JP6630071B2 - 電極材料、電極及び蓄電デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、電極材料、電極及び蓄電デバイスに関し、より詳しくは、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイス等に好適に用いられる電極材料、当該電極材料を含有する電極、並びに当該電極を負極として備える蓄電デバイスに関する。
近年、電子機器の小型化・軽量化の進歩は目覚ましく、それに伴い、当該電子機器の駆動用電源として用いられる電池に対しても小型化・軽量化の要求が一層高まっている。このような小型化・軽量化の要求を満足するために、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池が蓄電デバイスとして開発されている。また、高出力密度、良好なサイクル性能などの特性を有する蓄電デバイスとして、電気二重層キャパシタが知られている。さらに、高エネルギー密度特性及び高出力特性を必要とする用途に対応する蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池及び電気二重層キャパシタの蓄電原理が組み合わされたリチウムイオンキャパシタが知られている。
このような蓄電デバイスには低温での優れた諸特性が求められている。これに対し、例えば、特許文献１では、マクロ孔容積が０．０５〜０．４０ｃｃ／ｇである炭素材料からなる負極活物質を用いることが提案されている。
特開２０１３−２５８３９２号公報
しかしながら、前記の如き従来の活物質を用いた蓄電デバイスでは、充電状態で保持した際に発生するガス量が多いという問題が生じることがあった。
したがって、本発明の課題は、低温での内部抵抗が低く、しかも充電状態で保持した際に発生するガス量が少ない蓄電デバイスを形成することができる電極材料を提供することにある。
かかる実情に鑑み、本発明者らは、鋭意研究を行ったところ、熱重量分析した際、２０％重量減少する温度が特定の値以下である電極材料を用いることで前記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、炭素材料を含有し、１００ｍｌ／分の空気気流中、昇温速度５℃／分で熱重量分析した際、昇温前に対して２０％重量減少する温度が６５０℃以下である電極材料（以下、「本電極材料」とも称する。）を提供する。
また、本発明は、前記本電極材料を含有する電極を提供し、更に、前記電極を負極として備える蓄電デバイスを提供する。
本電極材料を用いることで、低温での内部抵抗が低く、しかも充電状態で保持した際に発生するガス量が少ない蓄電デバイスを得ることができる。したがって、本電極材料は、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスの電極材料として極めて有用である。
以下、本発明について詳細に説明する。
電極材料
本発明の電極材料は、炭素材料を含有し、１００ｍｌ／分の空気気流中、昇温速度５℃／分で熱重量分析した際に、重量が昇温前に対して２０％減少する温度（以下「２０％重量減少温度」ともいう。）が６５０℃以下であることを特徴とする。本電極材料は、その表層部分が従来の電極材料より燃焼し易い性質を有すると考えられ、この表層部分の性質により所望の効果が得られると考えられる。
前記２０％重量減少温度の上限は、好ましくは６４０℃である。蓄電デバイスの低温での内部抵抗を特に低くしたい場合には、２０％重量減少温度の上限は、６３０℃であることが好ましい。一方、前記２０％重量減少温度の下限は、好ましくは５００℃以上、特に好ましくは５５０℃以上である。
また、蓄電デバイスの低温での内部抵抗を特に低くしたい場合には、本電極材料を１００ｍｌ／分の空気気流中、昇温速度５℃／分、３０〜１０００℃の範囲で熱重量分析した際に、重量減少が終了する温度（以下「重量減少終了温度」ともいう。）が７００℃以下であることが好ましく、特に６５０〜７００℃であることが好ましい。
