JP2013229343A - Composite graphite particle for nonaqueous secondary battery, negative electrode material containing the same, negative electrode and nonaqueous secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系二次電池に用いる複合黒鉛粒子と、その複合黒鉛粒子を含有する負極材料と、その負極材料を用いて形成された負極と、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 composite graphite particles used in a non-aqueous secondary battery, a negative electrode material containing the composite graphite particles, a negative electrode formed using the negative electrode material, and a non-aqueous secondary battery having the negative electrode. It is.
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の高く、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。
非水系二次電池の負極材料としては、コスト、耐久性、容量の点で、黒鉛が使用されることが多い。しかしながら、高容量化のために電極上の負極材料を含む活物質層を高密度化すると、初期充放電不可逆容量が増え、放電負荷特性が低く、充電受入性が悪化するといった問題点があった。
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 to nickel / cadmium batteries and nickel / hydrogen batteries.
As a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery, graphite is often used in terms of cost, durability, and capacity. However, when the density of the active material layer including the negative electrode material on the electrode is increased to increase the capacity, the initial charge / discharge irreversible capacity increases, the discharge load characteristics are low, and the charge acceptance is deteriorated. .
特許文献1においては、天然黒鉛及びバインダーを捏合して捏合物を得、700〜1500℃で一次加熱して該バインダーを炭素化し、次いで、2400〜3000℃で二次加熱することにより、天然黒鉛の純化及び炭素化されたバインダーの黒鉛化を同時に行う炭素複合材料の製造方法が記載されている。しかしながら、特許文献1においては、出発原料として鱗状又は鱗片状天然黒鉛を想定しているものであり、活物質層の高密度化、充放電不可逆容量低減は不十分であった。 In Patent Document 1, natural graphite and a binder are combined to obtain a composite, and the binder is carbonized by primary heating at 700 to 1500 ° C., and then secondary heating at 2400 to 3000 ° C. Describes a method for producing a carbon composite material that simultaneously purifies and graphitizes a carbonized binder. However, in Patent Document 1, scaly or scaly natural graphite is assumed as a starting material, and densification of the active material layer and reduction of charge / discharge irreversible capacity were insufficient.
本発明は、かかる背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、高容量化のために集電体上の負極材料を有する活物質層を高密度化しても、初期充放電不可逆容量が十分小さく、かつ、優れた放電負荷特性、充電受入性及びサイクル特性を有する非水系二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the background art, and the problem is that the initial charge / discharge irreversible capacity is increased even if the active material layer having the negative electrode material on the current collector is densified in order to increase the capacity. Is a sufficiently small non-aqueous secondary battery having excellent discharge load characteristics, charge acceptance, and cycle characteristics.
発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、特定の構造と物性を有する、球状黒鉛粒子と黒鉛化可能なバインダーの黒鉛化物とが複合化した複合黒鉛粒子を負極活物質として用いることによって、上記課題を解決した非水系二次電池が得られることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明の要旨は以下のとおりである。
(1) 黒鉛粒子と、炭素質または黒鉛質とが複合化してなる非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法であって、次の工程1〜3を含むことを特徴とする非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法。工程1:黒鉛粒子と黒鉛化可能なバインダーを混合する工程
工程2:工程1で得られた混合物に対し圧力を加えて成形する工程
工程3:工程2で得られた成形物を焼成する工程
(2) 工程2の成形方法が、押し出し成形方法、金型成形方法、静水圧成形方法の群から選ばれることを特徴とする上記(1)に記載の非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法。
(3) さらに粉砕する工程が含まれることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法。
(4) 工程1の混合温度がバインダーの軟化点以上であることを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1つに記載の非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法。
(5) 上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の製造方法を用いて製造された非水系二次電池用複合黒鉛粒子。
(6) 集電体及びその上に形成された活物質層を有する負極であって、該活物質層が、上記(5)に記載の非水系二次電池用負極材料を用いて形成されていることを特徴とする非水系二次電池用負極。
(7) リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を有する非水系二次電池であって、該負極が、上記(6)に記載の非水系二次電池用負極であることを特徴とする非水系二次電池。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventor used composite graphite particles having a specific structure and physical properties, in which spherical graphite particles and graphitizable binder graphitized materials were combined as a negative electrode active material. It has been found that a non-aqueous secondary battery that solves the above problems can be obtained by using it, and has reached the present invention.
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A method for producing composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery comprising a composite of graphite particles and carbonaceous or graphite, which comprises the following steps 1 to 3. A method for producing composite graphite particles for a secondary battery. Step 1: Step of mixing graphite particles and graphitizable binder Step 2: Step of applying pressure to the mixture obtained in Step 1 and molding Step 3: Step of firing the molded product obtained in Step 2 ( 2) The method for producing composite graphite particles for nonaqueous secondary batteries according to (1) above, wherein the molding method in step 2 is selected from the group consisting of an extrusion molding method, a mold molding method and an isostatic pressure molding method. Method.
(3) The method for producing composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery as described in (1) or (2) above, further comprising a pulverizing step.
(4) The method for producing composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries according to any one of (1) to (3) above, wherein the mixing temperature in step 1 is not lower than the softening point of the binder.
(5) Composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries manufactured using the manufacturing method according to any one of (1) to (4) above.
(6) A negative electrode having a current collector and an active material layer formed thereon, wherein the active material layer is formed using the negative electrode material for a non-aqueous secondary battery described in (5) above. A negative electrode for a non-aqueous secondary battery.
(7) A nonaqueous secondary battery having a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte, wherein the negative electrode is a negative electrode for a nonaqueous secondary battery according to (6) above. Non-aqueous secondary battery characterized.
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子を用いると、当該粒子特有の等面積円径、電極内空隙率及び粒子接触率により、負極の集電体上の活物質層を高密度化した場合においても、初期充放電負荷逆容量が小さく、高容量で、かつ、優れた放電負荷特性、充電受入性、サイクル特性及び電解液浸透性を有する非水系二次電池を提供することができる。 When the composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery of the present invention are used, the active material layer on the negative electrode current collector is densified by the equal area circle diameter, the in-electrode porosity, and the particle contact rate specific to the particles. Even in this case, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having a small initial charge / discharge load reverse capacity, a high capacity, and excellent discharge load characteristics, charge acceptability, cycle characteristics, and electrolyte permeability.
以下に本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明するが、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超えない限り、これらの形態に特定されるものではない。
本発明において、用語は以下のように定義、使用する。すなわち、本発明の複合黒鉛粒子において、炭素質粒子が焼成された部分を黒鉛質粒子ということがある。本発明の炭素質複合粒子、それに要すれば炭素質粒子が混合されてなるものをも含めて負極材料と定義する。少なくとも負極材料と結着剤を用いて活物質層を得、負極用の集電体上に少なくとも活物質層を有しているものを電極又は負極と定義し、少なくとも負極と正極と電解質を有して非水系二次電池が構成される。
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子を用いた電極は、以下に示す画像解析によって、その特徴を計測することが可能である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described in detail below. However, 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 has its gist. As long as it does not exceed, it is not limited to these forms.
In the present invention, terms are defined and used as follows. That is, in the composite graphite particles of the present invention, the portion where the carbonaceous particles are fired may be referred to as graphite particles. The carbonaceous composite particles of the present invention and, if necessary, those including a mixture of carbonaceous particles are defined as negative electrode materials. An active material layer is obtained by using at least a negative electrode material and a binder, and a material having at least an active material layer on a negative electrode current collector is defined as an electrode or a negative electrode, and has at least a negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte. Thus, a non-aqueous secondary battery is configured.
The characteristics of the electrode using the composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery of the present invention can be measured by image analysis shown below.
(画像解析方法)
負極活物質粒子を銅箔上に塗布して得られる電極シートの断面画像を、光学顕微鏡、レーザー顕微鏡、走査型電子顕微鏡のいずれかで撮影し、粒子部分及び空隙部部分を2値化処理し、区別する。この際、断面画像を銅箔が水平となるように基準を定めて撮影する。
これを100視野について繰り返し実施し、算出した数値を平均化する。また、画像から粒子周囲長、粒子接触長さ等を算出し、数値を平均化する。
画像処理は、株式会社日本ローパー製Image Pro Plusを用いた。
(Image analysis method)
A cross-sectional image of the electrode sheet obtained by applying the negative electrode active material particles on the copper foil is photographed with an optical microscope, a laser microscope, or a scanning electron microscope, and the particle portion and the void portion are binarized. To distinguish. At this time, a cross-sectional image is taken with a reference so that the copper foil is horizontal.
This is repeated for 100 fields of view, and the calculated numerical values are averaged. Also, the particle perimeter, particle contact length, etc. are calculated from the image, and the numerical values are averaged.
For image processing, Image Pro Plus manufactured by Nippon Roper Co., Ltd. was used.
(電極内空隙率)
電極内空隙率は、画像解析により求められる空隙部面積、負極全体面積値を用いて以下の式で算出される。負極全体面積とは空隙部と粒子部を合わせた面積をいい、空隙部とは、粒子が存在しない部分であり、粒子部は負極材料粒子が存在する部分をいう。
(Void ratio in electrode)
The in-electrode porosity is calculated by the following equation using the void area and negative electrode overall area values obtained by image analysis. The total area of the negative electrode refers to the total area of the void portion and the particle portion. The void portion is a portion where particles are not present, and the particle portion is a portion where negative electrode material particles are present.
電極内空隙率(%)=空隙部面積(μm2)×100 / 負極全体面積(μm2)
電極内空隙率は、特に限定されないが、7.5%以上、30%以下が好ましい。さらに好ましくは8%以上、25%以下、特に好ましくは8.5%以上、15%以下である。空隙率がこの範囲よりも大きいと、負極活物質同士の接触が不十分となり、導電性が確保できずに、電池特性が著しく低下する。この範囲よりも小さい場合には、電極内の空間が確
保できないことに起因して、電解液が電極内に浸透し難く、放電負荷特性や、充電受入性の著しい低下を招く。さらにサイクル特性の劣化が顕著になる。
Porosity in electrode (%) = void area (μm 2 ) × 100 / total area of negative electrode (μm 2 )
Although the porosity in an electrode is not specifically limited, 7.5% or more and 30% or less are preferable. More preferably, they are 8% or more and 25% or less, Especially preferably, they are 8.5% or more and 15% or less. When the porosity is larger than this range, the contact between the negative electrode active materials becomes insufficient, the conductivity cannot be ensured, and the battery characteristics are remarkably deteriorated. If it is smaller than this range, it is difficult for the electrolytic solution to penetrate into the electrode because the space in the electrode cannot be secured, leading to a significant decrease in the discharge load characteristics and charge acceptance. Furthermore, the deterioration of the cycle characteristics becomes remarkable.
(粒子接触率)
粒子接触率は、画像解析により求められる粒子輪郭部を解析して得られる粒子輪郭部と粒子輪郭部で接触している部分の長さ(μm)と、全粒子の周囲長(μm)を用いて、以
下の式で算出される。
粒子接触率(%)=粒子接触部分長さ(μm)×100 / [粒子接触部分長さ(μm)+空隙部分長さ(μm)]
(Particle contact rate)
For the particle contact rate, the particle contour obtained by analyzing the particle contour determined by image analysis, the length of the portion in contact with the particle contour (μm), and the perimeter of all particles (μm) are used. Is calculated by the following formula.
Particle contact rate (%) = Particle contact part length (μm) × 100 / [Particle contact part length (μm) + void part length (μm)]
粒子接触率は、5%以上、48%以下が好ましく、さらに好ましくは10%以上、47%以下、特に好ましくは20%以上、45%以下である。この範囲を上回ると粒子同士が過度の接触状態となり、電極内で電解液が浸透し難く、放電負荷特性や充電受入性の著しい低下を招く。また場合により、この範囲を上回ることは粒子が破壊されていることを示し、電解液との過剰な反応により初期不可逆容量の増加に至る。この範囲を下回ると、負極活物質粒子の接触が不十分となり、導電性が確保できずに、電池特性が著しく低下する。さらにサイクル特性の劣化が顕著になる。 The particle contact rate is preferably 5% or more and 48% or less, more preferably 10% or more and 47% or less, and particularly preferably 20% or more and 45% or less. Beyond this range, the particles are in excessive contact with each other, making it difficult for the electrolyte to penetrate into the electrode, leading to a significant decrease in discharge load characteristics and charge acceptance. In some cases, exceeding this range indicates that the particles have been destroyed, leading to an increase in initial irreversible capacity due to excessive reaction with the electrolyte. Below this range, the contact of the negative electrode active material particles becomes insufficient, the conductivity cannot be ensured, and the battery characteristics are remarkably deteriorated. Furthermore, the deterioration of the cycle characteristics becomes remarkable.
(等面積円径の累積個数%)
画像から、各異なる形状を有する粒子に対する等面積の円径μmを算出し、その累積個数を算出する。
1μmから4μmにおける増加率は、8%以上、38%以下が好ましく、更に好ましくは8.5%以上、30%以下である。これよりも高いと小粒径の粒子が多く存在し過ぎて、比表面積の増加や、初回不可逆容量の増大を引き起こす場合があり、これよりも低いと、電極内導電性が確保できずに、サイクル特性の低下が起こる場合がある。4μmから12μmにおける増加率は、47%以上、80%以下が好ましく、更に好ましくは48%以上、70%以下、特に好ましくは49%以上、60%以下である。これよりも高いと小粒径及び中粒径の粒子が多く存在し過ぎて、電極内空隙の低減が起こりやすく、電解液の浸透性の低下、放電負荷特性や、充電受入性の低下が起こる。これよりも低いと、高密度電極として適した構造に成りえず、サイクル特性が低下する場合がある。8μmから12μmにおける増加率は、27%以上、80%以下が好ましく、更に好ましくは、28%以上、50%以下、特に好ましくは29%以上、40%以下である。これよりも高いと粗大粒子が多く存在し過ぎて、電極内の導電性が確保できずにサイクル特性の低下を引き起こす場合がある。これよりも低いと、電極構造が小中粒子径の粒子で構成されるため高密度電極として適した構造に成りえず、電極内空隙を十分に確保できず、電解液の浸透性の低下、放電負荷特性や、充電受入性の低下が起こる場合がある。
また、本発明の負極材料を用いた電極は以下の画像解析によっても、その特徴を計測することが可能である。
(Cumulative number of equal area circle diameter%)
From the image, a circle diameter μm of equal area for each particle having different shapes is calculated, and the cumulative number is calculated.
The increase rate from 1 μm to 4 μm is preferably 8% or more and 38% or less, and more preferably 8.5% or more and 30% or less. If it is higher than this, there are too many particles with a small particle size, which may cause an increase in specific surface area and an increase in the initial irreversible capacity, and if lower than this, the in-electrode conductivity cannot be secured, The cycle characteristics may be degraded. The increase rate from 4 μm to 12 μm is preferably 47% or more and 80% or less, more preferably 48% or more and 70% or less, and particularly preferably 49% or more and 60% or less. If it is higher than this, there will be too many particles of small and medium diameters, and the voids in the electrode will tend to be reduced, resulting in a decrease in electrolyte permeability, discharge load characteristics and charge acceptance. . If it is lower than this, a structure suitable as a high-density electrode cannot be obtained, and the cycle characteristics may deteriorate. The increase rate from 8 μm to 12 μm is preferably 27% or more and 80% or less, more preferably 28% or more and 50% or less, and particularly preferably 29% or more and 40% or less. If it is higher than this, there are too many coarse particles, and the electrical conductivity in the electrode cannot be ensured, and the cycle characteristics may be deteriorated. If it is lower than this, since the electrode structure is composed of particles of small and medium particle diameter, it cannot be a structure suitable as a high-density electrode, it is not possible to ensure a sufficient gap in the electrode, the electrolyte permeability decreases, The discharge load characteristics and the charge acceptance may be reduced.
In addition, the characteristics of the electrode using the negative electrode material of the present invention can be measured by the following image analysis.
(ランレングス計測)
2値化した空隙部の画像に白黒縞模様の画像(縦・横2画像)とを重ね合わせて、合成画像とし、画像に対して水平方向及び垂直方向の長さを算出する。
本負極材料を使用した場合には、電極垂直方向では1μmの個数頻度は5%以上、40%以下で、3μmの個数頻度は10%以上、30%以下であることが好ましい。この範囲から外れた場合には電極内空隙が適当でないために、電解液の浸透性が悪く、さらに放電負荷特性、充電受入性の低下が起こる場合がある。
(Run length measurement)
A binarized image of the void is superimposed on a black and white striped pattern image (vertical and horizontal images) to form a composite image, and the horizontal and vertical lengths of the image are calculated.
When this negative electrode material is used, the number frequency of 1 μm in the direction perpendicular to the electrode is preferably 5% or more and 40% or less, and the number frequency of 3 μm is preferably 10% or more and 30% or less. If it is out of this range, the gap in the electrode is not suitable, so that the permeability of the electrolyte is poor, and further, the discharge load characteristics and the charge acceptance may be lowered.
