JP5411652B2 - Method for producing lump-dispersed carbon material and method for producing lump-dispersed graphite material - Google Patents

Method for producing lump-dispersed carbon material and method for producing lump-dispersed graphite material Download PDF

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Description

本発明は、例えば、電池用電極材料等に用いられる塊状部分散炭素材料の製造方法および黒鉛材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a lump-dispersed carbon material used for, for example, a battery electrode material, and a method for producing a graphite material.

近年、携帯用電気製品の電池として、リチウムイオン二次電池が汎用されている。このリチウムイオン二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン用バッテリーなどとして大幅な需要増加が期待されている。これは、リチウムイオン二次電池が、小型で軽量、充放電容量が大きい、高電圧・大電流が取り出せる、サイクル寿命に優れる、安全性が高い、環境汚染上の問題が少ないなど種々の優れた特性を有しているためである。   In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used as batteries for portable electrical products. This lithium-ion secondary battery is expected to have a significant increase in demand as a battery for mobile phones and notebook computers. This is because the lithium ion secondary battery is small and light, has a large charge / discharge capacity, can take out high voltage and large current, has excellent cycle life, is highly safe, has few problems on environmental pollution, etc. This is because it has characteristics.

一般に、リチウムイオン二次電池負極用材料としては、リチウムイオンの吸蔵、脱離能力を有する天然黒鉛粉末が用いられている。黒鉛中におけるリチウムイオンの吸蔵、脱離の基本的なメカニズムは、黒鉛層間へのリチウムイオンの挿入と層間からの脱離であり、示性式LiC6に示されるLiとCの量論比で最大の吸蔵量となる。 In general, natural graphite powder having the ability to occlude and desorb lithium ions is used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. The basic mechanism of occlusion and desorption of lithium ions in graphite is the insertion and desorption of lithium ions between graphite layers. The stoichiometric ratio of Li and C shown by the characteristic formula LiC 6 Maximum occlusion amount.

しかしながら、天然黒鉛の場合、粒子形状が鱗片状であり、電極作成時に粒子が配向しやすい。そのため、充填性は非常に高くなるが、電解液の浸透性が低下する。また、配向することによって、結晶子ベーサル面が、電極板に対して平行となり、大電流での充放電特性が低下する。こうしたことから、球状黒鉛粒子を作成し、最密充填された電極を作成することがしばしば行われる。球状粒子の場合には、最密充填されると同時に、粒子間に適度な空間が形成され、電解液の浸透性も確保される。また、配向の問題も解消される。しかしながら、球状粒子の場合、粒子間の接触が点接触となるため、充放電による粒子の膨張・収縮によって接触不良を起こしやすく、サイクル特性が低下する欠点がある。   However, in the case of natural graphite, the particle shape is scaly and the particles are easily oriented during electrode production. Therefore, the filling property is very high, but the permeability of the electrolytic solution is lowered. Further, by orientation, the crystallite basal plane becomes parallel to the electrode plate, and charge / discharge characteristics at a large current are deteriorated. For these reasons, it is often performed to produce spherical graphite particles and to produce a close packed electrode. In the case of spherical particles, the particles are closely packed and at the same time, an appropriate space is formed between the particles, and the permeability of the electrolytic solution is ensured. Also, the problem of orientation is solved. However, in the case of spherical particles, the contact between the particles is a point contact, so that contact failure is liable to occur due to the expansion / contraction of the particles due to charge / discharge, and the cycle characteristics are deteriorated.

このような、欠点を克服するために、たとえば気相成長炭素繊維のような繊維状の炭素を数%添加し、粒子間の接触を改善することも行われているが(特許文献2参照)、こうした導電助剤は高価であり、コスト高になる。   In order to overcome such drawbacks, for example, several percent of fibrous carbon such as vapor-grown carbon fiber is added to improve contact between particles (see Patent Document 2). Such conductive aids are expensive and expensive.

特開平09−063584号公報JP 09-063584 A 特開2003−160323号公報JP 2003-160323 A

そこで、本発明の目的は、上記実情に鑑み、高い充填構造を形成しやすい炭素材料を提供する技術を提供し、かつ、粒子間の接触を改善しサイクル特性を向上させた黒鉛化度の高い黒鉛材料を安価に製造する技術を提供する事にある。   Therefore, in view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a technique for providing a carbon material that easily forms a high filling structure, and to improve contact between particles and to improve cycle characteristics, and has a high degree of graphitization. The purpose is to provide a technique for producing graphite material at low cost.

上記目的を達成するため、本発明者らは微細炭素粒子を得るべく、加熱流動状態の溶融した溶融炭素前駆体を、ノズルより吐出・冷却して球状に形成する炭素材料の製造方法に想到した。そこで、加熱流動状態の溶融炭素前駆体を、ノズルより断続的に吐出させる吐出工程を実行すると、吐出される溶融炭素前駆体は、表面張力により微小球状の賦形化炭素前駆体として冷却賦形化すると予想し、この製造方法について鋭意研究した。
ところが、意外にも、この製造方法によれば、溶融炭素前駆体は、概略球状の塊状部を備えた種々の形状の賦形化炭素前駆体となって、冷却賦形化する事を実験的に明らかにすることができた。
In order to achieve the above object, the present inventors have conceived a method for producing a carbon material in which a molten carbon precursor melted in a heated and flowing state is discharged and cooled from a nozzle to form spherical particles in order to obtain fine carbon particles. . Therefore, when a discharge process is performed in which the molten carbon precursor in a heated and fluidized state is discharged intermittently from the nozzle, the discharged molten carbon precursor is cooled and shaped as a microspherical shaped carbon precursor by surface tension. As a result, we have intensively studied this production method.
However, surprisingly, according to this manufacturing method, the molten carbon precursor becomes an experimentally shaped carbon precursor with various spherical shapes, and is experimentally cooled. Could be revealed.

さらに、このようにして製造される炭素前駆体材料の主成分は、概略球状の塊状部である頭部と前記頭部に繋がった繊維状の尻尾部を備えた、オタマジャクシ状の形状を有するものを主成分とする場合があることがわかった。また、製造条件を種々検討したところ、製造条件によっては、前記尻尾部の無い真球状の炭素前駆体材料が得られることもわかった。   Furthermore, the main component of the carbon precursor material produced in this manner has a tadpole-like shape with a head that is a substantially spherical lump and a fibrous tail connected to the head. It was found that there are cases where the main component is. Further, when various production conditions were examined, it was also found that a true spherical carbon precursor material without the tail portion was obtained depending on the production conditions.

このような形状の賦形化炭素前駆体は、概略球状の頭部が、従来のメソフェーズ炭素粒子と同様に、電極用材料等として用いる場合に高い充填構造をとるのに寄与するとともに、繊維部が各粒子間の接点を形成するのに有利に働くことを見出した。
本発明は、この新知見に基づきなされたものであって、前記概略球状の塊状部を備えた種々の形状の炭素材料を提供する以下の構成を備える。
The shaped carbon precursor having such a shape contributes to a high filling structure when the substantially spherical head is used as an electrode material or the like, as in the case of conventional mesophase carbon particles, and the fiber portion. Has been found to favor the formation of a contact between each particle.
The present invention has been made on the basis of this new finding, and includes the following configurations that provide carbon materials of various shapes including the substantially spherical lump portion.

