DE60130951T2 - Verfahren zur Herstellung von Koks, Graphit und kohlenstoffhaltiges Material für negative Elektrode in nichtwässeriger Sekundärbatterie - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Koks, Graphit und kohlenstoffhaltiges Material für negative Elektrode in nichtwässeriger Sekundärbatterie Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Koks, eines synthetischen Graphits mit einem hohen Graphitbildungsgrad und eines Kohlenstoffmaterials für eine negative Elektrode einer wiederaufladbaren Batterie vom nichtwässrigen Lösungsmitteltyp, die eine hohe Entladekapazität und eine hohe Lade-Entladeeffizienz hat, aus Mesophase-Pech (optisch anisotropes Pech).
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Mesophase-Pech ist ein ausgezeichnetes Kohlenstoffmaterial, befähigt zur Herstellung von Pechkoks mit einer hohen Graphitbildungsfähigkeit bei hoher Ausbeute. Wenn sich jedoch das Mesophase-Pech in einer elektrischen Brennkammer befindet und darin hitzebehandelt wird, werden daraus Gase erzeugt, so dass das Pech geschäumt wird und sein Volumen mehrmals zehnfach zunimmt. Somit hat die Produktion von Koks aus dem Mesophase-Pech ein Problem hinsichtlich ihrer Produktivität. Auch im Fall, wo das Mesophase-Pech als Bindemittel zur Herstellung einer auf Kohlenstoff basierenden Formmasse verwendet wird, wird das Pech durch erzeugte Gase geschäumt. Als Ergebnis entsteht ein Problem derart, dass der Koks, abgeleitet von dem Mesophase-Pech, das in der auf Kohlenstoff basierenden Formmasse enthalten ist, eine niedrige Dichte aufweist.
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Heisei 6(1994)-299076 offenbart ein Verfahren, bei dem Ruß dem Mesophase-Pech zugesetzt wird, um Schäumen des Mesophase-Pechs zu verhindern.
  • Jedoch zeigt der nach obigem Verfahren des Zusatzes von Ruß zum Mesophase-Pech hergestellte Koks wegen der starken Wechselwirkung zwischen dem Ruß und dem Mesophase-Pech eine schlechte Graphitbildungsfähigkeit, wodurch es nicht gelingt, einen synthetischen Graphit mit hohem Graphitbildungsgrad zu erhalten. Deshalb ist gefordert worden, nicht nur ein Verfahren zur Herstellung von Koks hoher Dichte bei hoher Produktivität unter Vermeidung von Schäumen des Mesophase-Pechs zur Verfügung zu stellen, sondern auch ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Graphit mit hohem Graphitbildungsgrad.
  • Darüber hinaus sind unlängst Lithiumionen-wiederaufladbare Batterien mit einer negativen Elektrode aus Kohlenstoffmaterial als Energiequelle für verschiedene gegenwärtig in der hoch informationsorientierten Gesellschaft verwendete elektronische Geräte rasch in der Praxis eingesetzt worden, da diese Batterien eine hohe Spannung und eine hohe Energiedichte aufweisen und hinsichtlich Sicherheit und Zyklus-Eigenschaffen ausgezeichnet sind.
  • Konventionell verwendeter natürlicher Graphit zeigt wegen seiner höheren Kristallinität verglichen mit derjenigen anderer Kohlenstoffmaterialien eine hohe Entladekapazität. Es ist jedoch erforderlich, dass der natürliche Graphit pulverisiert wird, um daraus ein Material für eine negative Elektrode herzustellen. Daher hat der pulverisierte natürliche Graphit eine große Oberfläche, die eine niedrige Lade-Entladeeffizienz beim ersten Zyklus zum Ergebnis hat. Darüber hinaus verschlechtert sich der natürliche Graphit im Lebenszyklus, da er eine große Menge Verunreinigungen wie Metallbestandteile enthält.
  • Dementsprechend ist auch gefordert worden, Kohlenstoffmaterialien zur Verfügung zu stellen, die eine geringere Menge Verunreinigungen wie Metallbestandteile enthalten und hohe Lade-Entladeeffizienz beim ersten Zyklus aufweisen. Als Kohlenstoffmaterialien, die eine solche Forderung erfüllen, offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Heisei 10(1998)-121054 ein Graphitpulver, welches eine geringere Menge Verunreinigungen enthält und eine mit natürlichem Graphit kompatible Kristallinität zeigt und hergestellt wird durch Hitzebehandlung eines speziellen Mesophase-Pechs in einer nicht oxidativen Atmosphäre in einem spezifischen Temperaturbereich und dann folgendes Unterwerten des hitzebehandelten Materials der Pulverisierung und Graphitbildung.
