JP2013043807A - Carbon material and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素を含む炭素質物質および該炭素質物質から形成された炭素材料に関する。 The present invention relates to a carbonaceous material containing oxygen and a carbon material formed from the carbonaceous material.
多孔質炭素は、電極活物質や活性炭として各種分野において利用されている。かかる多孔質炭素の原料（前駆体）として、種々の炭素質物質が知られている。かかる多孔質炭素およびその原料となり得る炭素質物質に関連する技術文献として、特許文献１〜３が挙げられる。 Porous carbon is used in various fields as an electrode active material and activated carbon. Various carbonaceous materials are known as raw materials (precursors) of such porous carbon. Patent documents 1 to 3 can be cited as technical documents related to such porous carbon and carbonaceous materials that can be used as raw materials thereof.
多孔質炭素（Ｐｏｒｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ）の原料としては、不融化したピッチ類または耐炎化した熱硬化性樹脂等の炭素質物質（Ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）を用いることが一般的である。しかし、これら炭素質物質を炭素化させて多孔質炭素を生成するためには、通常、不活性ガス雰囲気下で１０００℃から１５００℃程度の高温にて該炭素質物質を長時間焼成しなければならない。そこで、より穏やかな条件（より低温または短時間、あるいはより低温かつ短時間等）で各種用途に適した多孔度および結晶度の炭素に転化し得る炭素質物質が提供されれば有用である。かかる炭素質物質を用い、より穏やかな条件下で、例えば、電極活物質として優れた性能（例えば、容量）を有する炭素材料を形成することができれば有意義である。 As a raw material of porous carbon, it is common to use carbonaceous substances (Carbonaceous Substance) such as infusible pitches or flame-resistant thermosetting resins. However, in order to carbonize these carbonaceous materials to produce porous carbon, usually, the carbonaceous materials must be fired for a long time at a high temperature of about 1000 ° C. to 1500 ° C. in an inert gas atmosphere. Don't be. Therefore, it would be useful to provide a carbonaceous material that can be converted into carbon having porosity and crystallinity suitable for various applications under milder conditions (lower temperature or shorter time, lower temperature and shorter time, etc.). It is meaningful to use such a carbonaceous material under a milder condition, for example, to form a carbon material having excellent performance (for example, capacity) as an electrode active material.
本発明は、より穏やかな条件であっても電極活物質等として有用な炭素材料に転化し得る炭素質物質の提供、およびかかる炭素質物質を製造する方法の提供を目的とする。本発明の他の目的は、上記炭素質物質を用いて形成された炭素材料およびその製造方法、ならびに該炭素材料を電極活物質として有する二次電池の提供である。 An object of the present invention is to provide a carbonaceous material that can be converted into a carbon material useful as an electrode active material or the like even under milder conditions, and to provide a method for producing such a carbonaceous material. Another object of the present invention is to provide a carbon material formed using the carbonaceous material, a method for producing the same, and a secondary battery having the carbon material as an electrode active material.
本発明によると、酸素を含む炭素質物質を製造する方法が提供される。その製造方法は、炭素源有機物、酸素源有機物、過酸化水素および水を含む混合物を、温度３００℃〜６００℃かつ圧力２２ＭＰａ以上（例えば２２ＭＰａ〜１００ＭＰａ）の条件下に保持することにより、該混合物から酸素含有炭素質物質を生じさせる炭素質物質生成工程を包含する。ここで、前記酸素源有機物としては、水酸基を有する化合物および加水分解により水酸基を形成する化合物（好ましくは、フェノール性水酸基を有する化合物および加水分解によりフェノール性水酸基を形成し得る化合物）の少なくともいずれかを使用する。かかる製造方法によると、多孔質の炭素材料への転化に適した（例えば、二次電池の電極活物質として用いられて、より高性能（高容量等）の電池を実現する炭素材料を提供し得る）炭素質物質を生成させることができる。前記炭素源有機物としては、炭化水素を好ましく採用し得る。前記酸素源有機物の一好適例として、フェニルホウ酸（Ｃ６Ｈ５−Ｂ（ＯＨ）２）が例示される。 According to the present invention, a method for producing a carbonaceous material containing oxygen is provided. The production method includes maintaining a mixture containing a carbon source organic substance, an oxygen source organic substance, hydrogen peroxide and water under conditions of a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. and a pressure of 22 MPa or more (for example, 22 MPa to 100 MPa). A carbonaceous material producing step for producing an oxygen-containing carbonaceous material from Here, the oxygen source organic substance is at least one of a compound having a hydroxyl group and a compound forming a hydroxyl group by hydrolysis (preferably a compound having a phenolic hydroxyl group and a compound capable of forming a phenolic hydroxyl group by hydrolysis). Is used. According to such a manufacturing method, a carbon material suitable for conversion to a porous carbon material (for example, used as an electrode active material of a secondary battery and realizing a higher performance battery (high capacity)) is provided. Obtain) carbonaceous material can be produced. As the carbon source organic substance, a hydrocarbon can be preferably employed. As a preferred example of the oxygen source organic material, phenylboric acid (C 6 H 5 —B (OH) 2 ) is exemplified.
好ましい一態様では、前記炭素質物質生成工程において、原子数基準の酸素含有量が１０〜２５％（以下、これを１０〜２５Ａｔ％と表すこともある。）の範囲にある前記炭素質物質を生じさせる。ここで原子数基準の酸素含有率とは、上記炭素質物質の化学構造中に含まれる原子の合計数（モル）を１００％としたとき、当該炭素質物質に含まれる酸素原子（Ｏ）の割合を指す。かかる態様によると、上記炭素材料への転化により適した炭素質材料が製造され得る。 In a preferred embodiment, in the carbonaceous material generating step, the carbonaceous material in which the oxygen content based on the number of atoms is in the range of 10 to 25% (hereinafter sometimes referred to as 10 to 25 At%). Cause it to occur. Here, the oxygen content based on the number of atoms means that the total number (moles) of atoms contained in the chemical structure of the carbonaceous material is 100% of oxygen atoms (O) contained in the carbonaceous material. Refers to the percentage. According to this aspect, a carbonaceous material suitable for conversion to the carbon material can be produced.
好ましい他の一態様では、前記炭素質物質生成工程において、励起波長７８５ｎｍのアルゴンレーザーを用いたラマン分光法によって得られるラマンスペクトルにおいて、Ｇピーク（１５８０ｃｍ−１近傍に現れるラマンピーク）の強度ＩＧに対するＤピーク（１３６０ｃｍ−１近傍に現れるラマンピーク）の強度ＩＤの比の値（ＩＤ／ＩＧ値）が８．０以下の範囲にある前記炭素質物質を生じさせる。炭素質物質のラマンスペクトルにおいて、Ｇピークはグラファイトに由来し、Ｄピークはグラファイトの欠陥に由来する。したがって、上記ＩＤ／ＩＧ値（Ｒ値ともいう。）は、炭素質物質の結晶性の度合いを示す指針となる。すなわち、炭素質物質のＩＤ／ＩＧ値がより大きいことは、その炭素質物質の結晶性がより低いことを示す。ここで、各ピーク（ＤピークおよびＧピーク）の強度ＩＧ，ＩＤとしては、ベースラインを補正した各ピークの面積強度の値を採用するものとする。かかる態様によると、上記炭素材料への転化により適した炭素質材料が製造され得る。 In another preferred embodiment, in the carbonaceous material generating step, in a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy using an argon laser having an excitation wavelength of 785 nm, an intensity I G of a G peak (a Raman peak appearing in the vicinity of 1580 cm −1 ). causing the carbonaceous material in the range a value of a ratio of the intensity I D (I D / I G value) of 8.0 or less of the D peak (Raman peak appearing near 1360 cm -1) for. In the Raman spectrum of the carbonaceous material, the G peak is derived from graphite, and the D peak is derived from graphite defects. Therefore, the I D / IG value (also referred to as R value) serves as a guideline indicating the degree of crystallinity of the carbonaceous material. That is, a larger I D / IG value of the carbonaceous material indicates that the carbonaceous material has lower crystallinity. Here, the intensity I G, I D for each peak (D peak and G peak), it shall adopt a value of the area intensity of each peak was corrected baseline. According to this aspect, a carbonaceous material suitable for conversion to the carbon material can be produced.
好ましい他の一態様では、前記炭素質物質生成工程において、平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍの範囲にある前記炭素質物質を生じさせる。かかる態様によると、上記炭素材料への転化により適した炭素質材料が製造され得る。上記酸素含有量、ＩＤ／ＩＧ値および平均一次粒径のうち二つ以上（例えば全部）を満たす炭素質物質は、上記炭素材料への転化に特に適したものとなり得る。 In another preferred embodiment, in the carbonaceous material generation step, the carbonaceous material having an average primary particle size in the range of 0.02 μm to 1.0 μm is generated. According to this aspect, a carbonaceous material suitable for conversion to the carbon material can be produced. A carbonaceous material satisfying two or more (for example, all) of the oxygen content, ID / IG value, and average primary particle size can be particularly suitable for conversion to the carbon material.
本発明によると、以下の特性：
酸素含有量が１０〜２５Ａｔ％の範囲にある；
ＩＤ／ＩＧ値が８．０以下（典型的には５．０以上８．０以下、例えば５．５以上７．５以下）の範囲にある；および、
平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍ（典型的には０．１μｍ〜１．０μｍ）の範囲にある；
を満たす炭素質物質が提供される。
According to the invention, the following properties:
The oxygen content is in the range of 10-25 At%;
The I D / I G value is in the range of 8.0 or less (typically 5.0 or more and 8.0 or less, such as 5.5 or more and 7.5 or less); and
The average primary particle size is in the range of 0.02 μm to 1.0 μm (typically 0.1 μm to 1.0 μm);
A carbonaceous material that meets the requirements is provided.
