WO2017002680A1 - 層状物質を改質する方法およびそのための装置、ならびに改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料 - Google Patents

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suspension
raw material
interlayer distance
layered
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捷 唐
坤 張
悦賢 林
松葉　頼重
畑　憲明
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国立研究開発法人物質・材料研究機構
ハリマ化成株式会社
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for modifying a layered material and an apparatus therefor. More specifically, the present invention relates to a method for modifying graphite and an apparatus therefor, as well as modified graphite and a secondary battery electrode material using the same.
  • the layered substance has a laminated structure with a sheet-like substance as a structural unit, and can be intercalated by inserting ions and molecules between the layers, so it can be used in various fields as a functional material. Has been.
  • graphite which is one of carbon materials
  • graphite is a layered material composed of graphene, which is a planar two-dimensional material in which six-membered rings of carbon atoms are linked, and is an edge surface (C-axis) of natural graphite.
  • the theoretical value of the (direction) interlayer distance (d-spacing) is known to be 3.3545 mm.
  • Graphite is used in various applications because it has features such as heat resistance, self-lubrication, chemical resistance, and light weight.
  • a reduced graphene laminate obtained by reducing graphite oxide obtained by oxidizing graphite under strong oxidation conditions can be cited.
  • the interlayer distance of the graphite material made of such a graphene laminate is usually about the same as that of the raw material graphite (about 3.5 mm), but van der Waals acting between the raw material graphite layers in the manufacturing process. Since the force is weakened, for example, when used as an electrode material of a lithium ion secondary battery, an intercalation reaction of lithium ions easily occurs.
  • the graphite material has been put into practical use as a main electrode material for secondary batteries, and so far, development of electrode materials for secondary batteries of natural graphite type or artificial graphite type has been actively conducted.
  • Patent Document 1 discloses that graphite powder suitable for a negative electrode material of a lithium ion secondary battery is obtained by pulverizing and heat treating graphite, adding boron powder, mechanically mixing, and heat treating and graphitizing. Is described.
  • Patent Document 2 discloses a graphite oxide layered body obtained by oxidizing graphite and a long-chain organic compound for the purpose of obtaining a porous graphite composite material having a large surface area by introducing a metal or metalloid compound. A method is described in which an interlayer of graphite oxide is expanded by mixing an amine in a solid phase and performing an ion exchange reaction under the condition of an organic solvent.
  • the graphite oxide layered body used as the base material in Patent Document 2 is prepared by, for example, immersing graphite in a mixed solution of concentrated sulfuric acid and nitric acid and adding potassium chlorate to react, or by adding concentrated sulfuric acid and sodium nitrate. It is prepared by soaking in a mixed solution, adding potassium permanganate, and reacting.
  • a method for producing graphene from graphite a method of exfoliating graphite using the above-mentioned expanded graphite, scaly graphite, or the like as a raw material is common, and a typical example is oxidation under strong oxidation conditions.
  • a method of peeling off the oxidized graphite (Hammers method) can be mentioned.
  • a method for producing graphene that does not require a strong oxidation treatment step for example, ultrasonically treating a graphite dispersion solution, inserting a stirring blade or the like into the graphite dispersion solution, and rotating the graphite at high speed, A method of delamination or the like has been proposed.
  • Patent Document 4 a method of delamination of graphite using a high-pressure emulsification method has been proposed from the viewpoint of a manufacturing method suitable for industrial mass production.
  • the high-pressure emulsification method is a technology that is used in a wide range of fields such as cosmetics, foods, and pharmaceuticals.
  • a high pressure is applied to a liquid (raw material solution) containing raw materials, and narrow gaps (pores, bottlenecks, etc.)
  • High-speed flow jet flow is generated by passing, and emulsification, dispersion, homogenization, refinement, etc. are performed by shearing force, impact force, grinding force and the like.
  • Patent Document 5 when a shear force is applied to a raw material solution to emulsify and disperse a desired raw material to produce an emulsified dispersion, the amount of pressure (back pressure) applied to the raw material solution is controlled. And the method of suppressing generation
  • graphite pulverized material exfoliated graphite or graphene
  • a graphite material made from reduced graphene needs to be coated with amorphous carbon in order to suppress the reactivity of the edge surface. is there.
  • the conventional graphite material when assumed to be used as an electrode material for a lithium ion secondary battery, the conventional graphite material has a problem that crystallinity, which is an important characteristic as a lithium ion host, is not sufficient.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and expands the interlayer distance of a layered substance under a simple and mild condition to obtain a layered substance modified with high concentration and high purity.
  • An object of the present invention is to provide a method for reforming a layered material suitable for industrial mass production and an apparatus therefor.
  • Another object of the present invention is to provide a graphite modified by using graphite as a layered substance and an electrode material for a secondary battery using the same.
  • the present inventors have conceived that the high pressure emulsification method is used for extending the interlayer distance of graphite, and when applying the high pressure emulsification method to exfoliation of graphite, the surface direction of the graphite particles in the raw material solution is considered. It has been found that by making use of the viewpoint of applying a shearing force, solvent molecules act between graphite layers, the interlayer distance of graphite can be extended and the graphite can be modified.
  • the conventional high-pressure emulsification apparatus includes a pressure generator (pump part) and parts (for example, a nozzle and an orifice, hereinafter also referred to as a “nozzle part”) having a part in which the flow path is significantly narrowed. These are essential components for carrying out the high-pressure emulsification method.
  • the pressure from the pump unit is converted into a jet flow at the nozzle unit, and the liquid ejected from the nozzle unit becomes a turbulent flow while passing through a member called an absorption cell, and an impact force or shear force is applied.
  • the method described in Patent Document 4 has attempted to apply the high-pressure emulsification method to the exfoliation of graphite by paying attention to the point that a shearing force can be applied to the raw material solution.
  • the raw material is homogenized while being crushed to a smaller particle size by acting on the raw material solution in combination of impact force and grinding force.
  • the device configuration is designed. Therefore, when the high-pressure emulsification method is applied to a layered material such as graphite, the two-dimensional structure is destroyed by applying an impact force in the surface direction, and the resulting product has a diameter in the surface direction. About half of the raw material graphite (for example, several ⁇ m) becomes a small flake shape or fragment shape, and as a result, there are cases where the above-mentioned excellent characteristics that the product can be originally exhibited cannot be obtained.
  • a layered substance is generated in the process of generating a jet flow through the operation of passing the raw material solution through the nozzle part, which is an essential component in the conventional high-pressure emulsification apparatus.
  • An excessive impact force is applied to the surface direction of the surface, that is, the generation condition of the jet flow that is the most fundamental of the high-pressure emulsification method in which an emulsified dispersion is produced by emulsifying and dispersing a desired raw material is a layered material. It has been found that it is not necessarily appropriate from the viewpoint of reforming.
  • the present inventors have improved the accuracy of the conventional high-pressure emulsification method to a method more suitable for the modification of the layered material, thereby producing a graphite with higher accuracy and higher yield than the conventional method. It was found that can be modified. It has also been found that this technical idea can be applied to a layered material other than graphite, and the layered material can be modified.
  • this invention includes the following aspects.
  • a layered substance is modified, wherein an inner diameter of a liquid passage through which the suspension flows is 0.15 mm or more and does not generate a jet flow. Quality method.
  • the method for reforming a layered material according to (1) wherein the suspension is subjected to high pressure treatment at a pressure of 5 MPa or more.
  • the interlayer distance extension module has a structure in which two or more liquid passing members are connected in series, and is downstream of the inner diameter of the liquid passing path of the upstream liquid passing member with respect to the flow of the suspension.
  • the method further includes the step of supplying the suspension recovered by the recovery unit to the raw material introduction unit again and allowing the suspension to pass through the interlayer distance extension module.
  • (6) The method for modifying a layered material according to any one of (1) to (5), wherein the layered material is graphite.
  • (7) The method for reforming a layered material according to any one of (1) to (6), wherein the purification unit is a centrifuge.
  • a raw material introduction section for supplying a suspension obtained by suspending a layered substance in a dispersion medium after high-pressure treatment, and passing the suspension supplied from the raw material introduction part to pass the interlayer distance of the layered substance
  • An interlayer distance extending module for extending the interlayer distance, a recovery section for recovering the suspension after passing through the interlayer distance extending module, and a purification section for purifying the obtained suspension, and the raw material introducing section and the interlayer
  • the distance extension module is a layered substance reforming device characterized in that an inner diameter of a flow path through which the suspension flows is 0.15 mm or more and does not generate a jet flow.
  • the intensity ratio (I D / I G ) between the D peak and G peak based on Raman spectroscopy is twice or more that of the raw material graphite, and in the XRD chart based on the X-ray diffraction method, the C axis (002) plane Is shifted to a lower angle side with respect to the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the raw material graphite, and the full width at half maximum of the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane is A modified graphite characterized by being increased from a diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of graphite.
