JP2022165614A - Graphite-based negative electrode active material and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、黒鉛系負極活物質材料に関する。詳しくは、黒鉛が非晶質炭素によって被覆された黒鉛系負極活物質材料に関する。本発明はまた、当該黒鉛系負極活物質材料の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a graphite-based negative electrode active material. Specifically, it relates to a graphite-based negative electrode active material in which graphite is coated with amorphous carbon. The present invention also relates to a method for producing the graphite-based negative electrode active material.
近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries have been used in portable power sources such as personal computers and mobile terminals, and power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). is preferably used for
一般的に、二次電池、特にリチウムイオン二次電池の負極には、黒鉛系負極活物質材料が用いられている。二次電池はその普及に伴い、さらなる高性能化が望まれている。高性能化のための方策の一つとしては、黒鉛系負極活物質材料の改良が挙げられる。黒鉛系負極活物質材料の改良の例として、黒鉛の表面を非晶質炭素で被覆した、複層構造の負極活物質材料が知られている(下記特許文献1を参照)。
Graphite-based negative electrode active materials are generally used for the negative electrodes of secondary batteries, particularly lithium ion secondary batteries. With the spread of secondary batteries, further improvement in performance is desired. One of the measures for improving the performance is improvement of the graphite-based negative electrode active material. As an example of improved graphite-based negative electrode active material, a multilayer negative electrode active material in which the surface of graphite is coated with amorphous carbon is known (see
しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、従来技術においては、被覆を有する黒鉛系負極活物質材料を用いた二次電池の、低温(例えば、0℃以下、特には-10℃以下程度)での低抵抗化が不十分であるという課題があることを見出した。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, in the prior art, secondary batteries using a graphite-based negative electrode active material having a coating at low temperatures (for example, 0 ° C. or lower, particularly about -10 ° C. or lower) It has been found that there is a problem that the resistance of is insufficient.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、二次電池の低温抵抗を好適に低減することができる黒鉛系負極活物質材料を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object thereof is to provide a graphite-based negative electrode active material that can suitably reduce the low-temperature resistance of secondary batteries.
かかる目的を実現するべく、本発明は、黒鉛質粒子と、該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質炭素層とを備えた黒鉛系負極活物質材料を提供する。ここで、上記黒鉛系負極活物質材料の断面のTEM画像において、上記非晶質炭素層における該黒鉛系負極活物質材料の表面から上記黒鉛質粒子に至るまでの間を、該表面に近い方からA層、B層、C層に3等分したとき、該A層、B層、C層における結晶化の進行具合はこの順に大きくなることを特徴とする。 In order to achieve this object, the present invention provides a graphite-based negative electrode active material comprising graphite particles and an amorphous carbon layer covering at least part of the surfaces of the graphite particles. Here, in the TEM image of the cross section of the graphite-based negative electrode active material, the distance from the surface of the graphite-based negative electrode active material in the amorphous carbon layer to the graphite particles is the nearer to the surface. When the layer is divided into three layers A, B, and C, the degree of progress of crystallization in the A layer, B layer, and C layer increases in this order.
特に限定解釈されることを意図したものではないが、このように非晶質炭素層内の結晶性に傾斜を持たせる(即ち、非晶質炭素層と黒鉛質粒子との間における結晶性のギャップを抑制する)ことによって、該非晶質炭素層内におけるイオン(例えば、リチウムイオン)の移動を促進させることができるものと考えられ得る。また、黒鉛系負極活物質材料の表面の結晶性を低下させることによって、イオンの挿入サイト数を向上させることができるものと考えられ得る。これらによって、二次電池の低温抵抗を低減することができるものと考えられ得る。 Although not intended to be particularly limiting, such gradients in the crystallinity within the amorphous carbon layer (i.e., the crystallinity between the amorphous carbon layer and the graphitic particles) It can be thought that by suppressing the gap), the movement of ions (eg, lithium ions) within the amorphous carbon layer can be promoted. In addition, it can be considered that the number of ion insertion sites can be increased by reducing the crystallinity of the surface of the graphite-based negative electrode active material. It can be considered that these can reduce the low-temperature resistance of the secondary battery.
ここで開示される黒鉛系負極活物質材料の好ましい一態様では、上記A層、B層、C層について電子回折画像を取得した場合に、少なくとも該C層における格子面間隔dの値が判定可能であり、該A層における該d値は判定不可能である。 In a preferred embodiment of the graphite-based negative electrode active material disclosed herein, when electron diffraction images are obtained for the A layer, the B layer, and the C layer, at least the value of the lattice spacing d in the C layer can be determined. and the d value in the A layer is undeterminable.
ここで開示される黒鉛系負極活物質材料の好ましい一態様では、BET法に基づく比表面積(以下、単に「比表面積」ともいう)は、2.2m2/g~8.3m2/gの範囲内である。黒鉛系負極活物質材料の比表面積を上記の範囲内とした場合に、二次電池の低温抵抗をより好適に低減することができる。 In a preferred embodiment of the graphite-based negative electrode active material disclosed herein, the specific surface area based on the BET method (hereinafter also simply referred to as “specific surface area”) is 2.2 m 2 /g to 8.3 m 2 /g. Within range. When the specific surface area of the graphite-based negative electrode active material is within the above range, the low-temperature resistance of the secondary battery can be more suitably reduced.
また、ここで開示される黒鉛系負極活物質材料は、次の工程:非晶質炭素層を構成する非晶質炭素材料と、黒鉛質粒子とを準備する材料準備工程;上記非晶質炭素材料と、上記黒鉛質粒子とを混合し、該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部に、該非晶質炭素材料を付着させる付着工程;および、上記付着工程後に、マイクロ波加熱処理を行うことで、上記黒鉛質粒子の少なくとも一部を被覆する上記非晶質炭素層を形成するマイクロ波加熱処理工程,ここで、該非晶質炭素層における該黒鉛系負極活物質材料の表面から該黒鉛質粒子に至るまでの間を、該表面に近い方からA層、B層、C層に3等分したとき、該A層、B層、C層における結晶化の進行具合はこの順に大きくなる;を包含する製造方法によって、好適に製造することができる。 In addition, the graphite-based negative electrode active material disclosed herein includes the following steps: a material preparation step of preparing an amorphous carbon material constituting an amorphous carbon layer and graphite particles; An adhesion step of mixing the material with the graphite particles and adhering the amorphous carbon material to at least a part of the surface of the graphite particles; and performing a microwave heat treatment after the adhesion step. a microwave heat treatment step for forming the amorphous carbon layer covering at least a portion of the graphite particles, wherein the graphite particles are heated from the surface of the graphite-based negative electrode active material in the amorphous carbon layer When the interval up to is divided into three equal layers, A, B, and C, from the side closest to the surface, the progress of crystallization in the A, B, and C layers increases in this order; It can be suitably manufactured by the included manufacturing method.
