JP2004179015A - リチウムイオン二次電池用負極材とその製造方法、及びこれを用いた電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高容量で、容量ロスが少なく、高密度充填性があり、さらに負荷特性（急速充放電特性）にも優れたリチウムイオン二次電池洋負極材を提供する。
【課題解決の手段】樹脂等のバインダ−を用いて略球状に造粒成形した黒鉛粉末にバインダ−ピッチを被覆および含浸した後、焼成さらに黒鉛化してなるリチウムイオン二次電池用負極材。
上記の負極材の製造方法として、樹脂等のバインダ−を用いて略球状に成形した黒鉛粉末とバインダ−ピッチを加熱混合した後、焼成し黒鉛化することを特徴とする製造方法。

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池用負極材に関し、より詳しくは略球状に造粒した黒鉛粉末にバインダ−ピッチを被覆・含浸して、焼成および黒鉛化して得られる高容量で容量ロスが少なく、かつ充填密度が高く、急速充放電性にも優れた負極材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、リチウム二次電池はハイパワ−、高容量の二次電池として携帯電話、パソコン等の可搬型機器類に多く使用され、今後も需要がさらに高まると予想されている。
【０００３】
このような可搬型機器類の小型化への流れを受けて、リチウム二次電池も小型化、軽量化またさらなる高性能化への要請が強まっている。
【０００４】
そのため、リチウム二次電池を構成するパ−ツや材料も高性能化の動きが活発になっており、中でも負極材は電池の性能を左右するものとしてその重要性が高まっている。
【０００５】
この負極材としてカ−ボン系材料が注目されている。
カ−ボン系負極材に要求される特性としては、まず放電容量が高容量であること、また容量ロスの低減が基本的に重要であるが、これらのみにとどまらず、電池内に多量の負極材を充填できるよう充填密度の高いこと、また急速充放電性も要求されている。
【０００６】
従来よりこのような負極材に天然黒鉛、人造黒鉛が用いられてきたが、上記のような特性を何れも満足させる材料は未だ上市されていない。
【０００７】
まず、放電容量が高い材料としては天然黒鉛が挙げられ、理論値の３７２ｍＡｈ／ｇに近い容量を得ることができる。
しかし、天然黒鉛は高容量化の面では優れているが、基本的に形状が球状ではなく扁平であることに起因する欠点がある。
【０００８】
即ち、粉砕した天然黒鉛は、鱗片状あるいは鱗状であり、初期放電容量は大きいが、扁平な形状のために集電体の銅箔と並行に粒子が配向するので、リチウムイオンの吸蔵・放出による負極の体積膨張・収縮が大きくサイクル特性の劣化が重要な欠点となる。
また扁平な形状のため充填密度も高くない。
【０００９】
そして天然黒鉛は、単に粉砕・整粒しただけでは不純物を１０〜１５％と多く含み、産地や鉱床によって不純物の成分や量にばらつきがある。
このため、電池用途に使用した場合、天然黒鉛使用量に対する放電容量の効率や安全性の問題を考慮すると、脱灰処理を施し不純物を０．２％以下にする必要があり、不純物除去のため製造コストが増加する。
なお、天然黒鉛の一種として土状黒鉛があるが、結晶の発達が不良のため、鱗状、鱗片状の天然黒鉛に比べて、低容量の負極材しか得られないので好ましくない。
【００１０】
そこで、天然黒鉛の放電容量における優れた特性を生かしつつ、その欠点を解消する試みもなされている。
天然黒鉛塊を特殊な方法で略球状になるように粉砕した材料や、鱗片状や鱗状の天然黒鉛粉末を適当なバインダ−を用いて、略球状に賦形した材料が上市されている。
天然黒鉛を用いた負極材の出願として、石油ピッチ、石炭ピッチ等の炭素前駆体と天然黒鉛等の黒鉛材とを不活性ガス雰囲気中で１０００〜３０００℃で熱処理する負極材の製造法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−１６７９２０号公報
【００１２】
しかしこれらのいずれも、天然黒鉛の有する急速充放電特性が劣るという欠点までは解決し得ていない。
【００１３】
一方、人造黒鉛では、メソカ−ボンマイクロビ−ズを黒鉛化したもの、バルクメソフェ−ズピッチを粉砕後、黒鉛化したものなどが使用されている。
これら人造黒鉛を用いた負極材は、配向性が小さく、サイクル特性が良好であるが、天然黒鉛に比べ放電容量が低容量で３１０〜３４０ｍＡｈ／ｇ程度にとどまり、現在の顧客ニ−ズには十分なものではない。
【００１４】
