JP2014203828A - リチウムイオン電池用黒鉛負極材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係るリチウムイオン電池用黒鉛負極材は、黒鉛基体と、黒鉛基体を被覆した表面被覆層と、表面被覆層の表面にその場で生じたカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーとを含有する複合材料である。その製造方法は、固相又は液相環境下で被覆された炭素材料前駆体を触媒の作用で炭化して非晶質炭素の表面被覆層を形成し、そして化学気相成長法によって該表面被覆層の表面に高導電性を有するカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーを形成することを含む。
【選択図】図1
Description
(1)黒鉛基体材料と触媒を含有する炭素材料前駆体とを混合して混合物を得る工程と、
(2)保護雰囲気下で温度を200〜1800℃まで上昇させて化学気相成長を行い、そして保温、降温を経て前記リチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程と
を含む。
(1)5wt%以下の触媒を固有する炭素材料前駆体、あるいは固相又は液相方法で5wt%以下の触媒を注入して形成した炭素材料前駆体と黒鉛基体材料とを質量比0.5:100〜30:100の割合で固相混合又は液相混合して混合物が得られ、そのうち、前記触媒は、金属単体、金属酸化物、合金、塩、有機金属化合物及び層状複金属水酸化物のうちの1種又は2種以上の組み合わせである工程と、
(2)工程(1)で得られた混合物を保護雰囲気下で低温炭化又は高温で黒鉛化して、低温炭化物又は高温黒鉛化物をそれぞれ得る工程と、
(3)工程(2)で得られた低温炭化物又は高温黒鉛化物を、保護雰囲気下で、300〜1300℃まで昇温させて6時間以内の間保温した後、炭素ガスを注入して、300〜1300℃下で、12時間以内の間保温し、引き続き保護性ガスを注入し、降温して前記リチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程と、
(4)篩い分け、消磁を経て、粒径1〜50μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程と
を含む。
炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの天然球状黒鉛を、VC―500型ミキサー中に入れ、天然球状黒鉛との質量比(石油ピッチ:天然球状黒鉛)が0.5:100の石炭ピッチを導入して5000rpmの回転速度で固相混合を5分間行って混合物を得た。次に、混合物の体積がるつぼ容量の50%となるように、混合物をトンネル窯に配置されたるつぼ中に入れ、10m3/時間の流量で窒素ガスを注入し、0.1℃/分の昇温速度で温度を300℃まで上昇させて1時間熱処理した。次に、前記熱処理による生成物を回転炉中に入れ、回転速度を1rpmとし、0.05L/分の流量で窒素ガスを注入し、0.1℃/分の昇温速度で温度を300℃まで上昇させて0.5時間保持した。その後、0.05L/分の流量で炭素ガスである天然ガスを注入して化学気相成長を行い、5時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、0.05L/分の流量で窒素ガスを持続して注入して6時間保持した。その後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入することによって100℃以下に降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で消磁を3回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径が12.9μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの天然鱗片状黒鉛を、VC―500型ミキサー中に入れ、天然鱗片状黒鉛との質量比(石油ピッチ:天然鱗片状黒鉛)が30:100の石油ピッチを投入して固相混合を500rpmの回転速度で180分間行って混合物を得た。次に、混合物体積がるつぼ容量の10%となるように、混合物をトンネル窯に配置されたるつぼ中に入れ、10m3/時間の流量で窒素ガスを注入し、20℃/分の昇温速度で温度を1300℃まで上昇させて30時間熱処理した。次に、前記熱処理による生成物を回転炉中に入れ、回転速度を20rpmとし、10L/分の流量で窒素ガスを注入し、50℃/分の昇温速度で温度を1300℃まで上昇させて1時間保持した。その後、10L/分の流量で炭素ガスであるメタンを注入して化学気相成長を行い、0.1時間保持した後、炭素ガスの注入を止めて、10L/分の流量で窒素ガスを持続して注入して6時間保持した。その後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入して降温する方式で100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を止めて、得られたものを篩い分けて、10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で消磁を3回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径が11.9μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの人造黒鉛を、VC―150型ミキサー中に入れ、人造黒鉛との質量比(石油ピッチ:人造黒鉛)が10:100である石炭ピッチを投入して、3000rpmの回転速度で固相混合を150分間行って混合物を得た。