JP2016056038A - Carbon material - Google Patents

Carbon material Download PDF

Info

Publication number
JP2016056038A
JP2016056038A JP2014181484A JP2014181484A JP2016056038A JP 2016056038 A JP2016056038 A JP 2016056038A JP 2014181484 A JP2014181484 A JP 2014181484A JP 2014181484 A JP2014181484 A JP 2014181484A JP 2016056038 A JP2016056038 A JP 2016056038A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
carbon material
oxygen
cyclic compound
electrode active
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014181484A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
長瀬 浩
Hiroshi Nagase
浩 長瀬
水谷 聡
Satoshi Mizutani
聡 水谷
行正 西出
Yukimasa Nishide
行正 西出
遠藤 守信
Morinobu Endo
守信 遠藤
健司 竹内
Kenji Takeuchi
健司 竹内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shinshu University NUC
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Shinshu University NUC
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shinshu University NUC, Toyota Motor Corp filed Critical Shinshu University NUC
Priority to JP2014181484A priority Critical patent/JP2016056038A/en
Publication of JP2016056038A publication Critical patent/JP2016056038A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/54Improvements relating to the production of bulk chemicals using solvents, e.g. supercritical solvents or ionic liquids

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon material useful as the electrode active substance of a nonaqueous electrolyte secondary battery.SOLUTION: Provided is a carbon material in which the interlayer distance din the C axis direction calculated from the diffraction peak from the carbon (002) face by an X-ray wide-angle diffraction method is 0.35 to 0.38 nm, and crystallite thickness Lis 1.1 to 1.8 nm using carbon particles produced by being left under a supercritical liquid using a cyclic compound containing oxygen as a hetero atom as starting raw material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電極材料等として有用な炭素材料に関する。   The present invention relates to a carbon material useful as an electrode material or the like.

リチウム電池、ナトリウム電池および電気二重層キャパシタ等に代表される一次・二次電池の電極構成材料として、黒鉛等に代表される炭素の六角網面からなるグラフェン構造を備える炭素材料が広く用いられている。これらの炭素材料は、その微細構造を制御することで、当該電池の容量特性や入出力特性等を高め得ることが知られている。例えば、入出力特性の高い炭素材料を製造するために、ピッチ等の炭素原料を1000〜3000℃の高温で加熱処理する炭素材料の製造方法が広く一般に知られている。特許文献1には、小球体状のグラファイト粉末に含酸素有機物を被覆し、800〜1300℃の温度で熱処理することで、微細構造が制御されたカーボン粒子が得られることが開示されている。   As an electrode constituent material of primary and secondary batteries represented by lithium batteries, sodium batteries and electric double layer capacitors, carbon materials having a graphene structure composed of a hexagonal surface of carbon represented by graphite are widely used. Yes. It is known that these carbon materials can improve the capacity characteristics and input / output characteristics of the battery by controlling the microstructure. For example, in order to manufacture a carbon material having high input / output characteristics, a carbon material manufacturing method in which a carbon raw material such as pitch is heat-treated at a high temperature of 1000 to 3000 ° C. is widely known. Patent Document 1 discloses that carbon particles having a controlled fine structure can be obtained by coating a small spherical graphite powder with an oxygen-containing organic substance and performing a heat treatment at a temperature of 800 to 1300 ° C.

特許第3091943号Patent No. 3091943 特開2010−254513号公報JP 2010-254513 A 特開2013−043807号公報JP 2013-043807 A

この特許文献1のカーボン粒子は、C軸方向の層間距離d002が0.35nm〜0.37nm、結晶子厚さLC002が0.8nm〜1.0nmと、例えばリチウムイオン電池の負極活物質として用いた場合、比較的高容量を実現し得る結晶構造を有している。しかしながら、かかる炭素材料は、小球体状のグラファイト粉末に被覆された表面層においてかかる構造を有しているにとどまり、当該電池の高容量化においては改善の余地があった。 Negative electrode active material of the carbon particles of Patent Document 1, the C-axis direction of the interlayer distance d 002 is 0.35Nm~0.37Nm, crystallite thickness L C002 is 0.8Nm~1.0Nm, such as lithium-ion batteries When used as, it has a crystal structure capable of realizing a relatively high capacity. However, such a carbon material has such a structure in the surface layer covered with small spherical graphite powder, and there is room for improvement in increasing the capacity of the battery.

そこで、本発明は、以上の従来技術の問題を解決するべく、電極活物質等の電極材料等のとして有用な炭素材料を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon material useful as an electrode material such as an electrode active material in order to solve the above-described problems of the conventional technology.

上記の課題を解決するべく、本発明は、ヘテロ原子として酸素を含む環式化合物(以下、かかる化合物を単に「含酸素環式化合物」という場合がある。)を出発原料として用い、前記出発原料を超臨界流体下におくことで生成される炭素材料を提供する。かかる炭素材料は、X線広角回折法による炭素(002)面からの回折ピークから算出されるC軸方向の層間距離d002が0.35nm以上0.38nm以下であり、結晶子厚さLC002が1.1nm以上1.8nm以下であることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention uses a cyclic compound containing oxygen as a heteroatom (hereinafter, such a compound may be simply referred to as “oxygen-containing cyclic compound”) as a starting material. The carbon material produced | generated by putting under a supercritical fluid is provided. Such a carbon material has an interlayer distance d 002 in the C-axis direction calculated from a diffraction peak from the carbon (002) plane by an X-ray wide angle diffraction method of 0.35 nm or more and 0.38 nm or less, and a crystallite thickness L C002. Is 1.1 nm or more and 1.8 nm or less.

かかる構成によると、超臨界流体処理によってC軸方向に結晶子厚さLC002が伸長された特異な結晶構造を有する炭素材料が提供される。さらには、1000℃以下程度(より好ましくは500℃〜800℃程度、例えば、600℃〜700℃程度の温度範囲)の比較的低温での熱処理を施すことにより、電気抵抗が低減されて、電池の電極活物質等として好適な高容量を実現する炭素材料もが提供される。 According to such a configuration, a carbon material having a unique crystal structure in which the crystallite thickness L C002 is extended in the C-axis direction by supercritical fluid processing is provided. Furthermore, by performing a heat treatment at a relatively low temperature of about 1000 ° C. or less (more preferably about 500 ° C. to 800 ° C., for example, a temperature range of about 600 ° C. to 700 ° C.), the electric resistance is reduced, and the battery A carbon material that realizes a high capacity suitable as an electrode active material is also provided.

ここに開示される炭素材料の好ましい態様においては、上記含酸素環式化合物が、スクロースおよびその誘導体から選択されるいずれか1種以上の化合物であることを特徴としている。
かかる構成によると、炭素材料を構成する炭素網面に酸素原子を容易に導入することができ、上記の特異な結晶構造を好適に形成することができる。かかる炭素材料は、酸素原子の存在により、超臨界流体処理に加えて更なる熱処理を施した場合に、例えば、電極活物質等としての特性(典型的には、電気伝導性および容量特性)が向上され得る。したがって、本発明は、かかる炭素材料を電極活物質として含む、より高容量な電池(典型的には、非水電解質二次電池)や電気二重層キャパシタ等をも提供することができる。
In a preferred embodiment of the carbon material disclosed herein, the oxygen-containing cyclic compound is any one or more compounds selected from sucrose and derivatives thereof.
According to such a configuration, oxygen atoms can be easily introduced into the carbon network surface constituting the carbon material, and the above-described unique crystal structure can be suitably formed. Due to the presence of oxygen atoms, such a carbon material has characteristics (typically, electrical conductivity and capacity characteristics) as an electrode active material, for example, when further heat treatment is performed in addition to the supercritical fluid treatment. Can be improved. Therefore, the present invention can also provide a battery having a higher capacity (typically a nonaqueous electrolyte secondary battery), an electric double layer capacitor, or the like containing such a carbon material as an electrode active material.

