JP2021084830A - Carbon sheet - Google Patents

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Abstract

To provide a sheet having sufficient strength and conductivity as an electrode and having high gas permeability.SOLUTION: A multilayered carbon sheet comprises (A) carbon nanofibers having an average diameter of less than 50 nm and (B) carbon fibers having an average diameter of 50 nm or more, in which an amount of the carbon nanofibers (A) is 0.1 mass% or more with respect to the carbon sheet. An average aspect ratio of the carbon nanofibers (A) is 50 to 105 and an average aspect ratio of the carbon fibers (B) is 10 to 103.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、カーボンシート、カーボンシートを有してなる電極、および電極を有してなる金属空気電池に関する。 The present invention relates to a carbon sheet, an electrode having a carbon sheet, and a metal-air battery having an electrode.

金属空気電池、特にリチウム空気電池は、負極活物質としてリチウム金属を使用し、正極活物質として酸素を使用している。リチウム空気電池は、正極活物質である酸素を空気から取り込むことができ、正極活物質を電池の内部に有する必要がないので、大きな電気容量を有する。リチウム空気電池は、二次電池の中で最大の理論エネルギー密度を有しているので、その実用化が期待されている。 Metal-air batteries, particularly lithium-air batteries, use lithium metal as the negative electrode active material and oxygen as the positive electrode active material. The lithium-air battery has a large electric capacity because oxygen, which is a positive electrode active material, can be taken in from the air and it is not necessary to have the positive electrode active material inside the battery. Lithium-air batteries have the highest theoretical energy density among secondary batteries, and are expected to be put into practical use.

リチウム空気電池では、正極に導電性を得るためカーボンペーパーを使用するが、リチウムイオンと酸素との電極反応がなされる表面積が小さいため、電極全体の充放電への利用効率が低くなる。この問題を解消するため、カーボンペーパーの表面に高表面積の炭素粒子(ケッチェンブラック等)を載せて複合化した正極を用いることが一般的であるが、やはり、電極反応にほとんど寄与しないカーボンペーパーが大部分を占めるため電極全体の利用効率は十分でない。
特許文献1は、ケッチェンブラックの代わりとなる、メソ孔(2〜50nm)とこのメソ孔よりも孔径の小さなマイクロ孔(2nm未満)とを含む細孔を備える多孔質炭素を提案している。しかし、これもカーボンパーパーを使用するため電極全体の利用効率は十分でない。
In a lithium-air battery, carbon paper is used to obtain conductivity for the positive electrode, but since the surface area at which the electrode reaction between lithium ions and oxygen takes place is small, the utilization efficiency of the entire electrode for charging and discharging is low. In order to solve this problem, it is common to use a composite positive electrode with high surface area carbon particles (Ketjen black, etc.) placed on the surface of the carbon paper, but again, the carbon paper that hardly contributes to the electrode reaction. Is the majority, so the utilization efficiency of the entire electrode is not sufficient.
Patent Document 1 proposes a porous carbon having pores including mesopores (2 to 50 nm) and micropores (less than 2 nm) having a pore diameter smaller than the mesopores, which is an alternative to Ketjenblack. .. However, since carbon paper is also used in this case, the utilization efficiency of the entire electrode is not sufficient.

カーボンペーパーを使用しない電極として、本発明者らは、平均直径が5〜30nmの繊維状炭素をシート化して単独で電極として利用することで大きな放電容量が得られることを見出し報告している(非特許文献1)。しかし、気体透過性が低く、電極の利用できる酸素の量が十分ではないことから、効率向上に限界が生じている。 As an electrode that does not use carbon paper, the present inventors have found and reported that a large discharge capacity can be obtained by forming a sheet of fibrous carbon having an average diameter of 5 to 30 nm and using it alone as an electrode (). Non-Patent Document 1). However, since the gas permeability is low and the amount of oxygen that can be used by the electrode is not sufficient, there is a limit to the efficiency improvement.

特開2014−17230号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-17230 K. Sakai et al., ACS Omega, 2018, 3(1), 691-697K. Sakai et al., ACS Omega, 2018, 3 (1), 691-697

本発明の1つの課題は、電極として十分な強度および導電性を有し、高い気体透過性を有するシートを提供することである。
本発明の別の課題は、高い放電容量を有する金属空気電池を提供することである。
One object of the present invention is to provide a sheet having sufficient strength and conductivity as an electrode and having high gas permeability.
Another object of the present invention is to provide a metal-air battery having a high discharge capacity.

本発明は、(A)平均直径50nm未満のカーボンナノファイバー、および(B)平均直径50nm以上のカーボンファイバーを含んでなるカーボンシートであって、
カーボンナノファイバー(A)の量が、カーボンシートに対して0.1質量%以上である多層状カーボンシートを提供する。
さらに、本発明は、このカーボンシートを有してなる電極を有する電池を提供する。
The present invention is a carbon sheet comprising (A) carbon nanofibers having an average diameter of less than 50 nm and (B) carbon fibers having an average diameter of 50 nm or more.
Provided is a multilayer carbon sheet in which the amount of carbon nanofibers (A) is 0.1% by mass or more with respect to the carbon sheet.
Furthermore, the present invention provides a battery having an electrode having the carbon sheet.

本発明の好ましい態様は、次のとおりである。
態様1:
(A)平均直径50nm未満のカーボンナノファイバー、および(B)平均直径50nm以上のカーボンファイバーを含んでなるカーボンシートであって、
カーボンナノファイバー(A)の量が、カーボンシートに対して0.1質量%以上である多層状カーボンシート。
態様2:
カーボンナノファイバー(A)の平均アスペクト比が50〜10であり、カーボンファイバー(B)の平均アスペクト比が10〜10である態様1に記載のカーボンシート。
態様3:
気体透過による圧力損失が700kPa/ms−1以下である態様1または2に記載のカーボンシート。
態様4:
カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)の合計重量に対して、カーボンナノファイバー(A)の量が0.1〜90重量%であり、カーボンファイバー(B)の量が10〜99.9重量%である態様1〜3のいずれかに記載のカーボンシート。
態様5:
態様1〜4のいずれかに記載のカーボンシートを有してなる電極。
態様6:
電池の正極である態様5に記載の電極。
態様7:
態様5または6に記載の電極を有してなる電池。
態様8:
リチウム空気電池である態様7に記載の電池。
態様9:
カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)を分散媒体に分散させ、分散液を濾過し、得られたシートを乾燥することを特徴とする態様1〜4のいずれかに記載のカーボンシートの製造方法。
Preferred embodiments of the present invention are as follows.
Aspect 1:
A carbon sheet containing (A) carbon nanofibers having an average diameter of less than 50 nm and (B) carbon fibers having an average diameter of 50 nm or more.
A multilayer carbon sheet in which the amount of carbon nanofibers (A) is 0.1% by mass or more with respect to the carbon sheet.
Aspect 2:
The carbon sheet according to aspect 1, wherein the carbon nanofiber (A) has an average aspect ratio of 50 to 10 5 , and the carbon fiber (B) has an average aspect ratio of 10 to 3.
Aspect 3:
The carbon sheet according to aspect 1 or 2, wherein the pressure loss due to gas permeation is 700 kPa / ms -1 or less.
Aspect 4:
The amount of carbon nanofibers (A) is 0.1 to 90% by weight and the amount of carbon fibers (B) is 10 to 99% by weight with respect to the total weight of the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B). The carbon sheet according to any one of aspects 1 to 3, which is 9% by weight.
Aspect 5:
An electrode having the carbon sheet according to any one of aspects 1 to 4.
Aspect 6:
The electrode according to aspect 5, which is the positive electrode of the battery.
Aspect 7:
A battery comprising the electrodes according to aspect 5 or 6.
Aspect 8:
The battery according to aspect 7, which is a lithium-air battery.
Aspect 9:
The carbon sheet according to any one of aspects 1 to 4, wherein the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B) are dispersed in a dispersion medium, the dispersion liquid is filtered, and the obtained sheet is dried. Production method.

