JP7496000B2 - Method for producing carbon precursor particles and carbonaceous material for secondary battery negative electrode - Google Patents
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Description
本発明は、炭素前駆体粒子の製造方法と、当該炭素前駆体粒子を用いた二次電池負極用炭素質材料の製造方法に関する。The present invention relates to a method for producing carbon precursor particles and a method for producing a carbonaceous material for secondary battery negative electrodes using the carbon precursor particles.
近年、環境問題への関心の高まりから、エネルギー密度が高く、出力特性の優れた大型の二次電池が、電気自動車(xEV)等に搭載されている。車載用二次電池には、非水溶媒リチウム二次電池であるリチウムイオン二次電池が使用され、負極材料としては、高容量で耐久性の観点で炭素質材料が使用されている。In recent years, with growing concern about environmental issues, large secondary batteries with high energy density and excellent output characteristics are being installed in electric vehicles (xEVs) and other vehicles. Lithium-ion secondary batteries, which are non-aqueous solvent lithium secondary batteries, are used as secondary batteries for vehicles, and carbonaceous materials are used as negative electrode materials from the viewpoint of high capacity and durability.
炭素質の負極材料は、一般に、炭素前駆体粒子を焼成することによって製造される。当該炭素前駆体粒子としては、酸化ピッチを粉砕して得られた粉末状の酸化ピッチが使用される。ピッチは、加熱によって溶融し、易黒鉛化性炭素を形成する。他方で、ピッチは、酸化されると、架橋構造が形成され、熱に対し不融となり、難黒鉛化性炭素の前駆体となる。ピッチの酸化度合を制御することにより、炭素前駆体としての構造を制御することができる。ピッチの酸化は、酸化性ガス雰囲気中で加熱することによって行われる。この際、ピッチを溶融させることなく酸化させる必要があり、そのためには、酸化速度、酸化発熱による温度上昇、そしてピッチの軟化を考慮しつつ、精密な温度制御が必要となる。Carbonaceous negative electrode materials are generally produced by calcining carbon precursor particles. Powdered oxidized pitch obtained by pulverizing oxidized pitch is used as the carbon precursor particles. The pitch melts when heated to form graphitizable carbon. On the other hand, when the pitch is oxidized, a crosslinked structure is formed, making it infusible to heat and a precursor of non-graphitizable carbon. The structure of the carbon precursor can be controlled by controlling the degree of oxidation of the pitch. The pitch is oxidized by heating in an oxidizing gas atmosphere. In this case, it is necessary to oxidize the pitch without melting it, and for this purpose precise temperature control is required while taking into consideration the oxidation rate, the temperature rise due to heat generated by oxidation, and the softening of the pitch.
ピッチを均一に酸化させる場合、粒子と酸化性ガスとの接触面積を大きくし、粒子内部まで均一に酸化性ガスを拡散させるという観点から、粒子径が小さいほど有利である。そのため、ピッチを細かく粉砕して粉末状のピッチを形成し、これを酸化することが考えられる。工業プロセスにおいて気-固反応を均一に行うには、流動層反応装置を用いるのが一般的である。流動層反応装置により粉末状のピッチに酸化処理を施す場合、流動層内で当該ピッチを均一に流動させることが必要である。粒子径が小さいほど流動層形成のためのガス流量が減少し、層内のガスが偏流し、流動が不均一になり易い傾向にある。流動が不十分な領域では、酸化発熱に伴う熱の徐熱が不十分になり、流動層内の温度が局部的に上昇する。この温度上昇に伴い前記ピッチが溶解し、粒子同士が融着して粒子径が増大し、粒子の流動がさらに不均一になる。それらの状態が進行すると、前記の融着した粒子内の徐熱がさらに不十分となり、熱暴走するに至る恐れがあるという問題がある。When uniformly oxidizing pitch, the smaller the particle size, the more advantageous it is in terms of increasing the contact area between the particles and the oxidizing gas and diffusing the oxidizing gas uniformly to the inside of the particles. For this reason, it is possible to pulverize the pitch into powder form and then oxidize it. In industrial processes, a fluidized bed reactor is generally used to perform a uniform gas-solid reaction. When oxidizing powdered pitch using a fluidized bed reactor, it is necessary to uniformly fluidize the pitch in the fluidized bed. The smaller the particle size, the less the gas flow rate for forming the fluidized bed, and the more likely the gas in the bed is to drift and the flow is to become uneven. In areas where the flow is insufficient, the heat generated by oxidation is not sufficiently removed, and the temperature in the fluidized bed rises locally. As the temperature rises, the pitch melts, the particles fuse together, the particle size increases, and the flow of the particles becomes even more uneven. If these conditions progress, there is a problem that the heat removal in the fused particles becomes even more insufficient, which may lead to thermal runaway.
これらの課題を解決する手段として、従来、粉末状酸化ピッチの調製方法は、特許文献1の段落[0058]に記載されたような方法が知られている。この調製方法は、石油系または石炭系のピッチに添加剤を加え、球状化して、添加剤を含むピッチ成形体を得た後、当該ピッチ成形体から当該添加剤を溶剤で抽出除去して、球状の多孔質ピッチを調製する。そして、当該多孔性ピッチに加熱酸化(不融化)処理を施して酸化ピッチを得た後、粉砕することにより粉末状の酸化ピッチを製造するものである。このような製造方法は、原料ピッチから球状の多孔性ピッチを調製する必要があり、そのために多くの複雑な工程が含まれる。As a means for solving these problems, a method for preparing powdered oxidized pitch, as described in paragraph [0058] of Patent Document 1, has been known so far. In this preparation method, additives are added to petroleum- or coal-based pitch, the pitch is spheroidized to obtain a pitch compact containing the additives, and the additives are then extracted and removed from the pitch compact with a solvent to prepare spherical porous pitch. The porous pitch is then subjected to a heat oxidation (infusibility) treatment to obtain oxidized pitch, which is then pulverized to produce powdered oxidized pitch. This production method requires the preparation of spherical porous pitch from raw material pitch, and involves many complicated steps for this purpose.
そのほかに、粉末状ピッチを酸化処理して酸化ピッチ粒子を得る方法としては、例えば、特許文献2の段落[0028]に転動式の炉を用いる方法が開示され、特許文献3の段落[0049]に回転炉を用いる方法が開示されている。しかし、これらの転動式の炉や回転式の炉によってピッチ粒子を酸化する方法は、炉内におけるピッチ粒子の運動が遅いため、粒子同士を融着させる恐れがある。さらに、ピッチ粒子が炉の回転にともない炉の側壁面に沿って持ち上げられる一方で、炉内を流通する酸化性ガスは、炉の中心付近を主に流れるため、ピッチ粒子と酸化性ガスとの接触効率が低くなる。Other methods of oxidizing powdered pitch to obtain oxidized pitch particles include, for example, a method using a rolling furnace disclosed in paragraph [0028] of
また、酸化処理されるピッチ粒子が少量であれば、平板の上に広げて、空気中で加熱酸化することにより、粉末状の酸化ピッチが得られる。しかし、ピッチ粒子を配置する平板の大きさには限界がある。さらに、処理量を増大させるためにピッチ粒子の層を厚くすると、酸化反応の自己発熱により粒子層内に蓄熱されるので、酸化処理の制御が困難であり、条件によっては熱暴走して燃焼に至る恐れもある。Also, if the amount of pitch particles to be oxidized is small, they can be spread out on a flat plate and heated and oxidized in air to obtain powdered oxidized pitch. However, there is a limit to the size of the flat plate on which the pitch particles can be placed. Furthermore, if the layer of pitch particles is made thicker to increase the amount of processing, heat is stored in the particle layer due to the self-heating caused by the oxidation reaction, making it difficult to control the oxidation process and, depending on the conditions, there is a risk of thermal runaway and combustion.
以上のことから、粉末状の酸化ピッチなどの炭素前駆体粒子を少ない処理工程で短時間に製造することができる方法が望まれていた。For these reasons, a method was desired that could produce carbon precursor particles such as powdered oxidized pitch in a short period of time with fewer processing steps.
本発明は、有機物粒子を酸化して炭素前駆体粒子を製造する方法において、少ない処理工程で短時間に製造できる方法を提供することを目的とする。The present invention aims to provide a method for producing carbon precursor particles by oxidizing organic particles, which can produce carbon precursor particles in a short period of time with fewer processing steps.
本発明者らは、撹拌翼を備えた撹拌手段を有する反応容器を用いて、当該反応容器の中に入れた原料の有機物粒子を撹拌しながら、当該反応容器内へ酸化性ガスを導入することにより、当該有機物粒子が短時間で酸化されて、効率良く炭素前駆体粒子を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、下記(1)~(6)の態様を包含する。The inventors discovered that by using a reaction vessel having a stirring means equipped with a stirring blade and stirring the organic particles contained in the reaction vessel while introducing an oxidizing gas into the reaction vessel, the organic particles are oxidized in a short period of time, and carbon precursor particles can be efficiently produced, leading to the completion of the present invention. Specifically, the present invention includes the following aspects (1) to (6).
(1)有機物粒子を酸化して炭素前駆体粒子を製造する方法であって、回転軸と当該回転軸に設けられた撹拌翼とを備えた撹拌手段を有する反応容器を用いて、前記反応容器に平均粒子径1~100μmの有機物粒子を含む原料を入れること、前記撹拌手段により前記原料を撹拌しながら、前記反応容器の中へ酸化性ガスを導入して、前記有機物粒子の酸化処理を行うこと、前記酸化処理において、前記反応容器の中の前記原料を150℃以上の温度で処理するとともに、最高到達温度が180~350℃であるように温度を制御すること、を含む、炭素前駆体粒子の製造方法。(1) A method for producing carbon precursor particles by oxidizing organic particles, comprising: using a reaction vessel having a stirring means equipped with a rotating shaft and a stirring blade attached to the rotating shaft, placing a raw material containing organic particles having an average particle size of 1 to 100 μm in the reaction vessel; introducing an oxidizing gas into the reaction vessel while stirring the raw material with the stirring means, thereby oxidizing the organic particles; and treating the raw material in the reaction vessel at a temperature of 150°C or higher during the oxidation treatment, while controlling the temperature so that the maximum temperature reached is 180 to 350°C.
(2)前記撹拌翼の回転軸と水平面とのなす角度は、60度以上90度以下である、前記(1)に記載の炭素前駆体粒子の製造方法。(2) The method for producing carbon precursor particles described in (1) above, wherein the angle between the rotation axis of the agitator blade and the horizontal plane is greater than or equal to 60 degrees and less than or equal to 90 degrees.
(3)前記反応容器の内面と前記撹拌翼の表面とが離隔しており、前記内面と前記表面とが最も近接した離隔距離が50mm以下である、前記(1)又は(2)に記載の炭素前駆体粒子の製造方法。(3) A method for producing carbon precursor particles described in (1) or (2), in which the inner surface of the reaction vessel and the surface of the stirring blade are separated, and the closest separation distance between the inner surface and the surface is 50 mm or less.
(4)前記有機物粒子の有機物は、石油ピッチ又は石炭ピッチである、前記(1)~(3)のいずれかに記載の炭素前駆体粒子の製造方法。(4) A method for producing carbon precursor particles described in any of (1) to (3), wherein the organic matter of the organic particles is petroleum pitch or coal pitch.
