JP5561225B2 - Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery - Google Patents

Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP5561225B2
JP5561225B2 JP2011074916A JP2011074916A JP5561225B2 JP 5561225 B2 JP5561225 B2 JP 5561225B2 JP 2011074916 A JP2011074916 A JP 2011074916A JP 2011074916 A JP2011074916 A JP 2011074916A JP 5561225 B2 JP5561225 B2 JP 5561225B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium ion
ion secondary
carbon material
secondary battery
positron
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2011074916A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012209169A (en
Inventor
奈々恵 川手
裕一 市川
要介 澤山
龍朗 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Bakelite Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Bakelite Co Ltd filed Critical Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority to JP2011074916A priority Critical patent/JP5561225B2/en
Publication of JP2012209169A publication Critical patent/JP2012209169A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5561225B2 publication Critical patent/JP5561225B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a carbon material for a lithium ion secondary battery, a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery.

従来、リチウムイオン二次電池の負極には、炭素材が使用されている。充放電サイクルが進行しても、炭素材料を使用した負極上にはデンドライト状リチウムが析出されにくく、安全性が保証されるためである。
たとえば、特許文献1には、窒素含有量が0.1〜5.0重量%であり、0.33nmを超える細孔径を有する細孔が占める細孔容積が0.1〜50.0ml/kgである炭素材が開示されており、特許文献2には、特定の樹脂組成物を炭化処理し、細孔容積が50.0ml/kg以下である炭素材が開示されている。
Conventionally, a carbon material has been used for the negative electrode of a lithium ion secondary battery. This is because even if the charge / discharge cycle proceeds, dendritic lithium is hardly deposited on the negative electrode using the carbon material, and safety is guaranteed.
For example, Patent Document 1 discloses that the pore volume occupied by pores having a nitrogen content of 0.1 to 5.0% by weight and a pore diameter exceeding 0.33 nm is 0.1 to 50.0 ml / kg. A carbon material having a pore volume of 50.0 ml / kg or less is disclosed in Patent Document 2 by carbonizing a specific resin composition.

また、特許文献3には、電子スピン共鳴法により測定される25℃におけるスピン濃度が1×1018〜3×1018spins/gである炭素材が開示されている。 Patent Document 3 discloses a carbon material having a spin concentration of 1 × 10 18 to 3 × 10 18 spins / g at 25 ° C. measured by an electron spin resonance method.

特開2006−083012号公報JP 2006-083012 A 特開2004−303428号公報JP 2004-303428 A 特開H10−247495号公報JP H10-247495

近年、より充電容量、放電容量、および充放電効率の高いリチウムイオン電池の開発が求められている。しかしながら、特許文献1,2に開示された従来の炭素材を使用したものでは、このような要求に応えることが難しい。すなわち、特許文献1,2に開示された従来の炭素材では、炭素材表面よりガスが侵入できる細孔に関するもので、表面反応低減等による充放電効率を向上させるものではあるが、充放電容量向上も含めた炭素材を開発するには至っていない。また、特許文献3に開示された炭素材においても、材料中の不対電子の数を調整することで放電容量および充放電効率の向上を検討しているが、必ずしも要求特性を満足させるものではなかった。   In recent years, development of lithium ion batteries with higher charge capacity, discharge capacity, and charge / discharge efficiency has been demanded. However, it is difficult to meet such demands using the conventional carbon materials disclosed in Patent Documents 1 and 2. That is, the conventional carbon materials disclosed in Patent Documents 1 and 2 relate to pores through which gas can enter from the surface of the carbon material, and improve charge and discharge efficiency by reducing surface reaction, etc. Carbon materials including improvements have not been developed. In addition, in the carbon material disclosed in Patent Document 3, the improvement of the discharge capacity and the charge / discharge efficiency is studied by adjusting the number of unpaired electrons in the material, but it does not necessarily satisfy the required characteristics. There wasn't.

本発明によれば、
樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件(A)〜(E)のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であり、
(A)陽電子線源 :電子加速器を用いて電子・陽電子対生成し、陽電子を発生
(B)ガンマ線検出器 :BaFシンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気 :25℃、真空中
(D)消滅γ線カウント数 :3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10KeV
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材が提供される。
According to the present invention,
A carbon material for a lithium ion secondary battery obtained by carbonizing a resin or a resin composition,
Under the following conditions (A) to (E), the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less,
(A) Positron beam source: Electron / positron pair generation using an electron accelerator to generate positrons (B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (D) Count of annihilation γ-ray: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 KeV
A carbon material for a lithium ion secondary battery is provided, wherein a spin concentration measured by an electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less.

このようなリチウムイオン二次電池用炭素材を使用することで、充電容量、放電容量が高く、一定値以上の充放電効率を有するリチウムイオン電池を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れたリチウムイオン電池を提供することができる。
By using such a carbon material for a lithium ion secondary battery, it is possible to provide a lithium ion battery having a high charge capacity and a high discharge capacity and a charge / discharge efficiency of a certain value or more.
That is, according to the present invention, it is possible to provide a lithium ion battery excellent in the balance of charge capacity, discharge capacity and charge / discharge efficiency.

さらに、本発明によれば、上述したリチウムイオン二次電池用炭素材を含むリチウムイオン二次電池用負極材や、このリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池も提供できる。   Furthermore, according to this invention, the lithium ion secondary battery containing the negative electrode material for lithium ion secondary batteries containing the carbon material for lithium ion secondary batteries mentioned above and this negative electrode material for lithium ion secondary batteries can also be provided.

本発明によれば、充電容量、放電容量が高く、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れたリチウムイオン電池を提供することができるリチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon material for lithium ion secondary batteries which can provide the lithium ion battery which has high charge capacity, discharge capacity, and was excellent in the balance of charge capacity, discharge capacity, and charge / discharge efficiency, lithium ion secondary A negative electrode material for a battery and a lithium ion secondary battery are provided.

消滅γ線のカウント数と、陽電子消滅時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the count number of annihilation gamma rays, and positron annihilation time. リチウムイオン二次電池の模式図である。It is a schematic diagram of a lithium ion secondary battery.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(リチウムイオン二次電池用炭素材)
はじめに、本発明のリチウムイオン二次電池用炭素材(以下、炭素材という場合もある)の概要について説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件(A)〜(E)のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であり、
(A)陽電子線源: 電子加速器を用いて電子・陽電子対生成し、陽電子を発生
(B)ガンマ線検出器: BaFシンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気: 25℃、真空中
(D)消滅γ線カウント数: 3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10KeV
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Carbon material for lithium ion secondary battery)
First, the outline | summary of the carbon material for lithium ion secondary batteries of this invention (henceforth a carbon material may be demonstrated).
The carbon material for a lithium ion secondary battery of the present invention is a carbon material for a lithium ion secondary battery obtained by carbonizing a resin or a resin composition,
Under the following conditions (A) to (E), the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less,
(A) Positron beam source: Electron / positron pairs are generated using an electron accelerator to generate positrons. (B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (D) Count of annihilation γ-ray: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 KeV
A carbon material for a lithium ion secondary battery, wherein a spin concentration measured by an electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less.

次に、リチウムイオン二次電池用炭素材について詳細に説明する。
リチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理することにより、得られるものである。
樹脂あるいは、樹脂組成物に含まれる樹脂としては、特に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂を含有することができる。樹脂としては、単独あるいは二種類以上を併用することができる。
また、後述するように、樹脂組成物は、上記樹脂を主成分とするとともに、硬化剤、添加剤などを併せて含有することができる。
Next, the carbon material for a lithium ion secondary battery will be described in detail.
The carbon material for a lithium ion secondary battery is obtained by carbonizing a resin or a resin composition.
Although it does not specifically limit as resin contained in resin or a resin composition, For example, a thermosetting resin or a thermoplastic resin can be contained. As the resin, one kind or a combination of two or more kinds can be used.
Further, as will be described later, the resin composition contains the above resin as a main component and can contain a curing agent, an additive and the like.

ここで熱硬化性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂などのフェノール樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、フラン樹脂、ケトン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。また、これらが種々の成分で変性された変性物を用いることもできる。   Here, the thermosetting resin is not particularly limited. For example, a phenol resin such as a novolac type phenol resin or a resol type phenol resin, an epoxy resin such as a bisphenol type epoxy resin or a novolac type epoxy resin, a melamine resin, a urea resin, or aniline. Examples thereof include resins, cyanate resins, furan resins, ketone resins, unsaturated polyester resins, and urethane resins. In addition, modified products obtained by modifying these with various components can also be used.

また、熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド、などが挙げられる。   The thermoplastic resin is not particularly limited. For example, polyethylene, polystyrene, polyacrylonitrile, acrylonitrile-styrene (AS) resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polypropylene, vinyl chloride, methacrylic resin, polyethylene terephthalate, Polyamide, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyamideimide, polyimide, polyphthalamide, and the like can be given.

本発明の炭素材に用いられる主成分となる樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましい。これにより、炭素材の残炭率をより高めることができる。
そして、熱硬化性樹脂の中でも、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、及び、アニリン樹脂、およびこれらの変性物から選ばれるものであることが好ましい。これにより、炭素材の設計の自由度が広がり、低価格で製造することができる。
A thermosetting resin is preferable as the resin as the main component used in the carbon material of the present invention. Thereby, the remaining carbon rate of a carbon material can be raised more.
And among thermosetting resins, those selected from novolak-type phenol resins, resol-type phenol resins, melamine resins, furan resins, aniline resins, and modified products thereof are preferable. Thereby, the freedom degree of design of a carbon material spreads and it can manufacture at low cost.