かかる特性を有する炭素質物質は、上記炭素材料への転化に適した（したがって、電極活物質等の用途に好適な）ものとなり得る。例えば、上記炭素質物質（ここに開示されるいずれかの方法により製造された炭素質物質であり得る。）は、酸素含有率が上記のとおり高いので、該炭素質物質を炭素化する際（典型的には、後述する熱処理のように、該炭素質物質から酸素含有量を減らす処理を施す際）、系外への酸素脱離量に応じて、異なる多孔度および結晶度（グラフェン構造の発達度合いとしても把握され得る。）の炭素材料を形成し得る。すなわち、炭素化する際の加熱条件（温度、時間、圧力等）を変えることによって、幅広い範囲で多孔度（例えば、比表面積）および結晶度（例えば、ＩＤ／ＩＧ値）の異なる炭素材料を形成し得る。すなわち、ここに開示される酸素含有炭素質物質によると、各種用途に適した多孔度および結晶度を有する炭素材料が提供され得る。そして、ここに開示される酸素含有炭素質物質は、かかる高い酸素含有率にも拘わらず比較的低いＩＤ／ＩＧ値を有する（換言すれば、酸素含有率が高い割にはグラフェン構造が発達している）ので、該炭素質物質を炭素化することにより、電極活物質としての用途に特に適した特性バランス（例えば、多孔度と結晶度のバランス）を有する炭素材料を形成し得る。例えば、リチウム二次電池用の電極活物質（典型的には、リチウムイオン二次電池の負極活物質）等として好適な炭素材料を形成する炭素質物質であり得る。 A carbonaceous material having such characteristics can be suitable for conversion to the carbon material (and therefore suitable for applications such as electrode active materials). For example, since the carbonaceous material (which may be a carbonaceous material produced by any of the methods disclosed herein) has a high oxygen content as described above, when carbonizing the carbonaceous material ( Typically, when performing a process of reducing the oxygen content from the carbonaceous material as in the heat treatment described later), the porosity and crystallinity (of the graphene structure) differ depending on the amount of oxygen desorbed out of the system. It can also be grasped as the degree of development.) The carbon material can be formed. That is, by changing the heating conditions (temperature, time, pressure, etc.) at the time of carbonization, carbon materials having different porosity (for example, specific surface area) and crystallinity (for example, I D / I G value) in a wide range Can be formed. That is, according to the oxygen-containing carbonaceous material disclosed herein, a carbon material having porosity and crystallinity suitable for various applications can be provided. The oxygen-containing carbonaceous material disclosed herein has a relatively low I D / I G value in spite of such a high oxygen content (in other words, the graphene structure has a relatively high oxygen content. Therefore, by carbonizing the carbonaceous material, it is possible to form a carbon material having a characteristic balance (for example, a balance between porosity and crystallinity) particularly suitable for use as an electrode active material. For example, it may be a carbonaceous material that forms a carbon material suitable as an electrode active material for a lithium secondary battery (typically, a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery).
なお、本明細書においては、混同を避けるため、上記熱処理が施されていない炭素質材料（すなわち、多孔質の炭素材料を製造するための原料としての酸素含有炭素質材料）を「酸素含有炭素質物質」または「炭素質物質」と称し、該炭素質物質を熱処理して形成された炭素質材料を「炭素材料」と称している。
また、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般にリチウムイオン二次電池と称される電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。
In this specification, in order to avoid confusion, a carbonaceous material that has not been subjected to the heat treatment (that is, an oxygen-containing carbonaceous material as a raw material for producing a porous carbon material) is referred to as “oxygen-containing carbon”. The carbonaceous material formed by heat-treating the carbonaceous material is called “carbon material”.
Further, in this specification, the “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged / discharged by movement of charges accompanying the lithium ions between the positive and negative electrodes. A battery generally called a lithium ion secondary battery is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification.
本発明によると、また、炭素材料の製造方法が提供される。その方法は、ここに開示されるいずれかの炭素質物質を用意する工程と、該炭素質物質を加熱（典型的には、前記炭素質物質の生成温度と同等またはより高い温度に加熱）する熱処理工程とを包含する。ここで、前記熱処理工程では、前記炭素質物質の酸素含有量を低下させるとともに、励起波長７８５ｎｍのアルゴンレーザーを用いたラマン分光法によって得られるラマンスペクトルにおけるＤピークの強度ＩＤとＧピークの強度ＩＧとの比の値ＩＤ／ＩＧを低下させる。上記炭素質物質を用意する工程は、ここに開示されるいずれかの方法で上記炭素質物質を製造する工程であり得る。あるいは、予め調製された上記炭素質物質を入手する工程であり得る。かかる製造方法によると、上記炭素質物質を原料とすることにより、比較的穏やかな条件でも（例えば、５００℃〜８００℃程度の熱処理温度でも）、電極活物質等の用途に好適な炭素材料を製造することができる。すなわち、ここに開示される炭素材料製造方法は、前記熱処理工程において前記炭素質物質を５００℃〜８００℃に保持する態様で好ましく実施され得る。前記熱処理工程は、典型的には非酸化性ガス中で行われる。例えば、常圧（典型的には、概ね１００ｋＰａ程度）の非酸化性ガス雰囲気下（アルゴンガス中、窒素ガス中等）で実施することができる。 According to the present invention, a method for producing a carbon material is also provided. The method comprises the steps of providing any of the carbonaceous materials disclosed herein and heating the carbonaceous material (typically heating to a temperature equal to or higher than the production temperature of the carbonaceous material). Heat treatment step. Here, in the heat treatment step, the reducing the oxygen content of the carbonaceous material, the intensity of the intensity I D and G peaks of D peak in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy using an argon laser at an excitation wavelength of 785nm reducing the value I D / I G ratio of I G. The step of preparing the carbonaceous material may be a step of producing the carbonaceous material by any method disclosed herein. Alternatively, it may be a step of obtaining the carbonaceous material prepared in advance. According to this manufacturing method, by using the carbonaceous material as a raw material, a carbon material suitable for use as an electrode active material can be obtained even under relatively mild conditions (for example, even at a heat treatment temperature of about 500 ° C. to 800 ° C.). Can be manufactured. That is, the carbon material manufacturing method disclosed herein can be preferably implemented in an embodiment in which the carbonaceous substance is maintained at 500 ° C. to 800 ° C. in the heat treatment step. The heat treatment step is typically performed in a non-oxidizing gas. For example, it can be carried out in a non-oxidizing gas atmosphere (in argon gas, nitrogen gas, etc.) at normal pressure (typically about 100 kPa).
好ましい一態様では、前記熱処理工程において、前記炭素質物質の酸素含有量を６〜１３％の範囲に低下させる。また、該熱処理工程において、前記炭素質物質のＩＤ／ＩＧを３．０〜７．０（例えば３．５〜６．５）の範囲に低下させるとよい。好ましい他の一態様では、前記炭素質物質として比表面積は１〜１０ｍ２／ｇのものを用意し、前記熱処理により該炭素質物質の比表面積を１００ｍ２／ｇ以上（典型的には５００ｍ２／ｇ以下）に増大させる。上記酸素含有量および比表面積の少なくとも一方（好ましくは両方）を満たす炭素材料は、電極活物質等の用途に特に適したものとなり得る。
なお、本明細書中における比表面積は、特記しない限り、窒素吸着法（ＢＥＴ法）により測定される比表面積をいうものとする。
In a preferred embodiment, in the heat treatment step, the oxygen content of the carbonaceous material is reduced to a range of 6 to 13%. Further, in the heat treatment step, it may reduce the I D / I G of the carbonaceous material in the range of 3.0 to 7.0 (e.g., 3.5 to 6.5). In another preferred aspect, the specific surface area as the carbonaceous material is the one that satisfies the 1 to 10 m 2 / g, a specific surface area of the carbonaceous substance 100 m 2 / g or more by the heat treatment (typically 500 meters 2 / G or less). A carbon material satisfying at least one (preferably both) of the oxygen content and specific surface area can be particularly suitable for applications such as electrode active materials.
In addition, the specific surface area in this specification shall mean the specific surface area measured by the nitrogen adsorption method (BET method) unless otherwise specified.
本発明によると、以下の特性：
酸素含有量が６〜１２Ａｔ％（例えば７〜１１Ａｔ％程度）の範囲にある；、
ＩＤ／ＩＧ値が３．０〜７．０（典型的には４．０〜７．０、例えば４．０より大きく６．５以下）の範囲にある；
平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍ（典型的には０．１μｍ〜１．０μｍ）の範囲にある；および、
比表面積が１００ｍ２／ｇ以上（典型的には２００〜５００ｍ２／ｇ）である；
を満たす炭素材料が提供される。
かかる特性を有する炭素材料は、電極活物質等（リチウム二次電池の負極活物質）として好適に利用され得る。
According to the invention, the following properties:
The oxygen content is in the range of 6-12 At% (eg about 7-11 At%);
I D / I G value (typically 4.0-7.0, such as greater than 6.5 than 4.0) 3.0 to 7.0 in the range of;
The average primary particle size is in the range of 0.02 μm to 1.0 μm (typically 0.1 μm to 1.0 μm); and
A specific surface area of 100 m 2 / g or more (typically 200 to 500 m 2 / g);
A carbon material satisfying the above is provided.
A carbon material having such characteristics can be suitably used as an electrode active material or the like (a negative electrode active material of a lithium secondary battery).
ここに開示される炭素質物質を用いて形成されたいずれかの炭素材料（ここに開示されるいずれかの方法により製造された炭素材料であり得る。以下同じ。）は、多孔度と結晶度とのバランスにより、細孔に物質（イオン等）が出入しやすく、電気化学反応が効率的に起こりやすいものであり得る。したがって、かかる炭素材料は、例えば、二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池）や電気二重層キャパシタの活物質等として有用なものとなり得る。 Any carbon material formed using the carbonaceous material disclosed herein (which may be a carbon material produced by any method disclosed herein; the same shall apply hereinafter) has a porosity and a crystallinity. Therefore, a substance (ion or the like) can easily enter and exit the pores, and an electrochemical reaction can easily occur efficiently. Therefore, such a carbon material can be useful as an active material of a secondary battery (for example, a lithium ion secondary battery) or an electric double layer capacitor, for example.
本発明によると、また、ここに開示される炭素質物質を用いて形成された炭素材料を電極活物質として含む二次電池が提供される。かかる二次電池を動力源として備えた車両（ハイブリッド車両、電気車両等）もまた本発明の範囲に含まれる。 According to the present invention, a secondary battery including a carbon material formed using the carbonaceous material disclosed herein as an electrode active material is provided. A vehicle (hybrid vehicle, electric vehicle, etc.) provided with such a secondary battery as a power source is also included in the scope of the present invention.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここに開示される技術では、炭素源有機物と酸素源有機物と過酸化水素と水とを含む反応液を、温度３００℃〜６００℃かつ圧力２２ＭＰａ以上の条件下に保持して炭素質物質を合成する（炭素質物質生成工程）。この反応条件（温度および圧力）に到達すると、水は液相から超臨界相または亜臨界相に転移する（水の臨界点は３７４℃、２２．１ＭＰａである。）。上記反応液をかかる状態（超臨界または亜臨界の状態）に保持することにより、酸素を高い割合で含み、かつ比較的結晶度の高い炭素質物質が生成し得る。上記圧力は、例えば２２ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲とすることができ、７０ＭＰａ〜１００ＭＰａの範囲とすることが好ましい。上記反応液を上記反応条件に保持する時間は、反応の進行度に応じて適宜選択すればよく、例えば０．５〜５時間程度とすることができる。 In the technology disclosed herein, a carbonaceous material is synthesized by holding a reaction solution containing a carbon source organic material, an oxygen source organic material, hydrogen peroxide, and water under conditions of a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. and a pressure of 22 MPa or more. (Carbonaceous substance production step). When this reaction condition (temperature and pressure) is reached, the water transitions from the liquid phase to the supercritical or subcritical phase (the critical point of water is 374 ° C. and 22.1 MPa). By maintaining the reaction solution in such a state (supercritical or subcritical state), a carbonaceous material containing a high proportion of oxygen and having a relatively high crystallinity can be generated. The said pressure can be made into the range of 22MPa-100MPa, for example, and it is preferable to set it as the range of 70MPa-100MPa. What is necessary is just to select suitably the time which hold | maintains the said reaction liquid on the said reaction conditions according to the progress of reaction, for example, can be about 0.5 to 5 hours.
