WO2019013034A1 - 導電性カーボン混合物及びその製造方法、この混合物を用いた電極及びその製造方法、この電極を備えた蓄電デバイス - Google Patents

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智志 久保田
晏義 白石
典之 宮本
将貴 小池
修一 石本
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日本ケミコン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a conductive carbon mixture used in the production of an electrode of a storage device and a method of producing the same.
  • the present invention also relates to an electrode using the above conductive carbon mixture, a method of manufacturing the same, and a power storage device provided with the electrode.
  • Power storage devices such as secondary batteries, electric double layer capacitors, redox capacitors and hybrid capacitors are used as power sources for information devices such as mobile phones and laptop computers, and for motor drive power sources and energy regeneration for low pollution vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles. Although these devices are widely studied for applications such as systems, it is desirable to improve energy density and cycle life in these storage devices in order to meet the demand for higher performance and smaller size.
  • an electrode active material that exhibits a capacity by Faraday reaction accompanied by exchange of electrons with ions in the electrolyte (including the electrolyte solution) or non-Faraday reaction without exchange of electrons for energy storage It is used.
  • these electrode active materials are generally used in the form of a composite material with a conductive agent.
  • conductive agent conductive carbon such as carbon black, natural graphite, artificial graphite, carbon nanotube, etc. is usually used.
  • These conductive carbons, together with a low conductivity active material play a role of imparting conductivity to the composite material, but not only this but also act as a matrix that absorbs the volume change associated with the reaction of the active material. Also, it plays a role of securing an electron conduction path even if the active material is mechanically damaged.
  • a composite material of these active material and conductive carbon is generally manufactured by a method of mixing active material particles and conductive carbon particles. Since conductive carbon basically does not contribute to the improvement of the energy density of the storage device, in order to obtain a storage device having a high energy density, the amount of conductive carbon per unit volume is decreased to increase the active material mass. There is a need. However, it is difficult to allow conductive carbon particles to efficiently enter between active material particles, and therefore it is difficult to increase the amount of active material per unit volume by making the distance between active material particles close. Was present.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-96125.
  • the conductive carbon mixture is obtained by dry mixing of oxidized carbon obtained by subjecting a carbon raw material having voids to a strong oxidation treatment, and conductive carbon different from the oxidized carbon.
  • the strongly oxidized oxidized carbon has the property of at least partially changing to paste-like when it is subjected to pressure, but due to the pressure exerted on the oxidized carbon in the process of dry mixing, the glue of the oxidized carbon Solidification proceeds, and at least a portion of the oxidized carbon that has been converted into paste form adheres to the surface of the other conductive carbon.
  • the conductive carbon mixture is well compatible with the electrode active material, and at least a part of the conductive carbon mixture is mixed in the process of mixing the conductive carbon mixture and the electrode active material to produce an electrode material for a storage battery.
  • the paste-like oxidized carbon coats the surface of the electrode active material.
  • an active material layer is formed on the current collector using this electrode material, and a pressure is applied to the active material layer to produce an electrode, and the pressure further promotes the pasting of oxidized carbon, While the coating of the surface of the electrode active material with the oxidized carbon is further progressed, the particles of the electrode active material in which the oxidized carbon which is bonded and the other conductive carbon coated thereon are in close proximity to each other Extruded and densified.
  • the content of the electrode active material in the active material layer can be increased, and an electrode having a high electrode density can be obtained.
  • the conductive carbon mixture dissolves the electrode active material in the electrolyte even though the impregnation of the electrolyte in the electricity storage device is not suppressed. It is known to suppress.
  • the conductive carbon mixture leads to an improvement in energy density and cycle life of the storage device.
  • an object of the present invention is to provide a conductive carbon mixture which further extends the cycle life of the storage device based on the knowledge of Patent Document 1.
  • the inventor changed the strength of dry mixing of oxidized carbon and another conductive carbon to a wide range to obtain a conductive carbon mixture, and the obtained mixture was examined by a laser Raman spectrophotometer. It has been discovered that as the mixing intensity increases, the ratio of the peak intensity of the 2D band to the peak intensity of the D band in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture decreases.
  • the D band is a Raman band derived from edge oxidized irregular graphite, and the 2D band is its overtone mode.
  • the ratio of the peak intensity of the 2D band to the peak intensity of the D band in the Raman spectrum is represented by “R 2D / D ”.
  • oxidized carbon refers to carbon obtained by subjecting a carbon raw material having conductivity to a strong oxidation treatment, and having a property that at least a part changes into paste-like when it is subjected to pressure.
  • the term "paste” means that no grain boundary of primary carbon particles is observed in a SEM photograph taken at 25,000x magnification, and non-particulate amorphous carbon is connected.
  • the R 2D / D in the Raman spectrum is 55% or less, preferably 20 to 55%, particularly preferably 20 to 55% of the R 2D / D in the Raman spectrum of the other conductive carbon. It has been discovered that constructing a storage device using a conductive carbon mixture exhibiting a value of 35% significantly improves the cycle life of the storage device and completes the invention.
  • the present invention first comprises oxidized conductive carbon having conductivity and conductive carbon different from the oxidized carbon, and the oxidized carbon covers the surface of the other conductive carbon.
  • a conductive carbon mixture for producing an electrode of a storage device wherein R 2D / D in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture is 55% of R 2D / D in the Raman spectrum of the other conductive carbon.
  • the following relates to a conductive carbon mixture characterized in that it is preferably in the range of 20 to 55%, particularly preferably 20 to 35%.
  • the present invention is also a method of producing a conductive carbon mixture for producing an electrode of a storage device, comprising: oxidizing a carbon raw material having conductivity to obtain oxidized carbon; and the above oxidation treatment
  • the dry mixing in the mixing step can be obtained, including a mixing step of dry mixing the carbon and the conductive carbon different from the oxidized carbon and coating the surface of the conductive carbon with the oxidized carbon.
  • R 2D / D in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture relates to a method for manufacturing a conductive carbon mixture which comprises carrying out until 55% or less of the R 2D / D in the Raman spectrum of the further conductive carbon.
  • this conductive carbon mixture it is preferable that at least a part of the oxidized carbon is paste-like.
  • FIG. 1 shows laser Raman spectroscopy of oxidation treated ketjen black obtained by subjecting ketjen black as oxidation treated carbon to strong oxidation treatment, and acetylene black as conductive carbon different from oxidation treated carbon. It shows the result of measuring the Raman spectrum using a total (excitation light: KTP / 532 laser: wavelength 532 nm).
  • the Raman band observed near wavenumber 2670 cm -1 is a 2D band
  • the Raman band observed between wavenumber 1300 to 1350 cm -1 is a D band.
  • the G band is a Raman band derived from ideal graphite
  • the D + G band is a combination mode of D and G.
  • the Raman spectra obtained for oxidation-treated ketjen black and acetylene black are normalized by the peak intensity of the D band, the two are largely different in the peak intensity of the 2D band.
  • oxidation treatment ketjen black and acetylene black are introduced into a ball mill and dry mixing is performed, at least a part of the oxidation treatment ketjen black changes to a paste-like shape in the process of dry mixing, and this changed oxidation treatment ketjen Black coats the surface of acetylene black.
  • the Raman spectrum of the conductive carbon mixture obtained by dry mixing is shown in FIG.
  • the Raman spectrum of FIG. 2 is also normalized by the peak intensity of the D band. As can be understood from FIG. 2, the peak intensity of the 2D band decreases as the mixing intensity is increased by increasing the frequency of the ball mill, increasing the mixing time, or the like.
  • covered the surface of said another conductive carbon If it is 55% or less, preferably 20 to 55%, particularly preferably 20 to 35% of R 2D / D in the Raman spectrum of the other conductive carbon, the cycle life of the storage device is significantly improved. I understood it.
  • the oxidized carbon in the conductive carbon mixture preferably contains a hydrophilic portion, and the content of the hydrophilic portion is preferably 10% by mass or more of the entire oxidized carbon.
  • the "hydrophilic portion" of carbon has the following meaning. That is, 0.1 g of carbon is added to 20 mL of an aqueous ammonia solution of pH 11 and ultrasonic irradiation is performed for 1 minute, and the obtained solution is left to stand for 5 hours to precipitate the solid phase portion. The part dispersed in the aqueous ammonia solution of pH 11 without precipitation is the “hydrophilic part”. Further, the content of the hydrophilic portion with respect to the whole carbon can be determined by the following method.
  • the remaining portion from which the supernatant liquid has been removed is dried, and the weight of the solid after drying is measured.
  • the weight of the solid after drying minus the weight of 0.1 g of the initial carbon is the weight of the “hydrophilic portion” dispersed in the aqueous solution of pH 11 ammonia.
  • the weight ratio of the weight of the “hydrophilic portion” to the weight of 0.1 g of the initial carbon is the content of the “hydrophilic portion” in carbon.
  • the proportion of hydrophilic portions in conductive carbon such as carbon black, natural graphite, carbon nanotubes and the like used as a conductive agent in electrodes of conventional electric storage devices is 5% by mass or less of the whole.
  • carbon raw material when the carbon raw material is oxidized, it is oxidized from the surface of the carbon particles to introduce a hydroxy group, a carboxy group or an ether bond into the carbon, and the conjugated double bond of the carbon is oxidized to form a carbon single bond. Partially, carbon-carbon bonds are broken to form hydrophilic moieties on the particle surface.
  • the proportion of hydrophilic portions in the carbon particles is increased, and the hydrophilic portions occupy 10% by mass or more of the whole carbon.
  • such oxidation-treated carbon is preferable because it is compressed integrally as it is subjected to pressure, and it is easy to spread in a paste form and to be easily densified.
  • the conductive carbon mixture of the present invention is used in a form mixed with an electrode active material for the production of an electrode of a storage device.
  • the electrode material in the form of a slurry obtained by mixing the conductive carbon mixture, the electrode active material, the binder and the solvent is preferable.
  • pasting of the oxidized carbon proceeds to cover the surface of the electrode active material.
  • the pressure further promotes the pasting of oxidized carbon.