(5)前記炭素前駆体粒子は、難黒鉛化性炭素前駆体粒子である、前記(1)~(4)のいずれかに記載の炭素前駆体粒子の製造方法。(5) A method for producing carbon precursor particles described in any one of (1) to (4), wherein the carbon precursor particles are non-graphitizable carbon precursor particles.
(6)前記(1)~(5)のいずれかに記載の炭素前駆体粒子を用いて、非酸化性ガス雰囲気中の1000~1400℃の温度で熱処理して炭素質材料を製造する工程を含む、二次電池負極用炭素質材料の製造方法。(6) A method for producing a carbonaceous material for a secondary battery negative electrode, comprising the step of producing a carbonaceous material by heat-treating the carbon precursor particles described in any one of (1) to (5) in a non-oxidizing gas atmosphere at a temperature of 1000 to 1400°C.
本発明によれば、有機物粒子が酸化されて、炭素前駆体粒子を少ない処理工程で短時間に製造することができるので、当該炭素前駆体粒子を効率的に量産する製造方法を提供することができる。本発明の製造方法によって得られた当該炭素前駆体粒子は、非水電解質二次電池及び固体電池等における負極用炭素質材料を作製するための原料として使用することができる。According to the present invention, organic particles are oxidized, and carbon precursor particles can be produced in a short time with fewer processing steps, so that a manufacturing method for efficiently mass-producing the carbon precursor particles can be provided. The carbon precursor particles obtained by the manufacturing method of the present invention can be used as a raw material for producing carbonaceous materials for negative electrodes in nonaqueous electrolyte secondary batteries, solid state batteries, etc.
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。なお、本明細書において、「X~Y」(X、Yは任意の数値)との表記は、「X以上Y以下」の意味である。 The following is a detailed description of an embodiment of the present invention. The present invention is not limited to the following embodiment, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the object of the present invention. In this specification, the expression "X to Y" (X and Y are arbitrary numbers) means "X or more and Y or less."
1.炭素前駆体粒子の製造方法
本実施形態は、有機物粒子を酸化して炭素前駆体粒子を製造する方法であり、その特徴は、次の事項を含むことにある。
回転軸と当該回転軸に設けた撹拌翼とを備えた撹拌手段を有する反応容器を用いて、前記反応容器に平均粒子径1~100μmの有機物粒子を含む原料を入れること。
前記撹拌手段により前記原料を撹拌しながら、前記反応容器の中へ酸化性ガスを導入して、前記有機物粒子の酸化処理を行うこと。
前記酸化処理において、前記反応容器の中の前記原料を150℃以上の温度で処理するとともに、最高到達温度が180~350℃であるように温度を制御すること。
1. Method for Producing Carbon Precursor Particles The present embodiment is a method for producing carbon precursor particles by oxidizing organic particles, and the features thereof include the following.
A reaction vessel having an agitation means including a rotating shaft and an agitation blade attached to the rotating shaft is used, and a raw material containing organic particles having an average particle size of 1 to 100 μm is placed in the reaction vessel.
An oxidizing gas is introduced into the reaction vessel while stirring the raw material with the stirring means, thereby oxidizing the organic particles.
In the oxidation treatment, the raw material in the reaction vessel is treated at a temperature of 150°C or higher, and the temperature is controlled so that the maximum temperature reached is 180 to 350°C.
<有機物粒子>
原料である有機物粒子における有機物は、例えば、石油ピッチ又は石炭ピッチを使用することができる。当該ピッチを粉砕して、粒子状のピッチを作製し、それを原料とすることができる。
<Organic particles>
The organic matter in the raw material organic particles can be, for example, petroleum pitch or coal pitch. The pitch can be pulverized to produce particulate pitch, which can be used as the raw material.
有機物粒子を含む原料は、反応容器の中に入れて、撹拌しながら所定の酸化処理が施される。有機物粒子を含む原料は、撹拌されて流動させると、有機物の高分子同士が擦れ合うことで発生した静電気により、有機物粒子の流動が妨げられる場合がある。原料には、有機物粒子に加えて、静電気の発生を防ぐため、カーボンブラックなど導電性の微粒子を混合してもよい。なお、本明細書では、「有機物粒子を含む原料」を、単に「有機物粒子」または「原料」ということもある。また、当該原料が反応容器内に蓄えられた形態を「粒子層」ということもある。The raw material containing organic particles is placed in a reaction vessel and subjected to a specified oxidation treatment while being stirred. When the raw material containing organic particles is stirred and made to flow, the flow of the organic particles may be hindered by static electricity generated by friction between organic polymers. In addition to the organic particles, conductive fine particles such as carbon black may be mixed into the raw material to prevent the generation of static electricity. In this specification, the "raw material containing organic particles" may be simply referred to as "organic particles" or "raw material". The form in which the raw material is stored in the reaction vessel may also be referred to as a "particle layer".
反応容器の中に装入されて蓄えられた原料は、平均粒子径が1~100μmである有機物粒子を含む。本実施形態に係る平均粒子径(μm)は、粒径分布において累積容積が50%となるDV50(μm)をいう。炭素前駆体粒子を得るために、反応容器の中で有機物粒子と酸化性ガスとを混合し、有機物粒子の内部へ酸素を拡散させる必要がある。有機物粒子の平均粒子径が100μmを超えると、有機物粒子の内部まで十分に酸素を拡散させられない恐れがある。有機物粒子の平均粒子径は100μm以下が好ましく、さらに好ましくは50μm以下、または30μm以下である。当該平均粒子径が1μm未満であると、有機物粒子が軽くて酸化性ガスによって飛散し易い。その飛散を避けるため、酸化性ガスの導入量を低減する必要があり、その結果、酸化処理の効率が低下する。有機物粒子の平均粒子径は1μm以上が好ましく、さらに好ましくは2μm以上、または3μm以上である。よって、酸化処理される有機物粒子の平均粒子径は、1~100μmであることが好ましい。 The raw material charged and stored in the reaction vessel includes organic particles having an average particle diameter of 1 to 100 μm. The average particle diameter (μm) according to this embodiment refers to D V50 (μm) at which the cumulative volume in the particle diameter distribution is 50%. In order to obtain carbon precursor particles, it is necessary to mix the organic particles with an oxidizing gas in the reaction vessel and diffuse oxygen into the organic particles. If the average particle diameter of the organic particles exceeds 100 μm, there is a risk that oxygen cannot be sufficiently diffused into the organic particles. The average particle diameter of the organic particles is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, or 30 μm or less. If the average particle diameter is less than 1 μm, the organic particles are light and easily scattered by the oxidizing gas. In order to avoid the scattering, it is necessary to reduce the amount of oxidizing gas introduced, which results in a decrease in the efficiency of the oxidation treatment. The average particle diameter of the organic particles is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, or 3 μm or more. Therefore, the average particle size of the organic particles to be oxidized is preferably 1 to 100 μm.
有機物粒子を構成する有機物は、炭素前駆体となるものであれば、特に限定されない。例えば、石油系ピッチ、石炭系ピッチ、又は熱可塑性樹脂(例えば、ポリアクリロニトリル、スチレン/ジビニルベンゼン共重合体、アクリロニトリル/スチレン/ジビニルベンゼン共重合体、)、熱硬化性樹脂(例えば、ポリイミド、フラン樹脂、フェノール樹脂、セルロース樹脂)を挙げることができる。The organic matter constituting the organic particles is not particularly limited as long as it is a carbon precursor. Examples include petroleum-based pitch, coal-based pitch, thermoplastic resins (e.g., polyacrylonitrile, styrene/divinylbenzene copolymer, acrylonitrile/styrene/divinylbenzene copolymer), and thermosetting resins (e.g., polyimide, furan resin, phenolic resin, and cellulose resin).
有機物粒子を調製する方法としては、公知の粒子製造方法を使用することができる。例えば、石油系又は石炭系のピッチ等を破砕し、所定の平均粒子径DV50の範囲のピッチ粒子を形成することができる。粉砕に用いる粉砕機は、特に限定されるものではない。例えば、ジェットミル、ロッドミル、振動ボールミル、又はハンマーミルなどを用いることができる。 A known particle manufacturing method can be used to prepare the organic particles. For example, petroleum-based or coal-based pitch can be crushed to form pitch particles having a predetermined average particle diameter D V50 . The pulverizer used for pulverization is not particularly limited. For example, a jet mill, a rod mill, a vibrating ball mill, or a hammer mill can be used.
有機物粒子は、攪拌混合により粒子同士の摩擦により静電気が発生し、有機物粒子が凝集することがある。その場合、有機物粒子に導電性粒子を混合しても良い。導電性粒子としては、カーボンブラックや炭素質材料の微粒子などが好ましい。When organic particles are stirred and mixed, friction between the particles can generate static electricity, causing the organic particles to aggregate. In this case, conductive particles can be mixed into the organic particles. As conductive particles, carbon black or fine particles of carbonaceous materials are preferred.
<反応容器>
本実施形態に係る製造方法は、反応容器に有機物粒子を含む原料を入れることを含む。本明細書では、当該「入れる」の語句を「装入する」と記載することもあり、当該原料を「装入された原料」のように記載することもある。当該反応容器は、原料を蓄えるのに必要な容積を有している。また、反応容器の形状は、円筒状、円錐状、球状などの形状を有するものであればよい。回転する撹拌手段によって容器内の原料を流動させることから、原料の流動性及び撹拌手段の撹拌作用を高める観点で、容器の内面に曲面を有する構造が好ましい。例えば、円筒状または円錐状の反応容器の場合、その内面は、曲面状の側面と、平面状の底面とより構成されている。球状の反応容器の場合、曲面状の内面によって構成されている。原料粒子が曲面に沿って流動するので、原料粒子の滞留が抑制される。
<Reaction vessel>
The manufacturing method according to the present embodiment includes putting a raw material containing organic particles into a reaction vessel. In this specification, the word "put" may be written as "charged", and the raw material may be written as "charged raw material". The reaction vessel has a volume necessary for storing the raw material. The shape of the reaction vessel may be cylindrical, conical, spherical, or the like. Since the raw material in the vessel is caused to flow by the rotating stirring means, a structure having a curved surface on the inner surface of the vessel is preferable from the viewpoint of increasing the fluidity of the raw material and the stirring action of the stirring means. For example, in the case of a cylindrical or conical reaction vessel, the inner surface is composed of a curved side surface and a flat bottom surface. In the case of a spherical reaction vessel, it is composed of a curved inner surface. Since the raw material particles flow along the curved surface, retention of the raw material particles is suppressed.
反応容器の断面を見た場合、断面における内面の形状が真円であることが好ましい。本実施形態における反応容器の「断面」とは、底面を有する容器の場合は、当該底面に平行な位置における断面を意味する。球状容器の場合は、断面の位置は限られない。When viewing a cross section of a reaction vessel, it is preferable that the shape of the inner surface in the cross section is a perfect circle. In this embodiment, the "cross section" of a reaction vessel means, in the case of a vessel having a bottom surface, a cross section at a position parallel to the bottom surface. In the case of a spherical vessel, the position of the cross section is not limited.
