リチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池
【課題】充電容量、放電容量の高いリチウムイオン電池を提供できる炭素材を提供する
【解決手段】リチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源： 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器： BaF2シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： 25℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数： 3×10６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：10keV
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材である。
【解決手段】リチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源： 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器： BaF2シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： 25℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数： 3×10６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：10keV
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リチウムイオン二次電池の負極には、炭素材が使用されている。充放電サイクルが進行しても、炭素材料を使用した負極上にはデンドライト状リチウムが析出されにくく、安全性が保証されるためである。
たとえば、特許文献１には、窒素含有量が０．１〜５．０重量％であり、０．３３ｎｍを超える細孔径を有する細孔が占める細孔容積が０．１〜５０．０ｍｌ／ｋｇである炭素材が開示されており、特許文献２には、特定の樹脂組成物を炭化処理し、細孔容積が５０．０ｍｌ／ｋｇ以下である炭素材が開示されている。
【０００３】
また、特許文献３には、電子スピン共鳴法により測定される２５℃におけるスピン濃度が１×１０１８〜３×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇである炭素材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０８３０１２号公報
【特許文献２】特開２００４−３０３４２８号公報
【特許文献３】特開Ｈ１０−２４７４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、より充電容量、放電容量、および充放電効率の高いリチウムイオン電池の開発が求められている。しかしながら、特許文献１，２に開示された従来の炭素材を使用したものでは、このような要求に応えることが難しい。すなわち、特許文献１，２に開示された従来の炭素材では、炭素材表面よりガスが侵入できる細孔に関するもので、表面反応低減等による充放電効率を向上させるものではあるが、充放電容量向上も含めた炭素材を開発するには至っていない。また、特許文献３に開示された炭素材においても、材料中の不対電子の数を調整することで放電容量および充放電効率の向上を検討しているが、必ずしも要求特性を満足させるものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、
樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源 ：電子加速器を用いて電子・陽電子対生成し、陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器 ：ＢａＦ２シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気 ：２５℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数 ：３×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：１０ＫｅＶ
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材が提供される。
【０００７】
このようなリチウムイオン二次電池用炭素材を使用することで、充電容量、放電容量が高く、一定値以上の充放電効率を有するリチウムイオン電池を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れたリチウムイオン電池を提供することができる。
【０００８】
さらに、本発明によれば、上述したリチウムイオン二次電池用炭素材を含むリチウムイオン二次電池用負極材や、このリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池も提供できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、充電容量、放電容量が高く、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れたリチウムイオン電池を提供することができるリチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】消滅γ線のカウント数と、陽電子消滅時間との関係を示す図である。
【図２】リチウムイオン二次電池の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（リチウムイオン二次電池用炭素材）
はじめに、本発明のリチウムイオン二次電池用炭素材（以下、炭素材という場合もある）の概要について説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源： 電子加速器を用いて電子・陽電子対生成し、陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器： ＢａＦ２シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： ２５℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数： ３×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：１０ＫｅＶ
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材。
【００１２】
次に、リチウムイオン二次電池用炭素材について詳細に説明する。
リチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理することにより、得られるものである。
樹脂あるいは、樹脂組成物に含まれる樹脂としては、特に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂を含有することができる。樹脂としては、単独あるいは二種類以上を併用することができる。
また、後述するように、樹脂組成物は、上記樹脂を主成分とするとともに、硬化剤、添加剤などを併せて含有することができる。
【００１３】
ここで熱硬化性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂などのフェノール樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、フラン樹脂、ケトン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。また、これらが種々の成分で変性された変性物を用いることもできる。
【００１４】
また、熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド、などが挙げられる。
【００１５】
本発明の炭素材に用いられる主成分となる樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましい。これにより、炭素材の残炭率をより高めることができる。
そして、熱硬化性樹脂の中でも、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、及び、アニリン樹脂、およびこれらの変性物から選ばれるものであることが好ましい。これにより、炭素材の設計の自由度が広がり、低価格で製造することができる。
【００１６】
また、熱硬化性樹脂を用いる場合には、その硬化剤を併用することができる。
ここで用いられる硬化剤としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の場合はヘキサメチレンテトラミン、レゾール型フェノール樹脂、ポリアセタール、パラホルムなどを用いることができる。また、エポキシ樹脂の場合は、脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミンなどのポリアミン化合物、酸無水物、イミダゾール化合物、ジシアンジアミド、ノボラック型フェノール樹脂、ビスフェノール型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂など、エポキシ樹脂にて公知の硬化剤を用いることができる。
なお、通常は所定量の硬化剤を併用する熱硬化性樹脂であっても、本発明で用いられる樹脂組成物においては、通常よりも少ない量を用いたり、あるいは硬化剤を併用しないで用いたりすることもできる。
【００１７】
また、本発明で用いる樹脂組成物においては、このほか、添加剤を配合することができる。
ここで用いられる添加剤としては特に限定されないが、例えば、２００〜８００℃にて炭化処理した炭素材前駆体、黒鉛及び黒鉛変性剤、有機酸、無機酸、含窒素化合物、含酸素化合物、芳香族化合物、及び、非鉄金属元素などを挙げることができる。
上記添加剤は、用いる樹脂の種類や性状などにより、単独あるいは二種類以上を併用することができる。
【００１８】
本発明の炭素材に用いられる樹脂としては、後述する含窒素樹脂類を主成分樹脂として含んでいてもよい。また、主成分樹脂に含窒素樹脂類が含まれていないときには主成分樹脂以外の成分として、少なくとも１種以上の含窒素化合物を含んでいてもよいし、含窒素樹脂類を主成分樹脂として含むとともに含窒素化合物を主成分樹脂以外の成分として含んでいてもよい。このような樹脂を炭化処理することにより、窒素を含有する炭素材を得ることができる。
【００１９】
ここで、含窒素樹脂類としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂のほか、アミンなどの含窒素成分で変性されたフェノール樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミドなどが挙げられる。
【００２０】
また、含窒素樹脂類以外の樹脂としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。
【００２１】
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。
【００２２】
また、主成分樹脂以外の成分として含窒素化合物を用いる場合、その種類としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の硬化剤であるヘキサメチレンテトラミン、エポキシ樹脂の硬化剤である脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミン、ジシアンジアミドなどのほか、硬化剤成分以外にも、硬化剤として機能しないアミン化合物、アンモニウム塩、硝酸塩、ニトロ化合物など窒素を含有する化合物を用いることができる。