本発明によれば、十分な機械的強度、十分な導電性、大きい表面積、高い気体透過性を有するカーボンシートが得られる。本発明のカーボンシートは、十分な湾曲性および十分な柔軟性を有しており、伸びてから破断する。本発明のカーボンシートの機械的強度および導電性は、電極として十分なものである。カーボンシートは自立膜である。
本発明のカーボンシートを正極として使用した電池は、高い放電容量を有する。正極に多孔質炭素を用いない状態で、高い放電容量を実現できる。
According to the present invention, a carbon sheet having sufficient mechanical strength, sufficient conductivity, a large surface area, and high gas permeability can be obtained. The carbon sheet of the present invention has sufficient curvature and sufficient flexibility, and breaks after being stretched. The mechanical strength and conductivity of the carbon sheet of the present invention are sufficient as an electrode. The carbon sheet is a self-supporting film.
The battery using the carbon sheet of the present invention as a positive electrode has a high discharge capacity. A high discharge capacity can be realized without using porous carbon for the positive electrode.

実施例1A、実施例1Bおよび実施例1Cにおいて得られたカーボンシートの透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the carbon sheet obtained in Example 1A, Example 1B and Example 1C. 実施例1B、実施例1Cおよび比較例1において得られたカーボンシートの機械的強度を示すグラフである。It is a graph which shows the mechanical strength of the carbon sheet obtained in Example 1B, Example 1C and Comparative Example 1. 実施例1B、実施例1C、実施例2Bおよび比較例1において得られたカーボンシートの圧力損失を示すグラフである。It is a graph which shows the pressure loss of the carbon sheet obtained in Example 1B, Example 1C, Example 2B and Comparative Example 1. 実施例1B、実施例1Cおよび比較例1で得られたカーボンシートを空気極(正極)として使用したリチウム空気電池の放電容量を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge capacity of the lithium-air battery which used the carbon sheet obtained in Example 1B, Example 1C and Comparative Example 1 as an air electrode (positive electrode). 実施例2A、実施例2Bおよび比較例1で得られたカーボンシートを空気極(正極)として使用したリチウム空気電池の放電容量を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge capacity of the lithium-air battery which used the carbon sheet obtained in Example 2A, Example 2B and Comparative Example 1 as an air electrode (positive electrode).

本発明のカーボンシートは、(A)平均直径50nm未満のカーボンナノファイバー、および(B)平均直径50nm以上のカーボンファイバーを含んでなる多層状カーボンシートである。 The carbon sheet of the present invention is a multilayer carbon sheet containing (A) carbon nanofibers having an average diameter of less than 50 nm and (B) carbon fibers having an average diameter of 50 nm or more.

カーボンシートは、カーボンナノファイバー(A)およびカーボンファイバー(B)のみからなってよく、あるいはカーボンナノファイバー(A)およびカーボンファイバー(B)以外の成分、例えば、電極触媒、バインダー、導電助剤などの添加剤を含有してもよい。 The carbon sheet may consist only of carbon nanofibers (A) and carbon fibers (B), or components other than carbon nanofibers (A) and carbon fibers (B), such as electrode catalysts, binders, conductive aids, etc. May contain the additive of.

本発明のカーボンシートは、カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)を含み、図1のTEM画像で示すように、多層状の構造を形成している。カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)の合計重量に対して、カーボンナノファイバー(A)の量が0.1〜90重量%、好ましくは1〜50重量%、より好ましくは5〜30重量%であり、カーボンファイバー(B)の量が10〜99.9重量、好ましくは、50〜90重量%、より好ましくは70〜95重量%である。カーボンナノファイバー(A)およびカーボンファイバー(B)以外の他の成分の量は、本発明の効果を損しない範囲で含むことができ、カーボンシートの重量に対して、80重量%以下、例えば0〜70重量%または1〜50重量%であってよい。 The carbon sheet of the present invention contains carbon nanofibers (A) and carbon fibers (B), and forms a multi-layered structure as shown in the TEM image of FIG. The amount of carbon nanofibers (A) is 0.1 to 90% by weight, preferably 1 to 50% by weight, more preferably 5 to 30% by weight, based on the total weight of the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B). By weight%, the amount of carbon fiber (B) is 10 to 99.9% by weight, preferably 50 to 90% by weight, and more preferably 70 to 95% by weight. The amount of the components other than the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B) can be contained within a range that does not impair the effects of the present invention, and is 80% by weight or less, for example, 0, based on the weight of the carbon sheet. It may be ~ 70% by weight or 1-50% by weight.

カーボンナノファイバー(A)を単独で使用すると、均一にカーボンファイバー繊維が密に存在するカーボンシートが製造できるが、カーボンファイバー(B)が含まれると、カーボンナノファイバー(A)あるいはカーボンファイバー(B)が分離した領域が形成される。カーボンファイバー(B)によってカーボンシートの構造体を不均一にすることにより、内部の拡散性が向上でき、シート内部の利用効率(空間体積)を上昇させ、電池の放電容量を向上させることになる。一方で、カーボンファイバー(B)を単独で使用すると構造物とならず自立したシートを製造できなくなり易い。カーボンナノファイバー(A)が含まれることにより、機械強度に優れたシートを製造することができる。 When the carbon nanofibers (A) are used alone, a carbon sheet in which the carbon fiber fibers are uniformly present can be produced, but when the carbon fibers (B) are contained, the carbon nanofibers (A) or the carbon fibers (B) can be produced. ) Is separated. By making the structure of the carbon sheet non-uniform with the carbon fiber (B), the diffusivity inside can be improved, the utilization efficiency (space volume) inside the sheet can be increased, and the discharge capacity of the battery can be improved. .. On the other hand, if the carbon fiber (B) is used alone, it does not become a structure and it tends to be impossible to manufacture an independent sheet. Since the carbon nanofiber (A) is contained, a sheet having excellent mechanical strength can be manufactured.

