JP2014146507A - 非水系二次電池負極用活物質、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池 - Google Patents

非水系二次電池負極用活物質、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】非水系電解液の分解による初期不可逆容量、ガス発生量、及び極板膨れが少なく、サイクル維持率に優れた非水系二次電池負極用活物質、当該活物質を用いて得られる非水系二次電池用負極及び当該負極を備える非水系二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)と、イオン性基及び芳香環を有する有機化合物(B)を含有することを特徴とする非水系二次電池負極用活物質に関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、初期充放電効率に優れ、ガス発生が少なく、高いサイクル維持率を有し、電池用電極として用いた場合に、電解液の浸液性を損ねることなく、電極の膨れを抑制可能な非水系二次電池負極用活物質、当該活物質を用いて得られる非水系二次電池用負極及び当該負極を備える非水系二次電池に関する。
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用活物質として黒鉛を使用することが知られている。特に、黒鉛化度の大きい黒鉛を非水系二次電池用の活物質として用いると、黒鉛のリチウム吸蔵の理論容量である372mAh/gに近い容量が得られ、さらに、このような炭素材料はコスト・耐久性にも優れることから、負極用活物質として好ましいことが知られている。
さらに、例えば特許文献1には、高分子炭化物、コークス、石炭や石油ピッチの焼成物など、黒鉛よりも結晶性の低い炭素を負極用活物質として用いることが提案されている。また、特許文献2及び3には、非晶質部と結晶性の高い黒鉛質との多層構造を有する複合炭素質物を負極用活物質として用いることで、電池容量が大きく、充放電サイクルが優れた電池が記載されている。
一方、炭素材料を負極活物質として使用したリチウムイオン二次電池においては、SEI(Solid Electrolyte Interface)と呼ばれる被膜生成や、副反応生成物としてのガス発生によって、初期サイクル時の充放電不可逆容量(容量ロスとも呼ぶ)が増大し、結果として、高容量化に至らないといった問題点があった。さらに、過度にSEI被膜が形成されることで、負極抵抗が上昇し、電池の入出力特性が低下するという問題もあった。
これに対する解決策として、例えば特許文献4では、炭素材料の表面にイオン伝導性高分子や水溶性高分子からなる被覆層が設けられている非水系リチウム二次電池が開示されている。この文献には、ポリエチレンオキサイド等のイオン伝導性高分子やポリビニルアルコール等の水溶性高分子(スチレン−無水マレイン酸共重合体の加水分解物)からなる被覆層が、非水電解液の分解抑制または非水電解液の構成成分の分解生成物の負極表面上への堆積抑制等の機能を果たすことによって、初期充放電効率の向上、サイクル特性の向上に寄与することが記載されている。
しかしながら、上記のような高分子では炭素材料基材に対する接着性が不十分であり、初期放電効率、サイクル特性、安定性が未だ不十分であった。
そこで、特許文献5において、負極を製造するにおいて水中で負に帯電する水溶性高分子物質(ポリスチレンスルホン酸やマレイン酸が共重合されているポリスチレンスルホン酸)で表面の少なくとも一部が被覆された炭素を負極用活物質として含有するものを用い、かつ非水電解液としてプロピレンカーボネートよりも高い電位で還元される化合物を含有するものを用いることを特徴とする非水系二次電池が提案された。
特開平4−237949号公報 特開平4−368778号公報 特開平4−370662号公報 特開平11−120992号公報 特開2002−134171号公報
しかしながら、本発明者らの検討によると、特許文献1〜3に開示されている負極用活物質は、入出力特性が優れている一方で、初期充放電において不可逆容量、ガス発生が多いことが課題であった。
また、特許文献4に開示している高分子はイオン伝導性高分子や水溶性高分子であり、このような高分子を炭素材料に被覆することによって、初期充放電効率やサイクル特性が向上すると記載されているものの、このような高分子では電解液に膨潤してしまい、更には炭素材料に対する高分子被膜の接着性が不十分であることから改善する余地のある技術であった。
一方、特許文献5に記載の技術では、非水電解液への膨潤が抑制できる水溶性高分子を被覆させた炭素材料が開示されているが、効率よく被覆することができないため負極抵抗の上昇、及び電解液の還元分解を十分に抑制出来ず、ガス発生及び、サイクル特性の十分な改善効果は得られなかった。
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、初期充放電効率に優れ、ガス発生が少なく、高いサイクル維持率を有し、電池用電極として用いた場合に、電解液の浸液性を損ねることなく、電極の膨れを抑制可能な非水系二次電池負極用活物質、当該活物質を用いて得られる非水系二次電池用負極及び当該負極を備える非水系二次電池を提供することを目的とする。
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)(以下、炭素活物質(A)ともいう)と有機化合物(B)とを含有する非水系二次電池負極用活物質を製造する際に、有機化合物(B)として従来とは異なる化合物を適用することによって、負極抵抗の上昇を抑制しつつ、初期充放電効率、ガス発生抑制効果を向上でき、且つサイクル特性に優れた非水系二次電池が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、有機化合物(B)は少なくとも、イオン性基及び芳香環有する有機化合物である。
ここで前記効果の詳細は不明であるが、発明者らの検討の結果、優れた電池特性は次のような効果によると考えられる。一般的に、炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)は、入出力特性が優れていることが知られているが、初期充放電において不可逆容量、ガス発生が多いことが課題であった。
本発明では、上述したような有機化合物(B)が有する芳香環は、活物質表面とπ―π相互作用により特異的に作用することで、炭素活物質(A)と有機化合物(B)との高い吸着性を付与する効果に加え、炭素活物質(A)と非水電解液との反応活性を抑制する効果を付与するものと考えられる。
更に、有機化合物(B)が有するイオン性基は、非水電解液に有機化合物(B)が膨潤することを抑制する効果に加え、炭素活物質(A)との高い吸着性を付与するものと考えられる。
上記理由で、有機化合物(B)が炭素活物質(A)に効果的に被覆され、非水電解液と炭素活物質(A)との副反応が抑制でき、これらの課題を解決させたと考えられる。
即ち本発明の要旨は、炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)
と、イオン性基及び芳香環を有する有機化合物(B)を含有することを特徴とする非水系二次電池負極用活物質に存する。 また、本発明の他の要旨は、上記非水系二次電池負極用活物質を用いて形成されることを特徴とする非水系二次電池用負極に存する。
また、本発明の他の要旨はリチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに、電解質を備えると共に、負極が、上記非水系二次電池負極であることを特徴とする非水系二次電池に存する。
本発明によれば、初期充放電効率に優れ、ガス発生が少なく、高いサイクル維持率を有し、電池用電極として用いた場合に、電解液の浸液性を損ねることなく、電極の膨れを抑制でき、また、負極容量の低下を抑制可能な非水系二次電池負極用活物質、当該活物質を用いて得られる非水系二次電池用負極及び当該負極を備える非水系二次電池が提供される。
以下、本発明の内容を詳細に述べる。なお、以下に記載する発明の構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨をこえない限り、これらの形態に特定されるものではない。
本発明の非水系二次電池負極用活物質は、炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)と、イオン性基及び芳香環を有する有機化合物(B)を含有するものである。
<炭素活物質(A)>
本発明の炭素活物質(A)は、炭素物質の表面を非晶質炭素が被覆された構造を有する。炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆処理することは、炭素活物質表面の細孔を覆い、所定の比表面積となるため、少量の有機化合物(B)で効果的に性能向上させることができるものと考えられる。
なお本明細書でいう被覆されているとは、炭素物質の表面の少なくとも一部又は全面が非晶質炭素質物で被覆、又は添着されている態様をいう。
また、本発明の炭素活物質(A)の形態は、特に限定はされないが、球状、楕円状、塊状、板状、多角形状などが挙げられ、中でも球状、楕円状、塊状、多角形状が負極とした時に粒子の充填性を向上することができるので好ましい。
この態様や形態は下記に示す物性やSEM写真等で確認することができる。
・炭素物質
本発明における炭素物質とは、炭素活物質(A)の原料(核)となるものであり、その骨格中にリチウムイオンを吸蔵・放出することができる炭素物質であれば特に制限されないが、その例としては、黒鉛、非晶質炭素粒子、黒鉛化度の小さい炭素質物に代表される種々の炭素材料挙げられる。本発明において、これらの炭素物質は1種または2種以上用いてもよい。中でも、黒鉛が好ましい。
前記黒鉛の形状は特に制限されず、球状、薄片状、繊維状、不定形粒子などから適宜選択して用いることができるが、好ましくは球状である。
前記炭素材料の種類としては、人造黒鉛、天然黒鉛、非晶質炭素粒子、黒鉛化度の小さい炭素質物等が挙げられるが、低コストと電極作製のし易さの点で、天然黒鉛が本発明において好ましく用いられる。炭素材料としては、不純物の少ないものが好ましく、必要に応じて種々の精製処理を施して用いる。
前記天然黒鉛としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土壌黒鉛等が挙げられる。前記鱗状黒
鉛の産地は、主にスリランカであり、前記鱗片状黒鉛の産地は、マダガスカル、中国、ブラジル、ウクライナ、カナダ等であり、前記土壌黒鉛の主な産地は、朝鮮半島、中国、メキシコ等である。鱗片状黒鉛や鱗状黒鉛は、黒鉛化度が高く不純物量が低い等の長所があるため、本発明において好ましく使用することができる。
前記天然黒鉛の中でも、本発明の効果を発揮する観点から、好ましくは球形化黒鉛であり、より好ましくは球形化天然黒鉛、更に具体的には、高純度化した鱗片状天然黒鉛に球形化処理を施した球形化天然黒鉛である。前記球形化処理の方法については後述する。
また前記人造黒鉛としては、例えば、コールタールピッチ、石炭系重質油、常圧残油、石油系重質油、芳香族炭化水素、窒素含有環状化合物、硫黄含有環状化合物、ポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルブチラール、天然高分子、ポリフェニレンサイルファイド、ポリフェニレンオキシド、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂などの有機物を焼成し、黒鉛化したものが挙げられる。焼成温度は、2500℃以上、3200℃以下の範囲とすることができ、焼成の際、珪素含有化合物やホウ素含有化合物などを黒鉛化触媒として用いることもできる。
また前記非晶質炭素粒子としては、例えば、バルクメソフェーズを焼成した粒子や、非晶質炭素の前駆体を不融化処理し、焼成した粒子が挙げられる。
また前記黒鉛化度の小さい炭素質物としては、有機物を通常2500℃未満の温度で焼成したものが挙げられる。有機物としては、コールタールピッチ、乾留液化油などの石炭系重質油;常圧残油、減圧残油などの直留系重質油;原油、ナフサなどの熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油などの石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセンなどの芳香族炭化水素;フェナジンやアクリジンなどの窒素含有環状化合物;チオフェンなどの硫黄含有環状化合物;アダマンタンなどの脂肪族環状化合物;ビフェニル、テルフェニルなどのポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラールなどのポリビニルエステル類、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性高分子などが挙げられる。
炭素質物の黒鉛化度の程度に応じて、焼成温度は600℃以上とすることができ、好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上であり、通常2500℃未満とすることができ、好ましくは2000℃以下、より好ましくは1400℃以下の範囲である。焼成の際、有機物に燐酸、ホウ酸、塩酸などの酸類、水酸化ナトリウム等のアルカリ類などを混合することもできる。
・炭素物質の特性
次に、本発明の炭素活物質(A)の構成成分である炭素物質の各種特性について説明する。前記炭素物質は、これらの特性のうち、いずれか1つ以上を満たすことが好ましい。
(平均粒子径(d50))
炭素物質の平均粒子径(d50)は通常1μm以上、50μm以下である。この範囲であれば、負極製造時、極板化した際に、負極形成材料の筋引きなどの工程上の不都合が生ずることを防止することができる。平均粒子径(d50)は、好ましくは4μm以上、より好ましくは10μm以上であり、また、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下である。
なお、本願明細書において、平均粒子径(d50)は、体積基準のメジアン径を意味する。具体的には、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレートの0.