  • Jedoch hat das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Heisei 10(1998)-121054 erhaltene Graphitpulver eine hoch ausgerichtete Fließstruktur. Daher wird, wenn ein solches Graphitpulver als Elektrodenmaterial für wieder aufladbare Batterien verwendet wird, das Problem verursacht, dass das in der Elektrolytlösung enthaltene Lösungsmittel wegen der Kristallstruktur auf der Oberfläche des Kristallpulvers eine hohe Zerfallsaktivität beim Laden zeigt, was in einer verschlechterten Lade-Entladeeffizienz der Batterien resultiert. Weiterhin wird, wie oben beschrieben, das Mesophase-Pech durch die bei der Behandlung in der elektrischen Brennkammer erzeugten Gase unerwünscht geschäumt, so dass dessen Volumen bis auf das mehrmals Zehnfache zunimmt, wodurch das seine Produktivität betreffende Problem hervorgerufen wird. Dementsprechend ist verlangt worden, zur Herstellung von Graphitpulver ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, nicht nur eine hohe Produktivität, sondern auch eine hohe Entladekapazität und eine hohe Lade-Entladeeffizienz der schließlich hergestellten Batterien zu realisieren.
  • Ein Gemenge eines auf Kohle basierenden Mesophase-Pechs mit einem auf Erdöl basierenden Mesophase-Pech wird in JP-A-1(1989)282346 beschrieben, KR-B-93 05524 beschreibt ein durch Mischen eines auf Kohle basierenden isotropen Pechs mit einem auf Erdöl basierenden Mesophase-Pech hergestelltes Mesophase-Pech.
  • JP 2(1990)51253 beschreibt ein Mesophase-Kohlenteerpech produziert zu einer auf Mesophase-Pech basierenden Kohlenstofffaser.
  • Die Herstellung eines Graphit-Kohlenstoffpulvers aus einer Mesophase-Pechmasse durch Graphitbildung wird in JP 9(1997)251855 beschrieben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Probleme zu lösen und ein Verfahren bereitzustellen zur Herstellung von Koks hoher Dichte aus Mesophase-Pech bei hoher Produktivität unter Vermeidung von Schäumen des Mesophase-Pechs, ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Graphit mit einem hohen Graphitbildungsgrad aus dem Koks, und ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffmaterials aus dem Koks für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Lithiumionen-Batterie vom nicht wässrigen Lösungsmitteltyp usw. mit einer hohen Entladekapazität und einer hohen Lade-Entladeeffizienz.
  • Als Ergebnis umfassender Forschungen zur Lösung der vorstehenden Probleme haben die gegenwärtigen Erfinder gefunden, dass wenn ein Pechgemisch, enthaltend 100 Gewichtsteile Mesophase-Pech und 10 bis 1000 Gewichtsteile Kohlenteerpech bei einer Temperatur von 500°C oder höher hitzebehandelt wird, ein hochdichter Koks bei hoher Produktivität unter Vermeidung von Schäumen des Mesophase-Pechs gewonnen wird; wenn ein Koks bei einer Temperatur von 2000°C oder höher graphitiert wird, es möglich ist, einen synthetischen Graphit mit hohem Graphitbildungsgrad zu erhalten; und wenn der Koks pulverisiert und bei 2000°C oder höher graphitiert wird, es möglich ist, ein hochkristallines Graphitpulver zu erhalten, welches passend als Kohlenstoffmaterial für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Batterie vom nicht wässrigen Lösungsmitteltyp verwendet werden kann, die eine hohe Entladekapazität und eine hohe Lade-Entladeeffizienz aufweist. Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage der vorliegenden Erkenntnisse vollendet worden.
  • Somit stellt die vorliegende Erfindung zur Vertilgung:
    Ein Verfahren zur Herstellung von Koks, wobei das Verfahren die Stufen umfasst Mischen von 100 Gewichtsteilen Mesophase-Pech mit 10 bis 1000 Gewichtsteilen Kohlenteerpech um eine Pechzusammensetzung herzustellen; und Hitzebehandlung der Pechzusammensetzung bei einer Temperatur von 500°C oder höher;
    ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Graphit, wobei das Verfahren die Stufe der Graphitbildung aus dem Koks bei einer Temperatur von 2000°C oder höher umfasst;
    ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffmaterials für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Batterie vom nicht wässrigen Lösungsmitteltyp, wobei das Verfahren die Stufen Pulverisieren des Kokses und Graphitbildung aus dem pulverisierten Koks bei einer Temperatur von 2000°C oder höher umfasst.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das hierin verwendete Mesophase-Pech ist ein solches Pech, welches optisch anisotrope Bestandteile in einer Menge von 50% oder höher enthält, wenn die optische Struktur des in Harz eingebetteten und nach normaler Methode polierten Pechs, unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops beobachtet wird. Das Mesophase-Pech kann irgendein Typ sein, wie auf Erdöl basierende Peche, auf Kohle basierende Peche und synthetische Peche. Darüber hinaus hat das Mesophase-Pech bevorzugt einen Erweichungspunkt von 150°C oder höher, gemessen mittels einer erhöhten Fließtestermethode, und eine Ausbeute der Kohlenstoffanreicherung von 70% oder höher. Hier bedeutet „Ausbeute der Kohlenstoffanreicherung" den Prozentgehalt des erhaltenen Kohlenstoff-angereicherten Produktes, wenn das Mesophase-Pechpulver in einer inerten Gasatmosphäre mit einer Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von 10°C/min auf 600°C erhitzt wird, und dann das resultierende Produkt bei dieser Temperatur 2 Stunden stehen gelassen wird.
