JP2017027920A - Electrode material for redox battery - Google Patents

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良平 岩原
Ryohei Iwahara
良平 岩原
真佐子 吉岡
Masako Yoshioka
真佐子 吉岡
小林 真申
Masanobu Kobayashi
真申 小林
俊克 円城寺
Toshikatsu Enjoji
俊克 円城寺
恵子 坂口
Keiko Sakaguchi
恵子 坂口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive carbon electrode material for redox flow battery having high activity.SOLUTION: In an electrode material for redox battery, conductive carbon fine particles are bonded, by an ion conductive binder, onto carbon fibers composed of a carbonaceous material having a pseudo-graphite crystal structure where the<002>plane interval obtained by X-ray wide angle analysis is 3.43-3.60 Å, the size of a crystallite in the c-axis direction is 15-50 Å, the size of a crystallite in the a-axis direction is 30-75 Å, and the number of bound oxygen atoms obtained by XPS surface analysis is 1.0% or more of the number of carbon atoms of the entire surface.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、レドックス電池に好適な活性能を有する多孔質電極材に関する。   The present invention relates to a porous electrode material having active ability suitable for a redox battery.

従来より、電極は電池の性能を左右するものとして重点的に開発されている。電極には、それ自体が活物質とならず、活物質の電気化学的反応を促進させる反応場として働くタイプのものがあり、このタイプには導電性や耐薬品性などから炭素材料がよく用いられる。特に電力貯蔵用に開発が盛んなレドックスフロー電池の電極には、耐薬品性があり、導電性を有し、かつ通液性のある炭素質繊維の不織布等が用いられている。   Conventionally, electrodes have been intensively developed as affecting the performance of batteries. There are electrode types that do not become active materials themselves but act as reaction fields that promote the electrochemical reaction of the active materials. Carbon materials are often used for this type because of their electrical conductivity and chemical resistance. It is done. In particular, the electrode of a redox flow battery, which has been actively developed for power storage, uses a carbon fiber non-woven fabric having chemical resistance, conductivity, and liquid permeability.

レドックスフロー電池は、正極に鉄の塩酸水溶液、負極にクロムの塩酸水溶液を用いたタイプから、起電力の高いバナジウムの硫酸水溶液を両極に用いるタイプに替わり、高エネルギー密度化されたが、最近さらに活物質濃度を高める開発が進み、一段と高エネルギー密度化が進んでいる。   The redox flow battery has been changed from a type that uses an aqueous hydrochloric acid solution of iron for the positive electrode and an aqueous solution of chromium hydrochloric acid for the negative electrode to a type that uses an aqueous solution of vanadium sulfuric acid with a high electromotive force for both electrodes. Development to increase the active material concentration is progressing, and energy density is further increased.

正極電解液にオキシ硫酸バナジウム、負極電解液に硫酸バナジウムの各々硫酸酸性水溶液を用いたレドックスフロー型電池の場合、放電時には、V2+を含む電解液が負極側に供給され、正極側のにはV5+(実際には酸素を含むイオン)を含む電解液が供給される。負極側の流路では、電極内でV2+が電子を放出しV3+に酸化される。放出された電子は外部回路を通って正極側の電極内でV5+をV4+(実際には酸素を含むイオン)に還元する。この酸化還元反応に伴って負極電解液中のSO4 2-が不足し、正極電解液ではSO4 2-が過剰になるため、イオン交換膜を通ってSO4 2-が正極側から負極側に移動し電荷バランスが保たれる。あるいは、H+がイオン交換膜を通って負極側から正極側へ移動することによっても電荷バランスを保つことができる。充電時には放電と逆の反応が進行する。 In the case of a redox flow battery using a sulfuric acid aqueous solution of vanadium oxysulfate as the positive electrode electrolyte and vanadium sulfate as the negative electrode electrolyte, the electrolyte containing V 2+ is supplied to the negative electrode side during discharge, Is supplied with an electrolyte containing V 5+ (actually ions containing oxygen). In the negative channel, V 2+ emits electrons in the electrode and is oxidized to V 3+ . The emitted electrons pass through an external circuit and reduce V 5+ to V 4+ (actually ions containing oxygen) in the positive electrode. With this oxidation-reduction reaction, SO 4 2- in the negative electrode electrolyte becomes insufficient, and SO 4 2- becomes excessive in the positive electrode electrolyte, so that SO 4 2- passes through the ion exchange membrane from the positive electrode side to the negative electrode side. The charge balance is maintained. Alternatively, the charge balance can be maintained by moving H + through the ion exchange membrane from the negative electrode side to the positive electrode side. During charging, a reaction opposite to discharging proceeds.

レドックス電池用電極材の特性としては、特に以下に示す性能が要求される。   As the characteristics of the redox battery electrode material, the following performance is particularly required.

1)目的とする反応以外の副反応を起こさないこと(反応選択性が高いこと)、より具体的には電流効率(ηI)が高いこと。
2)電極反応活性が高いこと、より具体的にはセル抵抗(R)が小さいこと。すなわち電圧効率(ηV)が高いこと。
3)上記1)、2)に関連する電池エネルギー効率(ηE)が高いこと。
ηE=ηI×ηV
4)くり返し使用に対する劣化が小さいこと(高寿命)、より具体的には電池エネルギー効率(ηE)の低下量が小さいこと。
1) No side reaction other than the intended reaction is caused (high reaction selectivity), more specifically, high current efficiency (η I ).
2) High electrode reaction activity, more specifically, low cell resistance (R). That is, the voltage efficiency (η V ) is high.
3) Battery energy efficiency (η E ) related to 1) and 2) above is high.
η E = η I × η V
4) Deterioration against repeated use is small (long life), more specifically, the decrease in battery energy efficiency (η E ) is small.

そして、セル抵抗(R)に関しては、炭素質繊維集合体等の繊維間及び、電極材と集電板との接触抵抗、電極材自身の導電性が寄与する導電抵抗、充放電時においてイオンが価数変化する際の電極活性が寄与する電荷移動反応抵抗、イオンや電解液の拡散が寄与する拡散抵抗に大別される。   And regarding cell resistance (R), between fibers, such as a carbonaceous fiber aggregate, the contact resistance of an electrode material and a current collecting plate, the conductive resistance which the electroconductivity of electrode material itself contributes, and ion at the time of charging / discharging It is roughly classified into charge transfer reaction resistance contributed by electrode activity when changing the valence, and diffusion resistance contributed by diffusion of ions and electrolyte.

電荷移動反応抵抗に関しては、一般的に空気中400〜700℃程度で熱処理を施し、黒鉛結晶化炭素繊維表面にヒドロキシル基やカルボキシル基などの酸性官能基を導入することで活性化させ、該抵抗を低減させている。   Regarding the charge transfer reaction resistance, heat treatment is generally performed at about 400 to 700 ° C. in the air, and activated by introducing acidic functional groups such as hydroxyl groups and carboxyl groups on the surface of the graphite crystallized carbon fiber. Is reduced.