  • a layered material modified with a high concentration and high purity by extending the interlayer distance of the layered material under simple and mild conditions, and suitable for industrial mass production.
  • a material modification method and apparatus therefor are provided.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the reforming apparatus of the layered substance which concerns on one Embodiment of this invention. It is an image (magnification 5000 times) which shows the SEM observation result of the modified graphite and raw material graphite which were obtained in the Example.
  • modification used for a layered substance means that the layered substance has a change in physical properties, electrical characteristics, chemical characteristics, mechanical characteristics, etc. This refers to a change in properties.
  • the characteristics of the layered material to be modified are appropriately selected according to the type and use of the layered material. For example, when graphite is used as an electrode material for a secondary battery, a material in which the electrochemical characteristics of the raw graphite is changed is called modified graphite.
  • the average diameter in the surface direction of the raw material is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining the reforming effect with higher accuracy, it is preferably considered that the average diameter in the surface direction of the raw material is 200 ⁇ m or less. More preferably, the average diameter in the surface direction of the raw material is set to 100 ⁇ m or less.
  • the dispersion medium used for the preparation of the raw material suspension can be appropriately selected depending on the layered material of the raw material.
  • water, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, dimethylformamide, N-methyl-2- Examples include amides such as pyrrolidone (NMP), and mixed solvents thereof.
  • the dispersion medium is, for example, dodecylbenzenesulfonic acid for the purpose of more uniformly dispersing the raw material in consideration of the affinity between the raw material and the dispersion medium, etc., within a range that does not impair the purpose and effect of the present invention.
  • Sodium, sodium dodecyl sulfate, sodium cholate, sodium deoxycholate and the like may be added as a dispersant, and other additives may be added according to the required purpose.
  • the concentration of the raw material in the raw material suspension is not particularly limited, but is, for example, 2 to 100 mg / mL, preferably 5 to 50 mg / mL, and more preferably 10 to 30 mg / mL.
  • the raw material concentration is within the above range, the reforming effect can be obtained with higher accuracy.
  • the reforming apparatus according to the present embodiment has a configuration without a nozzle unit as described later. Therefore, even if the viscosity of the raw material suspension is high, the target product can be obtained by modifying the raw material layered material.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a layered material reforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the reformer 1 includes a raw material introduction unit 2, an interlayer distance extension module 3, a recovery unit 4, and a purification unit 5 as main components.
  • a suspension obtained by suspending the layered material in a dispersion medium is subjected to high-pressure treatment and supplied from the raw material introduction unit 2.
  • a step of passing the suspension supplied from the raw material introduction unit 2 through the interlayer distance extension module 3 to extend the interlayer distance of the layered material, and the suspension after passing through the interlayer distance extension module 3 A step of collecting the liquid in the collecting unit 4 and a step of purifying the obtained suspension in the purifying unit 5.
  • a suspension obtained by suspending a raw material layered material in a dispersion medium is subjected to high pressure treatment and supplied to the interlayer distance extension module 3. More specifically, as shown in FIG. 1, in the raw material introduction unit 2, the raw material suspension stored in the solution tank 21 is high-pressure processed by the high-pressure pump 22 and supplied to the interlayer distance extension module 3.
  • the pressure applied to the raw material suspension by the high-pressure pump 22 can be appropriately set according to the average diameter in the surface direction of the raw material, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like.
  • the pressure is, for example, 5 to 150 MPa, preferably 10 to 125 MPa, and more preferably 20 to 100 MPa.
  • the pressure may be adjusted within the above range each time.
  • the action of the molecules of the dispersion medium entering between the layers of the raw material layered material is strengthened by the application of pressure to the raw material suspension by the high-pressure pump 22.
  • the force for the dispersion medium molecules to enter exceeds the force acting between the layers of the layered material (for example, van der Waals force)
  • the dispersion medium molecules enter the layers of the layered material one after another (intercalation Be able to).
  • the high-pressure treatment process a number of gaps are formed between the layers of the raw material layered material, and the interaction acting between the layers of the layered material is weakened. Distance expansion proceeds efficiently and effectively.
  • the material suspension supplied from the material introduction part 2 is passed to extend the interlayer distance of the layered material of the material.
  • the interlayer distance extending module 3 has a structure in which two or more liquid passing members are connected in series.
  • the interlayer distance extending module 3 includes three liquid passing members 31, 32, The form which has the structure which connected 33 in series is illustrated.
  • liquid passing members 31, 32, 33 for example, straight tubes, spiral tubes and the like used as absorption cells in conventional high-pressure emulsification apparatuses can be applied.
  • the flow of the liquid passing member downstream of the inner diameter of the liquid passing path of the upstream liquid passing member with respect to the flow of the raw material suspension passing through the interlayer distance extending module 3 is achieved.
  • the inner diameter of the liquid passage is large. That is, when the inner diameters of the liquid passages of the liquid passage members 31, 32, and 33 are D31, D32, and D33, respectively, the relationship of D31 ⁇ D32 ⁇ D33 is established.
  • the lengths of the liquid passing members 31, 32, and 33 can be appropriately set according to the average diameter in the surface direction of the raw material, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like.
  • the raw material is graphite, for example, a range of 5 to 100 cm can be used as a rough standard. It should be noted that the lengths of the liquid passing members 31, 32, and 33 are preferably considered as appropriate depending on the liquid passing time and the number of times of passing through which will be described later.
  • Table 1 below shows an example of the configuration of the interlayer distance extension module 3.
  • the inner diameter of the flow path through which the raw material suspension flows is 0.15 mm or more, preferably in the range of 0.15 mm to 1 mm.
  • the raw material introduction part 2 and the interlayer distance extension module 3 do not have a liquid passage having an inner diameter of less than 0.15 mm. That is, in the reforming apparatus 1 according to this embodiment, the generation of a jet flow is prevented by using a configuration that does not have a nozzle part, which is an essential component in the conventional high-pressure emulsification apparatus, and the raw material is layered. The unintended impact force applied to the surface direction of the substance is suppressed.
  • the interlayer distance of the layered material is efficiently and efficiently performed by continuously performing the high-pressure treatment process of the raw material suspension and the subsequent interlayer distance expansion process. It is effectively expanded, and a large number of mesopores (gap) are formed in and on the surface of the layered material, thereby modifying the layered material.
  • the flow rate of the raw material suspension when passing through the interlayer distance extension module 3 can be appropriately set according to the average diameter in the surface direction of the raw material, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like. it can. In addition, it is preferable that the speed of the raw material suspension at the time of passing through the interlayer distance extension module 3 is appropriately adjusted in accordance with the liquid passing time and the number of times of liquid passing which will be described later.
  • the interlayer distance extension module 3 since a large shearing force is applied to the raw material suspension, the temperature of the suspension may rise during the flow. Therefore, the interlayer distance extension module 3 can be cooled by the cooling means 34 for the purpose of preventing deterioration and peeling due to excessive heating of the raw materials, and preventing the suspension from boiling in the recovery unit 4.
  • the recovery unit 4 recovers the raw material suspension after passing through the interlayer distance extension module 3.
  • the raw material suspension recovered by the recovery unit 4 can be supplied again to the raw material introduction unit 2 and passed through the interlayer distance extension module 3.
  • the modification accuracy of the layered material is further improved, and the target product can be obtained at a higher concentration and higher purity.
  • the reformer 1 according to the present embodiment has a configuration that does not have a nozzle portion, so even if the raw material suspension is passed through the interlayer distance extension module 3 multiple times, It is possible to modify the layered material while preventing an unintended impact force from being applied to the surface direction of the raw layered material without generating a jet flow.
  • the time for passing the raw material suspension through the interlayer distance extension module 3, that is, the time for performing the interlayer distance extension process (liquid passing time) is the average diameter in the surface direction of the raw material, the concentration of the raw material suspension, and the intended use It can set suitably according to etc.
  • the raw material is graphite, for example, it is 15 seconds to 180 minutes, preferably 30 seconds to 150 minutes, and more preferably 1 to 120 minutes. It is understood that the number of times of performing the interlayer distance extending step (number of times of liquid passing) is appropriately adjusted with the liquid passing time.
  • the purification unit 5 purifies the suspension obtained by the collection unit 4.
  • purification part 5 a filter, a centrifuge, etc. are mentioned, for example.
  • the purification unit 5 is preferably a centrifuge.
  • conditions such as the number of purifications and purification time are appropriately set according to the type of raw material, the average diameter in the surface direction of the raw material, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like.
  • the number of purifications and purification time is appropriately set according to the type of raw material, the average diameter in the surface direction of the raw material, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like.
  • the target product is obtained with high concentration and high purity.
  • the first centrifugation operation is preferably performed at a rotational speed of 5000 to 12000 rpm
  • the second centrifugal operation is preferably performed at a rotational speed of 300 to 3000 rpm.
  • the purification time can be appropriately set according to the average diameter of the graphite in the plane direction, the concentration of graphite in the raw material suspension, and the like.