  • Von diesen Mesophase-Pechen sind bevorzugte Peche synthetische Mesophase-Peche, die hergestellt werden durch Polymerisieren eines kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffs, wie Naphthalin, Methylnaphthalin, Anthracen, Phenanthren, Acenaphthen, Acenaphthylen und Pyren in Gegenwart von Fluorwasserstoff-Bortrifluorid als superstarken Säurekatalysator, da die synthetischen Mesophase-Peche eine hohe chemische Reinheit, eine ausgezeichnete Graphit bildungsfähigkeit und eine extrem hohe Ausbeute der Kohlenstoffanreicherung aufweisen.
  • Als Kohlenteerpech, das mit dem Mesophase-Pech vermischt wird, können üblicherweise gewöhnliche Kohlenteerpeche verwendet werden, hergestellt aus Kohlenteer, wie weiches Pech, mittelmäßig weiches Pech und hartes Pech, wobei diese Kohlenteerpeche im Wesentlichen nichts primär Chinolin-Unlösliches (QI) enthalten, was wegen einer höheren Graphitbildungsfähigkeit daraus besonders bevorzugt ist. Weiter können auch modifizierte Kohlenteerpeche, die durch Zusatz eines Teerwaschöls oder Ähnliches zum Kohlenteerpech hergestellt werden, passend verwendet werden, um ihnen eine gute Fließfähigkeit zu verleihen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden 100 Gewichtsteile des Mesophase-Pechs mit 10 bis 1000 Gewichtsteilen des Kohlenteerpechs gemischt, um eine Pechzusammensetzung herzustellen. Wenn die Menge des vermischten Kohlenteerpechs weniger als 10 Gewichtsteile ist, ist es nicht möglich, das Schäumen des Pechs wirksam zu verhindern. Andererseits wird das Pech hinsichtlich Ausbeute der Kohlenstoffanreicherung wie auch der Graphitbildungsfähigkeit verschlechtert, wenn die Menge des vermischten Kohlenteerpechs mehr als 1000 Gewichtsteile beträgt. Obwohl das Mischverfahren nicht besonders eingeschränkt ist, kann ein Verfahren der Pulverisierung und Vermischen der Peche im festen Zustand oder ein Verfahren des Verknetens der Peche im geschmolzenen Zustand verwendet werden.
  • Die so erhaltene Pechzusammensetzung zeigt einen optisch anisotropen Gehalt von 1 bis 99 Volumen%, bevorzugt 10 bis 90 Volumen% und wird, der vorliegenden Erfindung entsprechend, nicht nur zur Herstellung von Koks, synthetischem Graphit und Kohlenstoffmaterial für eine negative Elektrode einer wiederaufladbaren Batterie des nicht wässrigen Lösungsmitteltyps passend verwendet, sondern auch als Bindemittel bei der Herstellung geformter Gegenstände auf Kohlenstoffbasis.
  • Der Koks wird durch Hitzebehandlung der Pechzusammensetzung bei einer Temperatur von 500°C oder höher hergestellt. Die Hitzebehandlung der Pechzusammensetzung kann durchgeführt werden durch Einfüllen der Pechzusammensetzung in einen hitzebeständigen Behälter und dann Unterwerfen der in den Behälter gefüllten Pechzusammensetzung der Hitzebehandlung in einer Brennkammer. Die Hitzebehandlung kann auch unter Verwendung einer kontinuierlichen Hitzebehandlungs-Brennkammer vom Typ einer Förderanlage oder Ähnlichen durchgeführt werden.
