JPWO2020071428A1 - Carbon precursor and method for producing carbon precursor - Google Patents

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隆文 伊澤
隆文 伊澤
祥平 小林
祥平 小林
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啓一 西村
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Abstract

本発明は、元素分析による酸素原子含有量と炭素原子含有量の比(O/C)が0.10〜0.85であり、かつ、IRスペクトルの1720cm−1付近のピークの強度(I)と3330cm−1付近のピークの強度(I)の比(I/I)が0.50以上である、炭素前駆体を提供する。The present invention is the ratio of oxygen atom content to carbon atom content by elemental analysis (O / C) is 0.10 to 0.85, and the intensity of the peak near 1720 cm -1 in the IR spectrum (I A ) and 3330cm ratio of -1 near the peak intensity (I B) (I a / I B) is 0.50 or more, to provide a carbon precursor.

Description

本発明は、非水電解質二次電池の負極活物質に適した炭素質材料を製造するに有用な炭素前駆体ならびに該炭素前駆体の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon precursor useful for producing a carbonaceous material suitable for a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a method for producing the carbon precursor.

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

難黒鉛化性炭素の原料としては、石油ピッチや石炭ピッチ、フェノール樹脂などの樹脂組成物、椰子殻等の植物由来原料が用いられる。原料コストの観点からは、植物由来原料が好適であるが、多くの植物由来原料は不純物金属を含んでいるため、工業原料として品質を安定させるためには、精製工程が必要となる。 As the raw material for the refractory carbon, a resin composition such as petroleum pitch, coal pitch, phenol resin, and a plant-derived raw material such as coconut shell are used. From the viewpoint of raw material cost, plant-derived raw materials are preferable, but since many plant-derived raw materials contain impurity metals, a purification step is required to stabilize the quality as an industrial raw material.

植物由来原料の中でも、予め精製工程を経たものとしては、例えば、でんぷん等の糖類が挙げられ、これらを用いて炭素材料を得る試みがなされている(例えば、非特許文献1)。また、糖類を変性させる方法として、でんぷんを高温焙煎することにより粘度を低下させる方法も知られている(特許文献1)。 Among the plant-derived raw materials, those that have undergone a purification step in advance include, for example, sugars such as starch, and attempts have been made to obtain carbon materials using these (for example, Non-Patent Document 1). Further, as a method of denaturing sugars, a method of lowering the viscosity by roasting starch at a high temperature is also known (Patent Document 1).

特開2012−100650号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-100650

Materials Letters 2008,Vol.62、第3322〜3324頁Materials Letters 2008, Vol. 62, pp. 3322-3324

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

例えば非特許文献1に記載されるような炭素材料は、黒鉛様の構造を有しており、十分な充放電容量を有するものではない。また、糖類を用いて高い放電容量を有する難黒鉛化性炭素を得るために、糖類を変性させて構造調整を行うことが考えられるが、例えば特許文献1に記載されるような方法は、主に食品用途を指向した方法であり、高い放電容量を有する難黒鉛化性炭素の前駆体を得る方法として適するものではない。 For example, the carbon material described in Non-Patent Document 1 has a graphite-like structure and does not have a sufficient charge / discharge capacity. Further, in order to obtain graphitizable carbon having a high discharge capacity using saccharides, it is conceivable to modify the saccharides to adjust the structure. For example, the method described in Patent Document 1 is mainly used. This method is oriented toward food applications, and is not suitable as a method for obtaining a precursor of graphitizable carbon having a high discharge capacity.

したがって、本発明は、高い充放電容量と、低い抵抗を有する非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池)の負極活物質に適した炭素質材料を製造するに有用な炭素前駆体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is suitable for the negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery (for example, lithium ion secondary battery, sodium ion secondary battery, lithium sulfur battery, lithium air battery) having high charge / discharge capacity and low resistance. It is an object of the present invention to provide a carbon precursor useful for producing a carbonaceous material.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、元素分析による酸素原子含有量と炭素原子含有量の比(O/C)が0.10〜0.85であり、かつ、IRスペクトルの1720cm−1付近のピークの強度(I)と3330cm−1付近のピークの強度(I)の比(I/I)が0.50以上である炭素前駆体によって、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成するに至った。As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventor has found that the ratio (O / C) of the oxygen atom content to the carbon atom content by elemental analysis is 0.10 to 0.85. the carbon precursor ratio of the peak intensity at 1720 cm -1 vicinity of the intensity of peak (I a) and 3330cm around -1 of the IR spectrum (I B) (I a / I B) is 0.50 or more, the We have found that the problems can be solved and have completed the present invention.

すなわち、本発明は以下の好適な態様を含む。
〔1〕元素分析による酸素原子含有量と炭素原子含有量の比(O/C)が0.10〜0.85であり、かつ、IRスペクトルの1720cm−1付近のピークの強度(I)と3330cm−1付近のピークの強度(I)の比(I/I)が0.50以上である、炭素前駆体。
〔2〕TG−DTA測定によるDTA曲線において、100〜500℃の範囲に吸熱ピークを有さない、前記〔1〕に記載の炭素前駆体。
〔3〕13C−NMRスペクトルにおいて、0〜50ppmの範囲にピークを有する、前記〔1〕または〔2〕に記載の炭素前駆体。
〔4〕糖類骨格を有する物質に由来する、前記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の炭素前駆体。
〔5〕炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る、前記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の炭素前駆体の製造方法。
〔6〕酸素含有気体の供給量は、炭素前駆体の原料の単位表面積あたり0.005〜5.0L/(分・m)である、前記〔5〕に記載の製造方法。
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] is the ratio of oxygen atom content by elemental analysis and the carbon atom content (O / C) is 0.10 to 0.85, and the intensity of the peak near 1720 cm -1 in the IR spectrum (I A) and 3330cm ratio of -1 near the peak intensity (I B) (I a / I B) is 0.50 or more, carbon precursor.
[2] The carbon precursor according to the above [1], which does not have an endothermic peak in the range of 100 to 500 ° C. in the DTA curve measured by TG-DTA.
[3] The carbon precursor according to the above [1] or [2], which has a peak in the range of 0 to 50 ppm in the 13 C-NMR spectrum.
[4] The carbon precursor according to any one of [1] to [3] above, which is derived from a substance having a saccharide skeleton.
[5] The raw material of the carbon precursor is heat-treated in a temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hours under the supply of an oxygen-containing gas to obtain a carbon precursor, according to any one of the above [1] to [4]. The method for producing a carbon precursor according to the above.
[6] The production method according to the above [5], wherein the supply amount of the oxygen-containing gas is 0.005 to 5.0 L / (minute · m 2) per unit surface area of the raw material of the carbon precursor.

本発明によれば、高い充放電容量および低い抵抗を有する非水電解質二次電池の負極活物質に適した炭素質材料を製造するに有用な炭素前駆体を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a carbon precursor useful for producing a carbonaceous material suitable for a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high charge / discharge capacity and a low resistance.

実施例1で得た炭素前駆体のSEM画像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the carbon precursor obtained in Example 1. FIG. 比較例1で得た炭素前駆体のSEM画像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the carbon precursor obtained in the comparative example 1. FIG.

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

本発明において、炭素前駆体は、炭素質材料の製造に用いる原料であって、炭水化物、植物原料、糖類骨格を有する物質等の炭素前駆体の原料に、例えば熱処理を施して得られるものをいう。本発明の炭素前駆体は、例えば高温でさらに熱処理することにより、炭素質材料へと導くことができる物質である。 In the present invention, the carbon precursor is a raw material used for producing a carbonaceous material, which is obtained by subjecting a raw material of a carbon precursor such as a carbohydrate, a plant raw material, or a substance having a saccharide skeleton to, for example, heat treatment. .. The carbon precursor of the present invention is a substance that can be led to a carbonaceous material by, for example, further heat-treating at a high temperature.

本発明の炭素前駆体は、炭素前駆体の原料に、例えば熱処理を施して製造される。かかる熱処理工程においては、炭素前駆体の原料となる物質に含まれる物理吸着水が乾燥されると共に、分子レベルでの脱水反応が起こると考えられる。上記工程における水分の乾燥および脱水が不十分である場合、炭素質材料を得るために、炭素前駆体を高温でさらに熱処理する際に、炭素前駆体から多量の水蒸気が発生し、該水蒸気により炭素前駆体が溶融し、充放電容量を高めるに適した構造を有する炭素質材料が得られないことが明らかになった。また、上記工程における脱水反応が進行しすぎている場合、構造が固定化され過ぎてしまい、後の熱処理での構造形成が生じ難いために、炭素質材料を得るために炭素前駆体を高温でさらに熱処理する際に、リチウムイオンを吸脱着するサイトが形成されにくいことがわかった。 The carbon precursor of the present invention is produced by subjecting a raw material of the carbon precursor to, for example, heat treatment. In such a heat treatment step, it is considered that the physically adsorbed water contained in the substance as a raw material of the carbon precursor is dried and a dehydration reaction occurs at the molecular level. When the drying and dehydration of water in the above steps are insufficient, a large amount of water vapor is generated from the carbon precursor when the carbon precursor is further heat-treated at a high temperature in order to obtain a carbonaceous material, and the water vapor causes carbon. It was revealed that the precursor melted and a carbonaceous material having a structure suitable for increasing the charge / discharge capacity could not be obtained. Further, when the dehydration reaction in the above step proceeds too much, the structure is over-immobilized and it is difficult for the structure to be formed in the subsequent heat treatment. Therefore, the carbon precursor is heated at a high temperature in order to obtain a carbonaceous material. It was found that during further heat treatment, sites that absorb and desorb lithium ions are unlikely to be formed.

さらに、炭素前駆体の原料に、例えば熱処理を施して、本発明の炭素前駆体を製造する際、上記に述べた脱水反応に加えて、カルボニル基を有する架橋構造が形成される架橋反応が進行していると考えられる。上記架橋構造が形成されるメカニズムは明らかではないが、かかる構造が形成されることにより、炭素質材料を得るために炭素前駆体を高温でさらに熱処理する際に、リチウムイオンを吸脱着するサイトが形成されやすく、その結果、非水電解質二次電池の充放電容量を高めやすく、かつ、抵抗を低下させやすいことがわかった。 Further, when the raw material of the carbon precursor is subjected to, for example, heat treatment to produce the carbon precursor of the present invention, in addition to the dehydration reaction described above, a cross-linking reaction in which a cross-linked structure having a carbonyl group is formed proceeds. it seems to do. The mechanism by which the above crosslinked structure is formed is not clear, but due to the formation of such a structure, there are sites that absorb and desorb lithium ions when the carbon precursor is further heat-treated at a high temperature to obtain a carbonaceous material. It was found that it was easily formed, and as a result, it was easy to increase the charge / discharge capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery and to reduce the resistance.

上記の観点から、本発明の炭素前駆体において、元素分析による酸素原子含有量と炭素原子含有量の比(O/C)は、0.10〜0.85である。上記の酸素原子含有量と炭素原子含有量の比が0.85よりも大きい場合、上記工程における水分の乾燥および脱水が不十分であり、かかる比が0.10よりも小さいと、脱水反応が進行しすぎているといえる。炭素前駆体の溶融を防止しやすく、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成しやすく、これらの結果、充放電容量を高めやすい観点からは、酸素原子含有量と炭素原子含有量の比は、好ましくは0.2以上0.80以下、より好ましくは、0.3以上0.79以下、さらに好ましくは、0.4以上0.78以下である。 From the above viewpoint, in the carbon precursor of the present invention, the ratio (O / C) of the oxygen atom content to the carbon atom content by elemental analysis is 0.10 to 0.85. When the ratio of the oxygen atom content to the carbon atom content is larger than 0.85, the drying and dehydration of water in the above step is insufficient, and when the ratio is smaller than 0.10, the dehydration reaction occurs. It can be said that it is progressing too much. The ratio of the oxygen atom content to the carbon atom content is preferable from the viewpoint that it is easy to prevent the carbon precursor from melting, it is easy to form a structure that absorbs and desorbs lithium ions, and as a result, it is easy to increase the charge / discharge capacity. Is 0.2 or more and 0.80 or less, more preferably 0.3 or more and 0.79 or less, and further preferably 0.4 or more and 0.78 or less.

