JP6645260B2 - Nanographene, nanographene-electrode active material composite particles, paste for lithium ion battery electrode, and lithium ion battery electrode - Google Patents
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Description
本発明は、ナノグラフェンならびにそれを用いたナノグラフェン−電極活物質複合体粒子、リチウムイオン電池電極用ペーストおよびリチウムイオン電池電極に関する。 The present invention relates to nanographene, nanographene-electrode active material composite particles using the same, a paste for a lithium ion battery electrode, and a lithium ion battery electrode.
黒鉛は高導電性、耐熱性、軽量性、低熱膨張性、高熱伝導性、自己潤滑性などの多くの優れた特性を有する炭素材料として古くから知られており、数多くの用途において利用されている。近年、黒鉛に類する新たな炭素系材料として、樹脂材料を炭化焼成して得られるグラファイトシートやナノカーボン材料と言われるフラーレン、カーボンナノチューブ等が黒鉛同様の多くの優れた特性を有する材料として新たに見出され、幅広い用途への活用の取り組みがなされている。そしてごく最近では黒鉛の一部を形成する、ナノメートルオーダーの厚みを有するベンゼン環構造が面方向に多数敷き詰められた構造のグラフェンの作製方法が見出され、新材料として利用すべく研究開発が活発化している。 Graphite has long been known as a carbon material with many excellent properties such as high electrical conductivity, heat resistance, light weight, low thermal expansion, high thermal conductivity, and self-lubricating properties, and is used in many applications. . In recent years, as a new carbon-based material similar to graphite, graphite sheets obtained by carbonizing and firing resin materials, fullerenes called carbon nanomaterials, and carbon nanotubes have been newly developed as materials with many excellent properties similar to graphite. It has been found and is being used for a wide range of applications. Very recently, a method for producing graphene with a structure in which a number of nanometer-order benzene ring structures that form part of graphite are spread in the plane direction has been discovered, and research and development have been conducted to use them as new materials. It is becoming active.
グラフェンは黒鉛同様の高導電性・高伝熱性を持つことに加え、高強度/高弾性率、高い移動度、高ガスバリア性、高いフレキシブル性など多くの優れた物理特性を持つ材料であり、また化学的にも安定であることから、電池材料、エネルギー貯蔵材料、電子デバイス、複合材料などの領域で幅広い応用が期待されている。 Graphene is a material with many excellent physical properties, such as high strength / high elasticity, high mobility, high gas barrier properties, and high flexibility, in addition to having high electrical conductivity and high thermal conductivity like graphite. Because it is chemically stable, it is expected to be widely applied in fields such as battery materials, energy storage materials, electronic devices, and composite materials.
グラフェンの製造法としては、機械剥離法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、CEG(Crystal Epitaxial Growth)法などが挙げられるが、これらの手法は生産性が低く大量生産には適さない。これに対し、酸化還元法(天然黒鉛の酸化処理で酸化黒鉛または酸化グラファイトを得た後、還元反応によりグラフェンを作製する方法)はグラフェンの大量合成が可能であり、グラフェンを産業的に実用化するために非常に重要な手法である。 Examples of a method for producing graphene include a mechanical exfoliation method, a chemical vapor deposition (CVD) method, and a crystal epitaxy growth (CEG) method. However, these methods have low productivity and are not suitable for mass production. In contrast, the oxidation-reduction method (a method of producing graphene by a reduction reaction after obtaining graphite oxide or graphite oxide by oxidizing natural graphite) enables large-scale synthesis of graphene, and commercializes graphene. This is a very important technique to do.
グラフェンは、高い導電性能を持つ上に薄片状の形状であるため、導電パスを多くすることができることから、導電性樹脂用や電池電極用の導電材料として高いポテンシャルを持つ。特にリチウムイオン電池においては、電極活物質粒子の表面における導電性が重要であり、グラフェンのような薄片状かつフレキシブルな構造を持つ導電性物質が活物質粒子表面に付着することで表面導電性を向上できる期待がある。 Graphene has a high potential as a conductive material for a conductive resin or a battery electrode because it has high conductive performance and has a flaky shape, so that the number of conductive paths can be increased. Particularly in lithium ion batteries, the conductivity of the surface of the electrode active material particles is important, and a conductive material having a flaky and flexible structure, such as graphene, adheres to the surface of the active material particles to increase the surface conductivity. There is hope that it can be improved.
リチウムイオン電池の高容量化のためには、正極の容量密度向上が不可欠である。近年、例えばオリビン系の正極活物質や固溶体系活物質など、高容量にもかかわらず導電性が低いために実用化にいたっていない活物質が数多く検討されている。これらの正極活物質を実用化するために、正極に導電性を付与する技術が求められている。グラフェンのような高導電性の導電助剤をリチウムイオン電池に適用すれば、リチウムイオン電池を高容量化できる期待がある。また、導電性の高いコバルト酸リチウムや三元系の正極活物質においても、表面導電性を向上することは、レート特性・サイクル特性の向上につながる。 In order to increase the capacity of a lithium ion battery, it is essential to increase the capacity density of the positive electrode. In recent years, many active materials, such as olivine-based positive electrode active materials and solid solution-based active materials, which have not been put to practical use due to low conductivity despite high capacity, have been studied. In order to put these positive electrode active materials into practical use, a technique for imparting conductivity to the positive electrode is required. If a highly conductive conductive agent such as graphene is applied to a lithium ion battery, there is an expectation that the capacity of the lithium ion battery can be increased. Further, even for lithium cobalt oxide having high conductivity and a ternary positive electrode active material, improving the surface conductivity leads to improvement in rate characteristics and cycle characteristics.
しかし、グラフェンは比表面積が高いためグラフェン同士の相互作用により凝集しやすい。また、薄片状でフレキシブルであるがゆえに折りたたまれやすく、自己凝集を起こしてしまい導電材料としてのポテンシャルを十分に発揮することが難しかった。 However, since graphene has a high specific surface area, it tends to aggregate due to the interaction between graphenes. In addition, since it is flaky and flexible, it is easily folded, and self-aggregation occurs, making it difficult to sufficiently exert a potential as a conductive material.
特許文献1には酸化グラフェンとリチウムイオン電池正極活物質を混合してから還元する手法が開示されている。特許文献2には酸化グラフェンを含むリチウムイオン電池正極ペーストを集電体に塗布・乾燥してから酸化グラフェンを熱還元して電極を手法が開示されている。特許文献3には黒鉛を超音波や超臨界流体中で剥離処理することによりグラフェンを作製する手法や、球状黒鉛を酸化した後に還元する手法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a method of mixing graphene oxide and a positive electrode active material of a lithium ion battery and then reducing the mixture. Patent Literature 2 discloses a method in which a positive electrode paste of a lithium ion battery containing graphene oxide is applied to a current collector and dried, and then the graphene oxide is thermally reduced to form an electrode. Patent Document 3 discloses a method for producing graphene by exfoliating graphite in an ultrasonic wave or a supercritical fluid, and a method for oxidizing and reducing spheroidal graphite.
特許文献4、非特許文献1にはカーボンナノチューブを酸化することで微小な酸化グラフェンを作製する手法が開示されている。特許文献5にはナノスケールのグラフェンを活物質に付着させる手法が開示されている。 Patent Literature 4 and Non-Patent Literature 1 disclose a technique for manufacturing fine graphene oxide by oxidizing carbon nanotubes. Patent Document 5 discloses a technique for attaching nanoscale graphene to an active material.
特許文献1又は特許文献2のように酸化グラフェンをなんら微細化処理せずにリチウムイオン正極活物質と混練した場合、酸化グラフェンが大きすぎるため酸化グラフェン同士の凝集が抑えられず、酸化グラフェンが折りたたまれて十分な導電パスを得ることが出来ない。 When graphene oxide is kneaded with a lithium ion positive electrode active material without any fine treatment as in Patent Document 1 or Patent Document 2, the graphene oxide is too large, aggregation of the graphene oxides is not suppressed, and the graphene oxide is folded. And a sufficient conductive path cannot be obtained.
特許文献3では、黒鉛を超音波や超臨界流体中で剥離処理しているが、黒鉛は機械的強度が強く、容易に剥離・破砕は出来ず微細化できない。またマイクロメートルスケールの球状黒鉛を酸化しても、マイクロメートルスケールの酸化グラフェンしか得られない。 In Patent Literature 3, graphite is exfoliated in an ultrasonic wave or a supercritical fluid. However, graphite has high mechanical strength and cannot be easily exfoliated or crushed and cannot be miniaturized. Even if micrometer-scale spherical graphite is oxidized, only micrometer-scale graphene oxide can be obtained.
特許文献4及び非特許文献1では、繊維状の炭素を酸化・還元することで微細なグラフェンを作製しているが、酸化手法はハマーズ法と呼ばれる良く知られた手法であり、この手法から得られた酸化グラフェンを還元することで得られるグラフェンは、グラフェンの官能基化率が低くなるためイオン導電性が低い。 In Patent Literature 4 and Non-Patent Literature 1, fine graphene is produced by oxidizing and reducing fibrous carbon. The oxidation technique is a well-known technique called the Hammers method, and is obtained from this method. Graphene obtained by reducing the obtained graphene oxide has low ionic conductivity because the functionalization ratio of graphene is low.
特許文献5には、微細なグラフェンを活物質に付着させる手法が開示されているが、イオン導電性が低いため、リチウムイオン電池に適用しても良好なレート特性が得られない。 Patent Document 5 discloses a method of attaching fine graphene to an active material. However, since the ion conductivity is low, good rate characteristics cannot be obtained even when applied to a lithium ion battery.