2質量%水溶液10mLに、試料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のメジアン径として測定した値として得ることができる。
(タップ密度)
炭素物質のタップ密度は、通常0.7g/cm以上、1g/cm以上が好ましい。また、通常1.3g/cm以下、1.1g/cm以下が好ましい。タップ密度が低すぎると、非水系二次電池とした場合に高速充放電特性に劣り、タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、負極形成材料の圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
本発明において、タップ密度は、粉体密度測定器を用い、直径1.6cm、体積容量20cmの円筒状タップセルに、目開き300μmの篩を通して、試料を落下させて、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。
(BET法比表面積(SA))
炭素物質のBET法で測定した比表面積は、通常1m/g以上、11m/g以下である。この範囲であれば、Liが出入りする部位が十分で、非水系二次電池とした場合に良好な高速充放電特性・出力特性が得られ、活物質の電解液に対する活性を制御し、初期不可逆容量を小さくし、高容量化を容易に図ることができる。比表面積は、好ましくは1.2m/g以上、より好ましくは、1.5m/g以上であり、また、好ましくは10m/g以下、より好ましくは9m/g以下、さらに好ましくは8m/g以下である。
なお、本願明細書において、BET法比表面積は、比表面積測定装置を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET5点法にて測定した値とする。
(X線パラメータ)
炭素物質のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)は、通常0.335nm以上、通常0.340nm未満、好ましくは0.339nm以下であり、より好ましくは0.337nm以下である。d002値が0.340nm未満であれば、適切な結晶性が得られ、非水系二次電池とした場合に初期不可逆容量の増加が抑制できる。一方、0.335nmは黒鉛の理論値である。
(ラマンR値)
炭素物質のラマンR値は、1580cm−1付近のピークPの強度Iと、1360cm−1付近のピークPの強度Iとを測定し、その強度比R(R=I/I)を算出して定義する。その値は通常0.01以上、1以下であり、0.6以下が好ましい。ラマンR値がこの範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、この範囲を上回ると、粒子表面の結晶が乱れ、電解液との反応性が増し、非水系二次電池とした場合に効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
ラマンスペクトルはラマン分光器で測定できる。具体的には、測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :532nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm−1
測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1
ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理(単純平
均によるコンボリューション5ポイント)
・炭素物質の製造方法
以上説明した炭素物質は種々の公知の方法により製造可能であり、その製造方法は特に制限されないが、ここでは、本発明において炭素物質として好ましく用いられる球形化天然黒鉛の製造方法について説明する。
球形化天然黒鉛は天然黒鉛を球形化することで得られるものであるが、その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、内部に導入された天然黒鉛原料に対して衝撃圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を与え、表面処理を行なう装置が好ましい。
球形化処理を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれる、もしくは周囲エッジ部分が球形粉砕されることにより球状とされた母体粒子に、粉砕により生じた主に5μm以下の微粉を付着することができる。また、球形化処理後の天然黒鉛の表面官能基量O/C値が通常1%以上、4%以下となる条件で、球形化処理を行う。
この際には、機械的処理のエネルギーにより天然黒鉛表面の酸化反応を進行させ、天然黒鉛表面に酸性官能基を導入することができるよう、活性雰囲気下で球形化処理を行うことが好ましい。例えば前述の装置を用いて処理する場合は、回転するローターの周速度を通常30〜100m/秒、40〜100m/秒にすることが好ましく、50〜100m/秒にすることがより好ましい。
・非晶質炭素
本明細書でいう非晶質炭素とは、結晶性の低い炭素質物をいう。具体的には、非晶質炭素を得るための非晶質炭素前駆体として、以下の(a)又は(b)に記載の炭素材を用いることが好ましい。
(a)石炭系重質油、直流系重質油、分解系石油重質油、芳香族炭化水素、N環化合物、S環化合物、ポリフェニレン、有機合成高分子、天然高分子、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれた炭化可能な有機物が挙げられる。
(b)炭化可能な有機物を低分子有機溶媒に溶解させたもの
石炭系重質油としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ、乾留液化油等が好ましく、直流系重質油としては、常圧残油、減圧残油等が好ましく、分解系石油重質油としては、原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等が好ましく、芳香族炭化水素としては、アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等が好ましく、N環化合物としては、フェナジン、アクリジン等が好ましく、S環化合物としては、チオフェン、ビチオフェン等が好ましく、ポリフェニレンとしては、ビフェニル、テルフェニル等が好ましく、有機合成高分子としては、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、これらのものの不溶化処理品、ポリアクリロニトリル、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリスチレン等が好ましく、天然高分子としては、セルロース、リグニン、マンナン、ポリガラクトウロン酸、キトサン、サッカロース等の多糖類等が好ましく、熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド等が好ましく、熱硬化性樹脂としては、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等が好ましい。
またベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n−へキサン等の低分子有機溶媒に溶解させた溶液等の炭化物であることも好ましい。
・非晶質炭素の物性
非晶質炭素の物性としては、特に制限されないが、何れか1つ以上を満たしていることが好ましい。また、かかる物性を示す非晶質炭素1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせで併用しても良い。
(X線パラメータ)
非晶質炭素部分については、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd002値(層間距離)は、通常0.340nm以上であるが、0.341nm以上であることが好ましく、0.342nm以上であることが特に好ましい。また通常0.380nm以下が好ましく、より好ましくは0.355nm以下、更に好ましくは0.350nm以下である。d002値が大きすぎると、著しく結晶性の低い表面となり、不可逆容量が増加する傾向があり、一方小さすぎると、低結晶性炭素質を表面に被覆することによる得られる充電受入性向上の効果が小さく、本発明の効果が小さくなってしまう傾向がある。また、学振法によるX線回折で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc)は、通常1nm以上、好ましくは1.5nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、初期不可逆容量の増大が増加する場合がある。
(灰分)
非晶質炭素部分に含まれる灰分は、炭素活物質(A)の全質量に対して、通常1質量%以下、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。また、通常0.001質量%以上である。また灰分が少なすぎると、製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストも工業製品として好ましくない範囲まで上昇する傾向がある。
(ラマンR値及びラマン半値幅)
アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した非晶質炭素部分のラマンR値は、通常0.5以上、好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上である。また通常1.5以下、好ましくは1.4以下である。ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加する傾向がある。
また、非晶質炭素部分の1580cm-1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常60cm-1以上、好ましくは80cm-1以上、また通常150cm-1以下、好ましくは140cm-1以下である。ラマン半値幅が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
なお、ラマンR値とラマン半値幅の測定方法は前述のとおりである。
(真密度)
非晶質炭素部分の真密度は、通常1.4g/cm3以上、好ましくは1.5g/cm3以上、より好ましくは1.6g/cm3以上、更に好ましくは1.7g/cm3以上であり、通常2.1g/cm3以下、好ましくは2g/cm3以下である。真密度が大きすぎると充電受入性が損なわれる傾向がある。真密度が小さすぎると炭素の結晶性が低すぎて初期不
可逆容量が増大する傾向がある。
[炭素活物質(A)の製造方法]
炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)の製造方法について、以下に好ましい製造方法を記載するが、特に限定されるものではない。例えば、炭素物質に非晶質炭素を被覆する方法は、非晶質炭素を得るための前述したような非晶質炭素前駆体をそのまま用いて、非晶質炭素前駆体と炭素物質との混合物を加熱処理して炭素活物質(A)を得る方法、前述の非晶質炭素前駆体を一部炭素化した非晶質炭素を予め作製しておき、炭素物質と混合し、加熱処理して被覆する方法、前述の非晶質炭素を予め作製しておき、炭素物質と非晶質炭素と非晶質炭素前駆体とを混合し、加熱処理して炭素活物質(A)を得る方法等が採用可能である。また、予め作製した非晶質炭素と炭素物質の混合物に対して機械的処理のエネルギーを加えることで、一方に他方が巻き込まれた構造や、静電的に付着した構造をとるように被覆させる方法も採用が可能である。
炭素物質と非晶質炭素前駆体を混合したものを得るか、あるいは、炭素物質と非晶質炭素の混合物と非晶質炭素前駆体を混合したものを加熱して中間物質を得て、その後、炭化焼成、粉砕することにより、最終的に炭素物質に非晶質炭素を被覆させた炭素活物質(A)を得ることが好ましい。より好ましい製法としては、炭素活物質(A)を製造するためには、少なくとも炭素物質と非晶質炭素前駆体を混合する工程と、通常800℃以上、2200℃以下の温度で焼成する工程とからなる製造方法が挙げられる。
(混合工程)