上記含窒素化合物としては、主成分樹脂に含窒素樹脂類を含む場合であっても含まない場合であっても、１種類を用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
【００２３】
本発明の炭素材に用いられる樹脂組成物、あるいは樹脂中の窒素含有量としては特に限定されないが、５．０〜６５．０重量％であることが好ましい。さらに好ましくは１０．０〜２０．０重量％である。
このような樹脂組成物あるいは樹脂の炭化処理を行うことにより、最終的に得られる炭素材中の炭素原子含有量が９５．０ｗｔ％以上であり、窒素原子含有量が０．５〜５．０ｗｔ％であることが好ましい。
このように窒素原子を０．５ｗｔ％以上、特に１．０ｗｔ％以上含有することで、窒素の有する電気陰性度により、炭素材に好適な電気的特性を付与することができる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性を付与することができる。
【００２４】
また、窒素原子を５．０ｗｔ％以下、特に３．０ｗｔ％以下とすることで、炭素材に付与される電気的特性が過剰に強くなってしまうことが抑制され、吸蔵されたリチウムイオンが窒素原子と電気的吸着を起こすことが防止される。これにより、不可逆容量の増加を抑制し、高い充放電特性を得ることができる。
【００２５】
本発明の炭素材中の窒素含有量は、上記樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量のほか、樹脂組成物あるいは樹脂を炭化する条件や、炭化処理の前に硬化処理やプレ炭化処理を行う場合には、それらの条件についても適宜設定することによって、調整することができる。
たとえば、上述したような窒素含有量である炭素材を得る方法としては、樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量を所定値として、これを炭化処理する際の条件、特に、最終温度を調整する方法があげられる。
【００２６】
本発明の炭素材に用いられる樹脂組成物の調製方法としては特に限定されないが、例えば、上記主成分樹脂と、これ以外の成分とを所定の比率で配合し、これらを溶融混合する方法、これらの成分を溶媒に溶解して混合する方法、あるいは、これらの成分を粉砕して混合する方法などにより調製することができる。
【００２７】
炭素材において、上記窒素含有量は熱伝導度法により測定したものである。
本方法は、測定試料を、燃焼法を用いて単純なガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＮ２）に変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させるものである。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定することができる。
なお、本発明では、パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「ＰＥ２４００」を用いて実施した。
【００２８】
また、本発明の炭素材は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、好ましくは、３８０ピコ秒以上である。また、本発明の炭素材は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が４８０ピコ秒以下、好ましくは、４６０ピコ秒以下である。
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である場合には、後述するようにリチウムが出入りしやすいサイズの空隙が炭素材に形成されているといえ、充電容量、放電容量を高めることができ、充電容量、放電容量が高く、一定程度以上の充放電効率を有する炭素材、すなわち、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れた炭素材を得ることができる。
【００２９】
ここで、陽電子寿命と、空隙サイズとの関係について説明する。
陽電子寿命法とは、陽電子（ｅ＋）が試料に入射してから、消滅するまでの時間を計測して、空隙の大きさを測定する方法である。
陽電子は、電子の反物質であり、電子と同じ静止質量を持つがその電荷は正である。
陽電子は、物質中に入射すると、電子と対（陽電子−電子対（ポジトロニウム））になり、その後消滅することが知られている。炭素材に陽電子を打ち込むと、陽電子（ｅ＋）は高分子中で叩き出された電子の１つと結合してポジトロニウムを形成する。ポジトロニウムは高分子材料中の電子密度の低い部分、すなわち高分子中の局所空隙にトラップされ、空隙壁から出た電子雲と重なり消滅する。ポジトロニウムが高分子中の空隙中に存在する場合、その空隙の大きさとポジトロニウムの消滅寿命は反比例の関係にある。すなわち、空隙が小さいとポジトロニウムと周囲電子との重なりが大きくなり、陽電子消滅寿命は短くなる。一方、空隙が大きいとポジトロニウムが空隙壁からしみ出した他の電子と重なって消滅する確立が低くなりポジトロニウムの消滅寿命は長くなる。したがって、ポジトロニウムの消滅寿命を測定することにより炭素材中の空隙の大きさを評価することができる。
上述したように、炭素材に入射した陽電子は、エネルギーを失った後、電子とともに、ポジトロニウムを形成し消滅する。この際、炭素材からは、γ線が放出されることとなる。
従って、放出されたγ線が測定の終了信号となる。
陽電子消滅寿命の測定には、陽電子源として電子加速器や汎用のものとしては放射性同位元素２２Ｎａがよく用いられる。２２Ｎａは２２Ｎｅにβ＋崩壊するときに、陽電子と１．２８ＭｅＶのγ線を同時放出する。炭素材中に入射した陽電子は、消滅過程を経て５１１ｋｅＶのγ線を放出する。したがって、１．２８ＭｅＶのγ線を開始信号とし、５１１ｋｅｖのγ線を終了信号として、両者の時間差を計測すれば陽電子の消滅寿命を求めることができる。具体的には、図１に示すような、陽電子寿命スペクトルが得られる。この陽電子寿命スペクトルの傾きＡが陽電子寿命を示しており、陽電子寿命スペクトルから炭素材の陽電子寿命を把握することができる。
また、陽電子源として、電子加速器を使用する場合には、タンタルまたはタングステンからなるターゲットに電子ビームを照射することによって発生する制動Ｘ線により電子・陽電子対生成を引起こさせ、陽電子を発生させる。電子加速器の場合、陽電子ビームを試料に入射した時点を測定開始点（前記２２Ｎａにおける開始信号に相当）とし、終了信号は２２Ｎａの場合と同様の原理で測定を実施する。
【００３０】
従来、特許文献１，２に開示されているように、ＣＯ２を使用したガス吸着法により、細孔容量や、細孔径を測定し、リチウムを吸蔵、放出することができる径や容量を有する細孔が形成された炭素材を開発していた。しかしながら、特許文献１，２に開示された条件を満たす細孔を有する炭素材を使用しても、充電容量、放電容量を向上させることは非常に困難であった。
これは、二酸化炭素分子は、分子径が０．３３ｎｍであり、リチウムイオン（イオン半径が約０．０６ｎｍ）よりも非常に大きいことに起因すると考えられる。二酸化炭素を使用したガス吸着法では検出できないような非常に小さい細孔にもリチウムイオンは、出入りすることができるため、ＣＯ２を使用したガス吸着法では、リチウムイオンが吸蔵、放出可能な細孔を正確に見積もることが難しい。そのため、リチウムイオンが吸蔵、放出可能な最適な細孔を有する炭素材を得ることができなかったと考えられる。
これに対し、陽電子消滅法で使用される陽電子は非常に小さいため、リチウムイオンが吸蔵、放出に最適な孔を正確に見積もることができる。従って、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である炭素材を製造し、この炭素材を使用することで、充電容量、放電容量を高めることが可能となる。
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒未満の場合には、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくくなる。また、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が４８０ピコ秒を超えると、リチウムを吸蔵量は多くなるが、電解液等他の物質の侵入により、静電容量の増加によりリチウムが放出しにくくなると推測される。
【００３１】
また、本発明の炭素材は、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下である。
電子スピン共鳴法におけるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下の場合、後述するように材料中の導電性が最適化されているといえ、高充電容量に伴う高効率が可能となる。
【００３２】
ここで、スピン濃度と導電性との関係について説明する。
電子スピン共鳴法とは、材料中の不対電子を検出する分光法の一つである。電子にはスピンと呼ばれる性質があり、静磁場中に不対電子が置かれると不対電子は特定周波数のマイクロ波を吸収し、スピンのエネルギー準位は高いほうへと遷移する。この現象を利用することで不対電子の検出を行うのが電子スピン共鳴法である。電子スピン共鳴法の吸収強度は不対電子の数に比例し、不対電子の濃度を既知の標準試料と比較することにより、材料中の不対電子濃度、すなわちスピン濃度を求めることが出来る。
一般に、材料中のスピン濃度は電気抵抗率と関連性があることが知られており、スピン濃度が高いほど電気抵抗率は小さくなるとされている。
【００３３】
電子スピン共鳴法におけるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ未満の場合、スピン濃度が低く電気抵抗率が大きくなり、充電容量が高くとも高効率が伴わない。一方、スピン濃度が２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇを超える場合、材料中の不対電子密度が高くなり、電解液と反応する機会が増え、それに伴う不可逆容量の増加により効率が低下してしまう。
これに対し、スピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下の場合、材料中の電気抵抗率が小さく不可逆容量も最小に留めることができるので、高充電容量に伴う高効率が可能となると推測される。
【００３４】
また、本発明の炭素材は、広角Ｘ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が３．４０Å以上、３．９０Å以下であることが好ましい。平均面間隔ｄ００２が３．４０Å以上、特に３．６０Å以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵に伴う層間の収縮・膨張が起こり難くなるため、充放電サイクル性の低下を抑制できる。
一方で、平均面間隔ｄ００２が３．９０Å以下、特に３．８０Å以下である場合にはリチウムイオンの吸蔵・脱離が円滑に行われ、充放電効率の低下を抑制できる。
さらに、本発明の炭素材は、ｃ軸方向（（００２）面直交方向）の結晶子の大きさＬｃが８Å以上、５０Å以下であることが好ましい。
Ｌｃを８Å以上、特に９Å以上とすることでリチウムイオンを吸蔵・脱離することができる炭素層間スペースが形成され、十分な充放電容量が得られるという効果があり、５０Å以下、特に１５Å以下とすることでリチウムイオンの吸蔵・脱離による炭素積層構造の崩壊や、電解液の還元分解を抑制し、充放電効率と充放電サイクル性の低下を抑制できるという効果がある。
Ｌｃは以下のようにして算出される。
Ｘ線回折測定から求められるスペクトルにおける００２面ピークの半値幅と回折角から次のＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて決定した。
Ｌｃ＝０．９４ λ／（βｃｏｓθ） （ Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式）
Ｌｃ ： 結晶子の大きさ
