JP6592515B2 - 繊維状炭素及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池用電極合剤層、並びに非水電解質二次電池用電極、並びに非水電解質二次電池 - Google Patents
繊維状炭素及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池用電極合剤層、並びに非水電解質二次電池用電極、並びに非水電解質二次電池 Download PDFInfo
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Description
〔1〕に記載の繊維状炭素を含む炭素系導電助剤と、
を含んで成る非水電解質二次電池用電極合剤層。
IA/IB<0.02 ・・・式(1)
(ここでIAは、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、IBは、2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの5Vでの電流値をいう。)
を満たす繊維状炭素である〔5〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
前記集電体に積層された〔5〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層と、
から成る非水電解質二次電池用電極。
(2)前記樹脂複合繊維を安定化し、樹脂複合安定化繊維を得る安定化工程と、
(3)前記樹脂複合安定化繊維から前記熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維を得る熱可塑性樹脂除去工程と、
(4)前記安定化繊維を不活性雰囲気下で加熱して炭素化乃至黒鉛化し、繊維状炭素を得る炭化焼成工程と、
を含む繊維状炭素の製造方法であって、
前記繊維化工程がメソフェーズピッチの配向制御操作を有することを特徴とする繊維状炭素の製造方法。
前記配向制御操作が、せん断によるひずみを加える方法又は伸長によるひずみを加える方法の少なくとも一方を含む繊維状炭素の製造方法。
前記せん断によるひずみを加える方法及び前記伸長によるひずみを加える方法におけるせん断ひずみ速度及び伸長ひずみ速度が、それぞれ5〜10000s−1である繊維状炭素の製造方法。
前記伸長によるひずみを加える方法が、口金の下流側における伸長である繊維状炭素の製造方法。
1−1. 繊維状炭素の性状
本発明の繊維状炭素は、実質的に炭素から構成されるものであり、例えば、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維を挙げることができる。本発明の繊維状炭素は、その結晶性が高いことを特徴とする。結晶性の指標であるX線回折法で測定した結晶子長さ(La)は、100〜500nmであり、110〜500nmであることが好ましく、130〜500nmであることがより好ましい。100nm未満である場合、繊維状炭素の導電性が十分ではない。一方、結晶子サイズは、X線回折法によって測定を行うが、結晶が大きく発達すると測定誤差が大きくなることから、実質的には500nmが測定の限界である。
本発明において、X線回折法で測定した結晶子長さ(La)とは、日本工業規格JIS R 7651(2007年度版)「炭素材料の格子定数及び結晶子の大きさ測定方法」により測定される値をいう。
10nm未満であると、嵩密度が非常に小さくハンドリング性に劣る。また、電極合剤層を構成した際、電極強度が低下する傾向がある。1000nm超である場合、電極合剤層内において隙間が生じ易くなり、電極密度を高くすることが困難となる場合がある。
ここで、本発明における繊維径は、電界放射型走査電子顕微鏡によって倍率2,000倍にて撮影した写真図を用いて測定された値を意味する。
なお、この繊維状炭素は、全体として繊維状の形態を有していればよく、例えば、複数の繊維状炭素が接触したり結合したりして一体的に繊維形状を有しているもの(例えば、球状炭素が数珠状に連なっているものや、極めて短い少なくとも1本又は複数本の繊維が融着等により結合しているもの)も含む。
IA/IB<0.02 ・・・式(1)
(ここでIAは、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、IBは、2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの5Vでの電流値をいう。)
を満たす繊維状炭素であることが好ましい。
本発明の繊維状炭素として好ましい形態であるピッチ系炭素繊維の製造方法について以下に説明する。本発明のピッチ系炭素繊維の製造方法は、例えば次に記載する(1)〜(4)の工程を経ることにより製造することができる。
(1)熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂100質量部に対して1〜150質量部のメソフェーズピッチと、からなる樹脂組成物を溶融状態で成形することにより、前記メソフェーズピッチを繊維化して樹脂複合繊維を得る繊維化工程であって、前記メソフェーズピッチの分子配向性を高める配向制御操作を有する繊維化工程と、
(2)前記樹脂複合繊維を安定化し、樹脂複合安定化繊維を得る安定化工程と、
(3)前記樹脂複合安定化繊維から前記熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維を得る熱可塑性樹脂除去工程と、
(4)前記安定化繊維を不活性雰囲気下で加熱して炭素化乃至黒鉛化し、極細炭素繊維を得る炭化焼成工程。
本発明のピッチ系炭素繊維の製造方法で使用する熱可塑性樹脂は、樹脂複合繊維を製造することができるとともに、熱可塑性樹脂除去工程において容易に除去される必要がある。このような熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリ乳酸が例示される。これらの中でも、ポリオレフィンが好ましく用いられる。
メソフェーズピッチとは溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成しうるピッチである。本発明で使用するメソフェーズピッチとしては、石炭や石油の蒸留残渣を原料とするものや、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料とするものが挙げられる。例えば、石炭由来のメソフェーズピッチは、コールタールピッチの水素添加・熱処理を主体とする処理;水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする処理等により得られる。
