(57)【要約】  分散性、電子伝導性および耐酸化性に優れた電池用カーボンブラックを提供する。さらに、この電池用カーボンブラックを用いて製造される粘度が低い電極用導電性組成物、この電極用導電性組成物を用いて製造される極板抵抗が低い電池用電極、および高エネルギー密度、高出力特性、高サイクル特性を有する電池を提供する。  ＢＥＴ比表面積が５０〜２２０ｍ２／ｇであり、かつ結晶子径（Ｌａ）が３０〜４２Åであり、かつ昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数が８．０×１０１６〜１５×１０１６個／ｍ２であることを特徴とする電池用カーボンブラックは、分散性、電子伝導性および耐酸化性に優れ、これを用いることにより低粘度の電極用導電性組成物、低抵抗な電池用電極及び高出力特性、高サイクル特性を有する電池が得られる。
2018037910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢＥＴ比表面積が５０〜２２０ｍ２／ｇであり、結晶子径（Ｌａ）が３０〜４２Åであり、昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数が８．０×１０１６〜１５．０×１０１６個／ｍ２である電池用カーボンブラック。
【請求項２】
ＤＢＰ吸油量が２４０〜３１０ｍＬ／１００ｇである請求項１に記載の電池用カーボンブラック。
【請求項３】
２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度が８．０×１０１６個／ｍ２以下である請求項１または２に記載の電池用カーボンブラック。
【請求項４】
前記電池用カーボンブラックがアセチレンブラックである請求項１〜３の何れか一項に記載の電池用カーボンブラック。
【請求項５】
活物質、高分子結着材および請求項１〜４の何れか一項に記載の電池用カーボンブラックを含む電極用導電性組成物。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか一項に記載の電池用カーボンブラックを含む電池用電極。
【請求項７】
請求項６記載の電池用電極を備える電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池用カーボンブラック、ならびにそれを用いた電極用導電性組成物、電池用電極、および電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境・エネルギー問題の高まりから、化石燃料への依存度を減らす低炭素社会の実現に向けた技術の開発が盛んに行われている。このような技術開発の例としては、ハイブリッド電気自動車や電気自動車等の低公害車の開発、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギー発電・蓄電システムの開発、電力を効率よく供給し、送電ロスを減らす次世代送電網の開発等があり、多岐に渡っている。
これらの技術に共通して必要となるキーデバイスの一つが電池であり、このような電池に対しては、システムを小型化するための高いエネルギー密度が求められる。また、使用環境温度に左右されずに安定した電力の供給を可能にするための高い出力特性が求められる。さらに、長期間の使用に耐えうる良好なサイクル特性等も求められている。そのため、従来の鉛蓄電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池から、より高いエネルギー密度、出力特性およびサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池への置き換えが急速に進んでいる。【０００３】
近年ではこのリチウムイオン二次電池のエネルギー密度のさらなる向上が求められている。このため電極合材中における導電剤の含有量をより少なくすることが求められるようになっている。例えばデジタル機器等の民生用電池においては、正極合材中、導電剤の含有量は典型的には２質量パーセント以下、さらには１質量パーセント以下であることが好ましいとされている。【０００４】
かかる事情から、導電剤であるカーボンブラックには添加量が少量であっても十分な電子伝導性を発揮することが要求されている。【０００５】
ところで、カーボンブラックはその共通の構造として球形に近い１次粒子が数珠上に繋がりあった構造を有しており、このような構造をストラクチャと呼ぶ。一般に、１次粒子径が小さいほど、同質量の導電剤の中に、より多数の電気的接点が存在することになり、電子伝導性が向上する。また、ストラクチャが長く連結しているほど、接触抵抗なく電子伝導できる距離が大きくなるため、電子伝導性が向上する。【０００６】
一方、１次粒子径が小さくストラクチャが長いカーボンブラックは、導電性に優れる反面、粒子同士の相互作用が大きくなるため、解砕し難く凝集し易いという側面を持つ。したがって、一般に電極製造時には活物質、導電剤および結着材を水または有機溶剤に分散した電極用導電組成物を金属箔に塗布する方法がとられるが、１次粒子径が小さくストラクチャが長いカーボンブラックを導電剤として用いた場合、電極用導電性組成物中に導電剤の凝集物が残存して電極に凹凸が生じたり、電極用導電性組成物中の粘度が高すぎて塗布不能になったりといった導電剤の分散不良が発生しやすい。【０００７】
かかる課題を克服するために、例えば特許文献１では、固練りと希釈分散の２段階の混練を行うことを提案している。しかしながら、前記したような１次粒子径が小さくストラクチャが長いカーボンブラックに対しては必ずしも十分な効果を発揮するとはいえない。【０００８】
