JP7240801B2 - Positive electrode mixture layer for non-aqueous electrolyte secondary battery, positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery containing the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解質二次電池用電極合剤層及び該合剤層が形成されている非水電解質二次電池用電極、並びに該電極を有する非水電解質二次電池に関する。詳しくは、所定の炭素系導電助剤を含む低密度の非水電解質二次電池用電極合剤層及び該合剤層が形成されている非水電解質二次電池用電極、並びに該電極を有する非水電解質二次電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery, an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery on which the mixture layer is formed, and a nonaqueous electrolyte secondary battery having the electrode. Specifically, it has a low-density electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery containing a predetermined carbon-based conductive agent, an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the mixture layer is formed, and the electrode It relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.

非水電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池は、電解質中のリチウムイオンが電気伝導を担う二次電池であり、正極にリチウム金属酸化物を電極活物質として用い、負極にグラファイトなどの炭素材を電極活物質として用いるものが主流である。リチウムイオン二次電池は、二次電池の中でもエネルギー密度が高い特徴を持つことから、携帯電話などの小型機器から電気自動車などの大型機器まで、応用範囲が広がっている。 A lithium ion secondary battery, which is a type of non-aqueous electrolyte secondary battery, is a secondary battery in which lithium ions in the electrolyte are responsible for electrical conduction. , which uses a carbon material as an electrode active material. Lithium-ion secondary batteries are characterized by high energy density among secondary batteries, so their application range is expanding from small devices such as mobile phones to large devices such as electric vehicles.

リチウムイオン電池は、さらなる高エネルギー密度化が求められている。その一つの手法として、電極合剤層を厚く形成して電極活物質の担持量を増やすことが考えられる。しかし、電極合剤層の厚膜化に伴う課題の一つとして、集電体までの導電パスが十分に形成されず、電極の電気抵抗が増大してしまい、高出力化時の電池の容量維持率が低下してしまうという問題がある。電極の抵抗を低減する手法として電極密度を上げることが提案されている。しかし、電極密度を上げすぎると、空隙率が低くなり、物質の拡散が阻害されるため、抵抗の上昇につながってしまうことも記載されている(特許文献1参照)。すなわち、電極密度の最適化による抵抗低減には限界があると考えられる。 Lithium ion batteries are required to have even higher energy densities. As one method, it is conceivable to form a thick electrode mixture layer to increase the supported amount of the electrode active material. However, one of the problems associated with increasing the thickness of the electrode mixture layer is that the conductive path to the current collector is not sufficiently formed, increasing the electrical resistance of the electrode and increasing the capacity of the battery at high output. There is a problem that the retention rate decreases. Increasing the electrode density has been proposed as a method for reducing the electrode resistance. However, it is also described that if the electrode density is increased too much, the porosity decreases and diffusion of substances is inhibited, leading to an increase in resistance (see Patent Document 1). In other words, it is considered that there is a limit to the resistance reduction by optimizing the electrode density.

この問題を解決する一つの手段として、特許文献2では低密度の電極合剤層と高密度の電極合剤層とを組み合わせることによって電極を作製することにより、良好な特性の電池が得られることが報告されている。しかし、二つの異なる密度の電極合剤層を用いて電極を作るため、電極作製工程が煩雑化するという問題があった。 As one means of solving this problem, Patent Document 2 discloses that a battery with good characteristics can be obtained by fabricating an electrode by combining a low-density electrode mixture layer and a high-density electrode mixture layer. has been reported. However, since the electrodes are made using the electrode mixture layers having two different densities, there is a problem that the electrode manufacturing process is complicated.

特許文献3には、正極合剤層の合剤密度は、1.5g/cc~4g/ccであってもよい旨が記載されている(段落0014)。 Patent Document 3 describes that the mixture density of the positive electrode mixture layer may be 1.5 g/cc to 4 g/cc (paragraph 0014).

特開2010-15904号公報JP 2010-15904 A 特開2013-251213号公報JP 2013-251213 A 特開2014-93295号公報JP 2014-93295 A

本発明の目的は、従来と比較してより簡便に作製できる良好な特性の電極合剤層及び該合剤層が形成されている非水電解質二次電池用電極並びに該電極を有する非水電解質二次電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electrode mixture layer with good properties that can be produced more easily than before, an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery on which the mixture layer is formed, and a non-aqueous electrolyte having the electrode. It is to provide a secondary battery.

本発明者らは、上記の従来技術に鑑みて鋭意検討を重ねた結果、電極合剤層の組成に着目し、特定の炭素系導電助剤を使用することで、低密度であっても電極電導度が良好で十分な性能を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies in view of the above-mentioned conventional technology, the present inventors focused on the composition of the electrode mixture layer, and by using a specific carbon-based conductive additive, the electrode The inventors have found that good electrical conductivity and sufficient performance can be obtained, and have completed the present invention.

即ち、上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。 That is, the present invention for solving the above problems is described below.

〔1〕 電極活物質と、平均径が10nm以上の炭素系導電助剤と、を少なくとも含む電極合剤層であって、前記炭素系導電助剤の体積含有率が0.9~5.0(%)であり、かつ前記電極合剤層の密度が0.50(g/cm)以上2.10(g/cm)未満であることを特徴とする非水電解質二次電池用電極合剤層。 [1] An electrode mixture layer containing at least an electrode active material and a carbon-based conductive aid having an average diameter of 10 nm or more, wherein the carbon-based conductive aid has a volume content of 0.9 to 5.0. (%) and the density of the electrode mixture layer is 0.50 (g/cm 3 ) or more and less than 2.10 (g/cm 3 ). mixture layer.

〔2〕 活性炭を含まない〔1〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。 [2] The electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [1], which does not contain activated carbon.

〔3〕 前記炭素系導電助剤が、平均実効繊維長が10μm以上の繊維状炭素である〔1〕又は〔2〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。 [3] The electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [1] or [2], wherein the carbon-based conductive additive is fibrous carbon having an average effective fiber length of 10 μm or more.

〔4〕 前記繊維状炭素における、X線回折法で測定した結晶子長さ(La)が、110~500nmである〔3〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。 [4] The electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to [3], wherein the fibrous carbon has a crystallite length (La) measured by X-ray diffraction of 110 to 500 nm.

〔5〕 厚みが50~1000μmである〔1〕乃至〔4〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。 [5] The electrode mixture layer for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of [1] to [4], which has a thickness of 50 to 1000 μm.

〔6〕 集電体と、
前記集電体に積層された〔1〕乃至〔5〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層と、
から成る非水電解質二次電池用電極。
[6] a current collector;
an electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of [1] to [5] laminated on the current collector;
An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising:

〔7〕 〔6〕に記載の非水電解質二次電池用電極を有する非水電解質二次電池。 [7] A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to [6].

本発明によれば、従来技術で得られていた非水電解質二次電池用電極合剤層よりも簡便な工程で、電極電導度が良好な非水電解質二次電池用電極合剤層を得ることができる。 According to the present invention, an electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery having good electrode conductivity is obtained by a simpler process than an electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery obtained by conventional techniques. be able to.

以下、本発明について詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.

1.非水電解質二次電池用電極合剤層
本発明の非水電解質二次電池用電極合剤層(以下、単に「正極合剤層」、「負極合剤層」又は「電極合剤層」ともいう)は、電極活物質と、炭素系導電助剤とを少なくとも含み、該炭素系導電助剤の体積含有率が0.9~5.0(%)の範囲にある。本発明の電極合剤層は、正極合剤層及び負極合剤層の双方に適用可能である。
1. Electrode mixture layer for non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention (hereinafter simply referred to as "positive electrode mixture layer", "negative electrode mixture layer" or "electrode mixture layer" for non-aqueous electrolyte secondary battery) ) contains at least an electrode active material and a carbon-based conductive aid, and the volume content of the carbon-based conductive aid is in the range of 0.9 to 5.0 (%). The electrode mixture layer of the present invention can be applied to both the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer.

本発明の電極合剤層の密度(25℃)は0.50(g/cm)以上2.10(g/cm)未満の範囲にある。電極合剤層の密度が0.50(g/cm)未満であると、空隙率が高すぎて十分な電池特性を出すことができない。2.10(g/cm)以上であると、空隙率が低すぎて電気抵抗の上昇が起こり電池の特性が悪くなる。密度の下限値は、0.95(g/cm)以上であることが好ましく、1.00(g/cm)以上であることがより好ましい。密度の上限値は、2.07(g/cm)未満であることが好ましく、2.00(g/cm)未満であることがより好ましく、1.80(g/cm)未満であることがさらに好ましく、1.70(g/cm)未満であることがよりさらに好ましく、1.60(g/cm)未満であることが特に好ましい。 The density (25° C.) of the electrode mixture layer of the present invention is in the range of 0.50 (g/cm 3 ) or more and less than 2.10 (g/cm 3 ). If the density of the electrode mixture layer is less than 0.50 (g/cm 3 ), the porosity is too high and sufficient battery characteristics cannot be obtained. If it is 2.10 (g/cm 3 ) or more, the porosity is too low, causing an increase in electrical resistance and poor battery characteristics. The lower limit of the density is preferably 0.95 (g/cm 3 ) or more, more preferably 1.00 (g/cm 3 ) or more. The upper limit of the density is preferably less than 2.07 (g/cm 3 ), more preferably less than 2.00 (g/cm 3 ), and less than 1.80 (g/cm 3 ). more preferably less than 1.70 (g/cm 3 ), particularly preferably less than 1.60 (g/cm 3 ).

本発明の電極合剤層の厚さ(膜厚)は50μm以上であることが好ましく、60μm以上であることがより好ましく、70μm以上であることがさらに好ましく、80μm以上であることがよりさらに好ましく、90μm以上であることが特に好ましく、100μm以上、特には100μm超であることがさらに好ましく、120μm以上であることが最も好ましい。本発明の電極合剤層の厚さ(膜厚)は特に制限はないが、1000μm以下であることが好ましく、1000μm未満であることがより好ましく、900μm未満であることがさらに好ましく、800μm未満であることが特に好ましい。また、本発明の電極合剤層の厚さ(膜厚)は50~1000μmであり、80~1000μmであることが好ましく、100~1000μmであることがさらに好ましく、120~1000μmであることが特に好ましい。 The thickness (film thickness) of the electrode mixture layer of the present invention is preferably 50 µm or more, more preferably 60 µm or more, still more preferably 70 µm or more, and even more preferably 80 µm or more. , is particularly preferably 90 μm or more, more preferably 100 μm or more, especially more than 100 μm, and most preferably 120 μm or more. The thickness (film thickness) of the electrode mixture layer of the present invention is not particularly limited, but is preferably 1000 μm or less, more preferably less than 1000 μm, even more preferably less than 900 μm, and less than 800 μm. It is particularly preferred to have The thickness (film thickness) of the electrode mixture layer of the present invention is 50 to 1000 μm, preferably 80 to 1000 μm, more preferably 100 to 1000 μm, particularly 120 to 1000 μm. preferable.

電極合剤層の膜厚が50μm未満であると、任意の容量セルを製造しようとした場合、セパレータや集電体を多量に使用することになり、セル内における電極合剤層の体積占有率が低下する。これは、エネルギー密度の観点から好ましくなく、用途がかなり制限されてしまう。特に、エネルギー密度の要求の高い電源用途への適用は困難となってしまう。一方、電極合剤層の膜厚が1000μmを超える電極は、電極合剤層にクラックが発生し易くなり製造が比較的困難である。電極の安定的製造の観点からは、電極合剤層の膜厚は1000μm以下であることが好ましい。また、電極合剤層の膜厚が1000μmを超える電極は、Liイオンの輸送が阻害されやすく、抵抗の上昇につながる。そのため、電極合剤層の膜厚は1000μm以下とすることが、抵抗低減の観点からも好ましい。なお、本発明における電極合剤層の厚さは、後述する集電体の厚さを含まない電極合剤層のみの厚さを意味する。
電極合剤層の膜厚の測定方法としては特に限定されないが、例えばマイクロメーターを使用して計測することができる。
If the film thickness of the electrode mixture layer is less than 50 μm, a large amount of separators and current collectors will be used when an attempt is made to manufacture an arbitrary capacity cell, and the volume occupation ratio of the electrode mixture layer in the cell will be reduced. decreases. This is unfavorable from an energy density point of view and considerably limits the application. In particular, it becomes difficult to apply to power supply applications that require high energy density. On the other hand, an electrode with an electrode mixture layer having a thickness of more than 1000 μm is relatively difficult to manufacture because cracks are likely to occur in the electrode mixture layer. From the viewpoint of stable production of electrodes, the thickness of the electrode mixture layer is preferably 1000 μm or less. Further, in an electrode with an electrode mixture layer having a film thickness exceeding 1000 μm, Li ion transport is likely to be inhibited, leading to an increase in resistance. Therefore, the film thickness of the electrode mixture layer is preferably 1000 μm or less from the viewpoint of resistance reduction. In addition, the thickness of the electrode mixture layer in the present invention means the thickness of the electrode mixture layer only, not including the thickness of the current collector described later.
Although the method for measuring the film thickness of the electrode mixture layer is not particularly limited, it can be measured using, for example, a micrometer.