また、他の側面から、本発明は、正極と、ここで開示されるいずれかの黒鉛系負極活物質材料を含む負極と、電解質とを備える二次電池を提供する。かかる二次電池によると、低温抵抗を好適に低減することができる。 From another aspect, the present invention provides a secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing any of the graphite-based negative electrode active materials disclosed herein, and an electrolyte. According to such a secondary battery, the low-temperature resistance can be suitably reduced.
以下、ここで開示される黒鉛系負極活物質材料、該黒鉛系負極活物質材料の製造方法、および当該黒鉛負極活物質材料を用いた二次電池に関する好適な一実施形態について、適宜図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の実施形態は、ここで開示される技術を限定することを意図したものではない。また、本明細書にて示す図面では、同じ作用を奏する部材・部位に同じ符号を付して説明している。さらに、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、所定の数値範囲をA~B(A、Bは任意の数値)と記すときは、A以上B以下の意味である。したがって、Aを上回り且つBを下回る場合を包含する。
Hereinafter, a preferred embodiment of the graphite-based negative electrode active material disclosed herein, a method for producing the graphite-based negative electrode active material, and a secondary battery using the graphite-based negative electrode active material will be described with reference to the drawings as appropriate. will be described in detail. Matters other than those specifically referred to in this specification that are necessary for implementation can be grasped as design matters for those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. It should be noted that the following embodiments are not intended to limit the technology disclosed herein. In addition, in the drawings shown in this specification, members and parts having the same function are denoted by the same reference numerals. Furthermore, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
In the present specification and claims, when a predetermined numerical range is described as A to B (A and B are arbitrary numerical values), it means A or more and B or less. Therefore, the case above A and below B is included.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイスをいい、いわゆる蓄電池、および電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。 In this specification, the term "secondary battery" refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term that includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors. In this specification, the term “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that utilizes lithium ions as a charge carrier and is charged/discharged by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes.
<黒鉛系負極活物質材料1の構成>
図1は、一実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料の構成を模式的に示す図である。図示するように、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料1は、おおまかにいって、黒鉛質粒子10と、該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質炭素層12とを備えている。また、黒鉛質負極活物質材料1は、電荷担体を可逆的に放出可能な材料ということができる。以下、各構成要素について説明する。
<Structure of graphite-based negative electrode
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a graphite-based negative electrode active material according to one embodiment. As shown in the figure, the graphite-based negative electrode
(黒鉛質粒子10)
黒鉛質粒子10は、黒鉛を主体として構成される粒子のことを意味する。ここで、「黒鉛を主体として構成される」とは、黒鉛質粒子10を構成する成分のうち、質量%基準で最も多く含まれている成分が黒鉛であることを意味する。特に限定されないが、黒鉛質粒子10を構成する黒鉛の割合は、該黒鉛質粒子全体を100質量%としたとき、概ね70質量%以上とすることができ、例えば80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上(例えば100質量%であってもよい)とすることができる。
黒鉛質粒子10としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、これらの混合物を含む黒鉛質粒子を用いることができる。あるいは、これらよりも結晶性の低い石炭系コークス、石油系コークス、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等を、1種または2種以上組み合わせた材料の焼成物を含む黒鉛質粒子を用いることもできる。
(Graphite particles 10)
The
As the
また、黒鉛質粒子10の形状は、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に限定されないが、均一な厚みの非晶質炭素層12を設けることが容易であるという観点から、黒鉛質粒子10は略球状であることが好ましい。かかる観点から、黒鉛質粒子10の平均アスペクト比は、概ね1.3以下であり、1.2以下が好ましく、1.1以下がより好ましい。平均アスペクト比は、電子顕微鏡観察に基づく、10個以上の黒鉛質粒子10の長径aと短径bとの比(a/b)の算術平均値とすることができる。
In addition, the shape of the
黒鉛質粒子10の平均粒子径は、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上50μm以下であり、好ましくは1μm以上25μm以下であり、より好ましくは5μm以上20μm以下であり得る。なお、本明細書および特許請求の範囲において「平均粒子径」とは、レーザー回折・光散乱法に基づき測定した体積基準の粒度分布において、粒子径の小さな微粒子側から累積50%に相当する粒子径D50値(メジアン径ともいう)を意味する。
The average particle size of the
電子回折によって求めた黒鉛質粒子10における格子面(002面)のd002値(即ち、格子面間隔)は、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね0.335nm以上であり、概ね0.340nm未満であり得る。d002値が大きすぎると、結晶性が低下し、初期不可逆容量が増加する傾向にあるため好ましくないとされる。また、黒鉛質炭素の結晶子サイズ(Lc)は、概ね30nm以上とすることができる。かかるd002値の取得は、例えば市販の電子回折装置を用い、該電子回折装置の手順書に従って実施することができる。
The d002 value (that is, the lattice spacing) of the lattice plane (002 plane) in the
(非晶質炭素層12)
非晶質炭素層12は、結晶性の低い非晶質炭素材料を主として構成される層を意味する。ここで、「非晶質炭素材料を主体として構成される」とは、非晶質炭素層12を構成する成分のうち、質量%基準で最も多く含まれている成分が非晶質炭素材料であることを意味する。特に限定されないが、非晶質炭素層12を構成する非晶質炭素材料の割合は、該非晶質炭素層全体を100質量%としたとき、概ね70質量%以上とすることができ、例えば80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上(例えば100質量%であってもよい)とすることができる。
(Amorphous carbon layer 12)
The
非晶質炭素層12は、黒鉛質粒子10の表面の少なくとも一部を被覆する層である。このように、黒鉛質粒子の表面を非晶質炭素層によって少しでも覆うことにより、二次電池の低温抵抗を好適に低減することができる。そして、さらに黒鉛質粒子の表面全体を非晶質炭素層によって覆うことで、上記効果をより好適に実現することができる。
