JPWO2019049755A1 - Carbon electrode material for redox flow battery and method for producing the same - Google Patents

Carbon electrode material for redox flow battery and method for producing the same Download PDF

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Abstract

初期充放電時のセル抵抗を低下でき、電池エネルギー効率に優れた炭素電極材レドックスフロー電池用炭素電極材を提供する。本発明の電極材は、炭素質繊維(A)と、前記炭素質繊維(A)を結着する炭素質材料(B)と、からなり、下記の要件を満足する。(1)炭素質材料(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm未満、(2)炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(B)/Lc(A)は1.0以上、(3)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上(EN) Provided is a carbon electrode material for a redox flow battery, which can reduce the cell resistance during initial charge and discharge and is excellent in battery energy efficiency. The electrode material of the present invention comprises a carbonaceous fiber (A) and a carbonaceous material (B) binding the carbonaceous fiber (A), and satisfies the following requirements. (1) When the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous material (B) determined by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 10 nm, and (2) carbonaceous fiber ( When the crystallite size in the c-axis direction determined by X-ray diffraction in A) is Lc(A), Lc(B)/Lc(A) is 1.0 or more, and (3) carbon electrode material surface The number of bonded oxygen atoms is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material.

Description

本発明は、レドックスフロー電池に使用される炭素電極材およびその製造方法に関し、さらに詳しくはレドックスフロー電池全体のエネルギー効率に優れた炭素電極材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon electrode material used in a redox flow battery and a method for manufacturing the same, and more particularly to a carbon electrode material excellent in energy efficiency of the entire redox flow battery and a method for manufacturing the same.

レドックスフロー電池は、レドックスイオンの水溶液中での酸化還元を利用した電池であり、液相のみでのマイルドな反応であるため、非常に安全性の高い大容量蓄電池である。 A redox flow battery is a battery that uses redox ion redox in an aqueous solution, and is a very safe large-capacity storage battery because it is a mild reaction only in the liquid phase.

レドックスフロー電池の主な構成は、図1に示すように電解液(正極電解液、負極電解液)を貯える外部タンク6、7と、電解槽ECとからなる。電解槽ECでは、相対する集電板1、1の間にイオン交換膜3が配置されている。レドックスフロー電池では、ポンプ8、9にて活物質を含む電解液を外部タンク6、7から電解槽ECに送りながら、電解槽ECに組み込まれた電極5上で電気化学的なエネルギー変換、すなわち充放電が行われる。電極5の材料には、耐薬品性があり、導電性を有し、かつ通液性のある炭素材料が用いられている。 The main structure of the redox flow battery is, as shown in FIG. 1, composed of external tanks 6 and 7 for storing an electrolytic solution (a positive electrode electrolytic solution and a negative electrode electrolytic solution), and an electrolytic cell EC. In the electrolytic cell EC, the ion exchange membrane 3 is arranged between the current collector plates 1 and 1 facing each other. In the redox flow battery, while pumping the electrolyte solution containing the active material by the pumps 8 and 9 to the electrolytic cell EC from the external tanks 6 and 7, electrochemical energy conversion on the electrode 5 incorporated in the electrolytic cell EC, that is, Charge/discharge is performed. As the material of the electrode 5, a carbon material having chemical resistance, conductivity, and liquid permeability is used.

レドックスフロー電池に用いられる電解液として、代表的には、酸化還元により価数が変化する金属イオンを含有する水溶液が用いられる。電解液は、正極に鉄の塩酸水溶液、負極にクロムの塩酸水溶液を用いたタイプから、起電力の高いバナジウムの硫酸水溶液を両極に用いるタイプに替わり、高エネルギー密度化されてきた。 As an electrolytic solution used for a redox flow battery, an aqueous solution containing a metal ion whose valence changes by redox is typically used. The electrolytic solution has been increased in energy density by changing from a type using an aqueous hydrochloric acid solution of iron for the positive electrode and an aqueous hydrochloric acid solution of chromium for the negative electrode to a type using an aqueous sulfuric acid solution of vanadium with high electromotive force for both electrodes.

正極電解液にオキシ硫酸バナジウム、負極電解液に硫酸バナジウムの各々硫酸酸性水溶液を用いたレドックスフロー電池の場合、放電時には、V2+を含む電解液が負極側の通液路に供給され、正極側の通液路にはV5+(実際には酸素を含むイオン)を含む電解液が供給される。負極側の通液路では、三次元電極内でV2+が電子を放出しV3+に酸化される。放出された電子は外部回路を通って正極側の三次元電極内でV5+をV4+(実際には酸素を含むイオン)に還元する。この酸化還元反応に伴って負極電解液中のSO4 2-が不足し、正極電解液ではSO4 2-が過剰になるため、イオン交換膜を通ってSO4 2-が正極側から負極側に移動し電荷バランスが保たれる。あるいは、H+がイオン交換膜を通って負極側から正極側へ移動することによっても電荷バランスを保つことができる。充電時には放電と逆の反応が進行する。In the case of a redox flow battery using a sulfuric acid aqueous solution of vanadium oxysulfate as the positive electrode electrolyte and vanadium sulfate as the negative electrode electrolyte, during discharge, the electrolytic solution containing V 2+ is supplied to the liquid passage on the negative electrode side. An electrolyte solution containing V 5+ (actually oxygen-containing ions) is supplied to the side liquid passage. In the liquid passage on the negative electrode side, V 2+ emits electrons in the three-dimensional electrode and is oxidized to V 3+ . The emitted electrons pass through an external circuit and reduce V 5+ to V 4+ (actually an ion containing oxygen) in the three-dimensional electrode on the positive electrode side. Due to this oxidation-reduction reaction, SO 4 2− in the negative electrode electrolyte becomes insufficient, and SO 4 2− becomes excessive in the positive electrode electrolyte, so SO 4 2− passes from the positive electrode side to the negative electrode side through the ion exchange membrane. And the charge balance is maintained. Alternatively, the charge balance can be maintained by moving H + from the negative electrode side to the positive electrode side through the ion exchange membrane. At the time of charging, the reaction opposite to that of discharging proceeds.

レドックスフロー電池用電極材には、特に以下に示す性能が要求される。 The following performances are particularly required for the electrode material for redox flow batteries.

1)目的とする反応以外の副反応を起こさないこと(反応選択性が高いこと)、具体的には電流効率(ηI)が高いこと。
2)電極反応活性が高いこと、具体的にはセル抵抗(R)が小さいこと。すなわち電圧効率(ηV)が高いこと。
3)上記1)、2)に関連する電池エネルギー効率(ηE)が高いこと。
ηE=ηI×ηV
4)繰返し使用に対する劣化が小さいこと(高寿命)、具体的には電池エネルギー効率(ηE)の低下量が小さいこと。
1) No side reaction other than the intended reaction (high reaction selectivity), specifically, high current efficiency (η I ).
2) High electrode reaction activity, specifically low cell resistance (R). That is, the voltage efficiency (η V ) is high.
3) High battery energy efficiency (η E ) related to 1) and 2) above.
η E = η I × η V
4) Small deterioration due to repeated use (long life), specifically, a small decrease in battery energy efficiency (η E ).

例えば特許文献1には、電池のトータルエネルギー効率を高め得るFe−Cr電池の電極材として、結晶性の高い特定の擬黒鉛微結晶構造を有する炭素質材料が開示されている。具体的には、X線広角解析より求めた<002>面間隔が平均3.70Å以下であり、またc軸方向の結晶子の大きさが平均9.0Å以上の擬黒鉛微結晶を有し、かつ全酸性官能基量が少なくとも0.01meq/gである炭素質材料が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a carbonaceous material having a specific pseudo-graphite microcrystalline structure having high crystallinity as an electrode material for an Fe-Cr battery that can increase the total energy efficiency of the battery. Specifically, it has pseudo-graphite microcrystals having an average <002> plane spacing of 3.70 Å or less obtained by X-ray wide-angle analysis and a crystallite size in the c-axis direction of 9.0 Å or more on average. And a total amount of acidic functional groups of at least 0.01 meq/g is disclosed.

特許文献2には、電池のエネルギー効率を高め、かつ充放電サイクル寿命を改善する鉄−クロム系レドックスフロー電池等の電界層用電極として、ポリアクリロニトリル系繊維を原料とする炭素質繊維で、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.50〜3.60Åの擬黒鉛結晶構造を有する炭素からなり、該炭素表面の結合酸素原子数が炭素原子数の10〜25%である炭素電極材が開示されている。 Patent Document 2 discloses a carbonaceous fiber made of polyacrylonitrile fiber as a raw material for an electric field layer electrode of an iron-chromium redox flow battery or the like which enhances energy efficiency of the battery and improves charge/discharge cycle life. Carbon composed of carbon having a pseudo-graphite crystal structure with a <002> plane spacing of 3.50 to 3.60Å obtained by line wide angle analysis, and the number of bonded oxygen atoms on the carbon surface is 10 to 25% of the number of carbon atoms. Electrode materials are disclosed.

特許文献3には、電池系全体でのエネルギー効率に優れ、長時間使用に伴う性能の変化の少ないバナジウム系レドックスフロー電池用炭素電極材として、X線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜33Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである擬黒鉛結晶構造を有し、XPS表面分析より求めた表面酸性官能基量が全表面炭素原子数の0.2〜1.0%であり、表面結合窒素原子数が全表面炭素原子数の3%以下である電極が開示されている。 Patent Document 3 discloses a carbon electrode material for a vanadium redox flow battery, which has excellent energy efficiency in the entire battery system and has little change in performance with long-term use, and has a <002> interplanar spacing determined by X-ray wide-angle analysis. It has a pseudo-graphite crystal structure of 3.43 to 3.60Å, the crystallite size in the c-axis direction is 15 to 33Å, and the crystallite size in the a-axis direction is 30 to 75Å, and has an XPS surface analysis. Disclosed is an electrode in which the amount of surface acidic functional groups obtained is 0.2 to 1.0% of the total number of surface carbon atoms and the number of surface-bound nitrogen atoms is 3% or less of the total number of surface carbon atoms.

また特許文献4には、バナジウム系レドックスフロー電池の総合効率を高め、初期充電時のセル抵抗がより低くなる炭素電極材として、炭素質繊維上に、結晶構造がX線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.70Åであり平均1次粒子径が30nm以上5μm以下である炭素微粒子が付着した炭素複合材料からなり、前記炭素複合材料の結晶構造がX線広角解析より求めた<002>面間隔が3.43〜3.60Åで、c軸方向の結晶子の大きさが15〜35Åで、a軸方向の結晶子の大きさが30〜75Åである電極材が開示されている。上記炭素複合材料は、炭素質繊維と炭素微粒子とが、近接、または、フェノール樹脂のような接着剤により接着されていることが好ましく、接着剤を使用することにより、電気化学反応場である炭素質繊維表面を過度に減少させることなく、炭素質繊維として元々接触していた部分のみを固定することができる旨記載されている。実施例の欄には、炭素微粒子(フェノール樹脂)を5重量%(実施例1)、または、フェノール樹脂を5重量%(実施例2〜4)混合した溶液に不織布を浸漬した後、炭化、乾式酸化処理して得られた炭素質繊維不織布が開示されている。 Further, in Patent Document 4, as a carbon electrode material that enhances the overall efficiency of a vanadium redox flow battery and has a lower cell resistance at the time of initial charging, a crystal structure on a carbonaceous fiber was obtained by X-ray wide-angle analysis. 002> It consists of a carbon composite material with carbon fine particles having an interplanar spacing of 3.43 to 3.70Å and an average primary particle diameter of 30 nm or more and 5 μm or less. An electrode material having the obtained <002> plane spacing of 3.43 to 3.60Å, the crystallite size in the c-axis direction of 15 to 35Å, and the crystallite size in the a-axis direction of 30 to 75Å It is disclosed. In the above-mentioned carbon composite material, it is preferable that the carbonaceous fibers and the carbon fine particles are close to each other or adhered by an adhesive such as a phenol resin. By using the adhesive, carbon which is an electrochemical reaction field is formed. It is described that it is possible to fix only the portion that was originally in contact as the carbonaceous fiber without excessively reducing the surface of the quality fiber. In the section of Examples, carbonized after immersing the non-woven fabric in a solution containing 5% by weight of carbon fine particles (phenolic resin) (Example 1) or 5% by weight of phenolic resin (Examples 2 to 4), A carbonaceous fiber non-woven fabric obtained by dry oxidation treatment is disclosed.

レドックスフロー電池に用いられる電解液の開発はその後も進められており、前述したバナジウム系電解液よりも更に高い起電力を有し、安定して安価に供給可能な電解液として、例えば特許文献5のように正極にマンガン、負極にクロム、バナジウム、チタンを用いるもの(例えばMn−Ti系電解液)が提案されている。 Development of an electrolytic solution used for a redox flow battery has been ongoing since then, and as an electrolytic solution which has a higher electromotive force than the vanadium-based electrolytic solution described above and can be stably and inexpensively supplied, for example, Patent Document 5 As described above, the one using manganese for the positive electrode and chromium, vanadium, or titanium for the negative electrode (for example, Mn-Ti based electrolytic solution) has been proposed.

特開昭60−232669号公報JP-A-60-232669 特開平5−234612号公報JP-A-5-234612 特開2000−357520号公報JP, 2000-357520, A 特開2017−33758号公報JP, 2017-33758, A 特開2012−204135号公報JP, 2012-204135, A

バナジウム系レドックスフロー電池等のレドックスフロー電池の普及を進めるためには、更なる低抵抗化及び安価な電極材が求められている。 In order to promote the spread of redox flow batteries such as vanadium redox flow batteries, further low resistance and inexpensive electrode materials are required.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、初期充放電時のセル抵抗を低下させて電池エネルギー効率を向上可能なレドックスフロー電池用炭素電極材を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a carbon electrode material for a redox flow battery, which can reduce the cell resistance at the time of initial charge/discharge and improve the battery energy efficiency.

上記課題を解決し得た本発明に係るレドックスフロー電池用炭素電極材の構成は以下のとおりである。本明細書では、下記1〜4の炭素電極材を第1の炭素電極材、下記11〜14の炭素電極材を第2の炭素電極材、下記21〜24の炭素電極材を第3の炭素電極材と呼ぶ場合がある。 The constitution of the carbon electrode material for a redox flow battery according to the present invention, which can solve the above problems, is as follows. In the present specification, the following 1 to 4 carbon electrode materials are first carbon electrode materials, the following 11 to 14 carbon electrode materials are second carbon electrode materials, and the following 21 to 24 carbon electrode materials are third carbon electrode materials. It may be called an electrode material.

(I)第1の炭素電極材
1.炭素質繊維(A)と、前記炭素質繊維(A)を結着する炭素質材料(B)と、からなり、
下記の要件を満足することを特徴とするレドックスフロー電池用炭素電極材。
(1)炭素質材料(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm未満、
(2)炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(B)/Lc(A)は1.0以上、
(3)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
2.炭素質繊維(A)および炭素質材料(B)の合計量に対する前記炭素質材料(B)の質量含有率が14.5%以上である上記1に記載の炭素電極材。
3.前記Lc(A)は1〜10nmである上記1または2に記載の炭素電極材。
4.水滴を垂らした時の通水速度が0.5mm/sec以上である上記1〜3のいずれかに記載の炭素電極材。
5.上記1〜4のいずれかに記載の炭素電極材を備えたレドックスフロー電池。
6.上記1〜4のいずれかに記載の炭素電極材を用いたバナジウム系レドックスフロー電池。
7.上記1〜4のいずれかに記載の炭素電極材を製造する方法であって、
前記炭素質繊維(A)に炭化前の炭素質材料(B)を添着する工程と、
添着後の製造物を、不活性雰囲気下、800℃以上2000℃以下の温度で加熱する炭素化工程と、
不活性雰囲気下、1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱する黒鉛化工程と、
酸化処理工程と、をこの順序で含むことを特徴とする炭素電極材の製造方法。
(I) First carbon electrode material 1. A carbonaceous fiber (A) and a carbonaceous material (B) binding the carbonaceous fiber (A),
A carbon electrode material for redox flow batteries, which satisfies the following requirements.
(1) In the carbonaceous material (B), when the crystallite size in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 10 nm,
(2) When the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) determined by X-ray diffraction is Lc(A), Lc(B)/Lc(A) is 1.0 or more,
(3) The number of bound oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. 2. The carbon electrode material according to 1 above, wherein the mass content of the carbonaceous material (B) is 14.5% or more based on the total amount of the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (B).
3. 3. The carbon electrode material as described in 1 or 2 above, wherein Lc(A) is 1 to 10 nm.
4. 4. The carbon electrode material as described in any one of 1 to 3 above, which has a water flow rate of 0.5 mm/sec or more when water drops are dropped.
5. A redox flow battery comprising the carbon electrode material according to any one of 1 to 4 above.
6. A vanadium redox flow battery using the carbon electrode material according to any one of 1 to 4 above.
7. A method for producing the carbon electrode material according to any one of 1 to 4 above,
Attaching the carbonaceous material (B) before carbonization to the carbonaceous fiber (A),
A carbonization step of heating the product after impregnation at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere,
A graphitization step of heating at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere and at a temperature higher than the heating temperature of the carbonization step;
A method of manufacturing a carbon electrode material, which comprises an oxidation treatment step in this order.

(II)第2の炭素電極材
11.炭素質繊維(A)と、黒鉛粒子(B)と、これらを結着する炭素質材料(C)と、からなり、下記の要件を満足することを特徴とするレドックスフロー電池用炭素電極材。
(1)黒鉛粒子(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は35nm未満、
(2)炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(C)としたとき、Lc(C)は10nm未満、
(3)炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0以上、
(4)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
12.炭素質繊維(A)、黒鉛粒子(B)、および炭素質材料(C)の合計量に対する前記炭素質材料(C)の質量含有率が14.5%以上であり、かつ、前記黒鉛粒子(B)に対する前記炭素質材料(C)の質量比が0.2〜3.0である上記11に記載の炭素電極材。
13.窒素吸着量から求められるBET比表面積が8m2/g超である上記11または12に記載の炭素電極材。
14.水滴を垂らした時の通水速度が0.5mm/sec以上である上記11〜13のいずれかに記載の炭素電極材。
15.上記11〜14のいずれかに記載の炭素電極材を備えたレドックスフロー電池。
16.上記11〜14のいずれかに記載の炭素電極材を用いたバナジウム系レドックスフロー電池。
17.上記11〜14のいずれかに記載の炭素電極材を製造する方法であって、
前記炭素質繊維(A)に前記黒鉛粒子(B)および炭化前の炭素質材料(C)を添着する工程と、
添着後の製造物を、不活性雰囲気下、800℃以上2000℃以下の温度で加熱する炭素化工程と、
不活性雰囲気下、1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱する黒鉛化工程と、
酸化処理工程と、をこの順序で含むことを特徴とする炭素電極材の製造方法。
(II) Second carbon electrode material 11. A carbon electrode material for a redox flow battery, comprising a carbonaceous fiber (A), graphite particles (B), and a carbonaceous material (C) binding these, and satisfying the following requirements.
(1) When the size of the crystallite in the c-axis direction in the graphite particles (B) determined by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 35 nm,
(2) When the size of the crystallite in the c-axis direction in the carbonaceous material (C) determined by X-ray diffraction is Lc(C), Lc(C) is less than 10 nm,
(3) When the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) obtained by X-ray diffraction is Lc(A), Lc(C)/Lc(A) is 1.0 or more,
(4) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. The mass content of the carbonaceous material (C) with respect to the total amount of the carbonaceous fibers (A), the graphite particles (B), and the carbonaceous material (C) is 14.5% or more, and the graphite particles ( 12. The carbon electrode material as described in 11 above, wherein the mass ratio of the carbonaceous material (C) to B) is 0.2 to 3.0.
13. 13. The carbon electrode material as described in 11 or 12 above, which has a BET specific surface area determined from a nitrogen adsorption amount of more than 8 m 2 /g.
14. The carbon electrode material as described in any one of 11 to 13 above, wherein a water flow rate when water drops are dropped is 0.5 mm/sec or more.
15. The redox flow battery provided with the carbon electrode material in any one of said 11-14.
16. A vanadium redox flow battery using the carbon electrode material according to any one of 11 to 14 above.
17. A method for producing the carbon electrode material according to any one of 11 to 14 above,
Attaching the graphite particles (B) and the carbonaceous material before carbonization (C) to the carbonaceous fibers (A);
A carbonization step of heating the product after impregnation at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere,
A graphitization step of heating at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere and at a temperature higher than the heating temperature of the carbonization step;
A method of manufacturing a carbon electrode material, which comprises an oxidation treatment step in this order.

(III)第3の炭素電極材
21.炭素質繊維(A)と、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)と、これらを結着する炭素質材料(C)と、からなり、
下記の要件を満足することを特徴とするレドックスフロー電池用炭素電極材。
(1)黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)の粒径は1μm以下、
(2)黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm以下、
(3)炭素質繊維(A)および炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをそれぞれLc(A)、Lc(C)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0〜5、
(4)炭素質繊維(A)、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、および炭素質材料(C)の合計量に対する前記炭素質材料(C)の質量含有率は14.5%以上、
(5)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
22.前記炭素粒子(B)に対する前記炭素質材料(C)の質量比が0.2〜10である上記21に記載の炭素電極材。
23.窒素吸着量から求められるBET比表面積が0.5m2/g以上である上記21または22に記載の炭素電極材。
24.水滴を垂らした時の通水速度が0.5mm/sec以上である上記21〜23のいずれかに記載の炭素電極材。
25.上記21〜24のいずれかに記載の炭素電極材を備えたレドックスフロー電池。
26.上記21〜24のいずれかに記載の炭素電極材を製造する方法であって、
前記炭素質繊維(A)に前記黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)および炭化前の炭素質材料(C)を添着する工程と、
添着後の製造物を、不活性雰囲気下、800℃以上2000℃以下の温度で加熱する炭素化工程と、
不活性雰囲気下、1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱する黒鉛化工程と、
酸化処理工程と、をこの順序で含むことを特徴とする炭素電極材の製造方法。
(III) Third carbon electrode material 21. A carbonaceous fiber (A), carbon particles (B) other than graphite particles, and a carbonaceous material (C) binding these,
A carbon electrode material for redox flow batteries, which satisfies the following requirements.
(1) The particle size of the carbon particles (B) other than the graphite particles is 1 μm or less,
(2) In the carbon particles (B) other than the graphite particles, when the crystallite size in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is 10 nm or less,
(3) When the crystallite sizes in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (C) obtained by X-ray diffraction are Lc(A) and Lc(C), respectively, Lc( C)/Lc(A) is 1.0 to 5,
(4) The mass content of the carbonaceous material (C) is 14.5% or more based on the total amount of the carbonaceous fiber (A), the carbon particles (B) other than the graphite particles, and the carbonaceous material (C).
(5) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. 22. The carbon electrode material according to the above 21, wherein the mass ratio of the carbonaceous material (C) to the carbon particles (B) is 0.2 to 10.
23. 23. The carbon electrode material as described in 21 or 22 above, which has a BET specific surface area of 0.5 m 2 /g or more as determined from the amount of adsorbed nitrogen.
24. 24. The carbon electrode material according to any one of 21 to 23 above, wherein a water flow rate when water drops are dropped is 0.5 mm/sec or more.
25. A redox flow battery comprising the carbon electrode material according to any one of 21 to 24 above.
26. A method for producing the carbon electrode material according to any one of 21 to 24 above,
Attaching carbon particles (B) other than the graphite particles and carbonaceous material (C) before carbonization to the carbonaceous fibers (A);
A carbonization step of heating the product after impregnation at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere,
A graphitization step of heating at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere and at a temperature higher than the heating temperature of the carbonization step;
A method of manufacturing a carbon electrode material, which comprises an oxidation treatment step in this order.

本発明に係る第1〜第3の炭素電極材によれば、初期充放電時のセル抵抗を低下させて電池エネルギー効率に優れたレドックスフロー電池用炭素電極材が得られる。
本発明に係る第1、第2の炭素電極材は、特にバナジウム系レドックスフロー電池用の電極材として有用である。
また、本発明に係る第3の炭素電極材は、前述したバナジウム系電解液、Mn/Ti系電解液は勿論のこと、他の金属系電解液や非金属系電解液を用いるレドックスフロー電池用電極材として有用である。
更に本発明に係る第1〜第3の炭素電極材は、フロータイプおよびノンフロータイプのレドックスフロー電池、またはリチウム、キャパシタ、燃料電池のシステムと複合化されたレドックスフロー電池に好適に用いられる。
According to the 1st-3rd carbon electrode material which concerns on this invention, the cell resistance at the time of initial charge/discharge is reduced, and the carbon electrode material for redox flow batteries excellent in battery energy efficiency is obtained.
The first and second carbon electrode materials according to the present invention are particularly useful as electrode materials for vanadium redox flow batteries.
The third carbon electrode material according to the present invention is for a redox flow battery using not only the vanadium-based electrolytic solution and the Mn/Ti-based electrolytic solution described above, but also other metal-based electrolytic solution and non-metal-based electrolytic solution. It is useful as an electrode material.
Furthermore, the first to third carbon electrode materials according to the present invention are suitably used for flow type and non-flow type redox flow batteries, or redox flow batteries combined with lithium, capacitor, and fuel cell systems.

図1はレドックスフロー電池の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a redox flow battery. 図2は本発明に好適に用いられる三次元電極を有する液流通型電解槽の分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of a liquid flow type electrolytic cell having a three-dimensional electrode preferably used in the present invention.

まず、図2を参照しながら、本発明を構成要件ごとに詳細に説明する。 First, the present invention will be described in detail for each component with reference to FIG.

図2は、本発明に好適に用いられる液流通型電解槽の分解斜視図である。図2の電解槽は、相対する二枚の集電板1,1間にイオン交換膜3が配設され、イオン交換膜3の両側にスペーサー2によって集電板1,1の内面に沿った電解液の通液路4a,4bが形成されている。通液路4a,4bの少なくとも一方に電極材5が配設されている。集電板1には電解液の液流入口10と液流出口11とが設けられている。図2のように電極を電極材5と集電板1とで構成し、電解液が電極材5中を通過する構造(電極構造の三次元化)とすると、集電板1によって電子の輸送を確保しながら電極材5の細孔表面全てを電気化学反応場として充放電効率を向上することができる。その結果、電解槽の充放電効率が向上する。 FIG. 2 is an exploded perspective view of a liquid flow type electrolytic cell suitably used in the present invention. In the electrolytic cell of FIG. 2, an ion exchange membrane 3 is disposed between two facing current collector plates 1 and 1, and spacers 2 are provided on both sides of the ion exchange membrane 3 along the inner surface of the current collector plates 1 and 1. Electrolyte passages 4a and 4b are formed. An electrode material 5 is provided on at least one of the liquid passages 4a and 4b. The current collector plate 1 is provided with a liquid inlet 10 and a liquid outlet 11 for the electrolytic solution. As shown in FIG. 2, if the electrode is composed of the electrode material 5 and the current collector plate 1 and the electrolyte solution passes through the electrode material 5 (electrode structure is three-dimensional), the current collector plate 1 transports electrons. It is possible to improve the charge/discharge efficiency by using the entire surface of the pores of the electrode material 5 as an electrochemical reaction field while ensuring the above. As a result, the charging/discharging efficiency of the electrolytic cell is improved.

以下、本発明に係る第1〜第3の炭素電極材(図2中、5)について、詳細に説明する。本明細書では、炭素電極材を「電極材」と略記する場合がある。 Hereinafter, the 1st-3rd carbon electrode material (5 in FIG. 2) which concerns on this invention is demonstrated in detail. In this specification, the carbon electrode material may be abbreviated as “electrode material”.

[I.本発明に係る第1の炭素電極材]
[I−1.第1の炭素電極材の構成]
本発明者らは、初期充放電時のセル抵抗が低減された炭素電極材を提供するに当たり、まず炭素粒子の要件を見直した。一般的に、レドックスフロー電池における反応活性を示す粒子としては、アセチレンブラック(アセチレンの煤)、オイルブラック(ファーネスブラック、オイルの煤)、ガスブラック(ガスの煤)などのカーボンブラック類のように反応性および比表面積が高く、低結晶性のものがよく用いられる。しかしながら、これらは一般的に、炭素繊維と結着させるためには多量のバインダーを用いなければならず、十分な反応活性を得ることができなかった。
[I. First Carbon Electrode Material According to the Present Invention]
[I-1. Configuration of First Carbon Electrode Material]
The present inventors first reviewed the requirements for carbon particles in order to provide a carbon electrode material having a reduced cell resistance during initial charge and discharge. Generally, carbon blacks such as acetylene black (acetylene soot), oil black (furnace black, oil soot), and gas black (gas soot) are used as particles showing reaction activity in redox flow batteries. Often used are those having high reactivity and high specific surface area and low crystallinity. However, in general, a large amount of binder has to be used in order to bind with the carbon fiber, and sufficient reaction activity cannot be obtained.

上記の他、カーボンナノチューブ(CNT,carbon nanotube)、カーボンナノファイバー、カーボンエアロゲル、メソ多孔性炭素、グラフェン、酸化グラフェン、NドープCNT、ホウ素ドープCNT、フラーレンなどの炭素粒子もレドックスフロー電池における反応活性を示す。しかしながら、これらは反応活性に優れるものの、高価かつ希少であるため、安価な電極材の素材として適切でない。 In addition to the above, carbon nanotubes (CNTs, carbon nanotubes), carbon nanofibers, carbon aerogels, mesoporous carbon, graphene, graphene oxide, N-doped CNTs, boron-doped CNTs, carbon particles such as fullerenes are also reactive in a redox flow battery. Indicates. However, although they are excellent in reaction activity, they are expensive and rare, and thus are not suitable as a material for an inexpensive electrode material.

一方、安価且つ容易に入手可能な炭素粒子として黒鉛粒子が挙げられる。黒鉛粒子は、炭素質材料との結着性が良く、炭素質材料が少量でも、黒鉛粒子を担持可能であるため非常に有用である。しかしながら、黒鉛粒子は耐酸化性が低いため、電極の耐久性が低下するという問題がある。 On the other hand, graphite particles can be cited as an inexpensive and easily available carbon particle. Graphite particles are very useful because they have good binding properties to carbonaceous materials and can support graphite particles even with a small amount of carbonaceous material. However, since graphite particles have low oxidation resistance, there is a problem that the durability of the electrode is reduced.

そこで本発明者らは、炭素粒子を用いず、炭素質材料(B)として、炭素質繊維(A)と当該炭素質繊維(A)を結着する結着性の炭素質材料であって、下記(1)および(2)の要件を満足する低結晶性の炭素質材料を採用することにした。
(1)X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm未満
(2)炭素質繊維における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(B)/Lc(A)は1.0以上
ここで「炭素質繊維(A)と当該炭素質繊維(A)を結着する」(換言すれば、第1の電極材に用いられる炭素質材料は炭素質繊維の結着剤として作用する)とは、当該炭素質材料によって炭素質繊維間が強く結着されて、電極材全体としてみた場合に当該炭素質材料により炭素質繊維表面が被覆されているように構成されていることを意味する。
但し、結着後の炭素質材料は被膜状態にならないことが好ましい。ここで「被膜状態にならない」とは、炭素質繊維(A)の繊維間において炭素質材料(B)が全蹼足(ボクソク)や蹼足のような水かき状態を形成しないことを意味する。被膜状態を形成した場合、電解液の通液性が悪化し、電池の抵抗が上昇する。
Therefore, the present inventors have proposed a carbonaceous material (B) that does not use carbon particles and is a binding carbonaceous material that binds the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous fiber (A). We decided to use a low crystalline carbonaceous material that satisfies the following requirements (1) and (2).
(1) When the crystallite size in the c-axis direction determined by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 10 nm. (2) c-axis determined by X-ray diffraction in carbonaceous fiber. When the size of the crystallite in the direction is Lc(A), Lc(B)/Lc(A) is 1.0 or more, where "the carbonaceous fiber (A) is bound to the carbonaceous fiber (A). “(In other words, the carbonaceous material used for the first electrode material acts as a binding agent for the carbonaceous fibers) means that the carbonaceous fibers are strongly bound by the carbonaceous material, It means that the surface of the carbonaceous fiber is covered with the carbonaceous material when viewed as the whole material.
However, it is preferable that the carbonaceous material after binding does not form a film. Here, “not in a coating state” means that the carbonaceous material (B) does not form a webbed state such as whole footpads or footpads between the fibers of the carbonaceous fiber (A). When the coating state is formed, the liquid permeability of the electrolytic solution is deteriorated and the resistance of the battery is increased.

このような結着状態を得るためには、炭素質繊維と炭素質材料の合計量に対する炭素質材料の含有比率を多くすることが好ましく、第1の電極材では、例えば14.5%以上とすることが好ましい。この点で、第1の電極材における炭素質材料は、前述した特許文献4に記載の炭素質材料とは相違する。特許文献4では、炭素質繊維と炭素微粒子とが元々接触していた部分のみを固定(接着)できれば良いという発想のもと、使用する炭素質材料は部分的な接着剤としての作用が発揮されれば良いとの認識しかない。そのため、特許文献4の実施例では、炭素質材料の含有率はせいぜい14.4%である。 In order to obtain such a binding state, it is preferable to increase the content ratio of the carbonaceous material with respect to the total amount of the carbonaceous fiber and the carbonaceous material, and in the first electrode material, for example, 14.5% or more. Preferably. In this respect, the carbonaceous material in the first electrode material is different from the carbonaceous material described in Patent Document 4 described above. In Patent Document 4, the carbonaceous material to be used exerts an action as a partial adhesive under the idea that only the portion where the carbonaceous fiber and the carbon fine particles are originally in contact with each other can be fixed (adhered). The only recognition is that it should be. Therefore, in the example of Patent Document 4, the carbonaceous material content is 14.4% at most.

このような結着性の、且つ低結晶性の炭素質材料を用いれば、酸素官能基が導入し易くなり、炭素質材料に高い電解液親和性が付与される。また、炭素質材料が炭素質繊維間などを強く結着するため、効率的な導電パスを形成でき、抵抗の上昇が抑えられることが判明した。 When such a binding and low crystalline carbonaceous material is used, it becomes easy to introduce an oxygen functional group, and the carbonaceous material is imparted with high electrolytic solution affinity. Further, it has been found that the carbonaceous material strongly binds between the carbonaceous fibers and the like, so that an efficient conductive path can be formed and an increase in resistance can be suppressed.