  • the suspension obtained by the recovery in the recovery unit 4 may be preliminarily purified by filtration or centrifugation.
  • the layered material can be modified with excellent accuracy.
  • the modified graphite having an extended interlayer distance can be obtained with high concentration and high purity.
  • the layered material reforming method and the reforming apparatus 1 according to the present embodiment are not limited to the case of using graphite as a raw material, and can be applied to other layered materials.
  • examples of other layered substances include molybdenum sulfide (IV) (MoS 2 ), boron nitride (BN), and the like.
  • IV molybdenum sulfide
  • BN boron nitride
  • the various conditions described above can be appropriately designed according to the type, characteristics, etc. of the raw material layered material.
  • the modified graphite according to the present embodiment can be obtained by the above-described layered material reforming method and reforming apparatus 1 using graphite as a raw material.
  • the interlayer distance between the graphenes of the graphene laminate constituting the graphite is expanded, and a large number of mesopores (gap) are formed inside and on the surface of the graphite. Since the destruction of the two-dimensional structure in the direction is suppressed, in addition to the inherent properties of graphite, it can more efficiently cause intercalation reactions of various ions, surpassing conventional electrode materials It can be used as a high capacity secondary battery electrode material.
  • the modified graphite according to the present embodiment has a ratio (I D / I G ) between the D peak and the G peak based on Raman spectroscopy that is twice or more that of the raw material graphite.
  • a band (D peak) appearing in the vicinity of 1,350 cm ⁇ 1 of the Raman spectrum is caused by disorder or defects in the graphite structure. From the intensity ratio of the D peak and the G peak appearing in common to graphite, It is known that the crystallinity of graphite can be evaluated.
  • the modified graphite according to this embodiment has an increased interlayer distance and a large number of mesopores (gap) formed inside and on the surface of the graphite, resulting in lower crystallinity than the raw graphite. ing.
  • the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane is a diffraction corresponding to the C-axis (002) plane of the raw graphite.
  • the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak corresponding to the C axis (002) plane is shifted from the peak at a lower angle side than the full width at half maximum of the diffraction peak corresponding to the C axis (002) plane of the raw graphite. Will also increase.
  • the modified graphite according to the present embodiment has reduced crystallinity as a whole material, and therefore, in the XRD chart, the (002) peak shifts to the low angle side, and the full width at half maximum increases.
  • the interaction acting between the layers of the raw graphite is weakened, and the interlayer distance is extended, so that the regularity of the laminated structure is impaired and distortion occurs. Structural changes occur, and the crystallinity is lowered.
  • the lower limit value of the interlayer distance in the modified graphite according to the present embodiment can be estimated by evaluating the interlayer distance of the crystalline portion using the XRD chart. That is, in the modified graphite according to this embodiment, even in the portion having crystallinity, the interaction working between the layers of the raw graphite is weakened, so the interlayer distance is smaller than that of the raw graphite. Significant increase.
  • the modified graphite according to the present embodiment has a BET specific surface area based on the nitrogen adsorption method that is four times or more that of the raw material graphite.
  • the modified graphite according to the present embodiment has an increased interlayer distance, and a large number of mesopores (gap) are formed inside or on the surface of the graphite, so that gas molecules are adsorbed more than the raw graphite. Area (adsorption site) is increasing.
  • modified graphite according to the present embodiment maintains the electrical conductivity of the raw graphite.
  • the electrode material for a secondary battery according to this embodiment uses the above modified graphite.
  • the modified graphite according to the present embodiment can be used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to a generally known method.
  • the interlayer distance of the modified graphite of the negative electrode material is extended, and a large number of mesopores are formed inside or on the surface of the graphite.
  • the lithium ion intercalation reaction occurs more effectively and efficiently, so that the capacity can be increased.
  • the interlaminar distance extension module 3 of the reformer 1 illustrated in FIG. 1 was configured according to the pattern 2 shown in Table 1, and a graphite reforming test was performed.
  • the straight tube and spiral tube used as the liquid-permeable members 31, 32, 33 were those having a length of 30 cm.
  • a sample for SEM observation was prepared by dropping several mL of graphite dispersion on a Si wafer. SEM observation was performed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-6500, JEOL).
  • FE-SEM field emission scanning electron microscope
  • the collected raw material suspension is centrifuged at 6000 rpm for 60 minutes to collect a precipitate, NMP is added to adjust the concentration to 10 mg / mL, and then the mixture is further centrifuged at 500 rpm for 30 minutes to collect the supernatant.
  • the powder was dried at 120 ° C. to obtain a modified graphite powder.
  • the yield of the obtained modified graphite was about 60% (corresponding to a concentration of about 6.0 mg / mL).
  • FIG. 2 (a) is a raw material graphite, (b) is a modified graphite obtained under a pressure of 25 MPa, and (c) is a modified graphite obtained under a pressure of 100 MPa. Note that the magnification of the images shown in FIGS. 2A to 2C is 5000 times.
  • FIG. 3 is an image (magnification 60000 times) showing the SEM observation result of graphite after the high pressure treatment step at a pressure of 100 MPa.
  • the interlayer distance of the raw graphite based on the X-ray diffraction method is 3.357 mm, but in the graphite shown in FIG. 3, the interlayer distance (gap) in the stacking direction (C-axis direction) of the graphite is several nm. It can be seen that it is in the range of tens of nm.
  • the graphite interlayer distance can be effectively extended by passing the high-pressure-treated graphite suspension without generating a jet flow. It was confirmed that this was done.
  • FIG. 4 is an XRD chart showing the results of analyzing the modified graphite and raw material graphite obtained in this example using an X-ray diffractometer (Rigaku SmartLab).
  • (a) is a raw material graphite
  • (b) is a modified graphite obtained under a pressure of 100 MPa
  • (c) is a modified graphite obtained under a pressure of 25 MPa.
  • the full width at half maximum of the (002) peak was 0.2176 ° (pressure 100 MPa) and 0.2022 ° (pressure 25 MPa), respectively, which were larger than the raw graphite.
  • pressure 100 MPa pressure 100 MPa
  • pressure 25 MPa pressure 25 MPa
  • FIG. 5 is a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis of the modified graphite and raw material graphite obtained in this example.
  • FIG. 5A shows the raw material graphite
  • FIG. 5B shows the modified graphite obtained under the condition of a pressure of 100 MPa.
  • the Raman spectrum was measured using an FT-Raman spectrometer (Perkin Elmer NIR FT-Raman Spectrum GX) under conditions of an excitation wavelength of 532 nm.
  • the intensity ratio (I D / I G ) between the D peak and the G peak is calculated, it is 0.15 for the raw material graphite and 0.33 for the modified graphite obtained in this example.
  • the modified graphite obtained in this example has an increased interlayer distance and a large number of mesopores (gaps) formed inside and on the surface of the graphite, resulting in lower crystallinity than the raw graphite.
  • I D / I G value of the modified graphite obtained under a pressure of 25MPa was 0.31.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of analyzing the BET specific surface area (A) and the pore distribution (B) based on the nitrogen adsorption method for the modified graphite and raw material graphite obtained in this example. The analysis was performed using AUTOSORB (Cantachrome Instruments).
  • the specific surface area of the raw material graphite is 19.6 m 2 / g, and the modified graphite obtained in this example has a high specific surface area of 89.0 m 2 / g.
  • the modified graphite obtained in this example has a larger distribution of mesopores having a diameter of 50 nm or less than the raw graphite. Therefore, the interlayer distance between the graphenes of the graphene laminate constituting the graphite is expanded by passing the suspension of the graphite subjected to the high pressure treatment using the interlayer distance extending module having no nozzle part, It was confirmed that a large number of mesopores (gaps) were formed inside and on the surface of the graphite, the number of adsorbed gas molecules (adsorption sites) increased, and a modified graphite with a larger specific surface area than the raw graphite was obtained. It was.
  • the raw material graphite was 1.50 ⁇ 10 5 and obtained under the condition of a pressure of 100 MPa.
  • the modified graphite was 1.43 ⁇ 10 5
  • the modified graphite obtained under the condition of a pressure of 25 MPa was 1.45 ⁇ 10 5 . From this, it was confirmed that the modified graphite obtained in this example maintained the electrical conductivity of the raw material graphite.
  • sample graphite The modified graphite obtained in this example (hereinafter referred to as “sample graphite”) is used as a negative electrode material, metallic lithium is used as a positive electrode material, and LiPF 6 is used as an electrolyte.
  • Test cell was fabricated and its characteristics were evaluated. Further, a comparative cell having the same configuration as the test cell was prepared except that raw material graphite was used instead of sample graphite.
  • Cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic measurement (GC) were performed on the test cell and the comparative cell using a VMP3 multichannel potentiostat / galvanostat (Biologic).
  • FIG. 7 shows a cyclic voltammogram (CV curve) of the test cell and the comparison cell.
  • FIG. 7 (a) is a comparative cell produced using raw graphite, (b) is a test cell produced using sample graphite (25 MPa), and (c) is a sample graphite (100 MPa). This is a test cell manufactured by using the test cell.
