JP7164517B2 - 炭素材料、蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス、及び非水電解質二次電池 - Google Patents

炭素材料、蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス、及び非水電解質二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、グラフェン積層構造を有する炭素材料、並びに該炭素材料を用いた蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス及び非水電解質二次電池に関する。
近年、携帯機器、ハイブリッド自動車、電気自動車、家庭用蓄電用途等に向けて、蓄電デバイスの研究開発が盛んに行われている。
例えば、下記の特許文献１には、集電体上に活物質層が設けられてなる正極を備える、非水電解質二次電池が開示されている。特許文献１の非水電解質二次電池における正極の活物質層は、複数の活物質粒子と、炭素材料としてのグラフェンとを含んでいる。特許文献１では、このグラフェンの酸素濃度が、２原子％以上、２０原子％以下であることが記載されている。
また、下記の特許文献２には、炭素材料と活物質とを含む電極を備える、リチウムイオン二次電池が開示されている。特許文献２では、上記炭素材料の一例として、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有する、炭素材料が開示されている。
特開２０１７－１８３２９２号公報 特開２０１７－２１６２５４号公報
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の炭素材料を蓄電デバイス、特に非水電解質二次電池に用いた場合、所望のサイクル特性を得られない場合があった。
本発明の目的は、蓄電デバイスのサイクル特性に代表される電池特性を高め得る、炭素材料、並びに該炭素材料を用いた蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス及び非水電解質二次電池を提供することにある。
本発明に係る炭素材料の広い局面では、グラフェン積層構造を有する炭素材料であって、前記炭素材料とＳｉとの重量比１：１における混合物のＸ線回折スペクトルを測定したときに、２θが、２４°以上、２８°未満の範囲における最も高いピークの高さａと、２θが、２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さｂとの比ａ／ｂが、０．２以上、１０．０以下であり、前記炭素材料が含まれる電極を作用電極とし、リチウム金属を参照電極及び対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６と、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比１：２における混合溶液とを含む電解液を用いて、サイクリックボルタンメトリーにより測定した４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流値の絶対値が、０．００１Ａ／ｇ以上、０．０２Ａ／ｇ以下である。
本発明に係る炭素材料の他の広い局面では、グラフェン積層構造を有する炭素材料であって、前記炭素材料とＳｉとの重量比１：１における混合物のＸ線回折スペクトルを測定したときに、２θが、２４°以上、２８°未満の範囲における最も高いピークの高さａと、２θが、２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さｂとの比ａ／ｂが、０．２以上、１０．０以下であり、前記炭素材料の元素分析により測定された酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｏ比）が、２０以上、２００以下である。
本発明に係る炭素材料のある特定の局面では、前記炭素材料が、薄片化黒鉛である。
本発明に係る炭素材料の他の特定の局面では、前記炭素材料が、蓄電デバイス用電極に用いられる。
本発明に係る蓄電デバイス用電極は、本発明に従って構成される炭素材料を含む。
本発明に係る蓄電デバイスは、本発明に従って構成される蓄電デバイス用電極を備える。
本発明に係る非水電解質二次電池は、本発明に従って構成される蓄電デバイス用電極と、非水電解質とを備える。
本発明に係る非水電解質二次電池のある特定の局面では、前記非水電解質が、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液と、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して０．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下で反応する化合物とを含み、前記化合物の含有量が、前記非水電解質１００重量％に対して０．０１重量％以上、１０重量％以下である。
本発明に係る非水電解質二次電池の他の特定の局面では、前記非水電解質が、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液と、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．０Ｖ以上、５．０Ｖ以下で反応する化合物とを含み、前記化合物の含有量が、前記非水電解質１００重量％に対して０．０１重量％以上、１０重量％以下である。
本発明によれば、蓄電デバイスのサイクル特性に代表される電池特性を高め得る、炭素材料、並びに該炭素材料を用いた蓄電デバイス用電極、蓄電デバイス及び非水電解質二次電池を提供することができる。
以下、本発明の詳細を説明する。
本発明の蓄電デバイスとしては、特に限定されないが、非水電解質一次電池、水系電解質一次電池、非水電解質二次電池、水系電解質二次電池、全固体電解質一次電池、全固体電解質二次電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、又はリチウムイオンキャパシタなどが例示される。本発明の炭素材料は、上記のような蓄電デバイス用の電極に含まれる電極材料である。また、本発明の蓄電デバイス用電極は、上記のような蓄電デバイスに用いられる電極である。
［炭素材料］
本発明の炭素材料は、蓄電デバイス用の電極に含まれる炭素材料である。上記炭素材料は、グラフェン積層構造を有する炭素材料を含む。上記炭素材料とＳｉとの重量比１：１における混合物のＸ線回折スペクトルを測定したときに、２θが、２４°以上、２８°未満の範囲における最も高いピークの高さａと、２θが、２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さｂとの比ａ／ｂが、０．２以上、１０．０以下である。
第１の発明においては、上記炭素材料が含まれる電極を作用電極に用いて、サイクリックボルタンメトリーにより測定した４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流値の絶対値が、０．００１Ａ／ｇ以上、０．０２Ａ／ｇ以下である。
本願発明者らは、サイクリックボルタンメトリーにより測定した４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流値が、炭素材料と電解液との反応性が相関することを見出した。すなわち、サイクリックボルタンメトリーにより測定した４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流値を上記の範囲内とすることで、炭素材料と電解液との反応性を小さくすることができ、その結果サイクル特性に代表される蓄電デバイスの電池特性を高め得ることを見出した。
また、第２の発明においては、上記炭素材料の元素分析により測定された酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｏ比）は、２０以上、２００以下である。Ｃ／Ｏ比が上記下限以上である場合、炭素材料と電解液との反応性を低めることができる。これは、電極中に含まれる酸素原子の量が少なくなり、それによって電解液との反応をより一層抑制できているためであると考えられる。また、その反応生成物が減少することにより対極への悪影響をより一層低減できるものと考えられる。その結果、サイクル特性に代表される電池特性をより一層高めることができているものと考えられる。また、Ｃ／Ｏ比が、上記上限以下である場合、電子伝導経路を形成し易くすることができ、レート特性を高めることができる。
本発明において、グラフェン積層構造を有する炭素材料としては、例えば、黒鉛又は薄片化黒鉛などが挙げられる。