(A)カーボンナノファイバー
カーボンナノファイバー(A)の平均直径は、50nm未満である。カーボンナノファイバー(A)について、平均直径の上限は、45nmまたは40nm、好ましくは35nm、より好ましくは、30nmである。カーボンナノファイバー(A)について、平均直径の下限は、0.1nm、例えば0.5nm、好ましくは1nmであってよい。カーボンナノファイバー(A)の平均直径の例は、0.1〜45nm、0.2〜40nm、0.5〜35nm、または1〜30nmである。カーボンナノファイバー(A)は、単独のファイバー繊維であっても、複数の細いファイバー繊維が集まって形成されてもかまわない。
カーボンナノファイバー(A)は、本発明のカーボンシートにおいて凝集した構造を形成し、シートへの機械的強度の付与、導電性の維持や向上にかかわる。
(A) Carbon nanofibers The average diameter of carbon nanofibers (A) is less than 50 nm. For the carbon nanofiber (A), the upper limit of the average diameter is 45 nm or 40 nm, preferably 35 nm, more preferably 30 nm. For the carbon nanofiber (A), the lower limit of the average diameter may be 0.1 nm, for example 0.5 nm, preferably 1 nm. Examples of average diameters of carbon nanofibers (A) are 0.1-45 nm, 0.2-40 nm, 0.5-35 nm, or 1-30 nm. The carbon nanofiber (A) may be a single fiber fiber or may be formed by aggregating a plurality of fine fiber fibers.
The carbon nanofiber (A) forms an aggregated structure in the carbon sheet of the present invention, and is involved in imparting mechanical strength to the sheet and maintaining or improving conductivity.

カーボンナノファイバー(A)の平均アスペクト比(=ファイバー平均長さ/ファイバー平均直径)は、50〜10である。さらに、カーボンナノファイバー(A)の平均アスペクト比は、10〜10であることが好ましい。平均アスペクト比が高いカーボンナノファイバー(A)は、カーボンファイバー(B)との混合においても、凝集しやすく、製造されるカーボンシートおいて本発明の効果を発現し易い。 Carbon average aspect ratio of nanofibers (A) (= fiber average length / fiber average diameter) is 50 to 10 5. Further, the average aspect ratio of the carbon nanofiber (A) is preferably 10 2 to 10 4. The carbon nanofiber (A) having a high average aspect ratio is likely to aggregate even when mixed with the carbon fiber (B), and the effect of the present invention is likely to be exhibited in the produced carbon sheet.

図1は、本発明のカーボンシートの断面図であるが、カーボンナノファイバー(A)は、TEM像において凝集している領域が観察される。この凝集部分がカーボンファイバー(B)を結合させカーボンシートの機械的強度を高めていると考えられる。
ファイバーの平均直径および平均長さは、透過型電子顕微鏡(または光学顕微鏡)を用いて測定した200本のファイバーについての算術平均値である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the carbon sheet of the present invention, and in the carbon nanofiber (A), an agglomerated region is observed in the TEM image. It is considered that this agglomerated portion binds the carbon fibers (B) and enhances the mechanical strength of the carbon sheet.
The average diameter and average length of the fibers are arithmetic mean values for 200 fibers measured using a transmission electron microscope (or optical microscope).

カーボンナノファイバー(A)は、カーボンナノファイバーを製造する公知の方法によって得られたカーボンナノファイバー(すなわち、原料カーボンナノファイバー)であってよいが、原料カーボンナノファイバーにマイクロ波を照射するという処理に付したカーボンナノファイバー(すなわち、照射処理済みカーボンナノファイバー)であることが好ましい。 The carbon nanofiber (A) may be a carbon nanofiber (that is, a raw material carbon nanofiber) obtained by a known method for producing the carbon nanofiber, but the raw material carbon nanofiber is irradiated with microwaves. The carbon nanofibers attached to (that is, the irradiated carbon nanofibers) are preferable.

原料カーボンナノファイバーを製造する方法として、有機繊維を炭化することによってカーボンナノファイバーを製造する方法、および触媒としての金属微粒子に炭素化合物を接触させてカーボンナノファイバーを成長させる方法(気相法)が挙げられる。気相法、その中でも液パルスインジェクション法(LPI法)は、カーボンナノファイバーの工業的生産に適した方法である。 As a method for producing raw carbon nanofibers, a method for producing carbon nanofibers by carbonizing organic fibers and a method for growing carbon nanofibers by contacting a carbon compound with metal fine particles as a catalyst (gas phase method). Can be mentioned. The vapor phase method, particularly the liquid pulse injection method (LPI method), is a method suitable for industrial production of carbon nanofibers.

原料カーボンナノファイバーにマイクロ波を照射してよい。マイクロ波の照射条件は、特に限定されず、マイクロ波照射装置の出力方式や、マイクロ波の照射ムラの有無、カーボンナノファイバーの量、カーボンナノファイバーのマイクロ波の吸収率などに応じて適宜設定されうる。マイクロ波照射装置の出力は、特に限定されないが大きい方が好ましく、例えば100W以上であり、好ましくは500W以上である。たとえば、マイクロ波照射装置の出力は、100〜1500W程度であればよい。マイクロ波の照射時間も、特に限定されないが、例えば、0.1〜100分、特に1〜10分であってよい。マイクロ波の周波数は、300MHz〜300GHz(波長が1mから1mm)、好ましくは1GHz〜100GHz、例えば2.45GHzであってよい。マイクロ波の照射は、連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよいが、平均出力が同じ場合は連続的に照射することが好ましい。 The raw material carbon nanofibers may be irradiated with microwaves. The microwave irradiation conditions are not particularly limited, and are appropriately set according to the output method of the microwave irradiation device, the presence or absence of microwave irradiation unevenness, the amount of carbon nanofibers, the microwave absorption rate of carbon nanofibers, and the like. Can be done. The output of the microwave irradiation device is not particularly limited, but is preferably large, for example, 100 W or more, and preferably 500 W or more. For example, the output of the microwave irradiation device may be about 100 to 1500 W. The irradiation time of the microwave is also not particularly limited, but may be, for example, 0.1 to 100 minutes, particularly 1 to 10 minutes. The frequency of the microwave may be 300 MHz to 300 GHz (wavelength 1 m to 1 mm), preferably 1 GHz to 100 GHz, for example 2.45 GHz. Microwave irradiation may be performed continuously or intermittently, but when the average output is the same, continuous irradiation is preferable.

マイクロ波の照射により、カーボンナノファイバーの不純物(特に、灰分)含有量が小さくなり、カーボンナノファイバーの耐酸化性が高くなり、カーボンナノファイバーの親水性が高くなる。親水性が高くなるほど、カーボンナノファイバーが水に良好に分散して、得られるカーボンシートにおけるカーボンナノファイバーの分散度が高くなる。さらに、マイクロ波の照射により、カーボンナノファイバーの黒鉛化度が高くなる。 By irradiating with microwaves, the impurity (particularly ash content) content of the carbon nanofibers becomes small, the oxidation resistance of the carbon nanofibers becomes high, and the hydrophilicity of the carbon nanofibers becomes high. The higher the hydrophilicity, the better the carbon nanofibers are dispersed in water, and the higher the degree of dispersion of the carbon nanofibers in the obtained carbon sheet. Furthermore, the degree of graphitization of carbon nanofibers is increased by irradiation with microwaves.

