JP4040381B2 - Composite graphite particles, method for producing the same, negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合構造を有する複合黒鉛質粒子およびその製造方法、ならびに該複合黒鉛質粒子を用いたリチウムイオン二次電池用負極およびそれを用いた、放電容量および初期充放電効率が高く、ハイレート特性およびサイクル特性にも優れるリチウムイオン二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化あるいは高性能化に伴い、電池の高エネルギー密度化に対する要望はますます高まっている。この状況のなか、負極にリチウムを利用したリチウム二次電池はエネルギー密度が高く、高電圧化が可能であるという利点を有することから注目されている。
このリチウム二次電池では、リチウム金属をそのまま負極として用いるので、充電時にリチウムがデンドライト状に析出して負極が劣化するため、充放電サイクルが短いことが知られている。また、デンドライト状に析出したリチウムがセパレータを貫通して、正極に達し短絡する可能性もある。
【0003】
このため正・負極用各材料を、それぞれリチウムイオンの担持体として機能する、酸化還元電位の異なる二種類の層間化合物で構成し、充放電過程における非水溶媒の出入を層間で行うようにしたリチウムイオン二次電池が検討されている。
【0004】
この負極材料として、リチウムイオンを吸蔵・放出する能力を有し、リチウム金属の析出を防止し得る炭素材料を用いることが提案されている。炭素材料としては黒鉛結晶性構造または乱層構造などの多種多様な構造、組織、形態のものが知られており、それにより充放電時の作動電圧を初めとする電極性能が大きく異なる。その中でも、特に充放電特性に優れ、高い放電容量と電位平坦性とを示す黒鉛が有望視されている(特公昭62−23433号公報等)。
【0005】
黒鉛材料は、結晶性黒鉛構造が発達するほど、リチウムとの層間化合物を安定して形成しやすく、多量のリチウムが炭素網面の層間に挿入されるので、高い放電容量が得られることが報告されている (電気化学および工業物理化学、61(2) ,1383(1993) など)。リチウムの挿入量により種々の層構造を形成し、それらが共存する領域では平坦でかつリチウム金属に近い高い電位を示す(J.Electrochem.Soc.,Vol.140,9,2490(1993) など)。このことから、組電池にした場合には、高出力を得ることが可能となり、一般的に炭素負極材料の理論容量(限界値)は、最終的に黒鉛とリチウムとの理想的な黒鉛層間化合物LiC6が形成された場合の放電容量372mAh/g とされている。
【0006】
一方、黒鉛を負極材料としたリチウムイオン二次電池は、黒鉛の結晶性が高くなるに伴い、初回の充電時に黒鉛表面で電解液の分解などの電池反応に関与しない副反応が起こりやすく、その後の充電−放電過程で電気量として取り出すことができない不可逆容量(=初回の充電容量−初回の放電容量)の増加が著しく、初回の放電時に数十から数百mAh/g レベルの放電容量ロスを示すという問題がある(J.Electrochem.Soc.,Vol.117 222(1970)など)。
【0007】
上記電解液の分解などの副反応は、分解生成物が黒鉛 (炭素)表面に堆積・成長し、電子が黒鉛表面から溶媒などに直接移動できない程度の厚さとなるまで継続する。また溶媒分子とリチウムイオンとがコインターカレートして黒鉛表面層が剥げ落ち、新たに露出した黒鉛表面が電解液と反応することにより不可逆容量が大きくなる場合があること、すなわち初期充放電効率が低いことも報告されている(J.Electrochem.Soc.,Vol.137, 2009(1990))。
【0008】
このような不可逆容量の増加(低い初期充放電効率)は、二次電池中への正極材の追加により補償することができるが、余分な正極材の添加は、エネルギー密度の減少という新たな問題を生じるため、避けることが望ましい。
【0009】
上記のように黒鉛を負極炭素材料として用いたリチウムイオン二次電池では、高い放電容量と低い不可逆容量とは相反する要求であるが、これを解決するものとして、高結晶性黒鉛材料(核)の表面を低結晶性材料で被覆して多層構造とする方法も提案されている。大別すれば、
(1)核となる高結晶性黒鉛材料の表面を、プロパン、ベンゼンなどの有機化合物の熱分解ガスを用いて低結晶性炭素で被覆するもの(特開平4−368778号公報、特開平5−275076号公報)、
【0010】
(2)核となる高結晶性黒鉛材料に、ピッチなどの炭素材料を液相で被覆あるいは含浸した後、1000℃程度の温度で焼成して表層に炭素質物を形成するもの(特開平5−121066号公報、特開平5−217604号公報、特開平6−84516号公報、特開平11−54123号公報、特開2001−229924号公報)、
(3)黒鉛結晶性材料あるいは生コークスなどの黒鉛前駆体を、酸化性雰囲気中気相または液相で300℃程度で酸化処理するもの(特開平10−326611号公報、特開平10−218615号公報)、
(4)さらに(1)〜(3)を組み合わせたもの(特開平10−214615号公報、特開平10−284080号公報)などである。
【0011】
しかしながら、上記(1)、(4)の方法は、工業的生産の観点からは製造工程が煩雑でコストが高いという問題があり、また(1)の方法は被覆厚みのコントロールが困難なため安定して高い電極性能や粉体性能を発揮させることができないという問題がある。
【0012】
上記(2)の方法は、1000℃程度で焼成した際に被覆黒鉛同士が強固に接着し、解砕時に被膜が剥離するなどして、表層の均質性や厚みのコントロールが困難なため安定して高い電極性能や粉体性能を発揮させることができないという問題がある。
【0013】
上記(3)の方法において、高い初期充放電効率を得るためには、高度に酸化する必要があるが、これによって表層のみならず、結晶性黒鉛材料の内部 (核)の結晶性をも低下させてしまい、放電容量の低下を引き起こす問題がある。
