JP4896381B2 - Carbon material for battery electrode, production method and use thereof - Google Patents

Carbon material for battery electrode, production method and use thereof Download PDF

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Description

本発明は、充放電容量が大きく、充放電サイクル特性、大電流負荷特性に優れた非水電解質二次電池用の電極材料、それを用いた電極及び非水電解質二次電池に関し、特にリチウム二次電池の負極材、それを用いた負極及びリチウム二次電池に関する。   The present invention relates to an electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a large charge / discharge capacity, excellent charge / discharge cycle characteristics and large current load characteristics, an electrode using the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery, in particular, lithium secondary battery. The present invention relates to a negative electrode material for a secondary battery, a negative electrode using the negative electrode material, and a lithium secondary battery.

携帯機器の小型軽量化及び高性能化に伴い、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池、すなわちリチウムイオン二次電池の高容量化が益々求められている。リチウムイオン二次電池に使用する負極材料としては、主にリチウムイオンを層間に挿入可能な材料である黒鉛微粉が用いられている。黒鉛は結晶性が発達しているものほど高い放電容量を示すため、天然黒鉛を頂点とする結晶性の高い材料をリチウムイオン二次電池の負極材に使用する検討がなされている。黒鉛材料を使用したときの放電容量の理論容量は372mAh/gであるが、近年では実用領域での放電容量が350〜360mAh/gという理論容量に近い材料も開発されている。   As portable devices become smaller and lighter and have higher performance, there is an increasing demand for higher capacity lithium ion secondary batteries having high energy density, that is, lithium ion secondary batteries. As a negative electrode material used for a lithium ion secondary battery, graphite fine powder which is a material capable of inserting lithium ions between layers is mainly used. Since graphite having higher crystallinity exhibits a higher discharge capacity, studies have been made on the use of a material with high crystallinity centered on natural graphite for the negative electrode material of a lithium ion secondary battery. The theoretical capacity of the discharge capacity when using a graphite material is 372 mAh / g, but in recent years, a material close to the theoretical capacity of 350 to 360 mAh / g in the practical range has been developed.

しかし、黒鉛の結晶性が高くなるに伴い電解液の分解によると思われるクーロン効率(「1回目の放電容量/充電容量」)の低下、不可逆容量の増加が問題視されていた(J. Electrochem. Soc., 117巻, 1970年, 222〜224頁;非特許文献1)。そこでこの問題を解決すべく、結晶性の高い炭素材料の表面を非晶質炭素で覆うことにより、電解液の分解によると思われるクーロン効率の低下や不可逆容量の増加、サイクル特性の低下が抑えられ、結晶性の高い炭素材料を使用した負極材料が提案されている(特許第2643035号明細書;特許文献1、特許第2976299号明細書;特許文献2)。しかしながら、特許第2643035号明細書(特許文献1)の技術によれば、結晶性の高い炭素材料の表面にCVD法(気相法)により非晶質炭素層を形成するため、コスト面、量産性などの面で、実用上大きな問題がある。また、非晶質炭素層で覆ういわゆる二層化した負極材料では非晶質炭素層のデメリット(低容量、低クーロン効率等)の問題が残る。特許第2976299号明細書(特許文献2)などには、コールタールピッチ等で表面を被覆し熱処理を行う液相炭素化を利用したコスト面及び量産性から有望な手法が記載されているが、非晶質炭素層のデメリットは同様に残っている。   However, as the crystallinity of graphite increases, the decrease in Coulomb efficiency (“first discharge capacity / charge capacity”) and the increase in irreversible capacity, which are thought to be due to the decomposition of the electrolyte, have been regarded as problems (J. Electrochem Soc., 117, 1970, 222-224; Non-Patent Document 1). In order to solve this problem, the surface of a highly crystalline carbon material is covered with amorphous carbon to suppress the decrease in Coulomb efficiency, the increase in irreversible capacity, and the decrease in cycle characteristics, which are thought to be due to the decomposition of the electrolyte. A negative electrode material using a carbon material with high crystallinity has been proposed (Patent No. 2643035; Patent Document 1, Patent No. 2976299; Patent Document 2). However, according to the technology of Japanese Patent No. 2643035 (Patent Document 1), an amorphous carbon layer is formed on the surface of a highly crystalline carbon material by a CVD method (vapor phase method), which leads to cost and mass production. There is a big problem in practical use in terms of performance. In addition, the so-called double-layered negative electrode material covered with an amorphous carbon layer still has the disadvantages of the amorphous carbon layer (low capacity, low coulomb efficiency, etc.). Patent No. 2976299 (Patent Document 2) and the like describe a promising technique from the viewpoint of cost and mass productivity using liquid phase carbonization in which the surface is coated with coal tar pitch or the like and subjected to heat treatment. The disadvantages of the amorphous carbon layer remain as well.

また、特開2001-6662号公報(特許文献3)には、熱硬化性樹脂材料を有機溶剤に溶解させたものと黒鉛粉末を混合成形した後、熱硬化させ、次いで焼成する方法が提案されている。しかし、この方法では、熱硬化性樹脂材料が黒鉛粉末の内部まで十分に浸透しないため、熱硬化性樹脂は黒鉛粉末表面に付着するだけとなって熱硬化性樹脂と黒鉛との均質な複合体が形成できず、非晶質炭素層のデメリットは十分に解消されていない。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-6662 (Patent Document 3) proposes a method in which a thermosetting resin material dissolved in an organic solvent and graphite powder are mixed and then thermoset and then fired. ing. However, in this method, since the thermosetting resin material does not sufficiently penetrate into the inside of the graphite powder, the thermosetting resin only adheres to the surface of the graphite powder and is a homogeneous composite of the thermosetting resin and graphite. Cannot be formed, and the demerits of the amorphous carbon layer are not sufficiently eliminated.

J.Electrochem.Soc.,117巻,1970年,222〜224頁J. et al. Electrochem. Soc. 117, 1970, 222-224. 特許第2643035号明細書Japanese Patent No. 2643035 特許第2976299号明細書Japanese Patent No. 2976299 特開2001−6662号公報JP 2001-6662 A

本発明は、高結晶性黒鉛を用いた場合の問題点及び非晶質炭素層を設けた場合の問題点を解消した、放電容量が大きく、クーロン効率、サイクル特性に優れ、不可逆容量の小さい電池用電極材料を提供することを目的とする。   The present invention eliminates the problems associated with using highly crystalline graphite and the problems associated with providing an amorphous carbon layer, and has a large discharge capacity, excellent coulomb efficiency, excellent cycle characteristics, and a small irreversible capacity. An object of the present invention is to provide an electrode material.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、炭素質粒子に重合体原料としての有機化合物を均一に含浸、複合させた後に、前記有機化合物を重合させ、次いで炭化・焼成処理することにより、粒子の表面から中心部分までほぼ均一な構造を有する炭素粉が得られること、及びその炭素粉を電極材料として用いた電池は高結晶性の黒鉛粒子を用いた場合に匹敵する高い放電容量を維持しつつ、クーロン効率、サイクル特性に優れ、不可逆容量が小さくなることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる電池電極用炭素材料、その製造方法及びその用途に関する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have uniformly impregnated and compounded an organic compound as a polymer raw material into carbonaceous particles, polymerized the organic compound, and then carbonized the compound.・ By firing, carbon powder having a substantially uniform structure from the surface of the particle to the central part can be obtained, and a battery using the carbon powder as an electrode material can be obtained when highly crystalline graphite particles are used. The inventors have found that the coulomb efficiency and cycle characteristics are excellent while maintaining a comparable high discharge capacity, and that the irreversible capacity is reduced, thereby completing the present invention.
That is, this invention relates to the carbon material for battery electrodes which consists of the following structures, its manufacturing method, and its use.

1.炭素質粒子に重合体原料としての有機化合物を付着及び/または浸透させた後、前記有機化合物を重合させ、次いで1800〜3300℃の温度で熱処理して得られる均質構造を有する炭素粉を含む電池電極用炭素材料。
2.重合が、100〜500℃の温度で行われる前記1に記載の電池電極用炭素材料。
3.前記有機化合物が、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フラン樹脂、セルロース樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも1種の重合体の原料である前記1または2に記載の電池電極用炭素材料。
4.前記有機化合物がフェノール樹脂の原料である前記3に記載の電池電極用炭素材料。
5.フェノール樹脂の原料の反応時に、乾性油またはその脂肪酸を添加する前記4に記載の電池電極用炭素材料。
6.電池電極用炭素材料を構成する粒子の表面から中心部分まで黒鉛結晶組織の領域とアモルファス組織の領域が分散して存在する前記1乃至5のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
7.電池電極用炭素材料を構成する粒子を薄片に切断した断面の透過型電子顕微鏡における明視野像で、任意に選ばれる5μmの正方形領域の制限視野回折パターンにおいて、二つ以上のスポット状の回折パターンを有する黒鉛結晶組織の領域と(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる回折パターンを有するアモルファス組織の領域の比率が、面積比で99〜30:1〜70である前記6に記載の電池電極用炭素材料。
8.炭素質粒子に有機化合物を付着及び/または浸透させた後に重合する工程を複数回繰り返した後、1800〜3300℃の温度で熱処理して得られる前記1乃至7のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
9.炭素質粒子100質量部に対して、有機化合物を4〜500質量部用いる前記1乃至8のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
10.炭素質粒子100質量部に対して、有機化合物を100〜500質量部用いる前記9に記載の電池電極用炭素材料。
11.ホウ素を10〜5000ppm含有する前記1乃至10のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
12.有機化合物の重合後、ホウ素またはホウ素化合物を添加し、次いで1800〜3300℃で熱処理する前記11に記載の電池電極用炭素材料。
13.炭素質粒子が、天然黒鉛粒子、石油系ピッチコークスからなる粒子、または石炭系ピッチコークスからなる粒子である前記1乃至12のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
14.炭素質粒子の平均粒子径が10〜40μmで、平均円形度が0.85〜0.99である前記13に記載の電池電極用炭素材料。
15.繊維径2〜1000nmの炭素繊維を含む前記1乃至14のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
16.炭素繊維の少なくとも一部が炭素粉表面に付着している前記15に記載の電池電極用炭素材料。
17.炭素質粒子100質量部に対して、炭素繊維を0.01〜20質量部含む前記15または16に記載の電池電極用炭素材料。
18.炭素繊維がアスペクト比10〜15000の気相法炭素繊維である前記15乃至17のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
19.気相法炭素繊維が2000℃以上で熱処理された黒鉛系炭素繊維である前記18に記載の電池電極用炭素材料。
20.気相法炭素繊維が、内部に中空構造を有するものである前記18または19に記載の電池電極用炭素材料。
21.気相法炭素繊維が、分岐状炭素繊維を含む前記18乃至20のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
22.気相法炭素繊維のX線回折法による(002)面の平均面間隔d002が0.344nm以下である前記18乃至21のいずれかに記載の電池電極用炭素材料。
23.炭素粉が、以下の(1)〜(6)の要件の1つ以上を満足する前記1乃至22のいずれかに記載の電池電極用炭素材料:
(1)フロー式粒子像解析装置によって測定される平均円形度が0.85〜0.99、
(2)X線回折測定での(002)面のC0が0.6703〜0.6800nm、La(a軸方向の結晶子サイズ)>100nm、Lc(c軸方向の結晶子サイズ)>100nm、
(3)BET比表面積が0.2〜5m2/g、
(4)真密度が2.21〜2.23g/cm3
(5)レーザーラマンR値(レーザーラマンスペクトルによる1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比)が0.01〜0.9、
(6)レーザー回折法による平均粒子径が10〜40μm。
24.炭素質粒子を重合体原料としての有機化合物またはその溶液で処理し炭素質粒子に有機化合物を付着及び/または浸透させる工程、前記有機化合物を重合させる工程、及び1800〜3300℃の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする、均質構造を有する炭素粉を含む電池電極用炭素材料の製造方法。
25.炭素質粒子に、重合体原料としての有機化合物及び繊維径2〜1000nmの炭素繊維を含む混合物またはその溶液で処理し、炭素質粒子に有機化合物を付着及び/または浸透させ炭素繊維を接着させる工程、前記有機化合物を重合させる工程、及び1800〜3300℃の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする、均質構造を有する炭素粉の表面に炭素繊維の少なくとも一部が付着してなる電池電極用炭素材料の製造方法。
26.前記1乃至23のいずれかに記載の電池電極用炭素材料とバインダーを含む電極ペースト。
27.前記26に記載の電極ペーストの成形体からなる電極。
28.前記27に記載の電極を構成要素として含む電池。
29.前記27に記載の電極を構成要素として含む二次電池。
30.非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質を用い、前記非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質に用いられる非水系溶媒がエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、及びビニレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む前記29に記載の二次電池。
31.前記1乃至23のいずれかに記載の電池電極用炭素材料を5〜95質量%含有する燃料電池用セパレータ。
32.前記31に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池。
1. A battery comprising carbon powder having a homogeneous structure obtained by adhering and / or penetrating an organic compound as a polymer raw material to carbonaceous particles, polymerizing the organic compound, and then heat-treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C. Carbon material for electrodes.
2. 2. The carbon material for battery electrodes according to 1 above, wherein the polymerization is performed at a temperature of 100 to 500 ° C.
3. 3. The organic compound according to 1 or 2 above, wherein the organic compound is a raw material of at least one polymer selected from the group consisting of phenol resin, polyvinyl alcohol resin, furan resin, cellulose resin, polystyrene resin, polyimide resin, and epoxy resin. Carbon material for battery electrodes.
4). 4. The carbon material for battery electrodes as described in 3 above, wherein the organic compound is a raw material for phenol resin.
5). 5. The carbon material for battery electrodes as described in 4 above, wherein a drying oil or a fatty acid thereof is added during the reaction of the raw material of the phenol resin.
6). 6. The carbon material for battery electrodes according to any one of 1 to 5 above, wherein a region of a graphite crystal structure and a region of an amorphous structure are dispersed from the surface to the central portion of the particles constituting the battery electrode carbon material.
7). Two or more spot-like diffraction patterns in a limited field diffraction pattern of a 5 μm square region arbitrarily selected from a bright field image of a transmission electron microscope having a cross-section obtained by cutting particles constituting a carbon material for a battery electrode into thin pieces. 7. The battery according to 6 above, wherein the ratio of the area of the graphite crystal structure having an amorphous structure area having a diffraction pattern that appears only in one spot derived from the (002) plane is 99 to 30: 1 to 70 in area ratio. Carbon material for electrodes.
8). 8. The battery electrode according to any one of 1 to 7 above, which is obtained by repeating a polymerization step after attaching and / or infiltrating an organic compound to carbonaceous particles a plurality of times and then heat-treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C. Carbon material.
9. The carbon material for battery electrodes according to any one of 1 to 8, wherein the organic compound is used in an amount of 4 to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbonaceous particles.
10. 10. The carbon material for battery electrodes as described in 9 above, wherein 100 to 500 parts by mass of an organic compound is used with respect to 100 parts by mass of the carbonaceous particles.
11. 11. The carbon material for battery electrodes according to any one of 1 to 10 above, containing 10 to 5000 ppm of boron.
12 12. The carbon material for a battery electrode according to 11, wherein boron or a boron compound is added after the polymerization of the organic compound, and then heat treatment is performed at 1800 to 3300 ° C.
13. The carbon material for a battery electrode according to any one of 1 to 12, wherein the carbonaceous particles are natural graphite particles, particles composed of petroleum-based pitch coke, or particles composed of coal-based pitch coke.
14 14. The carbon material for battery electrodes as described in 13 above, wherein the carbonaceous particles have an average particle diameter of 10 to 40 μm and an average circularity of 0.85 to 0.99.
15. 15. The carbon material for battery electrodes according to any one of 1 to 14 above, comprising carbon fibers having a fiber diameter of 2 to 1000 nm.
16. 16. The carbon material for battery electrodes as described in 15 above, wherein at least a part of the carbon fibers adheres to the surface of the carbon powder.
17. The carbon material for battery electrodes according to 15 or 16 above, containing 0.01 to 20 parts by mass of carbon fiber with respect to 100 parts by mass of carbonaceous particles.
18. 18. The carbon material for a battery electrode according to any one of 15 to 17, wherein the carbon fiber is a vapor grown carbon fiber having an aspect ratio of 10 to 15000.
19. 19. The carbon material for battery electrodes as described in 18 above, wherein the vapor grown carbon fiber is a graphite-based carbon fiber heat-treated at 2000 ° C. or higher.
20. 20. The carbon material for battery electrodes as described in 18 or 19 above, wherein the vapor grown carbon fiber has a hollow structure inside.
21. 21. The carbon material for a battery electrode according to any one of 18 to 20, wherein the vapor grown carbon fiber includes a branched carbon fiber.
22. Battery electrode carbon material according to any one of the 18 to 21 average spacing d 002 of the vapor-grown carbon fibers by X-ray diffraction (002) plane is not more than 0.344 nm.
23. The carbon material for battery electrodes according to any one of 1 to 22, wherein the carbon powder satisfies one or more of the following requirements (1) to (6):
(1) The average circularity measured by a flow type particle image analyzer is 0.85 to 0.99,
(2) C 0 of (002) plane in X-ray diffraction measurement is 0.6703 to 0.6800 nm, La (crystallite size in the a-axis direction)> 100 nm, Lc (crystallite size in the c-axis direction)> 100 nm,
(3) A BET specific surface area of 0.2 to 5 m 2 / g,
(4) True density is 2.21 to 2.23 g / cm 3 ,
(5) Laser Raman R value (peak intensity ratio of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 by laser Raman spectrum) is 0.01 to 0.9,
(6) The average particle diameter by laser diffraction method is 10 to 40 μm.
24. Treating the carbonaceous particles with an organic compound as a polymer raw material or a solution thereof to attach and / or infiltrate the organic compound into the carbonaceous particles, polymerizing the organic compound, and heat treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C. The manufacturing method of the carbon material for battery electrodes containing the carbon powder which has a homogeneous structure characterized by including a process.
25. A process in which carbonaceous particles are treated with a mixture containing an organic compound as a polymer raw material and carbon fibers having a fiber diameter of 2 to 1000 nm or a solution thereof, and the carbonaceous particles are adhered and / or permeated to adhere the carbon fibers. A battery electrode comprising at least a part of carbon fibers attached to the surface of a carbon powder having a homogeneous structure, the method comprising polymerizing the organic compound and heat treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C. Carbon material manufacturing method.
26. The electrode paste containing the carbon material for battery electrodes in any one of said 1 thru | or 23, and a binder.
27. The electrode which consists of a molded object of the electrode paste of said 26.
28. A battery comprising the electrode according to 27 as a constituent element.
29. A secondary battery including the electrode according to 27 as a constituent element.
30. A non-aqueous electrolyte and / or a non-aqueous polymer electrolyte is used, and the non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte and / or non-aqueous polymer electrolyte is ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propylene carbonate, butylene. 30. The secondary battery as described in 29 above, comprising at least one selected from the group consisting of carbonate and vinylene carbonate.
31. 24. A fuel cell separator containing 5 to 95% by mass of the carbon material for battery electrodes according to any one of 1 to 23 above.
32. 32. A fuel cell using the fuel cell separator as described in 31 above.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明においては、炭素質粒子に重合体原料としての有機化合物を十分に付着及び/または浸透させた後、前記有機化合物を重合させ、これを炭化・焼成処理することによりにより中心部から表面部にわたって実質的に均質な構造を有する炭素粉を調製する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the present invention, after sufficiently adhering and / or penetrating an organic compound as a polymer raw material to the carbonaceous particles, the organic compound is polymerized, and this is carbonized and fired to obtain a surface portion from the central portion. A carbon powder having a substantially homogeneous structure is prepared.

