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JP7638137B2 - Carbonaceous material, its manufacturing method and electrochemical device - Google Patents

Carbonaceous material, its manufacturing method and electrochemical device Download PDF

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JP7638137B2 JP2021070567A JP2021070567A JP7638137B2 JP 7638137 B2 JP7638137 B2 JP 7638137B2 JP 2021070567 A JP2021070567 A JP 2021070567A JP 2021070567 A JP2021070567 A JP 2021070567A JP 7638137 B2 JP7638137 B2 JP 7638137B2
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Description

本発明は、炭素質材料、その製造方法および電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to a carbonaceous material, its manufacturing method, and an electrochemical device.

炭素質材料は、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン電池のような非水電解質電池、リチウムイオンキャパシタ等の電気化学デバイスに用いられており、用途に応じた特性を有する炭素質材料が求められている。例えば、携帯電話およびノートパソコンといった小型携帯機器用途では、体積当たりの電池容量が重要となるため、放電容量を高くすることが求められている。また、車載用リチウムイオン二次電池は大型で且つ高価であることから使用途中での交換が困難であるため、少なくとも自動車と同じ耐久性が必要であり、充放電を繰り返しても放電容量が落ちにくい、高いサイクル耐久性が求められている。 Carbonaceous materials are used in electrochemical devices such as lithium ion secondary batteries, nonaqueous electrolyte batteries such as sodium ion batteries, and lithium ion capacitors, and carbonaceous materials with properties suited to the application are required. For example, in small portable device applications such as mobile phones and laptops, battery capacity per volume is important, so there is a demand for high discharge capacity. In addition, lithium ion secondary batteries for vehicles are large and expensive, making them difficult to replace midway through use, so they must have at least the same durability as an automobile, and are required to have high cycle durability, with discharge capacity unlikely to decrease even after repeated charging and discharging.

電池の放電容量を高める方法の1つとして、炭素質材料をプレドープして用いることが提案されている。特許文献1には、メソ・マクロ孔比表面積を特定の範囲とした炭素質材料を含むプレドープ型蓄電デバイスが記載されている。 As one method for increasing the discharge capacity of a battery, the use of a pre-doped carbonaceous material has been proposed. Patent Document 1 describes a pre-doped electricity storage device that contains a carbonaceous material with a specific range of mesopore and macropore specific surface area.

特許第5302646号公報Patent No. 5302646

しかし、特許文献1に記載された炭素質材料は、耐久性および初期効率が必ずしも十分に高いものではなく、プレドープして用いる炭素質材料において、高容量、高耐久性および高初期効率を同時に満足する炭素質材料が求められていた。 However, the carbonaceous material described in Patent Document 1 does not necessarily have sufficiently high durability and initial efficiency, and there has been a demand for a carbonaceous material that can be pre-doped and simultaneously satisfy the requirements of high capacity, high durability, and high initial efficiency.

したがって本発明は、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a carbonaceous material that can be pre-doped at high speed and simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability, and a method for producing the same.

本発明者らは、前記課題を解決するために詳細に検討を重ねた結果、炭素質材料の細孔容積、脱着量と吸着量の比、およびメソ孔容積を適切な範囲とすることで、これまで同時に満足させることが困難であった、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を実現する炭素質材料が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research into solving the above problems, the inventors discovered that by setting the pore volume, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount, and the mesopore volume of the carbonaceous material within appropriate ranges, it is possible to obtain a carbonaceous material that allows for rapid pre-doping and achieves high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability, all of which have been difficult to satisfy simultaneously until now, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明は以下の好適な態様を包含する。
〔1〕二酸化炭素の吸脱着等温線にグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを行うことによって求めた細孔容積は、0.05cm/g以上0.20cm/g以下であり、前記吸脱着等温線において相対圧0.01における脱着量と吸着量の比は1.05以上であり、BJH法により求めたメソ孔容積は3.7mm/g以上41mm/g以下である、炭素質材料。
〔2〕平均粒子径(D50)は1.3μm以上9.5μm以下である、〔1〕に記載の炭素質材料。
〔3〕窒素吸着法によるBET法により求めた比表面積は3m/g以上60m/g以下である、〔1〕または〔2〕に記載の炭素質材料。
〔4〕広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔d002は0.36nm以上0.42nm以下である、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔5〕電気化学デバイス用である、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔6〕金属イオンがプレドープされて用いられる、〔5〕に記載の炭素質材料。
〔7〕〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の炭素質材料を含む、電気化学デバイス。
〔8〕炭素前駆体を600℃以下の温度から900℃まで昇温させる昇温工程、および900℃以上1260℃以下の温度で熱処理する熱処理工程を含む、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の炭素質材料の製造方法。
〔9〕前記昇温工程を揮発性有機物および/または揮発性有機物に由来する揮発物質の存在下で行う、〔8〕に記載の製造方法。
〔10〕前記昇温工程を揮発性有機物および揮発性有機物に由来する揮発物質の不存在下で行い、前記熱処理工程を1100℃超の温度で行う、〔8〕に記載の製造方法。
〔11〕前記炭素前駆体および/または熱処理後の前記炭素前駆体を粉砕する粉砕工程をさらに含む、〔8〕~〔10〕のいずれかに記載の製造方法。
〔12〕前記昇温工程において、600℃から900℃までの昇温速度は60℃/分以下である、〔8〕~〔11〕のいずれかに記載の製造方法。
That is, the present invention includes the following preferred embodiments.
[1] A carbonaceous material, in which the pore volume determined by performing a Grand Canonical Monte Carlo simulation on the carbon dioxide adsorption/desorption isotherm is 0.05 cm 3 /g or more and 0.20 cm 3 /g or less, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount at a relative pressure of 0.01 in the adsorption/desorption isotherm is 1.05 or more, and the mesopore volume determined by the BJH method is 3.7 mm 3 /g or more and 41 mm 3 /g or less.
[2] The carbonaceous material according to [1], having an average particle size (D 50 ) of 1.3 μm or more and 9.5 μm or less.
[3] The carbonaceous material according to [1] or [2], which has a specific surface area of 3 m 2 /g or more and 60 m 2 /g or less, as determined by a BET method using a nitrogen adsorption method.
[4] The carbonaceous material according to any one of [1] to [3], wherein the average interplanar spacing d 002 of the (002) plane calculated using the Bragg equation by wide-angle X-ray diffraction is 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.
[5] The carbonaceous material according to any one of [1] to [4], which is for use in an electrochemical device.
[6] The carbonaceous material according to [5], which is pre-doped with metal ions.
[7] An electrochemical device comprising the carbonaceous material according to any one of [1] to [6].
[8] The method for producing a carbonaceous material according to any one of [1] to [6], comprising a temperature increasing step of increasing the temperature of a carbon precursor from a temperature of 600° C. or lower to 900° C., and a heat treatment step of heat treating the carbon precursor at a temperature of 900° C. or higher and 1260° C. or lower.
[9] The method according to [8], wherein the temperature increasing step is carried out in the presence of a volatile organic substance and/or a volatile substance derived from a volatile organic substance.
[10] The manufacturing method according to [8], wherein the temperature increasing step is carried out in the absence of volatile organic substances and volatile substances derived from volatile organic substances, and the heat treatment step is carried out at a temperature of more than 1100°C.
[11] The method according to any one of [8] to [10], further comprising a pulverization step of pulverizing the carbon precursor and/or the carbon precursor after the heat treatment.
[12] The manufacturing method according to any one of [8] to [11], wherein in the temperature increasing step, the temperature increasing rate from 600° C. to 900° C. is 60° C./min or less.

本発明によれば、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料およびその製造方法を提供することができる。 The present invention provides a carbonaceous material and a method for producing the same that allows for rapid pre-doping and simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability.

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、以下は本発明の実施形態を例示する説明であって、本発明を以下の実施形態に限定することは意図されていない。 The following describes in detail an embodiment of the present invention. Note that the following is an explanation of an embodiment of the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following embodiment.

<炭素質材料>
本発明の炭素質材料において、二酸化炭素の吸脱着等温線にグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを行うことによって求めた細孔容積(以下、単に「細孔容積」と称することがある)は、0.05cm/g以上0.20cm/g以下であり、前記吸脱着等温線において相対圧0.01における脱着量と吸着量の比(以下、単に「脱着量と吸着量の比」と称することがある)は1.05以上であり、BJH法により求めたメソ孔容積(以下、単に「メソ孔容積」と称することがある)は3.7mm/g以上41mm/g以下である。
<Carbonaceous materials>
In the carbonaceous material of the present invention, the pore volume (hereinafter sometimes simply referred to as "pore volume") determined by performing a grand canonical Monte Carlo simulation on the carbon dioxide adsorption/desorption isotherm is 0.05 cm 3 /g or more and 0.20 cm 3 /g or less, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount (hereinafter sometimes simply referred to as "ratio of desorption amount to adsorption amount") at a relative pressure of 0.01 in the adsorption/desorption isotherm is 1.05 or more, and the mesopore volume (hereinafter sometimes simply referred to as "mesopore volume") determined by the BJH method is 3.7 mm 3 /g or more and 41 mm 3 /g or less.

〔細孔容積〕
本発明において、二酸化炭素の吸脱着等温線にグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを行うことによって求めた細孔容積は、0.05cm/g以上0.20cm/g以下である。細孔容積が0.05cm/g以上0.20cm/g以下であると、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料となる。細孔容積が0.05cm/g未満であると、熱収縮によって過剰に細孔が塞がれていると考えられ、放電容量が低下しやすい。細孔容積が0.20cm/gを超えると、副反応の起点となる活性点が増えやすいため、サイクル耐久性および初期効率が低下しやすい。細孔容積は、好ましくは0.07cm/g以上、より好ましくは0.13cm/g以上であり、好ましくは0.19cm/g以下、より好ましくは0.17cm/g以下である。細孔容積が前記範囲内であると、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を、同時により満足しやすい。本発明の炭素質材料の細孔容積は、後述する本発明の炭素質材料の製造方法における炭素前駆体の種類;昇温工程の昇温速度;熱処理工程の温度および/または時間;揮発性有機物の種類および/または量等を適宜調整することによって前記範囲内に調整できる。二酸化炭素の吸脱着等温線にグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを行うことによって、例えば細孔直径0.35~1.47nmにおける細孔容積を求めることができる。細孔容積は、ガス吸着装置を用いて測定することができ、例えば実施例に記載の方法によって求めることができる。
[Pore volume]
In the present invention, the pore volume obtained by performing a grand canonical Monte Carlo simulation on the adsorption and desorption isotherm of carbon dioxide is 0.05 cm 3 /g or more and 0.20 cm 3 /g or less. When the pore volume is 0.05 cm 3 /g or more and 0.20 cm 3 /g or less, the carbonaceous material can be pre-doped at a high speed and simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability. When the pore volume is less than 0.05 cm 3 /g, it is considered that the pores are excessively blocked by thermal contraction, and the discharge capacity is likely to decrease. When the pore volume exceeds 0.20 cm 3 /g, the active sites that are the starting points of side reactions are likely to increase, and therefore the cycle durability and initial efficiency are likely to decrease. The pore volume is preferably 0.07 cm 3 /g or more, more preferably 0.13 cm 3 /g or more, and preferably 0.19 cm 3 /g or less, more preferably 0.17 cm 3 /g or less. When the pore volume is within the above range, pre-doping is possible at high speed, and high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability are more likely to be satisfied at the same time. The pore volume of the carbonaceous material of the present invention can be adjusted within the above range by appropriately adjusting the type of carbon precursor in the method for producing a carbonaceous material of the present invention described later; the heating rate in the heating step; the temperature and/or time in the heat treatment step; the type and/or amount of the volatile organic substance, etc. By performing a grand canonical Monte Carlo simulation on the adsorption and desorption isotherm of carbon dioxide, for example, the pore volume at a pore diameter of 0.35 to 1.47 nm can be obtained. The pore volume can be measured using a gas adsorption apparatus, and can be obtained, for example, by the method described in the Examples.

ここで、本発明における二酸化炭素の吸脱着等温線にグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを行うことによって求めた細孔容積について説明する。通常は77Kにおける窒素の吸脱着等温線に対して、BJH法またはMP法と呼ばれる解析方法を適用することによって、メソ孔(細孔直径約2nm以上約50nm以下の細孔)またはミクロ孔(細孔直径約2nm未満の細孔)の細孔容積を求めることができる。しかし、本発明においては、273Kにおける二酸化炭素の吸脱着等温線を用いる。本方法は、窒素よりも分子サイズの小さな二酸化炭素を使用していること、およびより高温で測定しているため分子同士がクラスターを形成していないことから、より詳細な細孔構造の評価が可能となることが分かった。これによって、通常の測定方法では評価が困難であった、サイクル耐久性に影響を与える副反応の起点となる細孔をより精密に評価でき、後述するインクボトル型細孔に由来すると考えられる吸着曲線と脱着曲線の不一致(ヒステリシス)等をより精密に測定することができることが判明した。 Here, the pore volume obtained by performing a Grand Canonical Monte Carlo simulation on the carbon dioxide adsorption/desorption isotherm in the present invention will be described. Usually, the pore volume of mesopores (pores with a pore diameter of about 2 nm to about 50 nm) or micropores (pores with a pore diameter of less than about 2 nm) can be obtained by applying an analysis method called the BJH method or the MP method to the nitrogen adsorption/desorption isotherm at 77 K. However, in the present invention, the carbon dioxide adsorption/desorption isotherm at 273 K is used. This method uses carbon dioxide with a smaller molecular size than nitrogen, and since the measurement is performed at a higher temperature, the molecules do not form clusters, so it was found that it is possible to evaluate the pore structure in more detail. As a result, it was found that it is possible to more precisely evaluate the pores that are the starting point of side reactions that affect cycle durability, which are difficult to evaluate using normal measurement methods, and to more precisely measure the discrepancy (hysteresis) between the adsorption curve and the desorption curve that is thought to be due to the ink bottle-shaped pores described later.

〔二酸化炭素の脱着量と吸着量の比〕
本発明において、二酸化炭素の吸脱着等温線において相対圧0.01における脱着量と吸着量の比は、1.05以上である。脱着量と吸着量の比が1.05以上であると、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料となり、特にサイクル耐久性を高める。脱着量と吸着量の比が1.05未満であると、副反応が起こりやすくサイクル耐久性の低下につながりやすい。脱着量と吸着量の比は、好ましくは1.08以上、より好ましくは1.1以上、さらに好ましくは1.2以上、よりさらに好ましくは1.4以上である。脱着量と吸着量の比の上限は特に制限されないが、通常10.0以下である。脱着量と吸着量の比が前記範囲内であると、サイクル耐久性がより向上する傾向にある。なお、本発明において、脱着量と吸着量の比とは、脱着量を吸着量で割った値、すなわち脱着量/吸着量の値を指す。本発明において、脱着量と吸着量の比は、後述する本発明の炭素質材料の製造方法における、昇温工程の昇温速度;熱処理工程の温度および/または時間;揮発性有機物の種類および/または量等を適宜調整することによって前記下限以上に調整できる。二酸化炭素の脱着量と吸着量は、ガス吸着装置を用いて測定することができ、例えば実施例に記載の方法によって求めることができる。
[Ratio of carbon dioxide desorption amount to adsorption amount]
In the present invention, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount at a relative pressure of 0.01 in the adsorption and desorption isotherm of carbon dioxide is 1.05 or more. When the ratio of the desorption amount to the adsorption amount is 1.05 or more, the carbonaceous material can be pre-doped at a high speed and simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability, and particularly improves cycle durability. When the ratio of the desorption amount to the adsorption amount is less than 1.05, side reactions are likely to occur, leading to a decrease in cycle durability. The ratio of the desorption amount to the adsorption amount is preferably 1.08 or more, more preferably 1.1 or more, even more preferably 1.2 or more, and even more preferably 1.4 or more. The upper limit of the ratio of the desorption amount to the adsorption amount is not particularly limited, but is usually 10.0 or less. When the ratio of the desorption amount to the adsorption amount is within the above range, the cycle durability tends to be further improved. In the present invention, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount refers to the value obtained by dividing the desorption amount by the adsorption amount, that is, the value of the desorption amount/adsorption amount. In the present invention, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount can be adjusted to be equal to or higher than the lower limit by appropriately adjusting the temperature rise rate in the temperature rise step, the temperature and/or time in the heat treatment step, the type and/or amount of the volatile organic substance, etc. in the production method of the carbonaceous material of the present invention described below. The desorption amount and adsorption amount of carbon dioxide can be measured using a gas adsorption apparatus, and can be determined, for example, by the method described in the Examples.

ここで、二酸化炭素の吸脱着等温線において相対圧0.01における脱着量と吸着量の比(脱着量/吸着量)について説明する。一端が閉塞された筒状の細孔を想定した場合、吸着曲線と脱着曲線は理論的には一致するはずである。しかし、細孔の構造によっては吸着曲線と脱着曲線の不一致(ヒステリシス)が生じることがある。この現象の原因は諸説あるが、インクボトル型の細孔の場合にヒステリシスが生じる説が提案されている。すなわち、インクボトル型は首部(首部半径は底部半径より短い)を有するため、異なる飽和蒸気圧を有していることになる。相対圧を低下させる方向で変化させると、首部の吸着層は、首部半径に対応する飽和蒸気圧に到達するまでは蒸発は起こらない。つまり、底部の吸着層から蒸発していこうとしても、入口の凝縮層で押さえられて脱着しにくく、首部半径に対応する飽和蒸気圧に達すると急激に脱離する。このようにして吸着量と脱着量にずれが生じやすく、脱着量が吸着量よりも多くなりやすい。したがって、吸脱着等温線において相対圧0.01における脱着量と吸着量の比が前記範囲であることは、インクボトル型の細孔の存在の可能性を示す。 Here, we will explain the ratio of the amount of desorption and the amount of adsorption (amount of desorption/amount of adsorption) at a relative pressure of 0.01 in the adsorption/desorption isotherm of carbon dioxide. If we assume a cylindrical pore with one end closed, the adsorption curve and the desorption curve should theoretically match. However, depending on the structure of the pore, a mismatch between the adsorption curve and the desorption curve (hysteresis) may occur. There are various theories about the cause of this phenomenon, but one theory that hysteresis occurs in the case of ink bottle-shaped pores has been proposed. In other words, since the ink bottle type has a neck (the radius of the neck is shorter than the radius of the bottom), it has a different saturated vapor pressure. If the relative pressure is changed in the direction of decreasing, the adsorption layer in the neck does not evaporate until it reaches the saturated vapor pressure corresponding to the radius of the neck. In other words, even if evaporation is attempted from the adsorption layer at the bottom, it is difficult to evaporate because it is held down by the condensation layer at the inlet, and it is suddenly desorbed when the saturated vapor pressure corresponding to the radius of the neck is reached. In this way, a discrepancy between the amount of adsorption and the amount of desorption is likely to occur, and the amount of desorption is likely to be greater than the amount of adsorption. Therefore, if the ratio of the amount of desorption to the amount of adsorption at a relative pressure of 0.01 in the adsorption/desorption isotherm is in the above range, this indicates the possibility of the presence of ink bottle-shaped pores.

