JP2013173663A - 難黒鉛化性炭素材料の製造方法、難黒鉛化性炭素材料、リチウムイオン二次電池用負極材料およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】難黒鉛化性炭素材料の原料に架橋処理を施して架橋処理品を得る工程と、上記架橋処理品に不融化処理を施して不融化処理品を得る工程と、上記不融化処理品に対して粉砕処理を施す工程と、上記粉砕処理が施された上記不融化処理品を900〜1300℃で焼成して難黒鉛化性炭素材料を得る工程と、を備える難黒鉛化性炭素材料の製造方法。
【選択図】なし
Description
(1)難黒鉛化性炭素材料の原料に架橋処理を施して架橋処理品を得る工程と、上記架橋処理品に不融化処理を施して不融化処理品を得る工程と、上記不融化処理品に対して粉砕処理を施す工程と、上記粉砕処理が施された上記不融化処理品を900〜1300℃で焼成して難黒鉛化性炭素材料を得る工程と、を備える難黒鉛化性炭素材料の製造方法。
本発明の難黒鉛化性炭素材料の製造方法(以下、単に「本発明の製造方法」ともいう。)は、難黒鉛化性炭素材料の原料に架橋処理を施して架橋処理品を得る工程と、上記架橋処理品に不融化処理を施して不融化処理品を得る工程と、上記不融化処理品に対して粉砕処理を施す工程と、上記粉砕処理が施された上記不融化処理品を900〜1300℃で焼成して難黒鉛化性炭素材料を得る工程と、を備える難黒鉛化性炭素材料の製造方法である。
以下、本発明の製造方法について詳細に説明する。
まず、難黒鉛化性炭素材料の原料(以下、単に「原料」ともいう。)に架橋処理を施して架橋処理品を得る。
エアーブローイング反応においては、酸化的脱水反応を主体とする反応が進行し、ビフェニル型の架橋結合により重合が進む。そして、その後の不融化、焼成(後述)によって、この架橋部分が支配的になった配向性のない三次元構造を有し、リチウムが吸蔵される空隙を数多く残存させた難黒鉛化性炭素材料が得られる、とされている。
次に、エアーブロンピッチ等の架橋処理品に対して不融化処理を施して、不融化処理品(例えば、不融化ピッチ)を得る。不融化処理は、固相状態で行われる一種の架橋処理(酸化処理)であり、これにより、架橋処理品の構造の中に酸素が取り込まれ、さらに架橋が進行することにより高温で溶融し難くなる。
本発明においては、不融化ピッチ等の不融化処理品に対して、粉砕処理を施して、粒度調整を行う。このため、最終的に得られる難黒鉛化性炭素材料の粒度をコントロールしやすく、目的とする平均粒子径が得られやすい。
これは、焼成する前の不融化処理品は、炭素化が進んでいない状態であるため粉砕しやすいのに対して、焼成後においては炭素化が進んだ状態であるため、同じ条件で粉砕処理を施しても、粉砕が不十分となって目標の粒子径にコントロールすることが困難になるためと推測される。
なお、ここでいう平均粒子径とは、レーザー回折式粒度分布計の累積度数が体積百分率で50%となる粒子径(D50)である。
これらの粉砕機を用いる場合、粉砕処理後の不融化処理品の平均粒子径が上記範囲となるように、その粉砕条件を設定する。
次に、粉砕処理が施された不融化ピッチ等の不融化処理品を、減圧または窒素等の不活性ガス雰囲気中において焼成することにより、難黒鉛化性炭素材料を得る。焼成における到達温度(焼成温度)は、900〜1300℃であり、1000〜1200℃が好ましい。このとき、昇温速度としては、50〜150℃/時間が好ましく、80〜120℃/時間がより好ましい。
以上説明したような本発明の製造方法によって得られる難黒鉛化性炭素材料(以下、「本発明の難黒鉛化性炭素材料」ともいう。)は、リチウムイオン二次電池用負極材料として好適に使用できる。
なお、本発明の難黒鉛化性炭素材料の平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布計の累積度数が体積百分率で50%となる粒子径(D50)である。
なお、本発明において、真比重は、JIS R7222に従い、ブタノールを用いて、ピクノメーターによる液相置換法により求めたものである。
なお、比表面積(CALC)は、平均粒子径(単位:μm)を「D」とし、真比重(単位:g/cm3)を「ρ」とした場合に、計算式「6/(D×ρ)」から求められる比表面積である。