また、熱硬化性樹脂を用いる場合には、その硬化剤を併用することができる。
ここで用いられる硬化剤としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の場合はヘキサメチレンテトラミン、レゾール型フェノール樹脂、ポリアセタール、パラホルムなどを用いることができる。また、エポキシ樹脂の場合は、脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミンなどのポリアミン化合物、酸無水物、イミダゾール化合物、ジシアンジアミド、ノボラック型フェノール樹脂、ビスフェノール型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂など、エポキシ樹脂にて公知の硬化剤を用いることができる。
なお、通常は所定量の硬化剤を併用する熱硬化性樹脂であっても、本発明で用いられる樹脂組成物においては、通常よりも少ない量を用いたり、あるいは硬化剤を併用しないで用いたりすることもできる。
Moreover, when using a thermosetting resin, the hardening | curing agent can be used together.
Although it does not specifically limit as a hardening | curing agent used here, For example, in the case of a novolak-type phenol resin, a hexamethylene tetramine, a resol type phenol resin, a polyacetal, paraform etc. can be used. In the case of epoxy resins, known as epoxy resins such as polyamine compounds such as aliphatic polyamines and aromatic polyamines, acid anhydrides, imidazole compounds, dicyandiamide, novolac-type phenol resins, bisphenol-type phenol resins, and resol-type phenol resins. Can be used.
In addition, even if it is a thermosetting resin that normally uses a predetermined amount of a curing agent, the resin composition used in the present invention may use a smaller amount than usual or may be used without using a curing agent. You can also

また、本発明で用いる樹脂組成物においては、このほか、添加剤を配合することができる。
ここで用いられる添加剤としては特に限定されないが、例えば、200〜800℃にて炭化処理した炭素材前駆体、黒鉛及び黒鉛変性剤、有機酸、無機酸、含窒素化合物、含酸素化合物、芳香族化合物、及び、非鉄金属元素などを挙げることができる。
上記添加剤は、用いる樹脂の種類や性状などにより、単独あるいは二種類以上を併用することができる。
Moreover, in the resin composition used by this invention, an additive can be mix | blended besides this.
Although it does not specifically limit as an additive used here, For example, the carbon material precursor carbonized at 200-800 degreeC, a graphite and graphite modifier, an organic acid, an inorganic acid, a nitrogen-containing compound, an oxygen-containing compound, aromatic Group compounds and non-ferrous metal elements.
The above additives may be used alone or in combination of two or more depending on the type and properties of the resin used.

本発明の炭素材に用いられる樹脂としては、後述する含窒素樹脂類を主成分樹脂として含んでいてもよい。また、主成分樹脂に含窒素樹脂類が含まれていないときには主成分樹脂以外の成分として、少なくとも1種以上の含窒素化合物を含んでいてもよいし、含窒素樹脂類を主成分樹脂として含むとともに含窒素化合物を主成分樹脂以外の成分として含んでいてもよい。このような樹脂を炭化処理することにより、窒素を含有する炭素材を得ることができる。   As a resin used for the carbon material of the present invention, nitrogen-containing resins described later may be included as a main component resin. Moreover, when the nitrogen-containing resin is not contained in the main component resin, at least one kind of nitrogen-containing compound may be included as a component other than the main component resin, or the nitrogen-containing resin is included as the main component resin. In addition, a nitrogen-containing compound may be included as a component other than the main component resin. By carbonizing such a resin, a carbon material containing nitrogen can be obtained.

ここで、含窒素樹脂類としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂のほか、アミンなどの含窒素成分で変性されたフェノール樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン(AS)樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミドなどが挙げられる。
Here, the following can be illustrated as nitrogen-containing resin.
Examples of thermosetting resins include melamine resins, urea resins, aniline resins, cyanate resins, urethane resins, phenol resins modified with nitrogen-containing components such as amines, and epoxy resins.
Examples of the thermoplastic resin include polyacrylonitrile, acrylonitrile-styrene (AS) resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polyamide, polyetherimide, polyamideimide, polyimide, and polyphthalamide.

また、含窒素樹脂類以外の樹脂としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。
Moreover, the following can be illustrated as resin other than nitrogen-containing resin.
Examples of the thermosetting resin include phenol resin, epoxy resin, furan resin, and unsaturated polyester resin.

熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。   Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polystyrene, polypropylene, vinyl chloride, methacrylic resin, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone, and polyetheretherketone. .

また、主成分樹脂以外の成分として含窒素化合物を用いる場合、その種類としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の硬化剤であるヘキサメチレンテトラミン、エポキシ樹脂の硬化剤である脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミン、ジシアンジアミドなどのほか、硬化剤成分以外にも、硬化剤として機能しないアミン化合物、アンモニウム塩、硝酸塩、ニトロ化合物など窒素を含有する化合物を用いることができる。
上記含窒素化合物としては、主成分樹脂に含窒素樹脂類を含む場合であっても含まない場合であっても、1種類を用いてもよいし、2種類以上を併用してもよい。
In addition, when a nitrogen-containing compound is used as a component other than the main component resin, the type thereof is not particularly limited. In addition to the aromatic polyamine, dicyandiamide and the like, besides the curing agent component, a compound containing nitrogen such as an amine compound, ammonium salt, nitrate, nitro compound which does not function as a curing agent can be used.
As the nitrogen-containing compound, one type may be used or two or more types may be used in combination, whether or not the main component resin contains nitrogen-containing resins.

本発明の炭素材に用いられる樹脂組成物、あるいは樹脂中の窒素含有量としては特に限定されないが、5.0〜65.0重量%であることが好ましい。さらに好ましくは10.0〜20.0重量%である。
このような樹脂組成物あるいは樹脂の炭化処理を行うことにより、最終的に得られる炭素材中の炭素原子含有量が95.0wt%以上であり、窒素原子含有量が0.5〜5.0wt%であることが好ましい。
このように窒素原子を0.5wt%以上、特に1.0wt%以上含有することで、窒素の有する電気陰性度により、炭素材に好適な電気的特性を付与することができる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性を付与することができる。
Although it does not specifically limit as resin content used for the carbon material of this invention, or nitrogen content in resin, It is preferable that it is 5.0 to 65.0 weight%. More preferably, it is 10.0-20.0 weight%.
By performing the carbonization treatment of such a resin composition or resin, the carbon atom content in the carbon material finally obtained is 95.0 wt% or more, and the nitrogen atom content is 0.5 to 5.0 wt%. % Is preferred.
Thus, by containing 0.5 wt% or more, particularly 1.0 wt% or more of nitrogen atoms, it is possible to impart electrical characteristics suitable for the carbon material due to the electronegativity of nitrogen. Thereby, occlusion and discharge | release of lithium ion can be accelerated | stimulated and a high charging / discharging characteristic can be provided.

また、窒素原子を5.0wt%以下、特に3.0wt%以下とすることで、炭素材に付与される電気的特性が過剰に強くなってしまうことが抑制され、吸蔵されたリチウムイオンが窒素原子と電気的吸着を起こすことが防止される。これにより、不可逆容量の増加を抑制し、高い充放電特性を得ることができる。   Further, by setting the nitrogen atom to 5.0 wt% or less, particularly 3.0 wt% or less, the electrical characteristics imparted to the carbon material are suppressed from becoming excessively strong, and the occluded lithium ions are nitrogen. Prevents electroadsorption with atoms. Thereby, an increase in irreversible capacity can be suppressed and high charge / discharge characteristics can be obtained.

本発明の炭素材中の窒素含有量は、上記樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量のほか、樹脂組成物あるいは樹脂を炭化する条件や、炭化処理の前に硬化処理やプレ炭化処理を行う場合には、それらの条件についても適宜設定することによって、調整することができる。
たとえば、上述したような窒素含有量である炭素材を得る方法としては、樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量を所定値として、これを炭化処理する際の条件、特に、最終温度を調整する方法があげられる。
The nitrogen content in the carbon material of the present invention is not limited to the nitrogen content in the resin composition or the resin, but is subjected to a condition for carbonizing the resin composition or the resin, or a curing treatment or a pre-carbonization treatment before the carbonization treatment. In some cases, these conditions can also be adjusted by appropriately setting.
For example, as a method of obtaining the carbon material having the nitrogen content as described above, the nitrogen content in the resin composition or the resin is set as a predetermined value, and conditions for carbonizing the resin composition, particularly the final temperature are adjusted. There are methods.

本発明の炭素材に用いられる樹脂組成物の調製方法としては特に限定されないが、例えば、上記主成分樹脂と、これ以外の成分とを所定の比率で配合し、これらを溶融混合する方法、これらの成分を溶媒に溶解して混合する方法、あるいは、これらの成分を粉砕して混合する方法などにより調製することができる。   The method for preparing the resin composition used for the carbon material of the present invention is not particularly limited. For example, the above main component resin and other components are blended in a predetermined ratio, and these are melt mixed. These components can be prepared by dissolving them in a solvent and mixing them, or by pulverizing and mixing these components.