本発明の炭素前駆体において、元素分析による酸素原子含有量は、好ましくは35質量%以上、より好ましくは38質量%以上、さらにより好ましくは40質量%以上である。また、酸素原子含有量は、好ましくは45質量%以下、より好ましくは43質量%以下、さらにより好ましくは42質量%以下である。酸素原子含有量が上記の範囲内であれば、炭素前駆体の溶融を防止しやすく、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成させやすい。 In the carbon precursor of the present invention, the oxygen atom content by elemental analysis is preferably 35% by mass or more, more preferably 38% by mass or more, and even more preferably 40% by mass or more. The oxygen atom content is preferably 45% by mass or less, more preferably 43% by mass or less, and even more preferably 42% by mass or less. When the oxygen atom content is within the above range, it is easy to prevent the carbon precursor from melting, and it is easy to form a structure that absorbs and desorbs lithium ions.

本発明の炭素前駆体において、元素分析による炭素原子含有量は、好ましくは45質量%以上、より好ましくは48質量%以上、さらにより好ましくは50質量%以上、特に好ましくは51質量%以上である。また、炭素原子含有量は、好ましくは60質量%以下、より好ましくは57質量%以下、さらにより好ましくは55質量%以下、特に好ましくは54質量%以下である。炭素原子含有量が上記の範囲内であれば、炭素前駆体の溶融を防止しやすく、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成させやすい。 In the carbon precursor of the present invention, the carbon atom content by elemental analysis is preferably 45% by mass or more, more preferably 48% by mass or more, still more preferably 50% by mass or more, and particularly preferably 51% by mass or more. .. The carbon atom content is preferably 60% by mass or less, more preferably 57% by mass or less, still more preferably 55% by mass or less, and particularly preferably 54% by mass or less. When the carbon atom content is within the above range, it is easy to prevent the carbon precursor from melting, and it is easy to form a structure that absorbs and desorbs lithium ions.

酸素原子含有量および炭素原子含有量の測定の詳細は後述の通りであり、元素分析法(不活性ガス溶解法)により測定される。また、酸素原子含有量を炭素原子含有量で除して、酸素原子含有量と炭素原子含有量の比(O/C)を算出することができる。該比を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12hr熱処理する方法を用いることができる。特に、炭素前駆体の原料の量を増やす、酸素含有気体の供給量を小さくすると、脱水反応が生じる際に水蒸気を除去しにくくなり、原料が水蒸気と水熱反応し、その結果、酸素原子含有量が増加する傾向にある。そのため、原料の量や酸素含有気体の供給量を調整することにより、酸素原子含有量と炭素原子含有量の比を上記の範囲に調整することができる。 The details of the measurement of the oxygen atom content and the carbon atom content are as described later, and are measured by an elemental analysis method (inert gas dissolution method). Further, the ratio (O / C) of the oxygen atom content to the carbon atom content can be calculated by dividing the oxygen atom content by the carbon atom content. The method for adjusting the ratio to the above range is not limited, and for example, a method of heat-treating the raw material of the carbon precursor in a temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hr under the supply of an oxygen-containing gas can be used. can. In particular, if the amount of the raw material of the carbon precursor is increased or the amount of the oxygen-containing gas supplied is reduced, it becomes difficult to remove water vapor when the dehydration reaction occurs, and the raw material reacts hydrothermally with the water vapor, and as a result, contains oxygen atoms. The amount tends to increase. Therefore, the ratio of the oxygen atom content and the carbon atom content can be adjusted within the above range by adjusting the amount of the raw material and the supply amount of the oxygen-containing gas.

本発明の炭素前駆体において、IRスペクトルの1720cm−1付近のピークの強度(I)と3330cm−1付近のピークの強度(I)の比(I/I)は、0.50以上である。IRスペクトルの1720cm−1付近のピーク(I)は、カルボニル基由来のピークであり、通常1695〜1750cm−1に観察される。また、3330cm−1付近のピーク(I)は、水酸基由来のピークであり、通常3200〜3600cm−1に観察される。炭素前駆体を製造する際の熱処理において、カルボニル基を有する架橋構造が形成される架橋反応が進行するとIが大きくなり、それと同時に、脱水反応が進行するとIが小さくなる。これらの反応が進行することで、I/Iが大きくなると考えられる。I/Iが0.50より小さいと、架橋反応が不十分であるか、脱水反応が不十分であるために、炭素前駆体から炭素質材料を得るために高温で熱処理を行う際に、炭素前駆体が溶融してしまう。炭素前駆体の溶融を防ぎ、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成し、放電容量を高めやすい観点から、I/Iは、好ましくは、0.55以上、より好ましくは、0.60以上、さらに好ましくは0.65以上である。I/Iの上限は特に限定されないが、脱水反応を進行させ過ぎない観点からは、好ましくは2.0以下、より好ましくは1.6以下である。In the carbon precursor of the present invention, the ratio of the peak intensity at 1720cm around -1 of the IR spectrum (I A) and 3330Cm -1 near the peak intensity (I B) (I A / I B) is 0.50 That is all. Peak around 1720 cm -1 of the IR spectrum (I A) is a peak derived from a carbonyl group, are observed in the normal 1695~1750cm -1. Further, 3330Cm -1 vicinity of the peak (I B) is a peak derived from a hydroxyl group, are observed in the normal 3200~3600cm -1. In the heat treatment in the preparation of the carbon precursor, I A increases the crosslinking reaction crosslinked structure having a carbonyl group is formed proceeds, at the same time, the I B decreases as dehydration reaction proceeds. By these reactions proceed, it is considered to be I A / I B increases. I and A / I B is 0.50 less than, or crosslinking reaction is insufficient, because dehydration reaction is insufficient, when performing heat treatment at a high temperature to obtain a carbonaceous material from a carbon precursor , The carbon precursor melts. Prevent melting of the carbon precursor, the lithium ions to form a structure for adsorption and desorption, the discharge capacity from the enhanced easily standpoint, I A / I B is preferably 0.55 or more, more preferably, 0.60 or more , More preferably 0.65 or more. While I limit A / I B is not particularly limited, from the viewpoint of not too allowed to proceed dehydration reaction, preferably 2.0 or less, more preferably 1.6 or less.

本発明の炭素前駆体において、IRスペクトルの1720cm−1付近のピーク強度(I)は、好ましくは0.005〜0.05、より好ましくは0.008〜0.045、さらに好ましくは0.010〜0.040である。1720cm−1付近のピーク強度(I)が上記の範囲内であれば、炭素前駆体の溶融を防止しやすく、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成させやすい。In the carbon precursor of the present invention, the peak intensity (I A) in the vicinity of 1720 cm -1 of the IR spectrum, preferably 0.005 to 0.05, more preferably 0.008 to 0.045, more preferably 0. It is 010 to 0.040. Within the range 1720 cm -1 vicinity of the peak intensity (I A) is in the above, easy to prevent melting of the carbon precursor, it tends to form a structure that desorb lithium ions.

本発明の炭素前駆体において、IRスペクトルの3330cm−1付近のピーク強度(I)は、好ましくは0.015〜0.060、より好ましくは0.020〜0.055、さらに好ましくは0.025〜0.050である。3330cm−1付近のピーク強度(I)が上記の範囲内であれば、炭素前駆体の溶融を防止しやすく、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成させやすい。In the carbon precursor of the present invention, the peak intensity in the vicinity of 3330cm -1 of the IR spectrum (I B) is preferably from 0.015 to 0.060, more preferably from 0.020 to 0.055, more preferably 0. It is 025 to 0.050. Within the range 3330cm -1 vicinity of the peak intensity (I B) is in the above, easy to prevent melting of the carbon precursor, it tends to form a structure that desorb lithium ions.

IRの測定方法の詳細は実施例に記載する通りであり、後述するATR法(全反射測定法)により測定される。I/Iを上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12hr熱処理する方法を用いることができる。特に、炭素前駆体の原料の量を増やす、酸素含有気体の供給量を小さくすると、架橋反応が進行しにくくなると共に、脱水反応が生じる際に水蒸気を除去しにくくなり、原料が水蒸気と水熱反応する。その結果、Iが小さくなる、および/または、Iが大きくなり、I/Iが小さくなる傾向がある。そのため、原料の量や酸素含有気体の供給量を調整することにより、I/Iを上記の範囲に調整することができる。The details of the IR measuring method are as described in Examples, and the IR is measured by the ATR method (total reflection measuring method) described later. A method of adjusting the I A / I B in the above range is not limited in any way, for example, the raw material of the carbon precursor under supply of oxygen-containing gas, a method of 1~12hr heat treated at a temperature in the range of 215-240 ° C. Can be used. In particular, if the amount of the raw material of the carbon precursor is increased or the amount of oxygen-containing gas supplied is reduced, it becomes difficult for the cross-linking reaction to proceed and it becomes difficult to remove water vapor when the dehydration reaction occurs, and the raw materials are water vapor and water heat. react. As a result, I A is small, and / or, the greater the I B, there is a tendency that the I A / I B is reduced. Therefore, by adjusting the supply amount of the raw material amounts and oxygen-containing gas, it is possible to adjust the I A / I B in the above range.

本発明の炭素前駆体は、TG−DTA測定によるDTA曲線において、100〜500℃の範囲に吸熱ピークを有さないことが好ましい。上記温度範囲に吸熱ピークを有することは、上記温度範囲に融点を有することを表す。炭素前駆体が100〜500℃の間に吸熱ピークを有さない場合、炭素前駆体中の炭素構造が固定化されており、炭素前駆体から炭素質材料を得るために高温で熱処理を行う際に炭素前駆体が溶融しにくく、得られる非水電解質二次電池の充放電容量を高めやすく、抵抗を低下させやすいと考えられる。TG−DTA測定の詳細は実施例に記載する通りである。DTA曲線において、100〜500℃の間に吸熱ピークを有さないようにする方法は何ら限定されないが、例えば、炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12hr熱処理する方法を用いることができる。特に、炭素前駆体の原料の量を増やす、酸素含有気体の供給量を小さくすると、100〜500℃の間に吸熱ピークを有する構造となり易い傾向がある。そのため、原料の量や酸素含有気体の供給量を調整することにより、100〜500℃の範囲に吸熱ピークを有さないように調整することができる。 The carbon precursor of the present invention preferably does not have an endothermic peak in the range of 100 to 500 ° C. in the DTA curve measured by TG-DTA. Having an endothermic peak in the above temperature range means having a melting point in the above temperature range. When the carbon precursor does not have a heat absorption peak between 100 and 500 ° C., the carbon structure in the carbon precursor is immobilized and when heat treatment is performed at a high temperature to obtain a carbonaceous material from the carbon precursor. It is considered that the carbon precursor is hard to melt, the charge / discharge capacity of the obtained non-aqueous electrolyte secondary battery is easily increased, and the resistance is easily reduced. Details of the TG-DTA measurement are as described in the Examples. In the DTA curve, the method of eliminating the endothermic peak between 100 and 500 ° C. is not limited, but for example, the raw material of the carbon precursor is provided in a temperature range of 215 to 240 ° C. under the supply of an oxygen-containing gas. A method of heat-treating for 1 to 12 hours can be used. In particular, when the amount of the raw material of the carbon precursor is increased and the amount of the oxygen-containing gas supplied is reduced, the structure tends to have an endothermic peak between 100 and 500 ° C. Therefore, by adjusting the amount of the raw material and the supply amount of the oxygen-containing gas, it is possible to adjust so as not to have an endothermic peak in the range of 100 to 500 ° C.

