JP6805440B2 - A method for modifying a layered material and a device for that purpose, and modified graphite and an electrode material for a secondary battery using the modified graphite. - Google Patents
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Description
本発明は、層状物質を改質する方法およびそのための装置に関するものである。より詳細には、本発明は、グラファイトを改質する方法およびそのための装置、ならびに改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料に関するものである。 The present invention relates to a method for modifying a layered material and an apparatus for that purpose. More specifically, the present invention relates to a method for modifying graphite and an apparatus therefor, and the modified graphite and an electrode material for a secondary battery using the modified graphite.
層状物質は、シート状の物質を構成単位とした積層構造を有しており、その層間にイオンや分子を挿入するインターカレーション反応が可能であることから、機能性材料として様々な分野で活用されている。 The layered substance has a laminated structure with a sheet-like substance as a constituent unit, and since an intercalation reaction in which ions and molecules are inserted between the layers is possible, it is utilized in various fields as a functional material. Has been done.
例えば、炭素材料のひとつであるグラファイト（黒鉛）は、炭素原子の六員環が連なった平面状の二次元物質であるグラフェンを構成単位とする層状物質であり、天然グラファイトのエッジ面（Ｃ軸方向）の層間距離（d-spacing）の理論値は、３．３５４５Åであることが知られている。グラファイトは耐熱性、自己潤滑性、耐薬品性、軽量性等の特徴を有していることから、様々な用途で使われている。 For example, graphite, which is one of the carbon materials, is a layered substance whose constituent unit is graphene, which is a planar two-dimensional substance in which six-membered rings of carbon atoms are connected, and is an edge surface (C axis) of natural graphite. It is known that the theoretical value of the interlayer distance (d-spacing) of (direction) is 3.3545 Å. Graphite is used in various applications because it has characteristics such as heat resistance, self-lubricating property, chemical resistance, and light weight.
代表的なグラファイト材としては、例えば、グラファイトを強酸化条件で酸化した酸化グラファイトを還元して得られる還元グラフェンの積層体が挙げられる。このようなグラフェン積層体からなるグラファイト材の層間距離は、通常、原料のグラファイトとほぼ同程度（約３．５Å）であるが、その製造工程において、原料のグラファイトの層間に作用するファンデルワールス力が弱められているため、例えばリチウムイオン二次電池の電極材料として用いた場合には、リチウムイオンのインターカレーション反応が起こりやすくなる。このように、グラファイト材は二次電池用の主要な電極材料として実用化されており、これまでに天然グラファイト系や人造グラファイト系の二次電池用電極材料の開発が盛んに行われている。 As a typical graphite material, for example, a laminate of reduced graphene obtained by reducing graphite oxide obtained by oxidizing graphite under strong oxidation conditions can be mentioned. The intercalation distance of the graphite material made of such a graphene laminate is usually about the same as that of the raw material graphite (about 3.5 Å), but in the manufacturing process, Van der Waals acting between the layers of the raw material graphite. Since the force is weakened, for example, when it is used as an electrode material for a lithium ion secondary battery, an intercalation reaction of lithium ions is likely to occur. As described above, graphite material has been put into practical use as a main electrode material for secondary batteries, and natural graphite-based and artificial graphite-based electrode materials for secondary batteries have been actively developed so far.
例えば、特許文献１には、グラファイトを粉砕し、熱処理した後、ホウ素粉末を添加し、機械的混合し、熱処理して黒鉛化することにより、リチウムイオン二次電池の負極材に適したグラファイト粉末が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a graphite powder suitable for a negative electrode material of a lithium ion secondary battery by crushing graphite, heat-treating it, adding boron powder, mechanically mixing it, and heat-treating it to graphitize it. Is described.
また、特許文献２には、金属または半金属の化合物を導入して大きな表面積を有する多孔質グラファイト複合材料を得ることを目的として、グラファイトを酸化して得られるグラファイト酸化物層状体と長鎖有機アミンとを固相において混合し、有機溶媒が介在する条件下でイオン交換反応を行うことにより、グラファイト酸化物の層間を拡張する方法が記載されている。なお、特許文献２において基材として用いられるグラファイト酸化物層状体は、例えばグラファイトを濃硫酸と硝酸との混合液中に浸し、塩素酸カリウムを加え、反応させるか、あるいは濃硫酸と硝酸ナトリウムの混合液中に浸し、過マンガン酸カリウムを加え、反応させることにより調製されるものである。 Further, in Patent Document 2, a graphite oxide layered body and a long-chain organic obtained by oxidizing graphite for the purpose of introducing a metal or semimetal compound to obtain a porous graphite composite material having a large surface area. A method of expanding the layers of graphite oxide by mixing an amine in a solid phase and carrying out an ion exchange reaction under the condition of an organic solvent is described. The graphite oxide layered body used as the base material in Patent Document 2 is obtained by immersing graphite in a mixed solution of concentrated sulfuric acid and nitric acid, adding potassium chlorate and reacting, or using concentrated sulfuric acid and sodium nitrate. It is prepared by immersing in a mixed solution, adding potassium permanganate, and reacting.
一方、今般、グラフェンまたは薄片化グラファイトを製造するための原料物質として、グラファイトを化学的に処理し、高温で熱処理をして、グラファイトの層間を膨張フレーク状にしたもの（膨張化黒鉛）が市販されており、その合成方法として、化学的処理や熱処理の条件検討が様々に行われている。 On the other hand, as a raw material for producing graphene or flaky graphite, graphite is chemically treated and heat-treated at a high temperature to form expanded flakes between graphite layers (expanded graphite). As a synthetic method thereof, various conditions for chemical treatment and heat treatment have been studied.
このような膨張化黒鉛の製造方法としては、例えば、特許文献３では、黒鉛を酸性電解質水溶液中に浸漬し、該黒鉛を作用極とし、対照極との間に、自然電位以外に０．６Ｖ〜０．８Ｖの範囲の直流電圧を、４８時間以上、１０００時間以下印加する電気化学的処理を行うことにより、グラフェンまたは薄片化黒鉛を大量にかつ容易に得ることを可能とする、層間物質が挿入された膨張化黒鉛の製造方法が提案されている。 As a method for producing such expanded graphite, for example, in Patent Document 3, graphite is immersed in an aqueous solution of an acidic electrolyte, the graphite is used as a working electrode, and 0.6 V is used in addition to the natural potential between the graphite and the control electrode. By performing an electrochemical treatment in which a DC voltage in the range of ~ 0.8 V is applied for 48 hours or more and 1000 hours or less, a large amount of graphene or flaky graphite can be easily obtained. A method for producing the inserted expanded graphite has been proposed.
なお、グラファイトからグラフェンを製造する方法としては、上述した膨張化黒鉛や鱗片状黒鉛等を原料として、グラファイトを層間剥離する手法が一般的であり、代表的な例としては、強酸化条件で酸化した酸化グラファイトを剥離する方法（ハマーズ法）が挙げられる。また、強酸化処理工程を要しないグラフェンの製造方法としては、例えば、グラファイトの分散溶液を超音波処理したり、グラファイトの分散溶液に撹拌羽根等を挿入して高速回転させたりして、グラファイトを層間剥離する方法等が提案されている。 As a method for producing graphene from graphite, a method of delaminating graphite using the above-mentioned expanded graphite or scaly graphite as a raw material is common, and as a typical example, oxidation is performed under strong oxidation conditions. A method of peeling off the graphite oxide (Hammers method) can be mentioned. Further, as a method for producing graphene that does not require a strong oxidation treatment step, for example, graphite is sonicated, or a stirring blade or the like is inserted into the graphite dispersion and rotated at high speed to obtain graphite. A method of delamination has been proposed.
さらに、近年、工業的量産化に適した製造方法とする観点から、高圧乳化法を利用して、グラファイトを層間剥離する方法が提案されている（特許文献４）。 Further, in recent years, from the viewpoint of making the production method suitable for industrial mass production, a method of delaminating graphite by using a high-pressure emulsification method has been proposed (Patent Document 4).
高圧乳化法は、化粧品、食品、製薬等の幅広い分野で利用されている技術であり、原料を含む液体（原料溶液）に高圧をかけて、ノズルやオリフィス等の狭い隙間（細孔、隘路等ともいう）を通すことによって高速流（ジェット流）を発生させ、せん断力、衝撃力、摩砕力等により、乳化、分散、均質化、微細化等を行うものである。 The high-pressure emulsification method is a technology used in a wide range of fields such as cosmetics, foods, and pharmaceuticals. It applies high pressure to a liquid (raw material solution) containing raw materials to narrow gaps (pores, fistulas, etc.) such as nozzles and orifices. A high-speed flow (jet flow) is generated by passing through (also referred to as), and emulsification, dispersion, homogenization, miniaturization, etc. are performed by shearing force, impact force, grinding force, and the like.
高圧乳化法やそのための装置に関しては、これまでに様々な改良の提案がなされている。例えば、特許文献５では、原料溶液にせん断力を付加して所望の原料を乳化・分散させて乳化分散液を生成する際に、原料溶液に付加する圧力（背圧）の大きさを制御し、かつ生成された乳化分散液の背圧を複数の減圧部材により多段階で降圧させることによって、バブリングの発生を抑制する方法が開示されている。 Various improvements have been proposed so far regarding the high-pressure emulsification method and the device for that purpose. For example, in Patent Document 5, when a shearing force is applied to a raw material solution to emulsify and disperse a desired raw material to produce an emulsified dispersion, the magnitude of the pressure (back pressure) applied to the raw material solution is controlled. Further, a method of suppressing the occurrence of bubbling is disclosed by lowering the back pressure of the produced emulsion dispersion in multiple steps by a plurality of decompression members.
