JP2012138350A - Negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery - Google Patents

Negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery Download PDF

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稔 酒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a high electrode density, and excellent electrolyte retentivity and electrolyte permeability, and offering excellent battery characteristics in a lithium ion secondary battery.SOLUTION: A negative electrode active material layer is made of a material containing an active material composed of a carbon material, carbon fiber being linear and having an average diameter of 100 to 1000 nm, and a binder. The carbon fiber is manufactured by wet spinning or melt spinning.

Description

この発明は、炭素繊維を含有する負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用負極と、これを有するリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer containing carbon fiber, and a lithium ion secondary battery having the same.

リチウムイオン二次電池は、作動電圧、電池容量、サイクル寿命などの電池特性に優れ、環境汚染の少ない電源として、従来主流であったニッケル・カドミウム電池およびニッケル水素電池に代わって広範な分野・用途で用いられるようになってきている。近年、携帯用端末やモバイル通信機器の電源として、リチウムイオン電池が広く普及している。リチウムイオン電池は、現存する二次電池の中でも最もエネルギー密度が高いため、リチウムイオン電池をハイブリッド自動車や燃料電池自動車の補助電源として、あるいは定置用大型電源として使用することも検討されている。これら電子機器の高性能・高機能化、あるいは用途の拡大にともなって、これらに搭載されるリチウムイオン二次電池のさらなる高性能化が求められている。   Lithium ion secondary batteries have excellent battery characteristics such as operating voltage, battery capacity, cycle life, etc., and have a wide range of fields and applications in place of nickel / cadmium batteries and nickel metal hydride batteries, which have been the mainstream, as a power source with less environmental pollution. It has come to be used in. In recent years, lithium ion batteries have been widely used as power sources for portable terminals and mobile communication devices. Since the lithium ion battery has the highest energy density among the existing secondary batteries, the use of the lithium ion battery as an auxiliary power source for a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle or as a large power source for stationary use has been studied. As these electronic devices have higher performance, higher functionality, or expanded applications, further improvements in the performance of lithium ion secondary batteries mounted on them are required.

また、小型携帯機器に用いられる二次電池としては、よりコンパクトなものが要求され、質量あたりのエネルギー密度だけでなく、体積あたりのエネルギー密度も高いことが要求されている。そこで、電極の密度を高くすることにより、電池容器内に多量の電極を封入し、電極および電池としての体積あたりのエネルギー密度を高める検討が開始されている。すなわち、負極活物質として多用されている黒鉛の真密度は2.2g/cm3 程度であるが、これを使用した負極の現状の電極密度は1.5g/cm3 程度であるため、体積あたりのエネルギー密度を高めることを目的として、電極密度を1.7g/cm3 以上とする検討が進められている。 Moreover, as a secondary battery used for a small portable device, a more compact battery is required, and not only the energy density per mass but also the energy density per volume is required to be high. Therefore, studies have been started to increase the energy density per volume of the electrode and battery by enclosing a large amount of electrode in the battery container by increasing the density of the electrode. That is, although the true density of graphite frequently used as the negative electrode active material is about 2.2 g / cm 3 , the current electrode density of the negative electrode using this is about 1.5 g / cm 3 , For the purpose of increasing the energy density, studies have been made to increase the electrode density to 1.7 g / cm 3 or more.

ところが、電極を高密度化すると電極内の空孔が減少するため、空孔内に存在して電極反応に寄与する電解液が不足したり、電解液の電極への浸透速度が遅くなる。電解液が不足すると電極反応が遅くなり、エネルギー密度および高速充放電性能が低下し、サイクル特性が低下する問題が生じる。また、電解液の電極への浸透速度が遅くなると電池製造時間が長くなるため、製造コストのアップに繋がる。   However, since the number of vacancies in the electrode decreases when the electrode is densified, the electrolyte solution that exists in the vacancies and contributes to the electrode reaction is insufficient, or the permeation rate of the electrolyte solution into the electrode is reduced. When the electrolytic solution is insufficient, the electrode reaction is slowed down, resulting in a problem that the energy density and high-speed charge / discharge performance are lowered and the cycle characteristics are lowered. Moreover, since the battery manufacturing time will become long when the penetration | permeation rate to the electrode of electrolyte solution becomes slow, it leads to an increase in manufacturing cost.

これらの問題を解決する技術として、特許文献1には、電極活物質材料に、直径1〜1000nmの炭素繊維を添加して、空隙率が25%以下の高密度電極を得ることが開示されている。しかし、特許文献1には、実施例として、球状黒鉛粒子(電極活物質材料)、平均繊維径が20〜150nmの気相成長炭素繊維(VGCF)、アセチレンブラック(導電助剤)、および結合剤からなる負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用負極が記載されているだけである。   As a technique for solving these problems, Patent Document 1 discloses that a carbon fiber having a diameter of 1 to 1000 nm is added to an electrode active material to obtain a high-density electrode having a porosity of 25% or less. Yes. However, Patent Document 1 includes, as examples, spherical graphite particles (electrode active material), vapor grown carbon fiber (VGCF) having an average fiber diameter of 20 to 150 nm, acetylene black (conducting aid), and binder. Only a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer made of is described.

特許文献2には、平均粒子径が10μm以上30μm以下の二次粒子を形成する繊維状炭素を黒鉛材料に含有させたものを、リチウムイオン二次電池用負極材料として用いる旨の記載がある。特許文献2には、前記繊維状炭素として、気相成長炭素繊維やPAN系、ピッチ系の炭素繊維を用いてもよい旨の記載があるが、実施例で用いられているのは気相成長炭素繊維のみである。   Patent Document 2 discloses that a graphite material containing fibrous carbon that forms secondary particles having an average particle diameter of 10 μm or more and 30 μm or less is used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. In Patent Document 2, there is a description that vapor-grown carbon fiber, PAN-based, or pitch-based carbon fiber may be used as the fibrous carbon. However, the vapor-phase grown is used in the examples. Only carbon fiber.

特許文献2には、また、繊維径が0.05μm以上0.5μm以下で繊維長が5μm以上50μm以下である気相成長炭素繊維を結合剤と溶剤とともに予備混練した後に、球状黒鉛を加えてさらに混練したものを層状にすることで、前記炭素繊維の二次粒子を含有する負極活物質層を形成することが記載されている。   In Patent Document 2, a vapor-grown carbon fiber having a fiber diameter of 0.05 μm or more and 0.5 μm or less and a fiber length of 5 μm or more and 50 μm or less is preliminarily kneaded with a binder and a solvent, and then spherical graphite is added. Further, it is described that the kneaded material is layered to form a negative electrode active material layer containing secondary particles of the carbon fiber.

特許3930002号公報Japanese Patent No. 3930002 特開2000−133267号公報JP 2000-133267 A

特許文献1および2に記載されたリチウムイオン二次電池用負極には、電解液保持性、電解液浸透性、リチウムイオン二次電池とした時の電池特性の点で改善の余地がある。
この発明の課題は、リチウムイオン二次電池用負極として、電極密度が高く、電解液保持性および電解液浸透性に優れ、リチウムイオン二次電池とした時に優れた電池特性が得られるものを提供することである。
The negative electrodes for lithium ion secondary batteries described in Patent Documents 1 and 2 have room for improvement in terms of electrolyte retention, electrolyte permeability, and battery characteristics when a lithium ion secondary battery is obtained.
An object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a high electrode density, excellent electrolyte solution retention and electrolyte solution permeability, and excellent battery characteristics when a lithium ion secondary battery is obtained. It is to be.

上記課題を解決するために、この発明のリチウムイオン二次電池用負極は、炭素材料からなる活物質と、炭素繊維と、結合剤と、を含有する負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用負極であって、前記炭素繊維が、炭素を含有する原料を溶液法または溶融法により紡糸する紡糸工程を経て得られ、線状で、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲にあることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer containing an active material made of a carbon material, carbon fibers, and a binder. The carbon fiber is obtained through a spinning process in which a carbon-containing raw material is spun by a solution method or a melting method, and is linear and has an average diameter in a range of 100 nm to 1000 nm. And

この発明のリチウムイオン二次電池用負極は、また、炭素材料からなる活物質と、炭素繊維と、結合剤と、を含有する負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用負極であって、前記炭素繊維が、ピッチを溶液法または溶融法により紡糸してピッチ繊維を得る紡糸工程と、ピッチ繊維の不融化工程(ピッチ繊維を酸素含有雰囲気中で加熱する工程)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(炭素化工程または炭素化工程と黒鉛化工程)を経て得られ、線状で、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲にあることを特徴とする。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention is also a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer containing an active material made of a carbon material, carbon fiber, and a binder, A spinning process in which the carbon fibers are spun by a solution method or a melting method to obtain pitch fibers, a pitch fiber infusibilization process (a process in which the pitch fibers are heated in an oxygen-containing atmosphere), and an infusible pitch. It is obtained through a step of heat-treating the fiber in an inert gas atmosphere (carbonization step or carbonization step and graphitization step), and is linear and has an average diameter in the range of 100 nm to 1000 nm.