更に第1の電極材の炭素電極材は下記(3)の要件を満足する。
(3)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
これにより、炭素のエッジ面や欠陥構造部に酸素原子を導入することができる。その結果、電極材の表面では、導入された酸素原子がカルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などの反応基として生成されるため、これらの反応基が電極反応に大きく寄与し、抵抗の上昇が一層抑えられる。
Furthermore, the carbon electrode material of the first electrode material satisfies the following requirement (3).
(3) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. Thereby, oxygen atoms can be introduced into the edge surface of carbon or the defect structure portion. As a result, the introduced oxygen atoms are generated on the surface of the electrode material as reactive groups such as carbonyl group, quinone group, lactone group, and free radical type oxides, and these reactive groups greatly contribute to the electrode reaction. However, the increase in resistance is further suppressed.

第1の電極材の電極材は上記のように構成されているため、反応活性が高められて低抵抗かつ安価な電極が得られる。 Since the electrode material of the first electrode material is configured as described above, the reaction activity is enhanced and a low resistance and inexpensive electrode can be obtained.

前述したとおり第1の電極材5は、炭素質繊維(A)と、当該炭素質繊維(A)を結着する結着性の炭素質材料からなり、上記(1)〜(3)の要件を満足する。 As described above, the first electrode material 5 is made of the carbonaceous fiber (A) and a binding carbonaceous material that binds the carbonaceous fiber (A), and the requirements (1) to (3) above are satisfied. To be satisfied.

[炭素質繊維(A)]
第1の電極材に用いられるにおいて炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理(詳細は後述する。)して得られる繊維であって、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維を意味する(JIS L 0204−2)。炭素質繊維の原料となる有機繊維のプレカーサーとしては、ポリアクリロニトリル等のアクリル繊維;フェノール繊維;ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)等のPBO繊維;芳香族ポリアミド繊維;等方性ピッチ繊維、異方性ピッチ繊維、メソフェーズピッチ等のピッチ繊維;セルロース繊維;等を使用することができる。中でも、強度・弾性率に優れる等の観点から、有機繊維のプレカーサーとしては、アクリル繊維、フェノール繊維、セルロース繊維、等方性ピッチ繊維、異方性ピッチ繊維が好ましく、アクリル繊維がより好ましい。アクリル繊維は、アクリロニトリルを主成分として含有するものであれば特に限定されないが、アクリル繊維を形成する原料単量体中、アクリロニトリルの含有量が95質量%以上であることが好ましく、98質量%以上であることがより好ましい。
[Carbon fiber (A)]
The carbonaceous fiber used in the first electrode material is a fiber obtained by subjecting an organic fiber precursor to a heating carbonization treatment (details will be described later), and 90% or more by mass of carbon is composed of carbon. Fiber (JIS L 0204-2). As precursors of organic fibers which are raw materials of carbonaceous fibers, acrylic fibers such as polyacrylonitrile; phenol fibers; PBO fibers such as polyparaphenylenebenzobisoxazole (PBO); aromatic polyamide fibers; isotropic pitch fibers, different Pitch fibers such as isotropic pitch fibers and mesophase pitch; cellulose fibers; etc. can be used. Of these, acrylic fiber, phenol fiber, cellulose fiber, isotropic pitch fiber, and anisotropic pitch fiber are preferable as the precursor of the organic fiber, and acrylic fiber is more preferable, from the viewpoint of excellent strength and elastic modulus. The acrylic fiber is not particularly limited as long as it contains acrylonitrile as a main component, but the content of acrylonitrile in the raw material monomer forming the acrylic fiber is preferably 95% by mass or more, and 98% by mass or more. Is more preferable.

有機繊維の質量平均分子量は、特に限定されないが、10000以上、100000以下であることが好ましく、15000以上、80000以下であることがより好ましく、20000以上、50000以下であることがさらに好ましい。質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)や溶液粘度などの方法によって測定することができる。 The mass average molecular weight of the organic fiber is not particularly limited, but is preferably 10,000 or more and 100,000 or less, more preferably 15,000 or more and 80,000 or less, and further preferably 20,000 or more and 50,000 or less. The mass average molecular weight can be measured by a method such as gel permeation chromatography (GPC) or solution viscosity.

炭素質繊維の平均繊維径は0.5〜40μmであることが好ましい。平均繊維径が0.5μmより小さいと通液性が悪化してしまう。一方、平均繊維径が40μmよりも大きいと繊維部の反応表面積が低下してセル抵抗が高くなってしまう。通液性および反応表面積のバランスを考慮すると、より好ましくは3〜20μmである。 The average fiber diameter of the carbonaceous fibers is preferably 0.5 to 40 μm. If the average fiber diameter is smaller than 0.5 μm, liquid permeability deteriorates. On the other hand, when the average fiber diameter is larger than 40 μm, the reaction surface area of the fiber portion decreases and the cell resistance increases. Considering the balance between liquid permeability and reaction surface area, it is more preferably 3 to 20 μm.

第1の電極材では、上記炭素質繊維の構造体を基材として用いることが好ましく、これにより、強度が向上し、取扱いや加工性が容易になる。上記構造体として、具体的には、炭素質繊維よりなるシート状物である紡績糸、フィラメント集束糸、不織布、編物、織物、特開昭63−200467号公報などに記載の特殊編織物または炭素繊維からなる紙などを挙げることができる。これらのうち、炭素質繊維よりなる不織布、編物、織物、特殊織編物、及び炭素繊維からなる紙が、取扱いや加工性、製造性等の点からより好ましい。 In the first electrode material, it is preferable to use the above-mentioned carbonaceous fiber structure as a base material, which improves strength and facilitates handling and workability. As the structure, specifically, a spun yarn, a filament bundled yarn, a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric, a special knitted woven fabric or carbon described in Japanese Patent Laid-Open No. 63-200467, which is a sheet-like product made of carbonaceous fibers. Examples include paper made of fibers. Of these, non-woven fabrics made of carbonaceous fibers, knitted fabrics, woven fabrics, special woven and knitted fabrics, and papers made of carbon fibers are more preferable from the viewpoints of handling, processability, and manufacturability.

ここで不織布、編物、織物などを用いる場合、平均繊維長は30〜100mmが好ましい。また炭素繊維からなる紙を用いる場合、平均繊維長は5〜30mmが好ましい。上記の範囲内とすることで、均一な繊維構造体が得られる。 When a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric or the like is used here, the average fiber length is preferably 30 to 100 mm. When using paper made of carbon fiber, the average fiber length is preferably 5 to 30 mm. Within the above range, a uniform fiber structure can be obtained.

前述したように上記炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られるが、上記「加熱炭素化処理」は、少なくとも、耐炎化工程、および炭素化(焼成)工程を含むことが好ましい。但し、これらのうち炭素化工程は、必ずしも上記のように耐炎化工程の後に行う必要はなく、後記する実施例に記載のように耐炎化された繊維に黒鉛粒子および炭素質材料を添着した後に炭素化工程を行っても良く、この場合は耐炎化工程後の炭素化工程を省略することができる。 As described above, the carbonaceous fiber is obtained by subjecting an organic fiber precursor to a heating carbonization treatment. The “heating carbonization treatment” includes at least a flameproofing step and a carbonization (firing) step. Is preferred. However, among these, the carbonization step does not necessarily have to be performed after the flameproofing step as described above, and after attaching the graphite particles and the carbonaceous material to the flameproofed fiber as described in Examples described later. A carbonization step may be performed, and in this case, the carbonization step after the flameproofing step can be omitted.

このうち上記耐炎化工程は、空気雰囲気下、有機繊維のプレカーサーを好ましくは180℃以上350℃以下の温度で加熱し、耐炎化有機繊維を得る工程を意味する。加熱処理温度は、190℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。また、330℃以下であることが好ましく、300℃以下であることがさらに好ましい。上記温度範囲で加熱することにより、有機繊維が熱分解することなく炭素質繊維の形態を保持したまま有機繊維中の窒素、水素の含有率を低減し、炭素化率を向上することができる。耐炎化工程の際、有機繊維が熱収縮し分子配向が崩壊して、炭素質繊維の導電性が低下する場合があることから、有機繊維を緊張下ないし延伸下で耐炎化処理することが好ましく、緊張下で耐炎化処理することがより好ましい。 Of these, the flameproofing step means a step of heating the precursor of the organic fiber at a temperature of preferably 180°C or higher and 350°C or lower in an air atmosphere to obtain the flameproofed organic fiber. The heat treatment temperature is more preferably 190° C. or higher, further preferably 200° C. or higher. Further, it is preferably 330° C. or lower, and more preferably 300° C. or lower. By heating in the above temperature range, the content ratio of nitrogen and hydrogen in the organic fiber can be reduced and the carbonization ratio can be improved while the organic fiber is not thermally decomposed and the form of the carbonaceous fiber is maintained. During the flameproofing step, the organic fiber may be thermally shrunk to collapse the molecular orientation, and the conductivity of the carbonaceous fiber may decrease, so it is preferable to subject the organic fiber to flameproofing under tension or stretching. More preferably, the flameproof treatment is performed under tension.

上記炭素化工程は、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、上記のようにして得られた耐炎化有機繊維を好ましくは1000℃以上2000℃以下の温度で加熱し、炭素質繊維を得る工程を意味する。加熱温度は、1100℃以上であることがより好ましく、1200℃以上であることがさらに好ましい。また、より好ましくは1900℃以下である。上記温度範囲で炭素化工程を行うことにより、有機繊維の炭素化が進行し、擬黒鉛結晶構造を有する炭素質繊維を得ることができる。 In the carbonization step, the flame-resistant organic fiber obtained as described above is heated at a temperature of preferably 1000° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere) to obtain a carbonaceous fiber. Means a process. The heating temperature is more preferably 1100° C. or higher, still more preferably 1200° C. or higher. Further, it is more preferably 1900° C. or lower. By carrying out the carbonization step in the above temperature range, carbonization of the organic fiber proceeds, and a carbonaceous fiber having a pseudo-graphite crystal structure can be obtained.

有機繊維は、それぞれ異なる結晶性を有するため、炭素化工程における加熱温度は、原料とする有機繊維の種類に応じて選択することができる。例えば、有機繊維としてアクリル樹脂(好ましくはポリアクリロニトリル)を使用する場合、加熱温度は800℃以上2000℃以下であることが好ましく、1000℃以上1800℃以下であることがさらに好ましい。 Since the organic fibers have different crystallinities, the heating temperature in the carbonization step can be selected according to the type of the organic fibers used as the raw material. For example, when an acrylic resin (preferably polyacrylonitrile) is used as the organic fiber, the heating temperature is preferably 800° C. or higher and 2000° C. or lower, and more preferably 1000° C. or higher and 1800° C. or lower.

前述した耐炎化工程および炭素化工程は、連続的に行うことが好ましく、耐炎化温度から炭素化温度へ昇温するときの昇温速度は、20℃/分以下であることが好ましく、より好ましくは15℃/分以下である。昇温速度を上記範囲とすることにより、有機繊維の形状を保持し、かつ機械的性質に優れた炭素質繊維を得ることができる。なお上記昇温速度の下限は、機械的性質などを考慮すると、5℃/分以上であることが好ましい。 The flameproofing step and the carbonization step described above are preferably performed continuously, and the rate of temperature rise when raising the temperature from the flameproofing temperature to the carbonization temperature is preferably 20° C./min or less, and more preferably Is 15°C/min or less. By setting the heating rate within the above range, it is possible to obtain a carbonaceous fiber which retains the shape of the organic fiber and is excellent in mechanical properties. The lower limit of the temperature rising rate is preferably 5° C./min or more in consideration of mechanical properties and the like.

なお、後記する炭素質材料(B)の欄で詳述するが、第1の電極材は、上記(2)に規定するように、炭素質繊維(A)および炭素質材料(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさを、それぞれ、Lc(A)およびLc(B)としたとき、Lc(B)/Lc(A)は1.0以上を満足する。よって第1の電極材では上記(2)を満足する限り、炭素質繊維(A)におけるLc(A)は特に限定されないが、1〜10nmであることが好ましい。これにより、適度な電子伝導性を示し、硫酸溶媒などに対する耐酸化性を有し、酸素官能基が付与しやすいなどの作用が有効に発揮される。Lc(A)は、1〜6nmであることがより好ましい。Lc(A)およびLc(B)の測定方法は後記する実施例の欄で詳述する。 As will be described in detail later in the section of carbonaceous material (B), the first electrode material is, as defined in (2) above, in the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (B), When the crystallite sizes in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction are Lc(A) and Lc(B), respectively, Lc(B)/Lc(A) satisfies 1.0 or more. Therefore, in the first electrode material, Lc(A) in the carbonaceous fiber (A) is not particularly limited as long as the above (2) is satisfied, but it is preferably 1 to 10 nm. As a result, it exhibits appropriate electronic conductivity, has oxidation resistance to a sulfuric acid solvent, etc., and effectively exerts the effect of easily providing an oxygen functional group. More preferably, Lc(A) is 1 to 6 nm. The method for measuring Lc(A) and Lc(B) will be described in detail in the section of Examples below.

[炭素質材料(B)]
第1の電極材において炭素質材料は、本来、結着し得ない炭素質繊維を強く結着させるための結着剤(バインダー)として添加されるものである。第1の電極材では、上記(1)に規定するように炭素質材料(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm未満であり、且つ、上記(2)に規定するように、炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)/Lc(A)は1.0以上を満足する必要がある。
このような低結晶性の結着性炭素質材料を用いることにより、酸素官能基が導入し易くなり、炭素質材料に高い電解液親和性が付与される。また、炭素質材料が炭素質繊維間を強く結着するため、効率的な導電パスを形成でき、低抵抗化作用が有効に発揮されることが判明した。
[Carbonaceous material (B)]
In the first electrode material, the carbonaceous material is originally added as a binder (binder) for strongly binding the carbonaceous fibers that cannot be bound. In the first electrode material, when the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous material (B) determined by X-ray diffraction is Lc(B) as defined in (1) above, Lc( B) is less than 10 nm, and as defined in (2) above, the size of the crystallite in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) determined by X-ray diffraction is Lc(B). At this time, Lc(B)/Lc(A) needs to satisfy 1.0 or more.
By using such a low crystalline binder carbonaceous material, it becomes easy to introduce an oxygen functional group, and the carbonaceous material is provided with a high affinity for an electrolytic solution. Further, it has been found that the carbonaceous material strongly binds the carbonaceous fibers, so that an efficient conductive path can be formed and the effect of lowering resistance can be effectively exhibited.

低抵抗化の観点から、Lc(B)は8nm以下であることが好ましく、5nm以下であることがより好ましい。なおLc(B)の下限は上記観点からは特に限定されないが、バナジウム系レドックスフロー電池において必要な耐酸化性などを考慮すると、おおむね、1nm以上であることが好ましい。 From the viewpoint of reducing the resistance, Lc(B) is preferably 8 nm or less, and more preferably 5 nm or less. The lower limit of Lc(B) is not particularly limited from the above viewpoint, but considering the oxidation resistance and the like required in the vanadium redox flow battery, it is preferably about 1 nm or more.

またLc(B)/Lc(A)の比が1.0を下回ると、上記効果が有効に発揮されない。上記の比は1.5以上が好ましく、3.0以上がより好ましい。一方、上記の比が10を超えると、炭素質材料部分への酸素官能基が付与され難くなるため10以下が好ましい。上記の比は5以下がより好ましく、4以下が更に好ましい。 If the ratio of Lc(B)/Lc(A) is less than 1.0, the above effect cannot be effectively exhibited. The above ratio is preferably 1.5 or more, more preferably 3.0 or more. On the other hand, when the above ratio exceeds 10, it becomes difficult for oxygen functional groups to be imparted to the carbonaceous material portion, so 10 or less is preferable. The ratio is preferably 5 or less, more preferably 4 or less.

第1の電極材ではLc(B)/Lc(A)の比が上記範囲を満足する限り、Lc(B)の範囲は特に限定されないが、更なる低抵抗化の観点から、Lc(B)は10nm以下が好ましく、7.5nm以下がより好ましい。なおLc(B)の下限は上記観点からは特に限定されないが、電子伝導性などを考慮すると、おおむね、3nm以上が好ましい。 In the first electrode material, the range of Lc(B) is not particularly limited as long as the ratio of Lc(B)/Lc(A) satisfies the above range, but from the viewpoint of further lowering the resistance, Lc(B) Is preferably 10 nm or less, more preferably 7.5 nm or less. The lower limit of Lc(B) is not particularly limited from the above viewpoint, but in consideration of electron conductivity and the like, it is preferably about 3 nm or more.

第1の電極材に用いられる炭素質材料(B)は、前述した炭素質繊維(A)および炭素質材料(B)の合計量に対する質量比率で、14.5%以上含まれていることが好ましく、20%以上であることがより好ましい。このように炭素質材料の含有率を多くすることによって炭素質繊維を十分結着することができ、炭素質材料添加による結着作用が有効に発揮される。なお、その上限は、通液圧損などを考慮すると、おおむね、60%以下であることが好ましい。より好ましくは50%以下である。なお上記含有量の算出に用いる炭素質繊維(A)の含有量は、基材として不織布などの構造体を用いる場合は当該構造体の含有量である。 The carbonaceous material (B) used for the first electrode material is contained in a mass ratio of 14.5% or more with respect to the total amount of the above-mentioned carbonaceous fiber (A) and carbonaceous material (B). It is preferably 20% or more, and more preferably 20% or more. By increasing the content ratio of the carbonaceous material in this way, the carbonaceous fibers can be sufficiently bound, and the binding action due to the addition of the carbonaceous material is effectively exhibited. The upper limit is preferably about 60% or less in consideration of the fluid pressure loss. It is more preferably 50% or less. The content of the carbonaceous fiber (A) used for calculating the content is the content of the structure when a structure such as a nonwoven fabric is used as the base material.

第1の電極材に用いられる炭素質材料(B)の種類は、炭素質繊維(A)を結着し得るものであれば良く、具体的には、第1の電極材作製時における炭化時に結着性を示すものであれば特に限定されない。このような例として、例えば、コールタールピッチ、石炭系ピッチ等のピッチ類;フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、エポキシド樹脂、フラン樹脂、ビニルエステル樹脂、メラニン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、レソルシノール−ホルムアルデヒド樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアクリロニトリル等の樹脂;フルフリルアルコール;アクリロニトリル−ブタジエンゴム等のゴムなどが挙げられる。これらは市販品を用いても良い。 The carbonaceous material (B) used for the first electrode material may be of any type as long as it can bind the carbonaceous fiber (A). Specifically, at the time of carbonization during the production of the first electrode material. There is no particular limitation as long as it exhibits binding properties. Examples thereof include pitches such as coal tar pitch and coal pitch; phenol resin, benzoxazine resin, epoxide resin, furan resin, vinyl ester resin, melanin-formaldehyde resin, urea-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde. Resin, cyanate ester resin, bismaleimide resin, polyurethane resin, resin such as polyacrylonitrile; furfuryl alcohol; rubber such as acrylonitrile-butadiene rubber. You may use a commercial item for these.

これらのうち、特に易結晶性であるコールタールピッチ、石炭系ピッチ等のピッチ類は、低い焼成温度で目的とする炭素質材料(B)が得られるため好ましい。また、フェノール樹脂も焼成温度によって結晶性の増減が少なく、結晶性の制御がし易いため、好ましく用いられる。また、ポリアクリロニトリル樹脂も、焼成温度を上げれば目的とする炭素質材料(B)が得られるため、好ましく用いられる。特に好ましいのはピッチ類である。
第1の電極材の好ましい態様によれば、フェノール樹脂を使用しないため、フェノール樹脂に伴う弊害(室温でのホルムアルデヒド発生およびホルムアルデヒド臭)は生じず、常温では臭気が発生しない等のメリットがある。これに対し、前述した特許文献4では接着剤としてフェノール樹脂を用いているため、上記弊害の他、作業場所におけるホルムアルデヒド濃度を管理濃度以下に制御するための設備が別途必要になる等、コスト面、作業面でのデメリットがある。
Of these, particularly easily crystallizable pitches such as coal tar pitch and coal pitch are preferable because the target carbonaceous material (B) can be obtained at a low firing temperature. Further, a phenol resin is also preferably used because the increase or decrease in crystallinity due to the firing temperature is small and the crystallinity is easily controlled. Further, a polyacrylonitrile resin is also preferably used because the intended carbonaceous material (B) can be obtained by raising the firing temperature. Particularly preferred are pitches.
According to the preferable mode of the first electrode material, since the phenol resin is not used, the harmful effects (formaldehyde generation and formaldehyde odor at room temperature) caused by the phenol resin do not occur, and there is an advantage that no odor is generated at room temperature. On the other hand, in Patent Document 4 described above, since the phenol resin is used as the adhesive, in addition to the above-mentioned adverse effects, equipment for controlling the formaldehyde concentration in the work place below the control concentration is additionally required There is a disadvantage in terms of work.

ここで、好ましく用いられるピッチ類について詳述する。前述したコールタールピッチや石炭系ピッチは、不融化処理の温度や時間によって、メソフェーズ相(液晶相)の含有率をコントロールすることができる。メソフェーズ相の含有率が低ければ、比較的低温で溶融、または室温で液体状態のものが得られる。一方、メソフェーズ相の含有率が高ければ、高温で溶融し、炭化収率の高いものが得られる。ピッチ類を炭素質材料(B)に適用する場合、メソフェーズ相の含有率が低い(すなわち炭化収率が低い)ことが好ましく、例えば10%以下が好ましい。ピッチ類の融点は200℃以下が好ましく、100℃以下がより好ましい。これにより、上記効果が有効に発揮される。 Here, the pitches that are preferably used will be described in detail. The content rate of the mesophase phase (liquid crystal phase) of the above-mentioned coal tar pitch or coal-based pitch can be controlled by the temperature and time of the infusibilizing treatment. If the content of the mesophase phase is low, it can be melted at a relatively low temperature or in a liquid state at room temperature. On the other hand, when the content of the mesophase phase is high, the mesophase phase is melted at a high temperature and a high carbonization yield is obtained. When the pitches are applied to the carbonaceous material (B), the mesophase phase content is preferably low (that is, the carbonization yield is low), for example, 10% or less is preferable. The melting point of the pitches is preferably 200°C or lower, more preferably 100°C or lower. Thereby, the above effect is effectively exhibited.

[I−2.第1の炭素電極材の特性]
第1の電極材は、炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1.0%以上を満足する。以下、上記全炭素原子数に対する結合酸素原子数の比をO/Cで略記する場合がある。O/Cは、X線光電子分光法(XPS)や蛍光X線分析法などの表面分析にて測定できる。
[I-2. Characteristics of first carbon electrode material]
In the first electrode material, the number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material satisfies 1.0% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. Hereinafter, the ratio of the number of bonded oxygen atoms to the total number of carbon atoms may be abbreviated as O/C. O/C can be measured by surface analysis such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and fluorescent X-ray analysis.

O/Cが1.0%以上の電極材を用いることにより、電極反応速度を著しく高められるため、低抵抗が得られる。更にO/Cの制御により親水性も高められ、後記する電極材の通水速度(好ましくは0.5mm/sec以上)を確保することができる。これに対し、O/Cが1.0%未満の酸素濃度の低い電極材を用いると、放電時の電極反応速度が小さくなり、電極反応活性を高めることはできない。その結果、抵抗が増加する。このように電極材表面に酸素原子を多く結合させた電極材の使用により電極反応活性(換言すれば電圧効率)が高められる理由の詳細は明らかでないが、表面に多く存在する酸素原子が炭素質材料(B)と電解液との親和性、電子の授受、錯イオンの炭素質材料からの脱離、錯交換反応等に有効に作用しているためと考えられる。 By using an electrode material having O/C of 1.0% or more, the electrode reaction rate can be remarkably increased, so that low resistance can be obtained. Further, the hydrophilicity can be enhanced by controlling the O/C, and the water flow rate (preferably 0.5 mm/sec or more) of the electrode material described later can be secured. On the other hand, when an electrode material having a low oxygen concentration of O/C of less than 1.0% is used, the electrode reaction rate at the time of discharge becomes low and the electrode reaction activity cannot be increased. As a result, the resistance increases. The details of the reason why the electrode reaction activity (in other words, voltage efficiency) can be improved by using the electrode material in which a large number of oxygen atoms are bonded to the surface of the electrode material are not clear, but the oxygen atoms existing in large numbers on the surface are carbonaceous. It is considered that the material (B) effectively acts on the affinity between the material (B) and the electrolytic solution, the transfer of electrons, the desorption of complex ions from the carbonaceous material, and the complex exchange reaction.

第1の電極材は親水性に優れている。親水性は、上記電極材を乾式酸化処理後、水滴を垂らした時の通水速度によって確認することができる。第1の電極材の通水速度は、0.5mm/sec以上であることが好ましい。これにより、電解液に対する十分な親和性を有すると判断できる。上記電極材の通水速度は大きい程良く、より好ましくは1mm/sec以上、更に好ましくは5mm/sec以上、更により好ましくは10mm/sec以上である。 The first electrode material has excellent hydrophilicity. The hydrophilicity can be confirmed by the water flow rate when water drops are dripped after the electrode material is subjected to the dry oxidation treatment. The water flow rate of the first electrode material is preferably 0.5 mm/sec or more. From this, it can be determined that it has a sufficient affinity for the electrolytic solution. The higher the water flow rate of the electrode material is, the more preferable it is, more preferably 1 mm/sec or more, further preferably 5 mm/sec or more, and further more preferably 10 mm/sec or more.

第1の電極材の目付量は、集電板1とイオン交換膜3に挟まれたスペーサー2の厚み(以下、「スペーサー厚み」と言う)を0.3〜3mmで使用する場合、50〜500g/m2が好ましく、100〜400g/m2がより好ましい。目付を上記範囲内に制御することで、通液性を確保しつつ、イオン交換膜3の破損を防止することができる。特に、近年では低抵抗化の観点から、イオン交換膜3の厚みは薄くなる傾向にあり、イオン交換膜3へのダメージを軽減する処置及び使用方法は極めて重要である。また上記の観点から、第1の電極材として、片面に平坦加工が施された不織布や紙を基材として使用することもより好ましい。平坦加工方法は、公知の任意の方法を適用でき、例えばスラリーを炭素質繊維の片面に塗布、乾燥する方法;PETなどの平滑なフィルム上で含侵、乾燥するなどの手法が挙げられる。The weight of the first electrode material is 50 to 50 when the thickness of the spacer 2 sandwiched between the current collector 1 and the ion exchange membrane 3 (hereinafter referred to as "spacer thickness") is 0.3 to 3 mm. preferably 500g / m 2, 100~400g / m 2 is more preferable. By controlling the basis weight within the above range, it is possible to prevent the ion exchange membrane 3 from being damaged while ensuring liquid permeability. In particular, in recent years, from the viewpoint of lowering the resistance, the thickness of the ion exchange membrane 3 tends to be thin, and a treatment and a use method for reducing damage to the ion exchange membrane 3 are extremely important. From the above viewpoint, it is more preferable to use, as the first electrode material, a nonwoven fabric or paper whose one surface is flattened as a base material. As the flattening method, any known method can be applied, and examples thereof include a method of coating the slurry on one side of the carbonaceous fiber and drying; a method of impregnating and drying on a smooth film such as PET.

第1の電極材の厚みは、少なくともスペーサー厚みより大きいことが好ましい。例えば炭素質繊維に不織布等のように密度の低いものを用い、これに第1の電極材に用いられる黒鉛粒子や結着性の炭素質材料を坦持した場合、スペーサー厚みの1.5〜6.0倍が好ましい。しかしながら、厚みが厚すぎるとシート状物の圧縮応力によりイオン交換膜3を突き破ってしまうことがあるので、第1の電極材の圧縮応力が9.8N/cm2以下のものを使用するのが好ましい。第1の電極材の目付量・厚みに応じて、圧縮応力などを調整するために、第1の電極材を2層や3層など積層して用いることも可能である。或は、別の形態の電極材との組み合わせも可能である。The thickness of the first electrode material is preferably at least greater than the spacer thickness. For example, when a carbon fiber having a low density such as a non-woven fabric is used and graphite particles or a binding carbonaceous material used for the first electrode material is carried on the carbon fiber, the spacer thickness of 1.5 to It is preferably 6.0 times. However, if the thickness is too thick, the ion-exchange membrane 3 may break through due to the compressive stress of the sheet-like material, so it is recommended to use the first electrode material having a compressive stress of 9.8 N/cm 2 or less. preferable. In order to adjust the compressive stress or the like according to the basis weight/thickness of the first electrode material, it is also possible to use the first electrode material by laminating two layers or three layers. Alternatively, a combination with another form of electrode material is also possible.

[I−3.第1の炭素電極材の製造方法]
次に、第1の電極材を製造する方法について説明する。第1の電極材は、炭素質繊維(基材)に炭素質材料の前駆体(炭化前のもの)を添着した後、炭素化工程、黒鉛化工程、酸化処理工程を経て製造することができる。各工程では、公知の方法を任意に適用することができる。
[I-3. First carbon electrode material manufacturing method]
Next, a method of manufacturing the first electrode material will be described. The first electrode material can be produced through a carbonization step, a graphitization step, and an oxidation treatment step after a carbonaceous fiber (base material) is impregnated with a carbonaceous material precursor (before carbonization). .. A known method can be arbitrarily applied to each step.

以下、各工程について説明する。 Each step will be described below.

(炭素質繊維に炭素質材料の前駆体を添着する工程)
まず、炭素質繊維に炭素質材料の前駆体を添着させる。上記工程は、公知の方法を任意に採用できる。例えば上記の炭素質材料前駆体を加熱して溶融させ、得られた溶融液中に炭素質繊維を浸漬した後、室温まで冷却する手法が挙げられる。或は、上記の炭素質材料前駆体を水やアルコールなどの溶媒に分散、もしくはトルエンなどの溶媒に一部溶解、一部分散させ、この分散液に炭素質繊維を浸漬した後、加熱して乾燥する手法を用いることができる。ここで、炭素質繊維を浸漬した上記溶融液、分散液や溶液のうち余分な液(ピックアップ量)は、所定のクリアランスを設けたニップローラーに通すことで添着後の製造物を絞ったり、或は、ドクターブレード等で添着後の製造物の表面をかきとる等の方法で除去することができる。
(Step of attaching carbonaceous material precursor to carbonaceous fiber)
First, a carbonaceous material precursor is attached to the carbonaceous fiber. A publicly known method can be arbitrarily adopted for the above step. For example, a method of heating the above-mentioned carbonaceous material precursor to melt it, immersing the carbonaceous fiber in the obtained melt, and then cooling it to room temperature can be mentioned. Alternatively, the above carbonaceous material precursor is dispersed in a solvent such as water or alcohol, or is partially dissolved or partially dispersed in a solvent such as toluene, and the carbonaceous fiber is immersed in this dispersion and dried by heating. Can be used. Here, excess liquid (pickup amount) of the above-mentioned melt, dispersion or solution in which carbonaceous fibers are dipped is passed through a nip roller provided with a predetermined clearance to squeeze the product after attachment, or Can be removed by a method such as scraping the surface of the product after attachment with a doctor blade or the like.

その後、空気雰囲気下、例えば80〜150℃で乾燥する。 Then, it is dried in an air atmosphere, for example, at 80 to 150°C.

(炭素化工程)
炭素化工程は、上記工程で得られた添着後の製造物を焼成するために行なわれる。これにより、炭素質繊維間が結着されるようになる。炭素化工程では、炭化時の分解ガスを十分に除去することが好ましく、例えば、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、800℃以上2000℃以下の温度で加熱することが好ましい。加熱温度は1000℃以上がより好ましく、1200℃以上がさらに好ましく、1300℃以上がさらにより好ましく、また、1500℃以下がより好ましく、1400℃以下がさらに好ましい。
(Carbonization process)
The carbonization step is performed for firing the product after the impregnation obtained in the above step. As a result, the carbonaceous fibers are bound together. In the carbonization step, it is preferable to sufficiently remove the decomposition gas at the time of carbonization, and for example, it is preferable to heat at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower under an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere). The heating temperature is more preferably 1000° C. or higher, further preferably 1200° C. or higher, further preferably 1300° C. or higher, further preferably 1500° C. or lower, further preferably 1400° C. or lower.

なお前述したとおり、上記炭素化工程に対応する処理を、繊維の耐炎化後にも行っても良いが、繊維の耐炎化後に行われる炭素化処理は省略しても良い。すなわち、第1の電極材を製造する方法は、下記方法1と方法2に大別される。
・方法1:繊維の耐炎化→繊維の炭素化→炭素質材料の添着→炭素化→黒鉛化→酸化
・方法2:繊維の耐炎化→炭素質材料の添着→炭素化→黒鉛化→酸化
上記方法1によれば、炭素化を2回行うため加工コストが上昇するものの、電極材として使用するシートは体積収縮比率の差による影響を受け難いため、得られるシートが変形(反り発生)し難いという利点がある。一方、上記方法2によれば、炭素化工程を1回行えば良いため加工コストを低減できるものの、各材料の炭素化時における体積収縮比率の差により得られるシートが変形し易くなる。上記方法1、2のいずれを採用するかは、これらを勘案して適宜決定すれば良い。
As described above, the treatment corresponding to the carbonization step may be performed after the fiber is made flame resistant, but the carbonization treatment performed after the fiber is made flame resistant may be omitted. That is, the method of manufacturing the first electrode material is roughly classified into the following method 1 and method 2.
・Method 1: Fiber flame resistance→fiber carbonization→carbonaceous material impregnation→carbonization→graphitization→oxidation Method 2: fiber flame resistance→carbonaceous material impregnation→carbonization→graphitization→oxidation According to the method 1, although carbonization is performed twice, the processing cost is increased, but the sheet used as the electrode material is not easily affected by the difference in the volume contraction ratio, and thus the obtained sheet is not easily deformed (warped). There is an advantage that. On the other hand, according to the method 2, although the carbonization step may be performed once, the processing cost can be reduced, but the sheet obtained is easily deformed due to the difference in the volume contraction ratio of each material at the time of carbonization. Which of the above methods 1 and 2 should be adopted may be appropriately determined in consideration of these.