  • Wenn das Mesophase-Pech allein ohne Zusatz des Kohlenteerpechs in der elektrischen Brennkammer hitzebehandelt wird, wird das Mesophase-Pech bei der Hitzebehandlung durch die erzeugten Gase geschäumt, so dass sein Volumen mehrmals zehnfach zunimmt. Demgegenüber wird bei der vorliegenden Erfindung, da das Kohlenteerpech mit einer relativ niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit der Kohlenstoffanreicherung dem Mesophase-Pech zugesetzt wird, die Viskosität des Reaktionssystems bis zum Erreichen einer hohen Temperatur niedrig gehalten, wodurch das Wachstum von Schäumen verhindert wird. Als Ergebnis wird es möglich, den hochdichten Koks mit hoher Ausbeute ohne das Phänomen heftigen Schäumens herzustellen, wie es beobachtet wird, wenn das Mesophase-Pech allein verwendet wird.
  • Weiterhin kann die Pechzusammensetzung weiter Schwefel in einer Menge von 0,1 bis 100 Gewichtsteilen, bevorzugt 1 bis 30 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des aus dem Mesophase-Pech und dem Kohlenteerpech zusammengesetzten Pechgemisches enthalten, um weiter zu verhindern, dass das Pech geschäumt wird und um effektiver Koks zu produzieren. Wie hierin nachfolgend beschrieben wird, ermöglicht die Verwendung einer solchen Schwefel enthaltenden Pechzusammensetzung darüber hinaus die Produktion eines Kohlenstoffmaterials für eine negative Elektrode einer wiederaufladbaren Batterie des nicht wässrigen Lösungsmitteltyps mit einer hohen Entladekapazität und einer hohen Lade-Entladeeffizienz.
  • Obwohl das Verfahren des Einmischens von Schwefel in die Pechzusammensetzung nicht besonders eingeschränkt ist, kann ein Verfahren zum Mischen von Schwefel mit den Pechen unter Verwendung eines Mischers oder Ähnlichem verwendet werden, wobei beide im Pulverzustand gehalten werden; ein Verfahren, bei welchem Schwefel nass mit den Pechen gemischt wird unter Verwendung eines Lösungsmittels wie Wasser oder Methanol und dann das resultierende Gemisch getrocknet wird; oder ein Verfahren, um Schwefel mit den Pechen zu vermischen und zu verrühren, wobei einer oder beide von Schwefel und den Pechen im geschmolzenen Zustand gehalten werden.
  • Dann wird der Koks bei einer Temperatur von 2000°C oder höher graphitiert um einen synthetischen Graphit mit einem hohen Graphitbildungsgrad herzustellen. Auch wird der Koks zuerst pulverisiert und dann bei einer Temperatur von 2000°C oder höher graphitiert um ein Kohlenstoffmaterial für eine negative Elektrode einer wiederaufladbaren Batterie vom nicht wässrigen Lösungsmitteltyp herzustellen. In beiden Fällen der Herstellung von künstlichem Graphit und dem Kohlenstoffmaterial für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Batterie vom nicht wässrigen Lösungsmitteltyp wird bevorzugt Schwefel nach der Herstellung des Kokses der Pechzusammensetzung zugesetzt, um eine hohe Entladekapazität und eine hohe Lade-Entladeeffizienz zu realisieren.
  • Nach der Herstellung des Kohlenstoffmaterials für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Batterie des nicht wässrigen Lösungsmitteltyps wird der Pechkoks pulverisiert und klassifiziert, um ein Kokspulver mit einer mittleren Partikelgröße von gewöhnlich 1 bis 50 μm, bevorzugt 2 bis 30 μm zu erhalten. Die oben verwendete Pulverisiervorrichtung kann in geeigneter Weise aus optimalen Apparaturen, wie einem Prallbrecher und einer Strahlmühle, ausgewählt werden. Die oben verwendete Klassifizierungsvorrichtung kann ebenfalls passend aus optimalen Apparaturen, wie einem mechanischen Klassifizierer und einem Luft-Klassifizierer, ausgewählt werden.
  • Dann kann das so pulverisierte kohlenstoffhaltige Pulver vor seiner Graphitbildung wie üblich kalziniert werden. Als andere Möglichkeit kann die Kalzinierungsstufe weggelassen werden und das kohlenstoffhaltige Pulver direkt der Graphitbildung sofort nach der Pulverisierung unterworfen werden. Im Allgemeinen kann die Kalzinierungsstufe, wenn angewendet, bei einer Temperatur von 800 bis 1600°C in einer nicht oxidativen Atmosphäre durchgeführt werden.