前記製造方法に於ける炭素物質と非晶質炭素前駆体を混合する方法は、特に限定はされないが、一般的な混合装置を用いることができる。具体的にはミキサー、ニーダー、二軸混練機などが挙げられる。混合工程では、前述の通り、混合時の粘度を調整する為に低分子有機溶媒で溶解、若しくは希釈した非晶質炭素前駆体を用いてもよいし、加熱することにより非晶質炭素前駆体の粘度を調節してもよい。また、炭素物質と非晶質炭素前駆体の混合比(質量比)は、使用する炭素物質や非晶質炭素前駆体の種類によって適宜選択されるものであり、炭素物質の質量に対する非晶質炭素前駆体の混合量は特に制限されないが、通常5質量%以上、好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上であり、通常50質量%以下、好ましくは40質量%以下、より好ましくは35質量%以下である。
(焼成工程)
前記製造方法に於ける炭素物質と非晶質炭素前駆体の混合物を焼成する方法は、特に限定はされないが、通常800℃以上、2200℃以下の温度で焼成する方法が好ましい。
焼成工程としては、通常800℃以上、好ましくは1000℃以上、より好ましくは1300℃以上、通常2200℃以下、好ましくは1800℃以下、より好ましくは1500℃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。
焼成工程に用いる設備は、例えば、シャトル炉、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、電気炉やガス炉等、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。処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。
(その他の工程)
前記焼成物を必要に応じて粉砕、解砕、磨砕、分級処理等の粉体加工をする。粉砕に用いる装置に特に制限はないが、例えば、粗粉砕機としてはせん断式ミル、ジョークラッシャー、衝撃式クラッシャー、コーンクラッシャー等が挙げられ、中間粉砕機としてはロールクラッシャー、ハンマーミル等が挙げられ、微粉砕機としてはボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル等が挙げられる。
分級処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、乾式篩い分けの場合は、回転式篩い、動揺式篩い、旋動式篩い、振動式篩い等を用いることができ、乾式気流式分級の場合は、重力式分級機、慣性力式分級機、遠心力式分級機(クラシファイア、サイクロン等)を用いることができ、また、湿式篩い分け、機械的湿式分級機、水力分級機、沈降分級機、遠心式湿式分級機等を用いることができる。
(等方的加圧処理)
なお、本発明の炭素物質及び/又は炭素活物質(A)は、等方的加圧処理を施してもよい。等方的加圧処理する方法としては炭素物質及び/又は炭素活物質(A)を等方的に加圧処理して成型して製造することができる。なお、炭素物質及び/又は炭素活物質(A)を等方的に加圧処理することは、活物質粒子表面に凹凸を形成させて均一に粒子内空隙を減らすことで、所定の内部空隙率となるため好ましい。
加圧処理によって成型する方法は、特に限定されず、静水圧プレス機、ロールコンパクター、ロールプレス、プリケット機、及びタブレット機により、等方的に加圧処理することが好ましい。
また、必要があればロールに彫り込まれたパターンどおりに、炭素物質及び/又は炭素活物質(A)を加圧と同時に成型することも可能である。また、活物質粒子間に存在する空気を排気し、真空プレスする方法も適用できる。
加圧する圧力は、特に限定されるものではないが、通常50kgf/cm以上、好ましくは100kgf/cm、より好ましくは300kgf/cm以上、更に好ましくは500kgf/cm以上、特に好ましくは700kgf/cm以上である。また、加圧処理の上限は特に限定されないが、通常2000kgf/cm以下、好ましくは1800kgf/cm以下、より好ましくは1600kgf/cm以下、更に好ましくは1500kgf/cm以下である。
圧力が低すぎると、粒子内空隙量の減少、及び粒子表面における凹凸の形成が不十分になる傾向があり、圧力が高すぎると粉砕時に余計な力が必要となるため粒子が破壊され本来の特性を十分に発揮できなくなる傾向がある。
加圧する時間は、通常1分以上、好ましくは2分以上、より好ましくは3分以上、さらに好ましくは4分以上である。また、通常30分以下、好ましくは25分以下、より好ましくは20分以下、更に好ましくは15分以下である。時間が長すぎると、生産性が著しく低下してしまう傾向があり、時間が短すぎると十分に処理が施されない傾向がある。
必要に応じて、加圧処理された炭素物質及び/又は炭素活物質(A)を解砕する工程を行ってもよい。その形状は任意であるが、平均粒径(d50)が通常2μm以上、50μm以下の粒状とし、好ましくは5μm以上、35μm以下、より好ましくは8μm以上、30μm以下となるように粉砕・分級する。
上述に記載したような製造方法で炭素活物質(A)を得ることもできる。
[炭素活物質(A)の特性]
炭素活物質(A)の特性は特に制限はないが、以下の特性のうち、いずれか1つ以上を満たすことが好ましい。
(平均粒径(d50))
炭素活物質(A)の平均粒径(d50)は、通常1μm以上、好ましくは4μm以上、より好ましくは7μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは30μm以下である。平均粒径が小さすぎると、比表面積が小さくなり不可逆容量の増加を防ぎにくくなる傾向がある。また、平均粒径が大きすぎると、電解液と活物質との接触面積が減ることによる急速充放電性の低下を防ぎにくくなる傾向がある。
(X線パラメータ)
炭素活物質(A)のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)は、通常0.335nm以上、0.340nm未満であり、好ましくは0.339nm以下であり、より好ましくは0.337nm以下である。d002値が0.340nm未満であれば、適切な結晶性が得られ、非水系二次電池とした場合に初期不可逆容量の増加が抑制できる。一方、0.335nmは黒鉛の理論値である。
また、結晶子サイズLcは、30nm以上であることが好ましく、中でも100nm以上であることが更に好ましい。結晶子サイズがこの範囲であれば、炭素活物質(A)に充電可能なリチウム量が多くなり、高容量を得易いので好ましい。
(ラマンR値、ラマン半値幅)
炭素活物質(A)のラマンR値は、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した値であり、通常0.2以上、好ましくは0.23以上、更に好ましくは0.25以上であり、また、通常0.6以下であり、好ましくは0.5以下、更に好ましくは0.4以下である。
ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する場合がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなり、負荷特性の低下を招く場合がある。
一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、非水電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。つまり、ラマンR値が上記範囲内であると、負極表面に好適な被膜を形成し、これにより保存特性やサイクル特性、負荷特性を向上させることができる。
また、負極活物質の1580cm−1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常10cm−1以上、好ましくは15cm−1以上であり、また、通常100cm−1以下、好ましくは80cm−1以下、更に好ましくは60cm−1以下、特に好ましくは40cm−1以下である。
ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する場合がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、非水系電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
(BET比表面積)
炭素活物質(A)のBET比表面積(SA)は、BET法を用いて測定した比表面積の値であり、通常0.1m/g以上、好ましくは0.7m/g以上、更に好ましくは1m/g以上、特に好ましくは1.5m/g以上であり、また、通常100m/g以下、好ましくは50m/g以下、更に好ましくは30m/g以下、特に好ましくは10m/g以下である。
BET比表面積の値が小さすぎると、充電時にリチウムの受け入れ性が悪くなりやすく、リチウムが電極表面で析出しやすくなり、安定性が低下する傾向がある。一方、BET比表面積の値が大きすぎると、非水電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなりやすく、好ましい電池が得られにくい傾向がある。
(タップ密度)
炭素活物質(A)のタップ密度は、通常0.3g/cm以上、好ましくは0.4g/cm以上、更に好ましくは0.5g/cm以上、特に好ましくは0.6g/cm以上であり、また、通常1.5g/cm以下、好ましくは1.4g/cm以下、更に好ましくは1.2g/cm以下である。タップ密度が小さすぎると、負極とした場合に充填密度が上がり難く、高容量の電池を得にくくなる傾向がある。また、タップ密度が大きすぎると、電極中の粒子間の空隙が少なくなり過ぎ、粒子間の導電性が確保され難くなり、好ましい電池特性が得られにくい傾向がある。
(配向比)
炭素活物質(A)の粉体の配向比は、通常0.005以上、好ましくは0.01以上、更に好ましくは0.015以上であり、また、通常0.6以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.4以下である。配向比が小さすぎる、上記範囲を下回ると、高密度充放電特性が低下する傾向がある。なお、上記範囲の通常の上限は、炭素質材料の配向比の理論上限値である。
配向比は、試料を加圧成型してからX線回折により測定する。試料0.47gを直径17mmの成型機に充填し58.8MN・m−2で圧縮して得た成型体を、粘土を用いて測定用試料ホルダーの面と同一面になるようにセットしてX線回折を測定する。得られた炭素の(110)回折と(004)回折のピーク強度から、(110)回折ピーク強度/(004)回折ピーク強度で表わされる比を算出する。該測定で算出される配向比を、本発明の炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)の配向比と定義する。
X線回折測定条件は次の通りである。なお、「2θ」は回折角を示す。
・ターゲット:Cu(Kα線)グラファイトモノクロメーター
・スリット :
発散スリット=0.5度
受光スリット=0.15mm
散乱スリット=0.5度
・測定範囲及びステップ角度/計測時間:
(110)面:75度≦2θ≦80度 1度/60秒
(004)面:52度≦2θ≦57度 1度/60秒
(表面官能基O/C)
炭素活物質(A)の表面官能基O/Cは、下記式(1)で表される。表面官能基O/Cは通常0.1%以上、好ましくは0.2%以上、更に好ましくは0.3%以上であり、特に好ましくは0.5%以上であり、通常3.0%以下、好ましくは2.5%以下、更に好ましくは1.5%以下である。
表面官能基O/Cが小さすぎると、電解液との反応性に乏しく、安定なSEI形成ができなくサイクル特性が悪化する虞がある。一方、表面官能基O/Cが大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、電解液との反応性が増し、不可逆容量の増加やガス発生の増加を招く傾向がある。
式(1)
O/C(%)=X線光電子分光法(XPS)分析におけるO1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたO原子濃度 × 100/XPS分析におけるC1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたC原子濃度
炭素活物質(A)の表面官能基O/Cは、X線光電子分光法(XPS)を用いて測定することができる。
表面官能基O/Cは、X線光電子分光法測定としてX線光電子分光器を用い、測定対象を表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、マルチプレックス測定により、C1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを測定する。得られたC1sのピークトップを284.3eVとして帯電補正し、C1sとO1sのスペクトルのピーク面積を求め、更に装置感度係数を掛けて、CとOの表面原子濃度をそれぞれ算出する。得られたそのOとCの原子濃度比O/C(O原子濃度/C原子濃度)を炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)の表面官能基O/Cと定義する。
