JP7032857B2 - Method for manufacturing carbonaceous material for negative electrode active material of non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery and carbonaceous material - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解質二次電池の負極活物質に適した炭素質材料、該炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極、該負極を有する非水電解質二次電池ならびに該炭素質材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbonaceous material suitable for a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbonaceous material, a non-aqueous electrolyte secondary battery having the negative electrode, and the carbonaceous material. Regarding the manufacturing method of the material.

リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、エネルギー密度が高く、出力特性に優れるため、携帯電話やノートパソコンのような小型携帯機器に広く用いられている。近年では、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車載用途への適用も進められている。リチウムイオン二次電池の負極材としては、黒鉛の理論容量372mAh/gを超える量のリチウムのドープ(充電)および脱ドープ(放電)が可能な難黒鉛化性炭素が開発され(例えば特許文献1)、使用されてきた。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries are widely used in small portable devices such as mobile phones and notebook computers because of their high energy density and excellent output characteristics. In recent years, its application to in-vehicle applications such as hybrid vehicles and electric vehicles has been promoted. As a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, non-graphitizable carbon capable of doping (charging) and dedoping (discharging) lithium in an amount exceeding the theoretical capacity of graphite of 372 mAh / g has been developed (for example, Patent Document 1). ), Has been used.

難黒鉛化性炭素は、例えば石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂または植物等を炭素源として得ることができる。これらの炭素源の中でも、植物は栽培することによって持続して安定的に供給可能な原料であり、安価に入手できるため、非常に有用である。また、植物由来の炭素原料を焼成して得られる炭素質材料には細孔が多く存在するため、良好な充放電容量が期待される。 The non-graphitizable carbon can be obtained, for example, from petroleum pitch, coal pitch, phenolic resin, plants and the like as a carbon source. Among these carbon sources, plants are very useful because they are raw materials that can be continuously and stably supplied by cultivation and can be obtained at low cost. Further, since the carbonaceous material obtained by firing a carbon raw material derived from a plant has many pores, good charge / discharge capacity is expected.

植物由来の炭素原料を用いて炭素質材料を得る場合、焼成前に植物に由来するカリウムの量を低減する試みがなされている。例えば特許文献2には、植物由来の炭素前駆体を塩酸等の酸類や水に浸漬処理後、炭素化させて得た炭素質材料が記載されている。特許文献3には、植物由来の有機物をハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中で熱処理後、本焼成させて得た炭素質材料が記載されている。 When carbonaceous materials are obtained using plant-derived carbon raw materials, attempts have been made to reduce the amount of plant-derived potassium before calcination. For example, Patent Document 2 describes a carbonaceous material obtained by immersing a plant-derived carbon precursor in an acid such as hydrochloric acid or water and then carbonizing it. Patent Document 3 describes a carbonaceous material obtained by heat-treating a plant-derived organic substance in an atmosphere of an inert gas containing a halogen compound and then main firing.

また、特許文献4には、リチウムイオン二次電池の充放電特性の向上を目的とし、乾留炭に、ハロゲン化処理、予備細孔調整処理、脱ハロゲン化処理および細孔調整処理を施して得た、リチウム二次電池用炭素材が開示されている。 Further, Patent Document 4 is obtained by subjecting dry coal to a halogenation treatment, a preliminary pore adjustment treatment, a dehalogenation treatment, and a pore adjustment treatment for the purpose of improving the charge / discharge characteristics of a lithium ion secondary battery. Further, a carbon material for a lithium secondary battery is disclosed.

特開平9-161801号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-161801 特開平10-21919号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-21919 国際公開第2014/034858号パンフレットInternational Publication No. 2014/034858 Pamphlet 特開平11-135108号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-135108

近年、リチウムイオン二次電池の車載用途などへの適用が検討され、リチウムイオン二次電池のさらなる高容量化が求められている。また、非水電解質二次電池の入出力特性をさらに高めるために、高い充放電効率を有し、低い内部抵抗を有する電池を与える炭素質材料が必要とされている。 In recent years, application of lithium ion secondary batteries to in-vehicle applications and the like has been studied, and further increase in capacity of lithium ion secondary batteries is required. Further, in order to further enhance the input / output characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery, a carbonaceous material that provides a battery having high charge / discharge efficiency and low internal resistance is required.

したがって、本発明は、高い充放電容量および充放電効率と、低い抵抗を有する非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)の負極活物質に適した炭素質材料、該炭素質材料を含む負極、該負極を有する非水電解質二次電池ならびに該炭素質材料の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a carbonaceous material suitable for a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery) having high charge / discharge capacity, charge / discharge efficiency, and low resistance. It is an object of the present invention to provide a negative electrode including a negative electrode, a non-aqueous electrolyte secondary battery having the negative electrode, and a method for producing the carbonaceous material.

本発明者らは、以下に説明する本発明の炭素質材料により上記目的を達成できることを見出した。
すなわち、本発明は以下の好適な態様を包含する。
〔1〕非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料であって、該炭素質材料は植物に由来し、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値が240~280cm-1であり、元素分析により求めた酸素元素含有量が0.40重量%以下である、炭素質材料。
〔2〕元素分析により求めた水素元素含有量が0.10重量%以上であり、水素元素含有量と酸素元素含有量との比RH/O(水素元素含有量/酸素元素含有量)が0.30以上である、前記〔1〕に記載の炭素質材料。
〔3〕ヘリウム法により求めた真密度が1.20~1.50g/cmであり、BET法により求めた比表面積が10m/g以下である、前記〔1〕または〔2〕に記載の炭素質材料。
〔4〕カルシウム元素含有量が50ppm以下である、前記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔5〕前記炭素質材料に満充電状態となるまでリチウムをドープし、Li核-固体NMR分析を行ったとき、基準物質であるLiClの共鳴ピークに対して低磁場側に115~145ppmシフトした主共鳴ピークが観測される、前記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔6〕ブタノール法により求めた真密度が1.35~1.50g/cmである、前記〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔7〕前記〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。
〔8〕前記〔7〕に記載の非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池。
〔9〕(1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中で1100~1300℃で熱処理し、気相脱灰チャーを得る気相脱灰工程、ここで、該ハロゲン化合物を含む不活性ガスの供給量は植物由来のチャー50gあたり14L/分以上である、および
(2)前記気相脱灰チャーに、炭化水素化合物を用いるCVD処理を施す工程
を少なくとも含む、非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料の製造方法。
〔10〕前記気相脱灰工程の前に、
(a)植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を添加し、アルカリ添着された植物由来のチャーを得るアルカリ添着工程
をさらに含む、前記〔9〕に記載の炭素質材料の製造方法。
〔11〕前記気相脱灰工程の前に植物由来のチャーを粉砕する粉砕工程、および/または、前記気相脱灰工程の後に気相脱灰チャーを粉砕する粉砕工程をさらに含む、前記〔9〕または〔10〕に記載の炭素質材料の製造方法。
The present inventors have found that the above object can be achieved by the carbonaceous material of the present invention described below.
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] A carbonaceous material for the negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, the carbonaceous material is derived from a plant and has a peak near 1360 cm -1 of the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy. A carbonaceous material having a half-price range value of 240 to 280 cm -1 and an oxygen element content determined by elemental analysis of 0.40% by weight or less.
[2] The hydrogen element content determined by element analysis is 0.10% by weight or more, and the ratio RH / O (hydrogen element content / oxygen element content) between the hydrogen element content and the oxygen element content is The carbonaceous material according to the above [1], which is 0.30 or more.
[3] The true density determined by the helium method is 1.20 to 1.50 g / cm 3 , and the specific surface area determined by the BET method is 10 m 2 / g or less, according to the above [1] or [2]. Carbonaceous material.
[4] The carbonaceous material according to any one of [1] to [3] above, wherein the calcium element content is 50 ppm or less.
[5] When the carbonaceous material was doped with lithium until it was fully charged and 7 Li nuclei-solid-state NMR analysis was performed, the resonance peak of LiCl, which is the reference material, was shifted to the low magnetic field side by 115 to 145 ppm. The carbonaceous material according to any one of [1] to [4] above, wherein the main resonance peak is observed.
[6] The carbonaceous material according to any one of [1] to [5] above, wherein the true density determined by the butanol method is 1.35 to 1.50 g / cm 3 .
[7] A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbonaceous material according to any one of [1] to [6] above.
[8] A non-aqueous electrolyte secondary battery having the negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the above [7].
[9] (1) A vapor phase decalcification step of heat-treating a plant-derived char at 1100 to 1300 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound to obtain a vapor phase decalcification char, wherein the halogen compound is used. The supply of the inert gas contained is 14 L / min or more per 50 g of the plant-derived char, and (2) the non-aqueous electrolyte comprising at least a step of subjecting the gas phase decalcified char to a CVD treatment using a hydrocarbon compound. A method for producing a carbonaceous material for the negative electrode active material of a secondary battery.
[10] Before the gas phase decalcification step,
(A) The method for producing a carbonaceous material according to the above [9], further comprising an alkali imposition step of adding a compound containing an alkali metal element to a plant-derived char to obtain an alkali-impregnated plant-derived char.
[11] The above-mentioned [11] further comprising a crushing step of crushing a plant-derived char before the vapor phase decalcification step and / or a crushing step of crushing the vapor phase decalcified char after the vapor phase decalcification step. 9] or the method for producing a carbonaceous material according to [10].

本発明の炭素質材料を含む負極を用いる非水電解質二次電池は、高い充放電容量および充放電効率と、低い抵抗を有する。 The non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode containing the carbonaceous material of the present invention has high charge / discharge capacity, charge / discharge efficiency, and low resistance.

実施例1の炭素質材料のラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of the carbonaceous material of Example 1. FIG. 比較例1の炭素質材料のラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of the carbonaceous material of the comparative example 1. FIG. 実施例1の炭素質材料のLi核-固体NMRスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the 7 Li nucleus-solid-state NMR spectrum of the carbonaceous material of Example 1. FIG. 比較例1の炭素質材料のLi核-固体NMRスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the 7 Li nucleus-solid-state NMR spectrum of the carbonaceous material of the comparative example 1. FIG.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明の範囲はここで説明する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変更をすることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The scope of the present invention is not limited to the embodiments described here, and various modifications can be made without impairing the gist of the present invention.

本発明の炭素質材料は、非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料であって、植物に由来する炭素質材料である。本発明の炭素質材料において、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値は、240~280cm-1である。ここで、1360cm-1付近のピークとは、一般にDバンドと称されるラマンピークであり、グラファイト構造の乱れ・欠陥に起因するピークである。1360cm-1付近のピークは、通常、1345cm-1~1375cm-1、好ましくは1350cm-1~1370cm-1の範囲に観測される。 The carbonaceous material of the present invention is a carbonaceous material for a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, and is a carbonaceous material derived from a plant. In the carbonaceous material of the present invention, the value of the half width of the peak near 1360 cm -1 in the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is 240 to 280 cm -1 . Here, the peak near 1360 cm -1 is a Raman peak generally referred to as a D band, and is a peak caused by disturbance / defect of the graphite structure. Peaks near 1360 cm -1 are usually observed in the range of 1345 cm -1 to 1375 cm -1 , preferably 1350 cm -1 to 1370 cm -1 .

このピークの半値幅は、炭素質材料中に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥の量に関係する。半値幅が240cm-1より小さいと、炭素質材料中に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥が少なすぎて、グラファイト構造の発達により結晶間の微細孔が減少し、リチウムイオンが吸蔵されるサイトが少なくなる。そのため、充放電容量が低下するなどの問題が生じる。充放電容量を高めやすい観点からは、1360cm-1付近のピークの半値幅は、好ましくは250cm-1以上であり、より好ましくは260cm-1以上である。また、半値幅が280cm-1より大きいと、炭素質材料中に含まれるグラファイト構造の乱れ・欠陥が多く、非晶質が多くなり、炭素エッジが多くなり、リチウムと反応する炭素末端の反応基が多くなる。そのためリチウムイオンの利用効率が低下し、充放電効率が低下する。このような観点から、1360cm-1付近のピークの半値幅は、好ましくは275cm-1以下である。 The half width of this peak is related to the amount of disturbance / defect of the graphite structure contained in the carbonaceous material. If the half-value width is smaller than 240 cm -1 , the graphite structure contained in the carbonaceous material has too few disturbances and defects, and the development of the graphite structure reduces the number of micropores between crystals, resulting in sites where lithium ions are occluded. It will be less. Therefore, there arises a problem such as a decrease in charge / discharge capacity. From the viewpoint of easily increasing the charge / discharge capacity, the half width of the peak near 1360 cm -1 is preferably 250 cm -1 or more, and more preferably 260 cm -1 or more. If the half-value width is larger than 280 cm -1 , the graphite structure contained in the carbonaceous material has many disturbances and defects, many amorphous materials, many carbon edges, and carbon-terminal reactive groups that react with lithium. Will increase. Therefore, the utilization efficiency of lithium ions is lowered, and the charge / discharge efficiency is lowered. From this point of view, the half width of the peak near 1360 cm -1 is preferably 275 cm -1 or less.

ラマンスペクトルの測定は、ラマン分光器(例えば、堀場製作所製ラマン分光器「LabRAM ARAMIS(VIS)」)を用いて行う。具体的には、例えば、測定対象粒子を観測台ステージ上にセットし、対物レンズの倍率を100倍とし、ピントを合わせ、測定セル内に532nmのアルゴンイオンレーザ光を照射しながら、露光時間1秒、積算回数100回、測定範囲を50-2000cm-1として測定する。 The Raman spectrum is measured using a Raman spectroscope (for example, a Raman spectroscope "LabRAM ARAMIS (VIS)" manufactured by HORIBA, Ltd.). Specifically, for example, the measurement target particle is set on the observation table stage, the magnification of the objective lens is set to 100 times, the focus is adjusted, and the measurement cell is irradiated with an argon ion laser beam of 532 nm while the exposure time is 1. Measure in seconds, the number of integrations is 100, and the measurement range is 50-2000 cm -1 .

1360cm-1付近のピークの半値幅を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、1100~1300℃の温度で、ハロゲン化合物を含む不活性ガスをチャー50gあたり14L/分以上の量で供給しながら熱処理し、次いで、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理する方法を用いることができる。 The method for adjusting the half-price width of the peak near 1360 cm -1 to the above range is not limited, but for example, the plant-derived char is charged at a temperature of 1100 to 1300 ° C. A method of heat-treating while supplying at an amount of 14 L / min or more and then heat-treating at 500 to 1000 ° C. in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound can be used.

本発明の炭素質材料において、元素分析により求めた酸素元素の含有量は0.40重量%以下である。炭素質材料中の酸素元素の含有量が0.40重量%を超えると、充放電時に生じ得る不可逆的な副反応を抑制することができず、放電容量が低下し、充放電効率が低下する。充放電時の不可逆的な副反応を抑制し、放電容量および充放電効率を高めやすい観点から、本発明の炭素質材料における酸素元素の含有量は、好ましくは0.35重量%以下であり、より好ましくは0.31重量%以下であり、さらに好ましくは0.30重量%以下である。本発明の炭素質材料における酸素元素の含有量は少なければ少ないほどよく、その下限は0重量%以上であるが、通常は0.10重量%以上である。酸素元素含有量の測定の詳細は実施例に記載する通りであり、後述する元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。酸素元素含有量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを気相脱灰処理後、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理する方法を用いることができる。 In the carbonaceous material of the present invention, the content of oxygen element determined by elemental analysis is 0.40% by weight or less. If the content of oxygen element in the carbonaceous material exceeds 0.40% by weight, irreversible side reactions that may occur during charging / discharging cannot be suppressed, the discharge capacity decreases, and the charging / discharging efficiency decreases. .. The content of oxygen element in the carbonaceous material of the present invention is preferably 0.35% by weight or less from the viewpoint of suppressing irreversible side reactions during charging / discharging and easily increasing the discharging capacity and charging / discharging efficiency. It is more preferably 0.31% by weight or less, still more preferably 0.30% by weight or less. The smaller the content of the oxygen element in the carbonaceous material of the present invention, the better, and the lower limit thereof is 0% by weight or more, but usually 0.10% by weight or more. The details of the measurement of the oxygen element content are as described in Examples, and the measurement is performed by the elemental analysis method (inert gas dissolution method) described later. The method for adjusting the oxygen element content to the above range is not limited, but for example, the plant-derived char is subjected to the gas phase decalcification treatment and then heat-treated at 500 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere containing a hydrocarbon compound. The method can be used.

レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値が240~280cm-1であり、元素分析により求めた酸素元素含有量が0.40重量%以下である本発明の炭素質材料によれば、炭素質材料がリチウムイオンを吸蔵するに十分な微細孔を有するため高い充放電容量が得られる共に、充放電時に副反応を生じたりリチウムイオンの充放電を妨げ得る酸素原子の含有量が低いため、低抵抗かつ高充放電効率が達成される。 The half-value width of the peak near 1360 cm -1 of the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy is 240 to 280 cm -1 , and the oxygen element content determined by elemental analysis is 0.40% by weight or less. According to the carbonaceous material of the present invention, since the carbonaceous material has sufficient micropores to occlude lithium ions, a high charge / discharge capacity can be obtained, and a side reaction occurs during charging / discharging or hinders charging / discharging of lithium ions. Since the content of the obtained oxygen atom is low, low resistance and high charge / discharge efficiency are achieved.

