° C., preferably for 60 to 180 minutes. Then, an electrode layer can be manufactured on a current collector by pressing the coated product after removing the solvent. This press is more preferably performed under a pressure of 10 to 30 Pa, preferably 1 to 5 minutes.

本発明のリチウムイオン二次電池において、電極層の厚みは5〜300μmの範囲が好適である。電極層厚みが5μm未満であると、任意の容量セルを製造しようとした場合、セパレータや集電体を多量に使用することになり、セル内電極層体積占有率が低下してしまい、エネルギー密度観点から好ましくなく、用途がかなり制限されてしまう。特に出力特性(低温特性も含む)も重要であるが、エネルギー密度の要求の高い電源用途への適用は困難となってしまう。   In the lithium ion secondary battery of the present invention, the thickness of the electrode layer is preferably in the range of 5 to 300 μm. When the electrode layer thickness is less than 5 μm, when trying to manufacture an arbitrary capacity cell, a large amount of separator and current collector are used, and the volume occupancy of the electrode layer in the cell decreases, resulting in an energy density. It is not preferable from the viewpoint, and the use is considerably limited. In particular, output characteristics (including low-temperature characteristics) are also important, but it becomes difficult to apply to power supply applications requiring high energy density.

一方、電極厚みが300μmを超える電極を製造することは、クラック発生や電極剥離の問題から比較的に困難を伴うため、電極厚みは概ね300μm以下とすることが電極の安定的製造の観点から好ましい。より安定な電極製造を行うためには、電極厚みは200μm以下とすることがより好ましく、また、電極の生産性やキャパシタの出力特性を高くする目的から、電極厚みのさらに好適な範囲は10〜100μmである。   On the other hand, since it is relatively difficult to produce an electrode having an electrode thickness exceeding 300 μm due to problems of crack generation and electrode peeling, the electrode thickness is preferably about 300 μm or less from the viewpoint of stable production of the electrode. . In order to produce a more stable electrode, the electrode thickness is more preferably 200 μm or less, and for the purpose of increasing the productivity of the electrode and the output characteristics of the capacitor, a more preferable range of the electrode thickness is 10 to 10. 100 μm.

[セパレータ]
本発明のリチウムイオン二次電池において用いられるセパレータの形状としては、紙状(フィルム状)、多孔膜状等の公知の形状を好適に採用することができ、その材質としては、例えばセルロース、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリイミド、ポリオレフィン、テフロン(登録商標)、ポリフェニレンスルファイド等からなる群より選ばれる1種類以上の材質を好適に用いることができる。これらのうち、耐熱性と薄膜化の観点から、特にセルロース紙、芳香族ポリアミドまたは脂肪族ポリイミド多孔膜が好適である。セパレータの膜厚としては、短絡防止の観点から20〜100μm程度であることが好ましいが、本発明では従来のセパレータに比べ十分薄い5〜20μm程度の厚みあるセパレータの適用も可能である。薄いセパレータを用いた方がセパレータに由来する内部抵抗が低減されることで出力が向上し、セルのエネルギー密度も向上する。
[Separator]
As the shape of the separator used in the lithium ion secondary battery of the present invention, a known shape such as a paper shape (film shape) or a porous membrane shape can be suitably employed. One or more materials selected from the group consisting of aromatic polyamide, aliphatic polyimide, polyolefin, Teflon (registered trademark), polyphenylene sulfide, and the like can be suitably used. Of these, cellulose paper, aromatic polyamide or aliphatic polyimide porous membrane is particularly preferable from the viewpoint of heat resistance and thinning. The thickness of the separator is preferably about 20 to 100 μm from the viewpoint of preventing a short circuit, but in the present invention, a separator having a thickness of about 5 to 20 μm that is sufficiently thinner than a conventional separator can be applied. When the thin separator is used, the output is improved because the internal resistance derived from the separator is reduced, and the energy density of the cell is also improved.

[非水電解液]
本発明のリチウムイオン二次電池では、電解液に非水電解液を適用する。一般に非水電解液は、水系の電解液に比べ耐電圧が高く、高いエネルギー密度が得られるという特徴がある。
[Non-aqueous electrolyte]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, a non-aqueous electrolyte is applied as the electrolyte. In general, non-aqueous electrolytes are characterized by a higher withstand voltage and higher energy density than aqueous electrolytes.