本電極材料の塩基性官能基量は、好ましくは０．０１５〜０．２０ｍｍｏｌ／ｇ、さらに好ましくは０．０１６〜０．２０ｍｍｏｌ／ｇ、特に好ましくは０．０１７〜０．２０ｍｍｏｌ／ｇである。塩基性官能基量がかかる範囲にあると、低温での内部抵抗が低い蓄電デバイスを得ることができる。ここで、本発明において「塩基性官能基量」とは、後述する実施例に記載の方法により測定される値をいう。
本電極材料は、通常、粒子状であり、その５０％体積累積径Ｄ５０（以下、単に「Ｄ５０」ともいう。）は、好ましくは０．１〜５０μｍ、特に好ましくは１〜３０μｍである。Ｄ５０が小さすぎると、得られる蓄電デバイスのサイクル特性が悪化したり、充放電効率が低下したり、下記活物質層の嵩密度が小さくなるためエネルギー密度が低下したりするおそれがあり、一方Ｄ５０が大きすぎると、蓄電デバイスの内部抵抗が高くなるおそれがある。蓄電デバイスの低温での内部抵抗を特に低くしたい場合には、Ｄ５０は、１〜１０μｍであることが好ましく、１〜５μｍであることがさらに好ましく、特に１〜３μｍであることが好ましい。なお、Ｄ５０は、レーザー回折・散乱法により測定される。
本電極材料は、細孔直径が５０〜４００ｎｍのマクロ孔容積が０．０２〜０．２０ｃｃ／ｇであることが好ましく、特に０．０３〜０．１０ｃｃ／ｇであることが好ましい。マクロ孔容積がかかる範囲にあると、所望の効果をより高めることができる。本発明において、マクロ孔容積とは、日本ベル（株）製自動比表面積／細孔分布測定装置ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉＩＩを用いて温度７７Ｋにおける窒素吸着法により得られる窒素吸着等温線をＤＨ（Dollimore Heal）法で解析することで求められる細孔直径が５０〜４００ｎｍの範囲にある細孔の容積を意味する。
本電極材料は、細孔直径が２〜５０ｎｍのメソ孔容積が０．００１〜０．０５ｃｃ／ｇであることが好ましく、特に０．００５〜０．０５ｃｃ／ｇであることが好ましい。メソ孔容積がかかる範囲にあると、所望の効果をより高めることができる。充電状態で保持した際に発生するガス量が特に少ない蓄電デバイスを得るには、メソ孔容積が０．００１〜０．０４ｃｃ／ｇであることが好ましく、特に０．００５〜０．０３ｃｃ／ｇであることが好ましい。本発明において、メソ孔容積とは、日本ベル（株）製自動比表面積／細孔分布測定装置ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉＩＩを用いて温度７７Ｋにおける窒素吸着法により得られる窒素吸着等温線をＤＨ法で解析することで求められる細孔直径が２〜５０ｎｍの範囲にある細孔の容積を意味する。
また、本電極材料の比表面積は、好ましくは１〜５０ｍ2／ｇ、特に好ましくは５〜３０ｍ2／ｇである。比表面積がかかる範囲にあると、所望の効果をより高めることができる。充電状態で保持した際に発生するガス量が特に少ない蓄電デバイスを得るには、比表面積は、好ましくは１〜２５ｍ2／ｇ、特に好ましくは５〜２０ｍ2／ｇである。なお、比表面積は、窒素吸着法により測定される。
本電極材料は炭素材料を含有するが、前記炭素材料は２種類以上の炭素材料を含有してなる複合炭素材料（以下、単に「複合炭素材料」とも称する。）であることが好ましい。複合炭素材料は、適宜の方法で製造することができるが、２０％重量減少温度が６５０℃より高い炭素材料粒子を、窒素を含有する有機重合体と混合・混練することにより該有機重合体で被覆した後、不活性ガス存在下、７００〜２０００℃で焼成し、該有機重合体を炭化させることにより製造することが好ましい。また、前記複合炭素材料は、窒素を含有する有機重合体の熱分解物を、２０％重量減少温度が６５０℃より高い炭素材料粒子の表面に堆積させることにより製造することも好ましい。
前記複合炭素材料は、コアを形成する炭素材料と前記コアを形成する炭素材料の少なくとも一部を被覆する被覆用炭素材料とを含有してなる複合炭素材料であることが好ましい。この複合炭素材料において、コアを形成する炭素材料としては、前記炭素材料粒子が好ましく、被覆用炭素材料の原料としては、前記窒素を含有する有機重合体を含む原料が好ましい。
