JP3528671B2 - リチウム二次電池負極用炭素粉末、リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池負極用炭素粉末、リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池Info
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Description
負極用炭素粉末の製造法、該製造法で作製したリチウム
二次電池負極用炭素粉末、この炭素粉末を使用したリチ
ウム二次電池用負極及びこの負極を使用したリチウム二
次電池に関する。さらに詳しくは、ポータブル機器、電
気自動車、電力貯蔵等に用いるのに好適な、高容量でか
つサイクル特性に優れたリチウム二次電池とそれを得る
ための負極、負極用炭素粉末及びその製造法に関する。
例えば天然黒鉛粒子、コークスを黒鉛化した人造黒鉛粒
子、有機系高分子材料、ピッチ等を黒鉛化した人造黒鉛
粒子、これらを粉砕した黒鉛粒子などがある。これらの
黒鉛粒子は、有機系結着剤及び有機溶剤と混合して黒鉛
ペーストとし、この黒鉛ペーストを銅箔の表面に塗布
し、溶剤を乾燥して、リチウム二次電池用負極として使
用している。例えば、特公昭62−23433号公報に
示されるように、負極に黒鉛を使用することでリチウム
のデンドライトによる内容短絡の問題を解消し、サイク
ル特性の改良を図っている。
然黒鉛は、C軸方向の結晶の層間の結合力が、結晶の面
方向の結合に比べて弱いため、粉砕により黒鉛層間の結
合が切れ、アスペクト比が大きいいわゆる鱗状の黒鉛粒
子となる。鱗状黒鉛は、アスペクト比が大きいために、
バインダと混練して集電体に塗布して電極を作製したと
きに、鱗状黒鉛粒子が集電体の面方向に配向し、その結
果、充放電容量や急速充放電特性が低下しやすいばかり
でなく、黒鉛結晶へのリチウムの吸蔵・放出の繰り返し
によって発生するC軸方向の膨張・収縮により電極内部
の破壊が生じ、サイクル特性が低下する問題がある。
を、2000℃以上で焼成した人造黒鉛は、天然黒鉛に
比べ、比較的アスペクト比を小さくすることができる
が、黒鉛結晶の発達が悪いため、充放電容量が低い。そ
こで、高容量で、サイクル特性、急速充放電特性等が向
上できるリチウム二次電池が作製できる負極用炭素材料
が要求されている。
サイクル特性及び急速充放電特性に優れたリチウム二次
電池負極用炭素材料の製造法を提供するものである。ま
た本発明は、高容量で、サイクル特性及び急速充放電特
性に優れたリチウム二次電池負極用炭素材料を提供する
ものである。また本発明は、集電体と負極合剤の密着性
に優れ、高容量で、サイクル特性及び急速充放電特性に
優れたリチウム二次電池用負極を提供するものである。
さらに本発明は、高容量で、サイクル特性及び急速充放
電特性に優れたリチウム二次電池を提供するものであ
る。
方性加圧処理することを特徴とするリチウム二次電池負
極用炭素粉末の製造法に関する。また本発明は、前記加
圧処理のプレス圧力が50〜2000kgf/cm2であるリ
チウム二次電池負極用炭素粉末の製造法に関する。また
本発明は、前記の製造法により得られるリチウム二次電
池負極用炭素粉末に関する。
2)が3.38Å以下、C軸方向の結晶子サイズLc
(002)が500Å以上、平均粒径が10〜100μ
m、比表面積が8m2/g以下、アスペクト比が1.1〜
5、かさ密度が0.3g/cm3以上の黒鉛粉末である前記
の製造法により得られるリチウム二次電池負極用炭素粉
末に関する。
素粉末又は前記の炭素粉末を含有してなるリチウム二次
電池用負極に関する。さらに本発明は、前記の負極及び
リチウム化合物を含む正極を有してなるリチウム二次電
池に関する。
負極用炭素粉末の製造法は、炭素粉末を等方性加圧処理
を行うことを特徴とする。ここで等方性加圧処理とは、
一方向からの加圧のように、特定の方向からのみの加圧
(異方性加圧処理)ではなく、一般に知られている、全
方向から加圧する処理である。このように、炭素粉末に
等方性加圧処理を行うと、得られるリチウム二次電池負
極用炭素粉末のかさ密度及び流動性が向上し、作製する
リチウム二次電池負極の密度バラツキが少なくかつ負極