【0014】
また、従来いずれの方法も近年の高い放電容量、ハイレート特性(急速充放電特性)、サイクル特性の要求に対して性能が不足する。そこで、高い放電容量を得るために、(5)天然黒鉛をはじめとする高結晶性の黒鉛質粒子を核とした複合黒鉛質粒子が提案されている(例えば、特開2001−89118号公報)。しかし、一般に天然黒鉛は粒子形状が偏平状であり、負極を形成した場合に黒鉛粒子が一方向に配向しやすく、ハイレート特性やサイクル特性の低下を招く原因となっていた。
【0015】
また、上記(5)の複合黒鉛質粒子は、電解液と反応性の高い黒鉛表面が露出し不可逆容量が高いものである。また、コークス粉末由来の高結晶性黒鉛質粒子(核)が、粒子内の結晶が一方向に配向しているものであり、負極を形成した場合に黒鉛粒子が一方向に配向しやすく、ハイレート特性やサイクル特性の低下を生じていた。すなわち、一つの複合黒鉛質粒子の中に複数の高結晶性黒鉛(核)を介在させて粒子内の結晶配向をランダム化させた場合には、複数の高結晶性黒鉛を造粒するために大量のタールピッチ被膜が必要となり、放電容量の低下を招く。そのため、タールピッチ被膜を薄膜化すると複合黒鉛質粒子の強度が低くなり、負極を形成した場合に容易に変形、破壊し、ハイレート特性、サイクル特性や初期充放電効率の低下を生じる問題がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池用負極材料として用いたときに、高い放電容量および高い初期充放電効率(不可逆容量が小さい)、さらに優れたハイレート特性およびサイクル特性がともに得られる複合黒鉛質粒子、および黒鉛化時の融着などを抑制しつつ生産性良く製造する方法、ならびにこの複合黒鉛質粒子を用いるリチウムイオン二次電池用負極、および上記電池特性を有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、複数の鱗片状の黒鉛から形成された球状あるいは楕円体状の黒鉛造粒物に、炭素質微粒子が分散されたメソフェーズ前駆体を充填および/または被覆し、特定の揮発分を含有するように焼成した後、必要に応じて解砕し、非酸化性雰囲気で熱処理することにより、溶融粘度が高くなり、熱処理時の材料同士の融着を抑制できることを見出した。焼成時にわずかに融着を生じても解砕による被覆物の剥離を抑制することができる。そして、外表面に低結晶性の炭素質物の薄膜が均一でかつ強固に密着された複合黒鉛質粒子が製造できることを見出した。また、こうして得られた、特有の構造を有する複合黒鉛質粒子は、高い放電容量を有し、不可逆容量の増加が抑制されるため高い初期充放電効率を示し、さらに優れたハイレート特性およびサイクル特性を有する。また、高密度で負極を形成した場合においても、電池性能が維持されることを見出した。
【0018】
これは、メソフェーズ前駆体が焼成される際、炭素質微粒子の作用によって、外側表面の炭素質層からなる被膜の結晶構造が適度に乱され、ランダムな配向をなすため、高い初期充放電効率と優れたハイレート特性の発現に寄与したものと考えられる。また、高い結晶性を有する黒鉛によって高い放電容量が得られると同時に、複数の鱗片状黒鉛を球状に造粒したことで、優れたサイクル特性、ハイレート特性を実現することができる、と考えられる。さらに、複数の鱗片状黒鉛を球状に造粒したことで、適度な空隙や凹凸が形成され、これにメソフェーズ前駆体が充填および/または被覆されることにより、両者の界面がアンカー効果によって強固に密着したものと考えられる。
【0019】
すなわち、本発明は、複数の鱗片状の黒鉛が集合して形成された黒鉛造粒物(A)と、該黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に、該黒鉛造粒物(A)よりも結晶性の低い炭素質層(B)が、充填および/または被覆されてなる複合黒鉛質粒子であって、前記炭素質層(B)が炭素質微粒子(C)を含み、
前記複合黒鉛質粒子中の黒鉛造粒物(A)の含有量が70〜99質量%であり、前記複合黒鉛質粒子中の炭素質層(B)の含有量が30〜1質量%であり、前記炭素質層(B)中の炭素質微粒子(C)の含有量が0.1〜2質量%であることを特徴とする複合黒鉛質粒子を提供する。
【0020】
前記複合黒鉛質粒子の平均粒子径が5〜100μmであり、前記炭素質微粒子(C)の平均粒子径が0.005〜0.5μmであることが好ましい。
【0022】
前記複合黒鉛質粒子の炭素網面層の面間隔(d002 )が0.3365nm以下、ラマンスペクトルの1360cm-1のピーク強度(I1360)と1580cm-1のピーク強度(I1580)の強度比(I1360/I1580)が0.05以上0.40未満であることが好ましい。
【0023】
さらに、本発明は、前記複合黒鉛質粒子を製造する方法として、複数の鱗片状の黒鉛が集合して形成された球状または楕円体状の黒鉛造粒物(A)を製造した後、得られた黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に、炭素質微粒子(C)を含有するメソフェーズ前駆体を充填および/または被覆する工程と、前記工程によって黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に形成された充填物および/または被覆物中のメソフェーズ前駆体の揮発分量が2質量%以上8質量%未満となるように焼成する工程と、前記工程で得られた焼成物を900〜3200℃で熱処理する工程とを有することを特徴とする複合黒鉛質粒子の製造方法を提供する。
【0024】
また、本発明は、前記複合黒鉛質粒子を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極、および該リチウムイオン二次電池用負極を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合黒鉛質粒子の構成成分およびその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池について詳細に説明する。
【0026】