本実施形態に係る製造方法を使用される製造装置の一例を図1に示す。図1の製造装置は、反応容器1と、撹拌機2と、チョッパー3と、冷却水供給機4と、バグフィルター5と、ガス排出配管6を備えている。An example of a manufacturing apparatus using the manufacturing method according to this embodiment is shown in Figure 1. The manufacturing apparatus in Figure 1 includes a reaction vessel 1, an
<被処理物の反応容器への供給と排出手段>
反応容器1は、上蓋105と、被処理物の排出口106と、観察窓107と、ガス導入口108とを備えている。原料10は、前記上蓋105を開けて反応容器1へ供給され、反応容器1の中に蓄えられる。当該原料10に所定の酸化処理が施された後、被処理物は、前記排出口106を通して排出される。被処理物の排出に際しては、例えば、反応容器の側壁103と排出口106との間に設置された仕切り(図示しない。)を開けた後、撹拌翼202をゆっくり回転させることにより被処理物を排出することができる。反応容器1の内面に付着した被処理物は、上蓋105を開放して回収することができる。また、反応容器1内の原料10の状態は、上蓋105に設けられた観察窓107を通して確認することができる。
<Means for supplying and discharging the material to be treated into the reaction vessel>
The reaction vessel 1 is provided with a
<攪拌手段>
前記撹拌機2は、回転軸201と、当該回転軸201に装着された撹拌翼202と、回転軸201を駆動するモーター203とを有しており、反応容器1の中に装入された原料10を撹拌して混合する手段である。撹拌翼202の回転により撹拌流17が形成されて原料10が流動する。
<Stirring means>
The
反応容器は、その内部に、回転軸と当該回転軸に設けられた撹拌翼とを備えた撹拌手段を有する。図1に示すように、撹拌翼202は、回転軸を中心にして周囲に延びている。本明細書では、撹拌翼202の最外部に位置する部分を先端部204といい、回転中心から当該先端部へ延びる部分のうち、反応容器の底面102に対向する部分を下端部205という。撹拌翼202を反応容器1の内面に接触させないため、前記反応容器の内面である側面101及び底面102と前記撹拌翼202の表面とが離隔している必要がある。具体的には、撹拌翼の先端部204の表面と反応容器の側面101との間、及び、撹拌翼の下端部205の表面と反応容器の底面102との間に、それぞれ一定の距離を空けて、両者を離隔させる必要がある。他方、そのように離隔させた距離が過大であると、反応容器の内面付近の原料にまで撹拌翼の作用が十分に及ばないため、原料の流動状態が不足する。その結果、反応容器内に原料粒子が滞留する領域が生じることにより、粒子の塊が解砕されず、粒子同士の部分的な融着を招く恐れがある。粒子同士が融着して大きな融着物が形成されると、粒子個々に酸化性ガスとの接触が阻害されて、良好な品質の炭素前駆体粒子が得られない。その観点で、反応容器の内面と撹拌翼の表面とが最も近接した離隔距離は、50mm以下に設定することが好ましく、30mm以下であってもよい。The reaction vessel has a stirring means therein, which includes a rotating shaft and a stirring blade attached to the rotating shaft. As shown in FIG. 1, the
反応容器の上記の「内面」には、反応容器の側面や底面が含まれる。反応容器が円筒形状または円錐形状のように底面を有する態様では、反応容器の側面または底面と撹拌翼の端部とが離隔した距離を上述した範囲に設定することが好ましい。球状容器のように内面全体が曲面からなる態様においては、撹拌翼の端部と容器の内面とが離隔した距離を上述した範囲に設定することが好ましい。The above-mentioned "inner surface" of the reaction vessel includes the side surface and bottom surface of the reaction vessel. In an embodiment in which the reaction vessel has a bottom surface, such as a cylindrical or conical shape, it is preferable to set the distance between the side surface or bottom surface of the reaction vessel and the end of the stirring blade within the above-mentioned range. In an embodiment in which the entire inner surface is a curved surface, such as a spherical vessel, it is preferable to set the distance between the end of the stirring blade and the inner surface of the vessel within the above-mentioned range.
本実施形態に係る撹拌機は、回転軸と当該回転軸に設けられた撹拌翼とを備えている。撹拌翼の形状は、特に限定されない。既存の形状の撹拌翼を使用することができる。例えば、回転軸に垂直に羽根板が取り付けられたパドル翼、ディスクタービン翼、湾曲翼、ファウドラー翼など、又、翼に傾斜角を付けた傾斜パドル翼やプロペラ翼等を選択できる。モーターなどの駆動手段によって回転軸が駆動されて、撹拌翼が回転することにより、反応容器内に装入された原料が撹拌される。また、原料の有機物粒子が反応容器の底面に沈積する傾向にあることから、沈積した粒子層を十分に撹拌するため、撹拌翼は、図1に示すように、撹拌翼の下端部が、当該底面と平行な形状であることが好ましい。The agitator according to this embodiment includes a rotating shaft and an agitator blade attached to the rotating shaft. The shape of the agitator blade is not particularly limited. Agitator blades of existing shapes can be used. For example, paddle blades with blades attached perpendicular to the rotating shaft, disk turbine blades, curved blades, Pfaudle blades, etc., or inclined paddle blades with an inclination angle on the blades or propeller blades, etc. can be selected. The rotating shaft is driven by a driving means such as a motor, and the agitator blades rotate, thereby agitating the raw materials charged in the reaction vessel. In addition, since organic particles of the raw materials tend to settle on the bottom surface of the reaction vessel, in order to sufficiently agitate the settled particle layer, it is preferable that the lower end of the agitator blade is parallel to the bottom surface as shown in FIG. 1.
撹拌翼の配置については、反応容器を水平面に設置したとき、撹拌翼の高さの中心が容器の高さの半分より下方に位置することが好ましい。反応容器内の下方領域で撹拌翼が回転しているので、下方領域へ沈降した粒子の塊を効率良く解砕できる。Regarding the positioning of the agitator blades, it is preferable that when the reaction vessel is placed on a horizontal surface, the center of the height of the agitator blades is located below half the height of the vessel. Because the agitator blades rotate in the lower region of the reaction vessel, clumps of particles that have settled to the lower region can be efficiently broken down.
撹拌機の回転軸は、反応容器の断面の中心を通って当該断面に対して垂直方向に延びる形態であることが好ましい。このような形態を備えることにより、撹拌翼が反応容器の内面との間で一定の距離を離隔した状態で回転するので、原料の全体を満遍なく均質に撹拌することができる。その結果、個々の粒子が流動する良好な混合状態が維持されるので、粒子層内に粒子の凝集した塊が形成されることが抑制される。粒子同士が融着したり、粒子が凝集した塊が形成されたりしても、直ちに解砕されるので、粒子融着の連鎖に起因して生じる熱暴走を抑制できる。また、粒子の流動状態が維持されるので、粒子に酸化性ガスが適度に接触して、効率良く酸化処理を進めることができる。It is preferable that the rotating shaft of the agitator is shaped to pass through the center of the cross section of the reaction vessel and extend perpendicularly to the cross section. With such a shape, the agitator blade rotates at a certain distance from the inner surface of the reaction vessel, so that the raw material can be agitated uniformly throughout. As a result, a good mixing state in which the individual particles flow is maintained, so that the formation of aggregated lumps of particles in the particle layer is suppressed. Even if the particles are fused together or aggregated lumps of particles are formed, they are immediately broken down, so that thermal runaway caused by a chain reaction of particle fusion can be suppressed. In addition, since the flow state of the particles is maintained, the oxidizing gas comes into contact with the particles appropriately, and the oxidation process can be efficiently carried out.
反応容器の底面を水平面と平行になるように反応容器が設置された形態においては、反応容器の断面に対して垂直方向に延びる回転軸は、水平面に対しても垂直方向すなわち鉛直方向に配置されている。よって、回転軸と水平面とのなす角度は、90度に相当する。この場合、原料に対する重力の向きは、回転途中の原料全体で略同じであるから、原料を均質に流動させることができる。また、粒子同士が凝集した塊は、凝集していない粒子に比べて重いので、撹拌中に沈降して、下方に位置する撹拌翼に接する。それにより、粒子の塊を効率良く解砕することができる。In a configuration in which the reaction vessel is installed so that its bottom surface is parallel to the horizontal plane, the rotation axis extending perpendicular to the cross section of the reaction vessel is also arranged perpendicular to the horizontal plane, i.e., vertically. Therefore, the angle between the rotation axis and the horizontal plane is equivalent to 90 degrees. In this case, the direction of gravity on the raw material is approximately the same for the entire raw material during rotation, so the raw material can be made to flow homogeneously. In addition, clumps of particles that are agglomerated together are heavier than particles that are not agglomerated, so they settle during stirring and come into contact with the stirring blades located below. This allows the particle clumps to be efficiently broken down.
また、本実施形態は、反応容器を水平面上に配置する形態に限られない。反応容器を傾けて撹拌翼の回転軸と水平面のなす角度が90度未満の場合であっても、撹拌手段の回転軸が反応容器の断面に対して垂直方向を保持されているので、撹拌翼は、反応容器の内面との間で一定の離隔距離が維持されて回転する。そのため、原料の全体を均質に流動させるのに必要な撹拌作用が得られる。また、原料に対する重力の向きは、回転途中において大きく変わらないので、粒子の塊が下方へ沈降して撹拌翼によって解砕され、良好な撹拌効率が維持される。他方、反応容器を傾ける角度が過大であると、原料の粒子層の外に撹拌翼が飛び出る割合が増加して、原料が撹拌翼に接触する割合が減るため、撹拌効率の低下を招く。以上のことから、撹拌翼の回転軸と水平面とのなす角度は、60度以上90度以下であることが好ましい。角度の下限は、70度以上または80度以上であってもよい。 In addition, this embodiment is not limited to the form in which the reaction vessel is placed on a horizontal plane. Even if the reaction vessel is tilted so that the angle between the rotation axis of the agitator and the horizontal plane is less than 90 degrees, the rotation axis of the agitator means is held perpendicular to the cross section of the reaction vessel, so the agitator rotates while maintaining a certain distance between the inner surface of the reaction vessel. Therefore, the agitation action required to homogeneously flow the entire raw material is obtained. In addition, since the direction of gravity on the raw material does not change significantly during rotation, the lumps of particles settle downward and are broken down by the agitator, and good agitation efficiency is maintained. On the other hand, if the angle at which the reaction vessel is tilted is too large, the proportion of the agitator protruding outside the particle layer of the raw material increases, and the proportion of the raw material that comes into contact with the agitator decreases, resulting in a decrease in agitation efficiency. From the above, it is preferable that the angle between the rotation axis of the agitator and the horizontal plane is 60 degrees or more and 90 degrees or less. The lower limit of the angle may be 70 degrees or more or 80 degrees or more.