(A)は一実施形態に係る炭素材料A1〜A4の、(B)は従来の炭素材料B1〜B4のX線回折パターンを例示した図である。(A) is the figure of carbon material A1-A4 which concerns on one Embodiment, (B) is the figure which illustrated the X-ray-diffraction pattern of conventional carbon material B1-B4. 一実施形態に係る炭素材料A2〜A4および従来の炭素材料B2〜B4を負極活物質に用いた非水電解質二次電池の充放電容量を示すグラフである。It is a graph which shows the charging / discharging capacity | capacitance of the nonaqueous electrolyte secondary battery which used carbon material A2-A4 which concerns on one Embodiment, and conventional carbon material B2-B4 for the negative electrode active material.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

ここに開示される炭素材料は、X線広角回折法による炭素(002)面からの回折ピークから算出されるC軸方向の層間距離d002が0.35nm以上0.38nm以下であり、結晶子厚さLC002が1.1nm以上1.8nm以下であることにより特徴づけられる。このようにC軸方向の層間距離d002が大きいことは、例えば、具体的には、かかる炭素材料をリチウムを電荷担体として利用する二次電池の電極材料として用いた場合等に、電荷担体であるLiイオンの吸蔵サイトが増大されて、二次電池を高容量化し得ることを示しているといえる。また、C軸方向の結晶子厚さLC002が大きいことはこのC軸方向に結晶性が高いことを意味している。なお、かかる炭素材料は、典型的には、粒子状の形態を有しており、粒子全体に亘って結晶構造が均一に構築されているものではなく、例えば、炭素網面がランダムに配置された構成であり得る。したがって、特に限定されるものではないが、典型的には、密度計により測定される真密度は1.7以下(例えば、1.2以上1.7以下)のものとして実現することができる。 The carbon material disclosed here has an interlayer distance d 002 in the C-axis direction calculated from a diffraction peak from the carbon (002) plane by an X-ray wide angle diffraction method of 0.35 nm to 0.38 nm. The thickness LC002 is characterized by being 1.1 nm or more and 1.8 nm or less. The interlayer distance d 002 in the C-axis direction is thus large, for example, when the carbon material is used as an electrode material of a secondary battery that uses lithium as a charge carrier. It can be said that the storage site of a certain Li ion is increased, and the capacity of the secondary battery can be increased. Further, a large crystallite thickness L C002 in the C-axis direction means that the crystallinity is high in the C-axis direction. Such a carbon material typically has a particulate form, and the crystal structure is not uniformly constructed over the entire particle. For example, the carbon network surface is randomly arranged. Can be configured. Therefore, although not particularly limited, typically, the true density measured by the density meter can be realized as 1.7 or less (for example, 1.2 or more and 1.7 or less).

かかる結晶構造を有する炭素材料は、特に制限されるものではないが、例えば以下の、超臨界流体による反応場を利用した方法により好適に製造することができる。かかる製造方法は、全工程(超臨界流体による処理に加え、後述の熱処理を含み得る。)が1000℃を超えない範囲、好ましくは例えば600℃程度以下の範囲で実施可能である点でも好ましい。ここで、出発原料としては、ヘテロ原子として酸素(O)を含む環式化合物、すなわち含酸素環式化合物を用い、かかる出発原料を上記の超臨界流体による反応場に置くようにしている。以下、ここに開示される炭素材料の製造方法の好ましい一態様について説明しつつ、ここに開示される炭素材料の特徴について詳細に説明する。   The carbon material having such a crystal structure is not particularly limited, but can be suitably produced by, for example, the following method using a reaction field with a supercritical fluid. This manufacturing method is also preferable in that it can be carried out in a range in which all steps (which may include the heat treatment described below in addition to the treatment with the supercritical fluid) do not exceed 1000 ° C., preferably in the range of about 600 ° C. or less. Here, as the starting material, a cyclic compound containing oxygen (O) as a hetero atom, that is, an oxygen-containing cyclic compound is used, and the starting material is placed in the reaction field by the supercritical fluid. Hereinafter, the characteristic of the carbon material disclosed here will be described in detail while describing a preferred embodiment of the method for producing the carbon material disclosed herein.

出発原料としては、含酸素環式化合物を用いるようにしている。ここで、環式化合物とは、炭素骨格を基本とした環状構造を有する有機化合物を総称するものであって、本発明においては、かかる炭素骨格による環の少なくとも1つが酸素原子により構成される化合物(複素環式化合物)を出発原料として用いるようにしている。この含酸素環式化合物については、一つの分子中に一つの環が存在する単環化合物や、2以上の環が存在する多環化合物であってよい。また、共役不飽和環構造を有する芳香族環状化合物(例えば、酸素をヘテロ原子として芳香環に有する単環または多環の芳香族化合物であり得る。)や、芳香族性を有しない飽和または不飽和の炭素環を1以上含む脂環式化合物(例えば、酸素をヘテロ原子として炭素環に有する単環または多環の脂環式化合物であり得る。)であってよい。好ましくは、一つの分子中に2以上の環が存在する多環化合物である。かかる環構造を構成する原子の数には制限はなく、例えば、小員環、中員環または大員環を有する化合物であってよい。典型的には、1員環〜10員環程度の含酸素環式化合物を考慮することができる。かかる環構造を有する材料を出発原料として用いることにより、より発達した炭素網面(グラフェン構造であり得る)を備える炭素材料を好適に得ることができる。   As a starting material, an oxygen-containing cyclic compound is used. Here, the cyclic compound is a general term for organic compounds having a cyclic structure based on a carbon skeleton, and in the present invention, a compound in which at least one of the rings of the carbon skeleton is constituted by an oxygen atom. (Heterocyclic compound) is used as a starting material. The oxygen-containing cyclic compound may be a monocyclic compound in which one ring exists in one molecule or a polycyclic compound in which two or more rings exist. In addition, an aromatic cyclic compound having a conjugated unsaturated ring structure (for example, it may be a monocyclic or polycyclic aromatic compound having oxygen as a heteroatom in an aromatic ring), saturated or unsaturated having no aromaticity. It may be an alicyclic compound containing one or more saturated carbocycles (for example, it may be a monocyclic or polycyclic alicyclic compound having oxygen as a heteroatom in the carbocycle). Preferable is a polycyclic compound having two or more rings in one molecule. There is no restriction | limiting in the number of atoms which comprise this ring structure, For example, it may be a compound which has a small ring, a medium ring, or a large ring. Typically, an oxygen-containing cyclic compound having about 1 to 10 members can be considered. By using a material having such a ring structure as a starting material, a carbon material having a more developed carbon network surface (which may be a graphene structure) can be suitably obtained.

なお、出発材料としての上記化合物は、常温常圧(典型的には25℃、1atm)において、液体または固体であるのが好ましい。かかる含酸素環式化合物の具体例としては、例えば、α−アセトラクトン、β−プロピオラクトン、γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン、酸化エチレン、酸化プロピレン、エポキシド、グリシドール、アセトラクトン、フラン、2−メチルテトラヒドロフラン、オキセタン、ジケテン、テトラヒドロピラン、ソトロン、エラグ酸、クマリン、オキサゾール、テロメスタチン、テガフール、ベンゾピラン、トピラマート、ペデリン、タンニン、フラボノール、ホロツリン、スクロース等およびこれらの誘導体が挙げられる。このような含酸素環式化合物は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いるようにしてもよい。また、上記のオキサゾール、テロメスタチン、テガフール等に例示されるように、環構造中に、酸素以外のヘテロ原子を含む化合物であってもよい。かかるヘテロ原子としては、窒素(N)、硫黄(S)、ホウ素(B)等が挙げられる。ここに開示される技術の出発材料としては、なかでも、次の一般式で示される、スクロース(C122211)およびその誘導体が好適な例として示される。 The above compound as a starting material is preferably liquid or solid at normal temperature and normal pressure (typically 25 ° C., 1 atm). Specific examples of such oxygen-containing cyclic compounds include, for example, α-acetolactone, β-propiolactone, γ-butyrolactone, δ-valerolactone, ethylene oxide, propylene oxide, epoxide, glycidol, acetolactone, furan, 2 -Methyltetrahydrofuran, oxetane, diketene, tetrahydropyran, sotron, ellagic acid, coumarin, oxazole, telomestatin, tegafur, benzopyran, topiramate, pederin, tannin, flavonol, holoturin, sucrose and the like and their derivatives. Only one kind of such oxygen-containing cyclic compounds may be used, or two or more kinds may be used in combination. Further, as exemplified by the above oxazole, telomestatin, tegafur and the like, a compound containing a hetero atom other than oxygen in the ring structure may be used. Such heteroatoms include nitrogen (N), sulfur (S), boron (B) and the like. As a starting material of the technology disclosed herein, sucrose (C 12 H 22 O 11 ) and derivatives thereof represented by the following general formula are particularly preferable examples.