(黒鉛化工程)
黒鉛化工程は、炭素質材料の結晶性を十分に高め、電子伝導性の向上ならびに電解液中の硫酸溶液などに対する耐酸化性を向上させるために行なわれる工程である。上記炭素化工程の後、さらに不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)で1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱することが好ましく、1500℃以上がより好ましい。なお、その上限は、炭素質材料に高い電解液親和性を付与することを考慮すると、2000℃以下が好ましい。
これに対し、前述した特許文献4では、上記黒鉛化工程を行っていない点で第2の電極材の製造方法と相違する。
(Graphitization process)
The graphitization step is a step performed to sufficiently enhance the crystallinity of the carbonaceous material, improve the electron conductivity, and improve the oxidation resistance to a sulfuric acid solution in the electrolytic solution. After the carbonization step, it is preferable to further heat at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere) and higher than the heating temperature of the carbonization step, 1500 C. or higher is more preferable. Note that the upper limit is preferably 2000° C. or lower in consideration of imparting high affinity for the electrolytic solution to the carbonaceous material.
On the other hand, Patent Document 4 described above is different from the second electrode material manufacturing method in that the graphitization step is not performed.

(酸化処理工程)
上記黒鉛化工程の後、さらに酸化処理工程を行うことにより、電極材表面に、ヒドロキシル基、カルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などの酸素官能基が導入されるようになる。その結果、前述したO/C比≧1%を達成することができる。これらの酸素官能基は電極反応に大きく寄与するため、十分に低い抵抗が得られる。また水の通水速度も高められる。
(Oxidation process)
After the above graphitization step, by further performing an oxidation treatment step, oxygen functional groups such as hydroxyl groups, carbonyl groups, quinone groups, lactone groups, and free radical oxides are introduced on the surface of the electrode material. Become. As a result, the above-mentioned O/C ratio≧1% can be achieved. Since these oxygen functional groups greatly contribute to the electrode reaction, sufficiently low resistance can be obtained. Also, the water flow rate can be increased.

酸化処理工程は、例えば湿式の化学酸化、電解酸化、乾式酸化などの各種処理工程を適用できるが、加工性、製造コストの観点から乾式酸化処理工程が好ましい。乾式酸化処理工程は、空気雰囲気下、例えば500℃以上、900℃以下で加熱(酸化処理)する工程を意味する。上記酸素官能基の導入による効果を有効に発揮させるためには、上記加熱温度は、600℃以上がより好ましく、650℃以上がさらに好ましい。また、800℃以下がより好ましく、750℃以下がさらに好ましい。 As the oxidation treatment process, various treatment processes such as wet chemical oxidation, electrolytic oxidation, and dry oxidation can be applied, but the dry oxidation treatment process is preferable from the viewpoint of processability and manufacturing cost. The dry oxidation treatment step means a step of heating (oxidation treatment) at 500° C. or higher and 900° C. or lower in an air atmosphere. In order to effectively exert the effect of introducing the oxygen functional group, the heating temperature is more preferably 600° C. or higher, further preferably 650° C. or higher. Moreover, 800° C. or lower is more preferable, and 750° C. or lower is further preferable.

更に乾式酸化処理工程では、電極材の機械的強度を維持する観点から、酸化処理前後の電極材の質量収率を90%以上、96%以下に調整することが好ましい。これは、例えば、乾式空気酸化の処理時間や温度を適宜調整するなどの方法により調整することができる。 Further, in the dry oxidation treatment step, from the viewpoint of maintaining the mechanical strength of the electrode material, it is preferable to adjust the mass yield of the electrode material before and after the oxidation treatment to 90% or more and 96% or less. This can be adjusted by, for example, appropriately adjusting the processing time or temperature of dry air oxidation.

[II.本発明に係る第2の炭素電極材]
[II−1.第2の炭素電極材の構成]
本発明者らは、初期充放電時のセル抵抗が低減された炭素電極材を提供するに当たり、まず炭素粒子の要件を見直した。一般的に、レドックスフロー電池における反応活性を示す粒子としては、アセチレンブラック(アセチレンの煤)、オイルブラック(ファーネスブラック、オイルの煤)、ガスブラック(ガスの煤)などのカーボンブラック類のように反応性および比表面積が高く、低結晶性のものがよく用いられる。しかしながら、これらは一般的に、炭素繊維と結着させるためには多量のバインダーを用いなければならず、十分な反応活性を得ることができなかった。
[II. Second Carbon Electrode Material According to the Present Invention]
[II-1. Configuration of Second Carbon Electrode Material]
The present inventors first reviewed the requirements for carbon particles in order to provide a carbon electrode material having a reduced cell resistance during initial charge and discharge. Generally, carbon blacks such as acetylene black (acetylene soot), oil black (furnace black, oil soot), and gas black (gas soot) are used as particles showing reaction activity in a redox flow battery. Often used are those having high reactivity and high specific surface area and low crystallinity. However, in general, a large amount of binder has to be used in order to bind with the carbon fiber, and sufficient reaction activity cannot be obtained.

上記の他、カーボンナノチューブ(CNT,carbon nanotube)、カーボンナノファイバー、カーボンエアロゲル、メソ多孔性炭素、グラフェン、酸化グラフェン、NドープCNT、ホウ素ドープCNT、フラーレンなどの炭素粒子もレドックスフロー電池における反応活性を示す。しかしながら、これらは反応活性に優れるものの、高価かつ希少であるため、安価な電極材の素材として適切でない。 In addition to the above, carbon nanotubes (CNTs, carbon nanotubes), carbon nanofibers, carbon aerogels, mesoporous carbon, graphene, graphene oxide, N-doped CNTs, boron-doped CNTs, carbon particles such as fullerenes are also reactive in a redox flow battery. Indicates. However, although they are excellent in reaction activity, they are expensive and rare, and thus are not suitable as a material for an inexpensive electrode material.

そこで本発明者らは、炭素粒子として安価且つ容易に入手可能な黒鉛粒子(B)を用いることにした。黒鉛粒子は、炭素質材料との結着性が良く、炭素質材料が少量でも、黒鉛粒子を担持可能であるため非常に有用である。 Therefore, the present inventors decided to use inexpensive and easily available graphite particles (B) as the carbon particles. Graphite particles are very useful because they have good binding properties to carbonaceous materials and can support graphite particles even with a small amount of carbonaceous material.

具体的には、下記(1)の要件を満足する高結晶性の黒鉛粒子を採用することにした。
(1)X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は35nm未満
上記要件を満足する黒鉛粒子を用いれば、反応場としての炭素エッジ面を豊富に露出させることができ、低抵抗化が可能である。
Specifically, it has been decided to adopt highly crystalline graphite particles that satisfy the following requirement (1).
(1) When the crystallite size in the c-axis direction determined by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 35 nm. If graphite particles satisfying the above requirements are used, carbon as a reaction field is used. The edge surface can be exposed abundantly, and low resistance can be achieved.

更に炭素質材料(C)として、炭素質繊維(A)と黒鉛粒子(B)の両方を結着する結着性の炭素質材料であって、下記(2)および(3)の要件を満足する低結性の炭素質材料を採用することにした。
(2)X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(C)としたとき、Lc(C)は10nm未満
(3)炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0以上
ここで「炭素質繊維(A)と黒鉛粒子(B)の両方を結着する」(換言すれば、第2の電極材に用いられる炭素質材料は炭素質繊維と黒鉛粒子の結着剤として作用する)とは、当該炭素質材料によって炭素質繊維および黒鉛粒子の表面(炭素質繊維間、黒鉛粒子同士を含む)が強く結着されて、電極材全体としてみた場合に当該炭素質材料により炭素質繊維が被覆されつつ、黒鉛粒子の表面が露出しているように構成されていることを意味する。
但し、結着後の炭素質材料は被膜状態にならないことが好ましい。ここで「被膜状態にならない」とは、炭素質繊維(A)の繊維間において炭素質材料(C)が全蹼足(ボクソク)や蹼足のような水かき状態を形成しないことを意味する。被膜状態を形成した場合、電解液の通液性が悪化し、上記黒鉛粒子の反応表面積を有効利用できないためである。
Furthermore, the carbonaceous material (C) is a binding carbonaceous material that binds both the carbonaceous fiber (A) and the graphite particles (B), and satisfies the following requirements (2) and (3). We decided to use a carbonaceous material that has a low binding rate.
(2) When the size of the crystallite in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction is Lc(C), Lc(C) is less than 10 nm. (3) Obtained by X-ray diffraction in the carbonaceous fiber (A) When the crystallite size in the c-axis direction is Lc(A), Lc(C)/Lc(A) is 1.0 or more, where "both carbonaceous fiber (A) and graphite particles (B)""(In other words, the carbonaceous material used for the second electrode material acts as a binder for the carbonaceous fiber and the graphite particles)" means that the carbonaceous material causes the carbonaceous fiber and the graphite particles to adhere. Surface (including carbonaceous fibers and graphite particles) is strongly bound, and the carbonaceous material is covered with the carbonaceous material and the surface of the graphite particles is exposed when the electrode material as a whole is seen. It means that it is configured as follows.
However, it is preferable that the carbonaceous material after binding does not form a film. Here, "not in a coating state" means that the carbonaceous material (C) does not form a webbed state such as whole footpads or footpads between the carbonaceous fibers (A). This is because, when a film state is formed, the liquid permeability of the electrolytic solution deteriorates and the reaction surface area of the graphite particles cannot be effectively used.

このような結着状態を得るためには、炭素質繊維と黒鉛粒子と炭素質材料の合計量に対する炭素質材料の含有比率を多くすることが好ましく、第2の電極材では、例えば20%以上とする。この点で、第2の電極材における炭素質材料は、前述した特許文献4に記載の炭素質材料とは相違する。特許文献4では、炭素質繊維と炭素微粒子とが元々接触していた部分のみを固定(接着)できれば良いという発想のもと、使用する炭素質材料は部分的な接着剤としての作用が発揮されれば良いとの認識しかないからである。そのため、特許文献4の実施例では、炭素質材料の含有率はせいぜい14.4%である。 In order to obtain such a binding state, it is preferable to increase the content ratio of the carbonaceous material with respect to the total amount of the carbonaceous fiber, the graphite particles, and the carbonaceous material. In the second electrode material, for example, 20% or more. And In this respect, the carbonaceous material in the second electrode material is different from the carbonaceous material described in Patent Document 4 described above. In Patent Document 4, the carbonaceous material to be used exerts an action as a partial adhesive under the idea that only the portion where the carbonaceous fiber and the carbon fine particles are originally in contact with each other can be fixed (adhered). This is because there is only the recognition that it should be done. Therefore, in the example of Patent Document 4, the carbonaceous material content is 14.4% at most.

このような結着性の、且つ低結晶性の炭素質材料を用いれば、酸素官能基が導入し易くなり、黒鉛粒子を結着する炭素質材料に高い電解液親和性が付与される。また、炭素質材料が黒鉛粒子を介して炭素質繊維間などを強く結着するため、効率的な導電パスを形成でき、前述した黒鉛粒子添加による低抵抗化作用が一層有効に発揮されることが判明した。 When such a binding and low crystalline carbonaceous material is used, oxygen functional groups are easily introduced, and the carbonaceous material binding the graphite particles is imparted with a high affinity for an electrolytic solution. In addition, since the carbonaceous material strongly bonds between the carbonaceous fibers through the graphite particles, an efficient conductive path can be formed, and the above-mentioned effect of reducing the resistance by adding the graphite particles can be more effectively exhibited. There was found.

更に第2の炭素電極材は下記(4)の要件を満足する。
(4)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
これにより、炭素のエッジ面や欠陥構造部に酸素原子を導入することができる。その結果、電極材の表面では、導入された酸素原子がカルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などの反応基として生成されるため、これらの反応基が電極反応に大きく寄与し、十分な低抵抗を得ることが出来る。
Furthermore, the second carbon electrode material satisfies the following requirement (4).
(4) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. Thereby, oxygen atoms can be introduced into the edge surface of carbon or the defect structure portion. As a result, the introduced oxygen atoms are generated on the surface of the electrode material as reactive groups such as carbonyl group, quinone group, lactone group, and free radical type oxides, and these reactive groups greatly contribute to the electrode reaction. However, a sufficiently low resistance can be obtained.

第2の電極材は上記のように構成されているため、反応活性が高められて低抵抗かつ安価な電極が得られる。 Since the second electrode material is configured as described above, the reaction activity is enhanced and a low resistance and inexpensive electrode can be obtained.

前述したとおり第2の電極材5は、炭素質繊維(A)を基材とし、黒鉛粒子(B)を低結晶性の炭素質材料(C)で坦持する電極材であり、上記(1)〜(4)の要件を満足する。各要件の詳細は以下のとおりである。 As described above, the second electrode material 5 is an electrode material in which the carbonaceous fiber (A) is used as a base material and the graphite particles (B) are carried by the low crystalline carbonaceous material (C), and the above (1 )-(4) are satisfied. Details of each requirement are as follows.

[炭素質繊維(A)]
第2の電極材に用いられる炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理(詳細は後述する。)して得られる繊維であって、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維を意味する(JIS L 0204−2)。炭素質繊維の原料となる有機繊維のプレカーサーとしては、ポリアクリロニトリル等のアクリル繊維;フェノール繊維;ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)等のPBO繊維;芳香族ポリアミド繊維;等方性ピッチ繊維、異方性ピッチ繊維、メソフェーズピッチ等のピッチ繊維;セルロース繊維;等を使用することができる。中でも、強度・弾性率に優れる等の観点から、有機繊維のプレカーサーとしては、アクリル繊維、フェノール繊維、セルロース繊維、等方性ピッチ繊維、異方性ピッチ繊維が好ましく、アクリル繊維がより好ましい。アクリル繊維は、アクリロニトリルを主成分として含有するものであれば特に限定されないが、アクリル繊維を形成する原料単量体中、アクリロニトリルの含有量が95質量%以上であることが好ましく、98質量%以上であることがより好ましい。
[Carbon fiber (A)]
The carbonaceous fiber used for the second electrode material is a fiber obtained by subjecting a precursor of an organic fiber to a heating carbonization treatment (details will be described later), and 90% by mass or more is composed of carbon. It means a fiber (JIS L 0204-2). As precursors of organic fibers which are raw materials of carbonaceous fibers, acrylic fibers such as polyacrylonitrile; phenol fibers; PBO fibers such as polyparaphenylenebenzobisoxazole (PBO); aromatic polyamide fibers; isotropic pitch fibers, different Pitch fibers such as isotropic pitch fibers and mesophase pitch; cellulose fibers; etc. can be used. Of these, acrylic fiber, phenol fiber, cellulose fiber, isotropic pitch fiber, and anisotropic pitch fiber are preferable as the precursor of the organic fiber, and acrylic fiber is more preferable, from the viewpoint of excellent strength and elastic modulus. The acrylic fiber is not particularly limited as long as it contains acrylonitrile as a main component, but the content of acrylonitrile in the raw material monomer forming the acrylic fiber is preferably 95% by mass or more, and 98% by mass or more. Is more preferable.

有機繊維の質量平均分子量は、特に限定されないが、10000以上、100000以下であることが好ましく、15000以上、80000以下であることがより好ましく、20000以上、50000以下であることがさらに好ましい。質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)や溶液粘度などの方法によって測定することができる。 The mass average molecular weight of the organic fiber is not particularly limited, but is preferably 10,000 or more and 100,000 or less, more preferably 15,000 or more and 80,000 or less, and further preferably 20,000 or more and 50,000 or less. The mass average molecular weight can be measured by a method such as gel permeation chromatography (GPC) or solution viscosity.

炭素質繊維の平均繊維径は0.5〜40μmが好ましい。平均繊維径が0.5μmより小さいと通液性が悪化してしまう。一方、平均繊維径が40μmよりも大きいと繊維部の反応表面積が低下し、セル抵抗が高くなってしまう。通液性および反応表面積のバランスを考慮すると、より好ましくは3〜20μmである。 The average fiber diameter of the carbonaceous fibers is preferably 0.5 to 40 μm. If the average fiber diameter is smaller than 0.5 μm, liquid permeability deteriorates. On the other hand, when the average fiber diameter is larger than 40 μm, the reaction surface area of the fiber portion is reduced and the cell resistance is increased. Considering the balance between liquid permeability and reaction surface area, it is more preferably 3 to 20 μm.

第2の電極材では、上記炭素質繊維の構造体を基材として用いることが好ましく、これにより、強度が向上し、取扱いや加工性が容易になる。上記構造体として、具体的には、炭素質繊維よりなるシート状物である紡績糸、フィラメント集束糸、不織布、編物、織物、特開昭63−200467号公報などに記載の特殊編織物または炭素繊維からなる紙などを挙げることができる。これらのうち、炭素質繊維よりなる不織布、編物、織物、特殊織編物、及び炭素繊維からなる紙が、取扱いや加工性、製造性等の点からより好ましい。 In the second electrode material, the carbonaceous fiber structure is preferably used as a base material, which improves strength and facilitates handling and workability. As the structure, specifically, a spun yarn, a filament bundled yarn, a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric, a special knitted woven fabric or carbon described in Japanese Patent Laid-Open No. 63-200467, which is a sheet-like product made of carbonaceous fibers. Examples include paper made of fibers. Of these, non-woven fabrics made of carbonaceous fibers, knitted fabrics, woven fabrics, special woven and knitted fabrics, and papers made of carbon fibers are more preferable from the viewpoints of handling, processability, and manufacturability.

ここで不織布、編物、織物などを用いる場合、平均繊維長は30〜100mmが好ましい。また炭素繊維からなる紙を用いる場合、平均繊維長は5〜30mmが好ましい。上記の範囲内とすることで、均一な繊維構造体が得られる。 When a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric or the like is used here, the average fiber length is preferably 30 to 100 mm. When using paper made of carbon fiber, the average fiber length is preferably 5 to 30 mm. Within the above range, a uniform fiber structure can be obtained.

前述したように上記炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られるが、上記「加熱炭素化処理」は、少なくとも、耐炎化工程、および炭素化(焼成)工程を含むことが好ましい。但し、これらのうち炭素化工程は、必ずしも上記のように耐炎化工程の後に行う必要はなく、後記する実施例に記載のように耐炎化された繊維に黒鉛粒子および炭素質材料を添着した後に炭素化工程を行っても良く、この場合は耐炎化工程後の炭素化工程を省略することができる。 As described above, the carbonaceous fiber is obtained by subjecting an organic fiber precursor to a heating carbonization treatment. The “heating carbonization treatment” includes at least a flameproofing step and a carbonization (firing) step. Is preferred. However, among these, the carbonization step does not necessarily have to be performed after the flameproofing step as described above, and after attaching the graphite particles and the carbonaceous material to the flameproofed fiber as described in Examples described later. A carbonization step may be performed, and in this case, the carbonization step after the flameproofing step can be omitted.

このうち上記耐炎化工程は、空気雰囲気下、有機繊維のプレカーサーを好ましくは180℃以上350℃以下の温度で加熱し、耐炎化有機繊維を得る工程を意味する。加熱処理温度は、190℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。また、330℃以下であることが好ましく、300℃以下であることがさらに好ましい。上記温度範囲で加熱することにより、有機繊維が熱分解することなく炭素質繊維の形態を保持したまま有機繊維中の窒素、水素の含有率を低減し、炭素化率を向上することができる。耐炎化工程の際、有機繊維が熱収縮し分子配向が崩壊して、炭素質繊維の導電性が低下する場合があることから、有機繊維を緊張下ないし延伸下で耐炎化処理することが好ましく、緊張下で耐炎化処理することがより好ましい。 Of these, the flameproofing step means a step of heating the precursor of the organic fiber at a temperature of preferably 180°C or higher and 350°C or lower in an air atmosphere to obtain the flameproofed organic fiber. The heat treatment temperature is more preferably 190° C. or higher, further preferably 200° C. or higher. Further, it is preferably 330° C. or lower, and more preferably 300° C. or lower. By heating in the above temperature range, the content ratio of nitrogen and hydrogen in the organic fiber can be reduced and the carbonization ratio can be improved while the organic fiber is not thermally decomposed and the form of the carbonaceous fiber is maintained. During the flameproofing step, the organic fiber may be thermally shrunk to collapse the molecular orientation, and the conductivity of the carbonaceous fiber may decrease, so it is preferable to subject the organic fiber to flameproofing under tension or stretching. More preferably, the flameproof treatment is performed under tension.

上記炭素化工程は、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、上記のようにして得られた耐炎化有機繊維を好ましくは1000℃以上2000℃以下の温度で加熱し、炭素質繊維を得る工程を意味する。加熱温度は、1100℃以上であることがより好ましく、1200℃以上であることがさらに好ましい。また、より好ましくは1900℃以下である。上記温度範囲で炭素化工程を行うことにより、有機繊維の炭素化が進行し、擬黒鉛結晶構造を有する炭素質繊維を得ることができる。 In the carbonization step, the flame-resistant organic fiber obtained as described above is heated at a temperature of preferably 1000° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere) to obtain a carbonaceous fiber. Means a process. The heating temperature is more preferably 1100° C. or higher, still more preferably 1200° C. or higher. Further, it is more preferably 1900° C. or lower. By carrying out the carbonization step in the above temperature range, carbonization of the organic fiber proceeds, and a carbonaceous fiber having a pseudo-graphite crystal structure can be obtained.

有機繊維は、それぞれ異なる結晶性を有するため、炭素化工程における加熱温度は、原料とする有機繊維の種類に応じて選択することができる。例えば、有機繊維としてアクリル樹脂(好ましくはポリアクリロニトリル)を使用する場合、加熱温度は800℃以上2000℃以下であることが好ましく、1000℃以上1800℃以下であることがさらに好ましい。 Since the organic fibers have different crystallinities, the heating temperature in the carbonization step can be selected according to the type of the organic fibers used as the raw material. For example, when an acrylic resin (preferably polyacrylonitrile) is used as the organic fiber, the heating temperature is preferably 800° C. or higher and 2000° C. or lower, and more preferably 1000° C. or higher and 1800° C. or lower.

前述した耐炎化工程および炭素化工程は、連続的に行うことが好ましく、耐炎化温度から炭素化温度へ昇温するときの昇温速度は、20℃/分以下であることが好ましく、より好ましくは15℃/分以下である。昇温速度を上記範囲とすることにより、有機繊維の形状を保持し、かつ機械的性質に優れた炭素質繊維を得ることができる。なお上記昇温速度の下限は、機械的性質などを考慮すると、5℃/分以上であることが好ましい。 The flameproofing step and the carbonization step described above are preferably performed continuously, and the rate of temperature rise when raising the temperature from the flameproofing temperature to the carbonization temperature is preferably 20° C./min or less, and more preferably Is 15°C/min or less. By setting the heating rate within the above range, it is possible to obtain a carbonaceous fiber which retains the shape of the organic fiber and is excellent in mechanical properties. The lower limit of the temperature rising rate is preferably 5° C./min or more in consideration of mechanical properties and the like.

炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(A)は1〜6nmであることが好ましい。これにより、適度な電子伝導性を示し、硫酸溶媒などに対する耐酸化性を有し、酸素官能基が付与しやすいなどの作用が有効に発揮される。Lc(A)の測定方法は後記する実施例の欄で詳述する。 When the size of the crystallite in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) determined by X-ray diffraction is Lc(A), Lc(A) is preferably 1 to 6 nm. As a result, it exhibits appropriate electronic conductivity, has oxidation resistance to a sulfuric acid solvent, etc., and effectively exerts the effect of easily providing an oxygen functional group. The method for measuring Lc(A) will be described in detail in the section of Examples below.

[黒鉛粒子(B)]
第2の電極材において黒鉛粒子は、反応場である炭素エッジ面を豊富に露出させて低抵抗を実現するために有用である。本発明者らの検討結果によれば、黒鉛粒子について、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)の値が炭素エッジ面の露出度と相関しており、Lc(B)が35nm未満の場合に炭素エッジ面を十分に露出させることができて反応性が向上するため、低抵抗を実現できることが分かった。Lc(B)は33nm以下が好ましく、30nm以下がより好ましい。上記値の下限は上記観点からは特に限定されないが、導電性や耐酸化性の確保などを考慮すると、おおむね、15nm以上であることが好ましい。Lc(B)の測定方法は後記する実施例の欄で詳述する。
[Graphite particles (B)]
In the second electrode material, the graphite particles are useful for abundantly exposing the carbon edge surface, which is the reaction field, to realize low resistance. According to the examination results of the present inventors, when the crystallite size in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction is Lc(B) for the graphite particles, the value of Lc(B) is It is found that the carbon edge surface is sufficiently exposed and the reactivity is improved when Lc(B) is less than 35 nm, which is correlated with the degree of exposure, and thus low resistance can be realized. Lc(B) is preferably 33 nm or less, more preferably 30 nm or less. The lower limit of the above value is not particularly limited from the above viewpoint, but in consideration of ensuring conductivity and oxidation resistance, it is preferably about 15 nm or more. The method for measuring Lc(B) will be described in detail in the section of Examples below.

黒鉛粒子は、一般に天然黒鉛と人造黒鉛に大別される。天然黒鉛として、例えば鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、球状黒鉛、薄片化黒鉛などが挙げられ、人造黒鉛として、例えば膨張黒鉛、酸化黒鉛などが挙げられる。第2の電極材では、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれも用いることができるが、これらのうち、酸化黒鉛、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、薄片化黒鉛、膨張黒鉛は、反応場としての炭素エッジ面を有することから好ましい。中でも、鱗片状黒鉛、薄片化黒鉛、膨張黒鉛は炭素エッジ面の露出が非常に大きく低抵抗が得られるだけでなく、低コストかつ資源量が豊富なため、より好ましい。これらの鱗片状黒鉛、薄片化黒鉛、膨張黒鉛は単独で添加しても良いし、2種以上を混合して用いても良い。ここで鱗片状黒鉛とは外観が葉片状のものを意味する。鱗片状黒鉛は、鱗状黒鉛(形状が塊状であり、塊状黒鉛と呼ばれる場合がある)と相違する。 Graphite particles are generally classified into natural graphite and artificial graphite. Examples of natural graphite include scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, spheroidal graphite, exfoliated graphite, and the like, and artificial graphite includes, for example, expanded graphite and oxidized graphite. In the second electrode material, either natural graphite or artificial graphite can be used. Among them, oxidized graphite, scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, exfoliated graphite and expanded graphite are used as reaction fields. It is preferable to have a carbon edge surface of. Among them, flake graphite, exfoliated graphite, and expanded graphite are more preferable because not only the carbon edge surface is extremely exposed and low resistance is obtained, but also low cost and abundant resources are available. These scaly graphite, exfoliated graphite and expanded graphite may be added alone or in combination of two or more. Here, the flake graphite means a flaky appearance. Flake graphite is different from scaly graphite (the shape is lumpy and is sometimes called lumpy graphite).

第2の電極材に用いられる黒鉛粒子(B)は、前述した炭素質繊維(A)、黒鉛粒子(B)、後記する炭素質材料(C)の合計量に対する質量比率で、14.5%以上含まれていることが好ましく、20%以上であることがより好ましく、25%以上であることが更に好ましい。これにより、黒鉛粒子が炭素質材料で結着されるようになると共に、黒鉛粒子(B)の特性を十分に発揮することができる。但し、黒鉛粒子(B)の量が過剰になると、炭素質材料との結着性が不十分となり、反応に関わる黒鉛粒子が減少する。また、通液圧損も上昇してしまうことから、所望とする低抵抗が得られなくなる。そのため、その上限はおおむね、60%以下であることが好ましく、より好ましくは50%以下である。なお上記含有量の算出に用いる炭素質繊維(A)の含有量は、基材として不織布などの構造体を用いる場合は当該構造体の含有量である。 The graphite particles (B) used in the second electrode material are 14.5% by mass ratio with respect to the total amount of the carbonaceous fibers (A), the graphite particles (B), and the carbonaceous material (C) described later. It is preferably contained in the above amount, more preferably 20% or more, still more preferably 25% or more. As a result, the graphite particles become bound with the carbonaceous material, and the characteristics of the graphite particles (B) can be sufficiently exhibited. However, when the amount of the graphite particles (B) is excessive, the binding property with the carbonaceous material becomes insufficient, and the graphite particles involved in the reaction decrease. Further, since the fluid pressure loss also increases, the desired low resistance cannot be obtained. Therefore, the upper limit is preferably about 60% or less, more preferably about 50% or less. The content of the carbonaceous fiber (A) used for calculating the content is the content of the structure when a structure such as a nonwoven fabric is used as the base material.

第2の電極材において、黒鉛粒子(B)に対する、後記する炭素質材料(C)の質量比は、0.2以上3.0以下であることが好ましく、0.3以上2.5以下であることがより好ましい。上記の比が0.2未満では、黒鉛粒子の脱落が多くなり、黒鉛粒子が炭素質材料に十分結着されなくなり、反応に関わる黒鉛粒子が減少する。一方、上記の比が3.0を超えると、反応場である黒鉛粒子の炭素エッジ面が炭素質材料によって被覆されてしまい、所望とする低抵抗が得られなくなる。 In the second electrode material, the mass ratio of the carbonaceous material (C) described below to the graphite particles (B) is preferably 0.2 or more and 3.0 or less, and 0.3 or more and 2.5 or less. More preferably. When the above ratio is less than 0.2, the graphite particles are more likely to fall off, the graphite particles are not sufficiently bound to the carbonaceous material, and the graphite particles involved in the reaction are reduced. On the other hand, when the above ratio exceeds 3.0, the carbon edge surface of the graphite particles, which is the reaction field, is covered with the carbonaceous material, and the desired low resistance cannot be obtained.

第2の電極材に用いられる黒鉛粒子(B)の粒径は特に限定されないが、黒鉛の比表面積などを考慮すると、おおむね、0.1〜15μmの範囲内であることが好ましい。ここで「粒径」とは、動的光散乱法などで得られた粒径分布におけるメジアン50%径での平均粒径(D50)を意味する。黒鉛粒子は市販品を用いてもよく、その場合、カタログ記載の粒径を採用できる。 The particle size of the graphite particles (B) used for the second electrode material is not particularly limited, but considering the specific surface area of the graphite and the like, it is preferably within the range of about 0.1 to 15 μm. Here, the "particle diameter" means an average particle diameter (D50) at a median 50% diameter in a particle diameter distribution obtained by a dynamic light scattering method or the like. As the graphite particles, commercially available products may be used, and in that case, the particle size described in the catalog can be adopted.

第2の電極材に用いられる黒鉛粒子(B)の、窒素吸着量から求められるBET比表面積は20m2/g超が好ましく、21m2/g以上がより好ましく、30m2/g以上が更に好ましい。BET比表面積が20m2/g以下になると、黒鉛粒子(B)のエッジ面の露出が減少し、電解液との接触面積も減少するため、所望とする低抵抗が得られなくなる。なお、その上限は上記観点からは特に限定されないが、耐酸化性やバインダーとの結着性などを考慮すると、おおむね、300m2/g以下であることが好ましい。ここで上記「窒素吸着量から求められるBET比表面積」は、気体分子を固体粒子に吸着させ、吸着した気体分子の量から算出された比表面積を意味する。Graphite particles used in the second electrode member (B), BET specific surface area determined from nitrogen adsorption amount is 20 m 2 / g greater are preferred, more preferably at least 21m 2 / g, more preferably more than 30 m 2 / g .. When the BET specific surface area is 20 m 2 /g or less, the exposure of the edge surface of the graphite particles (B) is reduced and the contact area with the electrolytic solution is reduced, so that the desired low resistance cannot be obtained. Although the upper limit is not particularly limited from the above viewpoint, it is preferably about 300 m 2 /g or less in consideration of the oxidation resistance and the binding property with the binder. Here, the “BET specific surface area obtained from the amount of adsorbed nitrogen” means a specific surface area calculated by adsorbing gas molecules on solid particles and adsorbing the gas molecules.

[炭素質材料(C)]
第2の電極材に用いられる炭素質材料は、本来、結着し得ない炭素質繊維と黒鉛粒子とを強く結着させるための結着剤(バインダー)として添加されるものである。第2の電極材では、上記(2)に規定するように炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(C)としたとき、Lc(C)は10nm未満を満足し、且つ、上記(3)に規定するように、炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0以上を満足する必要がある。
このような低結晶性の結着性炭素質材料を用いることにより、酸素官能基が導入し易くなり、黒鉛粒子を結着する炭素質材料に高い電解液親和性が付与される。その結果、所望とする低抵抗化が得られる。また、炭素質材料が黒鉛粒子を介して炭素質繊維間などを強く結着するため、効率的な導電パスを形成でき、前述した黒鉛粒子添加による低抵抗化作用が一層有効に発揮されることが判明した。
[Carbonaceous material (C)]
The carbonaceous material used for the second electrode material is originally added as a binder (binder) for strongly binding the carbonaceous fibers that cannot be bound and the graphite particles. In the second electrode material, when the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous material (C) determined by X-ray diffraction is Lc(C) as defined in (2) above, Lc( C) satisfies less than 10 nm, and as defined in (3) above, the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) determined by X-ray diffraction is defined as Lc(A). At this time, Lc(C)/Lc(A) needs to satisfy 1.0 or more.
By using such a low-crystallinity binding carbonaceous material, it becomes easy to introduce an oxygen functional group, and a high affinity for an electrolytic solution is imparted to the carbonaceous material binding the graphite particles. As a result, a desired low resistance can be obtained. In addition, since the carbonaceous material strongly bonds between the carbonaceous fibers through the graphite particles, an efficient conductive path can be formed, and the above-mentioned effect of reducing the resistance by adding the graphite particles can be more effectively exhibited. There was found.

低抵抗化の観点から、Lc(C)は8nm以下であることが好ましく、5nm以下であることがより好ましい。なおLc(C)が2nm未満になると、炭素質材料(C)の導電性が十分に発揮できず、所望の低抵抗化が得られ難くなるため、Lc(C)は2nm以上が好ましく、3nm以上がより好ましい。 From the viewpoint of low resistance, Lc(C) is preferably 8 nm or less, and more preferably 5 nm or less. When Lc(C) is less than 2 nm, the conductivity of the carbonaceous material (C) cannot be sufficiently exhibited, and it becomes difficult to obtain a desired low resistance. Therefore, Lc(C) is preferably 2 nm or more and 3 nm. The above is more preferable.

また前述したとおり、Lc(C)/Lc(A)の比は1.0以上である。すなわち第2の電極材では、Lc(C)がLc(A)よりも大きいので、炭素質材料(C)の導電性が高く、より低抵抗な電極材となる。上記比は、2以上が好ましく、3以上がより好ましい。但し、前述した導電性の確保と電解液に対する親和性とのバランスなどを考慮すると、その上限は5以下であることが好ましい。 Further, as described above, the ratio of Lc(C)/Lc(A) is 1.0 or more. That is, in the second electrode material, since Lc(C) is larger than Lc(A), the carbonaceous material (C) has high conductivity and becomes a lower resistance electrode material. The ratio is preferably 2 or more, more preferably 3 or more. However, the upper limit is preferably 5 or less in consideration of the balance between ensuring the conductivity and the affinity for the electrolytic solution.