先ず、キノリン不溶分を除去した軟化点80℃のコールタールピッチを、Ni−Mo系触媒存在下、圧力13MPa、温度340℃で水添し、水素化コールタールピッチを得る。この水素化コールタールピッチを常圧下、480℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除去し、粗メソフェーズピッチを得る。この粗メソフェーズピッチを温度340℃でフィルターを用いてろ過を行って異物を取り除くことにより、精製メソフェーズピッチを得ることができる。
本発明のピッチ系炭素繊維の製造方法において用いられる、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとから成る樹脂組成物(以下、メソフェーズピッチ組成物ともいう)は、熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂100質量部に対して1〜150質量部のメソフェーズピッチと、を含んで成ることが好ましい。メソフェーズピッチの含有量は5〜100質量部であることがより好ましい。メソフェーズピッチの含有量が150質量部を超えると所望の繊維径を有する樹脂複合繊維が得られず、1質量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造することができない等の問題が生じるため好ましくない。
上記のメソフェーズピッチ組成物から樹脂複合繊維を製造する方法としては、所望の炭素繊維が作製できれば限定されないが、紡糸口金を用いてメソフェーズピッチ組成物を溶融紡糸する方法、矩形口金を用いてメソフェーズピッチ組成物を溶融製膜する方法を例示することができる。
せん断ひずみ速度及び伸長ひずみ速度は、それぞれ5〜10000s−1であり、100から1400s−1であることが好ましい。5s−1未満である場合、メソフェーズピッチの分子配向性を十分に高めることができない。10000s−1を超える場合、メソフェーズピッチの変形が追随できず、繊維状に変形させることができなくなる。
上記形状の紡糸口金を用いる場合、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物が紡糸口金の流路内を通過する際にせん断によるひずみが適度に加えられ、メソフェーズピッチの分子配向性を高めることができる。
上記のようにして得られた樹脂複合繊維は、該樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチ繊維を安定化(不融化ともいう)して樹脂複合安定化繊維が作製される。安定化は、空気、酸素、オゾン、二酸化窒素、ハロゲンなどを用いるガス気流処理、酸性水溶液などを用いる溶液処理など公知の方法で行うことができる。生産性の面からガス気流処理による不融化が好ましい。
次に、上述のようにして得られる樹脂複合安定化繊維は、その中に含まれる熱可塑性樹脂が除去されて安定化繊維が分離される。この工程では、安定化繊維の熱分解を抑制しながら、熱可塑性樹脂を分解・除去する。熱可塑性樹脂を分解・除去する方法としては、例えば、溶剤を用いて熱可塑性樹脂を除去する方法や、熱可塑性樹脂を熱分解して除去する方法が挙げられる。
上記安定化繊維を不活性雰囲気下で炭素化及び/又は黒鉛化することにより、本発明の炭素繊維が得られる。その際に使用する容器としては、黒鉛製のルツボ状のものが好ましい。ここで、炭素化とは比較的低温(好ましくは1000℃程度)で加熱することをいい、黒鉛化とはさらに高温で加熱(好ましくは3000℃程度)することにより黒鉛の結晶を成長させることをいう。
本発明の炭素繊維の製造方法は、粉砕処理工程を有していても良い。粉砕処理は、熱可塑性樹脂除去工程、及び/又は、炭化焼成工程において実施するのが好ましい。粉砕方法としては、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、インペラーミル、カッターミル等の微粉砕機を適用することが好ましく、粉砕後に必要に応じて分級を行ってもよい。湿式粉砕の場合、粉砕後に分散媒体を除去するが、この際に2次凝集が顕著に生じるとその後の取り扱いが非常に困難となる。このような場合は、乾燥後、ボールミルやジェットミル等を用いて解砕操作を行うことが好ましい。
第2の本発明は、上記繊維状炭素を用いて形成する非水電解質二次電池用電極合剤層(以下、単に「電極合剤層」ともいう)である。この電極合剤層は、電極活物質と上記本発明の繊維状炭素とを少なくとも含有する。前記した本発明の繊維状炭素は、例えば平均繊維径や平均繊維長が異なる2種類以上を含有してもよい。本発明の電極合剤層は、他の炭素系導電助剤やバインダーをさらに含んでいても良い。
本発明の電極合剤層に含まれる正極活物質としては、非水電解質二次電池において公知の正極活物質を用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池であれば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有金属酸化物が好適である。このリチウム含有金属酸化物としては、リチウムと、Co、Mg、Mn、Ni、Fe、Al、Mo、V、W及びTiなどからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、を含む複合酸化物を挙げることができる。
本発明の電極合剤層に含まれる負極活物質としては、非水電解質二次電池において、公知の負極活物質を用いることができる。例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料である炭素材料;Si及び/又はSnを含む合金や酸化物などを用いることができる。これらの中でもコストなどの観点からは炭素材料が好ましい。上記炭素材料としては、天然黒鉛、石油系コークス又は石炭系コークスを熱処理することで製造される人造黒鉛、樹脂を炭素化したハードカーボン、メソフェーズピッチ系炭素材料などが挙げられる。
本発明の電極合剤層に用いられるバインダーとしては、電極成形が可能であり、十分な電気化学的安定性を有している従来公知のバインダーを用いることができる。係るバインダーとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、フェノール樹脂等が例示される。特にポリフッ化ビニリデン(PVDF)が好ましい。上記バインダーは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。バインダーの形態としては特に制限はなく、固体状であっても液体状(例えばエマルション)であってもよい。バインダーは、電極の製造方法(特に乾式混練か湿式混練か)、電解液への溶解性等を考慮して適宜選択することができる。
