JP2013201125A - Nonaqueous secondary battery bilayer structure carbon material and nonaqueous secondary battery anode and nonaqueous secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系二次電池に用いる複層構造炭素材と、その材料を用いて形成された非水系二次電池用負極と、その負極を有する非水系二次電池に関するものである。 The present invention relates to a multilayer carbon material used for a non-aqueous secondary battery, a negative electrode for a non-aqueous secondary battery formed using the material, and a non-aqueous secondary battery having the negative electrode.
近年、電子機器の小型化に伴い、高容量の二次電池に対する需要が高まってきている。特に、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密度が高く、大電流充放電特性に優れた非水系二次電池が注目されてきている。 In recent years, demand for high-capacity secondary batteries has increased with the downsizing of electronic devices. In particular, non-aqueous secondary batteries having higher energy density and excellent large current charge / discharge characteristics have attracted attention as compared with nickel / cadmium batteries and nickel / hydrogen batteries.
非水系二次電池の負極材料としては、コストと耐久性の面で、黒鉛材料や非晶質炭素が使用されることが多い。そして、金属電極において充放電を繰り返すと電極溶媒中の金属がデンドライト状に析出して、最終的には正極及び負極を短絡させてしまう問題を解決し、また優れた放電容量、充放電効率及び急速充放電特性等を達成するために、種々の検討がなされている。 As a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery, a graphite material or amorphous carbon is often used in terms of cost and durability. And when charging / discharging in a metal electrode is repeated, the metal in an electrode solvent precipitates in a dendrite shape, and finally solves the problem of short-circuiting the positive electrode and the negative electrode, and has excellent discharge capacity, charge / discharge efficiency and Various studies have been made to achieve rapid charge / discharge characteristics and the like.
例えば特許文献1には、放電容量および充放電効率が大きなリチウム電池の電極用炭素材の製造方法として、メソフェーズ小球体を40℃/時以下の昇温速度で昇温しながら焼成すること、キノリン不溶分89.5重量%以上及び/又はトルエン不溶分93.6重量%以上のメソフェーズ小球体を炭素化すること、メソフェーズ小球体を粉砕することで、粒径d50を1.3〜15μmの粉粒体とした後、600〜1500℃の温度で炭素化するか、またはメソフェーズ小球体を600〜1500℃の温度で炭素化した後、粉砕して平均粒径d50が1.8〜15μmの粉粒体とすることを含む、電極用炭素材の製造方法が開示されている。 For example, in Patent Document 1, as a method for producing a carbon material for an electrode of a lithium battery having a large discharge capacity and charge / discharge efficiency, mesophase spherules are fired while being heated at a temperature rising rate of 40 ° C./hour or less, quinoline. Carbonization of mesophase spherules having an insoluble content of 89.5% by weight or more and / or toluene insolubles of 93.6% by weight or more, and pulverizing the mesophase spherules to obtain a powder having a particle size d50 of 1.3 to 15 μm After forming into granules, carbonize at a temperature of 600-1500 ° C. or carbonize mesophase spherules at a temperature of 600-1500 ° C. and then pulverize to obtain powder having an average particle size d50 of 1.8-15 μm The manufacturing method of the carbon material for electrodes including making it a granule is disclosed.
また特許文献2には、急速充放電特性と高い容量を得る為に、高い容量を保有するが、充填性の得にくい黒鉛質材料を球形に処理して得られる球形化処理黒鉛及び炭素質粒子を用いる方法、及び得られた球形化処理黒鉛と有機化合物とを混合した後に、その有機化合物を炭素化して得られる複層構造炭素材について開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses spheroidized graphite and carbonaceous particles obtained by processing a graphite material which has a high capacity but is difficult to obtain a filling property in order to obtain rapid charge / discharge characteristics and a high capacity. And a multilayer carbon material obtained by carbonizing the organic compound after mixing the obtained spheroidized graphite and the organic compound.
さらに特許文献3には、黒鉛性炭素質物に対し、黒鉛性炭素質物の表面に、該黒鉛性炭素質物100重量部に対する残炭量として12重量部以下0.1重量部以上となるような極微量(薄い)の有機物の炭化物が付着してなる電極材料が開示されており、それを用いることによって、黒鉛単独や従来の明確な複層構造炭素材に比べ、電気容量が高く、かつリテンションが低く抑えられた、極めて良好な電気的性能を有し、更に電解液に対する安全性も高い非水溶媒二次電池が得られる旨記載されている。 Further, Patent Document 3 discloses that an amount of carbon remaining on the surface of the graphitic carbonaceous material is 12 parts by weight or less and 0.1 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the graphitic carbonaceous material. An electrode material formed by adhering a small amount (thin) organic carbide is disclosed, and by using it, the electric capacity is higher and the retention is higher than that of graphite alone or a conventional clear multi-layer structure carbon material. It is described that a non-aqueous solvent secondary battery can be obtained that has a very good electrical performance that is suppressed to a low level and that is also highly safe against electrolytes.
特許文献4には、黒鉛質芯材の細孔容積、負極材料のd002、R値及びラマンスペクトルのピーク強度比を一定の範囲にすることで、良好な放電容量、初回充放電効率、レート特性およびサイクル特性を達成したリチウムイオン二次電池用負極材料が記載されている。当該文献の実施例では、黒鉛質芯材となる黒鉛化物の平均粒径は10μmとされている。 Patent Document 4 discloses that the discharge volume, the initial charge / discharge efficiency, the rate are improved by setting the pore volume of the graphite core material, the d 002 of the negative electrode material, the R value, and the peak intensity ratio of the Raman spectrum within a certain range. A negative electrode material for a lithium ion secondary battery that achieves characteristics and cycle characteristics is described. In the examples of this document, the average particle size of the graphitized material used as the graphite core material is 10 μm.
特許文献5には、少なくともビス(フルオロスルホニル)イミドアニオンからなるイオン液体とリチウム塩とを含有する電解液と正極と負極を有するリチウムイオン電池において、負極活物質が黒鉛粒子の表面に非晶質炭素を被覆または付着させたものであることを特徴とするリチウムイオン電池により、不可逆容量を低減させて容量を向上させたことが記載されている。当該文献においては、黒鉛粒子の粒径は何ら考慮されていない。 In Patent Document 5, in a lithium ion battery having an electrolyte containing at least an ionic liquid composed of bis (fluorosulfonyl) imide anion and a lithium salt, a positive electrode, and a negative electrode, the negative electrode active material is amorphous on the surface of the graphite particles. It is described that the irreversible capacity is reduced and the capacity is improved by a lithium ion battery characterized by being coated or adhered with carbon. In this document, no consideration is given to the particle size of the graphite particles.
特許文献6には、非晶質炭素で被覆した黒鉛粒子を負極活物質として使用するとともに、特定の組成の有機電解液を使用した非水系二次電池により、優れた電位平坦性や低温特性、容量を達成したことが記載されている。当該文献の実施例では、負極活物質の原料として粒径13〜18μm程度の黒鉛粒子が使用されている。 In Patent Document 6, graphite particles coated with amorphous carbon are used as a negative electrode active material, and a non-aqueous secondary battery using an organic electrolyte of a specific composition provides excellent potential flatness and low temperature characteristics, It is stated that the capacity has been achieved. In the examples of this document, graphite particles having a particle size of about 13 to 18 μm are used as a raw material for the negative electrode active material.
特許文献7には、天然黒鉛球状化粒子および/または天然黒鉛塊状化粒子が加圧処理された加圧黒鉛粒子の表面に炭化物からなる被覆層が形成されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用黒鉛材料により、優れた電極密度、初期効率及び負荷特性を達成したことが記載されている。当該発明において黒鉛材料の平均粒子径は5〜50μmと規定されているものの、実施例で実際に使用されているのは13μmのものまでである。 Patent Document 7 discloses a lithium ion secondary battery characterized in that a coating layer made of carbide is formed on the surface of pressurized graphite particles obtained by pressurizing natural graphite spheroidized particles and / or natural graphite agglomerated particles. It is described that an excellent electrode density, initial efficiency, and load characteristics have been achieved by a graphite material for a secondary battery. In the present invention, although the average particle diameter of the graphite material is defined as 5 to 50 μm, the actual material used in the examples is up to 13 μm.
特許文献8には、X線広角回折法による002面の面間隔、タップ密度、ラマンスペクトルにおけるピーク強度比等が一定の範囲にある二種類の炭素材料を含む負極材料により、優れた急速充放電特性とサイクル特性を達成したことが記載されている。当該負極材料を構成する二種類の炭素材料の平均粒径は2〜30μmと規定されているものの、実施例で実際に製造された前記炭素材料の平均粒径は、11.6〜13.4μmである。 Patent Document 8 describes excellent rapid charge / discharge by using a negative electrode material containing two types of carbon materials in which the spacing between 002 planes, tap density, peak intensity ratio in Raman spectrum, etc. are in a certain range by X-ray wide angle diffraction method. It describes that the characteristics and cycle characteristics have been achieved. Although the average particle diameter of the two types of carbon materials constituting the negative electrode material is defined as 2 to 30 μm, the average particle diameter of the carbon material actually produced in the examples is 11.6 to 13.4 μm. It is.
特許文献9には、平均粒径が10〜30μmで、低結晶性炭素被覆層形成前後の比表面積が特定の比率範囲で低減するよう製造された低結晶性炭素被覆黒鉛により、電解液の分解を抑制し、充放電効率とサイクル寿命を改善したことが記載されている。なお、当該文献の実施例では平均粒径が10〜30μmで、黒鉛粉末を2.0〜4.5質量%のピッチを使用して被覆した様々な条件の炭素材料が検討されているが、低結晶性炭素被覆層形成前の比表面積がもともと小さい大粒径品(平均粒径>19μm)を用いた場合には、低結晶性炭素被覆層形成前後の比表面積を特定の範囲内とするために、ピッチ量を4.5質量%と比較的高く設定されている。 Patent Document 9 discloses that an electrolytic solution is decomposed by low crystalline carbon-coated graphite having an average particle size of 10 to 30 μm and a specific surface area before and after the formation of the low crystalline carbon coating layer is reduced in a specific ratio range. It is described that charging / discharging efficiency and cycle life are improved. In addition, in the examples of the document, carbon materials of various conditions in which the average particle diameter is 10 to 30 μm and the graphite powder is coated using a pitch of 2.0 to 4.5% by mass are studied. When a product with a large particle size (average particle size> 19 μm) whose specific surface area before the formation of the low crystalline carbon coating layer is originally used is used, the specific surface area before and after the formation of the low crystalline carbon coating layer is within a specific range. Therefore, the pitch amount is set to a relatively high value of 4.5% by mass.
特許文献10には、平均厚みと平均直径の比、d10とd90との比、ならびに4μm以下の粒子の体積含有率が4%以下の黒鉛粉末を用いた非水電解質二次電池により、優れた放電特性及びサイクル寿命特性を達成したことが記載されている。当該文献の特許請求の範囲では黒鉛粉末の平均粒径は10〜35μmと規定されており、また実施例では、炭素粉末を5重量%の石油系タールピッチで被覆している。 In Patent Document 10, the ratio of the average thickness to the average diameter, the ratio between d10 and d90, and the nonaqueous electrolyte secondary battery using the graphite powder having a volume content of particles of 4 μm or less of 4% or less are excellent. It is described that discharge characteristics and cycle life characteristics have been achieved. In the claims of this document, the average particle size of the graphite powder is defined as 10 to 35 μm, and in the examples, the carbon powder is coated with 5 wt% petroleum-based tar pitch.
特許文献11には、低結晶性炭素材料で被覆した黒鉛と、特定の炭素材料とで構成されたリチウム二次電池用負極炭素材により、優れた容量密度や入出力特性を達成したことが記載されている。当該文献の実施例においては、前記黒鉛としてD50が21.5μmのものが、前記炭素材料としてD50が10.5μmのものが製造されている。 Patent Document 11 describes that excellent capacity density and input / output characteristics are achieved by a negative electrode carbon material for a lithium secondary battery composed of graphite coated with a low crystalline carbon material and a specific carbon material. Has been. In the examples of this document, the graphite having a D50 of 21.5 μm and the carbon material having a D50 of 10.5 μm are manufactured.
特許文献12には、(b)体積平均粒径が2〜70μm、(c)タップ密度が0.80g/cm3以上、(d)平均円形度が0.94以上、(e)波長514.5nmのアルゴンイオンレーザー光を用いたアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける、1580cm−1の散乱強度に対する1360cm−1の散乱強度の比であるR値が0.15以上である複層構造炭素質物により、プレス荷重が低く抑えられ、その結果高い放電容量及び初期充放電時の不可逆容量を低くできることが記載されている。当該文献の実施例で製造された複層構造炭素質物の体積平均粒径は、16.4〜16.8μmである。 In Patent Document 12, (b) a volume average particle diameter of 2 to 70 μm, (c) a tap density of 0.80 g / cm 3 or more, (d) an average circularity of 0.94 or more, (e) a wavelength of 514. in an argon ion laser Raman spectrum using argon ion laser light of 5 nm, the multilayer structure carbonaceous material is R value is the ratio of the scattering intensity of 1360 cm -1 relative scattering intensity 1580 cm -1 is 0.15 or more, a press It is described that the load can be kept low, and as a result, the high discharge capacity and the irreversible capacity during initial charge / discharge can be lowered. The volume average particle diameter of the multilayer structure carbonaceous material produced in the examples of the document is 16.4 to 16.8 μm.
特許文献13には、芯材となる黒鉛系材料を有機化合物に10〜300℃で浸漬させ、浸漬させた黒鉛系材料を分離し、この分離した黒鉛系材料に有機溶媒を加え10〜300℃で洗浄処理した後、炭化して得られる炭素粒子または炭素粒子の集合体からなる粒子の周囲の表面が低結晶性炭素で覆われている炭素材を解砕・分級して粒度調整することを特徴とする炭素材の製造方法により、充放電特性に優れた安全性の高いリチウム二次電池を提供したことが記載されている。前記低結晶性炭素の厚みは0.01〜0.1μm程度とされ、また実施例では数平均粒子径が10μmの炭素材が製造されている。 In Patent Document 13, a graphite-based material as a core material is immersed in an organic compound at 10 to 300 ° C., the immersed graphite-based material is separated, and an organic solvent is added to the separated graphite-based material at 10 to 300 ° C. After the cleaning process, the carbon material obtained by carbonization or carbon particles aggregated from the carbon particles is crushed and classified to adjust the particle size. It is described that a highly safe lithium secondary battery having excellent charge / discharge characteristics is provided by the carbon material manufacturing method. The thickness of the low crystalline carbon is about 0.01 to 0.1 μm, and in the examples, a carbon material having a number average particle diameter of 10 μm is manufactured.
特許文献14には、黒鉛粒子の表面に結晶性炭素の被覆層が形成された平均粒子径が100μm以下の負極材料であって、前記黒鉛粒子がその内部に褶曲した積層構造を有することを特徴とするリチウム二次電池用負極材料により、エネルギー密度の高いリチウム二次電池の製造を可能にしたことが記載されている。当該文献の実施例においては、平均粒子径25.4μmの球状化黒鉛粒子が使用され、これに3〜14%の炭素被覆を行っている。 Patent Document 14 is a negative electrode material having an average particle diameter of 100 μm or less in which a coating layer of crystalline carbon is formed on the surface of graphite particles, and the graphite particles have a laminated structure in which the graphite particles are bent. It is described that the production of a lithium secondary battery having a high energy density is enabled by the negative electrode material for a lithium secondary battery. In the examples of the document, spheroidized graphite particles having an average particle diameter of 25.4 μm are used, and 3 to 14% carbon coating is applied thereto.
特許文献15には、炭素質粒子の表面を非晶質炭素で被覆した複合炭素材を備え、非水電解質溶媒として特定の化合物を特定量含む非水電解質二次電池により、優れた充放電特性及びサイクル特性を達成したことが記載されている。当該文献の実施例では、前記炭素質粒子として平均粒径20μmの鱗片状天然黒鉛が使用されている。 Patent Document 15 includes a composite carbon material in which the surface of carbonaceous particles is coated with amorphous carbon, and a non-aqueous electrolyte secondary battery containing a specific amount of a specific compound as a non-aqueous electrolyte solvent has excellent charge / discharge characteristics. And that the cycle characteristics have been achieved. In the examples of this document, scaly natural graphite having an average particle diameter of 20 μm is used as the carbonaceous particles.
ところで、黒鉛系非水系二次電池用炭素材の粉末で非水系二次電池用負極を構成する場合、粉末とバインダとを混合し、これに分散媒を加えてスラリーを作成し、そのスラリーを集電体である金属箔に塗布し、その後、分散媒を乾燥する方法が一般的に用いられている。 By the way, when composing a negative electrode for a non-aqueous secondary battery with a powder of a carbon material for a graphite-based non-aqueous secondary battery, the powder and a binder are mixed, and a dispersion medium is added thereto to create a slurry. A method of applying to a metal foil as a current collector and then drying the dispersion medium is generally used.
この際、粉末の集電体への圧着と電極の極板厚みの均一化、極板容量の向上を目的として、更に圧延を掛ける工程を設けるのが一般的である。この圧延工程により、負極の極板密度は向上し、電池の体積あたりのエネルギー密度は更に向上する。 At this time, it is common to provide a step of further rolling for the purpose of pressing the powder to the current collector, making the electrode plate thickness uniform, and improving the electrode plate capacity. By this rolling step, the electrode plate density of the negative electrode is improved, and the energy density per volume of the battery is further improved.
極板厚みの均一化ということを考慮すると、黒鉛系非水系二次電池用炭素材の粒径はある程度小さくすることが有利であると考えられ、実際特許文献1に開示された発明においては、電極用炭素材の粒径は15μm以下とされている。 Considering that the thickness of the electrode plate is uniform, it is considered advantageous to reduce the particle size of the graphite-based nonaqueous secondary battery carbon material to some extent. In fact, in the invention disclosed in Patent Document 1, The particle size of the carbon material for electrodes is 15 μm or less.
また、特許文献4,6,7,8,12,13の文献においても、実施例レベルで実際に製造されたものの粒径は18μm程度までである。 Also in Patent Documents 4, 6, 7, 8, 12, and 13, the particle size of those actually manufactured at the example level is up to about 18 μm.
また、極板密度を高めるためには、圧延の圧力は高くなる。しかしながら、従来の黒鉛系非水系二次電池用炭素材では、高容量を達成するのに十分な圧力で圧延を行うと、炭素材にダメージが与えられて材料破壊が起こり、初期サイクル時の充放電不可逆容量が増え、結果として高容量化が達成できないという問題がある。 Moreover, in order to increase an electrode plate density, the pressure of rolling becomes high. However, with conventional carbon materials for non-aqueous secondary batteries, if rolling is performed at a pressure sufficient to achieve a high capacity, the carbon material is damaged and material destruction occurs. There is a problem that the irreversible capacity of discharge increases, and as a result, high capacity cannot be achieved.
そこで本発明は、このような問題点を解決し、材料破壊が起こらず充放電不可逆容量が小さく抑えられる程度の圧力での圧延でも、高容量を達成することのできる非水系二次電池用の炭素材を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves such problems, and for non-aqueous secondary batteries that can achieve a high capacity even by rolling at a pressure that does not cause material destruction and the charge-discharge irreversible capacity can be kept small. The object is to provide a carbon material.
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、意外にも平均粒径が大きい球状の黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部に炭素質物を従来よりも薄く被覆することによって製造される複層構造炭素材を負極材に用いることにより、材料破壊を起こさない程度の圧力での圧延でも、十分に容量の高い非水系二次電池用電極が得られることを見出し、本発明に至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors surprisingly applied at least a part of the surface of spherical graphite particles having a large average particle diameter to a carbonaceous material thinner than before. By using the produced multi-layer structure carbon material as a negative electrode material, it has been found that a sufficiently high capacity non-aqueous secondary battery electrode can be obtained even by rolling at a pressure that does not cause material destruction. It came to.
従来の黒鉛粒子の球形化技術では、球形状になるように処理すると黒鉛粒子が小さくなり、平均粒径の大きな球状の黒鉛粒子を製造することは困難であった。しかし近年の球形化処理技術の進歩により大きな平均粒径と高い円形度を同時に達成することができるようになった。 In the conventional spheroidizing technique of graphite particles, when the particles are processed so as to have a spherical shape, the graphite particles become small, and it is difficult to produce spherical graphite particles having a large average particle diameter. However, recent advances in spheroidization technology have made it possible to simultaneously achieve a large average particle size and high circularity.
従来の小粒径の黒鉛を炭素質物で被覆して得られた炭素材料を使用して電極を製造すると、電極プレスに相応の圧力が必要であり、これにより上記の通り材料破壊が起こり、電解液との副反応が増加する。また、粒子内に有する空隙が少なく、かつ小さく分断された構造をとるために前記炭素材料は硬く変形しにくいので、電極において炭素材料の粒子間接点が小さく(点接触である)それゆえ粒子間の接着力が弱く、電極強度が低い。 When an electrode is manufactured using a carbon material obtained by coating a conventional graphite having a small particle size with a carbonaceous material, an appropriate pressure is required for the electrode press. Side reaction with liquid increases. In addition, since the carbon material is hard and not easily deformed because it has a small and divided structure in the particles, the particle indirect points of the carbon material at the electrode are small (point contact), and therefore between the particles. The adhesive strength is weak and the electrode strength is low.
これに対して本発明によれば、大粒径化した黒鉛質粒子を従来に比べて少量の炭素質物で被覆するため、得られた炭素材粒子は軟らかく電極を形成するために強いプレスが不要である。このため電極の製造時に炭素材の材料破壊が起こりにくく、また当該炭素材は柔らかく変形しやすいため、電極において粒子間接点が大きく(面接触である)それゆえ粒子間の接着力が高い。 On the other hand, according to the present invention, since the graphite particles having a large particle size are coated with a smaller amount of carbonaceous material than before, the obtained carbon material particles are soft and do not require a strong press to form an electrode. It is. For this reason, the material of the carbon material is not easily broken during the production of the electrode, and the carbon material is soft and easily deformed. Therefore, the particle indirect point is large (surface contact) in the electrode, and thus the adhesive force between the particles is high.
すなわち、本発明の要旨は、黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部が炭素質物で被覆されてなり、下記条件(1)〜(3)を満たすことを特徴とする非水系二次電池用複層構造炭素材:
(1)該複層構造炭素材の平均粒径d50が19.1μm以上50μm以下である
(2)該複層構造炭素材の円形度が0.88以上である
(3)下記に定義される圧延荷重(P)と、該複層構造炭素材のd50との比(P/d50)が30以下である:
P=(前記複層構造炭素材を使用し、前記複層構造炭素材に対して1質量%のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と1質量%のスチレン・ブタジエンゴムをバインダーとして含む負極活物質を集電体上に12.0mg/cm2の量で付着させた負極活物質層を作製し、前記負極活物質層の密度を1.6g/cm3になるよう圧延するのに必要な線圧(kg/5cm))
に存する。
That is, the gist of the present invention is that a multilayer for a non-aqueous secondary battery is characterized in that at least a part of the surface of the graphite particles is coated with a carbonaceous material and satisfies the following conditions (1) to (3): Structural carbon material:
(1) The average particle diameter d50 of the multi-layer structure carbon material is 19.1 μm or more and 50 μm or less (2) The circularity of the multi-layer structure carbon material is 0.88 or more (3) The ratio (P / d50) between the rolling load (P) and d50 of the multilayer carbon material is 30 or less:
P = (collecting negative electrode active material using the multi-layer structure carbon material and containing 1% by mass of carboxymethyl cellulose sodium salt and 1% by mass of styrene-butadiene rubber as a binder with respect to the multi-layer structure carbon material. A negative electrode active material layer deposited on the negative electrode active material layer in an amount of 12.0 mg / cm 2 was prepared, and the linear pressure (kg / kg) required to roll the negative electrode active material layer to a density of 1.6 g / cm 3. 5cm))
Exist.