かかる非水溶媒としては公知のものを好適に用いることが可能であり、より具体的には、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、アセトニトリル、ニトロメタン、メトキシアセトニトリル、ニトロエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、3−メトキシプロピオニトリル、N−メチルピロリドン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、3−メチルスルホラン、エチルメチルカーボネート等を挙げることができ、これらのうちの1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いても構わない。電解液に用いる溶媒は、適当な沸点、融点、粘性および比誘電率を有することが重要であり、そのような視点から考えると、上記の中でも特にプロピレンカーボネートまたはγ−ブチロラクトンを主体とするものが好適に用いられる。   As such a non-aqueous solvent, known ones can be suitably used. More specifically, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, γ- Valerolactone, acetonitrile, nitromethane, methoxyacetonitrile, nitroethane, N, N-dimethylformamide, 3-methoxypropionitrile, N-methylpyrrolidone, N, N'-dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 3-methylsulfolane , Ethyl methyl carbonate and the like can be mentioned, and one of these may be used alone, or two or more may be mixed and used. It is important that the solvent used in the electrolytic solution has an appropriate boiling point, melting point, viscosity, and relative dielectric constant. From such a viewpoint, among these, those mainly composed of propylene carbonate or γ-butyrolactone are mainly used. Preferably used.

本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解質としては、例えばLiClO、LiBF、LiPF、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類などを用いることができる。ホウ酸塩類としては、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ホウ酸リチウムなどが挙げられる。イミド塩類としては、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム((CFSONLi)、トリフルオロメタンスルホン酸ノナフルオロブタンスルホン酸イミドリチウム(LiN(CFSO)(CSO))、ビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム((CSONLi)などが挙げられる。電解質の濃度としては、0.5〜2mol/Lが好ましい。電解質は、上記のうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the electrolyte used in the lithium ion secondary battery of the present invention include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , and lower aliphatic carboxylic acid. Lithium, LiCl, LiBr, LiI, chloroborane lithium, borates, imide salts, and the like can be used. Examples of borates include lithium bis (1,2-benzenediolate (2-)-O, O ') and bis (2,3-naphthalenedioleate (2-)-O, O') boric acid. Lithium, bis (2,2′-biphenyldiolate (2-)-O, O ′) lithium borate, bis (5-fluoro-2-olate-1-benzenesulfonic acid-O, O ′) lithium borate Etc. Examples of the imide salts include lithium bistrifluoromethanesulfonate imide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi), lithium trifluoromethanesulfonate nonafluorobutanesulfonate (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) ), Lithium bispentafluoroethanesulfonate imide ((C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi), and the like. The concentration of the electrolyte is preferably 0.5 to 2 mol / L. One of the above electrolytes may be used alone, or two or more electrolytes may be used in combination.

本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解液として、エチルメチルイミダゾリウム塩に代表されるイオン性液体も好適に用いることが可能であり、この場合は必ずしも前述の非水溶媒に溶解したうえで用いる必要はない。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる電解液の25℃における電気伝導度は、1×10−2S/cm以上であることが好ましい。
As an electrolytic solution used in the lithium ion secondary battery of the present invention, an ionic liquid typified by ethylmethylimidazolium salt can also be suitably used. In this case, the electrolyte must be dissolved in the above nonaqueous solvent. There is no need to use it.
The electrical conductivity at 25 ° C. of the electrolytic solution used in the lithium ion secondary battery of the present invention is preferably 1 × 10 −2 S / cm or more.

本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる電解液としては、例えば前記4級アンモニウム塩からなる電解質を、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチレンカーボネートおよびスルホランよりなる群から選ばれる少なくとも1種の非水溶媒に溶解したものを好ましいものとして例示することができる。   As an electrolytic solution used in the lithium ion secondary battery of the present invention, for example, an electrolyte composed of the quaternary ammonium salt is used, and at least one nonaqueous solvent selected from the group consisting of propylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, and sulfolane. What was melt | dissolved in can be illustrated as a preferable thing.

<リチウムイオン二次電池の実施の態様>
本発明のリチウムイオン二次電池の実施の態様について以下に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池のセル形状は、特に限定されず、いかなる形状においても実施することができる。具体的には、例えばボタン型、円筒型、角型等のセル形状を挙げることができる。
<Embodiment of lithium ion secondary battery>
Embodiments of the lithium ion secondary battery of the present invention will be described below.
The cell shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be implemented in any shape. Specifically, for example, cell shapes such as a button shape, a cylindrical shape, and a square shape can be given.