電極水平方向では、1μm、及び2μmの個数頻度が10%以上、30%以下であることが好ましい。この範囲から外れた場合には電極内空隙が適当でないために、電解液の浸透性が悪く、さらに放電負荷特性、充電受入性の低下が起こる場合がある。さらにリチウ
ムイオンの拡散速度が悪くなるためにサイクル特性の悪化を起こす場合がある。
In the horizontal direction of the electrode, the number frequency of 1 μm and 2 μm is preferably 10% or more and 30% or less. If it is out of this range, the gap in the electrode is not suitable, so that the permeability of the electrolyte is poor, and further, the discharge load characteristics and the charge acceptance may be lowered. Furthermore, since the diffusion rate of lithium ions is deteriorated, cycle characteristics may be deteriorated.
(縦方向空隙部割合計測)
2値化した空隙部画像の電極水平方向及び垂直方向の濃度断面を電極の長さで割り、位置による空隙割合を計測した。電極水平方向での空隙割合は、1%以上、50%以下が好ましく、さらに好ましくは、5%以上、45%以下である。この範囲から外れた場合には電極内空隙が適当でないために、電解液の浸透性が悪く、さらに放電負荷特性、充電受入性の低下が起こる場合がある。さらにリチウムイオンの拡散速度が悪くなるためにサイクル特性の悪化を起こす場合がある。垂直方向での空隙割合は1%以上、50%以下が好ましく、さらに好ましくは、3%以上、45%以下である。この範囲から外れた場合には電極内空隙が適当でないために、電解液の浸透性が悪く、さらに放電負荷特性、充電受入性の低下が起こる場合がある。さらにリチウムイオンの拡散速度が悪くなるためにサイクル特性の悪化を起こす場合がある。
(Vertical void ratio measurement)
The density cross section in the horizontal and vertical directions of the electrode in the binarized void image was divided by the length of the electrode, and the void ratio depending on the position was measured. The void ratio in the electrode horizontal direction is preferably 1% or more and 50% or less, and more preferably 5% or more and 45% or less. If it is out of this range, the gap in the electrode is not suitable, so that the permeability of the electrolyte is poor, and further, the discharge load characteristics and the charge acceptance may be lowered. Furthermore, since the diffusion rate of lithium ions is deteriorated, cycle characteristics may be deteriorated. The void ratio in the vertical direction is preferably 1% or more and 50% or less, and more preferably 3% or more and 45% or less. If it is out of this range, the gap in the electrode is not suitable, so that the permeability of the electrolyte is poor, and further, the discharge load characteristics and the charge acceptance may be lowered. Furthermore, since the diffusion rate of lithium ions is deteriorated, cycle characteristics may be deteriorated.
(その他計測)
各画像から、楕円長短軸比、楕円角度、四角形縦横比、真円度等を粒子部分及び空隙部分に対して算出する。なお、具体的な計測部分については、使用する画像処理ソフトの手順に従って行う。
これらの数値は、いずれも本発明における負極材料粒子の形状、結晶性及び表面性状による影響を受け、電極作製における導電材有無及び量、圧延荷重などや、電極細孔分布や、電極比表面積、浸液性などとの相関があり、該負極材料の特徴を表現しうるものである。
また、数値算出にあたっては、適宜CV値算出や、体積重み付け算出を実施しても良い。
(Other measurements)
From each image, an ellipse major / minor axis ratio, an ellipse angle, a rectangular aspect ratio, a roundness, and the like are calculated for the particle portion and the void portion. In addition, about a specific measurement part, it performs according to the procedure of the image processing software to be used.
These numerical values are all affected by the shape, crystallinity and surface properties of the negative electrode material particles in the present invention, the presence and amount of conductive material in electrode production, rolling load, etc., electrode pore distribution, electrode specific surface area, There is a correlation with the immersion property and the like, and the characteristics of the negative electrode material can be expressed.
In calculating numerical values, CV value calculation or volume weighting calculation may be performed as appropriate.
[1]非水系二次電池用複合黒鉛粒子
(A)複合黒鉛粒子の構成
本発明の負極材料は、本発明の複合黒鉛粒子を主な成分とする。そして本発明の複合黒鉛粒子は、例えば、球状黒鉛粒子と黒鉛化可能なバインダー(以下単に、「バインダー」ということがある)とを捏合し、捏合物の成形体を、粉砕後に黒鉛化又は黒鉛化後に粉砕又は磨砕することにより得られる。すなわち、この場合、形成された複合黒鉛粒子の構成は、炭素質粒子が焼成された黒鉛質粒子の少なくとも一部(一部又は全て)複合黒鉛粒子と、バインダーが焼成されたもの(これも黒鉛質である)が複合化した構造を有するものである。以下、製造方法2に示すように場合により成形体ではなく粉体である場合もある。例えば、混合するバインダー量が少ない場合がこれに該当する。
[1] Composite graphite particles for non-aqueous secondary battery (A) Configuration of composite graphite particles The negative electrode material of the present invention contains the composite graphite particles of the present invention as a main component. The composite graphite particles of the present invention are obtained by, for example, combining spherical graphite particles and a graphitizable binder (hereinafter, sometimes simply referred to as “binder”), and comminuting a molded product after pulverization. It is obtained by pulverizing or grinding after conversion. That is, in this case, the composite graphite particles formed are composed of at least a part (part or all) of the composite graphite particles obtained by firing carbonaceous particles and a product obtained by firing the binder (also graphite). Is a composite structure. Hereinafter, as shown in the production method 2, in some cases, it may be a powder instead of a molded body. For example, this is the case when the amount of binder to be mixed is small.
本発明の複合黒鉛粒子の原料である炭素質粒子としては、焼成によって黒鉛化が可能な炭素の粒子であれば特に限定はないが、天然黒鉛、人造黒鉛、球形化黒鉛、コークス粉、ニードルコークス粉、樹脂の炭化物粉等が挙げられる。
これらのうち、活物質層作成時に活物質層の密度を上げ易いという点から、天然黒鉛を用いることが好ましい。中でも黒鉛を球形化処理した球形化黒鉛が特に好ましい。本発明の球状黒鉛粒子は、湾曲又は屈曲した複数の鱗片状又は鱗状黒鉛からなるものであることが好ましい。
The carbonaceous particles that are the raw material of the composite graphite particles of the present invention are not particularly limited as long as they are carbon particles that can be graphitized by firing, but natural graphite, artificial graphite, spheroidized graphite, coke powder, needle coke. Examples thereof include powder and resin carbide powder.
Among these, it is preferable to use natural graphite because it is easy to increase the density of the active material layer when the active material layer is formed. Among them, spheroidized graphite obtained by spheroidizing graphite is particularly preferable. The spherical graphite particles of the present invention are preferably composed of a plurality of curved or bent scaly or scaly graphites.
黒鉛化可能なバインダーとしては、焼成によって黒鉛化が可能な炭素質であれば特に限定はなく、タール、軟ピッチから硬ピッチまでの石油系及び石炭系の縮合多環芳香族類が好ましく用いられる。具体的には、含浸ピッチ、コールタールピッチ、石炭液化油等の石炭系重質油、アスファルテン等の直留系重質油、エチレンヘビーエンドタール等の分解系重質油等の石油系重質油等が挙げられる。 The graphitizable binder is not particularly limited as long as it is carbonaceous that can be graphitized by firing, and petroleum-based and coal-based condensed polycyclic aromatics from tar, soft pitch to hard pitch are preferably used. . Specifically, petroleum heavy oil such as impregnated pitch, coal tar pitch, coal heavy oil such as coal liquefied oil, straight run heavy oil such as asphalten, cracked heavy oil such as ethylene heavy end tar, etc. Oil etc. are mentioned.
(B)複合黒鉛粒子の特徴
本発明の複合黒鉛粒子は、表面に、該球状黒鉛粒子の少なくとも一部が露出している複合黒鉛粒子を含有するか、表面近傍に、該球状黒鉛粒子の不完全な積層構造を有する複合黒鉛粒子を含有する。
(B) Features of Composite Graphite Particles The composite graphite particles of the present invention contain composite graphite particles in which at least a part of the spherical graphite particles are exposed on the surface or the non-existence of the spherical graphite particles in the vicinity of the surface. Contains composite graphite particles having a complete laminate structure.
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子は、黒鉛粒子を一次粒子として形成した球状又は楕円状の球状黒鉛粒子を用いて複合化したものであり、複合黒鉛粒子製造時の粉砕・磨砕により球状黒鉛粒子の表面が粗く削られた状態になっている。該複合黒鉛粒子が製造時に粉砕・磨砕される事で、少なくとも球状黒鉛粒子の一部が露出している面を有する状態;該複合黒鉛粒子の製造時の粉砕・磨砕によって生じた破断面が捲れ上がり、複合黒鉛粒子の表面に、球状黒鉛粒子中の黒鉛粒子が浮き上がっている状態;又は、該複合黒鉛粒子の製造時の粉砕・磨砕によって剥離した複合黒鉛粒子中の球状黒鉛粒子の一部が表面に付着している状態等を意味する。 The composite graphite particle for non-aqueous secondary battery of the present invention is a composite using spherical or elliptical spherical graphite particles formed as primary particles, and is pulverized and ground at the time of producing composite graphite particles. As a result, the surface of the spherical graphite particles is roughened. The composite graphite particles are pulverized and ground at the time of production, so that at least a part of the spherical graphite particles has a surface exposed; the fracture surface generated by the pulverization and grinding at the time of production of the composite graphite particles The graphite particles in the spherical graphite particles are floating on the surface of the composite graphite particles; or the spherical graphite particles in the composite graphite particles peeled off by pulverization / grinding during the production of the composite graphite particles. It means a state where a part is attached to the surface.
この様に、複合黒鉛粒子の表面にある球状黒鉛粒子中の黒鉛粒子を、該複合黒鉛粒子の製造時の粉砕・磨砕によって、捏合前の原料の状態である球状黒鉛粒子中の黒鉛粒子に比べて、少なくともその一部を立てる事で、複合黒鉛粒子内への電解液の浸透性が向上し、リチウムイオンの拡散が円滑になり、良好なる充電受入性が発現する。また、この様な複合黒鉛粒子の形状を有する事で、塗布・圧延後に電極内部に適度な空隙が確保され、電極への電解液の浸液性が向上する。 In this way, the graphite particles in the spherical graphite particles on the surface of the composite graphite particles are converted into graphite particles in the spherical graphite particles that are in the raw material state before being combined by pulverization and grinding during the production of the composite graphite particles. In comparison, by standing at least a part thereof, the permeability of the electrolytic solution into the composite graphite particles is improved, the lithium ions are smoothly diffused, and good charge acceptability is exhibited. Moreover, by having such a shape of the composite graphite particles, an appropriate gap is secured inside the electrode after coating and rolling, and the immersion of the electrolytic solution into the electrode is improved.
さらに、複合黒鉛粒子の表面近傍に、球状黒鉛粒子の不完全な積層構造を有する複合黒鉛粒子を含有することについて、詳しく述べる。
ここで、「不完全な積層構造」とは、該複合黒鉛粒子表面に、球状黒鉛粒子の一部が種々の方向に折り重なっている状態を意味する。本発明における非水系二次電池用複合黒鉛粒子は、粉砕・磨砕により、出発原料である球状黒鉛粒子の一次粒子である黒鉛粒子の切片が、該複合黒鉛粒子表面にて種々の方向に向かっている状態等を有するものである。この様な表面状態によって、粒子内部へのリチウムイオンの拡散を円滑にして充電受入性が向上すると共に、電極への電解液浸液性が向上する。
Furthermore, it will be described in detail that composite graphite particles having an incomplete laminated structure of spherical graphite particles are contained in the vicinity of the surface of the composite graphite particles.
Here, the “incomplete laminated structure” means a state in which a part of the spherical graphite particles is folded in various directions on the surface of the composite graphite particles. The composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries in the present invention are crushed and ground so that the sections of the graphite particles that are the primary particles of the spherical graphite particles that are the starting materials are directed in various directions on the surface of the composite graphite particles. It has a state etc. Such a surface state facilitates the diffusion of lithium ions into the particles, thereby improving the charge acceptance and improving the electrolyte immersion property to the electrode.
<メジアン径>
(イ)粒子メジアン径の定義
粒子メジアン径は、レーザー散乱式粒度分布測定により求めた体積基準の直径であり、その測定方法は以下の通りである。
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))の0.2重量%水溶液10mLに、黒鉛質複合粒子0.01gを懸濁させ、市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「HORIBA製LA−920」に導入し、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、測定装置における体積基準メジアン径として測定したものである。
<Median diameter>
(A) Definition of particle median diameter The particle median diameter is a volume-based diameter determined by laser scattering particle size distribution measurement, and the measurement method is as follows.
0.01 g of graphite composite particles are suspended in 10 mL of a 0.2 wt% aqueous solution of polyoxyethylene sorbitan monolaurate (for example, Tween 20 (registered trademark)) which is a surfactant, and commercially available laser diffraction / The sample was introduced into a scattering type particle size distribution measuring apparatus “LA-920 manufactured by HORIBA”, irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, and then measured as a volume reference median diameter in the measuring apparatus.
(ロ)範囲
本発明の複合黒鉛粒子の粒子メジアン径は、特に限定はないが、5μmから30μmが好ましく、8μmから28μmがより好ましく、10μmから25μmが特に好ましい。粒子メジアン径が小さすぎると、電極内空隙率が低下し過ぎ、粒子メジアン径が大きすぎると、粒子接触性が悪くなるため、本発明の効果が得られなくなる可能性がある。
(B) Range The particle median diameter of the composite graphite particles of the present invention is not particularly limited, but is preferably 5 μm to 30 μm, more preferably 8 μm to 28 μm, and particularly preferably 10 μm to 25 μm. If the particle median diameter is too small, the porosity in the electrode is too low, and if the particle median diameter is too large, the particle contact property is deteriorated, so that the effects of the present invention may not be obtained.
<タップ密度>
(イ)タップ密度の定義
本発明において、タップ密度は、粉体密度測定器である(株)セイシン企業社製「タップデンサーKYT−4000」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、複合黒鉛粒子を落下させて、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重量から求めた密度をタップ密度として定義する。
<Tap density>
(A) Definition of Tap Density In the present invention, the tap density is a cylinder having a diameter of 1.6 cm and a volume capacity of 20 cm 3 using “Tap Denser KYT-4000” manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd., which is a powder density measuring device. After dropping the composite graphite particles through the sieve with a mesh size of 300 μm and filling the cell fully, tap with a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the density obtained from the volume at that time and the weight of the sample is obtained. Defined as tap density.
(ロ)範囲
本発明の複合黒鉛粒子のタップ密度は特に限定はないが、0.5g/cm3以上が好ましく、0.70g/cm3以上がより好ましく、0.75g/cm3以上が特に好ましい。また、1.5g/cm3以下が好ましく、1.4g/cm3以下がより好ましく、1.3g/cm3以下が特に好ましい。タップ密度が低すぎると、負極の製造に際して集電体
に塗布し難く、塗膜の密度が小さくなり、圧延したときに複合黒鉛粒子が破壊されやすく、電池性能が低下する場合がある。逆に、タップ密度が高すぎると、電極内での粒子接触が不十分のために、電極内導電性が不十分となり、電池特性が悪くなる。
(B) is not particularly limited tap density of the composite graphite particles of the scope the present invention, 0.5 g / cm 3 or more, more preferably 0.70 g / cm 3 or more, 0.75 g / cm 3 or more and particularly preferable. Moreover, 1.5 g / cm 3 or less is preferable, 1.4 g / cm 3 or less is more preferable, and 1.3 g / cm 3 or less is particularly preferable. If the tap density is too low, it is difficult to apply to the current collector during the production of the negative electrode, the density of the coating film becomes small, the composite graphite particles are likely to be destroyed when rolled, and the battery performance may be lowered. On the other hand, if the tap density is too high, the particle contact in the electrode is insufficient, so that the in-electrode conductivity is insufficient and the battery characteristics are deteriorated.
<BET比表面積>
・ 比表面積測定法
なお、本発明において、BET比表面積は次の方法で測定され定義される。すなわち、大倉理研社製比表面積測定装置「AMS8000」を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。具体的には、試料(複合黒鉛粒子)0.4gをセルに充填し、350℃に加熱して前処理を行った後、液体窒素温度まで冷却して、窒素30%、He70%のガスを飽和吸着させ、その後室温まで加熱して脱着したガス量を計測し、得られた結果から、通常のBET法により比表面積を算出する。
<BET specific surface area>
-Specific surface area measuring method In addition, in this invention, a BET specific surface area is measured and defined by the following method. That is, using a specific surface area measuring device “AMS8000” manufactured by Okura Riken Co., Ltd., the BET one-point method is measured by a nitrogen gas adsorption flow method. Specifically, 0.4 g of a sample (composite graphite particles) is filled in a cell, heated to 350 ° C. and pretreated, then cooled to liquid nitrogen temperature, and 30% nitrogen and 70% He gas is added. The amount of gas desorbed by saturation adsorption and then heated to room temperature is measured, and the specific surface area is calculated from the obtained results by a normal BET method.