本発明で得られた非水系二次電池用負極を用いた非水系二次電池は、その負極において負極材料の材料破壊が非常に起こりにくく電解液との副反応が低減しており、これにより初期効率が向上し、また初期不可逆容量も小さいので高容量を達成することができる。さらに、負極となる本発明の非水系二次電池用複層構造炭素材は柔らかいため負極における炭素材粒子間の接着力が強く、優れた負極強度が達成される。 In the non-aqueous secondary battery using the negative electrode for non-aqueous secondary battery obtained in the present invention, material destruction of the negative electrode material hardly occurs in the negative electrode, and the side reaction with the electrolytic solution is reduced. Since the initial efficiency is improved and the initial irreversible capacity is small, a high capacity can be achieved. Furthermore, since the multi-layer structure carbon material for non-aqueous secondary batteries of the present invention to be a negative electrode is soft, the adhesion between the carbon material particles in the negative electrode is strong, and an excellent negative electrode strength is achieved.
以下、本発明の内容を詳細に述べる。なお、以下に記載する発明構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨をこえない限り、これらの形態に特定されるものではない。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. The description of the invention constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these forms unless it exceeds the gist.
[非水系二次電池用複層構造炭素材]
本発明の非水系二次電池用複層構造炭素材(以下、単に「本発明の複層構造炭素材」ともいう)は、黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部が炭素質物で被覆されてなり、下記条件(1)〜(3)を全て満たすことを特徴としている。なお本明細書でいう複層とは、黒鉛質粒子(核黒鉛)の表面の少なくとも一部又は全面が炭素質物で被覆、又は添着されている態様をいう。この態様は下記に示す物性やSEM写真等で確認することができる。
[Multi-layer carbon material for non-aqueous secondary batteries]
The multi-layer structure carbon material for non-aqueous secondary batteries of the present invention (hereinafter also simply referred to as “multi-layer structure carbon material of the present invention”) is obtained by coating at least part of the surface of the graphite particles with a carbonaceous material. The following conditions (1) to (3) are all satisfied. The term “multilayer” as used herein refers to an embodiment in which at least a part or the entire surface of the graphite particles (nuclear graphite) is coated or attached with a carbonaceous material. This aspect can be confirmed by the following physical properties and SEM photographs.
(1)複層構造炭素材の平均粒径d50が19.1μm以上50μm以下であること
(2)該複層構造炭素材の円形度が0.88以上であること
(3)下記に定義される圧延荷重(P)と、該複層構造炭素材のd50との比(P/d50)が30以下であること:
P=(前記複層構造炭素材を使用し、前記複層構造炭素材に対して1質量%のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と1質量%のスチレン・ブタジエンゴムをバインダーとして含む負極活物質を集電体上に12.0mg/cm2の量で付着させた負極活物質層を作製し、前記負極活物質層の密度を1.6g/cm3になるよう圧延するのに必要な線圧(kg/5cm))
(1) The average particle diameter d50 of the multi-layer structure carbon material is 19.1 μm or more and 50 μm or less (2) The circularity of the multi-layer structure carbon material is 0.88 or more (3) The ratio (P / d50) between the rolling load (P) and the d50 of the multilayer carbon material is 30 or less:
P = (collecting negative electrode active material using the multi-layer structure carbon material and containing 1% by mass of carboxymethyl cellulose sodium salt and 1% by mass of styrene-butadiene rubber as a binder with respect to the multi-layer structure carbon material. A negative electrode active material layer deposited on the negative electrode active material layer in an amount of 12.0 mg / cm 2 was prepared, and the linear pressure (kg / kg) required to roll the negative electrode active material layer to a density of 1.6 g / cm 3. 5cm))
以下、これらの条件及び本発明の複層構造炭素材が満たすことが好ましい条件について順に説明する。なお、本発明においては上記条件(1)〜(3)を満たす複層構造炭素材を1種単独で用いても、他の炭素材を組み合わせて併用してもよい。 Hereinafter, these conditions and conditions preferably satisfied by the multilayer structure carbon material of the present invention will be described in order. In the present invention, a multilayer structure carbon material satisfying the above conditions (1) to (3) may be used alone or in combination with other carbon materials.
(1)体積基準平均粒径(平均粒径d50)
本発明の複層構造炭素材の体積基準平均粒径(「平均粒径d50」とも記載する)は19.1μm以上、好ましくは20.1μm以上、更に好ましくは22μm以上、特に好ましくは24μm以上であり、また平均粒径d50は50μm以下、より好ましくは40μm以下、更に好ましくは35μm以下、特に好ましくは31μm以下である。平均粒径d50が小さすぎると、粒子の圧縮成型時の充填性が低下して圧延荷重(P)が増大する傾向がある。また、前記炭素材を用いて得られる非水系二次電池の不可逆容量の増加、初期電池容量の損失を招く傾向があり、一方平均粒径d50が大きすぎるとスラリー塗布における筋引きなどの工程不都合の発生、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。
(1) Volume-based average particle diameter (average particle diameter d50)
The volume-based average particle diameter (also referred to as “average particle diameter d50”) of the multi-layer structure carbon material of the present invention is 19.1 μm or more, preferably 20.1 μm or more, more preferably 22 μm or more, and particularly preferably 24 μm or more. The average particle diameter d50 is 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, still more preferably 35 μm or less, and particularly preferably 31 μm or less. When the average particle diameter d50 is too small, the filling property at the time of compression molding of the particles tends to decrease and the rolling load (P) tends to increase. In addition, the non-aqueous secondary battery obtained by using the carbon material tends to increase the irreversible capacity and cause loss of the initial battery capacity. On the other hand, if the average particle size d50 is too large, the process disadvantages such as striation in slurry application. Generation, high current density charge / discharge characteristics, and low temperature input / output characteristics may be deteriorated.
また、本明細書において平均粒径d50は、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート(例として、ツィーン20(登録商標)が挙げられる)の0.2質量%水溶液10mLに、複層構造炭素材0.01gを懸濁させ、これを測定サンプルとして市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(例えばHORIBA製LA−920)に導入し、測定サンプルに28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、前記測定装置において体積基準のメジアン径として測定したものであると定義する。 Further, in this specification, the average particle diameter d50 is obtained by multiplying 10 mL of a 0.2% by mass aqueous solution of polyoxyethylene sorbitan monolaurate (for example, Tween 20 (registered trademark)), which is a surfactant, into multiple layers. Suspend 0.01 g of the structural carbon material, and introduce it as a measurement sample into a commercially available laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (for example, LA-920 manufactured by HORIBA), and output 28 kHz ultrasonic waves to the measurement sample at an output of 60 W. After irradiation for 1 minute, the volume is defined as a volume-based median diameter measured by the measurement apparatus.
(2)円形度
本発明の複層構造炭素材の円形度は、0.88以上、好ましくは0.90以上、より好ましくは0.91以上である。また、円形度は通常1以下、好ましくは0.98以下、より好ましくは0.97以下である。円形度が小さすぎると、非水系二次電池の高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。なお、円形度は以下の式で定義され、円形度が1のときに理論的真球となる。
(2) Circularity The circularity of the multi-layer structure carbon material of the present invention is 0.88 or more, preferably 0.90 or more, more preferably 0.91 or more. Further, the circularity is usually 1 or less, preferably 0.98 or less, more preferably 0.97 or less. If the circularity is too small, the high current density charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary battery tend to deteriorate. The circularity is defined by the following formula, and when the circularity is 1, a theoretical sphere is obtained.
円形度
=(粒子投影形状と同じ面積を持つ相当円の周囲長)/(粒子投影形状の実際の周囲長)
Circularity = (perimeter of equivalent circle having the same area as the particle projection shape) / (actual circumference of particle projection shape)
円形度の値としては、例えば、フロー式粒子像分析装置(例えば、シスメックスインダストリアル社製FPIA)を用い、試料(複層構造炭素材)約0.2gを、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約50mL)に分散させ、分散液に28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、検出範囲を0.6〜400μmに指定し、粒径が1.5〜40μmの範囲の粒子について測定した値を用いる。 As the circularity value, for example, a flow type particle image analyzer (for example, FPIA manufactured by Sysmex Industrial Co., Ltd.) is used, and about 0.2 g of a sample (multi-layer structure carbon material) is added to polyoxyethylene (surfactant). 20) Disperse in a 0.2% by weight aqueous solution of sorbitan monolaurate (about 50 mL), irradiate the dispersion with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, specify a detection range of 0.6 to 400 μm, The value measured for particles having a particle size in the range of 1.5 to 40 μm is used.
円形度を向上させる方法は特に限定されないが、球形化処理を施して球形にしたものが、負極としたときの粒子間空隙の形状が整うので好ましい。球形化処理の例としては、せん断力、圧縮力を与えることによって機械的に球形に近づける方法、複数の複層構造炭素材微粒子を、バインダもしくは粒子自身の有する付着力によって造粒する機械的・物理的処理方法等が挙げられる。 A method for improving the degree of circularity is not particularly limited, but a spheroidized sphere is preferable because the shape of the interparticle voids when the negative electrode is formed is preferable. Examples of spheroidizing treatment include a method of mechanically approaching a sphere by applying a shearing force and a compressive force, and a mechanical / granularization of a plurality of multi-layered carbon material particles by the adhesive force of the binder or the particles themselves. Examples include physical processing methods.
従来の球形化処理技術では、以上説明したような高い円形度を達成しようとすると、炭素材の平均粒径が小さくなってしまったが、近年の技術の進歩により、高い円形度と大きな平均粒径とを両立できるようになった。 In the conventional spheronization processing technology, when trying to achieve the high circularity as described above, the average particle diameter of the carbon material has been reduced. It has become possible to balance the diameter.
(3)圧延荷重(P)と複層構造炭素材のd50との比
本発明の複層構造炭素材においては、それに対して1質量%のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と1質量%のスチレン・ブタジエンゴムをバインダーとして含む負極活物質を集電体上に12.0mg/cm2の量で付着させた負極活物質層を作製し、前記負極活物質層の密度を1.6g/cm3になるよう圧延するのに必要な線圧(kg/5cm)である圧延荷重(P)と、複層構造炭素材の平均粒径d50との比(P/d50)が30以下であり、好ましくは3〜25であり、より好ましくは4〜22である。
(3) Ratio of rolling load (P) to d50 of the multilayer carbon material In the multilayer carbon material of the present invention, 1% by mass of carboxymethylcellulose sodium salt and 1% by mass of styrene-butadiene rubber are obtained. A negative electrode active material layer is prepared by adhering a negative electrode active material containing a binder as a binder to the current collector in an amount of 12.0 mg / cm 2 , and the density of the negative electrode active material layer is 1.6 g / cm 3. The ratio (P / d50) between the rolling load (P), which is the linear pressure (kg / 5 cm) required for rolling, and the average particle diameter d50 of the multilayer carbon material is 30 or less, preferably 3 to 25, more preferably 4-22.
本発明の複層構造炭素材の粒子は、炭素質物の添着量を特定の範囲以下とすることにより従来の炭素材粒子と比べて軟らかいので、同じd50であっても圧延荷重(P)をより小さくすることが可能となり、従来の炭素材よりもP/d50の比が小さくなる。また、この比は3程度が負極の製造時の事実上の下限値である。 The particles of the multi-layer structure carbon material of the present invention are softer than the conventional carbon material particles by making the amount of carbonaceous material adhering to a specific range or less, so even if the d50 is the same, the rolling load (P) is higher. It becomes possible to make it small, and the ratio of P / d50 becomes smaller than the conventional carbon material. Further, this ratio is about 3 as a practical lower limit at the time of manufacturing the negative electrode.
本発明の非水系二次電池用複層構造炭素材は、上記要件を満たせば、上記した本発明の効果を奏して十分性能を発揮することが可能であるが、更に、以下に示す条件(4)〜(16)の何れか1つ又は複数を同時に満たしていることが好ましい。特に以下の条件(4)を満たしていることが好ましい。 The multilayer structure carbon material for a non-aqueous secondary battery of the present invention can exhibit the above-described effects of the present invention as long as the above requirements are satisfied. It is preferable that any one or more of 4) to (16) is satisfied at the same time. It is particularly preferable that the following condition (4) is satisfied.
(4)炭素質物の添着量
本発明の複層構造炭素材における炭素質物の添着量は、黒鉛質粒子に対する炭素質物の被覆量を示すものであり、本発明においてはこれは0.01〜2.7質量%であり、好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3%以上、特に好ましくは0.7質量%以上であり、また前記添着量は、好ましくは2.5質量%以下、より好ましくは2.3質量%以下、更に好ましくは2.1質量%以下、特に好ましくは1.8質量%以下、最も好ましくは1.3質量%以下である。
(4) Amount of carbonaceous material attached The amount of carbonaceous material attached to the multi-layer structure carbon material of the present invention indicates the amount of carbonaceous material coated on the graphite particles. In the present invention, this is 0.01-2. 0.7% by mass, preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% or more, particularly preferably 0.7% by mass or more, and the amount of attachment is preferably 2.5% by mass. Hereinafter, it is more preferably 2.3% by mass or less, further preferably 2.1% by mass or less, particularly preferably 1.8% by mass or less, and most preferably 1.3% by mass or less.
添着量が2.7質量%を超えると、非水系二次電池において高容量を達成する為に十分な圧力で圧延を行った場合に、炭素材にダメージが与えられて材料破壊が起こり、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。 When the amount of adhesion exceeds 2.7% by mass, when rolling is performed at a pressure sufficient to achieve a high capacity in a non-aqueous secondary battery, the carbon material is damaged and material destruction occurs. There is a tendency to increase the irreversible capacity during charge and discharge during cycles and to reduce the initial efficiency.
一方、添着量が0.01質量%より小さいと、複層となっている効果が得られにくくなる傾向がある。すなわち、電池において電解液との副反応を十分に抑制できず、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。炭素質物の層は薄くても黒鉛質粒子の表面の大部分にわたって均一に存在していれば、本発明の効果を奏することができるが、炭素質物の量が少なくなりすぎて、黒鉛質粒子そのものが本発明の複層構造炭素材の最表面に多くあらわれると、本発明の効果が得られにくくなる。 On the other hand, if the amount of attachment is less than 0.01% by mass, the effect of forming a multilayer tends to be difficult to obtain. That is, the side reaction with the electrolytic solution in the battery cannot be sufficiently suppressed, and the charge / discharge irreversible capacity during the initial cycle tends to increase and the initial efficiency tends to decrease. Even if the carbonaceous material layer is thin, if it exists uniformly over most of the surface of the graphite particles, the effect of the present invention can be obtained, but the amount of the carbonaceous material becomes too small, and the graphite particles themselves However, if many appear on the outermost surface of the multi-layer structure carbon material of the present invention, the effect of the present invention is hardly obtained.
また、本発明における炭素質物の添着量は、材料焼成前後のサンプル質量より算出できる(後述する通り、本発明の複層構造炭素材は、黒鉛質粒子と炭素前駆体を混合し、焼成などの加熱処理をすることにより得られる)。なおこのとき、黒鉛質粒子の焼成前後質量変化はないものとして計算する。 Further, the amount of carbonaceous material attached in the present invention can be calculated from the mass of the sample before and after firing the material (as will be described later, the multilayered carbon material of the present invention is obtained by mixing graphite particles and a carbon precursor, Obtained by heat treatment). At this time, the calculation is performed on the assumption that there is no mass change before and after firing the graphite particles.
w1を焼成前黒鉛質粒子質量(kg)、w2を焼成後複層構造炭素材粒子質量(kg)とすると、
炭素質物の添着量(質量%)=[(w2−w1)/w2]×100
として計算される。
If w1 is the mass of graphite particles before firing (kg), and w2 is the mass of multilayered carbon material particles after firing (kg),
Amount of carbonaceous material attached (mass%) = [(w2-w1) / w2] × 100
Is calculated as
(5)タップ密度
本発明の複層構造炭素材のタップ密度は0.8g/cm3以上1.30g/cm3以下であり、好ましくは0.90g/cm3以上1.20g/cm3以下であり、より好ましくは0.95g/cm3以上1.10g/cm3以下である。
(5) The tap density of the multilayer structure carbonaceous material for tap density present invention is 0.8 g / cm 3 or more 1.30 g / cm 3 or less, preferably 0.90 g / cm 3 or more 1.20 g / cm 3 or less by weight, more preferably 0.95 g / cm 3 or more 1.10 g / cm 3 or less.
タップ密度が0.8g/cm3未満であると、極板化する際に負極形成材料スラリーがスジ引きして、工程上問題となる傾向がある。一方タップ密度が1.30g/cm3を超えると、複層構造炭素材の粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる傾向がある。 When the tap density is less than 0.8 g / cm 3 , the negative electrode forming material slurry tends to streak when forming an electrode plate, which tends to cause a problem in the process. On the other hand, when the tap density exceeds 1.30 g / cm 3 , the carbon density in the particle of the multilayer structure carbon material is increased, the rolling property is insufficient, and it is difficult to form a high-density negative electrode sheet.
前記タップ密度は、粉体密度測定器を用い、直径1.6cm、体積容量20cm3の円筒状タップセルに、目開き300μmの篩を通して本発明の複層構造炭素材を落下させて、セルに満杯に充填した後、ストローク長10mmのタップを1000回行なって、その時の体積と試料の質量から求めた密度として定義する。 The tap density is measured by dropping the multi-layer structure carbon material of the present invention through a sieve having a mesh size of 300 μm into a cylindrical tap cell having a diameter of 1.6 cm and a volume capacity of 20 cm 3 using a powder density measuring device. Then, a tap having a stroke length of 10 mm is performed 1000 times and defined as the density obtained from the volume at that time and the mass of the sample.
(6)X線パラメータ
本発明の複層構造炭素材の、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd値(層間距離)は、通常0.337nm以下である。d002値が大きすぎるということは結晶性が低いことを示し、非水系二次電池とした場合に初期不可逆容量が増加する場合がある。一方黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.335nmであるため、前記d値は通常0.335nm以上である。
(6) X-ray parameter The d-value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method of the multilayer carbon material of the present invention is usually 0.337 nm or less. If the d002 value is too large, it indicates that the crystallinity is low, and the initial irreversible capacity may increase when a non-aqueous secondary battery is used. On the other hand, since the theoretical value of the interplanar spacing of the 002 plane of graphite is 0.335 nm, the d value is usually 0.335 nm or more.
また、学振法によるX線回折で求めた前記複層構造炭素材の結晶子サイズ(Lc)は、通常1.5nm以上、好ましくは3.0nm以上の範囲である。この範囲を上回ると、結晶性が低い粒子となり、非水系二次電池とした場合に可逆容量が減少してしまう可能性がある。なお、Lcの下限は黒鉛の理論値である。 The crystallite size (Lc) of the multilayer carbon material obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 1.5 nm or more, preferably 3.0 nm or more. Above this range, particles with low crystallinity are produced, and the reversible capacity may be reduced when a non-aqueous secondary battery is used. The lower limit of Lc is the theoretical value of graphite.
(7)灰分
本発明の複層構造炭素材に含まれる灰分は、複層構造炭素材の全質量に対して、通常1質量%以下、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましい。また、灰分の下限は1ppm以上であることが好ましい。
(7) Ash content The ash content contained in the multilayer structure carbon material of the present invention is usually preferably 1% by mass or less and 0.5% by mass or less based on the total mass of the multilayer structure carbon material. More preferably, it is 1 mass% or less. Moreover, it is preferable that the minimum of ash content is 1 ppm or more.
灰分が前記の範囲を上回ると非水系二次電池とした場合に、充放電時の複層構造炭素材と電解液との反応による電池性能の劣化が無視できなくなる場合がある。一方前記の範囲を下回ると、炭素材の製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストが上昇する場合がある。 When the ash content exceeds the above range, in the case of a non-aqueous secondary battery, deterioration of battery performance due to the reaction between the multi-layer structure carbon material and the electrolyte during charge / discharge may not be negligible. On the other hand, if it falls below the above range, the production of the carbon material requires a lot of time, energy, and equipment for preventing contamination, which may increase the cost.
(8)BET比表面積
本発明の複層構造炭素材のBET法により測定した比表面積(SA)は、通常0.2m2/g以上、好ましくは0.3m2/g以上、より好ましくは0.7m2/g以上、更に好ましくは1m2/g以上、特に好ましくは2m2/g以上である。また、比表面積は通常100m2/g以下、好ましくは10m2/g以下、より好ましくは7m2/g以下、更に好ましくは4.5m2/g以下、特に好ましくは4.0m2/g以下、最も好ましくは3.6m2/g以下である。
(8) BET specific surface area The specific surface area (SA) measured by the BET method of the multilayer structure carbon material of the present invention is usually 0.2 m 2 / g or more, preferably 0.3 m 2 / g or more, more preferably 0. .7m 2 / g or more, more preferably 1 m 2 / g or more, particularly preferably 2m 2 / g or more. The specific surface area is usually 100 m 2 / g or less, preferably 10 m 2 / g or less, more preferably 7 m 2 / g or less, still more preferably 4.5 m 2 / g or less, particularly preferably 4.0 m 2 / g or less. Most preferably, it is 3.6 m 2 / g or less.
比表面積の値が低すぎると、複層構造炭素材を使用して負極を形成した場合の、その反応面積が特に減少し、満充電までの時間が多く必要となり、好ましい非水系二次電池が得られにくい傾向がある。 If the value of the specific surface area is too low, the reaction area when the negative electrode is formed using the multi-layer structure carbon material is particularly reduced, requiring a lot of time until full charge, and a preferred non-aqueous secondary battery is It tends to be difficult to obtain.
一方、比表面積の値が高すぎると、複層構造炭素材を使用して負極を形成した場合の、その電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなり易く、好ましい非水系二次電池が得られにくい傾向がある。 On the other hand, if the value of the specific surface area is too high, the reactivity with the electrolyte increases when a negative electrode is formed using a multi-layer structure carbon material, gas generation tends to increase, and the preferred non-aqueous secondary Batteries tend to be difficult to obtain.
BET比表面積は、表面積計(例えば、大倉理研製全自動表面積測定装置)を用い、複層構造炭素材試料に対して窒素流通下350℃で15分間予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用い、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって測定した値として定義する。 The BET specific surface area was measured by preliminarily drying the multi-layered carbon material sample at 350 ° C. for 15 minutes under a nitrogen flow using a surface area meter (for example, a fully automated surface area measuring device manufactured by Okura Riken), and then nitrogen against atmospheric pressure. This is defined as a value measured by a nitrogen adsorption BET one-point method using a gas flow method, using a nitrogen-helium mixed gas accurately adjusted so that the relative pressure value becomes 0.3.
(9)細孔分布
本発明の複層構造炭素材において、水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)により求められる、直径0.01μm以上1μm以下に相当する粒子内の空隙、粒子表面のステップによる凹凸の量は、通常0.01mL/g以上、好ましくは0.05mL/g以上、より好ましくは0.1mL/g以上である。また前記量は通常0.6mL/g以下、好ましくは0.4mL/g以下、より好ましくは0.3mL/g以下である。
(9) Pore distribution In the multi-layer structure carbon material of the present invention, voids in the particle corresponding to a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less, and unevenness due to a step on the particle surface, which are obtained by mercury porosimetry (mercury intrusion method). The amount is usually 0.01 mL / g or more, preferably 0.05 mL / g or more, more preferably 0.1 mL / g or more. The amount is usually 0.6 mL / g or less, preferably 0.4 mL / g or less, more preferably 0.3 mL / g or less.
凹凸の量が多すぎると、負極を形成する際の極板化時にバインダが多量に必要となる場合がある。一方凹凸の量が少なすぎると、非水系二次電池の高電流密度充放電特性が低下し、且つ充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が得られない傾向がある。 If the amount of irregularities is too large, a large amount of binder may be required when forming a negative electrode when forming a negative electrode. On the other hand, if the amount of irregularities is too small, the high current density charge / discharge characteristics of the nonaqueous secondary battery tend to be lowered, and the effect of mitigating the expansion and contraction of the electrode during charge / discharge tends to be not obtained.
また、本発明の複層構造炭素材の全細孔容積は、通常0.1mL/g以上、好ましくは0.2mL/g以上、より好ましくは0.25mL/g以上である。また全細孔容積は通常10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、より好ましくは2mL/g以下である。 Moreover, the total pore volume of the multi-layer structure carbon material of the present invention is usually 0.1 mL / g or more, preferably 0.2 mL / g or more, more preferably 0.25 mL / g or more. The total pore volume is usually 10 mL / g or less, preferably 5 mL / g or less, more preferably 2 mL / g or less.