しかしながら、前述の導電抵抗と電荷移動反応抵抗は、一方を高めるともう一方の特性を著しく損なう、いわゆるトレードオフの関係にある。そこで、両者の特性をバランス良く発現させるために、種々の方法が提案されている。例えば、特許文献1には、X線広角解析より求めた<002>面間隔が、平均3.70Å以下であり、またc軸方向の結晶子の大きさが平均9.0Å以上の擬黒鉛微結晶を有し、かつ全酸性官能基量が少なくとも0.01meq/gである炭素質材料をレドックスフロー電池の電極材として用いることが提案されている。   However, the above-described conductive resistance and charge transfer reaction resistance have a so-called trade-off relationship in which when one is increased, the other characteristic is remarkably impaired. Therefore, various methods have been proposed in order to express both characteristics in a well-balanced manner. For example, Patent Document 1 discloses that a pseudo-graphite fine particle whose <002> plane spacing obtained by X-ray wide-angle analysis is 3.70 mm or less on average and the crystallite size in the c-axis direction is 9.0 mm or more on average. It has been proposed to use a carbonaceous material having crystals and a total acidic functional group amount of at least 0.01 meq / g as an electrode material for a redox flow battery.

また、特許文献2には、ポリアクリロニトリル系繊維を原料とする炭素質繊維で、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.50〜3.60Åの擬黒鉛結晶構造を有し、炭素質材料表面の結合酸素原子数が炭素原子数の10〜25%となるような炭素質材をレドックスフロー電池の電極材として用いることが提案されている。   Further, Patent Document 2 is a carbonaceous fiber made from polyacrylonitrile-based fiber, and has a pseudo-graphite crystal structure with a <002> plane spacing of 3.50 to 3.60 mm determined by X-ray wide angle analysis, It has been proposed to use, as an electrode material for a redox flow battery, a carbonaceous material in which the number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbonaceous material is 10 to 25% of the number of carbon atoms.

さらに特許文献3には、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜33Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである擬黒鉛結晶構造を有し、XPS表面分析より求めた表面酸性官能基量が全表面炭素原子数の0.2〜1.0%であり、表面結合窒素原子数が全表面炭素原子数の3%以下である炭素質材料をバナジウム系レドックスフロー電池の電解槽用電極材として用いることが提案されている。   Further, Patent Document 3 discloses that the <002> plane spacing obtained by X-ray wide angle analysis is 3.43 to 3.60 mm, the crystallite size in the c-axis direction is 15 to 33 mm, and the crystallite in the a-axis direction. Having a pseudo-graphite crystal structure with a size of 30 to 75 mm, the amount of surface acidic functional groups determined by XPS surface analysis is 0.2 to 1.0% of the total surface carbon atoms, and surface-bound nitrogen atoms It has been proposed to use a carbonaceous material having a number of 3% or less of the total surface carbon atoms as an electrode material for an electrolytic cell of a vanadium redox flow battery.

特開昭60−232669号公報JP-A-60-232669 特開平5−234612号公報JP-A-5-234612 特開2000−357520号公報JP 2000-357520 A 特開昭63−200467号公報Japanese Patent Laid-Open No. Sho 63-200467

しかしながら、特許文献1〜3の技術においても、前述のトレードオフからの脱却はできておらず、セル抵抗をさらに低減させることは困難であり、高い電池エネルギー効率を得られない。   However, even in the techniques of Patent Documents 1 to 3, it is not possible to escape from the trade-off described above, and it is difficult to further reduce the cell resistance, and high battery energy efficiency cannot be obtained.

そこで、本発明の目的は、かかる事情に鑑み、従来の酸性官能基に加え、イオン伝導性バインダーを導入することで、レドックス電池のセル抵抗を低減してエネルギー効率を高めることができる炭素電極材集合体を提供することにある。   Therefore, in view of such circumstances, an object of the present invention is to introduce a carbon electrode material that can reduce the cell resistance of a redox battery and increase energy efficiency by introducing an ion conductive binder in addition to the conventional acidic functional group. It is to provide an aggregate.

本発明者らは、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜50Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである擬黒鉛結晶構造を有し、XPS表面分析より求めた表面の結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%以上である炭素質材料からなる炭素繊維上に、導電性を有する炭素微粒子をイオン伝導性バインダーで接着させることで、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have found that the <002> plane spacing determined by X-ray wide angle analysis is 3.43 to 3.60 mm, the crystallite size in the c-axis direction is 15 to 50 mm, and the crystallite size in the a-axis direction is On a carbon fiber made of a carbonaceous material having a pseudo-graphite crystal structure with a size of 30 to 75 mm, and the number of bonded oxygen atoms on the surface determined by XPS surface analysis being 1.0% or more of the total surface carbon atoms. Furthermore, the inventors have found that the above object can be achieved by adhering carbon fine particles having conductivity with an ion conductive binder, and have completed the present invention.

本発明は、以下の構成から成る。
1.X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜50Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである擬黒鉛結晶構造を有し、XPS表面分析より求めた表面の結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%以上である炭素質材料からなる炭素繊維上に、導電性を有する炭素微粒子がイオン伝導性バインダーによって接着されていることを特徴とする、レドックス電池用電極材。
2.前記イオン伝導性バインダーが、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂または複素環ポリマーであることを特徴とする、1に記載のレドックス電池用電極材。
3.前記1〜2のいずれかに記載の電極材を用いたレドックス電池。
The present invention has the following configuration.
1. The <002> plane spacing determined by X-ray wide angle analysis is 3.43 to 3.60 mm, the crystallite size in the c-axis direction is 15 to 50 mm, and the crystallite size in the a-axis direction is 30 to 75 mm. It has conductivity on carbon fibers made of a carbonaceous material having a pseudographite crystal structure of which the number of bonded oxygen atoms on the surface determined by XPS surface analysis is 1.0% or more of the total number of carbon atoms on the surface. An electrode material for a redox battery, wherein carbon fine particles are bonded with an ion conductive binder.
2. 2. The electrode material for a redox battery according to 1, wherein the ion conductive binder is a fluorine-based resin or a heterocyclic polymer having a sulfonic acid group.
3. The redox battery using the electrode material in any one of said 1-2.

本発明の炭素繊維集合体と炭素微粒子が、イオン伝導性バインダーによって接着されているレドックス電池用炭素電極材は、優れた活性能を有し、結果として低抵抗な電極材が得られた。これにより、レドックスフロー電池用炭素電極材として際立った性能を示す材料を提供することができる。   The carbon electrode material for a redox battery in which the carbon fiber aggregate of the present invention and carbon fine particles are bonded with an ion conductive binder has excellent activity, and as a result, a low-resistance electrode material was obtained. Thereby, the material which shows outstanding performance as a carbon electrode material for redox flow batteries can be provided.

