适用于蓄电设备的负极活性物质的碳质材料、蓄电设备用负极、蓄电设备制造技术

本发明专利技术提供适用于具有高放电容量和高循环耐久性的蓄电设备(例如锂离子二次电池、钠离子二次电池、锂硫电池、锂空气电池、全固态电池、电容器等)的负极活性物质的碳质材料、包含该碳质材料的负极、具有该负极的蓄电设备。公开如下的碳质材料，其通过元素分析而求出的氮元素含量为1.0质量％以上且4.0质量％以下，氧元素含量为1.1质量％以上且2.1质量％以下，并且，通过X射线衍射测定而观测到的碳面间隔(d

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】适用于蓄电设备的负极活性物质的碳质材料、蓄电设备用负极、蓄电设备


[0001]本专利申请针对日本专利申请第2020
‑
154229号(申请日：2020年9月15日)要求巴黎公约的优先权，通过在此处进行参考而将其整体援引至本说明书中。
[0002]本专利技术涉及适用于蓄电设备的负极活性物质的碳质材料、包含该碳质材料的蓄电设备用负极、具有该负极的蓄电设备。

技术介绍

[0003]锂离子二次电池等非水电解质二次电池因能量密度高、输出特性优异而被广泛用于便携电话、笔记本电脑之类的小型便携机器。作为锂离子二次电池的负极材料，公开了石墨的理论容量超过372mAh/g的量且能够进行锂的掺杂(充电)和脱掺杂(放电)的含氮难石墨化性碳(例如专利文献1、专利文献2、专利文献3)。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1：日本特开2006
‑
083012号公报
[0007]专利文献2：国际公开第2019/009332号公报
[0008]专利文献3：国际公开第2019/009333号公报。

