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特許6974934非水電解質二次電池用電極合剤層、非水電解質二次電池用電極、及び非水電解質二次電池
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6974934
(24)【登録日】2021年11月9日
(45)【発行日】2021年12月1日
(54)【発明の名称】非水電解質二次電池用電極合剤層、非水電解質二次電池用電極、及び非水電解質二次電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/13 20100101AFI20211118BHJP
H01M 4/62 20060101ALI20211118BHJP
【ＦＩ】
H01M4/13
H01M4/62 Z
【請求項の数】6
【全頁数】31
(21)【出願番号】特願2016-119932(P2016-119932)
(22)【出願日】2016年6月16日
(65)【公開番号】特開2017-63014(P2017-63014A)
(43)【公開日】2017年3月30日
【審査請求日】2019年3月26日
(31)【優先権主張番号】特願2015-122998(P2015-122998)
(32)【優先日】2015年6月18日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2015-192922(P2015-192922)
(32)【優先日】2015年9月30日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003001
【氏名又は名称】帝人株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100163120
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 嘉弘
(72)【発明者】
【氏名】谷内 一輝
(72)【発明者】
【氏名】小村 伸弥
(72)【発明者】
【氏名】平川 亮太
(72)【発明者】
【氏名】大道 高弘
【審査官】
森 透
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１４／１１５８５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
韓国公開特許第１０−２０１５−００４５１５９（ＫＲ，Ａ）
【文献】
特開２００４−１６５０５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−００３９８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−０７７４７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１０／０９０３４３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２００９／１２５８５７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ４／００−４／６２
Ｈ０１Ｇ １１／００−１１／８６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも繊維状炭素を含有する非水電解質二次電池用電極合剤層であって、
該非水電解質二次電池用電極合剤層から成る電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．６以下である電気化学反応を示さない非水電解質二次電池用電極合剤層であり、
前記繊維状炭素が、該繊維状炭素５０質量部とポリフッ化ビニリデン５０質量部とから成る１００質量部の非水電解質二次電池用電極合剤層を含む電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含む、エチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、ＩＡ／ＩＢが０．０４４以下（ここでＩＡは、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、ＩＢは、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの５Ｖでの電流値をいう。）の繊維状炭素であり、且つ
前記繊維状炭素が、平均実効長（Ｌ）よりも長い実効長を有する繊維状炭素の含有割合が本数基準で４８％以下であり、実効長分布におけるピークトップが１つであり、平均実効長（Ｌ）と平均繊維径（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が３０以上であり、
前記繊維状炭素の金属含有量が５０ｐｐｍ以下であり、
前記繊維状炭素のＸ線回折法で測定した結晶子長さ（Ｌａ）が１００〜５００ｎｍであることを特徴とする非水電解質二次電池用電極合剤層。
該非水電解質二次電池用電極合剤層から成る電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．６以下である電気化学反応を示さない非水電解質二次電池用電極合剤層であり、
前記繊維状炭素が、該繊維状炭素５０質量部とポリフッ化ビニリデン５０質量部とから成る１００質量部の非水電解質二次電池用電極合剤層を含む電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含む、エチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、ＩＡ／ＩＢが０．０４４以下（ここでＩＡは、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、ＩＢは、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの５Ｖでの電流値をいう。）の繊維状炭素であり、且つ
前記繊維状炭素が、平均実効長（Ｌ）よりも長い実効長を有する繊維状炭素の含有割合が本数基準で４８％以下であり、実効長分布におけるピークトップが１つであり、平均実効長（Ｌ）と平均繊維径（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が３０以上であり、
前記繊維状炭素の金属含有量が５０ｐｐｍ以下であり、
前記繊維状炭素のＸ線回折法で測定した結晶子長さ（Ｌａ）が１００〜５００ｎｍであることを特徴とする非水電解質二次電池用電極合剤層。
【請求項2】
前記ＩＡ／ＩＢが下記式（１）
ＩＡ／ＩＢ＜０．０２・・・式（１）
を満たす繊維状炭素である請求項１に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
ＩＡ／ＩＢ＜０．０２・・・式（１）
を満たす繊維状炭素である請求項１に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【請求項3】
前記電極合剤層に含まれる繊維状炭素のＸ線回折法で測定した結晶面間隔（ｄ００２）が、０．３３５〜０．３４０ｎｍである請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【請求項4】
前記電極合剤層に含まれる繊維状炭素の最も小さい次元の平均長さが５０〜１０００ｎｍである請求項１乃至３の何れか１項に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【請求項5】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層を有する非水電解質二次電池用電極。
【請求項6】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層を有する非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は耐酸化性に優れた炭素材料を用いて形成される非水電解質二次電池用電極合剤層、非水電解質二次電池用電極、及び非水電解質二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
カーボンナノ材料、特に、平均繊維径が１μｍ以下である極細炭素繊維は、高結晶性、高導電性、高強度、高弾性率、軽量等の優れた特性を有していることから、高性能複合材料のナノフィラーとして使用されている。その用途は、機械的強度向上を目的とした補強用ナノフィラーに留まらず、炭素材料に備わった高導電性を生かし、各種電池やキャパシタの電極への添加材料、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性ナノフィラーとして、或いは樹脂向けの静電塗料に配合するナノフィラーとしての用途が検討されている。また、炭素材料としての化学的安定性、熱的安定性、微細構造の特徴を生かし、フラットディスプレー等の電界電子放出材料としての用途も期待されている。その中でも非水電解質二次電池に添加することによる導電性向上が大きく期待されている。
【0003】
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、更なる高エネルギー密度化が求められており、その一つのアプローチとして電池の高電圧化が考えられている。しかし、高電圧下では電池の構成材料である電解液や導電助剤の耐酸化性の問題から、電池の充放電反応とは異なる副反応が起こってしまう。そのため、エネルギー効率が低下してしまったり、ガス発生による安全性の問題が生じたりしてしまうことが懸念されている。
【0004】
特許文献１には、電解液の分解反応を抑制するために添加剤を加えることが提唱されているが、導電助剤の耐酸化性については十分な対策がとられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００８−１０３３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非水電解質二次電池は更なる性能向上のため高電圧化の検討が進められている。しかしながら、従来の炭素材料が導電助剤として用いられた非水電解質二次電池をそのまま高電圧で用いると、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応を生じてしまい、その結果、エネルギー効率が低下してしまうという問題がある。
【0007】
本発明の目的は、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い耐酸化性に優れた炭素材料及び炭素系導電助剤、並びにそれを用いた非水電解質二次電池用電極合剤層、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、上記の従来技術に鑑みて鋭意検討を重ねた結果、導電助剤として所定の電気化学特性を示す炭素材料を用いることにより、高電圧下における副反応を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
即ち、上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。
【0010】
〔１〕 少なくとも炭素材料を含有する非水電解質二次電池用電極合剤層であって、該非水電解質二次電池用電極合剤層から成る電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．６以下である電気化学反応を示さないことを特徴とする非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0011】