  • Das so erhaltene Pulver wird dann bei einer Temperatur von 2000°C oder höher, bevorzugt 2500°C oder höher graphitiert, um ein Graphitpulver mit einem hohen Graphitbildungsgrad und einem geringeren Gehalt an Metallbestandteilen zu erhalten. Das Graphitpulver ist frei von einer Beeinträchtigung der Lade-Entladeeffizienz, bedingt durch den Abbau des in der Elektrolytlösung enthaltenen Lösungsmittels beim Laden, anders als bei dem aus dem Mesophase-Pech allein hergestellten Graphitpulver. Daher kann das Graphitpulver der vorliegenden Erfindung eine hohe Entladekapazität und eine hohe Lade-Entladeeffizienz realisieren und dadurch die Produktion einer wieder aufladbaren Lithiumionen-Batterie als industrielles Produkt mit einer hohen Leistungsfähigkeit und einer hohen Verlässlichkeit ermöglichen.
  • Wie aus den folgenden Beispielen entsprechend der vorliegenden Erfindung offensichtlich ist, wird das Mesophase-Pech wirksam darin gehindert zu schäumen, wenn die durch Mischen des Mesophase-Pechs mit dem Kohlenteerpech hergestellte Pechzusammensetzung hitzebehandelt wird, so dass Pechkoks in einer hohen Ausbeute hergestellt werden kann.
  • Auch ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, einen synthetischen Graphit mit einem hohen Graphitbildungsgrad herzustellen, wenn der Pechkoks bei einer Temperatur von 2000°C oder höher graphitiert wird.
  • Weiter ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, ein hochkristallines Graphitpulver herzustellen, das eine hohe Entladekapazität und eine hohe Lade-Entladeeffizienz aufweist, wenn der Pechkoks pulverisiert und dann bei einer Temperatur von 2000°C oder höher graphitiert wird, wodurch die Produktion einer wieder aufladbaren Lithium-Batterie mit einer hohen Energiedichte realisiert wird.
  • Die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltene Pechzusammensetzung ist für die Herstellung des obigen Pechkokses, synthetischen Graphits und Kohlenstoffmaterials für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Batterie vom nicht wässrigen Lösungsmitteltyp nützlich und kann auch passend als Bindemittel zur Herstellung von geformten Gegenständen auf Kohlenstoffbasis verwendet werden.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die folgenden Beispiele eingehender beschrieben. Jedoch sind diese Beispiele nur illustrativ und sollen die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzen.
  • BEISPIEL 1
  • Naphthalin wurde in Gegenwart von Fluorwasserstoff-Bortrifluorid polymerisiert, um ein Pech mit einem Erweichungspunkt von 235°C, einem optischen Anisotropiegehalt von 100% und einer Kohlenstoff-Anreicherungsausbeute von 87% herzustellen. Einhundert Gewichtsteile des so erhaltenen Pechs und 100 Gewichtsteile Kohlenteerpech mit einem Erweichungspunkt von 80°C, einem optischen Anisotropiegehalt von 0% und einer Kohlenstoff-Anreicherungsausbeute von 45% wurden pulverisiert und unter Verwendung einer Kaffeemühle vermischt, um eine aus Mesophase-Pech und Kohlenteerpech zusammengesetzte Pechzusammensetzung herzustellen. Die erhaltene Pechzusammensetzung wurde bei 330°C geschmolzen, um eine einheitliche Pechschmelze herzustellen. Die Pechschmelze wurde gekühlt und in ein Harz eingebettet. Das pecheingebettete Harz wurde nach normaler Methode poliert und die optische Struktur des Pechs mittels Polarisationsmikroskop beobachtet. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass das Pech einen optischen Anisotropiegehalt von 55 aufwies.
  • Zehn Gramm der Pechzusammensetzung wurden in ein 100 cm3 Becherglas eingefüllt und das Becherglas in eine mit einem Stickstoffstrom versorgte Muffelofen gestellt. In der Brennkammer wurde die Pechzusammensetzung bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 600°C erhitzt und bei dieser Temperatur eine Stunde gehalten, um Koks zu erhalten. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Ausbeute des durch Hitzebehandlung bei 600°C erhaltenen Kokses 64% betrug und das Schüttvolumen davon nach der Hitzebehandlung 20 cm3 war.
  • Nach dem Kühlen auf Raumtemperatur wurde der erhaltene Koks unter Verwendung einer Kugelmühle zu einem Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 15 μm pulverisiert. Das resultierende Pulver wurde in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 1000°C erhitzt und dann zu seiner Kalzinierung 10 Minuten bei 1000°C gehalten. Darauf folgend wurde das kalzinierte Pulver in einer Argonatmosphäre bei 3000°C graphitiert, um ein Graphitpulver zu erhalten. Als Ergebnis der Analyse der Kristallstruktur des erhaltenen Graphitpulvers mit dem Röntgen-Beugungsverfahren wurde bestätigt, dass der Gitterabstand d002 des Kristallits an der (002) Stelle 0,3357 nm war und die Kristallitgröße Lc 250 nm war und das Graphitpulver deshalb einen hohen Graphitbildungsgrad aufwies.