[1]炭素質粒子
本発明において核として使用する炭素質粒子の種類はリチウムイオンが挿入放出可能であれば特に限定されない。リチウムイオン挿入放出量ができるだけ大きい方が好ましく、そのような観点から、天然黒鉛のような高結晶性黒鉛が好ましい。高結晶性黒鉛としては、X線回折測定での(002)面のC0が0.6703〜0.6800nm(平均面間隔d002換算で0.33515〜0.3400nm)、La(a軸方向の結晶子サイズ)>100nm、Lc(c軸方向の結晶子サイズ)>100nmであり、レーザーラマンR値0.01〜0.9(R値:レーザーラマンスペクトルによる1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比)のものが好ましい。
[1] Carbonaceous particles The type of carbonaceous particles used as nuclei in the present invention is not particularly limited as long as lithium ions can be inserted and released. The lithium ion insertion / release amount is preferably as large as possible. From such a viewpoint, highly crystalline graphite such as natural graphite is preferable. As high crystalline graphite, C 0 of (002) plane in X-ray diffraction measurement is 0.6703 to 0.6800 nm (average plane spacing d 002 is 0.33515 to 0.3400 nm), La (crystallite size in a-axis direction)> 100 nm, a> 100 nm (crystallite size in the c-axis direction) Lc, laser Raman R value 0.01 to 0.9: those (R value 1360cm peak intensity ratio of -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 by laser Raman spectrum) preferable.

また、炭素質粒子としては、後工程の1800〜3300℃での加熱処理により黒鉛化する易黒鉛化炭素材料(ソフトカーボン)からなる粒子も使用できる。具体的には、石油系ピッチコークス、石炭系ピッチコークスなどのコークス類からなる粒子等が挙げられる。   Further, as the carbonaceous particles, particles made of a graphitizable carbon material (soft carbon) that is graphitized by a heat treatment at 1800 to 3300 ° C. in the subsequent step can also be used. Specific examples include particles made of coke such as petroleum pitch coke and coal pitch coke.

炭素質粒子は、塊状、鱗片状、球状、繊維状等のいずれの形状を有するものも使用できるが、好ましくは球状、塊状の形状を有するものがよい。この核となる炭素質粒子はフロー式粒子像解析装置によって測定される平均円形度が0.85〜0.99であることが好ましい。平均円形度が0.85より小さいと、電極用炭素材料としたときの炭素粉の電極成形時の充填密度が上がらないため体積当たりの放電容量が低下する。また、平均円形度が0.99より大きい場合は、微粉部分は円形度が低いため微粉部分がほとんど含まれないことになり、電極成形時の放電容量が上がらない。さらに、前記平均円形度0.90未満の粒子の含有率が2〜20個数%の範囲に制御されていることが好ましい。平均円形度は、例えば、メカノフージョン(表面融合)処理のような粒子形状制御装置を使用して調整することができる。   As the carbonaceous particles, those having any shape such as a lump shape, a scale shape, a sphere shape, and a fiber shape can be used, but those having a spherical shape and a lump shape are preferable. The carbonaceous particles as the core preferably have an average circularity of 0.85 to 0.99 as measured by a flow type particle image analyzer. When the average circularity is less than 0.85, the packing density at the time of forming the carbon powder when the electrode carbon material is used does not increase, and the discharge capacity per volume decreases. On the other hand, when the average circularity is larger than 0.99, the fine powder portion has a low circularity, and therefore the fine powder portion is hardly included, and the discharge capacity at the time of forming the electrode does not increase. Furthermore, it is preferable that the content ratio of particles having an average circularity of less than 0.90 is controlled in the range of 2 to 20% by number. The average circularity can be adjusted using, for example, a particle shape control device such as a mechano-fusion (surface fusion) process.

炭素質粒子は、レーザー回析散乱法による平均粒子径が10〜40μmであることが好ましい。より好ましくは10〜30μmである。また、1μm以下及び/または80μm以上の粒子を実質的に含まない粒度分布がよい。これは粒度が大きいと、電極用炭素材料としたときの炭素粉の粒度も大きくなって、二次電池負極材として用いた場合に充放電反応によって微粒子化が生じ、サイクル特性が低下するからである。また、粒度が小さいとリチウムイオンと電気化学的な反応に効率よく関与できない粒子となり、容量、サイクル特性が低下する。   The carbonaceous particles preferably have an average particle size of 10 to 40 μm as measured by a laser diffraction scattering method. More preferably, it is 10-30 micrometers. Moreover, the particle size distribution which does not substantially contain particles of 1 μm or less and / or 80 μm or more is good. This is because when the particle size is large, the particle size of the carbon powder when used as a carbon material for an electrode also increases, and when used as a secondary battery negative electrode material, fine particles are generated due to a charge / discharge reaction, resulting in a decrease in cycle characteristics. is there. On the other hand, when the particle size is small, the particles cannot efficiently participate in the electrochemical reaction with lithium ions, and the capacity and cycle characteristics are lowered.

粒度分布を調整するためには公知の粉砕方法、分級方法を利用することができる。粉砕装置としては、具体的にはハンマーミル、ジョークラッシャー、衝突式粉砕器等が挙げられる。また、分級方法としては、気流分級、篩による分級が可能である。気流分級装置としては、例えばターボクライファイヤー、ターボプレックス等が挙げられる。   In order to adjust the particle size distribution, known pulverization methods and classification methods can be used. Specific examples of the pulverizer include a hammer mill, a jaw crusher, and a collision pulverizer. As a classification method, airflow classification or classification using a sieve is possible. Examples of the airflow classifying device include a turbo cryfire and a turboplex.

炭素質粒子は、透過型電子顕微鏡における明視野像で結晶質(黒鉛結晶性)炭素部分と非晶質(アモルファス性)炭素部分の両者を有するものであってもよい。透過型電子顕微鏡の技術は古くから炭素材料の構造解析に使用されてきた。なかでも結晶面を格子像として特に六角網面を002格子像として観察できる高分解能技術によって約40万倍以上に拡大することにより炭素の積層構造を直接観察できる。そのため炭素のキャラクタリゼーションの有力な手法として、結晶質炭素部分と非晶質炭素部分を透過型電子顕微鏡により解析することができる。   The carbonaceous particles may have both a crystalline (graphite crystalline) carbon portion and an amorphous (amorphous) carbon portion in a bright field image in a transmission electron microscope. Transmission electron microscope technology has long been used for structural analysis of carbon materials. In particular, the carbon laminate structure can be directly observed by enlarging it to about 400,000 times or more by a high resolution technique capable of observing a crystal plane as a lattice image, particularly a hexagonal network as a 002 lattice image. Therefore, as an effective method for characterizing carbon, a crystalline carbon portion and an amorphous carbon portion can be analyzed by a transmission electron microscope.

具体的には、明視野画像の中の判別すべき領域について、制限視野電子回折(SAD)を実施し、そのパターンから判別を行う。詳細は、「最新の炭素材料実験技術(分析・解析編)」,炭素材料学会編(サイペック(株)),18〜26頁,44〜50頁、稲垣道夫他,「改訂 炭素材料入門」,炭素材料学会編,29〜40頁に記載されている。   Specifically, limited-field electron diffraction (SAD) is performed on a region to be discriminated in the bright-field image, and discrimination is performed from the pattern. For details, see “Latest Carbon Materials Experimental Technology (Analysis and Analysis)”, Carbon Materials Society (Sipec Co., Ltd.), pages 18 to 26, pages 44 to 50, Michio Inagaki et al., “Introduction to Revised Carbon Materials”, It is described in pages 29 to 40 of the Carbon Materials Society.

結晶質の領域とは、例えば易黒鉛化炭素の2800℃処理における回折パターンの特徴を示すものを指し(制限視野回折パターンにおいて、二つ以上のスポット状の回折パターンを示す)、非晶質の領域とは、例えば難黒鉛化炭素の1200〜2800℃処理における回折パターンの特徴、すなわち、制限視野回折パターンにおいて、(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる回折パターンを示すものを指す。   The crystalline region refers to, for example, those showing characteristics of diffraction patterns of graphitized carbon treated at 2800 ° C. (in the limited field diffraction pattern, showing two or more spot-like diffraction patterns), amorphous The region refers to, for example, a characteristic of a diffraction pattern obtained by processing 1200 to 2800 ° C. of non-graphitizable carbon, that is, a region showing a diffraction pattern that appears only in one spot derived from the (002) plane in a limited field diffraction pattern.