この発明のリチウムイオン二次電池用負極は、負極活物質層に、前記紡糸工程または前記各工程を経て得られた、線状で、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲にある炭素繊維を含有する。これにより、気相成長法で得られた直径1〜1000nmの炭素繊維を含有する特許文献1のリチウムイオン二次電池用負極、および気相成長法で得られた炭素繊維を予備混練して得られた平均粒子径が10μm以上30μm以下の二次粒子を含有する、特許文献2のリチウムイオン二次電池用負極と比較して、電極特性(電解液保持性および電解液浸透性)およびこれを負極としたリチウムイオン二次電池の特性が向上する。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention contains, in the negative electrode active material layer, linear carbon fibers obtained through the spinning step or the respective steps and having an average diameter in a range of 100 nm to 1000 nm. To do. Thus, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of Patent Document 1 containing carbon fibers having a diameter of 1 to 1000 nm obtained by vapor deposition and the carbon fibers obtained by vapor deposition are pre-kneaded. Compared with the negative electrode for lithium ion secondary batteries of Patent Document 2 containing secondary particles having an average particle diameter of 10 μm or more and 30 μm or less, the electrode characteristics (electrolyte retention and electrolyte permeability) and The characteristics of the lithium ion secondary battery used as the negative electrode are improved.

前記紡糸工程または前記各工程を経て得られた、線状の炭素繊維であっても、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲外のものは、以下の理由で使用しない。負極活物質層に存在している炭素繊維の平均直径が100nm未満であると、電解液浸透性の向上に必要な、微細繊維による活物質粒子間の適度な空隙が確保できなくなり、1000nmを超えると、逆に空隙が大きくなって高密度の電極が得られなくなる。   Even if it is a linear carbon fiber obtained through the spinning step or each of the steps, those having an average diameter outside the range of 100 nm to 1000 nm are not used for the following reasons. When the average diameter of the carbon fibers existing in the negative electrode active material layer is less than 100 nm, it is impossible to secure an appropriate gap between the active material particles due to the fine fibers, which is necessary for improving the electrolyte permeability, and exceeds 1000 nm. On the contrary, the gap becomes large and a high-density electrode cannot be obtained.

また、この発明のリチウムイオン二次電池用負極において、負極活物質層に存在している炭素繊維は、前記紡糸工程または前記各工程を経て得られた、線状の炭素繊維であって、最小直径が100nm、最大直径が1000nmであることが好ましい。直径が100nm未満の炭素繊維が存在していると、電解液浸透性の向上に必要な、微細繊維による活物質粒子間の適度な空隙を確保するという点で好ましくない。直径が1000nmを超える炭素繊維が存在していると、その部分の空隙が大きくなるため、高密度の電極を得るという点で好ましくない。   Further, in the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention, the carbon fiber present in the negative electrode active material layer is a linear carbon fiber obtained through the spinning step or each step, and is the minimum The diameter is preferably 100 nm and the maximum diameter is preferably 1000 nm. If carbon fibers having a diameter of less than 100 nm are present, it is not preferable in terms of securing an appropriate gap between the active material particles by the fine fibers, which is necessary for improving electrolyte permeability. If carbon fibers having a diameter of more than 1000 nm are present, the voids in the portion become large, which is not preferable in terms of obtaining a high-density electrode.

また、前記炭素繊維の長さは、1μm以上100μm以下であることが好ましく、5μm以上50μm以下であることがより好ましく、5μm以上30μm以下であることがさらに好ましい。
さらに、前記負極活物質層は、前記紡糸工程または前記各工程を経て得られた、線状の炭素繊維であって、平均直径が100nm以上1000nm以下で、アスペクト比(平均長さ/平均直径)が50以下である炭素繊維と、前記活物質および結合剤とを含有するペースト状混合物を、集電体に塗布する工程を経て得られたものであることが好ましい。平均直径が100nm以上1000nm以下の線状の炭素繊維であっても、アスペクト比(平均長さ/平均直径)が50より大きいと、前記ペースト状混合物を得る工程で二次粒子が形成され易い。
Moreover, the length of the carbon fiber is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, more preferably 5 μm or more and 50 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 30 μm or less.
Further, the negative electrode active material layer is a linear carbon fiber obtained through the spinning step or each step, and has an average diameter of 100 nm to 1000 nm and an aspect ratio (average length / average diameter). Is preferably obtained through a step of applying a paste-like mixture containing a carbon fiber having a carbon fiber of 50 or less, the active material and the binder to a current collector. Even in the case of linear carbon fibers having an average diameter of 100 nm or more and 1000 nm or less, if the aspect ratio (average length / average diameter) is larger than 50, secondary particles are easily formed in the step of obtaining the paste-like mixture.

この発明のリチウムイオン二次電池用負極において、前記負極活物質層は、前記炭素繊維を、前記活物質100質量部に対して0.5質量部以上20質量部以下の割合で含有することが好ましい。前記炭素繊維の含有量が前記活物質100質量部に対して0.5質量部未満であると、前記炭素繊維を添加したことによる効果が実質的に得られず、20質量部を超えると、相対的に炭素材料からなる活物質の含有量が減少するため、却って電池容量が低下する。   In the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention, the negative electrode active material layer may contain the carbon fiber at a ratio of 0.5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the active material. preferable. When the content of the carbon fiber is less than 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the active material, the effect of adding the carbon fiber is not substantially obtained, and when it exceeds 20 parts by mass, Since the content of the active material made of a carbon material is relatively reduced, the battery capacity is decreased.

この発明のリチウムイオン二次電池用負極は、電極密度を1.6〜2.0g/cm3 としても、良好な電極特性(電解液保持性および電解液浸透性)が得られる。
この発明のリチウムイオン二次電池用負極を有するリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、高速充放電性能に優れたものとなる。
The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention can provide good electrode characteristics (electrolytic solution retention and electrolytic solution permeability) even when the electrode density is 1.6 to 2.0 g / cm 3 .
The lithium ion secondary battery having the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention has a high energy density and excellent high-speed charge / discharge performance.

この発明のリチウムイオン二次電池用負極は、電極密度が高く、電解液保持性および電解液浸透性に優れ、リチウムイオン二次電池とした時に優れた電池特性が得られる。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention has a high electrode density, excellent electrolyte solution retention and electrolyte solution permeability, and excellent battery characteristics can be obtained when a lithium ion secondary battery is obtained.

紡糸工程を溶融エレクトロスピニング法で行う場合に使用する装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the apparatus used when performing a spinning process by a melt | dissolution electrospinning method.

以下、この発明を実施するための形態について説明する。
この発明のリチウムイオン二次電池用負極は、炭素材料からなる活物質と、炭素繊維と、結合剤と、を含有する負極活物質層を有し、前記炭素繊維の製法、形状、および平均直径が特定されている。前記炭素繊維の製法は、炭素を含有する原料を溶液法または溶融法により紡糸する紡糸工程を備えた方法である。先ず、この製法について説明する。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described.
The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention has a negative electrode active material layer containing an active material made of a carbon material, carbon fiber, and a binder, and the method, shape, and average diameter of the carbon fiber Has been identified. The carbon fiber production method is a method including a spinning step of spinning a raw material containing carbon by a solution method or a melting method. First, this manufacturing method will be described.

前記紡糸工程で使用する炭素を含有する原料としては、炭化収率が高い縮合多環芳香族化合物が好ましい。特に、ピッチは、多数の縮合多環芳香族化合物を含有しているため好ましい。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整する方法である。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 raw material containing carbon used in the spinning step, a condensed polycyclic aromatic compound having a high carbonization yield is preferable. In particular, pitch is preferable because it contains a large number of condensed polycyclic aromatic compounds. There are the following methods for obtaining the pitch.
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 of adjusting to a 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

ピッチを原料とした炭素繊維は、紡糸工程、不融化工程、不活性ガス雰囲気での熱処理工程をこの順に行うことで製造される。紡糸工程では、原料のピッチを溶液法または溶融法により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。   Carbon fiber using pitch as a raw material is manufactured by performing a spinning process, an infusibilization process, and a heat treatment process in an inert gas atmosphere in this order. In the spinning process, the raw material pitch is spun by a solution method or a melting method to form a fiber. 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, and therefore an infusibilization process is performed for the purpose of avoiding this.

紡糸工程としては、炭素を含有する原料を溶液にして紡糸する溶液法と、炭素を含有する原料を溶融状態にして紡糸する溶融法のいずれを採用してもよい。ピッチを溶融法により紡糸すると、ピッチに含まれている縮合多環芳香族化合物の縮合環に起因する分子配向が進み、後段の焼成(不活性ガス雰囲気での熱処理工程)の際にも更に配向が進むことで、得られる炭素繊維が高強度になるという利点がある。   As the spinning process, either a solution method in which a raw material containing carbon is spun into a solution or a melting method in which a raw material containing carbon is spun in a molten state may be employed. When the pitch is spun by the melting method, the molecular orientation due to the condensed ring of the condensed polycyclic aromatic compound contained in the pitch advances, and further orientation occurs in the subsequent firing (heat treatment process in an inert gas atmosphere). As the process proceeds, there is an advantage that the obtained carbon fiber has high strength.