本発明の炭素前駆体は、13C−NMRスペクトルにおいて、0〜50ppmの間にピークを有することが好ましい。13C−NMRスペクトルにおける0〜50ppmの間に観測されるピークは、メチル基やメチレン基、メチン基の炭素に由来するピークである。上記範囲にピークを有することは、炭素前駆体の構造中に飽和炭化水素の構造が含まれることを意味する。飽和炭化水素は、炭素前駆体の構造骨格同士を架橋するような作用があるため、飽和炭化水素の構造が炭素前駆体に含まれることにより、炭素前駆体の構造が固定化され、溶融しにくくなる。飽和炭化水素の構造が形成される機構としては、原料に含まれる脂環式構造の一部が開環し、脱水反応などにより再反応することなどが考えられる。13C−NMR測定の詳細は実施例に記載する通りであり、後述の固体NMR法により測定される。13C−NMRで0〜50ppmにピークを有するようにする方法は何ら限定されないが、例えば、炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12hr熱処理する方法を用いることができる。特に熱処理温度が高くなると、脂環式構造が開環しにくく、架橋構造を形成しにくくなるため、0〜50ppmの間にピークが観察されなくなる傾向がある。そのため、熱処理温度を調整することで、上記範囲にピークを有するようにすることができる。The carbon precursor of the present invention preferably has a peak between 0 and 50 ppm in the 13 C-NMR spectrum. 13 The peak observed between 0 and 50 ppm in the C-NMR spectrum is a peak derived from carbon of a methyl group, a methylene group, or a methine group. Having a peak in the above range means that the structure of the saturated hydrocarbon is included in the structure of the carbon precursor. Since saturated hydrocarbons have the effect of bridging the structural skeletons of carbon precursors, the inclusion of the saturated hydrocarbon structure in the carbon precursor fixes the structure of the carbon precursor and makes it difficult to melt. Become. As a mechanism for forming the structure of the saturated hydrocarbon, it is conceivable that a part of the alicyclic structure contained in the raw material is opened and re-reacted by a dehydration reaction or the like. 13 Details of C-NMR measurement are as described in Examples, and are measured by the solid-state NMR method described later. 13 The method of having a peak at 0 to 50 ppm by C-NMR is not limited, but for example, the raw material of the carbon precursor is heat-treated for 1 to 12 hr in a temperature range of 215 to 240 ° C. under the supply of an oxygen-containing gas. Can be used. In particular, when the heat treatment temperature is high, the alicyclic structure is difficult to open and the crosslinked structure is difficult to form, so that the peak tends not to be observed between 0 and 50 ppm. Therefore, by adjusting the heat treatment temperature, it is possible to have a peak in the above range.

本発明の炭素前駆体において、形状粒度分布測定により測定される円形度は、好ましくは0.95以上、より好ましくは0.97以上、さらにより好ましくは0.980以上、さらにより好ましくは0.981以上、特に好ましくは0.983以上である。円形度が上記の下限以上である場合、構造の固定化が十分に進行しており、炭素前駆体粒子の溶融や、炭素前駆体粒子同士の融着が生じていないと考えられる。その結果、炭素前駆体の構造固定化を進めやすく、リチウムイオンを吸脱着する構造を形成し、充放電容量を高めやすい。また、炭素前駆体から得られる炭素質材料において、電極密度を高めやすい。円形度の測定方法の詳細は実施例に記載する通りであり、後述する形状粒度分布測定法により測定される。円形度を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12hr熱処理する方法を用いることができる。特に、炭素前駆体の原料の量を増やす、酸素含有気体の供給量を小さくすると、炭素前駆体から炭素質材料を製造する際に、炭素前駆体が溶融しやすくなる。そのため、原料の量や酸素含有気体の供給量を調整し、炭素前駆体の溶融を防ぐことにより、円形度を上記範囲に調整することができる。 In the carbon precursor of the present invention, the circularity measured by the shape particle size distribution measurement is preferably 0.95 or more, more preferably 0.97 or more, still more preferably 0.980 or more, still more preferably 0. It is 981 or more, particularly preferably 0.983 or more. When the circularity is equal to or higher than the above lower limit, it is considered that the immobilization of the structure has sufficiently progressed and the carbon precursor particles have not been melted or the carbon precursor particles have not been fused to each other. As a result, it is easy to promote the structural immobilization of the carbon precursor, form a structure for absorbing and desorbing lithium ions, and easily increase the charge / discharge capacity. Further, in the carbonaceous material obtained from the carbon precursor, the electrode density can be easily increased. The details of the method for measuring the circularity are as described in Examples, and the measurement is performed by the shape particle size distribution measuring method described later. The method for adjusting the circularity to the above range is not limited, and for example, a method of heat-treating the raw material of the carbon precursor in a temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hr under the supply of an oxygen-containing gas can be used. can. In particular, if the amount of the raw material of the carbon precursor is increased and the supply amount of the oxygen-containing gas is reduced, the carbon precursor is likely to be melted when the carbonaceous material is produced from the carbon precursor. Therefore, the circularity can be adjusted within the above range by adjusting the amount of the raw material and the supply amount of the oxygen-containing gas to prevent the carbon precursor from melting.

本発明の炭素前駆体の平均粒子径(D50)は、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下、さらにより好ましくは20μm以下、さらにより好ましくは18μm以下、特に好ましくは16μm以下、最も好ましくは15μm以下である。平均粒子径が上記の上限以下である場合、電極作製時の塗工性が良好となることに加えて、炭素前駆体から得た炭素質材料の粒子内でのリチウムイオンの拡散自由行程が少なくなるため、急速な充放電が得やすくなる。さらに、リチウムイオン二次電池では、入出力特性を向上させるために電極面積を大きくすることが重要であり、そのためには、電極調製時に集電板への活物質の塗工厚みを薄くする必要がある。炭素前駆体の平均粒子径が上記の上限以下である場合、活物質となる炭素質材料の平均粒子径も低下させやすく、その結果、電極調製時に塗工厚みを薄くしやすい。また、本発明の炭素前駆体の平均粒子径D50は、好ましくは2μm以上、より好ましくは3μm以上、さらにより好ましくは4μm以上、さらにより好ましくは5μm以上、さらにより好ましくは6μm以上、さらにより好ましくは7μm以上、さらにより好ましくは8μm以上、特に好ましくは9μm以上である。平均粒子径D50が上記の下限以上である場合、炭素前駆体中の微粉に由来する炭素質材料の微粉による比表面積の増加および電解液との反応性の増加を抑制し、不可逆容量の増加を抑制しやすい。また、炭素前駆体から得た炭素質材料を用いて負極を製造する場合に、炭素質材料の間に形成される空隙を確保しやすく、電解液中でのリチウムイオンの移動が抑制されにくく、非水電解質二次電池の抵抗を低下させやすい。平均粒子径D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、例えば粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EXII」)を用いたレーザー散乱法により粒度分布を測定することにより求めることができる。 The average particle size (D 50 ) of the carbon precursor of the present invention is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, even more preferably 20 μm or less, even more preferably 18 μm or less, particularly preferably 16 μm or less, most preferably. It is 15 μm or less. When the mean particle size is not more than the above upper limit, the coatability at the time of electrode fabrication is good, and the diffusion free path of lithium ions in the particles of the carbonaceous material obtained from the carbon precursor is small. Therefore, rapid charge / discharge can be easily obtained. Furthermore, in lithium-ion secondary batteries, it is important to increase the electrode area in order to improve the input / output characteristics, and for that purpose, it is necessary to reduce the coating thickness of the active material on the current collector plate when preparing the electrodes. There is. When the average particle size of the carbon precursor is equal to or less than the above upper limit, the average particle size of the carbonaceous material as the active material is likely to be reduced, and as a result, the coating thickness is likely to be reduced at the time of electrode preparation. The average particle diameter D 50 of the carbon precursor of the present invention is preferably 2μm or more, more preferably 3μm or more, even more preferably 4μm or more, still more preferably 5μm or more, even more preferably 6μm or more, even more It is preferably 7 μm or more, even more preferably 8 μm or more, and particularly preferably 9 μm or more. When the average particle size D 50 is equal to or higher than the above lower limit, the increase in specific surface area and the increase in reactivity with the electrolytic solution due to the fine powder of the carbonaceous material derived from the fine powder in the carbon precursor are suppressed, and the irreversible capacity is increased. Is easy to suppress. Further, when a negative electrode is manufactured using a carbonaceous material obtained from a carbon precursor, it is easy to secure voids formed between the carbonaceous materials, and it is difficult to suppress the movement of lithium ions in the electrolytic solution. It tends to reduce the resistance of non-aqueous electrolyte secondary batteries. The average particle size D 50 is a particle size at which the cumulative volume is 50%. For example, the particle size distribution is performed by a laser scattering method using a particle size / particle size distribution measuring device (“Microtrack MT3300EXII” manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd.). Can be obtained by measuring.

本発明の炭素前駆体を製造するための方法は、上記特性を有する炭素前駆体が得られる限り特に限定されないが、例えば後述する製造方法を用いて製造することができる。 The method for producing the carbon precursor of the present invention is not particularly limited as long as a carbon precursor having the above characteristics can be obtained, but for example, it can be produced by using the production method described later.

本発明は、高い充放電容量および低い抵抗を有する、非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池)の負極活物質または導電材に適した炭素質材料を製造するに有用な、炭素前駆体の製造方法も提供する。 The present invention is suitable for negative electrode active materials or conductive materials of non-aqueous electrolyte secondary batteries (eg, lithium ion secondary batteries, sodium ion batteries, lithium sulfur batteries, lithium air batteries) having high charge / discharge capacity and low resistance. Also provided are methods of producing carbon precursors that are useful in producing carbonaceous materials.

本発明の一態様において、本発明の炭素前駆体の製造方法は、
(1)炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る、製造方法である。
In one aspect of the present invention, the method for producing a carbon precursor of the present invention is:
(1) A production method in which a raw material of a carbon precursor is heat-treated in a temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hours under the supply of an oxygen-containing gas to obtain a carbon precursor.

本発明の別の一態様において、本発明の炭素質材料の製造方法は、
(2)炭素前駆体の原料を、該原料50質量部に対して80〜500質量部の少なくとも1種の耐熱性オイルと混合して得た混合物を、150〜300℃の温度範囲で0.5〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る、製造方法である。
In another aspect of the present invention, the method for producing a carbonaceous material of the present invention is:
(2) A mixture obtained by mixing a raw material of a carbon precursor with at least one heat-resistant oil of 80 to 500 parts by mass with respect to 50 parts by mass of the raw material is obtained in a temperature range of 150 to 300 ° C. This is a production method in which a carbon precursor is obtained by heat treatment for 5 to 12 hours.

上記製造方法(1)および(2)に記載する炭素前駆体の原料は、続く熱処理等の工程を経て本発明の炭素前駆体を与え、さらに続く熱処理等の工程を経て最終的に炭素質材料を与える物質であれば特に限定されず、例えば炭水化物等であってよいが、上記特徴を有する本発明の炭素前駆体を得やすい観点から、好ましくは糖類骨格を有する物質である。糖類骨格を有する物質を原料として用いることにより、糖類骨格を有する物質に由来する炭素前駆体を得ることができる。糖類骨格を有する物質(糖類)としては、例えばグルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、リボース、グルコサミンなどの単糖類や、スクロース、トレハロース、マルトース、セロビオース、マルチトール、ラクトビオン酸、ラクトサミンなどの二糖、でんぷん、グリコーゲン、アガロース、ペクチン、セルロース、キチン、キトサンなどの多糖類が挙げられる。これらの糖類を、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。これらの糖類の中で、大量入手が容易であるためでんぷんが好ましい。 The raw materials for the carbon precursors described in the above-mentioned production methods (1) and (2) are given the carbon precursor of the present invention through subsequent steps such as heat treatment, and are finally carbonaceous materials through subsequent steps such as heat treatment. The substance is not particularly limited as long as it is a substance that gives By using a substance having a saccharide skeleton as a raw material, a carbon precursor derived from the substance having a saccharide skeleton can be obtained. Examples of substances (sugars) having a saccharide skeleton include monosaccharides such as glucose, galactose, mannose, fructose, ribose, and glucosamine, disaccharides such as sucrose, trehalose, maltose, cellobiose, maltitol, lactobionic acid, and lactosamine, and starch. , Glycogen, agarose, pectin, cellulose, chitin, and polysaccharides such as chitosan. These sugars can be used alone or in combination of two or more. Among these sugars, starch is preferable because it is easily available in large quantities.