また、導電剤の分散不良を克服する手段として、ポリビニルピロリドン系高分子とノニオン系界面活性剤を分散剤として添加する方法がある（特許文献２）。しかしながら特許文献２に記載の方法では、カーボンブラックの分散不良を改善できるものの、前記分散剤を含有した電極をリチウムイオン電池として使用した際に４．４５Ｖ以上の電圧において前記分散剤が酸化分解してしまうことで電池の容量が低下するといった問題があった。また、特許文献３では、カーボンブラックの結晶子径（Ｌａ）が２２Å〜５０Åの範囲にすることで、高い導電性を発揮することが提案されているが、カーボンブラックの分散性については十分な効果が発揮できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−５９４６６号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１２／０１４６１６号公報
【特許文献３】特表２０１５−５０９１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題と実情に鑑み、分散性、電子伝導性及び耐酸化性が良好な電池用カーボンブラックを提供することを目的とする。加えて、このカーボンブラックを用いて製造される低粘度な電極用導電性組成物、さらにそれらを用いて製造される低抵抗な電池用電極および高出力特性に優れ、良好なサイクル特性を有する電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、上記課題を解決する本発明は、下記より構成される。
（１）ＢＥＴ比表面積が５０〜２２０ｍ２／ｇであり、かつ結晶子径（Ｌａ）が３０〜４２Åであり、かつ昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数が８．０×１０１６〜１５×１０１６個／ｍ２であることを特徴とする電池用カーボンブラック。
（２）ＤＢＰ吸油量が２４０〜３１０ｍＬ／１００ｇであることを特徴とする（１）に記載の電池用カーボンブラック。
（３）２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度が８．０×１０１６個／ｍ２以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の電池用カーボンブラック。
（４）前記電池用カーボンブラックがアセチレンブラックであることを特徴とする（１）〜（３）の何れか一項に記載の電池用カーボンブラック。
（５）活物質、高分子結着材および（１）〜（４）の何れか一項に記載の電池用カーボンブラックを含むことを特徴とする電極用導電性組成物。
（６）（５）に記載の電極用導電性組成物を金属箔上に塗布してなる電池用電極。
（７）（６）に記載の電池用電極を正極または負極の少なくとも一方として用いた電池。
なお、本願明細書において、特にことわりがない限り、「〜」という記号は両端の値「以上」および「以下」の範囲を意味する。例えば、「Ａ〜Ｂ」というのは、Ａ以上、Ｂ以下であるという意味である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明者らは鋭意研究の結果、ＢＥＴ比表面積が５０〜２２０ｍ２／ｇであり、かつ結晶子径（Ｌａ）が３０〜４２Åであり、かつ昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数が８．０×１０１６〜１５×１０１６個／ｍ２である電池用カーボンブラックは、高い分散性と高い導電性を両立できることを見出した。加えて、前記電池用カーボンブラックを用いて製造した電極用導電組成物の粘度低減効果も高く、これらを用いて製造した電池用電極は極板抵抗が低く、電池は高い出力特性および良好なサイクル特性に優れるという特徴を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明における電池の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
以下、本発明の構成材料について詳細に説明する。
【００１６】
＜電池用カーボンブラック＞
本発明の電池用カーボンブラックは、ＢＥＴ比表面積が５０〜２２０ｍ２／ｇであり、かつ結晶子径（Ｌａ）が３０〜４２Åであり、かつ昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数が８．０×１０１６〜１５×１０１６個／ｍ２であることを特徴とする電池用カーボンブラックである。
【００１７】
本発明における電池用カーボンブラックは、一般の電池用導電剤としてのカーボンブラック同様、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどの中から選ばれるものである。中でも、結晶性および純度に優れるアセチレンブラックがより好ましい。
【００１８】
本発明における電池用カーボンブラックのＢＥＴ比表面積は、吸着ガスとして窒素を用い、相対圧ｐ／ｐ０＝０．３０±０．０４の条件でＢＥＴ一点法にて測定した値である。
【００１９】
本発明における電池用カーボンブラックのＢＥＴ比表面積は、５０〜２２０ｍ２／ｇであり、６０〜１７５ｍ２／ｇがより好ましく、６０〜１５０ｍ２／ｇがさらに好ましい。ＢＥＴ比表面積を２２０ｍ２／ｇ以下とすることで、粒子間相互作用が抑制されて高い分散性が得られ易くなる。また、ＢＥＴ比表面積を５０ｍ２／ｇ以上とすることで、同質量の電池用カーボンブラックの中により多数の電気的接点が存在することになり、良好な電子伝導性が得られ易くなる。さらに、ＢＥＴ比表面積を６０〜１５０ｍ２／ｇとすることで、高い分散性と高い電子伝導性の両立が得られ易くなる。
【００２０】
本発明における電池用カーボンブラックの結晶子径（Ｌａ）は、ＪＩＳ  Ｒ７６５１に準拠して測定した値である。なお、Ｌａは、カーボンブラック結晶層のａ軸方向の結晶子径を測定した値を意味する。
【００２１】
本発明における電池用カーボンブラックの結晶子径（Ｌａ）は、３０〜４２Åであり、好ましくは３４〜４０Åである。結晶子径（Ｌａ）を４２Å以下とすることで、粒子形状がより丸みを帯び易くなることで粒子間相互作用が抑制されて高い分散性が得られ易くなる。また、結晶子径（Ｌａ）を３０Å以上とすることで、電子が結晶層を移動し易くなり、良好な電子伝導性が得られ易くなる。