カーボンナノファイバー(A)は、上記の製造方法にて製造できるが、例えば、単層カーボンナノチューブ(名城ナノカーボン株式会社など)からも入手することができる。 The carbon nanofiber (A) can be produced by the above-mentioned production method, but can also be obtained from, for example, single-walled carbon nanotubes (Meijo Nanocarbon Co., Ltd., etc.).

(B)カーボンファイバー
カーボンファイバー(B)の平均直径は、50nm以上である。カーボンファイバー(B)は、平均直径に応じて、カーボンナノファイバー(平均直径1000nm未満)またはカーボンマイクロファイバー(平均直径1000nm以上)と分類される場合がある。カーボンファイバー(B)について、平均直径の下限は、60nmまたは70nmであってよい。平均直径の上限は、例えば100μm、好ましくは1μm、さらに好ましくは500nm、よりさらに好ましくは200nmであってよい。カーボンファイバー(B)の平均直径の例は、50nm〜100μm、55nm〜1μm、または60nm〜200μmである。カーボンファイバー(B)は、単独のファイバー繊維であっても、複数の細いファイバー繊維が集まって形成されてもかまわない。
(B) Carbon fiber The average diameter of the carbon fiber (B) is 50 nm or more. The carbon fiber (B) may be classified as carbon nanofiber (average diameter less than 1000 nm) or carbon microfiber (average diameter 1000 nm or more) depending on the average diameter. For carbon fiber (B), the lower limit of the average diameter may be 60 nm or 70 nm. The upper limit of the average diameter may be, for example, 100 μm, preferably 1 μm, more preferably 500 nm, and even more preferably 200 nm. Examples of the average diameter of the carbon fibers (B) are 50 nm to 100 μm, 55 nm to 1 μm, or 60 nm to 200 μm. The carbon fiber (B) may be a single fiber fiber or may be formed by aggregating a plurality of fine fiber fibers.

カーボンファイバー(B)を混合することにより、製造されるシートの電極としての利用効率を高め、高い放電容量が期待できる。
カーボンファイバー(B)の平均アスペクト比(=ファイバー平均長さ/ファイバー平均直径)は、10〜10であるが、カーボンファイバー(B)の平均アスペクト比は、10〜100であることが好ましい。平均アスペクト比が高いとそれ自体が凝集し易くなり、気体透過性を損なうおそれがある。
図1は、本発明のカーボンシートの断面図であるが、カーボンファイバー(B)は、TEM像において繊維が絡まず均一に分布していることが観察される。この領域がカーボンシートの気体透過性を向上させ、電極としての利用効率を高めるものと考えられる。
By mixing the carbon fiber (B), the utilization efficiency of the manufactured sheet as an electrode can be improved, and a high discharge capacity can be expected.
The average aspect ratio of the carbon fiber (B) (= average fiber length / average fiber diameter) is 10 to 3 , but the average aspect ratio of the carbon fiber (B) is preferably 10 to 100. If the average aspect ratio is high, it tends to aggregate itself, which may impair gas permeability.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the carbon sheet of the present invention, and it is observed that the carbon fibers (B) are uniformly distributed in the TEM image without the fibers being entangled. It is considered that this region improves the gas permeability of the carbon sheet and enhances the utilization efficiency as an electrode.

カーボンファイバー(B)は、細径(例えば、1μm未満)である場合に、例えば、カーボンナノファイバー(A)と同様の方法によって製造できる。カーボンファイバー(B)にマイクロ波照射を行わないことが一般的であるが、カーボンファイバー(B)にマイクロ波照射を行ってもよい。
カーボンファイバー(B)は、太径(例えば、1μm以上)である場合に、カーボンファイバーを製造する通常の方法によって製造できる。
カーボンファイバー(B)は、上記の方法で製造できるが、例えば、製品として、ダイアリード、K223HM(三菱ケミカル株式会社製)を入手できる。
The carbon fiber (B) can be produced, for example, by the same method as the carbon nanofiber (A) when the diameter is small (for example, less than 1 μm). Generally, the carbon fiber (B) is not irradiated with microwaves, but the carbon fiber (B) may be irradiated with microwaves.
The carbon fiber (B) can be produced by a usual method for producing carbon fiber when the diameter is large (for example, 1 μm or more).
The carbon fiber (B) can be produced by the above method, and for example, Dialead and K223HM (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) can be obtained as products.

本発明において、カーボンナノファイバー(A)およびカーボンファイバー(B)は、目的において、その平均直径は記載される範囲において自由に選択し、シートを製造するものであるが、カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)との平均直径の差は、10〜100000nm、例えば20〜10000nmまたは50〜1000nmであることが好ましい。
好ましいカーボンナノファイバー(A)およびカーボンファイバー(B)の組み合わせとしては、カーボンナノファイバー(A)の平均直径が1〜40nmかつ平均アスペクト比が100〜10であり、カーボンファイバー(B)の平均直径が60〜100nmかつ平均アスペクト比が10〜10、より好ましくは、カーボンナノファイバー(A)の平均直径が2〜30nmかつ平均アスペクト比が1000〜10、カーボンファイバー(B)の平均直径が70〜90nmかつ平均アスペクト比が100〜10が挙げられる。
In the present invention, the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B) are used to produce a sheet by freely selecting the average diameter thereof within the range described for the purpose of producing the carbon nanofibers (A). The difference in average diameter between the carbon fiber (B) and the carbon fiber (B) is preferably 10 to 100,000 nm, for example, 20 to 10000 nm or 50 to 1000 nm.
As a preferable combination of the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B), the carbon nanofibers (A) have an average diameter of 1 to 40 nm and an average aspect ratio of 100 to 10 5 , and the average of the carbon fibers (B). The diameter is 60 to 100 nm and the average aspect ratio is 10 to 3 , more preferably, the average diameter of the carbon nanofiber (A) is 2 to 30 nm and the average aspect ratio is 1000 to 10 4 , and the average diameter of the carbon fiber (B). The average aspect ratio is 100 to 90 nm and the average aspect ratio is 100 to 3 .

カーボンナノファイバー(A)およびカーボンファイバー(B)は、加工された繊維であってよい。加工は、種々であってよく、例えば、カーボンナノファイバーに異種元素をドープすること、カーボンナノファイバーに金属または金属酸化物を載せること、カーボンナノファイバーが孔を有する(例えば、多孔質)ようにすること、が挙げられる。(ドープするまたは載せる)物質の例は、鉄、コバルト、ニッケル、金、白金、パラジウム、ルテニウム、マンガン、ホウ素、窒素、リン、硫黄、チタン、バナジウム、これらの酸化物などである。 The carbon nanofibers (A) and carbon fibers (B) may be processed fibers. The processing may vary, for example, doping carbon nanofibers with dissimilar elements, placing metal or metal oxides on carbon nanofibers, such that the carbon nanofibers have pores (eg, porous). To do. Examples of substances (to be doped or loaded) are iron, cobalt, nickel, gold, platinum, palladium, ruthenium, manganese, boron, nitrogen, phosphorus, sulfur, titanium, vanadium, oxides thereof and the like.

