JP2015079680A - Conductive carbon and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide conductive carbon which enables the materialization of a lithium ion secondary battery having a high energy density.SOLUTION: Conductive carbon according to the present invention is produced by the process of oxidation of a carbon raw material having cavities. The conductive carbon comprises a hydrophilic solid phase component. The hydrophilic solid phase component has crystallites; the size La of the crystallite including no torsion in a graphene plane direction, and the size Leq of the crystallite including torsion in the graphene plane direction, which are calculated from Raman spectra, satisfy the following relation: 1.0≤Leq/La≤1.55, where 1.3≤La≤1.5 and 1.5≤Leq≤2.3. In the Raman spectra of the hydrophilic solid phase component, the percentage of a peak area of an amorphous component band near 1510 cmto a peak area in a range of 980-1780 cmis in a range of 13-19%. In the conductive carbon, the number of micropores of a radius of 1.2 nm is 0.4-0.6 times that in the carbon raw material. The conductive carbon is caused to spread like paste by application of pressure thereto.

Description

本発明は、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を与える導電性カーボン及びその製造方法に関する。   The present invention relates to conductive carbon that provides a lithium ion secondary battery having a high energy density and a method for producing the same.

携帯電話やノート型パソコンなどの情報機器の電源として、エネルギー密度が高い非水系電解液を使用したリチウムイオン二次電池が広く使用されているが、これらの情報機器の高性能化や取り扱う情報量の増大に伴う消費電力の増加に対応するために、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度の向上が望まれている。また、石油消費量の低減、大気汚染の緩和、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量の低減などの観点から、ガソリン車やディーゼル車に代わる電気自動車やハイブリッド自動車などの低公害車に対する期待が高まっており、これらの低公害車のモーター駆動電源として、高いエネルギー密度を有する大型のリチウムイオン二次電池の開発が望まれる。   Lithium ion secondary batteries that use non-aqueous electrolytes with high energy density are widely used as power sources for information devices such as mobile phones and laptop computers. The performance of these information devices and the amount of information handled In order to cope with an increase in power consumption associated with an increase in the energy consumption, an improvement in the energy density of the lithium ion secondary battery is desired. In addition, from the viewpoints of reducing oil consumption, mitigating air pollution, and reducing the amount of carbon dioxide that causes global warming, we are working on low-pollution vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles that replace gasoline and diesel vehicles. Expectations are increasing, and it is desired to develop a large-sized lithium ion secondary battery having a high energy density as a motor drive power source for these low-pollution vehicles.

上記リチウムイオン二次電池は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出する正極活物質を含む正極と、リチウムを可逆的に吸蔵・放出する負極活物質を含む負極と、リチウム塩を非水系溶媒に溶解させた電解液とを有する。正極及び負極を構成する正極活物質及び負極活物質は、それぞれ導電剤との複合材料の形態で使用されるのが一般的である。導電剤としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性カーボンが使用される。導電性カーボンは、導電性の低い活物質と併用されて、複合材料に導電性を付与する役割を果たすが、これだけでなく、活物質のリチウムの吸蔵・放出に伴う体積変化を吸収するマトリックスとしても作用し、また、活物質が機械的な損傷を受けても電子伝導パスを確保するという役割も果たす。   The lithium ion secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material that reversibly stores and releases lithium, a negative electrode including a negative electrode active material that reversibly stores and releases lithium, and a lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent. An electrolyte solution. The positive electrode active material and the negative electrode active material constituting the positive electrode and the negative electrode are generally used in the form of a composite material with a conductive agent. As the conductive agent, conductive carbon such as carbon black, natural graphite, artificial graphite, or carbon nanotube is used. Conductive carbon is used in combination with a low-conductivity active material to play a role in imparting conductivity to the composite material. In addition to this, it acts as a matrix that absorbs volume changes associated with the insertion and extraction of lithium in the active material. It also acts to secure an electron conduction path even if the active material is mechanically damaged.

ところで、これらの活物質と導電性カーボンとの複合材料は、活物質の粒子と導電性カーボンを混合する方法により製造されるが、導電性カーボンは基本的にリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の向上に寄与しないため、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を得るためには、単位体積あたりの導電性カーボン量を減少させて活物質量を増加させる必要がある。そこで、導電性カーボンの分散性を向上させ、或いは、導電性カーボンのストラクチャを低下させることにより、活物質粒子間の距離を接近させて単位体積あたりの活物質量を増加させる検討が行われている。   By the way, a composite material of these active materials and conductive carbon is manufactured by a method of mixing particles of active material and conductive carbon. However, conductive carbon basically has the energy density of a lithium ion secondary battery. Since it does not contribute to improvement, in order to obtain a lithium ion secondary battery having a high energy density, it is necessary to decrease the amount of conductive carbon per unit volume and increase the amount of active material. Therefore, studies have been made to increase the amount of active material per unit volume by improving the dispersibility of conductive carbon or reducing the structure of conductive carbon, thereby bringing the distance between active material particles closer. Yes.

例えば、特許文献1(特開2004−134304号公報)には、平均一次粒子径が10〜100nmの粒径の小さいカーボン材(実施例ではアセチレンブラック)を含み且つ1.20以上の黒化度を有する正極を備えた非水二次電池が開示されている。正極作成に用いられる塗料は、正極活物質と上記カーボン材とバインダと溶媒との混合物を、高速回転ホモジナイザー型分散機、3本以上の回転軸を有するプラネタリーミキサーのような強せん断分散装置で分散するか、或いは、正極活物質とバインダと溶媒との混合物を分散させたペーストに、上記カーボン材とバインダと溶媒との混合物を強せん断分散装置で分散させた分散体を添加し、さらに分散させることによって得られている。強せん断力を有する装置を用いることにより、粒子径が小さいため分散されにくいカーボン材が均一に分散される。   For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-134304) includes a carbon material having a small average particle diameter of 10 to 100 nm (acetylene black in the examples) and a blackening degree of 1.20 or more. A non-aqueous secondary battery including a positive electrode having the following is disclosed. The paint used to make the positive electrode is a mixture of the positive electrode active material, the carbon material, the binder, and the solvent, a high-speed rotating homogenizer-type disperser, and a high shear dispersing device such as a planetary mixer having three or more rotating shafts. Dispersing or adding a dispersion in which the mixture of the carbon material, binder and solvent is dispersed in a strong shearing dispersion device to a paste in which a mixture of the positive electrode active material, the binder and the solvent is dispersed, and further dispersing It is obtained by letting. By using a device having a strong shearing force, a carbon material that is difficult to disperse due to a small particle diameter is uniformly dispersed.

また、特許文献2(特開2009−35598号公報)には、BET比表面積が30〜90m/g、DBP吸収量が50〜120mL/100g、及びpHが9以上であるアセチレンブラックからなる非水系二次電池電極の導電剤が開示されている。このアセチレンブラックと活物質との混合物をバインダを含む液体に分散してスラリーを調製し、このスラリーを集電体に塗布・乾燥することにより、二次電池の電極が構成される。上記特性を有するアセチレンブラックは、ケッチェンブラックや従来のアセチレンブラックに比較して低いストラクチャを有するため、活物質との混合物の嵩密度が向上し、電池容量が向上する。 Further, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-35598) discloses a non-made of acetylene black having a BET specific surface area of 30 to 90 m 2 / g, a DBP absorption of 50 to 120 mL / 100 g, and a pH of 9 or more. A conductive agent for an aqueous secondary battery electrode is disclosed. A mixture of the acetylene black and the active material is dispersed in a liquid containing a binder to prepare a slurry, and this slurry is applied to a current collector and dried to form an electrode of a secondary battery. Since acetylene black having the above characteristics has a lower structure than ketjen black and conventional acetylene black, the bulk density of the mixture with the active material is improved, and the battery capacity is improved.

特開2004−134304号公報JP 2004-134304 A 特開2009−35598号公報JP 2009-35598 A

リチウムイオン二次電池には、エネルギー密度のさらなる向上が常に求められている。しかし、発明者らが検討したところ、特許文献1或いは特許文献2のような方法であっても、活物質粒子間に導電性カーボンを効率よく進入させることが困難であり、したがって活物質粒子間の距離を接近させて単位体積あたりの活物質量を増加させることが困難であった。そのため、活物質と導電性カーボンとの複合材料を用いた正極及び/又は負極によるエネルギー密度の向上には限界があった。   Lithium ion secondary batteries are always required to further improve energy density. However, as a result of investigations by the inventors, it is difficult to efficiently enter the conductive carbon between the active material particles even in the method as described in Patent Document 1 or Patent Document 2, and therefore, between the active material particles. It was difficult to increase the amount of the active material per unit volume by approaching the distance. For this reason, there is a limit to the improvement in energy density by the positive electrode and / or the negative electrode using a composite material of an active material and conductive carbon.

そこで、本発明の目的は、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池へと導く導電性カーボン及びその製造方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a conductive carbon that leads to a lithium ion secondary battery having a high energy density, and a method for producing the same.

発明者らは、鋭意検討した結果、空隙を有する導電性カーボンに強い酸化処理を施こすことにより得られた導電性カーボンと活物質との複合材料を用いてリチウムイオン二次電池の電極を構成すると、電極密度が大幅に上昇することを発見した。そして、使用した導電性カーボンを詳細に分析した結果、導電性カーボンの一次粒子内に認められる半径1.2nmの細孔の数が原料として用いた導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数より顕著に減少しており、また導電性カーボンに含まれる親水性固相成分が、特定範囲の結晶子サイズを有し、且つ、導電性カーボンの共役二重結合が酸化されて形成された炭素が単結合で結合したアモルファス成分を多く含んでいると、電極密度が著しく向上することを発見した。   As a result of intensive studies, the inventors have configured a lithium ion secondary battery electrode using a composite material of conductive carbon and active material obtained by subjecting conductive carbon having voids to strong oxidation treatment. Then, it discovered that an electrode density rose significantly. As a result of detailed analysis of the conductive carbon used, the number of pores having a radius of 1.2 nm recognized in the primary particles of the conductive carbon is the number of pores having a radius of 1.2 nm in the conductive carbon used as a raw material. The hydrophilic solid phase component contained in the conductive carbon has a crystallite size in a specific range, and is formed by oxidizing the conjugated double bond of the conductive carbon. It has been found that the electrode density is remarkably improved when carbon contains a large amount of amorphous components bonded by single bonds.