この場合の炭素質粒子は、透過型電子顕微鏡における明視野像で結晶質炭素部分と非晶質炭素部分の比率が面積比で95〜50:5〜50の範囲のものが好ましい。より好ましくは、90〜50:10〜50の範囲である。炭素質粒子の結晶質炭素部分と非晶質炭素部分の比率が50:50より小さいと、負極材として高い放電容量が得られない。また、結晶質炭素部分と非晶質炭素部分の比率が95:5より大きいと、結晶質の炭素部分が多いため表面を完全に炭素層で覆い尽くさないとクーロン効率、サイクル特性が低下する一方、表面を完全に覆い尽くすと、いわゆる二層化の問題を生じ、容量が低下してしまう。   In this case, the carbonaceous particles preferably have a ratio of the crystalline carbon portion to the amorphous carbon portion in the range of 95 to 50: 5 to 50 in a bright field image in a transmission electron microscope. More preferably, it is the range of 90-50: 10-50. When the ratio of the crystalline carbon portion to the amorphous carbon portion of the carbonaceous particles is smaller than 50:50, a high discharge capacity cannot be obtained as a negative electrode material. On the other hand, if the ratio of the crystalline carbon part to the amorphous carbon part is larger than 95: 5, the coulomb efficiency and cycle characteristics are deteriorated unless the surface is completely covered with the carbon layer because there are many crystalline carbon parts. If the surface is completely covered, a so-called double layering problem occurs, and the capacity decreases.

[2]有機化合物
本発明で用いる有機化合物は、重合体の原料である。重合体原料を用いることにより核となる炭素質粒子の内部まで均一に浸透させることができる。重合体そのものを用いた場合では、分子量及び粘性が高いため、重合体原料を用いた場合に比べて炭素質粒子の内部まで均一に浸透させることができず、結果として電極材としての良好な特性は得られない。
[2] Organic Compound The organic compound used in the present invention is a raw material for the polymer. By using the polymer raw material, it is possible to uniformly infiltrate the inside of the carbonaceous particles as the core. When the polymer itself is used, the molecular weight and viscosity are high, so it cannot be uniformly penetrated into the carbonaceous particles compared to the case of using the polymer raw material, and as a result, good characteristics as an electrode material Cannot be obtained.

この有機化合物を重合してなる重合体は、炭素質粒子及び/または繊維状炭素に接着性を有するものが好ましい。接着性を有する重合体とは、炭素質粒子及び繊維状炭素を離れないように接触させた状態とするためにその両物体の間に介在することで共有結合、ファンデルワールス力、水素結合等の化学接着、アンカー効果などの物理的吸着を含めて両物体を一体化した状態にするものである。混合、撹拌、溶媒除去、熱処理等の処理において、実質的に剥離が起きない程度に圧縮、曲げ、剥離、衝撃、引っ張り、引き裂き等の力に対して抵抗力を示すものであれば使用できる。例えば、重合体としては、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フラン樹脂、セルロース樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも1種がよい。好ましくは、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール樹脂であり、特に好ましいのはフェノール樹脂である。   The polymer obtained by polymerizing the organic compound is preferably one having adhesion to carbonaceous particles and / or fibrous carbon. An adhesive polymer is a covalent bond, van der Waals force, hydrogen bond, etc. by interposing between the two bodies in order to keep the carbonaceous particles and fibrous carbon in contact with each other. Both objects are integrated, including physical adhesion such as chemical bonding and anchor effect. In the processing such as mixing, stirring, solvent removal, and heat treatment, any material can be used as long as it exhibits resistance to forces such as compression, bending, peeling, impact, pulling, and tearing to such an extent that peeling does not occur. For example, the polymer is preferably at least one selected from the group consisting of phenol resin, polyvinyl alcohol resin, furan resin, cellulose resin, polystyrene resin, polyimide resin, and epoxy resin. Preferable are phenol resin and polyvinyl alcohol resin, and particularly preferable is phenol resin.

フェノール樹脂は、焼成することにより緻密な炭素質材料となる。これは、フェノール樹脂原料の不飽和結合の部分が化学反応を起こし、フェノール樹脂となり、これがさらに熱処理(または焼成)過程において分解を和らげ、発泡を防ぐことによると推測される。   The phenol resin becomes a dense carbonaceous material by firing. This is presumed to be because the unsaturated bond portion of the phenol resin raw material undergoes a chemical reaction to become a phenol resin, which further eases decomposition and prevents foaming in the heat treatment (or calcination) process.

フェノール樹脂としては、ノボラック型やレゾール型のフェノール樹脂、及びそれらを一部変性してなる変性フェノール樹脂が使用できる。   As the phenol resin, a novolak-type or resol-type phenol resin and a modified phenol resin obtained by partially modifying them can be used.

このようなフェノール樹脂を調製するための原料有機化合物としては、フェノール類、アルデヒド類及び必要な触媒、架橋剤等が挙げられる。
フェノール類とはフェノール及びフェノールの誘導体を意味し、フェノール、クレゾール、キシレノール、C20以下のアルキル基を有するアルキルフェノールの他、ビスフェノールA等の4官能性のものなどが挙げられる。アルデヒド類としては、入手性、経済性等からホルムアルデヒド、特にホルマリンが最適であるが、パラホルムアルデヒドのような形態のものも使用可能である。反応触媒としては、ヘキサメチレンジアミン等のようにフェノールとベンゼン核の間に−NCH2結合を生成するような塩基性物質を用いることができる。
Examples of the raw material organic compound for preparing such a phenol resin include phenols, aldehydes, necessary catalysts, and crosslinking agents.
Phenols mean phenol and phenol derivatives, and examples thereof include phenol, cresol, xylenol, alkylphenol having a C20 or lower alkyl group, and tetrafunctional compounds such as bisphenol A. As aldehydes, formaldehyde, especially formalin is most suitable from the viewpoint of availability, economy, etc., but a form such as paraformaldehyde can also be used. As the reaction catalyst, a basic substance that generates a —NCH 2 bond between a phenol and a benzene nucleus, such as hexamethylenediamine, can be used.

フェノール樹脂の中でも、乾性油またはその脂肪酸を混合したいわゆる変性フェノール樹脂が好ましい。乾性油またはその脂肪酸を混合することにより、焼成過程における発泡がさらに抑えられ、より緻密な炭素質層が得られる。   Among the phenol resins, a so-called modified phenol resin in which a drying oil or a fatty acid thereof is mixed is preferable. By mixing the drying oil or its fatty acid, foaming in the firing process is further suppressed, and a denser carbonaceous layer can be obtained.

乾性油またはその脂肪酸を混合したフェノール樹脂としては、先にフェノール類と乾性油とを強酸触媒存在下に付加反応させ、その後に塩基性触媒を加えて系を塩基性とし、ホルマリンを付加反応させたもの、またはフェノール類とホルマリンを反応させ、その後に乾性油またはその脂肪酸を加えたものでよい。   As a phenol resin mixed with drying oil or its fatty acid, phenol and drying oil are first added in the presence of a strong acid catalyst, then a basic catalyst is added to make the system basic, and formalin is added. Or a product obtained by reacting phenols with formalin and then adding a drying oil or a fatty acid thereof.

乾性油は薄膜にして空気中に放置すると比較的短時間に固化乾燥する性質を有する植物油であり、通常知られている桐油、アマニ油、脱水ヒマシ油、大豆油、カシューナッツ油等であり、これらはその脂肪酸でもよい。
フェノール樹脂に対する乾性油またはその脂肪酸の割合は、例えば、フェノールとホルマリンとの縮合物100質量部に対し、乾性油またはその脂肪酸5〜50質量部が適する。50質量部より多くなると、核となる炭素質粒子及び繊維状炭素に対する接着性が下がる。
Dry oil is a vegetable oil that has the property of solidifying and drying in a relatively short time when left in the air as a thin film, such as commonly known tung oil, linseed oil, dehydrated castor oil, soybean oil, cashew nut oil, etc. May be its fatty acid.
As for the ratio of the drying oil or its fatty acid to the phenol resin, for example, 5 to 50 parts by mass of the drying oil or its fatty acid is suitable for 100 parts by mass of the condensate of phenol and formalin. When the amount is more than 50 parts by mass, the adhesion to the carbonaceous particles and the fibrous carbon serving as nuclei is lowered.

[3]有機化合物の付着及び/または浸透、及び重合
炭素質粒子に有機化合物を付着及び/または浸透させるには、有機化合物またはその溶液に炭素質粒子を分散、撹拌させることにより行うことができる。
炭素質粒子の内部まで均一に浸透するためには、有機化合物を低粘度の溶液として使用することが好ましい。溶液に用いる溶媒としては、重合体原料が溶解及び/または分散する溶媒であれば特に限定されないが、水、アセトン、エタノール、アセトニトリル、酢酸エチル等が挙げられる。
[3] Adhesion and / or penetration and polymerization of organic compound The adhesion and / or penetration of the organic compound to the carbonaceous particles can be performed by dispersing and stirring the carbonaceous particles in the organic compound or a solution thereof. .
In order to uniformly penetrate into the carbonaceous particles, it is preferable to use an organic compound as a low viscosity solution. The solvent used in the solution is not particularly limited as long as the polymer raw material is dissolved and / or dispersed, and examples thereof include water, acetone, ethanol, acetonitrile, ethyl acetate and the like.

黒鉛類粉末との親和性に劣る溶媒(例えば、水など)を用いる場合には、黒鉛類粉末に表面酸化等の予備処理を施してから使用することができる。表面酸化方法は、空気酸化、硝酸等による処理、重クロム酸カリウム水溶液処理など既知の方法が使用できる。   In the case of using a solvent (for example, water) having poor affinity with the graphite powder, the graphite powder can be used after being subjected to a pretreatment such as surface oxidation. As the surface oxidation method, a known method such as air oxidation, treatment with nitric acid, potassium dichromate aqueous solution treatment, or the like can be used.

炭素質粒子の内部の空隙部分に有機化合物またはその溶液を十分に浸透させるために、撹拌前や撹拌中に1回から十数回の真空引きを行うことができる。真空引きをすることにより、炭素質粒子の微細空隙に留まっている空気を抜くことができる。ただし、真空引きにより有機化合物が揮発することがあるので、炭素質粒子と溶媒を混合してから真空引きを行い、常圧に戻した後、有機化合物を加えて混合することもできる。真空の程度は低いほど良いが、約13kPa〜0.13kPa(約100Torr〜1Torr)が好ましい。   In order to sufficiently penetrate the organic compound or a solution thereof into the voids inside the carbonaceous particles, vacuuming can be performed once to dozen times before or during stirring. By evacuating, the air remaining in the fine voids of the carbonaceous particles can be extracted. However, since the organic compound may be volatilized by evacuation, the evacuation is performed after mixing the carbonaceous particles and the solvent, and after returning to normal pressure, the organic compound can be added and mixed. The lower the degree of vacuum, the better, but about 13 kPa to 0.13 kPa (about 100 Torr to 1 Torr) is preferable.

付着及び/または浸透時の雰囲気としては、大気圧下、加圧下、減圧下のいずれであっても良いが、炭素質粒子と有機化合物の親和性が向上することから減圧下で付着させる方法が好ましい。   The atmosphere at the time of adhesion and / or infiltration may be any of atmospheric pressure, pressure, and reduced pressure. However, since the affinity between the carbonaceous particles and the organic compound is improved, there is a method of attaching under reduced pressure. preferable.

重合体原料としての有機化合物の使用量は、炭素質粒子100質量部に対して4〜500質量部が好ましく、さらに好ましくは100〜500質量部である。有機化合物の使用量が少なすぎると十分な性能が得られず、多すぎると粒子同士が凝集してしまい好ましくない。   As for the usage-amount of the organic compound as a polymer raw material, 4-500 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of carbonaceous particles, More preferably, it is 100-500 mass parts. If the amount of the organic compound used is too small, sufficient performance cannot be obtained.

上記処理後、有機化合物を重合させる。重合条件は、重合反応が進行するものであれば特に限定されないが、通常、加熱により行う。加熱温度も用いる重合体原料によって異なり、一概に規定できないが、例えば100〜500℃の範囲で行うことができる。   After the treatment, the organic compound is polymerized. The polymerization conditions are not particularly limited as long as the polymerization reaction proceeds. Usually, the polymerization is performed by heating. The heating temperature also varies depending on the polymer raw material to be used, and cannot be generally defined, but can be performed in the range of 100 to 500 ° C, for example.

本発明においては、炭素質粒子に有機化合物を付着及び/または浸透させた後に重合する工程を、複数回繰り返すこともできる。これにより、不十分な付着及び/または浸透部分を限りなく少なくすることができる。   In the present invention, the step of polymerizing after attaching and / or infiltrating the organic compound to the carbonaceous particles can be repeated a plurality of times. Thereby, an insufficient adhesion and / or penetration portion can be reduced as much as possible.