また、複数対の正負電極とセパレータが積層された内部構成とすることも好ましく、この場合、公知のスタック積層型、捲回型、折り返し積層型等の方式を採用することが可能である。   Further, it is also preferable to have an internal configuration in which a plurality of pairs of positive and negative electrodes and separators are laminated. In this case, a known stack lamination type, wound type, folded lamination type, or the like can be adopted.

本発明のリチウムイオン二次電池の外装材としては、例えば金属缶、アルミラミネート樹脂フィルム等を挙げることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記いずれの態様においても好適に実施可能である。
Examples of the exterior material of the lithium ion secondary battery of the present invention include a metal can and an aluminum laminate resin film.
The lithium ion secondary battery of the present invention can be suitably implemented in any of the above embodiments.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定を受けるものではない。
実施例中の各種測定や分析は、それぞれ以下の方法に従って行った。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention does not receive any limitation by this.
Various measurements and analyzes in the examples were performed according to the following methods.

(1)前駆体成形体、超極細繊維状炭素の繊維径、繊維長の測定およびその他の炭素系導電助材の形状確認
走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製S−2400)を用いて観察および写真撮影を行った。超極細繊維状炭素等の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真から無作為に20箇所を選択して繊維径を測定し、それらのすべての測定結果(n=20)の平均値を平均繊維径とした。平均繊維長についても同様に算出した。
(1) Precursor compact, measurement of fiber diameter and fiber length of ultrafine fibrous carbon, and confirmation of shape of other carbon-based conductive aids Observation using a scanning electron microscope (S-2400, manufactured by Hitachi, Ltd.) And took photos. The average fiber diameter of ultrafine fiber carbon, etc. was measured by randomly selecting 20 locations from the obtained electron micrograph and averaging the average values of all the measurement results (n = 20). The fiber diameter was used. The average fiber length was similarly calculated.

(2)超極細繊維状炭素のX線回折測定
X線回折測定はリガク社製RINT−2100を用いてJIS R7651法に準拠し、格子面間隔(d002)および結晶子大きさ(Lc002)を測定した。
(2) X-ray diffraction measurement of ultra-fine fibrous carbon X-ray diffraction measurement is based on RINT-2100 manufactured by Rigaku Corporation and measures the lattice spacing (d002) and crystallite size (Lc002) according to JIS R7651 method. did.

(3)電池性能評価条件
電池性能は、25℃の温度条件下で、0.2C、4.2V、8時間の定電流・定電圧充電、0.2C、2.75Vカットオフの定電流放電を行った。5サイクル目に得られた放電容量をこのセルの初期容量とした。その後、上記の条件にて充放電を繰り返し、容量維持率を算出し、その値により電池性能を評価した。
(3) Battery performance evaluation conditions Battery performance is 0.2C, 4.2V, 8 hours constant current / constant voltage charge, 0.2C, 2.75V cut-off constant current discharge at 25 ° C. Went. The discharge capacity obtained at the fifth cycle was defined as the initial capacity of this cell. Then, charging / discharging was repeated on said conditions, the capacity maintenance rate was computed, and battery performance was evaluated by the value.

[実施例1]
<超極細繊維状炭素(炭素系導電助材)の製造>
熱可塑樹脂として高密度ポリエチレン(HI−ZEX(登録商標) 5000SR、(株)プライムポリマ−製;350℃、600s−1の溶融粘度14Pa・s)90質量部および熱可塑性炭素前駆体として合成メソフェ−ズピッチAR・MPH(三菱ガス化学(株)製)10質量部を同方向二軸押出機(東芝機械(株)製「TEM−26SS」、バレル温度310℃、窒素気流下)で溶融混練して樹脂組成物を調製した。
[Example 1]
<Manufacture of ultra-fine fibrous carbon (carbon-based conductive additive)>
High-density polyethylene (HI-ZEX (registered trademark) 5000SR, manufactured by Prime Polymer Co., Ltd .; 350 ° C., melt viscosity 14 Pa · s at 600 s −1 ) 90 parts by mass as a thermoplastic resin, and synthetic mesofe as a thermoplastic carbon precursor -Melt and knead 10 parts by mass of pitch pitch AR / MPH (Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) with the same direction twin screw extruder ("TEM-26SS" manufactured by Toshiba Machine Co., Ltd., barrel temperature 310 ° C, under nitrogen stream). A resin composition was prepared.