  • BEISPIEL 2
  • Einhundert Gewichtsteile Mesophase-Pech und 100 Gewichtsteile Kohlenteerpech, die beide die gleichen waren, wie jene in BEISPIEL 1 verwendeten, wurden unter Verwendung einer Kaffeemühle pulverisiert und gemischt, um eine aus Mesophase-Pech und Kohlenteerpech zusammengesetzte Zusammensetzung herzustellen. Weiter wurden einhundert Gewichtsteile der erhaltenen Pechzusammensetzung und 5 Gewichtsteile Schwefel unter Verwendung einer Kaffeemühle pulverisiert und gemischt, um ein Pech/Schwefelgemisch herzustellen. Zehn Gramm des erhaltenen Gemisches wurden in ein 100 cm3 Becherglas gefüllt und das Becherglas in einen mit einem Stickstoffstrom versorgten Muffelofen gestellt. In der Brennkammer wurde das Gemisch bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 600°C erhitzt und bei dieser Temperatur eine Stunde gehalten, um Koks zu erhalten. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Ausbeute des durch Hitzebehandlung bei 600°C erhaltenen Kokses 70% betrug und das Schüttvolumen davon nach der Hitzebehandlung 15 cm3 war.
  • Nach dem Kühlen auf Raumtemperatur wurde der erhaltene Koks unter Verwendung einer Kugelmühle zu einem Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 15 μm pulverisiert. Das resultierende Pulver wurde in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 1000°C erhitzt und dann zu seiner Kalzinierung 10 Minuten bei 1000°C gehalten. Darauf folgend wurde das kalzinierte Pulver in einer Argonatmosphäre bei 3000°C graphitiert, um ein Graphitpulver zu erhalten. Als Ergebnis der Analyse der Kristallstruktur des erhaltenen Graphitpulvers mit dem Röntgen-Beugungsverfahren wurde bestätigt, dass der Gitterabstand d002 des Kristallits an der (002) Stelle 0,3359 nm war und die Kristallitgröße Lc 150 nm war und das Graphitpulver deshalb einen hohen Graphitbildungsgrad aufwies.
  • Neunzig Gewichtsteile des so erhaltenen Kohlenstoffmaterials und 10 Gewichtsteile Polyvinylidenfluoridpulver als Bindemittel wurden zusammen mit Dimethylformamid als Lösungsmittel gemischt. Das resultierende Gemisch wurde auf eine Kupferfolie aufgetragen und dann getrocknet. Die beschichtete Folie wurde zu einem 1 cm Quadrat geschnitten, um eine Versuchsprobe zur Bewertung herzustellen. Dann wurde die Versuchsprobe als Elektrode verwendet, zusammen mit einer Elektrolytlösung, hergestellt durch Auflösen von LiPF6 in einer Lösungsmittelmischung aus Ethylencarbonat und Diethylencarbonat im Mischungsverhältnis 1:1 (Konzentration: 1,0 mol/l) und einem Trennelement, gebildet aus einer 50 μm dicken Polypropylen-mikroporösen Membran, um eine Halbzelle herzustellen. Weiter wurden in der Zelle beides, eine Gegenelektrode und eine Bezugselektrode aus metallischem Lithium gebildet, mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Dicke von 0,5 mm. Die so hergestellte Halbzelle wurde einer konstanten Strombeladung bei einer Stromdichte von 0,2 mA/cm2 unterworfen bis das Elektrodenpotenzial der Versuchsprobe relativ zur Bezugselektrode 10 mV erreichte. Dann wurde die Zelle einer konstanten Stromentladung bei einer Stromdichte von 0,2 mA/cm2 unterworfen bis das Elektrodenpotenzial der Versuchsprobe relativ zur Bezugselektrode 1,5 V erreichte. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Ladekapazität der Zelle im ersten Zyklus 347 mAh/g betrug; die Entladekapazität davon 330 mAh/g war; und die Lade-Entladeeffizienz davon so hoch wie 95% war. Weiter wurde, nach Durchführung des zweiten Zyklus unter den gleichen Bedingungen wie denen des ersten Zyklus, im dritten Zyklus die Zelle 12 Stunden konstanter Strom/konstanter Spannungsladung bei einer Stromdichte von 1,0 mA/cm2 unterworfen, wobei das Elektrodenpotenzial der Versuchsprobe relativ zur Bezugselektrode bei 10 mV gehalten wurde. Dann wurde die Zelle einer konstanten Stromentladung bei einer Stromdichte von 0,2 mA/cm2 unterworfen bis das Elektrodenpotenzial der Versuchsprobe relativ zur Bezugselektrode 1,5 V erreichte. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Ladekapazität der Zelle im dritten Zyklus 345 mAh/g betrug; die Entladekapazität davon 342 mAh/g war; und die Lade-Entladeeffizienz davon so hoch wie 99,1% war.
