JP2007103382A - リチウム二次電池用負極材料及びそれから製造された負極シート - Google Patents
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Abstract
【課題】 充電受入性が高く、かつ電極の膨れの少ないリチウム二次電池用負極材料及び負極シートを提供する。
【解決手段】 黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、該負極材料と結着剤とから作製されたリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0x10-4F以上、10x10-4F未満の範囲にあるリチウム二次電池用負極材料。
【選択図】 なし
Description
一方、黒鉛材料よりも結晶性の低い、いわゆる非晶質炭素材料を用いると黒鉛材料よりも重量当たりで高容量を得られることが知られているが、これらの材料は、Liに対する電位が高く、正極との電位差が取りにくいという欠点がある。また、真密度が黒鉛より小さいので、体積当たりの容量が低くなるという欠点があった。更に、一般に粒子が堅いので、電極成形性に欠け、従って電極密度を向上させにくいという問題もあった。
即ち本発明の要旨は、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、該黒鉛系炭素質物の粒径と、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料に存する。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。
さらに、本発明の他の要旨は、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、該黒鉛系炭素質物の粒径と
、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、該負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあるものに、結着剤を加えてシート状に成形してなることを特徴とするリチウム二次電池用負極シートに存する。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。
さらに、本発明の他の要旨は、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた後、650〜850℃で焼成し、当該焼成物を解砕して得られ、該黒鉛系炭素質物の粒径と、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、該負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあるものに、結着剤を加えてシート状に成形してなることを特徴とするリチウム二次電池用負極シートに存する。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、特定の物性を有するものである。
[黒鉛系炭素質物]
本発明において核材として用いられる黒鉛系炭素質物とは、高結晶性の黒鉛系炭素質物を指し、好ましくはX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が3.37Å未満の黒鉛系炭素質物を用いる。
上記人造黒鉛の具体例としては、コールタールピッチ、石炭系重質油、常圧残油、石油系重質油、芳香族炭化水素、窒素含有環状化合物、硫黄含有環状化合物、ポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルブチラール、各種天然高分子、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等から選ばれる1種以上の有機物質を、通常、2500℃以上、3200℃以下程度の焼成温度で黒鉛化したものを、適当な粉砕手段で粉化したものが好ましい。
上記の黒鉛系炭素質物からなる核材の表面に被覆相を形成させるための「黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物」としては、核材の黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る種々の炭素質物を用いることができ、通常、X線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が3.37Å以上を示すような結晶性の低い各種炭素質物を用いる。
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造、即ち黒鉛系炭素質物からなる核材の表面の少なくとも一部に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物からなる被覆相を形成させた構造、を有する粉体状の負極材料である。
8/2〜95/5、更に好ましくは98/2〜96/4である。結晶性の劣る炭素質物の量が少なすぎると被覆の効果が薄く、逆に多すぎると負極容量の低下を招く。
1) 黒鉛系炭素質物を機械的又は化学的に処理して、その表面部の黒鉛系炭素質物をより結晶性の劣る炭素質物に変質させる方法。
上記各方法の中では上記3)の方法(以下、焼成法という)が、簡便であり、かつ得られる効果としても優れた方法である。
