JP3957692B2 - リチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子、負極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
現在、リチウムイオン二次電池は、正極にLiCoO2、負極に黒鉛を用いたものが一般的である。しかし、黒鉛負極は充放電の可能性に優れるものの、その放電容量はすでに層間化合物LiC6に相当する理論値372mAh/gに近い値まで到達しており、さらなる高エネルギー密度化を達成するためには、黒鉛より放電容量の大きい負極材料を開発する必要がある。
そのため、金属Liに代わる負極材料として、Liと合金を形成する金属または金属化合物が検討されてきた。これらの合金負極は金属Liには及ばないものの黒鉛を遥かに凌ぐ放電容量を有する。しかし、合金化に伴う体積膨張により活物質の粉化・剥離が発生し、まだ実用レベルのサイクル特性が得られていない。
特許文献1には、金属または金属質物と、粒子状または繊維状の黒鉛質物を、炭素質物で結合または被覆した複合材料であって、アルゴンレーザーを用いたラマン分光法により測定した複合材料の表面のDバンド1360cm-1ピーク強度IDとGバンド1580cm-1ピーク強度IGの比ID/IG(R値)が0.4以上を示す電極材料が開示されている。しかし、該電極材料における炭素質物の含有量の最適値の上限は30重量%という多量であり、特にR値が大きいことから、非晶質の炭素質物の割合が高く、炭素質物に起因する放電容量や初期充放電効率の低下が懸念される。すなわち、炭素質物は黒鉛質物に比べて、電解液の分解反応が生じにくい反面、放電容量が小さく、かつ充電されたリチウムイオンが細孔にトラップされ、放電されないことに起因して、不可逆容量が大きいという特徴がある。また、炭素質物の絶対含有量が多いと、放電容量および初期充放電効率の低下が大きくなることがある。
黒鉛質物の電解液との反応性抑制および金属の固定を果たすためには、炭素質物の絶対含有量を多くせざるを得ない。また、炭素質物は黒鉛質物や金属と充放電時の膨張収縮度が異なるため、炭素質物の割合が高い複合材料においては、繰返し充放電時に炭素質物が黒鉛質物から剥離しやすく、サイクル特性が低下することがある。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子の製造方法は、該圧縮剪断工程で得られた複合体に、前記炭素質物前駆体と同種または異種の炭素質物前駆体を被覆した後、焼成することが好ましい。
本発明の複合黒鉛粒子の作製に際し、黒鉛として鱗片状黒鉛が使用される。鱗片状黒鉛とは、電子顕微鏡で観察した該鱗片状黒鉛の長軸の長さとそれに直交する短軸の長さとの比(アスペクト比)が3〜100の黒鉛粒子を指すが、アスペクト比が4〜50、特に5〜30、さらに7〜20であるものが好ましい。アスペクト比が3未満の場合は、粒状・球状であり、前述した金属を固定するために炭素質物の絶対含有量が増大することによる電解液との反応性および電池特性の低下の問題が発現する。一方、アスペクト比が100超の場合は、繊維状となり、3未満の場合と同様な問題が発現する。アスペクト比は、複数(50個)の黒鉛の走査型電子顕微鏡観察により測定したアスペクト比の平均である。
使用する鱗片状黒鉛の平均粒子径は1μm〜30μm、特に1μm〜20μm、さらには3〜10μmであることが好ましい。1μm未満であると、電解液の分解反応の起点となる黒鉛エッジ面の割合が増え、負極に用いたときに初期充放電効率が低下することがある。一方、30μm超であると、複合黒鉛質粒子の内部で鱗片状黒鉛が同一方向に配向しやすくなり、負極に用いたときにサイクル特性が低下することがある。なお、平均粒子径とは、レーザー回折式粒度計で測定される累積度数が体積百分率で50%となる粒子径を意味する。