黒鉛とは、複数のグラフェンシートの積層体である。黒鉛のグラフェンシートの積層数は、通常、１０万層～１００万層程度である。黒鉛としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛又は膨張黒鉛などを用いることができる。膨張黒鉛は、通常の黒鉛よりもグラフェン層同士の層間距離が大きくなっている割合が高く、電解液の保液性をより一層高く保つ可能性があることから、好ましい。
薄片化黒鉛とは、元の黒鉛を剥離処理して得られるものであり、元の黒鉛よりも薄いグラフェンシート積層体をいう。薄片化黒鉛におけるグラフェンシートの積層数は、元の黒鉛より少なければよい。なお、薄片化黒鉛は、酸化薄片化黒鉛であってもよい。
薄片化黒鉛において、グラフェンシートの積層数は、特に限定されないが、好ましくは２層以上、より好ましくは５層以上、好ましくは１０００層以下、より好ましくは５００層以下である。グラフェンシートの積層数が上記下限以上である場合、薄片化黒鉛の導電性をより一層高めることができる。グラフェンシートの積層数が上記上限以下である場合、薄片化黒鉛の比表面積をより一層大きくすることができる。
また、薄片化黒鉛は、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有する部分剥離型薄片化黒鉛であることが好ましい。
「部分的にグラファイトが剥離されている」構造の一例としては、グラフェンの積層体において、端縁からある程度内側までグラフェン層間が開いており、すなわち端縁にてグラファイトの一部が剥離しており、中央側の部分ではグラファイト層が元の黒鉛又は一次薄片化黒鉛と同様に積層していることをいうものである。従って、端縁にてグラファイトの一部が剥離している部分は、中央側の部分に連なっている。さらに、部分剥離型薄片化黒鉛には、端縁のグラファイトが剥離され薄片化したものが含まれていてもよい。
部分剥離型薄片化黒鉛は、中央側の部分において、グラファイト層が元の黒鉛又は一次薄片化黒鉛と同様に積層している。そのため、従来の酸化グラフェンやカーボンブラックより黒鉛化度が高く、導電性に優れている。また、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有することから、比表面積が大きい。そのため、活物質と接触する部分の面積を大きくすることができる。従って、部分剥離型薄片化黒鉛を含む蓄電デバイス用電極材料は、二次電池などの蓄電デバイスの電極に用いたときに、蓄電デバイスの抵抗をより一層小さくすることができるので、大電流での充放電時における発熱をより一層抑制することもできる。
部分剥離型薄片化黒鉛は、例えば、黒鉛または一次薄片化黒鉛と、樹脂とを含み、樹脂が黒鉛または一次薄片化黒鉛にグラフトまたは吸着により固定されている組成物を用意し、該組成物中に含まれている樹脂を、熱分解することにより得ることができる。なお、樹脂を熱分解させる際には、樹脂の一部を残存させながら熱分解してもよいし、樹脂を完全に熱分解してもよい。
部分剥離型薄片化黒鉛は、例えば、国際公開第２０１４／０３４１５６号に記載の薄片化黒鉛・樹脂複合材料の製造方法と同様の方法で製造することができる。また、黒鉛としては、より一層容易にグラファイトを剥離することが可能であるため膨張黒鉛を使用することが好ましい。
また、一次薄片化黒鉛とは、各種方法により黒鉛を剥離することにより得られた薄片化黒鉛を広く含むものとする。一次薄片化黒鉛は、部分剥離型薄片化黒鉛であってもよい。一次薄片化黒鉛は、黒鉛を剥離することにより得られるものであるため、その比表面積は、黒鉛よりも大きいものであればよい。
上記樹脂の熱分解における加熱の温度としては、樹脂の種類にもより特に限定されないが、例えば、２５０℃～１０００℃とすることができる。加熱時間としては、例えば、２０分～５時間とすることができる。また、上記加熱は、大気中で行ってもよく、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下で行ってもよい。もっとも、上述した炭素材料と電解液との反応性をより一層小さくする観点からは、上記加熱を窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましい。
樹脂としては、特に限定されないが、ラジカル重合性モノマーの重合体であることが好ましい。この場合、１種のラジカル重合性モノマーの単独重合体であってもよく、複数種のラジカル重合性モノマーの共重合体であってもよい。ラジカル重合性モノマーは、ラジカル重合性の官能基を有するモノマーである限り、特に限定されない。
ラジカル重合性モノマーとしては、例えば、スチレン、α－エチルアクリル酸メチル、α－ベンジルアクリル酸メチル、α－［２，２－ビス（カルボメトキシ）エチル］アクリル酸メチル、イタコン酸ジブチル、イタコン酸ジメチル、イタコン酸ジシクロヘキシル、α－メチレン－δ－バレロラクトン、α－メチルスチレン、α－アセトキシスチレンからなるα－置換アクリル酸エステル、グリシジルメタクリレート、３，４－エポキシシクロヘキシルメチルメタアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、４－ヒドロキシブチルメタクリレートなどのグリシジル基や水酸基を持つビニルモノマー；アリルアミン、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートのようなアミノ基を有するビニルモノマー、メタクリル酸、無水マレイン酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリル酸、クロトン酸、２－アクリロイルオキシエチルサクシネート、２－メタクリロイルオキシエチルサクシネート、２－メタクリロイロキシエチルフタル酸などのカルボキシル基を有するモノマー；ユニケミカル社製、ホスマー（登録商標）Ｍ、ホスマー（登録商標）ＣＬ、ホスマー（登録商標）ＰＥ、ホスマー（登録商標）ＭＨ、ホスマー（登録商標）ＰＰなどのリン酸基を有するモノマー；ビニルトリメトキシシラン、３－メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどのアルコキシシリル基を有するモノマー；アルキル基やベンジル基などを有する（メタ）アクリレート系モノマーなどが挙げられる。
用いられる樹脂の例としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリグリシジルメタクリレート、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール（ブチラール樹脂）、又はポリ（メタ）アクリレート、ポリスチレンなどが挙げられる。
上記樹脂の中でも、好ましくはポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリ酢酸ビニルを用いることができる。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリ酢酸ビニルを用いた場合、部分剥離型薄片化黒鉛の比表面積をより一層大きくすることができる。なお、樹脂種は使用する溶媒との親和性を鑑み、適宜選定を行うことが可能である。
黒鉛または一次薄片化黒鉛に固定されている熱分解前の樹脂の含有量は、樹脂分を除く黒鉛または一次薄片化黒鉛１００重量部に対し、好ましくは０．１重量部以上、より好ましくは０．５重量部以上、好ましくは３０００重量部以下、より好ましくは１０００重量部以下である。熱分解前の樹脂の含有量が上記範囲内である場合、熱分解後の残存樹脂の含有量をより一層制御しやすい。また、熱分解前の樹脂の含有量が上記上限値以下である場合、コスト的により一層有利である。
熱分解後の残存樹脂の含有量は、樹脂分を含む部分剥離型薄片化黒鉛１００重量％に対し、０重量％以上、３０重量％以下であることが好ましく、０．５重量％以上、２５量％以下であることがより好ましく、１．０重量％以上、２０重量％以下であることがさらに好ましい。上記樹脂量が上記下限以上である場合、電極作製時のバインダー樹脂の添加量をより一層少なくすることができる。また、上記樹脂量が上記上限以下である場合、上述した炭素材料と電解液との反応性をより一層小さくすることができる。
なお、熱分解前の樹脂の含有量及び部分剥離型薄片化黒鉛に残存している残存樹脂量は、例えば熱重量分析（以下、ＴＧ）によって加熱温度に伴う重量変化を測定し、算出することができる。
また、後述する正極活物質との複合体を作製する場合は、正極活物質との複合体を作製した後に、樹脂量を低減してもよく、樹脂を除去してもよい。
上記樹脂量を低減又は上記樹脂を除去する方法としては、樹脂の分解温度以上、正極活物質の分解温度未満で加熱処理する方法が好ましい。この加熱処理は、大気中、不活性ガス雰囲気下、低酸素雰囲気下、又は真空下のいずれで行ってもよい。
本発明においては、炭素材料とＳｉとの重量比１：１における混合物のＸ線回折スペクトルを測定したときに、ピーク比ａ／ｂが、０．２以上、好ましくは０．２２以上、より好ましくは０．２５以上である。また、ピーク比ａ／ｂは、１０．０以下、好ましくは８．０以下、より好ましくは５．０以下である。上記ａは、２θが、２４°以上、２８°未満の範囲における最も高いピークの高さである。上記ｂは、２θが、２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さである。なお、Ｓｉとしては、例えば、φ＝１００ｎｍ以下のシリコン粉末を用いることができる。