  • the conductive carbon mixture is densified.
  • R 2D / D in the Raman spectrum is 55% or less of the R 2D / D in the Raman spectrum of the further conductive carbon, preferably from 20 to 55%, particularly preferably conductive of the invention that are in the range of 20 to 35%
  • the carbon mixture densifies the surface of the electrode active material with particularly good coverage in the process of producing the electrode material and the electrode, thereby prolonging the cycle life of the electricity storage device provided with the obtained electrode. Therefore, the present invention is also an electrode for a storage device, comprising an active material layer containing an electrode active material and the conductive carbon mixture of the present invention, and the oxidation treated carbon covering the surface of the electrode active material.
  • a method of manufacturing an electrode for a power storage device comprising: the conductive carbon mixture obtained by the method of manufacturing a conductive carbon mixture described above; an electrode active material; a binder; and a solvent And an electrode material preparation step of obtaining an electrode material in a slurry form, an active material layer formation step of applying the above electrode material on a current collector to form an active material layer, and pressure on the above active material layer
  • the method includes an electrode forming step of applying an electrode to form an electrode, and covering the surface of the electrode active material with the oxidized carbon through the electrode material preparing step and the electrode forming step. Relates to a method of manufacturing a pole, further relates to a power storage device with the electrode.
  • the ratio of the electrode active material to the conductive carbon mixture is not strictly limited, but the conductive carbon mixture covers the surface of the electrode active material particularly well and the conductive material is electrically conductive.
  • the amount of the electrode active material in the active material layer can be increased in order to impart properties and densify.
  • the increase of the electrode active material leads to the improvement of the energy density of the electricity storage device.
  • the ratio of the electrode active material to the conductive carbon mixture is preferably in the range of 95: 5 to 99.5: 0.5 in mass ratio, and is in the range of 97: 3 to 99.5: 0.5. Is particularly preferred. When the proportion of the conductive carbon mixture is less than the above range, the conductivity of the active material layer is insufficient, and the coverage of the active material by the conductive carbon mixture tends to be low, and the cycle characteristics tend to be low.
  • a conductive carbon mixture which comprises oxidized conductive carbon having conductivity and conductive carbon different from the oxidized carbon, the oxidized carbon being coated on the surface of the other conductive carbon
  • R 2D / D is conductive carbon mixture of the present invention that are 55% or less of the R 2D / D in the Raman spectrum of the further conductive carbon, especially the electrode material and the surface of the process in the electrode active material of manufacture of electrodes In order to densify while coating well, the cycle life of the electricity storage device provided with the obtained electrode is extended.
  • a conductive carbon mixture for producing an electrode of the electricity storage device of the present invention comprises oxidized conductive carbon having conductivity and conductive carbon other than the oxidized carbon, The oxidized carbon covers the surface of the other conductive carbon. Preferably, at least a part of the oxidized carbon is pasty. And, R 2D / D in the Raman spectrum of this conductive carbon mixture is 55% or less, preferably 20 to 55%, particularly preferably 20 to 35% of R 2D / D in the Raman spectrum of the other conductive carbon. Range.
  • the oxidized carbon which at least partially changes into paste form in the process of mixing with another conductive carbon can be obtained by subjecting a carbon raw material having conductivity to a relatively strong oxidation treatment.
  • a carbon raw material having conductivity there is no particular limitation on the carbon raw material to be used, but from the point of easiness of oxidation, porous carbon powder, ketjen black, furnace black having voids, carbon having voids such as carbon nanofibers and carbon nanotubes are preferable.
  • carbon having a void having a specific surface area of 300 m 2 / g or more as measured by the BET method is preferable.
  • spherical particles such as ketjen black and furnace black having voids are particularly preferable.
  • oxidized carbon can be obtained by treating a carbon raw material in a solution of acid or hydrogen peroxide.
  • acid nitric acid, a nitric acid-sulfuric acid mixture, an aqueous solution of hypochlorous acid and the like can be used.
  • oxidized carbon can be obtained by heating the carbon raw material in an oxygen-containing atmosphere, water vapor and carbon dioxide.
  • oxidation-treated carbon can be obtained by mixing a carbon raw material with an alkali metal hydroxide and heating the mixture in an oxygen-containing atmosphere and removing the alkali metal by water washing or the like.
  • oxidized carbon can be obtained by plasma treatment of carbon raw materials in an oxygen-containing atmosphere, ultraviolet irradiation, corona discharge treatment and glow discharge treatment, treatment with ozone water or ozone gas, and oxygen bubbling treatment in water.
  • a carbon raw material preferably a carbon raw material having voids as described above
  • it is oxidized from the surface of the carbon particle to introduce a hydroxy group, a carboxy group or an ether bond into carbon, and carbon conjugated double bond is oxidized.
  • carbon single bonds are formed, partial carbon-carbon bonds are broken, and hydrophilic rich parts are formed on the particle surface.
  • the oxidation-treated carbon having such a hydrophilic portion is easily attached to the surface of the other conductive carbon, and effectively suppresses the aggregation of the other conductive carbon.
  • the content of the hydrophilic portion in the oxidized carbon is preferably 10% by mass or more of the whole oxidized carbon.
  • Such oxidized carbon is compressed integrally when subjected to pressure, and it is easy to spread in the form of paste and to be densified. It is particularly preferable that the content of the hydrophilic portion is 12% by mass or more and 30% by mass or less of the whole.
  • Oxidized carbon containing 10% by weight or more of the hydrophilic part of the whole (A) a step of treating a carbon raw material having voids with an acid, (B) mixing the product after the acid treatment and the transition metal compound, (C) pulverizing the obtained mixture to produce a mechanochemical reaction, (D) heating the product after the mechanochemical reaction in a non-oxidizing atmosphere, (E) It can be suitably obtained by a production method including the step of removing the above transition metal compound and / or its reaction product from the product after heating.
  • a carbon raw material having voids preferably ketjen black
  • an acid preferably ketjen black
  • ultrasonic waves may be applied.
  • acids commonly used in the oxidation treatment of carbon such as nitric acid, nitric acid-sulfuric acid mixture, aqueous solution of hypochlorous acid and the like can be used.
  • the immersion time depends on the concentration of the acid, the amount of carbon raw material to be treated, etc., but is generally in the range of 5 minutes to 5 hours.
  • the acid-treated carbon is thoroughly washed with water and dried, and then mixed with the transition metal compound in the step (b).
  • the transition metal compound added to the carbon raw material in step (b) includes halides of transition metals, inorganic metal salts such as nitrates, sulfates and carbonates, formates, acetates, borates, methoxides, ethoxides and iso Organometallic salts such as propoxide or mixtures thereof can be used. These compounds may be used alone or in combination of two or more. Compounds containing different transition metals may be mixed and used in predetermined amounts. In addition, compounds other than transition metal compounds, for example, alkali metal compounds may be added together as long as the reaction is not adversely affected.
  • oxidized carbon is used by being mixed with an electrode active material in the manufacture of an electrode of a storage device, when a compound of elements constituting the electrode active material is added to a carbon material, it becomes an impurity to the electrode active material It is preferable because it can prevent the mixing of possible elements.
  • the mixture obtained in the step (b) is pulverized to cause a mechanochemical reaction.
  • the transition metal compound acts to promote the oxidation of the carbon source by mechanochemical reaction, and the oxidation of the carbon source proceeds rapidly in this step.
  • crushers for this reaction include lacorice, stone mills, ball mills, bead mills, bead mills, rod mills, roller mills, stirrer mills, planetary mills, vibratory mills, hybridizers, mechanochemical compounding devices and jet mills. be able to.
  • the grinding time depends on the grinder used, the amount of carbon to be treated, etc., and there is no strict limitation, but it is generally in the range of 5 minutes to 3 hours.
  • the step (d) is performed in a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere.
  • the heating temperature and the heating time are appropriately selected according to the transition metal compound used.
  • the subsequent step (e) after removing the transition metal compound and / or its reaction product from the product after heating by a means such as dissolving it with an acid, it is thoroughly washed and dried. Through these steps, it is possible to obtain oxidized carbon containing 10% by mass or more, preferably 12% by mass or more and 30% by mass or less of the hydrophilic portion of the whole.
  • the conductive carbon mixture of the present invention can be obtained by dry mixing of the obtained oxidized carbon and the conductive carbon different from the oxidized carbon.
  • the conductive carbon used for the electrode of the conventional electricity storage device can be used without particular limitation, for example, ketjen black, Carbon black such as acetylene black, channel black, furnace black, thermal black, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, amorphous carbon, carbon fiber, natural graphite, artificial graphite, graphitized ketjen black, mesoporous carbon, vapor phase method Carbon fiber is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. It is preferred to use conductive carbon having a higher conductivity than oxidized carbon which is at least partially pasty, in particular the use of acetylene black.
  • the ratio by weight of the oxidized carbon to the other conductive carbon is preferably in the range of 3: 1 to 1: 3, and in the range of 2.5: 1.5 to 1.5: 2.5. More preferable.
  • a lathe apparatus a millstone mill, a ball mill, a bead mill, a bead mill, a rod mill, a roller mill, a stirring mill, a planetary mill, a vibration mill, a hybridizer, a mechanochemical compounding apparatus and a jet mill can be used.
  • the dry mixing time varies depending on the total amount of the oxidized carbon and the additional conductive carbon to be mixed and the mixing apparatus used, but is generally between 10 minutes and 1 hour.
  • At least a part of the oxidation-treated carbon changes to a paste-like shape in the process of dry mixing to coat the surface of the other conductive carbon, so aggregation of the other conductive carbon can be suppressed. Then, when the Raman spectrum of the conductive carbon mixture after dry mixing is measured, as shown in FIG. 2, the higher the mixing strength in dry mixing, in other words, the above-mentioned other by the oxidized carbon treated at least partially. As the coating of the surface of the conductive carbon proceeds, the peak intensity of the 2D band decreases.
  • R 2D / D in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture of the present invention is 55% or less, preferably 20 to 55%, particularly preferably 20 to 35% of R 2D / D in the Raman spectrum of the other conductive carbon Although it is a range, dry mixing conditions for adjusting to this range can be determined by a simple preliminary experiment.
