JP2017084764A - Carbon material for secondary battery negative electrode, active material for secondary battery negative electrode, secondary battery negative electrode and manufacturing method for second battery negative electrode - Google Patents

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Yoshikazu Kobayashi
義和 小林
信哉 河村
Shinya Kawamura
信哉 河村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a carbon material, which is able to improve the carbonization yield of a carbon material for a secondary battery negative electrode and the battery characteristic of a secondary battery.SOLUTION: A manufacturing method for a carbon material for a secondary battery is provided. In a mixing step, resin compositions containing at least aromatic condensed polymer whose phenol molecules separate by its being heated to a first temperature higher than 25°C and an organic soluble medium decomposing material having a fusion point or softening point that differs from the fusion point or softening point of the aromatic condensed polymer by 100[K] or less in temperature are mixed at a second temperature higher than the fusion point or softening point of the aromatic condensed polymer and the fusion point or softening point of the organic soluble medium decomposing material, and thereby a resin mixture is obtained. In a calcination step, the resin mixture is heated to a temperature higher than the first temperature, the aromatic condensed polymer is subjected to solvolysis by use of the organic soluble medium decomposing material and then thermally hardened and carbonized.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、二次電池負極用炭素材の製造方法、ならびにかかる製造方法を含む二次電池負極用活物質、二次電池負極および二次電池の各製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode, and an active material for a secondary battery negative electrode including the production method, a secondary battery negative electrode, and a method for producing each secondary battery.

近年、携帯電話などの小型電気製品から自動車など大型機械製品まで種々の技術分野で二次電池の利用が検討されている。二次電池としては、電解質として有機電解質等を使用する非水電解液二次電池、または固体電解質を使用する固体電池など種々のタイプが検討されている。いずれのタイプの二次電池においても、二次電池の電荷担体となる化学種(たとえばリチウムイオンなど)が、正極の電極活物質層と負極の電極活物質層とを移動することによって充電および放電が繰り返される。   In recent years, the use of secondary batteries has been studied in various technical fields ranging from small electrical products such as mobile phones to large machine products such as automobiles. As the secondary battery, various types such as a non-aqueous electrolyte secondary battery using an organic electrolyte as an electrolyte or a solid battery using a solid electrolyte have been studied. In both types of secondary batteries, chemical species (for example, lithium ions) that serve as charge carriers for the secondary battery move between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer to charge and discharge. Is repeated.

かかる二次電池において、負極に設けられる電極活物質層には、電極活物質として炭素材が含有されていることが一般的である。上記電極活物質層は、層構造である炭素材の層間に、リチウムイオンなどの化学種を吸蔵し、かつ当該層間から吸蔵された上記化学種を放出することにより、二次電池における充電および放電を可能とする。   In such secondary batteries, the electrode active material layer provided on the negative electrode generally contains a carbon material as an electrode active material. The electrode active material layer absorbs chemical species such as lithium ions between carbon material layers having a layer structure, and discharges the chemical species stored from the interlayer, thereby charging and discharging in a secondary battery. Is possible.

上記の炭素材は種々の材料から製造することができる。黒鉛を用いることが一般的であるが、フェノール樹脂や石炭もしくは石油のピッチを出発物質として製造することも試みられている。   The carbon material can be manufactured from various materials. Although graphite is generally used, attempts have been made to produce phenol resin, coal or petroleum pitch as a starting material.

特許文献1には、ポリイミドの出発原料であるポリアミド酸等に石油ピッチ粉末を常温で混合し、加熱してポリアミド酸の溶媒を除去したうえでイミド化および焼成して負極用の炭素材を製造することが記載されている。このほか特許文献1には、石炭ピッチ粉末を混合した樹脂を加熱固化させて、熱可塑性樹脂であるノボラック型フェノール樹脂を製造することが記載されている。また、特許文献1には、フルフリルアルコール樹脂またはポリパラフェニレンテレフタルアミドなどの熱硬化樹脂に石油ピッチや石炭ピッチの粉末を添加して炭素材を製造することが記載されている。この特許文献1には、芳香族系縮合ポリマーからの炭素成分がもつ本来の特性が損なわれたり石油ピッチや石炭ピッチの成分の一部が溶け出したりすることが無いように、ピッチ添加量を少なくすることが好ましいことが記載されている。   In Patent Literature 1, petroleum pitch powder is mixed with polyamic acid which is a starting material of polyimide at room temperature, heated to remove the polyamic acid solvent, imidized and fired to produce a carbon material for a negative electrode. It is described to do. In addition, Patent Document 1 describes that a resin mixed with coal pitch powder is heated and solidified to produce a novolac-type phenol resin which is a thermoplastic resin. Patent Document 1 describes that a carbon material is produced by adding a powder of petroleum pitch or coal pitch to a thermosetting resin such as furfuryl alcohol resin or polyparaphenylene terephthalamide. In this Patent Document 1, the pitch addition amount is set so that the original characteristics of the carbon component from the aromatic condensation polymer are not impaired, and a part of the components of petroleum pitch and coal pitch does not melt. It is described that it is preferable to reduce the amount.

特許文献2には、ピッチと樹脂を、ピッチの軟化点以上かつ樹脂の融点以上で溶融混合し、次いで炭化処理する炭素材料の製造方法が記載されている。この製造方法によれば、ピッチがマトリックスとなり、炭化処理により比較的低温で炭素網面構造が形成されるとされている。また特許文献2の実施例には、熱可塑性樹脂であるノボラック型フェノール樹脂(品番:PR311)と石炭系ピッチとを粉体混合し、溶融混練したうえで焼成して炭素材を製造することが記載されている。   Patent Document 2 describes a method for producing a carbon material in which pitch and resin are melt-mixed at or above the softening point of the pitch and above the melting point of the resin, and then carbonized. According to this manufacturing method, the pitch becomes a matrix and a carbon network structure is formed at a relatively low temperature by carbonization. In the example of Patent Document 2, a novolac type phenolic resin (product number: PR311), which is a thermoplastic resin, and coal-based pitch are mixed with powder, melt-kneaded and then fired to produce a carbon material. Have been described.

特開平9−298063号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-298063 特開2007−91557号公報JP 2007-91557 A

近年の二次電池の用途の広がりから、炭素材の効率的な製造と電池特性の更なる向上が求められており、かかる観点から特許文献1や2の製造方法は尚改良の余地があった。   Due to the widespread use of secondary batteries in recent years, there has been a demand for efficient production of carbon materials and further improvement of battery characteristics. From this point of view, the production methods of Patent Documents 1 and 2 still have room for improvement. .

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、二次電池負極用炭素材の炭化収率と二次電池の電池特性を向上することが可能な炭素材の製造方法を提供するものである。また本発明は、かかる二次電池負極用炭素材の製造方法を含む、二次電池負極用活物質、二次電池負極および二次電池の製造方法を提供する。   This invention is made | formed in view of the above subjects, and provides the manufacturing method of the carbon material which can improve the carbonization yield of the carbon material for secondary battery negative electrodes, and the battery characteristic of a secondary battery. Is. Moreover, this invention provides the manufacturing method of the active material for secondary battery negative electrodes, a secondary battery negative electrode, and a secondary battery including the manufacturing method of this carbon material for secondary battery negative electrodes.

本発明の二次電池負極用炭素材(以下、単に「炭素材」ともいう)の製造方法は、25℃よりも高温の第一温度に加熱することによりフェノール分子が分離する芳香族系縮合ポリマーと、前記芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点との温度差が100[K]以下である融点または軟化点を有する有機加溶媒分解材料と、を少なくとも含む樹脂組成物を、前記芳香族系縮合ポリマーの前記融点もしくは前記軟化点ならびに前記有機加溶媒分解材料の前記融点もしくは前記軟化点よりも高温かつ前記第一温度よりも低温の第二温度で混合して樹脂混合物を得る混合工程と、前記樹脂混合物を前記第一温度よりも高温に加熱して、前記芳香族系縮合ポリマーを前記有機加溶媒分解材料で溶媒化分解したうえで熱硬化および炭化させる焼成工程と、を含む。   The method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode (hereinafter also simply referred to as “carbon material”) according to the present invention comprises an aromatic condensation polymer in which phenol molecules are separated by heating to a first temperature higher than 25 ° C. And a resin composition containing at least the organic solvolysis material having a melting point or softening point of which the temperature difference from the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer is 100 [K] or less, A mixing step of mixing at a second temperature higher than the melting point or softening point of the organic solvolysis material and lower than the first temperature to obtain a resin mixture; A baking step in which the resin mixture is heated to a temperature higher than the first temperature, the aromatic condensation polymer is solvated and decomposed with the organic solvolysis material, and then thermoset and carbonized; Including the.

本発明の二次電池負極用活物質(以下、単に「負極用活物質」ともいう)の製造方法は、本発明の二次電池負極用炭素材の製造方法を含む。   The method for producing a secondary battery negative electrode active material (hereinafter, also simply referred to as “negative electrode active material”) of the present invention includes the method for producing a secondary battery negative electrode carbon material of the present invention.

本発明の二次電池負極(以下、単に「負極」ともいう)の製造方法は、本発明の二次電池負極用活物質の製造方法を含む。   The method for producing a secondary battery negative electrode (hereinafter also simply referred to as “negative electrode”) of the present invention includes the method for producing a secondary battery negative electrode active material of the present invention.

本発明の二次電池の製造方法は、本発明の二次電池負極の製造方法を含む。   The manufacturing method of the secondary battery of this invention includes the manufacturing method of the secondary battery negative electrode of this invention.

本発明にかかる炭素材の製造方法によれば、芳香族系縮合ポリマーを有機加溶媒分解材料で溶媒化分解したうえで熱硬化および炭化させて炭素材を得ることができる。このため、ソルボリシス反応(溶媒化分解)により芳香族系縮合ポリマーの液晶状態の成長が促進した状態で熱硬化してから炭化するため、炭化収率が向上するとともに、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵放出に優れた炭素材となる。これにより、本発明により製造された炭素材を負極用活物質として用いた二次電池は充電容量や放電容量などの電池特性に優れる。   According to the method for producing a carbon material according to the present invention, a carbon material can be obtained by solvolysis of an aromatic condensation polymer with an organic solvolysis material, followed by thermosetting and carbonization. For this reason, carbonization is performed after thermosetting in a state where the growth of the liquid crystal state of the aromatic condensation polymer is promoted by a solvolysis reaction (solvolysis), so that the carbonization yield is improved and chemical species such as lithium ions are improved. It becomes a carbon material with excellent occlusion and release. Thereby, the secondary battery using the carbon material manufactured by this invention as an active material for negative electrodes is excellent in battery characteristics, such as charge capacity and discharge capacity.

本発明の実施形態にかかる炭素材を用いて製造された負極を備えるリチウムイオン二次電池の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a lithium ion secondary battery provided with the negative electrode manufactured using the carbon material concerning embodiment of this invention. 実施例1から3、参考例1および比較例1から2にかかるピッチ割合と炭化収率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the pitch ratio concerning Example 1 to 3, Reference Example 1, and Comparative Examples 1 and 2, and the carbonization yield. (a)は比較例1のレゾール型フェノール樹脂の昇温脱離スペクトルである。(b)は実施例1の樹脂混合物の昇温脱離スペクトルである。(c)は比較例2の有機加溶媒分解材料(ピッチ)の昇温脱離スペクトルである。(A) is a temperature-programmed desorption spectrum of the resol type phenol resin of Comparative Example 1. (B) is a temperature-programmed desorption spectrum of the resin mixture of Example 1. (C) is a temperature programmed desorption spectrum of the organic solvolysis material (pitch) of Comparative Example 2. (a)は比較例3のノボラック型フェノール樹脂の昇温脱離スペクトルである。(b)は参考例2の樹脂混合物の昇温脱離スペクトルである。(A) is a temperature-programmed desorption spectrum of the novolak type phenol resin of Comparative Example 3. (B) is a temperature programmed desorption spectrum of the resin mixture of Reference Example 2. (a)は比較例2の有機加溶媒分解材料(ピッチ)におけるピレンの昇温脱離スペクトルである。(b)は参考例2の樹脂混合物におけるピレンの昇温脱離スペクトルである。(c)は実施例1の樹脂混合物におけるピレンの昇温脱離スペクトルである。(A) is a temperature-programmed desorption spectrum of pyrene in the organic solvolysis material (pitch) of Comparative Example 2. (B) is a temperature programmed desorption spectrum of pyrene in the resin mixture of Reference Example 2. (C) is a temperature programmed desorption spectrum of pyrene in the resin mixture of Example 1.

以下、本発明の実施形態にかかる二次電池用炭素材およびその製造方法(以下、本製造方法という場合がある)について説明する。
本製造方法は混合工程と焼成工程とを含む。
混合工程では、芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料とを少なくとも含む樹脂組成物を、第二温度で混合して樹脂混合物を得る。芳香族系縮合ポリマーは、25℃(常温)よりも高温の第一温度に加熱することによりフェノール分子が分離する材料である。有機加溶媒分解材料は、芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点との温度差が100[K]以下である融点または軟化点を有する。第二温度は、芳香族系縮合ポリマーの融点もしくは軟化点ならびに有機加溶媒分解材料の融点もしくは軟化点よりも高温であり、かつ第一温度よりも低温の温度である。
焼成工程では、上記の樹脂混合物を第一温度よりも高温に加熱して、芳香族系縮合ポリマーを有機加溶媒分解材料で溶媒化分解したうえで熱硬化および炭化させる。
Hereinafter, a carbon material for a secondary battery according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof (hereinafter, may be referred to as the present manufacturing method) will be described.
This manufacturing method includes a mixing step and a firing step.
In the mixing step, a resin composition containing at least an aromatic condensation polymer and an organic solvolysis material is mixed at a second temperature to obtain a resin mixture. An aromatic condensation polymer is a material from which phenol molecules are separated by heating to a first temperature higher than 25 ° C. (normal temperature). The organic solvolysis material has a melting point or softening point where the temperature difference from the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer is 100 [K] or less. The second temperature is a temperature higher than the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer and the melting point or softening point of the organic solvolysis material and lower than the first temperature.
In the firing step, the above-mentioned resin mixture is heated to a temperature higher than the first temperature, and the aromatic condensation polymer is solvated and decomposed with an organic solvolysis material, followed by thermosetting and carbonization.

