JP2004063411A - Complex graphite material, its manufacturing method, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery - Google Patents

Complex graphite material, its manufacturing method, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery Download PDF

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長山 勝博
Minoru Sakai
酒井 稔
Norio Sato
佐藤 則夫
▲高▼木 嘉則
Yoshinori Takagi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a complex graphite material and its manufacturing method, suitably used in a negative electrode of, in particular, a lithium ion secondary battery and a lithium ion polymer battery having high discharging capacity, charging and discharging efficiency and tap density, and to provide the lithium ion secondary battery and the lithium ion polymer battery using the same. <P>SOLUTION: This complex graphite material is prepared by mixing a graphite material (graphitized material of mesophase carbon small spherical bodies) of two-layered structure provided with a layer of crystalline property lower than that of inside, on a surface, metallic powder of silicon, tin and aluminum forming alloy with lithium, and carbon precursor, then heating and granulating the obtained mixture, and then reheating the mixture for carbonization. The graphite material is properly used as the negative electrode material of, in particular, the lithium ion secondary battery or the lithium ion polymer battery. Further it can be used as a conductive material for a fuel cell separator and the graphite for refractory, besides the negative electrode material, by utilizing its characteristic. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池およびリチウムイオンポリマー電池の負極に適した複合黒鉛質材料およびその製造方法、ならびにその複合黒鉛質材料を用いたリチウムイオン二次電池用およびリチウムイオンポリマー電池用負極およびその負極を用いたリチウムイオン二次電池およびリチウムイオンポリマー電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化あるいは高性能化に伴い、電池の高エネルギー密度化に対する要望はますます高まっている。このような状況のなか、負極にリチウムを使用したリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、高電圧化が可能であるという利点を有することで注目を浴びている。このリチウムイオン二次電池では、リチウム金属をそのまま負極として用いると、充電時にリチウムがデントライト状に析出するため、負極が劣化し、充放電サイクルの寿命が短いことが知られている。またデントライト状に析出したリチウムがセパレーターを貫通して、正極に達し短絡する危険性も有している。
【0003】
このため負極材料としては、リチウムに代わりリチウムイオンをインターカレーションにより、吸蔵/放出する能力を有し、リチウム金属の析出を防止し得る炭素材料、具体的には黒鉛または乱層構造を有する炭素材料などが使用されている。特に黒鉛は、高い放電容量と初期効率、放電電圧が高く、かつ平坦であるという特徴を有し、市販のリチウムイオン二次電池に負極活物質として最も多く使用されている。しかしながら、黒鉛は理論容量が372mAh/g であるため、さらなる高容量の負極材料が望まれており、ケイ素、スズ、アルミニウム、銀、亜鉛等のリチウムと合金形成可能な金属による複合化が検討されている。これらの金属粉末は、リチウムと合金を形成し、大きな充放電容量を示すことが報告されており(J. of applied electrochemistry 23 (1993) P1−10) 、ケイ素(LiSi4.4)2010mAh/g 、スズ(LiSn4.4)790mAh/gの値が示されている。しかしながら、サイクル特性や充放電効率に問題があり、実用化に至っていない。
【0004】
前記の問題を解決するために、前記金属と炭素質材料を複合化する方法が提案されている。
例えば、炭素物質Aと金属Bとを、別の炭素物質Cで結合または被覆した電極材料において、炭素物質Cの表面の非晶構造部分/結晶構造部分の比率を規制する提案(特開平5−286763号公報、特開平6−279112号公報)、炭素質材料、タールピッチおよびアルミニウム、ケイ素などの金属を混合し、これを熱処理して炭化してなる複合炭化物の製造方法において、平均粒径と炭素層間距離d002 を特定する提案(特開平8−231273号公報)がある。
【0005】
また黒鉛表面に有機材料と金属化合物を被覆してなる電極用複合炭素材料において、粒子状黒鉛のC軸とA軸方向の結晶サイズなどを特定する提案がある(特開平11−279785号公報)。また黒鉛、非晶質炭素およびケイ素を含有する複合炭素粒子において、ケイ素を内包する非晶質炭素で被覆された黒鉛粒子が、複数凝集した複合炭素粒子が知られている(特開2000−203818号公報)。また、金属粒子が、黒鉛および石油系ピッチなどの非晶質炭素の両相に埋設した金属炭素複合粒子も提案されている(特開2000−272911号公報)。
【0006】
前記提案されている複合黒鉛質材料(黒鉛粒子などを含む)はいずれも、充放電ロスが大きく、充放電効率が低く、実用化されていない。
前記複合黒鉛質材料の中には、表面の非晶構造部分/結晶構造部分の比率を規制したものもあるが、それは黒鉛質部分自体(黒鉛質芯材)の表面と内部の結晶性の間の違いに関するものではない。したがって、従来、黒鉛質部分自体(黒鉛質芯材)の表面の結晶性と、黒鉛質部分自体の内部の結晶性の間の違いに言及した複合黒鉛質材料は知られていない、またその違いが放電容量や充放電効率に影響することに言及した複合黒鉛質材料は知られていない。
【0007】
本発明者は、従来技術の場合、複合化前の黒鉛質材料(以後、原料黒鉛質材料と称することがある)の反応性が高く、これが原因で黒鉛質材料の充放電効率の低下が生じるものと考察し、原料黒鉛質材料の表面に低結晶性層を形成して2層構造とすることに着眼した。そして、その低結晶性層の上に、リチウムと合金形成可能な金属粉末を炭素質材料により複合化して、高い放電容量と充放電効率を有する複合黒鉛質材料を製造することを見出し、本発明に到達した。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高い放電容量と充放電効率を有する複合黒鉛質材料、特にリチウムイオン二次電池やリチウムイオンポリマー電池の負極への使用に適する複合黒鉛質材料およびその製造方法、ならびにその複合黒鉛質材料を使用したリチウムイオン二次電池やリチウムイオンポリマー電池の負極およびそれを使用したリチウムイオン二次電池やリチウムイオンポリマー電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、表面に、内部より結晶性の低い層を有する2層構造の原料黒鉛質材料と、リチウムと合金形成可能な金属粉末と、炭素質前駆体を混合した後、得られた混合物を加熱し、解砕した後、再加熱することにより炭化して、複合黒鉛質材料を得ることにより達成される。
【0010】
すなわち、本発明は、黒鉛質材料の表面に、リチウムと合金形成可能な金属粉末を炭素質材料で複合化してなる黒鉛質材料であって、該黒鉛質材料の表面の結晶性が、黒鉛質材料内部の結晶性よりも低いことを特徴とする複合黒鉛質材料である。
【0011】
好ましい前記黒鉛質材料は、メソフェーズカーボン小球体の黒鉛化物の場合である。
【0012】
また好ましい前記黒鉛質材料は、ラマンスペクトルの1360cm−1のピーク強度(I1360)と1580cm−1のピーク強度(I1580)の強度比(R=I1360/I1580)が0.05以上で、X線回折法による炭素網面層の面間隔d002 が0.3365nm以下の場合である。
【0013】
また好ましい前記リチウムと合金形成可能な金属が、ケイ素、スズおよびアルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の金属の場合である。
【0014】
本発明は、表面の結晶性が、内部の結晶性よりも低い黒鉛質材料、リチウムと合金形成可能な金属粉末および炭素質前駆体を含む混合物を350〜800℃で加熱した後、該加熱処理物を解砕し、該解砕物を800〜2000℃で加熱して炭素質前駆体を炭化し、得られた炭素質材料で黒鉛質材料の表面に、該金属粉末を複合化することを特徴とする複合黒鉛質材料の製造方法である。
