(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水銀圧入法により求めた細孔直径が０．００３μｍ〜５μｍの細孔容積が０．５５ｍｌ／ｇ以上であって、蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下、窒素吸着法により求めた比表面積が１００ｍ２／ｇ以下であることを特徴とする非水溶媒系二次電池の電極用炭素質材料。
【請求項２】
Ｘ線回折法により求めた（００２）面の平均面間隔が０．３６５ｎｍ以上である請求項１に記載の電極用炭素質材料。
【請求項３】
元素分析により求めた水素原子と炭素原子の原子比Ｈ／Ｃが０．１未満である請求項１に記載の電極用炭素質材料。
【請求項４】
植物由来の有機物を酸洗浄を含む脱灰処理に付し、得られた蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下の炭素前駆体を不活性ガス又はハロゲンガスを含有する不活性ガスを流通させながら７００〜１５００℃の温度で炭素化することを特徴とする非水溶媒系二次電池の電極用炭素質材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の炭素質材料からなる負極を有することを特徴とする非水溶媒系二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水溶媒系二次電池の負極材料として有用な、炭素質材料およびその製造方法、並びに上記炭素質材料を用いた非水溶媒系二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギー密度の二次電池として、炭素質材料を負極として用いる非水溶媒系リチウム二次電池が提案されている（例えば、特開昭５７−２０８０７９号公報、特開昭６２−９０８６３号公報、特開昭６２−１２２０６６号公報、特開平２−６６８５６号公報参照）。この電池を充電すると、例えばＬｉＣｏＯ２  等のカルコゲン化合物からなる正極中のリチウムは電気化学的に負極炭素にドープされる。そして、リチウムをドープした炭素は、リチウム電極として作用し、放電に伴ってリチウムが負極炭素から脱ドープされ、正極中に戻り、繰り返し充放電可能な二次電池が形成される。
【０００３】
非水溶媒系リチウム二次電池を構成しうる炭素材料として、フェノール樹脂やフラン樹脂を焼成して得られる所謂難黒鉛化性炭素や、ピッチやタールを焼成して得られる所謂易黒鉛化性炭素、９００〜２０００ｍ２  ／ｇといった大きな比表面積を有する活性炭等が知られている。
【０００４】
また、椰子殻等の植物繊維に含まれる無機物質を塩酸等で処理して除去した後、１０ｋＰａ以下の減圧下９００〜１５００℃で炭素化することによって高性能な二次電池電極用の炭素質材料を製造する方法も提案されている（特開平８−６４２０７号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した炭素材料には、脱ドープ過程で多量のリチウム等の活物質が脱ドープされずに炭素材料中に残り（非脱ドープ容量が大きい）、活物質が無駄に消費されるという問題、あるいは電池性能を決定する脱ドープ容量自体が他のものと比較して小さいといった問題があった。
【０００６】
本発明者らは、導管、篩管、植物繊維などの存在によって特徴づけられる植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料は、多量の活物質をドープすることが可能であることから負極用炭素材料として有望であることを見出し、特許出願した（特願平７−２７８２６１）。しかし、該炭素質材料は、活物質であるリチウム等が炭素質材料から完全には脱ドープされずに炭素質材料中に残留する量である非脱ドープ容量が比較的大きく、その低減が切望されていた。
【０００７】
本発明は、高性能二次電池の電極用炭素質材料として有用な、リチウム等の活物質のドープ容量及び脱ドープ容量が大きく、脱ドープされずに炭素質材料中に残留する活物質の非脱ドープ容量の小さい炭素質材料を提供することを課題とする。
【０００８】
さらには、そのような炭素質材料の製造方法並びにそのような炭素質材料を用いた高性能な二次電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題に鑑み非水溶媒系二次電池により好ましく用いられ得る植物由来の有機物を原料とした炭素質材料を研究している過程で、該有機物原料に含まれる全灰分（全無機物質）の量が、それから得られる炭素質材料に好ましくない影響を及ぼしているのではなく、該有機物原料中に存在するカリウム元素が好ましくない影響を及ぼしていることを見出した。そして、植物由来の有機物に含まれるカリウム元素を除去した後、適切に焼成し炭素化した材料が大きい脱ドープ容量と小さい非脱ドープ容量とを兼ね備えた、バランスのとれた優れた炭素材料であること、さらにこの炭素質材料が、従来にはない電池活物質のドープに適した大きな細孔容積を有することを見出し、本発明に想到した。