次に、本実施形態について詳細に説明する。   Next, this embodiment will be described in detail.

(芳香族系縮合ポリマー)
芳香族系縮合ポリマーとしては熱硬化性樹脂を用いることができる。ここでいう熱硬化性樹脂は、加熱により自己縮合する自己反応性の官能基を有する自己縮合型の熱硬化性樹脂と、硬化剤の添加により熱硬化可能となる硬化剤添加型の熱硬化性樹脂と、を含む。本実施形態の炭素材に用いられる芳香族系縮合ポリマーは、加熱することにより熱硬化し、さらに高温に加熱することにより熱硬化物の一部が分解および再結合して炭化する樹脂材料である。かかる分解および再結合する際に、熱硬化物からフェノール分子が分離する。上述した第一温度は、芳香族系縮合ポリマーの炭化開始温度であり、熱硬化温度よりも高温である。芳香族系縮合ポリマーは、常温で液状でもよくまたは固形でもよい。
(Aromatic condensation polymer)
A thermosetting resin can be used as the aromatic condensation polymer. The thermosetting resin here is a self-condensing thermosetting resin having a self-reactive functional group that self-condenses by heating, and a curing agent-added thermosetting resin that can be thermoset by adding a curing agent. Resin. The aromatic condensation polymer used for the carbon material of the present embodiment is a resin material that is thermally cured by heating, and is further carbonized by decomposition and recombination of a part of the thermoset by heating to a high temperature. . Upon such decomposition and recombination, the phenol molecules separate from the thermoset. The first temperature described above is the carbonization start temperature of the aromatic condensation polymer and is higher than the thermosetting temperature. The aromatic condensation polymer may be liquid or solid at room temperature.

このような自己縮合型の熱硬化性樹脂の例として、レゾール型フェノール樹脂(融点:約80℃)またはベンゾオキサジン樹脂を好ましく用いることができる。レゾール型フェノール樹脂としては、フェノール類とホルムアルデヒドとをアルカリ触媒下で反応させて合成される固形レゾール型フェノール樹脂を好ましく用いることができる。また、硬化剤添加型の熱硬化性樹脂の例としては、ヘキサメチレンテトラミンなどの硬化剤の添加により熱硬化するノボラック型フェノール樹脂を好ましく用いることができる。   As an example of such a self-condensation type thermosetting resin, a resol type phenol resin (melting point: about 80 ° C.) or a benzoxazine resin can be preferably used. As the resol type phenol resin, a solid resol type phenol resin synthesized by reacting phenols with formaldehyde in the presence of an alkali catalyst can be preferably used. In addition, as an example of a curing agent-added thermosetting resin, a novolac-type phenol resin that is thermally cured by the addition of a curing agent such as hexamethylenetetramine can be preferably used.

芳香族系縮合ポリマーの重量平均分子量は、5×10以上が好ましく、1×10以上がより好ましく、2×10以上が更に好ましい。重量平均分子量の上限は特に限定されないが、1×10以下とすることができる。上記の範囲とすることで、芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料との相溶性が良好となり、混合工程において多環芳香族が好適に形成される。これにより、焼成工程を経て得られる炭素材の炭化収率が向上する。なお、芳香族系縮合ポリマーの重量平均分子量は、テトラヒドロフラン(THF)可溶分のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で求めることができる。 The weight average molecular weight of the aromatic condensation polymer is preferably 5 × 10 3 or more, more preferably 1 × 10 4 or more, and further preferably 2 × 10 4 or more. The upper limit of the weight average molecular weight is not particularly limited, but can be 1 × 10 5 or less. By setting it as said range, the compatibility of an aromatic condensation polymer and organic solvolysis material becomes favorable, and a polycyclic aromatic is formed suitably in a mixing process. Thereby, the carbonization yield of the carbon material obtained through a baking process improves. The weight average molecular weight of the aromatic condensation polymer can be determined by gel permeation chromatography (GPC) soluble in tetrahydrofuran (THF).

芳香族系縮合ポリマーは、水酸基当量が300g/eq以下のフェノール性水酸基含有樹脂が好ましい。芳香族系縮合ポリマーの水酸基当量は200g/eq以下がより好ましく、150g/eq以下がさらに好ましく、120g/eq以下が特に好ましい。かかる樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、またはフェノール類とフェノール類との間に任意の変性剤が結合されてなる変性フェノール性水酸基含有樹脂等を挙げることができるが、これに限定されない。ここで水酸基当量とは、フェノール性水酸基含有樹脂における水酸基1つに対する分子量を意味する。水酸基当量の測定はJIS K 0070(1992)に規定される中和滴定法に準じて行うことができる。   The aromatic condensation polymer is preferably a phenolic hydroxyl group-containing resin having a hydroxyl group equivalent of 300 g / eq or less. The hydroxyl group equivalent of the aromatic condensation polymer is more preferably 200 g / eq or less, further preferably 150 g / eq or less, and particularly preferably 120 g / eq or less. Examples of such resins include novolak-type phenol resins, resol-type phenol resins, and modified phenolic hydroxyl group-containing resins in which an arbitrary modifier is bonded between phenols and phenols. It is not limited. Here, the hydroxyl equivalent means the molecular weight for one hydroxyl group in the phenolic hydroxyl group-containing resin. The hydroxyl equivalent can be measured in accordance with the neutralization titration method defined in JIS K 0070 (1992).

このほか、芳香族系縮合ポリマーとしては、ビスフェノール型エポキシ樹脂もしくはノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂;シアネート樹脂;フェノールフルフラール樹脂;芳香族ポリエーテルケトン;芳香族ポリエステル樹脂などが挙げられる。芳香族系縮合ポリマーは、上述する樹脂が種々の成分で変性された変性物であってもよい。   In addition, examples of the aromatic condensation polymer include epoxy resins such as bisphenol type epoxy resin or novolak type epoxy resin; cyanate resin; phenol furfural resin; aromatic polyether ketone; aromatic polyester resin. The aromatic condensation polymer may be a modified product obtained by modifying the above-described resin with various components.

熱硬化性樹脂の硬化温度は、100℃以上が好ましく、125℃以上がより好ましい。かかる硬化温度とすることで、後述するピッチと良好に共重合して結晶構造が発達し、炭化収率が向上する。   The curing temperature of the thermosetting resin is preferably 100 ° C. or higher, and more preferably 125 ° C. or higher. By setting it as this hardening temperature, it copolymerizes favorably with the pitch mentioned later, a crystal structure develops, and a carbonization yield improves.

(有機加溶媒分解材料)
有機加溶媒分解材料は、焼成工程において芳香族系縮合ポリマーにソルボリシス反応を生じさせて溶媒化分解(加溶媒分解)する助剤である。かかる溶媒化分解により、芳香族系縮合ポリマーにおける芳香族環の結晶状態の成長が促進され、焼成後の炭素材において化学種の吸蔵および放出が良好となる。有機加溶媒分解材料の融点または軟化点と、芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点との温度差が100[K]以下、好ましくは20[K]以下であることにより、後述する焼成工程において溶媒化分解が良好に発生し、芳香族環の結晶構造の形成が促進される。これにより、焼成工程を経て製造される炭素材の炭化収率が向上する。
(Organic solvolysis material)
The organic solvolysis material is an auxiliary agent that causes a solvolysis reaction in the aromatic condensation polymer in the baking step to perform solvolysis (solvolysis). By such solvolysis, the growth of the aromatic ring crystal state in the aromatic condensation polymer is promoted, and the occlusion and release of chemical species are improved in the carbon material after firing. In the firing step described later, the temperature difference between the melting point or softening point of the organic solvolysis material and the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer is 100 [K] or less, preferably 20 [K] or less. Solvent decomposition is satisfactorily generated and formation of an aromatic ring crystal structure is promoted. Thereby, the carbonization yield of the carbon material manufactured through a baking process improves.

有機加溶媒分解材料としてはピッチを用いることができる。ピッチとしては、石炭の液化またはコールタールの低沸点成分を蒸留除去した石炭系ピッチ、エチレン製造時に副生する石油系ピッチ、またはこれらのピッチを架橋処理したものを用いることができる。ピッチは常温(25℃)で固体または高粘性の粘弾性体であり、常温よりも高温の融点または軟化点を有し、この融点または軟化点以上に加熱することで流動性が発生または増大して液状となる。   Pitch can be used as the organic solvolysis material. As the pitch, it is possible to use coal-based pitch obtained by liquefying coal or distilling off low-boiling components of coal tar, petroleum-based pitch by-produced during ethylene production, or those obtained by crosslinking these pitches. Pitch is a solid or highly viscous viscoelastic body at room temperature (25 ° C), has a melting point or softening point higher than normal temperature, and fluidity is generated or increased by heating above this melting point or softening point. It becomes liquid.

ピッチの融点または軟化点は、200℃以下が好ましく、100℃以下がさらに好ましい。これにより、ピッチの融点または軟化点よりも高温に設定される第二温度を、芳香族系縮合ポリマーの分解温度である第一温度よりも十分に低温に設定することができる。このため、芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料(ピッチ)とを第二温度で混合する際に、芳香族系縮合ポリマーが分解および再結合してしまうことが十分に抑制される。   The melting point or softening point of the pitch is preferably 200 ° C. or lower, and more preferably 100 ° C. or lower. Thereby, the second temperature set higher than the melting point or softening point of the pitch can be set sufficiently lower than the first temperature, which is the decomposition temperature of the aromatic condensation polymer. Therefore, when the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material (pitch) are mixed at the second temperature, the aromatic condensation polymer is sufficiently suppressed from being decomposed and recombined.

有機加溶媒分解材料には金属不純物が含まれていてもよい。ただし、金属不純物は低濃度であることが好ましい。具体的には、本実施形態に用いられる有機加溶媒分解材料は、エネルギー分散型X線マイクロ分析(EDX)で検出される鉄(Fe)不純物の量が50ppm以下であることが好ましく、20ppm以下であることがより好ましい。また、有機加溶媒分解材料は、EDXで検出される亜鉛(Zn)不純物の量が20ppm以下であることが好ましく、5ppm以下であることがより好ましい。
金属不純物の量を上記範囲とすることにより、負極上で金属不純物が析出して保護皮膜(SEI:Solid Electrolyte Interphase)を破壊することが防止される。このため、本実施形態の炭素材を負極とする二次電池において、電池容量の劣化が抑制される。
The organic solvolysis material may contain metal impurities. However, it is preferable that the metal impurities have a low concentration. Specifically, in the organic solvolysis material used in the present embodiment, the amount of iron (Fe) impurities detected by energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) is preferably 50 ppm or less, and 20 ppm or less. It is more preferable that The organic solvolysis material preferably has an amount of zinc (Zn) impurities detected by EDX of 20 ppm or less, and more preferably 5 ppm or less.
By setting the amount of metal impurities in the above range, it is possible to prevent metal impurities from depositing on the negative electrode and destroying the protective coating (SEI: Solid Electrolyte Interphase). For this reason, in the secondary battery which uses the carbon material of this embodiment as a negative electrode, deterioration of battery capacity is suppressed.

(樹脂組成物)
本製造方法に用いられる樹脂組成物は、芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料とを少なくとも含む混合物である。樹脂組成物は、後述する実施例にて詳細に説明するように、有機加溶媒分解材料を芳香族系縮合ポリマーに対して質量比にて30%以上60%以下で含むことが好ましい。
(Resin composition)
The resin composition used in this production method is a mixture containing at least an aromatic condensation polymer and an organic solvolysis material. The resin composition preferably contains an organic solvolysis material at a mass ratio of 30% or more and 60% or less with respect to the aromatic condensation polymer, as will be described in detail in Examples described later.

樹脂組成物には、このほか、芳香族系縮合ポリマーの種類に応じて硬化剤を添加してもよい。硬化剤としては、たとえば、芳香族系縮合ポリマーがノボラック型フェノール樹脂の場合は、ヘキサメチレンテトラミンやポリアセタールなどを好適に用いることができる。また芳香族系縮合ポリマーがレゾール型フェノール樹脂やベンゾオキサジン樹脂など自己縮合型の熱硬化性樹脂の場合も、熱硬化助剤として硬化剤を任意で添加してもよい。芳香族系縮合ポリマーがレゾール型フェノール樹脂の場合にはヘキサメチレンテトラミン、ベンゾオキサジン樹脂の場合にはヘキサメチレンテトラミンやポリアセタールを熱硬化助剤として用いることができる。   In addition to this, a curing agent may be added to the resin composition depending on the type of the aromatic condensation polymer. As the curing agent, for example, when the aromatic condensation polymer is a novolac type phenol resin, hexamethylenetetramine, polyacetal, or the like can be preferably used. Further, when the aromatic condensation polymer is a self-condensation type thermosetting resin such as a resol type phenol resin or a benzoxazine resin, a curing agent may optionally be added as a thermosetting aid. When the aromatic condensation polymer is a resol type phenol resin, hexamethylene tetramine can be used as a heat curing aid, and when it is a benzoxazine resin, hexamethylene tetramine or polyacetal can be used as a heat curing aid.

樹脂組成物に配合するその他の添加剤としては、有機酸、無機酸、含窒素化合物、含酸素化合物、芳香族化合物、非鉄金属原子などを挙げることができる。これら添加剤は、用いる樹脂の種類や性状などにより、1種または2種類以上を組み合わせて用いることができる。   Examples of other additives blended in the resin composition include organic acids, inorganic acids, nitrogen-containing compounds, oxygen-containing compounds, aromatic compounds, and non-ferrous metal atoms. These additives can be used alone or in combination of two or more depending on the type and properties of the resin used.