上記課題を解決するための本発明は、面方向の大きさが20nm以上100nm以下であり、厚みが10nm以下であり、X線光電子分光測定により測定される官能基化率が0.35以上0.80以下であり、炭素原子に対する窒素原子の元素比(N/C)が0.005以上0.05以下であるナノグラフェンである。 The present invention for solving the above problems has a feature that a size in a plane direction is 20 nm or more and 100 nm or less, a thickness is 10 nm or less, and a functionalization ratio measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.35 or more and 0 or more. .80 Ri der less, nanographene element ratio of nitrogen atoms to carbon atoms (N / C) is Ru der 0.005 or more and 0.05 or less.
本発明のナノグラフェンは十分に微小な構造を持ち、適度に官能基が残留しているため、グラフェン同士が接触する機会が少なく凝集しにくい。また、グラフェン自体が折りたたまれることが無く高い導電性能を得ることが可能となる。このような性質を持つことにより、ナノグラフェンは樹脂や電極中での分散性が良好であり、また無機粒子表面への吸着が容易となる。また、ナノグラフェンが適度な官能基化率を持つために、従来のグラフェンよりもイオン導電性が高い。このようなナノグラフェンがリチウムイオン電池活物質表面に吸着することにより、活物質表面における高い電子伝導性・イオン伝導性を両立することが出来る。このことにより優れた放電性能を有するリチウムイオン電池電極を提供することが可能となる。 Since the nanographene of the present invention has a sufficiently small structure and an appropriate functional group remains, graphene is less likely to be in contact with each other and is less likely to aggregate. In addition, high conductive performance can be obtained without the graphene itself being folded. By having such properties, nanographene has good dispersibility in a resin or an electrode, and can be easily adsorbed on the surface of inorganic particles. In addition, since nanographene has an appropriate functionalization rate, it has higher ionic conductivity than conventional graphene. By adsorbing such nanographene on the surface of the lithium-ion battery active material, it is possible to achieve both high electron conductivity and high ion conductivity on the surface of the active material. This makes it possible to provide a lithium ion battery electrode having excellent discharge performance.
<ナノグラフェン>
本発明のナノグラフェンとは、単層グラフェンが積層した薄片状の構造体であって、面方向の大きさ(グラフェン層に平行な方向の大きさ)が20nm以上100nm以下、厚みが10nm以下のものを指す。また、ナノグラフェンは、溶剤を乾燥した粉末をエックス線回折測定したときに、エックス線回折測定で9.0°〜13.0°にグラフェン層の層間距離に基づくピークを持たない点で、後述するナノ酸化グラフェンと区別される。
<Nanographene>
The nanographene of the present invention is a flaky structure in which single-layer graphene is stacked, and has a planar size (a size parallel to the graphene layer) of 20 nm or more and 100 nm or less, and a thickness of 10 nm or less. Point to. In addition, when the powder obtained by drying the solvent is subjected to X-ray diffraction measurement, the nano-graphene does not have a peak at 9.0 ° to 13.0 ° based on the interlayer distance of the graphene layer. Distinct from graphene.
ナノグラフェンの面方向の大きさは、ナノグラフェンをN−メチルピロリドン溶剤中で0.001〜0.005質量%にまで希釈し、ガラス基板などの平滑性の高い基板上に滴下・乾燥し、光学顕微鏡又はレーザー顕微鏡で観察することで容易に測定することが可能である。レーザー顕微鏡としては、例えばキーエンス社製VK−X250などを用いることができる。ナノグラフェンの面方向の大きさとは、上記方法で観察したナノグラフェン小片一つひとつについて最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)を測定し、(長径+短径)/2で求められる数値であり、本発明においてはランダムに50個以上のナノグラフェン小片を測定した場合の平均値を指すものとする。 The size of the nanographene in the plane direction is determined by diluting the nanographene to 0.001 to 0.005% by mass in an N-methylpyrrolidone solvent, dropping it on a highly smooth substrate such as a glass substrate, and drying it. Alternatively, it can be easily measured by observing with a laser microscope. As the laser microscope, for example, VK-X250 manufactured by Keyence Corporation can be used. The size of the nanographene in the plane direction is determined by measuring the length (longest diameter) of the longest part and the length (shortest diameter) of the shortest part of each nanographene small piece observed by the above method, and (long diameter + minor diameter) / 2 In the present invention, it indicates the average value when 50 or more small pieces of nanographene are randomly measured.
本発明のナノグラフェンは非常に微細な構造を持つため、折りたたみによる自己凝集や、グラフェン間相互作用による凝集が抑えられる。ナノグラフェンの面方向の大きさが100nmより大きい場合には、ナノグラフェンが折りたたまれやすく、自己凝集を起こす上、グラフェン同士の相互作用による凝集も起こりやすい。一方、ナノグラフェンの面方向の大きさが20nm未満である場合には、導電パスが短すぎてポテンシャルを発揮できない。ナノグラフェンの面方向の大きさは25nm以上80nm以下であることが好ましく、25nm以上60nm以下であることがより好ましい。 Since the nanographene of the present invention has a very fine structure, self-aggregation due to folding and aggregation due to interaction between graphenes are suppressed. When the size of the nanographene in the plane direction is larger than 100 nm, the nanographene is easily folded, self-aggregates, and easily aggregates due to the interaction between the graphenes. On the other hand, when the size of the nanographene in the plane direction is less than 20 nm, the conductive path is too short to exhibit a potential. The size of the nanographene in the plane direction is preferably from 25 nm to 80 nm, more preferably from 25 nm to 60 nm.
ナノグラフェンの厚み(グラフェン層に垂直な方向の大きさ)は、原子間力顕微鏡(AFM)によって測定することが可能である。測定に際しては、ナノグラフェン溶液を0.001〜0.005質量%にまで希釈し、ガラス基板やマイカ基板などの平滑性の高い基板上に滴下・乾燥し、AFM(Dimension Icon、Bruker社)で観察する。薄片状のグラフェンは通常最も薄い方向がナノグラフェンの面に垂直である。そのため、基板上に付着した薄片状グラフェンにおいて、基板に垂直な方向の厚みがすなわちナノグラフェンの厚みと解される。ナノグラフェンの一小片内で厚みに分布がある場合は、小片内の厚みの積算値を面積平均することで求められる。本発明において、ナノグラフェンの厚みは、上記方法で観察し、ランダムに50個以上のナノグラフェン小片の厚みを測定した場合の平均値を指すものとする。 The thickness of nanographene (the size in the direction perpendicular to the graphene layer) can be measured by an atomic force microscope (AFM). At the time of measurement, the nanographene solution was diluted to 0.001 to 0.005% by mass, dropped and dried on a highly smooth substrate such as a glass substrate or a mica substrate, and observed with an AFM (Dimension Icon, Bruker). I do. Flake graphene usually has its thinnest direction perpendicular to the plane of nanographene. Therefore, in the flaky graphene attached to the substrate, the thickness in the direction perpendicular to the substrate is interpreted as the thickness of nanographene. When the thickness is distributed within one small piece of nanographene, the thickness can be obtained by averaging the integrated value of the thickness in the small piece. In the present invention, the thickness of nanographene refers to the average value when the thickness of 50 or more small pieces of nanographene is randomly measured by the above method.
本発明におけるナノグラフェンの厚みは10nm以下であるが、下限は特に制限は無く、1層のグラフェンであっても良い。ナノグラフェンの厚みが10nmより厚くなると、グラフェンの特徴であるフレキシビリティが少なくなって単に粒子のような物体となり、粒子表面に付着させるようなことが出来なくなる。ナノグフラフェンの厚みの上限としては、好ましくは5nm以下、より好ましくは3nm以下である。 Although the thickness of the nanographene in the present invention is 10 nm or less, the lower limit is not particularly limited, and may be a single-layer graphene. When the thickness of the nanographene is greater than 10 nm, the flexibility, which is a characteristic of graphene, is reduced and the nanographene simply becomes an object like a particle, and cannot be attached to the particle surface. The upper limit of the thickness of the nanogflafen is preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less.
本発明におけるナノグラフェンのX線光電子分光法で測定される官能基化率は、0.25以上0.80以下である。ナノグラフェンが有する官能基は、典型的には酸化グラフェンを還元した後に残留したヒドロキシ基、カルボキシル基、カルボニル基などに由来するものである。 The functionalization ratio of the nanographene measured by X-ray photoelectron spectroscopy in the present invention is from 0.25 to 0.80. The functional group included in nanographene is typically derived from a hydroxy group, a carboxyl group, a carbonyl group, and the like remaining after reducing graphene oxide.