また、黒鉛系負極活物質材料1の断面について透過型電子顕微鏡(TEM)画像を取得し(例えば、黒鉛系負極活物質材料1を、厚み数μm~数十μmに薄片化した際に得られる薄片のうちの一薄片の断面について取得してもよいし、複数(概ね2~5程度)の薄片の断面について取得してもよい)、非晶質炭素層12における該黒鉛系負極活物質材料の表面から黒鉛質粒子10に至るまでの間を、該表面に近い方からA層、B層、C層に3等分したとき、該A層、B層、C層における結晶化の進行具合はこの順に大きくなることを特徴とする。ここで、図2は、一実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料1の断面について取得したTEM画像を模式的に示す図である。図2では、結晶化の進行度を点および線の数で表現しており、かかる進行度が高い程点の数が減少し、線の数が増加する態様として表現している。なお、観察対象の薄片に対してOs(オスミウム)染色処理を施すと、結晶化の進行度合いが目視で確認し易くなるため好ましい。
The
In addition, a transmission electron microscope (TEM) image is obtained for the cross section of the graphite-based negative electrode active material 1 (for example, the graphite-based negative electrode
ここで、従来の黒鉛系負極活物質材料(典型的には、炉焼成によって製造される)は、黒鉛質粒子と非晶質炭素層との結晶性の差が大きく、リチウムイオンの粒子内拡散抵抗が大きくなってしまうというような課題があった。また、かかる結晶性の差を解消するべく外熱焼成を行うと、黒鉛系負極活物質材料の最表面の結晶性が高くなってしまい、リチウムイオンの挿入サイトが減少するため、抵抗が増加するというような課題もあった。一方、ここで開示される黒鉛系負極活物質材料は、マイクロ波加熱焼成によって好適に製造されており、非晶質炭素層内の結晶性に傾斜を持たせる(即ち、非晶質炭素層と黒鉛質粒子との間における結晶性のギャップを抑制する)ことによって、該非晶質炭素層内におけるリチウムイオンの移動を促進させることができる。また、黒鉛系負極活物質材料の表面の結晶性を低下させることによって、イオンの挿入サイト数を向上させることができる。これらによって、二次電池の低温抵抗を低減することができるものと考えられる。なお、上記の説明は、本発明者の考察であり、ここで開示される技術は上記説明に限定して解釈されるものではない。 Here, conventional graphite-based negative electrode active materials (typically manufactured by furnace firing) have a large difference in crystallinity between the graphite particles and the amorphous carbon layer, and the intra-particle diffusion of lithium ions There is a problem that resistance increases. In addition, if external heat firing is performed to eliminate such a difference in crystallinity, the crystallinity of the outermost surface of the graphite-based negative electrode active material increases, and the lithium ion insertion sites decrease, resulting in an increase in resistance. There was also such a problem. On the other hand, the graphite-based negative electrode active material disclosed herein is preferably produced by microwave heating and sintering, and the crystallinity in the amorphous carbon layer is graded (that is, the amorphous carbon layer and the By suppressing the crystallinity gap between graphite particles), the movement of lithium ions in the amorphous carbon layer can be promoted. In addition, the number of ion insertion sites can be increased by reducing the crystallinity of the surface of the graphite-based negative electrode active material. It is considered that these can reduce the low-temperature resistance of the secondary battery. Note that the above description is based on considerations made by the present inventor, and the technology disclosed herein should not be construed as being limited to the above description.
上述したように、非晶質炭素層12におけるA層、B層、C層における結晶化の進行具合の差は、TEMによって黒鉛系負極活物質材料1の断面を観察することによって確認することができる。また、例えば上記A層、B層、C層について電子回折画像を取得した場合に、少なくとも該C層ではd値(即ち、格子面間隔)が判定可能であり、該A層では該d値が判定不可能であるということからも、好適に確認することができる。
As described above, the difference in progress of crystallization in the A layer, B layer, and C layer in the
上記d値が判定可能な層について、電子回折によって求めた格子面(002面)のd002値(即ち、格子面間隔)は、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね0.340nm以上であり、好ましくは0.345nm以上とすることができる。また、概ね0.380nm以下であり、好ましくは0.370nm以下、0.360nm以下とすることができる。また、非晶質炭素の結晶子サイズ(Lc)は、概ね1nm以上とすることができる。かかるd002値の取得は、例えば市販の電子回折装置を用い、該電子回折装置の手順書に従って実施することができる。 Regarding the layer whose d value can be determined, the d002 value (that is, the lattice spacing) of the lattice plane (002 plane) obtained by electron diffraction is not particularly limited as long as the effect of the technology disclosed herein is exhibited. is approximately 0.340 nm or more, preferably 0.345 nm or more. Also, it is approximately 0.380 nm or less, preferably 0.370 nm or less, and 0.360 nm or less. In addition, the crystallite size (Lc) of amorphous carbon can be approximately 1 nm or more. Acquisition of such a d002 value can be carried out, for example, using a commercially available electron diffraction device according to the procedure manual for the electron diffraction device.
非晶質炭素層12の厚みは、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、例えば10nm以上500nm以下であり、好ましくは30nm以上400nm以下であり、より好ましくは30nm以上300nm以下であり得る。なお、非晶質炭素層12の厚みは、例えばTEMを用いて黒鉛系負極活物質1の断面を観察することによって求めることができる。
The thickness of the
黒鉛系負極活物質材料1の比表面積は、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね0.1m2/g以上100m2/gとすることができる。また、得られる電池の低温抵抗を抑制する等の観点から、好ましくは、0.5m2/g以上、1.0m2/g以上、2.0m2/g以上(例えば、2.2m2/g以上)とすることができる。そして、電解液との過度な反応性を抑制するという観点からは、好ましくは、50m2/g以下、20m2/g以下、10m2/g以下(例えば、9.0m2/g以下)とすることができる。黒鉛系負極活物質1の比表面積は、好ましくは2.2m2/g~8.3m2/gの範囲内とすることができ、4.5m2/g~7.5m2/gの範囲内とすることもできる。
The specific surface area of the graphite-based negative electrode
なお、本明細書および特許請求の範囲において「比表面積」とは、例えば吸着質として窒素(N2)ガスを用いたガス吸着法(定容量吸着法)によって測定されたガス吸着量に基づき、BET法(例えばBET一点法)により解析されて算出された表面積のことを意味する。かかる測定は、例えば市販の表面積測定装置を用い、該表面測定装置の手順書に従って測定することができる。 In the present specification and claims, the term "specific surface area" refers to, for example, a gas adsorption amount measured by a gas adsorption method (constant volume adsorption method) using nitrogen (N 2 ) gas as an adsorbate, It means the surface area calculated by analysis by the BET method (for example, BET single-point method). Such measurements can be made, for example, by using a commercially available surface area measurement device and following the procedure manual for the surface measurement device.