特許文献２や特許文献３に記載されるように、従来のグラファイト材の製造方法では、化学的処理、熱処理、またはこれらを組み合わせることによって原料のグラファイトやグラファイト酸化物の層間距離の拡張を試みるものであったため、製造工程が煩雑となることに加えて、グラファイトの層間を均一に拡張することが難しい。また、これらの処理の過程において、グラファイトの表面や層間に様々な官能基が化学修飾され、生成物の純度を確保することが困難であり、収率や製造効率の点で劣っていた。生成物の純度の観点からは、特許文献１に記載されるように添加成分を含むグラファイト材に関しても、グラファイトの純度が求められる用途では利用することが難しい。また、グラファイトに対する化学的処理においては多くの場合強酸を用いるため、工業的量産化の観点からは環境面の問題が懸念されている。 As described in Patent Documents 2 and 3, conventional methods for producing graphite materials attempt to extend the interlayer distance between raw materials graphite and graphite oxide by chemical treatment, heat treatment, or a combination thereof. Therefore, in addition to complicating the manufacturing process, it is difficult to uniformly expand the layers of graphite. Further, in the process of these treatments, various functional groups are chemically modified on the surface and between layers of graphite, and it is difficult to secure the purity of the product, which is inferior in terms of yield and production efficiency. From the viewpoint of the purity of the product, it is difficult to use a graphite material containing an additive component as described in Patent Document 1 in applications where the purity of graphite is required. In addition, since strong acids are often used in the chemical treatment of graphite, there are concerns about environmental problems from the viewpoint of industrial mass production.
また、特許文献２に記載されるように特定の物質をグラファイトの層間に導入して得られるグラファイト材は、複合材料として層間化合物を形成しているため、グラファイト材の用途としては範囲が限定される。 Further, as described in Patent Document 2, the graphite material obtained by introducing a specific substance between the layers of graphite forms an interlayer compound as a composite material, so that the range of use of the graphite material is limited. To.
また、グラファイトの粉砕物、薄片化させたグラファイトまたはグラフェンを用いた場合には、例えば、還元グラフェンから作製したグラファイト材では、エッジ面の反応性を抑制するために、アモルファスカーボンによってコーティングする必要がある。 When crushed graphite, flaked graphite or graphene is used, for example, a graphite material made from reduced graphene needs to be coated with amorphous carbon in order to suppress the reactivity of the edge surface. is there.
また、リチウムイオン二次電池用の電極材料としての利用を想定した場合、従来のグラファイト材では、リチウムイオンホストとして重要な特性である結晶化度が十分ではないという課題もあった。 Further, assuming the use as an electrode material for a lithium ion secondary battery, there is also a problem that the conventional graphite material does not have sufficient crystallinity, which is an important characteristic as a lithium ion host.
このように、これまでの様々な試みにも関わらず、依然として、グラファイトをはじめとする層状物質の機能性材料としての有用性を高める観点等から、さらなる改良が求められている。 As described above, despite various attempts so far, further improvement is still required from the viewpoint of enhancing the usefulness of layered substances such as graphite as a functional material.
本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、簡便かつ温和な条件下で、層状物質の層間距離を拡張し、高濃度かつ高純度で改質された層状物質を得ることのできる、工業的量産化に適した、層状物質の改質方法およびそのための装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and obtains a layered substance modified with high concentration and high purity by extending the interlayer distance of the layered substance under simple and mild conditions. It is an object of the present invention to provide a method for modifying a layered substance and an apparatus for that purpose, which are suitable for industrial mass production.
また、本発明は、層状物質としてグラファイトを用いることにより、改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料を提供することを目的としている。 Another object of the present invention is to provide modified graphite and an electrode material for a secondary battery using the modified graphite by using graphite as a layered substance.
上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、本発明者等は、従来知られている方法からは到底想定し得ない解決手段に想到した。 As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventors have come up with a solution that cannot be assumed from the conventionally known methods.
すなわち、本発明者らは、高圧乳化法をグラファイトの層間距離の拡張に利用することを想到し、高圧乳化法をグラファイトの剥離に適用する際に原料溶液中のグラファイト粒子の面方向に対してせん断力を作用させる観点を利用して、溶媒分子をグラファイトの層間に作用させることにより、グラファイトの層間距離を拡張し、グラファイトを改質することができることを見出した。 That is, the present inventors have conceived that the high-pressure emulsification method is used to extend the interlayer distance of graphite, and when the high-pressure emulsification method is applied to the exfoliation of graphite, the plane direction of the graphite particles in the raw material solution It has been found that by allowing a solvent molecule to act between layers of graphite from the viewpoint of applying a shearing force, the interlayer distance between graphites can be extended and graphite can be modified.
より具体的には、従来の高圧乳化装置は、圧力発生装置（ポンプ部）と、流路を著しく狭くした部分を有するパーツ（例えばノズルやオリフィスであり、以下「ノズル部」ともいう。）とを備えており、これらは高圧乳化法を行うために必須の構成要素である。ポンプ部からの圧力は、ノズル部でジェット流に変換され、ノズル部から噴射された液体は、吸収セルと呼ばれる部材を通過しながら乱流となり、衝撃力やせん断力が加えられる。このように、原料溶液にせん断力を付加することができる点に着目して、高圧乳化法をグラファイトの剥離に応用することを試みたものが、特許文献４に記載の方法である。 More specifically, the conventional high-pressure emulsification device includes a pressure generator (pump section) and a part having a portion in which the flow path is remarkably narrowed (for example, a nozzle or an orifice, hereinafter also referred to as a "nozzle section"). These are essential components for performing the high pressure emulsification method. The pressure from the pump section is converted into a jet flow at the nozzle section, and the liquid injected from the nozzle section becomes a turbulent flow while passing through a member called an absorption cell, and an impact force and a shearing force are applied. As described above, the method described in Patent Document 4 is an attempt to apply the high-pressure emulsification method to the exfoliation of graphite, focusing on the fact that a shearing force can be applied to the raw material solution.
しかしながら、このような従来の高圧乳化装置を用いてグラファイトの改質を試みた場合には、目的とする層間距離が拡張された改質グラファイトの収率が低いなど、一定の精度で安定的にグラファイトを改質することが困難であった。 However, when attempting to modify graphite using such a conventional high-pressure emulsification device, the yield of modified graphite with an expanded target interlayer distance is low, and the yield is stable with constant accuracy. It was difficult to modify graphite.
また、高圧乳化法では、上述したように、もともと、衝撃力や摩砕力等を複合的に組み合わせて原料溶液に作用させることによって原料をより小さい粒径に破砕しながら均質化することを想定して装置構成が設計されている。そのため、グラファイトのような層状物質に対して高圧乳化法を適用した場合には、面方向への衝撃力が加わることにより二次元構造が破壊されて、得られる生成物は、面方向の直径が原料のグラファイトの約半分ほど（例えば、数μｍ）の小さなフレーク状もしくはフラグメント状となり、その結果、上記生成物が本来発揮し得るほどの優れた特性が得られない場合があった。 Further, in the high-pressure emulsification method, as described above, it is originally assumed that the raw material is homogenized while being crushed to a smaller particle size by acting on the raw material solution in a complex combination of impact force and grinding force. The device configuration is designed. Therefore, when the high-pressure emulsification method is applied to a layered substance such as graphite, the two-dimensional structure is destroyed by the impact force in the plane direction, and the obtained product has a diameter in the plane direction. It may be in the form of small flakes or fragments, which are about half (for example, several μm) of the raw material graphite, and as a result, the excellent properties that the above product can originally exhibit may not be obtained.
これらの各種の実験の結果から、本発明者等は、従来の高圧乳化装置において必須の構成要素であった上記ノズル部への原料溶液の通液操作によってジェット流が発生する過程において、層状物質の面方向に過度の衝撃力が付加されていること、つまり、所望の原料を乳化・分散させて乳化分散液を生成するという高圧乳化法の最も根幹をなすジェット流の発生条件は、層状物質を改質するという観点からは必ずしも適切ではないことを見出した。 From the results of these various experiments, the present inventors have described a layered substance in the process of generating a jet flow by the operation of passing the raw material solution through the nozzle portion, which was an essential component in the conventional high-pressure emulsification device. The condition for generating the jet flow, which is the most basic of the high-pressure emulsification method, is that an excessive impact force is applied in the plane direction of the surface, that is, the desired raw material is emulsified and dispersed to generate an emulsified dispersion solution. It was found that it is not always appropriate from the viewpoint of modifying.
そこで、本発明者等は、従来の高圧乳化法の特徴を生かしつつ、層状物質の改質により適した方法に改良することによって、従来の方法と比較して高精度かつ高収率で、グラファイトを改質することができることを見出した。また、この技術思想は、グラファイト以外の層状物質についても適用することができ、当該層状物質を改質することができることを見出した。 Therefore, the present inventors have utilized the characteristics of the conventional high-pressure emulsification method and improved the method to be more suitable for modifying the layered substance, thereby achieving higher accuracy and higher yield than the conventional method. It was found that it can be modified. It has also been found that this technical idea can be applied to layered substances other than graphite, and the layered substances can be modified.
