JP2017066546A - Pitch-based extra fine carbon fiber, electrode mixture layer for nonaqueous electrolyte secondary battery, electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Pitch-based extra fine carbon fiber, electrode mixture layer for nonaqueous electrolyte secondary battery, electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pitch-based extra fine carbon fiber having enhanced compatibility to an electrolyte and high conductivity.SOLUTION: A pitch-based extra fine carbon fiber high in compatibility to an electrolyte and high in conductivity by controlling a surface state of a carbon fiber having variation of a certain degree of fine diameter and high crystallinity and the pitch-based extra fine carbon fiber having surface oxygen concentration ratio (O/C) measured by an X-ray photoelectron spectroscopy of 0.02 to 0.15, CV value of the fiber diameter of 10 to 50% and crystallite size (d002) measured by an X-ray diffraction method of 0.340 nm or less is manufactured.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、ピッチ系極細炭素繊維、該炭素繊維を用いた非水電解質二次電池用電極合剤層、該電極合剤層が形成された非水電解質二次電池用電極、及び該電極を含んで構成された非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a pitch-based ultrafine carbon fiber, an electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery using the carbon fiber, a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode on which the electrode mixture layer is formed, and the electrode. The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including the same.

カーボンナノ材料、特に、平均繊維径が1μm以下である極細炭素繊維は、高結晶性、高導電性、高強度、高弾性率、軽量等の優れた特性を有していることから、高性能複合材料のナノフィラーとして使用されている。その用途は、機械的強度向上を目的とした補強用ナノフィラーに留まらず、炭素材料に備わった高導電性を生かし、各種電池やキャパシタの電極への添加材料、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性ナノフィラーとして、或いは樹脂向けの静電塗料に配合するナノフィラーとしての用途が検討されている。また、炭素材料としての化学的安定性、熱的安定性、微細構造の特徴を生かし、フラットディスプレー等の電界電子放出材料としての用途も期待されている。   Carbon nanomaterials, especially ultrafine carbon fibers with an average fiber diameter of 1 μm or less, have excellent properties such as high crystallinity, high conductivity, high strength, high elastic modulus, and light weight. Used as a nanofiller for composite materials. Its use is not limited to reinforcing nano fillers for the purpose of improving mechanical strength. Utilizing the high conductivity of carbon materials, it can be used as an additive material for various batteries and capacitor electrodes, electromagnetic shielding materials, and antistatic materials. As a conductive nanofiller for use in an electric field, or as a nanofiller to be blended in an electrostatic coating for resin, studies are being made. In addition, it is expected to be used as a field electron emission material such as a flat display by taking advantage of the chemical stability, thermal stability and microstructure of the carbon material.

例えば、特許文献1には、(1)熱可塑性樹脂100質量部並びにピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリベンゾアゾール及びアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性炭素前駆体1〜150質量部からなる混合物から前駆体成形体を形成する工程、(2)前駆体成形体を安定化処理に付して前駆体成形体中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化樹脂組成物を形成する工程、(3)安定化樹脂組成物から熱可塑性樹脂を、減圧下で除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、(4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程、を経る炭素繊維の製造方法が開示されている。この方法により製造された炭素繊維は、良好な特性を有しているものの、電極材として使用した場合の電池特性としては不十分であり、充放電効率の更なる向上が求められている。   For example, Patent Document 1 includes (1) 100 parts by mass of a thermoplastic resin and at least one thermoplastic carbon precursor selected from the group consisting of pitch, polyacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polybenzoazole, and aramid. A step of forming a precursor molded body from a mixture of 150 parts by mass; (2) stabilizing the thermoplastic carbon precursor in the precursor molded body by subjecting the precursor molded body to a stabilization treatment; (3) removing the thermoplastic resin from the stabilized resin composition under reduced pressure to form a fibrous carbon precursor, (4) carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor The manufacturing method of the carbon fiber which passes through the process to perform is disclosed. Although the carbon fiber produced by this method has good characteristics, it is insufficient as battery characteristics when used as an electrode material, and further improvement in charge and discharge efficiency is required.

充放電効率の更なる向上のためには、電極材を構成する炭素繊維と電解液との親和性の向上が求められる。炭素繊維と電解液との親和性を向上させる方法としては、炭素繊維の表面に金属粒子を固定化する方法、酸化性ガスを共存させて加熱する方法、界面活性剤などの添加剤を添加して電解液との界面抵抗を低減させる方法等が知られている。   In order to further improve the charge / discharge efficiency, it is required to improve the affinity between the carbon fiber constituting the electrode material and the electrolytic solution. As a method for improving the affinity between the carbon fiber and the electrolyte solution, a method of fixing metal particles on the surface of the carbon fiber, a method of heating in the presence of an oxidizing gas, an additive such as a surfactant is added. There are known methods for reducing the interfacial resistance with the electrolytic solution.

特許文献2には、気相法で作製された炭素繊維に表面酸化処理を施すことで、繊維とマトリックスとの分散性を向上させ、かつ界面強度を強化するために、炭素繊維の表面を改質することができる方法が開示されている。しかし、好適な炭素繊維の表面状態及び酸素含有量については一切開示されておらず、導電性及び電解液との親和性を同時に満足するものではない。   In Patent Document 2, the surface of the carbon fiber is modified to improve the dispersibility between the fiber and the matrix and to enhance the interfacial strength by subjecting the carbon fiber produced by the vapor phase method to surface oxidation treatment. A method that can be performed is disclosed. However, the surface state and oxygen content of a suitable carbon fiber are not disclosed at all, and the conductivity and the affinity with the electrolytic solution are not satisfied at the same time.

特許文献3には、表面酸素濃度比(O/C)が0.02以上であり、均一な繊維径を有し、導電性に優れ、水系溶媒への分散性も良好なピッチ系極細炭素繊維が開示されている。しかし、結晶性が極めて高く、かつ繊維径がミクロンオーダー以下の極細の炭素繊維については具体的に記載されていない。また、基材上に炭素繊維をフィルム状に形成し、フィルムの面内方向の導電性が良好であることが記載されている。   Patent Document 3 discloses a pitch-based ultrafine carbon fiber having a surface oxygen concentration ratio (O / C) of 0.02 or more, a uniform fiber diameter, excellent conductivity, and good dispersibility in an aqueous solvent. Is disclosed. However, there is no specific description of ultrafine carbon fibers having extremely high crystallinity and a fiber diameter of the order of microns or less. Further, it is described that carbon fibers are formed in a film shape on a base material, and the conductivity in the in-plane direction of the film is good.

国際公開第2009/125857号公報International Publication No. 2009/125857 特開2006−140142号公報JP 2006-140142 A 特開2015−48561号公報JP-A-2015-48561

本発明の目的は、電解液への親和性を向上させ、かつ高い導電性を有するピッチ系極細炭素繊維を提供することである。さらには、このピッチ系極細炭素繊維を用いて形成する非水電解質電池用の電極合剤層、その電極合剤層が形成されている電極、及びその電極を用いて構成する非水電解質二次電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a pitch-based ultrafine carbon fiber having improved affinity for an electrolytic solution and high conductivity. Furthermore, an electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte battery formed using this pitch-based ultrafine carbon fiber, an electrode on which the electrode mixture layer is formed, and a nonaqueous electrolyte secondary formed using the electrode To provide a battery.

本発明者らは、上記の従来技術に鑑みて鋭意検討を重ねた結果、繊維径にある程度のばらつきがあって、結晶性が高い炭素繊維の表面状態を制御することで、電解液への親和性が高く、かつ導電性の高いピッチ系極細炭素繊維を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies in view of the above prior art, the present inventors have found that the fiber diameter has a certain degree of variation and the surface state of the carbon fiber having high crystallinity is controlled, thereby making it compatible with the electrolyte. It has been found that pitch-based ultrafine carbon fibers having high properties and high conductivity can be obtained, and the present invention has been completed.

即ち、上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。   That is, the present invention for solving the above problems is described below.

〔1〕 X線光電子分光法により測定される表面酸素濃度比(O/C)が0.02以上0.15以下であり、
繊維径のCV値が10〜50%であり、
かつ、X線回折法で測定した結晶子大きさ(d002)が0.340nm以下であることを特徴とするピッチ系極細炭素繊維。
[1] The surface oxygen concentration ratio (O / C) measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.02 or more and 0.15 or less,
CV value of fiber diameter is 10-50%,
A pitch-based ultrafine carbon fiber having a crystallite size (d002) measured by an X-ray diffraction method of 0.340 nm or less.

〔2〕 X線光電子分光法で測定されるO1s軌道由来のO−C結合とO=C結合との強度比(O=C/O−C)が1.4以上である〔1〕に記載のピッチ系極細炭素繊維。 [2] The intensity ratio (O = C / O—C) between O—C bonds derived from O1s orbitals and O═C bonds (O═C / O—C) measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 1.4 or more. Pitch-based ultra-fine carbon fiber.

〔3〕 平均繊維径が100nm以上700nm未満である、〔1〕又は〔2〕に記載のピッチ系極細炭素繊維。 [3] The pitch-based ultrafine carbon fiber according to [1] or [2], wherein the average fiber diameter is 100 nm or more and less than 700 nm.

〔4〕 平均アスペクト比が30〜1000である、〔1〕乃至〔3〕のいずれかに記載のピッチ系極細炭素繊維。 [4] The pitch-based ultrafine carbon fiber according to any one of [1] to [3], having an average aspect ratio of 30 to 1000.

〔5〕 〔1〕乃至〔4〕のいずれかに記載のピッチ系極細炭素繊維と、
電極活物質と、
バインダーと、
を含む非水電解質二次電池用電極合剤層。
[5] The pitch-based ultrafine carbon fiber according to any one of [1] to [4],
An electrode active material;
A binder,
An electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery.

〔6〕 集電体と、
前記集電体に積層された〔5〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層と、
から成る非水電解質二次電池用電極。
[6] current collector;
The electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to [5] laminated on the current collector,
An electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery.

〔7〕 〔6〕に記載の非水電解質二次電池用電極を含んで構成される非水電解質二次電池。 [7] A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to [6].

本発明によれば、従来技術で得られていた炭素繊維に比べて、電解液との親和性に優れ、電極合剤層における膜厚方向の導電性が高いピッチ系極細炭素繊維を得ることができる。このピッチ系極細炭素繊維は、電池材料として好適に用いることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a pitch-based ultrafine carbon fiber that is superior in affinity with an electrolytic solution and has high conductivity in the film thickness direction in the electrode mixture layer as compared with the carbon fiber obtained in the prior art. it can. This pitch-based ultrafine carbon fiber can be suitably used as a battery material.

また、本発明のピッチ系極細炭素繊維は、電池材料の他、補強用ナノフィラー、キャパシタの電極への添加材料、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性ナノフィラー、樹脂向けの静電塗料に配合するナノフィラー、フラットディスプレー等の電界電子放出材料としての用途に有望である。   In addition to the battery material, the pitch-based ultrafine carbon fiber of the present invention includes a reinforcing nanofiller, a material added to a capacitor electrode, an electromagnetic shielding material, a conductive nanofiller for an antistatic material, and an electrostatic for resin. It is promising for applications as field electron emission materials such as nanofillers and flat displays to be blended in paints.

図1は、実施例1で製造されたCNFのXPS測定結果である。FIG. 1 shows XPS measurement results of CNF produced in Example 1. 図2は、実施例2で製造されたCNFのXPS測定結果である。FIG. 2 shows the XPS measurement result of CNF produced in Example 2. 図3は、比較例1で製造されたCNFのXPS測定結果である。FIG. 3 is a result of XPS measurement of CNF manufactured in Comparative Example 1. 図4は、比較例2で製造されたCNFのXPS測定結果である。FIG. 4 shows XPS measurement results of CNF produced in Comparative Example 2.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1.非水電解質二次電池用ピッチ系極細炭素繊維
1−1. ピッチ系極細炭素繊維の性状
第1の本発明は、X線光電子分光法により測定される表面酸素濃度比(O/C)が0.02以上0.15以下であり、
繊維径のCV値が10〜50%であり、
かつ、X線回折法で測定した結晶子大きさ(d002)が0.340nm以下であることを特徴とするピッチ系極細炭素繊維である。
1. 1. Pitch ultrafine carbon fiber for non-aqueous electrolyte secondary battery 1-1. Properties of pitch-based ultrafine carbon fiber The first aspect of the present invention has a surface oxygen concentration ratio (O / C) measured by X-ray photoelectron spectroscopy of 0.02 or more and 0.15 or less,
CV value of fiber diameter is 10-50%,
The pitch-based ultrafine carbon fiber has a crystallite size (d002) measured by an X-ray diffraction method of 0.340 nm or less.

本発明のピッチ系極細炭素繊維(以下、単に炭素繊維ということがある)は、X線光電子分光法で測定した場合の、炭素繊維の表面における炭素原子に対する酸素原子の存在割合を示す表面酸素濃度比(表面O/C)が0.02以上0.15以下であり、0.02以上0.10以下であることがより好ましく、0.02以上0.06以下であることがさらに好ましい。表面O/Cがこの範囲であることにより、電解液、特にプロピレンカーボネートに対する親和性が高く、電極合剤層中で均一に炭素繊維を分散することができる。   The pitch-based ultrafine carbon fiber of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as carbon fiber) has a surface oxygen concentration that indicates the ratio of oxygen atoms to carbon atoms on the surface of the carbon fiber when measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The ratio (surface O / C) is 0.02 or more and 0.15 or less, more preferably 0.02 or more and 0.10 or less, and further preferably 0.02 or more and 0.06 or less. When the surface O / C is within this range, the affinity for the electrolytic solution, particularly propylene carbonate, is high, and the carbon fibers can be uniformly dispersed in the electrode mixture layer.

