JP7152945B2 - Method for producing nanoparticle aggregate for negative electrode active material of lithium ion secondary battery - Google Patents

Method for producing nanoparticle aggregate for negative electrode active material of lithium ion secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の負極活物質に用いるためのナノ粒子集合体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a nanoparticle aggregate for use as a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries.

近年における電子機器の小型化や軽量化に伴い、二次電池の高容量化が求められるなか、電池内に多量の活物質を充填することを目的とした電極層の高密度化が試みられている。しかしながら、非水系電解液リチウムイオン二次電池においては、電極層を高密度化すると電極層内の空隙が減少して、電極の電解液保持能が低下するために、リチウムイオンの拡散速度の低下が生じて二次電池の充放電特性をも低下させてしまう。 In recent years, as electronic devices have become smaller and lighter, there has been a demand for higher capacity secondary batteries. there is However, in a non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery, when the electrode layer is densified, the voids in the electrode layer decrease, and the electrolyte retention capacity of the electrode decreases, resulting in a decrease in the diffusion rate of lithium ions. is generated, and the charge/discharge characteristics of the secondary battery are also deteriorated.

こうしたなか、酸化セリウムは、リチウムイオン二次電池の負極活物質として有効な程度にリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する能力を有すると共に、非水電解液の濡れ性に優れることから、圧密しても二次電池の充放電特性を低下させることが生じ難いため、かかる酸化セリウムを負極活物質として用いることにより、二次電池の高容量化を図ることが可能になる。 Under these circumstances, cerium oxide has the ability to reversibly absorb and release lithium ions to an extent that is effective as a negative electrode active material for lithium ion secondary batteries, and is excellent in wettability with non-aqueous electrolytes. Since the charge-discharge characteristics of the secondary battery are unlikely to be deteriorated even when the cerium oxide is used as the negative electrode active material, it is possible to increase the capacity of the secondary battery.

その一方、酸化セリウムは、リチウムイオンの吸蔵や放出の際、非常に大きな体積変化を伴うことから、サイクル特性の低下を招きやすい。これを改善すべく、例えば、非特許文献1には、中空の酸化セリウム粒子を用いることにより、充放電時の酸化セリウムの体積変化をその内部空隙で緩和させて、サイクル特性の劣化を抑制する技術が開示されている。また、該文献では、酸化セリウム粒子の平均粒径を28±2nmとして微粒子化を図ることにより、リチウムイオンの移動速度を確保する試みもなされている。 On the other hand, cerium oxide undergoes a very large change in volume when it absorbs or releases lithium ions, which tends to cause deterioration in cycle characteristics. In order to improve this, for example, in Non-Patent Document 1, by using hollow cerium oxide particles, the volume change of cerium oxide during charging and discharging is mitigated by the internal voids, thereby suppressing deterioration of cycle characteristics. Techniques are disclosed. Also, in this document, an attempt is made to ensure the movement speed of lithium ions by miniaturizing the cerium oxide particles with an average particle size of 28±2 nm.

Manickam Sasidharan,外3名,“CeO2 Hollow Nanospheres as Anode Material for Lithium Ion Batteries”Chemistry Letters、2012年、Vol.41、No.4、p.1-3Manickam Sasidharan, et al., "CeO2 Hollow Nanospheres as Anode Materials for Lithium Ion Batteries" Chemistry Letters, 2012, Vol. 41, No. 4, p. 1-3

しかしながら、上記非特許文献のFigure 2にも示されるとおり、微粒子化された酸化セリウムは容易に凝集するため、二次電池の負極層を形成した際、かかる酸化セリウムの凝集構造に由来する粗大化した粒子間空隙が負極層に内在してしまい、二次電池の高容量化を十分に達成することができない。 However, as shown in Figure 2 of the above non-patent document, finely divided cerium oxide easily aggregates, so when the negative electrode layer of a secondary battery is formed, coarsening due to the aggregation structure of such cerium oxide occurs. Such inter-particle voids are inherent in the negative electrode layer, making it impossible to sufficiently achieve a high capacity secondary battery.

したがって、本発明の課題は、酸化セリウムナノ粒子により構成されつつ、リチウムイオン二次電池の負極層を高密度化して体積エネルギー密度を有効に高め、優れた電池容量を発現することのできる、リチウムイオン二次電池の負極活物質に用いるためのナノ粒子集合体の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery that is composed of cerium oxide nanoparticles and that can effectively increase the volumetric energy density by increasing the density of the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery and exhibiting excellent battery capacity. An object of the present invention is to provide a method for producing a nanoparticle aggregate for use as a negative electrode active material of a secondary battery.

そこで本発明者らは、種々検討したところ、セリウム化合物とともにセルロースナノファイバーやリグノセルロースナノファイバーを用いて水熱反応に付す製造方法、或いは、さらに焼成を経る製造方法により、特異な形状を呈する酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体を得ることができ、これをリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いて負極を構築することにより、体積エネルギー密度を効果的に高められることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Therefore, the present inventors have made various studies, and found that a production method in which cellulose nanofibers or lignocellulose nanofibers are used together with a cerium compound and subjected to a hydrothermal reaction, or a production method in which further calcination is performed, oxidation exhibits a unique shape. It was found that a nanoparticle aggregate composed of cerium nanoparticles can be obtained, and that the volume energy density can be effectively increased by constructing a negative electrode using this as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. was completed.

すなわち、本発明は、平均外径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法であって、次の工程(I)~(II):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、及び
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法を提供するものである。
That is, the present invention provides a nanoparticle assembly for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, in which a large number of cerium oxide nanoparticles are arranged on the surface of cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average outer diameter of 50 nm or less. comprising the following steps (I) to (II):
(I) a step of dispersing cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm or less in a solvent to obtain a slurry (X); and (II) from the obtained slurry (X) and the cerium compound A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising a step of subjecting the prepared slurry (Y) to a hydrothermal reaction to obtain a nanoparticle aggregate composed of cerium oxide nanoparticles and cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers A method for producing a nanoparticle aggregate is provided.

また、本発明は、平均外径が50nm以下の炭素管状体の表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法であって、次の工程(I)~(III):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程、及び
(III)得られたナノ粒子集合体を乾燥後に焼成して、炭素管状体及び酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法を提供するものである。
The present invention also provides a method for producing a nanoparticle assembly for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, comprising a large number of cerium oxide nanoparticles arranged on the surface of a carbon tubular body having an average outer diameter of 50 nm or less, The following steps (I)-(III):
(I) dispersing cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm or less in a solvent to obtain a slurry (X);
(II) The obtained slurry (X) and the slurry (Y) prepared from the cerium compound are subjected to a hydrothermal reaction to obtain nanoparticle aggregates composed of cerium oxide nanoparticles and cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers. and (III) drying and then calcining the obtained nanoparticle aggregate to obtain a nanoparticle aggregate composed of carbon tubular bodies and cerium oxide nanoparticles. A method for producing a particle aggregate is provided.

本発明の製造方法によれば、セルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面において、或いは炭素管状体の表面において、セリウム酸化物のナノ粒子が多数配置してなる特異な形状を呈するナノ粒子集合体を得ることができ、これをリチウムイオン二次電池用負極活物質として用いることによって、セリウム酸化物の凝集を有効に抑制しつつ、体積エネルギー密度が高められた負極を構築することが可能となり、充放電特性に優れたリチウムイオン二次電池を実現することができる。 According to the production method of the present invention, on the surface of cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers, or on the surface of carbon tubular bodies, nanoparticles exhibiting a unique shape in which a large number of cerium oxide nanoparticles are arranged. It is possible to obtain an aggregate, and by using this as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, it is possible to construct a negative electrode with an increased volume energy density while effectively suppressing the aggregation of cerium oxide. As a result, a lithium ion secondary battery with excellent charge/discharge characteristics can be realized.