図1は(a)バナジウム系レドックスフロー電池の概略図及び(b)バナジウム系レドックフロー電池の電解槽の分解斜図を示す。FIG. 1 shows (a) a schematic diagram of a vanadium redox flow battery and (b) an exploded perspective view of an electrolytic cell of a vanadium redox flow battery.

以下、本発明を詳細に説明する。本発明のレドックス電池用炭素電極材は、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜50Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである擬黒鉛結晶構造を有し、XPS表面分析より求めた表面の結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%以上である炭素質材料からなる炭素繊維上に、導電性を有する炭素微粒子がイオン伝導性バインダーによって接着されていることを特徴とする。イオン伝導性バインダーと導電性を有する炭素微粒子を用いることで、該電極材の親水性と反応活性を著しく高めることができる。炭素電極における付着量は炭素繊維集合体に対して30wt%以下であることが好ましい。そして、本発明の炭素電極材はフロータイプおよびノンフロータイプのレッドクス電池、またはリチウム、キャパシタ、燃料電池のシステムと複合化されたようなレドックス電池に好適に用いられるものである。これにより、従来の酸性官能基導入材料にはない特性を発現させることができ、結果として、低抵抗なレドックスフロー電池用炭素電極材を提供することができる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. The carbon electrode material for a redox battery of the present invention has a <002> plane spacing determined by X-ray wide-angle analysis of 3.43 to 3.60 mm, a crystallite size in the c-axis direction of 15 to 50 mm, and an a-axis Carbonaceous material having a pseudographite crystal structure with a crystallite size of 30 to 75 mm in the direction, and the number of bonded oxygen atoms on the surface determined by XPS surface analysis being 1.0% or more of the total surface carbon atoms Conductive carbon fine particles are bonded onto a carbon fiber made of an ion conductive binder. By using ion conductive binder and conductive carbon fine particles, the hydrophilicity and reaction activity of the electrode material can be remarkably enhanced. The adhesion amount on the carbon electrode is preferably 30 wt% or less with respect to the carbon fiber aggregate. The carbon electrode material of the present invention is suitably used for flow type and non-flow type Redox batteries, or redox batteries that are combined with lithium, capacitor, and fuel cell systems. Thereby, the characteristic which the conventional acidic functional group introduction | transduction material does not have can be expressed, As a result, the carbon electrode material for redox flow batteries with low resistance can be provided.

すなわち、本発明のレドックス電池用炭素電極材は、以下のように、炭素繊維集合体と炭素微粒子が、イオン伝導性バインダーによって接着されていることを特徴とする。 That is, the carbon electrode material for a redox battery of the present invention is characterized in that the carbon fiber aggregate and the carbon fine particles are bonded by an ion conductive binder as follows.

本発明のレドックス電池用炭素電極材を使用した電解槽は、その一例として図1に示す構造である。前記電解槽は、相対する二枚の集電板1、1間にイオン交換膜3が配設され、イオン交換膜3の両側にスペーサー2によって集電板1、1の内面に沿った電解液の通液路が形成されている。該通液路の少なくとも一方には本発明のレドックス電池用炭素電極材5が配設されており、このようにして電解槽が構成されている。なお、集電板1には、電解液の液流入口と液流出口とが設けられている。   An electrolytic cell using the carbon electrode material for a redox battery of the present invention has a structure shown in FIG. 1 as an example. In the electrolytic cell, an ion exchange membrane 3 is disposed between two opposing current collector plates 1 and 1, and an electrolytic solution is provided along the inner surface of the current collector plates 1 and 1 by spacers 2 on both sides of the ion exchange membrane 3. Is formed. At least one of the liquid passages is provided with the carbon electrode material 5 for a redox battery of the present invention, and thus an electrolytic cell is configured. The current collector plate 1 is provided with a liquid inlet and a liquid outlet for the electrolyte.

本発明のレドックス電池用炭素電極材5は、炭素質材料からなり、その構成組織は特に限定されないが、電極表面積を大きくできるものが好ましい。具体的には、炭素質繊維よりなる紡績糸、フィラメント集束糸、不織布、編物、織物、特殊編織物(例えば、特許文献4)またはこれらの混成組織からなる炭素質繊維集合体、多孔質炭素体、炭素−炭素複合体、粒子状炭素材料等を挙げることができる。これらのうち、炭素質繊維集合体が好ましく、なかでも炭素質繊維よりなるシート状物である炭素質繊維よりなる不織布、編物、織物、特殊織編物、またはこれらの混成組織からなる炭素質繊維集合体が、取り扱いや加工性、製造性等の点からより好ましい。   The carbon electrode material 5 for a redox battery of the present invention is made of a carbonaceous material, and the constitutional structure thereof is not particularly limited, but is preferably one that can increase the electrode surface area. Specifically, a spun yarn, a filament bundle yarn, a nonwoven fabric, a knitted fabric, a woven fabric, a special knitted fabric (for example, Patent Document 4) made of carbonaceous fibers, or a carbonaceous fiber assembly or a porous carbon body made of a hybrid structure thereof. , Carbon-carbon composites, particulate carbon materials, and the like. Among these, a carbonaceous fiber aggregate is preferable, and in particular, a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric, a special woven or knitted fabric composed of carbonaceous fibers, which is a sheet-shaped material composed of carbonaceous fibers, or a carbonaceous fiber assembly composed of a hybrid structure thereof The body is more preferable in terms of handling, processability, manufacturability and the like.

前記炭素質材料の目付量は構成組織にもよるが、図1の集電板1とイオン交換膜3に挟まれたスペーサー2の厚み(以下、「スペーサー2の厚み」と言う)を0.3〜3mmで使用する場合、50〜1000g/m2が好ましく、構成組織が編物の場合は50〜1000g/m2、織物の場合は50〜800g/m2、不織布の場合は50〜600g/m2が好ましい。また、炭素質材料として、片面に凹溝加工が施された不織布を使用することも通液性からより好ましい。その場合の溝幅、溝深さは少なくとも0.1mm以上が好ましい。 Although the basis weight of the carbonaceous material depends on the structure, the thickness of the spacer 2 sandwiched between the current collector plate 1 and the ion exchange membrane 3 in FIG. when used in 3~3Mm, preferably 50 to 1000 g / m 2, when construction organization of knitting 50 to 1000 g / m 2, in the case of textile 50 to 800 g / m 2, in the case of non-woven fabric 50~600G / m 2 is preferred. Moreover, it is more preferable from a liquid-permeable property to use the nonwoven fabric by which the concave groove process was given to the single side | surface as a carbonaceous material. In that case, the groove width and groove depth are preferably at least 0.1 mm.