鱗片状黒鉛は導電性を有し、リチウムイオンを吸蔵・離脱することができるものであれば、天然黒鉛、人造黒鉛、その他の材料から得た黒鉛質材料などいかなるものであってもよい。人造黒鉛は、石油系または石炭系のタールピッチ類などの易黒鉛化性炭素材料を、最終的に1500℃以上、好ましくは2800〜3300℃で黒鉛化処理し、さらにこれを公知の方式で粉砕、分級して、所望の形状、平均粒子径、アスペクト比に調整して、使用される。黒鉛化処理の前後において、液相、気相、固相における各種化学的処理、熱処理、酸化処理、物理的処理などを施したものであってもよい。また、異種材料との混合物、造粒物、被覆物、積層物であってもよい。
Liと合金化可能な金属は負極の放電容量を高めるために配合される。該金属は、Al、Pb、Zn、Sn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Ag、Si、B、Au、Pt、Pd、Sb、GeおよびNiから選ばれる1種または2種以上であり、これら金属の2種以上の合金であってもよい。好ましい金属はSiおよびSnであり、特に好ましいのはSiである。金属は結晶質、非晶質のいずれの状態でもよい。金属は、前記金属以外の元素をさらに含有していてもよい。また、金属の一部が酸化物、窒化物、炭化物などの化合物であってもよい。
金属の形状は特に制約されないが、粒状、球状、板状、鱗片状、針状、糸状などであるが、好ましいのは粒状または球状の粒子である。また、黒鉛の表面に金属を膜状に存在させてもよい。金属の平均粒子径は0.01μm〜5μm、特に1μm以下であることが好ましい。0.01μm未満であると、分散性が不十分となる場合がある。一方、5μmを超えるとリチウムイオン二次電池のサイクル特性の向上が小さい場合がある。ここで、平均粒子径とはレーザー回折式粒度計で測定される累積度数が体積百分率で50%となる粒子径を意味する。
炭素質物は実質的に揮発分を含まず、導電性を有し、リチウムイオンを吸蔵・離脱することができるものであればいかなるものであってもよい。炭素質物は、複数の鱗片状黒鉛を固定し、金属の膨張収縮に伴う金属の脱離や複合黒鉛粒子の破壊を防止する。また、鱗片状黒鉛のエッジ面の少なくとも一部を被覆して、初期充放電効率を向上するものであることが好ましい。
炭素質物は、石油系、石炭系のタールピッチ類、樹脂類などの炭素質物の前駆体を、最終的に1500℃未満の温度で熱処理することによって製造することができる。炭素質物の前駆体としては、コールタール、タール軽油、タール中油、タール重油、ナフタリン油、アントラセン油、コールタールピッチ、ピッチ油、メソフェーズピッチ、酸素架橋石油ピッチ、ヘビーオイルなどの石油系または石炭系のタールピッチ類、また樹脂類として、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、マレイン酸樹脂、クマロン樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。同時に放電容量の低下を抑制する観点からは、特にタールピッチ類が好ましい。
複合黒鉛粒子は、Liと合金化可能な金属、鱗片状黒鉛および炭素質物を主要成分として構成される。該金属は複数の鱗片状黒鉛によって挟持されていることが好ましい。該金属と鱗片状黒鉛とは直接接触していてもよいし、微量の炭素質物を介して接触していてもよい。また、該金属が鱗片状黒鉛に化学的に結合していてもよいし、物理的に埋設されていてもよい。
本発明の複合黒鉛粒子において、該金属が鱗片状黒鉛に挟持されている状態は、複合黒鉛粒子の断面を電子顕微鏡により反射電子像、二次電子像を観察することにより確認することができる。
金属の割合が1%未満の場合には放電容量の増大が不十分であり、10%以上の場合には、金属の充電膨張、放電収縮によるサイクル特性の低下が顕著になることがある。鱗片状黒鉛の割合が70%未満の場合には、放電容量や初期充放電効率が低下したり、電位平坦性が損なわれることにより、リチウムイオン二次電池とした場合の適用電子機器の範囲が限定されるなどの問題を生じることがある。98%超の場合には、金属に由来する放電容量の増大が不十分となることがある。炭素質物の割合が1%未満の場合には複数の黒鉛を固定することができず、負極を製造するときに複合黒鉛質粒子の形状を維持することが難しくなり、20%以上の場合には、放電容量、初期充放電効率を高いレベルで両立させることが難しくなることがある。