ナノグラフェンの官能基化率は、X線光電子分光測定により求められる。X線光電子分光測定では、炭素を含有する試料を測定すると284eV付近に炭素に由来するピークが検出されるが、炭素が酸素に結合している場合は高エネルギー側にシフトすることが知られている。具体的には炭素が酸素に結合していないC−C結合、C=C二重結合、C−H結合に基づくピークはシフトせずに284eV付近に検出され、C−O一重結合の場合286.5eV付近に、C=O二重結合の場合287.5eV付近に、COO結合の場合288.5eV付近にシフトする。そのため、炭素に由来する信号は、284eV付近、286.5eV付近、287.5eV付近、288.5eV付近のそれぞれのピークを重ね合わせた形で検出される。この重ね合わせた形のピークをピークフィッティングにより各成分にピーク分離解析することにより、各々のピーク面積強度を算出することが可能である。グラファイト成分に基づき286e付近と290.5eV付近にも信号が現われる。この信号はC−C、C=C及びC−H結合に基づく成分としてフィッティングする。本発明における官能基化率は、
官能基化率=[(C−O一重結合に基づくピーク面積)+(C=O二重結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積)
で定義される数値である。
The functionalization ratio of nanographene is determined by X-ray photoelectron spectroscopy. In X-ray photoelectron spectroscopy, when a sample containing carbon is measured, a peak derived from carbon is detected at around 284 eV. However, when carbon is bonded to oxygen, it is known that the peak shifts to a higher energy side. I have. Specifically, peaks based on C—C bonds, C = C double bonds, and C—H bonds in which carbon is not bonded to oxygen are detected near 284 eV without shifting, and in the case of C—O single bond, 286 It shifts to around 0.5 eV, to around 287.5 eV for a C = O double bond, and to around 288.5 eV for a COO bond. Therefore, a signal derived from carbon is detected in a form in which respective peaks near 284 eV, near 286.5 eV, near 287.5 eV, and near 288.5 eV are superimposed. It is possible to calculate each peak area intensity by subjecting the superposed peaks to peak separation analysis of each component by peak fitting. Signals also appear near 286e and 290.5eV based on the graphite component. This signal is fitted as a component based on CC, C = C and CH bonds. Functionalization rate in the present invention,
Functionalization rate = [(peak area based on C—O single bond) + (C = peak area based on O double bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and Peak area based on CH bond)
Is a numerical value defined by
官能基化率は、ナノグラフェンの分散性およびイオン伝導性に影響する。ナノグラフェン中の官能基化率が低すぎると分散性、イオン導電性ともに悪くなる。また、官能基化率が高すぎると、グラフェンが十分還元できていない状態であり、導電性が低下する。ナノグラフェンの官能基化率は、好ましくは0.35以上、より好ましくは0.45以上である。また、上限については、好ましくは0.70以下であり、より好ましくは0.60以下である。 The degree of functionalization affects the dispersibility and ionic conductivity of nanographene. If the functionalization ratio in the nanographene is too low, both the dispersibility and the ionic conductivity deteriorate. On the other hand, if the functionalization ratio is too high, the graphene is in a state where it cannot be sufficiently reduced, and the conductivity decreases. The functionalization ratio of the nanographene is preferably 0.35 or more, more preferably 0.45 or more. Moreover, about an upper limit, Preferably it is 0.70 or less, More preferably, it is 0.60 or less.
官能基化率は、ナノグラフェンの原料となる酸化グラフェンの酸化度を変えたり、酸化グラフェンの還元に用いる還元剤の量を変えたりすることによりコントロールすることが可能である。酸化グラフェンの酸化度が高いほど官能基化率も高くなり、酸化度が低いと官能基化率が低くなる。 The functionalization ratio can be controlled by changing the degree of oxidation of graphene oxide, which is a raw material of nanographene, or by changing the amount of a reducing agent used for reducing graphene oxide. The higher the degree of oxidation of graphene oxide, the higher the functionalization rate, and the lower the degree of oxidation, the lower the functionalization rate.
また、本発明のナノグラフェンは、炭素に対する酸素の元素比(O/C)が0.10以上0.30以下であることが好ましい。ナノグラフェンにおける酸素原子は、ナノグラフェン中の官能基に基づくものである。ナノグラフェンにおける炭素に対する酸素の元素比、多いほど分散性が良好になりイオン導電性が高くなるが、多すぎると導電性が低くなる。一方で、少なすぎると導電性は高くなるが、イオン導電性・分散性は悪くなる。そのため、炭素に対する酸素の元素比(O/C)は0.10以上0.30以下であることが好ましく、0.10以上0.20以下であることがより好ましく、0.12以上0.18以下であることがさらに好ましい。 Further, the nanographene of the present invention preferably has an element ratio of oxygen to carbon (O / C) of 0.10 or more and 0.30 or less. The oxygen atoms in nanographene are based on functional groups in nanographene. The greater the elemental ratio of oxygen to carbon in nanographene, the better the dispersibility and the higher the ionic conductivity, but too much results in a lower conductivity. On the other hand, if the amount is too small, the conductivity increases, but the ionic conductivity and dispersibility deteriorate. Therefore, the element ratio of oxygen to carbon (O / C) is preferably 0.10 or more and 0.30 or less, more preferably 0.10 or more and 0.20 or less, and 0.12 or more and 0.18 or less. It is more preferred that:
また、本発明のナノグラフェンにおいては、窒素原子が少量含まれていることが好ましい。ナノグラフェンに窒素原子、特にアミンが含まれることで、分散性を向上する。本発明のナノグラフェンは、炭素に対する窒素の元素比(N/C)が0.005以上0.05以下であることが好ましい。 Further, the nanographene of the present invention preferably contains a small amount of nitrogen atoms. Dispersibility is improved by including a nitrogen atom, particularly an amine, in nanographene. The nanographene of the present invention preferably has an element ratio of nitrogen to carbon (N / C) of 0.005 or more and 0.05 or less.
ナノグラフェンに含まれる窒素は、表面処理剤に含まれる、アミノ基、ニトロ基などの窒素を含有する官能基や、ピリジン基やイミダゾール基などの窒素を含有する複素環に由来するものである。(本明細書においては、ナノグラフェンに表面処理剤が付着したものも含めて「ナノグラフェン」と表記する。)このような官能基が存在することで分散性を向上することが可能である。一方で、窒素含有量が多すぎるとイオン導電性・分散性は悪くなる。そのため、炭素に対する酸素の元素比(N/C)は0.005以上0.05以下であることが好ましく、0.008以上0.04以下であることがより好ましく、0.01以上0.03以下であることがさらに好ましい。 The nitrogen contained in the nanographene is derived from a nitrogen-containing functional group such as an amino group and a nitro group and a nitrogen-containing heterocycle such as a pyridine group and an imidazole group contained in the surface treatment agent. (In the present specification, the term “nanographene” includes nanographene to which a surface treatment agent is attached.) The presence of such a functional group can improve dispersibility. On the other hand, if the nitrogen content is too large, the ionic conductivity and dispersibility deteriorate. Therefore, the element ratio of oxygen to carbon (N / C) is preferably 0.005 or more and 0.05 or less, more preferably 0.008 or more and 0.04 or less, and 0.01 or more and 0.03 or less. It is more preferred that:
本発明において、ナノグラフェンの炭素に対する酸素の元素比(O/C)及び炭素に対する窒素の元素比(N/C)は、燃焼法による有機元素分析法によって測定された炭素重量、窒素重量および酸素重量の値から、モル比に換算して求めた値である。水分を十分に乾燥させるために、ナノ酸化グラフェン及びナノグラフェンを80℃で2時間真空乾燥した後、燃焼型元素分析装置で有機成分を分析することにより分析することが出来る。元素分析装置としては、全自動元素分析装置 vario MICRO cube(Elementar社)などが例示される。但し、ナノ酸化グラフェンおよびナノグラフェンはその製造工程から硫酸イオンが混入しているため、酸素成分には硫酸由来のものも含まれる。そのため有機元素分析法においては硫黄も同時に測定し、検出された硫黄は全て硫酸に由来すると考えて硫黄の四倍の酸素原子モル比を差し引く。具体的には、炭素に対する酸素の元素比(O/C)は、(酸素のモル比―硫黄のモル比×4)/炭素のモル比、から計算される。 In the present invention, the elemental ratio of oxygen to carbon (O / C) and the elemental ratio of nitrogen to carbon (N / C) in nanographene are determined by the weight of carbon, the weight of nitrogen, and the weight of oxygen measured by an organic elemental analysis method using a combustion method. Is converted to a molar ratio from the above value. In order to sufficiently dry the water, the nano-graphene oxide and the nano-graphene can be analyzed by vacuum-drying at 80 ° C. for 2 hours and then analyzing the organic components with a combustion-type elemental analyzer. As the elemental analyzer, a fully automatic elemental analyzer, vario MICRO cube (Elementar), is exemplified. However, since the sulfate ions are mixed in the nanographene oxide and the nanographene from the manufacturing process, the oxygen components include those derived from sulfuric acid. Therefore, in the organic element analysis method, sulfur is also measured at the same time, and four times the oxygen atom molar ratio of sulfur is subtracted on the assumption that all detected sulfur is derived from sulfuric acid. Specifically, the elemental ratio of oxygen to carbon (O / C) is calculated from (molar ratio of oxygen−molar ratio of sulfur × 4) / molar ratio of carbon.
<ナノグラフェン−電極活物質複合体粒子>
本発明のナノグラフェンの用途は限定されるものではないが、例えばリチウムイオン電池電極活物質粒子(以下、単に「電極活物質粒子」ということがある。)と複合化することにより有益に用いられる。ここにおいて複合化とは、電極活物質粒子の表面にナノグラフェンが接した状態を維持せしめることを意味する。複合化の態様としては、ナノグラフェンと電極活物質を一体として造粒したもの、電極活物質の表面にナノグラフェンを付着せしめたものが挙げられる。リチウムイオン電池においては電極活物質表面における導電性・イオン導電性が特性に大きな影響を与える。微細で官能基化率が高い本発明のナノグラフェンは、高い導電性とイオン導電性を併せ持つため、電極活物質表面に接することでリチウムイオン電池の性能を大きく向上することが出来る。
<Nanographene-electrode active material composite particles>
The use of the nanographene of the present invention is not limited, but it is advantageously used, for example, by forming a composite with electrode active material particles of a lithium ion battery (hereinafter, sometimes simply referred to as “electrode active material particles”). Here, the term “composite” means that nanographene is kept in contact with the surface of the electrode active material particles. As a mode of the composite, a nanograpene and an electrode active material which are integrally granulated and a nanographene adhered to the surface of the electrode active material may be mentioned. In a lithium ion battery, the conductivity and ionic conductivity on the surface of the electrode active material greatly affect the characteristics. Since the nanographene of the present invention, which is fine and has a high functionalization ratio, has both high conductivity and ionic conductivity, by contacting the surface of the electrode active material, the performance of the lithium ion battery can be greatly improved.