(細孔容積Vi)
炭素活物質(A)の細孔容積Viは、水銀圧入法(水銀ポロシメトリー)を用いて測定した値であり、通常0.1mL/g以上、好ましくは0.12mL/g以上、更に好ましくは0.14mL/g以上であり、また、通常0.3mL/g以下であり、好ましくは0.28mL/g以下、更に好ましくは0.25mL/g以下である。
細孔容積Viが上記範囲を下回ると、非水系電解液の浸入可能な空隙が少なくなる為、急速充放電をさせた時にリチウムイオンの挿入脱離が間に合わなくなり、それに伴いリチウム金属が析出しサイクル特性が悪化する傾向がある。一方、上記範囲を上回ると、極板作製時にバインダーが空隙に吸収され易くなり、それに伴い極板強度の低下や初期効率の低下を招く傾向がある。
水銀圧入法の測定としては、水銀ポロシメーター(マイクロメリテックス社製のオートポア9520)を用いて、パウダー用セルに試料(負極材)を0.2g前後秤量封入し、室温、真空下(50μmHg以下)にて10分間の脱気前処理を実施した後、4psiaまでステップ状に減圧し水銀を導入し、4psiaから40000psiaまでステップ状に昇圧させ、更に25psiaまで降圧させた。得られた水銀圧入曲線からWashburnの式を用い、細孔分布を算出した。なお、水銀の表面張力は485dyne/cm、接触角は140°として算出した。
ここで、細孔容積Viは、得られた細孔分布(積分曲線)を元に接線を引き、接線と積分曲線の分岐点を求め、その時の細孔容積をVpとする。全細孔容積から細孔容積Vpを差し引いた値を細孔容積Viとして定義する。
細孔容積Vi=全細孔容積−細孔容積Vp
細孔容積Viは炭素活物質(A)の内部空隙量を主に反映していると考えられ、細孔容積Viが大きいほど炭素活物質(A)の内部に空隙が多いと推定される。一方、細孔容積Vpは主に炭素活物質(A)間の空隙を反映していると考えられる。
(全細孔容積)
炭素活物質(A)の全細孔容積は、前記水銀圧入法(水銀ポロシメトリー)を用いて測定した値であり、通常0.1mL/g以上、好ましくは0.2mL/g以上、更に好ましくは0.25mL/g以上であり、また、通常10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、更に好ましくは2mL/g以下である。
全細孔容積が上記範囲を下回ると、非水系電解液の浸入可能な空隙が少なくなり易く、急速充放電をさせた時にリチウムイオンの挿入脱離が間に合わなくなり、それに伴いリチウム金属が析出しサイクル特性が悪化する傾向がある。一方、上記範囲を上回ると、極板作製時にバインダーが空隙に吸収され易くなり、それに伴い極板強度の低下や初期効率の低下を招く傾向がある。
(非晶質炭素の添着量)
本発明の炭素活物質(A)における非晶質炭素の添着量は、炭素物質に対する非晶質炭素の被覆量を示すものであり、本発明においてこれは通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3%以上、特に好ましくは0.7質量%以上であり、また前記添着量は、通常20質量%以下、好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下、特に好ましくは7質量%以下、最も好ましくは5質量%以下である。
添着量が多すぎると、非水系二次電池において高容量を達成する為に十分な圧力で圧延を行った場合に、炭素材にダメージが与えられて材料破壊が起こり、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。
一方、添着量が小さすぎると、被覆による効果が得られにくくなる傾向がある。すなわち、電池において電解液との副反応を十分に抑制できず、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。非晶質炭素の層は薄くても炭素物質の表面の大部分にわたって均一に存在していれば、本発明の効果を奏することができるが、非晶質炭素の量が少なくなりすぎて、炭素物質そのものが本発明の炭素活物質(A)の最表面に多くあらわれると、本発明の効果が得られにくくなる。
また、本発明における非晶質炭素の添着量は、材料焼成前後のサンプル質量より算出できる。なおこのとき、炭素物質の焼成前後質量変化はないものとして計算する。
w1を焼成前炭素物質質量(kg)、w2を焼成後炭素活物質(A)質量(kg)とすると、
非晶質の添着量(質量%)=[(w2−w1)/w2]×100
として計算される。
<有機化合物(B)>
次に、本発明の非水系二次電池負極用活物質の構成成分である有機化合物(B)について説明する。
有機化合物(B)は、イオン性基及び芳香環を有する化合物である。有機化合物(B)がイオン性基を有することによって、非水電解液に対する耐性が向上し、炭素活物質(A)に被覆されている有機化合物(B)の非水電解液中への溶出を抑制できると考えられる。また有機化合物(B)が、芳香環を有することによって、炭素活物質(A)のπ平面構造部分(ベーサル部)に吸着及び/又は結合して、ベーサル部に形成される被膜の剥離を抑制し、その結果ベーサル部欠陥における電解液の還元分解が低減されると考えられる。これにより本発明の非水系二次電池負極用活物質を使用して得られる非水系二次電池は、初期充放電の容量ロスが低減されて良好な初期充放電効率が得られ、また、非水電解液との副反応によるガスの発生も抑制されると考えられる。
前記イオン性基とは、水中でアニオン又はカチオンを生じうる基であり、その例としては、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基及びこれらの塩が挙げられる。前記塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等が挙げられる。これらの中でも、非水系二次電池とした場合の初期不可逆容量の観点から、スルホン酸基及びそのリ
チウム塩もしくはナトリウム塩が好ましい。
また前記芳香環とは、π電子を持つ原子が環状に並んだ構造を持つ不飽和環状化合物であって、ヒュッケル則を満たし、π電子が環上で非局在化し、環が平面構造をとっているものである。
このような芳香環としては、単環の5員環であるフラン、ピロール、イミダゾール、チオフェン、ホスホール、ピラゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、単環の6員環であるベンゼン、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、二環の5員環+6員環であるベンゾフラン、イソベンゾフラン、インドール、イソインドール、ベンゾチオフェン、ベンゾホスホール、ベンゾイミダゾール、プリン、インダゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾイソオキサゾール、ベンゾチアゾール、二環の6員環+6員環であるナフタレン、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、多環のアントラセン、ピレン等が挙げられる。
これらの中でも、非水系二次電池とした場合にガスの発生を抑制する観点から、ベンゼン環及びナフタレン環が好ましい。
また、有機化合物(B)はイオン性基及び芳香環を有していれば、低分子化合物であっても、ポリマー形態の高分子化合物であってもよいが、ガスの発生を効果的に抑制する観点からは、高分子化合物(ポリマー)であることが好ましい。
前記低分子化合物の例としては、ナフタレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸リチウム、ナフタレンスルホン酸ナトリウム、ベンゼンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸ナトリウム、アントラセンスルホン酸、アントラセンスルホン酸ナトリウム、又はその二量体、三量体などが挙げられる。
また、有機化合物(B)が高分子化合物である場合の一態様として、重量平均分子量を指標とすることができる。重量平均分子量は特に制限されないが、通常500以上、好ましくは1000以上、より好ましくは2000以上、更に好ましくは2500以上である。一方前記重量平均分子量は、通常100万以下、好ましくは50万以下、より好ましくは30万以下、更に好ましくは20万以下である。なお、本明細書において重量平均分子量とは、溶媒THFのGPCにより測定した標準ポリスチレン換算の重量平均分子量あるいは、溶媒が水系あるいはDMFあるいはDMSOのGPCにより測定した標準ポリエチレングリコール換算の重量平均分子量である。
このような有機化合物(B)としては、イオン性基と芳香環を有するポリマーが挙げられる。当該ポリマーを構成する構造単位が由来するモノマーとしては、イオン性基と芳香環とを有するモノマーが挙げられる。また前記ポリマーは、イオン性基を有し、芳香環を有さないモノマーと、芳香環を有し、イオン性基を有さないモノマーとの共重合体であってもよい。
前記イオン性基と芳香環とを有するモノマーの例としては、スチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸リチウム、スチレンスルホン酸ナトリウム、安息香酸ビニル及び安息香酸ビニルの塩が挙げられる。
更に、前記イオン性基を有し、芳香環を有さないモノマーの例としては、ビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸リチウム、ビニルスルホン酸ナトリウム、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸リチウム、メタクリル酸、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸リチウム等が挙げられ、前記芳香環を有し、イオン性基を有さないモノマーの例としては、スチレン、ベンジルアクリレート、ベンジルメタクリレート等が挙げられる。
このようなモノマーに由来する構造単位を含むポリマーの具体的な例としては、スチレン−ビニルスルホン酸共重合体、スチレン−ビニルスルホン酸ナトリウム共重合体、スチレン−ビニルスルホン酸リチウム共重合体、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸リチウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、スチレン−スチレンスルホン酸共重合体、スチレン−スチレンスルホン酸リチウム共重合体、スチレン−スチレンスルホン酸ナトリウム共重合体、ポリビニル安息香酸、ポリビニル安息香酸リチウム、ポリビニル安息香酸ナトリウム、スチレン−ビニル安息香酸共重合体、スチレン−ビニル安息香酸リチウム共重合体、スチレン−ビニル安息香酸ナトリウム共重合体等が挙げられ、ガスの発生を効果的に抑制する観点から、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸リチウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、スチレン−スチレンスルホン酸共重合体、スチレン−スチレンスルホン酸リチウム共重合体、スチレン−スチレンスルホン酸ナトリウム共重合体、ポリビニル安息香酸、ポリビニル安息香酸リチウム、ポリビニル安息香酸ナトリウム、スチレン−ビニル安息香酸共重合体、スチレン−ビニル安息香酸リチウム共重合体及びスチレン−ビニル安息香酸ナトリウム共重合体が好ましく、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸リチウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、スチレン−スチレンスルホン酸リチウム共重合体及びスチレン−スチレンスルホン酸ナトリウム共重合体がより好ましく、中でもポリスチレンスルホン酸リチウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、スチレン−スチレンスルホン酸リチウム共重合体及びスチレン−スチレンスルホン酸ナトリウム共重合体が炭素活物質(A)の表面、特には炭素活物質(A)のπ平面構造部分(ベーサル面)への吸着性が高いため特に好ましい。
また、有機化合物(B)の電気伝導率は、通常0.1S/cm以下である。なお、電気伝導率は、0.1S/cm以下であることは、本発明においては非水系二次電池用負極活物質に含有される有機化合物の表面上で非水電解液が還元分解されることを抑制することが出来ることを示しており、好ましくは0.01S/cm以下、より好ましくは0.001S/cm以下であることを特徴とする。また、通常0S/cmより大きい。
