JP3673167B2 - Method for producing carbon material for negative electrode - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池、非水電解質二次電池のような電池の負極に使用される負極用炭素材料並びに負極用炭素材料の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、急速なエレクトロニクス機器の小型化技術の発達により、種々の携帯電子機器が普及しつつある。そして、これら携帯電子機器の電源である電池にも小型化が求められており、高エネルギー密度を持つ非水電解質二次電池が注目を集めている。
【0003】
金属リチウムを負極活物質として用いた非水電解質二次電池は、非常に高いエネルギー密度を持つが、充電時にデンドライトと呼ばれる樹枝状の結晶が負極上に析出するために電池寿命が短く、またデンドライトが成長して正極に達し内部短絡を引き起こす等の問題を生じることから安全性にも問題がある。
【0004】
そこでリチウム金属に替わる負極活物質として、リチウム合金、炭素材料、非晶質カルコゲン化合物などを用いる試みがなされている。しかしながら、リチウム合金を含む負極では、リチウム合金が充放電サイクルに伴って微粉化しやすいため、二次電池のサイクル寿命が劣る。また、非晶質カルコゲン化合物を含む負極では、初回の充電時に不可逆な反応が起こりやすいため、初期充放電効率が低いという問題点がある。このようなことから、二次電池の安全性及びサイクル寿命を確保することが可能な炭素材料が非水電解質二次電池の負極活物質としてもっぱら実用に供されている。
【0005】
非水電解質二次電池に用いられる炭素材料には、従来、ピッチ、コークス、ポリマーなどのカーボン前駆体などを不活性ガス雰囲気下で熱処理することにより炭素化あるいは黒鉛化したもの、天然黒鉛、人工黒鉛、低温焼成炭素が用いられている。
【0006】
しかしながら、炭素材料の負極活物質としての容量は、リチウム金属やリチウム合金等に比べて小さいため、炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は高い放電容量を得られないという問題を有する。
【0007】
ところで、特開平5−28996号の公開公報には、少なくとも正極活物質、負極活物質及び有機電解質からなる二次電池であって、負極活物質として使用前に不活性雰囲気または真空中で400〜800℃で加熱処理した天然黒鉛を単独または混合して用いることを特徴とする有機電解液二次電池が開示されている。
【0008】
一方、特開平6−290781号の公開公報には、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極材料として天然黒鉛が使用されるリチウム二次電池において、前記天然黒鉛が不活性雰囲気中で1800℃以上の温度で加熱処理されたものであることを特徴とするリチウム二次電池が開示されている。
【0009】
さらに、特開平9−55204号の公開公報には、可逆的にリチウムを挿入可能な炭素を含むアノードを有するリチウムイオン二次電池を製造するための方法であって、電池を組み立てる前に、望ましくない非常に反応性の炭素原子を選択的に酸化し、ガス化することにより前記炭素から除去するために、十分な時間及び温度で、かつ酸素の存在で前記炭素を加熱する方法が開示されている。
【0010】
また、Journal of Power Sources,76巻、180〜185頁、1998年には、炭素材料に加熱処理を施すことにより不純物を除去する方法が記載されている。
【0011】
一方、特開平10−40914号公開公報の特許請求の範囲の請求項1には、表面に非晶質炭素を付着させた黒鉛粒子を負極活物質とする負極と、リチウムを含有するカルコゲン化物を正極活物質とする正極と、非水系イオン伝導体とからなり、前記負極活物質が、黒鉛粒子を酸化処理した後、非晶質炭素を黒鉛粒子の表面に付着させることにより形成されることを特徴とする非水系二次電池が開示されている。
【0012】
また、特開平10−214615号公開公報の特許請求の範囲の請求項1には、負極と、リチウムを含有するカルコゲン化物を正極活物質として含む正極と、非水系イオン伝導体とからなり、前記負極が、過マンガン酸カリウムにより酸化処理した黒鉛粒子の表面に非晶質炭素を付着させた炭素材料を負極活物質として含むことを特徴とする非水系二次電池が開示されている。
【0013】
しかしながら、前述した6つの文献に開示された二次電池の放電容量は、いずれも十分なものではなかった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高容量で、かつサイクル寿命特性に優れる非水電解質二次電池を提供することである。
【0015】
また、本発明の別の目的は、非水電解質二次電池の高容量化を図ることが可能な負極用炭素材料並びに負極用炭素材料の製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る非水電解質二次電池は、正極と、
下記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有する平均粒径が5〜100μmの黒鉛化材料を含む負極と、
非水電解質と
を具備することを特徴とするものである。
【0017】
1.2≦ΔHi n/ΔHi h≦2 (1)
但し、前記(1)式において、前記ΔHi hは前記黒鉛化材料のn−ヘプタンについての浸漬熱であり、前記ΔHi nは前記黒鉛化材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱である。
【0018】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記炭素材料は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施すことにより得られることが好ましい。
【0019】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記炭素材料は、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において熱処理を施した後、無機酸のガス及び有機酸のガスのうち少なくとも一方のガスを含む雰囲気において熱処理を施すことにより得られることが好ましい。
【0020】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)は、1.25〜1.75の範囲内であることが望ましい。
【0021】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記炭素材料の平均粒径は、5〜100μmの範囲内であることが望ましい。
【0022】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記炭素材料のBET法による比表面積は、1〜50m2/gの範囲内であることが望ましい。
【0023】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記炭素材料のX線回折により求められる(002)面の面間隔d002は、0.335nm〜0.34nmの範囲内であることが望ましい。
【0024】
本発明に係る非水電解質二次電池において、前記非水電解質は、液状非水電解質、ゲル状非水電解質および固体非水電解質のうちのいずれかであることが望ましい。
【0025】
本発明に係る負極用炭素材料は、下記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有すると共に平均粒径が5〜100μmの黒鉛化材料であることを特徴とするものである。
【0026】
1.2≦ΔHi n/ΔHi h≦2 (1)
但し、前記(1)式において、前記ΔHi hは前記黒鉛化材料のn−ヘプタンについての浸漬熱であり、前記ΔHi nは前記黒鉛化材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱である。
【0027】
本発明に係る負極用炭素材料において、前記炭素材料は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施すことにより得られることが好ましい。
【0028】
本発明に係る負極用炭素材料において、前記炭素材料は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において熱処理を施した後、無機酸のガス及び有機酸のガスのうち少なくとも一方のガスを含む雰囲気において熱処理を施すことにより得られることが好ましい。
【0029】
本発明に係る負極用炭素材料において、前記浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)は、1.25〜1.75の範囲内であることが望ましい。
【0030】
本発明に係る負極用炭素材料において、前記炭素材料の平均粒径は、5〜100μmの範囲内であることが望ましい。
【0031】
本発明に係る負極用炭素材料において、前記炭素材料のBET法による比表面積は、1〜50m2/gの範囲内であることが望ましい。
【0032】
本発明に係る負極用炭素材料において、前記炭素材料のX線回折により求められる(002)面の面間隔d002は、0.335nm〜0.34nmの範囲内であることが望ましい。
【0033】
本発明に係る第1の負極用炭素材料の製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程を具備することを特徴とするものである。
【0034】
本発明に係る第1の製造方法において、前記熱処理温度は、下記(2)式を満足することが望ましい。
【0035】
(T1+T2)/2≦T≦T2 (2)
但し、前記(2)式において、前記Tは前記熱処理温度(℃)で、前記T1は前記炭素質物に前記ガス雰囲気にて示差熱分析測定を行った際に得られる吸熱ピークのピーク温度(℃)で、前記T2は前記示差熱分析測定で得られる発熱ピークのピーク温度(℃)である。
【0036】
本発明に係る第2の負極用炭素材料の製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素前駆体に熱処理を施すことにより前記炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を具備することを特徴とするものである。
【0037】
本発明に係る第2の負極用炭素材料の製造方法において、前記熱処理温度を800℃以上、2000℃未満の範囲内にする場合、前記第1のガス雰囲気及び前記第3のガス雰囲気中の前記CO2濃度は、それぞれ、50体積%以上、100体積%以下であり、前記第2のガス雰囲気及び前記第3のガス雰囲気中の前記H2O濃度は、それぞれ、2体積%以上、100体積%以下であることが望ましい。
【0038】
本発明に係る第2の負極用炭素材料の製造方法において、前記熱処理温度を2000℃〜3000℃の範囲内にする場合、前記第1のガス雰囲気及び前記第3のガス雰囲気中の前記CO2濃度は、それぞれ、10体積%以上、60体積%以下であり、前記第2のガス雰囲気及び前記第3のガス雰囲気中の前記H2O濃度は、それぞれ、1.5体積%以上、30体積%以下であることが望ましい。
【0039】
本発明に係る第3の負極用炭素材料の製造方法は、無機酸のガス及び有機酸のガスのうち少なくとも一方のガスを含む雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程を具備することを特徴とするものである。
【0040】
本発明に係る第4の負極用炭素材料の製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程と、
前記炭素質物にガス状の酸を接触させる工程と
を具備することを特徴とするものである。
【0041】
本発明に係る第5の負極用炭素材料の製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素前駆体に熱処理を施すことにより前記炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程と、
前記炭素化もしくは黒鉛化された炭素前駆体にガス状の酸を接触させる工程とを具備することを特徴とするものである。
【0042】
本発明に係る第3〜第5の製造方法において、前記ガス状の酸は、酸の蒸気であることが好ましい。
【0043】
本発明に係る第3〜第5の製造方法において、前記ガス状の酸は、無機酸の蒸気および有機酸の蒸気のうちの少なくともいずれか一方から構成されることが望ましい。
【0044】
本発明に係る第3〜第5の製造方法において、前記無機酸は、硝酸、塩酸、硫酸、フッ酸、棚酸および燐酸よりなる群から選択される1種類以上の酸であり、かつ前記有機酸は、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、フェノールおよびシュウ酸よりなる群から選択される1種類以上の酸であることが好ましい。
【0045】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第1〜第5の負極用炭素材料の製造方法について説明する。
【0046】
1.第1の負極用炭素材料の製造方法
この製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程を具備する。ここで、ガス雰囲気とは、熱処理の際に焼成炉に導入されるガスを意味する。
【0047】
前記炭素化材料は、ピッチ、コークス、ポリマーなどのカーボン前駆体に熱処理を施すことにより得ることができる。前記炭素化材料の具体例としては、無定形炭素、ソフトカーボンが挙げられる。一方、前記黒鉛化材料は、ピッチ、コークス、ポリマーなどのカーボン前駆体に熱処理を施すことにより炭素化した後、得られた炭素化材料に再度熱処理を施すことにより得ることができる。炭素化処理及び黒鉛化処理は、それぞれ、後述する第2の製造方法で説明した方法で行っても良い。また、前記炭素化材料として、例えば、低温焼成炭素等を用いることもできる。一方、前記黒鉛化材料としては、例えば、天然黒鉛、人工黒鉛等を用いても良い。
【0048】
本発明においては、炭素質物として、炭素化材料と黒鉛化材料の混合物を使用することができる。
【0049】
前記炭素化材料及び前記黒鉛化材料は、それぞれ、X線回折測定により求められる(002)面の面間隔d002が0.34nm以下であることが好ましい。さらに好ましい範囲は、0.335nm〜0.34nmである。
【0050】
前記炭素化材料及び前記黒鉛化材料には、それぞれ、ホウ素、リン、フッ素などの他元素が含有されていても良い。また、反応速度を高めるには前記炭素質物中にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を添加することが有効である。
【0051】
熱処理温度T(℃)は、下記(2)式を満足することが好ましい。
【0052】
(T1+T2)/2≦T≦T2 (2)
但し、前記(2)式において、前記Tは前記熱処理の温度(℃)で、前記T1は前記炭素質物に前記ガス雰囲気にて示差熱分析測定を行った際に得られる吸熱ピークのピーク温度(℃)で、前記T2は前記示差熱分析測定で得られる発熱ピークのピーク温度(℃)である。
【0053】
示差熱分析測定は、熱処理前の炭素質物に行われる。示差熱分析の際の測定雰囲気は、熱処理のためのガス雰囲気と同じ組成にする。また、示差熱分析測定で得られるピーク温度は、試料の量、雰囲気ガス流量、昇温速度などの影響を受けるため、T1及びT2を求める際には試料重量50mg、雰囲気ガス流量100mL/min、昇温速度20℃/min程度にすることが望ましい。
【0054】
吸熱ピークのピーク温度T1(℃)は、炭素質物の脱水反応または炭素質物からの揮発成分の気化反応により生じるものである。一方、発熱ピークのピーク温度T2(℃)は、炭素質物の酸化反応により生じるものである。熱処理温度Tを前述した(2)式で規定される範囲内にすることによって、二次電池の容量を大幅に向上させることができる。熱処理温度を(T1+T2)/2より低い温度にすると、表面改質反応が進みにくくなって高い電池容量を得られなくなる恐れがある。一方、熱処理温度をT2より高い温度にすると、炭素質物の全体が急速に酸化されるため、容量を十分に向上させることが困難になる可能性があり、また炭素質物の酸化による重量減少が大きくなる恐れがある。
【0055】
最適な熱処理時間は熱処理温度等の他の製造条件が変わることにより変動する傾向を有するものの、好ましい熱処理時間は0.5時間以上、48時間以下であり、さらに好ましい熱処理時間は1時間以上、12時間以下である。
【0056】
CO2およびH2O以外で熱処理雰囲気中に含有されるガスとしては、例えば、酸素ガス、窒素ガス及び不活性ガスよりなる群から選択される少なくとも1種類のガス等を挙げることができる。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、キセノンガス、クリプトンガスなどを挙げることができる。中でも、窒素ガスや不活性ガスに代表される非酸化性のガスを併用することが好ましい。また、熱処理雰囲気中、つまり焼成炉への導入ガスには、酸素ガスが含まれていない方が良いが、熱処理雰囲気中に酸素ガスを含有させる場合には酸素ガスの含有量を10体積%以下にすることが望ましい。熱処理雰囲気中に酸素ガスが10体積%を超えて含有されていると、酸素が炭素と燃焼反応を生じるために好ましい表面状態を得ることが困難になる可能性がある。同時に、炭素質物の表面処理時のガス化量が増加して収率が低下する恐れがある。
【0057】
以上説明した本発明に係る第1の負極用炭素材料の製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程を具備する。このような製造方法によれば、高容量な非水電解質二次電池を実現することが可能な負極用炭素材料を提供することができる。これは、以下に説明するメカニズムによるものと信ずる。
【0058】
すなわち、O2の存在下で炭素が炭酸ガスに変化する反応は炭素の燃焼反応であり、発熱反応であるのに対し、H2OあるいはCO2の存在下で炭素が炭酸ガスに変化する反応は吸熱反応である。このため、H2OあるいはCO2の存在下の方が、O2の存在下に比べて炭素のガス化が生じ難い。前述した第1、第2または第3のガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方の炭素質物に熱処理を施すと、導電性の良い黒鉛化度の高い部分はガス化速度が小さいために残しつつ、ガス化されやすい黒鉛化度の低い箇所を選択的に炭酸ガスに変換することができる。また、このガス化反応は穏やかに進行するため、炭素質物の表面及び内部にガス化反応により細孔を均一に形成することができる。さらに、熱処理によって、炭素質物の結晶性をより高くすることができる。その結果、炭素質物の導電性及びリチウム吸蔵サイトの利用率を向上することができると共に、一部の細孔がリチウム吸蔵サイトして機能するため、非水電解質二次電池の容量を向上することができる。
【0059】
ところで、ガス雰囲気中のCO2含有量を10体積%未満にし、かつH2O含有量を1体積%未満にすると、黒鉛化度の低い箇所のガス化反応量が不十分となるため、二次電池において高い放電容量を得ることが困難になる。また、H2O及びCO2の代わりにO2を使用すると、炭素の燃焼反応が急激に生じるため、黒鉛化度の低い箇所を選択的にガス化させることが困難になる。
【0060】
また、熱処理温度Tが2000℃以上になる場合には、第1のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のCO2濃度を10体積%以上、60体積%以下にすることが好ましい。これは、熱処理温度Tが2000℃以上になる場合に、第1のガス雰囲気のCO2濃度が60体積%を超えると、ガス化反応速度が速くなって黒鉛化度の高い箇所までガス化される可能性があるからである。一方、熱処理温度Tが2000℃未満である場合には、第1のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のCO2濃度を50体積%以上、100体積%以下にすることが望ましい。これは、熱処理温度Tが2000℃未満である場合に、第1のガス雰囲気のCO2濃度を50体積%未満にすると、反応が進み難くなって短い熱処理時間で高容量な炭素材料を得ることが困難になる可能性があるからである。
【0061】
第2のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のH2O濃度は、熱処理温度Tが2000℃以上になる場合、1.5体積%以上、30体積%以下にすることが好ましい。これは、熱処理温度Tが2000℃以上になる場合に、第2のガス雰囲気のH2O濃度が30体積%を超えると、ガス化反応速度が速くなって黒鉛化度の高い箇所までガス化される可能性があるからである。また、第2のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のH2O濃度は、熱処理温度Tが2000℃未満である場合、2体積%以上、100体積%以下であることが望ましい。これは、熱処理温度Tが2000℃未満である場合に、第2のガス雰囲気のH2O濃度を2体積%未満にすると、反応が進み難くなって短い熱処理時間で高容量な炭素材料を得ることが困難になる可能性があるからである。
【0062】
本発明に係る第1の負極用炭素材料の製造方法において、熱処理温度T(℃)が前述した(2)式を満足することによって、この方法で製造された炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、容量をさらに向上することができると共に、初回充放電効率と大電流特性を向上することができる。
【0063】
2.第2の負極用炭素材料の製造方法
この製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素前駆体に熱処理を施すことにより前記炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を具備する。
【0064】
前記炭素前駆体には、炭素を主成分とする材料か、炭素化可能な材料か、もしくは黒鉛化可能な材料であればどのようなものでも用いることができる。前記炭素前駆体としては、具体的には、ピッチ、コークス、ポリマーなどを挙げることができる。前記炭素前駆体には、ホウ素、リン、フッ素などの他元素が含有されていても良い。また、反応速度を高めるには前記炭素前駆体中にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を添加することが有効である。
【0065】
熱処理温度は、800℃〜3000℃の範囲内にすることが好ましい。これは次のような理由によるものである。熱処理温度を800℃未満にすると、黒鉛構造が十分に発達しておらず、かつ炭素前駆体に含まれている揮発成分が多量に残留している炭素材料が得られやすくなる。このような炭素材料は、導電性が低いため、二次電池の大電流放電特性とサイクル特性の低下を招く。一方、3000℃を超える温度で熱処理を行うことは、製造コストの高騰を招く可能性があったり、あるいは製造工程が煩雑になる恐れがある。特に、熱処理温度を2000〜3000℃の範囲内にすることによって、二次電池の放電容量とサイクル寿命特性を向上することができる。よって、熱処理温度は、2000〜3000℃の範囲内にすることがより好ましい。最も好ましい範囲は、2500〜3000℃である。
【0066】
熱処理温度が2000℃以上になる場合には、前述した第1の製造方法で説明したのと同様な理由により、第1のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のCO2濃度を10体積%以上、60体積%以下にすることが好ましく、また第2のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のH2O濃度を1.5体積%以上、30体積%以下にすることが好ましい。
【0067】
一方、熱処理温度Tが2000℃未満である場合には、前述した第1の製造方法で説明したのと同様な理由により、第1のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のCO2濃度を50体積%以上、100体積%以下にすることが望ましく、また第2のガス雰囲気及び第3のガス雰囲気中のH2O濃度を2体積%以上、100体積%以下にすることが望ましい。
【0068】
最適な熱処理時間は熱処理温度等の他の製造条件が変わることにより変動する傾向を有するものの、好ましい熱処理時間は0.5時間以上、48時間以下であり、さらに好ましい熱処理時間は1時間以上、12時間以下である。
【0069】