【００１０】
なお、前記特開平８−６４２０７号公報は植物由来の炭素前駆体に脱灰処理後に、炭素化して、二次電池電極用炭素質材料を製造する例（実施例５）を開示しているが、このような一般的な脱灰処理は、カリウム含有量の低減という観点では充分でなく、その結果、非脱ドープ容量の低減効果も充分ではなかった（後記比較例７）参照。
【００１１】
本発明の炭素質材料は、水銀圧入法により求めた細孔直径が０．００３μｍ〜５μｍの細孔容積が０．５５ｍｌ／ｇ以上であって、蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下、窒素吸着法により求めた比表面積が１００ｍ２／ｇ以下であることを特徴とする非水溶媒系二次電池の電極用炭素質材料である。
【００１３】
第一および第二の炭素質材料は、何れも、元素分析により求めた水素原子と炭素原子の原子比Ｈ／Ｃが０．１未満、Ｘ線回折法により求めた（００２）面の平均面間隔が０．３６５ｎｍ以上である難黒鉛化性炭素であることが好ましい。
【００１４】
本発明の炭素質材料の製造方法は、植物由来の有機物を酸洗浄を含む脱灰処理に付し、得られた蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下の炭素前駆体を不活性ガス又はハロゲンガスを含有する不活性ガスを流通させながら７００〜１５００℃の温度で炭素化することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の二次電池は、第一に水銀圧入法により求めた細孔直径５μｍ以下の細孔容積が０．５５ｍｌ／ｇ以上であって、蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下、窒素吸着法により求めた比表面積が１００ｍ２  ／ｇ以下である炭素質材料からなる負極を有することを特徴とする非水溶媒系二次電池である。
【００１６】
また、本発明の二次電池は、第二に植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下、窒素吸着法により求めた比表面積が１００ｍ２  ／ｇ以下である炭素質材料からなる負極を有することを特徴とする非水溶媒系二次電池である。
【００１７】
本発明の炭素質材料は、実用的には、活物質を多量に貯蔵できる、いわゆる難黒鉛化性炭素であって、その分、本質的に大きな活物質のドープ能を有している。それに加えて、本発明の材料はその第一観点において細孔直径５μｍ以下の細孔容積が０．５５ｍｌ／ｇ以上というように、比較的大きな細孔を有しており、また、第二の観点によれば導管、篩管、植物繊維といった原料由来の構造が比較的大きな貫通した細孔として存在する。
【００１８】
そのため、電解液が細孔を通って炭素内部に進行しやすく、また炭素内部と外部間を活物質が容易に移動できる結果として、非脱ドープ容量の小さい、活物質を有効に使用し得る炭素質材料が得られる。
【００１９】
また、本発明の炭素質材料は、活物質のドープ・脱ドープ特性に悪影響を及ぼすカリウム元素の含有率が小さいため、高性能な二次電池を可能とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素質材料は、窒素吸着法により求めた比表面積が１００ｍ２  ／ｇ以下、蛍光Ｘ線分析により求められるカリウム元素の含有率が０．５重量％以下であり、また、第一の炭素質材料は、水銀圧入法により求めた細孔直径５μｍ以下の細孔容積が０．５５ｍｌ／ｇ以上である。活性炭に代表される比表面積が１００ｍ２  ／ｇを超える炭素材料では、脱ドープされずに炭素質材料内部に残存する非脱ドープ容量が大きくなり、好ましくない。比表面積は、好ましくは０．５ｍ２  ／ｇ以上５０ｍ２  ／ｇ以下、さらに好ましくは０．５ｍ２  ／ｇ以上１０ｍ２  ／ｇ以下である。
【００２１】
カリウムの含有量が多い場合、脱ドープ容量が小さくなり非脱ドープ容量が大きくなり好ましくない。カリウム元素の含有率は、好ましくは０．４重量％以下、さらに好ましくは０．３重量％以下、特に好ましくは０．２重量％以下である。
【００２２】
大きな細孔容積は、第一の炭素材料の特徴の一つであるが、細孔容積が小さくなると、電解液が細孔を通って炭素内部へ浸入し難く、さらに活物質が炭素質材料内で自由に移動できず、結果としてドープ容量と脱ドープ容量の差として定義される非脱ドープ容量が極端に増大し、活物質の有効利用率が低下するので好ましくない。一方、細孔容積が極端に大きくなると、二次電池電極を作成する際の炭素材料の充填密度が低下するので好ましくない。したがって、好ましくは０．５５ｍｌ／ｇ以上１．００ｍｌ／ｇ以下、さらに好ましくは０．５５ｍｌ／ｇ以上０．７０ｍｌ／ｇ以下である。
【００２３】