本発明の炭素繊維は、その表面をX線光電子分光法にて測定したO1s軌道由来のO−C結合とO=C結合との強度比(O=C/O−C)が1.4以上であるのが好ましい。強度比が1.4倍以上である場合、炭素繊維の表面に疎水性の高いO=C基が親水性の高いC−OH基よりも多く存在することにより、電解液、特にプロピレンカーボネートに対する親和性が高く、電極合剤層中における炭素繊維の分散性が高くなる。O−C結合とO=C結合との強度比(O=C/O−C)は、1.5以上であることがより好ましい。   The carbon fiber of the present invention has a strength ratio (O = C / O—C) of O—C bonds derived from O1s orbitals and O═C bonds (O═C / O—C) of 1.4 or more measured on the surface by X-ray photoelectron spectroscopy. Is preferred. When the strength ratio is 1.4 times or more, the presence of more hydrophobic O═C groups on the surface of the carbon fiber than the highly hydrophilic C—OH groups makes it possible to have an affinity for the electrolyte, particularly propylene carbonate. The dispersibility of the carbon fiber in the electrode mixture layer is high. The intensity ratio (O = C / O—C) between the O—C bond and the O═C bond is more preferably 1.5 or more.

本発明の炭素繊維の平均繊維径は、100nm以上700nm未満であることが好ましい。該上限値は、600nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、400nm以下であることがさらに好ましく、300nm以下であることがよりさらに好ましい。該下限値は、110nm以上であることが好ましく、120nm以上であることがより好ましく、150nm以上であることがさらに好ましい。
100nm未満であると、嵩密度が非常に小さくハンドリング性に劣る。また、電極合剤層を構成した際、電極強度が低下する傾向がある。700nm以上である場合、電極合剤層内において隙間が生じ易くなり、電極密度を高くすることが困難となる場合がある。
ここで、本発明における繊維径は、電界放射型走査電子顕微鏡によって倍率2000倍で撮影した写真図より測定された値を意味する。
The average fiber diameter of the carbon fiber of the present invention is preferably 100 nm or more and less than 700 nm. The upper limit is preferably 600 nm or less, more preferably 500 nm or less, further preferably 400 nm or less, and further preferably 300 nm or less. The lower limit is preferably 110 nm or more, more preferably 120 nm or more, and further preferably 150 nm or more.
If it is less than 100 nm, the bulk density is very small and the handling property is poor. Moreover, when an electrode mixture layer is constructed, the electrode strength tends to decrease. When it is 700 nm or more, a gap is likely to be generated in the electrode mixture layer, and it may be difficult to increase the electrode density.
Here, the fiber diameter in the present invention means a value measured from a photograph taken at a magnification of 2000 times with a field emission scanning electron microscope.

本発明の炭素繊維において、繊維径のCV値は、10〜50%の範囲である。この範囲であることにより、繊維径がほどよくばらついている。そのため、様々な粒子径を有する電極活物質との接触性を高くすることができ、導電助剤としての性能が向上する。その結果、電極合剤層の膜厚方向の電気電導度を高くすることができる。繊維径のCV値は、20〜50%の範囲がより好ましく、30〜45%の範囲がさらに好ましい。ここでCV値は、標準偏差値を平均値で割った値を百分率(%)で表した値である。   In the carbon fiber of the present invention, the CV value of the fiber diameter is in the range of 10 to 50%. By being in this range, the fiber diameter varies moderately. Therefore, the contact property with the electrode active material having various particle sizes can be increased, and the performance as a conductive additive is improved. As a result, the electrical conductivity in the film thickness direction of the electrode mixture layer can be increased. The CV value of the fiber diameter is more preferably in the range of 20 to 50%, and further preferably in the range of 30 to 45%. Here, the CV value is a value obtained by dividing the standard deviation value by the average value and expressed as a percentage (%).

本発明の炭素繊維は、広角X線測定により測定した隣接するグラファイトシート間の距離(d002)が0.340nm以下であり、0.335〜0.340nmであることが好ましく、0.335〜0.339nmであることがより好ましい。d002が0.335〜0.340nmの範囲にある場合、電極合剤層において膜厚方向に対して高い導電性を示す。   The carbon fiber of the present invention has a distance (d002) between adjacent graphite sheets measured by wide-angle X-ray measurement of 0.340 nm or less, preferably 0.335 to 0.340 nm, and preferably 0.335 to 0. More preferably, it is 339 nm. When d002 is in the range of 0.335 to 0.340 nm, the electrode mixture layer exhibits high conductivity in the film thickness direction.

本発明の炭素繊維の平均繊維長は、1〜100μmの範囲が好ましく、1〜50μmであることがより好ましく、5〜20μmであることがさらに好ましい。1μm未満である場合、電極合剤層内の導電性、電極の強度、電解液保液性が低くなるため好ましくない。100μm超の場合、ピッチ系極細炭素繊維の分散性が損なわれることから好ましくない。即ち、ピッチ系極細炭素繊維が長すぎる場合、ピッチ系極細炭素繊維が電極合剤層の面内方向に配向し易くなる。その結果、膜厚方向への導電パスを形成し難くなってしまう。   The average fiber length of the carbon fiber of the present invention is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm, and even more preferably 5 to 20 μm. When the thickness is less than 1 μm, the conductivity in the electrode mixture layer, the strength of the electrode, and the electrolyte solution retention are lowered, which is not preferable. If it exceeds 100 μm, the dispersibility of the pitch-based ultrafine carbon fiber is impaired, which is not preferable. That is, when the pitch-based ultrafine carbon fiber is too long, the pitch-based ultrafine carbon fiber is easily oriented in the in-plane direction of the electrode mixture layer. As a result, it becomes difficult to form a conductive path in the film thickness direction.

本発明の炭素繊維の平均繊維長(L)と平均繊維径(D)との比(L/D)は30以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましく、100以上であることがさらに好ましい。比(L/D)を30以上とすることにより、電極合剤層中において導電パスが効率的に形成され、膜厚方向の電気電導度を高くすることができる。30未満の場合、電極合剤層中において導電パスの形成が不十分になり易く、電極合剤層の膜厚方向の抵抗値が十分に低下しない場合がある。比(L/D)の上限値は特に限定されないが、1000以下であることが好ましく、800以下であることがより好ましい。   The ratio (L / D) of the average fiber length (L) and the average fiber diameter (D) of the carbon fiber of the present invention is preferably 30 or more, more preferably 50 or more, and 100 or more. Is more preferable. By setting the ratio (L / D) to 30 or more, a conductive path is efficiently formed in the electrode mixture layer, and the electrical conductivity in the film thickness direction can be increased. If it is less than 30, the formation of the conductive path is likely to be insufficient in the electrode mixture layer, and the resistance value in the film thickness direction of the electrode mixture layer may not be sufficiently reduced. The upper limit value of the ratio (L / D) is not particularly limited, but is preferably 1000 or less, and more preferably 800 or less.

本発明の炭素繊維は直線構造を有することが好ましい。ここで、直線構造とは分岐度が0.01個/μm以下であることをいう。分岐とは、炭素繊維が末端部以外の場所で他の炭素繊維と結合した粒状部をいい、炭素繊維の主軸が中途で枝分かれしていること、及び炭素繊維の主軸が枝状の副軸を有することをいう。なお、分岐のある炭素繊維としては、気相成長極細炭素繊維(VGCF)が知られている。
なお、この炭素繊維は、全体として繊維状の形態を有していればよく、例えば、1μm未満の炭素材料が接触したり結合したりして一体的に繊維形状を有しているもの(例えば、球状炭素が融着等により数珠状に連なっているもの、極めて短い複数本の繊維が融着等によりつながっているものなど)も含む。
The carbon fiber of the present invention preferably has a linear structure. Here, the linear structure means that the degree of branching is 0.01 piece / μm or less. Branching means a granular part in which carbon fibers are bonded to other carbon fibers at a place other than the terminal part. The main axis of the carbon fiber is branched in the middle, and the main axis of the carbon fiber is a branch-like minor axis. It means having. Note that vapor grown ultrafine carbon fiber (VGCF) is known as a branched carbon fiber.
In addition, this carbon fiber should just have a fibrous form as a whole, for example, the carbon material of less than 1 micrometer contacts and couple | bonds and has a fiber shape integrally (for example, , Spherical carbon is connected in a beaded manner by fusion or the like, and extremely short fibers are connected by fusion or the like.

本発明の炭素繊維は、充填密度が低い状態において高い導電性を有することが好ましい。充填密度が低い状態において高い導電性を有する炭素繊維は、より低い添加濃度で導電性を付与することができることからである。具体的には、充填密度0.4g/cmで充填した際の粉体体積抵抗は、1Ω・cm以下であることが好ましく、0.5Ω・cm以下であることがより好ましい。1Ω・cmを超える場合、導電性を向上させるのに要する炭素繊維の添加量が多くなり好ましくない。下限値は特に限定されないが、一般的には0.0001Ω・cm程度である。また、充填密度0.8g/cmで充填した際の粉体体積抵抗は、好ましくは0.1Ω・cm以下、より好ましくは0.050Ω・cm以下、さらに好ましくは0.030Ω・cm以下、さらにより好ましくは0.028Ω・cm以下である。0.1Ω・cmを超える場合、導電性を向上させるのに要する炭素繊維の添加量が多くなり好ましくない。下限値は特に限定されないが、一般的には0.0001Ω・cm程度である。 The carbon fiber of the present invention preferably has high conductivity in a state where the packing density is low. This is because carbon fibers having high conductivity in a state where the packing density is low can impart conductivity at a lower additive concentration. Specifically, the powder volume resistance when filled at a packing density of 0.4 g / cm 3 is preferably 1 Ω · cm or less, and more preferably 0.5 Ω · cm or less. If it exceeds 1 Ω · cm, the amount of carbon fiber added to improve conductivity is increased, which is not preferable. The lower limit is not particularly limited, but is generally about 0.0001 Ω · cm. Further, the powder volume resistance when filled at a packing density of 0.8 g / cm 3 is preferably 0.1 Ω · cm or less, more preferably 0.050 Ω · cm or less, still more preferably 0.030 Ω · cm or less, Even more preferably, it is 0.028 Ω · cm or less. When it exceeds 0.1 Ω · cm, the amount of carbon fiber added to improve conductivity is undesirably increased. The lower limit is not particularly limited, but is generally about 0.0001 Ω · cm.

1−2. 炭素繊維の製造方法
本発明の炭素繊維の製造方法は特に限定されないが、例えば次に記載する(1)〜(4)の工程を経ることにより製造することができる。
(1)熱可塑性樹脂100質量部及び炭素前駆体1〜150質量部から成る樹脂組成物を溶融状態で成形することにより、炭素前駆体を繊維化して樹脂複合繊維を得る工程、
(2)前記樹脂複合繊維を安定化し、樹脂複合安定化繊維を得る安定化工程、
(3)樹脂複合安定化繊維から前記熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維のみを分離する熱可塑性樹脂除去工程、
(4)安定化繊維を不活性雰囲気下で加熱して炭素化乃至黒鉛化して炭素繊維を得る炭化焼成工程。
1-2. Production method of carbon fiber The production method of the carbon fiber of the present invention is not particularly limited. For example, it can be produced through the steps (1) to (4) described below.
(1) A step of forming a resin composition comprising 100 parts by mass of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of a carbon precursor in a molten state, thereby obtaining a resin composite fiber by fiberizing the carbon precursor;
(2) a stabilization step of stabilizing the resin composite fiber to obtain a resin composite stabilized fiber;
(3) a thermoplastic resin removing step of removing only the stabilized fiber by removing the thermoplastic resin from the resin composite stabilized fiber;
(4) A carbonization firing step in which the stabilized fiber is heated in an inert atmosphere to be carbonized or graphitized to obtain carbon fiber.

<熱可塑性樹脂>
本発明の炭素繊維の製造方法で使用する熱可塑性樹脂は、樹脂複合繊維を製造後、容易に除去される必要がある。このような熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリ乳酸が例示される。これらの中でも、ポリオレフィンが好ましく用いられる。
<Thermoplastic resin>
The thermoplastic resin used in the method for producing carbon fiber of the present invention needs to be easily removed after producing the resin composite fiber. Examples of such thermoplastic resins include polyolefins, polymethacrylates, polymethylmethacrylates and other polyacrylate polymers, polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester, polyamide, polyester carbonate, polysulfone, polyimide, polyetherimide, polyketone, and polylactic acid. Is exemplified. Among these, polyolefin is preferably used.

ポリオレフィンの具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−4−メチルペンテン−1及びこれらを含む共重合体が挙げられる。熱可塑性樹脂除去工程において除去し易いという観点からは、ポリエチレンを用いることが好ましい。ポリエチレンとしては、高圧法低密度ポリエチレン、気相法・溶液法・高圧法直鎖状低密度ポリエチレンなどの低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンなどの単独重合体又はエチレンとα−オレフィンとの共重合体;エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体が挙げられる。   Specific examples of the polyolefin include polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and a copolymer containing these. From the viewpoint of easy removal in the thermoplastic resin removal step, it is preferable to use polyethylene. Polyethylene includes high pressure method low density polyethylene, gas phase method, solution method, high pressure method low density polyethylene such as linear low density polyethylene, homopolymer such as medium density polyethylene, high density polyethylene or ethylene and α-olefin. A copolymer of ethylene and another vinyl monomer such as an ethylene / vinyl acetate copolymer.

