JP2019053960A - Carbon black and method for manufacturing the same - Google Patents

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Akifumi Yao
章史 八尾
啓之 大森
Noriyuki Omori
啓之 大森
聖唯 鈴木
Shoi Suzuki
聖唯 鈴木
さやか 大坪
Sayaka Otsubo
さやか 大坪
大原 勝義
Katsuyoshi Ohara
勝義 大原
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Abstract

To provide carbon black which can be as a conductive assistant of a nonaqueous electrolyte secondary battery having good cycle characteristics without increasing an internal resistance.SOLUTION: The carbon black is to be used as a conductive assistant of a nonaqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte, of which the BET specific surface area is 300 m/g or more and 1500 m/g or less, the ratio of fluorine atoms to carbon atoms, namely F/C ratio is no less than 0.001 and less than 0.025, and the ratio of oxygen atoms to the carbon atoms, namely O/C ratio is no less than 0.1 and less than 0.2, where those are measured by XPS analysis.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明はリチウム電池に代表される非水電解質二次電池の電極に導電助剤として用いられるカーボンブラック及びその製造方法、前記カーボンブラックを含む非水電解質二次電池用電極及びその製造方法、前記電極を含む非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a carbon black used as a conductive aid for an electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium battery and a production method thereof, a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode containing the carbon black, a production method thereof, The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including an electrode.

リチウム電池の正極や負極などの電極には、活物質としての複合酸化物、導電助剤としてのカーボンブラック、および結着材を含む複合電極が用いられている。   For electrodes such as a positive electrode and a negative electrode of a lithium battery, a composite electrode including a composite oxide as an active material, carbon black as a conductive additive, and a binder is used.

近年、リチウム電池を採用した電気自動車が増えている。自動車用電池の特性として重要なものの一つに、単位時間あたりに流せる電流量の大きさを示す出力特性がある。出力特性が劣るとEVなどの加速性能が乏しくなるため自動車としての用をなさなくなる。   In recent years, the number of electric vehicles employing lithium batteries has increased. One of the important characteristics of an automobile battery is an output characteristic indicating the amount of current that can be passed per unit time. If the output characteristics are inferior, the acceleration performance such as EV becomes poor and the vehicle is not used.

出力特性を改善する手法の一つとして、正極中の導電助剤を正極全体に高度に分散させることで電極抵抗を低下させる技術がある。特許文献1は窒素系界面活性剤を用いることで導電助剤を分散させる手法を開示している。また、特許文献2にはトリアジン誘導体等を分散剤として用いる技術が開示されている。   One technique for improving the output characteristics is to reduce the electrode resistance by highly dispersing the conductive additive in the positive electrode throughout the positive electrode. Patent Document 1 discloses a method of dispersing a conductive additive by using a nitrogen-based surfactant. Patent Document 2 discloses a technique using a triazine derivative or the like as a dispersant.

一方、特許文献3では、導電助剤であるカーボンをフッ素処理することにより、マトリックスとの親和性を向上させる方法が開示されている。また、特許文献4によれば、カーボンブラックの分散性を向上させるため、フッ素と酸素とを所定割合で並存させてカーボンブラックの酸化処理を行う方法が開示されている。また、特許文献5によれば、フッ素処理された炭素系導電材と電極活物質とを複合化した電極材料を用いることにより、高出力かつ高エネルギー密度のリチウム電池を作製する方法が開示されている。   On the other hand, Patent Document 3 discloses a method for improving affinity with a matrix by subjecting carbon as a conductive additive to fluorine treatment. Patent Document 4 discloses a method of performing an oxidation treatment of carbon black by coexisting fluorine and oxygen in a predetermined ratio in order to improve the dispersibility of carbon black. Patent Document 5 discloses a method for producing a high-power and high-energy density lithium battery by using an electrode material in which a fluorine-treated carbon-based conductive material and an electrode active material are combined. Yes.

特開2011−14457号公報JP 2011-14457 A 特開2013−73724号公報JP 2013-73724 A 特開昭60−191011号公報JP-A-60-191011 特開平9−40881号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-40881 特開2015−228290号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-228290 特開2016−9564号公報JP-A-2006-9564

しかし特許文献6によれば、特許文献1に記載の界面活性剤は、一般的な正極活物質として用いられるコバルト酸リチウムを用いると電池反応時に分解が起こるためサイクル特性に劣るという問題点があることが指摘されている。また特許文献2に記載の化合物も分散性が不十分であり、決して酸化安定性に優れるわけでもないのでサイクル特性に問題が残ることが指摘されている。   However, according to Patent Document 6, the surfactant described in Patent Document 1 has a problem in that when lithium cobaltate used as a general positive electrode active material is used, decomposition occurs during battery reaction, resulting in poor cycle characteristics. It has been pointed out. In addition, it has been pointed out that the compound described in Patent Document 2 also has a problem in cycle characteristics because the dispersibility is insufficient and the oxidation stability is not always excellent.

また、特許文献3および4には、炭素系材料のフッ素化により分散状態が向上することが記載されているが、本発明者らが特許文献4に記載された方法、すなわち、フッ素と酸素との混合ガスを用いてカーボンブラックを処理し、得られたカーボンブラックを用いて電極を作製したところ、カーボンブラックの分散性は向上したものの、電極材料の内部抵抗値が上昇したり、出力・エネルギー密度・サイクル特性いずれにおいても、変化なしあるいは性能低下を引き起こしたりする状況が散見された。この結果は、カーボンブラックを導電助剤として用いた場合、その分散性のみが電池性能に影響を及ぼしているものではないことを示していると考えられる。   Patent Documents 3 and 4 describe that the dispersion state is improved by fluorination of a carbon-based material. However, the present inventors have described the method described in Patent Document 4, that is, fluorine and oxygen. When the carbon black was processed using the mixed gas and the electrode was produced using the resulting carbon black, the dispersibility of the carbon black was improved, but the internal resistance value of the electrode material increased and the output / energy increased. In both density and cycle characteristics, there were some cases where there was no change or performance degradation. This result is considered to indicate that, when carbon black is used as a conductive additive, only the dispersibility does not affect the battery performance.

このような背景から、リチウムイオン電池用電極の導電助剤として適したカーボンブラックを得るための適切なフッ素処理法が求められていた。
したがって、本発明は、内部抵抗を増加させることなく良好なサイクル特性を持つ非水電解質二次電池の導電助剤として用いることができるカーボンブラックを提供することを目的とする。
本発明はまた、前記カーボンブラックを含む非水電解質二次電池用電極を提供することを目的とする。
本発明はまた、前記非水電解質二次電池用電極を含む非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
本発明はまた、前記カーボンブラックの製造方法を提供することを目的とする。
本発明はまた、前記非水電解質二次電池用電極を含む非水電解質二次電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。
From such a background, there has been a demand for an appropriate fluorine treatment method for obtaining carbon black suitable as a conductive aid for an electrode for a lithium ion battery.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a carbon black that can be used as a conductive aid for a nonaqueous electrolyte secondary battery having good cycle characteristics without increasing internal resistance.
Another object of the present invention is to provide an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbon black.
Another object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery including the non-aqueous electrolyte secondary battery electrode.
Another object of the present invention is to provide a method for producing the carbon black.
Another object of the present invention is to provide a method for producing an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery including the electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery.

