JP2013218855A - Negative electrode carbon material, negative electrode active material, negative electrode and lithium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics and capacity retention during high-rate charge/discharge.SOLUTION: In a half cell, an electrode is formed by using a negative electrode carbon material of the present invention in a predetermined condition, lithium metal is used as a counter electrode, an electrolyte obtained by adding LiPFat a ratio of 1 mol/dmto a mixed solvent including an ethylene carbonate and a diethyl carbonate mixed at a volume ratio of 1:1 is used. When, in the half cell, a relationship between a potential difference of both electrodes and charge capacity in charging at 25°C with a constant current of 25 mA/g as a current value per unit weight of the negative electrode carbon material is represented in a graph having a vertical axis (Y axis) that represents the potential difference [V] of both electrodes and a horizontal axis (X axis) that represents charge capacity [mAh/g] per unit weight of the negative electrode carbon material, a relationship represented by the following expression (1) is satisfied in a region where X in the graph is 50 mAh/g or more and 100 mAh/g or less. -0.007X+0.8<Y<-0.007X+1.3...(1)

Description

本発明は、負極用炭素材、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode carbon material, a negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery.

従来より、リチウムイオン二次電池の負極には、炭素材が使用されている(例えば、特許文献1参照)。充放電サイクルが進行しても、炭素材料を使用した負極上にはデンドライト状リチウムが析出されにくく、安全性が保証されるためである。   Conventionally, a carbon material has been used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery (see, for example, Patent Document 1). This is because even if the charge / discharge cycle proceeds, dendritic lithium is hardly deposited on the negative electrode using the carbon material, and safety is guaranteed.

しかしながら、従来の炭素材を用いた場合、炭素材を用いて製造されるリチウムイオン二次電池について、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、急速充放電時の容量保持が劣る等の問題があった。   However, when a conventional carbon material is used, the cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity when charging / discharging is repeated) and the capacity during rapid charge / discharge of the lithium ion secondary battery manufactured using the carbon material There were problems such as poor retention.

特開平5−74457号公報JP-A-5-74457

本発明の目的は、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池を提供すること、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池に好適に適用することができる負極を提供すること、また、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池の製造に好適に用いることができる負極用炭素材、負極活物質を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity when repeated charge / discharge is repeated) and capacity retention during rapid charge / discharge, and cycle characteristics (charge / discharge capacity). Providing a negative electrode that can be suitably applied to a lithium ion secondary battery excellent in capacity retention at the time of rapid charge and discharge, and cycle characteristics ( A carbon material for a negative electrode and a negative electrode active material that can be suitably used for the production of a lithium ion secondary battery excellent in capacity retention during rapid charge / discharge) It is to provide.

このような目的は、下記(1)〜(9)に記載の本発明により達成される。
(1) リチウムイオン二次電池に用いられる負極用炭素材であって、
負極用炭素材とカルボキシメチルセルロースとスチレン・ブタジエンゴムとアセチレンブラックとを、重量比で100:1.5:1.5:2で混合した組成物を用いて電極を形成し、対極にリチウム金属を用い、電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で1:1で混合した混合溶媒に1mol/dmの割合でLiPFを加えたものを用いたハーフセルについて、負極用炭素材の単位重量当たりの電流値を25mA/gの定電流とした25℃で充電した際の両極の電位差と充電容量との関係を、縦軸(Y軸)を両極の電位差[V]、横軸(X軸)を単位重量当たりの負極用炭素材の充電容量[mAh/g]のグラフとした場合に、当該グラフのXが50mAh/g以上、100mAh/g以下の領域において、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする負極用炭素材。
−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3 ・・・ (1)
Such an object is achieved by the present invention described in the following (1) to (9).
(1) A carbon material for a negative electrode used in a lithium ion secondary battery,
An electrode is formed using a composition in which a carbon material for a negative electrode, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene rubber, and acetylene black are mixed at a weight ratio of 100: 1.5: 1.5: 2, and lithium metal is used as a counter electrode. The unit weight of the carbon material for the negative electrode is a half cell using a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1 as an electrolytic solution and LiPF 6 is added at a ratio of 1 mol / dm 3. The relationship between the potential difference between both electrodes when charged at 25 ° C. with a constant current value of 25 mA / g and the charge capacity, the vertical axis (Y axis) is the potential difference [V] of both electrodes, and the horizontal axis (X axis) ) In the graph of the charge capacity [mAh / g] of the negative electrode carbon material per unit weight, X in the graph is in the region of 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less. The negative electrode carbon material which satisfies the relationship of the following formula (1).
−0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 (1)

(2) 負極用炭素材は、非晶質炭素を含む材料で構成されたものである上記(1)に記載の負極用炭素材。   (2) The carbon material for a negative electrode according to the above (1), wherein the carbon material for a negative electrode is composed of a material containing amorphous carbon.

(3) 以下の条件(A)〜(E)のもと、陽電子消滅法により測定した前記非晶質炭素の陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であり、
(A)陽電子線源: 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
(B)ガンマ線検出器: BaFシンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気: 25℃、真空中
(D)消滅γ線カウント数: 3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10keV
(3) Under the following conditions (A) to (E), the positron lifetime of the amorphous carbon measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less,
(A) Positron beam source: A positron is generated from an electron / positron pair using an electron accelerator (B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (D ) Count of annihilation γ-ray: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 keV

かつ、X−ray Photoelectron Spectroscopy(XPS法)により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上、1.8eV以下である上記(2)に記載の負極用炭素材。   And the carbon material for negative electrodes as described in said (2) whose half value width of the peak recognized by 285 eV vicinity measured by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS method) is 0.8 eV or more and 1.8 eV or less.

(4) 前記ハーフセルにおいて、電流25mA/gの定電流で0Vになるまで充電した後、0V保持で2.5mA/gまで電流が減衰したところを充電終止とし、放電条件のカットオフ電位を1.5Vとする条件で求められる充放電効率が75%以上である上記(1)ないし(3)のいずれか一項に記載の負極用炭素材。   (4) In the half cell, after charging to 0 V at a constant current of 25 mA / g, charging is terminated when the current decays to 2.5 mA / g by holding 0 V, and the cutoff potential of the discharge condition is 1 The carbon material for a negative electrode according to any one of the above (1) to (3), wherein the charge / discharge efficiency obtained under the condition of 0.5 V is 75% or more.

(5) 上記(1)ないし(4)のいずれか一項に記載の負極用炭素材を含むことを特徴とする負極活物質。   (5) A negative electrode active material comprising the carbon material for a negative electrode according to any one of (1) to (4) above.

(6) 負極活物質は、上記(1)ないし(4)のいずれか一項に記載の負極用炭素材に加え、黒鉛を含む材料で構成されたものである請求項5に記載の負極活物質。   (6) The negative electrode active material according to claim 5, wherein the negative electrode active material is composed of a material containing graphite in addition to the carbon material for a negative electrode according to any one of (1) to (4) above. material.

(7) 負極活物質中における前記黒鉛の含有率は、50重量%以上96.2重量%以下である上記(6)に記載の負極活物質。   (7) The negative electrode active material according to (6), wherein the graphite content in the negative electrode active material is 50 wt% or more and 96.2 wt% or less.

(8) 上記(5)ないし(7)のいずれか一項に記載の負極活物質を用いて製造されたことを特徴とする負極。   (8) A negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to any one of (5) to (7) above.

(9) 上記(5)ないし(7)のいずれか一項に記載の負極活物質を用いて製造されたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。   (9) A lithium ion secondary battery manufactured using the negative electrode active material according to any one of (5) to (7) above.

本発明によれば、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池を提供すること、また、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池の製造に好適に用いることができる負極用炭素材、負極活物質を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity when charge / discharge is repeated) and capacity retention during rapid charge / discharge, and cycle characteristics. (Retention rate of charge / discharge capacity when charge / discharge is repeated) and carbon material for negative electrode and negative electrode active material that can be suitably used for the production of a lithium ion secondary battery excellent in capacity retention during rapid charge / discharge Can be provided.

消滅γ線のカウント数と、陽電子消滅時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the count number of annihilation gamma rays, and positron annihilation time. リチウムイオン二次電池の模式図である。It is a schematic diagram of a lithium ion secondary battery.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《負極用炭素材》
まず、本発明の負極用炭素材(以下、単に、炭素材という場合もある)について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Carbon material for negative electrode>
First, the carbon material for negative electrodes of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a carbon material) will be described.

ところで、従来より、リチウムイオン二次電池の負極には、炭素材が使用されている。充放電サイクルが進行しても、炭素材料を使用した負極上にはデンドライト状リチウムが析出されにくく、安全性が保証されるためである。   By the way, conventionally, a carbon material has been used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery. This is because even if the charge / discharge cycle proceeds, dendritic lithium is hardly deposited on the negative electrode using the carbon material, and safety is guaranteed.

しかしながら、従来の炭素材を用いた場合、炭素材を用いて製造されるリチウムイオン二次電池について、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、急速充放電時の容量保持が劣る等の問題があった。   However, when a conventional carbon material is used, the cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity when charging / discharging is repeated) and the capacity during rapid charge / discharge of the lithium ion secondary battery manufactured using the carbon material There were problems such as poor retention.

そこで、本発明者は、上記のような問題を解決する目的で鋭意研究を行い、本発明に至った。すなわち、本発明の負極用炭素材は、負極用炭素材とカルボキシメチルセルロースとスチレン・ブタジエンゴムとアセチレンブラックとを、重量比で100:1.5:1.5:2で混合した組成物を用いて電極を形成し、対極にリチウム金属を用い、電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で1:1で混合した混合溶媒に1mol/dmの割合でLiPFを加えたものを用いたハーフセルについて、負極用炭素材の単位重量当たりの電流値を25mA/gの定電流とした25℃で充電した際の両極の電位差と充電容量との関係を、縦軸(Y軸)を両極の電位差[V]、横軸(X軸)を単位重量当たりの負極用炭素材の充電容量[mAh/g]のグラフとした場合に、当該グラフのXが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域において、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする。
−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3 ・・・ (1)
Therefore, the present inventor has conducted intensive research for the purpose of solving the above problems, and has reached the present invention. That is, the negative electrode carbon material of the present invention uses a composition in which the negative electrode carbon material, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene rubber, and acetylene black are mixed at a weight ratio of 100: 1.5: 1.5: 2. The electrode is formed, lithium metal is used as the counter electrode, and a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1 is used as an electrolytic solution to which LiPF 6 is added at a ratio of 1 mol / dm 3 . The relationship between the potential difference between the two electrodes and the charging capacity when the current value per unit weight of the carbon material for the negative electrode was charged at 25 ° C. at a constant current of 25 mA / g, and the vertical axis (Y axis) is the bipolar electrode Potential difference [V], and the horizontal axis (X axis) is a graph of the charge capacity [mAh / g] of the carbon material for negative electrode per unit weight, X in the graph is 50 mAh / g or more In the following area 00mAh / g, characterized by satisfying the following relationship formula (1).
−0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 (1)

このような構成であることにより、上記のような問題を解決することができる。これに対し、上記の条件を満足しない場合には、上記のような優れた効果は得られない。すなわち、Xが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域において、上記Yが−0.007X+0.8以下である場合、抵抗が大きく、急速充放電時の容量低下が大きくなる。また、Xが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域において、上記Yが−0.007X+1.3以上である場合、リチウムイオン二次電池において、活物質表面における電解液との反応に消費されるLi量が多く、不可逆的容量が増大するとともに、サイクル特性が悪化する。   With such a configuration, the above problems can be solved. On the other hand, when the above conditions are not satisfied, the excellent effects as described above cannot be obtained. That is, in the region where X is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less, when Y is −0.007X + 0.8 or less, the resistance is large and the capacity reduction during rapid charge / discharge is large. Further, in the region where X is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less, when Y is −0.007X + 1.3 or more, in the lithium ion secondary battery, it is consumed for reaction with the electrolytic solution on the active material surface. The amount of Li is large, the irreversible capacity increases, and the cycle characteristics deteriorate.

なお、ハーフセルについての「充電」とは、電圧の印加により、リチウム金属で構成された電極から炭素材を含む材料で構成された電極にリチウムイオンを移動させることを言い、「放電」とは、炭素材を含む材料で構成された電極からリチウム金属で構成された電極にリチウムイオンが移動する現象のことを言う。   In addition, “charging” for the half cell means moving lithium ions from an electrode made of lithium metal to an electrode made of a material containing a carbon material by applying a voltage, and “discharging” means This refers to a phenomenon in which lithium ions move from an electrode made of a material containing a carbon material to an electrode made of lithium metal.

上記のように、本発明においては、前記グラフのXが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域において、−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3の関係を満足すればよいが、−0.007X+0.83<Y<−0.007X+1.25の関係を満足するのが好ましく、−0.007X+0.85<Y<−0.007X+1.2の関係を満足するのがより好ましい。これにより、上述したような効果をより顕著なものとすることができる。   As described above, in the present invention, in the region where X in the graph is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less, the relationship of −0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 may be satisfied. , −0.007X + 0.83 <Y <−0.007X + 1.25 is preferably satisfied, and more preferably −0.007X + 0.85 <Y <−0.007X + 1.2. Thereby, the effects as described above can be made more remarkable.