<黒鉛系負極活物質材料1の製造方法>
以下、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料1の好適な製造方法について説明するが、製造方法を以下に示すものに限定することを意図したものではない。
<Method for producing graphite-based negative electrode
A preferred method for producing the graphite-based negative electrode
図3は、一実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料の製造方法の大まかな工程を示すフローチャートである。図示するように、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料1は、次の工程:非晶質炭素層を構成する非晶質炭素材料と、黒鉛質粒子とを準備する材料準備工程(ステップS1);上記非晶質炭素材料と、上記黒鉛質粒子とを混合し、該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部に、該非晶質炭素材料を付着させる付着工程(ステップS2);および、上記付着工程後に、マイクロ波加熱処理を行うことで、上記黒鉛質粒子の少なくとも一部を被覆する上記非晶質炭素層を形成するマイクロ波加熱処理工程(ステップS3);を包含する製造方法によって、好適に製造することができる。以下、各ステップについて説明する。
FIG. 3 is a flow chart showing rough steps of a method for producing a graphite-based negative electrode active material according to one embodiment. As shown in the figure, the graphite-based negative electrode
(ステップS1:材料準備工程)
ステップS1では、非晶質炭素層を構成する非晶質炭素材料と、黒鉛質粒子とを準備する。上記黒鉛質粒子としては、上記黒鉛質粒子の説明において記載したような粒子を用いることができる。また、上記非晶質炭素材料としては、この種の材料として用いられる従来公知のものを用いることができ、例えば、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール、アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等の芳香族炭化水素化合物、フェナジン、アクリジン等のN環化合物、チオフェン、ビチオフェン等のS環化合物、セルロール、マンナン、キトサン等の天然高分子化合物、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド等の熱可塑性樹脂、フェノール-ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。なお、上記黒鉛質粒子および非晶質炭素材料としては、例えば市販のものを購入して用いることができる。また、上述した非晶質炭素材料を有機溶媒に溶解させて、溶液等として用いることもできる。かかる有機溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n-へキサン等が挙げられる。
(Step S1: material preparation step)
In step S1, an amorphous carbon material forming an amorphous carbon layer and graphite particles are prepared. As the graphite particles, the particles described in the description of the graphite particles can be used. In addition, as the amorphous carbon material, conventionally known materials used as this type of material can be used. Aromatic hydrocarbon compounds such as ethylene tar, acenaphthylene, decacyclene, anthracene, and phenanthrene; N-ring compounds such as phenazine and acridine; S-ring compounds such as thiophene and bithiophene; , thermoplastic resins such as polyphenylene oxide, and thermosetting resins such as phenol-formaldehyde resins and imide resins. As the graphite particles and the amorphous carbon material, for example, commercially available ones can be purchased and used. Alternatively, the amorphous carbon material described above can be dissolved in an organic solvent and used as a solution or the like. Examples of such organic solvents include benzene, toluene, xylene, quinoline, n-hexane and the like.
(ステップS2:付着工程)
ステップS2では、上記非晶質炭素材料と、上記黒鉛質粒子とを混合し、該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部に、該非晶質炭素材料を付着させる。
具体的には、先ず、非晶質炭素材料と、黒鉛質粒子と、必要に応じてその他の成分(例えば、溶媒等)を、市販の撹拌装置、混合機、混錬機によって混合する。ここで、非晶質炭素層材料と黒鉛質粒子との混合割合は、用いる材料の種類や、黒鉛質粒子における非晶質炭素層の被覆率・比表面積の値等によって適宜調整されることが好ましい。また、混合条件(具体的には、混合時間や混合速度等)に関しても、用いる材料の種類や量等に応じて適宜調整されることが好ましい。上記混合割合や混合条件は、例えば予備実験等を行うことによって適宜決定することができる。
(Step S2: Adhesion step)
In step S2, the amorphous carbon material and the graphite particles are mixed, and the amorphous carbon material is adhered to at least part of the surface of the graphite particles.
Specifically, first, an amorphous carbon material, graphite particles, and, if necessary, other components (for example, a solvent, etc.) are mixed using a commercially available stirrer, mixer, or kneader. Here, the mixing ratio of the amorphous carbon layer material and the graphite particles can be appropriately adjusted depending on the type of material used, the coverage of the amorphous carbon layer in the graphite particles, the value of the specific surface area, and the like. preferable. Also, mixing conditions (specifically, mixing time, mixing speed, etc.) are preferably adjusted as appropriate according to the types and amounts of the materials used. The above mixing ratio and mixing conditions can be appropriately determined by conducting preliminary experiments, for example.
(ステップS3:マイクロ波加熱処理工程)
次に、ステップS3では、上記付着工程(ステップS2)後にマイクロ波加熱処理を行うことで、上記黒鉛質粒子の少なくとも一部を被覆する上記非晶質炭素層を形成する。なお、マイクロ波焼成装置の出力(W)は、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね1000W~2000Wの範囲内(例えば、1500W程度)とすることができる。また、焼成時間は、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね20~240分程度とすることができる。そして、かかる焼成は、例えば窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス等のガス雰囲気下で行うことが好ましい。このようにして、黒鉛系負極活物質材料1を得ることができる。
(Step S3: Microwave heat treatment step)
Next, in step S3, microwave heat treatment is performed after the adhesion step (step S2) to form the amorphous carbon layer covering at least part of the graphite particles. The output (W) of the microwave baking apparatus is not particularly limited as long as the effect of the technology disclosed herein is exhibited, but it can be generally within the range of 1000 W to 2000 W (for example, about 1500 W). . Also, the firing time is not particularly limited as long as the effect of the technique disclosed herein is exhibited, but it can be approximately 20 to 240 minutes. And it is preferable to perform such baking in a gas atmosphere such as nitrogen gas, carbon dioxide gas, argon gas, or the like. Thus, the graphite-based negative electrode
また、必要に応じて、ステップS3の後に粉砕工程を設けてもよい。かかる粉砕は、例えば、市販のクラッシャー、ボールミル、撹拌ミル等を用いて行うことができる。また、さらに、分級処理工程を設けることもできる。かかる分級は、例えば市販の分級装置を用いて行うことができる。 Also, if necessary, a pulverization step may be provided after step S3. Such pulverization can be performed using, for example, commercially available crushers, ball mills, stirring mills, and the like. Further, a classification treatment step can be provided. Such classification can be performed using, for example, a commercially available classifier.