全細孔容積が大きすぎると、極板化時にバインダが多量に必要となる傾向がある。一方全細孔容積が小さすぎると、極板化時に増粘剤やバインダの分散効果が得られない傾向がある。 If the total pore volume is too large, a large amount of binder tends to be required when forming an electrode plate. On the other hand, if the total pore volume is too small, there is a tendency that the effect of dispersing the thickener or the binder cannot be obtained when forming an electrode plate.
また、本発明の複層構造炭素材の平均細孔径は、通常0.03μm以上、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、更に好ましくは0.5μm以上である。前記平均細孔径は通常80μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは20μm以下である。 Moreover, the average pore diameter of the multilayer structure carbon material of the present invention is usually 0.03 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.5 μm or more. The average pore diameter is usually 80 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less.
平均細孔径が大きすぎると、極板化時にバインダが多量に必要となる傾向があり、また平均細孔径が小さすぎると、電池の高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。 If the average pore diameter is too large, a large amount of binder tends to be required at the time of electrode plate formation, and if the average pore diameter is too small, the high current density charge / discharge characteristics of the battery tend to deteriorate.
上記水銀ポロシメトリー用の装置として、水銀ポロシメータ(オートポア9520:マイクロメリテックス社製)を用いることができる。試料(複層構造炭素材)を0.2g前後の値となるように秤量し、パウダー用セルに封入し、室温、真空下(50μmHg以下)にて10分間脱気して前処理を実施する。 As the mercury porosimetry apparatus, a mercury porosimeter (Autopore 9520: manufactured by Micromeritex Corporation) can be used. A sample (multi-layer structure carbon material) is weighed so as to have a value of about 0.2 g, sealed in a powder cell, and pretreated by degassing at room temperature under vacuum (50 μmHg or less) for 10 minutes. .
引き続き、4psia(約28kPa)に減圧して前記セルに水銀を導入し、圧力を4psia(約28kPa)から40000psia(約280MPa)までステップ状に昇圧させた後、25psia(約170kPa)まで降圧させる。 Subsequently, the pressure is reduced to 4 psia (about 28 kPa), mercury is introduced into the cell, the pressure is increased stepwise from 4 psia (about 28 kPa) to 40000 psia (about 280 MPa), and then the pressure is reduced to 25 psia (about 170 kPa).
昇圧時のステップ数は80点以上とし、各ステップでは10秒の平衡時間の後、水銀圧入量を測定する。こうして得られた水銀圧入曲線からWashburnの式を用い、細孔分布を算出する。 The number of steps at the time of pressure increase is 80 points or more, and the mercury intrusion amount is measured after an equilibration time of 10 seconds in each step. The pore distribution is calculated from the mercury intrusion curve thus obtained using the Washburn equation.
なお、水銀の表面張力(γ)は485dyne/cm、接触角(ψ)は140°として算出する。平均細孔径は、累計細孔体積が50%となるときの細孔径として定義する。 Note that the surface tension (γ) of mercury is calculated as 485 dyne / cm and the contact angle (ψ) is 140 °. The average pore diameter is defined as the pore diameter when the cumulative pore volume is 50%.
(10)真密度
本発明の複層構造炭素材の真密度は、通常1.9g/cm3以上、好ましくは2g/cm3以上、より好ましくは2.1g/cm3以上、更に好ましくは2.2g/cm3以上であり、上限は2.26g/cm3である。上限は黒鉛の理論値である。この範囲を下回ると炭素の結晶性が低すぎて、非水系二次電池とした場合の、その初期不可逆容量が増大する場合がある。
(10) True density The true density of the multilayer carbon material of the present invention is usually 1.9 g / cm 3 or more, preferably 2 g / cm 3 or more, more preferably 2.1 g / cm 3 or more, and even more preferably 2 0.2 g / cm 3 or more, and the upper limit is 2.26 g / cm 3 . The upper limit is the theoretical value of graphite. Below this range, the crystallinity of the carbon is too low, and the initial irreversible capacity of a non-aqueous secondary battery may increase.
(11)アスペクト比
本発明の複層構造炭素材の粉末状態でのアスペクト比は、理論上1以上であり、好ましくは1.1以上、より好ましくは1.2以上である。またアスペクト比は通常10以下、好ましくは8以下、より好ましくは5以下である。
(11) Aspect ratio The aspect ratio in the powder state of the multilayer structure carbon material of the present invention is theoretically 1 or more, preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more. The aspect ratio is usually 10 or less, preferably 8 or less, more preferably 5 or less.
アスペクト比が大きすぎると、極板化時に複層構造炭素材を含むスラリー(負極形成材料)のスジ引きが起こったり、あるいは均一な塗布面が得られず、非水系二次電池の高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。 If the aspect ratio is too large, streaking of the slurry containing the multilayered carbon material (negative electrode forming material) may occur during electrode plate formation, or a uniform coated surface may not be obtained, and the high current density of the non-aqueous secondary battery The charge / discharge characteristics tend to be reduced.
アスペクト比は、3次元的に観察したときの複層構造炭素材料粒子の最長となる径Aと、それと直交する径のうち最短となる径Bとしたとき、A/Bであらわされる。前記炭素材粒子の観察は、拡大観察ができる走査型電子顕微鏡で行う。厚さ50ミクロン以下の金属の端面に固定した任意の50個の炭素材粒子を選択し、それぞれについて試料が固定されているステージを回転、傾斜させて、A、Bを測定し、A/Bの平均値を求める。 The aspect ratio is expressed as A / B when the longest diameter A of the multi-layer structure carbon material particles when observed three-dimensionally and the shortest diameter B among the diameters orthogonal to the diameter A. The carbon material particles are observed with a scanning electron microscope capable of magnifying observation. Arbitrary 50 carbon material particles fixed to the end face of a metal having a thickness of 50 microns or less are selected, and the stage on which the sample is fixed is rotated and tilted to measure A and B, and A / B Find the average value of.
(12)最大粒径dmax
本発明の複層構造炭素材の最大粒径dmaxは、通常200μm以下、好ましくは150μm以下、より好ましくは120μm以下、更に好ましくは100μm以下、特に好ましくは80μm以下である。dmaxが大きすぎると筋引きなどの工程不都合の発生を招く傾向がある。
(12) Maximum particle size dmax
The maximum particle size dmax of the multilayer structure carbon material of the present invention is usually 200 μm or less, preferably 150 μm or less, more preferably 120 μm or less, still more preferably 100 μm or less, and particularly preferably 80 μm or less. If dmax is too large, there is a tendency to cause inconveniences such as line drawing.
また、最大粒径は、平均粒径d50の測定の際に得られた粒度分布において、粒子が測定された最も大きい粒径の値として定義される。 The maximum particle size is defined as the value of the largest particle size at which particles are measured in the particle size distribution obtained when measuring the average particle size d50.
(13)ラマンR値
本発明の複層構造炭素材のラマンR値は、その値は通常0.1以上、好ましくは0.2以上である。また、ラマンR値は通常0.6以下、好ましくは0.55以下、より好ましくは0.5以下である。
(13) Raman R value The Raman R value of the multilayer carbon material of the present invention is usually 0.1 or more, preferably 0.2 or more. The Raman R value is usually 0.6 or less, preferably 0.55 or less, more preferably 0.5 or less.
なお、前記ラマンR値は、ラマン分光法で求めたラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比(IB/IA)として算出されたものと定義する。 Incidentally, the Raman R value is measured and the intensity I A of the peak P A in the vicinity of 1580 cm -1 in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy, the intensity I B of a peak P B in the vicinity of 1360 cm -1, the intensity Defined as the ratio (I B / I A ).
なお、本明細書において「1580cm−1付近」とは1580〜1620cm-1の範囲を、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm-1の範囲を指す。 Incidentally, the scope of 1580~1620Cm -1 A "1580cm around -1" in the present specification, "1360cm around -1" refers to the range of 1350 -1.
ラマンR値が小さすぎると、炭素材粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に負極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性が低下する傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、負極の電解液との反応性が増し、非水系二次電池の充放電効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。 If the Raman R value is too small, the crystallinity on the surface of the carbon material particles becomes too high, and when the density is increased, the crystals tend to be oriented in a direction parallel to the negative electrode plate, and the load characteristics tend to decrease. On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystal on the particle surface is disturbed, the reactivity of the negative electrode with the electrolytic solution increases, and the charge / discharge efficiency of the non-aqueous secondary battery tends to decrease and the gas generation tends to increase.
前記ラマンスペクトルは、ラマン分光器で測定できる。具体的には、測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。測定条件は以下の通りである。 The Raman spectrum can be measured with a Raman spectrometer. Specifically, the sample particles are naturally dropped into the measurement cell to fill the sample, and the measurement cell is rotated in a plane perpendicular to the laser beam while irradiating the measurement cell with an argon ion laser beam. Measure. The measurement conditions are as follows.
アルゴンイオンレーザー光の波長 :514.5nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm−1
測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1
ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処
理(単純平均によるコンボリューション
5ポイント)
Argon ion laser light wavelength: 514.5 nm
Laser power on sample: 25 mW
Resolution: 4cm -1
Measurement range: 1100 cm −1 to 1730 cm −1
Peak intensity measurement, peak half-width measurement: background processing, smoothing processing
(Convolution by simple averaging
5 points)
(14)DBP吸油量
本発明の複層構造炭素材のDBP(フタル酸ジブチル)吸油量は、通常65ml/100g以下、好ましくは62ml/100g以下、より好ましくは60ml/100g以下、更に好ましくは57ml/100g以下である。また、DBP吸油量は通常30ml/100g以上、好ましくは40ml/100g以上である。
(14) DBP oil absorption The DBP (dibutyl phthalate) oil absorption of the multi-layer structure carbon material of the present invention is usually 65 ml / 100 g or less, preferably 62 ml / 100 g or less, more preferably 60 ml / 100 g or less, still more preferably 57 ml. / 100g or less. The DBP oil absorption is usually 30 ml / 100 g or more, preferably 40 ml / 100 g or more.
DBP吸油量が大きすぎると、複層構造炭素材の球形化の進み具合が十分ではなく、該炭素材を含むスラリーの塗布時にスジ引きなどを引き起こしやすい傾向があり、小さすぎると、粒子内の細孔構造が殆ど存在していない可能性があり、反応面が少なくなる傾向がある。 If the DBP oil absorption is too large, the progress of the spheroidization of the multi-layer structure carbon material is not sufficient, and there is a tendency to cause streaking during the application of the slurry containing the carbon material. There may be almost no pore structure, and the reaction surface tends to decrease.
また、DBP吸油量は、JIS K6217に準拠し、測定材料(複層構造炭素材)を40g投入し、滴下速度4ml/min、回転数125rpm、設定トルク500N・mとしたときの測定値として定義される。測定には、例えばブラベンダー社製 アブソープトメーター E型を用いることができる。 The DBP oil absorption amount is defined as a measured value when 40 g of a measurement material (multi-layer structure carbon material) is added, a dropping speed is 4 ml / min, a rotation speed is 125 rpm, and a set torque is 500 N · m, according to JIS K6217. Is done. For the measurement, for example, Absorbometer E type manufactured by Brabender can be used.
(15)平均粒径d10
本発明の複層構造炭素材の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は通常30μm以下、好ましくは20μm以下、より好ましくは17μm以下、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは11μm以上、特に好ましくは13μm以上である。
(15) Average particle diameter d10
The particle size (d10) corresponding to the cumulative 10% from the small particle side of the particle size measured on a volume basis of the multi-layer structure carbon material of the present invention is usually 30 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 17 μm or less, usually It is 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, still more preferably 11 μm or more, and particularly preferably 13 μm or more.
d10が小さすぎると、粒子の凝集傾向が強くなり、スラリー粘度上昇などの工程不都合の発生、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を招く場合がある。d10が大きすぎると高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。 If d10 is too small, the tendency of the particles to agglomerate becomes strong, which may cause inconveniences such as an increase in slurry viscosity, a decrease in electrode strength and a decrease in initial charge / discharge efficiency in a non-aqueous secondary battery. If d10 is too large, the high current density charge / discharge characteristics may be deteriorated and the low temperature input / output characteristics may be deteriorated.
d10は、平均粒径d50の測定の際に得られた粒度分布において、粒子の頻度%が小さい粒径から積算で10%となった値として定義される。 d10 is defined as a value obtained by integrating 10% from a particle size having a small particle frequency% in the particle size distribution obtained when measuring the average particle size d50.
(16)平均粒径d90
本発明の複層構造炭素材の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積90%に相当する粒径(d90)は通常100μm以下、好ましくは70μm以下、より好ましくは60μm以下、更に好ましくは50μm以下、特に好ましくは45μm以下、最も好ましくは42μm以下、通常20μm以上、好ましくは26μm以上、より好ましくは30μm以上、更に好ましくは34μm以上である。
(16) Average particle diameter d90
The particle diameter (d90) corresponding to the cumulative 90% from the small particle side of the particle diameter measured on a volume basis of the multi-layer structure carbon material of the present invention is usually 100 μm or less, preferably 70 μm or less, more preferably 60 μm or less, Preferably it is 50 μm or less, particularly preferably 45 μm or less, most preferably 42 μm or less, usually 20 μm or more, preferably 26 μm or more, more preferably 30 μm or more, and even more preferably 34 μm or more.
d90が小さすぎると、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を招く場合があり、大きすぎるとスラリーの塗布時の筋引きなどの工程不都合の発生、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。 If d90 is too small, the electrode strength and initial charge / discharge efficiency of the non-aqueous secondary battery may be reduced. If it is too large, process inconveniences such as striping during the application of slurry will occur, and high current density charge may occur. In some cases, the discharge characteristics and the low-temperature input / output characteristics may deteriorate.
d90は、平均粒径d50の測定の際に得られた粒度分布において、粒子の頻度%が小さい粒径から積算で90%となった値として定義される。 d90 is defined as a value in which the frequency% of particles is 90% integrated from a small particle size in the particle size distribution obtained when measuring the average particle size d50.
以上説明した条件(1)、(2)、及び(3)を満たし、さらに上記条件(4)〜(16)の何れか1つ又は複数(特に条件(4))を同時に満たしていることが好ましい。このような種々の条件を満たす本発明の複層構造炭素材は、黒鉛質粒子及び炭素質物を構成要素としている。以下、これら二つの構成要素について説明する。 The conditions (1), (2), and (3) described above are satisfied, and any one or more of the above conditions (4) to (16) (particularly, the condition (4)) are simultaneously satisfied. preferable. The multi-layer structure carbon material of the present invention that satisfies such various conditions includes graphite particles and carbonaceous materials as constituent elements. Hereinafter, these two components will be described.
<黒鉛質粒子>
本発明の複層構造炭素材の核黒鉛となる黒鉛質粒子は、次に示す物性の何れか1つ又は複数を満たしていることが好ましい。本発明においては、かかる物性を示す黒鉛質粒子1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせで併用してもよい。
<Graphite particles>
It is preferable that the graphite particles that are the core graphite of the multilayer carbon material of the present invention satisfy any one or more of the following physical properties. In the present invention, one type of graphite particles exhibiting such physical properties may be used alone, or two or more types may be used in combination in any combination.
(1)X線パラメータ
前記黒鉛質粒子は、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd002値(層間距離)が、通常0.335nm以上である。また通常0.340nm未満であるが、好ましくは0.337nm以下である。d002値が大きすぎると、結晶性が低下し、非水系二次電池の初期不可逆容量が増加する傾向がある。
(1) X-ray parameters The graphite particles have a d002 value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) determined by X-ray diffraction by the Gakushin method, which is usually 0.335 nm or more. Moreover, although it is usually less than 0.340 nm, Preferably it is 0.337 nm or less. When the d002 value is too large, the crystallinity is lowered and the initial irreversible capacity of the non-aqueous secondary battery tends to increase.
また、学振法によるX線回折で求めた黒鉛質粒子の結晶子サイズ(Lc)は、通常30nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、電池の初期不可逆容量が増加する傾向がある。 The crystallite size (Lc) of the graphite particles determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually in the range of 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more. Below this range, the crystallinity decreases and the initial irreversible capacity of the battery tends to increase.
(2)灰分
黒鉛質粒子中に含まれる灰分は、黒鉛質粒子の全質量に対して、通常1質量%以下、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。また、通常1ppm以上である。
(2) Ash content The ash content in the graphite particles is usually 1% by mass or less, preferably 0.5% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, based on the total mass of the graphite particles. . Moreover, it is 1 ppm or more normally.
灰分が多すぎると、非水系二次電池の充放電時の電解液との反応によって電池性能が劣化する傾向がある。また灰分が少なすぎると、電池の製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストも工業製品として好ましくない範囲まで上昇する傾向がある。 When there is too much ash content, there exists a tendency for battery performance to deteriorate by reaction with the electrolyte solution at the time of charging / discharging of a non-aqueous secondary battery. If the amount of ash is too small, battery production requires a great amount of time, energy, and equipment for preventing contamination, and the cost tends to rise to an unfavorable range as an industrial product.
(3)体積基準平均粒径(d50)
黒鉛質粒子のレーザー回折・散乱法により求めた体積基準の平均粒径(d50)は、通常15μm以上、好ましくは18μm以上、より好ましくは19μm以上、更に好ましくは20μm以上、特に好ましくは23μm以上である。また、d50は通常100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは40μm以下、更に好ましくは35μm以下、特に好ましくは31μm以下である。
(3) Volume-based average particle diameter (d50)
The volume-based average particle diameter (d50) obtained by the laser diffraction / scattering method of the graphite particles is usually 15 μm or more, preferably 18 μm or more, more preferably 19 μm or more, still more preferably 20 μm or more, and particularly preferably 23 μm or more. is there. D50 is usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, still more preferably 35 μm or less, and particularly preferably 31 μm or less.
平均粒径d50が小さすぎると、非水系二次電池の不可逆容量の増加、初期電池容量の損失を招く傾向がある。また平均粒径d50が大きすぎると、スラリー塗布における筋引きなどの工程不都合の発生、電池の高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。特に本発明においては、体積基準平均粒径(d50)が上述した範囲である黒鉛質粒子を複層構造炭素材の原料として用いることが好ましい。 When the average particle diameter d50 is too small, there is a tendency to increase the irreversible capacity of the non-aqueous secondary battery and to lose the initial battery capacity. On the other hand, if the average particle diameter d50 is too large, process inconvenience such as striation in slurry application may occur, the high current density charge / discharge characteristics of the battery may decrease, and the low temperature input / output characteristics may decrease. In particular, in the present invention, it is preferable to use graphite particles having a volume-based average particle diameter (d50) in the above-described range as a raw material for the multilayer structure carbon material.
(4)ラマンR値及びラマン半値幅
黒鉛質粒子のラマンR値は、通常0.01以上、好ましくは0.03以上、より好ましくは0.10以上、また通常0.60以下、好ましくは0.50以下、より好ましくは0.40以下の範囲である。
(4) Raman R value and Raman half-value width The Raman R value of the graphite particles is usually 0.01 or more, preferably 0.03 or more, more preferably 0.10 or more, and usually 0.60 or less, preferably 0. .50 or less, more preferably 0.40 or less.
ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、非水系二次電池の充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。 If the Raman R value is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li enters between layers decreases with charge / discharge of the nonaqueous secondary battery. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystallinity of the particle surface is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
また、黒鉛質粒子の1360cm-1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常10cm-1以上、好ましくは15cm-1以上である。また、ラマン半値幅は通常90cm-1以下、好ましくは70cm-1以下、より好ましくは60cm-1以下の範囲である。 Further, the Raman half-width in the vicinity of 1360 cm −1 of the graphite particles is not particularly limited, but is usually 10 cm −1 or more, preferably 15 cm −1 or more. Further, the Raman half-value width is usually 90 cm −1 or less, preferably 70 cm −1 or less, more preferably 60 cm −1 or less.
ラマン半値幅が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。一方、ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。 If the Raman half-value width is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li enters between the layers increases with charge / discharge. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. On the other hand, if the Raman half-value width is too large, the crystallinity of the particle surface decreases, the reactivity with the electrolytic solution increases, and the efficiency tends to decrease and the gas generation increases.
なお、ラマンR値及びラマン半値幅の測定方法は前述のとおりである。 In addition, the measuring method of a Raman R value and a Raman half value width is as above-mentioned.
(5)BET比表面積
黒鉛質粒子のBET法を用いて測定した比表面積は、通常0.1m2/g以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上、更に好ましくは2m2/g以上である。また、比表面積は通常100m2/g以下、好ましくは25m2/g以下、より好ましくは20m2/g以下、更に好ましくは15m2/g以下、特に好ましくは10m2/g以下、最も好ましくは7m2/g以下である。
(5) BET specific surface area The specific surface area of the graphite particles measured by the BET method is usually 0.1 m 2 / g or more, preferably 0.7 m 2 / g or more, more preferably 1 m 2 / g or more, and more Preferably it is 2 m 2 / g or more. The specific surface area is usually 100 m 2 / g or less, preferably 25 m 2 / g or less, more preferably 20 m 2 / g or less, still more preferably 15 m 2 / g or less, particularly preferably 10 m 2 / g or less, most preferably. 7 m 2 / g or less.
比表面積の値が小さすぎると、複層構造炭素材を負極材料として用いた場合の非水系二次電池の充電時にリチウムイオンの受け入れ性が悪くなる傾向がある。一方比表面積の値が大きすぎると、前記非水系二次電池において、電解液に露出した部分と電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなり易く、好ましい電池が得られにくい傾向がある。 If the value of the specific surface area is too small, the acceptability of lithium ions tends to deteriorate when the non-aqueous secondary battery is charged when a multilayered carbon material is used as the negative electrode material. On the other hand, if the value of the specific surface area is too large, in the non-aqueous secondary battery, the reactivity between the portion exposed to the electrolytic solution and the electrolytic solution increases, gas generation tends to increase, and a preferable battery tends to be difficult to obtain. is there.
また、複層構造炭素材のBET比表面積を低減するために、炭素質物の割合を増加させると、過剰な非晶質を使用することになり、電池において高出力特性を得にくい傾向がある。 Further, when the ratio of the carbonaceous material is increased in order to reduce the BET specific surface area of the multi-layer structure carbon material, excessive amorphous material is used, and it tends to be difficult to obtain high output characteristics in the battery.
(6)細孔分布
黒鉛質粒子の水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)により求められる、直径0.01μm以上、1μm以下に相当する粒子内の空隙、粒子表面のステップによる凹凸の量は、通常0.01mL/g以上、好ましくは0.05mL/g以上、より好ましくは0.1mL/g以上である。また前記量は、通常0.6mL/g以下、好ましくは0.4mL/g以下、より好ましくは0.3mL/g以下の範囲である。
(6) Pore distribution The amount of voids in the particle corresponding to a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less, and the amount of irregularities due to the step on the particle surface, which is obtained by mercury porosimetry (mercury intrusion method) of the graphite particles, is usually 0. 0.01 mL / g or more, preferably 0.05 mL / g or more, more preferably 0.1 mL / g or more. The amount is usually 0.6 mL / g or less, preferably 0.4 mL / g or less, more preferably 0.3 mL / g or less.
この範囲を上回ると、極板化時にバインダが多量に必要となる場合がある。一方凹凸の量が少なすぎると、非水系二次電池の高電流密度充放電特性が低下し、且つ充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が得られない傾向がある。 If it exceeds this range, a large amount of binder may be required when forming a plate. On the other hand, if the amount of irregularities is too small, the high current density charge / discharge characteristics of the nonaqueous secondary battery tend to be lowered, and the effect of mitigating the expansion and contraction of the electrode during charge / discharge tends to be not obtained.
また、黒鉛質粒子の全細孔容積は、通常0.1mL/g以上、好ましくは0.2mL/g以上、より好ましくは0.25mL/g以上である。また、全細孔容積は通常10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、より好ましくは2mL/g以下の範囲である。 Further, the total pore volume of the graphite particles is usually 0.1 mL / g or more, preferably 0.2 mL / g or more, more preferably 0.25 mL / g or more. The total pore volume is usually 10 mL / g or less, preferably 5 mL / g or less, more preferably 2 mL / g or less.