本発明の電極合剤層は、本発明の繊維状炭素の他に炭素系導電助剤を含むこともできる。本発明の繊維状炭素以外の炭素系導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、VGCF、鱗片状炭素、グラフェン、グラファイトを挙げることができる。これらの炭素系導電助剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。
本発明の電極合剤層における繊維状炭素以外の炭素系導電助剤の含有量は、0.5〜5質量%であることが好ましく、0.5〜4質量%であることがより好ましく、1〜3質量%であることがさらに好ましい。
第3の本発明は、上記電極合剤層が形成された非水電解質二次電池用電極(以下、単に「電極」ともいう)である。この電極は、集電体の少なくとも一表面に本発明の電極合剤層が形成されて成る。
もう一つの方法は、上記電極活物質、上記繊維状炭素、バインダー、バインダーを溶解する溶媒、及び他の成分を混合してスラリーを調製し、このスラリーを集電体表面に塗布して溶媒を除去した後、プレスを行う方法である。
本発明の場合、どちらの方法も採用できるが、後者の方法が好適であるので、以下後者の方法について詳述する。
集電体の厚みとしては、10〜50μmが好ましい。
第4の本発明は、本発明の電極を含んで構成される非水電解質二次電池である。
本発明の非水電解質二次電池は、正極及び/又は負極に本発明の電極を用いるとともに、公知のセパレータや電解液を用いて構成される。非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池が例示される。
非水電解質二次電池を構成する電解質層としては、非水溶媒にリチウム塩等の電解質が溶解した非水電解液が用いられる。
本発明の非水電解質二次電池に用いられる電解液の25℃における電気伝導度は、1×10−2S/cm以上であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解液として、エチルメチルイミダゾリウム塩に代表されるイオン性液体も好適に用いることができる。この場合は必ずしも前述の非水溶媒に溶解して用いる必要はない。
上記のような非水電解液を用いる場合、負極合剤層と正極合剤層とが直接接触することを防ぐために、セパレータを用いることが一般的である。セパレータの形状としては、紙状(フィルム状)、多孔膜状等の公知の形状を好適に採用することができる。セパレータの材質としては、セルロース、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリイミド、ポリオレフィン、テフロン(登録商標)、ポリフェニレンスルファイドが例示される。これらの中でも、耐熱性と薄膜化の観点から、セルロース紙、芳香族ポリアミド又は脂肪族ポリイミドの多孔膜が好ましい。上記セパレータは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。セパレータの膜厚としては、短絡防止の観点から20〜100μm程度であることが好ましいが、本発明では従来のセパレータに比べて十分薄い5〜20μm程度のセパレータの適用も可能である。薄いセパレータを用いた方がセパレータに由来する内部抵抗が低減されるため出力が向上し、セルのエネルギー密度も向上する。
卓上電子顕微鏡(日本電子株式会社製、型式NeoScope JCM−6000)を用いて観察及び写真撮影を行った。繊維状炭素等の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真から無作為に300箇所を選択して繊維径を測定し、それらすべての測定結果(n=300)の平均値とした。平均実効繊維長についても同様に算出した。
X線回折測定はリガク社製RINT−2100を用いてJIS R7651法に準拠し、格子面間隔(d002)、結晶子大きさ(La、Lc)を測定した。
体積抵抗率の測定はダイヤインスツルメンツ社製の粉体抵抗システム(MCP−PD51)を用いて0.25〜2.50kNの荷重下で四探針方式の電極ユニットを用いて測定した。体積抵抗率は充填密度の変化に伴う体積抵抗率の関係図(図6)から充填密度が0.4g/cm3時の体積抵抗率の値とした。
口金内部でのせん断速度は、口金内の位置によって相違し一定ではないが、円形口金の場合は下記式(2)、矩形口金の場合は下記式(3)により、みかけせん断速度として算出した。
口金内部での伸長ひずみ速度、及び口金外部での伸長ひずみ速度は、一定とはならないが、変形開始から変形終了までの範囲において一定の伸長ひずみ速度で変形すると仮定し、下記式(4)により伸長ひずみ速度を算出した。
<メソフェーズピッチの製造>
キノリン不溶分を除去した軟化点80℃のコールタールピッチを、Ni−Mo系触媒存在下、圧力13MPa、温度340℃で水添し、水素化コールタールピッチを得た。この水素化コールタールピッチを常圧下、480℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除き、粗メソフェーズピッチを得た。フィルターを用いてこの粗メソフェーズピッチを温度340℃でろ過して異物を取り除くことにより、精製メソフェーズピッチを得た。
熱可塑性樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン(EVOLUE(登録商標)SP1510、(株)プライムポリマー製、MFR=1g/10min)84質量部及び熱可塑性炭素前駆体として上記製法で製造したメソフェーズピッチ(メソフェーズ率90.9%、軟化点303.5℃)16質量部を同方向二軸押出機(東芝機械(株)製「TEM−26SS」、バレル温度300℃、窒素気流下)で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を調製した。
次いで、このメソフェーズピッチ組成物を溶融紡糸機により、直径が0.2mm、導入角60°の円形口金を用いて繊維径100μmの樹脂複合繊維(メソフェーズピッチ繊維を島成分とする海島型複合繊維)を作製した。口金温度は340℃、吐出量は3.8g/口金/時間、せん断速度は1360s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は4であった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は982s−1であり、口金外部での変形領域は口金下10mmであり、伸長ひずみ速度は9s−1であった。
樹脂複合繊維を、酸化性ガス雰囲気下に保持することで、メソフェーズピッチを安定化させ、樹脂複合安定化繊維を得た。
次に、上記樹脂複合安定化繊維から、熱可塑性樹脂を除去することで安定化繊維を得た。