これらの新規な知見に基づき、本発明者等は、さらに研究を重ね、本発明を完成させるに至ったものである。 Based on these novel findings, the present inventors have conducted further research and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
（１）層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、原料導入部から供給する工程、前記原料導入部から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュールに通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する工程、前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収部で回収する工程、および得られた懸濁液を精製部で精製する工程を含み、前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールとして、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないものを用いることを特徴とする層状物質の改質方法。
（２）前記懸濁液を５ＭＰａ以上の圧力で高圧処理することを特徴とする（１）に記載の層状物質の改質方法。
（３）前記層間距離拡張モジュールが、２つ以上の通液部材を直列的に連結した構造を有し、前記懸濁液の流れに関して上流側の通液部材の通液路の内径よりも下流側の通液部材の通液路の内径が大きいことを特徴とする（１）または（２）に記載の層状物質の改質方法。
（４）前記層間距離拡張モジュールが冷却手段を備えることを特徴とする（１）から（３）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（５）前記回収部で回収した前記懸濁液を前記原料導入部に再び供給して、前記層間距離拡張モジュールを通過させる工程をさらに含むことを特徴とする（１）から（４）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（６）前記層状物質がグラファイトであることを特徴とする（１）から（５）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（７）前記精製部が遠心分離機であることを特徴とする（１）から（６）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（８）前記懸濁液を、前記遠心分離機を用いて異なる回転数で２回精製することを特徴とする（７）に記載の層状物質の改質方法。
（９）前記精製工程において、第一の遠心分離操作時に沈殿物を回収し、第二の遠心分離操作時に上澄みを回収することを特徴とする（８）に記載の層状物質の改質方法。
（１０）前記精製工程において、第一の遠心分離操作では回転数５０００〜１２０００ｒｐｍで行うことを特徴とする（８）または（９）に記載の層状物質の改質方法。
（１１）前記精製工程において、第二の遠心分離操作では回転数３００〜３０００ｒｐｍで行うことを特徴とする（８）から（１０）のうちのいずれかに記載の層状物質の改質方法。
（１２）層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して供給する原料導入部、前記原料導入部から供給された前記懸濁液を通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する層間距離拡張モジュール、前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収する回収部、および得られた懸濁液を精製する精製部を備え、前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールは、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないことを特徴とする層状物質の改質装置。
（１３）ラマン分光法に基づくＤピークとＧピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ）が原料グラファイトの２倍以上であり、Ｘ線回折法に基づくＸＲＤチャートにおいて、Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークが、原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークに対して低角度側にシフトし、前記Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅が、前記原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークよりも増加してなることを特徴とする改質されたグラファイト。
（１４）窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積が原料グラファイトの４倍以上であることを特徴とする（１３）に記載の改質されたグラファイト。
（１５）（１３）または（１４）に記載の改質されたグラファイトを用いることを特徴とする二次電池用電極材料。That is, the present invention includes the following aspects.
(1) A step in which a suspension in which a layered substance is suspended in a dispersion medium is subjected to high-pressure treatment and supplied from a raw material introduction unit, and the suspension supplied from the raw material introduction unit is passed through an interlayer distance expansion module. The step of expanding the interlayer distance of the layered substance, the step of recovering the suspension after passing through the interlayer distance expansion module in the recovery unit, and the step of purifying the obtained suspension in the purification unit. A modification of a layered material, which comprises, as the raw material introduction part and the interlayer distance expansion module, one having an inner diameter of 0.15 mm or more in a liquid passage through which the suspension flows and which does not generate a jet flow is used. Quality method.
(2) The method for modifying a layered substance according to (1), wherein the suspension is treated at a high pressure of 5 MPa or more.
(3) The interlayer distance expansion module has a structure in which two or more liquid passing members are connected in series, and is downstream of the inner diameter of the liquid passing path of the liquid passing member on the upstream side with respect to the flow of the suspension. The method for modifying a layered substance according to (1) or (2), wherein the inner diameter of the liquid passage of the liquid passing member on the side is large.
(4) The method for modifying a layered substance according to any one of (1) to (3), wherein the interlayer distance expansion module is provided with cooling means.
(5) Of (1) to (4), the step of supplying the suspension recovered by the recovery unit to the raw material introduction unit again and passing the suspension through the interlayer distance expansion module is further included. The method for modifying a layered substance according to any one of.
(6) The method for modifying a layered substance according to any one of (1) to (5), wherein the layered substance is graphite.
(7) The method for modifying a layered substance according to any one of (1) to (6), wherein the purification unit is a centrifuge.
(8) The method for modifying a layered substance according to (7), wherein the suspension is purified twice at different rotation speeds using the centrifuge.
(9) The method for modifying a layered substance according to (8), wherein in the purification step, the precipitate is recovered during the first centrifugation operation and the supernatant is recovered during the second centrifugation operation.
(10) The method for modifying a layered substance according to (8) or (9), wherein in the purification step, the first centrifugation operation is performed at a rotation speed of 5000 to 12000 rpm.
(11) The method for modifying a layered substance according to any one of (8) to (10), wherein in the purification step, the second centrifugation operation is performed at a rotation speed of 300 to 3000 rpm.
(12) A raw material introduction section for supplying a suspension in which a layered substance is suspended in a dispersion medium by high-pressure treatment, and an interlayer distance between the layered substances by passing the suspension supplied from the raw material introduction section. The interlayer distance expansion module, a recovery unit for recovering the suspension after passing through the interlayer distance expansion module, and a purification unit for purifying the obtained suspension are provided, and the raw material introduction unit and the interlayer are provided. The distance expansion module is a layered substance reforming device characterized in that the inner diameter of the liquid passage through which the suspension flows is 0.15 mm or more and does not generate a jet flow.
(13) The intensity ratio ( ID / IG ) of the D peak to the G peak based on Raman spectroscopy is more than twice that of the raw material graphite, and in the XRD chart based on the X-ray diffraction method, the C-axis (002) plane. The diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane is shifted to a lower angle side with respect to the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the raw material graphite, and the half-value full width of the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane is the raw material. Modified graphite characterized by being more than the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of graphite.
(14) The modified graphite according to (13), wherein the BET specific surface area based on the nitrogen adsorption method is four times or more that of the raw material graphite.
(15) An electrode material for a secondary battery, which comprises using the modified graphite according to (13) or (14).
本発明によれば、簡便かつ温和な条件下で、層状物質の層間距離を拡張し、高濃度かつ高純度で改質された層状物質を得ることのできる、工業的量産化に適した、層状物質の改質方法およびそのための装置が提供される。 According to the present invention, under simple and mild conditions, the interlayer distance of the layered substance can be extended to obtain a layered substance modified with high concentration and high purity, which is suitable for industrial mass production. A method for modifying a substance and an apparatus for that purpose are provided.
また、本発明によれば、層状物質としてグラファイトを用いることにより、改質されたグラファイトおよびそれを用いた二次電池用電極材料が提供される。 Further, according to the present invention, by using graphite as a layered substance, modified graphite and an electrode material for a secondary battery using the modified graphite are provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ここでは、本発明の実施形態の代表例として、改質を施す層状物質（以下、「原料」ともいう。）としてグラファイトを想定した場合を例にして説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, as a typical example of the embodiment of the present invention, a case where graphite is assumed as a layered substance (hereinafter, also referred to as “raw material”) to be modified will be described as an example.
本発明において、層状物質に関して用いる「改質」とは、当該層状物質のもつ物理的特性、電気的特性、化学的特性、機械的特性等の特性の変化を伴う、当該層状物質の層間、表面等の性質の変化をいう。改質の対象とする層状物質の特性は、層状物質の種類や用途等に応じて適宜選択される。例えば、グラファイトを二次電池用電極材料として用いる場合には、原料のグラファイトのもつ電気化学的特性が変化したものを、改質グラファイトと呼ぶ。 In the present invention, the term "modification" used for a layered substance means that the layers and surfaces of the layered substance are accompanied by changes in properties such as physical properties, electrical properties, chemical properties, and mechanical properties of the layered substance. It refers to a change in properties such as. The characteristics of the layered substance to be modified are appropriately selected according to the type and use of the layered substance. For example, when graphite is used as an electrode material for a secondary battery, the one in which the electrochemical characteristics of the raw material graphite is changed is called modified graphite.
本実施形態では、原料の面方向の平均直径は特に制限されないが、改質効果をより高い精度で得る観点からは、原料の面方向の平均直径を２００μｍ以下とすることが好ましく考慮され、また、原料の面方向の平均直径を１００μｍ以下とすることがより好ましく考慮される。 In the present embodiment, the average diameter of the raw material in the plane direction is not particularly limited, but from the viewpoint of obtaining the modification effect with higher accuracy, it is preferably considered that the average diameter of the raw material in the plane direction is 200 μm or less. It is more preferably considered that the average diameter of the raw material in the plane direction is 100 μm or less.
原料の懸濁液の調製に用いる分散媒は、原料の層状物質に応じて適宜選択することができ、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等のアミド類、およびこれらの混合溶媒が挙げられる。なお、分散媒は、本発明の目的、効果を阻害しない範囲において、原料と分散媒との親和性等を考慮して、原料をより均一に分散させることを目的に、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシル硫酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、デオキシコール酸ナトリウム等が分散剤として添加されていてもよく、また、所要の目的に応じてその他の添加剤が添加されていてもよい。 The dispersion medium used for preparing the suspension of the raw material can be appropriately selected depending on the layered substance of the raw material. For example, water, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, dimethylformamide, N-methyl-2- Amides such as pyrrolidone (NMP) and mixed solvents thereof can be mentioned. The dispersion medium is, for example, dodecylbenzenesulfonic acid, for the purpose of more uniformly dispersing the raw materials in consideration of the affinity between the raw materials and the dispersion medium, etc., as long as the object of the present invention and the effect are not impaired. Sodium, sodium dodecyl sulfate, sodium cholic acid, sodium deoxycholate and the like may be added as a dispersant, and other additives may be added depending on the required purpose.
原料懸濁液における原料の濃度は特に制限されないが、例えば、２〜１００ｍｇ／ｍＬであり、好ましくは５〜５０ｍｇ／ｍＬであり、より好ましくは１０〜３０ｍｇ／ｍＬである。原料濃度が上記の範囲内であると、改質効果をより高い精度で得ることができる。 The concentration of the raw material in the raw material suspension is not particularly limited, but is, for example, 2 to 100 mg / mL, preferably 5 to 50 mg / mL, and more preferably 10 to 30 mg / mL. When the raw material concentration is within the above range, the reforming effect can be obtained with higher accuracy.
なお、ノズル部を備える従来の高圧乳化装置では、高粘度の溶液を適用することは困難であったが、本実施形態に係る改質装置では、後述するようにノズル部を有さない構成であるため、原料懸濁液の粘性が高い場合であっても、原料の層状物質を改質して、目的の生成物を得ることができる。 In addition, it was difficult to apply a high-viscosity solution with a conventional high-pressure emulsifying device provided with a nozzle portion, but the reforming apparatus according to the present embodiment has a configuration without a nozzle portion as described later. Therefore, even when the raw material suspension has a high viscosity, the layered material of the raw material can be modified to obtain the desired product.