全細孔容積が大きすぎると極板化時にバインダが多量に必要となる傾向がある。一方全細孔容積が小さすぎると極板化時に増粘剤やバインダの分散効果が得られない傾向がある。 If the total pore volume is too large, a large amount of binder tends to be required when forming an electrode plate. On the other hand, if the total pore volume is too small, there is a tendency that the effect of dispersing the thickener or the binder cannot be obtained when forming an electrode plate.
また、黒鉛質粒子の平均細孔径は、通常0.05μm以上、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.5μm以上、更に好ましくは0.75μm以上である。また通常平均細孔径は50μm以下、好ましくは20μm以下、より好ましくは10μm以下である。 The average pore diameter of the graphite particles is usually 0.05 μm or more, preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and further preferably 0.75 μm or more. The average pore diameter is usually 50 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 10 μm or less.
平均細孔径が大きすぎると、バインダが多量に必要となる場合が傾向があり、一方平均細孔径が小さすぎると、電池の高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。 If the average pore diameter is too large, a large amount of binder tends to be required. On the other hand, if the average pore diameter is too small, the high current density charge / discharge characteristics of the battery tend to deteriorate.
(7)円形度
黒鉛質粒子の円形度は、通常0.6以上、好ましくは0.7以上、特に好ましくは0.8以上、より好ましくは0.85以上、更に好ましくは0.88以上、特に好ましくは0.90以上、最も好ましくは0.91以上である。また円形度は通常1以下、好ましくは0.99以下、より好ましくは0.98以下である。
(7) Circularity The circularity of the graphite particles is usually 0.6 or more, preferably 0.7 or more, particularly preferably 0.8 or more, more preferably 0.85 or more, still more preferably 0.88 or more, Particularly preferred is 0.90 or more, and most preferred is 0.91 or more. The circularity is usually 1 or less, preferably 0.99 or less, more preferably 0.98 or less.
円形度が小さすぎると、非水系二次電池の高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。
円形度を向上させる方法は特に限定されないが、前記のとおり、球形化処理を行う方法が好ましく、例としては、せん断力、圧縮力を与えることによって機械的に球形に近づける方法、複数の微粒子をバインダもしくは粒子自身の有する付着力によって造粒する機械的・物理的処理方法等が挙げられる。
If the circularity is too small, the high current density charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary battery tend to deteriorate.
Although the method for improving the circularity is not particularly limited, as described above, a method of performing spheroidization is preferable, and examples thereof include a method of mechanically approaching a sphere by applying a shearing force and a compressive force, and a plurality of fine particles. Examples thereof include a mechanical / physical treatment method in which granulation is performed by the adhesive force of the binder or the particles themselves.
(8)真密度
黒鉛質粒子の真密度は、通常2g/cm3以上、好ましくは2.1g/cm3以上、より好ましくは2.2g/cm3以上、更に好ましくは2.22g/cm3以上であり、上限は2.26g/cm3である。この上限は黒鉛の理論値である。
(8) True density The true density of the graphite particles is usually 2 g / cm 3 or more, preferably 2.1 g / cm 3 or more, more preferably 2.2 g / cm 3 or more, and further preferably 2.22 g / cm 3. The upper limit is 2.26 g / cm 3 . This upper limit is the theoretical value of graphite.
真密度が小さすぎると黒鉛質粒子における炭素の結晶性が低すぎて、非水系二次電池の初期不可逆容量が増大する傾向がある。 If the true density is too small, the crystallinity of carbon in the graphite particles is too low, and the initial irreversible capacity of the nonaqueous secondary battery tends to increase.
本発明における真密度は、ブタノールを使用した液相置換法(ピクノメータ法)によって測定したものとして定義する。 The true density in the present invention is defined as a value measured by a liquid phase substitution method (pycnometer method) using butanol.
(9)タップ密度
黒鉛質粒子のタップ密度は、通常0.67g/cm3以上、好ましくは0.7g/cm3以上、更に好ましくは0.8g/cm3以上、特に好ましくは0.88g/cm3以上であることが望まれる。また、タップ密度は通常1.5g/cm3以下、好ましくは1.4g/cm3以下、更に好ましくは1.2g/cm3以下、特に好ましくは1.1g/cm3以下である。
(9) Tap Density Tap density graphite particles is usually 0.67 g / cm 3 or higher, preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, particularly preferably 0.88 g / It is desired to be cm 3 or more. Moreover, the tap density is usually 1.5 g / cm 3 or less, preferably 1.4 g / cm 3 or less, more preferably 1.2 g / cm 3 or less, particularly preferably 1.1 g / cm 3 or less.
タップ密度が小さすぎると、本発明の複層構造炭素材を負極形成材料として用いた場合に充填密度が上がり難く、高容量の非水系二次電池を得にくい傾向があり、一方タップ密度が大きすぎると、負極中の粒子間の空隙が少なくなり過ぎ、粒子間の導電性が確保され難くなり、好ましい電池特性が得られにくい傾向がある。 If the tap density is too small, when the multilayered carbon material of the present invention is used as a negative electrode forming material, the packing density is difficult to increase, and it is difficult to obtain a high-capacity non-aqueous secondary battery, while the tap density is large. When the amount is too large, voids between particles in the negative electrode are too small, and it is difficult to ensure conductivity between the particles, and it is difficult to obtain preferable battery characteristics.
特に本発明においては、タップ密度が上述した範囲である黒鉛質粒子を複層構造炭素材の原料として用いることが好ましい。 In particular, in the present invention, it is preferable to use graphite particles having a tap density in the above-described range as a raw material for the multilayer structure carbon material.
(10)配向比
黒鉛質粒子の粉末状態での配向比は、通常0.01以上であり、好ましくは0.02以上、より好ましくは0.04以上、上限は0.67である。配向比が小さすぎると、非水系二次電池の高密度充放電特性が低下する傾向がある。
(10) Orientation ratio The orientation ratio of the graphite particles in the powder state is usually 0.01 or more, preferably 0.02 or more, more preferably 0.04 or more, and the upper limit is 0.67. If the orientation ratio is too small, the high-density charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary battery tend to deteriorate.
(11)アスペクト比
黒鉛質粒子の粉末状態でのアスペクト比は、通常1以上であり、通常10以下、好ましくは8以下、更に好ましくは5以下である。アスペクト比が大きすぎると、極板化時にスジ引きが発生したり、均一な塗布面が得られず、非水系二次電池の高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。
(11) Aspect ratio The aspect ratio of the graphite particles in a powder state is usually 1 or more, usually 10 or less, preferably 8 or less, and more preferably 5 or less. If the aspect ratio is too large, streaking may occur when forming an electrode plate, a uniform coated surface may not be obtained, and the high current density charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary battery tend to deteriorate.
(12)平均粒径d10
黒鉛質粒子の体積基準で小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は通常30μm以下、好ましくは20μm以下、より好ましくは17μm以下、通常1μm以上、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは11μm以上、特に好ましくは13μm以上である。d10の測定方法は、上述の通りである。
(12) Average particle diameter d10
The particle size (d10) corresponding to a cumulative 10% from the small particle side on the volume basis of the graphite particles is usually 30 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 17 μm or less, usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably It is 10 μm or more, more preferably 11 μm or more, and particularly preferably 13 μm or more. The method for measuring d10 is as described above.
d10が小さすぎると、粒子の凝集傾向が強くなり、スラリー粘度上昇などの工程不都合の発生、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を招く場合がある。d10が大きすぎると高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。 If d10 is too small, the tendency of the particles to agglomerate becomes strong, which may cause inconveniences such as an increase in slurry viscosity, a decrease in electrode strength and a decrease in initial charge / discharge efficiency in a non-aqueous secondary battery. If d10 is too large, the high current density charge / discharge characteristics may be deteriorated and the low temperature input / output characteristics may be deteriorated.
(13)平均粒径d90
レーザー回折・散乱法により求めた黒鉛質粒子の粒径d90(体積基準で小さい粒子側から累計90%となる粒子径)は、通常100μm以下、好ましくは70μm以下、より好ましくは50μm以下、更に好ましくは45μm以下、通常20μm以上、好ましくは26μm以上、より好ましくは30μm以上、更に好ましくは34μm以上である。d90の測定方法は、上述の通りである。
(13) Average particle diameter d90
The particle size d90 of the graphite particles determined by the laser diffraction / scattering method (particle size that is 90% cumulative from the small particle side on a volume basis) is usually 100 μm or less, preferably 70 μm or less, more preferably 50 μm or less, and even more preferably. Is 45 μm or less, usually 20 μm or more, preferably 26 μm or more, more preferably 30 μm or more, and even more preferably 34 μm or more. The method for measuring d90 is as described above.
一般的に大粒径黒鉛はd90が大きくなり、本発明の複層構造炭素材を含むスラリーの塗布時の筋引きが起こりやすい傾向となる。黒鉛質粒子のd90が極力大きくならないようにすることも、本発明の効果を発現するために重要である。 In general, graphite having a large particle size has a large d90, and tends to cause striation at the time of application of a slurry containing the multilayered carbon material of the present invention. It is also important to prevent the d90 of the graphite particles from becoming as large as possible in order to exhibit the effects of the present invention.
d90が小さすぎると、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を招く場合があり、大きすぎるとスラリーの塗布時の筋引きなどの工程不都合の発生、電池の高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。 If d90 is too small, the electrode strength in the non-aqueous secondary battery and the initial charge / discharge efficiency may be reduced. If it is too large, process inconveniences such as striation at the time of slurry application will occur, and the high current of the battery In some cases, density charge / discharge characteristics and low-temperature input / output characteristics may deteriorate.
(14)最大粒径dmax
黒鉛質粒子の最大粒径dmaxは、通常300μm以下、好ましくは250μm以下、より好ましくは、100μm以下である。dmaxが大きすぎると、スジ引きの原因となりやすい傾向がある。dmaxの測定方法は、上述の通りである。
(14) Maximum particle size dmax
The maximum particle diameter dmax of the graphite particles is usually 300 μm or less, preferably 250 μm or less, more preferably 100 μm or less. If dmax is too large, it tends to cause streaking. The method for measuring dmax is as described above.
(黒鉛質粒子の製造方法)
以上説明した黒鉛質粒子は、その原料として天然黒鉛及び/又は人造黒鉛を含有する黒鉛質粒子、又は、これらよりもやや結晶性の低い石炭系コークス、石油系コークス、ファーネスブラック、アセチレンブラック及びピッチ系炭素繊維からなる群から選ばれる材料の焼成物及び/又は黒鉛化物を含有するものであることが好ましく、天然黒鉛及び/又は人造黒鉛を原料として含有する黒鉛質粒子がより好ましい。これらの中でも天然黒鉛に対して球形化処理を施した球形化天然黒鉛が、黒鉛質粒子として特に好ましい。
(Method for producing graphite particles)
The graphite particles described above are graphite particles containing natural graphite and / or artificial graphite as a raw material, or coal-based coke, petroleum-based coke, furnace black, acetylene black, and pitch having slightly lower crystallinity than these. It is preferable to contain a fired product and / or graphitized material selected from the group consisting of carbonaceous fibers, and graphite particles containing natural graphite and / or artificial graphite as raw materials are more preferable. Among these, spheroidized natural graphite obtained by spheronizing natural graphite is particularly preferable as the graphite particles.
前記球形化処理に用いる装置としては、例えば、衝撃力を主体に粒子の相互作用も含めた圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を繰り返し粒子に与える装置を用いることができる。近年の球形化処理技術の進歩により、黒鉛の粒径をそれほど小さくせずに球形化することが可能となった。 As an apparatus used for the spheronization treatment, for example, an apparatus that repeatedly gives mechanical action such as compression, friction, shearing force, etc. including the interaction of particles mainly with impact force to the particles can be used. Recent advances in spheroidizing technology have made it possible to spheroidize without reducing the particle size of graphite.
具体的には、ケーシング内部に多数のブレードを設置したローターを有し、そのローターが高速回転することによって、内部に導入された黒鉛質粒子原料に対して衝撃圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を与え、表面処理を行なう装置が好ましい。 Specifically, it has a rotor with a large number of blades installed inside the casing, and the rotor rotates at a high speed, so that a machine such as impact compression, friction, shearing force, etc. is applied to the graphite particle material introduced inside. An apparatus that imparts a functional effect and performs surface treatment is preferable.
また、原料を循環させることによって機械的作用を繰り返して与える機構を有する装置が好ましい。好ましい装置として、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、クリプトロン(アーステクニカ社製)、CFミル(宇部興産社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)等が挙げられる。これらの中で、奈良機械製作所社製のハイブリダイゼーションシステムが好ましい。 Moreover, the apparatus which has a mechanism which gives a mechanical action repeatedly by circulating a raw material is preferable. Preferred devices include, for example, a hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), a kryptron (manufactured by Earth Technica), a CF mill (manufactured by Ube Industries), a mechano-fusion system (manufactured by Hosokawa Micron), and a theta composer (Tokuju Kosakusho). Etc.). Among these, a hybridization system manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. is preferable.
黒鉛質粒子は、球形化処理を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれる、もしくは周囲エッジ部分が球形粉砕されることにより球状とされた母体粒子に、粉砕により生じた主に5μm以下の微粉が付着してなり、球形化処理後の黒鉛質粒子の表面官能基量O/C値が1%以上、4%以下となる条件で、球形化処理を行うことにより製造することが好ましい。 Graphite particles are produced by spheroidizing, whereby scale-like natural graphite is folded, or the peripheral edges are spherically pulverized into spherical particles, which are mainly produced by pulverization and have a particle size of 5 μm or less. It is preferable to manufacture by performing spheronization treatment under the condition that the fine powder adheres and the surface functional group amount O / C value of the graphite particles after spheronization treatment is 1% or more and 4% or less.
この際には、機械的処理のエネルギーにより黒鉛表面の酸化反応を進行させ、黒鉛表面に酸性官能基を導入することができるよう、活性雰囲気下で球形化処理を行うことが好ましい。例えば前述の装置を用いて処理する場合は、回転するローターの周速度を30〜100m/秒にするのが好ましく、40〜100m/秒にするのがより好ましく、50〜100m/秒にするのが更に好ましい。
周速度が速すぎると過粉砕によりd50が小さくなりすぎる傾向があり、周速度が遅すぎると球形化処理が十分に行われず円形度が低くなる傾向がある。
In this case, it is preferable to perform the spheronization treatment in an active atmosphere so that the oxidation reaction of the graphite surface is advanced by the energy of the mechanical treatment and acidic functional groups can be introduced to the graphite surface. For example, when processing using the above-mentioned apparatus, the peripheral speed of the rotating rotor is preferably 30 to 100 m / sec, more preferably 40 to 100 m / sec, and 50 to 100 m / sec. Is more preferable.
If the peripheral speed is too fast, d50 tends to be too small due to overgrinding, and if the peripheral speed is too slow, the spheroidizing process is not sufficiently performed and the circularity tends to be low.
また機械的処理は、単に黒鉛質粒子を球形化処理装置を通過させるだけでも可能であるが、30秒以上装置内を循環又は滞留させて処理するのが好ましく、1分以上装置内を循環又は滞留させて処理するのがより好ましい。滞留時間が長すぎると過粉砕によりd50が小さくなりすぎる傾向があり、滞留時間が短すぎると球形化処理が十分に行われず円形度が低くなる傾向がある。このように強い球形化処理を施すことにより、微粉を大幅に除去し、その結果、円形度が高くタップ密度が高い黒鉛質粒子、ひいては円形度が高くタップ密度が高い複層構造炭素材を得ることが可能となる。 The mechanical treatment can be performed simply by passing the graphite particles through the spheroidizing treatment apparatus, but it is preferable to circulate or stay in the apparatus for 30 seconds or more, and to circulate in the apparatus for 1 minute or more. More preferably, the treatment is carried out by staying. If the residence time is too long, d50 tends to be too small due to overgrinding, and if the residence time is too short, the spheroidization treatment is not sufficiently performed and the circularity tends to be low. By applying such a strong spheroidizing treatment, the fine powder is largely removed, and as a result, a graphite particle having a high degree of circularity and a high tap density, and thus a multi-layer structure carbon material having a high degree of circularity and a high tap density is obtained. It becomes possible.
更に必要に応じて、分級処理により微粉や粗粉を除去することが、円形度が高くタップ密度が高い黒鉛質粒子、ひいては円形度が高くタップ密度が高い複層構造炭素材を得ることが可能となるため好ましい。 Furthermore, if necessary, fine powder and coarse powder can be removed by classification treatment to obtain graphite particles with high circularity and high tap density, and in turn, multi-layered carbon materials with high circularity and high tap density. This is preferable.
分級処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、乾式篩い分けの場合は、回転式篩い、動揺式篩い、旋動式篩い、振動式篩い、エアブローフィード式篩い等を用いることができ、乾式気流式分級の場合は、重力式分級機、慣性力式分級機、遠心力式分級機(クラシファイア、サイクロン等)を用いることができる。湿式篩い分けの場合には、機械的湿式分級機、水力分級機、沈降分級機、遠心式湿式分級機等を用いることができる。分級精度と生産性の両面からエアブローフィード式篩いを用いることがより好ましい。分級精度が高いことで、d50を小さくすることなく粗大粒子のみを除去することが可能になる。 There are no particular restrictions on the apparatus used for classification, but for example, in the case of dry sieving, a rotary sieving, a swaying sieving, a rotating sieving, a vibrating sieving, an air blow feed sieving, etc. can be used. In the case of dry airflow classification, a gravity classifier, an inertial force classifier, or a centrifugal force classifier (classifier, cyclone, etc.) can be used. In the case of wet sieving, a mechanical wet classifier, a hydraulic classifier, a sedimentation classifier, a centrifugal wet classifier, or the like can be used. It is more preferable to use an air blow feed type sieve in terms of both classification accuracy and productivity. Since the classification accuracy is high, only coarse particles can be removed without reducing d50.
本発明の複層構造炭素材を製造するに際し、このような処理を施した黒鉛質粒子を核黒鉛として用いることがより好ましい。 In producing the multilayer structure carbon material of the present invention, it is more preferable to use graphite particles subjected to such treatment as nuclear graphite.
また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、天然高分子、ポリフェニレンサイルファイド、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、イミド樹脂などの有機物を、通常2500℃以上3200℃以下の範囲の温度で焼成し、黒鉛化したものが挙げられる。 Specific examples of the artificial graphite include coal tar pitch, coal heavy oil, atmospheric residue, petroleum heavy oil, aromatic hydrocarbon, nitrogen-containing cyclic compound, sulfur-containing cyclic compound, polyphenylene, polychlorinated Organic substances such as vinyl, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinyl butyral, natural polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, furfuryl alcohol resin, phenol formaldehyde resin, and imide resin are usually used at temperatures in the range of 2500 ° C. to 3200 ° C. Examples thereof include those fired and graphitized.
また、黒鉛化度の小さい黒鉛質粒子としては、有機物を通常600℃以上2500℃以下の温度で焼成したものが用いられる。前記有機物の具体例としては、コールタールピッチ、乾留液化油などの石炭系重質油;常圧残油、減圧残油などの直留系重質油;原油、ナフサなどの熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油などの石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセンなどの芳香族炭化水素;フェナジンやアクリジンなどの窒素含有環状化合物;チオフェンなどの硫黄含有環状化合物;アダマンタンなどの脂肪族環状化合物;ビフェニル、テルフェニルなどのポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラールなどのポリビニルエステル類、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性高分子などが挙げられる。 Further, as the graphite particles having a low graphitization degree, those obtained by firing an organic substance at a temperature of usually 600 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower are used. Specific examples of the organic substances include coal-based heavy oils such as coal tar pitch and dry distillation liquefied oil; straight-run heavy oils such as atmospheric residual oil and vacuum residual oil; by-products during thermal decomposition of crude oil, naphtha and the like. Petroleum heavy oils such as cracked heavy oils such as ethylene tar; aromatic hydrocarbons such as acenaphthylene, decacyclene and anthracene; nitrogen-containing cyclic compounds such as phenazine and acridine; sulfur-containing cyclic compounds such as thiophene; adamantane, etc. Aliphatic cyclic compounds of the above; polyphenylenes such as biphenyl and terphenyl; polyvinyl esters such as polyvinyl chloride, polyvinyl acetate and polyvinyl butyral; and thermoplastic polymers such as polyvinyl alcohol.
更に黒鉛化度の小さい黒鉛質粒子を得る場合、有機物の焼成温度は通常600℃以上、好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上である。その上限は、複層構造炭素材に付与する所望の黒鉛化度等により異なるが、通常2500℃、好ましくは2000℃、より好ましくは1400℃である。焼成する際には、有機物に燐酸、ホウ酸、塩酸などの酸類、水酸化ナトリウム等のアルカリ類を混合してもよい。 Further, when obtaining graphitic particles having a low degree of graphitization, the firing temperature of the organic substance is usually 600 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 950 ° C. or higher. The upper limit is usually 2500 ° C., preferably 2000 ° C., more preferably 1400 ° C., although it varies depending on the desired degree of graphitization imparted to the multilayer carbon material. At the time of baking, acids such as phosphoric acid, boric acid and hydrochloric acid, and alkalis such as sodium hydroxide may be mixed with the organic matter.
黒鉛質粒子には、金属粒子及び金属酸化物粒子等の粒子を任意の組み合わせで適宜混合して用いてもよい。また、個々の粒子中に複数の材料が混在していてもよい。例えば本発明に使用する黒鉛質粒子は、黒鉛の表面を黒鉛化度の小さい炭素材料で被覆した構造の炭素質粒子や、黒鉛質粒子を適当な有機物で集合させ再黒鉛化した粒子であってもよい。更に、このような複合粒子中にSn、Si、Al、BiなどLiと合金化可能な金属を含んでいてもよい。 For the graphite particles, particles such as metal particles and metal oxide particles may be appropriately mixed in any combination and used. A plurality of materials may be mixed in each particle. For example, the graphite particles used in the present invention are carbonaceous particles having a structure in which the surface of graphite is coated with a carbon material having a low degree of graphitization, or particles re-graphitized by aggregating graphite particles with an appropriate organic substance. Also good. Further, such composite particles may contain a metal that can be alloyed with Li, such as Sn, Si, Al, Bi.
<炭素質物>
本発明の非水系二次電池用複層構造炭素材においては、炭素質物が以上説明した黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部を被覆している。なお、前記炭素質物としては、後述するその製造方法における加熱の温度の相違によって、非晶質炭素及び黒鉛化物が挙げられる。
<Carbonaceous material>
In the multilayer structure carbon material for a non-aqueous secondary battery of the present invention, the carbonaceous material covers at least a part of the surface of the graphite particles described above. Examples of the carbonaceous material include amorphous carbon and graphitized material depending on the difference in heating temperature in the production method described later.
具体的には、前記炭素質物は、その炭素前駆体を後述するように加熱処理することで得ることができる。前記炭素前駆体として、以下の(a)又は(b)に記載の炭素材が好ましい。 Specifically, the carbonaceous material can be obtained by heat-treating the carbon precursor as described later. The carbon material described in the following (a) or (b) is preferable as the carbon precursor.
(a)石炭系重質油、直流系重質油、分解系石油重質油、芳香族炭化水素、N環化合物、S環化合物、ポリフェニレン、有機合成高分子、天然高分子、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれた炭化可能な有機物 (A) Coal heavy oil, DC heavy oil, cracked heavy oil, aromatic hydrocarbon, N ring compound, S ring compound, polyphenylene, organic synthetic polymer, natural polymer, thermoplastic resin and Carbonizable organic substance selected from the group consisting of thermosetting resins
(b)炭化可能な有機物を低分子有機溶媒に溶解させたもの (B) Carbonized organic substance dissolved in a low molecular organic solvent
前記石炭系重質油としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ、乾留液化油等が好ましく、
前記直流系重質油としては、常圧残油、減圧残油等が好ましく、
前記分解系石油重質油としては、原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等が好ましく、
前記芳香族炭化水素としては、アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等が好ましく、
前記N環化合物としては、フェナジン、アクリジン等が好ましく、
前記S環化合物としては、チオフェン、ビチオフェン等が好ましく、
前記ポリフェニレンとしては、ビフェニル、テルフェニル等が好ましく、
前記有機合成高分子としては、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、これらのものの不溶化処理品、ポリアクリロニトリル、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリスチレン等が好ましく、
前記天然高分子としては、セルロース、リグニン、マンナン、ポリガラクトウロン酸、キトサン、サッカロース等の多糖類等が好ましく、
前記熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド等が好ましく、
前記熱硬化性樹脂としては、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、イミド樹脂等が好ましい。
As the coal-based heavy oil, coal tar pitch from soft pitch to hard pitch, dry distillation liquefied oil and the like are preferable,
As the DC heavy oil, atmospheric residual oil, vacuum residual oil, etc. are preferable,
The cracked petroleum heavy oil is preferably ethylene tar produced as a by-product during thermal decomposition of crude oil, naphtha, etc.
