(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られる複層構造炭素質物であって、黒鉛質炭素粒子のｃ軸面層のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着している複層構造炭素質物。
【請求項２】
以下の要件の全てを満たすことを特徴とする請求項１に記載の複層構造炭素質物。
（ｂ）体積平均粒径が２〜７０μｍ
（ｃ）タップ密度が０．８０ｇ／ｃｍ３以上
（ｄ）平均円形度が０．９４以上
（ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値が０．１５以上である
【請求項３】
ＢＥＴ法にて測定した比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であって、且つ、該黒鉛質炭素粒子のＢＥＴ比表面積に対する比が０．４０以上１．００以内である請求項１又は２に記載の複層構造炭素質物。
【請求項４】
波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１３６０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙａに対する、１５８０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙｂの比であるＧ値＝Ｙｂ／Ｙａが該黒鉛質炭素粒子のＧ値よりも小さく、且つ、３．０以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項５】
複層構造炭素質物を用いてスラリーとし、集電体上に塗布、乾燥して電極を作製後、プレス荷重（線圧）２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下で、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３となるようにロールプレスし、プレス前の電極比表面積に対するプレス後の電極比表面積の比が０．９０以上１．２以下となるように電極を作製後、この電極を負極として用い、正極活物質、電解質及びセパレータを用いてコインタイプ電池を組み立て３サイクルまで充放電試験を行なった時、３サイクル目の放電容量が３５０ｍＡｈ／ｇ以上、１サイクル目の不可逆容量（１サイクル目の放電容量と充電容量の差）が４０ｍＡｈ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項６】
複層構造炭素質物を用いて電極を作製して電極密度１．７５ｇ／ｃｍ３にロールプレスした負極、正極活物質、電解質及びセパレータを用いて円筒タイプ電池を組み立てて、２５℃にて３００サイクルまで充放電試験を行なった時、１００サイクル時の放電容量維持率が８５％以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項７】
黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られる複層構造炭素質物であって、以下の（ｂ）〜（ｆ）の要件の全てを満たすことを特徴とする複層構造炭素質物。
（ｂ）体積平均粒径が２〜７０μｍ
（ｃ）タップ密度が０．８０ｇ／ｃｍ３以上
（ｄ）平均円形度が０．９４以上
（ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値が０．１５以上である
（ｆ）複層構造炭素質物を用いてスラリーとし、集電体上に塗布、乾燥して電極を作製後、プレス荷重（線圧）２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下で、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３にロールプレスした場合、プレス前の電極比表面積に対するプレス後の電極比表面積の比が０．９０以上１．２以下である
【請求項８】
ＢＥＴ法にて測定したＢＥＴ比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であって、且つ、該黒鉛質炭素粒子のＢＥＴ比表面積に対する比が０．４０以上１．００以内である請求項７に記載の複層構造炭素質物。
【請求項９】
波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１３６０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙａに対する、１５８０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙｂの比であるＧ値＝Ｙｂ／Ｙａが該黒鉛質炭素粒子のＧ値よりも小さく、且つ、３．０以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の複層構造炭素質物。
【請求項１０】
複層構造炭素質物を用いてスラリーとし、集電体上に塗布、乾燥して電極を作製後、プレス荷重（線圧）２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下で、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３となるようにロールプレスし、プレス前の電極比表面積に対するプレス後の電極比表面積の比が０．９０以上１．２以下となるように電極を作製後、この電極を負極として用い、正極活物質、電解質及びセパレータを用いてコインタイプ電池を組み立て３サイクルまで充放電試験を行なった時、３サイクル目の放電容量が３５０ｍＡｈ／ｇ以上、１サイクル目の不可逆容量（１サイクル目の放電容量と充電容量の差）が４０ｍＡｈ／ｇ以下であることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項１１】
複層構造炭素質物を用いて電極を作製して電極密度１．７５ｇ／ｃｍ３にロールプレスした負極、正極活物質、電解質及びセパレータを用いて円筒タイプ電池を組み立てて、２５℃にて３００サイクルまで充放電試験を行なった時、１００サイクル時の放電容量維持率が８５％以上であることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項１２】
以下の（ａ）〜（２ｇ）の要件の全てを満たすことを特徴とする複層構造炭素質物。
（ａ）球形化処理された黒鉛質炭素粒子１００重量部に対する残炭量が０．１重量部以上４重量部以下である有機化合物の炭素化物を添着させてなるもの
（ｂ）体積平均粒径が２〜７０μｍ
（ｃ）タップ密度が０．８０ｇ／ｃｍ３以上
（ｄ）平均円形度が０．９４以上
（ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値が０．１５以上である
（２ｇ）黒鉛質炭素粒子のｃ軸面層のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着している
【請求項１３】
ＢＥＴ法にて測定した比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であって、且つ、該黒鉛質炭素粒子のＢＥＴ比表面積に対する比が０．４０以上１．００以内である請求項１２に記載の複層構造炭素質物。
【請求項１４】
波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１３６０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙａに対する、１５８０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙｂの比であるＧ値＝Ｙｂ／Ｙａが該黒鉛質炭素粒子のＧ値よりも小さく、且つ、３．０以下であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の複層構造炭素質物。
【請求項１５】
複層構造炭素質物を用いてスラリーとし、集電体上に塗布、乾燥して電極を作製後、プレス荷重（線圧）２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下で、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３にロールプレスした場合、プレス前の電極比表面積に対するプレス後の電極比表面積の比が０．９０以上１．２以下であることを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項１６】
複層構造炭素質物を用いてスラリーとし、集電体上に塗布、乾燥して電極を作製後、プレス荷重（線圧）２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下で、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３となるようにロールプレスし、プレス前の電極比表面積に対するプレス後の電極比表面積の比が０．９０以上１．２以下となるように電極を作製後、この電極を負極として用い、正極活物質、電解質及びセパレータを用いてコインタイプ電池を組み立て３サイクルまで充放電試験を行なった時、３サイクル目の放電容量が３５０ｍＡｈ／ｇ以上、１サイクル目の不可逆容量（１サイクル目の放電容量と充電容量の差）が４０ｍＡｈ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項１７】
複層構造炭素質物を用いて電極を作製して電極密度１．７５ｇ／ｃｍ３にロールプレスした負極、正極活物質、電解質及びセパレータを用いて円筒タイプ電池を組み立てて、２５℃にて３００サイクルまで充放電試験を行なった時、１００サイクル時の放電容量維持率が８５％以上であることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の複層構造炭素質物。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれかに記載の複層構造炭素質物を製造する方法であって、黒鉛質炭素粒子と、有機化合物又は有機化合物の溶液とを混合する工程と、次いで、熱処理する工程を経て得られる複層構造炭素質物であって、黒鉛質炭素粒子１００重量部に対する残炭量が０．１重量部以上４重量部以下である有機化合物の炭素化物を添着させ、原料となる黒鉛質炭素粒子が以下の（１ａ）〜（１ｇ）の要件を全て満たす球形化処理された高結晶性黒鉛であることを特徴とする複層構造炭素質物の製造方法。
（１ａ）体積平均粒径が５〜５０μｍ
（１ｂ）タップ密度が０．７０ｇ／ｃｍ３以上
（１ｃ）ＢＥＴ法により測定される比表面積が１８ｍ２／ｇ未満
（１ｄ）広角Ｘ線回折法による当該黒鉛質炭素粒子の（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４５ｎｍ以下、且つ結晶子サイズ（Ｌｃ）が９０ｎｍ以上
（１ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いた、アルゴンイオンレーザースペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度比であるＲ値が０．１０以上
（１ｆ）真比重が２．２１ｇ／ｃｍ３以上
（１ｇ）ｃ軸面層のエッジ部にループ構造を有する
【請求項１９】
該黒鉛質炭素粒子と有機化合物との混合物に溶媒を含むことを特徴とする請求項１８に記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２０】