本製造方法における混合工程では、上記の樹脂組成物を第二温度とすることで芳香族系縮合ポリマーおよび有機加溶媒分解材料を液状とし、そして互いに溶融混合させる。混合工程の開始温度は特に限定されず、芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点より高温でもよくまたは低温でもよい。芳香族系縮合ポリマーが常温で固形である場合、混合工程の開始温度は芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点より低温とすることができ、たとえば常温(25℃)とすることができる。そして混合工程では、上記の開始温度から第二温度まで加熱して、芳香族系縮合ポリマーおよび有機加溶媒分解材料をそれぞれ液状に溶融させて互いに混合するとよい。かかる溶融混合は、加熱装置を備える混練機で行うことができる。
液状の芳香族系縮合ポリマーを所定以上の高温に加熱すると一般にゲル化して流動性を失う。第二温度は、芳香族系縮合ポリマーおよび有機加溶媒分解材料がゲル化する温度であってもよい。これにより、焼成工程において芳香族系縮合ポリマーおよび有機加溶媒分解材料の共重合が促進されて結晶炭化構造が発達する。このため、炭素材の炭化収率が向上する。混合工程で第二温度にて加熱する時間は特に限定されないが、1分以上60分以下、好ましくは10分以上とすることができる。
In the mixing step in the present production method, the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material are made liquid by bringing the above resin composition to the second temperature and melt-mixed with each other. The starting temperature of the mixing step is not particularly limited, and may be higher or lower than the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer. When the aromatic condensation polymer is solid at room temperature, the starting temperature of the mixing step can be lower than the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer, for example, normal temperature (25 ° C.). In the mixing step, the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material may be melted in liquid form and mixed with each other by heating from the start temperature to the second temperature. Such melt mixing can be performed with a kneader equipped with a heating device.
When a liquid aromatic condensation polymer is heated to a predetermined high temperature or higher, it generally gels and loses fluidity. The second temperature may be a temperature at which the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material gel. As a result, the copolymerization of the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material is promoted in the firing step, and a crystalline carbonized structure develops. For this reason, the carbonization yield of the carbon material is improved. The time for heating at the second temperature in the mixing step is not particularly limited, but may be 1 minute or more and 60 minutes or less, preferably 10 minutes or more.

第二温度では、芳香族系縮合ポリマーは熱硬化を開始してもよい。ただし第二温度では、芳香族系縮合ポリマーの溶媒化分解は実質的に発生しない。すなわち第二温度は、芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点よりも高温であり、かつ芳香族系縮合ポリマーの熱硬化(開始)温度以上であってもよい。一方、第二温度は、芳香族系縮合ポリマーの炭化開始温度である第一温度よりも低温であり、かつ有機加溶媒分解材料の炭化開始温度よりも低温である。   At the second temperature, the aromatic condensation polymer may initiate thermosetting. However, at the second temperature, solvolysis of the aromatic condensation polymer does not substantially occur. That is, the second temperature may be higher than the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer and may be equal to or higher than the thermal curing (starting) temperature of the aromatic condensation polymer. On the other hand, the second temperature is lower than the first temperature, which is the carbonization start temperature of the aromatic condensation polymer, and lower than the carbonization start temperature of the organic solvolysis material.

第二温度は、芳香族系縮合ポリマーの融点もしくは軟化点、または有機加溶媒分解材料の融点もしくは軟化点のいずれか最も高い温度(MPMAX)よりも10[K]以上高い温度であることが好ましい。また、第二温度は、当該最も高い温度(MPMAX)から+200[K]の温度よりも低温であることが好ましい。第二温度は、たとえば150℃以上200℃以下とすることができる。また、第二温度は、芳香族系縮合ポリマーからフェノール単量体が分離する分解温度である第一温度よりも、100[K]以上の温度幅で低温であることが好ましく、200[K]以上の温度幅で低温であることがより好ましい。 The second temperature should be 10 [K] or more higher than the highest temperature (MP MAX ) of the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer or the melting point or softening point of the organic solvolysis material. preferable. The second temperature is preferably lower than the temperature of +200 [K] from the highest temperature (MP MAX ). The second temperature can be, for example, 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. The second temperature is preferably lower than the first temperature, which is the decomposition temperature at which the phenol monomer is separated from the aromatic condensation polymer, at a temperature range of 100 [K] or more, and 200 [K]. It is more preferable that the temperature range is low.

第一温度(炭化開始温度)は、芳香族系縮合ポリマーがレゾール型フェノール樹脂またはベンゾオキサジン樹脂である場合、重量平均分子量により変動するが、400℃以上450℃以下程度である。   When the aromatic condensation polymer is a resol type phenol resin or a benzoxazine resin, the first temperature (carbonization start temperature) varies depending on the weight average molecular weight, but is about 400 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

(樹脂混合物)
樹脂混合物は、樹脂組成物を第二温度で溶融混合して得られる樹脂材料であり、焼成工程に供される焼成前駆体である。樹脂混合物は、芳香族系縮合ポリマーが熱硬化した樹脂材料であってもよい。
(Resin mixture)
The resin mixture is a resin material obtained by melt-mixing the resin composition at the second temperature, and is a firing precursor that is subjected to a firing process. The resin mixture may be a resin material obtained by thermosetting an aromatic condensation polymer.

本製造方法において、焼成工程は、昇温過程をそれぞれ含む複数段階の加熱工程にて行うとよい。以下、焼成工程が第一焼成工程および第二焼成工程を含む態様について説明する。
第一焼成工程は、樹脂混合物を、第一温度(炭化開始温度)よりも高温の第三温度で焼成することにより、芳香族系縮合ポリマーを溶媒化分解したうえで一次炭化させて炭素材前駆体を得る工程である。
第二焼成工程は、炭素材前駆体を粉砕したうえで、第三温度よりも更に高温の第四温度で焼成して二次炭化させる工程である。
In the present manufacturing method, the firing process may be performed in a plurality of stages of heating processes each including a temperature raising process. Hereinafter, the aspect in which a baking process contains a 1st baking process and a 2nd baking process is demonstrated.
In the first firing step, the resin mixture is fired at a third temperature higher than the first temperature (carbonization start temperature) to solvolytically decompose the aromatic condensation polymer, followed by primary carbonization to obtain a carbon material precursor. It is a process of obtaining a body.
The second baking step is a step of pulverizing the carbon material precursor and baking it at a fourth temperature higher than the third temperature to cause secondary carbonization.

第一焼成工程と第二焼成工程とは、両工程の間に粉砕工程を含むため、工程として互いに独立している。第一焼成工程の後、かつ粉砕工程の前または後に冷却工程を含んでもよい。   Since the first firing step and the second firing step include a pulverization step between the two steps, they are independent of each other as a step. A cooling step may be included after the first firing step and before or after the grinding step.

第一焼成工程は、第一温度(たとえば400℃から450℃)よりも高温の第三温度で行われる。第三温度は、第一焼成工程の最高温度であり、450℃を超える温度、好ましくは500℃以上とすることができる。また、第三温度は600℃以下とすることができる。第一焼成工程では、芳香族系縮合ポリマーの炭化開始温度である第一温度よりも高温の第三温度に加熱することで、芳香族系縮合ポリマーが有機加溶媒分解材料で溶媒化分解される。   The first firing step is performed at a third temperature higher than the first temperature (for example, 400 ° C. to 450 ° C.). The third temperature is the maximum temperature of the first firing step, and can be a temperature exceeding 450 ° C., preferably 500 ° C. or higher. The third temperature can be 600 ° C. or lower. In the first firing step, the aromatic condensation polymer is solvated and decomposed with the organic solvolysis material by heating to a third temperature higher than the first temperature, which is the carbonization start temperature of the aromatic condensation polymer. .

第一焼成工程では、常温から、1℃/時間以上かつ200℃/時間以下の範囲の昇温速度で昇温するとよい。ここで、第二焼成工程における昇温速度よりも、第一焼成工程における昇温速度を低速とするとよい。これにより、第一焼成工程にて常温から第三温度まで加熱していく際に、芳香族系縮合ポリマーが分解および再結合してフェノール分子が分離する第一温度を緩やかに跨ぐこととなる。このため、芳香族系縮合ポリマーの分解反応が急激に発生することが抑えられる。   In the first firing step, the temperature may be increased from room temperature to a temperature increase rate in the range of 1 ° C./hour to 200 ° C./hour. Here, it is good to make the temperature increase rate in a 1st baking process slower than the temperature increase rate in a 2nd baking process. Thereby, when it heats from normal temperature to a 3rd temperature in a 1st baking process, it will straddle over the 1st temperature from which an aromatic condensation polymer decomposes | disassembles and recombines and a phenol molecule isolate | separates. For this reason, it is suppressed that the decomposition reaction of the aromatic condensation polymer suddenly occurs.

ここで本発明者の検討によれば、第一焼成工程において樹脂混合物から発生するフェノールガスの発生プロファイルが、芳香族系縮合ポリマーを単独で焼成する場合のフェノールガスの発生プロファイルに比べて低温側にシフトすることが明らかとなった。これは、本製造方法において芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料とを混合工程で溶融混合させたうえで、更に第一焼成工程で第一温度よりも高温に加熱することで、かかる第一焼成工程において芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料とが共炭化し、芳香族系縮合ポリマーが単量体のフェノール分子により低い温度で分解しやすくなっていることを示していると考えられる。そして、芳香族系縮合ポリマーと有機加溶媒分解材料との共炭化現象が発生することで、後述するように、芳香族系縮合ポリマーを単独で焼成する場合に比べて、炭素材の炭化収率と二次電池の充放電容量が向上することが明らかとなった。   Here, according to the study of the present inventors, the generation profile of the phenol gas generated from the resin mixture in the first baking step is lower than the generation profile of the phenol gas when the aromatic condensation polymer is baked alone. It became clear to shift to. This is because the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material are melt-mixed in the mixing step in the present production method, and further heated to a temperature higher than the first temperature in the first firing step. We think that aromatic condensation polymer and organic solvolysis material co-carbonize in one firing process, and aromatic condensation polymer is easily decomposed at low temperature by monomeric phenol molecule. It is done. And, since the co-carbonization phenomenon of the aromatic condensation polymer and the organic solvolysis material occurs, the carbonization yield of the carbon material compared with the case where the aromatic condensation polymer is baked alone, as will be described later. It was revealed that the charge / discharge capacity of the secondary battery was improved.

したがって、本製造方法に用いられる芳香族系縮合ポリマーは、第一焼成工程においてフェノールガスの発生プロファイルが低温側にシフトしていることが好ましい。かかる共炭化現象の発生を特定するためには、第一焼成工程を実際に行うことに代えて、昇温脱離法によって樹脂混合物を解析するとよい。すなわち、芳香族系縮合ポリマーからフェノール分子が分離するピーク温度において検出されるフェノールガスの量に対して、当該ピーク温度よりも50[K]、好ましくは100[K]だけ低温の温度(以下、着目温度という)においてもフェノールガスが有意に検出されることが好ましい。
より具体的な条件として、レゾール型フェノール樹脂を加熱した場合、フェノール分子が分離するピーク温度は約480℃である。したがって、芳香族系縮合ポリマーにレゾール型フェノール樹脂を用いる場合については、380℃以上430℃以下程度の温度(着目温度)において発生するフェノールガスの量が、480℃で発生するフェノールガスに対して有意量であることが昇温脱離法で確認されたならば、芳香族系縮合ポリマー(レゾール型フェノール樹脂)と有機加溶媒分解材料とを混合工程で溶融混合してなる本実施形態の樹脂混合物を第一焼成工程に現に供した場合に、当該樹脂混合物が良好に共炭化するといえる。
Therefore, the aromatic condensation polymer used in this production method preferably has a phenol gas generation profile shifted to a low temperature side in the first firing step. In order to specify the occurrence of such a co-carbonization phenomenon, the resin mixture may be analyzed by a temperature programmed desorption method instead of actually performing the first firing step. That is, with respect to the amount of phenol gas detected at the peak temperature at which phenol molecules are separated from the aromatic condensation polymer, the temperature is 50 [K], preferably 100 [K] lower than the peak temperature (hereinafter, It is preferable that phenol gas is detected significantly even at a temperature of interest).
As a more specific condition, when the resol type phenol resin is heated, the peak temperature at which the phenol molecules are separated is about 480 ° C. Therefore, in the case of using a resol type phenol resin for the aromatic condensation polymer, the amount of phenol gas generated at a temperature of about 380 ° C. to 430 ° C. (target temperature) is less than the phenol gas generated at 480 ° C. If it is confirmed by the temperature programmed desorption method that it is a significant amount, the resin of this embodiment obtained by melt-mixing an aromatic condensation polymer (resol type phenol resin) and an organic solvolysis material in a mixing step It can be said that the resin mixture is well co-carbonized when the mixture is actually subjected to the first firing step.

着目温度におけるフェノールガスの発生量は、ピーク温度におけるフェノールガスの発生量に対して、たとえば40%以上1000%以下が好ましく、50%以上がより好ましい。また、樹脂混合物を昇温脱離法で解析する場合、着目温度に対応する低温側温度と、ピーク温度に対応する高温側温度の組み合わせは種々に設定することができる。高温側温度は、必ずしも芳香族系縮合ポリマーにおけるピーク温度に厳密に一致している必要はなく、その近傍でよい。具体的な条件としては、芳香族系縮合ポリマーからフェノール分子が分離する第一温度および第一焼成工程の最高温度である第三温度が500℃よりも高温である場合でいえば、第一焼成工程に供される樹脂混合物に関して、昇温脱離法にて400℃(低温側温度)で検出されるフェノール量が、同じく昇温脱離法にて500℃(高温側温度)で検出されるフェノール量に対して、40%以上1000%以下であることが好ましい。   The amount of phenol gas generated at the temperature of interest is preferably 40% or more and 1000% or less, and more preferably 50% or more, with respect to the amount of phenol gas generated at the peak temperature. Further, when analyzing the resin mixture by the temperature programmed desorption method, various combinations of the low temperature side temperature corresponding to the temperature of interest and the high temperature side temperature corresponding to the peak temperature can be set. The high temperature side temperature does not necessarily coincide with the peak temperature in the aromatic condensation polymer, and may be in the vicinity thereof. As specific conditions, if the first temperature at which the phenol molecules are separated from the aromatic condensation polymer and the third temperature, which is the highest temperature in the first firing step, are higher than 500 ° C., the first firing Regarding the resin mixture used in the process, the amount of phenol detected at 400 ° C. (low temperature side temperature) by the temperature programmed desorption method is also detected at 500 ° C. (high temperature side temperature) by the temperature programmed desorption method. It is preferable that it is 40% or more and 1000% or less with respect to the amount of phenol.

昇温脱離法(TPD:Temperature-Programmed Desorption)は市販の昇温脱離ガス分析装置を用いて行うことができる。   Temperature-programmed desorption (TPD) can be performed using a commercially available temperature-programmed desorption gas analyzer.