前記ハーフセルについての測定に際して、本発明の負極用炭素材を用いた電極は、以下のようにして好適に作製することができる。すなわち、所定量の本発明の負極用炭素材とカルボキシメチルセルロースとスチレン・ブタジエンゴムとアセチレンブラックと水とを混合し、ミキサーで撹拌し、スラリーを得、次に、当該スラリーを集電体である銅箔上に塗布し、60℃で2時間予備乾燥を行い、次に、120℃で15時間真空乾燥し、その後、所定の大きさに切り出すことにより、前記電極を好適に製造することができる。   When measuring the half cell, an electrode using the carbon material for a negative electrode of the present invention can be suitably produced as follows. That is, a predetermined amount of the carbon material for negative electrode of the present invention, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene rubber, acetylene black and water are mixed, stirred with a mixer to obtain a slurry, and then the slurry is a current collector The electrode can be suitably manufactured by coating on a copper foil, pre-drying at 60 ° C. for 2 hours, then vacuum-drying at 120 ° C. for 15 hours, and then cutting out to a predetermined size. .

また、前記ハーフセルにおいては、負極材層と負極集電体とからなる負極(本発明の負極用炭素材を用いて製造された電極)は、直径13mmの円盤状とし、負極材層は、厚さ50μmの円盤状とし、対極(Liで構成された電極)は、直径12mm、厚さ1mmの円盤状とすることができる。
また、前記ハーフセルの形状は、2032型コインセル形状とすることができる。
In the half cell, a negative electrode (an electrode manufactured using the negative electrode carbon material of the present invention) composed of a negative electrode material layer and a negative electrode current collector has a disc shape with a diameter of 13 mm, and the negative electrode material layer has a thickness of The counter electrode (electrode made of Li) can be a disk having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm.
The half cell may have a 2032 coin cell shape.

また、前記ハーフセルにおいて、電流25mA/gの定電流で0Vになるまで充電した後、0V保持で2.5mA/gまで電流が減衰したところを充電終止とし、放電条件のカットオフ電位を1.5Vとする条件で求められる充放電効率は、75%以上であるのが好ましく、77%以上であるのがより好ましく、80%以上であるのがさらに好ましい。これにより、急速充放電特性に優れると共に、電池とした場合にエネルギー密度の高い電池を得ることができる。   Further, in the half cell, after charging to 0 V at a constant current of 25 mA / g, charging was terminated when the current was attenuated to 2.5 mA / g by holding 0 V, and the cutoff potential of the discharge condition was 1. The charge / discharge efficiency obtained under the condition of 5 V is preferably 75% or more, more preferably 77% or more, and further preferably 80% or more. Thereby, while being excellent in a rapid charge / discharge characteristic, when it is set as a battery, a battery with high energy density can be obtained.

また、本発明では、負極用炭素材が有する全空孔容積に対するメソ孔の全容積とマクロ孔の全容積との和の比率が、80%以上98%以下であり、負極用炭素材の単位重量当たりの前記マクロ孔の容積が、0.005ml/g以上0.030ml/g以下であるのが好ましい。これにより、本発明の負極用炭素材を用いて製造されるリチウムイオン二次電池の充放電容量および充放電時の電流密度を特に優れたものとすることができる。   In the present invention, the ratio of the sum of the total volume of the mesopores and the total volume of the macropores to the total pore volume of the carbon material for the negative electrode is 80% or more and 98% or less, and the unit of the carbon material for the negative electrode The volume of the macropores per weight is preferably 0.005 ml / g or more and 0.030 ml / g or less. Thereby, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery manufactured using the carbon material for negative electrodes of the present invention and the current density during charge / discharge can be made particularly excellent.

上記のように、負極用炭素材が有する全空孔容積に対するメソ孔の全容積とマクロ孔の全容積との和の比率は、80%以上98%以下であるのが好ましいが、85%以上95%以下であるのがより好ましく、85%以上92%以下であるのがさらに好ましい。これにより、上述したような効果をより顕著に発揮させることができる。   As described above, the ratio of the sum of the total volume of the mesopores and the total volume of the macropores to the total pore volume of the carbon material for the negative electrode is preferably 80% or more and 98% or less, but 85% or more. It is more preferably 95% or less, and further preferably 85% or more and 92% or less. Thereby, the effects as described above can be exhibited more remarkably.

また、上記のように、負極用炭素材の単位重量当たりのマクロ孔の容積は、0.005ml/g以上0.030ml/g以下であるのが好ましいが、0.007ml/g以上0.025ml/g以下であるのがより好ましい。これにより、上述したような効果をより顕著に発揮させることができる。   In addition, as described above, the volume of the macropores per unit weight of the carbon material for negative electrode is preferably 0.005 ml / g or more and 0.030 ml / g or less, but 0.007 ml / g or more and 0.025 ml. / G or less is more preferable. Thereby, the effects as described above can be exhibited more remarkably.

また、本発明の負極用炭素材の単位重量当たりのメソ孔の容積は、0.001ml/g以上0.025ml/g以下であるのが好ましく、0.003ml/g以上0.020ml/g以下であるのがより好ましい。   The volume of mesopores per unit weight of the carbon material for negative electrode of the present invention is preferably 0.001 ml / g or more and 0.025 ml / g or less, and 0.003 ml / g or more and 0.020 ml / g or less. It is more preferable that

本発明の負極用炭素材が有する全空孔容積に対するメソ孔の全容積の比率は、20%以上50%以下であるのが好ましく、30%以上45%以下であるのがより好ましい。   The ratio of the total volume of mesopores to the total pore volume of the negative electrode carbon material of the present invention is preferably 20% or more and 50% or less, and more preferably 30% or more and 45% or less.

また、本発明の負極用炭素材が有する全空孔容積に対するマクロ孔の全容積の比率は、30%以上70%以下であるのが好ましく、40%以上60%以下であるのがより好ましい。   Further, the ratio of the total volume of macropores to the total pore volume of the negative electrode carbon material of the present invention is preferably 30% or more and 70% or less, and more preferably 40% or more and 60% or less.

本発明の負極用炭素材は、非晶質炭素を含む材料で構成されたものであるのが好ましい。これにより、低温(例えば、−20℃)における放電特性を特に優れたものとすることができる。   The negative electrode carbon material of the present invention is preferably composed of a material containing amorphous carbon. Thereby, the discharge characteristic in low temperature (for example, -20 degreeC) can be made especially excellent.

非晶質炭素は、黒鉛と異なり、アモルファス(非晶質)な炭素材料である。
非晶質炭素は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理することにより好適に得ることができる。
Amorphous carbon, unlike graphite, is an amorphous (amorphous) carbon material.
Amorphous carbon can be suitably obtained by carbonizing a resin or resin composition.

非晶質炭素としては、ハードカーボン、ソフトカーボンが挙げられるが、本発明の負極用炭素材は、ハードカーボンを含むものであるのが好ましい。これにより、本発明の負極用炭素材を用いて製造されるリチウムイオン二次電池において、サイクル特性を特に優れたものとし、また、大電流の入出力特性を特に優れたものとすることができる。   Examples of amorphous carbon include hard carbon and soft carbon, but the carbon material for negative electrode of the present invention preferably contains hard carbon. Thereby, in the lithium ion secondary battery manufactured using the carbon material for negative electrodes of the present invention, the cycle characteristics can be made particularly excellent, and the input / output characteristics of a large current can be made particularly excellent. .

また、非晶質炭素は、広角X線回折法からBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔d002が3.4Å以上、3.9Å以下であることが好ましい。平均面間隔d002が3.4Å以上、特に3.6Å以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵に伴う層間の収縮・膨張が起こり難くなるため、充放電サイクル性の低下を抑制できる。 Amorphous carbon preferably has an average interplanar spacing d 002 of (002) planes of 3.4 to 3.9 mm calculated from the wide-angle X-ray diffraction method using the Bragg equation. When the average interplanar distance d 002 is 3.4 mm or more, particularly 3.6 mm or more, the interlayer contraction / expansion due to the occlusion of lithium ions is less likely to occur, so that the reduction in charge / discharge cycle performance can be suppressed.

一方で、平均面間隔d002が3.9Å以下、特に3.8Å以下である場合にはリチウムイオンの吸蔵・脱離が円滑に行われ、充放電効率の低下を抑制できる。 On the other hand, when the average interplanar distance d 002 is 3.9 mm or less, particularly 3.8 mm or less, lithium ions are smoothly occluded / desorbed, and a decrease in charge / discharge efficiency can be suppressed.

さらに、非晶質炭素は、c軸方向((002)面直交方向)の結晶子の大きさLcが8Å以上、50Å以下であることが好ましい。   Further, the amorphous carbon preferably has a crystallite size Lc in the c-axis direction (the (002) plane orthogonal direction) of 8 to 50 mm.

Lcを8Å以上、特に9Å以上とすることでリチウムイオンを吸蔵・脱離することができる炭素層間スペースが形成され、十分な充放電容量が得られるという効果があり、50Å以下、特に15Å以下とすることでリチウムイオンの吸蔵・脱離による炭素積層構造の崩壊や、電解液の還元分解を抑制し、充放電効率と充放電サイクル性の低下を抑制できるという効果がある。   By setting Lc to 8 mm or more, particularly 9 mm or more, there is an effect that a carbon interlayer space capable of inserting and extracting lithium ions is formed, and a sufficient charge / discharge capacity can be obtained. By doing so, it is possible to suppress the collapse of the carbon laminate structure due to the insertion / desorption of lithium ions and the reductive decomposition of the electrolytic solution, and to suppress the decrease in charge / discharge efficiency and charge / discharge cycle performance.

Lcは以下のようにして算出される。
X線回折測定から求められるスペクトルにおける002面ピークの半値幅と回折角から次のScherrerの式を用いて決定した。
Lc is calculated as follows.
It was determined from the half width of the 002 plane peak and the diffraction angle in the spectrum obtained from the X-ray diffraction measurement using the following Scherrer equation.

Lc=0.94λ/(βcosθ) ( Scherrerの式)
Lc:結晶子の大きさ
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
β:ピークの半値幅(ラジアン)
θ:スペクトルの反射角度
Lc = 0.94λ / (βcosθ) (Scherrer equation)
Lc: Crystallite size λ: Characteristic X-ray Kα1 wavelength output from the cathode β: Half width of peak (radian)
θ: Reflection angle of spectrum

非晶質炭素におけるX線回折スペクトルは、島津製作所製・X線回折装置「XRD−7000」により測定したものである。非晶質炭素における、上記平均面間隔の測定方法は以下の通りである。   The X-ray diffraction spectrum in the amorphous carbon is measured by an X-ray diffraction apparatus “XRD-7000” manufactured by Shimadzu Corporation. The method for measuring the average interplanar spacing in amorphous carbon is as follows.

非晶質炭素のX線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔dを以下のBragg式より算出した。   From the spectrum obtained from the X-ray diffraction measurement of amorphous carbon, the average interplanar spacing d was calculated from the following Bragg equation.

λ=2dhklsinθ (Bragg式)(dhkl=d002
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
θ:スペクトルの反射角度
λ = 2d hkl sin θ (Bragg equation) (d hkl = d 002 )
λ: wavelength of characteristic X-ray Kα1 output from the cathode θ: reflection angle of spectrum

非晶質炭素の体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(平均粒径)は、1μm以上50μm以下であるのが好ましく、2μm以上30μm以下であるのがより好ましい。これにより、高密度の電極を作製できる。   The particle size (average particle size) at 50% accumulation in the volume-based cumulative distribution of amorphous carbon is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 2 μm or more and 30 μm or less. Thereby, a high-density electrode can be produced.

非晶質炭素の原材料となる、樹脂あるいは、樹脂組成物に含まれる樹脂としては、特に限定されず、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、あるいはエチレン製造時に副生する石油系のタールおよびピッチ、石炭乾留時に生成するコールタール、コールタールの低沸点成分を蒸留除去した重質成分やピッチ、石炭の液化により得られるタール及びピッチのような石油系または石炭系のタール若しくはピッチ、さらには前記タール、ピッチ等を架橋処理したもの等を含有することができ、これらのうち1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。   The resin used as the raw material for amorphous carbon or the resin contained in the resin composition is not particularly limited. For example, a thermosetting resin, a thermoplastic resin, or petroleum-based tar produced as a by-product during production of ethylene and Petroleum, coal-based tar or pitch, such as pitch, coal tar produced during coal carbonization, heavy components and pitch obtained by distilling off low boiling components of coal tar, tar and pitch obtained by coal liquefaction, and Those obtained by crosslinking the tar, pitch and the like can be contained, and one or more of these can be used in combination.

また、後述するように、樹脂組成物は、上記樹脂を主成分とするとともに、硬化剤、添加剤等を併せて含有することができ、さらには酸化等による架橋処理等も適宜実施することができる。   Further, as will be described later, the resin composition contains the above resin as a main component, and can contain a curing agent, an additive and the like, and further, a crosslinking treatment by oxidation or the like can be appropriately performed. it can.

熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂等のフェノール樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、フラン樹脂、ケトン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。また、これらが種々の成分で変性された変性物を用いることもできる。   The thermosetting resin is not particularly limited. For example, phenol resins such as novolac type phenol resin and resol type phenol resin, epoxy resins such as bisphenol type epoxy resin and novolac type epoxy resin, melamine resin, urea resin, and aniline resin. , Cyanate resin, furan resin, ketone resin, unsaturated polyester resin, urethane resin and the like. In addition, modified products obtained by modifying these with various components can also be used.