  • the basic shape of the CV curve of the test cell and the comparative cell is the shape of the CV curve of a lithium ion secondary battery having a graphite negative electrode material that has been reported conventionally (for example, J. Mater. Chem., 2012, 22, 12745). This suggests that the sample graphite can withstand practical use as an electrode material for a lithium ion secondary battery.
  • FIG. 8 (a) is a comparative cell produced using raw graphite, (b) is a test cell produced using sample graphite (25 MPa), and (c) is a sample graphite (100 MPa). This is a test cell manufactured by using the test cell.
  • the charge / discharge capacity of the test cell is much larger than that of the comparative cell, which means that the sample graphite is a higher capacity electrode material than the raw graphite. It is shown that.
  • test cell produced using sample graphite (100 MPa) had a high capacity and excellent coulomb efficiency.
  • the current density was 50 mA / g, 100 mA / g, 200 mA / g, 500 mA / g, 1 A / g, and 50 mA / g every three cycles.
  • FIG. 9 shows the rate characteristic test results of the comparative cell.
  • FIG. 10 shows a rate characteristic test result of a test cell manufactured using sample graphite (25 MPa).
  • FIG. 11 shows a rate characteristic test result of a test cell manufactured using sample graphite (100 MPa).
  • the test cell showed excellent rate characteristics compared to the comparative cell.
  • the test cell produced using sample graphite (100 MPa) has an initial discharge capacity of about 420 mAh / g at a current density of 50 mA / g, and is 400 mAh / after 18 cycles. The discharge capacity of g or more was maintained, and the rate characteristics were good.
  • FIG. 12 shows the cycle characteristic test results of a test cell prepared using sample graphite (100 MPa). As test conditions, the current density was 50 mA / g. As understood from FIG. 12, the discharge capacity of the test cell was about 400 mAh / g through a total of 30 cycle tests, and showed very good cycle characteristics.
  • the properties of the layered substance change and the performance as a functional material is improved by modifying the layered substance by extending the interlayer distance. More specifically, for example, when graphite is used as the layered substance, the electrochemical characteristics are remarkably improved, and it can be used as a new electrode material that exceeds the performance of conventional electrode materials. confirmed.

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Abstract

本発明の層状物質の改質方法は、層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、原料導入部２から供給する工程、原料導入部２から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュール３に通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する工程、層間距離拡張モジュール３を通過した後の前記懸濁液を回収部４で回収する工程、および得られた懸濁液を精製部５で精製する工程を含み、原料導入部２および層間距離拡張モジュール３として、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないものを用いる。これにより、簡便かつ温和な条件下で、層状物質の層間距離を拡張し、高濃度かつ高純度で改質された層状物質を得ることのできる、工業的量産化に適した、層状物質の改質方法およびそのための装置を提供する。また、層状物質としてグラファイトを用いることにより、改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料を提供される。

Description

層状物質を改質する方法およびそのための装置、ならびに改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料
　本発明は、層状物質を改質する方法およびそのための装置に関するものである。より詳細には、本発明は、グラファイトを改質する方法およびそのための装置、ならびに改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料に関するものである。
　層状物質は、シート状の物質を構成単位とした積層構造を有しており、その層間にイオンや分子を挿入するインターカレーション反応が可能であることから、機能性材料として様々な分野で活用されている。
　例えば、炭素材料のひとつであるグラファイト（黒鉛）は、炭素原子の六員環が連なった平面状の二次元物質であるグラフェンを構成単位とする層状物質であり、天然グラファイトのエッジ面（Ｃ軸方向）の層間距離（d-spacing）の理論値は、３．３５４５Åであることが知られている。グラファイトは耐熱性、自己潤滑性、耐薬品性、軽量性等の特徴を有していることから、様々な用途で使われている。
　代表的なグラファイト材としては、例えば、グラファイトを強酸化条件で酸化した酸化グラファイトを還元して得られる還元グラフェンの積層体が挙げられる。このようなグラフェン積層体からなるグラファイト材の層間距離は、通常、原料のグラファイトとほぼ同程度（約３．５Å）であるが、その製造工程において、原料のグラファイトの層間に作用するファンデルワールス力が弱められているため、例えばリチウムイオン二次電池の電極材料として用いた場合には、リチウムイオンのインターカレーション反応が起こりやすくなる。このように、グラファイト材は二次電池用の主要な電極材料として実用化されており、これまでに天然グラファイト系や人造グラファイト系の二次電池用電極材料の開発が盛んに行われている。
　例えば、特許文献１には、グラファイトを粉砕し、熱処理した後、ホウ素粉末を添加し、機械的混合し、熱処理して黒鉛化することにより、リチウムイオン二次電池の負極材に適したグラファイト粉末が記載されている。
　また、特許文献２には、金属または半金属の化合物を導入して大きな表面積を有する多孔質グラファイト複合材料を得ることを目的として、グラファイトを酸化して得られるグラファイト酸化物層状体と長鎖有機アミンとを固相において混合し、有機溶媒が介在する条件下でイオン交換反応を行うことにより、グラファイト酸化物の層間を拡張する方法が記載されている。なお、特許文献２において基材として用いられるグラファイト酸化物層状体は、例えばグラファイトを濃硫酸と硝酸との混合液中に浸し、塩素酸カリウムを加え、反応させるか、あるいは濃硫酸と硝酸ナトリウムの混合液中に浸し、過マンガン酸カリウムを加え、反応させることにより調製されるものである。
　一方、今般、グラフェンまたは薄片化グラファイトを製造するための原料物質として、グラファイトを化学的に処理し、高温で熱処理をして、グラファイトの層間を膨張フレーク状にしたもの（膨張化黒鉛）が市販されており、その合成方法として、化学的処理や熱処理の条件検討が様々に行われている。
　このような膨張化黒鉛の製造方法としては、例えば、特許文献３では、黒鉛を酸性電解質水溶液中に浸漬し、該黒鉛を作用極とし、対照極との間に、自然電位以外に０．６Ｖ～０．８Ｖの範囲の直流電圧を、４８時間以上、１０００時間以下印加する電気化学的処理を行うことにより、グラフェンまたは薄片化黒鉛を大量にかつ容易に得ることを可能とする、層間物質が挿入された膨張化黒鉛の製造方法が提案されている。
　なお、グラファイトからグラフェンを製造する方法としては、上述した膨張化黒鉛や鱗片状黒鉛等を原料として、グラファイトを層間剥離する手法が一般的であり、代表的な例としては、強酸化条件で酸化した酸化グラファイトを剥離する方法（ハマーズ法）が挙げられる。また、強酸化処理工程を要しないグラフェンの製造方法としては、例えば、グラファイトの分散溶液を超音波処理したり、グラファイトの分散溶液に撹拌羽根等を挿入して高速回転させたりして、グラファイトを層間剥離する方法等が提案されている。
　さらに、近年、工業的量産化に適した製造方法とする観点から、高圧乳化法を利用して、グラファイトを層間剥離する方法が提案されている（特許文献４）。
　高圧乳化法は、化粧品、食品、製薬等の幅広い分野で利用されている技術であり、原料を含む液体（原料溶液）に高圧をかけて、ノズルやオリフィス等の狭い隙間（細孔、隘路等ともいう）を通すことによって高速流（ジェット流）を発生させ、せん断力、衝撃力、摩砕力等により、乳化、分散、均質化、微細化等を行うものである。
　高圧乳化法やそのための装置に関しては、これまでに様々な改良の提案がなされている。例えば、特許文献５では、原料溶液にせん断力を付加して所望の原料を乳化・分散させて乳化分散液を生成する際に、原料溶液に付加する圧力（背圧）の大きさを制御し、かつ生成された乳化分散液の背圧を複数の減圧部材により多段階で降圧させることによって、バブリングの発生を抑制する方法が開示されている。
特開１９９９－３０７０９５号公報 特開２００４－２１７４５０号公報 特開２０１２－１３１６９１号公報 特開２０１４－９１５１号公報 特開２００９－１４８７６２号公報
