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公開番号2024037197
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-19
出願番号2022141826
出願日2022-09-07
発明の名称炭素質材料、蓄電デバイス用負極、蓄電デバイス、及び炭素質材料の製造方法
出願人株式会社クラレ
代理人
主分類C01B 32/05 20170101AFI20240312BHJP(無機化学)
要約【課題】本発明は、負極層として適用される際に、重量あたりの高い放電容量と優れた電流効率を有すると共に、繰り返しの充放電を経ても高い放電容量を維持することができる蓄電デバイスを提供することが可能であり、かつ電極の歩留まりを改善できる塗工性に優れた炭素質材料を提供することを目的とする。
【解決手段】元素分析による、窒素元素含有量が1.0質量%以上であり、酸素元素含有量が0.6質量%以上2.0質量%以下であり、水素元素含有量が0.1質量%以下であり、蛍光X線分析によるリン元素含有量が0.1質量%以上2.0質量%以下である、炭素質材料。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項1】
元素分析による、窒素元素含有量が1.0質量%以上であり、酸素元素含有量が0.60質量%以上2.0質量%以下であり、水素元素含有量が0.1質量%以下であり、蛍光X線分析によるリン元素含有量が0.1質量%以上2.0質量%以下である、炭素質材料。
続きを表示(約 720 文字)【請求項2】
X線回折測定による炭素面間隔(d
002
)が3.65Å以上である、請求項1に記載の炭素質材料。
【請求項3】
レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルにおいて、1360cm
-1
付近のピークの半値幅の値が210cm
-1
以上である、請求項1に記載の炭素質材料。
【請求項4】
蓄電デバイスの負極用炭素質材料である、請求項1に記載の炭素質材料。
【請求項5】
請求項1~4のいずれかに記載の炭素質材料を含む、蓄電デバイス用負極。
【請求項6】
請求項5に記載の蓄電デバイス用負極を含む、蓄電デバイス。
【請求項7】
以下の工程:
(1)糖類骨格を有する化合物、及び窒素含有化合物を混合して混合物を得る工程、
(2)前記混合物を、不活性ガス雰囲気下、500~900℃で熱処理して炭化物を得る工程、
(3)前記炭化物を粉砕及び/又は分級する工程
(4)粉砕及び/又は分級された前記炭化物を、不活性ガス雰囲気下、1100~1600℃で熱処理する工程、及び
(5)前記熱処理物にカルボン酸化合物または糖類骨格を有する化合物を混合し、100℃~300℃で熱処理して炭素質材料を得る工程
を少なくとも含み、
(a)前記工程(4)における熱処理よりも前に、糖類骨格を有する化合物、該化合物を含む混合物、又は、該混合物の炭化物と、リン含有化合物とを混合する工程
を含む、請求項1~4のいずれかに記載の炭素質材料の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、炭素質材料、蓄電デバイス用負極、蓄電デバイス、及び炭素質材料の製造方法に関する。
続きを表示(約 2,500 文字)【背景技術】
【0002】
蓄電デバイスは、電気化学的な現象を利用する二次電池及びキャパシタ等のデバイスであり、広く利用されている。例えば、蓄電デバイスの1つであるリチウムイオン二次電池は、携帯電話やノートパソコンのような小型携帯機器に広く用いられている。リチウムイオン二次電池の負極材料としては、黒鉛の理論容量372mAh/gを超える量のリチウムのドープ(充電)及び脱ドープ(放電)が可能な難黒鉛化性炭素が開発され(例えば特許文献1)、使用されてきた。
【0003】
難黒鉛化性炭素は、例えば石油ピッチ、石炭ピッチ、フェノール樹脂、植物を炭素源として得ることができる。これらの炭素源の中でも、例えば糖化合物などの植物由来の原料は、栽培することによって持続して安定的に供給可能な原料であり、安価に入手できるため注目されている。また、植物由来の炭素原料を焼成して得られる炭素質材料には、細孔が多く存在するため、良好な充放電容量が期待される(例えば特許文献1及び特許文献2)。
【0004】
また、リチウムイオン二次電池等の負極として使用され得る炭素質材料として、炭素元素以外の種々の元素を特定量含むように調整した炭素質材料(特許文献3)などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