複合化するリチウムイオン電池電極活物質は、正極活物質、負極活物質のいずれであってもよい。すなわち、本発明のナノグラフェンは、正極にも負極にも適用することができる。正極活物質としては、特に限定はされないが、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、あるいは、コバルトをニッケル・マンガンで一部置換した三元系(LiMnxNiyCo1−x−yO2)、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)などのリチウムと遷移金属の複合酸化物、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)などのオリビン系(リン酸系)活物質。V2O5等の金属酸化物やTiS2、MoS2、NbSe2などの金属化合物等などが挙げられる。また、負極活物質としては、特に限定されないが、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボンなどの炭素系材料、SiOやSiC、SiOC等を基本構成元素とするケイ素化合物、リチウムイオンとコンバージョン反応しうる酸化マンガン(MnO)や酸化コバルト(CoO)などの金属酸化物などがあげられる。 The composite lithium ion battery electrode active material may be either a positive electrode active material or a negative electrode active material. That is, the nanographene of the present invention can be applied to both a positive electrode and a negative electrode. The positive electrode active material is not particularly limited, but lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), spinel-type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), or a part of cobalt is nickel manganese substituted ternary (LiMn x Ni y Co 1- x-y O 2), a composite oxide of lithium and a transition metal such as spinel-type lithium manganate (LiMn 2 O 4), lithium iron phosphate (LiFePO 4) Olivine (phosphoric acid) active materials such as Examples include metal oxides such as V 2 O 5 and metal compounds such as TiS 2 , MoS 2 , and NbSe 2 . The negative electrode active material is not particularly limited, but may be a carbon-based material such as natural graphite, artificial graphite, hard carbon, a silicon compound having SiO, SiC, SiOC, or the like as a basic constituent element, or an oxidation capable of performing a conversion reaction with lithium ions. Examples include metal oxides such as manganese (MnO) and cobalt oxide (CoO).
ナノグラフェンと電極活物質を複合化させる方法に制限は無いが、ナノグラフェンと電極活物質とが分散された分散液を、スプレードライ、凍結乾燥などの手法で乾燥する手法、ナノグラフェン粉末と電極活物質を、混合する手法、ナノ酸化グラフェンと電極活物質とが分散された分散液を、スプレードライ、凍結乾燥などの手法で乾燥させた後に還元する手法、ナノ酸化グラフェン粉末と電極活物質を混合した後に還元する手法、が挙げられる。 There is no limitation on the method of combining nanographene and the electrode active material.However, a method of drying a dispersion in which the nanographene and the electrode active material are dispersed by a method such as spray drying or freeze drying, and a method of drying the nanographene powder and the electrode active material. , A method of mixing, a method in which a dispersion in which the graphene oxide and the electrode active material are dispersed is dried by a method such as spray drying or freeze drying, and then reduced, and a method in which the graphene oxide nanoparticle and the electrode active material are mixed. Reduction method.
分散液中でナノグラフェン又はナノ酸化グラフェンと電極活物質とを混合する方法としては、三本ロール・湿式ビーズミル・湿式遊星ボールミル・ホモジェナイザー・プラネタリーミキサー、二軸混練機などを利用した方法が挙げられる
ナノグラフェン粉末又はナノ酸化グラフェン粉末と電極活物質とを混合する方法としては、自動乳鉢・乾式ビーズミル・乾式遊星ボールミルなどを利用する方法が挙げられ、仲でも粉末同士を混合するのに乾式遊星ボールミルが好適である。
As a method of mixing nanographene or nanographene oxide and an electrode active material in a dispersion, a method using a three-roll, wet bead mill, wet planetary ball mill, homogenizer, planetary mixer, twin-screw kneader, or the like is used. Examples of the method of mixing the nanographene powder or nanographene oxide powder and the electrode active material include a method using an automatic mortar, a dry bead mill, a dry planetary ball mill, and the like. Ball mills are preferred.
本発明のナノグラフェンは、有機溶媒に分散した分散液の状態で用いることもできる。この場合、有機溶媒としては、N-メチルピロリドン、γ-ブチロラクトン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、或いは上記の混合物などが好ましく、N-メチルピロリドンが特に好ましい。 The nanographene of the present invention can be used in a state of a dispersion liquid dispersed in an organic solvent. In this case, as the organic solvent, N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, acetonitrile, or a mixture of the above are preferable, and N-methylpyrrolidone is particularly preferable.
<リチウムイオン電池電極>
本発明のリチウムイオン電池電極の第1実施形態は、導電助剤として本発明のナノグラフェンを単体で、すなわち、活物質と複合化せずに含むものである。第1実施形態におけるリチウムイオン電池電極は、集電体、電極活物質、バインダーおよび本発明のナノグラフェンを含む。
<Lithium ion battery electrode>
In the first embodiment of the lithium ion battery electrode of the present invention, the nanographene of the present invention is included alone as a conductive auxiliary, that is, without being combined with an active material. The lithium ion battery electrode according to the first embodiment includes a current collector, an electrode active material, a binder, and the nanographene of the present invention.
集電体としては、導電性のあるシートまたはメッシュであれば制限はないが、金属箔あるいは金属メッシュであって電気化学反応に大きく影響しないものが用いられる。正極側の集電体としてはアルミ箔が好ましい。負極側集電体としては、銅箔が好ましい。電極密度を高めるために金属箔の一部に孔が形成されていても良い。 The current collector is not particularly limited as long as it is a conductive sheet or mesh, but a metal foil or a metal mesh that does not significantly affect the electrochemical reaction is used. The current collector on the positive electrode side is preferably an aluminum foil. As the negative electrode side current collector, a copper foil is preferable. A hole may be formed in a part of the metal foil to increase the electrode density.
電極活物質としては、ナノグラフェンと複合化させる電極活物質として前述したものと同様のものを用いることができる。 As the electrode active material, the same one as described above as the electrode active material to be composited with nanographene can be used.
バインダーとしては、特に限定されないが、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系重合体、あるいはスチレンブタジエンゴム(SBR)、天然ゴムなどのゴムを用いることができる。 The binder is not particularly limited, but a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE), or a rubber such as styrene-butadiene rubber (SBR) or natural rubber can be used.
導電助剤は、本発明のナノグラフェンのみを用いてもよいし、他に更に異なる導電助剤を添加しても良い。他に添加する導電助剤としては、特に限定されないが、例えば、ファーネスブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック等のカーボンブラック類、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファイト類、炭素繊維及び金属繊維等の導電性繊維類、銅、ニッケル、アルミニウム及び銀等の金属粉末類などが挙げられる。 As the conductive additive, only the nanographene of the present invention may be used, or another different conductive additive may be added. The conductive additive to be added is not particularly limited. Examples thereof include carbon blacks such as furnace black, Ketjen Black (registered trademark), and acetylene black; natural graphite (such as flaky graphite); and graphite such as artificial graphite. , Conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers, and metal powders such as copper, nickel, aluminum and silver.
これらの電極活物質、導電助剤、バインダーを適量の溶剤と混合することによりリチウムイオン電池電極用ペーストを作製し、当該電用極ペーストを集電体に塗布し、乾燥することで、リチウムイオン電池電極を作製することができる。電極用ペーストの溶剤としては、N−メチルピロリドン・γ−ブチロラクトン・カルボキシメチルセルロース・ジメチルアセトアミドなどが挙げられ、特にN−メチルピロリドンはナノグラフェンとの親和性が高く好ましい。 A paste for a lithium ion battery electrode is prepared by mixing these electrode active materials, a conductive auxiliary agent, and a binder with an appropriate amount of a solvent, and the electrode paste for an electrode is coated on a current collector and dried to form a lithium ion battery paste. A battery electrode can be made. Examples of the solvent for the electrode paste include N-methylpyrrolidone, γ-butyrolactone, carboxymethylcellulose, and dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone is particularly preferred because of its high affinity with nanographene.
ナノグラフェンは極めてサイズが小さいため、重量あたりの数量が多い。そのため、リチウムイオン電池電極における導電パスを形成しやすい。リチウムイオン電池電極中の導電パスを良好に形成できることで、電極内の電子伝導性が向上し高出力なリチウムイオン電池を得ることが出来る。特に、リチウムイオン電池用電極の断面をSEM観察した際に、ナノグラフェン同士が連なって活物質間の導電パスを形成していることが好ましい。 Because nanographene is extremely small in size, the quantity per weight is large. Therefore, a conductive path in the lithium ion battery electrode is easily formed. Since the conductive paths in the lithium ion battery electrode can be formed well, the electron conductivity in the electrode is improved, and a high output lithium ion battery can be obtained. In particular, when the cross section of the electrode for a lithium ion battery is observed by SEM, it is preferable that the nanographenes are connected to each other to form a conductive path between the active materials.