複合炭素材料において、前記コアを形成する炭素材料としては、例えば、石油コークス、石炭ピッチコークス、ポリ塩化ビニル炭等の易黒鉛化性炭素；ポリ塩化ビニリデン炭、砂糖炭、セルロース炭、フェノール樹脂炭、木炭類等の難黒鉛化性炭素；前記易黒鉛化性炭素若しくは難黒鉛化性炭素を更に加熱処理して黒鉛質化したもの；炭素繊維を粉末状に加工した材料；天然黒鉛、人造黒鉛を挙げることができる。
コアを形成する炭素材料としては、Ｘ線回折法による（００２）面の面間隔ｄ００２が０．３３５〜０．３３８ｎｍの範囲にある黒鉛結晶性炭素が好ましく、特に天然黒鉛、人造黒鉛が好ましい。
本発明において、コアを形成する炭素材料は、単独で又は２種以上を使用することができる。
前記窒素を含有する有機重合体における、該有機重合体を窒素ガス雰囲気下でＣＨＮ元素分析した際に求められる窒素元素の含有割合は、通常、該有機重合体に対して０．２５〜２質量％、好ましくは０．３０〜１質量％である。前記有機重合体としては、例えば、Ｎ−置換マレイミドとスチレンとを共重合成分として含む共重合体、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、ポリアクリロニトリルを挙げることができる。
前記有機重合体を用いることで、所望の構造、物性、効果を有する本電極材料を容易に得ることができる。
前記有機重合体は、単独で又は２種以上を使用することができる。
前記有機重合体の使用量は、その種類にもよるが、コアを形成する炭素材料１００質量部に対して、好ましくは３０〜５００質量部、特に好ましくは６０〜４００質量部である。有機重合体の使用量が前記範囲にあると、低温での内部抵抗が低い蓄電デバイスを得ることができる。
前記有機重合体を前記範囲の量で用いることで、所望の構造、物性、効果を有する本電極材料を容易に得ることができる。
また、被覆用炭素材料として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック；ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等の炭素繊維などを前記有機重合体とともに併用することもできる。
被覆用炭素材料としてカーボンブラックや炭素繊維（以下「カーボンブラック等」ともいう。）を併用する場合のカーボンブラック等の使用量は、コアを形成する炭素材料に対して、好ましくは５０質量％以下、更に好ましくは３０質量％以下、特に好ましくは２０質量％以下である。また、カーボンブラック等と前記有機重合体との混合比率（カーボンブラック等の質量：有機重合体の質量）は、好ましくは５０：５０〜０：１００である。
前記炭素材料粒子と有機重合体とを混合・混練する際には、ニーダー、二軸押出機等の装置を用いて、溶融混合することが好ましい。溶融混合する際、使用する有機重合体の種類によっては、可塑剤を使用してもよい。可塑剤としては、フタル酸系可塑剤、脂肪酸系可塑剤、リン酸エステル系可塑剤、エポキシ系可塑剤、塩素化パラフィン等の公知の可塑剤を挙げることができる。
前記有機重合体を炭化させる条件としては、窒素ガスなどの不活性ガス存在下、７００〜２０００℃で焼成することが好ましいが、８００〜１５００℃で焼成することが特に好ましい。また、この焼成に先立ち、大気などの酸素含有雰囲気下、１００〜５００℃に加熱して不融化しておくことにより、焼成後に残留する炭素の収率を高めることができる。かかる態様で複合炭素材料を製造することにより、所望の特性により優れた電極材料を得ることができる。
なお、Ｄ５０が前記範囲にある本電極材料を得るために、前記炭化や加熱の後に、得られた材料を粉砕する工程を含むことが好ましい。
本電極材料は、例えば、コアを形成する炭素材料の細孔表面にケイ素やスズ等の金属粒子を担持させることにより、炭素以外のリチウムを吸蔵可能な成分を含有していてもよい。
以上のようにして得られる本電極材料を電極活物質として用いることにより、低温での内部抵抗が低く、しかも充電状態で保持した際に発生するガス量が少ない蓄電デバイスを得ることができる。本電極材料は、所望の効果がより顕著に得られる点から、リチウムイオンの挿入／脱離を利用する蓄電デバイスの負極材料として用いることが好ましく、特にリチウムイオンキャパシタの負極材料として用いることが好ましい。本電極材料は、蓄電デバイスの他、燃料電池の電極を構成する触媒としても有用であると考えられる。