第2の電極材に用いられる炭素質材料(C)は、前述した炭素質繊維(A)および黒鉛粒子(B)、炭素質材料(C)の合計量に対する質量比率で、14.5%以上含まれていることが好ましく、20%以上がより好ましく、30%以上がさらに好ましい。このように炭素質材料の含有率を多くすることによって炭素質繊維および黒鉛粒子の両方を十分結着することができ、炭素質材料添加による結着作用が有効に発揮される。なお、その上限は、通液圧損などを考慮すると、おおむね、60%以下であることが好ましい。より好ましくは50%以下である。 The carbonaceous material (C) used for the second electrode material is 14.5% or more by mass ratio with respect to the total amount of the above-mentioned carbonaceous fiber (A), graphite particles (B), and carbonaceous material (C). It is preferably contained, more preferably 20% or more, still more preferably 30% or more. By increasing the content ratio of the carbonaceous material in this manner, both the carbonaceous fiber and the graphite particles can be sufficiently bound, and the binding action due to the addition of the carbonaceous material is effectively exhibited. The upper limit is preferably about 60% or less in consideration of the fluid pressure loss. It is more preferably 50% or less.

第2の電極材に用いられる炭素質材料(C)の種類は、炭素質繊維(A)および黒鉛粒子(B)を結着し得るものであれば良く、具体的には、第2の電極材作製時における炭化時に結着性を示すものであれば特に限定されない。このような例として、例えば、コールタールピッチ、石炭系ピッチ等のピッチ類;フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、エポキシド樹脂、フラン樹脂、ビニルエステル樹脂、メラニン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、レソルシノール−ホルムアルデヒド樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアクリロニトリル等の樹脂;フルフリルアルコール;アクリロニトリル−ブタジエンゴム等のゴムなどが挙げられる。これらは市販品を用いても良い。 The carbonaceous material (C) used for the second electrode material may be of any type as long as it can bind the carbonaceous fibers (A) and the graphite particles (B), and specifically, the second electrode. The material is not particularly limited as long as it exhibits binding properties during carbonization during material production. Examples thereof include pitches such as coal tar pitch and coal pitch; phenol resin, benzoxazine resin, epoxide resin, furan resin, vinyl ester resin, melanin-formaldehyde resin, urea-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde. Resin, cyanate ester resin, bismaleimide resin, polyurethane resin, resin such as polyacrylonitrile; furfuryl alcohol; rubber such as acrylonitrile-butadiene rubber. You may use a commercial item for these.

これらのうち、特に易結晶性であるコールタールピッチ、石炭系ピッチ等のピッチ類は、低い焼成温度で目的とする炭素質材料(C)が得られるため好ましい。また、フェノール樹脂も焼成温度によって結晶性の増減が少なく、結晶性の制御がし易いため、好ましく用いられる。また、ポリアクリロニトリル樹脂も、低い焼成温度で目的とする炭素質材料(C)が得られるため、好ましく用いられる。特に好ましいのはピッチ類である。
第2の電極材の好ましい態様によれば、フェノール樹脂を使用しないため、フェノール樹脂に伴う弊害(室温でのホルムアルデヒド発生およびホルムアルデヒド臭)は生じず、常温では臭気が発生しない等のメリットがある。これに対し、前述した特許文献4では接着剤としてフェノール樹脂を用いているため、上記弊害の他、作業場所におけるホルムアルデヒド濃度を管理濃度以下に制御するための設備が別途必要になる等、コスト面、作業面でのデメリットがある。
Of these, particularly easily crystallizable pitches such as coal tar pitch and coal pitch are preferable because the target carbonaceous material (C) can be obtained at a low firing temperature. Further, a phenol resin is also preferably used because the increase or decrease in crystallinity due to the firing temperature is small and the crystallinity is easily controlled. Also, a polyacrylonitrile resin is preferably used because the desired carbonaceous material (C) can be obtained at a low firing temperature. Particularly preferred are pitches.
According to the preferable mode of the second electrode material, since the phenol resin is not used, the harmful effects (formaldehyde generation and formaldehyde odor at room temperature) caused by the phenol resin do not occur, and there is an advantage that no odor is generated at room temperature. On the other hand, in Patent Document 4 described above, since the phenol resin is used as the adhesive, in addition to the above-mentioned adverse effects, equipment for controlling the formaldehyde concentration at the work place below the control concentration is additionally required There is a disadvantage in terms of work.

ここで、特に好ましく用いられるピッチ類について詳述する。前述したコールタールピッチや石炭系ピッチは、不融化処理の温度や時間によって、メソフェーズ相(液晶相)の含有率をコントロールすることができる。メソフェーズ相の含有量が少なければ、比較的低温で溶融、または室温で液体状態のものが得られる。一方、メソフェーズ相の含有率が高ければ、高温で溶融し、炭化収率の高いものが得られる。ピッチ類を炭素質材料(C)に適用する場合、メソフェーズ相の含有率が高い(すなわち炭化率が高い)ことが好ましく、例えば30%以上が好ましく、50%以上がより好ましい。これにより、溶融時の流動性を抑え、黒鉛粒子の表面を過剰に被覆することなく、黒鉛粒子を介して炭素質繊維間を結着することができる。なお、その上限は、結着性の発現などを考慮すると、例えば90%以下であることが好ましい。 Here, the pitches that are particularly preferably used will be described in detail. The content rate of the mesophase phase (liquid crystal phase) of the above-mentioned coal tar pitch or coal-based pitch can be controlled by the temperature and time of the infusibilizing treatment. When the content of the mesophase phase is small, it can be obtained by melting at a relatively low temperature or in a liquid state at room temperature. On the other hand, when the content of the mesophase phase is high, the mesophase phase is melted at a high temperature and a high carbonization yield is obtained. When the pitches are applied to the carbonaceous material (C), the mesophase phase content is preferably high (that is, the carbonization rate is high), for example, 30% or more is preferable, and 50% or more is more preferable. Thereby, the fluidity at the time of melting can be suppressed, and the carbonaceous fibers can be bound via the graphite particles without excessively covering the surface of the graphite particles. The upper limit is preferably, for example, 90% or less in consideration of the expression of binding property.

上記と同様の観点から、ピッチ類の融点は、100℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがより好ましい。これにより、上記効果が得られる他、添着加工時の臭気を抑えることができ、加工性の面でも好ましい。なお、その上限は、結着性の発現などを考慮すると、例えば350℃以下であることが好ましい。 From the same viewpoint as above, the melting point of the pitches is preferably 100° C. or higher, and more preferably 200° C. or higher. Thereby, in addition to the above effects, the odor during the attachment process can be suppressed, which is also preferable in terms of processability. The upper limit is preferably, for example, 350° C. or lower in consideration of the expression of binding property.

[II−2.第2の炭素電極材の特性]
第2の電極材は、炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上を満足する。以下、上記全炭素原子数に対する結合酸素原子数の比をO/Cで略記する場合がある。O/Cは、X線光電子分光法(XPS)や蛍光X線分析法などの表面分析にて測定できる。
[II-2. Characteristics of second carbon electrode material]
In the second electrode material, the number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material satisfies 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. Hereinafter, the ratio of the number of bonded oxygen atoms to the total number of carbon atoms may be abbreviated as O/C. O/C can be measured by surface analysis such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and fluorescent X-ray analysis.

O/Cが1%以上の電極材を用いることにより、電極反応速度を著しく高められるため、低抵抗が得られる。更にO/Cの制御により親水性も高められ、後記する電極材の通水速度(好ましくは0.5mm/sec以上)を確保することができる。これに対し、O/Cが1%未満の酸素濃度の低い電極材を用いると、放電時の電極反応速度が小さくなり、電極反応活性を高めることはできない。その結果、抵抗が増加する。このように電極材表面に酸素原子を多く結合させた電極材の使用により電極反応活性(換言すれば電圧効率)が高められる理由の詳細は明らかでないが、表面に多く存在する酸素原子が炭素質材料(C)と電解液との親和性、電子の授受、錯イオンの炭素質材料からの脱離、錯交換反応等に有効に作用しているためと考えられる。 By using an electrode material having O/C of 1% or more, the electrode reaction rate can be remarkably increased, and a low resistance can be obtained. Further, the hydrophilicity can be enhanced by controlling the O/C, and the water flow rate (preferably 0.5 mm/sec or more) of the electrode material described later can be secured. On the other hand, when an electrode material having a low oxygen concentration of O/C of less than 1% is used, the electrode reaction rate at the time of discharge becomes low and the electrode reaction activity cannot be increased. As a result, the resistance increases. The details of the reason why the electrode reaction activity (in other words, voltage efficiency) can be improved by using the electrode material in which a large number of oxygen atoms are bonded to the surface of the electrode material are not clear, but the oxygen atoms existing in large numbers on the surface are carbonaceous. It is considered that this is because it is effectively acting on the affinity between the material (C) and the electrolytic solution, transfer of electrons, desorption of complex ions from the carbonaceous material, complex exchange reaction, and the like.

第2の電極材は親水性に優れている。親水性は、上記電極材を乾式酸化処理後、水滴を垂らした時の通水速度によって確認することができる。第2の電極材の通水速度は、0.5mm/sec以上であることが好ましい。これにより、電解液に対する十分な親和性を有すると判断できる。上記電極材の通水速度は大きい程良く、より好ましくは1mm/sec以上、更に好ましくは5mm/sec以上、更により好ましくは10mm/sec以上である。 The second electrode material has excellent hydrophilicity. The hydrophilicity can be confirmed by the water flow rate when water drops are dripped after the electrode material is subjected to the dry oxidation treatment. The water flow rate of the second electrode material is preferably 0.5 mm/sec or more. From this, it can be determined that it has a sufficient affinity for the electrolytic solution. The higher the water flow rate of the electrode material is, the more preferable it is, more preferably 1 mm/sec or more, further preferably 5 mm/sec or more, and further more preferably 10 mm/sec or more.

第2の電極材の目付量は、集電板1とイオン交換膜3に挟まれたスペーサー2の厚み(以下、「スペーサー厚み」と言う)を0.3〜3mmで使用する場合、50〜500g/m2が好ましく、100〜400g/m2がより好ましい。目付を上記範囲内に制御することで、通液性を確保しつつ、イオン交換膜3の破損を防止することができる。特に、近年では低抵抗化の観点から、イオン交換膜3の厚みは薄くなる傾向にあり、イオン交換膜3へのダメージを軽減する処置及び使用方法は極めて重要である。また上記の観点から、第2の電極材として、片面に平坦加工が施された不織布や紙を基材として使用することもより好ましい。平坦加工方法は、公知の任意の方法を適用でき、例えばスラリーを炭素質繊維の片面に塗布、乾燥する方法;PETなどの平滑なフィルム上で含侵、乾燥するなどの手法が挙げられる。The basis weight of the second electrode material is 50 to 50 when the thickness of the spacer 2 sandwiched between the current collector 1 and the ion exchange membrane 3 (hereinafter referred to as "spacer thickness") is 0.3 to 3 mm. preferably 500g / m 2, 100~400g / m 2 is more preferable. By controlling the basis weight within the above range, it is possible to prevent the ion exchange membrane 3 from being damaged while ensuring liquid permeability. In particular, in recent years, from the viewpoint of lowering the resistance, the thickness of the ion exchange membrane 3 tends to be thin, and a treatment and a use method for reducing damage to the ion exchange membrane 3 are extremely important. From the above viewpoint, it is more preferable to use, as the second electrode material, a nonwoven fabric or paper whose one surface is flattened, as a base material. As the flattening method, any known method can be applied, and examples thereof include a method of coating the slurry on one side of the carbonaceous fiber and drying; a method of impregnating and drying on a smooth film such as PET.

第2の電極材の厚みは、少なくともスペーサー厚みより大きいことが好ましい。例えば炭素質繊維に不織布等のように密度の低いものを用い、これに第2の電極材に用いられる黒鉛粒子や結着性の炭素質材料を坦持した場合、スペーサー厚みの1.5〜6.0倍が好ましい。しかしながら、厚みが厚すぎるとシート状物の圧縮応力によりイオン交換膜3を突き破ってしまうことがあるので、第2の電極材の圧縮応力が9.8N/cm2以下のものを使用するのが好ましい。第2の電極材の目付量・厚みに応じて、圧縮応力などを調整するために、第2の電極材を2層や3層など積層して用いることも可能である。或は、別の形態の電極材との組み合わせも可能である。The thickness of the second electrode material is preferably at least larger than the spacer thickness. For example, when a carbon fiber having a low density such as a non-woven fabric is used and graphite particles or a binding carbonaceous material used for the second electrode material are carried on the carbon fiber, the spacer thickness of 1.5 to It is preferably 6.0 times. However, if the thickness is too thick, the ion-exchange membrane 3 may break through due to the compressive stress of the sheet material, so it is recommended to use a second electrode material having a compressive stress of 9.8 N/cm 2 or less. preferable. In order to adjust the compressive stress and the like in accordance with the basis weight and thickness of the second electrode material, the second electrode material may be used in a laminated form of 2 layers or 3 layers. Alternatively, a combination with another form of electrode material is also possible.

第2の電極材の、窒素吸着量から求められるBET比表面積は8m2/g超が好ましく、10m2/g以上がより好ましい。BET比表面積が8m2/g以下になると、黒鉛粒子(B)のエッジ面の露出の減少および電解液との接触面積の減少により、所望とする低抵抗が得られなくなる。なお上記BET比表面積の上限は、上記観点からは特に限定されないが、耐酸化性などを考慮すると、おおむね、150m2/g以下であることが好ましい。The second electrode material, BET specific surface area determined from nitrogen adsorption amount is preferably 8m 2 / g greater, 10 m 2 / g or more is more preferable. When the BET specific surface area is 8 m 2 /g or less, the desired low resistance cannot be obtained due to the reduced exposure of the edge surface of the graphite particles (B) and the reduced contact area with the electrolytic solution. The upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited from the above viewpoint, but considering the oxidation resistance and the like, it is preferably about 150 m 2 /g or less.

[II−3.第2の炭素電極材の製造方法]
次に、第2の電極材を製造する方法について説明する。第2の電極材は、炭素質繊維(基材)に黒鉛粒子、および炭素質材料の前駆体(炭化前のもの)を添着した後、炭素化工程、黒鉛化工程、酸化処理工程を経て製造することができる。各工程では、公知の方法を任意に適用することができる。
[II-3. Second carbon electrode material manufacturing method]
Next, a method of manufacturing the second electrode material will be described. The second electrode material is manufactured through carbonization process, graphitization process, and oxidation treatment process after attaching graphite particles and carbonaceous material precursor (before carbonization) to carbonaceous fiber (base material). can do. A known method can be arbitrarily applied to each step.

以下、各工程について説明する。 Each step will be described below.

(炭素質繊維に黒鉛粒子、および炭素質材料の前駆体を添着する工程)
まず、炭素質繊維に黒鉛粒子および炭素質材料の前駆体を添着させる。炭素質繊維に黒鉛粒子及び炭素質材料の前駆体を添着させるには、公知の方法を任意に採用できる。例えば上記の炭素質材料前駆体を加熱して溶融させ、得られた溶融液中に黒鉛粒子を分散させ、この溶融分散液に炭素質繊維を浸漬した後、室温まで冷却する手法が挙げられる。或は、後記する実施例に示すように、上記の炭素質材料前駆体と黒鉛粒子を、ポリビニルアルコールなどのように炭化時に消失するバインダー(仮接着剤)を添加した水やアルコールなどの溶媒に分散させ、この分散液に炭素質繊維を浸漬した後、加熱して乾燥する手法を用いることができる。ここで、炭素質繊維を浸漬した上記溶融分散液や分散液のうち余分な液は、所定のクリアランスを設けたニップローラーに通すことで分散液に浸漬した際の余分な分散液を絞ったり、或は、ドクターブレード等で分散液に浸漬した際の余分な分散液の表面をかきとる等の方法で除去することができる。
(Step of attaching graphite particles and carbonaceous material precursor to carbonaceous fiber)
First, graphite particles and a precursor of a carbonaceous material are attached to carbonaceous fibers. In order to attach the graphite particles and the precursor of the carbonaceous material to the carbonaceous fiber, any known method can be adopted. For example, there is a method in which the above-mentioned carbonaceous material precursor is heated and melted, graphite particles are dispersed in the obtained melt, the carbonaceous fiber is immersed in this melt dispersion, and then cooled to room temperature. Alternatively, as shown in Examples described later, the above carbonaceous material precursor and graphite particles are added to a solvent such as water or alcohol to which a binder (temporary adhesive) that disappears during carbonization such as polyvinyl alcohol is added. A method of dispersing and immersing the carbonaceous fiber in this dispersion and then heating and drying can be used. Here, the excess liquid of the molten dispersion liquid or the dispersion liquid in which the carbonaceous fiber is immersed, is squeezed the excess dispersion liquid when immersed in the dispersion liquid by passing through a nip roller provided with a predetermined clearance, Alternatively, it can be removed by a method such as scratching the surface of the excess dispersion liquid when it is immersed in the dispersion liquid with a doctor blade or the like.

その後、空気雰囲気下、例えば80〜150℃で乾燥する。 Then, it is dried in an air atmosphere, for example, at 80 to 150°C.

(炭素化工程)
炭素化工程は、上記工程で得られた添着後の製造物を焼成するために行なわれる。これにより、黒鉛粒子を介して炭素質繊維間が結着されるようになる。炭素化工程では、炭化時の分解ガスを十分に除去することが好ましく、例えば、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、800℃以上2000℃以下の温度で加熱することが好ましい。加熱温度は1000℃以上がより好ましく、1200℃以上がさらに好ましく、1300℃以上がさらにより好ましく、また、1500℃以下がより好ましく、1400℃以下がさらに好ましい。
(Carbonization process)
The carbonization step is performed for firing the product after the impregnation obtained in the above step. As a result, the carbonaceous fibers are bound to each other via the graphite particles. In the carbonization step, it is preferable to sufficiently remove the decomposition gas at the time of carbonization, and for example, it is preferable to heat at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower under an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere). The heating temperature is more preferably 1000° C. or higher, further preferably 1200° C. or higher, further preferably 1300° C. or higher, further preferably 1500° C. or lower, further preferably 1400° C. or lower.

なお前述したとおり、上記炭素化工程に対応する処理を、繊維の耐炎化後にも行っても良いが、繊維の耐炎化後に行われる炭素化処理は省略しても良い。すなわち、第2の電極材を製造する方法は、下記方法1と方法2に大別される。
・方法1:繊維の耐炎化→繊維の炭素化→黒鉛粒子および炭素質材料の添着→炭素化→黒鉛化→酸化
・方法2:繊維の耐炎化→黒鉛粒子および炭素質材料の添着→炭素化→黒鉛化→酸化
上記方法1によれば、炭素化を2回行うため加工コストが上昇するものの、電極材として使用するシートは体積収縮比率の差による影響を受け難いため、得られるシートが変形(反り発生)し難いという利点がある。一方、上記方法2によれば、炭素化工程を1回行えば良いため加工コストを低減できるものの、各材料の炭素化時における体積収縮比率の差により得られるシートが変形し易くなる。上記方法1、2のいずれを採用するかは、これらを勘案して適宜決定すれば良い。
As described above, the treatment corresponding to the carbonization step may be performed after the fiber is made flame resistant, but the carbonization treatment performed after the fiber is made flame resistant may be omitted. That is, the method for producing the second electrode material is roughly classified into the following method 1 and method 2.
・Method 1: Fiber flame resistance→fiber carbonization→graphite particles and carbonaceous material impregnation→carbonization→graphitization→oxidation Method 2: fiber flame resistance→graphite particles and carbonaceous material impregnation→carbonization → Graphitization → Oxidation According to the above method 1, although carbonization is performed twice, the processing cost is increased, but the sheet used as the electrode material is not easily affected by the difference in volume shrinkage ratio, and thus the obtained sheet is deformed. There is an advantage that it is difficult to generate (warpage). On the other hand, according to the method 2, although the carbonization step may be performed once, the processing cost can be reduced, but the sheet obtained is easily deformed due to the difference in the volume contraction ratio of each material at the time of carbonization. Which of the above methods 1 and 2 should be adopted may be appropriately determined in consideration of these.

(黒鉛化工程)
黒鉛化工程は、炭素質材料の結晶性を十分に高め、電子伝導性の向上ならびに電解液中の硫酸溶液などに対する耐酸化性を向上させるために行なわれる工程である。上記炭素化工程の後、さらに不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)で1300℃以上の温度であって、上記炭素化工程における加熱温度よりも高い温度で加熱することが好ましく、1500℃以上がより好ましい。なお、その上限は、炭素質材料に高い電解液親和性を付与することを考慮すると、2000℃以下が好ましい。
これに対し、前述した特許文献4では、上記黒鉛化工程を行っていない点で第2の電極材の製造方法と相違する。
(Graphitization process)
The graphitization step is a step performed to sufficiently enhance the crystallinity of the carbonaceous material, improve the electron conductivity, and improve the oxidation resistance to a sulfuric acid solution in the electrolytic solution. After the carbonization step, it is preferable to further heat at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere), which is higher than the heating temperature in the carbonization step, 1500° C. or higher. Is more preferable. Note that the upper limit is preferably 2000° C. or lower in consideration of imparting high affinity for the electrolytic solution to the carbonaceous material.
On the other hand, Patent Document 4 described above is different from the second electrode material manufacturing method in that the graphitization step is not performed.

(酸化処理工程)
上記黒鉛化工程の後、さらに酸化処理工程を行うことにより、電極材表面に、ヒドロキシル基、カルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などの酸素官能基が導入されるようになる。その結果、前述したO/C比≧1%を達成することができる。これらの酸素官能基は電極反応に大きく寄与するため、十分に低い抵抗が得られる。また水の通水速度も高められる。
(Oxidation process)
After the above graphitization step, by further performing an oxidation treatment step, oxygen functional groups such as hydroxyl groups, carbonyl groups, quinone groups, lactone groups, and free radical oxides are introduced on the surface of the electrode material. Become. As a result, the above-mentioned O/C ratio≧1% can be achieved. Since these oxygen functional groups greatly contribute to the electrode reaction, sufficiently low resistance can be obtained. Also, the water flow rate can be increased.

酸化処理工程は、例えば湿式の化学酸化、電解酸化、乾式酸化などの各種処理工程を適用できるが、加工性、製造コストの観点から乾式酸化処理工程が好ましい。乾式酸化処理工程は、空気雰囲気下、例えば500℃以上、900℃以下で加熱(酸化処理)する工程を意味する。上記酸素官能基の導入による効果を有効に発揮させるためには、上記加熱温度は、600℃以上がより好ましく、650℃以上がさらに好ましい。また、800℃以下がより好ましく、750℃以下がさらに好ましい。 As the oxidation treatment process, various treatment processes such as wet chemical oxidation, electrolytic oxidation, and dry oxidation can be applied, but the dry oxidation treatment process is preferable from the viewpoint of processability and manufacturing cost. The dry oxidation treatment step means a step of heating (oxidation treatment) at 500° C. or higher and 900° C. or lower in an air atmosphere. In order to effectively exert the effect of introducing the oxygen functional group, the heating temperature is more preferably 600° C. or higher, further preferably 650° C. or higher. Moreover, 800° C. or lower is more preferable, and 750° C. or lower is further preferable.

更に乾式酸化処理工程では、電極材の機械的強度を維持する観点から、酸化処理前後の電極材の質量収率を90%以上、96%以下に調整することが好ましい。これは、例えば、乾式空気酸化の処理時間や温度を適宜調整するなどの方法により調整することができる。 Further, in the dry oxidation treatment step, from the viewpoint of maintaining the mechanical strength of the electrode material, it is preferable to adjust the mass yield of the electrode material before and after the oxidation treatment to 90% or more and 96% or less. This can be adjusted by, for example, appropriately adjusting the processing time or temperature of dry air oxidation.

[III.本発明に係る第3の炭素電極材]
[III−1.第3の炭素電極材の構成]
本発明者らは、初期充放電時のセル抵抗が低減された炭素電極材を提供するに当たり、黒鉛粒子以外の炭素粒子を用いて検討を行なった。その結果、粒径が小さく、且つ、低結晶性の炭素粒子を用いれば、反応表面積が大きくなり、酸素官能基が付与され易くなって反応活性が上昇し、低抵抗が得られることが判明した。
[III. Third Carbon Electrode Material According to the Present Invention]
[III-1. Configuration of Third Carbon Electrode Material]
The present inventors conducted studies using carbon particles other than graphite particles in providing a carbon electrode material having a reduced cell resistance during initial charge/discharge. As a result, it was found that when the carbon particles having a small particle size and low crystallinity are used, the reaction surface area is increased, the oxygen functional group is easily added, the reaction activity is increased, and the low resistance is obtained. ..

具体的には第3の炭素電極材では、黒鉛粒子以外の炭素粒子として、下記(1)および(2)の要件を満足する炭素粒子を採用することにした。
(1)黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)の粒径は1μm以下
(2)黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm以下
上記(1)のように粒径の小さい炭素粒子を用いると反応表面積が大きくなり、低抵抗化が可能である。更に上記(2)のように低結晶性の炭素粒子は酸素官能基が導入され易く反応活性が向上するため、更なる低抵抗化が可能である。
Specifically, in the third carbon electrode material, as the carbon particles other than the graphite particles, carbon particles satisfying the following requirements (1) and (2) are adopted.
(1) The particle size of the carbon particles (B) other than the graphite particles is 1 μm or less. (2) In the carbon particles (B) other than the graphite particles, the size of the crystallite in the c-axis direction determined by X-ray diffraction is Lc( In the case of B), Lc(B) is 10 nm or less. When carbon particles having a small particle size are used as in the above (1), the reaction surface area becomes large, and the resistance can be lowered. Further, as in the above (2), the carbon particles having low crystallinity are easily introduced with an oxygen functional group and the reaction activity is improved, so that the resistance can be further reduced.

更に第3の炭素電極材では炭素質材料(C)として、炭素質繊維(A)と黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)の両方を結着する結着性の炭素質材料であって、下記(3)の要件を満足する、炭素質繊維(A)に対して高結晶性の炭素質材料を、下記(4)の範囲内で用いることにした。
(3)炭素質繊維(A)および炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをそれぞれLc(A)、Lc(C)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0〜5
(4)炭素質繊維(A)、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、および炭素質材料(C)の合計量に対する前記炭素質材料(C)の質量含有率は14.5%以上
ここで「炭素質繊維(A)と黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)の両方を結着する」(換言すれば、第3の炭素電極材に用いられる炭素質材料は炭素質繊維と黒鉛粒子以外の炭素粒子の結着剤として作用する)とは、当該炭素質材料によって炭素質繊維および黒鉛粒子以外の炭素粒子の表面および内部(炭素質繊維間、黒鉛粒子以外の炭素粒子同士を含む)が強く結着されて、電極材全体としてみた場合に当該炭素質材料により炭素質繊維が被覆されつつ、黒鉛粒子以外の炭素粒子の表面が露出しているように構成されていることを意味する。
但し、結着後の炭素質材料は被膜状態にならないことが好ましい。ここで「被膜状態にならない」とは、炭素質繊維(A)の繊維間において炭素質材料(C)が全蹼足(ボクソク)や蹼足のような水かき状態を形成しないことを意味する。被膜状態を形成した場合、電解液の通液性が悪化し、上記炭素粒子の反応表面積を有効利用できないためである。
Furthermore, in the third carbon electrode material, as the carbonaceous material (C), a binding carbonaceous material that binds both the carbonaceous fiber (A) and the carbon particles (B) other than the graphite particles, It was decided to use a highly crystalline carbonaceous material for the carbonaceous fiber (A), which satisfies the requirement (3), within the range (4) below.
(3) When the crystallite sizes in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (C) obtained by X-ray diffraction are Lc(A) and Lc(C), respectively, Lc( C)/Lc(A) is 1.0 to 5
(4) The mass content of the carbonaceous material (C) is 14.5% or more based on the total amount of the carbonaceous fiber (A), the carbon particles (B) other than the graphite particles, and the carbonaceous material (C). "Bind both carbonaceous fiber (A) and carbon particles (B) other than graphite particles" (in other words, the carbonaceous material used for the third carbon electrode material is not carbonaceous fibers or graphite particles). Acts as a binder for carbon particles) means that the surface and inside of carbon particles other than carbonaceous fibers and graphite particles (including carbon particles other than graphite particles and carbon particles other than graphite particles) are strongly dependent on the carbonaceous material. This means that when the electrode material as a whole is bound, the carbonaceous fiber is covered with the carbonaceous material and the surfaces of the carbon particles other than the graphite particles are exposed.
However, it is preferable that the carbonaceous material after binding does not form a film. Here, "not in a coating state" means that the carbonaceous material (C) does not form a webbed state such as whole footpads or footpads between the carbonaceous fibers (A). This is because when the coating film is formed, the liquid permeability of the electrolytic solution is deteriorated and the reaction surface area of the carbon particles cannot be effectively used.

ここで前述した特許文献4との違いについて説明する。炭素質材料は黒鉛粒子以外の炭素粒子を介して炭素質繊維間などを強く結着するため、炭素粒子と炭素質繊維の効率的な導電パスを形成する。炭素質繊維と黒鉛粒子以外の炭素粒子と炭素質材料の合計量に対する炭素質材料の含有比率を多くすることが導電パスの形成には必要であり、そのため第3の炭素電極材では上記含有率を14.5%以上とする。これに対し、前述した特許文献4の実施例では炭素質材料の含有率がせいぜい14.4%であって第3の炭素電極材より少なく、この点で、両者は相違する。そもそも特許文献4では、炭素質繊維と炭素微粒子とが元々接触していた部分のみを固定(接着)できれば良いという発想のもと、使用する炭素質材料は部分的な接着剤としての作用が発揮されれば良いとの認識しかないからである。さらに、特許文献4では結着する炭素質材料の結晶性について具体的に明記されていないが、優れた導電パスを形成するには第3の電極材のように炭素質繊維に対して結晶性が高い炭素質材料を用いると電子伝導性が高まるため、より効率的な電子移動が可能となる。 Here, the difference from the above-mentioned Patent Document 4 will be described. Since the carbonaceous material strongly bonds the carbonaceous fibers and the like through the carbon particles other than the graphite particles, it forms an efficient conductive path between the carbon particles and the carbonaceous fibers. It is necessary to increase the content ratio of the carbonaceous material to the total amount of the carbonaceous material other than the carbonaceous fiber and the graphite particles and the carbonaceous material in order to form the conductive path. Therefore, in the third carbon electrode material, the above content rate is Is 14.5% or more. On the other hand, in the above-mentioned example of Patent Document 4, the carbonaceous material content is at most 14.4%, which is less than that of the third carbon electrode material, and the two are different in this respect. In the first place, in Patent Document 4, the carbonaceous material to be used exerts an action as a partial adhesive, based on the idea that only the portion where the carbonaceous fiber and the carbon fine particles are originally in contact with each other can be fixed (bonded). This is because there is only the recognition that it should be done. Further, in Patent Document 4, although the crystallinity of the carbonaceous material to be bound is not specifically specified, in order to form an excellent conductive path, the crystallinity of the carbonaceous fiber with respect to the carbonaceous fiber like the third electrode material is formed. The use of a carbonaceous material having a high conductivity enhances the electron conductivity, which enables more efficient electron transfer.

更に第3の炭素電極材は下記(5)の要件を満足する。
(5)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
これにより、炭素のエッジ面や欠陥構造部に酸素原子を導入することができる。その結果、電極材の表面では、導入された酸素原子がカルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などの反応基として生成されるため、これらの反応基が電極反応に大きく寄与し、十分な低抵抗を得ることが出来る。
Furthermore, the third carbon electrode material satisfies the following requirement (5).
(5) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. Thereby, oxygen atoms can be introduced into the edge surface of carbon or the defect structure portion. As a result, the introduced oxygen atoms are generated on the surface of the electrode material as reactive groups such as carbonyl group, quinone group, lactone group, and free radical type oxides, and these reactive groups greatly contribute to the electrode reaction. However, a sufficiently low resistance can be obtained.

第3の電極材は上記のように構成されているため、反応活性が高められて低抵抗かつ安価な電極が得られる。 Since the third electrode material is configured as described above, it is possible to obtain a low resistance and inexpensive electrode with enhanced reaction activity.

前述したとおり第3の電極材5は、炭素質繊維(A)を基材とし、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)を炭素質繊維(A)に対して高結晶な炭素質材料で坦持する電極材であり、上記(1)〜(5)の要件を満足する。各要件の詳細は以下のとおりである。 As described above, the third electrode material 5 uses the carbonaceous fiber (A) as a base material, and carries the carbon particles (B) other than the graphite particles with a highly crystalline carbonaceous material with respect to the carbonaceous fiber (A). It is an electrode material that satisfies the above requirements (1) to (5). Details of each requirement are as follows.

[炭素質繊維(A)]
第3の電極材に用いられる炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理(詳細は後述する。)して得られる繊維であって、質量比で90%以上が炭素で構成される繊維を意味する(JIS L 0204−2)。炭素質繊維の原料となる有機繊維のプレカーサーとしては、ポリアクリロニトリル等のアクリル繊維;フェノール繊維;ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)等のPBO繊維;芳香族ポリアミド繊維;等方性ピッチ繊維、異方性ピッチ繊維、メソフェーズピッチ等のピッチ繊維;セルロース繊維;等を使用することができる。中でも、強度・弾性率に優れる等の観点から、有機繊維のプレカーサーとしては、アクリル繊維、フェノール繊維、セルロース繊維、等方性ピッチ繊維、異方性ピッチ繊維が好ましく、アクリル繊維がより好ましい。アクリル繊維は、アクリロニトリルを主成分として含有するものであれば特に限定されないが、アクリル繊維を形成する原料単量体中、アクリロニトリルの含有量が95質量%以上であることが好ましく、98質量%以上であることがより好ましい。
[Carbon fiber (A)]
The carbonaceous fiber used for the third electrode material is a fiber obtained by subjecting a precursor of an organic fiber to a heating carbonization treatment (details will be described later), and 90% by mass or more is composed of carbon. It means a fiber (JIS L 0204-2). As precursors of organic fibers which are raw materials of carbonaceous fibers, acrylic fibers such as polyacrylonitrile; phenol fibers; PBO fibers such as polyparaphenylenebenzobisoxazole (PBO); aromatic polyamide fibers; isotropic pitch fibers, different Pitch fibers such as isotropic pitch fibers and mesophase pitch; cellulose fibers; etc. can be used. Of these, acrylic fiber, phenol fiber, cellulose fiber, isotropic pitch fiber, and anisotropic pitch fiber are preferable as the precursor of the organic fiber, and acrylic fiber is more preferable, from the viewpoint of excellent strength and elastic modulus. The acrylic fiber is not particularly limited as long as it contains acrylonitrile as a main component, but the content of acrylonitrile in the raw material monomer forming the acrylic fiber is preferably 95% by mass or more, and 98% by mass or more. Is more preferable.