まず、上記計算式「6/(D×ρ)」は球の比表面積を求める公式であるから、比表面積(CALC)を求める際には、難黒鉛化性炭素材料の形状を球体であると仮定している。
したがって、球体であると仮定した場合の比表面積(CALC)に対する、実測値である比表面積(BET)の比(BET/CALC)が1に近づくほど、難黒鉛化性炭素材料の形状は球体により近くなり、表面に凹凸等は少ない状態であるといえる。
これに対して、比(BET/CALC)の値が1より大きくなるほど、球体から外れた形状となる、または、表面に凹凸が多い状態であるといえ、具体的には、表面に窒素ガスが入る孔が存在する状態;硬い材料を無理に粉砕した際の衝撃で微粉が生じ、その微粉が表面に付着した状態;等になっていると考えられる。
比(BET/CALC)の値が大きく表面に凹凸が多い難黒鉛化性炭素材料を用いてリチウムイオン二次電池を作製した場合、当該材料の表面で電解液の分解反応が起きやすく(反応界面が多い)、その結果、初期効率などの電池特性が劣るおそれがある。
しかしながら、比(BET/CALC)の値が小さく表面に凹凸が少ない難黒鉛化性炭素材料を用いることで、電解液との反応界面が減少し、初期効率が向上すると考えられる。
リチウムイオン二次電池は、通常、負極、正極および非水電解液を主たる電池構成要素とし、正・負極はそれぞれリチウムイオンの吸蔵可能な物質(層状化合物として)または化合物やクラスターからなり、充放電過程におけるリチウムイオンの出入は層間で行われる。充電時にはリチウムイオンが負極中にドープされ、放電時には負極から脱ドープする電池機構である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、負極材料として本発明の難黒鉛化性炭素材料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ずる。
本発明の難黒鉛化性炭素材料から負極を製造する方法は、特に限定されず、通常の製造方法に準じて行うことができる。負極製造時には、本発明の難黒鉛化性炭素材料に結合剤を加えた負極合剤を用いることができる。結合剤としては、電解質に対して化学的安定性、電気化学的安定性を有するものを用いるのが好ましく、通常、負極合剤全量中1〜20質量%程度の量で用いるのが好ましい。結合剤としてポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンラバー(SBR)等を用いることができる。また、活物質として、本発明の難黒鉛化性炭素材料以外の炭素材料、黒鉛材料を添加してもよい。導電剤として、例えば、カーボンブラック、炭素繊維なども添加してよい。
正極の材料(正極活物質)としては、充分量のリチウムイオンをドープ/脱ドープし得るものを選択するのが好ましい。そのような正極活物質としては、例えば、遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそれら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は遷移金属などの金属を表す)で表されるシェブレル相化合物、りん酸鉄リチウム、活性炭、活性炭素繊維などが挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。例えば、正極中に炭酸リチウムなどの炭酸塩を添加することもできる。
このようなリチウム含有遷移金属酸化物は、例えば、Li、遷移金属の酸化物または塩類を出発原料とし、これら出発原料を組成に応じて混合し、酸素雰囲気下600〜1000℃の温度範囲で焼成することにより得ることができる。なお、出発原料は酸化物または塩類に限定されず、水酸化物などからも合成可能である。
電解質としては、LiPF6、LiBF4などのリチウム塩を電解質塩として含む通常の非水電解質が用いられる。
非水電解質は、液系の非水電解液であってもよいし、固体電解質やゲル電解質などの高分子電解質であってもよい。
高分子電解質に含有される可塑剤(非水電解液)を構成する電解質塩や非水溶媒としては、液系の電解液に使用できるものを使用できる。