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、後述の[電極材料の評価方法]に記載した方法に従って、これと結着剤とからリチウム二次電池用負極を作製して、2032コイン型セルを組み、複素インピーダンス測定を行うことによって得られる、負極部分の抵抗(R)が、6.5ohm以下、また負極と電解液との界面の二重層容量(Cdl)が、7.0x10-4F以上、10x10-4F未満の範囲にある必要がある。上記のような好ましい性質の取得は、上記のような焼成温度の範囲内での焼成温度の調整によって達成することができる。
から下記式(1)で計算される、結着剤による活物質の表面被覆率Γ(%)が20〜55%の範囲にあるのが好ましい。
表面被覆率Γ=(粉体SA−負極SA)/粉体SAx100 (1)
粉体SA:リチウム二次電池用負極材料のBET表面積
負極SA:リチウム二次電池用負極のBET表面積
また、上記リチウム二次電池用負極材料のN2ガスによるBET表面積が2.4〜4m2/gであるのが好ましい。
次に本発明のリチウム二次電池用負極材料を用いてリチウム二次電池用負極シート、或いはリチウム二次電池用負極を製造する方法について説明する。
負極の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池用負極材料を負極の成分として含む限り、特に限定されず、従来公知の種々の方法が採用可能である。例えば、リチウム二次電池用負極材料に結着剤及び溶媒等を加えてスラリー状とし、銅箔等の金属製の集電体基板に上記スラリーを塗布・乾燥して負極シートを形成させることで負極とする。銅箔の代わりにニッケル箔やステンレス箔を用いてもよい。また、上記負極材料をそのままロール成形、圧縮成形等の方法で負極シートの形状に成形することもできる。
上記のように、リチウム二次電池用負極材料と適当な粉体結着剤とを混合し、その量を調整することで、Liの挿入に好ましい表面積を持つ電極を作製することができる。更に低抵抗の負極界面の被膜形成が可能なため、Liの充電受入性に好ましい影響を与えることができる。また、被膜が均一にできるため、表面被膜由来の電極膨れが少ない。従って、本発明のリチウム二次電池用負極材料は、例えば、角型電池用負極材料として好適である。
[電解液]
本発明のリチウム二次電池用負極材料と結着剤とから作製されたリチウム二次電池用負極を電池として用いる場合の電解液は有機溶媒及び電解質から構成される。
LiAsF6、LiCl、LiBr、Liトリフルオロメタンスルホンイミド等の塩が挙
げられる。電解質の濃度は有機溶媒中、0.5〜2.0M程度とする。
これらの電解液を更に有機高分子化合物に含ませ、ゲル状またはゴム状或いは固体シート状としたものを用いてもよい。そのような場合には骨材となる有機高分子化合物の分量を除いた有機溶媒のみの組成で上記組成を議論する。上記有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、これらポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、これらの不溶化物、ポリエピクロルヒドリン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルが挙げられる。また、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)等のポリマー共重合体も使用可能である。
[リチウム二次電池用正極]
リチウム二次電池を構成するための正極体の材料は、特に限定されないが、上記リチウム二次電池用負極と組み合わせて使用するための標準的なものとしては、LiCoO2を
アセチレンブラックなどの導電材及びポリフッ化ビニリデンなどと混合し、アルミニウム箔上に塗布、乾燥し、プレスを施したものが挙げられる。その他、一般にリチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出することのできる金属カルコゲン化合物からなることが好ましい。そのような金属カルコゲン化合物としては、バナジウムの酸化物、バナジウムの硫化物、モリブデンの酸化物、モリブデンの硫化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化物、チタンの酸化物、チタンの硫化物及びこれらの複合酸化物、複合硫化物等が挙げられる。好ましくは、Cr3O8、V2O5、V5O13、VO2、Cr2O5、MnO2、TiO2、MoV2O8、TiS2、V2S5、Cr0.25V0.75S2、Cr0.5V0.5S2等である。また、LiMY2(Mは、Co、Ni等の遷移金属、YはO、S等のカルコゲン元素)、LiM2Y4(MはMn、YはO)、WO3等の酸化物、CuS、Fe0.25V0.75S2、Na0.1CrS2等の硫化物、NiPS3、FePS3等のリン・硫黄化合物、VSe2、NbSe3等のセレン化合物等を用いることもできる。
[リチウム二次電池]
上記のようにして作製した負極板、正極板及び電解液を、その他の電池構成要素であるセパレータ、ガスケット、集電体、封口板、セルケース等と組み合わせてリチウム二次電池を構成する。作製可能な電池は筒型、角型、コイン型等特に限定されるものではないが、基本的にはセル床板上に集電体と負極材料とを乗せ、その上に電解液とセパレータを、更に負極と正極を対向させ、ガスケット、封口板と共にかしめて二次電池とする。