〔２〕 前記炭素材料が、該炭素材料５０質量部とポリフッ化ビニリデン５０質量部とから成る１００質量部の非水電解質二次電池用電極合剤層を含む電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含む、エチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、下記式（１）ＩＡ／ＩＢ＜０．０２ ・・・式（１）
（ここでＩＡは、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、ＩＢは、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの５Ｖでの電流値をいう。）
を満たす炭素材料である〔１〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0012】
〔３〕 前記電極合剤層に含まれる炭素材料のＸ線回折法で測定した結晶面間隔（ｄ００２）が、０．３３５〜０．３４０ｎｍである〔１〕又は〔２〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0013】
〔４〕 前記電極合剤層に含まれる炭素材料のＸ線回折法で測定した結晶子長さ（Ｌａ）が、３０〜５００ｎｍである〔１〕乃至〔３〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0014】
〔５〕 前記電極合剤層に含まれる炭素材料の金属含有量が５０ｐｐｍ以下である〔１〕乃至〔４〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0015】
〔６〕 前記電極合剤層に含まれる炭素材料の最も小さい次元の平均長さが５０〜１０００ｎｍである〔１〕乃至〔５〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0016】
〔７〕 前記電極合剤層に含まれる炭素材料が繊維状炭素であり、その平均実効長（Ｌ）と平均繊維径（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）が３０以上である〔１〕乃至〔６〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0017】
〔８〕 前記繊維状炭素が、平均実効長（Ｌ）よりも長い実効長を有する繊維状炭素の含有割合が本数基準で４８％以下である〔７〕に記載の非水電解質二次電池用電極合剤層。
【0018】
〔９〕 〔１〕乃至〔８〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層を有する非水電解質二次電池用電極。
【0019】
〔１０〕 〔１〕乃至〔８〕の何れかに記載の非水電解質二次電池用電極合剤層を有する非水電解質二次電池。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、高電圧下における炭素系導電助剤と電解液との反応を抑制して優れたエネルギー効率を達成できる非水電解質二次電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【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。
【0023】
１．非水二次電池用電極合剤層１−１．非水電解質二次電池用電極合剤層の性状
本発明は、炭素材料を含有する非水電解質二次電池用電極合剤層（以下、単に「電極合剤層」ともいう）である。本発明の電極合剤層は、炭素材料以外の活物質、バインダー、及び他の炭素系導電助剤をさらに含んでいても良い。
【0024】
本発明の電極合剤層は、該電極合剤層から成る電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．６以下である電気化学反応を示さないことを特徴とする。
【0025】
即ち、本発明の電極合剤層は、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において不可逆な電気化学反応を示さないことを特徴とする。ここで「不可逆な電気化学反応」とは、該電極合剤層からなる電極を作用極とし、対極をとしてリチウム金属を、溶媒として１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（３／７体積比）を用い、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の範囲で測定した、サイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．６以下であることをいう。
【0026】
本発明の電極合剤層は、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．７以下である電気化学反応を示さないことが好ましく、０．８以下である電気化学反応を示さないことがより好ましく、０．８５以下である電気化学反応を示さないことがさらに好ましい。還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．６より大きい不可逆な電気化学反応を示さない電極合剤層とすることで、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0027】
本発明の電極合剤層の厚さ（膜厚）は特に制限されないが、５０μｍ以上であることが好ましく、７０μｍ以上であることがより好ましく、９０μｍ以上であることがさらに好ましく、１００μｍ以上であることが特に好ましい。膜厚の上限は特に制限されないが、一般に１０００μｍ未満であり、８００μｍ未満であることが特に好ましい。膜厚が５０μｍ未満であると、任意の容量セルを製造しようとした場合、セパレータや集電体を多量に使用することになり、セル内における電極合剤層の体積占有率が低下する。これは、エネルギー密度の観点から好ましくなく、用途がかなり制限されてしまう。膜厚が１０００μｍ以上であると、電極合剤層にクラックが発生し易く、製造が比較的困難である。また、膜厚が１０００μｍ以上であると、Ｌｉイオンの輸送が阻害されやすく、抵抗が上昇し易い。電極合剤層の膜厚の測定方法としては特に限定されないが、例えばマイクロメーターを使用して計測することができる。なお、本発明における電極合剤層の厚さは、後述する集電体の厚さを含まない電極合剤層のみの厚さを意味する。
【0028】
１−２．非水電解質二次電池用電極合剤層に含まれる炭素材料本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、該炭素材料５０質量部とポリフッ化ビニリデン５０質量部とから成る１００質量部の非水電解質二次電池用電極合剤層を含む電極を作用極とし、リチウム金属を対極とし、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含む、エチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７）を用いて、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、下記式（１）
ＩＡ／ＩＢ＜０．０２ ・・・式（１）
（ここでＩＡは、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行った際に、酸化電流が極大値をとるときの電流値のうち最大のものをいい、ＩＢは、２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内においてサイクリックボルタモグラム測定を行ったときの５Ｖでの電流値をいう。）
を満たす炭素材料であることが好ましい。
【0029】
即ち、本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さないことが好ましい。ここで、「電気化学反応を示さない」とは、該炭素材料５０質量部とポリフッ化ビニリデン（株式会社クレハ製、Ｗ＃７２００）５０質量部とからなる１００質量部の電極合剤層を含む電極を作用極とし、対極としてリチウム金属を用い、溶媒として１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（体積（２５℃）比＝３／７、キシダ化学社製）を用い、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲で測定したサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）において、実質的なピークを有さないことをいう。ここで、「実質的なピークを有さない」とは、上記式（１）を満たすことをいう。
【0030】
２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さない電極合剤層とすることで、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0031】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は結晶性が高いことが好ましい。すなわち、Ｘ線回折法で測定した結晶面間隔（ｄ００２）が０．３３５〜０．３４０ｎｍであることが好ましく、０．３３５〜０．３３９ｎｍであることがより好ましい。０．３３５〜０．３４０ｎｍの範囲であることにより、黒鉛結晶性が高く、耐酸化性に優れる。
【0032】
また、本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、結晶子長さ（Ｌａ）が１０〜５００ｎｍであることが好ましく、３０〜５００ｎｍであることがより好ましく、５０〜５００ｎｍであることがさらに好ましく、１００〜５００ｎｍであることがさらにより好ましく、１２０〜５００ｎｍであることが特に好ましい。１０ｎｍ未満である場合、炭素材料の耐酸化性は十分でない。一方、結晶子サイズは、Ｘ線回折法によって測定を行うが、結晶が大きく発達すると測定誤差が大きくなることから、実質的には５００ｎｍが測定の限界である。
【0033】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、グラフェン（網平面群）の厚さ（Ｌｃ）が１．０〜１３０ｎｍであることが好ましい。１．０ｎｍ未満である場合、炭素材料の導電率が著しく低下してしまうため好ましくない。
【0034】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、充填密度が低い状態において高い導電性を有することが好ましい。充填密度が低い状態において高い導電性を有する炭素材料は、より低い添加濃度で導電性を付与することができるからである。具体的には、充填密度０．４ｇ／ｃｍ３で充填した際の粉体体積抵抗は、１Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、０．５Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。１Ω・ｃｍを超える場合、導電性を向上させるのに要する炭素材料の添加量が多くなり好ましくない。下限値は特に限定されないが、一般的には０．０００１Ω・ｃｍ程度である。