また、熱可塑性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド等が挙げられる。   The thermoplastic resin is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene, polystyrene, polyacrylonitrile, acrylonitrile-styrene (AS) resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polypropylene, vinyl chloride, methacrylic resin, polyethylene terephthalate. , Polyamide, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyamideimide, polyimide, polyphthalamide and the like.

特に非晶質炭素の製造に用いられる主成分となる樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましい。これにより、急速充放電特性が優れるという効果が得られる。   In particular, a thermosetting resin is preferable as a resin as a main component used in the production of amorphous carbon. Thereby, the effect that a quick charge / discharge characteristic is excellent is acquired.

特に、熱硬化性樹脂の中でも、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、及び、アニリン樹脂、およびこれらの変性物から選ばれるものであることが好ましい。これにより、充放電効率を特に優れたものとすることできる。また、炭素材の設計の自由度が広がり、低価格で製造することができる。また、サイクル時の安定性、および、大電流の入出力特性をさらに高いものとすることができる。   In particular, among thermosetting resins, those selected from novolac type phenol resins, resol type phenol resins, melamine resins, furan resins, aniline resins, and modified products thereof are preferable. Thereby, the charge / discharge efficiency can be made particularly excellent. In addition, the degree of freedom in designing the carbon material is widened and can be manufactured at a low price. Further, the stability during cycling and the input / output characteristics of a large current can be further improved.

また、熱硬化性樹脂を用いる場合には、その硬化剤を併用することができる。
用いられる硬化剤としては、特に限定されず、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の場合はヘキサメチレンテトラミン、レゾール型フェノール樹脂、ポリアセタール、パラホルム等を用いることができる。また、エポキシ樹脂の場合は、脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミン等のポリアミン化合物、酸無水物、イミダゾール化合物、ジシアンジアミド、ノボラック型フェノール樹脂、ビスフェノール型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂等、エポキシ樹脂にて公知の硬化剤を用いることができる。
Moreover, when using a thermosetting resin, the hardening | curing agent can be used together.
The curing agent to be used is not particularly limited. For example, in the case of a novolac type phenol resin, hexamethylenetetramine, resol type phenol resin, polyacetal, paraform and the like can be used. In the case of epoxy resin, known as epoxy resins such as polyamine compounds such as aliphatic polyamines and aromatic polyamines, acid anhydrides, imidazole compounds, dicyandiamide, novolac type phenol resins, bisphenol type phenol resins, resol type phenol resins, etc. Can be used.

なお、通常は所定量の硬化剤を併用する熱硬化性樹脂であっても、本実施形態で用いられる樹脂組成物においては、通常よりも少ない量を用いたり、あるいは硬化剤を併用しないで用いたりすることもできる。   In addition, even if it is a thermosetting resin that normally uses a predetermined amount of a curing agent, the resin composition used in the present embodiment is used in a smaller amount than usual or without using a curing agent. You can also.

また、非晶質炭素の原材料としての樹脂組成物においては、上記成分の他、添加剤を配合することができる。   Moreover, in the resin composition as a raw material of amorphous carbon, an additive can be blended in addition to the above components.

ここで用いられる添加剤としては特に限定されないが、例えば、200℃以上800℃以下にて炭化処理した炭素材前駆体、有機酸、無機酸、含窒素化合物、含酸素化合物、芳香族化合物、および、非鉄金属元素等を挙げることができる。これら添加剤は、用いる樹脂の種類や性状等により、1種または2種類以上を組み合わせて用いることができる。   Although it does not specifically limit as an additive used here, For example, the carbon material precursor carbonized at 200 to 800 degreeC, an organic acid, an inorganic acid, a nitrogen-containing compound, an oxygen-containing compound, an aromatic compound, and And non-ferrous metal elements. These additives can be used alone or in combination of two or more depending on the type and properties of the resin used.

非晶質炭素の原材料として用いられる樹脂としては、後述する含窒素樹脂類を主成分樹脂として含んでいてもよい。また、主成分樹脂に含窒素樹脂類が含まれていないときには主成分樹脂以外の成分として、少なくとも1種以上の含窒素化合物を含んでいてもよいし、含窒素樹脂類を主成分樹脂として含むとともに含窒素化合物を主成分樹脂以外の成分として含んでいてもよい。このような樹脂を炭化処理することにより、窒素を含有する非晶質炭素を得ることができる。非晶質炭素中に窒素が含まれると、窒素の有する電気陰性度により、非晶質炭素(負極用炭素材)に好適な電気的特性を付与することができる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性を付与することができる。   As a resin used as a raw material for amorphous carbon, nitrogen-containing resins described later may be included as a main component resin. Moreover, when the nitrogen-containing resin is not contained in the main component resin, at least one kind of nitrogen-containing compound may be included as a component other than the main component resin, or the nitrogen-containing resin is included as the main component resin. In addition, a nitrogen-containing compound may be included as a component other than the main component resin. By carbonizing such a resin, amorphous carbon containing nitrogen can be obtained. When nitrogen is contained in amorphous carbon, suitable electrical characteristics can be imparted to amorphous carbon (a negative electrode carbon material) depending on the electronegativity of nitrogen. Thereby, occlusion and discharge | release of lithium ion can be accelerated | stimulated and a high charging / discharging characteristic can be provided.

ここで、含窒素樹脂類としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂のほか、アミン等の含窒素成分で変性されたフェノール樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。
Here, the following can be illustrated as nitrogen-containing resin.
Examples of thermosetting resins include melamine resins, urea resins, aniline resins, cyanate resins, urethane resins, phenol resins modified with nitrogen-containing components such as amines, and epoxy resins.

熱可塑性樹脂としては、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド等が挙げられる。   Examples of the thermoplastic resin include polyacrylonitrile, acrylonitrile-styrene (AS) resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polyamide, polyetherimide, polyamideimide, polyimide, polyphthalamide, and the like.

また、含窒素樹脂類以外の樹脂としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。
Moreover, the following can be illustrated as resin other than nitrogen-containing resin.
Examples of the thermosetting resin include a phenol resin, an epoxy resin, a furan resin, and an unsaturated polyester resin.

熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられる。   Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polystyrene, polypropylene, vinyl chloride, methacrylic resin, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone, and polyetheretherketone. .

また、主成分樹脂以外の成分として含窒素化合物を用いる場合、その種類としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の硬化剤であるヘキサメチレンテトラミン、エポキシ樹脂の硬化剤である脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミン、ジシアンジアミド等のほか、硬化剤成分以外にも、硬化剤として機能しないアミン化合物、アンモニウム塩、硝酸塩、ニトロ化合物等窒素を含有する化合物を用いることができる。
上記含窒素化合物としては、主成分樹脂に含窒素樹脂類を含む場合であっても含まない場合であっても、1種類を用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
In addition, when a nitrogen-containing compound is used as a component other than the main component resin, the type thereof is not particularly limited. For example, hexamethylenetetramine, which is a curing agent for a novolac type phenol resin, and aliphatic polyamine, which is a curing agent for an epoxy resin. Besides aromatic polyamines, dicyandiamide and the like, in addition to the curing agent component, amine compounds that do not function as curing agents, ammonium salts, nitrates, nitro compounds, and other nitrogen-containing compounds can be used.
As the nitrogen-containing compound, one type may be used or two or more types may be used in combination, whether or not the main component resin contains nitrogen-containing resins.

非晶質炭素の原材料として用いられる樹脂組成物、あるいは樹脂中の窒素含有量としては特に限定されないが、5重量%以上65重量%以下であることが好ましく、10重量%以上20重量%以下であるのがより好ましい。   The resin composition used as the raw material for amorphous carbon or the nitrogen content in the resin is not particularly limited, but is preferably 5% by weight or more and 65% by weight or less, preferably 10% by weight or more and 20% by weight or less. More preferably.

このような樹脂組成物あるいは樹脂の炭化処理を行うことにより得られる非晶質炭素中における炭素原子含有量は95重量%以上であるのが好ましく、さらに、窒素原子含有量が0.5重量%以上5重量%以下であるのが好ましい。   The carbon atom content in the amorphous carbon obtained by carbonizing the resin composition or resin is preferably 95% by weight or more, and the nitrogen atom content is preferably 0.5% by weight. The content is preferably 5% by weight or less.

このように窒素原子を0.5重量%以上、特に0.8重量%以上含有することで、窒素の有する電気陰性度により、非晶質炭素に好適な電気的特性を付与することができる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性を付与することができる。   By containing nitrogen atoms in an amount of 0.5% by weight or more, particularly 0.8% by weight or more in this way, it is possible to impart electrical characteristics suitable for amorphous carbon depending on the electronegativity of nitrogen. Thereby, occlusion and discharge | release of lithium ion can be accelerated | stimulated and a high charging / discharging characteristic can be provided.

また、窒素原子を5重量%以下、特に3重量%以下とすることで、非晶質炭素に付与される電気的特性が過剰に強くなってしまうことが抑制され、吸蔵されたリチウムイオンが窒素原子と電気的吸着を起こすことが防止される。これにより、不可逆容量の増加を抑制し、高い充放電特性を得ることができる。   Further, by setting the nitrogen atom to 5% by weight or less, particularly 3% by weight or less, the electrical characteristics imparted to the amorphous carbon are suppressed from becoming excessively strong, and the occluded lithium ions are nitrogenated. Prevents electroadsorption with atoms. Thereby, an increase in irreversible capacity can be suppressed and high charge / discharge characteristics can be obtained.

非晶質炭素中の窒素含有量は、上記樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量のほか、樹脂組成物あるいは樹脂を炭化する条件や、炭化処理の前に硬化処理やプレ炭化処理を行う場合には、それらの条件についても適宜設定することによって、調整することができる。   Nitrogen content in amorphous carbon is the above-mentioned resin composition or nitrogen content in the resin, as well as conditions for carbonizing the resin composition or resin, and when curing or pre-carbonization is performed before carbonization. In addition, these conditions can also be adjusted by appropriately setting.

例えば、上述したような窒素含有量である炭素材を得る方法としては、樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量を所定値として、これを炭化処理する際の条件、特に、最終温度を調整する方法があげられる。   For example, as a method for obtaining the carbon material having the nitrogen content as described above, the nitrogen content in the resin composition or the resin is set as a predetermined value, and conditions for carbonizing the resin composition, in particular, the final temperature is adjusted. There are methods.

非晶質炭素の原材料として用いられる樹脂組成物の調製方法としては特に限定されず、例えば、上記主成分樹脂と、これ以外の成分とを所定の比率で配合し、これらを溶融混合する方法、これらの成分を溶媒に溶解して混合する方法、あるいは、これらの成分を粉砕して混合する方法等により調製することができる。   The method for preparing a resin composition used as a raw material for amorphous carbon is not particularly limited, for example, a method of blending the above main component resin and other components at a predetermined ratio, and melt-mixing them, It can be prepared by a method in which these components are dissolved in a solvent and mixed, or a method in which these components are pulverized and mixed.

本明細書中において、上記窒素含有量は熱伝導度法により測定したものである。
本方法は、測定試料を、燃焼法を用いて単純なガス(CO、HO、およびN)に変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させるものである。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定することができる。
In the present specification, the nitrogen content is measured by a thermal conductivity method.
In this method, a measurement sample is converted into a simple gas (CO 2 , H 2 O, and N 2 ) using a combustion method, and then the gasified sample is homogenized and then passed through a column. . Thereby, these gas is isolate | separated in steps and content of carbon, hydrogen, and nitrogen can be measured from each thermal conductivity.

なお、本発明では、パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「PE2400」を用いて実施した。   In the present invention, an element analysis measuring device “PE2400” manufactured by PerkinElmer Co., Ltd. was used.

また、本発明の負極用炭素材を構成する非晶質炭素は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上480ピコ秒以下のものであるのが好ましく、380ピコ秒以上460ピコ秒以下のものであるのがより好ましい。   Further, the amorphous carbon constituting the carbon material for a negative electrode of the present invention preferably has a positron lifetime measured by a positron annihilation method of 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, and 380 picoseconds or more and 460 picoseconds. The following are more preferable.

陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である場合には、後述するようにリチウムが出入りしやすいサイズの空隙が非晶質炭素に形成されているといえ、負極用炭素材の充電容量、放電容量をさらに高めることができる。   When the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, it can be said that a void having a size in which lithium easily enters and exits is formed in amorphous carbon as described later. The charge capacity and discharge capacity of the carbon material can be further increased.

なお、陽電子消滅法による陽電子寿命の測定は、以下の条件で行うものとする。
(A)陽電子線源: 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
(B)ガンマ線検出器: BaFシンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気: 25℃、真空中
(D)消滅γ線カウント数: 3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10keV
Note that the measurement of the positron lifetime by the positron annihilation method is performed under the following conditions.
(A) Positron beam source: A positron is generated from an electron / positron pair using an electron accelerator (B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (D ) Count of annihilation γ-ray: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 keV

ここで、陽電子寿命と、空隙サイズとの関係について説明する。
陽電子寿命法とは、陽電子(e)が試料に入射してから、消滅するまでの時間を計測して、空隙の大きさを測定する方法である。
Here, the relationship between the positron lifetime and the void size will be described.
The positron lifetime method is a method for measuring the size of the void by measuring the time from when the positron (e + ) enters the sample until it disappears.