  • BEISPIEL 3
  • Einhundert Gewichtsteile Mesophase-Pech und 60 Gewichtsteile Kohlenteerpech, die beide die gleichen waren, wie jene in BEISPIEL 1 verwendeten, wurden unter Verwendung einer Kaffeemühle pulverisiert und gemischt, um eine aus Mesophase-Pech und Kohlenteerpech zusammengesetzte Zusammensetzung herzustellen. Die Pechzusammensetzung hatte einen optischen Anisotropiegehalt von 65%.
  • Einhundert Gewichtsteile der Pechzusammensetzung und 7 Gewichtsteile Schwefel wurden unter Verwendung einer Kaffeemühle weiter pulverisiert und gemischt, um ein Pech/Schwefelgemisch herzustellen. Zehn Gramm des resultierenden Gemisches wurden in ein 100 cm3 Becherglas gefüllt und das Becherglas in einen mit einem Stickstoffstrom versorgten Muffelofen gestellt, In der Brennkammer wurde das Gemisch bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 600°C erhitzt und bei dieser Temperatur eine Stunde gehalten, um Koks zu erhalten. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Ausbeute des durch Hitzebehandlung bei 600°C erhaltenen Kokses 75% betrug und das Schüttvolumen davon nach der Hitzebehandlung 20 cm3 war.
  • Nach dem Kühlen auf Raumtemperatur wurde der erhaltene Koks unter Verwendung einer Kugelmühle zu einem Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 15 μm pulverisiert. Das resultierende Pulver wurde in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 1000°C erhitzt und dann zur Kalzinierung des Pulvers 10 Minuten bei 1000°C gehalten. Darauf folgend wurde das kalzinierte Pulver in einer Argonatmosphäre bei 3000°C graphitiert, um ein Graphitpulver zu erhalten. Als Ergebnis der Analyse der Kristallitstruktur des erhaltenen Graphitpulvers mit dem Röntgen-Beugungsverfahren wurde bestätigt, dass der Gitterabstand d002 des Kristallits an der (002) Stelle 0,3359 nm betrug und die Kristallitgröße Lc 160 nm war und das Graphitpulver deshalb einen hohen Graphitbildungsgrad aufwies.
  • In der gleichen Weise wie in BEISPIEL 2 wurde eine Lithiumzelle hergestellt und die Leistungsfähigkeit der negativen Elektrode der Zelle nach der gleichen Verfahrensweise wie in BEISPIEL 2 gemessen. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass im ersten Zyklus die Ladekapazität der Zelle 354 mAh/g betrug, die Entladekapazität davon 334 mAh/g, und die Lade-Entladeeffizienz davon so hoch wie 94,3% war; und im dritten Zyklus die Ladekapazität der Zelle 347 mAh/g betrug, die Entladekapazität davon 345 mAh/g war und die Lade-Entladeeffizienz davon so hoch wie 99,4% war.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 1
  • Zehn Gramm des gleichen Mesophase-Pechs, wie in BEISPIEL 1 verwendet, wurden in ein 100 cm3 Becherglas gefüllt und das Becherglas in einen mit einem Stickstoffstrom versorgten Muffelofen gestellt, In der Brennkammer wurde das Mesophase-Pech bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 600°C erhitzt und dann bei dieser Temperatur eine Stunde gehalten, um Koks zu erhalten. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass die Ausbeute des durch Hitzebehandlung bei 600°C erhaltenen Kokses 90% betrug und sein nach der Hitzebehandlung gebildetes Volumen so groß wie etwa 170 cm3 war, der Koks nämlich beträchtlich geschäumt war und sich über den Rand des Bechers ausgedehnt hatte.
  • Nach dem Kühlen auf Raumtemperatur wurde der erhaltene Koks unter Verwendung einer Kugelmühle zu einem Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 15 μm pulverisiert. Das resultierende Pulver wurde bei einer Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von 5°C/min auf 1000°C erhitzt und dann 10 Minuten bei 1000°C gehalten, um das Pulver zu kalzinieren. Darauf folgend wurde das kalzinierte Pulver in einer Argonatmosphdre bei 3000°C graphitiert, um ein Graphitpulver zu erhalten. Als Ergebnis der Analyse der Kristallstruktur des erhaltenen Graphitpulvers mit dem Röntgen-Beugungsverfahren wurde bestätigt, dass der Gitterabstand d002 des Kristallits an der Stelle (002) 0,3357 nm betrug und die Kristallitgröße Lc 250 nm, und das Graphitpulver daher einen hohen Graphitbildungsgrad aufwies.