〔メソ孔容積〕
本発明の炭素質材料のBJH法により求めたメソ孔容積は、3.7mm/g以上41mm/g以下である。メソ孔容積が3.7mm/g以上41mm/g以下であると、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料となり、特に高速なプレドープが可能となる。メソ孔容積が3.7mm/g未満であると、電解液中から炭素質材料へのイオンの拡散速度が低下する傾向にあるため、プレドープの速度が遅くなりやすい。メソ孔容積が41mm/gを超えると、副反応の起点となる活性点が増加しやすいため、初期効率およびサイクル耐久性が低下しやすい。メソ孔容積は、好ましくは4.0mm/g以上、より好ましくは8.0mm/g以上、さらに好ましくは10.5mm/g以上であり、好ましくは35mm/g以下、より好ましくは22mm/g以下である。メソ孔容積が前記範囲内であると、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を、同時により満足しやすく、特に高速なプレドープを達成しやすい。ここで、「メソ孔容積」とは、一般に細孔直径が約2nm以上約50nm以下の細孔の容積のことを指すが、本発明においては、特に副反応の起点となる活性点および電解液の拡散性の評価の観点から、2.5nm以上33nm以下の細孔のことを指すことがある。メソ孔容積は、例えば、後述する本発明の炭素質材料の製造方法における炭素前駆体の種類および粒子径;熱処理工程の温度および/または時間;揮発性有機物の種類および/または量等を適宜調整することによって、前記範囲内に調整できる。メソ孔容積は、ガス吸着装置を用いて測定することができ、例えば実施例に記載の方法によって求めることができる。
[Mesopore volume]
The mesopore volume of the carbonaceous material of the present invention determined by the BJH method is 3.7 mm 3 /g or more and 41 mm 3 /g or less. When the mesopore volume is 3.7 mm 3 /g or more and 41 mm 3 /g or less, the carbonaceous material can be pre-doped at a high speed and simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency and high cycle durability, and particularly high-speed pre-doping is possible. When the mesopore volume is less than 3.7 mm 3 /g, the diffusion rate of ions from the electrolyte to the carbonaceous material tends to decrease, so the pre-doping rate is likely to be slow. When the mesopore volume exceeds 41 mm 3 /g, the active sites that are the starting points of side reactions are likely to increase, so the initial efficiency and cycle durability are likely to decrease. The mesopore volume is preferably 4.0 mm 3 /g or more, more preferably 8.0 mm 3 /g or more, and even more preferably 10.5 mm 3 /g or more, and preferably 35 mm 3 /g or less, more preferably 22 mm 3 /g or less. When the mesopore volume is within the above range, high-speed pre-doping is possible, and high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability are more easily satisfied at the same time, and particularly high-speed pre-doping is easily achieved. Here, the "mesopore volume" generally refers to the volume of pores having a pore diameter of about 2 nm or more and about 50 nm or less, but in the present invention, it may refer to pores having a diameter of 2.5 nm or more and 33 nm or less, particularly from the viewpoint of evaluating the active sites that are the starting points of side reactions and the diffusibility of the electrolyte. The mesopore volume can be adjusted within the above range, for example, by appropriately adjusting the type and particle size of the carbon precursor in the method for producing the carbonaceous material of the present invention described later; the temperature and/or time of the heat treatment step; the type and/or amount of the volatile organic substance, etc. The mesopore volume can be measured using a gas adsorption apparatus, and can be determined, for example, by the method described in the Examples.

〔平均粒子径(D50)〕
本発明において、炭素質材料の平均粒子径(D50)は、好ましくは1.3μm以上、より好ましくは2.2μm以上、さらに好ましくは2.6μm以上であり、好ましくは9.5μm以下、より好ましくは8.0μm以下、さらに好ましくは5.5μm以下、よりさらに好ましくは4.9μm以下、特に好ましくは4.7μm以下である。炭素質材料の平均粒子径(D50)が前記下限以上であると、副反応の起点となる活性点が発生しにくいため、サイクル耐久性および初期効率が向上しやすい。平均粒子径(D50)が前記上限以下であると、電極密度を高めて、イオンの拡散速度を向上しやすいため、高速なプレドープが可能となる傾向にある。また、メソ孔容積を前述の範囲に調整しやすい。ここで、本発明における平均粒子径(D50)とは、レーザー散乱法により測定される粒度分布において、微粒側からの累積容積が50%となる体積平均粒子径を指す。平均粒子径(D50)は、例えば後述する本発明の炭素質材料の製造方法における炭素前駆体の粒子径;粉砕工程の条件;熱処理工程の温度および/または時間;異なる粒子径を有する炭素質材料の混合比率等を適宜調整することによって、前記範囲内に調整できる。特に、所望の平均粒子径を有する炭素質材料とするために、平均粒子径の異なる2種以上の炭素質材料を混合することによって、平均粒子径を前記範囲内に調整してよい。
[Average particle diameter (D 50 )]
In the present invention, the average particle diameter (D 50 ) of the carbonaceous material is preferably 1.3 μm or more, more preferably 2.2 μm or more, even more preferably 2.6 μm or more, and preferably 9.5 μm or less, more preferably 8.0 μm or less, even more preferably 5.5 μm or less, even more preferably 4.9 μm or less, and particularly preferably 4.7 μm or less. When the average particle diameter (D 50 ) of the carbonaceous material is the lower limit or more, active sites that are the starting points of side reactions are unlikely to be generated, so that cycle durability and initial efficiency are likely to be improved. When the average particle diameter (D 50 ) is the upper limit or less, it is easy to increase the electrode density and improve the ion diffusion rate, so that high-speed pre-doping tends to be possible. In addition, it is easy to adjust the mesopore volume to the above-mentioned range. Here, the average particle diameter (D 50 ) in the present invention refers to the volume average particle diameter at which the cumulative volume from the fine particle side is 50% in the particle size distribution measured by the laser scattering method. The average particle size ( D50 ) can be adjusted to within the above range, for example, by appropriately adjusting the particle size of the carbon precursor in the production method for a carbonaceous material of the present invention described below, the conditions of the grinding step, the temperature and/or time of the heat treatment step, the mixing ratio of carbonaceous materials having different particle sizes, etc. In particular, in order to obtain a carbonaceous material having a desired average particle size, the average particle size may be adjusted to within the above range by mixing two or more carbonaceous materials having different average particle sizes.

〔窒素吸着法によるBET比表面積〕
本発明の炭素質材料の窒素吸着法によるBET比表面積(以下、単に「比表面積」とも称する)は、好ましくは3m/g以上、より好ましくは9m/g以上、さらに好ましくは13m/g以上、さらにより好ましくは16m/g以上、特に好ましくは22m/g以上であり、好ましくは60m/g以下、より好ましくは40m/g以下、さらに好ましくは35m/g以下である。比表面積が前記範囲内であると、副反応の起点となる活性点が少なくなりやすく、また、電解液との適度な反応面積を確保できるため、高速にプレドープが可能となりやすく、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足しやすい。本発明の炭素質材料の比表面積は、後述する本発明の炭素質材料の製造方法における炭素前駆体の種類および/または粒子径;熱処理工程の温度および/または時間;粉砕工程の条件;揮発性有機物の種類および/または量等を適宜調整することによって、前記範囲内に調整できる。本発明の炭素質材料の比表面積は、ガス吸着装置を用いて測定することができ、例えば実施例に記載の方法によって求めることができる。
[BET specific surface area by nitrogen adsorption method]
The BET specific surface area (hereinafter also simply referred to as "specific surface area") of the carbonaceous material of the present invention measured by the nitrogen adsorption method is preferably 3 m 2 /g or more, more preferably 9 m 2 /g or more, even more preferably 13 m 2 /g or more, even more preferably 16 m 2 /g or more, particularly preferably 22 m 2 /g or more, and is preferably 60 m 2 /g or less, more preferably 40 m 2 /g or less, and even more preferably 35 m 2 /g or less. When the specific surface area is within the above range, the number of active sites that are the starting points of side reactions is likely to be reduced, and a suitable reaction area with the electrolyte can be secured, so that pre-doping can be performed at a high speed, and high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability can be easily satisfied at the same time. The specific surface area of the carbonaceous material of the present invention can be adjusted within the above range by appropriately adjusting the type and/or particle size of the carbon precursor in the method for producing the carbonaceous material of the present invention described later; the temperature and/or time of the heat treatment step; the conditions of the pulverization step; the type and/or amount of the volatile organic substance, and the like. The specific surface area of the carbonaceous material of the present invention can be measured using a gas adsorption apparatus, and can be determined, for example, by the method described in the Examples.

〔(002)面の平均面間隔d002
本発明の炭素質材料の、広角X線回折法からBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔d002は、好ましくは0.36nm以上、より好ましくは0.38nm以上であり、好ましくは0.42nm以下、より好ましくは0.40nm以下である。(002)面の平均面間隔d002が前記範囲内であると、低温での容量維持率が優れる傾向にある。また、イオンが侵入しやすくなるため、様々な電気化学デバイスに好適な炭素質材料になりやすい。本発明の炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002は、例えば後述する本発明の炭素質材料の製造方法における昇温工程の昇温速度;熱処理工程の温度および/または時間等を適宜調整することにより、前記範囲内に調整できる。(002)面の平均面間隔d002は、X線回折によって測定でき、例えば実施例に記載の方法によって求めることができる。
[Average interplanar spacing of (002) plane d 002 ]
The average interplanar spacing d 002 of the (002) plane of the carbonaceous material of the present invention, calculated from the wide-angle X-ray diffraction method using the Bragg formula, is preferably 0.36 nm or more, more preferably 0.38 nm or more, and preferably 0.42 nm or less, more preferably 0.40 nm or less. When the average interplanar spacing d 002 of the (002) plane is within the above range, the capacity retention rate at low temperatures tends to be excellent. In addition, since ions are easily introduced, the carbonaceous material is likely to be suitable for various electrochemical devices. The average interplanar spacing d 002 of the (002) plane of the carbonaceous material of the present invention can be adjusted within the above range, for example, by appropriately adjusting the heating rate of the heating step; the temperature and/or time of the heat treatment step, etc. in the manufacturing method of the carbonaceous material of the present invention described later. The average interplanar spacing d 002 of the (002) plane can be measured by X-ray diffraction, and can be determined, for example, by the method described in the Examples.

<炭素質材料の製造方法>
本発明の炭素質材料は、例えば、
炭素前駆体を600℃以下の温度から900℃まで昇温させる昇温工程、および
900℃以上1260℃以下の温度で熱処理する熱処理工程
を含む方法によって製造することができる。
<Method of producing carbonaceous material>
The carbonaceous material of the present invention is, for example,
The carbon precursor can be produced by a method including a temperature increasing step of increasing the temperature of the carbon precursor from a temperature of 600° C. or less to 900° C., and a heat treatment step of heat treating the carbon precursor at a temperature of 900° C. or more and 1260° C. or less.

〔炭素前駆体〕
本発明において、炭素前駆体は炭素質材料を形成するものであればその原料は特に限定されず、植物由来の炭素前駆体、鉱物由来の炭素前駆体、天然素材由来の炭素前駆体および合成素材由来の炭素前駆体等から広く選択できる。環境保護の観点および商業的な観点から、本発明の炭素質材料は、植物由来の炭素前駆体に基づくものであることが好ましく、言い換えると、本発明の炭素質材料となる炭素前駆体が植物由来であることが好ましい。
[Carbon Precursor]
In the present invention, the raw material of the carbon precursor is not particularly limited as long as it forms a carbonaceous material, and can be widely selected from carbon precursors derived from plants, carbon precursors derived from minerals, carbon precursors derived from natural materials, carbon precursors derived from synthetic materials, etc. From the viewpoint of environmental protection and commercial viewpoints, it is preferable that the carbonaceous material of the present invention is based on a carbon precursor derived from plants, in other words, it is preferable that the carbon precursor that becomes the carbonaceous material of the present invention is derived from plants.

鉱物由来の炭素前駆体としては、例えば、石油系および石炭系ピッチ、コークスが挙げられる。天然素材由来の炭素前駆体としては、例えば、木綿、麻等の天然繊維、レーヨン、ビスコースレーヨン等の再生繊維、アセテート、トリアセテート等の半合成繊維が挙げられる。合成素材由来の炭素前駆体としては、例えば、ナイロン等のポリアミド系、ビニロン等のポリビニルアルコール系、アクリル等のポリアクリロニトリル系、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系、ポリウレタン、フェノール系樹脂、塩化ビニル系樹脂が挙げられる。 Carbon precursors derived from minerals include, for example, petroleum-based and coal-based pitches and coke. Carbon precursors derived from natural materials include, for example, natural fibers such as cotton and hemp, regenerated fibers such as rayon and viscose rayon, and semi-synthetic fibers such as acetate and triacetate. Carbon precursors derived from synthetic materials include, for example, polyamides such as nylon, polyvinyl alcohols such as vinylon, polyacrylonitriles such as acrylic, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyurethanes, phenolic resins, and polyvinyl chloride resins.

植物由来の炭素前駆体(以下、「植物由来のチャー」と称することがある)の原料となる植物には、特に制限はない。例えば、椰子殻、珈琲豆、茶葉、サトウキビ、果実(例えば、みかん、バナナ)、藁、籾殻、広葉樹、針葉樹、竹を例示できる。この例示は、本来の用途に供した後の廃棄物(例えば、使用済みの茶葉)、あるいは原料となる植物の一部(例えば、みかん、バナナの皮)を包含する。これらの植物は、単独でまたは2種以上組み合わせて使用できる。これらの植物の中でも、大量入手が容易な椰子殻が好ましい。
なお、チャーとは、一般的には、石炭を加熱した際に得られる溶融軟化しない炭素分に富む粉末状の固体を指すが、ここでは有機物を加熱して得られる溶融軟化しない炭素分に富む粉末状の固体も指す。
There is no particular limitation on the plant that is the raw material for the plant-derived carbon precursor (hereinafter sometimes referred to as "plant-derived char"). Examples include coconut shells, coffee beans, tea leaves, sugar cane, fruits (e.g., mandarin oranges, bananas), straw, rice husks, broad-leaved trees, coniferous trees, and bamboo. These examples include waste after their original use (e.g., used tea leaves) or parts of the raw plant (e.g., mandarin oranges, banana peels). These plants can be used alone or in combination of two or more kinds. Among these plants, coconut shells, which are easily available in large quantities, are preferred.
In addition, char generally refers to a powdered solid rich in carbon that does not melt or soften and is obtained when coal is heated, but here it also refers to a powdered solid rich in carbon that does not melt or soften and is obtained by heating organic matter.

椰子殻としては、特に限定されるものではなく、例えば、パームヤシ(アブラヤシ)、ココヤシ、サラク、オオミヤシの椰子殻を挙げることができる。これらの椰子殻は、単独または組み合わせて使用できる。食品、洗剤原料、バイオディーゼル油原料等として利用され、大量に発生するバイオマス廃棄物である、ココヤシおよびパームヤシの椰子殻が特に好ましい。 There is no particular limitation on the type of coconut shell, but examples include coconut shells from palm trees (oil palm), coconut palm, salak palm, and mulberry palm. These coconut shells can be used alone or in combination. Coconut and palm shells are particularly preferred, as they are used as food, detergent raw materials, biodiesel oil raw materials, etc., and are biomass waste generated in large quantities.

椰子殻からチャーを製造する方法は特に限定されるものではなく、当該分野において既知の方法を用いて製造することができる。例えば、椰子殻を、例えば、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、一酸化炭素もしくは燃料排ガス等の不活性ガス、これら不活性ガスの混合ガス、またはこれら不活性ガスを主成分とする他のガスとの混合ガス(例えば窒素とハロゲンガスとの混合ガス)雰囲気下で、300~1000℃程度の温度で熱処理(以下、「仮焼成」と称することがある)することによって製造することができる。 There is no particular limitation on the method for producing char from coconut shells, and char can be produced using methods known in the art. For example, coconut shells can be heat-treated (hereinafter sometimes referred to as "pre-calcination") at a temperature of about 300 to 1000°C in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, carbon monoxide, or fuel exhaust gas, a mixture of these inert gases, or a mixture of these inert gases with other gases that mainly contain these inert gases (for example, a mixture of nitrogen and a halogen gas).

また、チャー(例えば、椰子殻チャー)の形態で入手することも可能である。 It can also be obtained in the form of char (e.g., coconut shell char).