実施例1で得られたナノ粒子集合体(Z1-1)を示すTEM像である。1 is a TEM image showing a nanoparticle aggregate (Z1-1) obtained in Example 1. FIG.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法は、平均外径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体(Z1)の製造方法であって、次の工程(I)~(II):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、及び
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体(Z1)を得る工程
を備え、これを本発明の製造方法(Z1)と称する。
また、本発明のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法は、平均外径が50nm以下の炭素管状体の表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体(Z2)の製造方法であって、次の工程(I)~(III):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体(Z1)を得る工程、及び
(III)得られたナノ粒子集合体(Z1)を乾燥後に焼成して、炭素管状体及び酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体(Z2)を得る工程
を備え、これを本発明の製造方法(Z2)と称する。
The present invention will be described in detail below.
In the method for producing a nanoparticle assembly for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery of the present invention, a large number of cerium oxide nanoparticles are arranged on the surface of cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average outer diameter of 50 nm or less. A method for producing a nanoparticle aggregate (Z1) for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery comprising the following steps (I) to (II):
(I) a step of dispersing cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm or less in a solvent to obtain a slurry (X); and (II) from the obtained slurry (X) and the cerium compound A step of subjecting the prepared slurry (Y) to a hydrothermal reaction to obtain a nanoparticle aggregate (Z1) composed of cerium oxide nanoparticles and cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers, which is used in the production of the present invention This is called method (Z1).
In addition, the method for producing a nanoparticle assembly for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery in which a large number of cerium oxide nanoparticles are arranged on the surface of a carbon tubular body having an average outer diameter of 50 nm or less. A method for producing a nanoparticle aggregate (Z2) for a negative electrode active material of a next battery, comprising the following steps (I) to (III):
(I) dispersing cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm or less in a solvent to obtain a slurry (X);
(II) The obtained slurry (X) and the slurry (Y) prepared from the cerium compound are subjected to a hydrothermal reaction to obtain nanoparticle aggregates ( and (III) drying and then calcining the resulting nanoparticle aggregate (Z1) to obtain a nanoparticle aggregate (Z2) composed of carbon tubular bodies and cerium oxide nanoparticles, is called the manufacturing method (Z2) of the present invention.

すなわち、本発明の製造方法により得られるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体は、平均外径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z1)であるか、或いは平均外径が50nm以下の炭素管状体の表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z2)である。
以下、各々の製造方法について分説する。
That is, the nanoparticle aggregate for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery obtained by the production method of the present invention has cerium oxide nanoparticles on the surface of cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average outer diameter of 50 nm or less. is a nanoparticle assembly (Z1) in which a large number of are arranged, or a nanoparticle assembly (Z2) in which a large number of cerium oxide nanoparticles are arranged on the surface of a carbon tubular body having an average outer diameter of 50 nm or less. .
Each manufacturing method will be described below.

本発明の製造方法(Z1)により得られるナノ粒子集合体(Z1)は、平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー(a1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(a2)(以下、これらを「CNF(A)」とも総称する。)の表面に、多数の酸化セリウムナノ粒子(C)が配置してなる構造を有し、すなわちCNF(A)が軸となりつつ、これを取り巻くように多数の酸化セリウムナノ粒子(C)が連続して配置してなる構造を有し、外観的には、多数の酸化セリウムナノ粒子(C)が直線的に連続して配置してなる、串団子様又はトウモロコシ様の形状を呈している。 The nanoparticle aggregate (Z1) obtained by the production method (Z1) of the present invention includes cellulose nanofibers (a1) and/or lignocellulose nanofibers (a2) having an average fiber diameter of 50 nm or less (hereinafter referred to as "CNF (A)”) has a structure in which a large number of cerium oxide nanoparticles (C) are arranged on the surface of CNF (A). It has a structure in which the particles (C) are continuously arranged, and has a skewed dumpling-like or corn-like shape in appearance, in which a large number of cerium oxide nanoparticles (C) are linearly and continuously arranged. is presenting.

本発明の製造方法(Z1)が備える工程(I)は、平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー(a1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(a2)を溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程である。 In the step (I) provided in the production method (Z1) of the present invention, the cellulose nanofibers (a1) and/or lignocellulose nanofibers (a2) having an average fiber diameter of 50 nm or less are dispersed in a solvent to form a slurry (X). is the process of obtaining

セルロースナノファイバー(a1)は、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維である。また、リグノセルロースナノファイバー(a2)は、リグニンを除去する精製を行わずに得られたセルロースナノファイバーであって、セルロースナノファイバー(a1)がリグニンで被覆されてなるものである。
セルロースナノファイバー(a1)とリグノセルロースナノファイバー(a2)は、共に優れた水への分散性を有している。工程(I)では、これらセルロースナノファイバー(a1)及びリグノセルロースナノファイバー(a2)を一方のみ用いてもよく、双方併用してもよい。
Cellulose nanofiber (a1) is a skeletal component that accounts for about 50% of all plant cell walls, and is a lightweight, high-strength fiber that can be obtained by defibrating plant fibers that make up such cell walls to nanosize. be. Lignocellulose nanofibers (a2) are cellulose nanofibers obtained without purification to remove lignin, and are obtained by coating cellulose nanofibers (a1) with lignin.
Both cellulose nanofibers (a1) and lignocellulose nanofibers (a2) have excellent dispersibility in water. In step (I), either one of these cellulose nanofibers (a1) and lignocellulose nanofibers (a2) may be used, or both may be used in combination.

CNF(A)の平均繊維径は、50nm以下であって、好ましくは20nm以下であり、より好ましくは10nm以下である。下限値については特に制限はないが、通常1nm以上である。また、CNF(A)の平均長さは、負極の加工を効率的に行う観点から、好ましくは100nm~100μmであり、より好ましくは1μm~100μmであり、さらに好ましくは5μm~100μmである。 The average fiber diameter of CNF (A) is 50 nm or less, preferably 20 nm or less, and more preferably 10 nm or less. Although the lower limit is not particularly limited, it is usually 1 nm or more. In addition, the average length of CNF (A) is preferably 100 nm to 100 μm, more preferably 1 μm to 100 μm, still more preferably 5 μm to 100 μm, from the viewpoint of efficiently processing the negative electrode.

工程(I)で用いる溶媒としては、CNF(A)が良好な分散性を示す観点、及び取扱い性の観点から、水であるのが好ましい。また溶媒として水を用いることにより、例えば、後述する工程(II)における水熱反応に付す際にも、化学修飾や分散剤の添加を要することなく、得られたスラリー(X)をそのまま利用して、工程(II)を行うことができる。 As the solvent used in step (I), water is preferable from the viewpoint of good dispersibility of CNF (A) and from the viewpoint of handleability. Further, by using water as a solvent, the obtained slurry (X) can be used as it is without chemical modification or addition of a dispersant, even when subjected to a hydrothermal reaction in step (II) described later. Then, step (II) can be performed.