Figure 2016056038
Figure 2016056038

このような出発原料を、超臨界流体下に存在させる。超臨界流体については特に制限されず、水、二酸化炭素、メタン,エタン等の飽和炭化水素、エチレン,プロピレン等のアルケン、メタノール,エタノール等の低級アルコール等の超臨界流体であってよい。好ましくは、水または二酸化炭素である。各々の臨界条件は異なってくるため、以下、典型的な、水の超臨界流体(すなわち、超臨界水)を用いた場合の炭素材料の製造方法を例に説明を行う。他の臨界流体についても、これに準じることができる。
すなわち、出発原料に対し、過酸化水素および水とともに、温度300℃〜600℃かつ圧力22MPa以上(例えば22〜100MPa)の条件下に保持する処理を行う。上記処理条件(温度および圧力)は、水の超臨界状態(水の臨界点:374℃かつ22.1MPa、以上の高温および高圧状態)または水の亜臨界状態(上記温度および圧力範囲であって、水の臨界点未満の状態)に相当する。より好ましくは、374℃以上で22.1MPa以上の超臨界状態であり得る。かかる処理条件において(換言すれば、超臨界水または亜臨界水による臨界場において)、含酸素環式化合物と過酸化水素と水とを含む混合物を導入することで、超臨界水中または亜臨界水中に含酸素環式化合物を均一に溶解してこの含酸素環式化合物の均一系を形成することができる。また、過酸化水素については、かかる臨界場により熱的に分解されてヒドロキシラジカルを発生する。ヒドロキシラジカルは、有機物の分解という観点からは十分に低い上記300℃〜600℃の温度範囲において、出発原料としての含酸素環式化合物の分解(典型的には炭素原子の結合の解離)と重合とを促し、当該含酸素環式化合物を炭素網目構造を有する炭素材料へと転換することを可能とする。また、上記のとおりの出発材料を用いることで、炭素材料への転換(炭素化)をより促進させることができる。
Such starting materials are present under supercritical fluid. The supercritical fluid is not particularly limited, and may be a supercritical fluid such as water, saturated hydrocarbons such as carbon dioxide, methane, and ethane, alkenes such as ethylene and propylene, and lower alcohols such as methanol and ethanol. Preferably, it is water or carbon dioxide. Since each critical condition is different, a typical carbon material manufacturing method using a water supercritical fluid (ie, supercritical water) will be described below as an example. The same applies to other critical fluids.
That is, the starting material is treated with hydrogen peroxide and water under conditions of a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. and a pressure of 22 MPa or more (for example, 22 to 100 MPa). The treatment conditions (temperature and pressure) are the supercritical state of water (critical point of water: 374 ° C. and 22.1 MPa, a high temperature and high pressure state) or the subcritical state of water (the above temperature and pressure range). , A state below the critical point of water). More preferably, it may be in a supercritical state at 374 ° C. or higher and 22.1 MPa or higher. Under such treatment conditions (in other words, in a critical field with supercritical water or subcritical water), by introducing a mixture containing an oxygen-containing cyclic compound, hydrogen peroxide and water, supercritical water or subcritical water In this way, the oxygen-containing cyclic compound can be uniformly dissolved to form a homogeneous system of the oxygen-containing cyclic compound. Further, hydrogen peroxide is thermally decomposed by such a critical field to generate hydroxy radicals. Hydroxyl radicals decompose and polymerize oxygen-containing cyclic compounds as starting materials (typically dissociation of carbon atom bonds) in the temperature range of 300 ° C. to 600 ° C., which is sufficiently low from the viewpoint of decomposition of organic substances. The oxygen-containing cyclic compound can be converted into a carbon material having a carbon network structure. Moreover, the conversion to carbon material (carbonization) can be further promoted by using the starting material as described above.

かかる超臨界流体による処理の具体的な製造条件については、例えば、特許文献1および2等を参照して適宜決定することができる。すなわち、含酸素環式化合物と反応させる過酸化水素(H)の量は、典型的には、該含酸素環式化合物を完全に酸化分解する(例えば、当該含酸素環式化合物を二酸化炭素および水にまで完全に酸化分解する)際に必要とされるモル数Mの1/2以下(典型的には1/2〜1/50、例えば1/5〜1/20)とすることが好ましい。また、水の量については、例えば、超臨界水または亜臨界水が形成され得るよう、使用する臨界場生成装置の構成(典型的には、超臨界水生成用の容器の容量)等に応じて適宜決定することができる。すなわち、例えば、超臨界水は、液体に近い密度と気体に近い粘性率を有することから、溶解度が大きいという液体の性質と、拡散性および浸透性が良いという気体の性質とを併せ持つ。また、例えば、超臨界水は分子間の凝集力と拡散力との均衡がとれた状態であることから、分子間力の異なる溶質(含酸素環式化合物)分子が存在すると、その溶質分子に対して溶媒分子が強く溶媒和する溶媒和効果が発現し、ラジカル反応を積極的に進行させ得る。これらの観点から、水の量は、含酸素環式化合物を十分に包含し得る(換言すると、含酸素環式化合物に超臨界場を十分に提供し得る)量の超臨界水または亜臨界水を調製できれば特に制限されない。このように水の量を適切に調整することに因っても、上記結晶構造を有する炭素材料の形成を効率よく行うことができる。 Specific manufacturing conditions for the treatment with such a supercritical fluid can be appropriately determined with reference to Patent Documents 1 and 2, for example. That is, the amount of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) to be reacted with the oxygenated cyclic compound typically degrades the oxygenated cyclic compound completely (eg, the oxygenated cyclic compound Less than half the number of moles M required for complete oxidative decomposition to carbon dioxide and water (typically 1/2 to 1/50, for example 1/5 to 1/20) It is preferable. The amount of water depends on, for example, the configuration of the critical field generator to be used (typically the capacity of the container for generating supercritical water) so that supercritical water or subcritical water can be formed. Can be determined as appropriate. That is, for example, since supercritical water has a density close to that of a liquid and a viscosity close to that of a gas, it has both the properties of a liquid having high solubility and the properties of a gas having good diffusibility and permeability. In addition, for example, supercritical water is in a state where the cohesive force and diffusive force between molecules are balanced, so if there are solute (oxygen-containing cyclic compound) molecules with different intermolecular forces, On the other hand, the solvation effect that the solvent molecules strongly solvate is expressed, and the radical reaction can be actively advanced. From these perspectives, the amount of water is sufficient to include the oxygenated cyclic compound (in other words, sufficient to provide a supercritical field for the oxygenated cyclic compound) or supercritical water or subcritical water. If it can prepare, it will not restrict | limit in particular. As described above, even when the amount of water is appropriately adjusted, the carbon material having the crystal structure can be efficiently formed.