また、線状で、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲にある炭素繊維を得ることができる紡糸方法としては、以下に示す、溶液エレクトロスピニング法、メルトブローン法、溶融エレクトロスピニング法が挙げられる。メルトブローン法と溶融エレクトロスピニング法を組み合わせて実施することもできる。   Examples of the spinning method capable of obtaining a carbon fiber having a linear shape and an average diameter in the range of 100 nm to 1000 nm include the following solution electrospinning method, melt blown method, and melt electrospinning method. A combination of the meltblown method and the melt electrospinning method can also be performed.

<溶液エレクトロスピニング法:溶液法>
この方法では、先ず、ピッチを、二硫化炭素、テトラヒドロフラン、ピリジン、キノリン等の溶剤に溶かして、ピッチ濃度が1〜30質量%、好ましくは10〜20%質量であるピッチ溶液を調製する。
使用する紡糸装置は、ピッチ溶液が貯蔵される容器と、ピッチ溶液を吐出するノズルと、前記ノズルを通して吐出されるピッチ溶液を帯電させるために電圧を印加する高電圧発生部と、前記ノズルより吐出されて紡糸されたピッチ繊維を集積する前記ノズル側と異なる極性に帯電されたコレクタと、を備えたものである。
<Solution electrospinning method: Solution method>
In this method, first, pitch is dissolved in a solvent such as carbon disulfide, tetrahydrofuran, pyridine, or quinoline to prepare a pitch solution having a pitch concentration of 1 to 30% by mass, preferably 10 to 20% by mass.
The spinning device to be used includes a container for storing a pitch solution, a nozzle for discharging the pitch solution, a high voltage generator for applying a voltage to charge the pitch solution discharged through the nozzle, and a discharge from the nozzle. And a collector charged with a polarity different from that of the nozzle side for accumulating the spun and spun pitch fibers.

ノズルとコレクタの間には電圧がかけられ、コレクタにて捕集される。電圧のかけ方は任意であり、コレクタ側が正極、負極、アースのいずれでもよいが、通常は、コレクタをグランドしてノズルを正電圧にする方法を採用している。しかし、この場合はノズル側全体に対する絶縁対策が必須である。
ノズルとコレクタの間にかけられる電圧は0.5〜100kVである。これは、ノズルとコレクタの間の距離によって適宜変更される。0.5kV以上とすることで、ピッチ溶液がノズルから離脱しやすくなり、100kV以下とすることで、ノズルとコレクタの間の放電が抑制される。
A voltage is applied between the nozzle and the collector and collected by the collector. The method of applying the voltage is arbitrary, and the collector side may be any of positive electrode, negative electrode, and ground. Usually, a method is adopted in which the collector is grounded to make the nozzle a positive voltage. However, in this case, insulation measures for the entire nozzle side are essential.
The voltage applied between the nozzle and the collector is 0.5 to 100 kV. This is appropriately changed depending on the distance between the nozzle and the collector. By setting it as 0.5 kV or more, a pitch solution becomes easy to detach | leave from a nozzle, and the discharge between a nozzle and a collector is suppressed by setting it as 100 kV or less.

コレクタの形態としては、単純な静的平板、回転ドラム、回転ベルト(ベルトコンベア)などが代表的であるが、生産効率の観点からは、静的平板よりも回転式の捕集装置が好ましい。ノズルとコレクタでの繊維接地部位との距離は10〜200mmであることが好ましい。繊維接地部位とは、コレクタに含まれ、繊維が実質的に最初に接触した部分のことである。   As a form of the collector, a simple static flat plate, a rotary drum, a rotary belt (belt conveyor), and the like are typical, but from the viewpoint of production efficiency, a rotary collection device is preferable to the static flat plate. The distance between the nozzle and the fiber grounding portion at the collector is preferably 10 to 200 mm. The fiber ground contact portion is a portion that is included in the collector and substantially contacts with the fiber first.

この距離を10mm以上とすることにより、ノズルとコレクタの間に生じる放電等を防止して、安定した電位環境を保って繊維を製造することができる。また、この距離が200mmを超えると、電場による繊維の引きが弱くなり、ノズルから吐出したピッチ溶液が細い繊維に紡糸され難い。
ピリジンやキノリン等の高沸点溶剤を用いるときは、溶剤が揮散しやすくなるように、ノズルの下流側の雰囲気を暖める、あるいは減圧にすることが必要である。
By setting this distance to 10 mm or more, it is possible to prevent discharge and the like generated between the nozzle and the collector, and to manufacture fibers while maintaining a stable potential environment. On the other hand, when the distance exceeds 200 mm, the fiber pulling by the electric field becomes weak, and the pitch solution discharged from the nozzle is difficult to be spun into a thin fiber.
When a high boiling point solvent such as pyridine or quinoline is used, it is necessary to warm the atmosphere on the downstream side of the nozzle or reduce the pressure so that the solvent is easily volatilized.

<メルトブローン法:溶融法>
メルトブローン法では、ピッチを溶融することで得られたピッチ融液を、ガスノズルに供給される空気、窒素等の加熱ガスとともに、紡糸ノズルを通じてコレクタに吐出することで、ピッチ繊維を紡糸する。ガスノズルから噴射される加熱ガスは、紡糸ノズルから吐出するピッチ融液に剪断力を付与している。その結果、細い繊維が得られる。メルトブローン法では、電圧の印加を行わない。
コレクタの形態としては、単純な静的平板、回転ドラム、回転ベルト(ベルトコンベア)などが代表的であるが、生産効率の観点からは、静的平板よりも回転式の捕集装置が好ましい。
<Melt blown method: Melting method>
In the melt blown method, pitch fiber is spun by discharging a pitch melt obtained by melting pitch together with a heating gas such as air and nitrogen supplied to a gas nozzle to a collector through a spinning nozzle. The heated gas injected from the gas nozzle gives a shearing force to the pitch melt discharged from the spinning nozzle. As a result, fine fibers are obtained. In the melt blown method, no voltage is applied.
As a form of the collector, a simple static flat plate, a rotary drum, a rotary belt (belt conveyor), and the like are typical, but from the viewpoint of production efficiency, a rotary collection device is preferable to the static flat plate.

<溶融エレクトロスピニング法:溶融法>
この方法では、ピッチ融液が貯蔵される容器と、ピッチ融液を吐出するノズルと、前記ノズルを通して吐出されるピッチ融液を帯電させるために電圧を印加する高電圧発生部と、前記ノズルより吐出されて紡糸されたピッチ繊維を集積する前記ノズル側と異なる極性に帯電されたコレクタと、を備えた紡糸装置を使用する。ピッチ融液が貯蔵されている容器は、電熱ヒーター、熱風、熱媒等により加熱する。
<Melting electrospinning method: melting method>
In this method, a container for storing the pitch melt, a nozzle for discharging the pitch melt, a high voltage generator for applying a voltage to charge the pitch melt discharged through the nozzle, and the nozzle A spinning device having a collector charged with a polarity different from that of the nozzle side for accumulating pitch fibers spun by spinning is used. The container in which the pitch melt is stored is heated by an electric heater, hot air, a heating medium, or the like.

ノズルとコレクタの間には電圧がかけられ、コレクタにて捕集される。電圧のかけ方は任意であり、コレクタ側が正極、負極、アースのいずれでもよいが、通常は、コレクタをグランドしてノズルを正電圧にする方法を採用している。しかし、この場合はノズル側全体に対する絶縁対策が必須である。ノズルとコレクタの間にかけられる電圧は0.5〜100kVである。これは、ノズルとコレクタの間の距離によって適宜変更される。0.5kV以上とすることで、ピッチ融液がノズルから離脱しやすくなり、100kV以下とすることで、ノズルとコレクタの間の放電が抑制される。   A voltage is applied between the nozzle and the collector and collected by the collector. The method of applying the voltage is arbitrary, and the collector side may be any of positive electrode, negative electrode, and ground. Usually, a method is adopted in which the collector is grounded to make the nozzle a positive voltage. However, in this case, insulation measures for the entire nozzle side are essential. The voltage applied between the nozzle and the collector is 0.5 to 100 kV. This is appropriately changed depending on the distance between the nozzle and the collector. By setting it as 0.5 kV or more, a pitch melt becomes easy to detach | leave from a nozzle, and the discharge between a nozzle and a collector is suppressed by setting it as 100 kV or less.

コレクタの形態としては、単純な静的平板、回転ドラム、回転ベルト(ベルトコンベア)などが代表的であるが、生産効率の観点からは、静的平板よりも回転式の捕集装置が好ましい。ノズルとコレクタでの繊維接地部位との距離は10〜200mmであることが好ましい。繊維接地部位とは、コレクタに含まれ、繊維が実質的に最初に接触した部分のことである。   As a form of the collector, a simple static flat plate, a rotary drum, a rotary belt (belt conveyor), and the like are typical, but from the viewpoint of production efficiency, a rotary collection device is preferable to the static flat plate. The distance between the nozzle and the fiber grounding portion at the collector is preferably 10 to 200 mm. The fiber ground contact portion is a portion that is included in the collector and substantially contacts with the fiber first.