上記溶媒が、芳香族炭化水素系有機溶媒及び／又は複素環式有機溶媒を含有することを特徴とする請求項１９に記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２１】
黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合する工程において、有機化合物又は有機化合物の溶液の５０℃における動粘度を２５〜７５ｃｓｔに調整することを特徴とする請求項１８から２０のいずれかに記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２２】
黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合する工程において、混合しながら、有機化合物又は有機化合物の溶液を、２回以上に分割して且つ／又は少量ずつ連続して投入し、有機化合物又は有機化合物の溶液を黒鉛質炭素粒子に均一に添着させることを特徴とする請求項１８から２１のいずれかに記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２３】
上記有機化合物が重質油であることを特徴とする請求項１８から２２のいずれかに記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２４】
混合物を熱処理する工程において、揮発性成分を含む混合物を連続式加熱炉にて熱処理し、揮発性成分を実質的に含まない有機化合物の炭素化物を黒鉛質炭素粒子の表面に添着させることを特徴とする請求項１８から２３のいずれかに記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２５】
上記黒鉛質炭素粒子が、黒鉛質炭素粒子を加熱処理したものであることを特徴とする請求項１８から２４のいずれかに記載の複層構造炭素質物の製造方法。
【請求項２６】
請求項１８から２５のいずれかに記載の複層構造炭素質物の製造方法で製造されたものであることを特徴とする複層構造炭素質物。
【請求項２７】
請求項１から１７のいずれか又は請求項２６に記載の複層構造炭素質物を負極材料に用いたことを特徴とする非水系二次電池用負極。
【請求項２８】
リチウムを吸蔵・放出することが可能な炭素質物を含む負極、正極、及び溶質と非水系溶媒からなる非水系二次電池であって、該負極が請求項２７に記載の非水系二次電池用負極であることを特徴とする非水系二次電池。
【請求項２９】
上記溶質が、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）及びＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３からなる群より選択される１以上の化合物であり、上記非水系溶媒が環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有することを特徴とする請求項２８に記載の非水系二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複層構造炭素質物及びその製造方法に関し、詳しくは、それを負極材料に用いた非水系二次電池用負極及び非水系二次電池に関する。更に詳しくは、高容量で初期充放電時の不可逆容量が低く、良好なサイクル特性を有する非水系二次電池を構成し得る電極材料、好ましくは負極用の炭素材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化に伴い二次電池の高容量化が望まれている。そのため、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池が注目されている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池の負極材料としては、最初にリチウム金属を用いることが試みられたが、充放電を繰り返すうちにデンドライト状のリチウムが析出してセパレータを貫通して、正極にまで達し、短絡して発火事故を起こす可能性があることが判明した。そのため、現在では、充放電過程における非水溶媒の出入りを層間でおこない、リチウム金属の析出を防止できる炭素材料を負極材料として使用することが注目されている。
【０００４】
炭素材料を使用した非水系二次電池としては、結晶化度の低い難黒鉛質炭素材料を負極材料に採用した電池がまず上市された。続いて、結晶化度の高い黒鉛類を用いた電池が上市されて現在に至っている。
【０００５】
黒鉛の電気容量は、理論上３７２ｍＡｈ／ｇが最大であり、電解液の選択を適切に行なえば、高い充放電容量の電池を得ることが可能である。
【０００６】
更に、特許文献１や特許文献２に示されるような、複層構造を有する炭素質物を用いることも検討されている。これは、結晶性の高い黒鉛の長所（高容量、且つ不可逆容量が低い）と、結晶性の低い炭素質物の長所（炭素質物内のグラフェン層間が広いためにリチウムの吸蔵・放出がスムーズで、高出力、且つ電解液と反応し難い）とを活かし、結晶性の高い黒鉛の短所（プロピレンカーボネート系電解液を分解する）と結晶性の低い炭素質物の短所（不可逆容量が大きい）とを補完するという考えに基づくものである。
【０００７】
しかしながら、かかる複層構造を有する炭素質物を用いることによって、ある程度は問題点を解決できるものの、高容量で初期充放電時の不可逆容量が充分低く、良好なサイクル特性を有する非水系二次電池を得るには更なる発展が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１７１６７７号公報
【特許文献２】特開平４−３７０６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、高容量で初期充放電時の不可逆容量が低く、良好なサイクル特性を有する非水系二次電池用の負極材料を提供することにあり、またそれを用いた非水系二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、各種物性の電極材料について鋭意検討を重ねた結果、従来の技術では、上記のような複層構造炭素質物と増粘剤、結着剤とを混合し、分散媒を加えたスラリーを調製し、集電体である銅箔上に塗布・乾燥して電極を作製した後、規定の電極密度まで電極をプレスすると、多大な荷重（負荷）が電極にかかり、黒鉛より硬くて脆い低結晶性の表層炭素質物質の破壊と剥離を招き、内部の黒鉛が直接電解液に接触するようになることを見出した。そして、そのために本来複層構造の持つ前述のコンセプトが発現しにくくなり、初期充放電時の不可逆容量の増加、サイクル特性の低下等が顕著に引き起こされることを見出した。
【００１１】
そこで、本発明者は、黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られる複層構造炭素質物において、黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着している複層構造炭素質物を用いることで、電極を高密度化した場合でも、従来達成できなかった以下の効果があることを見出した。
【００１２】
すなわち、黒鉛単独や従来の複層構造炭素質物に比べて、本発明の複層構造炭素質物は、電極作製時に複層構造炭素質物の表面に存在する低結晶性炭素の破壊・剥離が起こり難く、且つ、プレス荷重が低く抑えられる。その結果、高容量で初期充放電時の不可逆容量が低く、サイクル特性が良好となって、極めて良好な電池特性を有する非水系二次電池が得られることを見出し本発明に到達した。
【００１３】
すなわち、本発明は、黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られる複層構造炭素質物であって、黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着している複層構造炭素質物を提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、以下の要件の全てを満たすことを特徴とする上記の複層構造炭素質物を提供するものである。
（ｂ）体積平均粒径が２〜７０μｍ
（ｃ）タップ密度が０．８０ｇ／ｃｍ３以上
（ｄ）平均円形度が０．９４以上
（ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値が０．１５以上である
【００１５】
また、本発明は、黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られる複層構造炭素質物であって、以下の（ｂ）〜（ｆ）の要件の全てを満たすことを特徴とする複層構造炭素質物を提供するものである。
（ｂ）体積平均粒径が２〜７０μｍ
（ｃ）タップ密度が０．８０ｇ／ｃｍ３以上
（ｄ）平均円形度が０．９４以上
（ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値が０．１５以上である
（ｆ）複層構造炭素質物を用いてスラリーとし、集電体上に塗布、乾燥して電極を作製後、プレス荷重（線圧）２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下で、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３にロールプレスした場合、プレス前の電極比表面積に対するプレス後の電極比表面積の比が０．９０以上１．２以下である
【００１６】
また、本発明は、黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られ、以下の（ａ）〜（ｅ）の要件の全てを満たすことを特徴とする複層構造炭素質物を提供するものである。
（ａ）球形化処理された黒鉛質炭素粒子１００重量部に対する残炭量が０．１重量部以上４重量部以下である有機化合物の炭素化物を添着させてなるもの
（ｂ）体積平均粒径が２〜７０μｍ
（ｃ）タップ密度が０．８０ｇ／ｃｍ３以上
（ｄ）平均円形度が０．９４以上
（ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値が０．１５以上である
【００１７】
また、本発明は、上記の複層構造炭素質物を製造する方法であって、黒鉛質炭素粒子と、有機化合物又は有機化合物の溶液とを混合する工程と、次いで、熱処理する工程を経て得られる複層構造炭素質物であって、原料となる黒鉛質炭素粒子が以下の（１ａ）〜（１ｆ）の要件を全て満たす球形化処理された高結晶性黒鉛であることを特徴とする複層構造炭素質物の製造方法を提供するものである。
（１ａ）体積平均粒径が５〜５０μｍ
（１ｂ）タップ密度が０．７０ｇ／ｃｍ３以上
（１ｃ）ＢＥＴ法により測定される比表面積が１８ｍ２／ｇ未満
（１ｄ）広角Ｘ線回折法による当該黒鉛質炭素粒子の（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４５ｎｍ以下、且つ結晶子サイズ（Ｌｃ）が９０ｎｍ以上
（１ｅ）波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いた、アルゴンイオンレーザースペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度比であるＲ値が０．１０以上
（１ｆ）真比重が２．２１ｇ／ｃｍ３以上
【００１８】
また、本発明は、上記の複層構造炭素質物を負極材料に用いたことを特徴とする非水系二次電池用負極を提供するものである。
【００１９】