ここで、溶融炭素前駆体の製造方法について説明する。これは求電子的置換反応が可能な芳香族化合物と架橋材を反応させることにより得られる。
求電子的置換反応が可能な芳香族化合物は、特に限定されるものではないが、ナフタレン、アズレン、インダセン、フルオレン、フェネントレン、アントラセン、トリフェニレン、ピレン、クリセン、ナフタセン、ピセン、ペリレン、ペンタフェン、ペンタセンなどの2環以上の縮合多環炭化水素;インドール、イソインドール、キノリン、イソキノリン、キノキサン、フタラジン、カルバゾール、アクリジン、フェナジン、フェナントロジンなどの3員環以上の複素環基と芳香族炭化水素とが縮合した縮合複素環化合物;アントラセン油、脱晶アントラセン油、ナフタレン油、メチルナフタレン油、タール、クレオソート油、エチレンボトム油、カルボル油、ソルベントナフサなどの芳香族系油;石油系または石炭系のピッチなどが例示される。これらの芳香族成分は、架橋反応に悪影響を及ぼさない置換基、たとえばアルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボキシル基、などを有していてもよい。これらの芳香族化合物は、一種または二種以上使用することができる。さらに、ビフェニル、ビナフタレンなどの環集合化合物と併用することもできる。
Here, the manufacturing method of a molten carbon precursor is demonstrated. This is obtained by reacting an aromatic compound capable of electrophilic substitution with a cross-linking material.
The aromatic compound capable of electrophilic substitution is not particularly limited, but naphthalene, azulene, indacene, fluorene, phenanthrene, anthracene, triphenylene, pyrene, chrysene, naphthacene, picene, perylene, pentaphen, pentacene, etc. A condensed polycyclic hydrocarbon of 2 or more rings of the above: a heterocyclic group having 3 or more members such as indole, isoindole, quinoline, isoquinoline, quinoxane, phthalazine, carbazole, acridine, phenazine, phenanthridine and an aromatic hydrocarbon Condensed condensed heterocyclic compounds; aromatic oils such as anthracene oil, decrystallized anthracene oil, naphthalene oil, methylnaphthalene oil, tar, creosote oil, ethylene bottom oil, carbol oil, solvent naphtha; petroleum-based or coal-based Examples include pitch That. These aromatic components may have a substituent that does not adversely affect the crosslinking reaction, such as an alkyl group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carboxyl group, and the like. These aromatic compounds can be used singly or in combination of two or more. Furthermore, it can also be used in combination with a ring assembly compound such as biphenyl or binaphthalene.

2官能性架橋剤としては、前記求電子的置換反応が可能な芳香族化合物の複数の成分または単独の成分を架橋できる種々の2官能性化合物が使用できる。具体的には、キシレンジクロライドなどの芳香族ジメチレンハライド;キシレングリコールなどの芳香族ジメタノール;テレフタル酸クロライド、イソフタル酸クロライド、フタル酸クロライド、2,6−ナフタレンジカルボン酸クロライドなどの芳香族ジカルボニルハライド;ベンズアルデヒド、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、p−メトキシベンズアルデヒド、2,5−ジヒドロキシベンズアルデヒド、ベンズアルデヒドジメチルアセタノール、テレフタルアレデヒド、イソフタルアルデヒド、サリチルアルデヒドなどの芳香族アルデヒドが例示される。これらの架橋剤は、一種または二種以上使用できる。   As the bifunctional crosslinking agent, various bifunctional compounds capable of crosslinking a plurality of components or a single component of the aromatic compound capable of the electrophilic substitution reaction can be used. Specifically, aromatic dimethylene halides such as xylene dichloride; aromatic dimethanols such as xylene glycol; aromatic dicarbonyls such as terephthalic acid chloride, isophthalic acid chloride, phthalic acid chloride, and 2,6-naphthalenedicarboxylic acid chloride Halide; aromatic aldehydes such as benzaldehyde, p-hydroxybenzaldehyde, p-methoxybenzaldehyde, 2,5-dihydroxybenzaldehyde, benzaldehyde dimethylacetanol, terephthalaldehyde, isophthalaldehyde, salicylaldehyde and the like are exemplified. These crosslinking agents can be used alone or in combination.

架橋剤の使用量は、求電子的置換反応が可能な芳香族化合物の特性に応じて広い範囲で選択でき、縮合多環炭化水素および/または縮合複素環化合物1モルに対する架橋剤の使用量は0.1〜5モル、好ましくは0.5〜3モル程度である。また、ピッチ類のような芳香族系化合物混合物については、平均分子量に対して0.01〜5モル、好ましくは0.05〜3モルである。   The amount of the crosslinking agent used can be selected within a wide range depending on the characteristics of the aromatic compound capable of electrophilic substitution, and the amount of the crosslinking agent used per mole of the condensed polycyclic hydrocarbon and / or the condensed heterocyclic compound is It is about 0.1 to 5 mol, preferably about 0.5 to 3 mol. Moreover, about aromatic compound mixtures like pitches, it is 0.01-5 mol with respect to an average molecular weight, Preferably it is 0.05-3 mol.

前記架橋剤による架橋反応は、通常酸触媒の存在下で行われる。酸触媒としては、たとえばルイス酸、ブレンステッド酸などの慣用の酸が使用できる。ルイス酸には、たとえばZnCl2,BF3,AlCl3,SnCl4,TiCl4などが含まれ、ブレンステッド酸には、たとえばp−トルエンスルホン酸、フルオロメタンスルホン酸、キシレンスルホン酸などの有機酸、塩酸、硫酸、硝酸などの鉱酸が含まれる。酸触媒には、ブレンステッド酸が好ましい。 The crosslinking reaction with the crosslinking agent is usually performed in the presence of an acid catalyst. As the acid catalyst, conventional acids such as Lewis acid and Bronsted acid can be used. Examples of Lewis acids include ZnCl 2 , BF 3 , AlCl 3 , SnCl 4 , and TiCl 4 , and examples of Bronsted acids include organic acids such as p-toluenesulfonic acid, fluoromethanesulfonic acid, and xylenesulfonic acid. , Mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid. The acid catalyst is preferably a Bronsted acid.

酸触媒の使用量は、反応条件および前記求電子的置換反応が可能な芳香族化合物の反応性などに応じて選択でき、たとえば前記架橋剤に対して0.01〜10モル当量、好ましくは0.5〜3モル当量である。   The amount of the acid catalyst used can be selected according to the reaction conditions and the reactivity of the aromatic compound capable of the electrophilic substitution reaction, for example, 0.01 to 10 molar equivalents, preferably 0, relative to the crosslinking agent. .5-3 molar equivalents.

架橋反応は、溶媒を用いて行うこともできるが、溶媒の不存在下で行うのが好ましい。反応は、たとえば80〜400℃、好ましくは100〜350℃で行う。反応は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中、または空気、酸素など酸化性雰囲気中いずれも可能である。得られた炭素前躯体は、室温まで冷却すると固体状樹脂として回収できる。   The crosslinking reaction can be performed using a solvent, but it is preferably performed in the absence of a solvent. The reaction is carried out, for example, at 80 to 400 ° C, preferably 100 to 350 ° C. The reaction can be performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium or argon, or in an oxidizing atmosphere such as air or oxygen. The obtained carbon precursor can be recovered as a solid resin when cooled to room temperature.

その後、700℃〜1500℃の温度範囲で炭化処理を行った後、2000℃〜3100度の温度範囲で黒鉛化処理を行うことができる。   Then, after carbonizing in a temperature range of 700 ° C. to 1500 ° C., graphitization can be performed in a temperature range of 2000 ° C. to 3100 degrees.

溶融炭素前駆体としては、前記材料に限定されない。架橋材を用いて重合をさせない場合には、コールタールピッチ、石油系ピッチ、コークスなども原料として前記の温度範囲で焼成することによって製造することもできる。 The molten carbon precursor is not limited to the above materials. When polymerization is not performed using a cross-linking material, coal tar pitch, petroleum pitch, coke, or the like can also be produced by firing in the above temperature range as a raw material.