上記の超臨界流体における処理は、出発原料等の量や臨界場の形成条件等にもよるため一概には言えないが、おおよその目安として1時間以上10時間以下とすることができる。上記のとおり、ヒドロキシラジカルによる反応は迅速かつ連続的に生じるために、1時間程度以上、例えば3時間程度以上とすることで、有機物から十分に目的の炭素材料を形成することができる。また、10時間程度以下、例えば8時間程度とすることができる。なお、このような臨界場での処理の後は、生成された炭素材料を10分間以内に少なくとも100℃以下の温度にまで急冷するのが好ましい。かかる急冷を行うことで、形成された炭素材料の結晶をランダム配向させることができ、層間距離も長く取り得るために好適である。これにより、X線広角回折法による炭素(002)面からの回折ピークから算出されるC軸方向の層間距離d002が、例えば、0.35nm以上0.36nm以下程度であり、結晶子厚さLC002が1.5nm以上1.8nm以下程度である、特に結晶子厚さLC002が大きい炭素材料を得ることができる。かかる炭素材料は、例えば、平均粒径1μm〜100μm(典型的には1μm〜20μm)程度であり得る。なお、本明細書における炭素材料に関する平均粒径は、適切な倍率の顕微鏡(例えば、走査型電子顕微鏡等の電子顕微鏡)による観察に基づき、100個以上の粒子について測定した円相当径の算術平均値である。 The treatment in the supercritical fluid described above depends on the amount of starting material and the like, the formation conditions of the critical field, etc., but it cannot be generally stated, but it can be set as 1 to 10 hours as an approximate guide. As described above, since the reaction by the hydroxy radical occurs rapidly and continuously, the target carbon material can be sufficiently formed from the organic substance by setting it to about 1 hour or more, for example, about 3 hours or more. Further, it can be about 10 hours or less, for example, about 8 hours. In addition, after the treatment in such a critical field, it is preferable to rapidly cool the produced carbon material to a temperature of at least 100 ° C. within 10 minutes. By performing such rapid cooling, crystals of the formed carbon material can be randomly oriented, and it is preferable because the interlayer distance can be increased. Accordingly, the interlayer distance d 002 in the C-axis direction calculated from the diffraction peak of carbon (002) plane by X-ray wide angle diffraction method, for example, on the order or 0.36nm or less 0.35 nm, a crystallite thickness L C002 is much more 1.8nm or less 1.5 nm, it is possible to particularly crystallite thickness L C002 to obtain a high carbon material. Such a carbon material may have, for example, an average particle size of about 1 μm to 100 μm (typically 1 μm to 20 μm). In addition, the average particle diameter regarding the carbon material in this specification is an arithmetic average of equivalent circle diameters measured for 100 or more particles based on observation with a microscope with an appropriate magnification (for example, an electron microscope such as a scanning electron microscope). Value.

なお、上記の超臨界流体による処理をしたままの炭素材料は、その結晶構造内(典型的には炭素網面内)に酸素原子が導入されており、比較的電気伝導性が低い状態にあり得る。かかるヘテロ原子(酸素を始め、窒素、ホウ素、硫黄等のヘテロ原子を含み得る。)の炭素網面への導入は、例えば、X線光電子分光分析(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)法等による構成元素の結合状態等を調べることにより確認することができる。なお、酸素の導入量は、特に制限されるものではないが、5atm%以上であることが好ましい。XPS分析によると、典型的には、炭素原子(C)、酸素原子(O)および窒素原子(N)等はC1s、N1sおよびO1sに帰属されるピークとその強度から、同定および定量を行うことができる。   Note that the carbon material that has been treated with the above supercritical fluid has oxygen atoms introduced into its crystal structure (typically within the carbon network surface), and has a relatively low electrical conductivity. obtain. Such heteroatoms (including heteroatoms such as oxygen, nitrogen, boron, sulfur, etc.) can be introduced into the carbon network surface by, for example, an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method or the like. This can be confirmed by examining the bonding state of the constituent elements. The amount of oxygen introduced is not particularly limited, but is preferably 5 atm% or more. According to XPS analysis, typically, carbon atoms (C), oxygen atoms (O), nitrogen atoms (N), etc. should be identified and quantified from the peaks attributed to C1s, N1s and O1s and their intensities. Can do.

そこで、ここに開示される技術では、超臨界流体による処理をしたままの炭素材料(以下、前駆体炭素材料ともいう。)に更に加熱処理を施してかかる酸素原子を脱離させることなどで、例えば電気伝導性等の電気的特性により優れた炭素材料(以下、熱処理炭素材料ともいう。)を得ることもできる。加熱処理の温度は、例えば100℃を超えて1000℃以下(例えば、1000℃未満、好ましくは400℃〜800℃程度、より好ましくは400℃〜700℃程度、更に好ましくは500℃〜600℃程度)とすることができる。加熱処理温度が低すぎると、電気伝導性を向上させる効果が得られ難くなったり、処理時間が長くなったりして、生産性が低下する場合があり得る。一方で、加熱処理温度が高すぎたり長すぎたりする場合は、上記の特徴的な結晶構造が損なわれたり、かかる熱処理炭素材料を電極活物質等としたときのサイクル特性の向上効果等が得られ難くなったりするために好ましくない。また、この加熱処理は、例えば、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス、窒素(N)やこれらの混合ガス等からなる不活性ガス雰囲気中で行うことができる。加熱処理時の雰囲気圧力は、常圧(大気圧)であってもよく、加圧または減圧であってもよい。操作の容易性や設備費等の観点から、通常は、常圧で加熱処理を行うことが好ましい。以上のような熱処理により、前駆体炭素材料の結晶構造には若干の変化がもたらされ得る。例えば、X線広角回折法による炭素(002)面からの回折ピークから算出されるC軸方向の層間距離d002が、おおよそ0.35nm以上0.38nm以下程度であり、結晶子厚さLC002が1.1nm以上1.6nm以下程度の熱処理炭素材料を得ることができる。かかる熱処理炭素材料は、例えば、電極活物質などとして用いた場合、従来の炭素材料に比較して高い容量であるのに加え、サイクル特性が良好であり得る。具体的には、例えば、初期容量が通常の炭素材料の100〜300mAh/gに比較して、600〜1200mAh/gと大きいものであり得る。 Therefore, in the technology disclosed herein, by subjecting the carbon material that has been treated with the supercritical fluid (hereinafter, also referred to as precursor carbon material) to heat treatment to desorb such oxygen atoms, For example, it is possible to obtain a carbon material (hereinafter also referred to as a heat-treated carbon material) that is superior in electrical characteristics such as electrical conductivity. The temperature of the heat treatment is, for example, more than 100 ° C. and 1000 ° C. or less (for example, less than 1000 ° C., preferably about 400 ° C. to 800 ° C., more preferably about 400 ° C. to 700 ° C., still more preferably about 500 ° C. to 600 ° C. ). If the heat treatment temperature is too low, it may be difficult to obtain the effect of improving electrical conductivity, or the treatment time may be prolonged, resulting in a decrease in productivity. On the other hand, when the heat treatment temperature is too high or too long, the characteristic crystal structure described above is impaired, or an effect of improving cycle characteristics when such a heat treated carbon material is used as an electrode active material is obtained. It is not preferable because it becomes difficult to be done. In addition, this heat treatment can be performed in an inert gas atmosphere including, for example, neon (Ne) gas, argon (Ar) gas, nitrogen (N 2 ), or a mixed gas thereof. The atmospheric pressure during the heat treatment may be ordinary pressure (atmospheric pressure), or may be increased or reduced. From the viewpoint of ease of operation and equipment costs, it is usually preferable to perform the heat treatment at normal pressure. The heat treatment as described above may cause a slight change in the crystal structure of the precursor carbon material. For example, the interlayer distance d 002 in the C-axis direction calculated from the diffraction peak from the carbon (002) plane by the X-ray wide angle diffraction method is about 0.35 nm to 0.38 nm and the crystallite thickness L C002 Is a heat-treated carbon material having a thickness of about 1.1 nm to 1.6 nm. For example, when the heat-treated carbon material is used as an electrode active material or the like, it has a high capacity as compared with a conventional carbon material, and may have good cycle characteristics. Specifically, for example, the initial capacity may be as large as 600 to 1200 mAh / g as compared to 100 to 300 mAh / g of a normal carbon material.