上記Ｘ線回折スペクトルは、広角Ｘ線回折法によって測定することができる。Ｘ線としては、ＣｕＫα線（波長１．５４１Å）を用いることができる。Ｘ線回折装置としては、例えば、ＳｍａｒｔＬａｂ（リガク社製）を用いることができる。
Ｘ線回折スペクトルにおいて、グラファイト構造に代表されるグラフェン積層構造に由来するピークは、２θ＝２６．４°付近に現れる。一方、シリコン粉末になどのＳｉに由来するピークは、２θ＝２８．５°付近に現れる。従って、上記比ａ／ｂは、２θ＝２６．４°付近のピークと２θ＝２８．５°付近のピークとのピーク比（２θ＝２６．４°付近のピーク／２θ＝２８．５°付近のピーク）により求めることができる。
なお、上記ａ／ｂが小さすぎると、炭素材料自身における黒鉛構造の形成が未熟であり、電子伝導性が低いことに加え、欠陥を有するので、正極や負極の抵抗値が増大し、電池特性が低下する場合がある。
上記ａ／ｂが大きすぎると、炭素材料自身が剛直となり、蓄電デバイスの正極や負極内に分散し難くなり、良好な電子伝導経路を形成しにくくなる場合がある。
炭素材料が部分剥離型薄片化黒鉛の場合、上記ａ／ｂは、部分剥離型薄片化黒鉛を製造する際に熱分解を行うときの加熱条件や、黒鉛または一次薄片化黒鉛に固定されている熱分解前の樹脂の量により調整することができる。例えば、加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くしたりすると、ａ／ｂを小さくすることができる。また、黒鉛または一次薄片化黒鉛に固定されている熱分解前の樹脂の量を少なくすると、ａ／ｂを小さくできる。
第１の発明の炭素材料が含まれる電極を作用電極に用いて、サイクリックボルタンメトリーにより測定した、貴な電位側への掃印時における４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流の絶対値は、０．００１Ａ／ｇ以上、０．０２Ａ／ｇ以下である。電流の絶対値は、好ましくは０．００３Ａ／ｇ以上、より好ましくは０．００５Ａ／ｇ以上、好ましくは０．０１９Ａ／ｇ以下、より好ましくは０．０１８Ａ／ｇ以下である。
サイクリックボルタンメトリーでは、本発明の炭素材料が含まれる電極を作用電極とする。リチウム金属からなる電極を参照電極及び対極とする。また、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６と、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との体積比１：２における混合溶液とを含む電解液を用いるものとする。
このようにサイクリックボルタンメトリーにより測定した４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流の絶対値が上記下限以上である場合、電子伝導経路をより一層形成し易くすることができ、レート特性をより一層高めることができる。また、上記電流の絶対値が上記上限以下である場合、炭素材料と電解液との反応性をより一層小さくすることができ、サイクル特性に代表される電池特性をより一層高めることができる。
なお、上記電流の絶対値は、上述の樹脂量を調整したり、上述の加熱条件を変更したり、上述の熱分解の際の加熱を不活性ガス雰囲気下で行ったりすることにより調整することができる。具体的には、例えば、炭素材料が部分剥離型薄片化黒鉛の場合、黒鉛または一次薄片化黒鉛に固定されている熱分解前の樹脂の量を少なくすると、電流の絶対値を小さくすることができる。また、上述の熱分解の際の加熱において、不活性ガスの濃度を高くし、酸素濃度を低くすると、電流の絶対値を小さくすることができる。
第２の発明において、上記炭素材料の元素分析により測定された酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｏ比）は、２０以上、２００以下である。炭素材料と電解液との反応性をより一層小さくし、サイクル特性をより一層向上させる観点から、上記Ｃ／Ｏ比は、より好ましくは２２以上、さらに好ましくは２５以上、より好ましくは１８０以下、さらに好ましくは１６０以下である。
上記Ｃ／Ｏ比は、例えば、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により、測定することができる。具体的には、Ｘ線源：ＡｌＫα、光電子取出角：４５度、Ｘ線ビーム径２００μｍ （５０Ｗ１５ｋＶ）の条件で、光電子スペクトルを測定する。そして、Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ：２８０ｅＶ～２９２ｅＶに現れるＣ１ｓスペクトルのピーク面積を、Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ：５２５ｅＶ～５４０ｅＶに現れるＯ１ｓスペクトルのピーク面積で除する。それによって、炭素材料に含まれる酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｏ比）を算出することができる。また、上記Ｃ／Ｏ比は、上述の樹脂量を調整したり、上述の加熱条件を変更したり、上述の熱分解の際の加熱を不活性ガス雰囲気下で行ったりすることにより調整することができる。具体的には、例えば、炭素材料が部分剥離型薄片化黒鉛の場合、黒鉛または一次薄片化黒鉛に固定されている熱分解前の樹脂の量を少なくすると、上記Ｃ／Ｏ比を大きくすることができる。また、上述の熱分解の際の加熱において、不活性ガスの濃度を高くし、酸素濃度を低くすると、上記Ｃ／Ｏ比を大きくすることができる。
本発明の炭素材料のＢＥＴ比表面積は、特に限定されないが、好ましくは１０ｍ２／ｇ以上、より好ましくは１５ｍ２／ｇ以上、好ましくは２００ｍ２／ｇ以下、より好ましくは１６０ｍ２／ｇ以下である。炭素材料のＢＥＴ比表面積が上記下限以上である場合、電解液の保液性をより一層高めることができ、蓄電デバイスの容量などの電池特性をより一層高めることができる。また、炭素材料のＢＥＴ比表面積が上記上限以下である場合、上記炭素材料を含むスラリーを集電体上に塗工して電極を形成する際の塗工性をより一層高めることができる。また、導電性をより一層高めることもできる。さらには、上記炭素材料と電解液との反応場が減少することから、電解液の劣化をより一層抑制することもできる。
本発明の炭素材料のＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ法に準拠して、窒素の吸着等温線から測定することができる。測定装置としては、例えば、島津製作所社製、品番「ＡＳＡＰ－２０００」を用いることができる。
［蓄電デバイス用電極］
本発明の炭素材料は、蓄電デバイス用電極、すなわち、蓄電デバイスの正極及び／又は負極に用いることができる。なかでも、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池の正極の導電助剤として用いた場合には、サイクル特性をより一層向上させることができるので、正極の導電助剤に好適に用いることができる。また、この場合、本発明の炭素材料を用いることにより、正極の導電性をより一層高めることができるので、正極中における導電助剤の含有量を少なくすることができる。そのため、正極活物質の含有量をより一層多くすることができ、蓄電デバイスのエネルギー密度をより一層大きくすることができる。
上記正極は、一般的な正極構成、組成、及び製造方法のものでもよいし、正極活物質と本発明の炭素材料との複合体を用いてもよい。なお、蓄電デバイス用電極が負極である場合は、負極活物質として、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、金属酸化物、チタン酸リチウム、又はシリコン系の活物質を用いることができる。
蓄電デバイス用電極１００重量％中における上記炭素材料の含有量は、好ましくは０．１重量％以上、より好ましくは０．２重量％以上、さらに好ましくは０．４重量％以上、好ましくは１０重量％以下、より好ましくは８重量％以下、さらに好ましくは５重量％以下である。上記炭素材料の含有量が上記範囲内にある場合、活物質の含有量をより一層多くすることができ、蓄電デバイスのエネルギー密度をより一層大きくすることができる。
本発明の蓄電デバイス用電極においては、本発明の炭素材料を第１の炭素材料（特に断りがない限り、単に炭素材料と称するものとする）としたときに、第１の炭素材料とは異なる第２の炭素材料をさらに含んでいてもよい。
第２の炭素材料としては、特に限定されず、グラフェン、人造黒鉛、粒状黒鉛化合物、繊維状黒鉛化合物、カーボンブラック又は活性炭が例示される。