また、本発明は、リチウムを吸蔵・放出することが可能な炭素質物を含む負極、正極、及び溶質と非水系溶媒からなる非水系二次電池であって、上記の非水系二次電池用負極であることを特徴とする非水系二次電池を提供するものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電極作製時に複層構造炭素質物の表面に存在する低結晶性炭素の破壊・剥離が起こり難く、プレス荷重が低く抑えられる。その結果、黒鉛並の高い放電容量を保持し、初期充放電時の不可逆容量を低くでき、良好なサイクル特性を有する等、電池特性に優れた非水系二次電池用の負極材料を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例９の複層構造炭素質物の透過型電子顕微鏡（以下、「ＴＥＭ」と略記する）写真（3200000倍）を示す図である。
【図２】実施例２の複層構造炭素質物のＴＥＭ写真（4000000倍）を示す図である。
【図３】実施例３の複層構造炭素質物のＴＥＭ写真（4000000倍）を示す図である。
【図４】実施例７の複層構造炭素質物のＴＥＭ写真（2000000倍）を示す図である。
【図５】比較例２の複層構造炭素質物のＴＥＭ写真（4000000倍）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明について説明するが、本発明は、以下の具体的形態に限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で任意に変形することができる。
【００２３】
本発明の複層構造炭素質物（以下、「本発明の炭素質物」と称することもある）は、黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られ、特定の要件を満たすものである。すなわち、本発明は、黒鉛質炭素粒子の表面に有機化合物の炭素化物が添着してなる複層構造炭素質物に関するものである。
【００２４】
そして、本発明の炭素質物は、黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着していることを特徴とする。ここで、黒鉛質炭素粒子のエッジ部のループ構造は、後述するような透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真により実際に確認することができる。本発明の炭素質物は、ＴＥＭで観察した際に、黒鉛質炭素粒子の粉末表面において、主として炭素６員環が平面内で連結した網目構造からなるグラファイトｃ軸面層のエッジ部が、重なりあって閉じたループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着している。一方、このループ構造が存在しないか、または、存在してもほとんどのループ構造が崩れエッジ部がそのまま剥き出しとなっている場合には、その表面に有機化合物の炭素化物が添着しても、本発明の効果は得られない。
【００２５】
本発明において、黒鉛質炭素粒子のエッジ部に上記のようなループ構造が存在し、かつ、その表面に有機化合物の炭素化物が添着してなる炭素質物が効果を奏する理由は定かではないが、以下のように考えられる。すなわち、黒鉛質炭素粒子のエッジ部は、電解液と負極が接している部分でＳＥＩ膜が形成されやすい端部であるため、黒鉛質炭素粒子のエッジ部、特にｃ軸面層のエッジ部が、重なりあって閉じたループ構造を形成し不活性化されることにより、前述のＳＥＩ膜がより薄く形成され、その分、不可逆容量が低減されるためと考えられる。
【００２６】
（１）本発明の炭素質物の原料
（Ａ）黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）
本発明における黒鉛質炭素粒子は、本発明の炭素質物の核材として用いられる。かかる黒鉛質炭素粒子を、以下単に、「核材Ｎ」と略記する。
【００２７】
＜黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）の物性＞
本発明における核材Ｎは、体積平均粒径が５〜５０μｍの範囲内が好ましく、７〜３５μｍの範囲内であることがより好ましく、８〜２７μｍの範囲内であることが更に好ましい。なお、本明細書において「〜」で記載される範囲は、「〜」の前後に記載される数値を含む範囲を示す。体積平均粒径が大きすぎると負極の表面の平滑性が損なわれ、一方、体積平均粒径が小さすぎると比表面積が増加しすぎるので好ましくない場合がある。体積平均粒径は、後述の方法で測定され、そのように測定したものとして定義される。
【００２８】
高密度の負極を得るためには、原料である核材Ｎの充填性が高い、すなわちタップ密度が高いことが好ましい。本明細書における「タップ密度」とは、５００回タップした後の嵩密度を意味しており、以下の式で表される。
［タップ密度］＝［充填粉体の質量］／［粉体の充填体積］
【００２９】
本発明における核材Ｎは、タップ密度が０．７０ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、０．７５ｇ／ｃｍ３以上であることが特に好ましい。また上限は、好ましくは１．４０ｇ／ｃｍ３以下、より好ましくは１．２０ｇ／ｃｍ３以下である。粉体粒子の充填構造は、粒子の大きさ、形状、粒子間の相互作用力の程度等によって左右されるが、本明細書では充填構造を定量的に議論する指標としてタップ密度を用いており、タップ密度が０．７０ｇ／ｃｍ３以上である核材Ｎとは、電極の充填率が高く、粒子形状が球状若しくはそれに準ずる楕円体状であることを示している。タップ密度が小さい核材Ｎは、所定の密度にプレスされ負極とした時に板状の黒鉛結晶の配向が著しく、高速でのリチウムイオンの移動が必要な、高負荷での充放電が妨げられる場合がある。
【００３０】
本発明における核材Ｎは、ＢＥＴ比表面積が１８ｍ２／ｇ未満、更には１５ｍ２／ｇ以下、特には１３ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。ＢＥＴ比表面積がこの範囲より大きすぎると、低結晶性の炭素の被覆が不完全になる場合がある。
【００３１】
Ｘ線広角回折法によって求められる（００２）面の面間隔（ｄ００２）が好ましくは０．３４５ｎｍ以下、より好ましくは０．３４０ｎｍ以下、特に好ましくは０．３３７ｎｍ未満である。また、ｃ軸方向の結晶子の大きさＬｃが１５ｎｍ以上好ましく、５０ｎｍ以上がより好ましく、９０ｎｍ以上が特に好ましい。面間隔（ｄ００２）及び結晶子の大きさ（Ｌｃ）は、炭素材料バルクの結晶性を示す値であり、（００２）面の面間隔（ｄ００２）の値が小さいほど、また結晶子の大きさ（Ｌｃ）が大きいほど、結晶性が高い炭素材料であることを示し、黒鉛層間に入るリチウムの量が理論値に近づくので容量が増加する。核材Ｎの結晶性が低いと高結晶性黒鉛を電極に用いた場合の優れた電池特性（高容量で、且つ不可逆容量が低い）が発現されない。面間隔（ｄ００２）と結晶子サイズ（Ｌｃ）は、上記範囲が組み合わされていることが特に好ましい。
【００３２】
本発明における核材Ｎは、波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いた、アルゴンイオンレーザースペクトルにおける１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度比であるＲ値が０．１０以上のものが好ましく、０．１３以上がより好ましく、０．１５以上が特に好ましい。Ｒ値の上限は０．９０以下であればよく、好ましくは０．７０以下、特に０．５０以下が好ましい。
【００３３】
Ｒ値は、炭素粒子の表面近傍（粒子表面から１００Å位まで）の結晶性を示す指標であり、Ｒ値が大きいほど表面の結晶性が低く、結晶構造が乱れていることを示す。球形化処理した核材Ｎは一般に粒子表面が荒れて処理前の黒鉛よりＲ値が大きいので、後述の複層構造炭素質物に用いた場合に、被覆した炭素材料との結着性が高まる効果もある。Ｒ値が小さすぎると高結晶性の黒鉛質炭素粒子と低結晶性の炭素質との結着力が低下し、剥離しやすくなる場合がある。一方、Ｒ値が大きすぎるとバルクの結晶性も低下する傾向にあり好ましくない場合がある。
【００３４】
また、アルゴンレーザーラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１のピークの半値幅（Δν）は通常１７ｃｍ−１以上であり、好ましくは１９ｃｍ−１以上、更に好ましくは２１ｃｍ−１以上、特に好ましくは２３ｃｍ−１以上、上限は通常３３ｃｍ−１以下、好ましくは３１ｃｍ−１以下、更に好ましくは２９ｃｍ−１以下、特に好ましくは２７ｃｍ−１以下である。半値幅（Δν）が小さすぎる場合と大きすぎる場合は、Ｒ値が小さすぎる場合と大きすぎる場合と同様の理由で好ましくない場合がある。
【００３５】
広角Ｘ線回折法による（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４５ｎｍ以下、結晶子サイズ（Ｌｃ）が９０ｎｍ以上であり、且つＲ値が０．１０以上である核材Ｎは、粒子全体の結晶性は高いにも関わらず、粒子の表面近傍は荒れて歪が大きくエッジ部分が多く存在している状態を示している。
【００３６】
本発明における核材Ｎは、真密度が２．２１ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、２．２２ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましく、２．２４ｇ／ｃｍ３以上であることが特に好ましい。上限は黒鉛の理論密度である２．２６ｇ／ｃｍ３である。真密度は黒鉛の結晶性と関連しており、この範囲より小さいと結晶性が低下し充放電容量の低下を招く場合がある。
【００３７】
本発明における核材Ｎは以上の条件を満たすものが好ましいが、（１ａ）体積平均粒径が５〜５０μｍ、（１ｂ）タップ密度が０．７０ｇ／ｃｍ３以上、（１ｃ）ＢＥＴ法により測定される比表面積が１８ｍ２／ｇ未満、（１ｄ）（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４５ｎｍ以下、且つ結晶子サイズ（Ｌｃ）が９０ｎｍ以上、（１ｅ）Ｒ値が０．１０以上、且つ（１ｆ）真比重が２．２１ｇ／ｃｍ３以上、であるものが特に好ましい。なお、その他の物性は特に限定されない。
【００３８】
＜核材Ｎの原料＞
本発明における核材Ｎの原料は、特に限定されず、天然黒鉛、人造黒鉛、ピッチ系、ポリアクリロニトリル系、メソフェーズピッチ系、気相成長系、それぞれの炭素繊維を粉末状に加工したもの等の黒鉛質炭素粒子を用いることができる。好ましくは、最も結晶性の高い鱗状若しくは鱗片状の天然黒鉛を原料とすることが好ましい。なお、これらは単体でも、またこれら２種以上を混合してもよい。
【００３９】
＜核材Ｎの製造法＞
本発明における核材Ｎの製造方法は特に制限されない。例えば、市販の天然黒鉛若しくは人造黒鉛の篩い分けや、風力分級等の分別手段を用いて上記特性を有するＮを選別して取得することもできる。好ましい製造方法は、天然から産出する黒鉛質炭素粒子や人工的に製造された黒鉛質炭素粒子に対して、例えば、特開２０００−３４０２３２号公報に示されるような特定の粉砕機による球形化処理（力学的なエネルギー処理）を施し、球状若しくはそれに準ずる楕円体状に改質して核材Ｎを製造する方法である。更に好ましくは、球形化処理を施した黒鉛質炭素粒子を、風力分級等の分別手段を用いて粗大粒子及び微粒子を除去することが望ましい。
【００４０】
＜核材Ｎに必要な物性の達成＞