したがって、本発明はまず、空隙を有するカーボン原料を酸化処理することにより得られる、リチウムイオン二次電池の電極のための導電性カーボンであって、親水性固相成分を含み、該親水性固相成分の、ラマンスペクトルから算出された、グラフェン面方向のねじれを含まない結晶子サイズLaと、グラフェン面方向のねじれを含む結晶子サイズLeqとが、1.3≦La≦1.5、且つ、1.5≦Leq≦2.3、且つ、1.0≦Leq/La≦1.55の関係を満たし、上記親水性固相成分のラマンスペクトルにおける、1510cm−1付近のアモルファス成分バンドのピーク面積の、980〜1780cm−1の範囲のピーク面積に対する割合が、13〜19%の範囲であり、且つ、上記導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数が、上記カーボン原料における半径1.2nmの細孔の数の0.4〜0.6倍であることを特徴とする導電性カーボンに関する。 Accordingly, the present invention is a conductive carbon for an electrode of a lithium ion secondary battery obtained by oxidizing a carbon raw material having voids, and includes a hydrophilic solid phase component, and the hydrophilic solid component. The crystallite size La that does not include a twist in the graphene plane direction calculated from the Raman spectrum of the phase component, and the crystallite size Leq that includes a twist in the graphene plane direction are 1.3 ≦ La ≦ 1.5, and 1.5 ≦ Leq ≦ 2.3 and 1.0 ≦ Leq / La ≦ 1.55, and the peak of the amorphous component band near 1510 cm −1 in the Raman spectrum of the hydrophilic solid phase component area, the ratio to the peak area ranging 980~1780Cm -1 is in the range of 13 to 19%, and the radius of the conductive carbon 1.2n The number of pores, to conductive carbon, which is a 0.4 to 0.6 times the number of pores of radius 1.2nm in the carbon raw material.

本発明では、半径1.2nmの細孔の数の比は、JIS Z8831−2に従った細孔分布測定における半径1.2nmの細孔の数の比を意味する。また、導電性カーボンの「親水性固相成分」とは、以下の方法で採取された部分を意味する。すなわち、純水20〜100mLに純水の1/1000の質量の導電性カーボン粉末を添加し、10〜60分間の超音波照射を行なうことによって導電性カーボンを純水に十分に分散させ、この分散液を10〜60分間静置した後、上澄み液を採取する。この上澄み液から遠心分離により固体として採取された部分が「親水性固相成分」である。さらに、親水性固相成分におけるラマンスペクトルは、以下のように波形分離されて使用される。レーザラマン分光光度計(励起光:アルゴンイオンレーザ;波長514.5nm)を用いて得られたラマンスペクトルについて、解析ソフト(spectra manager)のフィッティング解析ソフトを用いて、
成分a:ピーク;1180cm−1付近
成分b:ピーク;1350cm−1付近:Dバンド
成分c:ピーク;1510cm−1付近
成分d:ピーク;1590cm−1付近:Gバンド
成分e:ピーク;1610cm−1付近
成分f:ピーク;2700cm−1付近:2Dバンド、
成分g:ピーク;2900cm−1付近:D+Gバンド
の7つの成分について、ガウス/ローレンツ混合関数の波形を用い、各成分の波数と半値幅が以下の範囲内になるように波数と半値幅を変動させて、最小二乗法により波形分離を行う。
成分a:波数1127−1208cm−1、半値幅144−311cm−1
成分b:波数1343−1358cm−1、半値幅101−227cm−1
成分c:波数1489−1545cm−1、半値幅110−206cm−1
成分d:波数1571−1598cm−1、半値幅46−101cm−1
成分e:波数1599−1624cm−1、半値幅31−72cm−1
成分f:波数2680−2730cm−1、半値幅100−280cm−1
成分g:波数2900−2945cm−1、半値幅100−280cm−1
In the present invention, the ratio of the number of pores having a radius of 1.2 nm means the ratio of the number of pores having a radius of 1.2 nm in the pore distribution measurement according to JIS Z8831-2. The “hydrophilic solid phase component” of conductive carbon means a portion collected by the following method. That is, conductive carbon powder having a mass of 1/1000 of pure water is added to 20 to 100 mL of pure water, and the conductive carbon is sufficiently dispersed in pure water by performing ultrasonic irradiation for 10 to 60 minutes. After allowing the dispersion to stand for 10 to 60 minutes, the supernatant is collected. A portion collected as a solid from the supernatant by centrifugation is a “hydrophilic solid phase component”. Further, the Raman spectrum in the hydrophilic solid phase component is used after being waveform-separated as follows. For Raman spectra obtained using a laser Raman spectrophotometer (excitation light: argon ion laser; wavelength 514.5 nm), using fitting analysis software of analysis software (spectra manager),
Component a: peak; 1180 cm -1 vicinity Component b: peak; 1350 cm -1 vicinity: D-band component c: Peak; 1510 cm -1 vicinity component d: Peak; 1590 cm -1 vicinity: G band component e: peak; 1610 cm -1 Near component f: peak; around 2700 cm −1 : 2D band,
Component g: Peak; Near 2900 cm −1 : For the seven components of the D + G band, the wave number and the half value width are varied so that the wave number and the half value width of each component are within the following ranges using the waveform of the Gauss / Lorentz mixed function. Then, waveform separation is performed by the least square method.
Component a: wave number 1127-1208 cm −1 , half width 144-311 cm −1
Component b: Wave number 1343 to 1358 cm −1 , Half width 101 to 227 cm −1
Component c: wave number 1489-1545 cm −1 , full width at half maximum 110-206 cm −1
Component d: Wave number 1571 to 1598 cm −1 , Half width 46 to 101 cm −1
Component e: wave number 1599-1624 cm < -1 >, half value width 31-72 cm < -1 >.
Component f: wave number 2680-2730 cm −1 , full width at half maximum 100-280 cm −1
Component g: wave number 2900-2945 cm −1 , full width at half maximum 100-280 cm −1

波形分離の結果得られた成分d、すなわちGバンドのピーク面積、成分b、すなわちDバンドのピーク面積、及び、成分f、すなわち2Dバンドのピーク面積を用いて、La及びLeqが以下の式に従って算出される。
La=4.4×(Gバンドのピーク面積/Dバンドのピーク面積)
Leq=8.8×(2Dバンドのピーク面積/Dバンドのピーク面積)。
Using the component d obtained as a result of the waveform separation, that is, the peak area of the G band, the component b, that is, the peak area of the D band, and the component f, that is, the peak area of the 2D band, La and Leq are in accordance with the following expressions: Calculated.
La = 4.4 × (G band peak area / D band peak area)
Leq = 8.8 × (2D band peak area / D band peak area).

以下に、LaとLeqとの関係を概念的に示す。(A)はグラフェン面にねじれが存在する結晶子を、(B)はグラフェン面にねじれが存在しない結晶子を示している。Leq/Laの値が1から離れるほど、(A)に示すねじれの部分を有する結晶子が多く含まれていることになる。また、Laの値が大きくなるにつれて、Leq/Laの値も大きくなることもわかっている。
The relationship between La and Leq is conceptually shown below. (A) shows a crystallite having a twist on the graphene surface, and (B) shows a crystallite having no twist on the graphene surface. The farther the value of Leq / La is from 1, the more crystallites having the twisted portion shown in (A). It is also known that the value of Leq / La increases as the value of La increases.

以下に、ラマンスペクトルにおける成分a〜eとその由来及び炭素の結合状態を示す。このうち、1510cm−1付近のバンド、すなわち、成分cは、導電性カーボンの共役二重結合(SP混成)が強く酸化されて形成された炭素単結合(SP混成)に由来するピークであるため、アモルファス成分バンドと言われる。そして、上記波形分離の結果得られた成分cのピーク面積が、アモルファス成分バンドのピーク面積である。980〜1780cm−1の範囲のピーク面積は成分a〜eのピーク面積の合計と一致する。以下、親水性固相成分のラマンスペクトルにおける、1510cm−1付近のアモルファス成分バンドのピーク面積の、980〜1780cm−1の範囲のピーク面積に対する割合を、「アモルファス成分率」と表わす。
Below, the components ae in a Raman spectrum, its origin, and the bonding state of carbon are shown. Among these, a band near 1510 cm −1 , that is, component c is a peak derived from a carbon single bond (SP 3 hybrid) formed by strongly oxidizing a conjugated double bond (SP 2 hybrid) of conductive carbon. It is therefore called an amorphous component band. The peak area of the component c obtained as a result of the waveform separation is the peak area of the amorphous component band. The peak area in the range of 980 to 1780 cm −1 corresponds to the sum of the peak areas of components a to e. Hereinafter, the ratio of the peak area of the amorphous component band near 1510 cm −1 to the peak area in the range of 980 to 1780 cm −1 in the Raman spectrum of the hydrophilic solid phase component is represented as “amorphous component ratio”.

本発明の導電性カーボンにおける親水性固相成分は、リチウムイオン二次電池の電極形成のために従来使用されているケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボンの親水性固相成分に比較して、La及びLeqの値が小さく、Leq/Laの値を尺度として判断されるグラフェン面におけるねじれも少なく、アモルファス成分率が高いという特徴を有する。   The hydrophilic solid phase component in the conductive carbon of the present invention is compared with the hydrophilic solid phase component of conductive carbon such as ketjen black and acetylene black conventionally used for forming electrodes of lithium ion secondary batteries. Thus, the values of La and Leq are small, the twist on the graphene surface judged by using the value of Leq / La is small, and the amorphous component ratio is high.