植物由来のチャーから製造された炭素質材料は、多量の活物質をドープ可能であることから、非水電解質二次電池などの電気化学デバイス用の炭素質材料として基本的には適している。しかし、植物由来のチャーは、一般に、植物原料に含まれていた金属元素(特に、カリウム、鉄など)を多量に含むことが多く、このような金属元素の含有量が多い炭素質材料を含む電極を電気化学デバイスに用いると、電気化学的な特性および安全性に好ましくない影響を与えることがある。したがって、炭素質材料に含まれるカリウム元素、鉄元素などの含有量は、極力低下させることが好ましい。 Carbonaceous materials produced from plant-derived char can be doped with large amounts of active material, and are therefore fundamentally suitable as carbonaceous materials for electrochemical devices such as nonaqueous electrolyte secondary batteries. However, plant-derived char generally contains large amounts of metal elements (especially potassium, iron, etc.) that were contained in the plant raw material, and using electrodes containing carbonaceous materials with a high content of such metal elements in electrochemical devices can have undesirable effects on electrochemical properties and safety. Therefore, it is preferable to reduce the content of potassium, iron, etc. contained in the carbonaceous material as much as possible.

また、植物由来のチャーは、カリウム、鉄元素以外にも、アルカリ金属(例えば、ナトリウム)、アルカリ土類金属(例えばマグネシウム、またはカルシウム)、遷移金属(例えば、銅)およびその他の元素類(以下において、これらを総称して「灰分」ともいう)を含むことが多い。これらの金属元素類を含有する炭素質材料を含む電極を、例えばリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池の負極に用いる場合、負極からの脱ドープ時に不純物が電解液中に溶出し、電池性能に好ましくない影響を与え、非水電解質二次電池の信頼性が損なわれる可能性があるため、これらの金属類の含有量も低減させることが好ましい。 In addition to potassium and iron, plant-derived char often contains alkali metals (e.g., sodium), alkaline earth metals (e.g., magnesium or calcium), transition metals (e.g., copper), and other elements (hereinafter, these are also collectively referred to as "ash"). When an electrode containing a carbonaceous material containing these metal elements is used as the negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery, impurities may dissolve into the electrolyte during dedoping from the negative electrode, adversely affecting battery performance and impairing the reliability of the nonaqueous electrolyte secondary battery, so it is preferable to reduce the content of these metals.

したがって、植物原料または植物由来のチャーにおける灰分(アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素、およびその他の元素類)の含有量を、炭素質材料を得るために炭素前駆体を昇温および熱処理する前に低下させておくことが好ましい。ここで、植物原料または植物由来原料のチャーにおける灰分の含有量を低下させることを、以下において「脱灰」ともいう。脱灰方法は特に制限されず、例えば塩酸、硫酸等の鉱酸、酢酸、蟻酸等の有機酸等を含む酸性溶液を用いて金属分を抽出脱灰する方法(液相脱灰)、塩化水素などのハロゲン化合物を含有した高温の気相に暴露させて脱灰する方法(気相脱灰)を用いることができる。 Therefore, it is preferable to reduce the ash content (alkali metal elements, alkaline earth metal elements, transition metal elements, and other elements) in the plant raw material or plant-derived char before heating and heat-treating the carbon precursor to obtain a carbonaceous material. Hereinafter, reducing the ash content in the char of the plant raw material or plant-derived raw material is also referred to as "decalcification". There are no particular limitations on the decalcification method, and it is possible to use, for example, a method of extracting and decalcifying metals using an acidic solution containing a mineral acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid, or an organic acid such as acetic acid or formic acid (liquid-phase decalcification), or a method of decalcifying by exposure to a high-temperature gas phase containing a halogen compound such as hydrogen chloride (gas-phase decalcification).

液相脱灰は、植物原料または植物由来のチャーのいずれの形態で実施してもよい。液相脱灰は、例えば、植物原料または植物由来のチャーを酸性溶液に浸漬することにより行うことができる。酸性溶液は酸と水性溶液との混合物である。酸としては、特に限定されないが、例えば塩酸、硫酸などの鉱酸、酢酸、酪酸、クエン酸などの有機酸の水溶液が挙げられる。被脱灰物に不要なイオンが残留することが回避される観点から、酸として有機酸を用いることが好ましく、脱灰の効率、酸の価格等の経済性、使用後の廃液処理が比較的容易である観点から、酢酸および/またはクエン酸を用いることがより好ましい。水性溶液としては、水、水と水溶性有機溶媒との混合物などが挙げられる。水溶性有機溶媒としては、例えばメタノール、エタノール、プロピレングリコール、エチレングリコールなどのアルコールが挙げられる。 Liquid-phase demineralization may be performed in the form of either plant raw materials or plant-derived char. Liquid-phase demineralization may be performed, for example, by immersing plant raw materials or plant-derived char in an acidic solution. The acidic solution is a mixture of an acid and an aqueous solution. The acid is not particularly limited, but examples thereof include aqueous solutions of mineral acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid, and organic acids such as acetic acid, butyric acid, and citric acid. From the viewpoint of avoiding unnecessary ions remaining in the demineralized material, it is preferable to use an organic acid as the acid, and from the viewpoints of efficiency of demineralization, economic efficiency such as the price of the acid, and comparative ease of waste liquid treatment after use, it is more preferable to use acetic acid and/or citric acid. Examples of the aqueous solution include water, and mixtures of water and a water-soluble organic solvent. Examples of the water-soluble organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, propylene glycol, and ethylene glycol.

酸性溶液中の酸濃度は特に限定されないが、酸の濃度に脱灰速度が影響されるため、好ましくは0.001~1Mの範囲であり、より好ましくは0.002~0.9Mの範囲であり、さらに好ましくは0.005~0.5Mの範囲である。酸性溶液の使用量も特に限定されないが、浸漬させる植物原料または植物由来のチャーが酸性溶液に浸る程度であることが好ましく、例えば浸漬させる植物原料または植物由来のチャーの質量に対する酸性溶液の質量は、好ましくは100~1000質量%であり、より好ましくは200~900質量%であり、さらに好ましくは250~800質量%である。 The acid concentration in the acidic solution is not particularly limited, but since the deashing rate is affected by the acid concentration, it is preferably in the range of 0.001 to 1 M, more preferably in the range of 0.002 to 0.9 M, and even more preferably in the range of 0.005 to 0.5 M. The amount of acidic solution used is also not particularly limited, but it is preferably such that the plant material or plant-derived char to be immersed is immersed in the acidic solution. For example, the mass of the acidic solution relative to the mass of the plant material or plant-derived char to be immersed is preferably 100 to 1000 mass%, more preferably 200 to 900 mass%, and even more preferably 250 to 800 mass%.

液相脱灰の温度は、被脱灰物である植物原料または植物由来のチャーに応じて決定すればよく、例えば10~120℃であってよく、好ましくは20~100℃、より好ましくは25~95℃である。脱灰温度が上記範囲内であると、植物を構成する有機物の加水分解による炭素含量の低下を抑制しながら、効率よく脱灰を行うことができる。 The temperature for liquid-phase de-ashing can be determined according to the plant raw material or plant-derived char to be de-ashed, and may be, for example, 10 to 120°C, preferably 20 to 100°C, and more preferably 25 to 95°C. When the de-ashing temperature is within the above range, de-ashing can be performed efficiently while suppressing the decrease in carbon content due to hydrolysis of the organic matter that constitutes the plant.

液相脱灰の時間は、特に制限されないが、例えば0.1~100時間であってよく、好ましくは0.2~50時間、より好ましくは0.5~20時間である。液相脱灰は、植物原料または植物由来のチャーを酸性溶液に浸漬し続けて行ってもよいし、脱灰に使用する酸性溶液を更新しながら複数回に分けて行ってもよい。複数回に分けて液相脱灰を行う場合には、合計した脱灰時間を液相脱灰の時間とする。 The time for liquid phase demineralization is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 to 100 hours, preferably 0.2 to 50 hours, and more preferably 0.5 to 20 hours. Liquid phase demineralization may be performed by continuously immersing the plant raw material or plant-derived char in an acidic solution, or may be performed in multiple steps while refreshing the acidic solution used for demineralization. When liquid phase demineralization is performed in multiple steps, the total demineralization time is regarded as the liquid phase demineralization time.

液相脱灰に用いる装置は、植物原料または植物由来のチャーを酸性溶液に浸漬することが可能な装置である限り特に限定されない。例えば、ガラスライニング製撹拌漕を用いることができる。 The equipment used for liquid-phase demineralization is not particularly limited as long as it is capable of immersing the plant raw material or plant-derived char in an acidic solution. For example, a glass-lined stirring tank can be used.

気相脱灰は、植物原料または植物由来のチャーのいずれの形態で実施してもよい。気相脱灰は、例えば、植物原料または植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む気相中で熱処理することにより行うことができる。ハロゲン化合物としては、特に限定されず、例えばフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、臭化ヨウ素、フッ化塩素(ClF)、塩化ヨウ素(ICl)、臭化ヨウ素(IBr)、塩化臭素(BrCl)等が挙げられる。熱分解によりこれらのハロゲン化合物を発生する化合物またはこれらの混合物を用いることもできる。ハロゲン化合物は、供給安定性および使用するハロゲン化合物の安定性の観点から、塩化水素であることが好ましい。 Gas-phase demineralization may be performed on either the plant raw material or the plant-derived char. Gas-phase demineralization may be performed, for example, by heat treating the plant raw material or the plant-derived char in a gas phase containing a halogen compound. The halogen compound is not particularly limited, and examples thereof include fluorine, chlorine, bromine, iodine, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, iodine bromide, chlorine fluoride (ClF), iodine chloride (ICl), iodine bromide (IBr), bromine chloride (BrCl), and the like. Compounds that generate these halogen compounds by thermal decomposition or mixtures thereof may also be used. The halogen compound is preferably hydrogen chloride from the viewpoints of supply stability and stability of the halogen compound used.

気相脱灰は、ハロゲン化合物と不活性ガスとを混合した気相中で行ってよい。不活性ガスは、脱灰温度において被脱灰物(植物原料または植物由来のチャー)および脱灰後の植物原料または植物由来のチャーと反応しないガスであれば特に制限されない。例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、またはそれらの混合ガスが挙げられる。不活性ガスは、供給安定性および経済性の観点から、窒素であることが好ましい。 Gas-phase deashing may be carried out in a gas phase containing a mixture of a halogen compound and an inert gas. There are no particular limitations on the inert gas, so long as it does not react with the material to be deashed (the plant raw material or the plant-derived char) and the plant raw material or the plant-derived char after deashing at the deashing temperature. Examples include nitrogen, helium, argon, krypton, or a mixture of these gases. From the viewpoints of supply stability and economic efficiency, it is preferable that the inert gas is nitrogen.

ハロゲン化合物と不活性ガスとを混合した気相中で気相脱灰を行う場合、ハロゲン化合物と不活性ガスとの混合比は、十分な脱灰が達成できる限り特に限定されない。例えば不活性ガスに対するハロゲン化合物の量が、0.01~10.0体積%であることが好ましく、0.05~8.0体積%であることがより好ましく、0.1~5.0体積%であることがさらに好ましい。 When gas-phase deashing is performed in a gas phase in which a halogen compound and an inert gas are mixed, the mixing ratio of the halogen compound and the inert gas is not particularly limited as long as sufficient deashing can be achieved. For example, the amount of the halogen compound relative to the inert gas is preferably 0.01 to 10.0% by volume, more preferably 0.05 to 8.0% by volume, and even more preferably 0.1 to 5.0% by volume.

気相脱灰の温度は、被脱灰物である植物原料または植物由来のチャーに応じて決定すればよく、例えば500~1100℃であってよく、好ましくは600~1050℃、より好ましくは650~1000℃、さらに好ましくは850~1000℃である。脱灰温度が低すぎると、脱灰効率が低下し、十分に脱灰できないことがある。脱灰温度が高すぎると、ハロゲン化合物による賦活が起きることがある。 The temperature for gas-phase de-ashing may be determined according to the plant raw material or plant-derived char to be de-ashed, and may be, for example, 500 to 1100°C, preferably 600 to 1050°C, more preferably 650 to 1000°C, and even more preferably 850 to 1000°C. If the de-ashing temperature is too low, the de-ashing efficiency decreases and sufficient de-ashing may not be achieved. If the de-ashing temperature is too high, activation by halogen compounds may occur.

気相脱灰の時間は特に制限されないが、例えば5~300分であり、好ましくは10~200分であり、より好ましくは15~150分である。 The time for gas phase demineralization is not particularly limited, but is, for example, 5 to 300 minutes, preferably 10 to 200 minutes, and more preferably 15 to 150 minutes.

気相脱灰における気相の供給量(流動量)は特に限定されず、例えば植物原料または植物由来のチャー1g当たり好ましくは1ml/分以上、より好ましくは5ml/分以上、さらに好ましくは10ml/分以上である。 The amount of gas supplied (flow rate) in gas-phase demineralization is not particularly limited, and is, for example, preferably 1 ml/min or more, more preferably 5 ml/min or more, and even more preferably 10 ml/min or more per gram of plant raw material or plant-derived char.

気相脱灰に用いる装置は、植物原料または植物由来のチャーとハロゲン化合物を含む気相とを混合しながら加熱できる装置であれば特に限定されない。例えば、流動炉を用い、流動床等による連続式またはバッチ式の層内流通方式の装置を用いることができる。 The apparatus used for gas-phase demineralization is not particularly limited as long as it is an apparatus capable of heating while mixing the plant raw material or plant-derived char with the gas phase containing halogen compounds. For example, an apparatus using a fluidized furnace and a continuous or batch-type in-bed flow system using a fluidized bed or the like can be used.

気相脱灰を行う場合、ハロゲン化合物を含む気相中での熱処理の後で、さらに、ハロゲン化合物非存在下での熱処理を行ってもよい。ハロゲン化合物を含む気相中での熱処理によって、通常、植物原料または植物由来のチャーにはハロゲンが含まれる。植物原料または植物由来のチャーに含まれているハロゲンを、ハロゲン化合物非存在下での熱処理によって除去することができる。例えば、前記ハロゲン化合物を含む気相中での熱処理後に、ハロゲン化合物の供給を遮断して熱処理を行うことにより、ハロゲンを除去することができる。具体的には、ハロゲン化合物非存在下での熱処理は、ハロゲン化合物を含まない不活性ガス雰囲気中で500℃~1100℃、好ましくは600~1050℃、より好ましくは650~1000℃、さらに好ましくは850~1000℃で熱処理することによって行ってよい。ハロゲン化合物非存在下での熱処理の温度は、ハロゲン化合物を含む気相中での熱処理の温度と同じか、またはそれよりも高い温度で行うことが好ましい。また、ハロゲン化合物非存在下での熱処理の時間も特に限定されないが、好ましくは5分~300分であり、より好ましくは10分~200分であり、さらに好ましくは10分~100分である。 When gas-phase demineralization is performed, a heat treatment in the absence of a halogen compound may be performed after the heat treatment in the gas phase containing a halogen compound. Usually, the plant raw material or the plant-derived char contains halogen due to the heat treatment in the gas phase containing a halogen compound. The halogen contained in the plant raw material or the plant-derived char can be removed by heat treatment in the absence of a halogen compound. For example, after the heat treatment in the gas phase containing the halogen compound, the supply of the halogen compound is cut off and the heat treatment is performed to remove the halogen. Specifically, the heat treatment in the absence of a halogen compound may be performed by heat treatment at 500°C to 1100°C, preferably 600°C to 1050°C, more preferably 650°C to 1000°C, and even more preferably 850°C to 1000°C in an inert gas atmosphere not containing a halogen compound. The temperature of the heat treatment in the absence of a halogen compound is preferably the same as or higher than the temperature of the heat treatment in the gas phase containing a halogen compound. The time for heat treatment in the absence of a halogen compound is not particularly limited, but is preferably 5 to 300 minutes, more preferably 10 to 200 minutes, and even more preferably 10 to 100 minutes.

本実施形態における液相脱灰および気相脱灰は、植物原料または植物由来のチャーに含まれているカリウム、鉄等の灰分を除去する処理である。液相脱灰処理後または気相脱灰処理後に得られる炭素前駆体のカリウム元素の含有量は、好ましくは1000ppm(0.1質量%)以下であり、より好ましくは500ppm以下であり、さらに好ましくは300ppm以下である。液相脱灰処理後または気相脱灰処理後に得られる炭素前駆体の鉄元素の含有量は、好ましくは200ppm以下であり、より好ましくは150ppm以下であり、さらに好ましくは100ppm以下である。炭素前駆体のカリウム元素および鉄元素の含有量が上記上限以下であると、得られる炭素質材料を非水電解質二次電池等の電気化学デバイス用電極に用いる場合に、脱ドープ時における不純物の電解液中への溶出を低減でき、電気化学デバイスの性能向上および信頼性向上の点で好ましい。 In this embodiment, the liquid-phase demineralization and gas-phase demineralization are processes for removing ash such as potassium and iron contained in the plant raw material or plant-derived char. The potassium element content of the carbon precursor obtained after the liquid-phase demineralization process or the gas-phase demineralization process is preferably 1000 ppm (0.1 mass%) or less, more preferably 500 ppm or less, and even more preferably 300 ppm or less. The iron element content of the carbon precursor obtained after the liquid-phase demineralization process or the gas-phase demineralization process is preferably 200 ppm or less, more preferably 150 ppm or less, and even more preferably 100 ppm or less. If the potassium element and iron element contents of the carbon precursor are below the above upper limit, when the obtained carbonaceous material is used for an electrode for an electrochemical device such as a nonaqueous electrolyte secondary battery, the elution of impurities into the electrolyte during dedoping can be reduced, which is preferable in terms of improving the performance and reliability of the electrochemical device.