上記方法によって得られる炭素質物質は、酸素を１０〜２５Ａｔ％程度（好ましくは１２〜２２Ａｔ％程度；例えば、１５〜２１Ａｔ％程度）の割合で含み得る。当該炭素質物質に含まれる酸素（Ｏ）は、芳香族エーテル基または脂肪族エーテル基を構成するものであり得る。ここに開示される炭素質物質は、当該炭素質物質に含まれる酸素の凡そ５０Ａｔ％以上、典型的には凡そ６０Ａｔ％以上が芳香族エーテル基または脂肪族エーテル基を構成するものであり得る。上記当該炭素質物質に含まれる酸素のうち芳香族エーテル基または脂肪族エーテル基を構成する酸素は、凡そ８５Ａｔ％以下（典型的には８０Ａｔ％以下、例えば７０Ａｔ％以下）であり得る。残りの酸素は、上記炭素質物質において、カルボニル基またはカルボキシル基を構成するものであり得る。上記炭素質物質の酸素含有率および由来官能基の割合は、例えば、ＸＰＳ（Ｘ−Ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析から求めることができる。 The carbonaceous material obtained by the above method may contain oxygen at a ratio of about 10 to 25 At% (preferably about 12 to 22 At%; for example, about 15 to 21 At%). Oxygen (O) contained in the carbonaceous material may constitute an aromatic ether group or an aliphatic ether group. The carbonaceous material disclosed herein may be an aromatic ether group or an aliphatic ether group in which about 50 At% or more, typically about 60 At% or more of oxygen contained in the carbonaceous material constitutes an aromatic ether group or an aliphatic ether group. Of the oxygen contained in the carbonaceous material, the oxygen constituting the aromatic ether group or the aliphatic ether group may be about 85 At% or less (typically 80 At% or less, for example, 70 At% or less). The remaining oxygen may constitute a carbonyl group or a carboxyl group in the carbonaceous material. The oxygen content of the carbonaceous material and the proportion of the derived functional group can be determined, for example, from XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) analysis.
なお、上記反応条件下での炭素質物質生成のメカニズムとしては、次のようなことが考えられる：昇温時に過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）の熱分解により発生した酸素分子（Ｏ２）が、超臨界相または亜臨界相の水と反応し、高反応性のラジカル種（ヒドロキシルラジカル（ＨＯ・）、ハイドロパーオキサイドラジカル（ＨＯ２・）等）を形成する。これら高反応性ラジカル種は、さらに上記炭素源有機物や上記酸素源有機物と反応してこれらに由来するラジカル種を形成する。これらラジカル種が互いに反応して環化や縮合が繰り返し起こり、酸素を含む縮合多環炭化水素（芳香族炭化水素および脂肪族炭化水素が酸素含有官能基（エーテル基、カルボニル基等）により架橋態様の炭化水素マトリックス；典型的には、芳香族炭化水素がエーテル基により架橋された化学構造を有する縮合多環芳香族炭化水素を主体とする酸素含有炭化水素中間体）から、さらには炭素質物質へと変化する。なお、炭素質物質に含まれる酸素は、酸素源有機物由来の酸素の他に、過酸化水素由来の酸素を含み得る。 In addition, the following may be considered as a mechanism of carbonaceous material generation under the above reaction conditions: Oxygen molecules (O 2 ) generated by thermal decomposition of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) at a temperature rise Reacts with supercritical or subcritical water to form highly reactive radical species (hydroxyl radical (HO.), Hydroperoxide radical (HO 2. ), Etc.). These highly reactive radical species further react with the carbon source organic matter and the oxygen source organic matter to form radical species derived therefrom. These radical species react with each other to cause repeated cyclization and condensation, and oxygen-containing condensed polycyclic hydrocarbons (aromatic hydrocarbons and aliphatic hydrocarbons are crosslinked by oxygen-containing functional groups (ether groups, carbonyl groups, etc.)) From an oxygen-containing hydrocarbon intermediate based on a condensed polycyclic aromatic hydrocarbon having a chemical structure in which an aromatic hydrocarbon is bridged by an ether group), and further a carbonaceous material To change. The oxygen contained in the carbonaceous material may include oxygen derived from hydrogen peroxide in addition to oxygen derived from oxygen source organic matter.
上記炭素源有機物としては、一種または二種以上の炭化水素を使用することができる。該炭化水素は、酸素元素を導入しながら環化し得る構造を有することが好ましい。不飽和基を含むまたは含まない脂肪族炭化水素（例えばｎ−ヘキサン）、不飽和基を含むまたは含まない脂環式炭化水素、置換基を含むまたは含まない芳香族炭化水素（例えば、ベンゼンのような単環の芳香族炭化水素、ナフタレンやアントラセンのように縮合環を有する芳香族炭化水素）、等のいずれも使用可能である。実質的に一種類の化合物からなる炭素源有機物を使用してもよく、二種以上の化合物を含む炭素源有機物（例えば軽油）を使用してもよい。好ましく使用され得る炭素源有機物の一例として、不飽和基を含まない脂肪族炭化水素（例えばｎ−ヘキサン）が挙げられる。 As said carbon source organic substance, 1 type, or 2 or more types of hydrocarbons can be used. The hydrocarbon preferably has a structure that can be cyclized while introducing an oxygen element. Aliphatic hydrocarbons with or without unsaturated groups (eg n-hexane), alicyclic hydrocarbons with or without unsaturated groups, aromatic hydrocarbons with or without substituents (eg benzene) Any of monocyclic aromatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons having a condensed ring such as naphthalene and anthracene, etc. can be used. A carbon source organic substance consisting essentially of one kind of compound may be used, or a carbon source organic substance containing two or more compounds (for example, light oil) may be used. An example of a carbon source organic material that can be preferably used is an aliphatic hydrocarbon (eg, n-hexane) that does not contain an unsaturated group.
上記酸素源有機物としては、水酸基を含む化合物および加水分解等により水酸基を形成し得る化合物から選択される一種または二種以上の化合物を使用することができる。好ましい一態様では、フェノール性水酸基を含む化合物および加水分解等によりフェノール性水酸基を形成し得る化合物から選択される一種または二種以上の化合物を使用する。好ましい酸素源有機物として、例えば、フェニルホウ酸、クロロフェニルホウ酸、ジメトキシフェニルホウ酸等のベンゼンボロン酸誘導体類；フェノール、カテコール、レゾルシノール等のヒドロキシル基含有芳香族炭化水素；クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ブロモベンゼン等のハロゲン化ベンゼン類；ベンゼンスルホン酸等のスルホン化ベンゼン類；メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル等のフェニルエーテル類、およびベンゾフラン、ベンゾピラン等の芳香族環状エーテル類；等が挙げられる。特に好ましい酸素源有機物として、フェニルホウ酸が例示される。 As the oxygen source organic substance, one or two or more compounds selected from a compound containing a hydroxyl group and a compound capable of forming a hydroxyl group by hydrolysis or the like can be used. In one preferred embodiment, one or more compounds selected from a compound containing a phenolic hydroxyl group and a compound capable of forming a phenolic hydroxyl group by hydrolysis or the like are used. Preferred oxygen source organic substances include, for example, benzeneboronic acid derivatives such as phenylboric acid, chlorophenylboric acid and dimethoxyphenylboric acid; hydroxyl group-containing aromatic hydrocarbons such as phenol, catechol and resorcinol; chlorobenzene, dichlorobenzene and bromobenzene. Halogenated benzenes; sulfonated benzenes such as benzenesulfonic acid; phenyl ethers such as methylphenyl ether and ethylphenyl ether; and aromatic cyclic ethers such as benzofuran and benzopyran; As a particularly preferable oxygen source organic substance, phenylboric acid is exemplified.
酸素源有機物の添加量は、使用する炭素源有機物の種類、量等に応じて、所望の酸素含有率を有する炭素質物質が実現されるように適宜選択すればよい。好ましい一態様では、酸素源有機物（例えばフェニルホウ酸）に含まれる有効酸素原子数（すなわち、フェノール性水酸基またはフェノール性水酸基前駆体の数）Ｘの、炭素源有機物（例えばｎ−ヘキサン）に含まれる炭素原子の数Ｙに対する比（Ｘ／Ｙ）が概ね１／３０以下となるように、酸素源有機物の添加量を選択する。上記Ｘ／Ｙが１／３０よりも大きすぎると、生成する炭素質物質の結晶度が低くなりすぎて、該炭素質物質を熱処理してなる炭素材料の電極活物質としての性能が低下傾向となることがあり得る。上記Ｘ／Ｙの下限は特に限定されないが、酸素源有機物の使用量が少なすぎると炭素質物質への酸素導入量が少なくなりがちであるため、通常はＸ／Ｙを１／５００以上（例えば１／１００以上）とすることが適当である。 What is necessary is just to select suitably the addition amount of oxygen source organic substance so that the carbonaceous substance which has a desired oxygen content may be implement | achieved according to the kind, quantity, etc. of carbon source organic substance to be used. In a preferred embodiment, the number of effective oxygen atoms (ie, the number of phenolic hydroxyl groups or phenolic hydroxyl precursors) contained in the oxygen source organic material (eg, phenylboric acid) X is contained in the carbon source organic material (eg, n-hexane). The addition amount of the oxygen source organic material is selected so that the ratio (X / Y) to the number Y of carbon atoms is approximately 1/30 or less. If the X / Y is more than 1/30, the crystallinity of the carbonaceous material to be produced becomes too low, and the performance of the carbon material obtained by heat-treating the carbonaceous material tends to decrease. Can be. The lower limit of the above X / Y is not particularly limited, but if the amount of the oxygen source organic substance used is too small, the amount of oxygen introduced into the carbonaceous material tends to decrease, and usually X / Y is 1/500 or more (for example, 1/100 or more) is appropriate.