本発明の炭素質材料において、元素分析により求めた水素元素の含有量は好ましくは0.10重量%以上であり、より好ましくは0.11重量%以上であり、さらに好ましくは0.12重量%以上である。炭素質材料中の水素元素の含有量が上記の下限以上であることが、炭素のエッジ部分が増え、充放電時にLiイオンの挿入が容易になる観点から好ましい。本発明の炭素質材料における水素元素の含有量は、充放電時の副反応抑制の観点からは、好ましくは0.20重量%以下であり、より好ましくは0.18重量%以下であり、さらに好ましくは0.16以下であり、特に好ましくは0.14以下であり、きわめて好ましくは0.13以下である。水素元素含有量の測定の詳細は実施例に記載する通りであり、後述する元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。水素元素含有量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを気相脱灰処理後、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理する方法を用いることができる。 In the carbonaceous material of the present invention, the content of hydrogen element determined by elemental analysis is preferably 0.10% by weight or more, more preferably 0.11% by weight or more, still more preferably 0.12% by weight. That is all. It is preferable that the content of the hydrogen element in the carbonaceous material is at least the above lower limit from the viewpoint of increasing the carbon edge portion and facilitating the insertion of Li ions during charging / discharging. The content of the hydrogen element in the carbonaceous material of the present invention is preferably 0.20% by weight or less, more preferably 0.18% by weight or less, and further preferably 0.18% by weight or less from the viewpoint of suppressing side reactions during charging and discharging. It is preferably 0.16 or less, particularly preferably 0.14 or less, and extremely preferably 0.13 or less. The details of the measurement of the hydrogen element content are as described in Examples, and the measurement is performed by the elemental analysis method (inert gas dissolution method) described later. The method for adjusting the hydrogen element content to the above range is not limited, but for example, the plant-derived char is subjected to the gas phase decalcification treatment and then heat-treated at 500 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere containing a hydrocarbon compound. The method can be used.

本発明の炭素質材料において、水素元素含有量と酸素元素含有量との比RH/O(水素元素含有量/酸素元素含有量)は、酸素元素含有量を低減し、放電容量および充放電効率を高めやすい観点から、好ましくは0.30以上であり、より好ましくは0.33以上であり、さらに好ましくは0.34以上である。また、水素元素含有量と酸素元素含有量との比RH/O(水素元素含有量/酸素元素含有量)は、水素元素含有量を低減し、充放電時の副反応を抑制しやすい観点からは、好ましくは1.0以下であり、より好ましくは0.80以下であり、さらに好ましくは0.70以下である。水素元素含有量と酸素元素含有量との比RH/Oは、上記のようにして測定した水素元素含有量および酸素元素含有量から、RH/O=水素元素含有量/酸素元素含有量の式により算出される。 In the carbonaceous material of the present invention, the ratio RH / O (hydrogen element content / oxygen element content) between the hydrogen element content and the oxygen element content reduces the oxygen element content, and the discharge capacity and charge / discharge. From the viewpoint of easily increasing the efficiency, it is preferably 0.30 or more, more preferably 0.33 or more, and further preferably 0.34 or more. Further, the ratio RH / O (hydrogen element content / oxygen element content) between the hydrogen element content and the oxygen element content is a viewpoint that the hydrogen element content is reduced and side reactions during charging and discharging are easily suppressed. From the above, it is preferably 1.0 or less, more preferably 0.80 or less, and further preferably 0.70 or less. The ratio RH / O between the hydrogen element content and the oxygen element content is RH / O = hydrogen element content / oxygen element content from the hydrogen element content and the oxygen element content measured as described above. It is calculated by the formula of.

本発明の炭素質材料におけるヘリウム法による真密度ρHeは、電池の質量あたりの容量を高くする観点から、好ましくは1.20~1.50g/cmであり、より好ましくは1.30~1.48g/cmであり、さらに好ましくは1.35~1.46g/cmである。真密度ρHeの測定の詳細は実施例に記載する通りであり、JIS Z8807に定められた方法に従い、ヘリウム法により測定することができる。このような真密度を有する炭素質材料は、例えば、植物由来のチャーを、1100~1300℃の温度で、ハロゲン化合物を含む不活性ガスをチャー50gあたり14L/分以上の量で供給しながら熱処理し、次いで、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理する方法を用いることができる。 The true density ρHe by the helium method in the carbonaceous material of the present invention is preferably 1.20 to 1.50 g / cm 3 and more preferably 1.30 to 1.30 to 1.50 g / cm 3 from the viewpoint of increasing the capacity per mass of the battery. It is 1.48 g / cm 3 , more preferably 1.35 to 1.46 g / cm 3 . The details of the measurement of the true density ρHe are as described in Examples, and the measurement can be performed by the helium method according to the method specified in JIS Z8807. The carbonaceous material having such a true density is, for example, heat-treated plant-derived char at a temperature of 1100 to 1300 ° C. while supplying an inert gas containing a halogen compound at an amount of 14 L / min or more per 50 g of char. Then, a method of heat-treating at 500 to 1000 ° C. in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound can be used.

本発明の炭素質材料の窒素吸着BET法により求めた比表面積は、好ましくは10m/g以下、より好ましくは8m/g以下、さらに好ましくは5m/g以下である。炭素質材料の比表面積が上記の上限以下であると、リチウムイオンの炭素質材料の表面での副反応を抑制し、リチウムイオンの利用効率を高めやすい。また、炭素質材料の吸湿性が低下しやすくなり、炭素質材料中に存在する水分による電解液や水の加水分解に伴う酸やガスの発生が抑制される。さらに、空気と炭素質材料との接触面積が低下することにより、炭素質材料自体の酸化を抑制しやすい。上記比表面積は、炭素質材料へのリチウムイオンの吸着量を高め、非水電解質二次電池の充電容量を高めやすい観点からは、好ましくは1.0m/g以上、より好ましくは1.5m/g以上、さらに好ましくは2.0m/g以上である。窒素吸着BET法による比表面積の測定の詳細は実施例に記載する通りである。 The specific surface area of the carbonaceous material of the present invention determined by the nitrogen adsorption BET method is preferably 10 m 2 / g or less, more preferably 8 m 2 / g or less, still more preferably 5 m 2 / g or less. When the specific surface area of the carbonaceous material is not more than the above upper limit, it is easy to suppress side reactions of lithium ions on the surface of the carbonaceous material and increase the utilization efficiency of lithium ions. In addition, the hygroscopicity of the carbonaceous material tends to decrease, and the generation of acid and gas due to the hydrolysis of the electrolytic solution and water due to the water present in the carbonaceous material is suppressed. Further, since the contact area between the air and the carbonaceous material is reduced, it is easy to suppress the oxidation of the carbonaceous material itself. The specific surface area is preferably 1.0 m 2 / g or more, more preferably 1.5 m, from the viewpoint of increasing the amount of lithium ions adsorbed on the carbonaceous material and easily increasing the charge capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery. It is 2 / g or more, more preferably 2.0 m 2 / g or more. Details of the measurement of the specific surface area by the nitrogen adsorption BET method are as described in Examples.

比表面積を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、1100~1300℃の温度で、ハロゲン化合物を含む不活性ガスをチャー50gあたり14L/分以上の量で供給しながら熱処理する気相脱灰工程、次いで、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理工程を含む方法を用いることができる。特に、熱処理温度を高くしたり、時間を長くすると比表面積は小さくなる傾向があるので、上記の範囲の比表面積が得られるように、温度や時間を調整すればよい。 The method for adjusting the specific surface area to the above range is not limited, but for example, the plant-derived char is added at a temperature of 1100 to 1300 ° C., and the inert gas containing a halogen compound is added at an amount of 14 L / min or more per 50 g of the char. A method comprising a vapor phase decalcification step of heat-treating while supplying, and then a heat treatment step at 500 to 1000 ° C. in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound can be used. In particular, since the specific surface area tends to decrease as the heat treatment temperature is increased or the time is lengthened, the temperature and time may be adjusted so that the specific surface area in the above range can be obtained.

本発明の炭素質材料において、カルシウム元素の含有量は好ましくは50ppm以下であり、より好ましくは40ppm以下であり、さらに好ましくは35ppm以下である。カルシウム元素の含有量が上記の上限以下であると、カルシウム元素が電解液中に溶出し再析出することにより生じ得る、電池の短絡などの問題を抑制しやすい。また、炭素質材料の細孔が閉塞されにくいため、電池の充放電容量を維持しやすい。炭素質材料におけるカルシウム元素含有量は、少ないほどよく、カルシウム元素を実質的に含有しないことが特に好ましい。ここで、実質的に含有しないとは、後述の元素分析法(不活性ガス融解-熱伝導法)の検出限界である10-6質量%以下であることを意味する。
カルシウム元素含有量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガスを供給しながら熱処理する方法を用いることができる。
In the carbonaceous material of the present invention, the content of the calcium element is preferably 50 ppm or less, more preferably 40 ppm or less, and further preferably 35 ppm or less. When the content of the calcium element is not more than the above upper limit, it is easy to suppress problems such as a short circuit of the battery which may occur due to elution and reprecipitation of the calcium element in the electrolytic solution. Further, since the pores of the carbonaceous material are not easily closed, it is easy to maintain the charge / discharge capacity of the battery. The smaller the calcium element content in the carbonaceous material, the better, and it is particularly preferable that the calcium element is not substantially contained. Here, "substantially free" means that it is 10 to 6 % by mass or less, which is the detection limit of the elemental analysis method (inert gas melting-heat conduction method) described later.
The method for adjusting the calcium element content to the above range is not limited, and for example, a method of heat-treating a plant-derived char while supplying an inert gas containing a halogen compound can be used.

カルシウム元素含有量の測定の詳細は実施例に記載するとおりであり、蛍光X線分析装置(例えば株式会社リガク製「ZSX Primus-μ」)を用いて測定することができる。 The details of the measurement of the calcium element content are as described in Examples, and the measurement can be performed using a fluorescent X-ray analyzer (for example, "ZSX Primus-μ" manufactured by Rigaku Co., Ltd.).

本発明の炭素質材料において、カリウム元素の含有量は好ましくは50ppm以下であり、より好ましくは30ppm以下であり、さらに好ましくは10ppm以下である。カリウム元素の含有量が上記の上限以下であると、カリウム元素が電解液中に溶出し再析出することにより生じ得る、電池の短絡などの問題を抑制しやすい。また、炭素質材料の細孔が閉塞されにくいため、電池の充放電容量を維持しやすい。炭素質材料におけるカリウム元素含有量は、少ないほどよく、カリウム元素を実質的に含有しないことが特に好ましい。ここで、実質的に含有しないとは、後述の元素分析法(不活性ガス融解-熱伝導法)の検出限界である10-6質量%以下であることを意味する。カリウム元素含有量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガスを供給しながら熱処理する方法を用いることができる。カリウム元素含有量は、上記カルシウム元素含有量の測定と同様にして測定することができる。 In the carbonaceous material of the present invention, the content of the potassium element is preferably 50 ppm or less, more preferably 30 ppm or less, still more preferably 10 ppm or less. When the content of the potassium element is not more than the above upper limit, it is easy to suppress problems such as a short circuit of the battery which may occur due to elution and reprecipitation of the potassium element in the electrolytic solution. Further, since the pores of the carbonaceous material are not easily closed, it is easy to maintain the charge / discharge capacity of the battery. The smaller the potassium element content in the carbonaceous material, the better, and it is particularly preferable that the potassium element is substantially not contained. Here, "substantially free" means that it is 10 to 6 % by mass or less, which is the detection limit of the elemental analysis method (inert gas melting-heat conduction method) described later. The method for adjusting the potassium element content to the above range is not limited, but a method for heat-treating a plant-derived char while supplying an inert gas containing a halogen compound can be used. The potassium element content can be measured in the same manner as the calcium element content measurement described above.

本発明の炭素質材料において、該炭素質材料に満充電状態となるまでリチウムをドープし、Li核-固体NMR分析を行ったとき、基準物質であるLiClの共鳴ピークに対して低磁場側に115~145ppmシフトした主共鳴ピークが観測されることが好ましい。主共鳴ピークの低磁場側へのシフト値が大きいことは、クラスター化して存在するリチウムの量が多いことを示している。本発明の炭素質材料において、クラスターを迅速に解離させ、早い充放電を達成しやすい観点からは、上記の低磁場側へのシフト値は、142ppm以下であることがより好ましく、138ppm以下であることがさらにより好ましい。主共鳴ピークの低磁場側へのシフト値が小さいことは、炭素層間に存在するリチウムの量が多いことを示している。充放電容量を高めやすい観点からは、上記の低磁場側へのシフト値は、120ppm以上であることがより好ましい。 In the carbonaceous material of the present invention, when the carbonaceous material was doped with lithium until it was fully charged and 7 Li nuclei-solid-state NMR analysis was performed, the low magnetic field side with respect to the resonance peak of LiCl, which is the reference material. It is preferable to observe the main resonance peak shifted by 115 to 145 ppm. The large shift value of the main resonance peak toward the low magnetic field indicates that the amount of lithium present in a cluster is large. In the carbonaceous material of the present invention, the shift value toward the low magnetic field side is more preferably 142 ppm or less, and more preferably 138 ppm or less, from the viewpoint of rapidly dissociating the clusters and easily achieving rapid charge / discharge. Is even more preferable. The small shift value of the main resonance peak toward the low magnetic field indicates that the amount of lithium present between the carbon layers is large. From the viewpoint of easily increasing the charge / discharge capacity, the shift value toward the low magnetic field side is more preferably 120 ppm or more.

ここで、本発明において、「主共鳴ピークが観測される」とは、主共鳴ピークを与えるリチウム種が後述するLi核-固体NMR分析法の検出限界である3%以上存在することを意味する。 Here, in the present invention, "the main resonance peak is observed" means that the lithium species giving the main resonance peak is present at 3% or more, which is the detection limit of the 7 Li nuclear-solid-state NMR analysis method described later. do.

また、本発明において、「満充電状態となるまでリチウムをドープし」とは、炭素質材料を含む電極を正極とし、金属リチウムを含む電極を負極とする非水電解質二次電池を組み立て、終了電圧を、通常0.1~0mV、好ましくは0.05~0mV、より好ましくは0.01~0mVの範囲として充電を行うことを意味する。本発明において、満充電状態の炭素質材料は、通常300~600mAh/g、好ましくは350~580mAh/gの容量を有する。 Further, in the present invention, "doping lithium until it is fully charged" means assembling and ending a non-aqueous electrolyte secondary battery having an electrode containing a carbonaceous material as a positive electrode and an electrode containing metallic lithium as a negative electrode. It means that charging is performed with a voltage usually in the range of 0.1 to 0 mV, preferably 0.05 to 0 mV, and more preferably 0.01 to 0 mV. In the present invention, the fully charged carbonaceous material usually has a capacity of 300 to 600 mAh / g, preferably 350 to 580 mAh / g.

Li核-固体NMRスペクトルの測定方法の詳細は後述するとおりであり、核磁気共鳴装置(例えばBRUKER製「AVANCE300」)を用いて測定することができる。 7 The details of the method for measuring the Li nucleus-solid-state NMR spectrum are as described later, and the measurement can be performed using a nuclear magnetic resonance apparatus (for example, "AVANCE300" manufactured by BRUKER).

主共鳴ピークの低磁場側への化学シフト値を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば植物由来のチャーを、1100~1300℃の温度で、ハロゲン化合物を含む不活性ガスをチャー50gあたり14L/分以上の量で供給しながら熱処理する気相脱灰工程、次いで、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理工程を含む方法を用いることができる。 The method for adjusting the chemical shift value of the main resonance peak to the low magnetic field side is not limited to the above range, but for example, a plant-derived char is charged with an inert gas containing a halogen compound at a temperature of 1100 to 1300 ° C. A method including a gas phase decalcification step of heat-treating while supplying at an amount of 14 L / min or more per 50 g and then a heat treatment step at 500 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere containing a hydrocarbon compound can be used.

本発明の炭素質材料は、電池における質量あたりの容量を高くする観点から、ブタノール法による真密度ρBtが、好ましくは1.35~1.50g/cmであり、より好ましくは1.40~1.50g/cmであり、さらに好ましくは1.44~1.49g/cmである。真密度ρBtの測定の詳細は実施例に記載する通りであり、JIS R 7212に定められた方法に従い、ブタノール法により測定することができる。このような真密度を有する炭素質材料は、植物由来のチャーを、1100~1300℃の温度で、ハロゲン化合物を含む不活性ガスをチャー50gあたり14L/分以上の量で供給しながら熱処理する方法を用いることができる。 From the viewpoint of increasing the capacity per mass of the carbonaceous material of the present invention, the true density ρ Bt by the butanol method is preferably 1.35 to 1.50 g / cm 3 , and more preferably 1.40. It is ~ 1.50 g / cm 3 , and more preferably 1.44 to 1.49 g / cm 3 . The details of the measurement of the true density ρ Bt are as described in Examples, and the measurement can be performed by the butanol method according to the method specified in JIS R 7212. The carbonaceous material having such a true density is a method of heat-treating a plant-derived char at a temperature of 1100 to 1300 ° C. while supplying an inert gas containing a halogen compound at an amount of 14 L / min or more per 50 g of the char. Can be used.

本発明の炭素質材料の平均粒子径(D50)は、電極作製時の塗工性の観点から、好ましくは2~30μmである。平均粒子径が上記の下限以上であることが、炭素質材料中の微粉による比表面積の増加および電解液との反応性の増加を抑制し、不可逆容量の増加を抑制しやすいため好ましい。また、得られた炭素質材料を用いて負極を製造する場合に、炭素質材料の間に形成される空隙を確保でき、電解液中のリチウムイオンの移動が抑制されにくい。このような観点から、本発明の炭素質材料の平均粒子径(D50)は、より好ましくは3μm以上、さらにより好ましくは4μm以上、特に好ましくは5μm以上、最も好ましくは7μm以上である。一方、平均粒子径が上記の上限以下であることが、粒子内でのリチウムイオンの拡散自由行程が少なく、急速な充放電が得やすいため好ましい。さらに、リチウムイオン二次電池では、入出力特性を向上させるために電極面積を大きくすることが重要であり、そのためには、電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。塗工厚みを薄くするには、活物質の粒子径を小さくする必要がある。このような観点から、平均粒子径は、より好ましくは20μm以下、さらにより好ましくは18μm以下、特に好ましくは16μm以下、最も好ましくは15μm以下である。D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、例えば粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いたレーザー散乱法により粒度分布を測定することにより求めることができる。 The average particle size (D 50 ) of the carbonaceous material of the present invention is preferably 2 to 30 μm from the viewpoint of coatability at the time of electrode production. It is preferable that the average particle size is at least the above lower limit because it is easy to suppress an increase in the specific surface area and reactivity with the electrolytic solution due to the fine powder in the carbonaceous material, and it is easy to suppress an increase in the irreversible capacity. Further, when the negative electrode is manufactured using the obtained carbonaceous material, it is possible to secure voids formed between the carbonaceous materials, and it is difficult to suppress the movement of lithium ions in the electrolytic solution. From such a viewpoint, the average particle size (D 50 ) of the carbonaceous material of the present invention is more preferably 3 μm or more, still more preferably 4 μm or more, particularly preferably 5 μm or more, and most preferably 7 μm or more. On the other hand, it is preferable that the mean particle diameter is not more than the above upper limit because the diffusion free path of lithium ions in the particles is small and rapid charge / discharge can be easily obtained. Furthermore, in lithium-ion secondary batteries, it is important to increase the electrode area in order to improve the input / output characteristics, and for that purpose, it is necessary to reduce the coating thickness of the active material on the current collector plate when preparing the electrodes. There is. In order to reduce the coating thickness, it is necessary to reduce the particle size of the active material. From this point of view, the average particle size is more preferably 20 μm or less, still more preferably 18 μm or less, particularly preferably 16 μm or less, and most preferably 15 μm or less. D 50 is a particle size having a cumulative volume of 50%, and the particle size distribution is measured by a laser scattering method using, for example, a particle size / particle size distribution measuring device (“Microtrack MT3300EXII” manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.). It can be obtained by.