芳香族系縮合ポリマー(レゾール型フェノール樹脂)単独の比較例1、芳香族系縮合ポリマー(レゾール型フェノール樹脂)および有機加溶媒分解材料(ピッチ)を2:1の質量比で溶融混合させた樹脂混合物である実施例1、そして有機加溶媒分解材料(ピッチ)単独の比較例2の計3サンプルについて、本発明者は昇温脱離法で解析を行った。昇温脱離法は、株式会社リガク製のTPD Type R Photoを昇温脱離ガス分析装置として用いて行った。サンプル量は70mgで共通とし、キャリアガスとしてヘリウムガスを300ml/minの流量で供給した。なお、比較例1、実施例1および比較例2の各サンプルは、150℃以上200℃以下に加熱したバット内で15分間に亘って加熱して溶融混合させた後に常温まで冷却したものである。
そして、昇温脱離法では、常温から600℃まで5℃/minから10℃/minの昇温速度でサンプルを加熱し、所定の分子量の分子を捕捉してスペクトルを作成した(後述する図3(a)から図3(c)参照)。
Comparative Example 1 of aromatic condensation polymer (resole type phenol resin) alone, resin obtained by melt-mixing aromatic condensation polymer (resol type phenol resin) and organic solvolysis material (pitch) at a mass ratio of 2: 1 The present inventor conducted analysis by the temperature programmed desorption method for a total of 3 samples of Example 1 as a mixture and Comparative Example 2 of the organic solvolysis material (pitch) alone. The temperature programmed desorption method was performed using TPD Type R Photo manufactured by Rigaku Corporation as a temperature programmed desorption gas analyzer. The sample amount was common at 70 mg, and helium gas was supplied as a carrier gas at a flow rate of 300 ml / min. In addition, each sample of Comparative Example 1, Example 1 and Comparative Example 2 was heated and melted and mixed for 15 minutes in a vat heated to 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and then cooled to room temperature. .
In the temperature programmed desorption method, the sample was heated from room temperature to 600 ° C. at a rate of temperature increase of 5 ° C./min to 10 ° C./min, and a molecule having a predetermined molecular weight was captured to create a spectrum (see below). 3 (a) to FIG. 3 (c)).

その結果、芳香族系縮合ポリマーとしてレゾール型フェノール樹脂を単独で加熱した比較例1の場合、約150℃および約480℃にフェノールスペクトルのピークが発生した(図3(a)参照)。約150℃のピークは、熱硬化した未焼成体に含まれる未反応のフェノールが揮発して発生したものと考えられる。一方、約480℃のピークは、熱硬化した未焼成体の炭化が開始して熱硬化物が分解し、再結合する際に発生したフェノールガスが多く発生しているピーク温度であると考えられ、そのフェノール量を示すスペクトル強度は約4.8×10−10[A]であった。また、400℃でのフェノールスペクトルの強度は約1.0×10−10[A]であり、500℃でのフェノールスペクトルの強度は約4.4×10−10[A]であった。
したがって、比較例1における、昇温脱離法にて400℃(低温側温度)で検出されるフェノール量は、同じく昇温脱離法にて500℃(高温側温度)で検出されるフェノール量に対して、約23%であった。なお、ここでいうフェノールの検出量の比率は、上述の分析条件(昇温速度は5℃/min)で行なわれた昇温脱離法によって取得されたスペクトルにおいて、該当する温度におけるイオン電流強度の比率を求めたものをいう。
As a result, in the case of Comparative Example 1 in which a resol type phenol resin was heated alone as an aromatic condensation polymer, peaks of phenol spectra were generated at about 150 ° C. and about 480 ° C. (see FIG. 3A). It is considered that the peak at about 150 ° C. was generated by volatilization of unreacted phenol contained in the thermoset green body. On the other hand, the peak at about 480 ° C. is considered to be a peak temperature at which a large amount of phenol gas is generated when the thermoset green body starts to be carbonized and the thermoset decomposes and recombines. The spectral intensity indicating the amount of phenol was about 4.8 × 10 −10 [A]. The intensity of the phenol spectrum at 400 ° C. was about 1.0 × 10 −10 [A], and the intensity of the phenol spectrum at 500 ° C. was about 4.4 × 10 −10 [A].
Therefore, in Comparative Example 1, the amount of phenol detected at 400 ° C. (low temperature side temperature) by the temperature programmed desorption method is the same as the amount of phenol detected at 500 ° C. (high temperature side temperature) by the temperature programmed desorption method. It was about 23%. In addition, the ratio of the detected amount of phenol here is the ionic current intensity at the corresponding temperature in the spectrum obtained by the temperature programmed desorption method performed under the above-described analysis conditions (temperature rising rate is 5 ° C./min). It is the thing which calculated | required ratio.

また、レゾール型フェノール樹脂とピッチを溶融混合した実施例1の樹脂混合物でも、約150℃および約480℃(ピーク温度)にフェノールスペクトルのピークが発生した(図3(b)参照)。しかしながら、実施例1では、約480℃のピークにおけるフェノールスペクトルの強度は約7.3×10−10[A]に増大していた。また、実施例1における400℃でのフェノールスペクトルの強度は約3.9×10−10[A]であり、500℃でのフェノールスペクトルの強度は約6.9×10−10[A]であった。
したがって、実施例1における、昇温脱離法にて400℃(低温側温度)で検出されるフェノール量は、同じく昇温脱離法にて500℃(高温側温度)で検出されるフェノール量に対して、約57%にのぼった。
In addition, a phenol spectrum peak was generated at about 150 ° C. and about 480 ° C. (peak temperature) in the resin mixture of Example 1 in which a resol type phenol resin and pitch were melt-mixed (see FIG. 3B). However, in Example 1, the intensity of the phenol spectrum at the peak at about 480 ° C. increased to about 7.3 × 10 −10 [A]. In Example 1, the intensity of the phenol spectrum at 400 ° C. is about 3.9 × 10 −10 [A], and the intensity of the phenol spectrum at 500 ° C. is about 6.9 × 10 −10 [A]. there were.
Therefore, in Example 1, the amount of phenol detected at 400 ° C. (low temperature side temperature) by the temperature programmed desorption method is the same as the amount of phenol detected at 500 ° C. (high temperature side temperature) by the temperature programmed desorption method. On the other hand, it was about 57%.

一方、有機加溶媒分解材料としてピッチを単独で加熱した比較例2の場合、約220℃にフェノールスペクトルの唯一のピークが発生し、その強度は約1.5×10−10[A]であった(図3(c)参照)。 On the other hand, in the case of Comparative Example 2 where the pitch was heated alone as the organic solvolysis material, the only peak of the phenol spectrum was generated at about 220 ° C., and its intensity was about 1.5 × 10 −10 [A]. (See FIG. 3 (c)).

以上の結果より、実施例1の場合においては、400℃近傍すなわち着目温度の近傍領域では、未焼成体におけるレゾール型フェノール樹脂がピッチと共炭化したことにより、ピーク温度である480℃よりも低い温度で炭化が開始して未焼成体が分解されフェノールガス(芳香族系縮合ポリマーの単量体)が発生し始めていることが分かった。   From the above results, in the case of Example 1, in the vicinity of 400 ° C., that is, in the vicinity of the target temperature, the resol type phenolic resin in the green body is co-carbonized with the pitch, which is lower than the peak temperature of 480 ° C. It was found that carbonization started at temperature, the green body was decomposed, and phenol gas (a monomer of an aromatic condensation polymer) began to be generated.

本製造方法に戻り、焼成工程にて行う粉砕工程について説明する。
粉砕工程における粉砕方法は特に限定されないが、たとえば任意の粉砕装置を用いることができる。粉砕装置としては、ボールミル装置、振動ボールミル装置、ロッドミル装置もしくはビーズミル装置などの衝撃型粉砕装置、または、サイクロンミル装置、ジェットミル装置もしくは乾式気流粉砕装置などの気流粉砕装置を挙げることができる。粉砕工程においては、これらの粉砕装置に加え、篩などを用いて炭素材前駆体を分級してもよい。または、分級機能を有する粉砕装置を用いて粉砕工程を行ってもよい。
Returning to the present manufacturing method, the pulverization step performed in the firing step will be described.
Although the grinding | pulverization method in a grinding | pulverization process is not specifically limited, For example, arbitrary grinding | pulverization apparatuses can be used. Examples of the pulverizer include an impact-type pulverizer such as a ball mill device, a vibrating ball mill device, a rod mill device or a bead mill device, or an airflow pulverizer such as a cyclone mill device, a jet mill device or a dry airflow pulverizer. In the pulverization step, the carbon material precursor may be classified using a sieve or the like in addition to these pulverization apparatuses. Or you may perform a grinding | pulverization process using the grinder which has a classification function.

粉砕工程後の炭素材前駆体の平均粒子径は、体積基準の累積分布における50%累積時の粒径D50が1μm以上50μm以下であることが好ましく、2μm以上30μm以下であることがより好ましい。 The average particle size of the carbon material precursor after the pulverization step is such that the particle size D 50 at 50% accumulation in the volume-based cumulative distribution is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 2 μm or more and 30 μm or less. .

第二焼成工程は、第一焼成工程で生成された硬化物である炭素材前駆体を焼成して二次炭化する工程である。第二焼成工程では、第一焼成工程の最高温度(第三温度)よりも高温の第四温度で炭素材前駆体が焼成される。第二焼成工程では、常温から、1℃/時間以上かつ500℃/時間以下の範囲の昇温速度で昇温する。第二焼成工程の昇温速度は第一焼成工程における昇温速度よりも大きいことが好ましい。
第四温度は、800℃以上3000℃以下とすることができる。かかる第四温度による加熱を、0.1時間以上50時間以下、好ましくは0.5時間以上10時間以下保持して行うことができる。第二焼成工程時の雰囲気は特に限定されず、例えば窒素もしくはヘリウムガスなどの不活性ガスを含む不活性ガス雰囲気のほか、上記不活性ガスに微量の酸素を混合した混合ガス雰囲気や、水素などの還元ガスを主として含む還元ガス雰囲気を採用することができる。
A 2nd baking process is a process of baking and carbonizing the carbon material precursor which is the hardened | cured material produced | generated at the 1st baking process. In the second firing step, the carbon material precursor is fired at a fourth temperature that is higher than the maximum temperature (third temperature) of the first firing step. In the second firing step, the temperature is increased from room temperature at a temperature increase rate in the range of 1 ° C./hour to 500 ° C./hour. It is preferable that the temperature increase rate in the second baking step is larger than the temperature increase rate in the first baking step.
The fourth temperature can be 800 ° C. or higher and 3000 ° C. or lower. The heating at the fourth temperature can be carried out by maintaining for 0.1 hour or more and 50 hours or less, preferably 0.5 hour or more and 10 hours or less. The atmosphere at the time of the second firing step is not particularly limited. For example, in addition to an inert gas atmosphere containing an inert gas such as nitrogen or helium gas, a mixed gas atmosphere in which a small amount of oxygen is mixed with the inert gas, hydrogen, or the like It is possible to employ a reducing gas atmosphere mainly containing the reducing gas.

第二焼成工程を行うことにより得られる本実施形態の炭素材は一般にハードカーボンまたは難黒鉛化性炭素と呼ばれ、線源としてCuKα線を用いたX線回折法により求められる(002)面の平均面間隔d002が0.340nm以上、好ましくは0.375nm以上である。 The carbon material of the present embodiment obtained by performing the second firing step is generally called hard carbon or non-graphitizable carbon, and has a (002) plane obtained by an X-ray diffraction method using CuKα rays as a radiation source. The average interplanar distance d 002 is 0.340 nm or more, preferably 0.375 nm or more.

以下に、本発明の炭素材を含む本発明の負極用活物質、当該負極用活物質を含む負極用活物質層を備える本発明の二次電池負極、および当該二次電池負極を備える本発明の二次電池について説明する。   Hereinafter, the negative electrode active material of the present invention including the carbon material of the present invention, the secondary battery negative electrode of the present invention including the negative electrode active material layer including the negative electrode active material, and the present invention including the secondary battery negative electrode. The secondary battery will be described.

本実施形態の二次電池負極用活物質は、上述した二次電池負極用炭素材(炭素材)を含有する。したがって、二次電池負極用活物質の製造方法は、上記炭素材の製造方法を含む。上述した炭素材を含有することによって、本実施形態の負極用活物質は、炭化収率が高く、かつ二次電池の充放電特性に優れる。負極用活物質とは、二次電池負極において電荷担体となる化学種を吸蔵放出し得る材料をいう。上記化学種は、たとえばアルカリ金属イオン二次電池においては、リチウムイオンまたはナトリウムイオンなどを挙げることができる。負極用活物質は、実質的に本実施形態の炭素材のみから構成されてもよいが、当該炭素材とは異なる材料をさらに含んでもよい。このような材料としては、たとえば、シリコン、一酸化ケイ素、他の黒鉛質材料など、一般的に負極材料として公知の材料が挙げられる。   The active material for secondary battery negative electrodes of this embodiment contains the carbon material (carbon material) for secondary battery negative electrodes mentioned above. Therefore, the manufacturing method of the active material for secondary battery negative electrodes includes the manufacturing method of the said carbon material. By containing the carbon material described above, the negative electrode active material of the present embodiment has a high carbonization yield and excellent charge / discharge characteristics of the secondary battery. The negative electrode active material refers to a material capable of occluding and releasing chemical species that serve as charge carriers in the secondary battery negative electrode. Examples of the chemical species include lithium ions or sodium ions in an alkali metal ion secondary battery. The negative electrode active material may be substantially composed of only the carbon material of the present embodiment, but may further include a material different from the carbon material. Examples of such materials include materials generally known as negative electrode materials such as silicon, silicon monoxide, and other graphite materials.

また、本実施形態の二次電池負極は、上述した本実施形態の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、二次電池負極用活物質層が少なくとも表面の一部に配置された負極用集電体と、を備える。また、本実施形態の二次電池は、上述した二次電池負極と、電解層と、二次電池正極と、を備えて構成される。したがって、二次電池負極の製造方法は二次電池負極用活物質の製造方法を含み、二次電池の製造方法は二次電池負極の製造方法を含む。   Further, the secondary battery negative electrode of the present embodiment has at least the surface of the secondary battery negative electrode active material layer including the secondary battery negative electrode active material of the present embodiment described above and the secondary battery negative electrode active material layer. And a negative electrode current collector disposed in the portion. In addition, the secondary battery of the present embodiment is configured to include the above-described secondary battery negative electrode, an electrolytic layer, and a secondary battery positive electrode. Therefore, the method for producing a secondary battery negative electrode includes a method for producing a secondary battery negative electrode active material, and the method for producing a secondary battery includes a method for producing a secondary battery negative electrode.