また、撹拌翼による撹拌手段を補助する手段として、回転軸に複数枚のチョッパー羽根が取り付けたチョッパー3を反応器の側面に付帯してもよい。前記チョッパー3とは、回転軸301に直交して複数枚のチョッパー羽根302が取り付けられた構造を備えた撹拌手段である。駆動手段であるモーター303によって回転軸301及びチョッパー羽根302が回転する。チョッパー羽根302の回転によって、原料10を撹拌したり、粒子の塊を解砕したりする作用を有しているので、撹拌翼202による撹拌手段2を補助するために付帯することができる。チョッパーは凝集した粒子の解砕に有効である。
In addition, as a means to supplement the stirring means using the stirring blades, a
<酸化処理手段>
本実施形態に係る製造方法は、撹拌手段により原料を撹拌しながら、前記反応容器の中へ酸化性ガスを導入して、前記有機物粒子の酸化処理を行うことを含む。この酸化処理は、前記有機物粒子を不融化し炭素前駆体粒子を得るための処理である。有機物粒子の酸化によって、軟化温度及び融点が高い炭素前駆体粒子が得られる。このような炭素前駆体粒子を用いて、その後の熱処理を行って炭素質材料を製造する際、当該粒子の軟化及び溶融が抑制されるので、構造の制御された炭素質材料を得ることができる。この不融化処理においては、酸化反応によって有機物に取り込まれた酸素原子が有機物の分子同士を架橋する働きをする。そこで、酸化処理が施された炭素前駆体粒子の酸素含有量を測定して、架橋された程度を評価することができる。なお、本明細書では、この酸化処理を「不融化処理」ということもある。
<Oxidation Treatment Means>
The manufacturing method according to the present embodiment includes introducing an oxidizing gas into the reaction vessel while stirring the raw material with a stirring means, and performing an oxidation treatment of the organic particles. This oxidation treatment is a treatment for infusible the organic particles to obtain carbon precursor particles. By oxidizing the organic particles, carbon precursor particles having a high softening temperature and melting point can be obtained. When using such carbon precursor particles to produce a carbonaceous material by subsequent heat treatment, the softening and melting of the particles are suppressed, so that a carbonaceous material with a controlled structure can be obtained. In this infusible treatment, oxygen atoms taken into the organic material by the oxidation reaction act to crosslink the molecules of the organic material. Therefore, the oxygen content of the carbon precursor particles that have been subjected to the oxidation treatment can be measured to evaluate the degree of crosslinking. In this specification, this oxidation treatment is sometimes referred to as "infusible treatment".
酸化性ガスは、反応容器に設けたガス導入口を通じて反応容器の中の原料へ供給される。図1に示すように、酸化性ガス11を原料10と効率良く接触させるため、ガス導入口108は、反応容器1の底壁104に設けることが好ましい。ガス導入口108を複数個所に設置してもよく、また、ガス分散板や分散管(スパージャー)などのガス分散装置(図示を省略)を反応容器の底面102の上に設置し、前記ガス分散装置を通して酸化性ガス11を原料に供給してもよい。当該ガス分散装置を設置する場合は、ガス分散装置と撹拌翼の下端部205の表面とが接触しないように、両者を離隔させる必要がある。反応容器1の形状や構造に応じて、ガス導入口108を反応容器の側壁103に設けてもよい。原料の有機物粒子は、撹拌されながら酸化性ガスと接触するので、粒子個々に均質に酸化処理が施される。The oxidizing gas is supplied to the raw material in the reaction vessel through a gas inlet provided in the reaction vessel. As shown in FIG. 1, in order to efficiently contact the oxidizing
なお、酸化処理を終了するときは、酸化性ガス11の導入を停止し、ガス導入口108から窒素ガス等の非酸化性ガス12を導入する。加熱用媒体の供給口109より冷却した加熱用媒体を導入し、反応容器を含む製造装置及び被処理物を冷却する。When the oxidation process is to be completed, the introduction of the oxidizing
酸化性ガスの種類は、酸素を含むガスであれば、特に限定されない。例えば、空気を用いることができる。さらに、酸素ガスを空気、不活性ガス(例えば、窒素ガス、希ガス)等で希釈して用いることができる。The type of oxidizing gas is not particularly limited as long as it is a gas containing oxygen. For example, air can be used. Furthermore, oxygen gas can be diluted with air, an inert gas (e.g., nitrogen gas, a rare gas), etc.
本実施形態に係る酸化処理における酸化反応は、酸化性ガス中の酸素ガスの導入量によって律速される傾向にある。酸素ガスの導入量は、酸化性ガス中の酸素ガス濃度と酸化性ガス導入量との積で表される。酸素ガス濃度が低いと、原料の反応系内に導入される単位時間当たりの酸素ガス量が減少し、処理時間が長くなるので好ましくない。また、酸素ガス濃度が低いと、連鎖的な酸化反応を維持するのに必要な発熱が得られなくなるので、原料を外部から補助的に加熱する必要も生じる。そのため、酸化性ガス中の酸素ガス濃度は、10体積%以上、18体積%以上、または25体積%以上が好ましい。一方、酸素ガス濃度が高すぎると、原料内で部分的に酸化反応が進行し、燃焼あるいは不均一な反応が起きる恐れがあるので好ましくない。そのため、酸素ガス濃度は、90体積%以下、80体積%以下、または70体積%以下が好ましい。The oxidation reaction in the oxidation treatment according to this embodiment tends to be rate-limited by the amount of oxygen gas introduced in the oxidizing gas. The amount of oxygen gas introduced is expressed as the product of the oxygen gas concentration in the oxidizing gas and the amount of oxidizing gas introduced. If the oxygen gas concentration is low, the amount of oxygen gas introduced into the raw material reaction system per unit time decreases, and the treatment time becomes longer, which is not preferable. Also, if the oxygen gas concentration is low, the heat required to maintain the chain oxidation reaction cannot be obtained, so it becomes necessary to heat the raw material from the outside as an auxiliary. Therefore, the oxygen gas concentration in the oxidizing gas is preferably 10% by volume or more, 18% by volume or more, or 25% by volume or more. On the other hand, if the oxygen gas concentration is too high, the oxidation reaction may proceed partially in the raw material, causing combustion or a non-uniform reaction, which is not preferable. Therefore, the oxygen gas concentration is preferably 90% by volume or less, 80% by volume or less, or 70% by volume or less.
酸化性ガスの導入量は、酸素ガスの導入量、原料の装入量や酸化処理を行う時間などに応じて適宜に選択できる。酸素ガスの導入量が過小であると、処理時間が増加して処理効率が低下する。他方、酸化性ガスの導入量が過大であると、原料の有機物粒子が飛散してバグフィルターに捕集される割合が増加し、酸化された炭素前駆体粒子の回収率が低下する。例えば、原料の有機物粒子1kg当たりの酸化性ガス導入量は、15~500NL/kg/hの範囲で導入量を調整することができる。The amount of oxidizing gas introduced can be appropriately selected depending on the amount of oxygen gas introduced, the amount of raw material charged, the time for oxidation treatment, etc. If the amount of oxygen gas introduced is too small, the treatment time increases and the treatment efficiency decreases. On the other hand, if the amount of oxidizing gas introduced is too large, the proportion of organic particles in the raw material that are scattered and captured in the bag filter increases, and the recovery rate of oxidized carbon precursor particles decreases. For example, the amount of oxidizing gas introduced per 1 kg of organic particles in the raw material can be adjusted in the range of 15 to 500 NL/kg/h.
<温度制御>
上述したように、反応容器の中に蓄えられた原料の有機物粒子は、導入された酸化性ガスにより酸化処理が施される。酸化反応を効率的に進行させるために、原料の有機物粒子を一定以上の高温の温度範囲において処理することが好ましい。そのため、所定の温度範囲まで原料を昇温させる必要がある。そして、原料が所定の温度範囲へ到達した後は、原料内の自己発熱を伴って酸化反応が進行することから、所定温度を下回るときを除いて外部から補助的に加熱をしなくてもよい。
<Temperature control>
As described above, the organic particles of the raw material stored in the reaction vessel are oxidized by the introduced oxidizing gas. In order to efficiently proceed with the oxidation reaction, it is preferable to treat the organic particles of the raw material in a high temperature range above a certain level. Therefore, it is necessary to heat the raw material to a predetermined temperature range. After the raw material reaches the predetermined temperature range, the oxidation reaction proceeds with the self-heating of the raw material, so there is no need to apply auxiliary heating from the outside except when the temperature falls below the predetermined temperature.
他方で、酸化反応により自己発熱して原料の粒子層内に蓄熱されることにより、粒子層内の温度が上昇する。その温度が過度に高いと、酸化反応が激しく進行し、更なる酸化発熱を引き起こして温度が上昇するという熱暴走に至る可能性がある。On the other hand, the oxidation reaction generates heat and accumulates it in the raw material particle layer, causing the temperature in the particle layer to rise. If the temperature is excessively high, the oxidation reaction will proceed vigorously, which may lead to thermal runaway, causing further oxidation heat generation and a rise in temperature.
また、酸化処理中の有機物粒子は、酸化反応により融点が上昇し、高温の酸化反応においても軟化・溶融することなく不融化を進行させることができる。しかし、酸化反応が不十分な状態で有機物粒子を高温にさらすと、当該粒子の一部が溶融し、粒子同士の融着が生じる場合がある。融着した粒子は、粒子径が大きいため、接触した酸化性ガスの酸素が当該粒子の内部まで十分に拡散しないので、酸化による不融化が十分に行われず、粒子の軟化温度及び融点が低いレベルにある。そのため、炭素質材料を製造する焼成工程において、当該粒子を焼成した場合、軟化及び溶融が起きて、均質な炭素質材料の形成が困難である。In addition, the melting point of organic particles during oxidation treatment increases due to the oxidation reaction, and they can proceed to become infusible without softening or melting even in high-temperature oxidation reactions. However, if organic particles are exposed to high temperatures when the oxidation reaction is insufficient, some of the particles may melt and fuse together. Fused particles have a large particle size, so the oxygen of the oxidizing gas that comes into contact with them does not diffuse sufficiently to the inside of the particles, and infusibility by oxidation does not occur sufficiently, and the softening temperature and melting point of the particles are at low levels. Therefore, when the particles are fired in the firing process for producing a carbonaceous material, softening and melting occur, making it difficult to form a homogeneous carbonaceous material.
以上の観点から、本実施形態に係る製造方法は、酸化処理において、反応容器の中に蓄えられた原料を150℃以上の温度で処理するとともに、最高到達温度が180~350℃であるように温度を制御することが好ましい。酸化処理中の原料は、150℃以上の温度範囲に加熱されて酸化処理される。上記の「最高到達温度」は、加熱される前記温度のうち最高値を指す。酸化処理中の原料が150℃未満で処理されたり、最高到達温度が180℃未満であったりすると、酸化反応に時間が掛かり、処理効率が低下する。処理時間によっては、粒子が十分に酸化されず、不融化の足りない炭素前駆体粒子が形成される。From the above viewpoints, in the manufacturing method according to this embodiment, it is preferable that in the oxidation treatment, the raw materials stored in the reaction vessel are treated at a temperature of 150°C or higher, and the temperature is controlled so that the maximum temperature reached is 180 to 350°C. The raw materials during the oxidation treatment are heated to a temperature range of 150°C or higher and oxidized. The above "maximum temperature reached" refers to the highest of the temperatures to which the raw materials are heated. If the raw materials during the oxidation treatment are treated at less than 150°C or the maximum temperature reached is less than 180°C, the oxidation reaction takes time and the treatment efficiency decreases. Depending on the treatment time, the particles are not sufficiently oxidized, and carbon precursor particles that are not sufficiently infusible are formed.
他方、原料の温度が350℃を超えると、酸化消耗が過大となり、酸化処理の収率が減少する。さらに粒子の酸化が急激に進むと燃焼する恐れがある。そのため、経済的に不利であり、安全性な酸化処理が困難になる恐れがある。On the other hand, if the temperature of the raw material exceeds 350°C, the oxidation consumption becomes excessive, and the yield of the oxidation process decreases. Furthermore, if the oxidation of the particles progresses too rapidly, there is a risk of combustion. Therefore, it is economically disadvantageous and there is a risk that it may become difficult to carry out the oxidation process safely.