有機繊維の質量平均分子量は、特に限定されないが、10000以上、100000以下であることが好ましく、15000以上、80000以下であることがより好ましく、20000以上、50000以下であることがさらに好ましい。質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)や溶液粘度などの方法によって測定することができる。 The mass average molecular weight of the organic fiber is not particularly limited, but is preferably 10,000 or more and 100,000 or less, more preferably 15,000 or more and 80,000 or less, and further preferably 20,000 or more and 50,000 or less. The mass average molecular weight can be measured by a method such as gel permeation chromatography (GPC) or solution viscosity.

炭素質繊維の平均繊維径は0.5〜40μmであることが好ましい。平均繊維径が0.5μmより小さいと通液性が悪化してしまう。一方、平均繊維径が40μmよりも大きいと繊維部の反応表面積が低下し、セル抵抗が高くなってしまう。通液性および反応表面積のバランスを考慮すると、より好ましくは3〜20μmである。 The average fiber diameter of the carbonaceous fibers is preferably 0.5 to 40 μm. If the average fiber diameter is smaller than 0.5 μm, liquid permeability deteriorates. On the other hand, when the average fiber diameter is larger than 40 μm, the reaction surface area of the fiber portion is reduced and the cell resistance is increased. Considering the balance between liquid permeability and reaction surface area, it is more preferably 3 to 20 μm.

第3の電極材では、上記炭素質繊維の構造体を基材として用いることが好ましく、これにより、強度が向上し、取扱いや加工性が容易になる。上記構造体として、具体的には、炭素質繊維よりなるシート状物である紡績糸、フィラメント集束糸、不織布、編物、織物、特開昭63−200467号公報などに記載の特殊編織物または炭素繊維からなる紙などを挙げることができる。これらのうち、炭素質繊維よりなる不織布、編物、織物、特殊織編物、及び炭素繊維からなる紙が、取扱いや加工性、製造性等の点からより好ましい。 In the third electrode material, it is preferable to use the carbonaceous fiber structure as a base material, which improves the strength and facilitates handling and workability. As the structure, specifically, a spun yarn, a filament bundled yarn, a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric, a special knitted woven fabric or carbon described in Japanese Patent Laid-Open No. 63-200467, which is a sheet-like product made of carbonaceous fibers. Examples include paper made of fibers. Of these, non-woven fabrics made of carbonaceous fibers, knitted fabrics, woven fabrics, special woven and knitted fabrics, and papers made of carbon fibers are more preferable from the viewpoints of handling, processability, and manufacturability.

ここで不織布、編物、織物などを用いる場合、平均繊維長は30〜100mmが好ましい。また炭素繊維からなる紙を用いる場合、平均繊維長は5〜30mmが好ましい。上記の範囲内とすることで、均一な繊維構造体が得られる。 When a non-woven fabric, a knitted fabric, a woven fabric or the like is used here, the average fiber length is preferably 30 to 100 mm. When using paper made of carbon fiber, the average fiber length is preferably 5 to 30 mm. Within the above range, a uniform fiber structure can be obtained.

前述したように上記炭素質繊維は、有機繊維のプレカーサーを加熱炭素化処理して得られるが、上記「加熱炭素化処理」は、少なくとも、耐炎化工程、および炭素化(焼成)工程を含むことが好ましい。但し、これらのうち炭素化工程は、必ずしも上記のように耐炎化工程の後に行う必要はなく、後記する実施例に記載のように耐炎化された繊維に黒鉛粒子および炭素質材料を添着した後に炭素化工程を行っても良く、この場合は耐炎化工程後の炭素化工程を省略することができる。 As described above, the carbonaceous fiber is obtained by subjecting an organic fiber precursor to a heating carbonization treatment. The “heating carbonization treatment” includes at least a flameproofing step and a carbonization (firing) step. Is preferred. However, among these, the carbonization step does not necessarily have to be performed after the flameproofing step as described above, and after attaching the graphite particles and the carbonaceous material to the flameproofed fiber as described in Examples described later. A carbonization step may be performed, and in this case, the carbonization step after the flameproofing step can be omitted.

このうち上記耐炎化工程は、空気雰囲気下、有機繊維のプレカーサーを好ましくは180℃以上350℃以下の温度で加熱し、耐炎化有機繊維を得る工程を意味する。加熱処理温度は、190℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。また、330℃以下であることが好ましく、300℃以下であることがさらに好ましい。上記温度範囲で加熱することにより、有機繊維が熱分解することなく炭素質繊維の形態を保持したまま有機繊維中の窒素、水素の含有率を低減し、炭素化率を向上することができる。耐炎化工程の際、有機繊維が熱収縮し分子配向が崩壊して、炭素質繊維の導電性が低下する場合があることから、有機繊維を緊張下ないし延伸下で耐炎化処理することが好ましく、緊張下で耐炎化処理することがより好ましい。 Of these, the flameproofing step means a step of heating the precursor of the organic fiber at a temperature of preferably 180°C or higher and 350°C or lower in an air atmosphere to obtain the flameproofed organic fiber. The heat treatment temperature is more preferably 190° C. or higher, further preferably 200° C. or higher. Further, it is preferably 330° C. or lower, and more preferably 300° C. or lower. By heating in the above temperature range, the content ratio of nitrogen and hydrogen in the organic fiber can be reduced and the carbonization ratio can be improved while the organic fiber is not thermally decomposed and the form of the carbonaceous fiber is maintained. During the flameproofing step, the organic fiber may be thermally shrunk to collapse the molecular orientation, and the conductivity of the carbonaceous fiber may decrease, so it is preferable to subject the organic fiber to flameproofing under tension or stretching. More preferably, the flameproof treatment is performed under tension.

上記炭素化工程は、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、上記のようにして得られた耐炎化有機繊維を好ましくは1000℃以上2000℃以下の温度で加熱し、炭素質繊維を得る工程を意味する。加熱温度は、1100℃以上であることがより好ましく、1200℃以上であることがさらに好ましい。また、より好ましくは1900℃以下である。上記温度範囲で炭素化工程を行うことにより、有機繊維の炭素化が進行し、擬黒鉛結晶構造を有する炭素質繊維を得ることができる。 In the carbonization step, the flame-resistant organic fiber obtained as described above is heated at a temperature of preferably 1000° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere) to obtain a carbonaceous fiber. Means a process. The heating temperature is more preferably 1100° C. or higher, still more preferably 1200° C. or higher. Further, it is more preferably 1900° C. or lower. By carrying out the carbonization step in the above temperature range, carbonization of the organic fiber proceeds, and a carbonaceous fiber having a pseudo-graphite crystal structure can be obtained.

有機繊維は、それぞれ異なる結晶性を有するため、炭素化工程における加熱温度は、原料とする有機繊維の種類に応じて選択することができる。例えば、有機繊維としてアクリル樹脂(好ましくはポリアクリロニトリル)を使用する場合、加熱温度は800℃以上2000℃以下であることが好ましく、1000℃以上1800℃以下であることがさらに好ましい。 Since the organic fibers have different crystallinities, the heating temperature in the carbonization step can be selected according to the type of the organic fibers used as the raw material. For example, when an acrylic resin (preferably polyacrylonitrile) is used as the organic fiber, the heating temperature is preferably 800° C. or higher and 2000° C. or lower, and more preferably 1000° C. or higher and 1800° C. or lower.

前述した耐炎化工程および炭素化工程は、連続的に行うことが好ましく、耐炎化温度から炭素化温度へ昇温するときの昇温速度は、20℃/分以下であることが好ましく、より好ましくは15℃/分以下である。昇温速度を上記範囲とすることにより、有機繊維の形状を保持し、かつ機械的性質に優れた炭素質繊維を得ることができる。なお上記昇温速度の下限は、機械的性質などを考慮すると、5℃/分以上であることが好ましい。 The flameproofing step and the carbonization step described above are preferably performed continuously, and the rate of temperature rise when raising the temperature from the flameproofing temperature to the carbonization temperature is preferably 20° C./min or less, and more preferably Is 15°C/min or less. By setting the heating rate within the above range, it is possible to obtain a carbonaceous fiber which retains the shape of the organic fiber and is excellent in mechanical properties. The lower limit of the temperature rising rate is preferably 5° C./min or more in consideration of mechanical properties and the like.

なお、後記する炭素質材料(C)の欄で詳述するが、第3の電極材は、上記(3)に規定するように、炭素質繊維(A)および炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさを、それぞれ、Lc(A)およびLc(C)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0〜5を満足する。よって第3の電極材では上記(3)を満足する限り、炭素質繊維(A)におけるLc(A)は特に限定されないが、Lc(A)は1〜6nmであることが好ましい。これにより、適度な電子伝導性、硫酸溶媒などに対する耐酸化性、酸素官能基が付与し易いなどの作用が有効に発揮される。Lc(A)およびLc(C)の測定方法は後記する実施例の欄で詳述する。 As will be described in detail later in the section of carbonaceous material (C), the third electrode material includes carbonaceous fiber (A) and carbonaceous material (C) as defined in (3) above. When the crystallite sizes in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction are Lc(A) and Lc(C), respectively, Lc(C)/Lc(A) satisfies 1.0 to 5. .. Therefore, as long as the third electrode material satisfies the above (3), Lc(A) in the carbonaceous fiber (A) is not particularly limited, but Lc(A) is preferably 1 to 6 nm. Thereby, the effects of appropriate electron conductivity, oxidation resistance against sulfuric acid solvent, etc., and easy provision of oxygen functional groups are effectively exhibited. The method for measuring Lc(A) and Lc(C) will be described in detail in the section of Examples below.

[黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)]
第3の電極材において「黒鉛粒子以外の炭素粒子」は、反応表面積を高めて低抵抗を実現するために有用である。第3の電極材では、低抵抗化のため、上記(1)および(2)を満足するものを用いた。
[Carbon particles other than graphite particles (B)]
In the third electrode material, "carbon particles other than graphite particles" is useful for increasing the reaction surface area and realizing low resistance. As the third electrode material, a material satisfying the above (1) and (2) was used in order to reduce the resistance.

まず第3の電極材に用いられる「黒鉛粒子以外の炭素粒子」の粒径は上記(1)に規定するように1μm以下であり、0.5μm以下が好ましい。粒径が1μmを超えると、反応表面積が小さくなって抵抗が増加する。ここで「粒径」とは、動的光散乱法などで得られた粒径分布におけるメジアン50%径での平均粒径(D50)を意味する。黒鉛粒子以外の炭素粒子は市販品を用いてもよく、その場合、カタログ記載の粒径を採用できる。好ましい下限は、0.005μm以上である。 First, the particle diameter of “carbon particles other than graphite particles” used for the third electrode material is 1 μm or less, and preferably 0.5 μm or less, as defined in the above (1). If the particle size exceeds 1 μm, the reaction surface area becomes small and the resistance increases. Here, the "particle diameter" means an average particle diameter (D50) at a median 50% diameter in a particle diameter distribution obtained by a dynamic light scattering method or the like. As the carbon particles other than the graphite particles, commercially available products may be used, and in that case, the particle size described in the catalog can be adopted. A preferable lower limit is 0.005 μm or more.

第3の電極材に用いられる「黒鉛粒子以外の炭素粒子」の窒素吸着量から求められるBET比表面積は、20m2/g以上が好ましく、30m2/g以上がより好ましく、40m2/g以上が更に好ましい。BET比表面積が20m2/g未満になると、炭素粒子のエッジ露出が減少し、電解液との接触面積も減少するため、所望とする低抵抗が得られなくなる。なお、その上限は上記観点からは特に限定されないが、表面積が大きく嵩高い粒子では分散溶液の粘性が上昇しやすく、シートなどへの加工性が悪化することを考慮すると、おおむね、2000m2/g以下であることが好ましい。ここで上記「窒素吸着量から求められるBET比表面積」とは、窒素分子を固体粒子に吸着させ、吸着した気体分子の量から算出された比表面積を意味する。The BET specific surface area obtained from the nitrogen adsorption amount of “carbon particles other than graphite particles” used for the third electrode material is preferably 20 m 2 /g or more, more preferably 30 m 2 /g or more, and 40 m 2 /g or more. Is more preferable. If the BET specific surface area is less than 20 m 2 /g, the edge exposure of the carbon particles is reduced and the contact area with the electrolytic solution is also reduced, so that the desired low resistance cannot be obtained. Although the upper limit is not particularly limited from the above viewpoint, considering that particles having a large surface area and bulky tend to increase the viscosity of the dispersion solution and deteriorate the processability into a sheet or the like, it is generally 2000 m 2 /g. The following is preferable. Here, the “BET specific surface area obtained from the amount of adsorbed nitrogen” means a specific surface area calculated from the amount of gas molecules adsorbed by adsorbing nitrogen molecules on solid particles.

更に第3の電極材に用いられる「黒鉛粒子以外の炭素粒子」におけるLc(B)は上記(2)に規定するように10nm以下である。Lc(B)が10nmを超える高結晶性の炭素粒子を用いると酸素官能基の導入が困難なため、水系電解液に対する炭素粒子近傍の親和性が低下し、反応活性が低下して抵抗が増加する。好ましくは6nm以下である。なお、その下限は上記観点からは特に限定されないが、電解液への耐酸化性などを考慮すると、おおむね、0.5nm以上が好ましい。Lc(B)およびLa(B)の測定方法は後記する実施例の欄で詳述する。 Furthermore, Lc(B) in the "carbon particles other than the graphite particles" used for the third electrode material is 10 nm or less as specified in (2) above. When highly crystalline carbon particles having an Lc(B) of more than 10 nm are used, it is difficult to introduce oxygen functional groups, so that the affinity in the vicinity of the carbon particles with respect to the aqueous electrolytic solution decreases, the reaction activity decreases, and the resistance increases. To do. It is preferably 6 nm or less. The lower limit is not particularly limited from the above viewpoint, but considering the oxidation resistance to the electrolytic solution and the like, it is preferably about 0.5 nm or more. The method for measuring Lc(B) and La(B) will be described in detail in the section of Examples below.

第3の電極材に用いられる「黒鉛粒子以外の炭素粒子」としては、例えば、アセチレンブラック(アセチレンの煤)、オイルブラック(ファーネスブラック、オイルの煤)、ケッチェンブラック、ガスブラック(ガスの煤)などのカーボンブラック類のように反応性および比表面積が高く、低結晶性のものがよく用いられる。上記の他、カーボンナノチューブ(CNT,carbon nanotube)、カーボンナノファイバー、カーボンエアロゲル、メソ多孔性炭素、グラフェン、酸化グラフェン、NドープCNT、ホウ素ドープCNT、フラーレンなどが挙げられる。原料価格などの観点から、カーボンブラック類が好ましく用いられる。 Examples of the “carbon particles other than graphite particles” used for the third electrode material include, for example, acetylene black (acetylene soot), oil black (furnace black, oil soot), ketjen black, gas black (gas soot). Such as carbon blacks such as )) having high reactivity and high specific surface area and low crystallinity are often used. Other than the above, carbon nanotube (CNT, carbon nanotube), carbon nanofiber, carbon aerogel, mesoporous carbon, graphene, graphene oxide, N-doped CNT, boron-doped CNT, fullerene and the like can be mentioned. Carbon blacks are preferably used from the viewpoint of raw material cost and the like.

第3の電極材に用いられる「黒鉛粒子以外の炭素粒子」の含有量は、前述した炭素質繊維(A)、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、後記する炭素質材料(C)の合計量に対する質量比率で5%以上であることが好ましく、10%以上がより好ましい。これにより、黒鉛粒子以外の炭素粒子が炭素質材料で結着されるようになり、抵抗が低下するようになる。但し、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)の量が過剰になると、炭素質材料による結着性が不十分となり粒子の脱落が発生し、また充填密度の向上により通液性が悪化するため、所望とする低抵抗が得られなくなる。そのため、上限はおおむね90%以下であることが好ましい。なお上記含有量の算出に用いる炭素質繊維(A)の含有量は、基材として不織布などの構造体を用いる場合は当該構造体の含有量である。 The content of “carbon particles other than graphite particles” used in the third electrode material is the total of the above-mentioned carbonaceous fibers (A), carbon particles other than graphite particles (B), and carbonaceous material (C) described later. The mass ratio to the amount is preferably 5% or more, more preferably 10% or more. As a result, the carbon particles other than the graphite particles are bound by the carbonaceous material, and the resistance decreases. However, when the amount of the carbon particles (B) other than the graphite particles is excessive, the binding property due to the carbonaceous material becomes insufficient, particles are dropped, and the liquid permeability is deteriorated due to the improvement of the packing density. The desired low resistance cannot be obtained. Therefore, the upper limit is preferably 90% or less. The content of the carbonaceous fiber (A) used for calculating the content is the content of the structure when a structure such as a nonwoven fabric is used as the base material.

第3の電極材において、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)に対する、後記する炭素質材料(C)の質量比は、0.2以上10以下であることが好ましく、0.3以上7以下であることがより好ましい。上記の比が0.2未満では、黒鉛粒子以外の炭素粒子の脱落が多くなり、当該炭素粒子が炭素質材料に十分結着されなくなる。一方、上記の比が10を超えると、反応場である当該炭素粒子の炭素エッジ面が被覆されてしまい、所望とする低抵抗が得られなくなる。 In the third electrode material, the mass ratio of the carbonaceous material (C) described below to the carbon particles (B) other than the graphite particles is preferably 0.2 or more and 10 or less, and 0.3 or more and 7 or less. More preferably. When the ratio is less than 0.2, carbon particles other than the graphite particles are more likely to fall off, and the carbon particles are not sufficiently bound to the carbonaceous material. On the other hand, when the above ratio exceeds 10, the carbon edge surface of the carbon particles, which is the reaction field, is covered, and the desired low resistance cannot be obtained.

[炭素質材料(C)]
第3の電極材において炭素質材料は、本来、結着し得ない炭素質繊維と、黒鉛粒子以外の炭素粒子とを強く結着させるための結着剤(バインダー)として添加されるものである。第3の電極材では、上記(3)に規定するように炭素質繊維(A)および炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをそれぞれLc(A)およびLc(C)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0〜5を満足する必要がある。
このように炭素質繊維(A)に対して高結晶性の結着性炭素質材料を用いることにより上記炭素粒子(B)と炭素質繊維(A)との電子伝導抵抗が低くなって、当該炭素粒子(B)と炭素質繊維(A)の電子伝導パスがスムーズになる。また、炭素質材料が黒鉛粒子以外の炭素粒子を介して炭素質繊維間などを強く結着するため、効率的な導電パスを形成でき、前述した黒鉛粒子以外の炭素粒子添加による低抵抗化作用が一層有効に発揮されることが判明した。
[Carbonaceous material (C)]
In the third electrode material, the carbonaceous material is originally added as a binder (binder) for strongly binding the carbonaceous fibers that cannot be bound to the carbon particles other than the graphite particles. .. In the third electrode material, the size of the crystallite in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction in the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (C) as defined in (3) above is Lc( When A) and Lc(C) are used, Lc(C)/Lc(A) needs to satisfy 1.0 to 5.
By using the highly crystalline binding carbonaceous material for the carbonaceous fiber (A), the electron conduction resistance between the carbon particles (B) and the carbonaceous fiber (A) is lowered, The electron conduction path between the carbon particles (B) and the carbonaceous fibers (A) becomes smooth. In addition, since the carbonaceous material strongly bonds between the carbonaceous fibers via the carbon particles other than the graphite particles, an efficient conductive path can be formed, and the resistance reducing action by the addition of the carbon particles other than the above-mentioned graphite particles is possible. It has been found that is more effectively exhibited.

Lc(C)/Lc(A)の比が1.0を下回ると、上記効果が有効に発揮されない。上記の比は1.5以上が好ましく、3.0以上がより好ましい。一方、上記の比が5を超えると、炭素質材料部分への酸素官能基が付与され難くなる。上記の比は、4.5以下が好ましく、4.0以下がより好ましい。 If the ratio of Lc(C)/Lc(A) is less than 1.0, the above effect is not effectively exhibited. The above ratio is preferably 1.5 or more, more preferably 3.0 or more. On the other hand, when the above ratio exceeds 5, it becomes difficult to give oxygen functional groups to the carbonaceous material portion. The above ratio is preferably 4.5 or less, more preferably 4.0 or less.

第3の電極材ではLc(C)/Lc(A)の比が上記範囲を満足する限り、Lc(C)の範囲は特に限定されないが、更なる低抵抗化の観点から、Lc(C)は10nm以下が好ましく、7.5nm以下がより好ましい。なおLc(C)の下限は上記観点からは特に限定されないが、電子伝導性などを考慮すると、おおむね、3nm以上が好ましい。 In the third electrode material, the range of Lc(C) is not particularly limited as long as the ratio of Lc(C)/Lc(A) satisfies the above range, but from the viewpoint of further lowering the resistance, Lc(C) Is preferably 10 nm or less, more preferably 7.5 nm or less. The lower limit of Lc(C) is not particularly limited from the above viewpoint, but in consideration of electron conductivity and the like, it is preferably about 3 nm or more.

第3の電極材に用いられる炭素質材料(C)の含有量は、前述した炭素質繊維(A)および黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、炭素質材料(C)の合計量に対する質量比率で14.5%以上であり、15%以上が好ましく、17%以上がより好ましい。このように炭素質材料の含有率を多くすることによって炭素質繊維および黒鉛粒子以外の炭素粒子の両方を十分結着することができ、炭素質材料添加による結着作用が有効に発揮される。なお、その上限は、電解液の通液性などを考慮すると、おおむね、90%以下であることが好ましい。 The content of the carbonaceous material (C) used in the third electrode material is the mass ratio with respect to the total amount of the carbonaceous fiber (A) and the carbon particles (B) other than the graphite particles, and the carbonaceous material (C). Is 14.5% or more, preferably 15% or more, and more preferably 17% or more. By increasing the content ratio of the carbonaceous material in this way, both the carbonaceous fiber and the carbon particles other than the graphite particles can be sufficiently bound, and the binding action by the addition of the carbonaceous material is effectively exhibited. The upper limit is preferably about 90% or less in consideration of the liquid permeability of the electrolytic solution.

第3の電極材に用いられる炭素質材料(C)の種類は、炭素質繊維(A)および黒鉛粒子(B)以外の炭素粒子を結着し得るものであれば良く、具体的には、第3の電極材作製時における炭化時に結着性を示すものであれば特に限定されない。このような例として、例えば、コールタールピッチ、石炭系ピッチ等のピッチ類;フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、エポキシド樹脂、フラン樹脂、ビニルエステル樹脂、メラニン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、レソルシノール−ホルムアルデヒド樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアクリロニトリル等の樹脂;フルフリルアルコール;アクリロニトリル−ブタジエンゴム等のゴムなどが挙げられる。これらは市販品を用いても良い。 The carbonaceous material (C) used for the third electrode material may be of any type as long as it can bind carbon particles other than the carbonaceous fiber (A) and the graphite particles (B), and specifically, There is no particular limitation as long as it exhibits binding properties when carbonized during the production of the third electrode material. Examples thereof include pitches such as coal tar pitch and coal pitch; phenol resin, benzoxazine resin, epoxide resin, furan resin, vinyl ester resin, melanin-formaldehyde resin, urea-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde. Resin, cyanate ester resin, bismaleimide resin, polyurethane resin, resin such as polyacrylonitrile; furfuryl alcohol; rubber such as acrylonitrile-butadiene rubber. You may use a commercial item for these.

これらのうち、特に易結晶性であるコールタールピッチ、石炭系ピッチ等のピッチ類は、低い焼成温度で目的とする炭素質材料(C)が得られるため好ましい。また、フェノール樹脂も焼成温度によって結晶性の増減が少なく、結晶性の制御がし易いため、好ましく用いられる。また、ポリアクリロニトリル樹脂も、焼成温度を上げれば目的とする炭素質材料(C)が得られるため、好ましく用いられる。特に好ましいのはピッチ類である。
第3の電極材の好ましい態様によれば、フェノール樹脂を使用しないため、フェノール樹脂に伴う弊害(室温でのホルムアルデヒド発生およびホルムアルデヒド臭)は生じず、常温では臭気が発生しない等のメリットがある。これに対し、前述した特許文献4では接着剤としてフェノール樹脂を用いているため、上記弊害の他、作業場所におけるホルムアルデヒド濃度を管理濃度以下に制御するための設備が別途必要になる等、コスト面、作業面でのデメリットがある。
Of these, particularly easily crystallizable pitches such as coal tar pitch and coal pitch are preferable because the target carbonaceous material (C) can be obtained at a low firing temperature. Further, a phenol resin is also preferably used because the increase or decrease in crystallinity due to the firing temperature is small and the crystallinity is easily controlled. Further, a polyacrylonitrile resin is also preferably used because the intended carbonaceous material (C) can be obtained by raising the firing temperature. Particularly preferred are pitches.
According to the preferable mode of the third electrode material, since the phenol resin is not used, the harmful effects (formaldehyde generation and formaldehyde odor at room temperature) due to the phenol resin do not occur, and there is an advantage that no odor is generated at room temperature. On the other hand, in Patent Document 4 described above, since the phenol resin is used as the adhesive, in addition to the above-mentioned adverse effects, equipment for controlling the formaldehyde concentration at the work place below the control concentration is additionally required There is a disadvantage in terms of work.

ここで、特に好ましく用いられるピッチ類について詳述する。前述したコールタールピッチや石炭系ピッチは、不融化処理の温度や時間によって、メソフェーズ相(液晶相)の含有率をコントロールすることができる。メソフェーズ相の含有量が少なければ、比較的低温で溶融、または室温で液体状態のものが得られる。一方、メソフェーズ相の含有率が高ければ、高温で溶融し、炭化収率の高いものが得られる。ピッチ類を炭素質材料(C)に適用する場合、メソフェーズ相の含有率が高い(すなわち炭化率が高い)ことが好ましく、例えば30%以上が好ましく、50%以上がより好ましい。これにより、溶融時の流動性を抑え、黒鉛粒子以外の炭素粒子の表面を過剰に被覆することなく、当該炭素粒子を介して炭素質繊維間を結着することができる。なお、その上限は、結着性の発現などを考慮すると、例えば90%以下であることが好ましい。 Here, the pitches that are particularly preferably used will be described in detail. The content rate of the mesophase phase (liquid crystal phase) of the above-mentioned coal tar pitch or coal-based pitch can be controlled by the temperature and time of the infusibilizing treatment. When the content of the mesophase phase is small, it can be obtained by melting at a relatively low temperature or in a liquid state at room temperature. On the other hand, when the content of the mesophase phase is high, the mesophase phase is melted at a high temperature and a high carbonization yield is obtained. When the pitches are applied to the carbonaceous material (C), the mesophase phase content is preferably high (that is, the carbonization rate is high), for example, 30% or more is preferable, and 50% or more is more preferable. Thereby, the fluidity at the time of melting can be suppressed, and the carbonaceous fibers can be bound through the carbon particles without excessively covering the surfaces of the carbon particles other than the graphite particles. The upper limit is preferably, for example, 90% or less in consideration of the expression of binding property.

上記と同様の観点から、ピッチ類の融点は、100℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがより好ましい。これにより、上記効果が得られる他、添着加工時の臭気を抑えることができ、加工性の面でも好ましい。なお、その上限は、結着性の発現などを考慮すると、例えば350℃以下であることが好ましい。 From the same viewpoint as above, the melting point of the pitches is preferably 100° C. or higher, and more preferably 200° C. or higher. Thereby, in addition to the above effects, the odor during the attachment process can be suppressed, which is also preferable in terms of processability. The upper limit is preferably, for example, 350° C. or lower in consideration of the expression of binding property.

[III−2.第3の炭素電極材の特性]
第3の電極材は、炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上を満足する。以下、上記全炭素原子数に対する結合酸素原子数の比をO/Cで略記する場合がある。O/Cは、X線光電子分光法(XPS)や蛍光X線分析法などの表面分析にて測定できる。
[III-2. Characteristics of third carbon electrode material]
In the third electrode material, the number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material satisfies 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material. Hereinafter, the ratio of the number of bonded oxygen atoms to the total number of carbon atoms may be abbreviated as O/C. O/C can be measured by surface analysis such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and fluorescent X-ray analysis.

O/Cが1%以上の電極材を用いることにより、電極反応速度を著しく高められるため、低抵抗が得られる。更にO/Cの制御により親水性も高められ、後記する電極材の通水速度(好ましくは0.5mm/sec以上)を確保することができる。これに対し、O/Cが1%未満の酸素濃度の低い電極材を用いると、放電時の電極反応速度が小さくなり、電極反応活性を高めることはできない。その結果、抵抗が増加する。このように電極材表面に酸素原子を多く結合させた電極材の使用により電極反応活性(換言すれば電圧効率)が高められる理由の詳細は明らかでないが、表面に多く存在する酸素原子が炭素質材料(C)と電解液との親和性、電子の授受、錯イオンの炭素質材料からの脱離、錯交換反応等に有効に作用しているためと考えられる。 By using an electrode material having O/C of 1% or more, the electrode reaction rate can be remarkably increased, and a low resistance can be obtained. Further, the hydrophilicity can be enhanced by controlling the O/C, and the water flow rate (preferably 0.5 mm/sec or more) of the electrode material described later can be secured. On the other hand, when an electrode material having a low oxygen concentration of O/C of less than 1% is used, the electrode reaction rate at the time of discharge becomes low, and the electrode reaction activity cannot be increased. As a result, the resistance increases. Although the details of the reason why the electrode reaction activity (in other words, voltage efficiency) is improved by using the electrode material in which a large number of oxygen atoms are bonded to the surface of the electrode material are not clear, the oxygen atoms existing on the surface in many cases are carbonaceous. It is considered that this is because it is effectively acting on the affinity between the material (C) and the electrolytic solution, transfer of electrons, desorption of complex ions from the carbonaceous material, complex exchange reaction, and the like.

第3の電極材は親水性に優れている。親水性は、上記電極材を乾式酸化処理後、水滴を垂らした時の通水速度によって確認することができる。第3の電極材の通水速度は、0.5mm/sec以上であることが好ましい。これにより、電解液に対する十分な親和性を有すると判断できる。上記電極材の通水速度は大きい程良く、より好ましくは1mm/sec以上、更に好ましくは5mm/sec以上、更により好ましくは10mm/sec以上である。 The third electrode material has excellent hydrophilicity. The hydrophilicity can be confirmed by the water flow rate when water drops are dripped after the electrode material is subjected to the dry oxidation treatment. The water flow rate of the third electrode material is preferably 0.5 mm/sec or more. From this, it can be determined that it has a sufficient affinity for the electrolytic solution. The higher the water flow rate of the electrode material is, the more preferable it is, more preferably 1 mm/sec or more, further preferably 5 mm/sec or more, and further more preferably 10 mm/sec or more.

第3の電極材の目付量は、集電板1とイオン交換膜3に挟まれたスペーサー2の厚み(以下、「スペーサー厚み」と言う)を0.3〜3mmで使用する場合、50〜500g/m2が好ましく、100〜400g/m2がより好ましい。目付を上記範囲内に制御することで、通液性を確保しつつ、イオン交換膜3の破損を防止することができる。特に、近年では低抵抗化の観点から、イオン交換膜3の厚みは薄くなる傾向にあり、イオン交換膜3へのダメージを軽減する処置及び使用方法は極めて重要である。また上記の観点から、第3の電極材として、片面に平坦加工が施された不織布や紙を基材として使用することもより好ましい。平坦加工方法は、公知の任意の方法を適用でき、例えばスラリーを炭素質繊維の片面に塗布、乾燥する方法;PETなどの平滑なフィルム上で含侵、乾燥するなどの手法が挙げられる。The weight of the third electrode material is 50 to 50 when the thickness of the spacer 2 sandwiched between the current collector 1 and the ion exchange membrane 3 (hereinafter referred to as "spacer thickness") is 0.3 to 3 mm. preferably 500g / m 2, 100~400g / m 2 is more preferable. By controlling the basis weight within the above range, it is possible to prevent the ion exchange membrane 3 from being damaged while ensuring liquid permeability. In particular, in recent years, from the viewpoint of lowering the resistance, the thickness of the ion exchange membrane 3 tends to be thin, and a treatment and a use method for reducing damage to the ion exchange membrane 3 are extremely important. From the above viewpoint, it is more preferable to use, as the third electrode material, a non-woven fabric or paper whose one surface is flattened, as a base material. As the flattening method, any known method can be applied, and examples thereof include a method of coating the slurry on one side of the carbonaceous fiber and drying; a method of impregnating and drying on a smooth film such as PET.

第3の電極材の厚みは、少なくともスペーサー厚みより大きいことが好ましい。例えば炭素質繊維に不織布等のように密度の低いものを用い、これに第3の電極材に用いられる黒鉛粒子以外の炭素粒子や結着性の炭素質材料を坦持した場合、スペーサー厚みの1.5〜6.0倍が好ましい。しかしながら、厚みが厚すぎるとシート状物の圧縮応力によりイオン交換膜3を突き破ってしまうことがあるので、第3の電極材の圧縮応力が9.8N/cm2以下のものを使用するのが好ましい。第3の電極材の目付量・厚みに応じて、圧縮応力などを調整するために、第3の電極材を2層や3層など積層して用いることも可能である。或は、別の形態の電極材との組み合わせも可能である。The thickness of the third electrode material is preferably at least larger than the spacer thickness. For example, when a carbon fiber having a low density such as a non-woven fabric is used and carbon particles other than the graphite particles used for the third electrode material or a binding carbonaceous material is carried on the carbon fiber, the spacer thickness It is preferably 1.5 to 6.0 times. However, if the thickness is too thick, the ion-exchange membrane 3 may break through due to the compressive stress of the sheet material, so it is recommended to use a third electrode material having a compressive stress of 9.8 N/cm 2 or less. preferable. In order to adjust the compressive stress and the like in accordance with the basis weight and thickness of the third electrode material, it is possible to use the third electrode material in a laminated manner such as two layers or three layers. Alternatively, a combination with another form of electrode material is also possible.