カーボンシートは、次のようにして製造することができる。カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)を分散媒体に分散させる。分散媒体の例は、有機溶媒(例えば、トルエン、エチレングリコール)である。ファイバーの分散は、超音波を用いることにより、向上する。ファイバーの分散液を濾過、特に吸引濾過する。得られたシートを乾燥して、分散媒体を除去する。シートは、自立性のペーパーであり、ピンセットで把持して持ち上げても、シートの状態を保持している。シートの製造に際してバインダーを用いる必要は無い。バインダーの無い状態で、シートにおけるファイバーは、相互に十分に絡み合い、シートを形成している。 The carbon sheet can be produced as follows. The carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B) are dispersed in a dispersion medium. An example of a dispersion medium is an organic solvent (eg, toluene, ethylene glycol). Fiber dispersion is improved by using ultrasonic waves. The fiber dispersion is filtered, especially suction filtered. The resulting sheet is dried to remove the dispersion medium. The sheet is a self-supporting paper that retains the state of the sheet even when it is gripped and lifted with tweezers. It is not necessary to use a binder in the production of the sheet. In the absence of binder, the fibers in the sheet are fully entangled with each other to form the sheet.

カーボンシートの気体透過による抵抗は、700Pacm/(cm−1cm)以下、例えば1〜600Pacm/(cm−1cm)であってよい。気体透過による抵抗が低い、すなわち気体透過性が高くなると、電極への酸素の提供量が十分になり、電極での反応効率が高くなり易い。
カーボンシートの電気伝導度σ(S/cm)は、0.1S/cm以上、例えば1〜300S/cmであってよい。導電性は高い方が好ましいが、これらの範囲では、電極での反応に十分な導電性となる。
カーボンシートの機械的強度は、破断応力が0.001MPa以上であることが好ましい。カーボンシートとして自立する十分な機械的強度が得られる。
カーボンシートの厚さは、0.001〜5mm、例えば、0.01〜1mmであってよい。
The resistance of the carbon sheet due to gas permeation may be 700 Pacm 2 / (cm 3 h -1 cm) or less, for example, 1 to 600 Pacm 2 / (cm 3 h -1 cm). When the resistance due to gas permeation is low, that is, the gas permeation is high, the amount of oxygen provided to the electrode becomes sufficient, and the reaction efficiency at the electrode tends to be high.
The electrical conductivity σ (S / cm) of the carbon sheet may be 0.1 S / cm or more, for example, 1 to 300 S / cm. Higher conductivity is preferable, but in these ranges, the conductivity is sufficient for the reaction at the electrode.
The mechanical strength of the carbon sheet is preferably such that the breaking stress is 0.001 MPa or more. Sufficient mechanical strength to stand on its own as a carbon sheet can be obtained.
The thickness of the carbon sheet may be 0.001 to 5 mm, for example 0.01 to 1 mm.

<カーボンシートの用途>
本発明のカーボンシートは、電極材料、プラスチック強化材料、ガス吸蔵材料として使用できる。カーボンシートは、電極材料であることが好ましい。カーボンシートは、カーボンファイバーの間に空間を有するので、空気(酸素)を供給する電極、すなわち、空気極を形成できる。カーボンシートは、種々のデバイスの電極として使用できるが、デバイスは電池であることが好ましい。電池の例は、一次電池または二次電池である。電池は、金属空気電池または燃料電池であることが好ましい。リチウム空気電池が特に好ましい。
<Use of carbon sheet>
The carbon sheet of the present invention can be used as an electrode material, a plastic reinforced material, and a gas storage material. The carbon sheet is preferably an electrode material. Since the carbon sheet has a space between the carbon fibers, it is possible to form an electrode for supplying air (oxygen), that is, an air electrode. The carbon sheet can be used as an electrode for various devices, but the device is preferably a battery. Examples of batteries are primary or secondary batteries. The battery is preferably a metal-air battery or a fuel cell. Lithium-air batteries are particularly preferred.

以下において、電極を有するデバイスの例として、金属空気電池、特にリチウム空気電池を挙げるが、デバイスは、金属空気電池に限定されず、種々のデバイスであってよい。 In the following, examples of the device having an electrode include a metal-air battery, particularly a lithium-air battery, but the device is not limited to the metal-air battery and may be various devices.

一般に、金属空気電池、特にリチウム空気電池は、正極と、負極と、正極と負極の間に配置された電解質と、セパレーターから構成されている。酸素透過膜が、正極上に積層されていてもよいが、本発明において、酸素透過膜を省略できる。カーボンシートが酸素透過膜として機能するからである。 Generally, a metal-air battery, particularly a lithium-air battery, is composed of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte arranged between the positive electrode and the negative electrode, and a separator. The oxygen permeable membrane may be laminated on the positive electrode, but in the present invention, the oxygen permeable membrane can be omitted. This is because the carbon sheet functions as an oxygen permeable membrane.

正極は、カーボンシートによって構成される。正極は、カーボンシートに加えて正極集電体を有していてよい。正極は、さらに、ガス拡散層を有していてよい。正極集電体の材料としては、金属材料、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼が挙げられる。正極集電体は、メッシュであってもよいが、シートであることが好ましい。例えば、正極集電体にカーボンシートを圧着することによって、正極が製造できる。 The positive electrode is composed of a carbon sheet. The positive electrode may have a positive electrode current collector in addition to the carbon sheet. The positive electrode may further have a gas diffusion layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include metal materials such as aluminum, copper, nickel, titanium, stainless steel, and nickel-plated steel. The positive electrode current collector may be a mesh, but is preferably a sheet. For example, a positive electrode can be manufactured by crimping a carbon sheet to a positive electrode current collector.

負極は、金属空気電池に使用されるものであれば、特に限定されない。負極は、一般に、負極活物質、および負極活物質を保持させた負極集電体によって構成される。負極活物質としては、リチウム、ケイ素、マンガンなどの金属を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば金属単体、合金、金属酸化物、金属窒化物等を挙げることができる。負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。負極集電体の形状としては、例えば箔状、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。 The negative electrode is not particularly limited as long as it is used for a metal-air battery. The negative electrode is generally composed of a negative electrode active material and a negative electrode current collector holding the negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it has a metal such as lithium, silicon, or manganese, and examples thereof include simple metals, alloys, metal oxides, and metal nitrides. The material of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Examples of the shape of the negative electrode current collector include a foil shape, a plate shape, a mesh (grid) shape, and the like.

電解質は、金属空気電池に使用されるものであれば、特に限定されない。電解質層は、金属(リチウム)の塩を含む有機溶媒系に代表される溶液系電解質、および金属(リチウム)の塩を含む高分子固体電解質に代表される固体系電解質いずれの形態でもよい。 The electrolyte is not particularly limited as long as it is used for a metal-air battery. The electrolyte layer may be in the form of either a solution-based electrolyte represented by an organic solvent system containing a metal (lithium) salt or a solid-based electrolyte represented by a polymer solid electrolyte containing a metal (lithium) salt.