本発明のリチウムイオン電池電極の第2実施形態は、活物質として前述のナノグラフェン−電極活物質複合体粒子を含むものである。第2実施形態におけるリチウムイオン電池電極は、集電体、前述のナノグラフェン−電極活物質複合体粒子およびバインダーを含む。集電体、バインダーとしては、前述したものと同様のものを用いることができる。 The second embodiment of the lithium ion battery electrode of the present invention includes the above-described nanographene-electrode active material composite particles as an active material. The lithium ion battery electrode according to the second embodiment includes a current collector, the above-described nanographene-electrode active material composite particles, and a binder. As the current collector and the binder, those similar to those described above can be used.
また、本発明のリチウムイオン電池電極は、活物質として前述のナノグラフェン−電極活物質複合体粒子を含み、さらに導電助剤として本発明のナノグラフェンを含むものであってもよい。 Further, the lithium ion battery electrode of the present invention may include the above-described nanographene-electrode active material composite particles as an active material, and may further include the nanographene of the present invention as a conductive aid.
リチウムイオン電池において高出力を得るためには、リチウムイオン電池用活物質の表面における導電性、リチウムイオン電池用活物質間の導電性の両方を形成していることが特に好ましい。そのため、リチウムイオン電池用電極の断面をSEM観察した際に、活物質表面にナノグラフェンが付着し、活物質間の導電パスも形成している状態が好ましい。 In order to obtain high output in a lithium ion battery, it is particularly preferable to form both conductivity on the surface of the active material for a lithium ion battery and conductivity between the active materials for a lithium ion battery. Therefore, when the cross section of the electrode for a lithium ion battery is observed by SEM, it is preferable that nanographene is attached to the surface of the active material and a conductive path between the active materials is also formed.
<ナノグラフェンの製造方法>
本発明のナノグラフェンは、一例として、ナノ酸化グラフェンを還元する製造方法により製造することが出来る。ナノ酸化グラフェンとは酸化グラフェンの一種であり、エックス線回折測定で9.0°〜13.0°にグラフェン層の層間距離に基づくピークを持つ。
<Method for producing nanographene>
The nanographene of the present invention can be produced by, for example, a production method for reducing nanographene oxide. Nano graphene oxide is a kind of graphene oxide, and has a peak at 9.0 ° to 13.0 ° based on the interlayer distance of the graphene layer in X-ray diffraction measurement.
ナノ酸化グラフェンの面方向の大きさは、0.001〜0.005質量%にまで希釈したナノ酸化グラフェン水溶液をガラス基板などの平滑性の高い基板上に滴下・乾燥し、光学顕微鏡又はレーザー顕微鏡で観察することで容易に測定することが可能である。レーザー顕微鏡としては、例えばキーエンス社製VK−X250などを用いることができる。ナノ酸化グラフェンの面方向の大きさとは、上記方法で観察したナノ酸化グラフェン小片一つひとつについて最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)を測定し、(長径+短径)/2で求められる数値であり、本発明においてはランダムに50個以上のナノ酸化グラフェン小片を測定した場合の平均値を指すものとする。 The size of the nanographene oxide in the plane direction is dropped and dried on a substrate having high smoothness such as a glass substrate by drying an aqueous solution of nanographene oxide diluted to 0.001 to 0.005% by mass, and then using an optical microscope or a laser microscope. It is possible to easily measure by observing with. As the laser microscope, for example, VK-X250 manufactured by Keyence Corporation can be used. The size of the nanographene oxide in the plane direction is obtained by measuring the length (longest diameter) of the longest part and the length (shortest diameter) of the shortest part of each small piece of nanographene oxide observed by the above method, (Diameter) / 2, which in the present invention indicates an average value when 50 or more nanographene oxide small pieces are randomly measured.
ナノ酸化グラフェンは、ナノグラフェンと同様非常に微細な構造を持つため、折りたたみによる自己凝集や、ナノ酸化グラフェン間の相互作用による凝集が抑えられる。ナノグラフェンを製造する場合、ナノグラフェンの大きさはナノ酸化グラフェンの大きさを反映するため、面方向の大きさは20nm以上100nm以下であることが好ましく、25nm以上60nm以下であることがより好ましい。 Since nanographene oxide has a very fine structure like nanographene, self-aggregation due to folding and aggregation due to interaction between nanographene oxides are suppressed. In the case of manufacturing nanographene, the size of nanographene reflects the size of nanographene oxide. Therefore, the size in the plane direction is preferably 20 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 25 nm or more and 60 nm or less.
ナノ酸化グラフェンの厚み(グラフェン層に垂直な方向の大きさ)は、原子間力顕微鏡(AFM)によって測定することが可能である。測定に際しては、ナノ酸化グラフェン水溶液を0.001〜0.005質量%にまで希釈し、ガラス基板やマイカ基板などの平滑性の高い基板上に滴下・乾燥し、AFMで観察する。薄片状の酸化グラフェンは通常最も薄い方向がナノ酸化グラフェンの面に垂直である。そのため、基板上に付着した酸化グラフェンにおいて、基板に垂直な方向の厚みがすなわちナノグラフェンの厚みと解される。ナノグラフェンの一小片内で厚みに分布がある場合は、小片内の厚みの積算値を面積平均することで求められる。本発明において、ナノグラフェンの厚みは、上記方法で観察し、ランダムに50個以上のナノグラフェン小片の厚みを測定した場合の平均値を指すものとする。 The thickness (the size in a direction perpendicular to the graphene layer) of the nanographene oxide can be measured by an atomic force microscope (AFM). In the measurement, the nano graphene oxide aqueous solution is diluted to 0.001 to 0.005% by mass, dropped on a highly smooth substrate such as a glass substrate or a mica substrate, dried, and observed by AFM. Flake graphene oxide usually has the thinnest direction perpendicular to the plane of nanographene oxide. Therefore, in the graphene oxide attached to the substrate, the thickness in the direction perpendicular to the substrate is interpreted as the thickness of nanographene. When the thickness is distributed within one small piece of nanographene, the thickness can be obtained by averaging the integrated value of the thickness in the small piece. In the present invention, the thickness of nanographene refers to the average value when the thickness of 50 or more small pieces of nanographene is randomly measured by the above method.
本製造方法においては、ナノ酸化グラフェンとして厚みが10nm以下のものを用いるが、下限は特に制限は無く、1層の酸化グラフェンであっても良い。ナノ酸化グラフェンの厚みが10nmより厚くなると、グラフェンの特徴であるフレキシビリティが少なくなって単に粒子のような物体となり、粒子表面に付着させるようなことが出来なくなる。ナノ酸化グフラフェンの厚みの上限としては、好ましくは5nm以下、より好ましくは3nm以下である。 In the present manufacturing method, a nanographene oxide having a thickness of 10 nm or less is used, but the lower limit is not particularly limited, and a single layer of graphene oxide may be used. When the thickness of the nano-graphene oxide is more than 10 nm, the flexibility, which is a characteristic of graphene, is reduced, so that it becomes an object like a particle and cannot be attached to the particle surface. The upper limit of the thickness of the nanofiber guflafen is preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less.
また、本製造方法においては、ナノ酸化グラフェンとして官能基化率が1.0以上1.5以下のものを用いることが好ましい。官能基化率が1.0以下であると、還元後のナノグラフェンの分散性が悪くなる。一方、1.5以上であると、グラフェンとしての構造が維持しにくく、還元後ナノグラフェンの導電性が悪くなる。 In the present production method, it is preferable to use nano-graphene oxide having a functionalization rate of 1.0 or more and 1.5 or less. When the functionalization ratio is 1.0 or less, the dispersibility of the reduced nanographene becomes poor. On the other hand, when the ratio is 1.5 or more, the structure as graphene is difficult to maintain, and the conductivity of the reduced nanographene deteriorates.
本発明のナノグラフェンを製造するためには、原料となる酸化グラフェンを強い酸化条件で製造する必要がある。一例として、ハマーズ法により作製した酸化グラフェンをさらに酸化する手法を以下に説明する。 In order to produce the nanographene of the present invention, it is necessary to produce graphene oxide as a raw material under strong oxidation conditions. As an example, a method for further oxidizing graphene oxide manufactured by the Hummers method will be described below.
まず、黒鉛(石墨粉)15gと硝酸ナトリウム7.5gを濃硫酸330ml中に入れて攪拌しながら、過マンガン酸カリウム45gを温度が上がらないように徐々に添加し、10℃以下で1.5時間攪拌した後、30℃〜40℃で2.5時間攪拌する。その後イオン交換水を690ml加えて希釈して懸濁液とし、80〜100℃で15分間反応する。最後に過酸化水素水50mlと脱イオン水1020mlを加え30分間反応して、酸化グラフェン分散液を得る。得られた酸化グラフェン分散液を濾過、洗浄し、pH5〜7の酸化グラフェン分散液を得る。酸化グラフェン分散液を希釈から凍結乾燥法やスプレードライ法などにより溶媒を除去することで、酸化グラフェン粉末とする。 First, 15 g of graphite (graphite powder) and 7.5 g of sodium nitrate were placed in 330 ml of concentrated sulfuric acid, and while stirring, 45 g of potassium permanganate was gradually added so that the temperature did not rise. After stirring for hours, the mixture is stirred at 30 ° C to 40 ° C for 2.5 hours. Thereafter, 690 ml of ion-exchanged water is added to dilute the suspension, which is reacted at 80 to 100 ° C. for 15 minutes. Finally, 50 ml of hydrogen peroxide solution and 1020 ml of deionized water are added and reacted for 30 minutes to obtain a graphene oxide dispersion. The obtained graphene oxide dispersion is filtered and washed to obtain a graphene oxide dispersion having a pH of 5 to 7. The graphene oxide dispersion is diluted and the solvent is removed by a freeze-drying method, a spray-drying method, or the like to obtain graphene oxide powder.