また、他の側面から、ここで開示される技術によると、正極と、ここで開示されるいずれかの黒鉛系負極活物質材料を含む負極と、電解質とを備える二次電池を提供することができる。即ち、上記のとおり製造した黒鉛系負極活物質材料1を用いて、従来公知の方法によって二次電池を構築することができる。
From another aspect, according to the technology disclosed herein, it is possible to provide a secondary battery including a positive electrode, a negative electrode containing any of the graphite-based negative electrode active materials disclosed herein, and an electrolyte. can. That is, using the graphite-based negative electrode
以下、本実施形態に係る二次電池について、扁平形状の捲回電極体と扁平形状の電池ケースとを有する扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、詳細に説明する。 Hereinafter, the secondary battery according to the present embodiment will be described in detail by taking as an example a flat prismatic lithium ion secondary battery having a flat wound electrode assembly and a flat battery case.
図4に示すリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解質(図示せず)とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には、外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。正負極端子42,44はそれぞれ正負極集電板42a,44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質には、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
The lithium ion
捲回電極体20は、図4および図5に示すように、正極シート50と、負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。正極シート50は、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された構成を有する。負極シート60は、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成されている構成を有する。正極活物質層非形成部分52a(すなわち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)および負極活物質層非形成部分62a(すなわち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)は、捲回電極体20の捲回軸方向(すなわち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成されている。正極活物質層非形成部分52aおよび負極活物質層非形成部分62aには、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
正極集電体52としては、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の正極集電体を用いてよく、その例としては、導電性の良好な金属(例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)製のシートまたは箔が挙げられる。正極集電体52としては、アルミニウム箔が好ましい。
As the positive electrode
正極集電体52の寸法は特に限定されず、電池設計に応じて適宜決定すればよい。正極集電体52としてアルミニウム箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。
The dimensions of the positive electrode
正極活物質層54は、正極活物質を含有する。正極活物質としては、例えば、リチウムニッケル系複合酸化物(例、LiNiO2等)、リチウムコバルト系複合酸化物(例、LiCoO2等)、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物(例、LiNiCoMnO2やLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等)、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物(例、LiNi0.8Co0.15Al0.5O2等)、リチウムマンガン系複合酸化物(例、LiMn2O4等)、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物(例、LiNi0.5Mn1.5O4等)などのリチウム遷移金属複合酸化物;リチウム遷移金属リン酸化合物(例、LiFePO4等)などが挙げられる。
The positive electrode
正極活物質層54は、正極活物質以外の成分、例えば、リン酸三リチウム、導電材、バインダ等を含んでいてもよい。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイトなど)の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。
The positive electrode
正極活物質層54中の正極活物質の含有量(すなわち、正極活物質層54の全質量に対する正極活物質の含有量)は、特に限定されないが、70質量%以上が好ましく、より好ましくは80質量%以上97質量%以下であり、さらに好ましくは85質量%以上96質量%以下である。正極活物質層54中のリン酸三リチウムの含有量は、特に制限はないが、1質量%以上15質量%以下が好ましく、2質量%以上12質量%以下がより好ましい。正極活物質層54中の導電材の含有量は、特に制限はないが、1質量%以上15質量%以下が好ましく、3質量%以上13質量%以下がより好ましい。正極活物質層54中のバインダの含有量は、特に制限はないが、1質量%以上15質量%以下が好ましく、1.5質量%以上10質量%以下がより好ましい。
The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 54 (that is, the content of the positive electrode active material with respect to the total mass of the positive electrode active material layer 54) is not particularly limited, but is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass. It is 97% by mass or more, more preferably 85% by mass or more and 96% by mass or less. The content of trilithium phosphate in the positive electrode
正極活物質層54の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上300μm以下であり、好ましくは20μm以上200μm以下である。
Although the thickness of the positive electrode
負極集電体62としては、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の負極集電体を用いてよく、その例としては、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)製のシートまたは箔が挙げられる。負極集電体52としては、銅箔が好ましい。
As the negative electrode
負極集電体62の寸法は特に限定されず、電池設計に応じて適宜決定すればよい。負極集電体62として銅箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。
The dimensions of the negative electrode
負極活物質層64は負極活物質として、上述の黒鉛系負極活物質材料を含有する。負極活物質層64は、本発明の効果を顕著に阻害しない範囲内で、上述の黒鉛系負極活物質材料に加えて、その他の負極活物質を含有していてもよい。
The negative electrode
負極活物質層64は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。
The negative electrode
負極活物質層中の負極活物質材料の含有量は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上99質量%以下がより好ましい。負極活物質層中のバインダの含有量は、0.1質量%以上8質量%以下が好ましく、0.5質量%以上3質量%以下がより好ましい。負極活物質層中の増粘剤の含有量は、0.3質量%以上3質量%以下が好ましく、0.5質量%以上2質量%以下がより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably 90% by mass or more, and more preferably 95% by mass or more and 99% by mass or less. The content of the binder in the negative electrode active material layer is preferably 0.1% by mass or more and 8% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more and 3% by mass or less. The content of the thickener in the negative electrode active material layer is preferably 0.3% by mass or more and 3% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more and 2% by mass or less.
負極活物質層64の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上300μm以下であり、好ましくは20μm以上200μm以下である。
Although the thickness of the negative electrode
セパレータ70としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔性シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70の表面には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。
Examples of the
セパレータ70の厚みは特に限定されないが、例えば5μm以上50μm以下であり、好ましくは10μm以上30μm以下である。
Although the thickness of the
非水電解質は、典型的には、非水溶媒と支持塩(電解質塩)とを含有する。非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。なかでも、カーボネート類が好ましく、その具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が例示される。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。 A non-aqueous electrolyte typically contains a non-aqueous solvent and a supporting salt (electrolyte salt). As the non-aqueous solvent, organic solvents such as various carbonates, ethers, esters, nitriles, sulfones, lactones, etc., which are used in electrolytes of general lithium ion secondary batteries, can be used without particular limitation. can be done. Among them, carbonates are preferable, and specific examples thereof include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), monofluoroethylene carbonate (MFEC ), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyldifluoromethyl carbonate (F-DMC), trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) and the like. Such non-aqueous solvents can be used singly or in combination of two or more.