本発明者等は、上記目的を達成すべく種々検討した結果、リチウムイオン電池用電極の導電助剤として適したカーボンブラックを得るためには、フッ素化処理したカーボンブラック表面のフッ素および酸素の元素比を適切な範囲に管理する必要があることが分かった。元素比は、フッ素濃度を特定範囲に設定し、残部を不活性ガスとした処理ガスを使用する、特定温度におけるフッ素化処理後に、気体の水と接触させる後処理を行うことで制御することができ、そのカーボンブラックを用いた電極を用いると、電池の内部抵抗を低くし、かつ電池のサイクル特性を向上させることができることを見出した。   As a result of various studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have obtained the elements of fluorine and oxygen on the surface of fluorinated carbon black in order to obtain carbon black suitable as a conductive aid for the electrode for lithium ion batteries. It was found that the ratio needs to be managed within an appropriate range. The element ratio can be controlled by setting a fluorine concentration in a specific range and using a processing gas with the balance being an inert gas, and performing a post-treatment that makes contact with gaseous water after a fluorination treatment at a specific temperature. It has been found that the use of the electrode using carbon black can lower the internal resistance of the battery and improve the cycle characteristics of the battery.

すなわち、本発明は以下の発明を提供する。
1.正極、負極、および電解質を有する非水電解質二次電池の導電助剤として用いられるカーボンブラックであって、
BET比表面積が300m2/g以上であって1500m2/g以下であり、
XPS分析により測定した、フッ素原子の炭素原子に対する割合、即ちF/C比が0.001以上であって0.025未満であり、かつ、酸素原子の炭素原子に対する割合、即ちO/C比が0.1以上であって0.2未満である前記カーボンブラック。
2.F/C比が0.01以上であって0.025未満であり、かつ、O/C比が0.12以上であって0.19未満である前記1項記載のカーボンブラック。
3.金属箔である集電体と、
前記集電体上に形成され、前記1又は2項に記載のカーボンブラックと、電極活物質とを含む電極層と、
からなる非水電解質二次電池用電極。
4.正極、負極、及び電解質を有し、
前記正極及び前記負極の何れか又は両方が前記3項に記載の非水電解質二次電池用電極である非水電解質二次電池。
5.BET比表面積が350m2/g以上であって1400m2/g以下のカーボンブラックを、10℃から50℃において、フッ素ガス及び不活性ガスからなる処理ガスと接触させるフッ素化処理工程と、ここで、前記処理ガス中のフッ素ガスの濃度が0.01〜5体積%であり、
フッ素化処理後のカーボンブラックを気体の水と接触させる後処理工程と、
を含む、前記1又は2項記載のカーボンブラックの製造方法。
6.フッ素化処理工程の後であって後処理工程の前に、カーボンブラックを減圧環境下におくことにより脱気工程を行う工程を含む、前記5項に記載のカーボンブラックの製造方法。
7.前記後処理工程の後に、カーボンブラックを減圧環境下におくことにより脱気工程を行う工程を含む、前記5又は6項に記載のカーボンブラックの製造方法。
8.前記1又は2項記載のカーボンブラックと電極活物質を分散媒に分散させてペーストを作成する工程と、
前記ペーストを集電体に塗布し、乾燥する工程と、
を含む非水電解質二次電池用電極の製造方法。
9.前記ペーストに、さらに、結着剤と粘度調整剤とを含ませる前記8項に記載の非水電解質二次電池用電極の製造方法。
That is, the present invention provides the following inventions.
1. A carbon black used as a conductive aid for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte,
The BET specific surface area is 300 m 2 / g or more and 1500 m 2 / g or less,
The ratio of fluorine atoms to carbon atoms, that is, the F / C ratio is 0.001 or more and less than 0.025, and the ratio of oxygen atoms to carbon atoms, that is, the O / C ratio, is measured by XPS analysis. The carbon black which is 0.1 or more and less than 0.2.
2. 2. The carbon black as described in 1 above, wherein the F / C ratio is 0.01 or more and less than 0.025, and the O / C ratio is 0.12 or more and less than 0.19.
3. A current collector made of metal foil;
An electrode layer formed on the current collector and including the carbon black according to the item 1 or 2, and an electrode active material;
An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
4). Having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte;
4. A nonaqueous electrolyte secondary battery, wherein either or both of the positive electrode and the negative electrode are electrodes for a nonaqueous electrolyte secondary battery described in the above item 3.
5. A fluorination treatment step in which a carbon black having a BET specific surface area of 350 m 2 / g or more and 1400 m 2 / g or less is brought into contact with a treatment gas comprising a fluorine gas and an inert gas at 10 to 50 ° C., The concentration of fluorine gas in the processing gas is 0.01 to 5% by volume,
A post-treatment step of contacting the carbon black after the fluorination treatment with gaseous water;
The manufacturing method of the carbon black of said 1 or 2 containing these.
6). 6. The method for producing carbon black as described in 5 above, comprising a step of performing a degassing step by placing the carbon black in a reduced pressure environment after the fluorination treatment step and before the post-treatment step.
7). 7. The method for producing carbon black according to 5 or 6 above, comprising a step of performing a degassing step by placing the carbon black in a reduced pressure environment after the post-treatment step.
8). A step of creating a paste by dispersing the carbon black and the electrode active material according to 1 or 2 in a dispersion medium;
Applying the paste to a current collector and drying;
The manufacturing method of the electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries containing.
9. 9. The method for producing an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery as described in 8 above, further comprising a binder and a viscosity modifier in the paste.

本発明により、内部抵抗を増加させることなく良好なサイクル特性を持つ非水電解質二次電池と、その導電助剤として用いられるカーボンブラックを作製することが可能となる。本発明によればまた、カーボンブラックの電極作製用ペーストへの分散性を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to produce a non-aqueous electrolyte secondary battery having good cycle characteristics without increasing the internal resistance, and carbon black used as a conductive aid. According to the present invention, it is also possible to improve the dispersibility of carbon black in an electrode preparation paste.

以下、本発明の実施態様について以下に説明する。なお、本発明の範囲は、これらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し、実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. It should be noted that the scope of the present invention is not limited by these descriptions, and can be changed and implemented as appropriate without departing from the spirit of the present invention other than the following examples.

