JP2015179666A - Carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method of manufacturing the same, negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method of manufacturing the same, negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent charge/discharge capacity and also excellent durability to oxidation degradation, and also to provide a method of manufacturing the same, a negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery and the non-aqueous electrolyte secondary battery.SOLUTION: A method of manufacturing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which includes a step for obtaining the carbonaceous material by calcinating a mixture between a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m/g and a volatile organic substance under an inert gas atmosphere of 800 to 1400°C. The carbon precursor is obtained by, for example, decalcifying plant-derived char.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池の負極に適した炭素質材料およびその製造方法、非水電解質二次電池用負極ならびに非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a carbonaceous material suitable for a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium ion secondary battery, a method for producing the same, a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, and a nonaqueous electrolyte secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、携帯電話やノートパソコンのような小型携帯機器に広く用いられている。リチウムイオン二次電池の負極材としては、黒鉛の理論容量372mAh/gを超える量のリチウムのドープ(充電)および脱ドープ(放電)が可能な難黒鉛化性炭素が開発され(例えば特許文献1)、使用されてきた。   Lithium ion secondary batteries are widely used in small portable devices such as mobile phones and laptop computers. As a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, non-graphitizable carbon capable of doping (charging) and dedoping (discharging) lithium in an amount exceeding the theoretical capacity of 372 mAh / g of graphite has been developed (for example, Patent Document 1). ), Have been used.

難黒鉛化性炭素は、例えば石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂、植物を炭素源として得ることができる。これらの炭素源の中でも、植物は栽培することによって持続して安定的に供給可能な原料であり、安価に入手できるため注目されている。また、植物由来の炭素原料を焼成して得られる炭素質材料には、細孔が多く存在するため、良好な充放電容量が期待される(例えば特許文献1、特許文献2)。   The non-graphitizable carbon can be obtained using, for example, petroleum pitch, coal pitch, phenol resin, or plant as a carbon source. Among these carbon sources, plants are attracting attention because they are raw materials that can be continuously and stably supplied by cultivation and can be obtained at low cost. Moreover, since the carbonaceous material obtained by baking a plant-derived carbon raw material has many pores, a favorable charge / discharge capacity is expected (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

一方、近年、環境問題への関心の高まりから、リチウムイオン二次電池の車載用途での開発が進められ、実用化されつつある。   On the other hand, in recent years, due to increasing interest in environmental problems, development of lithium ion secondary batteries for in-vehicle applications has been promoted and is being put to practical use.

特開平9−161801号公報JP-A-9-161801 特開平10−21919号公報JP-A-10-21919

特に車載用途でのリチウムイオン電池に用いられる炭素質材料には、良好な充放電容量とともに、さらに酸化劣化に対する耐性が求められる。   In particular, a carbonaceous material used for a lithium ion battery for in-vehicle use is required to have a good charge / discharge capacity and further resistance to oxidative degradation.

従って、本発明の目的は、良好な充放電容量とともに、酸化劣化に対する良好な耐性を有する、非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)の負極に用いる炭素質材料(非水電解質二次電池用炭素質材料)の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a carbonaceous material (non-aqueous electrolyte secondary) used for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery) that has good charge / discharge capacity and good resistance to oxidative degradation. Another object is to provide a method for producing a carbonaceous material for a secondary battery.

本発明者らは、
比表面積100〜500m/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程、
を具備する、
非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法および本発明の製造方法により得られる非水電解質二次電池用炭素質材料により上記目的を達成できることを見出した。
すなわち、本発明は、以下の好適な態様を包含する。
〔1〕比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程、
を具備する、
非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔2〕前記炭素前駆体が植物由来である、前記〔1〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔3〕前記揮発性有機物は、常温で固体状態であり、残炭率が5重量%未満である、前記〔1〕または〔2〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔4〕広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記非水電解質電池用炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記非水電解質電池用炭素質材料の比表面積が1〜20m/gの範囲にある、前記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔5〕前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m/gの範囲にある、前記〔4〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔6〕前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、前記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔7〕(1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理することを含む気相脱灰工程、
(2)気相脱灰された植物由来のチャーと、800℃で灰化した場合に残炭率が5重量%未満である揮発性有機物とを含む混合物を得る混合工程、および
(3)前記混合物を焼成する工程
を含む、前記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔8〕前記混合物における、前記気相脱灰された植物由来のチャーと前記揮発性有機物との重量比が、97:3〜40:60である、前記〔7〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔9〕前記焼成が、
(a)800〜1600℃の本焼成、または
(b)350℃以上800℃未満の予備焼成、および800〜1600℃での本焼成
である、前記〔7〕または〔8〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔10〕広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記非水電解質電池用炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記非水電解質電池用炭素質材料の比表面積が1〜20m/gの範囲にあり、窒素元素含量が0.5重量%以下、および酸素元素含量が0.25重量%以下である、非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔11〕前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m/gの範囲にある、前記〔10〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔12〕前記非水電解質二次電池用炭素質材料が、比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成したものである、前記〔10〕または〔11〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔13〕前記炭素前駆体が植物由来である、前記〔12〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔14〕前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、前記〔12〕または〔13〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔15〕カリウム元素含量が0.1重量%以下、および鉄元素含量が0.02重量%以下である、前記〔10〕〜〔14〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔16〕ブタノール法により求めた真密度が1.40〜1.70g/cmである、前記〔10〕〜〔15〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔17〕前記〔10〕〜〔16〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。
〔18〕前記〔17〕に記載の非水電解質二次電池用負極を含む非水電解質二次電池。
The inventors have
A step of firing a mixture of a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C. to obtain a carbonaceous material;
Comprising
It has been found that the above object can be achieved by a carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery obtained by the method for producing a carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery and the production method of the present invention.
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] A step of baking a mixture of a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C. to obtain a carbonaceous material,
Comprising
A method for producing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
[2] The method for producing a carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to [1], wherein the carbon precursor is derived from a plant.
[3] The production of the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [1] or [2], wherein the volatile organic substance is in a solid state at room temperature and has a residual carbon ratio of less than 5% by weight. Method.
[4] are calculated using the Bragg equation by wide angle X-ray diffraction method, the average spacing d 002 of (002) plane of the carbonaceous material for the nonaqueous electrolyte battery is in the range of 0.36~0.42nm The nonaqueous electrolyte according to any one of [1] to [3], wherein a specific surface area of the carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte battery determined by a nitrogen adsorption BET three-point method is in the range of 1 to 20 m 2 / g. A method for producing a carbonaceous material for a secondary battery.
[5] The average spacing d 002 of the (002) plane is in the range of 0.38 to 0.40 nm, and the specific surface area is in the range of 1 to 10 m 2 / g. A method for producing a carbonaceous material for a water electrolyte secondary battery.
[6] The volatile organic material is at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly (meth) acrylic acid, poly (meth) acrylic ester, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. The manufacturing method of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries in any one of said [1]-[5].
[7] (1) Gas phase deashing step including heat-treating plant-derived char at 500 ° C. to 940 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound,
(2) a mixing step of obtaining a mixture comprising char derived from gas phase decalcified and a volatile organic substance having a residual carbon ratio of less than 5% by weight when incinerated at 800 ° C., and (3) The manufacturing method of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries in any one of said [1]-[6] including the process of baking a mixture.
[8] The non-aqueous electrolyte 2 according to [7] above, wherein a weight ratio of the vapor-decalcified plant-derived char and the volatile organic substance in the mixture is 97: 3 to 40:60. Manufacturing method of carbonaceous material for secondary battery.
[9] The firing is
The non-aqueous solution according to [7] or [8], which is (a) main baking at 800 to 1600 ° C, or (b) preliminary baking at 350 to less than 800 ° C, and main baking at 800 to 1600 ° C. A method for producing a carbonaceous material for an electrolyte secondary battery.
[10] The average interplanar spacing d 002 of the (002) plane of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte batteries, calculated using the Bragg equation by wide-angle X-ray diffraction, is in the range of 0.36 to 0.42 nm. The specific surface area of the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte battery determined by the nitrogen adsorption BET three-point method is in the range of 1 to 20 m 2 / g, the nitrogen element content is 0.5% by weight or less, and the oxygen element content is 0. A carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery that is 25% by weight or less.
[11] The non-facet according to [10], wherein an average interplanar spacing d 002 of the (002) plane is in a range of 0.38 to 0.40 nm, and the specific surface area is in a range of 1 to 10 m 2 / g. Carbonaceous material for water electrolyte secondary batteries.
[12] The carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is obtained by firing a mixture of a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C. The carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [10] or [11].
[13] The carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to [12], wherein the carbon precursor is derived from a plant.
[14] The volatile organic material is at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly (meth) acrylic acid, poly (meth) acrylic acid ester, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. The carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above [12] or [13].
[15] The carbon for nonaqueous electrolyte secondary batteries according to any one of [10] to [14], wherein the potassium element content is 0.1% by weight or less and the iron element content is 0.02% by weight or less. Quality material.
[16] The carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of [10] to [15], wherein a true density determined by a butanol method is 1.40 to 1.70 g / cm 3 .
[17] A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of [10] to [16].
[18] A non-aqueous electrolyte secondary battery including the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [17].

本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法によれば、良好な充放電容量とともに、酸化劣化に対する良好な耐性を有する非水電解質二次電池用炭素質材料を容易に製造することができる。   According to the method for producing a carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery having a good charge / discharge capacity and a good resistance to oxidative degradation is easily produced. be able to.

以下は本発明の実施形態を例示する説明であって、本発明を以下の実施形態に制限する趣旨ではない。なお、本明細書において、常温とは25℃を指す。   The following is an explanation of an embodiment of the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following embodiment. In addition, in this specification, normal temperature refers to 25 degreeC.

(非水電解質二次電池用炭素質材料)
本実施形態の非水電解質二次電池用炭素質材料は、炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成して得られる。
(Carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary batteries)
The carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is obtained by firing a mixture of a carbon precursor and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C.

炭素前駆体は、炭素質材料を製造する際に炭素成分を供給する炭素質材料の前駆体であり、植物由来の炭素材(以下、「植物由来のチャー」と称することがある)を原料に用いて製造することができる。なお、チャーとは、一般的には、石炭を加熱した際に得られる溶融軟化しない炭素分に富む粉末状の固体を示すが、ここでは有機物を加熱して得られる溶融軟化しない炭素分に富む粉末状の固体も示す。   A carbon precursor is a precursor of a carbonaceous material that supplies a carbon component when producing a carbonaceous material, and uses a plant-derived carbon material (hereinafter sometimes referred to as “plant-derived char”) as a raw material. Can be used. In addition, char generally indicates a powder-like solid rich in carbon that is not melt-softened, which is obtained when coal is heated, but here it is rich in carbon that is not melt-softened obtained by heating organic matter. Also shown is a powdered solid.

植物由来のチャーの原料となる植物(以下、「植物原料」と称することがある)には、特に制限はない。例えば、椰子殻、珈琲豆、茶葉、サトウキビ、果実(例えば、みかん、バナナ)、藁、籾殻、広葉樹、針葉樹、竹を例示できる。この例示は、本来の用途に供した後の廃棄物(例えば、使用済みの茶葉)、あるいは植物原料の一部(例えば、バナナやみかんの皮)を包含する。これらの植物は、単独でまたは2種以上組み合わせて使用することができる。これらの植物の中でも、大量入手が容易な椰子殻が好ましい。   There are no particular restrictions on the plant (hereinafter sometimes referred to as “plant material”) that is the raw material for plant-derived char. For example, coconut husks, coconut beans, tea leaves, sugar cane, fruits (eg, mandarin oranges, bananas), cocoons, rice husks, hardwoods, conifers, and bamboo can be exemplified. Examples of this include waste (for example, used tea leaves) after being used for the original use, or part of plant materials (for example, bananas and tangerine peels). These plants can be used alone or in combination of two or more. Among these plants, coconut shells that are easily available in large quantities are preferred.

椰子殻としては、特に限定されるものではなく、例えばパームヤシ(アブラヤシ)、ココヤシ、サラク、オオミヤシの椰子殻を挙げることができる。これらの椰子殻は、単独または組み合わせて使用することができる。食品、洗剤原料、バイオディーゼル油原料等として利用され、大量に発生するバイオマス廃棄物である、ココヤシおよびパームヤシの椰子殻が特に好ましい。   The coconut shell is not particularly limited, and examples thereof include palm palm (oil palm), coconut palm, salak, and palm palm. These coconut shells can be used alone or in combination. Coconut palm and palm palm coconut shells, which are biomass wastes that are used as foods, detergent raw materials, biodiesel oil raw materials and the like and are generated in large quantities, are particularly preferred.

植物原料からチャーを製造する方法は特に限定されるものではないが、例えば植物原料を、300℃以上の不活性ガス雰囲気下で、熱処理(以下、「仮焼成」と称することがある)することによって製造することができる。   The method for producing char from the plant raw material is not particularly limited. For example, the plant raw material is heat-treated (hereinafter sometimes referred to as “temporary firing”) in an inert gas atmosphere of 300 ° C. or higher. Can be manufactured by.

また、チャー(例えば、椰子殻チャー)の形態で入手することも可能である。   It can also be obtained in the form of char (eg, coconut shell char).

植物由来のチャーから製造された炭素質材料は、多量の活物質をドープ可能であることから、非水電解質二次電池の負極材料として基本的には適している。しかし、植物由来のチャーには、植物に含まれていた金属元素が多く含有されている。例えば、椰子殻チャーでは、カリウムを0.3%程度、鉄元素を0.1%程度含んでいる。このような金属元素を多く含んだ炭素質材料を負極として用いると、非水電解質二次電池の電気化学的な特性や安全性に好ましくない影響を与えることがある。   A carbonaceous material produced from plant-derived char can be doped with a large amount of active material, and thus is basically suitable as a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. However, plant-derived char contains a large amount of metal elements contained in plants. For example, coconut shell char contains about 0.3% potassium and about 0.1% iron element. If a carbonaceous material containing a large amount of such metal elements is used as the negative electrode, it may adversely affect the electrochemical characteristics and safety of the nonaqueous electrolyte secondary battery.

また、植物由来のチャーは、カリウム以外のアルカリ金属(例えば、ナトリウム)、アルカリ土類金属(例えば、マグネシウム、カルシウム)、遷移金属(例えば、鉄、銅)およびその他の金属類も含んでいる。炭素質材料がこれらの金属類を含むと、非水電解質二次電池の負極からの脱ドープ時に不純物が電解液中に溶出し、電池性能に好ましくない影響を与え、安全性を害する可能性がある。   The plant-derived char also contains alkali metals other than potassium (for example, sodium), alkaline earth metals (for example, magnesium, calcium), transition metals (for example, iron, copper) and other metals. If the carbonaceous material contains these metals, impurities may elute into the electrolyte during dedoping from the negative electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery, which may adversely affect battery performance and harm safety. is there.

さらに、本発明者等の検討により、灰分により炭素質材料の細孔が閉塞され、電池の充放電容量に悪影響を及ぼすことがあると確認されている。   Furthermore, it has been confirmed by the inventors that the pores of the carbonaceous material are blocked by ash, which may adversely affect the charge / discharge capacity of the battery.