λ ： 陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
β ： ピークの半値幅（ ラジアン）
θ ： スペクトルの反射角度
【００３５】
本発明の炭素材におけるＸ線回折スペクトルは、島津製作所製・Ｘ線回折装置「ＸＲＤ−７０００」により測定したものである。本発明の炭素材における、上記平均面間隔の測定方法は以下の通りである。
本発明の炭素材のＸ線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔ｄ（ｎｍ）を以下のＢｒａｇｇ式より算出した。
λ＝２ｄｈｋｌｓｉｎθ Ｂｒａｇｇ式 （ｄｈｋｌ＝ｄ００２）
λ：陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
θ：スペクトルの反射角度
【００３６】
さらに、本発明の炭素材は、窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積が１５ｍ２／ｇ以下、１ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。
窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積が１５ｍ２／ｇ以下であることで、炭素材と電解液との反応を抑制できる。
また、窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積を１ｍ２／ｇ以上とすることで電解液の炭素材への適切な浸透性が得られるという効果がある。
比表面積の算出方法は以下の通りである。
下記（１）式より単分子吸着量Ｗｍを算出し、下記（２）式より総表面積Ｓｔｏｔａｌを算出し、下記（３）式より比表面積Ｓを求めた。
１／［Ｗ（Ｐｏ／Ｐ−１）＝（Ｃ−１）／ＷｍＣ（Ｐ／Ｐｏ）／ＷｍＣ・・（１）
式（１）中、Ｐ：吸着平衡にある吸着質の気体の圧力、Ｐｏ：吸着温度における吸着質の飽和蒸気圧、Ｗ：吸着平衡圧Ｐにおける吸着量、Ｗｍ：単分子層吸着量、Ｃ：固体表面と吸着質との相互作用の大きさに関する定数（Ｃ＝ｅｘｐ｛（Ｅ１−Ｅ２）ＲＴ｝）［Ｅ１：第一層の吸着熱（ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｅ２：吸着質の測定温度における液化熱（ｋＪ／ｍｏｌ）］
Ｓｔｏｔａｌ＝（ＷｍＮＡｃｓ）Ｍ・・・・・・・・・（２）
式（２）中、Ｎ：アボガドロ数、Ｍ：分子量、Ａｃｓ：吸着断面積
Ｓ＝Ｓｔｏｔａｌ／ｗ・・・・・・（３）
式（３）中、ｗ：サンプル重量（ｇ）
【００３７】
以上のような炭素材は、以下のようにして製造することができる。
はじめに、炭化処理すべき、樹脂あるいは、樹脂組成物を製造する。
樹脂組成物の調製のための装置としては特に限定されないが、例えば、溶融混合を行う場合には、混練ロール、単軸あるいは二軸ニーダーなどの混練装置を用いることができる。また、溶解混合を行う場合は、ヘンシェルミキサー、ディスパーザなどの混合装置を用いることができる。そして、粉砕混合を行う場合には、例えば、ハンマーミル、ジェットミルなどの装置を用いることができる。
このようにして得られた樹脂組成物は、複数種類の成分を物理的に混合しただけのものであってもよいし、樹脂組成物の調製時、混合（攪拌、混練など）に際して付与される機械的エネルギーおよびこれが変換された熱エネルギーにより、その一部を化学的に反応させたものであってもよい。具体的には、機械的エネルギーによるメカノケミカル的反応、熱エネルギーによる化学反応をさせてもよい。
【００３８】
本発明の炭素材は、上記の樹脂組成物あるいは、樹脂を炭化処理してなるものである。
ここで炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、常温から１〜２００℃／時間で昇温して、８００〜３０００℃で０．１〜５０時間、好ましくは０．５〜１０時間保持して行うことができる。炭化処理時の雰囲気としては窒素、ヘリウムガスなどの不活性雰囲気下、もしくは不活性ガス中に微量の酸素が存在するような、実質的に不活性な雰囲気下、または還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。このようにすることで、樹脂の熱分解（酸化分解）を抑制し、所望の炭素材を得ることができる。
このような炭化処理時の温度、時間等の条件は、炭素材の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。
【００３９】
なお、上記炭化処理を行う前に、プレ炭化処理を行うことができる。
ここでプレ炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、２００〜６００℃で１〜１０時間行うことができる。このように、炭化処理前にプレ炭化処理を行うことで、樹脂組成物あるいは樹脂を不融化させ、炭化処理工程前に樹脂組成物あるいは樹脂の粉砕処理を行った場合でも、粉砕後の樹脂組成物あるいは樹脂が炭化処理時に再融着するのを防ぎ、所望とする炭素材を効率的に得ることができるようになる。
このとき、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である炭素材を得るための方法の一例としては、還元ガス、不活性ガスが存在しない状態で、プレ炭化処理を行うことがあげられる。
【００４０】
また、炭素材を構成する樹脂として熱硬化性樹脂や重合性高分子化合物を用いた場合には、このプレ炭化処理の前に、樹脂組成物あるいは樹脂の硬化処理を行うこともできる。
硬化処理方法としては特に限定されないが、例えば、樹脂組成物に硬化反応が可能な熱量を与えて熱硬化する方法、あるいは、樹脂と硬化剤とを併用する方法などにより行うことができる。これにより、プレ炭化処理を実質的に固相でできるため、樹脂の構造をある程度維持した状態で炭化処理またはプレ炭化処理を行うことができ、炭素材の構造や特性を制御することができるようになる。
【００４１】
なお、上記炭化処理あるいはプレ炭化処理を行う場合には、上記樹脂組成物に、金属、顔料、滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤などを添加して、所望する特性を炭素材に付与することもできる。
【００４２】
上記硬化処理及び／又はプレ炭化処理を行った場合は、その後、上記炭化処理の前に、処理物を粉砕しておいてもよい。こうした場合には、炭化処理時の熱履歴のバラツキを低減させ、炭素材の表面状態の均一性を高めることができる。そして、処理物の取り扱い性を良好なものにすることができる。
さらに、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下の炭素材を得るために、たとえば、必要に応じて炭化処理後において、還元ガスまたは不活性ガスの存在下で、８００〜５００℃まで自然冷却し、その後、１００℃以下となるまで１００℃／時間で冷却してもよい。
このようにすることで、急速冷却による炭素材の割れが抑制され、形成された空隙が維持できるという理由により、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である炭素材を得ることができると推測される。
【００４３】
（リチウム二次電池）
次に、本発明の二次電池用負極材（以下、単に「負極材」という）の実施形態およびこれを用いた実施形態であるリチウム二次電池（以下、単に「二次電池」という）について説明する。
【００４４】
図２は、二次電池の実施形態の構成を示す概略図である。
二次電池１０は、負極材１２および負極集電体１４により構成される負極１３と、正極材２０および正極集電体２２により構成される正極２１と、ならびに電解液１６と、セパレータ１８とを含むものである。
【００４５】
負極１３において、負極集電体１４としては、例えば銅箔またはニッケル箔を用いることができる。そして負極材１２は、本発明の炭素材を用いる。
【００４６】
本発明の負極材は、例えば、以下のようにして製造される。
上記炭素材１００重量部に対して、有機高分子結着剤（ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子など）１〜３０重量部、および適量の粘度調整用溶剤（Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなど）を添加して混練して、ペースト状にした混合物を圧縮成形、ロール成形などによりシート状、ペレット状などに成形して、負極材１２を得ることができる。
そして、負極集電体１４と積層することにより、負極１３を製造することができる。
【００４７】
また、上記炭素材１００重量部に対して、有機高分子結着剤（ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子など）１〜３０重量部、および適量の粘度調整用溶剤（Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなど）を添加して混練して、スラリー状にした混合物を負極材１２として用い、これを負極集電体１４に塗布、成形することにより、負極１３を製造することもできる。
【００４８】
電解液１６としては、非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解したものが用いられる。
この非水系溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル類、ジメチルカーボネートやジエチルカーボネートなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタンなどの鎖状エーテル類などの混合物などを用いることができる。
電解質としては、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6などのリチウム金属塩、テトラアルキルアンモニウム塩などを用いることができる。また、上記塩類をポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリルなどに混合し、固体電解質として用いることもできる。
【００４９】
セパレータ１８としては、特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどの多孔質フィルム、不織布などを用いることができる。
【００５０】
正極２１において、正極材２０としては特に限定されないが、例えばリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ2）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ2）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ2Ｏ4）などの複合酸化物や、ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子などを用いることができる。
正極集電体２２としては、例えばアルミニウム箔を用いることができる。
そして、本実施形態における正極２１は、既知の正極の製造方法により製造することができる。
【００５１】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明を実施例により説明する。しかし、本発明は実施例に限定されるものではない。又、各実施例、比較例で示される「部」は「重量部」、「％」は「重量％」を示す。
【００５３】
はじめに、以下の実施例、比較例における測定方法を説明する。
（１．陽電子寿命法による陽電子寿命の測定方法）
陽電子・ポジトロニウム寿命測定・ナノ空孔計測装置（産業技術総合研究所製）を用いて、陽電子が消滅する際に発生する電磁波（消滅γ線）を測定し、陽電子寿命を測定した。
具体的には、以下のようである。
（Ａ）陽電子線源： 産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門の電子加速器を用いて、電子・陽電子対生成から陽電子を発生