セパレーターは、正極と負極との間に設置される。セパレーターは、正極と負極とを電気的に分離する機能を有するものであれば特に限定されるものではない。セパレーターの例は、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂からできている多孔膜および不織布、ガラス繊維からできている不織布等の絶縁材料である。 The separator is installed between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a function of electrically separating the positive electrode and the negative electrode. Examples of separators are porous membranes and non-woven fabrics made of resins such as polyethylene and polypropylene, and insulating materials such as non-woven fabrics made of glass fibers.

以下、実施例を挙げて本開示を詳しく説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下において、部または%または比は、特記しない限り、重量部または重量%または重量比を表す。
ファイバーの平均直径および平均アスペクト比は、200本のファイバーについて、透過型電子顕微鏡(または光学顕微鏡)を用いて測定した数値の算術平均値である。
Hereinafter, the present disclosure will be described in detail with reference to examples, but the present disclosure is not limited to these examples.
In the following, parts or% or ratios represent parts by weight or% by weight or ratios by weight unless otherwise specified.
The average diameter and average aspect ratio of the fibers are arithmetic mean values of numerical values measured using a transmission electron microscope (or optical microscope) for 200 fibers.

製造例において、液パルスインジェクション法(LPI法)によりカーボンナノファイバーを製造した。
製造例1: CNF20の製造
ベンゼン、フェロセン、チオフェンおよびメタノール(重量比14:1.5:0.3:84.2)の混合物である初期溶液を調製した。注入口および電気炉を備えた縦型のセラミックス製反応器を用い、流量1000cm/分で水素ガスを流通させながら、反応器の中心位置の温度が1473Kに達するまで加熱した。この温度で、シリンジを用いて100μLの初期溶液を注入口から反応器に注入し、60秒間隔で100回注入を繰り返して、平均直径20nmのカーボンナノファイバー(CNF20)(平均アスペクト比10)を生成した。
In the production example, carbon nanofibers were produced by the liquid pulse injection method (LPI method).
Production Example 1: Production of CNF20 An initial solution was prepared which was a mixture of benzene, ferrocene, thiophene and methanol (weight ratio 14: 1.5: 0.3: 84.2). Using a vertical ceramic reactor equipped with an inlet and an electric furnace , hydrogen gas was circulated at a flow rate of 1000 cm 3 / min and heated until the temperature at the center of the reactor reached 1473 K. At this temperature, 100 μL of the initial solution is injected into the reactor from the injection port using a syringe, and injection is repeated 100 times at 60-second intervals to obtain carbon nanofibers (CNF20) with an average diameter of 20 nm (average aspect ratio 10 3 ). Was generated.

製造例2: CNF80の製造
初期溶液として、ベンゼン、フェロセン、チオフェン(重量比94:5:1)の混合物を用い、水素ガスの流量を400cm/分にする以外は、製造例1と同様の手順を繰り返して、平均直径80nmのカーボンナノファイバー(CNF80)(平均アスペクト比100)を生成した。
Production Example 2: Production of CNF80 Same as Production Example 1 except that a mixture of benzene, ferrocene, and thiophene (weight ratio 94: 5: 1) is used as the initial solution and the flow rate of hydrogen gas is 400 cm 3 / min. The procedure was repeated to produce carbon nanofibers (CNF80) (average aspect ratio 100) having an average diameter of 80 nm.

実施例1A: カーボンシートCNF80 20%混合の製造
CNF20およびCNF80(CNF20とCNF80の重量比80:20)(合計10mg)を100mL三角フラスコにそれぞれを入れ、そこにエチレングリコールを20mL加え、撹拌子(C8×30;アズワン)により2〜3時間撹拌した。撹拌子は1000rpm程度で回転させ、100mL三角フラスコの壁面に当てることでせん断応力を加え繊維状炭素を分散させた。
撹拌した分散液をメンブレンフィルター(PTFE製、孔径0.1μm、直径25mm、H010A025A;ADVANTEC)を用い吸引濾過し、吸引ろ過時に投入する分散液が三角フラスコから完全になくなるまでフィルターホルダー内の分散液が途絶えることのないよう適宜補充した。
フィルターホルダー内に試料がシート状に成型し、ろ液が残っていないことを確認した後、20mLのエタノールを流すことで分散溶媒に用いたエチレングリコールを十分に洗浄した。
その後、成型した試料をメンブレンフィルターに乗せたまま取り出し、試料に触れないようにメンブレンフィルターの3辺あるいは4辺をセロハンテープなどでテフロン(登録商標)シートに固定し、収縮や変形しないように自然乾燥して、面密度約6mg/cmのCNFシート(厚さ:200μm)を得た。
Example 1A: Production of 20% mixture of carbon sheet CNF80 CNF20 and CNF80 (weight ratio of CNF20 to CNF80 80:20) (total 10 mg) were placed in a 100 mL Erlenmeyer flask, 20 mL of ethylene glycol was added thereto, and a stirrer (stir bar). The mixture was stirred with C8 × 30; AS ONE) for 2 to 3 hours. The stirrer was rotated at about 1000 rpm and applied to the wall surface of a 100 mL Erlenmeyer flask to apply shear stress and disperse fibrous carbon.
The stirred dispersion is suction-filtered using a membrane filter (PTFE, pore diameter 0.1 μm, diameter 25 mm, H010A025A; ADVANTEC), and the dispersion in the filter holder is completely eliminated from the triangular flask. Was replenished as appropriate so that it would not be interrupted.
The sample was molded into a sheet in the filter holder, and after confirming that no filtrate remained, ethylene glycol used as the dispersion solvent was thoroughly washed by flowing 20 mL of ethanol.
After that, take out the molded sample while it is placed on the membrane filter, fix the 3 or 4 sides of the membrane filter to the Teflon (registered trademark) sheet with cellophane tape so as not to touch the sample, and naturally prevent shrinkage or deformation. After drying, a CNF sheet (thickness: 200 μm) having a surface density of about 6 mg / cm 2 was obtained.

実施例1B: カーボンシートCNF80 50%混合の製造
CNF80の量を、CNF20とCNF80の合計に対して、50重量%とする以外は、実施例1Aと同様の手順を繰り返して、カーボンシートCNF80 50%混合を製造した。
Example 1B: Production of 50% mixture of carbon sheet CNF80 Carbon sheet CNF80 50% by repeating the same procedure as in Example 1A except that the amount of CNF80 is 50% by weight based on the total amount of CNF20 and CNF80. A mixture was produced.

実施例1C: カーボンシートCNF80 80%混合の製造
CNF80の量を、CNF20とCNF80の合計に対して、80重量%とする以外は、実施例1Aと同様の手順を繰り返して、カーボンシートCNF80 80%混合を製造した。
Example 1C: Production of 80% mixture of carbon sheet CNF80 Carbon sheet CNF80 80% by repeating the same procedure as in Example 1A except that the amount of CNF80 is 80% by weight based on the total amount of CNF20 and CNF80. A mixture was produced.