【0035】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、金属元素の含有率が合計で５０ｐｐｍ以下であることが好ましく、３０ｐｐｍ以下であることがより好ましく、２０ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。金属含有率が５０ｐｐｍを超える場合、金属の触媒作用により電池を劣化させ易くなる。本発明において、金属元素の含有率とは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏの合計含有率を意味する。特に、Ｆｅの含有率は５ｐｐｍ以下であることが好ましく、３ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。Ｆｅの含有率が５ｐｐｍを超える場合、特に電池を劣化させ易くなるため好ましくない。
【0036】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、炭素材料中の水素、窒素、灰分の何れもが０．５質量％以下であることが好ましく、０．３質量％以下であることがより好ましい。炭素材料中の水素、窒素、灰分の何れもが０．５質量％以下である場合、グラファイト層の構造欠陥が一段と抑制され、電池中での副反応を抑制できるため好ましい。
【0037】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、その最も小さい次元の長さが５０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１００〜８００ｎｍであることがより好ましく、１５０〜６００ｎｍであることがさらに好ましく、２００〜５００ｎｍであることが特に好ましい。ここで、「最も小さい次元の長さ」とは、炭素材料が細長い繊維状であればその繊維径をいい、球状であれば直径をいい、扁平であれば短径をいう。
【0038】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、実質的に炭素から構成されるものであり、例えば、黒鉛、グラフェン、カーボンナノホーン、フラーレン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維を挙げることができる。本発明の炭素材料は、その結晶性が高いことを特徴とする。
【0039】
本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料は、電極合剤層内に導電性のネットワークを形成する効果が高く、電池出力改善、電池耐久性向上の観点から繊維状炭素であることが好ましい。繊維状炭素としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノリボンなどの気相成長炭素材料も含まれるが、結晶性の高い炭素材料である必要から、ＰＡＮ系よりもピッチを原料とする炭素繊維が好ましい。
【0040】
繊維状炭素の平均繊維径は、５０〜９００ｎｍであることが好ましい。該上限値は、６００ｎｍ以下であることが好ましく、５００ｎｍ以下であることがより好ましく、４００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、３００ｎｍ以下であることがよりさらに好ましく、２５０ｎｍ以下であることが特に好ましく、２００ｎｍ以下であることが最も好ましい。該下限値は、５０ｎｍ以上であることが好ましく、１００ｎｍ以上であることがより好ましく、１５０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。５０ｎｍ未満であると、嵩密度が非常に小さくハンドリング性に劣る。また、電極合剤層を構成した際、電極強度が低下する傾向がある。９００ｎｍ超である場合、電極合剤層内において隙間が生じ易くなり、電極密度を高くすることが困難となる場合がある。
ここで、本発明における繊維径は、電界放射型走査電子顕微鏡によって倍率２，０００倍にて撮影した写真図より測定された値を意味する。
【0041】
繊維状炭素の実効長及びその平均実効長は、１〜１００μｍであることが好ましく、１〜５０μｍであることがより好ましく、５〜２０μｍであることがさらに好ましい。１μｍ未満である場合、電極合剤層内の導電性、電極の強度、電解液保液性が低くなるため好ましくない。１００μｍ超の場合、繊維状炭素の分散性が損なわれることから好ましくない。即ち、繊維状炭素が長すぎる場合、繊維状炭素が電極合剤層の面内方向に配向し易くなる。その結果、膜厚方向への導電パスを形成し難くなってしまう。
【0042】
繊維状炭素の長さは、実際の繊維長ではなく、実効長によって定義される。なぜなら、繊維状炭素は、電極合剤層内において実際の繊維長で導電に寄与しているとは限らないからである。例えば、電極合剤層内で繊維が折れ曲がったり丸まったりして、実際の繊維長で導電に寄与していない場合がある。本発明において、繊維状炭素の実効長は、単体の繊維状炭素に両端が接する最長の線分の長さとして定義される。換言すれば、単体の繊維状炭素が導電することができる最大の直線距離である。即ち、繊維状炭素が完全な直線構造を有する場合は、実効長は実際の繊維長と略等しい。繊維状炭素が分岐構造を有する場合や丸まっている場合は、その単体の繊維状炭素上にある２点間を結ぶ最大の線分の長さをいう。
【0043】
本発明の電極合剤層に含まれる繊維状炭素の平均実効長（Ｌ）と平均繊維径（Ｄ）との比（Ｌ／Ｄ）は３０以上であることが好ましく、４０以上であることがより好ましい。比（Ｌ／Ｄ）を３０以上とすることにより、電極合剤層中において導電パスが効率的に形成され、得られる電池のサイクル特性を高くすることができる。３０未満の場合、電極合剤層中において導電パスの形成が不十分になり易く、電極合剤層の膜厚方向の抵抗値が十分に低下しない場合がある。比（Ｌ／Ｄ）の上限値は特に限定されないが、一般に３０００以下であり、５００以下であることが好ましく、３００以下であることがより好ましい。３０００を超える場合、繊維状炭素の分散性が損なわれることから好ましくない。
【0044】
本発明の電極合剤層は、繊維状炭素が例えば炭素繊維である場合、平均繊維径が５０〜９００ｎｍであってアスペクト比が３０以上の炭素繊維を複数本含有している（以下、単に「炭素繊維集合体」ともいう）ことが好ましい。この炭素繊維集合体は、平均実効長よりも長い実効長を有する炭素繊維の含有割合が、炭素繊維集合体に対して本数基準で４８％以下であることが好ましい。４８％以下であることで、平均実効長を大きく上回る実効長を有する長い炭素繊維を含有するため、長距離の電子伝導パスの形成に有利である。実効長が平均実効長よりも長い炭素繊維の含有割合は、４５％以下であることがより好ましく、４２％以下であることがさらに好ましく、４０％以下であることがよりさらに好ましく、３５％以下であることが特に好ましく、３０％以下であることが特に好ましい。実効長が平均実効長よりも長い炭素繊維の含有割合は、５％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。
【0045】
本発明における炭素繊維集合体は、区間を５μｍとして区分した際の炭素繊維の実効長の最頻値が炭素繊維集合体の平均実効長よりも小さいことが好ましい。即ち、炭素繊維の集合体の実効長分布（本数基準）において、最も高いピークトップの実効長が、平均実効長より小さいことが好ましい。また、実効長分布（本数基準）において、ピークトップは１つであることが好ましい。このような分布を有する炭素繊維を用いることにより、実効長の長い炭素繊維によって長距離の導電パスを形成するとともに、実効長の短い炭素繊維によって実効長の長い炭素繊維が面内方向へ配向することを阻害する作用を高くすることができる。その結果、電極合剤層の膜厚方向への導電パスを形成し易くなる。
【0046】
１−３． 炭素材料の製造方法本発明の電極合剤層に含まれる炭素材料として好ましい形態である炭素繊維の製造方法について以下に説明する。本発明の電極合剤層に含まれる炭素繊維の製造方法は特に限定されないが、例えば次に記載する（１）〜（４）の工程を経ることにより製造することができる。
（１）熱可塑性樹脂及び炭素前駆体から成る樹脂組成物を溶融状態で成形することにより、炭素前駆体を繊維化して樹脂複合繊維を得る工程、
（２）前記樹脂複合繊維を安定化し、樹脂複合安定化繊維を得る安定化工程、
（３）樹脂複合安定化繊維から前記熱可塑性樹脂を除去して安定化繊維のみを分離する熱可塑性樹脂除去工程、
（４）安定化繊維を不活性雰囲気下で加熱して炭素化乃至黒鉛化して炭素繊維を得る炭化焼成工程。
【0047】
＜熱可塑性樹脂＞ 本発明の電極合剤層に含まれる炭素繊維の製造方法で使用する熱可塑性樹脂は、樹脂複合繊維を製造することができるとともに、熱可塑性樹脂除去工程において容易に除去される必要がある。このような熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリ乳酸が例示される。これらの中でも、ポリオレフィンが好ましく用いられる。
【0048】
ポリオレフィンの具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン−１、及びこれらを含む共重合体が挙げられる。熱可塑性樹脂除去工程において除去し易いという観点からは、ポリエチレンを用いることが好ましい。ポリエチレンとしては、高圧法低密度ポリエチレン、気相法・溶液法・高圧法直鎖状低密度ポリエチレンなどの低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンなどの単独重合体又はエチレンとα−オレフィンとの共重合体；エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体が挙げられる。
【0049】
本発明で使用する熱可塑性樹脂は、ＪＩＳ Ｋ ７２１０（１９９９年度）に準拠して測定されたメルトマスフローレート（ＭＦＲ）が０．１〜１０ｇ／１０ｍｉｎであることが好ましく、０．１〜５ｇ／１０ｍｉｎであることがより好ましく、０．１〜３ｇ／１０ｍｉｎであることが特に好ましい。ＭＦＲが上記範囲であると、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散することができる。また、樹脂複合繊維を成形する際に、繊維が引き延ばされることにより、炭素前駆体の分子配向性を制御して得られる炭素繊維の結晶性を向上させるとともに、得られる炭素繊維の繊維径をより小さくすることができる。本発明で使用する熱可塑性樹脂は、炭素前駆体と容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合はガラス転移温度が２５０℃以下、結晶性の場合は融点が３００℃以下であることが好ましい。
【0050】
＜炭素前駆体＞炭素前駆体としてはメソフェーズピッチを用いることが好ましい。以下、炭素前駆体としてメソフェーズピッチを用いる場合について説明する。メソフェーズピッチとは溶融状態において光学的異方性相（液晶相）を形成しうるピッチである。本発明で使用するメソフェーズピッチとしては、石炭や石油の蒸留残渣を原料とするものや、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料とするものが挙げられる。例えば、石炭由来のメソフェーズピッチは、コールタールピッチの水素添加・熱処理を主体とする処理、水素添加・熱処理・溶剤抽出を主体とする処理等により得られる。
【0051】
メソフェーズピッチの光学的異方性含有量（メソフェーズ率）は、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。
【0052】
また、上記メソフェーズピッチは、軟化点が１００〜４００℃であることが好ましく、１５０〜３５０℃であることがより好ましい。
【0053】