本発明で使用する熱可塑性樹脂は、JIS K 7210(1999年度)に準拠して測定されたメルトマスフローレート(MFR)が0.1〜10g/10minであることが好ましく、0.1〜5g/10minであることがより好ましく、0.1〜3g/10minであることが特に好ましい。MFRが上記範囲であると、熱可塑性樹脂中に炭素前駆体を良好にミクロ分散することができる。また、樹脂複合繊維を成形する際に、繊維が引き延ばされることにより、得られる炭素繊維の繊維径をより小さくすることができる。本発明で使用する熱可塑性樹脂は、炭素前駆体と容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合はガラス転移温度が250℃以下、結晶性の場合は融点が300℃以下であることが好ましい。   The thermoplastic resin used in the present invention preferably has a melt mass flow rate (MFR) measured in accordance with JIS K 7210 (1999) of 0.1 to 10 g / 10 min, preferably 0.1 to 5 g / min. 10 min is more preferable, and 0.1 to 3 g / 10 min is particularly preferable. When the MFR is in the above range, the carbon precursor can be well microdispersed in the thermoplastic resin. Further, when the resin composite fiber is molded, the fiber diameter of the obtained carbon fiber can be further reduced by stretching the fiber. The thermoplastic resin used in the present invention has a glass transition temperature of 250 ° C. or lower in the case of amorphous and a melting point of 300 ° C. or lower in the case of crystallinity because it can be easily melt kneaded with the carbon precursor. Is preferred.

<炭素前駆体>
炭素前駆体としてはメソフェーズピッチを原料として用いることが好ましい。以下、炭素前駆体としてメソフェーズピッチを用いる場合について説明する。メソフェーズピッチとは溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成しうるピッチである。本発明で使用するメソフェーズピッチとしては、石炭や石油の蒸留残渣を原料とするものや、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料とするものが挙げられる。例えば、石炭由来のメソフェーズピッチは、コールタールピッチの水素添加・熱処理を主体とする処理、水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする処理等により得られる。
<Carbon precursor>
As the carbon precursor, mesophase pitch is preferably used as a raw material. Hereinafter, the case where mesophase pitch is used as the carbon precursor will be described. The mesophase pitch is a pitch that can form an optically anisotropic phase (liquid crystal phase) in a molten state. Examples of the mesophase pitch used in the present invention include those using a distillation residue of coal or petroleum as a raw material and those using an aromatic hydrocarbon such as naphthalene as a raw material. For example, a coal-derived mesophase pitch can be obtained by a process mainly including hydrogenation / heat treatment of coal tar pitch, a process mainly including hydrogenation / heat treatment / solvent extraction, and the like.

より具体的には、以下の方法により得ることができる。
先ず、キノリン不溶分を除去した軟化点80℃のコールタールピッチを、Ni−Mo系触媒存在下、圧力13MPa、温度340℃で水添し、水素化コールタールピッチを得る。この水素化コールタールピッチを常圧下、480℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除き、粗メソフェーズピッチを得る。この粗メソフェーズピッチをフィルターを用いて温度340℃でろ過を行って異物を取り除くことにより、精製メソフェーズピッチを得ることができる。
More specifically, it can be obtained by the following method.
First, a coal tar pitch having a softening point of 80 ° C. from which quinoline-insoluble components have been removed is hydrogenated at a pressure of 13 MPa and a temperature of 340 ° C. in the presence of a Ni—Mo catalyst to obtain a hydrogenated coal tar pitch. This hydrogenated coal tar pitch is heat-treated at 480 ° C. under normal pressure and then reduced in pressure to remove low boiling point components to obtain a crude mesophase pitch. By purifying the crude mesophase pitch using a filter at a temperature of 340 ° C. to remove foreign matters, a purified mesophase pitch can be obtained.

メソフェーズピッチの光学的異方性含有量(メソフェーズ率)は、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。   The optically anisotropic content (mesophase ratio) of the mesophase pitch is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.

また、上記メソフェーズピッチは、軟化点が100〜400℃であることが好ましく、150〜350℃であることがより好ましい。   Further, the mesophase pitch preferably has a softening point of 100 to 400 ° C, more preferably 150 to 350 ° C.

<樹脂組成物>
本発明の炭素繊維の製造方法において用いられる、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとから成る樹脂組成物(以下、メソフェーズピッチ組成物ともいう)は、熱可塑性樹脂100質量部とメソフェーズピッチ1〜150質量部とを含んで成る。メソフェーズピッチの含有量は5〜100質量部であることが好ましい。メソフェーズピッチの含有量が150質量部を超えると所望の分散径を有する樹脂複合繊維が得られず、1質量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造することができない等の問題が生じるため好ましくない。
<Resin composition>
The resin composition comprising a thermoplastic resin and mesophase pitch (hereinafter also referred to as mesophase pitch composition) used in the carbon fiber production method of the present invention comprises 100 parts by mass of thermoplastic resin and 1 to 150 parts by mass of mesophase pitch. And comprising. The mesophase pitch content is preferably 5 to 100 parts by mass. If the mesophase pitch content exceeds 150 parts by mass, a resin composite fiber having a desired dispersion diameter cannot be obtained, and if it is less than 1 part by mass, the target carbon fiber cannot be produced at low cost. This is not preferable because it occurs.

繊維径が700nm未満である炭素繊維を製造するためには、熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの分散径を0.01〜50μmとすることが好ましく、0.01〜30μmとすることがより好ましい。メソフェーズピッチの熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmの範囲を逸脱すると、所望の炭素繊維を製造することが困難となることがある。なお、メソフェーズピッチ組成物中において、メソフェーズピッチは球状又は楕円状の島相を形成するが、本発明における分散径とは、島成分が球状の場合はその直径を意味し、楕円状の場合はその長軸径を意味する。   In order to produce carbon fibers having a fiber diameter of less than 700 nm, the mesophase pitch dispersion diameter in the thermoplastic resin is preferably 0.01 to 50 μm, and more preferably 0.01 to 30 μm. If the dispersion diameter of the mesophase pitch in the thermoplastic resin is out of the range of 0.01 to 50 μm, it may be difficult to produce a desired carbon fiber. In the mesophase pitch composition, the mesophase pitch forms a spherical or elliptical island phase, but the dispersion diameter in the present invention means the diameter when the island component is spherical, The major axis diameter is meant.

上記0.01〜50μmの分散径は、メソフェーズピッチ組成物を300℃で3分間保持した後において維持していることが好ましく、300℃で5分間保持した後において維持していることがより好ましく、300℃で10分間保持した後において維持していることが特に好ましい。一般に、メソフェーズピッチ組成物を溶融状態で保持しておくと、熱可塑性樹脂中においてメソフェーズピッチが時間と共に凝集する。メソフェーズピッチが凝集してその分散径が50μmを超えると、所望の炭素繊維を製造することが困難となることがある。熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの凝集速度は、使用する熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの種類により変動する。   The dispersion diameter of 0.01 to 50 μm is preferably maintained after the mesophase pitch composition is held at 300 ° C. for 3 minutes, more preferably maintained after being held at 300 ° C. for 5 minutes. It is particularly preferable that the temperature is maintained after being held at 300 ° C. for 10 minutes. Generally, when the mesophase pitch composition is held in a molten state, the mesophase pitch aggregates with time in the thermoplastic resin. When the mesophase pitch is aggregated and the dispersion diameter exceeds 50 μm, it may be difficult to produce a desired carbon fiber. The aggregation speed of the mesophase pitch in the thermoplastic resin varies depending on the type of the thermoplastic resin and mesophase pitch used.

メソフェーズピッチ組成物は、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとを溶融状態において混練することにより製造することができる。熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとの溶融混練は公知の装置を用いて行うことができる。例えば、一軸式混練機、二軸式混練機、ミキシングロール、バンバリーミキサーからなる群より選ばれる1種類以上を用いることができる。これらの中でも、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散させるという目的から、二軸式混練機を用いることが好ましく、特に各軸が同方向に回転する二軸式混練機を用いることが好ましい。   The mesophase pitch composition can be produced by kneading a thermoplastic resin and mesophase pitch in a molten state. Melting and kneading of the thermoplastic resin and the mesophase pitch can be performed using a known apparatus. For example, at least one selected from the group consisting of a single-screw kneader, a twin-screw kneader, a mixing roll, and a Banbury mixer can be used. Among these, a biaxial kneader is preferably used for the purpose of satisfactorily microdispersing the mesophase pitch in the thermoplastic resin, and in particular, a biaxial kneader in which each axis rotates in the same direction is used. preferable.

混練温度としては、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとが溶融状態であれば特に制限されないが、100〜400℃であることが好ましく、150〜350℃であることが好ましい。混練温度が100℃未満であると、メソフェーズピッチが溶融状態にならず、熱可塑性樹脂中にミクロ分散させることが困難であるため好ましくない。一方、400℃を超える場合、熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの分解が進行するため好ましくない。また、溶融混練の時間としては、0.5〜20分間であることが好ましく、1〜15分間であることがより好ましい。溶融混練の時間が0.5分間未満の場合、メソフェーズピッチのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、20分間を超える場合、炭素繊維の生産性が著しく低下するため好ましくない。   The kneading temperature is not particularly limited as long as the thermoplastic resin and the mesophase pitch are in a molten state, but is preferably 100 to 400 ° C, and more preferably 150 to 350 ° C. When the kneading temperature is less than 100 ° C., the mesophase pitch is not in a molten state, and it is difficult to micro-disperse in the thermoplastic resin, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 400 ° C., decomposition of the thermoplastic resin and mesophase pitch proceeds, which is not preferable. Further, the melt kneading time is preferably 0.5 to 20 minutes, and more preferably 1 to 15 minutes. When the melt kneading time is less than 0.5 minutes, it is not preferable because micro dispersion of mesophase pitch is difficult. On the other hand, if it exceeds 20 minutes, the productivity of the carbon fiber is remarkably lowered, which is not preferable.

溶融混練は、酸素ガス含有量10体積%未満の不活性雰囲気下で行うことが好ましく、酸素ガス含有量5体積%未満の不活性雰囲気下で行うことがより好ましく、酸素ガス含有量1%体積未満の不活性雰囲気下で行うことが特に好ましい。本発明で使用するメソフェーズピッチは、溶融混練時に酸素と反応することにより変性してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、不活性雰囲気下で溶融混練を行い、酸素とメソフェーズピッチとの反応を抑制することが好ましい。   The melt-kneading is preferably performed in an inert atmosphere having an oxygen gas content of less than 10% by volume, more preferably performed in an inert atmosphere having an oxygen gas content of less than 5% by volume, and an oxygen gas content of 1% by volume. It is particularly preferred to carry out under an inert atmosphere of less than The mesophase pitch used in the present invention may be modified by reacting with oxygen during melt-kneading and may inhibit micro-dispersion in the thermoplastic resin. For this reason, it is preferable to perform melt kneading in an inert atmosphere to suppress the reaction between oxygen and mesophase pitch.

<樹脂複合繊維>
上記のメソフェーズピッチ組成物から樹脂複合繊維を製造する方法としては、所望の炭素繊維が作製できれば限定されないが、メソフェーズピッチ組成物を紡糸口金より溶融紡糸する方法、メソフェーズピッチ組成物を矩形口金より溶融製膜する方法を例示することができる。
<Resin composite fiber>
The method for producing a resin composite fiber from the above mesophase pitch composition is not limited as long as a desired carbon fiber can be produced, but the mesophase pitch composition is melt-spun from a spinneret, and the mesophase pitch composition is melted from a rectangular die. A method for forming a film can be exemplified.

本発明の炭素繊維を得るためには、樹脂複合繊維を得る段階で、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチの初期配向性を高める操作を経ることが必要である。樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチの初期配向性を高める操作としては、溶融状態のメソフェーズピッチの配向性を高めるための変形を加えることが必要であり、係る方法としては、溶融状態のメソフェーズピッチにせん断によるひずみを加える方法、伸長によるひずみを加える方法を例示することができる。   In order to obtain the carbon fiber of the present invention, it is necessary to perform an operation for increasing the initial orientation of the mesophase pitch contained in the resin composite fiber at the stage of obtaining the resin composite fiber. As an operation for increasing the initial orientation of the mesophase pitch contained in the resin composite fiber, it is necessary to add a deformation for increasing the orientation of the mesophase pitch in the molten state. A method of applying strain due to shear and a method of applying strain due to elongation can be exemplified.

せん断によるひずみを加える方法としては、メソフェーズピッチが溶融した状態において、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物の線速度を口金を用いて大きくすることにより、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物が口金流路内を通過する際に、せん断によるひずみを加えることができる。
また、伸長によるひずみを加える方法としては、メソフェーズピッチが溶融した状態において、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物の線速度を、口金を用いて吐出側に向けて大きくしていく方法が挙げられる。具体的には、流路内の断面積を吐出側に向けて漸減させる方法や、口金から吐出されたメソフェーズピッチ組成物を、吐出線速度よりも大きな線速度で引き取る方法などが挙げられる。
As a method of applying strain due to shearing, in a state where the mesophase pitch is melted, the linear velocity of the molten mesophase pitch composition is increased by using the die, so that the molten mesophase pitch composition is moved in the die channel. When passing, strain due to shear can be applied.
Further, as a method for applying strain due to elongation, there is a method in which the linear velocity of the melted mesophase pitch composition is increased toward the discharge side using a die in a state where the mesophase pitch is melted. Specific examples include a method of gradually reducing the cross-sectional area in the flow path toward the discharge side, and a method of drawing the mesophase pitch composition discharged from the die at a linear velocity higher than the discharge linear velocity.