炭素材において、上記窒素含有量は熱伝導度法により測定したものである。
本方法は、測定試料を、燃焼法を用いて単純なガス(CO、HO、及びN)に変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させるものである。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定することができる。
なお、本発明では、パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「PE2400」を用いて実施した。
In the carbon material, the nitrogen content is measured by a thermal conductivity method.
In this method, a measurement sample is converted into a simple gas (CO 2 , H 2 O, and N 2 ) using a combustion method, and then the gasified sample is homogenized and then passed through a column. . Thereby, these gas is isolate | separated in steps and content of carbon, hydrogen, and nitrogen can be measured from each thermal conductivity.
In the present invention, an element analysis measuring device “PE2400” manufactured by PerkinElmer Co., Ltd. was used.

また、本発明の炭素材は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、好ましくは、380ピコ秒以上である。また、本発明の炭素材は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が480ピコ秒以下、好ましくは、460ピコ秒以下である。
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である場合には、後述するようにリチウムが出入りしやすいサイズの空隙が炭素材に形成されているといえ、充電容量、放電容量を高めることができ、充電容量、放電容量が高く、一定程度以上の充放電効率を有する炭素材、すなわち、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れた炭素材を得ることができる。
The carbon material of the present invention has a positron lifetime measured by the positron annihilation method of 370 picoseconds or more, preferably 380 picoseconds or more. Further, the carbon material of the present invention has a positron lifetime measured by a positron annihilation method of 480 picoseconds or less, preferably 460 picoseconds or less.
When the positron lifetime measured by the positron annihilation method is not less than 370 picoseconds and not more than 480 picoseconds, it can be said that a void having a size in which lithium easily enters and exits is formed in the carbon material, as will be described later. It is possible to obtain a carbon material that can increase the discharge capacity, has a high charge capacity, a high discharge capacity, and has a charge / discharge efficiency of a certain degree or more, that is, a carbon material that has an excellent balance of charge capacity, discharge capacity, and charge / discharge efficiency. it can.

ここで、陽電子寿命と、空隙サイズとの関係について説明する。
陽電子寿命法とは、陽電子(e)が試料に入射してから、消滅するまでの時間を計測して、空隙の大きさを測定する方法である。
陽電子は、電子の反物質であり、電子と同じ静止質量を持つがその電荷は正である。
陽電子は、物質中に入射すると、電子と対(陽電子−電子対(ポジトロニウム))になり、その後消滅することが知られている。炭素材に陽電子を打ち込むと、陽電子(e)は高分子中で叩き出された電子の1つと結合してポジトロニウムを形成する。ポジトロニウムは高分子材料中の電子密度の低い部分、すなわち高分子中の局所空隙にトラップされ、空隙壁から出た電子雲と重なり消滅する。ポジトロニウムが高分子中の空隙中に存在する場合、その空隙の大きさとポジトロニウムの消滅寿命は反比例の関係にある。すなわち、空隙が小さいとポジトロニウムと周囲電子との重なりが大きくなり、陽電子消滅寿命は短くなる。一方、空隙が大きいとポジトロニウムが空隙壁からしみ出した他の電子と重なって消滅する確立が低くなりポジトロニウムの消滅寿命は長くなる。したがって、ポジトロニウムの消滅寿命を測定することにより炭素材中の空隙の大きさを評価することができる。
上述したように、炭素材に入射した陽電子は、エネルギーを失った後、電子とともに、ポジトロニウムを形成し消滅する。この際、炭素材からは、γ線が放出されることとなる。
従って、放出されたγ線が測定の終了信号となる。
陽電子消滅寿命の測定には、陽電子源として電子加速器や汎用のものとしては放射性同位元素22Naがよく用いられる。22Naは22Neにβ崩壊するときに、陽電子と1.28MeVのγ線を同時放出する。炭素材中に入射した陽電子は、消滅過程を経て511keVのγ線を放出する。したがって、1.28MeVのγ線を開始信号とし、511kevのγ線を終了信号として、両者の時間差を計測すれば陽電子の消滅寿命を求めることができる。具体的には、図1に示すような、陽電子寿命スペクトルが得られる。この陽電子寿命スペクトルの傾きAが陽電子寿命を示しており、陽電子寿命スペクトルから炭素材の陽電子寿命を把握することができる。
また、陽電子源として、電子加速器を使用する場合には、タンタルまたはタングステンからなるターゲットに電子ビームを照射することによって発生する制動X線により電子・陽電子対生成を引起こさせ、陽電子を発生させる。電子加速器の場合、陽電子ビームを試料に入射した時点を測定開始点(前記22Naにおける開始信号に相当)とし、終了信号は22Naの場合と同様の原理で測定を実施する。
Here, the relationship between the positron lifetime and the void size will be described.
The positron lifetime method is a method for measuring the size of the void by measuring the time from when the positron (e + ) enters the sample until it disappears.
A positron is an antimatter of electrons and has the same static mass as an electron, but its charge is positive.
It is known that when a positron enters a substance, it becomes a pair (positron-electron pair (positronium)) with an electron and then disappears. When a positron is injected into the carbon material, the positron (e + ) is combined with one of the electrons struck out in the polymer to form positronium. Positronium is trapped in a portion having a low electron density in the polymer material, that is, a local void in the polymer, and overlaps with the electron cloud emitted from the void wall and disappears. When positronium is present in voids in the polymer, the size of the voids and the annihilation lifetime of positronium are inversely related. That is, when the void is small, the overlap between the positronium and the surrounding electrons is increased, and the positron annihilation lifetime is shortened. On the other hand, when the void is large, the probability that positronium disappears by overlapping with other electrons oozing out from the void wall is lowered, and the annihilation lifetime of positronium is increased. Therefore, the size of the voids in the carbon material can be evaluated by measuring the annihilation lifetime of positronium.
As described above, the positron incident on the carbon material loses energy, and then forms positronium and disappears together with the electron. At this time, γ rays are emitted from the carbon material.
Accordingly, the emitted γ rays serve as a measurement end signal.
For the measurement of positron annihilation lifetime, often used radioactive isotopes 22 Na as that of an electron accelerator and generic as positron source. 22 Na emits positrons and 1.28 MeV gamma rays simultaneously when β + decays to 22 Ne. The positron incident on the carbon material emits 511 keV gamma rays through an annihilation process. Therefore, the annihilation lifetime of the positron can be obtained by measuring the time difference between the 1.28 MeV γ ray and the 511 kev γ ray as the end signal. Specifically, a positron lifetime spectrum as shown in FIG. 1 is obtained. The slope A of the positron lifetime spectrum indicates the positron lifetime, and the positron lifetime of the carbon material can be grasped from the positron lifetime spectrum.
When an electron accelerator is used as the positron source, electron / positron pair generation is caused by the braking X-rays generated by irradiating the target made of tantalum or tungsten with an electron beam to generate positrons. In the case of an electron accelerator, the time when the positron beam is incident on the sample is set as a measurement start point (corresponding to the start signal in the 22 Na), and the end signal is measured on the same principle as in the case of 22 Na.

従来、特許文献1,2に開示されているように、COを使用したガス吸着法により、細孔容量や、細孔径を測定し、リチウムを吸蔵、放出することができる径や容量を有する細孔が形成された炭素材を開発していた。しかしながら、特許文献1,2に開示された条件を満たす細孔を有する炭素材を使用しても、充電容量、放電容量を向上させることは非常に困難であった。
これは、二酸化炭素分子は、分子径が0.33nmであり、リチウムイオン(イオン半径が約0.06nm)よりも非常に大きいことに起因すると考えられる。二酸化炭素を使用したガス吸着法では検出できないような非常に小さい細孔にもリチウムイオンは、出入りすることができるため、COを使用したガス吸着法では、リチウムイオンが吸蔵、放出可能な細孔を正確に見積もることが難しい。そのため、リチウムイオンが吸蔵、放出可能な最適な細孔を有する炭素材を得ることができなかったと考えられる。
これに対し、陽電子消滅法で使用される陽電子は非常に小さいため、リチウムイオンが吸蔵、放出に最適な孔を正確に見積もることができる。従って、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である炭素材を製造し、この炭素材を使用することで、充電容量、放電容量を高めることが可能となる。
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒未満の場合には、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくくなる。また、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が480ピコ秒を超えると、リチウムを吸蔵量は多くなるが、電解液等他の物質の侵入により、静電容量の増加によりリチウムが放出しにくくなると推測される。
Conventionally, as disclosed in Patent Documents 1 and 2 , the pore volume and the pore diameter are measured by a gas adsorption method using CO 2 , and the diameter and the capacity are capable of inserting and extracting lithium. A carbon material with pores was developed. However, it was very difficult to improve the charge capacity and the discharge capacity even when a carbon material having pores satisfying the conditions disclosed in Patent Documents 1 and 2 was used.
This is probably because carbon dioxide molecules have a molecular diameter of 0.33 nm, which is much larger than lithium ions (ion radius is about 0.06 nm). Lithium ions can enter and exit even very small pores that cannot be detected by the gas adsorption method using carbon dioxide. Therefore, the gas adsorption method using CO 2 can absorb and release lithium ions. It is difficult to estimate the hole accurately. For this reason, it is considered that a carbon material having optimum pores capable of inserting and extracting lithium ions could not be obtained.
On the other hand, since the positron used in the positron annihilation method is very small, it is possible to accurately estimate the optimum hole for insertion and extraction of lithium ions. Therefore, by manufacturing a carbon material having a positron lifetime of 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less as measured by the positron annihilation method, it is possible to increase the charge capacity and the discharge capacity.
When the positron lifetime measured by the positron annihilation method is less than 370 picoseconds, the pore size is too small and it becomes difficult to occlude and release lithium ions. In addition, when the positron lifetime measured by the positron annihilation method exceeds 480 picoseconds, the amount of occlusion of lithium is increased, but it is assumed that lithium is less likely to be released due to an increase in electrostatic capacity due to intrusion of other substances such as an electrolytic solution. Is done.