本発明の複合黒鉛質粒子は、複数の鱗片状の黒鉛が集合して形成された黒鉛造粒物(A)と、該黒鉛造粒物(A)の内部空隙に充填および/または外表面を被覆する炭素質層(B)と、該炭素質層(B)内に含まれる炭素質微粒子とを主要構成要素とするものである。炭素質層(B)は、鱗片状の黒鉛のそれぞれを被覆していてもよいし、鱗片状の黒鉛の間、すなわち、黒鉛造粒物(A)の内部空隙に充填され、あるいは該黒鉛の間に介在し、黒鉛同士を連絡するとともに、黒鉛造粒物(A)全体の外表面を被覆し、少なくとも黒鉛造粒物(A)の外側に露出する外表面が炭素質層(B)によって被覆された複合構造を有する、球状〜楕円体状の粒子である。
【0027】
<黒鉛造粒物>
本発明の複合黒鉛質粒子の構成要素である黒鉛造粒物(A)は、複数の鱗片状の黒鉛を造粒して形成されるものである。鱗片状の黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛のほか、タール・ピッチを原料としたメソフェーズ焼成炭素(バルクメソフェーズ)、コークス類(生コークス、グリーンコークス、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等)などを黒鉛化したもの等が挙げられ、特に、結晶性の高い天然黒鉛を複数用いて造粒されたものが好ましい。1個の黒鉛造粒物(A)は、通常、鱗片状の黒鉛が2〜100個、好ましくは3〜20個集合して形成される。また、1個の黒鉛を折りたたんで球状化することもできる。
【0028】
これらの黒鉛を複数集合させて黒鉛造粒物(A)を形成する方法は、特に制限されず、例えば、黒鉛前駆体のバインダー共存下で複数の鱗片状黒鉛を混合する方法、複数の鱗片状の黒鉛に機械的外力を付与する方法、両者の併用などが挙げられるが、バインダー成分を用いずに機械的外力を付与して造粒する方法が特に好ましい。機械的外力を付与するための装置としては、例えば、カウンタジェットミル(ホソカワミクロン(株)製)、カレントジェット(日清エンジニアリング(株)製)などの粉砕機、SARARA(川崎重工(株)製)、GRANUREX(フロイント産業(株)製)、アグロマスター(ホソカワミクロン(株)製)、ニューグラマシン((株)セイシン企業製)などの造粒機、加圧ニーダー、二本ロールなどの混練機、回転ボールミル、ハイブリダイゼーションシステム((株)奈良機械製作所製)、メカノマイクロス((株)奈良機械製作所製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン(株)製)などの剪断圧縮加工機を使用することができる。
【0029】
本発明において、黒鉛造粒物(A)は、造粒物粒子内空隙率が50%以下、好ましくは30%以下にまで緻密に造粒されていることが好ましい。空隙率が50%を超える場合には、充填物または被覆物である炭素質層(B)の必要量が多くなって放電容量が低下したり、被覆後に複合黒鉛質粒子内に空隙が残存することにより高密度で負極を作製した場合に複合黒鉛質粒子が破壊されるおそれがある。
【0030】
黒鉛造粒物(A)の平均粒子径は5〜100μmの範囲内であることが好ましく、5〜30μmであることがさらに好ましい。
また、黒鉛造粒物(A)は球状〜楕円体状の形状を有するものが好ましく、アスペクト比(長軸方向とそれに直交する短軸方向の長さの比)が3以下であることが好ましく、2以下がさらに好ましい。
【0031】
<炭素質層(B)>
本発明の複合黒鉛質粒子において、炭素質層(B)は、複数の鱗片状の黒鉛が集合して形成される黒鉛造粒物(A)の内部空隙に充填、および/または黒鉛造粒物(A)の外表面を被覆する、黒鉛造粒物(A)よりも結晶性の低いものである。黒鉛造粒物(A)の炭素網面層の面間隔(d002 )は、好ましくは0.3362nm以下、さらに好ましくは0.3358nm以下であるのに対し、炭素質層(B)のd002 は好ましくは0.3362〜0.3500nm、さらに好ましくは0.3365〜0.3400nmの範囲である。
【0032】
この炭素質層(B)を形成する炭素質物としては、例えば、タールおよび/またはピッチなどの石油系および/または石炭系重質油、フェノール樹脂、酸素架橋石油ピッチ、エチレンヘビーオイルや、これらを熱処理し重縮合反応を進行させたものが挙げられる。なかでも加熱によってメソフェーズを形成するメソフェーズ前駆体、特に、タールおよび/またはピッチなどの石油系および/または石炭系重質油が好ましい。
【0033】
炭素質物の被覆量(充填および被覆に要した総量)は、最終的に得られる複合黒鉛質粒子を構成する、黒鉛造粒物(A)と、炭素質層(B)の比率が、(A):(B)=70〜99:30〜1質量%の割合となるようにすることが望ましい。(B)が30質量%を超える場合には、焼成後に粒子間が融着しやすくなり、解砕時に炭素質層(B)の内の表面部分が剥がれ、初期充放電効率が低下することがあり、(B)が1質量%より少ない場合には、黒鉛造粒物(A)を完全に被覆することが難しくなり、被覆不足に起因して初期充放電効率が低下することがある。
【0034】
<炭素質微粒子>
本発明の複合黒鉛質粒子において、炭素質層(B)は炭素質微粒子を含有する。炭素質層(B)に含有される炭素質微粒子は、初期充放電効率、ハイレート特性などの優れた負極材料を得る観点から、平均粒子径0.005〜0.5μmであることが好ましい。ここで、平均粒子径は球体に体積換算した値であり、炭素質微粒子の形状に限定はなく、粒状、球状、鎖状、針状、繊維状、板状、鱗片状などのいずれであってもよい。平均粒子径が規定範囲外の場合には、本発明の効果が得られにくい。
【0035】
炭素質微粒子としては、例えば、石炭微粉、気相炭素粉、コークス粉などの石炭系タール/ピッチ中に介在する一次QI(キノリン不溶分)成分、カーボンブラック、ケッチェンブラック、これらの黒鉛化物、前述の炭素質物あるいは該炭素質物の焼成物、および人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛繊維、カーボンナノファイバーなどの各微粉が例示され、特に限定されない。
【0036】