本発明の炭素質材料の吸湿量は、好ましくは3000ppm以下、より好ましくは1000ppm以下、さらに好ましくは500ppm以下、特に好ましくは400ppm以下である。吸湿量が少ないほど、炭素質材料に吸着する水分が減り、炭素質材料に吸着するリチウムイオンが増加するので好ましい。また、吸湿量が少ないほど、吸着した水分と炭素質材料の窒素原子との反応や、吸着した水分とリチウムイオンとの反応による自己放電を低減できるので好ましい。本発明の炭素質材料の吸湿量の下限は特に限定されず、0ppm以上であればよい。炭素質材料の吸湿量は、例えば、炭素質材料に含まれる酸素原子や窒素原子の量を減らすことにより、減らすことができる。炭素質材料の吸湿量は、例えば、カールフィッシャー等を用いて測定することができる。 The hygroscopic amount of the carbonaceous material of the present invention is preferably 3000 ppm or less, more preferably 1000 ppm or less, still more preferably 500 ppm or less, and particularly preferably 400 ppm or less. The smaller the amount of moisture absorbed, the less water is adsorbed on the carbonaceous material, and the more lithium ions are adsorbed on the carbonaceous material, which is preferable. Further, the smaller the amount of moisture absorbed, the more preferable it is because the reaction between the adsorbed water and the nitrogen atom of the carbonaceous material and the self-discharge due to the reaction between the adsorbed water and the lithium ion can be reduced. The lower limit of the moisture absorption amount of the carbonaceous material of the present invention is not particularly limited, and may be 0 ppm or more. The amount of moisture absorbed by the carbonaceous material can be reduced, for example, by reducing the amount of oxygen atoms and nitrogen atoms contained in the carbonaceous material. The hygroscopic amount of the carbonaceous material can be measured by using, for example, Karl Fischer or the like.

本発明はまた、高い充放電容量および充放電効率と、低い抵抗を有する非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)の負極活物質に適した炭素質材料の製造方法も提供する。該製造方法は、以下の工程:
(1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中で1100~1300℃で熱処理し、気相脱灰チャーを得る気相脱灰工程、ここで、該ハロゲン化合物を含む不活性ガスの供給量は植物由来のチャー50gあたり14L/分以上である、および
(2)前記気相脱灰チャーに、炭化水素化合物を用いるCVD処理を施す工程
を少なくとも含む。
The present invention also provides a method for producing a carbonaceous material suitable for a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery) having high charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency and low resistance. The manufacturing method is as follows:
(1) A vapor phase decalcification step of heat-treating a plant-derived char at 1100 to 1300 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound to obtain a vapor phase decalcification char, wherein the inert gas containing the halogen compound is inert. The amount of gas supplied is 14 L / min or more per 50 g of plant-derived char, and (2) at least includes a step of subjecting the gas phase decalcified char to a CVD treatment using a hydrocarbon compound.

本発明の炭素質材料は上記の通り、植物に由来し、植物由来のチャーを原料として用いて製造することができる。なお、チャーとは、一般的には、石炭を加熱した際に得られる溶融軟化しない炭素分に富む粉末状の固体を示すが、本明細書では有機物を加熱して得られる溶融軟化しない炭素分に富む粉末状の固体も示す。 As described above, the carbonaceous material of the present invention is derived from a plant and can be produced by using a plant-derived char as a raw material. The char is generally a powdery solid rich in carbon content that is not melt-softened and is obtained when coal is heated, but in the present specification, the carbon content that is not melt-softened and is obtained by heating an organic substance. Also shown is a powdery solid rich in carbon.

植物由来のチャーの原料となる植物(以下、「植物原料」ともいう)は、特に限定されない。例えば、椰子殻、珈琲豆、茶葉、サトウキビ、果実(例えば、みかん、バナナ)、藁、籾殻、広葉樹、針葉樹、竹を例示できる。この例示は、本来の用途に供した後の廃棄物(例えば、使用済みの茶葉)、あるいは植物原料の一部(例えば、バナナやみかんの皮)を包含する。これらの植物は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。これらの植物の中で、大量入手が容易であるため椰子殻が好ましい。 The plant that is the raw material of the plant-derived char (hereinafter, also referred to as “plant raw material”) is not particularly limited. For example, coconut husks, coffee beans, tea leaves, sugar cane, fruits (eg, mandarin oranges, bananas), straw, rice husks, hardwoods, conifers, and bamboo can be exemplified. This example includes waste after use for its intended purpose (eg, used tea leaves) or some plant material (eg, banana or tangerine peel). These plants can be used alone or in combination of two or more. Among these plants, palm husks are preferable because they are easily available in large quantities.

椰子殻としては、特に限定されず、例えばパームヤシ(アブラヤシ)、ココヤシ、サラク、オオミヤシの椰子殻を挙げることができる。これらの椰子殻は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。食品、洗剤原料、バイオディーゼル油原料等として利用され、大量に発生するバイオマス廃棄物である、ココヤシおよびパームヤシの椰子殻が特に好ましい。 The coconut shell is not particularly limited, and examples thereof include palm husks of palm palm (oil palm), coconut palm, salak, and Lodoicea palm. These palm shells can be used alone or in combination of two or more. Coconut and palm palm husks, which are used as raw materials for foods, detergents, biodiesel oils and the like and generate a large amount of biomass waste, are particularly preferable.

植物原料からチャーを製造する方法は特に限定されず、例えば植物原料を、300℃以上の不活性ガス雰囲気下で熱処理(乾留)することによって製造することができる。チャー(例えば、椰子殻チャー)の形態で直接に入手することも可能である。 The method for producing char from the plant raw material is not particularly limited, and for example, the plant raw material can be produced by heat treatment (dry distillation) in an atmosphere of an inert gas at 300 ° C. or higher. It can also be obtained directly in the form of char (eg, palm shell char).

植物由来のチャーを粉砕することによって得られる、粉砕された植物由来のチャー(以下において「粉砕チャー」とも称する)を使用してもよい。粉砕工程において得られる粉砕チャーの比表面積は、好ましくは100~800m/gであり、より好ましくは200~700m/gであり、さらに好ましくは200~600m/gである。上記範囲の比表面積を有する粉砕チャーが得られるように粉砕工程を行うことが好ましい。粉砕チャーの比表面積が上記下限以上であると、炭素質材料の微細孔が低減され、炭素質材料の吸湿性を低下させることができる。炭素質材料に水分が存在すると、電解液の加水分解に伴う酸の発生や水の電気分解によるガスの発生が問題を引き起こすことがあり、また、空気雰囲気下で炭素質材料の酸化が進み、電池性能が大きく変化することもある。粉砕チャーの比表面積が上記上限以下であると、得られる炭素質材料の比表面積が後述する範囲内となり易く、その結果、抵抗が低くなり、また非水電解質二次電池のリチウムイオンの利用効率を向上させることが容易となる。なお、本明細書において、比表面積はBET法(窒素吸着BET多点法)により定まる比表面積(BET比表面積)を意味する。具体的には後述する方法を用いて測定することができる。 A crushed plant-derived char (hereinafter also referred to as "crushed char") obtained by crushing a plant-derived char may be used. The specific surface area of the pulverized char obtained in the pulverization step is preferably 100 to 800 m 2 / g, more preferably 200 to 700 m 2 / g, and further preferably 200 to 600 m 2 / g. It is preferable to carry out the pulverization step so as to obtain a pulverized char having a specific surface area in the above range. When the specific surface area of the crushed char is at least the above lower limit, the micropores of the carbonaceous material are reduced, and the hygroscopicity of the carbonaceous material can be reduced. The presence of water in the carbonaceous material can cause problems due to the generation of acid due to the hydrolysis of the electrolytic solution and the generation of gas due to the electrolysis of water, and the oxidation of the carbonaceous material progresses in an air atmosphere. Battery performance may change significantly. When the specific surface area of the crushed char is not more than the above upper limit, the specific surface area of the obtained carbonaceous material tends to be within the range described later, and as a result, the resistance is lowered and the utilization efficiency of lithium ions in the non-aqueous electrolyte secondary battery is high. It becomes easy to improve. In the present specification, the specific surface area means the specific surface area (BET specific surface area) determined by the BET method (nitrogen adsorption BET multipoint method). Specifically, it can be measured by using the method described later.

粉砕チャーを使用する場合、粉砕チャーの平均粒子径(D50)が2~100μmの範囲になるように植物由来のチャーを粉砕することが、後述するアルカリ添着および気相脱灰時の均一性の観点から好ましい。平均粒子径が2μm以上であると、気相脱灰時に微粉が炉内に飛散しにくく、生成する炭素質材料の回収率に優れ、さらに装置負荷を抑えることができる。一方、平均粒子径が100μm以下であると、ハロゲン化合物との接触が容易になり、脱灰効率上昇や賦活効果向上につながり、熱処理時に植物由来チャーから発生する気体を除去しやすい。このような観点から、粉砕チャーの平均粒子径は、より好ましくは80μm以下、さらに好ましくは60μm以下、特に好ましくは40μm以下、極めて好ましくは30μm以下、最も好ましくは20μm以下である。また、粉砕チャーの平均粒子径は、より好ましくは3μm以上、さらに好ましくは4μm以上、特に好ましくは5μm以上、極めて好ましくは6μm以上である。なお、D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、例えば粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル(株)製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いたレーザー散乱法により粒度分布を測定することにより求めることができる。 When a crushed char is used, crushing the plant-derived char so that the average particle size (D 50 ) of the crushed char is in the range of 2 to 100 μm is uniform during alkali imposition and vapor phase decalcification, which will be described later. It is preferable from the viewpoint of. When the average particle size is 2 μm or more, fine powder is less likely to be scattered in the furnace during gas phase decalcification, the recovery rate of the carbonaceous material produced is excellent, and the load on the apparatus can be suppressed. On the other hand, when the average particle size is 100 μm or less, the contact with the halogen compound becomes easy, which leads to an increase in decalcification efficiency and an improvement in the activation effect, and it is easy to remove the gas generated from the plant-derived char during the heat treatment. From such a viewpoint, the average particle size of the pulverized char is more preferably 80 μm or less, further preferably 60 μm or less, particularly preferably 40 μm or less, extremely preferably 30 μm or less, and most preferably 20 μm or less. The average particle size of the pulverized char is more preferably 3 μm or more, further preferably 4 μm or more, particularly preferably 5 μm or more, and extremely preferably 6 μm or more. Note that D 50 is a particle size having a cumulative volume of 50%, and is, for example, a particle size distribution by a laser scattering method using a particle size / particle size distribution measuring device (“Microtrack MT3300EXII” manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.). Can be obtained by measuring.

粉砕に用いる粉砕装置は特に限定されるものではなく、例えばジェットミル、ボールミル、ビーズミル、ハンマーミル、またはロッドミルなどを使用することができる。粉砕の効率から、ボールミル、ビーズミルのような粉砕メディア共存下に粉砕する方式が好ましく、設備的負荷の観点からは、ボールミルの使用が好ましい。 The crushing device used for crushing is not particularly limited, and for example, a jet mill, a ball mill, a bead mill, a hammer mill, a rod mill, or the like can be used. From the viewpoint of crushing efficiency, a method of crushing in the coexistence of crushing media such as a ball mill and a bead mill is preferable, and from the viewpoint of equipment load, the use of a ball mill is preferable.

植物由来のチャーを粉砕した後、必要に応じて粉砕チャーの分級を行ってもよい。分級を行うことにより、上記した比表面積および平均粒子径を有する粉砕チャーを得ることが容易となり、得られる炭素質材料の比表面積および平均粒子径をより正確に調整しやすい。植物由来のチャーを粉砕および分級した後の比表面積および平均粒子径が上記範囲内となることが好ましい。 After crushing the plant-derived char, the crushed char may be classified as needed. By classifying, it becomes easy to obtain a pulverized char having the above-mentioned specific surface area and average particle size, and it becomes easy to more accurately adjust the specific surface area and average particle size of the obtained carbonaceous material. It is preferable that the specific surface area and the average particle size after crushing and classifying the plant-derived char are within the above ranges.

分級方法は、特に制限されないが、例えば篩を用いた分級、湿式分級および乾式分級が挙げられる。湿式分級機としては、例えば重力分級、慣性分級、水力分級、遠心分級等の原理を利用した分級機が挙げられる。乾式分級機としては、沈降分級、機械的分級、遠心分級等の原理を利用した分級機が挙げられる。 The classification method is not particularly limited, and examples thereof include classification using a sieve, wet classification, and dry classification. Examples of the wet classifier include a classifier using principles such as gravity classification, inertial classification, hydraulic classification, and centrifugal classification. Examples of the dry classifier include a classifier using principles such as sedimentation classification, mechanical classification, and centrifugal classification.

粉砕および分級工程を1つの装置を用いて実施してもよい。例えば、乾式の分級機能を備えたジェットミルを用いて、粉砕と分級を実施することができる。さらに、粉砕機と分級機とが独立した装置を用いてもよい。この場合、粉砕と分級とを連続して行ってもよいし、不連続に行ってもよい。 The grinding and classification steps may be carried out using one device. For example, a jet mill equipped with a dry classification function can be used to perform pulverization and classification. Further, a device in which the crusher and the classifier are independent may be used. In this case, pulverization and classification may be performed continuously or discontinuously.

本発明の製造方法は、(1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中で1100~1300℃で熱処理し、気相脱灰チャーを得る気相脱灰工程を少なくとも含む。ここで、該ハロゲン化合物を含む不活性ガスの供給量は植物由来のチャー50gあたり14L/分以上である。植物由来のチャーをハロゲン化合物を含む不活性ガス気流下で熱処理する工程において、ハロゲン化合物による脱灰と賦活が行われると同時に、炭素質材料の焼成が行われる。 The production method of the present invention includes at least a vapor phase decalcification step of (1) heat-treating a plant-derived char at 1100 to 1300 ° C. in an inert gas atmosphere containing a halogen compound to obtain a vapor phase decalcification char. Here, the supply amount of the inert gas containing the halogen compound is 14 L / min or more per 50 g of plant-derived char. In the step of heat-treating a plant-derived char under an inert gas stream containing a halogen compound, decalcification and activation by the halogen compound are performed, and at the same time, calcining of a carbonaceous material is performed.

本発明の炭素質材料は上記の通り、植物に由来する。植物由来のチャーから製造された炭素質材料は、多量のLiイオンをドープ可能であることから、非水電解質二次電池の負極材料として基本的には適している。一方で、植物由来のチャーには、植物に含まれていた金属元素が多く含有されている。例えば、椰子殻チャーでは、カリウム元素を0.3%程度、カルシウム元素を0.03%程度含んでいる。このような金属元素を多く含んだ炭素質材料を負極として用いると、非水電解質二次電池の電気化学的な特性や安全性に好ましくない影響を与えることがある。 As mentioned above, the carbonaceous material of the present invention is derived from plants. A carbonaceous material produced from a plant-derived char is basically suitable as a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery because it can be doped with a large amount of Li ions. On the other hand, plant-derived char contains a large amount of metal elements contained in plants. For example, palm shell char contains about 0.3% of potassium element and about 0.03% of calcium element. When such a carbonaceous material containing a large amount of metal elements is used as the negative electrode, it may adversely affect the electrochemical characteristics and safety of the non-aqueous electrolyte secondary battery.

また、植物由来のチャーは、カリウム以外のアルカリ金属(例えば、ナトリウム)、アルカリ土類金属(例えば、マグネシウム、カルシウム)、遷移金属(例えば、鉄、銅)およびその他の金属類も含んでいる。炭素質材料がこれらの金属類を含むと、非水電解質二次電池の負極からの脱ドープ時に不純物が電解液中に溶出し、電池性能に好ましくない影響を与え、安全性を害する可能性がある。さらに、灰分により炭素質材料の細孔が閉塞され、電池の充放電容量に悪影響を及ぼすことがある。 Plant-derived chars also contain alkali metals other than potassium (eg, sodium), alkaline earth metals (eg, magnesium, calcium), transition metals (eg, iron, copper) and other metals. If the carbonaceous material contains these metals, impurities may elute into the electrolyte during dedoping from the negative electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery, adversely affecting the battery performance and impairing safety. be. Further, the ash content may block the pores of the carbonaceous material, which may adversely affect the charge / discharge capacity of the battery.

気相脱灰工程を行うことにより、非水電解質二次電池の電気化学的な特性や安全性に好ましくない影響を与え得るカリウム元素、カルシウム元素および鉄元素等を効率よく除去することができる。また、他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、さらには銅やニッケルなどの遷移金属を除去することが可能である。 By performing the vapor phase decalcification step, potassium element, calcium element, iron element and the like which may adversely affect the electrochemical characteristics and safety of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be efficiently removed. It is also possible to remove other alkali metals, alkaline earth metals, and transition metals such as copper and nickel.