前記黒鉛質材料は、メソフェーズカーボン小球体の黒鉛化物であるのが好ましい。
【0015】
本発明は、前記いずれかの黒鉛質材料を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極である。
【0016】
本発明は、前記リチウムイオン二次電池用負極を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の複合黒鉛質材料の原料として使用される黒鉛質材料は、表面の結晶性が、内部の結晶性に比べ低い2層構造の黒鉛質材料である。該黒鉛質材料は、黒鉛質材料に炭素質前駆体を被覆した後、被覆物を炭化して得た黒鉛質材料、またはピッチの加熱処理時に生成するメソフェーズカーボン小球体を炭化して得た黒鉛質材料などである。
【0018】
以下、メソフェーズカーボン小球体を炭化して原料黒鉛質材料を得る方法について説明する。
<メソフェーズカーボン小球体>
メソフェーズカーボン小球体は、石油系または石炭系のピッチ類を350〜450℃付近の温度で加熱処理した際に、ピッチマトリクス中に生成する粒径が数μm〜数十μmの光学的異方性小球体である。前記小球体は、ピッチマトリクスから、ベンゼン、トルエン、キノリン、タール中油、タール重油などの溶剤を用いて、低分子量成分とともに抽出分離される。分離されたメソフェーズカーボン小球体を乾燥後、350℃以上、好ましくは350〜900℃の温度で一次焼成した後、焼成物を解砕・粉砕することなく分級して粗粒子および塊状物を除去する。一次焼成時に小球体の表面に付着していた微量のピッチ等が炭化され、これらが小球体表面に薄い層を形成する。分級は篩、風力分級等の一般に工業的に行われている方法を採用することができる。例えば、200メッシュの篩を使用して目標とする最大粒子径に調整する。
【0019】
粒径調整後の小球体の平均粒径は2〜100μmであるのが好ましく、5〜50μmであるのが特に好ましい。粒径調整後の小球体の平均粒径が2μm未満であると、複合黒鉛質材料の比表面積が大きくなり、電極への塗布が難しくなる。該小球体の平均粒径が100μmを超えると、複合黒鉛質材料を電極に塗布する際、電極表面が粗となり、好ましくない。なお、粒径調整後の小球体の比表面積は、5m/g以下であるのが好ましく、1m/g以下であるのが特に好ましい。
前記のような特性を有する小球体は、鱗片状の天然黒鉛を原料に用いた場合に比べ、タップ密度(充填密度)が大きい複合黒鉛質材料を形成することができるので好ましい。また分級による粗粒、微粉の除去は黒鉛化後に行うこともできる。
【0020】
<原料黒鉛質材料>
前記メソフェーズ小球体を、さらに2000℃以上、好ましくは2500℃以上の温度で加熱処理することにより、結晶性が高いメソフェーズ小球体(黒鉛質構造)の表面に低結晶性層を有する2層構造の原料黒鉛質材料が製造される。
【0021】
原料黒鉛質材料の結晶性は、アルゴンレーザーを用いたラマンスペクトルによって評価される。すなわち、黒鉛構造に基づく9種の格子振動のうち、網面内格子振動に相当するE2g型振動に対応した1580cm−1近傍のラマンスペクトルと、主に表層での結晶欠陥、積層不整などの結晶構造の乱れを反映した1360cm−1近傍のラマンスペクトルを、514.5nmの波長を持つアルゴンレーザーを用いたラマン分光分析器(日本分光(株)製、NR1100)により測定する。
【0022】
それぞれのラマンスペクトルのピーク強度からその強度比(R=I1360/I1580) を算出し、強度比が大きいものほど表面の結晶性が低いと評価される。強度比Rは、不可逆容量を小さくする観点から、R≧0.05であるのが好ましい。表面の結晶性が高いと、R<0.05となり、この場合には不可逆容量が大きく、十分な電池性能が得られない。これは、表面層の結晶化度が大きすぎて黒鉛質材料表面での電解液の分解反応が進行しやすくなるためと考えられる。
【0023】
一方、黒鉛質材料の平均的な結晶性は、X線広角回折法における炭素網面層の面間隔(d002 )および結晶子のC軸方向の大きさ(Lc)から判定することができる。すなわち、CuKα線をX線源、高純度シリコンを標準物質に使用して、黒鉛質材料に対し(002)回折ピークを測定し、そのピーク位置およびその半値幅より、それぞれd002 、Lcを算出する。算出方法は学振法に従うものであり、具体的な方法は「炭素繊維」(近代編集社、昭和61年3月発行)733〜742頁などに記載されている。
【0024】
本発明の原料黒鉛質材料の黒鉛構造の発達度合いの指標となるX線回折法によるd002 およびLcは、高い放電容量を発現させる観点から、d002 ≦0.3365nm、Lc≧40nmであるのが好ましく、d002 ≦0.3362nm、Lc≧50nmであるのが特に好ましい。原料黒鉛質材料のd002 およびLcが、d002 >0.3365nm、Lc<40nmである場合には、黒鉛構造の発達の程度が低いため、リチウムイオン二次電池の負極として用いたとき、リチウムのドープ量が小さく、高い放電容量を得ることができないことがある。
【0025】
また、本発明の原料黒鉛質材料は、その比表面積が大きすぎると初期充放電効率や安全性が低下するなどの問題を生じることがあるので、窒素ガス吸着BET法による比表面積で20m/g以下、好ましくは5m/g以下である。
【0026】
次に、前記原料黒鉛質材料を、リチウムと合金形成可能な金属粉末と、炭素質前駆体と混合し、混合物を350〜800℃、好ましくは400〜600℃で加熱した後、該加熱処理物を解砕し、解砕物を800〜2000℃、好ましくは900〜1500℃に加熱して炭素質前駆体を炭化する。炭化のための加熱により、炭素質前駆体が溶融し、該溶融物が原料黒鉛質材料の表面に金属粉末を結合、被覆して複合化に寄与する。炭化温度が2000℃を超えると、炭素質前駆体の黒鉛化が始めるので、好ましくない。炭化に要する時間は0.5〜50時間、好ましくは2〜20時間である。
【0027】
混合物を二段加熱し、前段の加熱を350〜800℃で行い、その後解砕を行うと、凝集物の解砕に強力なエネルギーを要せず、しかも隣合う塊状物の界面から解砕されるので、複合層の相当部分が剥離・崩壊した塊状物や複合層の相当部分が余計に付着・融合した欠陥塊状物が得られることはない。前記解砕物を800〜2000℃に加熱し、炭化すると、さらなる凝集は事実上起こらず、本発明の高い放電容量と充放電効率を有する複合黒鉛質材料を効率的に製造することができる。前段の加熱時間は0.5〜50時間、好ましくは2〜20時間である。
【0028】
これに対し、前記混合物を一段で800℃以上まで加熱し、炭化を行うと、炭化物の凝集量が多く、かつ凝集力が大きいので、これの解砕には、強力な解砕エネルギーが必要となり、また隣合う塊状物の界面(凝集面)からの解砕以外に、一方の塊状物の複合層が、他方の塊状物に融合した状態で解砕される。すなわち、複合層の相当部分が剥離・崩壊した塊状物と、複合層の相当部分が余計に付着・融合した塊状物が得られることになるので、好ましくない。
【0029】
<金属粉末>
本発明に使用される金属粉末は、リチウムイオン二次電池において、リチウムと合金を形成することができるものであり、ケイ素、スズ、アルミニウム、銀および亜鉛から選ばれた少なくとも一種、好ましくはケイ素、スズおよびアルミニウムから選ばれた少なくとも一種である。これらの金属粉末は、リチウムと合金を形成する上、放電容量が700mAh/g 程度であり、黒鉛質材料に比べ格段に大きいので、黒鉛質材料に混合し、複合化することにより、複合黒鉛質材料の放電容量を高める効果があるが、一方、充放電効率やサイクル特性の低下を招くという問題を生じることがある。したがって、後述する混合割合とすることが好ましい。
【0030】
金属粉末の粒径は可能な限り小さいことが好ましいが、0.01〜10μm、好ましくは0.05〜1μmである。0.01μm未満では、金属粉末の価格が高騰する。金属としては、ケイ素、スズ、アルミニウム、銀および亜鉛から選ばれた少なくとも一種が使用されるが、好ましくはケイ素、スズおよびアルミニウムから選ばれた少なくとも一種が使用される。
金属粉末の原料黒鉛質材料100質量部に対する混合割合は、0.1〜50質量部であり、好ましくは1〜20質量部である。
【0031】
<炭素質前駆体>
炭素質前駆体は、原料黒鉛質材料などが800℃以上に加熱されたときに、該黒鉛質材料の表面に金属粉末を結合、被覆などにより複合化する際の結合剤、被覆剤などの複合剤としての機能を発揮するものである。炭素質前駆体としては、コールタールピッチ、石油系ピッチ、各種樹脂などの一般的な炭素質前駆体の使用が可能であるが、コールタールピッチの使用が好ましい。
炭素質前駆体の原料黒鉛質材料100質量部に対する混合割合は、特に制限されないが、1〜50質量部であり、好ましくは5〜30質量部である。
【0032】
<複合黒鉛質材料>
本発明の複合黒鉛質材料1は、図1に示す模式図のように、ほぼ球状の黒鉛質材料2と、該材料2の表面全体を覆うように層状に形成された複合層5を有する2層構造である。そして、黒鉛質材料2は、結晶性の高い内部(芯材)3と、その表面を覆う結晶性の低いの薄い表面層4とから構成されている。また複合層5は金属粉末6と炭素質材料7とから構成されている。
これに対し、従来の複合黒鉛質材料1は、図2に示す模式図のように、ほぼ球状の黒鉛質材料2と、該材料2の表面全体を覆うように層状に形成された複合層5を有する2層構造であり、複合層5が金属粉末6と炭素質材料7とから構成されている点において本発明と同じである。しかし、黒鉛質材料2として天然黒鉛を用いているので、本発明のような表面層4を有していない。
【0033】
本発明の複合黒鉛質材料の平均粒径は2〜100μm、好ましくは5〜50μmである。黒鉛質材料の表面に形成された金属粉末を含む複合層の厚さは、金属粉末の粒径と同等レベルであるのが好ましい。薄すぎると金属粉末が脱離しやすくなり、厚すぎると炭素質材料(炭素質前駆体の炭化品)の比率が高くなり、放電容量、充放電効率の低下を招くため好ましくない。
【0034】
本発明の複合黒鉛質材は、定法によりリチウムイオン二次電池やリチウムポリマー電池の負極に製造され、リチウムイオン二次電池やリチウムポリマー電池の負極として適用される。
【0035】
<リチウムイオン二次電池>
リチウムイオン二次電池は、通常、負極、正極および非水電解質を主たる電池構成要素とし、正・負極はそれぞれリチウムイオンの担持体からなり、充放電過程における非水溶媒の出入は層間で行われる。