また、本発明の炭素材は、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下である。
電子スピン共鳴法におけるスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下の場合、後述するように材料中の導電性が最適化されているといえ、高充電容量に伴う高効率が可能となる。
In addition, the carbon material of the present invention has a spin concentration measured by an electron spin resonance method of 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less.
When the spin concentration in the electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less, it can be said that the conductivity in the material is optimized as described later. The associated high efficiency is possible.

ここで、スピン濃度と導電性との関係について説明する。
電子スピン共鳴法とは、材料中の不対電子を検出する分光法の一つである。電子にはスピンと呼ばれる性質があり、静磁場中に不対電子が置かれると不対電子は特定周波数のマイクロ波を吸収し、スピンのエネルギー準位は高いほうへと遷移する。この現象を利用することで不対電子の検出を行うのが電子スピン共鳴法である。電子スピン共鳴法の吸収強度は不対電子の数に比例し、不対電子の濃度を既知の標準試料と比較することにより、材料中の不対電子濃度、すなわちスピン濃度を求めることが出来る。
一般に、材料中のスピン濃度は電気抵抗率と関連性があることが知られており、スピン濃度が高いほど電気抵抗率は小さくなるとされている。
Here, the relationship between the spin concentration and the conductivity will be described.
The electron spin resonance method is one of spectroscopic methods for detecting unpaired electrons in a material. An electron has a property called spin, and when an unpaired electron is placed in a static magnetic field, the unpaired electron absorbs a microwave of a specific frequency, and the energy level of the spin transitions to a higher level. The electron spin resonance method detects unpaired electrons by utilizing this phenomenon. The absorption intensity of the electron spin resonance method is proportional to the number of unpaired electrons, and the concentration of unpaired electrons in the material, that is, the spin concentration can be obtained by comparing the concentration of unpaired electrons with a known standard sample.
Generally, it is known that the spin concentration in a material is related to the electrical resistivity, and it is said that the electrical resistivity decreases as the spin concentration increases.

電子スピン共鳴法におけるスピン濃度が5×1016spins/g未満の場合、スピン濃度が低く電気抵抗率が大きくなり、充電容量が高くとも高効率が伴わない。一方、スピン濃度が2×1018spins/gを超える場合、材料中の不対電子密度が高くなり、電解液と反応する機会が増え、それに伴う不可逆容量の増加により効率が低下してしまう。
これに対し、スピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下の場合、材料中の電気抵抗率が小さく不可逆容量も最小に留めることができるので、高充電容量に伴う高効率が可能となると推測される。
When the spin concentration in the electron spin resonance method is less than 5 × 10 16 spins / g, the spin concentration is low and the electric resistivity is high, and high efficiency is not accompanied even if the charge capacity is high. On the other hand, when the spin concentration exceeds 2 × 10 18 spins / g, the unpaired electron density in the material increases, and the opportunity to react with the electrolytic solution increases, resulting in a decrease in efficiency due to an increase in irreversible capacity.
On the other hand, when the spin concentration is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less, the electrical resistivity in the material is small and the irreversible capacity can be kept to a minimum. It is estimated that the accompanying high efficiency is possible.

また、本発明の炭素材は、広角X回折法からBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔d002が3.40Å以上、3.90Å以下であることが好ましい。平均面間隔d002が3.40Å以上、特に3.60Å以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵に伴う層間の収縮・膨張が起こり難くなるため、充放電サイクル性の低下を抑制できる。
一方で、平均面間隔d002が3.90Å以下、特に3.80Å以下である場合にはリチウムイオンの吸蔵・脱離が円滑に行われ、充放電効率の低下を抑制できる。
さらに、本発明の炭素材は、c軸方向((002)面直交方向)の結晶子の大きさLcが8Å以上、50Å以下であることが好ましい。
Lcを8Å以上、特に9Å以上とすることでリチウムイオンを吸蔵・脱離することができる炭素層間スペースが形成され、十分な充放電容量が得られるという効果があり、50Å以下、特に15Å以下とすることでリチウムイオンの吸蔵・脱離による炭素積層構造の崩壊や、電解液の還元分解を抑制し、充放電効率と充放電サイクル性の低下を抑制できるという効果がある。
Lcは以下のようにして算出される。
X線回折測定から求められるスペクトルにおける002面ピークの半値幅と回折角から次のScherrerの式を用いて決定した。
Lc=0.94 λ/(βcosθ) ( Scherrerの式)
Lc : 結晶子の大きさ
λ : 陰極から出力される特性X線Kα1の波長
β : ピークの半値幅( ラジアン)
θ : スペクトルの反射角度
The carbon material of the present invention preferably has an (002) plane average plane distance d002 of 3.40 mm or more and 3.90 mm or less calculated from the wide angle X diffraction method using the Bragg equation. When the average interplanar distance d002 is 3.40 mm or more, particularly 3.60 mm or more, it is difficult to cause shrinkage / expansion between layers accompanying occlusion of lithium ions, so that it is possible to suppress a decrease in charge / discharge cycle performance.
On the other hand, when the average interplanar distance d002 is 3.90 mm or less, particularly 3.80 mm or less, lithium ions are occluded / desorbed smoothly, and a decrease in charge / discharge efficiency can be suppressed.
Furthermore, in the carbon material of the present invention, the crystallite size Lc in the c-axis direction (the (002) plane orthogonal direction) is preferably 8 to 50 mm.
By setting Lc to 8 mm or more, particularly 9 mm or more, there is an effect that a carbon interlayer space capable of inserting and extracting lithium ions is formed, and a sufficient charge / discharge capacity can be obtained. By doing so, it is possible to suppress the collapse of the carbon laminate structure due to the insertion / desorption of lithium ions and the reductive decomposition of the electrolytic solution, and to suppress the decrease in charge / discharge efficiency and charge / discharge cycle performance.
Lc is calculated as follows.
It was determined from the half width of the 002 plane peak and the diffraction angle in the spectrum obtained from the X-ray diffraction measurement using the following Scherrer equation.
Lc = 0.94 λ / (βcos θ) (Scherrer equation)
Lc: crystallite size λ: wavelength of characteristic X-ray K α1 output from the cathode β: half width of peak (radian)
θ: Spectral reflection angle

本発明の炭素材におけるX線回折スペクトルは、島津製作所製・X線回折装置「XRD−7000」により測定したものである。本発明の炭素材における、上記平均面間隔の測定方法は以下の通りである。
本発明の炭素材のX線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔d(nm)を以下のBragg式より算出した。
λ=2dhklsinθ Bragg式 (dhkl=d002
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
θ:スペクトルの反射角度
The X-ray diffraction spectrum of the carbon material of the present invention is measured by an X-ray diffractometer “XRD-7000” manufactured by Shimadzu Corporation. The method for measuring the average spacing in the carbon material of the present invention is as follows.
From the spectrum calculated | required from the X-ray-diffraction measurement of the carbon material of this invention, average surface space | interval d (nm) was computed from the following Bragg formulas.
λ = 2d hkl sinθ Bragg equation (d hkl = d 002 )
λ: wavelength of characteristic X-ray K α1 output from the cathode θ: reflection angle of spectrum

さらに、本発明の炭素材は、窒素吸着におけるBET3点法による比表面積が15m/g以下、1m/g以上であることが好ましい。
窒素吸着におけるBET3点法による比表面積が15m/g以下であることで、炭素材と電解液との反応を抑制できる。
また、窒素吸着におけるBET3点法による比表面積を1m/g以上とすることで電解液の炭素材への適切な浸透性が得られるという効果がある。
比表面積の算出方法は以下の通りである。
下記(1)式より単分子吸着量Wmを算出し、下記(2)式より総表面積Stotalを算出し、下記(3)式より比表面積Sを求めた。
1/[W(Po/P−1)=(C−1)/WmC(P/Po)/WmC・・(1)
式(1)中、P:吸着平衡にある吸着質の気体の圧力、Po:吸着温度における吸着質の飽和蒸気圧、W:吸着平衡圧Pにおける吸着量、Wm:単分子層吸着量、C:固体表面と吸着質との相互作用の大きさに関する定数(C=exp{(E1−E2)RT})[E1:第一層の吸着熱(kJ/mol)、E2:吸着質の測定温度における液化熱(kJ/mol)]
Stotal=(WmNAcs)M・・・・・・・・・(2)
式(2)中、N:アボガドロ数、M:分子量、Acs:吸着断面積
S=Stotal/w・・・・・・(3)
式(3)中、w:サンプル重量(g)
Furthermore, the carbon material of the present invention preferably has a specific surface area of 15 m 2 / g or less and 1 m 2 / g or more according to the BET three-point method in nitrogen adsorption.
Reaction with a carbon material and electrolyte solution can be suppressed because the specific surface area by BET 3 point method in nitrogen adsorption is 15 m < 2 > / g or less.
Moreover, there exists an effect that appropriate permeability to the carbon material of electrolyte solution is acquired by making the specific surface area by BET 3 point method in nitrogen adsorption into 1 m < 2 > / g or more.
The calculation method of the specific surface area is as follows.
The monomolecular adsorption amount Wm was calculated from the following formula (1), the total surface area Total was calculated from the following formula (2), and the specific surface area S was calculated from the following formula (3).
1 / [W (Po / P-1) = (C-1) / WmC (P / Po) / WmC (1)
In the formula (1), P: pressure of the adsorbate gas in the adsorption equilibrium, Po: saturated vapor pressure of the adsorbate at the adsorption temperature, W: adsorption amount at the adsorption equilibrium pressure P, Wm: monomolecular layer adsorption amount, C : Constant on the magnitude of the interaction between the solid surface and the adsorbate (C = exp {(E1-E2) RT}) [E1: heat of adsorption of the first layer (kJ / mol), E2: measurement temperature of the adsorbate Liquefaction heat (kJ / mol)]
Total = (WmNAcs) M (2)
In formula (2), N: Avogadro number, M: molecular weight, Acs: adsorption cross section S = Total / w (3)
In formula (3), w: sample weight (g)