従って、植物由来のチャーに含まれているこのような灰分(アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、およびその他の元素類)は、炭素質材料を得るために焼成する前に、脱灰処理によって灰分を減少させておくことが望ましい。脱灰方法は特に制限されないが、例えば塩酸、硫酸等の鉱酸、酢酸、蟻酸等の有機酸等を含む酸性水を用いて金属分を抽出脱灰する方法(液相脱灰)、塩化水素などのハロゲン化合物を含有した高温の気相に暴露させて脱灰する方法(気相脱灰)を用いることができる。適用する脱灰方法を限定する趣旨ではないが、以下では、脱灰後に乾燥処理の必要が無い点で好ましい気相脱灰について説明する。なお、脱灰された植物由来のチャーを以下において「植物由来のチャー炭素前駆体」とも称する。   Therefore, such ash (alkali metal, alkaline earth metal, transition metal, and other elements) contained in plant-derived char is deashed before firing to obtain a carbonaceous material. It is desirable to reduce the ash content. The deashing method is not particularly limited. For example, a method (liquid phase deashing) in which a metal component is extracted and deashed using acid water containing a mineral acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid, or an organic acid such as acetic acid or formic acid, hydrogen chloride A method of deashing by exposing to a high temperature gas phase containing a halogen compound such as (gas phase deashing) can be used. Although not intended to limit the deashing method to be applied, gas phase deashing that is preferable in that no drying process is required after deashing will be described below. The decalcified plant-derived char is hereinafter also referred to as “plant-derived char carbon precursor”.

気相脱灰としては、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む気相中で熱処理することが好ましい。ハロゲン化合物は特に制限されないが、例えば、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、臭化ヨウ素、フッ化塩素(ClF)、塩化ヨウ素(ICl)、臭化ヨウ素(IBr)、塩化臭素(BrCl)等を挙げることができる。熱分解によりこれらのハロゲン化合物を発生する化合物、またはこれらの混合物を用いることもできる。供給安定性および使用するハロゲン化合物の安定性の観点から、好ましくは塩化水素である。   As the gas phase decalcification, it is preferable to heat-treat the plant-derived char in a gas phase containing a halogen compound. The halogen compound is not particularly limited. For example, fluorine, chlorine, bromine, iodine, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, iodine bromide, chlorine fluoride (ClF), iodine chloride (ICl), iodine bromide ( IBr), bromine chloride (BrCl) and the like. A compound that generates these halogen compounds by thermal decomposition, or a mixture thereof can also be used. From the viewpoint of supply stability and stability of the halogen compound used, hydrogen chloride is preferred.

気相脱灰は、ハロゲン化合物と不活性ガスとを混合して使用してもよい。不活性ガスは、植物由来のチャーを構成する炭素成分と反応しないガスであれば特に制限されない。例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、またはそれらの混合ガスを挙げることができる。供給安定性および経済性の観点から、好ましくは窒素である。   The vapor phase deashing may be used by mixing a halogen compound and an inert gas. The inert gas is not particularly limited as long as it is a gas that does not react with the carbon component constituting the plant-derived char. For example, nitrogen, helium, argon, krypton, or a mixed gas thereof can be given. From the viewpoint of supply stability and economy, nitrogen is preferred.

気相脱灰において、ハロゲン化合物と不活性ガスとの混合比は、十分な脱灰が達成できる限り、限定されるものではないが、例えば、安全性、経済性および炭素中への残留性の観点から、不活性ガスに対するハロゲン化合物の量は好ましくは0.01〜10.0体積%であり、より好ましくは0.05〜8.0体積%であり、さらに好ましくは0.1〜5.0体積%である。   In the gas phase deashing, the mixing ratio of the halogen compound and the inert gas is not limited as long as sufficient deashing can be achieved. For example, safety, economy, and persistence in carbon From the viewpoint, the amount of the halogen compound with respect to the inert gas is preferably 0.01 to 10.0% by volume, more preferably 0.05 to 8.0% by volume, and still more preferably 0.1 to 5.%. 0% by volume.

気相脱灰の温度は、脱灰の対象物である植物由来のチャーにより変えてよいが、所望の窒素含量および酸素含量を得る観点から、例えば500〜950℃、好ましくは600〜940℃、より好ましくは650〜940℃、さらに好ましくは850〜930℃で実施することができる。脱灰温度が低すぎると、脱灰効率が低下し、十分に脱灰できないことがある。脱灰温度が高くなりすぎると、ハロゲン化合物による賦活が起きることがある。   The temperature of the vapor phase demineralization may be changed depending on the plant-derived char which is the object of demineralization, but from the viewpoint of obtaining a desired nitrogen content and oxygen content, for example, 500 to 950 ° C, preferably 600 to 940 ° C, More preferably, it is 650-940 degreeC, More preferably, it can implement at 850-930 degreeC. When the deashing temperature is too low, the deashing efficiency is lowered and the deashing may not be sufficiently performed. If the deashing temperature is too high, activation by a halogen compound may occur.

気相脱灰の時間は、特に制限されるものではないが、反応設備の経済効率、炭素分の構造保持性の観点から、例えば5〜300分であり、好ましくは10〜200分であり、より好ましくは20〜150分である。   The time for the vapor phase deashing is not particularly limited, but is, for example, 5 to 300 minutes, preferably 10 to 200 minutes, from the viewpoint of the economic efficiency of the reaction equipment and the structure retention of carbon. More preferably, it is 20 to 150 minutes.

本実施形態における気相脱灰は、植物由来のチャーに含まれているカリウム、鉄等を除去するものである。気相脱灰処理後に得られる炭素前駆体に含まれるカリウム含有量は、脱ドープ容量を大きくする観点および非脱ドープ容量を小さくする観点から、0.1重量%以下が好ましく、0.05重量%以下がより好ましく、0.03重量%以下がさらに好ましい。気相脱灰処理後に得られる炭素前駆体に含まれる鉄含有量は、脱ドープ容量を大きくする観点および非脱ドープ容量を小さくする観点から、0.02重量%以下が好ましく、0.015重量%以下がより好ましく、0.01重量%以下がさらに好ましい。炭素前駆体に含まれるカリウムや鉄の含有量が多くなると、得られる炭素質材料を用いた非水電解質二次電池において、脱ドープ容量が小さくなることがある。また、非脱ドープ容量が大きくなることがある。さらに、これらの金属元素が電解液中に溶出し、再析出した際に短絡が生じ、非水電解質二次電池の安全性に大きな問題が生じることがある。気相脱灰後の植物由来のチャー炭素前駆体は、カリウム元素および鉄元素を、実質的に含有しないことが特に好ましい。カリウム元素および鉄元素の含量の測定の詳細は実施例に記載するとおりであり、蛍光X線分析装置(例えば島津製作所製「LAB CENTER XRF−1700」)を用いることができる。   The vapor phase decalcification in this embodiment is to remove potassium, iron and the like contained in plant-derived char. The potassium content contained in the carbon precursor obtained after the vapor phase deashing treatment is preferably 0.1% by weight or less from the viewpoint of increasing the dedoping capacity and decreasing the non-dedoping capacity, and is 0.05% by weight. % Or less is more preferable, and 0.03% by weight or less is more preferable. The iron content contained in the carbon precursor obtained after the vapor phase deashing treatment is preferably 0.02% by weight or less from the viewpoint of increasing the dedoping capacity and decreasing the non-dedoping capacity, and 0.015% by weight. % Or less is more preferable, and 0.01% by weight or less is more preferable. When the content of potassium or iron contained in the carbon precursor is increased, the dedoping capacity may be reduced in the nonaqueous electrolyte secondary battery using the obtained carbonaceous material. Also, the undedoped capacity may increase. Furthermore, a short circuit may occur when these metal elements are eluted and re-deposited in the electrolytic solution, which may cause a serious problem in the safety of the nonaqueous electrolyte secondary battery. It is particularly preferred that the plant-derived char carbon precursor after vapor phase decalcification does not substantially contain potassium element and iron element. The details of the measurement of the content of potassium element and iron element are as described in Examples, and a fluorescent X-ray analyzer (for example, “LAB CENTER XRF-1700” manufactured by Shimadzu Corporation) can be used.

気相脱灰の対象となる植物由来のチャーの粒子径は、特に限定されるものではないが、粒子径が小さすぎる場合、除去されたカリウム等を含む気相と、植物由来のチャーとを分離することが困難になり得ることから、粒子径の平均値の下限は100μm以上が好ましく、300μm以上がより好ましく、500μm以上が更に好ましい。また、粒子径の平均値の上限は、混合ガス気流中での流動性の観点から、10000μm以下が好ましく、8000μm以下がより好ましく、5000μm以下が更に好ましい。ここで、粒子径の測定の詳細は実施例に記載する通りであり、例えばレーザー回折法により、粒度分布測定器(例えば島津製作所製「SALD−3000S」)を用いることができる。   The particle diameter of the plant-derived char that is subject to vapor phase demineralization is not particularly limited. However, if the particle diameter is too small, the gas phase containing removed potassium and the like and the plant-derived char Since it may be difficult to separate, the lower limit of the average particle diameter is preferably 100 μm or more, more preferably 300 μm or more, and even more preferably 500 μm or more. In addition, the upper limit of the average value of the particle diameter is preferably 10,000 μm or less, more preferably 8000 μm or less, and still more preferably 5000 μm or less from the viewpoint of fluidity in a mixed gas stream. Here, the details of the measurement of the particle diameter are as described in Examples, and for example, a particle size distribution measuring instrument (for example, “SALD-3000S” manufactured by Shimadzu Corporation) can be used by a laser diffraction method.

気相脱灰に用いる装置は、植物由来のチャーとハロゲン化合物を含む気相とを混合しながら加熱できる装置であれば、特に限定されない。例えば、流動炉を用い、流動床等による連続式またはバッチ式の層内流通方式を用いることができる。気相の供給量(流動量)は特に限定されないが、混合ガス気流中での流動性の観点から、例えば植物由来のチャー1g当たり好ましくは1ml/分以上、より好ましくは5ml/分以上、さらに好ましくは10ml/分以上の気相を供給する。   The apparatus used for vapor phase demineralization is not particularly limited as long as it can be heated while mixing plant-derived char and a vapor phase containing a halogen compound. For example, using a fluidized furnace, a continuous type or a batch type in-bed flow method using a fluidized bed or the like can be used. The supply amount (flow rate) of the gas phase is not particularly limited, but from the viewpoint of fluidity in the mixed gas stream, for example, preferably 1 ml / min or more, more preferably 5 ml / min or more, per 1 g of plant-derived char. Preferably, a gas phase of 10 ml / min or more is supplied.

気相脱灰においては、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中での熱処理(以下において「ハロゲン熱処理」と称することがある)の後に、更にハロゲン化合物非存在下での熱処理(以下において「気相脱酸処理」と称することがある)を行うことが好ましい。前記ハロゲン熱処理により、ハロゲンが植物由来のチャーに含まれるため、気相脱酸処理により植物由来のチャーに含まれているハロゲンを除去することが好ましい。具体的には、気相脱酸処理は、ハロゲン化合物を含まない不活性ガス雰囲気中で500℃〜940℃、好ましくは600〜940℃、より好ましくは650〜940℃、さらに好ましくは850〜930℃で熱処理することによって行うが、熱処理の温度は、最初の熱処理の温度と同じか、またはそれよりも高い温度で行うことが好ましい。例えば、前記ハロゲン熱処理後に、ハロゲン化合物の供給を遮断して熱処理を行うことにより、ハロゲンを除去することができる。また、気相脱酸処理の時間も特に限定されるものではないが、好ましくは5分〜300分であり、より好ましくは10分〜200分であり、更に好ましくは10分〜100分である。   In vapor phase deashing, after heat treatment in an inert gas atmosphere containing a halogen compound (hereinafter sometimes referred to as “halogen heat treatment”), further heat treatment in the absence of a halogen compound (hereinafter referred to as “vapor phase”). It is preferable to perform “deoxidation treatment”. Since halogen is contained in the plant-derived char by the halogen heat treatment, it is preferable to remove the halogen contained in the plant-derived char by gas phase deoxidation treatment. Specifically, the gas-phase deoxidation treatment is performed in an inert gas atmosphere containing no halogen compound at 500 ° C. to 940 ° C., preferably 600 to 940 ° C., more preferably 650 to 940 ° C., and still more preferably 850 to 930. The heat treatment is performed at a temperature of 0 ° C., and the temperature of the heat treatment is preferably the same as or higher than the temperature of the first heat treatment. For example, after the halogen heat treatment, the halogen can be removed by shutting off the supply of the halogen compound and performing the heat treatment. Further, the time for the vapor phase deoxidation treatment is not particularly limited, but is preferably 5 minutes to 300 minutes, more preferably 10 minutes to 200 minutes, and further preferably 10 minutes to 100 minutes. .

炭素前駆体は、必要に応じて粉砕工程、分級工程を経て、平均粒子径を調製される。粉砕工程、分級工程は、脱灰処理の後、実施することが好ましい。   The carbon precursor is adjusted in average particle size through a pulverization step and a classification step as necessary. The pulverization step and the classification step are preferably performed after the decalcification treatment.

粉砕工程では、炭素前駆体を、焼成工程後の平均粒子径が例えば3〜30μmの範囲になるように粉砕することが、電極作製時の塗工性の観点から好ましい。すなわち、本実施形態の炭素質材料の平均粒子径(Dv50)を、例えば3〜30μmの範囲になるように調製する。平均粒子径が3μm未満であると、微粉が増加し比表面積が増加し、電解液との反応性が高くなり充電しても放電しない容量である不可逆容量が増加し、正極の容量が無駄になる割合が増加する場合がある。また、得られた炭素質材料を用いて負極を製造すると、炭素質材料の間に形成される空隙が小さくなり、電解液中のリチウムイオンの移動が抑制される場合がある。本発明の炭素質材料の平均粒子径(Dv50)は、好ましくは3μm以上、より好ましくは4μm以上、更に好ましくは5μm以上である。一方、平均粒子径が30μm以下であると、粒子内でのリチウムイオンの拡散自由行程が少なく、急速な充放電が可能であり好ましい。更に、リチウムイオン二次電池では、入出力特性の向上には電極面積を大きくすることが重要であり、そのため電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。塗工厚みを薄くするには、活物質の粒子径を小さくする必要がある。このような観点から、平均粒子径は30μm以下であることが好ましいが、より好ましくは19μm以下であり、更に好ましくは17μm以下であり、特に好ましくは16μm以下であり、最も好ましくは15μm以下である。 In the pulverization step, the carbon precursor is preferably pulverized so that the average particle size after the firing step is in the range of, for example, 3 to 30 μm, from the viewpoint of coatability during electrode production. That is, the average particle diameter (Dv 50 ) of the carbonaceous material of the present embodiment is prepared to be in the range of 3 to 30 μm, for example. If the average particle size is less than 3 μm, the fine powder increases, the specific surface area increases, the reactivity with the electrolyte increases, the irreversible capacity that does not discharge even when charged increases, and the capacity of the positive electrode is wasted May increase. Moreover, when a negative electrode is manufactured using the obtained carbonaceous material, the space | gap formed between carbonaceous materials will become small and the movement of the lithium ion in electrolyte solution may be suppressed. The average particle diameter (Dv 50 ) of the carbonaceous material of the present invention is preferably 3 μm or more, more preferably 4 μm or more, and further preferably 5 μm or more. On the other hand, when the average particle size is 30 μm or less, it is preferable because the lithium ion diffusion free process in the particles is small and rapid charge / discharge is possible. Further, in the lithium ion secondary battery, it is important to increase the electrode area for improving the input / output characteristics. For this reason, it is necessary to reduce the coating thickness of the active material on the current collector plate during electrode preparation. In order to reduce the coating thickness, it is necessary to reduce the particle diameter of the active material. From such a viewpoint, the average particle size is preferably 30 μm or less, more preferably 19 μm or less, still more preferably 17 μm or less, particularly preferably 16 μm or less, and most preferably 15 μm or less. .