次に、混合物体積がるつぼ容量の50%となるように、混合物をトンネル窯に配置されたるつぼ中に入れ、5m3/時間の流量で窒素ガスを注入し、10℃/分の昇温速度で600℃まで昇温して10時間熱処理した。次に、前記熱処理による生成物を回転炉中に入れ、回転速度を10rpmとし、5L/分の流量で窒素ガスを注入し、25℃/分の昇温速度で温度を900℃まで上昇させて3時間保持した。その後、5L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入して化学気相成長を行い、3時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、5L/分の流量で窒素ガスを持続して注入して、3時間保持した後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入することによって100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で消磁を3回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径が16.9μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
Fe(NO3)3を1%ドープしたアクリル酸樹脂を水中に加え、高速攪拌機を用いて8000rpmの攪拌回転速度、90℃の温度で液相混合を5分間行い、そしてアクリル酸樹脂とメソカーボンマイクロビーズとの質量比が0.1:100となるように、炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmのメソカーボンマイクロビーズを前記混合物中に加え、引き続き高速攪拌機で液相混合を8000rpmの攪拌回転速度で5分間行った。使用される溶媒水とメソカーボンマイクロビーズとの質量比は2:1とした。次に、混合物を噴霧乾燥機で乾燥させた。このとき、入り口温度を350℃、出口温度を150℃、圧力を100MPa、材料供給頻度を10Hzとした。前記熱処理による生成物を回転炉中に入れ、回転速度を5rpmとし、15L/分の流量でアルゴンガスを注入し、3.5℃/分の昇温速度で温度を800℃まで上昇させて2時間保持した後、5L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入して化学気相成長を行い、3時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、5L/分の流量でアルゴンガスを持続して注入して3時間保持した後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入することによって100℃以下まで降温し、アルゴンガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で5回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径18.2μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
Fe(NO3)3を5%ドープしたアクリル酸樹脂をN―メチルピロリドン(NMP)に加え、高速攪拌機で液相混合を500rpmの攪拌回転速度、温度10℃で180分間行い、そしてアクリル酸樹脂と天然球状黒鉛との質量比が0.01:100となるように、炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの天然球状黒鉛を前記混合物中に加え、引き続き高速攪拌機で液相混合を500rpmの攪拌回転速度で180分間行った。使用される溶媒のN―メチルピロリドン(NMP)と天然球状黒鉛との質量比は3:1とした。次に、混合物を噴霧乾燥機で乾燥させた。このとき、入り口温度を150℃、出口温度を50℃、圧力を10MPa、材料供給頻度を100Hzとした。熱処理による生成物を回転炉中に入れ、回転速度を0.5rpmとし、20L/分の流量でネオンガスを注入し、0.2℃/分の昇温速度で温度を600℃まで上昇させて1時間保持した後、0.5L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入して化学気相成長を行い、1時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、0.5L/分の流量でネオンガスを持続して注入して2時間保持した後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入して降温する方式によって100℃以下まで降温し、ネオンガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で消磁を5回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径12.8μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
Fe(NO3)3固相を4%石油ピッチ中にドープして、VC―500型ミキサー中に入れて5000rpmの回転速度で固相混合を5分間行って混合物を得た。次に、炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの天然球状黒鉛をVC―500型ミキサー中に投入し、天然球状黒鉛との質量比(混合物:天然球状黒鉛)が7:100の前記混合物を注入して固相混合を5000rpmの回転速度で5分間行って混合物を得た。次に、混合物を回転炉中に投入し、回転速度を15rpmとし、9L/分の流量で窒素ガスを注入して、15℃/分の昇温速度で1000℃まで昇温して2時間保持した。その後、9L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入して化学気相成長を行って、0.5時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、9L/分の流量で窒素ガスを持続して注入して5時間保持し、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入して降温する方式によって100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で消磁を5回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径11.4μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