気相脱灰工程において使用するハロゲン化合物は、特に限定されず、例えばフッ素、塩素およびヨウ素からなる群から選択される元素を含む少なくとも1種の化合物が挙げられ、具体的にはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、臭化ヨウ素、フッ化塩素(ClF)、塩化ヨウ素(ICl)、臭化ヨウ素(IBr)、塩化臭素(BrCl)等が挙げられる。熱分解によりこれらのハロゲン化合物を発生する化合物、またはこれらの混合物を用いることもできる。供給安定性および使用するハロゲン化合物の安定性の観点から、ハロゲン化合物は、好ましくは塩化水素または臭化水素であり、より好ましくは塩化水素である。 The halogen compound used in the vapor phase decalcification step is not particularly limited, and examples thereof include at least one compound containing an element selected from the group consisting of fluorine, chlorine and iodine, and specific examples thereof include fluorine, chlorine and the like. Examples thereof include bromine, iodine, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, iodine bromide, chlorine fluoride (ClF), iodine chloride (ICl), iodine bromide (IBr), bromine chloride (BrCl) and the like. Compounds that generate these halogen compounds by thermal decomposition, or mixtures thereof, can also be used. From the viewpoint of supply stability and stability of the halogen compound used, the halogen compound is preferably hydrogen chloride or hydrogen bromide, and more preferably hydrogen chloride.

気相脱灰工程において使用する不活性ガスは、上記熱処理の温度において植物由来のチャーを構成する炭素成分と反応しないガスであれば特に限定されず、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、またはそれらの混合ガスが挙げられる。供給安定性および経済性の観点から、不活性ガスは、好ましくは窒素である。不活性ガスに含まれる不純物ガス(特に酸素)の濃度は、低ければ低いほど好ましいが、通常許容される酸素濃度は、好ましくは0~2000ppm、より好ましくは0~1000ppmである。 The inert gas used in the gas phase decalcification step is not particularly limited as long as it is a gas that does not react with the carbon component constituting the plant-derived char at the temperature of the heat treatment, and is, for example, nitrogen, helium, argon, krypton, or. Examples thereof include a mixed gas thereof. From the viewpoint of supply stability and economy, the inert gas is preferably nitrogen. The lower the concentration of the impurity gas (particularly oxygen) contained in the inert gas, the more preferable, but the normally acceptable oxygen concentration is preferably 0 to 2000 ppm, more preferably 0 to 1000 ppm.

ハロゲン化合物と不活性ガスとの混合比は、十分な脱灰が達成される限り、特に限定されない。例えば、安全性、経済性および炭素中への残留性の観点から、不活性ガスに対するハロゲン化合物の量は、好ましくは0.01~10体積%であり、より好ましくは0.05~8体積%であり、さらにより好ましくは0.1~5体積%である。本発明の製造方法によれば、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中で気相脱灰工程を行うため、乾燥処理を行う必要がなく、工業的に有利である。また、本発明の製造方法によれば、ハロゲン化合物を含む不活性ガス気流下で気相脱灰工程を行うため、金属元素の削減だけでなく、炭素構造末端の水素元素および酸素元素を削減することができ、炭素質材料における活性部位を削減することができる。 The mixing ratio of the halogen compound and the inert gas is not particularly limited as long as sufficient decalcification is achieved. For example, from the viewpoint of safety, economy and persistence in carbon, the amount of the halogen compound with respect to the inert gas is preferably 0.01 to 10% by volume, more preferably 0.05 to 8% by volume. It is even more preferably 0.1 to 5% by volume. According to the production method of the present invention, since the gas phase decalcification step is performed in the atmosphere of an inert gas containing a halogen compound, it is not necessary to perform a drying treatment, which is industrially advantageous. Further, according to the production method of the present invention, since the gas phase decalcification step is performed under an inert gas stream containing a halogen compound, not only the reduction of metal elements but also the reduction of hydrogen elements and oxygen elements at the ends of the carbon structure is reduced. It can reduce the number of active sites in carbonaceous materials.

気相脱灰工程における熱処理温度は、原料である植物由来のチャーの種類等により変えてよいが、所望の炭素構造と脱灰効果を得る観点から、好ましくは1100~1300℃、より好ましくは1120~1250℃、さらにより好ましくは1150~1200℃である。熱処理温度が低すぎると、脱灰効率が低下し十分に脱灰できないことがある。また、ハロゲン化合物による賦活が十分に行われないことがある。一方、熱処理温度が高くなりすぎると、ハロゲン化合物による賦活効果よりも、熱収縮の効果が勝り、BET比表面積が過剰に小さくなるため好ましくない場合がある。 The heat treatment temperature in the vapor phase decalcification step may be changed depending on the type of plant-derived char as a raw material, but is preferably 1100 to 1300 ° C., more preferably 1120, from the viewpoint of obtaining a desired carbon structure and decalcification effect. It is ~ 1250 ° C, and even more preferably 1150-1200 ° C. If the heat treatment temperature is too low, the decalcification efficiency may decrease and sufficient decalcification may not be possible. In addition, activation with a halogen compound may not be sufficiently performed. On the other hand, if the heat treatment temperature becomes too high, the effect of heat shrinkage is superior to the effect of activation by the halogen compound, and the BET specific surface area becomes excessively small, which may not be preferable.

気相脱灰工程における熱処理時間は、特に限定されないが、反応設備の経済効率、炭素分の構造保持性の観点から、例えば5~300分であり、好ましくは10~200分であり、より好ましくは20~150分である。 The heat treatment time in the gas phase decalcification step is not particularly limited, but is, for example, 5 to 300 minutes, preferably 10 to 200 minutes, more preferably 10 to 200 minutes, from the viewpoint of economic efficiency of the reaction equipment and structural retention of carbon content. Is 20 to 150 minutes.

気相脱灰工程におけるハロゲン化合物を含む不活性ガス気流の供給量は、植物由来のチャー50gあたり好ましくは14L/分以上、より好ましくは15L/分以上、さらにより好ましくは16L/分以上である。上記の下限以上の供給量で熱処理を行うと、熱処理においてチャー自体から生じるガスを十分に除去し、上記の範囲の半値幅を有する炭素質材料を得やすいため好ましい。供給量の上限は、好ましくは25L/分以下であり、より好ましくは20L/分以下である。上記の上限以下の供給量で熱処理を行うと、ハロゲン化合物を植物由来のチャーに吸着させて金属元素と反応させやすく、十分な脱灰効果を得やすいため好ましい。 The supply amount of the inert gas stream containing the halogen compound in the gas phase decalcification step is preferably 14 L / min or more, more preferably 15 L / min or more, still more preferably 16 L / min or more per 50 g of plant-derived char. .. It is preferable to perform the heat treatment with a supply amount equal to or higher than the above lower limit because the gas generated from the char itself in the heat treatment can be sufficiently removed and a carbonaceous material having a half width in the above range can be easily obtained. The upper limit of the supply amount is preferably 25 L / min or less, and more preferably 20 L / min or less. When the heat treatment is performed with a supply amount equal to or less than the above upper limit, the halogen compound is easily adsorbed on the plant-derived char and reacted with the metal element, and a sufficient decalcification effect is easily obtained, which is preferable.

ここで、植物由来のチャーを高温で熱処理する際、チャー自体から一酸化炭素、水素等のガスが生じる。これらのガスは高い反応性を有するために、熱処理中に生じるガスとチャーとの反応を制御することは困難であった。例えば上記のように不活性ガスの供給量を多く(供給速度を早く)して熱処理を行うことにより、チャー自体から生じる反応性のガスを、チャーと反応する前に除去することが可能となる。そのため、より制御された炭素構造を有する炭素質材料を製造することができると考えられる。 Here, when the plant-derived char is heat-treated at a high temperature, gases such as carbon monoxide and hydrogen are generated from the char itself. Since these gases have high reactivity, it is difficult to control the reaction between the gas and the char generated during the heat treatment. For example, by performing the heat treatment by increasing the supply amount of the inert gas (increasing the supply rate) as described above, it becomes possible to remove the reactive gas generated from the char itself before reacting with the char. .. Therefore, it is considered that a carbonaceous material having a more controlled carbon structure can be produced.

なお、気相脱灰工程によって、カリウム、カルシウム、他のアルカリ金属、アルカリ土類金属および遷移金属などを効率よく除去できるメカニズムは明らかではないが、以下のように考えられる。植物由来のチャーに含まれているカリウムなどの金属が、チャー中に拡散したハロゲン化合物と反応し、金属ハロゲン化物(例えば、塩化物または臭化物)となる。そして生成された金属ハロゲン化物が、加熱により揮発(散逸)することにより、カリウムおよびカルシウムなどを脱灰できると考えられる。このような、チャー中へのハロゲン化物の拡散、反応による金属ハロゲン化物の生成メカニズムでは、気相でのハロゲン化物の高拡散により、効率よくカリウムおよびカルシウムなどを除去できると考えられるが、本発明は、前記の説明に限定されるものではない。 Although the mechanism by which potassium, calcium, other alkali metals, alkaline earth metals, transition metals, etc. can be efficiently removed by the vapor phase decalcification step is not clear, it is considered as follows. Metals such as potassium contained in plant-derived chars react with halogen compounds diffused in the chars to form metal halides (eg, chlorides or bromides). Then, it is considered that the produced metal halide can decalcify potassium, calcium and the like by volatilizing (dissipating) by heating. In such a mechanism of diffusion of a halide into char and formation of a metal halide by a reaction, it is considered that potassium, calcium and the like can be efficiently removed by high diffusion of the halide in the gas phase. Is not limited to the above description.

本発明において、前記気相脱灰工程の後に、さらにハロゲン化合物非存在下、不活性ガス雰囲気中で炭素質材料を加熱する工程(以下において「脱酸処理」ともいう)を行うことが好ましい。前記気相脱灰工程におけるハロゲン化合物との接触により、カルシウム元素等の金属元素を効率よく除去することができる。しかし、ハロゲン化合物との接触により、ハロゲンが炭素質材料中に含まれることになる。そのため、ハロゲン化合物非存在下で炭素質材料を加熱する脱酸処理を行うことが好ましく、かかる処理により炭素質材料に含まれているハロゲンを除去することができる。具体的には、脱酸処理は、ハロゲン化合物を含まない不活性ガス雰囲気中で通常800℃~1300℃で加熱することによって行うが、脱酸処理の温度は、気相脱灰工程における温度と同じか、またはそれよりも高い温度で行うことが好ましい。脱酸処理の温度は、好ましくは850~1300℃、より好ましくは900~1250℃、さらにより好ましくは1000~1200℃である。例えば、前記気相脱灰工程の後で、ハロゲン化合物の供給を遮断して熱処理を連続して行うことにより、脱酸処理を行うことができ、これにより、炭素質材料中のハロゲンを除去することができる。脱酸処理の時間は特に限定されず、好ましくは5分~300分であり、より好ましくは10分~200分であり、さらにより好ましくは20分~150分であり、最も好ましくは30分~100分である。 In the present invention, it is preferable to further perform a step of heating the carbonaceous material in an inert gas atmosphere (hereinafter, also referred to as “deoxidation treatment”) in the absence of the halogen compound after the vapor phase decalcification step. Metallic elements such as calcium element can be efficiently removed by contact with the halogen compound in the vapor phase decalcification step. However, contact with the halogen compound results in halogen being contained in the carbonaceous material. Therefore, it is preferable to perform a deoxidation treatment in which the carbonaceous material is heated in the absence of the halogen compound, and the halogen contained in the carbonaceous material can be removed by such treatment. Specifically, the deoxidizing treatment is usually carried out by heating at 800 ° C. to 1300 ° C. in an inert gas atmosphere containing no halogen compound, but the temperature of the deoxidizing treatment is the temperature in the gas phase decalcification step. It is preferable to carry out at the same or higher temperature. The temperature of the deoxidizing treatment is preferably 850 to 1300 ° C, more preferably 900 to 1250 ° C, and even more preferably 1000 to 1200 ° C. For example, after the vapor phase decalcification step, the deoxidation treatment can be performed by cutting off the supply of the halogen compound and continuously performing the heat treatment, thereby removing the halogen in the carbonaceous material. be able to. The time of the deoxidizing treatment is not particularly limited, and is preferably 5 minutes to 300 minutes, more preferably 10 minutes to 200 minutes, still more preferably 20 minutes to 150 minutes, and most preferably 30 minutes to 30 minutes. It's 100 minutes.

脱酸処理において使用される不活性ガスとしては、例えば、気相脱灰工程で使用されるガスが挙げられる。製造工程を簡素化する観点から、気相脱灰工程における不活性ガスと脱酸処理における不活性ガスは同一であることが好ましい。不活性ガスの供給量(流通量)は、限定されるものではないが、気相脱灰工程における不活性ガスの供給量と同一であることが、製造上の観点から好ましい。 Examples of the inert gas used in the deoxidizing treatment include the gas used in the gas phase decalcification step. From the viewpoint of simplifying the manufacturing process, it is preferable that the inert gas in the gas phase decalcification step and the inert gas in the deoxidizing treatment are the same. The supply amount (distribution amount) of the inert gas is not limited, but is preferably the same as the supply amount of the inert gas in the gas phase decalcification step from the viewpoint of production.

気相脱灰工程において熱処理に用いる装置は、植物由来のチャーとハロゲン化合物を含む不活性ガスとを混合しながら加熱できる装置であれば、特に限定されない。例えば、流動炉を用い、流動床等による連続式またはバッチ式の層内流通方式を用いることができる。 The apparatus used for the heat treatment in the vapor phase decalcification step is not particularly limited as long as it can heat while mixing the plant-derived char and the inert gas containing the halogen compound. For example, a fluidized bed can be used, and a continuous or batch type intra-layer distribution system using a fluidized bed or the like can be used.

本発明の製造方法は、前記気相脱灰工程(工程(1))の前に、(a)植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を添加し、アルカリ添着された植物由来のチャーを得るアルカリ添着工程をさらに含んでもよい。 In the production method of the present invention, before the vapor phase decalcification step (step (1)), (a) a compound containing an alkali metal element is added to a plant-derived char, and an alkali-impregnated plant-derived char is obtained. It may further include the resulting alkali imposition step.

アルカリ添着工程において、場合により粉砕された植物由来のチャーに、アルカリ金属元素を含む化合物を添加する。アルカリ添着工程を行うことにより、続く気相脱灰工程に至るまでの昇温過程において、アルカリ金属元素による炭素浸食が促進され、微細孔形成がもたらされる。具体的には、後述するメカニズムには限定されないが、アルカリ金属元素を含む化合物の融点付近の温度において添着させたアルカリ金属の植物由来のチャー内への拡散が開始され、500℃付近の温度でアルカリ金属元素を含む化合物における脱水反応や、アルカリ金属元素を含む化合物によるチャー炭素の浸食反応が開始され、さらにアルカリ金属元素の沸点付近の温度でアルカリ金属元素の揮発が起こると考えられる。アルカリ添着工程を行う場合、アルカリ添着前に植物由来のチャーを粉砕する上記粉砕工程を行うことが好ましい。 In the alkali imposition step, a compound containing an alkali metal element is added to a plant-derived char that has been crushed in some cases. By performing the alkali imposition step, carbon erosion by the alkali metal element is promoted in the temperature raising process up to the subsequent vapor phase decalcification step, and micropore formation is brought about. Specifically, although not limited to the mechanism described later, diffusion of the impregnated alkali metal into the plant-derived char is started at a temperature near the melting point of the compound containing an alkali metal element, and at a temperature of around 500 ° C. It is considered that the dehydration reaction in the compound containing the alkali metal element and the erosion reaction of the char carbon by the compound containing the alkali metal element are started, and the alkali metal element volatilizes at a temperature near the boiling point of the alkali metal element. When the alkaline impregnation step is performed, it is preferable to perform the above-mentioned pulverization step of pulverizing the plant-derived char before the alkaline impregnation.

アルカリ添着工程において、場合により粉砕された植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を添加し、アルカリ金属元素が添着されたチャー(以下において、「アルカリ添着チャー」とも称する)を得る。アルカリ金属元素を含む化合物とは、アルカリ金属元素(リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等)を含む化合物であり、例えば、アルカリ金属元素のハロゲン化物(フッ化物、塩化物、臭化物等)、水酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩が挙げられる。具体的には、アルカリ金属元素を含む化合物としては、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化ルビジウム、塩化セシウム、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸セシウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ルビジウム、炭酸水素セシウム等が挙げられる。なかでも、微細孔形成能および安全性の観点から、アルカリ金属元素を含む化合物はナトリウムまたはカリウムを含む化合物が好ましい。また、粉砕チャーとの親和性に優れる観点から、アルカリ金属元素を含む化合物はアルカリ金属元素の水酸化物、炭酸塩または炭酸水素塩が好ましい。上記の観点より、より好ましくはナトリウムまたはナトリウムの水酸化物または炭酸塩であり、さらに好ましくは水酸化ナトリウムまたは炭酸ナトリウムである。 In the alkali-impregnated step, a compound containing an alkali metal element is added to a plant-derived char that has been crushed in some cases to obtain a char (hereinafter, also referred to as “alkali-impregnated char”) impregnated with the alkali metal element. The compound containing an alkali metal element is a compound containing an alkali metal element (lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, etc.), and is, for example, a halide (fluoride, chloride, bromide, etc.) of the alkali metal element, water. Examples include oxides, carbonates and hydrogen carbonates. Specifically, as the compound containing an alkali metal element, lithium chloride, sodium chloride, potassium chloride, rubidium chloride, cesium chloride, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, carbonic acid Examples thereof include lithium, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, cesium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, rubidium hydrogen carbonate, cesium hydrogen carbonate and the like. Among them, the compound containing an alkali metal element is preferably a compound containing sodium or potassium from the viewpoint of fine pore forming ability and safety. Further, from the viewpoint of excellent affinity with the pulverized char, the compound containing the alkali metal element is preferably a hydroxide, carbonate or hydrogen carbonate of the alkali metal element. From the above viewpoint, sodium or sodium hydroxide or carbonate is more preferable, and sodium hydroxide or sodium carbonate is more preferable.