As the aromatic hydrocarbon, acenaphthylene, decacyclene, anthracene, phenanthrene and the like are preferable,
As the N-ring compound, phenazine, acridine and the like are preferable,
As the S ring compound, thiophene, bithiophene and the like are preferable,
As the polyphenylene, biphenyl, terphenyl and the like are preferable,
As the organic synthetic polymer, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, insolubilized products of these, polyacrylonitrile, polypyrrole, polythiophene, polystyrene and the like are preferable,
As the natural polymer, polysaccharides such as cellulose, lignin, mannan, polygalacturonic acid, chitosan, saccharose and the like are preferable,
As the thermoplastic resin, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide and the like are preferable,
As the thermosetting resin, a furfuryl alcohol resin, a phenol-formaldehyde resin, an imide resin or the like is preferable.
また上記炭素前駆体は、ベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n−へキサン等の低分子有機溶媒に溶解させた溶液等の炭化物であることも好ましい。 The carbon precursor is also preferably a carbide such as a solution dissolved in a low molecular organic solvent such as benzene, toluene, xylene, quinoline, n-hexane and the like.
(非晶質炭素の物性)
前述の通り本発明に使用される炭素質物は、その製造における加熱の温度の相違によって非晶質炭素又は黒鉛化物であるが、前記非晶質炭素は、次に示す条件(1)〜(4)の何れか1つ又は複数を満たしていることが望ましい。また本発明においては、かかる物性を示す非晶質炭素1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせで併用してもよい。
(Physical properties of amorphous carbon)
As described above, the carbonaceous material used in the present invention is amorphous carbon or graphitized material depending on the difference in heating temperature in the production thereof, and the amorphous carbon is subjected to the following conditions (1) to (4). It is desirable that one or more of In the present invention, one type of amorphous carbon exhibiting such physical properties may be used alone, or two or more types may be used in any combination.
(1)X線パラメータ
非晶質炭素については、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd002値(層間距離)が、0.340nm以上であることが好ましく、0.341nm以上であることが特に好ましい。またd002値は通常0.380nm以下であり、好ましくは0.355nm以下、より好ましくは0.350nm以下である。
(1) X-ray parameters For amorphous carbon, the d002 value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is preferably 0.340 nm or more. It is especially preferable that it is 341 nm or more. Moreover, d002 value is 0.380 nm or less normally, Preferably it is 0.355 nm or less, More preferably, it is 0.350 nm or less.
d002値が大きすぎると、著しく結晶性の低い表面となり、非水系二次電池において不可逆容量が増加する傾向があり、一方小さすぎると、低結晶性炭素質を表面に配置することにより得られる充電受入性向上の効果が小さく、本発明の効果が小さくなってしまう傾向がある。 If the d002 value is too large, the surface will be remarkably low in crystallinity and the irreversible capacity tends to increase in non-aqueous secondary batteries, while if it is too small, the charge obtained by placing low crystalline carbonaceous material on the surface The effect of improving acceptability is small, and the effect of the present invention tends to be small.
また、非晶質炭素の学振法によるX線回折で求めた結晶子サイズ(Lc)は、通常1nm以上、好ましくは1.5nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、電池の初期不可逆容量の増大が増加する場合がある。 In addition, the crystallite size (Lc) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method of amorphous carbon is usually in the range of 1 nm or more, preferably 1.5 nm or more. Below this range, the crystallinity may decrease and the increase in the initial irreversible capacity of the battery may increase.
(2)灰分
非晶質炭素部分に含まれる灰分は、本発明の複層構造炭素材の全質量に対して、通常0.1質量%以下、好ましくは0.01質量%以下、より好ましくは0.001質量%以下である。また灰分は通常0.1ppm以上である。
(2) Ash content The ash content contained in the amorphous carbon portion is usually 0.1% by mass or less, preferably 0.01% by mass or less, more preferably, based on the total mass of the multilayer carbon material of the present invention. It is 0.001 mass% or less. The ash content is usually 0.1 ppm or more.
灰分が少なすぎると、複層構造炭素材の製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストも工業製品として好ましくない範囲まで上昇する傾向がある。 If the ash content is too small, a large amount of time, energy and equipment for preventing contamination are required for the production of the multi-layered carbon material, and the cost tends to rise to an unpreferable range as an industrial product.
(3)ラマンR値及びラマン半値幅
非晶質炭素のラマンR値は、通常0.5以上、好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上である。またラマンR値は通常1.5以下、好ましくは1.4以下である。
(3) Raman R value and Raman half-value width The Raman R value of amorphous carbon is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more. The Raman R value is usually 1.5 or less, preferably 1.4 or less.
ラマンR値が小さすぎると、本発明の複層構造炭素材の粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、非水系二次電池の充放電に伴ってLiイオンが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。また、集電体に本発明の複層構造炭素材を含むスラリーを塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に、電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性が低下する傾向がある。 If the Raman R value is too small, the crystallinity of the particle surface of the multi-layer structure carbon material of the present invention becomes too high, and the number of sites where Li ions enter between layers tends to decrease with charge / discharge of the nonaqueous secondary battery. There is. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. In addition, when the negative electrode is densified by applying the slurry containing the multilayer structure carbon material of the present invention to the current collector and then pressing it, the crystals are easily oriented in the direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics Tends to decrease.
一方ラマンR値が大きすぎると、炭素材の粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加する傾向がある。 On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystallinity of the particle surface of the carbon material is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
また、非晶質炭素部分の1580cm-1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常60cm-1以上、好ましくは80cm-1以上、また通常150cm-1以下、好ましくは140cm-1以下である。 Further, the Raman half-width in the vicinity of 1580 cm −1 of the amorphous carbon portion is not particularly limited, but is usually 60 cm −1 or more, preferably 80 cm −1 or more, and usually 150 cm −1 or less, preferably 140 cm −1 or less. .
ラマン半値幅が小さすぎると、炭素材粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、電池の充放電に伴ってLiイオンが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。 If the Raman half-value width is too small, the crystallinity of the carbon material particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li ions enter between the layers increases as the battery is charged and discharged. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered.
また、集電体にスラリーを塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に、電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方ラマン半値幅が大きすぎると、炭素材粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。 Further, when the density of the negative electrode is increased by applying the slurry to the current collector and then pressing it, the crystals tend to be oriented in the direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics tend to decrease. On the other hand, if the Raman half-value width is too large, the crystallinity of the carbon material particle surface is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
なお、ラマンR値とラマン半値幅の測定方法は前述のとおりである。 In addition, the measuring method of a Raman R value and a Raman half value width is as above-mentioned.
(4)真密度
非晶質炭素部分の真密度は、通常1.4g/cm3以上、好ましくは1.5g/cm3以上、より好ましくは1.6g/cm3以上、更に好ましくは1.7g/cm3以上であり、通常2.1g/cm3以下、好ましくは2g/cm3以下である。
(4) True density The true density of the amorphous carbon portion is usually 1.4 g / cm 3 or more, preferably 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.6 g / cm 3 or more, and still more preferably 1. It is 7 g / cm 3 or more, usually 2.1 g / cm 3 or less, preferably 2 g / cm 3 or less.
真密度が大きすぎると非水系二次電池の充電受入性が損なわれる傾向がある。一方真密度が小さすぎると、非晶質炭素を構成する炭素の結晶性が低すぎて、電池の初期不可逆容量が増大する傾向がある。 If the true density is too large, the charge acceptability of the nonaqueous secondary battery tends to be impaired. On the other hand, if the true density is too low, the crystallinity of the carbon constituting the amorphous carbon is too low and the initial irreversible capacity of the battery tends to increase.
(黒鉛化物の物性)
前述の通り本発明に使用される炭素質物は、その製造における加熱の温度の相違によって非晶質炭素又は黒鉛化物であるが、前記黒鉛化物は、次に示す条件(1)〜(4)の何れか1つ又は複数を満たしていることが望ましい。また本発明においては、かかる物性を示す黒鉛化物1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせで併用してもよい。
(Physical properties of graphitized material)
As described above, the carbonaceous material used in the present invention is amorphous carbon or graphitized material depending on the difference in heating temperature in the production thereof. The graphitized material is subjected to the following conditions (1) to (4). It is desirable to satisfy any one or more of them. In the present invention, one type of graphitized product exhibiting such physical properties may be used alone, or two or more types may be used in any combination.
(1)X線パラメータ
黒鉛化物については、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd002値(層間距離)が、0.340nm以下であることが好ましく、0.337nm以下であることがより好ましい。一方、黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.335nmであるため、前記d値は通常0.335nm以上である。
(1) X-ray parameters For graphitized materials, the d002 value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is preferably 0.340 nm or less, and 0.337 nm or less. It is more preferable that On the other hand, since the theoretical value of the interplanar spacing of the 002 plane of graphite is 0.335 nm, the d value is usually 0.335 nm or more.
d002値が大きすぎると、著しく結晶性の低い表面となり、非水系二次電池において不可逆容量が増加する傾向があり、一方小さすぎると、黒鉛化物を表面に配置することにより得られる充電受入性向上の効果が小さく、本発明の効果が小さくなってしまう傾向がある。 If the d002 value is too large, the surface will be remarkably low in crystallinity, and the irreversible capacity tends to increase in non-aqueous secondary batteries. On the other hand, if it is too small, the charge acceptability obtained by placing graphitized material on the surface will be improved. There is a tendency that the effect of the present invention is reduced.
また、黒鉛化物の学振法によるX線回折で求めた結晶子サイズ(Lc)は、通常1nm以上、好ましくは1.5nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、電池の初期不可逆容量の増大が増加する場合がある。 The crystallite size (Lc) obtained by X-ray diffraction of the graphitized product by the Gakushin method is usually 1 nm or more, preferably 1.5 nm or more. Below this range, the crystallinity may decrease and the increase in the initial irreversible capacity of the battery may increase.
(2)灰分
黒鉛化物部分に含まれる灰分は、本発明の複層構造炭素材の全質量に対して、通常0.1質量%以下、好ましくは0.01質量%以下、より好ましくは0.001質量%以下である。また灰分は通常0.1ppm以上である。
(2) Ash content The ash content in the graphitized part is usually 0.1% by mass or less, preferably 0.01% by mass or less, more preferably 0.8% by mass with respect to the total mass of the multilayer structure carbon material of the present invention. It is 001 mass% or less. The ash content is usually 0.1 ppm or more.
灰分が少なすぎると、複層構造炭素材の製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストも工業製品として好ましくない範囲まで上昇する傾向がある。 If the ash content is too small, a large amount of time, energy and equipment for preventing contamination are required for the production of the multi-layered carbon material, and the cost tends to rise to an unpreferable range as an industrial product.
(3)ラマンR値及びラマン半値幅
黒鉛化物のラマンR値は、通常0.5以上、好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上である。またラマンR値は通常1.5以下、好ましくは1.4以下である。
(3) Raman R value and Raman half width The Raman R value of the graphitized product is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more. The Raman R value is usually 1.5 or less, preferably 1.4 or less.
ラマンR値が小さすぎると、本発明の複層構造炭素材の粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、非水系二次電池の充放電に伴ってLiイオンが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。また、集電体に本発明の複層構造炭素材を含むスラリーを塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に、電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性が低下する傾向がある。 If the Raman R value is too small, the crystallinity of the particle surface of the multi-layer structure carbon material of the present invention becomes too high, and the number of sites where Li ions enter between layers tends to decrease with charge / discharge of the nonaqueous secondary battery. There is. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. In addition, when the negative electrode is densified by applying the slurry containing the multilayer structure carbon material of the present invention to the current collector and then pressing it, the crystals are easily oriented in the direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics Tends to decrease.
一方ラマンR値が大きすぎると、炭素材の粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加する傾向がある。 On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystallinity of the particle surface of the carbon material is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
また、黒鉛化物部分の1580cm-1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常60cm-1以上、好ましくは80cm-1以上、また通常150cm-1以下、好ましくは140cm-1以下である。 Further, the Raman half width in the vicinity of 1580 cm −1 of the graphitized portion is not particularly limited, but is usually 60 cm −1 or more, preferably 80 cm −1 or more, and usually 150 cm −1 or less, preferably 140 cm −1 or less.
ラマン半値幅が小さすぎると、炭素材粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、電池の充放電に伴ってLiイオンが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。 If the Raman half-value width is too small, the crystallinity of the carbon material particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li ions enter between the layers increases as the battery is charged and discharged. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered.
また、集電体にスラリーを塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に、電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方ラマン半値幅が大きすぎると、炭素材粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。 Further, when the density of the negative electrode is increased by applying the slurry to the current collector and then pressing it, the crystals tend to be oriented in the direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics tend to decrease. On the other hand, if the Raman half-value width is too large, the crystallinity of the carbon material particle surface is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
なお、ラマンR値とラマン半値幅の測定方法は前述のとおりである。 In addition, the measuring method of a Raman R value and a Raman half value width is as above-mentioned.
(4)真密度
黒鉛化物部分の真密度は、通常1.4g/cm3以上、好ましくは1.5g/cm3以上、より好ましくは1.6g/cm3以上、更に好ましくは1.7g/cm3以上であり、通常2.1g/cm3以下、好ましくは2g/cm3以下である。
(4) True density The true density of the graphitized portion is usually 1.4 g / cm 3 or more, preferably 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.6 g / cm 3 or more, and still more preferably 1.7 g / cm 3. cm 3 or more, usually 2.1 g / cm 3 or less, preferably 2 g / cm 3 or less.
真密度が大きすぎると非水系二次電池の充電受入性が損なわれる傾向がある。一方真密度が小さすぎると、黒鉛化物を構成する炭素の結晶性が低すぎて、電池の初期不可逆容量が増大する傾向がある。 If the true density is too large, the charge acceptability of the nonaqueous secondary battery tends to be impaired. On the other hand, when the true density is too small, the crystallinity of carbon constituting the graphitized product is too low, and the initial irreversible capacity of the battery tends to increase.
<複層構造炭素材の製法>
本発明の複層構造炭素材の製法は、黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部を炭素質物で被覆し、且つ得られた複層構造炭素材が、平均粒径d50が19.1μm以上50μm以下であり、円形度が0.88以上であり、圧延荷重(P)と前記炭素材のd50との比が30以下であり、好ましくは炭素質物の添着量が0.01〜2.7質量%となるような方法であれば、特には制限されない。
<Production method of multi-layer carbon material>
The method for producing a multilayer structure carbon material of the present invention is such that at least a part of the surface of the graphite particles is covered with a carbonaceous material, and the resulting multilayer structure carbon material has an average particle diameter d50 of 19.1 μm or more and 50 μm or less. The circularity is 0.88 or more, the ratio of the rolling load (P) to the d50 of the carbon material is 30 or less, preferably the carbonaceous material is attached in an amount of 0.01 to 2.7% by mass. If it is the method which becomes, it will not restrict | limit in particular.
より具体的な複層構造炭素材の製造方法は、上述した黒鉛質粒子を核黒鉛とし、炭素質物を得るための炭素前駆体を被覆原料として用い、これらを混合、焼成することであり、これら原料を組み合わせ、特定の添着量になるように種々の条件を制御することで本発明の複層構造炭素材を製造することができる。 A more specific method for producing a multi-layer carbon material is to use the above-mentioned graphite particles as nuclear graphite, a carbon precursor for obtaining a carbonaceous material as a coating raw material, and mix and fire these. The multilayer structure carbon material of the present invention can be produced by combining the raw materials and controlling various conditions so as to obtain a specific amount of adhesion.
黒鉛質粒子を炭素質物で被覆する方法は、炭素質物を得るための炭素前駆体をそのまま用いて、炭素前駆体と黒鉛質粒子粉体との混合物を加熱処理して複合粉体を得る方法、
前述の炭素前駆体を一部炭素化した炭素質物粉体を予め作製しておき、これを黒鉛質粒子粉体と混合し、加熱処理して複合化する方法、
前述の炭素質物粉体を予め作製しておき、黒鉛質粒子粉体と炭素質物粉体と炭素前駆体とを混合し、加熱処理して複合化する方法等が採用可能である。
The method of coating the graphite particles with the carbonaceous material is a method of using the carbon precursor for obtaining the carbonaceous material as it is, and heating the mixture of the carbon precursor and the graphite particle powder to obtain a composite powder,
A method in which a carbonaceous material powder obtained by partially carbonizing the carbon precursor is prepared in advance, mixed with a graphite particle powder, and heat-treated to form a composite.
It is possible to employ a method in which the above-mentioned carbonaceous material powder is prepared in advance, and the graphite particle powder, the carbonaceous material powder, and the carbon precursor are mixed and heat-treated to form a composite.
なお、後二者の予め炭素質物粉体を用意しておく方法では、平均粒径d50が黒鉛質粒子の平均粒径d50の10分の1以下の炭素質物を用いることが好ましい。また、予め作製した炭素質物と黒鉛質粒子に粉砕等の力学的エネルギーを加えることで、一方に他方が巻き込まれた構造にする方法や、静電的に付着した構造にする方法も採用が可能である。 In the latter two methods of preparing the carbonaceous material powder in advance, it is preferable to use a carbonaceous material having an average particle diameter d50 of 1/10 or less of the average particle diameter d50 of the graphite particles. In addition, by applying mechanical energy such as pulverization to pre-made carbonaceous material and graphite particles, it is possible to adopt a method in which the other is entrained or a method in which the other is electrostatically attached. It is.
黒鉛質粒子と炭素前駆体を混合したものを得るか、あるいは、黒鉛質粒子と炭素質物の混合物と炭素前駆体を混合したものを加熱して中間物質を得て、その後、炭化焼成、粉砕することにより、最終的に黒鉛質粒子に炭素質物を複合化させた(被覆させた)複層構造炭素材を得ることが好ましい。 Obtain a mixture of graphite particles and a carbon precursor, or heat a mixture of graphite particles and a carbonaceous material and a carbon precursor to obtain an intermediate material, and then carbonize and fire and grind Thus, it is preferable to finally obtain a multi-layer structure carbon material in which a carbonaceous material is combined (coated) with graphite particles.
より具体的な本発明における複層構造炭素材を得るための製法の一例の工程は、以下の4工程に分けられる。 The process of an example of the manufacturing method for obtaining the multi-layered structure carbon material in the present invention is divided into the following four processes.
第1工程:黒鉛質粒子及び炭素質物の炭素前駆体、更に、必要に応じて溶媒とを、種々の市販の混合機や混練機等を用いて混合し、混合物を得る。 First step: Graphite particles, a carbon precursor of carbonaceous material, and, if necessary, a solvent are mixed using various commercially available mixers and kneaders to obtain a mixture.
第2工程:前記混合物を加熱し、溶媒及び、炭素前駆体から発生する揮発分を除去した中間物質を得る。この加熱は、必要に応じて前記混合物を攪拌しながら行ってもよい。また、前記揮発分が残留していても、後の第3工程で除去されるので、問題ない。 2nd process: The said mixture is heated and the intermediate material which removed the volatile matter which generate | occur | produces from a solvent and a carbon precursor is obtained. This heating may be performed while stirring the mixture as necessary. Moreover, even if the volatile matter remains, it is not a problem because it is removed in a later third step.
第3工程:前記混合物又は中間物質を、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス、前記混合物又は中間物質からの発生ガス雰囲気等のガス雰囲気下で、400℃以上3200℃以下に加熱し、複層構造炭素材を得る。 Third step: The mixture or intermediate substance is heated to 400 ° C. or higher and 3200 ° C. or lower in a gas atmosphere such as nitrogen gas, carbon dioxide gas, argon gas, or a gas atmosphere generated from the mixture or intermediate substance, to form a multilayer structure Obtain carbon material.
第4工程:前記複層構造炭素材について、必要に応じて粉砕、解砕、分級処理等の粉体加工をする。 Fourth step: The multi-layered carbon material is subjected to powder processing such as pulverization, pulverization, and classification as required.
これらの工程中、第2工程及び第4工程は場合によっては省略可能であり、第4工程は第3工程の前に行ってもよい。但し、第4工程を第3工程の前に実施した場合は、必要に応じて、第3工程の終了後再度粉砕、解砕、分級処理等の粉体加工し、複層構造炭素材を得る。 Among these steps, the second step and the fourth step may be omitted depending on circumstances, and the fourth step may be performed before the third step. However, when the fourth step is performed before the third step, if necessary, powder processing such as pulverization, pulverization, classification, etc. is performed again after the completion of the third step to obtain a multi-layer structure carbon material. .
第3工程の原料の熱処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、シャトル炉、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、タンマン炉、アチソン炉を使用することができる。 Although there is no restriction | limiting in particular as an apparatus used for the heat processing of the raw material of a 3rd process, For example, reaction furnaces, such as a shuttle furnace, a tunnel furnace, a lead hammer furnace, a rotary kiln, an autoclave, a coker (heat processing tank of coke manufacture), a Tamman furnace, An Atchison furnace can be used.
熱処理装置の加熱方式も特に制限されず、高周波誘導加熱炉、直接式抵抗加熱、間接式抵抗加熱、直接燃焼加熱、輻射熱加熱等を用いることができる。 The heating method of the heat treatment apparatus is not particularly limited, and a high frequency induction heating furnace, direct resistance heating, indirect resistance heating, direct combustion heating, radiant heat heating, or the like can be used.
なお、熱処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。また、熱処理条件としては、熱履歴温度条件が重要である。その温度下限は炭素前駆体の種類、その熱履歴によっても若干異なるが通常600℃、好ましくは700℃、より好ましくは900℃である。 In addition, you may stir as needed at the time of heat processing. In addition, the heat history temperature condition is important as the heat treatment condition. The lower temperature limit is usually 600 ° C., preferably 700 ° C., and more preferably 900 ° C., although it varies slightly depending on the type of carbon precursor and its thermal history.
一方、上限温度は、基本的に炭素前駆体が黒鉛質粒子核の結晶構造を上回る構造秩序を有するようにならない温度まで上げることができる。従って熱処理の上限温度としては、3200℃、好ましくは2000℃、より好ましくは1500℃、更に好ましくは1200℃である。 On the other hand, the maximum temperature can be raised to a temperature at which the carbon precursor basically does not have a structural order exceeding the crystal structure of the graphite particle nucleus. Therefore, the upper limit temperature of the heat treatment is 3200 ° C., preferably 2000 ° C., more preferably 1500 ° C., and further preferably 1200 ° C.
特に、通常600℃以上、好ましくは700℃以上、より好ましくは900℃以上、通常2000℃以下、好ましくは1500℃以下、より好ましくは1200℃以下で熱処理を行うと炭素質物として非晶質炭素が得られ、通常2000℃以上、好ましくは2500℃以上、通常3200℃以下で熱処理を行うと炭素質物として黒鉛化物が得られる。前記非晶質炭素とは結晶性の低い炭素であり、前記黒鉛化物とは結晶性の高い炭素である。 In particular, when heat treatment is usually performed at 600 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher, more preferably 900 ° C. or higher, usually 2000 ° C. or lower, preferably 1500 ° C. or lower, more preferably 1200 ° C. or lower, amorphous carbon is formed as a carbonaceous material. When it is heat-treated at a temperature of usually 2000 ° C. or higher, preferably 2500 ° C. or higher and usually 3200 ° C. or lower, a graphitized product is obtained as a carbonaceous material. The amorphous carbon is carbon having low crystallinity, and the graphitized material is carbon having high crystallinity.