電極
本発明の電極は、本電極材料を含有し、通常、集電体上に本電極材料及びバインダー等を含有する活物質層が形成されてなる。前記活物質層は、通常、本電極材料及びバインダー等を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布し、乾燥させることにより製造することができる。
本発明の電極は、本電極材料を負極活物質として用いた、リチウムイオンの挿入／脱離を利用する蓄電デバイスの負極であることが好ましく、特にリチウムイオンキャパシタの負極であることが好ましい。
前記活物質層全体に対する、本電極材料の含有量は、好ましくは５０〜９０質量％である。
本発明の電極において、本電極材料は、単独で又は２種以上を使用することができる。
前記集電体の材質としては、本発明の電極が正極である場合、アルミニウム、ステンレス等が好ましく、一方、本発明の電極が負極である場合、銅、ニッケル、ステンレス等が好ましい。集電体の厚みは、正負極どちらであっても、通常１０〜５０μｍである。
また、本発明の電極が、リチウムイオンキャパシタに用いる電極である場合、正負極の集電体は、表裏面を貫通する貫通孔を備えていることが好ましく、その開口率は１０〜７０％であることが好ましい。かかる貫通孔を備える集電体として、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングにより貫通孔が形成された多孔質金属箔を用いることができる。
本発明の電極において、前記バインダーとしては、例えば、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＮＢＲ等のゴム系バインダー；ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系樹脂；ポリプロピレン、ポリエチレンの他、特開２００９−２４６１３７号公報に開示されているようなフッ素変性（メタ）アクリル系バインダーを挙げることができる。
バインダーの使用量は、特に限定されるものではないが、本電極材料に対して、好ましくは１〜２０質量％、特に好ましくは２〜１０質量％である。
前記バインダーは、単独で又は２種以上を使用することができる。
前記活物質層には、更に、カーボンブラック、黒鉛、金属粉末等の導電剤；カルボキシルメチルセルロース、そのＮａ塩又はアンモニウム塩、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、又はカゼイン等の増粘剤などが含有されていてもよい。
前記活物質層の厚さは、特に限定されないが、通常５〜５００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１０〜１００μｍである。
また、前記活物質層の密度は、本発明の電極をリチウムイオン二次電池に用いる場合、好ましくは１．５０〜２．００ｇ／ｃｃであり、特に好ましくは１．６０〜１．９０ｇ／ｃｃであり、リチウムイオンキャパシタに用いる場合、好ましくは０．５０〜１．５０ｇ／ｃｃであり、特に好ましくは０．７０〜１．２０ｇ／ｃｃである。活物質層の密度がかかる範囲にあると、電解液の保液性と本電極材料の接触抵抗とのバランスが良いため、高容量で且つ低抵抗な蓄電デバイスを提供することが可能となる。
蓄電デバイス
本発明の蓄電デバイスは、本発明の電極を負極として備えてなる。蓄電デバイスとしては、例えば、非水電解質二次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタを挙げることができる。本発明の蓄電デバイスは、リチウムイオンの挿入／脱離を利用する蓄電デバイスであることが好ましく、特にリチウムイオンキャパシタであることが好ましい。
本発明の蓄電デバイスは、負極として用いられる本発明の電極の他、少なくとも正極、電解質を備えることが好ましい。負極として用いられる本発明の電極の構成及び製造方法は、前記「電極」において説明した通りである。