本発明のリチウムイオン二次電池の構造は任意であり、その形状、形態について特に限定されるものではなく、例えば、円筒型、角型、コイン型から任意に選択することができる。
錨型攪拌装置を付したオートクレーブに、石炭系QIレスピッチ(QI:0.1〜0.5質量%、軟化点:82.5℃)1000gを入れ、窒素気流下で320℃まで加熱した後、圧縮空気を2L/分で流通させながらピッチ中に吹き込み、320℃で2時間加熱することにより、エアーブローイング反応による架橋処理を施した。その後、室温まで冷却し、内容物(エアーブロンピッチ)を取り出した。
次に、取り出したエアーブロンピッチをアトマイザーで粗粉砕した後、回転式の炉に入れ、圧縮空気を2L/分で流通させながら20℃/時間で昇温させ、250℃で3時間保持して不融化処理を施すことにより、不融化ピッチを得た。
得られた不融化ピッチに対して、ジェットミル(FS−4、セイシン企業社製)を用いて、粉砕物の平均粒子径が3μmとなるような条件で粉砕処理を施し、粉砕処理を施した不融化ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、窒素気流下で、100℃/時間の昇温速度で1100℃まで昇温させ、1100℃で2時間の焼成を行い、炭素粉末を得た。
実施例2〜4では、粉砕処理の条件(粉砕時間)のみを実施例1とは異ならせて炭素粉末を得た。すなわち、不融化ピッチに対して、ジェットミル(FS−4、セイシン企業社製)を用いて、実施例2では粉砕物の平均粒子径が4.5μmとなるような条件で、実施例3では粉砕物の平均粒子径が7μmとなるような条件で、実施例4では粉砕物の平均粒子径が11μmとなるような条件で粉砕処理を施した。
錨型撹拌装置を付したオートクレーブに、石油系QIレスピッチ(QI:0.1〜0.5質量%、軟化点:100℃)1000gを入れ、窒素気流下で320℃まで加熱した後、圧縮空気を2L/分で流通させながらピッチ中に吹き込み、320℃で2時間加熱することにより、エアーブローイング反応による架橋処理を施した。その後、室温まで冷却し、内容物(エアーブロンピッチ)を取り出した。
次に、取り出したエアーブロンピッチをアトマイザーで粗粉砕した後、回転式の炉に入れ、圧縮空気を2L/分で流通させながら20℃/時間で昇温させ、250℃で2時間保持して不融化処理を施すことにより、不融化ピッチを得た。
得られた不融化ピッチに対して、ジェットミル(FS−4、セイシン企業社製)を用いて、実施例5では実施例2と同じ粉砕条件で、実施例6では実施例4と同じ粉砕条件で粉砕処理を行った。
次に、粉砕処理を施した不融化ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、窒素気流下で、100℃/時間の昇温速度で1100℃まで昇温させ、1100℃で2時間の焼成を行い、炭素粉末を得た。
錨型攪拌装置を付したオートクレーブに、石炭系QIレスピッチ(QI:0.1〜0.5質量%、軟化点:82.5℃)1000gを入れ、窒素気流下で320℃まで加熱した後、圧縮空気を2L/分で流通させながらピッチ中に吹き込み、320℃で2時間加熱することにより、エアーブローイング反応による架橋処理を施した。その後、室温まで冷却し、内容物(エアーブロンピッチ)を取り出した。
次に、取り出したエアーブロンピッチをアトマイザーで粗粉砕した後、回転式の炉に入れ、圧縮空気を2L/分で流通させながら20℃/時間で昇温させ、250℃で3時間保持して不融化処理を施すことにより、不融化ピッチを得た。
得られた不融化ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、窒素気流下で、100℃/時間の昇温速度で1100℃まで昇温させ、1100℃で2時間の焼成を行った後、実施例1と同じ条件で粉砕処理を施して、炭素粉末を得た。
錨型攪拌装置を付したオートクレーブに、石炭系QIレスピッチ(QI:0.1〜0.5質量%、軟化点:82.5℃)1000gを入れ、窒素気流下で320℃まで加熱した後、圧縮空気を2L/分で流通させながらピッチ中に吹き込み、320℃で2時間加熱することにより、エアーブローイング反応による架橋処理を施した。その後、室温まで冷却し、内容物(エアーブロンピッチ)を取り出した。