上記炭素質物質生成工程において使用する過酸化水素の量は、上記炭素源有機物の使用量に応じて、該炭素源有機物を完全に酸化分解する（例えば、該炭素源有機物として炭化水素を用いる場合、該炭化水素を二酸化炭素および水にまで酸化分解する）際に必要とされるモル数ＭＰの１／２以下（典型的には１／２〜１／５０、例えば１／５〜１／２０；好ましくは１／１２〜１／１５程度）とすることが好ましい。このように過酸化水素の使用量を制限することにより上記炭素源有機物を完全酸化ではなく部分酸化させて、炭素質物質の骨格構成に寄与するラジカル種を効率よく生じさせることができる。
上記炭素質物質生成工程により得られる炭素質物質の酸素含有率は、当該工程における反応条件（例えば、過酸化水素の使用量、反応時の圧力、および反応時の温度、の少なくとも一つの条件）を調節することにより調整し得る。より具体的には、過酸化水素の使用量をより多くすると、上記炭素質物質の酸素含有率はより高くなる傾向にある。反応時の圧力をより高くすると、上記炭素質物質の酸素含有率はより高くなる傾向にある。反応時の温度をより低くすると、上記炭素質物質の酸素含有率はより高くなる傾向にある。これらの条件は、単独で、あるいは適宜組み合わせて調節することができる。
The amount of hydrogen peroxide used in the carbonaceous material generation step is such that the carbon source organic material is completely oxidatively decomposed according to the amount of the carbon source organic material used (for example, when hydrocarbon is used as the carbon source organic material). , less than half of the number of moles M P required when the hydrocarbon oxidation decomposed to carbon dioxide and water) (typically 1 / 2-1 / 50, for example, 1 / 5-1 / 20; preferably about 1/12 to 1/15). In this way, by limiting the amount of hydrogen peroxide used, the carbon source organic matter can be partially oxidized instead of completely oxidized, and radical species contributing to the skeleton structure of the carbonaceous material can be efficiently generated.
The oxygen content of the carbonaceous material obtained by the carbonaceous material production step is determined by the reaction conditions in the step (for example, at least one condition of the amount of hydrogen peroxide used, the pressure during the reaction, and the temperature during the reaction). It can be adjusted by adjusting. More specifically, when the amount of hydrogen peroxide used is increased, the oxygen content of the carbonaceous material tends to be higher. When the pressure during the reaction is increased, the oxygen content of the carbonaceous material tends to be higher. When the temperature during the reaction is further lowered, the oxygen content of the carbonaceous material tends to be higher. These conditions can be adjusted individually or in combination as appropriate.
ここに開示される炭素質物質は、上記所定の酸素含有率を有する他に、以下の特性：
ＩＤ／ＩＧ値が８．０以下（典型的には５．０以上８．０以下、例えば５．５以上７．５以下）の範囲にある；および、
平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍ（典型的には０．１μｍ〜１．０μｍ）の範囲にある；
の一方または両方を満たすものであり得る。かかる炭素質物質は、例えば、ここに開示される技術を適用して炭素化することにより（例えば、後述する熱処理を施すことにより）、二次電池用電極活物質等として好適な炭素材料を形成するものであり得る。
The carbonaceous material disclosed herein has the following characteristics in addition to the predetermined oxygen content:
The I D / I G value is in the range of 8.0 or less (typically 5.0 or more and 8.0 or less, such as 5.5 or more and 7.5 or less); and
The average primary particle size is in the range of 0.02 μm to 1.0 μm (typically 0.1 μm to 1.0 μm);
One or both of them may be satisfied. Such a carbonaceous material, for example, is carbonized by applying the technology disclosed herein (for example, by performing a heat treatment described later) to form a carbon material suitable as an electrode active material for a secondary battery. Can be.
なお、本明細書において、炭素質物質または炭素材料の平均一次粒径の値は、特記しない限り、透過型電子顕微鏡観察により少なくとも５０個（通常は１００個以上、好ましくは２００個以上、より好ましくは４００個以上）の粒子の直径を測定した値の算術平均値を指すものとする。 In the present specification, the value of the average primary particle size of the carbonaceous material or carbon material is at least 50 (usually 100 or more, preferably 200 or more, more preferably) by observation with a transmission electron microscope unless otherwise specified. Represents an arithmetic average value of values obtained by measuring the diameters of 400 or more particles.
上記炭素質物質は、典型的には、測定温度が２５℃のとき、密度１．０ｇ／ｃｍ３における粉体抵抗率が１００Ωｃｍを超えるものである。かかる抵抗率の高さは、酸素を構造中に多く含むためと考えられる。後述するように、この炭素質物質に熱処理を施すと、上記粉体抵抗率の値が顕著に低下する。 The carbonaceous material typically has a powder resistivity exceeding 100 Ωcm at a density of 1.0 g / cm 3 when the measurement temperature is 25 ° C. This high resistivity is considered to be because oxygen is included in the structure in a large amount. As will be described later, when the carbonaceous material is heat-treated, the value of the powder resistivity is remarkably lowered.
ここに開示される炭素質物質は、特に不融化等の処理を加えなくても、そのままガス中（典型的には非酸化性ガス雰囲気中）において熱処理を施すことで炭素化が進み、所望の多孔度および結晶度を有する炭素材料に転化し得る。得られる炭素材料の多孔度（比表面積、細孔体積等により把握され得る。）および結晶度（ＩＤ／ＩＧ値により把握され得る。）は、熱処理条件により異なり得る。上記炭素質物質は、熱処理温度が高くなるほど、系外へ脱離する酸素量が大きくなり、多孔度が高く、より発達した結晶構造（例えばグラフェン構造）を有する（ＩＤ／ＩＧ値がより小さい）炭素材料が形成され得る。すなわち、該炭素材料は、かかる熱処理により、酸素含有率およびＩＤ／ＩＧ値が、その原料である炭素質物質よりも低い値となる。上記熱処理における加熱温度は、目的物たる炭素材料における所望の多孔度および結晶度に応じて、例えば、凡そ３００℃〜３０００℃（典型的には３５０℃〜１０００℃）の範囲で適宜選択することができる。上記炭素質物質の熱処理により得られる炭素材料は、熱処理条件に応じて、例えば、熱処理前の炭素質物質よりも低く（典型的には１Ａｔ％以上、好ましくは２Ａｔ％以上、例えば５Ａｔ％以上低く）、かつ５〜２０Ａｔ％程度の割合で酸素を含み得る。当該炭素材料のＩＤ／ＩＧ値は、熱処理前の炭素質物質よりも低く（典型的には０．５以上、好ましくは１．０以上低く）、かつ７．０以下（例えば６．５以下）であり得る。上記熱処理により得られる炭素材料は、より酸素含有量の高い炭素質物質（例えば、酸素含有量が上記１０〜２５Ａｔ％の上限に近い炭素質物質）を出発材料として用いることにより、より酸素含有率の高いものとなり得る。 The carbonaceous material disclosed herein can be carbonized by applying heat treatment in the gas (typically in a non-oxidizing gas atmosphere) as it is without any special treatment such as infusibilization. It can be converted to a carbon material having porosity and crystallinity. The porosity (which can be grasped by specific surface area, pore volume, etc.) and crystallinity (which can be grasped by I D / IG value) of the obtained carbon material can vary depending on the heat treatment conditions. The higher the heat treatment temperature, the larger the amount of oxygen desorbed out of the system, the higher the porosity, and the more highly developed crystal structure (for example, graphene structure) (I D / I G value is higher). A (small) carbon material can be formed. That is, as a result of such heat treatment, the carbon material has a lower oxygen content and I D / IG value than the carbonaceous material that is the raw material. The heating temperature in the heat treatment is appropriately selected in the range of, for example, about 300 ° C. to 3000 ° C. (typically 350 ° C. to 1000 ° C.), for example, depending on the desired porosity and crystallinity of the target carbon material. Can do. The carbon material obtained by heat treatment of the carbonaceous material is, for example, lower than the carbonaceous material before the heat treatment (typically 1 At% or more, preferably 2 At% or more, for example, 5 At% or more lower) depending on the heat treatment conditions. ), And may contain oxygen at a ratio of about 5 to 20 At%. The I D / I G value of the carbon material is lower (typically 0.5 or more, preferably 1.0 or less) than the carbonaceous material before the heat treatment, and 7.0 or less (for example, 6.5). Or less). The carbon material obtained by the heat treatment uses a carbonaceous material having a higher oxygen content (for example, a carbonaceous material whose oxygen content is close to the upper limit of 10 to 25 At%) as a starting material, so that the oxygen content is higher. Can be expensive.
ここに開示される技術によると、例えば、上記炭素質物質を、常圧（１００ｋＰａ程度）の不活性ガス雰囲気下で５００℃〜８００℃の温度に保持し、酸素含有量およびＩＤ／ＩＧ値をそれぞれ所望のレベルに低下させることで、電極活物質として好ましく使用され得る炭素材料を得ることができる。この方法では、上記炭素質物質を原料として用いるので、常圧かつ５００℃〜８００℃という穏やかな条件であっても、優れた容量の二次電池を構築し得る炭素材料（該電池用の電極活物質）を製造することができる。熱処理温度が高すぎると、ＩＤ／ＩＧ値が低くなりすぎて（換言すれば、グラフェン構造が発達しすぎて）、上記炭素材料に電荷担体イオン（例えば、リチウム二次電池の場合にはリチウムイオン）が出入りしにくくなることがあり得る。したがって、二次電池の電極活物質用の炭素材料を製造する場合には、熱処理温度を１０００℃以下（典型的には９００℃以下、例えば８００℃以下）とすることが好ましい。 According to the technology disclosed herein, for example, the carbonaceous material is maintained at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C. in an inert gas atmosphere at normal pressure (about 100 kPa), and the oxygen content and I D / I G By reducing the value to a desired level, a carbon material that can be preferably used as an electrode active material can be obtained. In this method, since the carbonaceous material is used as a raw material, a carbon material (electrode for the battery) capable of constructing a secondary battery having an excellent capacity even under mild conditions of normal pressure and 500 ° C. to 800 ° C. Active material) can be produced. If the heat treatment temperature is too high, the I D / I G value becomes too low (in other words, the graphene structure develops too much), and charge carrier ions (for example, in the case of a lithium secondary battery) Lithium ions) may be difficult to enter and exit. Therefore, when manufacturing the carbon material for the electrode active material of the secondary battery, it is preferable that the heat treatment temperature is 1000 ° C. or lower (typically 900 ° C. or lower, for example, 800 ° C. or lower).