得られた安定化繊維をエタノール/イオン交換水混合溶媒(体積比=1/1)中に加え、ミキサーで粉砕することにより分散させた。得られた分散液はろ過した。
得られた安定化繊維を流量1L/minの窒素下で室温から1000℃まで5℃/minの条件で昇温し、1000℃到達後30分間保持することで炭素化を行った。さらに、アルゴンガス雰囲気下、3時間かけて室温から3000℃まで昇温することで極細繊維状炭素を作製した。得られた極細繊維状炭素は乾式ジェットミルを用いて解砕処理を行った。
得られた極細繊維状炭素の平均繊維径(最も小さい次元の平均長さに相当する)は250nmであり、分岐構造は見られなかった。平均実効繊維長は15.1μmであった。また、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002は0.3372nm、結晶子長さ(La110)は111nm、網平面群の厚さ(Lc002)は62nmであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。極細繊維状炭素中の金属含有率は30ppm(鉄が10ppm、ナトリウムが20ppm)であった。
上記極細繊維状炭素(CNF−1)を2質量部、正極活物質(LiFePO4:宝泉株式会社製、SLFP−ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部用いて、電極合剤層厚みが114μm、電極密度が2.56g/cm3の電極を作製した。その電極の体積抵抗は、83Ωcmと小さく、導電性に優れていた。また、以下に述べるように、還元電流の積算値/酸化電流の積算値の比は0.9であり、可逆的な電気化学反応であった。IA/IBの比は0であり、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。充放電特性は65%であり、優れていた。
炭素系導電助剤として極細繊維状炭素(CNF−1)を50質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を50質量部、溶媒としてN−メチルピロリドンを用いてスラリーを作製した。作製したスラリーを集電体(厚さ15μmのアルミニウム箔)に塗布後、120℃で3h乾燥させることでサイクリックボルタンメトリー測定用のモデル電極を作製した。モデル電極に形成された電極合剤層の厚みは、17μmであった。
前記モデル電極を作用極として用い、リチウム金属を対極とする二極セル(コイン電池)を作製した。電解液には、1mol/L濃度のLiPF6を含むエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート混合溶液(3/7体積比、キシダ化学社製)からなる電解液を使用した。セパレータには、ガラス繊維不織布を使用した。
図2に2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したサイクリックボルタンメトリー(CV)曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値/酸化電流の積算値の比は0.9であった。即ち、可逆的な電気化学反応であった。また、図3に2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。図2及び図3から、IA/IBの比が0であった。即ち、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。
これにより、高電圧下において、電解液の分解や、導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
前記二極セルを用いて、充放電装置(北斗電工株式会社製HJ−1005SD8)を用いて充放電測定を行った。充放電条件としては、5.0Vまで0.1mA/cm2定電流充電後、2.5Vまで0.1mA/cm2定電流放電した。測定結果を図4に示す。その結果、充電容量が22.7mAh/g、放電容量が14.7mAh/g、充放電効率が65%であり、良好であった。
<極細繊維状炭素(CNF−2)の製造>
熱可塑性樹脂として高密度ポリエチレン(株式会社プライムポリマー社製、ハイゼックス5000SR;350℃、600s−1における溶融粘度14Pa・s、MFR=0.37g/10min)90質量部と、メソフェーズピッチとしてメソフェーズピッチAR−MPH(三菱ガス化学株式会社製)10質量部と、を同方向二軸押出機(東芝機械株式会社製TEM−26SS、バレル温度310℃、窒素気流下)で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を作製した。メソフェーズピッチの熱可塑性樹脂中への分散径は0.05〜2μmであった。また、このメソフェーズピッチ組成物を300℃で10分間保持したが、メソフェーズピッチの凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。
次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、スリット幅0.2mm、スリット長さ100mm、導入角60°の矩形口金を用いて厚み60μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は2.4kg/時間、せん断速度は1000s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は25、吐出口から冷却ドラムまでの距離は50mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は95s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は208s−1であった。目開き1.46mm、線径0.35mmの金網上に、得られた面状体を短繊維の目付けが30g/m2になるように不織布状に配置した。
この樹脂複合繊維から成る不織布を215℃の熱風乾燥機の中で3時間保持させることにより、樹脂複合安定化繊維から成る不織布を作製した。次に、この不織布を真空ガス置換炉内に入れ、炉内を窒素置換した後に1kPaまで減圧し、この状態から加熱することにより、熱可塑性樹脂を除去した。加熱条件は、昇温速度5℃/分で500℃まで昇温後、同温度で60分間保持した。
この熱可塑性樹脂が除去された不織布をエタノール溶媒中に加え、超音波発振器により30分間、振動を加えることによって、溶媒中に安定化繊維を分散させた。溶媒中に分散させた安定化繊維をろ過することによって、安定化繊維を分散させた不織布を作製した。