メソフェーズピッチの初期配向性を高める操作を経る際の温度は、メソフェーズピッチの溶融温度よりも高いことが必要であり、150〜400℃であることが好ましく、180〜350℃であることがより好ましい。400℃を超える場合、メソフェーズピッチの変形緩和速度が大きくなり、繊維の形態を保つことが難しくなる。   The temperature during the operation for increasing the initial orientation of the mesophase pitch needs to be higher than the melting temperature of the mesophase pitch, preferably 150 to 400 ° C, and more preferably 180 to 350 ° C. . When it exceeds 400 ° C., the deformation relaxation rate of the mesophase pitch is increased, and it is difficult to maintain the fiber form.

また、樹脂複合繊維の製造工程は冷却工程を有していてもよい。冷却工程としては、例えば、溶融紡糸の場合、紡糸口金の下流の雰囲気を冷却する方法が挙げられる。溶融製膜の場合、矩形口金の下流に冷却ドラムを設ける方法が挙げられる。冷却工程を設けることにより、メソフェーズピッチが伸長により変形する領域を調整でき、ひずみの速度を調整することができる。また、冷却工程を設けることにより、紡糸又は製膜後の樹脂複合繊維を直ちに冷却固化させて安定した成形を可能とする。   Moreover, the manufacturing process of resin composite fiber may have a cooling process. Examples of the cooling step include a method of cooling the atmosphere downstream of the spinneret in the case of melt spinning. In the case of melt film formation, a method of providing a cooling drum downstream of the rectangular die can be used. By providing the cooling step, it is possible to adjust the region in which the mesophase pitch is deformed by extension, and to adjust the strain rate. Further, by providing a cooling step, the resin composite fiber after spinning or film formation is immediately cooled and solidified to enable stable molding.

<樹脂複合安定化繊維>
上記のようにして得られた樹脂複合繊維は、該樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチ繊維を安定化(不融化ともいう)して樹脂複合安定化繊維が作製される。安定化は、空気、酸素、オゾン、二酸化窒素、ハロゲンなどを用いるガス気流処理、酸性水溶液などを用いる溶液処理など公知の方法で行うことができるが、生産性の面からガス気流処理による不融化が好ましい。
<Resin composite stabilized fiber>
The resin composite fibers obtained as described above are stabilized (also referred to as infusible) mesophase pitch fibers contained in the resin composite fibers to produce resin composite stabilized fibers. Stabilization can be performed by a known method such as gas flow treatment using air, oxygen, ozone, nitrogen dioxide, halogen, etc., solution treatment using an acidic aqueous solution, etc., but infusibility by gas flow treatment from the viewpoint of productivity. Is preferred.

使用するガス成分としては、取り扱いの容易性から空気、酸素、又はこれを含む混合ガスであることが好ましく、コストの関係から空気を用いるのが特に好ましい。使用する酸素ガス濃度としては、全ガス組成の10〜100体積%の範囲にあることが好ましい。酸素ガス濃度が全ガス組成の10体積%未満であると、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチを安定化するのに多大の時間を要してしまうので好ましくない。   The gas component to be used is preferably air, oxygen, or a mixed gas containing this from the viewpoint of ease of handling, and it is particularly preferable to use air from the viewpoint of cost. The oxygen gas concentration used is preferably in the range of 10 to 100% by volume of the total gas composition. If the oxygen gas concentration is less than 10% by volume of the total gas composition, it takes a long time to stabilize the mesophase pitch contained in the resin composite fiber, which is not preferable.

安定化の反応温度は、25〜350℃が好ましく、安定化の処理時間は、10〜300分間が好ましい。   The stabilization reaction temperature is preferably 25 to 350 ° C., and the stabilization treatment time is preferably 10 to 300 minutes.

上記安定化処理によりメソフェーズピッチの軟化点は著しく上昇するが、所望の炭素繊維を得るという目的から、メソフェーズピッチの軟化点は400℃以上とすることが好ましく、500℃以上とすることがさらに好ましい。   Although the softening point of the mesophase pitch is remarkably increased by the stabilization treatment, the softening point of the mesophase pitch is preferably 400 ° C. or higher, and more preferably 500 ° C. or higher, for the purpose of obtaining a desired carbon fiber. .

<熱可塑性樹脂除去工程>
次に、上述のようにして得られる樹脂複合安定化繊維は、その中に含まれる熱可塑性樹脂が除去されて安定化繊維が分離される。この工程では、安定化繊維の熱分解を抑制しながら、熱可塑性樹脂を分解・除去する。熱可塑性樹脂を分解・除去する方法としては、例えば、熱可塑性樹脂を溶剤を用いて除去する方法や、熱可塑性樹脂を熱分解して除去する方法が挙げられる。
<Thermoplastic resin removal step>
Next, in the resin composite stabilized fiber obtained as described above, the thermoplastic resin contained therein is removed and the stabilized fiber is separated. In this step, the thermoplastic resin is decomposed and removed while suppressing thermal decomposition of the stabilizing fiber. Examples of the method for decomposing / removing the thermoplastic resin include a method for removing the thermoplastic resin using a solvent and a method for thermally decomposing and removing the thermoplastic resin.

熱可塑性樹脂の熱分解は、不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。ここでいう不活性ガス雰囲気とは、二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガス雰囲気をいい、その酸素濃度は30体積ppm以下であることが好ましく、20体積ppm以下であることがより好ましい。本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素及び窒素を用いることが好ましく、窒素を用いることが特に好ましい。   The thermal decomposition of the thermoplastic resin is preferably performed in an inert gas atmosphere. The inert gas atmosphere here refers to a gas atmosphere such as carbon dioxide, nitrogen, and argon, and the oxygen concentration is preferably 30 ppm by volume or less, and more preferably 20 ppm by volume or less. As the inert gas used in this step, it is preferable to use carbon dioxide and nitrogen from the viewpoint of cost, and it is particularly preferable to use nitrogen.

熱可塑性樹脂を熱分解によって除去する場合、減圧下で行うこともできる。減圧下で熱分解することにより、熱可塑性樹脂を十分に除去することができる。その結果、安定化繊維を炭素化又は黒鉛化して得られる炭素繊維又は黒鉛化繊維の繊維間における融着を少なくすることができる。雰囲気圧力は低いほど好ましいが、50kPa以下であることが好ましく、30kPa以下であることがより好ましく、10kPa以下であることがさらに好ましく、5kPa以下であることが特に好ましい。一方、完全な真空は達成が困難であるため、圧力の下限は一般に0.01kPa以上である。   When removing a thermoplastic resin by thermal decomposition, it can also carry out under reduced pressure. By thermally decomposing under reduced pressure, the thermoplastic resin can be sufficiently removed. As a result, fusion between carbon fibers or graphitized fibers obtained by carbonizing or graphitizing the stabilizing fibers can be reduced. The atmospheric pressure is preferably as low as possible, but is preferably 50 kPa or less, more preferably 30 kPa or less, still more preferably 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less. On the other hand, since a complete vacuum is difficult to achieve, the lower limit of the pressure is generally 0.01 kPa or more.

熱可塑性樹脂を熱分解によって除去する場合、上記の雰囲気圧力が保たれれば、微量の酸素や不活性ガスが存在してもよい。特に微量の不活性ガスが存在すると、熱可塑性樹脂の熱劣化による繊維間の融着が抑制される利点があり好ましい。なお、ここでいう微量の酸素雰囲気下とは、酸素濃度が30体積ppm以下であることをいい、微量の不活性ガス雰囲気下とは、不活性ガス濃度が20体積ppm以下であることをいう。用いる不活性ガスの種類は、上述したとおりである。   When the thermoplastic resin is removed by thermal decomposition, a trace amount of oxygen or inert gas may be present as long as the above atmospheric pressure is maintained. In particular, the presence of a trace amount of inert gas is preferable because there is an advantage that fusion between fibers due to thermal deterioration of the thermoplastic resin is suppressed. In addition, the trace amount oxygen atmosphere here means that oxygen concentration is 30 volume ppm or less, and the trace amount inert gas atmosphere means that inert gas concentration is 20 volume ppm or less. . The kind of the inert gas used is as described above.

熱分解の温度は、350〜600℃であることが好ましく、380〜550℃であることがより好ましい。熱分解の温度が350℃未満である場合、安定化繊維の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を十分行うことができない場合がある。一方、600℃を超える場合、熱可塑性樹脂の熱分解は十分行うことができるものの、安定化繊維までが熱分解される場合があり、その結果、炭素化時の収率が低下し易い。熱分解の時間としては、0.1〜10時間であることが好ましく、0.5〜10時間であることがより好ましい。   The thermal decomposition temperature is preferably 350 to 600 ° C, and more preferably 380 to 550 ° C. When the thermal decomposition temperature is less than 350 ° C., the thermal decomposition of the stabilized fiber may be suppressed, but the thermoplastic resin may not be sufficiently decomposed. On the other hand, when the temperature exceeds 600 ° C., the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, but even the stabilized fiber may be thermally decomposed, and as a result, the yield at the time of carbonization tends to decrease. The time for thermal decomposition is preferably 0.1 to 10 hours, and more preferably 0.5 to 10 hours.

本発明の製造方法では、安定化工程及び熱可塑性樹脂除去工程は、樹脂複合繊維又は樹脂複合安定化繊維を、支持基材上に目付け2000g/m以下で保持して行うことが好ましい。支持基材に保持することによって、安定化処理時又は熱可塑性樹脂除去時の加熱処理による樹脂複合繊維又は樹脂複合安定化繊維の凝集を抑制することができ、通気性を保つことが可能となる。 In the production method of the present invention, the stabilization step and the thermoplastic resin removal step are preferably performed by holding the resin composite fiber or the resin composite stabilized fiber on the support substrate at a weight per unit area of 2000 g / m 2 or less. By holding on the support substrate, aggregation of the resin composite fiber or the resin composite stabilized fiber due to the heat treatment at the time of the stabilization treatment or removal of the thermoplastic resin can be suppressed, and air permeability can be maintained. .

支持基材の材質としては、溶剤や加熱によって変形や腐食を生じないことが必要である。また、支持基材の耐熱温度としては、上記の熱可塑性樹脂除去工程の熱分解温度で変形しないことが必要であることから、600℃以上の耐熱性を有していることが好ましい。このような材質としては、ステンレスなどの金属材料やアルミナ、シリカなどのセラミックス材料を挙げることができる。   As a material of the supporting base material, it is necessary that deformation or corrosion does not occur due to a solvent or heating. Moreover, as the heat resistant temperature of the support base material, it is preferable that the supporting base material has a heat resistance of 600 ° C. or higher because it does not need to be deformed at the thermal decomposition temperature in the thermoplastic resin removing step. Examples of such materials include metal materials such as stainless steel and ceramic materials such as alumina and silica.

また、支持基材の形状としては、面垂直方向への通気性を有する形状であることが好ましい。このような形状としては網目構造が好ましい。網目の目開きは0.1〜5mmであることが好ましい。目開きが5mmよりも大きい場合、加熱処理によって網目の線上に繊維が凝集し易くなり、メソフェーズピッチの安定化や熱可塑性樹脂の除去が不十分となる場合があり好ましくない。一方、網目の目開きが0.1mm未満である場合、支持基材の開孔率の減少により、支持基材の面垂直方向への通気性が低下する場合があり好ましくない。   Moreover, as a shape of a support base material, it is preferable that it is a shape which has air permeability to a surface perpendicular direction. As such a shape, a mesh structure is preferable. The mesh opening is preferably 0.1 to 5 mm. When the mesh opening is larger than 5 mm, the fibers are likely to aggregate on the mesh line by the heat treatment, and the stabilization of the mesophase pitch and the removal of the thermoplastic resin may be insufficient. On the other hand, when the mesh opening is less than 0.1 mm, the air permeability in the direction perpendicular to the surface of the support base material may decrease due to the decrease in the hole area ratio of the support base material, which is not preferable.

<炭化焼成工程>
上記安定化繊維を不活性ガス雰囲気下で炭素化及び/又は黒鉛化することにより、本発明の炭素繊維が得られる。その際に使用する容器としては、黒鉛製のルツボ状のものが好ましい。ここで、炭素化とは比較的低温(好ましくは1000℃程度)で加熱することをいい、黒鉛化とはさらに高温で加熱(好ましくは3000℃程度)することにより黒鉛の結晶を成長させることをいう。
<Carbonization firing process>
The carbon fiber of the present invention can be obtained by carbonizing and / or graphitizing the stabilized fiber in an inert gas atmosphere. As a container used in that case, a crucible made of graphite is preferable. Here, carbonization refers to heating at a relatively low temperature (preferably about 1000 ° C.), and graphitization refers to growing graphite crystals by heating at a higher temperature (preferably about 3000 ° C.). Say.

上記安定化繊維の炭素化及び/又は黒鉛化時に使用される不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が挙げられる。不活性ガス中の酸素濃度は、20体積ppm以下であることが好ましく、10体積ppm以下であることがより好ましい。炭素化及び/又は黒鉛化時の焼成温度は、500〜3500℃が好ましく、800〜3200℃がより好ましい。特に黒鉛化の際の焼成温度としては、2000℃以上3000℃未満が好ましく、2100〜2900℃がより好ましい。黒鉛化時の温度が2000℃未満である場合、結晶成長が妨げられ、結晶子長さが不十分となり導電性が著しく低下するおそれがある。また、黒鉛化温度が3000℃以上の場合、結晶成長の点では好ましいが、炭素繊維の表面に存在する酸素含有量が減少し、O/Cが0.02より小さくなる傾向がある。焼成時間は、0.1〜24時間が好ましく、0.2〜10時間がより好ましい。   Nitrogen, argon etc. are mentioned as an inert gas used at the time of carbonization and / or graphitization of the said stabilization fiber. The oxygen concentration in the inert gas is preferably 20 ppm by volume or less, and more preferably 10 ppm by volume or less. The firing temperature during carbonization and / or graphitization is preferably from 500 to 3500 ° C, more preferably from 800 to 3200 ° C. In particular, the firing temperature during graphitization is preferably 2000 ° C. or more and less than 3000 ° C., and more preferably 2100 to 2900 ° C. When the temperature during graphitization is less than 2000 ° C., crystal growth is hindered, the crystallite length becomes insufficient, and the conductivity may be significantly lowered. Further, when the graphitization temperature is 3000 ° C. or higher, it is preferable in terms of crystal growth, but the oxygen content present on the surface of the carbon fiber is decreased, and O / C tends to be smaller than 0.02. The firing time is preferably 0.1 to 24 hours, and more preferably 0.2 to 10 hours.