＜樹脂組成物＞ 本発明の電極合剤層に含まれる炭素繊維の製造方法において用いられる、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとから成る樹脂組成物（以下、メソフェーズピッチ組成物ともいう）は、熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂１００質量部に対して１〜１５０質量部のメソフェーズピッチとを含んで成ることが好ましい。メソフェーズピッチの含有量は５〜１００質量部であることがより好ましい。メソフェーズピッチの含有量が１５０質量部を超えると所望の分散径を有する樹脂複合繊維が得られず、１質量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造することができない等の問題が生じるため好ましくない。
【0054】
繊維径が９００ｎｍ以下である炭素繊維を製造するためには、熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの分散径を０．０１〜５０μｍとすることが好ましく、０．０１〜３０μｍとすることがより好ましい。熱可塑性樹脂中におけるメソフェーズピッチの分散径が０．０１〜５０μｍの範囲を逸脱すると、所望の炭素繊維を製造することが困難となることがある。なお、メソフェーズピッチ組成物中において、メソフェーズピッチは球状又は楕円状の島相を形成するが、本発明における分散径とは、島相が球状の場合はその直径を意味し、楕円状の場合はその長軸径を意味する。
【0055】
上記０．０１〜５０μｍの分散径は、メソフェーズピッチ組成物を３００℃で３分間保持した後においても上記範囲内を維持していることが好ましく、３００℃で５分間保持した後においても維持していることがより好ましく、３００℃で１０分間保持した後においても維持していることが特に好ましい。一般に、メソフェーズピッチ組成物を溶融状態で保持しておくと、メソフェーズピッチ組成物中においてメソフェーズピッチが時間と共に凝集する。メソフェーズピッチが凝集してその分散径が５０μｍを超えると、所望の炭素繊維を製造することが困難となることがある。メソフェーズピッチ組成物中におけるメソフェーズピッチの凝集速度は、使用する熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの種類により変動する。
【0056】
メソフェーズピッチ組成物は、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとを溶融状態において混練することにより製造することができる。熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとの溶融混練は公知の装置を用いて行うことができる。例えば、一軸式混練機、二軸式混練機、ミキシングロール、バンバリーミキサーからなる群より選ばれる１種類以上を用いることができる。これらの中でも、熱可塑性樹脂中にメソフェーズピッチを良好にミクロ分散させるという目的から、二軸式混練機を用いることが好ましく、特に各軸が同方向に回転する二軸式混練機を用いることが好ましい。
【0057】
混練温度としては、熱可塑性樹脂とメソフェーズピッチとが溶融状態であれば特に制限されないが、１００〜４００℃であることが好ましく、１５０〜３５０℃であることが好ましい。混練温度が１００℃未満であると、メソフェーズピッチが溶融状態にならず、熱可塑性樹脂中にミクロ分散させることが困難であるため好ましくない。一方、４００℃を超える場合、熱可塑性樹脂及びメソフェーズピッチの分解が進行するため好ましくない。また、溶融混練の時間としては、０．５〜２０分間であることが好ましく、１〜１５分間であることがより好ましい。溶融混練の時間が０．５分間未満の場合、メソフェーズピッチのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、２０分間を超える場合、炭素繊維の生産性が著しく低下するため好ましくない。
【0058】
溶融混練は、酸素ガス含有量が１０体積％未満の不活性雰囲気下で行うことが好ましく、酸素ガス含有量が５体積％未満の不活性雰囲気下で行うことがより好ましく、酸素ガス含有量が１％体積未満の不活性雰囲気下で行うことが特に好ましい。本発明で使用するメソフェーズピッチは、溶融混練時に酸素と反応することにより変性してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、酸素とメソフェーズピッチとの反応を抑制するために不活性雰囲気下で溶融混練を行うことが好ましい。
【0059】
＜樹脂複合繊維＞上記のメソフェーズピッチ組成物から樹脂複合繊維を製造する方法としては、所望の炭素繊維が作製できれば限定されないが、メソフェーズピッチ組成物を紡糸口金より溶融紡糸する方法、メソフェーズピッチ組成物を矩形口金より溶融製膜する方法を例示することができる。
【0060】
本発明の電極合剤層に使用する炭素繊維を得るためには、樹脂複合繊維を得る段階において、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチの分子配向性を高める配向制御操作が行われる。配向制御操作は、口金を用いて溶融状態のメソフェーズピッチを変形させることにより行われる。このような配向制御操作としては、溶融状態のメソフェーズピッチにせん断によるひずみを加える方法や伸長によるひずみを加える方法を例示することができる。特に、伸長によるひずみを加える方法は、流動変形の効果が大きい。
【0061】
せん断によるひずみを加える方法としては、メソフェーズピッチが溶融した状態において、該溶融状態のメソフェーズピッチ組成物の線速度を口金流路内において大きくする方法が挙げられる。これにより、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物が口金流路内を通過する際の通過速度を高くすることにより、せん断によるひずみを加える方法が挙げられる。
【0062】
伸長によるひずみを加える方法としては、メソフェーズピッチが溶融した状態において、口金を用いて溶融状態のメソフェーズピッチ組成物の線速度を吐出側に向けて漸増する方法が挙げられる。具体的には、口金流路に絞り部を形成して、流路の断面積を吐出側に向けて漸減させる方法（口金内部での変形）や、メソフェーズピッチ組成物を口金からキャスト面に吐出して吐出線速度よりも大きな線速度で引き取る方法（口金外部での変形）などが挙げられる。口金内部での変形の場合、変形により分子配向性が高められたメソフェーズピッチは、その後の溶融状態下での熱緩和によって配向性が低下する。一方、口金外部での変形の場合、変形により分子配向性が高められたメソフェーズピッチは、その後の冷却により流動性が低下してメソフェーズピッチの配向性が保たれる。そのため、配向制御操作としては、口金外部において伸長によるひずみを加える方法がよい。
【0063】
これらの方法は、せん断ひずみ速度や伸長ひずみ速度を制御することが重要である。せん断速度及び口金内部での伸長ひずみ速度は、それぞれ１０〜１００００ｓ−１であり、１００〜１００００ｓ−１であることが好ましい。１０ｓ−１未満である場合、メソフェーズピッチの分子配向性を十分に高めることができない。１００００ｓ−１を超える場合、メソフェーズピッチの変形が追随できず、繊維状に成形できなくなる。せん断ひずみ速度、伸長ひずみ速度は上記範囲に設定すればよく、設定した数値は、プラスマイナス５％、さらに好ましくはプラスマイナス３％、特にプラスマイナス１％の範囲から外れないようにするのがよい。口金外部での伸長ひずみ速度は、１〜１００００ｓ−１であり、１０〜５０００ｓ−１であることが好ましい。
【0064】
口金の絞り部に形成される導入角θは３０〜９０度であり、４０〜８０度が好ましく、４５〜７５度がより好ましい。上記範囲内の口金を用いる場合、溶融状態のメソフェーズピッチ組成物が口金流路内を通過する際にせん断によるひずみが適度に加えられ、メソフェーズピッチの分子配向性を高めることができる。
【0065】
前記口金の口金外部における変形開始点から変形終了点までの距離は、５〜１００ｍｍであることが好ましい。下限値としては６ｍｍが好ましく、７ｍｍがより好ましく、８ｍｍが特に好ましい。上限値としては、９０ｍｍが好ましく、８０ｍｍがより好ましく、７０ｍｍがさらに好ましく、６０ｍｍが特に好ましく、５０ｍｍが最も好ましくい。ここで、口金外部における変形開始点から変形終了点までの距離とは、口金のスリット間隙の先端からキャスト面までの最短距離をいい、冷却ドラムを用いる場合は冷却ドラムの移動面までの最短距離をいう。
【0066】
メソフェーズピッチの分子配向性を高める操作の際の温度は、メソフェーズピッチの溶融温度よりも高いことが必要であり、１５０〜４００℃であることが好ましく、１８０〜３５０℃であることがより好ましい。４００℃を超える場合、メソフェーズピッチの変形緩和速度が大きくなり、繊維の形態を保つことが難しくなる。
【0067】
口金外部での変形を行う場合における吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は、２〜１００であることが必要であり、３〜１００であることが好ましい。２より小さいと炭素繊維の繊維径分布が広くなることから好ましくない。また、１００より大きいとピッチの変形が追随できず、繊維状に成形できなくなるので好ましくない。
【0068】
また、樹脂複合繊維の製造工程は冷却工程を有していてもよい。冷却工程としては、例えば、溶融紡糸の場合、紡糸口金の下流の雰囲気を冷却する方法が挙げられる。溶融製膜の場合、矩形口金の下流に冷却ドラムを設ける方法が挙げられる。冷却工程を設けることにより、メソフェーズピッチが伸長により変形する領域を調整でき、ひずみの速度を調整することができる。また、冷却工程を設けることにより、紡糸又は製膜後の樹脂複合繊維を直ちに冷却固化させて安定した成形を可能とする。
【0069】
＜樹脂複合安定化繊維＞上記のようにして得られた樹脂複合繊維は、該樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチ繊維を安定化（不融化ともいう）して樹脂複合安定化繊維が作製される。安定化は、空気、酸素、オゾン、二酸化窒素、ハロゲンなどを用いるガス気流処理、酸性水溶液などを用いる溶液処理など公知の方法で行うことができるが、生産性の面からガス気流処理による不融化が好ましい。
【0070】
使用するガス成分としては、取り扱いの容易性から空気、酸素、又はこれを含む混合ガスであることが好ましく、コストの関係から空気を用いるのが特に好ましい。使用する酸素ガス濃度としては、全ガス組成の１０〜１００体積％の範囲にあることが好ましい。酸素ガス濃度が全ガス組成の１０体積％未満であると、樹脂複合繊維に含まれるメソフェーズピッチを安定化に多大の時間を要してしまうので好ましくない。
【0071】
安定化の反応温度は、５０〜３５０℃が好ましく、６０〜３００℃がより好ましく、１００〜３００℃がさらに好ましく、２００〜３００℃が特に好ましい。安定化の処理時間は、１０〜１２００分間が好ましく、１０〜６００分間がより好ましく、３０〜３００分間がさらに好ましく、６０〜２１０分間が特に好ましい。
【0072】
上記安定化処理によりメソフェーズピッチの軟化点は著しく上昇するが、所望の炭素繊維を得るという目的から、メソフェーズピッチの軟化点は４００℃以上となることが好ましく、５００℃以上となることがさらに好ましい。
【0073】
＜熱可塑性樹脂除去工程＞次に、上述のようにして得られる樹脂複合安定化繊維は、その中に含まれる熱可塑性樹脂が除去されて安定化繊維が分離される。この工程では、安定化繊維の熱分解を抑制しながら、熱可塑性樹脂を分解・除去する。熱可塑性樹脂を分解・除去する方法としては、例えば、溶剤を用いて熱可塑性樹脂を除去する方法や、熱可塑性樹脂を熱分解して除去する方法が挙げられる。