本発明では、カーボンブラックに対して、フッ素化処理を行い、さらに後処理工程を行う。フッ素化処理を行う前のカーボンブラックのBET比表面積は、300m2/g以上1500m2/g以下であり、350m2/g以上1450m2/g以下であることが好ましく、700m2/g以上1400m2/g以下であることがより好ましい。このようなカーボンブラックとしては、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、ランプブラックなどが挙げられる。例えば、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社からケッチェンブラックで市販されている。なお、フッ素化処理の前と後処理の後とで、BET比表面積は大きな変化をせず、通常は±10%以内の変化にとどまる。従って、本発明の方法による後処理後のカーボンブラックのBET比表面積は、300〜1500m2/gであり、好ましくは350〜1450m2/gである。なお、カーボンブラックのBET比表面積は、ASTM D 3037に準拠した方法で測定される。 In the present invention, the carbon black is subjected to a fluorination treatment and further subjected to a post-treatment process. BET specific surface area before the carbon black performing fluorination treatment is at 300 meters 2 / g or more 1500 m 2 / g or less, preferably 350 meters 2 / g or more 1450 m 2 / g or less, 700 meters 2 / g or more 1400m More preferably, it is 2 / g or less. Examples of such carbon black include furnace black, ketjen black, and lamp black. For example, it is commercially available on Ketjen Black from Lion Specialty Chemicals. It should be noted that the BET specific surface area does not change greatly before and after the fluorination treatment, and usually remains within ± 10%. Therefore, the BET specific surface area of the carbon black after the post-treatment by the method of the present invention is 300 to 1500 m 2 / g, preferably 350 to 1450 m 2 / g. The BET specific surface area of carbon black is measured by a method based on ASTM D 3037.

まず、本発明では、フッ素化処理を行う前に、カーボンブラックに吸着している水分を加熱や真空脱気により除去するのが好ましい。これは、水分が残存していると、フッ素と反応してフッ化水素を発生し、製造装置等に悪影響を与えかねないためである。   First, in the present invention, it is preferable to remove moisture adsorbed on the carbon black by heating or vacuum degassing before performing the fluorination treatment. This is because if moisture remains, it reacts with fluorine to generate hydrogen fluoride, which may adversely affect the production apparatus and the like.

本発明のフッ素化処理法では、カーボンブラックを、通常、円筒形の容器の中に仕込む。ここに、フッ素濃度が所定の範囲になるように調整した処理ガスを流通させることにより、フッ素化させる。容器材質は、金属材料であれば安全に処理が可能であるが、連続的な処理を行う上では、耐腐食性の観点からSUS304やSUS316といったステンレス材料やニッケルが望ましい。   In the fluorination treatment method of the present invention, carbon black is usually charged into a cylindrical container. Here, the process gas adjusted so that the fluorine concentration falls within a predetermined range is circulated to cause fluorination. The container material can be safely processed as long as it is a metal material, but stainless steel such as SUS304 and SUS316 or nickel is desirable from the viewpoint of corrosion resistance in continuous processing.

フッ素化処理における処理ガスは、フッ素ガスと不活性ガスからなる。処理ガス中のフッ素ガスの濃度は0.01〜5体積%であり、0.05〜4体積%であることが好ましい。フッ素ガス濃度がこの範囲にあると、カーボンブラックのF/C比及びO/C比を所望の範囲に制御でき、内部抵抗値を増加させることなく、良好なサイクル特性を持つ非水電解液電池が得られる。処理ガス中にはフッ素と不活性ガス以外のガス、例えば酸素、が混入しないことが好ましく、もし混入したとしても、混入したガスの濃度が1体積%以下であることが好ましい。例えば、処理ガス中に酸素が混入すると所望のO/C比に制御することが困難となるうえ、カーボンブラックとの反応が急激に進行し、場合によっては粉塵爆発の可能性がある。処理温度は、50℃を超える高温では、想定以上のフッ素化の進行により爆発の危険性が伴ったり、10℃未満の低温では、冷却状態を作り出すために冷却のための装置やエネルギーが必要になったりとコスト面が課題となるため、室温付近での処理が望ましい。ただし、カーボンブラックとフッ素との接触時に発熱がある場合には、反応の制御のため、冷却水等を用いて、装置を冷却してもよい。処理時間に関しては、カーボンブラックとフッ素が満遍なく接触するために十分な時間が必要で、10分以上を確保することが望ましく、30分以上であることがさらに望ましい。長すぎる場合には、導電助剤としての性能に影響はないが、生産効率が低下するため、2時間以内であることが望ましい。また、フッ素化処理後、カーボンブラックに吸着したフッ素、つまり表面改質に寄与していないフッ素を可能な限り除去するため、真空状態にし、脱気することが好ましい。処理圧力は特に制限されないが、安全性の観点からは700Torr以下であるのが好ましく、500Torr以下であるのがより好ましい。また十分な反応速度を得るために、10Torr以上であることが好ましく、50Torr以上であるのがより好ましい。好ましい処理ガスの流量は反応装置の大きさや構造によって異なるため、適宜調整すればよい。   The treatment gas in the fluorination treatment consists of a fluorine gas and an inert gas. The concentration of the fluorine gas in the processing gas is 0.01 to 5% by volume, and preferably 0.05 to 4% by volume. When the fluorine gas concentration is within this range, the F / C ratio and O / C ratio of the carbon black can be controlled to a desired range, and the non-aqueous electrolyte battery has good cycle characteristics without increasing the internal resistance value. Is obtained. It is preferable that a gas other than fluorine and an inert gas, such as oxygen, is not mixed in the processing gas, and even if mixed, the concentration of the mixed gas is preferably 1% by volume or less. For example, when oxygen is mixed in the processing gas, it becomes difficult to control the O / C ratio to a desired value, and the reaction with carbon black proceeds rapidly, and in some cases there is a possibility of dust explosion. When the processing temperature is higher than 50 ° C, there is a risk of explosion due to the progress of fluorination more than expected, and when the processing temperature is lower than 10 ° C, cooling equipment and energy are required to create a cooling state. Since the cost becomes a problem, it is desirable to perform the treatment near room temperature. However, in the case where heat is generated at the time of contact between carbon black and fluorine, the apparatus may be cooled using cooling water or the like for controlling the reaction. Regarding the treatment time, sufficient time is required for the carbon black and fluorine to uniformly contact each other, and it is desirable to ensure 10 minutes or more, and more desirably 30 minutes or more. If it is too long, there is no effect on the performance as a conductive additive, but the production efficiency is lowered, so that it is preferably within 2 hours. Further, after the fluorination treatment, in order to remove as much as possible the fluorine adsorbed on the carbon black, that is, fluorine not contributing to the surface modification, it is preferable to deaerate in a vacuum state. The processing pressure is not particularly limited, but is preferably 700 Torr or less and more preferably 500 Torr or less from the viewpoint of safety. In order to obtain a sufficient reaction rate, it is preferably 10 Torr or more, and more preferably 50 Torr or more. Since the preferable flow rate of the processing gas varies depending on the size and structure of the reaction apparatus, it may be appropriately adjusted.

