JP2008300274A - 複合負極活物質および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】黒鉛および易黒鉛化性炭素材料を含有する黒鉛化炭素材料10と、低結晶性炭素材料の前駆体11を炭素化してなる低結晶性炭素材料12とを含む複合負極活物質1を用いて負極を作製し、この負極を非水電解質二次電池に用いる。低結晶性炭素材料の黒鉛化炭素材料への被覆が、黒鉛化炭素材料表面に低結晶性炭素材料の前駆体を被覆した後、該前駆体を炭素化することにより行われるのが好ましい。
【選択図】図1
Description
好ましい形態では、黒鉛化炭素材料表面に低結晶性炭素材料が被覆されている。
低結晶性炭素材料の黒鉛化炭素材料への被覆は、黒鉛化炭素材料表面に低結晶性炭素材料の前駆体を被覆した後、該前駆体を炭素化することにより行われるのが好ましい。
低結晶性炭素材料の前駆体の炭素化は、該前駆体を600〜1500℃で熱処理することにより行われるのが好ましい。
低結晶性炭素材料の前駆体はコークス類であることが好ましい。
別の好ましい形態では、黒鉛化炭素材料の少なくとも一部と低結晶性炭素材料の少なくとも一部とが融合している。
また、黒鉛化炭素材料は易黒鉛化性炭素材料を熱処理することにより得られるものであることが好ましい。
易黒鉛化性炭素材料はコークス類であり、かつ熱処理温度は1800℃〜2200℃であることがさらに好ましい。
黒鉛化炭素材料は、黒鉛および易黒鉛化性炭素材料を含有する。さらに具体的には、黒鉛化炭素材料は、その結晶構造中に黒鉛の六角網平面構造および黒鉛と易黒鉛化性炭素材料とが入り混じって存在する乱層構造を含有する。黒鉛化炭素材料は、黒鉛と同様にインターカレーション反応主体でリチウムイオンの吸蔵および放出を行う。このような炭素材料は、黒鉛化途上の易黒鉛化性炭素材料とも呼ばれる。
黒鉛化炭素材料は、乱層構造を有するが故に、リチウムイオンの吸蔵および放出が容易である。また、乱層構造が、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴う膨張および収縮、面内配置の相変化などによって発生する応力を吸収し、黒鉛に比べて発生応力を緩和するので、より大電流でのパルス充放電に対して高い耐久性を有する。したがって、黒鉛化炭素材料は出入力性能が高く、耐用寿命が長いという特性を示す。また、黒鉛化炭素材料は、黒鉛を含むことによって、黒鉛材料ほどではないが実用上十分な容量密度を有する。
このとき、黒鉛化炭素材料の黒鉛化度は特に制限されないが、CuKα線を用いて測定される広角X線回折パターンにおいて、0<I101/I100<1.0であることが好ましく、0.5<I101/I100<1.0であることがさらに好ましい。ここで、I100は2θ=42度付近に認められる(100)回折ピークの強度である。また、I101は2θ=44度付近に見られる(101)回折ピークの強度である。すなわち、I101/I100は回折ピークの強度比であり、黒鉛化度の指標になる数値である。なお、黒鉛材料のI101/I100は一般に1.5以上である。
架橋剤としては、易黒鉛化性炭素材料の前駆体を架橋し得る化合物であれば特に制限されないが、その中でも、2官能性化合物が好ましい。具体的には、キシレンジクロライドなどの芳香族ジメチレンハライド類、キシレングリコールなどの芳香族ジメタノール類、テレフタル酸クロライド、イソフタル酸クロライド、フタル酸クロライド、2,6−ナフタレンジカルボン酸クロライドなどの芳香族ジカルボニルハライド類、ベンズアルデヒト、p−ヒドロキシベンズアルデヒト、p−メトキシベンズアルデヒト、2,5−ジヒドロキシベンズアルデヒド、ベンズアルデヒドジメチルアセタノール、テレフタルアレデヒド、イソフタルアルデヒド、サリチルアルデヒドなどの芳香族アルデヒド類などが挙げられる。架橋剤は1種を単独で使用できまたは必要に応じて2種以上を組み合わせて使用できる。
攪拌混合工程では、易黒鉛化性炭素材料の前駆体または前駆体架橋物と黒鉛化触媒とを均一に攪拌混合し、混合物を得る。攪拌混合は、たとえば、250〜400℃程度の温度下に、1分以上、好ましくは5分以上行えばよい。
炭素化工程では、攪拌混合工程で得られる混合物に炭素化処理を施す。炭素化処理は、たとえば、700〜1100℃程度の温度下に行われ、0.1〜5時間程度で終了する。
粉砕工程では、炭素化工程で得られる炭素化物(易黒鉛化性炭素材料)に粉砕処理を施す。粉砕処理は、たとえば、体積平均粒子径が3〜25μm程度になるように行われる。なお、炭素化工程で得られる炭素化物が所定の粒径を有する粒状物として得られる場合は、粉砕工程を実施しなくてもよい。