CO2およびH2O以外で雰囲気中に含有されるガスとしては、例えば、酸素ガス、窒素ガス及び不活性ガスよりなる群から選択される少なくとも1種類のガス等を挙げることができる。不活性ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウム、キセノン、クリプトンなどを挙げることができる。中でも、窒素ガスや不活性ガスに代表される非酸化性のガスを併用することが好ましい。また、ガス雰囲気中、つまり焼成炉への導入ガスには、酸素ガスが含まれていない方が良いが、ガス雰囲気中に酸素ガスを含有させる場合には、前述した第1の方法で説明したのと同様な理由により酸素ガスの含有量を10体積%以下にすることが望ましい。
【0070】
以上説明した本発明に係る第2の負極用炭素材料の製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素前駆体に熱処理を施すことにより前記炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を具備する。このような製造方法によれば、高容量な非水電解質二次電池を実現することが可能な負極用炭素材料を提供することができる。これは、以下に説明するメカニズムによるものと信ずる。
【0071】
すなわち、本発明によれば、炭素前駆体の炭素化もしくは黒鉛化を行いつつ、黒鉛化度の低い領域を選択的にガス化させることができるため、導電性及びリチウム吸蔵サイトの利用率が向上され、かつ一部の細孔がリチウム吸蔵サイトして機能している炭素材料を製造することができる。その結果、かかる炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、容量を向上することができる。
【0072】
3.第3の負極用炭素材料の製造方法
この製造方法は、無機酸のガス及び有機酸のガスのうち少なくとも一方のガスを含む雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程を具備する。
【0073】
前記炭素化材料は、ピッチ、コークス、ポリマーなどのカーボン前駆体に熱処理を施すことにより得ることができる。前記炭素化材料の具体例としては、無定形炭素、ソフトカーボンが挙げられる。一方、前記黒鉛化材料は、ピッチ、コークス、ポリマーなどのカーボン前駆体に熱処理を施すことにより炭素化した後、得られた炭素化材料に再度熱処理を施すことにより得ることができる。炭素化処理及び黒鉛化処理は、それぞれ、前述した第2の製造方法で説明した方法で行うことが好ましい。また、前記炭素化材料として、例えば、低温焼成炭素等を用いることもできる。一方、前記黒鉛化材料としては、例えば、天然黒鉛、人工黒鉛等を用いても良い。
【0074】
本発明においては、炭素質物として、炭素化材料と黒鉛化材料の混合物を使用することができる。
【0075】
前記炭素化材料及び前記黒鉛化材料は、それぞれ、X線回折測定により求められる(002)面の面間隔d002が0.34nm以下であることが好ましい。さらに好ましい範囲は、0.335nm〜0.34nmである。
【0076】
前記炭素化材料及び前記黒鉛化材料には、それぞれ、ホウ素、リン、フッ素などの他元素が含有されていても良い。また、反応速度を高めるには前記少なくとも一方の炭素質物中にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を添加することが有効である。
【0077】
前記無機酸としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸、フッ酸、棚酸、燐酸等を挙げることができる。一方、前記有機酸としては、例えば、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、フェノール、シュウ酸等を挙げることができる。
【0078】
前記有機酸及び前記無機酸の中でも、酸化力の高い酸、具体的には酸素原子を付与することができるルイス酸であることが電極容量向上のために望ましい。特に、酸化力の高い硝酸、酢酸のような有機酸が電極特性向上のためには望ましい。最も好ましいのは硝酸である。硝酸を用いた場合、反応温度は硝酸水溶液の沸点である130℃以上とすることが好ましい。
【0079】
前記無機酸及び前記有機酸は、ホウ素原子を含む官能基、窒素原子を含む官能基、酸素原子を含む官能基、リン原子を含む官能基などの極性を持つ官能基を炭素質物に導入することができる。とりわけ、カルボキシル基、カルボニル基、水酸基、ラクトン基、ケトン基などの酸素原子を含む官能基が炭素質物に導入されやすい。これらの官能基は、熱処理時に炭素質物に導入されるものと考えられる。また、これらの官能基は、リチウム吸蔵サイトとして機能すると共に、極性溶媒である液状非水電解質と負極の炭素材料との濡れ性を向上させるため、電極特性を向上させることができる。
【0080】
無機酸のガスとしては、無機酸の蒸気の他に、例えば、無機酸の水溶液を沸騰させ、無機酸の蒸気を含んだ水蒸気等を使用することができる。一方、有機酸のガスには、有機酸の蒸気の他に、例えば、有機酸の水溶液を沸騰させることにより得られる、有機酸の蒸気を含んだ水蒸気を用いることができる。
【0081】
無機酸のガスおよび有機酸のガス以外で雰囲気中に含有されるガスとしては、例えば、酸素ガス、窒素ガス及び不活性ガスよりなる群から選択される少なくとも1種類のガス等を挙げることができる。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、キセノンガス、クリプトンガスなどを挙げることができる。中でも、窒素ガスや不活性ガスに代表される非酸化性のガスを併用することが好ましい。
【0082】
熱処理温度は800℃以下が好ましい。熱処理温度が800℃を超えると、反応が急激に進行するため、炭素質物の表面を均一に酸処理することが困難になる可能性がある。熱処理温度のより好ましい範囲は、500℃以下である。また、熱処理温度の下限値は、熱処理を行う雰囲気中に無機酸もしくは有機酸が気体の状態で存在できるように設定する。よって、熱処理温度は、無機酸もしくは有機酸の気化温度以上、800℃以下にすることが望ましい。
【0083】
熱処理方法としては、以下の(a)〜(c)に説明する方法を挙げることができるが、これらに限定されるわけではない。
【0084】
(a)炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方からなる炭素質物上に、無機酸の気体及び有機酸の気体のうち少なくとも一方を含むガスを流通させ、これらを加熱する方法。
【0085】
(b)前記炭素質物に酸を加え、分散液またはスラリー状にした後、酸の沸点以上の温度で熱処理する方法。
【0086】
(c)前記炭素質物に造粒剤として酸を用いて造粒を行い、高温で乾燥される際に反応させる方法。
【0087】
以上説明した本発明に係る第3の負極用炭素材料の製造方法は、無機酸のガス及び有機酸のガスのうち少なくとも一方のガスを含む雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程を具備する。かかる方法で製造された炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、初回充放電効率、放電容量及び充放電サイクル寿命を向上することができる。これは以下に説明するメカニズムによるものと信ずる。
【0088】
第三の発明の如く、有機酸ガス及び無機酸ガスのうち少なくとも一方のガスが存在する雰囲気下にて炭素質物に熱処理を施すと、炭素質物の表面に細孔を形成することができると共に、炭素質物の表面に官能基、特に、カルボキシル基、カルボニル基、水酸基、ラクトン基、ケトン基のような極性を持つ官能基を導入することが可能である。これらの官能基は、リチウム吸蔵サイトとして機能することができると共に、極性溶媒である液状非水電解質と負極の炭素材料との濡れを向上させることができる。その結果、本発明の方法で製造された炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、初回充放電効率、放電容量及び充放電サイクル寿命を向上することができる。
【0089】
なお、表面改質処理として第3の製造方法と前述した第1の製造方法の双方を炭素質物に施しても良い。また、第2の製造方法で得られた負極用炭素材料に、表面改質処理として第1の製造方法か、第3の製造方法、あるいは第1の製造方法と第3の製造方法の双方を施すことができる。
【0090】
特に好ましい組み合わせとしては、(I)第2の製造方法で得られた負極用炭素材料に、第3の製造方法により表面改質処理を行うこと、(II)黒鉛化材料及び炭素化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に、第1の製造方法により表面改質処理を行った後、第3の製造方法により仕上げの表面改質処理を行うことが挙げられる。前述した(I)及び(II)の方法によると、各処理の相乗効果によってより良い特性を持った負極炭素材料を得ることができる。
【0091】
4.第4の負極用炭素材料の製造方法
この製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施す工程と、
前記炭素質物を気体の酸に接触させる工程と
を具備する。
【0092】
熱処理工程は、前述した第1の負極用炭素材料の製造方法で説明したのと同様な方法で行うことができる。
【0093】
気体の酸には、酸の蒸気を使用することが望ましい。
【0094】
気体の酸には、無機酸のガス及び有機酸のガスよりなる群から選択される1種類以上のガスを使用することができる。前記無機酸としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸、フッ酸、棚酸、燐酸等を挙げることができる。一方、前記有機酸としては、例えば、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、フェノール、シュウ酸等を挙げることができる。前記有機酸及び前記無機酸の中でも、酸化力の高い硝酸が好ましい。
【0095】
無機酸のガスとしては、無機酸の蒸気の他に、例えば、無機酸の水溶液を沸騰させ、無機酸の蒸気を含んだ水蒸気等を使用することができる。一方、有機酸のガスには、有機酸の蒸気の他に、例えば、有機酸の水溶液を沸騰させることにより得られる、有機酸の蒸気を含んだ水蒸気を用いることができる。
【0096】
熱処理工程が施された炭素質物に気体の酸を接触させる際、酸が気体の状態を維持することができるように前記炭素質物に熱処理を施すことが好ましい。熱処理温度は、無機酸もしくは有機酸の気化温度以上、800℃以下にすることが好ましい。熱処理温度が800℃を超えると、反応が急激に進行するため、炭素質物の表面を均一に酸処理することが困難になる可能性がある。熱処理温度のより好ましい範囲は、無機酸もしくは有機酸の気化温度以上、500℃以下である。例えば無機酸として硝酸を用いた場合、熱処理温度を130℃〜500℃の範囲内にすることが望ましい。
【0097】
熱処理工程が施された炭素質物に気体の酸を接触させる方法としては、例えば、以下の(A)〜(C)に説明する方法を挙げることができるが、これらに限定されるわけではない。
【0098】
(A)炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方からなる炭素質物上に、無機酸の気体及び有機酸の気体のうち少なくとも一方を含むガスを流通させ、これらを加熱する方法。
【0099】
(B)前記炭素質物に酸を加え、分散液またはスラリー状にした後、酸の沸点以上の温度で熱処理する方法。
【0100】
(C)前記炭素質物に造粒剤として酸を用いて造粒を行い、高温で乾燥される際に反応させる方法。
【0101】
以上説明した本発明に係る第4の負極用炭素材料の製造方法によれば、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素化材料及び黒鉛化材料のうち少なくとも一方を含む炭素質物に熱処理を施すことによって、炭素質物のうち相対的に黒鉛化度の高い箇所は黒鉛化度の低い箇所に比べてガス化速度が小さいため、炭素質物のうち黒鉛化度の低い箇所を選択的にガス化させることができ、炭素質物の表面及び内部に細孔を均一に形成することができる。
【0102】
次いで、前記炭素質物を気体の酸に接触させることによって、前記炭素質物の表面及び内部に存在する細孔に、官能基、特にカルボキシル基、カルボニル基、水酸基、ラクトン基、ケトン基のような極性を持つ官能基を導入することができる。
【0103】
このようにして得られた炭素材料は、高い結晶性と優れた導電性を有する。また、この炭素材料は、表面及び内部に形成されている細孔及び極性官能基をリチウム吸蔵サイトとして機能させることができる。さらに、前記炭素材料は、表面及び内部に均一に極性官能基が存在していることによって、極性溶媒である液状非水電解質と負極の炭素材料との濡れを向上させることができる。その結果、本発明の方法で製造された炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、初回充放電効率、放電容量及び充放電サイクル寿命を著しく向上することができる。
【0104】
5.第5の負極用炭素材料の製造方法
この製造方法は、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素前駆体に熱処理を施すことにより前記炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化して炭素質物を得る工程と、
前記炭素質物を気体の酸に接触させる工程と
を具備する。
【0105】
炭素化処理工程及び黒鉛化処理工程は、前述した第2の負極用炭素材料の製造方法で説明したのと同様な方法で行うことができる。
【0106】
酸処理工程は、前述した前述した第4の負極用炭素材料の製造方法で説明したのと同様な方法で行うことができる。
【0107】
本発明に係る第5の負極用炭素材料の製造方法によれば、10体積%以上のCO2を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のH2Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCO2と1体積%以上のH2Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、炭素前駆体に熱処理を施すことにより前記炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化して炭素質物を得ることによって、表面及び内部に均一に細孔が形成され、かつ導電性の高い炭素質物を作製することができる。
【0108】
次いで、前記炭素質物を気体の酸に接触させることによって、前記炭素質物の表面及び内部に存在する細孔に、官能基、特にカルボキシル基、カルボニル基、水酸基、ラクトン基、ケトン基のような極性を持つ官能基を導入することができる。
【0109】
このようにして得られた炭素材料は、高い導電性を有する。また、この炭素材料は、表面及び内部に形成されている細孔及び極性官能基をリチウム吸蔵サイトとして機能させることができる。さらに、前記炭素材料は、表面及び内部に極性官能基が均一に存在していることによって、極性溶媒である液状非水電解質と負極の炭素材料との濡れを向上させることができる。その結果、本発明の方法で製造された炭素材料を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、初回充放電効率、放電容量及び充放電サイクル寿命を著しく向上することができる。
【0110】
以下、本発明に係る非水電解質二次電池について説明する。
【0111】
本発明に係る非水電解質二次電池は、容器と、前記容器内に収納される正極と、前記容器内に収納されると共に下記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有する炭素材料を含む負極と、前記容器内に収容される非水電解質とを具備する。
【0112】
1.2≦ΔHi n/ΔHi h≦2 (1)
但し、前記(1)式において、前記ΔHi hは前記炭素材料のn−ヘプタンについての浸漬熱であり、前記ΔHi nは前記炭素材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱である。
【0113】
以下、負極、正極、非水電解質及び容器について説明する。
【0114】
1)負極
この負極は、集電体と、前記集電体の片面もしくは両面に担持されると共に炭素材料を含む活物質含有層とを有する。
【0115】
まず、炭素材料についてより詳細に説明する。
【0116】
浸漬熱(ΔHi)は、下記(I)式に示すように、分散力(hi d)、分極力(hi α)、液体の永久双極子と固体表面の静電場との相互作用(hi μ)の和で示される。
【0117】
ΔHi=hi d+hi α+hi μ (I)
前記(I)式において、hi d+hi αを一定と考えれば、ΔHiはhi μの変化に対応する。固体表面の静電場の強度をFとすると、下記(II)式に示す関係が成立する。
【0118】
i μ=−nμF (II)
よって、下記(III)式が成立する。
【0119】
−ΔHi=nμF+const. (III)
前記(II)式及び前記(III)式において、前記μは浸漬液体の双極子能率であり、前記nは固体の単位表面積当りの吸着分子数である。
【0120】
1分子の吸着占有面積が等しく、双極子能率の異なる1連の被吸着質を用いて浸漬熱を求めれば、前述した(I)式〜(III)式の関係から表面の静電場の強度、すなわち表面極性が求められる。
【0121】
n−ヘプタンと1−ニトロプロパンは1分子の吸着面積が等しい。双極子能率μについては、n−ヘプタンの双極子能率μが0Dで、1−ニトロプロパンの双極子能率μが3.75Dである。従って、これら2つの溶媒についての浸漬熱の差は、表面極性を反映する。炭素材料のn−ヘプタンについての浸漬熱ΔHi hに対する炭素材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱ΔHi nの比(ΔHi n/ΔHi h)は、主に、炭素材料の表面極性と炭素材料の溶媒に対する分散力の大きさを反映する。すなわち、浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)は、炭素材料の表面極性が大きくなると増加し、また、炭素材料の粒子径が小さくなって炭素材料の溶媒に対する分散力の寄与が大きくなると減少する傾向がある。
【0122】
炭素材料の表面の極性は、前記炭素材料の表面に存在する炭素以外の異種原子及び異種原子を持つ官能基により生じる。異種原子の一例としては、ホウ素原子、窒素原子、酸素原子、リン原子などを挙げることができる。炭素材料の表面に存在する異種原子及び異種原子を含有する官能基は、リチウムの吸蔵・放出サイトとして機能することができるため、炭素材料のリチウム吸蔵・放出サイトを増加させることができる。また、炭素材料の表面の極性が高くなることによって、炭素材料と極性溶媒である液状非水電解質との親和性を向上することができる。
【0123】
ところで、炭素材料のn−ヘキサンについての浸漬熱は、前記炭素材料の表面の極性の大小に拘わらず、ほぼ一定である。一方、炭素材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱は、前記炭素材料の表面の極性が高くなるほど、大きくなる。浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)が1.2未満であるものは、炭素材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱が小さく、炭素材料表面の極性が低いため、炭素材料におけるリチウム吸蔵・放出容量が低下し、二次電池の放電容量が低下する。一方、浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)が2を超えるものは、炭素材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱が大きく、炭素材料の表面の極性が高いものの、炭素材料表面に存在する過剰量の異種原子により炭素材料の導電性の低下と非水電解質の分解などの副反応を招く恐れがある。浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)のより好ましい範囲は、1.25〜1.75である。
【0124】
炭素材料の平均粒径は、5〜100μmの範囲内にすることが好ましい。これは次のような理由によるものである。平均粒径を5μm未満にすると、炭素材料の表面に、黒鉛結晶子を構成する六角網面層の端面が多く露出するため、サイクル寿命特性と初回の充放電効率が低下する恐れがある。一方、平均粒径が100μmを超えると、炭素材料の反応面積が不足するため、リチウムの吸蔵・放出反応の反応速度が低下して二次電池の放電容量が低くなる恐れがある。平均粒径のより好ましい範囲は、10〜80μmである。
【0125】
従来の炭素材料は、表面の極性が小さいため、平均粒径が5〜100μmの範囲内にある時の浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)がほぼ1となる。1.2以上、2以下の浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有すると共に、平均粒径が5〜100μmの炭素材料を含む負極は、負極のリチウム吸蔵・放出サイト量を向上することができると共に、炭素材料と非水電解質との親和性を改善することができるため、二次電池の放電容量及びサイクル特性を著しく向上することができる。
【0126】
前記炭素材料の粒子形状は、例えば、球状、繊維状、粒状にすることができる。つまり、本発明に係る負極は、繊維状炭素材料、球状炭素材料及び粒状炭素材料よりなる群から選ばれる1種類以上の炭素材料を含有することができる。
【0127】
前記繊維状炭素材料の平均繊維長は、5〜100μmの範囲にすることが好ましい。さらに好ましい範囲は、10〜60μmである。
【0128】
前記繊維状炭素材料の平均繊維径は、0.1〜30μmの範囲にすることが好ましい。さらに好ましい範囲は、1〜15μmである。
【0129】
前記繊維状炭素材料の平均アスペクト比は、1〜50の範囲内にすることが好ましい。さらに好ましい範囲は、1.5〜20である。但し、アスペクト比は、繊維径に対する繊維長(繊維長/繊維径)の比である。
【0130】
前記球状炭素質物の長径(major radius)に対する短径(minor radius)の比(短径/長径)は、1/10以上にすることが好ましい。より好ましい範囲は、1/2以上である。
【0131】
前記粒状炭素質物とは、長径(major radius)に対する短径(minor radius)の比(短径/長径)が1/100〜1の範囲内にある形状を有する炭素質物粉末を意味する。前記比のより好ましい範囲は、1/10〜1である。
【0132】
前記炭素材料は、X線回折測定から得られるグラファイト構造の(002)面の面間隔d002を理論値である0.335nm(3.335Å)以上、0.34nm(3.4Å)以下の範囲内にすることが好ましい。このような炭素材料は、リチウム吸蔵・放出の電位を低くすることができるため、非水電解質二次電池のエネルギー密度を向上することができる。
【0133】
前記炭素材料のBET法による比表面積は、1〜50m2/gの範囲内にすることが好ましい。比表面積を1m2/g未満にすると、炭素材料表面のリチウム吸蔵・放出サイトを十分に増加させることが困難になる恐れがある。一方、比表面積が50m2/gを超えると、非水電解質の分解反応(還元分解)が助長されて二次電池において優れたサイクル特性を得られなくなる恐れがある。比表面積のより好ましい範囲は、2〜20m2/gである。
【0134】
前記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有する炭素材料は、例えば、前述した第1〜第5の負極用炭素材料の製造方法により得ることができる。すなわち、前述した第1及び第2の負極用炭素材料の製造方法によると、炭素材料の表面及び内部に細孔を均一に形成することができると共に、炭素材料内部に存在する細孔表面を含めた炭素材料表面に均一に、酸素原子のような異種原子を導入することができる。その結果、炭素材料の表面の極性を高くすることができるため、前記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有する炭素材料を得ることができる。特に、前述した第4及び第5の負極用炭素材料の製造方法によると、炭素材料の表面及び内部に細孔を均一に形成することができると共に、炭素材料の表面のみならず内部まで酸処理を施すことができる。その結果、炭素材料内部に存在する細孔表面を含めた炭素材料表面に均一に、ホウ素原子を含む官能基、窒素原子を含む官能基、酸素原子を含む官能基及びリン原子を含む官能基よりなる群から選択される1種類以上からなる極性の高い官能基を導入することができるため、炭素材料の表面の極性を前述した第1及び第2の負極用炭素材料の製造方法に比べて高くすることができる。よって、前述した第4及び第5の負極用炭素材料の製造方法によると、前記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有すると共に平均粒径が5〜100μmの炭素材料を得ることができる。