フッ素化処理後、カーボンブラックを、所定の湿度を含む大気や、水蒸気に暴露することで、後処理工程を行う。後処理工程は10〜30℃で行うことができるが、加熱せずに、周囲温度や常温で処理することができる。また、相対湿度で30〜80%の大気に暴露する場合は、2時間以上48時間以内の処理を行えば良く、水蒸気で暴露する場合には、10分以上2時間以内の処理を行えば良い。   After the fluorination treatment, the carbon black is exposed to air containing a predetermined humidity or water vapor to perform a post-treatment process. The post-treatment step can be performed at 10 to 30 ° C., but can be performed at ambient temperature or normal temperature without heating. Further, when exposed to the atmosphere of 30 to 80% at a relative humidity, the treatment may be performed for 2 hours to 48 hours, and when exposed to water vapor, the treatment may be performed for 10 minutes to 2 hours. .

カーボンブラックの表面は、フッ素化処理により、C−F基等が生成する。後処理工程では、H2Oの作用により、カーボンブラックの表面にあるC−F基が、C−OF基、C−OH基やCOOH基などに変換され、表面が改質される。表面が改質されたカーボンブラックは、電極作製用のペーストへの分散性が、改質前に比べて向上すると考えられる。この変換は、後処理工程終了後1時間程度で完了すると推測される。但し、一部のC−F基は、カーボンブラックの結晶化度の違いなどにより、FがCに強固に結合しており、H2Oと反応せずに残存する。なお、同時に生成するHFは、その後、真空脱気して、除去することが好ましい。 On the surface of carbon black, C—F groups and the like are generated by fluorination treatment. In the post-treatment step, the C—F group on the surface of the carbon black is converted into a C—OF group, a C—OH group, a COOH group, or the like by the action of H 2 O, and the surface is modified. It is considered that the carbon black whose surface is modified has improved dispersibility in the paste for electrode preparation as compared with that before the modification. This conversion is estimated to be completed in about one hour after the end of the post-processing step. However, in some C—F groups, F is firmly bonded to C due to a difference in the crystallinity of carbon black, and remains without reacting with H 2 O. In addition, it is preferable to remove HF produced | generated simultaneously by vacuum deaeration after that.

このとき、後処理工程後のカーボンブラックの表面のXPS(X線光電子分光)分析により測定した、フッ素原子の炭素原子に対する割合、即ちF/C比は0.001以上0.025未満であり、0.01以上0.02以下が望ましい。また、酸素原子の炭素原子に対する割合、即ちO/C比は0.1以上0.2未満であり、0.14以上0.17未満であることが望ましい。F/C比とO/C比が上記の範囲内であれば、フッ素や炭素に由来する抵抗の上昇を抑制しつつ、電極作製用のペーストへの分散性が向上して、カーボンブラックがネットワークを形成しやすくなる。   At this time, the ratio of fluorine atoms to carbon atoms measured by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis of the surface of carbon black after the post-treatment step, that is, the F / C ratio is 0.001 or more and less than 0.025, 0.01 or more and 0.02 or less are desirable. In addition, the ratio of oxygen atoms to carbon atoms, that is, the O / C ratio is 0.1 or more and less than 0.2, and preferably 0.14 or more and less than 0.17. If the F / C ratio and the O / C ratio are within the above ranges, the dispersibility in the paste for electrode preparation is improved while suppressing the increase in resistance derived from fluorine and carbon, and carbon black is a network. It becomes easy to form.

後処理工程後のカーボンブラックのF/C比とO/C比が高く、カーボンブラックの表面にフッ素原子や酸素原子が多すぎる場合、電池の内部抵抗が上昇し、電池のサイクル特性が悪化する。その原因は明らかではないが、本発明者らは、以下のように推測する。例えば、カーボンブラックの表面のフッ素原子や酸素原子が、不純物となり、カーボンブラックの形成するネットワークにおいて、カーボンブラックとカーボンブラックの間の接触抵抗が高くなることが考えられる。また、フッ素原子や酸素原子が多すぎる場合、過度のフッ素化反応により、カーボンブラックの縮合ベンゼン環が破壊された結果、カーボンブラック上のπ電子の移動が阻害され、カーボンブラック自体の導電性が悪化することが考えられる。   When the F / C ratio and O / C ratio of the carbon black after the post-treatment process are high, and there are too many fluorine atoms and oxygen atoms on the surface of the carbon black, the internal resistance of the battery increases and the cycle characteristics of the battery deteriorate. . Although the cause is not clear, the present inventors presume as follows. For example, it is conceivable that fluorine atoms and oxygen atoms on the surface of carbon black become impurities, and in the network formed by carbon black, the contact resistance between carbon black and carbon black increases. In addition, when there are too many fluorine atoms or oxygen atoms, the condensed benzene ring of carbon black is destroyed by excessive fluorination reaction. As a result, the movement of π electrons on carbon black is inhibited, and the conductivity of carbon black itself is reduced. It is possible to get worse.

つぎに、本発明のカーボンブラックを用いた非水電解液電池について述べる。非水電解液電池用電解液と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な負極材料と、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な正極材料を用いる電気化学ディバイスを非水電解液電池と呼ぶ。   Next, a non-aqueous electrolyte battery using the carbon black of the present invention will be described. Non-aqueous electrolyte battery electrolyte, negative electrode material capable of reversibly inserting and removing alkali metal ions such as lithium ions and sodium ions, or alkaline earth metal ions, lithium ions and sodium ions An electrochemical device using a positive electrode material into which alkali metal ions or alkaline earth metal ions can be reversibly inserted and removed is called a non-aqueous electrolyte battery.

本発明の非水電解液電池は、本発明のフッ素処理されたカーボンブラックを用いることが特徴であり、その他の構成部材には一般の非水電解液電池に使用されているものが用いられる。即ち、リチウムの吸蔵及び放出が可能な正極及び負極、集電体、セパレータ、容器等から成る。   The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is characterized by using the fluorinated carbon black of the present invention, and the other components used in general non-aqueous electrolyte batteries are used. That is, it comprises a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium, a current collector, a separator, a container, and the like.