なお、植物由来のチャー炭素前駆体は、後述する本焼成の条件により、0〜20%程度収縮する。そのため、焼成後の平均粒子径が3〜30μmとなるようにするためには、植物由来のチャー炭素前駆体の平均粒子径を、所望する焼成後の平均粒子径よりも0〜20%程度大きい粒子系となるように調製することが好ましい。したがって、粉砕後の平均粒子径が、好ましくは3〜36μm、より好ましくは3〜22.8μm、更に好ましくは3〜20.4μm、特に好ましくは3〜19.2μm、最も好ましくは3〜18μmとなるように粉砕を行うことが好ましい。   In addition, the plant-derived char carbon precursor shrinks by about 0 to 20% depending on the conditions of the main firing described later. Therefore, in order for the average particle size after firing to be 3 to 30 μm, the average particle size of the plant-derived char carbon precursor is about 0 to 20% larger than the desired average particle size after firing. It is preferable to prepare so that it may become a particle system. Therefore, the average particle size after pulverization is preferably 3 to 36 μm, more preferably 3 to 22.8 μm, still more preferably 3 to 20.4 μm, particularly preferably 3 to 19.2 μm, and most preferably 3 to 18 μm. It is preferable to perform pulverization.

炭素前駆体は、後述する熱処理工程を実施しても溶解しないため、粉砕工程の順番は、脱灰工程後であれば特に限定されない。炭素質材料の比表面積の低減の観点から、焼成工程の前に実施することが好ましい。これは植物由来のチャーを揮発性有機物と混合して焼成した後に粉砕すると、比表面積が十分に低減されない場合があるためである。しかしながら、焼成工程後に粉砕工程を実施することを排除するものではない。   Since the carbon precursor does not dissolve even when the heat treatment step described later is performed, the order of the pulverization step is not particularly limited as long as it is after the decalcification step. From the viewpoint of reducing the specific surface area of the carbonaceous material, it is preferably performed before the firing step. This is because the specific surface area may not be sufficiently reduced when plant-derived char is pulverized after being mixed with volatile organic matter and fired. However, it does not exclude performing the pulverization step after the firing step.

粉砕工程に用いる粉砕機は特に限定されるものではなく、例えばジェットミル、ボールミル、ハンマーミル、またはロッドミルなどを使用することができる。微粉の発生が少ない観点からは、分級機能を備えたジェットミルが好ましい。ボールミル、ハンマーミル、またはロッドミルなどを用いる場合は、粉砕工程後に分級を行うことで微粉を取り除くことができる。   The pulverizer used in the pulverization step is not particularly limited, and for example, a jet mill, a ball mill, a hammer mill, or a rod mill can be used. From the viewpoint of generating less fine powder, a jet mill having a classification function is preferable. When using a ball mill, a hammer mill, a rod mill or the like, fine powder can be removed by classification after the pulverization step.

分級工程によって、炭素質材料の平均粒子径をより正確に調製することが可能となる。例えば、粒子径が1μm以下の粒子を除くことが可能となる。   The classification step makes it possible to prepare the average particle diameter of the carbonaceous material more accurately. For example, particles having a particle diameter of 1 μm or less can be removed.

分級によって粒子径1μm以下の粒子を除く場合、本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料において、粒子径1μm以下の粒子を含量が3体積%以下となるようにすることが好ましい。粒子径1μm以下の粒子の除去は、粉砕後であれば特に限定されないが、粉砕において紛級と同時に行うことが好ましい。本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料において、粒子径1μm以下の粒子の含量は、比表面積を低下させ、不可逆容量を低下させる観点から、3体積%以下であることが好ましく、2.5体積%以下であることがより好ましく、2.0体積%以下であることが更に好ましい。   When particles having a particle diameter of 1 μm or less are removed by classification, it is preferable that the content of particles having a particle diameter of 1 μm or less is 3% by volume or less in the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention. The removal of particles having a particle diameter of 1 μm or less is not particularly limited as long as it is after pulverization, but it is preferable to carry out the pulverization simultaneously with the powder classification. In the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the content of particles having a particle size of 1 μm or less is preferably 3% by volume or less from the viewpoint of reducing the specific surface area and irreversible capacity. More preferably, it is 5 volume% or less, and it is still more preferable that it is 2.0 volume% or less.

分級方法は、特に制限されないが、例えば篩を用いた分級、湿式分級、乾式分級を挙げることができる。湿式分級機としては、例えば重力分級、慣性分級、水力分級、遠心分級等の原理を利用した分級機を挙げることができる。乾式分級機としては、沈降分級、機械的分級、遠心分級等の原理を利用した分級機を挙げることができる。   The classification method is not particularly limited, and examples thereof include classification using a sieve, wet classification, and dry classification. As the wet classifier, for example, a classifier using principles such as gravity classification, inertia classification, hydraulic classification, centrifugal classification, and the like can be given. Examples of the dry classifier include a classifier using a principle such as sedimentation classification, mechanical classification, and centrifugal classification.

粉砕工程と分級工程は、1つの装置を用いて実施することもできる。例えば、乾式の分級機能を備えたジェットミルを用いて、粉砕工程と分級工程を実施することができる。更に、粉砕機と分級機とが独立した装置を用いることもできる。この場合、粉砕と分級とを連続して行うこともできるが、粉砕と分級とを不連続に行うこともできる。   The pulverization step and the classification step can be performed using one apparatus. For example, the pulverization step and the classification step can be performed using a jet mill having a dry classification function. Furthermore, an apparatus in which the pulverizer and the classifier are independent can be used. In this case, pulverization and classification can be performed continuously, but pulverization and classification can also be performed discontinuously.

本実施形態において、粉砕後の炭素前駆体の比表面積は、100〜500m/gであり、好ましくは200〜500m/gであり、例えば200〜400m/gである。比表面積が小さすぎると、後述する焼成工程を経ても、炭素質材料の微細孔を十分に低減することができないことがあり、炭素質材料の吸湿性が低下しにくくなることがある。炭素質材料に水分が存在すると、電解液の加水分解に伴う酸の発生や水の電気分解によるガスの発生が問題を引き起こすことがある。また、空気雰囲気下で炭素質材料の酸化が進み、電池性能が大きく変化することもある。比表面積が大きくなりすぎると、後述する焼成工程を経ても炭素質材料の比表面積が小さくならず、非水電解質二次電池のリチウムイオンの利用効率が低下することがある。炭素前駆体の比表面積は、気相脱灰の温度の制御によって調製することが可能である。なお、本明細書において、比表面積はBET法(窒素吸着BET3点法)により定まる比表面積(BET比表面積)を意味する。具体的には後述する方法を用いて測定することができる。 In the present embodiment, the specific surface area of the carbon precursor after the pulverization is 100 to 500 m 2 / g, and preferably is 200 to 500 m 2 / g, for example 200 to 400 m 2 / g. If the specific surface area is too small, the fine pores of the carbonaceous material may not be sufficiently reduced even after the firing step described later, and the hygroscopicity of the carbonaceous material may be difficult to decrease. When water is present in the carbonaceous material, the generation of acid accompanying the hydrolysis of the electrolyte and the generation of gas due to the electrolysis of water may cause problems. Further, the oxidation of the carbonaceous material proceeds under an air atmosphere, and the battery performance may change greatly. If the specific surface area becomes too large, the specific surface area of the carbonaceous material will not be reduced even after the firing step described later, and the utilization efficiency of lithium ions in the nonaqueous electrolyte secondary battery may be reduced. The specific surface area of the carbon precursor can be prepared by controlling the temperature of vapor phase demineralization. In the present specification, the specific surface area means a specific surface area (BET specific surface area) determined by a BET method (nitrogen adsorption BET three-point method). Specifically, it can measure using the method mentioned later.

本実施形態の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法は、
比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程(以下、「焼成工程」と称することがある)、を具備する。焼成工程は、脱灰工程後に実施するのが好ましく、脱灰工程、粉砕工程および分級工程後に実施するのが好ましい。
The method for producing the carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment is as follows:
A step of firing a mixture of a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C. to obtain a carbonaceous material (hereinafter referred to as “firing step”). Is provided). The firing step is preferably performed after the decalcification step, and is preferably performed after the decalcification step, the pulverization step, and the classification step.

炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を焼成することによって、本実施形態の炭素質材料が得られる。炭素前駆体と揮発性有機物とを混合して焼成することにより、得られる炭素質材料の比表面積を低減させることができ、非水電解質二次電池用の負極材として好適な比表面積とすることができる。更に、炭素質材料への二酸化炭素の吸着量を調製することができる。   By baking the mixture of the carbon precursor and the volatile organic substance, the carbonaceous material of the present embodiment is obtained. By mixing and firing a carbon precursor and a volatile organic material, the specific surface area of the resulting carbonaceous material can be reduced, and the specific surface area suitable for a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery Can do. Furthermore, the amount of carbon dioxide adsorbed on the carbonaceous material can be adjusted.

本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料の比表面積が低減される機構は、詳細には解明されていないが、以下のように考えることができる。しかしながら、本発明は、以下の説明によって限定されるものではない。植物由来のチャー炭素前駆体と、揮発性有機物とを混合して焼成することで、植物由来のチャー炭素前駆体の表面に、揮発性有機物の熱処理により得られる炭素質皮膜が形成されると考えられる。この炭素質被膜により、植物由来のチャー炭素前駆体から生成する炭素質材料の比表面積が減少し、その炭素質材料とリチウムとの反応によるSEI(Solid Electrolyte Interphase)と呼ばれる被膜の形成反応が抑制されるので、不可逆容量を低減させることが期待できる。また、生成した炭素質被膜もリチウムをドープおよび脱ドープすることができるため、容量が増加する効果も期待できる。   Although the mechanism by which the specific surface area of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of the present invention is reduced has not been elucidated in detail, it can be considered as follows. However, the present invention is not limited by the following description. It is thought that a carbonaceous film obtained by heat treatment of volatile organic substances is formed on the surface of plant-derived char carbon precursors by mixing and firing plant-derived char carbon precursors and volatile organic substances. It is done. This carbonaceous coating reduces the specific surface area of the carbonaceous material produced from plant-derived char carbon precursors and suppresses the formation reaction of a coating called SEI (Solid Electrolyte Interphase) due to the reaction between the carbonaceous material and lithium. Therefore, it can be expected to reduce the irreversible capacity. Moreover, since the produced carbonaceous film can also dope and dedope lithium, the effect of increasing the capacity can be expected.

揮発性有機物は、残炭率が5%未満である有機物であることが好ましく、800℃で灰化した場合に残炭率が5%未満である有機物であることが好ましい。揮発性有機物は、植物由来のチャーから製造される炭素前駆体の比表面積を低減させることのできる揮発物質(例えば、炭化水素系ガスやタール)を発生させるものが好ましい。なお、揮発性有機物において、比表面積を低減させることのできる揮発物質(例えば、炭化水素系ガス、またはタール成分)の含量は特に限定されるものではないが、焼成機器の安定稼動の観点から、10重量%以上であることが好ましい。また、揮発成分の含量の上限は、特に限定されないが、焼成機器中でのタール分の生成を抑制する観点から、95重量%以下が好ましく、80重量%以下がより好ましく、50重量%以下が更に好ましい。揮発成分は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分、仕込み量から算出する。強熱は、揮発性有機物およそ1g(この正確な重量をW(g)とする)をるつぼに入れ、1分間に20リットルの窒素を流しながらるつぼを電気炉にて10℃/分で800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱する。このときの残存物を強熱残分とし、その重量をW(g)とし、以下の式から揮発成分P(%)を算出する。

Figure 2015179666
The volatile organic substance is preferably an organic substance having a residual carbon ratio of less than 5%, and is preferably an organic substance having a residual carbon ratio of less than 5% when incinerated at 800 ° C. The volatile organic substance is preferably one that generates a volatile substance (for example, hydrocarbon gas or tar) that can reduce the specific surface area of a carbon precursor produced from plant-derived char. In addition, in the volatile organic substance, the content of the volatile substance (for example, hydrocarbon gas or tar component) that can reduce the specific surface area is not particularly limited, but from the viewpoint of stable operation of the baking equipment, It is preferably 10% by weight or more. The upper limit of the content of the volatile component is not particularly limited, but is preferably 95% by weight or less, more preferably 80% by weight or less, and more preferably 50% by weight or less from the viewpoint of suppressing the generation of tar content in the baking equipment. Further preferred. The volatile component is calculated from the ignition residue after charging the sample in an inert gas and the amount charged. The strong heat is obtained by putting approximately 1 g of volatile organic substances (this exact weight is W 0 (g)) into a crucible and flowing the crucible at 10 ° C./min in an electric furnace at 20 ° C./min while flowing 20 liters of nitrogen per minute. The temperature is raised to 0 ° C. and then ignited at 800 ° C. for 1 hour. The residue at this time is regarded as an ignition residue, the weight thereof is defined as W (g), and the volatile component P (%) is calculated from the following formula.
Figure 2015179666

揮発性有機物としては、例えば熱可塑性樹脂、低分子有機化合物が挙げられる。具体的には、熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル等を挙げることができる。なお、この明細書において、(メタ)アクリルとは、メタクリルとメタアクリルの総称である。低分子有機化合物としては、トルエン、キシレン、メシチレン、スチレン、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等を挙げることができる。焼成温度下で揮発し、熱分解した場合に炭素前駆体の表面を酸化賦活しないものが好ましいことから、熱可塑性樹脂としてはポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが好ましい。低分子有機化合物としては、さらに安全上の観点から常温下において揮発性が小さいことが好ましく、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等が好ましい。   Examples of volatile organic substances include thermoplastic resins and low molecular organic compounds. Specifically, examples of the thermoplastic resin include polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly (meth) acrylic acid, poly (meth) acrylic acid ester, and the like. In this specification, (meth) acryl is a general term for methacryl and methacryl. Examples of the low molecular organic compound include toluene, xylene, mesitylene, styrene, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. Since those which do not oxidize and activate the surface of the carbon precursor when volatilized at the firing temperature and thermally decomposed are preferable, polystyrene, polyethylene and polypropylene are preferable as the thermoplastic resin. The low molecular weight organic compound preferably has low volatility at room temperature from the viewpoint of safety, and naphthalene, phenanthrene, anthracene, pyrene and the like are preferable.