この距離を10mm以上とすることにより、ノズルとコレクタの間に生じる放電等を防止して、安定した電位環境を保って繊維を製造することができる。また、この距離が200mmを超えると、電場による繊維の引きが弱くなり、ノズルから吐出したピッチ融液が細い繊維に紡糸され難い。
なお、溶液法と溶融法を比較すると、溶液法では揮発させた溶剤を処理する排ガス処理設備が必要であるため、溶融法の方が好ましい。また、溶融法である溶融エレクトロスピニング法とメルトブレーン法を比較すると、高電圧設備が必要な溶融エレクトロスピニング法よりも、電圧の印加を行わないメルトブレーン法の方が好ましい。
By setting this distance to 10 mm or more, it is possible to prevent discharge and the like generated between the nozzle and the collector, and to manufacture fibers while maintaining a stable potential environment. On the other hand, when the distance exceeds 200 mm, pulling of the fiber by the electric field becomes weak, and the pitch melt discharged from the nozzle is difficult to be spun into a thin fiber.
When the solution method and the melting method are compared, the solution method requires an exhaust gas treatment facility for treating the volatilized solvent, and therefore the melting method is preferable. Further, when the melt electrospinning method, which is a melting method, is compared with the melt brain method, the melt brain method in which no voltage is applied is more preferable than the melt electrospinning method that requires high voltage equipment.

さらに、溶融エレクトロスピニング法を実施する際には、安全上の観点から、図1に示す紡糸装置を使用することが好ましい。この紡糸装置は、原料容器1と、吐出装置2と、コレクタ3と、高電圧電源4とを備えている。
原料容器1には、ピッチの粉末原料が入っている。吐出装置2は、ピッチ融液が貯蔵される容器である本体21と、本体21の先端に形成されたノズル22と、本体21内に加圧窒素を導入する配管23を有する。原料容器1と吐出装置2の本体21は配管5で接続されている。吐出装置2の本体21およびノズル22と配管5の外側に、ヒーター6が巻き付けられている。吐出装置2の本体21がグランドされている。
Furthermore, when carrying out the melt electrospinning method, it is preferable to use the spinning device shown in FIG. 1 from the viewpoint of safety. The spinning device includes a raw material container 1, a discharge device 2, a collector 3, and a high voltage power source 4.
The raw material container 1 contains pitch powder material. The discharge device 2 includes a main body 21 that is a container for storing pitch melt, a nozzle 22 formed at the tip of the main body 21, and a pipe 23 that introduces pressurized nitrogen into the main body 21. The raw material container 1 and the main body 21 of the discharge device 2 are connected by a pipe 5. A heater 6 is wound around the main body 21 and nozzle 22 of the discharge device 2 and the outside of the pipe 5. The main body 21 of the discharge device 2 is grounded.

原料容器1内の粉末状ピッチは、配管5から吐出装置2の本体21に供給される際に、ヒーター6で加熱されて溶融状態となる。また、本体21もヒーター6で加熱されるため、本体21内でもピッチの溶融状態が保持される。
コレクタ3は、絶縁メッシュベルト31を備えたベルトコンベヤーと、ベルトコンベヤー内の上部に配置された金属板32を有する。金属板32は、絶縁メッシュベルト31を挟んでノズル22の直下に配置されている。金属板32は、高電圧電源4に接続されている。
When the powdery pitch in the raw material container 1 is supplied from the pipe 5 to the main body 21 of the discharge device 2, it is heated by the heater 6 to be in a molten state. Further, since the main body 21 is also heated by the heater 6, the pitch melt state is maintained in the main body 21.
The collector 3 includes a belt conveyor provided with an insulating mesh belt 31 and a metal plate 32 disposed at an upper portion in the belt conveyor. The metal plate 32 is disposed immediately below the nozzle 22 with the insulating mesh belt 31 interposed therebetween. The metal plate 32 is connected to the high voltage power supply 4.

この紡糸装置では、高電圧電源4を作動してコレクタ3の金属板23と吐出装置2との間に高電圧を印加し、配管23から吐出装置2の本体21内に加圧窒素を導入することにより、本体21内の溶融ピッチをノズル22から絶縁メッシュベルト31に吐出させる。これにより、紡糸されたピッチ繊維が、絶縁メッシュベルト31上に捕集されて回収される。
この紡糸装置によれば、ノズルをグランドしているため、ノズル側全体に対する絶縁対策が不要となる。また、ピッチ繊維が、金属ベルト上でなく絶縁メッシュベルトに捕集されることで、回収されたピッチ繊維は絶縁状態となっているため、安全性が高い。
In this spinning device, the high voltage power source 4 is operated to apply a high voltage between the metal plate 23 of the collector 3 and the discharge device 2, and pressurized nitrogen is introduced into the main body 21 of the discharge device 2 from the pipe 23. As a result, the molten pitch in the main body 21 is discharged from the nozzle 22 to the insulating mesh belt 31. Thereby, the spun pitch fiber is collected on the insulating mesh belt 31 and collected.
According to this spinning device, since the nozzle is grounded, an insulation measure for the entire nozzle side becomes unnecessary. In addition, since the pitch fibers are collected not by the metal belt but by the insulating mesh belt, the recovered pitch fibers are in an insulating state, so that the safety is high.

<不融化工程と熱処理工程>
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100〜350℃とする。
不活性ガス雰囲気での熱処理工程は、炭素化工程の場合は500℃以上1500℃以下で行い、黒鉛化工程の場合は、炭素化工程の後に2000℃以上3200℃未満の温度で行う。不融化工程後のピッチ繊維を500〜1500℃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。
<Infusibilization process and heat treatment process>
The heating temperature in the infusibilization step is set to, for example, 100 to 350 ° C. according to the softening point of the used pitch-based material.
In the case of a carbonization step, the heat treatment step in an inert gas atmosphere is performed at a temperature of 500 ° C. to 1500 ° C., and in the case of a graphitization step, the heat treatment step is performed at a temperature of 2000 ° C. to less than 3200 ° C. When the pitch fiber after the infusibilization process is heated at 500-1500 ° 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.

なお、不融化工程後の熱処理工程としては、炭素化工程のみを行い、黒鉛化工程を行わないことが好ましい。リチウムイオン二次電池の負極活物質層に含有させる炭素繊維として、不融化工程後の熱処理工程として炭素化工程のみを行って得られた炭素繊維を使用することにより、炭素化工程と黒鉛化工程の両方を行って得られた炭素繊維を使用した場合よりも、電池のサイクル特性が向上する。   In addition, as a heat treatment process after an infusibilization process, it is preferable to perform only a carbonization process and not to perform a graphitization process. By using carbon fibers obtained by performing only the carbonization step as the heat treatment step after the infusibilization step, the carbonization step and the graphitization step are performed as the carbon fiber to be included in the negative electrode active material layer of the lithium ion secondary battery. The cycle characteristics of the battery are improved as compared with the case of using the carbon fiber obtained by performing both of the above.

<その他の処理>
上述の方法で得られた炭素繊維に対し、必要に応じて、粉砕や裁断等の処理を行って繊維長を調整してもよい。この繊維長を調整する処理は、紡糸工程後の不融化工程前に行ってもよいし、不融化工程後の熱処理工程(炭素化工程)前に行ってもよい。あるいは、熱処理工程(炭素化工程、黒鉛化工程)の後に行ってもよい。
<Other processing>
If necessary, the fiber length may be adjusted by subjecting the carbon fiber obtained by the above-described method to processing such as pulverization or cutting. The treatment for adjusting the fiber length may be performed before the infusibilization step after the spinning step or before the heat treatment step (carbonization step) after the infusibilization step. Alternatively, it may be performed after the heat treatment step (carbonization step, graphitization step).

次に、炭素繊維以外の負極活物質層の構成材料と、負極活物質層の形成方法について説明する。
<炭素繊維以外の負極活物質層の構成材料>
炭素材料からなる活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛を使用することができる。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、リン片状の炭素材料を使用することもできる。
Next, the constituent material of the negative electrode active material layer other than carbon fibers and the method for forming the negative electrode active material layer will be described.
<Constituent material of negative electrode active material layer other than carbon fiber>
Natural graphite and artificial graphite can be used as the active material made of a carbon material. 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. Furthermore, a powdery, spherical, and flake shaped carbon material can be used.

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、水系溶媒に溶解および/または分散する水系結合剤のいずれを用いてもよい。
具体的には、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挙げられる。このうち、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。結合剤の含有率は、例えば、0.5〜20質量%とする。
The binder preferably has chemical stability and electrochemical stability with respect to the electrolyte, and is an organic binder that is dissolved and / or dispersed in an organic solvent, and an aqueous bond that is dissolved and / or dispersed in an aqueous solvent. Any of the agents may be used.
Specific examples include fluorine resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, resins such as polyethylene and polyvinyl alcohol, and rubbers such as carboxymethyl cellulose and styrene butadiene rubber. Among these, it is preferable to use an aqueous binder such as carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, and styrene butadiene rubber. These can also be used together. The content rate of a binder shall be 0.5-20 mass%, for example.

<負極活物質層の形成方法>
活物質と炭素繊維と結合剤を混合して得た混合物を溶媒に分散させて、ペースト状の負極材料を調製し、これを集電体の表面に塗布して溶媒を乾燥させた後、電極密度が1.6〜2.0g/cm3 (好ましくは1.8〜2.0g/cm3 )となるようにプレスして更に乾燥させることにより、負極活物質層を形成することができる。溶媒としては、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。
<Method for forming negative electrode active material layer>
A mixture obtained by mixing an active material, carbon fiber, and a binder is dispersed in a solvent to prepare a paste-like negative electrode material, which is applied to the surface of a current collector and the solvent is dried. The negative electrode active material layer can be formed by pressing and further drying so that the density is 1.6 to 2.0 g / cm 3 (preferably 1.8 to 2.0 g / cm 3 ). Examples of the solvent include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, water, alcohol and the like.