前記炭素質材料の厚みは、スペーサー2の厚みより少なくとも大きいこと、不織布等の密度の低いものの場合はスペーサー2の厚みの1.5〜6.0倍が好ましい。しかしながら、厚みが厚すぎるとシート状物の圧縮応力のよりイオン交換膜3を突き破ってしまうことがあるので、シート状物の圧縮応力を9.8N/cm2以下のものを使用するのが好ましい。炭素質材料によっては、目付量・厚み・圧縮応力を調整するために、炭素質材料を2層や3層など積層して用いることも可能であり、また別の形態の炭素質材料との組み合わせも可能である。 The thickness of the carbonaceous material is preferably at least larger than the thickness of the spacer 2 and 1.5 to 6.0 times the thickness of the spacer 2 in the case of a low-density material such as a nonwoven fabric. However, if the thickness is too thick, it may break through the ion exchange membrane 3 due to the compressive stress of the sheet material, so it is preferable to use a sheet material having a compressive stress of 9.8 N / cm 2 or less. . Depending on the carbonaceous material, two or three layers of carbonaceous materials can be used to adjust the basis weight, thickness, and compressive stress, and combinations with other forms of carbonaceous materials Is also possible.

本発明の炭素電極に用いられる炭素質繊維集合体は、炭素質繊維で構成されるものである。炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られる質量比で90%以上が炭素で構成される繊維を意味する(JIS L 0204−2)。炭素質繊維の原料となる有機繊維のプレカーサーとしては、ポリアクリロニトリル等のアクリル繊維;フェノール繊維;ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)等のPBO繊維;芳香族ポリアミド繊維;等方性ピッチ、メソフェーズピッチ等のピッチ繊維;セルロース繊維;等を使用することができる。中でも、炭素質繊維の強度・弾性率に優れ、炭素質繊維集合体を形成することが容易となる観点から、有機繊維のプレカーサーとしては、アクリル繊維、ピッチ繊維が好ましく、アクリル繊維がより好ましい。アクリル繊維としては、アクリロニトリルを主成分として含有するものであれば特に限定されないが、アクリル繊維を形成する原料単量体中、アクリロニトリルの含有量が95質量%以上であることが好ましく、98質量%以上であることがより好ましい。
有機繊維の質量平均分子量は、特に限定されないが、10000以上、100000以下であることが好ましく、15000以上、80000以下であることがより好ましく、20000以上、50000以下であることがさらに好ましい。
The carbonaceous fiber assembly used for the carbon electrode of the present invention is composed of carbonaceous fibers. The carbonaceous fiber means a fiber in which 90% or more is composed of carbon by a mass ratio obtained by heating and carbonizing an organic fiber precursor (JIS L 0204-2). Organic fiber precursors used as raw materials for carbonaceous fibers include acrylic fibers such as polyacrylonitrile; phenol fibers; PBO fibers such as polyparaphenylenebenzobisoxazole (PBO); aromatic polyamide fibers; isotropic pitch and mesophase pitch. Pitch fibers such as cellulose fibers, etc. can be used. Among these, from the viewpoint of excellent strength and elastic modulus of the carbonaceous fiber and easy formation of the carbonaceous fiber aggregate, the organic fiber precursor is preferably an acrylic fiber or a pitch fiber, and more preferably an acrylic fiber. The acrylic fiber is not particularly limited as long as it contains acrylonitrile as a main component, but in the raw material monomer that forms the acrylic fiber, the content of acrylonitrile is preferably 95% by mass or more, and 98% by mass. More preferably.
The mass average molecular weight of the organic fiber is not particularly limited, but is preferably 10,000 or more and 100,000 or less, more preferably 15000 or more and 80000 or less, and further preferably 20,000 or more and 50000 or less.

炭素質材料として炭素質繊維を使用する場合、その平均繊維径は0.5〜20μmが好ましく、平均繊維長は30〜100mmが好ましい。 When carbonaceous fibers are used as the carbonaceous material, the average fiber diameter is preferably 0.5 to 20 μm, and the average fiber length is preferably 30 to 100 mm.

特に、加熱炭素化処理は、少なくとも、耐炎化工程、および、炭素化工程を含むことが好ましい。   In particular, the heat carbonization treatment preferably includes at least a flameproofing step and a carbonization step.

前記耐炎化工程は、空気雰囲気下、有機繊維のプレカーサーを180℃以上350℃以下の温度で加熱し、耐炎化有機繊維を得る工程を意味する。熱処理温度は、190℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。また、330℃以下であることが好ましく、300℃以下であることがさらに好ましい。前記温度範囲で加熱することにより、有機繊維が熱分解することなく炭素質繊維の形態を保持したまま有機繊維中の窒素、水素の含有率を低減し、炭素化率を向上することができる。耐炎化工程の際、有機繊維が熱収縮し分子配向が崩壊して、炭素質繊維の導電性が低下する場合があることから、有機繊維を緊張下ないし延伸下で耐炎化処理することが好ましく、緊張下で耐炎化処理することがより好ましい。   The flameproofing step means a step of obtaining a flameproof organic fiber by heating a precursor of an organic fiber at a temperature of 180 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in an air atmosphere. The heat treatment temperature is more preferably 190 ° C. or higher, and further preferably 200 ° C. or higher. Moreover, it is preferable that it is 330 degrees C or less, and it is more preferable that it is 300 degrees C or less. By heating in the said temperature range, the content rate of nitrogen and hydrogen in an organic fiber can be reduced and the carbonization rate can be improved, maintaining the form of a carbonaceous fiber, without organic fiber thermally decomposing. During the flameproofing step, the organic fibers may be thermally shrunk, the molecular orientation may be collapsed, and the conductivity of the carbonaceous fibers may be reduced. Therefore, it is preferable to flameproof the organic fibers under tension or stretching. More preferably, the flameproofing treatment is performed under tension.

前記炭素化工程は、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、耐炎化有機繊維を1000℃以上2000℃以下の温度で加熱し、炭素質繊維を得る工程を意味する。加熱温度は、1100℃以上であることがより好ましく、1200℃以上であることがさらに好ましい。また、より好ましくは1900℃以下である。前記温度範囲で炭素化工程を行うことにより、有機繊維の炭素化が進行し、擬黒鉛結晶構造を有する炭素質繊維を得ることができる。
有機繊維は、それぞれ異なる結晶性を有するため、加熱温度は、原料とする有機繊維の種類に応じて選択することができる。
例えば、有機繊維としてアクリル樹脂(好ましくはポリアクリロニトリル)を使用する場合、加熱温度は2000℃以下であることが好ましく、1800℃以下であることがさらに好ましい。
The carbonization step means a step of heating the flame-resistant organic fiber at a temperature of 1000 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower in an inert atmosphere (preferably in a nitrogen atmosphere) to obtain a carbonaceous fiber. The heating temperature is more preferably 1100 ° C. or higher, and further preferably 1200 ° C. or higher. Moreover, it is 1900 degrees C or less more preferably. By performing the carbonization step in the above temperature range, carbonization of the organic fiber proceeds, and a carbonaceous fiber having a pseudographite crystal structure can be obtained.
Since the organic fibers have different crystallinity, the heating temperature can be selected according to the type of organic fiber used as a raw material.
For example, when an acrylic resin (preferably polyacrylonitrile) is used as the organic fiber, the heating temperature is preferably 2000 ° C. or lower, and more preferably 1800 ° C. or lower.