上記の本発明の製造方法(1)は、炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る製造方法である。酸素含有気体としては、酸素を含有する気体であれば特に限定されないが、空気、酸素、空気または酸素と例えば不活性ガス等のその他の気体との混合気体であってもよい。酸素含有気体中の酸素濃度も特に限定されない。当該工程を実施しやすく、製造コストを下げやすい観点からは、酸素含有気体が空気であることが好ましい。 The above-mentioned production method (1) of the present invention is a production method for obtaining a carbon precursor by heat-treating a raw material of a carbon precursor in a temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hours under the supply of an oxygen-containing gas. .. The oxygen-containing gas is not particularly limited as long as it is a gas containing oxygen, but may be air, oxygen, air or a mixed gas of oxygen and another gas such as an inert gas. The oxygen concentration in the oxygen-containing gas is also not particularly limited. From the viewpoint of facilitating the implementation of the process and reducing the manufacturing cost, it is preferable that the oxygen-containing gas is air.

酸素含有気体の供給下で熱処理を行うとは、酸素含有気体を供給しながら熱処理を行うことを意味する。ここで、例えば空気等の酸素含有気体の単なる雰囲気下での熱処理、例えば単なる大気雰囲気下での熱処理は、積極的な酸素含有気体の供給が行われているとはいえず、酸素含有気体の供給下で熱処理が行われているとはいえない。よって、このような製造方法は、本発明の製造方法(1)には該当しない。酸素含有気体の供給量は、供給が行われる限り特に限定されないが、例えば炭素前駆体の原料の単位表面積あたり、好ましくは0.007〜3.0L/(分・m)、より好ましくは0.009〜2.0L/(分・m)、さらに好ましくは0.01〜0.50L/(分・m)である。なお、単位表面積あたりの供給量は、例えば酸素含有気体の1分あたりの供給量を、被処理物(炭素前駆体の原料)の重量と比表面積の積で除して算出される。Performing the heat treatment while supplying the oxygen-containing gas means performing the heat treatment while supplying the oxygen-containing gas. Here, for example, the heat treatment of an oxygen-containing gas such as air in a mere atmosphere, for example, the heat treatment in a mere atmosphere, does not mean that the oxygen-containing gas is actively supplied, and the oxygen-containing gas is used. It cannot be said that the heat treatment is performed under the supply. Therefore, such a manufacturing method does not correspond to the manufacturing method (1) of the present invention. The amount of the oxygen-containing gas supplied is not particularly limited as long as it is supplied, but is preferably 0.007 to 3.0 L / (min · m 2 ), more preferably 0, per unit surface area of the raw material of the carbon precursor, for example. .009~2.0L / (min · m 2), more preferably from 0.01~0.50L / (min · m 2). The supply amount per unit surface area is calculated by dividing, for example, the supply amount of oxygen-containing gas per minute by the product of the weight of the object to be treated (raw material of the carbon precursor) and the specific surface area.

ここで、上記の熱処理工程においては、熱処理により、炭素前駆体の原料に含まれる物理吸着水が乾燥されると共に、炭素前駆体の原料中の分子レベルでの脱水反応が起こり、炭素前駆体が得られると考えられる。さらに、上記工程において、カルボニル基を有する架橋構造が形成される架橋反応も進行していると考えられる。この工程を酸素含有気体の供給下で行うことにより、後述するメカニズムは本発明を何ら限定するものではないが、炭素前駆体の原料から水が乾燥、脱水により除去される際に、供給される酸素が炭素前駆体の原料と相互作用し、カルボニル基を有する架橋構造が形成されると同時に、除去される水が気体と共に系中から除去される。その結果、炭素前駆体の原料が熱処理により融化することなく、微細な構造を維持する炭素前駆体が得られると考えられる。 Here, in the above heat treatment step, the heat treatment dries the physically adsorbed water contained in the raw material of the carbon precursor, and at the same time, a dehydration reaction occurs at the molecular level in the raw material of the carbon precursor, so that the carbon precursor is produced. It is thought that it will be obtained. Further, in the above step, it is considered that a cross-linking reaction in which a cross-linked structure having a carbonyl group is formed is also in progress. By performing this step under the supply of an oxygen-containing gas, the mechanism described later does not limit the present invention at all, but is supplied when water is removed from the raw material of the carbon precursor by drying or dehydration. Oxygen interacts with the raw material of the carbon precursor to form a crosslinked structure with a carbonyl group, and at the same time the water to be removed is removed from the system along with the gas. As a result, it is considered that a carbon precursor that maintains a fine structure can be obtained without melting the raw material of the carbon precursor by heat treatment.

本発明の製造方法(1)では、原料を昇温し、上記のように215〜240℃の温度範囲で1〜12時間熱処理を行う。本発明の製造方法(1)における熱処理温度は、好ましくは217〜235℃、より好ましくは219〜230℃である。熱処理時間は、好ましくは2〜8時間、より好ましくは2.5〜6時間、さらにより好ましくは3〜5時間である。熱処理温度および時間が上記範囲内であれば、炭素前駆体の原料から、乾燥および脱水により水を効率的かつ十分に除去しやすく、また、上記特徴を有する炭素質材料を最終的に得やすいと考えられる。ここで、熱処理温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。 In the production method (1) of the present invention, the temperature of the raw material is raised, and heat treatment is performed in the temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hours as described above. The heat treatment temperature in the production method (1) of the present invention is preferably 217 to 235 ° C, more preferably 219 to 230 ° C. The heat treatment time is preferably 2 to 8 hours, more preferably 2.5 to 6 hours, and even more preferably 3 to 5 hours. When the heat treatment temperature and time are within the above ranges, it is easy to efficiently and sufficiently remove water from the raw material of the carbon precursor by drying and dehydration, and it is easy to finally obtain a carbonaceous material having the above characteristics. Conceivable. Here, the heat treatment temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range.

上記の本発明の製造方法(2)は、炭素前駆体の原料を、該原料50質量部に対して80〜500質量部の少なくとも1種の耐熱性オイルと混合して得た混合物を、150〜300℃の温度範囲で0.5〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る製造方法である。耐熱性オイルとしては、特に限定されないが、少なくとも熱処理温度範囲で揮発や変質が起こらない物質であれば良く、例えば、シリコンオイル、フッ素オイル、クレオソート油、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール等が挙げられる。 The above-mentioned production method (2) of the present invention is a mixture obtained by mixing a raw material of a carbon precursor with at least one heat-resistant oil of 80 to 500 parts by mass with respect to 50 parts by mass of the raw material. This is a production method for obtaining a carbon precursor by heat treatment in a temperature range of about 300 ° C. for 0.5 to 12 hours. The heat-resistant oil is not particularly limited as long as it is a substance that does not volatilize or deteriorate in at least the heat treatment temperature range. For example, silicon oil, fluorine oil, creosote oil, diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol and the like can be used. Can be mentioned.

炭素前駆体の原料と混合する耐熱性オイルの量は、原料を分散させ、融着を生じさせ難い観点から、炭素前駆体の原料50質量部に対して80〜500質量部、好ましくは100〜400質量部、より好ましくは150〜300質量部、さらにより好ましくは180〜280質量部である。炭素前駆体の原料を耐熱性オイルと混合する方法は特に限定されず、炭素前駆体の原料を耐熱性オイルと直接混合してもよいし、炭素前駆体および/または有機酸を少なくとも1種の液体に分散および/または溶解させた状態で混合してもよい。また、少なくとも1種の液体を用いて混合を行う場合、必要に応じて該液体を蒸発等により除去して混合物を得てもよい。 The amount of the heat-resistant oil to be mixed with the raw material of the carbon precursor is 80 to 500 parts by mass, preferably 100 to 100 parts by mass with respect to 50 parts by mass of the raw material of the carbon precursor from the viewpoint of dispersing the raw materials and making it difficult to cause fusion. It is 400 parts by mass, more preferably 150 to 300 parts by mass, and even more preferably 180 to 280 parts by mass. The method of mixing the raw material of the carbon precursor with the heat-resistant oil is not particularly limited, and the raw material of the carbon precursor may be directly mixed with the heat-resistant oil, or at least one carbon precursor and / or an organic acid may be mixed. It may be mixed in a state of being dispersed and / or dissolved in a liquid. Further, when mixing is performed using at least one kind of liquid, the liquid may be removed by evaporation or the like, if necessary, to obtain a mixture.

ここで、上記の熱処理工程においては、熱処理により、炭素前駆体の原料に含まれる物理吸着水が乾燥されると共に、炭素前駆体の原料中の分子レベルでの脱水反応が起こり、炭素前駆体が得られると考えられる。さらに、上記工程において、カルボニル基を有する架橋構造が形成される架橋反応も進行していると考えられる。この工程を耐熱性オイルと混合した状態で行うことにより、後述するメカニズムは本発明を何ら限定するものではないが、炭素前駆体の原料から乾燥、脱水により生じた水が、耐熱性オイルの存在により炭素前駆体表面から効率的に除去されると考えられる。その結果、炭素前駆体の原料が熱処理により融化することなく、微細な構造を維持する炭素前駆体が得られると考えられる。 Here, in the above heat treatment step, the heat treatment dries the physically adsorbed water contained in the raw material of the carbon precursor, and at the same time, a dehydration reaction occurs at the molecular level in the raw material of the carbon precursor, so that the carbon precursor is produced. It is thought that it will be obtained. Further, in the above step, it is considered that a cross-linking reaction in which a cross-linked structure having a carbonyl group is formed is also in progress. By performing this step in a state of being mixed with the heat-resistant oil, the mechanism described later does not limit the present invention at all, but the water generated by drying and dehydrating the raw material of the carbon precursor is the presence of the heat-resistant oil. It is considered that the carbon precursor is efficiently removed from the surface of the carbon precursor. As a result, it is considered that a carbon precursor that maintains a fine structure can be obtained without melting the raw material of the carbon precursor by heat treatment.

本発明の製造方法(2)では、炭素前駆体の原料を耐熱性オイルと混合して得た混合物を50〜300℃の温度範囲で0.5〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る。工程(7)における熱処理温度は、50〜300℃、好ましくは150〜300℃、より好ましくは180〜280℃、さらにより好ましくは200〜260℃、特に好ましくは210〜250℃である。熱処理時間は、0.5〜12時間、好ましくは1〜8時間、より好ましくは2〜6時間、さらにより好ましくは3〜5時間である。熱処理温度および時間が上記範囲内であれば、炭素前駆体の原料から、乾燥および脱水により水を効率的かつ十分に除去しやすく、また、充放電容量が高く、抵抗が低い非水電解質二次電池を製造するに適した炭素質材料を最終的に得やすいと考えられる。ここで、熱処理温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。 In the production method (2) of the present invention, a mixture obtained by mixing a raw material of a carbon precursor with a heat-resistant oil is heat-treated in a temperature range of 50 to 300 ° C. for 0.5 to 12 hours to obtain a carbon precursor. The heat treatment temperature in the step (7) is 50 to 300 ° C., preferably 150 to 300 ° C., more preferably 180 to 280 ° C., even more preferably 200 to 260 ° C., and particularly preferably 210 to 250 ° C. The heat treatment time is 0.5 to 12 hours, preferably 1 to 8 hours, more preferably 2 to 6 hours, and even more preferably 3 to 5 hours. When the heat treatment temperature and time are within the above ranges, it is easy to efficiently and sufficiently remove water from the raw material of the carbon precursor by drying and dehydration, and the charge / discharge capacity is high and the resistance is low. It is considered that it is easy to finally obtain a carbonaceous material suitable for manufacturing a battery. Here, the heat treatment temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range.