アルカリ金属元素を含む化合物を場合により粉砕された植物由来のチャーに添加する方法は特に限定されない。例えば、植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を乾式または湿式で添加してもよく、その後、混合することでアルカリ金属元素を含む化合物が担持されたアルカリ添着チャーを得ることができる。植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を均一に付着させやすい観点からは、湿式添加が好ましい。 The method of adding the compound containing an alkali metal element to the crushed plant-derived char is not particularly limited. For example, a compound containing an alkali metal element may be added to a plant-derived char in a dry or wet manner, and then mixed to obtain an alkali-impregnated char in which the compound containing the alkali metal element is carried. Wet addition is preferable from the viewpoint of making it easy to uniformly adhere the compound containing the alkali metal element to the plant-derived char.

乾式添加の場合、固体状のアルカリ金属元素を含む化合物を植物由来のチャーに添加し、混合することによって、アルカリ添着チャーを得ることができる。この場合、植物由来のチャーに対してアルカリ金属元素を含む化合物を均一に付着させる観点から、該化合物を粉末状で添加し、混合することが好ましい。 In the case of dry addition, an alkali-impregnated char can be obtained by adding a compound containing a solid alkali metal element to a plant-derived char and mixing the mixture. In this case, from the viewpoint of uniformly adhering the compound containing the alkali metal element to the plant-derived char, it is preferable to add the compound in the form of powder and mix them.

湿式添加の場合、溶媒にアルカリ金属元素を含む化合物を溶解させて溶液を調製し、次に、この溶液を場合により粉砕された植物由来のチャーに担持させる。担持に関して、溶液中に植物由来のチャーを浸漬させる、溶液を植物由来のチャーに散布(スプレー散布等)する、または溶液を植物由来のチャーに添加混合することによって、溶液を植物由来のチャーに担持させることができる。溶媒と植物由来のチャーの混合物に、固体状のアルカリ金属元素を含む化合物を添加して担持を行ってもよい。担持後、必要に応じて溶媒を蒸発させてもよい。かかる処理により、アルカリ添着チャーを得ることができる。溶媒は特に限定されないが、例えば水、アルコール溶媒(エタノール、メタノール、エチレングリコール、イソプロピルアルコール等)、エステル溶媒(酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル等)、エーテル溶媒(テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、1,4-ジオキサン等)、ケトン溶媒(アセトン、2-ブタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等)、脂肪族炭化水素溶媒(ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等)、芳香族炭化水素溶媒(トルエン、キシレン、メシチレン等)、ニトリル溶媒(アセトニトリル等)、および塩素化炭化水素溶媒(ジクロロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン等)、ならびにこれらの混合物が挙げられる。植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を均一に付着させるためには、溶媒と植物由来のチャーとの親和性を高めることが有効であるため、水、アルコール溶媒ならびにこれらの混合物が溶媒として好ましい。溶媒を蒸発させる方法は特に限定されないが、例えば、熱処理および減圧処理、ならびにこれらの組み合わせが挙げられる。熱処理の温度は、植物由来のチャーの酸化が生じ難い温度であればよく、溶媒の種類によって異なるが、好ましくは40~200℃、より好ましくは50~150℃、さらに好ましくは60~100℃である。 In the case of wet addition, a compound containing an alkali metal element is dissolved in a solvent to prepare a solution, and then the solution is carried on an optionally ground plant-derived char. Regarding carrying, the solution is made into a plant-derived char by immersing the plant-derived char in the solution, spraying the solution on the plant-derived char (spray spraying, etc.), or adding and mixing the solution to the plant-derived char. Can be carried. A compound containing a solid alkali metal element may be added to a mixture of a solvent and a plant-derived char to carry the support. After the carrier, the solvent may be evaporated if necessary. By such treatment, an alkaline impregnated char can be obtained. The solvent is not particularly limited, but is, for example, water, an alcohol solvent (ethanol, methanol, ethylene glycol, isopropyl alcohol, etc.), an ester solvent (ethyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, etc.), an ether solvent (tetratetraethan, 1,4). -Dioxane, etc.), Ketone solvent (acetone, 2-butanone, cyclopentanone, cyclohexanone, etc.), aliphatic hydrocarbon solvent (pentane, hexane, heptane, etc.), aromatic hydrocarbon solvent (toluene, xylene, mesitylen, etc.), Examples thereof include nitrile solvents (acetoyl, etc.), chlorinated hydrocarbon solvents (dimethane, chloroform, chlorobenzene, etc.), and mixtures thereof. Since it is effective to increase the affinity between the solvent and the plant-derived char in order to uniformly attach the compound containing the alkali metal element to the plant-derived char, water, an alcohol solvent and a mixture thereof are used as the solvent. preferable. The method for evaporating the solvent is not particularly limited, and examples thereof include heat treatment and decompression treatment, and combinations thereof. The temperature of the heat treatment may be a temperature at which oxidation of the plant-derived char is unlikely to occur, and varies depending on the type of solvent, but is preferably 40 to 200 ° C, more preferably 50 to 150 ° C, still more preferably 60 to 100 ° C. be.

場合により粉砕された植物由来のチャーに添着させるアルカリ金属元素を含む化合物の量(添着量)は、得られるアルカリ添着チャーの質量に対して、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上、さらに好ましくは3質量%以上、特に好ましくは5質量%以上、とりわけ好ましくは10質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは18質量%以下、さらに好ましくは17質量%以下、特に好ましくは16質量%以下、とりわけ好ましくは15質量%以下である。添着させるアルカリ金属元素を含む化合物の量が上記下限以上であると、後述する気相脱灰工程において微細孔形成を促進させることができる。添着させるアルカリ金属元素を含む化合物の量が上記上限以下であると、過剰な微細孔形成を抑制することができ、得られる炭素質材料を含む非水電解質二次電池は、高い充放電容量とともに、高い充放電効率を示し、さらに、低い抵抗を示すことが容易となる。 In some cases, the amount (impregnation amount) of the compound containing an alkali metal element to be adhered to the crushed plant-derived char is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1 with respect to the mass of the obtained alkali impregnated char. By mass or more, more preferably 3% by mass or more, particularly preferably 5% by mass or more, particularly preferably 10% by mass or more, preferably 20% by mass or less, more preferably 18% by mass or less, still more preferably 17% by mass. % Or less, particularly preferably 16% by mass or less, and particularly preferably 15% by mass or less. When the amount of the compound containing the alkali metal element to be impregnated is not more than the above lower limit, the formation of fine pores can be promoted in the gas phase decalcification step described later. When the amount of the compound containing the alkali metal element to be impregnated is not more than the above upper limit, excessive fine pore formation can be suppressed, and the obtained non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbonaceous material has a high charge / discharge capacity. , High charge / discharge efficiency, and easy to show low resistance.

アルカリ添着工程において得られるアルカリ添着チャーの平均粒子径(D50)は、好ましくは2~100μm、より好ましくは3~80μm、さらに好ましくは4~60μm、特に好ましくは4~40μm、とりわけ好ましくは5~30μm、非常に好ましくは6~20μm、最も好ましくは7~15μmである。アルカリ添着チャーの平均粒子径が上記下限以上であると、高い気流量で焼成を行っても粉体飛散を軽減できる。アルカリ添着チャーの平均粒子径が上記上限以下であると、添着したアルカリ化合物が気相脱灰工程にて除去されやすい。 The average particle size (D 50 ) of the alkali-impregnated char obtained in the alkali-impregnation step is preferably 2 to 100 μm, more preferably 3 to 80 μm, still more preferably 4 to 60 μm, particularly preferably 4 to 40 μm, and particularly preferably 5. It is ~ 30 μm, very preferably 6-20 μm, and most preferably 7-15 μm. When the average particle size of the alkaline impregnated char is at least the above lower limit, powder scattering can be reduced even if firing is performed at a high air flow rate. When the average particle size of the alkaline impregnated char is not more than the above upper limit, the impregnated alkaline compound is easily removed in the vapor phase decalcification step.

アルカリ添着工程において得られるアルカリ添着チャーの比表面積は、好ましくは100~800m/g、より好ましくは150~700m/g、さらに好ましくは200~600m/gである。アルカリ添着チャーの比表面積が上記下限以上であると、炭素質材料の微細孔が低減され、炭素質材料の吸湿性を低下させやすい。アルカリ添着チャーの比表面積が上記上限以下であると、得られる炭素質材料の比表面積が上記の範囲内となり易く、その結果、抵抗が低くなり、非水電解質二次電池のリチウムイオンの利用効率を向上させることが容易となる。なお、アルカリ添着チャーの平均粒子径および比表面積を粉砕および/または分級により調整してもよい。粉砕方法および分級方法としては、上記と同様の方法が挙げられる。アルカリ添着チャーの平均粒子径を調整する手段としては、アルカリ添着後の粉砕および分級の他に、アルカリ添着前に粉砕チャーの粒子径を粉砕および分級により調整することもあり得る。本明細書において、アルカリ添着チャーの比表面積はBET法(窒素吸着BET多点法)により測定することができる。 The specific surface area of the alkali-impregnated char obtained in the alkali-impregnated step is preferably 100 to 800 m 2 / g, more preferably 150 to 700 m 2 / g, and further preferably 200 to 600 m 2 / g. When the specific surface area of the alkaline impregnated char is at least the above lower limit, the micropores of the carbonaceous material are reduced, and the hygroscopicity of the carbonaceous material is likely to be lowered. When the specific surface area of the alkaline impregnated char is not more than the above upper limit, the specific surface area of the obtained carbonaceous material tends to be within the above range, and as a result, the resistance is lowered and the utilization efficiency of lithium ions in the non-aqueous electrolyte secondary battery is high. It becomes easy to improve. The average particle size and specific surface area of the alkaline impregnated char may be adjusted by pulverization and / or classification. Examples of the crushing method and the classification method include the same methods as described above. As a means for adjusting the average particle size of the alkaline impregnated char, in addition to the pulverization and classification after the alkaline impregnation, the particle size of the pulverized char may be adjusted by the pulverization and the classification before the alkaline impregnation. In the present specification, the specific surface area of the alkaline impregnated char can be measured by the BET method (nitrogen adsorption BET multipoint method).

アルカリ金属元素が炭素質材料に残存すると、非水二次電池の放電時にアルカリ金属元素が対極側に移動する結果、電池性能が劣化することがある。本発明の製造方法はアルカリ金属元素を含む化合物を除去する除去工程を含んでもよいが、本発明の製造方法が該除去工程を含まない場合であっても、得られる炭素質材料中のアルカリ金属元素の含有量を低く抑えることが可能である。この理由は明らかでないが、気相脱灰工程において導入されたハロゲン化合物とアルカリ金属元素とが反応することによって、比較的低い融点を有する反応物が生成し、気相脱灰工程における熱処理により揮発除去されたことが考えられる。本発明は、前記の説明に限定されるものではない。 If the alkali metal element remains in the carbonaceous material, the alkali metal element moves to the counter electrode side when the non-aqueous secondary battery is discharged, and as a result, the battery performance may deteriorate. The production method of the present invention may include a removal step of removing a compound containing an alkali metal element, but even when the production method of the present invention does not include the removal step, the alkali metal in the obtained carbonaceous material. It is possible to keep the element content low. The reason for this is not clear, but the reaction between the halogen compound introduced in the gas phase decalcification step and the alkali metal element produces a reactant having a relatively low melting point, which is volatilized by the heat treatment in the gas phase decalcification step. It is probable that it was removed. The present invention is not limited to the above description.

気相脱灰工程の前にアルカリ添着工程を行う場合、後述するメカニズムに何ら限定されないが、グラファイト構造の結晶末端にアルカリ金属が結合し、次いで、末端ラジカルが発生すると考えられる。その後、結晶末端間でラジカル同士が新たな結合を形成し、グラファイトの微結晶構造間に結合が形成されると考えられる。このような構造を有するために、続く気相脱灰工程において、結晶間の微細孔が保持されると考えられる。このことは、例えば、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値が大きいことから確認される。炭素質材料において、微細孔が保持されることにより、リチウムイオンが吸蔵されるサイトが多くなるため、充放電容量を高めやすくなる。 When the alkali imposition step is performed before the vapor phase decalcification step, it is considered that the alkali metal is bonded to the crystal terminal of the graphite structure and then the terminal radical is generated, although the mechanism is not limited to that described later. After that, it is considered that radicals form new bonds between the crystal ends and bonds are formed between the crystallite structures of graphite. Due to such a structure, it is considered that micropores between crystals are retained in the subsequent gas phase decalcification step. This is confirmed, for example, by the large half-value width of the peak near 1360 cm -1 in the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy. In carbonaceous materials, the retention of micropores increases the number of sites where lithium ions are occluded, which makes it easier to increase the charge / discharge capacity.

本発明の製造方法は、さらに、(2)前記気相脱灰チャーに、炭化水素化合物を用いるCVD処理を施す工程を含む。以下において、この工程をCVD処理工程とも称する。CVD処理とは、本明細書において、熱分解された炭化水素化合物で気相脱灰チャーを被覆する、化学的蒸着(CVD、Chemical Vapor Deposition)処理である。CVD処理の条件は、上記化学的蒸着が達成される限り特に限定されないが、例えば炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で500~1000℃で熱処理する方法により行ってよい。CVD処理工程において、例えば500~1000℃での熱処理によって炭化水素化合物が熱分解され、生じる熱分解物が気相脱灰チャーに添着し、気相脱灰チャーの表面を被覆する。これにより、以下のメカニズムに何ら限定されないが、気相脱灰チャーの細孔構造が変化し、リチウムイオンを貯蔵することができる微細孔を維持しつつ比表面積の低下がもたらされると考えられる。そのため、高い充放電容量を維持しつつ、充放電効率を高めることができると考えられる。また、CVD処理により、リチウムイオンの挿入を阻害し得る-OH基や-COOH基などのチャー表面の官能基が、熱分解された炭化水素化合物のラジカルと反応し、除去されると考えられる。そのため、炭素質材料における酸素元素含有量が低下し、充放電時の不可逆的な副反応が抑制されることにより、放電容量および充放電効率が向上すると考えられる。 The production method of the present invention further includes (2) a step of subjecting the vapor phase decalcification char to a CVD treatment using a hydrocarbon compound. Hereinafter, this step is also referred to as a CVD processing step. The CVD treatment, as used herein, is a chemical vapor deposition (CVD) treatment in which a pyrolyzed hydrocarbon compound is used to coat a vapor phase decalcified char. The conditions of the CVD treatment are not particularly limited as long as the above chemical vapor deposition is achieved, but may be carried out by, for example, a method of heat treatment at 500 to 1000 ° C. in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound. In the CVD treatment step, for example, the hydrocarbon compound is thermally decomposed by heat treatment at 500 to 1000 ° C., and the resulting thermal decomposition product adheres to the vapor phase decalcification char and covers the surface of the vapor phase decalcification char. It is considered that this changes the pore structure of the gas phase decalcification char, and leads to a decrease in specific surface area while maintaining micropores capable of storing lithium ions, although not limited to the following mechanism. Therefore, it is considered that the charge / discharge efficiency can be improved while maintaining a high charge / discharge capacity. Further, it is considered that the char surface functional groups such as -OH group and -COOH group, which can inhibit the insertion of lithium ions, react with the radicals of the thermally decomposed hydrocarbon compound and are removed by the CVD treatment. Therefore, it is considered that the oxygen element content in the carbonaceous material is lowered and the irreversible side reaction at the time of charging / discharging is suppressed, so that the discharging capacity and the charging / discharging efficiency are improved.

CVD処理工程において使用する炭化水素化合物は、主に炭素原子と水素原子から構成される化合物である。炭化水素化合物としては、例えば炭化水素系の熱可塑性樹脂、低分子有機炭化水素化合物等が挙げられる。CVD処理工程において、1種類の炭化水素化合物を使用してもよいし、2種以上の炭化水素化合物を組み合わせて使用してもよい。炭化水素化合物が主に炭素原子と水素原子から構成されるとは、炭化水素化合物における炭素原子と水素原子の合計量が、炭化水素化合物の全重量に基づいて、好ましくは75質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは85質量%以上である。 The hydrocarbon compound used in the CVD processing step is a compound mainly composed of a carbon atom and a hydrogen atom. Examples of the hydrocarbon compound include a hydrocarbon-based thermoplastic resin and a low-molecular-weight organic hydrocarbon compound. In the CVD treatment step, one kind of hydrocarbon compound may be used, or two or more kinds of hydrocarbon compounds may be used in combination. The fact that a hydrocarbon compound is mainly composed of carbon atoms and hydrogen atoms means that the total amount of carbon atoms and hydrogen atoms in the hydrocarbon compound is preferably 75% by mass or more based on the total weight of the hydrogen compound. It is preferably 80% by mass or more, more preferably 85% by mass or more.

炭化水素系の熱可塑性樹脂としては、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂等が挙げられる。オレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンとプロピレンのランダム共重合体、エチレンとプロピレンのブロック共重合体等が挙げられる。スチレン系樹脂としては、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、スチレンとアクリロニトリルの共重合体等が挙げられる。 Examples of the hydrocarbon-based thermoplastic resin include olefin-based resins and styrene-based resins. Examples of the olefin resin include polyethylene, polypropylene, a random copolymer of ethylene and propylene, and a block copolymer of ethylene and propylene. Examples of the styrene resin include polystyrene, poly (α-methylstyrene), and a copolymer of styrene and acrylonitrile.