(1-1) 炭素系導電助剤
本発明の電極合剤層は炭素系導電助剤を所定の体積含有率で含有している。炭素系導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラックなどの粒子状炭素、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、炭素繊維などの繊維状炭素、鱗片状炭素、グラフェン、グラファイトなどを挙げることができる。本発明の電極合剤層に含まれる炭素系導電助剤は、本発明の効果を奏すれば、特に限定されることはなく、これらの炭素系導電助剤の一種又は二種以上を含んでいれば良い。
上記の中で、繊維状炭素は取扱い性と導電性とのバランスが良好である。繊維状炭素の形状は特に限定されるものではないが、実質的に分岐を有さない直線構造であることが好ましい。分岐とは、繊維状炭素の主軸が中途で枝分かれしていることや、繊維状炭素の主軸が枝状の副軸を有することをいう。実質的に分岐を有さない直線構造とは、繊維状炭素の分岐度が0.01個/μm以下であることを意味する。なお、この繊維状炭素は、全体として繊維状の形態を有していればよく、例えば、後述のアスペクト比の好ましい範囲未満のものが接触したり結合したりして一体的に繊維形状を持っているもの(例えば、球状炭素が数珠状に連なっているもの、極めて短い少なくとも1本または複数本の繊維が融着等によりつながっているものなど)も含む。
(1-1) Carbon-Based Conductive Aid The electrode mixture layer of the present invention contains a carbon-based conductive aid at a predetermined volume content. Examples of carbon-based conductive aids include particulate carbon such as acetylene black and carbon black, single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, fibrous carbon such as carbon fibers, flake carbon, and graphene. , graphite and the like. The carbon-based conductive additive contained in the electrode mixture layer of the present invention is not particularly limited as long as the effect of the present invention is exhibited, and includes one or more of these carbon-based conductive additives. I wish I could.
Among the above, fibrous carbon has a good balance between handleability and conductivity. Although the shape of the fibrous carbon is not particularly limited, it preferably has a linear structure with substantially no branches. Branching means that the main axis of fibrous carbon is branched in the middle, or that the main axis of fibrous carbon has branched sub-axes. A linear structure having substantially no branches means that the degree of branching of fibrous carbon is 0.01/μm or less. The fibrous carbon may have a fibrous shape as a whole. (For example, those in which spherical carbons are linked in a beaded shape, and those in which at least one or a plurality of very short fibers are connected by fusion or the like) are also included.

本発明の電極合剤層は、活性炭を含まないことが好ましい。その理由は、活性炭を含むと電極合剤層を作成する際に粘度が上昇するため工程上好ましくないからである。 The electrode mixture layer of the present invention preferably does not contain activated carbon. The reason for this is that if activated carbon is contained, the viscosity increases when forming the electrode mixture layer, which is not preferable in terms of the process.

本発明の電極合剤層における炭素系導電助剤の25℃における体積含有率は、電極合剤層の体積を基準として0.9~5.0(%)である。体積含有率をこの範囲とすることにより、電極合剤層の導電性を高くすることが出来る。5.0%を超えると、活物質の割合が減少するため、電池の容量も低下する。体積含有率の下限は、1.0%以上であることが好ましく、1.1%以上であることがより好ましく、1.2%以上であることがさらに好ましく、1.3%以上であることが特に好ましい。また、体積含有率の上限は、4.0%以下であることが好ましく、3.0%以下であることがより好ましく、2.5%以下であることがさらに好ましく、2.0%以下であることが特に好ましい。 The volume content at 25° C. of the carbon-based conductive additive in the electrode mixture layer of the present invention is 0.9 to 5.0 (%) based on the volume of the electrode mixture layer. By setting the volume content within this range, the conductivity of the electrode mixture layer can be increased. If it exceeds 5.0%, the proportion of the active material is reduced, and the capacity of the battery is also reduced. The lower limit of the volume content is preferably 1.0% or more, more preferably 1.1% or more, further preferably 1.2% or more, and 1.3% or more. is particularly preferred. Further, the upper limit of the volume content is preferably 4.0% or less, more preferably 3.0% or less, further preferably 2.5% or less, and 2.0% or less. It is particularly preferred to have

炭素系導電助剤は、結晶性が高いと電極電導度が良好であり、また、耐電圧に優れるため望ましい。本発明に用いる炭素系導電助剤は、結晶性の指標であるX線回折法で測定した結晶子長さ(La)が100~500nmであることが好ましく、110~500nmであることがより好ましく、150~500nmであることがさらに好ましく、200~500nmであることが特に好ましい。100nm未満である場合、炭素材料の導電性が十分ではない。一方、結晶子サイズは、X線回折法によって測定を行うが、結晶が大きく発達すると測定誤差が大きくなることから、実質的には500nmが測定の限界である。
本発明において、X線回折法で測定した結晶子長さ(La)とは、日本工業規格JIS R 7651「炭素材料の格子定数及び結晶子の大きさ測定方法」(2007)により測定される値をいう。
A carbon-based conductive aid having high crystallinity is desirable because it has good electrode conductivity and excellent withstand voltage. The carbon-based conductive additive used in the present invention preferably has a crystallite length (La) of 100 to 500 nm, more preferably 110 to 500 nm, as measured by an X-ray diffraction method, which is an index of crystallinity. , more preferably 150 to 500 nm, particularly preferably 200 to 500 nm. If it is less than 100 nm, the conductivity of the carbon material is not sufficient. On the other hand, the crystallite size is measured by the X-ray diffraction method, but since the measurement error increases as the crystal grows large, the practical limit of measurement is 500 nm.
In the present invention, the crystallite length (La) measured by the X-ray diffraction method is a value measured according to Japanese Industrial Standard JIS R 7651 "Method for measuring the lattice constant and crystallite size of carbon materials" (2007). Say.

本発明における炭素系導電助剤は、X線回折法で測定した隣接するグラファイトシート間の距離である結晶面間隔(d002)が0.335~0.340nmであることが好ましく、0.335~0.339nmであることがより好ましい。0.335~0.340nmの範囲を逸脱すると、炭素系導電助剤の導電性が著しく低下するため好ましくない。 The carbon-based conductive additive in the present invention preferably has a crystal plane spacing (d002), which is the distance between adjacent graphite sheets measured by X-ray diffraction, of 0.335 to 0.340 nm, preferably 0.335 to 0.335 nm. More preferably, it is 0.339 nm. Deviating from the range of 0.335 to 0.340 nm is not preferable because the conductivity of the carbon-based conductive aid is remarkably lowered.

本発明における炭素系導電助剤は、グラフェン(網平面群)の厚さ(Lc)が1.0~130nmであることが好ましい。1.0nm未満である場合、炭素材料の導電率が著しく低下してしまうため好ましくない。 In the carbon-based conductive additive in the present invention, the thickness (Lc) of graphene (network plane group) is preferably 1.0 to 130 nm. If it is less than 1.0 nm, the electrical conductivity of the carbon material is significantly lowered, which is not preferable.

本発明における炭素系導電助剤は、平均径が10nm以上である。ここで、平均径とは、炭素性導電助剤が繊維状炭素の場合にはその繊維径をいい、球状であれば直径をいい、扁平であれば短径をいう。即ち、炭素系導電助剤の最も小さい次元の長さをいう。 The carbon-based conductive additive in the present invention has an average diameter of 10 nm or more. Here, the average diameter refers to the fiber diameter when the carbonaceous conductive additive is fibrous carbon, the diameter when spherical, and the minor axis when flat. That is, it refers to the length of the smallest dimension of the carbon-based conductive additive.

本発明に用いる炭素系導電助剤は、電極合剤層内に導電性のネットワークを形成する効果が高く、電池出力改善、電池耐久性向上の観点から繊維状炭素であることが好ましい。繊維状炭素としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボンなどの気相成長炭素材料も含まれるが、結晶性の高い炭素材料である必要から、PAN系よりもピッチを原料とする炭素繊維が好ましい。 The carbon-based conductive additive used in the present invention is highly effective in forming a conductive network in the electrode mixture layer, and is preferably fibrous carbon from the viewpoint of improving battery output and improving battery durability. The fibrous carbon includes, for example, vapor growth carbon materials such as carbon nanotubes and carbon nanoribbons, but pitch-based carbon fibers are preferable to PAN-based carbon fibers because they must be highly crystalline carbon materials.

本発明に用いる炭素系導電助剤としての繊維状炭素の平均繊維径は、10~900nmであることが好ましい。該上限値は、600nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、400nm以下であることがさらに好ましく、300nm以下であることがよりさらに好ましく、250nm以下であることが特に好ましく、200nm以下であることが最も好ましい。該下限値は、50nm以上であることが好ましく、100nm以上であることがより好ましく、150nm以上であることがさらに好ましい。
10nm未満であると、嵩密度が非常に小さくハンドリング性に劣る。また、電極合剤層を構成した際、電極強度が低下する傾向がある。900nm超である場合、電極合剤層内において隙間が生じ易くなる。
ここで、本発明における繊維径は、電界放射型走査電子顕微鏡によって倍率2,000倍で撮影した写真図より測定された値を意味する。
The average fiber diameter of the fibrous carbon as the carbon-based conductive additive used in the present invention is preferably 10 to 900 nm. The upper limit is preferably 600 nm or less, more preferably 500 nm or less, even more preferably 400 nm or less, even more preferably 300 nm or less, and particularly preferably 250 nm or less, Most preferably, it is 200 nm or less. The lower limit is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and even more preferably 150 nm or more.
If the thickness is less than 10 nm, the bulk density is very small and the handleability is poor. Moreover, when forming the electrode mixture layer, the electrode strength tends to decrease. If it exceeds 900 nm, gaps are likely to occur in the electrode mixture layer.
Here, the fiber diameter in the present invention means a value measured from a photographic image taken with a field emission scanning electron microscope at a magnification of 2,000.

繊維状炭素の平均実効繊維長は、1~100μmの範囲が好ましく、1~50μmであることがより好ましく、5~20μmであることがさらに好ましい。1μm未満である場合、電極合剤層内の導電性、電極の強度、電解液保液性が低くなるため好ましくない。100μm超の場合、繊維状炭素の分散性が損なわれることから好ましくない。即ち、繊維状炭素が長すぎる場合、繊維状炭素が電極合剤層の面内方向に配向し易くなる。その結果、膜厚方向への導電パスを形成し難くなってしまう。特に、本発明の繊維状炭素の平均実効繊維長は、10μm以上であることが好ましい。平均実効繊維長が10μm以上であると本発明のように低密度の電極合剤層であってもその長い実効繊維長から活物質間の導電パスをより十分に形成することができるからである。平均実効繊維長は、12μm以上が好ましく、15μm以上がより好ましい。 The average effective fiber length of fibrous carbon is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm, even more preferably 5 to 20 μm. If the thickness is less than 1 μm, the conductivity in the electrode mixture layer, the strength of the electrode, and the electrolyte solution holding property are lowered, which is not preferable. If it exceeds 100 μm, the dispersibility of fibrous carbon is impaired, which is not preferable. That is, if the fibrous carbon is too long, the fibrous carbon tends to be oriented in the in-plane direction of the electrode mixture layer. As a result, it becomes difficult to form a conductive path in the film thickness direction. In particular, the fibrous carbon of the present invention preferably has an average effective fiber length of 10 μm or more. This is because when the average effective fiber length is 10 μm or more, conductive paths between active materials can be sufficiently formed due to the long effective fiber length even in an electrode mixture layer with a low density as in the present invention. . The average effective fiber length is preferably 12 μm or longer, more preferably 15 μm or longer.

本発明において繊維状炭素の繊維長は、実際の繊維長ではなく、実効繊維長によって定義される。なぜなら、繊維状炭素は、電極合剤層内において実際の繊維長で導電に寄与しているとは限らないからである。例えば、電極合剤層内で繊維が折れ曲がったり丸まったりして、実際の繊維長で導電に寄与していない場合がある。本発明において、繊維状炭素の実効繊維長は、単体の繊維状炭素に両端が接する最長の線分の長さとして定義される。換言すれば、単体の繊維状炭素が導電することができる最大の直線距離である。即ち、繊維状炭素が完全な直線構造を有する場合は、実効繊維長は実際の繊維長と略等しい。繊維状炭素が分岐構造を有する場合や丸まっている場合は、その単体の繊維状炭素上にある2点間を結ぶ最大の線分の長さをいう。 In the present invention, the fiber length of fibrous carbon is defined not by the actual fiber length but by the effective fiber length. This is because the fibrous carbon does not necessarily contribute to the conductivity with the actual fiber length in the electrode mixture layer. For example, fibers may be bent or curled in the electrode mixture layer, and the actual length of the fibers may not contribute to conduction. In the present invention, the effective fiber length of fibrous carbon is defined as the length of the longest line segment whose both ends are in contact with a single piece of fibrous carbon. In other words, it is the maximum linear distance that a single piece of fibrous carbon can conduct. That is, if fibrous carbon has a perfectly linear structure, the effective fiber length is approximately equal to the actual fiber length. When the fibrous carbon has a branched structure or is curled, it refers to the length of the maximum line segment connecting two points on the single fibrous carbon.