ピッチとは石油蒸留残査、ナフサ熱分解残査、エチレンボトム油、石炭液化油、コールタールなどの石油系及び石炭系重質油を蒸留操作に付すことにより沸点200℃未満の低沸点成分を除去したものおよびさらに熱処理や水添処理などを施したものをさし、具体的にはメソフェーズピッチ、水素化メソフェーズピッチなどをその代表として挙げることができる。   Pitch is a petroleum boiling residue, naphtha pyrolysis residue, petroleum bottom oil, coal liquefied oil, coal tar and other petroleum-based and coal-based heavy oils subjected to distillation operation to lower boiling point components below 200 ° C. The removed one and the one further subjected to heat treatment or hydrogenation treatment, specifically, mesophase pitch, hydrogenated mesophase pitch and the like can be mentioned as representatives.

〔構成〕
本発明の特徴構成は、軟化温度が250〜350℃の、加熱流動状態の溶融炭素前駆体を、300〜500℃の溶融状態でノズルより吐出量を不均一に乱した状態で断続的に高速で吐出させる吐出工程と、断続して吐出された溶融炭素前駆体を、空気流下で冷却賦形化する冷却工程と、前記冷却工程を経た賦形化炭素前駆体を加熱する不融化工程と、前記不融化工程を経た不融化炭素前駆体を炭化する炭化工程を順に実行して、概略球状の塊状部を有し、繊維状炭素群中に前記塊状部が分散して存在する炭素材料を製造する点にある。
尚、前記ノズルはスプレーノズルであることが好ましく、具体的には、前記ノズルが口径0.1〜2mm、ノズル孔数1〜20個であり、背圧1〜10気圧の吐出条件で溶融炭素前駆体を吐出可能であることが好ましい。
前記吐出工程が、軟化温度が250〜350℃の溶融炭素前駆体を、300℃〜500℃の溶融状態で前記ノズルから吐出させるものであることが好ましい。
また、前記冷却工程が、前記ノズルから吐出される溶融炭素前駆体を空気流下で冷却するものであることが好ましい。
また、前記不融化工程が、賦形化炭素前駆体を270℃〜500℃に加熱するものであることが好ましい。
さらに、前記炭化工程が不融化炭素前駆体を700℃〜1500℃に加熱するものであることが好ましい。
〔Constitution〕
The characteristic configuration of the present invention is that a molten carbon precursor having a softening temperature of 250 to 350 ° C in a heated and flowing state is intermittently high-speed in a state in which the discharge amount is unevenly disturbed from a nozzle in a molten state of 300 to 500 ° C. a discharge step of discharging in a molten carbon precursor discharged intermittently, a cooling step of cooling vehicle formulated under a stream of air, and infusibilized heating the shaped carbon precursor through said cooling step, the carbonization step of carbonizing the infusibilized carbon precursor through said infusible step is executed in order, have a massive part of the general spherical, producing a carbon material in which the bulk portion in the fibrous carbon group is present dispersed There is in point to do.
The nozzle is preferably a spray nozzle. Specifically, the nozzle has a diameter of 0.1 to 2 mm, a nozzle hole number of 1 to 20, and molten carbon under discharge conditions of a back pressure of 1 to 10 atm. It is preferable that the precursor can be discharged.
It is preferable that the said discharge process is what discharges the molten carbon precursor whose softening temperature is 250-350 degreeC from the said nozzle in a 300-500 degreeC molten state.
Moreover, it is preferable that the said cooling process cools the molten carbon precursor discharged from the said nozzle under an air flow.
Moreover, it is preferable that the said infusibilization process heats a shaped carbon precursor to 270 degreeC-500 degreeC.
Furthermore, it is preferable that the said carbonization process heats an infusible carbon precursor to 700 to 1500 degreeC.

〔作用効果〕
つまり、上述の新知見によれば、上記吐出工程によりノズルより吐出された溶融炭素前駆体は、概略球状の塊状部を有する形状となる。
これを冷却固化する冷却工程を行えば、前記溶融炭素前駆体は、条件によっては、概略球状の塊状部を有する種々の形状で固化した賦形化炭素前駆体となる。
[Function and effect]
That is, according to the above-described new knowledge, the molten carbon precursor discharged from the nozzle in the discharge step has a shape having a substantially spherical lump portion.
If the cooling process which cools and solidifies this is performed, the said molten carbon precursor will become the shaped carbon precursor solidified by the various shape which has a substantially spherical lump part depending on conditions.

具体的には、上記賦形化炭素前駆体は、通常、塊塊状部の頭部と紐状の尻尾部とを供えたオタマジャクシ状の構成となる。
これは、ノズルから吐出された溶融炭素前駆体が、線状に押し出され引き伸ばされて、紐状、棒状、線状等その他の形状となる力と、線状に押し出された溶融炭素前駆体を切断しつつ、表面張力により球状に集合して塊状部を生成する力とがバランスして、球状の塊状部とその他の部分がつながった特殊な形状に冷却固化することに由来すると考えられる。
Specifically, the above-mentioned shaped carbon precursor usually has a tadpole-like configuration provided with a lump-shaped head and a string-like tail.
This is because the molten carbon precursor discharged from the nozzle is extruded and stretched in a linear shape, and the molten carbon precursor extruded in a linear shape is subjected to a force such as a string shape, a rod shape, or a linear shape. It is considered that this is derived from the fact that, while cutting, the force of gathering into a spherical shape by surface tension to balance and generating a lump portion is balanced and cooled and solidified into a special shape in which the lump lump portion and other portions are connected.

つまり、前記吐出工程において、表面張力に対して、連続的に線状に吐出される力が勝れば、全体として有頭糸状の炭素前駆体材料となり、表面張力が勝る吐出条件とすれば、ほぼ全体が球状の塊状部となるように溶融炭素前駆体が集合する炭素前駆体材料が得られると考えられる。
そして、これらの中間の条件を採ることにより、上記オタマジャクシ状の炭素前駆体材料が得られたものと考えられる。
In other words, in the discharge step, if the force that is continuously discharged linearly with respect to the surface tension, it becomes a headed carbon-like carbon precursor material as a whole, and if the discharge conditions are such that the surface tension is superior, It is considered that a carbon precursor material in which the molten carbon precursors are aggregated so that almost the whole is a spherical lump is obtained.
And it is thought that the tadpole-like carbon precursor material was obtained by taking these intermediate conditions.

ノズルから吐出された溶融炭素前駆体を、吐出条件により制御された形状として冷却固化すれば、その条件に対応する塊状部を有する炭素前駆体材料が得られる。この炭素前駆体材料は、不融化工程、炭化工程を経て炭素材料として用いることができる。   If the molten carbon precursor discharged from the nozzle is cooled and solidified in a shape controlled by the discharge conditions, a carbon precursor material having a massive portion corresponding to the conditions can be obtained. This carbon precursor material can be used as a carbon material through an infusibilization step and a carbonization step.

冷却工程としては、空冷、水冷、さらにその他種々の冷却方法のいずれであっても良い。また、それらの組み合わせであってもよい。   The cooling process may be any of air cooling, water cooling, and various other cooling methods. Moreover, those combinations may be sufficient.

また、上述の炭素材料の製造方法を行うと、メソカーボンマイクロビーズのようなメソフェーズ小球体炭素を得る場合に比べて、原料となる炭素前駆体のすべての芳香族成分を炭素材料の製造に供することができる(つまり、メソフェーズ炭素となりにくい炭素成分であっても塊状部を構成するとともに黒鉛化可能な構造として利用できる)ため、安価な原料を用いて炭素材料を製造することができる。   In addition, when the above-described method for producing a carbon material is performed, all aromatic components of the carbon precursor as a raw material are used for the production of the carbon material as compared with the case of obtaining mesophase microsphere carbon such as mesocarbon microbeads. (In other words, even a carbon component that does not easily become mesophase carbon can be used as a structure capable of forming a lump and graphitizing), so that a carbon material can be manufactured using an inexpensive raw material.