スラリー(X)中におけるCNF(A)の合計含有量は、スラリー(X)中の溶媒100質量部に対し、CNF(A)の炭素原子換算量で、好ましくは0.01質量部~50質量部であり、より好ましくは0.05質量部~40質量部である。
得られるスラリー(X)は、良好な分散状態を数日間保持するので、スラリー(X)を作り置きすることができる。適宜作り置きしたスラリー(X)を後述する工程(II)において用いる場合、CNF(A)の含有量を高めた高濃度スラリー(X)(マスターバッチ)とするのがよい。かかる高濃度スラリー(X)中におけるCNF(A)の合計含有量は、スラリー(X)中の溶媒100質量部に対し、CNF(A)の炭素原子換算量で、好ましくは5質量部~50質量部であり、より好ましくは8質量部~40質量部である。
なお、高濃度スラリー(X)を水で希釈してスラリー(X)とする場合、スラリー(X)を分散機(ホモジナイザー)で充分に撹拌してから用いればよい。かかる分散機としては、前記の離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が有効に使用できる。
The total content of CNF (A) in the slurry (X) is preferably 0.01 parts by mass to 50 parts by mass in terms of carbon atoms of CNF (A) with respect to 100 parts by mass of the solvent in the slurry (X). parts, more preferably 0.05 to 40 parts by mass.
The obtained slurry (X) maintains a good dispersion state for several days, so that the slurry (X) can be prepared in advance. When the slurry (X) prepared appropriately is used in step (II) described later, it is preferable to use a high-concentration slurry (X) (masterbatch) with an increased content of CNF (A). The total content of CNF (A) in the high-concentration slurry (X) is preferably 5 parts by mass to 50 parts by mass in terms of carbon atoms of CNF (A) with respect to 100 parts by mass of the solvent in the slurry (X). parts by mass, more preferably 8 to 40 parts by mass.
When the slurry (X) is obtained by diluting the high-concentration slurry (X) with water, the slurry (X) may be sufficiently stirred with a disperser (homogenizer) before use. Examples of such a disperser include the aforementioned disaggregator, beater, low-pressure homogenizer, high-pressure homogenizer, grinder, cutter mill, ball mill, jet mill, short-screw extruder, twin-screw extruder, ultrasonic stirrer, juicer mixer for home use, and the like. can be used effectively.

また、得られたスラリー(X)を、そのまま工程(II)において用いる場合、CNF(A)の合計含有量は、スラリー(X)中の溶媒100質量部に対し、CNF(A)の炭素原子換算量で、好ましくは0.01質量部~50質量部であり、より好ましくは0.05質量部~40質量部である。 In addition, when the resulting slurry (X) is used as it is in step (II), the total content of CNF (A) is the carbon atoms of CNF (A) with respect to 100 parts by mass of the solvent in slurry (X) The converted amount is preferably 0.01 to 50 parts by mass, more preferably 0.05 to 40 parts by mass.

スラリー(X)は、工程(II)に移行する前に、予め水熱反応に付すのがよい。この際、水熱反応に付す前にスラリー(X)を撹拌するのが好ましく、かかる攪拌には分散機(ホモジナイザー)を用いることが好ましい。かかる分散機としては、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が挙げられる。なかでも、CNF(A)の分散効率の観点から、超音波攪拌機が好ましい。 Slurry (X) is preferably subjected to a hydrothermal reaction in advance before proceeding to step (II). At this time, it is preferable to stir the slurry (X) before subjecting it to the hydrothermal reaction, and it is preferable to use a disperser (homogenizer) for such stirring. Such dispersers include, for example, disaggregators, beaters, low-pressure homogenizers, high-pressure homogenizers, grinders, cutter mills, ball mills, jet mills, short-screw extruders, twin-screw extruders, ultrasonic stirrers, household juicer mixers, and the like. mentioned. Among them, an ultrasonic stirrer is preferable from the viewpoint of dispersion efficiency of CNF (A).

工程(I)において、工程(II)に移行する前に、予めスラリー(X)を水熱反応に付す場合、かかる水熱反応中の温度は、100℃以上であればよく、100℃~160℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、100℃~160℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.1MPa~0.7MPaであるのが好ましく、120℃~160℃で反応を行う場合の圧力は0.2MPa~0.7MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は、0.1時間~12時間が好ましく、さらに0.2時間~6時間が好ましい。 In the step (I), when the slurry (X) is previously subjected to a hydrothermal reaction before proceeding to the step (II), the temperature during the hydrothermal reaction may be 100 ° C. or higher, and 100 ° C. to 160 ° C. °C is preferred. The hydrothermal reaction is preferably carried out in a pressure vessel, and when the reaction is carried out at 100°C to 160°C, the pressure at this time is preferably 0.1 MPa to 0.7 MPa, and the reaction is carried out at 120°C to 160°C. The pressure when carrying out is preferably 0.2 MPa to 0.7 MPa. The hydrothermal reaction time is preferably 0.1 to 12 hours, more preferably 0.2 to 6 hours.

CNF(A)は、スラリー(X)中において、不要に集結や沈降することなく各々単体で存在しつつ、良好に分散している。スラリー(X)中におけるCNF(A)の分散の程度は、例えば、UV・可視光分光装置を使用した光線透過率や、E型粘度計を使用した粘度で定量的に評価することができる。具体的には、例えば、溶媒100質量部に対し、炭素原子換算量で2質量部のCNF(A)を分散させたスラリー(X)は、E型粘度計により測定した25℃における粘度が500mPa・s~3000mPa・sの良好な分散状態を保持している。 The CNFs (A) are well dispersed in the slurry (X) while they are present as single substances without unnecessary aggregation or sedimentation. The degree of dispersion of CNF (A) in the slurry (X) can be quantitatively evaluated, for example, by light transmittance using a UV/visible light spectrometer or viscosity using an E-type viscometer. Specifically, for example, a slurry (X) in which 2 parts by mass of CNF (A) in terms of carbon atoms are dispersed in 100 parts by mass of the solvent has a viscosity of 500 mPa at 25 ° C. measured by an E-type viscometer.・It maintains a good dispersion state of s to 3000 mPa·s.

本発明の製造方法(Z1)が備える工程(II)は、得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー(a1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(a2)からなるナノ粒子集合体(Z1)を得る工程である。 The step (II) provided in the production method (Z1) of the present invention includes subjecting the obtained slurry (X) and the slurry (Y) prepared from the cerium compound to a hydrothermal reaction to obtain cerium oxide nanoparticles and cellulose nanofibers ( This is a step of obtaining nanoparticle aggregates (Z1) composed of a1) and/or lignocellulose nanofibers (a2).

工程(II)で用いるセリウム化合物としては、酸化セリウム、水酸化セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム、硫酸セリウム、硝酸セリウム、臭化セリウム、ホウ化セリウム及びセリウム塩化物等から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。なかでも、水熱反応を効率的に進行させる観点から、塩化セリウム、硝酸セリウム及び硫酸セリウムから選ばれる1種又は2種以上が好ましい。 The cerium compound used in step (II) is one or two selected from cerium oxide, cerium hydroxide, cerium carbonate, cerium acetate, cerium sulfate, cerium nitrate, cerium bromide, cerium boride and cerium chloride. The above are mentioned. Among them, one or more selected from cerium chloride, cerium nitrate and cerium sulfate is preferable from the viewpoint of efficiently proceeding the hydrothermal reaction.