第3の電極材の、窒素吸着量から求められるBET比表面積は0.5m2/g以上が好ましく、1m2/g以上がより好ましい。BET比表面積が0.5m2/g未満になると、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)のエッジ面の露出の減少および電解液との接触面積の減少により、所望とする低抵抗が得られなくなる。なお上記BET比表面積の上限は、上記観点からは特に限定されないが、粒子同士の導電パス形成、黒鉛粒子以外の炭素粒子の繊維への接着性などを考慮すると、おおむね、1500m2/g以下であることが好ましい。The BET specific surface area of the third electrode material, which is determined from the amount of adsorbed nitrogen, is preferably 0.5 m 2 /g or more, more preferably 1 m 2 /g or more. When the BET specific surface area is less than 0.5 m 2 /g, the desired low resistance cannot be obtained due to the decrease in the exposure of the edge surface of the carbon particles (B) other than the graphite particles and the decrease in the contact area with the electrolytic solution. .. The upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited from the above viewpoint, but in consideration of the formation of conductive paths between particles, the adhesiveness of carbon particles other than graphite particles to fibers, etc., it is generally 1500 m 2 /g or less. Preferably.

第3の電極材はレドックスフロー電池の電極材として有用であり、電解液の種類は特に限定されない。よって、バナジウム系電解液、Mn/Ti系電解液等の金属系電解液は勿論のこと、他の金属系電解液や非金属系電解液も使用可能である。金属系電解液としては、例えばTi、V、Cr、Mn、Fe、Cr、Cu、Zn、Ce等の活物質が挙げられる。非金属系電解液としては、例えばCl2、Br2、I2、H2、O2の他、ポリ酸、キノン・フラビン等の有機分子;TEMPO(テトラメチルピペリジニルオキシラジカル)等の有機分子ラジカル等の活物質が挙げられる。The third electrode material is useful as an electrode material for a redox flow battery, and the type of electrolytic solution is not particularly limited. Therefore, it is possible to use not only a metal-based electrolytic solution such as a vanadium-based electrolytic solution and a Mn/Ti-based electrolytic solution, but also another metal-based electrolytic solution or a non-metal-based electrolytic solution. Examples of the metal-based electrolytic solution include active materials such as Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cr, Cu, Zn, and Ce. Examples of the non-metal electrolyte include Cl 2 , Br 2 , I 2 , H 2 and O 2 as well as organic molecules such as polyacid and quinone flavin; organic compounds such as TEMPO (tetramethylpiperidinyloxy radical) Examples include active materials such as molecular radicals.

[III−3.第3の炭素電極材の製造方法]
次に、第3の電極材を製造する方法について説明する。第3の電極材は、炭素質繊維(基材)に黒鉛粒子以外の炭素粒子、および炭素質材料の前駆体(炭化前のもの)を添着した後、炭素化工程、黒鉛化工程、酸化処理工程を経て製造することができる。各工程では、公知の方法を任意に適用することができる。
[III-3. Third carbon electrode material manufacturing method]
Next, a method of manufacturing the third electrode material will be described. The third electrode material is obtained by impregnating carbon particles other than graphite particles with carbonaceous fibers (base material) and a precursor of carbonaceous material (before carbonization), followed by carbonization step, graphitization step, and oxidation treatment. It can be manufactured through steps. A known method can be arbitrarily applied to each step.

以下、各工程について説明する。 Each step will be described below.

(炭素質繊維に黒鉛粒子以外の炭素粒子、および炭素質材料の前駆体を添着する工程)
まず、炭素質繊維に黒鉛粒子以外の炭素粒子および炭素質材料の前駆体を添着させる。炭素質繊維に黒鉛粒子以外の炭素粒子及び炭素質材料の前駆体を添着させるには、公知の方法を任意に採用できる。例えば上記の炭素質材料前駆体を加熱して溶融させ、得られた溶融液中に黒鉛粒子以外の炭素粒子を分散させ、この溶融分散液に炭素質繊維を浸漬した後、室温まで冷却する手法が挙げられる。或は、後記する実施例に示すように、上記の炭素質材料前駆体と黒鉛粒子以外の炭素粒子を、ポリビニルアルコールなどのように炭化時に消失するバインダー(仮接着剤)を添加した水やアルコールなどの溶媒に分散させ、この分散液に炭素質繊維を浸漬した後、加熱して乾燥する手法を用いることができる。ここで、炭素質繊維を浸漬した上記溶融分散液や分散液のうち余分な液は、所定のクリアランスを設けたニップローラーに通すことで分散液に浸漬した際の余分な分散液を絞ったり、或は、ドクターブレード等で分散液に浸漬した際の余分な分散液の表面をかきとる等の方法で除去することができる。
(Step of attaching carbon particles other than graphite particles and carbonaceous material precursors to carbonaceous fiber)
First, carbon particles other than graphite particles and a precursor of a carbonaceous material are attached to carbonaceous fibers. A known method can be arbitrarily adopted to attach the carbon particles other than the graphite particles and the precursor of the carbonaceous material to the carbonaceous fiber. For example, a method of heating and melting the above carbonaceous material precursor, dispersing carbon particles other than graphite particles in the obtained melt, immersing carbonaceous fiber in this melt dispersion, and then cooling to room temperature Is mentioned. Alternatively, as shown in Examples described later, water or alcohol obtained by adding a binder (temporary adhesive), such as polyvinyl alcohol, which disappears at the time of carbonization, to carbon particles other than the above carbonaceous material precursor and graphite particles. It is possible to use a method in which the carbonaceous fiber is dispersed in a solvent such as, and the carbonaceous fiber is immersed in this dispersion, and then heated and dried. Here, the excess liquid of the molten dispersion liquid or the dispersion liquid in which the carbonaceous fiber is immersed, is squeezed the excess dispersion liquid when immersed in the dispersion liquid by passing through a nip roller provided with a predetermined clearance, Alternatively, it can be removed by a method such as scratching the surface of the excess dispersion liquid when it is immersed in the dispersion liquid with a doctor blade or the like.

その後、空気雰囲気下、例えば80〜150℃で乾燥する。 Then, it is dried in an air atmosphere, for example, at 80 to 150°C.

(炭素化工程)
炭素化工程は、上記工程で得られた添着後の製造物を焼成するために行なわれる。これにより、黒鉛粒子以外の炭素粒子を介して炭素質繊維間が結着されるようになる。炭素化工程では、炭化時の分解ガスを十分に除去することが好ましく、例えば、不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)、800℃以上2000℃以下の温度で加熱することが好ましい。加熱温度は1000℃以上がより好ましく、1200℃以上がさらに好ましく、1300℃以上がさらにより好ましく、また、1500℃以下がより好ましく、1400℃以下がさらに好ましい。
(Carbonization process)
The carbonization step is performed for firing the product after the impregnation obtained in the above step. As a result, the carbonaceous fibers are bound through the carbon particles other than the graphite particles. In the carbonization step, it is preferable to sufficiently remove the decomposition gas at the time of carbonization, and for example, it is preferable to heat at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower under an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere). The heating temperature is more preferably 1000° C. or higher, further preferably 1200° C. or higher, further preferably 1300° C. or higher, further preferably 1500° C. or lower, further preferably 1400° C. or lower.

なお前述したとおり、上記炭素化工程に対応する処理を、繊維の耐炎化後にも行っても良いが、繊維の耐炎化後に行われる炭素化処理は省略しても良い。すなわち、第3の電極材を製造する方法は、下記方法1と方法2に大別される。
・方法1:繊維の耐炎化→繊維の炭素化→黒鉛粒子以外の炭素粒子および炭素質材料の添着→炭素化→黒鉛化→酸化
・方法2:繊維の耐炎化→黒鉛粒子以外の炭素粒子および炭素質材料の添着→炭素化→黒鉛化→酸化
上記方法1によれば、炭素化を2回行うため加工コストが上昇するものの、電極材として使用するシートは体積収縮比率の差による影響を受け難いため、得られるシートが変形(反り発生)し難いという利点がある。一方、上記方法2によれば、炭素化工程を1回行えば良いため加工コストを低減できるものの、各材料の炭素化時における体積収縮比率の差により得られるシートが変形し易くなる。上記方法1、2のいずれを採用するかは、これらを勘案して適宜決定すれば良い。
As described above, the treatment corresponding to the carbonization step may be performed after the fiber is made flame resistant, but the carbonization treatment performed after the fiber is made flame resistant may be omitted. That is, the method of manufacturing the third electrode material is roughly classified into the following method 1 and method 2.
・Method 1: Carbonization of fibers → Carbonization of fibers → Impregnation of carbon particles and carbonaceous materials other than graphite particles → Carbonization → Graphitization → Oxidation ・ Method 2: Flame resistance of fibers → Carbon particles other than graphite particles and Carbonaceous material impregnation → carbonization → graphitization → oxidation According to the above method 1, although carbonization is performed twice, the processing cost increases, but the sheet used as an electrode material is affected by the difference in volume shrinkage ratio. Since it is difficult, the obtained sheet has an advantage that it is difficult to deform (warp). On the other hand, according to the method 2, although the carbonization step may be performed once, the processing cost can be reduced, but the sheet obtained is easily deformed due to the difference in the volume contraction ratio of each material at the time of carbonization. Which of the above methods 1 and 2 should be adopted may be appropriately determined in consideration of these.

(黒鉛化工程)
黒鉛化工程は、炭素質材料の結晶性を十分に高め、電子伝導性の向上ならびに電解液中の硫酸溶液などに対する耐酸化性を向上させるために行なわれる工程である。上記炭素化工程の後、さらに不活性雰囲気下(好ましくは窒素雰囲気下)で1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱することが好ましく、1500℃以上がより好ましい。なお、その上限は、炭素質材料に高い電解液親和性を付与することを考慮すると、2000℃以下が好ましい。
これに対し、前述した特許文献4では、上記黒鉛化工程を行っていない点で第2の電極材の製造方法と相違する。
(Graphitization process)
The graphitization step is a step performed to sufficiently enhance the crystallinity of the carbonaceous material, improve the electron conductivity, and improve the oxidation resistance to a sulfuric acid solution in the electrolytic solution. After the carbonization step, it is preferable to further heat at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere (preferably under a nitrogen atmosphere) and higher than the heating temperature of the carbonization step, 1500 C. or higher is more preferable. Note that the upper limit is preferably 2000° C. or lower in consideration of imparting high affinity for the electrolytic solution to the carbonaceous material.
On the other hand, Patent Document 4 described above is different from the second electrode material manufacturing method in that the graphitization step is not performed.

(酸化処理工程)
上記黒鉛化工程の後、さらに酸化処理工程を行うことにより、電極材表面に、ヒドロキシル基、カルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などの酸素官能基が導入されるようになる。その結果、前述したO/C比≧1%を達成することができる。これらの酸素官能基は電極反応に大きく寄与するため、十分に低い抵抗が得られる。また水の通水速度も高められる。
(Oxidation process)
After the above graphitization step, by further performing an oxidation treatment step, oxygen functional groups such as hydroxyl groups, carbonyl groups, quinone groups, lactone groups, and free radical oxides are introduced on the surface of the electrode material. Become. As a result, the above-mentioned O/C ratio≧1% can be achieved. Since these oxygen functional groups greatly contribute to the electrode reaction, sufficiently low resistance can be obtained. Also, the water flow rate can be increased.

酸化処理工程は、例えば湿式の化学酸化、電解酸化、乾式酸化などの各種処理工程を適用できるが、加工性、製造コストの観点から乾式酸化処理工程が好ましい。乾式酸化処理工程は、空気雰囲気下、例えば500℃以上、900℃以下で加熱(酸化処理)する工程を意味する。上記酸素官能基の導入による効果を有効に発揮させるためには、上記加熱温度は、600℃以上がより好ましく、650℃以上がさらに好ましい。また、800℃以下がより好ましく、750℃以下がさらに好ましい。 As the oxidation treatment process, various treatment processes such as wet chemical oxidation, electrolytic oxidation, and dry oxidation can be applied, but the dry oxidation treatment process is preferable from the viewpoint of processability and manufacturing cost. The dry oxidation treatment step means a step of heating (oxidation treatment) at 500° C. or higher and 900° C. or lower in an air atmosphere. In order to effectively exert the effect of introducing the oxygen functional group, the heating temperature is more preferably 600° C. or higher, further preferably 650° C. or higher. Moreover, 800° C. or lower is more preferable, and 750° C. or lower is further preferable.

更に乾式酸化処理工程では、電極材の機械的強度を維持する観点から、酸化処理前後の電極材の質量収率を90%以上、96%以下に調整することが好ましい。これは、例えば、乾式空気酸化の処理時間や温度を適宜調整するなどの方法により調整することができる。 Further, in the dry oxidation treatment step, from the viewpoint of maintaining the mechanical strength of the electrode material, it is preferable to adjust the mass yield of the electrode material before and after the oxidation treatment to 90% or more and 96% or less. This can be adjusted by, for example, appropriately adjusting the processing time or temperature of dry air oxidation.

本願は、2017年9月7日に出願された日本国特許出願第2017−172133号、同日に出願された日本国特許出願第2017−172134号、同日に出願された日本国特許出願第2017−172135号に基づく優先権の利益を主張するものである。2017年9月7日に出願された日本国特許出願第2017−172133号、同日に出願された日本国特許出願第2017−172134号、同日に出願された日本国特許出願第2017−172135号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。 The present application includes Japanese patent application No. 2017-172133 filed on September 7, 2017, Japanese patent application No. 2017-172134 filed on the same day, Japanese patent application No. 2017- filed on the same day. Claims the benefit of priority under 172135. Japanese patent application No. 2017-172133 filed on September 7, 2017, Japanese patent application No. 2017-172134 filed on the same day, Japanese patent application No. 2017-172135 filed on the same day The entire contents of the specification are incorporated herein by reference.

以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。以下において、%は特に断りのない限り「質量%」を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to the examples below. In the following,% means “mass %” unless otherwise specified.

本実施例では、以下の項目を測定した。測定方法の詳細は以下のとおりである。 In this example, the following items were measured. The details of the measuring method are as follows.

(1)X線回折による、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)の測定
(1−1)第1の電極材について
第1の電極材における炭素質繊維のLc(A)および炭素質材料のLc(B)を以下のようにして測定した。
本実施例で用いた炭素質繊維、および炭素質材料のそれぞれ(単体)について、実施例1と同じ加熱処理を順次行い、最終処理されたサンプルを用いて測定した。基本的に炭素結晶性はそのサンプルに与えられる熱エネルギーの影響が支配的になり、サンプルに与えられる最高温の熱履歴がLcの結晶性を決定すると考えられるが、その後の酸化処理の度合いによっては、黒鉛化工程時に形成されたグラフェン積層構造を乱し、欠陥構造の発生などによる結晶性の低下が生じる可能性が考えられる。そのため、最終処理されたサンプルを用いた。
(1) Measurement of crystallite size (Lc) in the c-axis direction by X-ray diffraction (1-1) First electrode material Lc(A) and carbonaceous material of carbonaceous fiber in the first electrode material Lc(B) of the material was measured as follows.
The same heat treatment as in Example 1 was sequentially performed on each of the carbonaceous fibers and the carbonaceous material used in this example (simple substance), and the final treated sample was used for measurement. Basically, it is considered that the crystallinity of carbon is dominated by the effect of thermal energy given to the sample, and the thermal history of the highest temperature given to the sample determines the crystallinity of Lc, but it depends on the degree of subsequent oxidation treatment. Is likely to disturb the graphene laminated structure formed during the graphitization process, resulting in a decrease in crystallinity due to generation of a defect structure or the like. Therefore, the final processed sample was used.

上記のようにして採取した各単体サンプルをメノウ乳鉢で、粒径10μm程度になるまで粉砕した。粉砕後のサンプルに対して約5質量%のX線標準用高純度シリコン粉末を内部標準物質として混合し、試料セルに詰め、CuKα線を線源として、ディフラクトメーター法によって広角X線を測定した。 Each single sample collected as described above was ground in an agate mortar to a particle size of about 10 μm. Approximately 5% by mass of high-purity silicon powder for X-ray standard is mixed as an internal standard substance to the crushed sample, packed in a sample cell, and wide-angle X-ray is measured by the diffractometer method using CuKα ray as a radiation source. did.

第1の電極材に用いた炭素質繊維(A)および炭素質材料(B)は、上記広角X線測定で得られたチャートからピーク分離を行うことで、それぞれのLc値を算出した。具体的には、回折角θの2倍(2θ)が25.3°〜25.7°の範囲に頂点が見られるピークを炭素質材料(B)とした。それぞれのピークトップから、正弦波としてピーク形状を決定した後、24.0°〜25.0°付近にみられる裾野部分から、正弦波としたピーク形状を決定し、これを炭素質繊維(A)とした。以上の方法により分離した2つのピークより、下記方法によってそれぞれのLcを算出した。 For the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (B) used for the first electrode material, their Lc values were calculated by performing peak separation from the chart obtained by the above wide-angle X-ray measurement. Specifically, the peak having a vertex in the range of 25.3° to 25.7°, which is twice the diffraction angle θ (2θ), was used as the carbonaceous material (B). After determining the peak shape as a sine wave from each peak top, the peak shape as a sine wave was determined from the skirt portion seen in the vicinity of 24.0° to 25.0°, and the carbon fiber (A ). From the two peaks separated by the above method, each Lc was calculated by the following method.

曲線の補正には、いわゆるローレンツ因子、偏光因子、吸収因子、原子散乱因子等に関する補正を行わず、次の簡便法を用いた。すなわち、<002>回折に相当するピークのベースラインからの実質強度をプロットし直して<002>補正強度曲線を得た。このピーク高さの1/2の高さに引いた角度軸に平行な線が上記補正強度曲線と交わる線分の長さ(半値幅β)から、下式によってc軸方向の結晶子の大きさLcを求めた。 For the correction of the curve, the following simple method was used without correcting the so-called Lorentz factor, polarization factor, absorption factor, atomic scattering factor and the like. That is, the actual intensity from the baseline of the peak corresponding to <002> diffraction was re-plotted to obtain a <002> corrected intensity curve. From the length of the line segment (half-width β) at which the line parallel to the angle axis drawn to half the height of this peak intersects with the above correction intensity curve, the size of the crystallite in the c-axis direction is calculated by the following formula. Lc was calculated.

Lc=(k・λ)/(β・cosθ)
ここで、構造係数k=0.9、波長λ=1.5418Å、βは<002>回折ピークの半値幅を、θは<002>回折角を示す。
Lc=(k·λ)/(β·cos θ)
Here, the structure coefficient k=0.9, the wavelength λ=1.5418Å, β is the half width of the <002> diffraction peak, and θ is the <002> diffraction angle.

(1−2)第2の電極材について
第2の電極材における炭素質繊維のLc(A)、黒鉛粒子のLc(B)、および炭素質材料のLc(C)を以下のようにして測定した。
本実施例で用いた炭素質繊維、黒鉛粒子、炭素質材料のそれぞれ(単体)について、実施例2と同じ加熱処理を順次行い、最終処理されたサンプルを用いて測定した。基本的に炭素結晶性はそのサンプルに与えられる熱エネルギーの影響が支配的になり、サンプルに与えられる最高温の熱履歴がLcの結晶性を決定すると考えられるが、その後の酸化処理の度合いによっては、黒鉛化工程時に形成されたグラフェン積層構造を乱し、欠陥構造の発生などによる結晶性の低下が生じる可能性が考えられる。そのため、最終処理されたサンプルを用いた。
(1-2) Second Electrode Material Lc(A) of carbonaceous fibers, Lc(B) of graphite particles, and Lc(C) of carbonaceous material in the second electrode material were measured as follows. did.
Each of the carbonaceous fibers, graphite particles, and carbonaceous material (single body) used in this example was subjected to the same heat treatment as in Example 2 in order, and the final treated sample was used for measurement. Basically, it is considered that the crystallinity of carbon is dominated by the effect of thermal energy given to the sample, and the thermal history of the highest temperature given to the sample determines the crystallinity of Lc, but it depends on the degree of subsequent oxidation treatment. Is likely to disturb the graphene laminated structure formed during the graphitization process, resulting in a decrease in crystallinity due to generation of a defect structure or the like. Therefore, the final processed sample was used.

上記のようにして採取した各単体サンプルをメノウ乳鉢で、粒径10μm程度になるまで粉砕した。粉砕後のサンプルに対して約5質量%のX線標準用高純度シリコン粉末を内部標準物質として混合し、試料セルに詰め、CuKα線を線源として、ディフラクトメーター法によって広角X線を測定した。 Each single sample collected as described above was ground in an agate mortar to a particle size of about 10 μm. Approximately 5% by mass of high-purity silicon powder for X-ray standard is mixed as an internal standard substance to the crushed sample, packed in a sample cell, and wide-angle X-ray is measured by the diffractometer method using CuKα ray as a radiation source. did.

第2の電極材に用いた炭素質繊維(A)および黒鉛粒子(B)、並びにこれらを結着する炭素質材料(C)は、上記広角X線測定で得られたチャートからピーク分離を行うことで、それぞれのLc値を算出した。具体的には、回折角θの2倍(2θ)が26.4°〜26.6°の範囲に頂点が見られるピークを黒鉛粒子(B)、25.3°〜25.7°の範囲に頂点が見られるピークを炭素質材料(C)とした。それぞれのピークトップから、正弦波としてピーク形状を決定した後、24.0°〜25.0°付近にみられる裾野部分から、正弦波としたピーク形状を決定し、これを炭素質繊維(A)とした。
以上の方法により分離した3つのピークより、下記方法によってそれぞれのLcを算出した。
The carbonaceous fiber (A) and the graphite particles (B) used for the second electrode material, and the carbonaceous material (C) binding these are subjected to peak separation from the chart obtained by the wide-angle X-ray measurement. Thus, the Lc value of each was calculated. Specifically, the peak whose peak is seen in the range of 26.4° to 26.6° when twice the diffraction angle θ (2θ) is in the range of 25.3° to 25.7° is graphite particles (B). The peak at which the peak was observed was designated as carbonaceous material (C). After determining the peak shape as a sine wave from each peak top, the peak shape as a sine wave was determined from the skirt portion seen in the vicinity of 24.0° to 25.0°, and the carbon fiber (A ).
From the three peaks separated by the above method, each Lc was calculated by the following method.

曲線の補正には、いわゆるローレンツ因子、偏光因子、吸収因子、原子散乱因子等に関する補正を行わず、次の簡便法を用いた。すなわち、<002>回折に相当するピークのベースラインからの実質強度をプロットし直して<002>補正強度曲線を得た。このピーク高さの1/2の高さに引いた角度軸に平行な線が上記補正強度曲線と交わる線分の長さ(半値幅β)から、下式によってc軸方向の結晶子の大きさLcを求めた。 For the correction of the curve, the following simple method was used without correcting the so-called Lorentz factor, polarization factor, absorption factor, atomic scattering factor and the like. That is, the actual intensity from the baseline of the peak corresponding to <002> diffraction was re-plotted to obtain a <002> corrected intensity curve. From the length of the line segment (half-width β) at which the line parallel to the angle axis drawn to half the height of this peak intersects with the above correction intensity curve, the size of the crystallite in the c-axis direction is calculated by the following formula. Lc was calculated.

Lc=(k・λ)/(β・cosθ)
ここで、構造係数k=0.9、波長λ=1.5418Å、βは<002>回折ピークの半値幅を、θは<002>回折角を示す。
Lc=(k·λ)/(β·cos θ)
Here, the structure coefficient k=0.9, the wavelength λ=1.5418Å, β is the half width of the <002> diffraction peak, and θ is the <002> diffraction angle.

(1−3)第3の電極材について
第3の電極材における炭素質繊維のLc(A)、黒鉛粒子以外の炭素粒子のLc(B)およびLa(B)、炭素質材料のLc(C)を以下のようにして測定した。
本実施例で用いた炭素質繊維、黒鉛粒子以外の炭素粒子、炭素質材料のそれぞれ(単体)について、実施例3と同じ加熱処理を順次行い、最終処理されたサンプルを用いて測定した。基本的に炭素結晶性はそのサンプルに与えられる熱エネルギーの影響が支配的になり、サンプルに与えられる最高温の熱履歴がLcの結晶性を決定すると考えられるが、その後の酸化処理の度合いによっては、黒鉛化工程時に形成されたグラフェン積層構造を乱し、欠陥構造の発生などによる結晶性の低下が生じる可能性が考えられる。そのため、最終処理されたサンプルを用いた。
(1-3) Third Electrode Material Lc(A) of carbonaceous fiber, Lc(B) and La(B) of carbon particles other than graphite particles, Lc(C of carbonaceous material in the third electrode material ) Was measured as follows.
Each of the carbonaceous fibers, carbon particles other than graphite particles, and carbonaceous material (single body) used in this example was subjected to the same heat treatment as in Example 3 in order, and the final treated sample was used for measurement. Basically, it is considered that the crystallinity of carbon is dominated by the effect of thermal energy given to the sample, and the thermal history of the highest temperature given to the sample determines the crystallinity of Lc, but it depends on the degree of subsequent oxidation treatment. Is likely to disturb the graphene laminated structure formed during the graphitization process, resulting in a decrease in crystallinity due to generation of a defect structure or the like. Therefore, the final processed sample was used.

上記のようにして採取した各単体サンプルをメノウ乳鉢で、粒径10μm程度になるまで粉砕した。粉砕後のサンプルに対して約5質量%のX線標準用高純度シリコン粉末を内部標準物質として混合し、試料セルに詰め、CuKα線を線源として、ディフラクトメーター法によって広角X線を測定した。 Each single sample collected as described above was ground in an agate mortar to a particle size of about 10 μm. Approximately 5% by mass of high-purity silicon powder for X-ray standard is mixed as an internal standard substance with the crushed sample, packed in a sample cell, and CuKα rays are used as the radiation source to measure wide-angle X-rays by the diffractometer method. did.

第3の電極材に用いた炭素質繊維(A)および黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、並びにこれらを結着する炭素質材料(C)は、上記広角X線測定で得られたチャートからピーク分離を行うことで、それぞれのLc値を算出した。具体的には、回折角θの2倍(2θ)が26.4°〜26.6°の範囲に頂点が見られるピークを黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、25.3°〜25.7°の範囲に頂点が見られるピークを炭素質材料(C)とした。それぞれのピークトップから、正弦波としてピーク形状を決定した後、24.0°〜25.0°付近にみられる裾野部分から、正弦波としたピーク形状を決定し、これを炭素質繊維(A)とした。以上の方法により分離した3つのピークより、下記方法によってそれぞれのLcを算出した。 The carbonaceous fiber (A) and the carbon particles (B) other than the graphite particles used for the third electrode material, and the carbonaceous material (C) binding these are shown in the chart obtained by the wide-angle X-ray measurement. By performing peak separation, each Lc value was calculated. Specifically, a peak having an apex in the range of 26.4° to 26.6°, which is twice the diffraction angle θ (2θ), is a carbon particle (B) other than graphite particles, 25.3° to 25. The peak having a peak in the range of 7° was designated as carbonaceous material (C). After determining the peak shape as a sine wave from each peak top, the peak shape as a sine wave was determined from the skirt portion seen around 24.0° to 25.0°, and the carbon fiber (A ). From the three peaks separated by the above method, each Lc was calculated by the following method.

曲線の補正には、いわゆるローレンツ因子、偏光因子、吸収因子、原子散乱因子等に関する補正を行わず、次の簡便法を用いた。すなわち、<002>回折に相当するピークのベースラインからの実質強度をプロットし直して<002>補正強度曲線を得た。このピーク高さの1/2の高さに引いた角度軸に平行な線が上記補正強度曲線と交わる線分の長さ(半値幅β)から、下式によってc軸方向の結晶子の大きさLcを求めた。 For the correction of the curve, the following simple method was used without correcting the so-called Lorentz factor, polarization factor, absorption factor, atomic scattering factor and the like. That is, the actual intensity from the baseline of the peak corresponding to <002> diffraction was re-plotted to obtain a <002> corrected intensity curve. From the length of the line segment (half-width β) at which the line parallel to the angle axis drawn to half the height of this peak intersects with the above correction intensity curve, the size of the crystallite in the c-axis direction is calculated by the following formula. Lc was calculated.

Lc=(k・λ)/(β・cosθ)
ここで、構造係数k=0.9、波長λ=1.5418Å、βは<002>回折ピークの半値幅を、θは<002>回折角を示す。
Lc=(k·λ)/(β·cos θ)
Here, the structure coefficient k=0.9, the wavelength λ=1.5418Å, β is the half width of the <002> diffraction peak, and θ is the <002> diffraction angle.

(2)XPS表面分析によるO/Cの測定
ESCAまたはXPSと略称されているX線光電子分光法の測定には、アルバック・ファイ5801MCの装置を用いた。
まず、試料をサンプルホルダー上にMo板で固定し、予備排気室にて十分に排気した後、測定室のチャンバーに投入した。線源にはモノクロ化AlKα線を用い、出力は14kV、12mA、装置内真空度は10-8torrとした。
全元素スキャンを行って表面元素の構成を調べ、検出された元素および予想される元素についてナロースキャンを実施し、存在比率を評価した。
全表面炭素原子数に対する表面結合酸素原子数の比を百分率(%)で算出し、O/Cを算出した。
(2) Measurement of O/C by XPS surface analysis For measurement of X-ray photoelectron spectroscopy, which is abbreviated as ESCA or XPS, an apparatus of ULVAC-PHI 5801MC was used.
First, the sample was fixed on a sample holder with a Mo plate, sufficiently evacuated in a preliminary exhaust chamber, and then put into the chamber of the measurement chamber. Monochrome AlKα rays were used as the radiation source, the output was 14 kV and 12 mA, and the vacuum degree in the apparatus was 10 −8 torr.
An all-elements scan was performed to examine the composition of surface elements, a narrow scan was performed for the detected and expected elements, and the abundance ratio was evaluated.
The ratio of the number of surface-bound oxygen atoms to the total number of surface carbon atoms was calculated as a percentage (%), and O/C was calculated.

(3)充放電試験
後記する方法で得られた各電極材を、上下方向(通液方向)に10cm、幅方向に1.6cmの電極面積16cm2に切り出し、図1のセルを組み立てた。イオン交換膜はナフィオン212膜を用いた。
ここで、第1の電極材は、後述のフェルト基材(No.1〜2、5〜9)においては各1枚、スパンレース(No.4)及びペーパー基材(No.3)では各2枚を正・負極に配置し、セル内における電極材の充填率を、フェルト基材では0.1〜0.2g/cc、カーボンペーパー基材およびスパンレース基材では0.3〜0.4g/ccになるようにスペーサー厚みを調整した。このように使用する基材ごとにセル内の充填率を変更した理由は、カーボンペーパーやスパンレースは基材厚みが薄く高充填化され易いため、フェルトと同じ充填率では集電板との接触が不十分になり、電極材と集電板との接触抵抗が増加するためである。具体的なスペーサー厚みとして、後述のフェルト基材(No.1〜2、5〜9)では2.5mm、スパンレース基材(No.4)では1.0mm、ペーパー基材(No.3)では0.5mmとした。
(3) Charge/Discharge Test Each electrode material obtained by the method described below was cut into an electrode area of 16 cm 2 of 10 cm in the vertical direction (liquid passing direction) and 1.6 cm in the width direction, and the cell of FIG. 1 was assembled. As the ion exchange membrane, Nafion 212 membrane was used.
Here, one piece of the first electrode material is used for each of the felt base materials (Nos. 1 to 2 and 5 to 9) described below, and each of the spun lace (No. 4) and the paper base material (No. 3) is used. Two sheets are arranged in the positive and negative electrodes, and the filling rate of the electrode material in the cell is 0.1 to 0.2 g/cc for the felt base material and 0.3 to 0. 0 for the carbon paper base material and the spunlace base material. The spacer thickness was adjusted to be 4 g/cc. The reason for changing the filling rate in the cell for each base material used in this way is that carbon paper and spunlace have a thin base material thickness and are easily highly filled. Is insufficient and the contact resistance between the electrode material and the current collector plate increases. As a specific spacer thickness, the felt base material (Nos. 1 to 2 and 5 to 9) described later has 2.5 mm, the spunlace base material (No. 4) has 1.0 mm, and the paper base material (No. 3). Was 0.5 mm.

また、第2の電極材は、後述のフェルト基材(No.1〜3、6〜10)においては各1枚、スパンレース(No.5)及びペーパー基材(No.4)では各2枚を正極・負極に配置し、セル内における電極材の充填率を、フェルト基材では0.1〜0.2g/cc、カーボンペーパー基材およびスパンレース基材では0.3〜0.4g/ccになるようにスペーサー厚みを調整した。このように使用する基材ごとにセル内の充填率を変更した理由は、カーボンペーパーやスパンレースは基材厚みが薄く高充填化され易いため、フェルトと同じ充填率では集電板との接触が不十分になり、電極材と集電板との接触抵抗が増加するためである。具体的なスペーサー厚みとして、後述のフェルト基材(No.1〜3、6〜10)では2.5mm、スパンレース基材(No.5)では1.0mm、ペーパー基材(No.4)では0.5mmとした。 Further, one second electrode material is used for each of the felt base materials (Nos. 1 to 3 and 6 to 10) described later, and two each for the spun lace (No. 5) and the paper base material (No. 4). Sheets are arranged for the positive electrode and the negative electrode, and the filling rate of the electrode material in the cell is 0.1 to 0.2 g/cc for the felt base material and 0.3 to 0.4 g for the carbon paper base material and the spunlace base material. The spacer thickness was adjusted to be /cc. The reason for changing the filling rate in the cell for each base material used in this way is that carbon paper and spunlace have a thin base material thickness and are easily highly filled. Is insufficient and the contact resistance between the electrode material and the current collector plate increases. As a specific spacer thickness, 2.5 mm for felt base materials (Nos. 1 to 3 and 6 to 10) described later, 1.0 mm for spunlace base material (No. 5), and paper base material (No. 4). Was 0.5 mm.