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]
先ず、以下の方法で、ピッチを溶液エレクトロスピニング法により紡糸してピッチ繊維を得た。
コールタールを原料として調製した、軟化点が202℃のピッチを用意し、これを二硫化炭素(溶剤)に溶解して濃度が10質量%のピッチ溶液を得た。このピッチ溶液を、ステンレス製の容器(容量10mL)に入れて密封した。この容器の下端には、ステンレス製の27G(内径0.20mm、外径0.42mm)のノズルが取り付けてある。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples and comparative examples.
[Sample No.1]
First, a pitch fiber was obtained by spinning the pitch by the solution electrospinning method in the following manner.
A pitch having a softening point of 202 ° C. prepared using coal tar as a raw material was prepared and dissolved in carbon disulfide (solvent) to obtain a pitch solution having a concentration of 10% by mass. This pitch solution was sealed in a stainless steel container (capacity 10 mL). A stainless 27G nozzle (inner diameter 0.20 mm, outer diameter 0.42 mm) is attached to the lower end of the container.

ノズルの直下120mmの位置にアース電極(コンベア式コレクタ)を置き、高電圧発生機で発生した25kVの電圧を、コレクタとノズルとの間に印加した。この状態で、容器内に0.01MPaの加圧窒素を導入して、容器内のピッチ溶液をノズルからコレクタに吐出させて紡糸を行った。これにより、紡糸が良好に進み、極細のピッチ繊維が得られた。   A ground electrode (conveyor-type collector) was placed at a position 120 mm directly below the nozzle, and a voltage of 25 kV generated by a high voltage generator was applied between the collector and the nozzle. In this state, 0.01 MPa of pressurized nitrogen was introduced into the container, and the pitch solution in the container was discharged from the nozzle to the collector for spinning. As a result, spinning proceeded satisfactorily and an extremely fine pitch fiber was obtained.

次に、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。
Next, an infusibilization step was performed by heating the obtained pitch fiber in the air stepwise 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).

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2400℃まで昇温した後、2400℃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、最小直径が180nmで最大直径が220nmである炭素繊維が得られた。得られた炭素繊維の平均直径200nmであった。これらの値は、SEM画像にて200本の炭素繊維を測定して算出した平均値である。
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. After the temperature is increased to 2400 ° C. at a rate of 3 ° C./min, the temperature is increased to 2400 ° C. A heat treatment (graphitization step) was performed for 10 hours.
As a result, a carbon fiber having a minimum diameter of 180 nm and a maximum diameter of 220 nm was obtained. The average diameter of the obtained carbon fiber was 200 nm. These values are average values calculated by measuring 200 carbon fibers in the SEM image.

このようにして得られた炭素繊維を、めのう製乳鉢で粉砕して、平均繊維長が8μmとなるようにした。すなわち、この炭素繊維のアスペクト比(平均値)は40(8000/200)である。この炭素繊維をX線回折装置にかけて、(002)面間隔を測定したところ、0.3465nm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。   The carbon fibers thus obtained were pulverized with an agate mortar so that the average fiber length was 8 μm. That is, the aspect ratio (average value) of this carbon fiber is 40 (8000/200). When this carbon fiber was applied to an X-ray diffractometer and the (002) plane distance was measured, it was 0.3465 nm. The plane spacing was calculated from the θ angle of the peak top of the (002) plane.

上述のようにして製造した炭素繊維を、メソフェーズ小球体の黒鉛化品(活物質)100質量部に対して3質量部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 fibers produced as described above were mixed so as to be 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the mesophase microsphere graphitized product (active material). 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の一部を取り、含まれている炭素繊維の部分を分離・回収してSEM画像解析を行った。その結果、炭素繊維は凝集して二次粒子を形成することなく、ほぼ線状の形態で存在しており、炭素繊維の平均長さは5μmであった。
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1.80〜2.00g/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、集電体の表面に負極活物質層が形成されている試験電極を得た。
A portion of this pasty carbon material was taken, and the contained carbon fiber portion was separated and recovered, and SEM image analysis was performed. As a result, the carbon fibers were present in a substantially linear form without agglomerating to form secondary particles, and the average length of the carbon fibers was 5 μm.
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 1.80 to 2.00 g / cm 3 . This was vacuum-dried at 130 ° C. all day and night to obtain a test electrode in which a negative electrode active material layer was formed on the surface of the current collector.

得られた試験電極のうち電極密度が1.90g/cm3 のものについて、以下の方法で空隙率と浸透速度を測定した。
空隙率Kは、嵩密度Aと真密度Bと質量Mと空隙を含めた体積Vとを用いて下記の(1) 式で算出される。K=M(1/A−1/B)/V‥‥(1)
そのため、電極の嵩密度Aを電極の寸法と質量から算出し、電極の真密度Bを、活物質、炭素繊維、バインダーそれぞれの材料の真密度から、混合比率で比例計算することによって算出した。このようにして算出されたAおよびBと電極の寸法から算出されたVを(1) 式に代入して、空隙率Kを算出した。その結果、この試験電極の空隙率Kは0.127(12.7%)であった。
Among the obtained test electrodes, those having an electrode density of 1.90 g / cm 3 were measured for porosity and penetration rate by the following methods.
The porosity K is calculated by the following equation (1) using the bulk density A, the true density B, the mass M, and the volume V including the voids. K = M (1 / A-1 / B) / V (1)
Therefore, the bulk density A of the electrode was calculated from the dimensions and mass of the electrode, and the true density B of the electrode was calculated by proportionally calculating the mixing ratio from the true densities of the active material, carbon fiber, and binder. The porosity K was calculated by substituting V calculated from A and B calculated in this way and the dimensions of the electrode into the equation (1). As a result, the porosity K of this test electrode was 0.127 (12.7%).

電極の浸透速度を測定するために、得られた試験電極のうち電極密度が1.9g/cm3 のものを直径18mmの円板状に切り出して試験片とした。また、各種電解液とほぼ同等の粘度を有する揮発性の低いプロピレンカーボネート(PC)を用意した。そして、25℃の大気中で、試験片の円形の面の中心にPCを一滴(3μl)滴下し、この試験片の全体にPCが浸透するまでにかかる時間を調べて、この時間を浸透速度とした。その結果、この試験電極の浸透速度は260秒であった。 In order to measure the permeation rate of the electrode, a test piece having a density of 1.9 g / cm 3 among the obtained test electrodes was cut into a disk shape having a diameter of 18 mm. Moreover, the low-volatile propylene carbonate (PC) which has a viscosity substantially the same as various electrolyte solutions was prepared. Then, in the atmosphere at 25 ° C., a drop (3 μl) of PC is dropped at the center of the circular surface of the test piece, and the time taken for the PC to permeate the entire test piece is examined. It was. As a result, the penetration speed of this test electrode was 260 seconds.

また、得られた試験電極のうち電極密度が1.90g/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。 In addition, by interposing a porous separator between the obtained test electrode having an electrode density of 1.90 g / cm 3 and the lithium foil used as a counter electrode, and immersing in a non-aqueous electrolyte, A test battery was prepared. 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94.5%であった。また、充電受入れ性は1.0Cの充電で35.1%、放電率は2.0Cの放電で91.6%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 94.5%. The charge acceptance was 35.1% at a charge of 1.0 C, and the discharge rate was 91.6% at a discharge of 2.0 C.
“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]
先ず、以下の方法で、ピッチをメルトブローン法(溶融法)により紡糸してピッチ繊維を得た。
No.1と同じ軟化点が202℃のピッチを用意し、これをステンレス製の容器(容量10mL)に入れて密封した。この容器の下端には、ステンレス製の27G(内径0.20mm、外径0.42mm)のノズルが取り付けてあり、このノズルの外側に、予熱ガスが流通できるように外筒が取り付けてある。容器の外側と外筒の外側に、それぞれ別系統の温度制御ができる電熱ヒーターを巻いた。各ヒーターに温度調節器を接続して、容器内のピッチ温度とノズル内のピッチの温度が350℃になるように制御した。
[Sample No.2]
First, the pitch was spun by the melt blown method (melting method) by the following method to obtain pitch fibers.
A pitch having the same softening point as No. 1 at 202 ° C. was prepared and sealed in a stainless steel container (capacity 10 mL). A stainless steel 27G (inner diameter 0.20 mm, outer diameter 0.42 mm) nozzle is attached to the lower end of the container, and an outer cylinder is attached to the outside of the nozzle so that preheated gas can flow. Electric heaters that can control the temperature of different systems were wound around the outside of the container and the outside of the outer cylinder. A temperature controller was connected to each heater, and the pitch temperature in the container and the pitch temperature in the nozzle were controlled to be 350 ° C.