スラリー(Y)は、スラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリーであり、スラリー(X)及びセリウム化合物、或いはスラリー(X)、セリウム化合物及び溶媒を混合して撹拌することにより、調製すればよい。用いる溶媒としては、工程(I)で用いる溶媒と同様、水が好ましい。得られるスラリー(Y)におけるセリウム化合物の含有量は、スラリー(Y)中の溶媒100質量部に対し、好ましくは0.1質量部~270質量部であり、より好ましくは0.5質量部~260質量部であり、さらに好ましくは1質量部~250質量部である。 The slurry (Y) is a slurry prepared from the slurry (X) and the cerium compound, and is prepared by mixing and stirring the slurry (X) and the cerium compound, or the slurry (X), the cerium compound and a solvent. good. As the solvent to be used, water is preferable, like the solvent to be used in step (I). The content of the cerium compound in the resulting slurry (Y) is preferably 0.1 parts by mass to 270 parts by mass, more preferably 0.5 parts by mass to 100 parts by mass of the solvent in the slurry (Y). 260 parts by mass, more preferably 1 to 250 parts by mass.

また、スラリー(Y)におけるCNF(A)の合計含有量は、スラリー(Y)中の溶媒100質量部に対し、CNF(A)の炭素原子換算量で、好ましくは0.01質量部~50質量部であり、より好ましくは0.05質量部~40質量部である。
スラリー(Y)中のセリウム化合物及びCNF(A)の含有量が、上記のような含有量となるように、スラリー(X)、セリウム化合物及び溶媒の混合割合を適宜調整すればよい。
Further, the total content of CNF (A) in the slurry (Y) is preferably 0.01 parts by mass to 50 parts by mass in terms of carbon atoms of CNF (A) with respect to 100 parts by mass of the solvent in the slurry (Y). parts by mass, more preferably 0.05 to 40 parts by mass.
The mixing ratio of the slurry (X), the cerium compound and the solvent may be appropriately adjusted so that the contents of the cerium compound and CNF (A) in the slurry (Y) are as described above.

上記スラリー(Y)は、水熱反応に付す前に、予め撹拌するのが好ましく、かかる攪拌には分散機(ホモジナイザー)を用いることが好ましい。かかる分散機としては、前記の離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が有効に使用できる。 The slurry (Y) is preferably stirred in advance before being subjected to the hydrothermal reaction, and it is preferable to use a disperser (homogenizer) for such stirring. Examples of such a disperser include the aforementioned disaggregator, beater, low-pressure homogenizer, high-pressure homogenizer, grinder, cutter mill, ball mill, jet mill, short-screw extruder, twin-screw extruder, ultrasonic stirrer, juicer mixer for home use, and the like. can be used effectively.

工程(II)における水熱反応中の温度は、100℃以上であればよく、130℃~180℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130℃~180℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.2MPa~1MPaであるのが好ましく、140℃~160℃で反応を行う場合の圧力は0.3MPa~0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は、0.5時間~24時間が好ましく、さらに0.5時間~15時間が好ましい。 The temperature during the hydrothermal reaction in step (II) may be 100°C or higher, preferably 130°C to 180°C. The hydrothermal reaction is preferably carried out in a pressure vessel, and when the reaction is carried out at 130°C to 180°C, the pressure at this time is preferably 0.2 MPa to 1 MPa, and when the reaction is carried out at 140°C to 160°C. is preferably 0.3 MPa to 0.6 MPa. The hydrothermal reaction time is preferably 0.5 hours to 24 hours, more preferably 0.5 hours to 15 hours.

得られた水熱反応生成物は、セルロースナノファイバー(a1)と酸化セリウムナノ粒子(C)からなるナノ粒子集合体(Z1)、又はリグノセルロースナノファイバー(a2)と酸化セリウムナノ粒子(C)からなるナノ粒子集合体(Z1)、或いはセルロースナノファイバー(a1)及びリグノセルロースナノファイバー(a2)と酸化セリウムナノ粒子(C)からなるナノ粒子集合体(Z1)であり、ろ過後、水で洗浄することによりこれを単離できる。かかるナノ粒子集合体(Z1)を水で洗浄する際、ナノ粒子集合体(Z1)1質量部に対し、水を5~100質量部用いるのが好ましい。 The resulting hydrothermal reaction product is a nanoparticle assembly (Z1) composed of cellulose nanofibers (a1) and cerium oxide nanoparticles (C), or composed of lignocellulose nanofibers (a2) and cerium oxide nanoparticles (C). Nanoparticle aggregates (Z1), or nanoparticle aggregates (Z1) composed of cellulose nanofibers (a1), lignocellulose nanofibers (a2), and cerium oxide nanoparticles (C), and washed with water after filtration. It can be isolated by When washing the nanoparticle aggregates (Z1) with water, it is preferable to use 5 to 100 parts by mass of water with respect to 1 part by mass of the nanoparticle aggregates (Z1).

また、得られたナノ粒子集合体(Z1)の凝集を低減する観点から、ナノ粒子集合体(Z1)の洗浄後、リパルプすることによって、所望の量でナノ粒子集合体(Z1)を含有するスラリー(Z)を調製してもよい。調製されたスラリー(Z)は、そのままリチウムイオン二次電池を構築する負極を製造するための負極スラリーとして用いることができ、或いは後述する本発明の製造方法(Z2)が備える工程(III)において、ナノ粒子集合体(Z2)を得るためのスラリーとして用いることができる。
かかるスラリー(Z)中におけるナノ粒子集合体(Z1)の含有量は、二次電池の負極スラリー作製時のハンドリングの観点から、スラリー(Z)中に、好ましくは0.5質量%~20質量%であり、より好ましくは1質量%~15質量%であり、さらに好ましくは1.5質量%~12質量%である。
In addition, from the viewpoint of reducing aggregation of the obtained nanoparticle aggregates (Z1), the nanoparticle aggregates (Z1) are contained in a desired amount by repulping after washing the nanoparticle aggregates (Z1). A slurry (Z) may be prepared. The prepared slurry (Z) can be used as it is as a negative electrode slurry for producing a negative electrode for constructing a lithium ion secondary battery, or in the step (III) provided in the production method (Z2) of the present invention described later. , can be used as a slurry for obtaining the nanoparticle aggregate (Z2).
The content of the nanoparticle aggregates (Z1) in the slurry (Z) is preferably 0.5% by mass to 20% by mass in the slurry (Z) from the viewpoint of handling when preparing the negative electrode slurry of the secondary battery. %, more preferably 1% by mass to 15% by mass, and even more preferably 1.5% by mass to 12% by mass.