【００２２】
（単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数の定義）
本発明における電池用カーボンブラックの単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数（ＣＯ２Ｍ２［個／ｍ２］）は単位質量あたりのＣＯ２脱離分子数（ＣＯ２Ｍ１［個／ｇ］）をＢＥＴ比表面積（ａＢＥＴ［ｍ２／ｇ］）で割った式（１）のように定義される値である。
ＣＯ２Ｍ２＝ＣＯ２Ｍ１／ａＢＥＴ      （１）
なお、本発明における電池用カーボンブラックの昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位質量あたりのＣＯ２脱離分子数（ＣＯ２Ｍ１［個／ｇ］）は、電池用カーボンブラックを真空下で５０℃〜１２００℃まで昇温した際に脱離したＣＯ２ガスを質量分析計で測定した値である。
【００２３】
本発明における電池用カーボンブラックの昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数は、８．０×１０１６〜１５×１０１６個／ｍ２であり、８．０×１０１６〜１３×１０１６個／ｍ２がより好ましく、８．０×１０１６〜１０×１０１６個／ｍ２がさらに好ましい。昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数を８．０×１０１６個／ｍ２以上とすることで、電池用カーボンブラックと溶媒との親和性が向上し、高い液分散性が得られ易くなる。昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数を１５×１０１６個／ｍ２以下とすることで、電池用カーボンブラックの表面ＣＯ２による電子伝導の阻害が抑制されて良好な電子伝導性および高い耐酸化性が得られ易くなる。昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数を１０×１０１６個／ｍ２以下とすることで、高い液分散性と高い電子伝導性および高い耐酸化性の両立が得られ易くなる。
【００２４】
本発明における電池用カーボンブラックのＤＢＰ吸油量は、ＪＩＳ  Ｋ６２１７−４に準拠して測定される値である。
【００２５】
本発明における電池用カーボンブラックのＤＢＰ吸油量は、２４０〜３１０ｍＬ／１００ｇが好ましく、２４０〜２６０ｍＬ／１００ｇがより好ましい。ＤＢＰ吸油量を３１０ｍＬ／１００ｇ以下とすることで、アグリゲート構造（ストラクチャ）同士の絡み合いによる凝集が抑えられ、高い分散性が得られ易くなる。また、ＤＢＰ吸油量を２４０ｍＬ／１００ｇ以上とすることで、アグリゲート構造（ストラクチャ）が十分な長さを持ち、良好な電子伝導性が得られ易くなる。
【００２６】
（局在電子スピン密度の定義）
本発明における電池用カーボンブラックの単位表面積あたりの局在電子スピン密度（Ｄｌ［個／ｍ２］）は単位質量あたりの局在電子スピン数（Ｎｌ［個／ｇ］）をＢＥＴ比表面積（ａＢＥＴ［ｍ２／ｇ］）で割った式（２）のように定義される値である。
Ｄｌ＝Ｎｌ／ａＢＥＴ＝（Ｎ−Ｎｃ）／ａＢＥＴ      （２）
但し、Ｎは電池用カーボンブラックの単位質量あたりの総電子スピン数、Ｎｃは電池用カーボンブラックの単位質量あたりの伝導電子スピン数である。
【００２７】
（総電子スピン数の定義）
電池用カーボンブラックの単位質量あたりの総電子スピン数（Ｎ）は、式（３）のように定義される値である。
Ｎ＝Ｉ／ＩＲＥＦ×｛ｓ（ｓ＋１）｝／｛Ｓ（Ｓ＋１）｝×ＮＲＥＦ／Ｍ      （３）
但し、Ｉは電池用カーボンブラックの電子スピン共鳴（以下ＥＳＲ）信号強度、ＩＲＥＦは標準試料のＥＳＲ信号強度、Ｓは電池用カーボンブラックのスピン量子数（すなわちＳ＝１／２）、ｓは標準試料のスピン量子数、ＮＲＥＦは標準試料のスピン数、Ｍは電池用カーボンブラックの質量である。
標準試料の種類は特に限定されるものではないが、例えば電気化学的な方法によりスピン量子数が既知のイオンを注入されたポリエチレンフィルムなどを用いることができる。また、標準試料のスピン数（ＮＲＥＦ）を決定する方法は特に限定されるものではないが、例えば滴定法によりスピン量子数が既知のイオンの濃度を測定する方法を用いることができる。
【００２８】
（伝導電子スピン数の定義）
電池用カーボンブラックの単位質量あたりの伝導電子スピン数（Ｎｃ）は式（４）のように定義される値である。
Ｎ＝Ａ／Ｔ＋Ｎｃ      （４）
但し、Ａは定数、Ｔは電池用カーボンブラックの絶対温度［Ｋ］である。
すなわち、電池用カーボンブラックの伝導電子スピン数（Ｎｃ）は、例えば下記のようにして決定することができる。まず、２点以上の異なる温度で電池用カーボンブラックの総電子スピン数（Ｎ）を測定する。Ｎを縦軸に、絶対温度単位で表した測定温度の逆数（１／Ｔ）を横軸にとったグラフを作成する。次いでそのグラフの回帰直線を最小自乗法により求め、その切片の値（すなわち１／Ｔ＝０に外挿した値）をＮｃとする方法である。
【００２９】
本発明における電池用カーボンブラックの２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度は８．０×１０１６個／ｍ２以下が好ましく、通常は、１．０×１０１６個／ｍ２以上である。局在電子スピン密度が少ないほど、高電圧下における電解液の分解反応などの副反応を引き起こしやすい格子欠陥やエッジと呼ばれる部位が少なくなるため、高い耐酸化性が得られ易くなる。
【００３０】