集電体との密着性が向上する。その結果、得られるリチ
ウム二次電池のサイクル特性を向上させることができ
る。
めに、加圧処理の方法として等方性加圧処理以外の、一
方方向から加圧する一軸プレスやロールプレス等の異方
性加圧処理を行うと、得られるリチウム二次電池の急速
充放電特性が低下する問題がある。
は、等方的に加圧できる方法であれば特に制限はなく、
例えば炭素粉末をゴム型などの容器に入れ、水を加圧媒
体とする静水圧等方性プレスや、空気等のガスを加圧媒
体とする空圧による等方性プレスなどの加圧処理が挙げ
られる。
力としては、50〜2000kgf/cm2の範囲が好まし
く、200〜2000kgf/cm2の範囲であればより好ま
しく、500〜1800kgf/cm2の範囲であればさらに
好ましい。圧力が50kgf/cm2未満では、得られるリチ
ウム二次電池のサイクル特性の向上の効果が小さくなる
傾向にある。また、圧力が2000kgf/cm2を超える
と、得られるリチウム二次電池負極用炭素材料の比表面
積が大きくなり、その結果、得られるリチウム二次電池
の第一サイクル目の不可逆容量が大きくなる傾向にあ
る。
行うと、粒子同士が凝集しやすくなるため、等方性加圧
処理後に、解砕、篩い等の処理を行うことが好ましい。
なお、粒子同士が凝集しないときは解砕をしなくともよ
い。
に向上させることが可能であるが、このようにして作製
したリチウム二次電池負極用炭素粉末は、結晶の層間距
離d(002)が3.38Å以下、C軸方向の結晶子サ
イズLc(002)が500Å以上、平均粒径が10〜
100μm、比表面積が8m2/g以下、アスペクト比が
1.1〜5、真比重が2.2以上、かさ密度が0.3g/
cm3以上の黒鉛粉末であると、高容量で、急速充放電特
性及びサイクル特性に優れたリチウム二次電池が得られ
るので好ましい。
ウム二次電池負極用炭素粉末の広角X線回折の測定から
算出される値で、この値が3.38Åを超えると放電容
量が小さくなる傾向がある。d(002)の下限値に特
に制限はないが、通常3.35Å以上とされる。また、
C軸方向の結晶子サイズLc(002)も広角X線回折
の測定から算出される値で、この値が500Å未満であ
ると放電容量が小さくなる傾向がある。Lc(002)
の上限値に特に制限はないが、通常10000Å以下と
される。
子間の接触面積が減ることにより、導電性が低下する傾
向にある。一方、アスペクトが5より大きくなると、急
速充放電特性が低下し易くなる傾向がある。なお、アス
ペクト比は、リチウム二次電池負極用炭素粉末の長軸方
向の長さをA、短軸方向の長さをBとしたとき、A/B
で表される。本発明におけるアスペクト比は、顕微鏡で
リチウム二次電池負極用炭素粉末を拡大し、任意に10
個の粒子を選択し、A/Bを測定し、その平均値をとっ
たものである。
比表面積が8m2/gを超えると得られるリチウム二次電池
の第一サイクル目の不可逆容量が大きくなり、エネルギ
ー密度が小さく、さらに負極を作製する際多くの結着剤
が必要になる傾向にある。比表面積は1m2/g以上である
ことがより好ましい。比表面積の測定は、BET法(窒
素ガス吸着法)などの既知の方法をとることができる。
かさ密度は0.3g/cm3未満であると負極を作製する際
多くの結着剤が必要になり易く、その結果作製するリチ
ウム二次電池のエネルギー密度が小さくなる。かさ密度
の上限値に特に制限はないが、通常1.5g/cm3以下と
される。かさ密度の測定は、容量100cm3のメスシリ
ンダーを斜めにし、これに試料粉末100cm3をさじを
用いて徐々に投入し、メスシリンダーに栓をした後、メ
スシリンダーを5cmの高さから50回落下させた後の試
料粉末の重量及び容積から算出することができる。
そして、得られるリチウム二次電池負極用炭素粉末の平
均粒径は、10〜100μmが好ましく、10〜50μ
mがより好ましい。本発明における平均粒径は、レーザ
ー回折式粒度分布計により測定することができる。
として、上記各特性を備えた黒鉛粉末を用いると、高容
量で、急速充放電特性及びサイクル特性に特に優れたリ
チウム二次電池が得られるので好ましい。上記の等方性
加圧処理を行う前の炭素粉末は、特に制限はなく、天然
黒鉛、コークスを黒鉛化した人造黒鉛、有機系高分子材