  • the conductive carbon mixture of the present invention covers the surface of the electrode active material particularly well in the process of producing the electrode material and the electrode shown below, and densifies while covering the surface of the electrode active material. The life span is prolonged.
  • the dry mixing strength of the oxidized carbon and the other conductive carbon is such that R 2 D / D in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture is less than 20% of R 2 D / D in the Raman spectrum of another conductive carbon. enhance the, in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture as compared with the case of adopting the insufficient dry mixing intensity as R 2D / D is more than 55% of the R 2D / D in the Raman spectrum of another conductive carbon energy storage although the device of the cycle life is prolonged, a suitable dry mixing intensity in the range R 2D / D is 20 to 55% R 2D / D in the Raman spectrum of another conductive carbon in the Raman spectrum of the conductive carbon mixture
  • the cycle life of the electricity storage device tends to be shorter than when adopting It is. The reason is not clear at present.
  • Electrode The conductive carbon mixture of the present invention is an electron with ions in the electrolyte of the storage device for the production of electrodes of storage devices such as secondary batteries, electric double layer capacitors, redox capacitors and hybrid capacitors. It is used in a form in which it is mixed with an electrode active material that exhibits a capacity by non-Faraday reaction not involving Faraday reaction involving transfer or electron transfer.
  • an active material used as a positive electrode active material or a negative electrode active material in a conventional electricity storage device can be used without particular limitation.
  • These active materials may be a single compound or a mixture of two or more compounds.
  • layered rock salt type LiMO 2 layered Li 2 MnO 3 -LiMO 2 solid solution
  • spinel type LiM 2 O 4 spinel type LiM 2 O 4 (M in the formula is Mn, Fe, Co, Ni or a combination thereof is mentioned.
  • LiCoO 2 LiNiO 2 , LiNi 4/5 Co 1/5 O 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2, LiFeO 2, LiMnO 2, Li 2 MnO 3 -LiCoO 2, Li 2 MnO 3 -LiNiO 2, Li 2 MnO 3 -LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, Li 2 MnO 3 -LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , Li 2 MnO 3 -LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , Li 2 MnO 3 -LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 -LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiMn 2 O 4 , LiMn 3/2 Ni 1/2 O 4 is mentioned.
  • sulfur and sulfides such as Li 2 S, TiS 2 , MoS 2 , FeS 2 , VS 2 , Cr 1/2 V 1/2 S 2 , selenides such as NbSe 3 , VSe 2 , NbSe 3 , Cr 2
  • Other oxides such as O 5 , Cr 3 O 8 , VO 2 , V 3 O 8 , V 2 O 5 , V 6 O 13 and the like, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , LiVOPO 4 , LiV 3 O 5 , LiV 3 O 8 , MoV 2 O 8 , Li 2 FeSiO 4 , Li 2 MnSiO 4 , LiFePO 4 , LiFe 1/2 Mn 1/2 PO 4 , LiMnPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) And the like.
  • Examples of the negative electrode active material of the secondary battery include Fe 2 O 3 , MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , CoO, Co 3 O 4 , NiO, Ni 2 O 3 , TiO, TiO 2 Oxides such as SnO, SnO 2 , SiO 2 , RuO 2 , WO, WO 2 , and ZnO, metals such as Sn, Si, Al, and Zn, LiVO 2 , Li 3 VO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 and the like Complex oxides, nitrides such as Li 2.6 Co 0.4 N, Ge 3 N 4 , Zn 3 N 2 , Cu 3 N, etc. may be mentioned.
  • the active material in the polarizable electrode of the electric double layer capacitor examples include carbon materials such as activated carbon, carbon nanofibers, carbon nanotubes, phenolic resin carbide, polyvinylidene chloride carbide, microcrystalline carbon and the like having a large specific surface area.
  • the positive electrode active material exemplified for the secondary battery can be used for the positive electrode, and in this case, the negative electrode is composed of a polarizable electrode using activated carbon or the like.
  • the negative electrode active material exemplified for the secondary battery can be used for the negative electrode, and in this case, the positive electrode is constituted of a polarizable electrode using activated carbon or the like.
  • the positive electrode active material of the redox capacitor examples include metal oxides such as RuO 2 , MnO 2 and NiO, and the negative electrode is made of an active material such as RuO 2 and a polarizable material such as activated carbon.
  • the average particle size of the active material is preferably more than 2 ⁇ m and 25 ⁇ m or less.
  • the active material having this relatively large average particle size itself improves the electrode density, and in the process of manufacturing the electrode material and the electrode, due to its pressing force, at least a portion of the conductive carbon mixture is Promotes the pasting and densification of pasty oxidized carbon.
  • the active material is composed of fine particles having an average particle diameter of 0.01 to 2 ⁇ m and coarse particles having an average particle diameter of more than 2 ⁇ m and 25 ⁇ m or less which can operate as an active material of the same electrode as the fine particles. It may be configured.
  • Particles with a small particle size are said to be prone to aggregation, but at least a part of the conductive carbon mixture adheres not only to the surface of coarse particles but also to the surface of fine particles, with paste-like oxidized carbon Can be suppressed, and the mixed state of the active material and the conductive carbon mixture can be made uniform.
  • the mass ratio of the electrode active material and the conductive carbon mixture to be mixed is not particularly limited, but in order to obtain a storage device having a high energy density, the mass ratio is 90:10 to 99.5: 0.5. It is preferable to be in the range of R 2D / D in the Raman spectrum is 55% or less of the R 2D / D in the Raman spectrum of the further conductive carbon, preferably from 20 to 55%, particularly preferably conductive of the invention that are in the range of 20 to 35%
  • the carbon mixture densifies the surface of the electrode active material particularly well in the process of manufacturing the electrode material and the electrode, so that the electrode active material can be further increased, and the electrode active material and the conductive carbon mixture
  • the ratio of is preferably in the range of 95: 5 to 99.5: 0.5 in mass ratio, and particularly preferably in the range of 97: 3 to 99.5: 0.5. If the proportion of the conductive carbon mixture is less than the above range, the conductivity of the active material layer is insufficient, and the coverage of the active material
  • binder known binders such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl fluoride, carboxymethyl cellulose and the like are used.
  • the content of the binder is preferably 1 to 30% by mass with respect to the total amount of the electrode material. If the content is 1% by mass or less, the strength of the active material layer is not sufficient, and if it is 30% by mass or more, disadvantages such as a decrease in discharge capacity of the electrode and an excessive internal resistance occur.
  • solvents that do not adversely affect other components in the electrode material such as N-methyl pyrrolidone, dimethylformamide, tetrahydrofuran, isopropyl alcohol, water and the like can be used without particular limitation.
  • the binder can be used in the form dissolved in a solvent.
  • the amount of the solvent used is not particularly limited as long as it does not interfere with the formation of the active material layer of the electrode shown below.
  • the electrode material in the form of a slurry can be produced by dry mixing the conductive carbon mixture of the present invention and the electrode active material, and then mixing the obtained mixture with a binder and a solvent.
  • a lathe apparatus a millstone mill, a ball mill, a bead mill, a bead mill, a rod mill, a roller mill, a stirring mill, a planetary mill, a vibration mill, a hybridizer, a mechanochemical compounding apparatus and a jet mill can be used.
  • the dry mixing time varies depending on the total amount of the conductive carbon mixture to be mixed and the electrode active material and the mixing apparatus used, but is generally between 10 minutes and 1 hour.
  • the mixing method in the subsequent wet mixing with the binder and the solvent may be performed by hand mixing using a mortar, or may be performed using a known mixing device such as a stirrer or a homogenizer.
  • the time of wet mixing also varies depending on the amount of materials to be mixed and the mixing apparatus used, but is generally between 10 minutes and 1 hour.
  • the conductive carbon mixture of the present invention is compatible with the binder and the solvent, a method of wet mixing all of the conductive carbon mixture, the electrode active material, the binder and the solvent may be employed instead of the above method.
  • the conductive carbon mixture, the binder and the solvent may be wet mixed, and then the electrode active material may be added and then wet mixed.
  • the conductive carbon mixture, the electrode active material and the solvent may be wet.
  • a method of mixing, adding a binder and wet mixing may be adopted.
  • the mixing time is also appropriately selected according to the mixing apparatus and the mixing amount. Fine carbon particles are said to be incompatible with the binder and the solvent, but the use of the conductive carbon mixture makes it possible to easily obtain an electrode material in which each component is uniformly mixed regardless of the mixing method.
  • an active material layer is formed by applying a slurry-form electrode material on a current collector for forming a positive electrode or a negative electrode of an electricity storage device, and the active material layer is dried if necessary. Pressure is applied to the layer by rolling to obtain an electrode. After the obtained electrode material is formed into a predetermined shape and pressed onto a current collector, rolling may be performed.
  • a conductive material such as platinum, gold, nickel, aluminum, titanium, steel, carbon
  • the shape of the current collector may be any shape such as a film, a foil, a plate, a net, an expanded metal, or a cylinder. Drying of the active material layer may be carried out by removing the solvent by heating under reduced pressure as necessary.
  • the pressure applied to the active material layer by the rolling treatment is generally in the range of 50,000 to 1,000,000 N / cm 2 , preferably 100,000 to 500,000 N / cm 2 .
  • the temperature of the rolling process is not particularly limited, and the process may be performed at normal temperature or may be performed under heating conditions.
  • the conductive carbon mixture When pressure is applied to the active material layer on the current collector, at least a part of the conductive carbon mixture further spreads in the form of paste like oxidized carbon in the form of paste, thereby covering the surface of the active material particles And active material particles approach each other, and along with this, the oxidized carbon that has changed into paste form covers not only the gaps formed between adjacent active material particles but also active material particles while covering the surface of the active material particles.
  • the other conductive carbon is also extruded and densely packed inside the pores present in the surface of the. Therefore, the amount of active material per unit volume in the electrode increases, and the electrode density increases. Further, the conductive carbon mixture densely packed has conductivity sufficient to function as a conductive agent, and also suppresses dissolution of the electrode active material in the electrolytic solution.