以下、本発明の蓄電デバイス用電極の一例としての二次電池用正極について説明する。なお、蓄電デバイス用電極が二次電池用負極の場合も同様のバインダー等を用いることができるものとする。
本発明の蓄電デバイス用電極に用いられる正極活物質は、負極活物質の電池反応電位よりも、貴であればよい。その際、電池反応は、１族若しくは２族のイオンが関与していればよい。そのようなイオンとしては、例えば、Ｈイオン、Ｌｉイオン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｍｇイオン、Ｃａイオン、又はＡｌイオンが挙げられる。以下、Ｌｉイオンが電池反応に関与する系について詳細を例示する。
この場合、上記正極活物質としては、例えば、リチウム金属酸化物、リチウム硫化物、又は硫黄が挙げられる。
リチウム金属酸化物としては、スピネル構造、層状岩塩構造、若しくはオリビン構造を有するもの、又はこれらの混合物が挙げられる。
スピネル構造を有するリチウム金属酸化物としては、マンガン酸リチウムなどが例示される。
層状岩塩構造を有するリチウム金属酸化物としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、三元系などが例示される。
オリビン構造を有するリチウム金属酸化物としては、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガン鉄リチウム、リン酸マンガンリチウムなどが例示される。
上記正極活物質は、所謂ドープ元素が含まれてもよい。上記正極活物質は、単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
上記正極は、正極活物質と上記炭素材料のみで形成されてもよいが、正極をより一層容易に形成する観点から、バインダーが含まれていてもよい。
上記バインダーとしては、特に限定されないが、例えば、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）、スチレン－ブタジエンゴム、ポリイミド、及びそれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも１種の樹脂を用いることができる。
上記バインダーは、二次電池用正極をより一層容易に作製する観点から、非水溶媒又は水に溶解又は分散されていることが好ましい。
非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、酢酸メチル、酢酸エチル又はテトラヒドロフランなどを挙げることができる。これらに、分散剤や、増粘剤を加えてもよい。
上記二次電池用正極に含まれるバインダーの量は、正極活物質１００重量部に対して、好ましくは０．３重量部以上、３０重量部以下であり、より好ましくは０．５重量部以上、１５重量部以下である。バインダーの量が上記範囲内にある場合、正極活物質と炭素材料との接着性を維持することができ、集電体との接着性をより一層高めることができる。
上記二次電池用正極の作製方法としては、例えば、正極活物質、炭素材料、並びにバインダーの混合物を、集電体上に形成させることによって作製する方法が挙げられる。
上記二次電池用正極をより一層容易に作製する観点から、以下のようにして作製することが好ましい。まず、正極活物質、炭素材料にバインダー溶液又は分散液を加えて混合することによりスラリーを作製する。次に、作製したスラリーを集電体上に塗布し、最後に溶媒を除去することによって二次電池用正極を作製する。
上記スラリーの作製方法としては、既存の方法を用いることができる。例えば、ミキサー等を用いて混合する方法が挙げられる。混合に用いられるミキサーとしては、特に限定されないが、プラネタリミキサー、ディスパー、薄膜旋回型ミキサー、ジェットミキサー、又は自公回転型ミキサー等が挙げられる。
上記スラリーの固形分濃度は、塗工をより一層容易に行う観点から、３０重量％以上、９５重量％以下が好ましい。貯蔵安定性をより一層高める観点から、上記スラリーの固形分濃度は、３５重量％以上、９０重量％以下であることがより好ましい。また、より一層製造費用を抑制する観点から、上記スラリーの固形分濃度は、４０重量％以上、８５重量％以下であることがさらに好ましい。
なお、上記固形分濃度は、希釈溶媒によって制御することができる。希釈溶媒としては、バインダー溶液、又は分散液と同じ種類の溶媒を用いることが好ましい。また、溶媒の相溶性があれば、他の溶媒を用いてもよい。
上記二次電池用正極に用いる集電体は、アルミニウム又はアルミニウムを含む合金であることが好ましい。アルミニウムは、正極反応雰囲気下で安定であることから、特に限定されないが、ＪＩＳ規格１０３０、１０５０、１０８５、１Ｎ９０、１Ｎ９９等に代表される高純度アルミニウムであることが好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。集電体の厚みが１０μｍ未満の場合、作製の観点から取り扱いが困難となることがある。一方、集電体の厚みが１００μｍより厚い場合は、経済的観点から不利になることがある。
なお、集電体は、アルミニウム以外の金属（銅、ＳＵＳ、ニッケル、チタン、及びそれらの合金）の表面に、アルミニウムを被覆させたものであってもよい。
上記スラリーを集電体に塗布する方法としては、特に限定されないが、例えば、上記スラリーをドクターブレード、ダイコータ又はコンマコータ等により塗布した後に溶剤を除去する方法や、スプレーにより塗布した後に溶剤を除去する方法、又はスクリーン印刷によって塗布した後に溶媒を除去する方法等が挙げられる。
上記溶媒を除去する方法は、より一層簡便であることから、送風オーブンや真空オーブンを用いた乾燥が好ましい。溶媒を除去する雰囲気としては、空気雰囲気、不活性ガス雰囲気、又は真空状態などが挙げられる。また、溶媒を除去する温度は、特に限定されないが、６０℃以上、２５０℃以下であることが好ましい。溶媒を除去する温度が６０℃未満では、溶媒の除去に時間を要する場合がある。一方、溶媒を除去する温度が２５０℃より高いと、バインダーが劣化する場合がある。
上記二次電池用正極は、所望の厚み、密度まで圧縮させてもよい。圧縮は、特に限定されないが、例えば、ロールプレスや、油圧プレス等を用いて行うことができる。
圧縮後における上記二次電池用正極の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。厚みが１０μｍ未満では、所望の容量を得ることが難しい場合がある。一方、厚みが１０００μｍより厚い場合は、所望の出力密度を得ることが難しい場合がある。
上記二次電池用正極は、正極１ｃｍ２当たりの電気容量が、０．５ｍＡｈ以上、１０．０ｍＡｈ以下であることが好ましい。電気容量が０．５ｍＡｈ未満である場合は、所望する容量の電池の大きさが大きくなる場合がある。一方、電気容量が１０．０ｍＡｈより大きい場合は、所望の出力密度を得ることが難しくなる場合がある。なお、正極１ｃｍ２当たりの電気容量の算出は、二次電池用正極作製後、リチウム金属を対極とした半電池を作製し、充放電特性を測定することによって算出してもよい。
二次電池用正極の正極１ｃｍ２当たりの電気容量は、特に限定されないが、集電体単位面積あたりに形成させる正極の重量で制御することができる。例えば、前述のスラリー塗工時の塗工厚みで制御することができる。
また、上記正極は、正極活物質と上記炭素材料との複合体を用いてもよい。正極活物質－炭素材料複合体は、例えば、次のような手順で作製される。
最初に、上記炭素材料を溶媒に分散させた炭素材料の分散液（以下、炭素材料の分散液１）を作製する。次に、上記分散液１とは別に、正極活物質を溶媒に分散させた正極活物質の分散液（以下、正極活物質の分散液２）を作製する。
次に、炭素材料の分散液１と、正極活物質の分散液２とを混合する。最後に、上記炭素材料及び上記正極活物質が含まれる分散液の溶媒を除去することによって、蓄電デバイス用電極に用いられる正極活物質と炭素材料との複合体（活物質－炭素材料複合体）が作製される。
また、上述の作製方法以外にも、混合の順序を変えてもよいし、上記分散液１，２のいずれかが分散液ではなく乾式であってもよいし、全て乾式の状態で混合する方法でもよい。また、炭素材料と正極活物質と溶媒との混合物を、ミキサーで混合する方法、すなわち、後述の正極のスラリーの作製と、複合体の作製とを兼ねていてもよい。
正極活物質や炭素材料を分散させる溶媒は、水系、非水系、水系と非水系との混合溶媒、又は異なる非水系溶媒の混合溶媒のいずれでもよい。また、炭素材料を分散させる溶媒と、正極活物質を分散させる溶媒は同じでもよいし、異なっていてもよい。異なっている場合は、互いの溶媒に相溶性があることが好ましい。
非水系溶媒としては、特に限定されないが、例えば分散のしやすさから、メタノール、エタノール、プロパノールに代表されるアルコール系、テトラヒドロフラン又はＮ－メチル－２－ピロリドンなどの非水系溶媒を用いることができる。また、分散性をより一層向上させるため、上記溶媒に、界面活性剤などの分散剤が含まれてもよい。