導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数がカーボン原料における半径1.2nmの細孔の数に対して上述の範囲を満たしており、親水性固相成分のLaとLeqとが上述の範囲を満たしており、親水性固相成分のアモルファス成分率が上述の範囲を満たしていると、導電性カーボンが高い柔軟性を有するようになり、導電性カーボンに圧力が印加されると、カーボンの粒子が変形して糊状に広がるようになる。そのため、正極活物質又は負極活物質と、本発明の導電性カーボンとを、必要に応じてバインダを溶解した溶媒に添加して十分に混練し、得られた混練物をリチウムイオン二次電池の正極又は負極を構成するための集電体上に塗布し、必要に応じて乾燥した後、塗膜に圧延処理を施すと、その圧力により、本発明の導電性カーボンが糊状に広がって活物質粒子が互いに接近し、隣り合う活物質の間に形成される間隙部に本発明の導電性カーボンが押し出させて充填される。その結果、圧延処理後に得られる正極又は負極の単位体積あたりの活物質量が増加し、高い電極密度を有する電極が安定に得られるようになる。導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数がカーボン原料における半径1.2nmの細孔の数に対して上述の範囲より大きく、或いは、La、Leq、及びLeq/Laの値が上述の範囲より大きく、或いは、アモルファス成分率が上述の範囲より小さいと、導電性カーボンの柔軟性が低下する傾向が認められ、したがって圧延処理後に得られる正極又は負極の電極密度が低下する傾向が認められる。導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数がカーボン原料における半径1.2nmの細孔の数に対して上述の範囲より小さく、La、Leq、及びLeq/Laの値が上述の範囲より小さく、アモルファス成分率が上述の範囲より大きい導電性カーボンは製造しにくく、また電極密度向上の効果が飽和する傾向が認められる。   The number of pores having a radius of 1.2 nm in the conductive carbon satisfies the above range with respect to the number of pores having a radius of 1.2 nm in the carbon raw material, and the hydrophilic solid phase components La and Leq are When the range is satisfied and the amorphous component ratio of the hydrophilic solid phase component satisfies the above range, the conductive carbon has high flexibility, and when pressure is applied to the conductive carbon, the carbon The particles become deformed and spread like a paste. Therefore, the positive electrode active material or the negative electrode active material and the conductive carbon of the present invention are added to a solvent in which a binder is dissolved as necessary and kneaded sufficiently, and the obtained kneaded product is used for a lithium ion secondary battery. After coating on the current collector for constituting the positive electrode or the negative electrode and drying as necessary, when the coating film is subjected to a rolling treatment, the conductive carbon of the present invention spreads in the form of a paste due to the pressure. The material particles approach each other, and the conductive carbon of the present invention is extruded and filled in the gap formed between the adjacent active materials. As a result, the amount of the active material per unit volume of the positive electrode or negative electrode obtained after the rolling treatment increases, and an electrode having a high electrode density can be stably obtained. The number of pores having a radius of 1.2 nm in the conductive carbon is larger than the above range with respect to the number of pores having a radius of 1.2 nm in the carbon raw material, or the values of La, Leq, and Leq / La are as described above. If the ratio is larger than the range or the amorphous component ratio is smaller than the above range, the flexibility of the conductive carbon is observed to be reduced, and thus the electrode density of the positive electrode or the negative electrode obtained after the rolling process is observed to be reduced. . The number of pores having a radius of 1.2 nm in the conductive carbon is smaller than the above range with respect to the number of pores having a radius of 1.2 nm in the carbon raw material, and the values of La, Leq, and Leq / La are more than the above range. It is recognized that a conductive carbon that is small and has an amorphous component ratio larger than the above range is difficult to produce, and the effect of improving the electrode density tends to be saturated.

本発明の導電性カーボンは、空隙を有するカーボン原料を酸化処理することにより製造することができる。この酸化処理によって、カーボン原料の破砕や表面官能基の反応等により、カーボン原料の一次粒子内の細孔が潰れ、同時に、導電性カーボンの共役二重結合が酸化されて炭素単結合が生成し、グラフェン面方向の結晶子が特にねじれの部分で切断されて、上記特定範囲のアモルファス成分率を有し且つ上記特定範囲のLa及びLeqを有する親水性固相成分を含む柔軟な導電性カーボンが得られる。中実のカーボン原料を使用する酸化処理によっては、上記特定範囲のアモルファス成分率を有し且つ上記特定範囲のLa及びLeqを有する親水性固相成分を含む導電性カーボンを得ることは困難である。   The conductive carbon of the present invention can be produced by oxidizing a carbon material having voids. By this oxidation treatment, the pores in the primary particles of the carbon raw material are crushed due to the crushing of the carbon raw material and the reaction of the surface functional groups, etc. A flexible conductive carbon having a hydrophilic solid phase component having an amorphous component ratio in the specific range and having La and Leq in the specific range is obtained by cutting the crystallites in the graphene plane direction particularly at a twisted portion. can get. Depending on the oxidation treatment using a solid carbon raw material, it is difficult to obtain conductive carbon having a hydrophilic solid phase component having an amorphous component ratio in the specific range and having La and Leq in the specific range. .

本発明の導電性カーボンは、高い柔軟性を有し、導電性カーボンに圧力が印加されると、カーボンの粒子が変形して糊状に広がる。リチウムイオン二次電池の電極の製造において、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な活物質と本発明の導電性カーボンとを混合した複合材料に圧力を印加すると、その圧力により、本発明の導電性カーボンが糊状に広がって活物質粒子が互いに接近し、隣り合う活物質の間に形成される間隙部に本発明の導電性カーボンが押し出させて充填される。その結果、電極における単位体積あたりの活物質量が増加し、電極密度が増加するため、電池のエネルギー密度の向上がもたらされる。   The conductive carbon of the present invention has high flexibility, and when pressure is applied to the conductive carbon, the carbon particles are deformed and spread in a paste shape. In the production of an electrode of a lithium ion secondary battery, when pressure is applied to a composite material in which an active material capable of reversibly occluding and releasing lithium and the conductive carbon of the present invention is applied, the pressure causes the conductive of the present invention to The conductive carbon spreads in the form of a paste, the active material particles approach each other, and the conductive carbon of the present invention is extruded and filled into the gap formed between the adjacent active materials. As a result, the amount of active material per unit volume in the electrode increases and the electrode density increases, resulting in an improvement in the energy density of the battery.

実施例と比較例の導電性カーボンの細孔分布を比較した図である。It is the figure which compared the pore distribution of the conductive carbon of an Example and a comparative example. 実施例と比較例の導電性カーボンの圧入解析結果を比較した図である。It is the figure which compared the press fit analysis result of the conductive carbon of an Example and a comparative example. 実施例と比較例の導電性カーボンの水溶性部分についての紫外可視スペクトルを比較した図である。It is the figure which compared the ultraviolet visible spectrum about the water-soluble part of the electroconductive carbon of an Example and a comparative example. 実施例と比較例の導電性カーボンの親水性固相成分のラマンスペクトルを比較した図である。It is the figure which compared the Raman spectrum of the hydrophilic solid-phase component of the conductive carbon of an Example and a comparative example. 実施例と比較例の導電性カーボンのSEM写真である。It is a SEM photograph of the conductive carbon of an example and a comparative example. Leqと電極密度の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between Leq and an electrode density. アモルファス成分率と電極密度の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between an amorphous component rate and an electrode density.

本発明の導電性カーボンは、高い柔軟性を有し、導電性カーボンに圧力が印加されると、カーボンの粒子が変形して糊状に広がるが、この性質は、カーボン原料の強い酸化による破砕や表面官能基の反応と、導電性カーボンに含まれる親水性固相成分に主に起因する。カーボン原料の強い酸化の結果得られる導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数が、カーボン原料における半径1.2nmの細孔の数の0.4〜0.6倍に減少する。また、親水性固相成分のラマンスペクトルから算出されたグラフェン面方向のねじれを含まない結晶子サイズLaと、グラフェン面方向のねじれを含む結晶子サイズLeqとは、1.3≦La≦1.5、且つ、1.5≦Leq≦2.3、且つ、1.0≦Leq/La≦1.55の関係を満たし、この親水性固相成分のラマンスペクトから算出されたアモルファス成分率は、13〜19%、好ましくは14〜18%の範囲である。本発明の導電性カーボンにおける親水性固相成分は、リチウムイオン二次電池の電極形成のために従来使用されているケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボンの親水性固相成分に比較して、La及びLeqの値が小さく、Leq/Laの値を尺度として判断されるグラフェン面におけるねじれが少なく、またアモルファス成分率が高いという特徴を有する。   The conductive carbon of the present invention has high flexibility, and when pressure is applied to the conductive carbon, the carbon particles are deformed and spread like a paste. This property is crushed by strong oxidation of the carbon raw material. This is mainly caused by the reaction of the surface functional groups and the hydrophilic solid phase component contained in the conductive carbon. The number of pores having a radius of 1.2 nm in the conductive carbon obtained as a result of strong oxidation of the carbon material is reduced to 0.4 to 0.6 times the number of pores having a radius of 1.2 nm in the carbon material. Further, a crystallite size La not including a twist in the graphene plane direction calculated from a Raman spectrum of the hydrophilic solid phase component and a crystallite size Leq including a twist in the graphene plane direction are 1.3 ≦ La ≦ 1. 5 and 1.5 ≦ Leq ≦ 2.3 and 1.0 ≦ Leq / La ≦ 1.55, and the amorphous component ratio calculated from the Raman spectrum of this hydrophilic solid phase component is It is 13 to 19%, preferably 14 to 18%. The hydrophilic solid phase component in the conductive carbon of the present invention is compared with the hydrophilic solid phase component of conductive carbon such as ketjen black and acetylene black conventionally used for forming electrodes of lithium ion secondary batteries. Thus, the values of La and Leq are small, the twist on the graphene surface judged by using the value of Leq / La is small, and the amorphous component ratio is high.

本発明の導電性カーボンは、空隙を有するカーボン原料に強い酸化処理を施すことにより得られる。上記空隙には、多孔質炭素粉末の孔隙のほか、ケッチェンブラックの内部空孔、カーボンナノファイバやカーボンナノチューブのチューブ内空隙及びチューブ間空隙が含まれる。強い酸化処理の過程で、カーボン原料の破砕や表面官能基の反応等により、導電性カーボンの比表面積が減少し、カーボン原料の一次粒子内の細孔が潰れる。得られる導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数は、カーボン原料における半径1.2nmの細孔の数の0.4〜0.6倍に減少する。また、得られる導電性カーボンの比表面積は、一般に650〜800cm/gの範囲である。なお、比表面積はJIS Z8830に従って測定された値を意味する。さらに、強い酸化処理の過程で、導電性カーボンの共役二重結合が酸化されてアモルファス成分が多く生成し、結晶子の破砕、特にグラフェン面のねじれの部分における破砕が起こり、上述した特定の関係を満たすLa、Leq及びアモルファス成分率を有する親水性固相成分を含む導電性カーボンが得られる。 The conductive carbon of the present invention can be obtained by subjecting a carbon raw material having voids to a strong oxidation treatment. In addition to the pores of the porous carbon powder, the voids include ketchen black internal voids, carbon nanofibers and carbon nanotubes, and intertube voids. In the course of strong oxidation treatment, the specific surface area of the conductive carbon decreases due to the crushing of the carbon raw material or the reaction of the surface functional groups, and the pores in the primary particles of the carbon raw material are crushed. The number of pores having a radius of 1.2 nm in the obtained conductive carbon is reduced to 0.4 to 0.6 times the number of pores having a radius of 1.2 nm in the carbon raw material. Moreover, the specific surface area of the conductive carbon obtained is generally in the range of 650 to 800 cm 2 / g. The specific surface area means a value measured according to JIS Z8830. In addition, during the process of strong oxidation, the conjugated double bonds of conductive carbon are oxidized and a lot of amorphous components are generated, causing crystallite fracture, particularly fracture in the twisted portion of the graphene surface, and the specific relationship described above. Conductive carbon containing a hydrophilic solid phase component having La, Leq and an amorphous component ratio satisfying the above is obtained.