【0074】
熱可塑性樹脂の熱分解は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。ここでいう不活性雰囲気とは、二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガス雰囲気をいい、その酸素濃度は３０体積ｐｐｍ以下であることが好ましく、２０体積ｐｐｍ以下であることがより好ましい。本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素及び窒素を用いることが好ましく、窒素を用いることが特に好ましい。
【0075】
熱可塑性樹脂の熱分解は減圧下で行うこともできる。減圧下で熱分解することにより、熱可塑性樹脂を十分に除去することができる。その結果、安定化繊維を炭素化又は黒鉛化して得られる炭素繊維又は黒鉛化繊維の繊維間における融着を少なくすることができる。雰囲気圧力は低いほど好ましいが、５０ｋＰａ以下であることが好ましく、３０ｋＰａ以下であることがより好ましく、１０ｋＰａ以下であることがさらに好ましく、５ｋＰａ以下であることが特に好ましい。一方、完全な真空は達成が困難であるため、圧力の下限は一般に０．０１ｋＰａ以上である。
【0076】
熱可塑性樹脂の熱分解を減圧下で行う場合、上記の雰囲気圧力が保たれれば、微量の酸素や不活性ガスが存在してもよい。特に微量の不活性ガスが存在すると、熱可塑性樹脂の熱劣化による繊維間の融着が抑制される利点があり好ましい。なお、ここでいう微量の酸素とは、酸素濃度が３０体積ｐｐｍ以下であることをいい、微量の不活性ガスとは、不活性ガス濃度が２０体積ｐｐｍ以下であることをいう。用いる不活性ガスの種類は、上述したとおりである。
【0077】
熱分解の温度は、３５０〜６００℃であることが好ましく、３８０〜５５０℃であることがより好ましい。熱分解の温度が３５０℃未満である場合、安定化繊維の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を十分行うことができない場合がある。一方、６００℃を超える場合、熱可塑性樹脂の熱分解は十分行うことができるものの、安定化繊維までが熱分解される場合があり、その結果、炭素化時の収率が低下し易い。熱分解の時間としては、０．１〜１０時間であることが好ましく、０．５〜１０時間であることがより好ましい。
【0078】
本発明の製造方法では、安定化工程及び熱可塑性樹脂除去工程は、樹脂複合繊維又は樹脂複合安定化繊維を、支持基材上に目付け２ｋｇ／ｍ２以下で保持して行うことが好ましい。支持基材に保持することによって、安定化処理時又は熱可塑性樹脂除去時の加熱処理による樹脂複合繊維又は樹脂複合安定化繊維の凝集を抑制することができ、通気性を保つことが可能となる。
【0079】
支持基材の材質としては、溶剤や加熱によって変形や腐食を生じないことが必要である。また、支持基材の耐熱温度としては、上記の熱可塑性樹脂除去工程の熱分解温度で変形しないことが必要であることから、６００℃以上の耐熱性を有していることが好ましい。このような材質としては、ステンレスなどの金属材料やアルミナ、シリカなどのセラミックス材料を挙げることができる。
【0080】
また、支持基材の形態としては、面垂直方向への通気性を有する形状であることが好ましい。このような形状としては網目構造が好ましい。網目の目開きは０．１〜５ｍｍであることが好ましい。目開きが５ｍｍよりも大きい場合、加熱処理によって網目の線上に繊維が凝集し易くなり、メソフェーズピッチの安定化や熱可塑性樹脂の除去が不十分となる場合があり好ましくない。一方、網目の目開きが０．１ｍｍ未満である場合、支持基材の開孔率の減少により、支持基材の面垂直方向への通気性が低下する場合があり好ましくない。
【0081】
＜炭化焼成工程＞上記安定化繊維を不活性雰囲気下で炭素化及び／又は黒鉛化することにより、本発明の炭素繊維が得られる。その際に使用する容器としては、黒鉛製のルツボ状のものが好ましい。ここで、炭素化とは比較的低温（好ましくは１０００℃程度）で加熱することをいい、黒鉛化とはさらに高温で加熱（好ましくは３０００℃程度）することにより黒鉛の結晶を成長させることをいう。
【0082】
上記安定化繊維の炭素化及び／又は黒鉛化時に使用される不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が挙げられる。不活性雰囲気中の酸素濃度は、２０体積ｐｐｍ以下であることが好ましく、１０体積ｐｐｍ以下であることがより好ましい。炭素化及び／又は黒鉛化時の焼成温度は、５００〜３５００℃が好ましく、８００〜３０００℃がより好ましい。特に黒鉛化の際の焼成温度としては、２０００〜３２００℃が好ましく、２１００〜３０００℃がより好ましい。黒鉛化時の温度が２０００℃未満である場合、結晶成長が妨げられ、結晶子長さが不十分となり導電性が著しく低下するおそれがある。また、黒鉛化温度が３２００℃を超える場合、結晶成長の点では好ましいが、炭素繊維の酸素含有量が減少する傾向がある。焼成時間は、０．１〜２４時間が好ましく、０．２〜１０時間がより好ましい。
【0083】
＜粉砕処理＞本発明の電極合剤層に含まれる炭素繊維の製造方法は、粉砕処理工程を有していても良い。粉砕処理は、熱可塑性樹脂除去工程、及び／又は、炭化焼成工程において実施するのが好ましい。粉砕方法としては、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、インペラーミル、カッターミル等の微粉砕機を適用することが好ましく、粉砕後に必要に応じて分級を行ってもよい。湿式粉砕の場合、粉砕後に分散媒体を除去するが、この際に２次凝集が顕著に生じるとその後の取り扱いが非常に困難となる。このような場合は、乾燥後、ボールミルやジェットミル等を用いて解砕操作を行うことが好ましい。
【0084】
１−４．非水電解質二次電池用電極合剤層に含まれる物質 本発明の電極合剤層を用いて製造する非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池が代表的な電池として挙げられる。以下、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質及び負極活物質について説明する。
【0085】
＜正極活物質＞本発明の電極合剤層に含まれる正極活物質としては、非水電解質二次電池において、正極活物質として知られている従来公知の材料の中から、任意のものを１種又は２種以上適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池であれば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なリチウム含有金属酸化物が好適である。このリチウム含有金属酸化物としては、リチウムと、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ及びＴｉなどからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、を含む複合酸化物を挙げることができる。
【0086】
具体的には、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏａＮｉ１−ａＯ２、ＬｉｘＣｏｂＶ１−ｂＯｚ、ＬｉｘＣｏｂＦｅ１−ｂＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎｃＣｏ２−ｃＯ４、ＬｉｘＭｎｃＮｉ２−ｃＯ４、ＬｉｘＭｎｃＶ２−ｃＯ４、ＬｉｘＭｎｃＦｅ２−ｃＯ４、（ここで、ｘ＝０．０２〜１．２、ａ＝０．１〜０．９、ｂ＝０．８〜０．９８、ｃ＝１．２〜１．９６、ｚ＝２．０１〜２．３である。）などからなる群より選ばれる少なくとも１種が挙げられる。好ましいリチウム含有金属酸化物としては、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏａＮｉ１−ａＯ２、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＣｏｂＶ１−ｂＯｚ（ここで、ｘ、ａ、ｂ及びｚは上記と同じである。）からなる群より選ばれる少なくとも１種を挙げることができる。なお、ｘの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。
【0087】
上記正極活物質は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該正極活物質の平均粒子径は、１０μｍ以下であることが好ましく、０．０５〜７μｍであることがより好ましく、１〜７μｍであることがさらに好ましい。平均粒子径が１０μｍを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう場合がある。
【0088】
本発明の電極合剤層における正極活物質の含有量は、６０質量％以上であることが好ましく、７０〜９８．５質量％であることがより好ましく、７５〜９８．５質量％であることがさらに好ましい。６０質量％未満である場合、エネルギー密度の要求の高い電源用途への適用は困難となってしまう場合がある。９８．５質量％を超える場合、バインダー量が少な過ぎて電極合剤層にクラックが発生したり、電極合剤層が集電体から剥離する場合がある。さらに、炭素繊維や炭素系導電助剤の含有量が少な過ぎて電極合剤層の導電性が不十分になる場合がある。
【0089】
＜負極活物質＞本発明の電極合剤層に含まれる負極活物質としては、非水電解質二次電池において、負極活物質として知られている従来公知の材料の中から、任意のものを１種又は２種以上適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な材料として、炭素材料や、Ｓｉ及び／又はＳｎを含む合金や酸化物などを用いることができる。これらの中でもコストなどの観点からは炭素材料が好ましい。上記炭素材料としては、天然黒鉛、石油系又は石炭系コークスを熱処理することで製造される人造黒鉛、樹脂を炭素化したハードカーボン、メソフェーズピッチ系炭素材料などが挙げられる。
【0090】
天然黒鉛や人造黒鉛を用いる場合、電池容量の増大の観点から、粉末Ｘ線回折による黒鉛構造の（００２）面の面間隔ｄ（００２）が０．３３５〜０．３３７ｎｍの範囲にあるものが好ましい。天然黒鉛とは、鉱石として天然に産出する黒鉛質材料のことをいう。天然黒鉛は、その外観と性状によって、結晶化度の高い鱗状黒鉛と結晶化度が低い土状黒鉛の２種類に分けられる。鱗状黒鉛はさらに外観が葉状の鱗片状黒鉛と、塊状である鱗状黒鉛とに分けられる。黒鉛質材料となる天然黒鉛は、産地や性状、種類は特に制限されない。また、天然黒鉛又は天然黒鉛を原料として製造した粒子に熱処理を施して用いてもよい。
【0091】
人造黒鉛とは、広く人工的な手法で作られた黒鉛及び黒鉛の完全結晶に近い黒鉛質材料をいう。代表的な例としては、石炭の乾留、原油の蒸留による残渣などから得られるタールやコークスを原料にして、５００〜１０００℃程度の焼成工程、２０００℃以上の黒鉛化工程を経て得たものが挙げられる。また、溶解鉄から炭素を再析出させることで得られるキッシュグラファイトも人造黒鉛の一種である。
【0092】