炭素前駆体の比表面積(後述する粉砕工程を炭素前駆体に施す場合は粉砕工程後の比表面積)は、好ましくは500m/g以下、より好ましくは450m/g以下である。炭素前駆体の比表面積が前記上限値以下であると、炭素表面の改質が十分に行われ、熱処理後に好ましい細孔構造が得られやすい。炭素前駆体の比表面積の下限値は特に限定されないが、通常25m/g以上である。炭素前駆体の比表面積は、炭素前駆体の種類;仮焼成の温度および時間;仮焼成を行う雰囲気等を適宜調整することによって前記上限値以下に調整できる。炭素前駆体の比表面積は、例えばBET法を用いて測定できる。 The specific surface area of the carbon precursor (specific surface area after the pulverization step when the pulverization step described later is applied to the carbon precursor) is preferably 500 m 2 /g or less, more preferably 450 m 2 /g or less. When the specific surface area of the carbon precursor is the upper limit or less, the carbon surface is sufficiently modified, and a preferable pore structure is likely to be obtained after heat treatment. The lower limit of the specific surface area of the carbon precursor is not particularly limited, but is usually 25 m 2 /g or more. The specific surface area of the carbon precursor can be adjusted to the upper limit or less by appropriately adjusting the type of carbon precursor, the temperature and time of the calcination, the atmosphere in which the calcination is performed, and the like. The specific surface area of the carbon precursor can be measured, for example, using the BET method.

〔昇温工程〕
本発明の製造方法の好ましい一態様において、昇温工程は揮発性有機物の存在下で行うことができる。本発明において、揮発性有機物とは、残炭率が5質量%未満である有機物であることが好ましく、800℃で灰化した場合に残炭率が5質量%未満である有機物であることが好ましい。揮発性有機物は、揮発物質(例えば、炭化水素系ガス、タール)を発生させるものが好ましい。なお、揮発性有機物において、前記揮発物質(例えば、炭化水素系ガス、またはタール成分)の含量は特に限定されるものではないが、使用機器の安定稼動の観点から、好ましくは10質量%以上である。また、揮発成分の含量の上限は、特に限定されないが、機器中でのタール分の生成を抑制する観点から、好ましくは95質量%以下、より好ましくは80質量%以下、さらに好ましくは50質量%以下である。揮発成分は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分、仕込み量から算出する。強熱は、揮発性有機物約1g(この正確な質量をW(g)とする)をるつぼに入れ、1分間に20リットルの窒素を流しながらるつぼを電気炉にて10℃/分で800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱する。このときの残存物を強熱残分とし、その質量をW(g)とし、以下の式から揮発成分P(%)を算出する。
[Temperature increasing process]
In a preferred embodiment of the production method of the present invention, the temperature raising step can be carried out in the presence of a volatile organic substance. In the present invention, the volatile organic substance is preferably an organic substance having a carbon residue rate of less than 5% by mass, and is preferably an organic substance having a carbon residue rate of less than 5% by mass when incinerated at 800° C. The volatile organic substance is preferably one that generates a volatile substance (e.g., a hydrocarbon gas, a tar). In the volatile organic substance, the content of the volatile substance (e.g., a hydrocarbon gas or a tar component) is not particularly limited, but is preferably 10% by mass or more from the viewpoint of stable operation of the equipment used. In addition, the upper limit of the content of the volatile component is not particularly limited, but is preferably 95% by mass or less, more preferably 80% by mass or less, and even more preferably 50% by mass or less from the viewpoint of suppressing the generation of tar components in the equipment. The volatile component is calculated from the ignition residue after igniting the sample in an inert gas and the amount of the sample charged. For ignition, about 1 g of the volatile organic material (this exact mass is designated as W0 (g)) is placed in a crucible, and the crucible is heated to 800° C. at 10° C./min in an electric furnace while flowing 20 liters of nitrogen per minute, and then ignited at 800° C. for 1 hour. The residue at this stage is designated as the ignition residue, and its mass is designated as W (g), and the volatile component P (%) is calculated using the following formula:

Figure 0007638137000001
Figure 0007638137000001

揮発性有機物としては、例えば、熱可塑性樹脂、低分子有機化合物が挙げられる。具体的には、熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル等を挙げることができる。なお、この明細書において、(メタ)アクリルとは、メタクリルとアクリルの総称である。低分子有機化合物としては、トルエン、キシレン、メシチレン、スチレン、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等を挙げることができる。昇温温度範囲内で揮発し、熱分解した場合に炭素前駆体の表面を酸化賦活しないものが好ましいことから、熱可塑性樹脂としてはポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンが好ましい。低分子有機化合物としては、さらに安全上の観点から常温下において揮発性が小さいことが好ましく、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等が好ましい。 Examples of volatile organic substances include thermoplastic resins and low molecular weight organic compounds. Specifically, examples of thermoplastic resins include polystyrene, polyethylene, polypropylene, poly(meth)acrylic acid, and poly(meth)acrylic acid esters. In this specification, (meth)acrylic is a general term for methacryl and acrylic. Examples of low molecular weight organic compounds include toluene, xylene, mesitylene, styrene, naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. Since it is preferable for the thermoplastic resin to volatilize within a temperature range and not oxidize and activate the surface of the carbon precursor when thermally decomposed, polystyrene, polyethylene, and polypropylene are preferred. Furthermore, it is preferable for the low molecular weight organic compound to have low volatility at room temperature from the viewpoint of safety, and naphthalene, phenanthrene, anthracene, pyrene, and the like are preferred.

本発明の一態様において、熱可塑性樹脂として、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、および(メタ)アクリル酸系樹脂を挙げることができる。オレフィン系樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンとプロピレンのランダム共重合体、エチレンとプロピレンのブロック共重合体等を挙げることができる。スチレン系樹脂としては、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、スチレンと(メタ)アクリル酸アルキルエステル(アルキル基の炭素数は1~12、好ましくは1~6)との共重合体等を挙げることができる。(メタ)アクリル酸系樹脂としては、ポリアクリル酸、ポリメタアクリル酸、(メタ)アクリル酸アルキルエステル重合体(アルキル基の炭素数は1~12、好ましくは1~6)等を挙げることができる。 In one embodiment of the present invention, examples of the thermoplastic resin include olefin resins, styrene resins, and (meth)acrylic acid resins. Examples of the olefin resins include polyethylene, polypropylene, random copolymers of ethylene and propylene, and block copolymers of ethylene and propylene. Examples of the styrene resins include polystyrene, poly(α-methylstyrene), and copolymers of styrene and (meth)acrylic acid alkyl esters (the number of carbon atoms in the alkyl group is 1 to 12, preferably 1 to 6). Examples of the (meth)acrylic acid resins include polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and (meth)acrylic acid alkyl ester polymers (the number of carbon atoms in the alkyl group is 1 to 12, preferably 1 to 6).

本発明の一態様において、低分子有機化合物として、例えば、炭素数が1~20の炭化水素化合物を用いることができる。炭化水素化合物の炭素数は、好ましくは2~18、より好ましくは3~16である。炭化水素化合物は、飽和炭化水素化合物または不飽和炭化水素化合物でもよく、鎖状の炭化水素化合物でも、環式の炭化水素化合物でもよい。不飽和炭化水素化合物の場合、不飽和結合は二重結合でも三重結合でもよく、1分子に含まれる不飽和結合の数も特に限定されるものではない。例えば、鎖状の炭化水素化合物は、脂肪族炭化水素化合物であり、直鎖状または分枝状のアルカン、アルケン、またはアルキンを挙げることができる。環式の炭化水素化合物としては、脂環式炭化水素化合物(例えば、シクロアルカン、シクロアルケン、シクロアルキン)または芳香族炭化水素化合物を挙げることができる。具体的には、脂肪族炭化水素化合物としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセンまたはアセチレン等を挙げることができる。脂環式炭化水素化合物としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロプロパン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、デカリン、ノルボルネン、メチルシクロヘキサン、またはノルボルナジエン等を挙げることができる。さらに、芳香族炭化水素化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、ブチルベンゼン、スチレン、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-メチルスチレン、ビニルキシレン、p-tert-ブチルスチレン、エチルスチレン等の単環芳香族化合物、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等の3環~6環の縮合多環芳香族化合物を挙げることができるが、好ましくは縮合多環芳香族化合物、より好ましくはナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレンである。ここで、前記炭化水素化合物は、任意の置換基を有していてよい。置換基は特に限定されるものではないが、例えば炭素数1~4のアルキル基(好ましくは炭素数1~2のアルキル基)、炭素数2~4のアルケニル基(好ましくは炭素数2のアルケニル基)、炭素数3~8のシクロアルキル基(好ましくは炭素数3~6のシクロアルキル基)を挙げることができる。 In one embodiment of the present invention, for example, a hydrocarbon compound having 1 to 20 carbon atoms can be used as the low molecular weight organic compound. The number of carbon atoms in the hydrocarbon compound is preferably 2 to 18, more preferably 3 to 16. The hydrocarbon compound may be a saturated or unsaturated hydrocarbon compound, a chain-like hydrocarbon compound, or a cyclic hydrocarbon compound. In the case of an unsaturated hydrocarbon compound, the unsaturated bond may be a double bond or a triple bond, and the number of unsaturated bonds contained in one molecule is not particularly limited. For example, the chain-like hydrocarbon compound is an aliphatic hydrocarbon compound, and examples of the chain-like hydrocarbon compound include linear or branched alkanes, alkenes, or alkynes. Examples of the cyclic hydrocarbon compound include alicyclic hydrocarbon compounds (e.g., cycloalkanes, cycloalkenes, cycloalkynes) or aromatic hydrocarbon compounds. Specifically, examples of the aliphatic hydrocarbon compound include methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, octane, nonane, decane, ethylene, propylene, butene, pentene, hexene, or acetylene. Examples of the alicyclic hydrocarbon compound include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, cyclononane, cyclopropane, cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, cyclooctene, decalin, norbornene, methylcyclohexane, and norbornadiene. Examples of the aromatic hydrocarbon compound include monocyclic aromatic compounds such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene, butylbenzene, styrene, α-methylstyrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, vinylxylene, p-tert-butylstyrene, and ethylstyrene, and condensed polycyclic aromatic compounds having 3 to 6 rings such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene, and are preferably condensed polycyclic aromatic compounds, and more preferably naphthalene, phenanthrene, anthracene, or pyrene. Here, the hydrocarbon compound may have any substituent. The substituent is not particularly limited, but examples include an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms (preferably an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms), an alkenyl group having 2 to 4 carbon atoms (preferably an alkenyl group having 2 carbon atoms), and a cycloalkyl group having 3 to 8 carbon atoms (preferably a cycloalkyl group having 3 to 6 carbon atoms).

揮発性有機物は、常温で固体であることが好ましく、例えばポリスチレン、ポリエチレンまたはポリプロピレン等の常温で固体の熱可塑性樹脂、または、ナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレン等の常温で固体の低分子有機化合物がより好ましい。揮発し、昇温温度範囲内で熱分解した場合に、炭素前駆体の表面を酸化賦活しないものが好ましいことから、熱可塑性樹脂としては、オレフィン系樹脂およびスチレン系樹脂が好ましく、ポリスチレン、ポリエチレンおよびポリプロピレンがより好ましい。低分子有機化合物としては、安全性の観点から、炭素数1~20の炭化水素化合物が好ましく、縮合多環芳香族化合物がより好ましく、ナフタレン、フェナントレン、アントラセンまたはピレンがさらに好ましい。さらに、残炭率の観点から、熱可塑性樹脂が好ましく、オレフィン系樹脂およびスチレン系樹脂がより好ましく、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンがさらに好ましく、ポリスチレン、ポリエチレンが特に好ましい。 The volatile organic substance is preferably solid at room temperature, and more preferably a thermoplastic resin that is solid at room temperature, such as polystyrene, polyethylene, or polypropylene, or a low molecular weight organic compound that is solid at room temperature, such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, or pyrene. Since it is preferable that the surface of the carbon precursor is not oxidized and activated when it volatilizes and is thermally decomposed within the elevated temperature range, the thermoplastic resin is preferably an olefin resin or a styrene resin, and more preferably polystyrene, polyethylene, or polypropylene. From the viewpoint of safety, the low molecular weight organic compound is preferably a hydrocarbon compound having 1 to 20 carbon atoms, more preferably a condensed polycyclic aromatic compound, and even more preferably naphthalene, phenanthrene, anthracene, or pyrene. Furthermore, from the viewpoint of the residual carbon rate, a thermoplastic resin is preferable, more preferably an olefin resin or a styrene resin, more preferably polystyrene, polyethylene, or polypropylene, and particularly preferably polystyrene or polyethylene.

残炭率は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分の炭素量を定量することにより測定する。強熱とは、揮発性有機物およそ1g(この正確な質量をW1(g)とする)を坩堝に入れ、1分間に20リットルの窒素を流しながら坩堝を電気炉にて、10℃/分の昇温速度で常温から800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱する。このときの残存物を強熱残分とし、その質量をW2(g)とする。 The carbon content is measured by quantifying the amount of carbon in the ignition residue after igniting the sample in an inert gas. Ignition involves placing approximately 1 g of volatile organic matter (the exact mass is designated W1 (g)) in a crucible, heating the crucible in an electric furnace from room temperature to 800°C at a heating rate of 10°C/min while flowing 20 liters of nitrogen per minute, and then igniting at 800°C for one hour. The material remaining at this time is designated the ignition residue, and its mass is designated W2 (g).

次いで上記強熱残分について、JIS M8819に定められた方法に準拠して元素分析を行い、炭素の質量割合P(質量%)を測定する。残炭率P(質量%)は以下の式により算出する。

Figure 0007638137000002
Next, the ignition residue is subjected to elemental analysis in accordance with the method defined in JIS M8819 to measure the mass percentage P 1 (mass%) of carbon. The residual carbon percentage P 2 (mass%) is calculated by the following formula.
Figure 0007638137000002

本発明において、炭素前駆体と揮発性有機物とを昇温させる方法は特に限定されず、炭素前駆体と有機物とを昇温前にあらかじめ混合させておいてもよく、炭素前駆体と揮発性有機物とを別個に昇温系内に入れてもよい。炭素前駆体表面が均一に改質されやすいため、あらかじめ混合しておく態様が好ましい。 In the present invention, the method of heating the carbon precursor and the volatile organic substance is not particularly limited. The carbon precursor and the organic substance may be mixed in advance before heating, or the carbon precursor and the volatile organic substance may be placed separately in the heating system. The embodiment in which the carbon precursor and the volatile organic substance are mixed in advance is preferable because the surface of the carbon precursor is easily modified uniformly.

本発明において、昇温工程における600℃から900℃までの昇温速度は好ましくは60℃/分以下、より好ましくは50℃/分以下、さらに好ましくは40℃/分以下、よりさらに好ましくは30℃/分以下、特に好ましくは20℃/分以下である。昇温速度の下限は通常、5℃/分以上である。昇温速度が前記範囲内であると、炭素表面の改質が十分に行われやすいため好ましい。 In the present invention, the heating rate from 600°C to 900°C in the heating step is preferably 60°C/min or less, more preferably 50°C/min or less, even more preferably 40°C/min or less, even more preferably 30°C/min or less, and particularly preferably 20°C/min or less. The lower limit of the heating rate is usually 5°C/min or more. If the heating rate is within the above range, it is preferable because the carbon surface is easily modified sufficiently.

600℃以下の任意の出発温度(例えば、室温)から600℃までの昇温速度は特に限定されないが、商業的観点から好ましくは5~300℃/分、より好ましくは10~60℃/分である。 The rate of temperature rise from any starting temperature below 600°C (e.g., room temperature) to 600°C is not particularly limited, but from a commercial perspective, it is preferably 5 to 300°C/min, more preferably 10 to 60°C/min.

昇温装置としては、通常炭素質材料の製造に用いられるいずれの装置も使用できる。そのような装置の例としては、循環式乾燥機、オーブンまたはロータリーキルン等が挙げられる。均一に昇温させるために、混合物を適宜撹拌しながら加熱してもよい。 As the heating device, any device normally used in the production of carbonaceous materials can be used. Examples of such devices include a circulation dryer, an oven, or a rotary kiln. To raise the temperature uniformly, the mixture may be heated while being appropriately stirred.

揮発性有機物が常温で固体の場合は、粒子の形状で混合されることが好ましいが、粒子の形および粒子径は特に限定されない。揮発性有機物を炭素前駆体に均一に分散させる観点からは、揮発性有機物の平均粒子径は好ましくは0.1~2000μm、より好ましくは1~1000μm、さらに好ましくは2~600μmである。 When the volatile organic substance is a solid at room temperature, it is preferable to mix it in the form of particles, but the shape and particle size are not particularly limited. From the viewpoint of uniformly dispersing the volatile organic substance in the carbon precursor, the average particle size of the volatile organic substance is preferably 0.1 to 2000 μm, more preferably 1 to 1000 μm, and even more preferably 2 to 600 μm.

前記混合物は、炭素前駆体および揮発性有機物以外の他の成分を含んでいてもよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、金属系材料、合金系材料、または酸化物系材料を含むことができる。他の成分の含有量は、特に限定されるものではないが、好ましくは、炭素前駆体と揮発性有機物との混合物100質量部に対して、50質量部以下であり、より好ましくは30質量部以下であり、さらに好ましくは20質量部以下であり、特に好ましくは10質量部以下である。 The mixture may contain other components in addition to the carbon precursor and the volatile organic substance. For example, it may contain natural graphite, artificial graphite, carbon black, carbon nanofiber, metal-based materials, alloy-based materials, or oxide-based materials. The content of the other components is not particularly limited, but is preferably 50 parts by mass or less, more preferably 30 parts by mass or less, even more preferably 20 parts by mass or less, and particularly preferably 10 parts by mass or less, per 100 parts by mass of the mixture of the carbon precursor and the volatile organic substance.

昇温系内の炭素前駆体と揮発性有機物の質量比は、特に限定されるものではないが、好ましくは炭素前駆体と揮発性有機物は97:3~40:60、より好ましくは95:5~60:40、さらに好ましくは93:7~80:20である。揮発性有機物が3質量部以上であると改質が十分に行われやすい。一方、揮発性有機物が多すぎると、粉末表層で過剰に反応し、塊状物を生成しやすいため好ましくない。 The mass ratio of the carbon precursor to the volatile organic substance in the temperature-raising system is not particularly limited, but is preferably 97:3 to 40:60, more preferably 95:5 to 60:40, and even more preferably 93:7 to 80:20. When the amount of the volatile organic substance is 3 parts by mass or more, the modification is likely to be carried out sufficiently. On the other hand, if there is too much volatile organic substance, it is not preferable because it may react excessively on the surface layer of the powder and tend to generate lumps.