この安定化繊維を分散させた不織布を、真空ガス置換炉内で窒素ガス流通下、5℃/分で1000℃まで昇温して同温度で0.5時間熱処理した後、室温まで冷却した。更に、この不織布を、黒鉛ルツボに納め、超高温炉(倉田技研社製、SCC−U−80/150型、均熱部80mm(直径)×150mm(高さ))を用いて、真空中で室温から2000℃まで10℃/分で昇温した。2000℃に到達後、0.05MPa(ゲージ圧)のアルゴンガス(99.999%)雰囲気としてから、10℃/分の昇温速度で3000℃まで昇温し、3000℃で0.5時間熱処理した。得られた極細繊維状炭素の電子顕微鏡写真を図5に示す。
<極細繊維状炭素(CNF−3)の製造>
実施例2と同様のメソフェーズピッチ組成物を作製した。
次いで、このメソフェーズピッチ組成物を溶融紡糸機により、直径が0.2mm、導入角60°の円形口金を用いて繊維径100μmの長繊維に成形した。口金温度は340℃、吐出量は3.8g/口金/時間、せん断速度は1360s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は4であった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は982s−1であり、口金外部での変形領域は口金下10mmであり、伸長ひずみ速度は9s−1であった。
次に、この前駆体繊維から長さが約5cmの短繊維を作製し、目開き1.46mm、線径0.35mmの金網上に、短繊維の目付けが30g/m2になるように不織布状に配置した。以下、実施例2と同様の方法で操作して極細繊維状炭素を得た。得られた極細繊維状炭素の電子顕微鏡写真を図7に示す。
上記極細繊維状炭素(CNF−3)を2質量部、正極活物質(LiFePO4:宝泉株式会社製、S−LFP−ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部用いて、電極合剤層厚みが106μm、電極密度が2.56g/cm3の電極を作製した。その電極の体積抵抗は、109Ωcmと小さく、導電性に優れていた。
黒鉛化温度を2600℃とした以外は実施例1と同様に操作を行い、極細繊維状炭素(CNF−4)を作製した。得られた極細繊維状炭素の平均繊維径(最も小さい次元の平均長さに相当する)は250nmであり、分岐構造は見られなかった。平均実効繊維長は15.1μmであった。また、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002は0.3380nm、結晶子長さ(La110)は59nm、網平面群の厚さ(Lc002)は48nmであり、結晶性の低い繊維状炭素であった。
上記極細繊維状炭素(CNF−4)を2質量部、正極活物質(LiFePO4:宝泉株式会社製、S−LFP−ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部用いて、電極合剤層厚みが115μm、電極密度が2.51g/cm3の電極を作製した。その電極の体積抵抗は、135Ωcmであり、導電性が高いとは言えなかった。
炭素系導電助剤として極細繊維状炭素(CNF−4)を50質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を50質量部、溶媒としてN−メチルピロリドンを用いてスラリーを作製した。作製したスラリーを集電体(厚さ15μmのアルミニウム箔)に塗布後、120℃で3h乾燥させることでサイクリックボルタンメトリー測定用のモデル電極を作製した。モデル電極に形成された電極合剤層の厚みは、17μmであった。
前記電極を作用極として用いた以外は、実施例1と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図8に2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値/酸化電流の積算値が0.84であった。また、図9に2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。図8及び図9からIA/IBの比は0であった。すなわち、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。
<充放電測定>
前記二極セルを用いて、実施例1と同様に充放電測定を行った。測定結果を図10に示す。充電容量が26.8mAh/g、放電容量が17.0mAh/g、充放電効率が63%であった。
<繊維状炭素(MWCNT)の製造>
Fe及びCoを含有する触媒を石英製管状反応器に入れ、反応器内を窒素ガス置換し、窒素ガスを流しながら、反応器を室温から690℃まで60分間かけて昇温させた。温度690℃を維持したまま、窒素ガスを、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスAに切り替えて還元反応させた。還元反応後、温度690℃を維持したまま、混合ガスAを、水素ガスとエチレンガスとの混合ガスBに切り替えて気相成長反応させた。混合ガスBを窒素ガスに切り替え、反応器内を窒素ガスで置換し、室温まで冷やした。
得られた繊維状炭素の平均繊維径(最も小さい次元の平均長さに相当する)は150nmであり、分岐構造を有していた。平均実効繊維長は8μmであった。また、X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔d002が0.3383nm、結晶子長さ(La110)は44nm、網平面群の厚さ(Lc002)は28nmであり、結晶性の低い繊維状炭素であった。金属含有率は82ppm(鉄が43ppm、Siが39ppm)であった。
上記繊維状炭素(MWCNT)を2質量部、正極活物質(LiFePO4:宝泉株式会社製、S−LFP−ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部用いて、電極合剤層厚みが116μm、電極密度が2.54g/cm3の電極を作製した。その電極の体積抵抗は、245Ωcmであり導電性が低かった。
炭素系導電助剤として繊維状炭素(MWCNT)を50質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を50質量部、溶媒としてN−メチルピロリドンを用いてスラリーを作製した。作製したスラリーを集電体(厚さ15μmのアルミニウム箔)に塗布後、120℃で3h乾燥させることでサイクリックボルタンメトリー測定用のモデル電極を作製した。モデル電極に形成された電極合剤層の厚みは、17μmであった。