本発明の一態様において、熱可塑性樹脂として、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、および(メタ)アクリル酸系樹脂を挙げることができる。オレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンとプロピレンのランダム共重合体、エチレンとプロピレンのブロック共重合体等を挙げることができる。スチレン系樹脂としては、ポリスチレン、ポリ(α−メチルスチレン)、スチレンと(メタ)アクリル酸アルキルエステル(アルキル基の炭素数は1〜12、好ましくは1〜6)の共重合体等を挙げることができる。(メタ)アクリル酸系樹脂としては、ポリアクリル酸、ポリメタアクリル酸、(メタ)アクリル酸アルキルエステル重合体(アルキル基の炭素数は1〜12、好ましくは1〜6)等を挙げることができる。   In one embodiment of the present invention, examples of the thermoplastic resin include olefin-based resins, styrene-based resins, and (meth) acrylic acid-based resins. Examples of the olefin resin include polyethylene, polypropylene, a random copolymer of ethylene and propylene, and a block copolymer of ethylene and propylene. Examples of the styrene resin include polystyrene, poly (α-methylstyrene), a copolymer of styrene and an alkyl (meth) acrylate (the alkyl group has 1 to 12, preferably 1 to 6 carbon atoms). Can do. Examples of the (meth) acrylic resin include polyacrylic acid, polymethacrylic acid, (meth) acrylic acid alkyl ester polymer (the alkyl group has 1 to 12 carbon atoms, preferably 1 to 6 carbon atoms), and the like. it can.

本発明の一態様において、低分子有機化合物として、例えば炭素数が1〜20の炭化水素化合物を用いることができる。炭化水素化合物の炭素数は、好ましくは2〜18、より好ましくは3〜16である。炭化水素化合物は、飽和炭化水素化合物または不飽和炭化水素化合物でもよく、鎖状の炭化水素化合物でも、環式の炭化水素化合物でもよい。不飽和炭化水素化合物の場合、不飽和結合は二重結合でも三重結合でもよく、1分子に含まれる不飽和結合の数も特に限定されるものではない。例えば、鎖状の炭化水素化合物は、脂肪族炭化水素化合物であり、直鎖状または分枝状のアルカン、アルケン、またはアルキンを挙げることができる。環式の炭化水素化合物としては、脂環式炭化水素化合物(例えば、シクロアルカン、シクロアルケン、シクロアルキン)または芳香族炭化水素化合物を挙げることができる。具体的には、脂肪族炭化水素化合物としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセンまたはアセチレン等を挙げることができる。脂環式炭化水素化合物としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロプロパン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、デカリン、ノルボルネン、メチルシクロヘキサン、またはノルボルナジエン等を挙げることができる。さらに、芳香族炭化水素化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、ブチルベンゼン、スチレン、α−メチルスチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、ビニルキシレン、p−tert−ブチルスチレン、エチルスチレン等の単環芳香族化合物、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等の3環〜6環の縮合多環芳香族化合物を挙げることができるが、好ましくは縮合多環芳香族化合物、より好ましくはナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレンである。ここで、前記炭化水素化合物は、任意の置換基を有していてよい。置換基は特に限定されるものではないが、例えば炭素数1〜4のアルキル基(好ましくは炭素数1〜2のアルキル基)、炭素数2〜4のアルケニル基(好ましくは炭素数2のアルケニル基)、炭素数3〜8のシクロアルキル基(好ましくは炭素数3〜6のシクロアルキル基)を挙げることができる。   In one embodiment of the present invention, for example, a hydrocarbon compound having 1 to 20 carbon atoms can be used as the low molecular organic compound. Carbon number of a hydrocarbon compound becomes like this. Preferably it is 2-18, More preferably, it is 3-16. The hydrocarbon compound may be a saturated hydrocarbon compound or an unsaturated hydrocarbon compound, and may be a chain hydrocarbon compound or a cyclic hydrocarbon compound. In the case of an unsaturated hydrocarbon compound, the unsaturated bond may be a double bond or a triple bond, and the number of unsaturated bonds contained in one molecule is not particularly limited. For example, the chain hydrocarbon compound is an aliphatic hydrocarbon compound, and can include a linear or branched alkane, alkene, or alkyne. Examples of the cyclic hydrocarbon compound include alicyclic hydrocarbon compounds (for example, cycloalkane, cycloalkene, cycloalkyne) and aromatic hydrocarbon compounds. Specifically, examples of the aliphatic hydrocarbon compound include methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, octane, nonane, decane, ethylene, propylene, butene, pentene, hexene, and acetylene. Examples of the alicyclic hydrocarbon compound include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, cyclononane, cyclopropane, cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, cyclooctene, decalin, norbornene, methylcyclohexane, and norbornadiene. Further, aromatic hydrocarbon compounds include benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene, butylbenzene, styrene, α-methylstyrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, vinylxylene, p- Examples thereof include monocyclic aromatic compounds such as tert-butylstyrene and ethylstyrene, and tricyclic to 6-ring condensed polycyclic aromatic compounds such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene, preferably condensed polycyclic aromatic compounds. A compound, more preferably naphthalene, phenanthrene, anthracene or pyrene. Here, the hydrocarbon compound may have an arbitrary substituent. The substituent is not particularly limited, and for example, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (preferably an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms) or an alkenyl group having 2 to 4 carbon atoms (preferably alkenyl having 2 carbon atoms). Group) and a cycloalkyl group having 3 to 8 carbon atoms (preferably a cycloalkyl group having 3 to 6 carbon atoms).

揮発性有機物は、常温で固体であることが好ましく、例えばポリスチレン、ポリエチレンまたはポリプロピレン等の常温で固体の熱可塑性樹脂、または、ナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレン等の常温で固体の低分子有機化合物がより好ましい。揮発し、焼成温度下に熱分解した場合に、植物由来のチャー炭素前駆体の表面を酸化賦活しないものが好ましいことから、熱可塑性樹脂としては、オレフィン系樹脂およびスチレン系樹脂が好ましく、ポリスチレン、ポリエチレンおよびポリプロピレンがより好ましい。低分子有機化合物としては、さらに常温下に揮発性が小さいことが安全上好ましいことから、炭素数1〜20の炭化水素化合物が好ましく、縮合多環芳香族化合物がより好ましく、ナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレンがさらに好ましい。さらに、炭素前駆体との混合し易さの観点から、熱可塑性樹脂が好ましく、オレフィン系樹脂およびスチレン系樹脂がより好ましく、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンがさらに好ましく、ポリスチレン、ポリエチレンが特に好ましい。   The volatile organic material is preferably solid at room temperature, for example, a thermoplastic resin that is solid at room temperature such as polystyrene, polyethylene, or polypropylene, or a low-molecular organic compound that is solid at room temperature such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, or pyrene. More preferred. Since those which volatilize and do not oxidize the surface of the plant-derived char carbon precursor when pyrolyzed at the firing temperature are preferred, the thermoplastic resin is preferably an olefin resin and a styrene resin, polystyrene, More preferred are polyethylene and polypropylene. The low molecular weight organic compound is preferably a hydrocarbon compound having 1 to 20 carbon atoms, more preferably a condensed polycyclic aromatic compound, and more preferably naphthalene, phenanthrene, and anthracene, because it is preferable from the viewpoint of safety that the volatility is low at room temperature. Or pyrene is more preferable. Furthermore, from the viewpoint of easy mixing with the carbon precursor, a thermoplastic resin is preferable, an olefin resin and a styrene resin are more preferable, polystyrene, polyethylene, and polypropylene are further preferable, and polystyrene and polyethylene are particularly preferable.

残炭率は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分の炭素量を定量することにより測定する。強熱とは、揮発性有機物およそ1g(この正確な重量をW1(g)とする)を坩堝に入れ、1分間に20リットルの窒素を流しながら坩堝を電気炉にて、10℃/分の昇温速度で常温から800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱する。このときの残存物を強熱残分とし、その重量をW(g)とする。 The residual carbon ratio is measured by quantifying the carbon content of the ignition residue after the sample is ignited in an inert gas. Intense heat means that about 1 g of volatile organic substances (this exact weight is W 1 (g)) is put in a crucible and 20 liters of nitrogen is allowed to flow for 1 minute while the crucible is placed in an electric furnace at 10 ° C./min. The temperature is raised from room temperature to 800 ° C. at a rate of temperature rise of 1, and then ignited at 800 ° C. for 1 hour. The residue at this time is regarded as an ignition residue, and its weight is defined as W 2 (g).

次いで上記強熱残分について、JIS M8819に定められた方法に準拠して元素分析を行い、炭素の重量割合P(%)を測定する。残炭率P(%)は以下の式により算出する。 Next, the ignition residue is subjected to elemental analysis in accordance with the method defined in JIS M8819, and the carbon weight ratio P 1 (%) is measured. The remaining coal rate P 2 (%) is calculated by the following equation.

Figure 2015179666
Figure 2015179666

本実施形態において焼成される混合物は、特に限定されるものではないが、好ましくは炭素前駆体と揮発性有機物とを97:3〜40:60の重量比で含む混合物である。炭素前駆体と揮発性有機物との混合量は、より好ましくは95:5〜60:40、更に好ましくは93:7〜80:20である。例えば、揮発性有機物が3重量部以上であると比表面積を十分に低減させることができる。一方、揮発性有機物が多すぎると、比表面積の低減効果が飽和し、揮発性有機物を無駄に消費してしまうことがあるため好ましくない。   Although the mixture baked in this embodiment is not specifically limited, Preferably it is a mixture containing a carbon precursor and a volatile organic substance in the weight ratio of 97: 3 to 40:60. The mixing amount of the carbon precursor and the volatile organic substance is more preferably 95: 5 to 60:40, and still more preferably 93: 7 to 80:20. For example, when the volatile organic substance is 3 parts by weight or more, the specific surface area can be sufficiently reduced. On the other hand, if there are too many volatile organic substances, the effect of reducing the specific surface area is saturated, and the volatile organic substances may be consumed in vain, which is not preferable.

炭素前駆体と常温で液体または固体の揮発性有機物との混合は、粉砕工程の前あるいは粉砕工程の後のいずれの段階で行ってもよい。   Mixing of the carbon precursor and the volatile organic substance that is liquid or solid at room temperature may be performed at any stage before or after the grinding process.

粉砕工程の前に混合する場合には、炭素前駆体と常温で液体または固体の揮発性有機物とを計量しながら、粉砕装置に同時に供給することにより粉砕と混合を同時に行うことができる。また、常温で気体である揮発性有機物を用いる場合、気体の揮発性有機物を含む非酸化性ガスを、植物由来のチャー炭素前駆体を含む熱処理装置内に流通させて熱分解させて、物由来のチャー炭素前駆体と混合させる方法を用いることができる。   When mixing before the pulverization step, the carbon precursor and the liquid or solid volatile organic substance at room temperature are weighed and simultaneously supplied to the pulverizer to simultaneously perform pulverization and mixing. In addition, when using volatile organic substances that are gases at room temperature, non-oxidizing gas containing gaseous volatile organic substances is circulated in a heat treatment apparatus containing char-carbon precursors derived from plants and thermally decomposed, resulting in the substance It is possible to use a method of mixing with the char carbon precursor.

粉砕工程の後に混合する場合には、混合方法は両者が均一に混合される手法であれば、公知の混合方法を用いることができる。揮発性有機物が常温で固体の場合は、粒子の形状で混合されることが好ましいが、粒子の形や粒子径は特に限定されない。揮発性有機物を粉砕された炭素前駆体に均一に分散させる観点からは、揮発性有機物の平均粒子径は好ましくは0.1〜2000μm、より好ましくは1〜1000μm、更に好ましくは2〜600μmである。   In the case of mixing after the pulverization step, a known mixing method can be used as long as the mixing method is a method in which both are uniformly mixed. When the volatile organic substance is solid at room temperature, it is preferably mixed in the form of particles, but the shape and particle diameter of the particles are not particularly limited. From the viewpoint of uniformly dispersing the volatile organic substance in the pulverized carbon precursor, the average particle diameter of the volatile organic substance is preferably 0.1 to 2000 μm, more preferably 1 to 1000 μm, and still more preferably 2 to 600 μm. .

上述した混合物は、炭素前駆体および揮発性有機物以外の他の成分を含んでいてもよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、金属系材料、合金系材料、または酸化物系材料を含むことができる。他の成分の含有量は、特に限定されるものではないが、好ましくは、炭素前駆体と揮発性有機物との混合物100重量部に対して、50重量部以下であり、より好ましくは30重量部以下であり、更に好ましくは20重量部以下であり、最も好ましくは10重量部以下である。   The mixture mentioned above may contain other components other than the carbon precursor and the volatile organic substance. For example, natural graphite, artificial graphite, metal-based material, alloy-based material, or oxide-based material can be included. The content of other components is not particularly limited, but is preferably 50 parts by weight or less, more preferably 30 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the mixture of the carbon precursor and the volatile organic material. Or less, more preferably 20 parts by weight or less, and most preferably 10 parts by weight or less.

本実施形態の製造方法における焼成工程は、炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃で焼成する。   The baking process in the manufacturing method of this embodiment bakes the mixture of a carbon precursor and volatile organic substance at 800-1400 degreeC.

焼成工程は、
(a)粉砕された混合物を、800〜1400℃で焼成し、本焼成を行う焼成工程、を具備していてもよく、
(b)粉砕された混合物を、350℃以上800℃未満で予備焼成し、その後800〜1400℃で本焼成を行う焼成工程、を具備していてもよい。
The firing process
(A) The pulverized mixture may be baked at 800 to 1400 ° C. to perform a main baking,
(B) The pulverized mixture may be preliminarily calcined at 350 ° C. or higher and lower than 800 ° C., and then subjected to main calcining at 800 to 1400 ° C.

焼成工程(a)を実施する場合、本焼成の工程で炭素前駆体へのタール成分および炭化水素系ガスの被覆が起こると考えられる。焼成工程(b)を実施する場合には、予備焼成の工程で炭素前駆体へのタール成分および炭化水素系ガスの被覆が起こると考えられる。   When the firing step (a) is performed, it is considered that the carbon precursor is covered with the tar component and the hydrocarbon-based gas in the main firing step. In the case of carrying out the firing step (b), it is considered that the carbon precursor is coated with the tar component and hydrocarbon gas in the preliminary firing step.

以下に、本発明の一実施形態として、予備焼成および本焼成の手順の一例を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。   Hereinafter, as an embodiment of the present invention, an example of the pre-baking and main baking procedures will be described, but the present invention is not limited thereto.

(予備焼成)
本実施形態における予備焼成工程は、例えば粉砕された混合物を350℃以上800℃未満で焼成することによって行うことができる。予備焼成工程によって、揮発分(例えばCO2、CO、CH4、H2等)とタール分とを除去できる。予備焼成工程後に実施する本焼成工程における揮発分やタール分の発生を軽減でき、焼成機の負担を軽減することができる。
(Preliminary firing)
The preliminary baking step in the present embodiment can be performed by baking the pulverized mixture at 350 ° C. or higher and lower than 800 ° C., for example. Volatile components (for example, CO 2 , CO, CH 4 , H 2, etc.) and tar components can be removed by the preliminary firing step. Generation | occurrence | production of the volatile matter and tar part in the main baking process implemented after a preliminary baking process can be reduced, and the burden of a baking machine can be reduced.