本発明の炭素前駆体を原料とし、以下の工程を少なくとも含む方法により、炭素質材料を製造することができる:
(3A)本発明の炭素前駆体を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、500〜900℃の範囲の第1温度まで加熱する工程、
(3B)前記炭素前駆体を、不活性ガスの供給下、500〜900℃の温度で熱処理して炭化物を得る工程、ここで、不活性ガスの供給量は炭素前駆体の単位表面積あたり0.01〜5.0L/(分・m)である、
(4A)前記炭化物を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、1000〜1400℃の範囲の第2温度まで加熱する工程、および
(4B)前記炭化物を、不活性ガスの供給下、1000〜1400℃の温度で熱処理して炭素質材料を得る工程、ここで、不活性ガスの供給量は炭化物の単位表面積あたり0.01〜5.0L/(分・m)である。
A carbonaceous material can be produced from the carbon precursor of the present invention by a method including at least the following steps:
(3A) A step of heating the carbon precursor of the present invention to a first temperature in the range of 500 to 900 ° C. at a heating rate of 100 ° C./hour or more in an inert gas atmosphere.
(3B) A step of heat-treating the carbon precursor at a temperature of 500 to 900 ° C. under the supply of an inert gas to obtain carbides, wherein the supply amount of the inert gas is 0. 01 to 5.0 L / (minutes / m 2 ),
(4A) The step of heating the carbide to a second temperature in the range of 1000 to 1400 ° C. at a heating rate of 100 ° C./hour or more in an inert gas atmosphere, and (4B) the carbide is an inert gas. In the process of obtaining a carbonaceous material by heat treatment at a temperature of 1000 to 1400 ° C., the supply amount of the inert gas is 0.01 to 5.0 L / (minute · m 2 ) per unit surface area of the carbide. Is.

工程(3A)は、本発明の製造方法で得た炭素前駆体を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、500〜900℃の範囲の第1温度まで加熱する工程であり、工程(3B)は、次いで、該炭素前駆体を、不活性ガスの供給下、500〜900℃の温度で熱処理して炭化物を得る工程である。工程(3A)は、不活性ガス雰囲気下で行われ、工程(3B)は、不活性ガスの供給下で行われ、工程(3B)における不活性ガスの供給量は炭素前駆体の単位表面積あたり0.01〜5.0L/(分・m)である。ここで、工程が不活性ガス雰囲気下で行われるとは、該工程が不活性ガス雰囲気中で行われることを表し、不活性ガスの積極的な供給が行われていても、行われていなくてもよい。これに対し、工程が不活性ガス供給下で行われるとは、不活性ガスが供給される雰囲気下であることを意味し、例えば不活性ガスの単なる雰囲気下での熱処理は、積極的な不活性ガスの供給が行われているとはいえず、不活性ガスの供給下で熱処理が行われているとはいえない。なお、本明細書において、当該工程(3A)および/または(3B)を低温焼成(工程)とも称する。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガスが挙げられ、好ましくは窒素ガスである。Step (3A) is a step of heating the carbon precursor obtained by the production method of the present invention to a first temperature in the range of 500 to 900 ° C. in an inert gas atmosphere at a heating rate of 100 ° C./hour or more. The step (3B) is then a step of heat-treating the carbon precursor at a temperature of 500 to 900 ° C. under the supply of an inert gas to obtain a carbide. The step (3A) is carried out in an atmosphere of an inert gas, the step (3B) is carried out under the supply of an inert gas, and the amount of the inert gas supplied in the step (3B) is per unit surface area of the carbon precursor. It is 0.01 to 5.0 L / (minutes / m 2 ). Here, the fact that the step is carried out in the atmosphere of the inert gas means that the step is carried out in the atmosphere of the inert gas, and even if the active gas is actively supplied, it is not carried out. You may. On the other hand, the fact that the step is performed under the supply of the inert gas means that the process is performed in an atmosphere in which the inert gas is supplied. For example, heat treatment of the inert gas in a mere atmosphere is not positive. It cannot be said that the active gas is supplied, and it cannot be said that the heat treatment is performed under the supply of the inert gas. In addition, in this specification, the said step (3A) and / or (3B) is also referred to as low temperature firing (step). Examples of the inert gas include argon gas, helium gas, and nitrogen gas, and nitrogen gas is preferable.

工程(3A)における昇温速度は、充放電容量が高く、抵抗が低い非水電解質二次電池を製造するに適した炭素質材料を最終的に得やすい観点から、好ましくは100℃/時間以上、より好ましくは300℃/時間以上、さらに好ましくは400℃/時間以上、特に好ましくは500℃/時間以上である。昇温速度の上限は特に限定されないが、急激な熱分解による比表面積増大を抑制しやすい観点から、好ましくは1000℃/時間以下、より好ましくは800℃/時間以下である。工程(3A)における第1温度は、500〜900℃、好ましくは550〜880℃、より好ましくは600〜860℃、さらに好ましくは700〜840℃である。 The rate of temperature rise in the step (3A) is preferably 100 ° C./hour or more from the viewpoint of easily obtaining a carbonaceous material suitable for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high charge / discharge capacity and low resistance. , More preferably 300 ° C./hour or higher, still more preferably 400 ° C./hour or higher, and particularly preferably 500 ° C./hour or higher. The upper limit of the temperature rising rate is not particularly limited, but is preferably 1000 ° C./hour or less, more preferably 800 ° C./hour or less, from the viewpoint of easily suppressing an increase in the specific surface area due to rapid thermal decomposition. The first temperature in the step (3A) is 500 to 900 ° C., preferably 550 to 880 ° C., more preferably 600 to 860 ° C., still more preferably 700 to 840 ° C.

次いで、工程(3B)では、炭素前駆体を、不活性ガスの供給下、500〜900℃の温度で熱処理して炭化物を得る。工程(3B)における熱処理温度を以下において低温焼成温度とも称する。工程(3B)における低温焼成温度は、500〜900℃、好ましくは550〜880℃、より好ましくは600〜860℃、さらに好ましくは700〜840℃である。低温焼成温度が上記の範囲内であれば、充放電容量が高く、抵抗が低い非水電解質二次電池を製造するに適した炭素質材料を最終的に得やすい。低温焼成温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。工程(3B)における熱処理時間は、好ましくは0.1〜5時間、より好ましくは0.3〜3時間、さらにより好ましくは0.5〜2時間である。不活性ガスの供給量は、炭素前駆体の単位表面積あたり0.01〜5.0L/(分・m)、好ましくは0.015〜4.0L/(分・m)、より好ましくは0.020〜3.0L/(分・m)である。工程(3A)も上記不活性ガスの供給量で不活性ガスを供給しながら行われることが好ましい。また、操作を簡便にし易い観点から、工程(3A)における第1温度と工程(3B)における熱処理温度とが等しいことが好ましい。Then, in step (3B), the carbon precursor is heat-treated at a temperature of 500 to 900 ° C. under the supply of an inert gas to obtain carbides. The heat treatment temperature in the step (3B) is also referred to as a low temperature firing temperature below. The low temperature firing temperature in the step (3B) is 500 to 900 ° C., preferably 550 to 880 ° C., more preferably 600 to 860 ° C., still more preferably 700 to 840 ° C. When the low-temperature firing temperature is within the above range, it is easy to finally obtain a carbonaceous material suitable for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high charge / discharge capacity and low resistance. The low-temperature firing temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range. The heat treatment time in the step (3B) is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.3 to 3 hours, and even more preferably 0.5 to 2 hours. The amount of the inert gas supplied is 0.01 to 5.0 L / (minutes / m 2 ), preferably 0.015 to 4.0 L / (minutes / m 2 ), more preferably 0.01 to 5.0 L / (minutes / m 2) per unit surface area of the carbon precursor. It is 0.020 to 3.0 L / (minutes / m 2 ). It is preferable that the step (3A) is also carried out while supplying the inert gas with the above-mentioned amount of the inert gas supplied. Further, from the viewpoint of facilitating the operation, it is preferable that the first temperature in the step (3A) and the heat treatment temperature in the step (3B) are equal to each other.

工程(4A)は、前記工程(3B)で得た炭化物を、不活性ガス雰囲気下、100℃/時間以上の昇温速度で、1000〜1400℃の範囲の第2温度まで加熱する工程であり、工程(4B)は、次いで、該炭化物を、不活性ガスの供給下、1000〜1400℃の温度で熱処理して炭素質材料を得る工程である。ここで、工程(4A)は、不活性ガス雰囲気下で行われ、工程(4B)は、不活性ガスの供給下で行われ、工程(4B)における不活性ガスの供給量は炭素前駆体の単位表面積あたり0.01〜5.0L/(分・m)である。ここで、不活性ガス雰囲気下、不活性ガス供給下という条件については、上記で(3A)および(3B)について記載したとおりである。また、本明細書において、当該工程(4A)および/または(4B)を高温焼成(工程)とも称する。不活性ガスとしては、上記で(3A)および(3B)について上記に記載したものが挙げられ、好ましくは窒素ガスである。The step (4A) is a step of heating the carbide obtained in the step (3B) to a second temperature in the range of 1000 to 1400 ° C. at a heating rate of 100 ° C./hour or more in an inert gas atmosphere. Step (4B) is then a step of heat-treating the carbide at a temperature of 1000 to 1400 ° C. under the supply of an inert gas to obtain a carbonaceous material. Here, the step (4A) is carried out in an atmosphere of an inert gas, the step (4B) is carried out under the supply of an inert gas, and the amount of the inert gas supplied in the step (4B) is that of the carbon precursor. It is 0.01 to 5.0 L / (minute · m 2 ) per unit surface area. Here, the conditions under the atmosphere of the inert gas and the supply of the inert gas are as described for (3A) and (3B) above. Further, in the present specification, the steps (4A) and / or (4B) are also referred to as high-temperature firing (steps). Examples of the inert gas include those described above for (3A) and (3B), and nitrogen gas is preferable.

工程(4A)における昇温速度は、充放電容量が高く、抵抗が低い非水電解質二次電池を製造するに適した炭素質材料を最終的に得やすい観点から、好ましくは100℃/時間以上、より好ましくは300℃/時間以上、さらに好ましくは400℃/時間以上、特に好ましくは500℃/時間以上である。昇温速度の上限は特に限定されないが、急激な熱分解による比表面積増大を抑制しやすい観点から、好ましくは800℃/時間以下、より好ましくは700℃/時間以下、さらにより好ましくは600℃/時間以下である。工程(4A)における第2温度は、1000〜1400℃、好ましくは1050〜1380℃、より好ましくは1100〜1370℃、さらに好ましくは1150〜1360℃、特に好ましくは1200〜1350℃である。 The rate of temperature rise in the step (4A) is preferably 100 ° C./hour or more from the viewpoint of easily obtaining a carbonaceous material suitable for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high charge / discharge capacity and low resistance. , More preferably 300 ° C./hour or higher, still more preferably 400 ° C./hour or higher, and particularly preferably 500 ° C./hour or higher. The upper limit of the heating rate is not particularly limited, but from the viewpoint of easily suppressing the increase in specific surface area due to rapid thermal decomposition, it is preferably 800 ° C./hour or less, more preferably 700 ° C./hour or less, and even more preferably 600 ° C./hour. It's less than an hour. The second temperature in the step (4A) is 1000 to 1400 ° C, preferably 105 to 1380 ° C, more preferably 1100 to 1370 ° C, still more preferably 1150 to 1360 ° C, and particularly preferably 1200 to 1350 ° C.

