JP2016100208A - リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
このような背景から、LIBの性能向上が求められており、そのため特に重要な部材である負極材の特性改善が望まれている。
黒鉛は炭素原子の六角網面が規則正しく積層した構造を有し、積層した網面の端部よりリチウムイオンの挿入及び脱離反応が進行し、充放電を行う。
非晶質炭素は、六角網面の積層が不規則であるか、網面構造を有しないため、リチウムイオンの挿入及び脱離反応は非晶質炭素の全表面で進行することとなり、入出力特性に優れたリチウムイオン電池が得られやすい(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
HEV等に用いられる負極材としては、例えば、核となる第一の炭素相と、第一の炭素相よりも結晶性が低い第二の炭素相と、を含むリチウムイオン二次電池用負極材が知られている(例えば、特許文献3参照)。
また、特許文献3には、黒鉛等の第一の炭素相と、第一の炭素相の表面に存在し、第一の炭素相よりも結晶性が低い第二の炭素相と、を含む負極材が記載されているものの、低温での入出力特性が十分ではない。
このようにHEV等の用途に対して、要求を満足する負極材はこれまでに得られていない。
<1> 体積平均粒径が3μm〜20μmである黒鉛の第1粒子と、
前記第1粒子の表面に存在し、平均粒径が500nm以下である非晶質炭素の第2粒子と、
前記第1粒子又は前記第2粒子の表面の少なくとも一部に存在する炭素相と、
を含む炭素材料を含有するリチウムイオン二次電池用負極材。
<2> 前記第2粒子が、平均粒径が100nm未満である非晶質炭素の一次粒子の凝集体である<1>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<3> 前記黒鉛の第1粒子が、球状に賦形した黒鉛粒子である<1>又は<2>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<4> 前記炭素材料のX線回折法より求めた平均面間隔d002が0.335nm〜0.340nmである<1>〜<3>のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<5> 前記炭素材料の、不活性雰囲気中で1200℃、1時間の熱処理を行った後の、273Kにおける二酸化炭素の吸着量が0.15cm3/g以上である<1>〜<4>のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<6> 前記炭素材料の77Kでの窒素吸着測定より求めた比表面積が3m2/g〜12m2/gである<1>〜<5>のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<7> 前記炭素材料が空気気流中における示差熱分析において、300℃〜900℃の範囲に少なくとも三つの発熱ピークを有する<1>〜<6>のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<8> 前記炭素材料のラマンスペクトル解析から求められるR値が0.10〜0.90の範囲にある<1>〜<7>のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<9> <1)〜<8>のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含む負極材層と、集電体と、を含むリチウムイオン二次電池用負極。
<10> <9>に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、正極と、電解質と、を含むリチウムイオン二次電池。
また本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
更に、本明細書において組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
本明細書において「層」及び「膜」とは、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構成に加え、一部に形成されている形状の構成も包含される。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極材(以下、「負極材」とも称する)は、体積平均粒径が3μm〜20μmである黒鉛の第1粒子と、第1粒子の表面に存在し、平均粒径が500nm以下である非晶質炭素の第2粒子と、第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に存在する炭素相と、を含む炭素材料(以下、「特定炭素材料」とも称する)を含有する。