低分子有機炭化水素化合物としては、例えば炭素数が1~20の炭化水素化合物が挙げられる。炭化水素化合物の炭素数は、好ましくは2~18、より好ましくは3~16である。炭化水素化合物は、飽和炭化水素化合物または不飽和炭化水素化合物でもよく、鎖状の炭化水素化合物でも、環式の炭化水素化合物でもよい。不飽和炭化水素化合物の場合、不飽和結合は二重結合でも三重結合でもよく、1分子に含まれる不飽和結合の数も特に限定されるものではない。例えば、鎖状の炭化水素化合物は、脂肪族炭化水素化合物であり、直鎖状または分枝状のアルカン、アルケン、またはアルキンを挙げることができる。環式の炭化水素化合物としては、脂環式炭化水素化合物(例えば、シクロアルカン、シクロアルケン、シクロアルキン)または芳香族炭化水素化合物を挙げることができる。具体的には、脂肪族炭化水素化合物としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセンまたはアセチレン等を挙げることができる。脂環式炭化水素化合物としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロプロパン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、デカリン、ノルボルネン、メチルシクロヘキサン、またはノルボルナジエン等を挙げることができる。さらに、芳香族炭化水素化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、ブチルベンゼン、スチレン、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-メチルスチレン、ビニルキシレン、p-tert-ブチルスチレン、エチルスチレン等の単環芳香族化合物、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等の3環~6環の縮合多環芳香族化合物を挙げることができるが、好ましくは縮合多環芳香族化合物、より好ましくはナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレンである。ここで、前記炭化水素化合物は、任意の置換基を有していてよい。置換基は特に限定されるものではないが、例えば炭素数1~4のアルキル基(好ましくは炭素数1~2のアルキル基)、炭素数2~4のアルケニル基(好ましくは炭素数2のアルケニル基)、炭素数3~8のシクロアルキル基(好ましくは炭素数3~6のシクロアルキル基)が挙げられる。 Examples of the low molecular weight organic hydrocarbon compound include hydrocarbon compounds having 1 to 20 carbon atoms. The hydrocarbon compound has preferably 2 to 18 carbon atoms, more preferably 3 to 16 carbon atoms. The hydrocarbon compound may be a saturated hydrocarbon compound or an unsaturated hydrocarbon compound, and may be a chain hydrocarbon compound or a cyclic hydrocarbon compound. In the case of an unsaturated hydrocarbon compound, the unsaturated bond may be a double bond or a triple bond, and the number of unsaturated bonds contained in one molecule is not particularly limited. For example, the chain hydrocarbon compound is an aliphatic hydrocarbon compound and may include linear or branched alkanes, alkenes, or alkynes. Examples of the cyclic hydrocarbon compound include an alicyclic hydrocarbon compound (for example, cycloalkane, cycloalkyne, cycloalkyne) or an aromatic hydrocarbon compound. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon compound include methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, octane, nonane, decane, ethylene, propylene, butene, pentene, hexene and acetylene. Examples of the alicyclic hydrocarbon compound include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptan, cyclooctane, cyclononane, cyclopropane, cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, cyclooctene, decalin, norbornen, methylcyclohexane, norbornadiene and the like. Further, examples of the aromatic hydrocarbon compound include benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene, butylbenzene, styrene, α-methylstyrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, vinylxylene and p-. Examples thereof include monocyclic aromatic compounds such as tert-butylstyrene and ethylstyrene, and 3- to 6-ring fused polycyclic aromatic compounds such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene, but condensed polycyclic aromatic compounds are preferable. Compounds, more preferably naphthalene, phenylene, anthracene or pyrene. Here, the hydrocarbon compound may have any substituent. The substituent is not particularly limited, but for example, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (preferably an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms) and an alkenyl group having 2 to 4 carbon atoms (preferably an alkenyl having 2 carbon atoms). Group), a cycloalkyl group having 3 to 8 carbon atoms (preferably a cycloalkyl group having 3 to 6 carbon atoms).

CVD処理工程において、炭化水素化合物を気体状態で連続的に供給することが、CVD処理を均一に行い、炭素質材料の所望の特性を得やすい観点から好ましい。CVD処理を行う温度で気体状態となる炭化水素化合物を用いるか、または、CVD処理の前工程において気体状態とした炭化水素化合物をCVD処理工程に供給して行ってもよい。例えば500~1000℃の温度で気体状態となる炭化水素化合物を用い、該温度で熱処理してCVD処理を行うことが、生産性および炭化水素化合物と気相脱灰チャーとの混合性の観点から好ましい。上記観点からは、炭化水素化合物の沸点は、CVD処理を行う温度以下であることが好ましい。 In the CVD treatment step, it is preferable to continuously supply the hydrocarbon compound in a gaseous state from the viewpoint of uniformly performing the CVD treatment and easily obtaining the desired characteristics of the carbonaceous material. A hydrocarbon compound that is in a gaseous state at the temperature at which the CVD treatment is performed may be used, or a hydrocarbon compound that is in a gaseous state in the pre-process of the CVD treatment may be supplied to the CVD processing step. For example, using a hydrocarbon compound that is in a gaseous state at a temperature of 500 to 1000 ° C. and heat-treating at that temperature to perform a CVD treatment is possible from the viewpoint of productivity and mixing of the hydrocarbon compound and the gas phase decalcification char. preferable. From the above viewpoint, the boiling point of the hydrocarbon compound is preferably equal to or lower than the temperature at which the CVD treatment is performed.

CVD処理工程は、好ましくは、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で行ってよい。CVD処理工程において使用する不活性ガスとしては、気相脱灰工程について上記に記載したものが挙げられる。気相脱灰工程(工程(1))とCVD処理工程(工程(2))で同じ不活性ガスを使用してもよいし、異なる不活性ガスを使用してもよい。製造工程を簡単にし製造効率を高める観点からは、気相脱灰工程とCVD処理工程とで同じ不活性ガスを使用することが好ましい。 The CVD treatment step may preferably be carried out in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound. Examples of the inert gas used in the CVD treatment step include those described above for the vapor phase decalcification step. The same inert gas may be used in the vapor phase decalcification step (step (1)) and the CVD treatment step (step (2)), or different inert gases may be used. From the viewpoint of simplifying the manufacturing process and increasing the manufacturing efficiency, it is preferable to use the same inert gas in the vapor phase decalcification step and the CVD treatment step.

CVD処理工程を、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で行う場合、炭化水素化合物と不活性ガスとの混合比は、特に限定されない。例えば、安全性、経済性および焼成炉内の汚染性の観点から、不活性ガスに対する炭化水素化合物の量は、好ましくは5~60体積%であり、より好ましくは10~50体積%であり、さらにより好ましくは15~45体積%である。炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う本実施態様の製造方法によれば、酸素を効率的に除去しやすい。 When the CVD treatment step is carried out in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound, the mixing ratio of the hydrocarbon compound and the inert gas is not particularly limited. For example, from the viewpoint of safety, economy and contamination in the firing furnace, the amount of the hydrocarbon compound with respect to the inert gas is preferably 5 to 60% by volume, more preferably 10 to 50% by volume. Even more preferably, it is 15 to 45% by volume. According to the production method of the present embodiment in which the heat treatment is performed in an atmosphere of an inert gas containing a hydrocarbon compound, oxygen can be easily removed efficiently.

CVD処理工程における熱処理温度は、原料である植物由来のチャーの種類や使用する炭化水素化合物の種類等により変えてよいが、所望の炭素構造を得る観点から、好ましくは500~1000℃、より好ましくは600~900℃、さらに好ましくは700~850℃である。熱処理温度が低すぎると、十分に酸素を除去することができない。一方、熱処理温度が高くなりすぎると、電池容量に寄与しない炭化水素化合物由来の炭素構造が多く付着し、電池容量を低下させる。 The heat treatment temperature in the CVD treatment step may be changed depending on the type of the plant-derived char as a raw material, the type of the hydrocarbon compound used, and the like, but is preferably 500 to 1000 ° C., more preferably from the viewpoint of obtaining a desired carbon structure. Is 600 to 900 ° C, more preferably 700 to 850 ° C. If the heat treatment temperature is too low, oxygen cannot be sufficiently removed. On the other hand, if the heat treatment temperature becomes too high, a large amount of carbon structure derived from a hydrocarbon compound that does not contribute to the battery capacity adheres, and the battery capacity is lowered.

CVD処理工程を、炭化水素化合物を含む不活性ガス雰囲気中で行う場合、炭化水素化合物を含む不活性ガス気流の供給量は、特に限定されないが、気相脱灰チャー50gあたり好ましくは0.1L/分以上、より好ましくは0.3L/分以上、さらにより好ましくは0.5L/分以上である。上記の下限以上の供給量で熱処理を行うと、均一に炭素被覆ができるため好ましい。供給量の上限は、好ましくは10L/分以下であり、より好ましくは5L/分以下である。上記の上限以下の供給量で熱処理を行うと、供給した炭化水素化合物が効率よく作用するため好ましい。 When the CVD treatment step is carried out in an inert gas atmosphere containing a hydrocarbon compound, the supply amount of the inert gas stream containing the hydrocarbon compound is not particularly limited, but is preferably 0.1 L per 50 g of gas phase decalcification char. It is / min or more, more preferably 0.3 L / min or more, and even more preferably 0.5 L / min or more. It is preferable to perform the heat treatment with a supply amount equal to or higher than the above lower limit because a uniform carbon coating can be obtained. The upper limit of the supply amount is preferably 10 L / min or less, and more preferably 5 L / min or less. It is preferable to perform the heat treatment with a supply amount equal to or less than the above upper limit because the supplied hydrocarbon compound acts efficiently.

本発明の炭素質材料、又は、本発明の製造方法により得られる炭素質材料は、非水電解質二次電池の負極活物質として好適に使用することができる。本発明はまた、本発明の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極も提供する。 The carbonaceous material of the present invention or the carbonaceous material obtained by the production method of the present invention can be suitably used as a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. The present invention also provides a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbonaceous material of the present invention.

以下において、本発明の非水電解質二次電池用の負極の製造方法を具体的に述べる。本発明の負極は、本発明の炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し、適当な溶媒を適量添加、混練し、電極合剤とした後に、金属板等からなる集電板に塗布・乾燥後、加圧成形することにより製造することができる。 Hereinafter, a method for manufacturing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be specifically described. The negative electrode of the present invention is prepared by adding a binder to the carbonaceous material of the present invention, adding an appropriate amount of an appropriate solvent, kneading the mixture to prepare an electrode mixture, and then applying the negative electrode to a current collector plate made of a metal plate or the like. After drying, it can be manufactured by pressure molding.

本発明の炭素質材料を用いることにより、導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極を製造することができる。さらに高い導電性を賦与することを目的として、必要に応じて電極合剤の調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブ等を用いることができる。導電助剤の添加量は、使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないことがあり、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなることがある。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5~10質量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100質量%とする)であり、さらにより好ましくは0.5~7質量%、特に好ましくは0.5~5質量%である。結合剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等の電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもPVDFは、活物質表面に付着したPVDFがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性が得られるため好ましい。PVDFを溶解し、スラリーを形成するために、N-メチルピロリドン(NMP)等の極性溶媒が好ましく用いられるが、SBR等の水性エマルジョンやCMCを水に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させることがある。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料の粒子相互間および集電材との結合が不十分になることがある。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、例えばPVDF系のバインダーでは好ましくは3~13質量%であり、より好ましくは3~10質量%である。一方、溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5~5質量%が好ましく、1~4質量%がより好ましい。 By using the carbonaceous material of the present invention, it is possible to produce an electrode having high conductivity without adding a conductive auxiliary agent. If necessary, a conductive auxiliary agent can be added at the time of preparation of the electrode mixture for the purpose of imparting higher conductivity. As the conductive auxiliary agent, conductive carbon black, vapor phase grown carbon fiber (VGCF), nanotubes and the like can be used. The amount of the conductive auxiliary agent added varies depending on the type of the conductive auxiliary agent used, but if the amount added is too small, the expected conductivity may not be obtained, and if it is too large, the dispersion in the electrode mixture is poor. May become. From this point of view, the preferable ratio of the conductive auxiliary agent to be added is 0.5 to 10% by mass (here, the amount of the active material (carbonaceous material) + the amount of the binder + the amount of the conductive auxiliary agent = 100% by mass). Yes, more preferably 0.5 to 7% by mass, and particularly preferably 0.5 to 5% by mass. The binder is not particularly limited as long as it does not react with an electrolytic solution such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, and a mixture of SBR (styrene butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose). Among them, PVDF is preferable because PVDF adhering to the surface of the active material does not hinder the movement of lithium ions and good input / output characteristics can be obtained. A polar solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) is preferably used to dissolve PVDF and form a slurry, but an aqueous emulsion such as SBR or CMC can also be used by dissolving it in water. If the amount of the binder added is too large, the resistance of the obtained electrode becomes large, so that the internal resistance of the battery becomes large and the battery characteristics may be deteriorated. Further, if the amount of the binder added is too small, the bonding between the particles of the negative electrode material and the current collecting material may be insufficient. The preferable amount of the binder added varies depending on the type of binder used, but for example, a PVDF-based binder is preferably 3 to 13% by mass, more preferably 3 to 10% by mass. On the other hand, in the binder using water as a solvent, a plurality of binders such as a mixture of SBR and CMC are often mixed and used, and the total amount of the total binder used is preferably 0.5 to 5% by mass. -4% by mass is more preferable.

電極活物質層は、基本的には集電板の両面に形成されるが、必要に応じて片面に形成されてもよい。電極活物質層が厚いほど、集電板やセパレータ等が少なくて済むため、高容量化には好ましい。しかし、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため、電極活物質層が厚すぎると入出力特性が低下することがある。活物質層(片面当たり)の厚みは、電池放電時の出力の観点から、好ましくは10~80μm、より好ましくは20~75μm、さらにより好ましくは30~75μmである。 The electrode active material layer is basically formed on both sides of the current collector plate, but may be formed on one side if necessary. The thicker the electrode active material layer, the smaller the number of current collector plates and separators, which is preferable for increasing the capacity. However, the wider the electrode area facing the counter electrode is, the more advantageous it is to improve the input / output characteristics. Therefore, if the electrode active material layer is too thick, the input / output characteristics may deteriorate. The thickness of the active material layer (per one side) is preferably 10 to 80 μm, more preferably 20 to 75 μm, and even more preferably 30 to 75 μm from the viewpoint of output when the battery is discharged.

本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池用負極を含む。本発明の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池は、高い充放電容量および充放電効率と、低い抵抗を有する。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes the negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention. The non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbonaceous material of the present invention has high charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency, and low resistance.

本発明の炭素質材料を用いて非水電解質二次電池用の負極を形成した場合、正極材料、セパレータ、および電解液などの電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。 When the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery is formed by using the carbonaceous material of the present invention, other materials constituting the battery such as a positive electrode material, a separator, and an electrolytic solution are not particularly limited and are non-aqueous. It is possible to use various materials conventionally used or proposed as a solvent secondary battery.

例えば、正極材料としては、層状酸化物系(LiMOと表されるもので、Mは金属:例えばLiCoO、LiNiO、LiMnO、またはLiNiCoMo(ここでx、y、zは組成比を表わす))、オリビン系(LiMPOで表され、Mは金属:例えばLiFePOなど)、スピネル系(LiMで表され、Mは金属:例えばLiMnなど)の複合金属カルコゲン化合物が好ましく、これらのカルコゲン化合物を必要に応じて混合して使用してもよい。これらの正極材料を適当なバインダーと電極に導電性を付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集電材上に層形成することにより正極が形成される。 For example, as the positive electrode material, a layered oxide system (represented as LiMO 2 and M is a metal: for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , or LiNi x Coy Mod O 2 (here x, y ). , Z represents the composition ratio)), olivine-based (represented by LiMPO 4 , M is a metal: eg LiFePO 4 ), spinel-based (represented by LiM 2 O 4 and M is represented by a metal: eg LiMn 2 O 4 ). ), The composite metal chalcogen compound is preferable, and these chalcogen compounds may be mixed and used as necessary. A positive electrode is formed by molding these positive electrode materials together with an appropriate binder and a carbon material for imparting conductivity to the electrodes and forming a layer on the conductive current collector.

これらの正極および負極と組み合わせて用いられる非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、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、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ-ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、または1,3-ジオキソラン等の有機溶媒を、一種または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、LiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiAsF、LiCl、LiBr、LiB(C、またはLiN(SOCF等が用いられる。 The non-aqueous solvent type electrolytic solution used in combination with these positive electrodes and negative electrodes is generally formed by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include organic solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, γ-butyl lactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, and 1,3-dioxolane. Can be used alone or in combination of two or more. As the electrolyte, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , or the like is used.

非水電解質二次電池は、一般に上記のようにして形成した正極と負極とを必要に応じて不織布、その他の多孔質材料等からなる透液性セパレータを介して対向させ、電解液中に浸漬させることにより形成される。セパレータとしては、二次電池に通常用いられる不織布、その他の多孔質材料からなる透過性セパレータを用いることができる。あるいはセパレータの代わりに、もしくはセパレータと一緒に、電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。 In a non-aqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode and a negative electrode formed as described above are generally opposed to each other via a liquid permeable separator made of a non-woven fabric, another porous material, or the like as necessary, and immersed in the electrolytic solution. It is formed by letting it. As the separator, a permeable separator made of a non-woven fabric or other porous material usually used for a secondary battery can be used. Alternatively, instead of the separator or together with the separator, a solid electrolyte composed of a polymer gel impregnated with an electrolytic solution can be used.

本発明の炭素質材料は、例えば自動車などの車両に搭載される電池(典型的には車両駆動用非水電解質二次電池)用炭素質材料として好適である。本発明において車両とは、通常、電動車両としてしられるものや、燃料電池や内燃機関とのハイブリッド車など、特に限定されることなく対象とすることができるが、少なくとも上記電池を備えた電源装置と、該電源装置からの電源供給により駆動する電動駆動機構と、これを制御する制御装置とを備える。車両は、さらに、発電ブレーキや回生ブレーキを備え、制動によるエネルギーを電気に変換して、前記非水電解質二次電池に充電する機構を備えていてもよい。 The carbonaceous material of the present invention is suitable as a carbonaceous material for a battery (typically, a non-aqueous electrolyte secondary battery for driving a vehicle) mounted on a vehicle such as an automobile. In the present invention, the vehicle can be a target without particular limitation, such as a vehicle usually as an electric vehicle, a hybrid vehicle with a fuel cell or an internal combustion engine, and the like, but at least a power supply device including the above battery. And an electric drive mechanism driven by power supply from the power supply device, and a control device for controlling the electric drive mechanism. The vehicle may further be provided with dynamic braking and regenerative braking, and may be provided with a mechanism for converting energy from braking into electricity to charge the non-aqueous electrolyte secondary battery.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。なお、以下に本発明の炭素質材料の物性値の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but these do not limit the scope of the present invention. The method for measuring the physical characteristic value of the carbonaceous material of the present invention is described below, but the physical characteristic value described in the present specification including the examples is based on the value obtained by the following method. ..