本発明の蓄電デバイスにおいて、前記正極の基本的な構成及び製造方法は、前記本電極材料の代わりに、以下の正極活物質を用いる以外は、前記「電極」において説明した構成及び製造方法と同様である。
本発明の蓄電デバイスがリチウムイオン二次電池である場合、用いられる正極活物質としては、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物、二酸化マンガン等の遷移金属酸化物、フッ化黒鉛等の炭素質材料を挙げることができる。一方、本発明の蓄電デバイスがリチウムイオンキャパシタである場合、用いられる正極活物質としては、例えば、活性炭、ポリアセン系物質を挙げることができる。これらの正極活物質は、単独で又は２種以上を使用することができる。
本発明の蓄電デバイスにおいて、前記電解質は、通常、溶媒中に溶解された電解液の状態で用いられる。電解質としては、リチウムイオンを生成することのできる電解質が好ましく、具体的には、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＦＳＯ2）2等を挙げることができる。これらの電解質は、単独で又は２種以上を使用することができる。
電解質を溶解させるための溶媒としては、非プロトン性の有機溶媒が好ましく、具体的には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、１−フルオロエチレンカーボネート、１−（トリフルオロメチル）エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を挙げることができる。これらの溶媒は、単独で又は２種以上を使用することができる。本発明においては、所望の効果を高めることができる点で、溶媒として、少なくともエチレンカーボネートおよびプロピレンカーボネートを使用することが好ましく、少なくともエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートおよびジエチルカーボネートを使用することがより好ましい。
電解液中の電解質の濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、０．１モル／Ｌ以上にすることが好ましく、０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内にすることがより好ましい。また、電解液には、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、無水コハク酸、無水マレイン酸、プロパンスルトン、ジエチルスルホン等の添加剤が含有されていてもよい。
電解質は、前記のように通常は液状に調製されて使用されるが、漏液を防止する目的でゲル状又は固体状の電解質を使用してもよい。
電解質が電解液の状態で用いられる場合、正極と負極の間には、通常、正極と負極とが物理的に接触しないようにするためにセパレータが設けられる。前記セパレータとしては、例えば、セルロースレーヨン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド等を原料とする不織布又は多孔質フィルムを挙げることができる。
蓄電デバイスの構造としては、例えば、板状の正極と負極とがセパレータを介して各々３層以上積層された積層体が外装フィルム内に封入された積層型セル、帯状の正極と負極とがセパレータを介して捲回された積層体が角型又は円筒型の容器に収納された捲回型セル等を挙げることができる。
本発明の蓄電デバイスがリチウムイオンキャパシタである場合、正極と負極を短絡させた後の正極電位が２．０Ｖ（ｖｓＬｉ／Ｌｉ+）以下になるように負極及び／又は正極に対してリチウムイオンが予めドープされていることが好ましい。リチウムイオンを予めドープする方法については、例えば、国際公開第１９９８／０３３２２７号パンフレット、国際公開第２０００／００７２５５号パンフレット等に開示されている。
以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態をさらに具体的に説明する。但し、本発明は、下記実施例に限定されない。