また、第3の電極材は正極・負極に各1枚を配置し、セル内における電極材の充填率を、フェルト基材では0.1〜0.2g/cc、カーボンペーパー基材およびスパンレース基材では0.3〜0.4g/ccになるようにスペーサー厚みを調整した。このように使用する基材ごとにセル内の充填率を変更した理由は、カーボンペーパーやスパンレースは基材厚みが薄く高充填化され易いため、フェルトと同じ充填率では集電板との接触が不十分になり、電極材と集電板との接触抵抗が増加するためである。 Also, one third electrode material is arranged for each of the positive electrode and the negative electrode, and the filling rate of the electrode material in the cell is 0.1 to 0.2 g/cc for the felt base material, the carbon paper base material and the spun lace. In the base material, the spacer thickness was adjusted to be 0.3 to 0.4 g/cc. The reason for changing the filling rate in the cell for each base material used in this way is that carbon paper and spunlace have a thin base material thickness and are easily highly filled. Is insufficient and the contact resistance between the electrode material and the current collector plate increases.

そして、100mA/cm2で電圧範囲1.70〜1.00Vで10サイクル後の電圧曲線から、下記式によって全セル抵抗を算出した。なお正極電解液には2.0moL/Lのオキシ硫酸バナジウムの2.5moL/L硫酸水溶液を用い、負極電解液には2.0moL/Lの硫酸バナジウムの2.5moL/L硫酸水溶液を用いた。電解液量はセルおよび配管に対して大過剰とした。液流量は毎分10mLとし、30℃で測定を行った。充電率が50%のときの電気量に対応する充電電圧VC50、放電電圧VD50を電圧曲線からそれぞれ求め、電流密度をI(mA/cm2)とし、下式より全セル抵抗(Ω・cm2)を求めた。Then, the total cell resistance was calculated from the voltage curve after 10 cycles at a voltage range of 1.70 to 1.00 V at 100 mA/cm 2 by the following formula. A 2.0 mol/L vanadium oxysulfate aqueous solution of 2.5 moL/L sulfuric acid was used for the positive electrode electrolyte, and a 2.0 moL/L vanadium sulfate 2.5 moL/L sulfuric acid aqueous solution was used for the negative electrode electrolyte. .. The amount of electrolyte was set to a large excess with respect to the cell and piping. The liquid flow rate was 10 mL/min, and the measurement was performed at 30°C. The charging voltage V C50 and the discharging voltage V D50 corresponding to the amount of electricity when the charging rate is 50% are obtained from the voltage curves, the current density is I (mA/cm 2 ), and the total cell resistance (Ω· cm 2 ) was calculated.

Figure 2019049755

ここで、
C50は、充電率が50%のときの電気量に対する充電電圧を電極曲線から求めたもの、
D50は、充電率が50%のときの電気量に対する放電電圧を電極曲線から求めたもの、
I=電流密度(mA/cm2
Figure 2019049755

here,
V C50 is a value obtained by obtaining the charging voltage with respect to the amount of electricity when the charging rate is 50% from the electrode curve,
V D50 is a value obtained by calculating the discharge voltage with respect to the amount of electricity when the charging rate is 50% from the electrode curve,
I=current density (mA/cm 2 )

(4)水の通水試験
電極からの高さ5cmの地点において、3mmφのピペットから1滴のイオン交換水を電極上に落とし、垂らした水滴が浸透するまでの時間を計測して、下式により水の通水速度を算出した。
水の通水速度(mm/sec)
=電極材の厚み(mm)÷水滴が浸透するまでの時間(sec)
(4) Water flow test At the point 5 cm in height from the electrode, a drop of ion-exchanged water was dropped onto the electrode from a 3 mmφ pipette, and the time taken for the water drops to permeate was measured. The water flow rate was calculated by.
Water flow rate (mm/sec)
= Thickness of electrode material (mm) / Time until water droplets penetrate (sec)

[第1の電極材について]
実施例1
本実施例では、炭素質材料(B)としてJFEケミカル社製MCP250のピッチ類、またはDIC株式会社製TD―4304のフェノール樹脂(固形分40%)を用い、以下のようにして電極材を作製して各種項目を測定した。
[About the first electrode material]
Example 1
In this example, as the carbonaceous material (B), pitches of MCP250 manufactured by JFE Chemical Co., Ltd. or phenolic resin of TD-4304 manufactured by DIC Corporation (solid content 40%) was used, and an electrode material was prepared as follows. Then, various items were measured.

(No.1)
<炭素質繊維からなる不織布Aの作製>
平均繊維径16μmのポリアクリロニトリル繊維を空気雰囲気下、300℃で加熱して耐炎化し、該耐炎化繊維の短繊維(長さ80mm)を用いてフェルト針SB#40(Foster Needle社)、パンチング密度250本/cm2でフェルト化して目付量300g/m2、厚み4.3mmの不織布A(耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルト)を作製した。
(No. 1)
<Preparation of nonwoven fabric A made of carbonaceous fibers>
Polyacrylonitrile fiber having an average fiber diameter of 16 μm is heated at 300° C. in an air atmosphere to be flame resistant, and a felt needle SB#40 (Foster Needle Co., Ltd.) using a short fiber (length 80 mm) of the flame resistant fiber, punching density Nonwoven fabric A (felt made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber) having a basis weight of 300 g/m 2 and a thickness of 4.3 mm was prepared by making the felt into 250 felts/cm 2 .

<炭素質材料(バインダー)の添着>
イオン交換水:83.0%、ポリビニルアルコール:1.0%、花王株式会社製レオドールTW−L120を2.0%、炭素質材料としてJFEケミカル社製MCP250のピッチ類:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
<Impregnation of carbonaceous material (binder)>
Ion-exchanged water: 83.0%, polyvinyl alcohol: 1.0%, Kao Corporation's Rheodor TW-L120 2.0%, and JFE Chemical's MCP250 pitches: 14.0% as carbonaceous material. The mixture was stirred with a mechanical stirrer for 1 hour to obtain a dispersion liquid.

作製した分散液中に、上記不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が1.9〜2.1倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去し、150℃で20分間乾燥を行った。 After the above-mentioned nonwoven fabric A is dipped in the prepared dispersion liquid, the excess dispersion liquid is passed through a nip roller so that the weight of the nonwoven fabric after immersion is 1.9 to 2.1 times that of the nonwoven fabric A before immersion. Was removed and dried at 150° C. for 20 minutes.

<不織布の炭素化>
次に、上記処理後の不織布Aを窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1000℃±50℃まで昇温し、この温度で1時間保持して炭素化(焼成)を行った後、冷却し、更に窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1500℃±50℃まで昇温し、この温度で1時間保持して黒鉛化を行って冷却した。次に空気雰囲気下、700℃で10分間酸化処理を行い、No.1の電極材(目付量191g/m2、厚み3.4mm)を得た。
<Carbonization of non-woven fabric>
Next, the non-woven fabric A after the above treatment is heated to 1000° C.±50° C. at a heating rate of 5° C./min in nitrogen gas, and held at this temperature for 1 hour for carbonization (calcination). After cooling, the temperature was raised to 1500° C.±50° C. at a heating rate of 5° C./min in nitrogen gas, and the temperature was maintained for 1 hour to graphitize and cool. Next, in an air atmosphere, oxidation treatment was performed at 700° C. for 10 minutes, and No. An electrode material of No. 1 (Basis weight 191 g/m 2 , thickness 3.4 mm) was obtained.

(No.2)
No.1において、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が1.6〜1.8倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.2の電極材(目付量174g/m2、厚み3.2mm)を得た。
(No. 2)
No. In No. 1, the excess dispersion liquid was removed by passing it through a nip roller so that the weight of the nonwoven fabric after immersion was 1.6 to 1.8 times that of the nonwoven fabric A before immersion, and the amount of carbonaceous material impregnated was changed. Other than the above, the above No. The same process as No. 1 is performed, and No. Two electrode materials (basis weight 174 g/m 2 , thickness 3.2 mm) were obtained.

(No.3)
No.1において、炭素質繊維として耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルトの代わりに、ポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)からなるカーボンペーパー(日本ポリマー産業社製CFP−030−PE、目付量30g/m2、厚み0.51mm)を用い、上記No.1と同様に乾燥、炭素化(焼成)、黒鉛化、および酸化処理をしたこと以外はNo.1と同様にしてNo.3(厚み0.57mm、目付量64g/m2)の電極材を作製した。
(No. 3)
No. 1, instead of the felt made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber as the carbonaceous fiber, carbon paper made of polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter 10 μm) (CFP-030-PE manufactured by Nippon Polymer Sangyo Co., Ltd., basis weight 30 g/m 2 ). , Thickness 0.51 mm). No. 1 except that drying, carbonization (calcination), graphitization, and oxidation treatment were performed as in No. 1. Similar to No. 1, 3 (thickness 0.57 mm, basis weight 64 g/m 2 ) was prepared.

(No.4)
No.1において、炭素質繊維として耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルトの代わりに、ポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)からなるスパンレース(目付量100〜120g/m2、厚み0.9mm)を窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1000℃±50℃まで昇温し、昇温後1時間保持することで炭化処理を施した炭化スパンレース(目付量50〜60g/m2、厚み0.5〜0.7mm)を用いたこと以外はNo.1と同様にしてNo.4(厚み0.65mm、目付量105g/m2)の電極材を作製した。
(No. 4)
No. In place of the felt made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber as the carbonaceous fiber, spunlace made of polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter 10 μm) (basis weight 100-120 g/m 2 , thickness 0.9 mm) was used as nitrogen gas. In the carbonized spun lace (weight per unit area: 50 to 60 g/m 2 , thickness: 0), the temperature was raised to 1000° C.±50° C. at a temperature rising rate of 5° C./min, and the temperature was maintained for 1 hour. No. 5 to 0.7 mm) was used. Similar to No. 1, 4 (thickness 0.65 mm, basis weight 105 g/m 2 ) was prepared.

(No.5)
No.1において、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が1.3〜1.5倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.5の電極材(目付量159g/m2、厚み3.2mm)を得た。
(No. 5)
No. In No. 1, the excess amount of the dispersion liquid is removed by passing through a nip roller so that the weight of the nonwoven fabric after immersion is 1.3 to 1.5 times that of the nonwoven fabric A before immersion, and the amount of carbonaceous material added is changed. Other than the above, the above No. The same process as No. 1 is performed, and No. 5 electrode material (Basis weight 159 g/m 2 , thickness 3.2 mm) was obtained.

(No.6)
上記No.1に記載の不織布Aに対し、炭素質材料(バインダー)の添着を行わずにNo.1と同様にして<不織布の炭素化>を行い、No.6の電極材(目付量143g/m2、厚み3.4mm)を得た。
(No. 6)
The above No. No. 1 was added to the non-woven fabric A described in 1 without adding a carbonaceous material (binder). <Carbonization of non-woven fabric> is performed in the same manner as in No. Electrode material No. 6 (Basis weight 143 g/m 2 , thickness 3.4 mm) was obtained.

(No.7)
No.1において、イオン交換水:64.0%、ポリビニルアルコール:1.0%、炭素質材料としてDIC株式会社製TD―4304のフェノール樹脂(固形分40%):35.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌して得られた分散液を用いたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.7の電極材(目付量188g/m2、厚み3.4mm)を得た。
(No. 7)
No. 1, the ion-exchanged water: 64.0%, polyvinyl alcohol: 1.0%, TD-4304 made by DIC Co., Ltd. as a carbonaceous material, phenol resin (solid content 40%): 35.0%, using a mechanical stirrer. The above No. 1 was used except that the dispersion liquid obtained by stirring for 1 hour was used. The same process as No. 1 is performed, and No. Electrode material No. 7 (Basis weight: 188 g/m 2 , thickness: 3.4 mm) was obtained.

(No.8)
上記No.1の<不織布の炭素化>において、空気雰囲気下700℃での酸化処理を行わなかったこと以外はNo.1と同様にしてNo.8の電極材(目付量189g/m2、厚み3.3mm)を得た。
(No. 8)
The above No. No. 1 <carbonization of non-woven fabric> except that the oxidation treatment was not performed at 700° C. in an air atmosphere. Similar to No. 1, No. 8 electrode material (Basis weight 189 g/m 2 , thickness 3.3 mm) was obtained.

(No.9)
上記No.1の<不織布の炭素化>において、黒鉛化の温度を2000℃±50℃に変更したこと以外はNo.1と同様にしてNo.9の電極材(目付量191g/m2、厚み3.4mm)を得た。
(No. 9)
The above No. In <Carbonization of non-woven fabric> of No. 1, No. 1 except that the graphitization temperature was changed to 2000° C.±50° C. Similar to No. 1, Nine electrode materials (Basis weight 191 g/m 2 , thickness 3.4 mm) were obtained.

このようにして得られたNo.1〜9の電極材について各種項目を測定し、これらの結果を表1に併記した。 Thus obtained No. Various items were measured for the electrode materials 1 to 9, and the results are also shown in Table 1.

Figure 2019049755
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Figure 2019049755
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No.1〜4は第1の電極材の要件を満足する電極材であり、低い抵抗を実現できた。
これに対し、No.5は炭素質材料の含有量が少ない例であり、炭素質繊維間の結着が不十分なため、効率的な導電パスを形成できていないため、抵抗が上昇していると考えられる。
No. 1 to 4 are electrode materials that satisfy the requirements for the first electrode material, and low resistance was realized.
On the other hand, No. No. 5 is an example in which the content of the carbonaceous material is small, and because the binding between the carbonaceous fibers is insufficient and an efficient conductive path cannot be formed, it is considered that the resistance is increased.

No.6は炭素質材料を使用せず炭素質繊維のみからなる例であり、No.1〜4の本発明例に比べて抵抗が増加した。 No. No. 6 is an example in which no carbonaceous material is used and only carbonaceous fiber is used. The resistance was increased as compared with Examples 1 to 4 of the present invention.

No.7は、Lc(B)/Lc(A)の比が小さい例であり、抵抗が増加した。これは、炭素質材料の炭素結晶性が本発明例に比べて低いため、炭素質繊維間の電子伝導抵抗が高くなり、効率的な導電パスを形成できなかったためと考えられる。 No. No. 7 is an example in which the ratio of Lc(B)/Lc(A) is small, and the resistance is increased. It is considered that this is because the carbon crystallinity of the carbonaceous material was lower than that of the examples of the present invention, so that the electron conduction resistance between the carbonaceous fibers was high and an efficient conductive path could not be formed.

No.8はO/Cが低い例であり、抵抗が増加し、通水しなかった。これは、酸素官能基が少ないため本発明例に比べて電解液との親和性が低下し、反応活性が低下したためと考えられる。 No. No. 8 is an example in which O/C was low, resistance increased, and water did not pass. It is considered that this is because the oxygen functional group was small and the affinity with the electrolytic solution was decreased and the reaction activity was decreased as compared with the examples of the present invention.

No.9は、黒鉛化温度を2000℃に高めてLc(B)が12.0nmと高くした例である。Lc(B)が過剰に高いため、電解液との親和性が低下し、抵抗が増加したと考えられる。 No. No. 9 is an example in which the graphitization temperature was increased to 2000° C. and Lc(B) was increased to 12.0 nm. It is considered that since Lc(B) was excessively high, the affinity with the electrolytic solution was lowered and the resistance was increased.

[第2の電極材について]
実施例2
本実施例では、表2に示すA〜Dの鱗片状黒鉛粒子を用い、以下のようにして電極材を作製して各種項目を測定した。これらのうちA、B、Dは市販品であり、表1に記載の粒径は、カタログに記載の値である。Cは、粒径5μmの鱗片状黒鉛粒子をアシザワファインテック社製のラボスターミニ機で6時間ビーズミル粉砕したものであり、粒径はレーザー回折法により測定した。なおDはLcが大きい例である。
[About the second electrode material]
Example 2
In the present example, the scale-like graphite particles A to D shown in Table 2 were used to prepare an electrode material as described below, and various items were measured. Of these, A, B, and D are commercial products, and the particle diameters shown in Table 1 are the values shown in the catalog. C is a scaly graphite particle having a particle size of 5 μm, which was crushed by a bead mill for 6 hours using a Labstar mini machine manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd. The particle size was measured by a laser diffraction method. Note that D is an example in which Lc is large.

Figure 2019049755
Figure 2019049755

(No.1)
No.1では、炭素質繊維としてポリアクリロニトリル繊維、黒鉛粒子として表1のA(第2の電極材の要件を満足する例)、炭素質材料としてJFEケミカル社製MCP250のピッチ類を用い、以下のようにして電極材を作製した。
(No. 1)
No. In No. 1, polyacrylonitrile fiber was used as the carbonaceous fiber, A of Table 1 was used as the graphite particles (an example satisfying the requirements for the second electrode material), and pitches of MCP250 manufactured by JFE Chemical Co. were used as the carbonaceous material. Then, an electrode material was produced.

まず、ポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)を空気雰囲気下、300℃で加熱して耐炎化し、該耐炎化繊維の短繊維(長さ80mm)を用いてフェルト針SB#40(Foster Needle社)、パンチング密度250本/cm2でフェルト化して耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルト(厚み4.3mm、目付150g/m2)を得た後、引き続き、窒素雰囲気下、1000℃で1時間焼成(炭素化)した。耐炎化温度から炭素化温度へ昇温するときの昇温速度は、10℃/分以下とした。First, polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter 10 μm) is heated at 300° C. in an air atmosphere to be flame-resistant, and a felt needle SB#40 (Foster Needle Company) is used by using the flame-resistant fiber short fiber (length 80 mm). After obtaining a felt made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber by punching with a punching density of 250 wires/cm 2 (thickness: 4.3 mm, basis weight: 150 g/m 2 ), subsequently, firing at 1000° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere ( Carbonized). The temperature rising rate when the temperature was raised from the flameproofing temperature to the carbonization temperature was 10° C./min or less.

次に、イオン交換水中に、花王社製レオドールTW−L120(非イオン系界面活性剤)を1.8%、ポリビニルアルコール(仮接着材)を1.8%、JFEケミカル社製MCP250(炭素質材料)を14%、黒鉛粉末として表1のAを9.8%となるように加え、メカニカルスターラーで1時間撹拌して分散液とした。 Next, in ion-exchanged water, 1.8% of Leodol TW-L120 (nonionic surfactant) manufactured by Kao, 1.8% of polyvinyl alcohol (temporary adhesive), MCP250 (carbonaceous material manufactured by JFE Chemical Co., Ltd.) Material) was added in an amount of 14% and graphite powder A in Table 1 was added so as to be 9.8%, and the mixture was stirred with a mechanical stirrer for 1 hour to obtain a dispersion liquid.

このようにして得られた分散液中に、前述した1000℃で焼成済みのフェルトを浸漬した後、ニップローラーに通して余分な分散液を除去した。次に、空気雰囲気下、150℃で20分間乾燥した後、窒素雰囲気下、1000℃で1時間炭素化(焼成)した後、さらに1500℃で1時間黒鉛化した。黒鉛化の後、空気雰囲気下、700℃で10分間酸化処理して、厚み3.8mm、目付278.0g/m2の電極材(No.1)を得た。The felt thus calcined at 1000° C. was immersed in the dispersion liquid thus obtained, and then passed through a nip roller to remove an excess dispersion liquid. Next, after drying at 150° C. for 20 minutes in an air atmosphere, carbonization (calcination) was performed at 1000° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then graphitization was further performed at 1500° C. for 1 hour. After graphitization, oxidation treatment was performed at 700° C. for 10 minutes in an air atmosphere to obtain an electrode material (No. 1) having a thickness of 3.8 mm and a basis weight of 278.0 g/m 2 .

(No.2)
No.1において、黒鉛粉末として表1のB(第2の電極材の要件を満足する例)を用いたこと;炭素質繊維、黒鉛粒子、炭素質材料の合計量に対する黒鉛粒子および炭素質材料の含有率を表2のように変えたこと以外は上記No.1と同様にしてNo.2(厚み3.9mm、目付301.0g/m2)の電極材を作製した。
(No. 2)
No. In Example 1, B of Table 1 (an example satisfying the requirements for the second electrode material) was used as the graphite powder; inclusion of graphite particles and carbonaceous material in the total amount of carbonaceous fiber, graphite particles, and carbonaceous material. The above No. except that the rate was changed as shown in Table 2. Similar to No. 1, 2 (thickness 3.9 mm, basis weight 301.0 g/m 2 ) was prepared.

(No.3)
No.1において、黒鉛粉末として表1のC(第2の電極材の要件を満足する例)を用いたこと;炭素質繊維、黒鉛粒子、炭素質材料の合計量に対する黒鉛粒子および炭素質材料の含有率を表2のように変えたこと以外は上記No.1と同様にしてNo.3(厚み4.0mm、目付294.0g/m2)の電極材を作製した。
(No. 3)
No. 1. In Example 1, C of Table 1 (an example satisfying the requirements of the second electrode material) was used as the graphite powder; inclusion of the graphite particles and the carbonaceous material with respect to the total amount of carbonaceous fiber, graphite particles, and carbonaceous material. The above No. except that the rate was changed as shown in Table 2. Similar to No. 1, 3 (thickness 4.0 mm, basis weight 294.0 g/m 2 ) of an electrode material was produced.

(No.4)
No.1において、炭素質繊維として、耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルトの代わりに、ポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)からなるカーボンペーパー(日本ポリマー産業社製CFP−030−PE、目付30g/m2、厚み0.51mm)を用い、上記No.1と同様に乾燥、炭素化(焼成)、黒鉛化、および酸化処理をしたこと;炭素質繊維、黒鉛粒子、炭素質材料の合計量に対する黒鉛粒子および炭素質材料の含有率を表2のように変えたこと以外はNo.1と同様にしてNo.4(厚み0.57mm、目付137.0g/m2)の電極材を作製した。
(No. 4)
No. In 1, the carbonaceous fiber, instead of the felt made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber, carbon paper made of polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter 10 μm) (CFP-030-PE manufactured by Nippon Polymer Sangyo Co., Ltd., basis weight 30 g/m 2 ). , Thickness 0.51 mm). Drying, carbonization (calcination), graphitization, and oxidation treatment were carried out in the same manner as in 1; the content ratio of the graphite particles and the carbonaceous material to the total amount of the carbonaceous fiber, the graphite particles, and the carbonaceous material is shown in Table 2. No. except changed to Similar to No. 1, 4 (thickness 0.57 mm, basis weight 137.0 g/m 2 ) was prepared.

(No.5)
No.1において、炭素質繊維として、耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルトの代わりに、ポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)からなるスパンレース(目付100〜120g/m2、厚み0.9mm)を窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1000℃±50℃まで昇温し、昇温後1時間保持することで炭化処理を施した炭化スパンレース(目付50〜60g/m2、厚み0.5〜0.7mm)を用い、黒鉛粉末(表1のA)を4.9%となるように加えて分散液を得たこと以外はNo.1と同様にしてNo.5(厚み0.65mm、目付189.0g/m2)の電極材を作製した。
(No. 5)
No. 1, in place of the felt made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber, spunlace made of polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter 10 μm) (unit weight: 100 to 120 g/m 2 , thickness: 0.9 mm) was used as a carbonaceous fiber in nitrogen gas. In the carbonized spunlace (weight per unit area: 50 to 60 g/m 2 , thickness: 0.50° C./minute), the temperature was raised to 1000° C.±50° C. at a heating rate of 5° C./min, and the temperature was maintained for 1 hour. No. 5 to 0.7 mm), except that graphite powder (A in Table 1) was added to 4.9% to obtain a dispersion liquid. Similar to No. 1, 5 (thickness 0.65 mm, basis weight 189.0 g/m 2 ) was prepared.

(No.6)
No.1において、黒鉛粉末として表1のD(第2の電極材の要件を満足しない例)を用いたこと;炭素質繊維、黒鉛粒子、炭素質材料の合計量に対する黒鉛粒子および炭素質材料の含有率を表2のように変えたこと以外は上記No.1と同様にしてNo.6(厚み3.7mm、目付278.0g/m2)の電極材(比較例)を作製した。
(No. 6)
No. In Table 1, D of Table 1 (example not satisfying the requirements for the second electrode material) was used as the graphite powder in Example 1; inclusion of the graphite particles and the carbonaceous material in the total amount of the carbonaceous fiber, the graphite particles, and the carbonaceous material. The above No. except that the rate was changed as shown in Table 2. Similar to No. 1, A 6 (thickness 3.7 mm, basis weight 278.0 g/m 2 ) electrode material (comparative example) was produced.

(No.7)
No.7では、No.1において、黒鉛粒子および炭素質材料を使用せず、炭素質繊維として耐炎化ポリアクリロニトリル繊維からなるフェルト(厚み4.3mm、目付300g/m2)を用いたこと以外はNo.1と同様に処理してNo.7(厚み4.3mm、目付150.0g/m2)の電極材(比較例)を作製した。
(No. 7)
No. In No. 7, No. 7 No. 1 except that the graphite particles and the carbonaceous material were not used, and the felt (thickness 4.3 mm, basis weight 300 g/m 2 ) made of flame-resistant polyacrylonitrile fiber was used as the carbonaceous fiber. The same process as No. 1 is performed. 7 (thickness: 4.3 mm, basis weight: 150.0 g/m 2 ) was prepared as an electrode material (comparative example).

(No.8)
No.1において、窒素雰囲気下、1000℃で1時間炭素化(焼成)した後、さらに2000℃で1時間黒鉛化し、空気雰囲気下、700℃で20分間酸化処理した以外はNo.1と同様にNo.8(厚み3.8mm、目付278.0g/m2)の電極材(比較例)を作製した。
(No. 8)
No. No. 1 except that carbonization (calcination) was performed at 1000° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, graphitization was further performed at 2000° C. for 1 hour, and oxidation treatment was performed at 700° C. for 20 minutes in an air atmosphere. Similar to No. 1, 8 (thickness 3.8 mm, basis weight 278.0 g/m 2 ) of an electrode material (comparative example) was produced.

(No.9)
No.1において、JFEケミカル社製MCP250(炭素質材料)を3質量%、黒鉛粉末として表1のAを2.1質量%となるように加えた以外は上記No.1と同様にしてNo.9(厚み0.56mm、目付194.0g/m2)の電極材(比較例)を作製した。
(No. 9)
No. No. 1 except that 3 mass% of MCP250 (carbonaceous material) manufactured by JFE Chemical Co., Ltd. and 2.1 mass% of A in Table 1 were added as graphite powder. Similar to No. 1, 9 (thickness 0.56 mm, basis weight 194.0 g/m 2 ) was prepared as an electrode material (comparative example).

(No.10)
No.8において、空気雰囲気下、700℃での酸化処理を実施しなかった以外はNo.8と同様にNo.10(厚み3.8mm、目付290.0g/m2)の電極材(比較例)を作製した。
(No. 10)
No. No. 8, except that no oxidation treatment was performed at 700° C. in an air atmosphere. Similar to No. 8, 10 (thickness 3.8 mm, basis weight 290.0 g/m 2 ) of an electrode material (comparative example) was produced.

(No.11)
No.1において、炭素質材料として、JFEケミカル社製MCP250の代わりにフェノール樹脂水分散体(DIC株式会社製のTD4304)を10質量%添加して分散液を得たこと;炭素質繊維、黒鉛粒子、炭素質材料の合計量に対する黒鉛粒子および炭素質材料の含有率を表2のように変えたこと以外はNo.1と同様にしてNo.11(厚み3.8mm、目付288.0g/m2)の電極材(比較例)を作製した。
(No. 11)
No. In 1, the carbonaceous material was obtained by adding 10% by mass of a phenol resin aqueous dispersion (TD4304 manufactured by DIC Co., Ltd.) as a carbonaceous material instead of MCP250 manufactured by JFE Chemical Co.; carbonaceous fiber, graphite particles, No. 1 except that the content ratio of the graphite particles and the carbonaceous material with respect to the total amount of the carbonaceous material was changed as shown in Table 2. Similar to No. 1, 11 (thickness 3.8 mm, basis weight 288.0 g/m 2 ) of an electrode material (comparative example) was produced.

表3に、上記No.1〜11における各種項目の測定結果を示す。 In Table 3, the above No. The measurement results of various items in 1 to 11 are shown.

Figure 2019049755
Figure 2019049755

Figure 2019049755
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No.1〜5は第2の電極材の要件を満足する電極材であり、いずれも低抵抗の電極材が得られた。 No. 1 to 5 are electrode materials that satisfy the requirements for the second electrode material, and all of them have low resistance.

これに対し、No.6は、Lcが第2の電極材の要件を満足しない黒鉛Dを使用した例であり、黒鉛粒子の反応性に乏しいため、抵抗が増加した。 On the other hand, No. No. 6 is an example of using graphite D in which Lc does not satisfy the requirement of the second electrode material, and the resistance was increased because the reactivity of the graphite particles was poor.

No.7は、黒鉛粒子も炭素質材料も使用せず炭素質繊維のみからなる例であり、抵抗が増加した。 No. No. 7 is an example made of only carbonaceous fiber without using graphite particles or carbonaceous material, and the resistance increased.

No.8は、黒鉛化温度を2000℃に高めてLc(C)を12.0nmと高くした例である。Lc(C)が過剰に高いため、電解液との親和性が低下し、抵抗が増加した。黒鉛の利用率が悪化したためと考えられる。 No. No. 8 is an example in which the graphitization temperature was increased to 2000° C. and Lc(C) was increased to 12.0 nm. Since Lc(C) was excessively high, the affinity with the electrolytic solution was lowered and the resistance was increased. It is considered that the utilization rate of graphite deteriorated.

No.9は、第2の電極材の要件を満足する黒鉛粒子及び炭素質材料を使用したが、これらの含有量が少ないため、本発明例に比べて抵抗が増加した。黒鉛の含有量が少なく、有効表面積が不足したためと考えられる。 No. In No. 9, graphite particles and a carbonaceous material satisfying the requirements for the second electrode material were used, but the resistance was increased as compared with the examples of the present invention because their contents were small. It is considered that the content of graphite was small and the effective surface area was insufficient.

No.10は、黒鉛化後の酸化処理を行わなかったため、O/Cの比が低い例である。炭素表面の官能基量が不足しているため、電解液との親和性が低下し、抵抗が増加した。黒鉛の利用率が悪化したためと考えられる。 No. No. 10 is an example in which the O/C ratio is low because the oxidation treatment after graphitization was not performed. Since the amount of functional groups on the carbon surface was insufficient, the affinity with the electrolytic solution decreased and the resistance increased. It is considered that the utilization rate of graphite deteriorated.

No.11は、第2の電極材の要件を満足する黒鉛粒子を使用したが、Lc(C)が十分に大きくなく、Lc(C)/Lc(A)の比が1.0以下と小さい例である。そのため、本発明例に比べて抵抗が増加した。電解液の親和性は高いものの、炭素質材料(C)の導電性が不足しているためと考えられる。 No. In No. 11, graphite particles satisfying the requirements for the second electrode material were used, but Lc(C) was not sufficiently large, and the ratio of Lc(C)/Lc(A) was as small as 1.0 or less. is there. Therefore, the resistance increased as compared with the example of the present invention. Although the affinity of the electrolytic solution is high, it is considered that the conductivity of the carbonaceous material (C) is insufficient.

[第3の電極材について]
実施例3
本実施例では、黒鉛以外の炭素粒子(B)として表4に示すA〜Eのカーボンブラック類、Fの黒鉛粒子、炭素質材料(C)として表5に示すa(JFEケミカル社製MCP250のピッチ類)、b(DIC株式会社製TD―4304のフェノール樹脂、固形分40%)またはc(Alfa Aesar製コールタール)を用い、以下のようにして炭素質シートからなる電極材を作製して各種項目を測定した。A〜Fはいずれも市販品であり、表1に記載の平均粒径は、カタログに記載の値である。
[About the third electrode material]
Example 3
In this example, as carbon particles (B) other than graphite, carbon blacks of A to E shown in Table 4, graphite particles of F, and a shown in Table 5 as carbonaceous material (C) (of MCP250 manufactured by JFE Chemical Corporation) Pitches), b (phenolic resin of TD-4304 manufactured by DIC Corporation, solid content 40%) or c (coal tar manufactured by Alfa Aesar) is used to prepare an electrode material composed of a carbonaceous sheet as follows. Various items were measured. All of A to F are commercial products, and the average particle size shown in Table 1 is the value described in the catalog.

(No.1)
イオン交換水:19.2%、ポリビニルアルコール:1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表1のA(固形分16.5%、黒鉛粒子以外の炭素含有率約8.5%であり、第3の電極材の要件を満足する例):65.8%、炭素質材料として表5のa:14.0%(残炭化重量収率80%)を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 1)
Ion-exchanged water: 19.2%, polyvinyl alcohol: 1.0%, A of Table 1 as carbon particles other than graphite particles (solid content: 16.5%, carbon content other than graphite particles: about 8.5%) , Example satisfying the requirements of the third electrode material): 65.8%, a: 14.0% of carbonaceous material in Table 5 (residual carbonization weight yield 80%) is stirred with a mechanical stirrer for 1 hour. , A dispersion liquid.

次に、平均繊維径16μmのポリアクリロニトリル繊維を空気雰囲気下、300℃で加熱して耐炎化し、該耐炎化繊維の短繊維(長さ80mm)を用いてフェルト針SB#40(Foster Needle社)、パンチング密度250本/cm2でフェルト化して目付量300g/m2、厚み4.3mmの不織布Aを作製した。Next, a polyacrylonitrile fiber having an average fiber diameter of 16 μm is heated at 300° C. in an air atmosphere to be flame-resistant, and a felt needle SB#40 (Foster Needle Company) is used by using the short fiber (length 80 mm) of the flame-resistant fiber. A nonwoven fabric A having a basis weight of 300 g/m 2 and a thickness of 4.3 mm was prepared by forming a felt with a punching density of 250 fibers/cm 2 .

作製した分散液中に、上記の不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aの重量に対して浸漬後の不織布Aの重量が2.1〜2.3倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去し、空気雰囲気下、150℃で20分間乾燥を行った。次に窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1000℃±50℃まで昇温し、この温度で1時間保持して炭素化(焼成)を行った後、冷却し、更に窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1500℃±50℃まで昇温し、この温度で1時間保持して黒鉛化して冷却した。次に空気雰囲気下、700℃で10分間酸化処理し、No.1の電極材(目付量206g/m2、厚み3.3mm)を得た。After the above-mentioned nonwoven fabric A is dipped in the prepared dispersion liquid, it is passed through a nip roller so that the weight of the nonwoven fabric A after immersion is 2.1 to 2.3 times the weight of the nonwoven fabric A before immersion. The excess dispersion liquid was removed by drying, and it was dried at 150° C. for 20 minutes in an air atmosphere. Next, in nitrogen gas, the temperature is raised to 1000° C.±50° C. at a heating rate of 5° C./min, and the temperature is maintained for 1 hour for carbonization (calcination), followed by cooling and further in nitrogen gas. The temperature was raised to 1500° C.±50° C. at a heating rate of 5° C./min, and the temperature was maintained for 1 hour for graphitization and cooling. Next, in an air atmosphere, oxidation treatment was performed at 700° C. for 10 minutes, and No. Thus, an electrode material No. 1 (basis weight 206 g/m 2 , thickness 3.3 mm) was obtained.