上記樹脂組成物をシリンダ−式単孔紡糸機により、390℃で紡糸口金より紡糸し、前駆体成形体(熱可塑性炭素前駆体を島成分として含有する海島型複合繊維)を作成した。この前駆体成形体の繊維径は300μmであった。次に、前駆体成形体を熱風乾燥機により、空気中において215℃で3時間保持することにより、安定化前駆体成形体を得た。   The resin composition was spun from a spinneret at 390 ° C. with a cylinder-type single-hole spinning machine to prepare a precursor molded body (a sea-island type composite fiber containing a thermoplastic carbon precursor as an island component). The fiber diameter of this precursor molded body was 300 μm. Next, the precursor molded object was hold | maintained at 215 degreeC in the air for 3 hours with the hot air dryer, and the stabilized precursor molded object was obtained.

次に、上記安定化前駆体成形体を、真空ガス置換炉中で、窒素置換を行った後に1kPaまで減圧し、減圧状態下で、5℃/分の昇温速度で500℃まで昇温し、500℃で1時間保持することにより、熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成した。この繊維状炭素前駆体をイオン交換水中に加え、ミキサーで2分間粉砕することにより、濃度0.1重量%の超極細繊維状炭素前駆体を分散させた予備分散液を作製した。この予備分散液を、湿式ジェットミル(株式会社スギノマシン社製、スターバーストラボHJP−17007、使用チャンバー:シングルノズルチャンバー)を用いて、ノズル径0.17mm、処理圧力100MPaにより、処理を10回繰り返すことによって、繊維状炭素前駆体の分散させた液を作製した。次いで、得られた溶媒液を濾過することによって、繊維状炭素前駆体を分散させた不織布を作製した。   Next, the above-mentioned stabilized precursor compact is subjected to nitrogen replacement in a vacuum gas replacement furnace, and then the pressure is reduced to 1 kPa, and the temperature is increased to 500 ° C. at a temperature increase rate of 5 ° C./min. By holding at 500 ° C. for 1 hour, the thermoplastic resin was removed to form a fibrous carbon precursor. This fibrous carbon precursor was added to ion-exchanged water and pulverized with a mixer for 2 minutes to prepare a pre-dispersed liquid in which an ultrafine fibrous carbon precursor having a concentration of 0.1% by weight was dispersed. This preliminary dispersion was treated 10 times with a wet jet mill (Sugino Machine Co., Ltd., Starburst Lab HJP-17007, used chamber: single nozzle chamber) with a nozzle diameter of 0.17 mm and a processing pressure of 100 MPa. By repeating, a liquid in which the fibrous carbon precursor was dispersed was produced. Subsequently, the obtained solvent liquid was filtered to produce a nonwoven fabric in which the fibrous carbon precursor was dispersed.

この繊維状炭素前駆体を分散させた不織布をアルゴンガス雰囲気下、室温から3時間で2800℃まで昇温することで超極細繊維状炭素を作製した。得られた超極細繊維状炭素の平均繊維径は300nm、平均繊維長は16μmであり、分岐構造は見られなかった。また、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が0.3375nmであった。ここで撮影した電子顕微鏡写真を図1に示す。   The nonwoven fabric in which the fibrous carbon precursor was dispersed was heated from room temperature to 2800 ° C. in 3 hours in an argon gas atmosphere to produce ultrafine fibrous carbon. The obtained ultrafine fiber carbon had an average fiber diameter of 300 nm and an average fiber length of 16 μm, and no branched structure was observed. Further, the average interplanar spacing d002 of the (002) plane measured by the X-ray diffraction method was 0.3375 nm. An electron micrograph taken here is shown in FIG.