以上のような炭素材は、以下のようにして製造することができる。
はじめに、炭化処理すべき、樹脂あるいは、樹脂組成物を製造する。
樹脂組成物の調製のための装置としては特に限定されないが、例えば、溶融混合を行う場合には、混練ロール、単軸あるいは二軸ニーダーなどの混練装置を用いることができる。また、溶解混合を行う場合は、ヘンシェルミキサー、ディスパーザなどの混合装置を用いることができる。そして、粉砕混合を行う場合には、例えば、ハンマーミル、ジェットミルなどの装置を用いることができる。
このようにして得られた樹脂組成物は、複数種類の成分を物理的に混合しただけのものであってもよいし、樹脂組成物の調製時、混合(攪拌、混練など)に際して付与される機械的エネルギーおよびこれが変換された熱エネルギーにより、その一部を化学的に反応させたものであってもよい。具体的には、機械的エネルギーによるメカノケミカル的反応、熱エネルギーによる化学反応をさせてもよい。
The carbon material as described above can be manufactured as follows.
First, a resin or resin composition to be carbonized is manufactured.
The apparatus for preparing the resin composition is not particularly limited. For example, when melt mixing is performed, a kneading apparatus such as a kneading roll, a single screw or a twin screw kneader can be used. Moreover, when performing melt | dissolution mixing, mixing apparatuses, such as a Henschel mixer and a disperser, can be used. And when performing pulverization mixing, apparatuses, such as a hammer mill and a jet mill, can be used, for example.
The resin composition thus obtained may be one obtained by physically mixing a plurality of types of components, or is applied during mixing (stirring, kneading, etc.) during preparation of the resin composition. A part of the material may be chemically reacted with mechanical energy and thermal energy converted from the mechanical energy. Specifically, a mechanochemical reaction using mechanical energy or a chemical reaction using thermal energy may be performed.

本発明の炭素材は、上記の樹脂組成物あるいは、樹脂を炭化処理してなるものである。
ここで炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、常温から1〜200℃/時間で昇温して、800〜3000℃で0.1〜50時間、好ましくは0.5〜10時間保持して行うことができる。炭化処理時の雰囲気としては窒素、ヘリウムガスなどの不活性雰囲気下、もしくは不活性ガス中に微量の酸素が存在するような、実質的に不活性な雰囲気下、または還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。このようにすることで、樹脂の熱分解(酸化分解)を抑制し、所望の炭素材を得ることができる。
このような炭化処理時の温度、時間等の条件は、炭素材の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。
The carbon material of the present invention is obtained by carbonizing the above resin composition or resin.
Although it does not specifically limit as conditions for carbonization here, For example, it heats up from normal temperature at 1-200 degreeC / hour, and is hold | maintained at 800-3000 degreeC for 0.1 to 50 hours, Preferably it is 0.5 to 10 hours Can be done. The atmosphere during the carbonization treatment is an inert atmosphere such as nitrogen or helium gas, or a substantially inert atmosphere where a trace amount of oxygen is present in the inert gas, or a reducing gas atmosphere. Is preferred. By doing in this way, thermal decomposition (oxidative decomposition) of resin can be suppressed and a desired carbon material can be obtained.
Conditions such as temperature and time during the carbonization can be adjusted as appropriate in order to optimize the characteristics of the carbon material.

なお、上記炭化処理を行う前に、プレ炭化処理を行うことができる。
ここでプレ炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、200〜600℃で1〜10時間行うことができる。このように、炭化処理前にプレ炭化処理を行うことで、樹脂組成物あるいは樹脂を不融化させ、炭化処理工程前に樹脂組成物あるいは樹脂の粉砕処理を行った場合でも、粉砕後の樹脂組成物あるいは樹脂が炭化処理時に再融着するのを防ぎ、所望とする炭素材を効率的に得ることができるようになる。
このとき、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である炭素材を得るための方法の一例としては、還元ガス、不活性ガスが存在しない状態で、プレ炭化処理を行うことがあげられる。
In addition, before performing the said carbonization process, a pre carbonization process can be performed.
Although it does not specifically limit as conditions of a pre carbonization process here, For example, it can carry out at 200-600 degreeC for 1 to 10 hours. Thus, even if the resin composition or the resin is infusibilized by performing the pre-carbonization treatment before the carbonization treatment, and the resin composition or the resin is pulverized before the carbonization treatment step, the resin composition after the pulverization is performed. It is possible to prevent the object or resin from being re-fused during the carbonization treatment, and to obtain a desired carbon material efficiently.
At this time, as an example of a method for obtaining a carbon material having a positron lifetime measured by a positron annihilation method of 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, a pre-carbonization treatment is performed in the absence of a reducing gas or an inert gas. Can be done.

また、炭素材を構成する樹脂として熱硬化性樹脂や重合性高分子化合物を用いた場合には、このプレ炭化処理の前に、樹脂組成物あるいは樹脂の硬化処理を行うこともできる。
硬化処理方法としては特に限定されないが、例えば、樹脂組成物に硬化反応が可能な熱量を与えて熱硬化する方法、あるいは、樹脂と硬化剤とを併用する方法などにより行うことができる。これにより、プレ炭化処理を実質的に固相でできるため、樹脂の構造をある程度維持した状態で炭化処理またはプレ炭化処理を行うことができ、炭素材の構造や特性を制御することができるようになる。
Further, when a thermosetting resin or a polymerizable polymer compound is used as the resin constituting the carbon material, the resin composition or the resin can be cured before the pre-carbonization treatment.
Although it does not specifically limit as a hardening processing method, For example, it can carry out by the method of giving the heat quantity which can perform a hardening reaction to a resin composition, the method of thermosetting, or the method of using resin and a hardening | curing agent together. Thereby, since the pre-carbonization treatment can be performed substantially in the solid phase, the carbonization treatment or the pre-carbonization treatment can be performed in a state in which the resin structure is maintained to some extent, and the structure and characteristics of the carbon material can be controlled. become.

なお、上記炭化処理あるいはプレ炭化処理を行う場合には、上記樹脂組成物に、金属、顔料、滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤などを添加して、所望する特性を炭素材に付与することもできる。   In addition, when performing the carbonization treatment or the pre-carbonization treatment, a metal, a pigment, a lubricant, an antistatic agent, an antioxidant, or the like is added to the resin composition to impart desired characteristics to the carbon material. You can also.

上記硬化処理及び/又はプレ炭化処理を行った場合は、その後、上記炭化処理の前に、処理物を粉砕しておいてもよい。こうした場合には、炭化処理時の熱履歴のバラツキを低減させ、炭素材の表面状態の均一性を高めることができる。そして、処理物の取り扱い性を良好なものにすることができる。
さらに、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下の炭素材を得るために、たとえば、必要に応じて炭化処理後において、還元ガスまたは不活性ガスの存在下で、800〜500℃まで自然冷却し、その後、100℃以下となるまで100℃/時間で冷却してもよい。
このようにすることで、急速冷却による炭素材の割れが抑制され、形成された空隙が維持できるという理由により、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下である炭素材を得ることができると推測される。
When the said hardening process and / or pre carbonization process are performed, you may grind | pulverize a processed material after the said carbonization process after that. In such a case, variation in the thermal history during the carbonization treatment can be reduced, and the uniformity of the surface state of the carbon material can be improved. And the handleability of a processed material can be made favorable.
Further, in order to obtain a carbon material having a positron lifetime measured by a positron annihilation method of 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, for example, after carbonization treatment, if necessary, in the presence of a reducing gas or an inert gas, You may naturally cool to 800-500 degreeC, and may cool at 100 degreeC / hour until it becomes 100 degrees C or less after that.
By doing in this way, the crack of the carbon material by rapid cooling is suppressed, and the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less because it can maintain the formed voids. It is estimated that the material can be obtained.

(リチウム二次電池)
次に、本発明の二次電池用負極材(以下、単に「負極材」という)の実施形態およびこれを用いた実施形態であるリチウム二次電池(以下、単に「二次電池」という)について説明する。
(Lithium secondary battery)
Next, an embodiment of a negative electrode material for a secondary battery (hereinafter simply referred to as “negative electrode material”) of the present invention and a lithium secondary battery (hereinafter simply referred to as “secondary battery”) which is an embodiment using the same. explain.

図2は、二次電池の実施形態の構成を示す概略図である。
二次電池10は、負極材12および負極集電体14により構成される負極13と、正極材20および正極集電体22により構成される正極21と、ならびに電解液16と、セパレータ18とを含むものである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the embodiment of the secondary battery.
The secondary battery 10 includes a negative electrode 13 composed of a negative electrode material 12 and a negative electrode current collector 14, a positive electrode 21 composed of a positive electrode material 20 and a positive electrode current collector 22, an electrolyte solution 16, and a separator 18. Is included.