図１は、本発明の一実施形態に係る層状物質の改質装置を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a layered substance reformer according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る改質装置１は、図１に示すように、その主要な構成として、原料導入部２、層間距離拡張モジュール３、回収部４、および精製部５を備えている。 As shown in FIG. 1, the reformer 1 according to the present embodiment includes a raw material introduction unit 2, an interlayer distance expansion module 3, a recovery unit 4, and a purification unit 5 as its main configuration.
このような改質装置１を用いて行う、本実施形態に係る層状物質の改質方法は、層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、原料導入部２から供給する工程、原料導入部２から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュール３に通過させて、前記層状物質の層間距離を拡張する工程、層間距離拡張モジュール３を通過した後の前記懸濁液を回収部４で回収する工程、および得られた懸濁液を精製部５で精製する工程を含む。 In the method for modifying a layered substance according to the present embodiment, which is carried out using such a reforming apparatus 1, a suspension in which the layered substance is suspended in a dispersion medium is subjected to high-pressure treatment and supplied from the raw material introduction unit 2. Step, the step of passing the suspension supplied from the raw material introduction unit 2 through the interlayer distance expansion module 3 to expand the interlayer distance of the layered material, and the suspension after passing through the interlayer distance expansion module 3. The process includes a step of recovering the liquid in the recovery unit 4 and a step of purifying the obtained suspension in the purification unit 5.
原料導入部２では、原料の層状物質を分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して、層間距離拡張モジュール３に供給する。より具体的には、原料導入部２では、図１に示すように、溶液タンク２１に貯えられた原料懸濁液を、高圧ポンプ２２により高圧処理して、層間距離拡張モジュール３に供給する。 In the raw material introduction unit 2, the suspension in which the layered substance of the raw material is suspended in the dispersion medium is subjected to high-pressure treatment and supplied to the interlayer distance expansion module 3. More specifically, as shown in FIG. 1, in the raw material introduction unit 2, the raw material suspension stored in the solution tank 21 is subjected to high pressure treatment by the high pressure pump 22 and supplied to the interlayer distance expansion module 3.
高圧ポンプ２２によって原料懸濁液に付加する圧力は、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて適宜設定することができる。原料がグラファイトである場合には、圧力は、例えば、５〜１５０ＭＰａであり、好ましくは１０〜１２５ＭＰａであり、より好ましくは２０〜１００ＭＰａである。なお、後述するように原料懸濁液を層間距離拡張モジュール３に複数回通過させる場合には、その都度、上記の範囲内で圧力を調節するようにしてもよい。 The pressure applied to the raw material suspension by the high-pressure pump 22 can be appropriately set according to the average diameter of the raw material in the plane direction, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like. When the raw material is graphite, the pressure is, for example, 5 to 150 MPa, preferably 10 to 125 MPa, and more preferably 20 to 100 MPa. As will be described later, when the raw material suspension is passed through the interlayer distance expansion module 3 a plurality of times, the pressure may be adjusted within the above range each time.
上記の高圧処理工程では、高圧ポンプ２２による原料懸濁液への圧力の付加によって、分散媒の分子が原料の層状物質の層間に浸入する作用が強まる。このとき、分散媒分子が浸入する力が層状物質の層間に作用している力（例えば、ファンデルワールス力）を上回ると、分散媒分子が層状物質の層間に次々と入り込んでいく（インターカレートする）ことができるようになる。このようにして、高圧処理工程では、原料の層状物質の層間に多数のギャップが形成されて、層状物質の層間に働いている相互作用が弱められることにより、後述する層間距離拡張工程において、層間距離の拡張が効率的かつ効果的に進行する。 In the above high-pressure treatment step, the application of pressure to the raw material suspension by the high-pressure pump 22 enhances the action of the molecules of the dispersion medium infiltrating between the layers of the layered material of the raw material. At this time, if the force of the dispersion medium molecules invading exceeds the force acting between the layers of the layered substance (for example, the Van der Waals force), the dispersion medium molecules enter the layers of the layered substance one after another (intercalation). You will be able to do it. In this way, in the high-pressure treatment step, a large number of gaps are formed between the layers of the layered material of the raw material, and the interaction acting between the layers of the layered material is weakened. Distance expansion proceeds efficiently and effectively.
層間距離拡張モジュール３では、原料導入部２から供給された原料懸濁液を通過させて、原料の層状物質の層間距離を拡張する。 In the interlayer distance expansion module 3, the raw material suspension supplied from the raw material introduction unit 2 is passed to extend the interlayer distance of the layered material of the raw material.
より具体的には、層間距離拡張モジュール３は、２つ以上の通液部材を直列的に連結した構造を有し、図１では、層間距離拡張モジュール３が３つの通液部材３１、３２、３３を直列的に連結した構造を有する形態を例示している。 More specifically, the interlayer distance expansion module 3 has a structure in which two or more liquid passing members are connected in series, and in FIG. 1, the interlayer distance expansion module 3 has three liquid passing members 31, 32. An example has a structure in which 33 are connected in series.
通液部材３１、３２、３３としては、例えば、従来の高圧乳化装置において吸収セルとして使用されるストレートチューブ、スパイラルチューブ等を適用することができる。 As the liquid passing members 31, 32, 33, for example, a straight tube, a spiral tube or the like used as an absorption cell in a conventional high-pressure emulsification device can be applied.
また、図１に示す層間距離拡張モジュール３では、層間距離拡張モジュール３を通過する原料懸濁液の流れに関して上流側の通液部材の通液路の内径よりも下流側の通液部材の通液路の内径が大きく構成されている。すなわち、通液部材３１、３２、３３の通液路の内径を、それぞれＤ３１、Ｄ３２、Ｄ３３とすると、Ｄ３１＜Ｄ３２＜Ｄ３３の関係が成り立つ。 Further, in the interlayer distance expansion module 3 shown in FIG. 1, the passage of the liquid passage member on the downstream side of the inner diameter of the liquid passage of the liquid passage member on the upstream side with respect to the flow of the raw material suspension passing through the interlayer distance expansion module 3. The inner diameter of the liquid passage is large. That is, assuming that the inner diameters of the liquid passing passages of the liquid passing members 31, 32, and 33 are D31, D32, and D33, respectively, the relationship of D31 <D32 <D33 is established.
通液部材３１、３２、３３の長さは、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて適宜設定することができる。原料がグラファイトである場合には、例えば、５〜１００ｃｍの範囲内を一応の目安とすることができる。なお、通液部材３１、３２、３３の長さは、後述する通液時間や通液回数に応じて適宜調節することが好ましく考慮される。 The lengths of the liquid-passing members 31, 32, and 33 can be appropriately set according to the average diameter of the raw materials in the plane direction, the concentration of the raw materials in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like. When the raw material is graphite, for example, the range of 5 to 100 cm can be used as a guide. It is preferably considered that the lengths of the liquid passing members 31, 32, and 33 are appropriately adjusted according to the liquid passing time and the number of times of liquid passing, which will be described later.
以下の表１に、層間距離拡張モジュール３の構成の一例を示す。 Table 1 below shows an example of the configuration of the interlayer distance expansion module 3.
本実施形態において、原料導入部２および層間距離拡張モジュール３は、原料懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、好ましくは０．１５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内である。また、原料導入部２および層間距離拡張モジュール３は、内径が０．１５ｍｍ未満である通液路を有さない。すなわち、本実施形態に係る改質装置１においては、従来の高圧乳化装置において必須の構成要素であったノズル部を有さない構成とすることによって、ジェット流の発生が防止され、原料の層状物質の面方向に対して意図しない衝撃力が加わることを抑制している。 In the present embodiment, the raw material introduction unit 2 and the interlayer distance expansion module 3 have an inner diameter of 0.15 mm or more, preferably in the range of 0.15 mm to 1 mm, in the liquid passage through which the raw material suspension flows. Further, the raw material introduction unit 2 and the interlayer distance expansion module 3 do not have a liquid passage having an inner diameter of less than 0.15 mm. That is, in the reformer 1 according to the present embodiment, the generation of the jet flow is prevented and the raw material is layered by adopting a configuration that does not have the nozzle portion, which is an essential component in the conventional high-pressure emulsification device. It suppresses the application of unintended impact force to the surface direction of the substance.
上記の層間距離拡張工程では、層間距離拡張モジュール３の通液路を原料懸濁液が通過する際に、流体力学に従ってせん断力が付加される。このせん断力は、上述した高圧処理工程において層状物質の層間に形成されたギャップに作用して、層状物質の層間に働いている相互作用がさらに弱められ、層状物質の層間が拡張される。 In the above-mentioned interlayer distance expansion step, when the raw material suspension passes through the liquid passage of the interlayer distance expansion module 3, a shear force is applied according to fluid dynamics. This shearing force acts on the gap formed between the layers of the layered material in the high-pressure treatment step described above, further weakens the interaction acting between the layers of the layered material, and expands the layers of the layered material.
そして、原料懸濁液が下流側の通液部材に移動するにつれて、原料懸濁液にかかる圧力が徐々に低下し、層間に入り込んでいた分散媒分子がデインターカレーションして、メソポア（隙間）が形成される。 Then, as the raw material suspension moves to the liquid passing member on the downstream side, the pressure applied to the raw material suspension gradually decreases, and the dispersion medium molecules that have entered the layers deintercalate, resulting in mesopores (gap). ) Is formed.
このように、本実施形態に係る層状物質の改質方法では、原料懸濁液の高圧処理工程と、その後の層間距離拡張工程を連続的に行うことによって、層状物質の層間距離が効率的かつ効果的に拡張され、また、層状物質の内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成され、層状物質が改質される。 As described above, in the method for modifying a layered substance according to the present embodiment, the interlayer distance of the layered substance is efficient and is achieved by continuously performing the high-pressure treatment step of the raw material suspension and the subsequent interlayer distance expansion step. It is effectively expanded and a large number of mesopores (gap) are formed inside and on the surface of the layered material to modify the layered material.