本質的に、充電時にはリチウムイオンが負極中にドープされ、放電時には負極から脱ドープする電池機構である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、負極として前記複合黒鉛質材料を用いること以外は特に限定されず、他の電池構成要素については一般的なリチウムイオン二次電池の要素に準じる。
【0036】
<負極>
前記複合黒鉛質材料からの負極の製造は、該黒鉛質材料の性能を充分に引き出し、かつ粉末に対する賦型性が高く、化学的、電気化学的に安定な負極を得ることができる成形方法であれば何ら制限されず、通常の成形方法に準じて行うことができる。
負極製造時には、複合黒鉛質材料に結合剤を加えた負極合剤を用いることができる。結合剤としては、電解質に対して化学的安定性、電気化学的安定性を有するものを用いるのが好ましく、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等のフッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、さらにはカルボキシメチルセルロースなどが用いられる。これらを併用することもできる。結合剤は、通常、負極合剤の全量中1〜20質量%程度の割合で使用される。
【0037】
具体的には、例えば、複合黒鉛質材料を分級等によって適当な粒径に調整し、結合剤と混合することによって負極合剤を調製し、この負極合剤を、通常、集電体の片面もしくは両面に塗布して負極合剤層を形成する。
この際、負極合剤を溶媒に分散させ、ペースト状にした後、集電体に塗布、乾燥すれば、集電体に均一かつ強固に接着した負極合剤層が形成される。ペーストは、翼式ホモミキサーにて300〜3000rpm 程度で撹拌することにより調製することができる。溶媒は負極合剤の調製に使用される通常の溶媒で差し支えない。
【0038】
例えば、複合黒鉛質材料と、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂粉末を、イソプロピルアルコール等の溶媒中で混合、混練してペーストを得、これを塗布すればよい。また複合黒鉛質材料と、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂粉末あるいはカルボキシメチルセルロース等の水溶性粘結剤を、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミドあるいは水、アルコール等の溶媒と混合してスラリーとした後、これを塗布すればよい。複合黒鉛質材料と結合剤の混合物を集電体に塗布する際の塗布厚は10〜500μm、好ましくは20〜200μmである。負極合剤層を形成した後、プレス加圧等の圧着を行うと、負極合剤層と集電体との接着強度をさらに高めることができる。
また複合黒鉛質材料と、ポリエチレン、ポリビニルアルコールなどの樹脂粉末とを乾式混合し、金型内でホットプレス成形して負極を製造することもできる。
【0039】
負極に用いる集電体の形状としては、特に限定されないが、箔状、あるいはメッシュ、エキスパンドメタル等の網状のもの等が用いられる。集電材としては、例えば銅、ステンレス、ニッケル等を挙げることができる。集電体の厚みは、箔状の場合、5〜20μm程度が好適である。
【0040】
<正極>
正極の材料(正極活物質)としては、充分量のリチウムをドープ/脱ドープし得るものを選択するのが好ましい。そのような正極活物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物(V2 5 、V6 13、V2 4 、V3 8 など)およびそのリチウム化合物などのリチウム含有化合物、一般式MX Mo6 8−y (式中Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、Mは遷移金属などの金属を表す)で表されるシェブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。
【0041】
前記リチウム含有遷移金属酸化物は、リチウムと遷移金属との複合酸化物であり、リチウムと2種類以上の遷移金属を固溶したものであってもよい。リチウム含有遷移金属酸化物は、具体的には、LiM(1)1−p M(2)p 2 (式中Pは0≦P≦1の範囲の数値であり、M(1)、M(2)は少なくとも一種の遷移金属元素からなる。)あるいはLiM(1)2−Q M(2)Q 4 (式中Qは0≦Q≦1の範囲の数値であり、M(1)、M(2)は少なくとも一種の遷移金属元素からなる。)で示される。
前記において、Mで示される遷移金属元素としては、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、Snなどが挙げられ、好ましくはCo、Fe、Mn、Ti、Cr、V、Alが挙げられる。
【0042】
リチウム含有遷移金属酸化物としては、より具体的に、LiCoO2 、Lip NiQ 1−Q (MはNiを除く前記遷移金属元素、好ましくはCo、Fe、Mn、Ti、Cr、V、Alから選ばれる少なくとも一種、0.05≦p≦1.10、0.5≦q≦1.0である。)で示されるリチウム複合酸化物、LiNiO2 、LiMnO2 、LiMn2 4 などが挙げられる。
【0043】
前記のようなリチウム含有遷移金属酸化物は、例えば、リチウム、遷移金属の酸化物または塩類を出発原料とし、これら出発原料を組成に応じて混合し、酸素雰囲気下600℃〜1000℃の温度範囲で焼成することにより得ることができる。なお出発原料は酸化物または塩類に限定されず、水酸化物等でもよい。
本発明では、正極活性物質は、前記化合物を単独で使用しても2種類以上併用してもよい。例えば、正極中には、炭酸リチウム等の炭素塩を添加することもできる。
【0044】
このような正極材料によって正極を形成するには、例えば正極材料と結合剤および電極に導電性を付与するための導電剤よりなる正極合剤を集電体の両面に塗布することで正極合剤層を形成する。結合剤としては、負極で例示したものがいずれも使用可能である。導電剤としては、例えば炭素材料、黒鉛やカーボンブラックが用いられる。
【0045】
集電体の形状は特に限定されず、箱状、あるいはメッシュ、エキスパンドメタル等の網状等のものが用いられる。集電体の基板としては、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を挙げることができる。その厚さは、10〜40μmが好適である。
また正極の場合も負極と同様に、正極合剤を溶剤中に分散させることでペースト状にし、このペースト状の正極合剤を集電体に塗布、乾燥することによって正極合剤層を形成してもよく、正極合剤層を形成した後、さらにプレス加圧等の圧着を行っても構わない。これにより正極合剤層が均一かつ強固に集電体に接着される。
【0046】
以上のような負極および正極を形成するに際しては、従来公知の導電剤や結着剤などの各種添加剤を適宜に使用することができる。
【0047】
<電解質>
本発明に用いられる電解質としては通常の非水電解液に使用されている電解質塩を用いることができ、例えば、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiClO4 、LiB(C6 5 4 、LiCl、LiBr、LiCF3 SO3 、LiCH3 SO3 、LiN(CF3 SO2 2 、LiC(CF3 SO2 3 、LiN(CF3 CH2 OSO2 2 、LiN(CF3 CF2 OSO2 2 、LiN(HCF2 CF2 CH2 OSO2 2 、LiN((CF3 2 CHOSO2 2 、LiB[C6 3 (CF3 2 4 、LiAlCl4 、LiSiF6 などのリチウム塩などを用いることができる。特にLiPF6 、LiBF4 が酸化安定性の点から好ましく用いられる。
電解液中の電解質塩濃度は、0.1〜5mol/L が好ましく、0.5〜3.0mol/L がより好ましい。
【0048】
前記非水電解質は、液系の非水電解液としてもよいし、固体電解質あるいはゲル電解質等、高分子電解質としてもよい。前者の場合、非水電解質電池は、いわゆるリチウムイオン電池として構成され、後者の場合、非水電解質電池は、高分子固体電解質電池、高分子ゲル電解質電池等の高分子電解質電池として構成される。
【0049】
液系の非水電解質液とする場合には、溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,1 −または1,2 −ジメトキシエタン、1,2 −ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、1 ,3−ジオキソラン、4 −メチル−1 ,3 −ジオキソラン、アニソール、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ホウ酸トリメチル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、酢酸エチル、トリメチルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、ジメチルスルホキシド、3−メチル−2−オキサゾリドン、エチレングリコール、ジメチルサルファイト等の非プロトン性有機溶媒を用いることができる。
【0050】
非水電解質を高分子固体電解質、高分子ゲル電解質等の高分子電解質とする場合には、可塑剤(非水電解液)でゲル化されたマトリクスの高分子を含むが、このマトリクス高分子としては、ポリエチレンオキサイドやその架橋体等のエーテル系樹脂、ポリメタクリレート系、ポリアクリレート系、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系樹脂等を単独、もしくは混合して用いることができる。
これらの中で、酸化還元安定性の観点等から、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系樹脂を用いることが望ましい。
【0051】
これら高分子固体電解質、高分子ゲル電解質に含有される可塑剤を構成する電解質塩や非水溶媒としては、前述のものがいずれも使用可能である。高分子ゲル電解質の場合、可塑剤である非水電解液中の電解質塩濃度は、0.1〜5mol/L が好ましく、0.5〜2.0mol/L がより好ましい。