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。 Lithium salts (preferably LiPF 6 ) such as LiPF 6 , LiBF 4 and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) can be suitably used as supporting salts. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
なお、上記非水電解質は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した成分以外の成分、例えば、オキサラト錯体等の被膜形成剤;ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;増粘剤;等の各種添加剤を含んでいてもよい。 In addition, the non-aqueous electrolyte includes components other than the components described above, such as film-forming agents such as oxalato complexes; agent; thickener; and other various additives may be included.
リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。また、リチウムイオン二次電池100は、小型電力貯蔵装置等の蓄電池として使用することができる。リチウムイオン二次電池100は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。
The lithium ion
以上、例として扁平形状の捲回電極体を備える角型のリチウムイオン二次電池について説明した。しかしながら、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料は、従来公知の方法に従い、他の種類のリチウムイオン二次電池にも使用可能である。例えば、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料を用いて、積層型電極体(すなわち、複数の正極と、複数の負極とが交互に積層された電極体)を備えるリチウムイオン二次電池を構築することもできる。また、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料を用いて、円筒型リチウムイオン二次電池、ラミネートケース型リチウムイオン二次電池等を構築することもできる。さらに、本実施形態に係る黒鉛系負極活物質材料を用いて、従来公知の方法に従い、リチウムイオン二次電池以外の非水電解質二次電池を構成することもできる。 The prismatic lithium ion secondary battery including the flattened wound electrode assembly has been described above as an example. However, the graphite-based negative electrode active material according to this embodiment can also be used for other types of lithium ion secondary batteries according to conventionally known methods. For example, using the graphite-based negative electrode active material according to the present embodiment, a lithium ion secondary battery having a laminated electrode body (that is, an electrode body in which a plurality of positive electrodes and a plurality of negative electrodes are alternately laminated) is manufactured. You can also build. In addition, a cylindrical lithium ion secondary battery, a laminate case type lithium ion secondary battery, or the like can be constructed using the graphite-based negative electrode active material according to the present embodiment. Furthermore, using the graphite-based negative electrode active material according to the present embodiment, a non-aqueous electrolyte secondary battery other than a lithium ion secondary battery can be constructed according to a conventionally known method.
また、従来公知の方法に従い、非水電解質に代えて固体電解質(例、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質など)を使用し、セパレータの代わりに固体電解質を正極と負極との間に介在させて、全固体二次電池(特に、全固体リチウムイオン二次電池)を構築することもできる。 Further, according to a conventionally known method, a solid electrolyte (e.g., sulfide solid electrolyte, oxide solid electrolyte, etc.) is used instead of the non-aqueous electrolyte, and the solid electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode instead of the separator. It is also possible to construct an all-solid secondary battery (in particular, an all-solid lithium ion secondary battery).
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<黒鉛系負極活物質材料の作製>
(サンプル1)
非晶質炭素材料としての市販のコールタールピッチ5.0gと、平均粒子径が10μmの黒鉛質粒子(日本黒鉛工業株式会社製 CGB-10)50gとを、市販の撹拌装置(LAB MILL,回転速度20000rpm,30秒間)によって混合したものを、管状炉において窒素雰囲気下、1000℃で60分間焼成した。これによって、サンプル1に係る黒鉛系負極活物質材料を得た。
<Preparation of graphite-based negative electrode active material>
(Sample 1)
5.0 g of commercially available coal tar pitch as an amorphous carbon material and 50 g of graphite particles having an average particle size of 10 μm (CGB-10 manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) were mixed with a commercially available stirring device (LAB MILL, rotating speed 20000 rpm for 30 seconds) was fired in a tube furnace at 1000° C. for 60 minutes under a nitrogen atmosphere. Thus, a graphite-based negative electrode active material according to
(サンプル2~9)
非晶質炭素材料としての市販のコールタールピッチと、平均粒子径が10μmの黒鉛質粒子(日本黒鉛工業株式会社製 CGB-10)とを、市販の撹拌装置(LAB MILL,回転速度20000rpm,30秒間)によって表1の該当欄に示す量で混合したものを、マイクロ波焼成装置(株式会社ヒロテック製のMDS-2015-X02)で、窒素雰囲気下、表1の該当欄に示す焼成条件で焼成することで、サンプル2~9に係る黒鉛系負極活物質材料を得た。
(Samples 2-9)
Commercially available coal tar pitch as an amorphous carbon material and graphite particles with an average particle size of 10 μm (CGB-10 manufactured by Nippon Graphite Industry Co., Ltd.) were mixed with a commercially available stirring device (LAB MILL, rotation speed 20000 rpm, 30 seconds) in the amount shown in the corresponding column of Table 1, and baked in a microwave baking apparatus (MDS-2015-X02 manufactured by Hirotech Co., Ltd.) under the baking conditions shown in the corresponding column of Table 1 in a nitrogen atmosphere. As a result, graphite-based negative electrode active materials of Samples 2 to 9 were obtained.