層間距離拡張モジュール３を通過する際の原料懸濁液の流速は、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて適宜設定することができる。なお、層間距離拡張モジュール３を通過する際の原料懸濁液の速度は、後述する通液時間や通液回数に応じて適宜調節することが好ましく考慮される。 The flow velocity of the raw material suspension when passing through the interlayer distance expansion module 3 can be appropriately set according to the average diameter of the raw material in the plane direction, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the intended use of the product, and the like. it can. It is preferably considered that the speed of the raw material suspension when passing through the interlayer distance expansion module 3 is appropriately adjusted according to the liquid passing time and the number of liquid passing times described later.
また、層間距離拡張モジュール３では原料懸濁液に大きなせん断力がかかるため、通液中に懸濁液の温度が上昇することがある。そのため、原料の過度な加熱による変質や剥離の抑制、回収部４での懸濁液の沸騰等を防ぐことを目的に、層間距離拡張モジュール３を冷却手段３４により冷却することができる。 Further, in the interlayer distance expansion module 3, a large shearing force is applied to the raw material suspension, so that the temperature of the suspension may rise during liquid passage. Therefore, the interlayer distance expansion module 3 can be cooled by the cooling means 34 for the purpose of suppressing deterioration and peeling due to excessive heating of the raw material and preventing boiling of the suspension in the recovery unit 4.
回収部４では、層間距離拡張モジュール３を通過した後の原料懸濁液を回収する。 The recovery unit 4 recovers the raw material suspension after passing through the interlayer distance expansion module 3.
本実施形態では、回収部４で回収した原料懸濁液を原料導入部２に再び供給して、層間距離拡張モジュール３を通過させることもできる。このように、層間距離拡張モジュール３を複数回通過させることによって、層状物質の改質精度がより向上し、目的の生成物をより高濃度かつ高純度で得ることができる。また、上述したように、本実施形態に係る改質装置１はノズル部を有さない構成であるため、原料懸濁液を層間距離拡張モジュール３に複数回通過させた場合であっても、ジェット流が発生せず、原料の層状物質の面方向に対して意図しない衝撃力が加わることを抑制しつつ、層状物質を改質することができる。 In the present embodiment, the raw material suspension recovered by the recovery unit 4 can be supplied again to the raw material introduction unit 2 and passed through the interlayer distance expansion module 3. By passing the interlayer distance expansion module 3 a plurality of times in this way, the modification accuracy of the layered substance is further improved, and the target product can be obtained at a higher concentration and higher purity. Further, as described above, since the reformer 1 according to the present embodiment does not have a nozzle portion, even when the raw material suspension is passed through the interlayer distance expansion module 3 a plurality of times, The layered material can be modified without generating a jet flow and suppressing the application of an unintended impact force to the surface direction of the layered material of the raw material.
原料懸濁液を層間距離拡張モジュール３に通過させる時間、すなわち、層間距離拡張工程を行う時間（通液時間）は、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液の濃度、目的物の用途等に応じて適宜設定することができる。原料がグラファイトである場合には、例えば、１５秒〜１８０分間であり、好ましくは３０秒〜１５０分間であり、より好ましくは１〜１２０分間である。なお、通液時間に伴って、層間距離拡張工程を行う回数（通液回数）が適宜調節されることが理解される。 The time for passing the raw material suspension through the interlayer distance expansion module 3, that is, the time for performing the interlayer distance expansion step (liquid passing time) is the average diameter of the raw material in the plane direction, the concentration of the raw material suspension, and the application of the target product. It can be set as appropriate according to the above. When the raw material is graphite, for example, it is 15 seconds to 180 minutes, preferably 30 seconds to 150 minutes, and more preferably 1 to 120 minutes. It is understood that the number of times the interlayer distance expansion step is performed (the number of times the liquid is passed) is appropriately adjusted with the liquid passing time.
精製部５では、回収部４で回収して得られた懸濁液を精製する。精製部５としては、例えば、ろ過機、遠心分離機等が挙げられる。原料がグラファイトである場合には、精製部５は、遠心分離機であることが好ましい。 The purification unit 5 purifies the suspension obtained by collecting in the recovery unit 4. Examples of the purification unit 5 include a filter, a centrifuge, and the like. When the raw material is graphite, the purification unit 5 is preferably a centrifuge.
精製工程では、原料の種類、原料の面方向の平均直径、原料懸濁液における原料の濃度、目的の生成物の用途等に応じて、精製回数、精製時間等の条件が適宜設定される。例えば、遠心分離機を用いた精製では、異なる回転数で２回以上精製することが好ましい。 In the purification step, conditions such as the number of purifications and the purification time are appropriately set according to the type of the raw material, the average diameter of the raw material in the plane direction, the concentration of the raw material in the raw material suspension, the use of the target product, and the like. For example, in purification using a centrifuge, it is preferable to purify twice or more at different rotation speeds.
より具体的には、原料がグラファイトである場合には、回収した原料懸濁液を、遠心分離機を用いて異なる回転数で２回精製することが好ましい。このとき、第一の遠心分離操作時に沈殿物を回収し、原料懸濁液に存在する剥離生成物を除去し、必要に応じて分散媒を添加し、第二の遠心分離操作時に上澄みを回収して、高濃度かつ高純度で目的物を得る。また、第一の遠心分離操作では回転数５０００〜１２０００ｒｐｍで行い、第二の遠心分離操作では回転数３００〜３０００ｒｐｍで行うことが好ましい。なお、精製時間は、グラファイトの面方向の平均直径、原料懸濁液におけるグラファイトの濃度等に応じて適宜設定することができる。 More specifically, when the raw material is graphite, it is preferable to purify the recovered raw material suspension twice at different rotation speeds using a centrifuge. At this time, the precipitate is collected during the first centrifugation operation, the exfoliation product present in the raw material suspension is removed, a dispersion medium is added as necessary, and the supernatant is collected during the second centrifugation operation. Then, the target product is obtained with high concentration and high purity. Further, it is preferable that the first centrifugation operation is performed at a rotation speed of 5000 to 12000 rpm and the second centrifugation operation is performed at a rotation speed of 300 to 3000 rpm. The purification time can be appropriately set according to the average diameter of graphite in the plane direction, the concentration of graphite in the raw material suspension, and the like.
また、精製部５における精製工程に先立って、前処理として、回収部４で回収して得られた懸濁液をろ過または遠心分離等によって予備精製してもよい。 Further, prior to the purification step in the purification unit 5, as a pretreatment, the suspension obtained by collecting in the collection unit 4 may be pre-purified by filtration, centrifugation or the like.
このように、本実施形態に係る層状物質の改質方法および改質装置１を用いることにより、層状物質を優れた精度で改質することができ、例えば、原料としてグラファイトを用いた場合には、層間距離が拡張された改質グラファイトを高濃度かつ高純度で得ることができる。 As described above, by using the layered substance reforming method and the reforming apparatus 1 according to the present embodiment, the layered substance can be reformed with excellent accuracy. For example, when graphite is used as a raw material, Modified graphite with an extended interlayer distance can be obtained with high concentration and high purity.
また、本実施形態に係る層状物質の改質方法および改質装置１によれば、バッチ処理および連続処理のいずれにおいても、より大スケールでの実施が可能となることが期待される。 Further, according to the layered substance reforming method and the reforming apparatus 1 according to the present embodiment, it is expected that both batch processing and continuous processing can be carried out on a larger scale.
なお、本実施形態に係る層状物質の改質方法および改質装置１は、グラファイトを原料とする場合に限定されるものではなく、他の層状物質に対しても適用することができる。他の層状物質としては、例えば、硫化モリブデン(IV)（ＭｏＳ２）、窒化ホウ素（ＢＮ）等が挙げられる。ここで、上記で説明した各種の条件は、原料の層状物質の種類、特性等に応じて、適宜設計することができることが理解される。The method for reforming a layered substance and the reforming apparatus 1 according to the present embodiment are not limited to the case where graphite is used as a raw material, and can be applied to other layered substances. Examples of other layered substances include molybdenum sulfide (IV) (MoS 2 ), boron nitride (BN) and the like. Here, it is understood that the various conditions described above can be appropriately designed according to the type, characteristics, and the like of the layered substance of the raw material.
本実施形態に係る改質されたグラファイトは、上述したように、原料としてグラファイトを用いて、上記の層状物質の改質方法および改質装置１により得ることができる。 As described above, the modified graphite according to the present embodiment can be obtained by the above-mentioned reforming method for layered substances and the reforming apparatus 1 using graphite as a raw material.
本実施形態に係る改質されたグラファイトは、当該グラファイトを構成するグラフェン積層体のグラフェン間の層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されており、かつ面方向の二次元構造の破壊が抑制されているので、グラファイトが本来有している特性に加えて、各種イオンのインターカレーション反応をより効率的に生じさせることができ、従来の電極材料を上回る高容量の二次電池用電極材料として利用することができる。 In the modified graphite according to the present embodiment, the intercalation distance between the graphenes of the graphene laminate constituting the graphite is expanded, and a large number of mesopores (gap) are formed inside or on the surface of the graphite, and the surface thereof is formed. Since the destruction of the two-dimensional structure in the direction is suppressed, in addition to the inherent characteristics of graphite, the intercalation reaction of various ions can be generated more efficiently, which is superior to conventional electrode materials. It can be used as an electrode material for high-capacity secondary batteries.
本実施形態に係る改質されたグラファイトは、ラマン分光法に基づくＤピークとＧピークとの比（ＩＤ／ＩＧ）が原料グラファイトの２倍以上である。グラファイトに関して、ラマンスペクトルの１，３５０ｃｍ−１付近に現れるバンド（Ｄピーク）は、グラファイト構造の乱れや欠陥に起因しており、このＤピークとグラファイトに共通して現れるＧピークとの強度比から、グラファイトの結晶性を評価できることが知られている。すなわち、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されていることによって、原料のグラファイトよりも結晶性が低下している。The modified graphite according to the present embodiment has a ratio ( ID / IG ) of D peak to G peak based on Raman spectroscopy, which is more than twice that of the raw material graphite. Regarding graphite, the band (D peak) that appears near 1,350 cm -1 in the Raman spectrum is due to the disorder or defect of the graphite structure, and from the intensity ratio of this D peak to the G peak that commonly appears in graphite. , It is known that the crystallinity of graphite can be evaluated. That is, the modified graphite according to the present embodiment has a lower crystallinity than the raw material graphite because the interlayer distance is expanded and a large number of mesopores (gap) are formed inside or on the surface of the graphite. ing.