次に、有機化合物としてフェノール樹脂原料を用いて、炭素質粒子に付着及び/または浸透させる場合を具体的に説明する。
まず、反応容器にフェノール類、アルデヒド類及び反応触媒と炭素質粒子を加えて撹拌する。このとき、溶媒として少なくとも撹拌可能な量の水を存在させることが好ましい。フェノール類とアルデヒド類の配合比率はモル比でフェノール類1に対してアルデヒド類1〜3.5の範囲内に設定することが好ましい。さらに炭素質粒子はフェノール類100質量部に対して5〜3000質量部の範囲内に設定することが好ましい。
撹拌前及び/または撹拌中に、前述したように1回から十数回の真空引きを行うことができる。ただし、真空にするとフェノール類、アルデヒド類が多く揮発するので、炭素質粒子を水と混合してから真空引きを行い、常圧に戻した後フェノール類とアルデヒド類を加えて混合することもできる。
Next, the case where a phenol resin raw material is used as the organic compound to adhere and / or permeate the carbonaceous particles will be specifically described.
First, phenols, aldehydes, a reaction catalyst and carbonaceous particles are added to a reaction vessel and stirred. At this time, it is preferable that at least a stirrable amount of water is present as a solvent. The blending ratio of phenols and aldehydes is preferably set within a range of aldehydes 1 to 3.5 with respect to phenols 1 in terms of molar ratio. Further, the carbonaceous particles are preferably set within a range of 5 to 3000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of phenols.
Prior to and / or during agitation, evacuation can be performed from one to a dozen times as described above. However, since a lot of phenols and aldehydes volatilize when evacuated, the carbonaceous particles can be mixed with water and then evacuated. After returning to normal pressure, the phenols and aldehydes can be added and mixed. .

上記撹拌処理により、重合体原料を炭素質粒子に十分付着、浸透させた後、重合させる。重合は、一般的なフェノール樹脂の製造条件と同等の条件、例えば100〜500℃に加熱処理することにより行うことができる。
フェノール類、アルデヒド類、触媒類、炭素質粒子、水の混合を実施すると、反応系は反応当初マヨネーズ程度の粘度を有しているが、次第に炭素質粒子を含んだフェノール類とアルデヒド類との縮合反応物が反応系中の水と分離し始める。所望するまで反応が進んだ後、撹拌を停止させ、冷却すると黒色粒子が沈殿物として生成する。これを洗浄、ろ過して使用することができる。
The polymer raw material is sufficiently adhered and infiltrated into the carbonaceous particles by the stirring treatment, and then polymerized. Polymerization can be performed by heat-treating to conditions equivalent to general phenol resin production conditions, for example, 100 to 500 ° C.
When mixing phenols, aldehydes, catalysts, carbonaceous particles and water, the reaction system has a viscosity of about mayonnaise at the beginning of the reaction, but gradually the phenols containing carbonaceous particles and aldehydes The condensation reaction product begins to separate from the water in the reaction system. After the reaction has progressed to the desired level, stirring is stopped and cooling produces black particles as a precipitate. This can be used after washing and filtration.

樹脂類の析出量は、反応系のフェノール類、アルデヒド類の濃度を高めることで多くすることができ、濃度を低めることで少なくすることができる。従って、その制御は水の量を加減すること、またフェノール類、アルデヒド類を加減することにより行うことができる。これらは反応前に調整しておくことの他に、反応中に系内に滴下することにより調整することもできる。   The amount of resin precipitation can be increased by increasing the concentration of phenols and aldehydes in the reaction system, and can be decreased by decreasing the concentration. Therefore, the control can be performed by adjusting the amount of water, and by adjusting phenols and aldehydes. In addition to being adjusted before the reaction, these can also be adjusted by dropping into the system during the reaction.

[4]炭素繊維
本発明の電池電極用炭素材料は、炭素繊維を含有していてもよい。その場合、特に電池電極用炭素材料を構成する炭素粉の表面に少なくとも一部の炭素繊維が付着していることが好ましい。
炭素繊維としては、導電性が高く、繊維径が細く、アスペクト比が大きいという理由から、気相成長法で製造されたいわゆる気相法炭素繊維が好ましい。また気相法炭素繊維の中でも、導電性がより高い方が好ましく、結晶化度の高いものが望ましい。また、本発明炭素材料をリチウムイオン電池等の負極材として用いる場合には、負極全体に素早く電流を流すことが必要であるので、気相法炭素繊維はその結晶成長方向が繊維軸に平行であり、繊維が枝分かれ(分岐状)をしていることが好ましい。分岐状繊維であれば炭素粒子間が繊維によって電気的に接合し易くなり、導電性が向上する。
[4] Carbon fiber The carbon material for battery electrodes of the present invention may contain carbon fiber. In that case, it is particularly preferable that at least a part of the carbon fibers adhere to the surface of the carbon powder constituting the carbon material for battery electrodes.
As the carbon fiber, a so-called vapor grown carbon fiber manufactured by a vapor phase growth method is preferable because it has high conductivity, a small fiber diameter, and a large aspect ratio. Further, among vapor grown carbon fibers, higher conductivity is preferable, and high crystallinity is desirable. In addition, when the carbon material of the present invention is used as a negative electrode material for a lithium ion battery or the like, it is necessary to quickly pass a current through the entire negative electrode. It is preferable that the fiber is branched (branched). If it is a branched fiber, it will become easy to electrically join between carbon particles with a fiber, and electroconductivity will improve.

気相法炭素繊維は、例えば、高温雰囲気下に、触媒となる鉄と共にガス化された有機化合物を吹き込むことにより製造することができる。
気相法炭素繊維は、製造した状態のままのもの、例えば800〜1500℃で熱処理したもの、例えば2000〜3000℃で黒鉛化処理したもののいずれも使用可能であるが、1500℃程度で熱処理されたものがより好適である。
The vapor grown carbon fiber can be produced, for example, by blowing an organic compound gasified with iron serving as a catalyst in a high temperature atmosphere.
Vapor grown carbon fiber can be used as it is, for example, heat treated at 800-1500 ° C., eg, graphitized at 2000-3000 ° C., but heat treated at about 1500 ° C. Is more preferred.

また、気相法炭素繊維の好ましい形態として、分岐状繊維があるが、分岐部分にはその部分を含めて繊維全体が互いに連通した中空構造を有している箇所があってもよい。そのため繊維の円筒部分を構成している炭素層が連続している。中空構造とは炭素層が円筒状に巻いている構造であって、完全な円筒でないもの、部分的な切断箇所を有するもの、積層した2層の炭素層が1層に結合したものなどを含む。また、円筒の断面は完全な円に限らず楕円や多角化のものを含む。なお、炭素層の結晶性について炭素層の面間隔d002は限定されない。因みに、好ましいものはX線回折法による平均面間隔d002が0.344nm以下、好ましくは、0.339nm以下、より好ましくは0.338nm以下であって、結晶のC軸方向の厚さLcが40nm以下のものである。 Further, as a preferable form of vapor grown carbon fiber, there is a branched fiber, but the branched portion may include a portion having a hollow structure in which the entire fiber including the portion is in communication with each other. Therefore, the carbon layer which comprises the cylindrical part of a fiber is continuing. A hollow structure is a structure in which a carbon layer is wound in a cylindrical shape, and includes a structure that is not a complete cylinder, a structure that has a partial cut portion, and a structure in which two stacked carbon layers are bonded to one layer. . Further, the cross section of the cylinder is not limited to a perfect circle, but includes an ellipse or a polygon. Note that the interplanar spacing d 002 of the carbon layer is not limited for the crystallinity of the carbon layer. Incidentally, it is preferable that the average interplanar spacing d 002 by the X-ray diffraction method is 0.344 nm or less, preferably 0.339 nm or less, more preferably 0.338 nm or less, and the thickness Lc in the C-axis direction of the crystal is 40 nm or less. Is.

気相法炭素繊維は、繊維外径2〜1000nm、アスペクト比10〜15000の炭素繊維であって、好ましくは繊維外径10〜500nm、繊維長1〜100μm(アスペクト比2〜2000)、あるいは繊維外径2〜50nmであって繊維長0.5〜50μm(アスペクト比10〜25000)のものである。   The vapor grown carbon fiber is a carbon fiber having a fiber outer diameter of 2 to 1000 nm and an aspect ratio of 10 to 15000, preferably a fiber outer diameter of 10 to 500 nm, a fiber length of 1 to 100 μm (aspect ratio of 2 to 2000), or a fiber. The outer diameter is 2 to 50 nm and the fiber length is 0.5 to 50 μm (aspect ratio 10 to 25000).

気相法炭素繊維は、その製造後、2000℃以上の温度で熱処理を行うことでさらに結晶化度を上げ、導電性を増すことができる。また、この場合においても、黒鉛化度を促進させる働きのあるホウ素などを熱処理前に添加しておくことが有効である。   Vapor-grown carbon fiber can be further heat-treated at a temperature of 2000 ° C. or higher after its production to further increase the crystallinity and increase the conductivity. Also in this case, it is effective to add boron or the like having a function of promoting the degree of graphitization before the heat treatment.

気相法炭素繊維の含有量は、電極用炭素材料の0.01〜20質量%の範囲がよく、好ましくは0.1〜15質量%、より好ましくは0.5〜10質量%である。含有量が20質量%を超えると電気容量が小さくなり、0.01質量%未満では低温(例えば、−35℃)における内部抵抗の値が大きくなってしまう。   The content of the vapor grown carbon fiber is preferably in the range of 0.01 to 20% by mass of the carbon material for electrodes, preferably 0.1 to 15% by mass, and more preferably 0.5 to 10% by mass. When the content exceeds 20% by mass, the electric capacity decreases, and when the content is less than 0.01% by mass, the value of internal resistance at a low temperature (for example, −35 ° C.) increases.

気相法炭素繊維は、繊維表面の凹凸、乱れがあるものが多いが、核となる炭素質粒子との密着性が向上し、充放電を繰り返しても負極活物質と導電性補助剤としての役割も兼ねている気相法炭素繊維が解離せず密着している状態を保つことができ、電子伝導性が保持できサイクル特性が向上する。   Vapor-grown carbon fibers often have irregularities and disturbances on the fiber surface, but their adhesion to the carbonaceous particles that form the core improves, and as a negative electrode active material and a conductive auxiliary agent even after repeated charge and discharge The vapor grown carbon fiber which also serves as a role can be kept in a close contact state without dissociating, the electron conductivity can be maintained, and the cycle characteristics can be improved.

また、気相法炭素繊維が分岐状繊維を多く含む場合は、炭素繊維が活物質間をまたがり、その表面にネットワーク状に均一に分散することができ、負極の強度を高め、粒子間の接触が良好に保たれ、効率よくネットワークを形成することができ、高い電子伝導性や熱伝導性を得ることができる。   In addition, when vapor grown carbon fiber contains a lot of branched fibers, the carbon fibers can straddle between the active materials and can be uniformly dispersed in a network form on the surface, increasing the strength of the negative electrode and making contact between particles Can be maintained well, a network can be efficiently formed, and high electronic conductivity and thermal conductivity can be obtained.

また、粒子間に気相法炭素繊維が入ることで、電解液の保液性が大きくなり、低温環境時でもスムーズにリチウムイオンのドープ・脱ドープが行われる。
本発明の電池電極用炭素材料を構成する炭素粉に炭素繊維を付着させる方法は特に限定されず、例えば、核となる炭素質粒子に有機化合物またはその溶液を付着及び/または浸透させる工程において繊維径2〜1000nmの炭素繊維を添加し、有機化合物を介して炭素質粒子に炭素繊維を接着させることにより、粒子上に繊維径2〜1000nmの炭素繊維を付着させることができる。また、炭素質粒子に有機化合物を付着させた後、炭素繊維を含む混合物を含有する粒子を混合し、撹拌処理させることで炭素繊維を付着させることもできる。
In addition, since the vapor grown carbon fiber enters between the particles, the liquid retaining property of the electrolytic solution is increased, and lithium ions are smoothly doped and undoped even in a low temperature environment.
The method for attaching the carbon fiber to the carbon powder constituting the carbon material for battery electrodes of the present invention is not particularly limited. For example, the fiber is used in the step of attaching and / or infiltrating the organic compound or the solution thereof to the carbonaceous particles serving as the nucleus. By adding a carbon fiber having a diameter of 2 to 1000 nm and adhering the carbon fiber to the carbonaceous particle via an organic compound, the carbon fiber having a fiber diameter of 2 to 1000 nm can be adhered onto the particle. Moreover, after making an organic compound adhere to a carbonaceous particle, the particle | grains containing the mixture containing a carbon fiber are mixed, and carbon fiber can also be made to adhere by carrying out a stirring process.

撹拌方法は特に限定されないが、例えば、リボンミキサー、スクリュー型ニーダー、スパルタンリューザー、レディゲミキサー、プラネタリーミキサー、万能ミキサー等の装置を使用することができる。   Although the stirring method is not particularly limited, for example, apparatuses such as a ribbon mixer, a screw type kneader, a spartan luzer, a redige mixer, a planetary mixer, and a universal mixer can be used.

撹拌処理時の温度及び時間は特に限定されず、粒子及び有機化合物の成分及び粘度等に応じて適宜選択されるが、通常0℃〜150℃程度、好ましくは20℃〜100℃程度の範囲とする。   The temperature and time during the stirring treatment are not particularly limited and are appropriately selected according to the components and viscosity of the particles and the organic compound, but are usually in the range of about 0 ° C to 150 ° C, preferably about 20 ° C to 100 ° C. To do.

[5]熱処理条件
リチウムイオン等の挿入による充放電容量を高めるためには炭素材料の結晶性を向上させることが必要である。炭素の結晶性は一般的に最高熱履歴と共に向上するため、電池性能を向上させるためには熱処理温度は高い方が好ましい。
本発明においては、有機化合物を重合させた後、1800〜3300℃で熱処理を行い、炭化・焼成する。熱処理温度は2500℃以上が好ましく、さらに好ましくは2800℃以上であり、特に好ましくは3000℃以上である。
[5] Heat treatment conditions It is necessary to improve the crystallinity of the carbon material in order to increase the charge / discharge capacity by inserting lithium ions or the like. Since the crystallinity of carbon generally improves with the highest thermal history, it is preferable that the heat treatment temperature be higher in order to improve battery performance.
In this invention, after polymerizing an organic compound, it heat-processes at 1800-3300 degreeC, and is carbonized and baked. The heat treatment temperature is preferably 2500 ° C. or higher, more preferably 2800 ° C. or higher, and particularly preferably 3000 ° C. or higher.