陽電子は、電子の反物質であり、電子と同じ静止質量を持つがその電荷は正である。
陽電子は、物質中に入射すると、電子と対(陽電子−電子対(ポジトロニウム))になり、その後消滅することが知られている。炭素材に陽電子を打ち込むと、陽電子(e)は高分子中で叩き出された電子の1つと結合してポジトロニウムを形成する。ポジトロニウムは高分子材料中の電子密度の低い部分、すなわち高分子中の局所空隙にトラップされ、空隙壁から出た電子雲と重なり消滅する。ポジトロニウムが高分子中の空隙中に存在する場合、その空隙の大きさとポジトロニウムの消滅寿命は反比例の関係にある。すなわち、空隙が小さいとポジトロニウムと周囲電子との重なりが大きくなり、陽電子消滅寿命は短くなる。一方、空隙が大きいとポジトロニウムが空隙壁からしみ出した他の電子と重なって消滅する確率が低くなりポジトロニウムの消滅寿命は長くなる。したがって、ポジトロニウムの消滅寿命を測定することにより炭素材中の空隙の大きさを評価することができる。
A positron is an antimatter of electrons and has the same static mass as an electron, but its charge is positive.
It is known that when a positron enters a substance, it becomes a pair (positron-electron pair (positronium)) with an electron and then disappears. When a positron is injected into the carbon material, the positron (e + ) is combined with one of the electrons struck out in the polymer to form positronium. Positronium is trapped in a portion having a low electron density in the polymer material, that is, a local void in the polymer, and overlaps with the electron cloud emitted from the void wall and disappears. When positronium is present in voids in the polymer, the size of the voids and the annihilation lifetime of positronium are inversely related. That is, when the void is small, the overlap between the positronium and the surrounding electrons is increased, and the positron annihilation lifetime is shortened. On the other hand, when the void is large, the probability that the positronium overlaps with other electrons that have exuded from the void wall and disappears becomes low, and the annihilation lifetime of the positronium becomes long. Therefore, the size of the voids in the carbon material can be evaluated by measuring the annihilation lifetime of positronium.

上述したように、炭素材に入射した陽電子は、エネルギーを失った後、電子とともに、ポジトロニウムを形成し消滅する。この際、炭素材からは、γ線が放出されることとなる。
従って、放出されたγ線が測定の終了信号となる。
As described above, the positron incident on the carbon material loses energy, and then forms positronium and disappears together with the electron. At this time, γ rays are emitted from the carbon material.
Accordingly, the emitted γ rays serve as a measurement end signal.

陽電子消滅寿命の測定には、陽電子源として電子加速器や汎用のものとしては放射性同位元素22Naがよく用いられる。22Naは22Neにβ崩壊するときに、陽電子と1.28MeVのγ線を同時放出する。炭素材中に入射した陽電子は、消滅過程を経て511keVのγ線を放出する。したがって、1.28MeVのγ線を開始信号とし、511kevのγ線を終了信号として、両者の時間差を計測すれば陽電子の消滅寿命を求めることができる。具体的には、図1に示すような、陽電子寿命スペクトルが得られる。この陽電子寿命スペクトルの傾きAが陽電子寿命を示しており、陽電子寿命スペクトルから炭素材の陽電子寿命を把握することができる。 For the measurement of positron annihilation lifetime, often used radioactive isotopes 22 Na as that of an electron accelerator and generic as positron source. 22 Na emits positrons and 1.28 MeV gamma rays simultaneously when β + decays to 22 Ne. The positron incident on the carbon material emits 511 keV gamma rays through an annihilation process. Therefore, the annihilation lifetime of the positron can be obtained by measuring the time difference between the 1.28 MeV γ ray and the 511 kev γ ray as the end signal. Specifically, a positron lifetime spectrum as shown in FIG. 1 is obtained. The slope A of the positron lifetime spectrum indicates the positron lifetime, and the positron lifetime of the carbon material can be grasped from the positron lifetime spectrum.

また、陽電子源として、電子加速器を使用する場合には、タンタルまたはタングステンからなるターゲットに電子ビームを照射することによって発生する制動X線により電子・陽電子対生成を引起こさせ、陽電子を発生させる。電子加速器の場合、陽電子ビームを試料に入射した時点を測定開始点(前記22Naにおける開始信号に相当)とし、終了信号は22Naの場合と同様の原理で測定を実施する。 When an electron accelerator is used as the positron source, electron / positron pair generation is caused by the braking X-rays generated by irradiating the target made of tantalum or tungsten with an electron beam to generate positrons. In the case of an electron accelerator, the time when the positron beam is incident on the sample is set as a measurement start point (corresponding to the start signal in the 22 Na), and the end signal is measured on the same principle as in the case of 22 Na.

陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒未満の場合には、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくくなる。また、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が480ピコ秒を超えると、リチウムを吸蔵量は多くなるが、電解液等他の物質の侵入により、静電容量の増加によりリチウムが放出しにくくなると推測される。   When the positron lifetime measured by the positron annihilation method is less than 370 picoseconds, the pore size is too small and it becomes difficult to occlude and release lithium ions. In addition, when the positron lifetime measured by the positron annihilation method exceeds 480 picoseconds, the amount of occlusion of lithium is increased, but it is assumed that lithium is less likely to be released due to an increase in electrostatic capacity due to intrusion of other substances such as an electrolytic solution. Is done.

また、非晶質炭素は、XPS法により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上1.8eV以下であるのが好ましく、0.9eV以上1.6eV以下であるのがより好ましい。XPS法により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が1.8eV以下である場合は、非晶質炭素表面に存在する元素のほとんどが不活性なC−C結合等によるものであり、リチウムイオン等のイオン伝導に関わる活性物質と反応する官能基や不純物が実質的に存在しない状態となる。また285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上の場合には、過度な結晶化等の問題が生じることがない。そのため、本発明に係る炭素材のようにXPS法により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上、1.8eV以下の場合には、不可逆容量に起因する充放電効率の低下が抑制される。   In the case of amorphous carbon, the half width of the peak observed around 285 eV measured by XPS method is preferably 0.8 eV or more and 1.8 eV or less, more preferably 0.9 eV or more and 1.6 eV or less. preferable. When the half-value width of the peak observed around 285 eV measured by XPS method is 1.8 eV or less, most of the elements present on the amorphous carbon surface are due to inactive C—C bonds, etc. A functional group or impurity that reacts with an active substance related to ion conduction such as ions is substantially absent. Moreover, when the half width of the peak recognized in the vicinity of 285 eV is 0.8 eV or more, problems such as excessive crystallization do not occur. Therefore, when the full width at half maximum of the peak observed in the vicinity of 285 eV measured by XPS method is 0.8 eV or more and 1.8 eV or less like the carbon material according to the present invention, the charge / discharge efficiency is reduced due to the irreversible capacity. Is suppressed.

次に、XPS測定と表面状態との関係について説明する。
XPS測定法とは、固体試料表面にX線を照射し、それによって励起された原子から放出された光電子の運動エネルギーを測定することで、原子内における電子の結合エネルギー(原子により固有の値を持つ)が求められ、表面に存在する構成元素の同定を行う方法である。
Next, the relationship between the XPS measurement and the surface state will be described.
The XPS measurement method irradiates the surface of a solid sample with X-rays and measures the kinetic energy of photoelectrons emitted from the excited atoms. As a result, the binding energy of electrons in the atoms (a value specific to each atom is determined). It is a method for identifying constituent elements present on the surface.

FT−IR法も表面状態を分析することができるが、これは表面から約1μmに存在する化学結合の同定を行うのに対し、XPS測定法では表面から数Åに存在する元素の同定を行うことができる。このことから、より表面に近い官能基の同定を行うにはXPS測定法を用いるのが好ましい。   The surface state can also be analyzed by the FT-IR method, which identifies chemical bonds existing about 1 μm from the surface, whereas the XPS measurement method identifies elements present several kilometers from the surface. be able to. From this, it is preferable to use the XPS measurement method to identify the functional group closer to the surface.

さらに、非晶質炭素は、窒素吸着におけるBET3点法による比表面積が15m/g以下、1m/g以上であることが好ましい。 Further, the amorphous carbon preferably has a specific surface area of 15 m 2 / g or less and 1 m 2 / g or more according to the BET three-point method in nitrogen adsorption.

窒素吸着におけるBET3点法による比表面積が15m/g以下であることで、炭素材と電解液との反応を抑制できる。 Reaction with a carbon material and electrolyte solution can be suppressed because the specific surface area by BET 3 point method in nitrogen adsorption is 15 m < 2 > / g or less.

また、窒素吸着におけるBET3点法による比表面積を1m/g以上とすることで電解液の炭素材への適切な浸透性が得られるという効果がある。 Moreover, there exists an effect that appropriate permeability to the carbon material of electrolyte solution is acquired by making the specific surface area by BET 3 point method in nitrogen adsorption into 1 m < 2 > / g or more.

比表面積の算出方法は以下の通りである。
下記(1)式より単分子吸着量Wmを算出し、下記(2)式より総表面積Stotalを算出し、下記(3)式より比表面積Sを求めた。
1/[W(Po/P−1)=(C−1)/WmC(P/Po)/WmC・・(1)
The calculation method of the specific surface area is as follows.
The monomolecular adsorption amount Wm was calculated from the following formula (1), the total surface area Total was calculated from the following formula (2), and the specific surface area S was calculated from the following formula (3).
1 / [W (Po / P-1) = (C-1) / WmC (P / Po) / WmC (1)

式(1)中、P:吸着平衡にある吸着質の気体の圧力、Po:吸着温度における吸着質の飽和蒸気圧、W:吸着平衡圧Pにおける吸着量、Wm:単分子層吸着量、C:固体表面と吸着質との相互作用の大きさに関する定数(C=exp{(E1−E2)RT})[E1:第一層の吸着熱(kJ/mol)、E2:吸着質の測定温度における液化熱(kJ/mol)] In the formula (1), P: pressure of the adsorbate gas in the adsorption equilibrium, Po: saturated vapor pressure of the adsorbate at the adsorption temperature, W: adsorption amount at the adsorption equilibrium pressure P, Wm: monomolecular layer adsorption amount, C : Constant on the magnitude of the interaction between the solid surface and the adsorbate (C = exp {(E1-E2) RT}) [E1: heat of adsorption of the first layer (kJ / mol), E2: measurement temperature of the adsorbate Liquefaction heat (kJ / mol)]

Stotal=(WmNAcs)M・・・・・・・・・(2)
式(2)中、N:アボガドロ数、M:分子量、Acs:吸着断面積
Total = (WmNAcs) M (2)
In formula (2), N: Avogadro number, M: molecular weight, Acs: adsorption cross section

S=Stotal/w・・・・・・(3)
式(3)中、w:サンプル重量(g)
S = Total / w (3)
In formula (3), w: sample weight (g)

以上のような非晶質炭素は、樹脂あるいは、樹脂組成物の代表例では以下のようにして製造することができる。   The amorphous carbon as described above can be produced as follows in a typical example of a resin or a resin composition.

はじめに、炭化処理すべき、樹脂あるいは、樹脂組成物を製造する。
樹脂組成物の調製のための装置としては特に限定されないが、例えば、溶融混合を行う場合には、混練ロール、単軸あるいは二軸ニーダー等の混練装置を用いることができる。また、溶解混合を行う場合は、ヘンシェルミキサー、ディスパーザ等の混合装置を用いることができる。そして、粉砕混合を行う場合には、例えば、ハンマーミル、ジェットミル等の装置を用いることができる。
First, a resin or resin composition to be carbonized is manufactured.
The apparatus for preparing the resin composition is not particularly limited. For example, when melt mixing is performed, a kneading apparatus such as a kneading roll, a single screw or a twin screw kneader can be used. Moreover, when performing melt | dissolution mixing, mixing apparatuses, such as a Henschel mixer and a disperser, can be used. And when performing pulverization mixing, apparatuses, such as a hammer mill and a jet mill, can be used, for example.

このようにして得られた樹脂組成物は、複数種類の成分を物理的に混合しただけのものであってもよいし、樹脂組成物の調製時、混合(攪拌、混練等)に際して付与される機械的エネルギーおよびこれが変換された熱エネルギーにより、その一部を化学的に反応させたものであってもよい。具体的には、機械的エネルギーによるメカノケミカル的反応、熱エネルギーによる化学反応をさせてもよい。   The resin composition thus obtained may be one obtained by physically mixing a plurality of types of components, or is applied during mixing (stirring, kneading, etc.) during preparation of the resin composition. A part of the material may be chemically reacted with mechanical energy and thermal energy converted from the mechanical energy. Specifically, a mechanochemical reaction using mechanical energy or a chemical reaction using thermal energy may be performed.