次に、取り出したエアーブロンピッチをアトマイザーで粗粉砕した後、回転式の炉に入れ、圧縮空気を2L/分で流通させながら20℃/時間で昇温させ、250℃で3時間保持して不融化処理を施すことにより、不融化ピッチを得た。
得られた不融化ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、焼成炉にて600℃で1時間仮焼し、得られたもの(以下「仮焼ピッチ」という。)に実施例2と同じ条件で粉砕処理を施し、粉砕処理を施した仮焼ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、窒素気流下で、100℃/時間の昇温速度で1100℃まで昇温させ、1100℃で2時間の焼成を行い、炭素粉末を得た。
錨型撹拌装置を付したオートクレーブに、石油系QIレスピッチ(QI:0.1〜0.5質量%、軟化点:100℃)1000gを入れ、窒素気流下で320℃まで加熱した後、圧縮空気を2L/分で流通させながらピッチ中に吹き込み、320℃で2時間加熱することにより、エアーブローイング反応による架橋処理を施した。その後、室温まで冷却し、内容物(エアーブロンピッチ)を取り出した。
次に、取り出したエアーブロンピッチをアトマイザーで粗粉砕した後、回転式の炉に入れ、圧縮空気を2L/分で流通させながら20℃/時間で昇温させ、250℃で2時間保持して不融化処理を施すことにより、不融化ピッチを得た。
得られた不融化ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、窒素気流下で、100℃/時間の昇温速度で1100℃まで昇温させ、1100℃で2時間の焼成を行った。
最後に、実施例3と同じ粉砕条件で粉砕処理を行い、炭素粉末を得た。
錨型撹拌装置を付したオートクレーブに、石油系QIレスピッチ(QI:0.1〜0.5質量%、軟化点:200℃)1000gを入れ、窒素気流下で320℃まで加熱した後、圧縮空気を2L/分で流通させながらピッチ中に吹き込み、320℃で2時間加熱することにより、エアーブローイング反応による架橋処理を施した。その後、室温まで冷却し、内容物(エアーブロンピッチ)を取り出した。
次に、取り出したエアーブロンピッチをアトマイザーで粗粉砕した後、回転式の炉に入れ、圧縮空気を2L/分で流通させながら20℃/時間で昇温させ、250℃で2時間保持して不融化処理を施すことにより、不融化ピッチを得た。
得られた不融化ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、焼成炉にて600℃で1時間仮焼し、仮焼品(以下「仮焼ピッチ」という。)を得た。
次に、仮焼ピッチに、実施例2と同じ条件で粉砕処理を施した。
最後に、粉砕処理を施した仮焼ピッチ100gを黒鉛製の蓋付き容器に入れ、窒素気流下で、100℃/時間の昇温速度で1100℃まで昇温させ、1100℃で2時間の焼成を行い、炭素粉末を得た。
(炭素粉末の評価)
まず、実施例1〜6および比較例1〜4において得られた炭素粉末について、平均粒子径(単位:μm)、真比重(単位:g/cm3)、比表面積(CALC)(単位:m2/g)、比表面積(BET)(単位:m2/g)、および、比表面積比(BET/CALC)を、上述した方法によって測定した。結果を下記第1表に示す。
まず、得られた炭素粉末を負極材料として、負極合剤ペーストを調製した。具体的には、プラネタリーミキサーに、炭素粉末(95質量部)と、ポリビニリデンジフルオライドの12%N−メチルピロリジノン溶液(固形分で5質量部)とを入れ、100rpmで15分間攪拌し、さらに、N−メチルピロリジノンを追加して固形分比60%となるように調整して引き続き15分間攪拌を行い、負極合剤ペーストを調製した。
調製した負極合剤ペーストを、銅箔上に均一な厚さになるように塗布し、さらに送風乾燥機内に入れて100℃で溶媒を揮発させ、負極合剤層を形成した。次に、負極合剤層をローラープレスによって加圧し、さらに直径15.5mmの円形状に打ち抜くことで、銅箔からなる集電体に密着した負極合剤層を有する作用電極(負極)を作製した。なお、評価を行う前に、真空中100℃で8時間以上の乾燥を行なった。