負極としては、特に限定されないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられ、正極としては、特に限定されないが、リチウムイオンやナトリウムイオンを始めとするアルカリ金属イオン、又はアルカリ土類金属イオンが可逆的に挿入−脱離可能な材料が用いられる。   The negative electrode is not particularly limited, but a material capable of reversibly inserting and desorbing alkali metal ions such as lithium ions and sodium ions or alkaline earth metal ions is used, and the positive electrode is not particularly limited. However, materials in which alkali metal ions such as lithium ions and sodium ions or alkaline earth metal ions can be reversibly inserted and removed are used.

本発明のカーボンブラックを負極の導電助剤として用いる場合、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質、結着材、カーボンブラックおよび溶媒を混合し、スラリー化したのち、電極へと塗布する。リチウムを吸蔵および放出することが可能な種々の材料としては、例えば、カチオンがリチウムの場合、負極材料としてリチウム金属、リチウムと他の金属との合金及び金属間化合物や、人造黒鉛や天然黒鉛、活性炭などの炭素材料、金属酸化物、金属窒化物等が用いられる。   When the carbon black of the present invention is used as a conductive additive for a negative electrode, a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium, a binder, carbon black and a solvent are mixed and slurried, and then applied to the electrode. To do. Various materials capable of inserting and extracting lithium include, for example, when the cation is lithium, lithium metal as an anode material, alloys and intermetallic compounds of lithium and other metals, artificial graphite and natural graphite, Carbon materials such as activated carbon, metal oxides, metal nitrides, and the like are used.

本発明のカーボンブラックを正極の導電助剤として用いる場合、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質、結着材、溶媒、とを混合し、スラリー化したのち、電極へと塗布する。リチウム電池及びリチウムイオン電池の場合、活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn24等のリチウム含有遷移金属複合酸化物、それらのリチウム含有遷移金属複合酸化物のCo、Mn、Ni等の遷移金属が複数混合したもの、それらのリチウム含有遷移金属複合酸化物の遷移金属の一部が他の遷移金属以外の金属に置換されたもの、オリビンと呼ばれるLiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4等の遷移金属のリン酸化合物、TiO2、V25、MoO3等の酸化物、TiS2、FeS等の硫化物等を用いられる。あるいはポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、及びポリピロール等の導電性高分子、活性炭、ラジカルを発生するポリマー、カーボン材料等が使用される。 When the carbon black of the present invention is used as a conductive additive for the positive electrode, a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium, a binder, and a solvent are mixed and slurried and then applied to the electrode. . In the case of a lithium battery and a lithium ion battery, examples of the active material include lithium-containing transition metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , and Co of the lithium-containing transition metal composite oxides. , A mixture of a plurality of transition metals such as Mn, Ni, etc., a part of the transition metal of the lithium-containing transition metal composite oxide substituted with a metal other than the transition metal, LiFePO 4 , LiCoPO called olivine 4, LiMnPO phosphate compound of a transition metal such as 4, TiO 2, V 2 O 5, an oxide such as MoO 3, is used to TiS 2, sulfides such as FeS or the like. Alternatively, conductive polymers such as polyacetylene, polyparaphenylene, polyaniline, and polypyrrole, activated carbon, polymers that generate radicals, carbon materials, and the like are used.

正極や負極材料に用いられる結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、SBR樹脂等が用いられる。また、溶媒としてはN−メチル−2−ピロリドン(以降「NMP」)などが用いられる。   As a binder used for the positive electrode or the negative electrode material, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, SBR resin, or the like is used. As the solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter “NMP”) or the like is used.

以下に本発明の実施例を比較例とともに挙げるが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。   Examples of the present invention are listed below together with comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

〔実施例1〕
<フッ素化カーボンブラックの作製>
カーボンブラックとして、BET比表面積1350m2/gのもの(ケッチェンブラックEC600JD,ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製)を用い、容積5LのSUS304製容器に封入し、内部を真空引きし、カーボンブラックに吸着している水分を除去した。ここに、窒素で0.05体積%に希釈したフッ素を200Torr封入し、その後30分間にわたって総流量0.5SLMで流通させた。なお、上記の反応は室温(25℃)で行った。流通終了後、容器内を窒素にて十分に置換した。その後、容器内を再び真空状態まで減圧し、一晩脱気することにより、カーボンブラックに吸着したフッ素を可能な限り除去した。続いて、容器内を大気圧まで復圧し、24時間、大気(気温25℃、相対湿度45〜50%)に曝した。これらの操作により得られた、フッ素化カーボンブラックはXPS(「PHI VersaProbe II」、アルバックファイ社製、X線源:Al、X線:AlKα線(1486.6eV)、出力:23.8W、ビーム径:100μm)にてその表面組成を測定した。また、ASTM D 3037に準拠した方法でそのBET比表面積を測定した。
[Example 1]
<Production of fluorinated carbon black>
Carbon black with a BET specific surface area of 1350 m 2 / g (Ketjen Black EC600JD, manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) is enclosed in a 5 L SUS304 container, and the inside is evacuated to carbon black. The adsorbed moisture was removed. Here, 200 Torr of fluorine diluted to 0.05% by volume with nitrogen was sealed, and then allowed to flow at a total flow rate of 0.5 SLM for 30 minutes. In addition, said reaction was performed at room temperature (25 degreeC). After the end of distribution, the inside of the container was sufficiently replaced with nitrogen. Thereafter, the inside of the container was again depressurized to a vacuum state and deaerated overnight to remove as much as possible the fluorine adsorbed on the carbon black. Subsequently, the inside of the container was restored to atmospheric pressure and exposed to the atmosphere (temperature 25 ° C., relative humidity 45-50%) for 24 hours. The fluorinated carbon black obtained by these operations is XPS (“PHI VersaProbe II”, ULVAC-PHI, X-ray source: Al, X-ray: AlKα ray (1486.6 eV), output: 23.8 W, beam The surface composition was measured at a diameter of 100 μm). Further, the BET specific surface area was measured by a method based on ASTM D 3037.

<正極の作製>
正極活物質として、LiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM)粉末及び実施例1で製造したフッ素化カーボンブラックを乾式混合し、結着材であるポリフッ化ビニリデン(以降「PVDF」)を予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、NCM合剤ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用NMC正極を得た。正極中の固形分比率は、NCM:フッ素化カーボンブラック:PVDF=85:5:10(質量比)とした。
<Preparation of positive electrode>
As the positive electrode active material, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM) powder and the fluorinated carbon black produced in Example 1 were dry-mixed to form a binder, polyvinylidene fluoride (hereinafter “ PVDF ") was uniformly dispersed in pre-dissolved NMP, mixed, and NMP for viscosity adjustment was further added to prepare an NCM mixture paste. This paste was applied on an aluminum foil (current collector), dried and pressurized, and then a test NMC positive electrode processed into a predetermined size was obtained. The solid content ratio in the positive electrode was NCM: fluorinated carbon black: PVDF = 85: 5: 10 (mass ratio).