0.01%Niをドープしたポリエチレンオキシドをジメチルアセトアミド中に加え、高速攪拌機で液相混合を5000rpmの攪拌回転速度、温度30℃で20分間行い、そしてポリエチレンオキシドと結晶脈状黒鉛との質量比が40:100となるように、炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの結晶脈状黒鉛を前記混合物中に加え、引き続き高速攪拌機で液相混合を5000rpmの攪拌回転速度で120分間行った。使用される溶媒のジメチルアセトアミドと結晶脈状黒鉛との質量比は1:10とした。次に、混合物を噴霧乾燥機で乾燥させた。このとき、入り口温度を280℃、出口温度を120℃、圧力を50MPa、材料供給頻度を50Hzとした。熱処理による生成物を黒鉛化炉に配置されたるつぼ中に入れ、10L/分の流量でヘリウムガスを注入し、10℃/分の昇温速度で温度を2700℃まで上昇させて、48時間高温で黒鉛化し、そして降温して、高温で黒鉛化された生成物を回転炉中に入れ、回転速度を50rpmとし、0.05L/分の流量でヘリウムガスを注入し、60℃/分の昇温速度で温度を1500℃まで上昇させて4.5時間保持した。その後、0.05L/分の流量で炭素ガスである液化石油ガスを注入して、化学気相成長を行い、0.5時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、10L/分の流量でヘリウムガスを持続して注入して3時間保持した後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入することによって100℃以下まで降温し、ヘリウムガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、10℃の処理温度で5回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径19.8μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
10%Ni0.5Mg0.5Oをドープしたエポキシ樹脂をテトラヒドロフラン中に加え、高速攪拌機で液相混合を、10000rpmの攪拌回転速度、温度92℃で20分間行い、そしてエポキシ樹脂と微結晶黒鉛との質量比が35:100となるように、炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの微結晶黒鉛を前記混合物中に加え、引き続き高速攪拌機で液相混合を、10000rpmの攪拌回転速度で240分間行った。使用される溶媒であるテトラヒドロフランと微結晶黒鉛との質量比は40:10とした。次に、混合物を噴霧乾燥機で乾燥させた。このとき、入り口温度を400℃、出口温度を200℃、圧力を150MPa、材料供給頻度を200Hzとした。熱処理による生成物を黒鉛化炉に配置されたるつぼ中に投入し、10L/分の流量で窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを注入し、1℃/分の昇温速度で温度を3200℃まで上昇させて0.5時間高温で黒鉛化し、そして降温し、高温で黒鉛化された生成物を回転炉中に入れ、回転速度を100rpmとし、10L/分の流量で窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを注入し、80℃/分の昇温速度で温度を1800℃まで上昇させて、6時間保持した。その後、20L/分の流量で炭素ガスであるチオフェンを注入して、化学気相成長を行って8時間保持し、炭素ガスの注入を停止し、10L/分の流量で窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを持続して注入して4時間保持し、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入することによって100℃以下まで降温し、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、処理温度10℃で5回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径18.2μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの人造黒鉛を、VC―500型ミキサー中に入れ、人造黒鉛との質量比(石油ピッチ:人造黒鉛)が5:100である石炭ピッチを注入して固相混合を、3000rpmの回転速度で50分間行って混合物を得た。次に、混合物体積がるつぼ容量の70%となるように、混合物を黒鉛化炉に設置されたるつぼ中に投入し、2m3/時間の流量で窒素ガスを注入し、1℃/分の昇温速度で温度を2800℃まで上昇させて、10時間高温で黒鉛化した。次に、降温して、前記高温で黒鉛化された生成物を回転炉中に入れ、回転速度を15rpmとし、0.5L/分の流量で窒素ガスを注入し、0.5℃/分の昇温速度で温度を800℃まで上昇させて3時間保持した。その後、0.5L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入して化学気相成長を行い、3時間保持した。その後、炭素ガスの注入を停止し、0.5L/分の流量で窒素ガスを持続して注入して3時間保持した後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入する降温方式により100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、処理温度10℃で3回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径49.6μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