この理由は明らかではないが、以下のように考えられる。特定炭素材料に含まれる第1粒子は、結晶性及び配向性に優れる黒鉛であることにより、リチウムイオンの吸蔵量が増加し、リチウムイオン二次電池の放電容量を向上することができる。また、第1粒子の体積平均粒径を3μm〜20μmにすることにより、第1粒子同士の接触を向上しつつ、第1粒子の表面から内部へのリチウムイオンの拡散距離が適切になることで、リチウムイオンの挿入及び脱離が容易となり、放電容量を維持しつつ、低温条件下であってもリチウムイオン二次電池の入出力特性が向上する。
尚、本明細書において「低温」とは、−30℃〜−5℃の範囲を意味する。
また、第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に炭素相を配置することにより、特定炭素材料の比表面積を低減し、特定炭素材料表面とリチウムイオンとの反応性を低減することにより、リチウムイオンの消費を抑え、リチウムイオン二次電池の初回充電効率を向上することができる。
一方、第1粒子の表面に、平均粒径が500nm以下である非晶質炭素の第2粒子を配置することにより、リチウムイオンの挿入及び脱離反応が進行し易くなる。更に、特定炭素材料の比表面積が向上し、特定炭素材料の抵抗率を低減し、リチウムイオン二次電池の入出力特性を向上することができる。
全負極材中の特定炭素材料の含有量が50質量部以上であると、リチウムイオン二次電池の放電容量及び初回充放電効率を維持しつつ、低温での入出力特性を向上し易く、また、少なくとも後述する平均面間隔d002及び発熱ピークを達成し易い傾向にある。
[第1粒子]
本発明に係る特定炭素材料は、体積平均粒径が3μm〜20μmである黒鉛の第1粒子(以下、「第1粒子」とも略称する)を含む。
第1粒子の体積平均粒径が3μm以上であると、タップ密度が向上し、電極の作製における塗布特性が向上し、塗布が容易になると共に、第1粒子同士の接触が良好となり、リチウムイオン二次電池の入出力特性が向上する傾向にある。一方、体積平均粒径が20μmを以下であると、第1粒子表面から内部へのリチウムイオンの拡散距離が短くなるため、リチウムイオン二次電池の入出力特性が向上する傾向がある。第1粒子の体積平均粒径は、塗布特性及びリチウムイオン二次電池の入出力特性の観点から、5μm〜17μmであることが好ましく、5μm〜15μmであることがより好ましく、8μm〜1315μmであることが更に好ましい。
第1粒子は、放電容量及び充放電効率がともに向上する観点から、X線回折(XRD)法により求めた平均面間隔(d002)が0.335nm〜0.340nmであることが好ましく、0.335nm〜0.337nmであることがより好ましい。第1粒子の平均面間隔d002を0.340nm以下とすると、黒鉛の結晶性が高く、放電容量及び充放電効率がともに向上する傾向がある。一方、黒鉛結晶の理論値は0.3354nmであることから、第1粒子の平均面間隔d002がこの値に近いと、放電容量及び充放電効率がともに向上する傾向がある。
球状黒鉛粒子は、球状に賦形した黒鉛粒子であってもよい。球状に賦形した黒鉛粒子としては、例えば、塊状又は鱗片状黒鉛を表面改質処理することにより得られる球状黒鉛粒子が挙げられる。表面改質処理としては特に制限されず、良好な形状の粒子が得られる観点から、粉砕、圧縮、せん断、造粒等の機械的表面改質処理であることが好ましい。このような機械的表面改質処理を行う装置としては、ボールミル、振動ミル、メカノミル、媒体攪拌ミル、回転容器とその内部に取り付けられたテーパーとの間を粒子が通過する構造を有する装置等が挙げられる。
第1粒子の平均アスペクト比は0.1以上であることが好ましく、0.3以上であることが好ましい。第1粒子の平均アスペクト比が0.1以上であると、第1粒子中に占める鱗片状黒鉛の割合が多くなりすぎず、第1粒子の黒鉛エッジ面を適切な範囲内にすることができる傾向にある。通常、黒鉛エッジ面はベイサル面に比べて活性が高いことから、第1粒子に炭素相を付着させる工程において、炭素相が黒鉛エッジ面に選択的に形成される傾向がある。第1粒子の平均アスペクト比が上記範囲内であると、炭素相が均一に分散する傾向があり、形成される炭素相が第1粒子の表面で偏在することが抑制される傾向がある。
第1粒子は1種単独で、又は2以上を組み合わせて用いることができる。
本発明に係る特定炭素材料は、第1粒子の表面に存在し、平均粒径が500nm以下である非晶質炭素の第2粒子(以下、「第2粒子」とも称する)を含む。
カーボンブラックはその一次粒子同士が融着することでストラクチャーと呼ばれる二次粒子を形成するが、原料、製法等により一次粒子の粒径、ストラクチャーの長さ等が異なり、カーボンブラックの特性も変化する。
第2粒子の平均粒径が500nm以下であると、核粒子となる黒鉛の第1粒子の粒径に近づき過ぎず、第1粒子の表面への第2粒子の付着が容易となる傾向にある。また、特定炭素材料の比表面積が向上し、特定炭素材料の抵抗率を低減して、リチウムイオン二次電池の入出力特性を向上することが容易となる傾向にある。
第2粒子が上記一次粒子の凝集体である二次粒子である場合、二次粒子の平均粒径は、500nm以下であり、好ましい範囲は上述の第2粒子の平均粒径と同義である。
一次粒径及び二次粒径は、第2粒子の平均粒径と同じ方法により測定することができる。
本発明に係る特定炭素材料は、第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に存在する炭素相を含む。
炭素相は、第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に付着していることが好ましい。ここで、「付着」とは、第1粒子又は第2粒子と炭素相とが互いに接触している状態のことを意味する。この状態は、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察することができる。
炭素相の含有量が0.1質量部以上であると、リチウムイオン二次電池の入出力特性が向上する傾向にある。また、炭素相の含有量が20質量部以下であれば、特定炭素材料中の低結晶性成分の含有率を抑えることができ、リチウムイオン二次電池の放電容量の低下を抑えることができる傾向がある。
低結晶性炭素層には、酸素を含むC−O、C=O、C−OH、C−OOH等の表面官能基が存在することが好ましい。このような官能基の酸素量は、X線光電子分光法(XPS)によって求めることができる。特定炭素材料中の酸素量は、炭素相の量、すなわち低結晶性炭素の量に関連し、上述の通り、特定炭素材料中の炭素相の含有量が0.1質量部〜30質量部である場合、元素組成での全酸素の含有率は0.5atom%〜5.0atom%となる。このような酸素含有率とすることは、リチウムイオン二次電池の良好な入出力特性、放電容量及び初回充放電効率を発現する上で望ましい。
尚、本発明において、酸素含有率は、本発明に係る特定炭素材料の外表面に存在する酸素の割合を意味する。特定炭素材料の外表面に存在する酸素の割合は、走査型X線光電子分光分析装置(例えば、アルバック・ファイ(株)、「Quantera SXM」)を使用し、特定炭素材料の外表面の酸素元素濃度を測定することにより得ることができる。
平均面間隔d002は、例えば、特定炭素材料を製造する際の熱処理温度を高くすることで値が小さくなる傾向があり、この性質を利用して平均面間隔d002を上記範囲内に設定することができる。
尚、R値は、ラマンスペクトル測定装置(例えば、日本分光(株)、「NSR−1000型」、励起波長532nm)を用い、測定範囲(830cm−1〜1940cm−1)全体をベースラインとして求めることができる。
以上に述べた物性値を有する本発明の負極材は放電容量及び初回充放電効率を維持しつつ、充放電での入出力特性、特に低温での入出力特性に優れるため、加速時又はブレーキ回生時に大きな電流負荷がかかるHEV、高出力が必要となるパワーツール等に用いる高出力向けのリチウムイオン二次電池用負極材に最適である。また、寿命特性及び熱安定性も優れるため、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車等用のリチウムイオン二次電池にも用いることが可能である。
本発明の負極材の製造方法に特に制限はなく、通常行われている公知の方法のいずれを適用してもよい。
例えば、第1粒子と第2粒子と炭素相源とを含む炭素材料前駆体を作製した後、得られた炭素材料前駆体を熱処理することにより、特定炭素材料を含む本発明の負極材を得ることができる。より詳細には、第1粒子と第2粒子とを混合して第1粒子の表面に第2粒子を付着させた後、炭素相源と混合して第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に炭素相源を付着させ、その後、熱処理を行うことにより、本発明に係る炭素材料を含む負極材を得ることが好ましい。
第1粒子の表面に第2粒子を付着させる方法としては、特に制限はなく、第2粒子を溶媒中に分散させた混合溶液に、核となる第1粒子(粉末)を分散及び/又は混合した後、溶媒を除去する湿式方式、第1粒子と第2粒子とを固体同士で混合し、その混合物に力学的エネルギーを加えることで付着させる乾式方式等が挙げられる。工程の容易さの観点からは、乾式方式であることが好ましい。
乾式方法で混合及び/又は攪拌を行う際、第1粒子と第2粒子との混合物1kg当たり0.01kJ/kg〜1000kJ/kgの力学的エネルギーを印加することが好ましく、0.02kJ/kg〜500kJ/kgの力学的エネルギーを印加することがより好ましく、0.02kJ/kg〜100kJ/kgの力学的エネルギーを印加することが更に好ましい。
ここで、第1粒子と第2粒子との混合物に加える力学的エネルギーは、負荷(kW)に時間(h)を乗じ、充填した混合物の質量(kg)の商で表したものである。加える力学的エネルギーが0.01kJ/kg以上であると、第1粒子の表面への第2粒子の付着が充分となりやすく、電池の低温の入出力特性が良好となる傾向がある。また、加える力学的エネルギーが1000kJ/kg以下であると、第1粒子及び第2粒子の少なくとも一方の表面が荒らされにくく、電池の放電容量及び初回充放電効率が優れる傾向がある。
第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に炭素相源を付着させる方法としては、特に制限はなく、液体状の炭素相源又は炭素相源を溶媒に溶解又は分散させた混合溶液に、第1粒子及び第2粒子の複合化物を分散及び/又は混合した後、溶媒を除去する湿式方式、第1粒子及び第2粒子の複合化物と炭素相源とを固体同士で混合し、その混合物に力学的エネルギーを加えることで付着させる乾式方式、CVD法等の気相方式などが挙げられる。製造工程が容易である観点からは湿式方式又は乾式方式が好ましく、比表面積の制御の観点からは気相方式が好ましい。
第1粒子と第2粒子との複合化物及び炭素相源を混合した後に、熱処理を行うことにより、炭素相源の熱処理物である炭素相を第1粒子又は第2粒子の表面の少なくとも一部に付着させることにより、負極材を得ることができる。熱処理の条件は、炭素相源を炭素化することができれば特に限定されず、例えば、750℃〜2000℃の不活性雰囲気中で熱処理することを挙げることができる。熱処理温度は800〜1800℃であることが好ましく、900℃〜1400℃であることがより好ましい。不活性雰囲気としては、窒素雰囲気等が上げられる。熱処理時間は特に限定されず、10分〜5時間であることが好ましく、30分〜3時間であることがより好ましい。
熱処理により得られた特定炭素材料を解砕処理、篩い分け処理等を行って、特定炭素材料の粒径を所望の範囲に調整することもできる。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、本発明のリチウムイオン二次電池用負極材を含む負極材層と、集電体と、を含む。これにより、放電容量及び初回充放電特性を維持しつつ、低温での入出力特性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることが可能となる。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、本発明の負極材を含む負極材層及び集電体の他に、必要に応じて他の構成要素を含んでもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明のリチウムイオン二次電池用負極と、正極と、電解質と、を含む。例えば、本発明のリチウムイオン二次電池用負極と正極とをセパレータを介して対向して配置し、電解液を注入することにより得ることができる。
ここで、本発明の負極材は、放電容量及び初回充放電効率を維持しつつ、低温での入出力特性に優れることに加え、電解液の浸透性が速く電池製造が容易であるとともに、充放電サイクルを繰り返した場合の負極膨張、電池内のガス発生等による圧力上昇が小さいことが利点として挙げられる。そのため、上述した種々の形状のリチウムイオン二次電池の中で、ラミネート型電池、ペーパー型電池、積層型電池、角型電池等、比較的電解液の注液が難しい、又は充放電で電池が膨張し易い、薄型のリチウムイオン二次電池に本発明の負極材を用いることができる。
このため、本発明のリチウムイオン二次電池、特に薄型リチウムイオン二次電池は、パワーツール等の用途、電気自動車、特に、ハイブリッド電気自動車(HEV)等の高入出力特性を必要とする用途に好適である。
[負極材の作製]
体積平均粒径10μmの球状天然黒鉛粒子(d002=0.336nm、平均アスペクト比=0.7)100質量部及び市販のケッチェンブラック(一次粒径=50nm)2質量部を混合した。この混合物を、シリンダー内に回転翼を有する複合化装置(ホソカワミクロン(株)、「NOB−300」)中に密閉した。この装置を、24kWの負荷で5分間運転することによりシリンダー内壁と回転翼との間で材料を擦り合わせて、第1粒子である球状天然黒鉛粒子と第2粒子であるケッチェンブラックとの複合物を作製した。
この混合物を、窒素流通下、20℃/時間の昇温速度で900℃まで昇温し、1時間保持することにより、炭素相付黒鉛粒子を得た。
得られた炭素相付黒鉛粒子をカッターミルで解砕した後、300メッシュ篩で篩分け、その篩下分を実施例1の負極材とした。
また、実施例1の負極材のSEM像を図1に、DTAの結果を図2及び図3に示す。
実施例1の負極材及び界面活性剤を精製水中に分散させた溶液を、レーザー回折式粒度分布測定装置((株)島津製作所、「SALD−3000J」)の試料水槽に入れ、超音波をかけながらポンプで循環させながら、レーザー回折式で測定した。得られた粒度分布の体積累積50%粒径(50%D)を負極材の体積平均粒径とした。
実施例1の負極材を測定ステージに貼り付けたカーボンテープの上に載せて固定した。以下の測定条件において走査型電子顕微鏡(日本電子(株)、「JSM−6010LA」)を用いて、負極材の二次電子像を観察した。負極材表面に付着している第2粒子を任意に100個選択して粒径を測定し、その平均値を第2粒子の一次粒径とした。
出力:20kV
観察倍率:40000倍
実施例1の負極材を石英製の試料ホルダーの凹部分に充填し、測定ステージにセットした。以下の測定条件において広角X線回折装置((株)リガク)を用いて、負極材の平均面間隔d002を測定した。
線源:CuKα線(波長=0.15418 nm)
出力:40kV、20mA
サンプリング幅:0.010°
走査範囲:10°〜35°
スキャンスピード:0.5°/min
全自動ガス吸着量測定装置(日本ベル(株)、「BELSORP−II」)を用い、273KでのCO2吸着量は相対圧P/P0=0.0285のときの値を用いた(P=平衡圧、P0=26142mmHg(3.49MPa))。尚、CO2吸着量測定を行う前に測定試料を窒素ガス雰囲気下、1200℃で1時間前処理を行った。
高速比表面積/細孔分布測定装置(東海理機(株)、「フローソープII2300」)を用い、液体窒素温度(77K)での窒素吸着を多点法で測定しBET法より算出した。
示差熱熱重量同時測定装置(セイコーインスツル(株)、「EXSTAR TG/DTA6200」)を用い、以下の測定条件で測定した。結果を図2及び図3に示す。図3は、500℃〜900℃の範囲における示差熱分析の結果を示す図であり、図2は、図3のうち500℃〜700℃の範囲を示す拡大図である。
参照試料:α−アルミナ
温度範囲:30℃〜900℃
昇温速度:10℃/min
雰囲気:乾燥空気
流量:300ml/min
ラマンスペクトル測定装置(日本分光(株)、「NRS−1000型」、励起波長532nm)を用いて測定した。R値は、測定範囲(830cm−1〜1940cm−1)全体をベースラインとし、Gバンド由来のピーク高さ(Ig)とDバンド由来のピーク高さ(Id)との比(Id/Ig)をR値とした。
実施例1の負極材98質量部に対し、増粘剤としてのCMC(カルボキシメチルセルロース)(セロゲンWS−C;第一工業製薬(株))の濃度が2質量部の水溶液を、CMCの固形分で1質量部となるように加え、10分間混練した。次いで、負極材とCMCとを合わせた固形分濃度が40質量部〜50質量部となるように精製水を加え、10分間混練した。続いて、結着剤としてのSBR(日本ゼオン(株)、「BM400−B」)の濃度が40%水分散液をSBRの固形分で1質量部となるように加え、10分間混合してペースト状の負極材スラリーを作製した。
このスラリーを厚さ11μmの電解銅箔に単位面積当りの塗布量が4.5mg/cm2となるようにクリアランスを調整したコンマコーターで塗工した。その後、ハンドプレスで1.5g/cm3に電極密度を調整した。この電極を直径14mmの円盤状に打ち抜き、試料電極(負極)を作製した。
このコイン電池を使用して、放電容量、初回充放電効率及び入出力特性の評価を行った。
(1)0.48mAの定電流で0V(V vs. Li/Li+)まで充電し、次いで電流値が0.048mAになるまで0Vで定電圧充電を行い、このときの容量を初回充電容量とした。
(2)30分の休止時間後に、0.48mAの定電流で1.5V(V vs. Li/Li+)まで放電を行い、このときの容量を初回放電容量とした。尚、表1に示す放電容量は、この初回放電容量である。
(3)上記(1)及び(2)で求めた充放電容量から下記の式1を用いて、初回充放電効率を求めた。結果を表1に示す。
式1:初回充放電効率(%)=初回放電容量(mAh/g)/初回充電容量(mAh/g)×100
上記と同様の方法でコイン電池を作製し、下記手順で入出力特性の評価を行った。
(1)0.48mAの定電流で0V(V vs. Li/Li+)まで充電し、次いで電流値が0.048mAになるまで0Vで定電圧充電を行った。
(2)30分の休止時間後に、0.48mAの定電流で1.5V(V vs. Li/Li+)まで放電した。
(3)0.48mAの定電流で容量の半分まで充電を行った。
(4)常温(25℃)又は−30℃の恒温槽中で、2.4mA、7.2mA、12mAの電流値で10秒間放電を行い、その際の電圧降下(ΔV)を確認した。それぞれの電流値での試験の間には30分間の休止時間を置いた。
各電流値に対してΔVをプロットしその傾きを抵抗値(Ω)とした。この値が小さいほど入出力特性に優れると判断することができる。結果を表1に示す。
実施例1において、第2粒子の種類をケッチェンブラックからアセチレンブラック(一次粒径=50nm)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例2の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、コールタールピッチの投入量を5質量部から10質量部に変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例3の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、コールタールピッチをポリビニルアルコール(PVA)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例4の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、第2粒子の混合量を2質量部から1質量部に変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例5の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、黒鉛粒子の体積平均粒径を10μmから12μmに変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例6の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、黒鉛粒子の体積平均粒径を10μmから15μmに変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例7の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、焼成温度を900℃から1100℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例8の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
実施例1において、焼成温度を900℃から1200℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で実施例9の負極材及びリチウムイオン二次電池を作製した。得られた負極材及びリチウムイオン二次電池の特性を表1に示す。
体積平均粒径が10μmの球状天然黒鉛粒子(d002=0.336nm、平均アスペクト比=0.7)100質量部及びコールタールピッチ(軟化点98℃、残炭率(炭化率)50%)5質量部を混合した。窒素流通下、20℃/時間の昇温速度で900℃まで昇温し、1時間保持して、複合黒鉛粒子とした。得られた複合炭素粒子をカッターミルで解砕した後、300メッシュ篩で篩分けを行い、その篩下分を比較例1の負極材とした。更に、比較例1の負極材を使用した以外は実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた負極材及びリチウムイオン二次電池について、実施例1と同様の特性評価を行い、その結果を表1に示す。また、DTAの結果を図2及び図3に示す。
体積平均粒径が10μmの球状天然黒鉛粒子(d002=0.336nm、平均アスペクト比=0.7)100質量部及び市販のケッチェンブラック(一次粒径=50nm)2質量部を混合した。この混合物をシリンダー内に回転翼を有する複合化装置(ホソカワミクロン(株)、「NOB−300」)中に密閉した。この装置を、24kWの負荷で5分間運転することによりシリンダー内壁と回転翼の間で材料を擦り合わせて、第1粒子である球状天然黒鉛と第2粒子であるケッチェンブラックとの複合物を作製した。
得られた負極材及びリチウムイオン二次電池について、実施例1と同様の特性評価を行い、その結果を表1に示す。
石炭系コールタールをオートクレーブにより400℃で熱処理し、生コークスを得た。この生コークスを粉砕した後、1200℃の不活性雰囲気中でか焼し、コークス塊を得た。このコークス塊を分級機付きの衝撃粉砕機(ホソカワミクロン(株)、「ACM−2EC」)を用いて平均粒径15μmに粉砕後、200メッシュの篩に通した炭素粒子を比較例3の負極材(d002=0.342nm)として用いた。更に、比較例3の負極材を使用した以外は実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた負極材及びリチウムイオン二次電池について、実施例1と同様の特性評価を行い、その結果を表1に示す。
実施例1において、球状天然黒鉛粒子を比較例3で用いた平均粒径15μmのコークス炭素粒子に変更した以外は、実施例1と同様の方法で比較例4の負極材を作製した。更に、比較例4の負極材を使用した以外は実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた負極材及びリチウムイオン二次電池について、実施例1と同様の特性評価を行い、その結果を表1に示す。
実施例1において、核となる黒鉛粒子の体積平均粒径を10μmから23μmに変更した以外は、実施例1と同様の方法で比較例5の負極材を作製した。更に、比較例5の負極材を使用した以外は実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を作製した。
得られた負極材及びリチウムイオン二次電池について、実施例1と同様の特性評価を行い、その結果を表1に示す。
Claims (10)
- 体積平均粒径が3μm〜20μmである黒鉛の第1粒子と、
前記第1粒子の表面に存在し、平均粒径が500nm以下である非晶質炭素の第2粒子と、
前記第1粒子又は前記第2粒子の表面の少なくとも一部に存在する炭素相と、
を含む炭素材料を含有するリチウムイオン二次電池用負極材。 - 前記第2粒子が、平均粒径が100nm未満である非晶質炭素の一次粒子の凝集体である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記黒鉛の第1粒子が、球状に賦形した黒鉛粒子である請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素材料のX線回折法より求めた平均面間隔d002が0.335nm〜0.340nmである請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素材料の、不活性雰囲気中で1200℃、1時間の熱処理を行った後の、273Kにおける二酸化炭素の吸着量が0.15cm3/g以上である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素材料の77Kでの窒素吸着測定より求めた比表面積が3m2/g〜12m2/gである請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素材料が空気気流中における示差熱分析において、300℃〜900℃の範囲に少なくとも三つの発熱ピークを有する請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 前記炭素材料のラマンスペクトル解析から求められるR値が0.10〜0.90の範囲にある請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含む負極材層と、集電体と、を含むリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項9に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、正極と、電解質と、を含むリチウムイオン二次電池。
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