分散方法は、特に限定されないが、超音波による分散、ミキサーによる分散、ジェットミルによる分散、又は攪拌子による分散が挙げられる。
炭素材料の分散液の固形分濃度は、特に限定されないが、炭素材料の重量を１とした場合に、溶媒の重量が０．５以上、１０００以下であることが好ましい。取り扱い性をより一層高める観点から、炭素材料の重量を１とした場合に、溶媒の重量が１以上、７５０以下であることがより好ましい。また、分散性をより一層高める観点から、炭素材料の重量を１とした場合に、溶媒の重量が２以上、５００以下であることがさらに好ましい。
溶媒の重量が上記下限未満の場合は、炭素材料を所望の分散状態まで分散させることができない場合がある。一方、溶媒の重量が上記上限より大きい場合は、製造費用が増大する場合がある。
正極活物質の分散液の固形分濃度は、特に限定されないが、正極活物質の重量を１とした場合に、溶媒の重量が０．５以上、１００以下であることが好ましい。取り扱い性をより一層高める観点から、溶媒の重量は、１以上、７５以下であることがより好ましい。また、分散性をより一層高める観点から、溶媒の重量は、５以上、５０以下であることがさらに好ましい。なお、溶媒の重量が上記下限未満の場合は、正極活物質を所望の分散状態まで分散させることができない場合がある。一方、溶媒の重量が上記上限より大きい場合は、製造費用が増大する場合がある。
正極活物質の分散液と、炭素材料の分散液とを混合する方法は、特に限定されないが、互いの分散液を一度に混合する方法や、一方の分散液を他方の分散液に複数回に分けて加える方法が挙げられる。
一方の分散液を他方の分散液に複数回に分けて加える方法としては、例えば、スポイドなどの滴下の器具を用いて滴下する方法や、ポンプを用いる方法、又はディスペンサーを用いる方法が挙げられる。
炭素材料、正極活物質及び溶媒の混合物から、溶媒を除去する方法としては、特に限定されないが、ろ過により溶媒を除去した後に、オーブン等で乾燥させる方法が挙げられる。上記ろ過は、生産性をより一層高める観点から、吸引ろ過であることが好ましい。また、乾燥方法としては、送風オーブンで乾燥させた後に、真空で乾燥させた場合、細孔に残存している溶媒を除去できることから好ましい。
活物質－炭素材料複合体における、正極活物質と炭素材料との重量の比率は、正極活物質の重量を１００重量％とした場合に、炭素材料の重量が、０．２重量％以上、１０．０重量％以下であることが好ましい。レート特性をより一層向上させる観点からは、炭素材料の重量が、０．３重量％以上、８．０重量％以下であることがより好ましい。また、サイクル特性をより一層向上させる観点からは、炭素材料の重量が、０．５重量％以上、７．０重量％以下であることがさらに好ましい。
［蓄電デバイス］
本発明の蓄電デバイスは、上記本発明の蓄電デバイス用電極を備える。そのため、炭素材料と電解液の反応性を小さくすることができ、蓄電デバイスのサイクル特性に代表される電池特性を高めることができる。
上述したように、本発明の蓄電デバイスとしては、特に限定されないが、非水電解質一次電池、水系電解質一次電池、非水電解質二次電池、水系電解質二次電池、全固体電解質一次電池、全固体電解質二次電池、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、又はリチウムイオンキャパシタなどが例示される。
本発明の蓄電デバイスの一例としての二次電池は、アルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンの挿入及び脱離反応が進行する化合物を用いられたものであればよい。アルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、又はカリウムイオンが例示される。アルカリ土類金属イオンとしては、カルシウムイオン又はマグネシウムイオンが例示される。特に、本発明は非水電解質二次電池の正極に効果が大きく、そのなかでもリチウムイオンを用いたものに好適に用いることができる。以下、リチウムイオンを用いた非水電解質二次電池（以下、リチウムイオン二次電池）を例に説明する。
上記非水電解質二次電池の正極及び負極は、集電体の両面に同じ電極を形成させた形態であってもよく、集電体の片面に正極、他方の面に負極を形成させた形態、すなわち、バイポーラ電極であってもよい。
上記非水電解質二次電池は、正極側と負極側との間にセパレータを配置したものを倦回したものであってもよいし、積層したものであってもよい。正極、負極及びセパレータには、リチウムイオン伝導を担う非水電解質が含まれている。
上記非水電解質二次電池は、上記積層体を倦回、又は複数積層した後にラミネートフィルムで外装してもよいし、角形、楕円形、円筒形、コイン形、ボタン形、又はシート形の金属缶で外装してもよい。外装には発生したガスを放出するための機構が備わっていてもよい。積層体の積層数は、特に限定されず、所望の電圧値、電池容量を発現するまで積層させることができる。
上記非水電解質二次電池は、所望の大きさ、容量、電圧によって、適宜直列、並列に接続した組電池とすることができる。上記組電池においては、各電池の充電状態の確認、安全性向上のため、組電池に制御回路が付属されていることが好ましい。
上記非水電解質二次電池に用いる非水電解質は、特に限定されないが、例えば、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液を用いることができる。また、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液を高分子に含浸させたゲル電解質、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシドなどの高分子固体電解質、又はサルファイドガラス、オキシナイトライドなどの無機固体電解質を用いてもよい。
非水溶媒としては、後述の溶質をより一層溶解させやすいことから、環状の非プロトン性溶媒及び／又は鎖状の非プロトン性溶媒を含むことが好ましい。
環状の非プロトン性溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、環状スルホン又は環状エーテルなどが例示される。
鎖状の非プロトン性溶媒としては、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル又は鎖状エーテルなどが例示される。
また、アセトニトリルなどの一般的に非水電解質の溶媒として用いられる溶媒を用いてもよい。より具体的には、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、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、γ－ブチルラクトン、１，２－ジメトキシエタン、スルホラン、ジオキソラン、プロピオン酸メチルなどを用いることができる。これら溶媒は単独で用いてもよいし、２種類以上の溶媒を混合しても用いてもよい。もっとも、後述の溶質をより一層容易に溶解させ、リチウムイオンの伝導性をより一層高める観点から、２種類以上の溶媒を混合した溶媒を用いることが好ましい。
溶質としては、特に限定されないが、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＢＯＢ（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｂｉｓ （Ｏｘａｌａｔｏ） Ｂｏｒａｔｅ）、又はＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２を用いることが好ましい。この場合、非水溶媒により一層容易に溶解させることができる。
電解液に含まれる溶質の濃度は、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上、２．０ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。溶質の濃度が０．５ｍｏｌ／Ｌ未満では、所望のリチウムイオン伝導性が発現しない場合がある。一方、溶質の濃度が２．０ｍｏｌ／Ｌより高いと、溶質がそれ以上溶解しない場合がある。
また、非水電解質は、非水溶媒に溶質を溶解させた上述の電解液と、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して０．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下で反応する化合物とを含んでいることが好ましい。この場合、負極の表面に保護被膜を形成することができ、それによって負極内に充放電反応を阻害する物質が浸入することをより一層抑制することができる。従って、電解液と負極を構成する電極材料との反応をより一層抑制することができ、それによって非水電解質二次電池のサイクル特性に代表される電池特性の劣化をより一層抑制することができる。このように、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して０．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下で反応する化合物は、負極被膜形成用添加剤として用いることができる。
Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して０．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下で反応する化合物の含有量は、非水電解質１００重量％に対して０．０１重量％以上、１０重量％以下であることが好ましい。化合物の含有量が上記範囲にある場合、電解液と負極を構成する電極材料との反応による電池特性の劣化をさらに一層抑制することができる。
Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して０．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下で反応する化合物としては、特に限定されないが、例えば、ビニレンカーボネート、フッ化エチレンカーボネート、エチレンサルファイト、１，３－プロパンスルトン、又はビフェニルなどを用いることができる。
また、非水電解質は、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液と、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．０Ｖ以上、５．０Ｖ以下で反応する化合物とを含んでいることが好ましい。この場合、正極の表面に保護被膜を形成することができ、それによって正極内に充放電反応を阻害する物質が浸入することをより一層抑制することができる。従って、電解液と正極を構成する電極材料との反応をより一層抑制することができ、それによって非水電解質二次電池のサイクル特性に代表される電池特性の劣化をより一層抑制することができる。このように、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．０Ｖ以上、５．０Ｖ以下で反応する化合物は、正極被膜形成用添加剤として用いることができる。
Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．０Ｖ以上、５．０Ｖ以下で反応する化合物の含有量は、非水電解質１００重量％に対して０．０１重量％以上、１０重量％以下であることが好ましい。化合物の含有量が上記範囲にある場合、電解液と正極を構成する電極材料との反応による電池特性の劣化をさらに一層抑制することができる。
Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．０Ｖ以上、５．０Ｖ以下で反応する化合物としては、特に限定されないが、例えば、１，２－ジシアノエタンなどのジニトリル化合物、トリエチルホスホノアセテートに代表されるホスホン酸エステル、無水コハク酸や無水マレイン酸に代表される環状酸無水物などを用いることができる。
なお、上記化合物は１種類のみで用いてもよいし、２種類以上混合して用いてもよい。
また、非水電解質には、難燃剤、安定化剤などの添加剤がさらに含まれていてもよい。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。
（実施例１）
次に、膨張化黒鉛の粉末（東洋炭素社製、商品名「ＰＦパウダー８Ｆ」、ＢＥＴ比表面積＝２２ｍ２／ｇ、平均粒子径＝１０μｍ）６ｇと、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩０．２ｇと、水２００ｇとポリエチレングリコール１２ｇとを、ホモミクサーで３０分間混合することによって、原料組成物を作製した。
なお、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩は、アルドリッチ社製のもの（平均分子量＝２５０，０００）を用いた。ポリエチレングリコールは、三洋化成工業社製、商品名「ＰＧ６００」を用いた。また、ホモミクサーは、ＴＯＫＵＳＨＵ ＫＩＫＡ社製、型番「Ｔ．Ｋ．ＨＯＭＯＭＩＸＥＲ ＭＡＲＫＩＩ」を用いた。
次に、作製した原料組成物を１５０℃で加熱処理することによって、水を除去した。その後、水を除去した組成物を、３７０℃の温度で、１時間加熱処理することよって、ポリエチレングリコールの一部が残存している炭素材料を作製した。
最後に、作製した炭素材料を４２０℃で０．５時間加熱処理（以下、加熱処理Ａともいう）することによって、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、炭素材料を得た。得られた炭素材料においては、全重量に対して３．０重量％樹脂が含まれていた。なお、樹脂量は、ＴＧ（日立ハイテクサイエンス社製、品番「ＳＴＡ７３００」）を用いて、２００℃～６００℃の範囲で重量減少した分を樹脂量として算出した。
（実施例２）
加熱処理Ａの加熱時間を３時間にしたこと以外は実施例１と同様にして炭素材料を得た。
（実施例３）
加熱処理Ａの加熱時間を２時間にしたこと以外は実施例１と同様にして炭素材料を得た。
（実施例４）
加熱処理Ａの加熱時間を１．５時間にしたこと以外は実施例１と同様にして炭素材料を得た。
（実施例５）
加熱処理Ａの加熱時間を２．５時間にしたこと以外は実施例１と同様にして炭素材料を得た。
（実施例６）
加熱処理Ａの加熱時間を１時間にしたこと以外は実施例１と同様にして炭素材料を得た。
（比較例１）
膨張化黒鉛の粉末（東洋炭素社製、商品名「ＰＦパウダー８Ｆ」、ＢＥＴ比表面積＝２２ｍ２／ｇ、平均粒子径＝１０μｍ）６ｇと、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩０．２ｇと、水２００ｇとポリエチレングリコール１２０ｇとを、ホモミクサーで３０分間混合することによって、原料組成物を作製した。
なお、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩は、アルドリッチ社製のもの（平均分子量＝２５０，０００）を用いた。ポリエチレングリコールは、三洋化成工業社製、商品名「ＰＧ６００」を用いた。また、ホモミクサーは、ＴＯＫＵＳＨＵ ＫＩＫＡ社製、型番「Ｔ．Ｋ．ＨＯＭＯＭＩＸＥＲ ＭＡＲＫＩＩ」を用いた。
次に、作製した原料組成物を１５０℃で加熱処理することによって、水を除去した。その後、水を除去した組成物を、３７０℃の温度で、１時間加熱処理することよって、ポリエチレングリコールの一部が残存している炭素材料を作製した。
最後に、作製した炭素材料を４２０℃で０．５時間の順に加熱処理することによって、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、炭素材料を得た。比較例１で得られた炭素材料においては、全重量に対して３８．７重量％樹脂が含まれていた。
（比較例２）
比較例２では、炭素材料として市販のカーボンブラック（デンカ社製、商品名「デンカブラック」）をそのまま用いた。
（比較例３）
比較例３では、炭素材料として市販の高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）をそのまま用いた。
（評価）
実施例１～６及び比較例１～３の炭素材料を用いて以下の評価を行った。結果を下記の表１に示す。
Ｘ線回折評価；
実施例１～６及び比較例１～３の各炭素材料とシリコン粉末（Ｎａｎｏ Ｐｏｗｄｅｒ、純度≧９８％、粒径≦１００ｎｍ、アルドリッチ社製）とを重量比１：１の割合でサンプル瓶中にて混合することにより、測定試料としての混合粉末を作製した。作製した混合粉末を無反射Ｓｉ試料台にいれ、Ｘ線回折装置（Ｓｍａｒｔ Ｌａｂ、リガク社製）に設置した。その後に、Ｘ線源：ＣｕＫα（波長１．５４１Å）、測定範囲：３°～８０°、スキャンスピード：５°／分の条件で、広角Ｘ線回折法によりＸ線回折スペクトルを測定した。得られた測定結果から、２θ＝２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さｂを１として規格化し、そのときの２θ＝２４°以上、２８℃未満の範囲における最も高いピークの高さａを算出した。最後にａとｂとの比、すなわち、ａ／ｂを算出した。
Ｃ／Ｏ比；
実施例１～６及び比較例１～３の各炭素材料を試料台にいれ、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）の測定装置（ＰＨＩ５０００ ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅＩＩ）に設置した。つぎに、Ｘ線源：ＡｌＫα、光電子取出角：４５度、Ｘ線ビーム径２００μｍ（５０Ｗ、１５ｋＶ）の条件で、光電子スペクトルを測定した。Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ：２８０ｅＶ～２９２ｅＶに現れるＣ１ｓスペクトルのピーク面積を、Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ：５２５ｅＶ～５４０ｅＶに現れるＯ１ｓスペクトルのピーク面積で除することによって、炭素材料に含まれる酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｏ比）を算出した。