予備焼成工程は、350℃以上で実施することが好ましく、400℃以上で実施することがより好ましい。予備焼成工程は、通常の予備焼成の手順に従って実施することができる。具体的には、予備焼成は、不活性ガス雰囲気中で行うことができる。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等を挙げることができる。また、予備焼成は、減圧下で実施してもよく、例えば、10kPa以下で行うことができる。予備焼成の時間も特に限定されるものではないが、例えば0.5〜10時間の範囲で実施することができ、1〜5時間がより好ましい。   The pre-baking step is preferably performed at 350 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. or higher. The pre-baking step can be performed according to a normal pre-baking procedure. Specifically, the pre-baking can be performed in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen and argon. Further, the pre-baking may be performed under reduced pressure, for example, 10 kPa or less. The pre-baking time is not particularly limited, but can be carried out in the range of 0.5 to 10 hours, for example, and more preferably 1 to 5 hours.

(本焼成)
本焼成工程は、通常の本焼成の手順に従って行うことができる。本焼成を行うことにより、非水電解質二次電池用炭素質材料を得ることができる。
(Main firing)
The main baking step can be performed according to a normal main baking procedure. By performing the main firing, a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained.

具体的な本焼成工程の温度は、800〜1400℃であり、好ましくは1000〜1350℃であり、より好ましくは1100〜1300℃である。本焼成は、不活性ガス雰囲気下で実施する。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等を挙げることができ、ハロゲンガスを含有する不活性ガス中で本焼成を行うことも可能である。また、本焼成工程は、減圧下で行うこともでき、例えば、10kPa以下で実施することも可能である。本焼成工程を実施する時間は特に限定されるものではないが、例えば0.05〜10時間で行うことができ、0.05〜8時間が好ましく、0.05〜6時間がより好ましい。   The specific temperature of the main firing step is 800 to 1400 ° C, preferably 1000 to 1350 ° C, and more preferably 1100 to 1300 ° C. The main firing is performed in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, and the like, and the main calcination can be performed in an inert gas containing a halogen gas. Moreover, this baking process can also be performed under reduced pressure, for example, it is also possible to implement at 10 kPa or less. Although the time which implements this baking process is not specifically limited, For example, it can carry out in 0.05 to 10 hours, 0.05 to 8 hours are preferable and 0.05 to 6 hours are more preferable.

本発明の製造方法により、良好な放電容量とともに、酸化劣化に対する良好な耐性を有する炭素質材料が得られる。本発明の製造方法により製造された炭素質材料は、酸化劣化に対する良好な耐性を有し、リチウムイオンが不活性化されることによる不可逆容量の増加が抑制され、充放電効率を高く維持することができる。   According to the production method of the present invention, a carbonaceous material having a good resistance against oxidative deterioration as well as a good discharge capacity can be obtained. The carbonaceous material produced by the production method of the present invention has good resistance to oxidative degradation, suppresses an increase in irreversible capacity due to inactivation of lithium ions, and maintains high charge / discharge efficiency. Can do.

本発明の炭素質材料の比表面積は、1m/g〜10m/gであることが好ましく、より好ましくは1.2m/g〜9.5m/g、さらに好ましくは1.4m/g〜9.0m/gである。小さすぎる比表面積では、炭素質材料へのリチウムイオンの吸着量が少なくなり、非水電解質二次電池の充電容量が少なくなることがある。高すぎる比表面積では、リチウムイオンが炭素質材料の表面で反応し消費されるので、リチウムイオンの利用効率が低くなる。
比表面積を上記範囲にするためには、例えば、炭素質材料を与える炭素質前駆体の焼成温度や焼成時間を調整する方法を用いることができる。すなわち、焼成温度を高くしたり、焼成時間を長くすると比表面積は小さくなる傾向があるので、上記の範囲の比表面積が得られるように、焼成温度や焼成時間を調整すればよい。また、揮発性有機化合物と混合して焼成する方法を用いてもよい。上記に述べたように、炭素質前駆体と揮発性有機化合物とを混合して焼成することで、炭素前駆体の表面には、揮発性有機化合物の熱処理により得られる炭素質皮膜が形成されると考えられる。そして、この炭素質被膜により、炭素前駆体から得た炭素質材料の比表面積が減少すると考えられる。そのため、混合する揮発性有機化合物の量を調整することで、炭素質材料の比表面積の上記の範囲に調整することができる。
The specific surface area of the carbonaceous material of the present invention is preferably 1m 2 / g~10m 2 / g, more preferably 1.2m 2 /g~9.5m 2 / g, more preferably 1.4 m 2 / G to 9.0 m 2 / g. When the specific surface area is too small, the amount of lithium ions adsorbed on the carbonaceous material is decreased, and the charge capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery may be decreased. When the specific surface area is too high, lithium ions react on the surface of the carbonaceous material and are consumed, so that the utilization efficiency of lithium ions is lowered.
In order to make a specific surface area into the said range, the method of adjusting the baking temperature and baking time of the carbonaceous precursor which gives a carbonaceous material can be used, for example. That is, if the firing temperature is increased or the firing time is increased, the specific surface area tends to decrease. Therefore, the firing temperature and the firing time may be adjusted so that the specific surface area in the above range can be obtained. Moreover, you may use the method of mixing and baking with a volatile organic compound. As described above, the carbonaceous film obtained by heat treatment of the volatile organic compound is formed on the surface of the carbon precursor by mixing and firing the carbonaceous precursor and the volatile organic compound. it is conceivable that. And it is thought by this carbonaceous film that the specific surface area of the carbonaceous material obtained from the carbon precursor reduces. Therefore, it can adjust to said range of the specific surface area of a carbonaceous material by adjusting the quantity of the volatile organic compound to mix.

本発明の炭素質材料は、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、0.38nm以上0.40nm以下の範囲にあることが好ましく、0.381nm以上0.389nm以下の範囲にあることがさらに好ましい。(002)面の平均面間隔d002が小さすぎる場合には、リチウムイオンが炭素質材料に挿入される際の抵抗が大きくなることがあり、出力時の抵抗が大きくなることがあり、リチウムイオン電池としての入出力特性が低下することがある。また、炭素質材料が膨張収縮を繰り返すため、電池材料としての安定性を損なうことがある。平均面間隔d002が大きすぎる場合には、リチウムイオンの拡散抵抗は小さくなるものの、炭素質材料の体積が大きくなり、体積あたりの実行容量が小さくなることがある。平均面間隔を上記範囲に調整するためには、例えば、炭素質材料を与える炭素質前駆体の焼成温度を800〜1400℃の範囲で行えばよい。また、ポリスチレンなどの熱分解性樹脂と混合して焼成する方法を用いることもできる。 The carbonaceous material of the present invention preferably has an average interplanar spacing d 002 of (002) plane calculated from the wide-angle X-ray diffraction method using the Bragg equation in the range of 0.38 nm to 0.40 nm. More preferably, it is in the range of not less than 0.381 nm and not more than 0.389 nm. When the average spacing d 002 of (002) plane is too small, there is the resistance when the lithium ions are inserted into the carbon material increases, there is the resistance increases at the time of output, the lithium ion Input / output characteristics as a battery may deteriorate. In addition, since the carbonaceous material repeatedly expands and contracts, the stability as the battery material may be impaired. If the average interplanar spacing d002 is too large, the diffusion resistance of lithium ions will be small, but the volume of the carbonaceous material will be large, and the effective capacity per volume may be small. In order to adjust the average spacing to the above range, for example, the firing temperature of the carbonaceous precursor that gives the carbonaceous material may be in the range of 800 to 1400 ° C. Alternatively, a method of mixing with a pyrolyzable resin such as polystyrene and baking can be used.

また、本発明の製造方法により得られる炭素質材料の別の態様として、X線回折法による(002)面の平均面間隔が0.36〜0.42nmであり、BET比表面積が1〜20m/gの範囲にあり、窒素元素含量が0.5重量%以下、および酸素元素含量が0.25重量%以下である。この態様の炭素質材料の比表面積は、1m/g〜20m/g、好ましくは1.2m/g〜15m/g、より好ましくは1.5m/g〜10m/gである。比表面積を上記範囲にするためには、上記と同様に、炭素質材料を与える炭素質前駆体の焼成温度や焼成時間を調整する方法を用いることができる。また、平均面間隔は、0.36nm〜0.42nmであり、好ましくは0.38nm〜0.40nm、より好ましくは0.382nm〜0.396nmである。平均面間隔を上記範囲にするためには、上記と同様に、炭素質材料を与える炭素質前駆体の焼成温度を800〜1400℃の範囲で行えばよい。 Further, as another aspect of the carbonaceous material obtained by the production method of the present invention, the average spacing of (002) planes by X-ray diffraction method is 0.36 to 0.42 nm, and the BET specific surface area is 1 to 20 m. The nitrogen element content is 0.5% by weight or less, and the oxygen element content is 0.25% by weight or less. The specific surface area of the carbonaceous material of this embodiment, 1m 2 / g~20m 2 / g , preferably 1.2m 2 / g~15m 2 / g, more preferably 1.5m 2 / g~10m 2 / g is there. In order to make the specific surface area within the above range, a method of adjusting the firing temperature and firing time of the carbonaceous precursor that gives the carbonaceous material can be used as described above. Further, the average spacing is 0.36 nm to 0.42 nm, preferably 0.38 nm to 0.40 nm, and more preferably 0.382 nm to 0.396 nm. In order to make the average interplanar spacing within the above range, the firing temperature of the carbonaceous precursor that gives the carbonaceous material may be set in the range of 800 to 1400 ° C. as described above.

本発明の炭素質材料が含む窒素元素含量は、少ないほどよいが、通常、元素分析によって得られた分析値より、0.5重量%以下、好ましくは0.48重量%以下、より好ましくは0.45重量%以下である。炭素質材料は、窒素元素を実質的に含有しないことが更に好ましい。ここで、実質的に含有しないとは、後述の元素分析法(不活性ガス融解−熱伝導法)の検出限界である10−6重量%以下であることを意味する。窒素元素含量が多すぎると、リチウムイオンと窒素とが反応してリチウムイオンが消費されるので、リチウムイオンの利用効率を低下させるだけでなく、保存中に空気中の酸素と反応することがある。
窒素元素含量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理する工程を含む方法で気相脱灰することや、植物由来のチャーを揮発性有機物と混合して焼成することにより、窒素元素含量を上記の範囲に調整することができる。
The content of nitrogen element contained in the carbonaceous material of the present invention is preferably as low as possible. However, it is usually 0.5% by weight or less, preferably 0.48% by weight or less, more preferably 0, from the analytical value obtained by elemental analysis. .45% by weight or less. More preferably, the carbonaceous material contains substantially no nitrogen element. Here, “substantially not contained” means that it is 10 −6 wt% or less which is a detection limit of an elemental analysis method (inert gas melting-heat conduction method) described later. If the nitrogen element content is too high, lithium ions and nitrogen react to consume lithium ions, which not only reduces the utilization efficiency of lithium ions, but may also react with oxygen in the air during storage .
The method for adjusting the nitrogen element content to the above range is not limited at all. For example, a gas phase is a method including a step of heat-treating plant-derived char at 500 ° C. to 940 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound. The nitrogen element content can be adjusted to the above range by deashing or by mixing and baking the plant-derived char with the volatile organic substance.

本実施形態で得られる炭素質材料が含む酸素元素含量は、少ないほどよいが、通常、元素分析によって得られた分析値より、0.25重量%以下、好ましくは0.24重量%以下である。炭素質材料は、酸素元素を実質的に含有しないことが更に好ましい。ここで、実質的に含有しないとは、後述の元素分析法(不活性ガス融解−熱伝導法)の検出限界である10−6重量%以下であることを意味する。酸素元素含量が多すぎると、リチウムイオンと酸素とが反応してリチウムイオンが消費されるので、リチウムイオンの利用効率を低下させる。さらに、空気中の酸素、水分を誘引し、炭素質材料と反応する確率を高めるだけでなく、水を吸着したときに、容易に脱離させないなど、リチウムイオンの利用効率が低下することがある。
酸素元素含量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理する工程を含む方法で気相脱灰することや、植物由来のチャーを揮発性有機物と混合して焼成することにより、酸素元素含量を上記の範囲に調整することができる。
The amount of oxygen element contained in the carbonaceous material obtained in the present embodiment is preferably as low as possible, but is usually 0.25% by weight or less, preferably 0.24% by weight or less, based on the analytical value obtained by elemental analysis. . More preferably, the carbonaceous material contains substantially no oxygen element. Here, “substantially not contained” means that it is 10 −6 wt% or less which is a detection limit of an elemental analysis method (inert gas melting-heat conduction method) described later. If the oxygen element content is too high, lithium ions react with oxygen to consume lithium ions, thereby reducing the utilization efficiency of lithium ions. Furthermore, it not only increases the probability of attracting oxygen and moisture in the air and reacts with the carbonaceous material, but also reduces the efficiency of using lithium ions, such as not easily desorbing when water is adsorbed. .
The method for adjusting the oxygen element content to the above range is not limited at all. For example, the gas phase is a method including a step of heat-treating plant-derived char at 500 ° C. to 940 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound. By decalcifying or mixing and baking plant-derived char with volatile organic substances, the oxygen element content can be adjusted to the above range.

本発明の炭素質材料は、電池における重量あたりの容量を高くする観点から、ブタノール法による真密度ρBtが1.40〜1.70g/cmであることが好ましく、1.42〜1.65/cmであることがより好ましく、1.44〜1.60/cmであることが更に好ましい。このような真密度を有する植物由来のチャー炭素前駆体は、例えば植物原料を800−1400℃で焼成することによって製造することができる。ここで、真密度ρBtの測定の詳細は実施例に記載する通りであり、JIS R 7212に定められた方法に従い、ブタノール法により測定することができる。 From the viewpoint of increasing the capacity per weight of the battery, the carbonaceous material of the present invention preferably has a true density ρ Bt by the butanol method of 1.40 to 1.70 g / cm 3 , and 1.42 to 1. More preferably, it is 65 / cm 3 , and still more preferably 1.44 to 1.60 / cm 3 . The plant-derived char carbon precursor having such a true density can be produced, for example, by firing a plant material at 800-1400 ° C. Here, the details of the measurement of the true density ρ Bt are as described in the examples, and can be measured by the butanol method according to the method defined in JIS R 7212.

本発明の炭素質材料は、特に自動車用途等において求められるリチウムのドープ、脱ドープにおける繰り返し特性の観点から、3nm以下のLc(炭素六角網面積層方向)を有することが好ましい。Lcは、0.5〜2nmであることがより好ましい。Lcが3nmを超えると、炭素六角網面が多層に積層し、リチウムのドープ、脱ドープに伴う体積膨張収縮が大きくなる場合がある。そのため、体積膨張収縮により炭素構造が破壊され、リチウムのドープ・脱ドープが遮断されて、繰り返し特性が低下する場合がある。ここで、Lcの測定の詳細は実施例に記載する通りであり、X線回折法により、Scherrerの式を用いて得ることができる。   The carbonaceous material of the present invention preferably has an Lc (carbon hexagonal area layer direction) of 3 nm or less, particularly from the viewpoint of repetitive characteristics in lithium doping and dedoping required for automotive applications and the like. Lc is more preferably 0.5 to 2 nm. When Lc exceeds 3 nm, carbon hexagonal network surfaces are stacked in multiple layers, and volume expansion and contraction accompanying lithium doping and dedoping may increase. Therefore, the carbon structure is destroyed by volume expansion and contraction, lithium doping / dedoping is interrupted, and the repeated characteristics may be deteriorated. Here, the details of the measurement of Lc are as described in Examples, and can be obtained by the X-ray diffraction method using Scherrer's equation.