前記耐炎化処理工程と炭素化工程とは、連続的に行うことが好ましく、耐炎化温度から炭素化温度へ昇温するときの昇温速度は、20℃/分以下であることが好ましく、より好ましくは15℃分/以下である。昇温速度を前記範囲とすることにより、有機繊維の形状を保持し、かつ機械的性質に優れた炭素質繊維を得ることができる。   The flameproofing treatment step and the carbonization step are preferably carried out continuously, and the rate of temperature rise when raising the temperature from the flameproofing temperature to the carbonization temperature is preferably 20 ° C./min or less, more Preferably, it is 15 ° C./min. By setting the heating rate within the above range, it is possible to obtain a carbonaceous fiber that maintains the shape of the organic fiber and is excellent in mechanical properties.

加熱炭素化処理は、さらに乾式酸化処理工程を含むことが好ましい。乾式酸化処理工程は、空気雰囲気下、炭素質繊維を500℃以上、900℃以下で加熱する工程を意味する。乾式酸化処理温度は、600℃以上であることがより好ましく、650℃以上であることがさらに好ましい。また、800℃以下であることがより好ましく、750℃以下であることが好ましい。前記温度範囲で炭素質繊維を乾式酸化処理することにより、炭素質繊維中の低結晶性部分が酸化消耗され、さらに結晶性に優れた炭素質繊維を得ることができる。
乾式酸化処理工程においては、炭素質繊維の機械的強度を維持する観点から、酸化前後の質量収率を90%以上、96%以下に調整することが好ましい。
The heating carbonization treatment preferably further includes a dry oxidation treatment step. The dry oxidation treatment step means a step of heating the carbonaceous fiber at 500 ° C. or more and 900 ° C. or less in an air atmosphere. The dry oxidation treatment temperature is more preferably 600 ° C. or higher, and further preferably 650 ° C. or higher. Moreover, it is more preferable that it is 800 degrees C or less, and it is preferable that it is 750 degrees C or less. By subjecting the carbonaceous fiber to a dry oxidation treatment within the above temperature range, the low crystalline portion in the carbonaceous fiber is oxidized and consumed, and a carbonaceous fiber having excellent crystallinity can be obtained.
In the dry oxidation treatment step, the mass yield before and after oxidation is preferably adjusted to 90% or more and 96% or less from the viewpoint of maintaining the mechanical strength of the carbonaceous fiber.

前記炭素質材料は、電池の中に圧接されて組み込まれ、その薄い隙間を粘度の高い電解液が流れるため、炭素質材料が脱落しないためには炭素質材料の引張強度を0.49N/cm2以上にすることが好ましい。また集電板との接触抵抗を良くするために、炭素質材料が不織布組織の場合、密度を0.01g/cm3以上に、電極面に対する反発力を0.98N/cm2以上にすることが好ましい。 The carbonaceous material is assembled by being pressed into the battery, and a high-viscosity electrolyte flows through the thin gap. Therefore, in order for the carbonaceous material not to fall off, the tensile strength of the carbonaceous material is 0.49 N / cm. It is preferable to make it 2 or more. Further, in order to improve the contact resistance with the current collector plate, when the carbonaceous material is a nonwoven fabric structure, the density should be 0.01 g / cm 3 or more and the repulsive force against the electrode surface should be 0.98 N / cm 2 or more. Is preferred.

本発明の炭素繊維の結晶構造が、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.60Åより大きい、c軸方向の結晶子の大きさが15Åより小さいか、またはa軸方向の結晶子の大きさが50Åより小さい場合、電池内部抵抗(セル抵抗)の内の電極材導電抵抗成分が無視できないようになり、その結果セル抵抗が増加し(電圧効率が低下し)、エネルギー効率が低下する。   The crystal structure of the carbon fiber of the present invention is such that the <002> plane spacing obtained by X-ray wide angle analysis is greater than 3.60 mm, the crystallite size in the c-axis direction is less than 15 mm, or the crystal in the a-axis direction. When the size of the child is smaller than 50 mm, the electrode material conductive resistance component in the battery internal resistance (cell resistance) cannot be ignored, resulting in an increase in cell resistance (decrease in voltage efficiency) and energy efficiency. descend.

また、本発明の炭素繊維の結晶構造が、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43Åより小さいか、c軸方向の結晶子の大きさが50Åより大きいか、またはa軸方向の結晶子の大きさが75Åより大きい場合、充放電サイクルの繰り返しにより、セル抵抗は増加していき、エネルギー効率は低下していってしまう。これは、上述のような結晶構造を持つ炭素質材料では結晶構造内に歪みを持つか、黒鉛に近い構造を取るため、例えばレドックス電池の電解液に用いられる硫酸による分解を引き起こしやすいからであると考えられる。   Further, in the crystal structure of the carbon fiber of the present invention, the <002> plane spacing obtained by X-ray wide angle analysis is smaller than 3.43 mm, the crystallite size in the c-axis direction is larger than 50 mm, or the a-axis When the size of the crystallite in the direction is larger than 75 mm, the cell resistance increases and the energy efficiency decreases due to repeated charge / discharge cycles. This is because the carbonaceous material having the crystal structure as described above has a distortion in the crystal structure or has a structure close to that of graphite, so that it is likely to cause decomposition by sulfuric acid used in an electrolyte solution of a redox battery, for example. it is conceivable that.

本発明の炭素質材料は、XPS(X線光電子分光法)表面分析より求めた炭素質材料表面の結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%以上であることが必要である。結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%以上の炭素系材料を電極材に用いることにより、電極反応速度を著しく高め得ることができる。XPS表面分析より求めた炭素質材料表面の結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%未満の酸素濃度の低い炭素質材料を用いる場合は放電時の電極反応速度が小さく、電極反応活性を高めることはできない。このように材料表面に酸素原子を多く結合させた炭素質材料を電極材として用いることにより電極反応活性、いいかえれば電圧効率が高められる理由については明らかでないが、炭素質材料と電解液との親和性、電子の授受、錯イオンの炭素材料からの脱離、錯交換反応等に表面の酸素原子が有効に働いているものと考えられる。   The carbonaceous material of the present invention requires that the number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbonaceous material determined by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) surface analysis is 1.0% or more of the total number of surface carbon atoms. The electrode reaction rate can be remarkably increased by using a carbon-based material having the number of bonded oxygen atoms of 1.0% or more of the total number of surface carbon atoms for the electrode material. When a carbonaceous material having a low oxygen concentration, in which the number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbonaceous material obtained by XPS surface analysis is less than 1.0% of the total number of carbon atoms, the electrode reaction rate during discharge is small, and the electrode reaction The activity cannot be increased. The reason why the electrode reaction activity, in other words, the voltage efficiency is increased by using a carbonaceous material having many oxygen atoms bonded to the surface of the material as described above is not clear, but the affinity between the carbonaceous material and the electrolyte is not clear. It is considered that oxygen atoms on the surface are effectively working in the properties, electron transfer, desorption of complex ions from carbon materials, complex exchange reactions, and the like.