サイクリックボルタンメトリーの評価；
サイクリックボルタンメトリーの評価は、三極式セル（ＨＳ３極セル、宝泉社製）を用いて測定した。
作用極は、次の手順で作製した。最初に、実施例１～６及び比較例１～３の各炭素材料（４．０ｇ）と、結着剤としてポリテトラフルオロエチレンの粉末（以下、ＰＴＦＥ、６－Ｊ、三井デュポンフロロケミカル社製）とを、メノウ乳鉢にて５分間混合することによって、混合粉末を作製した。次に、上記混合粉末を、アルミ箔（厚み２０μｍ、片面つや、ＵＡＣＪ社製）で挟んだのち、ロールプレス機（ロールギャップ１００μｍ、テスター産業社製）でプレスし、シート状の混合物を得た。最後に、上記シート状の混合物を１０ｍｍφの大きさに裁断することによって、作用極を作製した。作用極の重量、及び厚みは、それぞれ１０ｍｇ、及び１００μｍであった。
三極式セルは次の通りに作製した。
最初に、三極式セル（ＨＳ３極セル、宝泉社製）の作用極箇所に上記作用極を設置した。次に、セパレータ（ポリオレフィン系の微多孔膜、２５μｍ、２４ｍｍφ）を設置し、対極設置箇所に対極としてＬｉ金属（１６ｍｍφ）を設置した。さらに、参照極設置箇所に、参照極としてＬｉ金属（内径１６ｍｍφ、外径２５ｍｍφ）を設置した。
最後に、電解液（エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート＝１／２体積％、ＬｉＰＦ６ １ｍｏｌ／Ｌ）を１．０ｍＬ入れた後に、密封することによって、評価用セルの三極式セルを作製した。
サイクリックボルタンメトリーの測定は次の通りに実施した。
最初に、評価用セルを電気化学測定装置（バイオロジック社製）に接続し、３時間放置した。次に、自然電位を測定した後に、掃印速度（１ｍＶ／ｓ）、２．５Ｖ－４．５Ｖの掃引範囲で電位を掃引した。この掃引は、２５℃±５℃の室温で、１０回繰り返した。最後に、最初の貴な電位側への掃印時における４．２５Ｖの電流値を読み、電極に含まれる炭素材料の重量で除することによって、炭素材料と電解液との反応に起因する電流値を算出した。
電池特性の評価；
電池特性は、以下のようにして非水電解質二次電池を作製して評価した。
（正極）
まず、実施例１～６及び比較例１～３の各炭素材料０．１ｇに、エタノール５．０ｇを加え、５時間超音波洗浄機（ＡＳ ＯＮＥ社製）で処理し、炭素材料の分散液を調製した。
次に、正極活物質としてのＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２を、非特許文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，Ｖｏｌ．１４６，ｐｐ．６３６－６３９（２００５））に記載されている方法で作製した。
すなわち、まず、水酸化リチウムと、コバルト、ニッケル及びマンガンのｍｏｌ比が１：１：１の３元水酸化物とを混合し混合物を得た。次に、この混合物を空気雰囲気下において、１０００℃で加熱することによって正極活物質を作製した。
次に、エタノール９ｇに得られた正極活物質（ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）３ｇを加え、マグネチックスターラーにて６００ｒｐｍで１０分攪拌することによって、正極活物質の分散液を調製した。
さらに、上記炭素材料の分散液に、上記正極活物質の分散液をスポイトで滴下した。なお、滴下時は、炭素材料の分散液は、超音波洗浄機（ＡＳ ＯＮＥ社製）で処理し続けた。その後、分散液の混合液をマグネチックスターラーで３時間攪拌した。
最後に、分散液の混合液を吸引ろ過した後に、１１０℃で１時間真空乾燥することによって、正極活物質と炭素材料との複合体（活物質－炭素材料複合体）を作製した。正極の作製に必要な量は、上記の工程を繰り返すことによって作製した。
次に、上記複合体９６重量部に、バインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が４重量部となるように混合し、スラリーを作製した。次に、このスラリーをアルミニウム箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱し、溶媒を除去した後、１２０℃で１２時間真空乾燥した。次に、同様にしてアルミニウム箔の裏面にもスラリーを塗工及び乾燥させた。
最後に、ロールプレス機にて、上記正極をプレスした。
正極の容量は、単位面積当たりの電極重量、及び正極活物質の理論容量（１５０ｍＡｈ／ｇ）から算出した。その結果、正極の容量（片面あたり）は、５ｍＡｈ／ｃｍ２であった。
（負極）
負極は、次の通りに作製した。
最初に負極活物質（人造黒鉛）１００重量部にバインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が５重量部となるように混合し、スラリーを作製した。次に前記スラリーを銅箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱し、溶媒を除去した後、１２０℃で１２時間真空乾燥した。次に、同様にして銅箔の裏面にもスラリーを塗工及び乾燥させた。
最後に、ロールプレス機にて、プレスし、負極を作製した。負極の容量は、単位面積当たりの電極重量、及び負極活物質の理論容量（３５０ｍＡｈ／ｇ）から算出した。その結果、負極の容量（片面あたり）は、６．０ｍＡｈ／ｃｍ２であった。
（非水電解質二次電池の製造）
最初に、作製した正極（電極部分：４０ｍｍ×５０ｍｍ）、負極（電極部分：４５ｍｍ×５５ｍｍ）及びセパレータ（ポリオレフィン系の微多孔膜、２５μｍ、５０ｍｍ×６０ｍｍ）を、負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極の順に、正極の容量が２００ｍＡｈ（正極１枚、負極２枚）となるように積層した。次に、両端の正極及び負極にそれぞれアルミニウムタブ及びニッケルめっき銅タブを振動溶着させた後に、袋状のアルミラミネートシートに入れ、３方を熱溶着させ、電解液封入前の非水電解質二次電池を作製した。さらに、上記電解液封入前の非水電解質二次電池を６０℃で３時間真空乾燥した後に、非水電解質（エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート＝１／２体積％、ＬｉＰＦ６ １ｍｏｌ／Ｌ）を２０ｇ入れ、減圧しながら封止することによって非水電解質二次電池を作製した。なお、ここまでの工程は、露点が－４０℃以下の雰囲気（ドライボックス）で実施した。最後に、非水電解質二次電池を、４．２５Ｖまで充電させた後に、２５℃で１００時間放置し、露点が－４０℃以下の雰囲気（ドライボックス）にて発生したガス、及び過剰な電解液を除去した後に、再度減圧しながら封止することによって非水電解質二次電池を作製した。
（サイクル特性）
サイクル特性の評価は次の方法で行った。最初に、作製した非水電解質二次電池を４５℃の恒温槽に入れ、充放電装置（ＨＪ１００５ＳＤ８、北斗電工社製）に接続した。次に、定電流定電圧充電（電流値：２０ｍＡ、充電終止電圧：４．２５Ｖ、定電圧放電電圧：４．２５Ｖ、定電圧放電終止条件：３時間経過、又は電流値４ｍＡ）、定電流放電（電流値：１００ｍＡ、放電終止電圧：２．５Ｖ）を３００回繰り返すサイクル運転を行った。最後に、１回目の放電容量を１００としたときの、３００回目の放電容量の割合を算出することによって放電容量の維持率（サイクル特性）とした。なお、サイクル特性は、以下の評価基準で評価した。
［評価基準］
○…上記割合（サイクル特性）が８０％以上
×…上記割合（サイクル特性）が８０％未満
結果を下記の表１に示す。
Figure 0007164517000001
（実施例７）
実施例７では、以下のようにして非水電解質二次電池を作製して評価した。
（正極）
まず、実施例１で得られた炭素材料０．１ｇに、エタノール５．０ｇを加え、５時間超音波洗浄機（ＡＳ ＯＮＥ社製）で処理し、炭素材料の分散液を調製した。
次に、正極活物質としてのＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２を、非特許文献（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，Ｖｏｌ．１４６，ｐｐ．６３６－６３９（２００５））に記載されている方法で作製した。
すなわち、まず、水酸化リチウムと、コバルト、ニッケル及びマンガンのｍｏｌ比が１：１：１の３元水酸化物とを混合し混合物を得た。次に、この混合物を空気雰囲気下において、１０００℃で加熱することによって正極活物質を作製した。