【0135】
この負極は、例えば、炭素材料に結着剤を添加し、これらを適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥、プレスすることにより作製される。前記懸濁液には、さらに導電剤を添加しても良い。
【0136】
前記結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0137】
集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。集電体の厚さは5〜20μmであることが望ましい。この範囲であると電極強度と軽量化のバランスが取れるからである。
【0138】
前記活物質含有層の厚さは10〜150μmの範囲であることが望ましい。したがって負極集電体の両面に担持されている場合は活物質含有層の合計の厚さは20μm〜300μmの範囲となる。片面の厚さのより好ましい範囲は30〜100μmである。この範囲であると大電流放電特性とサイクル寿命は大幅に向上する。
【0139】
2)正極
正極は、活物質を含む活物質含有層が正極集電体の片面もしくは両面に担持された構造を有する。
【0140】
この正極は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状電極にすることにより作製される。
【0141】
正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiCoO2)、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えばLiNi0.8Co0.22)、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMn24、LiMnO2)を用いることが好ましい。かかる正極活物質を使用することによって、二次電池において高電圧を得ることができる。
【0142】
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などを挙げることができる。
【0143】
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ弗化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0144】
正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
【0145】
集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。集電体の厚さは5〜20μmであることが望ましい。この範囲であると電極強度と軽量化のバランスがとれるからである。
【0146】
前記活物質含有層の片面の厚さは10〜150μmの範囲であることが望ましい。従って正極集電体の両面に担持されている場合は活物質含有層の合計の厚さは20〜300μmの範囲となることが望ましい。片面のより好ましい範囲は30〜120μmである。この範囲内であると大電流放電特性とサイクル寿命は向上する。
【0147】
3)非水電解質
前記非水電解質としては、液状非水電解質、ゲル状非水電解質、高分子固体電解質、リチウムイオン伝導性を有する無機固体電解質が挙げられる。中でも、液状非水電解質が好ましい。
【0148】
液状非水電解質は、例えば、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される。
【0149】
ゲル状非水電解質は、高分子材料と、前記高分子材料と複合化されている非水溶媒並びに電解質とを含む。前記ゲル状非水電解質は、例えば、前記非水溶媒、前記電解質、高分子材料を混合した後、加熱処理を施してゲル化させることにより調製される。前記高分子材料としては、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレート、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、あるいはアクリロニトリル、アクリレート、フッ化ビニリデンまたはエチレンオキシドを単量体として含む共重合体等が挙げられる。中でも、以下に説明する方法で作製されたゲル状電解質を用いることが望ましい。まず、ポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF−HEP共重合体)のような高分子材料をテトラヒドロキシフラン(THF)のような溶媒に溶解して得た溶液と、液状非水電解質とを混合させてペーストを調製する。得られたペーストを基板に塗布した後、乾燥させることにより薄膜を得る。この薄膜を正極と負極の間に介在させて電極群を作製する。前記電極群に液状非水電解質を含浸させた後、熱処理のようなゲル化処理で前記薄膜を可塑化させることにより正極と負極の間にゲル状非水電解質層が介在された電極群を得る。
【0150】
固体電解質は、前記電解質を高分子材料に溶解し、固体化したものである。前記高分子材料としては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、あるいはアクリロニトリル、フッ化ビニリデンまたはエチレンオキシドを単量体として含む共重合体等が挙げられる。
【0151】
無機固体電解質として、リチウムを含有したセラミック材料が挙げられる。なかでもLi3N、Li3PO4−Li2S−SiS2ガラスなどが挙げられる。
【0152】
以下、非水電解質に含有される非水溶媒及び電解質について説明する。
【0153】
前記非水溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)及びエチレンカーボネート(EC)より選ばれる少なくとも1種類の溶媒(以下、第1の溶媒と称す)と、PCやECより低粘度である溶媒(以下、第2の溶媒と称す)との混合溶媒を主体とすることが好ましい。
【0154】
前記第2の溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの鎖状カーボネート、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン(BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレン、酢酸メチル(MA)等を挙げることができる。前記第2の溶媒には、前述した種類の中から選ばれる1種または2種以上の混合物を使用することができる。また、第2の溶媒のドナー数は、16.5以下であることが好ましい。
【0155】
前記第2の溶媒の粘度は、25℃において2.8cmp以下であることが好ましい。混合溶媒中の第1の溶媒の配合量は、体積比率で10〜80%であることが好ましい。より好ましい第1の溶媒の配合量は体積比率で20〜75%である。
【0156】
電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六弗化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)、六弗化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO22]等のリチウム塩が挙げられる。中でもLiPF6、LiBF4を用いるのが好ましい。
【0157】
電解質の非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2mol/Lとすることが望ましい。
【0158】
4)セパレータ
セパレータは、正極及び負極間の絶縁層として機能し、かつ非水電解質中の電解質が移動可能な構造を有する。
【0159】
セパレータには、例えば、絶縁性材料からなる多孔質体を用いることができる。絶縁性材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリ弗化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリ弗化ビニリデン(PVdF)を含む合成樹脂製不織布等を用いることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、または両者からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため好ましい。
【0160】
セパレータの厚さは、30μm以下にすることが好ましい。厚さが30μmを越えると、正負極間の距離が大きくなって内部抵抗が大きくなる恐れがある。また、厚さの下限値は、5μmにすることが好ましい。厚さを5μm未満にすると、セパレータの強度が著しく低下して内部ショートが生じやすくなる恐れがある。厚さの上限値は、25μmにすることがより好ましく、また、下限値は10μmにすることがより好ましい。
【0161】
セパレータは、120℃の条件で1時間おいたときの熱収縮率が20%以下であることが好ましい。熱収縮率が20%を超えると、加熱により短絡が起こる可能性が大きくなる。熱収縮率は、15%以下にすることがより好ましい。
【0162】
セパレータは、多孔度が30〜70%の範囲であることが好ましい。これは次のような理由によるものである。多孔度を30%未満にすると、セパレータにおいて高い電解質保持性を得ることが困難になる恐れがある。一方、多孔度が60%を超えると、十分なセパレータ強度を得られなくなる恐れがある。多孔度のより好ましい範囲は、35〜70%である。
【0163】
セパレータは、空気透過率が500秒/100cm3以下であると好ましい。空気透過率が500秒/100cm3を超えると、セパレータにおいて高いリチウムイオン移動度を得ることが困難になる恐れがある。また、空気透過率の下限値は、30秒/100cm3である。空気透過率を30秒/100cm3未満にすると、十分なセパレータ強度を得られなくなる恐れがあるからである。空気透過率の上限値は300秒/100cm3にすることがより好ましく、また、下限値は50秒/100cm3にするとより好ましい。
【0164】
6)収納容器
この収納容器には、正極と負極を含む電極群及び非水電解質が収納される。
【0165】
収納容器の形状は、例えば、有底円筒形、有底角筒形、袋状等にすることができる。
【0166】
収納容器は、例えば、フィルム材、金属板から形成することができる。
【0167】
収納容器を構成するフィルム材としては、例えば、金属フィルム、熱可塑性樹脂などの樹脂製シート、可撓性を有する金属層の片面または両面に熱可塑性樹脂のような樹脂層が被覆されているシート等から形成することができる。前記樹脂製シート及び前記樹脂層は、1種類の樹脂もしくは2種類以上の樹脂からそれぞれ形成することができる。一方、前記金属層は、1種類の金属もしくは2種類以上の金属から形成することができる。また、前記金属フィルムは、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、ニッケルなどから形成することができる。
【0168】
収納容器の壁を構成するフィルム材の厚さは、0.25mm以下にすることが望ましい。特に望ましい厚さの範囲は0.05mm〜0.2mmである。これにより電池の薄型化・軽量化を実現する。
【0169】
特に、可撓性を有する金属層と、前記金属層の片面または両面に積層された樹脂層とから構成されたシートは、軽量で、強度が高く、かつ外部からの水分のような物質の侵入を防止することができるため、望ましい。前記シートから構成された収納容器の封止は、例えば、ヒートシールによりなされる。このため、収納容器の内面には、熱可塑性樹脂を配することが望ましい。前記熱可塑性樹脂の融点は、120℃以上、更に望ましくは140℃〜250℃の範囲にあるものが好ましい。前記熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィンなどが挙げられる。特に、融点が150℃以上のポリプロピレンを用いるのは、ヒートシール部の封止強度が高くなるため、望ましい。一方、前記金属層は、電池内部への水の侵入が防げるアルミニウムから形成することが望ましい。
【0170】
本発明に係る非水電解質二次電池の一例を図1〜図3を参照して説明する。
【0171】
図1は本発明に係る非水電解質二次電池の一例である円筒型非水電解質二次電池を示す部分断面図、図2は本発明に係わる非水電解質二次電池の一例である薄型非水電解質二次電池を示す断面図、図3は図2のA部を示す拡大断面図である。
【0172】
図1に示すように、ステンレスからなる有底円筒状の容器1は、底部に絶縁体2が配置されている。電極群3は、前記容器1に収納されている。前記電極群3は、正極4、セパレータ5、負極6及びセパレータ5を積層した帯状物を前記セパレータ5が外側に位置するように渦巻き状に捲回した構造になっている。
【0173】
前記容器1内には、非水電解質が収容されている。中央部が開口された絶縁紙7は、前記容器1内の前記電極群3の上方に配置されている。絶縁封口板8は、前記容器1の上部開口部に配置され、かつ前記上部開口部付近を内側にかしめ加工することにより前記封口板8は前記容器1に固定されている。正極端子9は、前記絶縁封口板8の中央に嵌合されている。正極リード10の一端は、前記正極4に、他端は前記正極端子9にそれぞれ接続されている。前記負極6は、図示しない負極リードを介して負極端子である前記容器1に接続されている。
【0174】
図2に示すように、例えば樹脂層を含むシートからなる収納容器11内には、電極群12が収納されている。電極群12は、正極、セパレータ及び負極からなる積層物が偏平形状に捲回された構造を有する。前記積層物は、図3の下側から、セパレータ13、活物質含有層14と正極集電体15と活物質含有層14を備えた正極16、セパレータ13、負極層17と負極集電体18と負極層17を備えた負極19、セパレータ13、活物質含有層14と正極集電体15と活物質含有層14を備えた正極16、セパレータ13、負極層17と負極集電体18を備えた負極19がこの順番に積層された構造を有する。前記電極群12の最外周は、負極集電体18が位置している。帯状の正極リード20は、一端が電極群2の正極集電体15に接続され、かつ他端が収納容器11から延出されている。一方、帯状の負極リード21は、一端が電極群2の負極集電体18に接続され、かつ他端が収納容器11から延出されている。
【0175】
以上説明したように本発明に係る非水電解質二次電池は、正極と、前記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有する炭素材料を含む負極と、非水電解質とを具備する。このような炭素材料は、細孔分布が均一で、かつ表面の極性が適度に高いため、リチウムの吸蔵・放出サイトを増加させることができると共に液状非水電解質との親和性を高くすることができる。その結果、初回の初充放電効率、放電容量及び充放電サイクル寿命特性が向上された非水電解質二次電池を実現することができる。
【0176】
前記炭素材料における細孔の内部を含む表面に、ホウ素原子を含む官能基、窒素原子を含む官能基、酸素原子を含む官能基及びリン原子を含む官能基よりなる群から選択される1種類以上の官能基が存在することによって、炭素材料のリチウム吸蔵・放出サイトをより多くすることができると共に、炭素材料と液状非水電解質との親和性をさらに高くすることができる。従って、非水電解質二次電池の放電容量及び充放電サイクル寿命をさらに向上することができる。特に、官能基が、カルボンキシル基、カルボニル基、水酸基、ラクトン基およびケトン基よりなる群から選択される1種類以上であることによって、非水電解質二次電池の放電容量及び充放電サイクル寿命を大幅に向上することができる。
【0177】
【実施例】
以下に本発明の具体的な実施例を挙げ、その効果について述べる。但し、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0178】
(実施例1〜4、比較例1〜3)
(負極炭素材料の製造)
石油ピッチを紡糸し大気中350℃で不融化した試料を黒鉛化する処理を表1に示す熱処理温度及び雰囲気条件で行い炭素材料を得た。加熱時間は8時間とした。ガスは加熱前に炉内に導入し完全に置換した後、ガスの流入を停止し、加熱を開始した。
【0179】
(負極の作製)
得られた炭素材料にポリテトラフルオロエチレンを加えシート状としステンレスメッシュに圧着し、150℃で真空乾燥し試験電極とした。
【0180】
(試験セルの組み立て)
エチレンカーボネート(EC)およびメチルエチルカーボネート(MEC)を体積比1:2で混合した非水溶媒にLiPF6を1M溶解させ、液状非水電解質を調製した。上記試験電極と液状非水電解質を用い、対極および参照極を金属Liとしたセルをアルゴン雰囲気中で作製し、充放電試験を行った。
【0181】
充放電試験の条件は、参照極と試験電極間の電位差0.01Vまで1mA/cm2の電流密度で充電、さらに0.01Vで5時間の定電圧充電を行い、放電は1mA/cm2の電流密度で2Vまで行った。加熱処理の条件および充放電試験により求めた負極材料の重量あたりの容量を表1に併記する。
【0182】
【表1】

Figure 0003673167
【0183】
表1から明らかなように、第2の製造方法により得られた炭素材料を含む負極を備えた実施例1〜4の二次電池は、単位重量当りの負極容量を比較例1〜3に比べて向上できることがわかる。
【0184】
これに対し、比較例2のように熱処理雰囲気中の炭酸ガス濃度が10体積%未満であったり、比較例3のように熱処理雰囲気中の水蒸気濃度を1体積%未満にすると、容量向上の効果があまり見られないことがわかる。
【0185】
(実施例5〜10)
(炭素質物の示差熱分析測定)
市販の高結晶性人工黒鉛についての示差熱分析測定により得られたTG曲線(Y軸)およびDTA曲線(R軸)の一例を図4に示す。この示差熱分析測定の条件を説明すると、試料である市販の高結晶性人工黒鉛の重量を50mgとし、炉内の雰囲気ガスとして炭酸ガスを使用し、ガス流量を100mL/min、測定開始温度を20℃、測定終了温度を1400℃、昇温速度を20℃/min、基準物質としてα−Al23を使用した。この図4のDTA曲線における吸熱ピークのピーク温度T1は、280℃である。一方、発熱ピークのピーク温度T2は、1270℃である。
【0186】
次いで、X線回折による(002)面の面間隔d002が0.3354nmである市販の高結晶性人工黒鉛を用意し、この高結晶性人工黒鉛についての示差熱分析を、炉内の雰囲気ガスとして下記表2に示す4種類の雰囲気(No.1〜No.4のガス雰囲気)を使用して行った。なお、示差熱分析における他の測定条件について説明すると、試料の重量が50mg、ガス流量が100mL/min、昇温速度が20℃/min、基準物質としてα−Al23を使用した。得られたDTA曲線から、吸熱ピークのピーク温度T1と発熱ピークのピーク温度T2を求めると共に、その値から(T1+T2)/2を算出した。これらの結果を下記表2に示す。
【0187】
【表2】
Figure 0003673167
【0188】
なお、表2中で乾燥空気とは80体積%のN2ガスと20体積%のO2ガスとの混合ガスを示す。
【0189】
(負極炭素材料の製造)
上記の高結晶性人工黒鉛(X線回折による(002)面の面間隔d002が0.3354nm)5gをアルミナ製るつぼに入れ、前述した表2に示すNo.1の雰囲気ガスの存在下で、かつ下記表3に示す温度で3時間の熱処理を行った。熱処理を行うにあたり大気が残留しないように加熱前に加熱炉の内部を真空にした後ガスを導入し、昇温中、加熱中および放冷中は0.8リットル/分の流量でガスを流した。また、昇温時間は3時間とした。熱処理後は放冷により室温まで試料温度が低下した後、加熱炉より取り出し炭素材料を得た。
【0190】
得られた炭素材料を用いて、負極の作製及び試験セルの組み立て、及び充放電試験を実施例1と同様に行った。充放電試験を行った結果を表3に併記する。
【0191】
(比較例4)
高結晶性人工黒鉛に熱処理を施さなかったこと以外は、前述した実施例5と同様にして、負極の作製と試験セルの組み立てと充放電試験を行った。充放電試験を行った結果を表3に併記する。
【0192】
【表3】
Figure 0003673167
【0193】
表3から明らかなように、第1の製造方法で得られた炭素材料を含む負極を備えた実施例5〜10の二次電池は、単位重量当りの負極容量を比較例4に比べて向上できることがわかる。
【0194】
(実施例11〜16及び比較例7〜12)
高結晶性人工黒鉛に施す熱処理における炉内の雰囲気ガスの組成と熱処理温度を下記表4に示すように変更すること以外は、前述した実施例5と同様にして、負極の作製と試験セルの組み立てと充放電試験を行った。充放電試験を行った結果を表4に併記する。
【0195】
なお、表4中で乾燥空気とは80体積%のN2ガスと20体積%のO2ガスとの混合ガスである。
【0196】
【表4】
Figure 0003673167
【0197】
表4から明らかなように、第1の製造方法により得られた炭素材料を含む負極を備えた実施例11〜16二次電池は、単位重量当りの負極容量を比較例4、7〜12に比べて向上できることがわかる。
【0198】
表1〜表4から明らかなように、本発明の製造方法を用いて処理された炭素材料は、電極容量が大きく増大した。熱処理を含CO2または含H2Oガスフロー中で行った高結晶性人造黒鉛は、大気中での処理の効果をさらに上回る容量増加を示した。黒鉛化処理を含CO2または含H2O雰囲気で行った場合も、Ar雰囲気中で黒鉛化した場合よりも大きな容量が得られる。また、CO2が5体積%、H2Oが0.5体積%の比較例においては容量増加の効果がほとんど見られなかった。
【0199】
(実施例17〜20、比較例13〜14)
X線回折による(002)面の面間隔d002が0.3354nmである市販の高結晶性人工黒鉛5gをアルミナ製るつぼに入れ、熱処理を行った。熱処理を行うにあたり大気が残留しないように加熱前に加熱炉の内部を真空にした後、雰囲気ガスを導入した。導入する雰囲気ガスには、Arガスを沸騰した酸水溶液の中に通じ、酸を蒸気として含ませたものを用いた。用いた酸の種類及び酸水溶液の濃度(重量%)を下記表5に示す。昇温中および加熱中は0.4リットル/分の流量でガスを流した。また、熱処理温度は下記表5に示すように設定した。昇温時間は1時間、保持時間は30分とした。熱処理後は放冷により試料温度が室温まで低下した後、加熱炉より取り出し、炭素材料を得た。
【0200】
得られた炭素材料を用いて、負極の作製、試験セルの組み立て、及び充放電試験を実施例1と同様に行った。充放電試験を行った結果を表5に併記する。
【0201】
【表5】
Figure 0003673167
【0202】
表5に見られるとおり、酸蒸気存在下で炭素材を熱処理することで、大きな容量の向上が得られる。この効果は、酸として濃度が68%の硝酸水溶液を用いた場合が特に大きい。
【0203】
(実施例21〜23)
X線回折による(002)面の面間隔d002が0.3354nmである市販の高結晶性人工黒鉛に前述した実施例11で説明したのと同様な条件、すなわち、雰囲気ガスとして50体積%の炭酸ガスと50体積%のアルゴンガスからなる混合ガスを使用し、熱処理温度を1200℃として熱処理を行った。次いで、この高結晶性人工黒鉛に前述した実施例17で説明したのと同様な条件、すなわち、濃度が68%の硝酸水溶液を使用し、熱処理温度を450℃として後熱処理を行い、実施例21に係る炭素材料を得た。
【0204】
X線回折による(002)面の面間隔d002が0.3354nmである市販の高結晶性人工黒鉛に前述した実施例17で説明したのと同様な条件、すなわち、濃度が68%の硝酸水溶液を使用し、熱処理温度を450℃として熱処理を行った。次いで、この高結晶性人工黒鉛に前述した実施例11で説明したのと同様な条件、すなわち、雰囲気ガスとして50体積%の炭酸ガスと50体積%のアルゴンガスからなる混合ガスを使用し、熱処理温度を1200℃として後熱処理を行い、実施例22に係る炭素材料を得た。
【0205】
X線回折による(002)面の面間隔d002が0.3354nmである市販の高結晶性人工黒鉛に前述した実施例17で説明したのと同様な条件、すなわち、濃度が68%の硝酸水溶液を使用し、熱処理温度を450℃として熱処理を行った。次いで、この高結晶性人工黒鉛に前述した実施例13で説明したのと同様な条件、すなわち、雰囲気ガスとして20体積%の水蒸気と80体積%のアルゴンガスからなる混合ガスを使用し、熱処理温度を1200℃として後熱処理を行い、実施例23に係る炭素材料を得た。