また、吐出された溶融炭素前駆体は、後の処理工程に、そのままほぼ全量を供することができ、高い収率で炭素材料を得ることができる。
したがって、上記炭素材料の製造方法によると、炭素材料の製造コストを低減する事ができ、炭素材料を安価に提供することができた。
In addition, the discharged molten carbon precursor can be used almost as it is in the subsequent processing step, and a carbon material can be obtained with a high yield.
Therefore, according to the method for producing a carbon material, the production cost of the carbon material can be reduced, and the carbon material can be provided at a low cost.

先の構成により得られた賦形化された炭素前駆体材料は、軟化点が低く、容易に溶融する。従って、これを不融化することによって、前記塊状部の変形や、前記炭素前駆体材料同士の再融着等の不都合を防止することができる。   The shaped carbon precursor material obtained by the previous configuration has a low softening point and easily melts. Therefore, by making this infusible, it is possible to prevent inconveniences such as deformation of the massive portion and re-fusion of the carbon precursor materials.

〔作用効果〕
前記ノズルが、スプレーノズルであれば、溶融炭素前駆体を断続的に吐出させながら冷却固化させた時に、炭素前駆体材料を綿状に形成することができる。
具体的には、前記ノズルが口径0.1〜2mm、ノズル孔数1〜20個であると、前記綿状の炭素前駆体材料が、細かく絡まったものとなるので好ましい。また、背圧1〜10気圧の吐出条件であれば、吐出される溶融炭素前駆体を断続的に綿状に製造することが出来るため、連続生産に適する。
[Function and effect]
If the nozzle is a spray nozzle, the carbon precursor material can be formed into a cotton shape when cooled and solidified while intermittently discharging the molten carbon precursor.
Specifically, it is preferable that the nozzle has a diameter of 0.1 to 2 mm and the number of nozzle holes of 1 to 20 because the cotton-like carbon precursor material is finely entangled. Moreover, if the discharge conditions are a back pressure of 1 to 10 atm, the discharged molten carbon precursor can be intermittently produced in a cotton-like shape, which is suitable for continuous production.

また、このようなノズルにより溶融炭素前駆体を吐出すると、吐出された溶融炭素前駆体が、端部に塊状部を生成しながら、断続的にかつ大量に発生しつつ、絡み合いながら冷却固化する。そのため、吐出された溶融炭素前駆体は、端部に塊状部を備え、紐状に固化した炭素前駆体材料が複雑に絡み合った綿状になる。そのため、前記炭素前駆体材料を不織布として加工するのに適する。   Moreover, when a molten carbon precursor is discharged by such a nozzle, the discharged molten carbon precursor is cooled and solidified while being entangled while being generated in a large amount intermittently while generating a lump at the end. Therefore, the discharged molten carbon precursor has a lump-like portion at the end, and becomes a cotton shape in which the carbon precursor material solidified in a string shape is intertwined in a complicated manner. Therefore, it is suitable for processing the carbon precursor material as a nonwoven fabric.

尚、炭素前駆体材料からなる不織布は、断熱材、緩衝材としての用途があり、また、炭素からなるので、賦活化した後活性炭としての性質を利用して脱臭剤、吸着材としての利用等種々の用途で用いることができる。
つまり、溶融炭素前駆体として、軟化温度が250℃〜350℃のものは、容易に溶融させることができ、かつ、炭素前駆体材料とし容易に黒鉛化構造を形成して導電性を発揮することができるものを製造できる組成を有することが経験的に知られており、電極材料等としての炭素前駆体材料を形成するような場合に、特に、導電性を発揮させるための構成を容易に形成できるので好ましい。また、ノズルから溶融炭素前駆体を押し出す場合、前記溶融炭素前駆体の軟化温度よりも約50℃〜200℃程度高温で押し出せば、比較的容易に所望の形状の炭素前駆体材料を得るべく吐出条件を制御できるので好ましい。
In addition, the nonwoven fabric made of the carbon precursor material has uses as a heat insulating material and a buffer material, and since it is made of carbon, it is activated and used as a deodorant, an adsorbent, etc. by utilizing the properties as activated carbon. It can be used in various applications.
That is, a molten carbon precursor having a softening temperature of 250 ° C. to 350 ° C. can be easily melted, and can easily form a graphitized structure as a carbon precursor material to exhibit conductivity. It is empirically known to have a composition that can produce a material that can be manufactured, and in particular when forming a carbon precursor material as an electrode material or the like, a structure for exerting electrical conductivity is easily formed. It is preferable because it is possible. In addition, when extruding a molten carbon precursor from a nozzle, it is relatively easy to obtain a carbon precursor material having a desired shape by extruding at a temperature about 50 ° C. to 200 ° C. higher than the softening temperature of the molten carbon precursor. It is preferable because the discharge conditions can be controlled.

さらに、このようなノズルから吐出される溶融炭素前駆体は、吐出された後に微細化されて空気流に触れたときに、急速に冷却されて固化する構成とすることができ、簡便な構成で、炭素前駆体材料を製造することができ、断続的に効率よく炭素前駆体材料を製造できる。したがって、製造コストを低減し安価な炭素前駆体材料を提供することができるようになった。 Furthermore, the molten carbon precursor discharged from such a nozzle can be configured to rapidly cool and solidify when it is atomized and exposed to an air flow after being discharged. The carbon precursor material can be produced, and the carbon precursor material can be produced intermittently and efficiently. Therefore, it has become possible to reduce the manufacturing cost and provide an inexpensive carbon precursor material.

炭素前駆体材料の不融化は、通常、その炭素前駆体材料の表面を酸化処理することによってものである。このような不融化は、例えばNO2、SO2、オゾン等の酸化性ガスを含む空気雰囲気中、加熱することにより行われる。この際の温度は、270℃〜500℃とすることが好ましい。270℃以下では不融化が速やかに行われないし、500℃以上にすると、昇温速度が速い場合には、ふたたび溶融状態となるためである。 Infusibilization of a carbon precursor material is usually performed by oxidizing the surface of the carbon precursor material. Such infusibilization is performed by heating in an air atmosphere containing an oxidizing gas such as NO 2 , SO 2 , and ozone. The temperature at this time is preferably 270 ° C to 500 ° C. This is because infusibilization is not rapidly performed at 270 ° C. or lower, and when the temperature rise rate is high at 500 ° C. or higher, the molten state is again melted.

前記炭化工程は、前記不融化炭素前駆体を700℃〜1500℃に加熱することが好ましい。700℃以下の低温だと充分な炭化が望めず、1500℃以上であると不経済だからである。さらに好ましくは、前記炭化工程は、800℃〜1200℃で行う。 In the carbonization step, the infusible carbon precursor is preferably heated to 700 ° C to 1500 ° C. If the temperature is lower than 700 ° C., sufficient carbonization cannot be expected, and if it is higher than 1500 ° C., it is uneconomical. More preferably, the carbonization step is performed at 800 ° C to 1200 ° C.

〔作用効果〕
つまり、加熱流動状態の溶融炭素前駆体をノズルから断続的に高速で吐出させると、繊維状炭素群が得られる。
この繊維状炭素群は、前記溶融炭素前駆体が断続的に高速で吐出され、球状部と繊維状部が連続的につながった構造に賦形化され、応力がかかることによって切断され、複雑に絡み合った状態で冷却固化されたものと考えられる。
[Function and effect]
That is, when the molten carbon precursor in a heated fluid state is intermittently discharged from the nozzle at a high speed, a fibrous carbon group is obtained.
This fibrous carbon group is formed into a structure in which the molten carbon precursor is intermittently discharged at a high speed, the spherical portion and the fibrous portion are continuously connected, and is cut by applying stress, making it complicated It is thought that it was cooled and solidified in an intertwined state.