前記電極を作用極として用いた以外は、実施例1と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図11に2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値/酸化電流の積算値が0.81であった。すなわち、高電圧下において、電解液の分解や、導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。また、図12に2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。図11及び図12からIA/IBの比は0.044であった。
前記二極セルを用いて、実施例1と同様に充放電測定を行った。測定結果を図13に示す。充電容量が9.1mAh/g、放電容量が4.6mAh/g、充放電効率が51%であった。
炭素系導電助剤として結晶性の低い球状炭素(AB、平均粒子径35nmであり、これが最も小さい次元の平均長さに相当する。)を2質量部、正極活物質(LiFePO4:宝泉株式会社製、S−LFP−ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部用いて、電極合剤層厚みが110μm、電極密度が2.54g/cm3の電極を作製した。その電極の体積抵抗は、851Ωcmであり導電性は低かった。
前記電極を作用極として用いた以外は、実施例1と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図14に2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値/酸化電流の積算値が0.48であった。また、図15に2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内において測定したCV曲線を示す。図14及び図15からIA/IBの比は0.124であった。
前記二極セルを用いて、実施例1と同様に充放電測定を行った。測定結果を図16に示す。充電容量が5.1mAh/g、放電容量が1.7mAh/g、充放電効率が33%であった。
熱可塑性樹脂として高密度ポリエチレン(株式会社プライムポリマー社製、ハイゼックス5000SR;350℃、600s−1における溶融粘度14Pa・s、MFR=0.37g/10min)90質量部と、メソフェーズピッチとしてメソフェーズピッチAR−MPH(三菱ガス化学株式会社製)10質量部と、を同方向二軸押出機(東芝機械株式会社製TEM−26SS、バレル温度310℃、窒素気流下)で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を作製した。メソフェーズピッチの熱可塑性樹脂中への分散径は0.05〜2μmであった。また、このメソフェーズピッチ組成物を300℃で10分間保持したが、メソフェーズピッチの凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。
次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、幅0.4mmのスリット幅、スリット長さ100mm、導入角60°、変形開始から変形終了までの距離が1.7mmである矩形口金を用いて厚み90μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は2.4kg/時間、せん断速度は250s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は40、吐出口から冷却ドラムまでの距離(口金外部における変形開始から変形終了までの距離)は50mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は23s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は267s−1であった。得られた面状体を目開き1.46mm、線径0.35mmの金網上に、目付けが30g/m2になるように不織布状に配置した。
この樹脂複合繊維から成る不織布を215℃の熱風乾燥機の中で3時間保持させることにより、樹脂複合安定化繊維から成る不織布を作製した。次に、この不織布を真空ガス置換炉内に入れ、炉内を窒素置換した後に1kPaまで減圧し、この状態から加熱することにより、熱可塑性樹脂を除去した。加熱条件は、昇温速度5℃/分で500℃まで昇温後、同温度で60分間保持した。これにより、熱可塑性樹脂が除去された不織布状の繊維状炭素前駆体を得た。この繊維状炭素前駆体の断面試料を調製し、断面の電子顕微鏡観察を実施し、平均繊維径を求めた。繊維径は200〜900nm(平均繊維径400nm、標準偏差120nm)であり、繊維径の標準偏差を平均繊維径で除した値は0.30であった。電子顕微鏡写真を図17に示す。
続いて、上記で作製された熱可塑性樹脂が除去された不織布状の繊維状炭素前駆体を、真空ガス置換炉を用いて窒素ガス流通下、5℃/分で1000℃まで昇温して同温度で0.5時間熱処理した後、室温まで冷却した。さらに、この不織布を、黒鉛ルツボに納め、超高温炉(倉田技研社製、SCC−U−80/150型、均熱部80mm(直径)×150mm(高さ))を用いて真空中で室温から2000℃まで10℃/分で昇温した。2000℃に到達後、0.05MPa(ゲージ圧)のアルゴンガス(99.999%)雰囲気としてから、10℃/分の昇温速度で3000℃まで昇温し、3000℃で0.5時間熱処理して極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径250nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。この極細繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3370nm、結晶子長さ(La)は111、網平面群の厚さ(Lc)は66.7nmであり、結晶性の高い極細繊維状炭素であった。また、繊維径の標準偏差を平均繊維径で除した値(変動係数)は0.50未満であり、繊維径のバラツキが少なかった。
熱可塑性樹脂として高密度ポリエチレン(株式会社プライムポリマー社製、ハイゼックス5000SR;350℃、600s−1 における溶融粘度14Pa・s、MFR=0.37g/10min)84質量部と、メソフェーズピッチとしてメソフェーズピッチAR−MPH(三菱ガス化学株式会社製)16質量部と、を同方向二軸押出機(東芝機械株式会社製TEM−26SS、バレル温度310℃、窒素気流下)で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を作製した。メソフェーズピッチの熱可塑性樹脂中への分散径は0.05〜2μmであった。また、このメソフェーズピッチ組成物を300℃で10分間保持したが、メソフェーズピッチの凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。