【0206】
得られた3種類の炭素材料について、負極の作製、試験セルの組み立て、及び充放電試験を実施例1と同様に行い、充放電試験結果を下記表6に示す。なお、表6に示す単位重量当りの容量は、比較例4の試験セルの単位重量あたりの容量を100(%)としたときの値である。表6中で先に行った処理を1段階目の熱処理(I)、その後に行った処理を2段階目の熱処理(II)としている。
【0207】
【表6】
Figure 0003673167
【0208】
表6から明らかなように、10体積%以上の炭酸ガスを含む雰囲気での熱処理と気体の酸を含む雰囲気での熱処理の双方が行われた実施例21,22の二次電池と、1体積%以上の水蒸気を含む雰囲気での熱処理と気体の酸を含む雰囲気での熱処理の双方が行われた実施例23の二次電池は、高い容量を得られることがわかる。特に、10体積%以上の炭酸ガスを含む雰囲気での熱処理の後に気体の酸を含む雰囲気での熱処理を行った実施例21の二次電池は、容量を大幅に改善することができる。
【0209】
(実施例24〜27)
平均繊維長が40μmで、平均粒径が下記表8に示す値の市販の黒鉛化炭素繊維5gをアルミナ製るつぼに入れ、表7に示す組成の雰囲気ガスの存在下で、かつこの表7に併記している温度で3時間の熱処理を行った。熱処理を行うにあたり大気が残留しないように加熱前に加熱炉の内部を真空にした後、ガスを導入し、昇温中、加熱中および放冷中は0.8リットル/分の流量でガスを流した。また、昇温時間は3時間とした。熱処理後は放冷により室温まで試料温度が低下した後、加熱炉より取り出し、繊維状炭素材料を得た。
【0210】
得られた炭素材料について、平均粒径と、X線回折による(002)面の面間隔d002と、BET法による比表面積とを測定し、その結果を下記表8に示す。
【0211】
なお、炭素材料のBET法による比表面積は、キャリアガスとしてHe−N2(70:30)の混合ガスを用い、一点式BET法で測定した。また、炭素材料の平均粒径は、レーザー光回折・散乱式粒度分析計(Leeds&Northrup社製で、型番が9320−X100)により測定した。すなわち、エチルアルコールからなる分散媒中に炭素材料粒子を懸濁させ、懸濁された炭素材料粒子にレーザー光を照射し、散乱光の強度分布を測定し、コンピュータ解折により粒度分布に変換する。得られた粒度分布における累積平均径(累積50%径)を求める平均粒径とする。
【0212】
さらに、得られた炭素材料について、n−ヘプタンに対する浸漬熱ΔHi hと1−ニトロプロパンに対する浸漬熱ΔHi nとを双子型伝熱熱量計(株式会社東京理工製で、型番がMMC−5111)にて測定した。
【0213】
すなわち、試料容器に溶媒を注入する。また、ガラスアンプル中に試料を入れて真空脱気をした後、溶封する。前記試料容器の前記溶媒中に前記アンプルを沈めた後、前記双子型伝熱熱量計にセットし、平衡温度に達した後にアンプルを破壊し、攪拌して溶媒と試料を混合し、生じた熱量を測定する。
【0214】
前記双子型伝熱熱量計内では、試料容器と恒温体とが感熱体を兼ねた熱良導電体で接続されており、感熱体の両端の温度差の時間経過を測定することで発生熱量と変化速度を求めることができる。
【0215】
測定条件を以下に列記する。
【0216】
試料である炭素材料の量:1.2g
試料前処理:150℃、10mmHg〜5mmHg、6時間
測定温度:25℃
浸漬媒はn−ヘキサンまたは1−ニトロプロパンで、浸漬媒量:22mL
熱量計算:コンピュータによりデータ処理
得られた浸漬熱ΔHi hと浸漬熱ΔHi nから浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を算出し、その結果を下記表8に示す。
【0217】
(実施例28)
平均繊維長が40μmで、平均粒径が25μmである市販の黒鉛化炭素繊維5gをアルミナ製るつぼに入れ、100体積%の炭酸ガスからなる雰囲気ガスの存在下で、1000℃で3時間の熱処理を行った。熱処理を行うにあたり大気が残留しないように加熱前に加熱炉の内部を真空にした後、ガスを導入し、昇温中、加熱中および放冷中は0.8リットル/分の流量でガスを流した。また、昇温時間は3時間とした。熱処理後は、放冷により室温まで試料温度が低下した後、加熱炉より取り出した。
【0218】
次いで、この繊維状炭素材料に再び熱処理を行った。加熱炉に導入する雰囲気ガスには、濃度が68重量%の硝酸水溶液を沸騰させたものの中にArガスを通じ、硝酸を蒸気として含ませたものを用いた。昇温中および加熱中は0.4リットル/分の流量でガスを流した。また、熱処理温度は450℃とし、熱処理時間を3時間とした。昇温時間は1時間、保持時間は30分とした。熱処理後は放冷により試料温度が室温まで低下した後、加熱炉より取り出し、炭素材料を得た。
【0219】
得られた炭素材料について、前述した実施例24で説明したのと同様な条件で、平均粒径、X線回折による(002)面の面間隔d002、BET法による比表面積および浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を測定し、その結果を下記表8に示す。
【0220】
(実施例29)
気体の酸を生成させる酸水溶液として、濃度が98重量%の酢酸水溶液を使用すること以外は、前述した実施例28と同様にして炭素材料を得た。
【0221】
得られた炭素材料について、前述した実施例24で説明したのと同様な条件で、平均粒径、X線回折による(002)面の面間隔d002、BET法による比表面積および浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を調べ、その結果を下記表8に示す。
【0222】
(実施例30)
気体の酸を生成させる酸水溶液として、濃度が85重量%の燐酸水溶液を使用すること以外は、前述した実施例28と同様にして炭素材料を得た。
【0223】
得られた炭素材料について、前述した実施例24で説明したのと同様な条件で、平均粒径、X線回折による(002)面の面間隔d002、BET法による比表面積および浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を調べ、その結果を下記表8に示す。
【0224】
(実施例31)
カーボン前駆体である石油ピッチを出発原料とし、これを紡糸後、300℃で1時間かけて表面の不融化処理を行った。次いで、この炭素前駆体に、100体積%の炭酸ガスからなる雰囲気ガスの存在下で、900℃で3時間の熱処理を行い、炭素化材料を得た。この炭素化材料は、無定形炭素もしくはソフトカーボンに属するものであった。次いで、100体積%の炭酸ガスからなる雰囲気ガスの存在下において、この炭素化材料を2800℃で3時間熱処理を施すことにより前記炭素化材料を黒鉛化し、繊維状の炭素材料を得た。ガスは加熱前に炉内に導入し完全に置換した後、ガスの流入を停止し、加熱を開始した。
【0225】
得られた炭素材料について、前述した実施例24で説明したのと同様な条件で、平均粒径、X線回折による(002)面の面間隔d002、BET法による比表面積および浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を調べ、その結果を下記表8に示す。
【0226】
(実施例32)
カーボン前駆体である石油ピッチを出発原料とし、これを紡糸後、300℃で1時間かけて表面の不融化処理を行った。次いで、この炭素前駆体に、20体積%のH2Oガスと80体積%のCO2ガスからなる雰囲気ガスの存在下で、900℃で3時間の熱処理を行い、炭素化材料を得た。この炭素化材料は、無定形炭素もしくはソフトカーボンに属するものであった。次いで、20体積%のH2Oガスと80体積%のCO2ガスからなる雰囲気ガスの存在下において、この炭素化材料を2800℃で3時間熱処理を施すことにより前記炭素化材料を黒鉛化し、繊維状の炭素材料を得た。ガスは加熱前に炉内に導入し完全に置換した後、ガスの流入を停止し、加熱を開始した。
【0227】
次いで、この繊維状炭素材料に熱処理を行った。加熱炉に導入する雰囲気ガスには、沸騰した濃度が68重量%の硝酸水溶液の中にArガスを通じ、硝酸を蒸気として含ませたものを用いた。昇温中および加熱中は0.4リットル/分の流量でガスを流した。また、熱処理温度は450℃とし、熱処理時間を3時間とした。昇温時間は1時間、保持時間は30分とした。熱処理後は放冷により試料温度が室温まで低下した後、加熱炉より取り出し、炭素材料を得た。
【0228】
得られた炭素材料について、前述した実施例24で説明したのと同様な条件で、平均粒径、X線回折による(002)面の面間隔d002、BET法による比表面積および浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を調べ、その結果を下記表8に示す。
【0229】
(比較例15〜23)
平均繊維長が40μmで、平均粒径が下記表8に示す値の市販の黒鉛化炭素繊維に下記表7に示す組成の雰囲気ガスの存在下で、この表7に併記する温度で3時間熱処理を行うことにより比較例16〜23の炭素材料を得た。また、熱処理を全く行わない黒鉛化炭素繊維を比較例15の炭素材料として用意した。なお、比較例16,17において熱処理雰囲気として使用した空気の組成は、80体積%のN2ガスと20体積%のO2ガスとの混合ガスからなる。
【0230】
得られた炭素材料について、前述した実施例24で説明したのと同様な条件で、平均粒径、X線回折による(002)面の面間隔d002、BET法による比表面積および浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を調べ、その結果を下記表8に示す。
【0231】
得られた実施例24〜32及び比較例15〜23の炭素材料を用いて、以下に説明する方法で試験セルを組立てた。
【0232】
まず、各炭素材料にポリテトラフルオロエチレンを加えてシート状とし、これをステンレスメッシュに圧着し、150℃で真空乾燥し試験電極とした。また、エチレンカーボネート(EC)およびメチルエチルカーボネート(MEC)を体積比1:2で混合した非水溶媒にLiPF6を1M溶解させ、液状非水電解質を調製した。得られた試験電極及び液状非水電解質を用いると共に、対極および参照極を金属Liとしてアルゴン雰囲気中で試験セルを組み立てた。
【0233】
得られた実施例24〜32及び比較例15〜23の試験セルについて、以下の(1)及び(2)に説明する条件で充放電試験を行い、その結果を下記表8に併記する。
【0234】
(1)参照極と試験電極間の電位差0.01Vまで1mA/cm2の電流密度で充電、さらに0.01Vで5時間の定電圧充電を行った後、1mA/cm2の電流密度で2Vまで放電して放電容量を測定し、負極炭素材料1g当りの放電容量を下記表8に併記する。
【0235】
(2)以下に説明する条件での充放電を繰り返し、放電容量が1サイクル目の容量の80%に低下するまでに要したサイクル数を測定し、その結果を下記表8に併記する。
【0236】
充電:参照極と試験電極間の電位差0.01Vまで1mA/cm2の電流密度で充電を行い、さらに0.01Vで5時間の定電圧充電を行う。
【0237】
放電:1mA/cm2の電流密度で2Vまで放電する。
【0238】
【表7】
Figure 0003673167
【0239】
【表8】
Figure 0003673167
【0240】
表7、表8から明らかなように、前記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)を有する炭素材料を含む負極を備えた実施例24〜32の二次電池は、高い放電容量を有し、かつサイクル寿命を長くできることがわかる。
【0241】
これに対し、空気もしくはアルゴンガス雰囲気で熱処理が施された炭素材料を含む負極を備えた比較例16〜18の二次電池は、浸漬熱比(ΔHi n/ΔHi h)が、熱処理を行っていない炭素材料を含む負極を備えた比較例15とほとんど変わらず、放電容量及びサイクル寿命が実施例24〜32に比べて低いことがわかる。また、比較例19〜23の二次電池は、サイクル寿命が実施例24〜32に比べて低いことがわかる。
【0242】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、非水電解質二次電池の初充放電効率、放電容量、大電流特性及びサイクル寿命を向上することが可能な負極用炭素材料を提供することができる。また、本発明によれば、初充放電効率、放電容量、大電流特性及びサイクル寿命が向上された非水電解質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る非水電解質二次電池の一例である円筒型非水電解質二次電池を示す部分断面図。
【図2】本発明に係る非水電解質二次電池の一例である薄型非水電解質二次電池を示す断面図。
【図3】図2のA部を示す断面図。
【図4】実施例における黒鉛についての示差熱分析により得られるTG曲線(Y軸)およびDTA曲線(R軸)の一例を示す特性図。
【符号の説明】
1…容器、
3…電極群、
4…正極、
5…セパレータ、
6…負極、
8…封口板、
9…正極端子、
11…容器、
12…電極群、
13…セパレータ、
14…活物質含有層、
15…正極集電体、
16…正極、
17…負極層、
18…負極集電体、
19…負極、
20…正極端子、
21…負極端子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon material for a negative electrode used for a negative electrode of a battery such as a non-aqueous electrolyte secondary battery or a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a method for producing a carbon material for a negative electrode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various portable electronic devices are becoming widespread due to rapid development of miniaturization technology of electronic devices. Further, miniaturization is also required for batteries that are power sources of these portable electronic devices, and non-aqueous electrolyte secondary batteries having high energy density are attracting attention.
[0003]
Non-aqueous electrolyte secondary batteries using metallic lithium as the negative electrode active material have a very high energy density, but the battery life is short because dendritic crystals called dendrites are deposited on the negative electrode during charging. Since this grows up to reach the positive electrode and causes an internal short circuit, there is a problem in safety.
[0004]
Accordingly, attempts have been made to use lithium alloys, carbon materials, amorphous chalcogen compounds, and the like as negative electrode active materials instead of lithium metal. However, in a negative electrode including a lithium alloy, the lithium alloy is easily pulverized with a charge / discharge cycle, so that the cycle life of the secondary battery is inferior. In addition, the negative electrode containing an amorphous chalcogen compound has a problem in that the initial charge / discharge efficiency is low because an irreversible reaction is likely to occur during the first charge. For these reasons, carbon materials that can ensure the safety and cycle life of secondary batteries are put to practical use exclusively as negative electrode active materials for nonaqueous electrolyte secondary batteries.
[0005]
Conventionally, carbon materials used in non-aqueous electrolyte secondary batteries include carbon precursors such as pitch, coke, and polymers that are carbonized or graphitized by heat treatment in an inert gas atmosphere, natural graphite, artificial carbon Graphite and low-temperature calcined carbon are used.
[0006]
However, since the capacity of the carbon material as the negative electrode active material is smaller than that of lithium metal, lithium alloy, or the like, the nonaqueous electrolyte secondary battery including the negative electrode containing the carbon material cannot obtain a high discharge capacity. Have.
[0007]
By the way, the publication of Japanese Patent Laid-Open No. 5-28996 discloses a secondary battery comprising at least a positive electrode active material, a negative electrode active material, and an organic electrolyte, and 400 to 400 in an inert atmosphere or vacuum before use as a negative electrode active material. An organic electrolyte secondary battery characterized by using natural graphite heat-treated at 800 ° C. alone or in combination is disclosed.
[0008]
On the other hand, JP-A-6-290781 discloses a lithium secondary battery in which natural graphite is used as a negative electrode material capable of occluding and releasing lithium ions, wherein the natural graphite is heated to a temperature of 1800 ° C. or higher in an inert atmosphere. A lithium secondary battery characterized in that it is heat-treated in step 1 is disclosed.
[0009]
Further, JP-A-9-55204 discloses a method for manufacturing a lithium ion secondary battery having an anode containing carbon into which lithium can be inserted reversibly, and is preferably used before assembling the battery. Disclosed is a method of heating the carbon in the presence of oxygen for a sufficient amount of time and temperature to selectively remove not highly reactive carbon atoms from the carbon by gasification and gasification. Yes.
[0010]
In Journal of Power Sources, Vol. 76, pages 180 to 185, 1998, a method for removing impurities by subjecting a carbon material to heat treatment is described.
[0011]
On the other hand, in claim 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 10-40914, a negative electrode using graphite particles having amorphous carbon attached to the surface as a negative electrode active material, and a chalcogenide containing lithium are provided. It consists of a positive electrode as a positive electrode active material and a non-aqueous ion conductor, and the negative electrode active material is formed by attaching amorphous carbon to the surface of the graphite particles after oxidizing the graphite particles. A featured non-aqueous secondary battery is disclosed.
[0012]
Further, in Claim 1 of JP-A-10-214615, it is composed of a negative electrode, a positive electrode containing a chalcogenide containing lithium as a positive electrode active material, and a non-aqueous ion conductor, A non-aqueous secondary battery is disclosed in which the negative electrode includes a carbon material in which amorphous carbon is attached to the surface of graphite particles oxidized with potassium permanganate as a negative electrode active material.