エチレンカーボネート(33体積%)とメチルエチルカーボネート(67体積%)とを混合して得られた混合溶媒に、LiPF6を1mol/dm3となる濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。
次に、作製した作用電極(負極)を用いて、図1に示す評価用のコイン型二次電池(単に「評価電池」ともいう。)を作製した。図1は、評価用のコイン型二次電池を示す断面図である。
まず、リチウム金属箔をニッケルネットに押し付け、直径15.5mmの円形状に打ち抜くことにより、ニッケルネットからなる集電体7aに密着した、リチウム箔からなる円盤状の対極4を作製した。
次に、電解質溶液が含浸されたセパレータ5を、集電体7bに密着した作用電極(負極)2と、集電体7aに密着した対極4との間に挟んで積層した後、作用電極2を外装カップ1内に、対極4を外装缶3内に収容して、外装カップ1と外装缶3とを合わせ、外装カップ1と外装缶3との周縁部を、絶縁ガスケット6を介してかしめ、密閉することにより、評価電池を作製した。
作製された評価電池においては、外装カップ1と外装缶3との周縁部が絶縁ガスケット6を介してかしめられ、密閉構造が形成されている。密閉構造の内部には、図1に示すように、外装缶3の内面から外装カップ1の内面に向けて順に、集電体7a、対極4、セパレータ5、作用電極(負極)2、および、集電体7bが積層されている。
作製した評価電池について、25℃で以下の充放電試験を行なった。なお、本試験では、リチウムイオンを炭素粉末中にドープする過程を「充電」、炭素粉末から脱ドープする過程を「放電」とした。
まず、0.9mAの電流値で回路電圧が0mVに達するまで定電流充電を行い、回路電圧が0mVに達した時点で定電圧充電に切り替え、さらに、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1回目の充電容量(単位:mAh/g)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1回目の放電容量(単位:mAh/g)を求めた。
上記充放電試験の結果から、下記式に基いて初期効率(単位:%)を求めた。
初期効率=(1回目の放電容量/1回目の充電容量)×100
さらに、実施例2〜4のように、粉砕条件を変えることで、粒子径のコントロールが容易であることが分かった。
また、実施例1〜6の炭素粉末については、比表面積比(BET/CALC)の値が、比較例1〜4と比べて小さく、初期効率も優れることが分かった。
2 作用電極
3 外装缶
4 対極
5 セパレータ
6 絶縁ガスケット
7a 集電体
7b 集電体
Claims (6)
- 難黒鉛化性炭素材料の原料に架橋処理を施して架橋処理品を得る工程と、
前記架橋処理品に不融化処理を施して不融化処理品を得る工程と、
前記不融化処理品に対して粉砕処理を施す工程と、
前記粉砕処理が施された前記不融化処理品を900〜1300℃で焼成して難黒鉛化性炭素材料を得る工程と、
を備える難黒鉛化性炭素材料の製造方法。 - 前記不融化処理品に対して前記粉砕処理を施して平均粒子径を1〜15μmにする、請求項1に記載の難黒鉛化性炭素材料の製造方法。
- 窒素ガスの吸着によるBET法により求めた比表面積(BET)(単位:m2/g)と、平均粒子径(単位:μm)をDとし、真比重(単位:g/cm3)をρとした場合に、計算式「6/(D×ρ)」から求められる比表面積(CALC)(単位:m2/g)との比表面積比(BET/CALC)が、5.5以下である難黒鉛化性炭素材料を得る、請求項1または2に記載の難黒鉛化性炭素材料の製造方法。
- 窒素ガスの吸着によるBET法により求めた比表面積(BET)(単位:m2/g)と、平均粒子径(単位:μm)をDとし、真比重(単位:g/cm3)をρとした場合に、計算式「6/(D×ρ)」から求められる比表面積(CALC)(単位:m2/g)との比表面積比(BET/CALC)が、5.5以下である難黒鉛化性炭素材料。
- 請求項4に記載の難黒鉛化性炭素材料を含むリチウムイオン二次電池用負極材料。
- 請求項4に記載の難黒鉛化性炭素材料を負極材料として用いるリチウムイオン二次電池。
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