本発明の炭素電極は、炭素質繊維と炭素質微粒子とが、近接、もしくは、スルホン酸基を有する化合物のようなイオン伝導性バインダーにより接着されていることを特徴とするものである。イオン伝導性バインダーを使用することにより、該電極材と電解液との親和性を高めることができ、電気化学反応を円滑に行えることができる。また、炭素質微粒子の効果により、電気化学反応場である炭素質材料表面を高めることができ、活性も高めることができる。炭素微粒子の塗布方法としては、従来公知の方法を用いればよく、例えば、炭素微粒子を溶液に分散させで炭素繊維に含浸させる方法や、バーコーター等を用いた塗布方法を好ましく採用できる。   The carbon electrode of the present invention is characterized in that the carbonaceous fibers and the carbonaceous fine particles are adhered to each other by an ion conductive binder such as a compound having a sulfonic acid group. By using an ion conductive binder, the affinity between the electrode material and the electrolytic solution can be increased, and the electrochemical reaction can be performed smoothly. Moreover, the carbonaceous material surface which is an electrochemical reaction field can be raised by the effect of carbonaceous fine particles, and activity can also be improved. As a method for applying the carbon fine particles, a conventionally known method may be used. For example, a method in which carbon fine particles are dispersed in a solution and impregnated into carbon fibers, or a coating method using a bar coater or the like can be preferably used.

イオン伝導性バインダーについては、スルホン酸基、ホスホン酸基、カルボン酸基などのイオン性基を含有するポリマーであれば、特に制限はない。これらのポリマーとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル類、ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10、ナイロン12などのポリアミド類、ポリメチルメタクリレート、ポリメタクリル酸エステル類、ポリメチルアクリレート、ポリアクリル酸エステル類などのアクリレート系樹脂、ポリアクリル酸系樹脂、ポリメタクリル酸系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンやジエン系ポリマーを含む各種ポリオレフィン、ポリウレタン系樹脂、酢酸セルロース、エチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリアリレート、アラミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールなどの芳香族系炭化水素系ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリドなどのフッ素系樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などに前記のようなイオン性基を導入したポリマーであれば、特に制限はない。イオン性基の中でも、酸解離度の最も高いスルホン酸基が好ましい。また、これらの組成物中には、必要に応じて、例えば酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、粘着付与剤、可塑剤、架橋剤、粘度調整剤、静電気防止剤、抗菌剤、消泡剤、分散剤、重合禁止剤などの各種添加剤を含んでいても良い。   The ion conductive binder is not particularly limited as long as it is a polymer containing an ionic group such as a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, or a carboxylic acid group. Examples of these polymers include polyesters such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyamides such as nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10 and nylon 12, polymethyl methacrylate and polymethacrylate. Acrylate resins such as polymethyl acrylate, polyacrylic acid esters, polyacrylic acid resins, polymethacrylic acid resins, polyethylene, polypropylene, various polyolefins including polystyrene and diene polymers, polyurethane resins, cellulose acetate, Cellulosic resins such as ethyl cellulose, polyarylate, aramid, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polysulfone, polyether Aromatic hydrocarbon polymers such as sulfone, polyether ether ketone, polyether imide, polyimide, polyamide imide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole, fluorine such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride There is no particular limitation as long as it is a polymer in which an ionic group as described above is introduced into a resin, an epoxy resin, a phenol resin, a novolac resin, a benzoxazine resin, or the like. Of the ionic groups, sulfonic acid groups having the highest degree of acid dissociation are preferred. In these compositions, if necessary, for example, antioxidants, heat stabilizers, lubricants, tackifiers, plasticizers, crosslinking agents, viscosity modifiers, antistatic agents, antibacterial agents, antifoaming agents. Further, various additives such as a dispersant and a polymerization inhibitor may be included.

より好ましくは、耐酸化性に優れるポリマーである。具体的には、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾールやフッ素樹脂が好ましく例示される。これらのポリマーをスルホン化したポリマー又は組成物であることがより好ましい。 More preferably, the polymer is excellent in oxidation resistance. Specifically, polyimide, polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzthiazole and fluororesin are preferably exemplified. A polymer or composition obtained by sulfonating these polymers is more preferable.

炭素微粒子の付着量は、炭素繊維の1〜50wt%であることが好ましく、1〜20wt%がより好ましい。50wt%以上であれば、電解液の通液性が悪くなる。   The adhesion amount of the carbon fine particles is preferably 1 to 50 wt% of the carbon fiber, and more preferably 1 to 20 wt%. If it is 50 wt% or more, the liquid permeability of the electrolytic solution is deteriorated.

前記の含浸あるいは塗布後の乾燥方法としては、特に限定されず、従来公知の乾燥方法を採用することができる。例えば、80〜120℃(より好ましくは90〜110℃)に加熱して乾燥する方法などを好ましく採用することができる。 The drying method after the impregnation or coating is not particularly limited, and a conventionally known drying method can be employed. For example, a method of heating to 80 to 120 ° C. (more preferably 90 to 110 ° C.) and drying can be preferably employed.

前記炭素微粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛、カーボンブラックや、またはこれらを空気酸化したものを好ましく用いることが出来る。黒鉛としては、人造黒鉛、天然黒鉛のいずれでもよいが、性能安定性、入手容易性の観点からは天然黒鉛であることが好ましい。炭素粒子の平均1次粒子径は、30nm〜5μmであることが好ましく、より好ましくは30nm〜100μmである。炭素粒子の粒子径が上記範囲であると、接着剤が、電気化学反応場である繊維表面を覆うことなく、繊維集合体と炭素微粒子の接点のみを効率的に固定することができる。 As the carbon fine particles, acetylene black, ketjen black, graphite, carbon black, or those obtained by air oxidation of these can be preferably used. The graphite may be either artificial graphite or natural graphite, but natural graphite is preferred from the viewpoints of performance stability and availability. The average primary particle diameter of the carbon particles is preferably 30 nm to 5 μm, more preferably 30 nm to 100 μm. When the particle diameter of the carbon particles is within the above range, the adhesive can efficiently fix only the contact point between the fiber assembly and the carbon fine particles without covering the fiber surface as an electrochemical reaction field.

本発明において採用される<002>面間隔(d002)、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)、a軸方向の結晶子の大きさ(La)、XPS表面分析、水銀圧入法、電流効率、電圧効率(セル抵抗R)、エネルギー効率および充放電サイクルの経時変化の各測定法について説明する。   <002> spacing (d002) employed in the present invention, crystallite size in the c-axis direction (Lc), crystallite size in the a-axis direction (La), XPS surface analysis, mercury intrusion method, current Each measuring method of efficiency, voltage efficiency (cell resistance R), energy efficiency, and change with time of charge / discharge cycle will be described.