料、ピッチ等を黒鉛化した人造黒鉛、非晶質炭素、低温
処理炭素などが挙げられるが、人造黒鉛であることが好
ましく、中でも、黒鉛化可能な骨材又は黒鉛と黒鉛化可
能なバインダと黒鉛化触媒を混合し、焼成及び粉砕工程
を経て作製したものが好ましい。黒鉛化可能な骨材又は
黒鉛と黒鉛化可能なバインダを、混合することで、得ら
れる炭素粉末のアスペクト比を小さくするができ、その
結果、作製するリチウム二次電池の急速充放電特性を向
上させることができる。
クス粉末、樹脂炭化物等が挙げられる。黒鉛化可能なバ
インダとしては、ピッチ、タールの他、熱硬化性樹脂、
熱可塑性樹脂等の有機系材料があげられる。また、黒鉛
化触媒を添加することで、得られる炭素粉末の結晶が発
達しやすくなり、得られるリチウム二次電池の放電容量
を向上させることができる。
Ni、B等の金属又はその酸化物若しくは炭化物が好ま
しい。黒鉛化触媒は、骨材とバインダを混合する際に添
加し、同時に混合することが好ましい。混合する温度
は、黒鉛化可能なバインダが軟化溶融する温度であるこ
とが好ましく、その温度は使用する材料によってことな
るが、50〜350℃の範囲が好ましい。また、黒鉛化
可能なバインダを溶剤等によって、溶液にする場合に
は、黒鉛化触媒を常温で混合しても良い。
化可能なバインダと黒鉛化触媒を混合した混合物を、2
500℃以上の温度で焼成して黒鉛化することが好まし
い。本発明において、該混合物を2500℃以上の温度
で黒鉛化する前に、粉砕、成形を行い、さらに700〜
1300℃程度の温度で焼成しておいてもよい。また、
700〜1300℃程度の温度で焼成した後、粉砕し、
粒度を調整してから、粉体で2500℃以上の温度で焼
成して黒鉛化してもよい。黒鉛化時の焼成温度は、得ら
れる負極炭素材料の結晶性及び放電容量の点で2500
℃以上が好ましく、2800℃以上であればより好まし
く、3000℃以上であればさらに好ましい。焼成時の
雰囲気は、酸化しにくい条件であれば特に制限はなく、
例えば、自己揮発性ガス雰囲気、窒素雰囲気、アルゴン
雰囲気、真空中等があげられる。
とするが、粉砕方法としては、特に制限はなく、例え
ば、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミル等の衝撃粉
砕方式をとることができる。粉砕後の炭素粉末の平均粒
径は、10〜100μmが好ましい。なお、黒鉛化前に
粉砕し、粒度を調整してある場合は、黒鉛化後に粉砕し
なくとも良い。
圧処理を施すことで、サイクル特性及び急速充放電特性
に優れたリチウム二次電池に好適なリチウム二次電池負
極用炭素粉末とすることができる。
粉末は、有機系結着剤及び溶剤と混練して、ペースト状
の負極合剤にし、シート状、ペレット状等の形状に成形
することができる。有機系結着剤としては、例えば、ポ
リエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンター
ポリマー、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、
ブチルゴム、イオン伝導率の大きな高分子化合物等が使
用できる。
しては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイ
ド、ポリエピクロルヒドリン、ポリファスファゼン、ポ
リアクリロニトリル等が使用できる。炭素粉末と有機系
結着剤との混合比率は、炭素粉末100重量部に対し
て、有機系結着剤を1〜20重量部とすることが好まし
い。
ル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、イソプロ
パノール等があげられる。溶剤の量も特に制限はない。
炭素粉末は、有機系結着剤及び溶剤と混練し、粘度を調
整した後、集電体に塗布し、該集電体と一体化して負極
とすることができる。集電体としては、例えばニッケ
ル、銅等の箔、メッシュなどのの金属集電体が使用でき
る。なお一体化は、例えばロール、プレス等の成形法で
行うことができ、またこれらの成形法を組み合わせて一
体化しても良い。
化合物を含む正極とともに、本発明のリチウム二次電池
に用いられる。リチウム二次電池は、例えば、正極と負