鱗片状黒鉛と炭素質物の割合は、複合黒鉛粒子の断面を偏光顕微鏡を用いて1000倍で撮影し、任意の粒子10個について結晶性の高低に由来する外観の相違から、粒子内部の鱗片状天然黒鉛と炭素質物が占める、目視で測定した面積割合の平均値である。なお、鱗片状黒鉛と炭素質物が占める面積割合は、複合黒鉛粒子の断面の薄片を調製して透過型電子顕微鏡を用いて観察することによっても求めることができる。ここで、鱗片状黒鉛と炭素質物の面積割合を求めるが、鱗片状黒鉛と炭素質物の密度に大きな差異がないため、本発明においては前述のように求める面積割合を質量割合とみなすことにする。
金属は複合黒鉛粒子の内部に取り込まれ、外表面に介在していないことが好ましい。金属が外表面に存在すると電池の充放電に伴い複合黒鉛粒子表面から剥がれ落ち、サイクル特性が低下することがある。
炭素質物は鱗片状黒鉛のエッジ面の少なくとも一部に付着し、かつ複数の鱗片状黒鉛を固定していればよい。本発明の複合黒鉛粒子の平均アスペクト比は5以下、特に3以下であることが好ましい。平均アスペクト比が5超の場合には、複合黒鉛粒子内の鱗片状黒鉛が同一方向に配向した構造となり、充放電に伴って同一方向に膨張、収縮するため、サイクル特性の低下を引き起こすことがある。また、負極を形成した場合に、電解液が浸透しにくくなるなどの問題が生じることもある。
なお、R値が0.40以上を示すのは、例えば、炭素質物の組成割合が前記規定量よりも多い場合、鱗片状黒鉛の平均粒子径が前記規定範囲より小さい場合、および鱗片状黒鉛以外の黒鉛を用いて、黒鉛エッジ面が外表面に露出した場合などである。一方、R値が0.15未満であると、炭素質物による黒鉛の固定が不完全になることが多く、やはり放電容量、初期充放電効率、サイクル特性の向上が十分でないことがある。
複合黒鉛質粒子の平均粒子径は1μm〜50μm、好ましくは3μm〜30μmである。1μm未満であると、負極合剤を調製する際に、粘度が不安定になったり、初期充放電効率が低下することがある。50μm超では、粒子間の接触が不足したり、負極を形成する際のプレスによって、破壊されやすくなり、サイクル特性が低下することがある。
複合黒鉛粒子の比表面積は0.5m2/g〜20m2/g、特に1m2/g〜10m2/gであることが好ましい。0.5m2/g未満では、粒子間の接触が不足したり、負極を形成する際のプレスによって破壊されやすくなり、サイクル特性が低下することがある。20m2/gを超えると、負極合剤ペーストの粘度調整が不安定になったり、バインダーによる粘着力が低下することがある。比表面積は窒素ガス吸着BET法により測定される。
本発明の複合黒鉛質粒子の製造方法は、前述の複合構造、物性値が得られる方法であれば、特に制約されないが、1例を以下に示す。
炭素質物の前駆体としてのタールピッチ類や樹脂類を溶媒などに溶解し、この溶液に鱗片状黒鉛、金属またはさらに前記異種材料を加え、混合した後、溶媒を除去し、乾燥する。炭素質物の前駆体の配合量は、最終的に得られる複合黒鉛粒子に占める炭素質物の割合が20質量%未満となるように設定すればよい。溶媒の除去と乾燥を減圧下で行うと、炭素質物の前駆体と、鱗片状黒鉛および金属との密着性がよくなり好ましい。得られた複合体を熱処理し、炭素質物の前駆体を炭化させる。熱処理は一段で行ってもよいし、温度を変えて段階的に行ってもよい。最終的な熱処理温度は600〜1500℃、好ましくは800〜1300℃である。
なお、金属がSiの場合には、1300℃を超えると、炭素とSiが反応してSiCを生成するため、熱処理温度を1300℃以下に抑えることが好ましい。
さらに、最終的な熱処理を行う前に、同種または異種の炭素質物の前駆体を該複合体の外表面に複数層被覆してもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池の負極の作製は、従来公知の負極の作製方法に準じて実施されるが、化学的、電気化学的に安定な負極を作製できる方法であれば、何ら制限されない。負極の作製時には、本発明の複合黒鉛質粒子を含むリチウムイオン二次電池用負極材料に、結合剤を加え、予め調製した負極合剤を用いることが好ましい。
負極合剤層を形成した後、プレス加圧などの圧着を行うと、負極合剤層と集電材との接着強度をより高めることができる。