負極活物質として炭素材料の他に、Ｓｉ及び／又はＳｎを含む合金を使用すると、Ｓｉ及び／又はＳｎを単体で用いる場合やそれぞれの酸化物を用いる場合に比べ、充放電時の電極の膨張率が小さくなり、サイクル特性が良好になる。これらの中でも、Ｓｉ系合金が好ましい。Ｓｉ系合金としては、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｚｎ及びＣｕなどからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｓｉと、の合金などが挙げられる。具体的には、ＳｉＢ４、ＳｉＢ６、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＣａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、Ｃｕ５Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ２、ＶＳｉ２、ＷＳｉ２、ＺｎＳｉ２などからなる群より選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【0093】
本発明の電極合剤層においては、負極活物質として、既述の材料を１種単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、当該負極活物質の平均粒子径は１０μｍ以下とする。平均粒子径が１０μｍを超えると、大電流下での充放電反応の効率が低下してしまう。平均粒子径は０．１〜１０μｍとすることが好ましく、１〜７μｍとすることがより好ましい。
【0094】
＜バインダー＞本発明の電極合剤層に用いられるバインダーとしては、電極成形が可能であり、十分な電気化学的安定性を有しているバインダーであれば用いることが可能である。係るバインダーとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フルオロオレフィン共重合体架橋ポリマー、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、フェノール樹脂等よりなる群から選ばれる１種以上を用いることが好ましく、特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が好ましい。バインダーとして用いる際の形態としては特に制限はなく、固体状であっても液体状（例えばエマルション）であってもよく、電極の製造方法（特に乾式混練か湿式混練か）、電解液への溶解性等を考慮して適宜選択することができる。
【0095】
本発明の電極合剤層におけるバインダーの含有量は、１〜２５質量％であることが好ましく、３〜２０質量％であることがより好ましく、５〜２０質量％であることがさらに好ましい。１質量％未満である場合、電極合剤層にクラックが発生したり、電極合剤層が集電体から剥離してしまうことがある。２５質量％を超える場合、電極中の活物質量が少なくなり、得られる電池のエネルギー密度が低下し易い。
【0096】
２．非水電解質二次電池用電極第２の本発明は、上記電極合剤層が形成された非水電解質二次電池用電極（以下、単に「電極」ともいう）である。この電極は、集電体の表面に本発明の電極合剤層が形成されて成る。
【0097】
本発明の電極合剤層を備える電極の作製方法としては、以下の二つの方法が一般的である。一つの方法は、上記電極活物質、上記繊維状炭素、バインダー、及び必要に応じて他の成分を混合・混練し、押し出し成形によりフィルム化して、これを圧延、延伸した後、集電体と貼り合わせる方法である。もう一つの方法は、上記電極活物質、上記繊維状炭素、バインダー、バインダーを溶解する溶媒、及び必要に応じて他の成分を混合してスラリーを調製し、このスラリーを集電体表面に塗布して溶媒を除去した後、プレスを行う方法である。
本発明の場合、どちらの方法も採用できるが、後者の方法が好適であるので、以下後者の方法について詳述する。
【0098】
上記スラリーにおける固形分濃度（上記スラリーの溶媒以外の成分の合計質量がスラリーの全質量に占める割合をいう。）は、１０〜３０質量％であることが好ましく、１５〜２５質量％であることがより好ましい。固形分濃度が３０質量％を超えると、均一なスラリー作製が困難である場合がある。また、固形分濃度が１０質量％未満であると、スラリーの粘度が不十分であり、集電体に積層される電極合剤層の厚みが不均一になってしまう場合がある。
【0099】
スラリーに用いる溶媒としては、バインダーを溶解する溶媒である限り特に制限されない。具体的には、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホオキシド（ＤＭＳＯ）等よりなる群から選ばれる１種類以上を挙げることができ、特にＮＭＰ又はＤＭＡｃが好ましい。
【0100】
電極を作製する際に、スラリー中のチクソ性が強過ぎると、塗布に適した流動性を確保することが困難となる場合がある。このような場合には、スラリー化助剤を使用してもよい。スラリー化助剤としては、ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール等よりなる群から選ばれる１つ以上を挙げることができる。特に、ポリビニルピロリドンを使用することが好適である。上記のようなスラリー化助剤を添加することにより、少ない溶媒量であっても十分な流動性を確保することができ、炭素系導電助剤の分散性も格段に向上する。また、溶媒除去後のクラックの発生も抑制できる。スラリー化助剤の添加量としては、スラリー中の溶媒以外の成分の合計量に対して、１０質量％以下であることが好ましく、０．５〜１０質量％であることがより好ましく、０．５〜８質量％であることがさらに好ましい。スラリー化助剤の添加量が１０質量％を超えると、逆にスラリー粘度が急激に低下し、分散不良を生じて好適なスラリー作製が困難となる場合がある。スラリー化助剤の添加量が０．５質量％未満である場合、スラリー化助剤の効果が現れ難い。
【0101】
上記スラリーは、後述する集電体の表面に塗布する。塗布方法としては、ドクターブレード等の適宜の塗布方法を採用することができる。塗布後、例えば、６０〜１００℃、好ましくは７５〜８５℃において、好ましくは６０〜１８０分間加熱処理することにより溶媒を除去する。その後、溶媒除去後の塗布物をプレスすることにより、本発明の電極を製造することができる。好ましいプレス条件は、１０〜３０Ｐａの圧力下、１〜５分間である。
【0102】
電極を構成する集電体としては、任意の導電性材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン又は銅の金属材料を用いることができる。特に、アルミニウム、ステンレス鋼又は銅が好ましく、アルミニウム又はカーボンコートを施したアルミニウムを用いることがより好ましい。集電体の厚みとしては、１０〜５０μｍが好ましい。
【0103】
３．非水電解質二次電池第３の本発明は、本発明の電極合剤層を含んで構成される非水電解質二次電池である。
本発明の非水電解質二次電池は、正極及び／又は負極に本発明の電極を用いるとともに、公知のセパレータや電解液を用いて構成される。非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池が例示される。
【0104】
本発明の非水電解質二次電池は、正極合剤層が集電体の表面に形成されてなる正極、電解質を含む電解質層、及び負極合剤層が集電体の表面に形成されてなる負極から構成され、この正極の正極合剤層と負極の負極合剤層とが向き合い、かつ、正極合剤層と負極合剤層との間に電解質層が挿入されるようにして積層される。
【0105】
本発明の非水電解質二次電池のセル形状は、特に限定されず、いかなる形状においても実施することができる。具体的には、例えばボタン型、円筒型、角型等のセル形状を挙げることができる。また、複数対の正負電極とセパレータが積層された内部構成とすることも好ましく、この場合、公知のスタック積層型、捲回型、折り返し積層型等の方式を採用することが可能である。本発明の非水電解質二次電池の外装材としては、例えば金属缶、アルミラミネート樹脂フィルム等を挙げることができる。本発明の非水電解質二次電池は、電極合剤層に添加されている所定の炭素材料が直線構造を有しており、かつ高い導電性を有しているため、導電パスを形成しやすく、優れた充放電特性を得ることができる。さらに、電極強度も向上する。
【0106】
＜電解質層＞非水電解質二次電池を構成する電解質層としては、非水溶媒にリチウム塩等の電解質が溶解した非水電解液が用いられる。
本発明の非水電解質二次電池に用いられる電解液の２５℃における電気伝導度は、１×１０−２Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【0107】
一般に非水電解液は、水系の電解液に比べて耐電圧が高く、高いエネルギー密度が得られるという特徴がある。非水溶媒としては、公知のものを制限なく用いることが可能であるが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、アセトニトリル、ニトロメタン、メトキシアセトニトリル、ニトロエタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、３−メトキシプロピオニトリル、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、スルホラン、３−メチルスルホラン、エチルメチルカーボネート等が挙げられる。これらの非水溶媒は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。電解液に用いる溶媒は、適当な沸点、融点、粘性及び比誘電率を有することが重要であり、上記の中でも特にプロピレンカーボネート又はγ−ブチロラクトンを主体とするものが好適に用いられる。
【0108】
本発明の非水電解質二次電池に用いる電解質としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、低級脂肪族カルボン酸リチウム、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類が挙げられる。ホウ酸塩類としては、ビス（１，２−ベンゼンジオレート（２−）−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウム、ビス（２，３−ナフタレンジオレート（２−）−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウム、ビス（２，２’−ビフェニルジオレート（２−）−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウム、ビス（５−フルオロ−２−オレート−１−ベンゼンスルホン酸−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウムなどが挙げられる。イミド塩類としては、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム（（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ）、トリフルオロメタンスルホン酸ノナフルオロブタンスルホン酸イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２））、ビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム（（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２ＮＬｉ）などが挙げられる。電解質の濃度としては、０．５〜２ｍｏｌ／Ｌが好ましい。電解質は、上記のうち１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。サイクル安定性、充放電効率の向上等を目的として、電解質に公知の添加剤を添加してもよい。本発明のリチウムイオン二次電池に用いる電解液として、エチルメチルイミダゾリウム塩に代表されるイオン性液体も好適に用いることが可能であり、この場合は必ずしも前述の非水溶媒に溶解したうえで用いる必要はない。