国際公開第2019/009332号
国際公開第2019/009333号
特開2009-200014号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1~3の炭素質材料では、高い充放電容量を発現する負極材料として使用されることが知られてはいるものの、蓄電デバイスの様々な用途において、負極のさらなる高容量化と電流効率の向上に対する要求はなお存在する。また、繰り返しの充放電を経ても高い放電容量を維持することが求められる。さらに電極として塗工する際に、炭素質材料の凝集等によるブツが電極上に生じることで、電極の歩留まりが低下する可能性があった。したがって、本発明は、負極層として適用される際に、重量あたりの高い放電容量と高い電流効率を有すると共に、繰り返しの充放電を経ても高い放電容量を維持することができる蓄電デバイスを提供することが可能であり、かつ電極の歩留まりを改善できる塗工性に優れた炭素質材料を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような炭素質材料を含む蓄電デバイス用負極、及びそのような蓄電デバイス用負極を含む蓄電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らが鋭意研究した結果、炭素質材料における窒素元素含有量、酸素元素含有量、水素元素含有量、及びリン元素含有量を所定の範囲内とすることによって、重量あたりの高い放電容量と、優れた電流効率を有すると共に、繰り返しの充放電を経ても高い放電容量を維持することが可能な蓄電デバイスに適しており、かつ電極の歩留まりを改善できる塗工性に優れた炭素質材料を得られることが分かった。
【0008】
すなわち、本発明は、以下の好適な態様を包含する。
〔1〕元素分析による、窒素元素含有量が1.0質量%以上であり、酸素量が0.60質量%以上2.0質量%以下であり、水素元素含有量が0.1質量%以下であり、蛍光X線分析によるリン元素含有量が0.1質量%以上2.0質量%以下である、炭素質材料。
〔2〕X線回折測定による炭素面間隔(d
002
)が3.65Å以上である、〔1〕に記載の炭素質材料。
〔3〕レーザーラマン分光法により観測されるラマンスペクトルにおいて、1360cm
-1
付近のピークの半値幅の値が210cm
-1
以上である、〔1〕又は〔2〕に記載の炭素質材料。
〔4〕蓄電デバイスの負極用炭素質材料である、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の炭素質材料。
〔5〕〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭素質材料を含む、蓄電デバイス用負極。
〔6〕〔5〕に記載の蓄電デバイス用負極を含む、蓄電デバイス。
〔7〕以下の工程:
(1)糖類骨格を有する化合物、及び窒素含有化合物を混合して混合物を得る工程、
(2)前記混合物を、不活性ガス雰囲気下、500~900℃で熱処理して炭化物を得る工程、
(3)前記炭化物を粉砕及び/又は分級する工程
(4)粉砕及び/又は分級された前記炭化物を、不活性ガス雰囲気下、1100~1600℃で熱処理する工程、及び
(5)前記熱処理物にカルボン酸化合物または糖類骨格を有する化合物を混合し、100℃~300℃で熱処理して炭素質材料を得る工程
を少なくとも含み、
(a)前記工程(4)における熱処理よりも前に、糖類骨格を有する化合物、該化合物を含む混合物、又は、該混合物の炭化物と、リン含有化合物とを混合する工程
を含む、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭素質材料の製造方法。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、重量あたりの高い放電容量と、優れた電流効率を有すると共に、繰り返しの充放電を経ても高い放電容量を維持することが可能な蓄電デバイスに適しており、電極の歩留まりを改善できる塗工性にも優れた炭素質材料を提供することができる。なお、本明細書中では、初回の電流効率と繰り返し充放電後の容量維持率を掛け合わせたものを全効率と定義し、全効率が高い電池を上記の特性に優れた電池とする。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明を以下の実施形態に制限する趣旨ではない。
(【0011】以降は省略されています)

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