負極に用いる集電材の形状は特に限定されないが、箔状、またはメッシュ、エキスパンドメタルなどの網状のものなどが用いられる。集電材の材質としては、銅、ステンレス、ニッケルなどが挙げられる。集電材の厚さは、箔状の場合は、5〜20μmであることが好ましい。
リチウムイオン二次電池は、通常、負極、正極および非水電解質を主たる電池構成要素として、正極および負極はそれぞれリチウムイオンの担持体であり、充電時にはリチウムイオンが負極に吸蔵され、放電時に負極から離脱する電池機構に拠っている。
本発明のリチウムイオン二次電池の構成要素は、負極材料として本発明の複合黒鉛粒子を用いる以外は特に限定されない。正極、電解質、セパレータなどの他の電池構成要素については一般的なリチウムイオン二次電池の構成要素に準じる。
これらの高分子電解質二次電池は、複合黒鉛質粒子を含有する負極と、正極および高分子電解質を、例えば、負極、高分子電解質、正極の順で積層し、電池の外装内に収容することで構成される。さらに、負極と正極の外側に高分子電解質を配するようにしてもよい。
正極は、例えば正極材料と結合剤と導電剤よりなる正極合剤を集電材の表面に塗布することにより形成される。本発明のリチウムイオン二次電池に使用される正極材料(正極活物質)は、十分量のLiを吸蔵・離脱し得るものを選択することが好ましい。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物(V2O5、V6O13、V2O4、V3O8など)およびそのリチウム化合物などのリチウム含有化合物、一般式MxMo6S8-y(式中Mは少なくとも一種の遷移金属元素であり、Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数である)で表されるシェブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。該リチウム含有遷移金属酸化物はLiと遷移金属との複合酸化物であり、Liと2種類以上の遷移金属を固溶したものであってもよい。
M、M1およびM2で示される遷移金属は、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、Snなどであり、好ましいのはCo、Fe、Mn、Cr、Ti、V、Alなどである。好ましい具体例はLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi0.9Co0.1O2、LiNi0.5Co0.5O2などである。
このような正極材料によって正極を形成するには、例えば、正極活物質と結合剤および電極に導電性を付与するための導電剤よりなる正極合剤を集電材の片面または両面に塗布することで正極合剤層を形成する。結合剤としては、負極で用いたものが使用可能である。導電剤としては、黒鉛やカーボンブラックなどの炭素材料が用いられる。
正極の場合も負極の場合と同様に、正極合剤を溶剤中に分散させることでペースト状にし、このペースト状負極合剤を集電材に塗布し乾燥することによって正極合剤層を形成してよく、正極合剤層を形成した後、さらにプレス加圧などの圧着を行っても構わない。これにより、正極合剤層が均一かつ強固に集電材に接着される。
本発明のリチウムイオン二次電池は、非水電解質として液系の電解質のほかに、固体電解質またはゲル電解質などの高分子電解質を使用することができる。液系の場合は非水電解質二次電池は、いわゆるリチウムイオン二次電池として構成され、高分子系の場合は高分子固体電解質二次電池、高分子ゲル電解質二次電池などの高分子電解質二次電池として構成される。
本発明のリチウムイオン二次電池に使用される非水電解質は、通常の非水電解液に使用される電解質塩であり、具体的には、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)、LiCl、LiBr、LiCF3SO3、LiCH3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LIN(CF3CH2OSO2)2、LIN(CF3CF3OSO2)2、LIN(HCF2CF2CH2OSO2)2、LIN[(CF3)2CHOSO2]2、LIB[C6H3(CF3)2]4、LiAlCl4、LiSiF6などのリチウム塩が挙げられる。特にLiPF6とLiBF4が酸化安定性の点から好ましい。電解液中の電解質塩の濃度は0.1〜5mol/lであることが好ましく、0.5〜3.0mol/lであることがより好ましい。