非晶質炭素は、上記の樹脂組成物あるいは、樹脂を炭化処理してなるものである。
ここで炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、常温から1℃/時間以上200℃/時間以下で昇温して、800℃以上3000℃以下で0.1時間以上50時間以下、好ましくは0.5時間以上10時間以下保持して行うことができる。炭化処理時の雰囲気としては窒素、ヘリウムガス等の不活性雰囲気下、もしくは不活性ガス中に微量の酸素が存在するような、実質的に不活性な雰囲気下、または還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。このようにすることで、樹脂の熱分解(酸化分解)を抑制し、所望の炭素材を得ることができる。
Amorphous carbon is obtained by carbonizing the above resin composition or resin.
Here, the conditions for the carbonization treatment are not particularly limited. For example, the temperature is raised from room temperature to 1 ° C./hour to 200 ° C./hour, and from 800 ° C. to 3000 ° C., 0.1 to 50 hours, preferably Can be carried out by holding for 0.5 hours or more and 10 hours or less. The atmosphere during the carbonization treatment is an inert atmosphere such as nitrogen or helium gas, or a substantially inert atmosphere where a trace amount of oxygen is present in the inert gas, or a reducing gas atmosphere. Is preferred. By doing in this way, thermal decomposition (oxidative decomposition) of resin can be suppressed and a desired carbon material can be obtained.

このような炭化処理時の温度、時間等の条件は、非晶質炭素の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。   Conditions such as temperature and time during carbonization can be adjusted as appropriate in order to optimize the characteristics of amorphous carbon.

また、XPS法により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上、1.8eV以下である炭素材を得るために、樹脂等に応じて適宜条件を定めればよいが、例えば炭化処理時の温度を1000℃以上にしたり、昇温速度を200℃/時間未満にするとよい。   In addition, in order to obtain a carbon material having a peak half-value width measured in the vicinity of 285 eV measured by the XPS method of 0.8 eV or more and 1.8 eV or less, conditions may be appropriately determined according to the resin or the like. The temperature during the carbonization treatment may be set to 1000 ° C. or higher, and the temperature increase rate may be set to less than 200 ° C./hour.

このようにすることで、非晶質炭素表面が不活性な官能基等によるものとなり、XPS法により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上、1.8eV以下である非晶質炭素を得ることができると推測される。   By doing so, the surface of the amorphous carbon is caused by an inactive functional group or the like, and the half width of the peak observed near 285 eV measured by XPS method is 0.8 eV or more and 1.8 eV or less. It is estimated that crystalline carbon can be obtained.

なお、上記炭化処理を行う前に、プレ炭化処理を行うことができる。
ここでプレ炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、200℃以上600℃以下で1時間以上10時間以下行うことができる。このように、炭化処理前にプレ炭化処理を行うことで、樹脂組成物あるいは樹脂等を不融化させ、炭化処理工程前に樹脂組成物あるいは樹脂等の粉砕処理を行った場合でも、粉砕後の樹脂組成物あるいは樹脂等が炭化処理時に再融着するのを防ぎ、所望とする炭素材を効率的に得ることができるようになる。
In addition, before performing the said carbonization process, a pre carbonization process can be performed.
Although it does not specifically limit as conditions for pre carbonization here, For example, it can carry out at 200 degreeC or more and 600 degrees C or less for 1 hour or more and 10 hours or less. Thus, even if the resin composition or resin is infusibilized by performing the pre-carbonization treatment before the carbonization treatment, and the resin composition or the resin is pulverized before the carbonization treatment step, The resin composition or the resin can be prevented from being re-fused during carbonization, and a desired carbon material can be obtained efficiently.

このとき、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である非晶質炭素を得るための方法の一例としては、還元ガス、不活性ガスが存在しない状態で、プレ炭化処理を行うことがあげられる。   At this time, as an example of a method for obtaining amorphous carbon having a positron lifetime measured by the positron annihilation method of 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, in the absence of a reducing gas or an inert gas, Carburizing treatment is performed.

また、非晶質炭素製造用の樹脂として、熱硬化性樹脂や重合性高分子化合物を用いた場合には、このプレ炭化処理の前に、樹脂組成物あるいは樹脂の硬化処理を行うこともできる。   Further, when a thermosetting resin or a polymerizable polymer compound is used as the resin for producing amorphous carbon, the resin composition or the resin can be cured before the pre-carbonization treatment. .

硬化処理方法としては特に限定されないが、例えば、樹脂組成物に硬化反応が可能な熱量を与えて熱硬化する方法、あるいは、樹脂と硬化剤とを併用する方法等により行うことができる。これにより、プレ炭化処理を実質的に固相でできるため、樹脂の構造をある程度維持した状態で炭化処理またはプレ炭化処理を行うことができ、非晶質炭素の構造や特性を制御することができるようになる。   Although it does not specifically limit as a hardening processing method, For example, it can carry out by the method of giving the heat quantity which can perform hardening reaction to a resin composition, the method of thermosetting, or the method of using resin and a hardening | curing agent together. As a result, the pre-carbonization treatment can be performed substantially in the solid phase, so that the carbonization treatment or the pre-carbonization treatment can be performed while maintaining the resin structure to some extent, and the structure and characteristics of the amorphous carbon can be controlled. become able to.

なお、上記炭化処理あるいはプレ炭化処理を行う場合には、上記樹脂組成物に、金属、顔料、滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤等を添加して、所望する特性を炭素材に付与することもできる。   In addition, when performing the carbonization treatment or the pre-carbonization treatment, a metal, a pigment, a lubricant, an antistatic agent, an antioxidant, or the like is added to the resin composition to impart desired characteristics to the carbon material. You can also.

上記硬化処理および/またはプレ炭化処理を行った場合は、その後、上記炭化処理の前に、処理物を粉砕しておいてもよい。こうした場合には、炭化処理時の熱履歴のバラツキを低減させ、非晶質炭素の表面状態の均一性を高めることができる。そして、処理物の取り扱い性を良好なものにすることができる。   When the curing treatment and / or the pre-carbonization treatment are performed, the processed product may be pulverized before the carbonization treatment. In such a case, variation in thermal history during carbonization can be reduced, and the uniformity of the surface state of amorphous carbon can be improved. And the handleability of a processed material can be made favorable.

さらに、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下の非晶質炭素を得るために、たとえば、必要に応じて炭化処理後において、還元ガスまたは不活性ガスの存在下で、500℃以上800℃以下まで自然冷却し、その後、100℃以下となるまで100℃/時間で冷却してもよい。   Further, in order to obtain amorphous carbon having a positron lifetime measured by the positron annihilation method of 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, for example, in the presence of a reducing gas or an inert gas after carbonization treatment as necessary. Then, it may be naturally cooled to 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and then cooled at 100 ° C./hour until it becomes 100 ° C. or lower.

このようにすることで、急速冷却による非晶質炭素の割れが抑制され、形成された空隙が維持できるという理由により、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である非晶質炭素を得ることができると推測される。   By doing so, cracks of amorphous carbon due to rapid cooling are suppressed, and the formed voids can be maintained, so that the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less. It is speculated that some amorphous carbon can be obtained.

本発明の負極用炭素材は、前記非晶質炭素に加え、黒鉛を含む材料で構成されたものであってもよい。これにより、本発明の負極用炭素材を用いて製造されるリチウムイオン二次電池を、充電容量、放電容量が高く、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスが特に優れたものとすることができる。   The negative electrode carbon material of the present invention may be composed of a material containing graphite in addition to the amorphous carbon. As a result, the lithium ion secondary battery manufactured using the carbon material for a negative electrode of the present invention has a high charge capacity and discharge capacity, and a particularly excellent balance of charge capacity, discharge capacity and charge / discharge efficiency. Can do.

黒鉛とは、炭素の同素体の1つであり、六炭素環が連なった層からできている層状格子をなす六方晶系、六角板状結晶の物質である。   Graphite is one of the allotropes of carbon, and is a hexagonal hexagonal plate crystal material that forms a layered lattice made of layers of six-carbon rings.

黒鉛の体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(平均粒径)は、2μm以上50μm以下であるのが好ましく、5μm以上30μm以下であるのがより好ましい。これにより、高い充放電効率を維持したまま高密度の電極を作製することが可能となる。   The particle size (average particle size) at the time of 50% accumulation in the volume-based cumulative distribution of graphite is preferably 2 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 30 μm or less. This makes it possible to produce a high-density electrode while maintaining high charge / discharge efficiency.

《負極活物質》
次に、本発明の負極活物質(以下、単に、活物質という場合もある)について説明する。
<Negative electrode active material>
Next, the negative electrode active material of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as an active material) will be described.

負極用活物質は、リチウムイオン二次電池において、Liイオンの出し入れをすることができる物質のことをいう。   The negative electrode active material refers to a material capable of taking in and out Li ions in a lithium ion secondary battery.

本発明の負極活物質は、上述したような本発明の負極用炭素材を含むものである。これにより、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池の製造に好適に用いることができる負極活物質を提供するができる。   The negative electrode active material of the present invention includes the above-described negative electrode carbon material of the present invention. Thereby, the negative electrode active material which can be suitably used for the manufacture of a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity upon repeated charge / discharge) and capacity retention during rapid charge / discharge Can provide.

本発明の負極活物質は、上述した本発明の負極用炭素材を含むものであればよいが、それに加え、他の成分を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、シリコン、一酸化ケイ素、黒鉛等が挙げられる。   Although the negative electrode active material of this invention should just contain the carbon material for negative electrodes of this invention mentioned above, in addition to that, it may contain another component. Examples of such components include silicon, silicon monoxide, and graphite.

中でも、本発明の負極活物質は、上述した本発明の負極用炭素材に加え、黒鉛を含むものであるのが好ましい。これにより、本発明の負極用炭素材を用いて製造されるリチウムイオン二次電池を、充電容量、放電容量が高く、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスが特に優れたものとすることができる。   Especially, it is preferable that the negative electrode active material of this invention contains graphite in addition to the carbon material for negative electrodes of this invention mentioned above. As a result, the lithium ion secondary battery manufactured using the carbon material for a negative electrode of the present invention has a high charge capacity and discharge capacity, and a particularly excellent balance of charge capacity, discharge capacity and charge / discharge efficiency. Can do.

黒鉛の体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(平均粒径)は、2μm以上50μm以下であるのが好ましく、5μm以上30μm以下であるのがより好ましい。これにより、高い充放電効率を維持したまま高密度の電極を作製することが可能となる。   The particle size (average particle size) at the time of 50% accumulation in the volume-based cumulative distribution of graphite is preferably 2 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 30 μm or less. This makes it possible to produce a high-density electrode while maintaining high charge / discharge efficiency.

本発明の負極活物質中における黒鉛の含有量は、50重量%以上96.2重量%以下であるのが好ましく、55重量%90重量%以下であるのがより好ましく、60重量%85重量%以下であるのがさらに好ましい。黒鉛の含有量が前記範囲内の値であると、充放電効率を高いものとしつつ、高いエネルギー密度と、大電流の入出力特性を高度に両立させることができる。   The content of graphite in the negative electrode active material of the present invention is preferably 50% by weight or more and 96.2% by weight or less, more preferably 55% by weight or 90% by weight or less, and 60% by weight or 85% by weight. More preferably, it is as follows. When the graphite content is within the above range, high energy density and high current input / output characteristics can be achieved at a high level while the charge / discharge efficiency is high.

本発明の負極用炭素材が非晶質炭素を含むものであり、かつ、本発明の負極活物質が黒鉛を含むものである場合において、負極活物質中における前記非晶質炭素の含有率をX[質量%]、負極活物質中における前記黒鉛の含有率をX[質量%]とした場合に、1≦X/X≦20の関係を満足するのが好ましく、1.2≦X/X≦9の関係を満足するのがより好ましく、1.5≦X/X≦5.7の関係を満足するのがさらに好ましい。このような関係を満足することにより、優れた充放電効率を損なうことなく、サイクル時の安定性、および、大電流の入出力特性をさらに効果的に高いものとすることができる。 When the carbon material for a negative electrode of the present invention contains amorphous carbon and the negative electrode active material of the present invention contains graphite, the content of the amorphous carbon in the negative electrode active material is expressed as X H [Mass%] When the content of the graphite in the negative electrode active material is X G [mass%], it is preferable to satisfy the relationship of 1 ≦ X G / X H ≦ 20, and 1.2 ≦ X It is more preferable to satisfy the relationship of G 1 / X H ≦ 9, and it is even more preferable to satisfy the relationship of 1.5 ≦ X G / X H ≦ 5.7. By satisfying such a relationship, the stability during cycling and the input / output characteristics of a large current can be further effectively improved without impairing the excellent charge / discharge efficiency.

《負極・リチウムイオン二次電池》
次に、本発明の負極およびリチウムイオン二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう)について説明する。
<Negative electrode / Lithium ion secondary battery>
Next, the negative electrode and lithium ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “secondary battery”) of the present invention will be described.

本発明の負極は、上述したような本発明の負極活物質を用いて製造されたものである。これにより、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池に好適に適用することができる負極を提供することができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の負極活物質を用いて製造されたものである。これにより、サイクル特性(充放電を繰り返した際の充放電容量の保持率)、および、急速充放電時の容量保持に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。   The negative electrode of the present invention is produced using the negative electrode active material of the present invention as described above. This provides a negative electrode that can be suitably applied to a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity when charge / discharge is repeated) and capacity retention during rapid charge / discharge. be able to. The lithium ion secondary battery of the present invention is manufactured using the negative electrode active material of the present invention. Thereby, it is possible to provide a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics (retention rate of charge / discharge capacity when charge / discharge is repeated) and capacity retention during rapid charge / discharge.