<粉砕処理>
本発明の炭素繊維の製造方法は、粉砕処理工程を有していても良い。粉砕処理は、熱可塑性樹脂除去工程、及び/又は、炭化焼成工程において実施するのが好ましい。粉砕方法としては、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、インペラーミル、カッターミル等の微粉砕機を適用することが好ましく、粉砕後に必要に応じて分級を行ってもよい。湿式粉砕の場合、粉砕後に分散媒体を除去するが、この際に2次凝集が顕著に生じるとその後の取り扱いが非常に困難となる。このような場合は、乾燥後、ボールミルやジェットミル等を用いて解砕操作を行うことが好ましい。
<Crushing process>
The carbon fiber production method of the present invention may have a pulverization treatment step. The pulverization treatment is preferably performed in the thermoplastic resin removal step and / or the carbonization firing step. As a pulverization method, it is preferable to apply a fine pulverizer such as a jet mill, a ball mill, a bead mill, an impeller mill, or a cutter mill, and classification may be performed as necessary after pulverization. In the case of wet pulverization, the dispersion medium is removed after pulverization, but if secondary aggregation occurs significantly at this time, subsequent handling becomes very difficult. In such a case, it is preferable to perform a crushing operation using a ball mill or a jet mill after drying.

なお本発明の炭素繊維は、マトリクス樹脂との分散性や水との分散性を高めるために通常知られている表面酸化処理を行う必要はない。例えば、炭素繊維を水への分散性を上げるために、表面酸化処理として混酸や過酸化水素を用いることが知られている(例えば WO2014/115852 段落0391、0398)。混酸で処理された炭素繊維は表面O/Cの値が非常に大きくなり、過酸化水素の場合にはその値は小さく、本発明の範囲に入らないことが本発明者の検討の結果、判っている(後述の参考例1,2参照)。   The carbon fiber of the present invention does not need to be subjected to a generally known surface oxidation treatment in order to improve the dispersibility with the matrix resin and the dispersibility with water. For example, in order to improve the dispersibility of carbon fiber in water, it is known to use a mixed acid or hydrogen peroxide as the surface oxidation treatment (for example, WO2014 / 115852, paragraphs 0391 and 0398). Carbon fiber treated with mixed acid has a very large surface O / C value, and in the case of hydrogen peroxide, the value is small. (See Reference Examples 1 and 2 below).

2.非水二次電池用電極合剤層
第2の本発明は、上記炭素繊維を用いた非水電解質二次電池用電極合剤層(以下、単に「電極合剤層」ともいう)である。この電極合剤層は、電極活物質と上記本発明の炭素繊維とバインダーとを少なくとも含有する。本発明の電極合剤層は、他の炭素系導電助剤をさらに含んでいても良い。
2. Nonaqueous Secondary Battery Electrode Mixture Layer The second aspect of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery electrode mixture layer (hereinafter, also simply referred to as “electrode mixture layer”) using the carbon fiber. This electrode mixture layer contains at least an electrode active material, the carbon fiber of the present invention, and a binder. The electrode mixture layer of the present invention may further contain other carbon-based conductive assistant.

本発明の電極合剤層の厚さ(膜厚)は特に制限されないが、50μm以上であることが好ましく、70μm以上であることがより好ましく、90μm以上であることがさらに好ましく、100μm以上であることが特に好ましい。膜厚の上限は特に制限されないが、一般に1000μm未満であり、800μm未満であることが特に好ましい。膜厚が50μm未満であると、任意の容量セルを製造しようとした場合、セパレータや集電体を多量に使用することになり、セル内活物質層体積占有率が低下する。これは、エネルギー密度の観点から好ましくなく、用途がかなり制限されてしまう。膜厚が1000μm以上であると、電極合剤層にクラックが発生し易く、製造が比較的困難である。また、膜厚が1000μm以上であると、Liイオンの輸送が阻害されやすく、抵抗が上昇し易い。電極合剤層の膜厚の測定方法としては特に限定されないが、例えばマイクロメーターを使用して計測することができる。   The thickness (film thickness) of the electrode mixture layer of the present invention is not particularly limited, but is preferably 50 μm or more, more preferably 70 μm or more, further preferably 90 μm or more, and 100 μm or more. It is particularly preferred. The upper limit of the film thickness is not particularly limited, but is generally less than 1000 μm and particularly preferably less than 800 μm. When the film thickness is less than 50 μm, when an arbitrary capacity cell is to be manufactured, a large amount of separator and current collector are used, and the volume occupancy of the active material layer in the cell is reduced. This is not preferable from the viewpoint of energy density, and its application is considerably limited. When the film thickness is 1000 μm or more, cracks are likely to occur in the electrode mixture layer, and production is relatively difficult. Further, when the film thickness is 1000 μm or more, the transport of Li ions is likely to be hindered, and the resistance is likely to increase. Although it does not specifically limit as a measuring method of the film thickness of an electrode mixture layer, For example, it can measure using a micrometer.

本発明の電極合剤層を用いて製造する非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池が代表的な電池として挙げられる。以下、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質及び負極活物質について説明する。   As a non-aqueous electrolyte secondary battery manufactured using the electrode mixture layer of the present invention, a lithium ion secondary battery is a typical battery. Hereinafter, the positive electrode active material and the negative electrode active material used for the lithium ion secondary battery will be described.

<正極活物質>
本発明の電極合剤層に含まれる正極活物質としては、非水電解質二次電池において、正極活物質として知られている従来公知の材料の中から、任意のものを1種又は2種以上適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池であれば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有金属酸化物が好適である。このリチウム含有金属酸化物としては、リチウムと、Co、Mg、Mn、Ni、Fe、Al、Mo、V、W及びTiなどからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とを含む複合酸化物を挙げることができる。
<Positive electrode active material>
As the positive electrode active material contained in the electrode mixture layer of the present invention, any one or more kinds of conventionally known materials known as positive electrode active materials in nonaqueous electrolyte secondary batteries are used. It can be appropriately selected and used. For example, in the case of a lithium ion secondary battery, a lithium-containing metal oxide capable of inserting and extracting lithium ions is suitable. The lithium-containing metal oxide is a composite oxide containing lithium and at least one element selected from the group consisting of Co, Mg, Mn, Ni, Fe, Al, Mo, V, W, Ti, and the like. Can be mentioned.

具体的には、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1−a、LiCo1−b、LiCoFe1−b、LiMn、LiMnCo2−c、LiMnNi2−c、LiMn2−c、LiMnFe2−c、(ここで、x=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.8〜0.98、c=1.2〜1.96、z=2.01〜2.3である。)などからなる群より選ばれる少なくとも1種が挙げられる。好ましいリチウム含有金属酸化物としては、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1−a、LiMn、LiCo1−b(ここで、x、a、b及びzは上記と同じである。)からなる群より選ばれる少なくとも1種を挙げることができる。なお、xの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。 Specifically, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co a Ni 1-a O 2, Li x Co b V 1-b O z, Li x Co b Fe 1-b O 2, Li x Mn 2 O 4, Li x Mn c Co 2-c O 4, Li x Mn c Ni 2-c O 4, Li x Mn c V 2-c O 4, Li x Mn c Fe 2- c O 4, (where, x = 0.02~1.2, a = 0.1~0.9 , b = 0.8~0.98, c = 1.2~1.96, z = At least one selected from the group consisting of 2.01 to 2.3. Preferred lithium-containing metal oxides, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co a Ni 1-a O 2, Li x Mn 2 O 4, Li x Co b V 1-b Mention may be made of at least one selected from the group consisting of O z (where x, a, b and z are the same as above). In addition, the value of x is a value before the start of charging / discharging, and increases / decreases by charging / discharging.

上記正極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該正極活物質の平均粒子径は、10μm以下であることが好ましく、0.05〜7μmであることがより好ましく、1〜7μmであることがさらに好ましい。平均粒子径が10μmを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう場合がある。   The said positive electrode active material may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. The average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less, more preferably 0.05 to 7 μm, and further preferably 1 to 7 μm. If the average particle size exceeds 10 μm, the efficiency of the charge / discharge reaction under a large current may be reduced.

本発明の電極合剤層における正極活物質の含有量は、60質量%以上であることが好ましく、70〜98.5質量%であることがより好ましく、75〜98.5質量%であることがさらに好ましい。60質量%未満である場合、エネルギー密度の要求の高い電源用途への適用は困難となってしまう場合がある。98.5質量%を超える場合、バインダー量が少な過ぎて電極合剤層にクラックが発生したり、電極合剤層が集電体から剥離する場合がある。さらに、炭素繊維や炭素系導電助剤の含有量が少な過ぎて電極合剤層の導電性が不十分になる場合がある。   The content of the positive electrode active material in the electrode mixture layer of the present invention is preferably 60% by mass or more, more preferably 70 to 98.5% by mass, and 75 to 98.5% by mass. Is more preferable. When the amount is less than 60% by mass, it may be difficult to apply to a power source application requiring high energy density. When it exceeds 98.5 mass%, the amount of the binder is too small, and cracks may be generated in the electrode mixture layer, or the electrode mixture layer may be peeled off from the current collector. Furthermore, the conductivity of the electrode mixture layer may be insufficient because the content of carbon fiber or carbon-based conductive aid is too small.

<負極活物質>
本発明の電極合剤層に含まれる負極活物質としては、非水電解質二次電池において、負極活物質として知られている従来公知の材料の中から、任意のものを1種又は2種以上適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料として、炭素材料、Si及びSnのいずれか、又はこれらの少なくとも1種を含む合金や酸化物などを用いることができる。これらの中でもコストなどの観点からは炭素材料が好ましい。上記炭素材料としては、天然黒鉛、石油系又は石炭系コークスを熱処理することで製造される人造黒鉛、樹脂を炭素化したハードカーボン、メソフェーズピッチ系炭素材料などが挙げられる。
<Negative electrode active material>
As the negative electrode active material contained in the electrode mixture layer of the present invention, any one or more of conventionally known materials known as negative electrode active materials in non-aqueous electrolyte secondary batteries are used. It can be appropriately selected and used. For example, as a material capable of inserting and extracting lithium ions, a carbon material, Si and Sn, or an alloy or oxide containing at least one of them can be used. Among these, a carbon material is preferable from the viewpoint of cost and the like. Examples of the carbon material include artificial graphite produced by heat-treating natural graphite, petroleum-based or coal-based coke, hard carbon obtained by carbonizing a resin, mesophase pitch-based carbon material, and the like.

天然黒鉛や人造黒鉛を用いる場合、電池容量の増大の観点から、粉末X線回折による黒鉛構造の(002)面の面間隔d(002)が0.335〜0.337nmの範囲にあるものが好ましい。天然黒鉛とは、鉱石として天然に産出する黒鉛質材料のことをいう。天然黒鉛は、その外観と性状によって、結晶化度の高い鱗状黒鉛と結晶化度が低い土状黒鉛の2種類に分けられる。鱗状黒鉛はさらに外観が葉状の鱗片状黒鉛と、塊状である鱗状黒鉛とに分けられる。黒鉛質材料となる天然黒鉛は、産地や性状、種類は特に制限されない。また、天然黒鉛又は天然黒鉛を原料として製造した粒子に熱処理を施して用いてもよい。   When natural graphite or artificial graphite is used, one having a (002) plane spacing d (002) of the graphite structure by powder X-ray diffraction in the range of 0.335 to 0.337 nm from the viewpoint of increasing battery capacity. preferable. Natural graphite refers to a graphite material that is naturally produced as ore. Natural graphite is classified into two types according to its appearance and properties: scaly graphite with high crystallinity and earthy graphite with low crystallinity. The scaly graphite is further divided into scaly graphite having a leaf-like appearance and scaly graphite having a lump shape. There are no particular restrictions on the origin, properties, and types of natural graphite used as the graphite material. Further, natural graphite or particles produced using natural graphite as a raw material may be subjected to a heat treatment.

人造黒鉛とは、広く人工的な手法で作られた黒鉛及び黒鉛の完全結晶に近い黒鉛質材料をいう。代表的な例としては、石炭の乾留、原油の蒸留による残渣などから得られるタールやコークスを原料にして、500〜1000℃程度の焼成工程、2000℃以上の黒鉛化工程を経て得たものが挙げられる。また、溶解鉄から炭素を再析出させることで得られるキッシュグラファイトも人造黒鉛の一種である。   Artificial graphite refers to graphite made by a wide variety of artificial techniques and graphite materials that are close to perfect crystals of graphite. As a typical example, a material obtained from a tar and coke obtained from dry distillation of coal, a residue obtained by distillation of crude oil, and the like, through a firing process of about 500 to 1000 ° C. and a graphitization process of 2000 ° C. or more is used. Can be mentioned. Kish graphite obtained by reprecipitation of carbon from dissolved iron is also a kind of artificial graphite.