  • the electrode of the present invention is used for an electrode of a storage device such as a secondary battery, an electric double layer capacitor, a redox capacitor and a hybrid capacitor.
  • the electricity storage device includes a pair of electrodes (positive electrode, negative electrode) and an electrolyte disposed therebetween as essential elements, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is the electrode of the present invention.
  • the electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode in the storage device may be an electrolytic solution held by a separator, may be a solid electrolyte, or may be a gel electrolyte, and a conventional storage device.
  • the electrolyte used in can be used without particular limitation. Below, a typical electrolyte is illustrated.
  • lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 in solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and dimethyl carbonate
  • solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and dimethyl carbonate
  • the dissolved electrolytic solution is used in a state of being held by a separator such as a polyolefin fiber nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric.
  • Inorganic solid electrolytes such as Li 5 La 3 Nb 2 O 12 , Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 and Li 7 P 3 S 11
  • Organic solid electrolytes comprising a complex of a lithium salt and a polymer compound such as polyethylene oxide, polymethacrylate, polyacrylate or the like, and gel electrolytes in which an electrolytic solution is absorbed in polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile or the like are also used.
  • an electrolytic solution in which a quaternary ammonium salt such as (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 is dissolved in a solvent such as acrylonitrile or propylene carbonate is used.
  • a solvent such as acrylonitrile or propylene carbonate
  • an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in propylene carbonate or the like, and an electrolytic solution in which a quaternary ammonium salt is dissolved in propylene carbonate or the like are used.
  • Example 1 After adding 10 g of ketjen black (trade name EC 300 J, manufactured by Ketchen Black International, BET specific surface area 800 m 2 / g) to 300 mL of 60% nitric acid, the resulting solution is irradiated with ultrasonic waves for 10 minutes and then filtered. Ketjen black was recovered. The recovered ketjen black was washed three times with water and dried to obtain an acid-treated ketjen black.
  • ketjen black trade name EC 300 J, manufactured by Ketchen Black International, BET specific surface area 800 m 2 / g
  • Ketjenblack 0.5g, and Fe (CH 3 COO) 2 1.98g , and Li (CH 3 COO) 0.77g, and C 6 H 8 O 7 ⁇ H 2 O1.10g, CH 3 1.32 g of COOH, 1.31 g of H 3 PO 4 and 120 mL of distilled water were mixed, and the obtained mixture was stirred with a stirrer for 1 hour, then evaporated to dryness in air at 100 ° C., and the mixture was collected. .
  • the resulting mixture was then introduced into a vibrating ball mill and subjected to grinding at 20 hz for 10 minutes.
  • the pulverized powder was heated in nitrogen at 700 ° C. for 3 minutes to obtain a complex in which Ketjen black was loaded with LiFePO 4 .
  • 0.1 g of the obtained oxidized carbon was added to 20 mL of an aqueous ammonia solution of pH 11 and subjected to ultrasonic irradiation for 1 minute. The resulting solution was allowed to stand for 5 hours to precipitate the solid phase portion. After precipitation of the solid phase portion, the remaining portion from which the supernatant was removed was dried, and the weight of the solid after drying was measured. The weight ratio of the weight of the solid after drying minus the weight of 0.1 g of the first oxidized carbon to the weight of 0.1 g of the first oxidized carbon, and the content of the "hydrophilic portion" in the oxidized carbon did. The content of the hydrophilic portion was 15.2% by mass.
  • the obtained oxidized carbon and acetylene black (R 2 D / D : 0.4) are introduced into a vibrating ball mill at a mass ratio of 1: 1, dry mixing is performed at 10 hz for 20 minutes, and the conductive carbon mixture is Obtained.
  • the Raman spectrum of this mixture was measured using a laser Raman spectrophotometer (excitation light: KTP / 532 laser: wavelength 532 nm) to calculate the value of R 2D / D.
  • ethylene carbonate / dimethyl carbonate LiPF 6 of 1M 1 liquid as an electrolyte solution prepared by adding 1 wt% of vinylene carbonate in 1 solution to prepare a lithium ion secondary battery.
  • the obtained battery was repeatedly charged and discharged in the range of 4.2 to 3.0 V under the conditions of a charge and discharge rate of 25 ° C. and 1 C, and the capacity retention rate after 200 cycles was determined.
  • Example 2 Example 1 was repeated except that the dry mixing conditions for obtaining the conductive carbon mixture in Example 1 were changed from the conditions of 20 minutes at 10 hz to the conditions of 10 minutes at 20 hz. .
  • Example 3 Example 1 was repeated except that the dry mixing conditions by the vibrating ball mill for obtaining the conductive carbon mixture in Example 1 were changed from the conditions of 20 minutes at 10 hz to the conditions of 20 minutes at 20 hz. .
  • Example 4 Example 1 was repeated except that the dry mixing conditions for obtaining the conductive carbon mixture in Example 1 were changed from the conditions of 20 minutes at 10 hz to the conditions of 30 minutes at 20 hz. .
  • Example 5 Example 1 was repeated except that the dry mixing conditions for obtaining the conductive carbon mixture in Example 1 were changed from the conditions of 20 minutes at 10 hz to the conditions of 20 minutes at 30 hz. .