[0013]
However, none of the discharge capacities of the secondary batteries disclosed in the above-mentioned six documents are sufficient.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and excellent cycle life characteristics.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a carbon material for a negative electrode and a method for producing the carbon material for a negative electrode capable of increasing the capacity of a nonaqueous electrolyte secondary battery.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  A non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a positive electrode,
  Immersion heat ratio (ΔH defined by the following formula (1)i n/ ΔHi h)Graphitization with an average particle size of 5 to 100 μmA negative electrode including a material;
  With non-aqueous electrolyte
It is characterized by comprising.
[0017]
        1.2 ≦ ΔHi n/ ΔHi h≦ 2 (1)
  However, in the formula (1), the ΔHi hSaidGraphitizationHeat of immersion for n-heptane of the material, the ΔHi nSaidGraphitizationHeat of immersion for the material 1-nitropropane.
[0018]
In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the carbon material contains 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2It is preferable to obtain the carbonaceous material containing at least one of the carbonized material and the graphitized material in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O.
[0019]
In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the carbon material may be a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material, and 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2Obtained by performing a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O and then performing a heat treatment in an atmosphere containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas. It is preferable.
[0020]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) Is preferably in the range of 1.25 to 1.75.
[0021]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, it is preferable that an average particle diameter of the carbon material is in a range of 5 to 100 μm.
[0022]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the specific surface area of the carbon material according to the BET method is 1 to 50 m.2/ G is desirable.
[0023]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the surface spacing d of the (002) plane determined by X-ray diffraction of the carbon material.002Is preferably in the range of 0.335 nm to 0.34 nm.
[0024]
In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the non-aqueous electrolyte is preferably one of a liquid non-aqueous electrolyte, a gel-like non-aqueous electrolyte, and a solid non-aqueous electrolyte.
[0025]
  The carbon material for a negative electrode according to the present invention has an immersion heat ratio (ΔH defined by the following formula (1)i n/ ΔHi h)And a graphitized material having an average particle size of 5 to 100 μmIt is characterized by this.
[0026]
        1.2 ≦ ΔHi n/ ΔHi h≦ 2 (1)
  However, in the formula (1), the ΔHi hSaidGraphitizationHeat of immersion for n-heptane of the material, the ΔHi nSaidGraphitizationHeat of immersion for the material 1-nitropropane.
[0027]
In the carbon material for a negative electrode according to the present invention, the carbon material contains 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2It is preferably obtained by subjecting a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material to a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O.
[0028]
In the carbon material for a negative electrode according to the present invention, the carbon material contains 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2It is obtained by performing heat treatment in an atmosphere containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas after performing the heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O. It is preferable.
[0029]
In the carbon material for a negative electrode according to the present invention, the immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) Is preferably in the range of 1.25 to 1.75.
[0030]
In the carbon material for a negative electrode according to the present invention, the average particle size of the carbon material is preferably in the range of 5 to 100 μm.
[0031]
In the carbon material for a negative electrode according to the present invention, the specific surface area of the carbon material according to the BET method is 1 to 50 m.2/ G is desirable.
[0032]
In the carbon material for a negative electrode according to the present invention, the spacing d of (002) planes determined by X-ray diffraction of the carbon material.002Is preferably in the range of 0.335 nm to 0.34 nm.
[0033]
The first method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention comprises 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, the method includes a step of performing a heat treatment on a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material. .
[0034]
In the first manufacturing method according to the present invention, it is preferable that the heat treatment temperature satisfies the following expression (2).
[0035]
(T1+ T2) / 2 ≦ T ≦ T2        (2)
However, in the formula (2), the T is the heat treatment temperature (° C.), and the T1Is the peak temperature (° C.) of the endothermic peak obtained when differential thermal analysis measurement is performed on the carbonaceous material in the gas atmosphere.2Is the peak temperature (° C.) of the exothermic peak obtained by the differential thermal analysis measurement.
[0036]
The second method for producing a carbon material for negative electrode according to the present invention comprises 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2It comprises a step of carbonizing or graphitizing the carbon precursor by subjecting the carbon precursor to a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O. is there.
[0037]
In the second method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention, when the heat treatment temperature is in a range of 800 ° C. or more and less than 2000 ° C., the first gas atmosphere and the third gas atmosphere CO2Concentrations are 50 volume% or more and 100 volume% or less, respectively, and the H in the second gas atmosphere and the third gas atmosphere are each2The O concentration is preferably 2% by volume or more and 100% by volume or less, respectively.
[0038]
In the second method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention, when the heat treatment temperature is in a range of 2000 ° C. to 3000 ° C., the CO in the first gas atmosphere and the third gas atmosphere2The concentration is 10% by volume or more and 60% by volume or less, respectively, and the H in the second gas atmosphere and the third gas atmosphere2The O concentration is preferably 1.5% by volume or more and 30% by volume or less, respectively.
[0039]
The third method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention includes a carbon containing at least one of a carbonized material and a graphitized material in an atmosphere containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas. It comprises a step of subjecting the material to a heat treatment.
[0040]
The fourth method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention comprises 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2Applying a heat treatment to a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O;
Contacting the carbonaceous material with a gaseous acid;
It is characterized by comprising.
[0041]
The fifth method for producing a carbon material for negative electrode according to the present invention comprises 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2Carbonizing or graphitizing the carbon precursor by subjecting the carbon precursor to a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O;
And a step of bringing a gaseous acid into contact with the carbonized or graphitized carbon precursor.
[0042]
In the third to fifth production methods according to the present invention, the gaseous acid is preferably acid vapor.
[0043]
In the third to fifth manufacturing methods according to the present invention, the gaseous acid is preferably composed of at least one of an inorganic acid vapor and an organic acid vapor.
[0044]
In the third to fifth production methods according to the present invention, the inorganic acid is one or more acids selected from the group consisting of nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, shelf acid and phosphoric acid, and the organic acid The acid is preferably at least one acid selected from the group consisting of formic acid, acetic acid, propionic acid, phenol and oxalic acid.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The manufacturing method of the 1st-5th carbon material for negative electrodes which concerns on this invention is demonstrated.
[0046]
1. Method for producing first carbon material for negative electrode
In this production method, 10% by volume or more of CO2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, a step of performing a heat treatment on a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material is provided. Here, the gas atmosphere means a gas introduced into the firing furnace during the heat treatment.
[0047]
The carbonized material can be obtained by subjecting a carbon precursor such as pitch, coke, or polymer to a heat treatment. Specific examples of the carbonized material include amorphous carbon and soft carbon. On the other hand, the graphitized material can be obtained by carbonizing a carbon precursor such as pitch, coke, polymer, etc. by heat treatment, and then subjecting the obtained carbonized material to heat treatment again. The carbonization treatment and the graphitization treatment may each be performed by the method described in the second manufacturing method described later. Further, as the carbonized material, for example, low-temperature calcined carbon can be used. On the other hand, as the graphitized material, for example, natural graphite or artificial graphite may be used.
[0048]
In the present invention, a mixture of a carbonized material and a graphitized material can be used as the carbonaceous material.
[0049]
The carbonized material and the graphitized material each have a (002) plane spacing d determined by X-ray diffraction measurement.002Is preferably 0.34 nm or less. A more preferable range is 0.335 nm to 0.34 nm.
[0050]
The carbonized material and the graphitized material may each contain other elements such as boron, phosphorus, and fluorine. In order to increase the reaction rate, it is effective to add an alkali metal or an alkaline earth metal to the carbonaceous material.
[0051]
The heat treatment temperature T (° C.) preferably satisfies the following formula (2).
[0052]
(T1+ T2) / 2 ≦ T ≦ T2        (2)
However, in the formula (2), the T is the temperature (° C.) of the heat treatment, and the T1Is the peak temperature (° C.) of the endothermic peak obtained when differential thermal analysis measurement is performed on the carbonaceous material in the gas atmosphere.2Is the peak temperature (° C.) of the exothermic peak obtained by the differential thermal analysis measurement.
[0053]
Differential thermal analysis measurement is performed on the carbonaceous material before heat treatment. The measurement atmosphere in the differential thermal analysis has the same composition as the gas atmosphere for heat treatment. The peak temperature obtained by differential thermal analysis measurement is affected by the amount of sample, the atmospheric gas flow rate, the heating rate, etc.1And T2Is preferably set to a sample weight of 50 mg, an atmospheric gas flow rate of 100 mL / min, and a temperature increase rate of about 20 ° C./min.
[0054]
Endothermic peak peak temperature T1(° C.) is generated by a dehydration reaction of a carbonaceous material or a vaporization reaction of a volatile component from the carbonaceous material. On the other hand, the peak temperature T of the exothermic peak2(° C.) is generated by an oxidation reaction of the carbonaceous material. By setting the heat treatment temperature T within the range defined by the aforementioned equation (2), the capacity of the secondary battery can be significantly improved. Heat treatment temperature (T1+ T2If the temperature is lower than) / 2, the surface modification reaction is difficult to proceed, and a high battery capacity may not be obtained. On the other hand, the heat treatment temperature is T2When the temperature is higher, the entire carbonaceous material is rapidly oxidized, so that it may be difficult to sufficiently increase the capacity, and the weight loss due to oxidation of the carbonaceous material may increase.
[0055]
Although the optimum heat treatment time tends to vary depending on other manufacturing conditions such as the heat treatment temperature, the preferred heat treatment time is 0.5 hours or more and 48 hours or less, and the more preferred heat treatment time is 1 hour or more, 12 hours or more. Below time.
[0056]
CO2And H2Examples of the gas contained in the heat treatment atmosphere other than O include at least one gas selected from the group consisting of oxygen gas, nitrogen gas, and inert gas. Examples of the inert gas include argon gas, helium gas, xenon gas, and krypton gas. Among these, it is preferable to use a non-oxidizing gas typified by nitrogen gas or inert gas in combination. Further, it is better that the oxygen gas is not contained in the heat treatment atmosphere, that is, the gas introduced into the firing furnace. However, when the oxygen gas is contained in the heat treatment atmosphere, the oxygen gas content is 10% by volume or less. It is desirable to make it. If the oxygen gas is contained in the heat treatment atmosphere in an amount exceeding 10% by volume, oxygen may cause a combustion reaction with carbon, which may make it difficult to obtain a preferable surface state. At the same time, the amount of gasification during the surface treatment of the carbonaceous material may increase and the yield may decrease.
[0057]
The first method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention as described above is obtained by adding 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, a step of performing a heat treatment on a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material is provided. According to such a manufacturing method, the carbon material for negative electrodes which can implement | achieve a high capacity | capacitance nonaqueous electrolyte secondary battery can be provided. I believe this is due to the mechanism described below.
[0058]
That is, O2The reaction of carbon to carbon dioxide in the presence of carbon is a carbon combustion reaction, which is an exothermic reaction, whereas H2O or CO2The reaction in which carbon changes to carbon dioxide in the presence of is an endothermic reaction. For this reason, H2O or CO2In the presence of O2Carbon gasification is less likely to occur than in the presence of. When heat treatment is performed on at least one of the carbonized material and the graphitized material in the first, second, or third gas atmosphere described above, the portion having high conductivity and high degree of graphitization has a gasification rate. A portion having a low degree of graphitization that is easily gasified can be selectively converted into carbon dioxide gas while remaining small. Further, since this gasification reaction proceeds gently, pores can be uniformly formed on the surface and inside of the carbonaceous material by the gasification reaction. Furthermore, the crystallinity of the carbonaceous material can be further increased by the heat treatment. As a result, the conductivity of the carbonaceous material and the utilization rate of the lithium storage site can be improved, and the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved because some pores function as lithium storage sites. Can do.
[0059]
By the way, CO in gas atmosphere2The content is less than 10% by volume and H2When the O content is less than 1% by volume, the amount of gasification reaction at a portion having a low graphitization degree becomes insufficient, and it becomes difficult to obtain a high discharge capacity in the secondary battery. H2O and CO2O instead of2When carbon dioxide is used, the combustion reaction of carbon occurs rapidly, making it difficult to selectively gasify a portion having a low graphitization degree.
[0060]
In addition, when the heat treatment temperature T is 2000 ° C. or higher, CO in the first gas atmosphere and the third gas atmosphere2The concentration is preferably 10% by volume or more and 60% by volume or less. This is because when the heat treatment temperature T is 2000 ° C. or higher, CO in the first gas atmosphere2This is because if the concentration exceeds 60% by volume, the gasification reaction rate increases and gasification may occur up to a portion having a high degree of graphitization. On the other hand, when the heat treatment temperature T is less than 2000 ° C., CO in the first gas atmosphere and the third gas atmosphere2The concentration is desirably 50% by volume or more and 100% by volume or less. This is because when the heat treatment temperature T is less than 2000 ° C., CO in the first gas atmosphere2This is because if the concentration is less than 50% by volume, the reaction is difficult to proceed and it may be difficult to obtain a high-capacity carbon material in a short heat treatment time.
[0061]
H in the second gas atmosphere and the third gas atmosphere2When the heat treatment temperature T is 2000 ° C. or higher, the O concentration is preferably 1.5% by volume or more and 30% by volume or less. This is because when the heat treatment temperature T is 2000 ° C. or higher, the second gas atmosphere H2This is because if the O concentration exceeds 30% by volume, the gasification reaction rate increases and gasification may occur up to a portion having a high degree of graphitization. Further, H in the second gas atmosphere and the third gas atmosphere2When the heat treatment temperature T is less than 2000 ° C., the O concentration is desirably 2% by volume or more and 100% by volume or less. This is because when the heat treatment temperature T is less than 2000 ° C., the second gas atmosphere H2This is because if the O concentration is less than 2% by volume, the reaction is difficult to proceed and it may be difficult to obtain a high-capacity carbon material in a short heat treatment time.
[0062]
In the first method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention, when the heat treatment temperature T (° C.) satisfies the above-described formula (2), a non-electrode including a negative electrode containing the carbon material produced by this method is provided. The water electrolyte secondary battery can further improve the capacity, and can improve the initial charge / discharge efficiency and large current characteristics.
[0063]
2. Method for producing second carbon material for negative electrode
In this production method, 10% by volume or more of CO2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2A step of carbonizing or graphitizing the carbon precursor by subjecting the carbon precursor to a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O.
[0064]
Any material can be used as the carbon precursor as long as it is a carbon-based material, a carbonizable material, or a graphitizable material. Specific examples of the carbon precursor include pitch, coke, and polymer. The carbon precursor may contain other elements such as boron, phosphorus and fluorine. In order to increase the reaction rate, it is effective to add an alkali metal or an alkaline earth metal to the carbon precursor.
[0065]
The heat treatment temperature is preferably in the range of 800 ° C to 3000 ° C. This is due to the following reason. When the heat treatment temperature is less than 800 ° C., it is easy to obtain a carbon material in which the graphite structure is not sufficiently developed and a large amount of volatile components contained in the carbon precursor remain. Since such a carbon material has low conductivity, the large current discharge characteristics and cycle characteristics of the secondary battery are deteriorated. On the other hand, performing the heat treatment at a temperature exceeding 3000 ° C. may cause an increase in the manufacturing cost, or the manufacturing process may be complicated. In particular, by setting the heat treatment temperature within the range of 2000 to 3000 ° C., the discharge capacity and cycle life characteristics of the secondary battery can be improved. Therefore, the heat treatment temperature is more preferably in the range of 2000 to 3000 ° C. The most preferred range is 2500 to 3000 ° C.
[0066]
When the heat treatment temperature is 2000 ° C. or higher, CO in the first gas atmosphere and the third gas atmosphere is used for the same reason as described in the first manufacturing method.2The concentration is preferably 10% by volume or more and 60% by volume or less, and H in the second gas atmosphere and the third gas atmosphere is preferable.2The O concentration is preferably 1.5% by volume or more and 30% by volume or less.
[0067]
On the other hand, when the heat treatment temperature T is less than 2000 ° C., the CO in the first gas atmosphere and the third gas atmosphere for the same reason as described in the first manufacturing method described above.2The concentration is preferably 50% by volume or more and 100% by volume or less, and H in the second gas atmosphere and the third gas atmosphere is preferred.2The O concentration is desirably 2% by volume or more and 100% by volume or less.
[0068]
Although the optimum heat treatment time tends to vary depending on other manufacturing conditions such as the heat treatment temperature, the preferred heat treatment time is 0.5 hours or more and 48 hours or less, and the more preferred heat treatment time is 1 hour or more, 12 hours or more. Below time.
[0069]
CO2And H2Examples of the gas other than O contained in the atmosphere include at least one gas selected from the group consisting of oxygen gas, nitrogen gas, and inert gas. Examples of the inert gas include argon, helium, xenon, krypton, and the like. Among these, it is preferable to use a non-oxidizing gas typified by nitrogen gas or inert gas in combination. In addition, it is better that the gas introduced into the firing furnace, that is, the gas introduced into the firing furnace, does not contain oxygen gas. However, when oxygen gas is contained in the gas atmosphere, the above-described first method has been described. For the same reason as described above, the oxygen gas content is desirably 10% by volume or less.
[0070]
The second method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention described above is characterized by 10% by volume or more of CO.2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2A step of carbonizing or graphitizing the carbon precursor by subjecting the carbon precursor to a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O. According to such a manufacturing method, the carbon material for negative electrodes which can implement | achieve a high capacity | capacitance nonaqueous electrolyte secondary battery can be provided. I believe this is due to the mechanism described below.
[0071]
That is, according to the present invention, the carbon precursor can be carbonized or graphitized, and a region with a low graphitization degree can be selectively gasified, so that the conductivity and utilization rate of the lithium storage site are improved. And a carbon material in which some pores function as lithium storage sites can be produced. As a result, the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode including such a carbon material can be improved.
[0072]
3. Method for producing third carbon material for negative electrode
This manufacturing method includes a step of heat-treating a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material in an atmosphere containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas.
[0073]
The carbonized material can be obtained by subjecting a carbon precursor such as pitch, coke, or polymer to a heat treatment. Specific examples of the carbonized material include amorphous carbon and soft carbon. On the other hand, the graphitized material can be obtained by carbonizing a carbon precursor such as pitch, coke, polymer, etc. by heat treatment, and then subjecting the obtained carbonized material to heat treatment again. The carbonization treatment and the graphitization treatment are each preferably performed by the method described in the second manufacturing method described above. Further, as the carbonized material, for example, low-temperature calcined carbon can be used. On the other hand, as the graphitized material, for example, natural graphite or artificial graphite may be used.
[0074]
In the present invention, a mixture of a carbonized material and a graphitized material can be used as the carbonaceous material.
[0075]
The carbonized material and the graphitized material each have a (002) plane spacing d determined by X-ray diffraction measurement.002Is preferably 0.34 nm or less. A more preferable range is 0.335 nm to 0.34 nm.
[0076]
The carbonized material and the graphitized material may each contain other elements such as boron, phosphorus, and fluorine. In order to increase the reaction rate, it is effective to add an alkali metal or an alkaline earth metal to the at least one carbonaceous material.
[0077]
Examples of the inorganic acid include nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, shelf acid, and phosphoric acid. On the other hand, examples of the organic acid include formic acid, acetic acid, propionic acid, phenol, and oxalic acid.
[0078]
Among the organic acids and the inorganic acids, an acid having a high oxidizing power, specifically, a Lewis acid capable of imparting an oxygen atom is desirable for improving the electrode capacity. In particular, organic acids such as nitric acid and acetic acid having high oxidizing power are desirable for improving electrode characteristics. Most preferred is nitric acid. When nitric acid is used, the reaction temperature is preferably 130 ° C. or higher which is the boiling point of the aqueous nitric acid solution.