以下、ここに開示される炭素材料(典型的には熱処理炭素材料)を負極活物質に用いたリチウムイオン電池の構成例につき説明するが、上記炭素材料の使用態様をこれらに限定する意図ではない。
ここに開示されるリチウムイオン電池は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出可能な電極活物質をそれぞれ有する正極および負極が非水電解質とともに容器に収容された形態を有する。上記負極は、ここに開示されるいずれかの炭素材料を活物質(負極活物質)として備える。例えば、上記炭素材料を、バインダおよび必要に応じて使用される導電材等とともに銅または同合金等からなる集電体に固着させた形態の負極を好ましく採用することができる。上記バインダの例としては、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。負極活物質として、ここに開示されるいずれかの炭素材料とともに、一般的なリチウムイオン電池の負極活物質として使用し得ることが知られている公知材料を使用してもよい。
Hereinafter, although the structural example of the lithium ion battery which used the carbon material (typically heat-treated carbon material) disclosed here for a negative electrode active material is demonstrated, the usage aspect of the said carbon material is not the intention limited to these. .
The lithium ion battery disclosed herein has a form in which a positive electrode and a negative electrode each having an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium are housed in a container together with a non-aqueous electrolyte. The negative electrode includes any of the carbon materials disclosed herein as an active material (negative electrode active material). For example, a negative electrode in a form in which the carbon material is fixed to a current collector made of copper or the same alloy together with a binder and a conductive material used as necessary can be preferably used. Examples of the binder include styrene butadiene rubber (SBR) and carboxymethyl cellulose (CMC). As the negative electrode active material, a known material that can be used as a negative electrode active material of a general lithium ion battery may be used together with any of the carbon materials disclosed herein.

正極としては、適当な正極活物質を、バインダおよび必要に応じて使用される導電材等とともにアルミニウムまたはアルミニウム合金等からなる集電体に固着させた形態のものを好ましく使用し得る。正極活物質としては、一般的なリチウムイオン電池の正極に用いられる層状構造の酸化物系活物質、スピネル構造の酸化物系活物質等を好ましく用いることができる。かかる活物質の代表例として、リチウムコバルト系酸化物、リチウムニッケル系酸化物、リチウムマンガン系酸化物等のリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。導電材としては、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、グラファイト粉末等のカーボン材料、ニッケル粉末等の導電性金属粉末が例示される。バインダとしては、負極用のバインダと同様のもの等を使用することができる。   As the positive electrode, a material in which a suitable positive electrode active material is fixed to a current collector made of aluminum or an aluminum alloy together with a binder and, if necessary, a conductive material can be preferably used. As the positive electrode active material, an oxide-based active material having a layered structure, an oxide-based active material having a spinel structure, and the like used for a positive electrode of a general lithium ion battery can be preferably used. Typical examples of such active materials include lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxides, lithium nickel oxides, and lithium manganese oxides. Examples of the conductive material include carbon materials such as carbon black (for example, acetylene black) and graphite powder, and conductive metal powder such as nickel powder. As the binder, the same binder as that for the negative electrode can be used.

正極と負極との間に介在される電解質としては、非水溶媒と、該溶媒に溶解可能なリチウム塩(支持電解質)とを含む液状電解質(電解液)を好ましく用いることができる。かかる液状電解質にポリマーが添加された固体状(ゲル状)の電解質であってもよい。上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒を特に好ましく用いることができる。例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の混合溶媒とすることができる。支持電解質としては、LiPF,LiBF,LiN(SOCF等のリチウム塩から選択される一種または二種以上を、凡そ0.1mol/L〜5mol/L(例えば凡そ0.8mol/L〜1.5mol/L)程度の濃度で用いることができる。 As the electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, a liquid electrolyte (electrolytic solution) containing a nonaqueous solvent and a lithium salt (supporting electrolyte) that can be dissolved in the solvent can be preferably used. It may be a solid (gel) electrolyte in which a polymer is added to such a liquid electrolyte. As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters and ethers can be particularly preferably used. For example, a mixed solvent such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) can be used. As the supporting electrolyte, one or more selected from lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2, or the like, about 0.1 mol / L to 5 mol / L (for example, about 0.8 mol) are used. / L to 1.5 mol / L).

上記正極および負極を電解質とともに適当な容器(金属または樹脂製の筐体、ラミネートフィルムからなる袋体等)に収容してリチウムイオン電池が構築される。なお、上記正極と負極との間にセパレータが介在されてもよい。セパレータとしては、一般的なリチウムイオン電池に用いられるセパレータと同様のものを用いることができ、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)からなる積層構造のものを用いることができる。リチウムイオン電池の形状(容器の外形)は特に限定されず、例えば、円筒型、角型、コイン型等の形状であり得る。   A lithium ion battery is constructed by housing the positive electrode and the negative electrode together with an electrolyte in a suitable container (a metal or resin casing, a bag made of a laminate film, or the like). A separator may be interposed between the positive electrode and the negative electrode. As a separator, the thing similar to the separator used for a general lithium ion battery can be used, For example, the thing of the laminated structure which consists of polyethylene (PE) and a polypropylene (PP) can be used. The shape (outer shape of the container) of the lithium ion battery is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a rectangular shape, a coin shape, or the like.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。   Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the specific examples.

[炭素材料の製造]
(サンプルA1)
出発材料としてのスクロース(C122211、ほぼ透明の粒状結晶)を用い、超臨界流体を利用して炭素材料を作製した。すなわち、内容量10.8mLのニッケル合金(ハステロイC−22)から構成される超臨界実験用高圧容器(耐圧硝子工業株式会社製)内に、出発材料(炭素および酸素源)としてのスクロース5.13g(15.0mmol)、30%過酸化水素水2.00g(18.2mmolのHを含む。この量は、上記分量のスクロースを完全に酸化分解する際に必要とされるモル数Mの約1/12に相当する。)およびイオン交換水3gを入れた。そして、この容器を蓋し、温度400℃,圧力22.1MPaの条件(水の超臨界条件)下に3時間保持した。その後、高圧容器を急冷し、容器内が室温および常圧に戻ったのを確認してから内容物を取り出した。内容物は、吸引濾過およびイオン交換水による洗浄をした後、乾燥させた。これにより、生成物としての黒色の粉末A1(炭素材料)を得た。
[Manufacture of carbon materials]
(Sample A1)
Using sucrose (C 12 H 22 O 11 , almost transparent granular crystals) as a starting material, a carbon material was produced using a supercritical fluid. That is, sucrose as a starting material (carbon and oxygen source) in a supercritical high-pressure vessel (made by pressure-resistant glass industry) made of nickel alloy (Hastelloy C-22) having an internal volume of 10.8 mL. 13 g (15.0 mmol), 30% hydrogen peroxide solution 2.00 g (18.2 mmol H 2 O 2 is included. This amount is the number of moles required for complete oxidative decomposition of the above amount of sucrose. corresponding to about 1/12 of M P.) and ion exchanged water was placed 3g. And this container was covered and it hold | maintained for 3 hours under the conditions (temperature supercritical conditions) of temperature 400 degreeC and pressure 22.1 MPa. Thereafter, the high-pressure vessel was rapidly cooled, and after confirming that the inside of the vessel had returned to room temperature and normal pressure, the contents were taken out. The content was dried after suction filtration and washing with ion exchange water. This obtained black powder A1 (carbon material) as a product.

(サンプルA2〜A4)
また、上記で得られた粉末A1の一部を分取し、常圧のArガス雰囲気中において、600℃,800℃および1000℃で2時間保持する加熱処理を施した。これにより、超臨界流体処理および追加熱処理を施した粉末A2〜A4(炭素材料)をそれぞれ得た。なお、これらの材料の真密度を測定したところ、1.4〜1.55g・cmであった。
(Samples A2 to A4)
Further, a part of the powder A1 obtained above was fractionated and subjected to heat treatment for 2 hours at 600 ° C., 800 ° C. and 1000 ° C. in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere. As a result, powders A2 to A4 (carbon material) subjected to supercritical fluid treatment and additional heat treatment were obtained, respectively. In addition, when the true density of these materials was measured, it was 1.4 to 1.55 g · cm 3 .