二次電池としては、たとえば、リチウムイオン二次電池またはナトリウムイオン二次電池などのアルカリ金属二次電池を挙げることができるがこれに限定されるものではない。また上記二次電池は、非水電解液二次電池、および固体二次電池などの異なる電解質を使用する種々の形式を含む。以下の説明では、二次電池として、リチウムイオン二次電池を例に説明する。   Examples of the secondary battery include, but are not limited to, an alkali metal secondary battery such as a lithium ion secondary battery or a sodium ion secondary battery. The secondary battery includes various types using different electrolytes such as a non-aqueous electrolyte secondary battery and a solid secondary battery. In the following description, a lithium ion secondary battery will be described as an example of a secondary battery.

以下に、図1を用いて本実施形態の炭素材を含むリチウムイオン二次電池の一例を説明する。図1は本実施形態の炭素材を含むリチウムイオン二次電池100の一例を示す模式図である。リチウムイオン二次電池100は、負極10と正極20とセパレータ30と電解層40とを有している。   Below, an example of the lithium ion secondary battery containing the carbon material of this embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a lithium ion secondary battery 100 including the carbon material of the present embodiment. The lithium ion secondary battery 100 includes a negative electrode 10, a positive electrode 20, a separator 30, and an electrolytic layer 40.

負極10は、図1に示すように、負極用活物質層12と負極集電体14とを有している。負極集電体14の少なくとも表面の一部に負極用活物質層12が積層されて配置されている。負極用活物質層12は、上述した炭素材を含有している。負極集電体14は特に限定されず、負極に用いられ得る集電体を適宜選択して使用することができ、たとえば銅箔またはニッケル箔を用いることができる。   As shown in FIG. 1, the negative electrode 10 includes a negative electrode active material layer 12 and a negative electrode current collector 14. The negative electrode active material layer 12 is laminated and disposed on at least part of the surface of the negative electrode current collector 14. The negative electrode active material layer 12 contains the carbon material described above. The negative electrode current collector 14 is not particularly limited, and a current collector that can be used for the negative electrode can be appropriately selected and used. For example, a copper foil or a nickel foil can be used.

負極10は、たとえば、以下のようにして製造することができる。
上述した負極用活物質に対して、公知の有機高分子結着剤および適量の粘度調整用溶剤または水を添加して混練して、負極用スラリーを調製する。得られたスラリーを圧縮成形、ロール成形などによりシート状、ペレット状などに成形して、負極用活物質層12を得ることができる。このようにして得られた負極用活物質層12と負極集電体14とを積層することにより、負極10を得ることができる。また、得られた負極スラリーを負極集電体14に塗布して乾燥することにより、負極10を製造することもできる。
The negative electrode 10 can be manufactured as follows, for example.
A known organic polymer binder and an appropriate amount of a viscosity adjusting solvent or water are added to the negative electrode active material and kneaded to prepare a negative electrode slurry. The obtained slurry can be formed into a sheet shape, a pellet shape, or the like by compression molding, roll molding, or the like, and the negative electrode active material layer 12 can be obtained. The negative electrode 10 can be obtained by laminating the negative electrode active material layer 12 and the negative electrode current collector 14 thus obtained. Moreover, the negative electrode 10 can also be manufactured by apply | coating the obtained negative electrode slurry to the negative electrode collector 14, and drying.

電解層40は、正極20と負極10との間を満たすものであり、充放電によってリチウムイオンが移動する層である。電解層40は、公知の電解物を満たして構成することができる。電解物としては、たとえば、非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解した非水電解液が用いられる。電解質としては公知の物質を用いることができ、たとえば、LiClO、LiPFなどのリチウム金属塩を用いることができる。 The electrolytic layer 40 fills between the positive electrode 20 and the negative electrode 10, and is a layer in which lithium ions move by charge / discharge. The electrolytic layer 40 can be configured by filling a known electrolyte. As the electrolyte, for example, a nonaqueous electrolytic solution in which a lithium salt serving as an electrolyte is dissolved in a nonaqueous solvent is used. As the electrolyte, a known substance can be used. For example, a lithium metal salt such as LiClO 4 or LiPF 6 can be used.

また非水電解液二次電池以外の態様の二次電池の場合、電解層40は、たとえばポリエチレンオキサイドまたはポリアクリロニトリルなどの高分子材料を含むゲル状のポリマー電解質を有する態様、またはジルコニアなどの固体電解質を有する態様が挙げられる。   In the case of a secondary battery other than the non-aqueous electrolyte secondary battery, the electrolytic layer 40 has a gel polymer electrolyte containing a polymer material such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile, or a solid such as zirconia. The aspect which has electrolyte is mentioned.

セパレータ30は特に限定されず、リチウムイオンなどの化学種を透過可能な部材であって公知のセパレータを用いることができ、たとえば、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどを用いて構成される多孔質フィルム、不織布などを挙げることができる。   The separator 30 is not particularly limited, and can be a member that is permeable to chemical species such as lithium ions, and a known separator can be used. For example, a porous film, a nonwoven fabric, or the like configured using polyethylene or polypropylene is used. Can be mentioned.

正極20は、図1に示すように、正極活物質層22と正極集電体24とを有している。
正極活物質層22は公知の正極活物質により形成することができる。正極活物質としては、たとえば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(LiMn)、三元系Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)Oなどの複合酸化物;ポリアニリンやポリピロールなどの導電性高分子;などを用いることができる。
正極活物質は、上述した負極用活物質と同様に、有機高分子結着剤および導電材が含有される。正極活物質における有機高分子結着剤および導電材の配合量は、特に限定されず、負極用活物質と同等にしてもよく、また負極用活物質とは異なる量を配合してもよい。
As illustrated in FIG. 1, the positive electrode 20 includes a positive electrode active material layer 22 and a positive electrode current collector 24.
The positive electrode active material layer 22 can be formed of a known positive electrode active material. Examples of the positive electrode active material include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), and ternary Li (Ni 1/3 Mn 1/3). A composite oxide such as Co 1/3 ) O 2 ; a conductive polymer such as polyaniline and polypyrrole; and the like can be used.
The positive electrode active material contains an organic polymer binder and a conductive material in the same manner as the negative electrode active material described above. The blending amounts of the organic polymer binder and the conductive material in the positive electrode active material are not particularly limited, and may be the same as the negative electrode active material or may be blended in an amount different from the negative electrode active material.

正極集電体24としては公知の正極集電体を用いることができ、たとえば、アルミニウム箔、ステンレス箔、チタン箔、ニッケル箔、銅箔などを用いることができる。   As the positive electrode current collector 24, a known positive electrode current collector can be used. For example, an aluminum foil, a stainless steel foil, a titanium foil, a nickel foil, a copper foil, or the like can be used.

以上にリチウムイオン二次電池100を例に説明したが、本実施形態の炭素材は、たとえばナトリウムイオンなどリチウムイオン以外のアルカリイオンを化学種とする二次電池に用いることも可能である。   Although the lithium ion secondary battery 100 has been described above as an example, the carbon material of the present embodiment can also be used for a secondary battery using alkali ions other than lithium ions as chemical species such as sodium ions.

以下、本発明の実施例および比較例を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例および比較例に限定されるものではない。尚、実施例では、「部」は「質量部」を示し、「%」は「質量%」を示す。   Examples of the present invention and comparative examples will be described below. However, the present invention is not limited to the following examples and comparative examples. In Examples, “part” indicates “part by mass”, and “%” indicates “% by mass”.

昇温脱離法の解析結果を上記にて説明した実施例1の樹脂混合物を第一および第二焼成工程に供して炭素材を製造し、さらにかかる炭素材を用いてハーフセル型リチウムイオン二次電池を作成して充放電特性を評価した。以下詳細に説明する。   The carbon mixture is produced by subjecting the resin mixture of Example 1 described above to the thermal desorption method analysis results to the first and second firing steps, and further using such a carbon material, a half-cell lithium ion secondary A battery was prepared and charge / discharge characteristics were evaluated. This will be described in detail below.

<炭素材の作成>
フェノール100部、パラホルムアルデヒド55部、および酢酸亜鉛1部を攪拌機および冷却管を備えた3つ口フラスコに入れ、100℃で3時間反応後、脱水し、その後に100℃2時間の反応条件下で熟成させ、固形レゾール型フェノール樹脂90部を得た。一方、有機加溶媒分解材料(ピッチ)として、コールタールから低沸点成分を蒸留除去した石炭系ピッチの粉末を準備した。かかるピッチの軟化点温度は74℃以上80℃以下、トルエン不溶分(TI)は10%以上、キノリン不溶分(QI)は0.3%以下であった。
<Creation of carbon material>
100 parts of phenol, 55 parts of paraformaldehyde, and 1 part of zinc acetate are placed in a three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser, reacted at 100 ° C. for 3 hours, dehydrated, and then subjected to reaction conditions at 100 ° C. for 2 hours. Was then aged to obtain 90 parts of a solid resol type phenolic resin. On the other hand, as an organic solvolysis material (pitch), coal-based pitch powder obtained by distilling off low-boiling components from coal tar was prepared. The pitch softening point temperature was 74 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, toluene insoluble content (TI) was 10% or higher, and quinoline insoluble content (QI) was 0.3% or lower.

つぎに、有機加溶媒分解材料(ピッチ)と芳香族系縮合ポリマー(レゾール型フェノール樹脂)との配合比率を以下のように変化させたものを実施例1から3、参考例1、比較例1および2として準備した。
すなわち、ピッチ:レゾール型フェノール樹脂との配合比率は、実施例1では1:2、実施例2では1:5、実施例3では1:1、参考例1では2:1、比較例1では0:1、比較例2では1:0とした。すなわち、(ピッチ割合)=ピッチの質量/(ピッチの質量+レゾール型フェノール樹脂の質量)として定義されるピッチ割合を、比較例1では0、実施例1では0.33、実施例2では0.17、実施例3では0.5、参考例1では0.67、比較例2では1とした。
また、有機加溶媒分解材料(ピッチ)と芳香族系縮合ポリマー(ノボラック型フェノール樹脂)との配合比率を1:2とした参考例2、および当該配合比率を0:1とした比較例3を準備した。すなわち、(ピッチ割合)=ピッチの質量/(ピッチの質量+ノボラック型フェノール樹脂の質量)として定義されるピッチ割合を、参考例2では0.33、比較例3では0とした。
実施例1から3および参考例1に関してはレゾール型フェノール樹脂とピッチの合計質量、比較例1にあってはレゾール型フェノール樹脂の質量、比較例2にあってはピッチの質量を、参考例2に関してはノボラック型フェノール樹脂とピッチの合計質量、そして比較例3にあってはノボラック型フェノール樹脂の質量を、出発物質の炭素質量として測定した。
Next, Examples 1 to 3, Reference Example 1, and Comparative Example 1 were prepared by changing the blending ratio of the organic solvolysis material (pitch) and the aromatic condensation polymer (resole type phenol resin) as follows. And 2 were prepared.
That is, the blending ratio with the pitch: resol type phenol resin was 1: 2 in Example 1, 1: 5 in Example 2, 1: 1 in Example 3, 2: 1 in Reference Example 1, and Comparative Example 1 It was set to 0: 1 and 1: 0 in Comparative Example 2. That is, the pitch ratio defined as (pitch ratio) = mass of pitch / (mass of pitch + mass of resol type phenol resin) is 0 in Comparative Example 1, 0.33 in Example 1, and 0 in Example 2. .17, 0.5 in Example 3, 0.67 in Reference Example 1, and 1 in Comparative Example 2.
Further, Reference Example 2 in which the blending ratio of the organic solvolysis material (pitch) and the aromatic condensation polymer (novolak type phenol resin) was 1: 2, and Comparative Example 3 in which the blending ratio was 0: 1 were used. Got ready. That is, the pitch ratio defined as (pitch ratio) = mass of pitch / (mass of pitch + mass of novolac type phenol resin) was 0.33 in Reference Example 2 and 0 in Comparative Example 3.
For Examples 1 to 3 and Reference Example 1, the total mass of the resol type phenolic resin and the pitch, in Comparative Example 1, the mass of the resol type phenolic resin, in Comparative Example 2, the mass of the pitch, , The total mass of the novolac type phenolic resin and the pitch, and in Comparative Example 3, the mass of the novolac type phenolic resin was measured as the carbon mass of the starting material.

混合工程では、実施例1から3および参考例1については180℃に加熱したバット内でゲル化するまで15分間に亘って混合し、参考例2に関しては200℃に加熱したバット内で20分間に亘ってスパチュラで混合した。これにより、参考例2に関してはノボラック型フェノール樹脂とピッチとを溶融混合させ、実施例1から3および参考例1に関してはレゾール型フェノール樹脂とピッチとを溶融混合させた。   In the mixing step, Examples 1 to 3 and Reference Example 1 were mixed for 15 minutes until gelation in a vat heated to 180 ° C., and Reference Example 2 was mixed for 20 minutes in a vat heated to 200 ° C. And mixed with a spatula. Thus, for Reference Example 2, the novolac type phenol resin and pitch were melt-mixed, and for Examples 1 to 3 and Reference Example 1, the resol-type phenol resin and pitch were melt-mixed.

第一焼成工程では、真空置換式電気炉を用いて窒素雰囲気下にて、常温から550℃まで、昇温速度100℃/時間にて加熱し、550℃にて1.5時間に亘ってホールドした。これにより各例の樹脂を熱硬化させて炭素材前駆体を得た。実施例1から3および参考例1に関してはレゾール型フェノール樹脂をピッチで溶媒化分解したうえで一次炭化させて炭素材前駆体を得た。参考例2に関してはノボラック型フェノール樹脂をピッチで溶媒化分解したうえで一次炭化させて炭素材前駆体を得た。得られた炭素材前駆体の質量を測定し、出発物質の炭素質量との比率を算出して、一次焼成工程による炭化収率を求めた。   In the first firing step, heating is performed from room temperature to 550 ° C. at a heating rate of 100 ° C./hour in a nitrogen atmosphere using a vacuum-replacement electric furnace and held at 550 ° C. for 1.5 hours. did. Thereby, the resin of each example was thermoset to obtain a carbon material precursor. Regarding Examples 1 to 3 and Reference Example 1, a resol type phenol resin was subjected to solvent decomposition with pitch and then primary carbonized to obtain a carbon material precursor. Regarding Reference Example 2, a novolac type phenolic resin was solvated and decomposed with pitch and then primary carbonized to obtain a carbon material precursor. The mass of the obtained carbon material precursor was measured, the ratio with the carbon mass of the starting material was calculated, and the carbonization yield by the primary firing step was determined.