このような高分子電解質の製造方法は特に制限されないが、例えば、マトリクスを形成する高分子、リチウム塩および溶媒を混合し、加熱して溶融する方法、適当な有機溶剤に高分子、リチウム塩および溶媒を溶解させた後、有機溶剤を蒸発させる方法、並びに高分子電解質の原料となる重合性モノマー、リチウム塩および溶媒を混合し、それに紫外線、電子線または分子線などを照射して重合させ高分子電解質を製造する方法等を挙げることができる。
また、前記固体電解質中の溶媒の添加割合は、10〜90質量%であると、導電率が高く、かつ機械的強度が高く、成膜しやすいので好ましく、さらに好ましくは30〜80質量%である。
【0052】
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレーターを使用することもできる。
セパレーターは、特に限定されるものではないが、例えば織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜等が挙げられる。特に合成樹脂製微多孔膜が好適に用いられるが、その中でもポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗の面で好適である。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等である。
【0053】
さらに、本発明に係るリチウムイオン二次電池の構造は任意であり、その形状、形態について特に限定されるものではなく、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等の中から任意に選択することができる。より安全性の高い密閉型非水電解液電池を得るためには、過充電等の異常時に電池内圧上昇を感知して電流を遮断させる手段を備えたものであることが望ましい。高分子固体電解質電池や高分子ゲル電解質電池の場合には、ラミネートフィルムに封入した構造とすることもできる。
【0054】
【実施例】
以下に、本発明を実施例および比較例によって具体的に説明する。
(実施例1)
フリーカーボン(QI)を0.5質量%含有するコールタールを、350℃で0.5時間加熱処理後、さらに450℃で0.2時間2段加熱処理してメソフェーズカーボン小球体を生成させた。加熱処理後のコールタールから、タール重油(沸点:200〜300℃)を用いてピッチを抽出し、ピッチマトリクス中からろ過分離により、メソフェーズカーボン小球体を得た。ロータリーキルンで500℃で仮焼し、得られたメソフェーズカーボン小球体仮焼品を、200メッシュ(篩目75μm)の振動篩を用いて、粗粒(凝集体)の除去を行った。得られた粒度調整品を黒鉛るつぼに入れ、アルゴン雰囲気下、昇温速度1000℃/時間で昇温し、3000℃で3時間かけて炭化を行い、黒鉛質材料を得た。
【0055】
該黒鉛質材料のX線回折によるd002 は0.3362nm、ラマン分光によるI1360/I1580は0.17であった。該黒鉛質材料87質量部にケイ素粉末(平均粒径1.9μm)3質量部とコールタールピッチ(軟化点90℃)20質量部をニーダーを用いて、150℃で1時間混合した後、500℃で3時間加熱した。その後、加熱処理物を解砕し、解砕物を1000℃で1時間加熱し、コールタールピッチを炭化し、該黒鉛質材料の表面にケイ素粉末が結合、被覆した黒鉛質材料を得た。コールタールピッチの炭化率は50%であった。黒鉛質材料の充放電容量、粉体特性(粒度分布、比表面積)、タップ密度を以下に示す方法で評価した。結果を表2に示した。
【0056】
(充放電容量)
下記条件でドライボックス中でアルゴン流通下、充放電容量の測定を行った。
セル形式: 3極式ビーカーセル
対極および参照極: 金属リチウム
作用極: 黒鉛粉末を塗布した銅箔のプレス加工品
作用極の製法: 黒鉛粉末に10質量%のPVDFを混合し、さらに加えたN−メチルピロリドンでPVDFを充分に溶解して得たスラリーを、銅箔上に塗布した。該塗布銅箔を、100℃で予備乾燥した後、ロールプレス機を用いて、プレス加工した。該加工品を真空下、100℃で乾燥させ、N−メチルピロリドンを除去して、作用極を得た。
【0057】
電解液: 1モルLiClO/(プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=3/5/2)
充放電: 電流密度1.0mA/cmの定電流充電を行い、0.1Vで定電位充電を行った後、1.0mA/cmの定電流放電を行った。この際、充電容量と放電容量を測定した。充電容量と放電容量の差が充放電ロスである。
本発明の黒鉛質材料を用いた場合、表2に示したように、高い放電容量と充放電効率を示した。
【0058】
(粉体特性)
(1)粒度分布
本発明の黒鉛質材料を、界面活性剤を加えた蒸留水に分散し、レーザー回折式粒度分布計LS−5000(セイシン社製)にて、粒度分布を測定し、平均粒径と最大粒径を求めた。
(2)BET比表面積
窒素ガス吸着によるBET1点法によって比表面積を測定した。
(3)タップ密度
パウダーテスター(ホソカワミクロン(株)製)を使用し、JIS K5101に従い、100mlのタッピングセルに粉末を落下させ、セルが満杯に充填された後、ストローク長10mmのタッピングを20回行った後、100ml容積中の粉体重量を測定し、タップ密度を求めた。
【0059】
(実施例2〜4)
実施例1において、ケイ素粉末とコールタールピッチの配合量を表1に示すように変える以外は、実施例1と同様に、黒鉛質材料の調製を行った。黒鉛質材料の充放電容量、粉体特性(粒度分布、比表面積)、タップ密度を評価した結果を表2に示した。
【0060】
(比較例1)
実施例1において、ケイ素粉末、コールタールピッチを配合しない点を除き、実施例1と同様に、黒鉛質材料の調製を行った。黒鉛質材料の充放電容量、粉体特性(粒度分布、比表面積)、タップ密度を評価した結果を表2に示した。
【0061】
(比較例2〜3)
実施例1において、調製した黒鉛質粒子の代わりに市販の天然黒鉛(粒径10μm、30μm、d002 0.3356nm、I1360/I1560は0.10)を用いる以外は、実施例1と同様に、黒鉛質材料の調製を行った。黒鉛質材料の充放電容量、粉体特性(粒度分布、比表面積)、タップ密度を評価した結果を表2に示した。
【0062】
(実施例5〜6)
実施例1において、ケイ素粉末の代わりに、表1に示す配合量のスズ粉末またはアルミニウム粉末を用いる以外は、実施例1と同様に、黒鉛質材料の調製を行った。黒鉛質材料の充放電容量、粉体特性(粒度分布、比表面積)、タップ密度を評価した結果を表2に示した。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、高い放電容量、充放電効率およびタップ密度を有する黒鉛質材料が製造できる。該黒鉛質材料は、特にリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンポリマー電池の負極材料として好適である。また、その特徴を活かして負極材料以外の用途、例えば燃料電池セパレーター用の導電材や耐火物用黒鉛などに使用することもできる。
【0064】
【表1】

Figure 2004063411
【0065】
【表2】
Figure 2004063411

【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合黒鉛質材料の断面模式図。
【図2】従来の複合黒鉛質材料の断面模式図。
【符号の説明】
1: 複合黒鉛質材料
2: 黒鉛質材料
3: 高結晶性黒鉛質材料
4: 低結晶性黒鉛質材料
5: 複合層
6: リチウムと合金形成可能な金属粉末
7: 炭素質材料[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite graphite material suitable for a negative electrode of a lithium ion secondary battery and a lithium ion polymer battery, a method for producing the same, and a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion polymer battery using the composite graphite material. And a lithium ion secondary battery and a lithium ion polymer battery using the negative electrode.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, with the miniaturization or high performance of electronic devices, demands for higher energy density of batteries have been increasing. Under such circumstances, lithium-ion secondary batteries using lithium for the negative electrode have attracted attention because of their advantages of high energy density and high voltage. In this lithium ion secondary battery, it is known that when lithium metal is used as it is as a negative electrode, lithium is deposited in a dendritic state at the time of charging, so that the negative electrode is deteriorated and the life of a charge / discharge cycle is short. In addition, there is also a danger that lithium precipitated in the form of dentite penetrates through the separator, reaches the positive electrode, and causes a short circuit.