人造黒鉛の一つとして高結晶コ−クスにバインダ−ピッチと添加剤を加え、混熱成形し、焼成、黒鉛化、粉砕したものは、３５０〜３６０ｍＡｈ／ｇ程度の容量のものが得られる。
【００１５】
しかし、この方法により得られた負極材は、高容量化は可能だが、電池に使用した場合、生産性、取り扱い性の面で実用化に難がある。
即ち、かかる負極材は、高比表面積、高給油性であり、電極作製時に、用いるバインダ−はＳＢＲ等の水系のものに限られる。
有機系のＰＶＤＦは多量に使用する必要があり、実質的に利用することができない。
【００１６】
ＳＢＲ等の水系バインダ−を用いて調整した塗料は、固形分濃度が低く、塗工困難であったり、仮に塗工できたとしても揮発除去させる水分が多く、生産性が低下する欠点がある。
また塗膜の厚さの調整が難しいため、作製した電極の配向が出てサイクル特性が劣化したり、低嵩密度でハンドリング性に難がある等の問題も生じる。
【００１７】
以上のように、リチウムイオン二次電池用の負極材として、高容量性、容量ロスの低減に加えて、高密度充填性、急速充放電性などの特性を全て十分に満足させ、かつ電池として実用化して問題が生じない優れた材料は未だ開発されていない。
【００１８】
【発明の課題】
上記のような状況に鑑み、本発明者は高容量で、容量ロスが少なく、高密度充填性があり、さらに急速充電性にも優れた特性を有するリチウムイオン二次電池用負極材を提供する。
【００１９】
【課題解決の手段】
上記のような課題を解決するために、本発明者が提案するのは、樹脂等のバインダ−を用いて略球状に造粒成形した黒鉛粉末にバインダ−ピッチを被覆及び含浸した後、焼成さらに黒鉛化してなるリチウムイオン二次電池用負極材である。
【００２０】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００２１】
まず、出発原料として使用する黒鉛粉末は、鱗片状天然黒鉛粉末、鱗状天然黒鉛粉末、ニ−ドルコ−クスを黒鉛化した人造黒鉛が代表的なものとして挙げられる。
【００２２】
黒鉛粉末の粒径は２〜２０μｍ程度が適当である。
【００２３】
また結晶化度は、炭素結晶面同士の間隔ｄ（００２）が０．３３７ｎｍ以下のものを用いる。
これにより、放電容量、電池効率、且つ負荷特性（急速充放電性）の何れにも優れた負極材を得ることができる。
【００２４】
まず、負極材の放電容量は結晶化度と密接な関係があり、結晶化度の上昇に伴い高容量化する。
【００２５】
また電池効率、即ち不可逆容量も、本発明では、黒鉛粉末を略球状に造粒することにより、炭素層面のエッジを粒表面に平行に配向させ、後のピッチ被覆により不可逆容量を低下させているが、この場合も、結晶化度の上昇に伴い、上記の配向が良くなり、エッジ部の被覆がより確実に進行する。
【００２６】
さらに負荷特性については、天然黒鉛等の黒鉛は一般的に良好な負極材が得られないが、この点について、本発明者は、炭素層面の拡がりが大きく、それにより吸蔵されたリチウムの拡散が遅くなることに起因していることを見出した。
そして、この知見に基き、黒鉛粉末とピッチを混合熱処理して、炭素層面にピッチを侵入させることにより、負極材の負荷特性を大幅に改善できる発明を先に出願した。（特願２００２−２０５２６１）
この場合も炭素層面の明確に発達した、即ち結晶化度が進んだ黒鉛粉末の方がピッチの炭素層面への侵入が容易になる。
【００２７】
このように本発明では、放電容量、電池効率、負荷特性の何れの特性についても良好な負極材を得るために、黒鉛粉末は結晶化度ｄ（００２）が０．３３７以下に発達したものを用いることが重要である。
【００２８】
天然黒鉛粉末を用いる場合は、灰分が０．２％以下、より好ましくは０．１％以下としたものが望ましいが、後工程の黒鉛化で不純物が気化・除去され、実質的に純化されることになるので、実際用いるものは灰分５％以下程度であれば問題なく、この方が製造コストが安価になる。
【００２９】
上記の黒鉛粉末は、単独で用いるか又は任意の割合で２種類以上混合して用いてもよい。
【００３０】
次に、上記の黒鉛粉末を樹脂等の適当なバインダ−を用いて略球状に造粒する。
造粒に用いるバインダ−は、バインダ−力のある樹脂、ピッチ等であればよく、
特に限定はされない。
【００３１】
バインダ−の例を挙げると、フェノ−ル樹脂、セルロ−ス樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコ−ル、スチレンブタジェンラバ−、ナイロン、ポリエチレン、石油ピッチ、石炭ピッチなどがあり、樹脂とピッチの混合物も用いることができる。
【００３２】
バインダ−の使用量は、種類により多少異なるが、一般には黒鉛粉末１００重量部に対して２〜３０重量部程度が適当である。