第二焼成工程では、はじめに粉砕工程を行った。粉砕工程では、各例の熱硬化物である炭素材前駆体を室温(約22℃)まで自然放冷してから、遠心粉砕(粗粉砕)およびボールミル粉砕(精粉砕)を行った。粉砕工程では、ピッチ単独の比較例2に関しては炭素材前駆体を平均粒子径(粒径D50)約15μmに粉砕し、その他の各例に関しては炭素材前駆体を平均粒子径(粒径D50)10μm以上10.5μm以下に粉砕した。 In the second firing step, a pulverization step was first performed. In the pulverization step, the carbon material precursor, which is the thermoset of each example, was naturally allowed to cool to room temperature (about 22 ° C.), and then centrifugal pulverization (coarse pulverization) and ball mill pulverization (fine pulverization) were performed. In the pulverization step, the carbon material precursor was pulverized to an average particle diameter (particle diameter D 50 ) of about 15 μm for the pitch-only comparative example 2, and the carbon material precursor was average particle diameter (particle diameter D) for the other examples. 50 ) Grind to 10 μm or more and 10.5 μm or less.

つぎに、窒素雰囲気下にて、常温から1200℃まで、昇温速度300℃/時間にて加熱し、1200℃にて2時間に亘ってホールドした。これにより各例の樹脂を二次炭化させた。
その後、105メッシュの篩を用いて整粒して、各例にかかる炭素材を得た。得られた炭素材の質量を測定し、一次焼成後の炭素材前駆体の質量との比率を算出して、二次焼成工程による炭化収率を求めた。
Next, it heated from normal temperature to 1200 degreeC by the temperature increase rate of 300 degreeC / hour in nitrogen atmosphere, and hold | maintained at 1200 degreeC for 2 hours. Thereby, the resin of each example was secondarily carbonized.
Thereafter, the particles were sized using a 105-mesh sieve to obtain a carbon material according to each example. The mass of the obtained carbon material was measured, the ratio with the mass of the carbon material precursor after the primary firing was calculated, and the carbonization yield by the secondary firing step was determined.

図2は、レゾール型フェノール樹脂とピッチとの配合比率を変化させた場合に関する、実施例1から3、参考例1および比較例1から2にかかるピッチ割合と炭化収率との関係を示すグラフである。具体的には、実施例1から3、参考例1、比較例1および2におけるピッチ割合を横軸に、そして一次および二次焼成工程を通じた全炭化収率を縦軸にプロットしたものである。同図に示す一点鎖線は、比較例1と比較例2の結果を結ぶ線分である。この一点鎖線は、レゾール型フェノール樹脂とピッチとを個別に焼成した場合の炭化収率の相加平均を示している。比較例1(ピッチ割合=0)における炭化収率は57.5%であり、比較例2(ピッチ割合=1)における炭化収率は45.9%であることから、たとえばピッチ割合=0.5における炭化収率の相加平均は、51.7%=(57.5%+45.9%)/2となる。
これに対し、実施例3における炭素材の全炭化収率は54.2%であったことから、相加平均の算出値よりも104.9[%]=54.2/51.7×100[%]だけ炭化収率が向上している。本明細書では、比較例1および比較例2の結果から算出される炭化収率の相加平均値に対する、実際に測定された全炭化収率の割合を共炭化効果と呼称する。この共炭化効果が100%を超える場合、レゾール型フェノール樹脂とピッチとを個別に焼成した状態を超える炭化収率の向上効果が認められるといえる。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pitch ratio and the carbonization yield according to Examples 1 to 3, Reference Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 when the blending ratio of the resol type phenol resin and the pitch is changed. It is. Specifically, the pitch ratios in Examples 1 to 3, Reference Example 1, and Comparative Examples 1 and 2 are plotted on the horizontal axis, and the total carbonization yield through the primary and secondary firing steps is plotted on the vertical axis. . The one-dot chain line shown in the figure is a line segment connecting the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. This dashed-dotted line has shown the arithmetic mean of the carbonization yield at the time of baking a resol type phenol resin and a pitch separately. The carbonization yield in Comparative Example 1 (pitch ratio = 0) is 57.5%, and the carbonization yield in Comparative Example 2 (pitch ratio = 1) is 45.9%. For example, the pitch ratio = 0. The arithmetic average of the carbonization yield at 5 is 51.7% = (57.5% + 45.9%) / 2.
On the other hand, since the total carbonization yield of the carbon material in Example 3 was 54.2%, it was 104.9 [%] = 54.2 / 51.7 × 100 from the calculated value of the arithmetic mean. The carbonization yield is improved by [%]. In this specification, the ratio of the total carbonization yield actually measured with respect to the arithmetic mean value of the carbonization yield computed from the result of the comparative example 1 and the comparative example 2 is called a co-carbonization effect. When this co-carbonization effect exceeds 100%, it can be said that the improvement effect of the carbonization yield exceeding the state which baked the resol type phenol resin and pitch separately is recognized.

下の表1は、実施例1から実施例3および参考例1に関して、ピッチ割合、全炭化収率の実測値、相加平均の算出値および共炭化効果をまとめたものである。図2および表1に示す結果から、炭素材の炭化収率の観点からは、ピッチ割合が0%を超え、かつ60%以下である範囲に亘って共炭化効果が認められ、特にピッチ割合が15%以上60%以下の範囲で実施例1から3のように105%程度以上の共炭化効果が見られた。なお、ノボラック型フェノール樹脂とピッチとを共炭化させた参考例2の炭素材の全炭化収率に関しては、実施例1から3ほどの有意な効果は見られなかった。   Table 1 below summarizes the pitch ratio, the measured value of the total carbonization yield, the calculated value of the arithmetic mean, and the co-carbonization effect for Examples 1 to 3 and Reference Example 1. From the results shown in FIG. 2 and Table 1, from the viewpoint of carbonization yield of the carbon material, a co-carbonization effect is recognized over a range where the pitch ratio exceeds 0% and is 60% or less. As in Examples 1 to 3, a co-carbonization effect of about 105% or more was observed in the range of 15% to 60%. In addition, regarding the total carbonization yield of the carbon material of Reference Example 2 in which the novolac-type phenol resin and pitch were co-carbonized, no significant effect as in Examples 1 to 3 was observed.

Figure 2017084764
Figure 2017084764

<TPD分析>
実施例、比較例および参考例の炭素材に関し、原料となる樹脂または樹脂混合物を昇温脱離法(TPD)にて解析した。図3(a)から図3(c)は、比較例1のレゾール型フェノール樹脂、実施例1の樹脂混合物、および比較例2の有機加溶媒分解材料(ピッチ)をそれぞれ昇温脱離法で解析した昇温脱離スペクトルである。図4(a)および図4(b)は比較例3のノボラック型フェノール樹脂および参考例2の樹脂混合物の昇温脱離スペクトルである。図5(a)から図5(c)は比較例2の有機加溶媒分解材料(ピッチ)、参考例2の樹脂混合物および実施例1の樹脂混合物の昇温脱離スペクトルである。図3から図5の各図において、横軸は温度[℃]を表し、縦軸は四重極質量分析計(QMS)のイオン電流強度[A]を表す。
<TPD analysis>
With respect to the carbon materials of Examples, Comparative Examples, and Reference Examples, the raw material resin or resin mixture was analyzed by a temperature programmed desorption method (TPD). 3 (a) to 3 (c) show the resol type phenol resin of Comparative Example 1, the resin mixture of Example 1, and the organic solvolysis material (pitch) of Comparative Example 2 by the temperature programmed desorption method, respectively. It is the temperature-programmed desorption spectrum analyzed. 4 (a) and 4 (b) are temperature programmed desorption spectra of the novolac phenol resin of Comparative Example 3 and the resin mixture of Reference Example 2. FIG. 5A to 5C are temperature-programmed desorption spectra of the organic solvolysis material (pitch) of Comparative Example 2, the resin mixture of Reference Example 2, and the resin mixture of Example 1. FIG. 3 to 5, the horizontal axis represents temperature [° C.], and the vertical axis represents ion current intensity [A] of a quadrupole mass spectrometer (QMS).

TPDは以下のように行なった。すなわち、株式会社リガク製のTPD Type R Photoを昇温脱離ガス分析装置として用いて行った。イオン化方法は電子衝撃イオン化法である。炭素材の原料となる樹脂または樹脂混合物の試料量は70mgで共通とし、キャリアガスとしてヘリウムガスを300ml/minの流量で供給した。そして30℃から600℃まで10℃/minの昇温速度で樹脂または樹脂混合物を加熱し、所定の分子量の分子を捕捉してスペクトルを作成した。   TPD was performed as follows. That is, TPD Type R Photo manufactured by Rigaku Corporation was used as a temperature-programmed desorption gas analyzer. The ionization method is an electron impact ionization method. The sample amount of the resin or resin mixture used as the raw material for the carbon material was 70 mg in common, and helium gas was supplied as a carrier gas at a flow rate of 300 ml / min. Then, the resin or resin mixture was heated from 30 ° C. to 600 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and a spectrum having a predetermined molecular weight was captured.

ただし、各昇温脱離スペクトルに見られるピークの帰属は以下とした。すなわち、質量mを電荷zで除した値(m/z)=78のピークをベンゼン、m/z=94のピークをフェノール、m/z=108のピークをクレゾール、m/z=178のピークをアントラセン、そしてm/z=202のピークをピレンのスペクトルであるとした。   However, the attribution of peaks observed in each temperature programmed desorption spectrum was as follows. That is, the peak of mass m divided by charge z (m / z) = 78 is benzene, m / z = 94 peak is phenol, m / z = 108 peak is cresol, m / z = 178 peak Is an anthracene, and the peak at m / z = 202 is the spectrum of pyrene.

図3(a)に示すように、ピッチを配合せずレゾール型フェノール樹脂単独で作成された比較例1では、約150℃および約480℃にフェノールスペクトルの2つのピークが発生した。
図3(b)に示すように、レゾール型フェノール樹脂とピッチを溶融混合した実施例1の樹脂混合物においては、フェノールスペクトルについて比較例1と同様の傾向が見られた。そしてピレンのピークが、100℃以上200℃以下に1カ所と、300℃以上500℃以下に1カ所の合計2カ所に発生した。
図3(c)に示すように、ピッチ単独で作成された比較例2では、約230℃にフェノールおよびピレンのピークが発生した。
As shown in FIG. 3 (a), in Comparative Example 1 prepared by using a resole-type phenol resin alone without blending pitch, two peaks of the phenol spectrum were generated at about 150 ° C and about 480 ° C.
As shown in FIG. 3B, in the resin mixture of Example 1 in which a resol type phenolic resin and pitch were melt-mixed, the same tendency as in Comparative Example 1 was observed with respect to the phenol spectrum. And the peak of pyrene occurred in two places in total, one place at 100 to 200 ° C. and one place at 300 to 500 ° C.
As shown in FIG.3 (c), in the comparative example 2 produced only with the pitch, the peak of the phenol and the pyrene generate | occur | produced at about 230 degreeC.

図4(a)に示すように、ピッチを配合せずノボラック型フェノール樹脂単独で作成された比較例3では、約360℃にフェノールスペクトルの鋭敏な第一のピークが発生し、約450℃には第一のピークよりも鈍い第二のピークが発生した。
図4(b)に示すように、ピッチとノボラック型フェノール樹脂を混合した参考例2の樹脂混合物では、約340℃にフェノールスペクトルの鋭敏なピークが発生し、また100℃以上400℃以下にピレンのピークが発生した。
As shown in FIG. 4 (a), in Comparative Example 3 prepared with novolac-type phenol resin alone without blending pitch, a sharp first peak of the phenol spectrum was generated at about 360 ° C., and at about 450 ° C. A second peak duller than the first peak occurred.
As shown in FIG. 4B, in the resin mixture of Reference Example 2 in which pitch and novolac type phenol resin were mixed, a sharp peak of the phenol spectrum was generated at about 340 ° C., and pyrene was observed at 100 ° C. or more and 400 ° C. or less. Peak occurred.