また、カーボン原料に対する強い酸化処理の過程で、ストラクチャが切断される。ストラクチャの高低はDBP吸油量により表わされるが、本発明の導電性カーボンの好ましい形態では、DBP吸油量が100〜200mL/100gの範囲である。なお、DBP吸油量はJIS K 6217−4に従って測定された値である。   Further, the structure is cut in the course of strong oxidation treatment for the carbon raw material. The height of the structure is represented by the DBP oil absorption, but in the preferred form of the conductive carbon of the present invention, the DBP oil absorption is in the range of 100 to 200 mL / 100 g. The DBP oil absorption is a value measured according to JIS K 6217-4.

本発明の導電性カーボンは、
(a1)空隙を有するカーボン原料を酸で処理する工程、
(b1)酸処理後の生成物と遷移金属化合物とを混合する工程、
(c1)得られた混合物を粉砕し、メカノケミカル反応を生じさせる工程、
(d1)メカノケミカル反応後の生成物を非酸化雰囲気中で加熱する工程、及び、
(e1)加熱後の生成物から、前記遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を除去する工程
を含む第1の製造方法によって、好適に得ることができる。
The conductive carbon of the present invention is
(A1) a step of treating the carbon material having voids with an acid,
(B1) a step of mixing the product after the acid treatment and the transition metal compound,
(C1) pulverizing the obtained mixture to cause a mechanochemical reaction;
(D1) a step of heating the product after the mechanochemical reaction in a non-oxidizing atmosphere, and
(E1) It can obtain suitably by the 1st manufacturing method including the process of removing the said transition metal compound and / or its reaction product from the product after a heating.

第1の製造方法では、カーボン原料として、多孔質炭素粉末、ケッチェンブラック、カーノンナノファイバ及びカーボンナノチューブのような空隙を有するカーボンが使用される。このようなカーボン原料としては、ケッチェンブラックが好ましい。中実のカーボンを原料として使用し、第1の製造方法と同様の処理を行っても、本発明の導電性カーボンを得ることは困難である。   In the first production method, carbon having voids such as porous carbon powder, ketjen black, carnon nanofiber, and carbon nanotube is used as the carbon raw material. As such a carbon raw material, ketjen black is preferable. Even when solid carbon is used as a raw material and the same treatment as in the first production method is performed, it is difficult to obtain the conductive carbon of the present invention.

(a1)工程では、上記カーボン原料を酸に浸漬して放置する。酸としては、硝酸、硝酸硫酸混合物、次亜塩素酸水溶液等のカーボンの酸化処理に通常使用される酸を使用することができる。浸漬時間は酸の濃度や処理されるカーボン原料の量などに依存するが、一般に5分〜1時間の範囲である。酸処理後のカーボンを十分に水洗し、乾燥した後、(b1)工程において遷移金属化合物と混合する。   In the step (a1), the carbon raw material is immersed in an acid and left standing. As the acid, it is possible to use acids usually used for the oxidation treatment of carbon, such as nitric acid, a nitric acid-sulfuric acid mixture, and a hypochlorous acid aqueous solution. The immersion time depends on the acid concentration and the amount of the carbon raw material to be treated, but is generally in the range of 5 minutes to 1 hour. The acid-treated carbon is sufficiently washed with water and dried, and then mixed with the transition metal compound in the step (b1).

(b1)工程においてカーボン原料に添加される遷移金属化合物としては、遷移金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。これらの化合物は、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。異なる遷移金属を含む化合物を所定量で混合して使用しても良い。また、反応に悪影響を与えない限り、遷移金属化合物以外の化合物、例えば、アルカリ金属化合物が共に添加されていても良い。本発明の導電性カーボンは、リチウムイオン二次電池の電極の製造において、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な活物質と混合されて使用されることから、活物質を構成する元素の化合物をカーボン原料に添加すると、活物質に対して不純物となりうる元素の混入を防止することができるため好ましい。   The transition metal compound added to the carbon raw material in the step (b1) includes transition metal halides, nitrates, sulfates, carbonates and other inorganic metal salts, formate salts, acetate salts, oxalate salts, methoxides, ethoxides, isoforms. An organic metal salt such as propoxide or a mixture thereof can be used. These compounds may be used alone or in combination of two or more. You may mix and use the compound containing a different transition metal by predetermined amount. Moreover, as long as the reaction is not adversely affected, a compound other than the transition metal compound, for example, an alkali metal compound may be added together. Since the conductive carbon of the present invention is used in the production of an electrode of a lithium ion secondary battery by being mixed with an active material capable of reversibly occluding and releasing lithium, a compound of an element constituting the active material is used. Addition to the carbon raw material is preferable because it can prevent an element that can be an impurity from being mixed into the active material.

(c1)工程では、(b1)工程で得られた混合物を粉砕し、メカノケミカル反応を生じさせる。この反応のための粉砕機の例としては、ライカイ器、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ローラミル、攪拌ミル、遊星ミル、振動ミル、ハイブリダイザー、メカノケミカル複合化装置及びジェットミルを挙げることができる。粉砕時間は、使用する粉砕機や処理されるカーボンの量などに依存し、厳密な制限が無いが、一般には5分〜3時間の範囲である。(d1)工程は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などの非酸化雰囲気中で行われる。加熱温度及び加熱時間は使用される遷移金属化合物に応じて適宜選択される。続く(e1)工程において、加熱後の生成物から遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を酸で溶解する等の手段により除去した後、十分に洗浄し、乾燥することにより、本発明の導電性カーボンを得ることができる。   In step (c1), the mixture obtained in step (b1) is pulverized to cause a mechanochemical reaction. Examples of a pulverizer for this reaction include a lyker, ball mill, bead mill, rod mill, roller mill, stirring mill, planetary mill, vibration mill, hybridizer, mechanochemical compounding apparatus, and jet mill. The pulverization time depends on the pulverizer to be used, the amount of carbon to be treated, and the like, and is not strictly limited, but is generally in the range of 5 minutes to 3 hours. The step (d1) is performed in a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. The heating temperature and the heating time are appropriately selected according to the transition metal compound used. In the subsequent step (e1), the transition metal compound and / or the reaction product thereof is removed from the heated product by means such as dissolution with an acid, and then thoroughly washed and dried, whereby the conductive material of the present invention is obtained. Sex carbon can be obtained.

第1の製造方法では、(c1)工程において、遷移金属化合物がメカノケミカル反応によりカーボン原料の酸化を促進するように作用し、カーボン原料の酸化が迅速に進む。この酸化によって、カーボン原料の破砕や表面官能基の反応等により、カーボン原料の一次粒子内の細孔が潰れ、同時に、導電性カーボンの共役二重結合が酸化されてアモルファス成分が多く生成し、グラフェン面方向の結晶子が特にねじれの部分で切断されて、柔軟な導電性カーボンが得られる。   In the first production method, in the step (c1), the transition metal compound acts so as to promote the oxidation of the carbon raw material by a mechanochemical reaction, and the oxidation of the carbon raw material proceeds rapidly. By this oxidation, the pores in the primary particles of the carbon raw material are crushed due to the crushing of the carbon raw material and the reaction of the surface functional groups, etc., and at the same time, the conjugated double bonds of the conductive carbon are oxidized to produce a lot of amorphous components, The crystallites in the direction of the graphene plane are cut particularly at the twisted portions, and flexible conductive carbon is obtained.

本発明の導電性カーボンはまた、
(a2)空隙を有するカーボン原料と遷移金属化合物とを混合する工程、
(b2)得られた混合物を酸化雰囲気中で加熱する工程、及び、
(c2)加熱後の生成物から、前記遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を除去する工程
を含む第2の製造方法により、好適に得ることができる。
The conductive carbon of the present invention also has
(A2) a step of mixing a carbon raw material having voids and a transition metal compound,
(B2) heating the resulting mixture in an oxidizing atmosphere; and
(C2) It can obtain suitably by the 2nd manufacturing method including the process of removing the said transition metal compound and / or its reaction product from the product after a heating.

第2の製造方法でも、カーボン原料として、多孔質炭素粉末、ケッチェンブラック、カーノンナノファイバ及びカーボンナノチューブのような空隙を有するカーボンが使用される。このようなカーボン原料としては、ケッチェンブラックが好ましい。中実のカーボンを原料として使用し、第2の製造方法と同様の処理を行っても、本発明の導電性カーボンを得ることは困難である。   Also in the second manufacturing method, carbon having voids such as porous carbon powder, ketjen black, carnon nanofiber, and carbon nanotube is used as the carbon raw material. As such a carbon raw material, ketjen black is preferable. Even when solid carbon is used as a raw material and the same treatment as in the second production method is performed, it is difficult to obtain the conductive carbon of the present invention.

(a2)工程においてカーボン原料に添加される遷移金属化合物としては、遷移金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。これらの化合物は、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。異なる金属を含む化合物を所定量で混合して使用しても良い。また、反応に悪影響を与えない限り、遷移金属化合物以外の化合物、例えば、アルカリ金属化合物が共に添加されていても良い。この導電性カーボンは、リチウムイオン二次電池の電極の製造において活物質と混合されて使用されることから、活物質を構成する元素の化合物をカーボン原料に添加すると、活物質に対して不純物となりうる元素の混入を防止することができるため好ましい。   Examples of the transition metal compound added to the carbon raw material in the step (a2) include transition metal halides, nitrates, sulfates, carbonates, and other inorganic metal salts, formate salts, acetate salts, oxalate salts, methoxides, ethoxides, isoforms. An organic metal salt such as propoxide or a mixture thereof can be used. These compounds may be used alone or in combination of two or more. You may mix and use the compound containing a different metal by predetermined amount. Moreover, as long as the reaction is not adversely affected, a compound other than the transition metal compound, for example, an alkali metal compound may be added together. Since this conductive carbon is used mixed with an active material in the manufacture of an electrode of a lithium ion secondary battery, when an elemental compound constituting the active material is added to the carbon raw material, it becomes an impurity with respect to the active material. This is preferable because it is possible to prevent mixing of possible elements.