[0079]
For the inorganic acid and the organic acid, a functional group having polarity such as a functional group containing a boron atom, a functional group containing a nitrogen atom, a functional group containing an oxygen atom, or a functional group containing a phosphorus atom is introduced into the carbonaceous material. Can do. In particular, functional groups containing an oxygen atom such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, a lactone group, and a ketone group are easily introduced into the carbonaceous material. These functional groups are considered to be introduced into the carbonaceous material during the heat treatment. In addition, these functional groups function as lithium storage sites and improve wettability between the liquid non-aqueous electrolyte, which is a polar solvent, and the carbon material of the negative electrode, so that electrode characteristics can be improved.
[0080]
As the inorganic acid gas, in addition to the inorganic acid vapor, for example, water containing an inorganic acid vapor by boiling an aqueous solution of the inorganic acid can be used. On the other hand, as the organic acid gas, in addition to the organic acid vapor, for example, water vapor containing an organic acid vapor obtained by boiling an organic acid aqueous solution can be used.
[0081]
Examples of the gas contained in the atmosphere other than the inorganic acid gas and the organic acid gas include at least one gas selected from the group consisting of oxygen gas, nitrogen gas, and inert gas. . Examples of the inert gas include argon gas, helium gas, xenon gas, and krypton gas. Among these, it is preferable to use a non-oxidizing gas typified by nitrogen gas or inert gas in combination.
[0082]
The heat treatment temperature is preferably 800 ° C. or lower. When the heat treatment temperature exceeds 800 ° C., the reaction proceeds rapidly, so that it may be difficult to uniformly acid-treat the surface of the carbonaceous material. A more preferable range of the heat treatment temperature is 500 ° C. or less. The lower limit of the heat treatment temperature is set so that an inorganic acid or an organic acid can exist in a gaseous state in the atmosphere in which the heat treatment is performed. Therefore, it is desirable that the heat treatment temperature be higher than the vaporization temperature of the inorganic acid or organic acid and not higher than 800 ° C.
[0083]
Examples of the heat treatment method include the methods described in the following (a) to (c), but are not limited thereto.
[0084]
(A) A method of circulating a gas containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas on a carbonaceous material composed of at least one of a carbonized material and a graphitized material, and heating them.
[0085]
(B) A method in which an acid is added to the carbonaceous material to form a dispersion or slurry, followed by heat treatment at a temperature equal to or higher than the boiling point of the acid.
[0086]
(C) A method in which the carbonaceous material is granulated using an acid as a granulating agent and reacted when dried at a high temperature.
[0087]
The above-described third method for producing a carbon material for negative electrode according to the present invention includes at least one of a carbonized material and a graphitized material in an atmosphere containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas. The carbonaceous material containing is heat-processed. A nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode including a carbon material manufactured by such a method can improve initial charge / discharge efficiency, discharge capacity, and charge / discharge cycle life. I believe this is due to the mechanism described below.
[0088]
As in the third invention, when the carbonaceous material is subjected to a heat treatment in an atmosphere in which at least one of an organic acid gas and an inorganic acid gas is present, pores can be formed on the surface of the carbonaceous material, It is possible to introduce a functional group, particularly a functional group having polarity such as a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, a lactone group, and a ketone group, on the surface of the carbonaceous material. These functional groups can function as a lithium storage site and can improve the wetting of the liquid non-aqueous electrolyte that is a polar solvent and the carbon material of the negative electrode. As a result, the nonaqueous electrolyte secondary battery including the negative electrode including the carbon material manufactured by the method of the present invention can improve the initial charge / discharge efficiency, the discharge capacity, and the charge / discharge cycle life.
[0089]
Note that both the third manufacturing method and the first manufacturing method described above may be applied to the carbonaceous material as the surface modification treatment. Moreover, the carbon material for negative electrodes obtained by the second manufacturing method is subjected to the first manufacturing method, the third manufacturing method, or both the first manufacturing method and the third manufacturing method as the surface modification treatment. Can be applied.
[0090]
Particularly preferred combinations include (I) performing a surface modification treatment on the negative electrode carbon material obtained by the second production method by the third production method, and (II) among the graphitized material and the carbonized material. A carbonaceous material containing at least one may be subjected to a surface modification treatment by the first production method and then a final surface modification treatment by the third production method. According to the methods (I) and (II) described above, a negative electrode carbon material having better characteristics can be obtained by the synergistic effect of each treatment.
[0091]
4). Fourth method for producing carbon material for negative electrode
In this production method, 10% by volume or more of CO2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2Applying a heat treatment to a carbonaceous material containing at least one of a carbonized material and a graphitized material in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O;
Contacting the carbonaceous material with a gaseous acid;
It comprises.
[0092]
The heat treatment step can be performed by the same method as described in the first method for producing a carbon material for negative electrode.
[0093]
For gaseous acids, it is desirable to use acid vapors.
[0094]
As the gaseous acid, one or more kinds of gases selected from the group consisting of inorganic acid gas and organic acid gas can be used. Examples of the inorganic acid include nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, shelf acid, and phosphoric acid. On the other hand, examples of the organic acid include formic acid, acetic acid, propionic acid, phenol, and oxalic acid. Of the organic acid and the inorganic acid, nitric acid having high oxidizing power is preferable.
[0095]
As the inorganic acid gas, in addition to the inorganic acid vapor, for example, water containing an inorganic acid vapor by boiling an aqueous solution of the inorganic acid can be used. On the other hand, as the organic acid gas, in addition to the organic acid vapor, for example, water vapor containing an organic acid vapor obtained by boiling an organic acid aqueous solution can be used.
[0096]
When the gaseous acid is brought into contact with the carbonaceous material that has been subjected to the heat treatment step, the carbonaceous material is preferably subjected to a thermal treatment so that the acid can maintain a gaseous state. The heat treatment temperature is preferably not less than the vaporization temperature of the inorganic acid or organic acid and not more than 800 ° C. When the heat treatment temperature exceeds 800 ° C., the reaction proceeds rapidly, so that it may be difficult to uniformly acid-treat the surface of the carbonaceous material. A more preferable range of the heat treatment temperature is not less than the vaporization temperature of the inorganic acid or organic acid and not more than 500 ° C. For example, when nitric acid is used as the inorganic acid, the heat treatment temperature is desirably in the range of 130 ° C to 500 ° C.
[0097]
Examples of the method of bringing a gaseous acid into contact with the carbonaceous material that has been subjected to the heat treatment step include the methods described in (A) to (C) below, but are not limited thereto.
[0098]
(A) A method in which a gas containing at least one of an inorganic acid gas and an organic acid gas is circulated on a carbonaceous material composed of at least one of a carbonized material and a graphitized material, and these are heated.
[0099]
(B) A method in which an acid is added to the carbonaceous material to form a dispersion or slurry, followed by heat treatment at a temperature equal to or higher than the boiling point of the acid.
[0100]
(C) A method in which the carbonaceous material is granulated using an acid as a granulating agent and reacted when dried at a high temperature.
[0101]
According to the fourth method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention described above, 10% by volume or more of CO2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, by subjecting the carbonaceous material containing at least one of the carbonized material and the graphitized material to heat treatment, the carbonaceous material is relatively graphitized. Since the gasification rate is lower in the high degree part than in the low graphitization part, the part with the low graphitization degree can be selectively gasified among the carbonaceous substances, and the surface and the inside of the carbonaceous substance are finely divided. The holes can be formed uniformly.
[0102]
Next, by contacting the carbonaceous material with a gaseous acid, polarities such as a functional group, particularly a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, a lactone group, and a ketone group are formed on the pores present on the surface and inside of the carbonaceous material. A functional group having can be introduced.
[0103]
The carbon material thus obtained has high crystallinity and excellent conductivity. Moreover, this carbon material can function the pores and polar functional groups formed on the surface and inside as lithium storage sites. Furthermore, the carbon material can improve the wetting of the liquid non-aqueous electrolyte, which is a polar solvent, and the carbon material of the negative electrode because the polar functional groups are uniformly present on the surface and inside. As a result, the nonaqueous electrolyte secondary battery including the negative electrode including the carbon material manufactured by the method of the present invention can significantly improve the initial charge / discharge efficiency, the discharge capacity, and the charge / discharge cycle life.
[0104]
5. Method for producing fifth carbon material for negative electrode
In this production method, 10% by volume or more of CO2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2A step of obtaining a carbonaceous material by carbonizing or graphitizing the carbon precursor by subjecting the carbon precursor to a heat treatment in a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O;
Contacting the carbonaceous material with a gaseous acid;
It comprises.
[0105]
The carbonization treatment step and the graphitization treatment step can be performed by the same method as described in the second method for producing a carbon material for negative electrode.
[0106]
The acid treatment step can be performed by the same method as described in the above-described fourth method for producing a carbon material for negative electrode.
[0107]
According to the fifth method for producing a carbon material for a negative electrode according to the present invention, 10% by volume or more of CO2A first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H2Second gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO2And 1 vol% or more of H2In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, the carbon precursor is carbonized or graphitized by subjecting the carbon precursor to a heat treatment to obtain a carbonaceous material on the surface and inside. A carbonaceous material having uniformly formed pores and high conductivity can be produced.
[0108]
Next, by contacting the carbonaceous material with a gaseous acid, polarities such as a functional group, particularly a carboxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, a lactone group, and a ketone group are formed on the pores present on the surface and inside of the carbonaceous material. A functional group having can be introduced.
[0109]
The carbon material thus obtained has high conductivity. Moreover, this carbon material can function the pores and polar functional groups formed on the surface and inside as lithium storage sites. Furthermore, the carbon material can improve the wetting of the liquid non-aqueous electrolyte, which is a polar solvent, and the carbon material of the negative electrode because the polar functional groups are uniformly present on the surface and inside. As a result, the nonaqueous electrolyte secondary battery including the negative electrode including the carbon material manufactured by the method of the present invention can significantly improve the initial charge / discharge efficiency, the discharge capacity, and the charge / discharge cycle life.
[0110]
Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described.
[0111]
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a container, a positive electrode housed in the container, a soaking heat ratio (ΔH) which is housed in the container and defined by the following equation (1):i n/ ΔHi hAnd a non-aqueous electrolyte housed in the container.
[0112]
1.2 ≦ ΔHi n/ ΔHi h≦ 2 (1)
However, in the formula (1), the ΔHi hIs the heat of immersion for n-heptane of the carbon material, and the ΔHi nIs the heat of immersion for the carbon material 1-nitropropane.
[0113]
Hereinafter, the negative electrode, the positive electrode, the nonaqueous electrolyte, and the container will be described.
[0114]
1) Negative electrode
The negative electrode includes a current collector and an active material-containing layer that is supported on one or both surfaces of the current collector and includes a carbon material.
[0115]
First, the carbon material will be described in more detail.
[0116]
Immersion heat (ΔHi) Is a dispersion force (hi d), Polarization force (hi α), Interaction between the liquid permanent dipole and the electrostatic field on the solid surface (hi μ).
[0117]
ΔHi= Hi d+ Hi α+ Hi μ        (I)
In the formula (I), hi d+ Hi αIs constant, ΔHiIs hi μRespond to changes. When the strength of the electrostatic field on the solid surface is F, the relationship shown in the following formula (II) is established.
[0118]
hi μ= -NμF (II)
Therefore, the following formula (III) is established.
[0119]
-ΔHi= NμF + const. (III)
In the formulas (II) and (III), the μ is the dipole efficiency of the immersion liquid, and the n is the number of adsorbed molecules per unit surface area of the solid.
[0120]
If the immersion heat is determined using a series of adsorbates having the same adsorption occupation area of one molecule and different dipole efficiency, the strength of the electrostatic field on the surface can be calculated from the relations of the above formulas (I) to (III). That is, surface polarity is required.
[0121]
n-Heptane and 1-nitropropane have the same adsorption area per molecule. Regarding the dipole efficiency μ, the dipole efficiency μ of n-heptane is 0D, and the dipole efficiency μ of 1-nitropropane is 3.75D. Thus, the difference in immersion heat for these two solvents reflects the surface polarity. Heat of immersion ΔH for n-heptane of carbon materiali hHeat of immersion ΔH for 1-nitropropane carbon materiali nRatio (ΔHi n/ ΔHi h) Mainly reflects the surface polarity of the carbon material and the magnitude of the dispersion force of the carbon material in the solvent. That is, the immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) Increases as the surface polarity of the carbon material increases, and tends to decrease as the particle size of the carbon material decreases and the contribution of the dispersion force of the carbon material to the solvent increases.
[0122]
The polarity of the surface of the carbon material is generated by a hetero atom other than carbon and a functional group having a hetero atom present on the surface of the carbon material. Examples of the hetero atom include a boron atom, a nitrogen atom, an oxygen atom, and a phosphorus atom. Since the hetero atom and the functional group containing the hetero atom present on the surface of the carbon material can function as a lithium occlusion / release site, the lithium occlusion / release site of the carbon material can be increased. In addition, by increasing the polarity of the surface of the carbon material, it is possible to improve the affinity between the carbon material and the liquid nonaqueous electrolyte that is a polar solvent.
[0123]
By the way, the immersion heat about n-hexane of a carbon material is substantially constant irrespective of the magnitude | size of the polarity of the surface of the said carbon material. On the other hand, the immersion heat about 1-nitropropane of a carbon material becomes so large that the polarity of the surface of the said carbon material becomes high. Immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) Is less than 1.2, the immersion heat for the carbon material 1-nitropropane is small, and the polarity of the carbon material surface is low. Discharge capacity decreases. On the other hand, the immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) Of more than 2 has a large immersion heat with respect to 1-nitropropane of the carbon material and the polarity of the surface of the carbon material is high. Lowering and side reactions such as decomposition of the nonaqueous electrolyte may occur. Immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) Is more preferably 1.25 to 1.75.
[0124]
The average particle size of the carbon material is preferably in the range of 5 to 100 μm. This is due to the following reason. When the average particle size is less than 5 μm, many end faces of the hexagonal mesh face layer constituting the graphite crystallite are exposed on the surface of the carbon material, which may reduce cycle life characteristics and initial charge / discharge efficiency. On the other hand, when the average particle size exceeds 100 μm, the reaction area of the carbon material is insufficient, so that the reaction rate of the lithium occlusion / release reaction is lowered and the discharge capacity of the secondary battery may be lowered. A more preferable range of the average particle diameter is 10 to 80 μm.
[0125]
Since the conventional carbon material has a small surface polarity, the immersion heat ratio (ΔH) when the average particle diameter is in the range of 5 to 100 μm.i n/ ΔHi h) Is almost 1. 1.2 to 2 immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi hIn addition, the negative electrode containing a carbon material having an average particle size of 5 to 100 μm can improve the lithium storage / release site amount of the negative electrode and improve the affinity between the carbon material and the non-aqueous electrolyte. Therefore, the discharge capacity and cycle characteristics of the secondary battery can be remarkably improved.
[0126]
The particle shape of the carbon material can be, for example, spherical, fibrous, or granular. That is, the negative electrode according to the present invention can contain one or more types of carbon materials selected from the group consisting of fibrous carbon materials, spherical carbon materials, and granular carbon materials.
[0127]
The average fiber length of the fibrous carbon material is preferably in the range of 5 to 100 μm. A more preferable range is 10 to 60 μm.
[0128]
The average fiber diameter of the fibrous carbon material is preferably in the range of 0.1 to 30 μm. A more preferable range is 1 to 15 μm.
[0129]
The average aspect ratio of the fibrous carbon material is preferably in the range of 1-50. A more preferred range is 1.5-20. However, the aspect ratio is the ratio of the fiber length (fiber length / fiber diameter) to the fiber diameter.
[0130]
The ratio of the minor radius to the major radius of the spherical carbonaceous material (minor radius / major axis) is preferably 1/10 or more. A more preferable range is 1/2 or more.
[0131]
The granular carbonaceous material means a carbonaceous material powder having a shape in which a ratio of a minor radius to a major radius (minor radius / major axis) is in a range of 1/100 to 1. A more preferable range of the ratio is 1/10 to 1.
[0132]
The carbon material has an interval d between (002) planes of a graphite structure obtained from X-ray diffraction measurement.002Is preferably in the range of 0.335 nm (3.335 mm) or more and 0.34 nm (3.4 mm) or less, which is the theoretical value. Such a carbon material can lower the potential of lithium insertion / release, and thus can improve the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
[0133]
The specific surface area of the carbon material according to the BET method is 1 to 50 m.2/ G is preferable. Specific surface area 1m2If it is less than / g, it may be difficult to sufficiently increase the lithium storage / release sites on the surface of the carbon material. On the other hand, specific surface area is 50m2If it exceeds / g, the decomposition reaction (reductive decomposition) of the nonaqueous electrolyte is promoted, and there is a possibility that excellent cycle characteristics cannot be obtained in the secondary battery. A more preferable range of the specific surface area is 2 to 20 m.2/ G.
[0134]
Immersion heat ratio (ΔH defined by the equation (1)i n/ ΔHi h) Can be obtained by, for example, the above-described methods for producing the first to fifth negative electrode carbon materials. That is, according to the first and second negative electrode carbon material manufacturing methods described above, pores can be uniformly formed on the surface and inside of the carbon material, and the pore surface existing inside the carbon material is included. Heterogeneous atoms such as oxygen atoms can be introduced uniformly on the surface of the carbon material. As a result, since the polarity of the surface of the carbon material can be increased, the immersion heat ratio (ΔH defined by the above equation (1) is used.i n/ ΔHi h) Can be obtained. In particular, according to the fourth and fifth negative electrode carbon material manufacturing methods described above, pores can be uniformly formed on the surface and the inside of the carbon material, and the acid treatment is performed not only on the surface of the carbon material but also on the inside. Can be applied. As a result, the surface of the carbon material including the surface of the pores existing inside the carbon material is uniformly distributed from a functional group containing a boron atom, a functional group containing a nitrogen atom, a functional group containing an oxygen atom, and a functional group containing a phosphorus atom. Since a highly polar functional group consisting of one or more selected from the group can be introduced, the polarity of the surface of the carbon material is higher than that of the first and second methods for producing a carbon material for a negative electrode described above. can do. Therefore, according to the fourth and fifth negative electrode carbon material manufacturing methods described above, the immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And an average particle diameter of 5 to 100 μm.
[0135]
This negative electrode is produced, for example, by adding a binder to a carbon material, suspending these in an appropriate solvent, applying the suspension to a current collector, drying, and pressing. A conductive agent may be further added to the suspension.
[0136]
As the binder, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), or the like can be used.
[0137]
As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a nonporous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, copper, stainless steel, or nickel. The thickness of the current collector is preferably 5 to 20 μm. This is because within this range, the electrode strength and weight reduction can be balanced.
[0138]
The thickness of the active material containing layer is preferably in the range of 10 to 150 μm. Therefore, when it is carried on both surfaces of the negative electrode current collector, the total thickness of the active material-containing layer is in the range of 20 μm to 300 μm. A more preferable range of the thickness of one side is 30 to 100 μm. Within this range, the large current discharge characteristics and cycle life are greatly improved.
[0139]
2) Positive electrode
The positive electrode has a structure in which an active material-containing layer containing an active material is supported on one side or both sides of a positive electrode current collector.
[0140]
This positive electrode is produced, for example, by suspending a positive electrode active material, a conductive agent and a binder in an appropriate solvent, and applying this suspension to a current collector, drying and pressing to form a strip electrode.
[0141]
Examples of the positive electrode active material include various oxides such as manganese dioxide, lithium manganese composite oxide, lithium-containing nickel cobalt oxide (for example, LiCoO2), Lithium-containing nickel cobalt oxide (for example, LiNi0.8Co0.2O2), Lithium manganese composite oxide (for example, LiMn)2OFourLiMnO2) Is preferably used. By using such a positive electrode active material, a high voltage can be obtained in the secondary battery.