負極活物質として炭素材料の他に、Si及びSnの少なくとも1種を含む合金を使用することは、Si及びSnのそれぞれを単体で用いる場合やそれぞれの酸化物を用いる場合に比べ、電気容量を小さくすることができる点で有効である。これらの中でも、Si系合金が好ましい。Si系合金としては、B、Mg、Ca、Ti、Fe、Co、Mo、Cr、V、W、Ni、Mn、Zn及びCuなどからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Siと、の合金などが挙げられる。具体的には、SiB、SiB、MgSi、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、NiSi、CaSi、CrSi、CuSi、FeSi、MnSi、VSi、WSi、ZnSiなどからなる群より選ばれる少なくとも1種が挙げられる。 The use of an alloy containing at least one of Si and Sn in addition to the carbon material as the negative electrode active material results in a higher electric capacity than when using each of Si and Sn alone or using each oxide. This is effective in that it can be made smaller. Among these, Si-based alloys are preferable. As the Si-based alloy, at least one element selected from the group consisting of B, Mg, Ca, Ti, Fe, Co, Mo, Cr, V, W, Ni, Mn, Zn and Cu, Si, And alloys thereof. Specifically, SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi 2 , VSi 2 , There may be mentioned at least one selected from the group consisting of WSi 2 , ZnSi 2 and the like.

本発明の電極合剤層においては、負極活物質として、既述の材料を1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該負極活物質の平均粒子径は10μm以下とする。平均粒子径が10μmを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう。平均粒子径は0.1〜10μmとすることが好ましく、1〜7μmとすることがより好ましい。   In the electrode mixture layer of the present invention, the above-described materials may be used alone or in combination of two or more as the negative electrode active material. The average particle diameter of the negative electrode active material is 10 μm or less. When the average particle diameter exceeds 10 μm, the efficiency of the charge / discharge reaction under a large current is reduced. The average particle diameter is preferably 0.1 to 10 μm, and more preferably 1 to 7 μm.

<バインダー>
本発明の電極合剤層に用いられるバインダーとしては、電極成形が可能であり、十分な電気化学的安定性を有しているバインダーであれば用いることが可能である。係るバインダーとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、フェノール樹脂等よりなる群から選ばれる1種以上を用いることが好ましく、特にポリフッ化ビニリデン(PVDF)が好ましい。バインダーとして用いる際の形態としては特に制限はなく、固体状であっても液体状(例えばエマルション)であってもよく、電極の製造方法(特に乾式混練か湿式混練か)、電解液への溶解性等を考慮して適宜選択することができる。
<Binder>
As the binder used in the electrode mixture layer of the present invention, any binder can be used as long as it is electrode-moldable and has sufficient electrochemical stability. As such a binder, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), fluoroolefin copolymer crosslinked polymer, polyimide, polyamideimide, It is preferable to use one or more selected from the group consisting of aramid, phenolic resin, etc., and polyvinylidene fluoride (PVDF) is particularly preferable. There are no particular restrictions on the form used as a binder, which may be solid or liquid (eg, emulsion), electrode manufacturing method (especially dry or wet kneading), dissolution in electrolyte It can be appropriately selected in consideration of the properties and the like.

本発明の電極合剤層におけるバインダーの含有量は、1〜25質量%であることが好ましく、3〜15質量%であることがより好ましく、5〜10質量%であることがさらに好ましい。1質量%未満である場合、電極合剤層にクラックが発生したり、電極合剤層が集電体から剥離してしまうことがある。25質量%を超える場合、電極中の活物質量が少なくなり、得られる電池のエネルギー密度が低下し易い。   The binder content in the electrode mixture layer of the present invention is preferably 1 to 25% by mass, more preferably 3 to 15% by mass, and even more preferably 5 to 10% by mass. When the content is less than 1% by mass, cracks may occur in the electrode mixture layer, or the electrode mixture layer may peel from the current collector. When it exceeds 25 mass%, the amount of the active material in the electrode decreases, and the energy density of the obtained battery tends to decrease.

(本発明の炭素繊維以外の炭素系導電助剤)
本発明の電極合剤層は、本発明の炭素繊維の他に炭素系導電助剤を含むこともできる。炭素繊維以外の炭素系導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、VGCF、鱗片状炭素、グラフェン、グラファイトを挙げることができる。これらの炭素系導電助剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
(Carbon-based conductive additive other than the carbon fiber of the present invention)
The electrode mixture layer of the present invention can also contain a carbon-based conductive additive in addition to the carbon fiber of the present invention. Examples of carbon-based conductive assistants other than carbon fibers include carbon black, acetylene black, carbon nanotubes, VGCF, scaly carbon, graphene, and graphite. These carbon-based conductive assistants may be used alone or in combination of two or more.

これらの炭素系導電助剤の形状は特に限定されないが、微粒子状であることが好ましい。炭素系導電助剤の平均粒子径(一次粒子径)は10〜200nmであることが好ましく、20〜100nmであることがより好ましい。これらの炭素系導電助剤のアスペクト比は、10以下であり、1〜5であることが好ましく、1〜3であることがより好ましい。
本発明の電極合剤層における炭素繊維以外の炭素系導電助剤の含有量は、0.5〜5質量%であることが好ましく、0.5〜4質量%であることがより好ましく、1〜3質量%であることがさらに好ましい。
The shape of these carbon-based conductive assistants is not particularly limited, but is preferably fine particles. The average particle size (primary particle size) of the carbon-based conductive aid is preferably 10 to 200 nm, and more preferably 20 to 100 nm. The aspect ratio of these carbon-based conductive assistants is 10 or less, preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 3.
The content of the carbon-based conductive additive other than carbon fibers in the electrode mixture layer of the present invention is preferably 0.5 to 5% by mass, more preferably 0.5 to 4% by mass. More preferably, it is -3 mass%.

3.非水電解質二次電池用電極
第3の本発明は、上記電極合剤層が形成された非水電解質二次電池用電極(以下、単に「電極」ともいう)である。この電極は、集電体の表面に本発明の電極合剤層が形成されて成る。
3. Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery Electrode The third aspect of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery electrode (hereinafter, also simply referred to as “electrode”) in which the electrode mixture layer is formed. This electrode is formed by forming the electrode mixture layer of the present invention on the surface of a current collector.

本発明の電極合剤層を備える電極の作製方法としては、以下の二つの方法が一般的である。一つの方法は、上記電極活物質、上記炭素繊維、バインダー、及び必要に応じて他の成分を混合・混練し、押し出し成形によりフィルム化して、これを圧延、延伸した後、集電体と張り合わせる方法である。
もう一つの方法は、上記電極活物質、上記炭素繊維、バインダー、バインダーを溶解する溶媒、及び必要に応じて他の成分を混合してスラリーを調製し、このスラリーを集電体表面に塗布して溶媒を除去した後、プレスを行う方法である。
本発明の場合、どちらの方法も採用できるが、後者の方法が好適であるので、以下後者の方法について詳述する。
The following two methods are common as a method for producing an electrode including the electrode mixture layer of the present invention. One method is to mix and knead the electrode active material, the carbon fiber, the binder, and other components as necessary, form a film by extrusion, roll and stretch the film, and then bond the current collector. It is a method.
Another method is to prepare a slurry by mixing the electrode active material, the carbon fiber, the binder, a solvent for dissolving the binder, and other components as necessary, and apply the slurry to the surface of the current collector. This is a method of pressing after removing the solvent.
In the present invention, either method can be adopted, but the latter method is preferable, and the latter method will be described in detail below.

上記スラリーにおける固形分濃度(上記スラリーの溶媒以外の成分の合計質量がスラリーの全質量に占める割合をいう。)は、10〜30質量%であることが好ましく、15〜25質量%であることがより好ましい。固形分濃度が30質量%を超えると、均一なスラリー作製が困難である場合がある。また、固形分濃度が10質量%未満であると、スラリーの粘度が不十分であり、集電体に積層される電極合剤層の厚みが不均一になってしまう場合がある。   The solid content concentration in the slurry (referring to the ratio of the total mass of components other than the solvent in the slurry to the total mass of the slurry) is preferably 10 to 30% by mass, and preferably 15 to 25% by mass. Is more preferable. When solid content concentration exceeds 30 mass%, uniform slurry preparation may be difficult. Moreover, when the solid content concentration is less than 10% by mass, the viscosity of the slurry is insufficient, and the thickness of the electrode mixture layer laminated on the current collector may become uneven.

スラリーに用いる溶媒としては、バインダーを溶解する溶媒である限り特に制限されない。具体的には、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホオキシド(DMSO)等よりなる群から選ばれる1種類以上を挙げることができ、特にNMP又はDMAcが好ましい。   The solvent used in the slurry is not particularly limited as long as it is a solvent that dissolves the binder. Specifically, one or more kinds selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) and the like can be mentioned, and particularly NMP or DMAc is preferred.

電極を作製する際に、スラリー中のチクソ性が強過ぎると、塗布に適した流動性を確保することが困難となる場合がある。このような場合には、スラリー化助剤を使用してもよい。スラリー化助剤としては、ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール等よりなる群から選ばれる1つ以上を挙げることができる。特に、ポリビニルピロリドンを使用することが好適である。上記のようなスラリー化助剤を添加することにより、少ない溶媒量であっても十分な流動性を確保することができ、炭素系導電助剤の分散性も格段に向上する。また、溶媒除去後のクラックの発生も抑制できる。スラリー化助剤の添加量としては、スラリー中の溶媒以外の成分の合計に対して、10質量%以下であることが好ましく、0.5〜10質量%であることがより好ましく、0.5〜8質量%であることがさらに好ましい。スラリー化助剤の添加量が10質量%を超えると、逆にスラリー粘度が急激に低下し、分散不良を生じて好適なスラリー作製が困難となる場合がある。スラリー化助剤の添加量が0.5質量%未満である場合、スラリー化助剤の効果が現れ難い。   When producing an electrode, if the thixotropy in the slurry is too strong, it may be difficult to ensure fluidity suitable for coating. In such a case, a slurrying aid may be used. Examples of the slurrying aid include one or more selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol and the like. In particular, it is preferable to use polyvinylpyrrolidone. By adding the above-mentioned slurrying aid, sufficient fluidity can be ensured even with a small amount of solvent, and the dispersibility of the carbon-based conductive aid can be remarkably improved. Moreover, generation | occurrence | production of the crack after solvent removal can also be suppressed. The addition amount of the slurrying aid is preferably 10% by mass or less, more preferably 0.5 to 10% by mass with respect to the total of components other than the solvent in the slurry, More preferably, it is -8 mass%. If the addition amount of the slurrying aid exceeds 10% by mass, on the contrary, the slurry viscosity is drastically lowered, resulting in poor dispersion, and it may be difficult to prepare a suitable slurry. When the addition amount of the slurrying aid is less than 0.5% by mass, the effect of the slurrying aid is difficult to appear.

上記スラリーは、後述する集電体の表面に塗布する。塗布方法としては、ドクターブレード等の適宜の塗布方法を採用することができる。塗布後、例えば、60〜100℃、好ましくは75〜85℃において、好ましくは60〜180分間加熱処理することにより溶媒を除去する。その後、溶媒除去後の塗布物をプレスすることにより、本発明の電極を製造することができる。好ましいプレス条件は、10〜30Paの圧力下、1〜5分間である。   The slurry is applied to the surface of a current collector described later. As a coating method, an appropriate coating method such as a doctor blade can be employed. After the application, for example, the solvent is removed by heat treatment at 60 to 100 ° C., preferably 75 to 85 ° C., preferably for 60 to 180 minutes. Then, the electrode of this invention can be manufactured by pressing the coating material after solvent removal. Preferable pressing conditions are 1 to 5 minutes under a pressure of 10 to 30 Pa.

電極を構成する集電体としては、任意の導電性材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン又は銅の金属材料を用いることができる。特に、アルミニウム、ステンレス鋼又は銅が好ましく、アルミニウム又はカーボンコートを施したアルミニウムを用いることがより好ましい。
集電体の厚みとしては、10〜50μmが好ましい。
As the current collector constituting the electrode, any conductive material can be used. For example, a metal material such as aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, or copper can be used. In particular, aluminum, stainless steel or copper is preferable, and aluminum or aluminum coated with carbon is more preferably used.
The thickness of the current collector is preferably 10 to 50 μm.

4.非水電解質二次電池
第4の本発明は、本発明の電極を含んで構成される非水電解質二次電池である。
本発明の非水電解質二次電池は、正極及び/又は負極に本発明の電極を用いるとともに、公知のセパレータや電解液を用いて構成される。非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池が例示される。
4). Nonaqueous electrolyte secondary battery The fourth aspect of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including the electrode of the present invention.
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is configured by using the electrode of the present invention for the positive electrode and / or the negative electrode, and using a known separator or electrolyte. As the nonaqueous electrolyte secondary battery, a lithium ion secondary battery is exemplified.

本発明の非水電解質二次電池は、正極材料層が集電体の表面に形成されてなる正極、電解質を含む電解質層、及び本発明の電極(負極)から構成され、この正極の正極材料層と負極の負極材料層とが向き合い、かつ、正極材料層と負極材料層との間に電解質層が挿入されるようにして積層される。或いは、本発明の電極(正極)、電解質を含む電解質層、及び負極材料層が集電体の表面に形成されてなる負極から構成され、正極の正極材料層と負極の負極材料層とが向き合い、かつ、正極材料層と負極材料層との間に電解質層が挿入されるようにして積層される。又は、本発明の電極(正極)、電解質を含む電解質層、及び本発明の電極(負極)から構成され、正極の正極材料層と負極の負極材料層とが向き合い、かつ、正極材料層と負極材料層との間に電解質層が挿入されるようにして積層される。   The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises a positive electrode in which a positive electrode material layer is formed on the surface of a current collector, an electrolyte layer containing an electrolyte, and an electrode (negative electrode) of the present invention. The layers are laminated so that the negative electrode material layer of the negative electrode layer faces the negative electrode material layer, and the electrolyte layer is inserted between the positive electrode material layer and the negative electrode material layer. Alternatively, the electrode (positive electrode) of the present invention, an electrolyte layer containing an electrolyte, and a negative electrode material layer are formed on the surface of the current collector, and the positive electrode material layer of the positive electrode and the negative electrode material layer of the negative electrode face each other. And it laminates | stacks so that an electrolyte layer may be inserted between a positive electrode material layer and a negative electrode material layer. Or it is comprised from the electrode (positive electrode) of this invention, the electrolyte layer containing electrolyte, and the electrode (negative electrode) of this invention, the positive electrode material layer of a positive electrode and the negative electrode material layer of a negative electrode face each other, and a positive electrode material layer and a negative electrode Lamination is performed such that an electrolyte layer is inserted between the material layers.