炭素質層(B)中の炭素質微粒子は、最終的にメソフェーズ前駆体が熱処理されて形成される炭素質層(B)の中に1〜10000個/μm3 の範囲で含有されていることが好ましい。1個/μm3 よりも少ない場合には初期充放電効率やハイレート特性の改善効果が小さくなり、10000個/μm3 よりも多いと放電容量の低下などを引き起こすことがあるので好ましくない。通常、炭素質層(B)の中には炭素質微粒子が0.1〜2質量%含有されることが好ましい。炭素質微粒子として石炭系タール/ピッチ中に存在するQI(キノリン不溶分)成分を用いる場合には、最終的に得られる炭素質層(B)に対して0.1〜2質量%の範囲が好ましい。本発明において、一次QIとは、石炭くず、コークスくずなどをいう。従来は、炭素質層の結晶性を向上させるために一次QIの少ないタール/ピッチが望まれ、一次QIが約0のものが炭素質層の前駆体として使用されていた。参考例として、通常のピッチ中の一次QIは0〜10%程度である。
【0037】
<複合黒鉛質粒子の結晶性>
本発明の複合黒鉛質粒子は、外表面や内部空隙に介在する炭素質層(B)の結晶性が核(黒鉛造粒物(A))の結晶性よりも低いことを特徴とする、複合黒鉛質粒子の表層の結晶性はアルゴンレーザーを用いたラマンスペクトルによって評価される。すなわち、黒鉛構造に基づく9種の格子振動のうち、網面内格子振動に相当するE2g型振動に対応した1580cm-1近傍のラマンスペクトルと、主に表層での結晶欠陥、積層不整などの結晶構造の乱れを反映した1360cm-1近傍のラマンスペクトルを、514.5nmの波長を持つアルゴンレーザーを用いたラマン分光分析器(日本分光(株)製、NR1100)により測定する。それぞれのラマンスペクトルのピーク強度からその強度比(R=I1360/I1580) を算出し、強度比が大きいものほど表面の結晶性が低いと評価することができる。強度比Rは、不可逆容量を小さくする観点から、R≧0.05であるのが好ましい。R<0.05の場合には不可逆容量が大きく、十分な電池性能が得られない。これは表面層の結晶化が進みすぎて複合黒鉛質粒子表面での電解液の分解反応が進行しやすくなるためと考えられる。また、高い放電容量を得る観点から、R<0.40であることが好ましい。R≧0.40の場合には、炭素質層(B)の放電容量低下が顕著になるため複合黒鉛質粒子に占める炭素質層(B)の比率を小さくする必要がある。この場合、黒鉛造粒物(A)への充填および被覆が不十分になることがあり、初期充放電効率が低下することがある。さらに好ましくは0.10≦R<0.30である。
【0038】
一方、複合黒鉛質粒子の平均的な結晶性は、X線広角回折法における炭素網面層の面間隔(d002 )および結晶子のC軸方向の大きさ(Lc)から判定することができる。すなわち、CuKα線をX線源、高純度シリコンを標準物質に使用して、複合黒鉛質粒子に対し(002)回折ピークを測定し、そのピーク位置およびその半値幅より、それぞれd002 、Lcを算出する。算出方法は学振法に従うものであり、具体的な方法は「炭素繊維」(近代編集社、昭和61年3月発行)733〜742頁などに記載されている方法が挙げられる。
【0039】
本発明の複合黒鉛質粒子の黒鉛構造の発達度合いの指標となるX線回折法によるd002 およびLcは、高い放電容量を発現させる観点から、d002 ≦0.3365nm、Lc≧40nmであるのが好ましく、d002 ≦0.3362nm、Lc≧50nmであるのが特に好ましい。d002 >0.3365nm、Lc<40nmの場合には、黒鉛構造の発達の程度が低いため、黒鉛質材料をリチウムイオン二次電池の負極材料として用いたとき、リチウムのドープ量が小さく、高い放電容量を得ることができない場合がある。
【0040】
<複合黒鉛質粒子の粉体特性>
本発明の複合黒鉛質粒子は、リチウムイオン二次電池負極用材料として使用する場合には、その平均粒子径が5〜100μmであることが好ましく、特に5〜30μmが好ましい。複合黒鉛質粒子の平均粒子径は、核である黒鉛造粒物(A)の平均粒子径の1.0〜1.3倍であることが好ましく、特に好ましくは1.0〜1.1倍である。
【0041】
本発明の複合黒鉛質粒子は、天然黒鉛に代表される高結晶性の黒鉛粒子を含有するにもかかわらず、球状に近い形状を得ることができる。球状あるいは楕円体状の形状は、リチウムイオン二次電池負極用材料として、ハイレート特性やサイクル特性の向上に寄与する。黒鉛質粒子の平均アスペクト比は3以下が好ましく、特に2以下が好ましい。
【0042】
また、本発明の複合黒鉛質粒子は、緻密な粒子であり、高い嵩密度を発現することができる。嵩密度が高いと負極を高密度で製造する際の複合黒鉛質粒子の破壊などの問題を軽減することができ有利である。嵩密度は0.5g/cm3 以上であることが好ましく、特に0.7g/cm3 以上が好ましい。
【0043】
本発明の複合黒鉛質粒子の比表面積はリチウムイオン二次電池の特性や、負極合剤ペーストの性状などに合わせ、任意に設計することが可能である。ただし、20m2 /gを超えるとリチウムイオン二次電池の安全性の低下を生じることがある。一般に0.3〜5m2 /gであることが好ましく、特に3m2 /g以下であることが好ましい。
【0044】
本発明の複合黒鉛質粒子の製造は、複数の鱗片状の黒鉛が集合して形成された球状または楕円体状の黒鉛造粒物(A)を製造した後、得られた黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に、炭素質微粒子(C)を含有するメソフェーズ前駆体を充填および/または被覆する工程と、前記工程によって黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に形成された充填物および/または被覆物中のメソフェーズ前駆体の揮発分量が2質量%以上8質量%未満となるように焼成する工程と、前記工程で得られた焼成物を900〜3200℃で熱処理する工程とを有することを特徴とする複合黒鉛質粒子の製造方法(以下、「本発明の方法」という)によって行なうことができる。
【0045】