・ 範囲
本発明の複合黒鉛粒子のBET法で測定したBET比表面積については特に限定はないが、通常1m2/g以上、好ましくは1.5m2/g以上である。また、通常10m2/g以下、好ましくは6m2/g以下、より好ましくは5.5m2/g以下、特に好ましくは5m2/g以下である。比表面積がこの範囲を下回ると、充電受け入れ特性が低下する場合がある。一方、比表面積がこの範囲を上回ると、初期不可逆容量が大きくなり、さらにサイクル特性が悪化する場合がある。
-Range Although there is no limitation in particular about the BET specific surface area measured by BET method of the composite graphite particle of this invention, Usually, it is 1 m < 2 > / g or more, Preferably it is 1.5 m < 2 > / g or more. Moreover, it is 10 m < 2 > / g or less normally, Preferably it is 6 m < 2 > / g or less, More preferably, it is 5.5 m < 2 > / g or less, Most preferably, it is 5 m < 2 > / g or less. When the specific surface area is less than this range, the charge acceptance characteristics may deteriorate. On the other hand, if the specific surface area exceeds this range, the initial irreversible capacity increases, and the cycle characteristics may further deteriorate.
<圧延荷重>
後述の極板作製方法により、電極活物質密度が1.8±0.03g/cm3である極板を作製する際に必要とされる圧延荷重の範囲については特に限定はないが、長さ5cmあたりに換算して、好ましくは200kgf/5cm以上、特に好ましくは250kgf/5cm以上、更に好ましくは300kgf/5cm以上であり、また、通常1200kgf/5cm以下、好ましくは1000kgf/5cm以下、特に好ましくは850kgf/5cm以下であるような負極材料が望ましい。
<Rolling load>
There is no particular limitation on the range of the rolling load required when producing an electrode plate having an electrode active material density of 1.8 ± 0.03 g / cm 3 by the electrode plate production method described later. Converted per 5 cm, preferably 200 kgf / 5 cm or more, particularly preferably 250 kgf / 5 cm or more, more preferably 300 kgf / 5 cm or more, and usually 1200 kgf / 5 cm or less, preferably 1000 kgf / 5 cm or less, particularly preferably A negative electrode material that is 850 kgf / 5 cm or less is desirable.
圧延荷重がこの下限を下回るような負極材料は、圧延時につぶれやすく、電極にした際に電解液の浸液性が悪くなる場合がある。更に、負極材料がつぶれてリチウムイオンの拡散を妨げる場合があり、放電負荷特性や充電受入性が低下する場合がある。また粒子がつぶれて破壊されることで粒子表面の電解液反応性高くなり、不可逆容量の増加を引き起こす場合がある。一方で、圧延荷重がこの上限を上回るような負極材料では、目的の電極活物質密度を得ることが困難となる場合があり、さらに生産性の低下を招く可能性がある。
上記範囲の圧延荷重を有する負極材料の製造方法は特に限定はないが、複合黒鉛粒子、バインダー量、黒鉛化度等を工夫することによって得ることができる。
A negative electrode material whose rolling load falls below this lower limit is liable to be crushed during rolling, and the immersion of the electrolytic solution may be deteriorated when an electrode is formed. Further, the negative electrode material may be crushed to prevent the diffusion of lithium ions, and the discharge load characteristics and charge acceptance may be reduced. Moreover, when the particles are crushed and broken, the electrolyte solution reactivity on the particle surface is increased, which may increase the irreversible capacity. On the other hand, in a negative electrode material in which the rolling load exceeds this upper limit, it may be difficult to obtain a target electrode active material density, which may further reduce productivity.
Although the manufacturing method of the negative electrode material which has the rolling load of the said range is not specifically limited, It can obtain by devising composite graphite particles, the amount of binders, a graphitization degree, etc.
<電極細孔容積>
(イ) 水銀ポロシメーターによる複合黒鉛粒子の細孔容積の測定方法と定義
本発明における水銀ポロシメーターによる電極細孔容積は、細孔容積測定装置「マイク
ロメリティックス社製オートポアIV9520」を用い、付属のセルに試料(電極シート2000mm2を封入し、減圧下(50μm/Hg)室温にて10分間の前処理を行なった
後、水銀を4.0psia(ポンド平方インチ絶対圧力)〜40000psiaまで多段階に昇圧後、3.0psiaまで多段階に降圧させて測定される水銀圧入量より定義される。更に詳しくはこの時水銀に加えた圧力PからWashburn式(D=−(1/P)4γcosψ)を用いて細孔直径Dを計算して得られた水銀圧入退出曲線より定義される。この時、γは水銀の表面張力、ψは接触角を示す。
<Electrode pore volume>
(A) Measurement method and definition of pore volume of composite graphite particle by mercury porosimeter The electrode pore volume by the mercury porosimeter in the present invention was measured using a pore volume measuring device “Autopore IV9520 manufactured by Micromeritics” and attached. A sample (electrode sheet 2000 mm 2 was sealed in the cell, pretreated for 10 minutes at room temperature under reduced pressure (50 μm / Hg), and then mercury was applied in multiple stages from 4.0 psia (pound square inch absolute pressure) to 40000 psia. It is defined by the amount of mercury intrusion measured by reducing the pressure to 3.0 psia in multiple stages after the pressure increase, and more specifically, the Washburn equation (D = − (1 / P) 4γcosψ) is calculated from the pressure P applied to the mercury. And is defined by the mercury intrusion / retraction curve obtained by calculating the pore diameter D. γ is the surface tension of mercury and ψ is the contact angle.
(ロ)範囲
上記測定方法により、電極細孔容積を測定し、電極細孔容積変化量は以下の式で算出した。
電極細孔容積変化量(ml/g)=未圧延電極細孔容積(ml/g)―圧延後電極細孔容積(ml/g)
電極圧延変化量は、0.1ml/g以上、0.8ml/g以下が好ましく、さらに好ましくは、0.2ml/g以上、0.7ml/g以下、特に好ましくは0.3ml/g以上、0
.6ml/gである。この下限よりも下回ることは、負極材料が硬すぎるために、所望の
電極密度にすることが困難な場合がり、上回る場合には、圧延時に極度に粒子破壊が発生しており、そのために粒子表面の電解液との反応性が高くなり不可逆容量の悪化や、放電負荷特性の低下、充電受入性の低下などが起こることがある。
(B) Range The electrode pore volume was measured by the above measuring method, and the electrode pore volume change amount was calculated by the following equation.
Electrode pore volume change (ml / g) = Unrolled electrode pore volume (ml / g) −Electrode pore volume after rolling (ml / g)
The amount of change in electrode rolling is preferably 0.1 ml / g or more and 0.8 ml / g or less, more preferably 0.2 ml / g or more, 0.7 ml / g or less, particularly preferably 0.3 ml / g or more, 0
. 6 ml / g. Below this lower limit, it may be difficult to obtain a desired electrode density because the negative electrode material is too hard, and if it exceeds, the particle breakage has occurred extremely during rolling, and therefore the particle surface This may increase the reactivity with the electrolyte, resulting in deterioration of irreversible capacity, deterioration of discharge load characteristics, and reduction of charge acceptance.
<電極比表面積変化量>
(イ)電極比表面積変化量の定義
35cm2面積の電極に対して上記BET比表面積法を用いて測定する。前処理温度は、電極の場合には先述とは異なり、100℃で行う。
以下の算出方法により、電極比表面積変化量を算出した。
電極比表面積変化量(m2/g)=圧延後電極比表面積(m2/g)−未圧延電極比表面積(m2/g)
<Change in electrode specific surface area>
(A) Definition of change amount of electrode specific surface area It measures using the said BET specific surface area method with respect to an electrode of 35 cm 2 area. In the case of an electrode, the pretreatment temperature is 100 ° C., different from the above.
The electrode specific surface area change amount was calculated by the following calculation method.
Electrode specific surface area change (m 2 / g) = Rolled electrode specific surface area (m 2 / g) −Unrolled electrode specific surface area (m 2 / g)
(ロ)範囲
電極比表面積変化量は、―3.0m2/g以上、3.0m2/g以下が好ましく、さらに好ましくは、−2.8m2/g以上、2.8m2/g以下、特に好ましくは−2.5m2/g以上、2.5m2/g以下である。この下限よりも下回ることは、バインダーの変性や、電極圧延時に粒子に何らかの異常が発生している可能性があり、上回る場合には、圧延時に極度に粒子破壊が発生しており、そのために粒子表面の電解液との反応性が高くなり不可逆容量の悪化や、放電負荷特性の低下、充電受入性の低下などが起こることがある。
(B) Range electrode specific surface area change amount, -3.0m 2 / g or more, preferably 3.0 m 2 / g or less, more preferably, -2.8m 2 / g or more, 2.8 m 2 / g or less , particularly preferably -2.5m 2 / g or more, or less 2.5 m 2 / g. Below this lower limit, there is a possibility that some abnormalities have occurred in the particles during binder modification and electrode rolling, and if it exceeds, particle destruction has occurred extremely during rolling. The reactivity with the electrolytic solution on the surface may increase, and the irreversible capacity may deteriorate, the discharge load characteristics may deteriorate, and the charge acceptance may deteriorate.
<電解液浸透性>
(イ)電解液浸透性の定義
後述の電極作成方法で作成した電極を12.5mmφの大きさに打ち抜いたものを、11時間真空乾燥した後、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中において、打ち抜いた電極を活物質を上向きに水平に整置して、その上部高さ1cmからジエチルカーボネート溶媒を1μl滴下し、電極上から完全に消失するまでの時間を計測する。同様に計測した時間の平均値を浸透時間という。
<Electrolytic solution permeability>
(A) Definition of electrolyte permeability The electrode punched out to the size of 12.5 mmφ, which was punched out by the electrode preparation method described later, was vacuum-dried for 11 hours, and then punched in a glove box under an argon atmosphere. 1 μl of diethyl carbonate solvent is dropped from the top height of 1 cm, and the time until it completely disappears from the electrode is measured. Similarly, the average value of the measured time is called penetration time.
(ロ)範囲
本発明において、電極上の溶媒の消失時間は特に限定はないが、30秒以下が好ましく、28秒以下がより好ましい。該溶媒消失時間が長いと、電池作製時に電解液を注液する過程で時間が掛かり、生産性の低下を招く場合がある。また、該溶媒の消失時間が長いことは、電極内部での電解液の浸透性が悪い事を意味し、電池特性、特に放電時負荷特性及び、充電受入性、並びにサイクル特性の低下につながる場合がある。そのため、良好な浸
液性を発現する電極、更にはそのような電極を得るための材料が必要である。本発明における非水系二次電池用複合黒鉛粒子は、その特徴ある粒子構造により良好な電解液浸液性を発現可能な粒子である。
(B) Range In the present invention, the disappearance time of the solvent on the electrode is not particularly limited, but is preferably 30 seconds or less, and more preferably 28 seconds or less. When the solvent disappearance time is long, it takes time in the process of injecting the electrolytic solution at the time of producing the battery, and the productivity may be reduced. In addition, the long disappearance time of the solvent means that the permeability of the electrolytic solution inside the electrode is poor, which leads to deterioration of battery characteristics, particularly discharge load characteristics, charge acceptance, and cycle characteristics. There is. Therefore, an electrode that exhibits good immersion properties and a material for obtaining such an electrode are required. The composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries in the present invention are particles that can exhibit good electrolyte immersion properties due to their characteristic particle structure.
[2]非水系二次電池用負極材料
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(以下、「複合黒鉛粒子(A)」と略記する場合がある)は、単独で非水系二次電池用負極材料とすることもできるが、天然黒鉛、人造黒鉛、気相成長性炭素繊維、導電性カーボンブラック、非晶質被覆黒鉛、樹脂被覆黒鉛、非晶質炭素、及び、それらに適当な処理等を施したものよりなる群から選ばれる1種以上の、上記複合黒鉛粒子とは形状又は物性の異なる炭素質粒子(以下、「炭素質粒子(B)」と略記する)を更に含有させて非水系二次電池用負極材料とすることも好ましい。
[2] Anode material for non-aqueous secondary battery The composite graphite particle for non-aqueous secondary battery of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “composite graphite particle (A)”) alone is a non-aqueous secondary battery. Can be used as a negative electrode material, but natural graphite, artificial graphite, vapor-grown carbon fiber, conductive carbon black, amorphous-coated graphite, resin-coated graphite, amorphous carbon, and appropriate treatments for them And further including one or more carbonaceous particles selected from the group consisting of the above-mentioned composite graphite particles having different shapes or physical properties (hereinafter abbreviated as “carbonaceous particles (B)”). A negative electrode material for a non-aqueous secondary battery is also preferable.
炭素質粒子(B)を適宜選択して混合することによって、導電性の向上によるサイクル特性の向上や充電受入性の向上、不可逆容量の低減、また、圧延性の向上が可能となる。炭素質粒子(B)を混合する場合の量の下限は、負極材料全体に対して、通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量%以上、より好ましくは0.6重量%以上であり、上限は、通常80重量%以下、好ましくは50重量%以下、より好ましくは40重量%以下である。この範囲を下回ると、導電性向上の効果が得にくい場合がある。また上回ると、初期不可逆容量の増大を招く場合がある。 By appropriately selecting and mixing the carbonaceous particles (B), it is possible to improve cycle characteristics by improving conductivity, improve charge acceptability, reduce irreversible capacity, and improve rollability. The lower limit of the amount in the case of mixing the carbonaceous particles (B) is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.5% by weight or more, more preferably 0.6% by weight or more with respect to the whole negative electrode material. The upper limit is usually 80% by weight or less, preferably 50% by weight or less, more preferably 40% by weight or less. Below this range, the effect of improving conductivity may be difficult to obtain. On the other hand, an increase in the initial irreversible capacity may be caused.
炭素質粒子(B)のうちで、天然黒鉛としては、例えば、高純度化した鱗片状黒鉛や球形化した黒鉛を用いることができる。天然黒鉛の体積基準平均粒径は、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、また、通常60μm以下、好ましくは40μm以下の範囲である。天然黒鉛のBET比表面積は、通常2m2/g以上、好ましくは3m2/g以上、通常30m2/g以下、好ましくは15m2/g以下の範囲である。 Among the carbonaceous particles (B), as the natural graphite, for example, highly purified flaky graphite or spheroidized graphite can be used. The volume-based average particle size of natural graphite is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, and usually 60 μm or less, preferably 40 μm or less. Natural graphite has a BET specific surface area of usually 2 m 2 / g or more, preferably 3 m 2 / g or more, usually 30 m 2 / g or less, preferably 15 m 2 / g or less.
人造黒鉛としては、例えば、コークス粉や天然黒鉛をバインダーで複合化した粒子、単一の黒鉛前駆体粒子を粉状のまま焼成、黒鉛化した粒子等を用いることができる。
非晶質被覆黒鉛としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛に非晶質前駆体を被覆、焼成した粒子や、天然黒鉛や人造黒鉛に非晶質を表面に被覆した粒子を用いることができる。
樹脂被覆黒鉛としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛に高分子材料を被覆、乾燥して得た粒子等を用いることができ、非晶質炭素としては、例えば、バルクメソフェーズを焼成した粒子や、炭素前駆体を不融化処理し焼成した粒子を用いることができる。
As the artificial graphite, for example, particles obtained by combining coke powder or natural graphite with a binder, particles obtained by firing and graphitizing single graphite precursor particles while powdered, and the like can be used.
As amorphous-coated graphite, for example, natural graphite or artificial graphite coated with an amorphous precursor and fired, or natural graphite or artificial graphite coated with an amorphous surface can be used.
As the resin-coated graphite, for example, particles obtained by coating and drying a polymer material on natural graphite or artificial graphite can be used, and as amorphous carbon, for example, particles obtained by firing bulk mesophase, Particles obtained by infusibilizing and firing a carbon precursor can be used.
このうち、本発明の複合黒鉛粒子に、炭素質粒子(B)として配合して用いる場合、特に天然黒鉛及び、それらに適当な処理をしたものが、高容量が維持されるので好ましい。上記の適当な処理とは、以下に記載するような酸化処理した黒鉛を、熱処理しても良い。これは原料となる球状処理した処理した黒鉛に、更に付加的に長時間の機械的な磨砕処理を施しても良いし、酸素性ガス、加熱した硫酸、硝酸、或いは塩酸で当該黒鉛を接触処理しても良い。空気下での焼成、プラズマ処理、オゾン処理も挙げられる。 Among these, when blended and used as the carbonaceous particles (B) in the composite graphite particles of the present invention, natural graphite and those obtained by appropriately treating them are preferable because a high capacity is maintained. The above-mentioned appropriate treatment may be a heat treatment of oxidized graphite as described below. This may be achieved by subjecting the spherical treated graphite as a raw material to an additional mechanical grinding treatment for a long time, or contacting the graphite with oxygen gas, heated sulfuric acid, nitric acid, or hydrochloric acid. It may be processed. Examples include baking under air, plasma treatment, and ozone treatment.