本発明における電池用カーボンブラックの製造方法に制約はないが、電池用カーボンブラックを製造する工程では、炭化水素や天然ガスなどの原料ガスを縦型反応炉の炉頂に設置されたノズルから供給し、熱分解反応及び又は燃焼反応により電池用カーボンブラックを製造し、反応炉下部に直結されたバグフィルターから捕集する。使用する原料ガスは特に限定されないが、硫黄分などの不純物が少ないアセチレンガスを使用することが好ましい。また、得られたカーボンブラックから硫黄分を除去する場合には、例えば、マッフル炉等の焼成炉を使用し、不活性雰囲気中、又は不活性気流中、１０００〜１５００℃で１時間以上加熱することで、硫黄分を除去することが出来る。
【００３１】
本発明における電池用カーボンブラックの製造時に使用する原料ガスは、アセチレンガス、酸素ガスおよび水蒸気以外にも、例えば炭化水素ガス、水素ガス、二酸化炭素ガス等を添加することもできる。炭化水素ガスを例示すると、メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、ブタジエン等のガスや、ベンゼン、トルエン、キシレン、ガソリン、灯油、軽油、重油等のオイル状炭化水素などをガス化したものである。これらのガスを添加すると、反応温度が変化するため、得られるカーボンブラックのＢＥＴ比表面積、結晶子径および昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位質量あたりのＣＯ２脱離分子数を増減させることが容易となる。また、添加する酸素ガスや炭化水素ガス比率によっても、得られるカーボンブラックの昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位質量あたりのＣＯ２脱離分子数を増減させることが容易となる。
【００３２】
＜電極用導電性組成物＞
本発明の電極用導電性組成物は、活物質、高分子結着材、及び上記の電池用カーボンブラックを含むものである。なお、本発明の電極用導電性組成物は、溶媒などの除去可能な成分をさらに含んでいても良い。
本発明の電極用導電性組成物は、上述した電池用カーボンブラックを用いているため、粒子間相互作用が抑制されており、粘度が低いという特徴を有する。
【００３３】
（活物質）
本発明における活物質は、正極用としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウムなどの層状岩塩型構造を持つ複合酸化物、マンガン酸リチウム、ニッケルマンガン酸リチウムなどのスピネル型構造を持つ複合酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、リン酸鉄マンガンリチウムなどのオリビン型構造を持つ複合酸化物などが、負極用として人造黒鉛、天然黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボンなどの炭素系材料、ケイ素、スズなどのアルカリ金属と合金化する金属系材料、チタン酸リチウムなどの金属複合酸化物などが挙げられる。
【００３４】
（高分子結着材）
本発明における高分子結着材は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリビニルアルコール、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、カルボン酸変性（メタ）アクリル酸エステル共重合体等の高分子が挙げられる。これらの中では、正極に用いる場合は耐酸化性の点でポリフッ化ビニリデンが好ましく、負極に用いる場合は接着力の点でポリフッ化ビニリデンまたはスチレン−ブタジエン共重合体が好ましい。
【００３５】
＜電極用導電性組成物の製造方法＞
本発明における電極用導電性組成物の製造には公知の方法を用いることができる。例えば、電池用カーボンブラック、活物質および高分子結着材の溶媒分散溶液をボールミル、サンドミル、二軸混練機、自転公転式攪拌機、プラネタリーミキサー、ディスパーミキサー等により混合することで得られ、一般的には、スラリーにして用いられる。前記の電池用カーボンブラック、活物質および高分子結着材としては、既述したものを用いれば良い。電極用導電性組成物の分散媒としては、水、Ｎ−メチルピロリドン、シクロヘキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられる。高分子結着材としてポリフッ化ビニリデンを使用する際は、溶解性の点でＮ−メチルピロリドンが好ましく、スチレン−ブタジエン共重合体を使用する際は水が好ましい。また、製造した電極用導電性組成物スラリーは、塗膜に欠陥が生じないようにして平滑性を確保するため、塗工前の段階で真空脱泡を行うことが好ましい。電極用導電性組成物スラリー中に気泡が存在すると、電池用電極に塗布した際に、塗膜に欠陥が生じ、平滑性を損なう原因となる。
【００３６】
＜電池用電極＞
本発明の電池用電極は、上記の電池用カーボンブラックを含むものである。本発明の電池用電極は、電子伝導性が良好なカーボンブラックを用いていることから、低抵抗な電極となる。
【００３７】
本発明における電池用電極の製造には公知の方法を用いることができる。例えば、上記の電池用カーボンブラックを上述した方法でスラリー状の電極用導電性組成物とし、アルミニウム箔や銅箔等の集電体上に塗布した後、加熱によりスラリーに含まれる溶剤を除去し、活物質が高分子結着材を介して集電体表面に結着された多孔質体である電極合材層を形成する。さらに集電体と電極合材層をロールプレス等により加圧して密着させることにより、目的とする電池用電極を得ることができる。
【００３８】
＜電池＞
本発明の電池は、上記の電池用電極を備えるものである。本発明の電池は、電極の抵抗が小さいために高出力特性に優れ、耐酸化性が良好なためにサイクル特性も良好である。
【００３９】
本発明に用いられる電池の作製方法には、特に制限は無く、従来公知の二次電池の作製方法を用いて行えば良いが、例えば、図１に模式的に示した構成で、以下の方法により作製することもできる。すなわち、前記の電極を用いた正極１にアルミ製タブ４を溶接し、負極２にニッケル製タブ５を溶接した後、各電極の間に絶縁層となるポリオレフィン製微多孔膜３を配し、正極１、負極２およびポリオレフィン製微多孔膜３の空隙部分に非水電解液が十分に染込むまで注液し、外装６で封止することで作製することができる。
