JP2007184263A - ２次電池用炭素質電極材及びその製造方法、２次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、２次電池用炭素質電極材及びその製造方法と、これを用いた２次電池用陰極材及び２次電池に関するものである。
【解決手段】２次電池用炭素質電極材は、高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材；及び上記芯材炭素材を包むように被覆された表面被覆層；を含んでなり、上記表面被覆層は形状制御された金属系材料と非晶質係炭素材料であるピッチの混合物から形成され、上記芯材炭素材の表面が低結晶性構造を有するようにすることを特徴とする。本発明による２次電池用炭素質電極材は、高結晶性芯材炭素材料に形状が制御された金属系材料が含まれた低結晶性炭素材料を被覆させた後、一定の焼成過程を経て製造され、芯材炭素材を包む被覆層に含まれた形状制御された金属系材料により充放電時の体積変化を最小化して芯材炭素材と被覆層間の結合が破壊されたり遊離されることを抑制することによって、優れたサイクル特性と効率を有する電池を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池用炭素質電極材及びその製造方法と、これを用いた２次電池に関するものであって、芯材炭素材に低結晶性炭素材と形状制御された金属系材料を被覆させることによって、充電時の電極膨脹を最小化するとともにサイクル特性及び充放電効率を改善させることができる２次電池用炭素質電極材及びその製造方法と、これを用いた２次電池に関する。

最近、携帯電話、携帯型ノートＰＣ、電気自動車など電池を用いる電子器機の急速な普及に伴い、小型で軽量でありながらも相対的に高容量である２次電池に対する需要が増大しており、このような成り行きはさらに加速化している。

２次電池の陰極活物質として用いられる天然黒鉛は、初期放電容量は優れているが充放電サイクルが繰り返されるにつれて急激に充放電効率及び充放電容量が低下する問題点が提起されている。一方、現在まで知られているリチウム二次電池用陰極活物質として用いられる黒鉛は、その放電容量の理論的限界値は３７２ｍＡｈ／ｇと知られている。このような黒鉛よりさらに大きい放電容量を有する陰極活物質を開発するための努力が一部で進められてきた。

黒鉛に代替できる材料としては、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓi）、錫（Ｓｎ）などが検
討されており、これらの材料またはこれらの化合物がリチウムと合金を形成することによって黒鉛よりもさらに大きい放電容量を有すると確認された。しかし、これらの材料が電池に応用されるためには放電容量だけを検討すれば済むのではなく、充放電時の活物質の体積変化による電池膨脹の問題の解決及び充放電効率の改善が成されなければならない技術的課題が存在している。従って、最近には、銀（Ａｇ）、シリコン（Ｓi）、錫（Ｓｎ
）の金属系材料とこれらの化合物を単独で活物質として用いるよりは従来より用いられた黒鉛とともに複合材料に加工して用いる方法が研究されている。

しかし、このような新しい試みにおいても充放電サイクルが進まれるにつれて金属系材料そのものの膨脹により非晶質炭素物質との結合が破壊されたり、金属系材料が黒鉛系炭素物質から遊離されて金属系材料が陰極活物質として十分に用いられないため、サイクル特性が低下する問題点が発生している。このような具体的な例として、韓国公開特許第１０‐２００２‐７０７６４号（特許文献１）によると、陰極材としてシリコンを用いる場合に発生する充放電時の体積変化の問題を解決する目的で、黒鉛粒子の表面にシリコン及び炭素を含有した硬質炭素膜により被覆された複合粒子を分散配置させ、ここにさらに非晶質炭素膜により被覆させたリチウム二次電池用炭素質材料が提示された。しかし、上記の方法はその製造工程が非常に複雑であり、二重で被覆された非晶質炭素膜によって電池の充放電効率が低下する問題点が発生しているため、より本質的な技術改善が必要となった。

本発明は、このような技術的背景を有し所定の金属系材料を電極材料として用いるに際して発生していた従来の問題点が解決できる二次電池用炭素質電極材料を開発するための努力により案出されたものである。
韓国公開特許第１０‐２００２‐７０７６４号