この炭素前駆体材料を詳細に観察すると、前記繊維状炭素は、一端側に塊状部を備えた頭部を有し、他端側に繊維状炭素が紐状につながった尻尾部を有する構造の炭素前駆体材料が、綿状に集まったものであって、繊維状炭素を主体とする綿中に塊状部が分散配置されたような構造になっている場合がある。塊状部の大きさと、繊維状炭素の長さのバランスは、上記ノズルの形状、大きさ、溶融炭素前駆体の吐出圧力、速さ等の条件によるが、溶融炭素前駆体をノズルより断続的に吐出させることにより、綿状の繊維状炭素群中に前記塊状部が分散して存在する塊状部分散炭素材を製造することができる。   When this carbon precursor material is observed in detail, the fibrous carbon has a structure having a head portion having a lump portion on one end side and a tail portion in which the fibrous carbon is connected in a string shape on the other end side. In some cases, the carbon precursor materials are gathered in a cotton form and have a structure in which massive portions are dispersedly arranged in cotton mainly composed of fibrous carbon. The balance between the size of the lump and the length of the fibrous carbon depends on conditions such as the shape and size of the nozzle, the discharge pressure of the molten carbon precursor, and the speed, but the molten carbon precursor is intermittently removed from the nozzle. By making it discharge, the lump part dispersion | distribution carbon material in which the said lump part disperse | distributes and exists in a cotton-like fibrous carbon group can be manufactured.

このようにして得られた炭素前駆体材料は、容易に不織布に成型することができ、その成型された炭素前駆体材料は、高い充填構造をとれるとともに、前記尻尾部が、隣接する他の炭素前駆体材料と接触する構成が容易に実現するため、その塊状部同士の間に接点を形成することができ、炭素材料全体としての物理特性の向上につながるとともに、この炭素材料を黒鉛化して電極を形成した際の導電性を高めるのに寄与する。   The carbon precursor material thus obtained can be easily molded into a non-woven fabric, and the molded carbon precursor material can have a high filling structure, and the tail portion is adjacent to another carbon. Since the structure in contact with the precursor material is easily realized, a contact point can be formed between the bulk parts, leading to improvement in physical properties of the carbon material as a whole, and the carbon material is graphitized to form an electrode This contributes to increasing the conductivity when the film is formed.

〔構成〕
また、本発明の塊状部分散黒鉛材料の製造方法は、前記炭素材料の製造方法により得られた炭素材料を黒鉛化する黒鉛化工程を行うことを特徴とする。また、前記黒鉛化工程は、2000℃〜3100℃に加熱することが好ましい。
〔Constitution〕
Moreover, the manufacturing method of the lump part dispersion | distribution graphite material of this invention performs the graphitization process which graphitizes the carbon material obtained by the manufacturing method of the said carbon material. Moreover, it is preferable that the said graphitization process is heated at 2000 to 3100 degreeC.

〔作用効果〕
つまり、前記炭素材料は、表面が酸化されて所定の形状を維持しているので、黒鉛化することによって、その形状を維持した状態の黒鉛材料とすることができる。
この際、2000℃以下の低温だと電池負極材料として充分な放電容量が得られず、3100℃以上の高温になると、昇華がおこり、収率が低下する。さらに好ましくは、前記黒鉛化工程は、2000℃〜3000℃で行う。
[Function and effect]
That is, since the carbon material is oxidized in its surface and maintains a predetermined shape, the carbon material can be made into a graphite material in a state where the shape is maintained by graphitization.
At this time, a discharge capacity sufficient as a battery negative electrode material cannot be obtained at a low temperature of 2000 ° C. or lower, and sublimation occurs at a high temperature of 3100 ° C. or higher, resulting in a decrease in yield. More preferably, the graphitization step is performed at 2000 ° C to 3000 ° C.

〔作用効果〕
つまり、上述の製造方法によれば、前記溶融炭素前駆体は、条件によっては、完全な球状にはならず、種々形状の賦形化炭素前駆体となるが、概略球状の塊状部を有する形状で固化してなる賦形化炭素前駆体が製造される。この賦形化炭素前駆体は、その塊状部により、高い充填構造を形成することができるものとなる。
[Function and effect]
That is, according to the manufacturing method described above, the molten carbon precursor does not become a perfect spherical shape depending on conditions, but becomes a shaped carbon precursor of various shapes, but has a shape having a substantially spherical lump portion. A shaped carbon precursor formed by solidification is produced. The shaped carbon precursor can form a high filling structure due to the lump.

尚、電極材料に限って言えば、塊状部が高い充填効率で充填されると、体積エネルギー密度が向上し、また、繊維部の絡み合いによって、粒子間の接触点が増加し、高い導電性が確保され、サイクル特性の向上が期待できる。   As far as the electrode material is concerned, when the bulk portion is filled with high filling efficiency, the volume energy density is improved, and the contact points between the particles are increased due to the entanglement of the fiber portion, resulting in high conductivity. Secured, and improved cycle characteristics can be expected.

さらに炭素前駆体材料が、球状頭部と、紐状尻尾部とを備えた炭素前駆体材料であって、前記球状頭部が0.001〜2mm径の球状となっていると、これらは、全体として綿状になっており、しかも、繊維状炭素の末端に塊状部を備えた形状のものが、複雑に絡み合ったものとなっているので、塊状部が繊維状炭素の抜け止めになって、ほつれにくく、容易に不織布状に加工することができ、不織布状に圧密した状態で、前記塊状部同士が前記繊維状炭素を介して接続しあっている構造を実現できる。また、前記綿状、あるいは不織布状に加工した炭素材料を、従来の炭素繊維を用いたものと比較すると、前記炭素材料は繊維末端のとがった部分が前記塊状部が覆い隠されている事から、人が触ったときの触感が良い。   Furthermore, when the carbon precursor material is a carbon precursor material having a spherical head and a string-like tail, and the spherical head has a spherical shape with a diameter of 0.001 to 2 mm, these are: As a whole, it is cotton-like, and the shape with a lump at the end of the fibrous carbon is intricately intertwined. It is difficult to fray, can be easily processed into a non-woven fabric, and can realize a structure in which the massive portions are connected to each other via the fibrous carbon in a state of being consolidated into a non-woven fabric. In addition, when the carbon material processed into the cotton-like or non-woven fabric is compared with the carbon material using the conventional carbon fiber, the carbon material has a pointed portion at the end of the fiber covered with the lump portion. , Feel good when touched by people.

尚、電極材料として好ましい炭素材料の寸法としては、頭部の径が5μm〜40μm程度である。このような構成とすることにより、得られた炭素材料は、充分分散しており、破砕等の工程を経ずに、そのまま不融化、炭化、黒鉛化して電極材料として用いることができ、かつ、高い充填度、導電性が期待できる。また、従来の炭素繊維を用いた電極材料と比較すると、従来の場合、炭素繊維の末端の鋭利な部分がささくれて、セパレータ等の薄膜を傷つけたり突き破ったりする場合があるという問題があったのに対し、本発明のものでは、塊状部が球状であるため、このような問題を生じにくいという利点がある。   In addition, as a dimension of a carbon material preferable as an electrode material, the diameter of the head is about 5 μm to 40 μm. By adopting such a configuration, the obtained carbon material is sufficiently dispersed, and can be used as an electrode material by being infusibilized, carbonized, graphitized as it is without passing through crushing and the like, and High degree of filling and conductivity can be expected. In addition, compared with conventional electrode materials using carbon fibers, there was a problem that in the conventional case, the sharp portion of the end of the carbon fibers may flutter and damage or break through a thin film such as a separator. On the other hand, in the thing of this invention, since a lump part is spherical, there exists an advantage that it is hard to produce such a problem.