  • In der gleichen Weise wie in BEISPIEL 2 wurde eine Lithiumzelle hergestellt und die Leistungsfähigkeit der negativen Elektrode der Zelle nach der gleichen Verfahrensweise wie in BEISPIEL 2 gemessen. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass im ersten Zyklus die Ladekapazität der Zelle 525 mAh/g betrug, die Entladekapazität davon 315 mAh/g, und die Lade-Entladeeffizienz davon so niedrig wie 60% war; und im dritten Zyklus die Ladekapazität der Zelle 340 mAh/g war, die Entladekapazität davon noch immer so niedrig wie 325 mAh/g war und die Lade-Entladeeffizienz davon auch so niedrig wie 95,6% geblieben war.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung von Koks, umfassend; (i) Mischen von 100 Gewichtsteilen Mesophase-Pech (A), welches ein Pech ist, das optisch anisotrope Komponenten in einer Menge von 50% oder höher enthält, wenn die optische Struktur des in Harz eingebetteten Pechs nach Polieren unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops beobachtet wird und welches hergestellt wird durch Polymerisieren eines kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffs oder einer Substanz, die den kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoff enthält, in Gegenwart von Fluorwasserstoff-Bortrifluorid mit 10 bis 1000 Gewichtsteilen Kohlenteerpech (B), welches im Wesentlichen nichts Chinolin-Unlösliches (QI) enthält, um eine Pechzusammensetzung herzustellen; und (ii) Hitzebehandlung der Pechzusammensetzung bei einer Temperatur von 500°C oder höher.
  2. Verfahren zur Herstellung von synthetischem Graphit, umfassend: (i) Mischen von 100 Gewichtsteilen Mesophase-Pech (A), welches ein Pech ist, das optisch anisotrope Komponenten in einer Menge von 50% oder höher enthält, wenn die optische Struktur des in Harz eingebetteten Pechs nach Polieren unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops beobachtet wird und welches hergestellt wird durch Polymerisieren eines kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffs oder einer Substanz, die den kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoff enthält, in Gegenwart von Fluorwasserstoff-Bortrifluorid mit 10 bis 1000 Gewichtsteilen Kohlenteerpech (B), welches im Wesentlichen nichts Chinolin-Unlösliches (QI) enthält, um eine Pechzusammensetzung herzustellen; (ii) Hitzebehandlung der Pechzusammensetzung bei einer Temperatur von 500°C oder höher; und (iii) Graphitbildung bei einer Temperatur von 2000°C oder höher.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffmaterials für eine negative Elektrode einer wieder aufladbaren Batterie vom nichtwässrigen Lösungsmitteltyp, umfassend: (i) Mischen von 100 Gewichtsteilen Mesophase-Pech (A), welches ein Pech ist, das optisch anisotrope Komponenten in einer Menge von 50% oder höher enthält, wenn die optische Struktur des in Harz eingebetteten Pechs nach Polieren unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops beobachtet wird und welches hergestellt wird durch Polymerisieren eines kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoffs oder einer Substanz, die den kondensierten polycyclischen Kohlenwasserstoff enthält, in Gegenwart von Fluorwasserstoff-Bortrifluorid mit 10 bis 1000 Gewichtsteilen Kohlenteerpech (B), welches im Wesentlichen nichts Chinolin-Unlösliches (QI) enthält, um eine Pechzusammensetzung herzustellen; (ii) Hitzebehandlung der Pechzusammensetzung bei einer Temperatur von 500°C oder höher; (iii) Pulverisieren und Klassifizieren zu einem Kokspulver mit einer mittleren Partikelgröße von 1 bis 50 μm; und (iv) Graphitbildung bei einer Temperatur von 2000°C oder höher.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Mesophase-Pech einen Erweichungspunkt von 150°C oder höher, gemessen nach erhöhter Fließtestermethode, und eine Ausbeute der Kohlenstoffanreicherung von 70% oder höher hat, wobei die Ausbeute der Kohlenstoffanreicherung der Prozentgehalt des erhaltenen kohlenstoffangereicherten Produktes ist, wenn das Mesophase-Pech in einer inerten Atmosphäre, bei einer Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von 10°C/min auf 600°C erhitzt wird und dann das resultierende Produkt bei dieser Temperatur 2 Stunden stehen gelassen wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin 0,1 bis 100 Gewichtsteile Schwefel, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Pechgemisches, zusammengesetzt aus dem Mesophase-Pech und dem Kohlenteerpech, der in Stufe (i) erhaltenen Pechzusammensetzung vor der Stufe (ii), der Hitzebehandlung, zugemischt werden.
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