原料を加熱する方法としては、反応容器の内面からの加熱や系内への投入ガスの加熱により原料を加熱することができる。それに加えて、原料の酸化発熱が原料の温度上昇に寄与する。そのため、反応容器の外部から原料を加熱する場合、その外部加熱と原料の酸化による発熱との両者を調整しながら、原料を所定温度範囲に保持することが好ましい。 The raw materials can be heated from the inside of the reaction vessel or by heating the gas fed into the system. In addition, heat generated by the oxidation of the raw materials contributes to an increase in the temperature of the raw materials. Therefore, when heating the raw materials from outside the reaction vessel, it is preferable to maintain the raw materials within a specified temperature range while adjusting both the external heating and the heat generated by the oxidation of the raw materials.
また、原料の過熱を防止して温度を制御するため、原料の酸化反応を進行させつつ、系内を冷却することが好ましい。その冷却方法としては、例えば、原料へ散水して、水の蒸発潜熱で冷却することが挙げられる。なお、酸化処理が終了した後は、酸化性ガスに代えて、非酸化性ガスを導入して原料を冷却する方法が用いられる。非酸化性ガスとしては、窒素ガスや不活性ガスを使用できる。 In order to prevent the raw materials from overheating and to control the temperature, it is preferable to cool the system while the oxidation reaction of the raw materials is proceeding. One cooling method is, for example, spraying water on the raw materials and cooling them with the latent heat of vaporization of the water. After the oxidation process is completed, a method is used in which a non-oxidizing gas is introduced instead of the oxidizing gas to cool the raw materials. Nitrogen gas or an inert gas can be used as the non-oxidizing gas.
酸化処理における温度制御の一例を説明する。反応容器に原料を装入した後、撹拌しながら、酸化性ガスを導入する。反応容器内の原料は、外部加熱と酸化発熱によって昇温する。その際、外部加熱による温度(以下、「外部温度」ということもある。)と、原料の温度(以下、「内部温度」ということもある。)を監視する。内部温度は、外部加熱に酸化発熱が加わるので、外部温度よりも高くすることができる。An example of temperature control in oxidation treatment is described below. After the raw materials are loaded into the reaction vessel, oxidizing gas is introduced while stirring. The raw materials in the reaction vessel are heated by external heating and oxidation heat. During this process, the temperature due to the external heating (hereinafter sometimes referred to as the "external temperature") and the temperature of the raw materials (hereinafter sometimes referred to as the "internal temperature") are monitored. The internal temperature can be made higher than the external temperature because oxidation heat is added to the external heating.
まず、外部温度を所定の温度(例えば、160℃)まで上昇させた後、外部温度を前記所定の温度で保持する。内部温度が上昇し、外部温度よりも低い温度で一定となる。次に、外部温度をさらに上昇(例えば、10℃上昇)させた後、保持する。外部温度よりも内部温度が低い温度で保持されている期間において、このような温度保持操作を繰り返す。原料の酸化反応が進行し、酸化発熱が大きくなり、内部温度が外部温度を超える段階においては、散水して原料を冷却しながら、外部温度と内部温度との温度差が一定の範囲(例えば、10℃)を超えないように内部温度を保持する。その保持温度における酸化発熱が減少した後、再び、外部温度をさらに所定の温度(例えば、10℃)ほど上昇させる。そして、上記の操作と同様に、温度差が一定の範囲を超えないように原料を冷却しながら内部温度を保持する。このような温度保持操作を繰り返して、所定の最高到達温度(例えば、240℃)において酸化発熱が終了するまで当該温度を保持する。冷却のための散水をしなくても内部温度が一定に保持され、さらに内部温度が外部温度よりも低くなることにより、酸化発熱の終了を確認することができる。外部温度の昇温は、前記のように段階的に行っても、或いは連続的に昇温しても良い。酸化発熱は、外部温度と内部温度の温度差から知ることができる。First, the external temperature is raised to a predetermined temperature (e.g., 160°C), and then the external temperature is maintained at the predetermined temperature. The internal temperature rises and becomes constant at a temperature lower than the external temperature. Next, the external temperature is further raised (e.g., by 10°C) and then maintained. This temperature maintenance operation is repeated during the period in which the internal temperature is maintained at a temperature lower than the external temperature. When the oxidation reaction of the raw material progresses, the oxidation heat generation increases, and the internal temperature exceeds the external temperature, the internal temperature is maintained so that the temperature difference between the external temperature and the internal temperature does not exceed a certain range (e.g., 10°C) while cooling the raw material by spraying water. After the oxidation heat generation at the maintained temperature decreases, the external temperature is again raised to a further predetermined temperature (e.g., 10°C). Then, similar to the above operation, the internal temperature is maintained while cooling the raw material so that the temperature difference does not exceed a certain range. This temperature maintenance operation is repeated, and the temperature is maintained until the oxidation heat generation ends at a predetermined maximum reached temperature (e.g., 240°C). The internal temperature is kept constant without the need for water spraying for cooling, and the end of the oxidation heat generation can be confirmed when the internal temperature becomes lower than the external temperature. The external temperature may be raised stepwise as described above, or may be raised continuously. The oxidation heat generation can be known from the temperature difference between the external and internal temperatures.
最高到達温度における酸化発熱が終了した後、外部加熱を停止するとともに、酸化性ガスの導入を停止する。次いで、反応容器内へ窒素ガス等の非酸化性ガスを導入して、原料を放冷した後、反応容器から排出し、炭素前駆体粒子を回収する。After the oxidation heat generation at the maximum temperature is completed, external heating is stopped and the introduction of the oxidizing gas is stopped. Next, a non-oxidizing gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, and the raw materials are allowed to cool, then discharged from the reaction vessel and the carbon precursor particles are recovered.
反応時間は、特に限定されない。処理する原料の量に応じて適宜設定することができる。所定の最高到達温度に保持して、酸化発熱が終了する時間まで酸化反応を進め、その最高到達温度を制御することにより、有機物粒子の酸化度合を制御することができる。The reaction time is not particularly limited. It can be set appropriately depending on the amount of raw material to be treated. The oxidation reaction is continued until the oxidation heat ends by maintaining the temperature at a predetermined maximum temperature, and the degree of oxidation of the organic particles can be controlled by controlling the maximum temperature.
<製造装置の加熱手段>
図1に示す製造装置の例は、さらに、加熱用媒体の供給口109及び排出口111、を備える。加熱用媒体15(以下、「熱媒」ともいう。)による加熱方法は、反応容器1の側壁103及び底壁104から原料10を加熱する外部加熱の一例である。反応容器1の側壁103及び底壁104に面して熱媒の流通路110が設置されており、当該流通路110の熱媒供給口109から所定温度の熱媒15が供給され、熱媒排出口111から排出される。側壁103及び底壁104を介して、熱媒15からの伝熱により反応容器内の原料10が加熱される。なお、熱媒の流通路110は、側壁103あるいは底壁104の一方だけに付設してもよい。加熱用媒体としては、外部加熱の温度において利用可能な熱媒であれば、とくに限定されない。鉱油系、合成系、無機系などの熱媒を使用できる。適用温度範囲の観点から合成系熱媒が好ましく使用できる。熱媒の供給量や供給速度によって原料の温度を制御することができる。
<Heating means of the manufacturing equipment>
The example of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1 further includes a
また、図1に示すように、熱媒15による外部温度を測定するため、熱媒排出口111に通じる配管に第1の温度測定器8が設置されている。原料の内部温度を測定するため、第2の温度測定器7が反応容器1の側壁103を貫通して原料10内へ挿入されている。
As shown in FIG. 1, a first temperature measuring device 8 is installed in the pipe leading to the
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<原料の冷却手段>
製造装置には、冷却水供給機4が付帯されている。スプレーノズル401は、反応容器1内の上方付近に配置されている。反応容器1内の原料10の過熱を防止するため、反応容器外に設置した貯蔵容器404に貯蔵された冷却水13が、配管402によりスプレーノズル401へ供給され、スプレーノズル401を介して原料10へ散布される。冷却水を供給する制御方法の一例としては、図1に示すように、重量計403で貯蔵容器404内の冷却水13の変動を監視しながら、圧力測定器405により調整された加圧用空気406を貯蔵容器404内へ導入し、冷却水面を押圧して必要な量の冷却水13をスプレーノズル401へ供給することができる。
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<Method of cooling raw materials>
The manufacturing apparatus is equipped with a cooling
<飛散した原料の回収手段、及び排ガスの酸素濃度測定手段>
製造装置には、バグフィルター5が付帯されており、当該バグフィルター5は、反応容器1内のガスを排出するガス排出配管6の途中に設置されている。さらに当該バグフィルター5の下流側には、逆洗用空気14の導入管が設置され、排ガス16の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器9が設置されている。撹拌中に原料10の粒子層から上方へ飛散した粉末は、当該バグフィルター5によって捕集される。上記の逆洗用空気14をバグフィルター5へ流すことにより、捕集された粉末は、反応容器1内へ戻して再使用することができる。また、上記の酸素濃度測定器9により排ガス16の酸素濃度が測定される。前記酸素濃度は、酸化反応で消費された残留酸素濃度に相当する。残留酸素濃度を検出することにより、酸化反応量を知ることができる。内部温度が高い状態で前記残留酸素濃度が高くなると、粉塵爆発の恐れがあるので好ましくない。具体的には、内部温度が200℃以上の温度における前記排ガス中の酸素濃度は、10体積%以下が好ましく、より好ましくは5体積%以下、さらに好ましくは3体積%以下である。
<Means for recovering scattered raw materials and means for measuring oxygen concentration in exhaust gas>
The manufacturing apparatus is provided with a
<反応容器の支持手段>
反応容器1は、支持台112の上に配置する構造にしてもよい。この配置構造とすることにより、反応容器1の下方側に撹拌手段2を設置する空間が形成される。
<Supporting means for reaction vessel>
The reaction vessel 1 may be structured to be placed on a
<炭素前駆体粒子>
本実施形態に係る製造方法によって得られる炭素前駆体粒子は、難黒鉛化性炭素前駆体粒子であることが好ましい。難黒鉛化性炭素前駆体粒子とは、当該難黒鉛化性炭素前駆体粒子を窒素ガス雰囲気中1100℃で1時間熱処理したときに得られる炭素質材料の真密度が、1.70g/cm3以下であることによって特定されるものである。難黒鉛化性炭素前駆体は、熱処理により難黒鉛化性炭素質材料を提供し、高い放電容量を有する二次電池負極用炭素質材料を提供する。なお、本明細書に記載された「炭素質材料の真密度」は、ブタノール法によって求められた真密度を意味する。
<Carbon precursor particles>
The carbon precursor particles obtained by the manufacturing method according to the present embodiment are preferably non-graphitizable carbon precursor particles. The non-graphitizable carbon precursor particles are specified by the fact that the true density of the carbonaceous material obtained when the non-graphitizable carbon precursor particles are heat-treated in a nitrogen gas atmosphere at 1100°C for 1 hour is 1.70 g/cm3 or less . The non-graphitizable carbon precursor provides a non-graphitizable carbonaceous material by heat treatment, and provides a carbonaceous material for secondary battery negative electrodes having a high discharge capacity. Note that the "true density of the carbonaceous material" described in this specification means the true density determined by the butanol method.