本発明の負極材料は、その原料として、黒鉛化されている炭素粒子であれば特に限定はないが、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス粉、ニードルコークス粉、樹脂の黒鉛化物の粉体等が挙げられる。これらのうち、天然黒鉛が好ましく、中でも球形化処理を施した球状黒鉛粒子が特に好ましい。本発明で使用される球状黒鉛粒子は、湾曲又は屈曲した複数の鱗片状又は鱗状黒鉛及び磨砕された黒鉛微粉からなるものであることが好ましい。球状処理の上、更に酸化処理した黒鉛を、熱処理しても良い。これは原料となる球状処理した処理した黒鉛に、更に付加的に長時間の機械的な磨砕処理を施しても良いし、酸素性ガス、加熱した硫酸、硝酸、或いは塩酸で当該黒鉛を接触処理しても良い。空気下での焼成、プラズマ処理、オゾン処理も挙げられる。 The negative electrode material of the present invention is not particularly limited as long as it is a graphitized carbon particle, but examples thereof include natural graphite, artificial graphite, coke powder, needle coke powder, and powdered resin graphitized powder. It is done. Of these, natural graphite is preferable, and spheroidal graphite particles subjected to spheroidizing treatment are particularly preferable. The spherical graphite particles used in the present invention are preferably composed of a plurality of curved or bent scaly or scaly graphites and ground graphite fine powder. Graphite that has been further oxidized after the spherical treatment may be heat-treated. This may be achieved by subjecting the spherical treated graphite as a raw material to an additional mechanical grinding treatment for a long time, or contacting the graphite with oxygen gas, heated sulfuric acid, nitric acid, or hydrochloric acid. It may be processed. Examples include baking under air, plasma treatment, and ozone treatment.
また、熱処理温度については、500〜1250℃が好ましく、700℃〜1100℃がより好ましく、800℃〜1050℃が最も好ましい。これより低温であると、原料黒鉛の最表面にある官能基が好ましい構造に変化しないため、不可逆容量の低減効果が十分に認められず、これ以上の温度では、再結晶化や表面官能基の除去が顕著に起こるため、充電受入性に欠ける。 The heat treatment temperature is preferably 500 to 1250 ° C, more preferably 700 to 1100 ° C, and most preferably 800 to 1050 ° C. If the temperature is lower than this, the functional group on the outermost surface of the raw material graphite does not change to a preferable structure, and thus the effect of reducing the irreversible capacity is not sufficiently observed. Since the removal occurs remarkably, it lacks charge acceptance.
これらは、黒鉛上にピッチ、タール、あるいは樹脂の様な炭素前駆体を添着、乃至被覆し、これを適当な温度で熱処理することで得られる場合もあるが、その際、これらの前駆体が基体である黒鉛の表面を一部覆うため、リチウムが出入りする活性面が少なくなり、常温での急速充電特性に欠ける。また、これら前駆体は、原料の混合段階で、基体である黒鉛に確率的に付着することが多いため、リチウムが出入りする黒鉛エッジ面のみの構造を変化させることが困難で、付着部位によっては、電解液に対する反応性を過剰にしてしまう懸念がある。本材料の製造工程では、例えばピッチのような、黒鉛以外の炭素源原料を用いることがないため、均質な処理が可能となる。また、これら原料の混合過程が省略できるため、工程敵にも簡便で安価に提供できるメリットがある。 These may be obtained by applying or coating a carbon precursor such as pitch, tar, or resin on graphite, and heat-treating it at an appropriate temperature. Since a part of the surface of graphite as a substrate is covered, the active surface where lithium enters and exits is reduced, and the rapid charge characteristic at room temperature is lacking. In addition, these precursors are often stochastically attached to the base graphite at the raw material mixing stage, so it is difficult to change the structure of only the graphite edge surface where lithium enters and exits. There is a concern that the reactivity to the electrolyte may be excessive. In the manufacturing process of this material, since a carbon source material other than graphite, such as pitch, is not used, a uniform process is possible. Moreover, since the mixing process of these raw materials can be omitted, there is an advantage that it can be provided easily and inexpensively to the process enemy.
この処理に際しては、窒素ガスをフローしながらでも、あるいは当該処理時に用いる容器に材料を封入する際、残留する空気を追い出しながら窒素ガスでパッキングしても良い。空気を含んでいても良いが、その場合は、950℃以上の処理温度とすると、表面官能基の状態が好ましい。尚、詳細に熱天秤窒素ガス中で処理した場合、重量増加が観察されることがあり、及びTPD−MSを用い測定をするとその付加は窒素ガスによることがわかる。本現象も、当該発明材のpHが、塩基性を呈する遠因となっていると思われ、その重量増加率は、原料黒鉛の重量に対し、典型的に7重量%以下0%以上である。 In this process, the nitrogen gas may be packed while nitrogen gas is flowed or when the material is sealed in a container used during the process while remaining air is expelled. Although air may be included, in that case, the surface functional group state is preferable when the treatment temperature is 950 ° C. or higher. In addition, when it processes in detail in a thermobalance nitrogen gas, an increase in weight may be observed, and when it measures using TPD-MS, it turns out that the addition is based on nitrogen gas. This phenomenon is also considered to be the cause of the basicity of the pH of the inventive material, and the weight increase rate is typically 7% by weight or less and 0% or more by weight with respect to the weight of the raw graphite.
複合黒鉛粒子(A)に炭素質粒子(B)を混合して負極材料とする場合、炭素質粒子(B)の混合割合は、負極材料全体に対して、5μm未満の炭素質粒子を混合する場合は、通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量%以上、30重量%以下、より好ましくは1重量%以上20重量%以下であり、5μm以上の炭素質粒子を混合する場合は、好ましくは5重量%以上、90重量%以下、さらに好ましくは10%以上70重量%以下である。炭素質粒子(B)の混合割合が前記範囲を下回ると、炭素質粒子(B)を添加した上記の効果が現れ難い場合もある。一方、前記範囲を上回ると、複合黒鉛粒子(A)の特性が得られ難い場合もある。
以下に本発明の負極材料の製造方法の例を示す。
When the carbonaceous particles (B) are mixed with the composite graphite particles (A) to form the negative electrode material, the mixing ratio of the carbonaceous particles (B) is such that the carbonaceous particles of less than 5 μm are mixed with the whole negative electrode material. In the case of mixing 0.1% by weight or more, preferably 0.5% by weight or more and 30% by weight or less, more preferably 1% by weight or more and 20% by weight or less. When carbonaceous particles of 5 μm or more are mixed, The content is preferably 5% by weight or more and 90% by weight or less, more preferably 10% or more and 70% by weight or less. When the mixing ratio of the carbonaceous particles (B) is less than the above range, the above effect of adding the carbonaceous particles (B) may be difficult to appear. On the other hand, when the above range is exceeded, it may be difficult to obtain the characteristics of the composite graphite particles (A).
The example of the manufacturing method of the negative electrode material of this invention is shown below.
<製造方法1>
本発明の複合黒鉛粒子は、原料である球状黒鉛粒子、黒鉛化可能なバインダー(以下、単に「バインダー」と称することもある)等を混合し、必要に応じて成形、脱揮発成分焼成、黒鉛化、粉砕、分級を行うことにより製造される。前述の物性を満足する本発明の複合黒鉛粒子を製造するためには、以下の工夫点を組み合わせることが重要である。
<Manufacturing method 1>
The composite graphite particles of the present invention are mixed with spherical graphite particles as raw materials, a graphitizable binder (hereinafter also simply referred to as “binder”), etc., and molded, devolatilized component fired, graphite, if necessary. It is manufactured by performing crystallization, pulverization and classification. In order to produce the composite graphite particles of the present invention that satisfy the above-mentioned physical properties, it is important to combine the following ideas.
原料についての工夫点として、例えば、球状黒鉛粒子の主成分として平均円形度の高い球形化黒鉛を選択することが挙げられる。
また、球状黒鉛粒子とバインダーを捏合するに際し、バインダーであるピッチ等の種類や量を最適化するといった工夫や粉砕時の強度を最適化する。
以下、本発明の複合黒鉛粒子等の好適な製造方法について詳細に説明する。
まず、球状黒鉛粒子及びバインダーを加熱しながら捏合する。この際、所望により黒鉛化触媒を加えてもよい。好適な炭素質粒子、バインダー及び黒鉛化触媒は次の通りである。
As a contrivance for the raw material, for example, spheroidized graphite having a high average circularity is selected as the main component of the spherical graphite particles.
In addition, when the spherical graphite particles and the binder are combined, a device for optimizing the type and amount of the pitch as the binder and the strength at the time of pulverization are optimized.
Hereinafter, a suitable method for producing the composite graphite particles of the present invention will be described in detail.
First, the spherical graphite particles and the binder are combined while being heated. At this time, a graphitization catalyst may be added if desired. Suitable carbonaceous particles, binders and graphitization catalysts are as follows.
(i)球状黒鉛粒子
球状黒鉛粒子の主成分としては、塗工性を上げるためタップ密度の高いものを得るという観点から、球形度の高いものが好ましく、球形化天然黒鉛が特に好ましい。通常、X線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が0.340nm以下を示すような結晶性の高い天然黒鉛を原料とするものが例に挙げられる。具体的には天然黒鉛若しくはこれらに機械的粉砕品を加えて円形度を向上させたものが好ましい。
(I) Spherical graphite particles As a main component of the spherical graphite particles, those having a high sphericity are preferable, and spheroidized natural graphite is particularly preferable from the viewpoint of obtaining a high tap density in order to improve coatability. A typical example is one using natural graphite with high crystallinity such that the (002) plane spacing (d 002 ) of 0.340 nm or less by the X-ray wide angle diffraction method is 0.340 nm or less. Specifically, natural graphite or those obtained by adding a mechanically pulverized product to these to improve the circularity is preferable.
球状黒鉛粒子のレーザー回折/散乱式粒径分布測定による体積基準粒径分布のメジアン径は、特に制限はないが、通常5μm以上、好ましくは6μm以上、特に好ましくは8μm以上、また、通常60μm以下、好ましくは35μm以下、特に好ましくは30μm以下の範囲である。炭素質粒子のメジアン径がこの上限、下限の範囲から外れると塗工時の不良発生の原因となりやすく、更に電極内空隙率の低下、粒子接触率の不適切となる傾向がある。炭素質粒子のメジアン径は、前述の負極材料のメジアン径と同様にして測定することができる。 The median diameter of the volume-based particle size distribution measured by laser diffraction / scattering particle size distribution measurement of the spherical graphite particles is not particularly limited, but is usually 5 μm or more, preferably 6 μm or more, particularly preferably 8 μm or more, and usually 60 μm or less. , Preferably 35 μm or less, particularly preferably 30 μm or less. If the median diameter of the carbonaceous particles deviates from the upper and lower limits, the carbon particles tend to cause defects during coating, and the porosity in the electrode tends to be lowered and the particle contact rate tends to be inappropriate. The median diameter of the carbonaceous particles can be measured in the same manner as the median diameter of the negative electrode material described above.
本発明の複合黒鉛粒子の原料としての球状黒鉛粒子は、球形化処理を経たものが特に好ましい。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。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、内部に導入された炭素材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。また、炭素材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ものであるのが好ましい。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。 The spherical graphite particles as the raw material for the composite graphite particles of the present invention are particularly preferably those that have undergone spheroidization treatment. As an apparatus used for the spheroidization 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. Specifically, it has a rotor with a large number of blades installed inside the casing, and when the rotor rotates at high speed, mechanical action such as impact compression, friction, shearing force, etc. is applied to the carbon material introduced inside. An apparatus that provides a surface treatment is preferable. Moreover, it is preferable to have a mechanism that repeatedly gives mechanical action by circulating the carbon material. 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.).
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。こ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/sにするのがより好ましく、50〜100m/sにするのが更に好ましい。また、処理は、単に炭素質物を通過させるだけでも可能であるが、30s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。 Among these, a hybridization system manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. is preferable. When processing using this apparatus, the peripheral speed of the rotating rotor is preferably 30 to 100 m / sec, more preferably 40 to 100 m / s, and even more preferably 50 to 100 m / s. preferable. Further, the treatment can be performed by simply passing the carbonaceous material, but it is preferable to circulate or stay in the apparatus for 30 seconds or longer, and it is more preferable to circulate or stay in the apparatus for 1 minute or longer. preferable.
球状黒鉛粒子の平均円形度は、通常0.85以上、好ましくは0.9以上、また、通常1.0以下、好ましくは0.96以下の範囲である。炭素質粒子の平均円形度がこの下限を下回ると、配向度が下がりやすく、上限を上回るとコストアップとなりやすい。球状黒鉛粒子の平均円形度は、前述の負極材料の平均円形度と同様にして測定したものを用いる。 The average circularity of the spherical graphite particles is usually 0.85 or more, preferably 0.9 or more, and usually 1.0 or less, preferably 0.96 or less. If the average circularity of the carbonaceous particles is below this lower limit, the degree of orientation tends to decrease, and if it exceeds the upper limit, the cost tends to increase. The average circularity of the spherical graphite particles is the same as the average circularity of the negative electrode material described above.
球状黒鉛粒子のタップ密度は、通常0.8g/cm3以上、好ましくは0.9g/cm3以上、更に好ましくは0.95g/cm3以上、また、通常1.4g/cm3以下、好ましくは1.2g/cm3以下の範囲である。球状黒鉛粒子のタップ密度がこの範囲を下回ると、活物質とした場合の充填密度が上がり難く、高容量の電池が得られない場合がある。一方、この範囲を上回ると、球状黒鉛粒子を歩留まりよく得るのが困難となり、コストアップにつながる場合がある。なお、タップ密度の測定方法は二次電池用複合黒鉛粒子の記載と同様である。 The tap density of the spherical graphite particles is usually 0.8 g / cm 3 or more, preferably 0.9 g / cm 3 or more, more preferably 0.95 g / cm 3 or more, and usually 1.4 g / cm 3 or less, preferably Is in the range of 1.2 g / cm 3 or less. When the tap density of the spherical graphite particles is below this range, the packing density when used as an active material is difficult to increase, and a high-capacity battery may not be obtained. On the other hand, if it exceeds this range, it becomes difficult to obtain spherical graphite particles with good yield, which may lead to an increase in cost. In addition, the measuring method of tap density is the same as the description of the composite graphite particle for secondary batteries.
球状黒鉛粒子のBET比表面積は、通常2m2/g以上、好ましくは、3m2/g以上、更に好ましくは、4m2/g以上、また、通常15m2/g以下、好ましくは、12m
2/g、更に好ましくは、10m2/gである。球状黒鉛粒子のBET比表面積がこの範囲を上下範囲から外れるとバインダーと捏合が均一にできなる可能性がある。ここで、本明細書において、球状黒鉛粒子の「球状」とは、楕円体等の、いわゆる球形に近い形状も含む形状を意味する。
The BET specific surface area of the spherical graphite particles is usually 2 m 2 / g or more, preferably 3 m 2 / g or more, more preferably 4 m 2 / g or more, and usually 15 m 2 / g or less, preferably 12 m.
2 / g, more preferably 10 m 2 / g. If the BET specific surface area of the spherical graphite particles deviates from this range from the upper and lower ranges, there is a possibility that the combination with the binder can be made uniform. Here, in this specification, the “spherical” of the spherical graphite particles means a shape including a shape close to a so-called sphere, such as an ellipsoid.
(ii)黒鉛化可能なバインダー
黒鉛化可能なバインダーとしては、具体的には、含浸ピッチ、バインダーピッチ、コールタールピッチ、石炭液化油等の石炭系重質油、アスファルテン等の直留系重質油、エチレンヘビーエンドタール等の分解系重質油等の石油系重質油等が挙げられる。
バインダー中に含まれるキノリン不溶成分は通常0〜30重量%であるが、少ないほど可逆容量が高くなる点で好ましい。バインダーのキノリン不溶成分の含有量が多すぎると可逆容量が低下する場合がある。
(Ii) Graphitizable binder Specific examples of the graphitizable binder include impregnated pitch, binder pitch, coal tar pitch, coal-based heavy oil such as coal liquefied oil, and straight-run heavy such as asphaltene. And heavy petroleum oils such as oils and cracked heavy oils such as ethylene heavy end tar.
The quinoline insoluble component contained in the binder is usually 0 to 30% by weight, but the smaller the amount, the better the reversible capacity. If the content of the quinoline-insoluble component in the binder is too large, the reversible capacity may decrease.
バインダーは、炭化・黒鉛化により得られる黒鉛化処理を経た複合黒鉛粒子に占めているバインダー由来のものの比率が通常0.5重量%以上、好ましくは1重量%以上、更に好ましくは3重量%以上となるように用いる。その上限としては、この比率が通常60重量%以下、好ましくは40重量%以下、更に好ましくは30重量%以下となる量である。バインダー量が多すぎると、得られる複合黒鉛粒子が堅くなるため、集電体に塗布された活物質層を圧延した際、活物質粒子の破壊が起きやすくなる。一方、バインダー量が少なすぎると、バインダー由来の効果が無くなる上に、活物質粒子が柔らかく、圧延時に粒子破壊が起きやすくなるために、高密度において、良好な電池特性が得られない場合がある。 In the binder, the ratio of the binder-derived material occupying the composite graphite particles obtained through carbonization / graphitization is usually 0.5% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 3% by weight or more. It is used so that The upper limit is an amount such that this ratio is usually 60% by weight or less, preferably 40% by weight or less, and more preferably 30% by weight or less. If the amount of the binder is too large, the resulting composite graphite particles become stiff, so that when the active material layer applied to the current collector is rolled, the active material particles are easily destroyed. On the other hand, if the amount of the binder is too small, the effect derived from the binder is lost, and the active material particles are soft and particle breakage is likely to occur during rolling. Therefore, good battery characteristics may not be obtained at high density. .