高分子電解質の場合、可塑剤が配合されるが、可塑剤としては、前記電解質塩や非水溶媒が使用される。高分子ゲル電解質の場合、可塑剤である非水電解液中の電解質塩濃度は0.1〜5mol/lであることが好ましく、0.5〜2.0mol/lであることがより好ましい。
前記高分子電解質中の非水溶媒の割合は10〜90質量%が好ましく、30〜80質量%がより好ましい。10質量%未満であると導電率が低くなり、90質量%を越えると機械的強度が弱くなり、成膜しにくくなる。
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレータを使用することもできる。セパレータは特に限定されるものではないが、例えば、織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜などが挙げられる。合成樹脂製微多孔膜が好ましいが、なかでもポリオレフィン系製微多孔膜が厚さ、膜強度、膜抵抗などの点から好ましい。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜などである。
なお、実施例および比較例において、平均粒子径はレーザー回折式粒度計により測定した粒度分布の累積度数が体積百分率で50%となる粒子径とした。
アスペクト比は粒子50個について、走査型電子顕微鏡で形状が認識できる大きさで撮影し、計測した長軸の長さとそれに直交する短軸の長さの比の平均値である。
比表面積は窒素ガス吸着によるBET法により求めた。
X線回折による格子面間隔d002は前述した方法により測定した。
ラマン分光によるR値はレーザ−ラマン分光分析装置(NR-1800:日本分光(株)製)を用い、励起光は514.5nmのアルゴンイオンレーザー、照射面積は50μmφで分析し、Dバンド1360cm-1ピークの強度をID、Gバンド1580cm-1のピーク強度をIGとしたときの比ID/IGである。
(複合黒鉛粒子の作製)
平均粒子径5μm、X線回折による格子面間隔d002 が0.3355nm、アスペクト比が15の鱗片状天然黒鉛88質量部、平均粒子径0.5μmのSi粒子5質量部、コールタールピッチ(残炭率約60質量%)12質量部、およびタール中油100質量部を二軸混練機を用いて、150℃で1h混合した後、減圧にしてタール中油を除去し、乾燥した。得られた混合物を450℃で5h焼成した後、平均粒子径が17μmになるように粉砕した。粉砕生成品の外観を走査型電子顕微鏡で観察した結果、一部の鱗片状天然黒鉛のエッジ面が外表面を向き、表面の粗い塊状を呈していた。これをメカノフージョンシステム(ホソカワミクロン(株)製)内に投入して、回転ドラムの周速度20m/s、処理時間30min、回転ドラムと内部部材の距離5mmの条件で圧縮力、剪断力を繰返し付加した。これにより、得られた複合体の外観を走査型電子顕微鏡で観察した結果、外表面には鱗片状天然黒鉛のベーサル面が配置された、球状〜楕円体の複合体であることが確認された。この複合体を1000℃で10h焼成して複合黒鉛粒子を得た。
得られた複合黒鉛粒子は、鱗片状天然黒鉛/Si/炭素質物の質量組成が88/5/7であった。平均粒子径は15μm、平均アスペクト比は2.0、格子面間隔d002は0.3358nm、R値は0.23および比表面積は2.8m2/gであった。
なお、複合黒鉛粒子におけるSiの割合は前述した発光分光法により求めた。鱗片状天然黒鉛と炭素質物の割合は前述した偏光顕微鏡を用いる方法により求めた。
複合黒鉛粒子98質量部に対し、結合剤としてスチレンブタジエンゴムを1質量部、カルボキシメチルセルロースを1質量部の割合で水に加えて、プラネタリーミキサーを用いて攪拌混合し、スラリーとし、水系負極合剤ペーストを調製した。
前記負極合剤ペーストを、銅箔(厚み16μm)の上に塗布し、真空中90℃で水を揮発させ、乾燥した。得られた負極合剤層をハンドプレスによって加圧した。集電材銅箔と負極合剤層を直径15.5mmの円柱状に打抜いて、銅箔と該銅箔に密着した負極合剤層(厚み50μm)からなる作用電極を作製した。