(1)<002>面間隔(d002)、結晶子の大きさ(Lc)、a軸方向の結晶子の大きさ(La)
電極材料をメノウ乳鉢で、粒径10μm程度になるまで粉砕し、試料に対して約5重量%のX線標準用高純度シリコン粉末を内部標準物質として混合し、試料セルに詰め、CuKα線を線源として、ディフラクトメーター法によって広角X線を測定する。
(1) <002> spacing (d002), crystallite size (Lc), crystallite size in the a-axis direction (La)
The electrode material is pulverized in an agate mortar until the particle size becomes about 10 μm, and about 5% by weight of X-ray standard high-purity silicon powder is mixed as an internal standard substance, packed in a sample cell, and CuKα rays As a radiation source, wide-angle X-rays are measured by a diffractometer method.

曲線の補正には、いわゆるローレンツ因子、偏光因子、吸収因子、原子散乱因子等に関する補正を行わず、次の簡便法を用いる。すなわち、<002>回折に相当するピークのベースラインからの実質強度をプロットし直して<002>補正強度曲線を得る。この曲線のピーク高さの2/3の高さに引いた角度軸に平行な線が補正強度曲線と交わる線分の中点を求め、中点の角度を内部標準で補正し、これを回折角の2倍とし、CuKαの波長λとから数式1のBraggの式によって<002>面間隔を求める。   For the correction of the curve, the following simple method is used without correcting the so-called Lorentz factor, polarization factor, absorption factor, atomic scattering factor and the like. That is, the actual intensity from the baseline of the peak corresponding to <002> diffraction is re-plotted to obtain a <002> corrected intensity curve. Find the midpoint of the line segment where the line parallel to the angle axis drawn to 2/3 of the peak height of this curve intersects the correction intensity curve, and correct the midpoint angle with the internal standard. The <002> plane spacing is obtained from the Bragg equation of Formula 1 from the wavelength λ of CuKα, which is twice the folding angle.

ここで、波長λ=1.5418Å、θは<002>回折角を示す。 Here, the wavelength λ = 1.5418Å, θ represents the <002> diffraction angle.

さらに、ピーク高さの1/2の高さに引いた角度軸に平行な線が、補正強度曲線と交わる線分の長さ(半値幅β)から、数式2によってc軸方向の結晶子の大きさLcを求める。   Further, from the length of the line segment intersecting with the correction intensity curve (half-value width β), the line parallel to the angle axis drawn to ½ the height of the peak height, the value of the crystallite in the c-axis direction is calculated according to Equation 2. The size Lc is obtained.

ここで、波長λ=1.5418Å、構造係数k1=0.9、θは<002>回折角を、βは<002>回折ピークの半値幅を示す。 Here, wavelength λ = 1.54184, structure coefficient k1 = 0.9, θ represents the <002> diffraction angle, and β represents the half width of the <002> diffraction peak.

また<10>回折に相当するピークのベースラインからの実質強度をプロットし直して<10>補正強度曲線を得る。ピーク高さの1/2の高さに引いた角度軸に平行な線が補正強度曲線と交わる線分の長さ(半値幅β)から数式3によってa軸方向の結晶子の大きさLaを求める。   Also, the actual intensity from the baseline of the peak corresponding to <10> diffraction is re-plotted to obtain a <10> corrected intensity curve. The crystallite size La in the a-axis direction is calculated by Equation 3 from the length (half-value width β) of the line segment where the line parallel to the angle axis drawn to ½ the peak height intersects the correction intensity curve. Ask.

ここで、波長λ=1.5418Å、構造係数k2=1.84、θは<10>回折角を、βは<10>回折ピークの半値幅を示す。 Here, wavelength λ = 1.54184, structure coefficient k2 = 1.84, θ represents the <10> diffraction angle, and β represents the half width of the <10> diffraction peak.

(2)XPS表面分析
ESCAまたはXPSと略称されているX線光電子分光法の測定に用いた装置はアルバック・ファイ5801MCを用いる。
試料をサンプルホルダー上にMo板で固定し、予備排気室にて十分に排気後、測定室のチャンバーに投入した。線源にはモノクロ化AlKα線を用い、出力は14kV、12mA、装置内真空度は10-8torrとする。
全元素スキャンを行い表面元素の構成を調べ、検出された元素ならびに予想される元素についてナロースキャンを実施し、存在比率を評価する。
全表面炭素原子数に対する表面結合酸素原子数の比を百分率(%)で算出する。
(2) XPS surface analysis The apparatus used for the measurement of the X-ray photoelectron spectroscopy abbreviated as ESCA or XPS uses ULVAC-PHI 5801MC.
The sample was fixed on the sample holder with a Mo plate, exhausted sufficiently in the preliminary exhaust chamber, and then put into the chamber of the measurement chamber. A monochromatic AlKα ray is used as the radiation source, the output is 14 kV, 12 mA, and the vacuum in the apparatus is 10 −8 torr.
A full element scan is performed to examine the composition of the surface elements, a narrow scan is performed on the detected and expected elements, and the abundance ratio is evaluated.
The ratio of the number of surface-bound oxygen atoms to the total number of surface carbon atoms is calculated as a percentage (%).

(実施例1)
耐炎化ポリアクリロニトリルからなるフェルト(厚さ4.5mm、坪量600g/m2)を窒素雰囲気下で、100℃/h以下の昇温温度で1500℃まで昇温した。その後1時間焼成して炭素化後、700℃で10分間の空気酸化を施し、常温まで空冷した。その後、ケッチェンブラック20wt%をN−メチル−2−ピロリドンに分散させ、この溶液にスルホン酸基を導入したポリベンズイミダゾールを3wt%溶解させ、本溶液中に上記の電極材を浸漬し、超音波処理により脱泡を行った。浸漬後の電極材に付着した余分な溶液を拭き取り、これを200℃で2時間乾燥させることで、目的とする電極材料を得た。得られた電極材料の<002>面間隔は3.51Åで、Lcは36Å、Laは45Å、XPS表面分析の結果、酸素原子数は8%であった。
Example 1
A felt made of flame-resistant polyacrylonitrile (thickness 4.5 mm, basis weight 600 g / m 2 ) was heated to 1500 ° C. at a temperature rising temperature of 100 ° C./h or less in a nitrogen atmosphere. Then, after calcination for 1 hour and carbonization, air oxidation was performed at 700 ° C. for 10 minutes and air-cooled to room temperature. Thereafter, 20 wt% of ketjen black was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone, 3 wt% of polybenzimidazole introduced with a sulfonic acid group was dissolved in this solution, the above electrode material was immersed in this solution, Defoaming was performed by sonication. The excess solution adhering to the electrode material after immersion was wiped off and dried at 200 ° C. for 2 hours to obtain the intended electrode material. The obtained electrode material had a <002> plane spacing of 3.51 mm, Lc of 36 mm, La of 45 mm, and as a result of XPS surface analysis, the number of oxygen atoms was 8%.