（前記電子加速器は、ターゲット（タンタル）に電子ビームを照射して、電子・陽電子対生成を引きおこし、陽電子を発生）
（Ｂ）ガンマ線検出器： BaF2シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： 25℃、真空中（1×１０−５Pa(1×１０−７Torr)）
（Ｄ）消滅γ線カウント数： 3×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：10keV
（Ｆ）試料サイズ： 粉末を試料ホルダ（アルミ板）に厚み0.1mmで塗布
【００５４】
（２．ＥＳＲ測定による表面状態の分析）
日本電子製ＪＥＳ−ＦＲ８０を用いて、電磁場の吸収強度を測定した。
具体的には、以下のようである。
（Ｇ）装置名： ＪＥＳ−ＦＲ８０（日本電子製）
（Ｈ）測定温度： ２３±１℃
（Ｉ）磁場範囲： ３３０±１００ｍＴ
ｇ値は、測定サンプルと同様に測定された酸化マグネシウム中にドープされたＭｎ２＋イオンのシグナルを用いて求めた。測定サンプルのスピン濃度は、測定サンプルの電子スピン共鳴スペクトルのピーク面積と、同様に測定して得たスピン濃度測定用標準試料（ＴＥＭＰＯＬ）の電子スピン共鳴スペクトルのピーク面積を用いて算出した。
【００５５】
（３．平均面間隔（ｄ００２）、ｃ軸方向の結晶子の大きさ（Ｌｃ））
島津製作所製・Ｘ線回折装置「ＸＲＤ−７０００」を使用して平均面間隔を測定した。
炭素材のＸ線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔ｄ００２（ｎｍ）を以下のＢｒａｇｇ式より算出した。
λ＝２ｄｈｋｌｓｉｎθ Ｂｒａｇｇ式 （ｄｈｋｌ＝ｄ００２）
λ：陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
θ：スペクトルの反射角度
また、Ｌｃは以下のようにして測定した。
Ｘ線回折測定から求められるスペクトルにおける００２面ピークの半値幅と回折角から次のＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて決定した。
Ｌｃ＝０．９４ λ／（βｃｏｓθ） （ Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式）
Ｌｃ ： 結晶子の大きさ
λ ： 陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
β ： ピークの半値幅（ ラジアン）
θ ： スペクトルの反射角度
【００５６】
（４．比表面積）
ユアサ社製のＮｏｖａ−１２００装置を使用して窒素吸着におけるＢＥＴ３点法により測定した。具体的な算出方法は、前記実施形態で述べた通りである。
【００５７】
（５．炭素含有量、窒素含有量）
パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「ＰＥ２４００」を用いて測定した。測定試料を、燃焼法を用いてＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＮ２に変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させる。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定した。
ア）炭素含有量
得られた炭素材を、１１０℃／真空中、３時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて炭素組成比を測定した。
イ）窒素含有量
得られた炭素材を、１１０℃／真空中、３時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて窒素組成を測定した。
【００５８】
（６．充電容量、放電容量、充放電効率）
（１）二次電池評価用二極式コインセルの製造
各実施例、比較例で得られた炭素材１００部に対して、結合剤としてポリフッ化ビニリデン１０部、希釈溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンを適量加え混合し、スラリー状の負極混合物を調製した。調製した負極スラリー状混合物を１８μｍの銅箔の両面に塗布し、その後、１１０℃で１時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって電極を加圧成形した。これを直径１６．１５６ｍｍの円形として切り出し負極を作製した。
正極はリチウム金属を用いて二極式コインセルにて評価を行った。電解液として体積比が１：１のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液に過塩素酸リチウムを１モル／リットル溶解させたものを用いた。
【００５９】
（２）充電容量、放電容量の評価
充電条件は電流２５ｍＡ／ｇの定電流で１ｍＶになるまで充電した後、１ｍＶ保持で１．２５ｍＡ／ｇまで電流が減衰したところを充電終止とした。また、放電条件のカットオフ電位は １．５Ｖとした。
【００６０】
（３）充放電効率の評価
上記（２）で得られた値をもとに、下記式により算出した。
充放電効率（％）＝［放電容量／充電容量］×１００
【００６１】
（実施例１）
樹脂組成物として、フェノール樹脂ＰＲ−２１７（住友ベークライト(株)製）を以下の工程（ａ）〜（ｆ）の順で処理を行い、炭素材を得た。
（ａ）還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、室温から５００℃まで、１００℃／時間で昇温
（ｂ）還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、５００℃で２時間脱脂処理後、冷却
（ｃ）振動ボールミルで微粉砕
（ｄ）不活性ガス（窒素）置換および流通下、室温から１２００℃まで、１００℃／時間で昇温
（ｅ）不活性ガス（窒素）流通下、１２００℃で８時間炭化処理
（ｆ）不活性ガス（窒素）流通下、６００℃まで自然放冷後、６００℃から１００℃以下まで、１００℃／時間で冷却
【００６２】
（実施例２）
実施例１においてフェノール樹脂にかえて、アニリン樹脂（以下の方法で合成したもの）を用いた
アニリン１００部と３７％ ホルムアルデヒド水溶液６９７部、蓚酸２部を攪拌装置及び冷却管を備えた３つ口フラスコに入れ、１００℃で３時間反応後、脱水し、アニリン樹脂１１０部を得た。得られたアニリン樹脂の重量平均分子量は約８００であった。
以上のようにして得られたアニリン樹脂１００部とヘキサメチレンテトラミン１０部を粉砕混合し得られた樹脂組成物を、実施例１と同様の工程で処理を行い、炭素材を得た。
【００６３】
（実施例３）
実施例２と同様の樹脂組成物を使用した。
また、樹脂組成物の処理に際して、（ｄ）、（ｅ）の工程を以下のようにした点以外は、実施例２と同様にして炭素材を得た。
（ｄ）不活性ガス（窒素）置換および流通下、室温から１１００℃まで、１００℃／時間で昇温
（ｅ）不活性ガス（窒素）流通下、１１００℃で８時間炭化処理
【００６４】
（比較例１）
黒鉛（メソフェーズカーボンマイクロビーズ）から構成される炭素材を用意した。
【００６５】
（比較例２）
ノボラック型フェノール樹脂（住友ベークライト(株)製ＰＲ−５３１９５）３０部、ヘキサメチレンテトラミン３部、メラミン樹脂７０部を粉砕混合して樹脂組成物を調製した。
得られた樹脂組成物を、以下の工程で処理を行い、炭素材を得た。
（ｇ）不活性ガス（窒素）流通下で、１００℃から２００℃まで、２０℃／時間で昇温
（ｈ）不活性ガス（窒素）流通下で、２００℃で１時間熱処理
（ｃ）振動ボールミルで微粉砕
（ｉ）不活性ガス（窒素）雰囲気下にて室温から９００℃まで１０℃／時間で昇温
（ｊ）不活性ガス（窒素）雰囲気下にて９００℃で１０時間炭化処理
（ｆ）不活性ガス（窒素）流通下、６００℃まで自然放冷後、６００℃から１００℃以下まで、１００℃／時間で冷却
【００６６】
上記実施例、比較例で得られた炭素材について、陽電子寿命、スピン濃度、平均面間隔、結晶子の大きさ、比表面積、炭素含有率、窒素含有率を測定した。結果を表１に示す。
また、上記実施例、比較例で得られた炭素材を負極として使用した場合の充電容量、放電容量、充放電効率を表２に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下である実施例１〜３では、いずれも充電容量、放電容量が非常に高く、また、充放電効率も７５％以上と高いものとなった。
また、陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下、かつ電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることに加え、窒素原子を１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下含む実施例２、３では、放電容量も高いものとなった。
実施例２、３のように、広角Ｘ回折法からＢｒａｇｇ式を用いて算出される（００２）面の平均面間隔ｄが３．４０Å以上、３．９０Å以下であり、陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であるため、可逆的にリチウムイオンを吸蔵・放出することができる有効なサイズの空孔が形成されていることに加え、炭素材が窒素原子を１．０ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下含むことで、最適量の窒素含量に起因する電気陰性度により、炭素材に好適な電気的特性を付与することができると考えられる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性が得られると推測される。
一方、比較例１では、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下と最適な導電性を持っているため充放電効率は高い値を示すが、陽電子寿命が３７０ピコ秒以下であるため、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくく、充電容量、放電容量いずれも低い値となり、比較例２では、陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であるためリチウムを充分に吸蔵でき、高い充電容量を示しているが、スピン濃度が２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以上であるため、過剰に存在する不対電子と電解液との反応が促進されることで不可逆容量が大きく、充放電効率が非常に低いものとなった。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 二次電池
１２ 負極材
１４ 負極集電体
１３ 負極
２０ 正極材
２２ 正極集電体
２１ 正極
１６ 電解液
１８ セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リチウムイオン二次電池の負極には、炭素材が使用されている。充放電サイクルが進行しても、炭素材料を使用した負極上にはデンドライト状リチウムが析出されにくく、安全性が保証されるためである。
たとえば、特許文献１には、窒素含有量が０．１〜５．０重量％であり、０．３３ｎｍを超える細孔径を有する細孔が占める細孔容積が０．１〜５０．０ｍｌ／ｋｇである炭素材が開示されており、特許文献２には、特定の樹脂組成物を炭化処理し、細孔容積が５０．０ｍｌ／ｋｇ以下である炭素材が開示されている。
【０００３】
また、特許文献３には、電子スピン共鳴法により測定される２５℃におけるスピン濃度が１×１０１８〜３×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇである炭素材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０８３０１２号公報
【特許文献２】特開２００４−３０３４２８号公報