Li箔(厚み0.5mm)を集電材ニッケルネットに押付け、直径15.5mmの円柱状に打抜いて、ニッケルネットに密着したLi箔からなる対極を作製した。
エチレンカーボネート33mol%とメチルエチルカーボネート67mol%を混合してなる混合溶媒に、LiPF6を1mol/dm3となる濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。得られた非水電解液をポリプロピレン多孔質シートに含浸させ、電解液が含浸したセパレータを作製した。
評価電池として、図1に示すボタン型二次電池を次の手順により作製した。
集電材7bに密着した作用電極2と集電材7aに密着した対極4との間に、電解液を含浸させたセパレータ5を挟んで、積層した。その後、作用電極2の集電材7b側が外装カップ1内に、対極4の集電材7a側から外装缶3内に収容されるように、外装カップ1と外装カップ3とを合わせた。その際、外装カップ1と外装缶3との周縁部に絶縁ガスケット6を介在させ、両周縁部をかしめて密着した。
0.9mAの電流値で回路電圧が0mVになるまで定電流充電を行い、回路電圧が0mVに達した時点で定電圧充電に切換え、さらに電流値が20μAになるまで充電を続け、この間の通電量から充電容量を求めた。その後、120min間休止した。次に、0.9mAの電流値で、回路電圧が1.5mVに達するまで定電流放電を行い、この間の通電量から放電容量を求めた。これを第1サイクルとした。次式から初期充放電効率を計算した。
初期充放電効率(%)=(第1サイクルにおける放電容量/第1サイクルにおけ
る充電容量)×100
なお、この試験では、リチウムを複合黒鉛粒子へ吸蔵する過程を充電、離脱する過程を放電とした。
別の評価電池を用いて、回路電圧が0mVに達するまで4.5mAの電流値で定電流充電を行った後、定電圧充電に切換え、電流値が20μAになるまで充電を続けた後、120min間休止した。次に、4.5mAの電流値で回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行い、この間の通電量から放電容量を求めた。この充放電を20回繰返した。得られた放電容量から次式によりサイクル特性を計算した。
サイクル特性(%)=(第20サイクルにおける放電容量/第1サイクルにおける
放電容量)×100
(複合黒鉛粒子の作製)
平均粒子径3μm、X線回折による格子面間隔d002 が0.3358nm、アスペクト比が10の鱗片状人造黒鉛86質量部、平均粒子径0.3μmのSi粒子6質量部、フェノール樹脂(残炭率約40質量%)10質量部、およびエタノール200質量部を二軸混練機を用いて混合し、分散液を調製した。この分散液をアグロマスター(ホソカワミクロン(株)製)を用いてスプレー噴霧すると同時に、80℃でエタノールを除去し、機内で流動させることによって造粒した。造粒体の外観を走査型電子顕微鏡で観察した結果、一部の鱗片状人造黒鉛のエッジ面が外表面を向き、表面の粗い塊状を呈していた。
該複合体100質量部、コールタールピッチ(残炭率約60質量%)7質量部、タール中油100質量部を二軸混練機を用いて、150℃で1h混合した後、減圧にしてタール中油を除去し、乾燥した。この複合体を1000℃で10h焼成して複合黒鉛粒子を得た。
得られた複合黒鉛粒子は、鱗片状人造黒鉛/Si/炭素質物の質量組成が86/6/8であった。平均粒子径は15μm、平均アスペクト比は1.6、格子面間隔d002は0.3360nm、R値は0.27および比表面積は3.2m2/gであった。
実施例2の負極材料を用いた評価電池は、高い放電容量を示し、かつ高い初期充放電効率を有する。さらに、優れたサイクル特性を有する。
実施例1において、鱗片状天然黒鉛として、平均粒子径30μm、X線回折による格子面間隔d002が0.3355nm、アスペクト比が3.5の鱗片状天然黒鉛を用いる以外は実施例1と同様に複合黒鉛粒子を調製した。該複合黒鉛粒子を用いて、実施例1と同様な方法と条件で、負極合剤ペースト、作用電極、対極、電解液・セパレータおよび評価電池を作製した。該評価電池の充放電特性を実施例1と同様に測定した。評価結果を表2に示した。