実施例2A: カーボンシートCF10 20%混合の製造
CNF80に代えて、平均直径10ミクロンのカーボンファイバー(三菱ケミカル製ダイアリード、K223HM、平均アスペクト比10)(CF10)を使用する以外は、実施例1Aと同様の手順を繰り返して、カーボンシートCF10 20%混合を製造した。
Example 2A: Production of 20% mixture of carbon sheet CF10 Example 1A except that carbon fiber (Mitsubishi Chemical Dialead, K223HM, average aspect ratio 10) (CF10) having an average diameter of 10 microns is used instead of CNF80. The same procedure as in the above was repeated to produce a carbon sheet CF10 20% mixture.

実施例2B: カーボンシートCF10 50%混合の製造
CNF80に代えて、CF10を使用する以外は、実施例1Bと同様の手順を繰り返して、カーボンシートCF10 50%混合を製造した。
Example 2B: Production of carbon sheet CF10 50% mixture A carbon sheet CF10 50% mixture was produced by repeating the same procedure as in Example 1B except that CF10 was used instead of CNF80.

実施例2C: カーボンシートCF10 80%混合の製造
CNF80に代えて、CF10を使用する以外は、実施例1Cと同様の手順を繰り返して、カーボンシートCF10 80%混合を製造した。
Example 2C: Production of carbon sheet CF10 80% mixture A carbon sheet CF10 80% mixture was produced by repeating the same procedure as in Example 1C except that CF10 was used instead of CNF80.

比較例1
CNF80を省く、すなわち、CNF20のみを用いる以外は、実施例1Aと同様の手順を繰り返して、カーボンシートCNF20(CNF20のみ)を製造した。
Comparative Example 1
The carbon sheet CNF20 (CNF20 only) was produced by repeating the same procedure as in Example 1A except that the CNF80 was omitted, that is, only the CNF20 was used.

試験例1: 透過型電子顕微鏡による観察
実施例1A(カーボンシートCNF80 20%混合)、実施例1B(カーボンシートCNF80 50%混合)および実施例1C(カーボンシートCNF80 80%混合)において得られたカーボンシートを透過型電子顕微鏡(JSM−6500F; 日本電子社)によって観察した。
結果(顕微鏡写真)を図1に示す。図1は、凝集体を形成していたカーボンナノファイバー(CNF)が積層し、層状のシート構造を形成しており、CNF20は凝集した状態でシート内に存在(点線丸印部)することを示している。
Test Example 1: Observation with a transmission electron microscope Carbon obtained in Example 1A (carbon sheet CNF80 20% mixture), Example 1B (carbon sheet CNF80 50% mixture) and Example 1C (carbon sheet CNF80 80% mixture) The sheet was observed with a transmission electron microscope (JSM-6500F; JEOL Ltd.).
The result (micrograph) is shown in FIG. In FIG. 1, carbon nanofibers (CNFs) forming aggregates are laminated to form a layered sheet structure, and CNF 20 is present in the sheet in an aggregated state (dotted circled portion). Shown.

試験例2: 機械的強度の測定
実施例1B(カーボンシートCNF80 50%混合)および実施例1C(カーボンシートCNF80 80%混合)において得られたカーボンシートについて、機械的強度を以下のようにして測定した。
直径35mmのシート電極を作製し、その中から30mm×5mmの試験片を3本切り出した。その試験片の上下10mmを挟みしろとして、万能材料試験機(AG−100kNXplus;島津製作所)に設置し試料が破断するまで引張強度測定を行い、変位と応力を測定した。
結果(機械的強度のグラフ)を図2に示す。図2は、カーボンシートCNF80 50%混合およびカーボンシートCNF80 80%混合はそれぞれ0.95MPaおよび0.46MPaの破断応力を有しており、十分な機械的強度を有することを示している。本発明のカーボンシートは、自立性を有しており、取り扱いに問題がない。
Test Example 2: Measurement of Mechanical Strength With respect to the carbon sheets obtained in Example 1B (carbon sheet CNF80 50% mixed) and Example 1C (carbon sheet CNF80 80% mixed), the mechanical strength was measured as follows. did.
A sheet electrode having a diameter of 35 mm was prepared, and three test pieces having a diameter of 30 mm × 5 mm were cut out from the sheet electrode. The test piece was placed on a universal material testing machine (AG-100kNXplus; Shimadzu Corporation) with a margin of 10 mm above and below the test piece, and tensile strength was measured until the sample broke, and displacement and stress were measured.
The result (graph of mechanical strength) is shown in FIG. FIG. 2 shows that the carbon sheet CNF80 50% mixture and the carbon sheet CNF80 80% mixture have breaking stresses of 0.95 MPa and 0.46 MPa, respectively, and have sufficient mechanical strength. The carbon sheet of the present invention is self-supporting and has no problem in handling.

試験例3:
圧力損失の測定(気体透過性の測定)
実施例1B(カーボンシートCNF80 50%混合)、実施例1C(カーボンシートCNF80 80%混合)、実施例2B: カーボンシートCF10 50%混合および実施例3B(カーボンシートCNF30 50%混合)において得られたカーボンシートについて、カーボンシートを断面内径11mmのセルに固定し、空気の流量100〜400cm/分で、空気の透過させることによって、圧力損失を求めた。
結果(圧力損失のグラフ)を図3に示す。図3は、カーボンシートCNF80 50%混合およびカーボンシートCNF80 80%混合はそれぞれ91Pacm/(cm−1cm)および51Pacm/(cm−1cm)の気体透過時の抵抗値を有しており、本発明のカーボンシートは十分に高い気体透過性を示している。
Test Example 3:
Measurement of pressure loss (measurement of gas permeability)
Obtained in Example 1B (carbon sheet CNF80 50% mixed), Example 1C (carbon sheet CNF80 80% mixed), Example 2B: carbon sheet CF10 50% mixed and Example 3B (carbon sheet CNF30 50% mixed). Regarding the carbon sheet, the pressure loss was determined by fixing the carbon sheet to a cell having an inner diameter of 11 mm and allowing air to permeate at an air flow rate of 100 to 400 cm 3 / min.
The result (graph of pressure loss) is shown in FIG. FIG. 3 shows the resistance values of 91 Pacm 2 / (cm 3 h -1 cm) and 51 Pacm 2 / (cm 3 h -1 cm) for gas permeation for the carbon sheet CNF80 50% mixture and the carbon sheet CNF80 80% mixture, respectively. The carbon sheet of the present invention has sufficiently high gas permeability.