昇温工程は、不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等を挙げることができる。また、昇温工程は、大気圧下または減圧下で実施してよく、減圧下で行う場合、例えば、10kPa以下で行うことができる。 The heating step is preferably carried out in an inert gas atmosphere. Examples of inert gases include nitrogen and argon. The heating step may be carried out under atmospheric pressure or reduced pressure. When carried out under reduced pressure, the heating step may be carried out at, for example, 10 kPa or less.

本発明の別の一実施態様において、昇温工程は炭素前駆体と、揮発性有機物に由来する揮発物質(以下、単に「揮発物質」とも称することがある)の存在下で実施してもよい。揮発物質は、前記の揮発性有機物が揮発して気体となったもの、および揮発性有機物の熱分解によって生じた物質である。揮発性有機物が揮発して気体となったものの具体例は、例えば、炭素数が1~20の炭化水素化合物を用いることができる。炭化水素化合物の炭素数は、好ましくは2~18、より好ましくは3~16である。炭化水素化合物は、飽和炭化水素化合物または不飽和炭化水素化合物でもよく、鎖状の炭化水素化合物でも、環式の炭化水素化合物でもよい。不飽和炭化水素化合物の場合、不飽和結合は二重結合でも三重結合でもよく、1分子に含まれる不飽和結合の数も特に限定されるものではない。例えば、鎖状の炭化水素化合物は、脂肪族炭化水素化合物であり、直鎖状または分枝状のアルカン、アルケン、またはアルキンを挙げることができる。環式の炭化水素化合物としては、脂環式炭化水素化合物(例えば、シクロアルカン、シクロアルケン、シクロアルキン)または芳香族炭化水素化合物を挙げることができる。具体的には、脂肪族炭化水素化合物としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセンまたはアセチレン等を挙げることができる。脂環式炭化水素化合物としては、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロプロパン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、デカリン、ノルボルネン、メチルシクロヘキサン、またはノルボルナジエン等を挙げることができる。さらに、芳香族炭化水素化合物としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、ブチルベンゼン、スチレン、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-メチルスチレン、ビニルキシレン、p-tert-ブチルスチレン、エチルスチレン等の単環芳香族化合物、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン等の3環~6環の縮合多環芳香族化合物を挙げることができる。炭素質材料との反応性、取り扱い性の観点から、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、ブチルベンゼン、スチレン、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-メチルスチレン、ビニルキシレン、p-tert-ブチルスチレン、エチルスチレン等の単環芳香族化合物がより好ましい。 In another embodiment of the present invention, the temperature raising step may be carried out in the presence of a carbon precursor and a volatile substance derived from a volatile organic substance (hereinafter, sometimes simply referred to as "volatile substance"). The volatile substance is a substance that is a gas that is formed by the volatilization of the volatile organic substance, and a substance that is generated by the thermal decomposition of the volatile organic substance. A specific example of a gas that is a gas that is formed by the volatilization of a volatile organic substance may be, for example, a hydrocarbon compound having 1 to 20 carbon atoms. The number of carbon atoms in the hydrocarbon compound is preferably 2 to 18, more preferably 3 to 16. The hydrocarbon compound may be a saturated or unsaturated hydrocarbon compound, and may be a chain-like hydrocarbon compound or a cyclic hydrocarbon compound. In the case of an unsaturated hydrocarbon compound, the unsaturated bond may be a double bond or a triple bond, and the number of unsaturated bonds contained in one molecule is not particularly limited. For example, the chain-like hydrocarbon compound is an aliphatic hydrocarbon compound, and examples of the chain-like hydrocarbon compound include linear or branched alkanes, alkenes, or alkynes. Examples of cyclic hydrocarbon compounds include alicyclic hydrocarbon compounds (e.g., cycloalkanes, cycloalkenes, cycloalkynes) or aromatic hydrocarbon compounds.Specific examples of aliphatic hydrocarbon compounds include methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, octane, nonane, decane, ethylene, propylene, butene, pentene, hexene, and acetylene.Examples of alicyclic hydrocarbon compounds include cyclopentane, cyclohexane, cycloheptane, cyclooctane, cyclononane, cyclopropane, cyclopentene, cyclohexene, cycloheptene, cyclooctene, decalin, norbornene, methylcyclohexane, and norbornadiene. Further, examples of aromatic hydrocarbon compounds include monocyclic aromatic compounds such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene, butylbenzene, styrene, α-methylstyrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, vinylxylene, p-tert-butylstyrene, and ethylstyrene, and condensed polycyclic aromatic compounds having 3 to 6 rings such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, and pyrene. From the viewpoint of reactivity with carbonaceous materials and ease of handling, monocyclic aromatic compounds such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, cumene, butylbenzene, styrene, α-methylstyrene, o-methylstyrene, m-methylstyrene, p-methylstyrene, vinylxylene, p-tert-butylstyrene, and ethylstyrene are more preferred.

揮発物質の昇温系中の濃度は、好ましくは1.0体積%以上、より好ましくは1.5体積%以上、さらに好ましくは5体積%以上であり、好ましくは95体積%以下、より好ましくは85体積%以下、さらに好ましくは75体積%以下である。揮発物質の濃度が前記範囲内であると、炭素前駆体の改質が十分になされ、かつ熱処理機器への影響が少なくなりやすい。 The concentration of the volatile substance in the heating system is preferably 1.0 vol.% or more, more preferably 1.5 vol.% or more, and even more preferably 5 vol.% or more, and is preferably 95 vol.% or less, more preferably 85 vol.% or less, and even more preferably 75 vol.% or less. When the concentration of the volatile substance is within the above range, the carbon precursor is sufficiently modified and the effect on the heat treatment equipment is likely to be reduced.

昇温系中に含まれる揮発物質以外の気体としては、不活性ガスが挙げられ、具体的には窒素、アルゴン等を挙げることができる。また、昇温工程は、大気圧下または減圧下で実施してよく、減圧下で行う場合、例えば、10kPa以下で行うことができる。 The gas other than the volatile substances contained in the heating system may be an inert gas, specifically nitrogen, argon, etc. The heating process may be carried out under atmospheric pressure or reduced pressure, and when carried out under reduced pressure, it may be carried out at, for example, 10 kPa or less.

昇温工程を揮発物質の存在下で実施する場合、例えば揮発性有機物のみを単独で炉等に入れた後に加熱し、系内を揮発物質で満たした後に炭素前駆体を系内に導入してもよく、または炭素前駆体が存在する系中に揮発物質を導入してもよい。 When the heating step is carried out in the presence of a volatile substance, for example, the volatile organic substance alone may be placed in a furnace or the like and then heated, and the carbon precursor may be introduced into the system after the system is filled with the volatile substance, or the volatile substance may be introduced into the system in which the carbon precursor is present.

本発明の別の好ましい一実施態様において、昇温工程は揮発性有機物および揮発物質の不存在下で行ってもよい。本発明において、「揮発性有機物および揮発物質が存在しない(不存在)」とは、昇温系中の揮発性有機物の割合が、炭素前駆体の質量に対して好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下、および揮発物質の濃度が好ましくは1体積%未満、より好ましくは0.5体積%以下であることを指す。 In another preferred embodiment of the present invention, the temperature-raising step may be carried out in the absence of volatile organics and volatile substances. In the present invention, "the absence (absence) of volatile organics and volatile substances" refers to the proportion of volatile organics in the temperature-raising system being preferably 2 mass% or less, more preferably 1 mass% or less, relative to the mass of the carbon precursor, and the concentration of volatile substances being preferably less than 1 volume%, more preferably 0.5 volume% or less.

揮発性有機物および揮発物質の不存在下で昇温を実施する場合も、昇温工程における600℃から900℃までの昇温速度は好ましくは60℃/分以下、より好ましくは50℃/分以下、さらに好ましくは40℃/分以下、よりさらに好ましくは30℃/分以下、特に好ましくは20℃/分以下である。昇温速度の下限は通常、5℃/分以上である。
また、600℃以下の任意の出発温度(例えば、室温)から600℃までの昇温速度も揮発性有機物および揮発物質の存在下で昇温工程を実施する場合と同様に、特に限定されないが、商業的観点から好ましくは5~300℃/分、より好ましくは10~60℃/分である。
Even when the temperature is increased in the absence of volatile organic substances and volatile substances, the temperature increase rate from 600° C. to 900° C. in the temperature increase step is preferably 60° C./min or less, more preferably 50° C./min or less, even more preferably 40° C./min or less, still more preferably 30° C./min or less, and particularly preferably 20° C./min or less. The lower limit of the temperature increase rate is usually 5° C./min or more.
Similarly to the case where the heating step is carried out in the presence of a volatile organic substance and a volatile substance, the heating rate from any starting temperature equal to or lower than 600° C. (for example, room temperature) to 600° C. is not particularly limited, but is preferably 5 to 300° C./min, more preferably 10 to 60° C./min, from a commercial viewpoint.

揮発性有機物および揮発物質の不存在下で昇温を実施する場合、昇温工程は不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等を挙げることができる。また、昇温工程は、大気圧下または減圧下で実施してよく、減圧下で行う場合、例えば、10kPa以下で行うことができる。 When the heating is carried out in the absence of volatile organic substances and volatile substances, the heating step is preferably carried out in an inert gas atmosphere. Examples of inert gases include nitrogen and argon. The heating step may be carried out under atmospheric pressure or reduced pressure, and when carried out under reduced pressure, it may be carried out at, for example, 10 kPa or less.

揮発性有機物および揮発物質の不存在下で昇温を実施する場合、炭素前駆体以外の他の成分が系中に含まれていてもよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、金属系材料、合金系材料、または酸化物系材料を含むことができる。他の成分の昇温系中の量は、特に限定されるものではないが、好ましくは、炭素前駆体100質量部に対して、50質量部以下であり、より好ましくは30質量部以下であり、さらに好ましくは20質量部以下である。 When the temperature rise is carried out in the absence of volatile organics and volatile substances, other components besides the carbon precursor may be included in the system. For example, natural graphite, artificial graphite, carbon black, carbon nanofiber, metal-based materials, alloy-based materials, or oxide-based materials may be included. The amount of other components in the temperature rise system is not particularly limited, but is preferably 50 parts by mass or less, more preferably 30 parts by mass or less, and even more preferably 20 parts by mass or less, per 100 parts by mass of the carbon precursor.

〔熱処理工程〕
本発明において、熱処理工程の温度は900℃以上1260℃以下であることが好ましい。熱処理工程の温度が前記範囲内であると、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料を得やすい。熱処理工程の温度はより好ましくは930℃以上、さらに好ましくは1020℃以上であり、より好ましくは1200℃以下、さらに好ましくは1170℃以下である。
[Heat treatment process]
In the present invention, the temperature of the heat treatment step is preferably 900° C. or more and 1260° C. or less. When the temperature of the heat treatment step is within the above range, it is possible to quickly pre-dope, and it is easy to obtain a carbonaceous material that simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability. The temperature of the heat treatment step is more preferably 930° C. or more, even more preferably 1020° C. or more, more preferably 1200° C. or less, and even more preferably 1170° C. or less.

本発明の好ましい一態様において、揮発性有機物および揮発物質の不存在下で昇温を実施する場合、熱処理工程の温度は、好ましくは1100℃超、より好ましくは1140℃以上であり、好ましくは1260℃以下、より好ましくは1230℃以下である。熱処理工程の温度が前記範囲内であると、昇温工程時に揮発性有機物を使用しなくても、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料を得やすい。 In a preferred embodiment of the present invention, when heating is performed in the absence of volatile organics and volatile substances, the temperature of the heat treatment step is preferably greater than 1100°C, more preferably 1140°C or higher, and preferably 1260°C or lower, more preferably 1230°C or lower. When the temperature of the heat treatment step is within the above range, high-speed pre-doping is possible without using volatile organics during the heating step, and it is easy to obtain a carbonaceous material that simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability.

熱処理工程の時間は、揮発性有機物の有無にかかわらず好ましくは10分以上、より好ましくは20分以上であり、好ましくは360分未満、より好ましくは180分以下、さらにより好ましくは90分以下、特に好ましくは50分以下である。熱処理工程の時間が前記範囲内であると放電容量が高い炭素質材料を得やすい。 The time for the heat treatment step is preferably 10 minutes or more, more preferably 20 minutes or more, regardless of the presence or absence of volatile organic substances, and is preferably less than 360 minutes, more preferably 180 minutes or less, even more preferably 90 minutes or less, and particularly preferably 50 minutes or less. If the time for the heat treatment step is within the above range, it is easy to obtain a carbonaceous material with a high discharge capacity.

熱処理工程は不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等を挙げることができる。また、熱処理工程は、大気圧下または減圧下で実施してよく、減圧下で行う場合、例えば、10kPa以下で行うことができる。
The heat treatment step is preferably carried out in an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, etc. The heat treatment step may be carried out under atmospheric pressure or reduced pressure. When the heat treatment step is carried out under reduced pressure, it may be carried out at, for example, 10 kPa or less.

上記の通り、揮発性有機物と炭素前駆体とを昇温すること、および/または炭素前駆体を揮発性有機物に由来する揮発物質の存在下で熱処理することによって以下の反応が起こると推定される。昇温および/または熱処理工程において、揮発成分がコアである炭素前駆体の熱処理物の表面にスキン部を形成することが可能と考えられる。このとき、昇温および/または熱処理工程の昇温速度を適切に調整することで、効果的にスキン部の形成がなされ、それにより、炭素前駆体の細孔が狭まり、開口部を有するインクボトル型の細孔となることが考えられる(スキン部の形成を改質と称することがある)。このような構造を有する炭素質材料は、低い熱処理温度であっても、揮発性有機物に由来する揮発物質による改質によって、副反応の起点となる活性点が低減されているため、放電容量を維持しながらも高いサイクル耐久性を有する炭素質材料となると考えられる。ただし、仮に実際の態様が前記推定とは異なっていたとしても、本発明の範囲内に含まれる。
さらに、本発明者らの検討によると、熱処理工程の温度を適切な範囲とすることで、揮発性有機物および揮発物質が存在しなくとも高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足する炭素質材料が得られることを見出した。また、特定のメソ孔容積を有することで、電解液の拡散性が向上しプレドープ特性をも満足することを見出した。
As described above, it is presumed that the following reaction occurs by increasing the temperature of the volatile organic substance and the carbon precursor, and/or by heat-treating the carbon precursor in the presence of a volatile substance derived from the volatile organic substance. It is presumed that in the temperature increase and/or heat treatment process, a skin portion can be formed on the surface of the heat-treated carbon precursor, the volatile component being the core. At this time, it is presumed that the skin portion can be effectively formed by appropriately adjusting the temperature increase rate in the temperature increase and/or heat treatment process, thereby narrowing the pores of the carbon precursor and forming ink bottle-shaped pores with openings (the formation of the skin portion is sometimes referred to as modification). It is presumed that the carbonaceous material having such a structure has high cycle durability while maintaining the discharge capacity, because the active sites that are the starting points of side reactions are reduced by the modification by the volatile substance derived from the volatile organic substance, even at a low heat treatment temperature. However, even if the actual embodiment differs from the above presumption, it is included in the scope of the present invention.
Furthermore, the inventors have found that by setting the temperature of the heat treatment step in an appropriate range, a carbonaceous material that simultaneously satisfies high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability can be obtained even without the presence of volatile organic substances and volatile substances. In addition, the inventors have found that by having a specific mesopore volume, the diffusibility of the electrolyte is improved and the pre-doping characteristics are also satisfied.

〔粉砕工程〕
本発明の製造方法において、炭素質材料を所望の粒子径とするために、必要に応じて炭素前駆体および/または熱処理後の炭素前駆体を粉砕する粉砕工程を実施してもよい。また、粉砕工程を実施する場合、分級工程も実施することが好ましい。
[Crushing process]
In the production method of the present invention, in order to obtain a carbonaceous material having a desired particle size, a pulverization step of pulverizing the carbon precursor and/or the carbon precursor after the heat treatment may be carried out as necessary. In addition, when the pulverization step is carried out, it is preferable to also carry out a classification step.

炭素前駆体は、昇温および熱処理工程では溶解しないため、粉砕工程の順番は、特に限定されず、昇温および熱処理工程前に炭素前駆体を粉砕してもよく、昇温および熱処理工程後の炭素前駆体を粉砕してもよい。粉砕による表面酸化を抑制する観点から、昇温および熱処理工程前に炭素前駆体を粉砕することが好ましい。 Since the carbon precursor does not dissolve in the heating and heat treatment steps, the order of the pulverization steps is not particularly limited, and the carbon precursor may be pulverized before the heating and heat treatment steps, or after the heating and heat treatment steps. From the viewpoint of suppressing surface oxidation due to pulverization, it is preferable to pulverize the carbon precursor before the heating and heat treatment steps.

なお、炭素前駆体は、昇温および/または熱処理工程の条件により、0~20%程度収縮する。そのため、昇温および熱処理工程前の炭素前駆体を粉砕する場合、炭素前駆体の平均粒子径を、炭素質材料として所望する平均粒子径よりも0~20%程度大きい粒子径となるように調製することが好ましい。 The carbon precursor shrinks by about 0 to 20% depending on the conditions of the heating and/or heat treatment process. Therefore, when pulverizing the carbon precursor before the heating and heat treatment process, it is preferable to prepare the average particle size of the carbon precursor to be about 0 to 20% larger than the average particle size desired for the carbonaceous material.

粉砕工程に用いる粉砕機は特に限定されるものではなく、例えば、ジェットミル、ボールミル、ハンマーミル、またはロッドミル等を使用できる。微粉の発生が少ない観点からは、分級機能を備えたジェットミルが好ましい。ボールミル、ハンマーミル、またはロッドミル等を用いる場合は、粉砕工程後に分級を行うことで微粉を取り除くことができる。 The grinding machine used in the grinding step is not particularly limited, and for example, a jet mill, a ball mill, a hammer mill, or a rod mill can be used. From the viewpoint of generating less fine powder, a jet mill equipped with a classification function is preferable. When using a ball mill, a hammer mill, or a rod mill, the fine powder can be removed by classification after the grinding step.