本発明の炭素質材料の平均粒子径(Dv50)は、好ましくは3〜30μmである。平均粒子径が小さすぎると、微粉が増加し、炭素質材料の比表面積が増加する。その結果、炭素質材料と電解液との反応性が高くなり、不可逆容量が増加し、正極の容量が無駄になる割合が増加することがある。ここで不可逆容量とは、非電解質二次電池に充電した容量のうち、放電しない容量である。平均粒子径が小さすぎる炭素質材料を用いて負極電極を製造した場合、炭素質材料間に形成される空隙が小さくなり、電解液中のリチウムの移動が制限されるため、好ましくない。炭素質材料の平均粒子径は、より好ましくは4μm以上、特に好ましくは5μm以上である。平均粒子径が30μm以下の場合、粒子内でのリチウムの拡散自由行程が少なく、急速な充放電が可能となり好ましい。更に、リチウムイオン二次電池では、入出力特性の向上には電極面積を大きくすることが重要であり、そのため電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。塗工厚みを薄くするには、活物質の粒子径を小さくする必要がある。このような観点から、平均粒子径の上限としては30μm以下が好ましいが、より好ましくは19μm以下であり、更に好ましくは17μm以下であり、更に好ましくは16μm以下、最も好ましくは15μm以下である。 The average particle diameter (Dv 50 ) of the carbonaceous material of the present invention is preferably 3 to 30 μm. If the average particle size is too small, fine powder increases and the specific surface area of the carbonaceous material increases. As a result, the reactivity between the carbonaceous material and the electrolytic solution increases, the irreversible capacity increases, and the rate at which the positive electrode capacity is wasted may increase. Here, the irreversible capacity is a capacity that does not discharge among the capacity charged in the non-electrolyte secondary battery. When a negative electrode is produced using a carbonaceous material having an average particle size that is too small, voids formed between the carbonaceous materials are reduced, and movement of lithium in the electrolytic solution is restricted, which is not preferable. The average particle diameter of the carbonaceous material is more preferably 4 μm or more, and particularly preferably 5 μm or more. When the average particle size is 30 μm or less, the lithium free diffusion process in the particles is small, and rapid charge / discharge is possible, which is preferable. Further, in the lithium ion secondary battery, it is important to increase the electrode area for improving the input / output characteristics. For this reason, it is necessary to reduce the coating thickness of the active material on the current collector plate during electrode preparation. In order to reduce the coating thickness, it is necessary to reduce the particle diameter of the active material. From such a viewpoint, the upper limit of the average particle diameter is preferably 30 μm or less, more preferably 19 μm or less, still more preferably 17 μm or less, still more preferably 16 μm or less, and most preferably 15 μm or less.

また、本発明の炭素質材料の吸湿量は、好ましくは15,000ppm以下、より好ましくは13,000ppm以下、さらに好ましくは10,000ppm以下である。吸湿量が少ないほど、炭素質材料に吸着する水分が減り、炭素質材料に吸着するリチウムイオンが増加するので好ましい。また、吸湿量が少ないほど、吸着した水分と炭素質材料の窒素原子との反応や、吸着した水分とリチウムイオンとの反応による自己放電を低減できるので好ましい。炭素質材料の吸湿量は、例えば、炭素質材料に含まれる窒素原子や酸素原子の量を減らすことにより、減らすことができる。炭素質材料の吸湿量は、例えば、カールフィッシャー等を用いて測定することができる。   The moisture absorption of the carbonaceous material of the present invention is preferably 15,000 ppm or less, more preferably 13,000 ppm or less, and still more preferably 10,000 ppm or less. The smaller the amount of moisture absorption, the more the moisture adsorbed on the carbonaceous material decreases, and the more lithium ions adsorbed on the carbonaceous material increase. Further, it is preferable that the amount of moisture absorption is small because the self-discharge due to the reaction between the adsorbed moisture and the nitrogen atom of the carbonaceous material and the reaction between the adsorbed moisture and lithium ion can be reduced. The moisture absorption amount of the carbonaceous material can be reduced by reducing the amount of nitrogen atoms and oxygen atoms contained in the carbonaceous material, for example. The amount of moisture absorption of the carbonaceous material can be measured using, for example, a Karl Fischer.

(非水電解質二次電池用負極)
本発明の非水電解質二次電池用負極は、本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料を含むものである。
(Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery)
The negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of the present invention contains the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of the present invention.

以下において、本発明の非水電解質二次電池用の負極の製造方法を具体的に述べる。本発明の負極電極は、本発明の炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し、適当な溶媒を適量添加、混練し、電極合剤とした後に、金属板等からなる集電板に塗布・乾燥後、加圧成形することにより製造することができる。   Below, the manufacturing method of the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention is described concretely. The negative electrode of the present invention is obtained by adding a binder (binder) to the carbonaceous material of the present invention, adding an appropriate amount of an appropriate solvent, kneading to form an electrode mixture, and then applying it to a current collector plate made of a metal plate or the like -It can be manufactured by pressure molding after drying.

本発明の炭素質材料を用いることにより、導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極を製造することができる。更に高い導電性を賦与することを目的として、必要に応じて電極合剤の調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブ等を用いることができる。導電助剤の添加量は、使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないことがあり、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなることがある。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5〜10重量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100重量%とする)であり、更に好ましくは0.5〜7重量%、特に好ましくは0.5〜5重量%である。結合剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等の電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもPVDFは、活物質表面に付着したPVDFがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性を得るために好ましい。PVDFを溶解し、スラリーを形成するためにN−メチルピロリドン(NMP)等の極性溶媒を好ましく用いられるが、SBR等の水性エマルジョンやCMCを水に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させることがある。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料の粒子相互間および集電材との結合が不十分となることがある。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、例えばPVDF系のバインダーでは好ましくは3〜13重量%であり、更に好ましくは3〜10重量%である。一方、溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5〜5重量%が好ましく、更に好ましくは1〜4重量%である。   By using the carbonaceous material of the present invention, an electrode having high conductivity can be produced without adding a conductive additive. For the purpose of imparting higher conductivity, a conductive aid can be added as necessary when preparing the electrode mixture. As the conductive assistant, conductive carbon black, vapor grown carbon fiber (VGCF), nanotube, or the like can be used. The amount of conductive auxiliary agent added varies depending on the type of conductive auxiliary agent used, but if the amount added is too small, the expected conductivity may not be obtained, and if too large, the dispersion in the electrode mixture will be poor. May be. From such a point of view, a preferable ratio of the conductive auxiliary agent to be added is 0.5 to 10% by weight (where the amount of the active material (carbonaceous material) + the binder amount + the conductive auxiliary agent amount = 100% by weight). More preferably 0.5 to 7% by weight, particularly preferably 0.5 to 5% by weight. The binder is not particularly limited as long as it does not react with an electrolytic solution such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, and a mixture of SBR (styrene-butadiene rubber) and CMC (carboxymethylcellulose). Among them, PVDF is preferable because PVDF attached to the surface of the active material hardly inhibits lithium ion migration and obtains favorable input / output characteristics. In order to dissolve PVDF and form a slurry, a polar solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) is preferably used, but an aqueous emulsion such as SBR or CMC can also be dissolved in water. When the amount of the binder added is too large, the resistance of the obtained electrode increases, so that the internal resistance of the battery increases and the battery characteristics may be deteriorated. Moreover, when there is too little addition amount of a binder, the coupling | bonding between the particles of negative electrode material and a collector may become inadequate. Although the preferable addition amount of a binder changes also with kinds of binder to be used, for example, in the case of a PVDF-type binder, it is preferably 3 to 13% by weight, and more preferably 3 to 10% by weight. On the other hand, in a binder using water as a solvent, a mixture of a plurality of binders such as a mixture of SBR and CMC is often used, and the total amount of all binders used is preferably 0.5 to 5% by weight. Preferably it is 1-4 weight%.

電極活物質層は、集電板の両面に形成されることが基本であるが、必要に応じて片面に形成されてもよい。電極活物質層が厚いほど、集電板やセパレータ等が少なくて済むため、高容量化には好ましい。しかし、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため、電極活物質層が厚すぎると入出力特性が低下することがある。好ましい活物質層(片面当たり)の厚みは、電池放電時の出力の観点から、10〜80μmであり、更に好ましくは20〜75μm、特に好ましくは20〜60μmである。   The electrode active material layer is basically formed on both sides of the current collector plate, but may be formed on one side as necessary. The thicker the electrode active material layer, the fewer current collector plates, separators, and the like, which is preferable for increasing the capacity. However, since the larger the electrode area facing the counter electrode is, the more advantageous the input / output characteristics are. Therefore, if the electrode active material layer is too thick, the input / output characteristics may deteriorate. A preferable thickness of the active material layer (per one side) is 10 to 80 μm, more preferably 20 to 75 μm, and particularly preferably 20 to 60 μm from the viewpoint of output during battery discharge.

(非水電解質二次電池)
本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池用負極を含むものである。本発明の炭素質材料を使用した非水電解質二次電池用負極電極を用いた非水電解質二次電池は、優れた出力特性および優れたサイクル特性を示す。
(Non-aqueous electrolyte secondary battery)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention. The nonaqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery using the carbonaceous material of the present invention exhibits excellent output characteristics and excellent cycle characteristics.

本発明の炭素質材料を用いて、非水電解質二次電池用の負極を形成した場合、正極材料、セパレータ、および電解液など電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。   When the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery is formed using the carbonaceous material of the present invention, other materials constituting the battery, such as a positive electrode material, a separator, and an electrolytic solution, are not particularly limited. Various materials conventionally used or proposed as a solvent secondary battery can be used.

例えば、正極材料としては、層状酸化物系(LiMOと表されるもので、Mは金属:例えばLiCoO、LiNiO、LiMnO、またはLiNiCoMo(ここでx、y、zは組成比を表わす))、オリビン系(LiMPOで表され、Mは金属:例えばLiFePOなど)、スピネル系(LiMで表され、Mは金属:例えばLiMnなど)の複合金属カルコゲン化合物が好ましく、これらのカルコゲン化合物を必要に応じて混合してもよい。これらの正極材料を適当なバインダーと電極に導電性を付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集電材上に層形成することにより正極が形成される。 For example, as the positive electrode material, a layered oxide system (represented as LiMO 2 , where M is a metal: for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , or LiNi x Co y Mo z O 2 (where x, y , Z represents a composition ratio)), olivine system (represented by LiMPO 4 , M is a metal: for example LiFePO 4, etc.), spinel system (represented by LiM 2 O 4 , M is a metal: for example LiMn 2 O 4, etc. ) Is preferable, and these chalcogen compounds may be mixed as necessary. These positive electrode materials are molded together with an appropriate binder and a carbon material for imparting conductivity to the electrode, and a positive electrode is formed by forming a layer on the conductive current collector.

これらの正極および負極と組み合わせて用いられる非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ−ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、または1,3−ジオキソラン等の有機溶媒を、一種または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、LiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiAsF、LiCl、LiBr、LiB(C、またはLiN(SOCF等が用いられる。 The nonaqueous solvent electrolyte used in combination with these positive electrode and negative electrode is generally formed by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, γ-butyllactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, and 1,3-dioxolane. Can be used singly or in combination of two or more. As the electrolyte, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, LiB (C 6 H 5 ) 4 , or LiN (SO 3 CF 3 ) 2 is used.

非水電解質二次電池は、一般に上記のようにして形成した正極と負極とを必要に応じて不織布、その他の多孔質材料等からなる透液性セパレータを介して対向させ電解液中に浸漬させることにより形成される。セパレータとしては、二次電池に通常用いられる不織布、その他の多孔質材料からなる透過性セパレータを用いることができる。あるいはセパレータの代わりに、もしくはセパレータと一緒に、電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。   In nonaqueous electrolyte secondary batteries, the positive electrode and the negative electrode formed as described above are generally immersed in an electrolytic solution so that they face each other through a liquid-permeable separator made of a nonwoven fabric, other porous materials, or the like as necessary. Is formed. As the separator, a non-woven fabric usually used for a secondary battery or a permeable separator made of another porous material can be used. Alternatively, a solid electrolyte made of a polymer gel impregnated with an electrolytic solution can be used instead of or together with the separator.

本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料は、例えば自動車などの車両に搭載される電池(典型的には車両駆動用非水電解質二次電池)用炭素質材料として好適である。本発明において車両とは、通常、電動車両としてしられるものや、燃料電池や内燃機関とのハイブリッド車など、特に制限されることなく対象とすることができるが、少なくとも上記電池を備えた電源装置と、該電源装置からの電源供給により駆動する電動駆動機構と、これを制御する制御装置とを備える。車両は、さらに、発電ブレーキや回生ブレーキを備え、制動によるエネルギーを電気に変換して、前記非水電解質二次電池に充電する機構を備えていてもよい。   The carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is suitable as a carbonaceous material for a battery (typically a non-aqueous electrolyte secondary battery for driving a vehicle) mounted on a vehicle such as an automobile. In the present invention, the vehicle can be a target such as a vehicle that is usually used as an electric vehicle, a hybrid vehicle with a fuel cell or an internal combustion engine, and the like, but at least a power supply device including the battery. And an electric drive mechanism that is driven by power supply from the power supply device, and a control device that controls the electric drive mechanism. The vehicle may further include a power generation brake and a regenerative brake, and may include a mechanism that converts energy generated by braking into electricity and charges the nonaqueous electrolyte secondary battery.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。なお、以下に非水電解質二次電池用炭素質材料の物性値の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but these do not limit the scope of the present invention. In addition, although the measuring method of the physical-property value of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries is described below, the physical-property value described in this specification including an Example is the value calculated | required by the following method. Is based.

(窒素吸着法による比表面積測定)
以下にBETの式から誘導された近似式を記す。
(Specific surface area measurement by nitrogen adsorption method)
An approximate expression derived from the BET expression is described below.

Figure 2015179666
Figure 2015179666

上記の近似式を用いて、液体窒素温度における、窒素吸着による3点法によりvを求め、次式により試料の比表面積を計算した。 Using the above approximate equation, vm was determined by a three-point method by nitrogen adsorption at liquid nitrogen temperature, and the specific surface area of the sample was calculated by the following equation.

Figure 2015179666
Figure 2015179666

このとき、vmは試料表面に単分子層を形成するに必要な吸着量(cm/g)、vは実測される吸着量(cm/g)、pは飽和蒸気圧、pは絶対圧、cは定数(吸着熱を反映)、Nはアボガドロ数6.022×1023、a(nm)は吸着質分子が試料表面で占める面積(分子占有断面積)である。 In this case, v m adsorption amount necessary to form a monomolecular layer on the surface of the sample (cm 3 / g), v adsorption amount is measured (cm 3 / g), p 0 is saturation vapor pressure, p is Absolute pressure, c is a constant (reflecting heat of adsorption), N is Avogadro's number 6.022 × 10 23 , and a (nm 2 ) is an area occupied by the adsorbate molecule on the sample surface (molecular occupation cross-sectional area).

