JP2008047427A - メソカーボン小球体黒鉛化物およびその製造方法、リチウムイオン二次電池負極材料、リチウムイオン二次電池負極ならびにリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、平均アスペクト比が1.3〜10の楕円球状であることを特徴とするメソカーボン小球体黒鉛化物、該メソカーボン小球体黒鉛化物を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材料、該リチウムイオン二次電池用負極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、該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およびその製造方法である。
【選択図】図1
Description
(1)第一の発明は、平均アスペクト比が1.3〜10の楕円球状であることを特徴とするメソカーボン小球体黒鉛化物である。
(2)第二の発明は、第一の発明に記載のメソカーボン小球体黒鉛化物を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材料である。
(3)第三の発明は、第二の発明に記載のリチウムイオン二次電池用負極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。
(4)第四の発明は、第三の発明に記載の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。
(5)第五の発明は、石炭系および/または石油系の重質油、タール類ならびにピッチ類から選ばれる1種または2種以上の原料に、液晶ポリマーを0.5〜20質量%添加し、該液晶ポリマーの溶融温度以上、500℃以下の温度範囲で加熱して、メソカーボン小球体を生成させるメソカーボン小球体生成工程と、該メソカーボン小球体を加熱して、黒鉛化する黒鉛化工程とを有することを特徴とするメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法である。
(6)第六の発明は、液晶ポリマーが、金属および/または金属化合物を含有することを特徴とする第五の発明に記載のメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法である。
リチウムイオン二次電池は、通常、電解液(非水電解質)、負極および正極を主たる電池構成要素とし、これら要素が、例えば、電池缶内に封入されている。負極および正極はそれぞれリチウムイオンの担持体として作用する。充電時にはリチウムイオンが負極中に吸蔵され、放電時には負極からリチウムイオンが離脱する電池機構によっている。
本発明のメソカーボン小球体黒鉛化物は、非造粒、非破砕型の黒鉛粒子であり、楕円球状からなることを特徴とする。楕円球状とは球状を押しつぶした形状を指す。
本発明の負極材料は、上記のメソカーボン小球体黒鉛化物を含むものであって、メソカーボン小球体黒鉛化物を単独で用いてもよいし、炭素材料、黒鉛材料、金属材料などの公知の各種負極材料との混合物、複合物であってもよい。
メソカーボン小球体は、石炭系および/または石油系の重質油、タール類ならびにピッチ類から選ばれる1種または2種以上を300〜500℃で加熱処理することにより生成する光学的的異方性の球状の重合物であるが、本発明の製造方法では、前記の石炭系、石油系の重質油、タール類、ピッチ類から選ばれる原料に、さらに液晶ポリマーを加えることを特徴とする。
液晶ポリマーはあらかじめ粉砕したものを用いることが好ましい。粉砕物の平均粒子径は、20μm以下とすることが好ましい。
リチウムイオン二次電池の負極の作製は、通常の負極の成形方法に準じて行うことができるが、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ない。
また、本発明は、前記リチウムイオン二次電池用負極を用いて形成されるリチウムイオン二次電池でもある。
本発明のリチウムイオン二次電池は、前記負極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。