　特許文献２や特許文献３に記載されるように、従来のグラファイト材の製造方法では、化学的処理、熱処理、またはこれらを組み合わせることによって原料のグラファイトやグラファイト酸化物の層間距離の拡張を試みるものであったため、製造工程が煩雑となることに加えて、グラファイトの層間を均一に拡張することが難しい。また、これらの処理の過程において、グラファイトの表面や層間に様々な官能基が化学修飾され、生成物の純度を確保することが困難であり、収率や製造効率の点で劣っていた。生成物の純度の観点からは、特許文献１に記載されるように添加成分を含むグラファイト材に関しても、グラファイトの純度が求められる用途では利用することが難しい。また、グラファイトに対する化学的処理においては多くの場合強酸を用いるため、工業的量産化の観点からは環境面の問題が懸念されている。
　また、特許文献２に記載されるように特定の物質をグラファイトの層間に導入して得られるグラファイト材は、複合材料として層間化合物を形成しているため、グラファイト材の用途としては範囲が限定される。
　また、グラファイトの粉砕物、薄片化させたグラファイトまたはグラフェンを用いた場合には、例えば、還元グラフェンから作製したグラファイト材では、エッジ面の反応性を抑制するために、アモルファスカーボンによってコーティングする必要がある。
　また、リチウムイオン二次電池用の電極材料としての利用を想定した場合、従来のグラファイト材では、リチウムイオンホストとして重要な特性である結晶化度が十分ではないという課題もあった。
　このように、これまでの様々な試みにも関わらず、依然として、グラファイトをはじめとする層状物質の機能性材料としての有用性を高める観点等から、さらなる改良が求められている。
　本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、簡便かつ温和な条件下で、層状物質の層間距離を拡張し、高濃度かつ高純度で改質された層状物質を得ることのできる、工業的量産化に適した、層状物質の改質方法およびそのための装置を提供することを目的としている。
　また、本発明は、層状物質としてグラファイトを用いることにより、改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料を提供することを目的としている。
　上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、本発明者等は、従来知られている方法からは到底想定し得ない解決手段に想到した。
　すなわち、本発明者らは、高圧乳化法をグラファイトの層間距離の拡張に利用することを想到し、高圧乳化法をグラファイトの剥離に適用する際に原料溶液中のグラファイト粒子の面方向に対してせん断力を作用させる観点を利用して、溶媒分子をグラファイトの層間に作用させることにより、グラファイトの層間距離を拡張し、グラファイトを改質することができることを見出した。
　より具体的には、従来の高圧乳化装置は、圧力発生装置（ポンプ部）と、流路を著しく狭くした部分を有するパーツ（例えばノズルやオリフィスであり、以下「ノズル部」ともいう。）とを備えており、これらは高圧乳化法を行うために必須の構成要素である。ポンプ部からの圧力は、ノズル部でジェット流に変換され、ノズル部から噴射された液体は、吸収セルと呼ばれる部材を通過しながら乱流となり、衝撃力やせん断力が加えられる。このように、原料溶液にせん断力を付加することができる点に着目して、高圧乳化法をグラファイトの剥離に応用することを試みたものが、特許文献４に記載の方法である。
　しかしながら、このような従来の高圧乳化装置を用いてグラファイトの改質を試みた場合には、目的とする層間距離が拡張された改質グラファイトの収率が低いなど、一定の精度で安定的にグラファイトを改質することが困難であった。
　また、高圧乳化法では、上述したように、もともと、衝撃力や摩砕力等を複合的に組み合わせて原料溶液に作用させることによって原料をより小さい粒径に破砕しながら均質化することを想定して装置構成が設計されている。そのため、グラファイトのような層状物質に対して高圧乳化法を適用した場合には、面方向への衝撃力が加わることにより二次元構造が破壊されて、得られる生成物は、面方向の直径が原料のグラファイトの約半分ほど（例えば、数μｍ）の小さなフレーク状もしくはフラグメント状となり、その結果、上記生成物が本来発揮し得るほどの優れた特性が得られない場合があった。
　これらの各種の実験の結果から、本発明者等は、従来の高圧乳化装置において必須の構成要素であった上記ノズル部への原料溶液の通液操作によってジェット流が発生する過程において、層状物質の面方向に過度の衝撃力が付加されていること、つまり、所望の原料を乳化・分散させて乳化分散液を生成するという高圧乳化法の最も根幹をなすジェット流の発生条件は、層状物質を改質するという観点からは必ずしも適切ではないことを見出した。
　そこで、本発明者等は、従来の高圧乳化法の特徴を生かしつつ、層状物質の改質により適した方法に改良することによって、従来の方法と比較して高精度かつ高収率で、グラファイトを改質することができることを見出した。また、この技術思想は、グラファイト以外の層状物質についても適用することができ、当該層状物質を改質することができることを見出した。
　これらの新規な知見に基づき、本発明者等は、さらに研究を重ね、本発明を完成させるに至ったものである。
　すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
（１）層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、原料導入部から供給する工程、前記原料導入部から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュールに通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する工程、前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収部で回収する工程、および得られた懸濁液を精製部で精製する工程を含み、前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールとして、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないものを用いることを特徴とする層状物質の改質方法。
（２）前記懸濁液を５ＭＰａ以上の圧力で高圧処理することを特徴とする（１）に記載の層状物質の改質方法。
（３）前記層間距離拡張モジュールが、２つ以上の通液部材を直列的に連結した構造を有し、前記懸濁液の流れに関して上流側の通液部材の通液路の内径よりも下流側の通液部材の通液路の内径が大きいことを特徴とする（１）または（２）に記載の層状物質の改質方法。
（４）前記層間距離拡張モジュールが冷却手段を備えることを特徴とする（１）から（３）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（５）前記回収部で回収した前記懸濁液を前記原料導入部に再び供給して、前記層間距離拡張モジュールを通過させる工程をさらに含むことを特徴とする（１）から（４）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（６）前記層状物質がグラファイトであることを特徴とする（１）から（５）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（７）前記精製部が遠心分離機であることを特徴とする（１）から（６）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（８）前記懸濁液を、前記遠心分離機を用いて異なる回転数で２回精製することを特徴とする（７）に記載の層状物質の改質方法。
（９）前記精製工程において、第一の遠心分離操作時に沈殿物を回収し、第二の遠心分離操作時に上澄みを回収することを特徴とする（８）に記載の層状物質の改質方法。
（１０）前記精製工程において、第一の遠心分離操作では回転数５０００～１２０００ｒｐｍで行うことを特徴とする（８）または（９）に記載の層状物質の改質方法。
（１１）前記精製工程において、第二の遠心分離操作では回転数３００～３０００ｒｐｍで行うことを特徴とする（８）から（１０）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（１２）層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して供給する原料導入部、前記原料導入部から供給された前記懸濁液を通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する層間距離拡張モジュール、前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収する回収部、および得られた懸濁液を精製する精製部を備え、前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールは、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないことを特徴とする層状物質の改質装置。
（１３）ラマン分光法に基づくＤピークとＧピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ）が原料グラファイトの２倍以上であり、Ｘ線回折法に基づくＸＲＤチャートにおいて、Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークが、原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークに対して低角度側にシフトし、前記Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅が、前記原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークよりも増加してなることを特徴とする改質されたグラファイト。
（１４）窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積が原料グラファイトの４倍以上であることを特徴とする（１３）に記載の改質されたグラファイト。
（１５）（１３）または（１４）に記載の改質されたグラファイトを用いることを特徴とする二次電池用電極材料。
　本発明によれば、簡便かつ温和な条件下で、層状物質の層間距離を拡張し、高濃度かつ高純度で改質された層状物質を得ることのできる、工業的量産化に適した、層状物質の改質方法およびそのための装置が提供される。
　また、本発明によれば、層状物質としてグラファイトを用いることにより、改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料が提供される。
本発明の一実施形態に係る層状物質の改質装置を示す模式図である。 実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトのＳＥＭ観察結果を示す画像（倍率５０００倍）である。（ａ）原料のグラファイト、（ｂ）圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイト、（ｃ）圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイト。 実施例において、圧力１００ＭＰａでの高圧処理工程後のグラファイトのＳＥＭ観察結果を示す画像（倍率６００００倍）である。 実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、Ｘ線回折装置を用いて分析した結果を示すＸＲＤチャートである。（ａ）原料のグラファイト、（ｂ）圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイト、（ｃ）圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイト。 実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、ラマン分光分析により得られたラマンスペクトルである。（ａ）原料のグラファイト、（ｂ）圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイト。 実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積（Ａ）および細孔分布（Ｂ）を分析した結果を示すグラフである。 実施例で作製したテスト用セルおよび比較用セルのサイクリックボルタモグラム（ＣＶ曲線）である。（ａ）原料のグラファイトを用いて作製した比較用セル、（ｂ）サンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セル、（ｃ）サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セル。 実施例で作製したテスト用セルおよび比較用セルの充放電サイクル試験結果である。（ａ）原料のグラファイトを用いて作製した比較用セル、（ｂ）サンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セル、（ｃ）サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セル。 実施例で作製した比較用セルのレート特性試験結果である。 実施例のサンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのレート特性試験結果である。 実施例のサンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのレート特性試験結果である。 実施例のサンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのサイクル特性試験結果である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ここでは、本発明の実施形態の代表例として、改質を施す層状物質（以下、「原料」ともいう。）としてグラファイトを想定した場合を例にして説明する。