次に、エタノール９ｇに得られた正極活物質（ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）３ｇを加え、マグネチックスターラーにて６００ｒｐｍで１０分攪拌することによって、正極活物質の分散液を調製した。
さらに、上記炭素材料の分散液に、上記正極活物質の分散液をスポイトで滴下した。なお、滴下時は、炭素材料の分散液は、超音波洗浄機（ＡＳ ＯＮＥ社製）で処理し続けた。その後、分散液の混合液をマグネチックスターラーで３時間攪拌した。
最後に、分散液の混合液を吸引ろ過した後に、１１０℃で１時間真空乾燥することによって、正極活物質と炭素材料との複合体（活物質－炭素材料複合体）を作製した。正極の作製に必要な量は、上記の工程を繰り返すことによって作製した。
次に、上記複合体９６重量部に、バインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が４重量部となるように混合し、スラリーを作製した。次に、このスラリーをアルミニウム箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱し、溶媒を除去した後、１２０℃で１２時間真空乾燥した。次に、同様にしてアルミニウム箔の裏面にもスラリーを塗工及び乾燥させた。
最後に、ロールプレス機にて、上記正極をプレスした。
正極の容量は、単位面積当たりの電極重量、及び正極活物質の理論容量（１５０ｍＡｈ／ｇ）から算出した。その結果、正極の容量（片面あたり）は、５ｍＡｈ／ｃｍ２であった。
（負極）
負極は、次の通りに作製した。
最初に負極活物質（人造黒鉛）１００重量部にバインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が５重量部となるように混合し、スラリーを作製した。次に前記スラリーを銅箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱し、溶媒を除去した後、１２０℃で１２時間真空乾燥した。次に、同様にして銅箔の裏面にもスラリーを塗工及び乾燥させた。
最後に、ロールプレス機にて、プレスし、負極を作製した。負極の容量は、単位面積当たりの電極重量、及び負極活物質の理論容量（３５０ｍＡｈ／ｇ）から算出した。その結果、負極の容量（片面あたり）は、６．０ｍＡｈ／ｃｍ２であった。
（非水電解質二次電池の製造）
最初に、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比１：２における混合溶液に、ＬｉＰＦ６の濃度が１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させ、電解液を作製した。次に、作製した電解液９９．５ｇと、ビニレンカーボネート（キシダ化学社製）０．５ｇとを混合して濃度が０．５重量％の非水電解質を調製した。
次に、上記のようにして作製した正極（電極部分：４０ｍｍ×５０ｍｍ）、負極（電極部分：４５ｍｍ×５５ｍｍ）及びセパレータ（ポリオレフィン系の微多孔膜、２５μｍ、５０ｍｍ×６０ｍｍ）を、負極／セパレータ／正極／セパレータ／負極の順に、正極の容量が２００ｍＡｈ（正極１枚、負極２枚）となるように積層した。次に、両端の正極及び負極にそれぞれアルミニウムタブ及びニッケルめっき銅タブを振動溶着させた後に、袋状のアルミラミネートシートに入れ、３方を熱溶着させ、電解液封入前の非水電解質二次電池を作製した。さらに、上記電解液封入前の非水電解質二次電池を６０℃で３時間真空乾燥した後に、上記の方法で調製した非水電解質を１．０ｍＬ入れ、減圧しながら封止することによって非水電解質二次電池を作製した。
なお、ここまでの工程は、露点が－４０℃以下の雰囲気（ドライボックス）で実施した。最後に、非水電解質二次電池を、４．２５Ｖまで充電させた後に、２５℃で１００時間放置し、露点が－４０℃以下の雰囲気（ドライボックス）にて発生したガス、及び過剰な電解液を除去した後に、再度減圧しながら封止することによって非水電解質二次電池を作製した。
（実施例８）
非水電解質として、以下のようにして調製した非水電解質を用いたこと以外は実施例７と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
最初に、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比１：２における混合溶液に、ＬｉＰＦ６の濃度が１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させ、電解液を作製した。次に、作製した電解液９９ｇと、環状酸無水物として無水コハク酸（和光純薬工業社製）１ｇとを混合して濃度が１重量％の非水電解質を調製した。
（サイクル特性）
実施例７及び実施例８で作製した非水電解質二次電池のサイクル特性の評価は次の方法で行った。最初に、作製した非水電解質二次電池を４５℃の恒温槽に入れ、充放電装置（ＨＪ１００５ＳＤ８、北斗電工社製）に接続した。次に、定電流定電圧充電（電流値：２０ｍＡ、充電終止電圧：４．２５Ｖ、定電圧放電電圧：４．２５Ｖ、定電圧放電終止条件：３時間経過、又は電流値４ｍＡ）、定電流放電（電流値：１００ｍＡ、放電終止電圧：２．５Ｖ）を３００回繰り返すサイクル運転を行った。最後に、１回目の放電容量を１００としたときの、３００回目の放電容量の割合を算出することによって放電容量の維持率（サイクル特性）とした。なお、サイクル特性は、以下の評価基準で評価した。
［評価基準］
○…上記割合（サイクル特性）が８０％以上
×…上記割合（サイクル特性）が８０％未満
結果を下記の表２に示す。
Figure 0007164517000002

Claims (9)

  1. グラフェン積層構造を有する炭素材料であって、
    前記炭素材料とＳｉとの重量比１：１における混合物のＸ線回折スペクトルを測定したときに、２θが、２４°以上、２８°未満の範囲における最も高いピークの高さａと、２θが、２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さｂとの比ａ／ｂが、０．２以上、１０．０以下であり、
    前記炭素材料が含まれる電極を作用電極とし、リチウム金属を参照電極及び対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６と、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比１：２における混合溶液とを含む電解液を用いて、サイクリックボルタンメトリーにより測定した４．２５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の電位における電流値の絶対値が、０．００１Ａ／ｇ以上、０．０２Ａ／ｇ以下である、炭素材料。
  2. グラフェン積層構造を有する炭素材料であって、
    前記炭素材料とＳｉとの重量比１：１における混合物のＸ線回折スペクトルを測定したときに、２θが、２４°以上、２８°未満の範囲における最も高いピークの高さａと、２θが、２８°以上、３０°未満の範囲における最も高いピークの高さｂとの比ａ／ｂが、０．２以上、１０．０以下であり、
    前記炭素材料の元素分析により測定された酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｃ／Ｏ比）が、２０以上、２００以下である、炭素材料。
  3. 前記炭素材料が、薄片化黒鉛である、請求項１又は２に記載の炭素材料。
  4. 前記炭素材料が、蓄電デバイス用電極に用いられる、請求項１～３のいずれか１項に記載の炭素材料。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の炭素材料を含む、蓄電デバイス用電極。
  6. 請求項５に記載の蓄電デバイス用電極を備える、蓄電デバイス。
  7. 請求項５に記載の蓄電デバイス用電極と、非水電解質とを備える、非水電解質二次電池。
  8. 前記非水電解質が、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液と、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して０．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下で反応する化合物とを含み、前記化合物の含有量が、前記非水電解質１００重量％に対して０．０１重量％以上、１０重量％以下である、請求項７に記載の非水電解質二次電池。
  9. 前記非水電解質が、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液と、Ｌｉ／Ｌｉ＋に対して２．０Ｖ以上、５．０Ｖ以下で反応する化合物とを含み、前記化合物の含有量が、前記非水電解質１００重量％に対して０．０１重量％以上、１０重量％以下である、請求項７に記載の非水電解質二次電池。
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