【0109】
＜セパレータ＞上記のような非水電解液を用いる場合、負極活物質層と本発明の電極合剤層とが直接接触することを防ぐために、セパレータを用いることが一般的である。セパレータの形状としては、紙状（フィルム状）、多孔膜状等の公知の形状を好適に採用することができる。セパレータの材質としては、例えば、セルロース、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリイミド、ポリオレフィン、テフロン（登録商標）、ポリフェニレンスルファイド等からなる群より選ばれる１種類以上の材質を好適に用いることができる。これらの中でも、耐熱性と薄膜化の観点から、セルロース紙、芳香族ポリアミド又は脂肪族ポリイミド多孔膜が好ましい。セパレータの膜厚としては、短絡防止の観点から２０〜１００μｍ程度であることが好ましいが、本発明では従来のセパレータに比べて十分薄い５〜２０μｍ程度のセパレータの適用も可能である。薄いセパレータを用いた方がセパレータに由来する内部抵抗が低減されるため出力が向上し、セルのエネルギー密度も向上する。
【実施例】
【0110】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されない。実施例中の各種測定や分析は、それぞれ以下の方法に従って行った。
【0111】
（１）繊維状炭素の形状確認卓上電子顕微鏡（日本電子株式会社製、型式ＮｅｏＳｃｏｐｅ ＪＣＭ−６０００）を用いて観察及び写真撮影を行った。繊維状炭素等の平均繊維径は、得られた電子顕微鏡写真から無作為に３００箇所を選択して繊維径を測定し、それらすべての測定結果（ｎ＝３００）の平均値を平均繊維径とした。平均実効長についても同様に算出した。
【0112】
（２）繊維状炭素のＸ線回折測定Ｘ線回折測定はリガク社製ＲＩＮＴ−２１００を用いてＪＩＳ Ｒ７６５１（２００７）法に準拠し、格子面間隔（ｄ００２）、結晶子大きさ（Ｌｃ００２）（六角網面積層方向）及び（Ｌａ１１０）（炭素六角網面方向）を測定した。
【0113】
（３）サイクリックボルタンメトリー測定対極をリチウムとする二極セルを作製し、ポテンショスタット／ガルバノスタット（ソーラトロン製ＳＩ１２８７）及びインピーダンスアナライザ（ソーラトロン製ＳＩ１２６０）を用いて、サイクリックボルタンメトリー測定を行った。掃引速度を５０ｍＶ／ｓ、温度を２５℃として、所定の電位範囲で測定を行った。２サイクル目を各測定の結果として採用することとした。
【0114】
［製造例１］先ず、キノリン不溶分を除去した軟化点８０℃のコールタールピッチを、Ｎｉ−Ｍｏ系触媒存在下、圧力１３ＭＰａ、温度３４０℃で水添し、水素化コールタールピッチを得る。この水素化コールタールピッチを常圧下、４８０℃で熱処理した後、減圧して低沸点分を除き、粗メソフェーズピッチを得る。フィルターを用いてこの粗メソフェーズピッチを温度３４０℃でろ過を行って異物を取り除くことにより、精製メソフェーズピッチを得た。
【0115】
［実施例１］＜繊維状炭素（ＣＮＦ−１）の製造＞
熱可塑性樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン（ＥＶＯＬＵＥ（登録商標）ＳＰ１５１０、（株）プライムポリマ−製、ＭＦＲ＝１ｇ／１０ｍｉｎ）８４質量部及び熱可塑性炭素前駆体として製造例１で得られたメソフェーズピッチ（メソフェーズ率９０．９％、軟化点３０３．５℃）１６質量部を同方向二軸押出機（東芝機械（株）製「ＴＥＭ−２６ＳＳ」、バレル温度３００℃、窒素気流下）で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を調製した。
次いで、このメソフェーズピッチ組成物を溶融紡糸機により、直径が０．２ｍｍ、導入角６０°の円形口金を用いて繊維径１００μｍの樹脂複合繊維（メソフェーズピッチ繊維を島成分とする海島型複合繊維）を作製した。口金温度は３４０℃、吐出量は３．８ｇ／口金／時間、せん断速度は１３６０ｓ−１、吐出線速度と引取り速度との比率であるドラフト比は４であった。この条件での口金内部での伸長ひずみ速度は９８２ｓ−１であり、口金外部での変形領域は口金下１０ｍｍであり、伸長ひずみ速度は９ｓ−１であった。
樹脂複合繊維を、酸化性ガス雰囲気下に保持することで、メソフェーズピッチを安定化させ、樹脂複合安定化繊維を得た。
次に、上記樹脂複合安定化繊維から、熱可塑性樹脂を除去することで安定化繊維を得た。
得られた安定化繊維をエタノール／イオン交換水混合溶媒（体積比＝１／１）中に加え、ミキサーで粉砕することにより分散させた。得られた分散液はろ過した。
得られた安定化繊維を流量１ｌ／ｍｉｎの窒素下で室温から１０００℃まで５℃／ｍｉｎの条件で昇温し、１０００℃到達後３０分間保持することで炭素化を行い、さらにアルゴンガス雰囲気下、３時間かけて室温から３０００℃まで昇温することで炭素繊維を作製した。得られた炭素繊維は乾式ジェットミルを用いて解砕処理を行った。
得られた極細炭素繊維の平均繊維径（最も小さい次元の平均長さに相当する）は２５０ｎｍであり、分岐構造は見られなかった。平均実効長は１５．１μｍであった。また、Ｘ線回折法により測定した（００２）面の平均面間隔ｄ００２が０．３３７２ｎｍ、結晶子長さ（Ｌａ１１０）は１１１ｎｍ、網平面群の厚さ（Ｌｃ００２）は６２ｎｍであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。また、炭素繊維中の金属含有率は３０ｐｐｍ（鉄が１０ｐｐｍ、ナトリウムが２０ｐｐｍ）であった。
【0116】
＜電極の作製＞炭素系導電助剤として繊維状炭素（ＣＮＦ−１）を５０質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（株式会社クレハ製、Ｗ＃７２００）を５０質量部、溶媒としてＮ−メチルピロリドンを用いてスラリーを作製した。作製したスラリーを集電体（厚さ１５μｍのアルミニウム箔）に塗布後、１２０℃で３ｈ乾燥させることで電極を作製した。電極に形成された電極合剤層の厚みは、１７μｍであった。
この電極の電極合剤層を、溶媒に溶解し、乾燥後、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製ＶＨＸ−２００）を用いて撮影した写真において測定した繊維状炭素の平均実効長は１５．１μｍ（アスペクト比＝６０）であった。また、実効長を測定したヒストグラムを図１に示す。実効長が平均実効長よりも長い繊維状炭素の含有量は、繊維状炭素全体に対して本数基準で４２％であった。
【0117】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞前記電極を作用極として用い、リチウム金属を対極とする二極セル（コイン電池）を作製した。電解液には、１ｍｏｌ／Ｌ濃度のＬｉＰＦ６を含むエチレンカーボネート／エチルメチルカーボネート混合溶液（３／７体積比、キシダ化学社製）からなる電解液を使用した。セパレータには、ガラス繊維不織布を使用した。
図２に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値の比は０．９であった。すなわち、可逆的な電気化学反応であった。また、図３に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図２及び図３から、ＩＡ／ＩＢの比が０であった。すなわち、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。これにより、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0118】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、充放電装置（北斗電工株式会社製ＨＪ−１００５ＳＤ８）を用いて充放電測定を行った。充放電条件としては、５．０Ｖまで０．１ｍＡ／ｃｍ２定電流充電後、２．５Ｖまで０．１ｍＡ／ｃｍ２定電流放電することとした。測定結果を図４に示す。その結果、充電容量が２２．７ｍＡｈ／ｇ、放電容量が１４．７ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が６５％であり、良好であった。
【0119】
［実施例２］＜繊維状炭素（ＣＮＦ−２）の製造＞
熱可塑性樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン（ＥＶＯＬＵＥ（登録商標）ＳＰ１５１０、（株）プライムポリマ−製、ＭＦＲ＝１ｇ／１０ｍｉｎ）７５質量部及び熱可塑性炭素前駆体として製造例１で得られたメソフェーズピッチ（メソフェーズ率９０．９％、軟化点３０３．５℃）２５質量部を同方向二軸押出機で溶融混練してメソフェーズピッチ組成物を調製した以外は実施例１と同様に操作を行い、繊維状炭素（ＣＮＦ−２）を作製した。得られた繊維状炭素の平均繊維径（最も小さい次元の平均長さに相当する）は５００ｎｍであり、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。平均実効長は１７μｍであった。また、Ｘ線回折法で測定した結果から、繊維状炭素（ＣＮＦ−２）の格子面間隔（ｄ００２）は０．３３６８ｎｍ、結晶子長さ（Ｌａ１１０）は２０８ｎｍ、網平面群の厚さ（Ｌｃ００２）は５１ｎｍであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
【0120】
＜電極の作製＞炭素系導電助剤として繊維状炭素（ＣＮＦ−２）を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、電極を作製した。
この電極の電極合剤層を、溶媒に溶解し、乾燥後、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製ＶＨＸ−２００）を用いて撮影した写真において測定した繊維状炭素の平均実効長は１７．０μｍ（アスペクト比＝３４）であった。また、実効長を測定したヒストグラムを図５に示す。実効長が平均実効長よりも長い繊維状炭素の含有量は、繊維状炭素全体に対して本数基準で３８％であった。
【0121】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞この電極を作用極として用いた以外は、実施例１と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図６に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．８７であり、良好であった。また、図７に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図６及び図７からＩＡ／ＩＢの比は０であった。すなわち、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。これにより、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0122】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、実施例１と同様に充放電測定を行った。測定結果を図８に示す。充電容量が２６．５ｍＡｈ／ｇ、放電容量が１８．３ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が６９％であり、良好であった。
【0123】
［参考例１］＜繊維状炭素（ＣＮＦ−３）の製造＞