<黒鉛負極の作製>
負極活物質として、黒鉛粉末を、結着材であるPVDFを予め溶解させたNMP中に均一に分散させ、混合し、さらに粘度調整用NMPを加え、黒鉛合剤ペーストを調製した。このペーストを銅箔(集電体)上に塗布して、乾燥、加圧を行った後に、所定のサイズに加工した試験用黒鉛負極を得た。負極中の固形分比率は、黒鉛粉末:PVDF=90:10(質量比)とした。
<Preparation of graphite negative electrode>
As a negative electrode active material, graphite powder was uniformly dispersed and mixed in NMP in which PVDF as a binder was previously dissolved, and NMP for viscosity adjustment was further added to prepare a graphite mixture paste. This paste was applied on a copper foil (current collector), dried and pressurized, and then a test graphite negative electrode processed into a predetermined size was obtained. The solid content ratio in the negative electrode was graphite powder: PVDF = 90: 10 (mass ratio).

<非水電解液電池の作製>
上記の試験用NCM正極と、試験用黒鉛負極と、セルロース製セパレータとを備えるアルミラミネート外装セル(容量30mAh)に、非水溶媒を含浸させ、非水電解液電池を得た。なお、非水溶媒としてエチレンカーボネート(以降「EC」)、プロピレンカーボネート(以降「PC」)、ジメチルカーボネート(以降「DMC」)、エチルメチルカーボネート(以降「EMC」)の体積比2:1:3:4の混合溶媒を用い、該溶媒中に溶質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(以降「LiPF6」)を1.0mol/Lの濃度となるように溶解し、電解液を調製した。なお、上記の調製は、液温を25℃に維持しながら行った。
<Preparation of non-aqueous electrolyte battery>
A nonaqueous solvent battery was obtained by impregnating an aluminum laminate outer cell (capacity 30 mAh) comprising the above test NCM positive electrode, a test graphite negative electrode, and a cellulose separator, with a nonaqueous solvent. The volume ratio of ethylene carbonate (hereinafter “EC”), propylene carbonate (hereinafter “PC”), dimethyl carbonate (hereinafter “DMC”), and ethyl methyl carbonate (hereinafter “EMC”) as the non-aqueous solvent is 2: 1: 3. : 4 was used, and lithium hexafluorophosphate (hereinafter referred to as “LiPF 6 ”) was dissolved as a solute in the solvent so as to have a concentration of 1.0 mol / L to prepare an electrolytic solution. In addition, said preparation was performed maintaining a liquid temperature at 25 degreeC.

<電池評価>
<評価1:電池の内部抵抗の測定>
実施例・比較例に係る非水電解液電池のそれぞれについて、以下の評価を実施した。
まず、作製したセルを用いて、25℃の環境温度で、以下の条件でコンディショニングを実施した。すなわち、初回充放電として、充電上限電圧4.3V、0.1Cレート(3mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧3.0Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行い、その後、充電上限電圧4.3V、0.2Cレート(6mA)で定電流定電圧充電し、放電終止電圧3.0Vまで0.2Cレート(6mA)定電流で放電を行う充放電サイクルを3回繰り返した。その後電池の内部抵抗を測定した。表1には、各実施例および比較例における内部抵抗の測定結果を記載した。なお、表1に記載の内部抵抗の数値は、比較例1の内部抵抗を100とした場合の相対値である。
<Battery evaluation>
<Evaluation 1: Measurement of battery internal resistance>
The following evaluation was implemented about each of the non-aqueous electrolyte battery which concerns on an Example and a comparative example.
First, conditioning was performed using the fabricated cell at an environmental temperature of 25 ° C. under the following conditions. That is, as the first charge / discharge, the battery is charged at a constant current and constant voltage at a charging upper limit voltage of 4.3 V and a 0.1 C rate (3 mA), and discharged at a 0.2 C rate (6 mA) constant current up to a discharge end voltage of 3.0 V. Thereafter, charging / discharging cycle is performed three times by charging at a constant current / constant voltage at a charging upper limit voltage of 4.3V and a 0.2C rate (6 mA) and discharging at a constant current of 0.2C (6 mA) to a discharge end voltage of 3.0V. Repeated. Thereafter, the internal resistance of the battery was measured. Table 1 shows the measurement results of the internal resistance in each example and comparative example. In addition, the numerical value of the internal resistance described in Table 1 is a relative value when the internal resistance of Comparative Example 1 is 100.

<評価2:高温サイクル特性の測定>
上記コンディショニングを実施後、55℃の環境温度で充電上限電圧4.3V、3Cレート(90mA)で定電流定電圧充電した後、放電終止電圧3.0Vまで3Cレート(90mA)定電流で放電し、この充放電を100サイクル繰り返した。100サイクル目の放電容量の、初期(1サイクル目)の放電容量に対する割合をサイクル容量維持率とし、セルの高温サイクル特性を評価した。なお、表1に記載の100サイクル後のサイクル特性の数値は、比較例1の100サイクル後の放電容量維持率を100とした場合の相対値である。
<Evaluation 2: Measurement of high-temperature cycle characteristics>
After performing the above conditioning, after charging at a constant current and constant voltage at an upper limit voltage of 4.3 V and a 3 C rate (90 mA) at an environmental temperature of 55 ° C., the battery is discharged at a constant current of 3 C (90 mA) to a discharge end voltage of 3.0 V. This charging / discharging was repeated 100 cycles. The ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the initial (first cycle) discharge capacity was defined as the cycle capacity retention rate, and the high temperature cycle characteristics of the cell were evaluated. In addition, the numerical value of the cycle characteristic after 100 cycles described in Table 1 is a relative value when the discharge capacity retention rate after 100 cycles of Comparative Example 1 is 100.

〔実施例2〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を2体積%にし、フッ素との接触時間を10分にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Example 2]
The same test as in Example 1 was performed except that the concentration of diluted fluorine used was 2% by volume and the contact time with fluorine was 10 minutes when producing fluorinated carbon black.

〔実施例3〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を0.5体積%にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 3
The same test as in Example 1 was performed, except that the concentration of diluted fluorine used was changed to 0.5% by volume when producing the fluorinated carbon black.

〔実施例4〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を2体積%にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 4
The same test as in Example 1 was performed except that the concentration of diluted fluorine used was 2% by volume in the production of fluorinated carbon black.

〔実施例5〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を4体積%にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 5
The same test as in Example 1 was performed except that the concentration of diluted fluorine used was changed to 4% by volume in the production of fluorinated carbon black.

〔実施例6〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、希釈フッ素と接触させる際の圧力を50Torrにした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 6
The same test as in Example 1 was performed, except that the pressure when contacting with diluted fluorine was 50 Torr in the production of fluorinated carbon black.