Fe(NO3)3を15%ドープしたアクリル酸樹脂をN―メチルピロリドン(NMP)中に加え、高速攪拌機で液相混合を、500rpmの攪拌回転速度、温度50℃で180分間行い、そしてアクリル酸樹脂と天然黒鉛との質量比が10:100となるように、炭素含有量が85%以上、粒径が1〜40μmの天然黒鉛を前記混合物中に加え、引き続き高速攪拌機で液相混合を500rpmの攪拌回転速度で180分間行った。使用される溶媒であるN―メチルピロリドン(NMP)と天然黒鉛との質量比は2:1とした。次に、混合物を噴霧乾燥機で気相乾燥させた。このとき、入り口温度を250℃、出口温度を110℃、圧力を10MPa、材料供給頻度を50Hzとした。次に、混合物体積がるつぼ容量の70%となるように、混合物を黒鉛化炉に配置されたるつぼ中に投入し、1m3/時間の流量で窒素ガスを注入し、0.5℃/分の昇温速度で温度を3000℃まで上昇させ、5時間高温で黒鉛化し、そして降温して、前記高温で黒鉛化された生成物を回転炉中に投入し、回転速度を0.5rpmとし、15L/分の流量で窒素ガスを注入し、0.2℃/分の昇温速度で温度を600℃まで上昇させて1時間保持した。その後、0.5L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入して、化学気相成長を行い、1時間保持した後、炭素ガスの注入を停止し、0.5L/分の流量で窒素ガスを持続して注入して、2時間保持した。その後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入する降温方式によって100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、処理温度10℃で5回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径1.2μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの天然鱗片状黒鉛を回転炉中に入れ、回転速度を10rpmとし、5L/分の流量で窒素ガスを注入し、25℃/分の昇温速度で温度を900℃まで上昇させて3時間保持した。その後、5L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入し、化学気相成長を行って3時間保持した後、炭素ガスの注入を停止し、5L/分の流量で窒素ガスを持続して注入し、3時間保持した。その後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入する降温方式によって100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、処理温度10℃で3回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径12.9μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
炭素含有量が85%以上、粒径が3〜40μmの天然球状黒鉛を回転炉中に入れ、回転速度を20rpmとし、10L/分の流量で窒素ガスを注入し、5℃/分の昇温速度で温度を600℃まで上昇させて3時間保持した。その後、10L/分の流量で炭素ガスであるアセチレンを注入し、化学気相成長を行って3時間保持した後、炭素ガスの注入を停止し、10L/分の流量で窒素ガスを持続して注入し、3時間保持した。その後、炉壁と炉壁内における熱伝導層との間に冷空気を注入する降温方式によって100℃以下まで降温し、窒素ガスの注入を停止し、得られたものを篩い分けて、消磁を10000Gsの磁気誘導の強さ、処理温度10℃で3回行い、電磁式ハンマー打撃回数を20回/秒とし、平均粒径15.3μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得た。
以下の方法によって、実施例1〜10、並びに比較例1及び2で製造されたリチウムイオン電池用黒鉛負極材をテストした。
黒鉛基体に対する表面被覆層の質量比=炭素材料前駆体質量×炭素材料前駆体の焼結温度下での残留炭素率/黒鉛基体質量
a.低温炭化又は高温黒鉛化の工程を含まない場合:
黒鉛基体に対するカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーの質量比(カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバー/黒鉛基体)=(得られた複合材料質量―混合物熱処理後の生成物質量)/黒鉛基体質量
b.低温炭化の工程を含む場合:
黒鉛基体に対するカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーの質量比(カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバー/黒鉛基体)=(得られた複合材料質量―混合物低温炭化後の生成物質量)/黒鉛基体質量
c.高温黒鉛化の工程を含む場合:
黒鉛基体に対するカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーの質量比(カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバー/黒鉛基体)=(得られた複合材料質量―混合物高温黒鉛化後の生成物質量)/黒鉛基体質量
マルバーンレーザー粒径分析計MS 2000で材料の粒径範囲及び原料粒子の平均粒径を測定した。
図2に示すように、実施例1で得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材の断面SEM図では、黒鉛基体の層間に網状に分布しているカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーが示された。
図3に示すように、実施例2で得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材は5C、10C、20C及び30Cの放電レート下で容量保持率は比較例1よりも著しく優れる。
図4に示すように、実施例2で得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材のレートサイクル性能図では、充放電を528回までサイクル後の容量保持率は92%にも達し、サイクルの安定性に優れることが明らかである。
図5に示すように、実施例2で得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材の高温60℃でのサイクル容量保持率は、300サイクル後82%であり、得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材は良好な高温サイクル性能を有し、電解液との相溶性が良いことが明らかである。
図6に示すように、実施例2で得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材は常温での1Cサイクルデータから、1185回までサイクルしても82.5%の容量が残されることが分かり、得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材は優れるサイクル性能を有することが明らかである。
Claims (10)
- リチウムイオン電池用黒鉛負極材であって、
黒鉛基体と、黒鉛基体を被覆した表面被覆層と、表面被覆層表面にその場で生じたカーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーとを含有する複合材料であることを特徴とするリチウムイオン電池用黒鉛負極材。 - 前記複合材料は、層間隔D002が0.3356〜0.347nm、比表面積が1〜20m2/gであり、前記表面被覆層は炭素材料前駆体を炭化して形成された非晶質炭素であり、前記黒鉛基体に対する前記表面被覆層の質量比(表面被覆層:黒鉛基体)は0.01:100〜15:100であり、前記カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーは網状構造で、平均長さが0.5〜100μm、平均直径が10〜500nmであり、前記黒鉛基体に対する前記カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバーの質量比(カーボンナノチューブ及び/又はカーボンナノファイバー:黒鉛基体)は0.01:100〜15:100であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材。
- 請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法であって、
(1)黒鉛基体材料と触媒を含有する炭素材料前駆体とを混合して混合物を得る工程と、
(2)保護雰囲気下で温度を200〜1800℃まで上昇させ、化学気相成長を行なった後、保温、降温を経て、前記リチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程と
を含むことを特徴とするリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。 - 前記工程(2)の後に、(3)篩い分け、消磁を行ない、粒径1〜50μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程を含むことを特徴とする請求項3に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。
- 工程(1)に記載の混合は、固相混合又は液相混合であり、
前記固相混合は、高速改質VC混合機、円錐形ブレンダー、ボールミル、混練機及び融合機のうちのいずれか1種を使用して行われることが好ましく、高速改質VC混合機を使用して行われることがさらに好ましく、
前記高速改質VC混合機の回転速度は、好ましくは100〜8000rpm、更に好ましくは200〜6000rpm、特に好ましくは500〜5000rpmであり、
前記高速改質VC混合機の混合時間は、好ましくは1〜300分、更に好ましくは2〜240分、特に好ましくは5〜180分であり、
前記液相混合は、好ましくは高速攪拌機を採用し又はゾル―ゲル法で混合し、更に好ましくは高速攪拌機で攪拌混合し、特に好ましくは高速攪拌機を溶媒中に入れて攪拌混合した後、乾燥して混合物を得て、
前記高速攪拌機の攪拌速度は、好ましくは100〜12000rpm、更に好ましくは200〜10000rpm、特に好ましくは500〜8000rpmであり、
前記高速攪拌機の攪拌時間は、好ましくは1〜300分、更に好ましくは2〜240分、特に好ましくは5〜180分であり、
前記液相混合の混合温度は、好ましくは5〜95℃、更に好ましくは8〜92℃、特に好ましくは10〜90℃であり、
前記液相混合の溶媒は、好ましくは水及び/又は有機溶媒であり、