極をセパレータを介して対向して配置し、かつ電解液を
注入することにより得ることができる。本発明のリチウ
ム二次電池は、従来の炭素粉末を負極に使用したリチウ
ム二次電池に比較して、高容量でサイクル特性、急速充
放電特性に優れる。
リチウム化合物を含むが、その材料に特に制限はなく、
例えばLiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4等を単
独又は混合して使用することができる。本発明における
リチウム二次電池は、正極及び負極とともに、通常リチ
ウム化合物を含む電解液を含む。電解液としては、Li
ClO4、LiPF6、LiAsF、LiBF4、LiS
O3CF4等のリチウム塩を、例えばエチレンカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジメチ
ルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルエ
チルカーボネート、テトラヒドロフラン等の非水系溶剤
に溶かしたいわゆる有機電解液や、固体若しくはゲル状
のいわゆるポリマー電解質を使用することができる。
ン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを主成分とした
不織布、クロス、微孔フィルム又はそれらを組み合わせ
たものを使用することができる。なお、作製するリチウ
ム二次電池の正極と負極が使用中も直接接触しない構造
にした場合は、セパレータを使用しなくとも良い。
部断面正面図を示す。図1に示す円筒型リチウム二次電
池は、薄板状に加工された正極1と、同様に加工された
負極2がポリエチレン製微孔膜等のセパレータ3を介し
て重ねあわせたものを捲回し、これを金属製等の電池缶
7に挿入し、密閉化されている。正極1は正極タブ4を
介して正極蓋6に接合され、負極2は負極タブ5を介し
て電池底部へ接合されている。正極蓋6はガスケット8
にて電池缶(正極缶)7へ固定されている。
クス粉末50重量部と、ピッチ15重量部と、コールタ
ール20重量部と、炭化けい素10重量部を、230℃
で1時間混合した。次いで、この混合物を平均粒径25
μmに粉砕し、該粉砕物を金型に入れプレス成形し、直
方体に成形した。この成形体を1000℃で熱処理した
後、さらに3000℃で熱処理し、黒鉛成形体を得た。
さらにこの黒鉛成形体を粉砕し、炭素粉末を得た。
製〕前記で得られた炭素粉末をゴム製の容器に充填、密
閉したのち、該ゴム製容器を静水圧プレス機で、加圧媒
体の圧力1500kgf/cm2で、等方性加圧処理を行っ
た。ついで、カッターミルで解砕して、リチウム二次電
池負極用炭素粉末を得た。得られたリチウム二次電池負
極用炭素粉末のかさ密度、平均粒径、比表面積、d(0
02)、Lc(002)、アスペクト比を表1に示す。
て負極及びリチウム二次電池を作製した。図1に示した
本発明のリチウム二次電池を以下のようにして作製し
た。正極活物質としてLiCoO2 88重量%を用い
て、導電剤として平均粒径2μmの鱗片状黒鉛を7重量
%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5
重量%添加して、これにN−メチル−2−ピロリドンを
加えて混合して正極合剤のペーストを調整した。同様に
負極活物質として、前記の方法で作製した負極炭素材料
に、結着剤としてPVDFを10重量%添加して、これ
にN−メチル−2−ピロリドンを加えて混合して負極合
剤のペーストを調整した。
の両面に塗付し、その後120℃で1時間真空乾燥した
後、ロールプレスによって電極を加圧成形し、さらに巾
40mm長さ285mmの大きさに切り出して正極を作製し
た。但し、正極の両端の長さ10mmの部分は正極合剤が
塗布されておらずアルミニウム箔が露出しており、この
一方に正極タブを超音波接合によって圧着している。
面に塗布し、その後120℃で1時間真空乾燥した。真
空乾燥後、ロールプレスによって電極を加圧成形し、さ
らに巾40mm長さ290mmの大きさに切り出して負極を
作製した。正極と同様に、負極の両端の長さ10mmの部
分は負極合剤が塗布されておらず銅箔が露出しており、
