JP2016164862A - 二次電池負極用炭素材、二次電池負極用活物質、二次電池負極および二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウムイオンなどの化学種の吸蔵量および放出量のいずれもが改善された二次電池負極用炭素材を提供する。
【解決手段】二次電池負極用炭素材は、炭素を主成分とし、リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満である。
【選択図】図1
【解決手段】二次電池負極用炭素材は、炭素を主成分とし、リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満である。
【選択図】図1
Description
本発明は、二次電池負極用炭素材、二次電池負極用活物質、二次電池負極および二次電池に関する。
近年、携帯電話などの小型電気製品から自動車など大型機械製品まで種々の技術分野で二次電池の利用が検討されている。二次電池としては、電解質として有機電解質等を使用する非水電解液二次電池、または固体電解質を使用する固体電池など種々のタイプが検討されている。いずれのタイプの二次電池においても、二次電池の電荷担体となる化学種(たとえばリチウムイオンなど)が、正極の電極活物質層と負極の電極活物質層とを移動することによって充電および放電が繰り返される。
かかる二次電池において、負極に設けられる電極活物質層には、電極活物質として炭素材が含有されていることが一般的である。上記電極活物質層は、層構造である炭素材の層間に、化学種を吸蔵し、かつ当該層間から吸蔵された上記化学種を放出することにより、二次電池における充電および放電を可能とする。
負極の電池性能を改善するために、上記炭素材にリンを含有させることが提案されている。
たとえば、特許文献1には、有機材料が炭素化されてなり、所定範囲の量のリンを含有する炭素質材料(以下、従来技術1ともいう)が開示されている。当該炭素質材料である従来技術1を電極活物質層に含む電池用負極は、リンが含有されていることによって、リチウムのドープ量が向上することが説明されている。
また、特許文献2には、負極に用いられる炭素材として、リンと酸素と不可逆不純物とを含んだ非晶質炭素(以下、従来技術2ともいう)が開示されている。従来技術2は、石油生コークスにリン含有化合物を添加したものを500℃〜1500℃にて加熱することにより生成された非晶質炭素である。当該非晶質炭素である従来技術2に黒鉛が混合されてなる負極用活物質は、充放電効果が高いことが特許文献2に説明されている。より具体的には、リンは負の電荷を帯び易い材料であるため、従来技術2にリンが含有されていることにより、ドナーサイトがコークス内に多数形成され、これがリチウムイオンの吸着サイトとなることが推察されている。即ち、リンを含有する従来技術2は、リチウムイオンの吸蔵量が改善されることが示唆されている。
尚、特許文献3に関しては、後述する。
尚、特許文献3に関しては、後述する。
本発明者らが検討したところ、特許文献1および2に示唆されるとおり、二次電池負極用活物質に含有される炭素材にリンを含有させることによって、当該炭素材のリチウムイオン吸蔵量が増大する傾向にあることが確認された。かかるリチウムイオン吸蔵量の増大によって、負極の電気容量が増大する点で好ましい。
しかしながら、二次電池負極の電池性能を確実に改善するためには、単にリチウムイオンの吸蔵量を増大させただけでは不足であり、リチウムイオンの吸蔵量の増大とともに吸蔵されたリチウムイオンを放出する放出量も増大させる必要があった。
リチウムイオンの放出の観点から、従来技術1は、未だ改善の余地があった。
また同様の観点に関し、特許文献2には、従来技術2とともに黒鉛を用いて負極用活物質を生成することで、負極用活物質の不可逆容量を低減させることが可能であることが記載されている。即ち、非晶質炭素に比べてリチウムイオンの不可逆容量が低い黒鉛を、従来技術2とともに含有させることによって負極用活物質を構成し、これを用いて二次電池負極の不可逆容量を低減させる作用を発揮可能であることが特許文献2に説明されている。
しかし、従来技術2と共に黒鉛を混合させてリチウムイオンの不可逆容量が低減された負極用活物質をなすことは、従来技術2自体のリチウムイオンの不可逆容量を何ら改善させるものではない。リチウムイオンの放出量を改善するために負極用活物質に黒鉛を含有させることを必須とすることは、負極用活物質の設計の自由度を制限することとなるため好ましくない。したがって、従来技術2自体のリチウムの放出(即ち、リチウムイオンの不可逆容量の低減)の観点からは、従来技術2も未だ改善の余地があった。
しかし、従来技術2と共に黒鉛を混合させてリチウムイオンの不可逆容量が低減された負極用活物質をなすことは、従来技術2自体のリチウムイオンの不可逆容量を何ら改善させるものではない。リチウムイオンの放出量を改善するために負極用活物質に黒鉛を含有させることを必須とすることは、負極用活物質の設計の自由度を制限することとなるため好ましくない。したがって、従来技術2自体のリチウムの放出(即ち、リチウムイオンの不可逆容量の低減)の観点からは、従来技術2も未だ改善の余地があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵量および放出量のいずれもが改善された二次電池負極用炭素材を提供する。
また、本発明は、上記二次電池負極用炭素材を含んで生成される二次電池負極用活物質、当該二次電池負極用活物質を用いて構成される二次電池負極、および当該二次電池負極を用いる二次電池を提供する。
また、本発明は、上記二次電池負極用炭素材を含んで生成される二次電池負極用活物質、当該二次電池負極用活物質を用いて構成される二次電池負極、および当該二次電池負極を用いる二次電池を提供する。
本発明の二次電池負極用炭素材(以下、単に炭素材ともいう)は、炭素を主成分とし、リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満であることを特徴とする。
また本発明の二次電池負極用活物質(以下、単に負極用活物質ともいう)は、本発明の二次電池負極用炭素材を含有することを特徴とする。
また本発明の二次電池負極(以下、単に負極ともいう)は、本発明の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、上記二次電池負極用活物質層が積層された負極用集電体と、を有することを特徴とする。
また本発明の二次電池は、本発明の二次電池負極と、電解質と、二次電池正極と、を備えることを特徴とする。
本発明の炭素材は、所定範囲の量のリンを含有するとともに、炭酸ガスの吸着量が所定範囲以下であることにより、リチウムイオン等の化学種の吸蔵量および放出量のいずれもが改善されている。
また、本発明の炭素材を含有する負極用活物質は、これを備える負極の充電容量および充放電効率を向上させ得る。
そのため、本発明の負極は、充電容量および充放電効率に優れ、当該負極を備える本発明の二次電池は、優れた電池性能を示す。
そのため、本発明の負極は、充電容量および充放電効率に優れ、当該負極を備える本発明の二次電池は、優れた電池性能を示す。
本発明者らは、炭素材における化学種の吸蔵および放出を改善すべく検討し、所定の範囲のリンを含有するとともに所定値未満の炭酸ガスの吸着量が実現された炭素材であれば上記課題を解決することを見出し本発明の完成に至った。
即ち、従来の炭素材は、上述するとおりリンを含有させることによってリチウムイオンの吸蔵量を改善することは示唆されていたものの、吸蔵されたリチウムイオンを充分に放出させることについての検討はなされていなかった。
本発明者らは、上記課題を解決するための検討において炭素材の炭酸ガス吸着量に着眼した。一般的には、炭酸ガスの吸着量が大きい炭素材は、リチウムイオンの吸蔵に優れることが知られている。たとえば、特開平10−223226号公報(特許文献3)には炭酸ガスの吸着量が10ml/g以上である二次電池電極用炭素質材料が開示されており、炭酸ガスの吸着量が10ml/g以下のものは、リチウムイオンのドープ量が小さく好ましくないと説明されている。
本発明者らは、上記課題を解決するための検討において炭素材の炭酸ガス吸着量に着眼した。一般的には、炭酸ガスの吸着量が大きい炭素材は、リチウムイオンの吸蔵に優れることが知られている。たとえば、特開平10−223226号公報(特許文献3)には炭酸ガスの吸着量が10ml/g以上である二次電池電極用炭素質材料が開示されており、炭酸ガスの吸着量が10ml/g以下のものは、リチウムイオンのドープ量が小さく好ましくないと説明されている。
しかし、本発明者らの検討によれば、炭酸ガスの吸着量が10ml/g以上である炭素材は、リチウムイオンの吸蔵量は増大するものの、不可逆的な傾向が強いことがわかった。かかる理由は明らかではないが、吸蔵されたリチウムイオンが炭酸ガスの吸着量の大きい炭素材の内部でクラスター化し、これにより放出され難くなっているものと推察された。
そこで、本発明者らは鋭意検討の末、所定の範囲のリンを含有する炭素材において、一般的にはリチウムイオンの吸蔵の観点では好ましくないとされている10ml/g未満の炭酸ガス吸着量を示す炭素材を生成した。当該炭素材は、驚くべきことに、炭酸ガスの吸着量が10ml/g未満であるにも関わらず、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵が改善された。しかも、本発明の炭素材は、吸蔵されたリチウムイオンの放出も改善されており、充放電効率にも優れる。即ち、本発明の炭素材は、所望の範囲のリンの含有と、所定値未満の炭酸ガス吸着量という2つの構成が相俟って、化学種の吸蔵および放出のいずれもが改善された。
<二次電池負極用炭素材>
以下、本発明の炭素材を実施するための形態について詳細に説明する。尚、本実施形態に関する説明では、化学種として適宜、リチウムイオンを例に説明するが、これは例示であって、本実施形態にかかる炭素材が他の化学種を吸蔵放出する態様を除外するものではない。
以下、本発明の炭素材を実施するための形態について詳細に説明する。尚、本実施形態に関する説明では、化学種として適宜、リチウムイオンを例に説明するが、これは例示であって、本実施形態にかかる炭素材が他の化学種を吸蔵放出する態様を除外するものではない。
本実施形態にかかる二次電池負極用炭素材は、炭素を主成分とし、リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満である。
かかる構成を有する本実施形態の炭素材は、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵および放出のいずれもが改善される。即ち、本実施形態における炭素材は、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵量が改善されるとともに、吸蔵した化学種を充分に放出可能であるため充放電効率が高い。そのため、二次電池負極を構成するための材料として好適であり、これを用いた二次電池負極の電池特性を向上させることが可能である。
本実施形態にかかる炭素材は、炭素を主成分とする。ここで主成分とは厳密な数値に特定されるものではないが、少なくとも炭素材の組成100%における炭素原子の組成が80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、95%以上であることが特に好ましい。尚、本実施形態にかかる炭素材は、少なくとも主成分である炭素および所定範囲のリンを含有するが、これ以外の原子が含まれていることを排除するものではない。
(リンの含有量)
本実施形態にかかる炭素材に含まれるリンは、炭素材に対し0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有される。炭素材に含まれるリンの含有量が0.3質量%以上であることにより、リチウムイオンの吸蔵量が有意に改善される。また、炭素材に含まれるリンの含有量が1.5質量%以下であることにより、リチウムイオンの吸蔵量を改善するとともに、炭素材の主成分である炭素の組成比を高く維持することができる。本発明において、リンの含有量は、たとえば、炭素材を生成するために用いられリン酸エステルなどのリン酸化合物の添加量を調整することなどによって適宜調整することができる。
本実施形態にかかる炭素材に含まれるリンは、炭素材に対し0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有される。炭素材に含まれるリンの含有量が0.3質量%以上であることにより、リチウムイオンの吸蔵量が有意に改善される。また、炭素材に含まれるリンの含有量が1.5質量%以下であることにより、リチウムイオンの吸蔵量を改善するとともに、炭素材の主成分である炭素の組成比を高く維持することができる。本発明において、リンの含有量は、たとえば、炭素材を生成するために用いられリン酸エステルなどのリン酸化合物の添加量を調整することなどによって適宜調整することができる。
本実施形態において、リンの含有量は、たとえば高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析装置を用いて測定することができる。
(炭酸ガスの吸着量)
本実施形態にかかる炭素材は、炭酸ガスの吸着量が単位重量当たり10ml/g未満であり、より好ましくは、5ml/g以下である。炭酸ガスの吸着量が、上述する数値範囲であることにより、リチウムイオンの放出に優れる。かかる理由は明らかではないが、炭酸ガスの吸着量がかかる数値範囲であることにより、吸蔵されたリチウムイオンのクラスター化を防止し、スムーズな放出を実現可能とするものと推察される。また一般的には、本実施形態において示される炭酸ガスの吸着量は、リチウムイオンの吸蔵には望ましくないが、炭素材に含有されるリンの存在により、かかる炭酸ガスの吸着量の数値範囲下においてもリチウムイオンの吸蔵が改善されるものと思われる。
本実施形態にかかる炭素材は、炭酸ガスの吸着量が単位重量当たり10ml/g未満であり、より好ましくは、5ml/g以下である。炭酸ガスの吸着量が、上述する数値範囲であることにより、リチウムイオンの放出に優れる。かかる理由は明らかではないが、炭酸ガスの吸着量がかかる数値範囲であることにより、吸蔵されたリチウムイオンのクラスター化を防止し、スムーズな放出を実現可能とするものと推察される。また一般的には、本実施形態において示される炭酸ガスの吸着量は、リチウムイオンの吸蔵には望ましくないが、炭素材に含有されるリンの存在により、かかる炭酸ガスの吸着量の数値範囲下においてもリチウムイオンの吸蔵が改善されるものと思われる。
本実施形態にかかる炭素材の炭酸ガスの吸着量の下限は特に限定されないが、たとえば単位重量当たり0.05ml/g以上であることが好ましく、0.1ml/g以上であることがより好ましい。炭酸ガスの吸着量が、上記下限値以上であると、リチウムイオンの吸蔵を妨げ難く、リンの含有効果と相俟って、リチウムイオンの良好な吸蔵を可能とするからである。
本実施形態において、炭酸ガスの吸着量は、真空乾燥機を用いて炭素材を200℃で2時間以上真空乾燥を行ったものを測定試料とし、公知の炭酸ガス吸着量測定装置を用いて測定することができる。炭酸ガス測定装置としては、たとえば、日本ベル株式会社製のガス吸着測定装置(BELSORP-max)を挙げることができる。
炭素材の炭酸ガス吸着量を所定値未満とするために、たとえば、炭素材生成時に用いられるリン酸エステルなどのリン酸化合物の選択、硬化剤または硬化触媒の選択、または焼成温度などのいずれか一以上の条件を調整するとよい。
炭素材の炭酸ガス吸着量を所定値未満とするために、たとえば、炭素材生成時に用いられるリン酸エステルなどのリン酸化合物の選択、硬化剤または硬化触媒の選択、または焼成温度などのいずれか一以上の条件を調整するとよい。
(炭素材に含まれるリンまたはリン化合物)
本実施形態にかかる炭素材は、X線光電子分光分析(以下、XPSともいう)で検出される還元されたリン(以下、還元リンともいう)またはリンを含む化合物を含む。ここで、XPSにより検出され得る還元リンおよびリンを含む化合物をターゲット化合物と称する。
炭素材の電池性能の向上の観点から、本実施形態にかかる炭素材は、上記ターゲット化合物の組成100%に対し、ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド((C6H5)3P(=O))、トリフェニルホスフィン((C6H5)3P)、および還元されたリンの各組成比の合計が50%以上であり、かつ、還元されたリンの組成比が13%以下であることが好ましい。
本実施形態における炭素材は、表面における還元リンの組成比が、13%以下であって、かつ0%を超えて有意に存在していてもよい。
本実施形態にかかる炭素材は、X線光電子分光分析(以下、XPSともいう)で検出される還元されたリン(以下、還元リンともいう)またはリンを含む化合物を含む。ここで、XPSにより検出され得る還元リンおよびリンを含む化合物をターゲット化合物と称する。
炭素材の電池性能の向上の観点から、本実施形態にかかる炭素材は、上記ターゲット化合物の組成100%に対し、ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド((C6H5)3P(=O))、トリフェニルホスフィン((C6H5)3P)、および還元されたリンの各組成比の合計が50%以上であり、かつ、還元されたリンの組成比が13%以下であることが好ましい。
本実施形態における炭素材は、表面における還元リンの組成比が、13%以下であって、かつ0%を超えて有意に存在していてもよい。
本発明者らの検討によれば、炭素材に含まれるターゲット化合物において、酸素を介してリンとベンゼン核を構成する炭素とが結合する間接結合(P−O−C結合)ではなく、リンとベンゼン核を構成する炭素との直接結合(P−C結合)が多く検出され、かつ炭素材の表面における還元リンが過剰でないことにより、炭素材の電池性能が高い傾向にあることがわかった。かかる構成により本実施形態にかかる炭素材の電池性能の向上が図られる理由は明らかではないが、これらの構成が、炭素材における望ましいグラフェン様構造の実現に好適な影響を与えるものと推察される。尚、本明細書において「グラフェン様構造」とは、グラフェンにおいて示される炭素六角形格子構造と同様または類似の構造を有するシート構造または当該シート構造が積層された積層構造を少なくとも一部に有する構造を意味する。
ターゲット化合物は、炭素材を生成するための出発物質の種類や生成条件等によって異なり得る。たとえば、本実施形態において推奨される炭素材としては、フェノール樹脂とトリフェニルホスフェート((C6H5O)3P(=O))とを含む樹脂組成物を焼成して生成したものが挙げられるが、かかる炭素材は、XPSにて検出されるターゲット化合物として以下のものを含む。
[ターゲット化合物1](C6H5O)3P(=O)
[ターゲット化合物2](C6H5O)2P(=O)(OH)
[ターゲット化合物3](C6H5)2P(=O)(OH)
[ターゲット化合物4](C6H5)3P(=O)
[ターゲット化合物5](C6H5)3P
[ターゲット化合物6]還元リン
本実施形態にかかる炭素材は、これらのターゲット化合物1から6の全組成に対し、ターゲット化合物4から6の各組成の合計が50%以上であることが好ましい。
[ターゲット化合物1](C6H5O)3P(=O)
[ターゲット化合物2](C6H5O)2P(=O)(OH)
[ターゲット化合物3](C6H5)2P(=O)(OH)
[ターゲット化合物4](C6H5)3P(=O)
[ターゲット化合物5](C6H5)3P
[ターゲット化合物6]還元リン
本実施形態にかかる炭素材は、これらのターゲット化合物1から6の全組成に対し、ターゲット化合物4から6の各組成の合計が50%以上であることが好ましい。
(酸素と炭素の組成比)
本実施形態にかかる炭素材は、X線光電子分光分析(XPS)により検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析により検出された酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きいことが好ましい。
即ち、XPSにより炭素材の表面におけるO換算酸素含有量およびC換算炭素含有量を測定して、これらの組成比O/Cを求める。また、組成分析により、炭素材中のO換算酸素全含有量およびC換算炭素全含有量を測定して、これらの組成比O/Cを求める。上述のとおりXPSによって検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析によって検出される酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きいことが好ましい。
上述する酸素と炭素の組成比O/Cの特徴によれば、炭素材のバルク(内部)において炭素の存在比率が高く望ましいグラフェン様構造が形成されていることが推察される。
本実施形態にかかる炭素材は、X線光電子分光分析(XPS)により検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析により検出された酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きいことが好ましい。
即ち、XPSにより炭素材の表面におけるO換算酸素含有量およびC換算炭素含有量を測定して、これらの組成比O/Cを求める。また、組成分析により、炭素材中のO換算酸素全含有量およびC換算炭素全含有量を測定して、これらの組成比O/Cを求める。上述のとおりXPSによって検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析によって検出される酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きいことが好ましい。
上述する酸素と炭素の組成比O/Cの特徴によれば、炭素材のバルク(内部)において炭素の存在比率が高く望ましいグラフェン様構造が形成されていることが推察される。
(炭素材の表面およびバルクのリンの組成比)
本実施形態にかかる炭素材は、X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンの組成比P(XPS)が、組成分析により検出されるリンの組成比P(COMP)よりも大きいことが好ましい。
即ち、XPSにより炭素材の表面におけるP換算リン含有量を測定する。また、組成分析により、炭素材中のP換算リン全含有量を測定する。そして、これらの組成比を比較し、P(XPS)>P(COMP)であることが好ましい。
このように、炭素材の内部よりも表面においてリンの存在比率を多くすることにより、炭素材の電池性能を向上させることが可能である。かかる理由は明らかではないが、炭素材におけるリチウムイオンの吸蔵を促す効果が好適に発揮され得ることが推察される。
本実施形態にかかる炭素材は、X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンの組成比P(XPS)が、組成分析により検出されるリンの組成比P(COMP)よりも大きいことが好ましい。
即ち、XPSにより炭素材の表面におけるP換算リン含有量を測定する。また、組成分析により、炭素材中のP換算リン全含有量を測定する。そして、これらの組成比を比較し、P(XPS)>P(COMP)であることが好ましい。
このように、炭素材の内部よりも表面においてリンの存在比率を多くすることにより、炭素材の電池性能を向上させることが可能である。かかる理由は明らかではないが、炭素材におけるリチウムイオンの吸蔵を促す効果が好適に発揮され得ることが推察される。
本実施形態にかかる炭素材は、特に、P(XPS)>P(COMP)であるとともに、P(COMP)が0を超えることが好ましい。表面よりは組成比が劣るものの、炭素材の内部においても有意にリンが含有されていることによって、炭素材の内部までリチウムイオンをスムーズに吸蔵させることが可能だからである。
尚、本実施形態におけるXPSによる検出は、公知のX線光電子分光分析装置を用いることができ、具体的にはたとえば株式会社島津製作所製X線光電子分光分析装置ESCA−3400を用いることができるが、これに限定されない。
本発明において組成分析とは、炭素材の全体に含まれる元素の分析を意味する。上記組成分析の具体的な分析方法は特に限定されず公知の方法を適宜選択して実施することができる。
たとえば、炭素材に含有される炭素、水素、および窒素は、酸素循環燃焼・ガスクロマトグラフィ検出法により定量することができる。具体的には、試料となる炭素材を約850℃で完全燃焼させ、CO2ガスおよびH2Oガスを生成し、ガスクロマトグラフィ法により、これらガスに含まれる炭素および水素を定量する。窒素は上記完全燃焼後に還元し、N2ガスして同様にガスクロマトグラフィ法により定量する。
また炭素材に含有される酸素は、加熱融解・非分散赤外線吸収法により定量することができる。具体的には、試料となる炭素材をヘリウム雰囲気下、約2500℃で加熱し、COガスおよびCO2ガスを生成し、非分散赤外線吸収法により、これらガスに含まれる酸素を定量する。
また炭素材に含有されるリンは、灰化・酸溶融・高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量することができる。具体的には、試料となる炭素材を灰化した後、塩酸に溶融させて高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により、溶融物に含まれるリンを定量する。
たとえば、炭素材に含有される炭素、水素、および窒素は、酸素循環燃焼・ガスクロマトグラフィ検出法により定量することができる。具体的には、試料となる炭素材を約850℃で完全燃焼させ、CO2ガスおよびH2Oガスを生成し、ガスクロマトグラフィ法により、これらガスに含まれる炭素および水素を定量する。窒素は上記完全燃焼後に還元し、N2ガスして同様にガスクロマトグラフィ法により定量する。
また炭素材に含有される酸素は、加熱融解・非分散赤外線吸収法により定量することができる。具体的には、試料となる炭素材をヘリウム雰囲気下、約2500℃で加熱し、COガスおよびCO2ガスを生成し、非分散赤外線吸収法により、これらガスに含まれる酸素を定量する。
また炭素材に含有されるリンは、灰化・酸溶融・高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量することができる。具体的には、試料となる炭素材を灰化した後、塩酸に溶融させて高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により、溶融物に含まれるリンを定量する。
本発明の好ましい態様として、炭素材は、個数基準における粒子径分布から求めた単位体積当たりの表面積(以下、単に単位体積当たりの表面積ともいう)が、10000cm−1以上16000cm−1以下の範囲である炭素粒子を含む。尚、本明細書において「cm−1」と記載する場合には、特段の断りがない場合には、「cm2/cm3」の単位を意味する。尚、以下の説明において、好ましい炭素粒子を含む炭素材を、単に炭素材と称する場合がある。
上記単位体積当たりの表面積の下限は、さらに12000cm−1以上とすることができる。また上記単位体積当たりの表面積の上限は、さらに15500cm−1以下、または14000cm−1以下とすることができる。
本発明の炭素材は、負極用活物質の材料として用いることができる炭素材料である。単位体積当たりの表面積が上記範囲である炭素粒子を含む炭素材は、低温環境下、二次電池の充放電時における電気抵抗の増大を抑制する効果(以下、電気抵抗抑制効果ともいう)を有する。上記態様の炭素材において電気抵抗抑制効果が発揮される理由は明らかではない。しかし、かかる態様の炭素材は、粒子径が適度に微小であり、単位体積当たりの表面積が充分に大きくなるよう構成されている。そのため、かかる態様の炭素材は、リチウムイオンの吸蔵放出効率が高く、低温環境下においてリチウムイオンの動作が鈍くなった場合でも、スムーズに吸蔵放出が行われるものと推測される。換言すると、かかる態様の炭素材は、リチウムイオンの吸蔵放出領域である粒子の表面の面積を従来の炭素材より有意に増大させたことによって、低温環境下におけるリチウムイオンの移動性の低下をカバーし電気抵抗の増大を抑制するものと推察される。
具体的には上記炭素材は、単位体積当たりの表面積が10000cm−1以上であることにより、リチウムイオンの吸蔵放出領域である粒子表面の総面積が充分に大きい。これにより本発明の炭素材は、従来の炭素材に比べてリチウムイオンの吸蔵放出能に優れ、低温環境下でも電気抵抗抑制効果を発揮する。
また、上記炭素材を、単位体積当たりの表面積が、16000cm−1以下の範囲とすることにより、極端に微小な炭素材の粒子を排除可能である。炭素材に極端に微小な炭素材の粒子が含まれていると、高温時における自己放電量が増加する傾向にあり、また炭素材を含む材料をスラリー化して集電体に塗工する際、当該スラリーの粘度の著しい上昇により塗工性が低下する傾向にある。かかる観点から、炭素材は、単位体積当たりの表面積の上限が16000cm−1であることが好ましい。
また、上記炭素材を、単位体積当たりの表面積が、16000cm−1以下の範囲とすることにより、極端に微小な炭素材の粒子を排除可能である。炭素材に極端に微小な炭素材の粒子が含まれていると、高温時における自己放電量が増加する傾向にあり、また炭素材を含む材料をスラリー化して集電体に塗工する際、当該スラリーの粘度の著しい上昇により塗工性が低下する傾向にある。かかる観点から、炭素材は、単位体積当たりの表面積の上限が16000cm−1であることが好ましい。
本発明の炭素材において、低温環境下における電気抵抗は、所定の低温環境条件下(例えば−20℃の環境)下において測定された直流抵抗(DC−IR)の値の大小によって判断することができる。直流抵抗値が相対的に大きい場合には、電気抵抗が相対的に高いと判断される。
本発明の炭素材において、個数基準における粒子径分布とは、レーザー回折・散乱法によって求めた個数基準の粒子径分布を意味する。当該粒子径分布は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置で測定することができる。例えば、株式会社堀場製作所製のLA−920などにより測定することができる。ここで粒子径とは、粒子の直径を意味する。
本発明において個数基準における粒子径分布から求めた単位体積当たりの表面積とは、任意のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置により測定された個数基準の粒子径分布から得られたデータを用い、下記数式(1)により算出することができる。
[数1]
単位体積当たりの表面積(cm−1)=総表面積(cm2)/総体積(cm3) (1)
[数1]
単位体積当たりの表面積(cm−1)=総表面積(cm2)/総体積(cm3) (1)
ここで「総表面積」は、粒子径分布における各粒子径の粒子を真球に換算した際の表面積に各粒子径における粒子の頻度(%)を乗じた値の総和である。
また「総体積」は、粒子径分布における各粒子径の粒子を真球に換算した際の体積に各粒子径における粒子の頻度(%)を乗じた値の総和である。
また「頻度」とは、測定に供された総粒子数に対する各粒子径における粒子の比率である。
また「総体積」は、粒子径分布における各粒子径の粒子を真球に換算した際の体積に各粒子径における粒子の頻度(%)を乗じた値の総和である。
また「頻度」とは、測定に供された総粒子数に対する各粒子径における粒子の比率である。
本発明において特定する好ましい範囲の単位体積当たりの表面積を有する炭素粒子を含む炭素材を得る方法は特に限定されず、一例としては、炭素材を製造する過程において適宜、粉砕処理を行うことが挙げられる。粉砕処理の詳細は後述する。
本発明の炭素材は、上述する粒子径分布から求めた平均2乗半径(以下、単に平均2乗半径ともいう)が、1μm2以上4μm2以下の範囲であることが好ましい。
即ち、上記平均2乗半径が、1μm2以上であることにより、炭素材に含まれる炭素粒子から著しく微小な粒子径であるものを除外し、高温環境下における自己放電の悪化を防止し、また集電体への塗工性を良好に維持し得る。また、上記平均2乗半径が、4μm2以下であることにより、単位体積当たりの表面積が上述する好ましい範囲に含まれる炭素粒子を選択しやすい。
即ち、上記平均2乗半径が、1μm2以上であることにより、炭素材に含まれる炭素粒子から著しく微小な粒子径であるものを除外し、高温環境下における自己放電の悪化を防止し、また集電体への塗工性を良好に維持し得る。また、上記平均2乗半径が、4μm2以下であることにより、単位体積当たりの表面積が上述する好ましい範囲に含まれる炭素粒子を選択しやすい。
本発明の所期の課題を良好に解決するという観点からは、上記平均2乗半径の上限は、3μm2以下とすることがより好ましく、2μm2以下とすることがさらに好ましい。
本発明の好ましい態様における、上記粒子径分布から求めた平均2乗半径とは、個数基準における粒子径分布から求められる。具体的には、任意のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置により測定された個数基準の粒子径分布から得られたデータを用い、下記数式(2)により算出することができる。
[数2]
平均2乗半径(μm2)=各粒子の半径の2乗の総和(μm2) (2)
[数2]
平均2乗半径(μm2)=各粒子の半径の2乗の総和(μm2) (2)
ここで「各粒子の半径の2乗の総和(μm2)」とは、粒子径分布における各粒子径の2分の1の値を半径とし、これを2乗した値に各粒子径における粒子の頻度(%)を乗じた値の総和である。
本発明の炭素材の好ましい態様の一つは、炭素材に含まれる炭素粒子の真比重が1.5g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲である。
真比重が1.5g/cm3以上である炭素粒子を選択することにより、充放電容量の値を安定させることできる。また真比重が1.7g/cm3以下である炭素粒子を選択することにより、本発明の炭素材が用いられる二次電池の寿命特性の向上に貢献する。
真比重が1.5g/cm3以上である炭素粒子を選択することにより、充放電容量の値を安定させることできる。また真比重が1.7g/cm3以下である炭素粒子を選択することにより、本発明の炭素材が用いられる二次電池の寿命特性の向上に貢献する。
上記真比重は、ブタノールを用いた真比重測定方法により求めることができる。
本発明の炭素材に含まれる炭素粒子が上記好ましい範囲の真比重になるよう調整する方法は、特に限定されないが、たとえば、炭素材の原料の選定、または炭素材の原料の加熱条件によって、真比重を調整することが可能である。
以下に、本発明の炭素材における炭素粒子が、ハードカーボンを含む態様について説明する。たとえば、本発明の炭素材は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上の下記に説明するハードカーボンを含む。
即ち、本発明の炭素材の好ましい態様の一つとして、当該炭素材に含まれる炭素粒子は、線源としてCuKα線を用いたX線回折法により求められる(002)面の平均面間隔d002が0.340nm以上であるハードカーボンを含むことができる。
ハードカーボン(難黒鉛化性炭素)とは、グラファイト結晶構造が発達しにくい高分子を焼成して得られる炭素材であって、アモルファス(非晶質)な物質である。換言すると、ハードカーボンは、グラフェン構造を有しない炭素材料またはグラフェン構造を部分的にしか有しない炭素であって、上記特定の平均面間隔d002を有する。ハードカーボンの平均面間隔d002が0.340nm以上、特に0.360nm以上である場合には、リチウムイオンの吸蔵に伴う層間の収縮・膨張が起こり難くなるため、充放電サイクル性の低下を抑制できる。平均面間隔d002の上限は、特に規定されないが、たとえば0.390nm以下とすることができる。上記平均面間隔d002が0.390nm以下、特に0.380nm以下である場合にはリチウムイオンの吸蔵放出が円滑に行われ、充放電効率の低下を抑制できる。
さらに、上記ハードカーボンは、c軸方向((002)面直交方向)の結晶子の大きさLcが0.8nm以上5nm以下であることが好ましい。
Lcを0.8nm以上、特に0.9nm以上とすることでリチウムイオンを吸蔵放出することができる炭素層間スペースが形成され、十分な充放電容量が得られるという効果があり、5nm以下、特に1.5nm以下とすることでリチウムイオンの吸蔵放出による炭素積層構造の崩壊や、電解液の還元分解を抑制し、充放電効率と充放電サイクル性の低下を抑制できるという効果がある。
Lcは以下のようにして算出される。
X線回折測定から求められるスペクトルにおける002面ピークの半値幅と回折角から次のScherrerの式を用いて決定した。
X線回折測定から求められるスペクトルにおける002面ピークの半値幅と回折角から次のScherrerの式を用いて決定した。
Lc=0.94λ/(βcosθ) (Scherrerの式)
Lc:結晶子の大きさ
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
β:ピークの半値幅(ラジアン)
θ:スペクトルの反射角度
Lc:結晶子の大きさ
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
β:ピークの半値幅(ラジアン)
θ:スペクトルの反射角度
ハードカーボンにおけるX線回折スペクトルは、株式会社島津製作所製・X線回折装置「XRD−7000」により測定することができる。ハードカーボンにおける、上記平均面間隔の測定方法は以下の通りである。
ハードカーボンのX線回折測定から求められるスペクトルより、平均面間隔dを以下のBragg式より以下のとおり算出することができる。
λ=2dhklsinθ (Bragg式)(dhkl=d002)
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
θ:スペクトルの反射角度
λ:陰極から出力される特性X線Kα1の波長
θ:スペクトルの反射角度
ハードカーボンである炭素粒子は、その表面全体において、リチウムイオンの吸蔵放出が可能であるという特性を有する。そのため、上述する範囲の単位体積当たりの表面積を示すハードカーボンの炭素粒子を含む炭素材は、表面積の増大によりリチウムイオンの吸蔵放出能に優れるという効果が顕著に発揮される。即ち、ハードカーボンである炭素粒子を含む本発明の炭素材は、本発明の構成により生じる作用を充分に享受し、優れた効果を発揮する。
また一般的に、ハードカーボンである炭素粒子は、黒鉛である炭素粒子に比べると、粒子内におけるリチウムイオンの拡散性(移動性)が低いという課題を有している。これに対し、本発明の炭素材に含まれるハードカーボンである炭素粒子は、単位体積当たりの表面積が上述する好ましい範囲であることにより、炭素粒子が充分に微粒子化されているため、上述する拡散性の不良をカバーすることができる。この観点からも、本発明において、ハードカーボンである炭素粒子は、単位体積当たりの表面積が上述する好ましい範囲を満たすことにより、リチウムイオンの吸蔵放出能の向上が顕著である。
上述のとおり炭素粒子にハードカーボンを含むことにより得られる効果を充分に享受する観点からは、本発明における炭素粒子は、ハードカーボンを90質量%以上含んでいてもよい。
ただし、本発明の炭素材は、黒鉛が含まれる態様を除外するものではない。ここで黒鉛とは、炭素の同素体の1つであり、六炭素環が連なった層からできている層状格子をなす六方晶系、六角板状結晶の物質である。上記黒鉛は、所謂、グラフェン構造を有する。上記黒鉛は、天然黒鉛と人造黒鉛を含む。
黒鉛は、放電初期から放電末期まで電圧変化が少ないという望ましい性質を有しており、放電末期まで安定した高い電圧を維持可能である。本発明の炭素材に含まれる炭素粒子の一部または全部が黒鉛から構成されていてもよい。
黒鉛は、放電初期から放電末期まで電圧変化が少ないという望ましい性質を有しており、放電末期まで安定した高い電圧を維持可能である。本発明の炭素材に含まれる炭素粒子の一部または全部が黒鉛から構成されていてもよい。
ハードカーボンおよび黒鉛の長所をそれぞれ活かし、バランスのよい炭素材を提供するという観点から、本発明の炭素材における炭素粒子は、ハードカーボンおよび黒鉛を含んでいてもよい。
炭素粒子としてハードカーボンおよび黒鉛の両方を含む本発明の態様は、顕微鏡観察において、ハードカーボンの粒子と黒鉛の粒子とが個別独立に観察される場合と、両者が融合または結着し、見かけ上、一体的に観察される場合と、を含む。
炭素粒子としてハードカーボンおよび黒鉛の両方を含む本発明の態様は、顕微鏡観察において、ハードカーボンの粒子と黒鉛の粒子とが個別独立に観察される場合と、両者が融合または結着し、見かけ上、一体的に観察される場合と、を含む。
本発明の炭素材におけるハードカーボンと黒鉛との含有比率は特に限定されない。しかし、単位体積当たりの表面積が所定範囲内であるハードカーボンを多く含むことによって上述する電気抵抗抑制効果が発揮され得るという観点からは、以下の比率の範囲であることが好ましい。即ち、ハードカーボンと黒鉛とを含む態様の本発明の炭素材において、炭素材における両者の質量比は、ハードカーボン:黒鉛=51質量%:49質量%から95質量%:5質量%の範囲であることが好ましい。
以上に説明する本発明の炭素材は、実質的に炭素粒子のみから構成されてもよいし、任意の他の材料を含んでいてもよい。例えば本発明の炭素材は、上述する炭素粒子を90質量%以上含み、好ましくは95質量%以上含む。
また理由は明らかではないが、本発明の二次電池負極用樹脂組成物を用いてなる二次電池負極用炭素材は、上述する低温特性評価だけではなく、さらに、高温環境下における優れた性質も発揮し得る。即ち、本発明の二次電池負極用炭素材を含有する負極を備える二次電池によれば、高温保存特性評価において、85%以上の優れた放電容量の維持を示し得る。また、本発明の二次電池負極用炭素材を含有する負極を備える二次電池によれば、高温寿命特性評価において、85%以上の優れた放電容量の維持を示し得る。
即ち、本発明の二次電池負極用炭素材は、二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温保存特性評価において示される高温保存特性が85%以上であることが好ましい。
本発明における高温保存特性評価には、二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、正極と、溶解した電解質を含む電解液と、セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用いる。
ここで、二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極とは、負極活物質に二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極という意味である。また、コバルト酸リチウム(LiCoO2)を含有する正極とは、正極活物質にコバルト酸リチウムを含有する二次電池正極という意味である。当該正極は、集電体として、アルミ箔を用いた単層シート(パイオニクス株式会社製、商品名;ピオクセル C−100)を直径12mmの円盤状に形成したものを用いて作成される。
上記正極は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)を含有する正極であることが適切である。
上記電解液は、詳細には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液(体積比3:7)に六フッ化リン酸リチウムを1モル/リットルの濃度で溶解させて調製された電解液であることが適切である。
上記セパレータは、ポリプロピレン製多孔質フィルムであることが適切である。
本発明における高温保存特性評価には、二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、正極と、溶解した電解質を含む電解液と、セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用いる。
ここで、二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極とは、負極活物質に二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極という意味である。また、コバルト酸リチウム(LiCoO2)を含有する正極とは、正極活物質にコバルト酸リチウムを含有する二次電池正極という意味である。当該正極は、集電体として、アルミ箔を用いた単層シート(パイオニクス株式会社製、商品名;ピオクセル C−100)を直径12mmの円盤状に形成したものを用いて作成される。
上記正極は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)を含有する正極であることが適切である。
上記電解液は、詳細には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液(体積比3:7)に六フッ化リン酸リチウムを1モル/リットルの濃度で溶解させて調製された電解液であることが適切である。
上記セパレータは、ポリプロピレン製多孔質フィルムであることが適切である。
本発明における高温保存特性の詳細は以下のとおりである。即ち、上記リチウムイオン二次電池を用い、所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行うとともに、当該充放電サイクルの5サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量Iとする。上記エージング処理後のリチウムイオン二次電池を用い、電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、更に4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、充電状態(State of Charge)100%に調整したリチウムイオン二次電池を準備し、上記充電状態100%のリチウムイオン二次電池を60℃の温度に調整された乾燥機に1週間保管する。そして保管後に、当該リチウムイオン二次電池を用い、0.2Cの電流値にて充電および放電を行い、これを1サイクルとして、合計3サイクルの充放電を実施し、3サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IIとし、下記数式(4)にて高温保存特性を算出する。
[数3]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4)
[数3]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4)
尚、本発明において所定の充放電サイクルとは、上記リチウムイオン二次電池を用い、測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達するまで放電し、これを1サイクルとする。さらに同様の条件で充電および放電を行い合計5サイクルの充放電を実施する。上記エージング処理において、5サイクル目の放電時における放電容量(放電容量I)を測定する。
以上に述べる高温保存特性評価によれば、二次電池負極用炭素材以外の条件を統一することによって、評価に供される二次電池負極用炭素材に起因する高温保存特性の評価を行うことができる。
以上に述べる高温保存特性評価によれば、二次電池負極用炭素材以外の条件を統一することによって、評価に供される二次電池負極用炭素材に起因する高温保存特性の評価を行うことができる。
また、本発明の二次電池負極用炭素材は、二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温寿命特性評価において示される高温寿命特性が85%以上であることが好ましい。
本発明における高温寿命特性評価には、上述する高温保存特性評価に用いたリチウム二次電池と同様の二次電池を用いて実施する。
本発明における高温寿命特性評価には、上述する高温保存特性評価に用いたリチウム二次電池と同様の二次電池を用いて実施する。
本発明における高温寿命特性の詳細は以下のとおりである。即ち、上記リチウムイオン二次電池を用い、所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行う。そして上記エージング処理後のリチウムイオン二次電池を用い、55℃の温度環境下、1Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、30分間55℃の温度環境で保持し、次いで、1Cの定電流で2.5Vまで放電するとともに放電容量を測定して放電容量IIIとし、その後、30分間55℃の温度環境で保持する充放電サイクルを実施してこれを1サイクルとする。 続いて、上記充放電サイクルをさらに99サイクル実施して、合計100サイクルの充放電サイクルを実施するとともに、100サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IVとし、
下記数式(5)にて高温寿命特性を算出する。
[数4]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100 (5)
尚、高温寿命特性評価における所定の充放電サイクルは、上述する高温保存特性評価における所定の充放電サイクルと同様であるため、ここでは詳細な説明を割愛する。
以上に述べる高温寿命特性評価によれば、二次電池負極用炭素材以外の条件を統一することによって、評価に供される二次電池負極用炭素材に起因する高温寿命特性の評価を行うことができる。
下記数式(5)にて高温寿命特性を算出する。
[数4]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100 (5)
尚、高温寿命特性評価における所定の充放電サイクルは、上述する高温保存特性評価における所定の充放電サイクルと同様であるため、ここでは詳細な説明を割愛する。
以上に述べる高温寿命特性評価によれば、二次電池負極用炭素材以外の条件を統一することによって、評価に供される二次電池負極用炭素材に起因する高温寿命特性の評価を行うことができる。
以上に述べるとおり、本発明の負極用炭素材を用いてなる二次電池は、60℃程度の高温環境下において長時間保管された場合であっても、保管前の放電容量を高い割合で維持し得る。
また、本発明の負極用炭素材を用いてなる二次電池は、55℃程度の高温環境下において繰り返し使用された場合であっても、高温環境下で繰り返し使用する前の放電容量を高い割合で維持し得る。
そのため、本発明の二次電池用炭素材は、高温環境下において保管または使用に耐えうる二次電池を提供することが可能である。
また、本発明の負極用炭素材を用いてなる二次電池は、55℃程度の高温環境下において繰り返し使用された場合であっても、高温環境下で繰り返し使用する前の放電容量を高い割合で維持し得る。
そのため、本発明の二次電池用炭素材は、高温環境下において保管または使用に耐えうる二次電池を提供することが可能である。
<二次電池負極用炭素材の製造>
以下に、本実施形態にかかる炭素材の製造方法の一例を説明する。以下に説明する製造方法(以下、単に本製造方法ともいう)によれば、本実施形態にかかる炭素材を好適に製造することができる。ただし、以下に記載する本製造方法は、本発明の炭素材の製造方法を何ら限定するものではない。
以下に、本実施形態にかかる炭素材の製造方法の一例を説明する。以下に説明する製造方法(以下、単に本製造方法ともいう)によれば、本実施形態にかかる炭素材を好適に製造することができる。ただし、以下に記載する本製造方法は、本発明の炭素材の製造方法を何ら限定するものではない。
(二次電池負極用樹脂組成物の調製)
まず、炭素材を製造するために用いられる樹脂組成物を調製する。
本製造方法に用いられる樹脂組成物は、有機化合物とリン酸化合物とを含む。
まず、炭素材を製造するために用いられる樹脂組成物を調製する。
本製造方法に用いられる樹脂組成物は、有機化合物とリン酸化合物とを含む。
有機化合物:
有機化合物は、特に限定されず、たとえばフェノール性水酸基含有樹脂、並びにアセナフチレンまたは石油ピッチなどの石油系材料を用いることができる。
フェノール性水酸基含有樹脂は、人工的に合成できる材料であり、使用される技術分野が多様化する二次電池に対応し、負極の設計の自由度を広げることが可能である。かかる観点からフェノール性水酸基含有樹脂は、負極における炭素材料の出発物質として好ましい。
有機化合物は、特に限定されず、たとえばフェノール性水酸基含有樹脂、並びにアセナフチレンまたは石油ピッチなどの石油系材料を用いることができる。
フェノール性水酸基含有樹脂は、人工的に合成できる材料であり、使用される技術分野が多様化する二次電池に対応し、負極の設計の自由度を広げることが可能である。かかる観点からフェノール性水酸基含有樹脂は、負極における炭素材料の出発物質として好ましい。
本実施形態においてフェノール性水酸基含有樹脂とは、分子内にフェノール性水酸基を有する樹脂をいう。本実施形態におけるフェノール性水酸基含有樹脂は、ノボラック型フェノール樹脂またはレゾール型フェノール樹脂などのフェノールを出発物質として合成された樹脂;m−クレゾール樹脂、キシレノール樹脂、ナフトール樹脂などのフェノール以外のフェノール類を用いて合成された樹脂;フェノール以外のモノマーとホルムアルデヒドなどのアルデヒド類を酸またはアルカリ性の触媒存在下で合成することによってなる分子内にフェノール性水酸基を有する樹脂;または上述する樹脂に変性剤が含有されてなる変性フェノール性水酸基含有樹脂を含む。
たとえば、上記フェノール性水酸基含有化合物は、フェノール類と、任意の反応化合物と、を反応させることによって合成することができる。
中でもノボラック型フェノール樹脂に代表される水酸基当量が300g/eq以下のフェノール性水酸基含有樹脂は、分子構造が単純化され合成容易であり、炭素材料の出発物質として好ましい例の一つである。
たとえば、上記フェノール性水酸基含有化合物は、フェノール類と、任意の反応化合物と、を反応させることによって合成することができる。
中でもノボラック型フェノール樹脂に代表される水酸基当量が300g/eq以下のフェノール性水酸基含有樹脂は、分子構造が単純化され合成容易であり、炭素材料の出発物質として好ましい例の一つである。
水酸基当量の小さいフェノール性水酸基含有樹脂は、分子内に水酸基を多数有するため、炭素材を炭化するための焼成工程において、当該水酸基が分子内および/または分子間で脱水縮合して架橋し、生成される炭素材において望ましいグラフェン様構造の成長が阻害される虞がある。これに対し、後述する特定のリン酸エステルが炭素材の材料となる樹脂組成物に含有されることによって、上述する水酸基の脱水縮合を抑制し、リチウムイオンの吸蔵放出量の高い本実施形態の炭素材を製造することができる。
水酸基当量が300g/eq以下のフェノール性水酸基含有樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、またはフェノール類とフェノール類との間に任意の変性剤が結合されてなる変性フェノール性水酸基含有樹脂等を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで水酸基当量とは、フェノール性水酸基含有樹脂における水酸基1つに対する分子量を意味する。水酸基当量の測定はJIS K 0070(1992)に規定される中和滴定法に準じて行うことができる。
尚、本明細書においてノボラック型フェノールとは、上述するフェノール類とホルムアルデヒドとを酸触媒下で反応させて合成されるフェノール樹脂を意味する。また、本明細書においてレゾール型フェノールとは、上述するフェノール類とホルムアルデヒドとをアルカリ触媒下で反応させて合成されるフェノール樹脂を意味する。
ここで水酸基当量とは、フェノール性水酸基含有樹脂における水酸基1つに対する分子量を意味する。水酸基当量の測定はJIS K 0070(1992)に規定される中和滴定法に準じて行うことができる。
尚、本明細書においてノボラック型フェノールとは、上述するフェノール類とホルムアルデヒドとを酸触媒下で反応させて合成されるフェノール樹脂を意味する。また、本明細書においてレゾール型フェノールとは、上述するフェノール類とホルムアルデヒドとをアルカリ触媒下で反応させて合成されるフェノール樹脂を意味する。
一般的に、水酸基当量が小さいほど(たとえば、水酸基当量が200g/eq以下、さらには150g/eq以下、特には120g/eq以下)、製造容易性および製造コストの観点からは好ましく、二次電池負極用の材料としての使用が期待される。このような水酸基当量の小さいフェノール性水酸基含有樹脂は、本発明の樹脂組成物に含有されることによって、優れた電池特性を示す炭素材を提供する出発物質として実質的に使用可能となる。
本製造方法においてフェノール性水酸基含有樹脂は、フェノール類と反応化合物とを反応させることによって合成される樹脂を含む。フェノール性水酸基含有樹脂の合成には必要に応じて触媒が用いられる。ここでフェノール類とは、芳香族化合物に水酸基を有する有機化合物を意味し、所謂、フェノールだけではなく、クレゾール等のベンゼン環に1つの水酸基以外の官能基が設けられた有機化合物を含む。上記反応化合物とは、ホルムアルデヒドのみならず、変性フェノール性水酸基含有樹脂を合成可能な変性剤化合物も含む。
フェノール類の具体的な例としては、たとえば、フェノール;o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、キシレノール、またはp−t−ブチルフェノール等のアルキル置換フェノール類;p−フェニルフェノール等の芳香族置換フェノール類;カテコール、またはレゾルシノール等の二価フェノール類;α−ナフトール、またはβ−ナフトール等のナフトール類等が挙げられるがこれに限定されない。
フェノール類の具体的な例としては、たとえば、フェノール;o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、キシレノール、またはp−t−ブチルフェノール等のアルキル置換フェノール類;p−フェニルフェノール等の芳香族置換フェノール類;カテコール、またはレゾルシノール等の二価フェノール類;α−ナフトール、またはβ−ナフトール等のナフトール類等が挙げられるがこれに限定されない。
リン酸化合物:
本製造方法に用いられる樹脂組成物には、生成される炭素材にリンを含有させるために、リン酸化合物が含有される。
本製造方法に用いられるリン酸化合物は、特に限定されないが、たとえばリン酸、または五酸化二リンなどの比較的分子量の小さいリン酸化合物、または後述する特定のリン酸化合物を用いることができる。上述ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド、トリフェニルホスフィン、およびリン原子の各組成比の合計が、50%以上である炭素材を提供するという観点からは、リン酸化合物としてリン酸エステルを用いることが好ましく、特には、1以上のフェニル基を備えるリン酸エステルを用いることが好ましい。
また、水酸基当量が300g/eq以下の値以下のフェノール性水酸基含有樹脂を出発物質とし、水酸基の脱水縮合による架橋を抑制するという観点からは、沸点温度または熱分解温度が当該フェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度を超えるリン酸エステルまたはリン酸誘導体を樹脂組成物中に含有させるとよい。これにより、樹脂組成物を炭化のために焼成した場合、フェノール性水酸基含有樹脂が自己縮合を開始する時点(即ち、フェノール性水酸基含有樹脂に備わる水酸基が脱水縮合して架橋反応が生じる段階)で、沸騰または分解していないリン酸エステル等を、反応系に存在させ得る。これにより、フェノール性水酸基含有樹脂の水酸基にリン酸エステル等が水素結合等またはマスクすることによって、当該水酸基の反応性が低減され脱水縮合による架橋が抑制され、炭素の結晶構造の成長が阻害されることを回避することが期待されるからである。
本製造方法に用いられる樹脂組成物には、生成される炭素材にリンを含有させるために、リン酸化合物が含有される。
本製造方法に用いられるリン酸化合物は、特に限定されないが、たとえばリン酸、または五酸化二リンなどの比較的分子量の小さいリン酸化合物、または後述する特定のリン酸化合物を用いることができる。上述ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド、トリフェニルホスフィン、およびリン原子の各組成比の合計が、50%以上である炭素材を提供するという観点からは、リン酸化合物としてリン酸エステルを用いることが好ましく、特には、1以上のフェニル基を備えるリン酸エステルを用いることが好ましい。
また、水酸基当量が300g/eq以下の値以下のフェノール性水酸基含有樹脂を出発物質とし、水酸基の脱水縮合による架橋を抑制するという観点からは、沸点温度または熱分解温度が当該フェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度を超えるリン酸エステルまたはリン酸誘導体を樹脂組成物中に含有させるとよい。これにより、樹脂組成物を炭化のために焼成した場合、フェノール性水酸基含有樹脂が自己縮合を開始する時点(即ち、フェノール性水酸基含有樹脂に備わる水酸基が脱水縮合して架橋反応が生じる段階)で、沸騰または分解していないリン酸エステル等を、反応系に存在させ得る。これにより、フェノール性水酸基含有樹脂の水酸基にリン酸エステル等が水素結合等またはマスクすることによって、当該水酸基の反応性が低減され脱水縮合による架橋が抑制され、炭素の結晶構造の成長が阻害されることを回避することが期待されるからである。
尚、本明細書において自己縮合とは、特段の断りがない限り、フェノール性水酸基含有樹脂が有するフェノール性水酸基が分子内および/または分子間で脱水縮合することをいう。
ここでフェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度とは、フェノール性水酸基含有樹脂を加熱した際に、当該フェノール性水酸基含有樹脂に含まれる複数の水酸基の任意の箇所において分子内および/または分子間で脱水縮合が生じる温度を意味し、フェノール性水酸基含有樹脂を示差走査熱量測定に供し、300℃付近において示される吸熱反応時の温度をいう。たとえば、ノボラック型フェノール樹脂に代表される水酸基当量が所定の範囲以下であるフェノール性水酸基含有樹脂は、水酸基の脱水縮合反応を含む自己縮合温度が300℃程度(たとえば300℃以上350℃以下の範囲)である。
ここでフェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度とは、フェノール性水酸基含有樹脂を加熱した際に、当該フェノール性水酸基含有樹脂に含まれる複数の水酸基の任意の箇所において分子内および/または分子間で脱水縮合が生じる温度を意味し、フェノール性水酸基含有樹脂を示差走査熱量測定に供し、300℃付近において示される吸熱反応時の温度をいう。たとえば、ノボラック型フェノール樹脂に代表される水酸基当量が所定の範囲以下であるフェノール性水酸基含有樹脂は、水酸基の脱水縮合反応を含む自己縮合温度が300℃程度(たとえば300℃以上350℃以下の範囲)である。
以下に、本製造方法において好ましく用いられるリン酸エステルについて説明する。
本製造方法におけるリン酸エステルは、リン酸における3つの水素の一部または全てが有機基で置き換わった構造を有し、沸点温度または熱分解温度が樹脂組成物に含有されるフェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度を超える有機リン化合物である。
本製造方法におけるリン酸エステルは、リン酸における3つの水素の一部または全てが有機基で置き換わった構造を有し、沸点温度または熱分解温度が樹脂組成物に含有されるフェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度を超える有機リン化合物である。
リン酸エステルの具体例としては、以下のような化合物を挙げることができる。
リン酸エステルとしては、具体的には、リン酸トリフェニル(たとえば大八化学工業株式会社製、難燃剤、非ハロゲンリン酸エステル、商品名:TPP)、クレジルジフェニルホスフェート(たとえば大八化学工業株式会社製、難燃剤、非ハロゲンリン酸エステル、商品名:CDP)、クレジルジ2,6−キシレニルホスフェート(たとえば大八化学工業株式会社製、難燃剤、非ハロゲンリン酸エステル、商品名:PX−110)、市販品のノンハロゲン系リン酸エステルである大八化学工業株式会社製の難燃剤「商品名:DAIGUARD−1000」を例示することができる。上述に例示列挙するリン酸エステルは、いずれもリン酸トリエステルである。
またリン酸エステルは、縮合リン酸エステルであってもよく、たとえば市販品の芳香族縮合リン酸エステルである大八化学工業株式会社製の難燃剤「商品名:PX−200」を例示することができる。
リン酸エステルとしては、具体的には、リン酸トリフェニル(たとえば大八化学工業株式会社製、難燃剤、非ハロゲンリン酸エステル、商品名:TPP)、クレジルジフェニルホスフェート(たとえば大八化学工業株式会社製、難燃剤、非ハロゲンリン酸エステル、商品名:CDP)、クレジルジ2,6−キシレニルホスフェート(たとえば大八化学工業株式会社製、難燃剤、非ハロゲンリン酸エステル、商品名:PX−110)、市販品のノンハロゲン系リン酸エステルである大八化学工業株式会社製の難燃剤「商品名:DAIGUARD−1000」を例示することができる。上述に例示列挙するリン酸エステルは、いずれもリン酸トリエステルである。
またリン酸エステルは、縮合リン酸エステルであってもよく、たとえば市販品の芳香族縮合リン酸エステルである大八化学工業株式会社製の難燃剤「商品名:PX−200」を例示することができる。
本製造方法において、リン酸エステル等の沸点温度(℃)は、公知の方法で測定することができる。簡易には、沸点温度が公知のリン酸エステル等を基準とし、それよりも分子量の大きいリン酸エステル等は、当該公知の沸点温度よりも高いと推測される。たとえば、トリフェニルホスフェート(分子量326)の沸点温度は399℃であるところ、これより分子量の大きいリン酸エステル等の沸点温度は399℃を超える化合物であるとして、沸点温度の高低が推測される。具体的には、上述に化学式を例示するクレジルジフェニルホスフェート、クレジルジ2,6−キシレニルホスフェート、およびPX−200は、いずれもトリフェニルホスフェートよりも分子量が大きく、沸点温度は399℃を超えると推測される。
また本製造方法において、リン酸エステル等の熱分解温度(℃)は、示差熱熱重量同時測定装置を使用して、空気雰囲気下にて10℃/分の昇温速度で測定し、その温度/重量変化曲線より重量変化し始める温度を接線法により求めることができる。示差熱熱重量同時測定装置としては、たとえば、セイコー電子工業株式会社製、商品名:TG/DTA220を用いることができるが、これに限定されない。
本製造方法に用いられるリン酸エステルは、たとえばリン酸トリエステルである。
ここでリン酸トリエステルは、リン酸が持つ3個の水素がいずれも有機基で置き換わった構造を意味し、リン酸エステルの中でも大きい分子構造を示す。そのため、フェノール性水酸基含有樹脂に備わる水酸基間の立体障害となり易く、当該水酸基間における架橋を良好に阻止可能であるものと思われる。
ここでリン酸トリエステルは、リン酸が持つ3個の水素がいずれも有機基で置き換わった構造を意味し、リン酸エステルの中でも大きい分子構造を示す。そのため、フェノール性水酸基含有樹脂に備わる水酸基間の立体障害となり易く、当該水酸基間における架橋を良好に阻止可能であるものと思われる。
特にリン酸トリエステルとして、リン酸トリフェニルまたはリン酸トリフェニル誘導体が選択されることが好ましい。
リン酸に含まれるフェニル基が、フェノール性水酸基含有樹脂を出発物質として生成される炭素材の炭素骨格の一部に取り込まれ、当該炭素材の結晶構造の成長に寄与することが期待されるからである。
リン酸に含まれるフェニル基が、フェノール性水酸基含有樹脂を出発物質として生成される炭素材の炭素骨格の一部に取り込まれ、当該炭素材の結晶構造の成長に寄与することが期待されるからである。
リン酸トリフェニル誘導体とは、リン酸トリフェニルの3つのフェニル基のいずれかまたは全てに置換基を有する化合物のことをいう。たとえば、本実施形態のリン酸トリフェニル誘導体としては、上述する化学式(1)で示される化合物を好適に用いることができる。
本製造方法におけるリン酸誘導体は、リン酸を構成する任意の原子と任意の置換基とが置き換えられた化合物、またはリン酸の縮合反応物であるポリリン酸などを含む。ポリリン酸は、沸点温度が550℃であり、本製造方法における好適なリン酸誘導体である。
本製造方法に用いられる樹脂組成物に含有されるリン酸エステル等の配合量は特に限定されていないが、たとえば、フェノール性水酸基含有樹脂100質量部に対し、リン酸エステルまたはリン酸誘導体が3質量部以上15質量部以下の範囲で含まれていることが好ましい。これによって、生成される炭素材にリンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有させ得る。
本製造方法に用いられる樹脂組成物に含有されるリン酸エステルまたはリン酸誘導体は、融点が、フェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度未満であるものを選択することが好ましい。
これにより、樹脂組成物を焼成して炭素材を生成する工程において、フェノール性水酸基含有樹脂の水酸基が脱水縮合して架橋を開始する前にリン酸エステル等の融解を開始させることができ、樹脂組成物におけるリン酸エステル等の分散性を高めることができる。樹脂組成物中にリン酸エステル等が良好に分散することにより、フェノール性水酸基含有樹脂に対して含有量が顕著に少ないリン酸エステル等を当該フェノール性水酸基含有樹脂における水酸基の架橋の抑制に効率よく作用させることが可能である。また上述する炭素とリンの直接結合(P−C結合)の組成比が高い炭素材を生成することが可能である。
これにより、樹脂組成物を焼成して炭素材を生成する工程において、フェノール性水酸基含有樹脂の水酸基が脱水縮合して架橋を開始する前にリン酸エステル等の融解を開始させることができ、樹脂組成物におけるリン酸エステル等の分散性を高めることができる。樹脂組成物中にリン酸エステル等が良好に分散することにより、フェノール性水酸基含有樹脂に対して含有量が顕著に少ないリン酸エステル等を当該フェノール性水酸基含有樹脂における水酸基の架橋の抑制に効率よく作用させることが可能である。また上述する炭素とリンの直接結合(P−C結合)の組成比が高い炭素材を生成することが可能である。
たとえば、ノボラック型フェノール樹脂の水酸基は、約300℃で脱水縮合を開始するところ、リン酸エステル等の融点が、300℃未満であることが好ましい。たとえば、融点が48.5℃以上であるトリフェニルホスフェート、融点が92℃以上である上記化学式(1)の芳香族縮合エステル、融点が約200℃であるポリリン酸等は、上記観点から好ましく使用される。
尚、本製造方法において、リン酸エステル等の融点、およびフェノール性水酸基含有樹脂の融点とは、示差走査熱量分析法(以下、DSCともいう)によって分析される吸熱ピークのピークトップにおける温度を意味する。
添加剤:
本製造方法に用いられる樹脂組成物には、必要に応じてさらに任意の添加剤が含まれていてもよい。たとえば、本製造方法に用いられる樹脂組成物は、さらに硬化剤を含んでいてもよい。フェノール性水酸基含有樹脂の熱硬化を促進させるためである。
硬化剤は、特に限定されないが、用いられるフェノール性水酸基含有樹脂との組み合わせで適宜決定するとよい。例えば、樹脂組成物に含有されるフェノール性水酸基含有樹脂がノボラック型フェノール樹脂の場合は、ヘキサメチレンテトラミン、レゾール型フェノール樹脂、またはポリアセタールなどを好適に用いることができる。また樹脂組成物に含有されるフェノール性水酸基含有樹脂がレゾール型フェノール樹脂の場合は、ヘキサメチレンテトラミンなどを用いることができる。
樹脂組成物における硬化剤の配合量は、特に限定されないが、たとえばフェノール性水酸基含有樹脂100質量部に対して0.1質量部以上50質量部以下である。硬化剤が用いられずとも、樹脂組成物中に含有されるノボラック型フェノール樹脂は、当該樹脂組成物を焼成して炭化する工程で硬化することが可能であるが、樹脂組成物を焼成して生成される炭素材の結晶構造の成長を著しく阻害しない範囲で硬化剤を含有させてもよい。たとえば、ノボラック型フェノール樹脂に対する硬化剤の含有量は特に限定されないが、ノボラック型フェノール樹脂100質量部に対し、0.1質量部以上5質量部以下の範囲で硬化剤を含有してもよい。
本製造方法に用いられる樹脂組成物には、必要に応じてさらに任意の添加剤が含まれていてもよい。たとえば、本製造方法に用いられる樹脂組成物は、さらに硬化剤を含んでいてもよい。フェノール性水酸基含有樹脂の熱硬化を促進させるためである。
硬化剤は、特に限定されないが、用いられるフェノール性水酸基含有樹脂との組み合わせで適宜決定するとよい。例えば、樹脂組成物に含有されるフェノール性水酸基含有樹脂がノボラック型フェノール樹脂の場合は、ヘキサメチレンテトラミン、レゾール型フェノール樹脂、またはポリアセタールなどを好適に用いることができる。また樹脂組成物に含有されるフェノール性水酸基含有樹脂がレゾール型フェノール樹脂の場合は、ヘキサメチレンテトラミンなどを用いることができる。
樹脂組成物における硬化剤の配合量は、特に限定されないが、たとえばフェノール性水酸基含有樹脂100質量部に対して0.1質量部以上50質量部以下である。硬化剤が用いられずとも、樹脂組成物中に含有されるノボラック型フェノール樹脂は、当該樹脂組成物を焼成して炭化する工程で硬化することが可能であるが、樹脂組成物を焼成して生成される炭素材の結晶構造の成長を著しく阻害しない範囲で硬化剤を含有させてもよい。たとえば、ノボラック型フェノール樹脂に対する硬化剤の含有量は特に限定されないが、ノボラック型フェノール樹脂100質量部に対し、0.1質量部以上5質量部以下の範囲で硬化剤を含有してもよい。
硬化剤以外の添加剤としては、たとえば、有機酸、無機酸、含窒素化合物、含酸素化合物、芳香族化合物、非鉄金属原子などを挙げることができる。これら添加剤は、用いる樹脂の種類や性状などにより、1種または2種類以上を組み合わせて用いることができる。
(樹脂組成物の焼成)
次に、上述のとおり調製された樹脂組成物を焼成し、炭素材を生成する本製造方法について以下に説明する。具体的には、水酸基当量が300g/eq以下のフェノール性水酸基含有樹脂、および沸点温度または熱分解温度が当該フェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度を超えるリン酸エステルまたはリン酸誘導体を含有する樹脂組成物を用いて本実施形態の炭素材を製造する例を説明する。
次に、上述のとおり調製された樹脂組成物を焼成し、炭素材を生成する本製造方法について以下に説明する。具体的には、水酸基当量が300g/eq以下のフェノール性水酸基含有樹脂、および沸点温度または熱分解温度が当該フェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合温度を超えるリン酸エステルまたはリン酸誘導体を含有する樹脂組成物を用いて本実施形態の炭素材を製造する例を説明する。
本製造方法は、たとえば第一焼成工程と、第二焼成工程と、を有する。
第一焼成工程は、二次電池負極用樹脂組成物を焼成時の最高温度が1000℃未満である焼成条件で焼成して炭素材前駆体を生成する工程である。
第二焼成工程は、第一焼成工程において生成された炭素材前駆体を焼成時の最高温度が1000℃以上の温度である焼成条件で焼成することによって炭素材を生成する工程である。
第一焼成工程は、二次電池負極用樹脂組成物を焼成時の最高温度が1000℃未満である焼成条件で焼成して炭素材前駆体を生成する工程である。
第二焼成工程は、第一焼成工程において生成された炭素材前駆体を焼成時の最高温度が1000℃以上の温度である焼成条件で焼成することによって炭素材を生成する工程である。
第一焼成工程および第二焼成工程は、連続的に実施してもよいし、分けて実施してもよい。
第一工程と第二工程とを分けて実施する態様の例として、たとえば第一焼成工程と第二焼成工程との間には、第一焼成工程にて得られた炭素材前駆体を粉砕する粉砕工程を設けることができる。第二焼成工程における炭素材前駆体の熱履歴を均一にするという観点からは、上記粉砕工程を実施することが好ましい。上記粉砕工程において得られる炭素材前駆体の粉砕物の粒径は特に限定されないが、1μm以上20μm以下、より好ましくは5μm以上15μm以下である。上記粉砕物の粒径が上記数値範囲の下限値以上であることにより、粉砕物の取り扱い性が良好であり、またリン酸エステル等に含有されるリンを最終的に形成される炭素材中に有意に残存させることができる。また、上記粉砕物の粒径が上記数位範囲の上限値以下であることにより、第二焼成工程における炭素材の熱履歴の均一化を良好に図ることができる。
上記粉砕物の粒径は、体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(D50、平均粒径)を意味する。
第一工程と第二工程とを分けて実施する態様の例として、たとえば第一焼成工程と第二焼成工程との間には、第一焼成工程にて得られた炭素材前駆体を粉砕する粉砕工程を設けることができる。第二焼成工程における炭素材前駆体の熱履歴を均一にするという観点からは、上記粉砕工程を実施することが好ましい。上記粉砕工程において得られる炭素材前駆体の粉砕物の粒径は特に限定されないが、1μm以上20μm以下、より好ましくは5μm以上15μm以下である。上記粉砕物の粒径が上記数値範囲の下限値以上であることにより、粉砕物の取り扱い性が良好であり、またリン酸エステル等に含有されるリンを最終的に形成される炭素材中に有意に残存させることができる。また、上記粉砕物の粒径が上記数位範囲の上限値以下であることにより、第二焼成工程における炭素材の熱履歴の均一化を良好に図ることができる。
上記粉砕物の粒径は、体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(D50、平均粒径)を意味する。
また上記粉砕工程における粉砕条件を調整することによって、好ましい範囲の単位体積当たりの表面積または平均2乗半径である炭素粒子を含む炭素材を製造することが可能である。
上記粉砕工程における粉砕方法は特に限定されないが、たとえば任意の粉砕装置を用いることができる。上記粉砕装置としては、ボールミル装置、振動ボールミル装置、ロッドミル装置、ビーズミル装置などの衝撃型粉砕装置、またはサイクロンミル装置、ジェットミル装置、乾式気流粉砕装置など気流粉砕装置を挙げることができるがこれに限定されない。粉砕処理において、これらの装置を1種または2種以上使用し、または、1種の装置で複数回粉砕して用いてもよい。また粉砕処理において、これらの装置に加え、篩などを用いて適宜、分級してもよく、また分級機能を有する粉砕装置を用いてもよい。
上記粉砕工程における粉砕方法は特に限定されないが、たとえば任意の粉砕装置を用いることができる。上記粉砕装置としては、ボールミル装置、振動ボールミル装置、ロッドミル装置、ビーズミル装置などの衝撃型粉砕装置、またはサイクロンミル装置、ジェットミル装置、乾式気流粉砕装置など気流粉砕装置を挙げることができるがこれに限定されない。粉砕処理において、これらの装置を1種または2種以上使用し、または、1種の装置で複数回粉砕して用いてもよい。また粉砕処理において、これらの装置に加え、篩などを用いて適宜、分級してもよく、また分級機能を有する粉砕装置を用いてもよい。
本製造方法は、第一焼成工程に、融解段階と炭素材前駆体生成段階とを含む。
上記融解段階は、二次電池負極用樹脂組成物に含まれるフェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステルまたはリン酸誘導体を融解させる。
上記炭素材前駆体生成段階は、脱脂および/またはグラフェン様構造を含む望ましい炭素の結晶子が形成される。
本実施形態にかかる炭素製造方法は、望ましくは、上記融解段階により融解したリン化合物またはリン酸誘導体を沸騰または分解させる前に、融解段階により融解したフェノール性水酸基含有樹脂を加熱することにより炭素材前駆体生成をさせる。
上記融解段階は、二次電池負極用樹脂組成物に含まれるフェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステルまたはリン酸誘導体を融解させる。
上記炭素材前駆体生成段階は、脱脂および/またはグラフェン様構造を含む望ましい炭素の結晶子が形成される。
本実施形態にかかる炭素製造方法は、望ましくは、上記融解段階により融解したリン化合物またはリン酸誘導体を沸騰または分解させる前に、融解段階により融解したフェノール性水酸基含有樹脂を加熱することにより炭素材前駆体生成をさせる。
第一焼成工程において上記融解段階および上記炭素材前駆体生成段階を実現するためには、たとえば、樹脂組成物に含まれるフェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステル等の融点が、いずれも常温を超えて250℃以下である樹脂組成物を用いるとよい。これにより、樹脂組成物の炭化のための焼成工程においてフェノール性水酸基含有樹脂の自己縮合が開始する前に、フェノール性水酸基含有樹脂とリン酸エステル等を融解させることができる(融解段階)。
融解段階を経たフェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステル等が存在する樹脂組成物をさらに高温(たとえば300℃以上800℃以下)で焼成することによって、フェノール性水酸基含有樹脂から、脱脂およびグラフェン様構造を含む望ましい炭素の結晶子を形成させ、炭素材前駆体を形成することができる。本製造方法では、炭素材前駆体生成段階において、沸騰または熱分解前のリン酸エステル等が存在することから、フェノール性水酸基含有樹脂の水酸基が脱水縮合により架橋することが抑制される。そのため、生成された炭素材前駆体の結晶構造は、リチウムイオン等の化学種の吸蔵放出能に優れた結晶子が形成されたもの、または形成途中であるものと思われる。
本製造方法において、上述する融解段階および炭素材前駆体生成段階は、第一焼成工程において独立しており融解段階が完全に終了した後に炭素材前駆体生成段階が開始される態様、または融解段階の後半と炭素材前駆体生成段階の前半とが重複した態様のいずれであってもよい。
第一焼成工程において、融解段階および炭素材前駆体生成段階は、フェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステル等の体積の減少または膨張を測定することにより判断することができる。即ち、第一焼成工程において焼成によりフェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステル等が熱溶解して体積が減少傾向にある段階を融解段階という。また第一焼成工程において、溶融により減少したフェノール性水酸基含有樹脂の体積が膨張を示す段階を炭素材前駆体生成段階という。
第一焼成工程において、融解段階および炭素材前駆体生成段階は、フェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステル等の体積の減少または膨張を測定することにより判断することができる。即ち、第一焼成工程において焼成によりフェノール性水酸基含有樹脂およびリン酸エステル等が熱溶解して体積が減少傾向にある段階を融解段階という。また第一焼成工程において、溶融により減少したフェノール性水酸基含有樹脂の体積が膨張を示す段階を炭素材前駆体生成段階という。
上述する第一焼成工程および第二焼成工程のガス雰囲気は特に限定されないが、たとえば不活性ガス雰囲気で行うことができる。上記不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが挙げられる。これらの中でも、窒素ガスが特に好ましい。
第一焼成工程および第二焼成工程のガス雰囲気は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第一焼成工程および第二焼成工程のガス雰囲気は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第一焼成工程および第二焼成工程における昇温速度、焼成温度、焼成時間などの条件は、生成される炭素材の使用が予定される負極の特性を最適なものにするため適宜調整することができる。
以上の炭素材製造方法により、二次電池負極用炭素材を得ることができる。本製造方法により製造された炭素材は、充放電容量および充放電効率が改善され電池特性に優れる。
本実施形態により製造された炭素材は、二次電池負極に用いられる負極用活物質として使用される。
尚、以上に説明する本発明の二次電池負極用炭素材の製造方法は、本実施形態にかかる炭素材を製造する方法の一例であって、当該炭素材を他の製造方法で製造することを除外するものではない。
以上の炭素材製造方法により、二次電池負極用炭素材を得ることができる。本製造方法により製造された炭素材は、充放電容量および充放電効率が改善され電池特性に優れる。
本実施形態により製造された炭素材は、二次電池負極に用いられる負極用活物質として使用される。
尚、以上に説明する本発明の二次電池負極用炭素材の製造方法は、本実施形態にかかる炭素材を製造する方法の一例であって、当該炭素材を他の製造方法で製造することを除外するものではない。
以下に、本発明の炭素材を含む本発明の負極用活物質、当該負極用活物質を含む負極用活物質層を備える本発明の二次電池負極、および当該二次電池負極を備える本発明の二次電池について説明する。
<負極用活物質>
本発明の二次電池負極用活物質は、上述する本発明の二次電池負極用炭素材を含有する。リチウムイオンまたはナトリウムイオンなどのアルカリ金属イオンの吸蔵放出に優れる本発明の炭素材を含有することによって、本発明の負極用活物質は、負極の充電容量および充放電効率の向上に良好に貢献する。本発明において負極用活物質とは、二次電池負極において電荷担体となる化学種を吸蔵および放出し得る材料をいう。上記化学種は、例えばアルカリ金属イオン二次電池においては、リチウムイオンまたはナトリウムイオンなどを挙げることができる。
本発明の二次電池負極用活物質は、上述する本発明の二次電池負極用炭素材を含有する。リチウムイオンまたはナトリウムイオンなどのアルカリ金属イオンの吸蔵放出に優れる本発明の炭素材を含有することによって、本発明の負極用活物質は、負極の充電容量および充放電効率の向上に良好に貢献する。本発明において負極用活物質とは、二次電池負極において電荷担体となる化学種を吸蔵および放出し得る材料をいう。上記化学種は、例えばアルカリ金属イオン二次電池においては、リチウムイオンまたはナトリウムイオンなどを挙げることができる。
以下、本発明の樹脂組成物を含む負極用活物質について説明する。
負極用活物質とは、アルカリ金属イオン電池などの二次電池において、アルカリ金属イオン(例えばリチウムイオンまたはナトリウムイオン)などの化学種を吸蔵および放出することのできる物質である。本明細書において説明する負極用活物質は、本発明の樹脂組成物を用いて生成された炭素材を含有する物質を意味する。
負極用活物質とは、アルカリ金属イオン電池などの二次電池において、アルカリ金属イオン(例えばリチウムイオンまたはナトリウムイオン)などの化学種を吸蔵および放出することのできる物質である。本明細書において説明する負極用活物質は、本発明の樹脂組成物を用いて生成された炭素材を含有する物質を意味する。
負極用活物質は、実質的に本発明の炭素材のみから構成されてもよいが、当該炭素材とは異なる材料をさらに含んでもよい。このような材料としては、例えば、シリコン、一酸化ケイ素、他の黒鉛質材料など一般的に負極材料として公知の材料が挙げられる。
使用する黒鉛質材料の体積基準の累積分布における50%累積時の粒径(平均粒径)は、2μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上30μm以下がより好ましい。
<二次電池負極および二次電池>
以下、本発明の二次電池負極および当該二次電池負極を備える本発明の二次電池について説明する。
本発明の二次電池負極は、上述する本発明の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、二次電池負極用活物質層が積層された負極用集電体と、を有して構成される。
また本発明の二次電池は、上述する本発明の二次電池負極と、電解質と、二次電池正極と、を備えて構成される。
以下、本発明の二次電池負極および当該二次電池負極を備える本発明の二次電池について説明する。
本発明の二次電池負極は、上述する本発明の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、二次電池負極用活物質層が積層された負極用集電体と、を有して構成される。
また本発明の二次電池は、上述する本発明の二次電池負極と、電解質と、二次電池正極と、を備えて構成される。
本発明の負極は、本発明の負極用活物質を用いて構成されることにより、充電容量および充放電効率に優れる。また、本発明の負極を備える本発明の二次電池は、負極の充電容量および充放電効率の向上が反映され優れた電池性能を示す。
上記二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池またはナトリウムイオン二次電池などのアルカリ金属二次電池を挙げることができるがこれに限定されるものではない。また上記二次電池は、非水電解液二次電池、および固体二次電池などの異なる電解質を使用する種々の形式を含む。以下の説明では、二次電池として、リチウムイオン二次電池を例に説明する。
以下に、図1を用いて、本発明の炭素材を含むリチウムイオン二次電池の一例を説明する。図1は、本発明の炭素材を含むリチウムイオン二次電池100の一例を示す模式図である。
リチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、負極10と、正極20と、セパレータ30と、電解液40とを有している。
リチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、負極10と、正極20と、セパレータ30と、電解液40とを有している。
負極10は、図1に示すように、負極用活物質層12と負極集電体14とを有している。
負極用活物質層12は、上述した本発明の樹脂組成物を用いてなる炭素材を含有している。
負極集電体14としては特に限定されず、一般的に公知の負極用集電体を用いることができ、例えば、銅箔またはニッケル箔などを用いることができる。
負極用活物質層12は、上述した本発明の樹脂組成物を用いてなる炭素材を含有している。
負極集電体14としては特に限定されず、一般的に公知の負極用集電体を用いることができ、例えば、銅箔またはニッケル箔などを用いることができる。
負極10は、例えば、以下のようにして製造することができる。
上述する負極用活物質100質量部に対して、一般的に公知の有機高分子結着剤(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などのフッ素系高分子;スチレン・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子;など)1質量部以上30質量部以下、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、アルコール、水など)または水を添加して混練して、負極スラリーを調製する。
また、上述する負極用活物質に対し、必要に応じてさらに導電材を添加してもよい。導電材としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相法炭素繊維などのいずれかまたは組み合わせを用いることができる。導電材の配合量は、特に限定されないが、たとえば負極用活物質100質量%において、2質量%以上10質量%以下が好ましく、さらに好ましくは3質量%以上7質量%以下である。これらの範囲外でも用いることができるが、導電剤の配合量が多すぎると電極中に存在する負極用活物質量が必要以上に減少するおそれがあり、負極の体積容量が低下するおそれがある。
上述する負極用活物質100質量部に対して、一般的に公知の有機高分子結着剤(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などのフッ素系高分子;スチレン・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴムなどのゴム状高分子;など)1質量部以上30質量部以下、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、アルコール、水など)または水を添加して混練して、負極スラリーを調製する。
また、上述する負極用活物質に対し、必要に応じてさらに導電材を添加してもよい。導電材としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相法炭素繊維などのいずれかまたは組み合わせを用いることができる。導電材の配合量は、特に限定されないが、たとえば負極用活物質100質量%において、2質量%以上10質量%以下が好ましく、さらに好ましくは3質量%以上7質量%以下である。これらの範囲外でも用いることができるが、導電剤の配合量が多すぎると電極中に存在する負極用活物質量が必要以上に減少するおそれがあり、負極の体積容量が低下するおそれがある。
得られたスラリーを圧縮成形、ロール成形などによりシート状、ペレット状などに成形して、負極用活物質層12を得ることができる。そして、このようにして得られた負極用活物質層12と負極集電体14とを積層することにより、負極10を得ることができる。
また、得られた負極スラリーを負極集電体14に塗布して乾燥することにより、負極10を製造することもできる。
また、得られた負極スラリーを負極集電体14に塗布して乾燥することにより、負極10を製造することもできる。
電解液40は、正極20と負極10との間を満たすものであり、充放電によってリチウムイオンが移動する層である。
電解液40としては特に限定されず、一般的に公知の電解液を用いることができ、例えば、非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解した非水電解液が用いられる。
この非水系溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状エステル類;ジメトキシエタンなどの鎖状エーテル類;あるいはこれらの混合物などを用いることができる。
電解質としては特に限定されず、一般的に公知の電解質を用いることができ、例えば、LiClO4、LiPF6などのリチウム金属塩を用いることができる。また、上記塩類をポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリルなどに混合し、固体電解質として用いることもできる。
セパレータ30としては特に限定されず、一般的に公知のセパレータを用いることができ、例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどを用いて構成される多孔質フィルム、不織布などを用いることができる。
正極20は、図1に示すように、正極活物質層22と正極集電体24とを有している。
正極活物質層22としては特に限定されず、一般的に公知の正極活物質により形成することができる。正極活物質としては特に限定されず、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCoyMnzO2、x+y+z=1)などの複合酸化物;ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子;などを用いることができる。
正極活物質は、上述する負極用活物質と同様に、有機高分子結着剤および導電材が含有される。正極活物質における有機高分子結着剤および導電材の配合量は、特に限定されず、負極用活物質と同等にしてもよく、また負極用活物質とは異なる量を配合してもよい。
正極活物質層22としては特に限定されず、一般的に公知の正極活物質により形成することができる。正極活物質としては特に限定されず、例えば、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCoyMnzO2、x+y+z=1)などの複合酸化物;ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子;などを用いることができる。
正極活物質は、上述する負極用活物質と同様に、有機高分子結着剤および導電材が含有される。正極活物質における有機高分子結着剤および導電材の配合量は、特に限定されず、負極用活物質と同等にしてもよく、また負極用活物質とは異なる量を配合してもよい。
正極集電体24としては特に限定されず、一般的に公知の正極集電体を用いることができ、例えば、アルミニウム箔、ステンレス箔、チタン箔、ニッケル箔、銅箔などを用いることができる。
そして、本実施形態における正極20は、一般的に公知の正極の製造方法により製造することができる。
そして、本実施形態における正極20は、一般的に公知の正極の製造方法により製造することができる。
以上にリチウムイオン二次電池100を例に説明したが、上述は本発明の樹脂組成物を用いて生成された炭素材がリチウムイオン二次電池以外の二次電池に用いられることを除外するものではない。本発明の樹脂組成物を用いて生成された炭素材は、たとえばナトリウムイオンなどのリチウムイオン以外のアルカリイオンを化学種とする二次電池に用いることも可能である。このとき各アルカリイオン二次電池は、上述するリチウムイオン二次電池100に用いられる部材と同様の部材を用いて構成されてもよいし、異なる部材を用いて構成されてもよい。たとえば、ナトリウムイオン二次電池における負極集電体には、上述にて例示される負極集電体の他、アルミニウム箔を選択することもできる。
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、図1では、負極集電体14の一方側の面に負極用活物質層12が形成され、また正極集電体24の一方側の面に正極活物質層22が形成された例を示した。変形例として、負極集電体14の両面に負極用活物質層12を形成し、正極集電体24の両面に正極活物質層22を形成し、これらをセパレータ30および電解液40を介して対向させて二次電池を構成してもよい。
また、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
また、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
二次電池は、負極10、正極20、セパレータ30、および電解液40を二次電池に適応するケースに適切に配置して形成することができる。二次電池の型は、特定されないが、例えば円筒型、コイン型、角型、またはフィルム型などを挙げることができる。
以下、本発明の実施例および比較例を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例および比較例に限定されるものではない。尚、実施例では、「部」は「質量部」を示し、「%」は「質量%」を示す。
<フェノール性水酸基含有樹脂の合成>
はじめに実施例または比較例に用いるノボラック型フェノール樹脂を以下のとおり合成した。
フェノール100部、37%ホルムアルデヒド水溶液64.5部、およびシュウ酸3部を攪拌機および冷却管を備えた3つ口フラスコに入れ、100℃で3時間反応後、昇温脱水し、ノボラック型フェノール樹脂90部を得た。上述のとおり得られたノボラック型フェノール樹脂の水酸基当量を、JIS K 0070(1992)の中和滴定法に準じて測定したところ、105g/eqであった。
はじめに実施例または比較例に用いるノボラック型フェノール樹脂を以下のとおり合成した。
フェノール100部、37%ホルムアルデヒド水溶液64.5部、およびシュウ酸3部を攪拌機および冷却管を備えた3つ口フラスコに入れ、100℃で3時間反応後、昇温脱水し、ノボラック型フェノール樹脂90部を得た。上述のとおり得られたノボラック型フェノール樹脂の水酸基当量を、JIS K 0070(1992)の中和滴定法に準じて測定したところ、105g/eqであった。
<実施例1>
上述のとおり得られたノボラック型フェノール樹脂100部に対して、リン酸トリフェニル(大八化学工業株式会社製、商品名:TPP)10部、およびヘキサメチレンテトラミン3部を振動ボールミルにて粉砕混合し樹脂組成物を得た。
上述のとおり得られたノボラック型フェノール樹脂100部に対して、リン酸トリフェニル(大八化学工業株式会社製、商品名:TPP)10部、およびヘキサメチレンテトラミン3部を振動ボールミルにて粉砕混合し樹脂組成物を得た。
上述で得た樹脂組成物を窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて昇温し、550℃に到達後、焼成状態を1.5時間保持して炭化処理を行った(第一焼成工程)。その後に、粉砕工程を実施し、炭素材前駆体を得た。
上記炭素材前駆体を、窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて焼成し1200℃に到達後、焼成状態を2時間保持して炭化処理を行った(第二焼成工程)。これにより得られた炭素材を、実施例1とした。
尚、実施例1における上記粉砕工程の粉砕条件は、後述する。他の実施例および比較例も第一焼成工程および第二焼成工程の間に後述する粉砕条件で粉砕工程を行った。
上記炭素材前駆体を、窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて焼成し1200℃に到達後、焼成状態を2時間保持して炭化処理を行った(第二焼成工程)。これにより得られた炭素材を、実施例1とした。
尚、実施例1における上記粉砕工程の粉砕条件は、後述する。他の実施例および比較例も第一焼成工程および第二焼成工程の間に後述する粉砕条件で粉砕工程を行った。
<実施例2>
リン酸トリフェニルの配合量を5部に変更したこと以外は上述する実施例1と同様の方法により炭素材を生成し、これを実施例2とした。
リン酸トリフェニルの配合量を5部に変更したこと以外は上述する実施例1と同様の方法により炭素材を生成し、これを実施例2とした。
<実施例3>
第二焼成工程において1200℃の焼成状態の保持時間を4時間に変更したこと以外は上述する実施例1と同様の方法により炭素材を生成し、これを実施例3とした。
第二焼成工程において1200℃の焼成状態の保持時間を4時間に変更したこと以外は上述する実施例1と同様の方法により炭素材を生成し、これを実施例3とした。
<実施例4>
実施例1と同様に樹脂組成物を調製し、後述のとおり実施例1の粉砕条件とは異なる粉砕条件に変更したこと以外は実施例1と同様の条件で第一焼成工程および第二焼成工程を実施した。これにより得られた炭素材を実施例4とした。
実施例1と同様に樹脂組成物を調製し、後述のとおり実施例1の粉砕条件とは異なる粉砕条件に変更したこと以外は実施例1と同様の条件で第一焼成工程および第二焼成工程を実施した。これにより得られた炭素材を実施例4とした。
<比較例1>
上述のとおり得られたノボラック型フェノール樹脂100部を窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて昇温し、550℃に到達後、焼成状態を1.5時間保持して炭化処理を行った(第一焼成工程)。その後に、粉砕工程を実施し、炭素材前駆体を得た。
上記炭素材前駆体を、窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて焼成し1200℃に到達後、焼成状態を2時間保持して炭化処理を行った(第二焼成工程)。これにより得られた炭素材を、比較例1とした。
上述のとおり得られたノボラック型フェノール樹脂100部を窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて昇温し、550℃に到達後、焼成状態を1.5時間保持して炭化処理を行った(第一焼成工程)。その後に、粉砕工程を実施し、炭素材前駆体を得た。
上記炭素材前駆体を、窒素雰囲気下にて室温から100℃/時間の昇温速度にて焼成し1200℃に到達後、焼成状態を2時間保持して炭化処理を行った(第二焼成工程)。これにより得られた炭素材を、比較例1とした。
<比較例2>
ノボラック型フェノール樹脂100部に対し、リン酸トリフェニル5部およびヘキサメチレンテトラミン5部を用い、振動ボールミルにて粉砕混合し樹脂組成物を得た。
比較例1で用いたノボラック型フェノール樹脂100部の替りに上記樹脂組成物を用いたこと以外は上述する比較例1と同様の方法により炭素材を生成し、これを比較例2とした。
ノボラック型フェノール樹脂100部に対し、リン酸トリフェニル5部およびヘキサメチレンテトラミン5部を用い、振動ボールミルにて粉砕混合し樹脂組成物を得た。
比較例1で用いたノボラック型フェノール樹脂100部の替りに上記樹脂組成物を用いたこと以外は上述する比較例1と同様の方法により炭素材を生成し、これを比較例2とした。
尚、各実施例および各比較例における粉砕工程は、第一焼成工程により得られた焼成物を用い、以下の粉砕条件で行った。粉砕工程により得た炭素前駆体を第二焼成工程に供した。
実施例1:第一焼成工程を実施して得られた中間物を室温まで自然放冷し、ボールミル粉砕装置にて、φ15mmのアルミナボール5000gとφ10mmのアルミナボール900gを入れた容器の中に入れ処理し、粉砕中間物を得た。次いで上記粉砕中間物を、目開き75μmの篩に通して粗大粒子を取り除き、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例2:実施例1と同様の条件で粉砕工程を行い、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例3:第一焼成工程を実施して得られた中間物を室温まで自然放冷し、サイクロンミル粉砕装置を用い粉体供給量30g/min、風量0.8m3/min、第1粉砕インペラ回転数13000rpm、第2粉砕インペラ回転数13000rpmの条件にて粉砕して粉砕中間物を得た。次いで上記粉砕中間物を、目開き75μmの篩に通して粗大粒子を取り除き、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例4:第一焼成工程を実施して得られた中間物を室温まで自然放冷し、サイクロンミル粉砕装置を用い粉体供給量50g/min、風量0.5m3/min、第1粉砕インペラ回転数15000rpm、第2粉砕インペラ回転数15000rpmの条件にて粉砕して粉砕中間物を得た。次いで上記粉砕中間物を、目開き75μmの篩に通して粗大粒子を取り除き粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
比較例1および2:実施例1と同様の条件で粉砕工程を行い、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例1:第一焼成工程を実施して得られた中間物を室温まで自然放冷し、ボールミル粉砕装置にて、φ15mmのアルミナボール5000gとφ10mmのアルミナボール900gを入れた容器の中に入れ処理し、粉砕中間物を得た。次いで上記粉砕中間物を、目開き75μmの篩に通して粗大粒子を取り除き、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例2:実施例1と同様の条件で粉砕工程を行い、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例3:第一焼成工程を実施して得られた中間物を室温まで自然放冷し、サイクロンミル粉砕装置を用い粉体供給量30g/min、風量0.8m3/min、第1粉砕インペラ回転数13000rpm、第2粉砕インペラ回転数13000rpmの条件にて粉砕して粉砕中間物を得た。次いで上記粉砕中間物を、目開き75μmの篩に通して粗大粒子を取り除き、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
実施例4:第一焼成工程を実施して得られた中間物を室温まで自然放冷し、サイクロンミル粉砕装置を用い粉体供給量50g/min、風量0.5m3/min、第1粉砕インペラ回転数15000rpm、第2粉砕インペラ回転数15000rpmの条件にて粉砕して粉砕中間物を得た。次いで上記粉砕中間物を、目開き75μmの篩に通して粗大粒子を取り除き粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
比較例1および2:実施例1と同様の条件で粉砕工程を行い、粉砕物(炭素材前駆体)を得た。
尚、上述する粉砕処理にて用いた粉砕装置は以下のとおりである。
ボールミル粉砕装置は、回転式ボールミル(1段式―B、株式会社入江商会提供)を用いた。
サイクロンミル粉砕装置は、乾式粉砕機(150BMW型サイクロンミル、株式会社静岡プラント製)を用いた。
ボールミル粉砕装置は、回転式ボールミル(1段式―B、株式会社入江商会提供)を用いた。
サイクロンミル粉砕装置は、乾式粉砕機(150BMW型サイクロンミル、株式会社静岡プラント製)を用いた。
[炭素材評価]
(リン含有量)
上述のとおり得られた各実施例および各比較例をそれぞれ塩酸に溶解させて試料を調製し、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析装置を用いて当該試料に含まれるリンを定量した。定量結果は表1に示す。
(炭酸ガス吸着量)
上述のとおり得られた各実施例および各比較例をそれぞれガス吸着測定装置(日本ベル株式会社製、BELSORP-max)に供し、炭素材における炭酸ガスの吸着量を測定した。測定用試料管に測定試料0.5gを入れ、200℃で2時間減圧乾燥を行い、その後炭酸ガスの吸着量の測定を行った。測定温度は25℃とし、炭酸ガスを試料管に導入し、試料管内の平衡圧力が110KPaに達するまでの炭酸ガスの吸着量を定容法により求めた。測定結果は表1に示す。
(真比重の測定)
上述のとおり得た各実施例および各比較例について、ブタノールを用いた真比重測定方法により真比重を測定した。測定結果は、表1に示す。
(表面積の測定)
粒度分布測定装置(粒度分布測定装置LA−920、株式会社堀場製作所製)を用い、各実施例および各比較例の個数基準における粒子径分布を以下の手順により測定した。
上述のとおり得た炭素材20mg、約1wt%に希釈した界面活性剤(ツイーン20、キシダ化学株式会社製)1ml、および蒸留水約5mlを一つのポリ容器に入れ、超音波洗浄機内に設置し、1分間ポリスポイトで混ぜながら超音波をかけて分散させて分散物を得た。上記分散物を、上述の粒度分布測定装置に供し、相対屈折率1.5の設定にて粒子径分布の測定を行った。
上記粒子径分布測定により得られたデータを用い、上記数式(1)により単位体積当たりの表面積を算出した。算出された値は、表1に示す。
(平均2乗半径の算出)
上述する粒子径分布測定により得られたデータを用い、上記数式(2)により各実施例および各比較例の平均2乗半径を算出した。算出された値は、表1に示す。
(リン含有量)
上述のとおり得られた各実施例および各比較例をそれぞれ塩酸に溶解させて試料を調製し、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析装置を用いて当該試料に含まれるリンを定量した。定量結果は表1に示す。
(炭酸ガス吸着量)
上述のとおり得られた各実施例および各比較例をそれぞれガス吸着測定装置(日本ベル株式会社製、BELSORP-max)に供し、炭素材における炭酸ガスの吸着量を測定した。測定用試料管に測定試料0.5gを入れ、200℃で2時間減圧乾燥を行い、その後炭酸ガスの吸着量の測定を行った。測定温度は25℃とし、炭酸ガスを試料管に導入し、試料管内の平衡圧力が110KPaに達するまでの炭酸ガスの吸着量を定容法により求めた。測定結果は表1に示す。
(真比重の測定)
上述のとおり得た各実施例および各比較例について、ブタノールを用いた真比重測定方法により真比重を測定した。測定結果は、表1に示す。
(表面積の測定)
粒度分布測定装置(粒度分布測定装置LA−920、株式会社堀場製作所製)を用い、各実施例および各比較例の個数基準における粒子径分布を以下の手順により測定した。
上述のとおり得た炭素材20mg、約1wt%に希釈した界面活性剤(ツイーン20、キシダ化学株式会社製)1ml、および蒸留水約5mlを一つのポリ容器に入れ、超音波洗浄機内に設置し、1分間ポリスポイトで混ぜながら超音波をかけて分散させて分散物を得た。上記分散物を、上述の粒度分布測定装置に供し、相対屈折率1.5の設定にて粒子径分布の測定を行った。
上記粒子径分布測定により得られたデータを用い、上記数式(1)により単位体積当たりの表面積を算出した。算出された値は、表1に示す。
(平均2乗半径の算出)
上述する粒子径分布測定により得られたデータを用い、上記数式(2)により各実施例および各比較例の平均2乗半径を算出した。算出された値は、表1に示す。
<ハーフセル型リチウムイオン二次電池の作成>
(負極の作成)
上述のとおり得られた各実施例および各比較例それぞれの電池特性を評価するために、以下のとおり負極を作成した。
各実施例および各比較例それぞれ100%に対し、結着剤としてスチレン・ブタジエンゴム3%、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1.5%、導電材としてアセチレンブラック2%の割合で配合し、純水を適量加えて希釈混合し、スラリー状の負極用混合物を得た。
上述で得たスラリー状の負極用混合物を厚さ10μmの銅箔(集電体)に同量ずつ塗布し、110℃で1時間、真空乾燥した。次いで、ロールプレスによって60μmの厚みに加圧成形したものを所定形状に打ち抜き、直径13mm、電極活物質層(集電体を除いた部分)の厚さ50μmである円盤状のリチウムイオン二次電池用の負極を作成した。
(負極の作成)
上述のとおり得られた各実施例および各比較例それぞれの電池特性を評価するために、以下のとおり負極を作成した。
各実施例および各比較例それぞれ100%に対し、結着剤としてスチレン・ブタジエンゴム3%、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1.5%、導電材としてアセチレンブラック2%の割合で配合し、純水を適量加えて希釈混合し、スラリー状の負極用混合物を得た。
上述で得たスラリー状の負極用混合物を厚さ10μmの銅箔(集電体)に同量ずつ塗布し、110℃で1時間、真空乾燥した。次いで、ロールプレスによって60μmの厚みに加圧成形したものを所定形状に打ち抜き、直径13mm、電極活物質層(集電体を除いた部分)の厚さ50μmである円盤状のリチウムイオン二次電池用の負極を作成した。
(作用極の作成)
作用極として厚さ1mmのリチウム金属を準備した。
作用極として厚さ1mmのリチウム金属を準備した。
(電解液の調製)
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液(体積比3:7)に六フッ化リン酸リチウムを1モル/リットルの濃度で溶解させて、電解液を調製した。
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合液(体積比3:7)に六フッ化リン酸リチウムを1モル/リットルの濃度で溶解させて、電解液を調製した。
(リチウムイオン二次電池の作成)
上述のとおり得た負極、作用極、電解液を用い、以下のとおりリチウムイオン二次電池を作成した。
負極、セパレータ(ポリプロピレン製多孔質フィルム:厚さ25μm)、作用極の順に、宝泉株式会社製二極セルの所定の位置に配置し、電解液を注液し、リチウムイオン二次電池を作成した。
上述のとおり得た負極、作用極、電解液を用い、以下のとおりリチウムイオン二次電池を作成した。
負極、セパレータ(ポリプロピレン製多孔質フィルム:厚さ25μm)、作用極の順に、宝泉株式会社製二極セルの所定の位置に配置し、電解液を注液し、リチウムイオン二次電池を作成した。
[初回充放電特性評価]
上述のとおり作成したハーフセル型リチウムイオン二次電池を用いて以下のとおり電池特性を評価した。
測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が0Vに達した時点から、0Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gになるまで充電した電気量を初回充電容量とした。
次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達した時点の電気量を初回放電容量とした。
下記数式(3)に示すとおり、初回充電容量で初回放電容量を除した値に100を乗じて初回充放電効率を算出した。尚、初回充放電特性評価の結果は、表1に示す。
尚、本初回充放電特性評価において、「充電」とは、電圧の印加により、金属リチウムで構成された作用極から炭素材を用いて構成された負極にリチウムイオンを移動させることをいう。また「放電」とは、炭素材を用いて構成された負極から、金属リチウムで構成された作用極にリチウムイオンが移動する現象のことをいう。
上述のとおり作成したハーフセル型リチウムイオン二次電池を用いて以下のとおり電池特性を評価した。
測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が0Vに達した時点から、0Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gになるまで充電した電気量を初回充電容量とした。
次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達した時点の電気量を初回放電容量とした。
下記数式(3)に示すとおり、初回充電容量で初回放電容量を除した値に100を乗じて初回充放電効率を算出した。尚、初回充放電特性評価の結果は、表1に示す。
尚、本初回充放電特性評価において、「充電」とは、電圧の印加により、金属リチウムで構成された作用極から炭素材を用いて構成された負極にリチウムイオンを移動させることをいう。また「放電」とは、炭素材を用いて構成された負極から、金属リチウムで構成された作用極にリチウムイオンが移動する現象のことをいう。
[数5]
初回充放電効率(%)=初回放電容量(mAh/g)/初回充電容量(mAh/g)×100 (3)
初回充放電効率(%)=初回放電容量(mAh/g)/初回充電容量(mAh/g)×100 (3)
表1に示すとおり、いずれの実施例も、本発明で特定する所定の範囲のリン含有量および所定値未満の炭酸ガス吸着量を示すことが確認された。これに対し、比較例1は、リン含有量が所定の範囲の下限を下回っているとともに、炭酸ガスの吸着量が所定値を大きく上回っていることが確認された。また比較例2は、リン含有量は所定の範囲であったが、炭酸ガス吸着量が所定値以上であることが確認された。
各実施例を用いて行った電池特性評価では、いずれも高い初回充電容量および初回放電容量が示された。各実施例において示される充放電効率は、各比較例に対し有意に高かった。これにより実施例の炭素材はいずれも、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵放出に優れることが示された。
各実施例を用いて行った電池特性評価では、いずれも高い初回充電容量および初回放電容量が示された。各実施例において示される充放電効率は、各比較例に対し有意に高かった。これにより実施例の炭素材はいずれも、リチウムイオンなどの化学種の吸蔵放出に優れることが示された。
<フルセル型リチウムイオン二次電池の作成>
上述のとおり得られた実施例および比較例の低温環境における電池特性を評価するために、フルセル型リチウムイオン二次電池の作成を行った。
作成方法は上述のハーフセル型リチウムイオン二次電池の作成方法における、作用極を正極に変更したこと以外は、同様の方法で行った。
正極としては、LiCoO2を活物質とし、集電体上に塗布して作製したものを用い、正極の集電体として、アルミ箔を用いた単層シート(パイオニクス株式会社製、商品名;ピオクセル C−100)を直径12mmの円盤状に形成したものを用いた。
上述のとおり得られた実施例および比較例の低温環境における電池特性を評価するために、フルセル型リチウムイオン二次電池の作成を行った。
作成方法は上述のハーフセル型リチウムイオン二次電池の作成方法における、作用極を正極に変更したこと以外は、同様の方法で行った。
正極としては、LiCoO2を活物質とし、集電体上に塗布して作製したものを用い、正極の集電体として、アルミ箔を用いた単層シート(パイオニクス株式会社製、商品名;ピオクセル C−100)を直径12mmの円盤状に形成したものを用いた。
[低温環境試験]
上述の通り作製した、フルセル型リチウムイオン二次電池を用い、以下の通りに測定を行った。
測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達するまで放電した。さらに同様の条件で充電および放電を行い合計5サイクルの充放電を実施してエージング処理を行った。
エージング処理後、各リチウムイオン二次電池を、25℃の温度環境下、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した。次に、0.2Cの定電流で放電を行い、SOC(State of Charge)50%となるよう調整し、25℃で1時間放置した。続いて、各リチウムイオン二次電池を−20℃の温度環境下で1時間放置し、下記「低温環境充放電処理」を3サイクル行った。
即ち、低温環境放電処理は、リチウムイオン二次電池を−20℃の温度環境下に設置し、所定の電流値で10秒間充電した際の電圧を測定し、次いで10分間放置した後、所定の電流値で10秒間だけ放電した際の電圧を測定し、その後10分間放置するものである。上記所定の電流値とは、具体的には、1サイクル目から3サイクル目まで、順に、1/3C、0.5C、1Cである。上記低温環境放電処理において、上限電圧を4.2V、下限電圧を2.5Vとした。
尚、ここで「1C」は1時間で放電が終了する電流密度を意味する。
上述の通り作製した、フルセル型リチウムイオン二次電池を用い、以下の通りに測定を行った。
測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達するまで放電した。さらに同様の条件で充電および放電を行い合計5サイクルの充放電を実施してエージング処理を行った。
エージング処理後、各リチウムイオン二次電池を、25℃の温度環境下、0.2Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した。次に、0.2Cの定電流で放電を行い、SOC(State of Charge)50%となるよう調整し、25℃で1時間放置した。続いて、各リチウムイオン二次電池を−20℃の温度環境下で1時間放置し、下記「低温環境充放電処理」を3サイクル行った。
即ち、低温環境放電処理は、リチウムイオン二次電池を−20℃の温度環境下に設置し、所定の電流値で10秒間充電した際の電圧を測定し、次いで10分間放置した後、所定の電流値で10秒間だけ放電した際の電圧を測定し、その後10分間放置するものである。上記所定の電流値とは、具体的には、1サイクル目から3サイクル目まで、順に、1/3C、0.5C、1Cである。上記低温環境放電処理において、上限電圧を4.2V、下限電圧を2.5Vとした。
尚、ここで「1C」は1時間で放電が終了する電流密度を意味する。
上記低温環境放電処理に関し、横軸に電流値、縦軸に10秒間充電または放電した後の電圧をプロットし、その近似直線の傾きの絶対値から電池内の充電時および放電時の直流抵抗(DC−IR)を求め、その値から以下のとおり低温環境特性を評価した。DC−IRが低いことは電気抵抗が小さく出力特性が良好であることを意味する。
充電時の直流抵抗が195Ω以下、および/または放電時の直流抵抗が215Ω以下であった・・・・・◎
充電時の直流抵抗が195Ωを上回り210Ω以下、および放電時の直流抵抗が215Ωを超えて220Ω以下であった・・・・・○
充電時の直流抵抗が210Ωを上回り、および/または放電時の直流抵抗が220Ωを上回った・・・・・△
充電時の直流抵抗が195Ω以下、および/または放電時の直流抵抗が215Ω以下であった・・・・・◎
充電時の直流抵抗が195Ωを上回り210Ω以下、および放電時の直流抵抗が215Ωを超えて220Ω以下であった・・・・・○
充電時の直流抵抗が210Ωを上回り、および/または放電時の直流抵抗が220Ωを上回った・・・・・△
[ターゲット化合物の組成]
XPSにより実施例1の表面におけるP換算リン含有量およびC換算炭素含有量を測定して、これらの組成比P/Cを求めて表2に示した。
また、XPSにより実施例1の表面におけるターゲット化合物を検出した。検出された全てのターゲット化合物の組成100%に対し、各リン化合物および還元リンの組成比を表2に示した。
表2に示されるとおり、実施例1は、ターゲット化合物のうち、トリフェニルホスフィンオキシド((C6H5)3P(=O))、トリフェニルホスフィン((C6H5)3P)、および還元リンの各組成比の合計が50%以上であり、かつ、還元リンの組成比が0%を超えて13%以下であることが確認された。
XPSにより実施例1の表面におけるP換算リン含有量およびC換算炭素含有量を測定して、これらの組成比P/Cを求めて表2に示した。
また、XPSにより実施例1の表面におけるターゲット化合物を検出した。検出された全てのターゲット化合物の組成100%に対し、各リン化合物および還元リンの組成比を表2に示した。
表2に示されるとおり、実施例1は、ターゲット化合物のうち、トリフェニルホスフィンオキシド((C6H5)3P(=O))、トリフェニルホスフィン((C6H5)3P)、および還元リンの各組成比の合計が50%以上であり、かつ、還元リンの組成比が0%を超えて13%以下であることが確認された。
[炭素材の組成分析]
XPS:
実施例1の炭素材前駆体および実施例1について、以下のとおり表面における元素の定量を行った。即ち、XPSにより炭素材前駆体および実施例1の表面における炭素、酸素、リン、窒素の含有量を測定し、これら全体に対する各元素の組成比を求めた。結果を表3に示した。
組成分析:
実施例1の炭素材前駆体および実施例1について、以下のとおりバルクにおける元素の定量を行った。即ち、以下に示す組成分析により炭素材前駆体および実施例1のバルクに含まれる炭素、水素、窒素、酸素、リンの含有量を定量し、これら全体に対する各元素の組成比を求めた。結果を表3に示した。
炭素、水素、および窒素は、元素分析装置(株式会社住友分析センター製、NCH−22F型元素分析装置)を用い、酸素循環燃焼・ガスクロマトグラフィ法により定量した。具体的には、実施例1を約850℃で完全燃焼させ、CO2ガスおよびH2Oガスを生成し、ガスクロマトグラフィ法により炭素および水素を定量した。また窒素は、燃焼後に還元し、N2ガスを生成し、同様にガスクロマトグラフィ法により定量した。
酸素は、酸素含有分析装置(株式会社堀場製作所、EMGA920型酸素分析装置)を用いて、加熱融解・非分散赤外線吸収法により定量した。具体的には、実施例1をヘリウム雰囲気下、約2500℃で加熱し、COガスおよびCO2ガスを生成し、赤外線検出した。
リンは、灰化・酸溶解・高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量した。具体的には、実施例1を灰化した後、塩酸に溶解させて高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置にて、リンの定量を行った。
XPS:
実施例1の炭素材前駆体および実施例1について、以下のとおり表面における元素の定量を行った。即ち、XPSにより炭素材前駆体および実施例1の表面における炭素、酸素、リン、窒素の含有量を測定し、これら全体に対する各元素の組成比を求めた。結果を表3に示した。
組成分析:
実施例1の炭素材前駆体および実施例1について、以下のとおりバルクにおける元素の定量を行った。即ち、以下に示す組成分析により炭素材前駆体および実施例1のバルクに含まれる炭素、水素、窒素、酸素、リンの含有量を定量し、これら全体に対する各元素の組成比を求めた。結果を表3に示した。
炭素、水素、および窒素は、元素分析装置(株式会社住友分析センター製、NCH−22F型元素分析装置)を用い、酸素循環燃焼・ガスクロマトグラフィ法により定量した。具体的には、実施例1を約850℃で完全燃焼させ、CO2ガスおよびH2Oガスを生成し、ガスクロマトグラフィ法により炭素および水素を定量した。また窒素は、燃焼後に還元し、N2ガスを生成し、同様にガスクロマトグラフィ法により定量した。
酸素は、酸素含有分析装置(株式会社堀場製作所、EMGA920型酸素分析装置)を用いて、加熱融解・非分散赤外線吸収法により定量した。具体的には、実施例1をヘリウム雰囲気下、約2500℃で加熱し、COガスおよびCO2ガスを生成し、赤外線検出した。
リンは、灰化・酸溶解・高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量した。具体的には、実施例1を灰化した後、塩酸に溶解させて高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置にて、リンの定量を行った。
上述するXPSおよび組成分析の結果、実施例1は、表面においてもバルクにおいても炭素の組成比が96%を超え、炭素が主成分であることが確認された。表3に示される結果から、酸素と炭素との組成比O/Cは、XPSで検出された表面の組成比の方が大きく、実施例1の表面における酸素の比率がバルクよりも高いことが確認された。換言すると、実施例1のバルクは表面に比べて炭素の比率が高かった。
表3に示すとおり、実施例1は、X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンの組成比P(XPS)が、組成分析により検出されるリンの組成比P(COMP)よりも大きいことが示された。また、組成比P(COMP)は、組成比P(XPS)よりも小さいものの、有意な値が示され、実施例1は、表面だけではなく、バルクにもリンが有意に存在していた。
実施例1、2および4の炭素材は、いずれも単位体積当たりの表面積が10000cm2/cm3以上16000cm2/cm3以上の範囲であり、良好な低温特性を示した。中でも、単位体積当たりの表面積が12000cm2/cm3以上であった実施例1、2の炭素材は、特に優れた低温特性を示した。
実施例4の炭素材は、平均2乗半径が、1μm2以上4μm2の範囲に含まれ、高温環境下における自己放電の悪化が防止され、また集電体に対する良好な塗工性を示すことが期待される。
実施例1から4の炭素材は、いずれも真比重が1.5g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲であった。このことから、これらを用いて構成される二次電池負極は、充放電容量の値が安定し、また二次電池の寿命特性に寄与することが期待される。
実施例4の炭素材は、平均2乗半径が、1μm2以上4μm2の範囲に含まれ、高温環境下における自己放電の悪化が防止され、また集電体に対する良好な塗工性を示すことが期待される。
実施例1から4の炭素材は、いずれも真比重が1.5g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲であった。このことから、これらを用いて構成される二次電池負極は、充放電容量の値が安定し、また二次電池の寿命特性に寄与することが期待される。
[高温保存特性評価]
上述の通り作製した、各実施例および各比較例のフルセル型リチウムイオン二次電池を用い、以下の通りに高温保存特性の評価を行った。
測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達するまで放電し、これを1サイクルとした。さらに同様の条件で充電および放電を行い合計5サイクルの充放電を実施してエージング処理を行った。上記エージング処理において、5サイクル目の放電時における放電容量(放電容量I)を測定した。
上述のとおりエージング処理がなされたフルセル型リチウムイオン二次電池を用い、電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、更に4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、SOC100%に調整したリチウムイオン二次電池を準備した。
上述のとおり得られたリチウムイオン二次電池を60℃の温度に調整された乾燥機に1週間保管し、保管後のリチウムイオン二次電池の放電容量を、以下の通り確認した。
即ち、保管後のリチウムイオン二次電池を用い、0.2Cの電流値にて充電および放電を行い、これを1サイクルとして、合計3サイクルの充放電を実施した。3サイクル目の放電時における放電容量(放電容量II)を測定した。
下記数式(4)に示すとおり、保管後のリチウムイオン二次電池における3サイクル目の放電容量(放電容量II)をエージング処理時の5サイクル目の放電容量(放電容量I)で除した値に100を乗じた値を、「高温保存特性」として評価した。
[数6]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4)
各実施例および各比較例の高温保持特性は、表1に示す。
上述の通り作製した、各実施例および各比較例のフルセル型リチウムイオン二次電池を用い、以下の通りに高温保存特性の評価を行った。
測定温度を25℃とし、充電時の電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、次いで、放電時の電流密度を25mA/gとして定電流放電を行い、電位が2.5Vに達するまで放電し、これを1サイクルとした。さらに同様の条件で充電および放電を行い合計5サイクルの充放電を実施してエージング処理を行った。上記エージング処理において、5サイクル目の放電時における放電容量(放電容量I)を測定した。
上述のとおりエージング処理がなされたフルセル型リチウムイオン二次電池を用い、電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、更に4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、SOC100%に調整したリチウムイオン二次電池を準備した。
上述のとおり得られたリチウムイオン二次電池を60℃の温度に調整された乾燥機に1週間保管し、保管後のリチウムイオン二次電池の放電容量を、以下の通り確認した。
即ち、保管後のリチウムイオン二次電池を用い、0.2Cの電流値にて充電および放電を行い、これを1サイクルとして、合計3サイクルの充放電を実施した。3サイクル目の放電時における放電容量(放電容量II)を測定した。
下記数式(4)に示すとおり、保管後のリチウムイオン二次電池における3サイクル目の放電容量(放電容量II)をエージング処理時の5サイクル目の放電容量(放電容量I)で除した値に100を乗じた値を、「高温保存特性」として評価した。
[数6]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4)
各実施例および各比較例の高温保持特性は、表1に示す。
[高温寿命特性評価]
上述する高温保持特性評価におけるエージング処理と同様の方法でエージング処理がなされた各実施例および各比較例のフルセル型リチウムイオン二次電池を用い、以下のとおり高温寿命特性の評価を行った。
即ち、エージング処理後、各リチウムイオン二次電池を、55℃の温度環境下、1Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、30分間55℃の温度環境で保持した。 次に、1Cの定電流で2.5Vまで放電し、30分間55℃の温度環境で保持し、これを1サイクルとした。上記1サイクル目の放電時のリチウムイオン二次電池の放電容量(放電容量III)を測定した。
続いて、上述と同様の条件で充放電を99サイクル実施し、計100サイクルの充放電を実施した。100サイクル目の放電時における放電容量(放電容量IV)を測定し「高温寿命特性評価」を行った。具体的には、下記数式(5)に示すとおり、100サイクル目の放電容量(放電容量IV)を、1サイクル目の放電容量(放電容量III)で除した値に100を乗じた値を「高温寿命特性」として評価した。
[数7]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100 (5)
各実施例および各比較例の高温寿命特性は、表1に示す。
上述する高温保持特性評価におけるエージング処理と同様の方法でエージング処理がなされた各実施例および各比較例のフルセル型リチウムイオン二次電池を用い、以下のとおり高温寿命特性の評価を行った。
即ち、エージング処理後、各リチウムイオン二次電池を、55℃の温度環境下、1Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、30分間55℃の温度環境で保持した。 次に、1Cの定電流で2.5Vまで放電し、30分間55℃の温度環境で保持し、これを1サイクルとした。上記1サイクル目の放電時のリチウムイオン二次電池の放電容量(放電容量III)を測定した。
続いて、上述と同様の条件で充放電を99サイクル実施し、計100サイクルの充放電を実施した。100サイクル目の放電時における放電容量(放電容量IV)を測定し「高温寿命特性評価」を行った。具体的には、下記数式(5)に示すとおり、100サイクル目の放電容量(放電容量IV)を、1サイクル目の放電容量(放電容量III)で除した値に100を乗じた値を「高温寿命特性」として評価した。
[数7]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100 (5)
各実施例および各比較例の高温寿命特性は、表1に示す。
[高温寿命試験後のリチウムイオン二次電池の分解評価]
上述する高温寿命特性の評価された各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池を、露点−60℃以下の環境下で分解し、リチウム析出の有無を目視で確認を行った。
具体的には、高温寿命特性の評価された各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池をそれぞれ5個準備し、各リチウムイオン二次電池を分解し、露出した負極表面上にリチウムの析出が確認されたリチウムイオン二次電池の個数を評価した。
各実施例および各比較例において、5つのリチウムイオン二次電池中、負極表面上リチウム析出が確認されたリチウムイオン二次電池の個数を、表1に示す。
上述する高温寿命特性の評価された各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池を、露点−60℃以下の環境下で分解し、リチウム析出の有無を目視で確認を行った。
具体的には、高温寿命特性の評価された各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池をそれぞれ5個準備し、各リチウムイオン二次電池を分解し、露出した負極表面上にリチウムの析出が確認されたリチウムイオン二次電池の個数を評価した。
各実施例および各比較例において、5つのリチウムイオン二次電池中、負極表面上リチウム析出が確認されたリチウムイオン二次電池の個数を、表1に示す。
各実施例および各比較例を用いたリチウムイオン二次電池の高温保存特性評価によれば、いずれも80%以上の高い高温保存特性が示された。特に実施例は全て高温保存特性が85%以上であり、60℃程度の高温で保管された場合であっても、保管前の放電容量を非常に高い割合で維持可能であることが示された。この結果から、負極に含有される本発明の二次電池負極用炭素材は、高温環境下において高い充電状態であっても炭素構造が良好に維持されるものと示唆された。かかる炭素構造の維持により、当該炭素材に吸蔵されたリチウムの自己放電および負極表面の被膜の形成が生じ難くなったため、高温環境下における本発明の二次電池負極のリチウム吸蔵放出が高いレベルで維持されたものと推察された。
また、各実施例および各比較例を用いたリチウムイオン二次電池の高温寿命特性評価によれば、いずれも80%以上の高い高温保存特性が示された。特に実施例はいずれも高温寿命特性が85%以上であり、55℃程度の高温で繰り返し使用された場合であっても放電容量を非常に高い割合で維持可能であることが示された。このことから、本発明の二次電池負極用炭素材を含有する負極は、高温環境下におけるサイクル特性に優れることが示唆された。
また、高温寿命特性評価後に、各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池を分解したところ、実施例のリチウムイオン二次電池はいずれも、負極表面にリチウムの析出が確認されなかった。一方、比較例のリチウムイオン二次電池は、20%の割合(具体的には5個中1個)で、負極表面にリチウムの析出が確認された。この結果からも、負極に含有される本発明の二次電池負極用炭素材は、高温環境下で繰返し使用された場合であっても炭素構造及び負極板の構造が良好に維持されるものと示唆された。かかる炭素構造及び負極板の構造の維持により、本発明の負極は、高温時のリチウムの吸蔵放出における、その抵抗変化が高いレベルで軽減でき、その結果、リチウムの析出が抑制されたものと推察された。
また、各実施例および各比較例を用いたリチウムイオン二次電池の高温寿命特性評価によれば、いずれも80%以上の高い高温保存特性が示された。特に実施例はいずれも高温寿命特性が85%以上であり、55℃程度の高温で繰り返し使用された場合であっても放電容量を非常に高い割合で維持可能であることが示された。このことから、本発明の二次電池負極用炭素材を含有する負極は、高温環境下におけるサイクル特性に優れることが示唆された。
また、高温寿命特性評価後に、各実施例および各比較例のリチウムイオン二次電池を分解したところ、実施例のリチウムイオン二次電池はいずれも、負極表面にリチウムの析出が確認されなかった。一方、比較例のリチウムイオン二次電池は、20%の割合(具体的には5個中1個)で、負極表面にリチウムの析出が確認された。この結果からも、負極に含有される本発明の二次電池負極用炭素材は、高温環境下で繰返し使用された場合であっても炭素構造及び負極板の構造が良好に維持されるものと示唆された。かかる炭素構造及び負極板の構造の維持により、本発明の負極は、高温時のリチウムの吸蔵放出における、その抵抗変化が高いレベルで軽減でき、その結果、リチウムの析出が抑制されたものと推察された。
上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
(1)炭素を主成分とし、
リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、
炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満であることを特徴とする二次電池負極用炭素材。
(2)前記炭酸ガスの吸着量が単位重量当たり5ml/g以下である上記(1)に記載の二次電池負極用炭素材。
(3)前記炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり0.05ml/g以上である上記(1)または2に記載の二次電池負極用炭素材。
(4)X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンまたはリンを含む化合物をターゲット化合物とし、
前記ターゲット化合物の組成100%に対し、前記ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド、トリフェニルホスフィン、および還元されたリンの各組成比の合計量が50%以上であり、かつ、前記還元されたリンの組成比が0%を超えて13%以下である上記(1)から(3)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(5)X線光電子分光分析(XPS)により検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析により検出された酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きい上記(1)から(4)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(6)X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンの組成比P(XPS)は、組成分析により検出されるリンの組成比P(COMP)よりも大きい上記(1)から(5)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(7)前記P(COMP)が0を超える上記(6)に記載の二次電池負極用炭素材。
(8)個数基準における粒子径分布から求めた単位体積当たりの表面積が、10000cm−1以上16000cm−1以下の範囲である炭素粒子を含む上記(1)から(7)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(9)前記炭素粒子は、前記粒子径分布から求めた平均2乗半径が、1μm2以上4μm2以下の範囲である上記(8)に記載の二次電池負極用炭素材。
(10)前記炭素粒子は、真比重が、1.5g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲である上記(8)または(9)に記載の二次電池負極用炭素材。
(11)前記炭素粒子は、線源としてCuKα線を用いたX線回折法により求められる(002)面の平均面間隔d002が0.340nm以上であるハードカーボンを含む上記(8)から(10)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(12)前記炭素粒子は、前記ハードカーボンを90質量%以上含む上記(11)に記載の二次電池負極用炭素材。
(13)前記炭素粒子は、前記ハードカーボンおよび黒鉛を含む上記(11)または(12)に記載の二次電池負極用炭素材。
(14)二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温保存特性評価において示される高温保存特性が85%以上である上記(1)から(13)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材、
前記高温保存特性評価が、
前記二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、
正極と、
溶解した電解質を含む電解液と、
セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用い、
所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行うとともに、前記充放電サイクルの5サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量Iとし、
前記エージング処理後の前記リチウムイオン二次電池を用い、電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、更に4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、充電状態(State of Charge)100%に調整したリチウムイオン二次電池を準備し、
前記充電状態100%の前記リチウムイオン二次電池を60℃の温度に調整された乾燥機に1週間保管し、
前記保管後に、前記リチウムイオン二次電池を用い、0.2Cの電流値にて充電および放電を行い、これを1サイクルとして、合計3サイクルの充放電を実施し、3サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IIとし、
下記数式(4)にて高温保存特性を算出する。
[数8]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4)
(15)二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温寿命特性評価において示される高温寿命特性が85%以上である上記(1)から(14)のいずれか1項に記載の二次電池負極用炭素材、
前記高温寿命特性評価が、
前記二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、
正極と、
溶解した電解質を含む電解液と、
セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用い、所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行い、
前記エージング処理後の前記リチウムイオン二次電池を用い、55℃の温度環境下、1Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、30分間55℃の温度環境で保持し、次いで、1Cの定電流で2.5Vまで放電するとともに放電容量を測定して放電容量IIIとし、その後、30分間55℃の温度環境で保持する充放電サイクルを実施してこれを1サイクルとし、
続いて、前記充放電サイクルをさらに99サイクル実施して、合計100サイクルの充放電サイクルを実施するとともに、100サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IVとし、
下記数式(5)にて高温寿命特性を算出する。
[数9]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100
(5)
(16)上記(1)から(15)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材を含有することを特徴とする二次電池負極用活物質。
(17)上記(16)に記載の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、前記二次電池負極用活物質層が積層された負極用集電体と、を有することを特徴とする二次電池負極。
(18)上記(17)に記載された二次電池負極と、電解質と、二次電池正極と、を備えることを特徴とする二次電池。
(1)炭素を主成分とし、
リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、
炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満であることを特徴とする二次電池負極用炭素材。
(2)前記炭酸ガスの吸着量が単位重量当たり5ml/g以下である上記(1)に記載の二次電池負極用炭素材。
(3)前記炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり0.05ml/g以上である上記(1)または2に記載の二次電池負極用炭素材。
(4)X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンまたはリンを含む化合物をターゲット化合物とし、
前記ターゲット化合物の組成100%に対し、前記ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド、トリフェニルホスフィン、および還元されたリンの各組成比の合計量が50%以上であり、かつ、前記還元されたリンの組成比が0%を超えて13%以下である上記(1)から(3)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(5)X線光電子分光分析(XPS)により検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析により検出された酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きい上記(1)から(4)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(6)X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンの組成比P(XPS)は、組成分析により検出されるリンの組成比P(COMP)よりも大きい上記(1)から(5)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(7)前記P(COMP)が0を超える上記(6)に記載の二次電池負極用炭素材。
(8)個数基準における粒子径分布から求めた単位体積当たりの表面積が、10000cm−1以上16000cm−1以下の範囲である炭素粒子を含む上記(1)から(7)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(9)前記炭素粒子は、前記粒子径分布から求めた平均2乗半径が、1μm2以上4μm2以下の範囲である上記(8)に記載の二次電池負極用炭素材。
(10)前記炭素粒子は、真比重が、1.5g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲である上記(8)または(9)に記載の二次電池負極用炭素材。
(11)前記炭素粒子は、線源としてCuKα線を用いたX線回折法により求められる(002)面の平均面間隔d002が0.340nm以上であるハードカーボンを含む上記(8)から(10)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
(12)前記炭素粒子は、前記ハードカーボンを90質量%以上含む上記(11)に記載の二次電池負極用炭素材。
(13)前記炭素粒子は、前記ハードカーボンおよび黒鉛を含む上記(11)または(12)に記載の二次電池負極用炭素材。
(14)二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温保存特性評価において示される高温保存特性が85%以上である上記(1)から(13)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材、
前記高温保存特性評価が、
前記二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、
正極と、
溶解した電解質を含む電解液と、
セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用い、
所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行うとともに、前記充放電サイクルの5サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量Iとし、
前記エージング処理後の前記リチウムイオン二次電池を用い、電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、更に4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、充電状態(State of Charge)100%に調整したリチウムイオン二次電池を準備し、
前記充電状態100%の前記リチウムイオン二次電池を60℃の温度に調整された乾燥機に1週間保管し、
前記保管後に、前記リチウムイオン二次電池を用い、0.2Cの電流値にて充電および放電を行い、これを1サイクルとして、合計3サイクルの充放電を実施し、3サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IIとし、
下記数式(4)にて高温保存特性を算出する。
[数8]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4)
(15)二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温寿命特性評価において示される高温寿命特性が85%以上である上記(1)から(14)のいずれか1項に記載の二次電池負極用炭素材、
前記高温寿命特性評価が、
前記二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、
正極と、
溶解した電解質を含む電解液と、
セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用い、所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行い、
前記エージング処理後の前記リチウムイオン二次電池を用い、55℃の温度環境下、1Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、30分間55℃の温度環境で保持し、次いで、1Cの定電流で2.5Vまで放電するとともに放電容量を測定して放電容量IIIとし、その後、30分間55℃の温度環境で保持する充放電サイクルを実施してこれを1サイクルとし、
続いて、前記充放電サイクルをさらに99サイクル実施して、合計100サイクルの充放電サイクルを実施するとともに、100サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IVとし、
下記数式(5)にて高温寿命特性を算出する。
[数9]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100
(5)
(16)上記(1)から(15)のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材を含有することを特徴とする二次電池負極用活物質。
(17)上記(16)に記載の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、前記二次電池負極用活物質層が積層された負極用集電体と、を有することを特徴とする二次電池負極。
(18)上記(17)に記載された二次電池負極と、電解質と、二次電池正極と、を備えることを特徴とする二次電池。
10・・・負極
12・・・負極用活物質層
14・・・負極集電体
20・・・正極
22・・・正極活物質層
24・・・正極集電体
30・・・セパレータ
40・・・電解液
100・・・リチウムイオン二次電池
12・・・負極用活物質層
14・・・負極集電体
20・・・正極
22・・・正極活物質層
24・・・正極集電体
30・・・セパレータ
40・・・電解液
100・・・リチウムイオン二次電池
Claims (18)
- 炭素を主成分とし、
リンを0.3質量%以上1.5質量%以下の範囲で含有し、かつ、
炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり10ml/g未満であることを特徴とする二次電池負極用炭素材。 - 前記炭酸ガスの吸着量が単位重量当たり5ml/g以下である請求項1に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記炭酸ガスの吸着量が、単位重量当たり0.05ml/g以上である請求項1または2に記載の二次電池負極用炭素材。
- X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンまたはリンを含む化合物をターゲット化合物とし、
前記ターゲット化合物の組成100%に対し、前記ターゲット化合物に含まれるトリフェニルホスフィンオキシド、トリフェニルホスフィン、および還元されたリンの各組成比の合計量が50%以上であり、かつ、前記還元されたリンの組成比が13%以下である請求項1から3のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。 - X線光電子分光分析(XPS)により検出される酸素と炭素の組成比O/Cが、組成分析により検出された酸素と炭素の組成比O/Cよりも大きい請求項1から4のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
- X線光電子分光分析(XPS)により検出されるリンの組成比P(XPS)は、組成分析により検出されるリンの組成比P(COMP)よりも大きい請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記P(COMP)が0を超える請求項6に記載の二次電池負極用炭素材。
- 個数基準における粒子径分布から求めた単位体積当たりの表面積が、10000cm−1以上16000cm−1以下の範囲である炭素粒子を含む請求項1から7のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記炭素粒子は、前記粒子径分布から求めた平均2乗半径が、1μm2以上4μm2以下の範囲である請求項8に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記炭素粒子は、真比重が、1.5g/cm3以上1.7g/cm3以下の範囲である請求項8または9に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記炭素粒子は、線源としてCuKα線を用いたX線回折法により求められる(002)面の平均面間隔d002が0.340nm以上であるハードカーボンを含む請求項8から10のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記炭素粒子は、前記ハードカーボンを90質量%以上含む請求項11に記載の二次電池負極用炭素材。
- 前記炭素粒子は、前記ハードカーボンおよび黒鉛を含む請求項11または12に記載の二次電池負極用炭素材。
- 二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温保存特性評価において示される高温保存特性が85%以上である請求項1から13のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材、
前記高温保存特性評価が、
前記二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、
正極と、
溶解した電解質を含む電解液と、
セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用い、
所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行うとともに、前記充放電サイクルの5サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量Iとし、
前記エージング処理後の前記リチウムイオン二次電池を用い、電流密度を25mA/gとして定電流充電を行い、電位が4.2Vに達した時点から、更に4.2Vを保持して定電圧充電を行い、電流密度が2.5mA/gに達するまで充電し、充電状態(State of Charge)100%に調整したリチウムイオン二次電池を準備し、
前記充電状態100%の前記リチウムイオン二次電池を60℃の温度に調整された乾燥機に1週間保管し、
前記保管後に、前記リチウムイオン二次電池を用い、0.2Cの電流値にて充電および放電を行い、これを1サイクルとして、合計3サイクルの充放電を実施し、3サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IIとし、
下記数式(4)にて高温保存特性を算出する。
[数1]
高温保存特性(%)=放電容量II(mAh/g)/放電容量I(mAh/g)×100 (4) - 二次電池負極に用いられる二次電池負極用炭素材であって、下記高温寿命特性評価において示される高温寿命特性が85%以上である請求項1から14のいずれか1項に記載の二次電池負極用炭素材、
前記高温寿命特性評価が、
前記二次電池負極用炭素材を含有する二次電池負極と、
正極と、
溶解した電解質を含む電解液と、
セパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池を用い、所定の充放電サイクルを5サイクル実施するエージング処理を行い、
前記エージング処理後の前記リチウムイオン二次電池を用い、55℃の温度環境下、1Cの定電流で4.2Vまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.02Cに減衰するまで充電した後、30分間55℃の温度環境で保持し、次いで、1Cの定電流で2.5Vまで放電するとともに放電容量を測定して放電容量IIIとし、その後、30分間55℃の温度環境で保持する充放電サイクルを実施してこれを1サイクルとし、
続いて、前記充放電サイクルをさらに99サイクル実施して、合計100サイクルの充放電サイクルを実施するとともに、100サイクル目の放電時における放電容量を測定して放電容量IVとし、
下記数式(5)にて高温寿命特性を算出する。
[数2]
高温寿命特性(%)=放電容量IV(mAh/g)/放電容量III(mAh/g)×100 (5) - 請求項1から15のいずれか一項に記載の二次電池負極用炭素材を含有することを特徴とする二次電池負極用活物質。
- 請求項16に記載の二次電池負極用活物質を含む二次電池負極用活物質層と、前記二次電池負極用活物質層が積層された負極用集電体と、を有することを特徴とする二次電池負極。
- 請求項17に記載された二次電池負極と、電解質と、二次電池正極と、を備えることを特徴とする二次電池。
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CN201580044501.2A CN106575769A (zh) | 2014-08-29 | 2015-08-26 | 二次电池负极用树脂组合物、二次电池负极用碳材料的制造方法、二次电池负极用碳材料、二次电池负极用改性含酚性羟基的树脂、二次电池负极用活性物质、二次电池负极和二次电池 |
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WO2020149252A1 (ja) * | 2019-01-15 | 2020-07-23 | Jxtgエネルギー株式会社 | 人造黒鉛材料、人造黒鉛材料の製造方法、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 |
WO2020149251A1 (ja) * | 2019-01-15 | 2020-07-23 | Jxtgエネルギー株式会社 | 人造黒鉛材料、人造黒鉛材料の製造方法、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 |
-
2015
- 2015-05-15 JP JP2015100465A patent/JP2016164862A/ja active Pending
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WO2020149252A1 (ja) * | 2019-01-15 | 2020-07-23 | Jxtgエネルギー株式会社 | 人造黒鉛材料、人造黒鉛材料の製造方法、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 |
WO2020149251A1 (ja) * | 2019-01-15 | 2020-07-23 | Jxtgエネルギー株式会社 | 人造黒鉛材料、人造黒鉛材料の製造方法、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 |
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