【特許文献３】特開Ｈ１０−２４７４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、より充電容量、放電容量、および充放電効率の高いリチウムイオン電池の開発が求められている。しかしながら、特許文献１，２に開示された従来の炭素材を使用したものでは、このような要求に応えることが難しい。すなわち、特許文献１，２に開示された従来の炭素材では、炭素材表面よりガスが侵入できる細孔に関するもので、表面反応低減等による充放電効率を向上させるものではあるが、充放電容量向上も含めた炭素材を開発するには至っていない。また、特許文献３に開示された炭素材においても、材料中の不対電子の数を調整することで放電容量および充放電効率の向上を検討しているが、必ずしも要求特性を満足させるものではなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、
樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源 ：電子加速器を用いて電子・陽電子対生成し、陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器 ：ＢａＦ２シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気 ：２５℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数 ：３×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：１０ＫｅＶ
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材が提供される。
【０００７】
このようなリチウムイオン二次電池用炭素材を使用することで、充電容量、放電容量が高く、一定値以上の充放電効率を有するリチウムイオン電池を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れたリチウムイオン電池を提供することができる。
【０００８】
さらに、本発明によれば、上述したリチウムイオン二次電池用炭素材を含むリチウムイオン二次電池用負極材や、このリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池も提供できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、充電容量、放電容量が高く、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れたリチウムイオン電池を提供することができるリチウムイオン二次電池用炭素材、リチウムイオン二次電池用負極材およびリチウムイオン二次電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】消滅γ線のカウント数と、陽電子消滅時間との関係を示す図である。
【図２】リチウムイオン二次電池の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（リチウムイオン二次電池用炭素材）
はじめに、本発明のリチウムイオン二次電池用炭素材（以下、炭素材という場合もある）の概要について説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源： 電子加速器を用いて電子・陽電子対生成し、陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器： ＢａＦ２シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： ２５℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数： ３×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：１０ＫｅＶ
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材。
【００１２】
次に、リチウムイオン二次電池用炭素材について詳細に説明する。
リチウムイオン二次電池用炭素材は、樹脂または樹脂組成物を炭化処理することにより、得られるものである。
樹脂あるいは、樹脂組成物に含まれる樹脂としては、特に限定されないが、例えば、熱硬化性樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂を含有することができる。樹脂としては、単独あるいは二種類以上を併用することができる。
また、後述するように、樹脂組成物は、上記樹脂を主成分とするとともに、硬化剤、添加剤などを併せて含有することができる。
【００１３】
ここで熱硬化性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂などのフェノール樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、フラン樹脂、ケトン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。また、これらが種々の成分で変性された変性物を用いることもできる。
【００１４】
また、熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド、などが挙げられる。
【００１５】
本発明の炭素材に用いられる主成分となる樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましい。これにより、炭素材の残炭率をより高めることができる。
そして、熱硬化性樹脂の中でも、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、及び、アニリン樹脂、およびこれらの変性物から選ばれるものであることが好ましい。これにより、炭素材の設計の自由度が広がり、低価格で製造することができる。
【００１６】
また、熱硬化性樹脂を用いる場合には、その硬化剤を併用することができる。
ここで用いられる硬化剤としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の場合はヘキサメチレンテトラミン、レゾール型フェノール樹脂、ポリアセタール、パラホルムなどを用いることができる。また、エポキシ樹脂の場合は、脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミンなどのポリアミン化合物、酸無水物、イミダゾール化合物、ジシアンジアミド、ノボラック型フェノール樹脂、ビスフェノール型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂など、エポキシ樹脂にて公知の硬化剤を用いることができる。
なお、通常は所定量の硬化剤を併用する熱硬化性樹脂であっても、本発明で用いられる樹脂組成物においては、通常よりも少ない量を用いたり、あるいは硬化剤を併用しないで用いたりすることもできる。
【００１７】
また、本発明で用いる樹脂組成物においては、このほか、添加剤を配合することができる。
ここで用いられる添加剤としては特に限定されないが、例えば、２００〜８００℃にて炭化処理した炭素材前駆体、黒鉛及び黒鉛変性剤、有機酸、無機酸、含窒素化合物、含酸素化合物、芳香族化合物、及び、非鉄金属元素などを挙げることができる。
上記添加剤は、用いる樹脂の種類や性状などにより、単独あるいは二種類以上を併用することができる。
【００１８】
本発明の炭素材に用いられる樹脂としては、後述する含窒素樹脂類を主成分樹脂として含んでいてもよい。また、主成分樹脂に含窒素樹脂類が含まれていないときには主成分樹脂以外の成分として、少なくとも１種以上の含窒素化合物を含んでいてもよいし、含窒素樹脂類を主成分樹脂として含むとともに含窒素化合物を主成分樹脂以外の成分として含んでいてもよい。このような樹脂を炭化処理することにより、窒素を含有する炭素材を得ることができる。
【００１９】
ここで、含窒素樹脂類としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂のほか、アミンなどの含窒素成分で変性されたフェノール樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−スチレン（ＡＳ）樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミドなどが挙げられる。
【００２０】
また、含窒素樹脂類以外の樹脂としては、以下のものを例示することができる。
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。
【００２１】
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。
【００２２】
また、主成分樹脂以外の成分として含窒素化合物を用いる場合、その種類としては特に限定されないが、例えば、ノボラック型フェノール樹脂の硬化剤であるヘキサメチレンテトラミン、エポキシ樹脂の硬化剤である脂肪族ポリアミン、芳香族ポリアミン、ジシアンジアミドなどのほか、硬化剤成分以外にも、硬化剤として機能しないアミン化合物、アンモニウム塩、硝酸塩、ニトロ化合物など窒素を含有する化合物を用いることができる。
上記含窒素化合物としては、主成分樹脂に含窒素樹脂類を含む場合であっても含まない場合であっても、１種類を用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
【００２３】
本発明の炭素材に用いられる樹脂組成物、あるいは樹脂中の窒素含有量としては特に限定されないが、５．０〜６５．０重量％であることが好ましい。さらに好ましくは１０．０〜２０．０重量％である。
このような樹脂組成物あるいは樹脂の炭化処理を行うことにより、最終的に得られる炭素材中の炭素原子含有量が９５．０ｗｔ％以上であり、窒素原子含有量が０．５〜５．０ｗｔ％であることが好ましい。
このように窒素原子を０．５ｗｔ％以上、特に１．０ｗｔ％以上含有することで、窒素の有する電気陰性度により、炭素材に好適な電気的特性を付与することができる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性を付与することができる。
【００２４】
また、窒素原子を５．０ｗｔ％以下、特に３．０ｗｔ％以下とすることで、炭素材に付与される電気的特性が過剰に強くなってしまうことが抑制され、吸蔵されたリチウムイオンが窒素原子と電気的吸着を起こすことが防止される。これにより、不可逆容量の増加を抑制し、高い充放電特性を得ることができる。
【００２５】
本発明の炭素材中の窒素含有量は、上記樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量のほか、樹脂組成物あるいは樹脂を炭化する条件や、炭化処理の前に硬化処理やプレ炭化処理を行う場合には、それらの条件についても適宜設定することによって、調整することができる。
たとえば、上述したような窒素含有量である炭素材を得る方法としては、樹脂組成物あるいは樹脂中の窒素含有量を所定値として、これを炭化処理する際の条件、特に、最終温度を調整する方法があげられる。
【００２６】
本発明の炭素材に用いられる樹脂組成物の調製方法としては特に限定されないが、例えば、上記主成分樹脂と、これ以外の成分とを所定の比率で配合し、これらを溶融混合する方法、これらの成分を溶媒に溶解して混合する方法、あるいは、これらの成分を粉砕して混合する方法などにより調製することができる。
【００２７】
炭素材において、上記窒素含有量は熱伝導度法により測定したものである。
本方法は、測定試料を、燃焼法を用いて単純なガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＮ２）に変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させるものである。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定することができる。