複合黒鉛粒子中のバインダー量は、捏合以前の段階で添加するバインダーの量によってコントロールする。例えばJIS K2270記載の方法で求めたバインダーの残炭率がp%である場合には所望の量の100/p倍のバインダーを添加することとなる。
なお、ピッチ、タール等のバインダー添加の際の工夫としては、極力、低温、短時間で均一に分散させることが初期不可逆容量低減、圧延荷重低減のために好ましい。分散を低温、短時間で行うためには炭素質粒子が壊れない程度に攪拌を強めればよい。
The amount of the binder in the composite graphite particles is controlled by the amount of the binder added at the stage before combining. For example, when the residual carbon ratio of the binder obtained by the method described in JIS K2270 is p%, a desired amount of 100 / p times the binder is added.
In addition, as a device for adding a binder such as pitch and tar, it is preferable to uniformly disperse as much as possible at a low temperature and in a short time in order to reduce the initial irreversible capacity and the rolling load. In order to perform dispersion at a low temperature and in a short time, stirring should be strengthened to such an extent that the carbonaceous particles are not broken.
(iii)黒鉛化触媒
充放電容量の増加と圧延性の改良のために、炭素質粒子とバインダーの混合に際し、黒鉛化触媒を添加しても良い。黒鉛化触媒としては、鉄、ニッケル、チタン、ケイ素、ホウ素等の金属及びこれらの炭化物、酸化物、窒化物等の化合物が挙げられる。なかでも、ケイ素、ケイ素化合物、鉄、鉄化合物が好ましく、ケイ素化合物のなかでは炭化珪素、鉄化合物のなかでは酸化鉄が特に好ましい。
(Iii) Graphitization catalyst In order to increase the charge / discharge capacity and improve the rollability, a graphitization catalyst may be added when mixing the carbonaceous particles and the binder. Examples of the graphitization catalyst include metals such as iron, nickel, titanium, silicon, and boron, and compounds such as carbides, oxides, and nitrides thereof. Of these, silicon, silicon compounds, iron, and iron compounds are preferable, and silicon carbide is particularly preferable among silicon compounds, and iron oxide is particularly preferable among iron compounds.
黒鉛化触媒としてケイ素やケイ素化合物を用いた場合、加熱により生成する炭化ケイ素が2800℃以上の温度ですべて熱分解して結晶性の極めて良好な黒鉛を成長させ、かつケイ素が揮散する時に黒鉛結晶間に細孔が形成されるので、粒子内部のリチウムイオンの電荷移動反応と拡散とを助長し電池性能を向上させることができる。また、黒鉛化触媒として鉄又はその化合物を用いた場合、炭素の触媒への溶解、析出の機構により結晶性の良好な黒鉛を成長させ、ケイ素と同様な効果を発現することができる。 When silicon or a silicon compound is used as the graphitization catalyst, all of the silicon carbide produced by heating is pyrolyzed at a temperature of 2800 ° C. or higher to grow graphite with extremely good crystallinity, and when silicon is volatilized, graphite crystals Since pores are formed between them, the charge transfer reaction and diffusion of lithium ions inside the particles can be promoted, and the battery performance can be improved. Further, when iron or a compound thereof is used as the graphitization catalyst, graphite having good crystallinity can be grown by the mechanism of dissolution and precipitation of carbon in the catalyst, and the same effect as silicon can be exhibited.
これらの黒鉛化触媒の添加量は、原料としての炭素質一次粒子に対して通常30重量%以下、好ましくは20重量%以下、更に好ましくは10重量%以下、特に好ましくは5重量%以下である。黒鉛化触媒が多すぎると、黒鉛化が進みすぎ、リチウムイオン二次電池製造時の特性、特に浸液性が充分でないといった問題が生じる場合がある。同時に、・BR>。合黒鉛粒子内に細孔を生成させるためか、粒子の強度が低下し、その結果電極作製時
の圧延工程において表面が平滑化し、イオンの移動を阻害する場合もある。
一方、黒鉛化触媒が少なすぎると、黒鉛化が不十分で非水系二次電池にした時の充放電容量が低下する可能性があり、また電極作製時の圧延工程において高圧力を必要とし高密度化するのが困難となる場合もある。
The addition amount of these graphitization catalysts is usually 30% by weight or less, preferably 20% by weight or less, more preferably 10% by weight or less, and particularly preferably 5% by weight or less based on the carbonaceous primary particles as a raw material. . When there are too many graphitization catalysts, graphitization will advance too much and the characteristic at the time of lithium ion secondary battery manufacture, especially the problem that immersion property may not be enough may arise. At the same time, BR>. In order to generate pores in the graphite particles, the strength of the particles may decrease, and as a result, the surface may be smoothed during the rolling process during electrode preparation, and ion migration may be inhibited.
On the other hand, if the graphitization catalyst is too small, the graphitization is insufficient and the charge / discharge capacity of the non-aqueous secondary battery may be reduced, and a high pressure is required in the rolling process during electrode preparation. It may be difficult to increase the density.
(iv)捏合(混合)
炭素質粒子、バインダー及び所望により添加された黒鉛化触媒等の原料は、まず、加熱下で捏合される。これにより、炭素質粒子及び捏合温度では溶融しない原料に液状のバインダーが添着された状態となる。この場合、捏合機に全原料を仕込んで捏合と昇温を同時に行っても良いし、捏合機にバインダー以外の成分を仕込んで攪拌状態で加熱し、捏合温度まで温度が上がった後に常温又は加硫溶融状態のバインダーを仕込んでも良い。
(Iv) Combined (mixed)
Raw materials such as carbonaceous particles, a binder, and a graphitization catalyst added if desired are first combined under heating. As a result, the liquid binder is attached to the carbonaceous particles and the raw material that does not melt at the compounding temperature. In this case, all the raw materials may be charged into the compounding machine and the mixing and heating may be performed at the same time. Alternatively, components other than the binder may be charged into the compounding machine and heated in a stirred state. A sulfur melted binder may be charged.
加熱温度は、バインダーの軟化点以上であり、加熱温度が低すぎると、バインダーの粘度が高くなり、混合が困難となるので、通常軟化点より10℃以上高い温度、好ましくは軟化点より20℃以上高い温度で行われる。加熱温度が高すぎるとバインダーの揮発と重縮合によって混合系の粘度が高くなりすぎるので、通常400℃以下、好ましくは3000℃以下である。 The heating temperature is equal to or higher than the softening point of the binder. If the heating temperature is too low, the viscosity of the binder becomes high and mixing becomes difficult. Therefore, the temperature is usually 10 ° C or higher than the softening point, preferably 20 ° C higher than the softening point. It is performed at a higher temperature. If the heating temperature is too high, the viscosity of the mixed system becomes too high due to the volatilization and polycondensation of the binder, and is usually 400 ° C. or lower, preferably 3000 ° C. or lower.
捏合機は撹拌翼をもつ機種が好ましく、撹拌翼はZ型、マチスケータ型といった汎用的なものを用いることができる。捏合機に投入する原料の量は、通常混合機容積の10体積%以上、好ましくは15体積%以上で、50体積%以下、好ましくは30体積%以下である。捏合時間は5分以上必要であり、最長でも揮発分の揮散による大きな粘性の変化を来たす時間までで、通常は30〜120分である。捏合機は捏合に先立ち捏合温度まで予熱しておくことが好ましい。 The combination machine is preferably a model having a stirring blade, and the stirring blade may be a general-purpose one such as a Z type or a gusset type. The amount of raw material charged into the compounding machine is usually 10% by volume or more, preferably 15% by volume or more, and 50% by volume or less, preferably 30% by volume or less of the volume of the mixer. The mixing time is 5 minutes or more, and is the time until the maximum viscosity change due to the volatilization of the volatile matter at the longest, usually 30 to 120 minutes. The compounding machine is preferably preheated to the compounding temperature prior to compounding.
(v)成形
得られた捏合物は、そのまま、揮発成分(以下、「VM」と略記する)の除去と炭化を目的とする脱VM焼成工程に供してもよいが、ハンドリングしやすいように、成形してから脱VM焼成工程に供することが好ましい。
成形方法は形状を保持することが可能であれば特に制限はなく、押し出し成形、金型成形、静水圧成形等を採用することができる。このうち、成形体内で粒子が配向し易い押し出し成形や、粒子の配向はランダムに保たれるが生産性に問題がある静水圧成形より、比較的操作が容易であり、また、捏合でランダムな配向となった構造を破壊せずに成形体を得ることができる金型成形が好ましい。
(V) Molding The obtained compound may be subjected to a removal VM firing step for the purpose of removing volatile components (hereinafter abbreviated as “VM”) and carbonization as it is, but for easy handling, It is preferable to use for a VM removal baking process after shaping | molding.
The molding method is not particularly limited as long as the shape can be maintained, and extrusion molding, mold molding, isostatic pressing, and the like can be employed. Among these, extrusion is easy to orient the particles in the molded body, and operation is relatively easy compared to isostatic pressing that maintains the random orientation of the particles but has a problem with productivity. Mold molding that can obtain a molded body without destroying the oriented structure is preferred.
成形温度は、室温(冷間)、加熱下(熱間、バインダーの軟化点以上の温度)のどちらでもよい。冷間で成形する場合は、成形性の向上と成形体の均一性を得るために、捏合後冷却された混合物を予め最大寸法が1mm以下に粗砕することが望ましい。成形体の形状、大きさは特に制限は無いが、熱間成形では、成形体が大きすぎると成形に先立つ均一な予熱を行うのに時間がかかる問題があるので、通常最大寸法で150cm程度以下の大きさとすることが好ましい。 The molding temperature may be room temperature (cold) or under heating (hot, temperature above the softening point of the binder). In the case of cold forming, it is desirable to preliminarily crush the mixture cooled to a maximum size of 1 mm or less in advance in order to improve the moldability and obtain the uniformity of the formed body. The shape and size of the molded body are not particularly limited, but in hot forming, if the molded body is too large, there is a problem that it takes time to perform uniform preheating prior to molding. It is preferable to set it as the magnitude | size.
成形圧力は、圧力が高すぎると成形体の細孔を通しての脱揮発成分除去(脱VM)が困難となり、かつ真円ではない炭素質粒子が配向し、後工程における粉砕が難しくなる場合があるので、成形圧力の上限は、通常3tf/cm2(294MPa)以下、好ましくは500kgf/cm2(49MPa)以下、更に好ましくは10kgf/cm2(0.98MPa)以下である。下限の圧力は特に制限はないが、脱VMの工程で成形体の形状を保持できる程度に設定することが好ましい。 If the molding pressure is too high, removal of devolatilized components through the pores of the molded body (de-VM) becomes difficult, and carbonaceous particles that are not perfect circles may be oriented, making pulverization in subsequent processes difficult. Therefore, the upper limit of the molding pressure is usually 3 tf / cm 2 (294 MPa) or less, preferably 500 kgf / cm 2 (49 MPa) or less, more preferably 10 kgf / cm 2 (0.98 MPa) or less. The lower limit pressure is not particularly limited, but is preferably set to such an extent that the shape of the molded body can be maintained in the VM removal step.
(vi)脱VM焼成
得られた成形体は、炭素質粒子及びバインダーの揮発成分(VM)を除去して、黒鉛化
時の充填物の汚染、充填物の成形体への固着を防ぐために、脱VM焼成を行う。脱VM焼成は、通常600℃以上、好ましくは650℃以上で、通常1300℃以下、好ましくは1100℃以下の温度で、通常0.1時間〜10時間行う。加熱は、酸化を防止するために、通常、窒素、アルゴン等不活性ガスの流通下又はブリーズ、パッキングコークス等の粒状炭素材料を間隙に充填した非酸化性雰囲気で行う。
(Vi) De-VM firing In order to remove the carbonaceous particles and the volatile component (VM) of the binder, the obtained molded body prevents contamination of the filler during graphitization and fixing of the filler to the molded body. De-VM firing is performed. The de-VM firing is usually performed at a temperature of 600 ° C. or higher, preferably 650 ° C. or higher, usually 1300 ° C. or lower, preferably 1100 ° C. or lower, usually for 0.1 hour to 10 hours. In order to prevent oxidation, heating is usually performed in a non-oxidizing atmosphere in which an inert gas such as nitrogen or argon is circulated or a granular carbon material such as breeze or packing coke is filled in the gap.
脱VM焼成に用いる設備は、電気炉やガス炉、電極材用リードハンマー炉等、非酸化性雰囲気で焼成可能であれば特に限定されない。加熱時の昇温速度は揮発分の除去のために低速であることが望ましく、通常、低沸分の揮発が始まる200℃付近から水素の発生のみとなる700℃近傍までを、3〜100℃/hrで昇温する。 The equipment used for the de-VM firing is not particularly limited as long as it can be fired in a non-oxidizing atmosphere, such as an electric furnace, a gas furnace, and a lead hammer furnace for electrode materials. The heating rate during heating is desirably a low speed for removing volatile components. Usually, from about 200 ° C. where low-boiling components start to volatilize to about 700 ° C. where only hydrogen is generated, 3-100 ° C. The temperature is raised at / hr.
(vii)黒鉛化
脱VM焼成により得られた炭化物成形体は、次いで、高温で加熱して黒鉛化する。黒鉛化時の加熱温度は、通常2600℃以上、好ましくは2800℃以上で加熱する。また、加熱温度が高過ぎると、黒鉛の昇華が顕著となるので、3300℃以下が好ましい。加熱時間は、バインダー及び炭素質粒子が黒鉛となるまで行えばよく、通常1〜24時間である。
(Vii) Graphitization The carbide molded body obtained by de-VM firing is then graphitized by heating at a high temperature. The heating temperature during graphitization is usually 2600 ° C. or higher, preferably 2800 ° C. or higher. Moreover, since the sublimation of graphite will become remarkable when heating temperature is too high, 3300 degrees C or less is preferable. The heating time may be performed until the binder and the carbonaceous particles become graphite, and is usually 1 to 24 hours.
黒鉛化時の雰囲気は、酸化を防止するため、窒素、アルゴン等の不活性ガスの流通下又はブリーズ、パッキングコークス等の粒状炭素材料を間隙に充填した非酸化性雰囲気下で行う。黒鉛化に用いる設備は、電気炉やガス炉、電極材用アチソン炉等、上記の目的に添うものであれば特に限定されず、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は使用する設備の許容範囲で任意に設定することができる。 In order to prevent oxidation, the atmosphere during graphitization is performed under a non-oxidizing atmosphere in which an inert gas such as nitrogen or argon is circulated or a granular carbon material such as breeze or packing coke is filled in the gap. The equipment used for graphitization is not particularly limited as long as it meets the above purpose, such as an electric furnace, a gas furnace, an electrode material Atchison furnace, etc. The heating rate, cooling rate, heat treatment time, etc. are acceptable for the equipment used. It can be set arbitrarily within the range.
(viii)粉砕
このようにして得られた黒鉛化処理物は、通常はこのままでは本発明の要件を満たさないので、粉砕もしくは磨砕を行う。その工程は粗粉砕、中粉砕、微粉砕の3工程に大別される。
黒鉛化処理物の粉砕・磨砕方法は特に制限はないが、粉砕・磨砕の手段としては、機械的に摩砕する手段、例えば、ボールミル、ハンマーミル、CFミル、アトマイザーミル、パルペライザー等、風力を利用した粉砕手段、例えば、ジェットミル等が例示される。粗粉砕、中粉砕については、ジョークラッシャ、ハンマーミル、ローラミル等の衝撃力による粉砕方式を用いてもよい。ここで、粉砕のタイミングは、黒鉛化前であっても黒鉛化後であってもよい。後者の方がルツボ詰め等の作業が不要で安価に製造できるので、より好ましい。
(Viii) Grinding Usually, the graphitized product thus obtained does not satisfy the requirements of the present invention as it is, and is thus ground or ground. The process is roughly divided into three steps: coarse pulverization, medium pulverization, and fine pulverization.
The method for pulverizing and grinding the graphitized product is not particularly limited, but as a means for pulverizing and grinding, for example, a mechanical grinding means such as a ball mill, a hammer mill, a CF mill, an atomizer mill, a pulverizer, Examples thereof include a pulverizing means using wind power, such as a jet mill. For coarse pulverization and medium pulverization, a pulverization method using impact force such as a jaw crusher, a hammer mill, or a roller mill may be used. Here, the timing of pulverization may be before graphitization or after graphitization. The latter is more preferable because an operation such as crucible filling is unnecessary and can be manufactured at low cost.