このような熱処理条件において、熱履歴温度条件、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は、炭素質物の添着量が上述の範囲になるように適宜設定する。前記添着量の調整方法は公知であり、その一例としては、上記第1工程において混合する黒鉛質粒子及び炭素前駆体の量を調整することが挙げられる。 In such a heat treatment condition, the heat history temperature condition, the heating rate, the cooling rate, the heat treatment time, and the like are appropriately set so that the amount of carbonaceous material attached falls within the above range. The adjustment method of the said adhesion amount is well-known, As an example, adjusting the quantity of the graphite particle and carbon precursor mixed in the said 1st process is mentioned.
また、比較的低温領域で熱処理した後、所定の温度に昇温することもできる。なお、本工程に用いる反応機は回分式でも連続式でも、また一基でも複数基でもよい。 Further, after heat treatment in a relatively low temperature region, the temperature can be raised to a predetermined temperature. In addition, the reactor used for this process may be a batch type or a continuous type, and may be one or more.
第3工程に用いることが可能な炉は、上記要件を満たせば特に制約はない。 The furnace that can be used in the third step is not particularly limited as long as the above requirements are satisfied.
第4工程の粉砕に用いる装置に特に制限はないが、例えば、粗粉砕機としてはせん断式ミル、ジョークラッシャー、衝撃式クラッシャー、コーンクラッシャー等が挙げられ、中間粉砕機としてはロールクラッシャー、ハンマーミル等が挙げられ、微粉砕機としてはボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル等が挙げられる。 The apparatus used for the pulverization in the fourth step is not particularly limited. For example, examples of the coarse pulverizer include a shearing mill, a jaw crusher, an impact crusher, and a cone crusher. Examples of the intermediate pulverizer include a roll crusher and a hammer mill. Examples of the pulverizer include a ball mill, a vibration mill, a pin mill, a stirring mill, and a jet mill.
第4工程の分級処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、乾式篩い分けの場合は、回転式篩い、動揺式篩い、旋動式篩い、振動式篩い等を用いることができ、乾式気流式分級の場合は、重力式分級機、慣性力式分級機、遠心力式分級機(クラシファイア、サイクロン等)を用いることができ、また、湿式篩い分け、機械的湿式分級機、水力分級機、沈降分級機、遠心式湿式分級機等を用いることができる。 The apparatus used for the classification process in the fourth step is not particularly limited. For example, in the case of dry sieving, a rotary sieving, a shaking sieving, a rotating sieving, a vibrating sieving, etc. can be used. For airflow classifiers, gravity classifiers, inertial force classifiers, centrifugal classifiers (classifiers, cyclones, etc.) can be used, and wet sieving, mechanical wet classifiers, hydraulic classifiers A sedimentation classifier, a centrifugal wet classifier, or the like can be used.
第4工程の解砕に用いる装置としては特に制限はないが、ロールクラッシャー、ハンマーミル等、ボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル、さらに衝撃力を主体に粒子の相互作用も含めた圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を繰り返し粒子に与える装置、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、クリプトロン(アーステクニカ社製)、CFミル(宇部興産社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)等を用いることができ、凝集体解砕処理前後において一次粒子の粒径が過度に小さくなりすぎない程度に適度に強度を調整することで、当該工程における解砕を行うことができる。 There are no particular restrictions on the equipment used for crushing in the fourth step, but roll crushers, hammer mills, ball mills, vibration mills, pin mills, agitation mills, jet mills, and particle interaction mainly including impact force are also included. Apparatus for repeatedly applying mechanical action such as compression, friction, shearing force, etc. to particles, for example, hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), kryptron (manufactured by Earth Technica), CF mill (manufactured by Ube Industries), mechano Fusion system (made by Hosokawa Micron Co., Ltd.), theta composer (made by Tokuju Kogakusho Co., Ltd.), etc. can be used, and the strength is moderately adjusted so that the primary particle size does not become too small before and after the aggregate crushing treatment. By doing, crushing in the said process can be performed.
<副材>
本発明の複層構造炭素材には、以上説明した複層構造炭素材以外に、それとは炭素質の物性が異なる炭素質物(炭素質材料)を1種以上含有させることにより、更に電池性能の向上を図ることが可能である。
<Sub-material>
In addition to the multilayer carbon material described above, the multilayer carbon material of the present invention contains one or more carbonaceous materials (carbonaceous materials) having different carbonaceous physical properties, thereby further improving battery performance. It is possible to improve.
前記「炭素質の物性」とは、X線回折パラメータ、メジアン径、アスペクト比、BET比表面積、配向比、ラマンR値、タップ密度、真密度、細孔分布、円形度、灰分量のうちの一つ以上の特性を示す。 The “carbonaceous physical properties” include X-ray diffraction parameters, median diameter, aspect ratio, BET specific surface area, orientation ratio, Raman R value, tap density, true density, pore distribution, circularity, and ash content. Exhibit one or more characteristics.
また、好ましい実施の形態としては、前記炭素質材料について、体積基準粒度分布がメジアン径を中心としたときに左右対称とならないことや、ラマンR値の異なる炭素質材料を2種以上使用すること、X線パラメータが異なる炭素質材料を2種以上使用すること等が挙げられる。 As a preferred embodiment, the carbonaceous material is not symmetrical when the volume-based particle size distribution is centered on the median diameter, or two or more carbonaceous materials having different Raman R values are used. And the use of two or more carbonaceous materials having different X-ray parameters.
炭素質材料を用いることの効果の一例としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素質材料を副材として使用することにより、それを含む複層構造炭素材を使用して得られる非水系二次電池の電気抵抗を低減させること等が挙げられる。 As an example of the effect of using a carbonaceous material, a carbonaceous material such as natural graphite, graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke is used as a secondary material. For example, reducing the electric resistance of a non-aqueous secondary battery obtained by using a multi-layer structure carbon material containing the same.
以上説明した炭素質材料は、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。炭素質材料を副材として添加する場合には、副材を含めた複層構造炭素材全体100質量%に対して通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上、通常80質量%以下、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、更に好ましくは30質量%以下の量で添加する。 The carbonaceous material demonstrated above may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. When a carbonaceous material is added as a secondary material, it is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 100% by mass with respect to the entire multilayer structure carbon material including the secondary material. It is added in an amount of 0.6% by mass or more, usually 80% by mass or less, preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, and still more preferably 30% by mass or less.
この範囲を下回りすぎると、電池において導電性向上の効果が得られにくい傾向がある。一方この範囲を上回りすぎると、電池の初期不可逆容量の増大を招く場合がある。 If it is less than this range, there is a tendency that the effect of improving conductivity in the battery is difficult to obtain. On the other hand, if this range is exceeded, the initial irreversible capacity of the battery may be increased.
[電極作製]
負極の製造は、常法によればよい。例えば、本発明の複層構造炭素材に、バインダ、溶媒、必要に応じて、増粘剤、導電材、充填材等を加えてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥した後にプレスすることによって前記集電体上に複層構造炭素材層を形成することで、負極を製造することができる。
[Electrode production]
The negative electrode may be manufactured by a conventional method. For example, a binder, a solvent, and, if necessary, a thickener, a conductive material, a filler and the like are added to the multilayer carbon material of the present invention to form a slurry, which is applied to a current collector, dried and then pressed. Thus, a negative electrode can be manufactured by forming a multilayer structure carbon material layer on the current collector.
ここで、[発明が解決しようとする課題]でも説明したように、非水系二次電池において高容量を達成し、また負極の極板厚みの均一化のためには、一定以上の圧力で圧延を掛ける必要があり、従来の負極形成材料では、この圧力のために材料にダメージが与えられて材料破壊が起こり電解液との副反応が増加し、電池において初期効率が低下し初期サイクル時の充放電不可逆容量が増え、結果として高容量化を達成するために行った操作のためにそれが達成できないという問題があった。 Here, as explained in [Problems to be Solved by the Invention], in order to achieve a high capacity in a non-aqueous secondary battery and to make the electrode plate thickness of the negative electrode uniform, rolling is performed at a pressure above a certain level. In the conventional negative electrode forming material, the material is damaged due to this pressure, and the material breaks down and the side reaction with the electrolytic solution increases. As a result, the irreversible charge / discharge capacity has increased, and as a result, there has been a problem that it cannot be achieved due to the operation performed to achieve high capacity.
本発明の複層構造炭素材は、その平均粒径d50が19.1〜50μmと比較的大きく、さらに炭素材の核である黒鉛質粒子を被覆する炭素質物の量が少ない。このような炭素材を上記スラリーとして負極を製造すると、材料破壊が起こらない程度の圧力による圧延によっても極板厚みの均一化が達成され、また電池の初期不可逆容量が小さく十分な高容量が達成される。 The multi-layer structure carbon material of the present invention has a relatively large average particle diameter d50 of 19.1 to 50 μm, and the amount of carbonaceous material covering the graphite particles that are the core of the carbon material is small. When a negative electrode is produced using such a carbon material as the slurry, the electrode plate can be made uniform even by rolling at a pressure that does not cause material destruction, and the initial irreversible capacity of the battery is small and sufficiently high capacity is achieved. Is done.
具体的には、本発明の複層構造炭素材を負極活物質として用いて負極を作製する場合において、負極活物質層の密度が1.6g/cm3になるよう圧延するのに必要な線圧は通常550kg/5cm以下であり、好ましくは500kg/5cm以下であり、より好ましくは450kg/5cm以下、更に好ましくは400kg/5cm以下、通常100kg/5cm以上である。なお、線圧とは圧延に使用するロールの軸方向の単位長さ(本明細書では5cmとする)あたりの力を意味する。 Specifically, in the case where a negative electrode is produced using the multilayer structure carbon material of the present invention as a negative electrode active material, a line necessary for rolling so that the density of the negative electrode active material layer is 1.6 g / cm 3. The pressure is usually 550 kg / 5 cm or less, preferably 500 kg / 5 cm or less, more preferably 450 kg / 5 cm or less, still more preferably 400 kg / 5 cm or less, usually 100 kg / 5 cm or more. In addition, linear pressure means the force per unit length (it shall be 5 cm in this specification) of the axial direction of the roll used for rolling.
負極活物質層の密度が1.6g/cm3になるよう圧延するのに必要な線圧が上記範囲の場合には、炭素材へのダメージが抑制されることから、電池において初期効率が増大し、負極と電解液との副反応により生じる初期ガスが低減する。また適度な圧力による圧延により炭素材粒子が適度に変形し、粒子同士の接触面積が増えて、電極の密着強度が向上する。本発明の複層構造炭素材の粒径が大きく、炭素材の核である黒鉛質粒子を被覆する炭素質物の量が少ないために、該炭素材が従来の炭素材に比べて軟らかいことも、この接触面積の増加による電極強度の向上に寄与している。 When the linear pressure necessary for rolling so that the density of the negative electrode active material layer is 1.6 g / cm 3 is in the above range, damage to the carbon material is suppressed, so that the initial efficiency is increased in the battery. In addition, the initial gas generated by the side reaction between the negative electrode and the electrolytic solution is reduced. Further, the carbon material particles are appropriately deformed by rolling with an appropriate pressure, the contact area between the particles is increased, and the adhesion strength of the electrode is improved. Since the particle size of the multi-layer structure carbon material of the present invention is large and the amount of carbonaceous material covering the graphite particles that are the core of the carbon material is small, the carbon material is softer than conventional carbon materials, This contributes to the improvement of the electrode strength by increasing the contact area.
具体的には、本発明の複層構造炭素材を使用して得られる負極の極板強度は、通常3mN/mm以上、好ましくは5mN/mm、より好ましくは7mN/mm以上、更に好ましくは10mN/mm以上、通常100mN/mm以下、好ましくは50mN/mm以下、より好ましくは30mN/mm以下である。この値が小さすぎると集電体から負極活物質層の剥離が生じ易くなり工程性を著しく損なう傾向があり、この値が大きすぎると負極の柔軟さが失われて負極の曲げや圧延の際に負極活物質層の剥離が生じ工程性を著しく損なう傾向がある。 Specifically, the electrode plate strength of the negative electrode obtained using the multilayer structure carbon material of the present invention is usually 3 mN / mm or more, preferably 5 mN / mm, more preferably 7 mN / mm or more, and even more preferably 10 mN. / Mm or more, usually 100 mN / mm or less, preferably 50 mN / mm or less, more preferably 30 mN / mm or less. If this value is too small, peeling of the negative electrode active material layer from the current collector tends to occur and the processability tends to be remarkably impaired. If this value is too large, the flexibility of the negative electrode is lost and the negative electrode is bent or rolled. In this case, the negative electrode active material layer is peeled off and the processability tends to be remarkably impaired.
非水系二次電池の電解液注液工程直前の段階での片面あたりの複層構造炭素材層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上であり、上限は通常150μm、好ましくは120μm、より好ましくは100μmである。 The thickness of the multi-layer structure carbon material layer per side at the stage immediately before the electrolyte injection process of the non-aqueous secondary battery is usually 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and the upper limit is usually 150 μm. , Preferably 120 μm, more preferably 100 μm.
この範囲を上回ると、電解液が集電体界面付近まで浸透しにくいため、電池の高電流密度充放電特性が低下することがある。またこの範囲を下回ると、複層構造炭素材に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する傾向にある。 If it exceeds this range, the electrolyte solution hardly penetrates to the vicinity of the current collector interface, so that the high current density charge / discharge characteristics of the battery may be deteriorated. On the other hand, below this range, the volume ratio of the current collector to the multilayer structure carbon material increases, and the battery capacity tends to decrease.
なお、複層構造炭素材をロール成形してシート電極としても、圧縮成形によりペレット電極としてもよい。 The multi-layer structure carbon material may be roll-formed to form a sheet electrode, or may be compressed to a pellet electrode.
[負極]
本発明の複層構造炭素材を保持させる集電体としては、公知のものを任意に用いることができる。負極の集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられ、中でも加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。
[Negative electrode]
As the current collector for holding the multi-layer structure carbon material of the present invention, a known one can be arbitrarily used. Examples of the current collector for the negative electrode include metal materials such as copper, nickel, stainless steel, and nickel-plated steel. Of these, copper is particularly preferable from the viewpoint of ease of processing and cost.
前記集電体が金属材料の場合、集電体としては例えば金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも好ましくは金属薄膜、より好ましくは銅箔であり、更に好ましくは圧延法により得られる圧延銅箔と、電解法により得られる電解銅箔である。 When the current collector is a metal material, examples of the current collector include metal foil, metal cylinder, metal coil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punch metal, and foam metal. Among them, a metal thin film is preferable, a copper foil is more preferable, and a rolled copper foil obtained by a rolling method and an electrolytic copper foil obtained by an electrolytic method are more preferable.
銅箔の厚さが25μmよりも薄い場合、純銅よりも強度の高い銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることができる。 When the thickness of the copper foil is less than 25 μm, a copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) having higher strength than pure copper can be used.
圧延法により作製した銅箔からなる集電体は、銅結晶が圧延方向に並んでいるため、負極を密に丸めても、鋭角に丸めても割れにくく、小型の円筒状電池に好適に用いることができる。 A current collector made of a copper foil produced by a rolling method is suitable for use in a small cylindrical battery because the copper crystals are arranged in the rolling direction so that the negative electrode is hard to crack even if it is rounded sharply or rounded at an acute angle. be able to.
電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られるものである。上記の圧延銅箔の表面に、電解法により銅を析出させても得ることができる。 For example, an electrolytic copper foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and flowing current while rotating the copper drum, thereby depositing copper on the surface of the drum and peeling it off. It is obtained. It can also be obtained by depositing copper on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method.
銅箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理(例えば、厚さが数nm〜1μm程度までのクロメート処理、Ti等の下地処理等)がなされていてもよい。 One side or both sides of the copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment (for example, a chromate treatment having a thickness of about several nm to 1 μm, a base treatment such as Ti).
また、集電体基板(集電体上に複層構造炭素材層が形成されたもの)には、更に次のような物性が望まれる。 Further, the following physical properties are desired for the current collector substrate (in which a multilayer carbon material layer is formed on the current collector).
(1)平均表面粗さ(Ra)
JISB0601−1994に記載の方法で規定される集電体基板の活物質層(すなわち複層構造炭素材層)形成面の平均表面粗さ(Ra)は、特に制限されないが、通常0.01μm以上、好ましくは0.03μm以上であり、通常1.5μm以下、好ましくは1.3μm以下、特に好ましくは1.0μm以下である。
(1) Average surface roughness (Ra)
The average surface roughness (Ra) of the active material layer (ie, multi-layer structure carbon material layer) forming surface of the current collector substrate defined by the method described in JIS B0601-1994 is not particularly limited, but is usually 0.01 μm or more. The thickness is preferably 0.03 μm or more, usually 1.5 μm or less, preferably 1.3 μm or less, particularly preferably 1.0 μm or less.
集電体基板の活物質層形成面の平均表面粗さ(Ra)を前記した下限と上限の間の範囲内とすることにより、その集電体基板を用いて得られる非水系二次電池において良好な充放電サイクル特性が期待できる。 In the non-aqueous secondary battery obtained by using the current collector substrate by setting the average surface roughness (Ra) of the active material layer forming surface of the current collector substrate within the range between the lower limit and the upper limit. Good charge / discharge cycle characteristics can be expected.
上記下限値以上とすることにより、集電体と活物質層との界面の面積が大きくなり、これらの密着性が向上する。平均表面粗さ(Ra)の上限値は特に制限されるものではないが、平均表面粗さ(Ra)が1.5μmを超えるものは電池として実用的な厚みの薄膜としては一般に入手しにくいため、1.5μm以下のものが好ましい。 By setting it to the above lower limit or more, the area of the interface between the current collector and the active material layer is increased, and the adhesion between them is improved. The upper limit of the average surface roughness (Ra) is not particularly limited, but those having an average surface roughness (Ra) exceeding 1.5 μm are generally difficult to obtain as a thin film having a practical thickness as a battery. 1.5 μm or less is preferable.
(2)引張強度
集電体基板の引張強度は、特に制限されないが、通常50N/mm2以上、好ましくは100N/mm2以上、更に好ましくは150N/mm2以上である。引張強度とは、試験片が破断に至るまでに要した最大引張力を、試験片の断面積で割ったものである。本発明における引張強度は、伸び率測定と同様な方法及び装置で測定される。
(2) Tensile strength The tensile strength of the current collector substrate is not particularly limited, but is usually 50 N / mm 2 or more, preferably 100 N / mm 2 or more, and more preferably 150 N / mm 2 or more. The tensile strength is obtained by dividing the maximum tensile force required until the test piece breaks by the cross-sectional area of the test piece. The tensile strength in the present invention is measured by the same method and apparatus as the elongation measurement.
引張強度が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う活物質層の膨張・収縮による集電体基板の亀裂を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。 If the current collector substrate has a high tensile strength, cracking of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material layer accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained.
(3)0.2%耐力
集電体基板の0.2%耐力は、特に制限されないが、通常30N/mm2以上、好ましくは100N/mm2以上、特に好ましくは150N/mm2以上である。0.2%耐力とは、0.2%の塑性(永久)歪みを与えるのに必要な負荷の大きさであり、この大きさの負荷を加えた後に除荷しても0.2%変形している事を意味している。
(3) 0.2% proof stress of 0.2% proof stress current collector substrate is not particularly limited, normally 30 N / mm 2 or more, preferably 100 N / mm 2 or more, particularly preferably 150 N / mm 2 or more . The 0.2% proof stress is the magnitude of the load required to give 0.2% plastic (permanent) strain. It means that you are doing.
本発明における0.2%耐力は、伸び率測定と同様な方法及び装置で測定される。0.2%耐力が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う活物質層の膨張・収縮による集電体基板の塑性変形を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。 The 0.2% proof stress in the present invention is measured by the same method and apparatus as the elongation rate measurement. If the current collector substrate has a high 0.2% proof stress, plastic deformation of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material layer accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained. it can.
(4)集電体の厚さ
集電体の厚さは任意であるが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上である。また、上限は、通常1mm、好ましくは100μm、より好ましくは30μmである。
(4) Thickness of current collector The thickness of the current collector is arbitrary, but is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more. Moreover, an upper limit is 1 mm normally, Preferably it is 100 micrometers, More preferably, it is 30 micrometers.
集電体の厚さが1μmより薄くなると、強度が低下するため複層構造炭素材含有スラリーの塗布が困難となり工程上好ましくない場合がある。一方1mmより厚くなると、巻回等の電極の形を変形させることが工程上困難となり好ましくない場合がある。また、集電体はメッシュ状でもよい。 If the thickness of the current collector is less than 1 μm, the strength is lowered, so that it is difficult to apply the multilayer structure carbon material-containing slurry, which may be undesirable in the process. On the other hand, if it is thicker than 1 mm, it may be difficult to change the shape of the electrode, such as winding, in the process. The current collector may be mesh.
(5)集電体と活物質層の厚さの比
集電体とその上に形成される活物質層(本発明の複層構造炭素材を含む層)の厚さとの比は特には限定されないが、(電解液注液直前の片面の活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)の値が150以下、好ましくは20以下、より好ましくは10以下であり、下限は0.1以上、好ましくは0.4以上、より好ましくは1以上の範囲である。この範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。一方この範囲を下回ると、複層構造炭素材に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。
(5) Thickness ratio between current collector and active material layer The ratio between the current collector and the thickness of the active material layer formed on the current collector (the layer containing the multilayered carbon material of the present invention) is particularly limited. However, the value of (thickness of active material layer on one side immediately before electrolyte injection) / (thickness of current collector) is 150 or less, preferably 20 or less, more preferably 10 or less, and the lower limit is 0. .1 or more, preferably 0.4 or more, more preferably 1 or more. Above this range, the current collector may generate heat due to Joule heat during high current density charge / discharge. On the other hand, below this range, the volume ratio of the current collector to the multilayer structure carbon material may increase, and the battery capacity may decrease.
(6)電極密度
本発明の複層構造炭素材の電極化した際の電極構造は特には限定されないが、集電体上に存在している活物質の密度は、好ましくは1g/cm3以上、より好ましくは1.1g/cm3、更に好ましくは1.2g/cm3以上であり、上限は通常2g/cm3、好ましくは1.9g/cm3、よりに好ましくは1.8g/cm3、更に好ましくは1.7g/cm3である。
(6) Electrode density The electrode structure of the multi-layer structure carbon material of the present invention is not particularly limited, but the density of the active material present on the current collector is preferably 1 g / cm 3 or more. More preferably 1.1 g / cm 3 , still more preferably 1.2 g / cm 3 or more, and the upper limit is usually 2 g / cm 3 , preferably 1.9 g / cm 3 , more preferably 1.8 g / cm 3 . 3 and more preferably 1.7 g / cm 3 .
この範囲を上回ると電極密度を達成するための圧延等の際に活物質粒子が破壊され、非水系二次電池の初期不可逆容量の増加や、集電体/活物質界面付近への電解液の浸透性が低下し、電池の高電流密度充放電特性を招くことがある。また前記範囲を下回ると活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大し、単位容積当たりの容量が低下する場合がある。 If this range is exceeded, the active material particles are destroyed during rolling to achieve electrode density, the initial irreversible capacity of the non-aqueous secondary battery is increased, and the electrolyte solution near the current collector / active material interface The permeability may decrease and may lead to high current density charge / discharge characteristics of the battery. On the other hand, if the amount is less than the above range, the conductivity between the active materials decreases, the battery resistance increases, and the capacity per unit volume may decrease.
(7)極板配向比
負極の極板配向比は、通常0.01以上、好ましくは0.05以上、より好ましくは0.10以上、上限は理論値である0.67である。この範囲を下回ると、非水系二次電池の高密度充放電特性が低下する場合がある。
(7) Electrode orientation ratio The electrode orientation ratio of the negative electrode is usually 0.01 or more, preferably 0.05 or more, more preferably 0.10 or more, and the upper limit is 0.67 which is a theoretical value. Below this range, the high-density charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary battery may deteriorate.