負極13において、負極集電体14としては、例えば銅箔またはニッケル箔を用いることができる。そして負極材12は、本発明の炭素材を用いる。   In the negative electrode 13, as the negative electrode current collector 14, for example, a copper foil or a nickel foil can be used. And the negative electrode material 12 uses the carbon material of this invention.

本発明の負極材は、例えば、以下のようにして製造される。
上記炭素材100重量部に対して、有機高分子結着剤(ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子など)1〜30重量部、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなど)を添加して混練して、ペースト状にした混合物を圧縮成形、ロール成形などによりシート状、ペレット状などに成形して、負極材12を得ることができる。
そして、負極集電体14と積層することにより、負極13を製造することができる。
The negative electrode material of the present invention is manufactured, for example, as follows.
1 to 30 parts by weight of an organic polymer binder (fluorine polymer including polyethylene, polypropylene, etc., rubbery polymer such as butyl rubber and butadiene rubber) and an appropriate amount of viscosity with respect to 100 parts by weight of the carbon material. An adjustment solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, etc.) is added and kneaded, and the paste-like mixture is molded into a sheet or pellet by compression molding, roll molding, etc. 12 can be obtained.
And the negative electrode 13 can be manufactured by laminating | stacking with the negative electrode collector 14. FIG.

また、上記炭素材100重量部に対して、有機高分子結着剤(ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子など)1〜30重量部、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなど)を添加して混練して、スラリー状にした混合物を負極材12として用い、これを負極集電体14に塗布、成形することにより、負極13を製造することもできる。   Further, 1 to 30 parts by weight of an organic polymer binder (fluorine polymer including polyethylene, polypropylene, etc., rubbery polymer such as butyl rubber, butadiene rubber, etc.) and an appropriate amount with respect to 100 parts by weight of the carbon material. A viscosity adjusting solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, etc.) was added and kneaded, and the slurry mixture was used as the negative electrode material 12, and this was applied to the negative electrode current collector 14 and molded. Thus, the negative electrode 13 can also be manufactured.

電解液16としては、非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解したものが用いられる。
この非水系溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル類、ジメチルカーボネートやジエチルカーボネートなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタンなどの鎖状エーテル類などの混合物などを用いることができる。
電解質としては、LiClO4、LiPF6などのリチウム金属塩、テトラアルキルアンモニウム塩などを用いることができる。また、上記塩類をポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリルなどに混合し、固体電解質として用いることもできる。
As the electrolytic solution 16, a solution obtained by dissolving a lithium salt serving as an electrolyte in a non-aqueous solvent is used.
As this non-aqueous solvent, it is possible to use a mixture of cyclic esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate and γ-butyrolactone, chain esters such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate, and chain ethers such as dimethoxyethane. it can.
As the electrolyte, lithium metal salts such as LiClO 4 and LiPF 6 , tetraalkylammonium salts, and the like can be used. Further, the above salts can be mixed with polyethylene oxide, polyacrylonitrile, etc. and used as a solid electrolyte.

セパレータ18としては、特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどの多孔質フィルム、不織布などを用いることができる。   Although it does not specifically limit as the separator 18, For example, porous films, such as polyethylene and a polypropylene, a nonwoven fabric, etc. can be used.

正極21において、正極材20としては特に限定されないが、例えばリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn24)などの複合酸化物や、ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子などを用いることができる。
正極集電体22としては、例えばアルミニウム箔を用いることができる。
そして、本実施形態における正極21は、既知の正極の製造方法により製造することができる。
In the cathode 21, and is not particularly limited as cathode material 20, such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2), lithium nickel oxide (LiNiO 2), composite oxides such as lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4), Conductive polymers such as polyaniline and polypyrrole can be used.
As the positive electrode current collector 22, for example, an aluminum foil can be used.
And the positive electrode 21 in this embodiment can be manufactured with the manufacturing method of the known positive electrode.

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.

以下、本発明を実施例により説明する。しかし、本発明は実施例に限定されるものではない。又、各実施例、比較例で示される「部」は「重量部」、「%」は「重量%」を示す。   The present invention will be described below with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples. In the examples and comparative examples, “parts” represents “parts by weight” and “%” represents “% by weight”.

はじめに、以下の実施例、比較例における測定方法を説明する。
(1.陽電子寿命法による陽電子寿命の測定方法)
陽電子・ポジトロニウム寿命測定・ナノ空孔計測装置(産業技術総合研究所製)を用いて、陽電子が消滅する際に発生する電磁波(消滅γ線)を測定し、陽電子寿命を測定した。
具体的には、以下のようである。
(A)陽電子線源: 産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門の電子加速器を用いて、電子・陽電子対生成から陽電子を発生
(前記電子加速器は、ターゲット(タンタル)に電子ビームを照射して、電子・陽電子対生成を引きおこし、陽電子を発生)
(B)ガンマ線検出器: BaF2シンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気: 25℃、真空中(1×10−5Pa(1×10−7Torr))
(D)消滅γ線カウント数: 3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10keV
(F)試料サイズ: 粉末を試料ホルダ(アルミ板)に厚み0.1mmで塗布
First, measurement methods in the following examples and comparative examples will be described.
(1. Method for measuring positron lifetime by positron lifetime method)
Using a positron / positronium lifetime measurement / nanopore measurement device (manufactured by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology), the electromagnetic wave (annihilation γ-ray) generated when the positron disappears was measured to measure the positron lifetime.
Specifically, it is as follows.
(A) Positron beam source: Using the electron accelerator of National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), positrons are generated from electron / positron pair generation (the electron accelerator irradiates a target (tantalum) with an electron beam, Causes generation of electron-positron pairs, generating positrons)
(B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (1 × 10 −5 Pa (1 × 10 −7 Torr))
(D) Count of annihilation γ rays: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 keV
(F) Sample size: Apply powder to sample holder (aluminum plate) with thickness of 0.1mm

(2.ESR測定による表面状態の分析)
日本電子製JES−FR80を用いて、電磁場の吸収強度を測定した。
具体的には、以下のようである。
(G)装置名: JES−FR80(日本電子製)
(H)測定温度: 23±1℃
(I)磁場範囲: 330±100mT
g値は、測定サンプルと同様に測定された酸化マグネシウム中にドープされたMn2+イオンのシグナルを用いて求めた。測定サンプルのスピン濃度は、測定サンプルの電子スピン共鳴スペクトルのピーク面積と、同様に測定して得たスピン濃度測定用標準試料(TEMPOL)の電子スピン共鳴スペクトルのピーク面積を用いて算出した。
(2. Analysis of surface condition by ESR measurement)
The absorption intensity of the electromagnetic field was measured using JES-FR80 manufactured by JEOL.
Specifically, it is as follows.
(G) Device name: JES-FR80 (manufactured by JEOL)
(H) Measurement temperature: 23 ± 1 ° C
(I) Magnetic field range: 330 ± 100 mT
The g value was determined using a signal of Mn 2+ ions doped in magnesium oxide measured in the same manner as the measurement sample. The spin concentration of the measurement sample was calculated using the peak area of the electron spin resonance spectrum of the measurement sample and the peak area of the electron spin resonance spectrum of the standard sample for spin concentration measurement (TEMPOL) obtained by the same measurement.

(3.平均面間隔(d002)、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc))
島津製作所製・X線回折装置「XRD−7000」を使用して平均面間隔を測定した。
炭素材のX線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔d002(nm)を以下のBragg式より算出した。
λ=2dhklsinθ Bragg式 (dhkl=d002
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
θ:スペクトルの反射角度
また、Lcは以下のようにして測定した。
X線回折測定から求められるスペクトルにおける002面ピークの半値幅と回折角から次のScherrerの式を用いて決定した。
Lc=0.94 λ/(βcosθ) ( Scherrerの式)
Lc : 結晶子の大きさ
λ : 陰極から出力される特性X線Kα1の波長
β : ピークの半値幅( ラジアン)
θ : スペクトルの反射角度
(3. Average spacing (d002), crystallite size in the c-axis direction (Lc))
The average interplanar spacing was measured using an X-ray diffractometer “XRD-7000” manufactured by Shimadzu Corporation.
From the spectrum calculated | required from the X-ray-diffraction measurement of a carbon material, average surface space | interval d002 (nm) was computed from the following Bragg formulas.
λ = 2d hkl sinθ Bragg equation (d hkl = d 002 )
λ: Wavelength of characteristic X-ray K α1 output from the cathode θ: Reflection angle of spectrum Further, Lc was measured as follows.
It was determined from the half width of the 002 plane peak and the diffraction angle in the spectrum obtained from the X-ray diffraction measurement using the following Scherrer equation.
Lc = 0.94 λ / (βcos θ) (Scherrer equation)
Lc: crystallite size λ: wavelength of characteristic X-ray K α1 output from the cathode β: half width of peak (radian)
θ: Spectral reflection angle

(4.比表面積)
ユアサ社製のNova−1200装置を使用して窒素吸着におけるBET3点法により測定した。具体的な算出方法は、前記実施形態で述べた通りである。
(4. Specific surface area)
It measured by the BET 3 point method in nitrogen adsorption | suction using the Yuasa company make Nova-1200 apparatus. A specific calculation method is as described in the above embodiment.