バインダ−の使用目的は略球形に賦形することなので、その目的さえ達成できればそれ以上のバインダ−を加える必要はない。
【００３３】
造粒には、一般に市販されている造粒機を用いることができ、機種は特に限定されない。
造粒した黒鉛粉末の球形度は、特に限定されないが、長径と短径の比が２以下程度であれば問題がなく、２を大きく超えるものは、通常の造粒方法では選択的に製造するのは困難である。
【００３４】
造粒された黒鉛粉末等は、バインダ−の種類によっては、その形状を保持するために後処理を施すとよい。
例えば、フェノ−ル樹脂などの熱硬化性樹脂を使用した場合は、１５０℃程度で硬化処理を施すのが適当である。
【００３５】
ここで造粒後の黒鉛粉末のタップ密度は０．６〜０．９５ｇ／ｃｍ^３に調整する。
タップ密度が０．９５ｇ／ｃｍ^３を超えると、後のピッチの含浸、被覆の工程で、ピッチの炭素層面への侵入が良好に進行せず、負極材の負荷特性が低下する。
また０．６ｇ／ｃｍ^３未満では、被覆材であるピッチ由来の黒鉛の量が多くなり、負極材の放電容量が低下する。
【００３６】
本発明では、黒鉛粉末を略球状に造粒することにより、炭素層面のエッジ部が露出する確率を、造粒しない場合や平板状に造粒した場合に比べて大幅に減少させることができる。
また後工程におけるピッチとの混合、加熱による黒鉛粉末への被覆、含浸も物理的により確実に、容易に可能となる。
【００３７】
次に上記のように略球状に造粒した、黒鉛粉末または前駆体をバインダ−ピッチと混合して約８０〜１５０℃で熱処理する。
この混合、熱処理により溶融ピッチを黒鉛粉末内の空隙に含浸させるとともに、表層にも被覆させる。
【００３８】
使用するバインダ−ピッチについては、軟化点が７０〜２００℃（より好ましくは８０〜１５０℃）、メタフェ−ズ量が３〜２５％であるものが好ましい。
【００３９】
軟化点が７０℃未満では後工程の焼成後の造粒物の固着が多くなり、解砕が困難になったり、解砕により被覆ピッチの剥離が発生し、最終的な負極材の電池効率が低下し、また２００℃を超えるとピッチの粘度が高くなり、造粒物への含浸が進行せず、負極材の負荷特性が低下するので好ましくない。
またメタフェ−ズ量が３％未満では、黒鉛化時にピッチの結晶化が進み新たなエッジ生成に起因する急速充電性の劣化が生じ、また２５％を超えると容量が低下する問題がある。
【００４０】
バインダ−ピッチの使用量は黒鉛粉末１００重量部に対して３〜３０重量部であることが好ましい。
【００４１】
３重量部以下では混合した効果がなく、最終品の負極材につき、充放電効率、急速充電性が良好なものが得られない。
また３０重量部を超えると、ピッチの量が過多になり、後工程の焼成において、黒鉛粉末同士を固着させてしまい、焼成後に粉砕が必要になる。
その結果、黒鉛粉末表面の被覆効果がなくなり容量ロスが増加し、さらには結晶化度が低いピッチ由来の炭素材の割合が多くなり過ぎ容量が低下する問題も生じる。
【００４２】
混合に使用する装置は、一般には加熱ニ−ダ−が量産に適しているが、これに限定はされない。
【００４３】
混合、熱処理後は窒素等の非酸化性雰囲気中で７００〜１４００℃、より好ましくは８００〜１１００℃で焼成する。
７００℃未満では、揮発分の除去が不十分になり、１４００℃を超えると量産においてはコスト高となり、いずれも好ましくない。
焼成後の粉砕の必要はなく、解砕処理のみで十分である。
【００４４】
焼成後は、最終熱処理として、非酸化性雰囲気中で２０００〜３２００℃で黒鉛化して本発明の負極材を得る。
黒鉛粉末として天然黒鉛、黒鉛化ニ−ドルコ−クスを単独、又は混合させて用いた場合は、２０００℃以上、より好ましくは２６００℃程度で黒鉛化すればよい。
なお、黒鉛化は３２００℃以上では、処理物の昇華が起こり比表面積を増加させるので好ましくないばかりでなく、実質的に工業的に実施することは、不可能である。
以上のようにして本発明のリチウムイオン二次電池用負極材を得る．。
【００４５】
【発明の効果】
上記のようにして得られた本発明のリチウムイオン二次電池負極材は、高容量であるとともに、初期充放電時の容量ロスが小さい。
さらに負荷特性（急速充放電特性）にも優れ、また粒子形状が球形に近いため、電極に用いた場合、配向が等方的がきわめて小さくなるため、良好なサイクル特性を発揮でき、携帯機器を長時間作動させることが可能となる。
本発明のリチウム二次電池負極材は、高性能な材料で、今後も需要が高まると予想される可搬型機器類のパ−ツ、材料として有用なものである。
【００４６】
【実施例および比較例】
【実施例１】