次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、幅0.2mmのスリット幅、スリット長さ100mm、導入角60°、変形開始から変形終了までの距離が1.7mmである矩形口金を用いて厚み90μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は2.4kg/時間、せん断速度は1000s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は6、吐出口から冷却ドラムまでの距離は90mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は95s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は6s−1であった。その他は、実施例2と同様の処理を行い、極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径570nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、この極細繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3368nm、結晶子長さ(La)は113.9nm、網平面群の厚さ(Lc)は59.1nmであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
実施例5と同様のメソフェーズピッチ組成物を作製した。次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、幅0.2mmのスリット幅、スリット長さ100mm、導入角60°、変形開始から変形終了までの距離が1.7mmである矩形口金を用いて厚み100μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は2.4kg/時間、せん断速度は1000s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は6、吐出口から冷却ドラムまでの距離は50mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は95s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は12s−1であった。その他は、実施例2と同様の処理を行い、極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径360nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、この繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3368nm、結晶子長さ(La)は132.1nm、網平面群の厚さ(Lc)は52.7nmであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
実施例5と同様のメソフェーズピッチ組成物を作製した。次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、幅0.4mmのスリット幅、スリット長さ100mm、導入角60°、変形開始から変形終了までの距離が1.7mmである矩形口金を用いて厚み140μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は4.8kg/時間、せん断速度は500s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は10、吐出口から冷却ドラムまでの距離は90mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は46s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は18s−1であった。その他は、実施例2と同様の処理を行い、極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径600nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、この極細繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3368nm、結晶子長さ(La)は182.3nm、網平面群の厚さ(Lc)は61.9nmであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
実施例5と同様のメソフェーズピッチ組成物を作製した。次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、幅0.4mmのスリット幅、スリット長さ100mm、導入角60°、変形開始から変形終了までの距離が1.7mmである矩形口金を用いて厚み130μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は4.8kg/時間、せん断速度は500s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は10、吐出口から冷却ドラムまでの距離は50mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は46s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は33s−1であった。その他は、実施例2と同様の処理を行い、極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径420nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、この極細繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3368nm、結晶子長さ(La)は181.0nm、網平面群の厚さ(Lc)は53.2nmであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