酸化グラフェンの原料となる黒鉛は、人造黒鉛・天然黒鉛のどちらでも良いが、天然黒鉛が好ましく用いられる。濃硫酸は、質量含有量が70%以上のものを利用することが好ましく、97%以上のものを利用することがさらに好ましい。 Graphite as a raw material of graphene oxide may be either artificial graphite or natural graphite, but natural graphite is preferably used. The concentrated sulfuric acid preferably has a mass content of 70% or more, and more preferably 97% or more.
そして、上記の手順で作製した酸化グラフェン粉末5gと硝酸ナトリウム2.5gを濃硫酸110ml中に入れて攪拌しながら、過マンガン酸カリウム15gを温度が上がらないように徐々に添加し、10℃以下で1.5時間攪拌した後、30℃〜40℃で2.5時間攪拌する。その後イオン交換水を230ml加えて希釈して懸濁液とし、80〜100℃で15分間反応する。最後に過酸化水素水20mlと脱イオン水340mlを加え30分間反応して、酸化グラフェン分散液を得る。得られた酸化グラフェン分散液を濾過、洗浄し、酸化グラフェン分散液を得る。 Then, 5 g of the graphene oxide powder and 2.5 g of sodium nitrate prepared in the above procedure were put into 110 ml of concentrated sulfuric acid, and while stirring, 15 g of potassium permanganate was gradually added so that the temperature did not rise. And then stirred at 30 ° C. to 40 ° C. for 2.5 hours. Thereafter, 230 ml of ion-exchanged water is added to dilute the suspension, and the mixture is reacted at 80 to 100 ° C for 15 minutes. Finally, 20 ml of hydrogen peroxide solution and 340 ml of deionized water are added and reacted for 30 minutes to obtain a graphene oxide dispersion. The obtained graphene oxide dispersion is filtered and washed to obtain a graphene oxide dispersion.
酸化グラフェンの酸化度は、黒鉛の酸化反応に用いる酸化剤の量を変化させることで調整することができる。上記の反応例では、酸化反応の際に用いる、黒鉛に対する硝酸ナトリウム及び過マンガン酸カリウムの量が多いほど高い酸化度になり、少ないほど低い酸化度になる。 The degree of oxidation of graphene oxide can be adjusted by changing the amount of an oxidizing agent used for the oxidation reaction of graphite. In the above reaction examples, the higher the amount of sodium nitrate and potassium permanganate with respect to graphite used in the oxidation reaction, the higher the oxidation degree, and the smaller the amount, the lower the oxidation degree.
上記酸化グラフェン分散液を超音波処理装置、ビーズミル、ボールミル、ジェットミルなどにより微細化および分散させることで、面方向の大きさが20nm以上100nm以下であり、厚みが10nm以下のナノ酸化グラフェンを作製することができる。 The graphene oxide dispersion is refined and dispersed by an ultrasonic treatment device, a bead mill, a ball mill, a jet mill, or the like, so that nanographene oxide having a size in a plane direction of 20 nm or more and 100 nm or less and a thickness of 10 nm or less is produced. can do.
以上のように二度の酸化工程を経ることでグラファイト構造が数十nmレベルになるまでグラファイト構造の欠陥を作製した上で、微細化・分散処理することによりナノ酸化グラフェンを作製できる。 As described above, a defect of the graphite structure is produced until the graphite structure reaches a level of several tens of nanometers by performing the two oxidation steps, and then nano-graphene oxide can be produced by performing miniaturization and dispersion treatment.
上記ナノ酸化グラフェンを還元することにより、本発明のナノグラフェンを製造することができる。還元工程において、ナノグラフェンのグラフェン面方向の大きさはナノ酸化グラフェンの面方向の大きさとほぼ同等の大きさが得られる。 The nanographene of the present invention can be produced by reducing the above-mentioned nanographene oxide. In the reduction step, the size of the nanographene in the plane direction of the graphene can be substantially equal to the size of the nanographene oxide in the plane direction.
本発明においてナノ酸化グラフェンを還元処理する方法は限定されるものではないが、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)やヒドラジン(N2H4)などの還元剤による化学還元、レーザー光やフラッシュ光、紫外線、マイクロ波などの光源や電磁波による熱還元、オーブンなどによる加熱還元などの還元方法が上げられる。熱による還元の場合、還元反応の際に酸化グラフェンから二酸化炭素が脱離するため、グラフェン構造から炭素が抜けて導電性が低くなる傾向がある。化学還元による還元では熱による還元よりもグラフェン構造が壊れにくいため、還元手法としては化学還元が好ましい。 In the present invention, the method for reducing the graphene oxide nanoparticle is not limited, but the chemical reduction by a reducing agent such as sodium borohydride (NaBH 4 ) or hydrazine (N 2 H 4 ), laser light, flash light, Reduction methods such as heat reduction using a light source such as ultraviolet rays or microwaves or electromagnetic waves, and heat reduction using an oven or the like can be used. In the case of reduction by heat, carbon dioxide is desorbed from graphene oxide during the reduction reaction, so that carbon tends to escape from the graphene structure and the conductivity tends to decrease. Since the graphene structure is less likely to be broken in the reduction by chemical reduction than the reduction by heat, chemical reduction is preferable as the reduction method.
化学還元の還元剤としては、有機還元剤、無機還元剤が挙げられるが、還元後の洗浄の容易さから無機還元剤が好ましい。 Examples of the reducing agent for chemical reduction include an organic reducing agent and an inorganic reducing agent, and an inorganic reducing agent is preferable because of ease of washing after reduction.
有機還元剤としてはアルデヒド系還元剤、ヒドラジン誘導体還元剤、アルコール系還元剤が挙げられ、中でもアルコール系還元剤は比較的穏やかに還元することができるため、特に好適である。アルコール系還元剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ベンジルアルコール、フェノール、エタノールアミン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、などが挙げられる。 Examples of the organic reducing agent include an aldehyde-based reducing agent, a hydrazine derivative reducing agent, and an alcohol-based reducing agent. Among them, the alcohol-based reducing agent is particularly preferable because it can be reduced relatively slowly. Examples of the alcohol-based reducing agent include methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, benzyl alcohol, phenol, ethanolamine, ethylene glycol, propylene glycol, and diethylene glycol.
無機還元剤としては亜ジチオン酸ナトリウム、亜ジチオン酸カリウム、亜リン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジンなどが挙げられ、中でも亜ジチオン酸ナトリウム、亜ジチオン酸カリウムは、官能基を比較的保持しながら還元できるので、好適に用いられる。 Examples of the inorganic reducing agent include sodium dithionite, potassium dithionite, phosphorous acid, sodium borohydride, hydrazine, etc., and among them, sodium dithionite and potassium dithionite have a relatively high functional group. Since it can be reduced, it is preferably used.
化学還元をする際には、ナノ酸化グラフェンを分散媒に良好に分散させた状態であることが好ましく、分散媒とナノ酸化グラフェンが存在する状態で、各種攪拌装置で攪拌することが好ましい。攪拌装置としては、自転公転ミキサー、プラネタリーミキサー、ホモミキサー、フィルミックス(プライミクス社)などのミキサーや、超音波分散機、ジェットミル、などの分散機を使用することが出来る。分散媒は特に限定されるものではないが、酸化グラフェンが一部或いは全部溶解するものを用いることが好ましい。このような分散媒としては極性溶媒が好ましく、水・エタノール・メタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン等が好ましいものとして挙げられる。中でも水は酸化グラフェンとの親和性・溶解度が非常に高く、最も好ましい溶媒といえる。 In performing the chemical reduction, it is preferable that the nanographene oxide is well dispersed in the dispersion medium, and it is preferable that the dispersion medium and the nanographene oxide are stirred by various stirring devices. As the stirring device, a mixer such as a rotation and revolution mixer, a planetary mixer, a homomixer, and a film mix (Primix), and a disperser such as an ultrasonic disperser and a jet mill can be used. The dispersion medium is not particularly limited, but it is preferable to use one in which graphene oxide is partially or entirely dissolved. As such a dispersion medium, a polar solvent is preferable, and water / ethanol / methanol, 1-propanol, 2-propanol, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, γ-butyrolactone, and the like are preferable. . Among them, water has a very high affinity and solubility with graphene oxide, and can be said to be the most preferable solvent.
〔測定例1:元素比(O/C)、(N/C)〕
ナノ酸化グラフェン又はナノグラフェンを80℃2時間で真空乾燥して溶剤を十分除去した後、全自動元素分析装置 vario MICRO cube(Elementar社)を用いて、ナノ酸化グラフェンおよびナノグラフェンの炭素原子、酸素原子、硫黄原子、窒素原子の重量を測定する。測定した重量比をモル比に換算した後、(酸素のモル比―硫黄のモル比×4)/炭素のモル比、を計算することで炭素に対する酸素の元素比を求めた。また、測定した重量比からモル比に換算し、酸素に対する窒素の元素比(N/C)を求めた。
[Measurement Example 1: Element ratio (O / C), (N / C)]
After vacuum drying the nanographene oxide or the nanographene at 80 ° C. for 2 hours to sufficiently remove the solvent, the carbon atoms, the oxygen atoms, and the carbon atoms of the nanographene oxide and the nanographene are measured using a full-automatic elemental analyzer vario MICRO cube (Elementar). Measure the weight of sulfur and nitrogen atoms. After converting the measured weight ratio into a molar ratio, the molar ratio of (oxygen molar ratio−sulfur molar ratio × 4) / carbon molar ratio was calculated to obtain the element ratio of oxygen to carbon. Further, the element ratio of nitrogen to oxygen (N / C) was determined by converting the measured weight ratio to a molar ratio.