正極は、正極芯材と、正極合剤層とを含む。正極芯材には、この分野で常用されるものを使用でき、たとえば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどの金属材料からなる多孔性または無孔の導電性基板が挙げられる。導電性基板の形状は、シート状、フィルム状、箔状などである。
正極合剤層は、正極芯材の厚み方向のいずれか一方の面または両方の面に、好ましくは両方の面に接するように設けられて、正極活物質を含む。さらに正極合剤層は正極活物質とともに、導電剤、結着剤などを含んでもよい。
液状非水電解質は、溶質(支持塩)と非水溶媒とを含み、さらに必要に応じて各種添加剤を含む。溶質は通常非水溶媒中に溶解する。液状非水電解質は、たとえば、セパレータに含浸される。
本発明の非水電解質二次電池は、たとえば、正極と負極とをセパレータを介して巻回するかまたは積層してなる電極群を、非水電解質とともに電池ケース内に封入することによって製造できる。電池の形状としては、円筒形電池であっても角形電池であってもよい。角形電池の場合、電極群は楕円体状に捲回し中央部を圧縮した扁平型の電極群としても良いが、複数の正極板、負極板をセパレータを介して積層した平板状の電極群とすることもできる。
(実施例1)
[正極活物質の製造]
正極活物質には組成式LiNi0.8Co0.15Al0.05O2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。
硫酸ニッケル水溶液に、所定比率の硫酸コバルトおよび硫酸アルミニウムを加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液に、攪拌下に水酸化ナトリウム水溶液をゆっくりと滴下し中和することによって、3元系の水酸化ニッケルNi0.8Co0.15Al0.05(OH)2を沈殿物として析出させた。この沈殿物をろ取および水洗し、80℃で乾燥した。この水酸化ニッケルは体積平均粒径が約10μmであった。
次に、3元系の水酸化ニッケルに対して、Ni、Co、Alの原子数の和とLiの原子数の比が1:1.03になるように水酸化リチウム・1水和物を加えて混合した。この混合物を、酸素雰囲気中800℃で10時間の熱処理し、リチウムニッケル複合酸化物(組成式:LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)を得た。このリチウムニッケル複合酸化物は粉末X線回折により単一相の六方晶層状構造であると共に、CoおよびAlが固溶していることが確認された。そして粉砕および分級を行い、体積平均粒径約9μmの正極活物質粉末とした。
この正極活物質100質量部に導電剤であるアセチレンブラック5質量部を加えた。この混合物と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(以下「PVdF」とする)のN−メチルピロリドン(NMP)溶液とを混練してペースト状の正極合剤スラリーを調製した。なお、PVdFの使用量が正極活物質100質量部に対して5質量部となるように調整した。次いで、この正極合剤スラリーを厚み20μmのアルミニウム箔の両面に塗工し、乾燥後、圧延して厚み0.075mm、正極合剤層の幅100mm、長さ3400mmの正極板とした。正極合剤層の両面の合計厚みは55μmであった。
ピッチ(品種AR24Z、軟化点293.9℃、三菱ガス化学(株)製)100質量部に、パラキシレングリコール5質量部およびホウ酸3質量部を添加し、常圧下に300℃まで昇温し、溶融後2時間保持した。得られた重合ピッチをアルゴン雰囲気中、800℃にて1時間熱処理してコークスを調製した。このコークスを中心粒径が約10μmとなるように粉砕し、次いでアルゴン雰囲気中2000℃で熱処理し、部分的に黒鉛化された黒鉛化炭素材料を製造した。得られた黒鉛化炭素材料の黒鉛化度を粉末X線回折により調べたところ、d(002)は0.340nmであり、I101/I100は0.70であった。比表面積は2.0m2/gであった。
この黒鉛化炭素材料100質量部に、等方性ピッチ(低結晶性炭素材料の前駆体、軟化点280℃、大阪ガスケミカル(株)製)5質量部を添加混合し、得られた混合物をアルゴン雰囲気中1200℃で熱処理した。このようにして、黒鉛化炭素材料粒子表層に、低結晶性炭素材料を含む被覆層を設けた複合負極活物質を製造した。解砕および分級することにより、体積平均粒径約9μmの複合負極活物質とした。
複合負極活物質100質量部と、PVdFのN−メチルピロリドン溶液とを混練してペースト状の負極合剤スラリーを調製した。なお、PVdFの使用量が複合負極活物質100質量部に対して8質量部となるように調整した。次いで、この負極合剤スラリーを厚み10μmの銅箔の両面に塗工し、乾燥後、圧延して厚み0.078mm、負極合剤層の幅105mm、長さ3510mmの負極板とした。負極合剤層の両面の合計厚みは68μmであった。