[電極材料の評価方法]
負極材料中の結晶性の劣る炭素質物の含有量
焼成法においては、黒鉛系炭素質物の表面に有機物質を付着させ焼成することによって生成される炭素質物が結晶性の劣る炭素質物を構成するので、この焼成操作による重量の増加、即ち残炭率によって結晶性の劣る炭素質物の量を定量した。
日本分光製、NR−1800により行い、波長5145Åのアルゴンイオンレーザー光を、30mWの強度で照射した。ここでは1570〜1620cm-1の範囲に存在するピークの強度および、1350〜1370cm-1の範囲に存在するピークの強度を測定し、これらから得られるラマンR値を求めた。
負極材料及び負極について、N2ガスを用いたBET1点法によりBET表面積の測定
を行った。なお、電極の表面積は、電極密度を調整する前のものとした。得られたBET表面積の値から下記式(1)で、結着剤による活物質の表面被覆率Γ(%)を算出した。
表面被覆率Γ=(粉体SA−負極SA)/粉体SAx100 (1)
粉体SA:リチウム二次電池用負極材料のBET表面積
負極SA:リチウム二次電池用負極のBET表面積
電気化学的評価のためのサンプルの作製
負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをキーエンス製ハイブリッドミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得た。このスラリーを銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行った。集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにした。
乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとした。更に15
0℃で真空減圧乾燥を施して負極とした。
びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組んだ。
複素インピーダンス測定
上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0Vに
なるまで放電した。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負
極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定した。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記パラメータの数値を求めた。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とした。
負極、電解液及びセパレータに上記と同じものを、対極にリチウム金属を用いて2016コイン型セルを組み、上記と同様の5回目の充放電の後に電池を解体し、負極を取り出し、マイクロメータ(ミツトヨ製)で電極厚みを測定した。充放電前と5回目放電後の電極厚みの差から、電極の膨張率を下記式(2)で算出し、電極膨れを求めた。なお、放電は電流密度0.33mA/cm2で極間電位差が1.5Vになるまで行った。
電極の膨張率(%)=(5回目放電後電極厚み−充放電前電極厚み)
/充放電前電極厚み×100 (2)
充電受入性
電極膨れの場合と同様にコイン型セルを組み立て、電流密度0.16mA/cm2で極
間電位差が0Vになるまで充電を行い、電流密度0.33mA/cm2で極間電位差が1
.5Vになるまで放電した。この充放電過程を2回繰り返した後、1.6mA/cm2で
0Vになるまで充電を行い、充電容量を測定した。結果はコイン型セル4個の結果の平均値で評価した。これから、高電流密度時のLi充電受入性が推測可能である。本測定ではリチウムを対極とした半電池評価としたが、LiCoO2の様な正極材料を用いた場合も
同様の効果が期待できる。
機械粉砕により平均粒径25μmにした天然黒鉛粒子15重量部と石油系ピッチ1重量部とを、大気中、70℃でミキサーを使用して均一混合した。得られた混合物を上面が開放された容器に10cmの厚みで詰め、回分式加熱炉で不活性雰囲気下にて600℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた混合物焼成体を20cm厚みに詰め直し、圧力0.103MPaに調整した不活性雰囲気下にて更に800℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた焼成体を解砕、篩い分けし、中心粒径d50が25μmのサンプル粉体とした。残炭率から計算される黒鉛より結晶性の劣る炭素質物の含有量は、粉体全体を100重量%とした時、1.2重量%であった。また、ラマン分光の結果から計算されたR値は0.35であった。本粉体のBET表面積は、3.7m2/gであり、表面被覆率Γは33%であった。電気化学的評価から得られた負極の抵抗は4.9ohmであり、負極/電解液界面の二重層容量は9.6×10-4Fであった。また、充電受入性は125mAh/gであり、電極膨れは13%であった。