粉砕は、湿式粉砕、乾式粉砕のいずれであってもよい。粉砕後の乾燥などの後処理が不要なことからは乾式粉砕が好ましい。 The grinding may be either wet grinding or dry grinding. Dry grinding is preferred because it does not require post-processing such as drying after grinding.

分級工程によって、炭素質材料の平均粒子径をより正確に調製することが可能となる。 The classification process makes it possible to more precisely adjust the average particle size of the carbonaceous material.

分級方法は、特に制限されないが、例えば、篩を用いた分級、湿式分級、乾式分級を挙げることができる。湿式分級機としては、例えば、重力分級、慣性分級、水力分級、遠心分級等の原理を利用した分級機を挙げることができる。乾式分級機としては、沈降分級、機械的分級、遠心分級等の原理を利用した分級機を挙げることができる。 The classification method is not particularly limited, but examples include classification using a sieve, wet classification, and dry classification. Examples of wet classifiers include classifiers that utilize the principles of gravity classification, inertial classification, hydraulic classification, centrifugal classification, etc. Examples of dry classifiers include classifiers that utilize the principles of sedimentation classification, mechanical classification, centrifugal classification, etc.

粉砕工程と分級工程は、1つの装置を用いて実施することもできる。例えば、乾式の分級機能を備えたジェットミルを用いて、粉砕工程と分級工程を実施できる。さらに、粉砕機と分級機とが独立した装置を用いることもできる。この場合、粉砕と分級とを連続して行うこともできるが、粉砕と分級とを不連続に行うこともできる。 The pulverization and classification processes can also be carried out using one device. For example, the pulverization and classification processes can be carried out using a jet mill equipped with a dry classification function. Furthermore, a device having a pulverizer and a classifier independent of each other can also be used. In this case, pulverization and classification can be carried out continuously, or pulverization and classification can be carried out discontinuously.

所望の平均粒子径を有する炭素質材料を得るために、粉砕工程および場合により分級工程を経た、特定の異なる平均粒子径を有する2種以上の炭素前駆体または熱処理後の炭素前駆体(炭素質材料)を混合することができる。 In order to obtain a carbonaceous material having a desired average particle size, two or more carbon precursors or heat-treated carbon precursors (carbonaceous materials) having specific different average particle sizes that have been subjected to a grinding process and, optionally, a classification process can be mixed.

<電気化学デバイス>
本発明の炭素質材料は、電気化学デバイスに好適に使用できる。
電気化学デバイスの例としては、鉛炭素電池のような水系電解質電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ナトリウムイオン電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池、全固体電池および有機ラジカル電池のような非水電解質電池、燃料電池等の様々な電池ならびに電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタおよびリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタが挙げられる。これらのうち、電気化学デバイスは、好ましくは非水電解質二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池、全固体電池および有機ラジカル電池等)であってよく、特に好ましくはリチウムイオン二次電池である。
<Electrochemical Devices>
The carbonaceous material of the present invention can be suitably used in electrochemical devices.
Examples of electrochemical devices include aqueous electrolyte batteries such as lead-carbon batteries, lithium ion secondary batteries, nickel hydrogen secondary batteries, nickel cadmium secondary batteries, sodium ion batteries, lithium sulfur batteries, lithium air batteries, nonaqueous electrolyte batteries such as all-solid-state batteries and organic radical batteries, various batteries such as fuel cells, and capacitors such as electric double layer capacitors, hybrid capacitors and lithium ion capacitors. Of these, the electrochemical device may preferably be a nonaqueous electrolyte secondary battery (e.g., lithium ion secondary battery, sodium ion battery, lithium sulfur battery, lithium air battery, all-solid-state battery, organic radical battery, etc.), and is particularly preferably a lithium ion secondary battery.

電気化学デバイスに金属イオンをプレドープして用いる場合、プレドープされる金属イオンとしてはアルカリ金属イオンが好ましく、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンがより好ましく、リチウムイオンが特に好ましい。 When metal ions are pre-doped in an electrochemical device, the pre-doped metal ions are preferably alkali metal ions, more preferably lithium ions, sodium ions, and potassium ions, and particularly preferably lithium ions.

したがって、本発明は、本発明の炭素質材料を含む電気化学デバイスも対象とする。
そのような電気化学デバイスにおいて、本発明の炭素質材料以外の構成要素としては、一般的に使用されている構成要素を使用できる。例えば、リチウムイオン二次電池においては、本発明の炭素質材料を含む負極電極は、本発明の炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し、適当な溶媒を適量添加、混練し、電極合剤とした後に、金属板等からなる集電板に塗布・乾燥後、加圧成形することにより製造することができる。
Thus, the present invention is also directed to an electrochemical device comprising the carbonaceous material of the present invention.
In such electrochemical devices, as the components other than the carbonaceous material of the present invention, generally used components can be used. For example, in a lithium ion secondary battery, a negative electrode containing the carbonaceous material of the present invention can be produced by adding a binder to the carbonaceous material of the present invention, adding an appropriate amount of a suitable solvent, kneading, preparing an electrode mixture, applying it to a current collector made of a metal plate or the like, drying it, and then pressure molding it.

本発明の炭素質材料を用いることにより、導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極を製造することができる。さらに高い導電性を賦与することを目的として、必要に応じて電極合剤の調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブ等を用いることができる。導電助剤の添加量は、使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないことがあり、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなることがある。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5~10質量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100質量%とする)であり、さらに好ましくは0.5~7質量%、特に好ましくは0.5~5質量%である。結合剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物等の電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもPVDFは、活物質表面に付着したPVDFがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性を得るために好ましい。PVDFを溶解し、スラリーを形成するためにN-メチルピロリドン(NMP)等の極性溶媒を好ましく用いられるが、SBR等の水性エマルジョンまたはCMCを水に溶解して用いることもできる。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させることがある。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料の粒子相互間および集電材との結合が不十分となることがある。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、例えばPVDF系のバインダーでは好ましくは3~13質量%であり、さらに好ましくは3~10質量%である。一方、溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物等、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5~5質量%が好ましく、さらに好ましくは1~4質量%である。 By using the carbonaceous material of the present invention, an electrode having high conductivity can be manufactured without adding a conductive assistant. In order to impart even higher conductivity, a conductive assistant can be added as necessary when preparing the electrode mixture. As the conductive assistant, conductive carbon black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), nanotubes, etc. can be used. The amount of conductive assistant added varies depending on the type of conductive assistant used, but if the amount added is too small, the expected conductivity may not be obtained, and if the amount added is too large, the dispersion in the electrode mixture may be poor. From this perspective, the preferred proportion of conductive assistant to be added is 0.5 to 10 mass% (where the amount of active material (carbonaceous material) + the amount of binder + the amount of conductive assistant = 100 mass%), more preferably 0.5 to 7 mass%, and particularly preferably 0.5 to 5 mass%. The binder is not particularly limited as long as it does not react with the electrolyte, such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, and a mixture of SBR (styrene butadiene rubber) and CMC (carboxymethyl cellulose). Among them, PVDF is preferable because the PVDF attached to the surface of the active material does not inhibit lithium ion movement and therefore good input/output characteristics can be obtained. A polar solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) is preferably used to dissolve PVDF and form a slurry, but an aqueous emulsion such as SBR or CMC can also be dissolved in water and used. If the amount of binder added is too large, the resistance of the resulting electrode increases, and the internal resistance of the battery increases, which may reduce the battery characteristics. In addition, if the amount of binder added is too small, the binding between the particles of the negative electrode material and with the current collector may be insufficient. The preferred amount of binder added varies depending on the type of binder used, but for example, for PVDF-based binders, it is preferably 3 to 13 mass%, and more preferably 3 to 10 mass%. On the other hand, binders that use water as a solvent often use a mixture of multiple binders, such as a mixture of SBR and CMC, and the total amount of all binders used is preferably 0.5 to 5 mass%, and more preferably 1 to 4 mass%.

電極活物質層は、集電板の両面に形成されることが基本であるが、必要に応じて片面に形成されてもよい。電極活物質層が厚いほど、集電板、セパレータ等が少なくて済むため、高容量化には好ましい。しかし、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため、電極活物質層が厚すぎると入出力特性が低下することがある。好ましい活物質層(片面当たり)の厚みは、電池放電時の出力の観点から、10~80μmであり、さらに好ましくは20~75μm、特に好ましくは20~60μmである。 The electrode active material layer is basically formed on both sides of the current collector plate, but may be formed on one side if necessary. The thicker the electrode active material layer, the fewer current collector plates, separators, etc. are required, which is preferable for increasing capacity. However, since a larger electrode area facing the counter electrode is advantageous for improving input/output characteristics, if the electrode active material layer is too thick, the input/output characteristics may deteriorate. From the viewpoint of output during battery discharge, the preferred thickness of the active material layer (per side) is 10 to 80 μm, more preferably 20 to 75 μm, and particularly preferably 20 to 60 μm.

本発明の炭素質材料を用いて、リチウムイオン二次電池用の負極を形成した場合、正極材料、セパレータ、および電解液等電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、リチウムイオン二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。 When the carbonaceous material of the present invention is used to form a negative electrode for a lithium ion secondary battery, the other materials constituting the battery, such as the positive electrode material, separator, and electrolyte, are not particularly limited, and various materials that have been conventionally used or proposed for lithium ion secondary batteries can be used.

例えば、正極材料としては、層状酸化物系(LiMOと表されるもので、Mは金属:例えばLiCoO、LiNiO、LiMnO、またはLiNiCoMo(ここでx、y、zは組成比を表わす))、オリビン系(LiMPOで表され、Mは金属:例えばLiFePO等)、スピネル系(LiMで表され、Mは金属:例えばLiMn等)の複合金属カルコゲン化合物が好ましく、これらのカルコゲン化合物を必要に応じて混合してもよい。これらの正極材料を適当なバインダーと電極に導電性を付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集電材上に層形成することにより正極が形成される。 For example, the positive electrode material is preferably a composite metal chalcogen compound of a layered oxide system (represented as LiMO2 , where M is a metal, e.g., LiCoO2 , LiNiO2 , LiMnO2 , or LiNi x Co y Mo z O2 (where x, y, and z represent the composition ratio)), an olivine system (represented as LiMPO4 , where M is a metal, e.g., LiFePO4 , etc.), or a spinel system (represented as LiM2O4 , where M is a metal, e.g., LiMn2O4 , etc. ), and these chalcogen compounds may be mixed as necessary. These positive electrode materials are molded together with a suitable binder and a carbon material for imparting conductivity to the electrode, and a layer is formed on a conductive current collector to form a positive electrode.

これらの正極および負極と組み合わせて用いられる非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ-ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、または1,3-ジオキソラン等の有機溶媒を、一種または二種以上を組み合わせて用いることができる。また、電解質としては、LiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiAsF、LiCl、LiBr、LiB(C、またはLiN(SOCF等が用いられる。 The non-aqueous electrolyte used in combination with these positive and negative electrodes is generally formed by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent. As the non-aqueous solvent, for example, organic solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, diethoxyethane, γ-butyl lactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, or 1,3-dioxolane can be used alone or in combination of two or more. As the electrolyte, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiAsF 6 , LiCl, LiBr, LiB(C 6 H 5 ) 4 , or LiN(SO 3 CF 3 ) 2 can be used.

リチウムイオン二次電池は、一般に前記のようにして形成した正極と負極とを必要に応じて不織布、その他の多孔質材料等からなる透過性セパレータを介して対向させ電解液中に浸漬させることにより形成される。セパレータとしては、二次電池に通常用いられる不織布、その他の多孔質材料からなる透過性セパレータを用いることができる。あるいはセパレータの代わりに、もしくはセパレータと一緒に、電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。 Lithium ion secondary batteries are generally formed by placing the positive and negative electrodes formed as described above opposite each other, optionally with a permeable separator made of nonwoven fabric or other porous material between them, and immersing them in an electrolyte. As the separator, a permeable separator made of nonwoven fabric or other porous material that is commonly used in secondary batteries can be used. Alternatively, a solid electrolyte made of a polymer gel impregnated with an electrolyte can be used instead of or together with the separator.

上記のリチウムイオン二次電池をプレドープして用いる場合、正極、負極、セパレータ、および電解液等を組み合わせて電池の形態として初回の充電をする前に、負極中の負極活物質に金属イオンをあらかじめ吸蔵させるプレドープ工程を実施することができる。
負極活物質にリチウムイオンをドープする方法は特に限定されないが、例えば電解液中に負極活物質および金属リチウムを分散させてスラリーを調製し、調製したスラリーを混練混合する方法(この場合、金属リチウムの添加量に相当する量のリチウムイオンを負極活物質にドープできる)、負極活物質を用いて作成した負極活物質層、セパレータ、およびリチウム金属層(例えばリチウム金属箔)をこの順に積層した積層体を一対の集電体(例えば銅箔)で挟持し、公知の充放電装置を用いて積層体の負極活物質層とリチウム金属層とを外部短絡し、負極活物質層を充電処理して電気化学的にプレドープする方法等が挙げられる。
When the above-mentioned lithium ion secondary battery is used after pre-doping, a pre-doping process can be carried out in which metal ions are pre-absorbed into the negative electrode active material in the negative electrode before the initial charging of the battery formed by combining a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte.
The method for doping the negative electrode active material with lithium ions is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a negative electrode active material and metallic lithium are dispersed in an electrolyte to prepare a slurry, and the prepared slurry is kneaded and mixed (in this case, lithium ions in an amount equivalent to the amount of metallic lithium added can be doped into the negative electrode active material), a method in which a negative electrode active material layer, a separator, and a lithium metal layer (e.g., lithium metal foil) prepared using the negative electrode active material are laminated in this order, the laminate is sandwiched between a pair of current collectors (e.g., copper foil), the negative electrode active material layer and the lithium metal layer of the laminate are externally short-circuited using a known charge/discharge device, and the negative electrode active material layer is charged to perform electrochemical pre-doping, and the like.

<二酸化炭素の吸脱着等温線の測定>
実施例および比較例で得られた炭素質材料について、ガス吸着測定装置(Quantachrome社製、AUTOSORB-iQ MP-XR)を用い、273Kでの二酸化炭素の吸脱着を0.00075から0.030までの相対圧(p/p)で測定することにより吸脱着等温線を得た。
<Measurement of carbon dioxide adsorption/desorption isotherm>
For the carbonaceous materials obtained in the examples and comparative examples, the adsorption and desorption of carbon dioxide at 273 K was measured using a gas adsorption measuring device (AUTOSORB-iQ MP-XR, manufactured by Quantachrome) at relative pressures (p/p 0 ) ranging from 0.00075 to 0.030 to obtain adsorption and desorption isotherms.

〔細孔容積〕
前記で得られた吸脱着等温線に対し、Calculation modelとして「CO2 at 273K on carbon」を適用してグランドカノニカルモンテカルロ(Grand Canonical Monte Carlo)法の解析を行い、細孔直径0.35~1.47nmの細孔容積を求めた。
[Pore volume]
The adsorption/desorption isotherm obtained above was analyzed by the Grand Canonical Monte Carlo method using "CO 2 at 273K on carbon" as a calculation model to determine the pore volume of pores with diameters of 0.35 to 1.47 nm.

〔二酸化炭素の吸脱着量〕
前記で得られた吸脱着等温線より、相対圧0.01における脱着量と吸着量の比(脱着量/吸着量)を求めた。
[Amount of carbon dioxide adsorption/desorption]
From the adsorption/desorption isotherm thus obtained, the ratio of the desorption amount to the adsorption amount (desorption amount/adsorption amount) at a relative pressure of 0.01 was determined.

<メソ孔容積>
日本ベル(株)製のBELSORP-miniを使用し、実施例および比較例で得られた炭素質材料を試料管に充填し、減圧状態にて300℃で5時間加熱処理した後、77Kにおける炭素質材料の窒素吸着等温線を測定した。得られた吸着等温線に対し、Barrett-Joyner-Halenda(BJH)法を適用し、細孔直径2.5nmから33nmの範囲をメソ孔容積とした。
<Mesopore volume>
Using a BELSORP-mini manufactured by BEL JAPAN, the carbonaceous materials obtained in the Examples and Comparative Examples were filled into a sample tube and heat-treated at 300° C. for 5 hours under reduced pressure, and then the nitrogen adsorption isotherm of the carbonaceous material was measured at 77 K. The Barrett-Joyner-Halenda (BJH) method was applied to the obtained adsorption isotherm, and the range of pore diameters from 2.5 nm to 33 nm was determined as the mesopore volume.

<平均粒子径(D50)>
実施例および比較例で使用した炭素前駆体ならびに実施例および比較例で得られた炭素質材料の平均粒子径D50(粒度分布)は、レーザー散乱法により以下の通りに測定した。後述する実施例および比較例の炭素前駆体および炭素質材料の試料を界面活性剤(和光純薬工業(株)製「ToritonX 100」)が0.3質量%含まれた水溶液に投入し、超音波洗浄機で10分以上処理し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定器(日機装(株)製「マイクロトラックM T3000」)を用いて、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性を吸収として行った。累積体積が50%となる粒子径を平均粒子径D50とした。
<Average particle diameter (D 50 )>
The average particle diameter D 50 (particle size distribution) of the carbon precursor used in the examples and comparative examples and the carbonaceous material obtained in the examples and comparative examples was measured by a laser scattering method as follows. The carbon precursor and carbonaceous material samples of the examples and comparative examples described below were put into an aqueous solution containing 0.3 mass% of a surfactant ("ToritonX 100" manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), treated with an ultrasonic cleaner for 10 minutes or more, and dispersed in the aqueous solution. The particle size distribution was measured using this dispersion. The particle size distribution was measured using a particle size/particle size distribution measuring instrument ("Microtrac M T3000" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) with a solvent refractive index of 1.33 and particle permeability as absorption. The particle diameter at which the cumulative volume was 50% was taken as the average particle diameter D 50 .