黒鉛化温度を２６００℃とした以外は実施例１と同様に操作を行い、繊維状炭素（ＣＮＦ−３）を作製した。得られた繊維状炭素の平均繊維径（最も小さい次元の平均長さに相当する）は２５０ｎｍであり、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、Ｘ線回折法で測定した結果から、繊維状炭素（ＣＮＦ−３）の格子面間隔（ｄ００２）は０．３３８０ｎｍ、結晶子長さ（Ｌａ１１０）は５９ｎｍ、網平面群の厚さ（Ｌｃ００２）は４８ｎｍであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
【0124】
＜電極の作製＞炭素系導電助剤として繊維状炭素（ＣＮＦ−３）を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、電極を作製した。
この電極の電極合剤層を、溶媒に溶解し、乾燥後、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製ＶＨＸ−２００）を用いて撮影した写真において測定した繊維状炭素の平均実効長は１５．１μｍ（アスペクト比＝６０）であった。また、実効長を測定したヒストグラムを図９に示す。実効長が平均実効長よりも長い繊維状炭素の含有量は、繊維状炭素全体に対して本数基準で３６％であった。
【0125】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞前記電極を作用極として用いた以外は、実施例１と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図１０に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．８４であり、良好であった。また、図１１に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図１０及び図１１からＩＡ／ＩＢの比は０であった。すなわち、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。これにより、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0126】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、実施例１と同様に充放電測定を行った。測定結果を図１２に示す。充電容量が２６．８ｍＡｈ／ｇ、放電容量が１７．０ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が６３％であり、良好であった。
【0127】
［参考例２］＜繊維状炭素（ＣＮＦ−４）の製造＞
黒鉛化温度を２４００℃とした以外は実施例１と同様に操作を行い、繊維状炭素（ＣＮＦ−４）を作製した。得られた繊維状炭素の平均繊維径（最も小さい次元の平均長さに相当する）は２５０ｎｍであり、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、Ｘ線回折法で測定した結果から、繊維状炭素（ＣＮＦ−４）の格子面間隔（ｄ００２）は０．３３９５ｎｍ、結晶子長さ（Ｌａ１１０）は３８ｎｍ、網平面群の厚さ（Ｌｃ００２）は３４ｎｍであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
【0128】
＜電極の作製＞炭素系導電助剤として繊維状炭素（ＣＮＦ−４）を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、電極を作製した。
この電極の電極合剤層を、溶媒に溶解し、乾燥後、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製ＶＨＸ−２００）を用いて撮影した写真において測定した繊維状炭素の平均実効長は１２．０μｍ（アスペクト比＝４８）であった。また、実効長を測定したヒストグラムを図１３に示す。実効長が平均実効長よりも長い繊維状炭素の含有量は、繊維状炭素全体に対して本数基準で３９％であった。
【0129】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞前記電極を作用極として用いた以外は、実施例１と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図１４に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．８２であり、良好であった。また、図１５に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図１４及び図１５からＩＡ／ＩＢの比は０であった。すなわち、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。これにより、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0130】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、実施例１と同様に充放電測定を行った。測定結果を図１６に示す。充電容量が２６．０ｍＡｈ／ｇ、放電容量が１６．８ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が６５％であり、良好であった。
【0131】
［参考例３］黒鉛化温度を２０００℃とした以外は実施例１と同様に操作を行い、繊維状炭素（ＣＮＦ−５）を作製した。得られた繊維状炭素の平均繊維径（最も小さい次元の平均長さに相当する）は２５０ｎｍであり、非常に分散性に優れた繊維状炭素であった。また、Ｘ線回折法で測定した結果から、繊維状炭素（ＣＮＦ−５）の格子面間隔（ｄ００２）は０．３４２６ｎｍ、網平面群の厚さ（Ｌｃ００２）は２５ｎｍであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。
【0132】
＜電極の作製＞炭素系導電助剤として繊維状炭素（ＣＮＦ−５）を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、電極を作製した。
この電極の電極合剤層を、溶媒に溶解し、乾燥後、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製ＶＨＸ−２００）を用いて撮影した写真において測定した繊維状炭素の平均実効長は１６．６μｍ（アスペクト比＝６４）であった。また、実効長を測定したヒストグラムを図１７に示す。実効長が平均実効長よりも長い繊維状炭素の含有量は、繊維状炭素全体に対して本数基準で３１％であった。
【0133】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞前記電極を作用極として用いた以外は、実施例１と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図１８に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．８２であり、良好であった。また、図１９に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図１８及び図１９からＩＡ／ＩＢの比は０であった。すなわち、２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において電気化学反応を示さなかった。これにより、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。
【0134】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、実施例１と同様に充放電測定を行った。測定結果を図２０に示す。充電容量が２１．４ｍＡｈ／ｇ、放電容量が１３．５ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が６３％であり、良好であった。
【0135】
［比較例２］＜繊維状炭素（ＭＷＣＮＴ）の製造＞
Ｆｅ及びＣｏを含有する触媒を石英製管状反応器に入れ、反応器内を窒素ガス置換し、窒素ガスを流しながら、反応器を室温から６９０℃まで６０分間かけて昇温させた。温度６９０℃を維持したまま、窒素ガスを、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスＡに切り替えて還元反応させた。還元反応後、温度６９０℃を維持したまま、混合ガスＡを、水素ガスとエチレンガスとの混合ガスＢに切り替えて気相成長反応させた。混合ガスＢを窒素ガスに切り替え、反応器内を窒素ガスで置換し、室温まで冷やした。
得られた炭素繊維の平均繊維径（最も小さい次元の平均長さに相当する）は１５０ｎｍであり、分岐構造を有していた。平均実効長は８μｍであった。また、Ｘ線回折法により測定した（００２）面の平均面間隔ｄ００２が０．３３８３ｎｍ、結晶子長さ（Ｌａ１１０）は４４ｎｍ、網平面群の厚さ（Ｌｃ００２）は２８ｎｍであり、結晶性の高い繊維状炭素であった。金属含有率は８２ｐｐｍ（鉄が４３ｐｐｍ、Ｓｉが３９ｐｐｍ）であった。
【0136】
＜電極の作製＞炭素系導電助剤としてＭＷＣＮＴを用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、電極を作製した。
【0137】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞前記電極を作用極として用いた以外は、実施例１と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図２１に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．８１であり、良好であった。すなわち、高電圧下において、電解液の分解や導電助剤と電解液との反応などの副反応が生じ難い非水電解質二次電池を提供することができる。また、図２２に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図２１及び図２２からＩＡ／ＩＢの比は０．０４４であった。
【0138】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、実施例１と同様に充放電測定を行った。測定結果を図２３に示す。充電容量が９．１ｍＡｈ／ｇ、放電容量が４．６ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が５１％であり、良好であった。
【0139】
［比較例１］＜電極の作製＞
炭素系導電助剤として球状炭素（ＡＢ、平均粒子径３５ｎｍであり、これが最も小さい次元の平均長さに相当する。）を用いた以外は実施例１と同様に操作を行い、電極を作製した。ＡＢは結晶性が低かった。
【0140】
＜サイクリックボルタンメトリー測定＞前記電極を作用極として用いた以外は、実施例１と同様に操作を行うことで、リチウム金属を対極とする二極セルを作製した。図２４に２．５〜５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。この曲線から、還元電流の積算値／酸化電流の積算値が０．４８であった。また、図２５に２．５〜４．４Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）の電位範囲内において測定したＣＶ曲線を示す。図２４及び図２５からＩＡ／ＩＢの比は０．１２４であった。
【0141】
＜充放電測定＞前記二極セルを用いて、実施例１と同様に充放電測定を行った。測定結果を図２６に示す。充電容量が５．１ｍＡｈ／ｇ、放電容量が１．７ｍＡｈ／ｇ、充放電効率が３３％であった。
【0142】