本実施形態に係る製造方法によって得られる炭素前駆体粒子は、その酸素含有量は、本発明の効果が得られる限りにおいて、特に限定されない。酸化処理は、有機物粒子を不融化して炭素前駆体粒子を得ることにある。酸素含有量が3重量%未満であると、不融化処理が十分でないため、炭素前駆体粒子を熱処理して炭素質材料を製造する際、粒子の軟化や融着が起きる恐れがある。その結果、炭素質材料の真密度が変動するなど品質の低下を招くので、酸素含有量は、好ましくは3重量%以上であり、さらに好ましくは7重量%以上である。7重量%以上であると、より均一な難黒鉛化性炭素質材料を形成することができ、また、酸素架橋によって炭素化時の分解が抑制されて炭素化収率の向上に寄与する。The oxygen content of the carbon precursor particles obtained by the manufacturing method according to this embodiment is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained. The oxidation treatment is to make the organic particles infusible to obtain the carbon precursor particles. If the oxygen content is less than 3% by weight, the infusibility treatment is insufficient, and when the carbon precursor particles are heat-treated to produce a carbonaceous material, the particles may soften or fuse. As a result, the true density of the carbonaceous material may fluctuate, leading to a decrease in quality. Therefore, the oxygen content is preferably 3% by weight or more, more preferably 7% by weight or more. If the oxygen content is 7% by weight or more, a more uniform non-graphitizable carbonaceous material can be formed, and decomposition during carbonization is suppressed by oxygen crosslinking, contributing to an improvement in the carbonization yield.
<負極用炭素質材料>
本実施形態に係る製造方法によって得られる炭素前駆体粒子は、非酸化性ガス雰囲気中の1000~1400℃の温度で本焼成する工程を含む二次電池負極用炭素質材料の製造方法に適用することが好ましく、より好ましい本焼成温度は1050~1350℃、さらに好ましくは1100~1300℃である。当該熱処理する工程には焼成する工程が含まれる。焼成工程は、前記炭素前駆体粒子を、(a)非酸化性ガス雰囲気中において、1000~1400℃で本焼成すること、又は、(b)非酸化性ガス雰囲気中において400~1000℃未満で予備焼成し、そして非酸化性ガス雰囲気中において、1000~1400℃で本焼成することを含む。本実施形態に係る二次電池負極用炭素質材料を得るための焼成工程においては、前記(b)の操作に従い、予備焼成を行い、次いで本焼成を行ってもよく、前記(a)の操作に従い、予備焼成を行わずに本焼成を行ってもよい。また、本焼成後に炭化水素ガスを含有する非酸化性ガス雰囲気中で熱処理し、熱分解炭素で被覆する工程を含んでも良い。
<Carbonaceous material for negative electrode>
The carbon precursor particles obtained by the manufacturing method according to this embodiment are preferably applied to a manufacturing method of a carbonaceous material for a secondary battery negative electrode, which includes a step of main-calcining at a temperature of 1000 to 1400 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere, and the main-calcining temperature is more preferably 1050 to 1350 ° C., and even more preferably 1100 to 1300 ° C. The heat treatment step includes a calcination step. The calcination step includes (a) main-calcining the carbon precursor particles in a non-oxidizing gas atmosphere at 1000 to 1400 ° C., or (b) pre-calcining the carbon precursor particles in a non-oxidizing gas atmosphere at 400 to less than 1000 ° C., and then main-calcining in a non-oxidizing gas atmosphere at 1000 to 1400 ° C. In the calcination step for obtaining the carbonaceous material for a secondary battery negative electrode according to this embodiment, pre-calcination may be performed according to the operation (b) above, and then main calcination may be performed, or main calcination may be performed according to the operation (a) above without performing pre-calcination. The method may further include a step of performing heat treatment in a non-oxidizing gas atmosphere containing a hydrocarbon gas after the main sintering and coating with pyrolytic carbon.
二次電池負極用炭素質材料の製造方法は、炭素前駆体粒子を焼成する工程の前に、炭素前駆体粒子にアルカリ金属化合物を添着してもよい。アルカリ金属化合物の添着により、高い充放電容量を示す炭素質材料が得られる。アルカリ金属元素としてはナトリウムが好ましい。アルカリ金属元素は、金属の状態で炭素質前駆体に添着してもよい。水酸化物、炭酸塩、炭酸水素塩、又はハロゲン化合物などアルカリ金属元素を含む化合物として添着してもよい。アルカリ金属化合物としては、限定されるものではない。浸透性が高く、炭素質前駆体に均一に含浸できるため、水酸化物、又は炭酸塩が好ましく、特に水酸化物が好ましい。In the method for producing a carbonaceous material for a secondary battery negative electrode, an alkali metal compound may be impregnated to the carbon precursor particles before the step of calcining the carbon precursor particles. By impregnating the alkali metal compound, a carbonaceous material exhibiting a high charge/discharge capacity is obtained. The alkali metal element is preferably sodium. The alkali metal element may be impregnated to the carbonaceous precursor in a metallic state. It may be impregnated as a compound containing an alkali metal element, such as a hydroxide, carbonate, hydrogen carbonate, or a halogen compound. The alkali metal compound is not limited. Hydroxides or carbonates are preferred because they have high permeability and can be uniformly impregnated into the carbonaceous precursor, and hydroxides are particularly preferred.
本実施形態に係る炭素前駆体粒子を窒素ガス雰囲気中1100℃で1時間熱処理したときに得られる炭素質材料の真密度の上限は、1.70g/cm3以下であることが好ましく、1.65g/cm3以下、1.60g/cm3以下でもよい。炭素前駆体粒子を窒素ガス雰囲気中1100℃で1時間熱処理したときに得られる炭素質材料の真密度の下限は、1.40g/cm3以上があることが好ましく、1.45g/cm3以上、1.50g/cm3以上でもよい。 The upper limit of the true density of the carbonaceous material obtained when the carbon precursor particles according to this embodiment are heat-treated in a nitrogen gas atmosphere at 1100° C. for 1 hour is preferably 1.70 g/cm 3 or less, and may be 1.65 g/cm 3 or less, or 1.60 g/cm 3 or less. The lower limit of the true density of the carbonaceous material obtained when the carbon precursor particles are heat-treated in a nitrogen gas atmosphere at 1100° C. for 1 hour is preferably 1.40 g/cm 3 or more, and may be 1.45 g/cm 3 or more, or 1.50 g/cm 3 or more.
以下に実施例を挙げて、本発明についてさらに詳細に説明する。本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。The present invention will be described in more detail below with reference to the following examples. The present invention is not limited to these examples.
本実施例で使用された有機物粒子の平均粒子径及び軟化点の測定方法を以下に説明する。当該製造方法によって得られた炭素前駆体粒子は、その物性として、融着の有無、酸素含有量及びブタノール法による真密度によって評価した。それらの測定方法を以下に説明する。炭素前駆体粒子における融着の有無は、目視によって観察した。The methods for measuring the average particle size and softening point of the organic particles used in this example are described below. The physical properties of the carbon precursor particles obtained by this manufacturing method were evaluated in terms of the presence or absence of fusion, the oxygen content, and the true density by the butanol method. The methods for measuring these are described below. The presence or absence of fusion in the carbon precursor particles was observed visually.
<平均粒子径>
試料約0.1gに対し、分散剤(サンノプコ株式会社製のカチオン系界面活性剤「SNウェット366」)を3滴加え、試料に分散剤を馴染ませた。次に、純水30mLを加え、超音波洗浄機で約2分間分散させた後、粒径分布測定器(マイクロトラック・ベル株式会社製の「マイクロトラックMT3300II」)により、粒径0.02~2000μmの範囲の粒径分布を求めた。得られた粒径分布に基づいて累積容積が50%となる平均粒子径DV50(μm)を得た。
<Average particle size>
Three drops of a dispersant (a cationic surfactant "SN Wet 366" manufactured by San Nopco Ltd.) were added to approximately 0.1 g of the sample, and the dispersant was allowed to penetrate into the sample. Next, 30 mL of pure water was added, and the sample was dispersed in an ultrasonic cleaner for approximately 2 minutes. The particle size distribution in the particle size range of 0.02 to 2000 μm was then determined using a particle size distribution measuring device ("Microtrac MT3300II" manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.). Based on the obtained particle size distribution, the average particle size D V50 (μm) at which the cumulative volume reached 50% was obtained.
<軟化点>
目開き150μmの篩を通過した試料1.0gをフローテスター(株式会社島津製作所製の「CFT-500EX」)に仕込み、昇温速度6.0℃/min、試料荷重圧0.98MPa、ダイ穴径1.0mm、ダイの長さ1.0mmの条件で軟化点(℃)を測定した。
<Softening point>
1.0 g of the sample that had passed through a sieve with 150 μm openings was placed in a flow tester ("CFT-500EX" manufactured by Shimadzu Corporation), and the softening point (°C) was measured under the conditions of a temperature rise rate of 6.0°C/min, a sample load pressure of 0.98 MPa, a die hole diameter of 1.0 mm, and a die length of 1.0 mm.
<酸素含有量>
JIS M8819に定められた方法に準拠して測定した。CHNアナライザーによる元素分析により得られる試料中の炭素、水素、窒素の質量百分率を100から差引き、これを酸素含有量(重量%(wt%))とした。
<Oxygen content>
The measurement was performed in accordance with the method specified in JIS M 8819. The mass percentages of carbon, hydrogen, and nitrogen in the sample obtained by elemental analysis using a CHN analyzer were subtracted from 100 to obtain the oxygen content (weight % (wt %)).
<ブタノール法による真密度>
日本産業規格JIS R7222:2017に定められた方法に準拠し、ブタノールを用いて真密度(g/cm3)を測定した。
<True density by butanol method>
The true density (g/cm 3 ) was measured using butanol in accordance with the method defined in Japanese Industrial Standard JIS R7222:2017.
(実施例1)
反応容器として、図1に示す製造装置を用いて不融化のための酸化処理を行った。当該製造装置は、直径600mm、内容積100Lである円筒状の反応容器を備えている。さらに、上述したように、撹拌翼とチョッパーを備え、外部加熱手段を付属している。
Example 1
The oxidation treatment for infusibility was carried out using the production apparatus shown in Fig. 1 as a reaction vessel. The production apparatus is equipped with a cylindrical reaction vessel having a diameter of 600 mm and an internal volume of 100 L. Furthermore, as described above, it is equipped with a stirring blade and a chopper, and is also equipped with an external heating means.
まず、軟化点205℃、平均粒子径20μmの石油ピッチ30kgを前記製造装置の反応容器内に入れた後、撹拌翼を200rpm、チョッパーを1500rpmでそれぞれ回転させるとともに、酸化性ガスとして空気を2000NL/h(67NL/kg/h)の流量で反応容器底面のガス導入口から原料内へ導入した。当該流量の単位「NL/h」は、1時間当たりのノルマルリットルを意味し、括弧で付記した単位「NL/kg/h」の数値は、原料1kg当たりで示した流量を意味する。飛散した粉体は、バグフィルターで捕集し、原料に戻した。外部温度を160℃まで昇温し、酸化発熱によって外部温度と内部温度との温度差が10℃を超えないように原料へ散水して冷却しながら、原料の温度を保持した。その保持温度における酸化発熱が停止した後、外部温度を10℃昇温させて、前記の保持操作と同様に、原料の温度保持操作を繰り返した。そして、最高到達温度の240℃に到達して酸化発熱が終了するまでその温度を保持した。その後、空気の導入を停止し、外部加熱を停止した。First, 30 kg of petroleum pitch with a softening point of 205°C and an average particle size of 20 μm was placed in the reaction vessel of the manufacturing equipment, and then the stirring blade was rotated at 200 rpm and the chopper at 1500 rpm, while air was introduced into the raw material as an oxidizing gas at a flow rate of 2000 NL/h (67 NL/kg/h) from the gas inlet at the bottom of the reaction vessel. The unit of the flow rate "NL/h" means normal liters per hour, and the unit "NL/kg/h" in parentheses means the flow rate per 1 kg of raw material. The scattered powder was collected with a bag filter and returned to the raw material. The external temperature was raised to 160°C, and the raw material was cooled by spraying water on it so that the temperature difference between the external temperature and the internal temperature did not exceed 10°C due to oxidation heat generation, while the temperature of the raw material was maintained. After the oxidation heat generation at the maintained temperature stopped, the external temperature was raised by 10°C, and the temperature maintenance operation of the raw material was repeated in the same manner as the above-mentioned maintenance operation. The temperature was then maintained until it reached the maximum temperature of 240° C. and the heat generated by oxidation was terminated. Thereafter, the introduction of air was stopped and external heating was stopped.