実施例5と同様のメソフェーズピッチ組成物を作製した。次いで、このメソフェーズピッチ組成物を、幅0.8mmのスリット幅、スリット長さ100mm、導入角60°、変形開始から変形終了までの距離が1.7mmである矩形口金を用いて厚み50〜120μmの面状体に成形した。口金温度は340℃、吐出量は2.4kg/時間、せん断速度は63s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は80、吐出口から冷却ドラムまでの距離は50mmであった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は5s−1であり、口金外部での伸長ひずみ速度は533s−1であった。その他は、実施例2と同様の処理を行い、極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径390nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、この極細繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3367nm、結晶子長さ(La)は148.0nm、網平面群の厚さ(Lc)は64.3nmであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
実施例2と同様のメソフェーズピッチ組成物を作製した。次いで、このメソフェーズピッチ組成物を溶融紡糸機により、直径が0.2mm、導入角60°の円形口金を用いて繊維径160μmの長繊維に成形した。口金温度は340℃、吐出量は4.0g/口金/時間、せん断速度は1414s−1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は1.6であった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は1021s−1であり、口金外部での変形領域は口金下10mmであり、伸長ひずみ速度は2.5s−1であった。その他は、実施例2と同様の処理を行い、極細繊維状炭素を得た。この極細繊維状炭素は、平均繊維径300nmであり、分岐がなく、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。しかしながら、この極細繊維状炭素の格子面間隔(d002)は0.3373nm、結晶子長さ(La)は90.7nm、網平面群の厚さ(Lc)は47.6nmであり、結晶性が低かった。
11・・・変形開始点
13・・・変形終了点
15・・・スリット流路
θ ・・・導入角
Claims (12)
- 平均実効繊維長が1〜100μm、平均繊維径が100nm〜1μmであり、X線回折法で測定した結晶子長さ(La)が110〜500nmであることを特徴とする繊維状炭素。
- 前記繊維状炭素のホウ素含有量が、1質量ppm以下である請求項1に記載の繊維状炭素。
- 前記繊維状炭素が、ピッチ系炭素繊維である請求項1に記載の繊維状炭素。
- 前記繊維状炭素の金属元素の含有率が、50ppm以下である請求項1乃至3の何れか1項に記載の繊維状炭素。
- 電極活物質と、
請求項1に記載の繊維状炭素を含む炭素系導電助剤と、
を含んで成る非水電解質二次電池用電極合剤層。 - 前記非水電解質二次電池用電極合剤層の厚みが、50〜5000μmである請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
- 前記非水電解質二次電池用電極合剤層から成る電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、1mol/L濃度のLiPF6を含むエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート混合溶液(体積(25℃)比=3/7)を用いて、2.5〜5V(vs.Li/Li+)の範囲で測定したサイクリックボルタモグラム(CV)において、還元電流の積算値/酸化電流の積算値が0.6以下である電気化学反応を示さない請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
- 前記繊維状炭素が、該繊維状炭素50質量部とポリフッ化ビニリデン50質量部とから成る100質量部の非水電解質二次電池用電極合剤層を含む電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、1mol/L濃度のLiPF6を含む、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート混合溶液(体積(25℃)比=3/7)を用いて、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲で測定したサイクリックボルタモグラム(CV)において、下記式(1)
IA/IB<0.02 ・・・式(1)
(ここでIAは、2.5〜4.4V(vs.Li/Li+)の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、IBは、2.5〜5V(vs.Li/Li+)の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの5Vでの電流値をいう。)
を満たす繊維状炭素である請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。 - 集電体と、
前記集電体に積層された請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層と、
から成る非水電解質二次電池用電極。 - 請求項9に記載の非水電解質二次電池用電極を有する非水電解質二次電池。
- (1)熱可塑性樹脂と、前記熱可塑性樹脂100質量部に対して1〜150質量部のメソフェーズピッチと、からなる樹脂組成物を溶融状態で成形することにより前記メソフェーズピッチを繊維化して樹脂複合繊維を得る繊維化工程と、
(2)前記樹脂複合繊維を安定化し、樹脂複合安定化繊維を得る安定化工程と、
(3)前記樹脂複合安定化繊維から前記熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維を得る熱可塑性樹脂除去工程と、
(4)前記安定化繊維を不活性雰囲気下で加熱して炭素化乃至黒鉛化し、繊維状炭素を得る炭化焼成工程と、
を含む繊維状炭素の製造方法であって、
前記繊維化工程がせん断ひずみ速度及び伸長によるひずみ速度が、それぞれ5〜10000s −1 でせん断によるひずみを加える方法又は伸長によるひずみを加える方法の少なくとも一方を含むメソフェーズピッチの配向制御操作を有することを特徴とする請求項1に記載の繊維状炭素の製造方法。 - 請求項11に記載の製造方法であって、
前記伸長によるひずみを加える方法が、口金の下流側における伸長である繊維状炭素の製造方法。
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