本発明において炭素質材料とは、２０００℃程度以上の高温で熱処理された、黒鉛構造を有する黒鉛質材料も含む概念として解釈されるべきである。しかしながら、高温で熱処理すると、炭素組織が収縮し、導管、篩管、植物繊維といった原料由来の細孔構造が失われる傾向にあり、実質的に本発明の炭素質材料は、Ｘ線回折法により求めた（００２）面の平均面間隔（以下「ｄ００２  」と略記する）が０．３６５ｎｍ以上となるようにすることが好ましい。ｄ００２  が０．３６５ｎｍ未満の炭素質材料を負極として非水溶媒系二次電池を構成した場合、電池活物質のドープ量が小さくなり好ましくない。また、ｄ００２  が０．３９０ｎｍ以上の炭素質材料を負極として非水溶媒系二次電池を構成した場合、非脱ドープ容量が大きくなり好ましくない。ｄ００２  は好ましくは０．３６５ｎｍ以上０．３９０ｎｍ以下、更に好ましくは０．３７０ｎｍ以上０．３９０ｎｍ以下である。
【００２４】
また、水素原子と炭素原子の原子比Ｈ／Ｃは、好ましくは、０．１未満、さらに好ましくは０．０７以下である。Ｈ／Ｃが０．１以上の低温処理炭では、脱ドープされずに炭素質材料内部に残存する非脱ドープ容量が大きくなり、好ましくない。
【００２５】
つぎに、本発明の炭素質材料の製造方法について説明する。
【００２６】
本発明の製造方法は、蛍光Ｘ線分析により求めたカリウム元素の含有量が０．５重量％以下の植物由来の炭素前駆体を、不活性ガス又はハロゲンガスを含有する不活性ガスを流通させながら７００〜１５００℃の温度で炭素化することを特徴とするものである。ここに植物由来の炭素前駆体とは、植物由来の有機物原料及びそれに後述の脱灰処理を施したもの、並びに植物由来の有機物原料を予備焼成したもの及びこの予備焼成したものに脱灰処理を施したものを包含する。
【００２７】
本発明の製造方法で使用する不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等を例示することができる。これら不活性ガスに含有させるハロゲンガスとしては塩素ガス、臭素ガス、ヨウ素ガス、フッ素ガスを例示できるが、塩素ガスが特に好ましい。ハロゲン含有不活性ガス中のハロゲンガスの濃度は４〜４０モル％程度が好ましく採用される。
【００２８】
本発明の製造方法において、炭素質材料の炭素源として使用する植物由来の有機物の好ましい例としては、椰子殻、コーヒー豆、籾殻、広葉樹、針葉樹、竹等があげられる。植物由来の有機物を炭素化する前に、タールやその他の揮発分を予め除去するため、不活性ガス中あるいは減圧下３００℃〜８００℃で予備焼成するのが好ましい。また、これら植物中に含まれるカリウム元素の含有量は、植物の種類により異なるが、カリウム元素を多量に含有する原料を炭素化して得られる炭素質材料は、電極用炭素質材料としては性能の劣ったものとなる。すなわち、リチウム等の活物質の脱ドープ容量が小さくなり非脱ドープ容量が大きくなる。
【００２９】
植物由来の有機物あるいはそれを予備焼成した炭素前駆体を脱灰処理することにより含有するカリウムの量を低減することができる。含有するカリウムの量は、０．５重量％以下、好ましくは０．４重量％以下、さらに好ましくは０．３重量％以下、特に好ましくは０．２重量％以下である。この条件は、炭素化後の炭素質材料において満たされるべきであるが、炭素化前の前駆体において、既に満たされていることが好ましい。
【００３０】
植物由来の有機物からカリウムを除去する（脱灰する）には、植物由来の有機物を、そのまま、あるいは３００〜８００℃程度の温度で予備焼成した炭素前駆体を、粉砕し微粒子としたのち塩酸等の酸類や水に浸漬して処理することが好ましい。脱灰時の被処理物の粒径が大きいと、脱灰率が著しく低下するので、好ましくない。被処理物の平均粒子径は、好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下である。脱灰処理は、原料有機物を３００〜８００℃程度の温度で予備焼成して得た炭素前駆体に施すことが、脱灰率を向上させる上で有利である。予備焼成温度が８００℃を越える高温になると、脱灰率が逆に低下するので好ましくない。
【００３１】
脱灰処理は塩酸等の酸類あるいは水の中に被処理物を浸漬してカリウムを抽出・除去することによって行うことができる。水を使用する場合は、水温が低いと脱灰率が著しく低下するので、脱灰処理時の水温は、好ましくは５０℃以上、更に好ましくは８０℃以上である。脱灰を行うための浸漬処理は、１回の浸漬処理を長時間行うよりも、短時間の浸漬処理を繰り返し行うことが脱灰率を向上させる上で有効である。脱灰は酸類による浸漬処理を行った後、水による浸漬処理を２回程度以上行うことが好ましい。
【００３２】
炭素化は、有機物から発生するタールあるいは水素、メタン等の分解生成物により細孔構造の形成が阻害されないように配慮することが望ましい。分解生成物の濃厚雰囲気中で炭素化を行うと、微細な細孔の形成が不十分となりその結果得られる炭素質材料は活物質のドープ容量が低下したものとなる。
【００３３】
上記植物由来の有機物は、内部に導管、篩管等が存在する構造を有するため、炭素化時に生成する分解生成物の散逸あるいは除去が容易であり、比較的大きな直径を有する細孔が多量に形成される。
【００３４】