原料の黒鉛と石油系ピッチの割合をそれぞれ3重量部、1重量部に変えたこと以外は実施例1と同様に混合し、600℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた混合物焼成体を20cm厚みに詰め直し、圧力0.153MPaに調整した不活性雰囲気下にて更に700℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた焼成体を解砕、篩い分けし、中心粒径d50が25μmのサンプル粉体とした。残炭率から計算される黒鉛より結晶性の劣る炭素質物の含有量は、粉体全体を100重量%とした時、6.3重量%であった。また、ラマン分光の結果から計算されたR値は0.57であった。本粉体のBET表面積は、2.9m2/gであり、表面被覆率Γは21%であった。電気化学的評価から得られた負極の抵抗は5.9ohmであり、負極/電解液界面の二重層容量は8.2×10-4Fであった。また、充電受入性は111mAh/gであり、電極膨れは15%であった。
原料の黒鉛と石油系ピッチの割合をそれぞれ5重量部、1重量部に変えたこと以外は、実施例2と同様に混合し、熱処理した。冷却後、得られた焼成体を解砕、篩い分けし、中心粒径d50が25μmのサンプル粉体とした。残炭率から計算される黒鉛より結晶性の劣る炭素質物の含有量は、粉体全体を100重量%とした時、4.4重量%であった。また、ラマン分光の結果から計算されたR値は0.52であった。本粉体のBET表面積は、2.9m2/gであり、表面被覆率Γは31%であった。電気化学的評価から得られた負極の抵抗は5.4ohmであり、負極/電解液界面の二重層容量は9.1×10-4Fであった。また、充電受入性は115mAh/gであり、電極膨れは13%であった。
原料の黒鉛と石油系ピッチの割合をそれぞれ3重量部、1重量部とし、大気中、70℃でミキサーを使用して均一混合した。得られた混合物を上面が開放された容器に40cmの厚みで詰め、回分式加熱炉で不活性雰囲気下にて600℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた混合物焼成体を更に、圧力0.103MPaに調整した不活性雰囲気下にて1300℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた焼成体を解砕、篩い分けし、中心粒径d50が25μmのサンプル粉体とした。残炭率から計算される黒鉛より結晶性の劣る炭素質物の含有量は、粉体全体を100重量%とした時6.0重量%であった。また、ラマン分光の結果から計算されたR値は0.35であった。本粉体のBET表面積は、2.3m2/gであり、表面被覆率Γは18%であった。電気化学的評価から得られた負極の抵抗は6.8ohmであり、負極/電解液界面の二重層容量は7.1×10- 4Fであった。また、充電受入性は83mAh/gであり、電極膨れは19%であった。
原料の黒鉛と石油系ピッチの割合をそれぞれ1重量部、2.3重量部とし、大気中、80℃でミキサーを使用して均一混合した。得られた混合物を上面が開放された容器に40cmの厚みで詰め、回分式加熱炉で不活性雰囲気下にて600℃で1時間熱処理した。冷却後、得られた混合物を更に、圧力0.103MPaに調整した不活性雰囲気下にて1200℃で1時間熱処理した。R値は0.71であった。本粉体のBET表面積は、1.5m2/gであり、表面被覆率Γは57%であった。電気化学的評価から得られた被膜抵抗は5.0ohmであり、負極/電解液界面の二重層容量は1.1×10-3Fであった。また、充電受入性は55mAh/gであり、電極膨れは25%であった。
Claims (12)
- 黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、該黒鉛系炭素質物の粒径と、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。 - リチウム二次電池用負極材料及び該負極材料と結着剤とから前記の条件で作製されたリチウム二次電池用負極について、N2ガスを用いたBET表面積の測定を行い、得られた
値から下記式(1)で計算される、結着剤による活物質の表面被覆率Γ(%)が、20〜55%の範囲にある、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極材料。
(数1)
表面被覆率Γ=(粉体SA−負極SA)/粉体SA×100 (1)
粉体SA:リチウム二次電池用負極材料のBET表面積
負極SA:リチウム二次電池用負極のBET表面積 - リチウム二次電池用負極材料のN2ガスによるBET表面積が2.4〜4m2/gである、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用負極材料。
- 下記の方法で評価した場合の電極膨れが15%以下である、請求項1から3のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。
電極の膨れ
負極、電解液及びセパレータに上記(a)及び(b)と同じものを、対極にリチウム金属を用いて2016コイン型セルを組み、上記(c)と同様の5回目の充放電の後に電池を解体し、負極を取り出し、マイクロメータ(ミツトヨ製)で電極厚みを測定した。充放電前と5回目放電後の電極厚みの差から、電極の膨張率を下記式(2)で算出し、電極膨れを求めた。なお、放電は電流密度0.33mA/cm2で極間電位差が1.5Vになる
まで行った。
(数2)
電極の膨張率(%)=(5回目放電後電極厚み−充放電前電極厚み)
/充放電前電極厚み×100 (2) - 黒鉛系炭素質物が天然黒鉛である、請求項1から4のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。