<非晶質炭素層のTEM観察>
上記のとおり得られた各サンプルに係る黒鉛系負極活物質材料について、集束イオンビーム(FIB)法(マイクロサンプリング法)により薄片化を実施した。そして、得られた複数の薄片の中から無作為的に一薄片取り出し、かかる一薄片に対して適切なOs染色処理を施した後、TEM画像(倍率:4百万倍)を取得した。かかる取得は、株式会社日本電子製のJEM-ARM200Fを用いて行い、加速電圧は200kVとして行った。
そして、上記観察によって得られたTEM画像について、黒鉛系負極活物質材料の表面から黒鉛質粒子に至るまでの間(以下、単に「表面-黒鉛質粒子間」ともいう)を観察した。その結果、サンプル1に係る黒鉛系負極活物質材料では、表面-黒鉛質粒子間における結晶化の進行度合いが全体的に大きく、結晶性の傾斜はほとんど確認されなかった(辛うじて、2層に分けられる態様であった)。また、サンプル2に係る黒鉛系負極活物質材料では、焼成時間が不十分であったため、表面-黒鉛質粒子間における結晶化が全体的にほとんど進行しておらず、結晶性の傾斜は確認されなかった。そして、サンプル3~9に係る黒鉛系負極活物質材料では、表面-黒鉛質粒子間における結晶化の進行度合いは、表面から黒鉛質粒子にかけて大きくなることが確認され、結晶化の進行具合に従って3層(即ち、A層、B層、C層)に分かれることが確認された。
<TEM Observation of Amorphous Carbon Layer>
The graphite-based negative electrode active material of each sample obtained as described above was thinned by a focused ion beam (FIB) method (micro-sampling method). Then, one slice was randomly taken out of the plurality of slices obtained, and a TEM image (magnification: 4,000,000 times) was acquired after performing an appropriate Os-staining treatment on the slice. Such acquisition was performed using a JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd. with an acceleration voltage of 200 kV.
Then, for the TEM image obtained by the above observation, the space from the surface of the graphite-based negative electrode active material to the graphite particles (hereinafter also simply referred to as "between the surface and the graphite particles") was observed. As a result, in the graphite-based negative electrode active material according to
ここで、一例として、図6および図8に、それぞれサンプル5およびサンプル1に係る黒鉛系負極活物質材料の上記薄片のTEM画像を掲載した。図6では、12aにおけるA1層からC1層にかけて結晶性が高くなることが確認され、一方、図8では、12bは辛うじて2層(A2層、B2層)に分けられたものの、ほぼ同様な結晶性であることが確認された。
Here, as an example, TEM images of the flakes of the graphite-based negative electrode active materials according to Sample 5 and
<非晶質炭素層の電子回折測定>
上記TEM観察に加えて、サンプル1に係るA2層、B2層と、サンプル3~9に係るA層、C層について、上記TEM装置に付属している電子回折装置を用いて、電子回折画像およびd002の値を取得した。このとき、ビーム径をΦ1nmとした。その結果、サンプル1に係る2層ではd002値を算出することができた。一方、サンプル3~9に係る2層では、C層に関してはd002値を算出することができたが、A層ではd002値を算出することができなかった。
<Electron Diffraction Measurement of Amorphous Carbon Layer>
In addition to the TEM observation, the A 2 layers and B 2 layers of
ここで、一例として、図7および図9に、それぞれサンプル5に係る2層(A1層、C1層)と、サンプル1に係る2層(A2層、B2層)の電子回折画像およびd002値を掲載した。また、図示していないが、図7における黒鉛質粒子10aのd002値は0.338nm、図9における黒鉛質粒子10bのd002値は0.338nmであった。
Here, as an example, FIGS. 7 and 9 show electron diffraction images of two layers (A 1 layer, C 1 layer) according to sample 5 and two layers (A 2 layers, B 2 layers) according to
<黒鉛系負極活物質材料の比表面積の測定>
上記のとおり得られた各サンプルに係る黒鉛系負極活物質材料の比表面積を求めた。かかる比表面積としては、窒素ガス吸着等温線からBET法により解析した値を採用した。また、上記比表面積はマウンテック社製のMacsorbを用いて測定し、かかる装置の手順書に従って測定を行った。結果を、表1の「BET比表面積」の欄に示した。
<Measurement of specific surface area of graphite-based negative electrode active material>
The specific surface area of the graphite-based negative electrode active material for each sample obtained as described above was determined. As the specific surface area, a value analyzed by the BET method from the nitrogen gas adsorption isotherm was adopted. In addition, the specific surface area was measured using Macsorb manufactured by Mountech, Inc., and was measured according to the procedure manual of the apparatus. The results are shown in the "BET specific surface area" column of Table 1.
<評価用リチウムイオン二次電池の作製>
正極活物質粉末としてのLiNiCoMnO2(NCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、NCM:AB:PVdF=92:5:3の質量比でN-メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚み15μmのアルミニウム箔の表面に塗布して乾燥した後、ロールプレスすることにより、正極シートを作製した。
<Production of lithium-ion secondary battery for evaluation>
LiNiCoMnO 2 (NCM) as a positive electrode active material powder, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed at a mass ratio of NCM: AB: PVdF = 92: 5: 3. was mixed with N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a slurry for forming a positive electrode active material layer. This slurry was applied to the surface of an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and then roll-pressed to prepare a positive electrode sheet.
各実施例および各比較例の黒鉛系負極活物質材料(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンラバー(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=99:0.5:0.5の質量比で、イオン交換水中で混合して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚み10μmの銅箔の表面に塗布して乾燥した後、ロールプレスすることにより、負極シートを作製した。 The graphite-based negative electrode active material (C) of each example and each comparative example, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were combined into C:SBR:CMC=99. : 0.5:0.5 by mass ratio, and mixed in ion-exchanged water to prepare a slurry for forming a negative electrode active material layer. This slurry was applied to the surface of a copper foil having a thickness of 10 μm, dried, and then roll-pressed to prepare a negative electrode sheet.
また、厚み24μmのPP/PE/PPの三層構造の多孔質ポリオレフィン層上に厚み4μmのセラミック粒子層(HRL)が形成されたセパレータシートを2枚用意した。 Also, two separator sheets each having a 4 μm-thick ceramic particle layer (HRL) formed on a 24 μm-thick PP/PE/PP three-layer porous polyolefin layer were prepared.
作製した正極シートと負極シートと用意した2枚のセパレータシートとを重ね合わせ、捲回して捲回電極体を作製した。このとき、セパレータシートのHRLを正極シートに対向させた。作製した捲回電極体の正極シートと負極シートにそれぞれ電極端子を溶接により取り付け、これを、注液口を有する電池ケースに収容した。 The prepared positive electrode sheet, negative electrode sheet, and two prepared separator sheets were superimposed and wound to prepare a wound electrode assembly. At this time, the HRL of the separator sheet was opposed to the positive electrode sheet. Electrode terminals were respectively attached by welding to the positive electrode sheet and the negative electrode sheet of the wound electrode body thus produced, and this was housed in a battery case having a liquid inlet.