【００４０】
本発明の電池の用途は、特に限定されないが、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ポータブルオーディオプレイヤー、携帯液晶テレビ等の携帯ＡＶ機器、ノート型パソコン、スマートフォン、モバイルＰＣ等の携帯情報端末、その他、携帯ゲーム機器、電動工具、電動式自転車、ハイブリット自動車、電気自動車、電力貯蔵システム等の幅広い分野において使用することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、その趣旨を損なわない限り、以下に示す実施例に限定されるものではない。【００４２】
＜実施例１＞
原料ガス混合比をアセチレンガス６５体積％、酸素ガス１７．５体積％、水蒸気０体積％および炭化水素ガスとしてトルエンガス１７．５体積％で混合し、カーボンブラック製造炉（炉全長５ｍ、炉直径０．５ｍ）の炉頂に設置されたノズルから噴霧し、アセチレンガスの熱分解および又は燃焼反応を利用して電池用カーボンブラックを製造し、炉下部に直結されたバグフィルターから電池用カーボンブラックを捕集した。なお、ノズル径の調整により原料ガスの噴出速度を６．５ｍ／ｓとした。以降、該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＡ（ＣＢＡ）とした。【００４３】
［ＢＥＴ比表面積］
ＢＥＴ比表面積は、吸着ガスとして窒素を用い、相対圧ｐ／ｐ０＝０．３０±０．０４の条件でＢＥＴ一点法にて測定した。評価結果を表１に示す。【００４４】
［結晶子径（Ｌａ）］
結晶子径（Ｌａ）は、ＪＩＳ  Ｒ７６５１に準拠して測定した値である。Ｘ線回折装置（Ｂｒｕｃｋｅｒ社製「Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥ」）により、ＣｕＫα線を用いて測定範囲２θ＝１０〜４０゜、スリット幅０．５゜の条件でＸ線回折を行い、測定した。測定角度の校正にはＸ線標準用シリコン（三津和化学薬品社製金属シリコン）を用いた。得られた（１１０）面の回折線を用いて、Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式：
Ｌａ（Å）＝（Ｋ×λ）／（β×ｃｏｓθ）      （４）
式（４）により結晶子サイズＬａを求めた。但し、Ｋは形状因子定数０．９、λはＸ線の波長１．５４Å、θは（１１０）面回折線吸収バンドにおける極大値を示す角度、βは（１１０）面回折線吸収バンドにおける半価幅（ラジアン）である。評価結果を表１に示す。【００４５】
［昇温脱離ガス分析法による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数］
昇温脱離ガス分析法による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数は、以下の方法で測定した。昇温脱離ガス分析装置（電子科学社製、ＴＤＳ１２００ＩＩ）を用いて、石英試料皿に電池用カーボンブラックを２ｍｇ載せ、ＳｉＣ製の蓋（穴付き）を被せた後、チャンバー内にセットし、真空度１×１０−６Ｐａ以下まで真空に引いた。真空度が安定した後、測定温度５０℃から１２００℃まで昇温速度６０℃／分で昇温させ、その際に脱離するＣＯ２分子数を昇温脱離ガス分析装置にて測定した。得られたＣＯ２分子数を電池用カーボンブラックのＢＥＴ比表面積で割ることによって、単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数を算出した。評価結果を表１に示す。【００４６】
［ＤＢＰ吸油量］
ＤＢＰ吸油量は、ＪＩＳ  Ｋ６２１７−４に準拠して測定した。評価結果を表１に示す。【００４７】
［２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度］
２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度は、以下の方法で測定した。電子スピン共鳴測定装置（Ｂｒｕｋｅｒ社製  ＥＳＰ３５０Ｅ）を用いて、中心磁場３３８３Ｇａｕｓｓ、磁場掃引幅２００Ｇａｕｓｓの条件で、試料温度−２６３、−２５３、−２３３、−１７３、−１１３、−５３、２３℃におけるカーボンブラックのＥＳＲ信号を測定した。ＥＳＲ信号は微分形式で出力されるため、これを全領域で２回積分することにより、ＥＳＲ信号強度を算出した。次いで、既知のスピン数をもつイオン注入されたポリエチレンフィルム（厚み３００μｍ、スピン数５．５×１０１３個／ｇ）のＥＳＲ信号強度を同一条件で測定し、これを標準試料として各温度におけるカーボンブラックの総電子スピン数を算出した。次いで縦軸に総電子スピン数、横軸に絶対温度で表した試料温度の逆数を取ったグラフを作成し、最小自乗法を用いて算出した回帰直線の切片として、伝導電子スピン数を算出した。次いで２３℃における総電子スピン数の値から伝導電子スピン数の値を減じることで得られる局在電子スピン数を電池用カーボンブラックのＢＥＴ比表面積で割ることによって、局在電子スピン密度を算出した。評価結果を表１に示す。【００４８】
［電池用カーボンブラックの分散性評価］
電池用カーボンブラックの分散性をＪＩＳ  Ｋ５６００−２−５に記載される粒ゲージを用いた方法で粗粒を評価した。具体的には、電池用カーボンブラックＣＢＡを１００ｍｇおよび溶媒としてＮ−メチルピロリドン（関東化学株式会社製、以下、ＮＭＰと記載）を３００ｍｇ秤量して、自転公転式混合機（シンキー社製、あわとり練太郎ＡＲＶ−３１０）を用いて、均一になるまで混合した後、スクレパーを用い、ＣＢＡとＮＭＰの混合溶液を１０ｍｇ塗布し、試料面に１０ｍｍ以上連続した線状痕が、一つの溝について３本以上並んだ箇所の目盛りを測定した。粒ゲージの数値が低い程、良好な分散性を意味する。評価結果を表１に示す。【００４９】