- 黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた後、650〜850℃で焼成し、当該焼成物を解砕して得られ、該黒鉛系炭素質物の粒径と、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあることを特徴とするリチウム二次電池用負極材料。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。 - リチウム二次電池用負極材料及び該負極材料と結着剤とから前記の条件で作製されたリチウム二次電池用負極について、N2ガスを用いたBET表面積の測定を行い、得られた
値から下記式(1)で計算される、結着剤による活物質の表面被覆率Γ(%)が、20〜55%の範囲にある、請求項6に記載のリチウム二次電池用負極材料。
(数3)
表面被覆率Γ=(粉体SA−負極SA)/粉体SA×100 (1)
粉体SA:リチウム二次電池用負極材料のBET表面積
負極SA:リチウム二次電池用負極のBET表面積 - リチウム二次電池用負極材料のN2ガスによるBET表面積が2.4〜4m2/gである、請求項6又は7に記載のリチウム二次電池用負極材料。
- 下記の方法で評価した場合の電極膨れが15%以下である、請求項6から8のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。
電極の膨れ
負極、電解液及びセパレータに上記(a)及び(b)と同じものを、対極にリチウム金属を用いて2016コイン型セルを組み、上記(c)と同様の5回目の充放電の後に電池を解体し、負極を取り出し、マイクロメータ(ミツトヨ製)で電極厚みを測定した。充放電前と5回目放電後の電
極厚みの差から、電極の膨張率を下記式(2)で算出し、電極膨れを求めた。なお、放電は電流密度0.33mA/cm2で極間電位差が1.5Vになるまで行った。
(数4)
電極の膨張率(%)=(5回目放電後電極厚み−充放電前電極厚み)
/充放電前電極厚み×100 (2) - 黒鉛系炭素質物が天然黒鉛である、請求項6から9のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。
- 黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、該黒鉛系炭素質物の粒径と、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、該負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあるものに、結着剤を加えてシート状に成形してなることを特徴とするリチウム二次電池用負極シート。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。 - 黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体状の負極材料であって、黒鉛系炭素質物に該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた後、650〜850℃で焼成し、当該焼成物を解砕して得られ、該黒鉛系炭素質物の粒径と、該黒鉛系炭素質物より結晶性の劣る炭素質物を被着させた構造を有する粉体の粒径とが同じである負極材料であり、該負極材料と結着剤とから下記の条件で作製され、かつ評価された場合のリチウム二次電池用負極の抵抗(R)が、6.5ohm以下、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)が、7.0×10-4F以上、10×10-4F未満の範囲にあるものに、結着剤を加えてシート状に成形してなることを特徴とするリチウム二次電池用負極シート。
・負極の作製及び評価条件
(a)負極材料粉体10gに対し、粉体結着剤としてカルボキシメチルセルロース1重量%、及びスチレン・ブタジエンゴム1重量%を加えたものをミキサーで3分間撹拌し、スラリーを得る。このスラリーを集電体である銅箔上に塗布し、110℃で予備乾燥を行う。塗布は、集電体上に負極材料粉体が10±0.1mg/cm2付着するようにする。乾燥後、電極密度を1.5±0.03g/cm3に調整し、負極シートとし、更に150℃で真空減圧乾燥を施して負極とする。
(b)溶質としてLiPF6を1mol/Lになるように溶解させたエチレンカーボネー
ト及びエチルメチルカーボネート(1:1)を含む電解液を用い、セパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を介してLiCoO2を対極とした2032コイン型セルを組む。
(c)上記2032コイン型セルについて、24時間測定前休止をおいた後、0.6mA/cm2の電流値で、極間電位差が4.2Vになるまで充電を行い、極間電位差が3.0
Vになるまで放電する。この充放電を室温で6回行った後、7回目の4.2V充電時に10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行い、負極部分の抵抗(R)と、負極/電解液界面の二重層容量(Cdl)を測定する。この際、正極や低周波部分の因子の影響を避ける為に、負極の被膜抵抗成分として現れる円弧の一部を外挿し、上記数値を求める。各数値はコイン型セル3個の結果の平均値とする。
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