なお、本発明では、パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「ＰＥ２４００」を用いて実施した。
【００２８】
また、本発明の炭素材は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、好ましくは、３８０ピコ秒以上である。また、本発明の炭素材は、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が４８０ピコ秒以下、好ましくは、４６０ピコ秒以下である。
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である場合には、後述するようにリチウムが出入りしやすいサイズの空隙が炭素材に形成されているといえ、充電容量、放電容量を高めることができ、充電容量、放電容量が高く、一定程度以上の充放電効率を有する炭素材、すなわち、充電容量、放電容量および充放電効率のバランスに優れた炭素材を得ることができる。
【００２９】
ここで、陽電子寿命と、空隙サイズとの関係について説明する。
陽電子寿命法とは、陽電子（ｅ＋）が試料に入射してから、消滅するまでの時間を計測して、空隙の大きさを測定する方法である。
陽電子は、電子の反物質であり、電子と同じ静止質量を持つがその電荷は正である。
陽電子は、物質中に入射すると、電子と対（陽電子−電子対（ポジトロニウム））になり、その後消滅することが知られている。炭素材に陽電子を打ち込むと、陽電子（ｅ＋）は高分子中で叩き出された電子の１つと結合してポジトロニウムを形成する。ポジトロニウムは高分子材料中の電子密度の低い部分、すなわち高分子中の局所空隙にトラップされ、空隙壁から出た電子雲と重なり消滅する。ポジトロニウムが高分子中の空隙中に存在する場合、その空隙の大きさとポジトロニウムの消滅寿命は反比例の関係にある。すなわち、空隙が小さいとポジトロニウムと周囲電子との重なりが大きくなり、陽電子消滅寿命は短くなる。一方、空隙が大きいとポジトロニウムが空隙壁からしみ出した他の電子と重なって消滅する確立が低くなりポジトロニウムの消滅寿命は長くなる。したがって、ポジトロニウムの消滅寿命を測定することにより炭素材中の空隙の大きさを評価することができる。
上述したように、炭素材に入射した陽電子は、エネルギーを失った後、電子とともに、ポジトロニウムを形成し消滅する。この際、炭素材からは、γ線が放出されることとなる。
従って、放出されたγ線が測定の終了信号となる。
陽電子消滅寿命の測定には、陽電子源として電子加速器や汎用のものとしては放射性同位元素２２Ｎａがよく用いられる。２２Ｎａは２２Ｎｅにβ＋崩壊するときに、陽電子と１．２８ＭｅＶのγ線を同時放出する。炭素材中に入射した陽電子は、消滅過程を経て５１１ｋｅＶのγ線を放出する。したがって、１．２８ＭｅＶのγ線を開始信号とし、５１１ｋｅｖのγ線を終了信号として、両者の時間差を計測すれば陽電子の消滅寿命を求めることができる。具体的には、図１に示すような、陽電子寿命スペクトルが得られる。この陽電子寿命スペクトルの傾きＡが陽電子寿命を示しており、陽電子寿命スペクトルから炭素材の陽電子寿命を把握することができる。
また、陽電子源として、電子加速器を使用する場合には、タンタルまたはタングステンからなるターゲットに電子ビームを照射することによって発生する制動Ｘ線により電子・陽電子対生成を引起こさせ、陽電子を発生させる。電子加速器の場合、陽電子ビームを試料に入射した時点を測定開始点（前記２２Ｎａにおける開始信号に相当）とし、終了信号は２２Ｎａの場合と同様の原理で測定を実施する。
【００３０】
従来、特許文献１，２に開示されているように、ＣＯ２を使用したガス吸着法により、細孔容量や、細孔径を測定し、リチウムを吸蔵、放出することができる径や容量を有する細孔が形成された炭素材を開発していた。しかしながら、特許文献１，２に開示された条件を満たす細孔を有する炭素材を使用しても、充電容量、放電容量を向上させることは非常に困難であった。
これは、二酸化炭素分子は、分子径が０．３３ｎｍであり、リチウムイオン（イオン半径が約０．０６ｎｍ）よりも非常に大きいことに起因すると考えられる。二酸化炭素を使用したガス吸着法では検出できないような非常に小さい細孔にもリチウムイオンは、出入りすることができるため、ＣＯ２を使用したガス吸着法では、リチウムイオンが吸蔵、放出可能な細孔を正確に見積もることが難しい。そのため、リチウムイオンが吸蔵、放出可能な最適な細孔を有する炭素材を得ることができなかったと考えられる。
これに対し、陽電子消滅法で使用される陽電子は非常に小さいため、リチウムイオンが吸蔵、放出に最適な孔を正確に見積もることができる。従って、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である炭素材を製造し、この炭素材を使用することで、充電容量、放電容量を高めることが可能となる。
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒未満の場合には、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくくなる。また、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が４８０ピコ秒を超えると、リチウムを吸蔵量は多くなるが、電解液等他の物質の侵入により、静電容量の増加によりリチウムが放出しにくくなると推測される。
【００３１】
また、本発明の炭素材は、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下である。
電子スピン共鳴法におけるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下の場合、後述するように材料中の導電性が最適化されているといえ、高充電容量に伴う高効率が可能となる。
【００３２】
ここで、スピン濃度と導電性との関係について説明する。
電子スピン共鳴法とは、材料中の不対電子を検出する分光法の一つである。電子にはスピンと呼ばれる性質があり、静磁場中に不対電子が置かれると不対電子は特定周波数のマイクロ波を吸収し、スピンのエネルギー準位は高いほうへと遷移する。この現象を利用することで不対電子の検出を行うのが電子スピン共鳴法である。電子スピン共鳴法の吸収強度は不対電子の数に比例し、不対電子の濃度を既知の標準試料と比較することにより、材料中の不対電子濃度、すなわちスピン濃度を求めることが出来る。
一般に、材料中のスピン濃度は電気抵抗率と関連性があることが知られており、スピン濃度が高いほど電気抵抗率は小さくなるとされている。
【００３３】
電子スピン共鳴法におけるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ未満の場合、スピン濃度が低く電気抵抗率が大きくなり、充電容量が高くとも高効率が伴わない。一方、スピン濃度が２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇを超える場合、材料中の不対電子密度が高くなり、電解液と反応する機会が増え、それに伴う不可逆容量の増加により効率が低下してしまう。
これに対し、スピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下の場合、材料中の電気抵抗率が小さく不可逆容量も最小に留めることができるので、高充電容量に伴う高効率が可能となると推測される。
【００３４】
また、本発明の炭素材は、広角Ｘ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が３．４０Å以上、３．９０Å以下であることが好ましい。平均面間隔ｄ００２が３．４０Å以上、特に３．６０Å以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵に伴う層間の収縮・膨張が起こり難くなるため、充放電サイクル性の低下を抑制できる。
一方で、平均面間隔ｄ００２が３．９０Å以下、特に３．８０Å以下である場合にはリチウムイオンの吸蔵・脱離が円滑に行われ、充放電効率の低下を抑制できる。
さらに、本発明の炭素材は、ｃ軸方向（（００２）面直交方向）の結晶子の大きさＬｃが８Å以上、５０Å以下であることが好ましい。
Ｌｃを８Å以上、特に９Å以上とすることでリチウムイオンを吸蔵・脱離することができる炭素層間スペースが形成され、十分な充放電容量が得られるという効果があり、５０Å以下、特に１５Å以下とすることでリチウムイオンの吸蔵・脱離による炭素積層構造の崩壊や、電解液の還元分解を抑制し、充放電効率と充放電サイクル性の低下を抑制できるという効果がある。
Ｌｃは以下のようにして算出される。
Ｘ線回折測定から求められるスペクトルにおける００２面ピークの半値幅と回折角から次のＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて決定した。
Ｌｃ＝０．９４ λ／（βｃｏｓθ） （ Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式）
Ｌｃ ： 結晶子の大きさ
λ ： 陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
β ： ピークの半値幅（ ラジアン）
θ ： スペクトルの反射角度
【００３５】
本発明の炭素材におけるＸ線回折スペクトルは、島津製作所製・Ｘ線回折装置「ＸＲＤ−７０００」により測定したものである。本発明の炭素材における、上記平均面間隔の測定方法は以下の通りである。
本発明の炭素材のＸ線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔ｄ（ｎｍ）を以下のＢｒａｇｇ式より算出した。
λ＝２ｄｈｋｌｓｉｎθ Ｂｒａｇｇ式 （ｄｈｋｌ＝ｄ００２）
λ：陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
θ：スペクトルの反射角度
【００３６】
さらに、本発明の炭素材は、窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積が１５ｍ２／ｇ以下、１ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。
窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積が１５ｍ２／ｇ以下であることで、炭素材と電解液との反応を抑制できる。
また、窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積を１ｍ２／ｇ以上とすることで電解液の炭素材への適切な浸透性が得られるという効果がある。
比表面積の算出方法は以下の通りである。
下記（１）式より単分子吸着量Ｗｍを算出し、下記（２）式より総表面積Ｓｔｏｔａｌを算出し、下記（３）式より比表面積Ｓを求めた。
１／［Ｗ（Ｐｏ／Ｐ−１）＝（Ｃ−１）／ＷｍＣ（Ｐ／Ｐｏ）／ＷｍＣ・・（１）
式（１）中、Ｐ：吸着平衡にある吸着質の気体の圧力、Ｐｏ：吸着温度における吸着質の飽和蒸気圧、Ｗ：吸着平衡圧Ｐにおける吸着量、Ｗｍ：単分子層吸着量、Ｃ：固体表面と吸着質との相互作用の大きさに関する定数（Ｃ＝ｅｘｐ｛（Ｅ１−Ｅ２）ＲＴ｝）［Ｅ１：第一層の吸着熱（ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｅ２：吸着質の測定温度における液化熱（ｋＪ／ｍｏｌ）］
Ｓｔｏｔａｌ＝（ＷｍＮＡｃｓ）Ｍ・・・・・・・・・（２）
式（２）中、Ｎ：アボガドロ数、Ｍ：分子量、Ａｃｓ：吸着断面積
Ｓ＝Ｓｔｏｔａｌ／ｗ・・・・・・（３）
式（３）中、ｗ：サンプル重量（ｇ）
【００３７】
以上のような炭素材は、以下のようにして製造することができる。
はじめに、炭化処理すべき、樹脂あるいは、樹脂組成物を製造する。
樹脂組成物の調製のための装置としては特に限定されないが、例えば、溶融混合を行う場合には、混練ロール、単軸あるいは二軸ニーダーなどの混練装置を用いることができる。また、溶解混合を行う場合は、ヘンシェルミキサー、ディスパーザなどの混合装置を用いることができる。そして、粉砕混合を行う場合には、例えば、ハンマーミル、ジェットミルなどの装置を用いることができる。