本発明の方法において、複数の鱗片状の黒鉛が集合して形成された球状または楕円体状の黒鉛造粒物(A)を製造した後、得られた黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に、炭素質微粒子(C)を含有するメソフェーズ前駆体を充填および/または被覆する工程は、メソフェーズ前駆体を溶融状態もしくは溶媒を用いた溶液の状態で、黒鉛造粒物(A)と接触させ、黒鉛造粒物(A)の内部空隙および外表面に含浸、被覆させることによって行なうことができる。含浸、被覆方法に限定はなく、溶融または溶解したメソフェーズ前駆体と黒鉛造粒物(A)を混練する方法、メソフェーズ前駆体の溶液に黒鉛造粒物(A)を浸漬混合した後、加熱および/または減圧によって溶媒を除去する方法、メソフェーズ前駆体の溶液と黒鉛造粒物(A)を浸漬混合した後、スプレードライ方式で溶媒を除去する方法、黒鉛造粒物(A)にメソフェーズ前駆体を接触させた後、溶媒で洗浄して炭素質物の被覆量を調整する方法などのいずれの方法によって行ってもよい。これらの方法においては、均一被覆の観点から、メソフェーズ前駆体溶液に黒鉛造粒物(A)を浸漬し、減圧処理を施す操作を含むことが望ましい。
【0046】
本発明の方法において、内部空隙および/または外表面にメソフェーズ前駆体が充填および/または被覆された黒鉛造粒物(A)を焼成し、メソフェーズ前駆体をメソフェーズ化し、その揮発分量を調整する。このとき、メソフェーズ前駆体の揮発分量が2質量%以上8質量%未満となるように焼成される。
【0047】
焼成方法は、減圧、常圧、加圧のいずれで行ってもよく、通常は300〜1200℃、好ましくは350〜600℃の温度範囲で行われる。雰囲気は非酸化性であることが望ましいが、若干の酸化性雰囲気の下で焼成することもできる。なお、焼成工程は複数回行ってもよい。焼成時間は特に制限されないが、通常、0.5〜100時間程度である。前記充填または被覆工程において溶媒を用いた場合には、本焼成工程において溶媒除去を兼ねてもよい。
【0048】
焼成後のメソフェーズ被覆体膜(炭素質層(B)の前駆体)は、軟化点(メトラー法)が約360℃以上の固体であり、ある程度黒鉛構造が成長しているものである。黒鉛構造の成長度合いを表す指標としては、メソフェーズ被膜(炭素質層(B)の前駆体)が含有する揮発分量が挙げられる。揮発分量は2質量%以上8質量%未満、好ましくは3〜6質量%である。ここで揮発分量は、JIS K2425の固定炭素法に準拠して以下のように測定される。
【0049】
揮発分量の測定方法:試料(黒鉛前駆体)1gを坩堝に量り取り、蓋をしないで430℃の電気炉で30分間加熱する。その後、二重坩堝とし、800℃の電気炉で30分間加熱して揮発分を除き、減量率を揮発分とする。
黒鉛構造の成長度合いを表す指標としてキノリン不溶分(QI) を目安とすることもできる。QIが100質量%に近づくほど黒鉛構造が成長していることを意味する。
【0050】
ここで、QIは、JIS K2425に準拠して、以下のような濾過法により測定される。
QI測定法:粉末材料 (黒鉛前駆体)をキノリンに溶解させ、75℃で30分間加熱した後、濾過器を用いて熱いうちに吸引濾過する。残分をキノリン、アセトンの順にそれぞれ濾液が無色になるまで洗浄した後、乾燥して質量を量り、キノリン不溶分を算出する。なお濾過助剤として珪藻土を用いる。濾過器はJIS R3503に規定する壷型濾過器1G4を用いる。
【0051】
揮発分量が多い、あるいはQIが低いメソフェーズ被覆体(炭素質層(B)の前駆体)は、解砕後の熱処理工程において溶融性を示す。したがって、このようなメソフェーズ被覆体(炭素質層(B)の前駆体)をそのまま熱処理した場合には、通常は形状が変化したり、材料同士の融着を起す。特に、揮発分量が8質量%以上では、熱処理によって被膜が再溶融し、融着することにより、高密度で負極を作製した場合に融着粒子が破損し被膜が剥がれ、天然黒鉛の露出による初期充放電効率の低下を生じることがあり好ましくない。メソフェーズ被膜(炭素質層(B)の前駆体)のQIは80質量%超であるのが好ましい。
【0052】
一方、揮発分量が少ない、あるいはQIが高いメソフェーズ被膜は、上記のような溶融性を示さなくなる(不融化)が、揮発分量が2質量%未満では、被膜の黒鉛化構造が高度に発達してしまい、解砕時に被膜(核を構成する黒鉛造粒物(A)の外側表層にある炭素質層(B))の剥離を生じることがある。したがって、本発明では、揮発分量が2質量%以上8質量%未満、好ましくは3〜6質量%のメソフェーズ被膜を形成させる。QIによるときは、80質量%超100質量%未満、好ましくは90〜99.5質量%である。
【0053】
<解砕工程>
本発明の方法においては、前記焼成工程において融着したメソフェーズ前駆体被覆黒鉛造粒物を解砕する。解砕方式としては公知の各種粉砕方法を採用することができる。例えば、ローラー式、衝撃式、摩擦式、圧縮式、石臼式、動体衝突式、渦流(気流)式、せん断式、振動式などの各種市販粉砕機を使用することができる。
【0054】
本発明の方法においては、焼成時に、溶融変形あるいは固体同士の融着などを生じないので、焼成工程後の形状を維持してそのままで最終的な複合黒鉛質粒子が得られる。このため、熱処理前に所望する製品の形状に調整すれば、熱処理後に所望形状に粉砕や成形する必要がなく工程が簡素化される。さらにはこれによって低結晶化された表面をそのまま保持できるので、本発明の効果をよりよく奏することができる。例えば、本発明の複合黒鉛質粒子をリチウムイオン二次電池用負極材料として使用する場合は、解砕後のメソフェーズ被覆黒鉛造粒物の平均粒子径を5〜100μmの範囲内にすることが好ましく、5〜50μmがさらに好ましい。また、黒鉛造粒物(A)の平均粒子径の1.0〜1.3倍となるように解砕することが望ましい。1.0倍未満の場合には、核である黒鉛造粒物(A)が粉砕され、低結晶化された表面が保持されず、不可逆容量の増大を生じる。また1.3倍を超える場合には、融着した粒子が多数存在し、高密度で負極を製造する際に被膜の剥離などを生じ、初期充放電効率の低下を招くことがある。