[0003]
Therefore, as a negative electrode material, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions by intercalating lithium instead of lithium and capable of preventing lithium metal from being deposited, specifically, graphite or carbon having a turbostratic structure Materials are used. In particular, graphite has features of high discharge capacity, high initial efficiency, high discharge voltage, and flatness, and is most often used as a negative electrode active material in commercially available lithium ion secondary batteries. However, since graphite has a theoretical capacity of 372 mAh / g, an anode material having a higher capacity is desired, and a composite with a metal capable of forming an alloy with lithium such as silicon, tin, aluminum, silver, and zinc has been studied. ing. It has been reported that these metal powders form an alloy with lithium and exhibit a large charge / discharge capacity (J. of applied electrochemistry 23 (1993) P1-10), silicon (LiSi4.4) 2010 mAh / g, A value of 790 mAh / g tin (LiSn4.4) is shown. However, there is a problem in cycle characteristics and charge / discharge efficiency, and it has not been put to practical use.
[0004]
In order to solve the above problem, a method of compounding the metal and the carbonaceous material has been proposed.
For example, in an electrode material in which a carbon material A and a metal B are bonded or coated with another carbon material C, a proposal for regulating the ratio of the amorphous structure portion / crystal structure portion on the surface of the carbon material C (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. No. 286763, JP-A-6-279112), a carbonaceous material, tar pitch and a metal such as aluminum or silicon are mixed, and the mixture is heat-treated and carbonized to produce a composite carbide. Carbon layer distance d 002 (JP-A-8-231273).
[0005]
Further, in a composite carbon material for an electrode in which an organic material and a metal compound are coated on a graphite surface, there is a proposal for specifying the crystal size in the C-axis and A-axis directions of particulate graphite (Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-279785). . Further, among composite carbon particles containing graphite, amorphous carbon and silicon, a composite carbon particle in which a plurality of graphite particles coated with amorphous carbon containing silicon are aggregated is known (JP-A-2000-203818). Publication). In addition, metal-carbon composite particles in which metal particles are embedded in both phases of amorphous carbon such as graphite and petroleum-based pitch have been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-272911).
[0006]
All of the proposed composite graphite materials (including graphite particles and the like) have a large charge / discharge loss, low charge / discharge efficiency, and have not been put to practical use.
Some of the composite graphitic materials regulate the ratio of the amorphous structure portion to the crystal structure portion on the surface. However, the ratio between the surface and the internal crystallinity of the graphite portion itself (graphite core material) is controlled. It's not about the difference. Therefore, conventionally, there is no known composite graphite material that refers to the difference between the crystallinity of the surface of the graphite portion itself (graphite core material) and the crystallinity inside the graphite portion itself. There is no known composite graphitic material that mentions that it affects the discharge capacity and charge / discharge efficiency.
[0007]
The inventor of the present invention has found that, in the case of the prior art, the reactivity of a graphite material before compounding (hereinafter, sometimes referred to as a raw graphite material) is high, and this causes a decrease in the charge / discharge efficiency of the graphite material. The present inventors focused on forming a low-crystalline layer on the surface of the raw graphite material to form a two-layer structure. The present inventors have found that, on the low crystalline layer, a metal powder capable of forming an alloy with lithium is composited with a carbonaceous material to produce a composite graphitic material having a high discharge capacity and charge / discharge efficiency. Reached.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention relates to a composite graphite material having a high discharge capacity and charge / discharge efficiency, particularly a composite graphite material suitable for use in a negative electrode of a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer battery, a method for producing the same, and a composite graphite material thereof An object of the present invention is to provide a negative electrode of a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer battery using a material and a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer battery using the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention was obtained after mixing a raw graphite material of a two-layer structure having a layer with lower crystallinity than the inside, a metal powder capable of forming an alloy with lithium, and a carbonaceous precursor on the surface. This is achieved by heating and crushing the mixture followed by reheating to carbonize to obtain a composite graphitic material.
[0010]
That is, the present invention is a graphite material obtained by compounding a metal powder capable of forming an alloy with lithium with a carbon material on the surface of the graphite material, and the crystallinity of the surface of the graphite material is graphite. A composite graphitic material characterized by being lower than the crystallinity inside the material.
[0011]
The preferred graphite material is the case of graphitized mesophase carbon spherules.
[0012]
The preferred graphite material has a Raman spectrum of 1360 cm. -1 Peak intensity (I 1360 ) And 1580cm -1 Peak intensity (I 1580 ) Intensity ratio (R = I 1360 / I 1580 ) Is 0.05 or more, and the plane spacing d of the carbon netting layer by X-ray diffraction 002 Is 0.3365 nm or less.
[0013]
The preferred metal capable of forming an alloy with lithium is at least one metal selected from the group consisting of silicon, tin and aluminum.
[0014]
The present invention provides a method for heating a mixture containing a graphite material, a metal powder capable of forming an alloy with lithium, and a carbonaceous precursor, the surface of which has lower crystallinity than the internal crystallinity, at 350 to 800 ° C. Crushing the material, heating the crushed material at 800 to 2000 ° C. to carbonize the carbonaceous precursor, and compounding the metal powder on the surface of the graphite material with the obtained carbonaceous material. This is a method for producing a composite graphite material.
The graphitic material is preferably a graphitized mesophase carbon spheroid.
[0015]
The present invention is a negative electrode for a lithium ion secondary battery, characterized by using any one of the above graphite materials.
[0016]
The present invention provides a lithium ion secondary battery using the negative electrode for a lithium ion secondary battery.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The graphitic material used as a raw material of the composite graphitic material of the present invention is a graphite material having a two-layer structure whose surface crystallinity is lower than the internal crystallinity. The graphite material is a graphite material obtained by coating a graphite material with a carbonaceous precursor and then carbonizing the coating, or a graphite obtained by carbonizing mesophase carbon microspheres generated during pitch heat treatment. Quality material.
[0018]
Hereinafter, a method of carbonizing the mesophase carbon microspheres to obtain a raw graphite material will be described.
<Mesophase carbon sphere>
Mesophase carbon microspheres have an optical anisotropy of several μm to several tens of μm in particle size generated in a pitch matrix when a petroleum or coal pitch is heated at a temperature of about 350 to 450 ° C. It is a small sphere. The small spheres are extracted and separated from the pitch matrix together with a low molecular weight component using a solvent such as benzene, toluene, quinoline, medium tar oil, and heavy tar oil. After drying the separated mesophase carbon microspheres, primary firing is performed at a temperature of 350 ° C. or more, preferably 350 to 900 ° C., and the fired product is classified without crushing / crushing to remove coarse particles and aggregates. . At the time of the primary firing, a small amount of pitch or the like adhering to the surface of the small spheres is carbonized, and these form a thin layer on the surface of the small spheres. Classification can be carried out by a method generally used industrially, such as a sieve or an air classifier. For example, the target maximum particle size is adjusted using a 200-mesh sieve.
[0019]
The average particle size of the small spheres after the adjustment of the particle size is preferably from 2 to 100 μm, and particularly preferably from 5 to 50 μm. If the average particle size of the small spheres after the adjustment of the particle size is less than 2 μm, the specific surface area of the composite graphite material becomes large, and it becomes difficult to apply it to the electrode. If the average particle diameter of the small spheres exceeds 100 μm, the electrode surface becomes rough when the composite graphite material is applied to the electrode, which is not preferable. The specific surface area of the small spheres after the particle size adjustment was 5 m 2 / G or less, preferably 1 m 2 / G or less is particularly preferred.
Small spheres having the above characteristics are preferable because they can form a composite graphite material having a large tap density (filling density) as compared with a case where flaky natural graphite is used as a raw material. The removal of coarse particles and fine powder by classification can also be performed after graphitization.
[0020]
<Raw graphite material>
The mesophase microspheres are further subjected to a heat treatment at a temperature of 2,000 ° C. or higher, preferably 2500 ° C. or higher, to form a two-layer structure having a low crystallinity layer on the surface of highly crystalline mesophase microspheres (graphitic structure). Raw graphite material is manufactured.
[0021]
The crystallinity of the raw graphite material is evaluated by Raman spectrum using an argon laser. That is, of the nine types of lattice vibrations based on the graphite structure, 1580 cm corresponding to the E2g type vibration corresponding to the in-plane lattice vibration -1 1360 cm reflecting the Raman spectrum in the vicinity and disorder of the crystal structure mainly due to crystal defects in the surface layer, stacking irregularities, etc. -1 The nearby Raman spectrum is measured by a Raman spectrometer (NR1100, manufactured by JASCO Corporation) using an argon laser having a wavelength of 514.5 nm.