〔実施例7〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、希釈フッ素と接触させる際の圧力を500Torrにした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 7
In producing the fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was performed, except that the pressure when contacting with diluted fluorine was 500 Torr.

〔実施例8〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を4体積%にし、希釈フッ素と接触させる際の圧力を500Torrにした以外は、実施例4と同様の試験を行った。
Example 8
In producing fluorinated carbon black, the same test as in Example 4 was performed except that the concentration of diluted fluorine used was 4% by volume and the pressure when contacting with diluted fluorine was 500 Torr.

〔実施例9〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、BET比表面積800m2/gのカーボンブラック(ケッチェンブラックEC300J,ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 9
The same test as in Example 1 was performed except that carbon black having a BET specific surface area of 800 m 2 / g (Ketjen Black EC300J, manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd.) was used in the production of fluorinated carbon black.

〔実施例10〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、希釈フッ素と接触させる際の処理時間を90分にした以外は、実施例9と同様の試験を行った。
Example 10
The same test as in Example 9 was performed except that the treatment time for contacting with diluted fluorine was set to 90 minutes when producing the fluorinated carbon black.

〔実施例11〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、処理温度を40℃にし、処理時間を10分にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 11
In producing the fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was performed except that the treatment temperature was 40 ° C. and the treatment time was 10 minutes.

〔実施例12〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、処理温度を40℃にし、処理時間を10分にし、後処理工程にて常温の水蒸気(相対湿度100%)を30分間供給した以外は、実施例1と同様の試験を行った。
Example 12
In producing the fluorinated carbon black, the treatment temperature was set to 40 ° C., the treatment time was set to 10 minutes, and normal temperature water vapor (relative humidity 100%) was supplied for 30 minutes in the post-treatment process. A test was conducted.

〔比較例1〕
フッ素化処理工程に代えて、フッ素を含まない窒素ガスを流通させた以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 1]
Instead of the fluorination treatment step, the same test as in Example 1 was performed except that nitrogen gas not containing fluorine was circulated.

〔比較例2〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を0.005体積%にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 2]
The same test as in Example 1 was performed except that the concentration of diluted fluorine used was 0.005% by volume in the production of fluorinated carbon black.

〔比較例3〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、使用した希釈フッ素の濃度を7体積%にした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 3]
The same test as in Example 1 was performed, except that the concentration of diluted fluorine used was changed to 7% by volume when producing the fluorinated carbon black.

〔比較例4〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、フッ素の濃度を4体積%にし、酸素の濃度を10体積%とし窒素で希釈したガスを流通させる以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 4]
In producing the fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was performed, except that the fluorine concentration was 4% by volume, the oxygen concentration was 10% by volume, and a gas diluted with nitrogen was circulated.

〔比較例5〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、希釈フッ素と接触させる際の処理温度を80℃とした以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 5]
In producing the fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was conducted except that the treatment temperature when contacting with diluted fluorine was 80 ° C.

〔比較例6〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、後処理工程にて酸素ガスを供給した以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 6]
When producing fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was performed except that oxygen gas was supplied in the post-treatment process.

〔比較例7〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、後処理工程にて窒素ガスを供給した以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 7]
When producing fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was performed except that nitrogen gas was supplied in the post-treatment process.

〔比較例8〕
フッ素化カーボンブラックの作製に際し、BET比表面積800m2/gのカーボンブラックを用い、フッ素化処理工程において、フッ素を含まない窒素ガスを流通させた以外は、実施例1と同様の試験を行った。
[Comparative Example 8]
In producing the fluorinated carbon black, the same test as in Example 1 was performed except that carbon black having a BET specific surface area of 800 m 2 / g was used and nitrogen gas not containing fluorine was circulated in the fluorination treatment step. .

実施例1〜12の結果と比較例1〜8の結果より、フッ素濃度0.05〜5体積%の範囲の希釈フッ素ガスとカーボンブラックとを接触させ、気体の水と接触させる後処理工程を行うことにより、XPS分析により測定した、フッ素原子の炭素原子に対する割合、即ちF/C比が0.001以上0.025未満であり、かつ、酸素原子の炭素原子に対する割合、即ちO/C比が0.1以上0.2未満であることを特徴とするフッ素化カーボンブラックを得られることがわかる。また、これらの範囲にあるフッ素化カーボンブラックを用いて作製した非水電解液電池は、フッ素濃度が上記範囲外であるか又は酸素ガスを含む希釈フッ素による処理を施したカーボンブラックに比べて、内部抵抗値が低下しており、かつ高い放電容量維持率を維持していることがわかる。   From the results of Examples 1 to 12 and the results of Comparative Examples 1 to 8, a post-treatment step of bringing diluted fluorine gas in a range of 0.05 to 5% by volume of fluorine and carbon black into contact with gaseous water is performed. By performing the XPS analysis, the ratio of fluorine atoms to carbon atoms, that is, the F / C ratio is 0.001 or more and less than 0.025, and the ratio of oxygen atoms to carbon atoms, that is, the O / C ratio. It can be seen that a fluorinated carbon black can be obtained, wherein In addition, the non-aqueous electrolyte battery produced using the fluorinated carbon black in these ranges has a fluorine concentration outside the above range or compared with carbon black treated with diluted fluorine containing oxygen gas, It can be seen that the internal resistance value is reduced and a high discharge capacity retention rate is maintained.

一方、比較例2の結果より、フッ素濃度0.005体積%では、表面改質がほとんど進行しておらず、F/C比およびO/C値にもほとんど変化が見られず、内部抵抗値およびサイクル特性にも変化が見られなかった。また、比較例3の結果より、フッ素濃度7体積%では、F/C比およびO/C値が大きく上昇していたものの、内部抵抗値が増大し、サイクル特性が低下した。これは、フッ素濃度が高すぎ、カーボンブラックの表面の荒れが著しく、電荷の輸送を阻害したためと考えられる。   On the other hand, from the result of Comparative Example 2, when the fluorine concentration was 0.005 vol%, the surface modification hardly progressed, and the F / C ratio and the O / C value hardly changed, and the internal resistance value was There was no change in the cycle characteristics. From the results of Comparative Example 3, when the fluorine concentration was 7% by volume, the F / C ratio and the O / C value increased greatly, but the internal resistance value increased and the cycle characteristics deteriorated. This is presumably because the fluorine concentration was too high, the surface of the carbon black was extremely rough, and charge transport was inhibited.