繊維状炭素の平均実効繊維長(L)と平均繊維径(D)との比(L/D)は30以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましい。比(L/D)を30以上とすることにより、電極合剤層中において導電パスが効率的に形成され、得られる電池特性を高くすることができる。30未満の場合、電極合剤層中において導電パスの形成が不十分になり易く、電極合剤層の膜厚方向の抵抗値が十分に低下しない場合がある。比(L/D)の上限値は特に限定されないが、一般に4000以下であり、1000以下であることが好ましく、500以下であることがより好ましい。4000を超える場合、炭素繊維の分散性が損なわれることから好ましくない。 The ratio (L/D) of the average effective fiber length (L) to the average fiber diameter (D) of fibrous carbon is preferably 30 or more, more preferably 50 or more. By setting the ratio (L/D) to 30 or more, conductive paths are efficiently formed in the electrode mixture layer, and the obtained battery characteristics can be improved. If it is less than 30, the formation of conductive paths in the electrode mixture layer tends to be insufficient, and the resistance value in the thickness direction of the electrode mixture layer may not sufficiently decrease. Although the upper limit of the ratio (L/D) is not particularly limited, it is generally 4,000 or less, preferably 1,000 or less, and more preferably 500 or less. If it exceeds 4000, the dispersibility of the carbon fibers is impaired, which is not preferable.

上記のような繊維状炭素を低密度の電極合剤層に適用することにより、得られる電極合剤層の電気伝導性や耐電圧に貢献することができる。通常、電極合剤層の厚膜化に伴う課題の一つとして、高出力化時の電池の容量維持率が低下してしまうという問題がある。一般に、電極の抵抗を低減する手法としては、電極密度を上げることが提案されている。本発明は、電極密度を上げずに寧ろ小さくして、かつ所定の炭素材料、即ち高結晶性で好ましくは繊維長の長い繊維状炭素を用いることにより、高出力化時の電池の容量維持率を高くすることができる。 By applying the fibrous carbon as described above to the low-density electrode mixture layer, it is possible to contribute to the electrical conductivity and withstand voltage of the obtained electrode mixture layer. Generally, one of the problems associated with increasing the thickness of the electrode mixture layer is that the capacity retention rate of the battery decreases when the output is increased. In general, increasing the electrode density has been proposed as a technique for reducing electrode resistance. The present invention reduces the electrode density rather than increasing it, and uses a predetermined carbon material, that is, highly crystalline fibrous carbon, preferably with a long fiber length, to improve the capacity retention rate of the battery when the output is increased. can be raised.

(1-2) 炭素系導電助剤の製造方法
本発明の電極合剤層に用いる炭素系導電助剤として好ましく用いることができる炭素繊維の製造方法について以下に説明する。炭素繊維の製造方法は特に限定されないが、例えば次に記載する(1)~(4)の工程を経ることにより製造することができる。
(1)熱可塑性樹脂及び炭素前駆体から成る樹脂組成物を溶融状態で成形することにより、炭素前駆体を繊維化して樹脂複合繊維を得る工程、
(2)前記樹脂複合繊維を安定化し、樹脂複合安定化繊維を得る安定化工程、
(3)樹脂複合安定化繊維から前記熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維のみを分離する熱可塑性樹脂除去工程、
(4)安定化繊維を不活性雰囲気下で加熱して炭素化乃至黒鉛化して炭素繊維を得る炭化焼成工程。
(1-2) Method for Producing Carbon-Based Conductive Auxiliary Agent A method for producing carbon fiber that can be preferably used as the carbon-based conductive auxiliary agent for use in the electrode mixture layer of the present invention will be described below. The method for producing the carbon fiber is not particularly limited, but it can be produced, for example, through the steps (1) to (4) described below.
(1) A step of forming a resin composition comprising a thermoplastic resin and a carbon precursor in a molten state to fiberize the carbon precursor to obtain a resin composite fiber;
(2) a stabilization step of stabilizing the resin composite fiber to obtain a resin composite stabilized fiber;
(3) a thermoplastic resin removing step of removing the thermoplastic resin from the resin composite stabilized fiber to separate only the stabilized fiber;
(4) Carbonizing and sintering step for obtaining carbon fibers by heating the stabilized fibers in an inert atmosphere to carbonize or graphitize them.

<熱可塑性樹脂>
この炭素繊維の製造方法で使用する熱可塑性樹脂は、樹脂複合繊維を製造することができるとともに、熱可塑性樹脂除去工程において容易に除去される必要がある。このような熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリ乳酸が例示される。これらの中でも、ポリオレフィンが好ましく用いられる。
<Thermoplastic resin>
The thermoplastic resin used in this carbon fiber manufacturing method should be capable of manufacturing a resin composite fiber and should be easily removed in the thermoplastic resin removing step. Examples of such thermoplastic resins include polyacrylate polymers such as polyolefin, polymethacrylate and polymethyl methacrylate, polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester, polyamide, polyester carbonate, polysulfone, polyimide, polyetherimide, polyketone, and polylactic acid. are exemplified. Among these, polyolefin is preferably used.

ポリオレフィンの具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-4-メチルペンテン-1、及びこれらを含む共重合体が挙げられる。熱可塑性樹脂除去工程において除去し易いという観点からは、ポリエチレンを用いることが好ましい。ポリエチレンとしては、高圧法低密度ポリエチレン、気相法・溶液法・高圧法直鎖状低密度ポリエチレンなどの低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンなどの単独重合体又はエチレンとα-オレフィンとの共重合体;エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体が挙げられる。 Specific examples of polyolefins include polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and copolymers containing these. From the viewpoint of ease of removal in the thermoplastic resin removing step, it is preferable to use polyethylene. Polyethylene includes homopolymers such as high-pressure low-density polyethylene, low-density polyethylene such as gas-phase method, solution method, and high-pressure linear low-density polyethylene, medium-density polyethylene, and high-density polyethylene, or ethylene and α-olefin. and copolymers of ethylene and other vinyl monomers, such as ethylene-vinyl acetate copolymers.

この熱可塑性樹脂は、JIS K 7210に準拠して測定されたメルトマスフローレート(MFR)が0.1~10g/10minであることが好ましく、0.1~5g/10minであることがより好ましく、0.1~3g/10minであることが特に好ましい。MFRが上記範囲であると、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散することができる。また、樹脂複合繊維を成形する際に、繊維が引き延ばされることにより、炭素前駆体の分子配向性を制御して得られる炭素繊維の結晶性を向上させるとともに、得られる炭素繊維の繊維径をより小さくすることができる。熱可塑性樹脂は炭素前駆体と容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合はガラス転移温度が250℃以下、結晶性の場合は融点が300℃以下であることが好ましい。 The thermoplastic resin preferably has a melt mass flow rate (MFR) of 0.1 to 10 g/10 min, more preferably 0.1 to 5 g/10 min, measured according to JIS K 7210. Particularly preferred is 0.1 to 3 g/10 min. When the MFR is within the above range, the mesophase pitch can be well micro-dispersed in the thermoplastic resin. In addition, when molding the resin composite fiber, the fiber is stretched, thereby improving the crystallinity of the carbon fiber obtained by controlling the molecular orientation of the carbon precursor, and increasing the fiber diameter of the obtained carbon fiber. can be made smaller. Since the thermoplastic resin can be easily melt-kneaded with the carbon precursor, it is preferable that the amorphous resin has a glass transition temperature of 250° C. or lower, and the crystalline resin has a melting point of 300° C. or lower.

<炭素前駆体>
炭素前駆体としてはメソフェーズピッチを用いることが好ましい。以下、炭素前駆体としてメソフェーズピッチを用いる場合について説明する。メソフェーズピッチとは、溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成しうるピッチである。使用するメソフェーズピッチとしては、石炭や石油の蒸留残渣を原料とするものや、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料とするものが挙げられる。例えば、石炭由来のメソフェーズピッチは、コールタールピッチの水素添加・熱処理を主体とする処理、水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする処理等により得られる。
<Carbon precursor>
Mesophase pitch is preferably used as the carbon precursor. The case of using mesophase pitch as the carbon precursor will be described below. A mesophase pitch is a pitch that can form an optically anisotropic phase (liquid crystal phase) in a molten state. Examples of the mesophase pitch to be used include those made from coal or petroleum distillation residues and those made from aromatic hydrocarbons such as naphthalene. For example, coal-derived mesophase pitch can be obtained by a treatment mainly consisting of hydrogenation and heat treatment of coal tar pitch, a treatment mainly consisting of hydrogenation, heat treatment and solvent extraction.

より具体的には、以下の方法により得ることができる。
先ず、キノリン不溶分を除去した軟化点80℃のコールタールピッチを、Ni-Mo系触媒存在下、圧力13MPa、温度340℃で水添し、水素化コールタールピッチを得る。この水素化コールタールピッチを常圧下、480℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除去し、粗メソフェーズピッチを得る。この粗メソフェーズピッチを温度340℃でフィルターを用いてろ過を行って異物を取り除くことにより、精製メソフェーズピッチを得ることができる。
More specifically, it can be obtained by the following method.
First, a coal tar pitch with a softening point of 80° C. from which quinoline insoluble matter has been removed is hydrogenated at a pressure of 13 MPa and a temperature of 340° C. in the presence of a Ni—Mo catalyst to obtain a hydrogenated coal tar pitch. After the hydrogenated coal tar pitch is heat-treated at 480° C. under normal pressure, the pressure is reduced to remove low boiling point components to obtain crude mesophase pitch. Purified mesophase pitch can be obtained by filtering this crude mesophase pitch with a filter at a temperature of 340° C. to remove foreign matters.

メソフェーズピッチの光学的異方性含有量(メソフェーズ率)は、80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。 The optically anisotropic content (mesophase ratio) of the mesophase pitch is preferably 80% or more, more preferably 90% or more.

また、上記メソフェーズピッチは、軟化点が100~400℃であることが好ましく、150~350℃であることがより好ましい。 The mesophase pitch preferably has a softening point of 100 to 400°C, more preferably 150 to 350°C.

<樹脂組成物>
この炭素繊維の製造方法において用いられる、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとから成る樹脂組成物(以下、メソフェーズピッチ組成物ともいう)は、熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂100質量部に対して1~150質量部のメソフェーズピッチと、を含んで成ることが好ましい。メソフェーズピッチの含有量は5~100質量部であることがより好ましい。メソフェーズピッチの含有量が150質量部を超えると所望の繊維径を有する樹脂複合繊維が得られず、1質量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造することができない等の問題が生じるため好ましくない。
<Resin composition>
A resin composition comprising a thermoplastic resin and a mesophase pitch (hereinafter also referred to as a mesophase pitch composition) used in this carbon fiber manufacturing method is a thermoplastic resin and 1 part per 100 parts by mass of the thermoplastic resin. ~150 parts by weight of mesophase pitch. More preferably, the mesophase pitch content is 5 to 100 parts by mass. If the content of the mesophase pitch exceeds 150 parts by mass, a resin conjugate fiber having a desired fiber diameter cannot be obtained, and if it is less than 1 part by mass, the target carbon fiber cannot be produced at a low cost. This is not desirable because it causes

繊維径が900nm以下である炭素繊維を製造するためには、熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの分散径を0.01~50μmとすることが好ましく、0.01~30μmとすることがより好ましい。メソフェーズピッチの熱可塑性樹脂中への分散径が0.01~50μmの範囲を逸脱すると、所望の炭素繊維を製造することが困難となることがある。なお、メソフェーズピッチ組成物中において、メソフェーズピッチは球状又は楕円状の島相を形成するが、上記分散径とは、島成分が球状の場合はその直径を意味し、楕円状の場合はその長軸径を意味する。 In order to produce carbon fibers having a fiber diameter of 900 nm or less, the dispersed diameter of mesophase pitch in the thermoplastic resin is preferably 0.01 to 50 μm, more preferably 0.01 to 30 μm. If the diameter of the mesophase pitch dispersed in the thermoplastic resin is out of the range of 0.01 to 50 μm, it may be difficult to produce the desired carbon fiber. In the mesophase pitch composition, the mesophase pitch forms spherical or elliptical island phases. means shaft diameter.

上記0.01~50μmの分散径は、メソフェーズピッチ組成物を300℃で3分間保持した後においても上記範囲を維持していることが好ましく、300℃で5分間保持した後においても維持していることがより好ましく、300℃で10分間保持した後においても維持していることが特に好ましい。一般に、メソフェーズピッチ組成物を溶融状態で保持しておくと、メソフェーズピッチ組成物中においてメソフェーズピッチが時間と共に凝集する。メソフェーズピッチが凝集してその分散径が50μmを超えると、所望の炭素繊維を製造することが困難となることがある。メソフェーズピッチ組成物中におけるメソフェーズピッチの凝集速度は、使用する熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの種類により変動する。 The dispersion diameter of 0.01 to 50 μm preferably maintains the above range even after the mesophase pitch composition is held at 300° C. for 3 minutes, and is maintained even after holding at 300° C. for 5 minutes. It is more preferable that the temperature is maintained, and it is particularly preferable that the temperature is maintained even after the temperature is maintained at 300° C. for 10 minutes. In general, if the mesophase pitch composition is kept in a molten state, the mesophase pitch aggregates over time in the mesophase pitch composition. If the mesophase pitch aggregates and the dispersion diameter exceeds 50 μm, it may be difficult to produce the desired carbon fiber. The aggregation rate of mesophase pitch in the mesophase pitch composition varies depending on the type of thermoplastic resin and mesophase pitch used.