(サンプルB1〜B4)
比較のために、サンプルA1の調製に用いたのと同じスクロースを、常圧のArガス雰囲気中において、400℃,600℃,800℃および1000℃で2時間保持する加熱処理を施した。これにより、黒色の粉末B1〜B4をそれぞれ得た。
(Samples B1 to B4)
For comparison, the same sucrose used for the preparation of sample A1 was subjected to a heat treatment of holding at 400 ° C., 600 ° C., 800 ° C. and 1000 ° C. for 2 hours in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere. This obtained black powder B1-B4, respectively.

[XRD分析]
上記で得られた粉末A1〜A4および粉末B1〜B4について、X線回折(X-ray Diffraction:XRD)分析により結晶構造の解析を行った。測定用試料は、上記の粉末のそれぞれに、20質量%の割合で炭素分析用標準粉末シリコンを均一に混合したものを用い、試料窓の大きさが15mm×20mm,深さ0.2mmのガラス製試料ホルダに均一に充填した。測定には、XRD分析装置(株式会社リガク製、RINT2200)を用い、JIS R7651:2007に準拠し、θ−2θ法により以下の測定条件にて実施した。具体的には、線源にはCuKα線を用い、線源への印加電圧および電流は40kV,30mAとし、モノクロメーターには湾曲グラファイト分光器を用い、発散スリットは可変、受光スリット幅:0.15mmの条件とし、検出器にはシンチレーションカウンターを用いた。また、測定は、5〜60°の走査範囲をサンプリング幅0.010°、スキャン速度2°/minの条件で連続スキャンした。
[XRD analysis]
The powders A1 to A4 and the powders B1 to B4 obtained above were analyzed for crystal structures by X-ray diffraction (XRD) analysis. Samples for measurement were obtained by uniformly mixing each of the above powders with carbon powder standard silicon for carbon analysis at a ratio of 20% by mass, and a glass having a sample window size of 15 mm × 20 mm and a depth of 0.2 mm. The sample holder was filled uniformly. For the measurement, an XRD analyzer (manufactured by Rigaku Corporation, RINT2200) was used, and the measurement was performed under the following measurement conditions by the θ-2θ method in accordance with JIS R7651: 2007. Specifically, a CuKα ray is used as the radiation source, the applied voltage and current to the radiation source are 40 kV and 30 mA, a curved graphite spectrometer is used as the monochromator, the divergence slit is variable, and the light receiving slit width is 0. The condition was 15 mm, and a scintillation counter was used as the detector. Further, the measurement was performed by continuously scanning a scanning range of 5 to 60 ° under the conditions of a sampling width of 0.010 ° and a scanning speed of 2 ° / min.

測定により得られたC回折ピークプロファイルを図1に示した。図1の(A)は下から順に粉末A1〜A4の回折パターンを、(B)は下から順に4に粉末B1〜B4の回折パターンを示している。何れの試料からも、2θが24°の付近にCの002回折線が認められ、一部の試料の44°付近にはブロードな回折線が認められた。この44°付近の回折ピークは炭素(100)面からの回折ピークと(101)面からの回折ピークが重なったものと考えられる。そこで、構造解析ソフトウェア(株式会社リガク製、PDXL)を用い、炭素(002)面からの回折線について、ピーク位置と、半値全幅(Full Width at Half Maximum:FWHM)を、また、学振法の03モードに準じて、平均面間隔d002および結晶子の厚さLc002を算出した。また、44°付近の(10)回折ピークに基づき、ピーク位置、半値全幅および結晶子の広がり(結晶子径La)を算出した。なお、一般的に、結晶子のa軸方向の幅(広がり,結晶子径)であるLaは、(110)面からの回折ピークから算出される。しかしながら、ここでは、(100)面からの回折ピークと(101)面からの回折ピークが重なったと考えられる(10)回折ピークについて、学振法の03モードに基づき算出するようにした。これらの結果を、下記の表1に示した。 The C diffraction peak profile obtained by the measurement is shown in FIG. 1A shows diffraction patterns of the powders A1 to A4 in order from the bottom, and FIG. 1B shows diffraction patterns of the powders B1 to B4 in order from the bottom. In all the samples, C 002 diffraction lines were observed in the vicinity of 2θ of 24 °, and broad diffraction lines were observed in the vicinity of 44 ° of some samples. It is considered that the diffraction peak near 44 ° is an overlap of the diffraction peak from the carbon (100) plane and the diffraction peak from the (101) plane. Therefore, using the structural analysis software (Rigaku Co., Ltd., PDXL), the peak position and full width at half maximum (FWHM) of the diffraction line from the carbon (002) plane are also used. According to the 03 mode, the average interplanar spacing d 002 and the crystallite thickness Lc 002 were calculated. Further, based on the (10) diffraction peak near 44 °, the peak position, full width at half maximum, and crystallite spread (crystallite diameter La) were calculated. In general, La, which is the width (expansion, crystallite diameter) in the a-axis direction of the crystallite, is calculated from the diffraction peak from the (110) plane. However, here, the diffraction peak from the (100) plane and the diffraction peak from the (101) plane considered to have overlapped (10) were calculated based on the 03 mode of the Gakushin method. These results are shown in Table 1 below.

Figure 2016056038
Figure 2016056038

図1(A)(B)のXRDパターンはいずれもブロード気味であり、また、黒鉛化の指標となり得るd002値も黒鉛のd002値(約0.335nm)と比較して大きいことから、粉末A1〜A4および粉末B1〜B4のいずれも黒鉛構造があまり発達しておらず、炭素網面の積層状態に乱れが見られるいわゆる乱層構造であると考えられた。したがって、スクロースに対して1000℃以下の熱処理を施して得られる炭素材料は、黒鉛化度があまり進行していないことが確認できた。しかしながら、超臨界流体処理を施した粉末A1〜A4のd002値はおよそ0.357nm〜0.373nmと、未処理の粉末B1〜B4のd002値である0.374nm〜0.402nmよりは大幅に小さく、これらの構造的特徴は区別できることが伺える。 The XRD patterns in FIGS. 1 (A) and 1 (B) are both broad, and the d 002 value that can be an index for graphitization is also larger than the d 002 value (about 0.335 nm) of graphite. It was considered that none of the powders A1 to A4 and the powders B1 to B4 had a so-called turbulent structure in which the graphite structure did not develop so much, and disorder was observed in the laminated state of the carbon network surface. Therefore, it was confirmed that the carbon material obtained by subjecting sucrose to a heat treatment at 1000 ° C. or less did not progress much in the degree of graphitization. However, the d 002 values of the powders A1 to A4 subjected to the supercritical fluid treatment are approximately 0.357 nm to 0.373 nm, which is higher than the d 002 values of the untreated powders B1 to B4 from 0.374 nm to 0.402 nm. It can be seen that these structural features can be distinguished by being significantly smaller.

その一方で、結晶子の厚さLc002に注目すると、超臨界流体処理を施した粉末A1〜A4のLc002値はいずれも1.1以上と、未処理の粉末B1〜B4のLc002値(0.8038〜1.018)よりも、大幅に大きいことがわかった。しかも、粉末A1〜A4のLc002値は、追加熱処理の温度が低い程、換言すると、追加熱処理の程度が低い程、大きい値を維持している。このことは、一般的な炭素材料や、粉末B1〜B4のLc002値について見られる「高温で熱処理を行うほど結晶子が大きくなる」という傾向とは相反するものである。すなわち、スクロースを超臨界流体処理することにより得られた炭素材料(粉末A1)は、他の炭素材料には見られない、特異な結晶構造を備えることが確認できた。また、この特異な結晶構造は、当該炭素材料(粉末A1)を熱処理することにより徐々に失われていくこともわかった。 On the other hand, when attention is paid to the thickness Lc 002 of the crystallite, the Lc 002 values of the powders A1 to A4 subjected to the supercritical fluid treatment are all 1.1 or more, and the Lc 002 values of the untreated powders B1 to B4. It was found to be significantly larger than (0.8038 to 1.018). In addition, the Lc 002 values of the powders A1 to A4 are kept higher as the temperature of the additional heat treatment is lower, in other words, as the degree of the additional heat treatment is lower. This contradicts the tendency of “the crystallites become larger as heat treatment is performed at a higher temperature”, which is seen for general carbon materials and Lc 002 values of powders B1 to B4. That is, it was confirmed that the carbon material (powder A1) obtained by supercritical fluid treatment of sucrose has a unique crystal structure that is not found in other carbon materials. It was also found that this unique crystal structure is gradually lost by heat treatment of the carbon material (powder A1).