本発明の製造方法(Z1)により得られるナノ粒子集合体(Z1)において、CNF(A)の表面に多数配置してなる酸化セリウムナノ粒子(C)は、その平均粒径が、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池を得る観点から、好ましくは1nm~100nmであり、より好ましくは1nm~70nmであり、さらに好ましくは1nm~50nmである。
なお、酸化セリウムナノ粒子(C)の平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において測定された、数十個の酸化セリウムナノ粒子(C)の粒子径(長軸の長さ)の値の平均値を意味する。
In the nanoparticle aggregate (Z1) obtained by the production method (Z1) of the present invention, the cerium oxide nanoparticles (C) arranged in large numbers on the surface of the CNF (A) have an average particle size of excellent rate characteristics. From the viewpoint of obtaining a lithium ion secondary battery, the thickness is preferably 1 nm to 100 nm, more preferably 1 nm to 70 nm, and still more preferably 1 nm to 50 nm.
The average particle size of the cerium oxide nanoparticles (C) is the value of the particle size (long axis length) of several tens of cerium oxide nanoparticles (C) measured by observation with an SEM or TEM electron microscope. means the average value of

また、酸化セリウムナノ粒子(C)のBET比表面積は、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池を得る観点から、好ましくは5m2/g~50m2/gであり、より好ましくは15m2/g~50m2/gであり、さらに好ましくは20m2/g~50m2/gである。BET比表面積が50m2/gよりも大きくなると、負極の体積エネルギー密度が低下する場合がある。 In addition, the BET specific surface area of the cerium oxide nanoparticles (C) is preferably 5 m 2 /g to 50 m 2 /g, more preferably 15 m 2 /g, from the viewpoint of obtaining a lithium ion secondary battery with excellent rate characteristics. 50 m 2 /g, more preferably 20 m 2 /g to 50 m 2 /g. If the BET specific surface area exceeds 50 m 2 /g, the volumetric energy density of the negative electrode may decrease.

本発明の製造方法(Z1)により得られるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体(Z1)において、CNF(A)の含有量は、ナノ粒子集合体(Z1)全量100質量%中に、好ましくは0.3質量%~50質量%であり、より好ましくは1質量%~40質量%である。 In the nanoparticle assembly (Z1) for the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery obtained by the production method (Z1) of the present invention, the content of CNF (A) is 100% by mass of the total amount of the nanoparticle assembly (Z1). Among them, it is preferably 0.3% by mass to 50% by mass, more preferably 1% by mass to 40% by mass.

次に、本発明の製造方法(Z2)により得られるナノ粒子集合体(Z2)は、平均外径が50nm以下の炭素管状体(B)の表面に、多数の酸化セリウムナノ粒子(C)が配置してなる構造を有し、すなわち、炭素管状体(B)が軸となりつつ、これを取り巻くように多数の酸化セリウムナノ粒子(C)が連続して配置してなる構造を有し、外観的には、上記ナノ粒子集合体(Z1)と同様に、多数の酸化セリウムナノ粒子(C)が直線的に連続して配置してなる、串団子様又はトウモロコシ様の形状を呈している。
かかる炭素管状体(B)は、平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー(a1)由来の炭素及び/又はリグノセルロースナノファイバー(a2)由来の炭素により構成されてなる、管状を呈する構造体である。
Next, in the nanoparticle assembly (Z2) obtained by the production method (Z2) of the present invention, a large number of cerium oxide nanoparticles (C) are arranged on the surface of the carbon tubular body (B) having an average outer diameter of 50 nm or less. In other words, it has a structure in which a large number of cerium oxide nanoparticles (C) are continuously arranged so as to surround the carbon tubular body (B) as an axis, and the appearance is Like the nanoparticle aggregate (Z1), it has a skewered dumpling-like or corn-like shape in which a large number of cerium oxide nanoparticles (C) are linearly and continuously arranged.
The carbon tubular body (B) is a tubular structure composed of carbon derived from cellulose nanofibers (a1) and/or carbon derived from lignocellulose nanofibers (a2) having an average fiber diameter of 50 nm or less. be.

本発明の製造方法(Z2)が備える工程(I)~工程(II)は、本発明の製造方法(Z1)が備える工程(I)~工程(II)と同一である。すなわち、製造方法(Z1)が備える工程(II)で得られたナノ粒子集合体(Z1)を、本発明の製造方法(Z2)が備える工程(III)におけるナノ粒子集合体(Z1)として用いればよい。ここで、ナノ粒子集合体(Z1)としては、ろ過後、水で洗浄して単離したものを用いてもよく、洗浄後、リパルプして調製したスラリーをナノ粒子集合体として用いてもよい。 Steps (I) to (II) provided in the production method (Z2) of the present invention are the same as steps (I) to (II) provided in the production method (Z1) of the present invention. That is, the nanoparticle aggregates (Z1) obtained in the step (II) of the production method (Z1) are used as the nanoparticle aggregates (Z1) in the step (III) of the production method (Z2) of the present invention. Just do it. Here, as the nanoparticle aggregate (Z1), one isolated by washing with water after filtration may be used, or a slurry prepared by repulping after washing may be used as the nanoparticle aggregate. .

本発明の製造方法(Z2)が備える工程(III)は、得られたナノ粒子集合体(Z1)を乾燥後に焼成して、炭素管状体(B)及び酸化セリウムナノ粒子(C)からなるナノ粒子集合体を得る工程である。乾燥手段としては、恒温乾燥、凍結乾燥、噴霧乾燥、真空乾燥が用いられ、乾燥後に得られるCNF(A)の損傷が少ないという観点から、凍結乾燥又は噴霧乾燥が好ましい。 In the step (III) provided in the production method (Z2) of the present invention, the obtained nanoparticle aggregate (Z1) is dried and then calcined to obtain nanoparticles composed of carbon tubular bodies (B) and cerium oxide nanoparticles (C). This is the step of obtaining aggregates. As a drying means, constant temperature drying, freeze drying, spray drying, and vacuum drying are used, and freeze drying or spray drying is preferable from the viewpoint that the CNF (A) obtained after drying is less damaged.

工程(III)における焼成は、不活性ガス雰囲気下又は還元条件下で行うのがよい。これにより、ナノ粒子集合体(Z1)に含まれるCNF(A)を炭化させて炭素管状体(B)を形成させ、良好な導電性を有する炭素管状体(B)及び酸化セリウムナノ粒子(C)からなるナノ粒子集合体(Z2)を得ることができる。
かかる焼成では、酸化セリウムナノ粒子(C)の肥大化や、酸化セリウムナノ粒子(C)同士の不要な焼結を防止する観点から、焼成温度は、好ましくは400℃~800℃であり、より好ましくは500℃~700℃である。また焼成時間は、好ましくは0.5時間~24時間であり、より好ましくは6時間~18時間である。焼成に用いる装置としては、焼成雰囲気及び温度の調整が可能な物であれば特に限定されず、バッチ式、連続式、加熱方式(間接又は直接)のいずれの方式のものも使用することができる。かかる装置としては、例えば、外熱キルンやローラーハース等の焼成炉が挙げられる。
Firing in step (III) is preferably carried out under an inert gas atmosphere or under reducing conditions. Thereby, the CNF (A) contained in the nanoparticle aggregate (Z1) is carbonized to form the carbon tubular body (B), and the carbon tubular body (B) and the cerium oxide nanoparticles (C) having good conductivity are formed. A nanoparticle aggregate (Z2) consisting of can be obtained.
In such firing, the firing temperature is preferably 400° C. to 800° C., more preferably 400° C. to 800° C., from the viewpoint of preventing enlargement of the cerium oxide nanoparticles (C) and unnecessary sintering of the cerium oxide nanoparticles (C). 500°C to 700°C. The firing time is preferably 0.5 hours to 24 hours, more preferably 6 hours to 18 hours. The apparatus used for firing is not particularly limited as long as it is capable of adjusting the firing atmosphere and temperature, and any of batch type, continuous type, and heating method (indirect or direct) can be used. . Examples of such apparatuses include firing furnaces such as externally heated kilns and roller hearths.