したがって、種々の用途に用いられ、さまざまな好ましい物性を発現させられる炭素材料を、簡便安価に製造することができるようになり、種々の分野への炭素材料の普及に役立てることができる。特に、燃料電池の電極用材料としての応用が期待される。   Therefore, carbon materials that can be used in various applications and can exhibit various preferable physical properties can be easily and inexpensively manufactured, and can be used for the spread of carbon materials in various fields. In particular, application as an electrode material for fuel cells is expected.

本発明の炭素前駆体材料の製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the carbon precursor material of this invention. 溶融ピッチ供給装置を示す図である。It is a figure which shows a melting pitch supply apparatus. 賦形化炭素前駆体Aの顕微鏡写真(×43)である。It is a microscope picture (x43) of the shaped carbon precursor A. 賦形化炭素前駆体Aの顕微鏡写真(×500)である。It is a microscope picture (x500) of the shaped carbon precursor A. 賦形化炭素前駆体Aの顕微鏡写真(×1000)である。It is a microscope picture (x1000) of the shaped carbon precursor A. 電池電極の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of a battery electrode. 賦形化炭素前駆体Bの顕微鏡写真(×2000)である。It is a microscope picture (x2000) of the shaped carbon precursor B.

以下に、本発明の炭素材料の製造方法及び炭素材料を説明する。尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。   Below, the manufacturing method and carbon material of the carbon material of this invention are demonstrated. Preferred examples are described below, but these examples are described in order to more specifically illustrate the present invention, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited to the following description.

〔炭素材料の製造方法〕
本発明の炭素材料の製造方法により、電極材料として黒鉛化した炭素材料(黒鉛材料)を製造する例を図1に示す。
[Method for producing carbon material]
An example of producing a graphitized carbon material (graphite material) as an electrode material by the carbon material production method of the present invention is shown in FIG.

<1>
まず、溶融炭素前駆体としての溶融ピッチを加熱溶融状態に保持して、ノズルから吐出する溶融ピッチ供給装置1(図2参照)を用いて吐出工程を行う。吐出された溶融ピッチは空冷されつつ固化して、綿状の賦形化炭素前駆体としての賦形化ピッチとなる(冷却工程)。賦形化ピッチは、さらに冷水浴により水冷される(冷却工程)。
<1>
First, a discharge process is performed using the melt pitch supply apparatus 1 (refer FIG. 2) which discharges from a nozzle, hold | maintaining the melt pitch as a molten carbon precursor in a heat-melting state. The discharged molten pitch is solidified while being air-cooled, and becomes a shaped pitch as a flocculent shaped carbon precursor (cooling step). The shaped pitch is further water cooled by a cold water bath (cooling step).

<2>
得られた賦形化ピッチは、不融化工程により不融化され、炭素前駆体材料としての不融化ピッチとなる。不融化工程は種々公知の方法で行えばよく、例えば、空気中、300℃にて60分間加熱することにより実現することができる。
<2>
The obtained shaped pitch is infusibilized by the infusibilization step and becomes an infusibilized pitch as a carbon precursor material. The infusibilization step may be performed by various known methods, and can be realized, for example, by heating in air at 300 ° C. for 60 minutes.

<3>
次に、不融化工程を経た不融化ピッチを、さらに、炭化工程に供する。
炭化工程は種々公知の方法で行えばよく、例えば、不活性雰囲気中、1000℃にて60分加熱することにより実現することができる。これにより、不融化ピッチは炭化され、炭素材料となる。
<3>
Next, the infusibilized pitch that has undergone the infusibilization step is further subjected to a carbonization step.
The carbonization step may be performed by various known methods, for example, by heating in an inert atmosphere at 1000 ° C. for 60 minutes. Thereby, the infusible pitch is carbonized and becomes a carbon material.

<4>
炭化工程を経た炭素材料は、さらに黒鉛化工程に供される。黒鉛化工程についても、種々公知の方法で行えばよく、例えば、不活性雰囲気中、2800℃にて60分加熱することにより実現することができる。
<4>
The carbon material that has undergone the carbonization step is further subjected to a graphitization step. The graphitization step may be performed by various known methods, and can be realized, for example, by heating at 2800 ° C. for 60 minutes in an inert atmosphere.

このようにして得られた黒鉛化した黒鉛材料(黒鉛化炭素材料)は、バインダーを混合した後、所定の溶媒にペーストに状分散させ、基材に塗布焼成可能な電極材料として用いられる。   The graphitized graphite material (graphitized carbon material) thus obtained is used as an electrode material that can be coated and fired on a substrate after being mixed with a binder in a paste after being mixed with a binder.

以下に、さらに具体的な実施例を説明する。   Hereinafter, more specific examples will be described.

<炭素材料A>
〔溶融ピッチ供給装置〕
溶融ピッチ供給装置1は図2に示すように、原料ピッチを溶融流動状態の溶融ピッチとして保持可能なタンク2を設けるとともに、そのタンク2内にあらかじめ供給された原料ピッチを加熱溶融して溶融ピッチとして保持する加熱装置3を備える。
<Carbon material A>
[Melting pitch feeder]
As shown in FIG. 2, the melt pitch supply device 1 is provided with a tank 2 capable of holding the raw material pitch as a melt flow state melt pitch, and the raw material pitch previously supplied into the tank 2 is heated and melted to melt the melt pitch. As a heating device 3.

前記タンク2の下端部には、溶融ピッチを吐出するためのノズル4を設け、前記タンク2の上端部には、前記タンク2内にガスを供給するバルブとガスを排出するバルブがもうけられ、両者を交互に動作させることによってホッパ内の溶融炭素前駆体に断続的に背圧をかけ、その溶融ピッチをノズル4から吐出可能にする。また、前記タンク2の下方には、ノズル4から吐出された溶融ピッチの落下供給を受け、その溶融ピッチを水冷する冷却装置6を設けてある。   A nozzle 4 for discharging a melt pitch is provided at the lower end of the tank 2, and a valve for supplying gas into the tank 2 and a valve for discharging gas are provided at the upper end of the tank 2. By alternately operating the two, a back pressure is intermittently applied to the molten carbon precursor in the hopper so that the molten pitch can be discharged from the nozzle 4. A cooling device 6 is provided below the tank 2 to receive a drop supply of the molten pitch discharged from the nozzle 4 and to cool the molten pitch with water.

〔加熱装置及び溶融ピッチ〕
前記原料ピッチとしては、三菱ガス化学社製ピッチ(品種AR24Z、軟化点293.9℃)を用い、前記加熱装置3は、前記原料ピッチを400℃の溶融状態に維持するように加熱制御される。
[Heating device and melt pitch]
As the raw material pitch, a pitch (product type AR24Z, softening point 293.9 ° C.) manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd. is used, and the heating device 3 is heated and controlled so as to maintain the raw material pitch in a molten state of 400 ° C. .

〔ノズル〕
前記ノズル4としては、例えば(株)いけうち社製ノズル(型番KBシリーズ)を用いる。このノズル4は、口径約0.1のノズル口を、1個設けた、いわゆるスプレーノズルとなっている。
〔nozzle〕
As the nozzle 4, for example, a nozzle manufactured by Ikeuchi Co., Ltd. (model number KB series) is used. The nozzle 4 is a so-called spray nozzle having one nozzle port having a diameter of about 0.1.