例えば、電気伝導率は、ガラス基板上にてスピンコータ成膜やドロップキャスト成膜などの成膜法によって、フィルムを作製し、そのフィルム厚みと四端子法にて測定された表面抵抗値を掛け合わせた値の逆数から算出することができる。フィルム厚みはKLA製段差・表面粗さ・微細形状測定装置テンコールαステップ型、四端子法による表面抵抗値は三菱化学アナリテック製ロレスタGP MCP−T610型にて、それぞれ測定すること
ができる。
以上説明した有機化合物(B)は、市販されているものを使用してもよいし、また公知の方法により合成することもできる。なお、本発明において1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
(非水系二次電池負極用活物質中の有機化合物(B)の含有量)
本発明では、非水系二次電池負極用活物質中に、少なくとも炭素活物質(A)と有機化合物(B)が含有されていればよく、有機化合物(B)の含有割合には特に制限はないが、非水系二次電池負極用活物質に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.03質量%以上、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは、0.1質量%以上、特に好ましくは、0.2質量%以上である。また、非水系二次電池負極用活物質に対して、通常10質量%以下、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下、更に好ましくは、3質量%以下、特に好ましくは、2質量%以下である。この範囲内にあれば、被覆による初期充放電効率の改善や、ガス発生抑制効果が得られ、且つ、大きな界面抵抗の上昇が抑えられる傾向がある。
また、本発明では、有機化合物(B)がイオン性基及び芳香環を有していれば、非水系二次電池負極用活物質中に有機化合物(B)が2種類以上含有されてもよい。その場合は、非水系二次電池負極用活物質中の各有機化合物(B)の含有割合には特に制限はないが
、通常、全炭素活物質に対して、1質量%以上、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上、更に好ましくは、4質量%以上、特に好ましくは、5質量%以上である。また、通常、全炭素活物質に対して、99質量%以下、好ましくは98質量%以下、より好ましくは97質量%以下、更に好ましくは、96質量%以下、特に好ましくは、95質量%以下である。この範囲内にあれば、初期充放電効率の改善や、電極膨れ抑制効果が得られながら、且つサイクル特性に優れた非水系二次電池負極用活物質となる傾向がある。
<非水系二次電池負極用活物質>
本発明の非水系二次電池負極用活物質は、以上にて説明した炭素活物質(A)、有機化合物(B)を必須成分として含み、さらにその他の成分を含んでいてもよい。また、本明細書において「含有する」とは、炭素活物質(A)と有機化合物(B)が混合された状態、炭素活物質(A)の表面に有機化合物(B)が付着した状態、又は炭素活物質(A)の細孔内に有機化合物(B)が付着している状態等を表し、いずれであってもよい。これらの中でも、有機化合物(B)が、炭素活物質(A)のπ平面構造部分(ベーサル部)に吸着及び/又は結合して、特異的にベーサル部の一部又は全面を被覆していることが好ましい状態である。
これらの状態は、例えば、電界放射型走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線(SEM−EDX)分析、X線光電子分光法(XPS)分析等の手法を用いて粒子断面を観察することにより確認することができる。これらの確認方法は、非水系二次電池負極用活物質が製造された時点で行なってもよいし、負極、電池として製造された製品について行なってもよい。
[非水系二次電池負極用活物質の製造方法]
このような本発明の非水系二次電池負極用活物質を製造する方法において特に制限はないが、例えば以下の方法により製造することができる。
本発明の非水系二次電池負極用活物質は、例えば、有機化合物(B)を、有機溶媒、水又はこれらの混合溶媒に加え、その溶液を、炭素活物質(A)と混合した後、加熱又は/及び減圧によって乾燥させることによって得ることができる。
なお、使用する溶媒は、有機化合物(B)が溶解すれば、特に限定されないが、好ましくは水やエチルメチルケトン、トルエン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、メタノール等が挙げられ、中でも水、エチルメチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、メタノールがコストや乾燥のし易さでより好ましい。
また、電極塗工前の活物質分散スラリー作成時に有機化合物(B)の溶液を添加し、極板を塗工後に乾燥することでも、初期充放電効率改善、ガス発生抑制効果が得られ、製造プロセスを簡略化できることから好ましい。
炭素活物質(A)と混合する際の、溶媒中の有機化合物(B)の濃度は、通常0.01質量%以上、70質量%以下である。この範囲であれば、非水系二次電池負極用活物質中、有機化合物(B)が炭素活物質(A)の表面に均一に存在することが期待でき、効率的に効果が得られる。
前記溶液の濃度は、好ましくは0.03質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは60質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下である。
また、有機化合物(B)の使用量は適宜調整可能であり、好ましくは上記で説明した、
本発明の非水系二次電池負極用活物質中における好ましい含有量となるように配合量を調節する。
加熱により乾燥を行なう場合、温度は、通常50℃以上、300℃以下である。この範囲であれば、乾燥効率が十分であり、かつ溶媒残存による電池性能の低下が避けられ、かつ有機化合物(B)の分解防止や、炭素活物質(A)と有機化合物(B)との相互作用が弱くなることによる効果の低減防止を容易に図ることができる。前記温度は、好ましくは250℃以下であり、また、好ましくは100℃以上である。
減圧により乾燥を行なう場合、圧力は、ゲージ圧表記で通常0MPa以下、−0.2MPa以上である。この範囲であれば、比較的効率よく乾燥を行うことができる。圧力は、好ましくは−0.03MPa以下であり、また、好ましくは−0.15MPa以上である。
乾燥に先立ち、炭素活物質(A)及び有機化合物(B)を含む溶液を濾過してもよい。これにより活物質(A)に付着していない有機化合物(B)の除去効果が期待できる。
このようにして得られる本発明の非水系二次電池負極用活物質においては、有機化合物(B)が炭素活物質(A)を効果的に強固に被覆していると考えられ、当該活物質を非水電解液に浸して75℃で3日保存した場合、その非水電解液への有機化合物(B)の溶出量は、非水系二次電池負極用活物質中の有機化合物(B)全体(100質量%)の通常3質量%以下であり、好ましくは2質量%以下である。
[非水系二次電池負極用活物質の特性]
本発明の非水系二次電池負極用活物質(以下、本発明の活物質ともいう)は、炭素活物質(A)及び有機化合物(B)を含有するものであれば特に限定されないが、以下の様な特性を持つことが好ましい。
また、本発明の非水系二次電池負極用活物質(A)の形態は、特に限定はされないが、球状、楕円状、塊状、板状、多角形状などが挙げられ、中でも球状、楕円状、塊状、多角形状が負極とした時に粒子の充填性を向上することができるので好ましく、炭素質物の形態を維持していることがより好ましい。
これらの形態は下記に示す物性やSEM写真等で確認することができる。
(平均粒径(d50))
本発明の非水系二次電池負極用活物質の平均粒径(d50)は、通常1μm以上、好ましくは4μm以上、より好ましくは7μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは30μm以下である。平均粒径が小さすぎると、比表面積が小さくなり不可逆容量の増加を防ぎにくくなる傾向がある。また、平均粒径が大きすぎると、非水電解液と非水系二次電池負極用活物質との接触面積が減ることによる急速充放電性の低下を防ぎにくくなる。
(X線パラメータ)
本発明の非水系二次電池負極用活物質のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)は、通常0.335nm以上、0.340nm未満であり、好ましくは0.339nm以下であり、より好ましくは0.337nm以下である。d002値が0.340nm未満であれば、適切な結晶性が得られ、非水系二次電池とした場合に初期不可逆容量の増加が抑制できる。一方、0.335nmは黒鉛の理論値である。
また、結晶子サイズLcは、30nm以上であることが好ましく、中でも100nm以上であることが更に好ましい。結晶子サイズがこの範囲であれば、炭素活物質(A)に充電可能なリチウム量が多くなり、高容量を得易いので好ましい。
(ラマンR値、ラマン半値幅)
本発明の非水系二次電池負極用活物質のラマンR値は、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した値であり、通常0.2以上、好ましくは0.23以上、更に好ましくは0.25以上であり、また、通常0.6以下であり、好ましくは0.5以下、更に好ましくは0.4以下である。
ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する場合がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなり、負荷特性の低下を招く場合がある。
一方、ラマンR値が大きすぎると、非水系二次電池負極用活物質表面の結晶性が低下し、非水電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。つまり、ラマンR値が上記範囲内であると、負極表面に好適な被膜を形成し、これにより保存特性やサイクル特性、負荷特性を向上させることができる。
また、非水系二次電池負極用活物質の1580cm−1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常10cm−1以上、好ましくは15cm−1以上であり、また、通常100cm−1以下、好ましくは80cm−1以下、更に好ましくは60cm−1以下、特に好ましくは40cm−1以下である。
ラマン半値幅が大きすぎると、非水系二次電池負極用活物質表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する場合がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、非水電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
(BET比表面積)
本発明の非水系二次電池負極用活物質のBET比表面積(SA)は、BET法を用いて測定した比表面積の値であり、通常0.1m/g以上、好ましくは0.7m/g以上、更に好ましくは1.0m/g以上、特に好ましくは1.5m/g以上であり、また、通常100m/g以下、好ましくは50m/g以下、更に好ましくは30m/g以下、特に好ましくは10m/g以下である。
BET比表面積の値が小さすぎると、充電時にリチウムの受け入れ性が悪くなりやすく、リチウムが電極表面で析出しやすくなり、安定性が低下する傾向がある。一方、BET比表面積の値が大きすぎると、非水電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなりやすく、好ましい電池が得られにくい傾向がある。
(タップ密度)
本発明の非水系二次電池負極用活物質のタップ密度は、通常0.3g/cm以上、好ましくは0.4g/cm以上、更に好ましくは0.5g/cm以上、特に好ましくは0.6g/cm以上であり、また、通常1.5g/cm以下、好ましくは1.4g/cm以下、更に好ましくは1.2g/cm以下である。タップ密度が小さすぎると、負極とした場合に充填密度が上がり難く、高容量の電池を得にくくなる傾向がある。また、タップ密度が大きすぎると、電極中の粒子間の空隙が少なくなり過ぎ、粒子間の導電性が確保され難くなり、好ましい電池特性が得られにくい傾向がある。
(配向比)