<窒素吸着法によるBET比表面積>
実施例および比較例で使用した炭素前駆体ならびに実施例および比較例で得られた炭素質材料の比表面積は、BET法(窒素吸着BET3点法)により定められる(BET比表面積)。以下にBETの式から誘導された近似式を記す。

Figure 0007638137000003
前記の近似式を用いて、液体窒素温度における、窒素吸着による3点法によりvを求め、次式により試料の比表面積を計算した。
Figure 0007638137000004
このとき、vは試料表面に単分子層を形成するのに必要な吸着量(cm/g)、vは実測される吸着量(cm/g)、pは飽和蒸気圧、pは絶対圧、cは定数(吸着熱を反映)、Nはアボガドロ数6.022×1023、a(nm)は吸着質分子が試料表面で占める面積(分子占有断面積)である。 <BET specific surface area by nitrogen adsorption method>
The specific surface areas of the carbon precursors used in the examples and comparative examples and the carbonaceous materials obtained in the examples and comparative examples are determined by the BET method (nitrogen adsorption BET three-point method) (BET specific surface area). The approximate formula derived from the BET formula is shown below.
Figure 0007638137000003
Using the above approximation formula, vm was determined by the three-point method using nitrogen adsorption at liquid nitrogen temperature, and the specific surface area of the sample was calculated using the following formula.
Figure 0007638137000004
Here, vm is the amount of adsorption required to form a monolayer on the sample surface ( cm3 /g), v is the measured amount of adsorption ( cm3 /g), p0 is the saturated vapor pressure, p is the absolute pressure, c is a constant (reflecting the heat of adsorption), N is Avogadro's number 6.022 x 1023 , and a ( nm2 ) is the area occupied by the adsorbate molecules on the sample surface (molecular occupied cross-sectional area).

具体的には、日本BELL社製「BELL Sorb Mini」を用いて、次のようにして液体窒素温度における試料への窒素の吸着量を測定した。試料を試料管に充填し、減圧状態にて、300℃で5時間加熱処理した後、試料管を-196℃に冷却した状態で、一旦減圧し、その後所望の相対圧にて試料に窒素(純度99.999%)を吸着させた。各所望の相対圧にて平衡圧に達した時の試料に吸着した窒素量を吸着ガス量vとした。 Specifically, the amount of nitrogen adsorbed to the sample at liquid nitrogen temperature was measured using a "BELL Sorb Mini" manufactured by BELL Japan Co., Ltd., as follows. The sample was filled into a sample tube and heated at 300°C for 5 hours under reduced pressure. The sample tube was then cooled to -196°C and the pressure was reduced once, after which nitrogen (purity 99.999%) was adsorbed onto the sample at the desired relative pressure. The amount of nitrogen adsorbed into the sample when equilibrium pressure was reached at each desired relative pressure was taken as the amount of adsorbed gas v.

<(002)面の面間隔d002
株式会社リガク製「MiniFlexII」を用い、実施例および比較例で得られた炭素質材料を試料ホルダーに充填し、Niフィルターにより単色化したCuKα線を線源とし、X線回折図形を得た。回折図形のピーク位置は重心法(回折線の重心位置を求め、これに対応する2θ値でピーク位置を求める方法)により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正した。CuKα線の波長λを0.15418nmとし、以下に記すBraggの公式によりd002を算出した。

Figure 0007638137000005
<Plane spacing d 002 of (002) plane>
Using "MiniFlexII" manufactured by Rigaku Corporation, the carbonaceous materials obtained in the examples and comparative examples were filled into a sample holder, and CuKα rays monochromatized by a Ni filter were used as the radiation source to obtain an X-ray diffraction pattern. The peak positions of the diffraction patterns were determined by the centroid method (a method of determining the centroid position of the diffraction lines and determining the peak position at the corresponding 2θ value), and were corrected using the diffraction peak of the (111) plane of high-purity silicon powder for standard material. The wavelength λ of CuKα rays was set to 0.15418 nm, and d 002 was calculated using the Bragg formula described below.
Figure 0007638137000005

<残炭率の測定>
残炭率は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分の炭素量を定量することにより測定した。強熱は、揮発性有機物およそ1g(この正確な質量をW1(g)とする)を坩堝にいれ、1分間に20リットルの窒素を流しながら坩堝を電気炉にて、10℃/分の昇温速度で常温から800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱した。このときの残存物を強熱残分とし、その質量をW2(g)とした。
次いで上記強熱残分について、JIS M8819に定められた方法に準拠して元素分析を行い、炭素の質量割合P1(質量%)を測定した。残炭率P2(質量%)は以下の式により算出した。

Figure 0007638137000006
<Measurement of residual carbon rate>
The carbon content was measured by quantifying the amount of carbon in the ignition residue after igniting the sample in an inert gas. Ignition was performed by placing approximately 1 g of volatile organic matter (the exact mass was designated W1 (g)) in a crucible, and heating the crucible in an electric furnace from room temperature to 800°C at a heating rate of 10°C/min while flowing nitrogen at 20 liters per minute, and then igniting at 800°C for 1 hour. The remaining material was designated the ignition residue, and its mass was designated W2 (g).
Next, the ignition residue was subjected to elemental analysis in accordance with the method defined in JIS M8819 to measure the mass percentage P1 (mass%) of carbon. The residual carbon percentage P2 (mass%) was calculated by the following formula.
Figure 0007638137000006

<炭素前駆体の作製>
椰子殻を破砕し、500℃で乾留して得られた椰子殻チャーA(粒子径0.850~2.360mmの粒子を98質量%含有)100gに対して、塩化水素ガスを1体積%含む窒素ガスを10L/分の流量で供給して、950℃で80分間処理後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、さらに950℃で30分間熱処理した。
その後、ファインミルSF5(日本コークス製)で平均粒子径10μmに粉砕した後、コンパクトジェットミル(株式会社セイシン企業製「コジェットシステムα-mkIII」)で粉砕した。さらに、ラボクラッシールN-01(株式会社セイシン企業製)を用いて分級し、平均粒子径5.1μm(比表面積410m/g)の炭素前駆体Aと、平均粒子径9.7μm(比表面積400m/g)の炭素前駆体Bをそれぞれ得た。
得られた平均粒子径5.1μmの炭素前駆体AをさらにファインミルSF5(日本コークス製)で粉砕し、平均粒子径1.3μm、2.2μm、2.6μm、3.1μmの炭素前駆体(それぞれ炭素前駆体C、D、E、Fとする)をそれぞれ得た。
<Preparation of carbon precursor>
Coconut shells were crushed and dry distilled at 500°C to obtain 100 g of coconut shell char A (containing 98% by mass of particles having a particle size of 0.850 to 2.360 mm). Nitrogen gas containing 1% by volume of hydrogen chloride gas was supplied at a flow rate of 10 L/min to the coconut shell char A, which was then treated at 950°C for 80 minutes. After that, the supply of hydrogen chloride gas was stopped, and the coconut shell char A was further heat-treated at 950°C for 30 minutes.
The mixture was then pulverized in a Fine Mill SF5 (manufactured by Nippon Coke) to an average particle size of 10 μm, and then pulverized in a compact jet mill (Cojet System α-mkIII, manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.). It was then classified using Labo Classil N-01 (manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.) to obtain carbon precursor A with an average particle size of 5.1 μm (specific surface area of 410 m2 /g) and carbon precursor B with an average particle size of 9.7 μm (specific surface area of 400 m2 /g).
The obtained carbon precursor A having an average particle size of 5.1 μm was further pulverized with a fine mill SF5 (manufactured by Nippon Coke Co., Ltd.) to obtain carbon precursors having average particle sizes of 1.3 μm, 2.2 μm, 2.6 μm and 3.1 μm (referred to as carbon precursors C, D, E and F, respectively).

<実施例1>
平均粒子径9.7μmの炭素前駆体B9.1gに、ポリスチレン(積水化成品工業株式会社製、平均粒子径400μm、残炭率1.2質量%)0.9gを混合した。この混合物10gを試料層厚さが約3mmとなるよう黒鉛性のサヤに入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中に置いて、毎分5Lの窒素流量下、600℃から900℃の昇温速度を毎分5℃(昇温時間60分)、それ以外の温度域では毎分60℃とした。900℃まで昇温後、その温度で20分間保持した後、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出し、平均粒子径9.6μmの炭素質材料を得た。
平均粒子径2.2μmの炭素前駆体Dを、平均粒子径9.7μmの炭素前駆体Bと同様の方法で処理し、平均粒子径2.1μmの炭素質材料を得た。
次いで、平均粒子径2.1μmの炭素質材料と平均粒子径9.7μmの炭素質材料を、質量比で1:1になるように混合し、平均粒子径4.5μmの炭素質材料を得た。
Example 1
0.9g of polystyrene (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., average particle size 400μm, residual carbon rate 1.2% by mass) was mixed with 9.1g of carbon precursor B having an average particle size of 9.7μm. 10g of this mixture was placed in a graphite sheath so that the sample layer thickness was about 3mm, and placed in a high-speed heating furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd., and the heating rate from 600°C to 900°C was 5°C per minute (heating time 60 minutes) under a nitrogen flow rate of 5L per minute, and 60°C per minute in other temperature ranges. After heating to 900°C, the temperature was held for 20 minutes and then naturally cooled. After confirming that the temperature in the furnace had dropped to 200°C or less, the carbonaceous material was removed from the furnace to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 9.6μm.
Carbon precursor D having an average particle size of 2.2 μm was treated in the same manner as carbon precursor B having an average particle size of 9.7 μm to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 2.1 μm.
Next, a carbonaceous material having an average particle size of 2.1 μm and a carbonaceous material having an average particle size of 9.7 μm were mixed in a mass ratio of 1:1 to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 4.5 μm.

<実施例2>
600℃から900℃の昇温速度を毎分20℃(昇温時間15分)とし、1000℃まで昇温後その温度で20分保持した以外は実施例1と同様に処理し、炭素質材料を得た。
Example 2
The same treatment as in Example 1 was conducted except that the heating rate from 600°C to 900°C was 20°C per minute (heating time: 15 minutes) and the temperature was held at 1000°C for 20 minutes after heating to 1000°C, to obtain a carbonaceous material.

<実施例3>
平均粒子径2.2μmの炭素前駆体D9.1gに、ポリスチレン(積水化成品工業株式会社製、平均粒子径400μm、残炭率1.2質量%)0.9gを混合した。この混合物10gを試料層厚さが約3mmとなるよう黒鉛性のサヤに入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中に置いて、毎分5Lの窒素流量下、600℃から900℃の昇温速度を毎分20℃(昇温時間15分)、それ以外の温度域では毎分60℃とした。1100℃まで昇温後、その温度で20分間保持した後、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出し、平均粒子径2.1μmの炭素質材料を得た。
Example 3
0.9g of polystyrene (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., average particle size 400μm, residual carbon rate 1.2% by mass) was mixed with 9.1g of carbon precursor D having an average particle size of 2.2μm. 10g of this mixture was placed in a graphite sheath so that the sample layer thickness was about 3mm, and placed in a high-speed heating furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd., and the heating rate from 600°C to 900°C was 20°C per minute (heating time 15 minutes) under a nitrogen flow rate of 5L per minute, and 60°C per minute in other temperature ranges. After heating to 1100°C, the temperature was held for 20 minutes and then naturally cooled. After confirming that the temperature in the furnace had dropped to 200°C or less, the carbonaceous material was removed from the furnace to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 2.1μm.

<実施例4>
平均粒子径2.6μmの炭素前駆体Eを用いた以外は、実施例3と同様に処理し、平均粒子径2.5μmの炭素質材料を得た。
Example 4
The same treatment as in Example 3 was carried out except that carbon precursor E having an average particle size of 2.6 μm was used, to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 2.5 μm.

<実施例5>
平均粒子径3.1μmの炭素前駆体を用いた以外は、実施例3と同様に処理し、平均粒子径3.0μmの炭素質材料を得た。
Example 5
The same treatment as in Example 3 was carried out except that a carbon precursor having an average particle size of 3.1 μm was used, to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 3.0 μm.

<実施例6>
実施例5で得られた平均粒子径3.0μmの炭素質材料と後述する比較例3で得られた平均粒子径9.6μmの炭素質材料とを、質量比で1:1になるように混合した。得られた炭素質材料の平均粒子径は4.8μmであった。
Example 6
The carbonaceous material having an average particle size of 3.0 μm obtained in Example 5 and the carbonaceous material having an average particle size of 9.6 μm obtained in Comparative Example 3 described below were mixed in a mass ratio of 1:1. The average particle size of the resulting carbonaceous material was 4.8 μm.

<実施例7>
実施例3で得られた平均粒子径2.1μmの炭素質材料と後述する比較例3で得られた平均粒子径9.6μmの炭素質材料とを、質量比で1:1になるように混合した。得られた炭素質材料の平均粒子径は4.5μmであった。
Example 7
The carbonaceous material having an average particle size of 2.1 μm obtained in Example 3 and the carbonaceous material having an average particle size of 9.6 μm obtained in Comparative Example 3 described below were mixed in a mass ratio of 1:1. The average particle size of the resulting carbonaceous material was 4.5 μm.

<実施例8>
600℃から900℃の昇温速度を毎分20℃(昇温時間15分)とし、1175℃まで昇温後その温度で20分保持した以外は実施例1と同様に処理し、炭素質材料を得た。
Example 8
The same treatment as in Example 1 was conducted except that the heating rate from 600°C to 900°C was 20°C per minute (heating time: 15 minutes) and the temperature was held at 1,175°C for 20 minutes after heating to 1,175°C, to obtain a carbonaceous material.

<実施例9>
平均粒子径5.1μmの炭素前駆体A9.1gを試料層厚さが約3mmとなるよう黒鉛性のサヤに入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中に置いて、毎分5Lの窒素流量下、600℃から900℃の昇温速度を毎分60℃(昇温時間5分)、それ以外の温度域でも毎分60℃とした。1150℃まで昇温後、その温度で20分間保持した後、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出し、平均粒子径5.0μmの炭素質材料を得た。
<Example 9>
9.1 g of carbon precursor A having an average particle size of 5.1 μm was placed in a graphite sheath so that the sample layer thickness was about 3 mm, and placed in a high-speed heating furnace manufactured by Motoyama Co., Ltd., and under a nitrogen flow rate of 5 L per minute, the heating rate from 600 ° C. to 900 ° C. was 60 ° C. per minute (heating time 5 minutes), and also in other temperature ranges, 60 ° C. per minute. After heating to 1150 ° C., the temperature was maintained for 20 minutes, and then naturally cooled. After confirming that the temperature in the furnace had dropped to 200 ° C. or less, the carbonaceous material was removed from the furnace, and a carbonaceous material having an average particle size of 5.0 μm was obtained.

<比較例1>
600℃から900℃の昇温速度を毎分300℃(昇温時間1分)とした以外は実施例1と同様に処理し、炭素質材料を得た。
<Comparative Example 1>
The same treatment as in Example 1 was carried out except that the heating rate from 600° C. to 900° C. was 300° C. per minute (heating time: 1 minute), to obtain a carbonaceous material.

<比較例2>
平均粒子径1.3μmの炭素前駆体Cを用いた以外は、実施例3と同様に処理し、平均粒子径1.2μmの炭素質材料を得た。
<Comparative Example 2>
The same treatment as in Example 3 was carried out except that carbon precursor C having an average particle size of 1.3 μm was used, to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 1.2 μm.

<比較例3>
平均粒子径9.7μmの炭素前駆体Bを用いた以外は、実施例3と同様に処理し、平均粒子径9.6μmの炭素質材料を得た。
<Comparative Example 3>
The same treatment as in Example 3 was carried out except that carbon precursor B having an average particle size of 9.7 μm was used, to obtain a carbonaceous material having an average particle size of 9.6 μm.

<比較例4>
600℃から900℃の昇温速度を毎分60℃(昇温時間5分)とし、1270℃まで昇温後その温度で20分保持した以外は実施例1と同様に処理し、炭素質材料を得た。
<Comparative Example 4>
The same treatment as in Example 1 was conducted except that the heating rate from 600°C to 900°C was 60°C per minute (heating time was 5 minutes) and the temperature was held at 1270°C for 20 minutes after heating to 1270°C, to obtain a carbonaceous material.

<比較例5>
600℃から900℃の昇温速度を毎分60℃(昇温時間5分)とし、1100℃まで昇温後その温度で20分保持した以外は実施例9と同様に処理し、炭素質材料を得た。
<Comparative Example 5>
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 9, except that the heating rate from 600°C to 900°C was 60°C per minute (heating time: 5 minutes), and after heating to 1100°C, the temperature was held for 20 minutes.

<比較例6>
600℃から900℃の昇温速度を毎分60℃(昇温時間5分)とし、1100℃まで昇温後その温度で60分保持した以外は実施例9と同様に処理し、炭素質材料を得た。
<Comparative Example 6>
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 9, except that the heating rate from 600°C to 900°C was 60°C per minute (heating time: 5 minutes), and after heating to 1100°C, the temperature was maintained for 60 minutes.

<比較例7>
600℃から900℃の昇温速度を毎分60℃(昇温時間5分)とし、1050℃まで昇温後その温度で360分保持した以外は実施例9と同様に処理し、炭素質材料を得た。
<Comparative Example 7>
A carbonaceous material was obtained in the same manner as in Example 9, except that the heating rate from 600°C to 900°C was 60°C per minute (heating time: 5 minutes), and after heating to 1,050°C, the temperature was maintained for 360 minutes.

実施例および比較例で得られた炭素質材料について、細孔容積、メソ孔容積、二酸化炭素の吸着量、脱着量および吸着量と脱着量の比(吸着量/脱着量)、平均粒子径(D50)、比表面積および面間隔d002を表1に示す。 For the carbonaceous materials obtained in the Examples and Comparative Examples, the pore volume, mesopore volume, carbon dioxide adsorption amount, desorption amount, and ratio of the adsorption amount to the desorption amount (adsorption amount/desorption amount), average particle size ( D50 ), specific surface area, and interplanar spacing d002 are shown in Table 1.