実施例3の負極材料を用いた評価電池は、バランスのよい放電容量、初期充放電効率およびサイクル特性を有する。
実施例1において、鱗片状天然黒鉛に代えて、塊状コークスを黒鉛化してなる人造黒鉛(平均粒子径10μm、平均アスペクト比2.5、格子面間隔d002は0.3363nm)を用いる以外は、実施例1と同様な方法と条件で、複合黒鉛粒子を作製した。引続き、実施例1と同様に、負極合剤ペースト、作用電極、対極、電解液・セパレータおよび評価電池を作製した。該評価電池の充放電特性を実施例1と同様に測定した。評価結果を表2に示した。
塊状黒鉛を用いると、鱗片状黒鉛を用いた場合に比べ、得られた複合黒鉛粒子のR値が規定値を超え、さらに、負極としたときに、高い初期充放電効率やサイクル特性が得られない。これは、塊状黒鉛のエッジ面が外表面に多く露出していたり、Siの固定力が弱く、Siの膨張収縮に対して破壊されやすい構造であったためと推定される。
実施例2において、コールタールピッチの配合量を5倍に増やす以外は実施例2と同様に複合黒鉛粒子を作製した。該複合黒鉛粒子用いて、実施例1と同様な方法と条件で、負極合剤ペースト、作用電極、対極、電解液・セパレータおよび評価電池を作製した。該評価電池の充放電特性を実施例1と同様に測定した。評価結果を表2に示した。
2 作用電極
3 外装缶
4 対極
5 セパレータ
6 絶縁ガスケット
7a、7b 集電材
11 鱗片状黒鉛
12 金属
13 炭素質物
14 エッジ面
15 ベーサル面
Claims (7)
- Liと合金化可能な金属、鱗片状黒鉛および炭素質物を含有し、該金属は該鱗片状黒鉛によって挟持され、該炭素質物が、該鱗片状黒鉛間、該鱗片状黒鉛と該金属間および/または該鱗片状黒鉛のエッジ面に分散して、付着する複合黒鉛粒子であり、かつ、該複合黒鉛粒子の外表面に該鱗片状天然黒鉛のベーサル面が露出し、該金属が該複合黒鉛粒子の内部に取込まれている複合黒鉛粒子において、該複合黒鉛粒子に対する該金属の含有量が1質量%以上、10質量%未満、該鱗片状黒鉛の含有量が70質量%以上、98質量%以下、および該炭素質物の含有量が1質量%以上、20質量%未満であり、アルゴンレーザーを用いたラマン分光法により測定したDバンド1360cm-1ピーク強度IDとGバンド1580cm-1ピーク強度IGの比ID/IG(R値)が0.4未満であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子。
- 前記複合黒鉛粒子の平均粒子径が1μm〜50μmである請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子。
- 前記Liと合金化可能な金属は、平均粒子径が0.01μm〜5μmのSiである請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池負極。
- 請求項4に記載のリチウムイオン二次電池負極を用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- Liと合金化可能な金属、鱗片状黒鉛および炭素質物前駆体とを混合する工程と、該混合工程で得た混合物を焼成または造粒する焼成・造粒工程と、該焼成・造粒工程で得られた焼成物または造粒物に圧縮力、剪断力を付加する圧縮剪断工程と、該圧縮剪断工程で得られた複合体を600〜1500℃で焼成して、前記炭素質物前駆体を炭化する工程を設けて、請求項1〜3のいずれかに1項に記載のリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子を得ることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子の製造方法。
- 前記圧縮剪断工程で得られた複合体に、前記炭素質物前駆体と同種または異種の炭素質物前駆体を被覆した後、焼成することを特徴とする請求項6に記載のリチウムイオン二次電池負極材料用複合黒鉛粒子の製造方法。
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