前記で得られた正極板および負極板を、厚み0.020mm、幅108mmのポリエチレン製多孔質膜(セパレータ)を介して渦巻状に捲回し、円筒形の電極群を作製した。この電極群を直径32mm、高さ120mmの電池ケースに収納し、非水電解液40gを注液し、電池ケースを封口して本発明の非水電解質二次電池を作製した。この電池では、満充電状態における負極の容量密度が約200Ah/kgになるような設計した。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:3:4の体積比で混合した溶媒に、支持塩として1モル/リットルの割合でLiPF6を溶解したものを用いた。
以下のようにして製造される複合負極活物質を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、本発明の非水電解質二次電池を作製した。
[複合負極活物質の製造]
黒鉛化炭素材料90質量部と低結晶性炭素材料10質量部とを乾式混合した。この混合物100質量部に等方性ピッチ(軟化点280℃、大阪ガスケミカル(株)製)3質量部を添加混合し、アルゴン雰囲気中1000℃で熱処理した。このようにして黒鉛化炭素材料と低結晶性炭素材料とが粒子レベルで融合した複合負極活物質を製造した。得られた複合負極活物質を解砕および分級することにより、体積平均粒径約9μmの複合負極活物質とした。
実施例1において、黒鉛化炭素材料の表面に低結晶性炭素材料の被覆層を設けた複合負極活物質に代えて、黒鉛化炭素材料をそのまま負極活物質として使用する以外は、実施例1と同様に操作し、比較例1の非水電解質二次電池を作製した。
実施例2において、黒鉛化炭素材料と低結晶性炭素材料とが融合した複合負極活物質に代えて、黒鉛化炭素材料をそのまま負極活物質として使用する以外は、実施例2と同様に操作し、比較例2の非水電解質二次電池を作製した。
実施例1において、黒鉛化炭素材料の表面に低結晶性炭素材料の被覆層を設けた複合負極活物質に代えて、黒鉛化炭素材料と難黒鉛化性炭素材料(商品名:カーボトロンP、平均粒径10μm、比表面積6.1m2/g、呉羽化学工業(株)製)とを質量比90:10で乾式混合して得られる複合負極活物質を用いる以外は、実施例1と同様に操作し、比較例3の非水電解質二次電池を作製した。
実施例1において、黒鉛化炭素材料の表面に低結晶性炭素材料の被覆層を設けた複合負極活物質に代えて、次のようにして製造される複合負極活物質を用いる以外は、実施例1と同様に操作し、比較例4の非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛材料(商品名:MAG−10、平均粒径10μm、比表面積3.0m2/g、日立化成工業(株)製)100質量部と、等方性ピッチ(軟化点280℃、大阪ガスケミカル(株)製)5質量部とを混合した。この混合物をアルゴン雰囲気中1200℃で熱処理し、黒鉛粒子表層に低結晶性炭素材料からなる被覆層を設けた複合負極活物質を製造した。
実施例1〜2および比較例1〜4の非水電解質二次電池を、25℃環境下において、2.7Aの定電流で充電上限電圧4.1V、放電下限電圧2.5Vの条件下で充放電を3サイクル繰り返した。その3サイクル目の放電容量を初期容量とした。そしてこれらの電池の出力を測定するために以下の手順に従い電流―電圧特性試験を行った。
まず、それぞれの電池を25℃環境下において50%の充電状態(SOC)となるように定電流にて充電を行い、1Cから最大10Cまでの放電パルスと充電パルスを各10秒間繰り返し、各放電パルス印可後の10秒目の電圧を測定し、電流値に対してプロットした。各電圧プロットを最小二乗法を用いて直線近似し、放電下限電圧である2.5Vまで外挿したときの予測電流値(A)と2.5(V)を乗ずることで出力(W)を算出した。結果を図3に示す。結果を図3に示す。図3は実施例1〜2および比較例1〜4の非水電解質二次電池における放電電流(C)/Aと10秒目電圧/Vとの関係を示すグラフである。続いて、環境温度を−10℃に設定しこれらの電池を6時間冷却した。電池表面温度が環境温度と同等にまで冷却されたことを確認し再び電流―電圧特性試験を行い出力(W)を算出した。初期容量と出力の結果を表1に示す。
比較例1の電池では、初期容量および25℃環境下での出力は実施例の電池と同等であるが、−10℃環境下での出力が低下することがわかる。これは、低温環境においては、黒鉛化炭素材料の粒子表面近傍でリチウムイオンの吸蔵放出反応の反応速度が低下し、十分な出力が得られないことによるものである。