本発明の製造方法は、植物由来の炭素前駆体を、不活性ガス又はハロゲンガスを含有する不活性ガス（以下、「処理ガス」と呼ぶことがある）を流通させながら炭素化を行うものである。この場合、被炭素化物を層状に堆積し堆積層とし、堆積層以外の空間部分に処理ガスを流しながら炭素化する方法（以下「層外流通方式」と呼ぶ）あるいは、被炭素化物からなる層内に処理ガスを流しながら炭素化する方法（以下「層内流通方式」と呼ぶ）が採用される。
【００３５】
バッチ式の層外流通方式においては、被炭素化層と処理ガスとの接触面積を大きくし、被炭素化物からの分解生成物を速やかに系外に除去するため、被炭素化物の堆積層の厚さは薄いことが望ましい。被炭素化物層の厚さは、好ましくは５０ｍｍ以下、さらに好ましくは３０ｍｍ以下とする。処理ガスの供給量（流通量）は、空塔速度が１ｍｍ／ｓ以上、さらに好ましくは５ｍｍ／ｓ以上になるようにする。
【００３６】
また、流動床等による連続式の層内流通方式は好ましい方法であり、この場合、処理ガスの供給量（流通量）は、単位時間当たり処理する被炭素化物の量によっても異なるが、被炭素化物１ｇ当たり、１０ｍｌ以上、好ましくは５０ｍｌ以上、さらに好ましくは１００ｍｌ以上とするのがよい。
【００３７】
本明細書におけるガスの供給量は、標準状態（０℃、１気圧）に換算した値である。
【００３８】
本発明における炭素化は７００℃〜１５００℃で行う。炭素化を７００℃より低い温度で行うと、得られる炭素質材料の活物質の非脱ドープ容量が増加し、１５００℃より高温で行うと活物質のドープ容量が減少するので、何れも好ましくない。炭素化温度は７００℃〜１５００℃、好ましくは９００℃〜１４００℃である。
【００３９】
つぎに、本発明の非水溶媒系二次電池について説明する。
【００４０】
本発明の炭素質材料は、リチウムの吸蔵（ドープ）に適した微細構造を示し、リチウムを吸蔵する負極あるいは正極を構成するためのリチウム電池用電極材料として好適に用いられる。中でも非水溶媒系二次電池の電極材料、特に非水溶媒系リチウム二次電池の負極活物質としてのリチウムのドープ用負極の構成に用いることが好ましい。
【００４１】
図１は、本発明の電池の好ましい一例としての、非水溶媒系リチウム二次電池の部分分解斜視図である。
【００４２】
すなわち、この二次電池は、基本的には正極１および負極２間に、電解液を含浸したポリプロピレン、ポリエチレン等の高分子物質の微多孔性膜からなるセパレータ３を配置積層したものを渦巻き状に巻き回した発電素子が負極端子５ａを形成する有底の金属ケーシング５中に収容された構造を有する。この二次電池は、更に、負極は負極端子と電気的に接続され、頂部においてガスケット６および安全弁７を配置したのち、凸部において前記正極１と電気的に接続された正極端子８ａを構成する頂部プレート８を配置し、ケーシング５の頂部リム５ｂをかしめて、全体を封止した構造をなしている。
【００４３】
ここで、正極１あるいは負極２を構成する電極構造体１０は、図２に部分断面構造を示すように、鉄、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン等の金属箔あるいは金属網等からなり、厚さが５〜１００μｍ、小規模の場合には例えば５〜２０μｍとなるような集電体１１の少なくとも一面、好ましくは図２に示すように両面に、例えば小規模の場合厚さが１０〜１０００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍの電極合剤層１２ａ、１２ｂを形成したものである。
【００４４】
この電極合剤層１２ａ、１２ｂは、本発明の炭素質材料、フッ化ビニリデン樹脂等の結合剤（バインダー）および必要により添加する炭素等の導電材からなる電極合剤形成用組成物を、上記集電体１１に塗布接着し形成したものである。
【００４５】
本発明の炭素質材料を用いて上述したような非水溶媒系二次電池の電極構造体１０（図２；図１の１または２に対応）を構成する場合には、炭素質材料を、必要に応じて平均粒径約５〜１００μｍの微粒子とした後、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン等の非水溶媒に対して安定な結合剤により、例えば、円形あるいは矩形の金属板等からなる導電性の集電材１１に接着して厚さが例えば１０〜２００μｍの層を形成する等の方法により電極を製造する。結合剤の好ましい添加量は、炭素質材料に対して１〜２０重量％である。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の電気抵抗が大きくなり電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させるので好ましくない。また結合剤の添加量が少なすぎると、炭素質材料粒子相互および集電材１１との結合が不十分となり好ましくない。なお、上記は、比較的小容量の二次電池についての値であるが、より大型の二次電池の形成のためには、上記炭素質微粒子と結合剤の混合物をプレス成形等の方法により、より大なる厚さの成形体を製造し、これを集電材と電気的に接続する等の方法も可能である。
【００４６】