(実施例2)
ポリベンズイミダゾールの替わりに3wt%のナフィオン分散液を用いた以外は、実施例1と同様にした。
(Example 2)
The same procedure as in Example 1 was performed except that a 3 wt% Nafion dispersion was used instead of polybenzimidazole.

(比較例1)
耐炎化ポリアクリロニトリルからなるフェルト(厚さ4.5mm、坪量600g/m2)を窒素雰囲気下で、100℃/h以下の昇温温度で1500℃まで昇温した。その後1時間焼成して炭素化後、700℃で10分間の空気酸化を施し、常温まで空冷して目的とする電極材料を得た。
(Comparative Example 1)
A felt made of flame-resistant polyacrylonitrile (thickness 4.5 mm, basis weight 600 g / m 2 ) was heated to 1500 ° C. at a temperature rising temperature of 100 ° C./h or less in a nitrogen atmosphere. Then, after baking for 1 hour and carbonizing, air oxidation was performed at 700 ° C. for 10 minutes, and air cooling was performed to room temperature to obtain a target electrode material.

(試験例1)
実施例1〜2及び比較例1で得られた電極材料を、上下方向(通液方向)に10cm、幅方向に1.6cmの電極面積16cm2 に切り出し、図1で示したようなセルを組み立てた。イオン交換膜はナフィオン212膜を用い、スペーサー厚みは2.5mmとした。70mA/cm2で1.45Vまで充電を行い、ソーラートロン社製交流インピーダンス装置を用いて、導電抵抗、拡散抵抗、電荷移動反応抵抗をそれぞれ分離した。その結果を表1に示した。また、正極電解液には1.7mol/lのオキシ硫酸バナジウムの2.5mol/l硫酸水溶液を用い、負極電解液には1.7mol/lの硫酸バナジウムの2.5mol/l硫酸水溶液を用いた。電解液量はセル、配管に対して大過剰とした。液流量は毎分6.2mlとし、30℃で測定を行った。
(Test Example 1)
The electrode materials obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were cut into an electrode area of 16 cm 2 of 10 cm in the vertical direction (liquid passing direction) and 1.6 cm in the width direction, and the cell as shown in FIG. Assembled. The ion exchange membrane was a Nafion 212 membrane, and the spacer thickness was 2.5 mm. The battery was charged to 1.45 V at 70 mA / cm 2 , and the conductive resistance, diffusion resistance, and charge transfer reaction resistance were each separated using an AC impedance device manufactured by Solartron. The results are shown in Table 1. Also, a 2.5 mol / l sulfuric acid aqueous solution of 1.7 mol / l vanadium oxysulfate was used for the positive electrode electrolyte, and a 2.5 mol / l sulfuric acid aqueous solution of 1.7 mol / l vanadium sulfate was used for the negative electrode electrolyte. It was. The amount of the electrolytic solution was excessively large with respect to the cell and the piping. The liquid flow rate was 6.2 ml per minute, and the measurement was performed at 30 ° C.

表1から明らかなように、炭素繊維表面に導電助剤をイオン伝導性バインダー接着させた実施例1〜2については、非常に低い電荷移動反応抵抗を示し、結果として、低い全セル抵抗を示した。これは、ピリジン型の窒素原子が導入されたことで、該電極材の親水性と反応活性を著しく高めることができ、結果として低抵抗化になったと考えられる。一方、比較例1については、導電抵抗と拡散抵抗は実施例1〜2と同等であるものの、電荷移動反応抵抗が大きいため全セル抵抗は大きい結果となった。 As is clear from Table 1, Examples 1-2, in which a conductive additive is adhered to the carbon fiber surface, exhibited a very low charge transfer reaction resistance, resulting in a low overall cell resistance. It was. This is probably because the introduction of pyridine-type nitrogen atoms can significantly increase the hydrophilicity and reaction activity of the electrode material, resulting in lower resistance. On the other hand, in Comparative Example 1, although the conductive resistance and the diffusion resistance were the same as those in Examples 1 and 2, the total cell resistance was large because the charge transfer reaction resistance was large.

本発明のレドックス電池用炭素電極材は、イオン伝導性バインダーと導電性を有する炭素微粒子を用いることで、該電極材の親水性と電極反応活性を高めることができる。その結果、初期充放電時のセル抵抗を低下させ、電池エネルギー効率を向上させることを可能とするものである。そして、本発明の炭素電極材はフロータイプおよびノンフロータイプのレッドクス電池、またはリチウム、キャパシタ、燃料電池のシステムと複合化されたようなレドックス電池に好適に用いられ、電池性能を向上させることが可能となり、産業界への寄与大である。 The carbon electrode material for a redox battery of the present invention can improve the hydrophilicity and electrode reaction activity of the electrode material by using an ion conductive binder and conductive carbon fine particles. As a result, cell resistance during initial charge / discharge can be reduced, and battery energy efficiency can be improved. The carbon electrode material of the present invention is suitably used for flow type and non-flow type Redox batteries, or redox batteries that are combined with lithium, capacitor, and fuel cell systems to improve battery performance. It becomes possible and contributes greatly to the industry.

1…集電板、2…スペーサ、3…イオン交換膜、4a,b…通液路、5…電極
材、6…正極液タンク、7…負極液タンク、8,9…ポンプ、10…液流入口、11…液流出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Current collecting plate, 2 ... Spacer, 3 ... Ion exchange membrane, 4a, b ... Liquid passage, 5 ... Electrode material, 6 ... Positive electrode liquid tank, 7 ... Negative electrode liquid tank, 8, 9 ... Pump, 10 ... Liquid Inlet, 11 ... Liquid outlet

Claims (3)

X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜50Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである擬黒鉛結晶構造を有し、XPS表面分析より求めた表面の結合酸素原子数が全表面炭素原子数の1.0%以上である炭素質材料からなる炭素繊維上に、導電性を有する炭素微粒子がイオン伝導性バインダーによって接着されていることを特徴とする、レドックス電池用電極材。   The <002> plane spacing determined by X-ray wide angle analysis is 3.43 to 3.60 mm, the crystallite size in the c-axis direction is 15 to 50 mm, and the crystallite size in the a-axis direction is 30 to 75 mm. It has conductivity on carbon fibers made of a carbonaceous material having a pseudographite crystal structure of which the number of bonded oxygen atoms on the surface determined by XPS surface analysis is 1.0% or more of the total number of carbon atoms on the surface. An electrode material for a redox battery, wherein carbon fine particles are bonded with an ion conductive binder. 前記イオン伝導性バインダーが、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂または複素環ポリマーであることを特徴とする、請求項1に記載のレドックス電池用電極材。   The electrode material for a redox battery according to claim 1, wherein the ion conductive binder is a fluororesin or a heterocyclic polymer having a sulfonic acid group. 請求項1〜2のいずれかに記載の電極材を用いたレドックス電池。   A redox battery using the electrode material according to claim 1.
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