また、比較例3の電池では、初期容量が若干低下した。これは、難黒鉛化性炭素材料の不可逆容量密度が大きいことに起因するものと考えられる。出力も、実施例の電池より低かった。これは、難黒鉛化性炭素材料を単に混合しただけでは、リチウムイオンの吸蔵放出反応の反応速度を高めることはできず、逆に難黒鉛化性炭素のリチウムイオンの吸蔵放出機構はインターカレーション反応ではなく複雑な機構をとるために、乱層構造を含んでいても高出力化にはほとんど寄与しないものと考えられる。
以上の結果から、本発明の複合負極活物質を用いることにより、低温域においても高出力性能を有する非水電解質二次電池を提供することが可能となる。
次のようにして作製された正極板および負極板を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、本発明の非水電解質二次電池A〜Jを作製した。
[正極活物質の製造および正極板の作製]
正極活物質には組成式LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。
硫酸ニッケル水溶液に、所定比率の硫酸コバルトおよび硫酸マンガンを加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液に、攪拌下に水酸化ナトリウム水溶液をゆっくりと滴下し中和することによって、3元系の水酸化ニッケルNi0.4Co0.3Mn0.3(OH)2を沈殿物として析出させた。この沈殿物をろ過および水洗し、80℃で乾燥した。
次に、3元系の水酸化ニッケルに対して、Ni、Co、Mnの原子数の和とLiの原子数の比が1:1.03になるように水酸化リチウム1水和物を加えて混合した。この混合物を、乾燥空気中850℃で10時間の熱処理し、リチウムニッケル複合酸化物(組成式:LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2)を得た。このリチウムニッケル複合酸化物は粉末X線回折により単一相の六方晶層状構造であると共に、CoおよびMnが固溶していることを確認した。そして粉砕および分級を行い、体積平均粒径約10μmの正極活物質粉末とした。この正極活物質を用いる以外は、実施例1と同様に操作して正極板を作製した。
ピッチ(品種AR24Z、軟化点293.9℃、三菱ガス化学(株)製)100質量部に、パラキシレングリコール5質量部およびホウ酸5質量部を添加し、常圧下に300℃まで昇温し、溶融後2時間保持した。得られた重合ピッチをアルゴン雰囲気中、800℃にて1時間熱処理して易黒鉛化性炭素材料を調製した。この易黒鉛化性炭素材料を体積平均粒径が約10μmとなるように粉砕し、次いでアルゴン雰囲気中表2に示す温度で熱処理し、部分的に黒鉛化された黒鉛化炭素材料を製造した。
また、前記と同様にして調製された易黒鉛化性炭素材料をアルゴン雰囲気中表2に示す温度で熱処理し、低結晶性炭素材料を製造した。
表2に、非水電解質二次電池A〜Jの初期容量および−10℃環境下での出力を示す。
以上の結果から、黒鉛化炭素材料を得るための熱処理温度としては1800℃〜2200℃、融合すべき低結晶性炭素材料を得るための熱処理温度としては1000℃〜1400℃が好ましいことがわかる。
10 黒鉛化炭素材料
11 低結晶性炭素材料の前駆体
12 低結晶性炭素材料
13 黒鉛化炭素材料と低結晶性炭素材料との混合物
Claims (9)
- 黒鉛および易黒鉛化性炭素材料を含有する黒鉛化炭素材料と、低結晶性炭素材料とを含む複合負極活物質。
- 黒鉛化炭素材料表面に低結晶性炭素材料が被覆されている請求項1記載の複合負極活物質。
- 低結晶性炭素材料の黒鉛化炭素材料への被覆が、黒鉛化炭素材料表面に低結晶性炭素材料の前駆体を被覆した後、該前駆体を炭素化することにより行われる請求項2記載の複合負極活物質。
- 低結晶性炭素材料の前駆体の炭素化が、該前駆体を600〜1500℃で熱処理することにより行われる請求項3記載の複合負極活物質。
- 低結晶性炭素材料の前駆体がコークス類である請求項2または3記載の複合負極活物質。
- 黒鉛化炭素材料の少なくとも一部と低結晶性炭素材料の少なくとも一部とが融合している請求項1記載の複合負極活物質。
- 黒鉛化炭素材料が易黒鉛化性炭素材料を熱処理することにより得られる請求項1〜6のいずれか1つに記載の複合負極活物質。
- 易黒鉛化性炭素材料がコークス類であり、かつ熱処理温度が1800℃〜2200℃である請求項7記載の複合負極活物質。
- 正極と、請求項1〜8のいずれか1つに記載の複合負極活物質を含有する負極と、セパレータと、非水電解質とを含む非水電解質二次電池。
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