本発明により得られる炭素質材料は、その良好なドープ特性を利用して、非水溶媒系二次電池の正極材料として用いることも可能であるが、上述したように、非水溶媒系二次電池の負極、特にリチウム二次電池の負極活物質としてのリチウムのドープ用負極の構成に用いることが好ましい。
【００４７】
この場合、正極材料としては、ＬｉＣｏＯ２  、ＬｉＮｉＯ２  、ＬｉＭｎ２  Ｏ４  等の複合金属カルコゲン化物が好ましく、適当な結合剤（バインダー）と電極に導電性を付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集電材上に層形成される。
【００４８】
これら正極および負極との組合せで用いられる非水溶媒系電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解することにより形成される。非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、１，３−ジオキソラン等の有機溶媒の一種または二種以上を組合せて用いることが出来る。また電解質としては、ＬｉＣｌＯ４  、ＬｉＰＦ６  、ＬｉＢＦ４  、ＬｉＣＦ３  ＳＯ３  、ＬｉＡｓＦ６  、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＢ（Ｃ６  Ｈ５  ）４  、ＬｉＮ（ＳＯ２  ＣＦ３  ）２  等が用いられる。
【００４９】
上述したように二次電池は、一般に上記のようにして形成した正極層１と負極層２とを、必要に応じて不織布、その他の多孔質材料等からなる透液性セパレータ３を介して、対向させ電解液中に浸漬することにより形成される（図１）。
【００５０】
上記においては円筒形電池の例を示したが、本発明の非水溶媒系二次電池を、コイン形、角形またはペーパー形電池として構成することも可能である。
【００５１】
なお、本発明に記載する水銀圧入法による細孔容積、窒素吸着による比表面積、水素原子と炭素原子の原子比Ｈ／Ｃ、蛍光Ｘ線によるカリウム含有量および炭素質材料のｄ００２  はそれぞれ下記の方法によるものである。
【００５２】
「水銀圧入法による細孔容積」：ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製「ＡＵＴＯＰＯＲＥ  ９２００」を用いて細孔容積を測定した。
【００５３】
平均粒子径１０〜２０μｍの炭素質材料を試料容器に入れ、２．６７Ｐａ以下の圧力で３０分間脱気する。ついで水銀を試料容器内に導入し、徐々に加圧して水銀を炭素試料の細孔へ圧入する（最高圧力４１４ＭＰａ）。このときの圧力と水銀の圧入量の関係から以下の式を用いて炭素質材料の細孔容積分布を測定する。細孔直径５μｍに相当する圧力（０．２５ＭＰａ）から最高圧力（４１４ＭＰａ：細孔直径３ｎｍ相当）までに炭素質材料に圧入された水銀の体積を、細孔直径５μｍ以下の細孔容積とした。
細孔直径の算出は，直径Ｄの円筒形の細孔に水銀を圧力Ｐで圧力する場合，水銀の表面張力γ、水銀と細孔壁との接触角をθとすると、表面張力と細孔断面に働く圧力の釣り合いから，次式が成り立つ。
【００５４】
−πＤγｃｏｓθ＝π（Ｄ／２）２  ・Ｐ
従って
Ｄ＝（−４γｃｏｓθ）／Ｐ
となる。
【００５５】
本明細書においては、水銀の表面張力を４８４ｄｙｎｅ／ｃｍ、水銀と炭素との接触角を１３０度とし、圧力ＰをＭＰａ、細孔直径Ｄをμｍで表示し、下記式により圧力Ｐと細孔直径Ｄの関係を求めた。
【００５６】
Ｄ＝１．２７／Ｐ
「窒素吸着による比表面積」：Ｂ．Ｅ．Ｔ．の式から誘導された近似式
ｖｍ  ＝１／（ｖ（１−ｘ））
を用いて液体窒素温度における、窒素吸着による１点法（相対圧力ｘ＝０．３）によりｖｍ  を求め、次式により試料の比表面積を計算した。
【００５７】
比表面積＝４．３５×ｖｍ  （ｍ２  ／ｇ）
ここに、ｖｍ  は試料表面に単分子層を形成するに必要な吸着量（ｃｍ３  ／ｇ）、ｖは実測される吸着量（ｃｍ３  ／ｇ）、ｘは相対圧力である。
【００５８】
具体的には、ＭＩＣＲＯＭＥＲＩＴＩＣＳ社製「Ｆｌｏｗ  Ｓｏｒｂ  ＩＩ  ２３００」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における炭素質物質への窒素の吸着量を測定した。
【００５９】
平均粒子径約２０μｍに粉砕した炭素材料を試料管に充填し、窒素ガスを３０モル％濃度で含有するヘリウムガスを流しながら、試料管を−１９６℃に冷却し、炭素質材料に窒素を吸着させる。つぎに試験管を室温に戻す。このとき試料から脱離してくる窒素量を熱伝導度型検出器で測定し、吸着ガス量ｖとした。
【００６０】
「水素と炭素の原子比（Ｈ／Ｃ）」：ＣＨＮアナライザーによる元素分析より得られる試料中の水素および炭素の割合から、水素／炭素の原子数の比として求めた。
【００６１】
「蛍光Ｘ線分析によるカリウム含有量の測定」：カリウム含有率の測定のためには、予め所定のカリウム元素を含有する炭素試料を調製し、蛍光Ｘ線分析装置を用い、カリウムＫα線の強度とカリウム含有量との関係に関する検量線を作成しておく。次いで試料について、蛍光Ｘ線分析におけるカリウムＫα線の強度を測定し、先に作成した検量線よりカリウム含有量を求める。なお、検量線は、カリウム含有量０〜２．５重量％の範囲内で原点を通る直線に近似された。