上記炭素材料は、典型的には、例えば、６〜１３Ａｔ％程度（好ましくは７〜１１Ａｔ％程度）の割合で酸素を含み得る。該電極活物質は、さらに、以下の特性：
ＩＤ／ＩＧ値が３．０〜７．０（典型的には４．０〜７．０、例えば４．０より大きく６．５以下であり４．０より大きく６．０以下であってもよい。）の範囲にある；
平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍ（典型的には０．１μｍ〜１．０μｍ）の範囲にある；および、
比表面積が１００ｍ２／ｇ以上（典型的には２００〜５００ｍ２／ｇ）である；
のうち一つまたは二つ以上を満たすものであり得る。かかる特性を有する炭素材料は、二次電池の電極活物質等の用途に好適である。上記炭素材料の平均一次粒径が大きすぎると、電極活物質等として用いる場合の充填性が小さくなり、粉体抵抗率が上昇したり、電池のエネルギー密度が低下したりする場合がある。上記炭素材料の平均一次粒径が小さすぎると、該炭素材料の取扱性が低下しやすくなることがある。上記炭素材料の比表面積が小さすぎると、該炭素材料を電極活物質に用いてなる二次電池の容量が小さくなりがちである。比表面積の上限は特に限定されないが、通常は、比表面積が例えば１０００ｍ２／ｇ以下（典型的には５００ｍ２／ｇ以下）の炭素材料を好ましく使用し得る。
The carbon material may typically contain oxygen at a ratio of, for example, about 6 to 13 At% (preferably about 7 to 11 At%). The electrode active material further has the following characteristics:
I D / I G value is 3.0 to 7.0 (typically 4.0 to 7.0, for example, greater than 4.0 and less than or equal to 6.5 and greater than 4.0 and less than or equal to 6.0. In the range of
The average primary particle size is in the range of 0.02 μm to 1.0 μm (typically 0.1 μm to 1.0 μm); and
A specific surface area of 100 m 2 / g or more (typically 200 to 500 m 2 / g);
One or more of them may be satisfied. A carbon material having such characteristics is suitable for applications such as an electrode active material for a secondary battery. When the average primary particle size of the carbon material is too large, the filling property when used as an electrode active material or the like is decreased, and the powder resistivity may be increased or the energy density of the battery may be decreased. If the average primary particle size of the carbon material is too small, the handleability of the carbon material may be easily lowered. When the specific surface area of the carbon material is too small, the capacity of a secondary battery using the carbon material as an electrode active material tends to be small. The upper limit of the specific surface area is not particularly limited, but usually, a carbon material having a specific surface area of, for example, 1000 m 2 / g or less (typically 500 m 2 / g or less) can be preferably used.
上記炭素材料は、上記ラマンスペクトルにおけるＧピークの半値幅が７０〜１００ｃｍ−１（例えば７５〜９１ｃｍ−１）の範囲にあるものであり得る。このようにＧピーク半値幅が大きく、ピークが幅広であることは、上記炭素材料の黒鉛化度（グラフェン構造の発達度）が低いことを意味する。このようにグラフェン構造が発達しすぎない炭素材料は、電荷担体イオンが出入りしやすいので、二次電池の電極活物質等の用途に好適である。 The carbon material, the half width of G peak in the Raman spectrum can be one that is in the range of 70~100cm -1 (e.g. 75~91cm -1). Thus, the G peak half-value width being large and the peak being wide means that the carbon material has a low graphitization degree (development degree of graphene structure). Thus, the carbon material in which the graphene structure does not develop too much is suitable for applications such as an electrode active material of a secondary battery because charge carrier ions easily enter and exit.
上記炭素材料は、一般に高容量として知られる黒鉛系電極活物質が実質的に酸素を含まず発達したグラフェン構造を有するのに対し、酸素を上記所定の割合で含み、かつ、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察において明確なグラフェン構造を示さないものであり得る。通常、かかる低結晶性炭素はエネルギー密度が小さくなりがちであるが、当該炭素材料は、黒鉛系電極活物質（理論容量３７２ｍＡｈ／ｇ；実効容量３００〜３６０ｍＡｈ／ｇ程度）に匹敵する容量を有するものであり得る。また、当該炭素材料は、測定温度２５℃のとき、密度１．０ｇ／ｃｍ３における粉体抵抗率（体積抵抗率）が１０Ωｃｍ以下のものであり得る。かかる炭素材料は、上記二次電池や電気二重層キャパシタの電極活物質として好適である。なお、この明細書中における粉体抵抗率は、特記しない場合には、二端子法による値を指すものとする。かかる二端子法による粉体抵抗率は、例えば、アドバンテスト（ADVANTEST）社の直流電圧／電流発生器（Programmable DC voltage/current generator、型名「Ｒ６１４４」）および同社のデジタルマルチメータ（Digital Multimeter、型名「ＡＤ７４６１Ａ」）を用いて、定電流（例えば１００ｍＡ程度）での二端子法計測により算出することができる。
なお、上記粉体抵抗率の測定に四端子法を用いることも可能である。かかる四端子法による測定は、市販の抵抗率計（例えば、三菱化学アナリテック社の商品名「ロレスタ（Ｌｏｒｅｓｔａ）ＧＰ ＭＣＰ−Ｔ６１０型」またはその相当品）を用いて、ＪＩＳ Ｋ７１９４「導電性プラスチックの４探針法による抵抗率試験方法」に準拠して行うことができる。ここで、一般に二端子法では、接触抵抗の影響により、四端子法に比べて抵抗値が高く測定される。したがって、例えば、ある試料について二端子法により測定された粉体抵抗率が１０Ωｃｍであれば、これを四端子法で測定して得られる粉体抵抗率は１０Ωｃｍ以下であるといえる。
The carbon material generally has a graphene structure in which a graphite-based electrode active material, which is generally known as a high capacity, is substantially free of oxygen, and contains oxygen at the predetermined ratio, and a transmission electron microscope ( TEM) observation may not show a clear graphene structure. Usually, such low crystalline carbon tends to have a low energy density, but the carbon material has a capacity comparable to a graphite-based electrode active material (theoretical capacity: 372 mAh / g; effective capacity: about 300 to 360 mAh / g). Can be a thing. The carbon material may have a powder resistivity (volume resistivity) of 10 Ωcm or less at a density of 1.0 g / cm 3 when the measurement temperature is 25 ° C. Such a carbon material is suitable as an electrode active material for the secondary battery or the electric double layer capacitor. Note that the powder resistivity in this specification refers to a value determined by the two-terminal method unless otherwise specified. The powder resistivity by the two-terminal method is, for example, ADVANTEST's DC voltage / current generator (model name “R6144”) and the company's digital multimeter (type Digital Multimeter). Name “AD7461A”) and can be calculated by two-terminal method measurement at a constant current (for example, about 100 mA).
It is also possible to use a four-terminal method for measuring the powder resistivity. The measurement by the four-terminal method is performed by using a commercially available resistivity meter (for example, trade name “Loresta GP MCP-T610 type” or equivalent product of Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.) or JIS K7194 “conductive plastic”. In accordance with the "Resistivity Test Method by the Four Probe Method". Here, in general, in the two-terminal method, the resistance value is measured higher than that in the four-terminal method due to the influence of contact resistance. Therefore, for example, if the powder resistivity measured by the two-terminal method for a certain sample is 10 Ωcm, it can be said that the powder resistivity obtained by measuring this by the four-terminal method is 10 Ωcm or less.
以下、ここに開示される炭素材料を負極活物質に用いたリチウムイオン二次電池の構成例につき説明するが、上記炭素材料の使用態様をこれらに限定する意図ではない。 Hereinafter, although the structural example of the lithium ion secondary battery using the carbon material disclosed here as a negative electrode active material is demonstrated, the usage aspect of the said carbon material is not the intention limited to these.
ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出可能な電極活物質をそれぞれ有する正極および負極が非水電解質とともに容器に収容された形態を有する。上記負極は、ここに開示されるいずれかの炭素材料を活物質（負極活物質）として備える。例えば、上記炭素材料を、バインダおよび必要に応じて使用される導電材等とともに所望の形状（例えばペレット状）に成形するか、あるいは導電性部材（集電体）に付着させた形態の負極を好ましく採用することができる。上記バインダの例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が挙げられる。なお、負極活物質として、ここに開示されるいずれかの炭素材料とともに、一般的なリチウムイオン二次電池の負極活物質として使用し得ることが知られている公知材料を使用してもよい。 The lithium ion secondary battery disclosed herein has a form in which a positive electrode and a negative electrode each having an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium are housed in a container together with a non-aqueous electrolyte. The negative electrode includes any of the carbon materials disclosed herein as an active material (negative electrode active material). For example, the carbon material is molded into a desired shape (for example, a pellet shape) together with a binder and a conductive material used as necessary, or a negative electrode in a form in which the negative electrode is attached to a conductive member (current collector). It can preferably be employed. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), and the like. In addition, you may use the well-known material known to be usable as a negative electrode active material of a general lithium ion secondary battery with any carbon material indicated here as a negative electrode active material.
正極としては、適当な正極活物質を、バインダおよび必要に応じて使用される導電材等とともに所望の形状に成形するか、あるいは導電製部材（集電体）に付着させた形態のものを好ましく使用し得る。正極活物質としては、一般的なリチウムイオン二次電池の正極に用いられる層状構造の酸化物系活物質、スピネル構造の酸化物系活物質等を好ましく用いることができる。かかる活物質の代表例として、リチウムコバルト系酸化物、リチウムニッケル系酸化物、リチウムマンガン系酸化物等のリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。導電材としては、カーボンブラック（例えばアセチレンブラック）、グラファイト粉末等のカーボン材料、ニッケル粉末等の導電性金属粉末が例示される。バインダとしては、負極用のバインダと同様のもの等を使用することができる。 As the positive electrode, an appropriate positive electrode active material is preferably formed into a desired shape together with a binder and a conductive material to be used as necessary, or attached to a conductive member (current collector). Can be used. As the positive electrode active material, an oxide-based active material having a layered structure or an oxide-based active material having a spinel structure used for a positive electrode of a general lithium ion secondary battery can be preferably used. Typical examples of such active materials include lithium transition metal oxides such as lithium cobalt oxides, lithium nickel oxides, and lithium manganese oxides. Examples of the conductive material include carbon materials such as carbon black (for example, acetylene black) and graphite powder, and conductive metal powder such as nickel powder. As the binder, the same binder as that for the negative electrode can be used.
正極と負極との間に介在される電解質としては、非水溶媒と、該溶媒に溶解可能なリチウム塩（支持電解質）とを含む液状電解質（電解液）を好ましく用いることができる。かかる液状電解質にポリマーが添加された固体状（ゲル状）の電解質であってもよい。上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、１，３−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の、一般にリチウムイオン二次電池の電解質に使用し得るものとして知られている非水溶媒から選択される一種または二種以上を用いることができる。 As the electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, a liquid electrolyte (electrolytic solution) containing a nonaqueous solvent and a lithium salt (supporting electrolyte) that can be dissolved in the solvent can be preferably used. It may be a solid (gel) electrolyte in which a polymer is added to such a liquid electrolyte. As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones can be used. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. One type or two or more types selected from non-aqueous solvents that are known to be usable for electrolytes of secondary batteries can be used.
上記支持電解質としては、ＬｉＰＦ６，ＬｉＢＦ４，ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２，ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２，ＬｉＣＦ３ＳＯ３，ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３，ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３，ＬｉＣｌＯ４等の、リチウムイオン二次電池の電解液において支持電解質として機能し得ることが知られている各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができる。支持電解質（支持塩）の濃度は特に制限されず、例えば従来のリチウムイオン二次電池で使用される電解質と同様とすることができる。通常は、支持電解質を凡そ０．１ｍｏｌ／Ｌ〜５ｍｏｌ／Ｌ（例えば凡そ０．８ｍｏｌ／Ｌ〜１．５ｍｏｌ／Ｌ）程度の濃度で含有する非水電解質を好ましく使用することができる。 Examples of the supporting electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiClO 4, etc., one or more selected from various lithium salts known to be capable of functioning as a supporting electrolyte in the electrolyte of a lithium ion secondary battery can be used. The concentration of the supporting electrolyte (supporting salt) is not particularly limited, and can be the same as, for example, the electrolyte used in a conventional lithium ion secondary battery. Usually, a nonaqueous electrolyte containing a supporting electrolyte at a concentration of about 0.1 mol / L to 5 mol / L (for example, about 0.8 mol / L to 1.5 mol / L) can be preferably used.