(viii−1)粗粉砕、中粉砕
本発明に記載の要件を満たすためには、該黒鉛化処理物の粗粉砕・中粉砕においては、例えば「オリエント工業社製VM−32型粉砕機」を用いる場合には、黒鉛化処理物をベルト搬送式のフィーダーにて、300kg/分のスピードで粉砕機に搬入し、粉砕羽根回転数を1000回転/分以上にて粉砕・磨砕する。また本粉砕段階で過度な粉砕・磨砕を行なうと、黒鉛化処理物の粒子表面に多くの微粉が発生し、この微粉により粉砕処理品を塗布した電極にて電池を作製した場合に初回充放電時の不可逆容量が増加する場合がある。
(Viii-1) Coarse pulverization, medium pulverization In order to satisfy the requirements described in the present invention, in the coarse pulverization / medium pulverization of the graphitized product, for example, “VM-32 type pulverizer manufactured by Orient Kogyo Co., Ltd.” is used. When used, the graphitized material is carried into a pulverizer at a speed of 300 kg / min with a belt-conveying feeder, and pulverized and ground at a rotation speed of pulverization blades of 1000 rpm / min or more. In addition, if excessive pulverization / grinding is performed in this pulverization stage, a lot of fine powder is generated on the surface of the graphitized particles. The irreversible capacity during discharge may increase.
(viii−2)微粉砕
また、微粉砕においては、例えば「ターボ工業社製TB−250型粉砕機」を用いる場合には、黒鉛化処理物を定量式のスパイラルフィーダーにて、50kg/分、55kg/分又は60kg/分で搬入して粉砕する。粉砕機への黒鉛化処理物の搬入速度を高めると、粉砕羽根回転数を一定にした場合、粉砕後の黒鉛化処理物の比表面積は低下する場合が
ある。
(Viii-2) Fine pulverization Further, in the fine pulverization, for example, when using “TB-250 type pulverizer manufactured by Turbo Kogyo Co., Ltd.”, the graphitized material is 50 kg / min with a quantitative spiral feeder. Carry in and grind at 55 kg / min or 60 kg / min. If the speed at which the graphitized material is carried into the pulverizer is increased, the specific surface area of the graphitized material after pulverization may decrease when the rotation speed of the pulverization blade is kept constant.
本発明記載の要件を満たすために、微粉砕時の粉砕羽根回転数は、例えば「ターボ工業社製TB−250型粉砕機」を用いる場合は、6450回転/分、7800回転/分又は8000回転/分にて粉砕する。微粉砕時に粉砕機の粉砕羽根回転数を高めると、黒鉛化処理物の搬入速度を一定にした場合、粉砕後の黒鉛化処理物の比表面積は増加する。 In order to satisfy the requirements described in the present invention, the rotation speed of the pulverization blades during fine pulverization is, for example, 6450 rotations / minute, 7800 rotations / minute, or 8000 rotations when using a “TB-250 type pulverizer manufactured by Turbo Industries” Grind at / min. When the rotation speed of the pulverization blade of the pulverizer is increased during fine pulverization, the specific surface area of the graphitized material after pulverization increases when the carry-in speed of the graphitized material is constant.
(ix)分級
得られた粉砕又は磨砕物から必要に応じ大径粒状物・小径粒状物(微紛)除去を行っても良い。
大径粒状物を除去することにより短絡の発生や、塗布時のむらが減少することがある。また小径粒状物(微紛)を除去することにより、初期不可逆容量が減少することがある。また、大径粒状物や微紛の除去により、レーザー回折/散乱式粒径測定による体積基準粒径分布において、粒径100μm以上のものが全体の3体積%以下、かつ、粒径1μm以下のものが全体の1体積%以下となるように整粒することが望ましい。
(Ix) Classification Large particles / small particles (fine powder) may be removed from the obtained pulverized or ground product as necessary.
By removing the large-diameter granular material, occurrence of a short circuit and unevenness during application may be reduced. Moreover, the initial irreversible capacity may be reduced by removing small-diameter granular materials (fine powder). In addition, by removing large particles and fine particles, the volume reference particle size distribution by laser diffraction / scattering particle size measurement is such that the particle size of 100 μm or more is 3% by volume or less and the particle size is 1 μm or less. It is desirable to adjust the size so that the total amount is 1% by volume or less.
大径粒状物・小径粒状物を除去する方法としては、種々あるが、篩分け及び分級により除去することが、機器の簡易性、操作性及びコスト面で好ましい。更に、篩分け又は分級は、複合黒鉛粒子の粒度分布及び平均粒径が、黒鉛化及び該粒状物の除去により変化するのを必要に応じ再調整できるという利点がある。 There are various methods for removing large-diameter granular materials and small-diameter granular materials, but it is preferable to remove them by sieving and classification in terms of simplicity of the equipment, operability and cost. Furthermore, sieving or classification has the advantage that the particle size distribution and average particle size of the composite graphite particles can be readjusted as needed by changing the graphitization and removal of the particulates.
大径粒状物除去のための篩分けには、網面固定式、面内運動式、回転ふるい式等があるが、処理能力の点から、網面固定式の中のブロースルー型の篩が特に好ましい。使用する篩い目の目開きのサイズは、80μm以下、30μm以上のものであれば使用可能であり、除去する粒状物の生成状況(特に量及び粒径)と、複合黒鉛粒子の粒度分布及び平均粒径の調整要求に合わせ適宜選択し使用する。該サイズが80μmを越えると、該粒状物の除去が不充分となり、30μm未満の場合、複合黒鉛粒子を過剰に除去することにつながり、製品ロスが多く生じるとともに、粒度分布の調整も困難になる場合がある。なお、汎用のサイズとして市販されている目開きが45μm、38μmの篩い目が好ましく使用できる。 There are several types of sieving to remove large-diameter granular materials, such as fixed screen, in-plane motion, and rotary sieve. From the viewpoint of processing capacity, the blow-through type screen in the fixed screen is used. Particularly preferred. The size of the sieve mesh used can be any if it is 80 μm or less and 30 μm or more, and the production status (particularly the amount and particle size) of the particulates to be removed, the particle size distribution and average of the composite graphite particles Select and use as appropriate according to the particle size adjustment requirements. When the size exceeds 80 μm, the removal of the particulate matter becomes insufficient. When the size is less than 30 μm, it leads to excessive removal of composite graphite particles, resulting in a lot of product loss and adjustment of the particle size distribution. There is a case. In addition, sieves with a mesh size of 45 μm and 38 μm that are commercially available as general-purpose sizes can be preferably used.
分級は、風力分級、湿式分級、比重分級等の方法で行うことができ、100μm以上の粒状物を除去するには特に限定されないが、複合黒鉛粒子の性状への影響及び複合黒鉛粒子の粒度分布及び平均粒径も調整することを考慮すると、旋回流分級機等の風力分級機の使用が好ましい。この場合、風量と風速を制御することで、上記篩い目の目開きのサイズを調整するのと同様に、該粒状物の除去と複合黒鉛粒子の粒度分布及び平均粒径を調整することができる。 Classification can be performed by methods such as wind classification, wet classification, and specific gravity classification, and is not particularly limited for removing particulates of 100 μm or more, but the influence on the properties of the composite graphite particles and the particle size distribution of the composite graphite particles In consideration of adjusting the average particle size, it is preferable to use an air classifier such as a swirling flow classifier. In this case, by controlling the air volume and the wind speed, it is possible to adjust the removal of the particulate matter and the particle size distribution and average particle size of the composite graphite particles, as well as adjusting the size of the mesh openings. .
(製造方法2)
球状黒鉛粒子、及び、鱗片状粒子またはその混合物と、バインダーを混合し、バインダーは、熱処理、例えば、炭化及び/または黒鉛化により炭素質または黒鉛質となる。具体的には製造方法1と同様の方法で、捏合されたものを成形せずに、粉体の状態のまま熱処理を行う。捏合する際に混合するバインダー量は、最終的に得られる複合黒鉛粒子に占めているバインダー由来の炭素質又は、黒鉛質の比率が通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、更に好ましくは1.5重量%以上となるようにする。その上限としては、この比率が通常15重量%以下、好ましくは10重量%以下、更に好ましくは8重量%以下となる量である。バインダー量及び、熱処理は、先記の方法で測定されたラマンR値が
0.1以上、0.3以下が好ましく、さらに好ましくは0.15以上、0.28以下、特に好ましくは0.18以上、0.25以下になるように、自由に選択することが可能である。
(Manufacturing method 2)
Spherical graphite particles and scaly particles or a mixture thereof and a binder are mixed, and the binder becomes carbonaceous or graphitic by heat treatment, for example, carbonization and / or graphitization. Specifically, heat treatment is performed in a powder state without molding the combined product in the same manner as in manufacturing method 1. The amount of the binder to be mixed at the time of mixing is such that the carbonaceous material derived from the binder occupied in the finally obtained composite graphite particles, or the ratio of the graphite is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more. Preferably, it is 1.5% by weight or more. The upper limit is an amount such that this ratio is usually 15% by weight or less, preferably 10% by weight or less, more preferably 8% by weight or less. For the binder amount and heat treatment, the Raman R value measured by the above method is preferably 0.1 or more and 0.3 or less, more preferably 0.15 or more and 0.28 or less, particularly preferably 0.18. As mentioned above, it is possible to select freely so that it may become 0.25 or less.
(ラマンR値の定義)
後述するようなラマン測定において得られたラマンスペクトルにおいて、1580cm−1付近の最大ピークの強度IAと、1360cm−1付近の最大ピークの強度IBの強度比IB/IAをラマンR値と定義する。
1580cm−1付近の最大ピークは、黒鉛結晶質構造に由来するピークであり、1360cm−1付近の最大ピークは、構造欠陥により対称性の低下した炭素原子に由来するピークである。
(Definition of Raman R value)
In the Raman spectrum obtained in the Raman measurement as described later, the intensity I A of the maximum peak around 1580 cm -1, the intensity ratio I B / I A Raman R value of the intensity I B of the maximum peak in the vicinity of 1360 cm -1 It is defined as
Maximum peak around 1580 cm -1 is a peak derived from a graphite crystalline structure, the maximum peak in the vicinity of 1360 cm -1 is a peak derived from reduced carbon atoms symmetry by structural defects.
ラマン測定は、ラマン分光器「日本分光社製ラマン分光器」を用い、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。
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 :15〜25mW
分解能 :14cm−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、コンボリューション5ポイント)
1580cm−1付近の最大ピークは、黒鉛結晶質構造に由来するピークであり、1360cm−1付近の最大ピークは、構造欠陥により対称性の低下した炭素原子に由来するピークである。
Raman measurement uses a Raman spectrometer “Raman Spectrometer manufactured by JASCO Corporation”. Samples are filled by letting the particles to be measured fall naturally into the measurement cell, and the measurement cell is irradiated with an argon ion laser beam. Measurement is performed while rotating the cell in a plane perpendicular to the laser beam. The measurement conditions are as follows.
Argon ion laser light wavelength: 514.5 nm
Laser power on sample: 15-25mW
Resolution: 14cm -1
Measurement range: 1100cm -1 ~1730cm -1 peak intensity measurement, peak half-width measurement: background processing, smoothing processing
(Simple average, 5 points of convolution)
Maximum peak around 1580 cm -1 is a peak derived from a graphite crystalline structure, the maximum peak in the vicinity of 1360 cm -1 is a peak derived from reduced carbon atoms symmetry by structural defects.
<範囲>
本発明の黒鉛質粒子のラマンR値は0.13以上であり、好ましくは0.15以上、特に好ましくは0.18以上である。ラマンR値がこの下限を下回ると、充放電をに伴う負極表面へのリチウム金属析出量が増えやすくなる。
<Range>
The Raman R value of the graphite particles of the present invention is 0.13 or more, preferably 0.15 or more, particularly preferably 0.18 or more. When the Raman R value is below this lower limit, the amount of lithium metal deposited on the negative electrode surface accompanying charge / discharge tends to increase.
<電極を形成したときの活物質配向比>
本発明の黒鉛材料を活物質として、電極密度が1.7±0.03g/cm3となるように形成した電極の活物質配向比は、通常0.05以上、好ましくは0.06以上、また、通常0.15以下、好ましくは0.14以下である。前記範囲を下回ると、充電受入れ性が低下する傾向にあり、一方、前記範囲を上回ると、粒子が非常に硬い傾向にあり、電極を所望の電極密度まで圧延することが困難となる場合がある。
ここで、電極の活物質配向比とは、電極の厚み方向に対する、黒鉛結晶六角網面の配向の程度を表す指標である。配向比が大きいほど、粒子の黒鉛結晶六角網面の方向が揃っていない状態を表わす。
電極の活物質配向比を測定する具体的な手順は、以下、実施例記載と同様である。
<Active material orientation ratio when electrode is formed>
The active material orientation ratio of the electrode formed so that the electrode density is 1.7 ± 0.03 g / cm 3 using the graphite material of the present invention as an active material is usually 0.05 or more, preferably 0.06 or more, Moreover, it is 0.15 or less normally, Preferably it is 0.14 or less. If it falls below the range, the charge acceptability tends to decrease. On the other hand, if it exceeds the range, the particles tend to be very hard, and it may be difficult to roll the electrode to a desired electrode density. .
Here, the active material orientation ratio of the electrode is an index representing the degree of orientation of the hexagonal network surface of the graphite crystal with respect to the thickness direction of the electrode. A larger orientation ratio represents a state in which the directions of the graphite crystal hexagonal planes of the particles are not aligned.
The specific procedure for measuring the active material orientation ratio of the electrode is the same as described in the examples below.
<活物質配向比の測定>
圧延後の電極について、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線回折により黒鉛の(110)面と(004)面とのチャートを測定し、測定したチャートについて、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
)面と(004)面のピークの積分強度を算出する。得られた積分強度から、(110)面積分強度/(004)面積分強度で表わされる比率を算出し、電極の活物質配向比と定義する。
<Measurement of active material orientation ratio>
About the electrode after rolling, the active material orientation ratio of the electrode is measured by X-ray diffraction. Although a specific method is not particularly limited, as a standard method, a chart of (110) plane and (004) plane of graphite is measured by X-ray diffraction, and asymmetric Pearson VII is used as a profile function for the measured chart. Peak separation by fitting with (110)
) Plane and (004) plane peak integrated intensity is calculated. From the obtained integrated intensity, a ratio represented by (110) area intensity / (004) area intensity is calculated and defined as the active material orientation ratio of the electrode.
なお、ここでのX線回折測定条件は次のとおりである。また、下記記載において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
上記のように、電極密度1.7±0.03g/cm3となるように形成した電極について、X線回折による活物質配向比を求めることができる。
The X-ray diffraction measurement conditions here are as follows. In the following description, 2θ represents 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 As described above, determine the active material orientation ratio by X-ray diffraction for the electrode formed to have an electrode density of 1.7 ± 0.03 g / cm 3. be able to.
[3]非水系二次電池用負極
本発明の複合黒鉛粒子は、非水系二次電池、特にリチウムイオン二次電池の負極材料として好適に用いることができる。また前記したように、本発明の複合黒鉛粒子(A)と炭素質粒子(B)とを配合したものも、負極材料として好適に用いることができる。
複合黒鉛粒子(A)と炭素質粒子(B)との混合に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、回転型混合機としては、円筒型混合機、双子円筒型混合機、二重円錐型混合機、正立方型混合機、鍬型混合機等が挙げられ、固定型混合機としては、らせん型混合機、リボン型混合機、Muller型混合機、Helical Flight型混合機、Pugmill型混合機、流動化型混合機等が挙げられる。
[3] Negative electrode for non-aqueous secondary battery The composite graphite particles of the present invention can be suitably used as a negative electrode material for non-aqueous secondary batteries, particularly lithium ion secondary batteries. Further, as described above, the compounded graphite particles (A) and carbonaceous particles (B) of the present invention can be suitably used as the negative electrode material.
Although there is no restriction | limiting in particular as an apparatus used for mixing a composite graphite particle (A) and a carbonaceous particle (B), For example, as a rotary mixer, a cylindrical mixer, a twin cylinder mixer, a double cone Type mixers, regular cubic mixers, vertical mixers, etc. Fixed type mixers include spiral mixers, ribbon mixers, Muller type mixers, Helical Flight type mixers, Pugmill type mixers Machine, fluidized mixer and the like.
非水系二次電池を構成する負極は、負極材料、電極成形用結着剤、増粘剤、導電材を含有する活物質層を集電体上に形成してなる。活物質層は通常、負極材料、電極成形用結着剤、増粘剤、導電材及び溶媒を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布、乾燥、圧延することにより得られる。 The negative electrode constituting the non-aqueous secondary battery is formed by forming an active material layer containing a negative electrode material, an electrode molding binder, a thickener, and a conductive material on a current collector. The active material layer is usually obtained by preparing a slurry containing a negative electrode material, an electrode forming binder, a thickener, a conductive material and a solvent, and applying, drying and rolling the slurry on a current collector.
電極成形用結着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安定な材料であれば、任意のものを使用することができる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、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、エチレン−アクリル酸共重合体及びエチレン−メタクリル酸共重合体等が挙げられる。電極成形用結着剤は、負極材料/電極成形用結着剤の重量比で、通常90/10以上、好ましくは95/5以上、通常99.9/0.1以下、好ましくは99.3/0.7以下の範囲で用いられる。 As the electrode forming binder, any material can be used as long as it is a material that is stable with respect to the solvent and the electrolyte used during electrode production. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-acrylic acid copolymer, and ethylene-methacrylic acid copolymer. The electrode forming binder is a weight ratio of negative electrode material / electrode forming binder of usually 90/10 or more, preferably 95/5 or more, and usually 99.9 / 0.1 or less, preferably 99.3. /0.7 or less is used.