技术实现思路

[0009]专利技术所要解决的课题
[0010]近年来，随着研究将锂离子二次电池应用于车载用途等，在要求上述高容量特性的基础上，还明显存在要求循环耐久性的需要。例如，车载用锂离子二次电池因体积大且价格昂贵而难以在使用过程中进行更换。因此，对锂离子二次电池要求至少与汽车同等水平的耐久性，尤其要求即便反复充放电其放电容量也难以降低、循环耐久性高。
[0011]对此，专利文献1～3所记载的碳材料中包含的氮元素成为锂离子吸储位点而能够提高放电容量，但其也可能成为与锂离子的反应位点，因此，有可能无法确保循环耐久性，难以兼顾高放电容量和高循环耐久性。
[0012]因此，本专利技术的目的在于，提供适合于具有高放电容量和高循环耐久性的蓄电设备(例如锂离子二次电池、钠离子二次电池、锂硫电池、锂空气电池、全固态电池、电容器等)的负极活性物质的碳质材料、包含该碳质材料的蓄电设备用负极、具有该负极的蓄电设备。
[0013]用于解决问题的手段
[0014]本专利技术人等经深入研究的结果发现：通过使用包含特定碳质材料的负极，从而能够解决上述课题，由此完成了本专利技术。
[0015]即，本专利技术包括以下的适合方式。
[0016][1]碳质材料，其通过元素分析而求出的氮元素含量为1.0质量％以上且4.0质量％以下，氧元素含量为1.1质量％以上且2.1质量％以下，并且，通过X射线衍射测定而观
测到的碳面间隔(d
002
)为以上。
[0017][2]根据前述[1]所述的碳质材料，其通过元素分析而求出的氧元素含量为1.2质量％以上且2.0质量％以下。
[0018][3]根据前述[1]或[2]所述的碳质材料，其通过元素分析而求出的氧含量与氮含量之比(R
O/N
)为0.30以上且1.0以下。
[0019][4]根据前述[1]～[3]中任一项所述的碳质材料，其通过激光拉曼分光法而观测到的拉曼光谱的1360cm
‑1附近的峰的半峰宽度的值为250cm
‑1以上。
[0020][5]根据前述[1]～[4]中任一项所述的碳质材料，其通过激光拉曼分光法而观测到的拉曼光谱的1650cm
‑1附近的峰的半峰宽度的值为98cm
‑1以上。
[0021][6]根据前述[1]～[5]中任一项所述的碳质材料，其平均粒径D
50
为30μm以下。
[0022][7]根据前述[1]～[6]中任一项所述的碳质材料，其中，碳质材料源自糖类。
[0023][8]根据前述[1]～[7]中任一项所述的碳质材料，其用于蓄电设备的负极活性物质。
[0024][9]蓄电设备用负极，其包含前述[8]所述的碳质材料。
[0025][10]蓄电设备，其具有前述[9]所述的蓄电设备用负极。
[0026]专利技术效果
[0027]使用包含本专利技术的碳质材料的负极的蓄电设备具有高放电容量和高循环耐久性。需要说明的是，本说明书中的循环耐久性以对电池反复充放电并加以使用时的容量维持率(循环容量维持率)作为指标。
具体实施方式
[0028]以下，针对本专利技术的实施方式进行详细说明。需要说明的是，本专利技术的范围不限定于此处说明的实施方式，可以在不损害本专利技术主旨的范围内施加各种变更。另外，在以下的说明中，作为蓄电设备，使用应用于锂离子电池的例子进行说明。
[0029]本专利技术的碳质材料中，通过元素分析而求出的氮元素的含量为1.0质量％以上。若碳质材料中的氮元素的含量小于1.0质量％，则存在充放电时吸附脱附锂离子的位点变少、放电容量降低的倾向。为了这样地获得高放电容量，本专利技术的碳质材料中的氮元素的含量需要为1.0质量％以上，优选为1.5质量％以上，更优选为1.75质量％以上，进一步优选为2.0质量％以上。
[0030]另外，本专利技术的碳质材料中，通过元素分析而求出的氮元素的含量为4.0质量％以下。若碳质材料中的氮元素的含量多于4.0质量％，则充放电效率降低。可预测这是因为：未进入至碳骨架内的氮以例如
‑
NH2基那样的表面官能团的形式存在，若这种表面官能团的存在量变多，则无法抑制在充放电时可能发生的不可逆性的副反应。
[0031]在此基础上，通过使碳质材料中的氮元素的含量为4.0质量％以下，从而出乎意料地发现如下的倾向：能够得到即便反复充放电其放电容量也不易降低的特性、即高循环耐久性。其理由尚不明确，但可以考虑如下的理由。即可以认为：若碳质材料中大量含有氮元素，则会综合地发生如下情况：在反复充放电的过程中因发生不可逆性的副反应而导致放电容量降低；与充放电时的电极的膨胀/收缩相伴的放电容量的降低；因反复充放电而导致碳质材料中的尤其是成为形变的氮元素周围发生结构变化，由此导致放电容量降低等，可
以认为：通过使氮元素的含量为4.0质量％以下，从而排除了这些循环耐久性恶化因素。
[0032]为了这样地获得高循环耐久性，碳质材料中的氮元素的含量必须为4.0质量％以下，在某个实施方式中，为3.8质量％以下，优选为3.5质量％以下，更优选为3.3质量％以下，进一步优选为3.0质量％以下。
[0033]需要说明的是，氮元素含量的测定的详情如下所示，通过元素分析法(非活性气体溶解法)进行测定。将氮元素含量调整至上述范围的方法没有任何限定，若过度增大非活性气体流量或过度减小升温速度，则碳质材料中的氮元素容易脱离，所得碳质材料的氮元素量会降低，因此，可以调整非活性气体流量、升温速度和热处理温度。
[0034]本专利技术的碳质材料中，通过元素分析而求出的氧元素的含量为1.1质量％以上且2.1质量％以下。碳质材料中的氧元素与氮元素同样地成为在充放电时吸附脱附锂离子的位点，因此，存在若氧元素的含量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.碳质材料，其通过元素分析而求出的氮元素含量为1.0质量％以上且4.0质量％以下，氧元素含量为1.1质量％以上且2.1质量％以下，并且，通过X射线衍射测定而观测到的碳面间隔(d
002
)为以上。2.根据权利要求1所述的碳质材料，其通过元素分析而求出的氧元素含量为1.2质量％以上且2.0质量％以下。3.根据权利要求1或2所述的碳质材料，其通过元素分析而求出的氧含量与氮含量之比(R
O/N
)为0.30以上且1.0以下。4.根据权利要求1～3中任一项所述的碳质材料，其通过激光拉曼分光法而观测到的拉曼光谱的1360cm
‑1附近的...

【专利技术属性】
技术研发人员：西海洸介，西村启一，锻冶屋敷强，
申请(专利权)人：株式会社可乐丽，
类型：发明
国别省市：