本発明のリチウムイオン二次電池に使用される正極材(正極活物質)としては、リチウム化合物が用いられるが、充分な量のリチウムを吸蔵/脱離し得るものを選択することが好ましい。例えば、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、その他のリチウム含有化合物、一般式MxMo6S8−Y(式中Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、Mは少なくとも一種の遷移金属を表す)で表されるシュブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。前記バナジウム酸化物としては、V2O5、V6O13、V2O4、V3O8で示されるものなどを用いることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解質としては、通常の非水電解液に使用される電解質塩である、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)、LiCl、LiBr、LiCF3SO3、LiCH3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3CH2OSO2)2、LiN(CF3CF2OSO2)2、LiN(HCF2CF2CH2OSO2)2、LiN((CF3)2CHOSO2)2、LiB[{C6H3(CF3)2}]4、LiAlCl4 、LiSiF6などのリチウム塩を用いることができる。酸化安定性の点からは、特に、LiPF6、LiBF4が好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレータを使用することもできる。
セパレータの材質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などを用いることができる。前記セパレータの材質としては、合成樹脂製微多孔膜が好適であるが、なか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が好適である。
1(a)液晶ポリマーの調製
p−アセトキシ安息香酸、4,4’−ジアセトキシビフェニル、テレフタル酸を反応器に入れ、加熱下で攪拌しながら徐々に減圧し、酢酸を回収しながら重縮合反応を行い、融点410℃のサーモトロピック液晶ポリエステルを合成した。
得られた液晶ポリマー50質量部と、平均粒子径2μmの二酸化ケイ素50質量部を、二軸押出機を用いて溶融混練した。混練物を冷却したのち、平均粒子径5μmに粉砕した。
フリーカーボンを1質量%含有するコールタールピッチ92質量部に、前記の金属化合物を含有する液晶ポリマーの粉砕物を8質量部混合し、不活性雰囲気中450℃で30分加熱処理し、メソカーボン小球体をピッチマトリックス中に35質量%生成させた。その後、タール中油を用いて、コールタールピッチからピッチマトリックスを溶解抽出し、メソカーボン小球体をろ過によって分離し、窒素雰囲気中120℃で乾燥した。これを窒素雰囲気中600℃で3時間加熱処理して、メソカーボン小球体の焼成物を調製した。該メソカーボン小球体の焼成物の断面を偏光顕微鏡で観察した結果を図2(a)に示す。断面は、楕円球状であり、光学的異方性を示していた。
得られたメソカーボン小球体の焼成物を黒鉛るつぼに充填し、非酸化性雰囲気下3150℃で5時間かけて黒鉛化処理を行い、メソカーボン小球体黒鉛化物を調製した。該メソカーボン小球体黒鉛化物の外観を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図3(a)に示す。
前記メソカーボン小球体黒鉛化物98質量部、結合剤としてのカルボキシメチルセルロース1質量部およびスチレンーブタジエンゴム1質量部を水に入れ、攪拌して負極合剤ペーストを調製した。
前記負極合剤ペーストを厚み16μmの銅箔上に均一な厚さで塗布し、さらに真空中90℃で分散媒の水を蒸発させて乾燥した。次に、この銅箔上に塗布された負極合剤をハンドプレスによって200MPaの圧力で加圧し、さらに直径15.5mmの円形状に打抜くことで、銅箔からなる集電材に密着した負極合剤層(厚み60μm)からなる作用電極(負極)を作成した。なお、充填密度は1.78g/cm3に到達した。充填密度の測定は次のように行った。
充填密度(g/cm3)=負極合剤層の質量/(負極合剤層の厚み×作用電極の面積) (1)
リチウム金属箔をニッケルネットに押付け、直径15.5mmの円形状に打抜いて、ニッケルネットからなる集電体と、該集電体に密着したリチウム金属箔(厚み0.5mm)からなる対極(正極)を作製した。
エチレンカーボネート33vol%−メチルエチルカーボネート67vol%の混合溶剤に、LiPF6を1mol/lとなる濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。得られた非水電解液をポリプロピレン多孔質体(厚み20μm)に含浸させ、電解液が含浸したセパレータを作製した。
評価電池として図1に示すボタン型二次電池を作製した。
前記のように作製した評価電池について、25℃の温度下で以下に示すような充放電試験を行い、質量当たり放電容量、体積当たり放電容量、初期充放電効率、急速放電率およびサイクル特性を評価した。評価結果を表1に示した。