上記正極および負極を電解質とともに適当な容器（金属または樹脂製の筐体、ラミネートフィルムからなる袋体等）に収容してリチウムイオン二次電池が構築される。ここに開示されるリチウムイオン二次電池の代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在される。セパレータとしては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータと同様のものを用いることができ、特に限定されない。例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、不織布等を用いることができる。なお、固体状の電解質を用いたリチウムイオン二次電池では、該電解質がセパレータを兼ねる構成としてもよい。リチウムイオン二次電池の形状（容器の外形）は特に限定されず、例えば、円筒型、角型、コイン型等の形状であり得る。 A lithium ion secondary battery is constructed by housing the positive electrode and the negative electrode together with an electrolyte in an appropriate container (a metal or resin casing, a bag made of a laminate film, or the like). In a typical configuration of the lithium ion secondary battery disclosed herein, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As a separator, the thing similar to the separator used for a general lithium ion secondary battery can be used, and it does not specifically limit. For example, a porous sheet made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, or polyamide, a nonwoven fabric, or the like can be used. Note that in a lithium ion secondary battery using a solid electrolyte, the electrolyte may also serve as a separator. The shape (outer shape of the container) of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, or the like.
本発明により提供されるリチウムイオン二次電池の一構成例を図１３に示す。このリチウムイオン二次電池１０は、正極１２および負極１４を具備する電極体１１が、該電極体を収容し得る形状の電池ケース１５に収容された構成を有する。電池ケース１５には非水電解液２０も収容されており、その少なくとも一部は電極体１１に含浸している。電極体１１は、長尺シート状の正極集電体１２２上に正極活物質層１２４を有する正極１２と、長尺シート状の負極集電体（例えば電解銅箔）１４２上に負極活物質層１４４が設けられた構成の負極１４とを、二枚の長尺シート状セパレータ１３とともに捲回することにより形成される。電池ケース１５は、有底円筒状のケース本体１５２と、上記開口部を塞ぐ蓋体１５４とを備える。蓋体１５４およびケース本体１５２はいずれも金属製であって相互に絶縁されており、それぞれ正負極の集電体１２２，１４２と電気的に接続されている。すなわち、このリチウムイオン二次電池１０では、蓋体１５４が正極端子、ケース本体１５２が負極端子を兼ねている。 One structural example of the lithium ion secondary battery provided by the present invention is shown in FIG. The lithium ion secondary battery 10 has a configuration in which an electrode body 11 including a positive electrode 12 and a negative electrode 14 is accommodated in a battery case 15 having a shape capable of accommodating the electrode body. The battery case 15 also contains a non-aqueous electrolyte 20, and at least a part of the battery case 15 is impregnated in the electrode body 11. The electrode body 11 includes a positive electrode 12 having a positive electrode active material layer 124 on a long sheet-like positive electrode current collector 122 and a negative electrode active material layer on a long sheet-like negative electrode current collector (for example, electrolytic copper foil) 142. It is formed by winding the negative electrode 14 having the structure provided with 144 together with the two long sheet-like separators 13. The battery case 15 includes a bottomed cylindrical case body 152 and a lid 154 that closes the opening. The lid 154 and the case main body 152 are both made of metal and insulated from each other, and are electrically connected to the positive and negative current collectors 122 and 142, respectively. That is, in the lithium ion secondary battery 10, the lid body 154 also serves as a positive electrode terminal, and the case body 152 serves as a negative electrode terminal.
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the specific examples.
＜例１＞
内容量１０．８ｍＬのニッケル合金（商品名：ハステロイＣ−２２）から構成される超臨界水反応容器（耐圧硝子工業株式会社製）に、炭素源有機物としてのｎ−ヘキサン１．３０ｇ（１５．１ｍｍｏｌ）、Ｈ２Ｏ２の３０％水溶液２．００ｇ（１８．２ｍｍｏｌＨ２Ｏ２）、酸素源有機物としてのフェニルホウ酸０．３３ｇ（２．７ｍｍｏｌ）および蒸留水３．００ｇを入れた。この反応容器内を昇温および昇圧させて、温度４００℃、圧力７１ＭＰａの条件（水の超臨界条件）下に３時間保持した。反応容器内を室温および常圧に戻した後、該容器を開けて内容物を濾過し、エタノールおよび蒸留水により洗浄した後、減圧乾燥させることにより、黒色の粉末として炭素質物質Ａ（炭素質物質）を得た。この炭素質物質Ａの平均粒径（一次粒径）は０．５６８μｍであった。
<Example 1>
1.30 g of n-hexane as a carbon source organic substance (15.) in a supercritical water reaction vessel (made by Pressure Glass Industrial Co., Ltd.) composed of a nickel alloy (trade name: Hastelloy C-22) having an internal volume of 10.8 mL. 1 mmol), 30% aqueous solution 2.00g of H 2 O 2 (18.2mmolH 2 O 2), were placed phenylboronic acid 0.33 g (2.7 mmol) and distilled water 3.00g as an oxygen source organics. The inside of the reaction vessel was heated and increased in pressure, and kept for 3 hours under conditions of a temperature of 400 ° C. and a pressure of 71 MPa (supercritical water condition). After returning the inside of the reaction vessel to room temperature and normal pressure, the vessel is opened, the contents are filtered, washed with ethanol and distilled water, and then dried under reduced pressure to obtain carbonaceous substance A (carbonaceous material as a black powder). Material). The average particle size (primary particle size) of the carbonaceous material A was 0.568 μm.
炭素質物質Ａをラマン分光分析装置（Ｒｅｎｉｓｈａｗ社製の顕微ラマン分光測定装置、ｉｎＶｉａ Ｒｅｆｌｅｘ ７８５Ｓ、励起波長７８５ｎｍ、Ａｒレーザー）で分析して得られたラマンスペクトルにつきＤピークとＧピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ値）およびＧピークの半値幅をそれぞれ求めた。詳しくは、測定装置に装備されている解析ソフトであるＧＲＡＭＳ／ＡＩ（７．０２）を使用し、１０００ｃｍ−１から１８００ｃｍ−１までの範囲をベースライン補正機能により補正し、ローレンツカンスウフィッティングを行うことにより各ピークの面積強度およびピーク半値幅を算出した。得られた面積強度からＩＤ／ＩＧ値を算出した。炭素質物質ＡのＩＤ／ＩＧ値は７．０９であった。Ｇピークの半値幅は９１．２ｃｍ−１であった。得られたラマンスペクトルを図１に示す。 Intensity ratio between D peak and G peak for Raman spectrum obtained by analyzing carbonaceous material A with Raman spectroscopic analysis device (micro Raman spectroscopic measurement device manufactured by Renishaw, inVia Reflex 785S, excitation wavelength 785 nm, Ar laser) (I D / I G value) and the half width of the G peak were determined. Specifically, using an analysis software that has been installed on the measuring device GRAMS / AI (7.02), the range from 1000 cm -1 to 1800 cm -1 corrected by baseline correction function, a Lorentz cans Sul fitting By performing, the area intensity and peak half-width of each peak were calculated. The I D / IG value was calculated from the obtained area intensity. I D / I G value of the carbonaceous material A was 7.09. The half width of the G peak was 91.2 cm −1 . The obtained Raman spectrum is shown in FIG.
炭素質物質ＡをＸＰＳ分析装置（Ｋｒａｔｏｓ社製のＡＸＩＳ ＵＬＴＲＡ ＤＬＤ）で分析して酸素含有率を求めた。詳しくは、上記ＸＰＳ分析装置により得られたワイドスキャン測定スペクトル（図２）のＣ１Ｓピーク（結合エネルギーが２８４ｅＶのピーク）およびＯ１Ｓピーク（結合エネルギーが５３０ｅＶのピーク）のピーク強度および相対感度から元素の組成比（原子％）を決定した。ピーク強度決定の際のバックグランドタイプにはＳｈｅｒｌｅｙ法を採用し、デジタルデータマネジメント社のデータ解析ソフトＣＡＳＡＸＰＳ Ｖｅｒ．２．３．１４ｗを用いて元素組成比を算出した。各元素の化学的存在状態については、ナロースキャン測定されたスペクトルを同ソフトによるローレンツ・ガウス関数による多重ピークフィッティングを行うことにより、存在率とともに決定した。その結果、炭素物質Ａの酸素含有率は１５．６％であった。なお、上記と同様の条件にて生成された炭素質粒子の酸素含有率は概ね１２〜２１％の範囲にあることがわかった。 Carbonaceous material A was analyzed with an XPS analyzer (AXIS ULTRA DLD manufactured by Kratos) to determine the oxygen content. Specifically, from the peak intensity and relative sensitivity of the C 1S peak (peak with a binding energy of 284 eV) and O 1S peak (peak with a binding energy of 530 eV) in the wide scan measurement spectrum (FIG. 2) obtained by the XPS analyzer. The elemental composition ratio (atomic%) was determined. The background type at the time of peak intensity determination uses the Sherley method, and data analysis software CASAXPS Ver. The elemental composition ratio was calculated using 2.3.14w. The chemical presence state of each element was determined together with the abundance ratio by performing multiple peak fitting with a Lorentz-Gauss function on the narrow scan measured spectrum. As a result, the oxygen content of the carbon substance A was 15.6%. In addition, it turned out that the oxygen content rate of the carbonaceous particle produced | generated on the conditions similar to the above exists in the range of 12 to 21% in general.
炭素質物質Ａにつき、比表面積測定装置（Ｍｉｃｒｏｍｅｔｒｉｃｓ社製、型式「ＡＳＡＰ２０２０」）を用いて窒素吸着法による比表面積および細孔径分布を測定した。炭素質物質Ａの比表面積は、４．５６ｍ２／ｇであった。細孔径分布から算出された全細孔容積Ｖｔｏｔａｌは０．００５３ｃｍ３／ｇ、ミクロ細孔容積Ｖｍｉｃｒｏは０．００１１ｃｍ３／ｇ、メゾ細孔容積Ｖｍｅｓｏは０．００４２ｃｍ３／ｇであった。ミクロ細孔容積の前細孔容積に対する比の値Ｖｍｉｃｒｏ／Ｖｔｏｔａｌは０．２１であった。 With respect to the carbonaceous material A, the specific surface area and pore size distribution by the nitrogen adsorption method were measured using a specific surface area measuring device (manufactured by Micrometrics, model “ASAP2020”). The specific surface area of the carbonaceous material A was 4.56 m 2 / g. The total pore volume V total calculated from the pore size distribution was 0.0053 cm 3 / g, the micropore volume V micro was 0.0011 cm 3 / g, and the mesopore volume V meso was 0.0042 cm 3 / g. It was. The ratio value V micro / V total of the micropore volume to the previous pore volume was 0.21.