(b2)工程は、酸素含有雰囲気、例えば空気中で行われ、カーボンが消失しない温度、好ましくは200〜350℃の温度で行われる。続く(c2)工程において、加熱後の生成物から遷移金属化合物及び/又はその反応生成物を酸で溶解する等の手段により除去した後、十分に洗浄し、乾燥することにより、本発明の導電性カーボンを得ることができる。   The step (b2) is performed in an oxygen-containing atmosphere, for example, air, and is performed at a temperature at which carbon does not disappear, preferably at a temperature of 200 to 350 ° C. In the subsequent step (c2), the transition metal compound and / or the reaction product thereof is removed from the heated product by means such as dissolution with an acid, and then thoroughly washed and dried, whereby the conductive material of the present invention is obtained. Sex carbon can be obtained.

第2の製造方法では、遷移金属化合物が、酸化雰囲気中での加熱工程において、カーボン原料を酸化する触媒として作用し、カーボン原料の酸化が迅速に進む。この酸化によって、カーボン原料の破砕や表面官能基の反応等により、カーボン原料の一次粒子内の細孔が潰れ、同時に、導電性カーボンの共役二重結合が酸化されてアモルファス成分が多く生成し、グラフェン面方向の結晶子が特にねじれの部分で切断されて、柔軟な導電性カーボンが得られる。   In the second production method, the transition metal compound acts as a catalyst for oxidizing the carbon raw material in the heating step in the oxidizing atmosphere, and the oxidation of the carbon raw material proceeds rapidly. By this oxidation, the pores in the primary particles of the carbon raw material are crushed due to the crushing of the carbon raw material and the reaction of the surface functional groups, etc., and at the same time, the conjugated double bonds of the conductive carbon are oxidized to produce a lot of amorphous components, The crystallites in the direction of the graphene plane are cut particularly at the twisted portions, and flexible conductive carbon is obtained.

本発明の導電性カーボンは、空隙を有するカーボン原料に強い酸化処理を施すことにより得られ、第1の製造方法、第2の製造方法以外の方法でカーボン原料の酸化を促進することも可能である。   The conductive carbon of the present invention is obtained by subjecting a carbon raw material having voids to a strong oxidation treatment, and it is also possible to promote the oxidation of the carbon raw material by a method other than the first manufacturing method and the second manufacturing method. is there.

本発明の導電性カーボンは、リチウムイオン二次電池の正極活物質又は負極活物質として動作可能な活物質粒子との複合材料の形態で、この電池の電極を製造するために使用される。一般的には、正極活物質又は負極活物質と、本発明の導電性カーボンとを、必要に応じてバインダを溶解した溶媒に添加して十分に混練し、得られた混練物をリチウムイオン二次電池の正極又は負極を構成するための集電体上に塗布し、必要に応じて乾燥した後、塗膜に圧延処理を施すことにより電極が製造される。   The conductive carbon of the present invention is used for producing an electrode of this battery in the form of a composite material with active material particles operable as a positive electrode active material or a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery. In general, the positive electrode active material or the negative electrode active material and the conductive carbon of the present invention are added to a solvent in which a binder is dissolved as necessary and sufficiently kneaded. After apply | coating on the electrical power collector for comprising the positive electrode or negative electrode of a secondary battery, and drying as needed, an electrode is manufactured by performing a rolling process to a coating film.

正極活物質及び負極活物質としては、従来のリチウムイオン二次電池において使用されている活物質が特に限定なく使用される。活物質は、単独の化合物であっても良く、2種以上の化合物の混合物であっても良い。   As a positive electrode active material and a negative electrode active material, the active material currently used in the conventional lithium ion secondary battery is used without limitation. The active material may be a single compound or a mixture of two or more compounds.

正極活物質の例としては、まず、層状岩塩型LiMO、層状LiMnO−LiMO固溶体、及びスピネル型LiM(式中のMは、Mn、Fe、Co、Ni又はこれらの組み合わせを意味する)が挙げられる。これらの具体的な例としては、LiCoO、LiNiO、LiNi4/5Co1/5、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNi1/2Mn1/2、LiFeO、LiMnO、LiMnO−LiCoO2、LiMnO−LiNiO、LiMnO−LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiMnO−LiNi1/2Mn1/2、LiMnO−LiNi1/2Mn1/2−LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiMn、LiMn3/2Ni1/2が挙げられる。 Examples of positive electrode active materials include layered rock salt type LiMO 2 , layered Li 2 MnO 3 —LiMO 2 solid solution, and spinel type LiM 2 O 4 (wherein M is Mn, Fe, Co, Ni, or these Meaning a combination). Specific examples of these include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 4/5 Co 1/5 O 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , LiFeO 2 , LiMnO 2 , Li 2 MnO 3 —LiCoO 2, Li 2 MnO 3 —LiNiO 2 , Li 2 MnO 3 —LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li 2 MnO 3 —LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , Li 2 MnO 3 —LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 —LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , LiMn 3/2 Ni 1/2 O 4 may be mentioned.

正極活物質の例としてはまた、イオウ及びLiS、TiS、MoS、FeS、VS、Cr1/21/2などの硫化物、NbSe、VSe、NbSeなどのセレン化物、Cr、Cr、VO、V、V、V13などの酸化物の他、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiVOPO、LiV、LiV、MoV、LiFeSiO、LiMnSiO、LiFePO、LiFe1/2Mn1/2PO、LiMnPO、Li(POなどの複合酸化物が挙げられる。 Examples of positive electrode active materials also include sulfur and sulfides such as Li 2 S, TiS 2 , MoS 2 , FeS 2 , VS 2 , Cr 1/2 V 1/2 S 2 , NbSe 3 , VSe 2 , NbSe 3. In addition to selenides such as Cr 2 O 5 , Cr 3 O 8 , VO 2 , V 3 O 8 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0. 05 O 2 , LiVOPO 4 , LiV 3 O 5 , LiV 3 O 8 , MoV 2 O 8 , Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , LiFePO 4 , LiFe 1/2 Mn 1/2 PO 4 , LiMnPO 4 , Li A composite oxide such as 3 V 2 (PO 4 ) 3 can be given.

負極活物質の例としては、Fe、MnO、MnO、Mn、Mn、CoO、Co、NiO、Ni、TiO、TiO、SnO、SnO、SiO、RuO、WO、WO、ZnO等の酸化物、Sn、Si、Al、Zn等の金属、LiVO、LiVO、LiTi12などの複合酸化物、Li2.6Co0.4N、Ge、Zn、CuNなどの窒化物が挙げられる。 Examples of the negative electrode active material include Fe 2 O 3 , MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , CoO, Co 3 O 4 , NiO, Ni 2 O 3 , TiO, TiO 2 , SnO, SnO 2 , oxides such as SiO 2 , RuO 2 , WO, WO 2 , ZnO, metals such as Sn, Si, Al, Zn, composite oxides such as LiVO 2 , Li 3 VO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Examples thereof include nitrides such as Li 2.6 Co 0.4 N, Ge 3 N 4 , Zn 3 N 2 , and Cu 3 N.

集電体としては、白金、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、鋼、カーボンなどの導電材料を使用することができる。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状などの任意の形状を採用することができる。   As the current collector, a conductive material such as platinum, gold, nickel, aluminum, titanium, steel, or carbon can be used. As the shape of the current collector, any shape such as a film shape, a foil shape, a plate shape, a net shape, an expanded metal shape, and a cylindrical shape can be adopted.

バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロースなどの公知のバインダが使用される。バインダの含有量は、混合材料の総量に対して1〜30質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の強度が十分でなく、30質量%以上であると、負極の放電容量が低下する、内部抵抗が過大になるなどの不都合が生じる。   As the binder, known binders such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl fluoride, and carboxymethyl cellulose are used. The content of the binder is preferably 1 to 30% by mass with respect to the total amount of the mixed material. If it is 1% by mass or less, the strength of the active material layer is not sufficient, and if it is 30% by mass or more, disadvantages such as a decrease in the discharge capacity of the negative electrode and an excessive internal resistance occur.

活物質の粒子は、1μm以上、好ましくは5μm以上の粒径を有する粗大粒子と、隣り合う粗大粒子により形成される間隙部に進入可能な大きさ、好ましくは粗大粒子の1/5以下、特に好ましくは1/10以下の粒径を有する微小粒子と、を含むのが好ましい。活物質粒子の粒径はSEM写真により確認することができる。微小粒子の表面を本発明の導電性カーボンが被覆し、圧延処理後に、微小粒子が本発明の導電性カーボンと共に隣り合う粗大粒子により形成される間隙部に密に充填され、電極における単位体積あたりの活物質量が増加するため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度がさらに向上する。   The particles of the active material have a size capable of entering a gap formed by coarse particles having a particle size of 1 μm or more, preferably 5 μm or more and adjacent coarse particles, preferably 1/5 or less of the coarse particles, particularly Preferably, it contains fine particles having a particle size of 1/10 or less. The particle size of the active material particles can be confirmed by SEM photographs. The surface of the fine particles is coated with the conductive carbon of the present invention, and after the rolling process, the fine particles are closely packed in the gap formed by the adjacent coarse particles together with the conductive carbon of the present invention, Therefore, the energy density of the lithium ion secondary battery is further improved.

また、本発明の導電性カーボンは、従来のリチウムイオン二次電池の電極のために使用されているアセチレンブラック、カーボンナノファイバ等の導電性カーボンと併用されても良い。従来の導電性カーボンの表面を本発明の導電性カーボンが被覆し、圧延処理後に、従来の導電性カーボンが本発明の導電性カーボンと共に隣り合う粗大粒子により形成される間隙部に密に充填され、電極材料全体の導電性が向上するため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度がさらに向上する。   In addition, the conductive carbon of the present invention may be used in combination with conductive carbon such as acetylene black and carbon nanofibers used for electrodes of conventional lithium ion secondary batteries. The surface of the conventional conductive carbon is covered with the conductive carbon of the present invention, and after the rolling process, the conventional conductive carbon is closely packed in the gap formed by the adjacent coarse particles together with the conductive carbon of the present invention. Since the conductivity of the entire electrode material is improved, the energy density of the lithium ion secondary battery is further improved.