　本発明において、層状物質に関して用いる「改質」とは、当該層状物質のもつ物理的特性、電気的特性、化学的特性、機械的特性等の特性の変化を伴う、当該層状物質の層間、表面等の性質の変化をいう。改質の対象とする層状物質の特性は、層状物質の種類や用途等に応じて適宜選択される。例えば、グラファイトを二次電池用電極材料として用いる場合には、原料のグラファイトのもつ電気化学的特性が変化したものを、改質グラファイトと呼ぶ。
　本実施形態では、原料の面方向の平均直径は特に制限されないが、改質効果をより高い精度で得る観点からは、原料の面方向の平均直径を２００μｍ以下とすることが好ましく考慮され、また、原料の面方向の平均直径を１００μｍ以下とすることがより好ましく考慮される。
　原料の懸濁液の調製に用いる分散媒は、原料の層状物質に応じて適宜選択することができ、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、ジメチルホルムアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）等のアミド類、およびこれらの混合溶媒が挙げられる。なお、分散媒は、本発明の目的、効果を阻害しない範囲において、原料と分散媒との親和性等を考慮して、原料をより均一に分散させることを目的に、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム等が分散剤として添加されていてもよく、また、所要の目的に応じてその他の添加剤が添加されていてもよい。
　原料懸濁液における原料の濃度は特に制限されないが、例えば、２～１００ｍｇ／ｍＬであり、好ましくは５～５０ｍｇ／ｍＬであり、より好ましくは１０～３０ｍｇ／ｍＬである。原料濃度が上記の範囲内であると、改質効果をより高い精度で得ることができる。
　なお、ノズル部を備える従来の高圧乳化装置では、高粘度の溶液を適用することは困難であったが、本実施形態に係る改質装置では、後述するようにノズル部を有さない構成であるため、原料懸濁液の粘性が高い場合であっても、原料の層状物質を改質して、目的の生成物を得ることができる。
　図１は、本発明の一実施形態に係る層状物質の改質装置を示す模式図である。
　本実施形態に係る改質装置１は、図１に示すように、その主要な構成として、原料導入部２、層間距離拡張モジュール３、回収部４、および精製部５を備えている。
　このような改質装置１を用いて行う、本実施形態に係る層状物質の改質方法は、層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、原料導入部２から供給する工程、原料導入部２から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュール３に通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する工程、層間距離拡張モジュール３を通過した後の前記懸濁液を回収部４で回収する工程、および得られた懸濁液を精製部５で精製する工程を含む。
　原料導入部２では、原料の層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、層間距離拡張モジュール３に供給する。より具体的には、原料導入部２では、図１に示すように、溶液タンク２１に貯えられた原料懸濁液を、高圧ポンプ２２により高圧処理して、層間距離拡張モジュール３に供給する。
　高圧ポンプ２２によって原料懸濁液に付加する圧力は、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて適宜設定することができる。原料がグラファイトである場合には、圧力は、例えば、５～１５０ＭＰａであり、好ましくは１０～１２５ＭＰａであり、より好ましくは２０～１００ＭＰａである。なお、後述するように原料懸濁液を層間距離拡張モジュール３に複数回通過させる場合には、その都度、上記の範囲内で圧力を調節するようにしてもよい。
　上記の高圧処理工程では、高圧ポンプ２２による原料懸濁液への圧力の付加によって、分散媒の分子が原料の層状物質の層間に浸入する作用が強まる。このとき、分散媒分子が浸入する力が層状物質の層間に作用している力（例えば、ファンデルワールス力）を上回ると、分散媒分子が層状物質の層間に次々と入り込んでいく（インターカレートする）ことができるようになる。このようにして、高圧処理工程では、原料の層状物質の層間に多数のギャップが形成されて、層状物質の層間に働いている相互作用が弱められることにより、後述する層間距離拡張工程において、層間距離の拡張が効率的かつ効果的に進行する。
　層間距離拡張モジュール３では、原料導入部２から供給された原料懸濁液を通過させて、原料の層状物質の層間距離を拡張する。
　より具体的には、層間距離拡張モジュール３は、２つ以上の通液部材を直列的に連結した構造を有し、図１では、層間距離拡張モジュール３が３つの通液部材３１、３２、３３を直列的に連結した構造を有する形態を例示している。
　通液部材３１、３２、３３としては、例えば、従来の高圧乳化装置において吸収セルとして使用されるストレートチューブ、スパイラルチューブ等を適用することができる。
　また、図１に示す層間距離拡張モジュール３では、層間距離拡張モジュール３を通過する原料懸濁液の流れに関して上流側の通液部材の通液路の内径よりも下流側の通液部材の通液路の内径が大きく構成されている。すなわち、通液部材３１、３２、３３の通液路の内径を、それぞれＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３とすると、Ｄ３１＜Ｄ３２＜Ｄ３３の関係が成り立つ。
　通液部材３１、３２、３３の長さは、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて適宜設定することができる。原料がグラファイトである場合には、例えば、５～１００ｃｍの範囲内を一応の目安とすることができる。なお、通液部材３１、３２、３３の長さは、後述する通液時間や通液回数に応じて適宜調節することが好ましく考慮される。
　以下の表１に、層間距離拡張モジュール３の構成の一例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 
　本実施形態において、原料導入部２および層間距離拡張モジュール３は、原料懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、好ましくは０．１５ｍｍ～１ｍｍの範囲内である。また、原料導入部２および層間距離拡張モジュール３は、内径が０．１５ｍｍ未満である通液路を有さない。すなわち、本実施形態に係る改質装置１においては、従来の高圧乳化装置において必須の構成要素であったノズル部を有さない構成とすることによって、ジェット流の発生が防止され、原料の層状物質の面方向に対して意図しない衝撃力が加わることを抑制している。
　上記の層間距離拡張工程では、層間距離拡張モジュール３の通液路を原料懸濁液が通過する際に、流体力学に従ってせん断力が付加される。このせん断力は、上述した高圧処理工程において層状物質の層間に形成されたギャップに作用して、層状物質の層間に働いている相互作用がさらに弱められ、層状物質の層間が拡張される。
　そして、原料懸濁液が下流側の通液部材に移動するにつれて、原料懸濁液にかかる圧力が徐々に低下し、層間に入り込んでいた分散媒分子がデインターカレーションして、メソポア（隙間）が形成される。
　このように、本実施形態に係る層状物質の改質方法では、原料懸濁液の高圧処理工程と、その後の層間距離拡張工程を連続的に行うことによって、層状物質の層間距離が効率的かつ効果的に拡張され、また、層状物質の内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成され、層状物質が改質される。
　層間距離拡張モジュール３を通過する際の原料懸濁液の流速は、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて適宜設定することができる。なお、層間距離拡張モジュール３を通過する際の原料懸濁液の速度は、後述する通液時間や通液回数に応じて適宜調節することが好ましく考慮される。
　また、層間距離拡張モジュール３では原料懸濁液に大きなせん断力がかかるため、通液中に懸濁液の温度が上昇することがある。そのため、原料の過度な加熱による変質や剥離の抑制、回収部４での懸濁液の沸騰等を防ぐことを目的に、層間距離拡張モジュール３を冷却手段３４により冷却することができる。
　回収部４では、層間距離拡張モジュール３を通過した後の原料懸濁液を回収する。
　本実施形態では、回収部４で回収した原料懸濁液を原料導入部２に再び供給して、層間距離拡張モジュール３を通過させることもできる。このように、層間距離拡張モジュール３を複数回通過させることによって、層状物質の改質精度がより向上し、目的の生成物をより高濃度かつ高純度で得ることができる。また、上述したように、本実施形態に係る改質装置１はノズル部を有さない構成であるため、原料懸濁液を層間距離拡張モジュール３に複数回通過させた場合であっても、ジェット流が発生せず、原料の層状物質の面方向に対して意図しない衝撃力が加わることを抑制しつつ、層状物質を改質することができる。
　原料懸濁液を層間距離拡張モジュール３に通過させる時間、すなわち、層間距離拡張工程を行う時間（通液時間）は、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液の濃度、目的物の用途等に応じて適宜設定することができる。原料がグラファイトである場合には、例えば、１５秒～１８０分間であり、好ましくは３０秒～１５０分間であり、より好ましくは１～１２０分間である。なお、通液時間に伴って、層間距離拡張工程を行う回数（通液回数）が適宜調節されることが理解される。
　精製部５では、回収部４で回収して得られた懸濁液を精製する。精製部５としては、例えば、ろ過機、遠心分離機等が挙げられる。原料がグラファイトである場合には、精製部５は、遠心分離機であることが好ましい。
　精製工程では、原料の種類、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて、精製回数、精製時間等の条件が適宜設定される。例えば、遠心分離機を用いた精製では、異なる回転数で２回以上精製することが好ましい。
　より具体的には、原料がグラファイトである場合には、回収した原料懸濁液を、遠心分離機を用いて異なる回転数で２回精製することが好ましい。このとき、第一の遠心分離操作時に沈殿物を回収し、原料懸濁液に存在する剥離生成物を除去し、必要に応じて分散媒を添加し、第二の遠心分離操作時に上澄みを回収して、高濃度かつ高純度で目的物を得る。また、第一の遠心分離操作では回転数５０００～１２０００ｒｐｍで行い、第二の遠心分離操作では回転数３００～３０００ｒｐｍで行うことが好ましい。なお、精製時間は、グラファイトの面方向の平均直径、原料懸濁液におけるグラファイトの濃度等に応じて適宜設定することができる。
　また、精製部５における精製工程に先立って、前処理として、回収部４で回収して得られた懸濁液をろ過または遠心分離等によって予備精製してもよい。