熱処理前にホウ素またはホウ素化合物を添加することにより、熱処理による黒鉛化を促進させることが可能である。ホウ素化合物としては、例えば、炭化ホウ素(B4C)、酸化ホウ素(B23)、元素状ホウ素、ホウ酸(H3BO3)、ホウ酸塩等が挙げられる。 By adding boron or a boron compound before the heat treatment, graphitization by the heat treatment can be promoted. Examples of the boron compound include boron carbide (B 4 C), boron oxide (B 2 O 3 ), elemental boron, boric acid (H 3 BO 3 ), borate, and the like.

熱処理のための昇温速度については、公知の装置における最速昇温速度及び最低昇温速度の範囲内では特に性能に大きく影響しない。しかし、粉体であるため、成形材等のようにひび割れの問題が殆どないため、コスト的な観点からも昇温速度は早いほうがよい。常温から最高到達温度までの到達時間は好ましくは12時間以下、さらに好ましくは6時間以下、特に好ましくは2時間以下である。   The temperature increase rate for the heat treatment does not particularly affect the performance within the range of the maximum temperature increase rate and the minimum temperature increase rate in a known apparatus. However, since it is a powder, there is almost no problem of cracking as in the case of a molded material or the like. Therefore, it is preferable that the rate of temperature rise is high from the viewpoint of cost. The arrival time from the normal temperature to the maximum temperature is preferably 12 hours or less, more preferably 6 hours or less, and particularly preferably 2 hours or less.

焼成のための熱処理装置は、アチソン炉、直接通電加熱炉など公知の装置が利用できる。また、これらの装置はコスト的にも有利である。しかし、窒素ガスの存在が粉体の抵抗を低下させたり、酸素による酸化によって炭素質材料の強度が低下することがあるため、好ましくは炉内雰囲気をアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスに保持できるような構造の炉が好ましい。例えば容器自体を真空引き後ガス置換可能なバッチ炉や、管状炉で炉内雰囲気をコントロール可能なバッチ炉あるいは連続炉などである。   As a heat treatment apparatus for firing, a known apparatus such as an Atchison furnace or a direct current heating furnace can be used. These devices are also advantageous in terms of cost. However, since the presence of nitrogen gas may decrease the resistance of the powder or the strength of the carbonaceous material may decrease due to oxidation by oxygen, the furnace atmosphere can be preferably maintained in an inert gas such as argon or helium. A furnace having such a structure is preferred. For example, a batch furnace in which the container itself can be evacuated and replaced with gas, a batch furnace in which a furnace atmosphere can be controlled with a tubular furnace, or a continuous furnace.

本発明の付着及び/または浸透された炭素層は、炭素表面層の状態を示すレーザーラマンスペクトルにおける、1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比が、好ましくは0.4以下の結晶質に富んだ炭素層である。該ピーク強度比が0.4以上であると、炭素層の結晶性が充分でなく、本発明の電池電極用炭素材料の放電容量、クーロン効率が低くなり好ましくない。
ただし、ホウ素を添加して黒鉛化を実施した場合、ピーク強度比は約0.7〜0.9となるが、放電容量及びクーロン効率は良好に保持される。
Deposition and / or penetration carbon layer of the present invention, in the laser Raman spectrum showing a state of the carbon surface layer, the peak intensity ratio of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 is preferably the crystalline 0.4 It is a rich carbon layer. When the peak intensity ratio is 0.4 or more, the crystallinity of the carbon layer is not sufficient, and the discharge capacity and the Coulomb efficiency of the battery electrode carbon material of the present invention are lowered, which is not preferable.
However, when graphitization is performed by adding boron, the peak intensity ratio is about 0.7 to 0.9, but the discharge capacity and the Coulomb efficiency are maintained well.

[6]電池電極用炭素材料
以上の方法によって得られた本発明の電池電極用炭素材料は、以下の物性を有する炭素粉を含む。
[6] Carbon material for battery electrodes The carbon material for battery electrodes of the present invention obtained by the above method contains carbon powder having the following physical properties.

炭素粉の表面から中心部分まで黒鉛結晶組織の領域とアモルファス組織の領域が分散して存在し、特に炭素粉を薄片に切断した断面の透過型電子顕微鏡における明視野像で、任意に選ばれる5μmの正方形領域の制限視野回折パターンにおいて、二つ以上のスポット状の回折パターンを有する黒鉛結晶組織の領域と(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる回折パターンを有するアモルファス組織の領域の比率が、面積比で99〜30:1〜70であることが好ましい。
面積比が30:70より小さいと、負極材として高い放電容量が得られない。また、面積比が99:1より大きくなると、黒鉛結晶を用いた場合と同じ欠点であるクーロン効率の低下、不可逆容量の増加を招く。
A graphite crystal structure region and an amorphous structure region are dispersed from the surface to the center of the carbon powder, and in particular, a bright field image in a transmission electron microscope having a cross-section obtained by cutting the carbon powder into thin pieces is arbitrarily selected 5 μm. The ratio of the graphite crystal structure area having two or more spot-like diffraction patterns to the amorphous structure area having a diffraction pattern that appears only in one spot derived from the (002) plane is The area ratio is preferably 99 to 30: 1 to 70.
When the area ratio is smaller than 30:70, a high discharge capacity as a negative electrode material cannot be obtained. On the other hand, when the area ratio is larger than 99: 1, the coulombic efficiency and the irreversible capacity increase, which are the same disadvantages as when the graphite crystal is used.

フロー式粒子像解析装置によって測定される平均円形度(算出方法は後述の実施例の項参照)は0.85〜0.99であることが好ましい。
平均円形度が0.85より小さいと電極成形時の充填密度が上がらないため体積当たりの放電容量が低下する。また、平均円形度が0.99より大きい場合は、微粉部分は円形度が低いため微粉部分がほとんど含まれないことになり、電極成形時の放電容量が上がらない。更に円形度0.90未満の粒子の含有率が2〜20個数%の範囲に制御されていることが好ましい。
The average circularity measured by the flow type particle image analyzer (refer to the section of Examples described later for the calculation method) is preferably 0.85 to 0.99.
When the average circularity is less than 0.85, the packing density at the time of forming the electrode does not increase, so the discharge capacity per volume decreases. On the other hand, when the average circularity is larger than 0.99, the fine powder portion has a low circularity, and therefore the fine powder portion is hardly included, and the discharge capacity at the time of forming the electrode does not increase. Furthermore, it is preferable that the content ratio of particles having a circularity of less than 0.90 is controlled in the range of 2 to 20% by number.

レーザー回析散乱法による平均粒子径は10〜40μmであることが好ましい。より好ましくは10〜30μmである。
平均粒径が大きいと、二次電池負極材として用いた場合に充放電反応によって微粒子化が生じ、サイクル特性が低下する。また、粒径が80μm以上の粒子が混入していると電極表面に凹凸が多くなり、電池に使用されるセパレータを傷つける原因ともなる。
平均粒径が小さいとリチウムイオンと電気化学的な反応に効率よく関与できない粒子となり、容量、サイクル特性が低下する。また、粒径が小さくなるとアスペクト比が大きくなり、比表面積が大きくなりやすい。電池の電極を作製する場合、一般に負極材料をバインダーによりペーストとし、それを塗布する方法が採られているが、負極材料が粒径1μm以下の小さな粒子を含んでいると、ペーストの粘度が上がり塗布性も悪くなる。
したがって、1μm以下の粒子及び80μm以上の粒子を実質的に含まないものが好ましい。
It is preferable that the average particle diameter by a laser diffraction scattering method is 10-40 micrometers. More preferably, it is 10-30 micrometers.
When the average particle size is large, when used as a secondary battery negative electrode material, fine particles are formed by a charge / discharge reaction, and cycle characteristics deteriorate. In addition, when particles having a particle size of 80 μm or more are mixed, irregularities are increased on the electrode surface, which may cause damage to the separator used in the battery.
If the average particle size is small, the particles cannot efficiently participate in the electrochemical reaction with lithium ions, and the capacity and cycle characteristics deteriorate. Further, when the particle size is reduced, the aspect ratio is increased and the specific surface area is likely to be increased. When producing an electrode for a battery, a method is generally employed in which a negative electrode material is made into a paste with a binder and applied, but if the negative electrode material contains small particles having a particle size of 1 μm or less, the viscosity of the paste increases. Applicability also deteriorates.
Accordingly, those substantially free of particles of 1 μm or less and particles of 80 μm or more are preferable.

また、X線回折測定での(002)面のC0が0.6703〜0.6800nm(平均面間隔d002換算で0.33515〜0.3400nm)、La(a軸方向の結晶子サイズ)>100nm、Lc(c軸方向の結晶子サイズ)>100nmであることが好ましい。BET比表面積は0.2〜5m2/gが好ましく、より好ましくは3m2/g以下である。比表面積が大きくなると粒子の表面活性が高くなり、リチウムイオン電池の電極材料として用いた場合に電解液の分解等によって、クーロン効率が低下する。真密度は2.21〜2.23g/cm3が好ましい。レーザーラマンR値(レーザーラマンスペクトルによる1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比)は0.01〜0.9が好ましく、より好ましくは0.1〜0.8である。 Further, C 0 of the (002) plane in X-ray diffraction measurement is 0.6703 to 0.6800 nm (average plane spacing d 002 is 0.33515 to 0.3400 nm), La (crystallite size in the a-axis direction)> 100 nm, Lc (c The crystallite size in the axial direction) is preferably> 100 nm. The BET specific surface area is preferably 0.2 to 5 m 2 / g, more preferably 3 m 2 / g or less. When the specific surface area increases, the surface activity of the particles increases, and when used as an electrode material for a lithium ion battery, the Coulomb efficiency decreases due to decomposition of the electrolyte or the like. The true density is preferably 2.21 to 2.23 g / cm 3 . Laser Raman R value (peak intensity ratio of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 by laser Raman spectrum) is preferably from 0.01 to 0.9, more preferably 0.1 to 0.8.

[7]二次電池
本発明の電池電極用炭素材料は、リチウムイオン二次電池の負極材として好適に使用できる。本発明の電池電極用炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池は、公知の方法により製造することができる。
[7] Secondary Battery The carbon material for battery electrodes of the present invention can be suitably used as a negative electrode material for lithium ion secondary batteries. The lithium ion secondary battery using the carbon material for battery electrodes of the present invention can be produced by a known method.

電極は、通常のように結合材(バインダー)を溶媒で希釈して本発明の電極材料(負極材料)と混練してペースト状にし、集電体(基材)に塗布することで作製できる。   The electrode can be produced by diluting a binder (binder) with a solvent as usual, kneading it with the electrode material (negative electrode material) of the present invention to form a paste, and applying the paste to a current collector (base material).

バインダーは、ポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマーや、SBR(スチレンブタジエンラバー)等のゴム系等公知のものが使用できる。溶媒には、各々のバインダーに適した公知のもの、例えばフッ素系ポリマーならトルエン、N−メチルピロリドン等、SBRなら水等、公知のものが使用できる。
バインダーの使用量は、負極材料を100質量部とした場合、0.5〜20質量部が適当であるが、特に1〜10質量部程度が好ましい。
As the binder, known polymers such as fluorine-based polymers such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, and rubber-based materials such as SBR (styrene butadiene rubber) can be used. As the solvent, a known solvent suitable for each binder, for example, a fluorine-based polymer such as toluene and N-methylpyrrolidone, and a SBR that is known in water can be used.
When the negative electrode material is 100 parts by mass, the amount of the binder used is suitably 0.5 to 20 parts by mass, and particularly preferably about 1 to 10 parts by mass.

本発明の電池電極用炭素材料とバインダーとの混錬には、リボンミキサー、スクリュー型ニーダー、スパルタンリューザー、レディゲミキサー、プラネタリーミキサー、万能ミキサー等公知の装置が使用できる。   For kneading the carbon material for battery electrodes and the binder of the present invention, known devices such as a ribbon mixer, a screw kneader, a Spartan rewinder, a redige mixer, a planetary mixer, and a universal mixer can be used.

混錬後の集電体への塗布は、公知の方法により実施できるが、例えばドクターブレードやバーコーターなどで塗布後、ロールプレス等で成形する方法等が挙げられる。   Application to the current collector after kneading can be carried out by a known method. For example, a method of forming by a roll press or the like after applying with a doctor blade or a bar coater can be mentioned.

集電体としては、銅、アルミニウム、ステンレス、ニッケル及びそれらの合金など公知の材料が使用できる。   As the current collector, known materials such as copper, aluminum, stainless steel, nickel, and alloys thereof can be used.

セパレータは公知のものが使用できるが、特にポリエチレンやポリプロピレン製の厚み5〜50μmのマイクロポーラスフィルムが好ましい。   Although a well-known thing can be used for a separator, the microporous film with a thickness of 5-50 micrometers made from polyethylene or a polypropylene is especially preferable.

本発明のリチウムイオン電池における電解液及び電解質は、公知の有機電解液、無機固体電解質、高分子固体電解質が使用できる。好ましくは、電気伝導性の観点から有機電解液が好ましい。   As the electrolyte and electrolyte in the lithium ion battery of the present invention, known organic electrolytes, inorganic solid electrolytes, and polymer solid electrolytes can be used. Preferably, an organic electrolyte is preferable from the viewpoint of electrical conductivity.