解砕後のメソフェーズ被覆黒鉛造粒物の平均アスペクト比は、最終的に得られる複合黒鉛質粒子と同様に3以下が好ましく、2以下がさらに好ましい。
【0055】
<熱処理>
複合黒鉛質粒子の前駆体であるメソフェーズ被覆黒鉛造粒物は、るつぼなどの容器に充填し、または熱処理時に焼失する樹脂等で成形して、非酸化性雰囲気下で高温加熱され、本発明の複合黒鉛質粒子が形成される。熱処理温度は、900〜3200℃で処理される。熱処理は、被膜が実質的に黒鉛構造を形成するに至らない熱処理温度(900〜1500℃)で行なってもよいし、黒鉛構造を形成する熱処理温度(1500〜3200℃)で行なってもよい。熱処理温度が3200℃を超えると、最終的に得られる複合黒鉛質粒子の性状を制御することが難しくなるので好ましくない。
【0056】
中でも、高密度で負極を作製した場合においても優れた電池特性を得る上では、1800〜3200℃、特に好ましくは2000〜3000℃で熱処理する。このような高温に、0.5〜50時間、好ましくは2〜20時間加熱することにより、リチウムイオン二次電池負極用材料などとして好適に用いられる本発明の複合黒鉛質粒子が得られる。
【0057】
本発明の複合黒鉛質粒子は、その特徴を活かして負極以外の用途、例えば、燃料電池セパレーター用の導電材や耐火物用黒鉛などにも転用することができるが、特に上記したリチウムイオン二次電池の負極用材料として好適であり、したがって本発明では、さらにこの負極材料を用いたリチウムイオン二次電池負極、さらにはリチウムイオン二次電池が提供される。
【0058】
<リチウムイオン二次電池>
本発明の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、正・負極はそれぞれリチウムイオンの担持体からなり、充放電過程における非水溶媒の出入は層間で行われる。
本質的に、充電時にはリチウムイオンが負極中にドープされ、放電時には負極から脱ドープする電池機構を有する。
【0059】
本発明のリチウムイオン二次電池は、負極材料として上記複合黒鉛質粒子を用いること以外は特に限定されず、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要素に準じる。
【0060】
<負極>
上記複合黒鉛質粒子からの負極の製造は、通常の成形方法に準じて行うことができるが、複合黒鉛質粒子の性能を充分に引き出し、かつ粉末に対する賦型性が高く、化学的および電気化学的に安定な負極を得ることができる方法であれば何ら制限されない。
【0061】
負極製造時には、複合黒鉛質粒子に結合剤を加えた負極合剤を用いることができる。結合剤としては、電解質に対して化学的安定性、電気化学的安定性を有するものを用いるのが望ましく、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、スチレンブタジエンラバー、さらにはカルボキシメチルセルロースなどが用いられる。これらを併用することもできる。
結合剤は、通常、負極合剤の全量中1〜20質量%程度の量で用いるのが好ましい。
【0062】
具体的には、例えば、複合黒鉛質粒子を分級等によって適当な粒径に調整し、結合剤と混合することによって負極合剤を調製し、この負極合剤を、通常、集電体の片面もしくは両面に塗布することで負極合剤層を形成することができる。
この際には通常の溶媒を用いることができ、負極合剤を溶媒中に分散させ、ペースト状とした後、集電体に塗布、乾燥すれば、負極合剤層が均一かつ強固に集電体に接着される。ペーストは、翼式ホモミキサーにて300〜3000rpm 程度で撹拌することにより調製することができる。
【0063】
例えば、複合黒鉛質粒子と、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂粉末を、イソプロピルアルコール等の溶媒中で混合、混練した後、塗布することができる。また、複合黒鉛質粒子と、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂粉末あるいはカルボキシメチルセルロース等の水溶性粘結剤を、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミドあるいは水、アルコール等の溶媒と混合してスラリーとした後、塗布することができる。
【0064】
複合黒鉛質粒子と結合剤の混合物を集電体に塗布する際の塗布厚は10〜200μmとするのが適当である。
また、複合黒鉛質粒子と、ポリエチレン、ポリビニルアルコールなどの樹脂粉末とを乾式混合し、金型内でホットプレス成形することもできる。
負極合剤層を形成した後、プレス加圧等の圧着を行うと、負極合剤層と集電体との接着強度をさらに高めることができる。
【0065】
負極に用いる集電体の形状は、特に限定されないが、箔状、あるいはメッシュ、エキスパンドメタル等の網状のもの等が用いられる。集電体の材質としては、例えば、銅、ステンレス、ニッケル等を挙げることができる。集電体の厚みは、箔状の場合、5〜20μm程度が好適である。
【0066】
<正極>
正極の材料(正極活物質)としては、充分量のリチウムをドープ/脱ドープし得るものを選択するのが好ましい。そのような正極活物質としては、例えば、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(V2 O5 、V6 O13、V2 O4 、V3 O8 など)およびそのLi化合物などのリチウム含有化合物、一般式MX Mo6 S8-y (式中Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、Mは遷移金属などの金属を表す)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。
【0067】
上記リチウム含有遷移金属酸化物は、リチウムと遷移金属との複合酸化物であり、リチウムと2種類以上の遷移金属を固溶したものであってもよい。リチウム含有遷移金属酸化物は、具体的には、LiM(1)1-p M(2)p O2 (式中Pは0≦P≦1の範囲の数値であり、M(1)、M(2)は少なくとも一種の遷移金属元素からなる。)あるいはLiM(1)2-Q M(2)Q O4 (式中Qは0≦Q≦1の範囲の数値であり、M(1)、M(2)は少なくとも一種の遷移金属元素からなる。)で示される。