メソフェーズピッチ組成物は、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとを溶融状態において混練することにより製造することができる。熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとの溶融混練は公知の装置を用いて行うことができる。例えば、一軸式混練機、二軸式混練機、ミキシングロール、バンバリーミキサーからなる群より選ばれる1種類以上を用いることができる。これらの中でも、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散させるという目的から、二軸式混練機を用いることが好ましく、特に各軸が同方向に回転する二軸式混練機を用いることが好ましい。 The mesophase pitch composition can be produced by kneading a thermoplastic resin and mesophase pitch in a molten state. Melt-kneading of the thermoplastic resin and the mesophase pitch can be performed using a known apparatus. For example, one or more types selected from the group consisting of single-screw kneaders, twin-screw kneaders, mixing rolls, and Banbury mixers can be used. Among these, it is preferable to use a twin-screw kneader for the purpose of micro-dispersing the mesophase pitch in the thermoplastic resin, and it is particularly preferable to use a twin-screw kneader in which each shaft rotates in the same direction. preferable.

混練温度としては、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとが溶融状態であれば特に制限されないが、100~400℃であることが好ましく、150~350℃であることが好ましい。混練温度が100℃未満であると、メソフェーズピッチが溶融状態にならず、熱可塑性樹脂中にミクロ分散させることが困難であるため好ましくない。一方、400℃を超える場合、熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの分解が進行するため好ましくない。また、溶融混練の時間としては、0.5~20分間であることが好ましく、1~15分間であることがより好ましい。溶融混練の時間が0.5分間未満の場合、メソフェーズピッチのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、20分間を超える場合、炭素繊維の生産性が著しく低下するため好ましくない。 The kneading temperature is not particularly limited as long as the thermoplastic resin and the mesophase pitch are in a molten state, but it is preferably 100 to 400°C, more preferably 150 to 350°C. If the kneading temperature is less than 100°C, the mesophase pitch will not be in a molten state, making it difficult to microdisperse it in the thermoplastic resin. On the other hand, if it exceeds 400° C., decomposition of the thermoplastic resin and mesophase pitch proceeds, which is not preferable. The melt-kneading time is preferably 0.5 to 20 minutes, more preferably 1 to 15 minutes. If the melt-kneading time is less than 0.5 minutes, it is difficult to microdisperse the mesophase pitch, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 20 minutes, the productivity of the carbon fiber is significantly lowered, which is not preferable.

溶融混練は、酸素ガス含有量が10体積%未満の不活性雰囲気下で行うことが好ましく、酸素ガス含有量が5体積%未満の不活性雰囲気下で行うことがより好ましく、酸素ガス含有量が1%体積未満の不活性雰囲気下で行うことが特に好ましい。本発明で使用するメソフェーズピッチは、溶融混練時に酸素と反応することにより変性してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、酸素とメソフェーズピッチとの反応を抑制するために不活性雰囲気下で溶融混練を行うことが好ましい。 Melt-kneading is preferably performed in an inert atmosphere with an oxygen gas content of less than 10% by volume, more preferably in an inert atmosphere with an oxygen gas content of less than 5% by volume, and the oxygen gas content is It is particularly preferred to work under an inert atmosphere of less than 1% volume. The mesophase pitch used in the present invention may be denatured by reacting with oxygen during melt-kneading, which may hinder microdispersion in the thermoplastic resin. Therefore, it is preferable to melt-knead in an inert atmosphere in order to suppress the reaction between oxygen and mesophase pitch.

<樹脂複合繊維>
上記のメソフェーズピッチ組成物から樹脂複合繊維を製造する方法としては、所望の炭素繊維が作製できれば限定されないが、メソフェーズピッチ組成物を紡糸口金より溶融紡糸する方法、メソフェーズピッチ組成物を矩形口金より溶融製膜する方法を例示することができる。
<Resin Composite Fiber>
The method for producing a resin composite fiber from the above mesophase pitch composition is not limited as long as the desired carbon fiber can be produced, but a method of melt-spinning a mesophase pitch composition from a spinneret, and a method of melting a mesophase pitch composition from a rectangular spinneret. A film-forming method can be exemplified.

結晶性の高い炭素繊維を得るためには、樹脂複合繊維を得る段階において、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチの分子配向性を高める操作を行うことが必要である。樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチの分子配向性を高める操作としては、溶融状態のメソフェーズピッチの分子配向性を高めるために変形を加えることが好ましい。係る方法としては、溶融状態のメソフェーズピッチにせん断によるひずみを加える方法、伸長によるひずみを加える方法を例示することができる。 In order to obtain a highly crystalline carbon fiber, it is necessary to perform an operation to enhance the molecular orientation of the mesophase pitch contained in the resin composite fiber in the step of obtaining the resin composite fiber. As the operation for enhancing the molecular orientation of the mesophase pitch contained in the resin composite fiber, it is preferable to apply deformation to enhance the molecular orientation of the mesophase pitch in a molten state. Examples of such methods include a method of applying strain by shearing to the mesophase pitch in a molten state and a method of applying strain by elongation.

せん断によるひずみを加える方法としては、メソフェーズピッチが溶融した状態において、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物の線速度を大きくする方法が例示される。具体的には、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物が流路内を通過する際の通過速度を高くすることにより、せん断によるひずみを加える方法が挙げられる。
また、伸長によるひずみを加える方法としては、メソフェーズピッチが溶融した状態において、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物の線速度を、口金の吐出側に向けて大きくしていく方法が挙げられる。具体的には、口金の流路内の断面積を吐出側に向けて漸減させる方法や、口金から吐出されたメソフェーズピッチ組成物を、吐出線速度よりも大きな線速度で引き取る方法などが挙げられる。
As a method of applying strain by shearing, a method of increasing the linear velocity of the mesophase pitch composition in the molten state when the mesophase pitch is in a molten state is exemplified. Specifically, there is a method of applying shear strain by increasing the passage speed of the mesophase pitch composition in a molten state as it passes through the channel.
Further, as a method of applying strain by elongation, a method of increasing the linear velocity of the mesophase pitch composition in the molten state toward the discharge side of the die while the mesophase pitch is in a molten state can be used. Specific examples include a method in which the cross-sectional area in the flow path of the die is gradually reduced toward the ejection side, and a method in which the mesophase pitch composition ejected from the die is drawn at a higher linear velocity than the ejection linear velocity. .

メソフェーズピッチの分子配向性を高める操作の際の温度は、メソフェーズピッチの溶融温度よりも高いことが必要であり、150~400℃であることが好ましく、180~350℃であることがより好ましい。400℃を超える場合、メソフェーズピッチの変形緩和速度が大きくなり、繊維の形態を保つことが難しくなる。 The temperature during the operation for enhancing the molecular orientation of the mesophase pitch must be higher than the melting temperature of the mesophase pitch, preferably 150 to 400°C, more preferably 180 to 350°C. If the temperature exceeds 400°C, the rate of deformation relaxation of the mesophase pitch increases, making it difficult to maintain the shape of the fiber.

また、樹脂複合繊維の製造工程は冷却工程を有していてもよい。冷却工程としては、例えば、溶融紡糸の場合、紡糸口金の下流の雰囲気を冷却する方法が挙げられる。溶融製膜の場合、矩形口金の下流に冷却ドラムを設ける方法が挙げられる。冷却工程を設けることにより、メソフェーズピッチが伸長により変形する領域を調整でき、ひずみの速度を調整することができる。また、冷却工程を設けることにより、紡糸又は製膜後の樹脂複合繊維を直ちに冷却固化させて安定した成形を可能とする。 Moreover, the manufacturing process of the resin composite fiber may have a cooling process. As the cooling step, for example, in the case of melt spinning, there is a method of cooling the atmosphere downstream of the spinneret. In the case of melt film-forming, a method of providing a cooling drum downstream of the rectangular die can be used. By providing the cooling step, the region where the mesophase pitch is deformed by elongation can be adjusted, and the strain rate can be adjusted. Moreover, by providing the cooling step, the resin conjugate fiber after being spun or formed into a film can be immediately cooled and solidified to enable stable molding.

<樹脂複合安定化繊維>
上記のようにして得られた樹脂複合繊維は、該樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチ繊維を安定化(不融化ともいう)して樹脂複合安定化繊維が作製される。安定化は、空気、酸素、オゾン、二酸化窒素、ハロゲンなどを用いるガス気流処理、酸性水溶液などを用いる溶液処理など公知の方法で行うことができるが、生産性の面からガス気流処理による不融化が好ましい。
<Resin composite stabilized fiber>
In the resin composite fiber obtained as described above, the mesophase pitch fiber contained in the resin composite fiber is stabilized (also referred to as infusibilization) to produce a resin composite stabilized fiber. Stabilization can be performed by known methods such as gas flow treatment using air, oxygen, ozone, nitrogen dioxide, halogen, etc., solution treatment using an acidic aqueous solution, etc., but from the standpoint of productivity, infusibilization by gas flow treatment is preferred.

使用するガス成分としては、取り扱いの容易性から空気、酸素、又はこれを含む混合ガスであることが好ましく、コストの関係から空気を用いるのが特に好ましい。使用する酸素ガス濃度としては、全ガス組成の0.5~100体積%の範囲にあることが好ましい。酸素ガス濃度が全ガス組成の10体積%未満であると、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチを安定化するのに多大の時間を要してしまうので好ましくない。 As the gas component to be used, air, oxygen, or a mixed gas containing these is preferable from the viewpoint of ease of handling, and air is particularly preferable from the viewpoint of cost. The oxygen gas concentration to be used is preferably in the range of 0.5 to 100% by volume of the total gas composition. If the oxygen gas concentration is less than 10% by volume of the total gas composition, it takes a long time to stabilize the mesophase pitch contained in the resin composite fiber, which is not preferable.

安定化の反応温度は、30~350℃が好ましく、40~300℃がより好ましい。安定化の処理時間は、10~1200分間が好ましく、10~600分間がより好ましく、30~300分間が特に好ましい。 The reaction temperature for stabilization is preferably 30 to 350°C, more preferably 40 to 300°C. The treatment time for stabilization is preferably 10 to 1200 minutes, more preferably 10 to 600 minutes, particularly preferably 30 to 300 minutes.

上記安定化処理によりメソフェーズピッチの軟化点は著しく上昇するが、所望の炭素繊維を得るという目的から、メソフェーズピッチの軟化点は400℃以上となることが好ましく、500℃以上となることがさらに好ましい。 Although the softening point of the mesophase pitch is significantly increased by the stabilization treatment, the softening point of the mesophase pitch is preferably 400° C. or higher, more preferably 500° C. or higher, for the purpose of obtaining the desired carbon fiber. .

<熱可塑性樹脂除去工程>
次に、上述のようにして得られる樹脂複合安定化繊維は、その中に含まれる熱可塑性樹脂が除去されて安定化繊維が分離される。この工程では、安定化繊維の熱分解を抑制しながら、熱可塑性樹脂を分解・除去する。熱可塑性樹脂を分解・除去する方法としては、例えば、溶剤を用いて熱可塑性樹脂を除去する方法や、熱可塑性樹脂を熱分解して除去する方法が挙げられる。
<Thermoplastic resin removal step>
Next, the thermoplastic resin contained in the resin composite stabilized fiber obtained as described above is removed to separate the stabilized fiber. In this step, the thermoplastic resin is decomposed and removed while suppressing the thermal decomposition of the stabilized fibers. Methods for decomposing and removing the thermoplastic resin include, for example, a method of removing the thermoplastic resin using a solvent and a method of thermally decomposing and removing the thermoplastic resin.

熱可塑性樹脂の熱分解は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。ここでいう不活性雰囲気とは、二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガス雰囲気をいい、その酸素濃度は30体積ppm以下であることが好ましく、20体積ppm以下であることがより好ましい。本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素及び窒素を用いることが好ましく、窒素を用いることが特に好ましい。 Thermal decomposition of the thermoplastic resin is preferably carried out in an inert atmosphere. The inert atmosphere referred to here means a gas atmosphere such as carbon dioxide, nitrogen, argon, etc., and the oxygen concentration thereof is preferably 30 ppm by volume or less, more preferably 20 ppm by volume or less. As the inert gas used in this step, it is preferable to use carbon dioxide and nitrogen from the viewpoint of cost, and it is particularly preferable to use nitrogen.

熱可塑性樹脂の熱分解は減圧下で行うこともできる。減圧下で熱分解することにより、熱可塑性樹脂を十分に除去することができる。その結果、安定化繊維を炭素化又は黒鉛化して得られる炭素繊維又は黒鉛化繊維の繊維間における融着を少なくすることができる。雰囲気圧力は低いほど好ましいが、50kPa以下であることが好ましく、30kPa以下であることがより好ましく、10kPa以下であることがさらに好ましく、5kPa以下であることが特に好ましい。一方、完全な真空は達成が困難であるため、圧力の下限は一般に0.01kPa以上である。 Thermal decomposition of the thermoplastic resin can also be carried out under reduced pressure. Thermal decomposition under reduced pressure can sufficiently remove the thermoplastic resin. As a result, fusion bonding between carbon fibers or graphitized fibers obtained by carbonizing or graphitizing the stabilized fibers can be reduced. The lower the atmospheric pressure, the better, but it is preferably 50 kPa or less, more preferably 30 kPa or less, even more preferably 10 kPa or less, and particularly preferably 5 kPa or less. On the other hand, since perfect vacuum is difficult to achieve, the lower limit of pressure is generally 0.01 kPa or more.