また、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、Ｘ線回折法に基づくＸＲＤチャートにおいて、Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークが、原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークに対して低角度側にシフトし、前記Ｃ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）が、前記原料グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークの半値全幅よりも増加してなる。上述したように、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、物質全体としての結晶性が低下しているため、ＸＲＤチャートにおいて、（００２）ピークが低角度側にシフトし、半値全幅が増加する。このように、本実施形態に係る改質されたグラファイトでは、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められ、層間距離が拡張することによって、積層構造の規則性が損なわれ歪みが生じるなどの構造的な変化が起こり、結晶性が低下する。また、ＸＲＤチャートを用いて結晶性を有する部分の層間距離を評価することにより、本実施形態に係る改質されたグラファイトにおける層間距離の下限値を推定することができる。すなわち、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、結晶性を有する部分においても、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められているため、原料のグラファイトと比較して層間距離が有意に増大している。 Further, in the modified graphite according to the present embodiment, in the XRD chart based on the X-ray diffraction method, the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane corresponds to the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the raw material graphite. Shifting to the lower angle side with respect to the peak, the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane is larger than the full width at half maximum of the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the raw material graphite. Will also increase. As described above, in the modified graphite according to the present embodiment, the crystallinity of the substance as a whole is lowered, so that the (002) peak shifts to the low angle side and the full width at half maximum increases in the XRD chart. To do. As described above, in the modified graphite according to the present embodiment, the interaction acting between the layers of the raw material graphite is weakened, and the inter-layer distance is expanded, so that the regularity of the laminated structure is impaired and distortion occurs. Structural changes such as occur, and the crystallinity decreases. Further, by evaluating the interlayer distance of the crystalline portion using the XRD chart, the lower limit value of the interlayer distance in the modified graphite according to the present embodiment can be estimated. That is, in the modified graphite according to the present embodiment, the interaction acting between the layers of the raw material graphite is weakened even in the crystalline portion, so that the interlayer distance is longer than that of the raw material graphite. It has increased significantly.
また、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積が原料グラファイトの４倍以上である。すなわち、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されていることによって、原料のグラファイトよりも気体分子が吸着される部分（吸着サイト）が増大している。 Further, the modified graphite according to the present embodiment has a BET specific surface area based on the nitrogen adsorption method, which is four times or more that of the raw material graphite. That is, in the modified graphite according to the present embodiment, the interlayer distance is expanded and a large number of mesopores (gap) are formed inside or on the surface of the graphite, so that gas molecules are adsorbed more than the raw material graphite. The part (adsorption site) is increasing.
また、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、原料のグラファイトが有する電気伝導性を維持している。 Further, the modified graphite according to the present embodiment maintains the electrical conductivity of the raw material graphite.
本実施形態に係る二次電池用電極材料は、上記の改質されたグラファイトを用いるものである。例えば、本実施形態に係る改質されたグラファイトは、一般に公知の方法に従って、リチウムイオン二次電池用の負極材とすることができる。 The electrode material for a secondary battery according to this embodiment uses the above-mentioned modified graphite. For example, the modified graphite according to the present embodiment can be used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery according to a generally known method.
本実施形態に係る改質されたグラファイトを用いた負極材を備えたリチウムイオン二次電池においては、負極材の改質グラファイトの層間距離が拡張しており、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）を有していることによって、リチウムイオンのインターカレーション反応がより効果的かつ効率的に起こるため、高容量とすることができる。 In the lithium ion secondary battery provided with the negative electrode material using the modified graphite according to the present embodiment, the interlayer distance of the modified graphite of the negative electrode material is extended, and a large number of mesopores are formed inside or on the surface of the graphite. By having (gap), the intercalation reaction of lithium ions occurs more effectively and efficiently, so that the capacity can be increased.
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、上記の構成要件の説明は、本発明の実施形態の一例（代表例）であり、具体的な形態はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更等があっても本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the above description of the constituent requirements is an example (representative example) of the embodiments of the present invention, and the specific embodiments are not limited to these embodiments. It is included in the present invention even if there is a design change or the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention.
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
本実施例では、図１に例示した改質装置１の層間距離拡張モジュール３を表１に示すパターン２のとおりに構成して、グラファイトの改質試験を行った。なお、通液部材３１、３２、３３として用いたストレートチューブおよびスパイラルチューブは、長さ３０ｃｍのものを用いた。 In this example, the interlayer distance expansion module 3 of the reformer 1 illustrated in FIG. 1 was configured as shown in pattern 2 shown in Table 1, and a graphite reforming test was performed. The straight tube and spiral tube used as the liquid passing members 31, 32 and 33 had a length of 30 cm.
本実施例では、ＳＥＭ観察用のサンプルは、Ｓｉウエハ上にグラファイトの分散液を数ｍＬ滴下して調製した。ＳＥＭ観察は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、ＪＳＭ−６５００、ＪＥＯＬ社）を用いて行った。 In this example, the sample for SEM observation was prepared by dropping several mL of a graphite dispersion onto a Si wafer. SEM observation was performed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, JSM-6500, JEOL Ltd.).
＜改質グラファイトの作製＞
原料懸濁液として、グラファイト（新越化成製、鱗片状黒鉛ＢＦ−５Ａ、面方向の平均直径５μｍ）を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ；Ｗａｋｏ製）を用いて１０ｍｇ／ｍＬの濃度に調製した。この原料懸濁液を、表１に示すパターン２の層間距離拡張モジュールを備える改質装置を用いて、圧力２５ＭＰａまたは１００ＭＰａで原料供給部から供給して、層間距離拡張モジュールを連続的に１２０分間通液させた。なお、通液時の原料懸濁液の流速は、約１４０ｍｌ／ｍｉｎであった。<Preparation of modified graphite>
As a raw material suspension, graphite (Shin-Etsu Kasei, scaly graphite BF-5A, average diameter in the plane direction 5 μm) was used at a concentration of 10 mg / mL using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP; Wako). Prepared in. This raw material suspension is supplied from the raw material supply unit at a pressure of 25 MPa or 100 MPa using a reformer equipped with the interlayer distance expansion module of pattern 2 shown in Table 1, and the interlayer distance expansion module is continuously extended for 120 minutes. The liquid was passed. The flow rate of the raw material suspension at the time of passing the liquid was about 140 ml / min.
回収した原料懸濁液を６０００ｒｐｍで６０分間遠心分離して沈殿物を回収し、ＮＭＰを添加して１０ｍｇ／ｍＬの濃度に調製した後、さらに５００ｒｐｍで３０分間遠心分離して上澄みを回収し、１２０℃で乾燥して、改質グラファイトの粉末を得た。得られた改質グラファイトの収率は約６０％（約６．０ｍｇ／ｍＬの濃度に相当）であった。 The recovered raw material suspension was centrifuged at 6000 rpm for 60 minutes to recover the precipitate, and NMP was added to prepare the suspension to a concentration of 10 mg / mL, and then the supernatant was further centrifuged at 500 rpm for 30 minutes to recover the supernatant. Drying at 120 ° C. gave a powder of modified graphite. The yield of the obtained modified graphite was about 60% (corresponding to a concentration of about 6.0 mg / mL).
得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトのＳＥＭ観察結果を図２に示す。図２（ａ）は原料のグラファイトであり、（ｂ）は圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトであり、（ｃ）は圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトである。なお、図２（ａ）〜（ｃ）に示す画像の倍率は５０００倍である。 The SEM observation results of the obtained modified graphite and the raw material graphite are shown in FIG. FIG. 2A shows the raw material graphite, FIG. 2B shows the modified graphite obtained under the condition of a pressure of 25 MPa, and FIG. 2C shows the modified graphite obtained under the condition of a pressure of 100 MPa. The magnification of the images shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c) is 5000 times.
図２の結果から、本実施例で得られた改質グラファイトでは、原料のグラファイトと比較して、グラファイトを構成するグラフェン積層体のグラフェンに無数の隙間が生じている様子が確認された。 From the results of FIG. 2, it was confirmed that in the modified graphite obtained in this example, innumerable gaps were formed in the graphene of the graphene laminate constituting the graphite as compared with the raw material graphite.
図３は、圧力１００ＭＰａでの高圧処理工程後のグラファイトのＳＥＭ観察結果を示す画像（倍率６００００倍）である。後述するように、Ｘ線回折法に基づく原料グラファイトの層間距離は３．３５７Åであるが、図３に示すグラファイトでは、グラファイトの積層方向（Ｃ軸方向）の層間距離（ギャップ）が、数ｎｍ〜数十ｎｍの範囲であることがわかる。このように、本発明に係る層状物質の改質方法の高圧処理工程における層状物質に対する作用は、図３のＳＥＭ画像からも確認することができる。 FIG. 3 is an image (magnification: 60,000 times) showing the SEM observation result of graphite after the high-pressure treatment step at a pressure of 100 MPa. As will be described later, the interlayer distance of the raw material graphite based on the X-ray diffraction method is 3.357 Å, but in the graphite shown in FIG. 3, the interlayer distance (gap) in the graphite lamination direction (C-axis direction) is several nm. It can be seen that the range is ~ several tens of nm. As described above, the action on the layered substance in the high-pressure treatment step of the method for modifying the layered substance according to the present invention can be confirmed from the SEM image of FIG.
このように、ノズル部を有さない層間距離拡張モジュールを用いて、ジェット流を発生させずに、高圧処理したグラファイトの懸濁液を通過させることによって、グラファイトの層間距離の拡張が効果的に行われることが確認された。 In this way, by using the interlayer distance expansion module that does not have a nozzle portion and passing the suspension of high-pressure treated graphite without generating a jet flow, the interlayer distance expansion of graphite is effectively extended. It was confirmed that it would be done.