極板配向比の測定方法は以下のとおりである。目的密度にプレス後の負極電極について、X線回折により電極の活物質配向比を測定する。具体的手法は特に制限されないが、標準的な方法としては、X線回折により炭素の(110)回折と(004)回折のピークを、プロファイル関数として非対称ピアソンVIIを用いてフィッティングすることによりピーク分離を行ない、(110)回折と(004)回折のピークの積分強度を各々算出する。得られた積分強度から、(110)回折積分強度/(004)回折積分強度で表わされる比を算出し、電極の活物質配向比と定義する。 The measuring method of the electrode plate orientation ratio is as follows. About the negative electrode after pressing to the target density, the active material orientation ratio of the electrode is measured by X-ray diffraction. The specific method is not particularly limited, but as a standard method, peak separation is performed by fitting the peaks of (110) and (004) diffraction of carbon by X-ray diffraction using asymmetric Pearson VII as a profile function. The integrated intensities of the peaks of (110) diffraction and (004) diffraction are calculated. From the obtained integrated intensity, a ratio represented by (110) diffraction integrated intensity / (004) diffraction integrated intensity is calculated and defined as the active material orientation ratio of the electrode.
ここでのX線回折測定条件は次の通りである。なお、「2θ」は回折角を示す。
・ターゲット: Cu(Kα線)グラファイトモノクロメーター
・スリット : 発散スリット=1度、受光スリット=0.1mm、散乱スリット=1度・測定範囲、及び、ステップ角度/計測時間:
(110)面 : 76.5度≦2θ≦78.5度 0.01度/3秒
(004)面 : 53.5度≦2θ≦56.0度 0.01度/3秒
試料調整 : 硝子板に0.1mm厚さの両面テープで電極を固定
The X-ray diffraction measurement conditions here are as follows. “2θ” indicates a diffraction angle.
-Target: Cu (Kα ray) graphite monochromator-Slit: Divergence slit = 1 degree, Receiving slit = 0.1 mm, Scattering slit = 1 degree-Measurement range and step angle / measurement time:
(110) plane: 76.5 degrees ≦ 2θ ≦ 78.5 degrees 0.01 degrees / 3 seconds (004) plane: 53.5 degrees ≦ 2θ ≦ 56.0 degrees 0.01 degrees / 3 seconds Sample preparation: glass Fix the electrode to the plate with double-sided tape with a thickness of 0.1 mm
(8)インピーダンス
放電状態から公称容量の60%まで充電した時の負極の抵抗が100Ω以下であることが好ましく、特に好ましくは50Ω以下、より好ましくは20Ω以下、及び/又は二重層容量が1×10-6F以上であることが好ましく、特に好ましくは1×10-5F以上、より好ましくは1×10-4F以上である。この範囲であると非水系二次電池の出力特性が良く好ましい。
(8) Impedance The resistance of the negative electrode when charged from the discharged state to 60% of the nominal capacity is preferably 100Ω or less, particularly preferably 50Ω or less, more preferably 20Ω or less, and / or the double layer capacity is 1 ×. It is preferably 10 −6 F or more, particularly preferably 1 × 10 −5 F or more, more preferably 1 × 10 −4 F or more. Within this range, the output characteristics of the nonaqueous secondary battery are good and preferable.
負極の抵抗及び二重層容量は、次の手順で測定する。測定する非水系二次電池としては、公称容量を5時間で充電できる電流値にて充電した後に、20分間充放電をしない状態にて維持し、次に公称容量を1時間で放電できる電流値で放電したときの容量が公称容量の80%以上あるものを用いる。 The resistance and double layer capacity of the negative electrode are measured by the following procedure. As a non-aqueous secondary battery to be measured, the nominal capacity is charged at a current value that can be charged in 5 hours, and then maintained for 20 minutes without charging / discharging, and then the nominal capacity can be discharged in 1 hour. The capacity when discharged at 80% or more of the nominal capacity is used.
前述の放電状態の非水系二次電池について公称容量を5時間で充電できる電流値にて公称容量の60%まで充電し、直ちに非水系二次電池をアルゴンガス雰囲気下のグローブボックス内に移す。ここで前記非水系二次電池を負極が放電又はショートしない状態ですばやく解体して取り出し、両面塗布電極であれば、片面の電極活物質を他面の電極活物質を傷つけずに剥離し、負極電極を12.5mmφに2枚打ち抜き、セパレータを介して活物質面がずれないよう対向させる。 The non-aqueous secondary battery in the above-described discharge state is charged to 60% of the nominal capacity at a current value that can be charged in 5 hours, and immediately the non-aqueous secondary battery is transferred into a glove box under an argon gas atmosphere. Here, the non-aqueous secondary battery is quickly disassembled and taken out in a state where the negative electrode does not discharge or short-circuit, and if it is a double-sided coated electrode, the electrode active material on one side is peeled off without damaging the electrode active material on the other side. Two electrodes are punched to 12.5 mmφ, and are opposed to each other so that the active material surface does not shift through a separator.
電池に使用されていた電解液60μLをセパレータと両負極間に滴下して密着し、外気と触れない状態を保持して、両負極の集電体に導電をとり、交流インピーダンス法を実施する。測定は温度25℃で、10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行ない、求められたコール・コール・プロットの負極抵抗成分の円弧を半円で近似して表面抵抗(R)と、二重層容量(Cdl)を求める。 60 μL of the electrolytic solution used in the battery is dropped and adhered between the separator and both negative electrodes, and kept in a state where it is not in contact with the outside air, the current collectors of both negative electrodes are made conductive, and the AC impedance method is performed. The measurement was performed at a temperature of 25 ° C., and the complex impedance measurement was performed in a frequency band of 10 −2 to 10 5 Hz. And double layer capacity | capacitance (Cdl) is calculated | required.
<バインダ>
活物質(複層構造炭素材)を結着するバインダとしては、電解液や電極製造時に用いる溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限されない。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物;EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
<Binder>
The binder for binding the active material (multi-layer structure carbon material) is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the electrolyte and the solvent used when manufacturing the electrode. Specifically, resin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, aromatic polyamide, cellulose, nitrocellulose; SBR (styrene / butadiene rubber), isoprene rubber, butadiene rubber, fluorine rubber, NBR ( Acrylonitrile-butadiene rubber), rubbery polymers such as ethylene / propylene rubber; styrene / butadiene / styrene block copolymers and hydrogenated products thereof; EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), styrene / ethylene / Thermoplastic elastomeric polymers such as butadiene / styrene copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer and hydrogenated products thereof; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene / vinegar Soft resinous polymers such as vinyl copolymers and propylene / α-olefin copolymers; fluorinated polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers Molecule: a polymer composition having ion conductivity of alkali metal ions (particularly lithium ions), and the like. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
スラリーを形成するための溶媒としては、活物質、バインダ、必要に応じて使用される増粘剤及び導電剤を、溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。 The solvent for forming the slurry is not particularly limited as long as it is a solvent capable of dissolving or dispersing the active material, binder, thickener and conductive agent used as necessary. Either an aqueous solvent or an organic solvent may be used.
前記水系溶媒の例としては水、アルコール等が挙げられ、前記有機系溶媒の例としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルフォキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。 Examples of the aqueous solvent include water and alcohol. Examples of the organic solvent include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine. N-N-dimethylaminopropylamine, tetrahydrofuran (THF), toluene, acetone, diethyl ether, dimethylacetamide, hexamethylphosphamide, dimethylsulfoxide, benzene, xylene, quinoline, pyridine, methylnaphthalene, hexane, etc. Can be mentioned.
特に水系溶媒を用いる場合、上述の増粘剤に併せて分散剤等を加え、SBR等のラテックスを用いてスラリー化する。なお、これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 In particular, when an aqueous solvent is used, a dispersant or the like is added in addition to the above-described thickener, and a slurry is formed using a latex such as SBR. In addition, these may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
活物質に対するバインダの割合は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、上限は通常20質量%、好ましくは15質量%、より好ましくは10質量%、更に好ましくは8質量%である。 The ratio of the binder to the active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and the upper limit is usually 20% by mass, preferably 15% by mass, More preferably, it is 10 mass%, More preferably, it is 8 mass%.
この範囲を上回ると、電池容量に寄与しないバインダ割合が増加して、電池容量が低下する場合がある。また下回ると、負極電極の強度低下を招き、電池作製工程上好ましくない場合がある。 If this range is exceeded, the proportion of the binder that does not contribute to the battery capacity may increase and the battery capacity may decrease. On the other hand, if it is lower, the strength of the negative electrode is lowered, which may be undesirable in the battery production process.
特に、SBRに代表されるゴム状高分子をバインダの主要成分として含有する場合には、活物質に対するバインダの割合は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、上限は通常5質量%、好ましくは3質量%、より好ましくは2質量%である。 In particular, when a rubbery polymer typified by SBR is contained as a main component of the binder, the ratio of the binder to the active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably Is 0.6 mass% or more, and the upper limit is usually 5 mass%, preferably 3 mass%, more preferably 2 mass%.
また、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素系高分子をバインダの主要成分として含有する場合には、活物質に対するバインダの割合は、通常1質量%以上、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上であり、上限は通常15質量%、好ましくは10質量%、より好ましくは8質量%である。 When a fluorine-based polymer typified by polyvinylidene fluoride is contained as the main component of the binder, the ratio of the binder to the active material is usually 1% by mass or more, preferably 2% by mass or more, more preferably 3%. The upper limit is usually 15% by mass, preferably 10% by mass, and more preferably 8% by mass.
前記増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調整するために使用される。増粘剤としては、特に制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。 The thickener is usually used to adjust the viscosity of the slurry. The thickener is not particularly limited, and specific examples include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, casein, and salts thereof.
これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
更に増粘剤を添加する場合には、活物質に対する増粘剤の割合は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5%以上、より好ましくは0.6%以上であり、上限は通常5質量%、好ましくは3質量%、より好ましくは2質量%である。この範囲を下回ると、著しくスラリーの塗布性が低下する場合がある。一方上回ると、複層構造炭素材層に占める活物質の割合が低下し、電池の容量が低下する問題や複層構造炭素材間の抵抗が増大する問題が生じる場合がある。 When a thickener is further added, the ratio of the thickener to the active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% or more, more preferably 0.6% or more, and the upper limit is Usually 5 mass%, preferably 3 mass%, more preferably 2 mass%. Below this range, the applicability of the slurry may be significantly reduced. On the other hand, the ratio of the active material in the multi-layer structure carbon material layer may decrease, which may cause a problem that the capacity of the battery decreases and a problem that the resistance between the multi-layer structure carbon materials increases.
[非水系二次電池]
以下に、本発明の非水系二次電池について詳細に説明する。
[Non-aqueous secondary battery]
Hereinafter, the non-aqueous secondary battery of the present invention will be described in detail.
<電池形状>
電池形状は特に限定されるものではないが、その例としては有底筒型形状、有底角型形状、薄型形状、シート形状状、ペーパー形状が挙げられる。システムや機器に組み込まれる際に、容積効率を高めて収納性を上げるために、電池周辺に配置される周辺システムへの収まりを考慮した馬蹄形、櫛型形状等の異型のものであってもよい。電池内部の熱を効率よく外部に放出する観点からは、比較的平らで大面積の面を少なくとも一つを有する角型形状が好ましい。
<Battery shape>
The battery shape is not particularly limited, but examples thereof include a bottomed cylindrical shape, a bottomed square shape, a thin shape, a sheet shape, and a paper shape. When incorporating into a system or device, in order to increase the volumetric efficiency and improve the storage capacity, it may be of a different shape such as a horseshoe shape or a comb shape considering the fit in the peripheral system arranged around the battery. . From the viewpoint of efficiently releasing the heat inside the battery to the outside, a rectangular shape having at least one surface that is relatively flat and has a large area is preferable.
有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さくなるように設計することが好ましい。 In a battery having a bottomed cylindrical shape, since the outer surface area with respect to the power generating element to be filled becomes small, it is preferable to design so that Joule heat generated by the internal resistance at the time of charging and discharging efficiently escapes to the outside. Moreover, it is preferable to design so that the filling ratio of the substance having high thermal conductivity is increased and the temperature distribution inside is reduced.
有底角型形状では、一番大きい面の面積S(端子部を除く外形寸法の幅と高さとの積、単位m2)の2倍と電池外形の厚さT(単位m)との比率2S/Tの値が100以上であることが好ましく、200以上であることが更に好適である。最大面を大きくすることにより高出力かつ大容量の電池であってもサイクル性や高温保存等の特性を向上させるとともに、異常発熱時の放熱効率を上げることができ、「弁作動」や「破裂」という危険な状態になることを抑制することができる。 In the bottomed square shape, the ratio of the area S of the largest surface (the product of the width and height of the outer dimensions excluding the terminal part, unit m 2 ) to the thickness T (unit m) of the battery outer shape The 2S / T value is preferably 100 or more, and more preferably 200 or more. By increasing the maximum surface, it is possible to improve characteristics such as cycle performance and high-temperature storage even for high-power and large-capacity batteries, and increase the heat dissipation efficiency during abnormal heat generation. Can be prevented from becoming a dangerous state.
<電池構成>
本発明の非水系二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに非水系電解液を備えており、更に正極と負極の間に配設されるセパレータ、集電端子、及び外装ケース等によって構成される。電池の内部及び/又は電池の外部に保護素子を装着してもよい。
<Battery configuration>
The non-aqueous secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte, and a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, a current collecting terminal, and Consists of an outer case and the like. A protective element may be attached inside the battery and / or outside the battery.
<正極>
本発明の非水系二次電池における正極は、集電体上に、正極活物質と、結着及び増粘効果を有する有機物(結着剤)とを含有する活物質層を形成してなり、通常、正極活物質と前記有機物を水あるいは有機溶媒中に分散させたスラリー状のものを、前記集電体上に薄く塗布・乾燥する工程、続いて所定の厚み・密度まで圧密するプレス工程により形成される。
<Positive electrode>
The positive electrode in the non-aqueous secondary battery of the present invention is formed by forming an active material layer containing a positive electrode active material and an organic substance (binder) having a binding and thickening effect on a current collector, Usually, a positive electrode active material and a slurry in which the organic substance is dispersed in water or an organic solvent are thinly applied to the current collector and dried, followed by a pressing step of compacting to a predetermined thickness and density. It is formed.
前記正極活物質の材料は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる機能を有している限り特に制限はないが、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料;二酸化マンガン等の遷移金属酸化物材料;フッ化黒鉛等の炭素質材料などを使用することができる。具体的には、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4及びこれらの非定比化合物、MnO2、TiS2、FeS2、Nb3S4、Mo3S4、CoS2、V2O5、P2O5、CrO3、V3O3、TeO2、GeO2、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2等を用いることができる。 The material of the positive electrode active material is not particularly limited as long as it has a function capable of occluding and releasing lithium ions. For example, lithium transition metal composites such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium manganese oxide can be used. Oxide materials; transition metal oxide materials such as manganese dioxide; carbonaceous materials such as fluorinated graphite can be used. Specifically, LiFeO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and their non-stoichiometric compounds, MnO 2 , TiS 2 , FeS 2 , Nb 3 S 4 , Mo 3 S 4 , CoS 2 , V 2 O 5 , P 2 O 5 , CrO 3 , V 3 O 3 , TeO 2 , GeO 2, LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 and the like can be used.
正極活物質層には、正極用導電剤を用いることができる。正極用導電剤は、用いる正極活物質材料の充放電電位において化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。 A positive electrode conductive agent can be used for the positive electrode active material layer. The positive electrode conductive agent may be any electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode active material used.
例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物を、上記正極用導電剤として用いることができる。 For example, natural graphite (such as flake graphite), graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, metal fiber, etc. Conductive fibers, metal powders such as carbon fluoride and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives A single material or a mixture thereof can be used as the conductive agent for the positive electrode.
これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラックが特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、正極活物質材料に対して1〜50質量%が好ましく、特に1〜30質量%が好ましい。カーボンやグラファイトでは、2〜15質量%が特に好ましい。 Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferable. Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 mass% is preferable with respect to positive electrode active material material, and 1-30 mass% is especially preferable. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by mass is particularly preferable.
正極活物質層の形成に用いられる結着及び増粘効果を有する有機物としては、特に制限はなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。その例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げることができ、これらの材料を単独又は混合物として用いることができる。 There is no restriction | limiting in particular as an organic substance which has a binding and thickening effect used for formation of a positive electrode active material layer, Any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin may be sufficient. Examples include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). ), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) Resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chloro Trifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or the above-mentioned (Na + ) ion cross-linked product of material, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na + ) ion cross-linked product of material, ethylene-methyl acrylate copolymer, or (Na + ) ion cross-linked product of material, ethylene -A methyl methacrylate copolymer or the (Na <+> ) ion bridge | crosslinking body of the said material can be mentioned, These materials can be used individually or as a mixture.
これらの材料の中でより好ましい材料はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。 Among these materials, more preferable materials are polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
正極活物質層には、前述の導電剤の他、更にフィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤及びその他の各種添加剤を配合することができる。前記フィラーとしては、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、活物質層中の含有量として0〜30質量%が好ましい。 In addition to the conductive agent described above, the positive electrode active material layer may further contain a filler, a dispersant, an ionic conductor, a pressure enhancer, and other various additives. As the filler, any fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery can be used. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0-30 mass% is preferable as content in an active material layer.
正極活物質スラリーの調製には、水系溶媒又は有機溶媒が分散媒として用いられる。水系溶媒としては、通常、水が用いられるが、これにエタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の環状アミド類等の添加剤を水に対して、30質量%以下程度まで添加することもできる。 In preparing the positive electrode active material slurry, an aqueous solvent or an organic solvent is used as a dispersion medium. As the aqueous solvent, water is usually used, and additives such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone may be added to water up to about 30% by mass or less. it can.
また、前記有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。 The organic solvent is usually a cyclic amide such as N-methylpyrrolidone, a linear amide such as N, N-dimethylformamide or N, N-dimethylacetamide, or an aromatic such as anisole, toluene or xylene. Examples include hydrocarbons, alcohols such as butanol and cyclohexanol, among which cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and the like. preferable.
正極活物質、結着剤である結着及び増粘効果を有する有機物及び必要に応じて配合される正極用導電剤、その他フィラー等をこれらの溶媒に混合して正極活物質スラリーを調製し、これを正極用集電体に所定の厚みとなるように塗布することにより正極活物質層が形成される。 A positive electrode active material, a binder as a binder, an organic substance having a thickening effect, a positive electrode conductive agent blended as necessary, and other fillers are mixed in these solvents to prepare a positive electrode active material slurry, The positive electrode active material layer is formed by applying this to the positive electrode current collector so as to have a predetermined thickness.
なお、この正極活物質スラリー中の正極活物質の濃度の上限は通常70質量%、好ましくは55質量%であり、下限は通常30質量%、好ましくは40質量%である。正極活物質の濃度がこの上限を超えると正極活物質スラリー中の正極活物質が凝集しやすくなり、下限を下回ると正極活物質スラリーの保存中に正極活物質が沈降しやすくなる。 The upper limit of the concentration of the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry is usually 70% by mass, preferably 55% by mass, and the lower limit is usually 30% by mass, preferably 40% by mass. If the concentration of the positive electrode active material exceeds this upper limit, the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry tends to aggregate, and if it falls below the lower limit, the positive electrode active material tends to settle during storage of the positive electrode active material slurry.
また、正極活物質スラリー中の結着剤の濃度の上限は通常30質量%、好ましくは10質量%であり、下限は通常0.1質量%、好ましくは0.5質量%である。結着剤の濃度がこの上限を超えると、得られる正極の内部抵抗が大きくなる場合があり、下限を下回ると正極活物質層の結着性に劣るものとなる場合がある。 Further, the upper limit of the concentration of the binder in the positive electrode active material slurry is usually 30% by mass, preferably 10% by mass, and the lower limit is usually 0.1% by mass, preferably 0.5% by mass. If the concentration of the binder exceeds this upper limit, the internal resistance of the resulting positive electrode may increase, and if it falls below the lower limit, the binding property of the positive electrode active material layer may be inferior.
正極用集電体には、例えば、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成する弁金属又はその合金を用いるのが好ましい。前記弁金属としては、周期表4族、5族、13族に属する金属及びこれらの合金を例示することができる。具体的には、Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta及びこれらの金属を含む合金などを例示することができ、Al、Ti、Ta及びこれらの金属を含む合金を好ましく使用することができる。特にAl及びその合金は軽量であるためエネルギー密度が高くて望ましい。正極用集電体の厚みは特に限定されないが、通常1〜50μm程度である。 For the positive electrode current collector, for example, it is preferable to use a valve metal or an alloy thereof that forms a passive film on the surface by anodic oxidation in an electrolytic solution. Examples of the valve metal include metals belonging to Groups 4, 5, and 13 of the periodic table and alloys thereof. Specifically, Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta and alloys containing these metals can be exemplified, and Al, Ti, Ta and alloys containing these metals can be preferably used. . In particular, Al and its alloys are desirable because of their light weight and high energy density. The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited, but is usually about 1 to 50 μm.
<非水系電解液>
本発明に使用される電解液としては、例えば、非水系溶媒に溶質を溶解したものを用いることができる。前記溶質としては、アルカリ金属塩や4級アンモニウム塩などを用いることができる。具体的には、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3等が好ましく用いられる。これらの溶質は、1種類を選択して使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
<Non-aqueous electrolyte>
As the electrolytic solution used in the present invention, for example, a solution obtained by dissolving a solute in a non-aqueous solvent can be used. As the solute, an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, or the like can be used. Specifically, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like are preferably used. One kind of these solutes may be selected and used, or two or more kinds may be mixed and used.
電解液中のこれらの溶質の含有量は、通常0.2mol/L以上、好ましくは0.5mol/L以上であり、通常2mol/L以下、好ましくは1.5mol/L以下である。 The content of these solutes in the electrolytic solution is usually 0.2 mol / L or more, preferably 0.5 mol / L or more, and usually 2 mol / L or less, preferably 1.5 mol / L or less.
前記非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル化合物;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル;クラウンエーテル、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル;ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネートなどを用いることができる。これらの中でも、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有する非水溶媒が好ましい。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate, cyclic ester compounds such as γ-butyrolactone; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane; crown ethers, 2 -Cyclic ethers such as methyltetrahydrofuran, 1,2-dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran; chain carbonates such as diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, and the like can be used. Among these, a nonaqueous solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate is preferable.
これらの非水系溶媒は1種類を選択して使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。 One type of these non-aqueous solvents may be selected and used, or two or more types may be mixed and used.
本発明に使用される非水系電解液は、分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルや従来公知の過充電防止剤、脱酸剤、脱水剤などの種々の助剤を含有していてもよい。 The non-aqueous electrolyte used in the present invention may contain various auxiliary agents such as cyclic carbonates having unsaturated bonds in the molecule and conventionally known overcharge inhibitors, deoxidizers, and dehydrants. Good.
前記分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、ビニレンカーボネート系化合物、ビニルエチレンカーボネート系化合物、メチレンエチレンカーボネート系化合物等が挙げられる。 Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule include vinylene carbonate compounds, vinyl ethylene carbonate compounds, methylene ethylene carbonate compounds, and the like.
前記ビニレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、4,5−ジメチルビニレンカーボネート、4,5−ジエチルビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、トリフルオロメチルビニレンカーボネート等が挙げられる。 Examples of the vinylene carbonate-based compound include vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, 4,5-dimethyl vinylene carbonate, 4,5-diethyl vinylene carbonate, fluorovinylene carbonate, trifluoromethyl vinylene carbonate, and the like. .
前記ビニルエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニルエチレンカーボネート、4−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−エチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−n−プロピル−4−ビニルエチレンカーボネート、5−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。 Examples of the vinyl ethylene carbonate compound include vinyl ethylene carbonate, 4-methyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-ethyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-n-propyl-4-vinyl ethylene carbonate, 5-methyl. Examples include -4-vinylethylene carbonate, 4,4-divinylethylene carbonate, 4,5-divinylethylene carbonate, and the like.
前記メチレンエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジメチル−5−メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジエチル−5−メチレンエチレンカーボネート等が挙げられる。 Examples of the methylene ethylene carbonate compound include methylene ethylene carbonate, 4,4-dimethyl-5-methylene ethylene carbonate, 4,4-diethyl-5-methylene ethylene carbonate, and the like.