上述の球形化処理を行なうことにより、処理後の黒鉛質炭素粒子のＲ値を処理前に比べて通常１．５倍以上、好ましくは２倍以上、上限は特に限定されないが、通常１０倍以下、好ましくは７倍以下に増加させ、Ｒ値が通常０．１０以上、好ましくは０．１３以上、特に好ましくは０．１５以上の核材Ｎとし、また、タップ密度が０．７０ｇ／ｃｍ３以上とすることができる。広角Ｘ線回折法による（００２）面の面間隔（ｄ００２）が０．３４５ｎｍ以下、結晶子サイズ（Ｌｃ）が９０ｎｍ以上であることは、本処理の前後で殆ど変化しないことが好ましい。
【００４１】
（Ｂ）核材Ｎの熱処理品Ｐ
本発明においては、前記したような黒鉛質炭素粒子をそのまま有機化合物と混合してもよいが、加熱処理をしてから有機化合物と混合することが好ましい。更に、上記のように球形化処理後の黒鉛質炭素粒子を加熱処理することがより好ましい。球形化処理後の黒鉛質炭素粒子を連続式加熱炉等にて窒素雰囲気下等で加熱処理したものを使用することが特に好ましい。ここで、「加熱処理」とは、該黒鉛質炭素粒子を５００℃以上２０００℃以下で加熱炉等を用いて加熱することをいう。以下、黒鉛質炭素粒子を加熱処理したものを「熱処理品Ｐ」と略記することがある。
【００４２】
熱処理品Ｐは、ＴＥＭ像において表面にループ構造が５ｎｍ中に３個以上存在していることが好ましい。なお、本発明においては、特に言及しない限り、核材Ｎには上記熱処理品Ｐも含むものとする。
【００４３】
（Ｃ）炭素化物Ｓ
本発明の炭素質物の表面に付着されており、核材Ｎを被覆する有機化合物の炭素化物（以下、これを「炭素化物Ｓ」と略記する）の前駆体には、重質油等の液相炭化反応を伴う有機物、熱硬化性樹脂等の固相炭化反応を伴う有機化合物等又はそれらの混合物等の有機化合物が用いられる。有機化合物としては、「『炭素材の化学と工業』持田勲著、朝倉書店発行」に記載のものが好適に用いられる。この有機化合物は、焼成することによって炭素化するものであれば特にその種類は制限されない。
【００４４】
＜炭素化物Ｓの液相炭素化＞
液相で炭素化を進行させる有機化合物として、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ；石炭液化油等の直流系重質油；アスファルテン等の石油系重質油；原油、ナフサ等の熱分解時に副生するナフサタール等分解系重質油等の石油系重質油；分解系重質油を熱処理することにより得られるエチレンタールピッチ、ＦＣＣデンカントオイル、アシュランドピッチ等の熱処理ピッチ；等を用いることができる。
【００４５】
更に、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール等のビニル系高分子；３−メチルフェノールホルムアルデヒド樹脂、３，５−ジメチルフェノールホルムアルデヒド樹脂等の置換フェノール樹脂；アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン等の芳香族炭化水素；フェナジンやアクリジン等の窒素環化合物；チオフェン等のイオウ環化合物；等を挙げることができる。
【００４６】
これらの有機化合物を必要に応じて、適宜溶媒を選択して溶解希釈することにより、核材Ｎの表面に添着させて使用することができる。該有機化合物の選択としては、核材Ｎの表面にそのループ構造を保持したままで添着させる必要性から、低粘度であればある程好ましい。
【００４７】
＜炭素化物Ｓの固相炭素化＞
また、固相で炭素化を進行させる有機化合物としては、セルロース等の天然高分子；ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル等の鎖状ビニル樹脂；ポリフェニレン等の芳香族系ポリマー；フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂等；を挙げることができる。また、これらの有機化合物を必要に応じて、適宜溶媒を選択して溶解希釈することにより、核材Ｎの表面に添着させて使用することができる。
【００４８】
＜炭素化物Ｓの特徴＞
このような炭素化物Ｓは、核材Ｎに可撓性があるために荷重をかけると変形し易い高結晶性の黒鉛に対して、逆に結晶性が乏しいために硬くて変形し難く、荷重をかけると脆く破壊され易いという力学的性質を有する。
【００４９】
（２）本発明の炭素質物の製造工程全体
本発明における炭素質物を得るための製造方法について以下に説明する。本発明の炭素物の製造方法は主に次の工程からなる。
【００５０】
（Ａ）核材Ｎと、有機化合物若しくはその溶液とを混合し、混合物を得る混合工程。
本工程の後半では、揮発分の一部を除去し、有機化合物に熱処理が施された中間生成物として回収されることが好ましい。
（Ｂ）上記混合物を加熱し、炭素化物を得る熱処理工程。
好ましくは不活性ガス雰囲気下で、好ましくは６００℃以上３０００℃以下で加熱することが望ましい。
（Ｃ）上記で得られたものの粉体加工を行なう粉体加工工程。
【００５１】
なお、核材Ｎとして、熱処理品Ｐを用いる場合には、上記工程（Ａ）の前工程として、以下の工程が含まれる。
（Ａ’）核材Ｎを加熱し熱処理品Ｐを得る加熱処理工程。
好ましくは不活性ガス雰囲気下で、好ましくは６００℃以上１５００℃以下で加熱する。
【００５２】
以下、各工程について説明する。
（Ａ’）核材Ｎの加熱処理工程
加熱処理工程では、核材Ｎを、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等の不活性ガス流通下で加熱される。本加熱処理工程においては、黒鉛質炭素粒子のエッジ面が不活性化されて、表層にループ状の構造物が形成される。
本加熱処理工程の加熱処理条件としては、最高到達温度が重要である。その温度下限は、通常５００℃以上、好ましくは６００℃以上、更に好ましくは８００℃以上、より好ましくは８５０℃以上である。これより低い温度では、核材Ｎのエッジ面にループ状の構造物は形成されず、一方、上限温度については、通常核材Ｎのエッジ面が十分に不活性化される２０００℃以下、特に好ましくは１５００℃以下である。これより高い温度での加熱処理は、核材Ｎのエッジ面の構造を変えてしまう可能性が高く、加熱処理のコストが高くなる場合がある。
【００５３】
（Ａ）混合工程
混合工程では、核材Ｎと有機化合物若しくはその溶液とを混合する。混合工程は回分式又は連続式の何れの装置で行なってもよい。また、室温で行ってもよいし、反応槽を加温して行なってもよい。反応槽を加温して行なう場合は、混合物の粘度を低下させ、装置に掛かる負荷を低減し、混合効率を高めることができる。更に、混合時の槽内圧力を減圧にすることで、微小粉末からの脱泡効果を高め、分散性の向上を図ることもできる。
【００５４】
＜具体的な混合法の例（１）＞
回分式の場合、混合装置は攪拌翼を備えた混合機１機で構成しても、複数台で構成して順次分散度を向上させてもよい。回分式混合装置としては、２本の枠型ブレードが固定式タンク内で遊星運動を行ないながら回転する構造を有する混合機、高速高剪断ミキサーであるディゾルバーや高粘度用のバタフライミキサーのような１枚のブレードがタンク内を攪拌・分散を行なう形態の装置、半円筒状混合槽の側面に沿ってシグマ型等の攪拌翼が回転する構造を有する、いわゆるニーダー形式の装置、攪拌翼を合計３軸にしたトリミックスタイプの装置、分散槽内に回転ディスクと分散媒体を有するいわゆるビーズミル形式の装置等を用いることができる。何れの装置を用いるかは、核材Ｎと有機物とを混合した際の粘度を考慮して決定する。
【００５５】
＜具体的な混合法の例（２）＞
一方、連続式の装置を用いる場合には、パイプラインミキサーを用いてもよいし、連続式ビーズミル（媒体分級機）を用いてもよい。更に、通常の樹脂加工等に用いられる混合機に、液漏れ対策を施して用いてもよい。混合装置と次工程を受け持つ装置が別個の場合は、連続式混合機を用いることにより、次工程を受け持つ装置への輸送を混合と同時に行なうことができ、製造工程をより効率化することができる。
【００５６】
＜具体的な混合法の例（３）＞
また、内部に１本のシャフトとシャフトに固定された複数の鋤状又は鋸歯状のパドルが位相を変えて複数配置された反応室を有し、その内壁面は、パドルの回転の最外線に沿った円筒型に形成され、その隙間を最小限とし、パドルはシャフトの軸方向に複数枚整列された構造の外熱式反応装置を用いれば、同一装置で、混合工程と、揮発分を一部除去するための低温熱処理工程とを行なうことができる。
【００５７】
＜具体的な混合法の例（４）＞
本工程においては、常に攪拌しながら加熱することが重要な点である。本工程に適した装置としては、例えば、（ａ）内部にシャフトによって回転されるパドルが内装された反応室を有し、反応室内壁面はパドルの回転の最外線に実質的に沿って、好ましくは長い双胴型に形成され、パドルは互いに対向する側面を摺動可能に咬合するようにシャフトの軸方向に多数対配列された構造を有する反応機、（ｂ）内部に１本のシャフトとシャフトに固定された複数の鋤状又は鋸歯状のパドルが位相を変えて複数配置された反応室を有し、その内壁面は、パドルの回転の最外線に実質的に沿って、好ましくは円筒型に形成されたその隙間を最小限とし、パドルはシャフトの軸方向に複数枚配列された構造の（外熱式）反応装置等を挙げることができる。このような構造を有する反応装置を用いることにより、核材Ｎの細孔部分にも炭素化物Ｓが充填された、品質の良好な非水系二次電池用負極材料を得ることができる。
【００５８】
上述の（ａ）タイプの反応装置としては、例えば、栗本鉄工所（株）製の「ＫＲＣリアクタ」や「ＳＣプロセッサ」、（株）東芝機械セルマック製の「ＴＥＭ」、（株）日本製鋼所製の「ＴＥＸ−Ｋ」等がある。また、（ｂ）タイプの反応装置としては、例えば、（株）マツボー製の「レディゲミキサー」、太平洋機工社製の「プロシェアミキサー」、月島機械（株）製の「ＤＴドライヤー」等がある。
【００５９】
更に上述の（ｂ）タイプの装置において、反応室内壁面に高速で回転するスクリュー型解砕翼を、一段若しくは多段に、１個若しくは複数個設置することは、混合操作、或いはその後の反応操作において凝集体の発生を防ぐことをより確実とし、より均一な中間物質を得られるため好ましい。
【００６０】
このような反応装置を用いることにより、
（イ）本発明の炭素質物のように、黒鉛質炭素粒子の表面に極薄い有機化合物又はその溶液を付着させることができる。
（ロ）炭素材料の製造には必要不可欠である、有機化合物又はその溶液が十分に芳香族化した構造に変化するまでの熱処理工程を連続的に行なうことができる。
（ハ）有機化合物又はその溶液の反応槽内壁への固着を、攪拌翼により抑制することができる。
（ニ）攪拌翼の回転が遠心渦流を起こし、原料の精密な混合が可能な上、ダマの発生を防ぐ。これにより、混合工程においては核材Ｎと有機化合物又はその溶液とが非常によく分散され、反応工程においては反応物が流動性を示さなくなった後でも攪拌が可能であり、核材Ｎが均一に分散し、細孔内部まで有機化合物又はその溶液が充填され、且つ、反応槽内での場所による偏りのない、均一に熱処理された製品を得ることができる。
（ホ）特に（ｂ）タイプの反応装置を用いた場合は、混合工程と中間物質を得る工程を同時に行なうことが可能である。
等の利点がある。
【００６１】
＜本発明の効果の達成手段の例（１）（低粘度化、溶媒希釈）＞
本発明の効果を達成するために、炭素化物Ｓを核材Ｎの細孔を含む全表面に、均一に、かつ、ループ構造を保持したままで添着させることが必要である。そのために、核材Ｎを、好ましくは５０℃における動粘度が２５〜７５ｃｓｔの「有機化合物中又は有機化合物の溶液中」に、特に好ましくは、５０℃における動粘度が３０〜５０ｃｓｔの「有機化合物中又は有機化合物の溶液中」に、混合・分散し、有機化合物又はその溶液と接触させることで、有機化合物又はその溶液、特に重質油又はその溶液中に含まれる多環芳香族分子、好ましくはより分子量の大きな多環芳香族オリゴマーによって、核材Ｎの表面及び細孔内を置換する操作を行なう。