[非水電解質二次電池の作製]
上記で得られた粉末A2〜4および粉末B2〜4を負極活物質として用い、非水電解質二次電池を以下の手順で作製した。すなわち、まず、バインダとして、ポリフッ化ビニリデン(Polyvinylidene DiFluoride:PVDF)を溶媒としてのN−メチルピロリドン(N-MethylPyrrolidone:NMP)に10質量%の割合で分散させたものを用意した。負極集電体には、ニッケルメッシュ(株式会社ニラコ製、純度99%,線径φ0.10,100メッシュ)を直径9mmの円形に裁断して使用した。
次いで、負極活物質3〜5mgに対して上記のバインダを10質量%の割合で混合し、混練して、負極ペーストを調製した。そしてこの負極ペーストを6.2mg/cmとなるように負極集電体に塗布し、圧縮機(島津製作所)により157MPaの圧力を5分間加えて圧着させることで、負極を作製した。
なお、粉末A1およびB1については、黒鉛構造の発達程度が低く、また、炭素網面への酸素導入量が多いことから、電気抵抗が高く、本実施形態においては負極活物質として使用していない。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
Using the powders A2 to A4 and the powders B2 to B4 obtained above as the negative electrode active material, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced by the following procedure. That is, first, a binder in which polyvinylidene fluoride (PVDF) was dispersed in N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent at a ratio of 10% by mass was prepared as a binder. For the negative electrode current collector, nickel mesh (manufactured by Nilaco Corporation, purity 99%, wire diameter φ0.10, 100 mesh) was cut into a circle having a diameter of 9 mm and used.
Next, the above binder was mixed at a ratio of 10% by mass with respect to 3 to 5 mg of the negative electrode active material, and kneaded to prepare a negative electrode paste. Then the negative electrode paste was applied to the anode current collector such that 6.2 mg / cm 2, the compressor (Shimadzu) by By pressure bonding by applying a pressure of 157MPa 5 minutes to prepare a negative electrode.
The powders A1 and B1 have a low degree of development of the graphite structure and a large amount of oxygen introduced into the carbon network surface, so that the electrical resistance is high and are not used as the negative electrode active material in this embodiment. .

正極としては、リチウム箔(株式会社三徳製)を直径16mmに切り出したものを用いた。また、セパレータには、紙製セパレータ(ニッポン高度紙工業株式会社製,TF48−50)を用いた。電解液には、エチレンカーボネート(Ethylene Carbonate:EC)とジエチルカーボネート(Diethyle Carbonate:DEC)を1:1のモル比で混合した混合溶媒に、支持電解質としての過塩素酸リチウム(LiClO)を1mol/Lの濃度で溶解した非水電解液を使用した。また、評価用の非水電解質二次電池の構築には、CR2032型のコインセルセット(宝泉株式会社製、キャップ(負極),スプリング,スペーサー,ガスケット(絶縁シール材)およびケース(正極)のセット)を用いた。 As the positive electrode, a lithium foil (manufactured by Santoku Corporation) cut into a diameter of 16 mm was used. In addition, a paper separator (Nippon Advanced Paper Industries Co., Ltd., TF48-50) was used as the separator. In the electrolyte solution, 1 mol of lithium perchlorate (LiClO 4 ) as a supporting electrolyte was mixed with a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a molar ratio of 1: 1. A non-aqueous electrolyte dissolved at a concentration of / L was used. For the construction of a nonaqueous electrolyte secondary battery for evaluation, a CR2032-type coin cell set (manufactured by Hosen Co., Ltd., cap (negative electrode), spring, spacer, gasket (insulating sealing material) and case (positive electrode) set ) Was used.

以下の評価用セルの構築は、正極として用いるリチウム金属が酸化されるのを防ぐ目的で、不活性ガスであるAr雰囲気のグローブボックス(VAC社製、NEXUSII SYSTEM)内において行った。また、各材料は、真空定温乾燥機(東京理科機械株式会社)にて、100℃で12時間以上乾燥させたものを用いた。
すなわち、上記で用意した正極と負極とをセパレータを介して対向させ、ケース内に配置して、電解液200μLを滴下した。その後、コインセルセットに付属のガスケット、スペーサー、スプリングを適宜ケース内に配置してゆき、キャップを被せ、手動カシメ機(宝泉株式会社製)によりキャップをケースで加締めて密閉することで、コイン型のセル(非水電解質二次電池)を構築した。このようにして得られたセルは、グローブボックスから取り出し12時間以上静置することでセパレータおよび電極に電解液を浸透させ、電位を安定させて、評価用セルとした。これらの評価用セルは、負極活物質に対応させてセルA2〜4,B2〜4のように呼び、以下のサイクル特性の評価に供した。
The following evaluation cell was constructed in a glove box (Nexus II System, manufactured by VAC) having an Ar atmosphere as an inert gas for the purpose of preventing oxidation of lithium metal used as the positive electrode. Each material used was dried at 100 ° C. for 12 hours or more with a vacuum constant temperature dryer (Tokyo Science Machinery Co., Ltd.).
That is, the positive electrode and the negative electrode prepared above were opposed to each other with a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and 200 μL of the electrolytic solution was dropped. After that, the gasket, spacer, and spring attached to the coin cell set are appropriately placed in the case, covered with a cap, and the cap is sealed with a manual caulking machine (manufactured by Hosen Co., Ltd.). Type cell (non-aqueous electrolyte secondary battery) was constructed. The cell thus obtained was taken out of the glove box and allowed to stand for 12 hours or longer to allow the electrolytic solution to permeate the separator and the electrode, thereby stabilizing the potential, thereby obtaining an evaluation cell. These evaluation cells were called cells A2 to B4 and B2 to 4 corresponding to the negative electrode active material, and were subjected to the following cycle characteristics evaluation.

[サイクル特性の評価]
セルA2〜4,B2〜4について、充放電サイクル時の充電容量および放電容量を測定した。すなわち、充放電装置(ナガノ社製、BTS2004W)を用い、25℃の環境下、セルA2〜4,B2〜4の各々に対し、正極の理論容量のC/3の充電レートで2.8Vまで定電流(CC)充電した後、0Vまで1Cの定電流(CC)で放電することで、1サイクル目の充放電を行った。引き続き、2.8Vまで定電流(CC)で充電する操作と、0Vまで定電流放電させる操作を10サイクルまで繰り返した。充放電サイクル時の充電容量および放電容量を図2に示した。図2中、白抜きの凡例は充電時の容量を、黒塗りの凡例は放電時の容量を示している。また、初回充放電時の充電容量、放電容量およびクーロン効率を、以下の表2に示した。
[Evaluation of cycle characteristics]
For cells A2-4 and B2-4, the charge capacity and discharge capacity during the charge / discharge cycle were measured. That is, using a charge / discharge device (manufactured by Nagano, BTS2004W), up to 2.8 V at a charge rate of C / 3 of the theoretical capacity of the positive electrode for each of the cells A2 to B4 and 4 in a 25 ° C. environment. After charging with a constant current (CC), the battery was discharged with a constant current (CC) of 1 C up to 0 V, thereby charging and discharging the first cycle. Subsequently, the operation of charging with a constant current (CC) to 2.8 V and the operation of discharging with a constant current to 0 V were repeated up to 10 cycles. The charge capacity and discharge capacity during the charge / discharge cycle are shown in FIG. In FIG. 2, the white legend indicates the capacity during charging, and the black legend indicates the capacity during discharging. In addition, Table 2 below shows the charge capacity, the discharge capacity, and the Coulomb efficiency at the first charge / discharge.