前記液相混合の有機溶媒は、好ましくはテトラヒドロフラン、アミド、アルコール及びケトンのうちの1種又は2種以上の組み合わせ、更に好ましくはテトラヒドロフラン、ジメチルアセトアミド、C1−C6アルコール及びC3−C8ケトンのうちの1種又は2種以上の組み合わせ、特に好ましくはテトラヒドロフラン、ジメチルアセトアミド、エタノール、グリセロール、イソプロパノール、アセトン、N―メチルピロリドンのうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、
前記黒鉛基体に対する前記液相混合の溶媒の質量比(液相混合の溶媒:黒鉛基体)は、好ましくは0.5:10〜50:10、更に好ましくは1:10〜40:10、特に好ましくは1:10〜30:10であり、
前記乾燥は、好ましくは噴霧乾燥機、吸引濾過機又は凍結乾燥機を使用し、更に好ましくは噴霧乾燥機を使用し、
前記噴霧乾燥機の入り口温度は、好ましくは110〜500℃、更に好ましくは130〜400℃、特に好ましくは150〜350℃であり、前記噴霧乾燥機の出口温度は、好ましくは20〜250℃、更に好ましくは35〜200℃、特に好ましくは50〜150℃であり、前記噴霧乾燥機の圧力は、好ましくは5〜150MPa、更に好ましくは7〜120MPa、特に好ましくは10〜100MPaであり、前記噴霧乾燥機の材料供給頻度は、好ましくは2〜200Hz、更に好ましくは5〜160Hz、特に好ましくは10〜100Hzであることを特徴とする請求項3又は4に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。 - 前記工程(1)に記載の黒鉛基体材料は、天然鱗片状黒鉛、微結晶黒鉛、結晶脈状黒鉛、人造黒鉛、天然球状黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、導電性黒鉛のうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、
前記工程(1)に記載の黒鉛基体材料は、炭素含有量が85%以上、アスペクト比が1.0〜4.5、平均粒径が3〜40μmであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。 - 前記工程(1)に記載の前記炭素材料前駆体は、触媒を固有する化学物質、あるいは固相又は液相方法で触媒を導入した化学物質であり、
前記化学物質は、好ましくはフラン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリフルフラール、ポリプロピレンアルコール、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、アクリル酸樹脂、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリプロピルベンゼン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフェニレン、ポリフェニレンエチレン、ポリジアセチレン、石炭ピッチ、石油ピッチのうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、
前記黒鉛基体材料に対する前記工程(1)に記載した炭素材料前駆体の質量比(工程(1)に記載した炭素材料前駆体:黒鉛基体材料)は、好ましくは0.01:100〜40:100、更に好ましくは0.1:100〜35:100、特に好ましくは0.5:100〜30:100であり、
前記触媒は、好ましくは金属単体、金属酸化物、合金、塩、有機金属化合物及び層状複金属水酸化物のうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、前記金属単体は、好ましくは鉄、コバルト、ニッケルの単体であり、前記金属酸化物は、好ましくはNi0.5Mg0.5O、MgO、FeO、Fe2O3、NiO、CoO、Co2O3、Co3O4であり、前記合金は、好ましくはEr−Ni、Ni−Al、Ni−Cu−Al、Ni−La−Al合金であり、前記塩は、好ましくは硝酸塩、硫酸塩、金属ハロゲン化物、更に好ましくはFe(NO3)3、Ni(NO3)2、Co(NO3)2、NiSO4、FeCl3であり、前記有機金属化合物は、好ましくはフェロセンであり、前記層状複金属水酸化物は、好ましくはCo−Al−CO3LDHs、Mg−Al−CO3 2−LDHsであり、
前記触媒の含有量は、好ましくは10%以下、更に好ましくは8%以下、特に好ましくは5%以下であることを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。 - 前記工程(1)と工程(2)の間に、(2a)工程(1)で得られた混合物を保護雰囲気下で低温炭化又は高温黒鉛化を行ない、低温炭化物又は高温黒鉛化物をそれぞれ得る工程をさらに含み、
前記工程(2a)に記載した前記低温炭化の具体的な過程は、
前記工程(1)で得られた混合物を、高砂窯、トンネル窯、ローラーハースキルン又は焼成炉に設置されたるつぼに入れ、保護雰囲気下で、20℃/分以下の昇温速度で温度を200〜2000℃まで上昇させ、60時間以内に低温炭化してから降温することが好ましく、
前記工程(2a)に記載した前記低温炭化過程の昇温速度は、好ましくは20℃/分以下、更に好ましくは0.5〜15℃/分、特に好ましくは1〜10℃/分であり、
前記工程(2a)に記載した前記低温炭化過程の温度は、好ましくは200〜2000℃、更に好ましくは240〜1900℃、特に好ましくは300〜1800℃であり、
前記工程(2a)に記載した前記保護雰囲気は、好ましくは不活性ガス、更に好ましくは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスのうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、