本発明が解決しようとする技術的課題は、従来に用いられた黒鉛よりさらに大きい放電容量を有する炭素質電極材料を提供し、充放電時の体積変化を最小化し、芯材炭素材とその被覆層間の結合が破壊されたり遊離されることを抑制することによって、サイクル特性と充放電効率が改善されると同時に、かかる炭素質電極材料の製造工程があまり複雑にならないようにすることにあり、このような技術的課題を達成することができる２次電池用炭素質電極材及びその製造方法と、これを用いた２次電池を提供することに本発明の目的がある。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の構成とすることで、上記課題をいずれも解消できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の２次電池用炭素質電極材は、高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材及び
上記芯材炭素材を包むように被覆された表面被覆層を含んでなり、
上記表面被覆層は形状制御された金属系材料と、非晶質系炭素材料であるピッチの混合物から形成され、
上記芯材炭素材の表面が低結晶性構造を有することを特徴とする。

本発明による２次電池用炭素質電極材の製造方法は、
（Ｓ１）高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材、非晶質系炭素材料であるピッチ及び形状制御された金属系材料粉末をそれぞれ秤量して用意する段階；
（Ｓ２）上記非晶質系炭素材料をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で溶かした後、上記形状制御された金属系材料粉末を投入し撹拌して混合する段階；
（Ｓ３）上記（Ｓ２）段階の混合物に上記高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材を添加し湿式撹拌して混合した後、乾燥する段階；及び
（Ｓ４）上記（Ｓ３）段階の混合物を焼成させる段階；を含むことを特徴とする。

上記焼成段階（Ｓ４）以後に焼成物を分級して微粉を除去する段階をさらに含むことが望ましい。
前述した２次電池用炭素質電極材または２次電池用炭素質電極材の製造方法において、上記金属系材料は、空洞球形（ｈｏｌｌｏｗ ｓｐｈｅｒｉｃａl ｓｈａｐｅ）、球形（
ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅ）、ロッド形（ｒｏｄ ｓｈａｐｅ）からなる群から選択された少なくとも１種の形態を有するように形状制御された物質であることが望ましく、銀（Ａｇ）、珪素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）からなる群から選択された少なくとも１種からなる物質であることが望ましく、上記芯材炭素材を構成する高結晶性黒鉛は、天然黒鉛及び人造黒鉛からなる群から選択された少なくとも１種からなる物質であることが望ましく、上記非晶質系炭素材料であるピッチは、石油系ピッチ及び石炭系ピッチからなる群から選択された少なくとも１種からなる物質であることが望ましい。

上記金属系材料の形状に関連して、空洞球形（ｈｏｌｌｏｗ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅ）は、粒子の短軸と長軸の比が０.５以上である粒子が全体の９０％以上を占め、
これらの粒子の内部に空洞が存在する形態を称し、球形（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｈａｐ
ｅ）は粒子の短軸と長軸の比が０.５以上である粒子が全体の９０％以上を占める材料を
称し、ロッド形（ｒｏｄ ｓｈａｐｅ）は長さが２ないし５μｍであり直径が０.１ないし１μｍである粒子が８０％以上である材料を称し、無定型は粒子の短軸と長軸の比が０.
５以下である一定の形状がない材料を称する。上記、銀（Ａｇ）、珪素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）からなる金属系材料の平均粒径は０.５ないし１.０μｍであることが望ましい。

本発明による２次電池は、前述した２次電池用炭素質電極材または２次電池用炭素質電極材の製造方法によって製造された２次電池用陰極材を電池の陰極として用いて製造されたことを特徴とする。このとき、上記２次電池は、放電容量が４００ｍＡｈ／ｇ以上であ
り、充放電効率が８８％以上であり、電極膨張率が１５０％以下であることが望ましい。

前述した２次電池用炭素質電極材の製造方法において、上記芯材炭素材料７０重量％ないし９５重量％、上記非晶質炭素材料５重量％ないし３０重量％、上記金属系材料１重量％ないし５重量％を材料粉末として用意することが望ましい。