図４は、本実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ ＳｍａｒｔＬａｂ）を用いて分析した結果を示すＸＲＤチャートである。図４において（ａ）は原料のグラファイトであり、（ｂ）は圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトであり、（ｃ）は圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトである。 FIG. 4 is an XRD chart showing the results of analysis of the modified graphite obtained in this example and the raw material graphite using an X-ray diffractometer (Rigaku SmartLab). In FIG. 4, (a) is raw material graphite, (b) is modified graphite obtained under a pressure of 100 MPa, and (c) is a modified graphite obtained under a pressure of 25 MPa.
図４の（ａ）に示すように、原料のグラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークは、２θ＝２６．５°付近に確認され、回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．１７６１°であった。一方、図４の（ｂ）および（ｃ）に示すように、改質グラファイトのＣ軸（００２）面に相当する回折ピークは、２θ＝２６．４５〜２６．５°の間に確認され、原料のグラファイトよりも低角度側にシフトしていることがわかる。また、（００２）ピークの半値全幅は、それぞれ、０．２１７６°（圧力１００ＭＰａ）および０．２０２２°（圧力２５ＭＰａ）であり、原料グラファイトよりも増加した。このように、改質グラファイトでは、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められ、層間距離が拡張することによって、積層構造の規則性が損なわれ歪みが生じるなどの構造的な変化が起こり、結晶性が低下したと考えられる。 As shown in FIG. 4A, the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the raw material graphite was confirmed at around 2θ = 26.5 °, and the full width at half maximum (FWHM) of the diffraction peak was 0. It was .1761 °. On the other hand, as shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c), the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the modified graphite was confirmed between 2θ = 26.45 and 26.5 °. It can be seen that the shift is to the lower angle side than the raw material graphite. The full width at half maximum of the (002) peak was 0.2176 ° (pressure 100 MPa) and 0.2022 ° (pressure 25 MPa), respectively, which were larger than those of the raw material graphite. As described above, in the modified graphite, the interaction acting between the layers of the raw material graphite is weakened, and the inter-layer distance is expanded, so that the regularity of the laminated structure is impaired and distortion occurs. It is considered that this occurred and the crystallinity decreased.
また、図４の（ａ）〜（ｃ）のＸＲＤチャートから、（００２）面の間隔、すなわち、グラファイトのＣ軸方向の層間距離を計算すると、それぞれ、原料のグラファイトは３．３５７Åであり、改質グラファイト（圧力１００ＭＰａ、２５ＭＰａ）はいずれも３．３６３Åであった。これより、改質グラファイトでは、結晶性を有する部分においても、原料のグラファイトと比較して層間距離が有意に増大していることが確認され、原料のグラファイトの層間に働いている相互作用が弱められていることが示唆された。 Further, when the distance between the planes (002), that is, the interlayer distance of graphite in the C-axis direction is calculated from the XRD charts of FIGS. 4A to 4C, the raw material graphite is 3.357 Å. The modified graphite (pressure 100 MPa, 25 MPa) was 3.363 Å. From this, it was confirmed that in the modified graphite, the interlayer distance was significantly increased as compared with the raw material graphite even in the crystalline portion, and the interaction acting between the layers of the raw material graphite was weakened. It was suggested that it was done.
図５は、本実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、ラマン分光分析により得られたラマンスペクトルである。図５の（ａ）は原料のグラファイトであり、（ｂ）は圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトである。ラマンスペクトルは、ＦＴ−ラマン分光装置（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＮＩＲ ＦＴ−Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ＧＸ）を用いて、励起波長５３２ｎｍの条件で測定した。 FIG. 5 is a Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis of the modified graphite obtained in this example and the raw material graphite. FIG. 5A is raw material graphite, and FIG. 5B is modified graphite obtained under the condition of a pressure of 100 MPa. The Raman spectrum was measured using an FT-Raman spectrometer (Perkin Elmer NIR FT-Raman Spectrum GX) under the condition of an excitation wavelength of 532 nm.
図５の（ａ）に示すように、原料のグラファイトでは、２つの特徴的なピークが１５８０ｃｍ−１付近（Ｇピーク）および２７１４ｃｍ−１付近（２Ｄピーク）に確認され、加えて、グラファイトのクリスタライト層の境界に帰属される弱いバンドが１３５５ｃｍ−１付近（Ｄピーク）に確認された。また、図５の（ｂ）においても、図５の（ａ）と同様に、Ｇピーク、２ＤピークおよびＤピークが確認された。As shown in FIG. 5 (a), in the raw material graphite, two characteristic peaks were confirmed near 1580 cm -1 (G peak) and 2714 cm -1 (2D peak), and in addition, graphite crysta. A weak band attributed to the boundary of the light layer was confirmed around 1355 cm -1 (D peak). Further, also in FIG. 5 (b), G peak, 2D peak and D peak were confirmed as in FIG. 5 (a).
ここで、ＤピークとＧピークとの強度比（ＩＤ／ＩＧ）を算出すると、原料のグラファイトでは０．１５であり、本実施例で得られた改質グラファイトでは０．３３と計算される。これより、本実施例で得られた改質グラファイトは、層間距離が拡張され、グラファイトの内部や表面に多数のメソポア（隙間）が形成されていることによって、原料のグラファイトよりも結晶性が低下していることがわかる。なお、図５ではスペクトルを示していないが、圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトのＩＤ／ＩＧ値は、０．３１であった。Here, when the intensity ratio ( ID / IG ) between the D peak and the G peak is calculated, it is calculated to be 0.15 for the raw material graphite and 0.33 for the modified graphite obtained in this example. To. As a result, the modified graphite obtained in this example has a lower crystallinity than the raw material graphite because the interlayer distance is expanded and a large number of mesopores (gap) are formed inside or on the surface of the graphite. You can see that it is doing. Although not shown the spectrum in FIG. 5, I D / I G value of the modified graphite obtained under a pressure of 25MPa was 0.31.
図６は、本実施例で得られた改質グラファイトおよび原料のグラファイトについて、窒素吸着法に基づくＢＥＴ比表面積（Ａ）および細孔分布（Ｂ）を分析した結果を示すグラフである。なお、本分析は、ＡＵＴＯＳＯＲＢ（カンタクローム・インスツルメンツ社）を用いて行った。 FIG. 6 is a graph showing the results of analysis of the BET specific surface area (A) and pore distribution (B) based on the nitrogen adsorption method for the modified graphite obtained in this example and the raw material graphite. This analysis was performed using AUTOSORB (Cantachrome Instruments).
図６（Ａ）の結果から、原料のグラファイトの比表面積は１９．６ｍ２／ｇであり、本実施例で得られた改質グラファイトでは、８９．０ｍ２／ｇと高い比表面積を有していることがわかる。From the result of FIG. 6 (A), the specific surface area of the raw material graphite is 19.6 m 2 / g, and the modified graphite obtained in this example has a high specific surface area of 89.0 m 2 / g. You can see that.
また、図６（Ｂ）の結果から、本実施例で得られた改質グラファイトでは、原料のグラファイトと比較して、直径が５０ｎｍ以下のメソポアが多く分布していることがわかる。従って、ノズル部を有さない層間距離拡張モジュールを用いて、高圧処理したグラファイトの懸濁液を通過させることによって、当該グラファイトを構成するグラフェン積層体のグラフェン間の層間距離が拡張され、また、グラファイトの内部や表面にメソポア（隙間）が多数形成され、気体分子が吸着される部分（吸着サイト）が増大し、原料のグラファイトよりも比表面積の大きい改質グラファイトが得られたことが確認された。 Further, from the result of FIG. 6B, it can be seen that in the modified graphite obtained in this example, more mesopores having a diameter of 50 nm or less are distributed as compared with the raw material graphite. Therefore, by passing a suspension of high-pressure treated graphite using an interlayer distance expansion module having no nozzle portion, the interlayer distance between graphenes of the graphene laminate constituting the graphite is expanded, and the interlayer distance is also expanded. It was confirmed that a large number of mesopores (gap) were formed inside and on the surface of graphite, the part where gas molecules were adsorbed (adsorption site) increased, and modified graphite having a larger specific surface area than the raw material graphite was obtained. It was.
また、本実施例で得られたグラファイトおよび原料のグラファイトについて、電気伝導率（Ｓ／ｍ）を測定した結果、原料のグラファイトは１．５０×１０５であり、圧力１００ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトは１．４３×１０５であり、圧力２５ＭＰａの条件で得られた改質グラファイトは１．４５×１０５であった。これより、本実施例で得られた改質グラファイトは、原料のグラファイトが有する電気伝導性を維持していることが確認された。Moreover, the obtained graphite and raw material graphite in this embodiment, the electrical conductivity (S / m) was measured. As a result, the raw material of graphite is 1.50 × 10 5, were obtained under a pressure of 100MPa reforming graphite is 1.43 × 10 5, modified graphite obtained under a pressure of 25MPa was 1.45 × 10 5. From this, it was confirmed that the modified graphite obtained in this example maintained the electrical conductivity of the raw material graphite.
＜リチウムイオン二次電池の作製と特性評価＞
本実施例で得られた改質グラファイト（以下、「サンプルグラファイト」という。）を負極材として用い、正極材として金属リチウムを用い、電解質としてＬｉＰＦ６を用いて、試験用のハーフセル（以下、「テスト用セル」という。）を作製し、その特性を評価した。また、サンプルグラファイトの代わりに原料のグラファイトを用いたこと以外はテスト用セルと同様の構成を有する比較用セルを作製した。<Manufacturing and characterization of lithium-ion secondary batteries>
The modified graphite (hereinafter referred to as "sample graphite") obtained in this example is used as a negative electrode material, metallic lithium is used as a positive electrode material, and LiPF 6 is used as an electrolyte, and a test half cell (hereinafter, "" A "test cell") was prepared and its characteristics were evaluated. In addition, a comparison cell having the same configuration as the test cell was prepared except that the raw material graphite was used instead of the sample graphite.