【００６２】
検量線を作成するための炭素試料は以下のようにして調製した。カリウム元素を含まない石油コークス（１２００℃焼成品）を、平均粒子径２０μｍに粉砕して得た粉末炭素質材料に、炭酸水素カリウムを所定量添加し、脱イオン交換水を加えて撹拌した後、試料を乾燥して、所定カリウム量を含有する炭素試料を調製した。
【００６３】
蛍光Ｘ線分析は、理学電機（株）製ＲＩＧＡＫＵ  ＳＹＳＴＥＭ  ３０８２Ｅ２を用い、以下の条件で行った。上部照射方式用ホルダーを用い、試料測定面積を直径２０ｍｍの円周内とした。被測定試料の設置は、濾紙の上に直径２０ｍｍ、高さ５ｍｍのリングを置き、その中に被測定試料を０．９３５ｇ入れ、ポリエチレンテレフタレート製フィルムで表面を覆い測定を行った。測定条件は、分光結晶にゲルマニウム、検出器にプロポーショナルカウンターを使用し、２θが６０〜７３゜の範囲を、走査速度１゜／ｍｉｎで測定した。
【００６４】
「炭素質材料のｄ００２  」；炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、グラファイトモノクロメーターにより単色化したＣｕＫα線を線源とし、Ｘ線回折図形を得る。回折図形のピーク位置は重心法（回折線の重心位置を求め、これに対応する２θ値でピークの位置を求める方法）により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の（１１１）面の回折ピークを用いて補正する。ＣｕＫα線の波長を０．１５４１８ｎｍとし、Ｂｒａｇｇの公式によりｄ００２  を計算する。
【００６５】
ｄ００２  ＝λ／（２・ｓｉｎθ）          （Ｂｒａｇｇの公式）
【００６６】
【実施例】
以下、実施例および比較例により、本発明を更に詳細に説明する。
【００６７】
以下の記載におけるガスの流量はすべて標準状態に換算した値である。
【００６８】
（実施例１）
椰子殻チャー（エム・シー・カーボン（株）製）を窒素ガス雰囲気中（常圧）で６００℃で１時間仮焼成したのち、粉砕し、平均粒径２５μｍの粉末状炭素前駆体とした。つぎに、この粉末状炭素前駆体に、３５％塩酸に１時間浸漬したのち、沸騰水で１時間洗浄する洗浄操作を２回繰り返して脱灰処理し、脱灰粉末状炭素前駆体を得た。得られた脱灰粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は、１００ｐｐｍ以下であった。得られた脱灰粉末状炭素前駆体１０ｇを、横型管状炉（反応管の直径１００ｍｍ）中に粉末状炭素炭素前駆体の堆積層高が１〜２ｍｍとなるように置き、１０ｌ／ｍｉｎの窒素気流下１１００℃で１時間本焼成を行い、炭素質材料を製造した。
【００６９】
このようにして得られた炭素質材料の細孔容積、カリウム含有率、非表面積、Ｈ／Ｃ及びｄ００２  の値は後記表１に示す。
【００７０】
以下の実施例及び比較例においても、同様に得られた炭素質材料の特性は、後記表１にまとめて示す。
【００７１】
（実施例２）
本焼成温度１２００℃とした以外は、実施例１と同様にして炭素質材料を製造した。
【００７２】
（実施例３）
本焼成温度を１３００℃とした以外は、実施例１と同様にして炭素質材料を製造した。
【００７３】
（実施例４）
実施例１の粉末状炭素前駆体を沸騰水に１時間浸漬して脱灰処理を行い、脱灰粉末状炭素前駆体を得た。得られた脱灰粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は０．４重量％であった。得られた脱灰粉末状炭素前駆体について、本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成を行い、炭素質材料を製造した。
【００７４】
（実施例５）
抽出後のコーヒー豆を１２０℃で１時間乾燥したのち、実施例１と同様の条件で仮焼成、粉砕および脱灰処理を行い、脱灰粉末状炭素前駆体を得た。得られた脱灰粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は、１００ｐｐｍ以下であった。これを、本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を製造した。
【００７５】
（実施例６）
孟宗竹材（産地：福島県、樹齢：３年、直径：約７０ｍｍ）を実施例１と同様の条件で仮焼成、粉砕を行い粉末状炭素前駆体を得た。得られた粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は３．１％であった。この粉末状炭素前駆体を実施例１と同様に処理し、脱灰粉末状炭素前駆体を得た。得られた脱灰粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は、１００ｐｐｍ以下であった。これを本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を調製した。