また、350〜360℃に予熱した窒素ガスを、ノズルの先端の間隙で100m/sの線速度となるように外筒内に流した。さらに、ノズルの先端から下方120mmの位置にコレクタを設置した。この状態で、密閉してある容器内に0.2〜0.3MPaの加圧窒素を導入し、容器内の溶融ピッチをノズルからコレクタに吐出させて紡糸を行った。これにより、紡糸が良好に進み、極細のピッチ繊維が得られた。   In addition, nitrogen gas preheated to 350 to 360 ° C. was flowed into the outer cylinder so that the linear velocity was 100 m / s through the gap at the tip of the nozzle. Furthermore, a collector was installed at a position 120 mm below the tip of the nozzle. In this state, 0.2 to 0.3 MPa of pressurized nitrogen was introduced into the sealed container, and the molten pitch in the container was discharged from the nozzle to the collector for spinning. As a result, spinning proceeded satisfactorily and an extremely fine pitch fiber was obtained.

次に、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、最小直径が800nmで最大直径が1000nmである炭素繊維が得られた。得られた炭素繊維の平均直径900nmであった。これらの値はNo.1と同じ方法で測定した。
このようにして得られた炭素繊維を、めのう乳鉢で粉砕して、平均繊維長が8μmとなるようにした。すなわち、この炭素繊維のアスペクト比(平均値)は9(8000/900=8.8)である。この炭素繊維を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。
Next, an infusibilization step, a carbonization step, and a graphitization step for the obtained pitch fiber were performed in the same manner as in No. 1. As a result, a carbon fiber having a minimum diameter of 800 nm and a maximum diameter of 1000 nm was obtained. The average diameter of the obtained carbon fiber was 900 nm. These values were measured by the same method as No. 1.
The carbon fibers thus obtained were pulverized in an agate mortar so that the average fiber length was 8 μm. That is, the aspect ratio (average value) of this carbon fiber is 9 (8000/900 = 8.8). When this carbon fiber was applied to an X-ray diffractometer and the (002) plane distance was measured, it was 0.3462 nm.

この炭素繊維を、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100質量部に対して3質量部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。   This carbon fiber was mixed so as to be 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the graphitized product of the same mesophase spherules used in No. 1. 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の一部を取り、含まれている炭素繊維の部分を分離・回収してSEM画像解析を行った。その結果、炭素繊維は凝集して二次粒子を形成することなく、ほぼ線状の形態で存在しており、炭素繊維の平均長さは6μmであった。
このペースト状炭素材を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。そして、得られた試験電極のうち電極密度が1.91g/cm3 のものを用い、No.1と同じ方法で、空隙率と浸透速度を測定したところ、空隙率Kは0.122(12.2%)であり、浸透速度は240秒であった。
A portion of this pasty carbon material was taken, and the contained carbon fiber portion was separated and recovered, and SEM image analysis was performed. As a result, the carbon fibers were present in a substantially linear form without agglomerating to form secondary particles, and the average length of the carbon fibers was 6 μm.
Using this pasty carbon material, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. And when the porosity and penetration rate were measured by the same method as No. 1 using the obtained test electrode whose electrode density is 1.91 g / cm 3 , the porosity K is 0.122 (12 2%) and the permeation rate was 240 seconds.

また、得られた試験電極のうち電極密度が1.91g/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344mAh/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94.5%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91.7%であった。
In addition, by interposing a porous separator between the obtained test electrode having an electrode density of 1.91 g / cm 3 and the lithium foil used as a counter electrode, and immersing in a non-aqueous electrolyte solution, A test battery was prepared. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of this test battery were examined, the discharge capacity was 344 mAh / g and the load reverse capacity was 20 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.5%. The charge acceptance was 35.3% at 1.0 C, and the discharge rate was 91.7% at 2.0 C discharge.

[サンプルNo.3]
先ず、以下の方法で、ピッチを溶融エレクトロスピニング法(溶融法)により紡糸してピッチ繊維を得た。
No.1と同じ軟化点が202℃のピッチを用意し、これをステンレス製の容器(容量10mL)に入れて密封した。この容器の下端には、ステンレス製の24G(内径0.31mm、外径0.57mm)のノズルが取り付けてある。容器の外側とノズルの外側に、それぞれ別系統の温度制御ができる電熱ヒーターを巻いた。各ヒーターに温度調節器を接続して、容器内のピッチ温度とノズル内のピッチの温度が350℃になるように制御した。
[Sample No.3]
First, pitch was spun by the melt electrospinning method (melting method) by the following method to obtain pitch fibers.
A pitch having the same softening point as No. 1 at 202 ° C. was prepared and sealed in a stainless steel container (capacity 10 mL). A stainless steel 24G (inner diameter: 0.31 mm, outer diameter: 0.57 mm) nozzle is attached to the lower end of the container. Electric heaters that can control the temperature of different systems were wound around the outside of the container and the outside of the nozzle. A temperature controller was connected to each heater, and the pitch temperature in the container and the pitch temperature in the nozzle were controlled to be 350 ° C.

ノズルの直下60mmの位置にアース電極(コンベア式コレクタ)を置き、高電圧発生機で発生した25kVの電圧を、コレクタとノズルとの間に印加した。この状態で、容器内に0.1MPaの加圧窒素を導入して、容器内の溶融ピッチをノズルからコレクタに吐出させて紡糸を行った。これにより、紡糸が良好に進み、極細のピッチ繊維が得られた。
次に、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、最小直径が500nmで最大直径が600nmである炭素繊維が得られた。得られた炭素繊維の平均直径550nmであった。これらの値はNo.1と同じ方法で測定した。
A ground electrode (conveyor type collector) was placed at a position of 60 mm directly below the nozzle, and a voltage of 25 kV generated by a high voltage generator was applied between the collector and the nozzle. In this state, 0.1 MPa of pressurized nitrogen was introduced into the container, and the melt pitch in the container was discharged from the nozzle to the collector for spinning. As a result, spinning proceeded satisfactorily and an extremely fine pitch fiber was obtained.
Next, an infusibilization step, a carbonization step, and a graphitization step for the obtained pitch fiber were performed in the same manner as in No. 1. As a result, a carbon fiber having a minimum diameter of 500 nm and a maximum diameter of 600 nm was obtained. The obtained carbon fiber had an average diameter of 550 nm. These values were measured by the same method as No. 1.

このようにして得られた炭素繊維を、めのう乳鉢で粉砕して、平均繊維長が8μmとなるようにした。すなわち、この炭素繊維のアスペクト比(平均値)は15(8000/550=14.5)である。この炭素繊維を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。
この炭素繊維を、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100質量部に対して3質量部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 fibers thus obtained were pulverized in an agate mortar so that the average fiber length was 8 μm. That is, the aspect ratio (average value) of this carbon fiber is 15 (8000/550 = 14.5). When this carbon fiber was applied to an X-ray diffractometer and the (002) plane distance was measured, it was 0.3462 nm.
This carbon fiber was mixed so as to be 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the same mesophase spherulite graphitized product used in No. 1. 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の一部を取り、含まれている炭素繊維の部分を分離・回収してSEM画像解析を行った。その結果、炭素繊維は凝集して二次粒子を形成することなく、ほぼ線状の形態で存在しており、炭素繊維の平均長さは6μmであった。
このペースト状炭素材を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。そして、得られた試験電極のうち電極密度が1.91g/cm3 のものを用い、No.1と同じ方法で、空隙率と浸透速度を測定したところ、空隙率Kは0.122(12.2%)であり、浸透速度は240秒であった。
A portion of this pasty carbon material was taken, and the contained carbon fiber portion was separated and recovered, and SEM image analysis was performed. As a result, the carbon fibers were present in a substantially linear form without agglomerating to form secondary particles, and the average length of the carbon fibers was 6 μm.
Using this pasty carbon material, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. And when the porosity and penetration rate were measured by the same method as No. 1 using the obtained test electrode whose electrode density is 1.91 g / cm 3 , the porosity K is 0.122 (12 2%) and the permeation rate was 240 seconds.

また、得られた試験電極のうち電極密度が1.91g/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94.5%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで35.4%、放電率は2.0Cの放電で92.0%であった。
In addition, by interposing a porous separator between the obtained test electrode having an electrode density of 1.91 g / cm 3 and the lithium foil used as a counter electrode, and immersing in a non-aqueous electrolyte solution, A test battery was prepared. 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 94.5%. The charge acceptance was 35.4% at 1.0 C, and the discharge rate was 92.0% at 2.0 C discharge.

[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、直径が140nm〜160nmで平均繊維長が3μmのものを入手した。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。
この炭素繊維の平均直径は150nmであり、この炭素繊維のアスペクト比(平均値)は20(3000/150)である。
この炭素繊維を、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100質量部に対して3質量部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。
[Sample No.4]
As carbon fiber (VGCF) produced by the vapor phase growth method, one having a diameter of 140 nm to 160 nm and an average fiber length of 3 μm was obtained. The carbon nanofibers were subjected to an X-ray diffractometer and the (002) plane spacing was measured to be 0.3383 nm.
The average diameter of this carbon fiber is 150 nm, and the aspect ratio (average value) of this carbon fiber is 20 (3000/150).
This carbon fiber was mixed so as to be 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the same mesophase spherulite graphitized product used in No. 1. 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の一部を取り、含まれている炭素繊維の部分を分離・回収してSEM画像解析を行った。その結果、炭素繊維は凝集して平均粒子径18μmの二次粒子を形成し、毛玉状の形態で存在していた。
このペースト状炭素材を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。そして、得られた試験電極のうち電極密度が1.92g/cm3 のものを用い、No.1と同じ方法で、空隙率と浸透速度を測定したところ、空隙率Kは0.117(11.7%)であり、浸透速度は280秒であった。
A portion of this pasty carbon material was taken, and the contained carbon fiber portion was separated and recovered, and SEM image analysis was performed. As a result, the carbon fibers agglomerated to form secondary particles having an average particle diameter of 18 μm and existed in a pill-like form.
Using this pasty carbon material, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. And when the porosity and penetration rate were measured by the same method as No. 1 using the obtained test electrode with an electrode density of 1.92 g / cm 3 , the porosity K was 0.117 (11 0.7%) and the penetration rate was 280 seconds.