本発明の非水電解質二次電池のセル形状は、特に限定されず、いかなる形状においても実施することができる。具体的には、例えばボタン型、円筒型、角型等のセル形状を挙げることができる。また、複数対の正負電極とセパレータが積層された内部構成とすることも好ましく、この場合、公知のスタック積層型、捲回型、折り返し積層型等の方式を採用することが可能である。本発明の非水電解質二次電池の外装材としては、例えば金属缶、アルミラミネート樹脂フィルム等を挙げることができる。本発明の非水電解質二次電池は、電極合剤層に添加されている所定の炭素繊維が直線構造を有しており、かつ高い導電性を有しているため、導電パスを形成しやすく、優れた充放電特性を得ることができる。さらに、電極強度も向上する。   The cell shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be implemented in any shape. Specifically, for example, cell shapes such as a button shape, a cylindrical shape, and a square shape can be given. Further, it is also preferable to have an internal configuration in which a plurality of pairs of positive and negative electrodes and separators are laminated. In this case, a known stack lamination type, wound type, folded lamination type, or the like can be adopted. Examples of the exterior material of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention include a metal can, an aluminum laminated resin film, and the like. In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the predetermined carbon fiber added to the electrode mixture layer has a linear structure and has high conductivity, so that it is easy to form a conductive path. Excellent charge / discharge characteristics can be obtained. Furthermore, the electrode strength is also improved.

<電解質層>
非水電解質二次電池を構成する電解質層としては、非水溶媒にリチウム塩等の電解質が溶解した非水電解液が用いられる。
本発明の非水電解質二次電池に用いられる電解液の25℃における電気伝導度は、1×10−2S/cm以上であることが好ましい。
<Electrolyte layer>
As the electrolyte layer constituting the non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte such as a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent is used.
The electric conductivity at 25 ° C. of the electrolytic solution used in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is preferably 1 × 10 −2 S / cm or more.

一般に非水電解液は、水系の電解液に比べ耐電圧が高く、高いエネルギー密度が得られるという特徴がある。非水溶媒としては、公知のものを制限なく用いることが可能であるが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、アセトニトリル、ニトロメタン、メトキシアセトニトリル、ニトロエタン、N,N−ジメチルホルムアミド、3−メトキシプロピオニトリル、N−メチルピロリドン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、3−メチルスルホラン、エチルメチルカーボネート等が挙げられる。これらの非水溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。電解液に用いる溶媒は、適当な沸点、融点、粘性及び比誘電率を有することが重要であり、上記の中でも特にプロピレンカーボネート又はγ−ブチロラクトンを主体とするものが好適に用いられる。   In general, non-aqueous electrolytes are characterized by a higher withstand voltage and higher energy density than aqueous electrolytes. As the non-aqueous solvent, known ones can be used without limitation, but propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, acetonitrile, Nitromethane, methoxyacetonitrile, nitroethane, N, N-dimethylformamide, 3-methoxypropionitrile, N-methylpyrrolidone, N, N'-dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, sulfolane, 3-methylsulfolane, ethyl methyl carbonate, etc. Is mentioned. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. It is important that the solvent used in the electrolytic solution has an appropriate boiling point, melting point, viscosity, and relative dielectric constant, and among these, those mainly composed of propylene carbonate or γ-butyrolactone are preferably used.

本発明の非水電解質二次電池に用いる電解質としては、例えば、LiClO、LiBF、LiPF、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類などが挙げられる。ホウ酸塩類としては、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ホウ酸リチウムなどが挙げられる。イミド塩類としては、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム((CFSONLi)、トリフルオロメタンスルホン酸ノナフルオロブタンスルホン酸イミドリチウム(LiN(CFSO)(CSO))、ビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム((CSONLi)などが挙げられる。電解質の濃度としては、0.5〜2mol/Lが好ましい。電解質は、上記のうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。サイクル安定性、充放電効率の向上等を目的として、電解質に公知の添加剤を添加してもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解液として、エチルメチルイミダゾリウム塩に代表されるイオン性液体も好適に用いることが可能であり、この場合は必ずしも前述の非水溶媒に溶解したうえで用いる必要はない。
Examples of the electrolyte used for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , lower aliphatic. Examples thereof include lithium carboxylate, LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, borates, and imide salts. Examples of borates include lithium bis (1,2-benzenediolate (2-)-O, O ') and bis (2,3-naphthalenedioleate (2-)-O, O') boric acid. Lithium, bis (2,2′-biphenyldiolate (2-)-O, O ′) lithium borate, bis (5-fluoro-2-olate-1-benzenesulfonic acid-O, O ′) lithium borate Etc. Examples of imide salts include lithium bistrifluoromethanesulfonate imide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi), lithium trifluoromethanesulfonate nonafluorobutanesulfonate (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) ), Lithium bispentafluoroethanesulfonate imide ((C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi), and the like. The concentration of the electrolyte is preferably 0.5 to 2 mol / L. One of the above electrolytes may be used alone, or two or more electrolytes may be used in combination. For the purpose of improving cycle stability and charge / discharge efficiency, a known additive may be added to the electrolyte.
As an electrolytic solution used in the lithium ion secondary battery of the present invention, an ionic liquid typified by ethylmethylimidazolium salt can also be suitably used. In this case, the electrolyte must be dissolved in the above nonaqueous solvent. There is no need to use it.

<セパレータ>
上記のような非水電解液を用いる場合、負極活物質層と本発明の電極合剤層とが直接接触することを防ぐために、セパレータを用いることが一般的である。セパレータの形状としては、紙状(フィルム状)、多孔膜状等の公知の形状を好適に採用することができる。セパレータの材質としては、例えば、セルロース、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリイミド、ポリオレフィン、テフロン(登録商標)、ポリフェニレンスルファイド等からなる群より選ばれる1種類以上の材質を好適に用いることができる。これらの中でも、耐熱性と薄膜化の観点から、セルロース紙、芳香族ポリアミド又は脂肪族ポリイミド多孔膜が好ましい。セパレータの膜厚としては、短絡防止の観点から20〜100μm程度であることが好ましいが、本発明では従来のセパレータに比べて十分薄い5〜20μm程度のセパレータの適用も可能である。薄いセパレータを用いた方がセパレータに由来する内部抵抗が低減されるため出力が向上し、セルのエネルギー密度も向上する。
<Separator>
When using the non-aqueous electrolyte as described above, it is common to use a separator in order to prevent the negative electrode active material layer and the electrode mixture layer of the present invention from coming into direct contact. As the shape of the separator, a known shape such as a paper shape (film shape) or a porous film shape can be suitably employed. As the material of the separator, for example, one or more materials selected from the group consisting of cellulose, aromatic polyamide, aliphatic polyimide, polyolefin, Teflon (registered trademark), polyphenylene sulfide, and the like can be suitably used. Among these, cellulose paper, aromatic polyamide or aliphatic polyimide porous membrane is preferable from the viewpoint of heat resistance and thinning. The thickness of the separator is preferably about 20 to 100 μm from the viewpoint of preventing a short circuit, but in the present invention, a separator having a thickness of about 5 to 20 μm that is sufficiently thinner than a conventional separator can be applied. When the thin separator is used, the internal resistance derived from the separator is reduced, so that the output is improved and the energy density of the cell is also improved.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されない。実施例中の各種測定や分析は、それぞれ以下の方法に従って行った。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by this. Various measurements and analyzes in the examples were performed according to the following methods.

(1)炭素繊維の形状確認
卓上電子顕微鏡(日本電子株式会社製、型式NeoScope JCM−6000)を用いて観察及び写真撮影を行った。炭素繊維等の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真から無作為に300箇所を選択して繊維径を測定し、それらすべての測定結果(n=300)の平均値を平均繊維径とした。平均繊維長についても同様に算出した。
(1) Shape confirmation of carbon fiber Observation and photography were performed using a tabletop electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model NeoScope JCM-6000). The average fiber diameter of carbon fibers, etc. was measured by randomly selecting 300 locations from the obtained electron micrograph, and the average value of all the measurement results (n = 300) was taken as the average fiber diameter. . The average fiber length was similarly calculated.

(2)炭素繊維のX線回折測定
X線回折測定はリガク社製RINT−2100を用いてJIS R7651法に準拠し、格子面間隔(d002)、結晶子大きさ(Lc)(六角網面積層方向)及び(La)(炭素六角網面方向)を測定した。
(2) X-ray diffraction measurement of carbon fiber X-ray diffraction measurement is based on JIS R7651 method using RINT-2100 manufactured by Rigaku Corporation, lattice spacing (d002), crystallite size (Lc) (hexagonal mesh area layer) Direction) and (La) (carbon hexagonal network surface direction).

(3)粉体体積抵抗率の測定方法
粉体体積抵抗率の測定はダイヤインスツルメンツ社製の粉体抵抗システム(MCP−PD51)を用いて0.25〜2.50kNの荷重下で四探針方式の電極ユニットを用いて測定した。体積抵抗率は充填密度の変化に伴う体積抵抗率の関係図から充填密度が0.8g/cm時の体積抵抗率の値をもって試料の粉体体積抵抗率とした。
(3) Measuring method of powder volume resistivity The powder volume resistivity was measured using a powder resistance system (MCP-PD51) manufactured by Dia Instruments Co., Ltd. under a load of 0.25 to 2.50 kN. Measurement was performed using an electrode unit of the type. The volume resistivity was defined as the powder volume resistivity of the sample based on the relationship diagram of the volume resistivity accompanying the change in the packing density, and the value of the volume resistivity when the packing density was 0.8 g / cm 3 .

(4)O−C結合とO=C結合との強度比(O=C/O−C)及び酸素含有量の測定方法
炭素繊維の表面における、O−C結合とO=C結合との強度比(O=C/O−C)及び酸素含有量の測定は、XPS(Thermo Scientific社 K−Alpha、 X線源;Al−Kαモノクロ(1486.7eV)、X線スポットサイズ;400μm、Flood Gun on、真空度;<5×10−8mbar、検出角0度、測定;元素測定 Narrow Scan Ols)により行った。
(4) Strength ratio between O—C bond and O═C bond (O═C / O—C) and measuring method of oxygen content Strength between O—C bond and O═C bond on the surface of carbon fiber The ratio (O = C / O-C) and the oxygen content were measured using XPS (Thermo Scientific K-Alpha, X-ray source; Al-Kα monochrome (1486.7 eV), X-ray spot size: 400 μm, Flood Gun on, degree of vacuum; <5 × 10 −8 mbar, detection angle 0 degree, measurement; elemental measurement (Narrow Scan Ols).

(5)濡れ性評価
電解液への親和性を確認するため、濡れ性評価を行った。電解液としてはプロピレンカーボネートを用い、評価装置は動的濡れ性試験機 WET−6200(RHESCA社)を用いて浸漬速度1mm/s、浸漬深さ0.5mm、浸漬時間300secの条件で濡れ上がり時間から濡れ性の評価を行った。
評価用試料(炭素繊維)を粉体試料用ホルダーに入れ、粉体高さが変化しない状態までタッピングして粉体評価用試料を作製した。上記条件で浸漬し、浸漬速度法から濡れ性の評価を行った。
○:浸漬速度0.01以上
×:浸漬速度0.01未満
(5) Wettability evaluation In order to confirm the affinity for the electrolytic solution, the wettability was evaluated. Propylene carbonate is used as the electrolytic solution, and the evaluation apparatus uses a dynamic wettability tester WET-6200 (RHESCA), soaking time is 1 mm / s, the immersion depth is 0.5 mm, and the immersion time is 300 sec. The wettability was evaluated.
An evaluation sample (carbon fiber) was placed in a powder sample holder and tapped until the powder height did not change to prepare a powder evaluation sample. Immersion was performed under the above conditions, and wettability was evaluated from the immersion rate method.
○: Immersion speed 0.01 or more ×: Immersion speed less than 0.01

(6)電導度測定
ポテンショスタット/ガルバノスタット(北斗電工株式会社製HA−151)を用いて、作製した電極の膜厚方向の電極抵抗を測定し、その抵抗値から算出される電気電導度を求めた。
(6) Conductivity measurement Using a potentiostat / galvanostat (HA-151 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), the electrode resistance in the film thickness direction of the prepared electrode is measured, and the electric conductivity calculated from the resistance value is measured. Asked.