【００６２】
特に、５０℃における動粘度が２００ｃｓｔを越える重質油を用いる場合は、有機化合物又はその溶液の均一で効率的な核材Ｎへの吸着・含浸を行なうために、溶媒、例えばトルエン、キシレン、アルキルベンゼン等の芳香族炭化水素系有機溶媒、及び／又は、キノリン、ピリジン等の複素環式有機溶媒を、核材Ｎと、有機化合物又はその溶液との混合体に添加することが好ましい。なお、芳香族炭化水素系有機溶媒の方が、本発明には好ましい。
【００６３】
＜本発明の効果の達成手段の例（２）（分割投入）＞
本発明のような、核材Ｎの表面上のループ構造を保持した複層構造炭素質物を得るためには、この混合工程で回分式混合装置を用い、混合しながら、核材Ｎに対し有機化合物又はその溶液の偏在を避けるために、有機化合物又はその溶液を、通常２回以上、好ましくは３乃至１０回、更に好ましくは３乃至５回に分割し、且つ／又は、（全混合時間の好ましくは１／１０、特に好ましくは１／５の時間で）、少量ずつ連続して投入することが好ましい。ここで、「且つ」は、分割添加するそのそれぞれを少量ずつ連続して投入することを意味する。
【００６４】
全混合時間は、通常３分以上１０分以下、好ましくは３分以上８分以下、更に好ましくは３分以上６分以下とすることが望ましい。この理由は、少量ずつ有機化合物又はその溶液を投入することで、核材Ｎの表面により均一に有機化合物又はその溶液を添着させることができるためである。
【００６５】
＜本発明の効果の達成手段の例（３）（予備溶媒処理）＞
更に本発明では、核材Ｎを予め溶媒処理しておくことも有用である。核材Ｎを芳香族系溶媒に浸漬し、表面及び細孔中を溶媒により置換しておき、しかる後に過剰な溶媒から分離しておいた核材Ｎを用いることで、核材Ｎの有機化合物又はその溶液に対する濡れ性を向上させる効果が得られる。有機溶媒の添加割合としては、核材Ｎと有機化合物又はその溶液との混合体に溶媒を加えた状態がスラリー状になることが望ましい。有機化合物が固体である場合は溶媒により溶解し、液体である場合は希釈により粘度を調整する必要がある。なお、有機化合物を溶解する際に、その全成分が必ずしも全て溶解する必要はなく、特定の粘度範囲で液状化していればよい。特に有機化合物に重質油を用いる場合は、５０℃における動粘度が７５ｃｓｔを越えると電極性能にバラツキが生じる場合がある。これは有機化合物又はその溶液が核材Ｎの細孔へ充填され難くなるためと考えられる。
【００６６】
＜混合雰囲気＞
本混合工程において、反応装置内の雰囲気は不活性雰囲気又は非酸化性雰囲気が好ましいが、中間物質が酸化による劣化を伴わない条件であれば特に雰囲気を限定しなくてもよい。更に、反応槽内圧力を減圧状態にすることで、微小粉末からの脱泡効果を高めて、分散性の向上を図り、核材Ｎと有機化合物又はその溶液の混合スラリーからの揮発分除去効果を高めることもできる。本混合工程における熱処理温度は、有機化合物又はその溶液の種類により最適温度が異なるが、溶媒の沸点以上、通常５０〜６００℃の範囲、好ましくは６０〜５００℃の範囲である。
【００６７】
＜混合工程後半の脱溶媒＞
混合工程で核材Ｎが十分均一に分散し、また、核材Ｎの細孔にも有機化合物又はその溶液が十分充填された混合物は、本混合工程で混練（攪拌）されながら加熱され、核材Ｎと有機化合物又はその溶液が高度に分散し、且つ有機化合物又はその溶液に一定の揮発分の除去と加熱が施された中間生成物として回収され、熱処理工程（炭素化工程）に供される。
【００６８】
（Ｂ）熱処理工程
混合工程で揮発分を一部除去し、重縮合した有機化合物又はその溶液と、核材Ｎとからなる中間物質は、本熱処理工程において、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等の不活性ガス流通下で加熱される。本熱処理工程においては炭素前駆体の熱化学反応が進行し、前駆体の組成中に残留した酸素、窒素、水素等が系外へ排出されると共に、構造欠陥が熱処理の度合いによって除去され、黒鉛化の度合いを高める。
【００６９】
本熱処理工程の熱処理条件としては、最高到達温度が重要である。その温度下限は芳香族化した重質油の種類や熱履歴によっても若干異なるが、通常６００℃以上、好ましくは８００℃以上、更に好ましくは８５０℃以上である。これより低い温度では、水素等が残留しており、炭素化が不十分となる場合がある。一方、上限温度については、基本的に核材Ｎの結晶構造を上回る構造秩序を有しない温度まで上げることができる。従って熱処理の上限温度としては、通常３０００℃以下、好ましくは２５００℃以下、更に好ましくは２０００℃以下、特に好ましくは１５００℃以下である。これより高い温度は熱処理のコストが高くなる場合がある。このような熱処理条件において、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は目的に応じて任意に設定できる。また、比較的低温領域で熱処理した後、所定の温度まで昇温することもできる。
【００７０】
混合物を熱処理する工程において、揮発性成分を含む混合物を連続式加熱炉にて熱処理し、揮発性成分を実質的に含まない有機化合物の炭素化物を黒鉛質炭素粒子の表面に添着させることが、核材Ｎに対し炭素化物Ｓをより均一に添着させる点で好ましい。
【００７１】
＜具体的な炭素化法の例＞
本熱処理工程に適した装置は特に制限されないが、例えば、被加熱物が炉の内部を移動する形式であり、被加熱物を加熱して含まれている揮発性成分を除去する前段炉と、前段炉を通過した被加熱物を更に高温に加熱して炭化度を向上させる後段炉との少なくとも２つの炉と、両者の間に介在する中間室から成り、前段炉も後段炉も内部に発熱体を備えており、前段炉の入口及び後段炉の出口、並びに前段炉と中間室との間及び後段炉と中間室との間には扉が設置せれており、且つ、炉内の雰囲気を制御し得るようになっていることを特徴とする連続式加熱炉が挙げられる。
【００７２】
前述の連続式加熱炉は、前段炉が、その内部に、発熱体と被加熱物を隔離する熱良導体製の遮蔽体を備えており、前段炉の入口近傍で且つ床面に近い部分に、前段炉からのガス抜出口が設けられ、前段炉におけるガスの流れが出口から入口に向かうようになっていることを特徴とするものが好ましい。なお、本工程に用いる加熱炉は回分式でも連続式でも、また、１基でも複数基でもよい。
【００７３】
（Ｃ）粉体加工工程
熱処理工程において炭素化物Ｓが核材Ｎ表面の一部あるいは全体を被覆する状態で複合化した複層構造炭素質物は、本粉体加工工程において、必要に応じて粉砕、解砕、分級処理等の粉体加工処理を施され、非水系二次電池用負極材料となる。
【００７４】
なお、粉体加工工程は、（Ａ）混合工程と（Ｂ）熱処理工程との間に挿入することもできる。
【００７５】
（３）複層構造炭素質物
本発明において、核材Ｎと炭素化物Ｓの前駆体である有機化合物とを混合し、混合物を炭化焼成・粉砕することにより、最終的に、黒鉛質炭素粒子である核材Ｎの表面に有機化合物の炭化した炭素化物Ｓが添着した複層構造炭素質物を得ることができる。
【００７６】
本発明は、黒鉛質炭素粒子と有機化合物とを混合し、熱処理して得られる複層構造炭素質物であって、黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着している複層構造炭素質物である。従って、熱処理して得られた本発明の複層構造炭素質物中の黒鉛質炭素粒子は、前記した「熱処理品Ｐも含む核材Ｎ」のループ構造を保持している。例えば、熱処理品Ｐは、前記したように、ＴＥＭ像において表面にループ構造が５ｎｍ中に３個以上存在していることが好ましいので、熱処理して得られた本発明の複層構造炭素質物中の黒鉛質炭素粒子も、表面にループ構造が５ｎｍ中に３個以上存在していることが好ましい。前記した原料である核材Ｎの構造や物性が、ある複層構造炭素質物中の黒鉛質炭素粒子で見られたならば、その複層構造炭素質物は、本発明の複層構造炭素質物に含まれ得る。
【００７７】
本発明においては、核材Ｎ表面上の有機化合物の炭素化物量が必要最小限であることが好ましい。すなわち、核材Ｎ  １００重量部に対する残炭量として、０．１重量部以上４重量部以下となるように有機化合物の炭素化物を添着させることが好ましい。より好ましくは０．５重量部以上３重量部以下、特に好ましくは０．６５重量部以上２重量部以下となるように有機化合物の炭素化物を添着させる。
【００７８】
「核材Ｎ  １００重量部に対する残炭量」は、有機化合物の種類と混合割合により左右されるものであり、予めＪＩＳＫ２２７０により定められた試験方法の内、ミクロ法に従って求められた「有機化合物の残炭率」を測定しておき、下記式により求められる。
［核材Ｎ  １００重量部に対する有機化合物炭素化物の残炭量］
＝１００×［有機化合物の残炭率］×（［有機化合物重量］／［核材Ｎ重量］）
【００７９】
実際には、使用する有機化合物重量を乗じて得られる炭素化物量が、核材Ｎ  １００重量部に対して０．１重量部以上４重量部以下となるように、有機化合物の種類と混合量を決定する。
【００８０】
本発明において、かかる残炭率が少なすぎると、核材Ｎの細孔への有機化合物の充填が不十分になり、複層構造炭素質物の表面に黒鉛が露出し易くなるため、電解液との反応性が高くなり、核材Ｎに細孔が残ったままの状態だと活物質である複層構造炭素質物の電解液に対する濡れが不十分となったりするために、リチウムイオンの吸蔵・放出が行なわれる核材Ｎの表面状態が悪化する等の問題が生じる場合がある。
【００８１】
一方、残炭量が４重量部を超えて多すぎる場合は、核材Ｎの表面に過剰な有機化合物の炭素化物が添着しているので、複層構造炭素質物粉末を塗布した電極を高密度化するためにプレスする際に、粒子全体が変形する時に該炭素化物が破壊、剥離し易い。それによって複層構造炭素質物の表面に核材Ｎの黒鉛結晶が露出し、電解液との反応性が高くなる場合がある。この現象は、高容量化のために高充填密度化するほど顕著になる。以上の結果から、初期充放電時の不可逆容量が増加し、サイクル特性低下を招く等の問題が従来は生じていたと考えられる。
【００８２】
上記したような残炭量に調整することによって、核材Ｎのエッジ部のループ構造を好適に保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物を添着させることがより容易になる。
また、黒鉛質炭素粒子の表面に薄く、有機化合物の炭化物を添着させることで粉体加工工程において、複層構造炭素質物の粉砕処理が不要となり、複層構造炭素質物の表面で、粉砕によるダメージを受け難くなると考えられる。これにより、優れた電池特性が発現される（特に不可逆容量を低減できる）ものと考えられる。また、粉砕処理が不要となることで、生産性を大きく向上できる可能性が高い。
【００８３】
本発明の炭素質物は、全体として、粒状、繊維状等の任意の形状を取り得るが、球状若しくはそれに準ずる楕円体状であることが好ましい。体積平均粒径は２〜７０μｍが必須であり、好ましくは４〜４０μｍ、より好ましくは５〜３５μｍ、更に好ましくは７〜３０μｍである。この範囲より大きいと、電極の表面の平滑性がなくなる場合がある。一方、この範囲より小さいと比表面積が大きくなり、不可逆容量が増加する場合がある。
【００８４】
本発明の炭素質物のタップ密度は、下限として０．８０ｇ／ｃｍ３以上が必須であり、好ましくは０．８５ｇ／ｃｍ３以上、より好ましくは０．９０ｇ／ｃｍ３以上、上限として、均一粒径の球状粒子のタップ密度１．４０ｇ／ｃｍ３の範囲に制御することが望ましい。複層構造化により、タップ密度が向上することもあり、また、その形状に更に丸みを導入する効果が現れることもある。タップ密度がこれより小さいと高密度の電極を作製するのが困難になる場合がある。