また、得られた試験電極のうち電極密度が1.92g/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343mAh/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94.0%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。
Moreover, by interposing a porous separator between the obtained test electrode having an electrode density of 1.92 g / cm 3 and the lithium foil used as a counter electrode, A test battery was prepared. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of this test battery were examined, the discharge capacity was 343 mAh / g, and the load reverse capacity was 22 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.0%. 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(炭素繊維を混合しないもの)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。
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。そして、得られた試験電極のうち電極密度が1.95g/cm3 のものを用い、No.1と同じ方法で、空隙率と浸透速度を測定したところ、空隙率Kは0.104(10.4%)であり、浸透速度は1500秒であった。
[Sample No.5]
Graphitized mesophase spherules (no carbon fiber mixed) used in No. 1 and polyvinylidene fluoride (PVdF), a binder, are graphitized mesophase spherules by mass ratio: PVdF = 90: Mixing was performed so that the ratio was 10. By adding N-methylpyrrolidone to this mixture, PVdF was dissolved to obtain a pasty carbon material.
A test electrode was obtained by the same method as No. 1 except that this pasty carbon material was used. And when the porosity and penetration rate were measured by the same method as No. 1 using the obtained test electrode with an electrode density of 1.95 g / cm 3 , the porosity K was 0.104 (10 4%) and the permeation rate was 1500 seconds.

また、得られた試験電極のうち電極密度が1.95g/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344mAh/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94.5%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。
In addition, by interposing a porous separator between the obtained test electrode having an electrode density of 1.95 g / cm 3 and the lithium foil used as a counter electrode, and immersing in a non-aqueous electrolyte, A test battery was prepared. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of this test battery were examined, the discharge capacity was 344 mAh / g and the load reverse capacity was 20 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.5%. The charge acceptance was 25.1% at 1.0C and the discharge rate was 87.4% at 2.0C discharge.

[サンプルNo.6〜10]
先ず、No.2と同じ方法で、ピッチをメルトブローン法(溶融法)により紡糸してピッチ繊維を得た。その際に、容器内のピッチ温度とノズル内のピッチの温度を、No.6と7 では320℃、No.8〜10では300℃になるように制御した。また、350〜360℃に予熱した窒素ガスを、ノズルの先端の間隙でNo.6と7 では1200m/s、No.8〜10では700m/sの線速度となるように外筒内に流した。
[Sample Nos. 6-10]
First, in the same method as No. 2, pitch was spun by a melt blown method (melting method) to obtain pitch fibers. At that time, the pitch temperature in the container and the pitch temperature in the nozzle were controlled to be 320 ° C. for Nos. 6 and 7 and 300 ° C. for Nos. 8-10. Also, nitrogen gas preheated to 350 to 360 ° C. is flown into the outer cylinder at a gap between the nozzle tips so that the linear velocity is 1200 m / s for No. 6 and 7 and 700 m / s for No. 8 to 10. did.

次に、得られたピッチ繊維に対する不融化工程と炭素化工程を、No.1と同じ方法で行った。黒鉛化工程は行わなかった。これにより、No.6と7 では、最小直径が300nmで最大直径が600nmである炭素繊維が得られた。No.8〜10では、最小直径が400nmで最大直径が1000nmである炭素繊維が得られた。
このようにして得られた炭素繊維をジェットミルで粉砕して、No.6〜10で平均繊維長がそれぞれ10μm、20μm、10μm、30μm、150μmとなるようにした。すなわち、得られた炭素繊維のアスペクト比は、No.6〜10でそれぞれ22、44、14、43、214であった。また、この炭素繊維を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。
Next, the infusibilization step and the carbonization step for the obtained pitch fiber were performed in the same manner as in No. 1. No graphitization step was performed. Thereby, in No. 6 and No. 7, carbon fibers having a minimum diameter of 300 nm and a maximum diameter of 600 nm were obtained. In Nos. 8 to 10, carbon fibers having a minimum diameter of 400 nm and a maximum diameter of 1000 nm were obtained.
The carbon fibers thus obtained were pulverized by a jet mill so that the average fiber lengths of Nos. 6 to 10 were 10 μm, 20 μm, 10 μm, 30 μm, and 150 μm, respectively. That is, the aspect ratios of the obtained carbon fibers were Nos. 6 to 10, and were 22, 44, 14, 43, and 214, respectively. Moreover, when this carbon fiber was applied to the X-ray-diffraction apparatus and the (002) plane space | interval was measured, it was 0.3462 nm.

各炭素繊維を、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100質量部に対して3質量部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。各混合物に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。   Each carbon fiber was mixed so that it might be 3 mass parts with respect to 100 mass parts of graphitized products of the same mesophase spherules used in No. 1. This mixture and the polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed so that the mass ratio of the mixture: PVdF = 90: 10. PVdF was dissolved by adding N-methylpyrrolidone to each mixture to obtain a pasty carbon material.

各ペースト状炭素材の一部を取り、含まれている炭素繊維の部分を分離・回収してSEM画像解析を行った。その結果、No.6〜9に関しては、炭素繊維は凝集して二次粒子を形成することなく、ほぼ線状の形態で存在しており、炭素繊維の平均長さはNo.6〜9で、それぞれ8μm、18μm、8μm、25μmであった。
No.10 に関しては、炭素繊維は線状の形態のものと、凝集して二次粒子(直径は12〜13μm)を形成しているものとが混在していた。線状の炭素繊維は平均長さが120μmであった。
A portion of each pasty carbon material was taken, and the contained carbon fiber portion was separated and collected, and SEM image analysis was performed. As a result, for Nos. 6-9, the carbon fibers are present in a substantially linear form without agglomerating to form secondary particles, and the average length of the carbon fibers is No. 6-9. , 8 μm, 18 μm, 8 μm and 25 μm, respectively.
Regarding No. 10, the carbon fiber was in a linear form and the carbon fiber was agglomerated to form secondary particles (diameter: 12 to 13 μm). The linear carbon fiber had an average length of 120 μm.

各ペースト状炭素材を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。そして、得られた試験電極のうち電極密度がNo.6〜10で、それぞれ1.80g/cm3 、1.60g/cm3 、1.70g/cm3 、1.60g/cm3 1.70g/cm3 のものを用い、No.1と同じ方法で、空隙率と浸透速度を測定したところ、空隙率KはNo.6〜10で、それぞれ0.169(16.9%)、0.261(26.1%)、0.215(21.5%)、0.259(25.9%)、0.220(22.0%)であった。浸透速度はNo.6〜10で、それぞれ200秒、150秒、160秒、150秒、190秒であった。 Using each pasty carbon material, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. Then, the electrode density of the resulting test electrodes Nanba6~10, respectively 1.80g / cm 3, 1.60g / cm 3, 1.70g / cm 3, 1.60g / cm 3 1.70g When the porosity and the permeation rate were measured in the same manner as in No. 1 using a sample having a / cm 3 , the porosity K was No. 6 to 10 and 0.169 (16.9%) and 0. 0, respectively. 261 (26.1%), 0.215 (21.5%), 0.259 (25.9%), 0.220 (22.0%). The permeation rates were Nos. 6 to 10 and were 200 seconds, 150 seconds, 160 seconds, 150 seconds, and 190 seconds, respectively.

また、No.6〜10で得られた各試験電極のうち、電極密度が前記測定を行った値のものと、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、No.6〜10の各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。
これらの試験用電池の電池特性を調べたところ、No.6では、放電容量が345mAh/gであり、負荷逆容量が21mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.3%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで35.2%、放電率は2.0Cの放電で91.0%であった。No.7では、放電容量が344mAh/gであり、負荷逆 容量が19mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.8%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91.4%であった。
In addition, among each of the test electrodes obtained in Nos. 6 to 10, a porous separator is interposed between the electrode density measured as described above and the lithium foil used as a counter electrode, and non-aqueous Each test battery No. 6 to 10 was produced by immersing in an electrolytic solution. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of these test batteries were examined, in No. 6, 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 94.3%. The charge acceptance was 35.2% at 1.0 C, and the discharge rate was 91.0% at 2.0 C discharge. In No. 7, the discharge capacity was 344 mAh / g and the reverse load capacity was 19 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.8%. The charge acceptance was 35.3% at 1.0 C and the discharge rate was 91.4% at 2.0 C discharge.