〔測定例2:グラフェンの面方向の大きさ〕
ナノグラフェンの場合はN−メチルピロリドン溶剤を用いて、ナノ酸化グラフェンの場合は水を用いて、0.002質量%にまで希釈し、ガラス基板上に滴下・乾燥し、基板上に付着させた。基板上のナノグラフェンまたはナノ酸化グラフェンをキーエンス社製レーザー顕微鏡VK−X250で観察して、ナノグラフェンまたはナノ酸化グラフェンの小片の最も長い部分の長さ(長径)と最も短い部分の長さ(短径)をランダムに50個測定し、(長径+短径)/2で求められる数値を50個分平均して求めた。
[Measurement Example 2: Surface Size of Graphene]
In the case of nanographene, the solvent was diluted to 0.002% by mass using an N-methylpyrrolidone solvent, and in the case of nanographene oxide, water was used. The solution was dropped on a glass substrate, dried, and adhered to the substrate. The nanographene or nanographene oxide on the substrate is observed with a Keyence Corporation laser microscope VK-X250, and the length of the longest part (longest diameter) and the length of the shortest part (shortest diameter) of the small piece of nanographene or nanographene oxide are observed. Were randomly measured, and the numerical value obtained by (major axis + minor axis) / 2 was averaged for 50 elements.
〔測定例3:グラフェンの厚み〕
ナノグラフェンの場合はN−メチルピロリドン溶剤を用いて、ナノ酸化グラフェンの場合は水を用いて、0.002質量%にまで希釈し、マイカ基板上に滴下・乾燥し、基板上に付着させた。基板上のナノグラフェン又はナノ酸化グラフェンを、AFM(Dimension Icon、Bruker社)で観察して、ナノグラフェン又はナノ酸化グラフェンの厚みをランダムに50個測定し、平均値を求めた。一小片で厚みにバラつきがあった場合は面積平均を求めた。
[Measurement Example 3: Graphene thickness]
The nanographene was diluted to 0.002% by mass with an N-methylpyrrolidone solvent, and the nanographene oxide was diluted with water using water, dropped and dried on a mica substrate, and adhered to the substrate. The nanographene or nanographene oxide on the substrate was observed by AFM (Dimension Icon, Bruker), and the thickness of 50 nanographene or nanographene oxide was measured at random, and the average value was obtained. When there was variation in the thickness of one small piece, the area average was determined.
〔測定例4:官能基化率〕
ナノグラフェンのX線光電子測定には、Quantera SXM (登録商標:PHI 社製)を使用した。励起X線は、monochromatic Al Kα1、2 線(1486.6 eV)であり、X線径は200μm、光電子脱出角度は45°である。
[Measurement Example 4: Functionalization ratio]
Quantara SXM (registered trademark: manufactured by PHI) was used for X-ray photoelectron measurement of nanographene. Excited X-rays are monochromatic Al K α1, 2 lines (1486.6 eV), the X-ray diameter is 200 μm, and the photoelectron escape angle is 45 °.
炭素原子に基づくピークを、C=C結合、C−H結合に基づく284eV付近のピーク、C−O結合の場合に基づく286eV付近のピーク、C=O結合に基づく287.5eV付近のピーク、COO結合に基づく288.5eV付近のピーク、の4つの成分にピーク分離し各ピークの面積比から官能基化率を求めた。 The peak based on carbon atoms is a peak around 284 eV based on a C = C bond, a CH bond, a peak near 286 eV based on the case of a CO bond, a peak near 287.5 eV based on a C = O bond, a COO The peak was separated into four components, around 288.5 eV based on the bond, and the functionalization ratio was determined from the area ratio of each peak.
〔測定例5:電池性能評価〕
放電容量は、特に記載した場合を除き、以下のように測定した。下記実施例で作製したナノグラフェンを1.5重量部、電極活物質としてLiMn2O4を92重量部、導電助剤としてアセチレンブラックを1.5重量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン5重量部、溶剤としてN−メチルピロリドン100重量部、を加えたものをプラネタリーミキサーで混合してリチウムイオン電池電極ペーストを得た。当該電極ペーストをアルミニウム箔(厚み18μm)にドクターブレード(300μm)を用いて塗布し、80℃15分間乾燥後、真空乾燥して電極板を得た。
[Measurement Example 5: Battery Performance Evaluation]
The discharge capacity was measured as follows, except where otherwise noted. 1.5 parts by weight of nanographene prepared in the following examples, 92 parts by weight of LiMn 2 O 4 as an electrode active material, 1.5 parts by weight of acetylene black as a conductive aid, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and a solvent Was added with 100 parts by weight of N-methylpyrrolidone, and mixed with a planetary mixer to obtain a lithium ion battery electrode paste. The electrode paste was applied to an aluminum foil (18 μm in thickness) using a doctor blade (300 μm), dried at 80 ° C. for 15 minutes, and vacuum dried to obtain an electrode plate.
作製した電極板を直径15.9mmに切り出して正極とし、直径16.1mm厚み0.2mmに切り出したリチウム箔を負極とし、直径17mmに切り出したセルガード#2400(セルガード社製)セパレータとして、LiPF6を1M含有するエチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=7:3の溶媒を電解液として、2042型コイン電池を作製し、電気化学評価を行った。上限電圧4.3V、下限電圧3.0Vでレート0.1C、1C、5Cの順に充放電測定を各3回ずつ、計9回行い、レート1Cの3回目と、レート5Cの3回目の放電時のそれぞれの放電容量を評価した。 The prepared electrode plate cut into a diameter 15.9mm and a positive electrode, a lithium foil cut to a diameter 16.1mm 0.2mm thick and the negative electrode, as Celgard # 2400 (Celgard Inc.) separator was cut to a diameter of 17 mm, LiPF 6 Was used as an electrolytic solution with a solvent of ethylene carbonate: diethyl carbonate = 7: 3 containing 1M of the same, and a 2042 type coin battery was manufactured and subjected to electrochemical evaluation. Charge / discharge measurement was performed three times each in the order of 0.1C, 1C, and 5C at an upper limit voltage of 4.3V and a lower limit voltage of 3.0V, for a total of nine times, and a third discharge at a rate 1C and a third discharge at a rate 5C. The respective discharge capacities at the time were evaluated.
(合成例1)
1500メッシュの天然黒鉛粉末(上海一帆石墨有限会社)を原料として、氷浴中の黒鉛(石墨粉)15gと硝酸ナトリウム7.5gを98%濃硫酸330ml中に入れて攪拌しながら、過マンガン酸カリウム45gを温度が10℃以下になるように徐々に添加し、添加終了後1.5時間攪拌した後、35℃で2.5時間攪拌した。その後イオン交換水を690ml加えて希釈して懸濁液とし、90℃で15分間反応した。最後に過酸化水素水50mlと脱イオン水1020mlを加え30分間反応して、酸化グラフェン分散液を得る。得られた酸化グラフェン分散液を、pH5になるまで濾過洗浄し、酸化グラフェン分散液を得た。
(Synthesis example 1)
Starting from 1500 graphite natural graphite powder (Shanghai Ichihan Graphite Co., Ltd.) as raw materials, 15 g of graphite (graphite powder) and 7.5 g of sodium nitrate in an ice bath were placed in 330 ml of 98% concentrated sulfuric acid, and stirred while permanganese was added. 45 g of potassium acid was gradually added so that the temperature became 10 ° C. or lower, and after the addition was completed, the mixture was stirred for 1.5 hours, and then stirred at 35 ° C. for 2.5 hours. Thereafter, 690 ml of ion-exchanged water was added to dilute the suspension, which was reacted at 90 ° C. for 15 minutes. Finally, 50 ml of hydrogen peroxide solution and 1020 ml of deionized water are added and reacted for 30 minutes to obtain a graphene oxide dispersion. The obtained graphene oxide dispersion was filtered and washed until the pH reached 5, to obtain a graphene oxide dispersion.
この酸化グラフェンのO/Cは0.69、面方向の大きさは9.8μm、厚みは6.2nmであった。 The O / C of the graphene oxide was 0.69, the size in the plane direction was 9.8 μm, and the thickness was 6.2 nm.
(合成例2)
硝酸ナトリウムと過マンガン酸カリウムを、硝酸ナトリウム5.25g、過マンガン酸カリウム31.5gとした以外は合成例1と同様に処理し、酸化グラフェン分散液を得た。
(Synthesis example 2)
The same treatment as in Synthesis Example 1 was carried out except that sodium nitrate and potassium permanganate were changed to sodium nitrate 5.25 g and potassium permanganate 31.5 g, to obtain a graphene oxide dispersion.
この酸化グラフェンのO/Cは0.62、面方向の大きさは11.2μm、厚みは9.8nmであった。 The O / C of this graphene oxide was 0.62, the size in the plane direction was 11.2 μm, and the thickness was 9.8 nm.
(合成例3)
合成例1で調製した酸化グラフェン分散液を凍結乾燥して酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis example 3)
The graphene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 1 was freeze-dried to obtain a graphene oxide powder.