【００８５】
本発明の炭素質物は、液中に分散させた数千個の粒子をＣＣＤカメラにて１個ずつ撮影し、その平均的な形状パラメーターを算出することが可能なフロー式粒子像解析装置を用いて撮影された、平均粒子径１０〜４０μｍの粒子について、粒子投影像の周囲長に対する粒子面積相当円の周囲長の比である「平均円形度」（粒子像が真円に近いほど１となり、複雑な形状ほど小さい値になる）が０．９４以上であることが好ましい。平均円形度は前述のタップ密度と相関しており、複層構造炭素質物の円形度がこれより小さいと均一な電極を作製するのが困難となる場合がある。
【００８６】
本発明の炭素質物の、波長５１４．５ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、１５８０ｃｍ−１の散乱強度に対する１３６０ｃｍ−１の散乱強度の比であるＲ値は０．１５以上が必須である。また、核材Ｎ  １００重量部に対する炭素化物Ｓの残炭量が４重量部以下の範囲内では、核材ＮのＲ値よりも小さいことが好ましい。また、０．２以上０．４以下が好ましく、０．２５以上０．３５以下であることがより好ましい。かかる範囲であることが、良好な電池特性を得る上で望ましい。
【００８７】
また、本発明の炭素質物のＢＥＴ法を用いて測定した比表面積は、１０ｍ２／ｇ以下が好ましく、より好ましくは１〜９ｍ２／ｇ、より好ましくは１．５〜７ｍ２／ｇ、特に好ましくは２〜６ｍ２／ｇの範囲である。比表面積がこの範囲より大きいと電池に適用した際、初期不可逆容量が増加する場合がある。また、核材ＮのＢＥＴ比表面積に対する炭素質物のＢＥＴ比表面積の比は、通常０．４０以上１．００以内、０．４０以上０．９０未満が好ましく、下限は０．４５以上であることがより好ましく、０．６０以上であることが更に好ましい。この比が０．４０未満の場合は、炭素化物Ｓが比較的多く（厚く）添着していることを示し、本発明における効果が十分に発現しない場合がある。比表面積の上記範囲と比表面積の比の上記範囲は組み合わされて両方満たしていることが特に好ましい。
【００８８】
また、１３６０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙａ、１５８０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値をＹｂとした時、Ｙａに対するＹｂの比、すなわちＧ＝Ｙｂ／Ｙａの値は、核材ＮのＧ値よりも小さく、且つ３．０以下であることが好ましく、より好ましくは１．２〜２．５、特に好ましくは１．４〜２．１の範囲である。Ｒ値又はＧ値が上記範囲を越えると、炭素化物Ｓの結晶性が著しく低下するため、電池特性において容量低下を招く場合がある。
【００８９】
また、アルゴンレーザーラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１のピークの半値幅（Δν）は通常１９ｃｍ−１以上であり、好ましくは２０ｃｍ−１以上、更に好ましくは２２ｃｍ−１以上、特に好ましくは２４ｃｍ−１以上、上限は３１ｃｍ−１以下、好ましくは３０ｃｍ−１以下、更に好ましくは２８ｃｍ−１以下、特に好ましくは２６ｃｍ−１以下である。半値幅（Δν）が小さすぎる場合と大きすぎる場合は、Ｒ値やＧ値が小さすぎる場合と大きすぎる場合と同様の理由で好ましくない場合がある。
【００９０】
本発明の炭素質物の結晶化度は、核材Ｎの結晶化度と殆ど変わらない。すなわち、ＣｕＫα線を線源とするＸ線広角回折によって求められる炭素質物の（００２）面の面間隔ｄ００２とｃ軸方向の結晶子の大きさＬｃは核材Ｎのそれと殆ど変わらない。従って、それらに関しては、本発明の炭素質物についても、核材Ｎの項で前記した範囲が好ましい。
【００９１】
（４）非水系二次電池用負極
上記炭素質物は公知の方法に従い、電極の形状に成形して非水系二次電池、特にリチウムイオン二次電池の負極として好適に用いることができる。
【００９２】
非水系二次電池を構成する負極は、負極材料、極板成形用結着剤、増粘剤及び導電材を含有する活物質層を集電体上に形成してなる。活物質層は、通常、負極材料、極板成形用結着剤、増粘剤、導電材及び溶媒を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布、乾燥、プレスすることにより得られる。
【００９３】
極板成形用結着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安定な材料であれば、任意のものを使用することができる。例えば、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、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−アクリル酸共重合体及びエチレン−メタクリル酸共重合体等が挙げられる。極板成形用結着剤は、負極材料／極板成形用結着剤の重量比で、通常９０／１０以上、好ましくは９５／５以上、通常９９．９／０．１以下、好ましくは９９．５／０．５以下の範囲で用いられる。極板成形時に用いる結着剤は、少なすぎると極板強度の低下を招き、また多すぎると電極内部で抵抗成分となり、リチウムの吸蔵・放出がスムーズに行なわれず、充電容量の低下、負荷特性の低下、サイクル特性の低下を招く場合がある。
【００９４】
増粘剤としては、カルボキシルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン等が挙げられる。
【００９５】
導電材としては、銅、ニッケル等の金属材料；グラファイト、カーボンブラック等の炭素材料等が挙げられる。
【００９６】
集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス等が挙げられる。これらのうち、薄膜に加工し易いという点及びコストの点から銅箔が好ましい。
【００９７】
本発明の炭素質物からなる負極の密度は、用途により異なるが、容量を重視する用途では、通常１．４５ｇ／ｃｍ３以上であり、１．５０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．５５ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、１．６０ｇ／ｃｍ３以上が特に好ましい。また通常２．００ｇ／ｃｍ３以下であり、１．８５ｇ／ｃｍ３以下が好ましい。密度が低すぎると、単位体積あたりの電池の容量が必ずしも十分ではない場合があり、また密度が高すぎると、充放電高負荷特性が低下するので１．８０ｇ／ｃｍ３以下が好ましい。なお、ここで、「活物質層」とは集電体上の活物質、極板成形用バインダー、増粘剤、導電材等よりなる合剤層をいい、その密度とは電池に組み立てる時点での活物質層の嵩密度をいう。
【００９８】
本発明における負極を作製する際に、前述の手法により塗布・乾燥した後、所定の密度に達するまで、ロールプレス機にてプレスを行う。電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３に達するプレス荷重（線圧）は、２００ｋｇ／５ｃｍ以上５５０ｋｇ／５ｃｍ以下が好ましく、２００ｋｇ／５ｃｍ以上５００ｋｇ／５ｃｍ以下が更に好ましく、２００ｋｇ／５ｃｍ以上４００ｋｇ／５ｃｍ以下がより好ましい。
【００９９】
そのときに負極に掛かる荷重（プレス荷重）がこれより大きい場合は、表面に付着した炭素化物Ｓの量が多いために複層構造炭素質物の粒子が硬いことを意味し、プレスによって炭素化物Ｓが破壊・剥離しやすく、それにより核材Ｎの表面がむき出しになり、後述するような電解液との反応性が高まり、電池性能に大きな影響を与える。すなわち、特に初期充放電時の不可逆容量を増大させ、更にはサイクル特性の低下を招く場合がある。プレス荷重がこれよりも小さすぎる場合は、炭素化物Ｓの破壊や剥離は生じないが、炭素化物Ｓが不足して被覆されない核材の表面が存在していることを意味しており、電解液との反応性が高まり、電池性能に大きな影響を与える。すなわち、上記と同様に、特に初期充放電時の不可逆容量を増大させ、更にはサイクル特性の低下を招く場合がある。
【０１００】
塗布・乾燥した極板を、縦５ｃｍ×横７ｃｍの大きさに切断し、所定の条件にて前処理した後、ＢＥＴ法にて比表面積を測定した。この時の比表面積をＡとする。また、同じ極板を電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３に達するようにロールプレス機にてプレスした後、同様の方法で比表面積を測定した。この時の比表面積をＢとする。ここで、プレス前の電極比表面積に対する、プレス後の電極比表面積の比Ｃ（Ｃ＝Ｂ／Ａ）が、０．９０以上１．２以下が好ましく、１．０を超えて１．１５以下がより好ましく、１．１以下が更に好ましく、１．０５以下がより好ましい。Ｃが１．２以上の場合は、核材Ｎの表面に添着されている炭素化物Ｓが破壊されて核材の表面が露出している状態を意味する。この値が１．０に近いほど炭素化物Ｓがプレスによって破壊されないことを示しており、本発明の前記の効果が発現されるためには、Ｃが１．０に近ければ近い程好ましい。このことは１．０未満の場合でも１．０に近いほど好ましい。
【０１０１】
（５）非水系二次電池
本発明の炭素質物を用いて製造された非水系二次電池用負極は、特にリチウムイオン二次電池等の非水系二次電池の負極として極めて有用である。
【０１０２】
このような非水系二次電池を構成する正極、電解液等の電池構成上必要な部材の選択については特に制限されない。以下において、非水系二次電池を構成する部材の材料等を例示するが、使用し得る材料はこれらの具体例に限定されるものではない。
【０１０３】
本発明の非水系二次電池は、通常、少なくとも、上記の本発明の負極、正極及び電解質を有する。
【０１０４】
正極は、正極集電体上に、正極活物質、導電剤及び極板成形用バインダーを含有する活物質層を形成してなる。活物質層は、通常正極活物質、導電剤及び極板成形用バインダーを含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布、乾燥することにより得られる。
【０１０５】
正極活物質としては、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料；二酸化マンガン等の遷移金属酸化物材料；フッ化黒鉛等の炭素質材料等のリチウムを吸蔵・放出可能な材料を使用することができる。具体的には、例えば、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４及びこれらの非定比化合物、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＦｅＳ２、Ｎｂ３Ｓ４、Ｍｏ３Ｓ４、ＣｏＳ２、Ｖ２Ｏ５、Ｐ２Ｏ５、ＣｒＯ３、Ｖ３Ｏ３、ＴｅＯ２、ＧｅＯ２、ＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２等を用いることができる。
【０１０６】
正極集電体としては、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成する金属又はその合金を用いることが好ましく、IIIａ、IVａ、Ｖａ族（３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ族）に属する金属及びこれらの合金を例示することができる。具体的には、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ及びこれらの金属を含む合金等を例示することができ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ及びこれらの金属を含む合金を好ましく使用することができる。特に、Ａｌ及びその合金は軽量であるためエネルギー密度が高いため望ましい。