前記工程(2a)に記載した前記保護雰囲気の流量は、好ましくは20m3/時間以下、更に好ましくは0.05〜15m3/時間、特に好ましくは0.1〜10m3/時間であり、
前記工程(2a)に記載の前記低温炭化時間は、好ましくは60時間以内、特に好ましくは0〜48時間であり、
工程(2a)に記載の前記高温黒鉛化過程は、工程(1)で得られた混合物を、黒鉛化炉に設置されたるつぼに入れて、保護雰囲気下で、20℃/分以下の昇温速度で温度を2500〜3500℃まで上昇させ、80時間以内に高温黒鉛化してから降温することが好ましく、
工程(2a)に記載の前記高温黒鉛化過程の昇温速度は、好ましくは20℃/分以下、更に好ましくは0.5〜15℃/分、特に好ましくは1〜10℃/分であり、
工程(2a)に記載の前記高温黒鉛化過程の温度は、好ましくは2500〜3500℃で、特に好ましくは2700〜3200℃であり、
工程(2a)に記載の前記高温黒鉛化の時間は、好ましくは80時間以内、特に好ましくは0〜48時間であることを特徴とする請求項3〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。 - 前記工程(2)に記載の具体的な過程は、ロータリーキルン、管状炉又はカーボンチューブ炉の炉室において、保護雰囲気下で温度を200〜1800℃まで上昇させ、6時間以内の間保温し、その後炭素ガスを持続して注入し12時間以内の間保温し、その後炭素ガスの注入を止めて、保護性ガスを引き続き注入し降温して、前記リチウムイオン電池用黒鉛負極材を得て、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記保護雰囲気は、好ましくは不活性ガス、更に好ましくは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスのうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記保護雰囲気の流量は、好ましくは20L/分以下、更に好ましくは15L/分以下、特に好ましくは0.05〜10L/分であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記炉室の回転速度は、好ましくは100rpm以下、更に好ましくは50rpm以下、特に好ましくは20rpm以下であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記昇温速度は、好ましくは80℃/分以下、更に好ましくは60℃/分以下、特に好ましくは0.1〜50℃/分であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記昇温温度は、好ましくは200〜1800℃、更に好ましくは200〜1500℃、特に好ましくは300〜1300℃であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、保温時間は、好ましくは6時間以内、更に好ましくは4.5時間以内、特に好ましくは0.5時間〜3時間であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、注入された前記炭素ガスは、好ましくはメタン、アセチレン、エチレン、天然ガス、液化石油ガス、ベンゼン、チオフェンのうちの1種又は2種以上の組み合わせであり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、炭素ガスの注入流量は、好ましくは20L/分以下、更に好ましくは15L/分以下、特に好ましくは0.05〜10L/分であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記「炭素ガスを持続して注入し12時間以内の間保温」の保温時間は、好ましくは12時間以内、更に好ましくは8時間以内、特に好ましくは6時間以内であり、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記降温方式は、好ましくは、炉壁と炉壁内の熱伝導層との間に圧縮ガスを注入する方法、又は自然に降温する方法を採用し、
前記工程(2)に記載の具体的な過程において、前記降温は、好ましくは100℃以下まで、更に好ましくは常温まで自然に降温し、
前記工程(3)で得られたリチウムイオン電池用黒鉛負極材の粒径は、好ましくは3〜50μmであることを特徴とする請求項3〜8のいずれか一項に記載の方法。 - 請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法であって、
(1)5wt%以下の触媒を固有する炭素材料前駆体、あるいは固相又は液相方法で、5wt%以下の触媒を注入して形成した炭素材料前駆体と黒鉛基体材料とを、質量比0.5:100〜30:100の割合で固相混合又は液相混合を行なって混合物を得る工程であって、前記触媒は、金属単体、金属酸化物、合金、塩、有機金属化合物及び層状複金属水酸化物のうちの1種又は2種以上の組み合わせである工程と、
(2)工程(1)で得られた混合物を保護雰囲気下で低温炭化又は高温黒鉛化を行なって低温炭化物又は高温黒鉛化物をそれぞれ得る工程と、
(3)工程(2)で得られた低温炭化物又は高温黒鉛化物を、保護雰囲気下で300〜1300℃まで昇温させて6時間以内の間保温した後、炭素ガスを注入し、300〜1300℃下で12時間以内の間保温し、引き続き保護性ガスを注入し、降温して、前記リチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程と、
(4)篩い分け、消磁を経て、粒径1〜50μmのリチウムイオン電池用黒鉛負極材を得る工程と
を含むことを特徴とするリチウムイオン電池用黒鉛負極材の製造方法。
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