リチウムイオンを吸蔵しやすい構造を作り、放電容量を高めやすい観点から、通常、工程(3B)に続いて工程(4A)が行われる。したがって、工程(4A)における昇温工程は、500〜900℃の範囲の低温焼成温度から、上記1000〜1400℃の範囲の第2温度まで昇温する工程である。例えば、上記の昇温速度で、低温焼成温度(500〜900℃)から第2温度(1000〜1400℃)まで、好ましくは低温焼成温度(550〜880℃)から第2温度(1050〜1380℃)まで、より好ましくは低温焼成温度(600〜860℃)から第2温度(1100〜1370℃)まで、さらにより好ましくは低温焼成温度(600〜860℃)から第2温度(1150〜1360℃)まで、特に好ましくは低温焼成温度(700〜840℃)から第2温度(1200〜1350℃)まで、昇温される。 The step (4A) is usually followed by the step (3B) from the viewpoint of creating a structure that easily occludes lithium ions and easily increasing the discharge capacity. Therefore, the temperature raising step in the step (4A) is a step of raising the temperature from the low temperature firing temperature in the range of 500 to 900 ° C. to the second temperature in the range of 1000 to 1400 ° C. For example, at the above heating rate, the low temperature firing temperature (500 to 900 ° C.) to the second temperature (1000 to 1400 ° C.), preferably the low temperature firing temperature (550 to 880 ° C.) to the second temperature (1050 to 1380 ° C.). ), More preferably from the low temperature firing temperature (600 to 860 ° C.) to the second temperature (1100 to 1370 ° C.), and even more preferably from the low temperature firing temperature (600 to 860 ° C.) to the second temperature (1150 to 1360 ° C.). The temperature is raised from a low temperature firing temperature (700 to 840 ° C.) to a second temperature (1200 to 1350 ° C.), particularly preferably.

次いで、工程(4B)では、炭化物を、不活性ガスの供給下、1000〜1400℃の温度で熱処理して炭素質材料を得る。工程(4B)における熱処理温度を以下において高温焼成温度とも称する。工程(4B)における高温焼成温度は、操作を簡便にしやすく、充放電容量が高く、抵抗が低い非水電解質二次電池を製造するに適した炭素質材料を得やすい観点から、1000〜1400℃、好ましくは1050〜1380℃、より好ましくは1100〜1370℃、さらに好ましくは1150〜1360℃、特に好ましくは1200〜1350℃である。高温焼成温度は、一定の温度であってよいが、上記範囲内であれば特に限定されない。工程(4B)における熱処理時間は、好ましくは0.1〜5時間、より好ましくは0.3〜3時間、さらにより好ましくは0.5〜2時間である。不活性ガスの供給量は、炭化物の単位表面積あたり0.01〜5.0L/(分・m)、好ましくは0.015〜4.0L/(分・m)、より好ましくは0.020〜3.0L/(分・m)である。工程(4A)も上記不活性ガスの供給量で不活性ガスを供給しながら行われることが好ましい。また、操作を簡便にしやすい観点から、工程(4A)における第2温度と工程(4B)における熱処理温度とが等しいことが好ましい。Then, in step (4B), the carbide is heat-treated at a temperature of 1000 to 1400 ° C. under the supply of an inert gas to obtain a carbonaceous material. The heat treatment temperature in the step (4B) is also referred to as a high temperature firing temperature below. The high-temperature firing temperature in the step (4B) is 1000 to 1400 ° C. from the viewpoint of easy operation, high charge / discharge capacity, and easy acquisition of a carbonaceous material suitable for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery having low resistance. It is preferably 105 to 1380 ° C., more preferably 1100 to 1370 ° C., further preferably 1150 to 1360 ° C., and particularly preferably 1200 to 1350 ° C. The high-temperature firing temperature may be a constant temperature, but is not particularly limited as long as it is within the above range. The heat treatment time in the step (4B) is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.3 to 3 hours, and even more preferably 0.5 to 2 hours. The supply amount of the inert gas per unit surface area of the carbide 0.01~5.0L / (min · m 2), preferably 0.015~4.0L / (min · m 2), more preferably 0. It is 020 to 3.0 L / (minutes / m 2 ). It is preferable that the step (4A) is also carried out while supplying the inert gas with the above-mentioned amount of the inert gas supplied. Further, from the viewpoint of facilitating the operation, it is preferable that the second temperature in the step (4A) and the heat treatment temperature in the step (4B) are equal to each other.

高温焼成温度(すなわち工程(4B)における焼成温度)は、好ましくは上記工程(4A)における第2温度と等しく、電極に用いた際に高い充放電容量および充放電効率と低い抵抗を与える炭素質材料を得やすい観点で、工程(3B)における焼成温度(好ましい態様において工程(3A)における第1温度)以上の温度であることが好ましい。高温焼成温度は、低温焼成温度よりも、好ましくは50〜700℃、より好ましくは100〜600℃、さらにより好ましくは150〜500℃、特に好ましくは200〜400℃高い温度である。 The high temperature firing temperature (ie, the firing temperature in step (4B)) is preferably equal to the second temperature in step (4A) and is a carbonaceous material that gives high charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency and low resistance when used in electrodes. From the viewpoint of easily obtaining the material, it is preferable that the temperature is equal to or higher than the firing temperature in the step (3B) (the first temperature in the step (3A) in a preferred embodiment). The high-temperature firing temperature is preferably 50 to 700 ° C., more preferably 100 to 600 ° C., even more preferably 150 to 500 ° C., and particularly preferably 200 to 400 ° C. higher than the low-temperature firing temperature.

炭化物を高温で焼成する工程(4A)および(4B)に供する前に、工程(3B)で得た炭化物に少なくとも1種の揮発性有機物を添加する工程(10)をさらに含んでいてもよい。工程(10)を行うことにより、炭化物を高温で焼成する際に揮発した有機物が炭化物表面に付着し、その結果、より低い比表面積を有する炭素質材料を製造しやすくなる。このような炭素質材料は、高い充放電容量および低い抵抗を維持しつつ、炭素質材料中に存在する水分の量を低下させ、水分による電解液の加水分解および水の電気分解を抑制することができる。 A step (10) of adding at least one volatile organic compound to the carbide obtained in the step (3B) may be further included before the carbides are subjected to the steps (4A) and (4B) of firing at a high temperature. By performing the step (10), the organic matter volatilized when the carbide is calcined at a high temperature adheres to the surface of the carbide, and as a result, it becomes easy to produce a carbonaceous material having a lower specific surface area. Such a carbonaceous material reduces the amount of water present in the carbonaceous material while maintaining a high charge / discharge capacity and low resistance, and suppresses hydrolysis of the electrolytic solution and electrolysis of water by water. Can be done.

揮発性有機物は、窒素等の不活性ガス雰囲気下、例えば500℃以上の温度で熱処理をする際に、ほぼ炭化せず(例えば物質の好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上が炭化せず)、揮発する(気化もしくは熱分解し、ガスになる)有機化合物である。揮発性有機物としては、以下に限定されるものではないが、例えば熱可塑性樹脂、低分子有機化合物が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられる。なお、本明細書において、(メタ)アクリルとは、メタクリルとアクリルの総称である。低分子有機化合物としては、トルエン、キシレン、メシチレン、スチレン、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等が挙げられる。焼成温度下で揮発し、熱分解した場合に炭素前駆体の表面を酸化賦活しないものが好ましいことから、熱可塑性樹脂としてはポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが好ましい。低分子有機化合物としては、安全上の観点から常温下(たとえば20℃)において揮発性が小さい化合物がさらに好ましく、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等が特に好ましい。 Volatile organic substances are hardly carbonized (for example, preferably 80% or more, more preferably 90% or more of the substance) when heat-treated in an inert gas atmosphere such as nitrogen at a temperature of, for example, 500 ° C. or higher. It is an organic compound that volatilizes (vaporizes or thermally decomposes into gas). Examples of volatile organic compounds include, but are not limited to, thermoplastic resins and small molecule organic compounds. Examples of the thermoplastic resin include polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly (meth) acrylic acid, and poly (meth) acrylic acid ester. In this specification, (meth) acrylic is a general term for methacryl and acrylic. Examples of the low molecular weight organic compound include toluene, xylene, mesitylene, styrene, naphthalene, phenanthrene, anthracene, pyrene and the like. Polystyrene, polyethylene, and polypropylene are preferable as the thermoplastic resin because those that volatilize at the firing temperature and do not oxidize and activate the surface of the carbon precursor when thermally decomposed are preferable. As the small molecule organic compound, a compound having low volatility at room temperature (for example, 20 ° C.) is more preferable from the viewpoint of safety, and naphthalene, phenanthrene, anthracene, pyrene and the like are particularly preferable.

工程(10)において、工程(3B)で得た炭化物に少なくとも1種の揮発性有機物を添加する。添加方法は特に限定されないが、例えば工程(3B)で得た炭化物と少なくとも1種の揮発性有機物とを混合して添加を行ってよい。揮発性有機物の添加量は、特に限定されないが、炭化物100質量部に対して、好ましくは2〜30質量部、より好ましくは4〜20質量部、さらに好ましくは5〜15質量部である。 In step (10), at least one volatile organic compound is added to the carbide obtained in step (3B). The method of addition is not particularly limited, but for example, the carbide obtained in step (3B) and at least one volatile organic compound may be mixed and added. The amount of the volatile organic compound added is not particularly limited, but is preferably 2 to 30 parts by mass, more preferably 4 to 20 parts by mass, and further preferably 5 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbide.

上記炭素質材料の製造方法は、炭素前駆体、炭化物および/または炭素質材料を粉砕する工程(11)をさらに含んでいてもよい。粉砕工程(11)は、炭素前駆体、炭化物および/または炭素質材料を、通常の方法、例えばボールミルやジェットミルを用いる方法等により行ってよい。粉砕工程(11)は、例えば工程(1)、(3B)および/または(4B)の後で行ってよく、熱処理による収縮や、形状変化が生じにくく、充放電容量が高く、抵抗が低い非水電解質二次電池を製造するに適した炭素質材料を最終的に得やすい観点からは、工程(3B)または(4B)の後に行うことが好ましい。 The method for producing a carbonaceous material may further include a step (11) of pulverizing a carbon precursor, a carbide and / or a carbonaceous material. The pulverization step (11) may be performed on the carbon precursor, carbide and / or carbonaceous material by a usual method, for example, a method using a ball mill or a jet mill. The pulverization step (11) may be performed after, for example, steps (1), (3B) and / or (4B), and shrinkage or shape change due to heat treatment is unlikely to occur, the charge / discharge capacity is high, and the resistance is low. From the viewpoint that a carbonaceous material suitable for producing a water electrolyte secondary battery can be finally obtained easily, it is preferable to carry out after the step (3B) or (4B).

本発明の炭素前駆体、又は、本発明の製造方法により得られる炭素前駆体は、非水電解質二次電池の負極活物質として好適に使用することができる炭素質材料を製造するための原料として適している。 The carbon precursor of the present invention or the carbon precursor obtained by the production method of the present invention can be used as a raw material for producing a carbonaceous material that can be suitably used as a negative electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. Are suitable.

以下において、本発明の炭素前駆体を原料として、上記のような製造方法で製造した炭素質材料を用いて、非水電解質二次電池用の負極を製造する方法を具体的に述べる。負極は、例えば、炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し、適当な溶媒を適量添加した後、これらを混練し電極合剤を調製する。得られた電極合剤を、金属板等からなる集電板に塗布および乾燥後、加圧成形することにより、非水電解質二次電池用の負極を製造することができる。 Hereinafter, a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery will be specifically described using the carbonaceous material produced by the above-mentioned production method using the carbon precursor of the present invention as a raw material. For the negative electrode, for example, a binder is added to a carbonaceous material, an appropriate amount of a suitable solvent is added, and then these are kneaded to prepare an electrode mixture. A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery can be manufactured by applying the obtained electrode mixture to a current collector plate made of a metal plate or the like, drying it, and then pressure-molding it.