以下の実施例および比較例において、電極材料の諸物性の測定は、下記方法により行った。
＜２０％重量減少温度及び重量減少終了温度＞
２０％重量減少温度及び重量減少終了温度の測定は、ＮＥＴＺＳＣＨ製ＴＧ−ＤＴＡ２０００ＳＲを用い、被測定物である電極材料を熱重量分析することで行った。電極材料を１０±１ｍｇの範囲となるよう秤量し、空気供給速度を１００ｍｌ／分、昇温速度を５℃／分とし、３０〜１０００℃の範囲で測定を行った。この際における、昇温前の電極材料の重量から２０％重量が減少した時の温度を２０％重量減少温度とした。また、昇温しても重量減少が認められなくなった温度を重量減少終了温度とした。リファレンスとしてはα−アルミナを用いた。なお、供給する空気は、湿度が３０％以下になるよう制御されているものを用いた。
＜塩基性官能基量の測定＞
５０ｍｌ三角フラスコに被測定物である電極材料を約１ｇ精秤して入れ、ここに０．０５Ｎの塩酸（和光純薬工業（株）製）１０．０ｍｌをホールピペットで採取して加え、界面活性剤（ライオン（株）製、チャーミーグリーン）を３滴滴下後、フラスコに密栓をし、かつフラスコと密栓との接合部にシールテープを巻いて、２５℃にセットした超音波洗浄機（アズワン（株）製、ＡＳＵ−１０、強度設定Ｈｉｇｈ）で２０分間超音波照射して電極材料をよく分散させた。その後、濾紙（ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ ＵＫ Lｉｍｉｔｅｄ製、Ｗｈａｔｍａｎ４２濾紙、１１０ｍｍφ）で濾過した濾液からホールピペットで２．０ｍｌを採取して１００ｍｌコニカルビーカーに入れ、ここに指示薬としてメチルレッド−メチレンブルーのエタノール溶液（和光純薬工業（株）製）をスポイトで３滴加えた。コニカルビーカー内をマグネティックスターラーで攪拌しながら、０．０５ＮのＮａＯＨ水溶液（和光純薬工業（株）製）を滴下して、指示薬による色の変化（紫色から緑色）により中和点を判定しながら滴定した。また、０．０５Ｎ塩酸に電極材料を加えずに同様の滴定をしたものをブランクとして測定し、ブランクと電極材料ありでの滴定量の差異から塩基性官能基量を定量した。
＜マクロ孔容積及びメソ孔容積の測定＞
マクロ孔容積及びメソ孔容積は、日本ベル（株）製自動比表面積／細孔分布測定装置ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉＩＩを用いて、温度７７Ｋにおける窒素吸着法により得られる窒素吸着等温線をＤＨ法で解析して求めた。この際、測定モードは「高精度モード」とし、サンプルセルとして標準品である約１．８ｃｍ3のセルを用いた。また、サンプル量は、０．１５００〜０．２５００ｇの範囲となるよう、電子天秤を用いて１０-4ｇの桁まで秤量した。
なお、これらの測定に用いたサンプルとしては、電極材料を２００℃で２時間真空乾燥した材料を用いた。
＜比表面積の測定＞
比表面積は、日本ベル（株）製自動比表面積／細孔分布測定装置ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉＩＩを用いて、温度７７Ｋにおける窒素吸着法により得られる窒素吸着等温線をＢＥＴ法で解析して求めた。解析の際、相対圧Ｐ／Ｐ0が０．０５〜０．２５の範囲の測定点を使用した。また、サンプル量は、０．１５００〜０．２５００ｇの範囲となるよう、電子天秤を用いて１０-4ｇの桁まで秤量した。
なお、この測定に用いたサンプルとしては、電極材料を２００℃で２時間真空乾燥した材料を用いた。
＜Ｄ５０の測定＞
Ｄ５０は、（株）堀場製作所製レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９５０Ｖ２を用いて測定した。
＜電極材料の製造＞
［実施例１］