有機電解液としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル等のエーテル;ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−エチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジメチルプロピオンアミド、ヘキサメチルホスホリルアミド等のアミド;ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄化合物;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のジアルキルケトン;エチレンオキシド、プロピレンオキシド、テトラヒドロフラン、2−メトキシテトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラン等の環状エーテル;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート;γ−ブチロラクトン;N−メチルピロリドン;アセトニトリル、ニトロメタン等の有機溶媒の溶液が好ましい。さらに、好ましくはエチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のエステル類、ジオキソラン、ジエチルエーテル、ジエトキシエタン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、テトラヒドロフラン等が挙げられ、特に好ましくはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系非水溶媒を用いることができる。これらの溶媒は、単独でまたは2種以上を混合して使用することができる。   Examples of organic electrolytes include diethyl ether, dibutyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, and ethylene glycol phenyl ether. Ether; formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N-ethylformamide, N, N-diethylformamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N-ethylacetamide, N, N-diethyl Acetamide, N, N-dimethylpropionamide, hexamethylphosphorylamide Amides such as: Sulfur-containing compounds such as dimethyl sulfoxide and sulfolane; Dialkyl ketones such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone; ethylene oxide, propylene oxide, tetrahydrofuran, 2-methoxytetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, etc. Cyclic ethers; carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate; γ-butyrolactone; N-methylpyrrolidone; solutions of organic solvents such as acetonitrile and nitromethane are preferred. Furthermore, preferably esters such as ethylene carbonate, butylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, ethers such as dioxolane, diethyl ether, diethoxyethane, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, tetrahydrofuran, etc. Particularly preferred are carbonate-based non-aqueous solvents such as ethylene carbonate and propylene carbonate. These solvents can be used alone or in admixture of two or more.

これらの溶媒の溶質(電解質)には、リチウム塩が使用される。一般的に知られているリチウム塩にはLiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22等がある。 Lithium salts are used as solutes (electrolytes) for these solvents. Commonly known lithium salts include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCl, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 etc.

高分子固体電解質としては、ポリエチレンオキサイド誘導体及び該誘導体を含む重合体、ポリプロピレンオキサイド誘導体及び該誘導体を含む重合体、リン酸エステル重合体、ポリカーボネート誘導体及び該誘導体を含む重合体等が挙げられる。   Examples of the polymer solid electrolyte include a polyethylene oxide derivative and a polymer containing the derivative, a polypropylene oxide derivative and a polymer containing the derivative, a phosphate ester polymer, a polycarbonate derivative and a polymer containing the derivative.

リチウムイオン電池における正極材料は、リチウム含有遷移金属酸化物である。好ましくは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びWから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が0.3乃至2.2の化合物である。より好ましくは、V、Cr、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が0.3乃至2.2の化合物である。なお、主として存在する遷移金属に対し30モルパーセント未満の範囲でAl、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなどを含有していても良い。上記の正極活物質の中で、一般式LixMO2(MはCo、Ni、Fe、Mnの少なくとも1種、x=0〜1.2)、またはLiy24(Nは少なくともMnを含む。y=0〜2)で表されるスピネル構造を有する材料の少なくとも1種を用いることが好ましい。 The positive electrode material in the lithium ion battery is a lithium-containing transition metal oxide. Preferably, an oxide mainly containing at least one transition metal element selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo and W and lithium, wherein the molar ratio of lithium to the transition metal Is a compound of 0.3 to 2.2. More preferably, it is an oxide mainly containing at least one transition metal element selected from V, Cr, Mn, Fe, Co and Ni, and a molar ratio of lithium to transition metal of 0.3 to 2.2. A compound. In addition, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si, P, B, or the like may be contained in a range of less than 30 mole percent with respect to the transition metal present mainly. Among the above positive electrode active materials, the general formula Li x MO 2 (M is at least one of Co, Ni, Fe, and Mn, x = 0 to 1.2), or Li y N 2 O 4 (N is at least Mn). It is preferable to use at least one material having a spinel structure represented by y = 0 to 2).

さらに、正極活物質としては、Liya1-a2(MはCo、Ni、Fe、Mnの少なくとも1種、DはCo、Ni、Fe、Mn、Al、Zn、Cu、Mo、Ag、W、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Sr、B、Pの中のM以外の少なくとも1種、y=0〜1.2、a=0.5〜1。)を含む材料、またはLiz(Nb1-b24(NはMn、EはCo、Ni、Fe、Mn、Al、Zn、Cu、Mo、Ag、W、Ga、In、Sn、Pb、Sb、Sr、B、Pの少なくとも1種、b=1〜0.2z=0〜2)で表されるスピネル構造を有する材料の少なくとも1種を用いることが特に好ましい。 Further, as the cathode active material, Li y M a D 1- a O 2 (M is Co, Ni, Fe, at least one of Mn, D is Co, Ni, Fe, Mn, Al, Zn, Cu, Mo , Ag, W, Ga, In, Sn, Pb, Sb, Sr, B, P, at least one type other than M, y = 0 to 1.2, a = 0.5 to 1.), or Li z (N b E 1-b ) 2 O 4 (N is Mn, E is Co, Ni, Fe, Mn, Al, Zn, Cu, Mo, Ag, W, Ga, In, Sn, Pb, Sb, Sr, It is particularly preferable to use at least one of materials having a spinel structure represented by at least one of B and P and b = 1 to 0.2z = 0 to 2).

具体的には、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoaNi1-a2、LixCob1-bz、LixCobFe1-b2、LixMn24、LixMncCo2-c4、LixMncNi2-c4、LixMnc2-c4、LixMncFe2-c4(ここでx=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.8〜0.98、c=1.6〜1.96、z=2.01〜2.3)が挙げられる。最も好ましいリチウム含有遷移金属酸化物としては、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoaNi1-a2、LixMn24、LixCob1-bz(x=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.9〜0.98、z=2.01〜2.3)が挙げられる。なお、xの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。 Specifically, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co a Ni 1-a O 2, Li x Co b V 1-b O z, Li x Co b Fe 1-b O 2, Li x Mn 2 O 4, Li x Mn c Co 2-c O 4, Li x Mn c Ni 2-c O 4, Li x Mn c V 2-c O 4, Li x Mn c Fe 2- c O 4 (where x = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.8 to 0.98, c = 1.6 to 1.96, z = 2.01 to 2.3). The most preferred lithium-containing transition metal oxides, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co a Ni 1-a O 2, Li x Mn 2 O 4, Li x Co b V 1 -b O z (x = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.9 to 0.98, z = 2.01 to 2.3). In addition, the value of x is a value before the start of charging / discharging, and increases / decreases by charging / discharging.

正極活物質の平均粒子サイズは特に限定されないが、0.1〜50μmが好ましい。0.5〜30μmの粒子の体積が95%以上であることが好ましい。粒径3μm以下の粒子群の占める体積が全体積の18%以下であり、かつ15μm以上25μm以下の粒子群の占める体積が、全体積の18%以下であることが更に好ましい。比表面積は特に限定されないが、BET法で0.01〜50m2/gが好ましく、特に0.2m2/g〜1m2/gが好ましい。また正極活物質5gを蒸留水100mlに溶かした時の上澄み液のpHとしては7以上12以下が好ましい。 The average particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50 μm. The volume of particles of 0.5 to 30 μm is preferably 95% or more. More preferably, the volume occupied by a particle group having a particle size of 3 μm or less is 18% or less of the total volume, and the volume occupied by a particle group of 15 μm or more and 25 μm or less is 18% or less of the total volume. Although the specific surface area is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 50 m 2 / g by the BET method, particularly preferably 0.2m 2 / g~1m 2 / g. The pH of the supernatant when 5 g of the positive electrode active material is dissolved in 100 ml of distilled water is preferably 7 or more and 12 or less.

上記以外の電池構成上必要な部材の選択についてはなんら制約を受けるものではない。   There are no restrictions on the selection of members necessary for battery configuration other than those described above.

本発明の電池電極用炭素材料は、上述したリチウムイオン二次電池の負極材の他、燃料電池用セパレータとしても使用することができる。その場合は、本発明の炭素材料を5〜95質量%含むようにセパレータを作成すればよい。   The carbon material for battery electrodes of the present invention can be used as a separator for fuel cells in addition to the above-described negative electrode material for lithium ion secondary batteries. In that case, what is necessary is just to produce a separator so that 5-95 mass% of carbon materials of this invention may be included.

以下に本発明について代表的な例を示し、さらに具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何等制限されるものではない。
下記例で用いた物性等は以下の方法により測定した。
The present invention will be described in more detail below with typical examples. Note that these are merely illustrative examples, and the present invention is not limited thereto.
The physical properties used in the following examples were measured by the following methods.

[1]平均円形度:
炭素材料の平均円形度は、フロー式粒子像分析装置FPIA−2100(シスメックス社製)を用いて以下のように測定した。
測定用試料は106μmのフィルターを通して微細なゴミを取り除いて精製した。その試料0.1gを20mlのイオン交換水中に添加し、陰・非イオン界面活性剤0.1〜0.5質量%加えることによって均一に分散させ、測定用試料分散液を調製した。分散は、超音波洗浄機UT-105S(シャープマニファクチャリングシステム社製)を用い、5分間処理することにより行った。
測定原理等の概略は、「粉体と工業」,VOL.32,No.2,2000年、特開平8-136439号公報などに記載されているが、具体的には以下の通りである。
測定試料の分散液がフラットで透明なフローセル(厚み約200μm)の流路を通過したときにストロボ光が1/30秒間隔で照射され、CCDカメラで撮像される。その静止画像を一定枚数撮像し画像解析し、下記式によって算出した。
円相当径とは実際に撮像された粒子の周囲長さと同じ投影面積を持つ真円の直径であり、この円相当径から求めた円の周囲長を実際に撮像された粒子の周囲長で割った値である。例えば真円で1、形状が複雑になるほど小さい値となる。平均円形度は、測定された粒子個々に円形度の平均値である。
[1] Average circularity:
The average circularity of the carbon material was measured as follows using a flow particle image analyzer FPIA-2100 (manufactured by Sysmex Corporation).
The sample for measurement was purified by removing fine dust through a 106 μm filter. A sample dispersion for measurement was prepared by adding 0.1 g of the sample to 20 ml of ion-exchanged water and uniformly dispersing 0.1 to 0.5% by mass of an anionic / nonionic surfactant. Dispersion was performed by using an ultrasonic cleaner UT-105S (manufactured by Sharp Manufacturing System) for 5 minutes.
The outline of the measurement principle and the like is described in “Powder and Industry”, VOL. 32, No. 2, 2000, Japanese Patent Laid-Open No. 8-136439, etc., and is specifically as follows.
When the dispersion liquid of the measurement sample passes through the flow path of a flat and transparent flow cell (thickness: about 200 μm), strobe light is irradiated at 1/30 second intervals and imaged with a CCD camera. A certain number of the still images were taken and analyzed, and calculated according to the following formula.
The equivalent circle diameter is the diameter of a true circle having the same projected area as the circumference of the actually imaged particle, and the circumference of the circle obtained from this equivalent circle diameter is divided by the circumference of the actually imaged particle. Value. For example, it is 1 for a perfect circle, and the value becomes smaller as the shape becomes more complicated. The average circularity is an average value of circularity of each measured particle.

[2]平均粒子径:
レーザー回析散乱式粒度分布測定装置マイクロトラックHRA(日機装(株)製)を用いて測定した。
[2] Average particle size:
It measured using the laser diffraction scattering type particle size distribution measuring apparatus Microtrac HRA (made by Nikkiso Co., Ltd.).

[3]比表面積:
比表面積測定装置NOVA-1200(ユアサアイオニクス(株)製)を用いて、一般的な比表面積の測定方法であるBET法により測定した。
[3] Specific surface area:
Using a specific surface area measuring device NOVA-1200 (manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd.), the measurement was performed by the BET method which is a general method for measuring the specific surface area.

[4]電池評価方法:
(1)ペースト作成:
負極材料1質量部に呉羽化学社製KFポリマーL1320(ポリビニリデンフルオライド(PVDF)を12質量%含有したN−メチルピロリドン(NMP)溶液品)0.1質量部を加え、プラネタリーミキサーにて混練し、主剤原液とした。
[4] Battery evaluation method:
(1) Paste creation:
Add 0.1 part by mass of KF polymer L1320 (N-methylpyrrolidone (NMP) solution containing 12% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF)) to 1 part by mass of the negative electrode material, and knead with a planetary mixer. The main agent stock solution was used.

(2)電極作製:
主剤原液にNMPを加え、粘度を調整した後、高純度銅箔上でドクターブレードを用いて250μm厚に塗布した。これを120℃、1時間真空乾燥し、18mmφに打ち抜いた。さらに、打ち抜いた電極を超鋼製プレス板で挟み、プレス圧が電極に対して約1×102〜3×102N/mm2(1×103〜3×103kg/cm2)となるようにプレスした。その後、真空乾燥器で120℃、12時間乾燥後し、評価用電極とした。
(2) Electrode production:
NMP was added to the main agent stock solution to adjust the viscosity, and then applied onto a high purity copper foil to a thickness of 250 μm using a doctor blade. This was vacuum-dried at 120 ° C. for 1 hour and punched out to 18 mmφ. Further, the punched electrode is sandwiched between super steel press plates, and the press pressure is about 1 × 10 2 to 3 × 10 2 N / mm 2 (1 × 10 3 to 3 × 10 3 kg / cm 2 ) with respect to the electrode. It pressed so that it might become. Then, it dried at 120 degreeC and 12 hours with the vacuum dryer, and was set as the electrode for evaluation.

(3)電池作成:
下記のようにして3極セルを作製した。なお以下の操作は露点−80℃以下の乾燥アルゴン雰囲気下で実施した。
ポリプロピレン製のねじ込み式フタ付きのセル(内径約18mm)内において、上記(2)で作製した銅箔付き炭素電極(正極)と金属リチウム箔(負極)をセパレータ(ポリプロピレン製マイクロポ−ラスフィルム(セルガ−ド2400))で挟み込んで積層した。さらにリファレンス用の金属リチウムを同様に積層した。これに電解液を加えて試験用セルとした。
(3) Battery creation:
A triode cell was produced as follows. The following operation was carried out in a dry argon atmosphere with a dew point of -80 ° C or lower.
In a cell with polypropylene screw-in lid (inner diameter of about 18 mm), the carbon electrode with copper foil (positive electrode) and the metal lithium foil (negative electrode) prepared in (2) above were separated by separator (polypropylene microporous film (Selga -2400)). Further, metallic lithium for reference was laminated in the same manner. An electrolytic solution was added thereto to obtain a test cell.