(ラマンスペクトル)
ラマン分光器(堀場製作所製「LabRAM ARAMIS(VIS)」)を用い、炭素質材料である測定対象粒子を観測台ステージ上にセットし、対物レンズの倍率を100倍とし、ピントを合わせ、アルゴンイオンレーザ光を照射しながら測定した。測定条件の詳細は以下のとおりである。実施例1と比較例1の炭素質材料を用いて作製した炭素電極のラマンスペクトルを、それぞれ図1および図2に示す。
アルゴンイオンレーザ光の波長:532nm
試料上のレーザーパワー:15mW
分解能:5-7cm-1
測定範囲:50-2000cm-1
露光時間:1秒
積算回数:100回
ピーク強度測定:ベースライン補正 Polynom-3次で自動補正
ピークサーチ&フィッテイング処理 GaussLoren
(Raman spectrum)
Using a Raman spectroscope (“LabRAM ARAMIS (VIS)” manufactured by HORIBA, Ltd.), the particle to be measured, which is a carbonaceous material, is set on the observation table stage, the magnification of the objective lens is set to 100 times, the focus is adjusted, and the argon ion. The measurement was performed while irradiating the laser beam. The details of the measurement conditions are as follows. Raman spectra of carbon electrodes prepared using the carbonaceous materials of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 1 and 2, respectively.
Wavelength of argon ion laser light: 532 nm
Laser power on sample: 15mW
Resolution: 5-7 cm -1
Measurement range: 50-2000 cm -1
Exposure time: 1 second Total number of times: 100 times Peak intensity measurement: Baseline correction Polynom-Automatic correction in 3rd order
Peak Search & Fitting Processing GaussLaren

(元素分析)
株式会社堀場製作所製、酸素・窒素・水素分析装置EMGA-930を用いて、不活性ガス溶解法に基づいて元素分析を行った。
当該装置の検出方法は、酸素:不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法(NDIR)、窒素:不活性ガス融解-熱伝導法(TCD)、水素:不活性ガス融解-非分散型赤外線吸収法(NDIR)であり、校正は、(酸素・窒素)Niカプセル、TiH(H標準試料)、SS-3(N、O標準試料)で行い、前処理として250℃、約10分で水分量を測定した試料20mgをNiカプセルに取り、元素分析装置内で30秒脱ガスした後に測定した。試験は3検体で分析し、平均値を分析値とした。
(Elemental analysis)
Elemental analysis was performed based on the inert gas dissolution method using the oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer EMGA-930 manufactured by Horiba Seisakusho Co., Ltd.
The detection method of the device is oxygen: inert gas melting-non-dispersive infrared absorption method (NDIR), nitrogen: inert gas melting-heat conduction method (TCD), hydrogen: inert gas melting-non-dispersive infrared absorption method. It is a method (NDIR), and calibration is performed with (oxygen / nitrogen) Ni capsule, TiH 2 (H standard sample), SS-3 (N, O standard sample), and the pretreatment is 250 ° C., moisture in about 10 minutes. 20 mg of the measured sample was taken in a Ni capsule, degassed in an element analyzer for 30 seconds, and then measured. The test was analyzed with 3 samples, and the average value was used as the analysis value.

(窒素吸着BET法による比表面積)
以下にBETの式から誘導された近似式を記す。

Figure 0007032857000001
(Specific surface area by nitrogen adsorption BET method)
The approximate expression derived from the BET equation is described below.
Figure 0007032857000001

上記の近似式を用いて、液体窒素温度における、窒素吸着による多点法により所定の相体圧(p/p)における実測される吸着量(v)を代入してvmを求め、次式により試料の比表面積を計算した。 Using the above approximation formula, substitute the measured adsorption amount (v) at a predetermined phase body pressure (p / p 0 ) by the multipoint method by nitrogen adsorption at the liquid nitrogen temperature to obtain v m , and then obtain v m. The specific surface area of the sample was calculated by the formula.

Figure 0007032857000002
Figure 0007032857000002

上記の式中、vmは試料表面に単分子層を形成するに必要な吸着量(cm/g)、vは実測される吸着量(cm/g)、pは飽和蒸気圧、pは絶対圧、cは定数(吸着熱を反映)、Nはアボガドロ数6.022×1023、a(nm)は吸着質分子が試料表面で占める面積(分子占有断面積)である。 In the above formula, v m is the adsorption amount (cm 3 / g) required to form a single molecule layer on the sample surface, v is the measured adsorption amount (cm 3 / g), and p 0 is the saturated vapor pressure. p is the absolute pressure, c is the constant (reflecting the heat of adsorption), N is the Avogadro number 6.022 × 10 23 , and a (nm 2 ) is the area occupied by the adsorbent molecule on the sample surface (molecular occupied cross-sectional area).

具体的には、カンタクローム社製「Autosorb-iQ-MP」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における植物由来のチャーまたは炭素質材料への窒素の吸着量を測定した。測定試料である植物由来のチャーまたは炭素質材料を試料管に充填し、試料管を-196℃に冷却した状態で、一旦減圧し、その後所望の相対圧にて測定試料に窒素(純度99.999%)を吸着させる。各所望の相対圧にて平衡圧に達した時の試料に吸着した窒素量を吸着ガス量vとした。 Specifically, using "Autosorb-iQ-MP" manufactured by Kantachrome, the amount of nitrogen adsorbed on plant-derived char or carbonaceous material at liquid nitrogen temperature was measured as follows. A plant-derived char or carbonaceous material as a measurement sample is filled in a sample tube, the sample tube is cooled to -196 ° C., the pressure is reduced once, and then nitrogen (purity 99.) is added to the measurement sample at a desired relative pressure. 999%) is adsorbed. The amount of nitrogen adsorbed on the sample when the equilibrium pressure was reached at each desired relative pressure was defined as the adsorbed gas amount v.

Li核-固体NMR)
後述する実施例および比較例で調製した炭素質材料94質量部、ポリフッ化ビニリデン6質量部に、N-メチル-2-ピロリドンを加えてペースト状物を得た。該ペースト状物を、フィルム上に均一な厚みで塗布し、乾燥、プレスした。得られたプレス物をフィルムから剥離させて、直径14mmの円板状に打ち抜き炭素電極を得、これを正極として用いた。負極として、厚さ0.2mmの金属リチウム薄膜を直径14mmの円板状に打ち抜いたものを用いた。電解液として、エチレングリコールジメチルエーテルとプロピレンカーボネートを容量比1:1で混合した混合溶媒に1モル/リットルの割合でLiClOを加えたものを用いた。セパレータとして、ポリプロピレン製微細孔膜を用いた。炭素電極と負極との間にセパレータを挟み、電解液を注入してコインセルを作製した。
( 7 Li nucleus-solid-state NMR)
N-Methyl-2-pyrrolidone was added to 94 parts by mass of the carbonaceous material and 6 parts by mass of polyvinylidene fluoride prepared in Examples and Comparative Examples described later to obtain a paste. The paste was applied onto a film to a uniform thickness, dried and pressed. The obtained pressed product was peeled off from the film to obtain a disk-shaped punched carbon electrode having a diameter of 14 mm, which was used as a positive electrode. As the negative electrode, a metal lithium thin film having a thickness of 0.2 mm was punched into a disk shape having a diameter of 14 mm. As the electrolytic solution, a mixed solvent in which ethylene glycol dimethyl ether and propylene carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 and LiClO 4 was added at a ratio of 1 mol / liter was used. A polypropylene fine pore film was used as the separator. A separator was sandwiched between the carbon electrode and the negative electrode, and an electrolytic solution was injected to prepare a coin cell.

作製したコインセルを用いて、電流密度0.2mA/cmの電気量で0mVに到達するまでドーピングし、その後、比容量が1000mAh/gになるまで充電することで、リチウムイオンが満充電状態となるまでドープされた炭素電極を得た。ドープ終了後にドープを2時間休止し、アルゴン雰囲気下で炭素電極を取り出し、電解液を拭き取り、得られた炭素電極を全てNMR用のサンプル管に充填した。 Using the produced coin cell, doping is performed with an electric current density of 0.2 mA / cm 2 until it reaches 0 mV, and then the lithium ion is fully charged by charging until the specific capacity reaches 1000 mAh / g. A carbon electrode doped until it was obtained was obtained. After the dope was completed, the dope was paused for 2 hours, the carbon electrode was taken out under an argon atmosphere, the electrolytic solution was wiped off, and all the obtained carbon electrodes were filled in a sample tube for NMR.

NMR分析は、核磁気共鳴装置(BRUKER製「AVANCE300」)を用い、MAS-Li-NMRの測定を行った。測定に際して、塩化リチウムを基準物質として用い、塩化リチウムのピークを0ppmに設定した。実施例1および比較例1の炭素質材料を用いて作製した炭素電極のNMRスペクトルを、それぞれ図3および図4に示す。 For NMR analysis, MAS- 7 Li-NMR was measured using a nuclear magnetic resonance apparatus (“AVANCE300” manufactured by BRUKER). In the measurement, lithium chloride was used as a reference substance, and the peak of lithium chloride was set to 0 ppm. The NMR spectra of the carbon electrodes prepared using the carbonaceous materials of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

(金属含有量)
カルシウム元素含有量およびカリウム元素含有量の測定方法は、例えば以下の方法により測定した。予め所定のカルシウム元素およびカリウム元素を含有する炭素試料を調製し、蛍光X線分析装置を用いて、カルシウムKα線の強度とカルシウム元素含有量との関係およびカリウムKα線の強度とカリウム元素含有量との関係に関する検量線を作成した。ついで試料について蛍光X線分析におけるカルシウムKα線およびカリウムKα線の強度を測定し、先に作成した検量線よりカルシウム元素含有量およびカリウム元素含有量を求めた。蛍光X線分析は、株式会社リガク製「ZSX Primus-μ」を用いて、以下の条件で行った。上部照射方式用ホルダーを用い、試料測定面積を直径30mmの円周内とした。被測定試料2.0gとポリマーバインダ2.0g(Chemplex社製 Spectro Blend 44μ Powder)を乳鉢で混合し、成形機に入れた。成形機に15tonの荷重を1分間かけて、直径40mmのペレットを作成した。作成したペレットをポリプロピレン製のフィルムで包み、試料ホルダーに設置して測定を行った。X線源は40kV、75mAに設定した。カルシウム元素については、分光結晶にLiF(200)、検出器にガスフロー型比例係数管を使用し、2θが110~116°の範囲を、走査速度30°/分で測定した。カリウム元素については、分光結晶にLiF(200)、検出器にガスフロー型比例係数管を使用し、2θが133~140°の範囲を、走査速度4°/分で測定した。
(Metal content)
The calcium element content and the potassium element content were measured by, for example, the following methods. A carbon sample containing a predetermined calcium element and potassium element is prepared in advance, and a relationship between the calcium Kα ray intensity and the calcium element content and the potassium Kα ray intensity and the potassium element content are prepared using a fluorescent X-ray analyzer. A calibration line was created for the relationship with. Then, the intensities of calcium Kα rays and potassium Kα rays in the fluorescent X-ray analysis of the sample were measured, and the calcium element content and the potassium element content were determined from the calibration curve prepared earlier. Fluorescent X-ray analysis was performed using "ZSX Primus-μ" manufactured by Rigaku Co., Ltd. under the following conditions. A holder for the upper irradiation method was used, and the sample measurement area was set within the circumference of a diameter of 30 mm. 2.0 g of the sample to be measured and 2.0 g of the polymer binder (Spectro Blend 44μ Powder manufactured by Chemplex) were mixed in a mortar and placed in a molding machine. A load of 15 tons was applied to the molding machine for 1 minute to prepare pellets having a diameter of 40 mm. The prepared pellets were wrapped in a polypropylene film and placed in a sample holder for measurement. The X-ray source was set to 40 kV and 75 mA. For the calcium element, LiF (200) was used for the spectral crystal and a gas flow type proportional coefficient tube was used for the detector, and the range of 2θ of 110 to 116 ° was measured at a scanning speed of 30 ° / min. For the potassium element, LiF (200) was used for the spectral crystal and a gas flow type proportional coefficient tube was used for the detector, and the range of 2θ of 133 to 140 ° was measured at a scanning speed of 4 ° / min.

(ヘリウム法による真密度ρHe
真密度ρHeは、JIS Z 8807に定められた方法に従い、ヘリウム法により測定した。具体的には次のようにして測定した。内容積約4.5cmの測定容器を洗浄し、十分に乾燥させた。ガス供給弁を有する試料室と排気弁とを有する膨張室とが接続弁により接続された装置を測定装置として用いた。試料室のガス供給弁を閉じ、測定容器を試料室へ入れた。ガス供給弁と接続弁を開き、試料室内に1分間、ヘリウムガスを流入することで、試料室と膨張室内をヘリウムガスで置換した。その後、排気弁と接続弁を閉じ、試料室内を18psiまで加圧してからガス供給弁を閉じ、圧力計により試料室内の圧力(p1C)を測定した。接続弁を開き、圧力計により試料室及び膨張室の圧力(p2C)を測定した。続いて、測定容器に体積標準物質を入れ、上記と同様の操作を繰り返し、ガスを導入した時の圧力(p1S)及び接続弁を開きガスを膨張させたときの圧力(p2S)を測定した。排気弁を開き、測定容器及び体積標準物質を取り出した。続いて、測定試料の重量を測定した後に、測定容器に入れた。上記と同様の操作を繰り返し、ガスを導入した時の圧力(p)及び接続弁を開きガスを膨張させたときの圧力(p)を測定した。真密度ρは、上記測定結果からJIS Z 8807に記載の計算式に従い、算出した。
(True density by helium method ρ He )
The true density ρ He was measured by the helium method according to the method specified in JIS Z 8807. Specifically, it was measured as follows. The measuring container having an internal volume of about 4.5 cm 3 was washed and sufficiently dried. A device in which a sample chamber having a gas supply valve and an expansion chamber having an exhaust valve were connected by a connecting valve was used as a measuring device. The gas supply valve in the sample chamber was closed and the measuring container was placed in the sample chamber. The gas supply valve and the connection valve were opened, and helium gas was allowed to flow into the sample chamber for 1 minute to replace the sample chamber and the expansion chamber with helium gas. Then, the exhaust valve and the connection valve were closed, the sample chamber was pressurized to 18 psi, the gas supply valve was closed, and the pressure (p 1C ) in the sample chamber was measured with a pressure gauge. The connection valve was opened and the pressure (p 2C ) in the sample chamber and the expansion chamber was measured with a pressure gauge. Then, put the volume standard substance in the measuring container, repeat the same operation as above, and measure the pressure when the gas is introduced (p 1S ) and the pressure when the connection valve is opened and the gas is expanded (p 2S ). did. The exhaust valve was opened and the measuring container and volume standard material were taken out. Subsequently, after measuring the weight of the measurement sample, it was placed in a measurement container. The same operation as above was repeated, and the pressure (p 1 ) when the gas was introduced and the pressure (p 2 ) when the gas was expanded by opening the connection valve were measured. The true density ρ was calculated from the above measurement results according to the calculation formula described in JIS Z 8807.

(ブタノール法による真密度ρBt
真密度ρBtは、JIS R 7212に定められた方法に従い、ブタノール法により測定した。具体的には次のようにして測定した。内容積約40mLの側管付比重びんの質量(m)を正確に量った。次に、その底部に試料を約10mmの厚さになるように平らに入れた後、その質量(m)を正確に量った。これに1-ブタノールを静かに加えて、底から20mm 程度の深さにした。次に比重びんに軽い振動を加えて、大きな気泡の発生がなくなったのを確かめた後、真空デシケーター中に入れ、徐々に排気して2.0~2.7kPaとした。その圧力に20分間以上保ち、気泡の発生が止まった後に、比重びんを取り出し、さらに1-ブタノールを満たし、栓をして恒温水槽(30±0.03℃に調節してあるもの)に15分間以上浸し、1-ブタノールの液面を標線に合わせた。次に、これを取り出して外部をよくぬぐって室温まで冷却した後、質量(m)を正確に量った。次に、同じ比重びんに1-ブタノールだけを満たし、前記と同じようにして恒温水槽に浸し、標線を合わせた後、質量(m)を量った。また使用直前に沸騰させて溶解した気体を除いた蒸留水を比重びんにとり、前記と同様に恒温水槽に浸し、標線を合わせた後、質量(m)を量った。真密度ρBtは次の式により計算した。このとき、dは水の30℃における比重(0.9946)である。

Figure 0007032857000003
(True density by butanol method ρ Bt )
The true density ρ Bt was measured by the butanol method according to the method specified in JIS R 7212. Specifically, it was measured as follows. The mass (m 1 ) of the specific gravity bottle with a side tube having an internal volume of about 40 mL was accurately measured. Next, the sample was placed flat on the bottom to a thickness of about 10 mm, and then its mass (m 2 ) was accurately weighed. 1-Butanol was gently added to this to a depth of about 20 mm from the bottom. Next, a light vibration was applied to the specific gravity bottle to confirm that the generation of large bubbles disappeared, and then the bottle was placed in a vacuum desiccator and gradually exhausted to 2.0 to 2.7 kPa. Keep the pressure at that pressure for 20 minutes or more, and after the generation of air bubbles has stopped, take out the specific gravity bottle, fill it with 1-butanol, plug it, and put it in a constant temperature water tank (adjusted to 30 ± 0.03 ° C). After soaking for more than a minute, the liquid level of 1-butanol was aligned with the marked line. Next, it was taken out, wiped well and cooled to room temperature, and then the mass (m 4 ) was accurately weighed. Next, the same density bottle was filled with only 1-butanol, immersed in a constant temperature water tank in the same manner as described above, marked with a line, and then weighed (m 3 ). Distilled water from which the gas dissolved by boiling immediately before use was removed was placed in a specific gravity bottle, immersed in a constant temperature water tank in the same manner as described above, aligned with the marked lines, and then weighed (m 5 ). The true density ρ Bt was calculated by the following formula. At this time, d is the specific gravity (0.9946) of water at 30 ° C.
Figure 0007032857000003

(レーザー散乱法による平均粒子径)
植物由来のチャーおよび炭素質材料の平均粒子径(粒度分布)は、以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業株式会社製「ToritonX100」)が5質量%含まれた水溶液に投入し、超音波洗浄器で10分以上処理し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いて行った。D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、この値を平均粒子径として用いた。
(Average particle size by laser scattering method)
The average particle size (particle size distribution) of plant-derived char and carbonaceous materials was measured by the following method. The sample was put into an aqueous solution containing 5% by mass of a surfactant (“Toriton X100” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes or more, and dispersed in the aqueous solution. The particle size distribution was measured using this dispersion. The particle size distribution measurement was performed using a particle size / particle size distribution measuring device (“Microtrack MT3300EXII” manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd.). D 50 is a particle diameter having a cumulative volume of 50%, and this value was used as the average particle diameter.