[0022]
From the peak intensity of each Raman spectrum, its intensity ratio (R = I 1360 / I 1580 ) Is calculated, and the larger the intensity ratio, the lower the crystallinity of the surface. The intensity ratio R is preferably R ≧ 0.05 from the viewpoint of reducing the irreversible capacity. If the crystallinity of the surface is high, R <0.05, and in this case, the irreversible capacity is large, and sufficient battery performance cannot be obtained. It is considered that this is because the degree of crystallinity of the surface layer is too large and the decomposition reaction of the electrolytic solution on the surface of the graphitic material tends to proceed.
[0023]
On the other hand, the average crystallinity of the graphitic material is determined by the plane spacing (d 002 ) And the crystallite size in the C-axis direction (Lc). That is, using a CuKα ray as an X-ray source and high-purity silicon as a standard substance, a (002) diffraction peak was measured for the graphitic material, and d was determined from the peak position and its half-value width, respectively. 002 , Lc. The calculation method is based on the Gakushin method, and a specific method is described in "Carbon Fiber" (published by Kindaisha Publishing Co., Ltd., March 1986), pages 733 to 742.
[0024]
D by X-ray diffraction as an index of the degree of development of the graphite structure of the raw graphite material of the present invention 002 And Lc are d from the viewpoint of developing a high discharge capacity. 002 ≦ 0.3365 nm, Lc ≧ 40 nm, preferably d 002 It is particularly preferred that ≦ 0.3362 nm and Lc ≧ 50 nm. D of raw graphite material 002 And Lc is d 002 > 0.3365 nm and Lc <40 nm, the degree of development of the graphite structure is low, so that when used as a negative electrode of a lithium ion secondary battery, the doping amount of lithium is small and a high discharge capacity can be obtained. There are things you can't do.
[0025]
Further, the raw graphite material of the present invention may cause problems such as a decrease in initial charge / discharge efficiency and safety if the specific surface area is too large, so that the specific surface area by nitrogen gas adsorption BET method is 20 m. 2 / G or less, preferably 5 m 2 / G or less.
[0026]
Next, the raw graphite material is mixed with a metal powder capable of forming an alloy with lithium and a carbonaceous precursor, and the mixture is heated at 350 to 800 ° C, preferably 400 to 600 ° C. Is crushed, and the crushed material is heated to 800 to 2000 ° C., preferably 900 to 1500 ° C. to carbonize the carbonaceous precursor. The heating for carbonization melts the carbonaceous precursor, and the melt binds and coats the metal powder on the surface of the raw graphite material to contribute to the composite. If the carbonization temperature exceeds 2000 ° C., graphitization of the carbonaceous precursor starts, which is not preferable. The time required for carbonization is 0.5 to 50 hours, preferably 2 to 20 hours.
[0027]
When the mixture is heated in two stages, the former stage heating is performed at 350 to 800 ° C., and then crushing is performed, strong energy is not required for crushing aggregates, and crushing is performed from the interface between adjacent aggregates. Therefore, it is not possible to obtain a lump in which a substantial portion of the composite layer is peeled or collapsed, or a defective lump in which a substantial portion of the composite layer is excessively attached or fused. When the crushed material is heated to 800 to 2000 ° C. and carbonized, further aggregation does not substantially occur, and the composite graphite material having a high discharge capacity and charge / discharge efficiency of the present invention can be efficiently produced. The heating time in the former stage is 0.5 to 50 hours, preferably 2 to 20 hours.
[0028]
On the other hand, when the mixture is heated to 800 ° C. or more in one step and carbonized, a large amount of carbide coagulates and the cohesive force is large. In addition to the crushing from the interface (agglomerated surface) of the adjacent lumps, the composite layer of one lumps is crushed in a state of being fused with the other lumps. In other words, it is not preferable because a lump in which a substantial portion of the composite layer is peeled and collapsed and a lump in which a substantial portion of the composite layer is excessively adhered and fused are obtained.
[0029]
<Metal powder>
Metal powder used in the present invention, in a lithium ion secondary battery, is capable of forming an alloy with lithium, silicon, tin, aluminum, at least one selected from silver and zinc, preferably silicon, At least one selected from tin and aluminum. These metal powders form an alloy with lithium and have a discharge capacity of about 700 mAh / g, which is much larger than the graphite material. Therefore, these metal powders are mixed with the graphite material to form a composite material. This has the effect of increasing the discharge capacity of the material, but on the other hand may cause a problem of lowering the charge / discharge efficiency and cycle characteristics. Therefore, it is preferable to set the mixing ratio described later.
[0030]
The particle size of the metal powder is preferably as small as possible, but is 0.01 to 10 μm, preferably 0.05 to 1 μm. If it is less than 0.01 μm, the price of the metal powder will rise. As the metal, at least one selected from silicon, tin, aluminum, silver and zinc is used, and preferably, at least one selected from silicon, tin and aluminum is used.
The mixing ratio of the metal powder to 100 parts by mass of the raw graphite material is 0.1 to 50 parts by mass, preferably 1 to 20 parts by mass.
[0031]
<Carbon precursor>
The carbonaceous precursor is formed by bonding a metal powder to the surface of the graphite material when the raw graphite material or the like is heated to 800 ° C. or higher, such as a binder, a coating agent, etc. It functions as an agent. As the carbonaceous precursor, common carbonaceous precursors such as coal tar pitch, petroleum pitch, and various resins can be used, but use of coal tar pitch is preferred.
The mixing ratio of the carbonaceous precursor to 100 parts by mass of the raw graphite material is not particularly limited, but is 1 to 50 parts by mass, preferably 5 to 30 parts by mass.
[0032]
<Composite graphite material>
As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the composite graphite material 1 of the present invention includes a substantially spherical graphite material 2 and a composite layer 5 formed in a layer so as to cover the entire surface of the material 2. It has a layer structure. The graphitic material 2 includes an inner (core) 3 having high crystallinity and a thin surface layer 4 having low crystallinity covering the surface. The composite layer 5 is composed of a metal powder 6 and a carbonaceous material 7.
On the other hand, as shown in the schematic diagram of FIG. 2, the conventional composite graphite material 1 has a substantially spherical graphite material 2 and a composite layer 5 formed in a layer so as to cover the entire surface of the material 2. This is the same as the present invention in that the composite layer 5 is composed of the metal powder 6 and the carbonaceous material 7. However, since natural graphite is used as the graphite material 2, it does not have the surface layer 4 as in the present invention.
[0033]
The average particle size of the composite graphite material of the present invention is 2 to 100 µm, preferably 5 to 50 µm. The thickness of the composite layer containing the metal powder formed on the surface of the graphitic material is preferably at the same level as the particle size of the metal powder. If the thickness is too small, the metal powder tends to be desorbed. If the thickness is too large, the ratio of the carbonaceous material (carbonized carbonaceous precursor) increases, which undesirably lowers the discharge capacity and charge / discharge efficiency.
[0034]
The composite graphite material of the present invention is produced by a conventional method as a negative electrode of a lithium ion secondary battery or a lithium polymer battery, and is applied as a negative electrode of a lithium ion secondary battery or a lithium polymer battery.
[0035]
<Lithium ion secondary battery>
Lithium ion secondary batteries usually have a negative electrode, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte as main battery components, and the positive and negative electrodes are each made of a lithium ion carrier, and the flow of a non-aqueous solvent in the charge / discharge process is performed between layers. .
In essence, it is a battery mechanism in which lithium ions are doped into the negative electrode during charging and de-doped from the negative electrode during discharging.
The lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited except that the composite graphite material is used as the negative electrode, and the other battery components conform to those of a general lithium ion secondary battery.
[0036]
<Negative electrode>
Manufacture of the negative electrode from the composite graphite material is a molding method capable of sufficiently extracting the performance of the graphite material, and having high moldability to powder, and a chemically and electrochemically stable negative electrode. If there is no limitation, it can be carried out according to a usual molding method.
When manufacturing the negative electrode, a negative electrode mixture obtained by adding a binder to a composite graphite material can be used. As the binder, those having chemical stability to the electrolyte and electrochemical stability are preferably used.For example, polyvinylidene fluoride, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, polyethylene, polyvinyl alcohol, and furthermore Carboxymethyl cellulose is used. These can be used in combination. The binder is usually used at a ratio of about 1 to 20% by mass based on the whole amount of the negative electrode mixture.
[0037]
Specifically, for example, a composite graphite material is adjusted to an appropriate particle size by classification or the like, and mixed with a binder to prepare a negative electrode mixture. Alternatively, a negative electrode mixture layer is formed by coating on both surfaces.
At this time, if the negative electrode mixture is dispersed in a solvent to form a paste, and then applied to the current collector and dried, a negative electrode mixture layer uniformly and firmly adhered to the current collector is formed. The paste can be prepared by stirring with a blade-type homomixer at about 300 to 3000 rpm. The solvent may be a usual solvent used for preparing the negative electrode mixture.