【０１０７】
電解質としては、電解液、固体電解質、ゲル状電解質等が挙げられるが、なかでも電解液、特に非水系電解液が好ましい。非水系電解液は、非水系溶媒に溶質を溶解したものを用いることができる。
【０１０８】
溶質としては、アルカリ金属塩や４級アンモニウム塩等を用いることができる。具体的には、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ３）３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＣＦ２ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）及びＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３からなる群から選択される１以上の化合物を用いることが好ましい。更に、これらの溶質と、非水系溶媒として後述する環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有するものとの組み合わせが特に好ましい。
【０１０９】
非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート；γ−ブチロラクトン等の環状エステル化合物；１，２−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル；クラウンエーテル、２−メチルテトラヒドロフラン、１，２−ジメチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル；ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート等を用いることができる。溶質及び溶媒はそれぞれ１種類を選択して使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。これらの中でも非水系溶媒が、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有するものが好ましい。またビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、無水コハク酸、無水マレイン酸、プロパンスルトン、ジエチルスルホン等の化合物が添加されていてもよい。更に、ジフルオロリン酸リチウムのようなジフルオロリン酸塩等も好適な例として挙げられる。
【０１１０】
電解液中のこれらの溶質含有量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ以上が好ましく、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上が特に好ましく、２．０ｍｏｌ／Ｌ以下が好ましく、１．５ｍｏｌ／Ｌ以下が特に好ましい。過剰な溶質は、電解液中のリチウムイオンの輸率低下を招き、電池系全体の導電性を低下させる場合がある。
【０１１１】
これらのなかでも、本発明の負極と、金属カルコゲナイド系正極と、カーボネート系溶媒を主体とする有機電解液とを組み合わせて作成した非水系二次電池は、容量が大きく、初期サイクルに認められる不可逆容量が小さく、急速充放電容量が高く（レート特性が良好）、またサイクル特性が優れ、高温下での放置における電池の保存性及び信頼性も高く、高効率放電特性及び低温における放電特性に極めて優れたものである。
【０１１２】
正極と負極の間には、通常正極と負極が物理的に接触しないようにするためにセパレータが設けられる。セパレータはイオン透過性が高く、電気抵抗が低いものであるのが好ましい。セパレータの材質及び形状は、特に限定されないが、電解液に対して安定で、保液性が優れたものが好ましい。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布が挙げられる。
【０１１３】
本発明の非水系二次電池の形状は、特に制限されず、シート電極及びセパレータをスパイラル状にした円筒タイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造の円筒タイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等が挙げられる。
【実施例】
【０１１４】
次に実施例により、本発明の具体的態様を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【０１１５】
＜粉体物性及び電極若しくは電池の分析・評価方法＞
［（００２）面の面間隔（ｄ００２）、結晶子の大きさ（Ｌｃ）］
広角Ｘ線回折の測定及び解析は、日本学術振興会で制定された方法（通称学振法）に拠った。核材Ｎ若しくは、複層構造炭素質物の粉末に対して２０質量％のＸ線標準高純度シリコン粉末を加えて混合し、試料セルに詰め、グラファイトモノクロメーターで単色化したＣｕＫα線を線源とし、反射式ディフラクトメーター法によって広角Ｘ線回折曲線を測定した。
【０１１６】
［ラマンスペクトル分析］
ラマン分光器「日本分光社製ラマン分光器」を用い、試料を測定セル内へ自然落下させることで充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なった。測定条件は以下の通りとした。
アルゴンイオンレーザー光の波長    ：５１４．５ｎｍ
試料上のレーザーパワー            ：１５〜２５ｍＷ
分解能                            ：４ｃｍ−１
測定範囲                          ：１１００〜１７３０ｃｍ−１
ピーク強度測定、ピーク半値幅測定  ：バックグラウンド処理、スムージング処理
（単純平均、コンボリューション５ポイント）
【０１１７】
アルゴンレーザーラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ−１近傍の散乱強度のピーク値に対する１３６０ｃｍ−１近傍の散乱強度ピーク値の比であるＲ値、１３６０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙａに対する１５８０±１００ｃｍ−１付近の波長域にあるスペクトル強度の積分値Ｙｂの比であるＧ値＝Ｙｂ／Ｙａ、１５８０ｃｍ−１付近のピーク半値幅（Δν）を測定した。
【０１１８】
［体積平均粒径の測定］
界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート（例として、Ｔｗｅｅｎ２０（登録商標））の０．２質量％水溶液１０ｍＬに、黒鉛質複合粒子０．０１ｇを懸濁させ、市販のレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置、ＨＯＲＩＢＡ製、「ＬＡ−９２０」に導入し、２８ｋＨｚの超音波を出力６０Ｗで１分間照射した後、測定装置における体積基準平均粒径（メジアン径）を測定し、それを「体積平均粒径」とした。
【０１１９】
［タップ密度の測定］
粉体密度測定器である（株）セイシン企業社製「タップデンサーＫＹＴ−４０００」を用い、内径１．６ｃｍ、容積２０ｃｍ３の円筒状タップセルに、目開き３５５μｍの篩を通して落下させて、セルに満杯に充填した後、粉体の重量を測定し、次いでストローク長１０ｍｍのタップを５００回行った後、粉体の容積を測定し、重量／容積として求めた。
【０１２０】
［ＢＥＴ比表面積の測定］
（株）島津製作所社製、比表面積測定装置「ジェミニ２３６０」を用いて、窒素ガス吸着流通法により、ＢＥＴ６点法にて測定した。試料１．０ｇをセルに充填し、真空下３５０℃にて１５分間加熱して前処理を行った後、液体窒素温度まで冷却して、窒素３０％、Ｈｅ７０％のガスを飽和吸着させ、その後室温まで加熱して脱着したガス量を計測し、得られた結果から、通常のＢＥＴ６点法により比表面積を算出した。
【０１２１】
［平均円形度の測定］
試料０．２ｇを界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート（例として、Ｔｗｅｅｎ２０（登録商標））の０．２体積％水溶液５０ｍＬに懸濁させ、フロー式粒子像分析装置「シスメックスインダストリアル社製、ＦＰＩＡ−２０００」を用い、２８ｋＨｚの超音波を出力６０Ｗで１分間照射した後、測定を行なった。検出範囲を０．６〜４００μｍに指定し、平均粒子径１０〜４０μｍの範囲の粒子について測定した下記式で与えられる円形度の値の平均値として求めた。
円形度＝粒子投影面積と同じ面積の円の周長／粒子投影像の周長
【０１２２】
［透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）での表面観察］
バイアル瓶に入れた黒鉛粉体にエタノールを注ぎ、超音波洗浄器内にて１５秒間分散させた後、マイクログリッド上に滴下後乾燥させたものを観察試料とし、透過型電子顕微鏡「日本電子株式会社製、ＪＥＭ−２０１０」を用い、加速電圧２００ｋＶにて観察を行った。
【０１２３】
［負極の作製方法及びプレス荷重の測定］
複層構造炭素質物を２０．００±０．０２ｇ、１質量％カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液を２０．００±０．０２ｇ、及び重量平均分子量２７万のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）水性ディスパージョン０．２５±０．０２ｇを、キーエンス社製ハイブリッドミキサーで５間撹拌してスラリーを得た。このスラリーを集電体である厚さ１８μｍの銅箔上に、負極材料が１１．０±０．１ｍｇ／ｃｍ２付着するように、ドクターブレード法で、幅５ｃｍに塗布し、室温で風乾した。更に１１０℃で３０分乾燥後、直径２０ｃｍのローラを用いてロールプレスした。プレス成形した後２４時間後の活物質層の密度が１．６０ｇ／ｃｍ３になるよう調整し負極シートを得た。ロールプレスをする際のプレス荷重を測定した。
【０１２４】
［非水系二次電池の作製方法（１）  コイン電池の作製方法、評価方法］
上記電極を用いて、電解液を含浸させたセパレータを介して、リチウム金属電極を対向させた２０１６コイン型セル（φ２０ｍｍ、厚さ１．６ｍｍ）を作製し、充放電試験を行なった。電解液としては、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートの混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を溶解させたものを用いた。充放電試験は２４時間開回路状態で置いた後、充電は定電流−定電圧充電、放電は定電流放電にて実施した。電流値を０．２ｍＡ／ｃｍ２（０．０５Ｃ）とし、両電極間の電位差が０Ｖになるまで充電を行ない、１．５Ｖまで放電を行なった。充放電は全部で３サイクル実施し、初回の充電時のみ、充電容量が３５０ｍＡｈ／ｇになった時点で充電が終止する条件にて行なった。
【０１２５】
２サイクル目以降、充電は電流値が０．０２ｍＡに達した時点、放電は電圧が１．５Ｖに達した時点で終止する条件にて行なった。３サイクル目の放電容量の結果を表１に示した。表中の不可逆容量は、充電容量から放電容量の値を差し引いて求めた値であり、充放電効率は放電容量を充電容量で除した値である。３サイクル目の放電容量は３５０ｍＡｈ／ｇ以上となるのが好ましく、初期不可逆容量は４０ｍＡｈ／ｇ以下が好ましく、３５ｍＡｈ／ｇ以下がより好ましく、３３ｍＡｈ／ｇ以下が特に好ましい。