熱可塑性樹脂の熱分解を減圧下で行う場合、上記の雰囲気圧力が保たれれば、微量の酸素や不活性ガスが存在してもよい。特に微量の不活性ガスが存在すると、熱可塑性樹脂の熱劣化による繊維間の融着が抑制される利点があり好ましい。なお、ここでいう微量の酸素とは、酸素濃度が30体積ppm以下であることをいい、微量の不活性ガスとは、不活性ガス濃度が20体積ppm以下であることをいう。用いる不活性ガスの種類は、上述したとおりである。 When the thermoplastic resin is thermally decomposed under reduced pressure, a small amount of oxygen or inert gas may be present as long as the above atmospheric pressure is maintained. In particular, the presence of a small amount of inert gas is advantageous because it suppresses fusion between fibers due to thermal deterioration of the thermoplastic resin. Here, the term "trace amount of oxygen" means that the oxygen concentration is 30 volume ppm or less, and the term "trace amount of inert gas" means that the inert gas concentration is 20 volume ppm or less. The type of inert gas used is as described above.

熱分解の温度は、350~600℃であることが好ましく、380~550℃であることがより好ましい。熱分解の温度が350℃未満である場合、安定化繊維の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を十分行うことができない場合がある。一方、600℃を超える場合、熱可塑性樹脂の熱分解は十分行うことができるものの、安定化繊維までが熱分解される場合があり、その結果、炭素化時の収率が低下し易い。熱分解の時間としては、0.1~10時間であることが好ましく、0.5~10時間であることがより好ましい。 The thermal decomposition temperature is preferably 350 to 600°C, more preferably 380 to 550°C. When the thermal decomposition temperature is lower than 350° C., the thermal decomposition of the stabilized fiber is suppressed, but the thermoplastic resin may not be sufficiently thermally decomposed. On the other hand, if the temperature exceeds 600° C., the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, but even the stabilized fibers may be thermally decomposed, and as a result, the yield during carbonization tends to decrease. The thermal decomposition time is preferably 0.1 to 10 hours, more preferably 0.5 to 10 hours.

安定化工程及び熱可塑性樹脂除去工程は、樹脂複合繊維又は樹脂複合安定化繊維を、支持基材上に目付け2000g/m以下で保持して行うことが好ましい。支持基材に保持することによって、安定化処理時又は熱可塑性樹脂除去時の加熱処理による樹脂複合繊維又は樹脂複合安定化繊維の凝集を抑制することができ、通気性を保つことが可能となる。 The stabilizing step and the thermoplastic resin removing step are preferably carried out while holding the resin composite fiber or the resin composite stabilized fiber on the supporting substrate at a basis weight of 2000 g/m 2 or less. By holding it on the support substrate, it is possible to suppress aggregation of the resin composite fiber or resin composite stabilized fiber due to heat treatment during stabilization treatment or removal of the thermoplastic resin, and it is possible to maintain breathability. .

支持基材の材質としては、溶剤や加熱によって変形や腐食を生じないことが必要である。また、支持基材の耐熱温度としては、上記の熱可塑性樹脂除去工程の熱分解温度で変形しないことが必要であることから、600℃以上の耐熱性を有していることが好ましい。このような材質としては、ステンレスなどの金属材料やアルミナ、シリカなどのセラミックス材料を挙げることができる。 The material of the supporting substrate must not be deformed or corroded by solvent or heat. As for the heat resistance temperature of the supporting base material, it is preferable that the supporting base material has a heat resistance of 600° C. or higher because it is necessary not to deform at the thermal decomposition temperature of the thermoplastic resin removing step. Examples of such materials include metal materials such as stainless steel and ceramic materials such as alumina and silica.

また、支持基材の形状としては、面垂直方向への通気性を有する形状であることが好ましい。このような形状としては網目構造が好ましい。網目の目開きは0.1~5mmであることが好ましい。目開きが5mmよりも大きい場合、加熱処理によって網目の線上に繊維が凝集し易くなり、メソフェーズピッチの安定化や熱可塑性樹脂の除去が不十分となる場合があり好ましくない。一方、網目の目開きが0.1mm未満である場合、支持基材の開孔率の減少により、支持基材の面垂直方向への通気性が低下する場合があり好ましくない。 Moreover, the shape of the support substrate is preferably a shape having air permeability in the direction perpendicular to the plane. As such a shape, a mesh structure is preferable. The opening of the mesh is preferably 0.1 to 5 mm. If the mesh opening is larger than 5 mm, the fibers tend to aggregate on the mesh lines due to the heat treatment, and the stabilization of the mesophase pitch and the removal of the thermoplastic resin may become insufficient, which is not preferable. On the other hand, if the opening of the mesh is less than 0.1 mm, the permeability of the support substrate in the direction perpendicular to the surface may decrease due to the decrease in the porosity of the support substrate, which is not preferable.

<炭化焼成工程>
上記安定化繊維を不活性雰囲気下で炭素化及び/又は黒鉛化することにより炭素繊維が得られる。その際に使用する容器としては、黒鉛製のルツボ状のものが好ましい。ここで、炭素化とは比較的低温(好ましくは1000℃程度)で加熱することをいい、黒鉛化とはさらに高温で加熱(好ましくは3000℃程度)することにより黒鉛の結晶を成長させることをいう。
<Carbonization firing process>
Carbon fibers are obtained by carbonizing and/or graphitizing the stabilized fibers in an inert atmosphere. As a container used at that time, a crucible-shaped one made of graphite is preferable. Here, carbonization means heating at a relatively low temperature (preferably about 1000° C.), and graphitization means growing graphite crystals by heating at a higher temperature (preferably about 3000° C.). say.

上記安定化繊維の炭素化及び/又は黒鉛化時に使用される不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が挙げられる。不活性雰囲気中の酸素濃度は、20体積ppm以下であることが好ましく、10体積ppm以下であることがより好ましい。炭素化及び/又は黒鉛化時の焼成温度は、500~3500℃が好ましく、800~3200℃がより好ましい。特に黒鉛化の際の焼成温度としては、2000~3500℃が好ましく、2100~3200℃がより好ましい。黒鉛化時の温度が2000℃未満である場合、結晶成長が妨げられ、結晶子長さが不十分となり導電性が著しく低下するおそれがある。また、黒鉛化温度が3500℃を超える場合、結晶成長の点では好ましいが、炭素繊維の酸素含有量が減少する傾向がある。焼成時間は、0.1~24時間が好ましく、0.2~10時間がより好ましい。 Nitrogen, argon and the like are examples of the inert gas used during carbonization and/or graphitization of the stabilized fiber. The oxygen concentration in the inert atmosphere is preferably 20 ppm by volume or less, more preferably 10 ppm by volume or less. The firing temperature during carbonization and/or graphitization is preferably 500 to 3500°C, more preferably 800 to 3200°C. In particular, the firing temperature for graphitization is preferably 2000 to 3500°C, more preferably 2100 to 3200°C. If the temperature during graphitization is less than 2000° C., crystal growth is hindered, and the crystallite length becomes insufficient, which may result in a marked drop in electrical conductivity. Also, when the graphitization temperature exceeds 3500° C., it is preferable in terms of crystal growth, but the oxygen content of the carbon fibers tends to decrease. The firing time is preferably 0.1 to 24 hours, more preferably 0.2 to 10 hours.

<粉砕処理>
上記炭素繊維の製造方法は、粉砕処理工程を有していても良い。粉砕処理は、熱可塑性樹脂除去工程、及び/又は、炭化焼成工程において実施するのが好ましい。粉砕方法としては、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、インペラーミル、カッターミル等の微粉砕機を適用することが好ましく、粉砕後に必要に応じて分級を行ってもよい。湿式粉砕の場合、粉砕後に分散媒体を除去するが、この際に2次凝集が顕著に生じるとその後の取り扱いが非常に困難となる。このような場合は、乾燥後、ボールミルやジェットミル等を用いて解砕操作を行うことが好ましい。
<Pulverization processing>
The method for producing carbon fibers may include a pulverization step. The pulverization treatment is preferably performed in the thermoplastic resin removal step and/or the carbonization/firing step. As a pulverization method, it is preferable to apply a fine pulverizer such as a jet mill, ball mill, bead mill, impeller mill, cutter mill, etc. After pulverization, classification may be performed as necessary. In the case of wet pulverization, the dispersing medium is removed after pulverization, but if significant secondary aggregation occurs at this time, subsequent handling becomes very difficult. In such a case, after drying, it is preferable to carry out a crushing operation using a ball mill, a jet mill, or the like.

(1-3) バインダー
本発明の電極合剤層にはバインダーを使用してもよい。用いられるバインダーとしては、電極成形が可能であり、十分な電気化学的安定性を有しているバインダーであれば用いることが可能である。係るバインダーとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、フェノール樹脂等よりなる群から選ばれる1種以上を用いることが好ましく、特にポリフッ化ビニリデン(PVDF)やカルボキシメチルセルロースやスチレンブタジエンゴム(SBR)が好ましい。バインダーとして用いる際の形態としては特に制限はなく、固体状であっても液体状(例えばエマルション)であってもよく、電極の製造方法(特に乾式混練か湿式混練か)、電解液への溶解性等を考慮して適宜選択することができる。
(1-3) Binder A binder may be used in the electrode mixture layer of the present invention. As the binder to be used, any binder can be used as long as it is capable of forming an electrode and has sufficient electrochemical stability. Such binders include polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber (SBR), fluoroolefin copolymer crosslinked polymer, polyimide, polyamideimide, It is preferable to use one or more selected from the group consisting of aramid, phenolic resin, etc. Especially preferable are polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxymethylcellulose and styrene-butadiene rubber (SBR). The form when used as a binder is not particularly limited, and may be solid or liquid (e.g., emulsion). It can be appropriately selected in consideration of the nature and the like.

本発明の電極合剤層におけるバインダーの含有量は、電極合剤層の質量を基準として1~25質量%であることが好ましく、3~20質量%であることがより好ましく、5~20質量%であることがさらに好ましい。 The content of the binder in the electrode mixture layer of the present invention is preferably 1 to 25% by mass, more preferably 3 to 20% by mass, more preferably 5 to 20% by mass, based on the mass of the electrode mixture layer. % is more preferred.

(1-4) 正極活物質
本発明の電極合剤層は、主に非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池に好ましく使用される。以下、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質について説明する。
(1-4) Positive Electrode Active Material The electrode mixture layer of the present invention is preferably used mainly for nonaqueous electrolyte secondary batteries, particularly lithium ion secondary batteries. The positive electrode active material used in the lithium ion secondary battery will be described below.

本発明の正極合剤層に含まれる正極活物質としては、非水電解質二次電池において、正極活物質として知られている従来公知の材料の中から、任意のものを1種又は2種以上適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池であれば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有金属酸化物が好適である。このリチウム含有金属酸化物としては、リチウムと、Co、Mg、Mn、Ni、Fe、Al、Mo、V、W及びTiなどからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、を含む複合酸化物を挙げることができる。 As the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer of the present invention, any one or more of conventionally known materials known as positive electrode active materials in non-aqueous electrolyte secondary batteries can be selected. It can be selected and used as appropriate. For example, lithium-containing metal oxides capable of intercalating and deintercalating lithium ions are suitable for lithium ion secondary batteries. The lithium-containing metal oxide is a composite oxide containing lithium and at least one element selected from the group consisting of Co, Mg, Mn, Ni, Fe, Al, Mo, V, W and Ti. can be mentioned.

具体的には、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1-a、LiCo1-b、LiCoFe1-b、LiMn、LiMnCo2-c、LiMnNi2-c、LiMn2-c、LiMnFe2-c、(ここで、x=0.02~1.2、a=0.1~0.9、b=0.8~0.98、c=1.2~1.96、z=2.01~2.3である。)などからなる群より選ばれる少なくとも1種が挙げられる。好ましいリチウム含有金属酸化物としては、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiCoNi1-a、LiMn、LiCo1-b(ここで、x、a、b及びzは上記と同じである。)からなる群より選ばれる少なくとも1種を挙げることができる。なお、xの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。 Specifically, Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x Co a Ni 1-a O 2 , Li x Co b V 1-b O z , Li x Co b Fe 1-b O 2 , Li x Mn 2 O 4 , Li x Mn c Co 2-c O 4 , Li x Mn c Ni 2-c O 4 , Li x Mn c V 2-c O 4 , Li x Mn c Fe 2- c O 4 , where x=0.02-1.2, a=0.1-0.9, b=0.8-0.98, c=1.2-1.96, z= 2.01 to 2.3.) and the like. Preferred lithium-containing metal oxides include Li x CoO 2 , Li x NiO 2 , Li x MnO 2 , Li x Co a Ni 1-a O 2 , Li x Mn 2 O 4 , Li x Co b V 1-b At least one selected from the group consisting of O z (where x, a, b and z are the same as above) can be mentioned. Note that the value of x is a value before charging/discharging is started, and increases or decreases due to charging/discharging.

上記正極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該正極活物質の平均粒子径は、10μm以下であることが好ましく、0.05~7μmであることがより好ましく、1~7μmであることがさらに好ましい。平均粒子径が10μmを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう場合がある。 The positive electrode active material may be used singly or in combination of two or more. Also, the average particle size of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less, more preferably 0.05 to 7 μm, even more preferably 1 to 7 μm. If the average particle size exceeds 10 μm, the efficiency of the charge-discharge reaction under a large current may decrease.