増粘剤としては、カルボキシルメチルセルロース、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、リン酸化スターチ及びガゼイン等が挙げられる。
導電材としては、銅又はニッケル等の金属材料、グラファイト又はカーボンブラック等の炭素材料等が挙げられる。
Examples of the thickener include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, and casein.
Examples of the conductive material include metal materials such as copper and nickel, and carbon materials such as graphite and carbon black.
集電体の材質としては、銅、ニッケル又はステンレス等が挙げられる。これらのうち、薄膜に加工しやすいという点及びコストの点から銅箔が好ましい。
電極活物質密度は、用途により異なるが、容量を重視する用途では、通常1.70g/cm3以上であるが、1.75g/cm3以上が好ましく、更に1.78g/cm3以上が好ましい。密度が低すぎると、単位体積あたりの電池の容量が必ずしも充分ではない場合がある。また、密度が高すぎると電池特性全般が低下するので、2.00g/cm3以下が好ましい。なお、ここで電極活物質密度とは集電体上の活物質、電極成形用結着剤、増粘剤、導電材等よりなる合剤層をいい、その密度とは電池に組立てる時点での活物質層の密度をいう。
Examples of the material of the current collector include copper, nickel, and stainless steel. Among these, a copper foil is preferable from the viewpoint of easy processing into a thin film and cost.
Although the electrode active material density varies depending on the application, it is usually 1.70 g / cm 3 or more in applications where capacity is important, but is preferably 1.75 g / cm 3 or more, and more preferably 1.78 g / cm 3 or more. . If the density is too low, the battery capacity per unit volume may not always be sufficient. Further, if the density is too high, the battery characteristics are generally deteriorated, so 2.00 g / cm 3 or less is preferable. Here, the electrode active material density means a mixture layer made of an active material on the current collector, an electrode molding binder, a thickener, a conductive material, etc., and the density is the value at the time of assembling the battery. It refers to the density of the active material layer.
[4]非水系二次電池
本発明の複合黒鉛粒子、本発明の負極材料を用いて製造された本発明の非水系二次電池
用負極は、特にリチウムイオン二次電池等の非水系二次電池の負極として極めて有用である。
このような非水系二次電池を構成する正極、電解液等の電池構成上必要な部材の選択については特に制限されない。以下において、非水系二次電池を構成する部材の材料等を例示するが、使用し得る材料はこれらの具体例に限定されるものではない。
[4] Nonaqueous secondary battery The negative electrode for a nonaqueous secondary battery of the present invention produced using the composite graphite particles of the present invention and the negative electrode material of the present invention is a nonaqueous secondary battery such as a lithium ion secondary battery. It is extremely useful as a negative electrode for a battery.
There is no particular limitation on the selection of members necessary for the battery configuration such as the positive electrode and the electrolytic solution constituting such a non-aqueous secondary battery. Although the material of the member which comprises a non-aqueous secondary battery etc. is illustrated below, the material which can be used is not limited to these specific examples.
本発明の非水系二次電池は、通常少なくとも、上記の本発明の負極、正極及び電解質を有する。
正極は、正極集電体上に正極活物質、導電剤及び電極成形用バインダーを含有する活物質層を形成してなる。活物質層は通常正極活物質、導電剤及び電極成形用バインダーを含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布、乾燥することにより得られる。
The nonaqueous secondary battery of the present invention usually has at least the above-described negative electrode, positive electrode and electrolyte of the present invention.
The positive electrode is formed by forming an active material layer containing a positive electrode active material, a conductive agent, and an electrode forming binder on a positive electrode current collector. The active material layer is usually obtained by preparing a slurry containing a positive electrode active material, a conductive agent and an electrode molding binder, and applying and drying the slurry on a current collector.
正極活物質としては、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等のリチウムを吸蔵・放出可能な材料を使用することができる。具体的には、例えば、LiFePO4、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等を用いることができる。 Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxide materials such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium manganese oxide; transition metal oxide materials such as manganese dioxide; carbonaceous materials such as graphite fluoride A material capable of inserting and extracting lithium, such as lithium, can be used. Specifically, for example, LiFePO 4 , LiFeO 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and non-stoichiometric compounds thereof, MnO 2 , TiS 2 , FeS 2 , Nb 3 S 4 , Mo 3 S 4 , can be used CoS 2, V 2 O 5, P 2 O 5, CrO 3, V 3 O 3, TeO 2, GeO 2 or the like.
正極集電体としては、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金属又はその合金を用いるのが好ましく、IIIa、IVa、Va族(3B、4B、5B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、例えば、Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta及びこれらの金属を含む合金等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。 As the positive electrode current collector, it is preferable to use a metal or an alloy thereof that forms a passive film on the surface by anodic oxidation in an electrolytic solution, and a metal belonging to group IIIa, IVa, or Va (group 3B, 4B, or 5B). And alloys thereof. Specifically, for example, Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta and alloys containing these metals can be exemplified, and Al, Ti, Ta and alloys containing these metals are preferably used. Can do. In particular, Al and its alloys are desirable because of their light weight and high energy density.
電解質としては、電解液、固体電解質、ゲル状電解質等が挙げられるが、なかでも電解液、特に非水系電解液が好ましい。非水系電解液は、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。
溶質としては、アルカリ金属塩や4級アンモニウム塩等を用いることができる。具体的には、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3からなる群から選択される1以上の化合物を用いるのが好ましい。
Examples of the electrolyte include an electrolytic solution, a solid electrolyte, a gel electrolyte, and the like, and among them, an electrolytic solution, particularly a nonaqueous electrolytic solution is preferable. As the non-aqueous electrolyte solution, 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, for example, 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 It is preferable to use one or more compounds selected from the group consisting of 4 F 9 SO 2 ) and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 .
非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトン等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等を用いることができる。溶質及び溶媒はそれぞれ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。これらの中でも非水系溶媒が、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有するものが好ましい。またビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、無水コハク酸、無水マレイン酸、プロパンスルトン、ジエチルスルホン等の化合物が添加されていても良い。 Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate and butylene carbonate, cyclic ester compounds such as γ-butyrolactone; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane; crown ether, 2-methyltetrahydrofuran, 1,2 -Cyclic ethers such as dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane and tetrahydrofuran; chain carbonates such as diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and dimethyl carbonate can be used. One kind of solute and solvent may be selected and used, or two or more kinds may be mixed and used. Among these, the non-aqueous solvent preferably contains a cyclic carbonate and a chain carbonate. In addition, compounds such as vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, succinic anhydride, maleic anhydride, propane sultone, and diethyl sulfone may be added.
電解液中のこれらの溶質の含有量は、0.2mol/L以上が好ましく、特に0.5mol/L以上が好ましく、2mol/L以下が好ましく、特に1.5mol/L以下であることが好ましい。
これらのなかでも本発明の負極と、金属カルコゲナイド系正極と、カーボネート系溶媒を主体とする有機電解液とを組み合わせて作成した非水系二次電池は、容量が大きく、初期サイクルに認められる不可逆容量が小さく、急速充放電容量が高く、またサイクル特性が優れ、高温下での放置における電池の保存性及び信頼性も高く、高効率放電特性及び低温における放電特性に極めて優れたものである。
The content of these solutes in the electrolytic solution is preferably 0.2 mol / L or more, particularly preferably 0.5 mol / L or more, preferably 2 mol / L or less, and particularly preferably 1.5 mol / L or less. .
Among these, the non-aqueous secondary battery prepared by combining the negative electrode of the present invention, the metal chalcogenide-based positive electrode, and the organic electrolyte mainly composed of a carbonate-based solvent has a large capacity and an irreversible capacity that is recognized in the initial cycle. , High rapid charge / discharge capacity, excellent cycle characteristics, high storage stability and reliability of the battery when left at high temperature, and extremely excellent high-efficiency discharge characteristics and low-temperature discharge characteristics.
正極と負極の間には、通常正極と負極が物理的に接触しないようにするためにセパレータが設けられる。セパレータはイオン透過性が高く、電気抵抗が低いものであるのが好ましい。セパレータの材質及び形状は、特に限定されないが、電解液に対して安定で、保液性が優れたものが好ましい。具体的には、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が挙げられる。 A separator is usually provided between the positive electrode and the negative electrode so that the positive electrode and the negative electrode are not in physical contact. The separator preferably has high ion permeability and low electrical resistance. The material and shape of the separator are not particularly limited, but those that are stable with respect to the electrolyte and excellent in liquid retention are preferable. Specifically, a porous sheet or a non-woven fabric made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene is used.
本発明の非水系二次電池の形状は特に制限されず、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等が挙げられる。 The shape of the non-aqueous secondary battery of the present invention is not particularly limited, and a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are spiral, a cylinder type having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, a coin in which a pellet electrode and a separator are stacked Type.
次に実施例により本発明の具体的態様を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
(実施例1)
平均粒径100μmの黒鉛粒子を奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−3型にて、ローター周速度70m/秒で9分間の球形化処理を行い、平均粒径16μmの球状黒鉛粒子を得た。
EXAMPLES Next, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
Spherical graphite particles having an average particle diameter of 16 μm were obtained by subjecting graphite particles having an average particle diameter of 100 μm to spheroidization treatment for 9 minutes at a rotor peripheral speed of 70 m / sec using a hybridization system NHS-3 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.
この球状黒鉛粒子と、黒鉛化可能なバインダーとして軟化点90℃のバインダーピッチとを、100:30の重量比で混合し、予め130℃に加熱されたマチスケータ型撹拌翼を持つニーダーに投入して20分間捏合した。
十分に捏合された混合物を、予め110℃に予熱されたモールド圧延機の金型に充填し、5分間放置し混合物の温度が安定したところでプランジャーを押し、2kgf/cm3(0.20MPa)の圧力を加えて成形した。1分間この圧力を保持した後、駆動を止め、圧力低下が収まった後、成形体を取り出した。
The spherical graphite particles and a binder pitch having a softening point of 90 ° C. as a graphitizable binder are mixed at a weight ratio of 100: 30, and put into a kneader having a gussetar type stirring blade preheated to 130 ° C. Combined for 20 minutes.
The fully mixed mixture is filled into a mold of a mold rolling mill preheated to 110 ° C., and left for 5 minutes. When the temperature of the mixture is stabilized, the plunger is pushed and 2 kgf / cm 3 (0.20 MPa). Was molded by applying a pressure of. After maintaining this pressure for 1 minute, driving was stopped, and after the pressure drop had subsided, the molded body was taken out.
得られた成形体を耐熱容器である金属製サガーに収納し、間隙に黒鉛質ブリーズを充填した。電気炉で室温から1000℃まで48時間かけて昇温し、1000℃で3時間保持し、脱VM焼成を行った。次に、成形体を黒鉛ルツボに収納し、間隙に黒鉛質ブリーズを充填した。アチソン炉で3000℃に4時間加熱して黒鉛化を行った。
得られた黒鉛質の成形体をジョークラッシャで粗砕した後、粉砕羽根回転数を8000回転/分に設定したミルにて微粉砕し、45μm篩いで粗粒子を除き、複合黒鉛粒子を得た。この複合黒鉛粒子と球状黒鉛粒子を6:4の比で混合したものを実施例1の負極材料とした。該負極材料のメジアン径18μm、BET比表面積4.3m2/g、Tap密度1.13g/cm3であった。
The obtained molded body was housed in a metal sagar as a heat-resistant container, and the gap was filled with graphite breeze. The temperature was raised from room temperature to 1000 ° C. in an electric furnace over 48 hours, held at 1000 ° C. for 3 hours, and de-VM firing was performed. Next, the compact was stored in a graphite crucible and filled with graphite breeze in the gap. Graphitization was performed by heating to 3000 ° C. for 4 hours in an Atchison furnace.
The obtained graphite compact was roughly crushed with a jaw crusher, and then finely pulverized with a mill whose pulverization blade rotation speed was set to 8000 rpm, and the coarse particles were removed with a 45 μm sieve to obtain composite graphite particles. . The composite graphite particles and spherical graphite particles mixed at a ratio of 6: 4 was used as the negative electrode material of Example 1. The negative electrode material had a median diameter of 18 μm, a BET specific surface area of 4.3 m 2 / g, and a Tap density of 1.13 g / cm 3 .
<電極作製方法>
負極材料と、増粘剤としてCMC水溶液と、結着剤としてSBR分散液とを、乾燥後の負極材料に対してCMC及びSBRがそれぞれ1重量%になるように混合撹拌してスラリーとし、ドクターブレードを用いて銅箔上にこのスラリーを塗布した。塗布厚さは、乾燥後の電極目付(銅箔除く)が11.8mg/cm2になるようにギャップを選択した。
<Electrode production method>
A negative electrode material, a CMC aqueous solution as a thickener, and an SBR dispersion as a binder were mixed and stirred to a slurry so that CMC and SBR were 1% by weight with respect to the negative electrode material after drying. The slurry was applied onto the copper foil using a blade. For the coating thickness, the gap was selected so that the electrode basis weight (excluding the copper foil) after drying was 11.8 mg / cm 2 .
この電極を窒素気流雰囲気下で110℃で乾燥した後、電極密度(銅箔除く)が1.8
±0.03g/cm3になるように圧延を行なった。また、圧延後の電極から12.5mmφの電極を打ち抜き、重量に基づいて下式より負極活物質重量を求めた。
(負極活物質重量)=(電極重量)−(銅箔重量)−(結着剤量)−(増粘剤重量)
<電極圧延方法>
直径25cmのロール圧延を用いて、電極密度(銅箔除く)が1.8±0.03g/cm3になるように圧延を行い、所望の負極を得た。
After this electrode was dried at 110 ° C. in a nitrogen stream atmosphere, the electrode density (excluding copper foil) was 1.8.
Rolling was performed so as to be ± 0.03 g / cm 3 . In addition, a 12.5 mmφ electrode was punched from the rolled electrode, and the weight of the negative electrode active material was determined from the following formula based on the weight.
(Weight of negative electrode active material) = (Weight of electrode) − (Copper foil weight) − (Binder amount) − (Thickener weight)
<Electrode rolling method>
Rolling was performed using a roll having a diameter of 25 cm so that the electrode density (excluding copper foil) was 1.8 ± 0.03 g / cm 3 to obtain a desired negative electrode.
<リチウム二次電池の作製方法>
上記の電極作製方法で作製した電極を110℃で真空乾燥した後、グローブボックスへ移し、アルゴン雰囲気下で、電解液としてエチレンカーボネート(EC)/ジメチルカーボネート(DMC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=2/3/3の混合液を溶媒とした1M−LiPF6電解液と、セパレータとしてポリエチレンセパレータと、対極としてリチウム金属対極とを用い、コイン電池(リチウム二次電池)を作製した。
<Method for producing lithium secondary battery>
After the electrode produced by the above electrode production method was vacuum dried at 110 ° C., it was transferred to a glove box, and in an argon atmosphere, as an electrolyte, ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) = A coin battery (lithium secondary battery) was prepared using a 1M-LiPF 6 electrolyte solution with a 2/3/3 mixed solution as a solvent, a polyethylene separator as a separator, and a lithium metal counter electrode as a counter electrode.
<放電容量の測定方法>
0.2mA/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の一定電圧で電流値が0.02mAになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.4mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行なう充放電サイクルを3サイクル繰り返し、3サイクル目の放電値を放電容量として測定した。
<Measurement method of discharge capacity>
The lithium counter electrode is charged to 5 mV at a current density of 0.2 mA / cm 2 , and further charged to a current value of 0.02 mA at a constant voltage of 5 mV. A charge / discharge cycle of discharging to 1.5 V with respect to the lithium counter electrode at a current density of 4 mA / cm 2 was repeated three times, and the discharge value at the third cycle was measured as the discharge capacity.
<初回充放電不可逆容量の計算方法>
放電容量の測定時に、以下に従って計算した。
初回充放電不可逆容量(mAh/g)=
初回充電容量(mAh/g)― 初回放電容量(mAh/g)
<Calculation method of irreversible capacity for first charge / discharge>
When measuring the discharge capacity, it was calculated according to the following.
Initial charge / discharge irreversible capacity (mAh / g) =
Initial charge capacity (mAh / g)-Initial discharge capacity (mAh / g)
<放電負荷特性の計算方法>
放電容量の測定に続き、同様に充電した後、10.0mA/cm2の電流密度で放電し、以下に従って計算した。
・2C放電容量(mAh/g):
10.0(mA/cm2)の電流密度で放電した時の放電容量・0.2C放電容量(mAh/g):
1(mA/cm2)の電流密度で放電した時の放電容量
・負荷特性(%)=
{2C放電容量(mAh/g)/0.2C放電容量(mAh/g)}×100
<Calculation method of discharge load characteristics>
Following the measurement of the discharge capacity, the battery was charged in the same manner, and then discharged at a current density of 10.0 mA / cm 2 .