　このように、本実施形態に係る層状物質の改質方法および改質装置１を用いることにより、層状物質を優れた精度で改質することができ、例えば、原料としてグラファイトを用いた場合には、層間距離が拡張された改質グラファイトを高濃度かつ高純度で得ることができる。
　また、本実施形態に係る層状物質の改質方法および改質装置１によれば、バッチ処理および連続処理のいずれにおいても、より大スケールでの実施が可能となることが期待される。
　なお、本実施形態に係る層状物質の改質方法および改質装置１は、グラファイトを原料とする場合に限定されるものではなく、他の層状物質に対しても適用することができる。他の層状物質としては、例えば、硫化モリブデン(IV)（ＭｏＳ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）等が挙げられる。ここで、上記で説明した各種の条件は、原料の層状物質の種類、特性等に応じて、適宜設計することができることが理解される。
　本実施形態に係る改質されたグラファイトは、上述したように、原料としてグラファイトを用いて、上記の層状物質の改質方法および改質装置１により得ることができる。
　本実施形態に係る改質されたグラファイトは、当該グラファイトを構成するグラフェン積層体のグラフェン間の層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されており、かつ面方向の二次元構造の破壊が抑制されているので、グラファイトが本来有している特性に加えて、各種イオンのインターカレーション反応をより効率的に生じさせることができ、従来の電極材料を上回る高容量の二次電池用電極材料として利用することができる。
　本実施形態に係る改質されたグラファイトは、ラマン分光法に基づくＤピークとＧピークとの比（ＩＤ／ＩＧ）が原料グラファイトの２倍以上である。グラファイトに関して、ラマンスペクトルの１，３５０ｃｍ－１付近に現れるバンド（Ｄピーク）は、グラファイト構造の乱れや欠陥に起因しており、このＤピークとグラファイトに共通して現れるＧピークとの強度比から、グラファイトの結晶性を評価できることが知られている。すなわち、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されていることによって、原料のグラファイトよりも結晶性が低下している。
　また、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、Ｘ線回折法に基づくＸＲＤチャートにおいて、Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークが、原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークに対して低角度側にシフトし、前記Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）が、前記原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅よりも増加してなる。上述したように、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、物質全体としての結晶性が低下しているため、ＸＲＤチャートにおいて、（００２）ピークが低角度側にシフトし、半値全幅が増加する。このように、本実施形態に係る改質されたグラファイトでは、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められ、層間距離が拡張することによって、積層構造の規則性が損なわれ歪みが生じるなどの構造的な変化が起こり、結晶性が低下する。また、ＸＲＤチャートを用いて結晶性を有する部分の層間距離を評価することにより、本実施形態に係る改質されたグラファイトにおける層間距離の下限値を推定することができる。すなわち、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、結晶性を有する部分においても、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められているため、原料のグラファイトと比較して層間距離が有意に増大している。
　また、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積が原料グラファイトの４倍以上である。すなわち、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されていることによって、原料のグラファイトよりも気体分子が吸着される部分（吸着サイト）が増大している。
　また、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、原料のグラファイトが有する電気伝導性を維持している。
　本実施形態に係る二次電池用電極材料は、上記の改質されたグラファイトを用いるものである。例えば、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、一般に公知の方法に従って、リチウムイオン二次電池用の負極材とすることができる。
　本実施形態に係る改質されたグラファイトを用いた負極材を備えたリチウムイオン二次電池においては、負極材の改質グラファイトの層間距離が拡張しており、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）を有していることによって、リチウムイオンのインターカレーション反応がより効果的かつ効率的に起こるため、高容量とすることができる。
　以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、上記の構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、具体的な形態はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更等があっても本発明に含まれる。
　以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　本実施例では、図１に例示した改質装置１の層間距離拡張モジュール３を表１に示すパターン２のとおりに構成して、グラファイトの改質試験を行った。なお、通液部材３１、３２、３３として用いたストレートチューブおよびスパイラルチューブは、長さ３０ｃｍのものを用いた。
　本実施例では、ＳＥＭ観察用のサンプルは、Ｓｉウエハ上にグラファイトの分散液を数ｍＬ滴下して調製した。ＳＥＭ観察は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ、ＪＳＭ－６５００、ＪＥＯＬ社）を用いて行った。
＜改質グラファイトの作製＞
　原料懸濁液として、グラファイト（新越化成製、鱗片状黒鉛ＢＦ－５Ａ、面方向の平均直径５μｍ）を、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ；Ｗａｋｏ製）を用いて１０ｍｇ／ｍＬの濃度に調製した。この原料懸濁液を、表１に示すパターン２の層間距離拡張モジュールを備える改質装置を用いて、圧力２５ＭＰａまたは１００ＭＰａで原料供給部から供給して、層間距離拡張モジュールを連続的に１２０分間通液させた。なお、通液時の原料懸濁液の流速は、約１４０ｍｌ／ｍｉｎであった。
　回収した原料懸濁液を６０００ｒｐｍで６０分間遠心分離して沈殿物を回収し、ＮＭＰを添加して１０ｍｇ／ｍＬの濃度に調製した後、さらに５００ｒｐｍで３０分間遠心分離して上澄みを回収し、１２０℃で乾燥して、改質グラファイトの粉末を得た。得られた改質グラファイトの収率は約６０％（約６．０ｍｇ／ｍＬの濃度に相当）であった。
　得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトのＳＥＭ観察結果を図２に示す。図２（ａ）は原料のグラファイトであり、（ｂ）は圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトであり、（ｃ）は圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトである。なお、図２（ａ）～（ｃ）に示す画像の倍率は５０００倍である。
　図２の結果から、本実施例で得られた改質グラファイトでは、原料のグラファイトと比較して、グラファイトを構成するグラフェン積層体のグラフェンに無数の隙間が生じている様子が確認された。
　図３は、圧力１００ＭＰａでの高圧処理工程後のグラファイトのＳＥＭ観察結果を示す画像（倍率６００００倍）である。後述するように、Ｘ線回折法に基づく原料グラファイトの層間距離は３．３５７Åであるが、図３に示すグラファイトでは、グラファイトの積層方向（Ｃ軸方向）の層間距離（ギャップ）が、数ｎｍ～数十ｎｍの範囲であることがわかる。このように、本発明に係る層状物質の改質方法の高圧処理工程における層状物質に対する作用は、図３のＳＥＭ画像からも確認することができる。
　このように、ノズル部を有さない層間距離拡張モジュールを用いて、ジェット流を発生させずに、高圧処理したグラファイトの懸濁液を通過させることによって、グラファイトの層間距離の拡張が効果的に行われることが確認された。
　図４は、本実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ　ＳｍａｒｔＬａｂ）を用いて分析した結果を示すＸＲＤチャートである。図４において（ａ）は原料のグラファイトであり、（ｂ）は圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトであり、（ｃ）は圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトである。
　図４の（ａ）に示すように、原料のグラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークは、２θ＝２６．５°付近に確認され、回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．１７６１°であった。一方、図４の（ｂ）および（ｃ）に示すように、改質グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークは、２θ＝２６．４５～２６．５°の間に確認され、原料のグラファイトよりも低角度側にシフトしていることがわかる。また、（００２）ピークの半値全幅は、それぞれ、０．２１７６°（圧力１００ＭＰａ）および０．２０２２°（圧力２５ＭＰａ）であり、原料グラファイトよりも増加した。このように、改質グラファイトでは、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められ、層間距離が拡張することによって、積層構造の規則性が損なわれ歪みが生じるなどの構造的な変化が起こり、結晶性が低下したと考えられる。
　また、図４の（ａ）～（ｃ）のＸＲＤチャートから、（００２）面の間隔、すなわち、グラファイトのＣ軸方向の層間距離を計算すると、それぞれ、原料のグラファイトは３．３５７Åであり、改質グラファイト（圧力１００ＭＰａ、２５ＭＰａ）はいずれも３．３６３Åであった。これより、改質グラファイトでは、結晶性を有する部分においても、原料のグラファイトと比較して層間距離が有意に増大していることが確認され、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められていることが示唆された。
　図５は、本実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、ラマン分光分析により得られたラマンスペクトルである。図５の（ａ）は原料のグラファイトであり、（ｂ）は圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトである。ラマンスペクトルは、ＦＴ－ラマン分光装置（Ｐｅｒｋｉｎ　Ｅｌｍｅｒ　ＮＩＲ　ＦＴ－Ｒａｍａｎ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ＧＸ）を用いて、励起波長５３２ｎｍの条件で測定した。
　図５の（ａ）に示すように、原料のグラファイトでは、２つの特徴的なピークが１５８０ｃｍ－１付近（Ｇピーク）および２７１４ｃｍ－１付近（２Ｄピーク）に確認され、加えて、グラファイトのクリスタライト層の境界に帰属される弱いバンドが１３５５ｃｍ－１付近（Ｄピーク）に確認された。また、図５の（ｂ）においても、図５の（ａ）と同様に、Ｇピーク、２ＤピークおよびＤピークが確認された。