(4)電解液:
EC(エチレンカーボネート)8質量部及びDEC(ジエチルカーボネート)12質量部の混合品で、電解質としてLiPF6を1モル/リットル溶解した。
(4) Electrolyte:
In a mixed product of 8 parts by mass of EC (ethylene carbonate) and 12 parts by mass of DEC (diethyl carbonate), 1 mol / liter of LiPF 6 was dissolved as an electrolyte.

(5)充放電サイクル試験:
電流密度0.2mA/cm2(0.1C相当)で定電流低電圧充放電試験を行った。
充電(炭素へのリチウムの挿入)はレストポテンシャルから0.002Vまで0.2mA/cm2でCC(コンスタントカレント:定電流)充電を行った。次に0.002VでCV(コンスタントボルト:定電圧)充電に切り替え、電流値が25.4μAに低下した時点で停止させた。
放電(炭素からの放出)は0.2mA/cm2(0.1C相当)でCC放電を行い、電圧1.5Vでカットオフした。
(5) Charge / discharge cycle test:
A constant current low voltage charge / discharge test was conducted at a current density of 0.2 mA / cm 2 (equivalent to 0.1 C).
Charging (insertion of lithium into carbon) was performed by CC (constant current) at 0.2 mA / cm 2 from the rest potential to 0.002V. Next, it was switched to CV (constant voltage: constant voltage) charging at 0.002 V and stopped when the current value decreased to 25.4 μA.
Discharge (release from carbon) was performed by CC discharge at 0.2 mA / cm 2 (equivalent to 0.1 C) and cut off at a voltage of 1.5V.

実施例1:
核となる炭素質粒子として、レーザー回析散乱法による平均粒径が20μm、平均円形度0.88、透過型電子顕微鏡における明視野像で結晶質炭素部分と非晶質炭素部分の面積の比率が80:20である粉体を使用した。
反応容器に、この造粒物を500質量部、フェノールを398質量部、37%ホルマリンを466質量部、反応触媒としてヘキサメチレンテトラミンを38質量部、さらに水を385質量部それぞれ投入した。これを60rpmで20分撹拌した。次に撹拌しつつ容器を0.4kPa(3Torr)まで真空引きして5分間保持し、大気圧まで戻す操作を3回繰り返し、造粒物内部まで液を含浸させた。さらに撹拌を続けつつ150℃に加熱して保持した。内容物は最初マヨネーズ状の流動性を有していたが、次第に、黒鉛を含むフェノールとホルムアルデヒドとの反応物と水を主体とする層が分離しはじめ、約15分後に黒鉛とフェノール樹脂とからなる黒色の粒状物が反応容器内に分散した状態となった。この後、さらに60分間150℃で撹拌した後反応容器の内容物を30℃まで冷却し、撹拌を停止した。容器の内容物を濾過して得た黒色粒状物を水洗後、更にろ過して流動層式の乾燥機を用いて、熱風温度55℃で5時間乾燥することで、黒鉛・フェノール樹脂粒状物を得た。
次にこの黒鉛フェノール樹脂粒状物を、ヘンシェルミキサーにて1800rpmで5分間解砕した。これを加熱炉に入れ、炉内部を真空置換してアルゴン雰囲気下とした後、アルゴンガスを流しつつ昇温した。2900℃で10分間保持してその後冷却した。室温まで冷却後、得られた熱処理品を目開き63μmの篩により篩分けし、篩下を負極材料サンプルとした。
Example 1:
As the core carbonaceous particles, the average particle diameter by laser diffraction scattering method is 20 μm, the average circularity is 0.88, and the ratio of the area of the crystalline carbon portion to the amorphous carbon portion is 80 in the bright field image in the transmission electron microscope. : 20 powder was used.
500 parts by mass of this granulated product, 398 parts by mass of phenol, 466 parts by mass of 37% formalin, 38 parts by mass of hexamethylenetetramine as a reaction catalyst, and 385 parts by mass of water were added to a reaction vessel. This was stirred at 60 rpm for 20 minutes. Next, while stirring, the container was evacuated to 0.4 kPa (3 Torr) and held for 5 minutes, and the operation of returning to atmospheric pressure was repeated three times to impregnate the liquid into the granulated product. Further, the mixture was heated and maintained at 150 ° C. while stirring was continued. The contents initially had a mayonnaise-like fluidity, but gradually, a reaction product of phenol and formaldehyde containing graphite and a water-based layer began to separate, and after about 15 minutes from graphite and phenolic resin. As a result, the black granular material was dispersed in the reaction vessel. After that, after further stirring for 60 minutes at 150 ° C., the contents of the reaction vessel were cooled to 30 ° C. and stirring was stopped. The black granular material obtained by filtering the contents of the container is washed with water, further filtered, and dried using a fluidized bed dryer at a hot air temperature of 55 ° C. for 5 hours, whereby graphite / phenolic resin granular material is obtained. Obtained.
Next, this graphite phenol resin granular material was pulverized with a Henschel mixer at 1800 rpm for 5 minutes. This was put into a heating furnace, the inside of the furnace was replaced with a vacuum to make it under an argon atmosphere, and then the temperature was raised while flowing argon gas. It was kept at 2900 ° C. for 10 minutes and then cooled. After cooling to room temperature, the obtained heat-treated product was sieved with a sieve having a mesh size of 63 μm, and the lower sieve was used as a negative electrode material sample.

この材料の透過型電子顕微鏡写真(×25000)を図1に示す。図1の任意に選んだ一辺が5μmの正方形領域の制限視野回折パターンにおいて、2つ以上のスポット状の回折パターンを有する領域と(図2(B))、(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる領域(図2(A))の比率は、面積比で85:15であった。   A transmission electron micrograph (× 25000) of this material is shown in FIG. In the limited-field diffraction pattern of a square region having an arbitrarily selected side of 5 μm in FIG. 1, a region having two or more spot-like diffraction patterns (FIG. 2 (B)), one derived from the (002) plane The ratio of the area where only the spots appear (FIG. 2A) was 85:15 in area ratio.

この材料の表面のレーザーラマンスペクトルによる1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比(レーザーラマンR値)は、1580cm-1ピーク強度/1360cm-1ピーク強度=0.05であった。また、平均粒径は25μm、比表面積は1.1m2/g、C0は0.6716nm、平均円形度は0.934であった。結果を表1に示す。
この材料を用いて電池の評価を行い、充放電サイクル試験1サイクル目の容量、クーロン効率、及び50サイクル目の容量を測定した。結果を表2に示す。
Peak intensity ratio of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 by laser Raman spectrum of the surface of the material (laser Raman R value) was 1580 cm -1 peak intensity / 1360 cm -1 peak intensity = 0.05. The average particle size was 25 μm, the specific surface area was 1.1 m 2 / g, C 0 was 0.6716 nm, and the average circularity was 0.934. The results are shown in Table 1.
The battery was evaluated using this material, and the capacity at the first cycle of the charge / discharge cycle test, the coulomb efficiency, and the capacity at the 50th cycle were measured. The results are shown in Table 2.

実施例2:
核となる炭素質粒子として、平均粒径5μmの鱗片状黒鉛をレディゲミキサーにて造粒してなる、レーザー回析散乱法による平均粒径を20μm、平均円形度を0.88に調整したものを用いた以外は、実施例1と同様に操作を行い、得られた炭素材料の物性の測定及びそれを用いた電池の評価を行った。結果を表1及び表2に示す。
Example 2:
As the carbonaceous particles serving as the core, particles obtained by granulating scaly graphite having an average particle size of 5 μm with a Redige mixer, and adjusting the average particle size by laser diffraction scattering method to 20 μm and the average circularity to 0.88 Except that it was used, the same operation as in Example 1 was performed, and the physical properties of the obtained carbon material were measured and the battery using the same was evaluated. The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例3:
実施例1で用いたものと同じ炭素質粒子に、フェノール樹脂モノマーのエタノール溶液(BRS-727;昭和高分子株式会社製)(樹脂固形分換算で5.5質量部)に水5.0質量部を加えて撹拌し、十分に溶解させた溶液をフェノール樹脂固形分が炭素質粉体に対して10質量%となるように加え、プラネタリーミキサーにて30分間混練した。この混合物を真空乾燥機にて150℃で2時間乾燥した。これを加熱炉に入れ、炉内部を真空置換してアルゴン雰囲気下とした後、アルゴンガスを流しつつ昇温した。2900℃で10分間保持してその後冷却した。室温まで冷却後、得られた熱処理品を目開き63μmの篩により篩分けし、篩下を負極材料サンプルとした。
この材料の表面の炭素層のレーザーラマンスペクトルによる1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比は、1580cm-1ピーク強度/1360cm-1ピーク強度=0.15であった。その他の物性は表1に示す。またそれを用いた電池評価の結果を表2に示す。
Example 3:
To the same carbonaceous particles as used in Example 1, 5.0 parts by mass of water was added to an ethanol solution of phenol resin monomer (BRS-727; manufactured by Showa Polymer Co., Ltd.) (5.5 parts by mass in terms of resin solid content). The solution which was stirred and sufficiently dissolved was added so that the solid content of the phenol resin was 10% by mass with respect to the carbonaceous powder, and kneaded for 30 minutes with a planetary mixer. This mixture was dried in a vacuum dryer at 150 ° C. for 2 hours. This was put into a heating furnace, the inside of the furnace was replaced with a vacuum to make it under an argon atmosphere, and then the temperature was raised while flowing argon gas. It was kept at 2900 ° C. for 10 minutes and then cooled. After cooling to room temperature, the obtained heat-treated product was sieved with a sieve having a mesh size of 63 μm, and the lower sieve was used as a negative electrode material sample.
Peak intensity ratio of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 by laser Raman spectrum of the carbon layer on the surface of the material was 1580 cm -1 peak intensity / 1360 cm -1 peak intensity = 0.15. Other physical properties are shown in Table 1. Table 2 shows the results of battery evaluation using the same.

実施例4:
実施例1の反応開始前の反応容器に、2800℃で黒鉛化した気相法炭素繊維(繊維径150nm、アスペクト比100)を5質量%加えて撹拌、混合した以外は、実施例1と同様に操作を行い、得られた炭素材料の物性の測定及びそれを用いた電池の評価を行った。結果を表1及び表2に示す。
Example 4:
The same procedure as in Example 1 except that 5% by mass of vapor grown carbon fiber (fiber diameter 150 nm, aspect ratio 100) graphitized at 2800 ° C. was added to the reaction vessel before the start of the reaction of Example 1 and stirred and mixed. Then, the physical properties of the obtained carbon material were measured and the battery using the carbon material was evaluated. The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例5:
実施例1の黒鉛フェノール樹脂粒状物に、B4C(デンカ社製)を0.01質量%添加してヘンシェルミキサーにて1800rpmで5分間解砕した以外は、実施例1と同様に操作を行い、得られた炭素材料の物性の測定及びそれを用いた電池の評価を行った。結果を表1及び表2に示す。
Example 5:
The same operation as in Example 1 was performed except that 0.01% by mass of B 4 C (Denka) was added to the graphite phenol resin granules of Example 1 and pulverized at 1800 rpm for 5 minutes with a Henschel mixer. Measurement of physical properties of the obtained carbon material and evaluation of a battery using the carbon material were performed. The results are shown in Tables 1 and 2.

比較例1:
核となる炭素質粒子として、レーザー回析散乱法による平均粒径が23μm、平均円形度が0.83であり、透過型電子顕微鏡における明視野像で結晶質炭素部分と非晶質炭素部分の面積の比率が997:3である天然黒鉛化品を使用した以外は、実施例1と同様に操作を行い、炭素材料を得た。物性値を表1に示す。
得られた炭素材料の一辺が5μmの正方形領域の透過型電子顕微鏡における明視野像で、結晶性炭素部分と非晶性炭素部分の面積比は、表面付近で80:20であり、中心付近で995:5と不均一であった。
この炭素材料を用いて、実施例1と同様に電池の評価を行った。結果を表2に示す。
Comparative Example 1:
As the core carbonaceous particles, the average particle diameter by laser diffraction scattering method is 23 μm, the average circularity is 0.83, and the area of the crystalline carbon part and the amorphous carbon part in the bright-field image in the transmission electron microscope. A carbon material was obtained in the same manner as in Example 1 except that a natural graphitized product having a ratio of 997: 3 was used. The physical property values are shown in Table 1.
The obtained carbon material is a bright-field image in a transmission electron microscope having a square area of 5 μm on one side. The area ratio of the crystalline carbon part to the amorphous carbon part is 80:20 near the surface, and near the center. 995: 5.
Using this carbon material, the battery was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.

比較例2:
実施例1で用いた炭素質粉体を表面炭素層をつけずに使用した。この材料の透過型電子顕微鏡写真(×25000)を図3に示す。
この炭素材料について、実施例1の同様に物性の測定及び電池の評価を行った。結果を表1及び表2に示す。
Comparative Example 2:
The carbonaceous powder used in Example 1 was used without a surface carbon layer. A transmission electron micrograph (× 25000) of this material is shown in FIG.
With respect to this carbon material, the physical properties were measured and the battery was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

比較例3:
最終の熱処理温度を1000℃で行った以外は、実施例1と同様に炭素粉を製造した。断面の透過型電子顕微鏡写真(×25000)を図4に示す。図4の任意に選んだ一辺が5μmの正方形領域の制限視野回折パターンにおいて、2つ以上のスポット状の回折パターンを有する領域と、(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる領域の比率は、表面付近で面積比25:75であり、中心付近で面積比70;30と不均一であった。
得られた炭素材料について、実施例1の同様に物性の測定及び電池の評価を行った。結果を表1及び表2に示す。
Comparative Example 3:
Carbon powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the final heat treatment temperature was 1000 ° C. FIG. 4 shows a transmission electron micrograph (× 25000) of the cross section. In the limited field diffraction pattern of a square region having a side of 5 μm arbitrarily selected in FIG. 4, the ratio of the region having two or more spot-like diffraction patterns and the region where only one spot derived from the (002) plane appears is In the vicinity of the surface, the area ratio was 25:75, and in the vicinity of the center, the area ratio was 70:30.
The obtained carbon material was measured for physical properties and evaluated for the battery in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.