上記において、Mで示される遷移金属元素としては、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、Snなどが挙げられ、好ましくはCo、Fe、Mn、Ti、Cr、V、Al等が挙げられる。
【0068】
リチウム含有遷移金属酸化物としては、より具体的には、LiCoO2 、Lip NiQ M1-Q O2(MはNiを除く上記遷移金属元素、好ましくはCo、Fe、Mn、Ti、Cr、V、Alから選ばれる少なくとも一種、0.05≦P、0.5≦Q≦1.0である。)で示されるリチウム複合酸化物、LiNiO2 、LiMnO2 、LiMn2 O4 などが挙げられる。
【0069】
上記のようなリチウム含有遷移金属酸化物は、例えば、Li、遷移金属の酸化物または塩類を出発原料とし、これら出発原料を組成に応じて混合し、酸素雰囲気下600℃〜1000℃の温度範囲で焼成することにより得ることができる。なお出発原料は酸化物または塩類に限定されず、水酸化物等からも合成可能である。
本発明のリチウムイオン二次電池では、正極活性物質として、上記化合物を単独で使用しても2種類以上併用してもよい。また、例えば、正極中に、炭酸リチウム等の炭素塩を添加することもできる。
【0070】
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、正極材料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体の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、負極で例示したものがいずれも使用可能である。導電剤としては、例えば、炭素材料、黒鉛やカーボンブラックが用いられる。
【0071】
集電体の形状は特に限定されず、箔状、あるいはメッシュ、エキスパンドメタル等の網状等のものが用いられる。例えば、集電体としては、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を挙げることができる。その厚さとしては、10〜40μm のものが好適である。
【0072】
また、正極の場合も負極と同様に、正極合剤を溶剤中に分散させることでペースト状にし、このペースト状の正極合剤を集電体に塗布、乾燥することによって正極合剤層を形成してもよく、正極合剤層を形成した後、さらにプレス加圧等の圧着を行ってもよい。これにより正極合剤層が均一かつ強固に集電体に接着される。
【0073】
以上の負極および正極を形成するに際しては、従来公知の導電剤や結着剤などの各種添加剤を適宜に使用することができる。
【0074】
<電解質>
本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる電解質としては、通常の非水電解液に使用されている電解質塩を用いることができ、例えば、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiClO4 、LiB(C6 H5 )4 、LiCl、LiBr、LiCF3 SO3 、LiCH3 SO3 、LiN(CF3 SO2 )2 、LiC(CF3 SO2 )3 、LiN(CF3 CH2 OSO2 )2 、LiN(CF3 CF2 OSO2 )2 、LiN(HCF2 CF2 CH2 OSO2 )2 、LiN((CF3 )2 CHOSO2 )2 、LiB[C6 H3 (CF3 )2 ]4 、LiAlCl4 、LiSiF6 などのリチウム塩などを用いることができる。特に、LiPF6 、LiBF4 が酸化安定性の点から好ましく用いられる。
電解液中の電解質塩濃度は、0.1〜5mol/L が好ましく、0.5〜3.0mol/L がより好ましい。
【0075】
上記非水電解質は、液系の非水電解液としてもよいし、固体電解質あるいはゲル電解質等、高分子電解質としてもよい。前者の場合、非水電解質電池は、いわゆるリチウムイオン電池として構成され、後者の場合、非水電解質電池は、高分子固体電解質電池、高分子ゲル電解質電池等の高分子電解質電池として構成される。
【0076】
液系の非水電解質液とする場合には、溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,1 −または1,2 −ジメトキシエタン、1,2 −ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、1 ,3−ジオキソラン、4 −メチル−1 ,3 −ジオキソラン、アニソール、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ホウ酸トリメチル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、酢酸エチル、トリメチルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、ジメチルスルホキシド、3−メチル−2−オキサゾリドン、エチレングリコール、ジメチルサルファイト等の非プロトン性有機溶媒を用いることができる。
【0077】
非水電解質を高分子固体電解質、高分子ゲル電解質等の高分子電解質とする場合には、可塑剤(非水電解液)でゲル化されたマトリクス高分子を含み、このマトリクス高分子としては、ポリエチレンオキサイドやその架橋体等のエーテル系高分子、ポリメタクリレート系、ポリアクリレート系、ポリビニリデンフルオライドや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等のフッ素系高分子等を単独、もしくは混合して用いることができる。
これらの中で、酸化還元安定性の観点等から、ポリビニリデンフルオライドや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等のフッ素系高分子を用いることが望ましい。
【0078】