(吸湿量)
粒子径約5~50μmに粉砕した炭素材料10gをサンプル管に入れ、133Paの減圧下、120℃にて2時間事前乾燥し、50mmφのガラス製シャーレに移し、25℃、湿度50%の恒温恒湿槽にて、所定時間暴露した。サンプル1gを取り、カールフィッシャー(三菱化学アナリテック社製)にて、250℃に加熱し、窒素気流下に水分量を測定した。
(Hygroscopic amount)
10 g of carbon material crushed to a particle size of about 5 to 50 μm is placed in a sample tube, pre-dried at 120 ° C. for 2 hours under a reduced pressure of 133 Pa, transferred to a glass petri dish of 50 mmφ, and kept at a constant temperature of 25 ° C. and 50% humidity. It was exposed in a wet tank for a predetermined time. 1 g of a sample was taken, heated to 250 ° C. by Karl Fischer (manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech), and the water content was measured under a nitrogen stream.

(製造例1)
椰子殻を粉砕し、窒素ガス雰囲気下、500℃で乾留して、0.5~2.0mmの粒子径を有する椰子殻チャーを得た。BET多点法により求められる比表面積は390m/gであった。
(Manufacturing Example 1)
The coconut shell was pulverized and carbonized at 500 ° C. under a nitrogen gas atmosphere to obtain a coconut shell char having a particle size of 0.5 to 2.0 mm. The specific surface area obtained by the BET multipoint method was 390 m 2 / g.

(実施例1)
製造例1で得た椰子殻チャーを、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガス気流下、1200℃で60分間熱処理することにより気相脱灰処理を行った。塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガスの供給量は、椰子殻チャー50gあたり18L/分であった。その後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、1200℃で60分間熱処理することにより脱酸処理を行い、気相脱灰チャーを得た。脱酸処理における窒素ガスの供給量は、椰子殻チャー50gあたり18L/分であった。その後、ボールミルで粉砕することで、平均粒子径D50が9μmの気相脱灰チャーを得た。その後、ヘキサンを40体積%含む窒素ガス気流下、780℃で30分間熱処理することで、炭素質材料を得た。ヘキサンを40体積%含む窒素ガスの供給量は、気相脱灰チャー100gあたり1L/分であった。
(Example 1)
The coconut shell char obtained in Production Example 1 was heat-treated at 1200 ° C. for 60 minutes under a nitrogen gas stream containing 2% by volume of hydrogen chloride gas to perform a vapor phase decalcification treatment. The supply amount of nitrogen gas containing 2% by volume of hydrogen chloride gas was 18 L / min per 50 g of coconut shell char. Then, only the supply of hydrogen chloride gas was stopped, and heat treatment was performed at 1200 ° C. for 60 minutes to perform deoxidation treatment to obtain a vapor phase decalcification char. The amount of nitrogen gas supplied in the deoxidizing treatment was 18 L / min per 50 g of coconut shell char. Then, by pulverizing with a ball mill, a gas phase decalcification char having an average particle diameter D 50 of 9 μm was obtained. Then, a carbonaceous material was obtained by heat-treating at 780 ° C. for 30 minutes under a nitrogen gas stream containing 40% by volume of hexane. The supply amount of nitrogen gas containing 40% by volume of hexane was 1 L / min per 100 g of gas phase decalcification char.

(実施例2)
気相脱灰処理において、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガスに代えて塩化水素ガスを1体積%含む窒素ガスを使用し、塩化水素ガスを1体積%含む窒素ガスの供給量を、椰子殻チャー50gあたり16L/分としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Example 2)
In the gas phase decalcification treatment, nitrogen gas containing 1% by volume of hydrogen chloride gas is used instead of nitrogen gas containing 2% by volume of hydrogen chloride gas, and the supply amount of nitrogen gas containing 1% by volume of hydrogen chloride gas is coconut palm. A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the volume was 16 L / min per 50 g of shell char.

(実施例3)
気相脱灰処理において、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガス気流下、1200℃で60分間熱処理を行ったことに代えて、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガス気流下、1150℃で70分間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Example 3)
In the gas phase decalcification treatment, instead of performing the heat treatment at 1200 ° C. for 60 minutes under a nitrogen gas stream containing 2% by volume of hydrogen chloride gas, at 1150 ° C. under a nitrogen gas stream containing 2% by volume of hydrogen chloride gas. A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was performed for 70 minutes.

(実施例5)
気相脱灰処理において、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガス気流下、1200℃で60分間熱処理を行ったことに代えて、塩化水素ガスを1体積%含む窒素ガス気流下、1150℃で70分間熱処理を行ったこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Example 5)
In the gas phase decalcification treatment, instead of performing the heat treatment at 1200 ° C. for 60 minutes under a nitrogen gas stream containing 2% by volume of hydrogen chloride gas, at 1150 ° C. under a nitrogen gas stream containing 1% by volume of hydrogen chloride gas. A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was performed for 70 minutes.

(比較例1)
ヘキサンを40体積%含む窒素ガス気流下での熱処理を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 1)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was not performed under a nitrogen gas stream containing 40% by volume of hexane.

(比較例3)
ヘキサンを40体積%含む窒素ガス気流下での熱処理を行わなかったこと以外は実施例3と同様にして、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 3)
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 3 except that the heat treatment was not performed under a nitrogen gas stream containing 40% by volume of hexane.

(比較例4)
気相脱灰処理において、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガスの供給量を、椰子殻チャー50gあたり10L/分としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 4)
In the gas phase decalcification treatment, a carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the supply amount of nitrogen gas containing 2% by volume of hydrogen chloride gas was 10 L / min per 50 g of coconut shell char.

(比較例5)
気相脱灰処理において、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガスの供給量を、椰子殻チャー50gあたり10L/分とし、ヘキサンを40体積%含む窒素ガス気流下での熱処理温度を、1000℃としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 5)
In the gas phase decalcification treatment, the supply amount of nitrogen gas containing 2% by volume of hydrogen chloride gas was set to 10 L / min per 50 g of coconut shell char, and the heat treatment temperature under a nitrogen gas stream containing 40% by volume of hexane was set to 1000 ° C. A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 1 except that.

(比較例7)
気相脱灰処理において、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガスの供給量を、椰子殻チャー50gあたり10L/分とし、気相脱灰処理および脱酸処理の温度を900℃としたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。
(Comparative Example 7)
Except for the fact that in the gas phase decalcification treatment, the supply amount of nitrogen gas containing 2% by volume of hydrogen chloride gas was 10 L / min per 50 g of coconut shell char, and the temperature of the gas phase decalcification treatment and deoxidation treatment was 900 ° C. Obtained a carbonaceous material in the same manner as in Example 1.

(比較例8)
製造例1で得た椰子殻チャーを、塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガス気流下、870℃で60分間熱処理することにより気相脱灰処理を行った。塩化水素ガスを2体積%含む窒素ガスの供給量は、椰子殻チャー50gあたり10L/分であった。その後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、870℃で60分間熱処理することにより脱酸処理を行い、炭素質材料を得た。脱酸処理における窒素ガスの供給量は、椰子殻チャー50gあたり10L/分であった。その後、ジェットミルで粉砕することで、平均粒子径D50が5μmの粉体を得た。さらに、炭素質原料と有機材料として平均粒子径0.3mmのポリスチレン粒子とを混合し、窒素雰囲気下1320℃で30分間焼成し、粒子状の炭素質材料を得た。炭素質原料と有機質材料との混合比は質量基準で10:1とした。
(Comparative Example 8)
The coconut shell char obtained in Production Example 1 was heat-treated at 870 ° C. for 60 minutes under a nitrogen gas stream containing 2% by volume of hydrogen chloride gas to perform a vapor phase decalcification treatment. The supply amount of nitrogen gas containing 2% by volume of hydrogen chloride gas was 10 L / min per 50 g of coconut shell char. Then, only the supply of hydrogen chloride gas was stopped, and heat treatment was performed at 870 ° C. for 60 minutes to perform deoxidation treatment to obtain a carbonaceous material. The amount of nitrogen gas supplied in the deoxidizing treatment was 10 L / min per 50 g of coconut shell char. Then, by pulverizing with a jet mill, a powder having an average particle diameter D 50 of 5 μm was obtained. Further, the carbonaceous raw material and polystyrene particles having an average particle diameter of 0.3 mm were mixed as an organic material and fired at 1320 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a particulate carbonaceous material. The mixing ratio of the carbonaceous raw material and the organic material was 10: 1 on a mass basis.

実施例1~3、5および比較例1、3~5、7、8で得た炭素質材料の物性を表1に示す。

Figure 0007032857000004
Table 1 shows the physical characteristics of the carbonaceous materials obtained in Examples 1 to 3 , 5 and Comparative Examples 1, 3 to 5 , 7, and 8.
Figure 0007032857000004

(電極の作製方法)
実施例1~3、5および比較例1、3~5、7、8で得た炭素質材料をそれぞれ用いて、以下の手順に従って負極の作製を行った。
炭素質材料96質量部、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)4質量部およびNMP(N-メチルピロリドン)90質量部を混合し、スラリーを得た。厚さ14μmの銅箔に、得られたスラリーを塗布し、乾燥後プレスして、厚さ75μmの電極を得た。得られた電極の密度は、0.8~1.0g/cmであった。
(Method of manufacturing electrodes)
Using the carbonaceous materials obtained in Examples 1 to 3 and 5 and Comparative Examples 1 , 3 to 5 , 7 and 8, respectively, a negative electrode was prepared according to the following procedure.
96 parts by mass of carbonaceous material, 4 parts by mass of PVDF (polyvinylidene fluoride) and 90 parts by mass of NMP (N-methylpyrrolidone) were mixed to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 14 μm, dried, and pressed to obtain an electrode having a thickness of 75 μm. The density of the obtained electrodes was 0.8 to 1.0 g / cm 3 .

(インピーダンス)
上記で作成した電極を用いて、電気化学測定装置(ソーラトロン社製「1255WB型高性能電気化学測定システム」)を用い、25℃で、0Vを中心に10mVの振幅を与え、周波数10mHz~1MHzの周波数で定電圧交流インピーダンスを測定し、周波数1k、1、0.1Hzにおける実部抵抗をインピーダンス抵抗として測定した。
(Impedance)
Using the electrode created above, using an electrochemical measuring device (“1255WB type high-performance electrochemical measuring system” manufactured by Solartron), an amplitude of 10 mV centered on 0 V is applied at 25 ° C, and a frequency of 10 MHz to 1 MHz is applied. The constant voltage AC impedance was measured at the frequency, and the real resistance at frequencies 1k, 1 and 0.1 Hz was measured as the impedance resistance.

(直流抵抗値、電池初期容量および充放電効率)
上記で作製した電極を作用極とし、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、プロピレンカーボネートとエチレングリコールジメチルエーテルとを、体積比で1:1となるように混合して用いた。この溶媒に、LiClOを1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはポリプロピレン膜を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
上記構成のリチウム二次電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、初期充電前に直流抵抗値を測定後、充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。さらにリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量(mAh/g)を充電容量とした。次いで、活物質質量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量とした。放電容量/充電容量の百分率を充放電効率(初期の充放電効率)とし、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。得られた結果を表2に示す。
(DC resistance value, initial battery capacity and charge / discharge efficiency)
The electrode prepared above was used as the working electrode, and metallic lithium was used as the counter electrode and the reference electrode. As a solvent, propylene carbonate and ethylene glycol dimethyl ether were mixed and used so as to have a volume ratio of 1: 1. LiClO 4 was dissolved in this solvent at 1 mol / L and used as an electrolyte. A polypropylene film was used for the separator. A coin cell was made in a glove box under an argon atmosphere.
The lithium secondary battery having the above configuration was subjected to a charge / discharge test after measuring the DC resistance value before the initial charge using a charge / discharge test device (“TOSCAT” manufactured by Toyo System Co., Ltd.). Lithium was doped at a rate of 70 mA / g with respect to the mass of the active material, and doped until it reached 1 mV with respect to the lithium potential. Further, a constant voltage of 1 mV was applied to the lithium potential for 8 hours to complete the doping. The capacity (mAh / g) at this time was taken as the charge capacity. Next, dedoping was performed at a rate of 70 mA / g with respect to the mass of the active material until it reached 2.5 V with respect to the lithium potential, and the capacity discharged at this time was defined as the discharge capacity. The percentage of discharge capacity / charge capacity was used as the charge / discharge efficiency (initial charge / discharge efficiency), and was used as an index of the lithium ion utilization efficiency in the battery. The results obtained are shown in Table 2.

Figure 0007032857000005
Figure 0007032857000005

実施例1~3、5の炭素質材料を用いて作製した電池は、低い抵抗値を有すると共に、高い放電容量と良好な充放電効率を示した。一方で、所定の範囲の半値幅を有さないか、所定の範囲の酸素元素含有量を有さない比較例1、3~5、7、8の炭素質材料を用いて作製した電池では、十分に低い抵抗値が達成されず、放電容量や充放電効率が十分であるとはいえなかった。
The batteries prepared using the carbonaceous materials of Examples 1 to 3 and 5 had a low resistance value, and showed a high discharge capacity and a good charge / discharge efficiency. On the other hand, in the battery manufactured by using the carbonaceous materials of Comparative Examples 1, 3 to 5 , 7, and 8 which do not have a half width in a predetermined range or do not have an oxygen element content in a predetermined range. A sufficiently low resistance value was not achieved, and it could not be said that the discharge capacity and charge / discharge efficiency were sufficient.

Claims (11)

非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料であって、該炭素質材料は植物由来の炭素質材料であり、レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルの1360cm-1付近のピークの半値幅の値が240~280cm-1であり、元素分析により求めた酸素元素含有量が0.40重量%以下である、炭素質材料。 A carbonaceous material for the negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, which is a plant-derived carbonaceous material and has a peak near 1360 cm -1 in the Raman spectrum observed by laser Raman spectroscopy. A carbonaceous material having a half-price range value of 240 to 280 cm -1 and an oxygen element content determined by elemental analysis of 0.40% by weight or less. 元素分析により求めた水素元素含有量が0.10重量%以上であり、水素元素含有量と酸素元素含有量との比RH/O(水素元素含有量/酸素元素含有量)が0.30以上である、請求項1に記載の炭素質材料。 The hydrogen element content determined by elemental analysis is 0.10% by weight or more, and the ratio RH / O (hydrogen element content / oxygen element content) between the hydrogen element content and the oxygen element content is 0.30. The carbonaceous material according to claim 1, which is the above. ヘリウム法により求めた真密度が1.20~1.50g/cmであり、BET法により求めた比表面積が10m/g以下である、請求項1または2に記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to claim 1 or 2, wherein the true density determined by the helium method is 1.20 to 1.50 g / cm 3 , and the specific surface area determined by the BET method is 10 m 2 / g or less. カルシウム元素含有量が50ppm以下である、請求項1~3のいずれかに記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 3, wherein the calcium element content is 50 ppm or less. 前記炭素質材料に満充電状態となるまでリチウムをドープし、Li核-固体NMR分析を行ったとき、基準物質であるLiClの共鳴ピークに対して低磁場側に115~145ppmシフトした主共鳴ピークが観測される、請求項1~4のいずれかに記載の炭素質材料。 When the carbonaceous material was doped with lithium until it was fully charged and 7 Li nuclear-solid-state NMR analysis was performed, the main resonance was shifted to the low magnetic field side by 115 to 145 ppm with respect to the resonance peak of LiCl, which is the reference material. The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 4, wherein a peak is observed. ブタノール法により求めた真密度が1.35~1.50g/cmである、請求項1~5のいずれかに記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 5, wherein the true density determined by the butanol method is 1.35 to 1.50 g / cm 3 . 請求項1~6のいずれかに記載の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。 A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing the carbonaceous material according to any one of claims 1 to 6. 請求項7に記載の非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池。 The non-aqueous electrolyte secondary battery having the negative electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 7. (1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物不活性ガスを含む雰囲気中で1100~1300℃で熱処理し、気相脱灰チャーを得る気相脱灰工程、ここで、該ハロゲン化合物不活性ガスの供給量は植物由来のチャー50gあたり14L/分以上である、および
(2)前記気相脱灰チャーに、炭化水素化合物を用いるCVD処理を施す工程
を少なくとも含む、非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料の製造方法。
(1) A vapor phase decalcification step of heat-treating a plant-derived char at 1100 to 1300 ° C. in an atmosphere containing a halogen compound and an inert gas to obtain a vapor phase decalcification char, wherein the halogen compound and the inert gas are inert. The amount of gas supplied is 14 L / min or more per 50 g of plant-derived char, and (2) a non-aqueous electrolyte secondary battery including at least a step of subjecting the gas phase decalcified char to a CVD treatment using a hydrocarbon compound. A method for manufacturing a carbonaceous material for a negative electrode active material.
前記気相脱灰工程の前に、
(a)植物由来のチャーにアルカリ金属元素を含む化合物を添加し、アルカリ添着された植物由来のチャーを得るアルカリ添着工程
をさらに含む、請求項9に記載の炭素質材料の製造方法。
Before the gas phase decalcification step,
(A) The method for producing a carbonaceous material according to claim 9, further comprising an alkali imposition step of adding a compound containing an alkali metal element to a plant-derived char to obtain an alkali-impregnated plant-derived char.
前記気相脱灰工程の前に植物由来のチャーを粉砕する粉砕工程、および/または、前記気相脱灰工程の後に気相脱灰チャーを粉砕する粉砕工程をさらに含む、請求項9または10に記載の炭素質材料の製造方法。 9. The method for producing a carbonaceous material according to.
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