(1-5) 負極活物質
次に本発明の負極合剤層に用いられる負極活物質について説明する。
本発明の負極合剤層において用いる負極活物質としては、非水電解質二次電池において、負極活物質として知られている従来公知の材料の中から、任意のものを1種又は2種以上適宜選択して用いることができる。リチウムイオン二次電池の場合、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料として、例えば、炭素材料や、Si及び/又はSnを含む合金や酸化物などを用いることができる。これらの中でもコストなどの観点からは炭素材料が好ましい。上記炭素材料としては、天然黒鉛、石油系又は石炭系コークスを熱処理することで製造される人造黒鉛、樹脂を炭素化したハードカーボン、メソフェーズピッチ系炭素材料などが挙げられる。
(1-5) Negative Electrode Active Material Next, the negative electrode active material used for the negative electrode mixture layer of the present invention will be described.
As the negative electrode active material used in the negative electrode mixture layer of the present invention, one or two or more of conventionally known materials known as negative electrode active materials in non-aqueous electrolyte secondary batteries are appropriately selected. It can be selected and used. In the case of a lithium ion secondary battery, for example, a carbon material, an alloy or oxide containing Si and/or Sn, or the like can be used as a material capable of intercalating and deintercalating lithium ions. Among these materials, carbon materials are preferable from the viewpoint of cost. Examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite produced by heat-treating petroleum-based or coal-based coke, hard carbon obtained by carbonizing resin, mesophase pitch-based carbon material, and the like.

天然黒鉛や人造黒鉛を用いる場合、電池容量の増大の観点から、粉末X線回折による黒鉛構造の(002)面の面間隔d(002)が0.335~0.337nmの範囲にあるものが好ましい。天然黒鉛とは、鉱石として天然に産出する黒鉛質材料のことをいう。天然黒鉛は、その外観と性状によって、結晶化度の高い鱗状黒鉛と結晶化度が低い土状黒鉛の2種類に分けられる。鱗状黒鉛はさらに外観が葉状の鱗片状黒鉛と、塊状である鱗状黒鉛とに分けられる。黒鉛質材料となる天然黒鉛は、産地や性状、種類は特に制限されない。また、天然黒鉛又は天然黒鉛を原料として製造した粒子に熱処理を施して用いてもよい。 When using natural graphite or artificial graphite, from the viewpoint of increasing the battery capacity, the lattice spacing d (002) of the (002) plane of the graphite structure according to powder X-ray diffraction is in the range of 0.335 to 0.337 nm. preferable. Natural graphite refers to a graphite material that is naturally produced as an ore. Natural graphite is classified into two types, flaky graphite with a high degree of crystallinity and earthy graphite with a low degree of crystallinity, according to its appearance and properties. Flaky graphite is further classified into flaky graphite having a leaf-like appearance and flaky graphite having a massive appearance. Natural graphite, which is a graphite material, is not particularly limited in its place of origin, properties, or type. Alternatively, natural graphite or particles produced using natural graphite as a raw material may be heat-treated before use.

人造黒鉛とは、広く人工的な手法で作られた黒鉛及び黒鉛の完全結晶に近い黒鉛質材料をいう。代表的な例としては、石炭の乾留、原油の蒸留による残渣などから得られるタールやコークスを原料にして、500~1000℃程度の焼成工程、2000℃以上の黒鉛化工程を経て得たものが挙げられる。また、溶解鉄から炭素を再析出させることで得られるキッシュグラファイトも人造黒鉛の一種である。 Artificial graphite refers to graphite produced by a wide range of artificial methods and graphite materials that are close to perfect crystals of graphite. Typical examples are those obtained by using tar and coke obtained from the residue of dry distillation of coal and distillation of crude oil as raw materials and going through a firing process at about 500 to 1000 ° C. and a graphitization process at 2000 ° C. or higher. mentioned. Kish graphite obtained by reprecipitating carbon from molten iron is also a kind of artificial graphite.

負極活物質として炭素材料の他に、Si及び/又はSnを含む合金を使用すると、Si及び/又はSnを単体で用いる場合やそれぞれの酸化物を用いる場合に比べ、充放電時の電極の膨張率が小さくなり、サイクル特性が良好になる。これらの中でも、Si系合金が好ましい。Si系合金としては、B、Mg、Ca、Ti、Fe、Co、Mo、Cr、V、W、Ni、Mn、Zn及びCuなどからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、Siと、の合金などが挙げられる。具体的には、SiB、SiB、MgSi、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、NiSi、CaSi、CrSi、CuSi、FeSi、MnSi、VSi、WSi、ZnSiなどからなる群より選ばれる少なくとも1種が挙げられる。
負極を構成する電極合剤層においては、負極活物質として、既述の材料を1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
When an alloy containing Si and/or Sn is used in addition to the carbon material as the negative electrode active material, the expansion of the electrode during charge and discharge is more pronounced than when Si and/or Sn is used alone or when the respective oxides are used. The rate becomes smaller, and the cycle characteristics become better. Among these, Si-based alloys are preferred. The Si-based alloy includes at least one element selected from the group consisting of B, Mg, Ca, Ti, Fe, Co, Mo, Cr, V, W, Ni, Mn, Zn, Cu, and the like, Si, and alloys of Specifically, SiB4 , SiB6 , Mg2Si , Ni2Si, TiSi2 , MoSi2 , CoSi2 , NiSi2 , CaSi2 , CrSi2 , Cu5Si , FeSi2 , MnSi2 , VSi2 , At least one selected from the group consisting of WSi 2 , ZnSi 2 and the like can be mentioned.
In the electrode mixture layer constituting the negative electrode, as the negative electrode active material, one of the materials described above may be used alone, or two or more of them may be used in combination.

また、当該負極活物質の平均粒子径は10μm以下とする。平均粒子径が10μmを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう。平均粒子径は0.1~10μmとすることが好ましく、1~7μmとすることがより好ましい。 Also, the average particle size of the negative electrode active material is set to 10 μm or less. If the average particle size exceeds 10 μm, the efficiency of the charge-discharge reaction under a large current is lowered. The average particle size is preferably 0.1-10 μm, more preferably 1-7 μm.

2. 非水電解質二次電池用電極
第2の本発明は、上記電極合剤層が形成された非水電解質二次電池用電極(以下、単に「電極」ともいう)である。この電極は、集電体の表面に本発明の電極合剤層が形成されて成る。
2. Electrode for Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery The second aspect of the present invention is an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter also simply referred to as "electrode") having the electrode mixture layer formed thereon. This electrode is formed by forming the electrode mixture layer of the present invention on the surface of a current collector.

本発明の電極合剤層を備える電極の作製方法としては、以下の二つの方法が一般的である。一つの方法は、上記電極活物質、上記炭素系導電助剤、好ましくはバインダー、及び必要に応じて他の成分を混合・混練し、押し出し成形によりフィルム化して、これを圧延、延伸した後、集電体と貼り合わせる方法である。
もう一つの方法は、上記電極活物質、上記炭素系導電助剤、好ましくはバインダー、バインダーを溶解する溶媒、及び必要に応じて他の成分を混合してスラリーを調製し、このスラリーを集電体表面に塗布して溶媒を除去した後、プレスを行う方法である。
本発明の場合、どちらの方法も採用できるが、後者の方法が好適であるので、以下後者の方法について詳述する。
The following two methods are generally used for producing an electrode having an electrode mixture layer of the present invention. One method is to mix and knead the electrode active material, the carbon-based conductive agent, preferably a binder, and other components as necessary, form a film by extrusion molding, roll and stretch the film, and then This is a method of bonding with a current collector.
Another method is to prepare a slurry by mixing the electrode active material, the carbon-based conductive agent, preferably a binder, a solvent for dissolving the binder, and other components as necessary, and use the slurry as a current collector. This is a method of applying to the body surface, removing the solvent, and then pressing.
In the case of the present invention, either method can be adopted, but the latter method is preferred, so the latter method will be described in detail below.

上記スラリーにおける固形分濃度(上記スラリーの溶媒以外の成分の合計質量がスラリーの全質量に占める割合をいう。)は、10~30質量%であることが好ましく、15~25質量%であることがより好ましい。固形分濃度が30質量%を超えると、均一なスラリー作製が困難である場合がある。また、固形分濃度が10質量%未満であると、スラリーの粘度が不十分であり、集電体に積層される電極合剤層の厚みが不均一になってしまう場合がある。 The solid content concentration in the slurry (refers to the ratio of the total mass of the components other than the solvent in the slurry to the total mass of the slurry) is preferably 10 to 30% by mass, and is 15 to 25% by mass. is more preferred. If the solid content concentration exceeds 30% by mass, it may be difficult to prepare a uniform slurry. Moreover, when the solid content concentration is less than 10% by mass, the viscosity of the slurry is insufficient, and the thickness of the electrode mixture layer laminated on the current collector may become uneven.

スラリーに用いる溶媒としては、バインダーを溶解する溶媒である限り特に制限されない。具体的には、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホオキシド(DMSO)、水等よりなる群から選ばれる1種類以上を挙げることができ、特にNMP、DMAc又は水が好ましい。 The solvent used for the slurry is not particularly limited as long as it dissolves the binder. Specifically, one or more selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), water and the like can be mentioned, particularly NMP, DMAc or water are preferred.

電極を作製する際に、スラリー中のチクソ性が強過ぎると、塗布に適した流動性を確保することが困難となる場合がある。このような場合には、スラリー化助剤を使用してもよい。スラリー化助剤としては、ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール等よりなる群から選ばれる1つ以上を挙げることができる。特に、ポリビニルピロリドンを使用することが好適である。上記のようなスラリー化助剤を添加することにより、少ない溶媒量であっても十分な流動性を確保することができ、炭素系導電助剤の分散性も格段に向上する。また、溶媒除去後のクラックの発生も抑制できる。スラリー化助剤の添加量としては、スラリー中の溶媒以外の成分の合計量に対して、10質量%以下であることが好ましく、0.5~10質量%であることがより好ましく、0.5~8質量%であることがさらに好ましい。スラリー化助剤の添加量が10質量%を超えると、逆にスラリー粘度が急激に低下し、分散不良を生じて好適なスラリー作製が困難となる場合がある。スラリー化助剤の添加量が0.5質量%未満である場合、スラリー化助剤の効果が現れ難い。 If the thixotropy in the slurry is too strong when producing the electrode, it may be difficult to ensure fluidity suitable for coating. In such cases, a slurrying aid may be used. Slurry aids include one or more selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose, polyvinylacetate, polyvinylalcohol, and the like. In particular, it is preferred to use polyvinylpyrrolidone. By adding the slurrying aid as described above, sufficient fluidity can be ensured even with a small amount of solvent, and the dispersibility of the carbon-based conductive aid is remarkably improved. In addition, it is possible to suppress the occurrence of cracks after removing the solvent. The amount of the slurrying aid added is preferably 10% by mass or less, more preferably 0.5 to 10% by mass, based on the total amount of components other than the solvent in the slurry. More preferably, it is 5 to 8% by mass. If the addition amount of the slurry-forming aid exceeds 10% by mass, the slurry viscosity may conversely decrease sharply, resulting in poor dispersion and making it difficult to prepare a suitable slurry. When the addition amount of the slurrying aid is less than 0.5% by mass, the effect of the slurrying aid is difficult to appear.

上記スラリーは、後述する集電体の表面に塗布する。塗布方法としては、ドクターブレード等の適宜の塗布方法を採用することができる。塗布後、例えば、60~100℃、好ましくは75~85℃において、好ましくは60~180分間加熱処理することにより溶媒を除去する。その後、溶媒除去後の塗布物をプレスしても良い。本発明において好ましいプレス条件は、10~30Paの圧力下、1~5分間である。 The slurry is applied to the surface of a current collector, which will be described later. As a coating method, an appropriate coating method such as a doctor blade can be adopted. After coating, the solvent is removed by heat treatment at, for example, 60 to 100° C., preferably 75 to 85° C., for preferably 60 to 180 minutes. After that, the coated material after removing the solvent may be pressed. Preferred pressing conditions in the present invention are pressure of 10 to 30 Pa for 1 to 5 minutes.

電極を構成する集電体としては、任意の導電性材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン又は銅の金属材料を用いることができる。特に、アルミニウム、ステンレス鋼又は銅が好ましく、アルミニウム又はカーボンコートを施したアルミニウムを用いることがより好ましい。
集電体の厚みとしては、10~50μmが好ましい。
Any conductive material can be used as the current collector that constitutes the electrode. For example, metallic materials such as aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium or copper can be used. In particular, aluminum, stainless steel or copper is preferred, and aluminum or carbon-coated aluminum is more preferred.
The thickness of the current collector is preferably 10 to 50 μm.

3. 非水電解質二次電池
第3の本発明は、本発明の電極(正極又は負極の何れか若しくはその両方)を含んで構成される非水電解質二次電池である。
本発明の非水電解質二次電池は、本発明の電極を用いるとともに、セパレータ及び電解液等を用いて構成される。非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池が例示される。以下、主として本発明の非水電解質二次電池がリチウムイオン二次電池である場合について説明する。
3. Non-aqueous Electrolyte Secondary Battery The third aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the electrode (either positive electrode or negative electrode, or both) of the present invention.
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is constructed using the electrode of the present invention, a separator, an electrolytic solution, and the like. A lithium ion secondary battery is exemplified as a non-aqueous electrolyte secondary battery. The case where the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery will be mainly described below.