＜例２＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質に対し、これを常圧のＡｒガス雰囲気中（Ａｒガス流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ）にて５００℃に３０分間保持する熱処理を施して、炭素材料Ｂ（５００）を得た。炭素材料Ｂ（５００）のＩＤ／ＩＧ値は５．１５、Ｇピークの半値幅は８３．４ｃｍ−１、酸素含有率は８．６０％であった。
<Example 2>
The carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was subjected to a heat treatment in which it was held at 500 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere (Ar gas flow rate: 500 mL / min) to obtain a carbon material B (500) was obtained. Carbon material B (500) had an I D / I G value of 5.15, a G peak half width of 83.4 cm −1 , and an oxygen content of 8.60%.
＜例３＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて６００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（６００）を得た。炭素材料Ｂ（６００）のＩＤ／ＩＧ値は５．９２、Ｇピークの半値幅は７６．９ｃｍ−１、酸素含有率は１１．０％であった。
炭素材料Ｂ（６００）の比表面積は、２９５．５８ｍ２／ｇであった。Ｖｔｏｔａｌは０．１１４２ｃｍ３／ｇ、ミクロ細孔容積Ｖｍｉｃｒｏは０．０５２９ｃｍ３／ｇ、メゾ細孔容積Ｖｍｅｓｏは０．０６１３ｃｍ３／ｇであった。Ｖｍｉｃｒｏ／Ｖｔｏｔａｌは、０．４６であった。原料である炭素質物質Ａ（例１）と比べると、比表面積は１０２のオーダーの倍率で増加し、全細孔容積も２０倍以上、中でもミクロ細孔は５０倍近く、またメゾ細孔は１５倍程度増加した。すなわち、上記で合成した炭素質物質は、６００℃という比較的穏やかな温度条件でも、酸素の脱離が起こり、多孔度が顕著に増加することが確認された。また、加熱処理によりミクロ細孔の割合が増加することも確認された。
<Example 3>
A carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 600 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (600). Carbon material B (600) had an I D / I G value of 5.92, a G peak half width of 76.9 cm −1 , and an oxygen content of 11.0%.
The specific surface area of the carbon material B (600) was 295.58 m 2 / g. V total was 0.1142 cm 3 / g, micropore volume V micro was 0.0529 cm 3 / g, and mesopore volume V meso was 0.0613 cm 3 / g. Vmicro / Vtotal was 0.46. Compared to raw material is a carbonaceous material A (Example 1), the specific surface area is increased by a factor of 10 two orders, the total pore volume also 20 times or more, among them the micropores 50 times more, also meso pores Increased about 15 times. That is, it was confirmed that the carbonaceous material synthesized above desorbs oxygen even under a relatively mild temperature condition of 600 ° C., and the porosity is remarkably increased. It was also confirmed that the proportion of micropores increased by heat treatment.
＜例４＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて７００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（７００）を得た。炭素材料Ｂ（７００）のＩＤ／ＩＧ値は４．０６、Ｇピークの半値幅は９０．２ｃｍ−１、酸素含有率は７．３０％であった。
<Example 4>
A carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 700 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (700). Carbon material B (700) had an I D / I G value of 4.06, a G peak half width of 90.2 cm −1 , and an oxygen content of 7.30%.
＜例５＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて８００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（８００）を得た。炭素材料Ｂ（８００）のＩＤ／ＩＧ値は４．６５、Ｇピークの半値幅は８８．１ｃｍ−１、酸素含有率は９．５１％であった。
＜例６＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて１０００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（１０００）を得た。炭素材料Ｂ（１０００）のＩＤ／ＩＧ値は４．００、Ｇピークの半値幅は７８．８ｃｍ−１、酸素含有率は８．８６％であった。
<Example 5>
The carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 800 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (800). Carbon material B (800) had an I D / I G value of 4.65, a G peak half-width of 88.1 cm −1 , and an oxygen content of 9.51%.
<Example 6>
A carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 1000 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (1000). Carbon material B (1000) had an I D / I G value of 4.00, a G peak half width of 78.8 cm −1 , and an oxygen content of 8.86%.
＜例７＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて１５００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（１５００）を得た。炭素材料Ｂ（１５００）のＩＤ／ＩＧ値は２．５５、Ｇピークの半値幅は７３．３ｃｍ−１、酸素含有率は７．２０％であった。
＜例８＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて２２００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（２２００）を得た。炭素材料Ｂ（２２００）のＩＤ／ＩＧ値は１．５８、Ｇピークの半値幅は５９．４ｃｍ−１、酸素含有率は１６．０％であった。
<Example 7>
A carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 1500 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (1500). Carbon material B (1500) had an I D / I G value of 2.55, a G peak half width of 73.3 cm −1 , and an oxygen content of 7.20%.
<Example 8>
A carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 2200 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (2200). Carbon material B (2200) had an I D / I G value of 1.58, a G peak half width of 59.4 cm −1 , and an oxygen content of 16.0%.
＜例９＞
例１と同様の条件で合成した炭素質物質を常圧のＡｒガス雰囲気中にて２８００℃に３０分間保持して、炭素材料Ｂ（２８００）を得た。炭素材料Ｂ（２８００）のＩＤ／ＩＧ値は０．９５、Ｇピークの半値幅は４０．３ｃｍ−１、酸素含有率は１１．３％であった。
<Example 9>
A carbonaceous material synthesized under the same conditions as in Example 1 was held at 2800 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar gas atmosphere to obtain a carbon material B (2800). Carbon material B (2800) had an I D / I G value of 0.95, a G peak half width of 40.3 cm −1 , and an oxygen content of 11.3%.
［ＳＥＭ分析］
例１の炭素質物質Ａ、および例２〜９に係る炭素材料Ｂ（５００）〜Ｂ（２８００）を走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製品、型式「ＪＳＭ−７０００Ｆ／ＩＶ」）で観察した。得られた画像のうち、炭素質物質Ａの画像および炭素材料Ｂ（２８００）の画像をそれぞれ図３および図４に示す。これらの画像から明らかなように、炭素質物質Ａは、不活性ガス雰囲気中においてかかる高温に保持されても、溶融を起こすことなく、粒子形状を概ね維持したまま更に炭素化されて炭素材料Ｂを形成した。
[SEM analysis]
The carbonaceous material A of Example 1 and the carbon materials B (500) to B (2800) according to Examples 2 to 9 were observed with a scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model “JSM-7000F / IV”). . Among the obtained images, an image of the carbonaceous substance A and an image of the carbon material B (2800) are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. As is apparent from these images, the carbonaceous substance A is further carbonized while maintaining the particle shape substantially without causing melting even when kept at such a high temperature in an inert gas atmosphere. Formed.
［ＴＥＭ分析］
例１の炭素質物質Ａ、および例２〜９に係る炭素材料Ｂ（５００）〜Ｂ（２８００）を透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製品、型式「ＪＥＭ２１００Ｆ」）で観察した。得られた画像のうち、炭素質物質Ａ、炭素材料Ｂ（５００）、Ｂ（６００）、Ｂ（７００）、Ｂ（８００）、Ｂ（１５００）、Ｂ（２２００）の画像をそれぞれ図５〜図１１に示す。これらの画像から明らかなように、加熱処理前の炭素質物質Ａ（図５）、炭素質物質を５００℃で熱処理してなる炭素材料Ｂ（５００）（図６）６００℃で熱処理してなる炭素材料Ｂ（６００）（図７）、および８００℃で熱処理してなる炭素材料Ｂ（８００）（図９）においては、明確な結晶構造は認められなかった。炭素質物質を７００℃で熱処理してなる炭素材料Ｂ（７００）は、小さなグラフェンの存在が認められた（図８）。炭素質物質を１５００℃で熱処理してなる炭素材料Ｂ（１５００）は、より成長したグラフェンの存在が認められた（図１０）。炭素質物質を２２００℃で加熱してなる炭素材料Ｂ（２２００）は、さらに小さなグラフェン積層体が集合したような構造を有することが認められた（図１１）。このように、炭素質物質は、加熱する際の温度が高くなると、より結晶度の高い炭素粒子に転化することがわかった。
[TEM analysis]
The carbonaceous material A of Example 1 and the carbon materials B (500) to B (2800) according to Examples 2 to 9 were observed with a transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model “JEM2100F”). Among the obtained images, the images of carbonaceous substance A, carbon material B (500), B (600), B (700), B (800), B (1500), and B (2200) are shown in FIGS. As shown in FIG. As apparent from these images, the carbonaceous material A (FIG. 5) before the heat treatment, and the carbon material B (500) obtained by heat treating the carbonaceous material at 500 ° C. (FIG. 6) are heat treated at 600 ° C. In the carbon material B (600) (FIG. 7) and the carbon material B (800) (FIG. 9) obtained by heat treatment at 800 ° C., a clear crystal structure was not recognized. The presence of small graphene was recognized in the carbon material B (700) obtained by heat-treating a carbonaceous material at 700 ° C. (FIG. 8). In the carbon material B (1500) obtained by heat-treating the carbonaceous material at 1500 ° C., the presence of more grown graphene was observed (FIG. 10). It was recognized that the carbon material B (2200) obtained by heating the carbonaceous material at 2200 ° C. has a structure in which smaller graphene laminates are aggregated (FIG. 11). Thus, it has been found that the carbonaceous material is converted into carbon particles having higher crystallinity when the temperature during heating increases.
［二次電池性能評価］
例１の炭素質物質Ａを電極活物質として含む作用極と、対極としての金属リチウムと、参照極としての金属リチウムと、プロピレンカーボネート中にＬｉＣｌＯ４を１Ｍの濃度で含む電解液とを用いて、性能評価用のＲＣ２０３２型コインセル（直径２０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ）を構築した。例２〜９に係る各炭素材料Ｂについても、同様にしてコインセルを構築した。各コインセルに対し、３０ｍＡ／ｇの充放電レートにて、上限・下限電圧を２．８Ｖ〜０Ｖとして充放電サイクルを繰り返した。５回目の放電容量を、対応するコインセルの作用極に含まれる活物質の質量で除して比容量（ｍＡｈ／ｇ）を算出した。
各例に係る三極セルに具備される炭素質物質または炭素材料につき、アドバンテスト社の直流電圧／電流発生器「Ｒ６１４４」およびデジタルマルチメータ「ＡＤ７４６１Ａ」）を用いて、１００ｍＡ程度の定電流での二端子法計測により粉体抵抗率（Ωｃｍ）を算出した。炭素質粒子Ａおよび炭素材料Ｂ（５００）〜Ｂ（１５００）について、結果を表すグラフを図１２に示す。
[Secondary battery performance evaluation]
Using a working electrode containing the carbonaceous material A of Example 1 as an electrode active material, metallic lithium as a counter electrode, metallic lithium as a reference electrode, and an electrolytic solution containing LiClO 4 at a concentration of 1M in propylene carbonate An RC2032 type coin cell (diameter 20 mm, thickness 3.2 mm) for performance evaluation was constructed. For each carbon material B according to Examples 2 to 9, coin cells were similarly constructed. For each coin cell, the charge / discharge cycle was repeated at a charge / discharge rate of 30 mA / g with the upper and lower limit voltages set at 2.8V to 0V. The specific capacity (mAh / g) was calculated by dividing the fifth discharge capacity by the mass of the active material contained in the working electrode of the corresponding coin cell.