上記酸化グラフェン粉末5gと硝酸ナトリウム2.5gを98%濃硫酸110ml中に入れて攪拌しながら、過マンガン酸カリウム15gを温度が10℃以下になるように徐々に添加し、添加終了後1.5時間攪拌した後、35℃で2.5時間攪拌した。その後イオン交換水を230ml加えて希釈して懸濁液とし、90℃で15分間反応した。最後に過酸化水素水20mlと脱イオン水340mlを加え30分間反応して、ナノ酸化グラフェン分散液を得た。 5 g of the above-mentioned graphene oxide powder and 2.5 g of sodium nitrate were put into 110 ml of 98% concentrated sulfuric acid, and while stirring, 15 g of potassium permanganate was gradually added so that the temperature became 10 ° C. or lower. After stirring for 5 hours, the mixture was stirred at 35 ° C. for 2.5 hours. Thereafter, 230 ml of ion-exchanged water was added to dilute the suspension, and the mixture was reacted at 90 ° C. for 15 minutes. Finally, 20 ml of aqueous hydrogen peroxide and 340 ml of deionized water were added and reacted for 30 minutes to obtain a nano graphene oxide dispersion.
このナノ酸化グラフェンのO/Cは1.05、面方向の大きさは28nm、厚みは3.4nmであった。 The O / C of the nano graphene oxide was 1.05, the size in the plane direction was 28 nm, and the thickness was 3.4 nm.
(合成例4)
使用する酸化グラフェン分散液を合成例2で調製したものとする以外は合成例3と同様の処理を行い、ナノ酸化グラフェン分散液を得た。
(Synthesis example 4)
The same treatment as in Synthesis Example 3 was performed except that the graphene oxide dispersion used was prepared in Synthesis Example 2, to obtain a nanographene oxide dispersion.
このナノ酸化グラフェンのO/Cは1.05、面方向の大きさは28nm、厚みは3.4nmであった。 The O / C of the nano graphene oxide was 1.05, the size in the plane direction was 28 nm, and the thickness was 3.4 nm.
(合成例5)
合成例1で調製した酸化グラフェン分散液から0.5%酸化グラフェン分散液100mlを調整し、超音波ホモジェナイザーにより出力200Wで1時間処理した。
(Synthesis example 5)
100 ml of a 0.5% graphene oxide dispersion was prepared from the graphene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 1, and treated with an ultrasonic homogenizer at 200 W for 1 hour.
この酸化グラフェンのO/Cは0.69、面方向の大きさは1.1μm、厚みは5.8nmであった。 The O / C of the graphene oxide was 0.69, the size in the plane direction was 1.1 μm, and the thickness was 5.8 nm.
[実施例1]
合成例3で調製したナノ酸化グラフェン分散液から0.5%ナノ酸化グラフェン分散液100mlを調整し、スターラーで攪拌しながら還元剤として1.5gの亜ジチオン酸ナトリウムを加えて温度40℃で、30分間還元反応を行った。還元終了後、吸引ろ過器でろ過後、水で0.5%濃度まで希釈して吸引ろ過する洗浄工程を5回繰り返して洗浄した。洗浄終了後、凍結乾燥してナノグラフェンを得た。
[Example 1]
From the nanographene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 3, 100 ml of a 0.5% nanographene oxide dispersion was prepared, and 1.5 g of sodium dithionite was added as a reducing agent while stirring with a stirrer. The reduction reaction was performed for 30 minutes. After completion of the reduction, a washing step of filtering with a suction filter, diluting with water to a concentration of 0.5%, and filtering with suction was repeated five times to wash. After the washing was completed, the resultant was freeze-dried to obtain nanographene.
[実施例2]
合成例4で調製したナノ酸化グラフェン分散液を用いた以外は実施例1と同様にしてナノグラフェンを得た。
[Example 2]
Nanographene was obtained in the same manner as in Example 1, except that the nanographene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 4 was used.
[実施例3]
合成例3で調製したナノ酸化グラフェン分散液を凍結乾燥した後、窒素雰囲気中200℃5時間で熱処理して還元を行い、ナノグラフェンを得た。
[Example 3]
After freeze-drying the nanographene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 3, it was reduced by heat treatment at 200 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere to obtain nanographene.
[実施例4]
合成例3で調製したナノ酸化グラフェン分散液を凍結乾燥した後、窒素雰囲気中600℃5時間で熱処理して還元を行い、ナノグラフェンを得た。
[Example 4]
After freeze-drying the nanographene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 3, it was reduced by heat treatment at 600 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere to obtain nanographene.
[実施例5]
合成例3で調製したナノ酸化グラフェン分散液と、電極活物質LiMn2O4を、固形分で2.25:100となるようにホモジェナイザーで混合し、混合物を凍結乾燥した後、窒素雰囲気中200℃5時間で熱処理して還元を行い、ナノグラフェンと電極活物質LiMn2O4との複合体粒子(ナノグラフェン−電極活物質複合体粒子)を得た。この複合体粒子の炭素成分を測定したところ1.5%であった。
[Example 5]
The nanographene oxide dispersion liquid prepared in Synthesis Example 3 and the electrode active material LiMn 2 O 4 were mixed with a homogenizer so that the solid content became 2.25: 100, and the mixture was freeze-dried and then nitrogen atmosphere. The reduction was performed by heat treatment at 200 ° C. for 5 hours to obtain composite particles of nanographene and the electrode active material LiMn 2 O 4 (nanographene-electrode active material composite particles). When the carbon component of the composite particles was measured, it was 1.5%.
電極活物質として当該複合体粒子を用い(92重量部)、ナノグラフェンを単体で添加しなかった以外は測定例5と同様にして電池性能評価を行った。 The battery performance was evaluated in the same manner as in Measurement Example 5 except that the composite particles were used as an electrode active material (92 parts by weight) and nanographene was not added alone.
[実施例6]
合成例3で調製したナノ酸化グラフェン分散液から0.5%ナノ酸化グラフェン分散液100mlを調整し、ドーパミン塩酸塩を250mg添加した後、スターラーで攪拌しながら還元剤として1.5gの亜ジチオン酸ナトリウムを加えて温度40℃で、30分間還元反応を行った。還元終了後、吸引ろ過器でろ過後、水で0.5%濃度まで希釈して吸引ろ過する洗浄工程を5回繰り返して洗浄した。洗浄終了後、凍結乾燥してナノグラフェンを得た。
[Example 6]
100 ml of a 0.5% nano graphene oxide dispersion was prepared from the nano graphene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 3, 250 mg of dopamine hydrochloride was added, and then 1.5 g of dithionite as a reducing agent was added while stirring with a stirrer. Sodium was added and a reduction reaction was performed at a temperature of 40 ° C. for 30 minutes. After completion of the reduction, a washing step of filtering with a suction filter, diluting with water to a concentration of 0.5%, and performing suction filtration was repeated five times to wash. After the washing, freeze drying was performed to obtain nanographene.
[比較例1]
合成例1で調製した酸化グラフェン分散液から0.5%酸化グラフェン分散液100mlを調整し、スターラーで攪拌しながら還元剤として1.5gの亜ジチオン酸ナトリウムを加えて温度40℃で、30分間還元反応を行った。還元終了後、吸引ろ過器でろ過後、水で0.5%濃度まで希釈して吸引ろ過する洗浄工程を5回繰り返して洗浄した。洗浄終了後、凍結乾燥してナノグラフェンを得た。
[Comparative Example 1]
100 ml of a 0.5% graphene oxide dispersion was prepared from the graphene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 1, and 1.5 g of sodium dithionite was added as a reducing agent while stirring with a stirrer. A reduction reaction was performed. After completion of the reduction, a washing step of filtering with a suction filter, diluting with water to a concentration of 0.5%, and filtering with suction was repeated five times to wash. After the washing was completed, the resultant was freeze-dried to obtain nanographene.
[比較例2]
合成例2で調製した酸化グラフェン分散液を用いた以外は比較例1と同様にしてグラフェンを得た。
[Comparative Example 2]
Graphene was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the graphene oxide dispersion prepared in Synthesis Example 2 was used.
[比較例3]
合成例5で調製した超音波処理後の0.5%酸化グラフェン分散液100mlを、スターラーで攪拌しながら還元剤として1.5gの亜ジチオン酸ナトリウムを加えて温度40℃で、30分間還元反応を行った。還元終了後、吸引ろ過器でろ過後、水で0.5%濃度まで希釈して吸引ろ過する洗浄工程を5回繰り返して洗浄した。洗浄終了後、凍結乾燥してグラフェンを得た。
[Comparative Example 3]
To 100 ml of the 0.5% graphene oxide dispersion after sonication prepared in Synthesis Example 5 was added 1.5 g of sodium dithionite as a reducing agent while stirring with a stirrer, and a reduction reaction was performed at 40 ° C. for 30 minutes. Was done. After completion of the reduction, a washing step of filtering with a suction filter, diluting with water to a concentration of 0.5%, and performing suction filtration was repeated five times to wash. After the washing was completed, lyophilization was performed to obtain graphene.
各実施例、比較例におけるグラフェンのO/C、面方向の大きさ、厚みおよび官能基化率と、それぞれのグラフェンを用いたリチウムイオン電池の電池性能評価の結果を表1に示す。ただし、上記実施例1〜5は、比較例に読み替えるものとする。 Table 1 shows the O / C of graphene, the size in the plane direction, the thickness, and the functional grouping ratio in each example and comparative example, and the results of the battery performance evaluation of the lithium ion battery using each graphene. However, Examples 1 to 5 should be read as Comparative Examples.
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