［電池用カーボンブラックの耐酸化性評価］
電池用カーボンブラックの耐酸化性は、以下の方法で測定した。電池用カーボンブラックＣＢＡを１００ｍｇ、高分子結着材としてポリフッ化ビニリデン（アルケマ社製、「ＨＳＶ９００」、以下、ＰＶｄＦと記載）１００ｍｇおよび溶媒としてＮＭＰを３００ｍｇ秤量して、自転公転式混合機（シンキー社製、あわとり練太郎ＡＲＶ−３１０）を用いて、均一になるまで混合した後、アルミ箔上に乾燥後の厚さが２０μｍとなるように塗工し、１０５℃で１時間乾燥させて試験片とした。作用極に得られた試験片、対極及び参照極にリチウム金属（本城金属社製）、電解液にエチレンカーボネート／ジエチルカーボネート＝１／２（体積比）＋１Ｍ  ＬｉＰＦ６溶液（キシダ化学製、以下、電解液と記載）を用いて３極セル（東洋システム株式会社製）を組み立てた。電気化学測定システム（ソーラトロン社製、ファンクションジェネレーター１２６０およびポテンショガルバノスタット１２８７）を用いてサイクリックボルタンメトリー（以下ＣＶと略す）を２５℃で１０ｍＶ／ｓｅｃの走査速度にて２．５Ｖ〜５．０Ｖの範囲で行った。５．０Ｖ時の電流値を電池用カーボンブラックの酸化分解電流値と定めた。酸化分解電流値が低い程、酸化分解しにくく耐酸化性が高いと判断される。評価結果を表１に示す。【００５０】
（電極用導電性組成物の調製）
製造した電池用カーボンブラックＣＢＡ、活物質としてＬｉＣｏＯ２（ユミコア社製、「ＫＤ２０」平均一次粒子径１５μｍ）、溶媒としてＮＭＰ、高分子結着材としてＰＶｄＦをそれぞれ用意した。電池用カーボンブラックＣＢＡが固形分で０．５質量％、ＬｉＣｏＯ２が固形分で９８．５質量％およびＰＶｄＦが固形分で１．０質量％になるように秤量して混合し、この混合物に固形分含有量が７８質量％になるようにＮＭＰを添加し、自転公転式混合機（シンキー社製、あわとり練太郎ＡＲＶ−３１０）を用いて、均一になるまで混合し電極用導電性組成物を得た。【００５１】
［電極用導電性組成物の分散性評価］
電極用導電性組成物の分散性をＪＩＳ  Ｋ７２４４−１０に記載される回転型レオメータを用いた方法で粘度を評価した。具体的には、回転型レオメータ（アントンパール社製、ＭＣＲ３００）を用いて、固形分含有量が７８質量％の電極組成物１ｇをディスク上に塗布し、せん断速度を１００ｓ−１〜０．０１ｓ−１まで変化させて測定を行い、せん断速度１ｓ−１の粘度を評価した。粘度の数値が低い程、良好な分散性を意味する。評価結果を表１に示す。【００５２】
（電池用電極の作製）
調製した電極用導電性組成物を、厚さ１５μｍのアルミニウム箔（ＵＡＣＪ社製）上に、アプリケータにて成膜し、乾燥機内に静置して１０５℃、一時間で予備乾燥させた。次に、ロールプレス機にて２００ｋｇ／ｃｍの線圧でプレスし、厚さ１５μｍのアルミニウム箔を含んだ膜の厚さが６０μｍになるように調製した。揮発成分を除去するため、１７０℃で３時間真空乾燥して電池用電極を得た。【００５３】
［電池用電極の極板抵抗評価］
作製した電池用電極を直径１４ｍｍの円盤状に切り抜き、表裏をＳＵＳ３０４製平板電極によって挟んだ状態で、電気化学測定システム（ソーラトロン社製、ファンクションジェネレーター１２６０およびポテンショガルバノスタット１２８７）を用いて、振幅電圧１０ｍＶ、周波数範囲１Ｈｚ〜１００ｋＨｚにて交流インピーダンスを測定した。得られた抵抗成分値に切り抜いた円盤状の面積を掛けた抵抗値を極板抵抗とした。評価結果を表１に示す。【００５４】
（負極の作製）
溶媒として純水（関東化学社製）、負極活物質として人造黒鉛（日立化成社製、「ＭＡＧ−Ｄ」）、結着材としてスチレンブタジエンゴム（日本ゼオン社製、「ＢＭ−４００Ｂ」、以下、ＳＢＲと記載）、分散剤としてカルボキシメチルセルロース（ダイセル社製、「Ｄ２２００」、以下、ＣＭＣと記載）をそれぞれ用意した。次いで、ＣＭＣが固形分で１質量％、人造黒鉛が固形分で９７質量％となるように秤量して混合し、この混合物に純水を添加し、自転公転式混合機（シンキー社製、あわとり練太郎ＡＲＶ−３１０）を用いて、均一になるまで混合した。さらに、ＳＢＲが固形分で２質量％となるように秤量し、上記混合物に添加し、自転公転式混合機（シンキー社製、あわとり練太郎ＡＲＶ−３１０）を用いて、均一になるまで混合し、非水系電池用負極スラリーを得た。次いで、非水系電池用負極スラリーを、厚さ１０μｍの銅箔（ＵＡＣＪ社製）上にアプリケータにて成膜し、乾燥機内に静置して６０℃、一時間で予備乾燥させた。次に、ロールプレス機にて１００ｋｇ／ｃｍの線圧でプレスし、銅箔を含んだ膜の厚さが４０μｍになるように調製した。残留水分を完全に除去するため、１２０℃で３時間真空乾燥して負極を得た。【００５５】
（電池の作製）
露点−５０℃以下に制御したドライルーム内で、上記電池用電極を４０×４０ｍｍに加工して正極とし、上記負極を４４×４４ｍｍに加工した後、電極合材塗工面が中央で対向するようにし、さらに電極間に４５×４５ｍｍに加工したポリオレフィン微多孔質膜を配置した。次に７０×１４０ｍｍ角に切断・加工したアルミラミネートシートを、長辺の中央部で二つ折りにし、電極の集電用タブがラミネートシートの外部に露出するように配置して挟み込んだ。次にヒートシーラーを用いて、アルミラミネートシートの集電用タブが露出した辺を含む２辺を加熱融着した後、加熱融着していない一辺から、２ｇの電解液を注液し、上記電池用電極を用いた正極、負極およびポリオレフィン微多孔膜に十分に染み込ませてから、真空ヒートシーラーにより、電池の内部を減圧しながら、アルミラミネートシートの残り１辺を加熱融着して電池を得た。【００５６】
作製した電池について、以下の方法により電池性能を評価した。【００５７】
（電池の評価）
［放電レート特性（３Ｃ放電時の容量維持率）］