  • Example 6 Example 1 was repeated except that the dry mixing conditions for obtaining the conductive carbon mixture in Example 1 were changed from the conditions of 20 minutes at 10 hz to the conditions of 30 minutes at 30 hz. .
  • Comparative Example Example 1 was repeated except that the dry mixing condition by the vibrating ball mill for obtaining the conductive carbon mixture in Example 1 was changed from the condition of 20 minutes at 10 hz to the condition of 10 minutes at 10 hz. I repeated it.
  • R 2D / D is conductive carbon mixture of Examples 1-6 55% or less of the R 2D / D in the Raman spectrum of acetylene black in the Raman spectrum, the lithium ion secondary A high capacity retention rate of the battery was obtained, thus prolonging the cycle life of the lithium ion secondary battery was achieved.
  • the use of the conductive carbon mixture of the present invention results in an electricity storage device having a good cycle life.

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Abstract

蓄電デバイスの電極の製造において電極活物質と共に使用され、良好なサイクル寿命を有する蓄電デバイスへと導く導電性カーボン混合物を提供する。　導電性を有する酸化処理カーボンと、該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンと、を含み、上記酸化処理カーボンが上記別の導電性カーボンの表面を被覆している、蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物であって、該導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比が、上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比の５５％以下であることを特徴とする導電性カーボン混合物である。この導電性カーボン混合物が電極活物質の表面を特に良好に被覆し、蓄電デバイスのサイクル寿命を長期化させる。

Description

導電性カーボン混合物及びその製造方法、この混合物を用いた電極及びその製造方法、この電極を備えた蓄電デバイス
　本発明は、蓄電デバイスの電極の製造において使用される導電性カーボン混合物及びその製造方法に関する。本発明はまた、上記導電性カーボン混合物を用いた電極及びその製造方法、及びこの電極を備えた蓄電デバイスに関する。
　二次電池、電気二重層キャパシタ、レドックスキャパシタ及びハイブリッドキャパシタなどの蓄電デバイスは、携帯電話やノート型パソコンなどの情報機器の電源、電気自動車やハイブリッド自動車などの低公害車のモーター駆動電源やエネルギー回生システム等のために広く応用が検討されているデバイスであるが、これらの蓄電デバイスにおいて、高性能化、小型化の要請に答えるために、エネルギー密度及びサイクル寿命の向上が望まれている。
　これらの蓄電デバイスでは、電解質（電解液を含む）中のイオンとの電子の授受を伴うファラデー反応或いは電子の授受を伴わない非ファラデー反応により容量を発現する電極活物質が、エネルギー貯蔵のために利用される。そして、これらの電極活物質は一般に導電剤との複合材料の形態で使用される。導電剤としては、通常、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性カーボンが使用される。これらの導電性カーボンは、導電性の低い活物質と併用されて、複合材料に導電性を付与する役割を果たすが、これだけでなく、活物質の反応に伴う体積変化を吸収するマトリックスとしても作用し、また、活物質が機械的な損傷を受けても電子伝導パスを確保するという役割も果たす。
　ところで、これらの活物質と導電性カーボンとの複合材料は、一般に活物質粒子と導電性カーボン粒子を混合する方法により製造される。導電性カーボンは基本的に蓄電デバイスのエネルギー密度の向上に寄与しないため、高いエネルギー密度を有する蓄電デバイスを得るためには、単位体積あたりの導電性カーボン量を減少させて活物質量を増加させる必要がある。しかしながら、活物質粒子間に導電性カーボン粒子を効率よく進入させることが困難であり、したがって活物質粒子間の距離を接近させて単位体積あたりの活物質量を増加させることが困難であるという問題が存在していた。
　この問題に対し、出願人は、特許文献１（特開２０１６－９６１２５号公報）において、蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物を提案している。この導電性カーボン混合物は、空隙を有するカーボン原料に強い酸化処理を施すことによって得られた酸化処理カーボンと、上記酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンと、の乾式混合により得られる。強い酸化処理を施した酸化処理カーボンは、圧力を受けると少なくとも一部が糊状に変化する性質を有するが、乾式混合の過程で上記酸化処理カーボンに及ぼされる圧力により、上記酸化処理カーボンの糊状化が進行し、この少なくとも一部が糊状に変化した酸化処理カーボンが上記別の導電性カーボンの表面に付着する。
　上記導電性カーボン混合物は電極活物質となじみが良く、この導電性カーボン混合物と電極活物質とを混合して蓄電デバイス用の電極材料を製造する過程で、導電性カーボン混合物のうちの少なくとも一部が糊状の酸化処理カーボンが電極活物質の表面を被覆する。そして、集電体上にこの電極材料を用いて活物質層を形成し、活物質層に圧力を印加して電極を製造すると、その圧力により、酸化処理カーボンの糊状化がさらに進行し、糊状化した酸化処理カーボンによる電極活物質の表面の被覆がさらに進行するとともに、糊状化した酸化処理カーボンとこれに被覆された別の導電性カーボンとが共に接近した電極活物質の粒子間に押し出されて緻密化する。その結果、活物質層における電極活物質の含有量を増加させることができ、高い電極密度を有する電極を得ることができる。また、得られた電極を用いて蓄電デバイスを構成すると、蓄電デバイス中の電解液の電極内への含浸が抑制されないにもかかわらず、導電性カーボン混合物が電極活物質の電解液への溶解を抑制することがわかっている。したがって、上記導電性カーボン混合物により、蓄電デバイスのエネルギー密度及びサイクル寿命の向上がもたらされる。
特開２０１６－９６１２５号公報
　蓄電デバイスには、常にサイクル寿命のさらなる向上が要請されている。そこで、本発明の目的は、特許文献１の知見を基にして、蓄電デバイスのサイクル寿命をさらに長期化させる導電性カーボン混合物を提供することである。
　発明者は、酸化処理カーボンとこれとは別の導電性カーボンとの乾式混合の強度を広範囲に変更して導電性カーボン混合物を得、得られた混合物をレーザラマン分光光度計により調査したところ、乾式混合強度が高まるにつれて、上記導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比が低下することを発見した。Ｄバンドはエッジ酸化不規則黒鉛に由来するラマンバンドであり、２Ｄバンドはその倍音モードである。以下、ラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比を「Ｒ２Ｄ／Ｄ」で表す。また、本発明において、「酸化処理カーボン」とは、導電性を有するカーボン原料に強い酸化処理を施すことによって得られた、圧力を受けると少なくとも一部が糊状に変化する性質を有するカーボンを意味し、「糊状」とは、倍率２５０００倍で撮影したＳＥＭ写真において、カーボン一次粒子の粒界が認められず、非粒子状の不定形なカーボンがつながっている状態を意味する。そして、発明者は、鋭意検討した結果、ラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の値を示す導電性カーボン混合物を使用して蓄電デバイスを構成すると、蓄電デバイスのサイクル寿命が顕著に改善されることを発見し、発明を完成させた。
　したがって、本発明はまず、導電性を有する酸化処理カーボンと、該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンと、を含み、上記酸化処理カーボンが上記別の導電性カーボンの表面を被覆している、蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物であって、該導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが、上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の範囲であることを特徴とする導電性カーボン混合物に関する。本発明はまた、蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物の製造方法であって、導電性を有するカーボン原料に酸化処理を施して酸化処理カーボンを得る酸化工程、及び、上記酸化処理カーボンと該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンとを乾式混合し、上記別の導電性カーボンの表面を上記酸化処理カーボンにより被覆する混合工程を含み、上記混合工程における乾式混合を、得られる導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下になるまで実施することを特徴とする導電性カーボン混合物の製造方法に関する。この導電性カーボン混合物において、上記酸化処理カーボンの少なくとも一部が糊状であるのが好ましい。
　図１は、酸化処理カーボンとしてのケッチェンブラックに強い酸化処理を施すことによって得られた酸化処理ケッチェンブラック、及び、酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンとしてのアセチレンブラックについて、レーザラマン分光光度計（励起光：ＫＴＰ／５３２レーザー：波長５３２ｎｍ）を用いてラマンスペクトルを測定した結果を示している。図１に示されている、波数２６７０ｃｍ－１付近に認められるラマンバンドが２Ｄバンドであり、波数１３００～１３５０ｃｍ－１の間に認められるラマンバンドがＤバンドである。また、Ｇバンドは理想黒鉛に由来するラマンバンドであり、Ｄ＋ＧバンドはＤ，Ｇの結合モードである。図１から把握されるように、酸化処理ケッチェンブラック及びアセチレンブラックについて得られたラマンスペクトルを、Ｄバンドのピーク強度で規格化すると、両者は２Ｄバンドのピーク強度において大きく異なっている。
　酸化処理ケッチェンブラックとアセチレンブラックとをボールミルに導入して乾式混合を行うと、乾式混合の過程で、酸化処理ケッチェンブラックの少なくとも一部が糊状に変化し、この変化した酸化処理ケッチェンブラックがアセチレンブラックの表面を被覆する。乾式混合により得られた導電性カーボン混合物のラマンスペクトルを図２に示す。図２のラマンスペクトルもまた、Ｄバンドのピーク強度で規格化されている。図２から把握されるように、ボールミルの振動数を増やす、混合時間を長くする、などの方法によって混合強度を高めるほど、２Ｄバンドのピーク強度が低下する。このことは、混合強度を高めるほど、酸化処理ケッチェンブラックの糊状化が進行するとともに、この糊状化が進行した酸化処理ケッチェンブラックによるアセチレンブラックの表面の被覆が進行することに対応していると考えられる。また、同様に図２から把握されるように、隣接するＤ＋Ｇバンド等の強度は混合強度の影響をほとんど受けない。したがって、導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの値は、酸化処理ケッチェンブラックによるアセチレンブラックの表面の被覆状態を反映した値となる。なお、ボールミルとは別の混合装置を用いて混合強度を高めても、図２と同様の２Ｄバンドのピーク強度の低下が認められ、さらに、酸化処理カーボンとしてケッチェンブラック以外のカーボン原料から得られたものを選択し、酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンとしてアセチレンブラック以外のものを選択して混合強度を高めても、図２と同様の２Ｄバンドのピーク強度の低下が認められる。