本発明の非水系二次電池負極用活物質の粉体の配向比は、通常0.005以上、好ましくは0.01以上、更に好ましくは0.015以上であり、また、通常0.6以下、好ましくは0.5以下、より好ましくは0.4以下である。配向比が上記範囲を下回ると、高密度充放電特性が低下する傾向場合がある。なお、上記範囲の通常の上限は、非水系二次電池負極用活物質の配向比の理論上限値である。
(表面官能基O/C)
本発明の非水系二次電池負極用活物質の表面官能基O/Cは、通常0.1%以上、好ましくは0.2%以上、更に好ましくは0.3%以上であり、特に好ましくは0.5%以上であり、通常3.0%以下、好ましくは2.5%以下、更に好ましくは1.5%以下である。
表面官能基O/Cが小さすぎると、非水電解液との反応性に乏しく、安定なSEI形成ができなくサイクル特性が悪化する虞がある。一方、表面官能基O/Cが大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、非水電解液との反応性が増し、不可逆容量の増加やガス発生の増加を招く虞がある。
(細孔容積Vi)
本発明の非水系二次電池負極用活物質の細孔容積Viは、水銀圧入法(水銀ポロシメトリー)を用いて測定した値であり、通常0.1mL/g以上、好ましくは0.12mL/g以上、更に好ましくは0.14mL/g以上であり、また、通常0.3mL/g以下であり、好ましくは0.28mL/g以下、更に好ましくは0.25mL/g以下である。
細孔容積Viが上記範囲を下回ると、非水電解液の浸入可能な空隙が少なくなる為、急速充放電をさせた時にリチウムイオンの挿入脱離が間に合わなくなり、それに伴いリチウム金属が析出しサイクル特性が悪化する傾向がある。一方、上記範囲を上回ると、極板作製時にバインダーが空隙に吸収され易くなり、それに伴い極板強度の低下や初期効率の低下を招く傾向がある。
(全細孔容積)
本発明の非水系二次電池負極用活物質の全細孔容積は、前記水銀圧入法(水銀ポロシメトリー)を用いて測定した値であり、通常0.1mL/g以上、好ましくは0.2mL/g以上、更に好ましくは0.25mL/g以上であり、また、通常10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、更に好ましくは2mL/g以下である。
全細孔容積が上記範囲を下回ると、非水電解液の浸入可能な空隙が少なくなり易く、急速充放電をさせた時にリチウムイオンの挿入脱離が間に合わなくなり、それに伴いリチウム金属が析出しサイクル特性が悪化する傾向がある。一方、上記範囲を上回ると、極板作製時にバインダーが空隙に吸収され易くなり、それに伴い極板強度の低下や初期効率の低下を招く傾向がある。
<その他の成分>
本発明の非水系二次電池負極用活物質には、炭素活物質(A)と、イオン性基及び芳香環を有する有機化合物(B)以外にも、有機化合物(B)が被覆されていて非晶質被覆処理されていない炭素活物質、有機化合物(B)が被覆されていなく非晶質被覆処理されている炭素活物質等々を本発明の効果を損なわない程度に含有させることができる。これらの炭素活物質は、公知の炭素活物質を用いることができ、例えば、人造黒鉛、非晶質被覆炭素活物質、黒鉛質被覆炭素活物質、非晶質炭素、球形化天然黒鉛、鱗状天然黒鉛等々が挙げられる。
なお、有機化合物(B)が被覆されていない炭素活物質は、例えば炭素活物質の断面SEM写真等々で見分けることが可能である。
これらの中でも、有機化合物(B)が被覆されていて非晶質炭素が被覆されていない炭素活物質が含有されていることがより好ましく、上述した公知の炭素活物質の中でも、球形化天然黒鉛が更に好ましい。
その他の活物質が含有されていた場合の含有割合は、(非水系二次電池負極用活物質中の炭素活物質(A))の項の記載に準じた割合であることが好ましい。
また、負極の導電性を向上させるために、導電剤を含有させてもよい。導電剤は、特に限定されず、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック、平均粒径1μm以下のCu、Ni又はこれらの合金からなる微粉末などを使用することができる。前記導電剤の添加量は、本発明の非水系二次電池負極用活物質に対して、10質量%以下であることが好ましい。
<非水系二次電池用負極>
本発明の非水系二次電池用負極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備え、かつ活物質層が少なくとも本発明の非水系二次電池負極用活物質を含有するものとすることができる。前記活物質層は、好ましくは、さらにバインダを含有する。
前記バインダは、特に限定されないが、分子内にオレフィン性不飽和結合を有するものが好ましい。その具体例としては、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレン・スチレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体などが挙げられる。このようなオレフィン性不飽和結合を有するバインダを用いることにより、活物質層の電解液に対する膨潤性を低減することができる。中でも入手の容易性から、スチレン−ブタジエンゴムが好ましい。
このような分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダと、本発明の非水系二次電池負極用活物質とを組み合わせて用いることにより、負極板の強度を高くすることができる。負極板の強度が高いと、充放電による負極の劣化が抑制され、サイクル寿命を長くすることができる。
分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダは、分子量及び/又は不飽和結合の割合が大きいものが好ましい。分子量としては、重量平均分子量は通常1万以上、100万以下である。この範囲であれば、機械的強度及び可撓性の両面を良好な範囲に制御できる。重量平均分子量は、好ましくは5万以上であり、また、好ましくは30万以下の範囲である。
不飽和結合の割合については、全バインダの1g当たりのオレフィン性不飽和結合のモル数は通常2.5×10−7以上、5×10−6以下である。この範囲であれば、強度向上効果が十分に得られ、可撓性も良好である。前記モル数は、好ましくは8×10−7以上であり、また、好ましくは1×10−6以下である。
また、オレフィン性不飽和結合を有するバインダについては、その不飽和度を、15%以上とすることができ、また、90%以下とすることができる。不飽和度は、好ましくは20%以上、より好ましくは40%以上であり、また、好ましくは80%以下である。本願明細書において、不飽和度とは、ポリマーの繰り返し単位数に対する二重結合の割合(%)を表す。
バインダとして、オレフィン性不飽和結合を有さないバインダも、使用することができる。分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダにオレフィン性不飽和結合を有さないバインダを併用することによって、本発明の非水系二次電池負極用活物質及びバインダを含有する負極形成材料の塗布性の向上等が期待できる。オレフィン性不飽和結合を有するバインダ100質量%とした場合、オレフィン性不飽和結合を有さないバインダの混
合比率は、活物質層の強度の低下を抑制するため、通常150質量%以下、好ましくは120質量%以下である。
前記オレフィン性不飽和結合を有さないバインダの例としては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、澱粉、カラギナン、プルラン、グアーガム、ザンサンガム(キサンタンガム)等の増粘多糖類、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル類、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のビニルアルコール類、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のポリ酸、あるいは或いはこれらポリマーの金属塩、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのアルカン系ポリマー及びこれらの共重合体などが挙げられる。
本発明の負極は、本発明の非水系二次電池負極用活物質及びバインダ、場合により導電剤を分散媒に分散させてスラリー(負極形成材料)とし、これを集電体に塗布して集電体上に活物質層を設けることにより形成することができる。前記分散媒としては、アルコールなどの有機溶媒や、水を用いることができる
前記バインダは、本発明の非水系二次電池負極用活物質に対して通常は0.1質量%以上、好ましくは0.2質量%以上用いる。バインダの割合を前記活物質100%量部に対して0.1質量%以上とすることで、活物質相互間や活物質と集電体との結着力が十分となり、負極から活物質が剥離することによる電池容量の減少およびリサイクル特性の悪化を防ぐことができる。
また、バインダは本発明の非水系二次電池負極用活物質に対して通常10質量%以下、7質量%以下とすることが好ましい。バインダの割合を前記活物質に対して10質量%以下とすることにより、負極の容量の減少を防ぎ、かつリチウムイオンの前記活物質への出入が妨げられるなどの問題を防ぐことができる。
これらの構成成分を混合した後、必要に応じて脱泡を行い、負極形成材料であるスラリーを得る。混合の際には、混練器の回転速度を通常100rpm以上、100000rpm以下、好ましくは1000rpm以上、10000rpm以下にする。また、混練時間は、通常30秒以上、24時間以下、好ましくは1分以上、10時間以下、より好ましくは2分以上、1時間以下である。また、脱泡の際には、混練器の回転速度を通常100rpm以上、100000rpm以下、好ましくは1000rpm以上、10000rpm以下にする。また、脱泡時間は、通常5秒以上、10時間以下、好ましくは30秒以上、1時間以下、より好ましくは1分以上、30分以下である。
上記負極集電体としては、従来この用途に用い得ることが知られている、例えば、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタンおよび炭素などを用いることができる。前記集電体の形状は通常はシート状であり、その表面に凹凸をつけたもの、ネットおよびパンチングメタルなどを用いるものも好ましい。
活物質層の密度は、用途により異なるが、車載用途やパワーツール用途などの入出力特性を重視する用途においては、通常1.1g/cm3以上、1.65g/cm3以下とすることができる。この範囲であれば、密度が低すぎることによる粒子同士の接触抵抗の増大を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができる。前記密度は、好ましくは1.2g/cm3以上、さらに好ましくは1.25
g/cm3以上である。
一方携帯電話やパソコンといった携帯機器用途などの容量を重視する用途では、活物質層の密度は通常1.45g/cm3以上、1.90g/cm以下とすることができる。
この範囲であれば、密度が低すぎることによる単位体積あたりの電池の容量低下を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができ
る。前記密度は、好ましくは1.55g/cm3以上、さらに好ましくは1.65g/c
3以上、特に好ましくは1.7g/cm3以上である。
<非水系二次電池>
以下、本発明の非水系二次電池負極用活物質を含む本発明の非水系二次電池用負極を用いた非水系二次電池に関する部材の詳細を例示するが、使用し得る材料やそれらの作製の方法等は以下の具体例に限定されるものではない。
本発明の非水系二次電池の基本的構成は、従来公知の非水系二次電池と同様であり、リチウムイオンを吸蔵・放出することができる正極及び負極、並びに非水電解液(電解質を含む)等を備え、前記負極は本発明の非水系二次電池用負極である。以下、これらの各構成要素等について説明する。なお、前記非水電解液を有機高分子化合物等によりゲル状、ゴム状、固体シート状にしてもよい。
<正極>
前記正極は、正極用活物質及びバインダを含有する正極活物質層を、集電体上に形成したものである。
・正極用活物質
前記正極用活物質としては、リチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出できる金属カルコゲン化合物などが挙げられる。金属カルコゲン化合物としては、バナジウムの酸化物、モリブデンの酸化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化物、チタンの酸化物、タングステンの酸化物などの遷移金属酸化物、バナジウムの硫化物、モリブデンの硫化物、チタンの硫化物、CuSなどの遷移金属硫化物、NiPS、FePS等の遷移金属のリン−硫黄化合物、VSe、NbSeなどの遷移金属のセレン化合物、Fe0.250.752、Na0.1CrSなどの遷移金属の複合酸化物、LiCoS、LiNiSなどの遷移金属の複合硫化物等が挙げられる。