[0038]
For example, a paste may be obtained by mixing and kneading a composite graphite material and a fluorine-based resin powder such as polytetrafluoroethylene in a solvent such as isopropyl alcohol, and applying the paste. Further, after mixing a composite graphite material, a fluorine-based resin powder such as polyvinylidene fluoride or a water-soluble binder such as carboxymethyl cellulose with a solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide or water or alcohol to form a slurry. It may be applied. When the mixture of the composite graphite material and the binder is applied to the current collector, the applied thickness is 10 to 500 μm, preferably 20 to 200 μm. After the formation of the negative electrode mixture layer, by performing pressure bonding such as press pressure, the adhesive strength between the negative electrode mixture layer and the current collector can be further increased.
Alternatively, the composite graphite material and a resin powder such as polyethylene or polyvinyl alcohol are dry-mixed, and hot-pressed in a mold to produce a negative electrode.
[0039]
The shape of the current collector used for the negative electrode is not particularly limited, but a foil shape, a mesh shape such as a mesh or expanded metal, or the like is used. Examples of the current collector include copper, stainless steel, and nickel. In the case of a foil, the thickness of the current collector is preferably about 5 to 20 μm.
[0040]
<Positive electrode>
As the material of the positive electrode (positive electrode active material), it is preferable to select a material capable of doping / dedoping a sufficient amount of lithium. Such positive electrode active materials include lithium-containing transition metal oxides, transition metal chalcogenides, vanadium oxides (V 2 O 5 , V 6 O 13 , V 2 O 4 , V 3 O 8 Etc.) and lithium-containing compounds thereof, such as a lithium compound of the general formula M X Mo 6 S 8-y (Where X is a value in the range of 0 ≦ X ≦ 4, Y is a value in the range of 0 ≦ Y ≦ 1, and M represents a metal such as a transition metal), an activated carbon, an activated carbon fiber or the like. Can be used.
[0041]
The lithium-containing transition metal oxide is a composite oxide of lithium and a transition metal, and may be a solid solution of lithium and two or more transition metals. The lithium-containing transition metal oxide is specifically LiM (1) 1-p M (2) p O 2 (Where P is a numerical value in the range of 0 ≦ P ≦ 1 and M (1) and M (2) are made of at least one transition metal element) or LiM (1) 2-Q M (2) Q O 4 (Where Q is a numerical value in the range of 0 ≦ Q ≦ 1 and M (1) and M (2) are made of at least one transition metal element).
In the above, examples of the transition metal element represented by M include Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al, In, and Sn, and preferably Co, Fe, Mn, Ti, and Cr. , V, and Al.
[0042]
As the lithium-containing transition metal oxide, more specifically, LiCoO 2 , Lip Ni Q M 1-Q O 2 (M is the transition metal element other than Ni, preferably at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Mn, Ti, Cr, V and Al, 0.05 ≦ p ≦ 1.10, 0.5 ≦ q ≦ 1. 0) LiNiO, LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 And the like.
[0043]
The above-mentioned lithium-containing transition metal oxides are, for example, lithium, an oxide or a salt of a transition metal as a starting material, and mixing these starting materials according to the composition. By sintering. The starting material is not limited to oxides or salts, and may be a hydroxide or the like.
In the present invention, as the positive electrode active substance, the above compounds may be used alone or in combination of two or more. For example, a carbon salt such as lithium carbonate can be added to the positive electrode.
[0044]
To form a positive electrode with such a positive electrode material, for example, a positive electrode mixture composed of a positive electrode material, a binder, and a conductive agent for imparting conductivity to the electrode is applied to both surfaces of the current collector. Form a layer. As the binder, any of those exemplified for the negative electrode can be used. As the conductive agent, for example, a carbon material, graphite or carbon black is used.
[0045]
The shape of the current collector is not particularly limited, and a current collector having a box shape or a mesh shape such as a mesh or expanded metal is used. Examples of the current collector substrate include an aluminum foil, a stainless steel foil, and a nickel foil. The thickness is preferably from 10 to 40 μm.
In the case of the positive electrode, as in the case of the negative electrode, the positive electrode mixture is dispersed in a solvent to form a paste, and the paste-like positive electrode mixture is applied to a current collector and dried to form a positive electrode mixture layer. After forming the positive electrode mixture layer, pressure bonding such as pressurization may be further performed. Thereby, the positive electrode mixture layer is uniformly and firmly adhered to the current collector.
[0046]
In forming the negative electrode and the positive electrode as described above, conventionally known various additives such as a conductive agent and a binder can be appropriately used.
[0047]
<Electrolyte>
As the electrolyte used in the present invention, an electrolyte salt used in a normal non-aqueous electrolyte can be used, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCl, LiBr, LiCF 3 SO 3 , LiCH 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 CH 2 OSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 OSO 2 ) 2 , LiN (HCF 2 CF 2 CH 2 OSO 2 ) 2 , LiN ((CF 3 ) 2 CHOSO 2 ) 2 , LiB [C 6 H 3 (CF 3 ) 2 ] 4 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 And the like can be used. Especially LiPF 6 , LiBF 4 Is preferably used from the viewpoint of oxidation stability.
The electrolyte salt concentration in the electrolyte is preferably from 0.1 to 5 mol / L, more preferably from 0.5 to 3.0 mol / L.
[0048]
The non-aqueous electrolyte may be a liquid non-aqueous electrolyte, or a polymer electrolyte such as a solid electrolyte or a gel electrolyte. In the former case, the non-aqueous electrolyte battery is configured as a so-called lithium ion battery, and in the latter case, the non-aqueous electrolyte battery is configured as a polymer electrolyte battery such as a polymer solid electrolyte battery and a polymer gel electrolyte battery.
[0049]
When a liquid nonaqueous electrolyte solution is used, as a solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1,1- or 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolan, 4-methyl-1,3-dioxolan, anisole, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile, trimethyl borate, tetramethyl silicate, Nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, trimethyl orthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene, dimethyl sulfoxide, 3-methyl 2-oxazolidone, ethylene glycol, aprotic organic solvents such as dimethyl sulfite may be used.
[0050]
When the non-aqueous electrolyte is a polymer electrolyte such as a polymer solid electrolyte or a polymer gel electrolyte, it includes a matrix polymer gelled with a plasticizer (non-aqueous electrolyte). Is a polyethylene oxide or a crosslinked product thereof, such as an ether-based resin, a polymethacrylate-based, a polyacrylate-based, a polyvinylidene fluoride or a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer-based fluorine-based resin, or the like alone or as a mixture. Can be used.
Among them, it is desirable to use a fluorine-based resin such as polyvinylidene fluoride or a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer from the viewpoint of oxidation-reduction stability and the like.
[0051]
As the electrolyte salt and the non-aqueous solvent constituting the plasticizer contained in the polymer solid electrolyte and the polymer gel electrolyte, any of those described above can be used. In the case of the polymer gel electrolyte, the concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte as a plasticizer is preferably 0.1 to 5 mol / L, more preferably 0.5 to 2.0 mol / L.
Although the method for producing such a polymer electrolyte is not particularly limited, for example, a method of mixing a polymer forming a matrix, a lithium salt and a solvent, and melting by heating, a method of polymerizing a suitable organic solvent, a lithium salt and After dissolving the solvent, a method of evaporating the organic solvent, and mixing a polymerizable monomer, a lithium salt and a solvent as a raw material of the polymer electrolyte, and irradiating the mixture with an ultraviolet ray, an electron beam or a molecular beam to polymerize the mixture. Examples of the method include a method for producing a molecular electrolyte.
The proportion of the solvent in the solid electrolyte is preferably from 10 to 90% by mass, since the conductivity is high, the mechanical strength is high, and the film is easily formed, more preferably from 30 to 80% by mass. is there.
[0052]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, a separator can be used.
The separator is not particularly limited, and examples thereof include a woven fabric, a nonwoven fabric, and a microporous membrane made of a synthetic resin. In particular, a synthetic resin microporous membrane is preferably used, and among them, a polyolefin-based microporous membrane is preferable in terms of thickness, film strength, and film resistance. Specifically, it is a microporous film made of polyethylene and polypropylene, or a microporous film obtained by combining these.
[0053]
Furthermore, the structure of the lithium ion secondary battery according to the present invention is arbitrary, and its shape and form are not particularly limited, and are arbitrarily selected from a cylindrical type, a square type, a coin type, a button type, and the like. be able to. In order to obtain a sealed non-aqueous electrolyte battery with higher safety, it is desirable to provide a means for interrupting the current by detecting an increase in battery internal pressure when an abnormality such as overcharging occurs. In the case of a polymer solid electrolyte battery or a polymer gel electrolyte battery, the structure may be such that the battery is sealed in a laminate film.
[0054]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.