本発明を以下の実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。   The present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(1)Leq、アモルファス成分率及び微小細孔減少率の影響/第1の製造方法
実施例1
60%硝酸300mLにケッチェンブラック(商品名ECP600JP、ケッチェンブラックインターナショナル社製)10gを添加し、得られた液に超音波を10分間照射した後、ろ過してケッチェンブラックを回収した。回収したケッチェンブラックを3回水洗し、乾燥することにより、酸処理ケッチェンブラックを得た。この酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CHCOO)1.98gと、Li(CHCOO)0.77gと、C・HO1.10gと、CHCOOH1.32gと、HPO1.31gと、蒸留水120mLとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、20hzで10分間の粉砕を行なった。粉砕後の粉体を、窒素中700℃で3分間加熱し、ケッチェンブラックにLiFePOが担持された複合体を得た。
(1) Effect of Leq, Amorphous Component Ratio, and Micropore Reduction Rate / First Manufacturing Method Example 1
10 g of Ketjen black (trade name ECP600JP, manufactured by Ketjen Black International) was added to 300 mL of 60% nitric acid, and the resulting liquid was irradiated with ultrasonic waves for 10 minutes and then filtered to collect Ketjen black. The recovered ketjen black was washed with water three times and dried to obtain an acid-treated ketjen black. 0.5 g of this acid-treated ketjen black, 1.98 g of Fe (CH 3 COO) 2 , 0.77 g of Li (CH 3 COO), 1.10 g of C 6 H 8 O 7 .H 2 O, and CH 3 1.32 g of COOH, 1.31 g of H 3 PO 4 and 120 mL of distilled water were mixed, and the resulting mixture was stirred with a stirrer for 1 hour and then evaporated to dryness at 100 ° C. in air to collect the mixture. . Next, the obtained mixture was introduced into a vibrating ball mill apparatus and pulverized at 20 hz for 10 minutes. The pulverized powder was heated in nitrogen at 700 ° C. for 3 minutes to obtain a composite in which LiFePO 4 was supported on ketjen black.

濃度30%の塩酸水溶液100mLに、得られた複合体1gを添加し、得られた液に超音波を15分間照射させながら複合体中のLiFePOを溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。乾燥後の固体の一部を、TG分析により空気中900℃まで加熱し、重量損失を測定した。重量損失が100%、すなわちLiFePOが残留していないことが確認できるまで、上述の塩酸水溶液によるLiFePOの溶解、ろ過、水洗及び乾燥の工程を繰り返し、LiFePOフリーの導電性カーボンを得た。 1 g of the obtained complex is added to 100 mL of 30% hydrochloric acid aqueous solution, and the resulting liquid is dissolved in LiFePO 4 while irradiating ultrasonic waves for 15 minutes, and the remaining solid is filtered and washed with water. And dried. A part of the solid after drying was heated to 900 ° C. in air by TG analysis, and the weight loss was measured. Until the weight loss was 100%, that is, it was confirmed that LiFePO 4 did not remain, the steps of dissolving, filtering, washing and drying LiFePO 4 with the hydrochloric acid aqueous solution were repeated to obtain LiFePO 4 -free conductive carbon. .

次いで、使用したケッチェンブラックと得られた導電性カーボンについて、比表面積及び細孔分布を測定し、半径1.2nmの細孔の数の比を算出した。得られた導電性カーボンの40mgを純水40mLに添加し、30分間超音波照射を行ってカーボンを純水に分散させた。上澄み液を採取し、この上澄み液を遠心分離し、固相部分を採取し、乾燥して親水性固相成分を得た。得られた親水性固相成分について、顕微ラマン測定装置(励起光:アルゴンイオンレーザ;波長514.5nm)を用いてラマンスペクトルを測定した。得られたラマンスペクトルから、グラフェン面方向のねじれを含まない結晶子サイズLa、グラフェン面方向のねじれを含む結晶子サイズLeq、及びLeq/La、さらにはアモルファス成分率を算出した。   Subsequently, the specific surface area and pore distribution were measured for the used ketjen black and the obtained conductive carbon, and the ratio of the number of pores having a radius of 1.2 nm was calculated. 40 mg of the obtained conductive carbon was added to 40 mL of pure water, and ultrasonic irradiation was performed for 30 minutes to disperse the carbon in pure water. The supernatant was collected, the supernatant was centrifuged, the solid phase portion was collected, and dried to obtain a hydrophilic solid phase component. About the obtained hydrophilic solid-phase component, the Raman spectrum was measured using the micro Raman measuring apparatus (Excitation light: Argon ion laser; Wavelength 514.5nm). From the obtained Raman spectrum, a crystallite size La not including a twist in the graphene plane direction, a crystallite size Leq including a twist in the graphene plane direction, Leq / La, and an amorphous component ratio were calculated.

Fe(CHCOO)と、Li(CHCOO)と、C・HOと、CHCOOHとHPOとを蒸留水に導入し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、空気中100℃で蒸発乾固させた後、窒素中700℃で3分間加熱することにより、一次粒子径100nmのLiFePOの微小粒子を得た。次いで、市販のLiFePO(一次粒子径0.5〜1μm、二次粒子径2〜3μm)と、得られた微小粒子と、上記導電性カーボンとを90:9:1の割合で混合し、さらに全体の5質量%のポリフッ化ビニリデンと適量のN−メチルピロリドンを加えて十分に混錬してスラリーを形成し、このスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、リチウムイオン二次電池の正極を得た。アルミニウム箔上の電極材料の体積と重量の実測値から電極密度を算出した。 Fe (CH 3 COO) 2 , Li (CH 3 COO), C 6 H 8 O 7 .H 2 O, CH 3 COOH and H 3 PO 4 are introduced into distilled water, and the resulting mixed solution Was stirred for 1 hour with a stirrer, evaporated to dryness at 100 ° C. in air, and then heated at 700 ° C. for 3 minutes in nitrogen to obtain LiFePO 4 microparticles with a primary particle size of 100 nm. Next, commercially available LiFePO 4 (primary particle diameter 0.5 to 1 μm, secondary particle diameter 2 to 3 μm), the obtained fine particles, and the conductive carbon are mixed in a ratio of 90: 9: 1, Furthermore, 5% by mass of the total polyvinylidene fluoride and an appropriate amount of N-methylpyrrolidone were added and kneaded sufficiently to form a slurry. The slurry was applied onto an aluminum foil, dried, and then subjected to a rolling treatment. The positive electrode of the lithium ion secondary battery was obtained. The electrode density was calculated from the measured values of the volume and weight of the electrode material on the aluminum foil.

実施例2
実施例1における手順のうち、酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CHCOO)1.98gと、Li(CHCOO)0.77gと、C・HO1.10gと、CHCOOH1.32gと、HPO1.31gと、蒸留水120mLとを混合する部分を、酸処理ケッチェンブラック1.8gと、Fe(CHCOO)1.98gと、Li(CHCOO)0.77gと、C・HO1.10gと、CHCOOH1.32g、とHPO1.31gと、蒸留水250mLとを混合する手順に変更した点を除いて、実施例1の手順を繰り返した。
Example 2
Among the procedures in Example 1, 0.5 g of acid-treated ketjen black, 1.98 g of Fe (CH 3 COO) 2 , 0.77 g of Li (CH 3 COO), and C 6 H 8 O 7 · H 2 A portion where 1.10 g of O, 1.32 g of CH 3 COOH, 1.31 g of H 3 PO 4 and 120 mL of distilled water are mixed, 1.8 g of acid-treated ketjen black, and Fe (CH 3 COO) 2 1. 98 g, Li (CH 3 COO) 0.77 g, C 6 H 8 O 7 · H 2 O 1.10 g, CH 3 COOH 1.32 g, H 3 PO 4 1.31 g, and distilled water 250 mL were mixed. The procedure of Example 1 was repeated except that the procedure was changed.

実施例3
実施例1における手順のうち、酸処理ケッチェンブラック0.5gと、Fe(CHCOO)1.98gと、Li(CHCOO)0.77gと、C・HO1.10gと、CHCOOH1.32gと、HPO1.31gと、蒸留水120mLとを混合する部分を、酸処理ケッチェンブラック1.8gと、Fe(CHCOO)0.5gと、Li(CHCOO)0.19gと、C・HO0.28gと、CHCOOH0.33gと、HPO0.33gと、蒸留水250mLとを混合する手順に変更した点を除いて、実施例1の手順を繰り返した。
Example 3
Among the procedures in Example 1, 0.5 g of acid-treated ketjen black, 1.98 g of Fe (CH 3 COO) 2 , 0.77 g of Li (CH 3 COO), and C 6 H 8 O 7 · H 2 A portion where 1.10 g of O, 1.32 g of CH 3 COOH, 1.31 g of H 3 PO 4 and 120 mL of distilled water are mixed, 1.8 g of acid-treated ketjen black, Fe (CH 3 COO) 2 . 5 g, Li (CH 3 COO) 0.19 g, C 6 H 8 O 7 · H 2 O 0.28 g, CH 3 COOH 0.33 g, H 3 PO 4 0.33 g, and distilled water 250 mL were mixed. The procedure of Example 1 was repeated except that the procedure was changed.

比較例1
実施例1において得られた酸処理ケッチェンブラックを、振動ボールミル装置に導入し、20hzで10分間の粉砕を行なった。粉砕後の粉体を、窒素中700℃で3分間加熱した。次いで、得られた導電性カーボンについて、比表面積及び細孔分布を測定し、半径1.2nmの細孔について、原料として用いたケッチェンブラックにおける細孔の数との比を算出した。得られた導電性カーボンの40mgを純水40mLに添加し、実施例1における手順と同じ手順で、親水性固相成分のLa、Leq、Leq/La、及びアモルファス成分率を算出した。また、得られた導電性カーボンを用いて、実施例1における手順と同じ手順でLiFePO含有正極を作成し、電極密度を算出した。
Comparative Example 1
The acid-treated ketjen black obtained in Example 1 was introduced into a vibrating ball mill apparatus and pulverized at 20 hz for 10 minutes. The pulverized powder was heated in nitrogen at 700 ° C. for 3 minutes. Next, the specific surface area and pore distribution were measured for the obtained conductive carbon, and the ratio of the pores with a radius of 1.2 nm to the number of pores in the ketjen black used as a raw material was calculated. 40 mg of the obtained conductive carbon was added to 40 mL of pure water, and the La, Leq, Leq / La, and amorphous component ratios of the hydrophilic solid phase components were calculated by the same procedure as in Example 1. Furthermore, using the resulting conductive carbon, to create a LiFePO 4 containing cathode in the same procedure as in Example 1, was calculated electrode density.

比較例2
実施例1で用いたケッチェンブラック原料の40mgを純水40mLに添加し、実施例1における手順と同じ手順で、親水性固相成分のLa、Leq、Leq/La、及びアモルファス成分率を算出した。また、このケッチェンブラック原料を用いて、実施例1と同じ手順でLiFePO含有正極を作成し、電極密度を算出した。
Comparative Example 2
40 mg of the ketjen black raw material used in Example 1 was added to 40 mL of pure water, and La, Leq, Leq / La, and amorphous component ratios of hydrophilic solid phase components were calculated in the same procedure as in Example 1. did. Further, using this ketjen black raw material, a LiFePO 4 -containing positive electrode was prepared in the same procedure as in Example 1, and the electrode density was calculated.