作製した電池を、２５℃において４．３５Ｖ、０．２Ｃ制限の定電流定電圧充電をした後、０．２Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電した。次いで、放電電流を０．２Ｃ、０．５Ｃ、１Ｃ、２Ｃ、３Ｃと変化させ、各放電電流に対する放電容量を測定した。各測定における回復充電は４．３５Ｖ、０．２Ｃ制限の定電流定電圧充電を行った。そして、０．２Ｃ放電時に対する３Ｃ放電時の容量維持率を計算した。評価結果を表１に示す。【００５８】
［サイクル特性（サイクル後放電容量維持率）］
作製した電池を、２５℃において４．３５Ｖ、１Ｃ制限の定電流定電圧充電をした後、１Ｃの定電流で３．０Ｖまで放電した。次いで、上記充放電を５００サイクル繰り返し、放電容量を測定した。そして、１サイクル放電時に対する５００サイクル放電時のサイクル後放電容量維持率を計算した。評価結果を表１に示す。【００５９】
＜実施例２＞
実施例１の炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＢ（ＣＢＢ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。【００６０】
＜実施例３＞
実施例１の原料ガス混合比を酸素ガス６９体積％、炭化水素ガス３１体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＣ（ＣＢＣ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。【００６１】
＜実施例４＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス６０体積％、酸素ガス２体積％、水蒸気１９体積％および炭化水素ガス１９体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＤ（ＣＢＤ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。【００６２】
＜実施例５＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス５５体積％、酸素ガス１０体積％、水蒸気１０体積％および炭化水素ガスとしてのトルエンガス２５体積％に変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＥ（ＣＢＥ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。【００６３】
＜実施例６＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス６２体積％、酸素ガス１８体積％、水蒸気２体積％および炭化水素ガス１８体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＦ（ＣＢＦ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。【００６４】
＜実施例７＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス２５体積％、酸素ガス４０体積％、水蒸気１７．５体積％および炭化水素ガスとしてのトルエンガス１７．５体積％に変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＧ（ＣＢＧ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。【００６５】
＜比較例１＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス８２体積％、炭化水素ガス１８体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＨ（ＣＢＨ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例１で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性および耐酸化性は良好であるが、電子伝導性に乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００６６】
＜比較例２＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス６７体積％、酸素ガス１５体積％、水蒸気１５体積％および炭化水素ガスとしてのトルエンガス３体積％に変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＩ（ＣＢＩ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例２で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性に乏しく、粘度も高く、耐酸化性も乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００６７】
＜比較例３＞
実施例１の電池用カーボンブラックを表１に示すＢＥＴ比表面積、結晶子径（Ｌａ）、昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数、ＤＢＰ吸油量および２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度を持つＳｕｐｅｒＰＬｉ（イメリス社製）に変更した以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例３で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性および耐酸化性は良好であるが、電子伝導性に乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００６８】
＜比較例４＞