このようにして得られた樹脂組成物は、複数種類の成分を物理的に混合しただけのものであってもよいし、樹脂組成物の調製時、混合（攪拌、混練など）に際して付与される機械的エネルギーおよびこれが変換された熱エネルギーにより、その一部を化学的に反応させたものであってもよい。具体的には、機械的エネルギーによるメカノケミカル的反応、熱エネルギーによる化学反応をさせてもよい。
【００３８】
本発明の炭素材は、上記の樹脂組成物あるいは、樹脂を炭化処理してなるものである。
ここで炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、常温から１〜２００℃／時間で昇温して、８００〜３０００℃で０．１〜５０時間、好ましくは０．５〜１０時間保持して行うことができる。炭化処理時の雰囲気としては窒素、ヘリウムガスなどの不活性雰囲気下、もしくは不活性ガス中に微量の酸素が存在するような、実質的に不活性な雰囲気下、または還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。このようにすることで、樹脂の熱分解（酸化分解）を抑制し、所望の炭素材を得ることができる。
このような炭化処理時の温度、時間等の条件は、炭素材の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。
【００３９】
なお、上記炭化処理を行う前に、プレ炭化処理を行うことができる。
ここでプレ炭化処理の条件としては特に限定されないが、例えば、２００〜６００℃で１〜１０時間行うことができる。このように、炭化処理前にプレ炭化処理を行うことで、樹脂組成物あるいは樹脂を不融化させ、炭化処理工程前に樹脂組成物あるいは樹脂の粉砕処理を行った場合でも、粉砕後の樹脂組成物あるいは樹脂が炭化処理時に再融着するのを防ぎ、所望とする炭素材を効率的に得ることができるようになる。
このとき、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である炭素材を得るための方法の一例としては、還元ガス、不活性ガスが存在しない状態で、プレ炭化処理を行うことがあげられる。
【００４０】
また、炭素材を構成する樹脂として熱硬化性樹脂や重合性高分子化合物を用いた場合には、このプレ炭化処理の前に、樹脂組成物あるいは樹脂の硬化処理を行うこともできる。
硬化処理方法としては特に限定されないが、例えば、樹脂組成物に硬化反応が可能な熱量を与えて熱硬化する方法、あるいは、樹脂と硬化剤とを併用する方法などにより行うことができる。これにより、プレ炭化処理を実質的に固相でできるため、樹脂の構造をある程度維持した状態で炭化処理またはプレ炭化処理を行うことができ、炭素材の構造や特性を制御することができるようになる。
【００４１】
なお、上記炭化処理あるいはプレ炭化処理を行う場合には、上記樹脂組成物に、金属、顔料、滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤などを添加して、所望する特性を炭素材に付与することもできる。
【００４２】
上記硬化処理及び／又はプレ炭化処理を行った場合は、その後、上記炭化処理の前に、処理物を粉砕しておいてもよい。こうした場合には、炭化処理時の熱履歴のバラツキを低減させ、炭素材の表面状態の均一性を高めることができる。そして、処理物の取り扱い性を良好なものにすることができる。
さらに、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下の炭素材を得るために、たとえば、必要に応じて炭化処理後において、還元ガスまたは不活性ガスの存在下で、８００〜５００℃まで自然冷却し、その後、１００℃以下となるまで１００℃／時間で冷却してもよい。
このようにすることで、急速冷却による炭素材の割れが抑制され、形成された空隙が維持できるという理由により、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下である炭素材を得ることができると推測される。
【００４３】
（リチウム二次電池）
次に、本発明の二次電池用負極材（以下、単に「負極材」という）の実施形態およびこれを用いた実施形態であるリチウム二次電池（以下、単に「二次電池」という）について説明する。
【００４４】
図２は、二次電池の実施形態の構成を示す概略図である。
二次電池１０は、負極材１２および負極集電体１４により構成される負極１３と、正極材２０および正極集電体２２により構成される正極２１と、ならびに電解液１６と、セパレータ１８とを含むものである。
【００４５】
負極１３において、負極集電体１４としては、例えば銅箔またはニッケル箔を用いることができる。そして負極材１２は、本発明の炭素材を用いる。
【００４６】
本発明の負極材は、例えば、以下のようにして製造される。
上記炭素材１００重量部に対して、有機高分子結着剤（ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子など）１〜３０重量部、および適量の粘度調整用溶剤（Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなど）を添加して混練して、ペースト状にした混合物を圧縮成形、ロール成形などによりシート状、ペレット状などに成形して、負極材１２を得ることができる。
そして、負極集電体１４と積層することにより、負極１３を製造することができる。
【００４７】
また、上記炭素材１００重量部に対して、有機高分子結着剤（ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子など）１〜３０重量部、および適量の粘度調整用溶剤（Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミドなど）を添加して混練して、スラリー状にした混合物を負極材１２として用い、これを負極集電体１４に塗布、成形することにより、負極１３を製造することもできる。
【００４８】
電解液１６としては、非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解したものが用いられる。
この非水系溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル類、ジメチルカーボネートやジエチルカーボネートなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタンなどの鎖状エーテル類などの混合物などを用いることができる。
電解質としては、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＰＦ6などのリチウム金属塩、テトラアルキルアンモニウム塩などを用いることができる。また、上記塩類をポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリルなどに混合し、固体電解質として用いることもできる。
【００４９】
セパレータ１８としては、特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどの多孔質フィルム、不織布などを用いることができる。
【００５０】
正極２１において、正極材２０としては特に限定されないが、例えばリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ2）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ2）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ2Ｏ4）などの複合酸化物や、ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子などを用いることができる。
正極集電体２２としては、例えばアルミニウム箔を用いることができる。
そして、本実施形態における正極２１は、既知の正極の製造方法により製造することができる。
【００５１】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明を実施例により説明する。しかし、本発明は実施例に限定されるものではない。又、各実施例、比較例で示される「部」は「重量部」、「％」は「重量％」を示す。
【００５３】
はじめに、以下の実施例、比較例における測定方法を説明する。
（１．陽電子寿命法による陽電子寿命の測定方法）
陽電子・ポジトロニウム寿命測定・ナノ空孔計測装置（産業技術総合研究所製）を用いて、陽電子が消滅する際に発生する電磁波（消滅γ線）を測定し、陽電子寿命を測定した。
具体的には、以下のようである。
（Ａ）陽電子線源： 産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門の電子加速器を用いて、電子・陽電子対生成から陽電子を発生
（前記電子加速器は、ターゲット（タンタル）に電子ビームを照射して、電子・陽電子対生成を引きおこし、陽電子を発生）
（Ｂ）ガンマ線検出器： BaF2シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： 25℃、真空中（1×１０−５Pa(1×１０−７Torr)）
（Ｄ）消滅γ線カウント数： 3×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：10keV
（Ｆ）試料サイズ： 粉末を試料ホルダ（アルミ板）に厚み0.1mmで塗布
【００５４】
（２．ＥＳＲ測定による表面状態の分析）
日本電子製ＪＥＳ−ＦＲ８０を用いて、電磁場の吸収強度を測定した。
具体的には、以下のようである。
（Ｇ）装置名： ＪＥＳ−ＦＲ８０（日本電子製）
（Ｈ）測定温度： ２３±１℃
（Ｉ）磁場範囲： ３３０±１００ｍＴ
ｇ値は、測定サンプルと同様に測定された酸化マグネシウム中にドープされたＭｎ２＋イオンのシグナルを用いて求めた。測定サンプルのスピン濃度は、測定サンプルの電子スピン共鳴スペクトルのピーク面積と、同様に測定して得たスピン濃度測定用標準試料（ＴＥＭＰＯＬ）の電子スピン共鳴スペクトルのピーク面積を用いて算出した。
【００５５】
（３．平均面間隔（ｄ００２）、ｃ軸方向の結晶子の大きさ（Ｌｃ））
島津製作所製・Ｘ線回折装置「ＸＲＤ−７０００」を使用して平均面間隔を測定した。
炭素材のＸ線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔ｄ００２（ｎｍ）を以下のＢｒａｇｇ式より算出した。
λ＝２ｄｈｋｌｓｉｎθ Ｂｒａｇｇ式 （ｄｈｋｌ＝ｄ００２）
λ：陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
θ：スペクトルの反射角度
また、Ｌｃは以下のようにして測定した。
Ｘ線回折測定から求められるスペクトルにおける００２面ピークの半値幅と回折角から次のＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて決定した。
Ｌｃ＝０．９４ λ／（βｃｏｓθ） （ Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式）
Ｌｃ ： 結晶子の大きさ
λ ： 陰極から出力される特性Ｘ線Ｋα１の波長
β ： ピークの半値幅（ ラジアン）
θ ： スペクトルの反射角度
【００５６】
（４．比表面積）
ユアサ社製のＮｏｖａ−１２００装置を使用して窒素吸着におけるＢＥＴ３点法により測定した。具体的な算出方法は、前記実施形態で述べた通りである。
【００５７】
（５．炭素含有量、窒素含有量）
パーキンエルマー社製・元素分析測定装置「ＰＥ２４００」を用いて測定した。測定試料を、燃焼法を用いてＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＮ２に変換した後に、ガス化した試料を均質化した上でカラムを通過させる。これにより、これらのガスが段階的に分離され、それぞれの熱伝導率から、炭素、水素、及び窒素の含有量を測定した。