平均粒径１５μｍ、ｄ（００２）が０．３３６ｎｍ、灰分０．１５％とした中国製鱗片状天然黒鉛１００重量部にバインダ−としてダウケミカル社製のエチルセルロ−ス３重量部を用いて造粒成形を行い、平均粒径２３μｍ、タップ密度０．８５ｇ／ｃｍ^３の略球形の成形体（長径と短径の比は、１．１〜２．０程度に分布）を調整した。
この成形体１００重量部に対して、軟化点１１０℃、メタフェ−ズ量（ＱＩ量）１３％のコ−ルタ−ルピッチを１５重量部配合して、２軸ニ−ダ−中で、１５０℃に加熱しながら混合した。
次にこの混合物を窒素雰囲気中で熱処理し、最高温度１０００℃で６時間保持した後、冷却し、焼成品とした。
焼成品は、粒子同士の強固な融着はなく、（株）セイシン企業製クイックミルで解砕するだけで簡単に解すことができた。
更にこれを黒鉛製の容器に移し替え、タンマン炉にてアルゴン雰囲気、３０００℃まで熱処理し、黒鉛化して負極材を得た。
【００４７】
次に得られた負極材を用いて以下のように電池を作成し、電池特性を評価した。
本来、黒鉛粉末は負極として用いるが、本発明では対極にリチウム金属を使用したため、正極で電池の特性を評価した。
電極の製造は黒鉛粉末１００重量部とポリフッ化ビニリデン８重量にＮ−メチル−２−ピロリドンを添加してペ−スト化した後、ドクタ−ブレ−ドを用いて銅箔上に塗布し、乾燥させた。
乾燥後、これを１ｃｍ^２の面積になるように円形に打ち抜き、更に１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力でプレスし、電極を調整した。
対極及び参照極としてリチウム金属を使用し、電解液として１ＭＬｉＰＦ６／ＥＣ：ＭＥＣ（体積比１：１）を用いてコインセルを組み立てた。
【００４８】
充電は０．５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で定電流充電後、１０ｍＶで定電圧充電に切り替え、０．０１ｍＡで終止した。
また、放電は、０．５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で定電流放電１．５Ｖまで行った。
更に放電レ−トを変えて５ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度での放電容量も測定した。
測定温度は３０℃である。
測定結果は放電容量が３６０ｍＡｈ／ｇ、電池効率は９３．２％であった。
また、電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は、０．９７であった。
【００４９】
【比較例１】
実施例１における鱗状天然黒鉛として、平均粒径が１５μｍ、ｄ（００２）が０．３４０ｎｍ、灰分が０．１％の天然黒鉛を用いる以外は、すべて実施例１と同様にして負極材を得た。
得られた負極材を用いて実施例１と同様にして、コインセルを組み、充放電テストを行った結果、放電容量は３４８ｍＡｈ／ｇ、電池効率は８９．５％であった。
また電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は０．９５であった。
【００５０】
【比較例２】
実施例１における造粒条件を変え、略球形の成形体のタップ密度を１．０５ｇ／ｃｍ^３とする以外は、すべて実施例１と同様にして負極材を得た。
得られた負極材で、実施例１と同様にコインセルを組み、充放電テストを行った結果、放電容量は３６２ｍＡｈ／ｇ、電池効率は９２．８％であった。
また、電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は０．８８であった。
【００５１】
【比較例３】
実施例１におけるコ−ルタ−ルピッチの軟化点を６０℃とし、２軸ニ−ダの加熱温度を１１０℃とする以外は、すべて実施例１と同様に１０００℃で焼成した。 しかしながら、焼成品は固着しており、解砕に長時間を要した。
解砕後、実施例１と同様に黒鉛化して負極材を得た。
得られた負極材を用いて、実施例１と同様にしてコインセルを組み、充放電テストを行った結果、放電容量は３６６ｍＡｈ／ｇ、電池効率は８８．２％であった。
また電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は０．９６であった。
【００５２】
【比較例４】
実施例１におけるコ−ルタ−ルピッチの軟化点を２５０℃、２軸ニ−ダの加熱温度を３００℃とする以外はすべて実施例１と同様にして負極材を得た。
実施例１と同様にしてコインセルを組み、充放電性を測定した結果、放電容量は３５７ｍＡｈ／ｇ、電池効率が９２．８％であった。