〔供給弁〕
ガス供給弁とガス排出弁は、手動で切り替えることによって、背圧を調整する構造となっており、前記タンク2内に1〜10気圧の圧力を負荷するよう、供給制御可能に構成してある。
[Supply valve]
The gas supply valve and the gas discharge valve have a structure in which the back pressure is adjusted by manually switching the supply valve and the gas discharge valve so that supply control is possible so that a pressure of 1 to 10 atm is loaded in the tank 2. .

〔溶融ピッチ吐出動作について〕
上述の構成により、前記溶融ピッチ供給装置1に供給された原料ピッチは、前記タンク2内で加熱装置3により400℃にて溶融され、前記ノズル4より、背圧4気圧で吐出される。そして、前記ノズルのノズル口近傍で空冷を受け、賦形化ピッチとなる。この賦形化ピッチが所定量生成すると、排出弁を開いて背圧を下げ、一旦ノズル口からの溶融ピッチの吐出を遮断して賦形化ピッチを下方に落下させる。また、賦形化ピッチが下方に落下されると、再びノズル4のノズル口を開き、溶融ピッチの吐出を可能とする断続吐出制御が行われる。具体的には、一回の吐出時間は0.5秒程度で、約1秒間隔で吐出が行われる。
[Melting pitch discharge operation]
With the above-described configuration, the raw material pitch supplied to the melt pitch supply device 1 is melted at 400 ° C. by the heating device 3 in the tank 2 and discharged from the nozzle 4 at a back pressure of 4 atm. And it receives air cooling in the nozzle opening vicinity of the said nozzle, and becomes a shaping pitch. When a predetermined amount of this shaping pitch is generated, the discharge valve is opened to lower the back pressure, and the discharge of the molten pitch from the nozzle port is once interrupted to drop the shaping pitch downward. Further, when the shaping pitch is dropped downward, the nozzle opening of the nozzle 4 is opened again, and intermittent discharge control is performed so that the molten pitch can be discharged. Specifically, one discharge time is about 0.5 seconds, and discharge is performed at intervals of about 1 second.

〔賦形化ピッチ〕
得られた賦形化炭素前駆体は、背圧が低いと線状に落下するが、背圧の上昇とともに全体として繊維状炭素が綿状に広がりを持ちながら、複雑に絡み合った状態で冷却固化される。
[Shaping pitch]
The obtained shaped carbon precursor falls linearly when the back pressure is low, but as the back pressure rises, the fibrous carbon spreads in the form of cotton and is cooled and solidified in a complex entangled state. Is done.

(製造条件1)
原料ピッチ:三菱ガス化学社製ピッチ(品種AR24Z、軟化点293.9℃)
ノズル:(株)いけうち社製ノズル(型番KBシリーズ)
加熱温度:温度:400℃
背圧:圧力:4気圧
:負荷間隔:0.5秒を1秒間隔
(Production conditions 1)
Raw material pitch: Pitch made by Mitsubishi Gas Chemical Company (variety AR24Z, softening point 293.9 ° C)
Nozzle: Ikeuchi Co., Ltd. nozzle (model number KB series)
Heating temperature: Temperature: 400 ° C
Back pressure: Pressure: 4 atmospheres: Load interval: 0.5 seconds every 1 second

〔不融化工程〕
上記賦形化ピッチAを不融化条件1により不融化したところ、不融化ピッチA(図3参照)が得られた。
[Infusibilization process]
When the shaped pitch A was infusibilized under the infusibilization condition 1, an infusible pitch A (see FIG. 3) was obtained.

(不融化条件1)
雰囲気:環境ガス:空気
到達温度:300℃
時間:1時間
(Infusibilization condition 1)
Atmosphere: Environmental gas: Air temperature: 300 ° C
Time: 1 hour

〔炭化工程〕
上記不融化ピッチAを炭化条件1により炭化したところ、炭素材料A(図4,5参照)が得られた。
[Carbonization process]
When the infusibilized pitch A was carbonized under carbonization condition 1, carbon material A (see FIGS. 4 and 5) was obtained.

(炭化条件1)
環境ガス:アルゴン
到達温度:1000℃
時間:1時間
〔炭素材料の構造〕
下記製造条件1で得られた炭素材料Aは、下記に示すように、その繊維状炭素を詳細に観察すると、図3〜5に示すように、前記繊維状炭素は、一端側に塊状部を備えた頭部を有し、他端側に繊維状炭素が紐状につながった尻尾部を有する構造の炭素前駆体材料が、綿状に集まった炭素前駆体材料であって、繊維状炭素を主体とする綿状の繊維状炭素群中に塊状部が分散配置されたような構造になっていることがわかった。
(Carbonization condition 1)
Environmental gas: Argon temperature: 1000 ° C
Time: 1 hour [structure of carbon material]
As shown below, when the carbon material A obtained under the following production condition 1 is observed in detail, as shown in FIGS. 3 to 5, the fibrous carbon has a lump on one end side. A carbon precursor material having a structure having a head portion and a tail portion in which fibrous carbon is connected in a string shape on the other end side is a carbon precursor material gathered in a cotton shape, It was found that the structure was such that lump portions were dispersedly arranged in the main cotton-like fibrous carbon group.

〔黒鉛化工程〕
上記不融化ピッチAを黒鉛化条件1により黒鉛化したところ、黒鉛材料が得られた。
[Graphitization process]
When the infusibilized pitch A was graphitized under graphitization condition 1, a graphite material was obtained.

(黒鉛化条件1)
環境ガス:アルゴン
到達温度:2800℃
時間:1時間
(Graphitization condition 1)
Environmental gas: Argon temperature: 2800 ° C
Time: 1 hour

〔負極体の作成〕
黒鉛材料に、6wt%のポリフッ化ビニリデンを加え、N,N−ジメチルホルムアミドを溶媒として混合することにより、スラリー状にした。その後、負極成型機を用いて、銅箔ロール上に、一定の速度でそのスラリーを塗布し、厚み100〜140μmの電極を作製した。こうして得られた電極を200℃で6時間の真空乾燥を行った。
[Creation of negative electrode body]
6 wt% polyvinylidene fluoride was added to the graphite material, and N, N-dimethylformamide was mixed as a solvent to form a slurry. Then, the slurry was apply | coated on the copper foil roll at a fixed speed | rate using the negative electrode molding machine, and the electrode of thickness 100-140 micrometers was produced. The electrode thus obtained was vacuum-dried at 200 ° C. for 6 hours.

〔電池の作成〕
(実施例1)
前記にて得られた負極体の他、正極体としてLiCoO2を、電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネート1:1混合溶媒にLiPF6を1mol/lの割合で溶解したものを用い、セパレータとしてポリプロピレン不織布を用いてリチウム二次電池を作成した。その断面図を図6に示す。このリチウム二次電池は、正極活物質で構成された正極11と、前記負極体を含む負極13と、前記正極11と負極13との間に介在するセパレータ12を備えている。このセパレータ12には電解液が含浸されている。前記正極11、セパレータ12及び負極13は、ケース14内に収容され、ケース14の開口部は封口板15で封止されている。また、ケース14と負極11との間には、ニッケルメッシュ、金属金網などで構成された集電体16が配されている。符号17は絶縁パッキンである。
[Battery creation]
(Example 1)
In addition to the above-obtained negative electrode body, LiCoO2 was used as the positive electrode body, and the electrolyte was a solution of LiPF6 dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate at a ratio of 1 mol / l, and polypropylene as the separator. A lithium secondary battery was prepared using a nonwoven fabric. A cross-sectional view thereof is shown in FIG . The lithium secondary battery includes a positive electrode 11 made of a positive electrode active material, a negative electrode 13 including the negative electrode body, and a separator 12 interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 13. The separator 12 is impregnated with an electrolytic solution. The positive electrode 11, the separator 12, and the negative electrode 13 are accommodated in a case 14, and the opening of the case 14 is sealed with a sealing plate 15. A current collector 16 made of nickel mesh, metal wire mesh, or the like is disposed between the case 14 and the negative electrode 11. Reference numeral 17 denotes an insulating packing.