以下、本発明の負極、リチウムイオン二次電池の好適な実施形態について説明する。
図2は、リチウムイオン二次電池の模式図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the negative electrode and the lithium ion secondary battery of the present invention will be described.
FIG. 2 is a schematic diagram of a lithium ion secondary battery.

二次電池10は、図2に示すように、負極13と、正極21と、電解液16と、セパレーター18とを有している。   As illustrated in FIG. 2, the secondary battery 10 includes a negative electrode 13, a positive electrode 21, an electrolytic solution 16, and a separator 18.

負極13は、図2に示すように、負極材12と負極集電体14とを有している。
負極集電体14は、例えば、銅箔またはニッケル箔等で構成されている。
As shown in FIG. 2, the negative electrode 13 includes a negative electrode material 12 and a negative electrode current collector 14.
The negative electrode current collector 14 is made of, for example, copper foil or nickel foil.

負極材12は、上述したような本発明の負極活物質により構成されている。
負極13は、例えば、以下のようにして製造することができる。
The negative electrode material 12 is composed of the negative electrode active material of the present invention as described above.
The negative electrode 13 can be manufactured as follows, for example.

上記負極活物質100重量部に対して、有機高分子結着剤(ポリエチレン、ポリプロピレン等を含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴム等のゴム状高分子等)1重量部以上30重量部以下、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド等)又は水を添加して混練して、ペースト状にした混合物を圧縮成形、ロール成形等によりシート状、ペレット状等に成形して、負極材12を得ることができる。そして、このようにして得られた負極材12と負極集電体14とを積層することにより、負極13を得ることができる。   1 part by weight or more and 30 parts by weight or less of organic polymer binder (fluorine polymer including polyethylene, polypropylene, etc., rubbery polymer such as butyl rubber, butadiene rubber, etc.) with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material, And an appropriate amount of a viscosity adjusting solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, etc.) or water and kneaded to form a paste-like mixture into sheets, pellets, etc. by compression molding, roll molding, etc. The negative electrode material 12 can be obtained by molding. And the negative electrode 13 can be obtained by laminating | stacking the negative electrode material 12 and the negative electrode collector 14 which were obtained in this way.

また、上記負極活物質100重量部に対して、有機高分子結着剤(ポリエチレン、ポリプロピレン等を含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴム等のゴム状高分子等)1重量部以上30重量部以下、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド等)又は水を添加して混練して、スラリー状にした混合物を負極材12として用い、これを負極集電体14に塗布、成形することにより、負極13を製造することもできる。   In addition, 1 part by weight or more and 30 parts by weight of an organic polymer binder (fluorine polymer including polyethylene, polypropylene, etc., rubbery polymer such as butyl rubber, butadiene rubber, etc.) with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material. The following mixture is used as the negative electrode material 12 by adding a kneaded mixture of an appropriate amount of a viscosity adjusting solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, etc.) or water, and using this mixture as the negative electrode material 12. The negative electrode 13 can also be manufactured by coating and molding on the material 14.

なお、負極13は、上述したハーフセルが備える電極と同一の条件を満たすものであってもよいし、異なる条件のものであってもよい。   In addition, the negative electrode 13 may satisfy the same conditions as the electrodes included in the half cell described above, or may have different conditions.

電解液16は、正極21と負極13との間を満たすものであり、充放電によってリチウムイオンが移動する層である。   The electrolyte solution 16 fills the space between the positive electrode 21 and the negative electrode 13 and is a layer in which lithium ions move by charge / discharge.

電解液16としては、非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解したものが用いられる。   As the electrolytic solution 16, a solution obtained by dissolving a lithium salt serving as an electrolyte in a non-aqueous solvent is used.

この非水系溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等の環状エステル類、ジメチルカーボネートやジエチルカーボネート等の鎖状エステル類、ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類等の混合物等を用いることができる。   As this non-aqueous solvent, it is possible to use a mixture of cyclic esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate and γ-butyrolactone, chain esters such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate, chain ethers such as dimethoxyethane, and the like. it can.

電解質としては、LiClO、LiPF等のリチウム金属塩、テトラアルキルアンモニウム塩等を用いることができる。また、上記塩類をポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル等に混合し、固体電解質として用いることもできる。 As the electrolyte, lithium metal salts such as LiClO 4 and LiPF 6 , tetraalkylammonium salts, and the like can be used. Further, the above salts can be mixed with polyethylene oxide, polyacrylonitrile or the like and used as a solid electrolyte.

セパレーター18としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔質フィルム、不織布等を用いることができる。   It does not specifically limit as the separator 18, For example, porous films, such as polyethylene and a polypropylene, a nonwoven fabric, etc. can be used.

正極21は、図2に示すように、正極材20と正極集電体22とを有している。
正極材20としては、特に限定されず、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(LiMn)等の複合酸化物や、ポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子等を用いることができる。
As shown in FIG. 2, the positive electrode 21 includes a positive electrode material 20 and a positive electrode current collector 22.
The positive electrode material 20 is not particularly limited. For example, a composite oxide such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), polyaniline, Conductive polymers such as polypyrrole can be used.

正極集電体22としては、例えば、アルミニウム箔を用いることができる。
そして、本実施形態における正極21は、既知の正極の製造方法により製造することができる。
As the positive electrode current collector 22, for example, an aluminum foil can be used.
And the positive electrode 21 in this embodiment can be manufactured with the manufacturing method of the known positive electrode.

以上、本発明について、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on suitable embodiment, this invention is not limited to these.

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、各実施例、比較例で示される「部」は「重量部」、「%」は「重量%」を示す。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to this. In the examples and comparative examples, “part” indicates “part by weight” and “%” indicates “% by weight”.

[1]測定方法
はじめに、以下の実施例、比較例における測定方法を説明する。
[1] Measuring Method First, measuring methods in the following examples and comparative examples will be described.

1.粒度分布
堀場製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置LA−920を用いて、レーザー回折法により、炭素材の粒度分布、炭素材を構成する黒鉛の粒度分布、炭素材を構成する非晶質炭素の粒度分布を測定した。測定結果から、炭素材について、体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(D50、平均粒径)を求め、炭素材を構成する黒鉛、および、炭素材を構成する非晶質炭素について、50%累積時の粒径(D50、平均粒径)を求めた。
1. Particle size distribution Using a laser diffraction particle size distribution measuring device LA-920 manufactured by Horiba, Ltd., by laser diffraction, the particle size distribution of the carbon material, the particle size distribution of graphite constituting the carbon material, and the amorphous carbon constituting the carbon material The particle size distribution was measured. From the measurement results, for the carbon material, the particle size (D50, average particle size) at the time of 50% accumulation in the volume-based cumulative distribution is determined, and the graphite constituting the carbon material and the amorphous carbon constituting the carbon material , 50% cumulative particle size (D50, average particle size) was determined.

2.陽電子寿命法による陽電子寿命の測定方法
陽電子・ポジトロニウム寿命測定・ナノ空孔計測装置(産業技術総合研究所製)を用いて、陽電子が消滅する際に発生する電磁波(消滅γ線)を測定し、陽電子寿命を測定した。
2. Measurement method of positron lifetime by positron lifetime method Using positron / positronium lifetime measurement / nano-hole measuring device (manufactured by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology), measure electromagnetic wave (annihilation γ-ray) generated when positron disappears, The positron lifetime was measured.

具体的には、以下のようである。
(A)陽電子線源:産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門の電子加速器を用いて、電子・陽電子対生成から陽電子を発生(前記電子加速器は、ターゲット(タンタル)に電子ビームを照射して、電子・陽電子対生成を引きおこし、陽電子を発生)
Specifically, it is as follows.
(A) Positron beam source: A positron is generated from electron-positron pair generation using the electron accelerator of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Measurement Frontier Research Department). The electron accelerator irradiates a target (tantalum) with an electron beam, Causes generation of electron-positron pairs, generating positrons)

(B)ガンマ線検出器:BaFシンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気:25℃、真空中(1×10−5Pa(1×10−7Torr))
(B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (1 × 10 −5 Pa (1 × 10 −7 Torr))

(D)消滅γ線カウント数:3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10keV
(F)試料サイズ:粉末を試料ホルダ(アルミ板)に厚み0.1mmで塗布
(D) Count of annihilation γ-rays: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 keV
(F) Sample size: Powder is applied to a sample holder (aluminum plate) with a thickness of 0.1 mm.

3.XPS測定による表面状態の分析
Escalab−220iXL(サーモフィッシャー サイエンティフィック社製)を用い、下記の条件にて測定を実施し、得られた285eV付近に認められるピークの半値幅を下記の計算方法で算出した。
3. Analysis of surface condition by XPS measurement Using Escalab-220iXL (Thermo Fisher Scientific), measurement was performed under the following conditions, and the half width of the peak observed near 285 eV was obtained by the following calculation method. Calculated.

(測定条件)
X線源:Mg−Kα
出力:12kV−10mA
(Measurement condition)
X-ray source: Mg-Kα
Output: 12kV-10mA

(計算方法)
得られたスペクトルを基に、以下のようにしてピーク強度及びピーク半値幅を求める。
ピーク強度を求めるには、対象のピークの両端からベースラインを引き、このベースラインからピーク頂点までの強度をピーク強度とする。これは通常得られるスペクトルのベースラインは、測定時の環境やサンプルの違い等により変化するからである。なお、得られたスペクトルにおいて、複数のピークが重複した場合は、それら重複ピークの両端からベースラインを引く。またピーク半値幅は、ピーク頂点から前記で求めたピーク強度の1/2の強度の点からベースラインに平行に線を引き、ピーク両端との交点のエネルギーを読み取ることで求める。
(Method of calculation)
Based on the obtained spectrum, the peak intensity and the peak half-value width are obtained as follows.
In order to obtain the peak intensity, a baseline is drawn from both ends of the target peak, and the intensity from the baseline to the peak apex is defined as the peak intensity. This is because the base line of the spectrum usually obtained changes depending on the environment at the time of measurement, the difference in the sample, and the like. When a plurality of peaks overlap in the obtained spectrum, a baseline is drawn from both ends of the overlapping peaks. The half width of the peak is obtained by drawing a line parallel to the base line from a point having an intensity of ½ of the peak intensity obtained from the peak apex, and reading the energy at the intersection with both ends of the peak.

4.比表面積
ユアサ社製のNova−1200装置を使用して窒素吸着におけるBET3点法により測定した。具体的な算出方法は、前記実施形態で述べた通りである。
4). Specific surface area It measured by the BET 3 point | piece method in nitrogen adsorption | suction using the Nova-1200 apparatus made from Yuasa. A specific calculation method is as described in the above embodiment.

5.炭素含有率、窒素含有率
パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「PE2400」を用いて測定した。測定試料を、燃焼法を用いてCO、HO、およびNに変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させる。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定した。
5. Carbon content, nitrogen content Measured using an elemental analysis measuring device “PE2400” manufactured by PerkinElmer. The measurement sample is converted into CO 2 , H 2 O, and N 2 using a combustion method, and then the gasified sample is homogenized and then passed through the column. Thereby, these gases were separated stepwise, and the contents of carbon, hydrogen, and nitrogen were measured from the respective thermal conductivities.

ア)炭素含有率
得られた非晶質炭素を、110℃/真空中、3時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて炭素組成比を測定した。
A) Carbon content The obtained amorphous carbon was dried at 110 ° C./vacuum for 3 hours, and then the carbon composition ratio was measured using an elemental analyzer.

イ)窒素含有率
得られた非晶質炭素を、110℃/真空中、3時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて窒素組成比を測定した。
B) Nitrogen content The obtained amorphous carbon was dried at 110 ° C./vacuum for 3 hours, and then the nitrogen composition ratio was measured using an elemental analyzer.

6.充電曲線、充放電効率
(1)二極式ハーフセルの製造
各実施例、各比較例で得られた負極用炭素材100部に対して、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム製、CMCダイセル2200)1.5重量部、スチレン・ブタジエンゴム(JSR製、TRDー2001)1.5重量部、アセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)2重量部、および、蒸留水100重量部を加え、自転・公転ミキサーで撹拌・混合し、スラリー状の負極混合物を調製した。
6). Charging curve, charge / discharge efficiency (1) Production of bipolar half-cell For 100 parts of carbon material for negative electrode obtained in each example and each comparative example, carboxymethyl cellulose (manufactured by Daicel Finechem, CMC Daicel 2200) 1.5 Add parts by weight, 1.5 parts by weight of styrene-butadiene rubber (manufactured by JSR, TRD-2001), 2 parts by weight of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo, Denka Black), and 100 parts by weight of distilled water. The mixture was stirred and mixed with a slurry to prepare a slurry-like negative electrode mixture.

調製した負極スラリー状混合物を厚み14μmの銅箔(古河電気工業製、NC−WS)の片面に塗布し、その後、60℃で2時間空気中で予備乾燥を行い、次に、120℃で15時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって電極を加圧成形した。これを直径13mmの円盤状として切り出し負極を作製した。負極材層の厚さは50μmであった。   The prepared negative electrode slurry mixture was applied to one side of a copper foil having a thickness of 14 μm (Furukawa Electric, NC-WS), followed by preliminary drying in air at 60 ° C. for 2 hours, and then at 120 ° C. for 15 Vacuum dried for hours. After vacuum drying, the electrode was pressure-formed by a roll press. This was cut into a disk shape having a diameter of 13 mm to produce a negative electrode. The thickness of the negative electrode material layer was 50 μm.