実施例１の電池用カーボンブラックを表１に示すＢＥＴ比表面積、結晶子径（Ｌａ）、昇温脱離ガス分析法（測定温度５０℃〜１２００℃）による単位表面積あたりのＣＯ２脱離分子数、ＤＢＰ吸油量および２３℃における単位表面積あたりの局在電子スピン密度を持つＥＣＰ（ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製）に変更した以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例４で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性に乏しく、粘度も高く、耐酸化性も乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００６９】
＜比較例５＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス６０体積％、酸素ガス２体積％、水蒸気２５体積％および炭化水素ガス１３体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＪ（ＣＢＪ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例５で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性に乏しく、粘度も高く、耐酸化性も乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００７０】
＜比較例６＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス５７体積％、酸素ガス３体積％、水蒸気２０体積％および炭化水素ガス２０体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＫ（ＣＢＫ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例６で用いた電池用カーボンブラックの場合、耐酸化性は良好であるが、分散性に乏しく、粘度も高く、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００７１】
＜比較例７＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス８０体積％、酸素ガス５体積％、水蒸気７．５体積％および炭化水素ガス７．５体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＬ（ＣＢＬ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例７で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性および耐酸化性は良好であるが、電子伝導性に乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００７２】
＜比較例８＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス６５体積％、酸素ガス１６体積％、水蒸気３体積％および炭化水素ガスとしてのトルエンガス１６体積％に変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＭ（ＣＢＭ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例８で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性および耐酸化性は良好であるが、電子伝導性に乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００７３】
＜比較例９＞
実施例１の原料ガス混合比をアセチレンガス４０体積％、酸素ガス１０体積％、水蒸気２５体積％および炭化水素ガス２５体積％に変更し、前記炭化水素ガスをベンゼンに変更した（該製造条件で製造された電池用カーボンブラックをカーボンブラックＮ（ＣＢＮ）とした。）以外は、実施例１と同様な方法で電池用カーボンブラック、電極用導電性組成物、電池用電極および電池を作製し、各評価を実施した。評価結果を表１に示す。比較例９で用いた電池用カーボンブラックの場合、分散性に乏しく、粘度も高く、耐酸化性も乏しく、極板抵抗も高い値を示した。また、電池評価においても３Ｃ放電時の放電容量維持率が低い結果となった。【００７４】
【表１】
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実施例１〜７の電池用カーボンブラックは、比較例１〜９の電池用カーボンブラックに比べて分散性、電子伝導性および耐酸化性を両立できることが明らかになった。これにより本発明の実施例の電極用導電性組成物は粘度が低く、電極用導電性組成物を用いた電池用電極は極板抵抗が低いため放電時の電圧降下を抑えられることが分かった。【００７５】
さらに、実施例１〜７の電池は、比較例１〜９の電池に比べて放電レート特性が高く、サイクル特性も高いことが明らかになった。これにより本発明の電池用カーボンブラックを用いた電池は放電電流の増加に伴う出力低下を抑えられ、高い寿命も兼ね備えていることが分かった。
【符号の説明】
【００７６】
１  リチウムイオン電池正極
２  リチウムイオン電池負極
３  ポリオレフィン製微多孔膜
４  アルミ製タブ
５  ニッケル製タブ
６  外装
【図１】
2018037910.tif 000004
【国際調査報告】
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2018037910.tif 000006
2018037910.tif 000007
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