この一方に負極タブを超音波接合によって圧着した。
リエチレン製の微孔膜を用いた。正極、セパレータ、負
極、セパレータの順で重ね合わせ、これを捲回して電極
群とした。これを単三サイズの電池缶に挿入して、負極
タブを缶底溶接し、正極蓋をかしめるための絞り部を設
けた。体積比が1:2のエチレンカーボネートとジメチ
ルカーボネートの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを
1モル/リットル溶解させた電解液を電池缶に注入した
後、正極タブを正極蓋に溶接した後、正極蓋をかしめ付
けて電池を作製した。
た。作製したリチウム二次電池の充電条件は、電流30
0mAで電池電圧4.2Vまで定電流で充電した後、電池
電圧4.2Vで電流が30mAになるまで定電圧充電し
た。電流300mAで電池電圧が2.8Vになるまで定電
流放電した時の放電容量を表2に示す。また、電流30
0mAの時の放電容量に対し、電流900mAで電池電圧が
2.8Vになるまで定電流放電した時の放電容量維持率
を表2に示す。また、電流300mAで電池電圧4.2V
まで定電流で充電した後、電池電圧4.2Vで電流が3
0mAになるまで定電圧充電し、電流300mAで電池電圧
が2.8Vになるまで定電流放電するサイクルを300
回及び500回繰り返した時の放電容量維持率を表2に
示す。
力を、600kgf/cm2(実施例2)及び1000
kgf/cm2(実施例3)の圧力に変えた以外は、全
く同様に炭素粉末の等方性加圧処理を行い、得られた炭
素粉末を用いて実施例1と同様にリチウム二次電池を作
製し、充放電特性を評価した。炭素粉末のかさ密度、平
均粒径、比表面積、d(002)、Lc(002)、ア
スペクト比を表1に示す。また実施例1と同様の方法で
評価した充放電特性評価結果を表2に示す。
ず、そのままリチウム二次電池負極用炭素粉末として使
用した以外は、実施例1と同様にリチウム二次電池を作
製し、充放電特性を評価した。炭素粉末のかさ密度、平
均粒径、比表面積、d(002)、Lc(002)、ア
スペクト比を表1に示す。また実施例1と同様の方法で
評価した充放電特性評価結果を表2に示す。
填し、一軸プレスで上部から1500kgf/cm2の圧力で
一定方向に加圧処理を行った以外は、実施例1と同様の
方法でリチウム二次電池負極炭素粉末を作製した。得ら
れたリチウム二次電池負極用炭素粉末のかさ密度、平均
粒径、比表面積、d(002)、Lc(002)、アス
ペクト比を表1に示す。また実施例1と同様の方法で評
価した充放電特性評価結果を表2に示す。
ム二次電池負極用炭素粉末は、高容量で、サイクル特
性、急速充放電特性に優れたリチウム二次電池として好
適であることが示された。
イクル特性及び急速充放電特性に優れたリチウム二次電
池負極用炭素材料が得られる。また本発明の二次電池負
極用炭素材料は、高容量で、サイクル特性及び急速充放
電特性に優れるものである。また本発明のリチウム二次
電池用負極は、集電体と負極合剤の密着性に優れ、高容
量で、サイクル特性及び急速充放電特性に優れるもので
ある。さらに本発明のリチウム二次電池は、高容量で、
サイクル特性及び急速充放電特性に優れるものである。
である。
Claims (4)
- 【請求項1】 炭素粉末を等方性加圧処理して製造され
るリチウム二次電池負極用炭素粉末であって、当該炭素
粉末は、結晶の層間距離d(002)が3.38Å以
下、C軸方向の結晶子サイズLc(002)が500Å
以上、平均粒径が10〜100μm、比表面積が8m2
/g以下、アスペクト比が1.1〜5、かさ密度が0.
3g/cm3以上の黒鉛粉末であるリチウム二次電池負
極用炭素粉末。 - 【請求項2】 等方性加圧処理のプレス圧力が50〜2
000kgf/cm 2 である請求項1記載のリチウム二
次電池負極用炭素粉末。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の炭素粉末を含有
してなるリチウム二次電池用負極。 - 【請求項4】 請求項3記載の負極及びリチウム化合物
を含む正極を有してなるリチウム二次電池。
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