表1には、実施例1〜3及び比較例1,2の導電性カーボンについての、得られる導電性カーボンとカーボン原料との半径1.2nmの細孔の数の比、La、Leq、Leq/La、アモルファス成分率及び電極密度の値を、比表面積の値と共にまとめて示す。細孔数の比が0.6より大きく、親水性固相成分のLa、Leqが、1.3≦La≦1.5、且つ、1.5≦Leq≦2.3、且つ、1.0≦Leq/La≦1.55の関係を満たさず、親水性固相成分のアモルファス成分率が13%未満である比較例1,2の導電性カーボンを使用しても、電極密度が上がらず、言い換えると電極材料中の活物質粒子の量を増加させることができないことがわかる。また、表1より、細孔数比の減少と共に、比表面積も大きく減少していることがわかる。
Table 1 shows the ratio of the number of pores having a radius of 1.2 nm between the obtained conductive carbon and the carbon raw material for the conductive carbons of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, La, Leq, Leq. The values of / La, amorphous component ratio, and electrode density are shown together with the value of specific surface area. The ratio of the number of pores is larger than 0.6, and La and Leq of the hydrophilic solid phase component are 1.3 ≦ La ≦ 1.5, 1.5 ≦ Leq ≦ 2.3, and 1.0 Even if the conductive carbon of Comparative Examples 1 and 2 that does not satisfy the relationship of ≦ Leq / La ≦ 1.55 and the amorphous component ratio of the hydrophilic solid phase component is less than 13%, the electrode density does not increase, In other words, it can be seen that the amount of active material particles in the electrode material cannot be increased. Moreover, it can be seen from Table 1 that the specific surface area greatly decreases with the decrease in the pore number ratio.

比較例2の導電性カーボン(ケッチェンブラック原料)と、実施例1で得られた導電性カーボンと、を比較することにより、実施例1におけるカーボン原料酸処理→金属化合物混合→粉砕→窒素中加熱の工程(以下、「強酸化工程」と表わす)の効果を確認することができる。   By comparing the conductive carbon (Ketjen Black raw material) of Comparative Example 2 with the conductive carbon obtained in Example 1, the carbon raw material acid treatment in Example 1 → metal compound mixing → pulverization → in nitrogen The effect of the heating process (hereinafter referred to as “strong oxidation process”) can be confirmed.

図1は、比較例2と実施例1の導電性カーボンについての細孔分布測定結果を示した図である。強酸化工程の結果、A領域に現れる、発達したストラクチャを有するカーボンに認められる約25nm以上の半径を有する細孔がほとんど消失し、B領域に現れる、一次粒子内に認められる約5nm以下の半径を有する細孔の数が大きく減少していることがわかる。したがって、強酸化工程により、ストラクチャが切断され、一次粒子内の細孔が潰れることがわかった。   FIG. 1 is a diagram showing the pore distribution measurement results for the conductive carbon of Comparative Example 2 and Example 1. As a result of the strong oxidation process, pores having a radius of about 25 nm or more observed in the carbon having a developed structure appearing in the A region almost disappear, and a radius of about 5 nm or less recognized in the primary particle appearing in the B region. It can be seen that the number of pores having a large decrease has been found. Therefore, it was found that the strong oxidation process cuts the structure and collapses the pores in the primary particles.

図2は、比較例2と実施例1の導電性カーボンの50μmの凝集体に関する圧入解析結果を示した図である。比較例2の導電性カーボンの測定では、押し込み深さ約10μmの付近で押し込み荷重が急激に増加しており、凝集体のカーボン粒子が変形しにくいことがわかる。これに対し、実施例1の導電性カーボンの測定では、押し込み深さ0〜20μmの範囲で、数回の荷重の上下動を示しながら、押し込み荷重がなだらかに上昇した。押し込み深さ約4〜約9μmに認められる荷重の上下動は、一次粒子間の結合のうちの脆弱部分が切断されたことによる荷重変動に対応し、押し込み深さ約9μm以上の範囲におけるなだらかな荷重の上昇は一次粒子の柔軟な変形に対応していると考えられる。そして、この柔軟な変形が、本発明の導電性カーボンの大きな特徴である。   FIG. 2 is a view showing the press-fitting analysis results for the 50 μm aggregates of conductive carbon of Comparative Example 2 and Example 1. In the measurement of the conductive carbon of Comparative Example 2, it can be seen that the indentation load increases rapidly in the vicinity of the indentation depth of about 10 μm, and the carbon particles of the aggregate are difficult to deform. On the other hand, in the measurement of the conductive carbon in Example 1, the indentation load increased gently while showing the vertical movement of the load several times in the indentation depth range of 0 to 20 μm. The vertical movement of the load observed at the indentation depth of about 4 to about 9 μm corresponds to the load fluctuation due to the fragile portion of the bond between the primary particles being cut, and is gentle in the range of the indentation depth of about 9 μm or more. The increase in load is considered to correspond to the flexible deformation of the primary particles. This flexible deformation is a major characteristic of the conductive carbon of the present invention.

強酸化工程の処理はカーボンの表面官能基の変化を伴い、この表面官能基の変化は導電性カーボンの親水性部分を分析することにより確認することができることから、導電性カーボンの親水性固相成分を採取した残りの部分(上澄み液の液相部分)について、紫外可視スペクトルを測定した。図3に、比較例2と実施例1の導電性カーボンについて、上記液相部分の紫外可視スペクトルを示した。実施例1についてのスペクトルには、比較例2についてのスペクトルには認められない小画分(小サイズのグラフェン)のπ→π遷移が明確に認められ、強酸化工程によりグラフェンが小さなサイズに切断されたことがわかった。 The treatment of the strong oxidation process involves a change in the surface functional group of the carbon, and this change in the surface functional group can be confirmed by analyzing the hydrophilic portion of the conductive carbon. The ultraviolet-visible spectrum was measured for the remaining part from which the components were collected (the liquid phase part of the supernatant). FIG. 3 shows the UV-visible spectrum of the liquid phase portion of the conductive carbon of Comparative Example 2 and Example 1. In the spectrum of Example 1, a π → π * transition of a small fraction (small size graphene) that is not recognized in the spectrum of Comparative Example 2 is clearly recognized, and the graphene is reduced to a small size by the strong oxidation process. I found it cut.

図4は、比較例2と実施例1の導電性カーボンの親水性固相成分の、980〜1780cm−1のラマンスペクトルと、その波形分離結果を示す。実施例1についてのスペクトルでは、比較例2についてのスペクトルと比べて、理想黒鉛に由来する成分dのピーク面積が減少し、アモルファス成分に由来する成分cのピーク面積、及び、表面酸化黒鉛に由来する成分eのピーク面積が増大していることがわかる。このことは、強酸化工程の過程で、カーボン原料のグラフェンの共役二重結合(SP混成)が強く酸化され、炭素単結合(SP混成)部分、すなわちアモルファス成分が多く生成したことを示している。 FIG. 4 shows a Raman spectrum of 980 to 1780 cm −1 of the hydrophilic solid phase component of the conductive carbon of Comparative Example 2 and Example 1, and a waveform separation result thereof. In the spectrum for Example 1, compared with the spectrum for Comparative Example 2, the peak area of the component d derived from the ideal graphite is reduced, the peak area of the component c derived from the amorphous component, and the surface oxidized graphite. It can be seen that the peak area of the component e is increased. This indicates that in the course of the strong oxidation process, the conjugated double bond (SP 2 hybrid) of the graphene carbon raw material was strongly oxidized, and a large amount of carbon single bond (SP 3 hybrid) part, that is, an amorphous component was generated. ing.

図5は、実施例1の導電性カーボン、比較例2の導電性カーボン、及び実施例1の導電性カーボンの親水性固相成分をそれぞれ分散媒に分散し、得られた分散物をアルミニウム箔上に塗布し、乾燥した塗膜を撮影したSEM写真、及び、塗膜に300kNの力の圧延処理を行った後に撮影したSEM写真を示す。比較例2の導電性カーボンの塗膜は、圧延処理の前後で、大きな変化を示さなかった。しかし、実施例1の導電性カーボンの塗膜では、SEM写真より把握されるように、圧延処理により表面の凹凸が顕著に減少し、カーボンが糊状に広がっていた。従って、強酸化処理により、カーボンの性状が大きく変化したことがわかる。実施例1の導電性カーボンの親水性固相成分の塗膜のSEM写真と実施例1の導電性カーボンの塗膜のSEM写真とを比較すると、親水性固相成分の塗膜の表面が圧延処理によりさらに平坦になり、カーボンがさらに糊状に広がっていることがわかる。このことから、実施例1の導電性カーボンにおける糊状に広がる性状は、親水性固相成分に主に起因すると考えられた。   FIG. 5 shows the conductive carbon of Example 1, the conductive carbon of Comparative Example 2, and the hydrophilic solid phase component of the conductive carbon of Example 1, respectively, dispersed in a dispersion medium, and the resulting dispersion is used as an aluminum foil. The SEM photograph which image | photographed the coating film apply | coated and dried on the top, and the SEM photograph image | photographed after performing a rolling process of the force of 300 kN to a coating film are shown. The conductive carbon coating film of Comparative Example 2 showed no significant change before and after the rolling treatment. However, in the conductive carbon coating film of Example 1, the unevenness of the surface was remarkably reduced by the rolling treatment, and the carbon spread in a paste form, as can be seen from the SEM photograph. Therefore, it can be seen that the properties of carbon are greatly changed by the strong oxidation treatment. When the SEM photograph of the coating film of the hydrophilic solid phase component of the conductive carbon of Example 1 is compared with the SEM photograph of the coating film of the conductive carbon of Example 1, the surface of the coating film of the hydrophilic solid phase component is rolled. It can be seen that the treatment is further flattened, and the carbon is further spread in a paste form. From this, it was thought that the property which spreads in the paste-like shape in the conductive carbon of Example 1 mainly originated from the hydrophilic solid phase component.