上記芯材炭素材料の含量に対する数値範囲に関連して、下限未満であると非晶質炭素量が多くなって効率特性が低下するため望ましくなく、上限を超過すれば非晶質炭素と金属系材料の被覆が難しくなるため望ましくない。上記非晶質炭素材料の含量に対する数値範囲に関連して、下限未満であると金属系材料の被覆が難しいため望ましくなく、上限を超過すれば電池特性が低下するため望ましくない。上記金属系材料の含量に対する数値範囲に関連して、下限未満であると容量改善の効果を得ることが難しいため望ましくなく、上限を超過すれば充放電時に電極膨脹の制御が難しくなる。

上記用意された上記非晶質系炭素材料を有機溶媒であるテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で溶かした後、上記形状制御された金属系材料粉末を投入し撹拌して混合する。
上記混合物に上記高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材を添加して常温で２時間以上湿式撹拌した後、減圧下で４時間以上撹拌しながら８０ないし１５０℃で乾燥することが望ましい。

上記乾燥された混合物を８００ないし１０００℃で１ないし２４時間焼成することが望ましい。焼成温度が８００℃に未達ずれば非晶質炭素材料の炭化程度が充分でないため望ましくなく、焼成温度が１０００℃を超過すれば金属系材料の形状が変形され得るため望ましくない。

本発明による２次電池用炭素質電極材は、高結晶性芯材炭素材料に形状が制御された金属系材料が含まれた低結晶性炭素材料を被覆させた後、一定の焼成過程を経て製造され、芯材炭素材を包む被覆層に含まれた形状制御された金属系材料によって充放電時の体積変化を最小化して芯材炭素材と被覆層間の結合が破壊されたり、遊離されたりすることを抑制することによって、優れたサイクル特性と効率を有する電池を製造することができる。

以下、本発明に対する理解を助けるために具体的な実施例を挙げて説明し、必要な場合には図面を参照しながらより詳しく説明する。しかし、本発明による実施例は種々の形態に変形され得、本発明の範囲が下記で詳述する実施例に限定されると解釈されるものではない。

本発明の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
＜実施例１ないし３＞及び＜比較例１及び２＞
本発明による実施例１においては、芯材炭素材料として球状の天然黒鉛８７重量％を用意し、非晶質系炭素材料として１０重量％の石油系ピッチを用意し、金属系材料として３重量％の空洞球形の銀（Ａｇ）粉末を用意する。上記用意された石油系ピッチをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で溶かした後、上記用意された空洞球形の銀（Ａｇ）粉末を入れて均一に混合されるように撹拌した。このように用意された混合物に上記用意された球状の天然黒鉛を添加して常圧で２時間以上湿式撹拌して混合した後、減圧して乾燥させた。以後、上記乾燥された混合物を９００℃で２時間焼成させ、以後分級して微粉を除去することによって炭素質電極材を製造した。

実施例２及び実施例３と比較例２は、上記実施例１における金属系材料として用いられた空洞球形の銀（Ａｇ）粉末の代りに下記表１に示したように、それぞれ異なる類型、球形、ロッド形及び無定型の銀（Ａｇ）粉末を金属系材料としてそれぞれ用いたことを除いては前述した実施例１と同一の過程を適用した。

一方、比較例１においては、金属系材料を用いなかった。すなわち、球状の天然黒鉛と石油系ピッチを用意し、石油系ピッチ１０重量％をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で溶かした後、球状の天然黒鉛９０重量％を添加して常圧で２時間以上湿式撹拌して混合させた後、減圧下で乾燥して混合物を製造した。この混合物を９００℃で２時間焼成させた後、分級により微粉を除去して炭素質電極材を製造した。

表１は、本発明による２次電池用炭素質電極材を用いてコインセルの電極を製造する過程を説明するための工程流れ図である。
材料用意段階（Ｐ１）
高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材、非晶質系炭素材料であるピッチ及び形状制御された金属系材料粉末をそれぞれ秤量して用意する。具体的には、上記芯材炭素材料７０重量％ないし９５重量％、上記非晶質炭素材料５重量％ないし３０重量％、上記金属系材料１重量％ないし５重量％を材料粉末として用意することが望ましい。

材料の１次混合段階（Ｐ２）
上記用意された非晶質系炭素材料を有機溶媒であるテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で溶かした後、上記用意された形状制御された金属系材料粉末を投入し撹拌して混合する。