具体的には、日本BELL社製「BELL Sorb Mini」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における炭素材料への窒素の吸着量を測定した。粒子径約5〜50μmに粉砕した炭素材料を試料管に充填し、試料管を−196℃に冷却した状態で、一旦減圧し、その後所望の相対圧にて炭素材料に窒素(純度99.999%)を吸着させる。各所望の相対圧にて平衡圧に達した時の試料に吸着した窒素量を吸着ガス量vとした。   Specifically, the amount of nitrogen adsorbed on the carbon material at the liquid nitrogen temperature was measured as follows using “BELL Sorb Mini” manufactured by BELL JAPAN. A carbon material pulverized to a particle diameter of about 5 to 50 μm is filled in a sample tube, and the sample tube is cooled to −196 ° C., and once depressurized, nitrogen (purity 99.999) is added to the carbon material at a desired relative pressure. %) Is adsorbed. The amount of nitrogen adsorbed on the sample when the equilibrium pressure was reached at each desired relative pressure was defined as the amount of adsorbed gas v.

(X線回折法による平均面間隔d002測定)
「株式会社リガク製MiniFlexII」を用い、炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、Niフィルターにより単色化したCuKα線を線源とし、X線回折図形を得た。回折図形のピーク位置は重心法(回折線の重心位置を求め、これに対応する2θ値でピーク位置を求める方法)により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正した。CuKα線の波長を0.15418nmとし、以下に記すBraggの公式によりd002を算出した。
(Measurement of average surface distance d002 by X-ray diffraction method)
Using “MiniFlexII manufactured by Rigaku Corporation”, an X-ray diffraction pattern was obtained using a CuKα ray filled with a carbonaceous material powder in a sample holder and monochromated by a Ni filter as a radiation source. The peak position of the diffraction pattern is obtained by the barycentric method (a method of obtaining the barycentric position of the diffraction line and obtaining the peak position by the corresponding 2θ value), and using the diffraction peak on the (111) plane of the high-purity silicon powder for standard materials. Corrected. The wavelength of the CuKα ray was 0.15418 nm, and d 002 was calculated according to the Bragg formula described below.

Figure 2015179666
Figure 2015179666

(元素分析)
株式会社堀場製作所製、酸素・窒素・水素分析装置EMGA−930を用いて元素分析を行った。
当該装置の検出方法は、酸素:不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法(NDIR)、窒素:不活性ガス融解−熱伝導度法(TCD)、水素:不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法(NDIR)であり、校正は、(酸素・窒素)Niカプセル、TiH(H標準試料)、SS−3(N、O標準試料)で行い、前処理として250℃、約10分で水分量を測定した試料20mgをNiカプセルに取り、元素分析装置内で30秒脱ガスした後に測定した。試験は3検体で分析し、平均値を分析値とした。
(Elemental analysis)
Elemental analysis was performed using an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer EMGA-930 manufactured by HORIBA, Ltd.
The detection method of the apparatus is as follows: oxygen: inert gas melting-non-dispersive infrared absorption method (NDIR), nitrogen: inert gas melting-thermal conductivity method (TCD), hydrogen: inert gas melting-non-dispersing infrared ray It is an absorption method (NDIR), and calibration is carried out with (oxygen / nitrogen) Ni capsules, TiH 2 (H standard sample), SS-3 (N, O standard sample). 20 mg of the sample whose moisture content was measured was taken in a Ni capsule and measured after degassing for 30 seconds in the elemental analyzer. In the test, three samples were analyzed, and the average value was used as the analysis value.

(残炭率の測定)
残炭率は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分の炭素量を定量することにより測定した。強熱は、揮発性有機物およそ1g(この正確な重量をW1(g)とする)を坩堝にいれ、1分間に20リットルの窒素を流しながら坩堝を電気炉にて、10℃/分の昇温速度で常温から800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱した。このときの残存物を強熱残分とし、その重量をW(g)とした。
次いで上記強熱残分について、JIS M8819に定められた方法に準拠して元素分析を行い、炭素の重量割合P(%)を測定した。残炭率P(%)は以下の式により算出した。
(Measurement of residual coal rate)
The residual carbon ratio was measured by quantifying the carbon content of the ignition residue after the sample was ignited in an inert gas. The strong heat is obtained by putting about 1 g of volatile organic substances (this exact weight is W 1 (g)) into the crucible and flowing the crucible in an electric furnace at 10 ° C./min while flowing 20 liters of nitrogen per minute. The temperature was raised from room temperature to 800 ° C. at a rate of temperature rise, and then ignited at 800 ° C. for 1 hour. The residue at this time was regarded as an ignition residue, and its weight was defined as W 2 (g).
Next, the ignition residue was subjected to elemental analysis in accordance with the method defined in JIS M8819, and the carbon weight ratio P 1 (%) was measured. The residual coal rate P 2 (%) was calculated by the following formula.

Figure 2015179666
Figure 2015179666

(ブタノール法による真密度)
真密度は、JIS R 7212に定められた方法に従い、ブタノール法により測定した。内容積約40mLの側管付比重びんの質量(m)を正確に量った。次に、その底部に試料を約10mmの厚さになるように平らに入れた後、その質量(m)を正確に量った。これに1−ブタノールを静かに加えて、底から20mm 程度の深さにした。次に比重びんに軽い振動を加えて、大きな気泡の発生がなくなったのを確かめた後、真空デシケーター中に入れ、徐々に排気して2.0〜2.7kPaとした。その圧力に20分間以上保ち、気泡の発生が止まった後に、取り出し、更に1−ブタノールを満たし、栓をして恒温水槽(30±0.03℃に調節してあるもの)に15分間以上浸し、1−ブタノールの液面を標線に合わせた。次に、これを取り出して外部をよくぬぐって室温まで冷却した後質量(m)を正確に量った。次に、同じ比重びんに1−ブタノールだけを満たし、前記と同じようにして恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m)を量った。また使用直前に沸騰させて溶解した気体を除いた蒸留水を比重びんにとり、前記と同様に恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m)を量った。
真密度ρBtは次の式により計算した。

Figure 2015179666

このとき、dは水の30℃における比重(0.9946)である。 (True density by butanol method)
The true density was measured by a butanol method according to a method defined in JIS R 7212. The mass (m 1 ) of a specific gravity bottle with a side tube having an internal volume of about 40 mL was accurately measured. Next, the sample was put flat on the bottom so as to have a thickness of about 10 mm, and the mass (m 2 ) was accurately measured. To this, 1-butanol was gently added to a depth of about 20 mm from the bottom. Next, light vibration was applied to the specific gravity bottle, and it was confirmed that large bubbles were not generated. Then, the bottle was placed in a vacuum desiccator and gradually evacuated to 2.0 to 2.7 kPa. Keep at that pressure for 20 minutes or more, and after the generation of bubbles has stopped, take it out, fill it with 1-butanol, plug it and immerse it in a constant temperature water bath (adjusted to 30 ± 0.03 ° C) for 15 minutes or more. The liquid level of 1-butanol was adjusted to the marked line. Next, this was taken out, wiped out well, cooled to room temperature, and then the mass (m 4 ) was accurately measured. Next, the same specific gravity bottle was filled with only 1-butanol, immersed in a constant temperature water bath in the same manner as described above, and the mass (m 3 ) was measured after aligning the marked lines. Moreover, distilled water excluding the gas which had been boiled and dissolved immediately before use was taken in a specific gravity bottle, immersed in a constant temperature water bath in the same manner as described above, and the mass (m 5 ) was measured after aligning the marked lines.
The true density ρ Bt was calculated by the following formula.
Figure 2015179666

At this time, d is the specific gravity of water at 30 ° C. (0.9946).

(平均粒子径)
植物由来のチャーおよび炭素質材料の平均粒子径(粒度分布)は、例えば以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業(株)製「ToritonX100」)が0.3質量%含まれた水溶液に投入し、超音波洗浄器で10分以上処理し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定装置(日機装(株)製「マイクロトラックM T3000」)を用いて行った。d50は、累積体積が50%となる粒子径であり、この値を平均粒子径として用いた。
(Average particle size)
The average particle size (particle size distribution) of plant-derived char and carbonaceous material was measured, for example, by the following method. The sample was put into an aqueous solution containing 0.3% by mass of a surfactant (“Toriton X100” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes or more, and dispersed in the aqueous solution. The particle size distribution was measured using this dispersion. The particle size distribution measurement was performed using a particle size / particle size distribution measuring apparatus (“Microtrack MT3000” manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). d50 is the particle diameter at which the cumulative volume is 50%, and this value was used as the average particle diameter.

(金属含量)
カリウム元素含量および鉄元素含量の測定方法は、例えば以下の方法により測定した。予め所定のカリウム元素および鉄元素を含有する炭素試料を調製し、蛍光X線分析装置を用いて、カリウムKα線の強度とカリウム含有量との関係、および鉄Kα線の強度と鉄含有量との関係に関する検量線を作成した。ついで試料について蛍光X線分析におけるカリウムKα線および鉄Kα線の強度を測定し、先に作成した検量線よりカリウム含有量および鉄含有量を求めた。蛍光X線分析は、(株)島津製作所製LAB CENTER XRF−1700を、以下の条件で行った。上部照射方式用ホルダーを用い、試料測定面積を直径20mmの円周内とした。被測定試料の設置は、内径25mmのポリエチレン製容器の中に被測定試料を0.5g入れ、裏をプランクトンネットで押さえ、測定表面をポリプロピレン製フィルムで覆い測定を行った。X線源は40kV、60mAに設定した。カリウムについては、分光結晶にLiF(200)、検出器にガスフロー型比例係数管を使用し、2θが90〜140°の範囲を、走査速度8°/分で測定した。鉄については、分光結晶にLiF(200)、検出器にシンチレーションカウンターを使用し、2θが56〜60°の範囲を、走査速度8°/分で測定した。
(Metal content)
The measuring method of potassium element content and iron element content was measured, for example, by the following method. A carbon sample containing a predetermined potassium element and iron element is prepared in advance, and using a fluorescent X-ray analyzer, the relationship between the intensity of potassium Kα ray and the potassium content, and the intensity of iron Kα ray and the iron content A calibration curve for the relationship was created. Subsequently, the intensity | strength of the potassium K alpha ray and iron K alpha ray in a fluorescent X ray analysis was measured about the sample, and potassium content and iron content were calculated | required from the analytical curve created previously. The fluorescent X-ray analysis was performed using LAB CENTER XRF-1700 manufactured by Shimadzu Corporation under the following conditions. Using the upper irradiation system holder, the sample measurement area was within the circumference of 20 mm in diameter. The sample to be measured was placed by placing 0.5 g of the sample to be measured in a polyethylene container having an inner diameter of 25 mm, pressing the back with a plankton net, and covering the measurement surface with a polypropylene film for measurement. The X-ray source was set to 40 kV and 60 mA. For potassium, LiF (200) was used for the spectroscopic crystal and a gas flow proportional coefficient tube was used for the detector, and 2θ was measured in the range of 90 to 140 ° at a scanning speed of 8 ° / min. For iron, LiF (200) was used for the spectroscopic crystal, and a scintillation counter was used for the detector, and 2θ was measured in the range of 56 to 60 ° at a scanning speed of 8 ° / min.

(吸湿量)
粒子径約5〜50μmに粉砕した炭素材料10gをサンプル管に入れ、133Paの減圧下、120℃にて2時間事前乾燥し、50mmφのガラス製シャーレに移し、25℃、湿度50%の恒温恒湿槽にて、所定時間暴露した。サンプル1gを取り、カールフィッシャー(三菱化学アナリテック社製)にて、250℃に加熱し、窒素気流下に水分量を測定した。
(Moisture absorption)
10 g of carbon material pulverized to a particle size of about 5 to 50 μm is put in a sample tube, pre-dried at 120 ° C. for 2 hours under a reduced pressure of 133 Pa, transferred to a 50 mmφ glass petri dish, and kept at a constant temperature and constant temperature of 25 ° C. and humidity 50%. It was exposed for a predetermined time in a damp bath. 1 g of a sample was taken, heated to 250 ° C. by Karl Fischer (manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.), and the water content was measured under a nitrogen stream.

(調製例1)
椰子殻を破砕し、500℃で乾留して、粒径2.360〜0.850mmの椰子殻チャー(粒径2.360〜0.850mmの粒子を98重量%含有)を得た。この椰子殻チャー100gに対して、塩化水素ガスを1体積%含む窒素ガスを10L/分の流量で供給しながら900℃で50分間気相脱灰処理を実施した。その後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、窒素ガスを10L/分の流量で供給しながら、さらに900℃で30分間気相脱酸処理を実施し、炭素前駆体を得た。
得られた炭素前駆体を、ボールミルを用いて平均粒子径10μmに粗粉砕した後、コンパクトジェットミル(株式会社セイシン企業製、コジェットシステムα―mkIII)を用いて粉砕および分級し、平均粒径9.6μmの炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、210m/gであった。
(Preparation Example 1)
The coconut shell was crushed and dry-distilled at 500 ° C. to obtain coconut shell char having a particle size of 2.360 to 0.850 mm (containing 98 wt% of particles having a particle size of 2.360 to 0.850 mm). A vapor phase deashing process was performed for 50 minutes at 900 ° C. while supplying nitrogen gas containing 1% by volume of hydrogen chloride gas at a flow rate of 10 L / min to 100 g of this coconut shell char. Thereafter, only the supply of hydrogen chloride gas was stopped, and while supplying nitrogen gas at a flow rate of 10 L / min, vapor phase deoxidation treatment was further performed at 900 ° C. for 30 minutes to obtain a carbon precursor.
The obtained carbon precursor was roughly pulverized to an average particle size of 10 μm using a ball mill, and then pulverized and classified using a compact jet mill (manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd., Kodget System α-mkIII) to obtain an average particle size. A carbon precursor of 9.6 μm was obtained. The specific surface area of the obtained carbon precursor was 210 m 2 / g.

(調製例2)
気相脱灰処理温度および気相脱酸処理温度を870℃に変更した以外は、調製例1と同様にして、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、350m/gであった。
(Preparation Example 2)
A carbon precursor was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that the vapor phase deashing temperature and the vapor phase deoxidation temperature were changed to 870 ° C. The specific surface area of the obtained carbon precursor was 350 m 2 / g.

(調製例3)
気相脱灰処理温度および気相脱酸処理温度を950℃に変更した以外は、調製例1と同様にして、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、70m/gであった。
(Preparation Example 3)
A carbon precursor was obtained in the same manner as in Preparation Example 1 except that the vapor phase deashing temperature and the vapor phase deoxidation temperature were changed to 950 ° C. The specific surface area of the obtained carbon precursor was 70 m 2 / g.

(調製例4)
気相脱灰処理温度および気相脱酸処理温度を800℃に変更した以外は、調製例1と同様にして、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、520m/gであった。
(Preparation Example 4)
A carbon precursor was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that the vapor phase deashing temperature and the vapor phase deoxidation temperature were changed to 800 ° C. The specific surface area of the obtained carbon precursor was 520 m 2 / g.