図6には、実施例1〜3及び比較例1,2の導電性カーボンの親水性固相成分のLeqと電極密度との関係を示した。この図から明らかなように、Leqが2.35nm(比較例1)から2.20nm(実施例3)に減少する過程で、電極密度が顕著に増加している。このことから、グラフェン面方向の結晶子のねじれ部分が所定量以上に破壊されることが、電極密度の増大に大きく寄与していると考えられた。   FIG. 6 shows the relationship between Leq of the hydrophilic solid phase component of the conductive carbon of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 and the electrode density. As is apparent from this figure, the electrode density is remarkably increased in the process in which Leq is decreased from 2.35 nm (Comparative Example 1) to 2.20 nm (Example 3). From this, it was considered that the twisted portion of the crystallites in the graphene surface direction was destroyed to a predetermined amount or more, which greatly contributed to the increase in electrode density.

図7には、実施例1〜3及び比較例1,2の導電性カーボンの親水性固相成分のアモルファス成分率と電極密度との関係を示した。この図から明らかなように、アモルファス成分率が増加するにつれ、電極密度が顕著に増加するものの、アモルファス成分率が13%以上になると、電極密度の増加率が飽和する傾向がある。このことから、アモルファス成分を13%以上にすることにより、高い電極密度を有するリチウムイオン二次電池の電極が再現性良く安定に得られることがわかった。   FIG. 7 shows the relationship between the amorphous component ratio of the hydrophilic solid phase component of the conductive carbon of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 and the electrode density. As is clear from this figure, as the amorphous component rate increases, the electrode density increases remarkably, but when the amorphous component rate becomes 13% or more, the increase rate of the electrode density tends to be saturated. From this, it was found that by making the amorphous component 13% or more, an electrode of a lithium ion secondary battery having a high electrode density can be stably obtained with good reproducibility.

(2)ストラクチャの影響
比較例3
上述したように、強酸化工程ではカーボンのストラクチャが切断される。ストラクチャ低下の影響を調査するため、実施例1の導電性カーボンのDBP吸油量130mL/100gとほとんど同じDBP吸油量を有するものの、親水性固相成分のLeqが本発明の範囲より大きく、アモルファス成分率が本発明の範囲より小さい、市販の導電性カーボン(DBP吸油量=134.3mL/100g)を実施例1の導電性カーボンの代わりに使用し、実施例1における手順と同様にしてLiFePO含有正極を製造し、電極密度を算出した。得られた電極密度は2.4g/cmであった。この結果から、ストラクチャの低下だけでは、電極密度の向上が達成されないことがわかった。
(2) Influence of structure Comparative example 3
As described above, the carbon structure is cut in the strong oxidation process. In order to investigate the influence of structure deterioration, although the DBP oil absorption of the conductive carbon of Example 1 is almost the same as the DBP oil absorption of 130 mL / 100 g, the hydrophilic solid phase component Leq is larger than the range of the present invention, and the amorphous component Commercially available conductive carbon (DBP oil absorption = 134.3 mL / 100 g) having a rate smaller than the range of the present invention was used instead of the conductive carbon of Example 1, and LiFePO 4 was used in the same manner as in Example 1. The containing positive electrode was manufactured and the electrode density was calculated. The obtained electrode density was 2.4 g / cm 3 . From this result, it was found that the improvement of the electrode density cannot be achieved only by the deterioration of the structure.

(3)カーボン原料の影響
比較例4
実施例1でカーボン原料として使用したケッチェンブラックに代えて、中実のアセチレンブラック(一次粒子径40nm)を使用し、実施例1の手順を繰り返した。その結果、強酸化処理によっても親水性固相成分のLeqが本発明の範囲まで低下せず、アモルファス成分率が本発明の範囲まで増大せず、電極密度は2.35g/cmであり、電極密度の向上が達成されなかった。従って、原料として空隙を有するカーボン材料を使用することが重要であることがわかった。
(3) Influence of carbon raw material Comparative Example 4
Instead of ketjen black used as a carbon raw material in Example 1, solid acetylene black (primary particle diameter 40 nm) was used, and the procedure of Example 1 was repeated. As a result, even with strong oxidation treatment, Leq of the hydrophilic solid phase component does not decrease to the range of the present invention, the amorphous component ratio does not increase to the range of the present invention, and the electrode density is 2.35 g / cm 3 . An increase in electrode density was not achieved. Therefore, it was found that it is important to use a carbon material having voids as a raw material.

(4)第2の製造方法
実施例4
ケッチェンブラック(EC300J、ケッチェンブラックインターナショナル社製)0.45gと、Co(CHCOO)・4HOの4.98gと、LiOH・HO1.6gと、蒸留水120mLとを混合し、得られた混合液をスターラーで1時間攪拌した後、ろ過により混合物を採集した。次いで、エバポレーターを用いてLiOH・HO1.5gを混合した後、空気中、250℃で、30分間加熱し、ケッチェンブラックにリチウムコバルト化合物が担持された複合体を得た。濃度98%の濃硫酸、濃度70%の濃硝酸及び濃度30%の塩酸を体積比で1:1:1に混合した水溶液100mLに、得られた複合体1gを添加し、得られた液に超音波を15分間照射させながら複合体中のリチウムコバルト化合物を溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。乾燥後の固体の一部を、TG分析により空気中900℃まで加熱し、重量損失を測定した。重量損失が100%、すなわちリチウムコバルト化合物が残留していないことが確認できるまで、上述の塩酸水溶液によるリチウムコバルト化合物の溶解、ろ過、水洗及び乾燥の工程を繰り返し、リチウムコバルト化合物フリーの導電性カーボンを得た。
(4) Second Manufacturing Method Example 4
Ketchen Black (EC300J, manufactured by Ketjen Black International Co.) and 0.45 g, and Co (CH 3 COO) of 2 · 4H 2 O 4.98g, and LiOH · H 2 O1.6g, and distilled water 120mL mixture The resulting mixture was stirred with a stirrer for 1 hour, and the mixture was collected by filtration. Next, 1.5 g of LiOH.H 2 O was mixed using an evaporator and then heated in air at 250 ° C. for 30 minutes to obtain a composite in which a lithium cobalt compound was supported on ketjen black. 1 g of the resulting complex was added to 100 mL of an aqueous solution in which concentrated sulfuric acid with a concentration of 98%, concentrated nitric acid with a concentration of 70% and hydrochloric acid with a concentration of 30% were mixed at a volume ratio of 1: 1: 1. The lithium cobalt compound in the composite was dissolved while irradiating with ultrasonic waves for 15 minutes, and the remaining solid was filtered, washed with water, and dried. A part of the solid after drying was heated to 900 ° C. in air by TG analysis, and the weight loss was measured. Until the weight loss is 100%, that is, it can be confirmed that the lithium cobalt compound does not remain, the steps of dissolving, filtering, washing and drying the lithium cobalt compound with the hydrochloric acid aqueous solution are repeated, and the lithium cobalt compound-free conductive carbon is obtained. Got.

次いで、使用したケッチェンブラックと得られた導電性カーボンについて、比表面積及び細孔分布を測定し、半径1.2nmの細孔の数の比を算出した。得られた導電性カーボンの40mgを純水40mLに添加し、30分間超音波照射を行ってカーボンを純水に分散させた。上澄み液を採取し、この上澄み液を遠心分離し、固相部分を採取し、乾燥して親水性固相成分を得た。得られた親水性固相成分について、顕微ラマン測定装置(励起光:アルゴンイオンレーザ;波長514.5nm)を用いてラマンスペクトルを測定した。得られたラマンスペクトルから、La、Leq、及びLeq/La、さらにはアモルファス成分率を算出した。得られた導電性カーボンは、実施例1の導電性カーボンと略同一の半径1.2nmの細孔数減少率、La、Leq、及びLeq/La、さらにはアモルファス成分率を示した。   Subsequently, the specific surface area and pore distribution were measured for the used ketjen black and the obtained conductive carbon, and the ratio of the number of pores having a radius of 1.2 nm was calculated. 40 mg of the obtained conductive carbon was added to 40 mL of pure water, and ultrasonic irradiation was performed for 30 minutes to disperse the carbon in pure water. The supernatant was collected, the supernatant was centrifuged, the solid phase portion was collected, and dried to obtain a hydrophilic solid phase component. About the obtained hydrophilic solid-phase component, the Raman spectrum was measured using the micro Raman measuring apparatus (Excitation light: Argon ion laser; Wavelength 514.5nm). From the obtained Raman spectrum, La, Leq, Leq / La, and further the amorphous component ratio were calculated. The obtained conductive carbon exhibited a pore number reduction rate of 1.2 nm in radius, La, Leq, and Leq / La, which were substantially the same as the conductive carbon of Example 1, and an amorphous component rate.

本発明の導電性カーボンの使用により、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が得られる。   By using the conductive carbon of the present invention, a lithium ion secondary battery having a high energy density can be obtained.

Claims (2)

空隙を有するカーボン原料を酸化処理することにより得られる、リチウムイオン二次電池の電極のための導電性カーボンであって、
親水性固相成分を含み、
該親水性固相成分の、ラマンスペクトルから算出された、グラフェン面方向のねじれを含まない結晶子サイズLaと、グラフェン面方向のねじれを含む結晶子サイズLeqとが、
1.3≦La≦1.5、且つ、
1.5≦Leq≦2.3、且つ、
1.0≦Leq/La≦1.55
の関係を満たし、
前記親水性固相成分のラマンスペクトルにおける、1510cm−1付近のアモルファス成分バンドのピーク面積の、980〜1780cm−1の範囲のピーク面積に対する割合が、13〜19%の範囲であり、且つ、
前記導電性カーボンにおける半径1.2nmの細孔の数が、前記カーボン原料における半径1.2nmの細孔の数の0.4〜0.6倍である
ことを特徴とする導電性カーボン。
A conductive carbon for an electrode of a lithium ion secondary battery obtained by oxidizing a carbon raw material having voids,
A hydrophilic solid phase component,
The crystallite size La that does not include a twist in the graphene plane direction, and the crystallite size Leq that includes a twist in the graphene plane direction, calculated from the Raman spectrum of the hydrophilic solid phase component,
1.3 ≦ La ≦ 1.5, and
1.5 ≦ Leq ≦ 2.3, and
1.0 ≦ Leq / La ≦ 1.55
Satisfy the relationship
Wherein in the Raman spectrum of the hydrophilic solid phase component, the peak area of amorphous component band near 1510 cm -1, proportion of peak area in the range of 980~1780Cm -1 is the range of 13 to 19%, and,
The number of pores having a radius of 1.2 nm in the conductive carbon is 0.4 to 0.6 times the number of pores having a radius of 1.2 nm in the carbon raw material.
空隙を有するカーボン原料を酸化処理して製造される、請求項1に記載の導電性カーボン。   The conductive carbon according to claim 1, which is produced by oxidizing a carbon raw material having voids.
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