(5.炭素含有量、窒素含有量)
パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「PE2400」を用いて測定した。測定試料を、燃焼法を用いてCO、HO、及びNに変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させる。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定した。
ア)炭素含有量
得られた炭素材を、110℃/真空中、3時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて炭素組成比を測定した。
イ)窒素含有量
得られた炭素材を、110℃/真空中、3時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて窒素組成を測定した。
(5. Carbon content, nitrogen content)
The measurement was performed using an elemental analysis measuring device “PE2400” manufactured by PerkinElmer. The measurement sample is converted into CO 2 , H 2 O, and N 2 using a combustion method, and then the gasified sample is homogenized and then passed through the column. Thereby, these gases were separated stepwise, and the contents of carbon, hydrogen, and nitrogen were measured from the respective thermal conductivities.
A) Carbon content The obtained carbon material was dried at 110 ° C./vacuum for 3 hours, and then the carbon composition ratio was measured using an elemental analyzer.
B) Nitrogen content The obtained carbon material was dried at 110 ° C./vacuum for 3 hours, and then the nitrogen composition was measured using an elemental analyzer.

(6.充電容量、放電容量、充放電効率)
(1)二次電池評価用二極式コインセルの製造
各実施例、比較例で得られた炭素材100部に対して、結合剤としてポリフッ化ビニリデン10部、希釈溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを適量加え混合し、スラリー状の負極混合物を調製した。調製した負極スラリー状混合物を18μmの銅箔の両面に塗布し、その後、110℃で1時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって電極を加圧成形した。これを直径16.156mmの円形として切り出し負極を作製した。
正極はリチウム金属を用いて二極式コインセルにて評価を行った。電解液として体積比が1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液に過塩素酸リチウムを1モル/リットル溶解させたものを用いた。
(6. Charge capacity, discharge capacity, charge / discharge efficiency)
(1) Manufacture of a bipolar coin cell for secondary battery evaluation 10 parts of polyvinylidene fluoride as a binder and N-methyl-2- 2 as a diluting solvent with respect to 100 parts of the carbon material obtained in each example and comparative example A suitable amount of pyrrolidone was added and mixed to prepare a slurry-like negative electrode mixture. The prepared negative electrode slurry-like mixture was applied to both sides of 18 μm copper foil, and then vacuum-dried at 110 ° C. for 1 hour. After vacuum drying, the electrode was pressure-formed by a roll press. This was cut out as a circle having a diameter of 16.156 mm to produce a negative electrode.
The positive electrode was evaluated with a bipolar coin cell using lithium metal. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving 1 mol / liter of lithium perchlorate in a mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate having a volume ratio of 1: 1 was used.

(2)充電容量、放電容量の評価
充電条件は電流25mA/gの定電流で1mVになるまで充電した後、1mV保持で1.25mA/gまで電流が減衰したところを充電終止とした。また、放電条件のカットオフ電位は 1.5Vとした。
(2) Evaluation of Charging Capacity and Discharging Capacity The charging condition was that charging was stopped at a constant current of 25 mA / g until it reached 1 mV, and then the charging was terminated when the current attenuated to 1.25 mA / g with 1 mV holding. The cut-off potential under discharge conditions was 1.5V.

(3)充放電効率の評価
上記(2)で得られた値をもとに、下記式により算出した。
充放電効率(%)=[放電容量/充電容量]×100
(3) Evaluation of charge / discharge efficiency Based on the value obtained in the above (2), the charge / discharge efficiency was calculated by the following formula.
Charge / discharge efficiency (%) = [discharge capacity / charge capacity] × 100

(実施例1)
樹脂組成物として、フェノール樹脂PR−217(住友ベークライト(株)製)を以下の工程(a)〜(f)の順で処理を行い、炭素材を得た。
(a)還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、室温から500℃まで、100℃/時間で昇温
(b)還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、500℃で2時間脱脂処理後、冷却
(c)振動ボールミルで微粉砕
(d)不活性ガス(窒素)置換および流通下、室温から1200℃まで、100℃/時間で昇温
(e)不活性ガス(窒素)流通下、1200℃で8時間炭化処理
(f)不活性ガス(窒素)流通下、600℃まで自然放冷後、600℃から100℃以下まで、100℃/時間で冷却
Example 1
As a resin composition, phenol resin PR-217 (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) was processed in the order of the following steps (a) to (f) to obtain a carbon material.
(A) Temperature reduction from room temperature to 500 ° C. at 100 ° C./hour without any of reducing gas replacement, inert gas replacement, reducing gas flow and inert gas flow (b) Reducing gas replacement and inert gas replacement Then, after degreasing treatment at 500 ° C. for 2 hours without cooling gas flow and inert gas flow, cooling (c) fine pulverization with a vibrating ball mill (d) from room temperature to 1200 under substitution and flow of inert gas (nitrogen) (E) Carbonization for 8 hours at 1200 ° C. under an inert gas (nitrogen) flow (f) After natural cooling to 600 ° C. under an inert gas (nitrogen) flow, 600 Cooling from 100 ° C to 100 ° C or less at 100 ° C / hour

(実施例2)
実施例1においてフェノール樹脂にかえて、アニリン樹脂(以下の方法で合成したもの)を用いた
アニリン100部と37% ホルムアルデヒド水溶液697部、蓚酸2部を攪拌装置及び冷却管を備えた3つ口フラスコに入れ、100℃で3時間反応後、脱水し、アニリン樹脂110部を得た。得られたアニリン樹脂の重量平均分子量は約800であった。
以上のようにして得られたアニリン樹脂100部とヘキサメチレンテトラミン10部を粉砕混合し得られた樹脂組成物を、実施例1と同様の工程で処理を行い、炭素材を得た。
(Example 2)
In Example 1, 100 parts of aniline using aniline resin (synthesized by the following method) instead of phenol resin, 697 parts of 37% formaldehyde aqueous solution, 2 parts of oxalic acid, 3 ports equipped with a stirrer and a cooling pipe The flask was placed in a flask, reacted at 100 ° C. for 3 hours, and then dehydrated to obtain 110 parts of aniline resin. The obtained aniline resin had a weight average molecular weight of about 800.
The resin composition obtained by pulverizing and mixing 100 parts of the aniline resin and 10 parts of hexamethylenetetramine obtained as described above was treated in the same process as in Example 1 to obtain a carbon material.

(実施例3)
実施例2と同様の樹脂組成物を使用した。
また、樹脂組成物の処理に際して、(d)、(e)の工程を以下のようにした点以外は、実施例2と同様にして炭素材を得た。
(d)不活性ガス(窒素)置換および流通下、室温から1100℃まで、100℃/時間で昇温
(e)不活性ガス(窒素)流通下、1100℃で8時間炭化処理
(Example 3)
The same resin composition as in Example 2 was used.
Further, in the treatment of the resin composition, a carbon material was obtained in the same manner as in Example 2 except that the steps (d) and (e) were performed as follows.
(D) Under inert gas (nitrogen) substitution and flow, temperature rise from room temperature to 1100 ° C. at 100 ° C./hour (e) Carbonization treatment at 1100 ° C. for 8 hours under flow of inert gas (nitrogen)

(比較例1)
黒鉛(メソフェーズカーボンマイクロビーズ)から構成される炭素材を用意した。
(Comparative Example 1)
A carbon material composed of graphite (mesophase carbon microbeads) was prepared.

(比較例2)
ノボラック型フェノール樹脂(住友ベークライト(株)製PR−53195)30部、ヘキサメチレンテトラミン3部、メラミン樹脂70部を粉砕混合して樹脂組成物を調製した。
得られた樹脂組成物を、以下の工程で処理を行い、炭素材を得た。
(g)不活性ガス(窒素)流通下で、100℃から200℃まで、20℃/時間で昇温
(h)不活性ガス(窒素)流通下で、200℃で1時間熱処理
(c)振動ボールミルで微粉砕
(i)不活性ガス(窒素)雰囲気下にて室温から900℃まで10℃/時間で昇温
(j)不活性ガス(窒素)雰囲気下にて900℃で10時間炭化処理
(f)不活性ガス(窒素)流通下、600℃まで自然放冷後、600℃から100℃以下まで、100℃/時間で冷却
(Comparative Example 2)
A resin composition was prepared by pulverizing and mixing 30 parts of a novolac type phenol resin (PR-53195, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), 3 parts of hexamethylenetetramine, and 70 parts of melamine resin.
The obtained resin composition was processed in the following steps to obtain a carbon material.
(G) Temperature rising from 100 ° C. to 200 ° C. at 20 ° C./hour under inert gas (nitrogen) flow (h) Heat treatment at 200 ° C. for 1 hour under inert gas (nitrogen) flow (c) Vibration Fine pulverization with a ball mill (i) Temperature increase from room temperature to 900 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere at 10 ° C./hour (j) Carbonization treatment at 900 ° C. in an inert gas (nitrogen) atmosphere for 10 hours ( f) After allowing to cool naturally to 600 ° C under inert gas (nitrogen) circulation, cooling from 600 ° C to 100 ° C or less at 100 ° C / hour

上記実施例、比較例で得られた炭素材について、陽電子寿命、スピン濃度、平均面間隔、結晶子の大きさ、比表面積、炭素含有率、窒素含有率を測定した。結果を表1に示す。
また、上記実施例、比較例で得られた炭素材を負極として使用した場合の充電容量、放電容量、充放電効率を表2に示す。
The carbon materials obtained in the above Examples and Comparative Examples were measured for positron lifetime, spin concentration, average interplanar spacing, crystallite size, specific surface area, carbon content, and nitrogen content. The results are shown in Table 1.
Table 2 shows the charge capacity, discharge capacity, and charge / discharge efficiency when the carbon materials obtained in the above Examples and Comparative Examples are used as the negative electrode.