【０１２６】
［非水系二次電池の作製方法（２）  １８円筒電池の作製方法、評価方法］
該複層構造炭素質物とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）水性ディスパージョンとを市販のプラネタリーミキサーにて混練・分散させてスラリーを調製した。このスラリーを厚さ１０μｍの圧延銅箔に塗布・乾燥させた後、電極密度１．７５ｇ／ｃｍ３になるようロールプレスし、切断して電極を作製した。この電極を負極とし、アルミ箔上にコバルト酸リチウムを塗布・乾燥させた後、ロールプレスした電極を正極とし、これらをニッケルめっきした鉄製の円筒型金属缶（φ１８ｍｍ、長さ６５０ｍｍ）中にセパレータと共に捲回封入し、２０１６コイン型電池評価の時に用いた電解液と同じ電解液を注入した後、金属缶を封口して円筒型電池を作製した。
【０１２７】
この円筒型電池を、４５℃７日間電池電位が４．０５Ｖの状態で維持させた後、２５℃にて３００サイクルまで充放電させた。充放電は充電を０．７Ｃにて定電流−定電圧充電、放電を１．０Ｃにて定電流放電にて実施した。終止条件は充電時が１００ｍＡ、放電時は４．２Ｖとした。この評価における５０サイクル時と１００サイクル時の放電容量維持率を表２に示した。２５℃１Ｃでの５０サイクル時における放電容量維持率は８８％以上が好ましく、９０％以上が更に好ましい。また同１００サイクル時における放電容量維持率は８５％以上が好ましく、８８％以上が更に好ましい。
【０１２８】
実施例１
（Ａ）混合工程
（株）マツボー製のＦＫＭ３００Ｄ型レディゲミキサー（内容積３００Ｌ）に、原料投入口より、黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）として、球形化処理した天然黒鉛（体積平均粒径１６．３μｍ、タップ密度０．９９ｇ／ｃｍ３、ＢＥＴ比表面積７．３ｍ２／ｇ、（００２）面の面間隔（ｄ００２）０．３３４５ｎｍ、結晶子サイズ（Ｌｃ）１０００ｎｍ以上、Ｒ値０．２６、真比重２．２６ｇ／ｃｍ３）を１５０ｋｇ投入し、炭素化物Ｓの原料としてナフサ分解時に得られるエチレンヘビーエンドタール（三菱化学（株）社製：５０℃における動粘度５０ｃｓｔ）を１ｋｇ投入して運転を開始した。この黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）の粒子のエッジ部にはループ構造が存在していた。
【０１２９】
運転条件は、鋤型攪拌翼の回転数が２００ｒｐｍ、解砕翼の回転数が２０００ｒｐｍであり、装置内温度は室温であった。この操作を１０分間行なった。更に、ミキサーのジャケットに温水を流し６０℃で加温した。次に装置内部を徐々に減圧して最終的に内部を１３．３３×１０３Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）とし、脱気及び脱揮発成分を進行させ、エチレンヘビーエンドタールの軽質留分と希釈材の除去を行なった。しかる後に温度を室温まで下げて、核材Ｎにエチレンヘビーエンドタールが添着・含浸された複層構造炭素質物の前駆体を粉末状で得た。
【０１３０】
（Ｂ）熱処理工程及び粉体加工工程
上記複層構造炭素質の前駆体粉末を回分式加熱炉で熱処理した。この粉末を黒鉛容器に入れた状態で連続式加熱炉に入れて、窒素ガスを５Ｌ／分の流量下で３時間かけて１２００度まで昇温して１時間保持した。その後、室温まで冷却し被覆相が炭素化した複層構造炭素質物を得た。熱処理工程で得られた複層構造炭素質物は手で軽く解砕することが可能であった。衝撃式粉砕機にて解砕して粗粉と微粉を除去した後、所定の平均粒子径を持った複層構造炭素質粉末を得た。
【０１３１】
黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）１００重量部に対する有機物の炭素化物Ｓの残炭量（重量部）、並びに該複層構造炭素質粉末（複層構造炭素質物）の体積平均粒径、タップ密度、ＢＥＴ比表面積、ラマン（Ｒ値、Ｇ値、半値幅）、平均円形度、核材ＮのＢＥＴ比表面積に対する複層構造炭素質粉末のＢＥＴ比表面積の比、該複層構造炭素質粉末を銅箔に塗布後電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３にプレスした際のプレス荷重を表１に示した。更に、上記コインタイプの電池を作製するために、電極密度１．６０ｇ／ｃｍ３となるようにプレスした際の極板のＢＥＴ比表面積の比Ｃ（＝Ｂ／Ａ）の値を表２に示した。
【０１３２】
負極に該複層構造炭素質粉末を用いた際のコイン電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）を表１に示した。また、円筒電池評価結果を表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。
【０１３３】
実施例２
球形化処理した天然黒鉛を３０ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びにコイン電池評価結果及び円筒電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。更に、得られた炭素質物のＴＥＭ写真を図２に示した。黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着していることが分かる。
【０１３４】
実施例３
球形化処理した天然黒鉛を１５ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びにコイン電池評価結果及び円筒電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。更に、得られた炭素質物のＴＥＭ写真を図３に示した。黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着していることが分かる。
【０１３５】
実施例４
球形化処理した天然黒鉛を１０ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。
【０１３６】
実施例５
球形化処理した天然黒鉛を７．５ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。
【０１３７】
実施例６
球形化処理した天然黒鉛を６ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。
【０１３８】
実施例７
球形化処理した天然黒鉛を５ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。更に、得られた炭素質物のＴＥＭ写真を図４に示した。黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在し、当該ループ構造を保持したままでその表面に有機化合物の炭素化物が添着していることが分かる。
【０１３９】
実施例８
球形化処理した天然黒鉛を３．８ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。
【０１４０】
実施例９
以下の通り、核材Ｎの加熱処理品を製造し、当該加熱処理品を核材Ｎとして使用した以外は実施例１と同様の操作を行った。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は全て良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。更に、得られた複層構造炭素質物のＴＥＭ写真を図１に示した。黒鉛質炭素粒子のエッジ部にループ構造が存在していることが分かる。
【０１４１】
（Ａ’）核材Ｎの加熱処理工程
黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）として球形化処理した天然黒鉛（体積平均粒径１６．３μｍ、タップ密度０．９９ｇ／ｃｍ３、ＢＥＴ比表面積７．３ｍ２／ｇ、（００２）面の面間隔（ｄ００２）０．３３４５ｎｍ、結晶子サイズ（Ｌｃ）１０００ｎｍ以上、Ｒ値０．２６、真比重２．２６ｇ／ｃｍ３）を黒鉛容器に入れた状態で連続式加熱炉に入れて、窒素ガスを５Ｌ／分の流量下で３時間かけて１２００度まで昇温して１時間保持した。その後、室温まで冷却し、核材Ｎの加熱処理品（体積平均粒径１６．６μｍ、タップ密度１．１０ｇ／ｃｍ３、ＢＥＴ比表面積６．１ｍ２／ｇ、（００２）面の面間隔（ｄ００２）０．３３４５ｎｍ、結晶子サイズ（Ｌｃ）１０００ｎｍ以上、Ｒ値０．１９、真比重２．２６ｇ／ｃｍ３）を得た。
【０１４２】
実施例１０
原料に核材Ｎの加熱処理品を用いた以外は実施例３と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。電池評価結果（放電容量、初期不可逆容量）は最も良好であった。また、放電容量維持率が大きかった。
【０１４３】
比較例１
黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）に実施例１と同様の球形化処理した天然黒鉛を用い、炭素化物Ｓは添着させなかった。使用した黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。核材Ｎに炭素化物Ｓを添着させた場合に比べて、初期充放電時の不可逆容量（初期不可逆容量）が１０ｍＡｈ／ｇ近く大きかった。また、放電容量維持率が小さかった。
【０１４４】
比較例２
球形化処理した天然黒鉛を３ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）１００重量部に対して、残炭量が０．１重量部以上４重量部以下となるように炭素化物Ｓを添着させた場合に比べて、初期充放電時の不可逆容量（初期不可逆容量）が大きかった。また、放電容量維持率が小さかった。得られた炭素質物のＴＥＭ写真を図５に示した。黒鉛質炭素粒子のエッジ部のループ構造が崩れていることが分かる。
【０１４５】
比較例３
球形化処理した天然黒鉛を２ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。黒鉛質炭素粒子（核材Ｎ）１００重量部に対して、残炭量が０．１重量部以上４重量部以下となるように炭素化物Ｓを添着させた場合に比べて、初期充放電時の不可逆容量（初期不可逆容量）が大きかった。また、放電容量維持率が小さかった。
【０１４６】
比較例４
麟片状天然黒鉛（体積平均粒径２７．１μｍ、タップ密度０．５５ｇ／ｃｍ３、ＢＥＴ比表面積４．７ｍ２／ｇ、真比重２．２６ｇ／ｃｍ３）を３．８ｋｇ投入した以外は実施例１と同様の操作を行なった。得られた炭素質物の物性及び形状並びに電池評価結果を表１、表２に示した。得られた炭素質物の平均円形度は０．８６であった。平均円形度が０．９４以上の炭素質物の場合に比べて、初期充放電時の不可逆容量（初期不可逆容量）が大きかった。また、放電容量維持率が小さかった。
【０１４７】
【表１】
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【０１４８】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明の複層構造炭素質物を負極材料として用いた非水系二次電池は、高容量で初期充放電時の不可逆容量が低く、良好なサイクル特性を有するので、電子機器分野等に広く利用されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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