ピレンの昇温脱離スペクトルに関して以下の傾向が見られた。すなわち、図5(a)に示すように、ピッチ単独で作成された比較例2においては、約230℃に鋭敏なピークが一つ発生した。図5(b)に示すように、ピッチ割合を33%とするノボラック型フェノール樹脂の共炭化材料である参考例2においては、約190℃から約270℃までブロードなピークが発生した。そして、図5(c)に示すように、ピッチ割合を33%とするレゾール型フェノール樹脂の共炭化材料である実施例1の樹脂混合物においては、約170℃に鋭敏な第一のピークが発生し、かつ約380℃にも鋭敏な第二のピークが発生した。そして第一のピークの温度と第二のピークの温度との間には、イオン電流強度がベースレベルとなる温度(約250℃)が存在していた。
言い換えると実施例1の樹脂混合物にかかるピレン成分の昇温脱離スペクトルは、300℃未満の温度における第一のピークと、300℃以上の温度における第二のピークと、を独立して有している。ここで、第一および第二のピークを独立して有するとは、第一のピークの温度と第二のピークの温度との間にイオン電流強度がベースレベルとなる温度が存在することをいう。
すなわち、ピッチ単独(比較例2)のスペクトルでは鋭敏なピークを有する単一のカーブが発生するのに対し、ノボラック型フェノール樹脂とピッチの共炭化材料である参考例2の樹脂混合物のスペクトルではブロードなピークを有する1つのカーブが発生した。ブロードなピークとは、局所的な複数のピークを有するとともに、当該ピークの温度同士の間にはイオン電流強度がベースレベルとなる温度が存在しないことをいう。そしてレゾール型フェノール樹脂とピッチの共炭化材料である実施例1の樹脂混合物のスペクトルでは、鋭敏なピークを個別に有する2つのカーブが発生することが分かった。そして実施例1においては300℃を挟んでその低温側と高温側にカーブがそれぞれ独立して(すなわちイオン電流強度がベースレベルとなる温度をカーブ同士の間に介在させて)存在することが分かった。
The following tendencies were observed for the temperature programmed desorption spectrum of pyrene. That is, as shown in FIG. 5 (a), in Comparative Example 2 prepared with only the pitch, one sharp peak was generated at about 230 ° C. As shown in FIG. 5B, a broad peak was generated from about 190 ° C. to about 270 ° C. in Reference Example 2, which is a co-carbonized material of novolac type phenol resin with a pitch ratio of 33%. Then, as shown in FIG. 5 (c), in the resin mixture of Example 1, which is a co-carbonized material of a resol type phenol resin with a pitch ratio of 33%, a sharp first peak occurs at about 170 ° C. In addition, a sharp second peak was generated at about 380 ° C. Between the first peak temperature and the second peak temperature, there was a temperature (about 250 ° C.) at which the ionic current intensity reached the base level.
In other words, the temperature-programmed desorption spectrum of the pyrene component applied to the resin mixture of Example 1 independently has a first peak at a temperature below 300 ° C. and a second peak at a temperature of 300 ° C. or higher. ing. Here, having the first and second peaks independently means that there exists a temperature at which the ion current intensity becomes the base level between the temperature of the first peak and the temperature of the second peak. .
That is, a single curve having a sharp peak is generated in the spectrum of pitch alone (Comparative Example 2), whereas it is broad in the spectrum of the resin mixture of Reference Example 2 which is a co-carbonized material of novolac type phenol resin and pitch. One curve with a sharp peak was generated. The broad peak means that there are a plurality of local peaks, and there is no temperature at which the ion current intensity becomes the base level between the temperatures of the peaks. In the spectrum of the resin mixture of Example 1, which is a co-carbonized material of resol type phenolic resin and pitch, it was found that two curves each having a sharp peak were generated. In Example 1, it is found that the curves exist independently on the low temperature side and the high temperature side across 300 ° C. (that is, the temperature at which the ionic current intensity becomes the base level is interposed between the curves). It was.

そこで図5(a)から図5(c)に示すピレンの昇温脱離スペクトルにおいて、300℃を境界として、低温側、高温側および全温度範囲での強度積分値を算出した。すなわち30℃以上かつ300℃未満における強度積分値、300℃以上かつ600℃未満における強度積分値、そして30℃以上かつ600℃の未満の全温度範囲における強度積分値をそれぞれ算出した。強度積分値は、イオン電流強度[A]を各温度範囲に亘って積算した値であり、それぞれの温度範囲において樹脂または樹脂混合物から昇温脱離するピレン成分の量に対応する。結果を表2に示す。   Therefore, in the temperature-programmed desorption spectrum of pyrene shown in FIGS. 5A to 5C, intensity integral values were calculated for the low temperature side, the high temperature side, and the entire temperature range with 300 ° C. as the boundary. That is, the integrated intensity value at 30 ° C. or more and less than 300 ° C., the integrated intensity value at 300 ° C. or more and less than 600 ° C., and the integrated intensity value in the entire temperature range of 30 ° C. or more and less than 600 ° C. were calculated. The integrated intensity value is a value obtained by integrating the ionic current intensity [A] over each temperature range, and corresponds to the amount of the pyrene component desorbed by heating from the resin or the resin mixture in each temperature range. The results are shown in Table 2.

Figure 2017084764
Figure 2017084764

つぎに、比較例2、参考例2および実施例1の各例において、300℃未満におけるピレンの強度積分値と、300℃以上におけるピレンの強度積分値との比率を算出した。結果を表3に示す。表3に示すように、ピッチ単独で作成された比較例2の樹脂では、昇温脱離するピレン成分の全量のうち92%が300℃未満で脱離することが分かった。また、ノボラック型フェノール樹脂とピッチとの共炭化材料である参考例2の樹脂混合物では、昇温脱離するピレン成分の全量のうち81%が300℃未満で脱離することが分かった。これに対し、レゾール型フェノール樹脂とピッチとの共炭化材料である実施例1の樹脂混合物では、昇温脱離するピレン成分の全量のうち19%が300℃未満で脱離し、81%は300℃以上で脱離することが分かった。   Next, in each example of Comparative Example 2, Reference Example 2 and Example 1, the ratio of the integrated intensity value of pyrene at less than 300 ° C. and the integrated intensity value of pyrene at 300 ° C. or higher was calculated. The results are shown in Table 3. As shown in Table 3, it was found that 92% of the total amount of the pyrene component desorbed at a temperature was desorbed at less than 300 ° C. in the resin of Comparative Example 2 prepared by pitch alone. In addition, in the resin mixture of Reference Example 2 which is a co-carbonized material of novolac-type phenolic resin and pitch, it was found that 81% of the total amount of pyrene component desorbed at a temperature was desorbed at less than 300 ° C. On the other hand, in the resin mixture of Example 1 which is a co-carbonized material of a resol type phenolic resin and pitch, 19% of the total amount of pyrene components desorbed at a temperature is desorbed at less than 300 ° C., and 81% is 300%. It was found that it desorbed at a temperature higher than ℃.

Figure 2017084764
Figure 2017084764

すなわち、実施例1の樹脂混合物は、昇温脱離法にて30℃以上かつ300℃未満で検出されるピレンの合計量よりも、300℃以上かつ600℃未満で検出されるピレンの合計量の方が多かった。より詳細には、昇温脱離法にて30℃以上かつ300℃未満で検出されるピレンの合計量に対して、300℃以上かつ600℃未満で検出されるピレンの合計量は2倍以上、好ましくは3倍以上であり、実施例1では4倍を超えた。そして実施例1の樹脂混合物に一次および二次焼成工程を適用して生成された炭素材の全炭化収率は、上記の表1に示したように相加平均を超えるものとなった。   That is, the total amount of pyrene detected at 300 ° C. or more and less than 600 ° C. is higher than the total amount of pyrene detected at 30 ° C. or more and less than 300 ° C. in the temperature programmed desorption method. There were more. More specifically, the total amount of pyrene detected at 300 ° C. or more and less than 600 ° C. is more than twice the total amount of pyrene detected at 30 ° C. or more and less than 300 ° C. by the temperature programmed desorption method , Preferably 3 times or more, and in Example 1 exceeded 4 times. The total carbonization yield of the carbon material produced by applying the primary and secondary firing steps to the resin mixture of Example 1 exceeded the arithmetic average as shown in Table 1 above.

かかる現象の発生要因は必ずしも明らかではないが、レゾール型フェノール樹脂とピッチとを共炭化した実施例1の樹脂混合物から炭素材を得る場合、第一焼成工程において、自己反応型の熱硬化性樹脂であるレゾール型フェノール樹脂がゲル化したうえで熱硬化する際にその内部にピッチ成分を閉じ込めることに起因すると考えることできる。このため、続く第二焼成工程においてピッチ成分が炭素材前駆体から揮発することが抑制され、結果として全炭化収率が向上したものと考えられる。一方、ピッチ単独である比較例2やノボラック型フェノール樹脂とピッチとを共炭化した参考例2の樹脂混合物から炭素材を得る場合、熱硬化性樹脂の架橋反応が実施例1ほど発生しないため、第一焼成工程後の炭素材前駆体はピッチ成分を有意に閉じ込めることがなく、したがって第二焼成工程においてピッチ成分が容易に揮発してしまい全炭化収率の向上が見られなかったものと考えられる。   Although the cause of this phenomenon is not always clear, when a carbon material is obtained from the resin mixture of Example 1 obtained by co-carbonizing a resol type phenol resin and pitch, in the first firing step, a self-reactive thermosetting resin is used. It can be considered that this is caused by confining a pitch component inside the resol-type phenolic resin that is gelled and then thermally cured. For this reason, it is considered that the pitch component is suppressed from volatilizing from the carbon material precursor in the subsequent second firing step, and as a result, the total carbonization yield is improved. On the other hand, when a carbon material is obtained from the resin mixture of Comparative Example 2 which is pitch alone or Reference Example 2 obtained by co-carbonizing novolac type phenolic resin and pitch, the crosslinking reaction of the thermosetting resin does not occur as in Example 1. The carbon material precursor after the first firing step does not confine the pitch component significantly, and therefore the pitch component easily volatilizes in the second firing step, and it is considered that the improvement of the total carbonization yield was not seen. It is done.

上記の方法によれば、主としてピッチから揮発するピレン成分に関する昇温脱離スペクトルに着目することで、炭素材の全炭化収率を向上させることが可能な樹脂混合物であるか否かを焼成工程前に判定することができる。   According to the above method, whether or not the resin mixture is capable of improving the total carbonization yield of the carbon material by paying attention to the temperature-programmed desorption spectrum mainly relating to the pyrene component volatilized from the pitch is determined as a firing step. It can be determined before.

<ハーフセル型リチウムイオン二次電池の作成>
各例で得られた炭素材を含む負極(作用極)、対極および電解液を用い、以下のとおりハーフセルを作成した。
<Creation of half-cell lithium-ion secondary battery>
Using the negative electrode (working electrode), counter electrode and electrolyte solution containing the carbon material obtained in each example, a half cell was prepared as follows.

(負極の作成)
上述のとおり得られた各例の炭素材の電池特性を評価するために、以下のとおり負極を作成した。
まず、各例の炭素材100部に対し、結着剤としてスチレン・ブタジエンゴム3部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1.5部、導電材としてアセチレンブラック2部の割合で配合し、純水を適量加えて希釈混合し、スラリー状の負極用混合物を得た。
得られたスラリー状の負極用混合物を、厚さ10μmの銅箔(集電体)に同量ずつ塗布し、60℃で2時間予備乾燥したのちに120℃で15時間真空乾燥した。次いで、ロールプレスによって60μmの厚みに加圧成形したものを所定形状に打ち抜いて、直径13mm、電極活物質層(集電体を除いた部分)の厚さ50μmである円盤状のリチウムイオン二次電池用の負極を作成した。ハーフセルの形状は、2032型コインセル形状とした。
(Creation of negative electrode)
In order to evaluate the battery characteristics of the carbon material of each example obtained as described above, a negative electrode was prepared as follows.
First, 100 parts of the carbon material of each example is blended in a ratio of 3 parts of styrene / butadiene rubber as a binder, 1.5 parts of carboxymethyl cellulose as a thickener, and 2 parts of acetylene black as a conductive material, and pure water is added. An appropriate amount was added and diluted to obtain a slurry-like negative electrode mixture.
The obtained slurry-like mixture for negative electrode was applied to a copper foil (current collector) having a thickness of 10 μm by the same amount, preliminarily dried at 60 ° C. for 2 hours, and then vacuum dried at 120 ° C. for 15 hours. Next, a disk-shaped lithium ion secondary having a diameter of 13 mm and an electrode active material layer (a portion excluding the current collector) having a thickness of 50 μm is punched out into a predetermined shape by being pressed into a thickness of 60 μm by a roll press. A negative electrode for a battery was prepared. The shape of the half cell was a 2032 type coin cell shape.

(対極の作成)
対極として、直径12mm、厚さ1mmのリチウム金属を準備した。
(Create counter electrode)
A lithium metal having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm was prepared as a counter electrode.

(電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合液(体積比3:7)に六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1モル/リットルの濃度で溶解させて、電解液を調製した。
(Preparation of electrolyte)
An electrolytic solution was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) at a concentration of 1 mol / liter in a mixed solution (volume ratio 3: 7) of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC). .

(充放電条件)
ハーフセルの充放電条件は以下の条件とした。ハーフセルの充電とは、電圧の印加により、金属リチウムで構成された対極から、炭素材を含む負極(作用極)にリチウムイオンを移動させることをいう。一方、ハーフセルの放電とは、炭素材を含む負極(作用極)から、金属リチウムで構成された対極にリチウムイオンが移動することをいう。
(Charge / discharge conditions)
The charging / discharging conditions of the half cell were as follows. Charging of a half cell means moving lithium ions from a counter electrode made of metallic lithium to a negative electrode (working electrode) containing a carbon material by applying a voltage. On the other hand, half-cell discharge means that lithium ions move from a negative electrode (working electrode) containing a carbon material to a counter electrode composed of metallic lithium.

充放電条件:測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が0mVに達した時点から、0mVを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gになるまで充電した電気量を充電容量とした。また、定電流充電時に充電した電気量を定電流充電容量とした。
次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達した時点の電気量を放電容量とした。
以上の条件による充放電を計2サイクル行った。
Charging / discharging conditions: Constant current charging is performed at a measurement temperature of 25 ° C., a current density during charging of 25 mA / g, and when the potential reaches 0 mV, constant voltage charging is performed while maintaining 0 mV. The amount of electricity charged to 2.5 mA / g was taken as the charge capacity. The amount of electricity charged during constant current charging was defined as a constant current charging capacity.
Next, constant current discharge was performed at a current density of 25 mA / g during discharge, and the amount of electricity when the potential reached 2.5 V was defined as the discharge capacity.
A total of two cycles of charging / discharging under the above conditions were performed.

下記の表4は、1サイクル目の充放電容量および充放電効率、ならびに2サイクル目の定電流充電容量を実施例、参考例および比較例ごとにまとめたものである。充放電効率(効率)は、下記数式(1)を用いて算出した。   Table 4 below summarizes the charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency of the first cycle and the constant current charge capacity of the second cycle for each of the Examples, Reference Examples, and Comparative Examples. The charge / discharge efficiency (efficiency) was calculated using the following mathematical formula (1).