[実施例1、2]
熱可塑性樹脂として高密度ポリエチレン(株式会社プライムポリマー社製、ハイゼックス5000SR;350℃、600s−1における溶融粘度14Pa・s)90質量部とメソフェーズピッチとしてメソフェーズピッチAR−MPH(三菱ガス化学株式会社製)10質量部を同方向二軸押出機(東芝機械株式会社製TEM−26SS、バレル温度310℃、窒素気流下)で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を作製した。この条件で得られたメソフェーズピッチ組成物は、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチが分散径0.05〜2μmで分散していた。また、このメソフェーズピッチ組成物を300℃で10分間保持したが、メソフェーズピッチの凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。
次いで、上記メソフェーズピッチ組成物を溶融紡糸機により、直径が0.2mmの口金より、口金温度390℃の条件により、樹脂複合繊維(長繊維)を作製した。
次に、この樹脂複合繊維(長繊維)から長さが約5cmの短繊維を作製した。目開き1.46mm、線径0.35mmの金網上に、この短繊維を30g/mの目付けになるように不織布状に配置した。
[Examples 1 and 2]
High density polyethylene as thermoplastic resin (manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., Hi-Zex 5000SR; melt viscosity of 14 Pa · s at 350 ° C., 600 s −1 ) and 90 parts by mass, and mesophase pitch AR-MPH (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) ) 10 parts by mass was melt kneaded with a unidirectional twin-screw extruder (TEM-26SS manufactured by Toshiba Machine Co., Ltd., barrel temperature 310 ° C., under nitrogen stream) to prepare a mesophase pitch composition. In the mesophase pitch composition obtained under these conditions, the mesophase pitch was dispersed in the thermoplastic resin with a dispersion diameter of 0.05 to 2 μm. The mesophase pitch composition was held at 300 ° C. for 10 minutes, but no aggregation of mesophase pitch was observed, and the dispersion diameter was 0.05 to 2 μm.
Next, a resin composite fiber (long fiber) was produced from the die having a diameter of 0.2 mm using the melt spinning machine under the condition of the die temperature of 390 ° C.
Next, a short fiber having a length of about 5 cm was produced from the resin composite fiber (long fiber). The short fibers were arranged in a non-woven shape on a wire mesh having an opening of 1.46 mm and a wire diameter of 0.35 mm so as to have a basis weight of 30 g / m 2 .

この樹脂複合繊維からなる不織布を215℃の熱風乾燥機の中で3時間保持させることにより、樹脂複合安定化繊維からなる不織布を作製した。次に、真空ガス置換炉中で、窒素置換を行った後に1kPaまで減圧し、この状態から加熱することにより、熱可塑性樹脂を除去した。加熱条件は、昇温速度5℃/分で500℃まで昇温後、同温度で60分間保持を行った。この安定化繊維からなる不織布をエタノール溶媒中に加え、超音波発振器により30分間、振動を加えることによって、溶媒中に安定化繊維を分散させた。溶媒中に分散させた安定化繊維をろ過することによって、安定化繊維から成る不織布を作製した。
この安定化繊維から成る不織布を、真空ガス置換炉で窒素ガス流通下、5℃/分で1000℃まで昇温して同温度で0.5時間熱処理した後、室温まで冷却した。次にこの不織布を黒鉛ルツボに納め、超高温炉(倉田技研社製、SCC−U−80/150型、均熱部80mm(直径)×150mm(高さ))を用いて真空中で室温から2000℃まで10℃/分で昇温した。2000℃に到達後、0.05MPa(ゲージ圧)のアルゴンガス(99.999%)雰囲気としてから、10℃/分の昇温速度で2400℃(実施例2の場合)又は2800℃(実施例1の場合)まで昇温し、それぞれの温度で0.5時間熱処理して黒鉛化し、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の平均繊維径、CV値、平均アスペクト比(L/D)及び結晶子大きさd002を測定し、結果を表1に記載した。
また、XPS測定のO1s軌道由来のピークの結果を図1(実施例1)、図2(実施例2)に示した。ピーク分離を行った結果、533eV付近の現れるピークはC−O結合由来で、531eV付近のピークはC=Oであることが示されるが、その強度比についても表1に記載のとおりであった。
The nonwoven fabric made of resin composite stabilized fiber was prepared by holding the nonwoven fabric made of resin composite fiber in a hot air dryer at 215 ° C. for 3 hours. Next, after performing nitrogen substitution in a vacuum gas substitution furnace, the pressure was reduced to 1 kPa, and the thermoplastic resin was removed by heating from this state. As heating conditions, the temperature was raised to 500 ° C. at a rate of temperature rise of 5 ° C./min, and then held at the same temperature for 60 minutes. The nonwoven fabric made of the stabilized fibers was added to an ethanol solvent, and the stabilized fibers were dispersed in the solvent by applying vibration for 30 minutes with an ultrasonic oscillator. A nonwoven fabric composed of the stabilized fibers was produced by filtering the stabilized fibers dispersed in the solvent.
The nonwoven fabric composed of the stabilized fibers was heated to 1000 ° C. at 5 ° C./min under a nitrogen gas flow in a vacuum gas replacement furnace, heat-treated at the same temperature for 0.5 hours, and then cooled to room temperature. Next, this non-woven fabric is placed in a graphite crucible and is heated from room temperature in a vacuum using an ultra-high temperature furnace (manufactured by Kurata Giken Co., Ltd., SCC-U-80 / 150 type, soaking section 80 mm (diameter) × 150 mm (height)). The temperature was raised to 2000 ° C. at 10 ° C./min. After reaching 2000 ° C., an atmosphere of argon gas (99.999%) of 0.05 MPa (gauge pressure) is used, and then at a temperature increase rate of 10 ° C./min, 2400 ° C. (in the case of Example 2) or 2800 ° C. (Example) 1), and graphitized by heat treatment at each temperature for 0.5 hour to obtain carbon fibers. The average fiber diameter, CV value, average aspect ratio (L / D) and crystallite size d002 of the obtained carbon fiber were measured, and the results are shown in Table 1.
Moreover, the result of the peak derived from O1s orbit of XPS measurement was shown in FIG. 1 (Example 1) and FIG. 2 (Example 2). As a result of peak separation, the peak that appears in the vicinity of 533 eV is derived from the C—O bond, and the peak in the vicinity of 533 eV is C═O. The intensity ratio is also as shown in Table 1. .

また、体積抵抗値と電解液への濡れ性について測定し、結果を表2に記載した。得られた炭素繊維は、導電性及び電解液への親和性がともに高い優れた炭素繊維であった。   Further, the volume resistance value and the wettability to the electrolytic solution were measured, and the results are shown in Table 2. The obtained carbon fiber was an excellent carbon fiber having high conductivity and high affinity for the electrolytic solution.

得られた炭素繊維を炭素系導電助剤として2質量部、正極活物質(LiFePO;宝泉株式会社製、SLFP−ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部、溶媒としてN−メチルピロリドンを用いてスラリーを作製した。作製したスラリーを集電体(厚さ15μmのアルミニウム箔)に塗布し電極を作製した。電極厚みは120μm、電極密度は2.5g/cmとした。得られた電極の電導度の結果を表2に記載した。この結果からも、得られた炭素繊維は導電性が優れており、かつ電気電導度のCV値が小さく均質性の高いものであった。 2 parts by mass of the obtained carbon fiber as a carbon-based conductive additive, 91 parts by mass of a positive electrode active material (LiFePO 4 ; manufactured by Hosen Co., Ltd., SLFP-ES01), and polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha Co., Ltd., W A slurry was prepared using 7 parts by mass of # 7200) and N-methylpyrrolidone as a solvent. The prepared slurry was applied to a current collector (15 μm thick aluminum foil) to prepare an electrode. The electrode thickness was 120 μm and the electrode density was 2.5 g / cm 3 . The results of the conductivity of the obtained electrode are shown in Table 2. Also from this result, the obtained carbon fiber was excellent in electrical conductivity, and had a low CV value of electrical conductivity and high homogeneity.

[比較例1]
黒鉛化の最終温度を3000℃とした以外は、実施例1と同様の条件で炭素繊維を作製した。得られた炭素繊維の平均実効繊維長、結晶子大きさを測定し、結果を表1に記載した。
また、XPS測定のO1s軌道由来のピークの結果を図3に示した。ピーク分離を行った結果、533eV付近の現れるピークはC−O結合由来で、531eV付近のピークはC=Oであることが示されるが、その強度比についても表1に記載のとおりであった。
体積抵抗値と電解液への濡れ性について測定し、結果を表2に記載した。得られた炭素繊維は、導電性は優れるものの、電解液との親和性が低い炭素繊維であった。
[Comparative Example 1]
Carbon fibers were produced under the same conditions as in Example 1 except that the final graphitization temperature was 3000 ° C. The average effective fiber length and crystallite size of the obtained carbon fiber were measured, and the results are shown in Table 1.
Moreover, the result of the peak derived from the O1s orbit of the XPS measurement is shown in FIG. As a result of peak separation, the peak that appears in the vicinity of 533 eV is derived from the C—O bond, and the peak in the vicinity of 533 eV is C═O. The intensity ratio is also as shown in Table 1. .
The volume resistance value and wettability to the electrolyte were measured, and the results are shown in Table 2. The obtained carbon fiber was a carbon fiber having excellent conductivity but low affinity with the electrolytic solution.

得られた炭素繊維を用いて実施例1と同様の条件で電極を作製して電導度を測定し、結果を表2に記載した。この結果からも、得られた炭素繊維は導電性が優れているものの、電気電導度のCV値が高く、均質性がやや劣るものであった。   Using the obtained carbon fiber, an electrode was produced under the same conditions as in Example 1 and the conductivity was measured. The results are shown in Table 2. Also from this result, although the obtained carbon fiber was excellent in electrical conductivity, the CV value of electric conductivity was high and the homogeneity was slightly inferior.

[比較例2]
黒鉛化の最終温度を2000℃とした以外の条件は、実施例1と同様の条件で炭素繊維を作製した。得られた炭素繊維の平均実効繊維長、結晶子大きさを測定し、結果を表1に記載した。XPS測定のO1s軌道由来のピークの結果を図4に示した。また、体積抵抗値と電解液への濡れ性について測定し、結果を表2に記載した。得られた炭素繊維は、電解液親和性については優れているが導電性が低い炭素繊維であった。
[Comparative Example 2]
Carbon fibers were produced under the same conditions as in Example 1 except that the final graphitization temperature was 2000 ° C. The average effective fiber length and crystallite size of the obtained carbon fiber were measured, and the results are shown in Table 1. The result of the peak derived from the O1s orbit of the XPS measurement is shown in FIG. Further, the volume resistance value and the wettability to the electrolytic solution were measured, and the results are shown in Table 2. The obtained carbon fiber was a carbon fiber having excellent electrolyte affinity but low conductivity.

得られた炭素繊維を用いて実施例1と同様の条件で電極を作製して電導度を測定し、結果を表2に記載した。この結果からも、得られた炭素繊維は導電性が低かった。   Using the obtained carbon fiber, an electrode was produced under the same conditions as in Example 1 and the conductivity was measured. The results are shown in Table 2. Also from this result, the obtained carbon fiber had low conductivity.

Figure 2017066546
Figure 2017066546

Figure 2017066546
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[参考例1]
比較例1で得られた炭素繊維を、過酸化水素水(過酸化水素濃度30%)に入れ、3時間混合後、イオン交換水で洗浄し、続いてろ過を経て乾燥させた。得られた炭素繊維の表面O/Cの値は0.018であった。
[Reference Example 1]
The carbon fiber obtained in Comparative Example 1 was put into hydrogen peroxide solution (hydrogen peroxide concentration 30%), mixed for 3 hours, washed with ion-exchanged water, and then dried by filtration. The value of the surface O / C of the obtained carbon fiber was 0.018.

[参考例2]
比較例1で得られた炭素繊維を、混酸(150mlの濃硫酸(95%)と50mlの濃硝酸(60〜61%の混合液)に入れ、1時間混合後、イオン交換水で洗浄し、続いてろ過を経て乾燥させた。得られた炭素繊維の表面O/Cの値は0.167であった。

[Reference Example 2]
The carbon fiber obtained in Comparative Example 1 was put into a mixed acid (150 ml of concentrated sulfuric acid (95%) and 50 ml of concentrated nitric acid (60 to 61% mixed solution), mixed for 1 hour, washed with ion-exchanged water, Subsequently, the carbon fiber was dried by filtration, and the value of the surface O / C of the obtained carbon fiber was 0.167.

Claims (7)

X線光電子分光法により測定される表面酸素濃度比(O/C)が0.02以上0.15以下であり、
繊維径のCV値が10〜50%であり、
かつ、X線回折法で測定した結晶子大きさ(d002)が0.340nm以下であることを特徴とするピッチ系極細炭素繊維。
The surface oxygen concentration ratio (O / C) measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.02 or more and 0.15 or less,
CV value of fiber diameter is 10-50%,
A pitch-based ultrafine carbon fiber having a crystallite size (d002) measured by an X-ray diffraction method of 0.340 nm or less.
X線光電子分光法で測定されるO1s軌道由来のO−C結合とO=C結合との強度比(O=C/O−C)が1.4以上である請求項1に記載のピッチ系極細炭素繊維。   2. The pitch system according to claim 1, wherein the intensity ratio (O═C / O—C) of O—C bonds derived from O1s orbitals and O═C bonds as measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 1.4 or more. Extra fine carbon fiber. 平均繊維径が100nm以上700nm未満である、請求項1又は2に記載のピッチ系極細炭素繊維。   The pitch-based ultrafine carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the average fiber diameter is 100 nm or more and less than 700 nm. 平均アスペクト比が30〜1000である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のピッチ系極細炭素繊維。   The pitch ultrafine carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the average aspect ratio is 30 to 1,000. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のピッチ系極細炭素繊維と、
電極活物質と、
バインダーと、
を含む非水電解質二次電池用電極合剤層。
The pitch-based ultrafine carbon fiber according to any one of claims 1 to 4,
An electrode active material;
A binder,
An electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery.
集電体と、
前記集電体に積層された請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層と、
から成る非水電解質二次電池用電極。
A current collector,
The electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 5 laminated on the current collector;
An electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery.
請求項6に記載の非水電解質二次電池用電極を含んで構成される非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery comprised including the electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of Claim 6.
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