中でも、V、V13、VO、Cr、MnO、TiO、MoV、LiCoO、LiNiO、LiMn、TiS、V、Cr0.250.752、Cr0.50.52などが好ましく、特に好ましいのはLiCoO、LiNiO、LiMnや、これらの遷移金属の一部を他の金属で置換したリチウム遷移金属複合酸化物である。これらの正極用活物質は、単独で用いても複数を混合して用いてもよい。
バインダは、特に限定されず、公知のものを任意に選択して用いることができる。例としては、シリケート、水ガラス等の無機化合物や、テフロン(登録商標)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の不飽和結合を有さない樹脂などが挙げられる。中でも好ましいのは、酸化反応時に分解しにくいため、不飽和結合を有さない樹脂である。バインダの重量平均分子量は、1万以上とすることができ、また、300万以下とすることができる。重量平均分子量は、好ましくは10万以上であり、また、好ましくは100万以下である。
正極用活物質層中には、正極の導電性を向上させるために、導電剤を含有させてもよい。導電剤としては、特に限定されず、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末、各種の金属の繊維、粉末、箔などが挙げられる。
本発明において正極は、上述したような負極の製造方法と同様にして、活物質、場合によりバインダ、導電剤を分散媒に分散させてスラリーとし、これを集電体に塗布することにより形成することができる。正極の集電体は、特に限定されず、その例としてアルミニウム、ニッケル、SUSなどが挙げられる。
<電解質>
本発明の非水系二次電池における非水電解液に用いられる電解質には制限はなく、電解質として用いられる公知のものを任意に採用して含有させることができる。電解質としてはリチウム塩が好ましい。電解質の具体例としては、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート、リチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキサラト)フォスフェート、フルオロスルホン酸リチウム等が挙げられる。これらの電解質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
リチウム塩の非水電解液中の濃度は任意であるが、通常0.5mol/L以上、好ましくは0.6mol/L以上、より好ましくは0.8mol/L以上、また、通常3mol/L以下、好ましくは2mol/L以下、より好ましくは1.5mol/L以下の範囲である。リチウム塩の総モル濃度が上記範囲内にあることにより、非水電解液の電気伝導率が十分となり、一方、粘度上昇による電気伝導度の低下、電池性能の低下を防ぐことができる。
<非水系溶媒>
非水電解液を含有する非水系溶媒は、電池として使用した際に、電池特性に対して悪影響を及ぼさない溶媒であれば特に制限されないが、通常使用される非水系溶媒の例としては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートやエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネートなどのカーボネート化合物、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の鎖状カルボン酸エステル、γ−ブチロラクトン等の環状カルボン酸エステル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン等の鎖状エーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル等のニトリル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等のリン酸エステル、エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、メタンスルホン酸メチル、スルホラン、ジメチルスルホン等の含硫黄化合物等が挙げられ、これら化合物においては、水素原子が一部ハロゲン原子で置換されていてもよい。
これらは単独で用いても、2種類以上を併用してもよいが、2種以上の化合物を併用することが好ましい。例えば、環状カーボネートや環状カルボン酸エステル等の高誘電率溶媒と、鎖状カーボネートや鎖状カルボン酸エステル等の低粘度溶媒とを併用することが好ましい。
<助剤>
非水電解液には、上述の電解質、非水系溶媒以外に、目的に応じて適宜助剤を配合してもよい。負極表面に皮膜を形成するため、電池の寿命を向上させる効果を有する助剤としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート等の不飽和環状カーボネート、フルオロエチレンカーボネート等のフッ素原子を有する環状カーボネート、4−フルオロビニレンカーボネート等のフッ素化不飽和環状カーボネート、下記一般式(1)で表されるイソシアネート化合物等が挙げられる。中でも、ガス抑制の点から、ビニレンカーボネート、下記一般式(1)で表されるイソシアネート化合物が好ましい。
Figure 2014146507
上記式中、Aは、水素原子、ハロゲン原子、ビニル基、イソシアネート基、又はC〜C20の一価の脂肪族炭化水素基(ヘテロ原子を有していてもよい)又はC〜C20の一価の芳香族炭化水素基(ヘテロ原子を有していてもよい)を表す。Bは、酸素原子、SO、又は、C〜C20の二価の脂肪族炭化水素基(ヘテロ原子を有していてもよい)、又はC〜C20の二価の芳香族炭化水素基(ヘテロ原子を有していてもよい)を表す。
一般式(1)で表されるイソシアネート化合物の例としては、次のような化合物などが挙げられる。ジイソシアナトスルホン、ジイソシアナトエーテル、トリフルオロメタンイソシアネート、ペンタフルオロエタンイソシアネート、トリフルオロメタンスルホニルイソシアネート、ペンタフルオロエタンスルホニルイソシアネート、ベンゼンスルホニルイソシアネート、p-トルエンスルホニルイソシアネート、4−フルオロベンゼンスルホニルイソシアネート、1,3−ジイソシアナトプロパン、1,3−ジイソシアナト−2−フルオロプロパン、1,4−ジイソシアナトブタン、1,4−ジイソシアナト−2−ブテン、1,4−ジイソシアナト−2−フルオロブタン、1,4−ジイソシアナト−2,3−ジフルオロブタン、1,5−ジイソシアナトペンタン、1,5−ジイソシアナト−2−ペンテン、1,5−ジイソシアナト−2−メチルペンタン、1,6−ジイソシアナトヘキサン、
1,6−ジイソシアナト−2−ヘキセン、1,6−ジイソシアナト−3−ヘキセン、1,6−ジイソシアナト−3−フルオロヘキサン、1,6−ジイソシアナト−3,4−ジフルオロヘキサン、1,7−ジイソシアナトヘプタン、1,8−ジイソシアナトオクタン、1,12−ジイソシアナトデカン、1−イソシアナトエチレン、イソシアナトメタン、1−イソシアナトエタン、1−イソシアナト−2−メトキシエタン、3−イソシアナト−1−プロペン、イソシアナトシクロプロパン、2−イソシアナトプロパン、1−イソシアナトプロパン、1−イソシアナト−3−メトキシプロパン、1−イソシアナト−3−エトキシプロパン、2−イソシアナト−2−メチルプロパン、1−イソシアナトブタン、2−イソシアナトブタン、1−イソシアナト−4−メトキシブタン、1−イソシアナト−4−エトキシブタン、メチルイソシナトホルメート、イソアナトシクロペンタン、1−イソシアナトペンタン、1−イソシアナト−5−メトキシペンタン、1−イソシアナト−5−エトキシペンタン、2−(イソシアナトメチル)フラン、イソシアナトシクロヘキサン、1−イソシアナトヘキサン、1−イソシアナト−6−メトキシヘキサン、1−イソシアナト−6−エトキシヘキサン、エチルイソシアナトアセテート、イソシアナトシクロペンタン、イソシアナトメチル( シクロヘキサン)、1−イソシアナトヘプタン、エチル3−イソシ
アナトプロパノエート、イソシアナトシクロオクタン、2−イソシアナトエチル−2−メチルアクリレート、1−イソシアナトオクタン、2−イソシアナト−2,4,4−トリメチルペンタン、ブチルイソシアナトアセテート、エチル4−イソシアナトブタノエート、1−イソシアナトノナン、1−イソシアナトアダマンタン、1−イソシアナトデカン、エチル6−イソシアナトヘキサノエート、1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサ
ン、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、1−イソシアナトウンデカン、ジイソシアナトベンゼン、トルエンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、エチルジイソシアナトベンゼン、トリメチルジイソシアナトベンゼン、ジイソシアナトナフタレン、ジイソシアナトビフェニル、ジフェニルメタンジイソシアネート、2,2−ビス(イソシアナトフェニル)ヘキサフルオロプロパン、アリルイソシアネート、ビニルイソシアネートが挙げられる。
中でも、下記の式(2)で示される構造を有するジイソシアネート化合物は、充放電に伴う電極の膨張・収縮の物理的変形に対する耐性を効果的に高めることができるため好ましい。これは鎖状のメチレン基が皮膜及び/又は電極構造中に取り込まれることで、そうした構造体に適度な弾性を付与する為である。従って、この目的においてはメチレン基の長さが重要であって、式中、xは4〜12の整数が好ましく、さらに好ましくは4〜8の
整数である。具体的には、1,4−ジイソシアナトブタン、1,5−ジイソシアナトペン
タン、1,6−ジイソシアナトヘキサン、1,7−ジイソシアナトヘプタン、1,8−ジイソシアナトオクタン等が好ましい。
Figure 2014146507
本発明において、非水電解液の組成中における上記助剤の濃度は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、より好ましくは0.1質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは1.5質量%以下の範囲である。上記範囲であれば、電池内の化学的及び物理的安定性を十分に高めることができるとともに、皮膜形成による過度な抵抗増加を抑制することができる。
電池が過充電等の状態になった際に電池の破裂・発火を効果的に抑制する過充電防止剤として、ビフェニル、シクロヘキシルベンゼン、ジフェニルエーテル、t−ブチルベンゼン、t−ペンチルベンゼン、ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート等の芳香族化合物等が挙げられる。
電池のサイクル特性や低温放電特性を向上させる助剤として、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム、フルオロスルホン酸リチウム、リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート、リチウムテトラフルオロオキサラトホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキサラト)フォスフェート等のリチウム塩等が挙げられる。
高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる助剤として、エチレンサルファイト、プロパンスルトン、プロペンスルトン等の含硫黄化合物、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸等のカルボン酸無水物、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル等のニトリル化合物が挙げられる。
<セパレータ>
正極と負極との間には、短絡を防止するために、通常はセパレータを介在させる。この場合、以上説明した非水電解液は、通常はこのセパレータに含浸させて用いる。
セパレータの材料や形状については特に制限されず、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知のものを任意に採用することができる。中でも、非水電解液に対し安定な材料で形成された、樹脂、ガラス繊維、無機物等が用いられ、保液性に優れた多孔性シート又は不織布状の形態のもの等を用いることが好ましい。