コアを形成する炭素材料としてＴＩＭＣＡＬ社製の人造黒鉛を粉砕したもの（Ｄ５０：１．５μｍ、Ｘ線回折によるｄ００２面間隔：０．３３５６ｎｍ、比表面積：３５ｍ2／ｇ、２０％重量減少温度：６８３℃）１００質量部と、Ｎ−フェニルマレイミド及びスチレンを共重合成分として含む共重合体（窒素ガス雰囲気下でＣＨＮ元素分析した際に求められた窒素元素の含有割合：０．３８質量％）１００質量部とを、ニーダーで２５０℃に加熱しながら１時間混練した。得られた人造黒鉛／樹脂複合物をスタンプミルで破砕した後に、窒素雰囲気下にて１０００℃で２時間焼成、炭化し、その後にボールミルにて粉砕し、目開き（オープニング）１ｍｍのふるいにかけ、その通過物をジェットミルで粉砕することで電極材料を得た。得られた電極材料の評価結果を表１に示す。
［実施例２］
実施例１において、Ｎ−フェニルマレイミドとスチレンを共重合成分として含む共重合体の代わりにＮＢＲ（ＪＳＲ（株）製、Ｎ２３０Ｓ、窒素ガス雰囲気下でＣＨＮ元素分析した際に求められた窒素元素の含有割合：０．５９質量％）を用い、ニーダーの温度を９０℃に変更した以外は実施例１と同様にして電極材料を製造した。得られた電極材料の評価結果を表１に示す。
［実施例３］
実施例１において、Ｎ−フェニルマレイミド及びスチレンを共重合成分として含む共重合体１００質量部の代わりに、ポリアクリロニトリル（窒素ガス雰囲気下でＣＨＮ元素分析した際に求められた窒素元素の含有割合：０．７０質量％）３０質量部を用いた以外は実施例１と同様にして電極材料を製造した。得られた電極材料の評価結果を表１に示す。
［比較例１］
実施例１において、Ｎ−フェニルマレイミド及びスチレンを共重合成分として含む共重合体１００質量部の代わりに、アクリロニトリル含有量約３０質量％のスチレン−アクリロニトリル共重合体（テクノポリマー（株）製、窒素ガス雰囲気下でＣＨＮ元素分析した際に求められた窒素元素の含有割合：０．２３質量％）３０質量部を用いた以外は実施例１と同様にして電極材料を製造した。得られた電極材料の評価結果を表１に示す。
［比較例２］
実施例１において、Ｎ−フェニルマレイミドとスチレンを共重合成分として含む共重合体１００質量部の代わりに市販のピッチ３０質量部を用い、ニーダーの温度を１００℃に変更した以外は実施例１と同様にして電極材料を製造した。得られた電極材料の評価結果を表１に示す。
＜電極及び蓄電デバイスの製造＞
（１）負極の作製
前記実施例及び比較例で得られた電極材料８８質量部、導電助剤としてカーボンブラック５質量部、及び増粘剤としてカルボキシメチルセルロース３質量部を、高速ミキサーを用いて周速２５ｍ／ｓで２分間混合し、さらにＳＢＲ系バインダー４質量部及び水を追加して、脱泡機能付きミキサーを用いて撹拌することにより負極スラリーを作製した。得られた負極スラリーを、オートアプリケータを用いて、厚み２０μｍの穴開き銅箔上に未塗工部が残るように塗布し、輻射熱乾燥機を用いて１７０℃で乾燥させることにより、銅箔上に負極活物質層が形成された負極を製造した。得られた負極を塗工部が４０×２６ｍｍ2、タブ（接続端子）部分となる未塗工部が１０×５ｍｍ2になるように２枚打ち抜き、２００℃で１２時間真空下で乾燥し、一方を作用極、もう一方を対極とした。
（２）負極単極セルの作製
厚さ２００μｍのリチウム箔を３７×２４ｍｍ2に切り出し、４９×２６ｍｍ2に切り出した厚み２０μｍの穴開き銅箔上に、リチウム箔の周りの銅箔余白が１ｍｍ、１ｍｍ、１ｍｍ、１１ｍｍ残るように貼り付け、１１×２６ｍｍ2の銅箔余白部分を所定の形状に切ることによりタブ付き参照極を作成した。作用極、対極、参照極のタブの部分に５ｍｍ幅のＮｉリードタブを、超音波式融着装置を用いて融着させた。
２８×４１ｍｍ2のセルロース系セパレータを４枚（以下「セパレータ小」ともいう。）、４１×７０ｍｍ2のセルロース系セパレータを１枚（以下「セパレータ大」ともいう。）準備した。続いて、作用極、セパレータ小２枚、対極、セパレータ小２枚、参照極の順に積層した。セパレータ大でその両脇から３極のタブが出るように包み、ポリイミドデープで固定し積層体を得た。この積層体を市販の外装フィルムの収容部となる位置に、３極のタブが該外装フィルムの端部から外方に突出するよう配置した後、もう一枚の外装フィルムを重ね合わせ、外周縁部３辺を熱融着後、１２０℃で１２時間真空乾燥した。そこに、電解液（ＬｉＰＦ6の１．２Ｍエチレンカーボネート／ジエチルカーボネート／プロピレンカーボネート＝３／４／１（体積比）溶液）を未融着部より注入した後、未融着部分を熱融着することで負極単極セルを作製した。