(No.2)
イオン交換水:50.9%、ポリビニルアルコール(仮接着材):1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表1のA:34.1%、炭素質材料として表2のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 2)
Ion-exchanged water: 50.9%, polyvinyl alcohol (temporary adhesive): 1.0%, A: 34.1% in Table 1 as carbon particles other than graphite particles, and a: 14. 0% was stirred for 1 hour with a mechanical stirrer to obtain a dispersion liquid.

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布Aの重量が2.3〜2.5倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.2の電極材(目付量208g/m2、厚み3.2mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After immersing the non-woven fabric A in No. 1, the non-woven fabric A before dipping is passed through a nip roller so that the weight of the non-woven fabric A after immersing is 2.3 to 2.5 times, and excess dispersion liquid is removed. No. above except that the amount of carbonaceous material impregnated was changed. The same process as No. 1 is performed, and No. Two electrode materials (Basis weight: 208 g/m 2 , thickness: 3.2 mm) were obtained.

(No.3)
イオン交換水:68.1%、ポリビニルアルコール:1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表1のA:16.9%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 3)
Ion-exchanged water: 68.1%, polyvinyl alcohol: 1.0%, carbon particles other than graphite particles: A: 16.9% in Table 1; carbonaceous material: a: 14.0% in Table 5 The mixture was stirred with a stirrer for 1 hour to give a dispersion.

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布Aの重量が2.5〜2.7倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.3の電極材(目付量213g/m2、厚み3.3mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After immersing the non-woven fabric A in No. 1, pass through a nip roller so that the weight of the non-woven fabric A before immersing becomes 2.5 to 2.7 times, and remove the excess dispersion liquid. No. above except that the amount of carbonaceous material impregnated was changed. The same process as No. 1 is performed, and No. Electrode material No. 3 (Basis weight 213 g/m 2 , thickness 3.3 mm) was obtained.

(No.4)
No.2にて作製した分散液中に、No.1における不織布Aの代わりにポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)からなるカーボンペーパー(日本ポリマー産業社製CFP−030−PE、目付30g/m2、厚み0.51mm)を浸漬した後、浸漬前のカーボンペーパーに対して浸漬後のカーボンペーパーの重量が14〜15倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.4の電極材(目付量119g/m2、厚み0.45mm)を得た。
(No. 4)
No. No. 2 in the dispersion liquid prepared in 2. After immersing carbon paper (CFP-030-PE manufactured by Nippon Polymer Sangyo Co., Ltd., basis weight 30 g/m 2 , thickness 0.51 mm) made of polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter 10 μm) instead of the nonwoven fabric A in 1 before immersion No. except that the amount of carbonaceous material impregnated was changed by passing through a nip roller to remove excess dispersion liquid so that the weight of the carbon paper after immersion was 14 to 15 times that of the carbon paper . The same process as No. 1 is performed, and No. No. 4 electrode material (Basis weight 119 g/m 2 , thickness 0.45 mm) was obtained.

(No.5)
No.2にて作製した分散液中に、No.1における不織布Aの代わりにポリアクリロニトリル繊維(平均繊維径10μm)からなるスパンレース(目付量100〜120g/m2、厚み0.9mm)を窒素ガス中で5℃/分の昇温速度で1000℃±50℃まで昇温し、昇温後1時間保持することで炭化処理を施した炭化スパンレース(目付量50〜60g/m2、厚み0.5〜0.7mm)を浸漬した後、浸漬前の炭化スパレンースに対して浸漬後の重量が4.4〜4.6倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.5の電極材(目付量119g/m2、厚み0.62mm)を得た。
(No. 5)
No. No. 2 in the dispersion liquid prepared in 2. In place of the non-woven fabric A in No. 1, spunlace (weight per unit area: 100 to 120 g/m 2 , thickness: 0.9 mm) made of polyacrylonitrile fiber (average fiber diameter: 10 μm) was 1000 in nitrogen gas at a heating rate of 5° C./min. After immersing the carbonized spunlace (Basis weight 50-60 g/m 2 , thickness 0.5-0.7 mm) which has been carbonized by raising the temperature to ±50°C and holding for 1 hour after the temperature rise, Other than changing the impregnated amount of the carbonaceous material by passing it through a nip roller so that the weight after immersion is 4.4 to 4.6 times that of the carbonized sparence before immersion. Is the above No. The same process as No. 1 is performed, and No. 5 electrode material (Basis weight 119 g/m 2 , thickness 0.62 mm) was obtained.

(No.6)
イオン交換水:36.3%、ポリビニルアルコール:1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表1のB(固形分11.5%、黒鉛粒子以外の炭素含有率約3.5%であり、第3の電極材の要件を満足する例):48.7%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 6)
Ion-exchanged water: 36.3%, polyvinyl alcohol: 1.0%, as carbon particles other than graphite particles, B in Table 1 (solid content 11.5%, carbon content other than graphite particles is about 3.5%. , An example satisfying the requirements for the third electrode material): 48.7%, and a: 14.0% in Table 5 as a carbonaceous material were stirred for 1 hour with a mechanical stirrer to obtain a dispersion liquid.

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布Aの重量が2.5〜2.7倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去して炭素質材料の添着量を変更させたこと以外は上記No.1と同様の処理を行い、No.6の電極材(目付量209g/m2、厚み3.3mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After immersing the non-woven fabric A in No. 1, pass through a nip roller so that the weight of the non-woven fabric A before immersing becomes 2.5 to 2.7 times, and remove the excess dispersion liquid. No. above except that the amount of carbonaceous material impregnated was changed. The same process as No. 1 is performed, and No. Electrode material No. 6 (weight per unit area 209 g/m 2 , thickness 3.3 mm) was obtained.

(No.7)
イオン交換水:77.4%、ポリビニルアルコール:1.0%、花王株式会社製レオドールTW−L120を2.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表4のC(第3の電極材の要件を満足する例):5.6%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 7)
Ion-exchanged water: 77.4%, polyvinyl alcohol: 1.0%, Kao Corporation's Leodol TW-L120 2.0%, C as shown in Table 4 as carbon particles other than graphite particles (requirements for the third electrode material). Satisfying the requirement): 5.6%, and a: 14.0% in Table 5 as a carbonaceous material were stirred for 1 hour with a mechanical stirrer to obtain a dispersion liquid.

上記で作製した分散液を用いた以外はNo.1と同様の処理を行い、No.7の電極材(目付量217g/m2、厚み3.5mm)を得た。No. 3 except that the dispersion liquid prepared above was used. The same process as No. 1 is performed, and No. The electrode material of No. 7 (Basis weight 217 g/m 2 , thickness 3.5 mm) was obtained.

(No.8)
イオン交換水:77.4%、ポリビニルアルコール:1.0%、花王株式会社製レオドールTW−L120を2.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表4のD(第3の電極材の要件を満足する例):5.6%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 8)
Ion-exchanged water: 77.4%, polyvinyl alcohol: 1.0%, Kao Corporation's Rheodor TW-L120 2.0%, as carbon particles other than graphite particles D in Table 4 (Requirements for third electrode material) Satisfying the requirement): 5.6%, and a: 14.0% in Table 5 as a carbonaceous material were stirred for 1 hour with a mechanical stirrer to obtain a dispersion liquid.

上記で作製した分散液を用いた以外はNo.1と同様の処理を行い、No.8の電極材(目付量211g/m2、厚み3.3mm)を得た。No. 3 except that the dispersion liquid prepared above was used. The same process as No. 1 is performed, and No. No. 8 electrode material (basis weight: 211 g/m 2 , thickness: 3.3 mm) was obtained.

(No.9)
イオン交換水:77.4%、ポリビニルアルコール:1.0%、花王株式会社製レオドールTW−L120を2.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表4のE(第3の電極材の要件を満足する例):5.6%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 9)
Ion-exchanged water: 77.4%, polyvinyl alcohol: 1.0%, Kao Corporation's Rheodor TW-L120 2.0%, as carbon particles other than graphite particles E in Table 4 (Requirements for the third electrode material) Satisfying the requirement): 5.6%, and a: 14.0% in Table 5 as a carbonaceous material were stirred for 1 hour with a mechanical stirrer to obtain a dispersion liquid.

上記で作製した分散液を用いた以外はNo.1と同様の処理を行い、No.9の電極材(目付量210g/m2、厚み3.3mm)を得た。No. 3 except that the dispersion liquid prepared above was used. The same process as No. 1 is performed, and No. Electrode material No. 9 (weight per unit area 210 g/m 2 , thickness 3.3 mm) was obtained.

(No.10)
No.10は、黒鉛粒子以外の炭素粒子も炭素質材料も使用せず炭素質繊維のみからなる例である。詳細には上記不織布Aに対して直接、No.1と同様の加熱処理を行い、No.10の電極材(目付量143g/m2、厚み3.4mm)を得た。
(No. 10)
No. No. 10 is an example made of only carbonaceous fibers without using carbon particles other than graphite particles or carbonaceous material. In detail, directly with respect to the nonwoven fabric A, No. The same heat treatment as in No. 1 was performed, and No. Ten electrode materials (Basis weight 143 g/m 2 , thickness 3.4 mm) were obtained.

(No.11)
No.11は、黒鉛粒子以外の炭素粒子を使用せず炭素質繊維および炭素質材料のみからなる例である。
まずイオン交換水:83.0%、ポリビニルアルコール:1.0%、花王株式会社製レオドールTW−L120を2.0%、炭素質材料として表2のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 11)
No. No. 11 is an example made of only carbonaceous fiber and carbonaceous material without using carbon particles other than graphite particles.
First, ion-exchanged water: 83.0%, polyvinyl alcohol: 1.0%, Kao Corporation's Leodol TW-L120 2.0%, and a: 14.0% of Table 2 as a carbonaceous material with a mechanical stirrer. The mixture was stirred for 1 hour to give a dispersion.

上記で作製した分散液を用いた以外はNo.1と同様の処理を行い、No.11の電極材(目付量191g/m2、厚み3.4mm)を得た。No. 3 except that the dispersion liquid prepared above was used. The same process as No. 1 is performed, and No. Eleven electrode materials (basis weight 191 g/m 2 , thickness 3.4 mm) were obtained.

(No.12)
イオン交換水:77.4%、ポリビニルアルコール:1.0%、花王株式会社製レオドールTW−L120を2.0%、表4の黒鉛粒子F(の要件を満足しない例):5.6%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 12)
Ion-exchanged water: 77.4%, polyvinyl alcohol: 1.0%, Kao Corporation's Rheodor TW-L120 2.0%, graphite particles F in Table 4 (examples not satisfying the requirements): 5.6% As a carbonaceous material, a: 14.0% in Table 5 was stirred with a mechanical stirrer for 1 hour to obtain a dispersion liquid.

上記で作製した分散液を用いた以外はNo.1と同様の処理を行い、No.12の電極材(目付量209g/m2、厚み3.4mm)を得た。No. 3 except that the dispersion liquid prepared above was used. The same process as No. 1 is performed, and No. Twelve electrode materials (weight per unit area 209 g/m 2 , thickness 3.4 mm) were obtained.

(No.13)
イオン交換水:8.9%、ポリビニルアルコール:1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表1のA(固形分16.5%、黒鉛粒子以外の炭素含有率約8.5%であり、第3の電極材の要件を満足する例):34.1%、炭素質材料として表2のb(固形分40%):56.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 13)
Ion-exchanged water: 8.9%, polyvinyl alcohol: 1.0%, A of carbon particles other than graphite particles in Table 1 (solid content 16.5%, carbon content other than graphite particles was about 8.5%). , Which satisfies the requirement of the third electrode material): 34.1%, b (solid content 40%) of Table 2 as a carbonaceous material: 56.0% is stirred with a mechanical stirrer for 1 hour to obtain a dispersion liquid. And

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、No.2と同様の処理を行い、No.13の電極材(目付量208g/m2、厚み3.4mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After immersing the nonwoven fabric A in No. 1, No. 1 The same process as in No. 2 is performed and No. Thirteen electrode materials (area weight: 208 g/m 2 , thickness: 3.4 mm) were obtained.

(No.14)
No.2で作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、No.2と同様にして炭素化および黒鉛化を行ったが、その後の空気雰囲気下での酸化処理は行なわず、No.14の電極材(目付量211g/m2、厚み3.2mm)を得た。
(No. 14)
No. No. 2 in the dispersion liquid prepared in 2. After immersing the nonwoven fabric A in No. 1, No. 1 Carbonization and graphitization were performed in the same manner as in No. 2, but the subsequent oxidation treatment in an air atmosphere was not performed. 14 electrode materials (basis weight: 211 g/m 2 , thickness: 3.2 mm) were obtained.

(No.15)
No.2で作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が1.5〜1.7倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去したこと以外はNo.1と同様の処理を行い、No.15の電極材(目付量175g/m2、厚み3.3mm)を得た。
(No. 15)
No. No. 2 in the dispersion liquid prepared in 2. After dipping the non-woven fabric A in No. 1, except that the excess dispersion was removed by passing it through a nip roller so that the weight of the non-woven fabric after dipping was 1.5 to 1.7 times that of the non-woven fabric A before dipping. No. The same process as No. 1 is performed, and No. Fifteen electrode materials (Basis weight 175 g/m 2 , thickness 3.3 mm) were obtained.

(No.16)
イオン交換水:10.0%、ポリビニルアルコール:1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表4のA(固形分16.5%、黒鉛粒子以外の炭素含有率約8.5%であり、第3の電極材の要件を満足する例):98.0%、炭素質材料として表5のa:1.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 16)
Ion-exchanged water: 10.0%, polyvinyl alcohol: 1.0%, A of Table 4 as carbon particles other than graphite particles (solid content 16.5%, carbon content other than graphite particles is about 8.5%) , Example satisfying the requirement of the third electrode material): 98.0%, a: 1.0% of carbonaceous material shown in Table 5 was stirred with a mechanical stirrer for 1 hour to obtain a dispersion liquid.

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が3.0〜3.2倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去したこと以外はNo.1と同様の処理を行い、No.16の電極材(目付量205g/m2、厚み3.3mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After dipping the non-woven fabric A in No. 1, except that the excess dispersion liquid was removed by passing it through a nip roller so that the weight of the non-woven fabric after dipping was 3.0 to 3.2 times that of the non-woven fabric A before dipping. No. The same process as No. 1 is performed, and No. 16 electrode materials (basis weight 205 g/m 2 , thickness 3.3 mm) were obtained.

(No.17)
イオン交換水:71.8%、ポリビニルアルコール:1.0%、黒鉛粒子以外の炭素粒子として表4のA(固形分16.5%黒鉛粒子以外の炭素含有率約8.5%であり、第3の電極材の要件を満足する例):13.2%、炭素質材料として表5のa:14.0%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 17)
Ion-exchanged water: 71.8%, polyvinyl alcohol: 1.0%, as carbon particles other than graphite particles, A in Table 4 (solid content 16.5%, carbon content other than graphite particles is about 8.5%, An example satisfying the requirements of the third electrode material): 13.2%, and a: 14.0% of carbonaceous material shown in Table 5 were stirred for 1 hour with a mechanical stirrer to obtain a dispersion liquid.

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が2.3〜2.5倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去したこと以外はNo.1と同様の処理を行い、No.17の電極材(目付量211g/m2、厚み3.3mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After dipping the nonwoven fabric A in No. 1, except that the excess dispersion was removed by passing through a nip roller so that the weight of the unwoven fabric after dipping was 2.3 to 2.5 times that of the unwoven fabric A before dipping. No. The same process as No. 1 is performed, and No. 17 electrode materials (basis weight: 211 g/m 2 , thickness: 3.3 mm) were obtained.

(No.18)
黒鉛粒子以外の炭素粒子として表4のC(第3の電極材の要件を満足する例):4.8%、炭素質材料として表5のc(残炭化重量収率10%):95.2%を、メカニカルスターラーで1時間撹拌し、分散液とした。
(No. 18)
As carbon particles other than graphite particles, C in Table 4 (an example satisfying the requirements of the third electrode material): 4.8%, and as a carbonaceous material, c in Table 5 (residual carbonization weight yield 10%): 95. 2% was stirred with a mechanical stirrer for 1 hour to obtain a dispersion liquid.

作製した分散液中に、No.1における不織布Aを浸漬した後、浸漬前の不織布Aに対して浸漬後の不織布重量が1.9〜2.1倍になるようにニップローラーに通して余分な分散液を除去し、黒鉛化の温度を2000℃±50℃に変更したこと以外はNo.1と同様の処理を行い、No.18の電極材(目付量195g/m2、厚み3.2mm)を得た。In the prepared dispersion liquid, No. After the non-woven fabric A in No. 1 was immersed, the excess dispersion was removed by passing through a nip roller so that the weight of the non-woven fabric before immersing was 1.9 to 2.1 times, and graphitization was performed. No. except that the temperature was changed to 2000°C ± 50°C. The same process as No. 1 is performed, and No. Eighteen electrode materials (basis weight 195 g/m 2 , thickness 3.2 mm) were obtained.

表6に、上記No.1〜18における各種項目の測定結果を示す。 In Table 6, the above No. The measurement results of various items in 1 to 18 are shown.

Figure 2019049755
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No.1〜9は第3の電極材の要件を満足する電極材であり、いずれもNo.10〜18の比較例に比べて低抵抗な電極材が得られた。No.1〜9の本発明例では、黒鉛以外の炭素粒子として粒子径が小さい表4のA〜Eを用いたため反応表面積が大きく、また炭素エッジ面の露出により電極活性が向上したためと考えられる。 No. Nos. 1 to 9 are electrode materials that satisfy the requirements for the third electrode material, and all of them are No. Electrode materials having a lower resistance than those of Comparative Examples 10 to 18 were obtained. No. In Examples 1 to 9 of the present invention, since A to E of Table 4 having a small particle size were used as the carbon particles other than graphite, it is considered that the reaction surface area was large and the electrode activity was improved by the exposure of the carbon edge surface.

これに対し、No.10は、黒鉛粒子以外の炭素粒子も炭素質材料も使用せず炭素質繊維のみからなる例であり、反応表面積が不足するため抵抗が著しく増加した。No.11は黒鉛粒子以外の炭素粒子を含有しないため、反応表面積が不足して抵抗が著しく増加した。 On the other hand, No. No. 10 is an example made of only carbonaceous fibers without using carbon particles other than graphite particles or carbonaceous material, and the resistance was remarkably increased because the reaction surface area was insufficient. No. Since No. 11 did not contain carbon particles other than graphite particles, the reaction surface area was insufficient and the resistance significantly increased.

No.12は、黒鉛粒子以外の炭素粒子として粒子径が大きく、Lc(B)も大きい表1のFを用いたため、抵抗が増加した。粒子径の大きい炭素粒子を用いると反応表面積が本発明例に比べて小さくなる他、炭素結晶性の高い炭素粒子を用いると酸素官能基の付与が困難なため、水系電解液に対する炭素粒子近傍の親和性が低下し、反応活性が向上しなかったためと考えられる。 No. In No. 12, carbon particles other than graphite particles having a large particle size and having a large Lc(B) were used as F in Table 1, so that the resistance increased. The reaction surface area becomes smaller when using large-diameter carbon particles as compared with the present invention example, and since it is difficult to impart an oxygen functional group when using carbon particles having high carbon crystallinity, it becomes It is considered that the affinity decreased and the reaction activity did not improve.

No.13は、Lc(C)/Lc(A)の比が小さい例であり、抵抗が増加した。これは、炭素質材料の炭素結晶性が本発明例に比べて低いため、当該炭素粒子と炭素質繊維との電子伝導抵抗が高くなり、炭素粒子の反応活性を効率よく利用できなかったためと考えられる。 No. No. 13 is an example in which the ratio of Lc(C)/Lc(A) is small, and the resistance is increased. This is because the carbon crystallinity of the carbonaceous material is lower than that of the example of the present invention, so that the electron conduction resistance between the carbon particles and the carbonaceous fiber becomes high, and the reaction activity of the carbon particles could not be efficiently utilized. To be

No.14は、O/Cの比が小さい例であり、抵抗が増加し、通水しなかった。これは、酸素官能基量が少ないため本発明例に比べて電解液との親和性が低下し、反応活性が低下したためと考えられる。 No. No. 14 was an example in which the O/C ratio was small, the resistance increased, and water did not pass. It is considered that this is because the amount of oxygen functional groups was small, so that the affinity with the electrolytic solution was decreased and the reaction activity was decreased as compared with the examples of the present invention.

No.15は、黒鉛以外の炭素粒子の含有量が少ない例であり、抵抗が増加した。上記炭素粒子の含有量が少ないと反応表面積が低下し、且つ、含有量の低下に伴って電子伝導パスが不十分になるためと考えられる。 No. No. 15 is an example in which the content of carbon particles other than graphite was small, and the resistance increased. It is considered that when the content of the carbon particles is small, the reaction surface area is reduced, and the electron conduction path becomes insufficient as the content is reduced.

No.16は、黒鉛以外の炭素粒子の含有量が少なく、且つ、当該炭素粒子に対する炭素質材料の比率が少ない例であり、抵抗が増加した。これは、黒鉛以外の炭素粒子の比率が炭素質材料よりも著しく多いため、結着性が不足し、炭素質繊維からの粒子脱落により抵抗が上昇したと推察される。
またNo.17は、黒鉛以外の炭素粒子に対する炭素質材料の比率が多い例であり、やはり抵抗が増加した。これは、炭素質材料の比率が黒鉛以外の炭素粒子よりも著しく多いため、上記炭素質材料が炭素粒子表面の反応活性点を被覆してしまい、反応表面積が有効利用されず抵抗が上昇したと推察される。
No.18は、Lc(C)/Lc(A)の比が7.2であり、炭素質繊維よりも炭素質材料の炭素結晶性が著しく高い例であり、やはり抵抗が増加した。非常に高結晶な炭素質材料に黒鉛以外の炭素粒子が被覆された場合、当該炭素粒子の反応表面積が有効利用されず、また一般的に高結晶な部位には酸素官能基が導入され難いため、電解液との親和性が低下し抵抗が上昇したと推察される。
No. No. 16 is an example in which the content of carbon particles other than graphite is small and the ratio of the carbonaceous material to the carbon particles is small, and the resistance increased. It is speculated that this is because the ratio of carbon particles other than graphite is remarkably higher than that of the carbonaceous material, so that the binding property is insufficient and the particles are dropped from the carbonaceous fiber to increase the resistance.
In addition, No. No. 17 is an example in which the ratio of the carbonaceous material to the carbon particles other than graphite is large, and the resistance also increased. This is because the ratio of the carbonaceous material is significantly higher than that of carbon particles other than graphite, so that the carbonaceous material covers the reaction active points on the surface of the carbon particles, and the reaction surface area is not effectively used and the resistance increases. Inferred.
No. In No. 18, the Lc(C)/Lc(A) ratio was 7.2, which is an example in which the carbon crystallinity of the carbonaceous material is significantly higher than that of the carbonaceous fiber, and the resistance also increased. When carbon particles other than graphite are coated on a very highly crystalline carbonaceous material, the reaction surface area of the carbon particles is not effectively used, and in general, it is difficult to introduce oxygen functional groups into highly crystalline sites. It is surmised that the affinity with the electrolytic solution decreased and the resistance increased.

第1および第2の炭素電極材によれば、初期充放電時のセル抵抗を低下し得、電池エネルギー効率に優れた炭素電極材を提供できるため、例えばバナジウム系電解液を用いるレドックスフロー電池の電極材として有用である。
また、第3の炭素電極材によれば、初期充放電時のセル抵抗を低下し得、電池エネルギー効率に優れた炭素電極材を提供できるため、例えばバナジウム系電解液、Mn/Ti系電解液を用いるレドックスフロー電池の電極材として有用である。
第1〜第3の炭素電極材は、フロータイプおよびノンフロータイプのレドックスフロー電池や、リチウム、キャパシタ、燃料電池のシステムと複合化されたレドックスフロー電池などに好適に用いられる。
According to the first and second carbon electrode materials, the cell resistance at the time of initial charge/discharge can be reduced, and a carbon electrode material excellent in battery energy efficiency can be provided. Therefore, for example, in a redox flow battery using a vanadium-based electrolyte solution. It is useful as an electrode material.
In addition, according to the third carbon electrode material, the cell resistance at the time of initial charge/discharge can be reduced, and a carbon electrode material having excellent battery energy efficiency can be provided. Therefore, for example, a vanadium-based electrolyte solution, a Mn/Ti-based electrolyte solution, etc. It is useful as an electrode material for a redox flow battery using a.
The first to third carbon electrode materials are suitably used for flow type and non-flow type redox flow batteries, and redox flow batteries combined with lithium, capacitor, and fuel cell systems.

1 集電板
2 スペーサー
3 イオン交換膜
4a,4b 通液路
5 電極材
6 正極電解液タンク
7 負極電解液タンク
8,9 ポンプ
10 液流入口
11 液流出口
12,13 外部流路
1 Current Collector Plate 2 Spacer 3 Ion Exchange Membrane 4a, 4b Liquid Flow Path 5 Electrode Material 6 Positive Electrolyte Tank 7 Negative Electrolyte Tank 8, 9 Pump 10 Liquid Inlet 11 Liquid Outlet 12, 13 External Channel

Claims (15)

炭素質繊維(A)と、前記炭素質繊維(A)を結着する炭素質材料(B)と、からなり、
下記の要件を満足することを特徴とするレドックスフロー電池用炭素電極材。
(1)炭素質材料(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm未満、
(2)炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(B)/Lc(A)は1.0以上、
(3)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
A carbonaceous fiber (A) and a carbonaceous material (B) binding the carbonaceous fiber (A),
A carbon electrode material for redox flow batteries, which satisfies the following requirements.
(1) In the carbonaceous material (B), when the crystallite size in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 10 nm,
(2) When the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) determined by X-ray diffraction is Lc(A), Lc(B)/Lc(A) is 1.0 or more,
(3) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material.
前記炭素質繊維(A)および前記炭素質材料(B)の合計量に対する前記炭素質材料(B)の質量含有率が14.5%以上である請求項1に記載の炭素電極材。 The carbon electrode material according to claim 1, wherein a mass content rate of the carbonaceous material (B) with respect to a total amount of the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (B) is 14.5% or more. 前記Lc(A)は1〜10nmである請求項1または2に記載の炭素電極材。 The carbon electrode material according to claim 1 or 2, wherein the Lc(A) is 1 to 10 nm. 請求項1〜3のいずれかに記載の炭素電極材を製造する方法であって、
前記炭素質繊維(A)に炭化前の炭素質材料(B)を添着する工程と、
添着後の製造物を、不活性雰囲気下、800℃以上2000℃以下の温度で加熱する炭素化工程と、
不活性雰囲気下、1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱する黒鉛化工程と、
酸化処理工程と、をこの順序で含むことを特徴とする炭素電極材の製造方法。
A method for producing the carbon electrode material according to claim 1,
Attaching the carbonaceous material (B) before carbonization to the carbonaceous fiber (A),
A carbonization step of heating the product after impregnation at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere,
A graphitization step of heating at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere and at a temperature higher than the heating temperature of the carbonization step;
A method of manufacturing a carbon electrode material, which comprises an oxidation treatment step in this order.
炭素質繊維(A)と、黒鉛粒子(B)と、これらを結着する炭素質材料(C)と、からなり、
下記の要件を満足することを特徴とするレドックスフロー電池用炭素電極材。
(1)黒鉛粒子(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は35nm未満、
(2)炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(C)としたとき、Lc(C)は10nm未満、
(3)炭素質繊維(A)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(A)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0以上、
(4)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
A carbonaceous fiber (A), graphite particles (B), and a carbonaceous material (C) binding these,
A carbon electrode material for redox flow batteries, which satisfies the following requirements.
(1) When the size of the crystallite in the c-axis direction in the graphite particles (B) determined by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is less than 35 nm,
(2) When the size of the crystallite in the c-axis direction in the carbonaceous material (C) determined by X-ray diffraction is Lc(C), Lc(C) is less than 10 nm,
(3) When the crystallite size in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) obtained by X-ray diffraction is Lc(A), Lc(C)/Lc(A) is 1.0 or more,
(4) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material.
前記炭素質繊維(A)、前記黒鉛粒子(B)、および前記炭素質材料(C)の合計量に対する前記炭素質材料(C)の質量含有率は14.5%以上であり、かつ、前記黒鉛粒子(B)に対する前記炭素質材料(C)の質量比が0.2〜3.0である請求項5に記載の炭素電極材。 The mass content of the carbonaceous material (C) with respect to the total amount of the carbonaceous fibers (A), the graphite particles (B), and the carbonaceous material (C) is 14.5% or more, and The carbon electrode material according to claim 5, wherein the mass ratio of the carbonaceous material (C) to the graphite particles (B) is 0.2 to 3.0. 窒素吸着量から求められるBET比表面積が8m2/g超である請求項5または6に記載の炭素電極材。The carbon electrode material according to claim 5 or 6, wherein the BET specific surface area determined from the amount of adsorbed nitrogen is more than 8 m 2 /g. 請求項5〜7のいずれかに記載の炭素電極材を製造する方法であって、
前記炭素質繊維(A)に前記黒鉛粒子(B)および炭化前の炭素質材料(C)を添着する工程と、
添着後の製造物を、不活性雰囲気下、800℃以上2000℃以下の温度で加熱する炭素化工程と、
不活性雰囲気下、1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱する黒鉛化工程と、
酸化処理工程と、をこの順序で含むことを特徴とする炭素電極材の製造方法。
A method for producing the carbon electrode material according to any one of claims 5 to 7, comprising:
Attaching the graphite particles (B) and the carbonaceous material before carbonization (C) to the carbonaceous fibers (A);
A carbonization step of heating the product after impregnation at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere,
A graphitization step of heating at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere and at a temperature higher than the heating temperature of the carbonization step;
A method of manufacturing a carbon electrode material, which comprises an oxidation treatment step in this order.
炭素質繊維(A)と、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)と、これらを結着する炭素質材料(C)と、からなり、
下記の要件を満足することを特徴とするレドックスフロー電池用炭素電極材。
(1)黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)の粒径は1μm以下、
(2)黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをLc(B)としたとき、Lc(B)は10nm以下、
(3)炭素質繊維(A)および炭素質材料(C)における、X線回折で求めたc軸方向の結晶子の大きさをそれぞれLc(A)、Lc(C)としたとき、Lc(C)/Lc(A)は1.0〜5、
(4)炭素質繊維(A)、黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)、および炭素質材料(C)の合計量に対する前記炭素質材料(C)の質量含有率は14.5%以上、
(5)炭素電極材表面の結合酸素原子数が炭素電極材表面の全炭素原子数の1%以上
A carbonaceous fiber (A), carbon particles (B) other than graphite particles, and a carbonaceous material (C) binding these,
A carbon electrode material for redox flow batteries, which satisfies the following requirements.
(1) The particle size of the carbon particles (B) other than the graphite particles is 1 μm or less,
(2) In the carbon particles (B) other than the graphite particles, when the crystallite size in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction is Lc(B), Lc(B) is 10 nm or less,
(3) When the crystallite sizes in the c-axis direction in the carbonaceous fiber (A) and the carbonaceous material (C) obtained by X-ray diffraction are Lc(A) and Lc(C), respectively, Lc( C)/Lc(A) is 1.0 to 5,
(4) The mass content of the carbonaceous material (C) is 14.5% or more based on the total amount of the carbonaceous fiber (A), the carbon particles (B) other than the graphite particles, and the carbonaceous material (C).
(5) The number of bonded oxygen atoms on the surface of the carbon electrode material is 1% or more of the total number of carbon atoms on the surface of the carbon electrode material.
前記炭素粒子(B)に対する前記炭素質材料(C)の質量比が0.2〜10である請求項9に記載の炭素電極材。 The carbon electrode material according to claim 9, wherein a mass ratio of the carbonaceous material (C) to the carbon particles (B) is 0.2 to 10. 窒素吸着量から求められるBET比表面積が0.5m2/g以上である請求項9または10に記載の炭素電極材。The carbon electrode material according to claim 9 or 10, which has a BET specific surface area of 0.5 m 2 /g or more, which is determined from the amount of adsorbed nitrogen. 請求項9〜11のいずれかに記載の炭素電極材を製造する方法であって、
前記炭素質繊維(A)に前記黒鉛粒子以外の炭素粒子(B)および炭化前の炭素質材料(C)を添着する工程と、
添着後の製造物を、不活性雰囲気下、800℃以上2000℃以下の温度で加熱する炭素化工程と、
不活性雰囲気下、1300℃以上の温度であって、且つ、前記炭素化工程の加熱温度よりも高い温度で加熱する黒鉛化工程と、
酸化処理工程と、をこの順序で含むことを特徴とする炭素電極材の製造方法。
A method for producing the carbon electrode material according to any one of claims 9 to 11, comprising:
Attaching carbon particles (B) other than the graphite particles and carbonaceous material (C) before carbonization to the carbonaceous fibers (A);
A carbonization step of heating the product after impregnation at a temperature of 800° C. or higher and 2000° C. or lower in an inert atmosphere,
A graphitization step of heating at a temperature of 1300° C. or higher in an inert atmosphere and at a temperature higher than the heating temperature of the carbonization step;
A method of manufacturing a carbon electrode material, which comprises an oxidation treatment step in this order.
水滴を垂らした時の通水速度が0.5mm/sec以上である請求項1〜3、5〜7、9〜11のいずれかに記載の炭素電極材。 The carbon electrode material according to any one of claims 1 to 3, 5 to 7, and 9 to 11, which has a water passage rate of 0.5 mm/sec or more when water drops are dropped. 請求項1〜3、5〜7、9〜11、13のいずれかに記載の炭素電極材を備えたレドックスフロー電池。 A redox flow battery comprising the carbon electrode material according to any one of claims 1 to 3, 5 to 7, 9 to 11, and 13. 請求項1〜3、5〜7、13のいずれかに記載の炭素電極材を用いたバナジウム系レドックスフロー電池。
A vanadium redox flow battery using the carbon electrode material according to any one of claims 1 to 3, 5 to 7, and 13.
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