-2C discharge capacity (mAh / g):
Discharge capacity when discharged at a current density of 10.0 (mA / cm 2 ) · 0.2 C discharge capacity (mAh / g):
Discharge capacity and load characteristics (%) when discharged at a current density of 1 (mA / cm 2 ) =
{2C discharge capacity (mAh / g) /0.2C discharge capacity (mAh / g)} × 100
<充電受入性試験>
先記の方法にてコイン電池を作製し、放電容量測定と同様の条件で、25℃で3回の充放電を実施した後、0℃で1mA/cm2の電流密度で充電した。このときの充電容量を充電受入性値という。
充電受入性値(mAh/g)=0.2C充電容量(mAh/g)
<Charge acceptance test>
A coin battery was prepared by the method described above, charged and discharged three times at 25 ° C. under the same conditions as in the discharge capacity measurement, and then charged at 0 ° C. with a current density of 1 mA / cm 2 . The charging capacity at this time is called a charge acceptance value.
Charge acceptance value (mAh / g) = 0.2C charge capacity (mAh / g)
<サイクル試験用ラミネートの作製方法>
上記方法で作製した負極シートを4cm×3cmの板状に打ち抜き負極とし、LiCoO2からなる正極を同面積で打ち抜き、組み合わせた。電解液はエチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)の3/7混合液を溶媒とした1M−LiP
F6電解液に、更に添加剤としてビニレンカーボネートを2重量%添加したものを用いた。正極と負極の間にセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を挟み、上記電解液を注入した後、真空シーラーでラミフィルムを封じてラミネート型電池を作製した。
<Method for producing cycle test laminate>
The negative electrode sheet produced by the above method was punched into a 4 cm × 3 cm plate to make a negative electrode, and a positive electrode made of LiCoO 2 was punched in the same area and combined. The electrolyte was 1M-LiP using a 3/7 mixture of ethylene carbonate (EC) / ethyl methyl carbonate (EMC) as a solvent.
To F 6 electrolytic solution used was a vinylene carbonate was added 2% by weight further additives. A separator (made of a porous polyethylene film) was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and the electrolyte solution was injected. Then, the laminate film was sealed with a vacuum sealer to produce a laminate type battery.
サイクル試験は、14mA/cm2の電流密度で定電流(CC)充放電を4回繰り返し
た後、49mA/cm2の電流密度で4.2Vまで定電流定電圧(CC−CV)充電し、70mA/cm2の電流密度で3.0Vまで定電流放電を行い、これを1サイクルとして
、200サイクル繰り返す。サイクル維持率(%)は以下の方法で算出した。
サイクル維持率(%)=200サイクル時放電容量(mAh)×100/初回サイクル時放電容量(mAh)
この方法にて行ったサイクル試験の結果を表1に示す。
In the cycle test, constant current (CC) charging / discharging was repeated 4 times at a current density of 14 mA / cm 2 , and then charged at a constant current constant voltage (CC-CV) to 4.2 V at a current density of 49 mA / cm 2 . A constant current discharge is performed up to 3.0 V at a current density of 70 mA / cm 2 , and this is repeated as 200 cycles. The cycle maintenance rate (%) was calculated by the following method.
Cycle maintenance ratio (%) = discharge capacity at 200 cycles (mAh) × 100 / discharge capacity at the first cycle (mAh)
Table 1 shows the results of the cycle test performed by this method.
また、この電極の断面写真から、先述の方法にて画像解析を実施したところ、電極内空隙率は10.6%、粒子接触率は32.1%であった。さらに、等面積円径における1から4μmの増加率は9.0%、4から12μmの増加率は49.6%、8から12μmの増加率は29.3%であった。また、溶媒浸透時間は24秒であった。 Further, when image analysis was performed by the above-described method from a cross-sectional photograph of this electrode, the porosity in the electrode was 10.6% and the particle contact rate was 32.1%. Further, the increase rate from 1 to 4 μm in the equal area circle diameter was 9.0%, the increase rate from 4 to 12 μm was 49.6%, and the increase rate from 8 to 12 μm was 29.3%. The solvent permeation time was 24 seconds.
(実施例2)
実施例1で得た複合黒鉛粒子と軽度球形化処理した黒鉛粒子を6:4の重量比で混合したものを実施例2の負極材料とした。該負極材料のメジアン径13μm、BET比表面積4.6m2/g、Tap密度0.91g/cm3であった。具体的に軽度球形化処理した黒鉛
粒子とは、平均粒径100μmの黒鉛粒子を奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−3型にて、ローター周速度50m/秒で5分間の処理を行った。
(Example 2)
A mixture of the composite graphite particles obtained in Example 1 and the lightly spheroidized graphite particles in a weight ratio of 6: 4 was used as the negative electrode material of Example 2. The negative electrode material had a median diameter of 13 μm, a BET specific surface area of 4.6 m 2 / g, and a Tap density of 0.91 g / cm 3. Specifically, the lightly spheroidized graphite particles were obtained by subjecting graphite particles having an average particle size of 100 μm to a hybridization system NHS-3 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. for 5 minutes at a rotor peripheral speed of 50 m / sec.
実施例1と同様にして実施例2の負極材料の電極(負極シート)、非水系二次電池を作製し、電池特性を測定した。これらの測定結果を表1に示す。また、この電極の断面写真から、先述の方法にて画像解析を実施したところ、電極内空隙率は9.1%、粒子接触率は44.2%であった。さらに、等面積円径における1から4μmの増加率は10.6%、4から12μmの増加率は55.0%、8から12μmの増加率は32.1%であった。また、溶媒浸透時間は29秒であった。 In the same manner as in Example 1, an electrode (negative electrode sheet) of the negative electrode material of Example 2 and a non-aqueous secondary battery were produced, and battery characteristics were measured. These measurement results are shown in Table 1. Further, when image analysis was carried out by the above-described method from a cross-sectional photograph of this electrode, the in-electrode porosity was 9.1% and the particle contact rate was 44.2%. Furthermore, the increase rate from 1 to 4 μm in the equal area circle diameter was 10.6%, the increase rate from 4 to 12 μm was 55.0%, and the increase rate from 8 to 12 μm was 32.1%. The solvent penetration time was 29 seconds.
(実施例3)
実施例1と同様に平均粒径100μmの黒鉛粒子を奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−3型にて、ローター周速度70m/秒で9分間の球形化処理を行い、平均粒径16μmの球状黒鉛粒子を得た。
この球状黒鉛粒子と、黒鉛化可能なバインダーとして軟化点90℃のバインダーピッチとを、100:6の重量比で混合し、予め130℃に加熱されたマチスケータ型撹拌翼を持つニーダーに投入して20分間捏合した。
(Example 3)
As in Example 1, graphite particles having an average particle diameter of 100 μm were subjected to spheroidization treatment for 9 minutes at a rotor peripheral speed of 70 m / sec using a hybridization system NHS-3 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd., and spherical particles having an average particle diameter of 16 μm. Graphite particles were obtained.
The spherical graphite particles and a binder pitch having a softening point of 90 ° C. as a graphitizable binder are mixed at a weight ratio of 100: 6 and put into a kneader having a gussetar type stirring blade preheated to 130 ° C. Combined for 20 minutes.
十分に捏合された混合物を耐熱容器である金属製サガーに収納し、窒素雰囲気で封入した。電気炉で室温から1000℃まで48時間かけて昇温し、1000℃で3時間保持し、脱VM焼成を行った。次に、焼成後粉体を、黒鉛ルツボに収納し、アチソン炉で4時間加熱を行った。
得られた黒鉛質を砕羽根回転数を3000回転/分に設定したミルにて微粉砕し、45μm篩いで粗粒子を除き、複合黒鉛粒子を得た。この複合黒鉛粒子と球状黒鉛粒子を6:4の比で混合したものを実施例3の負極材料とした。該負極材料のメジアン径19μm、BET比表面積4.4m2/g、Tap密度1.07g/cm3であった。 実施例1と同様
にして負極材料の電極(負極シート)、非水系二次電池を作製し、電池特性を測定した。これらの測定結果を表1に示す。また、この電極の断面写真から、先述の方法にて画像解析を実施したところ、電極内空隙率は10.1%、粒子接触率は31.3%であった。さらに、等面積円径における1から4μmの増加率は9.5%、4から12μmの増加率は51.2%、8から12μmの増加率は30.4%であった。また、溶媒浸透時間は25秒であった。
The fully combined mixture was stored in a metal sagar as a heat-resistant container and sealed in a nitrogen atmosphere. The temperature was raised from room temperature to 1000 ° C. in an electric furnace over 48 hours, held at 1000 ° C. for 3 hours, and de-VM firing was performed. Next, the fired powder was stored in a graphite crucible and heated in an Atchison furnace for 4 hours.
The obtained graphite was finely pulverized with a mill having a blade rotation speed set to 3000 rpm, and coarse particles were removed with a 45 μm sieve to obtain composite graphite particles. The composite graphite particles and spherical graphite particles mixed at a ratio of 6: 4 was used as the negative electrode material of Example 3. The negative electrode material had a median diameter of 19 μm, a BET specific surface area of 4.4 m 2 / g, and a tap density of 1.07 g / cm 3 . In the same manner as in Example 1, an electrode (negative electrode sheet) of a negative electrode material and a non-aqueous secondary battery were prepared, and battery characteristics were measured. These measurement results are shown in Table 1. Further, when image analysis was performed by the above-described method from the cross-sectional photograph of this electrode, the in-electrode void ratio was 10.1% and the particle contact ratio was 31.3%. Further, the increase rate from 1 to 4 μm in the equal area circle diameter was 9.5%, the increase rate from 4 to 12 μm was 51.2%, and the increase rate from 8 to 12 μm was 30.4%. The solvent penetration time was 25 seconds.
(実施例4)
実施例1で得た複合黒鉛粒子と実施例2で使用した軽度球形化処理した黒鉛粒子を更に1000℃で熱処理したものを6:4の重量比で混合したものを実施例4の負極材料とした。該負極材料のメジアン径14μm、BET比表面積4.8m2/g、Tap密度0.90g/cm3であった。
Example 4
The composite graphite particles obtained in Example 1 and the lightly spheroidized graphite particles used in Example 2 were further heat-treated at 1000 ° C. and mixed at a weight ratio of 6: 4 with the negative electrode material of Example 4 did. The negative electrode material had a median diameter of 14 μm, a BET specific surface area of 4.8 m 2 / g, and a tap density of 0.90 g / cm 3 .
実施例1と同様にして実施例4の負極材料の電極(負極シート)、非水系二次電池を作製し、電池特性を測定した。これらの測定結果を表1に示す。また、この電極の断面写真から、先述の方法にて画像解析を実施したところ、電極内空隙率は8.9%、粒子接触率は44.1%であった。さらに、等面積円径における1から4μmの増加率は10.1%
、4から12μmの増加率は54.3%、8から12μmの増加率は32.0%であった
。また、溶媒浸透時間は29秒であった。
In the same manner as in Example 1, an electrode (negative electrode sheet) of the negative electrode material of Example 4 and a non-aqueous secondary battery were produced, and battery characteristics were measured. These measurement results are shown in Table 1. Further, when image analysis was performed by the above-described method from the cross-sectional photograph of this electrode, the in-electrode porosity was 8.9% and the particle contact rate was 44.1%. Furthermore, the increase rate from 1 to 4 μm in the equal area circle diameter is 10.1%.
The increase rate from 4 to 12 μm was 54.3%, and the increase rate from 8 to 12 μm was 32.0%. The solvent penetration time was 29 seconds.
(比較例1)
原料としてメジアン径5μm、タップ密度0.4g/cm3、BET比表面積12m2/gの鱗片状黒鉛粒子を用いて、実施例1と同様のバインダー、捏合、成形、焼成、黒鉛化を行い、粉砕処理を行った。これにより得られた黒鉛粒子を比較例2の負極材料とした。該負極材料のメジアン径18μm、BET比表面積4.5m2/g、Tap密度0.84g/
cm3であった。
(Comparative Example 1)
Using scaly graphite particles having a median diameter of 5 μm, a tap density of 0.4 g / cm 3 , and a BET specific surface area of 12 m 2 / g as raw materials, the same binder, mixing, molding, firing, and graphitization as in Example 1 were performed. The grinding process was performed. The graphite particles thus obtained were used as the negative electrode material of Comparative Example 2. The negative electrode material has a median diameter of 18 μm, a BET specific surface area of 4.5 m 2 / g, and a tap density of 0.84 g /
cm 3 .
実施例1と同様にして負極材料の電極(負極シート)、非水系二次電池を作製し、電池特性を測定した。これらの測定結果を表1に示す。また、この電極の断面写真から、先述の方法にて画像解析を実施したところ、電極内空隙率は7.4%、粒子接触率49.3%であった。さらに、等面積円径における1から4μmの増加率は39.4%、4から12μmの増加率は37.4%、8から12μmの増加率は16.4%であった。また、溶媒浸透時間は31秒であった In the same manner as in Example 1, an electrode (negative electrode sheet) of a negative electrode material and a non-aqueous secondary battery were prepared, and battery characteristics were measured. These measurement results are shown in Table 1. Further, when image analysis was carried out by the above-described method from a cross-sectional photograph of this electrode, the porosity in the electrode was 7.4% and the particle contact ratio was 49.3%. Further, the increase rate from 1 to 4 μm in the equal area circle diameter was 39.4%, the increase rate from 4 to 12 μm was 37.4%, and the increase rate from 8 to 12 μm was 16.4%. The solvent penetration time was 31 seconds.
(比較例2)
実施例1の原料として用いた球形黒鉛粒子を比較例2の負極材料とした。該負極材料のメジアン径17μm、BET比表面積6.5m2/g、Tap密度1.07g/cm3であ
った。
実施例1と同様にして比較例1の負極材料の電極(負極シート)、非水系二次電池を作製し、電池特性を測定した。これらの測定結果を表1に示す。また、この電極の断面写真から、先述の方法にて画像解析を実施したところ、電極内空隙率は5.1%、粒子接触率は60.8%であった。さらに、等面積円径における1から4μmの増加率は7.1%、4から12μmの増加率は45.2%、8から12μmの増加率は25.9%であった。また、溶媒浸透時間は80秒であった。
(Comparative Example 2)
The spherical graphite particles used as the raw material of Example 1 were used as the negative electrode material of Comparative Example 2. The negative electrode material had a median diameter of 17 μm, a BET specific surface area of 6.5 m 2 / g, and a tap density of 1.07 g / cm 3 .
In the same manner as in Example 1, an electrode (negative electrode sheet) of the negative electrode material of Comparative Example 1 and a nonaqueous secondary battery were produced, and the battery characteristics were measured. These measurement results are shown in Table 1. Further, when image analysis was carried out by the above-described method from a cross-sectional photograph of this electrode, the in-electrode porosity was 5.1% and the particle contact rate was 60.8%. Further, the increase rate from 1 to 4 μm in the equal area circle diameter was 7.1%, the increase rate from 4 to 12 μm was 45.2%, and the increase rate from 8 to 12 μm was 25.9%. The solvent penetration time was 80 seconds.
実施例1から4では、その高い電極内空隙率や溶媒浸透時間から、リチウムイオンの拡散に優れていることがわかり、それに伴い、小さい初期不可逆容量や、高い放電負荷特性、高い充電受入性を示した。さらに、実施例1から4は、適切な粒子接触率により、サイ
クル特性に優れていた。逆に、比較例1及び2では、低い電極内空隙率や、極端に遅い溶媒浸透時間から、電極内における空隙が著しく少ないことがわかる。
これは電極圧延時の負極材料粒子の破壊などにより起こったと考えられ、初期不可逆容量や、放電負荷特性、充電受入性、サイクル特性の低下を招いた。
In Examples 1 to 4, it can be seen from the high in-electrode porosity and solvent penetration time that lithium ion diffusion is excellent, and accordingly, a small initial irreversible capacity, high discharge load characteristics, and high charge acceptance. Indicated. Furthermore, Examples 1 to 4 were excellent in cycle characteristics due to an appropriate particle contact rate. On the contrary, in Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the voids in the electrode are remarkably small from the low porosity in the electrode and the extremely slow solvent penetration time.
This is considered to have occurred due to the destruction of the negative electrode material particles during the electrode rolling, and resulted in a decrease in initial irreversible capacity, discharge load characteristics, charge acceptance, and cycle characteristics.
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子を用いると、当該粒子特有の等面積円径、電極内空隙率及び粒子接触率により、負極の集電体上の活物質層を高密度化した場合においても、初期充放電負荷逆容量が小さく、高容量で、かつ、優れた放電負荷特性、充電受入性、サイクル特性及び電解液浸透性を有する非水系二次電池を提供することができる。 When the composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery of the present invention are used, the active material layer on the negative electrode current collector is densified by the equal area circle diameter, the in-electrode porosity, and the particle contact rate specific to the particles. Even in this case, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having a small initial charge / discharge load reverse capacity, a high capacity, and excellent discharge load characteristics, charge acceptability, cycle characteristics, and electrolyte permeability.
Claims (7)
工程1:黒鉛粒子と黒鉛化可能なバインダーを混合する工程
工程2:工程1で得られた混合物に対し圧力を加えて成形する工程
工程3:工程2で得られた成形物を焼成する工程 A method for producing composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery comprising a composite of graphite particles and carbonaceous or graphite, comprising the following steps 1 to 3 for a non-aqueous secondary battery A method for producing composite graphite particles.
Step 1: Step of mixing graphite particles and graphitizable binder Step 2: Step of forming pressure by applying pressure to the mixture obtained in Step 1 Step 3: Step of firing the molded product obtained in Step 2
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