リチウム金属を直径12mm、厚さ1mmの円盤状に形成し正極を作製した。また、セパレーターとして、ポリオレフィンの多孔質膜(セルガード社製、商品名;セルガード2400)を用いた。   Lithium metal was formed in a disk shape with a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm to produce a positive electrode. In addition, a polyolefin porous film (manufactured by Celgard, trade name: Celgard 2400) was used as a separator.

上記の負極、正極、セパレーターを用い、電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で1:1で混合した混合溶媒に1mol/dmの割合でLiPFを加えたものを用いて、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で2032型コインセル形状の二極式ハーフセルを製造し、当該ハーフセルについて以下に述べる評価を行った。 Using the negative electrode, the positive electrode, and the separator described above, a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate mixed at a volume ratio of 1: 1 as an electrolyte and LiPF 6 added at a ratio of 1 mol / dm 3 , argon was used. A 2032 type coin cell-shaped bipolar half cell was manufactured in a glove box under an atmosphere, and the evaluation described below was performed on the half cell.

(2)二極式ハーフセルの充電曲線
充電条件は、25℃で負極用炭素材の単位重量当たりの電流値25mA/gの定電流で0Vになるまで充電した後、0V保持で電流値が2.5mA/gに減衰したところを充電終止とした。
(2) Charging curve of bipolar half-cell Charging condition is that the current value per unit weight of the carbon material for negative electrode at 25 ° C. is charged to 0 V at a constant current of 25 mA / g, and then the current value is 2 at 0 V holding. The charging was terminated when it attenuated to 0.5 mA / g.

また、上記の条件で求められた充電容量の値に基づいて、負極用炭素材の単位重量当たりの充電容量X[mAh/g]を求め、さらに、充電時における電位差と充電容量との関係を、縦軸(Y軸)を両極の電位差[V]、横軸(X軸)を単位重量当たりの負極用炭素材の充電容量[mAh/g]とするグラフを作成した。   Further, based on the value of the charging capacity obtained under the above conditions, the charging capacity X [mAh / g] per unit weight of the carbon material for the negative electrode is obtained, and further, the relationship between the potential difference during charging and the charging capacity is obtained. A graph was prepared in which the vertical axis (Y axis) is the potential difference [V] between the two electrodes, and the horizontal axis (X axis) is the charge capacity [mAh / g] of the carbon material for the negative electrode per unit weight.

(3)充放電効率
上記(2)の条件で充電したハーフセルを25℃でカットオフ電圧1.5Vまで、負極用炭素材の単位重量当たりの電流値25mA/gの定電流で放電した。下記式により充放電効率を算出した。
充放電効率(%)=[放電容量/充電容量]×100
(3) Charging / Discharging Efficiency The half cell charged under the condition (2) was discharged at a constant current of 25 mA / g per unit weight of the carbon material for negative electrode up to a cutoff voltage of 1.5 V at 25 ° C. The charge / discharge efficiency was calculated by the following formula.
Charge / discharge efficiency (%) = [discharge capacity / charge capacity] × 100

7.電池性能評価
(1)リチウムイオン二次電池の製造
各実施例、各比較例で得られた負極活物質100部に対して、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム製、CMCダイセル2200)1.5重量部、スチレン・ブタジエンゴム(JSR製、TRDー2001)1.5重量部、アセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック)2重量部、および、蒸留水100重量部を加え、自転・公転ミキサーで撹拌・混合し、スラリー状の負極混合物を調製した。
7). Battery Performance Evaluation (1) Production of Lithium Ion Secondary Battery With respect to 100 parts of the negative electrode active material obtained in each Example and each Comparative Example, 1.5 parts by weight of carboxymethyl cellulose (manufactured by Daicel Finechem, CMC Daicel 2200), Add 1.5 parts by weight of styrene-butadiene rubber (manufactured by JSR, TRD-2001), 2 parts by weight of acetylene black (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo), and 100 parts by weight of distilled water, and stir with a rotating / revolving mixer. By mixing, a slurry-like negative electrode mixture was prepared.

調製した負極スラリー状混合物を厚み14μmの銅箔(古河電気工業製、NC−WS)の片面に塗布し、その後、60℃で2時間空気中で予備乾燥を行い、次に、120℃で15時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって電極を加圧成形した。これを直径13mmの円盤状として切り出し負極を作製した。負極材層の厚さは50μmであった。   The prepared negative electrode slurry mixture was applied to one side of a copper foil having a thickness of 14 μm (Furukawa Electric, NC-WS), followed by preliminary drying in air at 60 ° C. for 2 hours, and then at 120 ° C. for 15 Vacuum dried for hours. After vacuum drying, the electrode was pressure-formed by a roll press. This was cut into a disk shape having a diameter of 13 mm to produce a negative electrode. The thickness of the negative electrode material layer was 50 μm.

正極材料として、LiCoOを活物質とし、集電体としてアルミ箔を用いた単層シート(パイオニクス(株)製、商品名;ピオクセル C−100)を直径12mmの円盤状に形成した。 A single-layer sheet (Pionix Co., Ltd., trade name: Pioxel C-100) using LiCoO 2 as an active material and an aluminum foil as a current collector was formed into a disk shape having a diameter of 12 mm.

セパレーターとして、ポリオレフィンの多孔質膜(セルガード社製、商品名;セルガード2400)を用いた。   As the separator, a polyolefin porous film (manufactured by Celgard, trade name: Celgard 2400) was used.

上記の負極、正極、セパレーターを用い、電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で3:7で混合した混合溶媒に1mol/dmの割合でLiPF6を加えたものを用いて、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、2032型コインセル形状のリチウムイオン二次電池を製造し、当該リチウムイオン二次電池について以下に述べる評価を行った。 Argon atmosphere using the above negative electrode, positive electrode, separator, and a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate mixed at a volume ratio of 3: 7 with LiPF6 added at a ratio of 1 mol / dm 3 as an electrolytic solution. In the lower glove box, a 2032 type coin cell-shaped lithium ion secondary battery was manufactured, and the evaluation described below was performed on the lithium ion secondary battery.

(2)電池性能評価
(A)エージング処理
25℃で、負極活物質の単位重量当たりの電流値25mA/gの定電流で4.2Vまで充電した後、4.2Vの定電圧で電流値が2.5mA/gに減衰するまで充電した。次に25mA/gの定電流で2.5Vまで放電した。その後、同条件で充電と放電を行い、合計5サイクル充電と放電を実施した。
(2) Battery performance evaluation (A) Aging treatment At 25 ° C., after charging to 4.2 V at a constant current of 25 mA / g current value per unit weight of the negative electrode active material, the current value was 4.2 V constant voltage. The battery was charged until it decayed to 2.5 mA / g. Next, it was discharged to 2.5 V at a constant current of 25 mA / g. Thereafter, charging and discharging were performed under the same conditions, and a total of five cycles of charging and discharging were performed.

(B)充放電効率
上記エージング処理における1サイクル目の充放電効率を下記式により算出した。
充放電効率(%)=[放電容量/充電容量]×100
(B) Charging / discharging efficiency The charging / discharging efficiency of the 1st cycle in the said aging process was computed by the following formula.
Charge / discharge efficiency (%) = [discharge capacity / charge capacity] × 100

(C)サイクル特性
上記エージング処理後、25℃、1Cの定電流で4.2Vまで充電した後、1Cの定電流で2.5Vまで放電した。上記の条件で200サイクル充電と放電を繰り返した後の放電容量維持率を下記式により算出した。
(C) Cycle characteristics After the aging treatment, the battery was charged to 4.2 V with a constant current of 25C and 1 C, and then discharged to 2.5 V with a constant current of 1 C. The discharge capacity retention rate after repeating 200 cycles of charging and discharging under the above conditions was calculated by the following formula.

200サイクル容量維持率(%)=[1C充放電における200サイクル目放電容量/1C充放電における1サイクル目放電容量]×100 200 cycle capacity retention rate (%) = [200th cycle discharge capacity in 1C charge / discharge / first cycle discharge capacity in 1C charge / discharge] × 100

1Cは上記(A)における5サイクル目の放電容量を1時間で放電させるだけの電流値(mA)とした。   1C was set to a current value (mA) sufficient to discharge the discharge capacity at the fifth cycle in (A) in one hour.

(D)25℃急速放電特性
25℃、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、1Cの定電流で2.5Vまで放電した時の放電容量と、25℃、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、5Cの定電流で2.5Vまで放電した時の放電容量の比[5C放電容量/1C放電容量]を25℃急速放電特性の指標とした。
(D) Rapid discharge characteristics at 25 ° C. After charging to 4.2 V at a constant current of 25 ° C. and 0.2 C, and charging until the current value decays to 0.02 C at a constant voltage of 4.2 V, a constant current of 1 C After charging to 4.2 V with a discharge capacity of 2.5 V and a constant current of 25 ° C. and 0.2 C, and charging until the current value decays to 0.02 C with a constant voltage of 4.2 V The ratio of discharge capacity [5C discharge capacity / 1C discharge capacity] when discharged to 2.5 V at a constant current of 5 C was used as an index of the 25 ° C. rapid discharge characteristics.

(E)−20℃容量維持率
25℃において、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、25℃において1Cの定電流で2.5Vまで放電した時の放電容量と、25℃において、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、−20℃において1Cの定電流で2.5Vまで放電した時の放電容量との比[−20℃放電容量/25℃放電容量×100]を−20℃容量維持率とした。
(E) -20 ° C. capacity maintenance rate At 25 ° C., the battery was charged to 4.2 V with a constant current of 0.2 C, charged until the current value was attenuated to 0.02 C with a constant voltage of 4.2 V, and then 25 ° C. The discharge capacity when discharged to 2.5V with a constant current of 1C and at 25 ° C, the battery is charged to 4.2V with a constant current of 0.2C, and the current value becomes 0.02C with a constant voltage of 4.2V. After charging until decay, the ratio [−20 ° C. discharge capacity / 25 ° C. discharge capacity × 100] with the discharge capacity when discharged to 2.5V at a constant current of 1 C at −20 ° C. is the −20 ° C. capacity maintenance rate It was.

[2]負極用炭素材の製造
(実施例1)
樹脂組成物として、フェノール樹脂PR−217(住友ベークライト(株)製)を以下の工程(a)〜(f)の順で処理を行い、負極用炭素材1を得た。
[2] Production of carbon material for negative electrode (Example 1)
As a resin composition, phenol resin PR-217 (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) was processed in the order of the following steps (a) to (f) to obtain a carbon material 1 for a negative electrode.

(a)還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、室温から500℃まで、100℃/時間で昇温   (A) Without any of reducing gas replacement, inert gas replacement, reducing gas flow, and inert gas flow, the temperature is raised from room temperature to 500 ° C. at 100 ° C./hour.

(b)還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、500℃で2時間脱脂処理後、冷却   (B) Without any reducing gas replacement, inert gas replacement, reducing gas flow, or inert gas flow, cooling after degreasing treatment at 500 ° C. for 2 hours

(c)振動ボールミルで微粉砕
(d)不活性ガス(窒素)置換および流通下、室温から1200℃まで、100℃/時間で昇温
(C) Fine grinding with a vibrating ball mill (d) Temperature rise from room temperature to 1200 ° C at 100 ° C / hour under inert gas (nitrogen) substitution and circulation

(e)不活性ガス(窒素)流通下、1200℃で8時間炭化処理
(f)不活性ガス(窒素)流通下、600℃まで自然放冷後、600℃から100℃以下まで、100℃/時間で冷却
(E) Carbonization treatment at 1200 ° C. for 8 hours under an inert gas (nitrogen) flow (f) After natural cooling to 600 ° C. under an inert gas (nitrogen) flow, from 600 ° C. to 100 ° C. or less, 100 ° C. / Cooling in time

(実施例2)
実施例1と同様の樹脂組成物を使用した。
(Example 2)
The same resin composition as in Example 1 was used.

また、樹脂組成物の処理に際して、実施例1の(d)、(e)の工程を以下のようにした点以外は、実施例5と同様にして負極用炭素材2を得た。   Further, in the treatment of the resin composition, the negative electrode carbon material 2 was obtained in the same manner as in Example 5 except that the steps (d) and (e) of Example 1 were as follows.

(d)不活性ガス(窒素)置換および流通下、室温から1100℃まで、100℃/時間で昇温
(e)不活性ガス(窒素)流通下、1100℃で8時間炭化処理
(D) Under inert gas (nitrogen) substitution and flow, temperature rise from room temperature to 1100 ° C. at 100 ° C./hour (e) Carbonization treatment at 1100 ° C. for 8 hours under flow of inert gas (nitrogen)

(実施例3)
実施例1においてフェノール樹脂にかえて、アニリン樹脂(以下の方法で合成したもの)を用いた。
(Example 3)
In Example 1, an aniline resin (synthesized by the following method) was used instead of the phenol resin.

アニリン100部と37%ホルムアルデヒド水溶液697部、蓚酸2部を攪拌装置及び冷却管を備えた3つ口フラスコに入れ、100℃で3時間反応後、脱水し、アニリン樹脂110部を得た。得られたアニリン樹脂の重量平均分子量は約800であった。   100 parts of aniline, 697 parts of 37% formaldehyde aqueous solution, and 2 parts of oxalic acid were placed in a three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser, reacted at 100 ° C. for 3 hours, and dehydrated to obtain 110 parts of aniline resin. The obtained aniline resin had a weight average molecular weight of about 800.