試験例4: 導電率の測定
実施例1A(カーボンシートCNF80 20%混合)、実施例1B(カーボンシートCNF80 50%混合)および実施例1C(カーボンシートCNF80 80%混合)において得られたカーボンシートを用いて導電率を測定した。
長方形(10mm×20mm)形状に切断したカーボンシートの両端を導電性ペースト(ドータイトD−500、藤倉化成株式会社製)で集電体に固定した。カーボンシートの両端をポテンショスタット(HA−151、北斗電工株式会社製)に接続し、カーボンシートの両端間に異なる電圧を印加し、結果の電流を測定してI−Vプロットを得た。I−Vプロットの勾配から、カーボンシートの導電率を計算した。結果を表1に示す。表1では、それぞれが30〜300S/cmの範囲であり、本発明のカーボンシートが電極として十分な導電率を有することを示している。
Test Example 4: Measurement of conductivity The carbon sheets obtained in Example 1A (carbon sheet CNF80 20% mixed), Example 1B (carbon sheet CNF80 50% mixed) and Example 1C (carbon sheet CNF80 80% mixed) were used. The conductivity was measured using.
Both ends of the carbon sheet cut into a rectangular (10 mm × 20 mm) shape were fixed to the current collector with a conductive paste (Dotite D-500, manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.). Both ends of the carbon sheet were connected to potentiostats (HA-151, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), different voltages were applied between both ends of the carbon sheet, and the resulting current was measured to obtain an IV plot. The conductivity of the carbon sheet was calculated from the gradient of the IV plot. The results are shown in Table 1. In Table 1, each is in the range of 30 to 300 S / cm, indicating that the carbon sheet of the present invention has sufficient conductivity as an electrode.

Figure 2021084830
Figure 2021084830

試験例4: 放電容量の測定
カーボンシートを打ち抜き工具により直径16mmの円形に打ち抜いた。O拡散を可能にするカソードキャップにおいて小さな穴のある2032型コイン電池を、Arで満たされたグローブボックス内に組み立てた。リチウム金属、グラスファイバーフィルター(GF/A、Whatman)、およびCFSOLiのTEGDME溶液(TEGDME/CFSOLiのモル比=4:1)をそれぞれ対電極(負極)、セパレーター、および電解質として使用した。酸素が10cm/分の流量で供給される気密ボックスにおいて、電池を、酸素雰囲気中に10時間保持した後、電流密度50mA/g(0.3mA/cm)でLi/Liに対して2.0Vまで放電した。
結果を図4〜5に示す。図4〜5は、CNF80 80%混合シートおよびCF10 50%混合シートがそれぞれ比較例1のCNF20シートの約2.2倍および約1.4倍の放電容量を有していることから、本発明のカーボンシートを空気極(正極)として使用したリチウム空気電池が十分な放電容量を有することを示している。
Test Example 4: Measurement of discharge capacity A carbon sheet was punched into a circle with a diameter of 16 mm using a punching tool. 2032 type coin batteries with a small hole in the cathode cap that permits O 2 diffusion was assembled filled glove box Ar. Lithium metal, fiberglass filter (GF / A, Whatman), and CF 3 SO 3 Li TEGDME solution (TEGDME / CF 3 SO 3 Li molar ratio = 4: 1) were applied to the counter electrode (negative electrode), separator, and separator, respectively. Used as an electrolyte. In an airtight box where oxygen is supplied at a flow rate of 10 cm 3 / min, the battery is held in an oxygen atmosphere for 10 hours and then at a current density of 50 mA / g (0.3 mA / cm 2 ) with respect to Li / Li +. It was discharged to 2.0V.
The results are shown in FIGS. 4-5. FIGS. 4 to 5 show the present invention because the CNF80 80% mixed sheet and the CF10 50% mixed sheet have discharge capacities of about 2.2 times and about 1.4 times that of the CNF20 sheet of Comparative Example 1, respectively. It is shown that the lithium-air battery using the carbon sheet of No. 1 as an air electrode (positive electrode) has a sufficient discharge capacity.

本発明のカーボンシートは、電極材料、プラスチック強化材料、ガス吸蔵材料として使用できる。カーボンシートは、電極材料、特に空気極材料であることが好ましい。
カーボンシートは、電池を含む種々のデバイスの電極として使用できるが、電池の例は、一次電池または二次電池である。電池は、リチウム空気電池などの金属空気電池、または燃料電池であることが好ましい。
The carbon sheet of the present invention can be used as an electrode material, a plastic reinforced material, and a gas storage material. The carbon sheet is preferably an electrode material, particularly an air electrode material.
Carbon sheets can be used as electrodes for various devices, including batteries, but examples of batteries are primary or secondary batteries. The battery is preferably a metal-air battery such as a lithium-air battery or a fuel cell.

Claims (9)

(A)平均直径50nm未満のカーボンナノファイバー、および(B)平均直径50nm以上のカーボンファイバーを含んでなるカーボンシートであって、
カーボンナノファイバー(A)の量が、カーボンシートに対して0.1質量%以上である多層状カーボンシート。
A carbon sheet containing (A) carbon nanofibers having an average diameter of less than 50 nm and (B) carbon fibers having an average diameter of 50 nm or more.
A multilayer carbon sheet in which the amount of carbon nanofibers (A) is 0.1% by mass or more with respect to the carbon sheet.
カーボンナノファイバー(A)の平均アスペクト比が50〜10であり、カーボンファイバー(B)の平均アスペクト比が10〜10である請求項1に記載のカーボンシート。 The carbon sheet according to claim 1, wherein the carbon nanofiber (A) has an average aspect ratio of 50 to 10 5 , and the carbon fiber (B) has an average aspect ratio of 10 to 3. 気体透過による圧力損失が700kPa/ms−1以下である請求項1または2に記載のカーボンシート。 The carbon sheet according to claim 1 or 2, wherein the pressure loss due to gas permeation is 700 kPa / ms -1 or less. カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)の合計重量に対して、カーボンナノファイバー(A)の量が0.1〜90重量%であり、カーボンファイバー(B)の量が10〜99.9重量%である請求項1〜3のいずれかに記載のカーボンシート。 The amount of carbon nanofibers (A) is 0.1 to 90% by weight and the amount of carbon fibers (B) is 10 to 99% by weight with respect to the total weight of the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B). The carbon sheet according to any one of claims 1 to 3, which is 9% by weight. 請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンシートを有してなる電極。 An electrode having the carbon sheet according to any one of claims 1 to 4. 電池の正極である請求項5に記載の電極。 The electrode according to claim 5, which is the positive electrode of the battery. 請求項5または6に記載の電極を有してなる電池。 A battery comprising the electrode according to claim 5 or 6. リチウム空気電池である請求項7に記載の電池。 The battery according to claim 7, which is a lithium-air battery. カーボンナノファイバー(A)とカーボンファイバー(B)を分散媒体に分散させ、分散液を濾過し、得られたシートを乾燥することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のカーボンシートの製造方法。 The carbon sheet according to any one of claims 1 to 4, wherein the carbon nanofibers (A) and the carbon fibers (B) are dispersed in a dispersion medium, the dispersion liquid is filtered, and the obtained sheet is dried. Manufacturing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114457620A (en) * 2022-01-17 2022-05-10 龙游鹏辰新材料科技有限公司 Carbon paper for proton exchange membrane fuel cell and preparation method thereof

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