Using a DC voltage / current generator “R6144” and a digital multimeter “AD7461A” of Advantest Corporation, the carbonaceous material or carbon material provided in the triode cell according to each example is a constant current of about 100 mA. The powder resistivity (Ωcm) was calculated by the two-terminal method measurement. The graph showing a result is shown in FIG. 12 about the carbonaceous particle A and the carbon material B (500) -B (1500).
例１の炭素質物質Ａ、および例２〜９に係る炭素材料Ｂ（５００）〜Ｂ（２８００）の特性、ならびに各例に係るコインセルの容量を表１に示す。また、例１の炭素質物質Ａ、および例２〜７に係る炭素材料Ｂ（１５００）についての粉体抵抗率の測定結果を図１２に、密度１．０ｇ／ｃｍ３のときの粉体抵抗率の値を表１に示す。ただし、例５については密度０．８１ｇ／ｃｍ３のときの粉体抵抗率（注１）、例６については密度０．８９ｇ／ｃｍ３のときの粉体抵抗率の値（注２）を表１に示している。 Table 1 shows the characteristics of the carbonaceous material A of Example 1 and the carbon materials B (500) to B (2800) according to Examples 2 to 9, and the capacity of the coin cell according to each example. Moreover, the measurement result of the powder resistivity about the carbonaceous substance A of Example 1 and the carbon material B (1500) according to Examples 2 to 7 is shown in FIG. 12, and the powder resistance at a density of 1.0 g / cm 3 is shown in FIG. The rate values are shown in Table 1. However, the powder resistivity when the density of 0.81 g / cm 3 for an example 5 (1), the value of powder resistivity when the density of 0.89 g / cm 3 for examples 6 (2) It is shown in Table 1.
表１に示すラマンスペクトルにおけるＩＤ／ＩＧ値およびＧピーク半値幅から明らかなように、例１に係る炭素質物質Ａから形成される炭素粒子Ｂは、炭素質物質Ａを不活性ガス雰囲気下で加熱する際の温度が高いほど、ＩＤ／ＩＧ値が概して小さくなり、Ｇピーク半値幅が概して小さくなる傾向にあることが認められた。すなわち、加熱温度の上昇に伴って、得られる炭素材料の黒鉛化度がより高くなることがわかった。したがって、同じ炭素質物質Ａを用いても、加熱温度を異ならせるだけで種々の結晶度を有する炭素材料が実現され得ることがわかった。このことはＧピーク半値幅の傾向にも表れている。 As is clear from the I D / I G value and the G peak half-value width in the Raman spectrum shown in Table 1, the carbon particles B formed from the carbonaceous material A according to Example 1 contain the carbonaceous material A in an inert gas atmosphere. It has been observed that the higher the temperature at which it is heated below, the smaller the I D / I G value, and the G peak half width generally tends to be smaller. That is, it was found that the degree of graphitization of the obtained carbon material becomes higher as the heating temperature increases. Accordingly, it has been found that even when the same carbonaceous substance A is used, carbon materials having various crystallinities can be realized only by changing the heating temperature. This also appears in the trend of G peak half width.
表１に記載の粉体抵抗率および図１２から明らかなとおり、原料である炭素質物質と比べ、該炭素質物質から生成された炭素材料は、粉体抵抗率が顕著に小さいことが認められた。また、例２〜４に係る炭素材料を作用極活物質として含む各三極セルについて測定された放電容量（ｍＡｈ／ｇ）は約４００〜５００ｍＡｈ／ｇと、二次電池の電極活物質として好ましく使用することができる程度の高い容量を示した。このことは、炭素質物質Ａを５００℃〜８００℃の不活性ガス雰囲気下で熱処理することにより、該炭素質物質Ａを優れた性能の電極活物質に転化し得ることを支持するものである。また、例１の炭素質物質Ａの比表面積に比べて、６００℃で熱処理した例３の炭素材料（６００）の比表面積は約３００ｍ２／ｇ（炭素質物質Ａの５０倍以上）と、著しく増大した。これは、熱処理前の炭素質物質において炭素骨格に多量の酸素原子が組み込まれているため、該炭素質物質を熱処理することにより、上記酸素原子が脱離する際に一酸化炭素や二酸化炭素として（すなわち、炭素原子を伴って）脱離し、炭素材料に微細な細孔が多く形成されたものと考えられる。このように、ここに開示される技術を適用して酸素含有率の多い（例えば１０〜２５Ａｔ％の範囲にある）炭素質物質を熱処理することにより、二次電池の電極活物質等として好適な炭素材料を効果的に製造し得ることが確認された。 As is apparent from the powder resistivity shown in Table 1 and FIG. 12, it is recognized that the carbon material produced from the carbonaceous material as a raw material has a significantly smaller powder resistivity than the raw material carbonaceous material. It was. Moreover, the discharge capacity (mAh / g) measured about each triode cell containing the carbon material which concerns on Examples 2-4 as an active electrode active material is about 400-500 mAh / g, and is preferable as an electrode active material of a secondary battery. The capacity was high enough to be used. This supports that the carbonaceous material A can be converted into an electrode active material having excellent performance by heat-treating the carbonaceous material A in an inert gas atmosphere at 500 ° C. to 800 ° C. . Further, the specific surface area of the carbon material (600) of Example 3 heat-treated at 600 ° C. is about 300 m 2 / g (more than 50 times that of the carbonaceous substance A) as compared with the specific surface area of the carbonaceous substance A of Example 1. Markedly increased. This is because a large amount of oxygen atoms are incorporated into the carbon skeleton in the carbonaceous material before the heat treatment, and when the oxygen atoms are desorbed by heat treating the carbonaceous material, It is considered that many fine pores were formed in the carbon material by desorption (with carbon atoms). As described above, by applying the technique disclosed herein to heat treatment of a carbonaceous material having a high oxygen content (for example, in the range of 10 to 25 At%), it is suitable as an electrode active material for a secondary battery. It was confirmed that a carbon material can be produced effectively.
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment is only an illustration and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here.
１０ リチウムイオン二次電池（二次電池）
１１ 電極体
１２ 正極
１３ セパレータ
１４ 負極
１５ 電池ケース
２０ 非水電解液
１２２ 正極集電体
１２４ 正極活物質層
１４２ 負極集電体
１４４ 負極活物質層
10 Lithium ion secondary battery (secondary battery)
11 Electrode body 12 Positive electrode 13 Separator 14 Negative electrode 15 Battery case 20 Non-aqueous electrolyte 122 Positive electrode current collector 124 Positive electrode active material layer 142 Negative electrode current collector 144 Negative electrode active material layer
Claims (15)
炭素源有機物、酸素源有機物、過酸化水素および水を含む混合物を、温度３００℃〜６００℃かつ圧力２２ＭＰａ以上の条件下に保持することにより、該混合物から酸素含有炭素質物質を生じさせる炭素質物質生成工程を包含し、
ここで、前記酸素源有機物として、水酸基を有する化合物および加水分解により水酸基を形成する化合物の少なくともいずれかを使用する、酸素含有炭素質物質の製造方法。 A method for producing a carbonaceous material containing oxygen,
A carbonaceous material that generates an oxygen-containing carbonaceous material from the mixture by maintaining a mixture containing a carbon source organic material, an oxygen source organic material, hydrogen peroxide, and water under conditions of a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. and a pressure of 22 MPa or more. Including a substance generation step,
Here, as the oxygen source organic material, at least one of a compound having a hydroxyl group and a compound forming a hydroxyl group by hydrolysis is used.
原子数基準の酸素含有量が１０〜２５％の範囲にある；
励起波長７８５ｎｍのアルゴンレーザーを用いたラマン分光法によって得られるラマンスペクトルにおけるＤピークの強度ＩＤとＧピークの強度ＩＧとの比の値ＩＤ／ＩＧが８．０以下の範囲にある；および、
平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍの範囲にある；
を満たす、炭素質物質。 The following characteristics:
The oxygen content based on the number of atoms is in the range of 10-25%;
The value I D / I G ratio of the intensity I G of the intensity I D and G peaks of D peak in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy is in the range of 8.0 or less using an argon laser having an excitation wavelength 785nm ;and,
The average primary particle size is in the range of 0.02 μm to 1.0 μm;
Satisfying carbonaceous material.
請求項７または８に記載の炭素質物質を用意する工程；および、
前記炭素質物質を加熱する熱処理工程、ここで、該熱処理工程では、該炭素質物質の酸素含有量を低下させるとともに、励起波長７８５ｎｍのアルゴンレーザーを用いたラマン分光法によって得られるラマンスペクトルにおけるＤピークの強度ＩＤとＧピークの強度ＩＧとの比の値ＩＤ／ＩＧを低下させる；
を包含する、炭素材料製造方法。 A method for producing a carbon material comprising:
Providing a carbonaceous material according to claim 7 or 8; and
A heat treatment step for heating the carbonaceous material, wherein in the heat treatment step, the oxygen content of the carbonaceous material is reduced and D in a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy using an argon laser having an excitation wavelength of 785 nm. reducing the value I D / I G ratio of the intensity I D and G peaks of intensity I G of the peak;
A method for producing a carbon material, comprising:
原子数基準の酸素含有量が６〜１３％の範囲にある；、
励起波長７８５ｎｍのアルゴンレーザーを用いたラマン分光法によって得られるラマンスペクトルにおけるＤピークの強度ＩＤとＧピークの強度ＩＧとの比の値ＩＤ／ＩＧが３．０〜７．０の範囲にある；
平均一次粒径が０．０２μｍ〜１．０μｍの範囲にある；および、
比表面積が１００ｍ２／ｇ以上である；
を満たす、炭素材料。 The following characteristics:
The oxygen content on an atomic basis is in the range of 6-13%;
The value I D / I G ratio of the intensity I D and G peaks of intensity I G of the D peak in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy using an argon laser at an excitation wavelength 785nm is 3.0 to 7.0 In range;
The average primary particle size is in the range of 0.02 μm to 1.0 μm; and
The specific surface area is 100 m 2 / g or more;
Meet the carbon material.
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