これらのうち、ビニレンカーボネート及びビニルエチレンカーボネートが好ましく、特にビニレンカーボネートが好ましい。 Of these, vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are preferable, and vinylene carbonate is particularly preferable.
また、ジフルオロリン酸リチウムのようなジフルオロリン酸塩等も好適な例として挙げられる。 A suitable example is a difluorophosphate such as lithium difluorophosphate.
これらは1種を単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。 These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.
非水系電解液が分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステル化合物を含有する場合、非水系電解液中におけるその割合は、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.3質量%以上、最も好ましくは0.5質量%以上であり、通常8質量%以下、好ましくは4質量%以下、特に好ましくは3質量%以下である。 When the non-aqueous electrolyte contains a cyclic carbonate compound having an unsaturated bond in the molecule, the proportion in the non-aqueous electrolyte is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, particularly Preferably it is 0.3 mass% or more, Most preferably, it is 0.5 mass% or more, Usually 8 mass% or less, Preferably it is 4 mass% or less, Most preferably, it is 3 mass% or less.
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルを電解液に含有させることにより、電池のサイクル特性を向上させることができる。その理由は明らかではないが、負極の表面に安定な保護被膜を形成することができるためと推測される。ただし、その含有量が少ないとこの特性が十分に向上しない。しかし、含有量が多すぎると高温保存時にガス発生量が増大する傾向にあるので、非水系電解液中の含有量は上記の範囲にすることが好ましい。 By including in the electrolyte a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule, the cycle characteristics of the battery can be improved. The reason is not clear, but it is presumed that a stable protective film can be formed on the surface of the negative electrode. However, when the content is small, this property is not sufficiently improved. However, if the content is too high, the amount of gas generated tends to increase during high-temperature storage, so the content in the non-aqueous electrolyte is preferably in the above range.
上記過充電防止剤としては、例えば、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソールおよび2,6−ジフルオロアニソ−ル等の含フッ素アニソール化合物などが挙げられる。 Examples of the overcharge inhibitor include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene, and the like, including 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole and 2,6-difluoroanisole Examples thereof include a fluorine anisole compound.
これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上併用してもよい。 These may be used alone or in combination of two or more.
非水系電解液中における過充電防止剤の割合は、通常0.1〜5質量%である。過充電防止剤を含有させることにより、過充電等のときに非水系二次電池の破裂・発火を抑制することができる。 The ratio of the overcharge inhibitor in the non-aqueous electrolyte is usually 0.1 to 5% by mass. By containing an overcharge inhibitor, rupture / ignition of the nonaqueous secondary battery can be suppressed during overcharge or the like.
その他の助剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、エリスリタンカーボネート、スピロ−ビス−ジメチレンカーボネート、メトキシエチル−メチルカーボネート等のカーボネート化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物およびフェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホンおよびテトラメチルチウラムモノスルフィド、N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等の含硫黄化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンおよびN−メチルスクシイミド等の含窒素化合物;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド等の含フッ素芳香族化合物などが挙げられる。 Examples of other auxiliaries include carbonate compounds such as fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, phenylethylene carbonate, erythritan carbonate, spiro-bis-dimethylene carbonate, methoxyethyl-methyl carbonate; succinic anhydride, glutar anhydride Carboxylic acid anhydrides such as acid, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride and phenylsuccinic anhydride; Ethylene sulfite, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methyl methanesulfonate, busulfan, sulfolane, sulfolene, dimethyl sulfone and tetramethylthiurammo Sulfur-containing compounds such as sulfide, N, N-dimethylmethanesulfonamide, N, N-diethylmethanesulfonamide; 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1 , 3-dimethyl-2-imidazolidinone and nitrogen-containing compounds such as N-methylsuccinimide; hydrocarbon compounds such as heptane, octane and cycloheptane; fluorobenzene, difluorobenzene, hexafluorobenzene, benzotrifluoride, etc. And fluorine-containing aromatic compounds.
これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上併用して用いてもよい。 These may be used alone or in combination of two or more.
非水系電解液中におけるこれらの助剤の割合は、通常0.1〜5質量%である。これらの助剤を含有することにより、電池の高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる。 The ratio of these auxiliaries in the nonaqueous electrolytic solution is usually 0.1 to 5% by mass. By containing these auxiliaries, capacity maintenance characteristics and cycle characteristics after high-temperature storage of the battery can be improved.
また、非水系電解液は、電解液中に有機高分子化合物を含ませ、ゲル状または、ゴム状、或いは固体シート状の固体電解質としてもよい。この場合、前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;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などのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;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などのビニル系高分子化合物;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などが挙げられる。 Further, the non-aqueous electrolyte solution may contain an organic polymer compound in the electrolyte solution, and may be a gel, rubber, or solid sheet solid electrolyte. In this case, specific examples of the organic polymer compound include polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide; crosslinked polymers of polyether polymer compounds; vinyl alcohol polymers such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral. Molecular compounds; Vinyl alcohol-based polymer compounds insolubilized; Polyepichlorohydrin; Polyphosphazenes; Polysiloxanes; Vinyl-based polymer compounds such as polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile; Poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate) And polymer copolymers such as poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate-co-methyl methacrylate).
<セパレータ>
本発明の非水系二次電池で用いられるセパレータは、両極間を電子的に絶縁する所定の機械的強度を有し、イオン透過度が大きく、かつ、正極と接する側における酸化性と負極側における還元性への耐性を兼ね備えるものであれば特に限定されるものではない。
<Separator>
The separator used in the non-aqueous secondary battery of the present invention has a predetermined mechanical strength that electrically insulates both electrodes, has a high ion permeability, and has an oxidization property on the side in contact with the positive electrode and a negative electrode side. There is no particular limitation as long as it has resistance to reducibility.
このような要求特性を有するセパレータの材質として、樹脂、無機物、ガラス繊維等が用いられる。 As a material for the separator having such required characteristics, a resin, an inorganic material, glass fiber, or the like is used.
前記樹脂としては、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が用いられる。具体的には、電解液に対して安定で、保液性の優れた材料の中から選ぶのが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等を用いることが好ましい。 As the resin, olefin polymer, fluorine polymer, cellulose polymer, polyimide, nylon and the like are used. Specifically, it is preferable to select from materials that are stable with respect to the electrolytic solution and have excellent liquid retention properties, and it is preferable to use a porous sheet or a nonwoven fabric made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene.
前記無機物としては、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられ、粒子形状若しくは繊維形状のものが用いられる。 As the inorganic substance, oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate are used, and those having a particle shape or fiber shape are used.
形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01〜1μm、厚さが5〜50μmのものが好適に用いられる。前記の独立した薄膜形状以外に、樹脂製の結着剤を用いて前記無機物の粒子を含有する複合多孔層を正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子にフッ素樹脂を結着剤として使用して、多孔層を形成させることが挙げられる。 As the form, a thin film shape such as a non-woven fabric, a woven fabric, or a microporous film is used. In the thin film shape, those having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm are preferably used. In addition to the independent thin film shape, a separator formed by forming a composite porous layer containing the inorganic particles on the surface layer of the positive electrode and / or the negative electrode using a resin binder can be used. For example, a porous layer may be formed by using a fluororesin as a binder on alumina particles having a 90% particle size of less than 1 μm on both surfaces of the positive electrode.
本発明に使用される非水系電解液は、電極活物質に対するリチウムイオンの脱挿入に係わる反応抵抗の低減に効果があり、それが良好な低温放電特性を実現できる要因になっていると考えられる。しかし、通常の直流抵抗が大きな電池では、直流抵抗に阻害されて反応抵抗低減の効果を低温放電特性に100%反映できないことがわかった。直流抵抗成分の小さな電池を用いることでこれを改善し、非水系電解液の効果を充分に発揮できるようになる。 The non-aqueous electrolyte used in the present invention is effective in reducing the reaction resistance related to the desorption / insertion of lithium ions into the electrode active material, which is considered to be a factor that can realize good low-temperature discharge characteristics. . However, it has been found that a battery having a large direct current resistance is inhibited by the direct current resistance and the effect of reducing the reaction resistance cannot be reflected 100% on the low temperature discharge characteristics. By using a battery having a small DC resistance component, this can be improved, and the effect of the non-aqueous electrolyte can be sufficiently exhibited.
<外装ケース>
外装ケースは、用いられる非水電解液に対して安定な物質であれば特に限定されるものではない。具体的には、例えばニッケルめっき鋼板、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属類、又は、樹脂とアルミ箔との積層フィルム(ラミネートフィルム)が用いられる。軽量化の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属、ラミネートフィルムが好適に用いられる。
<Exterior case>
The outer case is not particularly limited as long as it is a stable substance with respect to the non-aqueous electrolyte used. Specifically, for example, a nickel-plated steel plate, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, a magnesium alloy or other metal, or a laminated film (laminate film) of a resin and an aluminum foil is used. From the viewpoint of weight reduction, an aluminum or aluminum alloy metal or a laminate film is preferably used.
前記金属類を用いる外装ケースとしては、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接により金属同士を溶着して封止密閉構造とするもの、若しくは、樹脂製ガスケットを介して前記金属類を用いてかしめ構造とするものが挙げられる。 As the exterior case using the metals, laser welding, resistance welding, ultrasonic welding, metals are welded together to form a sealed sealed structure, or a caulking structure using the metals via a resin gasket Are listed.
前記ラミネートフィルムを用いる外装ケースとしては、樹脂層同士を熱融着することにより封止密閉構造とするもの等が挙げられる。シール性を上げるために、前記樹脂層の間にラミネートフィルムに用いられる樹脂と異なる樹脂を介在させてもよい。特に、集電端子を介して樹脂層を熱融着して密閉構造とする場合には、金属と樹脂との接合になるので、介在する樹脂として極性基を有する樹脂や極性基を導入した変性樹脂が好適に用いられる。 Examples of the exterior case using the laminate film include those having a sealed and sealed structure by heat-sealing resin layers. In order to improve the sealing performance, a resin different from the resin used for the laminate film may be interposed between the resin layers. In particular, when the resin layer is heat-sealed through a current collecting terminal to form a sealed structure, since the metal and the resin are joined, a modification having a polar group or a polar group introduced as the intervening resin Resins are preferably used.
<保護素子>
前述の、本発明の非水系二次電池の構成要素である保護素子として、異常発熱や過大電流が流れた時に抵抗が増大するPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタ、温度ヒューズ、異常発熱時に電池内部圧力や内部温度の急激な上昇により回路に流れる電流を遮断する弁(電流遮断弁)等が挙げられる。
<Protective element>
As a protective element that is a component of the non-aqueous secondary battery of the present invention, a PTC (Positive Temperature Coefficient) thermistor whose resistance increases when abnormal heat generation or excessive current flows, a temperature fuse, a battery internal pressure during abnormal heat generation And a valve (current cutoff valve) that cuts off the current flowing in the circuit due to a sudden rise in internal temperature.
前記保護素子としては高電流の通常使用で作動しない条件のものを選択することが好ましく、高出力の観点から、電池を保護素子がなくても異常発熱や熱暴走に至らない設計にすることがより好ましい。 It is preferable to select a protection element that does not operate under normal use at a high current. From the viewpoint of high output, the battery should be designed so that it does not cause abnormal heat generation or thermal runaway even without a protection element. More preferred.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、これらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples, unless the summary is exceeded.
なお、以下の実施例及び比較例で使用した黒鉛の種々の特性を下記表1に示す。これらの黒鉛は、本明細書にて説明した方法及び公知の方法に基づき、製造した。 The various properties of graphite used in the following examples and comparative examples are shown in Table 1 below. These graphites were produced based on the method described in this specification and a known method.
[実施例1]
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(A)を用い、低結晶炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる分解系石油重質油を混合し、不活性ガス中で1300℃の熱処理を施した。得られた焼成物に粉砕・分級処理を行い、負極材1を得た。得られた複層構造炭素材粉末における非晶質炭素の添着量は、2.6質量%であった。
[Example 1]
Spherical natural graphite (A) was used as graphite particles, cracked petroleum heavy oil obtained during naphtha pyrolysis was mixed as a low crystalline carbon precursor, and heat treatment was performed at 1300 ° C. in an inert gas. The obtained fired product was pulverized and classified to obtain a negative electrode material 1. The amount of amorphous carbon added to the obtained multilayer structure carbon material powder was 2.6% by mass.
[実施例2]
非晶質炭素の添着量を1.4質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材2を得た。
[Example 2]
A negative electrode material 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of amorphous carbon added was 1.4% by mass.
[実施例3]
非晶質炭素の添着量を0.6質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材3を得た。
[Example 3]
A negative electrode material 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of amorphous carbon added was 0.6% by mass.
[実施例4]
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素の添着量を2.7質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材4を得た。
[Example 4]
A negative electrode material 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidized natural graphite (B) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 2.7% by mass.
[実施例5]
非晶質炭素の添着量を1.9質量%とした以外は実施例4と同様の方法で負極材5を得た。
[Example 5]
A negative electrode material 5 was obtained in the same manner as in Example 4 except that the amount of amorphous carbon added was 1.9% by mass.
[実施例6]
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(C)を用い、非晶質炭素の添着量を2.4質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材6を得た。
[Example 6]
A negative electrode material 6 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidized natural graphite (C) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 2.4% by mass.
[実施例7]
非晶質炭素の添着量を1.2質量%とした以外は実施例6と同様の方法で負極材7を得た。
[Example 7]
A negative electrode material 7 was obtained in the same manner as in Example 6 except that the amount of amorphous carbon added was 1.2% by mass.
[比較例1]
非晶質炭素の添着量を4.4質量%とした以外は実施例4と同様の方法で負極材8を得た。
[Comparative Example 1]
A negative electrode material 8 was obtained in the same manner as in Example 4 except that the amount of amorphous carbon added was 4.4% by mass.
[比較例2]
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(D)を用い、非晶質炭素の添着量を12質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材9を得た。
[Comparative Example 2]
A negative electrode material 9 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidized natural graphite (D) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 12% by mass.
[比較例3]
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(E)を用い、非晶質炭素の添着量を3.9質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材10を得た。
[Comparative Example 3]
A negative electrode material 10 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidized natural graphite (E) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 3.9% by mass.
[比較例4]
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(F)を用い、非晶質炭素の添着量を1.8質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材11を得た。
[Comparative Example 4]
A negative electrode material 11 was obtained in the same manner as in Example 1 except that spheroidized natural graphite (F) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 1.8% by mass.
[比較例5]
黒鉛質粒子として鱗片天然黒鉛(G)を用い、非晶質炭素の添着量を2.7質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材12を得た。
[Comparative Example 5]
A negative electrode material 12 was obtained in the same manner as in Example 1 except that scale natural graphite (G) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 2.7 mass%.
[比較例6]
黒鉛質粒子として鱗片天然黒鉛(H)を用い、非晶質炭素の添着量を1.9質量%とした以外は実施例1と同様の方法で負極材13を得た。
[Comparative Example 6]
Negative electrode material 13 was obtained in the same manner as in Example 1, except that scale natural graphite (H) was used as the graphite particles and the amount of amorphous carbon added was 1.9% by mass.
[比較例7]
球形化天然黒鉛(B)をそのまま負極材14として使用した。
[Comparative Example 7]
Spherical natural graphite (B) was used as the negative electrode material 14 as it was.
[非水系二次電池の作製]
<負極シートの作製>
上記実施例及び比較例で製造した負極材を負極材料として用い、負極活物質層密度1.60±0.03g/cm3の負極活物質層を有する極板を作製した。具体的には、負極材料20.00±0.02gに、1質量%カルボキシメチルセルロースナトリウム塩水溶液を20.00±0.02g(固形分換算で0.200g)、及び重量平均分子量27万のスチレン・ブタジエンゴム水性ディスパージョン0.50±0.05g(固形分換算で0.2g)を加えて、キーエンス製ハイブリッドミキサーで5分間撹拌し、30秒脱泡してスラリーを得た。
[Production of non-aqueous secondary battery]
<Preparation of negative electrode sheet>
Using the negative electrode materials produced in the above Examples and Comparative Examples as a negative electrode material, an electrode plate having a negative electrode active material layer with a negative electrode active material layer density of 1.60 ± 0.03 g / cm 3 was produced. Specifically, 20.00 ± 0.02 g of a negative electrode material, 20.00 ± 0.02 g of a 1% by mass aqueous solution of carboxymethylcellulose sodium salt (0.200 g in terms of solid content), and styrene having a weight average molecular weight of 270,000 -Aqueous dispersion of butadiene rubber 0.50 ± 0.05 g (0.2 g in terms of solid content) was added, stirred with a hybrid mixer manufactured by Keyence for 5 minutes, and defoamed for 30 seconds to obtain a slurry.
このスラリーを、集電体である厚さ18μmの銅箔上に、負極材料が12.0±0.3mg/cm2の量で付着するように、ドクターブレードを用いて幅5cmに塗布し、室温で風乾を行った。更に110℃で30分乾燥後、直径20cmのローラを用いてロールプレスして、負極活物質層の密度が1.60±0.03g/cm3になるよう調整し電極シートを得た。 The slurry was applied to a width of 5 cm using a doctor blade so that the negative electrode material was attached in an amount of 12.0 ± 0.3 mg / cm 2 on a 18 μm thick copper foil as a current collector, Air drying was performed at room temperature. Further, after drying at 110 ° C. for 30 minutes, roll pressing was performed using a roller having a diameter of 20 cm to adjust the density of the negative electrode active material layer to be 1.60 ± 0.03 g / cm 3 to obtain an electrode sheet.
<非水系二次電池(2016コイン型電池)の作製>
上記方法で作製した負極シートを直径12.5mmの円盤状に打ち抜き、リチウム金属箔を直径14mmの円板状に打ち抜き対極とした。両極の間には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(容量比=3:7)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させた電解液を含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を配置し、2016コイン型電池をそれぞれ作製した。
<Preparation of non-aqueous secondary battery (2016 coin type battery)>
The negative electrode sheet produced by the above method was punched into a disk shape having a diameter of 12.5 mm, and a lithium metal foil was punched into a disk shape having a diameter of 14 mm as a counter electrode. Between the two electrodes, a separator (porous polyethylene film) impregnated with an electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved at 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (volume ratio = 3: 7). Made), and 2016 coin type batteries were respectively produced.
[評価]
<極板強度>
上記方法で作製した負極シートを幅20mmに切断し、試験用SUS板に両面テープで貼付(活物質層側を両面テープ面で添付)して、水平方向に固定し、負極シートの端部を万能試験機の挟持部に挟んだ。この状態で万能試験機の負極シート固定部分を垂直方向に下降させ、負極シートを両面テープから90度の角度で引っ張ることにより剥離した。この際に、負極シートと両面テープの間に掛かった荷重の平均値を測定し、負極シートサンプル幅(20mm)で割った値を極板強度値(mN/mm)とした。
[Evaluation]
<Plate strength>
The negative electrode sheet produced by the above method is cut to a width of 20 mm, and is attached to a test SUS plate with a double-sided tape (the active material layer side is attached with a double-sided tape surface) and fixed in the horizontal direction, and the end of the negative electrode sheet is Clamped in the universal testing machine. In this state, the negative electrode sheet fixing portion of the universal testing machine was lowered in the vertical direction, and the negative electrode sheet was peeled off by pulling it from the double-sided tape at an angle of 90 degrees. At this time, the average value of the load applied between the negative electrode sheet and the double-sided tape was measured, and the value divided by the negative electrode sheet sample width (20 mm) was defined as the electrode plate strength value (mN / mm).
<初期不可逆容量、初期効率>
上記非水系二次電池(2016コイン型電池)を用いて、下記の測定方法で電池充放電時の初期不可逆容量・初期効率を測定した。
<Initial irreversible capacity, initial efficiency>
Using the non-aqueous secondary battery (2016 coin-type battery), the initial irreversible capacity and initial efficiency during battery charging / discharging were measured by the following measurement method.
0.16mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して5mVまで充電し、更に、5mVの一定電圧で充電容量値が350mAh/gになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.33mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行なった。 After charging to 5 mV with respect to the lithium counter electrode at a current density of 0.16 mA / cm 2 , and further charging until the charge capacity value becomes 350 mAh / g at a constant voltage of 5 mV, after doping lithium in the negative electrode, 0 The battery was discharged to 1.5 V with respect to the lithium counter electrode at a current density of .33 mA / cm 2 .
引き続き2、3回目は、同電流密度でcc−cv充電にて10mV、0.005Ccutにて充電し、放電は、全ての回で0.04Cで1.5Vまで放電した。この計3サイクルの充電容量と放電容量との差の和を初期不可逆容量として算出した。また、3サイクル目の放電容量を本材料の放電容量、3サイクル目の放電容量/(3サイクル目の放電容量+初期不可逆容量)を初期効率とした。 Subsequently, the second and third times were charged at 10 mV and 0.005 Ccut by cc-cv charging at the same current density, and the discharge was discharged to 1.5 V at 0.04 C at all times. The sum of the difference between the charge capacity and the discharge capacity of the total three cycles was calculated as the initial irreversible capacity. Further, the discharge capacity at the third cycle was defined as the discharge capacity of the material, the discharge capacity at the third cycle / (discharge capacity at the third cycle + initial irreversible capacity), and the initial efficiency.
以上の測定結果、負極活物質層の密度が1.6g/cm3になるように圧延するのに必要であった線圧(kg/5cm)並びに実施例1〜7及び比較例1〜7の負極材1〜14の粒径(d50、d90、d10)、円形度、圧延荷重(P)、比表面積及びタップ密度を下記表2に示す。 As a result of the above measurement, the linear pressure (kg / 5 cm) required for rolling so that the density of the negative electrode active material layer was 1.6 g / cm 3 , and Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7 The particle diameters (d50, d90, d10), the circularity, the rolling load (P), the specific surface area, and the tap density of the negative electrode materials 1 to 14 are shown in Table 2 below.
Claims (7)
(1)該複層構造炭素材の平均粒径d50が19.1μm以上50μm以下である
(2)該複層構造炭素材の円形度が0.88以上である
(3)下記に定義される圧延荷重(P)と、該複層構造炭素材のd50との比(P/d50)が30以下である:
P=(前記複層構造炭素材を使用し、前記複層構造炭素材に対して1質量%のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩と1質量%のスチレン・ブタジエンゴムをバインダーとして含む負極活物質を集電体上に12.0mg/cm2の量で付着させた負極活物質層を作製し、前記負極活物質層の密度を1.6g/cm3になるよう圧延するのに必要な線圧(kg/5cm))。 A multilayer carbon material for a non-aqueous secondary battery, characterized in that at least a part of the surface of the graphite particles is coated with a carbonaceous material and satisfies the following conditions (1) to (3):
(1) The average particle diameter d50 of the multi-layer structure carbon material is 19.1 μm or more and 50 μm or less (2) The circularity of the multi-layer structure carbon material is 0.88 or more (3) The ratio (P / d50) between the rolling load (P) and d50 of the multilayer carbon material is 30 or less:
P = (collecting negative electrode active material using the multi-layer structure carbon material and containing 1% by mass of carboxymethyl cellulose sodium salt and 1% by mass of styrene-butadiene rubber as a binder with respect to the multi-layer structure carbon material. A negative electrode active material layer deposited on the negative electrode active material layer in an amount of 12.0 mg / cm 2 was prepared, and the linear pressure (kg / kg) required to roll the negative electrode active material layer to a density of 1.6 g / cm 3. 5 cm)).
(1)該複層構造炭素材の平均粒径d50が19.1μm以上50μm以下
(2)該複層構造炭素材の円形度が0.88以上
(3)該複層構造炭素材における前記炭素質物の添着量が0.01以上2.7質量%以下。 A multilayer carbon material for a non-aqueous secondary battery, characterized in that at least a part of the surface of the graphite particles is coated with a carbonaceous material and satisfies the following conditions (1) to (3):
(1) The average particle diameter d50 of the multilayer carbon material is 19.1 μm or more and 50 μm or less. (2) The circularity of the multilayer carbon material is 0.88 or more. (3) The carbon in the multilayer carbon material The amount of the adhering material is 0.01 or more and 2.7% by mass or less.
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