次いで、原料へ窒素ガスを導入して放冷した後、炭素前駆体粒子を回収した。内部温度が150℃を超えてから最高到達温度240℃における酸化発熱が終了するまでの時間(以下、「反応時間」という。)は、14時間であった。また、排ガス中の残留酸素濃度は、2.0体積%(vol%)以下であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は、観察されなかった。窒素雰囲気下1100℃の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。Nitrogen gas was then introduced into the raw material, which was allowed to cool, and the carbon precursor particles were then recovered. The time from when the internal temperature exceeded 150°C to when the oxidation heat generation at the maximum temperature of 240°C ended (hereinafter referred to as the "reaction time") was 14 hours. The residual oxygen concentration in the exhaust gas was 2.0 volume% (vol%) or less. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed. There was no softening or melting due to the heat treatment at 1100°C in a nitrogen atmosphere. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(実施例2)
最高到達温度を200℃としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子を得た。反応時間は5時間であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されず、その後の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1示す。
Example 2
Carbon precursor particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature was 200° C. The reaction time was 5 hours. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, and the particles did not soften or melt due to the subsequent heat treatment. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(実施例3)
最高到達温度を260℃としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子を得た。反応時間は18時間であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されず、その後の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
Example 3
Carbon precursor particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature was 260° C. The reaction time was 18 hours. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, and the particles did not soften or melt due to the subsequent heat treatment. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(実施例4)
酸化性ガスとして、空気に酸素ガスを混合した酸素含有率30体積%(vol%)の混合ガスを用いたこと、最高到達温度を250℃としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子を得た。反応時間は13時間であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されず、その後の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
Example 4
Carbon precursor particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that a mixed gas having an oxygen content of 30 volume % (vol%), which was a mixture of air and oxygen gas, was used as the oxidizing gas, and the maximum temperature reached was 250°C. The reaction time was 13 hours. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, and the particles did not soften or melt due to the subsequent heat treatment. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(実施例5)
石油ピッチの平均粒子径が40μm、酸化性ガスの反応系内への流量を100NL/kg/h、最高到達温度を260℃としたこと以外、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子を得た。反応時間は15時間であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されず、その後の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
Example 5
Carbon precursor particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the average particle size of the petroleum pitch was 40 μm, the flow rate of the oxidizing gas into the reaction system was 100 NL/kg/h, and the maximum temperature reached was 260° C. The reaction time was 15 hours. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, and the subsequent heat treatment did not cause softening or melting. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(実施例6)
石油ピッチに代わり平均粒子径23μmの石炭ピッチを用いたこと、酸化性ガスの反応系内への流量を67NL/kg/h、最高到達温度を260℃としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子を得た。反応時間は15時間であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されず、その後の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
Example 6
Carbon precursor particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that coal pitch with an average particle size of 23 μm was used instead of petroleum pitch, the flow rate of the oxidizing gas into the reaction system was 67 NL/kg/h, and the maximum temperature reached was 260° C. The reaction time was 15 hours. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, and the subsequent heat treatment did not cause softening or melting. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(実施例7)
本実施例は、有機物粒子として、AN/St/DVB共重合体の粒子を使用した。まず、アクリロニトリル(AN)45重量%、スチレン(St)41重量%、ジビニルベンゼン(DVB)13重量%の割合で混合し、さらに、2,2’-アゾビス-2,4-ジメチルバレロニトリルを加えて、モノマー混合物を調製した。このモノマー混合物を水系分散媒体へ添加し、ホモジナイザーにより分散させて、モノマー混合物の微小液滴を形成した。次いで、撹拌機付き重合缶により重合させて、平均粒子径(DV50)17μmの球状のAN/St/DVB共重合体を得た。
(Example 7)
In this example, particles of an AN/St/DVB copolymer were used as the organic particles. First, 45% by weight of acrylonitrile (AN), 41% by weight of styrene (St), and 13% by weight of divinylbenzene (DVB) were mixed, and 2,2'-azobis-2,4-dimethylvaleronitrile was further added to prepare a monomer mixture. This monomer mixture was added to an aqueous dispersion medium and dispersed by a homogenizer to form minute droplets of the monomer mixture. Next, polymerization was performed in a polymerization tank equipped with a stirrer to obtain a spherical AN/St/DVB copolymer having an average particle size (D V50 ) of 17 μm.
本実施例は、反応容器として、分散盤付き円筒型縦型管状炉(直径100mm)を使用して、炭素前駆体粒子を作製した。得られた上記のAN/St/DVB共重合体700gを、前記縦型管状炉(直径100mm)の中へ装入した後、前記縦型管状炉の横断面の中心を通る回転軸に装着された撹拌翼を、当該共重合体層に設置した。そして、空気を180NL/h(257NL/kg/h)の流量で前記縦型管状炉の底面から当該共重合体層の中に導入し、撹拌翼を50~100rpmで回転させた。In this example, carbon precursor particles were produced using a cylindrical vertical tubular furnace (diameter 100 mm) equipped with a distributor as a reaction vessel. 700 g of the above-mentioned AN/St/DVB copolymer obtained was charged into the vertical tubular furnace (diameter 100 mm), and then a stirring blade attached to a rotating shaft passing through the center of the cross section of the vertical tubular furnace was placed on the copolymer layer. Then, air was introduced into the copolymer layer from the bottom of the vertical tubular furnace at a flow rate of 180 NL/h (257 NL/kg/h), and the stirring blade was rotated at 50 to 100 rpm.
実施例1と同様の手順で、当該共重合体層の温度を保持しながら昇温し、280℃で1時間保持した。その後、空気の導入を停止し、外部加熱を停止した。次いで、当該共重合体層へ窒素ガスを導入して放冷し、酸化処理された炭素前駆体粒子を回収した。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されず、その後の熱処理によって軟化及び溶融することは無かった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。Using the same procedure as in Example 1, the temperature of the copolymer layer was raised while maintaining it, and maintained at 280°C for 1 hour. Thereafter, the introduction of air was stopped, and external heating was stopped. Nitrogen gas was then introduced into the copolymer layer, and the layer was allowed to cool, and the oxidized carbon precursor particles were recovered. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, and the subsequent heat treatment did not result in softening or melting. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(比較例1)
撹拌を行わないこと以外は、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子の調製を行った。しかし、本比較例では、チャネリング現象が起きたことにより、加熱時に石油ピッチに部分発熱が生じて、ピッチ粒子において融着及び溶融が生じた。そのため、実験の継続が困難であった。なお、チャネリング現象とは、粒子層内部を流通するガスの流通経路が局部的な領域に制限された結果、粒子層の均一な流動が妨げられる現象を意味する。
(Comparative Example 1)
Carbon precursor particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that stirring was not performed. However, in this comparative example, due to the occurrence of the channeling phenomenon, partial heat generation occurred in the petroleum pitch during heating, and fusion and melting occurred in the pitch particles. This made it difficult to continue the experiment. The channeling phenomenon refers to a phenomenon in which the flow path of gas flowing inside the particle layer is restricted to a local area, resulting in the uniform flow of the particle layer being hindered.
(比較例2)
最高到達温度を160℃としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素前駆体粒子を得た。反応時間は3時間であった。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されなかった。しかし、その後の熱処理によって軟化したので、必要な物性を備えた炭素質材料を得ることができなかった。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
(Comparative Example 2)
Carbon precursor particles were obtained in the same manner as in Example 1, except that the maximum temperature reached was 160° C. The reaction time was 3 hours. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed. However, the particles were softened by the subsequent heat treatment, and therefore a carbonaceous material having the required physical properties could not be obtained. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(比較例3)
石油ピッチの平均粒子径を150μmとしたこと以外は、実施例5と同様にして炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体粒子の融着は観察されなかった、しかし、その後の熱処理で粒子内部からの発泡が観察された。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
(Comparative Example 3)
A carbon precursor was obtained in the same manner as in Example 5, except that the average particle size of the petroleum pitch was 150 μm. No fusion of the obtained carbon precursor particles was observed, but foaming from within the particles was observed after the subsequent heat treatment. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
(比較例4)
反応容器内で撹拌翼による撹拌を行わなかったこと以外は、実施例7と同様にしてAN/St/DVB共重合体の不融化処理を行った。当該共重合体層内にチャネリング現象が観察され、部分発熱を生じ、当該共重合体に融着及び溶融が生じた。得られた炭素前駆体粒子の物性を表1に示す。
(Comparative Example 4)
The AN/St/DVB copolymer was infusible treated in the same manner as in Example 7, except that stirring with a stirring blade was not performed in the reaction vessel. Channeling was observed in the copolymer layer, causing partial heat generation, and fusing and melting of the copolymer. The physical properties of the obtained carbon precursor particles are shown in Table 1.
<評価>
本発明の範囲に含まれる実施例1~7は、得られた炭素前駆体粒子に融着が観察されなかった。そして、酸素含有量が高かったことから、十分に酸化されて不融化した炭素前駆体粒子が得られた。また、1100℃で熱処理して得られた炭素質材料の真密度からみて、難黒鉛化性炭素前駆体粒子が得られたことを確認できた。
<Evaluation>
In Examples 1 to 7 within the scope of the present invention, no fusion was observed in the obtained carbon precursor particles. Furthermore, because the oxygen content was high, the obtained carbon precursor particles were sufficiently oxidized and infusible. In addition, in view of the true density of the carbonaceous material obtained by heat treatment at 1100°C, it was confirmed that non-graphitizable carbon precursor particles were obtained.
他方、比較例1と比較例4は、撹拌を行わなかったので、粒子同士の融着が起きて、所望の炭素前駆体粒子が得られなかった。比較例2は、最高到達温度が180~350℃の範囲よりも低かったので、炭素前駆体粒子の酸素含有量が少なく、十分に酸化(不融化)された炭素前駆体粒子が得られなかった。そのため、その後の熱処理において軟化した。On the other hand, in Comparative Examples 1 and 4, stirring was not performed, so the particles fused together and the desired carbon precursor particles were not obtained. In Comparative Example 2, the maximum temperature reached was lower than the range of 180 to 350°C, so the oxygen content of the carbon precursor particles was low and sufficiently oxidized (infusible) carbon precursor particles were not obtained. As a result, the particles softened during the subsequent heat treatment.