Figure 2016056038
Figure 2016056038

表2および図2から明らかなとおり、熱処理のみで形成された炭素材料であるB2〜B4を用いた場合と比べ、超臨界流体処理により得られた炭素材料であるA2〜A4を負極活物質として用いることで、各三極セルについて測定された放電容量(mAh/g)は約300〜700mAh/gと、二次電池の電極活物質として好ましく使用することができる程度の高い容量を示すことがわかった。このことは、粉末A1を400℃を超えて1000℃以下程度の温度範囲(より好ましくは500℃〜800℃程度、例えば、500℃〜700℃、さらには500℃〜600℃程度の温度範囲)の不活性ガス雰囲気下で熱処理することにより、粉末A1を優れた性能の電極活物質に転化し得ることを支持するものである。   As is apparent from Table 2 and FIG. 2, A2-A4, which is a carbon material obtained by supercritical fluid treatment, is used as the negative electrode active material, compared with the case where B2-B4, which is a carbon material formed only by heat treatment, is used. When used, the discharge capacity (mAh / g) measured for each triode cell is about 300 to 700 mAh / g, indicating a high capacity that can be preferably used as an electrode active material of a secondary battery. all right. This is because the temperature of the powder A1 exceeds 400 ° C and is about 1000 ° C or less (more preferably about 500 ° C to 800 ° C, for example, 500 ° C to 700 ° C, and further about 500 ° C to 600 ° C). It supports that the powder A1 can be converted into an electrode active material having excellent performance by heat treatment in an inert gas atmosphere.

本発明者らのこれまでの経験から、上記の現象は、熱処理前の粉末A1においては、炭素網面内に原料等に由来する多量の酸素原子が組み込まれているが、熱処理を施すことにより、当該酸素原子が炭素材料から脱離(例えば、炭素原子を伴って一酸化炭素や二酸化炭素として脱離する形態をも含む。)して、炭素材料に微細な細孔が多く形成されたことによるものと考えられる。このように、ここに開示される技術を適用して、超臨界流体処理により酸素が多く導入され(例えば10〜25atm%の範囲であると考えられる)、かつ、特異な結晶構造を有する炭素材料を熱処理することにより、二次電池の電極活物質等として好適な炭素材料を効果的に製造し得ることが確認された。   From our experience so far, in the powder A1 before the heat treatment, a large amount of oxygen atoms derived from the raw materials and the like are incorporated in the carbon network surface. The oxygen atom is desorbed from the carbon material (for example, including the form of desorbing as carbon monoxide or carbon dioxide with the carbon atom), and many fine pores are formed in the carbon material. It is thought to be due to. Thus, by applying the technique disclosed herein, a carbon material into which a large amount of oxygen is introduced by supercritical fluid processing (for example, considered to be in the range of 10 to 25 atm%) and has a unique crystal structure It was confirmed that a carbon material suitable as an electrode active material for a secondary battery can be effectively produced by heat-treating.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment is only an illustration and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.

Claims (2)

ヘテロ原子として酸素を含む環式化合物を出発原料として用い、前記出発原料を超臨界流体下におくことで生成される炭素材料であって、
X線広角回折法による炭素(002)面からの回折ピークから算出される
C軸方向の層間距離d002が0.35nm以上0.38nm以下であり、
結晶子厚さLC002が1.1nm以上1.8nm以下である、炭素材料。
A carbon material produced by using a cyclic compound containing oxygen as a hetero atom as a starting material, and placing the starting material in a supercritical fluid,
The interlayer distance d 002 in the C-axis direction calculated from the diffraction peak from the carbon (002) plane by the X-ray wide angle diffraction method is 0.35 nm or more and 0.38 nm or less,
A carbon material having a crystallite thickness L C002 of 1.1 nm to 1.8 nm.
前記ヘテロ原子として酸素を含む環式化合物が、スクロースおよびその誘導体から選択されるいずれか1種以上の化合物である、請求項1に記載の炭素材料。
The carbon material according to claim 1, wherein the cyclic compound containing oxygen as a hetero atom is any one or more compounds selected from sucrose and derivatives thereof.
JP2014181484A 2014-09-05 2014-09-05 Carbon material Pending JP2016056038A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014181484A JP2016056038A (en) 2014-09-05 2014-09-05 Carbon material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014181484A JP2016056038A (en) 2014-09-05 2014-09-05 Carbon material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2016056038A true JP2016056038A (en) 2016-04-21

Family

ID=55756382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014181484A Pending JP2016056038A (en) 2014-09-05 2014-09-05 Carbon material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2016056038A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021116198A (en) * 2020-01-23 2021-08-10 国立大学法人広島大学 Spherical carbon particle having nitrogen element, production method thereof, electrode, and battery

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021116198A (en) * 2020-01-23 2021-08-10 国立大学法人広島大学 Spherical carbon particle having nitrogen element, production method thereof, electrode, and battery
JP7340188B2 (en) 2020-01-23 2023-09-07 国立大学法人広島大学 Spherical carbon particles containing nitrogen element, manufacturing method thereof, electrodes and batteries

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Qi et al. Highly loaded CoO/graphene nanocomposites as lithium-ion anodes with superior reversible capacity
Zhu et al. Investigation of effects of carbon coating on the electrochemical performance of Li 4 Ti 5 O 12/C nanocomposites
Han et al. Hollow titanium dioxide spheres as anode material for lithium ion battery with largely improved rate stability and cycle performance by suppressing the formation of solid electrolyte interface layer
JP5400464B2 (en) Carbon material and manufacturing method thereof
Wang et al. Template-free synthesis of homogeneous yolk–shell TiO2 hierarchical microspheres for high performance lithium ion batteries
JP6758391B2 (en) Immobilized selenium, its manufacturing method, and use of immobilized selenium in secondary batteries
Wang et al. Understanding the formation of ultrathin mesoporous Li 4 Ti 5 O 12 nanosheets and their application in high-rate, long-life lithium-ion anodes
JP7253559B2 (en) Method for preparing immobilized selenium
TW201815667A (en) Electrode material for electricity storage devices, electrode for electricity storage devices, and electricity storage device
TWI641008B (en) Non-aqueous lithium storage element
TWI485919B (en) Process for producing cathode active material for use in lithium secondary battery
Chen et al. Controllable growth of carbon nanosheets in the montmorillonite interlayers for high-rate and stable anode in lithium ion battery
Liu et al. Two-step oxalate approach for the preparation of high performance LiNi0. 5Mn1. 5O4 cathode material with high voltage
Hu et al. Synthesis and electrochemical performance of rod-like spinel LiMn 2 O 4 coated by Li–Al–Si–O solid electrolyte
US11588149B2 (en) Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery
Zhang et al. Formation of V 6 O 11@ Ni (OH) 2/NiOOH hollow double-shell nanoflowers for the excellent cycle stability of supercapacitors
Sun et al. High rate capability performance of ordered mesoporous TiNb 6 O 17 microsphere anodes for lithium ion batteries
KR102405983B1 (en) Carbonaceous material for negative electrode active material of nonaqueous electrolyte secondary battery, negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, nonaqueous electrolyte secondary battery, and manufacturing method of carbonaceous material
Wang et al. Hierarchically Micro‐/Nanostructured TiO2/Micron Carbon Fibers Composites for Long‐Life and Fast‐Charging Lithium‐Ion Batteries
US11870059B2 (en) Immobilized selenium in a porous carbon with the presence of oxygen, a method of making, and uses of immobilized selenium in a rechargeable battery
Zhang et al. Li 2+ x MnSi 1− x Al x O 4/C nanoparticles for high capacity lithium-ion battery cathode applications
JP2016056038A (en) Carbon material
TWI660912B (en) Non-aqueous alkali metal ion capacitor
Kozawa et al. Low-temperature synthesis of LiNi0. 5Mn1. 5O4 grains using a water vapor-assisted solid-state reaction
Li et al. Ionothermal synthesis of sponge-like nano Li 4 Ti 5 O 12 for high rate lithium-ion batteries