Figure 0007638137000007
Figure 0007638137000007

<電池評価>
〔炭素電極の作製〕
実施例および比較例で得られた炭素質材料96.2質量部、導電性カーボンブラック(TIMCAL製「Super-P(登録商標)」)2質量部、CMC1質量部、所定量のSBRおよび水を混合し、スラリーを得た。得られたスラリーを銅箔に塗布し、乾燥、プレスし、厚さ60~80μmの電極を得た。得られた電極の密度は、0.95g/cmであった。この電極を直径14mmの円板状に打ち抜き、炭素極板を得た。
<Battery evaluation>
[Preparation of carbon electrodes]
96.2 parts by mass of the carbonaceous material obtained in the Examples and Comparative Examples, 2 parts by mass of conductive carbon black ("Super-P (registered trademark)" manufactured by TIMCAL), 1 part by mass of CMC, a predetermined amount of SBR and water were mixed to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to a copper foil, dried and pressed to obtain an electrode having a thickness of 60 to 80 μm. The density of the obtained electrode was 0.95 g/ cm3 . This electrode was punched into a disk having a diameter of 14 mm to obtain a carbon electrode plate.

〔負極ハーフセルの作製〕
得られた炭素電極を直径14mmの円板状に打ち抜き作用極とし、金属リチウムを対極として使用した。溶媒として、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートを、体積比で1:1:1となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPFを1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはポリプロピレン膜を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
[Preparation of negative electrode half cell]
The obtained carbon electrode was punched into a disk shape with a diameter of 14 mm to be used as the working electrode, and metallic lithium was used as the counter electrode. Ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate were mixed in a volume ratio of 1:1:1 and used as the solvent. LiPF6 was dissolved in this solvent at 1 mol/L and used as the electrolyte. A polypropylene membrane was used as the separator. A coin cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere.

〔放電容量および初期効率の測定〕
前記構成の負極ハーフセルについて、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、25℃の恒温槽内で充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。さらにリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量を充電容量(mAh/g)とした。次いで、活物質質量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して1.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量(mAh/g)、放電容量(mAh/g)を充電容量(mAh/g)で除した数値の百分率を充放電効率(初期効率)(%)として、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。本実施例に従って測定した場合の放電容量は、好ましくは430mAh/g、より好ましくは470mAh/g以上、さらに好ましくは480mAh/g以上である。また、初期効率は好ましくは75%以上、より好ましくは77%以上、さらに好ましくは80%以上である。
[Measurement of discharge capacity and initial efficiency]
A charge/discharge test was performed on the negative electrode half cell of the above configuration in a thermostatic chamber at 25° C. using a charge/discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., “TOSCAT”). Lithium doping was performed at a rate of 70 mA/g relative to the active material mass, and doping was performed until the lithium potential was 1 mV. A constant voltage of 1 mV was applied to the lithium potential for 8 hours to terminate the doping. The capacity at this time was taken as the charge capacity (mAh/g). Next, dedoping was performed at a rate of 70 mA/g relative to the active material mass until the lithium potential was 1.5 V, and the capacity discharged at this time was taken as the discharge capacity (mAh/g), and the percentage of the value obtained by dividing the discharge capacity (mAh/g) by the charge capacity (mAh/g) was taken as the charge/discharge efficiency (initial efficiency) (%), which was used as an index of the utilization efficiency of lithium ions in the battery. The discharge capacity measured according to this embodiment is preferably 430 mAh/g, more preferably 470 mAh/g or more, and even more preferably 480 mAh/g or more. The initial efficiency is preferably 75% or more, more preferably 77% or more, and even more preferably 80% or more.

〔入力特性の測定〕
放電容量および初期効率測定に引き続き、負極ハーフセルについて、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて、充放電試験を行い入力特性の評価を行った。25℃の恒温槽内で負極活物質質量に対して500mA/gの速度で、リチウム電位に対して0mVまでドーピングを行った。次いで、活物質質量に対し100mA/gの速度で、リチウム電位に対して1.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を、25℃1Cでの放電容量(mAh/g)とした。
次いで、-20℃の恒温槽内で負極活物質質量に対して100mA/gの速度で、リチウム電位に対して0mVまでドーピングを行った。次いで、活物質質量に対し100mA/gの速度で、リチウム電位に対して1.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を、-20℃0.2Cでの放電容量(mAh/g)とした。
引き続き、-20℃の恒温槽内で負極活物質質量に対して500mA/gの速度で、リチウム電位に対して0mVまでドーピングを行った。次いで、活物質質量に対し100mA/gの速度で、リチウム電位に対して1.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を、-20℃1Cでの放電容量(mAh/g)とした。
そして、-20℃ 1C/25℃ 1Cおよび、-20℃ 1C/-20℃ 0.2Cを入力特性およびプレドープの指標とした。本実施例に従って測定した場合の-20℃ 1C/25℃ 1Cの値は、好ましくは30%以上、より好ましくは40%以上、さらに好ましくは45%以上であり、-20℃ 1C/―20℃ 0.2Cは、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上、さらに好ましくは75%以上である。
[Input characteristic measurement]
Following the discharge capacity and initial efficiency measurements, a charge/discharge test was performed on the negative electrode half cell using a charge/discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., "TOSCAT") to evaluate the input characteristics. In a thermostatic chamber at 25°C, doping was performed at a rate of 500 mA/g relative to the negative electrode active material mass to 0 mV relative to the lithium potential. Next, dedoping was performed at a rate of 100 mA/g relative to the active material mass to 1.5 V relative to the lithium potential, and the capacity discharged at this time was taken as the discharge capacity (mAh/g) at 25°C 1C.
Next, doping was performed at a rate of 100 mA/g relative to the mass of the negative electrode active material in a thermostatic chamber at −20° C. until the lithium potential reached 0 mV. Next, undoping was performed at a rate of 100 mA/g relative to the mass of the active material until the lithium potential reached 1.5 V, and the discharge capacity at this time was taken as the discharge capacity (mAh/g) at −20° C. and 0.2 C.
Subsequently, doping was performed at a rate of 500 mA/g relative to the mass of the negative electrode active material in a thermostatic chamber at −20° C. until the lithium potential reached 0 mV. Next, undoping was performed at a rate of 100 mA/g relative to the mass of the active material until the lithium potential reached 1.5 V, and the discharge capacity at this time was taken as the discharge capacity (mAh/g) at −20° C. and 1C.
And, -20°C 1C/25°C 1C and -20°C 1C/-20°C 0.2C were used as the indexes of input characteristics and pre-doping. When measured according to this embodiment, the value of -20°C 1C/25°C 1C is preferably 30% or more, more preferably 40% or more, and even more preferably 45% or more, and the value of -20°C 1C/-20°C 0.2C is preferably 50% or more, more preferably 70% or more, and even more preferably 75% or more.

〔正極の作製〕
正極活物質としてりん酸鉄リチウム(LiFePO)90質量部、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)5質量部、アセチレンブラック5質量部およびNMP(N-メチルピロリドン)を混合し、スラリーを得た。アルミニウム箔に、得られたスラリーを塗布し、乾燥後プレスして、厚さ80~140μmの電極を得た。得られた電極の密度は、1.8g/cmであった。この電極を直径14mmの円板状に打ち抜き、正極板を得た。
[Preparation of Positive Electrode]
As a positive electrode active material, 90 parts by mass of lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), 5 parts by mass of PVDF (polyvinylidene fluoride), 5 parts by mass of acetylene black, and NMP (N-methylpyrrolidone) were mixed to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to an aluminum foil, dried, and pressed to obtain an electrode having a thickness of 80 to 140 μm. The density of the obtained electrode was 1.8 g/cm 3. This electrode was punched into a disk shape with a diameter of 14 mm to obtain a positive electrode plate.

〔正極ハーフセルの作製〕
得られた正極に対して、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、エチレンカーボネートおよびメチルエチルカーボネートを、体積比で3:7となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPFを1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはガラス繊維不織布を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
前記構成の正極ハーフセルについて、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて充放電試験を行った。正極からのリチウム脱ドーピングは、活物質質量に対して15mA/gの速度で、リチウム電位に対して4.0Vになるまで行い、このときの容量を充電容量とした。次いで、正極へのリチウムドーピングは、活物質質量に対し15mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.0Vになるまで行い、このときの容量を放電容量とした。得られた充電容量は153mAh/g、放電容量は141mAh/g、放電容量/充電容量の百分率で算出される充放電効率(初期の充放電効率)は92%であった。
[Preparation of positive electrode half cell]
Metallic lithium was used as a counter electrode and a reference electrode for the obtained positive electrode. Ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate were mixed in a volume ratio of 3:7 and used as a solvent. LiPF6 was dissolved in this solvent at 1 mol/L and used as an electrolyte. A glass fiber nonwoven fabric was used as a separator. A coin cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere.
A charge/discharge test was performed on the positive electrode half cell of the above configuration using a charge/discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., "TOSCAT"). Lithium de-doping from the positive electrode was performed at a rate of 15 mA/g relative to the active material mass until the lithium potential reached 4.0 V, and the capacity at this time was taken as the charge capacity. Next, lithium doping into the positive electrode was performed at a rate of 15 mA/g relative to the active material mass until the lithium potential reached 2.0 V, and the capacity at this time was taken as the discharge capacity. The obtained charge capacity was 153 mAh/g, the discharge capacity was 141 mAh/g, and the charge/discharge efficiency (initial charge/discharge efficiency) calculated as a percentage of the discharge capacity/charge capacity was 92%.

〔コインセル(フルセル)の作製〕
得られた炭素電極を直径15mmの円板状に打ち抜き、負極として使用した。負極面内から正極(直径14mm)がはみ出さないように、ガラス繊維不織布からなるセパレータを介して負極および正極の合剤塗工面を対向させた。このとき、対向面積あたりの負極充電容量(mAh)と正極充電容量(mAh)の比率(負極容量/正極容量)は1.05となるよう調整した。溶媒として、エチレンカーボネートおよびメチルエチルカーボネートを、体積比で3:7となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPFを1mol/L溶解し、電解質として用いた。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
[Preparation of coin cells (full cells)]
The obtained carbon electrode was punched out into a disk shape with a diameter of 15 mm and used as the negative electrode. The composite coated surfaces of the negative electrode and the positive electrode were opposed to each other through a separator made of glass fiber nonwoven fabric so that the positive electrode (diameter 14 mm) would not protrude from the negative electrode surface. At this time, the ratio of the negative electrode charge capacity (mAh) to the positive electrode charge capacity (mAh) per opposing area (negative electrode capacity/positive electrode capacity) was adjusted to 1.05. As the solvent, ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate were mixed to a volume ratio of 3:7 and used. 1 mol/L of LiPF 6 was dissolved in this solvent and used as the electrolyte. A coin cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere.

〔充放電試験(サイクル耐久試験)〕
前記構成のコインセル(フルセル)について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて充放電試験を行った。充電は、負極活物質質量に対して70mA/gの速度で、リチウム電位に対して4.0Vになるまで行った。次いで放電は、負極活物質質量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.0Vになるまで行った。このサイクルを3回繰り返した。
その後、負極活物質質量に対して500mA/gの速度で、リチウム電位に対して4.0Vになるまで充電を行い、このときの容量を充電容量とした。次いで放電は、負極活物質質量に対し500mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.0Vになるまで放電を行い、このときの容量を放電容量とした。このサイクルを500サイクル繰り返した。そして、500サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除した数値の百分率を500サイクル維持率とした。本実施例に従って測定した場合のサイクル維持率は、好ましくは70%以上、より好ましくは75%以上、さらに好ましくは80%以上である。
[Charge/discharge test (cycle durability test)]
A charge/discharge test was performed on the coin cell (full cell) having the above configuration using a charge/discharge tester (manufactured by Toyo Systems Co., Ltd., "TOSCAT"). Charging was performed at a rate of 70 mA/g of the negative electrode active material mass until the lithium potential reached 4.0 V. Discharging was then performed at a rate of 70 mA/g of the negative electrode active material mass until the lithium potential reached 2.0 V. This cycle was repeated three times.
Thereafter, charging was performed at a rate of 500 mA/g relative to the mass of the negative electrode active material until the lithium potential reached 4.0 V, and the capacity at this time was taken as the charging capacity. Discharging was then performed at a rate of 500 mA/g relative to the mass of the negative electrode active material until the lithium potential reached 2.0 V, and the capacity at this time was taken as the discharging capacity. This cycle was repeated 500 cycles. The percentage of the value obtained by dividing the discharge capacity at the 500th cycle by the discharge capacity at the 1st cycle was taken as the 500 cycle retention rate. The cycle retention rate measured according to this embodiment is preferably 70% or more, more preferably 75% or more, and even more preferably 80% or more.

実施例および比較例で得られた炭素質材料を含む電池の特性について、表2に結果を示す。 Table 2 shows the results of the characteristics of the batteries containing the carbonaceous materials obtained in the examples and comparative examples.

Figure 0007638137000008
Figure 0007638137000008

実施例1~9で得られた炭素質材料を含む負極を備える非水電解質二次電池は、高速にプレドープが可能であり、かつ高容量、高初期効率および高サイクル耐久性を同時に満足することが分かる。一方、比較例1、2、5および7で得られた炭素質材料は初期効率およびサイクル維持率が低く、比較例2および4で得られた炭素質材料は放電容量が低い。さらに比較例3および6で得られた炭素質材料はプレドープ特性が悪いことが分かる。 It can be seen that the nonaqueous electrolyte secondary batteries equipped with negative electrodes containing the carbonaceous materials obtained in Examples 1 to 9 can be pre-doped quickly, and simultaneously satisfy high capacity, high initial efficiency, and high cycle durability. On the other hand, the carbonaceous materials obtained in Comparative Examples 1, 2, 5, and 7 have low initial efficiency and cycle retention rate, and the carbonaceous materials obtained in Comparative Examples 2 and 4 have low discharge capacity. Furthermore, it can be seen that the carbonaceous materials obtained in Comparative Examples 3 and 6 have poor pre-doping characteristics.

Claims (12)

二酸化炭素の吸脱着等温線にグランドカノニカルモンテカルロシミュレーションを行うことによって求めた細孔容積は、0.05cm/g以上0.20cm/g以下であり、前記吸脱着等温線において相対圧0.01における脱着量と吸着量の比は1.05以上であり、BJH法により求めたメソ孔容積は3.7mm/g以上41mm/g以下である、炭素質材料。 A carbonaceous material having a pore volume of 0.05 cm 3 /g or more and 0.20 cm 3 /g or less, as determined by a Grand Canonical Monte Carlo simulation of a carbon dioxide adsorption/desorption isotherm, a ratio of the desorption amount to the adsorption amount at a relative pressure of 0.01 in the adsorption/desorption isotherm of 1.05 or more, and a mesopore volume of 3.7 mm 3 /g or more and 41 mm 3 /g or less, as determined by the BJH method. 平均粒子径(D50)は1.3μm以上9.5μm以下である、請求項1に記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to claim 1, having an average particle size (D 50 ) of 1.3 μm or more and 9.5 μm or less. 窒素吸着法によるBET法により求めた比表面積は3m/g以上60m/g以下である、請求項1または2に記載の炭素質材料。 3. The carbonaceous material according to claim 1, which has a specific surface area of 3 m 2 /g or more and 60 m 2 /g or less, as determined by a BET method using a nitrogen adsorption method. 広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される(002)面の平均面間隔d002は0.36nm以上0.42nm以下である、請求項1~3のいずれかに記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 3, wherein the average interplanar spacing d 002 of the (002) plane calculated using the Bragg equation by wide-angle X-ray diffraction is 0.36 nm or more and 0.42 nm or less. 電気化学デバイス用である、請求項1~4のいずれかに記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to any one of claims 1 to 4, which is for use in an electrochemical device. 金属イオンがプレドープされて用いられる、請求項5に記載の炭素質材料。 The carbonaceous material according to claim 5, which is pre-doped with metal ions. 請求項1~6のいずれかに記載の炭素質材料を含む、電気化学デバイス。 An electrochemical device comprising the carbonaceous material according to any one of claims 1 to 6. 炭素前駆体を600℃以下の温度から900℃まで昇温させる昇温工程、および
900℃以上1260℃以下の温度で熱処理する熱処理工程
を含む、請求項1~6のいずれかに記載の炭素質材料の製造方法。
The method for producing a carbonaceous material according to any one of claims 1 to 6, comprising: a temperature increasing step of increasing the temperature of a carbon precursor from a temperature of 600°C or lower to 900°C; and a heat treatment step of heat treating the carbon precursor at a temperature of 900°C or higher and 1260°C or lower.
前記昇温工程を揮発性有機物および/または揮発性有機物に由来する揮発物質の存在下で行う、請求項8に記載の製造方法。 The method according to claim 8, wherein the temperature increasing step is carried out in the presence of a volatile organic substance and/or a volatile substance derived from a volatile organic substance. 前記昇温工程を揮発性有機物および揮発性有機物に由来する揮発物質の不存在下で行い、前記熱処理工程を1100℃超の温度で行う、請求項8に記載の製造方法。 The method of claim 8, wherein the temperature increasing step is carried out in the absence of volatile organic substances and volatile substances derived from volatile organic substances, and the heat treatment step is carried out at a temperature of more than 1100°C. 前記炭素前駆体および/または熱処理後の前記炭素前駆体を粉砕する粉砕工程をさらに含む、請求項8~10のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 8 to 10, further comprising a grinding step of grinding the carbon precursor and/or the carbon precursor after the heat treatment. 前記昇温工程において、600℃から900℃までの昇温速度は60℃/分以下である、請求項8~11のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 8 to 11, wherein in the heating step, the heating rate from 600°C to 900°C is 60°C/min or less.
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