(比較例1)
大阪ガスケミカル(株)製メソカーボンマイクロビーズ(平均粒径25ミクロン、2800℃焼成品)を負極材料として用いたこと以外は、すべて実施例1と同様に評価を行った。
(Comparative Example 1)
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that mesocarbon microbeads (average particle size 25 microns, fired at 2800 ° C.) manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. were used as the negative electrode material.

(電池特性の測定)
本実験で得られたリチウム二次電池の放電特性を測定した。
実施例1および比較例1の電池の充放電を、25℃の環境温度下において、400mAの定電流、充電上限電圧4.2V、放電下限電圧2.5Vの条件下で、100サイクル繰り返した。初期容量は、いずれの電池も2.0Ahであった。
実施例1の電池は、100サイクル経過後においても容量劣化率は3%と少なく容量がほぼ維持されていた。一方、比較例1の電池では、サイクルに伴う容量劣化率が7%と顕著であり、出力低下が著しかった。両者ともに球状炭素であるが、繊維部の有無による接触点の数の違いによって、サイクル特性が異なることが実証された。
(Measurement of battery characteristics)
The discharge characteristics of the lithium secondary battery obtained in this experiment were measured.
The charging and discharging of the batteries of Example 1 and Comparative Example 1 were repeated 100 cycles under the conditions of a constant current of 400 mA, a charging upper limit voltage of 4.2 V, and a discharging lower limit voltage of 2.5 V at an environmental temperature of 25 ° C. The initial capacity of each battery was 2.0 Ah.
In the battery of Example 1, the capacity deterioration rate was as small as 3% even after 100 cycles, and the capacity was almost maintained. On the other hand, in the battery of Comparative Example 1, the capacity deterioration rate associated with the cycle was remarkable at 7%, and the output reduction was remarkable. Both were spherical carbons, but it was demonstrated that the cycle characteristics differed depending on the number of contact points depending on the presence or absence of the fiber part.

<炭素材料B>
前記原料炭素前駆体として、大阪ガスケミカル社製等方性ピッチ(キノリン不溶分1%、軟化点287.2℃)を用い、前記原料ピッチを420℃の溶融状態に維持するように加熱制御し、背圧を5気圧にした以外は、炭素材料Aと同様に炭素材料Bを製造した。溶融炭素前駆体の溶融状態で粘度は10Poise以下に制御される。その結果、賦形化炭素前駆体として真球状の炭素粒子が生成することを確認した(図7参照)。
得られた賦形化炭素前駆体を実施例1と同様の方法で、不融化した後、1100℃で炭化を行い(この場合、黒鉛化処理はしない。)、実施例1と同様の方法で電極評価を行った。
<Carbon material B>
As the raw material carbon precursor, isotropic pitch (1% quinoline insoluble content, softening point 287.2 ° C) manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd. is used, and the raw material pitch is controlled by heating so as to maintain the molten state at 420 ° C. A carbon material B was produced in the same manner as the carbon material A, except that the back pressure was 5 atm. In the molten state of the molten carbon precursor, the viscosity is controlled to 10 poise or less. As a result, it was confirmed that true spherical carbon particles were generated as a shaped carbon precursor (see FIG. 7 ).
The obtained shaped carbon precursor was infusibilized in the same manner as in Example 1, and then carbonized at 1100 ° C. (in this case, no graphitization treatment), and in the same manner as in Example 1. Electrode evaluation was performed.

(電池特性の測定)
その結果、25℃の環境温度下において、400mAの定電流、充電上限電圧4.1V、放電下限電圧2.5Vの条件下で、100サイクル繰り返した。初期容量は、2.0Ahであった。
100サイクル経過後においても容量劣化率は4%と少なく容量がほぼ維持され、比較例よりも改善された性能を示した。
(Measurement of battery characteristics)
As a result, 100 cycles were repeated under the conditions of a constant current of 400 mA, a charge upper limit voltage of 4.1 V, and a discharge lower limit voltage of 2.5 V under an environmental temperature of 25 ° C. The initial capacity was 2.0 Ah.
Even after 100 cycles, the capacity deterioration rate was as low as 4%, and the capacity was almost maintained, indicating improved performance over the comparative example.

Claims (7)

軟化温度が250〜350℃の、加熱流動状態の溶融炭素前駆体を、300〜500℃の溶融状態でノズルより吐出量を不均一に乱した状態で断続的に高速で吐出させる吐出工程と、断続して吐出された溶融炭素前駆体を、空気流下で冷却賦形化する冷却工程と、前記冷却工程を経た賦形化炭素前駆体を加熱する不融化工程と、前記不融化工程を経た不融化炭素前駆体を炭化する炭化工程を順に実行して、概略球状の塊状部を有し、繊維状炭素群中に前記塊状部が分散して存在する炭素材料を製造する塊状部分散炭素材料の製造方法。 A discharge step of discharging a molten carbon precursor having a softening temperature of 250 to 350 ° C. in a heated and flowing state intermittently at a high speed in a molten state of 300 to 500 ° C. in a state in which the discharge amount is unevenly disturbed from the nozzle; A cooling process for cooling and shaping the molten carbon precursor discharged intermittently under an air flow, an infusibilization process for heating the shaped carbon precursor that has undergone the cooling process, and an infusible process that has undergone the infusibilization process. the carbonization step of carbonizing the infusibilized carbon precursor was performed in sequence, the general spherical massive portions have a, massive portion dispersed carbon material the massive portion in the fibrous carbon group to produce a carbon material present in dispersed Production method. 前記ノズルがスプレーノズルである請求項1に記載の塊状部分散炭素材料の製造方法。 The method for producing a mass-dispersed carbon material according to claim 1, wherein the nozzle is a spray nozzle. 前記ノズルが口径0.1〜10mm、ノズル孔数1〜20個であり、背圧1〜10気圧の吐出条件で溶融炭素前駆体を吐出可能である請求項1または2に記載の塊状部分散炭素材料の製造方法。 The lump part dispersion according to claim 1 or 2, wherein the nozzle has a diameter of 0.1 to 10 mm, a nozzle hole number of 1 to 20, and can discharge the molten carbon precursor under discharge conditions of a back pressure of 1 to 10 atm. A method for producing a carbon material. 前記不融化工程が、賦形化炭素前駆体を270℃〜500℃に加熱するものである請求項1〜3のいずれか1項に記載の塊状部分散炭素材料の製造方法。 The method for producing a massive part-dispersed carbon material according to any one of claims 1 to 3 , wherein the infusibilization step heats the shaped carbon precursor to 270C to 500C. 前記炭化工程が不融化炭素前駆体を700℃〜1500℃に加熱するものである請求項1〜4のいずれか1項に記載の塊状部分散炭素材料の製造方法。 The method for producing a mass-dispersed carbon material according to any one of claims 1 to 4 , wherein the carbonization step heats the infusible carbon precursor to 700 ° C to 1500 ° C. 前記炭化工程を経た請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭素材料の製造方法により得られた炭素材料を黒鉛化する黒鉛化工程を行う塊状部分散黒鉛材料の製造方法。 The manufacturing method of the lump part dispersion | distribution graphite material which performs the graphitization process of graphitizing the carbon material obtained by the manufacturing method of the carbon material of any one of Claims 1-5 which passed the said carbonization process. 前記黒鉛化工程が炭素材料を2000℃〜3100℃に加熱するものである請求項に記載の塊状部分散黒鉛材料の製造方法。 The method for producing a massive part-dispersed graphite material according to claim 6 , wherein the graphitizing step heats the carbon material to 2000 ° C to 3100 ° C.
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