No.8では、放電容量が345mAh/gであり、負荷逆容量が20mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.5%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91.4%であった。No.9では、放電容量が343mAh/gであり、負荷逆容量が19mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.8%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。
No.10 では、放電容量が345mAh/gであり、負荷逆容量が19mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は94.8%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで33.0%、放電率は2.0Cの放電で90.1%であった。
In No. 8, 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 94.5%. The charge acceptance was 35.3% at 1.0 C and the discharge rate was 91.4% at 2.0 C discharge. In No. 9, the discharge capacity was 343 mAh / g, and the load reverse capacity was 19 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.8%. Further, the charge acceptability was 35.3% at 1.0 C, and the discharge rate was 91.8% at 2.0 C discharge.
In No. 10, the discharge capacity was 345 mAh / g, and the reverse load capacity was 19 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 94.8%. Further, the charge acceptance was 33.0% at 1.0C, and the discharge rate was 90.1% at 2.0C discharge.

[サンプルNo.11 ]
気相成長法で作製された炭素繊維(VGCF)として、直径が140nm〜160nmで平均繊維長が10μmのものを入手した。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。
この炭素繊維の平均直径は150nmであり、アスペクト比は67(10000/150=66.6)である。
この炭素繊維を、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100質量部に対して3質量部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。
[Sample No. 11]
As carbon fiber (VGCF) produced by the vapor phase growth method, those having a diameter of 140 nm to 160 nm and an average fiber length of 10 μm were obtained. The carbon nanofibers were subjected to an X-ray diffractometer and the (002) plane spacing was measured to be 0.3383 nm.
This carbon fiber has an average diameter of 150 nm and an aspect ratio of 67 (10000/150 = 66.6).
This carbon fiber was mixed so as to be 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the same mesophase spherulite graphitized product used in No. 1. 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の一部を取り、含まれている炭素繊維の部分を分離・回収してSEM画像解析を行った。その結果、炭素繊維は凝集して平均粒子径25μmの二次粒子を形成し、毛玉状の形態で存在していた。
このペースト状炭素材を用い、No.1と同じ方法で試験電極を得た。そして、得られた試験電極のうち電極密度が1.70g/cm3 のものを用い、No.1と同じ方法で、空隙率と浸透速度を測定したところ、空隙率Kは0.219(21.9%)であり、浸透速度は200秒であった。
A portion of this pasty carbon material was taken, and the contained carbon fiber portion was separated and recovered, and SEM image analysis was performed. As a result, the carbon fibers agglomerated to form secondary particles having an average particle diameter of 25 μm and existed in a pill-like form.
Using this pasty carbon material, a test electrode was obtained in the same manner as in No. 1. And when the porosity and penetration rate were measured by the same method as No. 1 using the obtained test electrode whose electrode density is 1.70 g / cm 3 , the porosity K is 0.219 (21 9%) and the penetration rate was 200 seconds.

また、得られた試験電極のうち電極密度が1.70g/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344mAh/gであり、負荷逆容量は25mAh/gであった。これらの値から算出された充放電効率は93.2%であった。また、充電受入れ性は1.0Cで29.4%、放電率は2.0Cの放電で89.5%であった。
In addition, by interposing a porous separator between the obtained test electrode having an electrode density of 1.70 g / cm 3 and the lithium foil used as a counter electrode, and immersing in a non-aqueous electrolyte, A test battery was prepared. The same non-aqueous electrolyte as No. 1 was used.
When the battery characteristics of this test battery were examined, the discharge capacity was 344 mAh / g and the load reverse capacity was 25 mAh / g. The charge / discharge efficiency calculated from these values was 93.2%. Further, the charge acceptance was 29.4% at 1.0 C, and the discharge rate was 89.5% at 2.0 C discharge.

得られたNo.1〜No.11 の試験用電極の構成(活物質層に存在する炭素繊維と、バインダーと混合する前の炭素繊維のアスペクト比)と電極特性および電池特性を、下記の表1にまとめて示す。また、No.1〜No.11 の試験用電池のサイクル特性として、50サイクル後の容量維持率を調べた。その結果も下記の表1に併せて示す。   The composition of the obtained test electrodes No. 1 to No. 11 (the aspect ratio of the carbon fibers present in the active material layer and the carbon fibers before being mixed with the binder), electrode characteristics and battery characteristics are shown in the table below. 1 is shown collectively. Further, as the cycle characteristics of the test batteries No. 1 to No. 11, the capacity retention rate after 50 cycles was examined. The results are also shown in Table 1 below.

Figure 2012138350
Figure 2012138350

これらの試験結果から以下のことが分かる。
負極活物質層に炭素繊維を含有しているNo.1〜No.4、6 〜No.11 の試験電極は、負極活物質層に炭素繊維を含有していないNo.5の試験電極と比較して、空隙率が高く、浸透速度が速い。そして、負極活物質層に炭素繊維を含有している試験電極を負極として有するNo.1〜No.4、No.6〜No.11 の試験用電池は、負極活物質層に炭素繊維を含有していない試験電極を負極として有する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。
From these test results, the following can be understood.
Test electrodes No. 1 to No. 4 and 6 to No. 11 containing carbon fibers in the negative electrode active material layer are compared with No. 5 test electrodes not containing carbon fibers in the negative electrode active material layer. In addition, the porosity is high and the penetration rate is fast. The test batteries No. 1 to No. 4 and No. 6 to No. 11 having test electrodes containing carbon fibers in the negative electrode active material layer as negative electrodes contain carbon fibers in the negative electrode active material layer. Compared with the No. 5 test battery having a test electrode that was not used as the negative electrode, excellent battery characteristics were obtained.

また、No.1〜No.4、No.6〜No.11 の試験用電池のうちNo.1〜No.3、No.6〜No.9の試験用電池は、負極活物質層に添加された炭素繊維が、線状で、平均直径が100nm〜1000nmの範囲にあることで、特に優れた電池特性が得られている。なお、No.10 の試験用電池は、バインダーと混合する前の炭素繊維のアスペクト比が50を超える214であるため、バインダーと混合してペースト状とした後に二次粒子となった炭素繊維が含まれていることで、電池特性(特に容量維持率)が低かった。   Of the test batteries No. 1 to No. 4 and No. 6 to No. 11, the test batteries No. 1 to No. 3 and No. 6 to No. 9 are added to the negative electrode active material layer. Particularly excellent battery characteristics are obtained when the carbon fibers are linear and have an average diameter in the range of 100 nm to 1000 nm. In addition, since the aspect ratio of the carbon fiber before mixing with the binder is 214, the No. 10 test battery is mixed with the binder to form a secondary particle after mixing with the binder. By being included, battery characteristics (particularly capacity retention rate) were low.

1 原料容器
2 吐出装置
21 本体
22 ノズル
23 配管
3 コレクタ
31 絶縁メッシュベルト
32 金属板
4 高電圧電源
5 配管
6 ヒーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material container 2 Discharge device 21 Main body 22 Nozzle 23 Piping 3 Collector 31 Insulation mesh belt 32 Metal plate 4 High voltage power supply 5 Piping 6 Heater

Claims (6)

炭素材料からなる活物質と、炭素繊維と、結合剤と、を含有する負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用負極であって、
前記炭素繊維は、炭素を含有する原料を溶液法または溶融法により紡糸する紡糸工程を経て得られ、線状で、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲にあることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
A negative electrode for a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer containing an active material made of a carbon material, carbon fiber, and a binder,
The carbon fiber is obtained through a spinning process in which a raw material containing carbon is spun by a solution method or a melting method, and is linear and has an average diameter in the range of 100 nm to 1000 nm. Battery negative electrode.
炭素材料からなる活物質と、炭素繊維と、結合剤と、を含有する負極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用負極であって、
前記炭素繊維は、ピッチを溶液法または溶融法により紡糸してピッチ繊維を得る紡糸工程と、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を経て得られ、線状で、平均直径が100nm以上1000nm以下の範囲にあることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
A negative electrode for a lithium ion secondary battery having a negative electrode active material layer containing an active material made of a carbon material, carbon fiber, and a binder,
The carbon fiber is obtained through a spinning process of spinning pitch by a solution method or a melting method to obtain pitch fiber, an infusible process of pitch fiber, and a process of heat-treating the infusible pitch fiber in an inert gas atmosphere. The negative electrode for a lithium ion secondary battery is linear and has an average diameter in the range of 100 nm to 1000 nm.
前記負極活物質層は、アスペクト比が50以下である炭素繊維と、前記活物質および結合剤とを含有するペースト状混合物を、集電体に塗布する工程を経て得られた請求項1または2記載のリチウムイオン二次電池用負極。   The said negative electrode active material layer was obtained through the process of apply | coating the paste-form mixture containing the carbon fiber whose aspect ratio is 50 or less, the said active material, and a binder to a collector. The negative electrode for lithium ion secondary batteries as described. 前記負極活物質層は、前記炭素繊維を、前記活物質100質量部に対して0.5質量部以上20質量部以下の割合で含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。   4. The lithium according to claim 1, wherein the negative electrode active material layer contains the carbon fiber at a ratio of 0.5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the active material. Negative electrode for ion secondary battery. 電極密度が1.6〜2.0g/cm3 である請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。 Electrode density is 1.6-2.0 g / cm < 3 >, The negative electrode for lithium ion secondary batteries of any one of Claims 1-4. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極を有するリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery which has a negative electrode for lithium ion secondary batteries of any one of Claims 1-5.
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