本発明の炭素前駆体から製造した炭素質材料を用いることにより、導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極(負極)を製造することができる。さらに高い導電性を賦与することを目的として、必要に応じて電極合剤の調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブ等を用いることができる。導電助剤の添加量は、使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないことがあり、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなることがある。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5〜10質量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100質量%とする)であり、さらにより好ましくは0.5〜7質量%、特に好ましくは0.5〜5質量%である。結合剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等のように電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもSBRとCMCとの混合物は、活物質表面に付着したSBRとCMCがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性が得られるため好ましい。SBR等の水性エマルジョンやCMCを溶解し、スラリーを形成するために、水等の極性溶媒が好ましく用いられるが、PVDF等の溶剤性エマルジョンをN−メチルピロリドン等に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させることがある。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料の粒子相互間および集電材との結合が不十分になることがある。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、例えば溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5〜5質量%が好ましく、1〜4質量%がより好ましい。一方、PVDF系のバインダーでは好ましくは3〜13質量%であり、より好ましくは3〜10質量%である。また、電極合剤中の炭素質材料の量は、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましい。また、電極合剤中の炭素質材料の量は100質量%以下が好ましく、97質量%以下がより好ましい。 By using the carbonaceous material produced from the carbon precursor of the present invention, it is possible to produce an electrode (negative electrode) having high conductivity without adding a conductive auxiliary agent. If necessary, a conductive auxiliary agent can be added at the time of preparing the electrode mixture for the purpose of imparting higher conductivity. As the conductive auxiliary agent, conductive carbon black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), nanotubes and the like can be used. The amount of the conductive auxiliary agent added varies depending on the type of the conductive auxiliary agent used, but if the amount added is too small, the expected conductivity may not be obtained, and if it is too large, the dispersion in the electrode mixture is poor. May become. From this point of view, the preferable ratio of the conductive auxiliary agent to be added is 0.5 to 10% by mass (here, the amount of the active material (carbonaceous material) + the amount of the binder + the amount of the conductive auxiliary agent = 100% by mass). Yes, even more preferably 0.5 to 7% by mass, particularly preferably 0.5 to 5% by mass. The binder is particularly limited as long as it does not react with the electrolytic solution, such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, and a mixture of SBR (styrene-butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose). Not done. Above all, a mixture of SBR and CMC is preferable because SBR and CMC adhering to the surface of the active material do not hinder the movement of lithium ions and good input / output characteristics can be obtained. A polar solvent such as water is preferably used to dissolve an aqueous emulsion such as SBR or CMC to form a slurry, but a solvent emulsion such as PVDF can also be used by dissolving it in N-methylpyrrolidone or the like. If the amount of the binder added is too large, the resistance of the obtained electrode becomes large, so that the internal resistance of the battery becomes large and the battery characteristics may be deteriorated. Further, if the amount of the binder added is too small, the bonding between the particles of the negative electrode material and the current collector may be insufficient. The preferable amount of the binder added depends on the type of binder used, but for example, in a binder using water as a solvent, a plurality of binders such as a mixture of SBR and CMC are often mixed and used. The total amount of the total binder to be added is preferably 0.5 to 5% by mass, more preferably 1 to 4% by mass. On the other hand, the PVDF-based binder is preferably 3 to 13% by mass, more preferably 3 to 10% by mass. The amount of the carbonaceous material in the electrode mixture is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more. The amount of the carbonaceous material in the electrode mixture is preferably 100% by mass or less, more preferably 97% by mass or less.

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

本発明の炭素前駆体から製造した炭素質材料を用いた非水電解質二次電池は、高い充放電容量および低い抵抗を有する。本発明の炭素前駆体から製造した炭素質材料を用いて非水電解質二次電池用の負極を形成する場合、正極材料、セパレータ、および電解液などの電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。 A non-aqueous electrolyte secondary battery using a carbonaceous material produced from the carbon precursor of the present invention has a high charge / discharge capacity and low resistance. When a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery is formed using a carbonaceous material produced from the carbon precursor of the present invention, other materials constituting the battery such as a positive electrode material, a separator, and an electrolytic solution are particularly limited. It is possible to use various materials conventionally used or proposed as a non-aqueous solvent secondary battery without using.

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

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

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

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

本発明の炭素前駆体を用いて製造した炭素質材料は、低抵抗性を有することから、例えば、電池の電極材に導電性を付与する添加剤として使用することもできる。電池の種類は特に限定されないが、非水電解質二次電池、鉛蓄電池が好適である。このような電池の電極材に添加することにより、導電ネットワークを形成することができ、導電性が高まることで、不可逆反応を抑制することができるため、電池を長寿命化することもできる。 Since the carbonaceous material produced using the carbon precursor of the present invention has low resistance, it can be used, for example, as an additive for imparting conductivity to the electrode material of the battery. The type of battery is not particularly limited, but a non-aqueous electrolyte secondary battery and a lead storage battery are preferable. By adding it to the electrode material of such a battery, a conductive network can be formed, and by increasing the conductivity, an irreversible reaction can be suppressed, so that the life of the battery can be extended.

本発明はまた、高い充放電容量と、低い抵抗を有する非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池)の負極活物質または導電材に適した炭素質材料の原料となる、炭素前駆体の製造方法も提供する。該製造方法は、糖類骨格を有する物質を原料とし、215〜240℃の温度範囲で1〜12hr熱処理する方法であって、かかる方法により本発明の炭素前駆体を得ることができる。 The present invention is also suitable for negative electrode active materials or conductive materials of non-aqueous electrolyte secondary batteries (eg, lithium ion secondary batteries, sodium ion batteries, lithium sulfur batteries, lithium air batteries) having high charge / discharge capacity and low resistance. Also provided is a method for producing a carbon precursor, which is a raw material for a carbonaceous material. The production method is a method in which a substance having a saccharide skeleton is used as a raw material and heat-treated for 1 to 12 hours in a temperature range of 215 to 240 ° C., and the carbon precursor of the present invention can be obtained by such a method.

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

(元素分析)
株式会社堀場製作所製、酸素・窒素・水素分析装置EMGA−930を用いて、不活性ガス溶解法に基づいて元素分析を行った。
当該装置の検出方法は、酸素:不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法(NDIR)、窒素:不活性ガス融解−熱伝導法(TCD)、水素:不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法(NDIR)であり、校正は、(酸素・窒素)Niカプセル、TiH(H標準試料)、SS−3(N、O標準試料)で行い、前処理として250℃、約10分で水分量を測定した試料20mgをNiカプセルに取り、元素分析装置内で30秒脱ガスした後に測定した。試験は3検体で分析し、平均値を分析値とした。上記のようにして、炭素前駆体における酸素原子含有量、窒素原子含有量および水素原子含有量を得た。次いで、炭素原子含有量は、100質量%から酸素、窒素および水素原子含有量を減算することにより算出した。
(Elemental analysis)
Elemental analysis was performed based on the inert gas dissolution method using the oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer EMGA-930 manufactured by HORIBA, Ltd.
The detection method of the device is oxygen: inert gas melting-non-dispersion infrared absorption method (NDIR), nitrogen: inert gas melting-heat conduction method (TCD), hydrogen: inert gas melting-non-dispersion infrared absorption method. It is a method (NDIR), and calibration is performed with (oxygen / nitrogen) Ni capsule, TiH 2 (H standard sample), SS-3 (N, O standard sample), and the pretreatment is 250 ° C., moisture in about 10 minutes. 20 mg of the measured sample was taken in a Ni capsule, degassed in an element analyzer for 30 seconds, and then measured. The test was analyzed with 3 samples, and the average value was used as the analysis value. As described above, the oxygen atom content, the nitrogen atom content and the hydrogen atom content in the carbon precursor were obtained. The carbon atom content was then calculated by subtracting the oxygen, nitrogen and hydrogen atom contents from 100% by weight.

(IR測定)
サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、フーリエ変換赤外分光光度計Nicolet is10+Nicolet Continuumを用いて、全反射測定法に基づいてIR測定を行った。測定試料をダイヤモンド製のセルに載せ、赤外光を照射し、得られるスペクトルデータを採取した。
(IR measurement)
IR measurement was performed based on the total reflection measurement method using a Fourier transform infrared spectrophotometer Nicolet is10 + Nicolet Continum manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. The measurement sample was placed on a diamond cell, irradiated with infrared light, and the obtained spectral data was collected.

(TG−DTA測定)
株式会社日立ハイテクサイエンス社製のTG−DTA分析装置TG/DTA6300(商品名)を用いて、TG分析をした。試料10mgをアルミナ製の試料パンの中に入れ、100mL/minの窒素気流下、昇温速度10℃/minで500℃まで昇温した。この時に得られる示差熱(DTA)曲線において、100〜500℃の範囲で吸熱ピークの有無を確認した。上記範囲に吸熱ピークが存在する場合は「○」、存在しない場合は「×」と評価した。
(TG-DTA measurement)
TG analysis was performed using a TG-DTA analyzer TG / DTA6300 (trade name) manufactured by Hitachi High-Tech Science Corporation. 10 mg of the sample was placed in a sample pan made of alumina, and the temperature was raised to 500 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min under a nitrogen stream of 100 mL / min. In the differential thermal (DTA) curve obtained at this time, the presence or absence of an endothermic peak was confirmed in the range of 100 to 500 ° C. When the endothermic peak was present in the above range, it was evaluated as “◯”, and when it was not present, it was evaluated as “x”.

13C−NMR測定)
BRUKER製、核磁気共鳴装置AVANCE300によりCP/MAS−13C−NMRの測定を行った。測定に際して、アダマンタンを基準物質として、これのメチン由来のピークを29.47ppmに設定した。得られた結果において、0〜50ppmの範囲でピークの有無を確認した。上記範囲にピークが存在する場合は「○」、存在しない場合は「×」と評価した。
( 13 C-NMR measurement)
CP / MAS-13 C-NMR was measured by a nuclear magnetic resonance apparatus AVANCE 300 manufactured by BRUKER. At the time of measurement, the peak derived from methine was set to 29.47 ppm using adamantane as a reference substance. In the obtained results, the presence or absence of a peak was confirmed in the range of 0 to 50 ppm. When the peak was present in the above range, it was evaluated as "○", and when it was not present, it was evaluated as "×".

(円形度)
炭素前駆体の円形度は、以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業株式会社製「ToritonX100」)が5質量%含まれた水溶液に投入し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて、シスメックス株式会社製、形状粒度分布測定装置FPIA−3000を用いて、形状粒度分布測定を行い、円形度の算出を行った。
(Circularity)
The roundness of the carbon precursor was measured by the following method. The sample was put into an aqueous solution containing 5% by mass of a surfactant (“Toriton X100” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and dispersed in the aqueous solution. Using this dispersion, the shape particle size distribution was measured using the shape particle size distribution measuring device FPIA-3000 manufactured by Sysmex Corporation, and the circularity was calculated.

(レーザー散乱法による平均粒子径)
炭素前駆体の平均粒子径(粒度分布)は、以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業株式会社製「ToritonX100」)が5質量%含まれた水溶液に投入し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製「マイクロトラックMT3300EII」)を用いて行った。D50は、累積体積が50%となる粒子径であり、この値を平均粒子径として用いた。
(Average particle size by laser scattering method)
The average particle size (particle size distribution) of the carbon precursor was measured by the following method. The sample was put into an aqueous solution containing 5% by mass of a surfactant (“Toriton X100” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and dispersed in the aqueous solution. The particle size distribution was measured using this dispersion. The particle size distribution measurement was performed using a particle size / particle size distribution measuring device (“Microtrack MT3300EII” manufactured by Microtrack Bell Co., Ltd.). D 50 is a particle size having a cumulative volume of 50%, and this value was used as the average particle size.

(電極密度)
後述の参考例1の方法で作製した電極の重量を計測し、該重量を、電極面積と電極の厚さの積から算出した電極体積で除することで、電極密度を算出した。
(Electrode density)
The electrode density was calculated by measuring the weight of the electrode produced by the method of Reference Example 1 described later and dividing the weight by the electrode volume calculated from the product of the electrode area and the thickness of the electrode.

(実施例1)
でんぷん10gを、空気雰囲気中、215℃まで昇温した。この際、215℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。次いで、空気気流下、215℃で8時間熱処理することにより炭素前駆体を得た。この際、空気の供給量は、でんぷん100gあたり35L/分であり、でんぷんの単位表面積あたり0.49L/(分・m)であった。
(Example 1)
10 g of starch was heated to 215 ° C. in an air atmosphere. At this time, the heating rate up to 215 ° C. was set to 600 ° C./hour (10 ° C./min). Then, a carbon precursor was obtained by heat-treating at 215 ° C. for 8 hours under an air stream. At this time, the amount of air supplied was 35 L / min per 100 g of starch and 0.49 L / (min / m 2 ) per unit surface area of starch.