得られたナノ粒子集合体(Z2)を構成する炭素管状体(B)の平均外径は、CNF(A)由来の炭素により形成されてなるものであることから、CNF(A)と同様、50nm以下であって、好ましくは1nm~50nmであり、より好ましくは1nm~20nmであり、さらに好ましくは1nm~10nmである。また、炭素管状体(B)の平均長さもCNF(A)の平均長さと一致することとなり、好ましくは100nm~100μmであり、より好ましくは1μm~100μmであり、さらに好ましくは5μm~100μmである。 The average outer diameter of the carbon tubular body (B) that constitutes the obtained nanoparticle assembly (Z2) is formed by carbon derived from CNF (A), so similar to CNF (A), It is 50 nm or less, preferably 1 nm to 50 nm, more preferably 1 nm to 20 nm, even more preferably 1 nm to 10 nm. In addition, the average length of the carbon tubular body (B) also matches the average length of the CNF (A), and is preferably 100 nm to 100 μm, more preferably 1 μm to 100 μm, still more preferably 5 μm to 100 μm. .

炭素管状体(B)の表面に配置してなる酸化セリウムナノ粒子(C)は、ナノ粒子集合体(Z1)における酸化セリウムナノ粒子(C)と同様であって、好ましくは1nm~100nmであり、より好ましくは1nm~70nmであり、さらに好ましくは1nm~50nmであり、BET比表面積も、好ましくは5m2/g~50m2/gであり、より好ましくは15m2/g~50m2/gであり、さらに好ましくは20m2/g~50m2/gである。 The cerium oxide nanoparticles (C) arranged on the surface of the carbon tubular body (B) are the same as the cerium oxide nanoparticles (C) in the nanoparticle assembly (Z1), preferably 1 nm to 100 nm, and more It is preferably 1 nm to 70 nm, more preferably 1 nm to 50 nm, and the BET specific surface area is also preferably 5 m 2 /g to 50 m 2 /g, more preferably 15 m 2 /g to 50 m 2 /g. , more preferably 20 m 2 /g to 50 m 2 /g.

本発明の製造方法(Z2)により得られるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体(Z2)において、炭素管状体(B)の含有量は、ナノ粒子集合体(Z2)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%~25質量%であり、より好ましくは0.4質量%~20質量%である。 In the nanoparticle aggregates (Z2) for negative electrode active material of a lithium ion secondary battery obtained by the production method (Z2) of the present invention, the content of the carbon tubular body (B) is 100% of the total amount of the nanoparticle aggregates (Z2). In mass %, it is preferably 0.1 mass % to 25 mass %, more preferably 0.4 mass % to 20 mass %.

こうして得られたナノ粒子集合体(Z1)又はナノ粒子集合体(Z2)を負極活物質として用い、リチウムイオン二次電池の負極を製造する方法としては、特に限定されず、公知の方法を使用できる。
例えば、かかるナノ粒子集合体(Z)を結着剤や溶剤等の添加剤とともに混合して負極スラリーを得る。この際、必要に応じて、さらに導電助剤を添加して混合してもよい。かかる結着剤としては、特に限定されず、公知の剤をいずれも使用できる。具体的には、スチレン-ブタジエンゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー等が挙げられる。また、かかる導電助剤としては、特に限定されず、公知の剤を使用できる。具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人工黒鉛、繊維状炭素等が挙げられる。次いで、かかる負極スラリーを銅箔等の負極集電体上に塗布し、乾燥させて負極とする。
The method for producing the negative electrode of a lithium ion secondary battery by using the nanoparticle aggregate (Z1) or the nanoparticle aggregate (Z2) thus obtained as a negative electrode active material is not particularly limited, and a known method is used. can.
For example, such nanoparticle aggregates (Z) are mixed with additives such as binders and solvents to obtain negative electrode slurry. At this time, if necessary, a conductive aid may be added and mixed. Such a binder is not particularly limited, and any known agent can be used. Specific examples include styrene-butadiene rubber, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl chloride, ethylene propylene diene polymer and the like. Further, the conductivity aid is not particularly limited, and known agents can be used. Specific examples include acetylene black, ketjen black, natural graphite, artificial graphite, and fibrous carbon. Next, the negative electrode slurry is applied onto a negative electrode current collector such as a copper foil and dried to form a negative electrode.

本発明の製造方法により得られるナノ粒子集合体は、負極活物質として用いることにより、リチウムイオン二次電池の負極として非常に優れた放電容量を発揮する点で有用である。かかる負極を適用できる二次電池としては、正極と負極と電解液とセパレータを必須構成とするものであれば特に限定されない。 The nanoparticle aggregate obtained by the production method of the present invention is useful in that it exhibits extremely excellent discharge capacity as a negative electrode of a lithium ion secondary battery when used as a negative electrode active material. A secondary battery to which such a negative electrode can be applied is not particularly limited as long as it essentially comprises a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, and a separator.

ここで、正極については、リチウムイオンを充電時には放出し、かつ放電時には吸蔵することができれば、その材料構成は特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。例えば、原料を水熱反応させることにより得られる各種ポリアニオン型正極活物質からなる正極を好適に用いることができる。 Here, regarding the positive electrode, the material configuration is not particularly limited as long as it can release lithium ions during charging and absorb lithium ions during discharging, and known material configurations can be used. For example, a positive electrode made of various polyanion-type positive electrode active materials obtained by hydrothermally reacting raw materials can be suitably used.

電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。 The electrolytic solution is obtained by dissolving a supporting salt in an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent that is usually used in the electrolyte of a lithium ion secondary battery, and examples thereof include carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones. , oxolane compounds and the like can be used.

支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF32及びLiN(SO3CF32、LiN(SO2252及びLiN(SO2CF3)(SO249)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。 The type of supporting salt is not particularly limited, but inorganic salts selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 , derivatives of the inorganic salts, LiSO 3 CF 3 , LiC(SO 3 CF 3 ) 2 and LiN(SO 3 CF 3 ) 2 , LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiN(SO 2 CF 3 )(SO 2 C 4 F 9 ), and derivatives of said organic salts. is preferably at least one of

セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。 The separator serves to electrically insulate the positive electrode and the negative electrode and retain the electrolyte. For example, a porous synthetic resin film, particularly a porous film of polyolefin polymer (polyethylene, polypropylene) may be used.

上記の構成を有するリチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限を受けるものではなく、コイン型、円筒型,角型等種々の形状や、ラミネート外装体に封入した不定形状であってもよい。 The shape of the lithium-ion secondary battery having the above configuration is not particularly limited, and may be various shapes such as a coin shape, a cylindrical shape, a square shape, or an irregular shape enclosed in a laminated outer package. .

以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
Ce(NO32・6H2O 23.8g、セルロースナノファイバー(スギノマシン社製、TMa-10002、含水量98質量%、平均繊維径10nm)19.29g及び水 55mLを5分間混合してスラリーa1を作製した。得られたスラリーa1に、10質量%濃度のNaOH水溶液 60gを添加し、5分間混合してスラリーb1を得た。
[Example 1]
23.8 g of Ce(NO 3 ) 2 .6H 2 O, 19.29 g of cellulose nanofiber (TMa-10002 manufactured by Sugino Machine, water content of 98% by mass, average fiber diameter of 10 nm) and 55 mL of water were mixed for 5 minutes. A slurry a1 was produced. To the resulting slurry a1, 60 g of a 10% by mass NaOH aqueous solution was added and mixed for 5 minutes to obtain slurry b1.