[数1]
充放電効率(%)=放電容量(mAh/g)/充電容量(mAh/g)×100 (1)
[Equation 1]
Charge / Discharge Efficiency (%) = Discharge Capacity (mAh / g) / Charge Capacity (mAh / g) × 100 (1)

Figure 2017084764
Figure 2017084764

表4に示すとおり、実施例1から3の炭素材を用いたハーフセル二次電池の1サイクル目の充電容量および放電容量ならびに2サイクル目の定電流充電容量は、比較例1および2よりも高いものとなった。ここで、2サイクル目の定電流充電容量は、電池特性が安定する2サイクル目の実使用状況に近い定電流時の充電容量であるため重要な特性値であるが、実施例1および3は実施例2と比較して更に高い値が得られた。この結果、二次電池の充放電容量の観点からは、実施例1から3、特に実施例1および3が良好な結果となった。言い換えると、二次電池の充放電容量の観点からは、ピッチ割合が0%を超え、かつ60%以下である範囲に亘って改善の効果が認められ、特にピッチ割合が30%以上60%以下である実施例1および3において良好な改善効果が認められた。
以上から、本製造方法の混合工程に供される樹脂組成物は、有機加溶媒分解材料を芳香族系縮合ポリマーに対して質量比にて30%以上60%以下で含むことが好ましいといえる。
As shown in Table 4, the charge capacity and discharge capacity of the first cycle and the constant current charge capacity of the second cycle of the half-cell secondary batteries using the carbon materials of Examples 1 to 3 are higher than those of Comparative Examples 1 and 2. It became a thing. Here, the constant current charge capacity in the second cycle is an important characteristic value because it is a charge capacity at a constant current close to the actual use situation in the second cycle in which the battery characteristics are stable. A higher value was obtained as compared with Example 2. As a result, from the viewpoint of the charge / discharge capacity of the secondary battery, Examples 1 to 3, particularly Examples 1 and 3, gave good results. In other words, from the viewpoint of the charge / discharge capacity of the secondary battery, an improvement effect is recognized over a range where the pitch ratio exceeds 0% and is 60% or less, and the pitch ratio is particularly 30% or more and 60% or less. In Examples 1 and 3 which are the above, good improvement effects were observed.
From the above, it can be said that the resin composition used in the mixing step of the present production method preferably contains the organic solvolysis material in a mass ratio of 30% to 60% with respect to the aromatic condensation polymer.

上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
(1)25℃よりも高温の第一温度に加熱することによりフェノール分子が分離する芳香族系縮合ポリマーと、前記芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点との温度差が100[K]以下である融点または軟化点を有する有機加溶媒分解材料と、を少なくとも含む樹脂組成物を、前記芳香族系縮合ポリマーの前記融点もしくは前記軟化点ならびに前記有機加溶媒分解材料の前記融点もしくは前記軟化点よりも高温かつ前記第一温度よりも低温の第二温度で混合して樹脂混合物を得る混合工程と、前記樹脂混合物を前記第一温度よりも高温に加熱して、前記芳香族系縮合ポリマーを前記有機加溶媒分解材料で溶媒化分解したうえで熱硬化および炭化させる焼成工程と、を含む二次電池負極用炭素材の製造方法。
(2)前記焼成工程が、前記樹脂混合物を前記第一温度よりも高温の第三温度で焼成することにより、前記芳香族系縮合ポリマーを前記溶媒化分解したうえで一次炭化させて炭素材前駆体を得る第一焼成工程と、前記炭素材前駆体を粉砕したうえで、前記第三温度よりも高温の第四温度で焼成して二次炭化させる第二焼成工程と、を含む上記(1)に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(3)前記第三温度が500℃よりも高温であり、かつ、前記第一焼成工程に供される前記樹脂混合物は、昇温脱離法にて400℃で検出されるフェノール量が、前記昇温脱離法にて500℃で検出されるフェノール量に対して40%以上1000%以下であることを特徴とする上記(2)に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(4)前記樹脂組成物が、前記有機加溶媒分解材料を前記芳香族系縮合ポリマーに対して質量比にて30%以上60%以下で含む上記(1)から(3)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(5)前記芳香族系縮合ポリマーが熱硬化性樹脂であり、前記有機加溶媒分解材料がピッチである上記(1)から(4)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(6)前記ピッチの前記融点または前記軟化点が200℃以下である上記(5)に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(7)前記熱硬化性樹脂の硬化温度が100℃以上である上記(5)または(6)に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(8)前記熱硬化性樹脂が、レゾール型フェノール樹脂またはベンゾオキサジン樹脂である上記(5)から(7)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(9)前記有機加溶媒分解材料は、エネルギー分散型X線マイクロ分析(EDX)で検出される鉄(Fe)不純物の量が50ppm以下である上記(1)から(8)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(10)前記有機加溶媒分解材料は、エネルギー分散型X線マイクロ分析(EDX)で検出される亜鉛(Zn)不純物の量が20ppm以下である上記(1)から(9)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
(11)上記(1)から(10)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法を含む、二次電池負極用活物質の製造方法。
(12)上記(11)に記載の二次電池負極用活物質の製造方法を含む、二次電池負極の製造方法。
(13)上記(12)に記載された二次電池負極の製造方法を含む、二次電池の製造方法。
The above embodiment includes the following technical idea.
(1) The temperature difference between the aromatic condensation polymer from which phenol molecules are separated by heating to a first temperature higher than 25 ° C. and the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer is 100 [K] or less. And an organic solvolysis material having at least a melting point or a softening point, the melting point or the softening point of the aromatic condensation polymer, and the melting point or the softening point of the organic solvolysis material. A mixing step of obtaining a resin mixture by mixing at a second temperature that is higher than the first temperature and lower than the first temperature; and heating the resin mixture to a temperature higher than the first temperature to obtain the aromatic condensation polymer. A method for producing a carbon material for a negative electrode of a secondary battery, comprising: a calcination decomposition with the organic solvolysis material, followed by heat curing and carbonization.
(2) In the firing step, the resin mixture is fired at a third temperature higher than the first temperature, whereby the aromatic condensation polymer is primaryly carbonized after being solvated and decomposed to obtain a carbon material precursor. (1) including a first firing step of obtaining a body, and a second firing step of pulverizing the carbon material precursor and firing the carbon material precursor at a fourth temperature higher than the third temperature to perform secondary carbonization. The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes as described in).
(3) The third temperature is higher than 500 ° C., and the resin mixture subjected to the first baking step has a phenol amount detected at 400 ° C. by a temperature programmed desorption method. 40% or more and 1000% or less with respect to the amount of phenol detected at 500 degreeC by the temperature-programmed desorption method, The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes as described in said (2) characterized by the above-mentioned.
(4) Any one of (1) to (3) above, wherein the resin composition contains the organic solvolysis material in a mass ratio of 30% to 60% with respect to the aromatic condensation polymer. The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes of description.
(5) The carbon material for a secondary battery negative electrode according to any one of (1) to (4), wherein the aromatic condensation polymer is a thermosetting resin and the organic solvolysis material is a pitch. Manufacturing method.
(6) The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes as described in said (5) whose said melting | fusing point or the said softening point of the said pitch is 200 degrees C or less.
(7) The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes as described in said (5) or (6) whose curing temperature of the said thermosetting resin is 100 degreeC or more.
(8) The method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to any one of (5) to (7), wherein the thermosetting resin is a resol type phenol resin or a benzoxazine resin.
(9) The organic solvolysis material is any one of (1) to (8), wherein the amount of iron (Fe) impurities detected by energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) is 50 ppm or less. The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes of description.
(10) The organic solvolysis material according to any one of (1) to (9), wherein the amount of zinc (Zn) impurities detected by energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) is 20 ppm or less. The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes of description.
(11) A method for producing an active material for a secondary battery negative electrode, comprising the method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to any one of (1) to (10) above.
(12) A method for producing a secondary battery negative electrode, including the method for producing an active material for a secondary battery negative electrode according to (11) above.
(13) A method for producing a secondary battery, including the method for producing a secondary battery negative electrode described in (12) above.

10 負極
12 負極用活物質層
14 負極集電体
20 正極
22 正極活物質層
24 正極集電体
30 セパレータ
40 電解層
100 リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Negative electrode 12 Active material layer 14 for negative electrodes Negative electrode collector 20 Positive electrode 22 Positive electrode active material layer 24 Positive electrode collector 30 Separator 40 Electrolytic layer 100 Lithium ion secondary battery

Claims (15)

25℃よりも高温の第一温度に加熱することによりフェノール分子が分離する芳香族系縮合ポリマーと、前記芳香族系縮合ポリマーの融点または軟化点との温度差が100[K]以下である融点または軟化点を有する有機加溶媒分解材料と、を少なくとも含む樹脂組成物を、前記芳香族系縮合ポリマーの前記融点もしくは前記軟化点ならびに前記有機加溶媒分解材料の前記融点もしくは前記軟化点よりも高温かつ前記第一温度よりも低温の第二温度で混合して樹脂混合物を得る混合工程と、
前記樹脂混合物を前記第一温度よりも高温に加熱して、前記芳香族系縮合ポリマーを前記有機加溶媒分解材料で溶媒化分解したうえで熱硬化および炭化させる焼成工程と、を含む二次電池負極用炭素材の製造方法。
A melting point where the temperature difference between the aromatic condensation polymer from which phenol molecules are separated by heating to a first temperature higher than 25 ° C. and the melting point or softening point of the aromatic condensation polymer is 100 [K] or less. Or an organic solvolysis material having a softening point, and a resin composition containing at least the melting point or the softening point of the aromatic condensation polymer and a temperature higher than the melting point or the softening point of the organic solvolysis material. And a mixing step of obtaining a resin mixture by mixing at a second temperature lower than the first temperature;
A secondary battery comprising: a baking step in which the resin mixture is heated to a temperature higher than the first temperature, and the aromatic condensation polymer is solvated and decomposed with the organic solvolysis material, followed by thermosetting and carbonization. Manufacturing method of carbon material for negative electrode.
前記焼成工程が、
前記樹脂混合物を前記第一温度よりも高温の第三温度で焼成することにより、前記芳香族系縮合ポリマーを前記溶媒化分解したうえで一次炭化させて炭素材前駆体を得る第一焼成工程と、
前記炭素材前駆体を粉砕したうえで、前記第三温度よりも高温の第四温度で焼成して二次炭化させる第二焼成工程と、を含む請求項1に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
The firing step is
A first firing step of calcining the resin mixture at a third temperature higher than the first temperature to first carbonize the aromatic condensation polymer and then carbonize the aromatic condensation polymer to obtain a carbon material precursor; ,
The carbon material precursor is pulverized, and then calcined at a fourth temperature higher than the third temperature to be second carbonized, and a secondary firing step charcoal for secondary battery negative electrode according to claim 1. Material manufacturing method.
前記第三温度が500℃よりも高温であり、かつ、
前記第一焼成工程に供される前記樹脂混合物は、昇温脱離法にて400℃で検出されるフェノール量が、前記昇温脱離法にて500℃で検出されるフェノール量に対して40%以上1000%以下であることを特徴とする請求項2に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。
The third temperature is higher than 500 ° C., and
The amount of phenol detected at 400 ° C. by the temperature programmed desorption method is less than the amount of phenol detected at 500 ° C. by the temperature programmed desorption method. It is 40% or more and 1000% or less, The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記樹脂混合物にかかるピレン成分の昇温脱離法のスペクトルが、300℃未満の温度における第一のピークと、300℃以上の温度における第二のピークと、を独立して有する請求項2または3に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The spectrum of the temperature programmed desorption method of the pyrene component applied to the resin mixture independently has a first peak at a temperature of less than 300 ° C and a second peak at a temperature of 300 ° C or higher. 3. A method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to 3. 前記樹脂混合物は、昇温脱離法にて30℃以上かつ300℃未満で検出されるピレンの合計量よりも、300℃以上かつ600℃未満で検出されるピレンの合計量の方が多いことを特徴とする請求項4に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   In the resin mixture, the total amount of pyrene detected at 300 ° C. or more and less than 600 ° C. is larger than the total amount of pyrene detected at 30 ° C. or more and less than 300 ° C. by the temperature programmed desorption method. The manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes of Claim 4 characterized by these. 前記樹脂組成物が、前記有機加溶媒分解材料を前記芳香族系縮合ポリマーに対して質量比にて30%以上60%以下で含む請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   6. The secondary battery according to claim 1, wherein the resin composition contains the organic solvolysis material in a mass ratio of 30% to 60% with respect to the aromatic condensation polymer. Manufacturing method of carbon material for negative electrode. 前記芳香族系縮合ポリマーが熱硬化性樹脂であり、前記有機加溶媒分解材料がピッチである請求項1から6のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein the aromatic condensation polymer is a thermosetting resin, and the organic solvolysis material is a pitch. 前記ピッチの前記融点または前記軟化点が200℃以下である請求項7に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to claim 7, wherein the melting point or the softening point of the pitch is 200 ° C. or less. 前記熱硬化性樹脂の硬化温度が100℃以上である請求項7または8に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to claim 7 or 8, wherein a curing temperature of the thermosetting resin is 100 ° C or higher. 前記熱硬化性樹脂が、レゾール型フェノール樹脂またはベンゾオキサジン樹脂である請求項7から9のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The method for producing a carbon material for a secondary battery negative electrode according to any one of claims 7 to 9, wherein the thermosetting resin is a resol type phenol resin or a benzoxazine resin. 前記有機加溶媒分解材料は、エネルギー分散型X線マイクロ分析(EDX)で検出される鉄(Fe)不純物の量が50ppm以下である請求項1から10のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 10, wherein the organic solvolysis material has an iron (Fe) impurity amount of 50 ppm or less detected by energy dispersive X-ray microanalysis (EDX). Manufacturing method of carbon material for negative electrode. 前記有機加溶媒分解材料は、エネルギー分散型X線マイクロ分析(EDX)で検出される亜鉛(Zn)不純物の量が20ppm以下である請求項1から11のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法。   The secondary battery according to any one of claims 1 to 11, wherein the organic solvolysis material has an amount of zinc (Zn) impurities detected by energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) of 20 ppm or less. Manufacturing method of carbon material for negative electrode. 請求項1から12のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材の製造方法を含む、二次電池負極用活物質の製造方法。   The manufacturing method of the active material for secondary battery negative electrodes including the manufacturing method of the carbon material for secondary battery negative electrodes as described in any one of Claims 1-12. 請求項13に記載の二次電池負極用活物質の製造方法を含む、二次電池負極の製造方法。   The manufacturing method of a secondary battery negative electrode including the manufacturing method of the active material for secondary battery negative electrodes of Claim 13. 請求項14に記載された二次電池負極の製造方法を含む、二次電池の製造方法。   The manufacturing method of a secondary battery including the manufacturing method of the secondary battery negative electrode described in Claim 14.
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