比較例3は、有機物粒子の平均粒子径が大きく、1~100μmの範囲を上回っていたので、その後の熱処理において粒子内部からの発泡が観察された。有機物粒子の平均粒子径が過大であると、酸素が有機物粒子の内部まで十分に拡散できず、粒子全体にわたって不融化された構造を形成することが困難である。そのような構造の粒子を加熱すると、不融化されていない部分で急激な分解が起きて粒子の表面が割れるため、比較例3のような発泡した表面性状を呈すると考えられる。In Comparative Example 3, the average particle size of the organic particles was large, exceeding the range of 1 to 100 μm, and foaming from within the particles was observed during subsequent heat treatment. If the average particle size of the organic particles is too large, oxygen cannot diffuse sufficiently into the interior of the organic particles, making it difficult to form a structure that is infusible throughout the entire particle. When particles with such a structure are heated, rapid decomposition occurs in the non-infusible parts, causing the surface of the particles to crack, which is thought to result in the foamed surface properties of Comparative Example 3.
<電池性能評価>
本発明に係る炭素前駆体粒子を用いて得られた炭素質材料により電極を作製した。当該電極を用いて非水電解液電解質二次電池を作製し、電池性能を測定した。各操作を以下の「(a)電極の作製」、「(b)試験電池の作製」及び「(c)電池容量の測定」に示す。電池性能は、炭素質材料の充電容量(ドープ量)及び放電容量(脱ドープ量)でもって評価した。
<Battery performance evaluation>
An electrode was prepared from the carbonaceous material obtained by using the carbon precursor particles according to the present invention. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared using the electrode, and the battery performance was measured. Each operation is described below in "(a) Preparation of electrode", "(b) Preparation of test battery", and "(c) Measurement of battery capacity". The battery performance was evaluated by the charge capacity (doped amount) and discharge capacity (undoped amount) of the carbonaceous material.
(a)電極の作製
得られた炭素質材料90重量%、ポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製)10重量%にNMPを加えてペースト状にし、銅箔上に均一に塗布した。乾燥した後、塗工電極を直径15mmの円板状に打ち抜き、これをプレスして、試験用の電極とした。
(a) Preparation of electrode NMP was added to 90% by weight of the obtained carbonaceous material and 10% by weight of polyvinylidene fluoride (Kureha Corporation) to form a paste, which was then uniformly applied onto copper foil. After drying, the coated electrode was punched out into a disk shape with a diameter of 15 mm, which was then pressed to prepare a test electrode.
(b)試験電池の作製
リチウム金属を対極として、上記で得られた試験用電極を用いて、リチウム二次電池を構成した。具体的には、コイン型電池用缶の外蓋にステンレススチール網円盤をスポット溶接し、これにAr雰囲気中で厚さ0.8mmの金属リチウム薄板を直径15mmの円盤状に打ち抜いたものを圧着し、電極(対極)とした。
(b) Preparation of Test Battery A lithium secondary battery was constructed using the test electrode obtained above and lithium metal as the counter electrode. Specifically, a stainless steel mesh disk was spot-welded to the outer lid of a coin-type battery can, and a 0.8 mm thick metallic lithium thin plate punched into a disk shape with a diameter of 15 mm was pressed to the stainless steel mesh disk in an Ar atmosphere to form an electrode (counter electrode).
電解液としてはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとメチルエチルカーボネートを容量比1:2:2で混合した混合溶媒に1.5mol/Lの割合でLiPF6を加えたものを使用し、セパレータは直径19mmの硼珪酸塩ガラス繊維製微細細孔膜を使用し、ガスケットとしてはポリエチレン製を用いて、Ar雰囲気中で、2016サイズのコイン型非水電解質液系リチウム二次電池を組み立て、試験用のリチウム二次電池とした。The electrolyte used was a mixed solvent of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate in a volume ratio of 1:2:2 to which LiPF6 was added at a ratio of 1.5 mol/L. The separator was a borosilicate glass fiber microporous membrane with a diameter of 19 mm, and a polyethylene gasket was used. A 2016 size coin-type nonaqueous electrolyte solution lithium secondary battery was assembled in an Ar atmosphere to prepare a test lithium secondary battery.
(c)電池容量の測定
上記の試験用のリチウム二次電池を用いて充放電試験を行い、炭素質材料の電極による電池容量を45℃で測定した。ドープ反応は、定電流定電圧充電を行った。電流密度0.5mA/cm2で定電流充電を行い、端子電圧が-5mVに達した後、制御電圧を-5mVで定電圧充電を行った。印加電流を減衰させながら印加電流が20μAに到達するまで行った。このときの電気量を使用した炭素質材料の重量で除した値を、充電容量と定義し、Ah/kgの単位で表した。次に、同様にして逆方向に電流を流し、炭素質材料にドープされたリチウムを脱ドープした。脱ドープは、0.5mA/cm2の電流密度で端子電位が1.5Vになるまで行った。このとき脱ドープした電気量を電極の炭素材の重量で除した値を、炭素材の単位重量当たりの放電容量(Ah/kg)と定義した。
(c) Measurement of battery capacity A charge/discharge test was performed using the above-mentioned test lithium secondary battery, and the battery capacity of the carbonaceous material electrode was measured at 45 ° C. The doping reaction was performed by constant current constant voltage charging. Constant current charging was performed at a current density of 0.5 mA / cm 2 , and after the terminal voltage reached -5 mV, constant voltage charging was performed at a control voltage of -5 mV. The applied current was attenuated until the applied current reached 20 μA. The value obtained by dividing the amount of electricity at this time by the weight of the carbonaceous material used was defined as the charge capacity and expressed in Ah / kg units. Next, a current was similarly passed in the reverse direction to undo the lithium doped in the carbonaceous material. The undoping was performed at a current density of 0.5 mA / cm 2 until the terminal potential reached 1.5 V. The value obtained by dividing the amount of electricity undoped at this time by the weight of the carbonaceous material of the electrode was defined as the discharge capacity (Ah / kg) per unit weight of the carbonaceous material.
(実施例8)
実施例3で調製した炭素前駆体粒子に水酸化ナトリウム水溶液を加えて含浸させた。その後、この溶液を窒素雰囲気中で乾燥し、炭素前駆体粒子に対して10.0重量%の水酸化ナトリウムを添着した水酸化ナトリウム添着炭素前駆体を得た。次いで、炭素前駆体10g相当の水酸化ナトリウム添着炭素前駆体を横型管状炉の中へ装入し、窒素雰囲気中の700℃で1時間保持して予備焼成を行った。そして、流量10L/minの窒素雰囲気下の1200℃で1時間保持して本焼成を行って、焼成炭を得た。つぎに、前記焼成炭を目皿付き石英製縦型管状炉に仕込み、窒素気流中で750℃まで昇温した後、750℃で保持した。次いで、窒素ガス中のヘキサンガス濃度が30体積%になるように、ヘキサンガスを炉内に導入し、750℃で30分間保持した後、ヘキサンガスの導入を停止し、窒素気流下、室温まで放冷した。得られた炭素質材料の平均粒子径は、19μmであり、ブタノール法による真密度が1.42g/cm3であった。
(Example 8)
The carbon precursor particles prepared in Example 3 were impregnated with an aqueous sodium hydroxide solution. The solution was then dried in a nitrogen atmosphere to obtain a sodium hydroxide-impregnated carbon precursor impregnated with 10.0% by weight of sodium hydroxide relative to the carbon precursor particles. Next, 10 g of the carbon precursor was charged into a horizontal tubular furnace and pre-fired at 700°C in a nitrogen atmosphere for 1 hour. Then, the carbon precursor was fired at 1200°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere with a flow rate of 10 L/min to obtain fired charcoal. Next, the fired charcoal was charged into a vertical tubular furnace made of quartz with a perforated plate, heated to 750°C in a nitrogen stream, and then held at 750°C. Next, hexane gas was introduced into the furnace so that the hexane gas concentration in the nitrogen gas was 30% by volume, and the mixture was held at 750°C for 30 minutes, after which the introduction of hexane gas was stopped and the mixture was allowed to cool to room temperature under a nitrogen stream. The average particle size of the obtained carbonaceous material was 19 μm, and the true density measured by the butanol method was 1.42 g/cm 3 .
実施例8の炭素質材料を用いて電池性能を測定した結果によると、充電容量は、593Ah/kg、放電容量は、541Ah/kgであった。本発明に係る炭素前駆体粒子を用いて得られた炭素質材料は、高い充電容量及び放電容量を有する二次電池を提供できることを確認できた。 According to the results of measuring the battery performance using the carbonaceous material of Example 8, the charge capacity was 593 Ah/kg and the discharge capacity was 541 Ah/kg. It was confirmed that the carbonaceous material obtained using the carbon precursor particles according to the present invention can provide a secondary battery having high charge capacity and discharge capacity.
1 反応容器
101 側面
102 底面
103 側壁
104 底壁
105 上蓋
106 被処理物の排出口
107 観察窓
108 ガス導入口
109 加熱用媒体の供給口
110 加熱用媒体の流通路
111 加熱用媒体の排出口
112 支持台
2 撹拌手段(撹拌機)
201 回転軸
202 撹拌翼
203 モーター
204 撹拌翼の先端部
205 撹拌翼の下端部
3 チョッパー
301 回転軸
302 チョッパー羽根
303 モーター
4 冷却水供給機
401 スプレーノズル
402 冷却水配管
403 重量計
404 冷却水貯蔵容器
405 圧力測定器
406 加圧用空気
5 バグフィルター
6 ガス排出配管
7 第2の温度測定器
8 第1の温度測定器
9 酸素濃度測定器
10 原料(有機物粒子)
11 酸化性ガス(空気)
12 非酸化性ガス(窒素ガス)
13 冷却水
14 バグフィルター逆洗用空気
15 加熱用媒体(熱媒)
16 排ガス
17 撹拌流
REFERENCE SIGNS LIST 1
201
11 Oxidizing gas (air)
12. Non-oxidizing gas (nitrogen gas)
13
16
Claims (6)
回転軸と前記回転軸に設けられた撹拌翼とを備えた撹拌手段を有する反応容器を用いて、前記反応容器に平均粒子径1~100μmの有機物粒子を含む原料を入れること、
前記撹拌手段により前記原料を撹拌しながら、前記反応容器の中へ酸化性ガスを導入して、前記有機物粒子の酸化処理を行うこと、
前記酸化処理において、前記反応容器の中の前記原料を150℃以上の温度で処理するとともに、最高到達温度が180~350℃であるように温度を制御すること、
を含む、炭素前駆体粒子の製造方法。 1. A method for producing carbon precursor particles by oxidizing organic particles, comprising the steps of:
A reaction vessel having a stirring means including a rotating shaft and a stirring blade provided on the rotating shaft is used, and a raw material containing organic particles having an average particle diameter of 1 to 100 μm is placed in the reaction vessel;
introducing an oxidizing gas into the reaction vessel while stirring the raw material with the stirring means, thereby carrying out an oxidation treatment of the organic particles;
In the oxidation treatment, the raw material in the reaction vessel is treated at a temperature of 150° C. or higher, and the temperature is controlled so that the maximum temperature is 180 to 350° C.;
A method for producing carbon precursor particles, comprising:
A method for producing a carbonaceous material for a secondary battery negative electrode, comprising the step of heat-treating the carbon precursor particles according to claim 1 in a non-oxidizing gas atmosphere at a temperature of 1000 to 1400° C. to produce a carbonaceous material.
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