得られたスラリーb1をオートクレーブに投入し、130℃、0.3MPaで1時間水熱反応を行った。得られた水熱反応生成物を放冷した後、ろ過、水洗して、セルロースナノファイバーの表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z1-1)を得た。(CeO2ナノ粒子:セルロースナノファイバー=96質量%:4質量%)
得られたナノ粒子集合体(Z1-1)のTEM写真を図1に示す。かかる図1により、得られたナノ粒子集合体(Z1-1)が、セルロースナノファイバーの表面に酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなる特異な形状を呈することが確認された。
The resulting slurry b1 was put into an autoclave and hydrothermally reacted at 130° C. and 0.3 MPa for 1 hour. The resulting hydrothermal reaction product was allowed to cool, filtered, and washed with water to obtain a nanoparticle aggregate (Z1-1) in which a large number of CeO 2 nanoparticles were arranged on the surface of cellulose nanofibers. (CeO2 nanoparticles: cellulose nanofibers = 96% by mass: 4% by mass)
A TEM photograph of the resulting nanoparticle aggregate (Z1-1) is shown in FIG. From FIG. 1, it was confirmed that the resulting nanoparticle aggregate (Z1-1) had a unique shape in which a large number of cerium oxide nanoparticles were arranged on the surface of cellulose nanofibers.

[実施例2]
Ce(NO32・6H2Oの添加量を1gとした以外、実施例1と同様にして、セルロースナノファイバーの表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z1-2)を得た。(CeO2ナノ粒子:セルロースナノファイバー=50質量%:50質量%)
[Example 2]
Nanoparticle aggregates ( Z1- 2) was obtained. (CeO2 nanoparticles: cellulose nanofibers = 50% by mass: 50% by mass)

[実施例3]
Ce(NO32・6H2Oの添加量を200gとした以外、実施例1と同様にして、セルロースナノファイバーの表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z1-3)を得た。(CeO2ナノ粒子:セルロースナノファイバー=99.5質量%:0.5質量%)
[Example 3]
A nanoparticle aggregate ( Z1- 3) was obtained. (CeO2 nanoparticles: cellulose nanofibers = 99.5% by mass: 0.5% by mass)

[実施例4]
凍結乾燥機(EYELA社製、FDU-1200)を用いて、実施例1で得られたナノ粒子集合体(Z1-1)を凍結乾燥した後、窒素雰囲気下600℃で1時間焼成してセルロースナノファイバーから炭素管状体を形成させつつ、炭素管状体の表面にCeO2ナノ粒子が多数配置してなるナノ粒子集合体(Z2-1)を得た。(CeO2ナノ粒子:炭素管状体=98.9質量%:1.1質量%)
[Example 4]
After freeze-drying the nanoparticle aggregate (Z1-1) obtained in Example 1 using a freeze dryer (manufactured by EYELA, FDU-1200), cellulose was baked at 600 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. A nanoparticle assembly (Z2-1) was obtained in which a large number of CeO 2 nanoparticles were arranged on the surface of a carbon tubular body formed from nanofibers. ( CeO2 nanoparticles: carbon tubular body = 98.9% by mass: 1.1% by mass)

[比較例1]
セルロースナノファイバーを添加しなかった以外、実施例1と同様にして、配列することなく多数存在するのみの状態であるCeO2ナノ粒子(E-1)を得た。
[Comparative Example 1]
CeO 2 nanoparticles (E-1) were obtained in the same manner as in Example 1, except that the cellulose nanofibers were not added.

[比較例2]
比較例1で得られたCeO2ナノ粒子(E-1) 3g、グルコース 1.65g、水 30mLを遊星ボールミルで混合してスラリーを得た後、得られたスラリーを100℃で乾燥してCeO2ナノ粒子とグルコースからなる造粒物を得た。得られた造粒物を、窒素雰囲気下600℃で1時間焼成して、グルコース炭化物が被覆されたCeO2ナノ粒子(E-2)を得た。(CeO2ナノ粒子:グルコース炭化物=90質量%:10質量%)
[Comparative Example 2]
3 g of the CeO 2 nanoparticles (E-1) obtained in Comparative Example 1, 1.65 g of glucose, and 30 mL of water were mixed in a planetary ball mill to obtain a slurry, and then the resulting slurry was dried at 100° C. to obtain CeO Granules consisting of two nanoparticles and glucose were obtained. The resulting granules were calcined at 600° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain CeO 2 nanoparticles (E-2) coated with carbohydrated glucose. ( CeO2 nanoparticles: carbohydrated glucose = 90% by mass: 10% by mass)

得られたナノ粒子集合体(Z1-1)~(Z1-4)及びCeO2ナノ粒子(E-1)~(E-2)における物性及び組成を表1に示す。 Table 1 shows the physical properties and compositions of the resulting nanoparticle aggregates (Z1-1) to (Z1-4) and CeO 2 nanoparticles (E-1) to (E-2).

Figure 0007152945000001
Figure 0007152945000001

《充放電特性の評価》
得られたナノ粒子集合体(Z1-1)~(Z1-4)及びCeO2ナノ粒子(E-1)~(E-2)をリチウムイオン二次電池用負極活物質として用いて負極を作成し、充放電特性の評価を行った。
具体的には、リチウムイオン二次電池用負極活物質(a)、アセチレンブラック(導電助剤、b)、カルボキシメチルセルロース(界面活性剤、c)、スチレン-ブタジエンゴム(結着剤、d)をa:b:c:d(質量比)=90:5:2.5:2.5で混合し、これに蒸留水を加えて充分混練し、負極スラリーを調製した。
得られた負極スラリーを、厚さ10μmの銅箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、80℃に加熱したロールプレスでプレスし、φ14mmの円盤状に打ち抜いて負極とした。
<<Evaluation of charge/discharge characteristics>>
The obtained nanoparticle aggregates (Z1-1) to (Z1-4) and CeO 2 nanoparticles (E-1) to (E-2) were used as negative electrode active materials for lithium ion secondary batteries to prepare negative electrodes. Then, the charge/discharge characteristics were evaluated.
Specifically, negative electrode active material for lithium ion secondary batteries (a), acetylene black (conductive aid, b), carboxymethyl cellulose (surfactant, c), styrene-butadiene rubber (binder, d) They were mixed at a:b:c:d (mass ratio) = 90:5:2.5:2.5, distilled water was added thereto and sufficiently kneaded to prepare a negative electrode slurry.
The obtained negative electrode slurry was applied to a current collector made of copper foil having a thickness of 10 μm using a coating machine, and vacuum-dried at 80° C. for 12 hours. After that, it was pressed with a roll press heated to 80° C., and punched out into a disk shape of φ14 mm to obtain a negative electrode.

次いで、上記の負極を用いてコイン型リチウムイオン二次電池を構築した。対極には、リチウム箔を用いた。電解液には、エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート(体積比)=3:7の割合で混合した混合溶媒に、LIPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンを用いた。
これらの電池部品を、露点が-50℃以下の雰囲気下で常法により組み込み収容し、コイン型リチウムイオン二次電池(CR-2032)を製造した。
Next, a coin-type lithium ion secondary battery was constructed using the above negative electrode. A lithium foil was used as the counter electrode. As the electrolytic solution, LIPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol/L in a mixed solvent of ethylene carbonate:ethyl methyl carbonate (volume ratio)=3:7. Polypropylene was used for the separator.
These battery parts were incorporated and housed in an atmosphere with a dew point of -50°C or lower by a conventional method to produce a coin-type lithium ion secondary battery (CR-2032).