　そして、乾式混合により得られた導電性カーボン混合物、すなわち、上記酸化処理カーボンが上記別の導電性カーボンの表面を被覆している導電性カーボン混合物について測定されたラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが、上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の範囲であると、蓄電デバイスのサイクル寿命が顕著に改善されることがわかった。
　上記導電性カーボン混合物における酸化処理カーボンが、親水性部分を含み、該親水性部分の含有量が酸化処理カーボン全体の１０質量％以上であるのが好ましい。ここで、カーボンの「親水性部分」とは、以下の意味を有する。すなわち、ｐＨ１１のアンモニア水溶液２０ｍＬに０．１ｇのカーボンを添加し、１分間の超音波照射を行ない、得られた液を５時間放置して固相部分を沈殿させる。沈殿せずにｐＨ１１のアンモニア水溶液に分散している部分が「親水性部分」である。また、親水性部分のカーボン全体に対する含有量は、以下の方法により求められる。上記固相部分の沈殿後、上澄み液を除去した残余部分を乾燥させ、乾燥後の固体の重量を測定する。乾燥後の固体の重量を最初のカーボンの重量０．１ｇから差し引いた重量が、ｐＨ１１のアンモニア水溶液に分散している「親水性部分」の重量である。そして、「親水性部分」の重量の最初のカーボンの重量０．１ｇに対する重量比が、カーボンにおける「親水性部分」の含有量である。
　従来の蓄電デバイスの電極において導電剤として使用されているカーボンブラック、天然黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性カーボンにおける親水性部分の割合は全体の５質量％以下である。しかし、カーボン原料に酸化処理を施すと、カーボン粒子の表面から酸化され、カーボンにヒドロキシ基、カルボキシ基やエーテル結合が導入され、またカーボンの共役二重結合が酸化されて炭素単結合が生成し、部分的に炭素間結合が切断され、粒子表面に親水性部分が生成する。そして、酸化処理の強度を強めていくと、カーボン粒子における親水性部分の割合が増加して親水性部分がカーボン全体の１０質量％以上を占めるようになる。そして、このような酸化処理カーボンは、圧力を受けると一体的に圧縮されて糊状に広がりやすく且つ緻密化しやすいため好ましい。
　本発明の導電性カーボン混合物は、蓄電デバイスの電極の製造のために、電極活物質と混合された形態で使用される。上記導電性カーボン混合物と電極活物質とバインダと溶媒とを混合することにより得られるスラリー形態の電極材料が好ましい。電極材料を得る過程で、上記酸化処理カーボンの糊状化が進行して電極活物質の表面をも被覆する。さらに、集電体上にこの電極材料を用いて活物質層を形成し、活物質層に圧力を印加して電極を製造する過程で、圧力により、酸化処理カーボンの糊状化がさらに進行して電極活物質の表面の被覆がさらに進行するとともに、導電性カーボン混合物が緻密化する。ラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の範囲である本発明の導電性カーボン混合物は、電極材料及び電極の製造の過程で電極活物質の表面を特に良好に被覆しつつ緻密化するため、得られた電極を備えた蓄電デバイスのサイクル寿命が長期化する。したがって、本発明はまた、蓄電デバイス用の電極であって、電極活物質と本発明の導電性カーボン混合物とを含む活物質層を有し、上記酸化処理カーボンが上記電極活物質の表面を被覆していることを特徴とする電極に関し、さらに、蓄電デバイス用の電極の製造方法であって、上述した導電性カーボン混合物の製造方法により得られた導電性カーボン混合物と電極活物質とバインダと溶媒とを混合してスラリー形態の電極材料を得る電極材料調製工程、上記電極材料を集電体上に適用して活物質層を形成する活物質層形成工程、及び、上記活物質層に圧力を印加して電極を形成する電極形成工程を含み、上記電極材料調製工程及び上記電極形成工程を介して上記電極活物質の表面を上記酸化処理カーボンにより被覆することを特徴とする電極の製造方法に関し、さらには、該電極を備えた蓄電デバイスに関する。
　上記電極の活物質層において、電極活物質と導電性カーボン混合物との割合には厳密な制限はないが、導電性カーボン混合物が電極活物質の表面を特に良好に被覆して活物質層に導電性を付与するとともに緻密化するため、活物質層中の電極活物質の量を増加させることができる。電極活物質の増量は、蓄電デバイスのエネルギー密度の向上につながる。電極活物質と導電性カーボン混合物との割合は、質量比で９５：５～９９．５：０．５の範囲であるのが好ましく、９７：３～９９．５：０．５の範囲であるのが特に好ましい。導電性カーボン混合物の割合が上述の範囲より少ないと、活物質層の導電性が不足し、また導電性カーボン混合物による活物質の被覆率が低下してサイクル特性が低下する傾向がある。
　導電性を有する酸化処理カーボンと該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンとを含み、上記酸化処理カーボンが上記別の導電性カーボンの表面を被覆している導電性カーボン混合物において、ラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下である本発明の導電性カーボン混合物は、電極材料及び電極の製造の過程で電極活物質の表面を特に良好に被覆しつつ緻密化するため、得られた電極を備えた蓄電デバイスのサイクル寿命が長期化する。
酸化処理ケッチェンブラックとアセチレンブラックのラマンスペクトルとを比較した図である。 酸化処理ケッチェンブラックとアセチレンブラックとを乾式混合した導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおける混合強度の影響を示す図である。
　（１）導電性カーボン混合物
　本発明の蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物は、導電性を有する酸化処理カーボンと、該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンと、を含み、上記酸化処理カーボンが上記別の導電性カーボンの表面を被覆している。好ましくは上記酸化処理カーボンの少なくとも一部が糊状である。そして、この導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが、上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の範囲である。
　上記別の導電性カーボンとの混合の過程で少なくとも一部が糊状に変化する酸化処理カーボンは、導電性を有するカーボン原料に比較的強い酸化処理を施すことにより得ることができる。使用されるカーボン原料には特に制限がないが、酸化の容易性の点から、多孔質炭素粉末、ケッチェンブラック、空隙を有するファーネスブラック、カーボンナノファイバ及びカーボンナノチューブのような空隙を有するカーボンが好ましく、また、ＢＥＴ法で測定した比表面積が３００ｍ２／ｇ以上の空隙を有するカーボンが好ましい。中でも、特にケッチェンブラックや空隙を有するファーネスブラックなどの球状の粒子が好ましい。
　カーボン原料の酸化処理のためには、公知の酸化方法を特に限定なく使用することができる。例えば、酸又は過酸化水素の溶液中でカーボン原料を処理することにより、酸化処理カーボンを得ることができる。酸としては、硝酸、硝酸硫酸混合物、次亜塩素酸水溶液等を使用することができる。また、カーボン原料を酸素含有雰囲気、水蒸気、二酸化炭素中で加熱することにより、酸化処理カーボンを得ることができる。さらに、カーボン原料をアルカリ金属水酸化物と混合して酸素含有雰囲気中で加熱し、水洗などによりアルカリ金属を除去することにより、酸化処理カーボンを得ることができる。また、カーボン原料の酸素含有雰囲気中でのプラズマ処理、紫外線照射、コロナ放電処理及びグロー放電処理、オゾン水又はオゾンガスによる処理、水中での酸素バブリング処理により、酸化処理カーボンを得ることができる。
　カーボン原料、好ましくは上述した空隙を有するカーボン原料に酸化処理を施すと、カーボン粒子の表面から酸化され、カーボンにヒドロキシ基、カルボキシ基やエーテル結合が導入され、またカーボンの共役二重結合が酸化されて炭素単結合が生成し、部分的に炭素間結合が切断され、粒子表面に親水性に富む部分が生成する。このような親水性部分を有する酸化処理カーボンは、上記別の導電性カーボンの表面に付着しやすく、上記別の導電性カーボンの凝集を効果的に抑制する。そして、酸化処理の強度を強めていくと、カーボン粒子における親水性部分の割合が増加し、上記別の導電性カーボンと混合の過程で少なくとも一部が糊状に変化する酸化処理カーボンが得られる。酸化処理カーボンにおける親水性部分の含有量は、酸化処理カーボン全体の１０質量％以上であるのが好ましい。このような酸化処理カーボンは、圧力を受けると一体的に圧縮されて糊状に広がりやすく且つ緻密化しやすい。親水性部分の含有量が全体の１２質量％以上３０質量％以下であるのが特に好ましい。
　全体の１０質量％以上の親水性部分を含む酸化処理カーボンは、
　（ａ）空隙を有するカーボン原料を酸で処理する工程、
　（ｂ）酸処理後の生成物と遷移金属化合物とを混合する工程、
　（ｃ）得られた混合物を粉砕し、メカノケミカル反応を生じさせる工程、
　（ｄ）メカノケミカル反応後の生成物を非酸化雰囲気中で加熱する工程、及び、
　（ｅ）加熱後の生成物から、上記遷移金属化合物及び／又はその反応生成物を除去する工程
　を含む製造方法によって、好適に得ることができる。
　（ａ）工程では、空隙を有するカーボン原料、好ましくはケッチェンブラック、を酸に浸漬して放置する。この浸漬の際に超音波を照射しても良い。酸としては、硝酸、硝酸硫酸混合物、次亜塩素酸水溶液等のカーボンの酸化処理に通常使用される酸を使用することができる。浸漬時間は酸の濃度や処理されるカーボン原料の量などに依存するが、一般に５分～５時間の範囲である。酸処理後のカーボンを十分に水洗し、乾燥した後、（ｂ）工程において遷移金属化合物と混合する。
　（ｂ）工程においてカーボン原料に添加される遷移金属化合物としては、遷移金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。これらの化合物は、単独で使用しても良く、２種以上を混合して使用しても良い。異なる遷移金属を含む化合物を所定量で混合して使用しても良い。また、反応に悪影響を与えない限り、遷移金属化合物以外の化合物、例えば、アルカリ金属化合物を共に添加しても良い。酸化処理カーボンは、蓄電デバイスの電極の製造において、電極活物質と混合されて使用されることから、電極活物質を構成する元素の化合物をカーボン原料に添加すると、電極活物質に対して不純物となりうる元素の混入を防止することができるため好ましい。
　（ｃ）工程では、（ｂ）工程で得られた混合物を粉砕し、メカノケミカル反応を生じさせる。遷移金属化合物がメカノケミカル反応によりカーボン原料の酸化を促進するように作用し、この工程でカーボン原料の酸化が迅速に進む。この反応のための粉砕機の例としては、ライカイ器、石臼式摩砕機、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ローラミル、攪拌ミル、遊星ミル、振動ミル、ハイブリダイザー、メカノケミカル複合化装置及びジェットミルを挙げることができる。粉砕時間は、使用する粉砕機や処理されるカーボンの量などに依存し、厳密な制限が無いが、一般には５分～３時間の範囲である。（ｄ）工程は、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などの非酸化雰囲気中で行われる。加熱温度及び加熱時間は使用される遷移金属化合物に応じて適宜選択される。続く（ｅ）工程において、加熱後の生成物から遷移金属化合物及び／又はその反応生成物を酸で溶解する等の手段により除去した後、十分に洗浄し、乾燥する。これらの工程を介して、全体の１０質量％以上、好ましくは全体の１２質量％以上３０質量％以下の親水性部分を含む酸化処理カーボンを得ることができる。
　本発明の導電性カーボン混合物は、得られた酸化処理カーボンと、この酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンと、を乾式混合することにより、得ることができる。
　上記酸化処理カーボンと混合される別の導電性カーボンとしては、従来の蓄電デバイスの電極のために使用されている導電性カーボンを特に限定なく使用することができ、例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、無定形炭素、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化ケッチェンブラック、メソポーラス炭素、気相法炭素繊維が挙げられる。これらは、単独で使用しても良く、２種以上を混合して使用しても良い。少なくとも一部が糊状である酸化処理カーボンより高い導電率を有する導電性カーボンが使用されるのが好ましく、特にアセチレンブラックの使用が好ましい。