【００７６】
（実施例７）
樫材（産地：福島県、樹齢：１０年、直径：約５０ｍｍ）を実施例１と同様の条件で仮焼成、粉砕および脱灰処理を行い脱灰粉末状炭素前駆体を得た。得られた脱灰粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は、１００ｐｐｍ以下であった。これを本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を調製した。
【００７７】
（実施例８）
本焼成における昇温及びガスの供給を以下のようにした以外は実施例１と同様にして、炭素質材料を製造した。
【００７８】
窒素ガスを１０ｌ／ｍｉｎで流しながら１０℃／ｍｉｎの速度で昇温した。炉内温度が９００℃に到達したら、窒素ガス７ｌ／ｍｉｎ、塩素ガスを３ｌ／ｍｉｎの混合ガスに切り替えて、更に昇温を続け、炉内温度が１１００℃に到達したら１１００℃に１時間保持した後、塩素ガスの供給を停止し、窒素ガス１０ｌ／ｍｉｎに切り替えて、冷却して炭素質材料を調製した。
【００７９】
（比較例１）
実施例１の粉末状炭素前駆体を脱灰処理を行わず、本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成を行い、炭素質材料を製造した。
【００８０】
（比較例２）
実施例１の粉末状炭素前駆体を、脱灰処理を行わず、本焼成温度を１３００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成を行い、炭素質材料を製造した。
【００８１】
（比較例３）
実施例６で得られた、カリウム含有率３．１重量％の粉末状炭素前駆体を、脱灰処理することなく、本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を製造した。
【００８２】
（比較例４）
椰子殻活性炭（クラレケミカル（株）製）を平均２５μｍに粉砕し、粉末状活性炭としたのち、本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を製造した。
【００８３】
（比較例５）
軟化点２１０℃、キノリン不溶分１重量％、Ｈ／Ｃ原子比０．６３の石油ピッチを、窒素ガス雰囲気中６００℃まで昇温し、６００℃で１時間保持して仮焼成したのち、粉砕し、平均粒径２０μｍの粉末状炭素前駆体とした。これを本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を製造した。
【００８４】
（比較例６）
フェノール樹脂（ベルパールＳ−８７０；鐘紡（株）製）を１７０℃で３分予備硬化後、１３０℃で８時間硬化させた。これを本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、フェノール樹脂焼成炭を製造した。
【００８５】
（比較例７）
３００ｍｌの三角フラスコに、平均粒径１ｍｍ以下に粉砕した椰子殻炭（クラレケミカル（株）；ヤシボン１号）３０ｇと、３５％塩酸１００ｇを入れ、５０℃で１時間振とうし、さらに濾過残分をイオン交換水にて十分に水洗し１２０℃で２時間乾燥して脱灰炭素前駆体を得た。このようにして得られた脱灰炭素前駆体を粉砕し、平均粒径が約２０μｍの脱灰粉末状炭素前駆体を得た。この脱灰粉末状炭素前駆体のカリウム含有率は、０．６重量％であった。この脱灰粉末状炭素前駆体を本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を製造した。
【００８６】
（比較例８）
実施例１で得られた脱灰粉末状炭素前駆体を、炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３  ）水溶液に浸漬したのち乾燥し、カリウム含有率２．８重量％のカリウム担持粉末状炭素前駆体を調製した。これを本焼成温度を１２００℃とした以外は実施例１と同様にして本焼成し、炭素質材料を製造した。
【００８７】
実施例及び比較例で得られた各炭素質材料の基礎物性を、後記表１にまとめて示す。
【００８８】
（活物質のドープ−脱ドープ試験）
実施例及び比較例で得られた各炭素質材料を用いて、以下のようにして非水溶媒系二次電池を作成し、その特性を評価した。
【００８９】
本発明の炭素質材料は非水溶媒二次電池の負極として用いるのに適しているが、本発明の効果である電池活物質のドープ容量、脱ドープ容量及び非脱ドープ容量を、対極の性能のバラツキに影響されることなく精度良く評価するために、特性の安定したリチウム金属を負極とし、上記で得られた炭素質材料を正極とするリチウム二次電池を構成し、その特性を評価した。
【００９０】