(Example 1)
Coal tar containing 0.5% by mass of free carbon (QI) was heat-treated at 350 ° C. for 0.5 hour, and further heat-treated at 450 ° C. for 0.2 hour to produce mesophase carbon microspheres. . Pitch was extracted from the coal tar after the heat treatment using tar heavy oil (boiling point: 200 to 300 ° C.), and mesophase carbon microspheres were obtained by filtration and separation from the pitch matrix. The mesophase carbon small sphere calcined product was calcined at 500 ° C. in a rotary kiln, and coarse particles (aggregates) were removed using a 200-mesh (75 μm mesh) vibrating sieve. The obtained particle-size-adjusted product was placed in a graphite crucible, heated at a rate of 1000 ° C./hour in an argon atmosphere, and carbonized at 3000 ° C. for 3 hours to obtain a graphitic material.
[0055]
D by X-ray diffraction of the graphite material 002 Is 0.3362 nm, I by Raman spectroscopy 1360 / I 1580 Was 0.17. 3 parts by mass of silicon powder (average particle size: 1.9 μm) and 20 parts by mass of coal tar pitch (softening point: 90 ° C.) were mixed with 87 parts by mass of the graphite material at 150 ° C. for 1 hour using a kneader, and then mixed with 500 parts. Heated at 0 ° C for 3 hours. Thereafter, the heat-treated product was crushed, and the crushed material was heated at 1000 ° C. for 1 hour to carbonize the coal tar pitch to obtain a graphite material in which silicon powder was bonded to and coated on the surface of the graphite material. The carbonization rate of the coal tar pitch was 50%. The charge / discharge capacity, powder characteristics (particle size distribution, specific surface area), and tap density of the graphite material were evaluated by the following methods. The results are shown in Table 2.
[0056]
(Charging and discharging capacity)
The charge / discharge capacity was measured in a dry box under argon flow under the following conditions.
Cell format: 3-pole beaker cell
Counter electrode and reference electrode: lithium metal
Working electrode: Pressed product of copper foil coated with graphite powder
Manufacturing method of working electrode: A slurry obtained by mixing 10% by mass of PVDF with graphite powder and further dissolving PVDF with added N-methylpyrrolidone was applied on a copper foil. The coated copper foil was pre-dried at 100 ° C., and then pressed using a roll press. The processed product was dried at 100 ° C. under vacuum to remove N-methylpyrrolidone to obtain a working electrode.
[0057]
Electrolyte: 1 mol LiClO / (propylene carbonate / ethylene carbonate / dimethyl carbonate = 3/5/2)
Charge / discharge: Current density 1.0 mA / cm 2 After charging at a constant current of 0.1 V and a constant potential at 0.1 V, 1.0 mA / cm 2 Was discharged at a constant current. At this time, the charge capacity and the discharge capacity were measured. The difference between the charge capacity and the discharge capacity is the charge / discharge loss.
When the graphitic material of the present invention was used, as shown in Table 2, high discharge capacity and charge / discharge efficiency were exhibited.
[0058]
(Powder characteristics)
(1) Particle size distribution
The graphitic material of the present invention is dispersed in distilled water to which a surfactant has been added, and the particle size distribution is measured with a laser diffraction type particle size distribution analyzer LS-5000 (manufactured by Seishin). I asked.
(2) BET specific surface area
The specific surface area was measured by the BET one-point method by nitrogen gas adsorption.
(3) Tap density
Using a powder tester (manufactured by Hosokawa Micron Corp.), drop the powder into a 100 ml tapping cell in accordance with JIS K5101, fill the cell completely, tap 20 times with a stroke length of 10 mm, and perform 100 ml volume tapping. The weight of the powder inside was measured, and the tap density was determined.
[0059]
(Examples 2 to 4)
A graphitic material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amounts of silicon powder and coal tar pitch were changed as shown in Table 1. Table 2 shows the results of evaluating the charge / discharge capacity, powder characteristics (particle size distribution, specific surface area), and tap density of the graphite material.
[0060]
(Comparative Example 1)
A graphite material was prepared in the same manner as in Example 1 except that silicon powder and coal tar pitch were not blended. Table 2 shows the results of evaluating the charge / discharge capacity, powder characteristics (particle size distribution, specific surface area), and tap density of the graphite material.
[0061]
(Comparative Examples 2-3)
In Example 1, commercial natural graphite (particle size: 10 μm, 30 μm, d) was used instead of the prepared graphite particles. 002 0.3356 nm, I 1360 / I 1560 Was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.10) was used. Table 2 shows the results of evaluating the charge / discharge capacity, powder characteristics (particle size distribution, specific surface area), and tap density of the graphite material.
[0062]
(Examples 5 to 6)
A graphite material was prepared in the same manner as in Example 1 except that tin powder or aluminum powder having the compounding amount shown in Table 1 was used instead of silicon powder. Table 2 shows the results of evaluating the charge / discharge capacity, powder characteristics (particle size distribution, specific surface area), and tap density of the graphite material.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, a graphitic material having high discharge capacity, charge / discharge efficiency and tap density can be manufactured. The graphite material is particularly suitable as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery or a lithium ion polymer battery. Further, by utilizing its features, it can also be used for applications other than the negative electrode material, for example, conductive materials for fuel cell separators and graphite for refractories.
[0064]
[Table 1]
Figure 2004063411
[0065]
[Table 2]
Figure 2004063411

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a composite graphite material of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional composite graphite material.
[Explanation of symbols]
1: Composite graphite material
2: Graphite material
3: Highly crystalline graphite material
4: Low crystalline graphite material
5: Composite layer
6: Metal powder capable of forming an alloy with lithium
7: Carbonaceous material

Claims (8)

黒鉛質材料の表面に、リチウムと合金形成可能な金属粉末を炭素質材料で複合化してなる黒鉛質材料であって、該黒鉛質材料の表面の結晶性が、黒鉛質材料内部の結晶性よりも低いことを特徴とする複合黒鉛質材料。A graphite material obtained by compounding a metal powder capable of forming an alloy with lithium with a carbonaceous material on the surface of the graphite material, wherein the crystallinity of the surface of the graphite material is higher than the crystallinity inside the graphite material. Composite graphite material characterized by a low carbon content. 前記黒鉛質材料が、メソフェーズカーボン小球体の黒鉛化物であることを特徴とする請求項1に記載の複合黒鉛質材料。The composite graphite material according to claim 1, wherein the graphite material is a graphitized mesophase carbon spheroid. 前記黒鉛質材料のラマンスペクトルの1360cm−1のピーク強度(I1360)と1580cm−1のピーク強度(I1580)の強度比(R=I1360/I1580)が0.05以上で、X線回折法による炭素網面層の面間隔d002 が0.3365nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の複合黒鉛質材料。In the peak intensity of 1360 cm -1 in the Raman spectrum of the graphite material (I 1360) and the intensity ratio of the peak intensity of 1580cm -1 (I 1580) (R = I 1360 / I 1580) is 0.05 or more, X-rays 3. The composite graphitic material according to claim 1, wherein a plane distance d 002 of the carbon netting layer by a diffraction method is 0.3365 nm or less. 前記リチウムと合金形成可能な金属が、ケイ素、スズおよびアルミニウムからなる群より選ばれた少なくとも一種の金属であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の複合黒鉛質材料。The composite graphite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal capable of forming an alloy with lithium is at least one metal selected from the group consisting of silicon, tin, and aluminum. 表面の結晶性が、内部の結晶性よりも低い黒鉛質材料、リチウムと合金形成可能な金属粉末および炭素質前駆体を含む混合物を350〜800℃で加熱した後、該加熱処理物を解砕し、該解砕物を800〜2000℃で加熱して炭素質前駆体を炭化し、得られた炭素質材料で黒鉛質材料の表面に、該金属粉末を複合化することを特徴とする複合黒鉛質材料の製造方法。After heating a mixture containing a graphitic material whose surface crystallinity is lower than the internal crystallinity, a metal powder capable of forming an alloy with lithium, and a carbonaceous precursor at 350 to 800 ° C., the heat-treated product is crushed. And heating the crushed material at 800 to 2000 ° C. to carbonize the carbonaceous precursor, and compounding the metal powder on the surface of the graphitic material with the obtained carbonaceous material. Method of manufacturing quality materials. 前記黒鉛質材料が、メソフェーズカーボン小球体の黒鉛化物であることを特徴とする請求項5に記載の複合黒鉛質材料の製造方法。The method according to claim 5, wherein the graphite material is a graphitized mesophase carbon spheroid. 請求項1〜4のいずれかに記載の複合黒鉛質材料を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。A negative electrode for a lithium ion secondary battery, comprising using the composite graphite material according to claim 1. 請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用負極を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。A lithium ion secondary battery using the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 7.
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