回路電圧が0mVに達するまで0.9mAの定電流充電を行った後、定電圧充電に切り替え、電流値が20μAになるまで充電を続けた。その間の通電量から質量当たり充電容量を求めた。その後、120分間休止した。次に0.9mAの電流値で、回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行い、この間の通電量から質量当たり放電容量を求めた。これを第1サイクルとした。次式(2)から初期充放電効率を計算した。
初期充放電効率(%)=(第1サイクルの質量当たり放電容量
/第1サイクルの質量当たり充電容量)×100 (2)
また、次式(3)から体積当たり放電容量を計算した。
体積当たり放電容量(mAh/cm3)=第1サイクルの質量当たり放電容量×負極合剤層の充填密度×0.98 (3)
なお、(3)式で0.98を掛けたのは、電池容量に寄与しないバインダー(2質量%)が含まれているからである。
引き続き、第2サイクルにおいて急速放電を行った。第1サイクルと同様にして定電圧充電に切り替え、満充電した後、電流値を第1サイクルの16倍の14.4mAとして、回路電圧が1.5Vに達するまで、定電流放電を行った。得られた放電容量から、次式(4)により急速放電率を計算した。
急速放電率=(第2サイクルにおける質量当たり放電容量/第1サイクルにおける質量当たり放電容量)×100 (4)
質量当たり放電容量、初期充放電効率、急速放電率を評価した評価電池とは別の評価電池を作製し、以下のような評価を行った。
サイクル特性(%)=(第20サイクルの質量当たり放電容量
/第1サイクルの質量当たり放電容量)×100 (5)
本発明例1において、液晶ポリマーおよび金属化合物を配合しない以外は本発明例1と同様にしてメソカーボン小球体を調製した。得られたメソカーボン小球体の焼成物の断面を偏光顕微鏡で観察した結果を図2(b)に示す。断面は、真球状であり、光学的異方性を示していた。
なお、充填密度は1.67g/cm3にまでしか到達しなかった。
表1に示されるように、作用電極に、従来技術からなるメソカーボン小球体黒鉛化物を負極材料として用いた場合には、充填密度を高めることができず、体積当たり放電容量が不十分なものとなる。
比較例1で作製したメソカーボン小球体黒鉛化物を用いて、本発明例1と同様な方法と条件で、作用電極および評価電池を作製したが、銅箔上に塗布された負極合剤をハンドプレスする際に、本発明例1と同じ充填密度(1.78g/cm3)に到達するまでプレス圧力を高めた。
実施例1において、液晶ポリマーの配合量や金属化合物の種類や配合量を変えたほかは実施例1と同様にしてメソカーボン小球体黒鉛化物を調製した。
この黒鉛化物を用いて、実施例1と同様な方法と条件で、作用電極および評価電池を作製して、充放電試験を行った。電池特性の評価結果を表1に示した。
負極材料として平均粒径10μmの天然黒鉛を用いた。X線広角回折における(002)面の平均格子面間隔d002が0.3357nmであった。走査型電子顕微鏡で観察すると、鱗片状を呈しており、50個について粒子外観から平均アスペクト比を算出すると15であった。
なお、110MPaでプレスした際に充填密度が1.78g/cm3に到達した。充填密度1.78g/cm3で作用電極を作製した。
2 作用電極(負極)
3 外装缶
4 対極(正極)
5 セパレータ
6 絶縁ガスケット
7a,7b 集電体
Claims (6)
- 平均アスペクト比が1.3〜10の楕円球状であることを特徴とするメソカーボン小球体黒鉛化物。
- 請求項1に記載のメソカーボン小球体黒鉛化物を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材料。
- 請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極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。
- 請求項3に記載の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。
- 石炭系および/または石油系の重質油、タール類ならびにピッチ類から選ばれる1種または2種以上の原料に、液晶ポリマーを0.5〜20質量%添加し、該液晶ポリマーの溶融温度以上、500℃以下の温度範囲で加熱して、メソカーボン小球体を生成させるメソカーボン小球体生成工程と、該メソカーボン小球体を加熱して、黒鉛化する黒鉛化工程とを有することを特徴とするメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法。
- 前記液晶ポリマーが、金属および/または金属化合物を含有することを特徴とする請求項5に記載のメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法。
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