比較例4では、フッ素と酸素を窒素で希釈したガスでカーボンブラックを処理したため、処理後カーボンブラックのO/C値が高くなり、内部抵抗値が増大し、サイクル特性が低下した。これは、フッ素と酸素によるフッ素化処理により、カーボンブラックの架橋構造が変化し、炭素−炭素間の導電パスが阻害されたため、内部抵抗値が増大したものと思われる。   In Comparative Example 4, since carbon black was treated with a gas obtained by diluting fluorine and oxygen with nitrogen, the O / C value of the treated carbon black increased, the internal resistance value increased, and the cycle characteristics deteriorated. This is probably because the fluorination treatment with fluorine and oxygen changed the cross-linked structure of carbon black and hindered the conductive path between carbon and carbon, so that the internal resistance value increased.

比較例5では、処理温度が80℃であるため、フッ素化処理が強力に進行し、処理後カーボンブラックのF/C比が大きく上昇した。フッ素化処理の際に、カーボンブラックの表面に荒れが生じたと考えられ、内部抵抗値が増大し、サイクル特性が低下した。   In Comparative Example 5, since the treatment temperature was 80 ° C., the fluorination treatment proceeded strongly, and the F / C ratio of the treated carbon black was greatly increased. During the fluorination treatment, it was considered that the surface of the carbon black was roughened, the internal resistance value increased, and the cycle characteristics deteriorated.

比較例6では、フッ素化処理後の後処理工程にて、酸素ガスにて暴露したが、比較例7と同等の高いF/C比を持ち、さらに、CF基がCOF基などに変わったり、不安定な結合状態であった末端置換基が酸化されたりしたと見られるO/C比の上昇が見られた。比較例6では、内部抵抗値が高く、サイクル特性は低下した。   In Comparative Example 6, it was exposed with oxygen gas in the post-treatment step after the fluorination treatment, but it had a high F / C ratio equivalent to that of Comparative Example 7, and the CF group was changed to a COF group or the like. An increase in the O / C ratio, which was considered to be due to oxidation of the terminal substituent that was in an unstable bond state, was observed. In Comparative Example 6, the internal resistance value was high, and the cycle characteristics deteriorated.

比較例7では、カーボンブラックをフッ素化処理後に不活性ガスにて後処理工程を行ったため、処理後カーボンブラックにフッ素成分が多量に残った上に、処理前カーボンブラックと比較してO/C比がほとんど増えていないことから、COH基やCOOH基の生成もなかったと考えられ、内部抵抗値が高く、サイクル特性も低かった。   In Comparative Example 7, since the carbon black was subjected to a post-treatment step with an inert gas after the fluorination treatment, a large amount of fluorine components remained in the carbon black after the treatment, and the O / C was compared with the carbon black before the treatment. Since the ratio was hardly increased, it was considered that no COH group or COOH group was generated, and the internal resistance value was high and the cycle characteristics were low.

Figure 2019053960
Figure 2019053960

Claims (9)

正極、負極、および電解質を有する非水電解質二次電池の導電助剤として用いられるカーボンブラックであって、
BET比表面積が300m2/g以上であって1500m2/g以下であり、
XPS分析により測定した、フッ素原子の炭素原子に対する割合、即ちF/C比が0.001以上であって0.025未満であり、かつ、酸素原子の炭素原子に対する割合、即ちO/C比が0.1以上であって0.2未満である前記カーボンブラック。
A carbon black used as a conductive aid for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte,
The BET specific surface area is 300 m 2 / g or more and 1500 m 2 / g or less,
The ratio of fluorine atoms to carbon atoms, that is, the F / C ratio is 0.001 or more and less than 0.025, and the ratio of oxygen atoms to carbon atoms, that is, the O / C ratio, is measured by XPS analysis. The carbon black which is 0.1 or more and less than 0.2.
F/C比が0.01以上であって0.025未満であり、かつ、O/C比が0.12以上であって0.19未満である請求項1記載のカーボンブラック。   The carbon black according to claim 1, wherein the F / C ratio is 0.01 or more and less than 0.025, and the O / C ratio is 0.12 or more and less than 0.19. 金属箔である集電体と、
前記集電体上に形成され、請求項1又は2に記載のカーボンブラックと、電極活物質とを含む電極層と、
からなる非水電解質二次電池用電極。
A current collector made of metal foil;
An electrode layer formed on the current collector and containing the carbon black according to claim 1 or 2 and an electrode active material,
An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
正極、負極、及び電解質を有し、
前記正極及び前記負極の何れか又は両方が請求項3に記載の非水電解質二次電池用電極である非水電解質二次電池。
Having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte;
The nonaqueous electrolyte secondary battery in which any one or both of the said positive electrode and the said negative electrode are the electrodes for nonaqueous electrolyte secondary batteries of Claim 3.
BET比表面積が350m2/g以上であって1450m2/g以下のカーボンブラックを、10℃から50℃において、フッ素ガス及び不活性ガスからなる処理ガスと接触させるフッ素化処理工程と、ここで、前記処理ガス中のフッ素ガスの濃度が0.01〜5体積%であり、
フッ素化処理後のカーボンブラックを気体の水と接触させる後処理工程と、
を含む、請求項1又は2記載のカーボンブラックの製造方法。
Carbon black having a BET specific surface area of 1450 m 2 / g or less be at 350 meters 2 / g or more, at 50 ° C. from 10 ° C., and the fluorination treatment step of contacting a process gas consisting of fluorine gas and inert gas, wherein The concentration of fluorine gas in the processing gas is 0.01 to 5% by volume,
A post-treatment step of contacting the carbon black after the fluorination treatment with gaseous water;
The manufacturing method of the carbon black of Claim 1 or 2 containing this.
フッ素化処理工程の後であって後処理工程の前に、カーボンブラックを減圧環境下におくことにより脱気工程を行う工程を含む、請求項5に記載のカーボンブラックの製造方法。   The method for producing carbon black according to claim 5, comprising a step of performing a deaeration step by placing the carbon black in a reduced pressure environment after the fluorination treatment step and before the post-treatment step. 前記後処理工程の後に、カーボンブラックを減圧環境下におくことにより脱気工程を行う工程を含む、請求項5又は6に記載のカーボンブラックの製造方法。   The method for producing carbon black according to claim 5 or 6, comprising a step of performing a deaeration step by placing the carbon black in a reduced pressure environment after the post-treatment step. 請求項1又は2記載のカーボンブラックと電極活物質を分散媒に分散させてペーストを作成する工程と、
前記ペーストを集電体に塗布し、乾燥する工程と、
を含む非水電解質二次電池用電極の製造方法。
A step of creating a paste by dispersing the carbon black according to claim 1 or 2 and an electrode active material in a dispersion medium;
Applying the paste to a current collector and drying;
The manufacturing method of the electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries containing.
前記ペーストに、さらに、結着剤と粘度調整剤とを含ませる請求項8に記載の非水電解質二次電池用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 8, further comprising a binder and a viscosity modifier in the paste.
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