本発明の非水電解質二次電池は、本発明の電極と、電解質を含む電解質層と、から構成され、正極の正極材料層と負極の負極材料層とが向き合い、かつ、正極材料層と負極材料層との間に電解質層が挿入されるようにして積層される。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises the electrode of the present invention and an electrolyte layer containing an electrolyte, the positive electrode material layer of the positive electrode and the negative electrode material layer of the negative electrode face each other, and the positive electrode material layer and the negative electrode It is laminated so that the electrolyte layer is inserted between the material layers.

本発明の非水電解質二次電池のセル形状は、特に限定されず、いかなる形状においても実施することができる。具体的には、例えばボタン型、円筒型、角型等のセル形状を挙げることができる。また、複数対の正負電極とセパレータが積層された内部構成とすることも好ましく、この場合、公知のスタック積層型、捲回型、折り返し積層型等の方式を採用することが可能である。本発明の非水電解質二次電池の外装材としては、例えば金属缶、アルミラミネート樹脂フィルム等を挙げることができる。本発明の非水電解質二次電池は、電極合剤層に添加されている所定の炭素繊維が直線構造を有しており、かつ高い導電性を有しているため、導電パスを形成しやすく、優れた充放電特性を得ることができる。さらに、電極強度も向上する。 The cell shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be implemented in any shape. Specifically, for example, cell shapes such as a button shape, a cylindrical shape, and a rectangular shape can be mentioned. It is also preferable to have an internal structure in which a plurality of pairs of positive and negative electrodes and separators are laminated, and in this case, it is possible to adopt a known stack lamination type, winding type, folded lamination type, or the like. Examples of exterior materials for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention include metal cans and aluminum laminated resin films. In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the predetermined carbon fiber added to the electrode mixture layer has a linear structure and has high conductivity, so that it is easy to form a conductive path. , excellent charge-discharge characteristics can be obtained. Furthermore, electrode strength is also improved.

(3-1) 電解質層
非水電解質二次電池を構成する電解質層としては、公知の物を用いることができる。本発明の非水電解質二次電池に用いられる電解液の25℃における電気伝導度は、1×10-2S/cm以上であることが好ましい。非水電解質二次電池がリチウムイオン二次電池である場合、電解質層としては、非水溶媒にリチウム塩等の電解質が溶解した非水電解液が用いられる。
(3-1) Electrolyte Layer As the electrolyte layer constituting the non-aqueous electrolyte secondary battery, a known material can be used. The electrical conductivity at 25° C. of the electrolyte used in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is preferably 1×10 −2 S/cm or more. When the non-aqueous electrolyte secondary battery is a lithium ion secondary battery, a non-aqueous electrolytic solution in which an electrolyte such as a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent is used as the electrolyte layer.

一般に非水電解液は、水系の電解液に比べ耐電圧が高く、高いエネルギー密度が得られるという特徴がある。非水溶媒としては、公知のものを制限なく用いることが可能であるが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、アセトニトリル、ニトロメタン、メトキシアセトニトリル、ニトロエタン、N,N-ジメチルホルムアミド、3-メトキシプロピオニトリル、N-メチルピロリドン、N,N’-ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、3-メチルスルホラン、エチルメチルカーボネート等が挙げられる。これらの非水溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。電解液に用いる溶媒は、適当な沸点、融点、粘性及び比誘電率を有することが重要であり、上記の中でも特にプロピレンカーボネート又はγ-ブチロラクトンを主体とするものが好適に用いられる。 In general, non-aqueous electrolytes are characterized in that they have a higher withstand voltage than water-based electrolytes and provide a high energy density. As the non-aqueous solvent, known solvents can be used without limitation, but propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, acetonitrile, Nitromethane, methoxyacetonitrile, nitroethane, N,N-dimethylformamide, 3-methoxypropionitrile, N-methylpyrrolidone, N,N'-dimethylimidazolidinone, dimethylsulfoxide, sulfolane, 3-methylsulfolane, ethyl methyl carbonate, etc. is mentioned. These non-aqueous solvents may be used singly or in combination of two or more. It is important that the solvent used in the electrolytic solution has an appropriate boiling point, melting point, viscosity and dielectric constant, and among the above solvents, those mainly containing propylene carbonate or γ-butyrolactone are preferably used.

本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解質としては、例えば、LiClO、LiBF、LiPF、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類が挙げられる。ホウ酸塩類としては、ビス(1,2-ベンゼンジオレート(2-)-O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,3-ナフタレンジオレート(2-)-O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,2’-ビフェニルジオレート(2-)-O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(5-フルオロ-2-オレート-1-ベンゼンスルホン酸-O,O’)ホウ酸リチウムなどが挙げられる。イミド塩類としては、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム((CFSONLi)、トリフルオロメタンスルホン酸ノナフルオロブタンスルホン酸イミドリチウム(LiN(CFSO)(CSO))、ビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム((CSONLi)などが挙げられる。電解質の濃度としては、0.5~2mol/Lが好ましい。電解質は、上記のうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。サイクル安定性、充放電効率の向上等を目的として、電解質に公知の添加剤を添加してもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解液として、エチルメチルイミダゾリウム塩に代表されるイオン性液体も好適に用いることが可能であり、この場合は必ずしも前述の非水溶媒に溶解したうえで用いる必要はない。
Examples of the electrolyte used in the lithium ion secondary battery of the present invention include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , lower aliphatic carboxylic acid, Lithium oxide, LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, borates, and imide salts. Borates include bis(1,2-benzenediolate(2-)-O,O')lithium borate, bis(2,3-naphthalenediolate(2-)-O,O')boric acid Lithium, bis(2,2'-biphenyldiolate(2-)-O,O') lithium borate, bis(5-fluoro-2-olate-1-benzenesulfonic acid-O,O') lithium borate etc. The imide salts include lithium bistrifluoromethanesulfonate imide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi) and lithium trifluoromethanesulfonate nonafluorobutanesulfonate imide (LiN(CF 3 SO 2 )(C 4 F 9 SO 2 ). ), lithium bispentafluoroethanesulfonic acid imide ((C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi), and the like. The electrolyte concentration is preferably 0.5 to 2 mol/L. One of the above electrolytes may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. A known additive may be added to the electrolyte for the purpose of improving cycle stability and charge/discharge efficiency.
As the electrolytic solution used in the lithium ion secondary battery of the present invention, an ionic liquid typified by ethylmethylimidazolium salt can also be suitably used. No need to use.

(3-2) セパレータ
上記のような非水電解液を用いる場合、負極合剤層と正極合剤層とが直接接触することを防ぐために、セパレータを用いることが一般的である。セパレータの形状としては、紙状(フィルム状)、多孔膜状等の公知の形状を好適に採用することができる。セパレータの材質としては、例えば、セルロース、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリイミド、ポリオレフィン、テフロン(登録商標)、ポリフェニレンスルファイド等からなる群より選ばれる1種類以上の材質を好適に用いることができる。これらの中でも、耐熱性と薄膜化の観点から、セルロース紙、芳香族ポリアミド又は脂肪族ポリイミド多孔膜が好ましい。セパレータの膜厚としては、短絡防止の観点から20~100μm程度であることが好ましいが、本発明では従来のセパレータに比べて十分薄い5~20μm程度のセパレータの適用も可能である。薄いセパレータを用いた方がセパレータに由来する内部抵抗が低減されるため出力が向上し、セルのエネルギー密度も向上する。
(3-2) Separator When using the above non-aqueous electrolyte, a separator is generally used to prevent direct contact between the negative electrode mixture layer and the positive electrode mixture layer. As the shape of the separator, a known shape such as paper (film), porous film, or the like can be suitably adopted. As the material of the separator, for example, one or more materials selected from the group consisting of cellulose, aromatic polyamide, aliphatic polyimide, polyolefin, Teflon (registered trademark), polyphenylene sulfide and the like can be preferably used. Among these, cellulose paper, aromatic polyamide or aliphatic polyimide porous membranes are preferable from the viewpoint of heat resistance and thinning. The thickness of the separator is preferably about 20 to 100 μm from the viewpoint of short-circuit prevention, but in the present invention, it is possible to apply a separator having a thickness of about 5 to 20 μm, which is sufficiently thinner than conventional separators. The use of a thinner separator reduces the internal resistance derived from the separator, thereby improving the output and the energy density of the cell.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されない。実施例中の各種測定や分析は、それぞれ以下の方法に従って行った。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited by these examples. Various measurements and analyzes in the examples were carried out according to the following methods.

(1)炭素繊維等の形状確認
卓上電子顕微鏡(日本電子株式会社製、型式NeoScope JCM-6000)を用いて観察及び写真撮影を行った。炭素繊維等の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真から無作為に300箇所を選択して繊維径を測定し、それらすべての測定結果(n=300)の平均値を平均繊維径とした。平均実効繊維長についても同様に算出した。
(1) Confirmation of shape of carbon fiber, etc. Observation and photography were performed using a tabletop electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model NeoScope JCM-6000). For the average fiber diameter of carbon fibers, etc., 300 locations were randomly selected from the obtained electron micrograph, and the fiber diameter was measured, and the average value of all the measurement results (n = 300) was taken as the average fiber diameter. . The average effective fiber length was similarly calculated.

(2)炭素繊維のX線回折測定
X線回折測定はリガク社製RINT-2100を用いてJIS R7651法に準拠し、格子面間隔(d002)、結晶子大きさ(Lc)(六角網面積層方向)及び(La)(炭素六角網面方向)を測定した。
(2) X-ray diffraction measurement of carbon fiber X-ray diffraction measurement was performed using RINT-2100 manufactured by Rigaku Co., Ltd. in accordance with JIS R7651, lattice spacing (d002), crystallite size (Lc) (hexagonal mesh layer direction) and (La) (carbon hexagonal network plane direction) were measured.

(3)繊維状炭素の実効繊維長
繊維状炭素を含む電極を、走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製TM-3000)を用いて観察し、電極を構成する電極合剤層中において繊維状炭素が丸まっていないことを確認した。その後、電極中の電極合剤層を溶媒に溶解し、デジタルマイクロスコープ(株式会社キーエンス製VHX-200)を用いて観察及び写真撮影を行った。繊維状炭素の平均実効繊維長は、写真から無作為に20箇所を選択して実効繊維長を測定し、それらのすべての測定結果(n=20)の平均値を平均実効繊維長とした。
(3) Effective fiber length of fibrous carbon An electrode containing fibrous carbon was observed using a scanning electron microscope (TM-3000 manufactured by Hitachi, Ltd.), and fibrous carbon was observed in the electrode mixture layer constituting the electrode. It was confirmed that the carbon was not curled. Thereafter, the electrode mixture layer in the electrode was dissolved in a solvent, and observed and photographed using a digital microscope (VHX-200 manufactured by Keyence Corporation). For the average effective fiber length of fibrous carbon, 20 locations were randomly selected from the photograph, the effective fiber length was measured, and the average value of all the measurement results (n=20) was taken as the average effective fiber length.

[製造例1] <メソフェーズピッチの製造>
キノリン不溶分を除去した軟化点80℃のコールタールピッチを、Ni-Mo系触媒存在下、圧力13MPa、温度340℃で水添し、水素化コールタールピッチを得た。この水素化コールタールピッチを常圧下、480℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除き、メソフェーズピッチを得た。このメソフェーズピッチを、フィルターを用いて温度340℃でろ過を行い、ピッチ中の異物を取り除き、精製されたメソフェーズピッチを得た。
[Production Example 1] <Production of mesophase pitch>
Coal tar pitch with a softening point of 80° C. from which quinoline insoluble matter was removed was hydrogenated at a pressure of 13 MPa and a temperature of 340° C. in the presence of a Ni—Mo catalyst to obtain hydrogenated coal tar pitch. After heat-treating this hydrogenated coal tar pitch at 480° C. under normal pressure, the pressure was reduced to remove low boiling point components to obtain mesophase pitch. This mesophase pitch was filtered using a filter at a temperature of 340° C. to remove foreign substances in the pitch, thereby obtaining a refined mesophase pitch.