ア）炭素含有量
得られた炭素材を、１１０℃／真空中、３時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて炭素組成比を測定した。
イ）窒素含有量
得られた炭素材を、１１０℃／真空中、３時間乾燥処理後、元素分析測定装置を用いて窒素組成を測定した。
【００５８】
（６．充電容量、放電容量、充放電効率）
（１）二次電池評価用二極式コインセルの製造
各実施例、比較例で得られた炭素材１００部に対して、結合剤としてポリフッ化ビニリデン１０部、希釈溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンを適量加え混合し、スラリー状の負極混合物を調製した。調製した負極スラリー状混合物を１８μｍの銅箔の両面に塗布し、その後、１１０℃で１時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって電極を加圧成形した。これを直径１６．１５６ｍｍの円形として切り出し負極を作製した。
正極はリチウム金属を用いて二極式コインセルにて評価を行った。電解液として体積比が１：１のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液に過塩素酸リチウムを１モル／リットル溶解させたものを用いた。
【００５９】
（２）充電容量、放電容量の評価
充電条件は電流２５ｍＡ／ｇの定電流で１ｍＶになるまで充電した後、１ｍＶ保持で１．２５ｍＡ／ｇまで電流が減衰したところを充電終止とした。また、放電条件のカットオフ電位は １．５Ｖとした。
【００６０】
（３）充放電効率の評価
上記（２）で得られた値をもとに、下記式により算出した。
充放電効率（％）＝［放電容量／充電容量］×１００
【００６１】
（実施例１）
樹脂組成物として、フェノール樹脂ＰＲ−２１７（住友ベークライト(株)製）を以下の工程（ａ）〜（ｆ）の順で処理を行い、炭素材を得た。
（ａ）還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、室温から５００℃まで、１００℃／時間で昇温
（ｂ）還元ガス置換、不活性ガス置換、還元ガス流通、不活性ガス流通のいずれも無しで、５００℃で２時間脱脂処理後、冷却
（ｃ）振動ボールミルで微粉砕
（ｄ）不活性ガス（窒素）置換および流通下、室温から１２００℃まで、１００℃／時間で昇温
（ｅ）不活性ガス（窒素）流通下、１２００℃で８時間炭化処理
（ｆ）不活性ガス（窒素）流通下、６００℃まで自然放冷後、６００℃から１００℃以下まで、１００℃／時間で冷却
【００６２】
（実施例２）
実施例１においてフェノール樹脂にかえて、アニリン樹脂（以下の方法で合成したもの）を用いた
アニリン１００部と３７％ ホルムアルデヒド水溶液６９７部、蓚酸２部を攪拌装置及び冷却管を備えた３つ口フラスコに入れ、１００℃で３時間反応後、脱水し、アニリン樹脂１１０部を得た。得られたアニリン樹脂の重量平均分子量は約８００であった。
以上のようにして得られたアニリン樹脂１００部とヘキサメチレンテトラミン１０部を粉砕混合し得られた樹脂組成物を、実施例１と同様の工程で処理を行い、炭素材を得た。
【００６３】
（実施例３）
実施例２と同様の樹脂組成物を使用した。
また、樹脂組成物の処理に際して、（ｄ）、（ｅ）の工程を以下のようにした点以外は、実施例２と同様にして炭素材を得た。
（ｄ）不活性ガス（窒素）置換および流通下、室温から１１００℃まで、１００℃／時間で昇温
（ｅ）不活性ガス（窒素）流通下、１１００℃で８時間炭化処理
【００６４】
（比較例１）
黒鉛（メソフェーズカーボンマイクロビーズ）から構成される炭素材を用意した。
【００６５】
（比較例２）
ノボラック型フェノール樹脂（住友ベークライト(株)製ＰＲ−５３１９５）３０部、ヘキサメチレンテトラミン３部、メラミン樹脂７０部を粉砕混合して樹脂組成物を調製した。
得られた樹脂組成物を、以下の工程で処理を行い、炭素材を得た。
（ｇ）不活性ガス（窒素）流通下で、１００℃から２００℃まで、２０℃／時間で昇温
（ｈ）不活性ガス（窒素）流通下で、２００℃で１時間熱処理
（ｃ）振動ボールミルで微粉砕
（ｉ）不活性ガス（窒素）雰囲気下にて室温から９００℃まで１０℃／時間で昇温
（ｊ）不活性ガス（窒素）雰囲気下にて９００℃で１０時間炭化処理
（ｆ）不活性ガス（窒素）流通下、６００℃まで自然放冷後、６００℃から１００℃以下まで、１００℃／時間で冷却
【００６６】
上記実施例、比較例で得られた炭素材について、陽電子寿命、スピン濃度、平均面間隔、結晶子の大きさ、比表面積、炭素含有率、窒素含有率を測定した。結果を表１に示す。
また、上記実施例、比較例で得られた炭素材を負極として使用した場合の充電容量、放電容量、充放電効率を表２に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下である実施例１〜３では、いずれも充電容量、放電容量が非常に高く、また、充放電効率も７５％以上と高いものとなった。
また、陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下、かつ電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることに加え、窒素原子を１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下含む実施例２、３では、放電容量も高いものとなった。
実施例２、３のように、広角Ｘ回折法からＢｒａｇｇ式を用いて算出される（００２）面の平均面間隔ｄが３．４０Å以上、３．９０Å以下であり、陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であるため、可逆的にリチウムイオンを吸蔵・放出することができる有効なサイズの空孔が形成されていることに加え、炭素材が窒素原子を１．０ｗｔ％以上５．０ｗｔ％以下含むことで、最適量の窒素含量に起因する電気陰性度により、炭素材に好適な電気的特性を付与することができると考えられる。これにより、リチウムイオンの吸蔵・放出を促進させ、高い充放電特性が得られると推測される。
一方、比較例１では、電子スピン共鳴法により測定されるスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下と最適な導電性を持っているため充放電効率は高い値を示すが、陽電子寿命が３７０ピコ秒以下であるため、空孔サイズが小さすぎて、リチウムイオンを吸蔵、放出しにくく、充電容量、放電容量いずれも低い値となり、比較例２では、陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であるためリチウムを充分に吸蔵でき、高い充電容量を示しているが、スピン濃度が２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以上であるため、過剰に存在する不対電子と電解液との反応が促進されることで不可逆容量が大きく、充放電効率が非常に低いものとなった。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 二次電池
１２ 負極材
１４ 負極集電体
１３ 負極
２０ 正極材
２２ 正極集電体
２１ 正極
１６ 電解液
１８ セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源： 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器： ＢａＦ2シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： ２５℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数： ３×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：１０ｋｅＶ
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項２】
請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
広角Ｘ回折法からＢｒａｇｇ式を用いて算出される（００２）面の平均面間隔ｄが３．４Å以上、３.９Å以下であり、ｃ軸方向の結晶子の大きさＬｃが８Å以上、５０Å以下であるリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積が１５ｍ２／ｇ以下、１ｍ２／ｇ以上であるリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
炭素原子を９５ｗｔ％以上含み、かつ、炭素原子以外の元素として、窒素原子を０．５ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下含むものであるリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用炭素材を含むリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項６】
請求項５に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池。
【請求項１】
樹脂または樹脂組成物を炭化処理してなるリチウムイオン二次電池用炭素材であって、
以下の条件（Ａ）〜（Ｅ）のもと、陽電子消滅法により測定した陽電子寿命が３７０ピコ秒以上、４８０ピコ秒以下であり、
（Ａ）陽電子線源： 電子加速器を用いて電子・陽電子対から陽電子を発生
（Ｂ）ガンマ線検出器： ＢａＦ2シンチレーターおよび光電子増倍管
（Ｃ）測定温度及び雰囲気： ２５℃、真空中
（Ｄ）消滅γ線カウント数： ３×１０６以上
（Ｅ）陽電子ビームエネルギー：１０ｋｅＶ
かつ電子スピン共鳴法により測定したスピン濃度が５×１０１６ｓｐｉｎｓ／ｇ以上、２×１０１８ｓｐｉｎｓ／ｇ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項２】
請求項１に記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
広角Ｘ回折法からＢｒａｇｇ式を用いて算出される（００２）面の平均面間隔ｄが３．４Å以上、３.９Å以下であり、ｃ軸方向の結晶子の大きさＬｃが８Å以上、５０Å以下であるリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
窒素吸着におけるＢＥＴ３点法による比表面積が１５ｍ２／ｇ以下、１ｍ２／ｇ以上であるリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用炭素材において、
炭素原子を９５ｗｔ％以上含み、かつ、炭素原子以外の元素として、窒素原子を０．５ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下含むものであるリチウムイオン二次電池用炭素材。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用炭素材を含むリチウムイオン二次電池用負極材。
【請求項６】
請求項５に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２０９１６９（Ｐ２０１２−２０９１６９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４９１６（Ｐ２０１１−７４９１６）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００２１４１）住友ベークライト株式会社 (2,927)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００２１４１）住友ベークライト株式会社 (2,927)
【Ｆターム（参考）】
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