本発明によれば、透過型電子顕微鏡における明視野像で結晶質炭素部分と非結晶質炭素部分の両者を有する炭素材料を形成することにより、リチウムイオン二次電池用負極材料として放電容量が大きく、クーロン効率、サイクル特性に優れ、不可逆容量が小さく有用な炭素材料を得ることができる。また、本発明の炭素材料の製造方法は、経済性、量産性に優れ、使用する被覆材は取扱い易く、安全性も改善された方法である。   According to the present invention, by forming a carbon material having both a crystalline carbon part and an amorphous carbon part in a bright-field image in a transmission electron microscope, the discharge capacity is large as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. In addition, a useful carbon material having excellent coulomb efficiency and cycle characteristics and a small irreversible capacity can be obtained. Moreover, the method for producing a carbon material of the present invention is excellent in economic efficiency and mass productivity, the covering material used is easy to handle, and the safety is improved.

実施例1で得られた炭素粉の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of the carbon powder obtained in Example 1. FIG. 非晶質組織領域であることを示す(002)面に由来する一つのスポットの制限視野回折パターンの写真(A)と、黒鉛結晶組織領域であることを示す2つ以上のスポット状の制限視野回折パターンの写真(B)である。A photograph (A) of a limited field diffraction pattern of one spot derived from the (002) plane indicating an amorphous structure region, and two or more spot-shaped limited fields indicating a graphite crystal structure region It is a photograph (B) of a diffraction pattern. 比較例2で得られた炭素粉の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of the carbon powder obtained in Comparative Example 2. 比較例3で得られた炭素粉の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of the carbon powder obtained in Comparative Example 3.

Claims (36)

炭素質粒子に重合体原料としての有機化合物が浸透した状態で、前記有機化合物を重合させ、次いで1800〜3300℃の温度で熱処理して得られる均質構造を有する炭素粉を含むリチウム二次電池用負極材料。 For lithium secondary batteries containing carbon powder having a homogeneous structure obtained by polymerizing the organic compound in a state where the organic compound as a polymer raw material has penetrated into the carbonaceous particles and then heat-treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C. Negative electrode material. 重合が、100〜500℃の温度で行われる請求項1に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the polymerization is performed at a temperature of 100 to 500 ° C. 前記有機化合物が、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フラン樹脂、セルロース樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリイミド樹脂及びエポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも1種の重合体の原料である請求項1または2に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The organic compound is a raw material of at least one polymer selected from the group consisting of a phenol resin, a polyvinyl alcohol resin, a furan resin, a cellulose resin, a polystyrene resin, a polyimide resin, and an epoxy resin. Negative electrode material for lithium secondary battery. 前記有機化合物がフェノール樹脂の原料である請求項3に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 3, wherein the organic compound is a raw material of a phenol resin. フェノール樹脂の原料の反応時に、乾性油またはその脂肪酸を添加する請求項4に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 4, wherein a drying oil or a fatty acid thereof is added during the reaction of the raw material of the phenol resin. 炭素質粒子に有機化合物が浸透した状態で重合する工程を複数回繰り返した後、1800〜3300℃の温度で熱処理して得られる請求項1乃至5のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。 The negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the negative electrode for a lithium secondary battery is obtained by heat-treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C after repeating the process of polymerizing the carbonaceous particles in a state where the organic compound has permeated a plurality of times. material. 炭素質粒子に重合体原料としての有機化合物を均一に含浸、複合させた後に、前記有機化合物を重合させ、次いで炭化・焼成処理することにより得られるリチウム二次電池用負極材料であって、粒子の表面から中心部分までほぼ均一な構造を有するリチウム二次電池用負極材料。   A negative electrode material for a lithium secondary battery obtained by uniformly impregnating and combining an organic compound as a polymer raw material in a carbonaceous particle, polymerizing the organic compound, and then carbonizing and firing the particle. A negative electrode material for a lithium secondary battery having a substantially uniform structure from the surface to the central portion. 炭素質粒子100質量部に対して、有機化合物を4〜500質量部用いる請求項1乃至7のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the organic compound is used in an amount of 4 to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbonaceous particles. 炭素質粒子100質量部に対して、有機化合物を100〜500質量部用いる請求項8に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 8, wherein the organic compound is used in an amount of 100 to 500 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbonaceous particles. ホウ素を10〜5000ppm含有する請求項1乃至9のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 9, containing 10 to 5000 ppm of boron. 有機化合物の重合後、ホウ素またはホウ素化合物を添加し、次いで1800〜3300℃で熱処理する請求項10に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 10, wherein boron or a boron compound is added after polymerization of the organic compound, and then heat treatment is performed at 1800 to 3300 ° C. 炭素質粒子が、天然黒鉛粒子、石油系ピッチコークスからなる粒子、または石炭系ピッチコークスからなる粒子である請求項1乃至11のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 11, wherein the carbonaceous particles are natural graphite particles, particles made of petroleum pitch coke, or particles made of coal pitch pitch coke. 炭素質粒子の平均粒子径が10〜40μmで、平均円形度が0.85〜0.99である請求項12に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 12, wherein the carbonaceous particles have an average particle diameter of 10 to 40 μm and an average circularity of 0.85 to 0.99. 繊維径2〜1000nmの炭素繊維を含む請求項1乃至13のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for lithium secondary batteries according to any one of claims 1 to 13, comprising carbon fibers having a fiber diameter of 2 to 1000 nm. 炭素繊維の少なくとも一部が炭素粉表面に付着している請求項14に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 14, wherein at least a part of the carbon fibers adheres to the surface of the carbon powder. 炭素質粒子100質量部に対して、炭素繊維を0.01〜20質量部含む請求項14または15に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 14 or 15, comprising 0.01 to 20 parts by mass of carbon fiber with respect to 100 parts by mass of carbonaceous particles. 炭素繊維がアスペクト比10〜15000の気相法炭素繊維である請求項14乃至16のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 14 to 16, wherein the carbon fiber is a vapor grown carbon fiber having an aspect ratio of 10 to 15000. 気相法炭素繊維が2000℃以上で熱処理された黒鉛系炭素繊維である請求項17に記載のリチウム二次電池用負極材料。   18. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 17, wherein the vapor grown carbon fiber is a graphite-based carbon fiber heat-treated at 2000 ° C. or higher. 気相法炭素繊維が、内部に中空構造を有するものである請求項17または18に記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 17 or 18, wherein the vapor grown carbon fiber has a hollow structure therein. 気相法炭素繊維が、分岐状炭素繊維を含む請求項17乃至19のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 17 to 19, wherein the vapor grown carbon fiber includes a branched carbon fiber. 気相法炭素繊維のX線回折法による(002)面の平均面間隔d002が0.344nm以下である請求項17乃至20のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。 An anode material for lithium secondary battery according to any one of claims 17 to 20 average spacing d 002 of the vapor-grown carbon fibers by X-ray diffraction (002) plane is not more than 0.344 nm. 炭素粉のフロー式粒子像解析装置によって測定される平均円形度が0.85〜0.99である請求項1乃至21のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 21, wherein an average circularity measured by a flow type particle image analyzer of carbon powder is 0.85 to 0.99. 炭素粉のX線回折測定での(002)面のC0が0.6703〜0.6800nm、La(a軸方向の結晶子サイズ)>100nm、Lc(c軸方向の結晶子サイズ)>100nmである請求項1乃至22のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。 0.6703~0.6800nm is C 0 of (002) plane in the X-ray diffraction measurement of carbon powder, La (a-axis direction of the crystallite size)> 100 nm, Lc (c-axis direction of the crystallite size)> 100 nm and is claimed Item 23. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of Items 1 to 22. 炭素粉のBET比表面積が0.2〜5m2/gである請求項1乃至23のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。 The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 23, wherein the carbon powder has a BET specific surface area of 0.2 to 5 m 2 / g. 炭素粉の真密度が2.21〜2.23g/cm3である請求項1乃至24のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。 25. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the true density of the carbon powder is 2.21 to 2.23 g / cm 3 . 炭素粉のレーザーラマンR値(レーザーラマンスペクトルによる1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク強度比)が0.01〜0.9である請求項1乃至25のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。 Laser Raman R value of the carbon powder (the peak intensity ratio of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 by laser Raman spectrum) negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 25 is 0.01 to 0.9 material. 炭素粉のレーザー回折法による平均粒子径が10〜40μmである請求項1乃至26のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。   27. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 26, wherein an average particle diameter of the carbon powder determined by a laser diffraction method is 10 to 40 [mu] m. リチウム二次電池用負極材料を構成する粒子を薄片に切断した断面の透過型電子顕微鏡における明視野像で、任意に選ばれる5μmの正方形領域の制限視野回折パターンにおいて、二つ以上のスポット状の回折パターンを有する黒鉛結晶組織の領域と(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる回折パターンを有するアモルファス組織の領域の比率が、面積比で99〜30:1〜70であるリチウム二次電池用負極材料であって、リチウム二次電池用負極材料を構成する粒子の表面から中心部分まで黒鉛結晶組織の領域とアモルファス組織の領域が分散して存在するリチウム二次電池用負極材料。   A bright-field image in a transmission electron microscope having a cross-section obtained by cutting particles constituting a negative electrode material for a lithium secondary battery into thin pieces, and in a limited-field diffraction pattern of a 5 μm square region arbitrarily selected, Lithium secondary battery in which the ratio of the area of the graphite crystal structure having the diffraction pattern and the area of the amorphous structure having the diffraction pattern that appears only in one spot derived from the (002) plane is 99 to 30: 1 to 70 in area ratio A negative electrode material for a lithium secondary battery, wherein a region of a graphite crystal structure and a region of an amorphous structure are dispersed from the surface of a particle constituting the negative electrode material for a lithium secondary battery to a central portion. リチウム二次電池用負極材料を構成する粒子を薄片に切断した断面の透過型電子顕微鏡における明視野像で、任意に選ばれる5μmの正方形領域の制限視野回折パターンにおいて、二つ以上のスポット状の回折パターンを有する黒鉛結晶組織の領域と(002)面に由来する一つのスポットのみ現れる回折パターンを有するアモルファス組織の領域の比率が、面積比で85:15であるリチウム二次電池用負極材料。   A bright-field image in a transmission electron microscope having a cross-section obtained by cutting particles constituting a negative electrode material for a lithium secondary battery into thin pieces, and in a limited-field diffraction pattern of a 5 μm square region arbitrarily selected, A negative electrode material for a lithium secondary battery, wherein a ratio of a graphite crystal structure region having a diffraction pattern to an amorphous structure region having a diffraction pattern that appears only in one spot derived from the (002) plane is 85:15 in area ratio. ホウ素を10〜5000ppm含有する請求項28または29に記載のリチウム二次電池用負極材料。   30. The negative electrode material for a lithium secondary battery according to claim 28 or 29, containing 10 to 5000 ppm of boron. 炭素質粒子を重合体原料としての有機化合物またはその溶液で処理し炭素質粒子に有機化合物を浸透させる工程、前記有機化合物を重合させる工程、及び1800〜3300℃の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする、均質構造を有する炭素粉を含むリチウム二次電池用負極材料の製造方法。 Including a step of treating the carbonaceous particles with an organic compound as a polymer raw material or a solution thereof to infiltrate the organic compound into the carbonaceous particles, a step of polymerizing the organic compound, and a step of heat-treating at a temperature of 1800 to 3300 ° C. A method for producing a negative electrode material for a lithium secondary battery comprising carbon powder having a homogeneous structure, characterized in that 炭素質粒子に、重合体原料としての有機化合物及び繊維径2〜1000nmの炭素繊維を含む混合物またはその溶液で処理し、炭素質粒子に有機化合物を浸透させ炭素繊維を接着させる工程、前記有機化合物を重合させる工程、及び1800〜3300℃の温度で熱処理する工程を含むことを特徴とする、均質構造を有する炭素粉の表面に炭素繊維の少なくとも一部が付着してなるリチウム二次電池用負極材料の製造方法。 Treating the carbonaceous particles with a mixture containing an organic compound as a polymer raw material and carbon fibers having a fiber diameter of 2 to 1000 nm or a solution thereof, allowing the organic compound to penetrate into the carbonaceous particles and bonding the carbon fibers; A negative electrode for a lithium secondary battery comprising at least a part of carbon fibers attached to the surface of a carbon powder having a homogeneous structure, characterized by comprising a step of polymerizing the carbon and a heat treatment at a temperature of 1800 to 3300 ° C. Material manufacturing method. 請求項1乃至30のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料とバインダーを含むリチウム二次電池用負極のための電極ペースト。   An electrode paste for a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the negative electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 30 and a binder. 請求項33に記載の電極ペーストの成形体からなるリチウム二次電池用負極。   A negative electrode for a lithium secondary battery, comprising the molded article of the electrode paste according to claim 33. 請求項34に記載の電極を構成要素として含むリチウム二次電池。   A lithium secondary battery comprising the electrode according to claim 34 as a constituent element. 非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質を用い、前記非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質に用いられる非水系溶媒がエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、及びビニレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む請求項35に記載のリチウム二次電池。   A non-aqueous electrolyte and / or a non-aqueous polymer electrolyte is used, and the non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte and / or non-aqueous polymer electrolyte is ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propylene carbonate, butylene. 36. The lithium secondary battery according to claim 35, comprising at least one selected from the group consisting of carbonate and vinylene carbonate.
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