[製造例2] <カーボンナノファイバー(CNF)の製造>
熱可塑性樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン(EVOLUE(登録商標)SP-1510、(株)プライムポリマ-製、MFR=1g/10min)84質量部及び熱可塑性炭素前駆体として製造例1で得られたメソフェーズピッチ(メソフェーズ率90.9%、軟化点303.5℃)16質量部を同方向二軸押出機(東芝機械(株)製「TEM-26SS」、バレル温度300℃、窒素気流下)で溶融混練して樹脂組成物を調製した。この樹脂組成物をシリンダー式単孔紡糸機を用いて紡糸し、樹脂複合繊維(ピッチを島成分として含有する海島型複合繊維)を作製した。具体的には、この樹脂組成物を溶融紡糸機により、直径が0.2mm、導入角60°の円形口金を用いて繊維径100μmの長繊維に成形した。口金温度は340℃、吐出量は3.8g/口金/時間、せん断速度は1000s-1、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は4であった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は982s-1であり、口金外部での変形領域は口金下10mmであり、伸長ひずみ速度は9s-1であった。
次に、この樹脂複合繊維を熱風乾燥機により、酸素濃度を0.7%にした雰囲気中において340℃で3時間保持することにより、樹脂複合安定化繊維を得た。
次に、この樹脂複合安定化繊維を真空ガス置換炉中に入れ、窒素置換を行った後に1kPaまで減圧した。減圧状態下で、5℃/分の昇温速度で500℃まで昇温し、500℃で1時間保持することにより、熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維を得た。得られた安定化繊維をエタノール/イオン交換水混合溶媒(体積比1/1)中に加え、ミキサーで10分間粉砕することにより、安定化繊維を分散させた。得られた分散液はろ過した。この安定化繊維を流量1L/minの窒素下で、室温から1000℃まで5℃/minの条件で昇温し、1000℃到達後30分間保持することで炭化を行い、さらにアルゴンガス雰囲気下、室温から3時間で3000℃まで昇温することでカーボンナノファイバーを作製した。得られたカーボンナノファイバーは乾式ジェットミルを用いて解砕処理を行った。
[Production Example 2] <Production of carbon nanofiber (CNF)>
84 parts by mass of linear low-density polyethylene (EVOLUE (registered trademark) SP-1510, manufactured by Prime Polymer Co., Ltd., MFR = 1 g / 10 min) as a thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor obtained in Production Example 1 16 parts by mass of mesophase pitch (mesophase ratio 90.9%, softening point 303.5 ° C.) was passed through a co-directional twin-screw extruder ("TEM-26SS" manufactured by Toshiba Machine Co., Ltd., barrel temperature 300 ° C., under nitrogen flow). was melt-kneaded to prepare a resin composition. This resin composition was spun using a cylinder-type single-hole spinning machine to produce a resin composite fiber (sea-island composite fiber containing pitch as an island component). Specifically, this resin composition was formed into filaments having a fiber diameter of 100 μm with a melt spinning machine using a circular spinneret having a diameter of 0.2 mm and an introduction angle of 60°. The die temperature was 340° C., the discharge amount was 3.8 g/die/hour, the shear rate was 1000 s −1 , and the draft ratio, which is the ratio of the discharge linear velocity to the take-up velocity, was 4. Under these conditions, the elongation strain rate inside the die was 982 s -1 , the deformation area outside the die was 10 mm below the die, and the elongation strain rate was 9 s -1 .
Next, this resin composite fiber was held at 340° C. for 3 hours in an atmosphere with an oxygen concentration of 0.7% using a hot air dryer to obtain a resin composite stabilized fiber.
Next, this resin-composite stabilized fiber was placed in a vacuum gas replacement furnace, and after nitrogen replacement was performed, the pressure was reduced to 1 kPa. The temperature was raised to 500° C. at a rate of 5° C./min under reduced pressure, and held at 500° C. for 1 hour to remove the thermoplastic resin and obtain a stabilized fiber. The obtained stabilized fibers were added to a mixed solvent of ethanol/ion-exchanged water (volume ratio: 1/1) and pulverized with a mixer for 10 minutes to disperse the stabilized fibers. The resulting dispersion was filtered. The temperature of the stabilized fiber was raised from room temperature to 1000° C. at a rate of 5° C./min under nitrogen at a flow rate of 1 L/min. Carbon nanofibers were produced by raising the temperature from room temperature to 3000° C. in 3 hours. The obtained carbon nanofibers were pulverized using a dry jet mill.

得られたカーボンナノファイバーは、結晶子長さ(La)が110.8nm、(d002)が0.3372nm、(Lc)が62.3nm、平均繊維径が257nm、平均実効繊維長が16.6μmであった。 The obtained carbon nanofiber has a crystallite length (La) of 110.8 nm, (d002) of 0.3372 nm, (Lc) of 62.3 nm, an average fiber diameter of 257 nm, and an average effective fiber length of 16.6 μm. Met.

参考例1]
炭素系導電助剤としてアセチレンブラック(AB)(電気化学工業株式会社製、デンカブラック、平均粒子径35nm)を2質量部、正極活物質(LiFePO;宝泉株式会社製、SLFP-ES01)を91質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製、W#7200)を7質量部、溶媒としてN-メチルピロリドンを用いてスラリーを作製した。作製したスラリーを集電体(厚さ15μmのアルミニウム箔)に塗布し電極を作製した。電極を構成する電極合剤層中の炭素系導電助剤の体積含有率(25℃)は1.5%、電極合剤層の密度(25℃)は1.55g/cm、平均実効繊維長は0.1μmであった。
[ Reference example 1]
2 parts by mass of acetylene black (AB) (Denka Black, average particle size 35 nm, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a carbon-based conductive aid, and positive electrode active material (LiFePO 4 ; SLFP-ES01, manufactured by Hosen Co., Ltd.). A slurry was prepared using 91 parts by mass, 7 parts by mass of polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha Co., Ltd., W#7200) as a binder, and N-methylpyrrolidone as a solvent. The produced slurry was applied to a current collector (aluminum foil having a thickness of 15 μm) to produce an electrode. The volume content (25°C) of the carbon-based conductive agent in the electrode mixture layer constituting the electrode was 1.5%, the density (25°C) of the electrode mixture layer was 1.55 g/cm 3 , and the average effective fiber The length was 0.1 μm.

さらに、上記電極を正極とし、ガラス繊維不織布セパレータを介して金属リチウムと対向させ、1mol/L濃度のLiPFを含むエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート混合溶液(3/7質量比、キシダ化学社製)からなる電解液を2032型コインセルに注入して、電池評価用のコインセルを作製して評価したところ、レート特性に優れており、リチウムイオン二次電池として有用であることがわかった。 Furthermore, the above electrode was used as a positive electrode, opposed to metallic lithium through a glass fiber nonwoven fabric separator, and a mixed solution of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate containing LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L (3/7 mass ratio, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was injected into a 2032-type coin cell to prepare a coin cell for battery evaluation.

[比較参考例1]
電極合剤層中の炭素系導電助剤の体積含有率を0.8%、電極合剤層の密度を1.58g/cmとしたこと以外は参考例1と同様に操作を行い、電極を作製した。
[Comparative Reference Example 1]
The same operation as in Reference Example 1 was performed except that the volume content of the carbon-based conductive agent in the electrode mixture layer was 0.8%, and the density of the electrode mixture layer was 1.58 g/cm 3 . was made.

[実施例1
炭素系導電助剤として気相成長炭素繊維(VGCF:Vapor Growth Carbon Fiber、平均繊維径150nm)を使用し、電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を1.5%、電極合剤層の密度を1.59g/cmとしたこと以外は参考例1と同様に操作を行い、電極を作製した。この時、電極を構成する電極合剤層中の炭素系導電助剤の平均実効繊維長は8.5μmであった。
[ Example 1 ]
Vapor growth carbon fiber (VGCF: Vapor Growth Carbon Fiber, average fiber diameter 150 nm) is used as a carbon-based conductive additive, and the volume content of the conductive additive in the electrode mixture layer is 1.5%. An electrode was produced in the same manner as in Reference Example 1, except that the density of the layer was 1.59 g/cm 3 . At this time, the average effective fiber length of the carbon-based conductive additive in the electrode mixture layer constituting the electrode was 8.5 μm.

[比較例1
電極合剤層中の炭素系導電助剤の体積含有率を0.8%、電極合剤層の密度を1.59g/cmとしたこと以外は実施例1と同様に操作を行い、電極を作製した。
[Comparative Example 1 ]
The same operation as in Example 1 was performed except that the volume content of the carbon-based conductive agent in the electrode mixture layer was 0.8%, and the density of the electrode mixture layer was 1.59 g/cm 3 . was made.

[実施例2
炭素系導電助剤として製造例1に記載のカーボンナノファイバー(CNF)を使用し、電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を1.5%、電極合剤層の密度を1.46g/cmとしたこと以外は参考例1と同様に操作を行い、電極を作製した。
[ Example 2 ]
The carbon nanofiber (CNF) described in Production Example 1 was used as the carbon-based conductive additive, the volume content of the conductive additive in the electrode mixture layer was 1.5%, and the density of the electrode mixture layer was 1.5%. An electrode was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the density was 46 g/cm 3 .

[実施例3
電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を0.9%、電極合剤層の密度を1.37g/cmとしたこと以外は実施例2と同様に操作を行い、電極を作製した。
[ Example 3 ]
An electrode was produced in the same manner as in Example 2 except that the volume content of the conductive agent in the electrode mixture layer was 0.9% and the density of the electrode mixture layer was 1.37 g/cm 3 . bottom.

[実施例4
電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を2.1%、電極合剤層の密度を1.31g/cmとしたこと以外は実施例2と同様に操作を行い、電極を作製した。
[ Example 4 ]
An electrode was produced in the same manner as in Example 2 except that the volume content of the conductive agent in the electrode mixture layer was 2.1% and the density of the electrode mixture layer was 1.31 g/cm 3 . bottom.

[実施例5
電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を1.4%、電極合剤層の密度を2.06g/cmとしたこと以外は実施例2と同様に操作を行い、電極を作製した。
[ Example 5 ]
An electrode was produced in the same manner as in Example 2 except that the volume content of the conductive agent in the electrode mixture layer was 1.4% and the density of the electrode mixture layer was 2.06 g/cm 3 . bottom.

[実施例6
電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を3.2%、電極合剤層の密度を2.03g/cmとしたこと以外は実施例2と同様に操作を行い、電極を作製した。
[ Example 6 ]
An electrode was produced in the same manner as in Example 2 except that the volume content of the conductive agent in the electrode mixture layer was 3.2% and the density of the electrode mixture layer was 2.03 g/cm 3 . bottom.

[実施例7
炭素系導電助剤として製造例1に記載のカーボンナノファイバー(CNF)を粉砕(株式会社スギノマシン社製、スターバースト)し、平均実効繊維長5.5μmの繊維状炭素(S-CNF)とした。この繊維状炭素(S-CNF)を用い、電極合剤層中の導電助剤の体積含有率を1.4%、電極合剤層の密度を1.54g/cmとしたこと以外は参考例1と同様に操作を行い、電極を作製した。
[ Example 7 ]
As a carbon-based conductive additive, the carbon nanofiber (CNF) described in Production Example 1 was pulverized (manufactured by Sugino Machine Co., Ltd., Starburst), and fibrous carbon (S-CNF) having an average effective fiber length of 5.5 μm and bottom. Reference except that this fibrous carbon (S-CNF) was used, the volume content of the conductive aid in the electrode mixture layer was 1.4%, and the density of the electrode mixture layer was 1.54 g / cm 3 An electrode was produced in the same manner as in Example 1.

<電極の抵抗測定>
ポテンショスタット/ガルバノスタット(北斗電工株式会社製HA-151)を用いて、実施例および比較例にて作製した電極の膜厚方向の電極抵抗を測定し、その抵抗値から算出される電極電導度を表1に示す。導電助剤の体積含有率と電極合剤層密度のどちらもが適正な範囲に入っている電極の電導度が良好であるのがわかる。
<Electrode resistance measurement>
Using a potentiostat/galvanostat (HA-151 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), the electrode resistance in the film thickness direction of the electrodes prepared in Examples and Comparative Examples was measured, and the electrode conductivity calculated from the resistance value. are shown in Table 1. It can be seen that the conductivity of the electrode is good when both the volume content of the conductive aid and the electrode mixture layer density are within appropriate ranges.

Figure 0007240801000001
Figure 0007240801000001

Claims (7)

正極活物質と、炭素系導電助剤と、を少なくとも含む正極合剤層であって、
前記正極合剤層の体積を基準とする前記炭素系導電助剤の体積含有率が0.9~5.0(%)であり、且つ前記炭素系導電助剤として、平均繊維径が50nm以上900nm以下の繊維状炭素を前記正極合剤層の体積を基準として0.9(%)以上含み、
前記正極合剤層の密度が0.50(g/cm)以上2.10(g/cm)未満であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極合剤層。
A positive electrode mixture layer containing at least a positive electrode active material and a carbon- based conductive aid,
The volume content of the carbon-based conductive aid based on the volume of the positive electrode mixture layer is 0.9 to 5.0 (%), and the carbon-based conductive aid has an average fiber diameter of 50 nm or more. 900 nm or less fibrous carbon containing 0.9 (%) or more based on the volume of the positive electrode mixture layer,
A positive electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the density of the positive electrode mixture layer is 0.50 (g/cm 3 ) or more and less than 2.10 (g/cm 3 ).
活性炭を含まない請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極合剤層。 The positive electrode material mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, which does not contain activated carbon. 前記繊維状炭素が、平均実効繊維長が10μm以上の繊維状炭素である請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極合剤層。 3. The positive electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein said fibrous carbon has an average effective fiber length of 10 [mu]m or more. 前記繊維状炭素における、X線回折法で測定した結晶子長さ(La)が、110~500nmである請求項3に記載の非水電解質二次電池用正極合剤層。 4. The positive electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3, wherein the fibrous carbon has a crystallite length (La) measured by X-ray diffraction of 110 to 500 nm. 厚みが50~1000μmである請求項1乃至4の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極合剤層。 The positive electrode mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 4, which has a thickness of 50 to 1000 µm. 集電体と、
前記集電体に積層された請求項1乃至5の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極合剤層と、
から成る非水電解質二次電池用正極。
a current collector;
a positive electrode material mixture layer for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 5, which is laminated on the current collector;
A positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising:
請求項6に記載の非水電解質二次電池用正極を有する非水電解質二次電池。
A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 6 .
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