　上記酸化処理カーボンと上記別の導電性カーボンとの割合は、質量比で、３：１～１：３の範囲が好ましく、２．５：１．５～１．５：２．５の範囲がより好ましい。乾式混合のために、ライカイ器、石臼式摩砕機、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ローラミル、攪拌ミル、遊星ミル、振動ミル、ハイブリダイザー、メカノケミカル複合化装置及びジェットミルを使用することができる。乾式混合の時間は、混合に処される上記酸化処理カーボン及び上記別の導電性カーボンの合計量や使用する混合装置により変化するが、一般には１０分～１時間の間である。
　乾式混合の過程で酸化処理カーボンの少なくとも一部が糊状に変化して、上記別の導電性カーボンの表面を被覆するため、別の導電性カーボンの凝集を抑制することができる。そして、乾式混合後の導電性カーボン混合物についてラマンスペクトルを測定すると、図２に示すように、乾式混合における混合強度が高くなるほど、言い換えると、少なくとも一部が糊状の酸化処理カーボンによる上記別の導電性カーボンの表面の被覆が進行するほど、２Ｄバンドのピーク強度が低下する。本発明の導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄは上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の範囲であるが、この範囲に調整するための乾式混合条件は簡単な予備実験により定めることができる。本発明の導電性カーボン混合物は、以下に示す電極材料及び電極の製造の過程で、電極活物質の表面を特に良好に被覆しつつ緻密化するため、得られた電極を備えた蓄電デバイスのサイクル寿命が長期化する。上記酸化処理カーボンと上記別の導電性カーボンとの乾式混合強度を導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの２０％未満になるまで高めると、導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％を超えるような不十分な乾式混合強度を採用した場合と比較すると蓄電デバイスのサイクル寿命が長期化するものの、導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの２０～５５％の範囲である好適な乾式混合強度を採用した場合と比較すると、蓄電デバイスのサイクル寿命が短縮する傾向が認められる。現在のところ、その理由は明確ではない。
　（２）電極
　本発明の導電性カーボン混合物は、二次電池、電気二重層キャパシタ、レドックスキャパシタ及びハイブリッドキャパシタなどの蓄電デバイスの電極の製造のために、蓄電デバイスの電解質中のイオンとの電子の授受を伴うファラデー反応或いは電子の授受を伴わない非ファラデー反応により容量を発現する電極活物質と混合された形態で使用される。
　本発明の導電性カーボン混合物と併用される電極活物質としては、従来の蓄電デバイスにおいて正極活物質又は負極活物質として使用されている活物質を特に限定なく使用することができる。これらの活物質は、単独の化合物であっても良く、２種以上の化合物の混合物であっても良い。
　二次電池の正極活物質の例としては、まず、層状岩塩型ＬｉＭＯ２、層状Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＭＯ２固溶体、及びスピネル型ＬｉＭ２Ｏ４（式中のＭは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらの組み合わせを意味する）が挙げられる。これらの具体的な例としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉ４／５Ｃｏ１／５Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＭｎＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３－ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２－ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎ３／２Ｎｉ１／２Ｏ４が挙げられる。また、イオウ及びＬｉ２Ｓ、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＦｅＳ２、ＶＳ２、Ｃｒ１／２Ｖ１／２Ｓ２などの硫化物、ＮｂＳｅ３、ＶＳｅ２、ＮｂＳｅ３などのセレン化物、Ｃｒ２Ｏ５、Ｃｒ３Ｏ８、ＶＯ２、Ｖ３Ｏ８、Ｖ２Ｏ５、Ｖ６Ｏ１３などの酸化物の他、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２、ＬｉＶＯＰＯ４、ＬｉＶ３Ｏ５、ＬｉＶ３Ｏ８、ＭｏＶ２Ｏ８、Ｌｉ２ＦｅＳｉＯ４、Ｌｉ２ＭｎＳｉＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅ１／２Ｍｎ１／２ＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３などの複合酸化物が挙げられる。
　二次電池の負極活物質の例としては、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、ＣｏＯ、Ｃｏ３Ｏ４、ＮｉＯ、Ｎｉ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＳｉＯ２、ＲｕＯ２、ＷＯ、ＷＯ２、ＺｎＯ等の酸化物、Ｓｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ等の金属、ＬｉＶＯ２、Ｌｉ３ＶＯ４、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２などの複合酸化物、Ｌｉ２．６Ｃｏ０．４Ｎ、Ｇｅ３Ｎ４、Ｚｎ３Ｎ２、Ｃｕ３Ｎなどの窒化物が挙げられる。
　電気二重層キャパシタの分極性電極における活物質としては、比表面積の大きな活性炭、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、フェノール樹脂炭化物、ポリ塩化ビニリデン炭化物、微結晶炭素などの炭素材料が例示される。ハイブリッドキャパシタでは、二次電池のために例示した正極活物質を正極のために使用することができ、この場合には負極が活性炭等を用いた分極性電極により構成される。また、二次電池のために例示した負極活物質を負極のために使用することができ、この場合には正極が活性炭等を用いた分極性電極により構成される。レドックスキャパシタの正極活物質としてはＲｕＯ２、ＭｎＯ２、ＮｉＯなどの金属酸化物を例示することができ、負極はＲｕＯ２等の活物質と活性炭等の分極性材料により構成される。
　電極活物質の粒子形状や粒径には限定がないが、活物質の平均粒径が２μｍより大きく２５μｍ以下であるのが好ましい。この比較的大きな平均粒径を有する活物質は、それ自体で電極密度を向上させる上に、電極材料及び電極の製造の過程で、その押圧力により、導電性カーボン混合物のうちの少なくとも一部が糊状の酸化処理カーボンの糊状化及び緻密化を促進させる。また、活物質が、０．０１～２μｍの平均粒径を有する微小粒子と、該微小粒子と同じ極の活物質として動作可能な２μｍより大きく２５μｍ以下の平均粒径を有する粗大粒子と、から構成されていても良い。粒径が小さい粒子は凝集しやすいといわれているが、導電性カーボン混合物のうちの少なくとも一部が糊状の酸化処理カーボンが粗大粒子の表面ばかりでなく微小粒子の表面にも付着して表面を覆うため、活物質の凝集を抑制することができ、活物質と導電性カーボン混合物との混合状態を均一化させることができる。
　混合される電極活物質と導電性カーボン混合物との質量比には特に限定がないが、高いエネルギー密度を有する蓄電デバイスを得るために、質量比で、９０：１０～９９．５：０．５の範囲であるのが好ましい。ラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄが上記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下、好ましくは２０～５５％、特に好ましくは２０～３５％の範囲である本発明の導電性カーボン混合物は、電極材料及び電極の製造の過程で電極活物質の表面を特に良好に被覆しつつ緻密化するため、電極活物質をさらに増量させることができ、電極活物質と導電性カーボン混合物との割合は、質量比で９５：５～９９．５：０．５の範囲であるのが好ましく、９７：３～９９．５：０．５の範囲であるのが特に好ましい。導電性カーボン混合物の割合が上述の範囲より少ないと、活物質層の導電性が不足し、また導電性カーボン混合物による活物質の被覆率が低下してサイクル寿命が低下する傾向がある。
　本発明の導電性カーボン混合物と電極活物質とをバインダ及び溶媒と共に混合することにより、電極の製造のために使用するスラリー形態の電極材料を得ることができる。
　バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロースなどの公知のバインダが使用される。バインダの含有量は、電極材料の総量に対して１～３０質量％であるのが好ましい。１質量％以下であると活物質層の強度が十分でなく、３０質量％以上であると、電極の放電容量が低下する、内部抵抗が過大になるなどの不都合が生じる。溶媒としては、Ｎ－メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、イソプロピルアルコール、水等の電極材料中の他の構成要素に悪影響を及ぼさない溶媒を特に限定なく使用することができる。バインダは、溶媒に溶解させた形態で使用することができる。使用される溶媒の量には、以下に示す電極の活物質層の形成に支障がなければ、特に限定がない。
　スラリー形態の電極材料は、本発明の導電性カーボン混合物と電極活物質とを乾式混合した後、得られた混合物をバインダ及び溶媒と共に混合する方法により製造することができる。導電性カーボン混合物と電極活物質との乾式混合の過程で、導電性カーボン混合物のうちの少なくとも一部が糊状の酸化処理カーボンがさらに糊状に広がって電極活物質の表面をも被覆する。乾式混合のために、ライカイ器、石臼式摩砕機、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル、ローラミル、攪拌ミル、遊星ミル、振動ミル、ハイブリダイザー、メカノケミカル複合化装置及びジェットミルを使用することができる。乾式混合の時間は、混合に処される導電性カーボン混合物及び電極活物質の合計量や使用する混合装置により変化するが、一般には１０分～１時間の間である。続くバインダ及び溶媒との湿式混合における混合方法には特別な限定がなく、乳鉢を用いて手混合により行っても良く、攪拌機、ホモジナイザー等の公知の混合装置を用いて行っても良い。湿式混合の時間はやはり混合される材料の量や使用する混合装置によって変化するが、一般には１０分～１時間の間である。
　また、本発明の導電性カーボン混合物はバインダ及び溶媒と馴染みが良いため、上記方法に代えて、導電性カーボン混合物、電極活物質、バインダ及び溶媒の全部を湿式混合する方法を採用しても良く、或いは、導電性カーボン混合物とバインダと溶媒とを湿式混合し、さらに電極活物質を加えて湿式混合する方法を採用しても良く、或いは、導電性カーボン混合物と電極活物質と溶媒とを湿式混合し、さらにバインダを加えて湿式混合する方法を採用しても良い。これらの湿式混合においても、混合方法に特別な限定はなく、混合時間も混合装置や混合量に応じて適宜選択される。微細なカーボン粒子はバインダ及び溶媒と馴染みにくいといわれているが、導電性カーボン混合物の利用により、混合方法にかかわらず、各構成要素が均一に混合された電極材料を容易に得ることができる。
　次いで、スラリー形態の電極材料を蓄電デバイスの正極又は負極を構成するための集電体上に塗布することにより活物質層を形成し、必要に応じてこの活物質層を乾燥した後、活物質層に圧延処理により圧力を印加して電極を得る。得られた電極材料を所定形状に成形し、集電体上に圧着した後、圧延処理を施しても良い。
　蓄電デバイスの電極のための集電体としては、白金、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、鋼、カーボンなどの導電材料を使用することができる。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状などの任意の形状を採用することができる。活物質層の乾燥は、必要に応じて減圧・加熱して溶媒を除去すれば良い。圧延処理により活物質層に加えられる圧力は、一般には５００００～１００００００Ｎ／ｃｍ２、好ましくは１０００００～５０００００Ｎ／ｃｍ２の範囲である。また、圧延処理の温度には特別な制限がなく、処理を常温で行っても良く加熱条件下で行っても良い。