[0142]
Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
[0143]
As the binder, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), or the like can be used.
[0144]
The blending ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
[0145]
As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a nonporous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, aluminum, stainless steel, or nickel. The thickness of the current collector is preferably 5 to 20 μm. This is because within this range, the electrode strength and weight reduction can be balanced.
[0146]
The thickness of one surface of the active material-containing layer is preferably in the range of 10 to 150 μm. Therefore, when it is carried on both sides of the positive electrode current collector, the total thickness of the active material-containing layer is preferably in the range of 20 to 300 μm. A more preferable range on one side is 30 to 120 μm. Within this range, large current discharge characteristics and cycle life are improved.
[0147]
3) Non-aqueous electrolyte
Examples of the non-aqueous electrolyte include a liquid non-aqueous electrolyte, a gel-like non-aqueous electrolyte, a polymer solid electrolyte, and an inorganic solid electrolyte having lithium ion conductivity. Among these, a liquid nonaqueous electrolyte is preferable.
[0148]
A liquid nonaqueous electrolyte is prepared by, for example, dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent.
[0149]
The gel-like nonaqueous electrolyte includes a polymer material, a nonaqueous solvent combined with the polymer material, and an electrolyte. The gel-like non-aqueous electrolyte is prepared by, for example, mixing the non-aqueous solvent, the electrolyte, and the polymer material, followed by heat treatment to cause gelation. Examples of the polymer material include polyacrylonitrile, polyacrylate, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), or a copolymer containing acrylonitrile, acrylate, vinylidene fluoride, or ethylene oxide as a monomer. Among these, it is desirable to use a gel electrolyte prepared by the method described below. First, a solution obtained by dissolving a polymer material such as polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HEP copolymer) in a solvent such as tetrahydroxyfuran (THF), and a liquid non-aqueous electrolyte To prepare a paste. The obtained paste is applied to a substrate and then dried to obtain a thin film. This thin film is interposed between the positive electrode and the negative electrode to produce an electrode group. After the electrode group is impregnated with a liquid nonaqueous electrolyte, the thin film is plasticized by a gelling treatment such as heat treatment to obtain an electrode group in which a gelled nonaqueous electrolyte layer is interposed between the positive electrode and the negative electrode. .
[0150]
The solid electrolyte is obtained by dissolving the electrolyte in a polymer material and solidifying it. Examples of the polymer material include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), or a copolymer containing acrylonitrile, vinylidene fluoride, or ethylene oxide as a monomer.
[0151]
Examples of the inorganic solid electrolyte include a ceramic material containing lithium. Above all, LiThreeN, LiThreePOFour-Li2S-SiS2Glass etc. are mentioned.
[0152]
Hereinafter, the nonaqueous solvent and electrolyte contained in the nonaqueous electrolyte will be described.
[0153]
Examples of the non-aqueous solvent include at least one solvent selected from propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) (hereinafter referred to as a first solvent), and a solvent having a viscosity lower than that of PC or EC (hereinafter referred to as “first solvent”). It is preferable to use mainly a mixed solvent with the second solvent).
[0154]
Examples of the second solvent include chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), and diethyl carbonate (DEC), methyl propionate, ethyl propionate, γ-butyrolactone (BL), acetonitrile. (AN), ethyl acetate (EA), toluene, xylene, methyl acetate (MA) and the like. As the second solvent, one or a mixture of two or more selected from the types described above can be used. The number of donors in the second solvent is preferably 16.5 or less.
[0155]
The viscosity of the second solvent is preferably 2.8 cmp or less at 25 ° C. The blending amount of the first solvent in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume ratio. A more preferable amount of the first solvent is 20 to 75% by volume.
[0156]
Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO).Four), Lithium hexafluorophosphate (LiPF)6), Lithium borofluoride (LiBF)Four), Lithium arsenic hexafluoride (LiAsF)6), Lithium trifluorometasulfonate (LiCF)ThreeSOThree), Bistrifluoromethylsulfonylimide lithium [LiN (CFThreeSO2)2And the like. Among them, LiPF6, LiBFFourIs preferably used.
[0157]
The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2 mol / L.
[0158]
4) Separator
The separator functions as an insulating layer between the positive electrode and the negative electrode, and has a structure in which the electrolyte in the nonaqueous electrolyte can move.
[0159]
For the separator, for example, a porous body made of an insulating material can be used. As the insulating material, for example, a porous film containing polyethylene, polypropylene or polyvinylidene fluoride (PVdF), a synthetic resin nonwoven fabric containing polyethylene, polypropylene or polyvinylidene fluoride (PVdF), or the like can be used. Among these, a porous film made of polyethylene, polypropylene, or both is preferable because it can improve the safety of the secondary battery.
[0160]
The thickness of the separator is preferably 30 μm or less. If the thickness exceeds 30 μm, the distance between the positive and negative electrodes may be increased and the internal resistance may be increased. Further, the lower limit value of the thickness is preferably 5 μm. If the thickness is less than 5 μm, the strength of the separator is remarkably lowered and an internal short circuit is likely to occur. The upper limit value of the thickness is more preferably 25 μm, and the lower limit value is more preferably 10 μm.
[0161]
The separator preferably has a heat shrinkage rate of 20% or less when kept at 120 ° C. for 1 hour. If the heat shrinkage rate exceeds 20%, the possibility of a short circuit due to heating increases. The thermal shrinkage rate is more preferably 15% or less.
[0162]
The separator preferably has a porosity in the range of 30 to 70%. This is due to the following reason. If the porosity is less than 30%, it may be difficult to obtain high electrolyte retention in the separator. On the other hand, if the porosity exceeds 60%, sufficient separator strength may not be obtained. A more preferable range of the porosity is 35 to 70%.
[0163]
The separator has an air permeability of 500 seconds / 100 cm.ThreeThe following is preferable. Air permeability is 500 seconds / 100cmThreeIf it exceeds 1, it may be difficult to obtain high lithium ion mobility in the separator. The lower limit of the air permeability is 30 seconds / 100 cm.ThreeIt is. Air permeability is 30 seconds / 100cmThreeIf it is less than this, there is a possibility that sufficient separator strength cannot be obtained. The upper limit of air permeability is 300 seconds / 100cmThreeMore preferably, the lower limit is 50 seconds / 100 cm.ThreeMore preferred.
[0164]
6) Storage container
The storage container stores an electrode group including a positive electrode and a negative electrode and a non-aqueous electrolyte.
[0165]
The shape of the storage container can be, for example, a bottomed cylindrical shape, a bottomed rectangular tube shape, a bag shape, or the like.
[0166]
A storage container can be formed from a film material and a metal plate, for example.
[0167]
Examples of the film material constituting the storage container include a metal film, a resin sheet such as a thermoplastic resin, and a sheet in which a resin layer such as a thermoplastic resin is coated on one or both sides of a flexible metal layer. Etc. can be formed. The resin sheet and the resin layer can be formed from one type of resin or two or more types of resin, respectively. Meanwhile, the metal layer can be formed of one kind of metal or two or more kinds of metals. Moreover, the said metal film can be formed from aluminum, iron, stainless steel, nickel, etc., for example.
[0168]
The thickness of the film material constituting the wall of the storage container is desirably 0.25 mm or less. A particularly desirable thickness range is 0.05 mm to 0.2 mm. This achieves a thinner and lighter battery.
[0169]
In particular, a sheet composed of a flexible metal layer and a resin layer laminated on one or both sides of the metal layer is lightweight, high in strength, and penetrates a substance such as moisture from the outside. Can be prevented, which is desirable. The storage container constituted by the sheet is sealed by, for example, heat sealing. For this reason, it is desirable to arrange a thermoplastic resin on the inner surface of the storage container. The melting point of the thermoplastic resin is preferably 120 ° C or higher, more preferably 140 ° C to 250 ° C. Examples of the thermoplastic resin include polyolefins such as polyethylene and polypropylene. In particular, it is desirable to use polypropylene having a melting point of 150 ° C. or higher because the sealing strength of the heat seal portion is increased. On the other hand, the metal layer is preferably formed of aluminum which prevents water from entering the battery.
[0170]
An example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0171]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. FIG. 2 is a thin non-aqueous electrolyte secondary battery which is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a portion A of FIG. 2.
[0172]
As shown in FIG. 1, the bottomed cylindrical container 1 made of stainless steel has an insulator 2 disposed at the bottom. The electrode group 3 is housed in the container 1. The electrode group 3 has a structure in which a belt-like material in which the positive electrode 4, the separator 5, the negative electrode 6, and the separator 5 are laminated is wound in a spiral shape so that the separator 5 is located outside.
[0173]
A non-aqueous electrolyte is accommodated in the container 1. The insulating paper 7 having an open center is disposed above the electrode group 3 in the container 1. The insulating sealing plate 8 is disposed in the upper opening of the container 1, and the sealing plate 8 is fixed to the container 1 by caulking the vicinity of the upper opening. The positive terminal 9 is fitted in the center of the insulating sealing plate 8. One end of the positive electrode lead 10 is connected to the positive electrode 4, and the other end is connected to the positive electrode terminal 9. The negative electrode 6 is connected to the container 1 which is a negative electrode terminal via a negative electrode lead (not shown).
[0174]
As shown in FIG. 2, the electrode group 12 is accommodated in the storage container 11 which consists of a sheet | seat containing a resin layer, for example. The electrode group 12 has a structure in which a laminate composed of a positive electrode, a separator, and a negative electrode is wound into a flat shape. From the lower side of FIG. 3, the laminate includes the separator 13, the active material containing layer 14, the positive electrode current collector 15, the positive electrode 16 including the active material containing layer 14, the separator 13, the negative electrode layer 17, and the negative electrode current collector 18. And a negative electrode 19 having a negative electrode layer 17, a separator 13, an active material containing layer 14, a positive electrode current collector 15, a positive electrode 16 having an active material containing layer 14, a separator 13, a negative electrode layer 17, and a negative electrode current collector 18. The negative electrode 19 has a structure in which the negative electrodes 19 are laminated in this order. A negative electrode current collector 18 is located on the outermost periphery of the electrode group 12. One end of the strip-like positive electrode lead 20 is connected to the positive electrode current collector 15 of the electrode group 2, and the other end is extended from the storage container 11. On the other hand, one end of the strip-like negative electrode lead 21 is connected to the negative electrode current collector 18 of the electrode group 2, and the other end is extended from the storage container 11.
[0175]
As described above, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a positive electrode and an immersion heat ratio (ΔH defined by the above equation (1).i n/ ΔHi h) And a non-aqueous electrolyte. Since such a carbon material has a uniform pore distribution and a moderately high surface polarity, it can increase the storage and release sites of lithium and increase the affinity with the liquid nonaqueous electrolyte. it can. As a result, a nonaqueous electrolyte secondary battery with improved initial initial charge / discharge efficiency, discharge capacity, and charge / discharge cycle life characteristics can be realized.
[0176]
One or more kinds selected from the group consisting of a functional group containing a boron atom, a functional group containing a nitrogen atom, a functional group containing an oxygen atom, and a functional group containing a phosphorus atom on the surface including the inside of the pores in the carbon material The presence of the functional group makes it possible to increase the number of lithium occlusion / release sites of the carbon material and to further increase the affinity between the carbon material and the liquid nonaqueous electrolyte. Therefore, the discharge capacity and charge / discharge cycle life of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be further improved. In particular, since the functional group is at least one selected from the group consisting of a carboxyxyl group, a carbonyl group, a hydroxyl group, a lactone group, and a ketone group, the discharge capacity and charge / discharge cycle life of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be reduced. It can be greatly improved.
[0177]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the present invention will be given and the effects thereof will be described. However, the present invention is not limited to the examples.
[0178]
(Examples 1-4, Comparative Examples 1-3)
(Manufacture of negative electrode carbon materials)
A carbon material was obtained by spinning a petroleum pitch and graphitizing an infusible sample at 350 ° C. in the atmosphere at the heat treatment temperature and atmospheric conditions shown in Table 1. The heating time was 8 hours. The gas was introduced into the furnace before heating and completely replaced, and then the gas flow was stopped and heating was started.
[0179]
(Preparation of negative electrode)
Polytetrafluoroethylene was added to the obtained carbon material to form a sheet, which was pressure-bonded to a stainless steel mesh and vacuum-dried at 150 ° C. to obtain a test electrode.
[0180]
(Assembly of test cell)
LiPF was added to a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC) and methyl ethyl carbonate (MEC) were mixed at a volume ratio of 1: 2.61M was dissolved to prepare a liquid non-aqueous electrolyte. Using the test electrode and the liquid nonaqueous electrolyte, a cell having a counter electrode and a reference electrode made of metal Li was produced in an argon atmosphere, and a charge / discharge test was performed.
[0181]
The condition of the charge / discharge test is 1 mA / cm up to a potential difference of 0.01 V between the reference electrode and the test electrode.2The battery was charged at a current density of 0.01 V and further charged at a constant voltage of 0.01 V for 5 hours.2The current density was 2 V. Table 1 shows the heat treatment conditions and the capacity per weight of the negative electrode material determined by the charge / discharge test.
[0182]
[Table 1]
Figure 0003673167
[0183]
As is clear from Table 1, the secondary batteries of Examples 1 to 4 provided with the negative electrode containing the carbon material obtained by the second production method had a negative electrode capacity per unit weight compared to Comparative Examples 1 to 3. It can be seen that it can be improved.
[0184]
In contrast, when the carbon dioxide gas concentration in the heat treatment atmosphere is less than 10% by volume as in Comparative Example 2 or when the water vapor concentration in the heat treatment atmosphere is less than 1% by volume as in Comparative Example 3, the capacity improvement effect is achieved. It turns out that is not seen so much.
[0185]
(Examples 5 to 10)
(Differential thermal analysis measurement of carbonaceous materials)
An example of a TG curve (Y axis) and a DTA curve (R axis) obtained by differential thermal analysis measurement for commercially available highly crystalline artificial graphite is shown in FIG. The conditions for this differential thermal analysis measurement will be explained. The weight of commercially available high crystalline artificial graphite as a sample is 50 mg, carbon dioxide is used as the atmosphere gas in the furnace, the gas flow rate is 100 mL / min, and the measurement start temperature is 20 ° C., measurement end temperature 1400 ° C., heating rate 20 ° C./min, α-Al as reference material2OThreeIt was used. The peak temperature T of the endothermic peak in the DTA curve of FIG.1Is 280 ° C. On the other hand, the peak temperature T of the exothermic peak2Is 1270 ° C.
[0186]
Next, the (002) plane spacing d by X-ray diffraction002A commercially available high crystalline artificial graphite having a thickness of 0.3354 nm is prepared, and the differential thermal analysis of the high crystalline artificial graphite is performed using four types of atmospheres (No. 1 to No. 1) shown in Table 2 below as atmospheric gases in the furnace. No. 4 gas atmosphere). The other measurement conditions in the differential thermal analysis will be described. The weight of the sample is 50 mg, the gas flow rate is 100 mL / min, the heating rate is 20 ° C./min, and α-Al is used as a reference substance.2OThreeIt was used. From the obtained DTA curve, the peak temperature T of the endothermic peak1And peak temperature T of exothermic peak2From the value (T1+ T2) / 2 was calculated. These results are shown in Table 2 below.
[0187]
[Table 2]
Figure 0003673167
[0188]
In Table 2, dry air is 80% by volume N2Gas and 20 vol% O2The mixed gas with gas is shown.
[0189]
(Manufacture of negative electrode carbon materials)
The above highly crystalline artificial graphite (surface spacing d of (002) plane by X-ray diffraction d002No. 0.3354 nm) was placed in an alumina crucible and No. 2 shown in Table 2 above. Heat treatment was performed in the presence of 1 atmosphere gas for 3 hours at the temperature shown in Table 3 below. Before performing heating, the inside of the heating furnace is evacuated before heating so that the atmosphere does not remain, and then gas is introduced, and the gas is flowed at a flow rate of 0.8 liter / min during heating, heating, and cooling. did. The temperature raising time was 3 hours. After the heat treatment, the sample temperature was lowered to room temperature by allowing to cool, and then taken out from the heating furnace to obtain a carbon material.
[0190]
Using the obtained carbon material, production of a negative electrode, assembly of a test cell, and a charge / discharge test were performed in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge test are also shown in Table 3.
[0191]
(Comparative Example 4)
Except that the high crystalline artificial graphite was not heat-treated, a negative electrode was prepared, a test cell was assembled, and a charge / discharge test was conducted in the same manner as in Example 5 described above. The results of the charge / discharge test are also shown in Table 3.
[0192]
[Table 3]
Figure 0003673167
[0193]
As is clear from Table 3, the secondary batteries of Examples 5 to 10 having the negative electrode containing the carbon material obtained by the first manufacturing method improved the negative electrode capacity per unit weight as compared with Comparative Example 4. I understand that I can do it.
[0194]
(Examples 11-16 and Comparative Examples 7-12)
Except that the composition of the atmospheric gas in the furnace and the heat treatment temperature in the heat treatment applied to the highly crystalline artificial graphite were changed as shown in Table 4 below, the production of the negative electrode and the test cell were performed in the same manner as in Example 5 described above. Assembly and charge / discharge tests were performed. The results of the charge / discharge test are also shown in Table 4.
[0195]
In Table 4, dry air is 80% by volume N2Gas and 20 vol% O2It is a mixed gas with gas.
[0196]
[Table 4]
Figure 0003673167
[0197]
As is clear from Table 4, Examples 11 to 16 secondary batteries provided with the negative electrode containing the carbon material obtained by the first production method had negative electrode capacities per unit weight of Comparative Examples 4 and 7 to 12. It can be seen that it can be improved.
[0198]
As is apparent from Tables 1 to 4, the carbon capacity of the carbon material treated using the production method of the present invention greatly increased. CO including heat treatment2Or H2The highly crystalline artificial graphite performed in the O gas flow showed an increase in capacity that exceeded the effect of treatment in air. CO containing graphitization2Or H2When performed in an O atmosphere, a larger capacity can be obtained than when graphitized in an Ar atmosphere. CO2Is 5% by volume, H2In the comparative example in which O was 0.5% by volume, the effect of increasing the capacity was hardly observed.
[0199]
(Examples 17-20, Comparative Examples 13-14)
(002) plane spacing d by X-ray diffraction0025 g of commercially available high crystalline artificial graphite having a thickness of 0.3354 nm was placed in an alumina crucible and subjected to heat treatment. Before performing the heat treatment, an atmosphere gas was introduced after evacuating the inside of the heating furnace so that the atmosphere did not remain. As the atmospheric gas to be introduced, an Ar gas was passed through a boiling acid aqueous solution and an acid was contained as a vapor. The type of acid used and the concentration (% by weight) of the aqueous acid solution are shown in Table 5 below. Gas was flowed at a flow rate of 0.4 liter / min during the temperature rising and heating. The heat treatment temperature was set as shown in Table 5 below. The temperature raising time was 1 hour, and the holding time was 30 minutes. After the heat treatment, the sample temperature was lowered to room temperature by cooling, and then taken out from the heating furnace to obtain a carbon material.
[0200]
Using the obtained carbon material, production of a negative electrode, assembly of a test cell, and a charge / discharge test were performed in the same manner as in Example 1. The results of the charge / discharge test are also shown in Table 5.
[0201]
[Table 5]
Figure 0003673167
[0202]
As seen in Table 5, a large improvement in capacity can be obtained by heat treating the carbon material in the presence of acid vapor. This effect is particularly great when a nitric acid aqueous solution having a concentration of 68% is used as the acid.