(実施例2)
熱処理温度を220℃、空気の供給量をでんぷん100gあたり10L/分(でんぷんの単位表面積あたり0.14L/(分・m))とした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素前駆体を得た。
(Example 2)
The treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 220 ° C. and the amount of air supplied was 10 L / min per 100 g of starch (0.14 L / min / m 2 per unit surface area of starch), and carbon was used. A precursor was obtained.

(実施例3)
でんぷんの量を20g、空気の供給量をでんぷん100gあたり50L/分(でんぷんの単位表面積あたり0.35L/(分・m))とした以外は、実施例2と同様に処理を行い、炭素前駆体を得た。
(Example 3)
The treatment was carried out in the same manner as in Example 2 except that the amount of starch was 20 g and the amount of air supplied was 50 L / min per 100 g of starch (0.35 L / (min · m 2) per unit surface area of starch), and carbon was used. A precursor was obtained.

(比較例1)
流入するガスを窒素とした以外は、実施例1と同様にして、炭素前駆体を得た。
(Comparative Example 1)
A carbon precursor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the inflowing gas was nitrogen.

(比較例2)
でんぷんの量を20gとし、ガスを流入しなかった以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素前駆体を得た。
(Comparative Example 2)
The amount of starch was 20 g, and the treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the gas did not flow in to obtain a carbon precursor.

(比較例3)
処理温度を250℃とし、処理時間を6時間とした以外は、実施例1と同様に処理を行い、炭素前駆体を得た。
(Comparative Example 3)
The treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature was 250 ° C. and the treatment time was 6 hours to obtain a carbon precursor.

各実施例および各比較例における焼成条件を表1に、得られた炭素前駆体の物性の評価結果を表2に示す。なお、表2中のTG−DTAに関し、上記TG−DTA測定に従い100〜500℃の範囲に吸熱ピークが見られた場合○とし、見られなかった場合×と記載する。また、表2中の13C−NMRに関し、上記13C−NMR測定に従い0〜50ppmの範囲にピークが見られた場合○とし、見られなかった場合×と記載する。また、実施例1で得た炭素前駆体のSEM画像を図1に、比較例1で得た炭素前駆体のSEM画像を図2に示す。Table 1 shows the firing conditions in each Example and each Comparative Example, and Table 2 shows the evaluation results of the physical properties of the obtained carbon precursor. Regarding TG-DTA in Table 2, when the endothermic peak is observed in the range of 100 to 500 ° C. according to the above TG-DTA measurement, it is described as ◯, and when it is not observed, it is described as ×. Further, regarding 13 C-NMR in Table 2, when a peak is observed in the range of 0 to 50 ppm according to the above 13 C-NMR measurement, it is marked as ◯, and when it is not observed, it is marked as ×. Further, the SEM image of the carbon precursor obtained in Example 1 is shown in FIG. 1, and the SEM image of the carbon precursor obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG.

Figure 2020071428
Figure 2020071428

Figure 2020071428
Figure 2020071428

(参考例1)
実施例1で得られた炭素前駆体を用いて、窒素ガス雰囲気中、600℃まで昇温した。この際、600℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。次いで、窒素ガス気流下、600℃で60分間熱処理することにより炭化処理を行なうことにより炭化物を得た。この際、窒素ガスの供給量は、炭素前駆体10gあたり1L/分であった。その後、得られた炭化物をボールミルで粉砕することにより、粉砕炭化物を得た。次に、粉砕炭化物を、1200℃まで昇温し、1200℃で60分間熱処理することにより高温焼成処理を行い、炭素質材料を得た。この際、1200℃までの昇温速度は600℃/時間(10℃/分)とした。上記の昇温および熱処理は窒素ガス気流下で行った。窒素ガスの供給量は、粉砕炭化物5gあたり3L/分であった。
(Reference example 1)
Using the carbon precursor obtained in Example 1, the temperature was raised to 600 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. At this time, the heating rate up to 600 ° C. was set to 600 ° C./hour (10 ° C./min). Next, a carbide was obtained by performing a carbonization treatment by heat-treating at 600 ° C. for 60 minutes under a nitrogen gas stream. At this time, the amount of nitrogen gas supplied was 1 L / min per 10 g of the carbon precursor. Then, the obtained carbide was pulverized with a ball mill to obtain a pulverized carbide. Next, the pulverized carbide was heated to 1200 ° C. and heat-treated at 1200 ° C. for 60 minutes to perform a high-temperature calcination treatment to obtain a carbonaceous material. At this time, the heating rate up to 1200 ° C. was set to 600 ° C./hour (10 ° C./min). The above temperature rise and heat treatment were performed under a nitrogen gas stream. The amount of nitrogen gas supplied was 3 L / min per 5 g of pulverized carbide.

(電極の作製)
参考例1で得た炭素質材料を用いて、以下の手順に従って負極の作製を行った。
炭素質材料95質量部、導電性カーボンブラック(TIMCAL製「Super−P(登録商標)」)2質量部、CMC1質量部、SBR2質量部および水90質量部を混合し、スラリーを得た。厚さ18μmの銅箔に、得られたスラリーを塗布し、乾燥後プレスして、厚さ45μmの電極を得た。得られた電極の密度は、表3に示す通りであった。
(Preparation of electrodes)
Using the carbonaceous material obtained in Reference Example 1, a negative electrode was prepared according to the following procedure.
A slurry was obtained by mixing 95 parts by mass of a carbonaceous material, 2 parts by mass of conductive carbon black (“Super-P (registered trademark)” manufactured by TIMCAL), 1 part by mass of CMC, 2 parts by mass of SBR and 90 parts by mass of water. The obtained slurry was applied to a copper foil having a thickness of 18 μm, dried, and pressed to obtain an electrode having a thickness of 45 μm. The densities of the obtained electrodes were as shown in Table 3.

(インピーダンス)
上記で作製した電極を用いて、電気化学測定装置(ソーラトロン社製「1255WB型高性能電気化学測定システム」)を用い、25℃で、0Vを中心に10mVの振幅を与え、周波数10mHz〜1MHzの周波数で定電圧交流インピーダンスを測定し、周波数1kHzにおける実部抵抗をインピーダンス抵抗として測定した。得られた結果を、表3中、初回充放電時インピーダンスとして示す。
(Impedance)
Using the electrode produced above, using an electrochemical measuring device (“1255WB type high-performance electrochemical measuring system” manufactured by Solartron), an amplitude of 10 mV centered on 0 V is applied at 25 ° C., and a frequency of 10 MHz to 1 MHz is applied. The constant voltage AC impedance was measured at the frequency, and the real resistance at a frequency of 1 kHz was measured as the impedance resistance. The obtained results are shown in Table 3 as the impedance at the time of initial charge / discharge.

(直流抵抗値、電池初期容量および充放電効率)
上記で作製した電極を作用極とし、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートを、体積比で1:1:1となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPFを1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはポリプロピレン膜を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
上記構成のリチウム二次電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、初期充電前に直流抵抗値を測定後、充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。さらにリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量(mAh/g)を充電容量とした。次いで、活物質質量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量とした。放電容量/充電容量の百分率を充放電効率(初期の充放電効率)とし、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。
(DC resistance value, initial battery capacity and charge / discharge efficiency)
The electrode prepared above was used as the working electrode, and metallic lithium was used as the counter electrode and the reference electrode. As a solvent, ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed and used so as to have a volume ratio of 1: 1: 1. LiPF 6 was dissolved in this solvent at 1 mol / L and used as an electrolyte. A polypropylene film was used for the separator. A coin cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere.
The lithium secondary battery having the above configuration was subjected to a charge / discharge test after measuring the DC resistance value before the initial charge using a charge / discharge test device (manufactured by Toyo System Co., Ltd., “TOSCAT”). Lithium was doped at a rate of 70 mA / g relative to the mass of the active material and doped until it reached 1 mV with respect to the lithium potential. Further, a constant voltage of 1 mV was applied to the lithium potential for 8 hours to complete the doping. The capacity (mAh / g) at this time was taken as the charging capacity. Next, dedoping was performed at a rate of 70 mA / g with respect to the mass of the active material until it became 2.5 V with respect to the lithium potential, and the discharged capacity at this time was defined as the discharge capacity. The charge / discharge efficiency (initial charge / discharge efficiency) was defined as the percentage of the discharge capacity / charge capacity, and was used as an index of the lithium ion utilization efficiency in the battery.

上記のようにして電池の評価を行った結果を表3に示す。

Figure 2020071428
Table 3 shows the results of evaluating the batteries as described above.
Figure 2020071428

実施例1の炭素前駆体を用いて、高温焼成した場合、溶融や融着が生じず、原料の粒子形状を保ったまま炭素質材料が得られ、電池材料として適した炭素構造を示した。特に、参考例1に示した炭素質材料を用いて作製した電池は、低い抵抗値を有すると共に、高い放電容量を示した。一方で、所定の範囲O/C比を示さないか、I/Iを示さない、各比較例の炭素前駆体を用いて、参考例1と同様の方法で、炭化、高温焼成した場合では、得られた炭素質材料は電池材料に適した炭素構造を示さなかった。When the carbon precursor of Example 1 was used and fired at a high temperature, no melting or fusion occurred, and a carbonaceous material was obtained while maintaining the particle shape of the raw material, showing a carbon structure suitable as a battery material. In particular, the battery produced using the carbonaceous material shown in Reference Example 1 had a low resistance value and a high discharge capacity. On the other hand, do not show a predetermined range O / C ratio, show no I A / I B, using carbon precursors, Comparative Examples, in the same manner as in Reference Example 1, carbide, when the high temperature firing The obtained carbonaceous material did not show a carbon structure suitable for the battery material.

Claims (6)

元素分析による酸素原子含有量と炭素原子含有量の比(O/C)が0.10〜0.85であり、かつ、IRスペクトルの1720cm−1付近のピークの強度(I)と3330cm−1付近のピークの強度(I)の比(I/I)が0.50以上である、炭素前駆体。The ratio of oxygen atom content to carbon atom content by elemental analysis (O / C) is 0.10 to 0.85, and the intensity of the peak near 1720 cm -1 in the IR spectrum (I A) 3330cm - the ratio of 1 near the peak intensity (I B) (I a / I B) is 0.50 or more, carbon precursor. TG−DTA測定によるDTA曲線において、100〜500℃の範囲に吸熱ピークを有さない、請求項1に記載の炭素前駆体。 The carbon precursor according to claim 1, which has no endothermic peak in the range of 100 to 500 ° C. in the DTA curve measured by TG-DTA. 13C−NMRスペクトルにおいて、0〜50ppmの範囲にピークを有する、請求項1または2に記載の炭素前駆体。 13 The carbon precursor according to claim 1 or 2, which has a peak in the range of 0 to 50 ppm in the C-NMR spectrum. 糖類骨格を有する物質に由来する、請求項1〜3のいずれかに記載の炭素前駆体。 The carbon precursor according to any one of claims 1 to 3, which is derived from a substance having a saccharide skeleton. 炭素前駆体の原料を、酸素含有気体の供給下、215〜240℃の温度範囲で1〜12時間熱処理して炭素前駆体を得る、請求項1〜4のいずれかに記載の炭素前駆体の製造方法。 The carbon precursor according to any one of claims 1 to 4, wherein the raw material of the carbon precursor is heat-treated in a temperature range of 215 to 240 ° C. for 1 to 12 hours under the supply of an oxygen-containing gas to obtain the carbon precursor. Production method. 酸素含有気体の供給量は、炭素前駆体の原料の単位表面積あたり0.005〜5.0L/(分・m)である、請求項5に記載の製造方法。The production method according to claim 5, wherein the supply amount of the oxygen-containing gas is 0.005 to 5.0 L / (min · m 2) per unit surface area of the raw material of the carbon precursor.
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