テスト用セルおよび比較用セルについて、ＶＭＰ３ マルチチャンネル ポテンショスタット/ガルバノスタット（Ｂｉｏｌｏｇｉｃ社）を用いて、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）およびガルバノスタティック測定（ＧＣ）を行った。 Cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic measurements (GC) were performed on the test and comparison cells using a VMP3 multichannel potentiostat / galvanostat (Biologic).
図７に、テスト用セルおよび比較用セルのサイクリックボルタモグラム（ＣＶ曲線）を示す。図７（ａ）は原料のグラファイトを用いて作製した比較用セルであり、（ｂ）はサンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルであり、（ｃ）はサンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルである。 FIG. 7 shows a cyclic voltammetry (CV curve) of a test cell and a comparison cell. FIG. 7A is a comparison cell prepared using raw material graphite, FIG. 7B is a test cell prepared using sample graphite (25 MPa), and FIG. 7C is a sample graphite (100 MPa). It is a test cell produced by using.
図７から理解されるように、テスト用セルおよび比較用セルのＣＶ曲線の基本的な形状は、従来報告されているグラファイト負極材を備えたリチウムイオン二次電池のＣＶ曲線の形状（例えば、Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，２０１２，２２，１２７４５を参照）と類似していた。このことから、サンプルグラファイトがリチウムイオン二次電池用の電極材料として実用に耐え得るものであることが示唆された。 As can be seen from FIG. 7, the basic shape of the CV curve of the test cell and the comparison cell is the shape of the CV curve of the lithium ion secondary battery provided with the graphite negative electrode material which has been reported conventionally (for example, It was similar to J. Matter. Chem., 2012, 22, 12745). From this, it was suggested that the sample graphite can withstand practical use as an electrode material for a lithium ion secondary battery.
以下の表２および図８は、テスト用セルおよび比較用セルの充放電サイクル試験の結果である。図８（ａ）は原料のグラファイトを用いて作製した比較用セルであり、（ｂ）はサンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルであり、（ｃ）はサンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルである。 Table 2 and FIG. 8 below show the results of charge / discharge cycle tests of the test cell and the comparison cell. FIG. 8A is a comparison cell prepared using raw material graphite, FIG. 8B is a test cell prepared using sample graphite (25 MPa), and FIG. 8C is a sample graphite (100 MPa). It is a test cell produced by using.
表２および図８に示したように、テスト用セルの充放電容量は、比較用セルと比べてはるかに大きく、このことは、サンプルグラファイトが、原料のグラファイトよりも高容量の電極材料であることを示している。 As shown in Table 2 and FIG. 8, the charge / discharge capacity of the test cell is much larger than that of the comparison cell, which means that the sample graphite is an electrode material having a higher capacity than the raw material graphite. It is shown that.
また、テスト用セルのクーロン効率は、３回のサイクル試験全体を通して安定していた。特に、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルは、高容量でありかつクーロン効率に優れたものであった。 Also, the Coulomb efficiency of the test cell was stable throughout the three cycle tests. In particular, the test cell prepared using sample graphite (100 MPa) had a high capacity and excellent coulombic efficiency.
次に、テスト用セルおよび比較用セルのレート特性試験を行った。試験条件としては、３サイクル毎に、電流密度を５０ｍＡ／ｇ、１００ｍＡ／ｇ、２００ｍＡ／ｇ、５００ｍＡ／ｇ、１Ａ／ｇ、５０ｍＡ／ｇとした。 Next, the rate characteristic test of the test cell and the comparison cell was performed. As the test conditions, the current densities were set to 50 mA / g, 100 mA / g, 200 mA / g, 500 mA / g, 1 A / g, and 50 mA / g every three cycles.
試験結果を図９〜図１１に示す。図９は、比較用セルのレート特性試験結果である。図１０は、サンプルグラファイト（２５ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのレート特性試験結果である。図１１は、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのレート特性試験結果である。 The test results are shown in FIGS. 9 to 11. FIG. 9 shows the rate characteristic test results of the comparison cell. FIG. 10 shows the rate characteristic test results of the test cell prepared using the sample graphite (25 MPa). FIG. 11 shows the rate characteristic test results of the test cell prepared using the sample graphite (100 MPa).
図１０および図１１に示したように、テスト用セルは、比較用セルに比べて優れたレート特性を示した。特に、図１１に示したように、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルは、電流密度５０ｍＡ／ｇでの初期放電容量が約４２０ｍＡｈ／ｇであり、１８サイクル経過後も４００ｍＡｈ／ｇ以上の放電容量を維持しており、レート特性が良好であった。 As shown in FIGS. 10 and 11, the test cell exhibited superior rate characteristics as compared to the comparison cell. In particular, as shown in FIG. 11, the test cell prepared using the sample graphite (100 MPa) has an initial discharge capacity of about 420 mAh / g at a current density of 50 mA / g, and 400 mAh / g even after 18 cycles. The discharge capacity of g or more was maintained, and the rate characteristics were good.
また、サンプルグラファイト（１００ＭＰａ）を用いて作製したテスト用セルのサイクル特性試験結果を図１２に示す。試験条件としては、電流密度を５０ｍＡ／ｇとした。図１２から理解されるように、計３０回のサイクル試験を通して、テスト用セルの放電容量は約４００ｍＡｈ／ｇであり、極めて良好なサイクル特性を示した。 Further, FIG. 12 shows the cycle characteristic test results of the test cell prepared using the sample graphite (100 MPa). As the test conditions, the current density was set to 50 mA / g. As can be seen from FIG. 12, the discharge capacity of the test cell was about 400 mAh / g through a total of 30 cycle tests, showing extremely good cycle characteristics.
このように、本発明によって、層状物質の層間距離を拡張させて改質することにより、当該層状物質の特性が変化し、機能性材料としての性能が向上することが確認された。より具体的には、例えば、層状物質としてグラファイトを用いた場合には、電気化学的特性が顕著に向上し、従来の電極材料の性能を上回る新たな電極材料としての利用が可能であることが確認された。 As described above, according to the present invention, it has been confirmed that by expanding the interlayer distance of the layered substance and modifying it, the characteristics of the layered substance are changed and the performance as a functional material is improved. More specifically, for example, when graphite is used as the layered substance, the electrochemical properties are remarkably improved, and it can be used as a new electrode material that exceeds the performance of the conventional electrode material. confirmed.
１ 改質装置
２ 原料導入部
２１ 溶液タンク
２２ 高圧ポンプ
３ 層間距離拡張モジュール
３１、３２、３３ 通液部材
４ 回収部
５ 精製部1 Reformer 2 Raw material introduction unit 21 Solution tank 22 High-pressure pump 3 Inter-story distance expansion module 31, 32, 33 Liquid flow member 4 Recovery unit 5 Purification unit
Claims (14)
前記原料導入部から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュールに通過させて、前記グラファイトの層間距離を拡張する工程、
前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収部で回収する工程、および
得られた懸濁液を精製部で精製する工程を含み、
前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールとして、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないものを用いることを特徴とするグラファイトの改質方法。 A process in which a suspension in which graphite is suspended in a dispersion medium is subjected to high-pressure treatment and supplied from the raw material introduction section.
A step of extending the interlayer distance of graphite by passing the suspension supplied from the raw material introduction unit through an interlayer distance expansion module.
It includes a step of recovering the suspension after passing through the interlayer distance expansion module in a recovery unit and a step of purifying the obtained suspension in a purification unit.
A method for modifying graphite, wherein the raw material introduction unit and the interlayer distance expansion module have an inner diameter of 0.15 mm or more in a liquid passage through which the suspension flows and do not generate a jet flow.
前記原料導入部から供給された前記懸濁液を通過させて、前記グラファイトの層間距離を拡張する層間距離拡張モジュール、
前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収する回収部、および
得られた懸濁液を精製する精製部を備え、
前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールは、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないことを特徴とするグラファイトの改質装置。 Raw material introduction unit, which supplies a suspension of graphite suspended in a dispersion medium by high-pressure treatment.
An interlayer distance expansion module that extends the interlayer distance of graphite by passing the suspension supplied from the raw material introduction unit.
A recovery unit for recovering the suspension after passing through the interlayer distance expansion module and a purification unit for purifying the obtained suspension are provided.
The raw material introduction unit and the interlayer distance expansion module are graphite reforming devices having an inner diameter of 0.15 mm or more in a liquid passage through which the suspension flows and not generating a jet flow.
前記改質されたグラファイトは、原料グラファイトを分散媒に懸濁させた懸濁液を高圧処理して原料導入部から供給し、前記原料導入部から供給された前記懸濁液を層間距離拡張モジュールに通過させて前記原料グラファイトの層間距離を拡張し、前記層間距離拡張モジュールを通過した後の前記懸濁液を回収部で回収し、得られた懸濁液を精製部で精製して得られ、
前記原料導入部および前記層間距離拡張モジュールは、前記懸濁液が流れる通液路の内径が０．１５ｍｍ以上であり、ジェット流を発生させないものであることを特徴とする改質されたグラファイト。 The intensity ratio ( ID / IG ) of the D peak to the G peak based on Raman spectroscopy is more than twice that of the raw material graphite, and corresponds to the C-axis (002) plane in the XRD chart based on the X-ray diffraction method. The diffraction peak shifts to a lower angle side with respect to the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane of the raw material graphite, and the half-value full width of the diffraction peak corresponding to the C-axis (002) plane is the C of the raw material graphite. a graphite modified ing increased than the diffraction peak corresponding to the axis (002) plane,
For the modified graphite, a suspension in which the raw material graphite is suspended in a dispersion medium is subjected to high-pressure treatment and supplied from the raw material introduction unit, and the suspension supplied from the raw material introduction unit is subjected to an interlayer distance expansion module. To extend the interlayer distance of the raw material graphite, the suspension after passing through the interlayer distance expansion module is recovered in a recovery unit, and the obtained suspension is purified in a purification unit. ,
The raw material introduction unit and the interlayer distance expansion module are modified graphite having an inner diameter of 0.15 mm or more in a liquid passage through which the suspension flows and not generating a jet flow .
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