また、電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と ０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は、０．９１であった。
【００５３】
【比較例５】
実施例１におけるコ−ルタ−ルピッチの添加量を３重量部とする以外は、すべて実施例１と同様にして負極材を得た。
次にこの負極材を用いて実施例１と同様にして電池特性を測定した結果、放電容量は３６７ｍＡｈ／ｇ、電池効率は８７．２％であった。
また電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２ ０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は、０．９０であった。
【００５４】
【実施例２】
熱膨張係数が２．３×１０^−６℃の石炭系ニ−ドルコ−クスを黒鉛化した後、粉砕、整粒して平均粒径１６μｍ、ｄ（００２）が０．３３６ｎｍで、灰分０．１％の扁平な人造黒鉛粉末を得た。
この粉末１００重量部に対して、バインダ−としてダウケミカル社製のエチルセルロ−ス３重量部を用いて造粒成形を行い、平均粒径２３μｍでタップ密度が０．８０ｇ／ｍ^３の略球形成形体（長径と短径の比は、１．１〜２．０程度に分布）を調整した。
この成形体１００重量部に対し、軟化点９５℃、メタフェ−ズ量１１％のコ−ルタ−ルピッチを１５重量部配合して２軸ニ−ダ−中で１５０℃で２時間、加熱混合した。
【００５５】
次いで、この混合物を窒素雰囲気下で熱処理し、最高温度９００℃で６時間保持後、放冷し焼成品を得た。
焼成品は、粒子同士の強固な融着はなく、（株）セイシン企業製クイックミルで解砕するだけで容易に解すことができた。
更にこれを黒鉛製の容器に移し変え、タンマン炉でアルゴン雰囲気下３０００℃で黒鉛化し、負極材を得た。
【００５６】
この負極材を用いて実施例１と同様にコインセルを組み、充放電テストを行った結果、放電容量は３５８ｍＡｈ／ｇ、電池効率は９２．２％であった。
また電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と ０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は、０．９７であった。
【００５７】
【比較例６】
実施例２におけるコ−ルタ−ルピッチにメタフェ−ズ量が１％以下で、軟化点が９０℃のコ−ルタ−ルピッチを用いる以外はすべて実施例２と同様にして負極材を得た。
次にこの負極材を用いて実施例１と同様にコインセルを組み、充放電テストを行った結果、放電容量は３５５ｍＡｈ／ｇ、電池効率は８９．２％であった。
また電流密度が５ｍＡ／ｃｍ^２と ０．５ｍＡ／ｃｍ^２の放電容量の比は０．９４であった。

Claims (10)

1. 樹脂等のバインダ−を用いて略球状に造粒成形した黒鉛粉末にバインダ−ピッチを被覆および含浸した後、焼成さらに黒鉛化してなるリチウムイオン二次電池用負極材。
2. 請求項１において造粒成形する前の黒鉛粉末が鱗片形状であるリチウムイオン二次電池用負極材。
3. 請求項１において黒鉛粉末のｄ（００２）が０．３３７ｎｍ以下であるリチウムイオン二次用電池負極材。
4. 請求項１において造粒成形した黒鉛粉末のタップ密度が０．６〜０．９５ｇ／ｃｍ^３であるリチウムイオン二次電池用負極材。
5. 請求項１においてバインダ−ピッチのメタフェ−ズ含有量が５〜２５％、軟化点が７０〜２００℃であるリチウムイオン二次電池用負極材。
6. 請求項１〜５において、黒鉛粉末１００重量部に対するバインダ−ピッチの割合が５〜３０重量部であるリチウムイオン二次電池用負極材。
7. 樹脂等のバインダ−を用いて略球状に成形した黒鉛粉末とバインダ−ピッチを加熱混合した後、焼成し黒鉛化することを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
8. 請求項７において、黒鉛粉末１００重量部に対してバインダ−ピッチを５〜３０重量部混合することを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
9. 請求項７または８において、焼成の温度が７００〜１４００℃であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
10. 請求項１〜６記載のいずれかのリチウムイオン二次電池用負極材または請求項７〜９記載のいずれかの方法で得られたリチウムイオン二次電池用負極材を用いたリチウムイオン二次電池。