＜インピーダンスの測定＞
前記負極単極セルにおいて、東洋システム（株）製ＴＯＳＣＡＴ（充放電評価装置）を用い、６０℃、２０ｍＡ定電流で０Ｖまで充電を行った。次いで、ＢｉｏＬｏｇｉｃ社製ＶＭＰ３を用いて−３０℃での交流インピーダンスを測定し、Ｎｙｑｕｉｓｔプロットの円弧より電荷移動抵抗を求めた。評価結果を表１に示す。この値が１２．０ｏｈｍｓ以下であれば、低温での内部抵抗が低く良好であるといえる。
＜ガス発生量の測定＞
前記負極単極セルについて、セルを電子天秤上の水槽に沈めた時の水槽の重量変化を測定することより、初期のセル体積を測定した。次いで、７０℃に保持した恒温槽中で、ＢｉｏＬｏｇｉｃ社製ＶＭＰ３を用いて、負極単極セルを３３ｍＶで９４時間保持した後、同様にしてセル体積を測定した。このセル体積と初期のセル体積との差から、３３ｍＶで９４時間保持した際に発生したガス（フロートガス）量を求めた。評価結果を表１に示す。なお、評価結果は、比較例１で発生したガス量を１００とした場合の相対値とした。この相対値が９０以下であればガス発生量が少なく良好であるといえる。
Figure 0006630071
＜リチウムイオンキャパシタとしての適用例＞
前記実施例及び比較例で得られた電極材料を負極活物質として用いた以外は、特開２０１３−２５８３９２号公報に開示されている実施例と同様にしてリチウムイオンキャパシタを作製した。前記実施例１〜３で得られた電極材料を負極活物質として用いた場合、充電状態で保持した際にセルの膨れが確認されず、−３０℃でもエネルギー密度及び出力密度の高いリチウムイオンキャパシタが得られることを確認した。一方、負極活物質として比較例１で得られた電極材料を用いた場合、充電状態で保持した際にセルに若干の膨れが確認された。また、負極活物質として比較例２で得られた電極材料を用いた場合、−３０℃での内部抵抗が高く、同温度でのエネルギー密度及び出力密度は低かった。

Claims (9)

  1. コアを形成する炭素材料と前記コアを形成する炭素材料の少なくとも一部を被覆する被覆用炭素材料とを含有してなる複合炭素材料を含有し、１００ｍｌ／分の空気気流中、昇温速度５℃／分で熱重量分析した際、昇温前に対して２０％重量減少する温度が６５０℃以下であり、下記塩基性官能基量が０．０１５〜０．２０ｍｍｏｌ／ｇである電極材料。
    ・塩基性官能基量：前記電極材料１ｇと、０．０５Ｎの塩酸１０．０ｍｌとを分散させた液の濾液２．０ｍｌに、メチルレッド−メチレンブルーのエタノール溶液を３滴加え、攪拌しながら０．０５ＮのＮａＯＨ水溶液を滴下した時の滴定量と、前記電極材料を用いずに同様の測定をした時の滴定量との差異から定量した値
  2. 前記２０％重量減少する温度が５００℃以上である、請求項１に記載の電極材料。
  3. 細孔直径が５０〜４００ｎｍのマクロ孔容積が０．０２〜０．２０ｃｃ／ｇである、請求項１〜２のいずれか１項に記載の電極材料。
  4. 細孔直径が２〜５０ｎｍのメソ孔容積が０．００１〜０．０５ｃｃ／ｇである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極材料。
  5. １００ｍｌ／分の空気気流中、昇温速度５℃／分、３０〜１０００℃の範囲で熱重量分析した際、重量減少が終了する温度が７００℃以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極材料。
  6. 前記重量減少が終了する温度が６５０℃以上である、請求項５に記載の電極材料。
  7. リチウムイオンキャパシタ用である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極材料。
  8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極材料を含有する電極。
  9. 請求項８に記載の電極を負極として備える蓄電デバイス。
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