[0203]
(Examples 21 to 23)
(002) plane spacing d by X-ray diffraction002The same conditions as described in Example 11 above for commercially available high crystalline artificial graphite having a thickness of 0.3354 nm, that is, a mixed gas comprising 50% by volume of carbon dioxide gas and 50% by volume of argon gas as the atmospheric gas And the heat treatment was performed at a heat treatment temperature of 1200 ° C. Next, post-heat treatment was performed on the highly crystalline artificial graphite under the same conditions as described in Example 17 above, that is, using a nitric acid aqueous solution having a concentration of 68% and a heat treatment temperature of 450 ° C. The carbon material which concerns on was obtained.
[0204]
(002) plane spacing d by X-ray diffraction002A commercially available high crystalline artificial graphite having a thickness of 0.3354 nm was subjected to heat treatment using the same conditions as described in Example 17 above, that is, using a nitric acid aqueous solution having a concentration of 68% and a heat treatment temperature of 450 ° C. It was. Next, the same conditions as described in Example 11 were used for this highly crystalline artificial graphite, that is, a mixed gas composed of 50 volume% carbon dioxide gas and 50 volume% argon gas was used as the atmosphere gas, and heat treatment was performed. A post-heat treatment was performed at a temperature of 1200 ° C. to obtain a carbon material according to Example 22.
[0205]
(002) plane spacing d by X-ray diffraction002A commercially available high crystalline artificial graphite having a thickness of 0.3354 nm was subjected to heat treatment using the same conditions as described in Example 17 above, that is, using a nitric acid aqueous solution having a concentration of 68% and a heat treatment temperature of 450 ° C. It was. Next, the same conditions as described in Example 13 were used for this highly crystalline artificial graphite, that is, a mixed gas composed of 20% by volume of water vapor and 80% by volume of argon gas was used as the atmosphere gas, and the heat treatment temperature was Was post-heat-treated at 1200 ° C. to obtain a carbon material according to Example 23.
[0206]
About the obtained three types of carbon materials, preparation of a negative electrode, assembly of a test cell, and a charge / discharge test were performed in the same manner as in Example 1, and the results of the charge / discharge test are shown in Table 6 below. In addition, the capacity | capacitance per unit weight shown in Table 6 is a value when the capacity | capacitance per unit weight of the test cell of the comparative example 4 is set to 100 (%). In Table 6, the treatment performed first is the first-stage heat treatment (I), and the treatment performed thereafter is the second-stage heat treatment (II).
[0207]
[Table 6]
Figure 0003673167
[0208]
As is clear from Table 6, the secondary batteries of Examples 21 and 22 in which both the heat treatment in an atmosphere containing 10% by volume or more of carbon dioxide gas and the heat treatment in an atmosphere containing gaseous acid were performed, and 1 volume It can be seen that the secondary battery of Example 23 in which both the heat treatment in an atmosphere containing% or more of water vapor and the heat treatment in an atmosphere containing gaseous acid were performed can obtain a high capacity. In particular, the capacity of the secondary battery of Example 21 in which the heat treatment in an atmosphere containing a gaseous acid after the heat treatment in an atmosphere containing 10% by volume or more of carbon dioxide gas can be greatly improved.
[0209]
(Examples 24-27)
5 g of commercially available graphitized carbon fiber having an average fiber length of 40 μm and an average particle diameter of the values shown in Table 8 below was placed in an alumina crucible, and in the presence of atmospheric gas having the composition shown in Table 7, Heat treatment was performed for 3 hours at the indicated temperature. Before heating, the inside of the heating furnace is evacuated so that the atmosphere does not remain in the heat treatment, and then the gas is introduced, and the gas is supplied at a flow rate of 0.8 liters / minute during heating, heating and cooling. Washed away. The temperature raising time was 3 hours. After the heat treatment, the sample temperature was lowered to room temperature by cooling, and then taken out from the heating furnace to obtain a fibrous carbon material.
[0210]
With respect to the obtained carbon material, the average particle diameter and the interplanar spacing d of the (002) plane by X-ray diffraction002And the specific surface area by BET method was measured, and the result is shown in Table 8 below.
[0211]
The specific surface area of the carbon material according to the BET method is He—N as a carrier gas.2Using a (70:30) mixed gas, measurement was performed by a one-point BET method. The average particle size of the carbon material was measured by a laser diffraction / scattering particle size analyzer (manufactured by Leeds & Northrup, model number 9320-X100). That is, carbon material particles are suspended in a dispersion medium composed of ethyl alcohol, the suspended carbon material particles are irradiated with laser light, the intensity distribution of scattered light is measured, and the particle size distribution is converted by computer analysis. . The cumulative average diameter (cumulative 50% diameter) in the obtained particle size distribution is taken as the average particle diameter.
[0212]
Furthermore, about the obtained carbon material, immersion heat (DELTA) H with respect to n-heptanei hAnd immersion heat ΔH for 1-nitropropanei nAnd a twin-type heat transfer calorimeter (manufactured by Tokyo Riko Co., Ltd., model number: MMC-5111).
[0213]
That is, a solvent is injected into the sample container. Moreover, after putting a sample in a glass ampule and carrying out vacuum deaeration, it seals. After submerging the ampoule in the solvent of the sample container, set it in the twin heat transfer calorimeter, break the ampoule after reaching the equilibrium temperature, and stir to mix the sample with the solvent. Measure.
[0214]
In the twin-type heat transfer calorimeter, the sample container and the constant temperature body are connected by a good thermal conductor that also serves as a heat sensitive body, and the amount of generated heat is measured by measuring the time difference of the temperature difference between both ends of the heat sensitive body. The rate of change can be determined.
[0215]
The measurement conditions are listed below.
[0216]
Amount of sample carbon material: 1.2 g
Sample pretreatment: 150 ° C., 10 mmHg to 5 mmHg, 6 hours
Measurement temperature: 25 ° C
The immersion medium is n-hexane or 1-nitropropane, and the immersion medium amount: 22 mL
Calorie calculation: Data processing by computer
Obtained immersion heat ΔHi hAnd immersion heat ΔHi nTo immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0217]
(Example 28)
5 g of a commercially available graphitized carbon fiber having an average fiber length of 40 μm and an average particle diameter of 25 μm is placed in an alumina crucible and heat-treated at 1000 ° C. for 3 hours in the presence of an atmospheric gas composed of 100% by volume of carbon dioxide. Went. Before heating, the inside of the heating furnace is evacuated so that the atmosphere does not remain in the heat treatment, and then the gas is introduced, and the gas is supplied at a flow rate of 0.8 liters / minute during heating, heating, and cooling. Washed away. The temperature raising time was 3 hours. After the heat treatment, the sample temperature was lowered to room temperature by cooling, and then taken out from the heating furnace.
[0218]
Next, the fibrous carbon material was again heat-treated. As the atmospheric gas introduced into the heating furnace, a gas in which nitric acid was contained as a vapor through Ar gas in a boiled nitric acid aqueous solution having a concentration of 68% by weight was used. Gas was flowed at a flow rate of 0.4 liter / min during the temperature rising and heating. The heat treatment temperature was 450 ° C., and the heat treatment time was 3 hours. The temperature raising time was 1 hour, and the holding time was 30 minutes. After the heat treatment, the sample temperature was lowered to room temperature by cooling, and then taken out from the heating furnace to obtain a carbon material.
[0219]
With respect to the obtained carbon material, under the same conditions as described in Example 24 described above, the average particle diameter, (002) plane spacing d by X-ray diffraction, d002, BET specific surface area and immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0220]
(Example 29)
A carbon material was obtained in the same manner as in Example 28 described above except that an aqueous acetic acid solution having a concentration of 98% by weight was used as the aqueous acid solution for generating gaseous acid.
[0221]
With respect to the obtained carbon material, under the same conditions as described in Example 24 described above, the average particle diameter, (002) plane spacing d by X-ray diffraction, d002, BET specific surface area and immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0222]
(Example 30)
A carbon material was obtained in the same manner as in Example 28 described above, except that an aqueous phosphoric acid solution having a concentration of 85% by weight was used as the aqueous acid solution for generating gaseous acid.
[0223]
With respect to the obtained carbon material, under the same conditions as described in Example 24 described above, the average particle diameter, (002) plane spacing d by X-ray diffraction, d002, BET specific surface area and immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0224]
(Example 31)
Petroleum pitch, which is a carbon precursor, was used as a starting material. After spinning, the surface was infusibilized at 300 ° C. for 1 hour. Next, the carbon precursor was subjected to a heat treatment at 900 ° C. for 3 hours in the presence of an atmospheric gas composed of 100% by volume of carbon dioxide gas to obtain a carbonized material. This carbonized material belonged to amorphous carbon or soft carbon. Next, the carbonized material was graphitized by subjecting the carbonized material to heat treatment at 2800 ° C. for 3 hours in the presence of an atmospheric gas composed of 100% by volume of carbon dioxide gas to obtain a fibrous carbon material. The gas was introduced into the furnace before heating and completely replaced, and then the gas flow was stopped and heating was started.
[0225]
With respect to the obtained carbon material, under the same conditions as described in Example 24 described above, the average particle diameter, (002) plane spacing d by X-ray diffraction, d002, BET specific surface area and immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0226]
(Example 32)
Petroleum pitch, which is a carbon precursor, was used as a starting material. After spinning, the surface was infusibilized at 300 ° C. for 1 hour. The carbon precursor was then added to 20 volume% H2O gas and 80 vol% CO2A heat treatment was performed at 900 ° C. for 3 hours in the presence of an atmospheric gas composed of a gas to obtain a carbonized material. This carbonized material belonged to amorphous carbon or soft carbon. Then 20% by volume H2O gas and 80 vol% CO2The carbonized material was graphitized by subjecting the carbonized material to a heat treatment at 2800 ° C. for 3 hours in the presence of atmospheric gas, thereby obtaining a fibrous carbon material. The gas was introduced into the furnace before heating and completely replaced, and then the gas flow was stopped and heating was started.
[0227]
Next, the fibrous carbon material was subjected to heat treatment. As the atmospheric gas introduced into the heating furnace, an aqueous nitric acid solution having a boiling concentration of 68 wt. Gas was flowed at a flow rate of 0.4 liter / min during the temperature rising and heating. The heat treatment temperature was 450 ° C., and the heat treatment time was 3 hours. The temperature raising time was 1 hour, and the holding time was 30 minutes. After the heat treatment, the sample temperature was lowered to room temperature by cooling, and then taken out from the heating furnace to obtain a carbon material.
[0228]
With respect to the obtained carbon material, under the same conditions as described in Example 24 described above, the average particle diameter, (002) plane spacing d by X-ray diffraction, d002, BET specific surface area and immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0229]
(Comparative Examples 15-23)
A commercially available graphitized carbon fiber having an average fiber length of 40 μm and an average particle size shown in the following Table 8 was heat treated for 3 hours at the temperature shown in Table 7 in the presence of an atmospheric gas having the composition shown in Table 7 below. The carbon materials of Comparative Examples 16 to 23 were obtained. In addition, a graphitized carbon fiber that was not subjected to any heat treatment was prepared as a carbon material of Comparative Example 15. In Comparative Examples 16 and 17, the composition of air used as the heat treatment atmosphere was 80% by volume N2Gas and 20 vol% O2It consists of a gas mixture with gas.
[0230]
With respect to the obtained carbon material, under the same conditions as described in Example 24 described above, the average particle diameter, (002) plane spacing d by X-ray diffraction, d002, BET specific surface area and immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi h) And the results are shown in Table 8 below.
[0231]
Using the obtained carbon materials of Examples 24-32 and Comparative Examples 15-23, test cells were assembled by the method described below.
[0232]
First, polytetrafluoroethylene was added to each carbon material to form a sheet, which was pressure-bonded to a stainless steel mesh and vacuum-dried at 150 ° C. to obtain a test electrode. In addition, LiPF was added to a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC) and methyl ethyl carbonate (MEC) were mixed at a volume ratio of 1: 2.61M was dissolved to prepare a liquid non-aqueous electrolyte. While using the obtained test electrode and liquid nonaqueous electrolyte, the test cell was assembled in argon atmosphere by using the counter electrode and the reference electrode as metal Li.
[0233]
The obtained test cells of Examples 24-32 and Comparative Examples 15-23 were subjected to charge / discharge tests under the conditions described in (1) and (2) below, and the results are also shown in Table 8 below.
[0234]
(1) 1 mA / cm up to a potential difference of 0.01 V between the reference electrode and the test electrode21 mA / cm after charging at a current density of 0.01 V and further at a constant voltage of 0.01 V for 5 hours.2The discharge capacity was measured at a current density of 2 V and the discharge capacity was measured. The discharge capacity per gram of the negative electrode carbon material is also shown in Table 8 below.
[0235]
(2) The charge / discharge under the conditions described below is repeated, the number of cycles required until the discharge capacity is reduced to 80% of the capacity at the first cycle is measured, and the results are also shown in Table 8 below.
[0236]
Charging: 1 mA / cm up to a potential difference of 0.01 V between the reference electrode and the test electrode2And a constant voltage charge at 0.01V for 5 hours.
[0237]
Discharge: 1 mA / cm2Discharge to 2V at a current density of.
[0238]
[Table 7]
Figure 0003673167
[0239]
[Table 8]
Figure 0003673167
[0240]
As is apparent from Tables 7 and 8, the immersion heat ratio (ΔH defined by the above equation (1)).i n/ ΔHi hIt can be seen that the secondary batteries of Examples 24-32 provided with a negative electrode including a carbon material having a high discharge capacity have a high discharge capacity and can extend the cycle life.
[0241]
On the other hand, the secondary batteries of Comparative Examples 16 to 18 including the negative electrode including the carbon material that was heat-treated in an air or argon gas atmosphere had an immersion heat ratio (ΔHi n/ ΔHi hHowever, it is found that the discharge capacity and the cycle life are lower than those of Examples 24-32, which is almost the same as that of Comparative Example 15 including a negative electrode containing a carbon material that has not been heat-treated. Moreover, it turns out that the secondary battery of Comparative Examples 19-23 has a low cycle life compared with Examples 24-32.
[0242]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a carbon material for a negative electrode that can improve initial charge / discharge efficiency, discharge capacity, large current characteristics, and cycle life of a nonaqueous electrolyte secondary battery. . In addition, according to the present invention, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery with improved initial charge / discharge efficiency, discharge capacity, large current characteristics, and cycle life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a thin nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a part A of FIG. 2;
FIG. 4 is a characteristic diagram showing an example of a TG curve (Y axis) and a DTA curve (R axis) obtained by differential thermal analysis for graphite in Examples.
[Explanation of symbols]
1 ... container,
3 ... Electrode group,
4 ... positive electrode,
5 ... separator,
6 ... negative electrode,
8 ... sealing plate,
9: Positive terminal,
11 ... container,
12 ... Electrode group,
13 ... Separator,
14 ... Active material-containing layer,
15 ... positive electrode current collector,
16 ... positive electrode,
17 ... negative electrode layer,
18 ... negative electrode current collector,
19 ... negative electrode,
20: Positive terminal,
21: Negative terminal.

Claims (4)

下記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHImmersion heat ratio (ΔH defined by the following formula (1) ii nn /ΔH/ ΔH ii hh )を有すると共に平均粒径が5〜100μmの黒鉛化材料である負極用炭素材料の製造方法であって、) And a carbon material for a negative electrode which is a graphitized material having an average particle diameter of 5 to 100 μm,
1.2≦ΔH        1.2 ≦ ΔH ii nn /ΔH/ ΔH ii hh ≦2 (1)≦ 2 (1)
但し、前記(1)式において、前記ΔH  However, in the formula (1), the ΔH ii hh は前記黒鉛化材料のn−ヘプタンについての浸漬熱であり、前記ΔHIs the heat of immersion for n-heptane of the graphitized material, and the ΔH ii nn は前記黒鉛化材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱であり、Is the heat of immersion for 1-nitropropane of the graphitized material,
10体積%以上のCOCO of 10 volume% or more 22 を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のHA first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H 22 Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCOSecond gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO 22 と1体積%以上のHAnd 1 vol% or more of H 22 Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、平均粒径が5〜100μmの黒鉛化材料に、下記(2)式で規定される熱処理温度T(℃)での熱処理を0.5〜48時間施す工程を具備することを特徴とする負極用炭素材料の製造方法。In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, a heat treatment at a heat treatment temperature T (° C.) defined by the following formula (2) is applied to a graphitized material having an average particle diameter of 5 to 100 μm. For 0.5 to 48 hours, a method for producing a carbon material for a negative electrode.
(T(T 11 +T+ T 22 )/2≦T≦T) / 2 ≦ T ≦ T 22 (2)        (2)
但し、前記(2)式において、前記THowever, in the equation (2), the T 11 は前記黒鉛化材料に前記ガス雰囲気にて示差熱分析測定を行った際に得られる吸熱ピークのピーク温度(℃)で、前記TIs the peak temperature (° C.) of the endothermic peak obtained when differential thermal analysis measurement is performed on the graphitized material in the gas atmosphere. 22 は前記示差熱分析測定で得られる発熱ピークのピーク温度(℃)である。Is the peak temperature (° C.) of the exothermic peak obtained by the differential thermal analysis measurement.
前記熱処理が施された黒鉛化材料にガス状の酸を接触させる工程をさらに具備することを特徴とする請求項1記載の負極用炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material for a negative electrode according to claim 1 , further comprising a step of bringing a gaseous acid into contact with the graphitized material subjected to the heat treatment . 下記(1)式で規定される浸漬熱比(ΔHImmersion heat ratio (ΔH defined by the following formula (1) ii nn /ΔH/ ΔH ii hh )を有すると共に平均粒径が5〜100μmの黒鉛化材料である負極用炭素材料の製造方法であって、) And a carbon material for a negative electrode which is a graphitized material having an average particle diameter of 5 to 100 μm,
1.2≦ΔH        1.2 ≦ ΔH ii nn /ΔH/ ΔH ii hh ≦2 (1)≦ 2 (1)
但し、前記(1)式において、前記ΔH  However, in the formula (1), the ΔH ii hh は前記黒鉛化材料のn−ヘプタンについての浸漬熱であり、前記ΔHIs the heat of immersion for n-heptane of the graphitized material, and the ΔH ii nn は前記黒鉛化材料の1−ニトロプロパンについての浸漬熱であり、Is the heat of immersion for 1-nitropropane of the graphitized material,
10体積%以上のCOCO of 10 volume% or more 22 を含む第1のガス雰囲気、1体積%以上のHA first gas atmosphere containing 1% by volume or more of H 22 Oを含む第2のガス雰囲気及び10体積%以上のCOSecond gas atmosphere containing O and 10% by volume or more of CO 22 と1体積%以上のHAnd 1 vol% or more of H 22 Oを含む第3のガス雰囲気よりなる群から選択されるガス雰囲気において、平均粒径が5〜100μmの炭素前駆体に、2000〜3000℃での熱処理を0.5〜48時間施すことにより前記炭素前駆体を黒鉛化する工程を具備することを特徴とする負極用炭素材料の製造方法。In a gas atmosphere selected from the group consisting of a third gas atmosphere containing O, a carbon precursor having an average particle size of 5 to 100 μm is subjected to heat treatment at 2000 to 3000 ° C. for 0.5 to 48 hours. The manufacturing method of the carbon material for negative electrodes characterized by comprising the process of graphitizing a carbon precursor.
前記黒鉛化処理が施された炭素前駆体にガス状の酸を接触させる工程をさらに具備することを特徴とする請求項3記載の負極用炭素材料の製造方法。 The method for producing a carbon material for a negative electrode according to claim 3 , further comprising a step of bringing a gaseous acid into contact with the carbon precursor subjected to the graphitization treatment .
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