得られたリチウムイオン二次電池を用いて定電流密度でのサイクル特性を評価した。具体的には、放電容量測定装置(北斗電工社製、HJ-1001SD8)を用いて、気温30℃環境における、200mA/gで0.05Vまで放電した後、20mA/gの下限電流になるまで定電圧で放電した。その後、200mA/gで3Vまで充電するのを1サイクルとした。
また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて異なる電流密度でのレート特性を評価した。具体的には、気温30℃環境における、200mA/g又は1000mA/gで0.05Vまで放電した後、20mA/g又は100mA/gの下限電流になるまで定電圧で放電した。その後、200mA/gで3Vまで充電するのを1サイクルとした。
Cycle characteristics at a constant current density were evaluated using the obtained lithium ion secondary battery. Specifically, using a discharge capacity measuring device (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd., HJ-1001SD8), after discharging to 0.05 V at 200 mA / g at a temperature of 30 ° C., until the lower limit current of 20 mA / g is reached. Discharged at constant voltage. After that, charging up to 3 V at 200 mA/g was set as one cycle.
Also, the rate characteristics at different current densities were evaluated using the obtained lithium ion secondary battery. Specifically, after discharging to 0.05 V at 200 mA/g or 1000 mA/g in a temperature environment of 30° C., discharging was performed at a constant voltage until the lower limit current was 20 mA/g or 100 mA/g. After that, charging up to 3 V at 200 mA/g was set as one cycle.

上記サイクル特性の評価において、2サイクル目の放電容量と、50サイクル目の放電容量より容量維持率(%)を求めた。
結果を表2に示す。
サイクル容量維持率(%)=
(50サイクル目の放電容量)/(2サイクル目の放電容量)×100・・(1)
In the evaluation of the cycle characteristics, the capacity retention rate (%) was obtained from the discharge capacity at the 2nd cycle and the discharge capacity at the 50th cycle.
Table 2 shows the results.
Cycle capacity retention rate (%) =
(discharge capacity at 50th cycle)/(discharge capacity at 2nd cycle)×100 (1)

さらに、上記レート特性の評価において、2サイクル目の200mA/gで評価したときの放電容量と、1000mA/gで評価したときの放電容量よりレート容量維持率(%)を求めた。結果を表2に示す。
レート容量維持率(%)=
(1000mA/gで評価したときの放電容量)/(200mA/gで評価したときの
放電容量)×100 ・・・(2)
Furthermore, in the evaluation of the rate characteristics, the rate capacity retention rate (%) was obtained from the discharge capacity when evaluated at 200 mA/g in the second cycle and the discharge capacity when evaluated at 1000 mA/g. Table 2 shows the results.
Rate capacity retention rate (%) =
(Discharge capacity when evaluated at 1000 mA/g)/(Discharge capacity when evaluated at 200 mA/g)×100 (2)

Figure 0007152945000002
Figure 0007152945000002

上記結果より、図1にも示すように特異な形状を呈する実施例のナノ粒子集合体をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いて作製したリチウムイオン二次電池は、比較例のCeO2ナノ粒子をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いて作製したリチウムイオン二次電池と比べ、サイクル特性及びレート特性の双方に優れることがわかる。 From the above results, as shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery produced by using the nanoparticle assembly of the example exhibiting a unique shape as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery is the CeO 2 of the comparative example. It can be seen that both the cycle characteristics and the rate characteristics are superior to the lithium ion secondary battery produced using the nanoparticles as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery.

Claims (7)

平均外径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法であって、次の工程(I)~(II):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、及び
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
A method for producing a nanoparticle assembly for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, comprising a large number of cerium oxide nanoparticles arranged on the surface of cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average outer diameter of 50 nm or less, , the following steps (I) to (II):
(I) a step of dispersing cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm or less in a solvent to obtain a slurry (X); and (II) from the obtained slurry (X) and the cerium compound A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising a step of subjecting the prepared slurry (Y) to a hydrothermal reaction to obtain a nanoparticle aggregate composed of cerium oxide nanoparticles and cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers A method for producing a nanoparticle aggregate.
平均外径が50nm以下の炭素管状体の表面に、酸化セリウムナノ粒子が多数配置してなるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法であって、次の工程(I)~(III):
(I)平均繊維径が50nm以下のセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーを溶媒に分散させて、スラリー(X)を得る工程、
(II)得られたスラリー(X)及びセリウム化合物から調製したスラリー(Y)を水熱反応に付して、酸化セリウムナノ粒子並びにセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーからなるナノ粒子集合体を得る工程、及び
(III)得られたナノ粒子集合体を乾燥後に焼成して、炭素管状体及び酸化セリウムナノ粒子からなるナノ粒子集合体を得る工程
を備えるリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。
A method for producing a nanoparticle assembly for a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising a carbon tubular body having an average outer diameter of 50 nm or less and a large number of cerium oxide nanoparticles arranged on the surface thereof, the method comprising the following step (I): ~ (III):
(I) dispersing cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers having an average fiber diameter of 50 nm or less in a solvent to obtain a slurry (X);
(II) The obtained slurry (X) and the slurry (Y) prepared from the cerium compound are subjected to a hydrothermal reaction to obtain nanoparticle aggregates composed of cerium oxide nanoparticles and cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers. and (III) drying and then calcining the obtained nanoparticle aggregate to obtain a nanoparticle aggregate composed of carbon tubular bodies and cerium oxide nanoparticles. A method for producing a particle aggregate.
工程(II)で用いるセリウム化合物が、酸化セリウム、水酸化セリウム、炭酸セリウム、酢酸セリウム、硫酸セリウム、硝酸セリウム、臭化セリウム、ホウ化セリウム及びセリウム塩化物から選ばれる1種又は2種以上である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 The cerium compound used in step (II) is one or more selected from cerium oxide, cerium hydroxide, cerium carbonate, cerium acetate, cerium sulfate, cerium nitrate, cerium bromide, cerium boride and cerium chloride. 3. A method for producing a nanoparticle aggregate for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2. セルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバーの表面、或いは炭素管状体の表面に多数配置してなる酸化セリウムナノ粒子の平均粒径が、1nm~100nmである請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein a large number of cerium oxide nanoparticles arranged on the surface of the cellulose nanofibers and/or lignocellulose nanofibers or on the surface of the carbon tubular body have an average particle size of 1 nm to 100 nm. A method for producing a nanoparticle aggregate for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery described above. リチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体中における、セルロースナノファイバー及びリグノセルロースナノファイバーの合計含有量が、0.3質量%~50質量%である請求項1、3又は4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 The total content of cellulose nanofibers and lignocellulose nanofibers in the nanoparticle aggregate for negative electrode active material of a lithium ion secondary battery is 0.3% by mass to 50% by mass. A method for producing a nanoparticle aggregate for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3. 工程(III)における焼成を、不活性ガス雰囲気下又は還元条件下で行う請求項2~4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 The method for producing a nanoparticle aggregate for a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery according to any one of claims 2 to 4, wherein the sintering in step (III) is performed under an inert gas atmosphere or under reducing conditions. リチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体中における炭素管状体の含有量が、0.1質量%~25質量%である請求項6に記載のリチウムイオン二次電池の負極活物質用ナノ粒子集合体の製造方法。 The negative electrode active material for the lithium ion secondary battery according to claim 6, wherein the content of the carbon tubular body in the nanoparticle aggregate for the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery is 0.1% by mass to 25% by mass. A method for producing nanoparticle aggregates for use.
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