続いて、電池ケースの注液口から非水電解液を注入し、当該注液口を、封止用ネジにより気密に封止した。なお、非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:3:4の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。所定時間放置して、捲回電極体に非水電解液を含浸させた。その後、これに初期充電を施し、60℃でエージング処理することによって評価用リチウムイオン二次電池を得た。 Subsequently, a non-aqueous electrolyte was injected from the inlet of the battery case, and the inlet was airtightly sealed with a sealing screw. The non-aqueous electrolyte contains LiPF6 as a supporting salt in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3:3:4. A solution dissolved at a concentration of 1.0 mol/L was used. The wound electrode body was allowed to stand for a predetermined time to impregnate the non-aqueous electrolyte. Thereafter, this was subjected to initial charging and aging treatment at 60° C. to obtain a lithium ion secondary battery for evaluation.
<低温抵抗評価>
活性化した各評価用リチウムイオン二次電池を、SOC60%に調製した後、-10℃の環境下に置いた。この各評価用リチウムイオン二次電池に対し、10Cの電流値で2秒間の充電を行った。このときの電圧変化量ΔVを取得し、電流値とΔVを用いて、電池抵抗を算出した。具体的には、電池抵抗=ΔV/電流値として算出した。そして、サンプル1に係る黒鉛系負極活物質材料を用いた評価用リチウムイオン二次電池の抵抗を100とした場合の、他のサンプルに係る黒鉛系負極活物質材料を用いた評価用リチウムイオン二次電池の抵抗の比を求めた。結果を表1の「低温抵抗比」の欄に示した。なお、低温抵抗比の値が99.5以下の場合に、低温抵抗が好適に低減されていると評価することができる。
<Low temperature resistance evaluation>
Each activated lithium ion secondary battery for evaluation was adjusted to have an SOC of 60%, and then placed in an environment of -10°C. Each lithium ion secondary battery for evaluation was charged at a current value of 10 C for 2 seconds. The amount of voltage change ΔV at this time was acquired, and the battery resistance was calculated using the current value and ΔV. Specifically, it was calculated as battery resistance=ΔV/current value. Then, when the resistance of the evaluation lithium ion secondary battery using the graphite-based negative electrode active material according to
表1に示すように、非晶質炭素層における結晶性に傾斜を持たせたサンプル3~9に係る黒鉛系負極活物質材料を用いた二次電池は、非晶質炭素層における結晶性の高いサンプル1に係る黒鉛系負極活物質材料を用いた二次電池や、焼成時間が不十分であったため非晶質炭素層における結晶性に傾斜を持たせることができなかったサンプル2に係る黒鉛系負極活物質材料を用いた二次電池と比較して、低温抵抗が好適に低減することが確認された。また、非晶質炭素層において結晶性に傾斜を持たせたサンプル3~9を参照すると、黒鉛系負極活物質材料の比表面積が2.2m2/g~8.3m2/gの場合に、二次電池の低温抵抗がより好適に低減することが確認された。
以上より、ここで開示される黒鉛系負極活物質材料によると、二次電池の低温抵抗が好適に低減されることが分かる。
As shown in Table 1, the secondary batteries using the graphite-based negative electrode active material materials according to Samples 3 to 9, in which the crystallinity of the amorphous carbon layer was graded, had the crystallinity of the amorphous carbon layer of A secondary battery using the graphite-based negative electrode active material according to
From the above, it can be seen that the low-temperature resistance of the secondary battery is preferably reduced according to the graphite-based negative electrode active material disclosed herein.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
1 黒鉛系負極活物質材料
10,10a,10b 黒鉛質粒子
12,12a,12b 非晶質炭素層
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウムイオン二次電池
1 Graphite-based negative electrode
52 positive electrode
62 Negative electrode
100 Lithium ion secondary battery
Claims (5)
該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部を被覆する非晶質炭素層と、
を備えた黒鉛系負極活物質材料であって、
前記黒鉛系負極活物質材料の断面のTEM画像において、前記非晶質炭素層における該黒鉛系負極活物質材料の表面から前記黒鉛質粒子に至るまでの間を、該表面に近い方からA層、B層、C層に3等分したとき、該A層、B層、C層における結晶化の進行具合はこの順に大きくなる、黒鉛系負極活物質材料。 graphite particles;
an amorphous carbon layer covering at least part of the surface of the graphite particles;
A graphite-based negative electrode active material comprising
In the TEM image of the cross section of the graphite-based negative electrode active material, the area from the surface of the graphite-based negative electrode active material to the graphite particles in the amorphous carbon layer is the A layer from the surface near the surface. , B layer, and C layer, the progress of crystallization in the A layer, B layer, and C layer increases in this order.
前記非晶質炭素層を構成する非晶質炭素材料と、前記黒鉛質粒子とを準備する材料準備工程;
前記非晶質炭素材料と、前記黒鉛質粒子とを混合し、該黒鉛質粒子の表面の少なくとも一部に、該非晶質炭素材料を付着させる付着工程;および
前記付着工程後に、マイクロ波加熱処理を行うことで、前記黒鉛質粒子の少なくとも一部を被覆する前記非晶質炭素層を形成するマイクロ波加熱処理工程,ここで、該非晶質炭素層における該黒鉛系負極活物質材料の表面から該黒鉛質粒子に至るまでの間を、該表面に近い方からA層、B層、C層に3等分したとき、該A層、B層、C層における結晶化の進行具合はこの順に大きくなる;
を包含する、黒鉛系負極活物質材料の製造方法。 A method for producing a graphite-based negative electrode active material comprising graphite particles and an amorphous carbon layer covering at least a portion of the graphite particles, comprising the steps of:
a material preparation step of preparing an amorphous carbon material constituting the amorphous carbon layer and the graphite particles;
an adhesion step of mixing the amorphous carbon material and the graphite particles and adhering the amorphous carbon material to at least part of the surface of the graphite particles; and microwave heat treatment after the adhesion step A microwave heat treatment step for forming the amorphous carbon layer covering at least a portion of the graphite particles, wherein from the surface of the graphite-based negative electrode active material in the amorphous carbon layer When the space up to the graphite particles is divided into three equal layers from the side closer to the surface into A layer, B layer and C layer, the progress of crystallization in the A layer, B layer and C layer is in this order. growing;
A method for producing a graphite-based negative electrode active material, comprising:
A secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, wherein the negative electrode comprises the graphite-based negative electrode active material according to any one of claims 1 to 3.
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