樹脂、ガラス繊維セパレータの材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、芳香族ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ガラスフィルター等を用いることができる。中でも好ましくはガラスフィルター、ポリオレフィンであり、さらに好ましくはポリオレフィンである。これらの材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
セパレータの厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、5μm以上が好ましく、10μm以上がさらに好ましく、また、通常50μm以下であり、40μm以下が好ましく、30μm以下がさらに好ましい。セパレータが、上記範囲より薄過ぎると、絶縁性や機械的強度が低下する場合がある。また、上記範囲より厚過ぎると、レート特性等の電池性能が低下する場合があるばかりでなく、非水系二次電池全体としてのエネルギー密度が低下する場合がある。
一方、無機物の材料としては、例えば、アルミナや二酸化ケイ素等の酸化物、窒化アルミや窒化ケイ素等の窒化物、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩が用いられ、粒子形状もしくは繊維形状のものが用いられる。
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。なお、以下の実施例及び比較例において、各種評価等は下記に示す方法により行った。
<平均粒子径(d50)>
以下における平均粒子径(d50)は、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液10mLに、試料0.01gを懸濁させ、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(商品名: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のメジアン径として測定した値である。
<極板作製>
銅箔(厚さ18μm)をテスター産業製Auto Film Applicatorにのせ、陰圧により吸着させた。実施例及び比較例で作製した炭素材料スラリーを銅箔上に適量のせ、テスター産業製フィルムアプリケータを10mm/secの速さで掃引させることにより、前記スラリーを塗布した。
炭素材料スラリーを塗布した銅箔をイナートオーブン(EPEC−75,株式会社いす
ゞ製作所製)中で乾燥させて、銅箔上に活物質層を形成した(90℃,50min,窒素気流10L/min)。
その後、極板をプレス機(3tメカ式精密ロールプレス)に通して活物質層を圧縮し、活物質層の密度が1.60±0.03g/cmになるよう調整し、電極シートを得た。
銅箔の炭素材料スラリーが塗布された部分を、打抜きパンチ(φ=12.5mm,SN
G,株式会社野上技研製)によって打抜き、重量測定及び膜厚計(IDS−112,株式会社ミツトヨ製)による膜厚測定を行い、目付と前記活物質層の密度を算出した。
<コインセル作製>
全ての作業はグローブボックス(OMNI−LAB,Vacuum atmosphe
res社製,Arを充填,酸素濃度0.2ppm以下、水分濃度0.5ppm)の中で行
った。また、コインセルの部材等は真空乾燥機(Vos−451SD,東京理化器械株式
会社製)を用いて12時間以上乾燥させた後にグローブボックスに搬入した。
<極板作製>にて作製した電極シートを直径12.5mmの円板状に打ち抜き、リチウム金属箔を直径14mmの円板状に打ち抜き対極とした。両極の間には、非水電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7(体積比)に1.0mol/Lの濃度でヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を溶解させたもの)を含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、前記電解液を使用した2016コイン型電池を作製した。
<コインセルの充放電評価>
下記表−1に示した充放電プログラムを用いて充放電評価を行った。
Figure 2014146507
初期充放電効率(%)を、下記式から算出した。
・初期充放電効率(%)=第4サイクルにおける放電容量/(第4サイクルにおける放電容量+第2・3・4サイクルにおける容量ロス)×100(%)
・容量ロス(mAh/g)=第2サイクル(充電容量−放電容量)+第3サイクル(充電容量−放電容量)+第4サイクル(充電容量−放電容量)
<ラミネートセル作製>
正極活物質としては、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)を用い、これに導電剤とバインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を混合してスラリー化した。得られたスラリーを厚さ15μmのアルミ箔に塗布して乾燥し、プレス機で圧延したものを、正極活物質層のサイズとして幅30mm、長さ40mm及び集電用の未塗工部を有する形状に切り出して正極とした。正極活物質層の密度は2.6g/cmであった。
負極は、上記<極板作製>で作製した電極シートを活物質層のサイズとして幅32mm、長さ42mm及び集電部タブ溶接部として未塗工部を有する形状に切り出し、負極とした。この時の負極の活物質層の密度は1.6g/cmであった。
正極1枚と負極1枚をそれぞれの活物質面が対向するように配置し、電極の間に多孔製ポリエチレンシートのセパレータが挟まれるようにした。この際、正極活物質面が負極活物質面内から外れないよう対面させた。
この正極と負極それぞれについての未塗工部に集電タブを溶接して電極体としたものを、ポリプロピレンフィルム、厚さ0.04mmのアルミニウム箔、及びナイロンフィルムをこの順に積層したラミネートシート(合計厚さ0.1mm)を用いて、内面側に前記ポリプロピレンフィルムがくるようにしてラミネートシートではさみ、電解液を注入するための一辺を除いて、電極のない領域をヒートシールした。
その後、活物質層に非水電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7(体積比)に1.0mol/Lの濃度でヘキサフルオロリン
酸リチウム(LiPF)とビニルカーボネート(VC)1質量%を溶解させたもの)を200μL注入して、電極に充分浸透させ、密閉して、ラミネートセルを作製した。
<ラミネートセルのコンディショニングと初期ガス量測定>
25℃環境下で、電圧範囲4.2〜3.0V、電流値0.2C(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1Cとする、以下同様)にて初期コンディショニングを行った。ラミネートセルのコンディショニング前後に体積測定を行い、その変化量を初期ガス量とみなした。なおラミネートセルの体積測定には、EtOHを浸漬液としてアルキメデス法を用いた。
<ラミネートセルの保存ガス量測定>
85℃1日の条件下でラミネートセルの高温保存を行い、保存後のガス発生量を評価した。ガスについては、保存前後のラミネートセルの体積変化量をガス発生量とみなし、体積測定には、EtOHを浸漬液としてアルキメデス法を用いた。
<セル膨れ測定>
ラミネートセルのサイクル試験開始前、100サイクル充放電後の厚みをマイクロメーターにより測定し、100サイクル充放電後のラミネートセル厚みから、サイクル試験開始前のラミネートセル厚みを差し引いた値をセル膨れとした。
〔実施例1〕
<炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)の製造方法>
球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)に対して非晶質炭素前駆体の重質油を21質量%の割合でミキサーを用いて混合した。得られた混合物を容器に入れ、不活性雰囲気1300℃で焼成し、重質油を非晶質化した。得られた非晶質物被覆化黒鉛を粗砕、微粉砕処理し、炭素活物質(A)を得た。
<非水系二次電池負極用活物質Aの調製>
炭素活物質(A)50gと、有機化合物(B)の水溶液1(アルドリッチ製ポリスチレンスルホン酸リチウム30%水溶液(重量平均分子量:75000)0.8333gに超純水49.1667gを添加して希釈したもの)とをフラスコに入れ、有機化合物(B)の水溶液と炭素活物質(A)をなじませた。十分に馴染ませた後に、フラスコをオイルバスで95℃に加温して、攪拌しながら、溶媒を留去し、粉末状の非水系二次電池負極用活物質Aを得た。
<スラリー調製>
上記で調製した非水系二次電池負極用活物質A20gとカルボキシメチルセルロース水溶液(1質量%)20.2gを混合し、混練機(あわとり練太郎,株式会社シンキー製)によって混練した後(混練:2000rpm,5min;脱泡:2200rpm,1min)、スチレン−ブタジエンゴム水性ディスパージョン(40質量%)0.5gを加え、再び上記と同様の条件で混練を行って活物質スラリーを調製した。
〔比較例1〕
実施例1の非水系二次電池負極用活物質Aの代わりに、有機化合物(B)を含有していない、球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子を活物質として用いた以外は、実施例1と同様にして非水系二次電池負極用活物質Bを得た。
〔比較例2〕
実施例1の非水系二次電池負極用活物質Aの代わりに、有機化合物(B)を含有していない炭素活物質(A)を活物質として用いた以外は、実施例1と同様にして非水系二次電
池負極用活物質Cを得た。
〔比較例3〕
実施例1の炭素活物質Aの代わりに、球形化天然黒鉛(平均粒子径(d50)17μm)粒子を活物質として用いた以外は、実施例1と同様にして非水系二次電池負極用活物質Dを得た。
以上、調製した非水系二次電池負極用活物質A〜Dを使用し、作成した負極極板を用いてコインセルの容量ロス測定、ラミネートセルの初期ガス量測定及び保存ガス量測定の結果を下記表−2にまとめて示す。
Figure 2014146507
炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)と有機化合物(B)を含有した非水系二次電池負極用活物質(実施例1)は、比較例1、2、及び3の非水系二次電池負極用活物質と比較して、容量ロスが大幅に低減されていることが分かる。これは、非晶質炭素が被覆された球形化天然黒鉛が通常の球形化黒鉛と比較して、容量ロスが低減されていることと、さらに有機化合物(B)の効果によって、活物質表面が被覆されることで電解液の還元分解を抑制し、高い容量ロスの低減及び、ガス発生抑制されていることが分かる。

Claims (7)

  1. 炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)と、イオン性基及び芳香環を有する有機化合物(B)を含有することを特徴とする非水系二次電池負極用活物質。
  2. 有機化合物(B)の重量平均分子量が500以上、100万以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水系二次電池負極用活物質。
  3. 炭素物質の表面を非晶質炭素で被覆されてなる炭素活物質(A)に対して、有機化合物(B)が0.01質量%以上、10質量%以下含まれることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系二次電池負極用活物質。
  4. 有機化合物(B)が有するイオン性基が、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、アミノ基及びそれらの塩からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用活物質。
  5. 炭素物質が球形化天然黒鉛であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用活物質。
  6. 集電体と、該集電体上に形成された活物質層とを備え、該活物質層が、請求項1〜5のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用活物質を含む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、電解質を備える非水系二次電池であって、前記負極が、請求項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。
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