正極（炭素極）は以下のようにして製造した。上記のようにして製造した炭素質材料を９０重量部、ポリフッ化ビニリデン１０重量部に、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを加えてペースト状とし、アルミ箔上に均一に塗布し、乾燥した後、アルミ箔より剥離させ直径１５ｍｍの円板状に打ち抜き円盤状炭素質膜を調製する。つぎに、２０１６サイズ（すなわち直径２０ｍｍで、厚さ１．６ｍｍ）のコイン型電池用缶の内蓋に、直径１７ｍｍのステンレススチール網円板をスポット溶接した後、網円盤に円盤状炭素質膜をプレスにより加圧して圧着し正極とした。なお炭素極中の炭素質材料の量は、約２０ｍｇになるようにした。負極（リチウム極）の調製は、アルゴン雰囲気中のグローブボックス内で行った。予め、２０１６サイズのコイン型電池用缶の外蓋に直径１７ｍｍのステンレススチール網円板をスポット溶接した後、厚さ０．５ｍｍの金属リチウム薄板を直径１５ｍｍの円板状に打ち抜いたものを、ステンレススチール網円板に圧着し、負極とした。
【００９１】
このようにして製造した正極及び負極を用い、電解液としてはプロピレンカーボネートとジメトキシエタンを容量比で１：１で混合した混合溶媒に１モル／リットルの割合でＬｉＣｌＯ４  を加えたものを使用し、ポリプロピレン製微細孔膜をセパレータとし、ポリエチレン製のガスケットを用いて、アルゴングローブボックス中で２０１６サイズのコイン型非水溶媒系リチウム二次電池を組み立てた。  このような構成のリチウム二次電池において、炭素質材料からなる正極にリチウムのドーピング・脱ドーピングを行い、そのときの容量を求めた。ドーピングは０．５ｍＡ／ｃｍ２  の電流密度で１時間通電した後、２時間休止する操作を繰り返し、端子間の平衡電位が５ｍＶになるまで行った。このときの電気量を、使用した炭素質材料の重量で除した値を、ドープ容量と定義し、Ａｈ／ｋｇを単位として表わした。次に同様にして逆方向に電流を流し炭素質材料にドープされたリチウムを脱ドープした。脱ドープは０．５ｍＡ／ｃｍ２  の電流密度で１時間通電した後２時間休止する操作を繰り返し、端子電圧１．５ボルトをカットオフ電圧とした。このときの電気量を、使用した炭素質材料の重量で除した値を、脱ドープ容量と定義し、Ａｈ／ｋｇを単位として表わした。次いでドープ容量と脱ドープ容量との差として、非脱ドープ容量を求めた。脱ドープ容量をドープ容量で除した値に１００を乗じて、放電効率（％）を求めた。これは活物質がどれだけ有効に使用されたかを示す値である。
【００９２】
以上のようにして求めた各炭素質材料を正極としたリチウム二次電池の電池特性を表２にまとめて示す。
【００９３】
【表１】
0003565994.tif 000002
【００９４】
【表２】
0003565994.tif 000003
【００９５】
【発明の効果】
表１に記した原料−炭素化温度、得られた炭素材の基礎物性と対比して、表２に記した電池性能を見れば、実施例で得られた植物由来の炭素前駆体を脱灰処理後、炭素化して得られた炭素質材料を使用した二次電池は、ドープ容量と脱ドープ容量がともに高く、両者の差で表わされる非脱ドープ容量が著しく小さいため、電池活物質の有効利用が可能であることがわかる。
【００９６】
特に実施例２、３および６は、それぞれ比較例１、２および３との対比において、炭素前駆体のカリウム含有量を低下することにより、特に脱ドープ容量の著しい増大を通じて、放電効率の著しい向上が達成されていることを示す。
【００９７】
また比較例８は含有カリウムの悪影響を確認するために行われたものである。比較例８の炭素質材料は、実施例１で得られたカリウム含有率１００ｐｐｍ以下の脱灰炭素前駆体に、カリウム含有率２．８重量％になるように炭酸水素カリウムを担持させたものを、実施例２と同様の条件で本焼成を行ったものである。得られた炭素質材料はカリウムを１．５２重量％含むものである。比較例８の炭素質材料を用いた二次電池と、実施例２で得られた炭素質材料を用いた二次電池との、特性の対比から明らかなように、カリウムを含有する炭素質材料（比較例８の炭素質材料）を用いた二次電池は明らかに性能の劣ったものとなっていることがわかる。このことからその機構の詳細は明かではないが、カリウム元素が二次電池電極用炭素質材料に悪影響を及ぼしていることがわかる。
【００９８】
本発明の炭素質材料は、類似の構造のカリウム元素を含有する従来の炭素質材料に比較して、活物質の脱ドープ容量が大きく、非脱ドープ容量が小さく、電池特性において優れた効果を発揮する。
【００９９】
本発明の方法は、カリウム含有量が特定の値以下の植物由来の炭素前駆体を、適正な条件で焼成・炭素化することによって、優れた特性を有する上記二次電池電極用炭素質材料を容易に製造することができる、という優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従い構成可能な非水溶媒系二次電池の一部分解斜視図。
【図２】同二次電池に採用される電極構造体の部分断面図。
【符号の説明】
１  正極
２  負極
３  セパレータ
５  ケーシング（５ａ：底部、５ｂ：リム）
６  ガスケット
７  安全弁
８  頂部プレート
１０  電極構造体
１１  集電体
１２ａ、１２ｂ  電極合剤層
【図１】
0003565994.tif 000004
【図２】
0003565994.tif 000005