以上のようにして得られたアニリン樹脂100部とヘキサメチレンテトラミン10部を粉砕混合し得られた樹脂組成物を、実施例1と同様の工程で処理を行い、負極用炭素材3を得た。   The resin composition obtained by pulverizing and mixing 100 parts of the aniline resin and 10 parts of hexamethylenetetramine obtained as described above was treated in the same process as in Example 1 to obtain a carbon material 3 for negative electrode. .

(実施例4)
実施例3と同様のアニリン樹脂100重量部と黒鉛(メソフェーズカーボンマイクロビーズ)5重量部とをミキサーで混合して得られた樹脂組成物を、請求項1と同様に処理を行い、負極用炭素材4を得た。
Example 4
A resin composition obtained by mixing 100 parts by weight of the aniline resin similar to Example 3 and 5 parts by weight of graphite (mesophase carbon microbeads) with a mixer is treated in the same manner as in claim 1, and the carbon for negative electrode is obtained. Material 4 was obtained.

(比較例1)
黒鉛(メソフェーズカーボンマイクロビーズ)を用意し、これを負極用炭素材5として用いた。
(Comparative Example 1)
Graphite (mesophase carbon microbeads) was prepared and used as the carbon material 5 for the negative electrode.

(比較例2)
実施例1と同様の樹脂組成物を使用した。
(Comparative Example 2)
The same resin composition as in Example 1 was used.

また、樹脂組成物の処理に際して、実施例1の(d)、(e)の工程を以下のようにした点以外は、実施例1と同様にして負極用炭素材6を得た。   Further, in the treatment of the resin composition, the negative electrode carbon material 6 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the steps (d) and (e) of Example 1 were as follows.

(d)不活性ガス(窒素)置換および流通下、室温から600℃まで、100℃/時間で昇温   (D) Temperature increase from room temperature to 600 ° C. at 100 ° C./hour under inert gas (nitrogen) substitution and circulation

(e)不活性ガス(窒素)流通下、600℃で8時間炭化処理
得られた非晶質炭素を、黒鉛と混合することなくそのまま炭素材とした。
(E) Carbonization treatment at 600 ° C. for 8 hours under inert gas (nitrogen) flow The obtained amorphous carbon was used as it was without mixing with graphite.

[3]負極活物質
(実施例5〜11、比較例3〜5)
上記実施例1〜4、及び比較例1〜2で得られた負極用炭素材を表2に記載の成分比率で混合し、負極活物質1〜10を得た。
[3] Negative electrode active material (Examples 5 to 11 and Comparative Examples 3 to 5)
The carbon materials for negative electrodes obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were mixed at the component ratios shown in Table 2 to obtain negative electrode active materials 1 to 10.

[4]負極、及びリチウムイオン二次電池の製造
上記負極用活物質1〜10を用いて、上述した[1]測定方法の通り、負極、及びリチウムイオン二次電池を作製した。
[4] Production of Negative Electrode and Lithium Ion Secondary Battery Using the negative electrode active materials 1 to 10, a negative electrode and a lithium ion secondary battery were produced according to the above-described [1] measurement method.

[5]結果
前記実施例1〜4で得た負極用炭素材について、上述した[1]測定方法で作成したグラフのXが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域におけるXとYとの関係、D50、陽電子寿命、XPS、比表面積、炭素含有率、窒素含有率、を表1に示した。
なお、XとYとの関係については、表1中、前記グラフのXが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域において、−0.007X+0.85<Y<−0.007X+1.2の関係を満足するものを「A」、−0.007X+0.83<Y<−0.007X+1.25の関係を満足するもの(ただし、「A」の条件を満足するものを除く)を「B」、−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3の関係を満足するもの(ただし、「A」の条件を満足するもの、「B」の条件を満足するものを除く)を「C」、−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3の関係を満足しないものを「D」で示した。
[5] Results Regarding the carbon materials for negative electrodes obtained in Examples 1 to 4, the relationship between X and Y in the region where X in the graph created by the above-described [1] measurement method is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less. , D50, positron lifetime, XPS, specific surface area, carbon content, nitrogen content are shown in Table 1.
As for the relationship between X and Y, in Table 1, in the region where X in the graph is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less, the relationship of −0.007X + 0.85 <Y <−0.007X + 1.2 is satisfied. “A” indicates that it is satisfied, and “B” indicates that that satisfies the relationship of −0.007X + 0.83 <Y <−0.007X + 1.25 (excluding those that satisfy the condition of “A”), − 0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 satisfying the relationship (excluding those satisfying the condition of “A” and those satisfying the condition of “B”) “C”, Those not satisfying the relationship of −0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 are indicated by “D”.

また、前記実施例5〜11、比較例3〜5で得られた負極活物質を用いて、上述した[1]測定方法の通り作製及び測定したリチウムイオン二次電池の、初回充放電効率、サイクル特性、25℃急速放電特性、−20℃容量維持率、を表2に示した。   In addition, using the negative electrode active materials obtained in Examples 5 to 11 and Comparative Examples 3 to 5, the initial charge and discharge efficiency of the lithium ion secondary battery prepared and measured according to the above-described [1] measurement method, Table 2 shows the cycle characteristics, the 25 ° C. rapid discharge characteristics, and the −20 ° C. capacity retention rate.

Figure 2013218855
Figure 2013218855

Figure 2013218855
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上述した[1]測定方法で作成したグラフのXが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域におけるXとYとの関係が−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3の関係を満足する負極用炭素材のみから構成される負極活物質を用いて作製したリチウムイオン二次電池(実施例5、6)は200サイクル容量維持率、25℃急速放電特性、−20℃容量維持率が極めて高くなった。また、前記グラフのXが50mAh/g以上100mAh/g以下の領域におけるXとYとの関係が−0.007X+0.85<Y<−0.007X+1.2の関係を満足する負極用炭素材3のみから構成される負極活物質を用いて作製したリチウムイオン二次電池(実施例6)は充放電効率と200サイクル容量維持率、25℃急速放電特性、−20℃容量維持率のバランスに優れていた。   The relationship between X and Y in the region where X in the graph created by the above-described [1] measurement method is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less is the relationship of −0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3. Lithium ion secondary batteries (Examples 5 and 6) produced using a negative electrode active material composed only of a satisfactory negative electrode carbon material have a 200 cycle capacity retention rate, a 25 ° C. rapid discharge characteristic, and a −20 ° C. capacity retention rate. Became extremely high. Further, the carbon material for negative electrode 3 in which the relationship between X and Y in the region where X in the graph is 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less satisfies the relationship of −0.007X + 0.85 <Y <−0.007X + 1.2. A lithium ion secondary battery (Example 6) produced using a negative electrode active material composed only of lithium is excellent in the balance between charge / discharge efficiency, 200 cycle capacity retention, 25 ° C. rapid discharge characteristics, and −20 ° C. capacity retention. It was.

さらに、本発明の負極用炭素材と黒鉛とから構成される負極活物質を用いて作製されたリチウムイオン二次電池(実施例8〜11)は、いずれも高い充放電効率と、200サイクル容量維持率、25℃急速放電特性、−20℃容量維持率を高度に両立するものであった。   Furthermore, the lithium ion secondary battery (Examples 8-11) produced using the negative electrode active material comprised from the carbon material for negative electrodes of this invention and graphite, all have high charging / discharging efficiency and 200 cycle capacity. The maintenance rate, 25 ° C. rapid discharge characteristics, and −20 ° C. capacity maintenance rate were highly compatible.

前記グラフのXが−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3の関係を満足しない負極用炭素材のみから構成される負極活物質を用いて作製したリチウムイオン二次電池(比較例3〜5)はいずれも200サイクル容量維持率、25℃急速放電特性、−20℃容量維持率がいずれも低くなった。   Lithium ion secondary battery manufactured using a negative electrode active material composed only of a carbon material for a negative electrode where X in the graph does not satisfy the relationship of −0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 (comparative example) As for 3-5), 200 cycle capacity maintenance rate, 25 degreeC rapid discharge characteristic, and -20 degreeC capacity maintenance rate all became low.

10 二次電池
12 負極材
14 負極集電体
13 負極
20 正極材
22 正極集電体
21 正極
16 電解液
18 セパレーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Secondary battery 12 Negative electrode material 14 Negative electrode collector 13 Negative electrode 20 Positive electrode material 22 Positive electrode collector 21 Positive electrode 16 Electrolytic solution 18 Separator

Claims (9)

リチウムイオン二次電池に用いられる負極用炭素材であって、
負極用炭素材とカルボキシメチルセルロースとスチレン・ブタジエンゴムとアセチレンブラックとを、重量比で100:1.5:1.5:2で混合した組成物を用いて電極を形成し、対極にリチウム金属を用い、電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で1:1で混合した混合溶媒に1mol/dmの割合でLiPFを加えたものを用いたハーフセルについて、負極用炭素材の単位重量当たりの電流値を25mA/gの定電流とした25℃で充電した際の両極の電位差と充電容量との関係を、縦軸(Y軸)を両極の電位差[V]、横軸(X軸)を単位重量当たりの負極用炭素材の充電容量[mAh/g]のグラフとした場合に、当該グラフのXが50mAh/g以上、100mAh/g以下の領域において、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする負極用炭素材。
−0.007X+0.8<Y<−0.007X+1.3 ・・・ (1)
A carbon material for a negative electrode used in a lithium ion secondary battery,
An electrode is formed using a composition in which a carbon material for a negative electrode, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene rubber, and acetylene black are mixed at a weight ratio of 100: 1.5: 1.5: 2, and lithium metal is used as a counter electrode. The unit weight of the carbon material for the negative electrode is a half cell using a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1 as an electrolytic solution and LiPF 6 is added at a ratio of 1 mol / dm 3. The relationship between the potential difference between both electrodes when charged at 25 ° C. with a constant current value of 25 mA / g and the charge capacity, the vertical axis (Y axis) is the potential difference [V] of both electrodes, and the horizontal axis (X axis) ) In the graph of the charge capacity [mAh / g] of the negative electrode carbon material per unit weight, X in the graph is in the region of 50 mAh / g or more and 100 mAh / g or less. The negative electrode carbon material which satisfies the relationship of the following formula (1).
−0.007X + 0.8 <Y <−0.007X + 1.3 (1)
負極用炭素材は、非晶質炭素を含む材料で構成されたものである請求項1に記載の負極用炭素材。   The carbon material for a negative electrode according to claim 1, wherein the carbon material for a negative electrode is composed of a material containing amorphous carbon. 以下の条件(A)〜(E)のもと、陽電子消滅法により測定した前記非晶質炭素の陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であり、
(A)陽電子線源: 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
(B)ガンマ線検出器: BaFシンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気: 25℃、真空中
(D)消滅γ線カウント数: 3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10keV
かつ、X−ray Photoelectron Spectroscopy(XPS法)により測定した285eV付近に認められるピークの半値幅が0.8eV以上、1.8eV以下である請求項2に記載の負極用炭素材。
Under the following conditions (A) to (E), the positron lifetime of the amorphous carbon measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less,
(A) Positron beam source: A positron is generated from an electron / positron pair using an electron accelerator (B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (D ) Count of annihilation γ-ray: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 keV
The carbon material for a negative electrode according to claim 2, wherein the half-value width of a peak observed in the vicinity of 285 eV measured by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS method) is 0.8 eV or more and 1.8 eV or less.
前記ハーフセルにおいて、電流25mA/gの定電流で0Vになるまで充電した後、0V保持で2.5mA/gまで電流が減衰したところを充電終止とし、放電条件のカットオフ電位を1.5Vとする条件で求められる充放電効率が75%以上である請求項1ないし3のいずれか一項に記載の負極用炭素材。   In the half cell, after charging to 0 V at a constant current of 25 mA / g, charging is terminated when the current decays to 2.5 mA / g by holding 0 V, and the cutoff potential of the discharge condition is 1.5 V The carbon material for a negative electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the charge / discharge efficiency obtained under the conditions for the negative electrode is 75% or more. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の負極用炭素材を含むことを特徴とする負極活物質。   A negative electrode active material comprising the carbon material for a negative electrode according to any one of claims 1 to 4. 負極活物質は、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の負極用炭素材に加え、黒鉛を含む材料で構成されたものである請求項5に記載の負極活物質。   The negative electrode active material according to claim 5, wherein the negative electrode active material is composed of a material containing graphite in addition to the carbon material for a negative electrode according to any one of claims 1 to 4. 負極活物質中における前記黒鉛の含有率は、50重量%以上96.2重量%以下である請求項6に記載の負極活物質。   The negative electrode active material according to claim 6, wherein a content of the graphite in the negative electrode active material is 50 wt% or more and 96.2 wt% or less. 請求項5ないし7のいずれか一項に記載の負極活物質を用いて製造されたことを特徴とする負極。   A negative electrode manufactured using the negative electrode active material according to any one of claims 5 to 7. 請求項5ないし7のいずれか一項に記載の負極活物質を用いて製造されたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。   A lithium ion secondary battery manufactured using the negative electrode active material according to claim 5.
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