Figure 0005561225
Figure 0005561225

Figure 0005561225
Figure 0005561225

陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下である実施例1〜3では、いずれも充電容量、放電容量が非常に高く、また、充放電効率も75%以上と高いものとなった。
また、陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下、かつ電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下であることに加え、窒素原子を1wt%以上5wt%以下含む実施例2、3では、放電容量も高いものとなった。
実施例2、3のように、広角X回折法からBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔dが3.40Å以上、3.90Å以下であり、陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であるため、可逆的にリチウムイオンを吸蔵・放出することができる有効なサイズの空孔が形成されていることに加え、炭素材が窒素原子を1.0wt%以上5.0wt%以下含むことで、最適量の窒素含量に起因する電気陰性度により、炭素材に好適な電気的特性を付与することができると考えられる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性が得られると推測される。
一方、比較例1では、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下と最適な導電性を持っているため充放電効率は高い値を示すが、陽電子寿命が370ピコ秒以下であるため、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくく、充電容量、放電容量いずれも低い値となり、比較例2では、陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であるためリチウムを充分に吸蔵でき、高い充電容量を示しているが、スピン濃度が2×1018spins/g以上であるため、過剰に存在する不対電子と電解液との反応が促進されることで不可逆容量が大きく、充放電効率が非常に低いものとなった。
Implementation in which the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, and the spin concentration measured by the electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less. In Examples 1 to 3, all of the charge capacity and discharge capacity were very high, and the charge and discharge efficiency was as high as 75% or more.
In addition, the positron lifetime is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, and the spin concentration measured by the electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less, In Examples 2 and 3 containing 1 wt% or more and 5 wt% or less of nitrogen atoms, the discharge capacity was also high.
As in Examples 2 and 3, the (002) plane average plane distance d calculated from the wide angle X diffraction method using the Bragg equation is 3.40 mm or more and 3.90 mm or less, and the positron lifetime is 370 picoseconds. As described above, since it is 480 picoseconds or less, in addition to the formation of pores of an effective size capable of reversibly occluding and releasing lithium ions, the carbon material contains 1.0 wt% or more of nitrogen atoms. By including 0.0 wt% or less, it is considered that suitable electrical characteristics can be imparted to the carbon material due to the electronegativity resulting from the optimum amount of nitrogen content. Thereby, it is presumed that occlusion / release of lithium ions is promoted and high charge / discharge characteristics can be obtained.
On the other hand, in Comparative Example 1, since the spin concentration measured by the electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less and has an optimum conductivity, the charge / discharge efficiency is high. Although the positron lifetime is 370 picoseconds or less, the pore size is too small to absorb and release lithium ions, and both the charge capacity and the discharge capacity are low. Since the lifetime is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less, lithium can be sufficiently occluded, and a high charge capacity is shown. However, since the spin concentration is 2 × 10 18 spins / g or more, there is an excess of lithium. The irreversible capacity was increased and the charge / discharge efficiency was very low by promoting the reaction between the counter-electron and the electrolyte.

10 二次電池
12 負極材
14 負極集電体
13 負極
20 正極材
22 正極集電体
21 正極
16 電解液
18 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Secondary battery 12 Negative electrode material 14 Negative electrode collector 13 Negative electrode 20 Positive electrode material 22 Positive electrode collector 21 Positive electrode 16 Electrolytic solution 18 Separator

Claims (6)

樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件(A)〜(E)のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が370ピコ秒以上、480ピコ秒以下であり、
(A)陽電子線源: 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
(B)ガンマ線検出器: BaF2シンチレーターおよび光電子増倍管
(C)測定温度及び雰囲気: 25℃、真空中
(D)消滅γ線カウント数: 3×10以上
(E)陽電子ビームエネルギー:10keV
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が5×1016spins/g以上、2×1018spins/g以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材。
A carbon material for a lithium ion secondary battery obtained by carbonizing a resin or a resin composition,
Under the following conditions (A) to (E), the positron lifetime measured by the positron annihilation method is 370 picoseconds or more and 480 picoseconds or less,
(A) Positron beam source: Generates positrons from electron / positron pairs using an electron accelerator (B) Gamma ray detector: BaF 2 scintillator and photomultiplier tube (C) Measurement temperature and atmosphere: 25 ° C. in vacuum (D ) Count of annihilation γ-ray: 3 × 10 6 or more (E) Positron beam energy: 10 keV
A carbon material for a lithium ion secondary battery, wherein a spin concentration measured by an electron spin resonance method is 5 × 10 16 spins / g or more and 2 × 10 18 spins / g or less.
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
広角X回折法からBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔dが3.4Å以上、3.9Å以下であり、c軸方向の結晶子の大きさLcが8Å以上、50Å以下であるリチウムイオン二次電池用炭素材。
The carbon material for a lithium ion secondary battery according to claim 1,
The average spacing d of (002) planes calculated from the wide-angle X diffraction method using the Bragg equation is 3.4 mm or more and 3.9 mm or less, and the crystallite size Lc in the c-axis direction is 8 mm or more and 50 mm. The following carbon materials for lithium ion secondary batteries.
請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
窒素吸着におけるBET3点法による比表面積が15m/g以下、1m/g以上であるリチウムイオン二次電池用炭素材。
The carbon material for a lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2,
A carbon material for a lithium ion secondary battery having a specific surface area of 15 m 2 / g or less and 1 m 2 / g or more by a BET three-point method in nitrogen adsorption.
請求項1乃至3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
炭素原子を95wt%以上含み、かつ、炭素原子以外の元素として、窒素原子を0.5wt%以上、5wt%以下含むものであるリチウムイオン二次電池用炭素材。
The carbon material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3,
A carbon material for a lithium ion secondary battery containing 95 wt% or more of carbon atoms and containing 0.5 wt% or more and 5 wt% or less of nitrogen atoms as elements other than carbon atoms.
請求項1乃至4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用炭素材を含むリチウムイオン二次電池用負極材。   The negative electrode material for lithium ion secondary batteries containing the carbon material for lithium ion secondary batteries in any one of Claims 1 thru | or 4. 請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery containing the negative electrode material for lithium ion secondary batteries of Claim 5.
JP2011074916A 2011-03-30 2011-03-30 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery Expired - Fee Related JP5561225B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011074916A JP5561225B2 (en) 2011-03-30 2011-03-30 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011074916A JP5561225B2 (en) 2011-03-30 2011-03-30 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012209169A JP2012209169A (en) 2012-10-25
JP5561225B2 true JP5561225B2 (en) 2014-07-30

Family

ID=47188733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011074916A Expired - Fee Related JP5561225B2 (en) 2011-03-30 2011-03-30 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5561225B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5297565B1 (en) * 2013-02-06 2013-09-25 住友ベークライト株式会社 Negative electrode material, negative electrode active material, negative electrode and alkali metal ion battery
JP6065713B2 (en) * 2013-03-28 2017-01-25 住友ベークライト株式会社 Negative electrode material for alkali metal ion secondary battery, negative electrode active material for alkali metal ion secondary battery, negative electrode for alkali metal ion secondary battery, and alkali metal ion secondary battery
JP2017079175A (en) * 2015-10-21 2017-04-27 トヨタ自動車株式会社 Negative electrode active material for solid state battery

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004093187A (en) * 2002-08-29 2004-03-25 Nippon Steel Corp Method for evaluating porous carbon-based material using nuclear magnetic resonance method
JP2004182507A (en) * 2002-12-02 2004-07-02 Mitsubishi Gas Chem Co Inc Carbon porous body for capacitor electrode and its manufacturing method
JP3914985B2 (en) * 2003-02-12 2007-05-16 独立行政法人産業技術総合研究所 Evaluation method and apparatus for pore size using positron annihilation method under gas adsorption
JP4697770B2 (en) * 2004-08-30 2011-06-08 Jx日鉱日石エネルギー株式会社 Carbon material and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
JP2009020001A (en) * 2007-07-12 2009-01-29 Oki Electric Ind Co Ltd Acceleration sensor
CN102668195B (en) * 2009-11-25 2015-07-22 住友电木株式会社 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5454272B2 (en) * 2010-03-23 2014-03-26 住友ベークライト株式会社 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5440308B2 (en) * 2010-03-23 2014-03-12 住友ベークライト株式会社 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5365598B2 (en) * 2010-09-15 2013-12-11 住友ベークライト株式会社 Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012209169A (en) 2012-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5477391B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
TWI557972B (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative-electrode material for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery
WO2013136747A1 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5454272B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5440308B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5561225B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5831110B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
KR101589842B1 (en) Negative electrode for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery
JP2013222550A (en) Negative electrode material, negative electrode and lithium ion secondary battery
JP5365598B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5838673B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5561188B2 (en) Negative electrode mixture for lithium ion secondary battery, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5961956B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP5862175B2 (en) Method for producing negative electrode for lithium ion secondary battery
JP5447287B2 (en) Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP2013218855A (en) Negative electrode carbon material, negative electrode active material, negative electrode and lithium ion secondary battery
WO2013042223A1 (en) Carbon material for lithium ion secondary batteries, negative electrode material for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery
JP2013222551A (en) Negative electrode material, negative electrode, and lithium ion secondary battery
JP2013218856A (en) Negative electrode material, negative electrode and lithium ion secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131129

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140430

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140513

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140526

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5561225

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees