JP2016186914A - 非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
この電池の負極材としては種々のものが提案されているが、高容量であること及び放電電位の平坦性に優れていることなどから、天然黒鉛、コークス等の黒鉛化で得られる人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズピッチ、黒鉛化炭素繊維等の黒鉛質の炭素材料が用いられている。
しかしながら、その放電容量はすでに、黒鉛の理論容量(372mAh/g)に近い値まで到達しているため、このような更なる高容量化の要求を達成するためには、黒鉛より高い理論容量を有する負極材料を用いる必要がある。このため、黒鉛よりも高い理論容量を有する、リチウムと合金を形成する金属、及び金属化合物を負極材料へ適用する検討がなされてきた。これらの負極材料は、黒鉛を遥かにしのぐ放電容量を有する一方で、合金化に伴う体積膨張や電解液との副反応により活物質の劣化が生じ、充放電効率が低い、サイクル特性が悪いという致命的な問題があった。そこで、金属または金属化合物と黒鉛質物等との複合化が検討されている。
特許文献2では、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な活物質と、電解液に難溶でπ共役構造を有し、電気伝導率が0.1s/cm以下である有機化合物を含有する負極材料が提案されており、前記活物質の例示としてSi化合物を含有する負極材料が開示されている。
特許文献3では、核となる黒鉛材料の表面にSi粒子とポリイミド骨格もしくはポリアクリレート骨格を有するポリマーを含有する負極材料が開示されている。
すなわち、黒鉛(A)、Liと合金化可能な金属粒子(B)、親水性ポリマー(C)を含有させることにより、ポリマー(C)がLiと合金化可能な金属粒子(B)の表面に付着し、その結果、Liと合金化可能な金属粒子(B)の表面が電解液と接触することを防ぎ、Liと合金化可能な金属粒子(B)の表面において、充電時の過剰なSEI(Solid Electrolyte Interphace)被膜生成反応や、副反応であるガス生成反応といった、電解液との過剰な反応を抑制して、初期サイクル時にみられる充放電不可逆容量を十分に小さくすることが可能となり、高容量、高充放電効率、高いサイクル特性を達成することが可能となったと考えられる。
さらに、電極圧延時の応力も低減することが出来るため、電極圧延時の複合黒鉛粒子(D)の破壊を抑制し、Liと合金化可能な金属粒子の滑落による導電パス切れを抑制し、且つLiと合金化可能な金属粒子表面の露出による電解液との接触を防ぐことで電解液との副反応を抑制することが可能となり、高容量、高充放電効率が可能になったと考えられる。
(測定方法)
SEM(走査型電子顕微鏡)にて該複合黒鉛粒子(D)の断面を観察した画像を取得する。断面が観察される該複合黒鉛粒子(D)を20粒子選択し、その長径の平均値から長径(d)を算出する。
続いて、上記で選択した該複合黒鉛粒子(D)の断面に観察される該金属粒子(B)をそれぞれ10粒子ずつ選択し、その長径の平均値から長径(b)を算出する。
また、本発明の他の要旨は、上記非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子を用いて形成されることを特徴とする、非水系二次電池用負極に存する。
本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)(本明細書では、複合黒鉛粒子(D)ともいう)は、黒鉛(A)、Liと合金化可能な金属粒子(B)(本明細書では、金属粒子(B)ともいう)、及び親水性ポリマー(C)を含む非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子であって、該金属粒子(B)の長径(b)と該複合黒鉛粒子(D)の長径(d)により表される比(b)/(d)が0.08以下であれば特に限定はされないが、好ましくはポリマー(C)がLiと合金化可能な金属粒子(B)の表面に付着していることが好ましい。複合黒鉛粒子(D)がこのような構造を取ることで、Liと合金化可能な金属粒子(B)の表面が電解液と接触することを防ぎ、高い初期効率や良好なサイクル特性を示す傾向がある。
複合黒鉛粒子(D)の表面に存在した状態としては、核となる黒鉛(A)の表面に金属粒子(B)が存在した状態が好ましい。また、複合黒鉛粒子(D)の内部に存在した状態としては、黒鉛(A)の集合体である造粒物の内部に金属粒子(B)が存在した状態、黒鉛(A)に折り畳み構造を付与して金属粒子(B)が折り畳まれた構造内の間隙に存在している状態が好ましい。
この中でも、金属粒子(B)が複合黒鉛粒子(D)の内部に存在した状態が好ましく、具体的には黒鉛(A)が折り畳まれた構造を付与して該折り畳み構造内の間隙に、金属粒子(B)が存在した形態を取っていることがより好ましい。複合黒鉛粒子(D)がこのような構造をとることにより、該間隙により金属粒子(B)の充放電に伴う体積膨張による応力を緩和することで粒子破壊、及びそれに伴う導電パス切れを抑制して、高容量、高サイクル特性を示す傾向があり、また、電解液との接触を防いで副反応を抑制することで高初期効率を示す傾向がある。
複合黒鉛粒子(D)が、黒鉛(A)に折り畳み構造を付与して該折り畳み構造内の間隙に、金属粒子(B)が存在した形態をとる場合、黒鉛(A)の種類は特に限定されないが、例えば、鱗片状又は鱗状黒鉛を例に挙げると、黒鉛結晶ベーサル面に平行方向に応力が加えられると,鱗片状又は鱗状黒鉛の黒鉛結晶ベーサル面は同心円状,あるいは折り畳まれた構造をとりながら球形化することが知られている(Materials Integration Vol.17 No.1(2004))。
また、複合黒鉛粒子(D)中に存在している間隙は空隙であってもよいし、非晶質炭素や黒鉛質物、樹脂等、金属粒子(B)の膨張、収縮を緩衝するような物質が、間隙中に存在していてもよい。
・金属粒子(B)の粒径(b)と複合黒鉛粒子(D)の粒径(d)により表される比(b)/(d)
本発明の複合黒鉛粒子(D)は、金属粒子(B)の粒径(b)と複合黒鉛粒子(D)の粒径(d)により表される比(b)/(d)が0.08以下であり、好ましくは0.05以下、より好ましくは0.03以下、更に好ましくは0.02以下であり、特に好ましくは0.016以下であり、一方通常0より大きく、好ましくは0.0001以上、より好ましくは0.001以上である。
上記(b)/(d)の値が大きすぎる場合、充放電時に金属粒子(B)の体積膨張が大きくなり、複合黒鉛粒子(D)の形状が保てず、電解液との副反応の増大や導電パス切れが生じる恐れがある。また、複合黒鉛粒子(D)の粒子硬度が高くなるため、電極作成時に圧延できなくなる恐れがある。
なお、前記金属粒子(B)の長径(b)及び複合黒鉛粒子(D)の長径(d)は、原料となる金属粒子(B)の平均粒径d50と複合黒鉛粒子(D)の平均粒径d50をそれぞれ測定し、金属粒子(B)の粒径(b)と複合黒鉛粒子(D)の粒径(d)としても良いし、以下の様に複合黒鉛粒子(D)の断面を観察して測定しても良い。
複合黒鉛粒子(D)の断面を観察して金属粒子(B)の粒径(b)と複合黒鉛粒子(D)の粒径(d)を測定する方法として、SEM(走査型電子顕微鏡)にて該複合黒鉛粒子(D)の断面を観察した画像を取得する。断面が観察される該複合黒鉛粒子(D)を20粒子選択し、その長径の平均値から粒径(d)を算出する。
続いて、上記で選択した該複合黒鉛粒子(D)の断面に観察される該金属粒子(B)をそれぞれ10粒子ずつ選択し、その長径の平均値から粒径(b)を算出する。
・(002)面の面間隔(d002)
本発明の複合黒鉛粒子(D)のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)は通常0.337nm以下、一方黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.335nmであるため、黒鉛の002面の面間隔は通常0.335nm以上である。また、複合黒鉛粒子(D)のX線広角回折法によるLcは90nm以上、好ましくは95nm以上である。
X線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)及びLcが上記範囲内であるということは、高容量電極となる非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)であることを示す。
本発明の複合黒鉛粒子(D)の体積平均粒子径(d50)は通常50μm以下、好ましくは40μm以下、より好ましくは30μm以下であり、通常1μm以上、好ましくは4μm以上、より好ましくは6μm以上である。平均粒径d50が小さすぎると、前記炭素材を用いて得られる非水系二次電池の不可逆容量の増加、初期電池容量の損失を招く傾向があり、一方平均粒径d50が大きすぎるとスラリー塗布における筋引きなどの工程不都合の発生、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。
本発明の複合黒鉛粒子(D)のタップ密度は、通常0.5g/cm3以上であり、好ましくは0.6g/cm3以上、より好ましくは0.8g/cm3以上、更に好ましくは0.85g/cm3以上、特に好ましくは0.9g/cm3以上、通常1.3g/cm3以下であり、好ましくは1.2g/cm3以下であり、より好ましくは1.1g/cm3以下である。
複合黒鉛粒子(D)の円形度は、通常0.8以上、好ましくは0.85以上、より好ましくは0.98以上、更に好ましくは0.90以上、特に好ましくは0.92以上である。また円形度は通常1以下、好ましくは0.99以下、より好ましくは0.98以下、更に好ましくは0.97以下である。なお、本明細書における球状を上記円形度の範囲にて表現することもできる。
(式1)
円形度
=(粒子投影形状と同じ面積を持つ相当円の周囲長)/(粒子投影形状の実際の周囲長) 円形度の値としては、後述の実施例に記載の測定法によって測定した値を用いる。
本発明の複合黒鉛粒子(D)のアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける1580cm-1付近のピーク強度に対する1360cm-1付近のピーク強度比であるラマンR値は通常0.01以上、好ましくは0.5以上、更に好ましくは0.1以上、通常0.5以下、好ましくは0.4以下、更に好ましくは0.35以下である。ラマンR値が小さすぎると、炭素材粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に負極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性が低下する傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、負極の電解液との反応性が増し、非水系二次電池の充放電効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
なお、前記ラマンR値は、ラマン分光法で求めたラマンスペクトルにおける1580cm-1付近のピークPAの強度IAと、1360cm-1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比(IB/IA)として算出されたものと定義する。
前記ラマンスペクトルは、ラマン分光器で測定できる。具体的には、測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :532nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm-1
測定範囲 :1100cm-1〜1730cm-1
ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理(単純平均によるコンボリューション5ポイント)
本発明の複合黒鉛粒子(D)のBET法による比表面積は通常40m2/g以下、好ましくは35m2/g以下、より好ましくは30m2/g以下であり、通常0.1m2/g以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上である。比表面積が大きすぎると負極用活物質として用いた時に該複合黒鉛粒子(D)と非水系電解液との接触する部分が増加するため、反応性が増加し、ガス発生が多くなりやすく、好ましい電池が得られにくい傾向がある。比表面積が小さすぎると負極用活物質として用いた場合の充電時にリチウムイオンの受け入れ性が悪くなる傾向がある。
複合黒鉛粒子(D)に対する金属粒子(B)の含有量は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1質量%以上、更に好ましくは1.5質量%以上、特に好ましくは2質量%以上である。また、通常50質量%以下、好ましくは40質量%以下、より好ましくは30質量%以下、更に好ましくは25質量%以下である。この範囲であると、十分な容量を得ることが可能となる点で好ましい。なお、複合黒鉛粒子(D)に対する金属粒子(B)の含有量は、例えば、複合黒鉛粒子(D)に含まれる金属粒子(B)以外の成分をアルカリで完全に溶融した後、誘導結合プラズマ発光分析装置(堀場製作所 ULTIMA2C)にて測定を行うことで算出できる。
本発明の複合黒鉛粒子(D)は、上述したように金属粒子(B)が複合黒鉛粒子(D)の表面に存在した状態、金属粒子(B)が複合黒鉛粒子(D)の内部に存在した状態等をとることができるが、より好ましい態様である金属粒子(B)が複合黒鉛粒子(D)の内部に存在した状態の場合、以下の測定方法で測定される複合黒鉛粒子(D)中の金属粒子(B)の存在比率は好ましくは0.2以上であり、より好ましくは0.3以上、さらに好ましくは0.4以上、特に好ましく0.5以上であり、また、通常1.0以下、好ましくは、0.9以下、より好ましくは0.8以下である。この数値が高いほど、複合黒鉛(D)粒子の外部に存在する金属粒子(B)に比べて、複合黒鉛粒子の内部に存在する金属粒子(B)が多くなる可能性があり、負極を形成した際、粒子間の導電パス切れによる充放電効率の減少が抑制できる傾向がある。
上記で算出した面積(b)を面積(a)で割った値を任意の3粒子にて測定し、それら3粒子の値を平均化した値を該複合黒鉛粒子(D)中の金属粒子(B)の存在比率とする。
複合黒鉛粒子(D)内部の黒鉛(A)が折り畳まれた構造とは、好ましくは複合黒鉛粒子内の1つの黒鉛内における、2つ以上の異なる配向を有する構造である。該構造を粒子内に1箇所以上有する黒鉛を、本発明における折り畳まれた構造を有する黒鉛とする。
(ロ)複合黒鉛粒子(D)の粒子径
体積平均粒子径(d50)に対する複合黒鉛粒子の断面観察における長軸の長さの比が0.7〜1.3である複合黒鉛粒子を対象粒子とする。なお、長軸とは1粒子内の重心を通過する線において、もっとも長い線を意味する。
上述した(イ)及び(ロ)を満たしていたとしても、明らかに割れている複合粒子や裂けている複合粒子は、複合黒鉛粒子(D)の判断対象に適さないため除外することとする。
(ニ)金属粒子(B)の存在状態
(イ)に記載の折り畳まれた構造を有する黒鉛において、1つの黒鉛内における、2つの異なる配向を有する構造の間隙に金属粒子(B)の存在が確認できる粒子を複合黒鉛粒子の対象粒子とする。
(イ)〜(ニ)の条件に該当した対象粒子の断面を観察し、複合黒鉛粒子(D)中の金属粒子(B)の存在比率を算出する。
なお、本発明で用いる黒鉛(A)は、特に限定されないが、例えば、鱗片状、塊状又は板状の天然黒鉛、或いは、例えば石油コークス、石炭ピッチコークス、石炭ニードルコークス、メソフェーズピッチ等を2500℃以上に加熱して製造した鱗片状、塊状又は板状の人造黒鉛を、必要により、不純物除去、粉砕、篩い分けや分級処理を行うことで得ることができる。
黒鉛(A)の形状は特に制限されず、球状、薄片状、繊維状、不定形粒子、複数の粒子を集合又は結合させてなる粒子などから適宜選択して用いることができる。
前記天然黒鉛としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土壌黒鉛等が挙げられる。前記鱗状黒鉛の産地は、主にスリランカであり、前記鱗片状黒鉛の産地は、主にマダガスカル、中国、ブラジル、ウクライナ、カナダ等であり、前記土壌黒鉛の主な産地は、朝鮮半島、中国、メキシコ等である。
また、焼成の際、有機物にリン酸、ホウ酸、塩酸などの酸類や、水酸化ナトリウム等のアルカリ類などを混合することもできる。
金属粒子(B)と複合化する前の黒鉛(A)の平均粒子径(d50)は、特に制限はないが、通常1〜300μmであり、好ましくは3〜200μm、より好ましくは5〜100μm、更に好ましくは8〜90μmである。黒鉛(A)の体積平均粒子径(d50)が大きすぎると、複合黒鉛粒子(D)の粒径が大きくなり、それを用いて電極を作成する際、バインダーや水、或いは有機溶媒を加えてスラリー状として塗布する工程で、大粒子に起因したスジ引きや凹凸を生じることがある。平体積均粒子径が小さすぎると、折り畳まれた黒鉛粒子を製造することができない。ここでの体積平均粒子径(d50)は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定により測定される体積基準のメジアン径をいう。
金属粒子(B)と複合化する前の黒鉛(A)の短径に対する長径の長さの比である平均アスペクト比は、通常2.1〜100、2.3〜50であることが好ましく、2.5〜10であることがより好ましい。アスペクト比がこの範囲であると、複合黒鉛粒子(D)を製造することが容易となり、かつ複合黒鉛粒子(D)内に微小な空隙が形成され、充放電に伴う体積膨張を緩和させ、サイクル特性向上に寄与することができる。
金属粒子(B)と複合化する前の黒鉛(A)のタップ密度は、通常0.1g/cm3以上1.0g/cm3以下であり、好ましくは0.13g/cm3以上0.8g/cm3以下、より好ましくは0.15g/cm3以上0.6g/cm3以下である。黒鉛(A)のタップ密度が上記範囲内であると、複合黒鉛粒子(D)内に、微小な空隙が形成されやすくなる。タップ密度は後述する実施例の方法により測定する。
金属粒子(B)と複合化する前の黒鉛(A)のBET法による比表面積は通常1〜40m2/g、2〜35m2/gであることが好ましく、3〜30m2/gであることがより好ましい。黒鉛(A)のBET法による比表面積は、複合黒鉛粒子(D)の比表面積に反映され、40m2/g以下とすることで不可逆容量の増加による電池容量の減少を防ぐことができる。BET法比表面積は後述する実施例の方法により測定する。
黒鉛(A)のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)は通常0.337nm以下である。一方黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.335nmであるため、黒鉛の002面の面間隔は通常0.335nm以上である。また、黒鉛(A)のX線広角回折法によるLcは90nm以上、好ましくは95nm以上である。002面の面間隔(d002)が0.337nm以下であると、黒鉛(A)の結晶性が高いことを示し、高容量の複合黒鉛粒子(D)を得ることができる。また、Lcが90nm以上である場合にも、結晶性が高いことを示し、高容量となる負極材を得ることができる。
X線広角回折法による002面の面間隔(d002)と、Lcは後述する実施例の方法により測定する。
なお、本発明において、予め形状(球状や楕円状等)を整えた黒鉛(A)を用いても、複合黒鉛粒子(D)を満たすものである。また、本明細書では、予め形状を整えた黒鉛(A)を便宜上、黒鉛(A’)とよぶが、黒鉛(A)に含有されるものとする。
黒鉛(A’)は、黒鉛化されている炭素粒子であれば特に限定はないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、並びにコークス粉、ニードルコークス粉、樹脂の黒鉛化物の粉体等が挙げられる。この中でも商業的にも容易に入手可能であるという点から天然黒鉛が好ましく、中でも、高電流密度での充放電特性の改善効果が著しく大きい点で、球形化処理を施した球状黒鉛が特に好ましい。
球形化処理に用いる装置としては、例えば、衝撃力を主体に粒子の相互作用も含めた圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を繰り返し粒子に与える装置を用いることができる。
具体的には、ケーシング内部に多数のブレードを設置したローターを有し、そのローターが高速回転することによって、内部に導入された炭素材に対して衝撃圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を与え、表面処理を行なう装置が好ましい。また、炭素材を循環させることによって機械的作用を繰り返して与える機構を有するものであるのが好ましい。好ましい装置として、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、クリプトロン(アーステクニカ社製)、CFミル(宇部興産社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)等が挙げられる。これらの中で、奈良機械製作所社製のハイブリダイゼーションシステムが好ましい。
黒鉛粒子は、上記の表面処理による球形化工程を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれる、もしくは周囲エッジ部分が球形粉砕されることにより球状とされた母体粒子に、粉砕により生じた主に5μm以下の微粉が付着してなり、表面処理後の黒鉛粒子の表面官能基量O/C値(%)が通常1%以上4%以下となる条件で、球形化処理を行うことにより製造される。この際には、機械処理のエネルギーにより黒鉛表面の酸化反応を進行させ、黒鉛表面に酸性官能基を導入することができるよう、活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば前述の装置を用いて処理する場合は、回転するローターの周速度を30〜100m/秒にするのが好ましく、40〜100m/秒にするのがより好ましく、50〜100m/秒にするのが更に好ましい。また、処理は、単に炭素質物を通過させるだけでも可能であるが、30秒以上装置内を循環又は滞留させて処理するのが好ましく、1分以上装置内を循環又は滞留させて処理するのがより好ましい。
黒鉛(A’)は以下の物性を示すものである。なお、本発明における測定方法は特に制限はないが、特段の事情がない限り実施例に記載の測定方法に準じる。
・体積平均粒子径(d50)
黒鉛(A’)の平均粒子径(d50)は特に制限が無いが、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、更に好ましくは25μm以下である。また通常1μm以上、好ましくは4μm以上、更に好ましくは10μm以上である。この粒径範囲を超えると極板化した際に、筋引きなどの工程上の不都合が出ることが多く、また、これ以下であると、表面積が大きくなりすぎ電解液との活性を抑制することが難しくなる。
ここでの体積平均粒子径(d50)は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定により測定される体積基準のメジアン径をいう。
黒鉛(A’)の短径に対する長径の長さの比である平均アスペクト比は、アスペクト比が1以上、4以下の炭素質粒子である。中でも1.5以上が好ましく、1.6以上がより好ましく、1.7以上が特に好ましい。一方、3以下が好ましく、2.5以下がより好ましく、2以下が特に好ましい。アスペクト比が小さすぎると、粒子接触性が低下して導電パス切れが起こりサイクル特性の低下を招く傾向がある。またアスペクト比が大きすぎると、電極とした際に粒子が集電対と平行方向に並ぶ傾向があるため、電極の厚み方向への連続した空隙が充分確保されず、厚み方向へのLiイオン移動性が低下し、急速充放電特性の低下を招く傾向がある。
黒鉛(A’)のタップ密度は、通常0.7g/cm3以上、1g/cm3以上が好ましい。また、通常1.3g/cm3以下、1.1g/cm3以下が好ましい。タップ密度が低すぎると、高速充放電特性に劣り、タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。タップ密度は後述する実施例の方法により測定する。
黒鉛(A’)のBET法による比表面積は通常4m2/g以上、好ましくは5m2/g以上である。また通常11m2/g以下、好ましくは9m2/g以下、より好ましくは8m2/g以下である。比表面積がこの範囲を下回ると、Liが出入りする部位が少なく、高速充放電特性出力特性に劣り、一方、比表面積がこの範囲を上回ると、活物質の電解液に対する活性が過剰になり、初期不可逆容量が大きくなるため、高容量電池を製造できない可能性がある。BET法比表面積は後述する実施例の方法により測定する。
黒鉛(A’)のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)は通常0.337nm以下である。一方黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.335nmであるため、黒鉛の002面の面間隔は通常0.335nm以上である。また、黒鉛(A’)のX線広角回折法によるLcは90nm以上、好ましくは95nm以上である。002面の面間隔(d002)が0.337nm以下であると、黒鉛(A’)の結晶性が高いことを示し、高容量の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を得ることができる。また、Lcが90nm以上である場合にも、結晶性が高いことを示し、高容量となる負極材を得ることができる。X線広角回折法による002面の面間隔(d002)と、Lcは後述する実施例の方法により測定する。
黒鉛(A’)の真密度は通常2.1g/cm3以上、好ましくは2.15g/cm3以上、より好ましくは2.2g/cm3以上である。真密度が2.1g/cm3以上の結晶性の高い黒鉛であると、不可逆容量の少ない高容量の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を得ることができる。
本発明の複合黒鉛粒子(D)中、又は原料に供する金属粒子が、Liと合金化可能な金属粒子(B)であることを確認するための手法としては、X線回折による金属粒子相の同定、電子顕微鏡による粒子構造の観察および元素分析、蛍光X線による元素分析などが挙げられる。また、本明細書に記載のLiと合金化可能な金属粒子(B)の特性は、特段の記載がない限り複合黒鉛粒子(D)中である金属粒子であっても原料に供する金属粒子であってもよい。
Liと合金化可能な金属粒子(B)は、従来公知のいずれのものも使用可能であるが、容量とサイクル寿命の点から、金属粒子(B)は、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Ag、Si、Sn、Al、Zr、Cr、P、S、V、Mn、Nb、Mo、Cu、Zn、Ge、In、Ti等からなる群から選ばれる金属又はその化合物が好ましい。また、2種以上の金属からなる合金を使用しても良く、金属粒子(B)が、2種以上の金属元素により形成された合金粒子であってもよい。これらの中でも、Si、Sn、As、Sb、Al、Zn及びWからなる群から選ばれる金属又はその化合物が好ましい。
また、金属粒子(B)は、その結晶状態を問わず、単結晶・多結晶などいずれも使用可能である。金属化合物としては、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物等が挙げられる。また、2種以上の金属からなる金属化合物を使用しても良い。
この範囲であれば、高容量であると同時に、Liと酸素との結合による不可逆容量を低減させることが可能となる。SiOxは、黒鉛と比較して理論容量が大きく、更に非晶質SiあるいはナノサイズのSi結晶は、リチウムイオン等のアルカリイオンの出入りがしやすく、高容量を得ることが可能となる。
なお、Si化合物の体積平均粒子径(d50)、結晶子サイズは特に規定されず、またSi化合物内、および化合物表面に不純物が存在していてもかまわない。
本発明における金属粒子(B)は、Liと合金可能であれば特に制限されないが、以下の物性を示すことが好ましい。なお、本発明における測定方法は特に制限はないが、特段の事情がない限り実施例に記載の測定方法に準じる。
金属粒子(B)の体積平均粒子径(d50)は、サイクル寿命の観点から、通常0.005μm以上、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.02μm以上、更に好ましくは0.03μm以上であり、通常25μm以下、好ましくは10μm以下、より好ましくは5μm以下、更に好ましくは3μm以下、特に好ましくは0.5μm以下である。平均粒子径(d50)が前記範囲内であると、充放電に伴う体積膨張が低減され、充放電容量を維持しつつ、良好なサイクル特性を得ることができる。
平均粒子径(d50)は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定方法等で求められる。
金属粒子(B)のBET法により比表面積は通常0.5〜120m2/g、1〜100m2/gであることが好ましい。Liと合金化可能な金属粒子のBET法による比表面積が前記範囲内であると、電池の充放電効率および放電容量が高く、高速充放電においてリチウムの出し入れが速く、レート特性に優れるので好ましい。
金属粒子(B)の含有酸素量は、特に制限はないが、通常0.01〜12質量%、0.05〜10質量%であることが好ましい。粒子内の酸素分布状態は、表面近傍に存在、粒子内部に存在、粒子内一様に存在していてもかまわないが、特に表面近傍に存在していることが好ましい。該金属粒子の含有酸素量が前記範囲内であると、SiとOの強い結合により、充放電に伴う体積膨張が抑制され、サイクル特性に優れるので好ましい。
金属粒子(B)の結晶子サイズは、特に制限はないが、通常、XRDより算出される(111)面の結晶子サイズにおいて通常0.05nm以上、好ましくは1nm以上であり、通常100nm以下、50nm以下であることが好ましい。該金属粒子の結晶子サイズが前記範囲内であると、SiとLiイオンの反応が迅速に進み、入出力に優れるので好ましい。
金属粒子(B)は、本発明の特性を満たすものであれば、市販されている金属粒子を用いてもよい。また、粒径の大きな金属粒子を金属粒子の原料として用い、後述するボールミル等により力学的エネルギー処理を加えることにより、金属粒子(B)を作製することもできる。
力学的エネルギー処理時間は、通常3分以上、好ましくは、5分以上、より好ましくは10分以上、更に好ましくは、15分以上であり、通常5時間以下、好ましくは4時間以下、より好ましくは3時間以下、更に好ましくは1時間以下である。この時間が長すぎると、生産性の低下につながり、時間が短すぎると製品物性が安定しない傾向がある。
力学的エネルギー処理温度は、特に制限はないが、通常溶媒の凝固点以上の温度であり、沸点以下の温度であることが、プロセス上好ましい。
分散溶媒において、芳香環を有した非極性化合物や非プロトン性の極性溶媒が挙げられ、芳香環を有した非極性化合物の種類としては特に制限はないが、金属粒子(B)の原料と反応性を持たないものであればより好ましい。例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン、メチルナフタレンなどの常温で液体の芳香族化合物、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、メチルシクロヘキセン、ビシクロヘキシルのような脂環式炭化水素類、軽油、重質油といった石油化学、石炭化学での残渣油が挙げられる。これらの中でも、キシレンが好ましく、メチルナフタレンがより好ましく、重質油が、沸点が高いという理由で更に好ましい。湿式粉砕では粉砕効率を上げようとすると発熱しやすくなる。沸点が低い溶媒では揮発して高濃度になってしまう恐れがある。一方、非プロトン性の極性溶媒としては、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)、GBL(γブチロラクトン)、DMF(NNジメチルホルムアミド)など水だけでなく有機溶媒を溶かすようなものが好ましく、中でも分解しにくく、沸点が高いという点においてNMP(N−メチル−2−ピロリドン)が好ましい。
分散溶媒の混合割合が高すぎるとコスト増になる傾向があり、分散溶媒の混合割合が低すぎると金属粒子(B)の均一な分散が困難になる傾向がある。
金属粒子(B)を製造する上で分散剤を用いてもよい。分散剤としては、
高分子量ポリエステル酸アマイドアミン系、ポリエーテルエステル酸アミン塩、ポリエチレングリコールリン酸エステル、第1〜3級アミン、第4級アミン塩などが挙げられ、この中でも高分子量ポリエステル酸アマイドアミン系が立体障害による分散の効果が得られ易い点で好ましい。
親水性ポリマー(C)は、親水性があり、黒鉛(A)及び/又はLiと合金化可能な金属粒子(B)と複合化できるものであればどのようなポリマーを用いてもよい。親水性ポリマー(C)は、水に溶解するポリマーが好ましいが、水に難溶性であっても、浸水性成分を導入して一部を水へ可溶化させることにより、水への膨潤性を付与したポリマーであっても良い。
親水性ポリマー(C)が水に溶解するポリマーである場合、その溶解性は、親水性ポリマー(C)を水に浸漬した前後の質量減少率が、通常10質量%以上であり、好ましくは30質量%以上であり、より好ましくは50質量%以上であり、更に好ましくは70質量%以上であり、特に好ましくは100質量%(完全溶解)である。
また、親水性ポリマー(C)が水に難溶性であるが膨潤性を有する場合、その膨潤性は、親水性ポリマー(C)を水に浸漬した前後の体積増加率が、通常10質量%以上であり、好ましくは30質量%以上であり、より好ましくは50質量%以上であり、更に好ましくは100質量%以上であり、特に好ましくは200質量%である。
水への溶解性や膨潤性が上記範囲にあれば、電解液への溶解性が低下し、黒鉛(A)やLiと合金化可能な金属粒子(B)電解液との接触を効果的に防ぎ、電解液との副反応を抑制することが可能となるため、高い初期効率、良好なサイクル特性、ガス発生の抑制を示す傾向がある。また、水分子が分子間隙に侵入し親水性置換基に水和できるだけの適度な物理的・化学的な構造柔軟性を有するため、金属粒子(B)を用いることで必然的に生じる充放電に伴う体積膨張による応力を緩衝できるため、高いサイクル特性を達成することが可能になる。
溶解性や膨潤性が上記範囲にあれば、黒鉛(A)やLiと合金化可能な金属粒子(B)電解液との接触を効果的に防いで、電解液との副反応を抑制することが可能となるため、高い初期効率、良好なサイクル特性、ガス発生の抑制を示す傾向がある。
非イオン性の親水性基とは、アニオンやカチオンの電荷を帯びておらず、且つ水と水素結合を形成することが可能な置換基であり、その例としては、水酸基、カルボニル基、エーテル基、エステル基などの含酸素官能基、スルホニル基、スルフィニル基などの含硫黄官能基、アミド基などの含窒素官能基等が挙げられる。この中でも、非水系二次電池用の負極に用いた場合の初期不可逆容量やサイクル特性の観点から、水酸基、カルボニル基、アミド基を有するものが更に好ましく、特に、水酸基を有するものが好ましい。
イオン性の親水性基とは、水中でアニオン又はカチオンを生じうる基である。アニオン性基の例としては、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、及びこれらの塩が挙げられる。前記塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩や、カルシウム塩やマグネシウム塩等のアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩が挙げられる。カチオン性基の例としてはアミノ基が挙げられる。
具体的なポリマーとして例えば、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン等のアミノ基含有ポリマーや、ビニルスルホン酸、ビニルスルホン酸リチウム、ビニルスルホン酸ナトリウム、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸リチウム、メタクリル酸、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸リチウム等のアクリル系ポリマー、及びそれらアルキル金属塩やアルキル土類金属塩やアンモニウム塩や、ポリスチレンスルホン酸のアルキル金属塩やアルキル土類金属塩やアンモニウム塩が挙げられる。これらのポリマーは、非水系電解液に難溶となり、電解液との接触を効果的に防ぎ、電解液との副反応を抑制することが可能となる点で好ましい。この中でも、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、ポリスチレンスルホン酸のアルキル金属塩やアルキル土類金属塩やアンモニウム塩が、電解液との接触をより効果的に防ぎ、電解液との副反応を抑制することが可能となる点で好ましい。
また、金属粒子(B)に例えばSiを使用する場合には、Si表面に存在するシラノール基等の官能基と、水素結合や縮合による結合形成などの化学的相互作用を有する置換基を有するポリマーを用いることが、充放電サイクルに伴うポリマーの剥離を抑制することにより、サイクル特性を向上させられるため好ましい。
この中でも、カルボキシル基、水酸基、カルボニル基、アミノ基やアミド基を有するものが更に好ましく、特に、水酸基を有するものが好ましい。
これらリチウムイオン配位性基は、電解液と溶媒和したリチウムイオンに対して、溶媒からの脱溶媒和を促進する効果が期待できる。これによって、電解液の還元分解が抑制され、初期充放電効率を改善することができる。また、リチウムイオン配位性基は被膜が形成された活物質(A)の被膜内におけるリチウムイオンの拡散を促進することから、負極抵抗の上昇を抑制することが可能である。
ポリマー(C)の添着量は、複合黒鉛粒子(D)に対して通常0.01質量%以上であり、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.2質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上である。また通常10質量%以下であり、5質量%以下が好ましく、1質量%以下がより好ましく、0.6質量%以下が更に好ましい。ポリマー(C)の添着量が多すぎると、充放電容量の低下、電荷移動抵抗の上昇により入出力特性の低下を招く傾向があり、非水系電解液に難溶性のポリマーの添着量が少なすぎると、電解液の副反応抑制効果に乏しく、初期充放電効率の低下、サイクル特性の低下を招く傾向がある。
上述の確認方法は、複合黒鉛粒子(D)が製造された時点でも良いし、負極、電池として製造された製品から検出しても良い。
本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)は、以上説明した、黒鉛(A)、Liと合金化可能な金属粒子(B)、及び親水性ポリマー(C)を含む非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子であって、ポリマー(C)が金属粒子(B)の少なくとも一部に付着することが好ましいが、ポリマー(C)が金属粒子(B)の少なくとも一部及び、黒鉛(A)の少なくとも一部に効果的に吸着し、強固に添着し、非水系電解液に溶出しないことが好ましい。
以上説明したポリマー(C)は、市販されており、また公知の方法により合成することもでき、本発明において1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)は、黒鉛(A)、金属粒子(B)、及びポリマー(C)を含む複合黒鉛粒子であって、その製造方法は特に限定されないが、例えば以下の2つの工程を含むことを特徴とする製造方法が好ましい。
工程(1).黒鉛(A)と金属粒子(B)を複合化する工程
工程(2).金属粒子(B)の少なくとも一部に、ポリマー(C)を付着させる工程
ここでは、工程(1)と工程(2)の順序に制限は無く、もしくは工程(1)と工程(2)を同時に行っても良い。
工程(1)としては、例えば以下の手法(i)〜手法(iii)の3つの方法が挙げられる。
(前記の通り、工程の順序によっては、工程(1)の複合化工程の段階ではポリマー(C)を含む場合、もしくは含まない場合がある。本項では便宜上、工程(1)の複合化工程にて製造した複合黒鉛粒子を総称して「複合黒鉛粒子(E)」と記載する。)
黒鉛(A)と金属粒子(B)を混合又は固定化(工程(a))し、その後、球形化処理を施す(工程(b))ことで複合黒鉛粒子(E)内に金属粒子(B)を内包する方法が挙げられる。中でも、黒鉛(A)に金属粒子(B)を固定化する方法が好ましい。黒鉛(A)と金属粒子(B)との充放電における導電パス切れを抑制して高いサイクル特性が得られる。
または、過剰の分散溶媒を加えることなく、そのまま高速撹拌機中で加温しながら分散溶媒を蒸発させながら混合、固定化してもよい。この際、黒鉛(A)に金属粒子(B)を固定化させるために、樹脂やピッチ等の結着材を使うこともでき、中でも樹脂を使うことが好ましい。この樹脂は、黒鉛(A)への金属粒子(B)の固定化の役割を担うだけでなく、後述する球形化工程時に黒鉛(A)から金属粒子(B)が脱離することを防ぐ役割を担うと考えられる。なお、結着材を加える場合は、この段階で加えてもよいし、金属粒子(B)の湿式粉砕時に添加してもよい。
乾燥温度は、溶媒によって異なるが上記時間を実現できる時間であることが好ましい。
また、前述の結着材として樹脂を用いている場合には、樹脂が変性しない温度以下であることが好ましい。
工程(b)を経ることにより、黒鉛(A)が折り畳まれた構造が観察され、且つ該折り畳まれた構造内の間隙に該金属粒子(B)が存在する複合黒鉛粒子(E)を製造することができる。
つまり、複合黒鉛粒子(E)を得るための好ましい製造方法としては、工程(a)で得られた折り畳まれる前の黒鉛(A)の表面に金属粒子(B)が固定化された複合体(本明細書では、複合体ともいう)に対し球形化処理を施すことであるが、特に本発明では所定の範囲内の金属粒子(B)を黒鉛(A)が折り畳まれた構造内の間隙に存在させるように、後述するような製造条件を適宜設定することが好ましい。
このような装置を使用して球形化処理を行うが、この処理の際には、ローターの回転数を通常2000〜8000rpm、好ましくは4000〜7000rpmとして、1〜60分の範囲で、球形化処理を行う。
手法(ii)として、黒鉛(A)、金属粒子(B)及び炭素質物となる樹脂やピッチ等の結着材を混合した後(工程(c))、焼成する(工程(d))方法が挙げられる。なお、結着材は手法(i)にて記載した結着材を使用することができる。
黒鉛(A)、金属粒子(B)、および炭素質物となる結着材を混合し、混合物を得られれば特に原料を仕込む順序に制限はないが、例えば、金属粒子(B)に黒鉛(A)を混合した後に結着材を混合する方法、黒鉛(A)に結着材を混合した後に金属粒子(B)を混合する方法、金属粒子(B)に結着材を混合した後に炭素材料を混合する方法、黒鉛(A)、金属粒子(B)および炭素質物となる結着材を一度に混合する方法等が挙げられる。
黒鉛(A)、金属粒子(B)、および炭素質物となる結着材を混合する方法は、例えば粉末混合法、溶融混合法、溶液混合法等が挙げられる。
黒鉛(A)、金属粒子(B)、および結着材との溶液混合法を用いた場合は、通常40〜300℃の範囲で乾燥させる。乾燥時間は、用いた溶媒の種類に応じて適宜決めることができるが、通常1〜24時間である。適宜減圧乾燥を選択することができる。
黒鉛(A)が多すぎると、黒鉛(A)が形成する空隙量が多くなり、電極密度を上げることが困難となる。また、黒鉛(A)が少なすぎると、体積膨張を抑制する空隙を形成できず、かつ導電パスを取れにくくなり、サイクル特性を向上させる効果が十分得られない。
具体的に、炭素微粒子は特に限定されないが、石炭微粉、気相炭素粉、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー等が挙げられる。この中でもカーボンブラックが特に好ましい。カーボンブラックであると、低温下においても入出力特性が高くなり、同時に安価・簡便に入手が可能という利点がある。
炭素微粒子が、1次粒子が集合・凝集した2次構造を有する場合、1次粒径が3nm以上、500nm以下であればその他の物性や種類は特に限定されないが、1次粒径は、好ましくは3nm以上、より好ましくは15nm以上であり、更に好ましくは30nm以上であり、特に好ましくは40nm以上であり、好ましくは500nm以下、より好ましくは200nm以下、更に好ましくは100nm以下、特に好ましくは70nm以下である。炭素微粒子の1次粒子径は、SEM等の電子顕微鏡観察やレーザー回折式粒度分布計などによって測定することができる。
本工程により、結着剤を炭素質物化もしくは、分解・揮発させる。本工程を行わないと、結着剤であるピッチや樹脂が電解液に溶出・膨潤することにより黒鉛(A)に固定化した金属粒子(B)が脱離したり、ピッチや樹脂や分散剤(界面活性剤)が電解液へ溶出して充放電時に分解したり、さらには樹脂に電解液が膨潤することにより電解液と黒鉛(A)や金属粒子(B)が接触して電解液副反応が増大したりすることにより、容量低下や初期効率低下やサイクル特性低下といった不具合が生じる傾向がある。
焼成温度は焼成雰囲気及び混合物の調製に用いた有機化合物により異なるが、一例として窒素流通雰囲気下であれば通常通常600℃以上、好ましくは700℃以上、より好ましくは900℃以上、通常2000℃以下、好ましくは1500℃以下、より好ましくは1300℃以下、更に好ましくは1200℃以下とすることが好ましい。焼成温度が低すぎると炭化が十分に進行せず、充放電初期の不可逆容量低減が増大する虞がある。一方で焼成温度が高すぎると金属粒子(B)が炭化物を生成したり、金属粒子(B)が気化したりすることにより容量が低下する傾向がある。
なお、本工程に用いる反応機は回分式でも連続式でも、また一基でも複数基でもよい。焼成に使用する炉は上記要件を満たせば特に、制約はないが、例えば、シャトル炉、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、タンマン炉、アチソン炉、加熱方式も、高周波誘導加熱炉、直接式抵抗加熱、間接式抵抗加熱、直接燃焼加熱、輻射熱加熱等を用いることができる。処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。
上記工程の任意のタイミングで粉砕、解砕、分級処理等の粉体加工することができる。
粉砕や解砕に用いる装置に特に制限はないが、例えば、粗粉砕機としてはせん断式ミル、ジョークラッシャー、衝撃式クラッシャー、コーンクラッシャー等が挙げられ、中間粉砕機としてはロールクラッシャー、ハンマーミル等が挙げられ、微粉砕機としてはボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル等が挙げられる。
上述のような製造方法により、複合黒鉛粒子(E)が製造できる。ただし、複合黒鉛粒子(E)は、上記製造方法に限定されないものである。
手法(iii)として、例えば、前述した黒鉛(A’)の表面に、金属粒子(B)を固定化する手法が挙げられる。
または、過剰の分散溶媒を加えることなく、そのまま高速撹拌機中で加温しながら分散溶媒を蒸発させながら混合、固定化してもよい。この際、黒鉛(A’)に金属粒子(B)を固定化させるために、樹脂やピッチ等の結着材を使うこともでき、中でも樹脂を使うことが好ましい。この樹脂は、黒鉛(A)への金属粒子(B)の固定化の役割を担うだけでなく、後述する球形化工程時に黒鉛(A’)から金属粒子(B)が脱離することを防ぐ役割を担うと考えられる。なお、結着材を加える場合は、この段階で加えてもよいし、金属粒子(B)の湿式粉砕時に添加してもよい。
乾燥温度は、溶媒によって異なるが上記時間を実現できる時間であることが好ましい。
また、前述の結着材として樹脂を用いている場合には、樹脂が変性しない温度以下であることが好ましい。
上述した手法(i)〜(iii)にて、複合黒鉛粒子(E)が得られるが、当該複合黒鉛粒子(E)は、炭素質物を含有しても良い。より具体的な態様として、炭素質物でその表面の少なくとも一部が被覆することがより好ましい。(以下、炭素質物被覆複合黒鉛粒子(F)ともいう)。なお、本明細書では炭素質物被覆複合黒鉛粒子(F)は、便宜上複合黒鉛粒子(E)と区別して記載しているが、本明細書では炭素質物被覆複合黒鉛粒子(F)も複合黒鉛粒子(E)に含まれて解釈されるものとする。
結着材は、特に限定されないが、コールタールピッチ、乾留液化油等の石炭系重質油;常圧残油、減圧残油等の直留系重質油;原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油等の石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン等の芳香族炭化水素;フェナジンやアクリジン等の窒素含有環状化合物;チオフェン等の硫黄含有環状化合物;アダマンタン等の脂肪族環状化合物;ビフェニル、テルフェニル等のポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラール等のポリビニルエステル類、ポリビニルアルコール等の熱可塑性高分子等の有機物が挙げられる。
炭素微粒子の体積平均粒子径(d50)は、通常0.01μm以上、10μm以下、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.07μm以上であり、更に好ましくは0.1μm以上であり、好ましくは8μm以下、より好ましくは5μm以下、更に好ましくは1μm以下である。
手法(i)〜(iii)では、充放電における金属粒子(B)の膨れを緩和して抑制するという点で、手法(i)がより好ましい。
金属粒子(B)の少なくとも一部に、ポリマー(C)を付着させる工程としては、例えば以下の手法(iv)〜手法(vi)の3つの方法が挙げられる。
例えば、ポリマー(C)を有機溶媒あるいは水、もしくは有機溶媒/水の混合溶媒に溶解させ、その溶液を複合黒鉛粒子(E)と混合した後、加熱あるいは/及び減圧によって乾燥する工程が挙げられる。
なお、使用する溶媒は、ポリマーが溶解すれば、特に限定されないが、好ましくは水やエチルメチルケトン、トルエン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、メタノール等が挙げられる。中でも水、エチルメチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、メタノールがコストや乾燥のし易さからより好ましい。
また、例えば、ポリマー(C)が複合黒鉛粒子(E)への吸着性を有することを利用し、ポリマー(C)の溶液中に複合黒鉛粒子(E)を入れて攪拌し、ろ過により余分なポリマー溶液を除去した後、乾燥することにより複合黒鉛粒子(E)とポリマー(C)を複合化させた後、乾燥処理を行う工程が挙げられる。
上記ポリマーの添着量は、得られた複合黒鉛材料のTG−DTA分析における重量減少、又は濾液に含まれるポリマーの量から算出することができる。
また、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)を用いた手法を用いてもよい。
複合黒鉛粒子(E)とポリマー(C)粉末とを混合した粉末をメカノケミカル処理することにより複合黒鉛粒子(E)表面にポリマー(C)粒子を複合化する工程が上げられる。メカノケミカル処理に用いる好ましい装置として、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)等が挙げられる。これらの中で、メカノフュージョンシステムが好ましい。
手法(iv)〜(vi)では、簡便さという点で手法(iv)がより好ましい。
本発明はまた、本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を用いて形成される非水系二次電池用負極に関するものであり、例えば、リチウムイオン二次電池用負極が挙げられる。
非水系二次電池用負極の製造方法や非水系二次電池用負極を構成する本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)以外の材料の選択については、特に限定されない。
本発明の非水系二次電池用負極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備え、かつ前記活物質層が少なくとも本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を含有するものである。前記活物質層は、好ましくは、さらにバインダを含有する。
このようなオレフィン性不飽和結合を有するバインダを用いることにより、活物質層の電解液に対する膨潤性を低減することができる。中でも入手の容易性から、スチレン−ブタジエンゴムが好ましい。
分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダは、分子量が大きいもの及び/又は不飽和結合の割合が大きいものが好ましい。
バインダの分子内のオレフィン性不飽和結合の割合としては、全バインダ1g当たりのオレフィン性不飽和結合のモル数を通常2.5×10-7モル以上とすることができ、また、通常5×10-6モル以下とすることができる。この範囲であれば、強度向上効果が十分に得られ、可撓性も良好である。モル数は、好ましくは8×10-7モル以上であり、また、好ましくは1×10-6モル以下である。
バインダとして、オレフィン性不飽和結合を有さないバインダも、使用することができる。分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダとオレフィン性不飽和結合を有さないバインダとを併用することによって、塗布性の向上等が期待できる。
オレフィン性不飽和結合を有さないバインダの例としては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、澱粉、カラギーナン、プルラン、グアーガム、ザンサンガム(キサンタンガム)等の増粘多糖類;ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル類;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のビニルアルコール類;ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のポリ酸またはこれらの金属塩;ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのアルカン系ポリマーまたはこれらの共重合体などが挙げられる。
本発明の非水系二次電池用負極は、本発明の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)と場合によりバインダ及び/又は導電助剤とを分散媒に分散させてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥することにより形成することができる。分散媒としては、アルコールなどの有機溶媒や、水を用いることができる。
集電体の厚さは通常4μm以上とすることができ、また、通常30μm以下とすることができる。厚さは、好ましくは6μm以上であり、また、好ましくは20μm以下である。
活物質層における非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子の密度は、用途により異なるものの、例えば車載用途やパワーツール用途などの入出力特性を重視する用途においては、通常1.1g/cm3以上、1.65g/cm3以下である。 この範囲であれば、密度が低すぎることによる粒子同士の接触抵抗の増大を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができる。
携帯電話やパソコンといった携帯機器用途などの容量を重視する用途では、通常1.45g/cm3以上とすることができ、また、通常1.9g/cm3以下とすることができる。
密度は、好ましくは1.55g/cm3以上、さらに好ましくは1.65g/cm3以上、特に好ましくは1.7g/cm3以上である。
本発明に係る非水系二次電池の基本的構成は、例えば、公知のリチウムイオン二次電池と同様とすることができ、通常、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備え、前記負極は上述した本発明に係る非水系二次電池用負極である。
正極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備えることができる。活物質層は、正極用活物質の他に、好ましくはバインダを含有する。
正極用活物質としては、リチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出できる金属カルコゲン化合物などが挙げられる。中でもリチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属カルコゲン化合物が好ましい。
、FePS3等の遷移金属のリン−硫黄化合物;VSe2、NbSe3などの遷移金属のセレン化合物;Fe0.25V0.75S2、Na0.1CrS2などの遷移金属の複合酸化物;LiCoS2、LiNiS2などの遷移金属の複合硫化物等が挙げられる。
正極用のバインダは、特に限定されず、公知のものを任意に選択して用いることができる。例としては、シリケート、水ガラス等の無機化合物や、テフロン(登録商標)、ポリフッ化ビニリデン等の不飽和結合を有さない樹脂などが挙げられる。中でも好ましいのは、酸化反応時に分解しにくいため、不飽和結合を有さない樹脂である。
正極活物質層中には、正極の導電性を向上させるために、導電助剤を含有させてもよい。導電助剤は、特に限定されず、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末、各種の金属の繊維、粉末、箔などが挙げられる。
電解質(「電解液」と称することもある。)は、特に限定されず、非水系溶媒に電解質としてリチウム塩を溶解させた非水系電解液や、該非水系電解液に有機高分子化合物等を添加することによりゲル状、ゴム状、または固体シート状にしたものなどが挙げられる。
非水系電解液に使用される非水系溶媒は、特に限定されず、公知の非水系溶媒を用いることができる。
例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、1,3−ジオキソラン等の環状エーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類などが挙げられる。
非水系電解液に使用されるリチウム塩も特に制限されず、公知のリチウム塩を用いることができる。例えば、LiCl、LiBrなどのハロゲン化物;LiClO4、LiBrO4、LiClO4などの過ハロゲン酸塩;LiPF6、LiBF4、LiAsF6などの無機フッ化物塩などの無機リチウム塩;LiCF3SO3、LiC4F9SO3などのパーフルオロアルカンスルホン酸塩;Liトリフルオロメタンスルフォニルイミド((CF3SO2)2NLi)などのパーフルオロアルカンスルホン酸イミド塩などの含フッ素有機リチウム塩などが挙げられる。中でもLiClO4、LiPF6、LiBF4が好ましい。
上述の非水系電解液に有機高分子化合物を含ませることで、ゲル状、ゴム状、或いは固体シート状にして使用する場合、有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;ポリシロキサン;ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルなどのビニル系高分子化合物;ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)等のポリマー共重合体などが挙げられる。
被膜形成剤の具体例としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチルカーボネート、メチルフェニルカーボネートなどのカーボネート化合物;エチレンサルファイド、プロピレンサルファイドなどのアルケンサルファイド;1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトンなどのスルトン化合物;マレイン酸無水物、コハク酸無水物などの酸無水物などが挙げられる。
上記各種添加剤を用いる場合、初期不可逆容量の増加や低温特性、レート特性の低下等、他の電池特性に悪影響を及ぼさないようにするために、添加剤の総含有量は非水系電解液全体に対して通常10質量%以下とすることができ、中でも8質量%以下、さらには5質量%以下、特に2質量%以下の範囲が好ましい。
高分子固体電解質としては、前述のポリエーテル系高分子化合物にLi塩を溶解させたものや、ポリエーテルの末端水酸基がアルコキシドに置換されているポリマーなどが挙げられる。
正極と負極との間には、通常、電極間の短絡を防止するために、多孔膜や不織布などの多孔性のセパレータを介在させることができ、非水系電解液は、多孔性のセパレータに含浸させて用いることが便利である。セパレータの材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテルスルホンなどが用いられ、好ましくはポリオレフィンである。
粒径の測定方法は、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート(例として、ツィーン20(登録商標))の0.2質量%水溶液10mLに、炭素材0.01gを懸濁させ、市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「HORIBA製LA−920」に導入し、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、測定装置における体積基準のメジアン径として測定し、本発明における平均粒径d50と定義した。
BET比表面積(SA)の測定方法は、例えば大倉理研社製比表面積測定装置「AMS8000」を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。具体的には、試料(炭素材)0.4gをセルに充填し、350℃に加熱して前処理を行った後、液体窒素温度まで冷却して、窒素30%、He70%のガスを飽和吸着させ、その後室温まで加熱して脱着したガス量を計測し、得られた結果から、通常のBET法により比表面積を算出した。
複合黒鉛粒子のSi含有量は、複合黒鉛粒子をアルカリで完全に溶融した後、水で溶解、定容し、誘導結合プラズマ発光分析装置(堀場製作所 ULTIMA2C)にて測定を行い、検量線からSi量を算出した。その後、Si量を複合黒鉛粒子重量で割ることで、複合黒鉛粒子のSi含有量を算出した。
後述の方法で作製した非水系二次電池(2016コイン型電池)を用いて、下記の測定方法で電池充放電時の容量を測定した。
0.05Cの電流密度でリチウム対極に対して5mVまで充電し、さらに5mVの一定電圧で電流密度が0.005Cになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.1Cの電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行った。このときの放電容量を本炭素材の容量とした。
実施例又は比較例の黒鉛質粒子を用い、活物質層密度1.6±0.03g/cm3の活物質層を有する極板を作製した。具体的には、負極材料20.00±0.02gに、1質量%カルボキシメチルセルロースナトリウム塩水溶液を20.00±0.02g(固形分換算で0.200g)、及び重量平均分子量27万のスチレン・ブタジエンゴム水性ディスパージョン0.75±0.05g(固形分換算で0.3g)を加えて、キーエンス製ハイブリッドミキサーで5分間撹拌し、30秒脱泡してスラリーを得た。
上記方法で作製した電極シートを直径12.5mmの円盤状に打ち抜き、リチウム金属箔を直径14mmの円板状に打ち抜き対極とした。両極の間には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(容積比=3:7)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させた電解液を含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、2016コイン型電池をそれぞれ作製した。
(複合黒鉛粒子の作製)
d50が30μmの多結晶Si(Wako社製)を、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)とともに、ビーズミル(アシザワファインテック)でd50:0.2μmまで粉砕したSiスラリー(I)を作製した。このSiスラリー(I)650g(固形分30%)を、ポリアクリロニトリル60gが均一に溶解したNMP2000gに投入し、混合攪拌機で混合した。次いで、鱗片状天然黒鉛(d50:45μm)2000gを投入、混合し、ポリアクリロニトリル、Si、黒鉛が均一に分散したスラリー(II)を得た。このスラリー(II)からポリアクリロニトリルが変性しないよう、ポリアクリロニトリルの熱分解温度以下である150℃にて減圧下で、NMP残渣が鱗片黒鉛100質量部に対して15質量部の量になるまで乾燥を行った。なお、DSC分析よりポリアクリロニトリルの分解温度は270度であった。得られた塊状物を、ハンマーミル(IKA社製MF10)で回転数6000rpmにて解砕した後、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所製)に投入し、ローター回転数7000rpm、180秒間、装置内を循環または滞留させて球形化処理してLiと合金化可能な金属粒子(B)としてSi粒子を内包し、窒素雰囲気下1000℃で1時間熱処理を行い、複合黒鉛粒子(E)を得た。前記測定法で測定した、珪素元素の含有量は7.4質量%であった。
実施例1にて得られた複合黒鉛粒子(E)40gに、10質量%水溶液に調整したポリスチレンスルホン酸ナトリウム水溶液(東ソー有機化学社製PS−5)を4g添加した(ポリスチレンスルホン酸ナトリウム量は、複合黒鉛粒子(E)に対して、1質量%相当)以外は、実施例1と同様の方法にて、非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を得た。
このサンプルについて、前記測定法でd50、SA、初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表1、表2に示す。
実施例1にて得られた複合黒鉛粒子(E)40gに、2.5質量%水溶液に調整したポリビニルアルコール水溶液(日本合成化学製NM14、重合度1400、けん化度99%、ポリビニルアルコール量は、複合黒鉛粒子(E)に対して、1質量%相当)16gを添加した以外は、実施例1と同様の方法にて、非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を得た。このサンプルについて、前記測定法でd50、SA、初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表1、表2に示す。
実施例1にて得られた複合黒鉛粒子(E)をそのまま用いて、前記測定法でd50、SA、初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表1、表2に示す。
実施例1にて作製したSi粒子を内包した複合黒鉛粒子(E)に、焼成後の被覆率が7.5%になるようにコールタールピッチを混合し、2軸混練機により混練・分散させた。
得られた分散物を、焼成炉に導入し、窒素雰囲気下1000℃、1時間焼成した。焼成した塊状物は上記記載のミルを用いて回転数3000rpmの条件で解砕し、次いで目開き45μmの振動ふるいで分級し、非晶質炭素が被覆された複合黒鉛粒子(F)を得た。
この複合黒鉛粒子(F)に実施例1と同様の方法にて、親水性ポリマー(C)として、ポリアリルアミンを添着させた。このサンプルについて、前記測定法でd50、SA、初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表1、表2に示す。
実施例4で作成した複合黒鉛粒子(F)に、実施例3と同様の方法にて、親水性ポリマー(C)として、ポリビニルアルコールを添着させた。このサンプルについて、前記測定法でd50、SA、初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表1、表2に示す。
実施例4にて得られた複合黒鉛粒子(F)をそのまま用いて、前記測定法でd50、SA、初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表1、表2に示す。
d50を1μmまで粉砕したSiスラリー(I)を用いた以外は、実施例4と同様の方法で複合黒鉛粒子(G)を得た。
この複合黒鉛粒子(G)に、実施例1と同様の方法にて親水性ポリマー(C)として、ポリビニルアルコールを添着させた。このサンプルについて、前記測定法でd50、SAを測定した。結果を下記表1に示す。また、初期効率、サイクル維持率の測定を試みたが、電極シートをロールプレスした際に、銅箔からの剥離が著しく測定が不可能だった。
比較例3で作製したサンプルについて、電極シートのロールプレスを行わなかった以外は上記方法にて電極シートを作製し、初期効率、サイクル維持率の測定を実施した。結果を下記表2に示す。
比較例3にて得られた複合黒鉛粒子(G)をそのまま用いて、前記測定法でd50、SAを測定した。結果を下記表1に示す。また、比較例4と同様の用法で初期効率、サイクル維持率を測定した。結果を下記表2に示す。
一方で、ポリマー(C)を添着させなかった比較例1においては、初期効率、容量ともに低下する傾向が見られた。さらに、非晶質炭素を被覆した比較例2においては、さらに初期効率、容量が低下する傾向が見られた。粒子が硬くなり、プレスによる、複合黒鉛粒子の破壊により、Si粒子の滑落が生じたためと考えられる。
これより、本発明の非水系二次電池負極用炭素材を用いることで、初期効率と容量が高いレベルでバランスが取れた非水系二次電池を提供することができる。
Claims (11)
- 黒鉛(A)、Liと合金化可能な金属粒子(B)、及び親水性ポリマー(C)を含む非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)であって、
該金属粒子(B)の粒径(b)と該複合黒鉛粒子(D)の粒径(d)により表される比(b)/(d)が0.08以下であることを特徴とする非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。 - 前記親水性ポリマー(C)が、水酸基、カルボニル基、エーテル基、エステル基、スルホニル基、スルフィニル基、アミノ基、アミド基、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、及びホスホン酸基、及びこれらの塩からなる群より選ばれる少なくとも1つの官能基を有することを特徴とする請求項1に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- 前記Liと合金化可能な金属粒子(B)が、複合黒鉛粒子(D)の内部に存在することを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- 下記測定方法にて算出された複合炭素粒子(D)中のLiと合金化可能な金属粒子(B)の存在比率が0.2以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
(測定方法)
SEM(走査型電子顕微鏡)にて複合炭素粒子(D)の断面を観察した際の1粒子を抽出し、その粒子内のLiと合金化可能な金属粒子(B)の面積(a)を算出する。次に、抽出した1粒子と該1粒子以外の背景を2値化処理した後、粒子に対して収縮処理を繰り返し、抽出した1粒子の面積が70%の図形を抽出し、その図形内に存在するLiと合金化可能な金属粒子(B)の面積(b)を算出する。面積(b)を面積(a)で割った値を任意の3粒子にて測定し、それら3粒子の値を平均化した値を複合炭素粒子(D)中のLiと合金化可能な金属粒子(B)の存在比率とする。 - 前記複合黒鉛粒子(D)に含まれる親水性ポリマー(C)が、複合黒鉛粒子(D)に対して、0.01質量%以上10質量%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- Liと合金化可能な金属粒子(B)がSiOx(0≦x<2)を含むものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- 前記複合黒鉛粒子(D)に含まれるLiと合金化可能な金属粒子(B)の含有量が、複合黒鉛粒子(D)に対して、1質量%以上50質量%以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- 前記複合黒鉛粒子(D)のタップ密度が0.5g/cm3以上1.3g/cm以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- 前記複合黒鉛粒子(D)は、黒鉛(A)が折り畳まれた構造を有し、且つ該折り畳まれた構造内の間隙に、Liと合金化可能な金属粒子(B)が存在することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)。
- 集電体と集電体上に形成された負極活物質とを備える非水系二次電池用負極であって、前記負極活物質が請求項1〜9のいずれかに1項に記載の非水系二次電池負極用複合黒鉛粒子(D)を含むことを特徴とする非水系二次電池用負極。
- 金属イオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解液を備える非水系二次電池であって、前記負極が請求項10に記載の非水系二次電池用負極であることを特徴とする非水系二次電池。
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