(実施例1)
調製例1で調製した炭素前駆体9.1gと、ポリスチレン0.9g(積水化成品工業株式会社製、平均粒径400μm、残炭率1.2%)とを混合した。この混合物10gを黒鉛製鞘(縦100mm、横100mm、高さ50mm)に入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中、毎分5Lの窒素流量下、毎分60℃の昇温速度で1290℃まで昇温した後、11分間保持し、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出した。回収された炭素質材料は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
Example 1
9.1 g of the carbon precursor prepared in Preparation Example 1 and 0.9 g of polystyrene (manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., average particle diameter of 400 μm, residual carbon ratio of 1.2%) were mixed. 10 g of this mixture was placed in a graphite sheath (length 100 mm, width 100 mm, height 50 mm), and 1290 ° C. at a heating rate of 60 ° C. per minute under a 5 L / min nitrogen flow rate in a high-speed heating furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd. After being heated up to 11 minutes, it was kept for 11 minutes and naturally cooled. After confirming that the furnace temperature had dropped to 200 ° C. or less, the carbonaceous material was taken out of the furnace. The recovered carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例2)
調製例2で調製した炭素前駆体を用いた以外は、実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Example 2)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon precursor prepared in Preparation Example 2 was used. The recovered amount of the carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例3)
焼成温度を1270℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Example 3)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was changed to 1270 ° C. The recovered amount of the carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例4)
焼成温度を1270℃に変更した以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
Example 4
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2 except that the firing temperature was changed to 1270 ° C. The recovered amount of the carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例5)
1290℃における保持時間を23分に変更した以外は、実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Example 5)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the holding time at 1290 ° C. was changed to 23 minutes. The recovered amount of the carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例6)
1290℃における保持時間を23分に変更した以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Example 6)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2 except that the holding time at 1290 ° C. was changed to 23 minutes. The recovered amount of the carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例7)
焼成温度を1250℃とした以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。回収量は、8.1gであり、回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Example 7)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2 except that the firing temperature was 1250 ° C. The recovered amount was 8.1 g and the recovery rate was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例8)
植物由来のチャー炭素前駆体を9.6g、ポリスチレンを0.4gとした以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。回収量は8.5gであり、回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Example 8)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2, except that the plant-derived char carbon precursor was 9.6 g and the polystyrene was 0.4 g. The recovered amount was 8.5 g, and the recovery rate was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(実施例9)
ポリスチレンに代えてポリエチレン(住友精化株式会社製 平均粒径250μm、残炭率 1.9%)0.9gを用いた以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。回収量は9.0gであり、回収率は88%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
Example 9
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2 except that 0.9 g of polyethylene (manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd., average particle size 250 μm, residual carbon ratio 1.9%) was used instead of polystyrene. The recovered amount was 9.0 g, and the recovery rate was 88%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(比較例1)
調製例3で調製した炭素前駆体9.1gと、ポリスチレン0.9g(積水化成品工業株式会社製、平均粒径400μm、残炭率1.2%)とを混合した。この混合物10gを黒鉛製鞘(縦100mm、横100mm、高さ50mm)に入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中、毎分5Lの窒素流量下、毎分60℃の昇温速度で1290℃まで昇温し、その後11分間保持した後、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出した。回収された炭素質材料は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Comparative Example 1)
9.1 g of the carbon precursor prepared in Preparation Example 3 and 0.9 g of polystyrene (manufactured by Sekisui Plastics Co., Ltd., average particle diameter of 400 μm, residual carbon ratio of 1.2%) were mixed. 10 g of this mixture was placed in a graphite sheath (length 100 mm, width 100 mm, height 50 mm), and 1290 ° C. at a heating rate of 60 ° C. per minute under a 5 L / min nitrogen flow rate in a high-speed heating furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd. The temperature was raised to 1, then maintained for 11 minutes, and then naturally cooled. After confirming that the furnace temperature had dropped to 200 ° C. or less, the carbonaceous material was taken out of the furnace. The recovered carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(比較例2)
調製例4で調製した炭素前駆体を用いた以外は、比較例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Comparative Example 2)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the carbon precursor prepared in Preparation Example 4 was used. The recovered amount of the carbonaceous material was 8.1 g, and the recovery rate with respect to the carbon precursor was 89%. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(比較例3)
植物由来のチャー炭素前駆体のみを用い、ポリスチレンを混合しなかった以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
(Comparative Example 3)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 2 except that only the plant-derived char carbon precursor was used and polystyrene was not mixed. Table 1 shows the physical properties of the obtained carbonaceous material.

(電極の作製方法)
実施例1〜9、比較例1〜3で得られた炭素質材料をそれぞれ用いて、以下の手順に従って負極の作製を行った。
調製した炭素質材料92質量部、アセチレンブラック2質量部、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)6質量部およびNMP(N−メチルピロリドン)90質量部を混合し、スラリーを得た。厚さ14μmの銅箔に、得られたスラリーを塗布し、乾燥後プレスして、厚さ60μmの電極を得た。得られた電極の密度は、0.9〜1.1g/cmであった。
(Production method of electrode)
Using the carbonaceous materials obtained in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3, negative electrodes were prepared according to the following procedure.
92 parts by mass of the prepared carbonaceous material, 2 parts by mass of acetylene black, 6 parts by mass of PVDF (polyvinylidene fluoride) and 90 parts by mass of NMP (N-methylpyrrolidone) were mixed to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 14 μm, dried and pressed to obtain an electrode having a thickness of 60 μm. The density of the obtained electrode was 0.9 to 1.1 g / cm 3 .

(電池初期容量および充放電効率)
上記で作製した電極を作用極とし、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを、体積比で3:7となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPFを1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはガラス繊維不織布を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
上記構成のリチウム二次電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。更にリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量(mAh/g)を充電容量とした。次いで、活物質重量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量とした。放電容量/充電容量の百分率を充放電効率(初期の充放電効率)とし、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。
また、7日後に再度同様の電池性能を測定し、放電容量、充電容量、充放電効率を測定した。初期の充放電効率の値に対する、7日後の充放電効率の値を、効率維持率(%)とし、炭素質材料の酸化劣化に対する耐性の指標とした。なお7日後の電池性能は、作製した電極を室温、空気中で、7日間保存した後に、7日間保存前と同様の電池性能を測定し得られた値である。
得られた電池性能を表2に示す。
(Battery initial capacity and charge / discharge efficiency)
The electrode produced above was used as a working electrode, and metallic lithium was used as a counter electrode and a reference electrode. As a solvent, ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate were mixed and used at a volume ratio of 3: 7. In this solvent, 1 mol / L of LiPF 6 was dissolved and used as an electrolyte. A glass fiber nonwoven fabric was used for the separator. A coin cell was produced in a glove box under an argon atmosphere.
About the lithium secondary battery of the said structure, the charge / discharge test was done using the charge / discharge test apparatus (the Toyo System Co., Ltd. make, "TOSCAT"). Lithium was doped at a rate of 70 mA / g with respect to the mass of the active material, and was doped until 1 mV with respect to the lithium potential. Further, a constant voltage of 1 mV with respect to the lithium potential was applied for 8 hours to complete the doping. The capacity (mAh / g) at this time was defined as the charge capacity. Next, dedoping was performed at a rate of 70 mA / g with respect to the weight of the active material until 2.5 V with respect to the lithium potential, and the capacity discharged at this time was defined as the discharge capacity. The percentage of discharge capacity / charge capacity was defined as charge / discharge efficiency (initial charge / discharge efficiency), which was used as an index of utilization efficiency of lithium ions in the battery.
Further, after 7 days, the same battery performance was measured again, and the discharge capacity, charge capacity, and charge / discharge efficiency were measured. The value of the charge / discharge efficiency after 7 days relative to the initial charge / discharge efficiency value was defined as the efficiency maintenance rate (%), which was used as an index of the resistance against the oxidative deterioration of the carbonaceous material. The battery performance after 7 days is a value obtained by measuring the same battery performance as that before storage for 7 days after the produced electrode was stored for 7 days at room temperature and in air.
The obtained battery performance is shown in Table 2.

Figure 2015179666
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Figure 2015179666
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実施例1〜9で得られた炭素質材料を用いると、充電容量および放電容量は、比較例1〜3で得られた炭素質材料と同等の値が得られた。この値は満足できるレベルであった。さらに、実施例1〜9で得られた炭素質材料を用いると、充放電効率が良好であり、さらに7日後の効率維持率も良好となった。また、実施例1〜9で得られた炭素質材料の吸湿量は、比較例1〜3の炭素質材料よりも低減できた。   When the carbonaceous materials obtained in Examples 1 to 9 were used, the charge capacity and the discharge capacity were equivalent to those of the carbonaceous materials obtained in Comparative Examples 1 to 3. This value was satisfactory. Furthermore, when the carbonaceous materials obtained in Examples 1 to 9 were used, the charge / discharge efficiency was good, and the efficiency maintenance rate after 7 days was also good. Moreover, the moisture absorption amount of the carbonaceous material obtained in Examples 1-9 could be reduced more than the carbonaceous material of Comparative Examples 1-3.

本発明の炭素質材料を用いた非水電解質二次電池は、良好な充放電容量とともに、酸化劣化に対する良好な耐性を有する。また、本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料を負極に用いた非水電解質二次電池は、高いドープ容量(充電容量)および脱ドープ容量(放電容量)、および低い非脱ドープ容量(不可逆容量)を有し、充放電効率に優れている。従って、長寿命が求められるハイブリッド自動車(HEV)および電気自動車(EV)等の車載用途に特に用いることができる。   The non-aqueous electrolyte secondary battery using the carbonaceous material of the present invention has a good resistance to oxidative degradation as well as a good charge / discharge capacity. The nonaqueous electrolyte secondary battery using the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of the present invention as a negative electrode has a high doping capacity (charging capacity), a dedoping capacity (discharging capacity), and a low undoping capacity. (Irreversible capacity) and excellent charge / discharge efficiency. Therefore, it can be used particularly for in-vehicle applications such as hybrid vehicles (HEV) and electric vehicles (EV) that require a long life.

Claims (18)

比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程、
を具備する、
非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
A step of firing a mixture of a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C. to obtain a carbonaceous material;
Comprising
A method for producing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記炭素前駆体が植物由来である、請求項1に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。   The method for producing a carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the carbon precursor is derived from a plant. 前記揮発性有機物は、常温で固体状態であり、残炭率が5重量%未満である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。   The method for producing a carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the volatile organic substance is in a solid state at room temperature and has a residual carbon ratio of less than 5% by weight. 広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記非水電解質電池用炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記非水電解質電池用炭素質材料の比表面積が1〜20m/gの範囲にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。 Is calculated using the Bragg equation by wide angle X-ray diffraction method, the average spacing d 002 of (002) plane of the carbonaceous material for the nonaqueous electrolyte battery is in the range of 0.36~0.42Nm, nitrogen adsorption The specific surface area of the carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte battery determined by the BET three-point method is in the range of 1 to 20 m 2 / g, for the nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3. A method for producing a carbonaceous material. 前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m/gの範囲にある、請求項4に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。 The nonaqueous electrolyte secondary according to claim 4, wherein an average interplanar spacing d 002 of the (002) plane is in the range of 0.38 to 0.40 nm, and the specific surface area is in the range of 1 to 10 m 2 / g. A method for producing a carbonaceous material for a battery. 前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。   The volatile organic substance is at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly (meth) acrylic acid, poly (meth) acrylic acid ester, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. The manufacturing method of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of any one of -5. (1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理することを含む気相脱灰工程、
(2)気相脱灰された植物由来のチャーと、800℃で灰化した場合に残炭率が5重量%未満である揮発性有機物とを含む混合物を得る混合工程、および
(3)前記混合物を焼成する工程
を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
(1) A vapor phase decalcification step including heat-treating plant-derived char at 500 ° C. to 940 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound,
(2) a mixing step of obtaining a mixture comprising char derived from gas phase decalcified and a volatile organic substance having a residual carbon ratio of less than 5% by weight when incinerated at 800 ° C., and (3) The manufacturing method of the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of any one of Claims 1-6 including the process of baking a mixture.
前記混合物における、前記気相脱灰された植物由来のチャーと前記揮発性有機物との重量比が、97:3〜40:60である、請求項7に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。   The carbon for nonaqueous electrolyte secondary batteries according to claim 7, wherein a weight ratio of the vapor-decalcified plant-derived char and the volatile organic substance in the mixture is 97: 3 to 40:60. A method for producing quality materials. 前記焼成が、
(a)800〜1600℃の本焼成、または
(b)350℃以上800℃未満の予備焼成、および800〜1600℃での本焼成
である、請求項7または8に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
The firing is
The nonaqueous electrolyte secondary according to claim 7 or 8, which is (a) main baking at 800 to 1600 ° C, or (b) preliminary baking at 350 to less than 800 ° C, and main baking at 800 to 1600 ° C. A method for producing a carbonaceous material for a battery.
広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記非水電解質電池用炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記非水電解質電池用炭素質材料の比表面積が1〜20m/gの範囲にあり、窒素元素含量が0.5重量%以下、および酸素元素含量が0.25重量%以下である、非水電解質二次電池用炭素質材料。 Is calculated using the Bragg equation by wide angle X-ray diffraction method, the average spacing d 002 of (002) plane of the carbonaceous material for the nonaqueous electrolyte battery is in the range of 0.36~0.42Nm, nitrogen adsorption The specific surface area of the carbonaceous material for non-aqueous electrolyte battery determined by the BET three-point method is in the range of 1 to 20 m 2 / g, the nitrogen element content is 0.5% by weight or less, and the oxygen element content is 0.25 weight. % Carbonaceous material for non-aqueous electrolyte secondary batteries. 前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m/gの範囲にある、請求項10に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。 11. The nonaqueous electrolyte secondary according to claim 10, wherein an average interplanar spacing d 002 of the (002) plane is in a range of 0.38 to 0.40 nm and the specific surface area is in a range of 1 to 10 m 2 / g. Carbonaceous material for batteries. 前記非水電解質二次電池用炭素質材料が、比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成したものである、請求項10または11に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。 The carbonaceous material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is obtained by firing a mixture of a carbon precursor having a specific surface area of 100 to 500 m 2 / g and a volatile organic substance in an inert gas atmosphere at 800 to 1400 ° C., The carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries according to claim 10 or 11. 前記炭素前駆体が植物由来である、請求項12に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。   The carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries according to claim 12, wherein the carbon precursor is derived from a plant. 前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項12または13に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。   The volatile organic substance is at least one selected from the group consisting of polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly (meth) acrylic acid, poly (meth) acrylic acid ester, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. Or the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of 13. カリウム元素含量が0.1重量%以下、および鉄元素含量が0.02重量%以下である、請求項10〜14のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。   The carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 10 to 14, wherein the potassium element content is 0.1 wt% or less and the iron element content is 0.02 wt% or less. ブタノール法により求めた真密度が1.40〜1.70g/cmである、請求項10〜15のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。 The carbonaceous material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 10 to 15, wherein a true density obtained by a butanol method is 1.40 to 1.70 g / cm 3 . 請求項10〜16のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。   The negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries containing the carbonaceous material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of any one of Claims 10-16. 請求項17に記載の非水電解質二次電池用負極を含む非水電解質二次電池。   A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 17.
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