材料の２次混合段階（Ｐ３）
上記材料の１次混合段階（Ｐ２）で得られた混合物に上記高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材を添加し湿式撹拌して混合した後、乾燥させる。上記混合物に上記高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材を添加して常温で２時間以上湿式撹拌した後、減圧下で４時間以上撹拌しながら８０ないし１５０℃で乾燥することが望ましい。

焼成段階（Ｐ４）
上記乾燥された混合物を８００ないし１０００℃で１ないし２４時間焼成することが望ましい。

微粉除去段階（Ｐ５）
上記焼成物を分級して微粉を除去する。
電極製造段階（Ｐ６）
上記製造された炭素質電極材を用いて電池の陰極に製造する。

<電極の製造例>
実施例１ないし３及び比較例１、２による材料を用いて電極材を製造した後、前述した電極の製造方法によってコインセルを製造し、これらのそれぞれに対して充放電容量とサイクル特性を確認した。

前述した実施例１ないし３及び比較例１、２によってそれぞれ製造された炭素質電極材１００ｇを５００ｍｌの混合機に入れ、少量のＮ‐メチルピロリドン（ＮＭＰ）とバインダーとしてのポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）を投入した後、混合機を用いて混合した。以後、銅ホイル上にコーティングして電極密度は１.５ｇ／cm³であり、電極厚さは７０μｍとなる電極をコインセルの陰極として用いた。以後、充放電容量とサイクル特性はコインセルを用いて評価した。

電池特性（放電容量及び充放電効率）の測定
上記実施例１ないし３及び比較例１、２によってそれぞれ製造された２次電池用炭素質電極材のそれぞれを陰極として用いて製造されたコインセルのそれぞれに対して次のように充放電試験を行い下記表２にその結果を示した。

充放電試験は、電位を０ないし１.５Ｖの範囲に規制し、充電電流０.５ｍＡ／cm²で０.０１Ｖになるまで充電し、また０.０１Ｖの電圧を維持しながら充電電流が０.０２ｍＡ／cm²になるまで充電をし続けた。そして、放電電流は０.５ｍＡ／cm²で１.５Ｖまで放電を行った。下記表２において、充放電効率は、充電した電気容量に対して放電した電気容量の割合を示す。

サイクル特性の評価
電池のサイクル特性は、充放電サイクルが３０回行われたときの電気容量を測定して評価した。

電極膨張率の測定
一方、充放電の際、陰極材の膨脹程度を確認するために充電が完了したコインセルを分解して電極の厚さを測定した結果を下記表２に示した。

なお、本発明によって製造された２次電池の放電容量は４００ｍＡｈ／ｇ以上であり、充放電効率が８８％以上であり、電極膨張率が１５０％以下である場合には、本発明の意図する効果を十分に発現したと評価することができる。

上記表２からわかるように、実施例１ないし３の場合には、１サイクルにおける放電容量が４００ｍＡｈ／ｇを全て超過する高容量を示しており、３０サイクルにおける放電容量も２９０ｍＡｈ／ｇを全て超過すると観察された。これに反して、比較例１及び２においては、放電容量が著しく低く測定されたことが分かる。なお、１サイクルにおける充放電効率と電極膨張率においては、実施例と比較例間に確実な程度の差を示していないが、実施例１ないし３の場合、全てが比較例１に比べては電極膨張率が高いが、比較例２に比べては電極膨張率が低く示されたことが分かる。

以上説明された本発明の最適な実施例が開示された。ここで特定の用語が用いられたが、これはただ当業者に本発明を詳しく説明する目的で用いられたものに過ぎず、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために用いられたものではない。

本明細書に添付される下記の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されるものではない。

図１は、本発明による２次電池用炭素質電極材を用いて電極を製造する過程を説明するための工程流れ図である。

Claims (18)