　集電体上の活物質層に圧力を加えていくと、導電性カーボン混合物のうちの少なくとも一部が糊状の酸化処理カーボンがさらに糊状に広がって、活物質粒子の表面を覆いながら緻密化し、活物質粒子が互いに接近し、これに伴って糊状に変化した酸化処理カーボンが活物質粒子の表面を覆いながら隣り合う活物質粒子の間に形成される間隙部ばかりでなく活物質粒子の表面に存在する孔の内部にも上記別の導電性カーボンと共に押し出されて緻密に充填される。そのため、電極における単位体積あたりの活物質量が増加し、電極密度が増加する。また、緻密に充填された導電性カーボン混合物は、導電剤として機能するのに十分な導電性を有する上に、電極活物質の電解液への溶解を抑制する。
　（３）蓄電デバイス
　本発明の電極は、二次電池、電気二重層キャパシタ、レドックスキャパシタ及びハイブリッドキャパシタなどの蓄電デバイスの電極のために使用される。蓄電デバイスは、一対の電極（正極、負極）とこれらの間に配置された電解質とを必須要素として含むが、正極及び負極の少なくとも一方が本発明の電極である。
　蓄電デバイスにおいて正極と負極との間に配置される電解質は、セパレータに保持された電解液であっても良く、固体電解質であっても良く、ゲル状電解質であっても良く、従来の蓄電デバイスにおいて使用されている電解質を特に限定なく使用することができる。以下に、代表的な電解質を例示する。リチウムイオン二次電池のためには、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート等の溶媒に、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２等のリチウム塩を溶解させた電解液が、ポリオレフィン繊維不織布、ガラス繊維不織布などのセパレータに保持された状態で使用される。この他、Ｌｉ５Ｌａ３Ｎｂ２Ｏ１２、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｔｉ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１等の無機固体電解質、リチウム塩とポリエチレンオキサイド、ポリメタクリレート、ポリアクリレート等の高分子化合物との複合体からなる有機固体電解質、電解液をポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル等に吸収させたゲル状電解質も使用される。電気二重層キャパシタ及びレドックスキャパシタのためには、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４等の第４級アンモニウム塩をアクリロニトリル、プロピレンカーボネート等の溶媒に溶解させた電解液が使用される。ハイブリッドキャパシタのためには、リチウム塩をプロピレンカーボネート等に溶解させた電解液や、第４級アンモニウム塩をプロピレンカーボネート等に溶解させた電解液が使用される。
　但し、正極と負極との間の電解質として、固体電解質又はゲル状電解質が使用される場合には、活物質層におけるイオン伝導パスを確保する目的で、電極材料の調製工程において、上述した各構成要素に固体電解質を加えて調製する。
　本発明を以下の実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
　実施例１
　６０％硝酸３００ｍＬにケッチェンブラック（商品名ＥＣ３００Ｊ、ケッチェンブラックインターナショナル社製、ＢＥＴ比表面積８００ｍ２／ｇ）１０ｇを添加し、得られた液に超音波を１０分間照射した後、ろ過してケッチェンブラックを回収した。回収したケッチェンブラックを３回水洗し、乾燥することにより、酸処理ケッチェンブラックを得た。この酸処理ケッチェンブラック０．５ｇと、Ｆｅ（ＣＨ３ＣＯＯ）２１．９８ｇと、Ｌｉ（ＣＨ３ＣＯＯ）０．７７ｇと、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏ１．１０ｇと、ＣＨ３ＣＯＯＨ１．３２ｇと、Ｈ３ＰＯ４１．３１ｇと、蒸留水１２０ｍＬとを混合し、得られた混合液をスターラーで１時間攪拌した後、空気中１００℃で蒸発乾固させて混合物を採集した。次いで、得られた混合物を振動ボールミル装置に導入し、２０ｈｚで１０分間の粉砕を行なった。粉砕後の粉体を、窒素中７００℃で３分間加熱し、ケッチェンブラックにＬｉＦｅＰＯ４が担持された複合体を得た。
　濃度３０％の塩酸水溶液１００ｍＬに、得られた複合体１ｇを添加し、得られた液に超音波を１５分間照射させながら複合体中のＬｉＦｅＰＯ４を溶解させ、残った固体をろ過し、水洗し、乾燥させた。乾燥後の固体の一部を、ＴＧ分析により空気中９００℃まで加熱し、重量損失を測定した。重量損失が１００％、すなわちＬｉＦｅＰＯ４が残留していないことが確認できるまで、上述の塩酸水溶液によるＬｉＦｅＰＯ４の溶解、ろ過、水洗及び乾燥の工程を繰り返し、ＬｉＦｅＰＯ４フリーの酸化処理カーボンを得た。
　次いで、得られた酸化処理カーボンの０．１ｇをｐＨ１１のアンモニア水溶液２０ｍＬに添加し、１分間の超音波照射を行なった。得られた液を５時間放置して固相部分を沈殿させた。固相部分の沈殿後、上澄み液を除去した残余部分を乾燥させ、乾燥後の固体の重量を測定した。乾燥後の固体の重量を最初の酸化処理カーボンの重量０．１ｇから差し引いた重量の最初の酸化処理カーボンの重量０．１ｇに対する重量比を、酸化処理カーボンにおける「親水性部分」の含有量とした。親水性部分の含有量は、１５．２質量％であった。
　得られた酸化処理カーボンとアセチレンブラック（Ｒ２Ｄ／Ｄ：０．４）とを１：１の質量比で振動ボールミル装置に導入し、１０ｈｚで２０分間の乾式混合を行い、導電性カーボン混合物を得た。この混合物について、レーザラマン分光光度計（励起光：ＫＴＰ／５３２レーザー：波長５３２ｎｍ）を用いてラマンスペクトルを測定し、Ｒ２Ｄ／Ｄの値を算出した。
　得られた導電性カーボン混合物の２質量部と、２質量部のポリフッ化ビニリデンと、適量のＮ－メチルピロリドンと、９６質量部の市販のＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２粒子（平均粒径５μｍ）とを湿式混合してスラリーを形成し、得られたスラリーをアルミニウム箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、リチウムイオン二次電池用の正極を得た。また、黒鉛９３質量部と、アセチレンブラックの１質量部と、６質量部のポリフッ化ビニリデンと、適量のＮ－メチルピロリドンとを湿式混合してスラリーを形成し、得られたスラリーを銅箔上に塗布して乾燥した後、圧延処理を施して、リチウムイオン二次電池用の負極を得た。正極の容量と負極の容量は、容量比が１：１．２になるように調整した。この正極と負極とを用いて、１ＭのＬｉＰＦ６のエチレンカーボネート／ジメチルカーボネート１：１溶液に１質量％のビニレンカーボネートを添加した液を電解液として、リチウムイオン二次電池を作成した。得られた電池について、２５℃、１Ｃの充放電レートの条件下、４．２～３．０Ｖの範囲で充放電を繰り返し、２００サイクル経験後の容量維持率を求めた。
　実施例２
　実施例１における導電性カーボン混合物を得るための振動ボールミル装置による乾式混合条件を、１０ｈｚでの２０分間の条件から２０ｈｚでの１０分間の条件に変更した点を除いて、実施例１を繰り返した。
　実施例３
　実施例１における導電性カーボン混合物を得るための振動ボールミル装置による乾式混合条件を、１０ｈｚでの２０分間の条件から２０ｈｚでの２０分間の条件に変更した点を除いて、実施例１を繰り返した。
　実施例４
　実施例１における導電性カーボン混合物を得るための振動ボールミル装置による乾式混合条件を、１０ｈｚでの２０分間の条件から２０ｈｚでの３０分間の条件に変更した点を除いて、実施例１を繰り返した。
　実施例５
　実施例１における導電性カーボン混合物を得るための振動ボールミル装置による乾式混合条件を、１０ｈｚでの２０分間の条件から３０ｈｚでの２０分間の条件に変更した点を除いて、実施例１を繰り返した。
　実施例６
　実施例１における導電性カーボン混合物を得るための振動ボールミル装置による乾式混合条件を、１０ｈｚでの２０分間の条件から３０ｈｚでの３０分間の条件に変更した点を除いて、実施例１を繰り返した。
　比較例
　実施例１における導電性カーボン混合物を得るための振動ボールミル装置による乾式混合条件を、１０ｈｚでの２０分間の条件から１０ｈｚでの１０分間の条件に変更した点を除いて、実施例１を繰り返した。
　表１に、実施例１～６及び比較例の導電性カーボン混合物及びリチウムイオン二次電池について、ラマンスペクトルから算出されたＲ２Ｄ／Ｄ、導電性カーボン混合物のＲ２Ｄ／ＤのアセチレンブラックのＲ２Ｄ／Ｄ（０．４）に対する割合、及び、２００サイクル経験後の容量維持率をまとめて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかなように、ラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／ＤがアセチレンブラックのラマンスペクトルにおけるＲ２Ｄ／Ｄの５５％以下である実施例１～６の導電性カーボン混合物の使用により、リチウムイオン二次電池の高い容量維持率が得られ、したがってリチウムイオン二次電池のサイクル寿命の長期化が達成された。
　本発明の導電性カーボン混合物の使用により、良好なサイクル寿命を有する蓄電デバイスが得られる。

Claims (10)

  1. 　導電性を有する酸化処理カーボンと、
    　該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンと、
    　を含み、前記酸化処理カーボンが前記別の導電性カーボンの表面を被覆している、蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物であって、
    　該導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比が、前記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比の５５％以下である
    　ことを特徴とする導電性カーボン混合物。
  2. 　前記酸化処理カーボンの少なくとも一部が糊状である、請求項１に記載の導電性カーボン混合物。
  3. 　前記酸化処理カーボンが親水性部分を含み、該親水性部分の含有量が酸化処理カーボン全体の１０質量％以上である、請求項１又は２に記載の導電性カーボン混合物。
  4. 　前記導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比が、前記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比の２０～５５％の範囲である、請求項１～３のいずれか１項に記載の導電性カーボン混合物。
  5. 　蓄電デバイスの電極の製造のための導電性カーボン混合物の製造方法であって、
    　導電性を有するカーボン原料に酸化処理を施して酸化処理カーボンを得る酸化工程、及び、
    　前記酸化処理カーボンと該酸化処理カーボンとは別の導電性カーボンとを乾式混合し、前記別の導電性カーボンの表面を前記酸化処理カーボンにより被覆する混合工程
    　を含み、
    　前記混合工程における乾式混合を、得られる導電性カーボン混合物のラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比が、前記別の導電性カーボンのラマンスペクトルにおける２Ｄバンドのピーク強度のＤバンドのピーク強度に対する比の５５％以下になるまで実施する
    　ことを特徴とする導電性カーボン混合物の製造方法。
  6. 　前記酸化工程において、酸化処理カーボン全体の１０質量％以上の親水性部分を含む酸化処理カーボンを得る、請求項５に記載の導電性カーボン混合物の製造方法。
  7. 　蓄電デバイス用の電極であって、
    　電極活物質と、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の導電性カーボン混合物と、
    　を含む活物質層を有し、前記酸化処理カーボンが前記電極活物質の表面を被覆していることを特徴とする電極。
  8. 　前記電極活物質と前記導電性カーボン混合物との割合が、質量比で、９７：３～９９．５：０．５の範囲である、請求項７に記載の電極。
  9. 　蓄電デバイス用の電極の製造方法であって、
    　請求項５又は６に記載の導電性カーボン混合物の製造方法により得られた導電性カーボン混合物と電極活物質とバインダと溶媒とを混合してスラリー形態の電極材料を得る電極材料調製工程、
    　前記電極材料を集電体上に適用して活物質層を形成する活物質層形成工程、及び、
    　前記活物質層に圧力を印加して電極を形成する電極形成工程
    　を含み、
    　前記電極材料調製工程及び前記電極形成工程を介して前記電極活物質の表面を前記酸化処理カーボンにより被覆することを特徴とする電極の製造方法。
  10. 　請求項７又は８に記載の電極を備えた蓄電デバイス。
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