<負極の製造>
上記のとおりに製造した超極細繊維状炭素(炭素系導電助材)を2質量部と、負極活物質(鱗状黒鉛;日立化成社製、商品名MAGD)91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(クレハ化学社製)7質量部、溶液としてN−メチルピロリドンを用いることによりスラリーを作製した。作製したスラリーを塗布、乾燥、ロールプレスを行うことにより、負極を作製した。電極の厚みは、75μm、電極密度は1.5g/cm3であった。
<Manufacture of negative electrode>
2 parts by mass of ultrafine fibrous carbon (carbon-based conductive additive) produced as described above, 91 parts by mass of a negative electrode active material (scale-like graphite; manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd., trade name MAGD), and polyvinylidene fluoride as a binder ( A slurry was prepared by using 7 parts by mass of N-methylpyrrolidone as a solution. The prepared slurry was applied, dried, and roll pressed to prepare a negative electrode. The electrode thickness was 75 μm and the electrode density was 1.5 g / cm 3.

<正極の製造>
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO、日本化学工業社製)89質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン6質量部、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名デンカブラック)、溶液としてN−メチルピロリドンを用いることによりスラリーを作製した。作製したスラリーを塗布、乾燥、ロールプレスを行うことにより、正極を作製した。電極の厚みは、82μm、電極密度は3.0g/cmであった。
<Production of positive electrode>
89 parts by mass of lithium cobaltate (LiCoO 2 , manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) as a positive electrode active material, 6 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, acetylene black (trade name Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive material, and as a solution A slurry was prepared by using N-methylpyrrolidone. The produced slurry was applied, dried, and roll pressed to produce a positive electrode. The electrode thickness was 82 μm and the electrode density was 3.0 g / cm 3 .

<セルの製造>
上記のように作成した正極、負極、およびセパレータにはポリエチレン多孔膜を用い、1mol/L濃度のLiPF6を含むエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート混合溶液(3/7質量比、キシダ化学社製)からなる電解液をセルに注入して、単層ラミネートセルを作製した。
<Manufacture of cells>
A polyethylene porous film is used for the positive electrode, the negative electrode, and the separator prepared as described above, and is composed of a mixed solution of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (3/7 mass ratio, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) containing 1 mol / L LiPF6. An electrolyte solution was injected into the cell to produce a single layer laminate cell.

<電池性能の評価>
上記の手順により作製したリチウムイオン二次電池の電池性能の評価を行った結果、50回目の容量維持率は92.2%と良好であった。
<Evaluation of battery performance>
As a result of evaluating the battery performance of the lithium ion secondary battery produced by the above procedure, the capacity retention rate at the 50th time was as good as 92.2%.

[比較例1]
実施例1の超極細繊維状炭素の替わりに、気相法炭素繊維(昭和電工製、VGCF)を用いたこと以外は、実施例1と同様に操作を行い、電極およびリチウムイオン二次電池を製造して(負極の厚み(75μm)、および電極密度(1.5g/cm)も実施例1に合わせた)、電池性能の評価も行った。50回目の容量維持率は90.7%と劣るものであった。
[Comparative Example 1]
The electrode and the lithium ion secondary battery were operated in the same manner as in Example 1 except that vapor grown carbon fiber (VGCF, manufactured by Showa Denko) was used instead of the ultrafine fibrous carbon of Example 1. The battery performance was also evaluated by manufacturing (the thickness of the negative electrode (75 μm) and the electrode density (1.5 g / cm 3 ) were also matched to Example 1). The capacity retention rate at the 50th time was inferior at 90.7%.

本発明のリチウムイオン二次電池用電極、およびそのリチウムイオン二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池は、各種の携帯機器用の電源、電気自動車用電源等の幅広い分野に好適に利用可能である。   The lithium ion secondary battery electrode of the present invention and the lithium ion secondary battery using the lithium ion secondary battery electrode are suitably used in a wide variety of fields such as power supplies for various portable devices and power supplies for electric vehicles. Is possible.

Claims (2)

リチウムイオンを吸蔵・放出可能な電極活物質、炭素系導電助材及びバインダーを含むリチウムイオン二次電池用電極であって、
該炭素系導電助材が、分岐構造を持たない平均繊維径10〜900nmの超極細繊維状炭素であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。
An electrode for a lithium ion secondary battery comprising an electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a carbon-based conductive additive and a binder,
The electrode for a lithium ion secondary battery, wherein the carbon-based conductive additive is ultrafine fibrous carbon having an average fiber diameter of 10 to 900 nm that does not have a branched structure.
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery which contains the electrode for lithium ion secondary batteries of Claim 1 as a component.
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