　ここで、ＤピークとＧピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ）を算出すると、原料のグラファイトでは０．１５であり、本実施例で得られた改質グラファイトでは０．３３と計算される。これより、本実施例で得られた改質グラファイトは、層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されていることによって、原料のグラファイトよりも結晶性が低下していることがわかる。なお、図５ではスペクトルを示していないが、圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトのＩＤ／ＩＧ値は、０．３１であった。
　図６は、本実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積（Ａ）および細孔分布（Ｂ）を分析した結果を示すグラフである。なお、本分析は、ＡＵＴＯＳＯＲＢ（カンタクローム・インスツルメンツ社）を用いて行った。
　図６（Ａ）の結果から、原料のグラファイトの比表面積は１９．６ｍ２／ｇであり、本実施例で得られた改質グラファイトでは、８９．０ｍ２／ｇと高い比表面積を有していることがわかる。
　また、図６（Ｂ）の結果から、本実施例で得られた改質グラファイトでは、原料のグラファイトと比較して、直径が５０ｎｍ以下のメソポアが多く分布していることがわかる。従って、ノズル部を有さない層間距離拡張モジュールを用いて、高圧処理したグラファイトの懸濁液を通過させることによって、当該グラファイトを構成するグラフェン積層体のグラフェン間の層間距離が拡張され、また、グラファイトの内部や表面にメソポア（隙間）が多数形成され、気体分子が吸着される部分（吸着サイト）が増大し、原料のグラファイトよりも比表面積の大きい改質グラファイトが得られたことが確認された。
　また、本実施例で得られたグラファイトおよび原料のグラファイトについて、電気伝導率（Ｓ／ｍ）を測定した結果、原料のグラファイトは１．５０×１０５であり、圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトは１．４３×１０５であり、圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトは１．４５×１０５であった。これより、本実施例で得られた改質グラファイトは、原料のグラファイトが有する電気伝導性を維持していることが確認された。
＜リチウムイオン二次電池の作製と特性評価＞
　本実施例で得られた改質グラファイト（以下、「サンプルグラファイト」という。）を負極材として用い、正極材として金属リチウムを用い、電解質としてＬｉＰＦ６を用いて、試験用のハーフセル（以下、「テスト用セル」という。）を作製し、その特性を評価した。また、サンプルグラファイトの代わりに原料のグラファイトを用いたこと以外はテスト用セルと同様の構成を有する比較用セルを作製した。
　テスト用セルおよび比較用セルについて、ＶＭＰ３ マルチチャンネル ポテンショスタット/ガルバノスタット（Ｂｉｏｌｏｇｉｃ社）を用いて、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）およびガルバノスタティック測定（ＧＣ）を行った。
　図７に、テスト用セルおよび比較用セルのサイクリックボルタモグラム（ＣＶ曲線）を示す。図７（ａ）は原料のグラファイトを用いて作製した比較用セルであり、（ｂ）はサンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルであり、（ｃ）はサンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルである。
　図７から理解されるように、テスト用セルおよび比較用セルのＣＶ曲線の基本的な形状は、従来報告されているグラファイト負極材を備えたリチウムイオン二次電池のＣＶ曲線の形状（例えば、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，２０１２，２２，１２７４５を参照）と類似していた。このことから、サンプルグラファイトがリチウムイオン二次電池用の電極材料として実用に耐え得るものであることが示唆された。
　以下の表２および図８は、テスト用セルおよび比較用セルの充放電サイクル試験の結果である。図８（ａ）は原料のグラファイトを用いて作製した比較用セルであり、（ｂ）はサンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルであり、（ｃ）はサンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
 
　表２および図８に示したように、テスト用セルの充放電容量は、比較用セルと比べてはるかに大きく、このことは、サンプルグラファイトが、原料のグラファイトよりも高容量の電極材料であることを示している。
　また、テスト用セルのクーロン効率は、３回のサイクル試験全体を通して安定していた。特に、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルは、高容量でありかつクーロン効率に優れたものであった。
　次に、テスト用セルおよび比較用セルのレート特性試験を行った。試験条件としては、３サイクル毎に、電流密度を５０ｍＡ／ｇ、１００ｍＡ／ｇ、２００ｍＡ／ｇ、５００ｍＡ／ｇ、１Ａ／ｇ、５０ｍＡ／ｇとした。
　試験結果を図９～図１１に示す。図９は、比較用セルのレート特性試験結果である。図１０は、サンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのレート特性試験結果である。図１１は、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのレート特性試験結果である。
　図１０および図１１に示したように、テスト用セルは、比較用セルに比べて優れたレート特性を示した。特に、図１１に示したように、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルは、電流密度５０ｍＡ／ｇでの初期放電容量が約４２０ｍＡｈ／ｇであり、１８サイクル経過後も４００ｍＡｈ／ｇ以上の放電容量を維持しており、レート特性が良好であった。
　また、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのサイクル特性試験結果を図１２に示す。試験条件としては、電流密度を５０ｍＡ／ｇとした。図１２から理解されるように、計３０回のサイクル試験を通して、テスト用セルの放電容量は約４００ｍＡｈ／ｇであり、極めて良好なサイクル特性を示した。
　このように、本発明によって、層状物質の層間距離を拡張させて改質することにより、当該層状物質の特性が変化し、機能性材料としての性能が向上することが確認された。より具体的には、例えば、層状物質としてグラファイトを用いた場合には、電気化学的特性が顕著に向上し、従来の電極材料の性能を上回る新たな電極材料としての利用が可能であることが確認された。
　１　改質装置
　２　原料導入部
　２１　溶液タンク
　２２　高圧ポンプ
　３　層間距離拡張モジュール
　３１、３２、３３　通液部材
　４　回収部
　５　精製部

Claims (15)

  1. 　層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、原料導入部から供給する工程、　前記原料導入部から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュールに通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する工程、
    　前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収部で回収する工程、および
    　得られた懸濁液を精製部で精製する工程を含み、
    　前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールとして、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないものを用いることを特徴とする層状物質の改質方法。
  2. 　前記懸濁液を５ＭＰａ以上の圧力で高圧処理することを特徴とする請求項１に記載の層状物質の改質方法。
  3. 　前記層間距離拡張モジュールが、２つ以上の通液部材を直列的に連結した構造を有し、前記懸濁液の流れに関して上流側の通液部材の通液路の内径よりも下流側の通液部材の通液路の内径が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の層状物質の改質方法。
  4. 　前記層間距離拡張モジュールが冷却手段を備えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の層状物質の改質方法。
  5. 　前記回収部で回収した前記懸濁液を前記原料導入部に再び供給して、前記層間距離拡張モジュールを通過させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の層状物質の改質方法。
  6. 　前記層状物質がグラファイトであることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の層状物質の改質方法。
  7. 　前記精製部が遠心分離機であることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の層状物質の改質方法。
  8. 　前記懸濁液を、前記遠心分離機を用いて異なる回転数で２回精製することを特徴とする請求項７に記載の層状物質の改質方法。
  9. 　前記精製工程において、第一の遠心分離操作時に沈殿物を回収し、第二の遠心分離操作時に上澄みを回収することを特徴とする請求項８に記載の層状物質の改質方法。
  10. 　前記精製工程において、第一の遠心分離操作では回転数５０００～１２０００ｒｐｍで行うことを特徴とする請求項８または９に記載の層状物質の改質方法。
  11. 　前記精製工程において、第二の遠心分離操作では回転数３００～３０００ｒｐｍで行うことを特徴とする請求項８から１０のうちのいずれか一項に記載の層状物質の改質方法。
  12. 　層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して供給する原料導入部、
    　前記原料導入部から供給された前記懸濁液を通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する層間距離拡張モジュール、
    　前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収する回収部、および
    　得られた懸濁液を精製する精製部を備え、
    　前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールは、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないことを特徴とする層状物質の改質装置。
  13. 　ラマン分光法に基づくＤピークとＧピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ）が原料グラファイトの２倍以上であり、Ｘ線回折法に基づくＸＲＤチャートにおいて、Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークが、原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークに対して低角度側にシフトし、前記Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅が、前記原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークよりも増加してなることを特徴とする改質されたグラファイト。
  14. 　窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積が原料グラファイトの４倍以上であることを特徴とする請求項１３に記載の改質されたグラファイト。
  15. 　請求項１３または１４に記載の改質されたグラファイトを用いることを特徴とする二次電池用電極材料。
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