1. 高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材及び
   上記芯材炭素材を包むように被覆された表面被覆層を含んでなり、
   上記表面被覆層は形状制御された金属系材料と、非晶質系炭素材料であるピッチの混合物から形成され、
   上記芯材炭素材の表面が低結晶性構造を有することを特徴とする２次電池用炭素質電極材。
2. 上記表面被覆層を構成する金属系材料は、空洞球形（ｈｏｌｌｏｗ ｓｐｈｅｒｉｃａ
   ｌ ｓｈａｐｅ）、球形（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅ）、ロッド形（ｒｏｄ ｓｈａ
   ｐｅ）からなる群から選択された少なくとも１つの形態を有するように形状制御された物質であることを特徴とする請求項１に記載の２次電池用炭素質電極材。
3. 上記表面被覆層を構成する金属系材料は、銀（Ａｇ）、珪素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ）からなる群から選択された少なくとも１種からなる物質であることを特徴とする請求項１に記載の２次電池用炭素質電極材。
4. 上記芯材炭素材を構成する黒鉛は、天然黒鉛及び人造黒鉛からなる群から選択された少なくとも１種からなる物質であることを特徴とする請求項１に記載の２次電池用炭素質電極材。
5. 上記非晶質系炭素材料であるピッチは、石油系ピッチ及び石炭系ピッチからなる群から選択された少なくとも１種からなる物質であることを特徴とする請求項１に記載の２次電池用炭素質電極材。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の２次電池用炭素質電極材が電池の陰極として用いられることを特徴とする２次電池。
7. 上記２次電池は、放電容量が４００ｍＡｈ／ｇ以上であり、充放電効率が８８％以上であり、電極膨張率が１５０％以下であることを特徴とする請求項６に記載の２次電池。
8. （Ｓ１）高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材、非晶質系炭素材料であるピッチ及び形状制御された金属系材料粉末をそれぞれ秤量して用意する段階；
   （Ｓ２）上記非晶質系炭素材料をテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で溶かした後、上記形状制御された金属系材料粉末を投入し撹拌して混合する段階；
   （Ｓ３）上記（Ｓ２）段階の混合物に上記高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材を添加し湿式撹拌して混合した後、乾燥する段階；及び
   （Ｓ４）上記（Ｓ３）段階の混合物を焼成させる段階；を含むことを特徴とする２次電池用炭素質電極材の製造方法。
9. 上記焼成段階（Ｓ４）以後に焼成物を分級して微粉を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
10. 上記（Ｓ１）段階で使用される金属系材料が、空洞球形（ｈｏｌｌｏｗ ｓｐｈｅｒｉ
    ｃａｌ ｓｈａｐｅ）、球形（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｈａｐｅ）、ロッド形（ｒｏｄ ｓ
    ｈａｐｅ）からなる群から選択された少なくとも１種の形態を有するように形状制御された物質であることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
11. 上記（Ｓ１）段階で使用される金属系材料は、銀（Ａｇ）、珪素（Ｓｉ）及び錫（Ｓｎ
    ）からなる群から選択された少なくとも１種の物質であることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
12. 上記（Ｓ１）段階で使用される芯材炭素材を構成する高結晶性黒鉛は、天然黒鉛及び人造黒鉛からなる群から選択された少なくとも１種の物質であることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
13. 上記（Ｓ１）段階で使用される非晶質系炭素材料であるピッチは、石油系ピッチ及び石炭系ピッチからなる群から選択された少なくとも１種の物質であることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
14. 上記（Ｓ１）段階で用意される材料粉末として、
    上記芯材炭素材料７０重量％ないし９５重量％、
    上記非晶質炭素材料５重量％ないし３０重量％及び
    上記金属系材料１重量％ないし５重量％
    を含む混合物を用いることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
15. 上記（Ｓ３）段階における湿式撹拌により混合した後乾燥する過程は、上記（Ｓ２）段階の混合物に上記高結晶性黒鉛からなる芯材炭素材を添加して常温で２時間以上湿式撹拌した後、減圧下で４時間以上撹拌しながら乾燥させることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
16. 上記（Ｓ４）段階の焼成させる過程は、上記（Ｓ３）段階で得られた混合物を８００ないし１０００℃で１ないし２４時間焼成させることを特徴とする請求項８に記載の２次電池用炭素質電極材の製造方法。
17. 請求項８〜１６の何れかに記載の製造方法で製造された２次電池用炭素質電極材を電池の陰極として用いて製造されたことを特徴とする２次電池。
18. 上記２次電池の陰極材は、放電容量が４００ｍＡｈ／ｇ以上であり、充放電効率が８８％以上であり、電極膨張率が１５０％以下であることを特徴とする請求項１７に記載の２次電池。

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