これらの高分子固体電解質、高分子ゲル電解質に含有される可塑剤を構成する電解質塩や非水溶媒としては、前述のものがいずれも使用可能である。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 が好ましく、0.5〜2.0mol/L がより好ましい。
【0079】
このような固体電解質の製造方法は特に制限されないが、例えば、マトリックスを形成する高分子化合物、リチウム塩および溶媒を混合し、加熱して溶融する方法、適当な有機溶剤に高分子化合物、リチウム塩および溶媒を溶解させた後、有機溶剤を蒸発させる方法、ならびに高分子電解質の原料となる重合性モノマー、リチウム塩および溶媒を混合し、それに紫外線、電子線または分子線などを照射して重合させ高分子電解質を製造する方法等を挙げることができる。
また、前記固体電解質中の溶媒の添加割合は、10〜90質量%が好ましく、さらに好ましくは、30〜80質量%である。10〜90質量%であると、導電率が高く、かつ機械的強度が高く、成膜しやすい。
【0080】
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレーターを使用することもできる。
セパレーターは、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等が挙げられる。特に合成樹脂製微多孔膜が好適に用いられるが、その中でもポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗の面で好適である。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等である。
【0081】
本発明のリチウムイオン二次電池においては、初期充放電効率が改善したことから、ゲル電解質を用いることが可能である。
ゲル電解質二次電池は、本発明の複合黒鉛質材料を含有する負極と、正極およびゲル電解質を、例えば、負極、ゲル電解質、正極の順で積層し、電池外装材内に収容することで構成される。なお、これに加えてさらに負極と正極の外側にゲル電解質を配するようにしてもよい。このような本発明の複合黒鉛質材料を負極に用いるゲル電解質二次電池では、ゲル電解質にプロピレンカーボネートが含有され、また黒鉛質材料粉末としてインピーダンスを十分に低くできる程度に小粒径のものを用いた場合でも、不可逆容量が小さく抑えられる。したがって、大きな放電容量が得られるとともに高い初期充放電効率が得られる。
【0082】
さらに、本発明のリチウムイオン二次電池の構造は任意であり、その形状、形態について特に限定されるものではなく、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等の中から任意に選択することができる。より安全性の高い密閉型非水電解液電池を得るためには、過充電等の異常時に電池内圧上昇を感知して電流を遮断させる手段を備えたものであることが望ましい。高分子固体電解質電池や高分子ゲル電解質電池の場合には、ラミネートフィルムに封入した構造とすることもできる。
【0083】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0084】
(実施例1)
<黒鉛造粒物(A)の調製>
平均粒子径30μm、揮発分0.7%の鱗片状の高結晶性天然黒鉛粒子を図2に示す剪断圧縮加工機((株)奈良機械製作所製、ハイブリダイゼーションシステム)を用いて、造粒処理を行った。すなわち、ロータの周速度60m/sで処理時間3分の条件で処理することにより、該装置内に投入された天然黒鉛粒子に、主として衝撃力、圧縮力、摩擦力、せん断力などの機械的外力を繰り返し付加した。その結果、天然黒鉛粒子が造粒され、緻密な球状〜楕円体状の黒鉛造粒物(A)が形成された。得られた黒鉛造粒物(A)は、平均粒子径が20μm、アスペクト比が1.7、X線広角回折法による結晶性がd002 =0.3355nm、Lc=86nmであった。なお、得られた黒鉛造粒物(A)の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡を用いて粒子内の空隙率(面積率)を測定したところ、約15%であった。
【0085】
<複合黒鉛質粒子の製造>
揮発分を約40質量%含有するコールタールピッチ(川崎製鉄(株)製、PK−QL、一次QI=0質量%)44質量部に、タール中油76質量部、炭素質微粒子としてケッチェンブラック(平均粒子径0.03μm)0.15質量部(最終的に得られる炭素質層(B)に対して約0.6質量%、約1870個/μm3 相当)の割合で分散混合し、コールタールピッチ溶液を製造した。
【0086】
撹拌機内にコールタールピッチ溶液120質量部に対して、前記黒鉛造粒物(A)を100質量部の質量割合で投入し、150℃で1時間浸漬、攪拌後、徐々に昇温、減圧し、3時間後に機内圧力50mmHg、200℃に達するまで攪拌を続け、溶媒であるタール中油を除去した。得られたメソフェーズ前駆体被覆黒鉛を鋼鉄製容器に充填した。揮発ガスの燃焼処理装置を具備した焼成炉において、不活性ガス流通下にメソフェーズ前駆体被覆黒鉛を470℃で20時間焼成して、前記投入された黒鉛造粒物(A)100質量部に対して126質量部の割合の質量の焼成品を得た。焼成品は、黒鉛造粒物(A)を形成する複数の鱗片状の黒鉛粒子の間の内部空隙に炭素質層(B)が充填および/または黒鉛造粒物(A)の外表面に炭素質層が被覆された形態の被覆黒鉛質前駆体粒子がわずかに融着した状態であった。
【0087】
ここで、比較用にコールタールピッチ溶液を、黒鉛造粒体を入れずに単独で、上記と同様に焼成処理したところ、焼成前の質量を120質量部とすると、焼成後に25質量部の割合の質量となった。この結果から、前記被覆黒鉛質粒子における炭素質層/黒鉛造粒体の質量割合は20/80と計算された。また、焼成品全体の揮発分量は1.4質量%であった。このことから、焼成後の黒鉛造粒物(A)の揮発分量0.7質量%とし、炭素質層の揮発分量をxとすると、0.7×0.8+x×0.2=1.4であるから、炭素質層の揮発分量は約4.2質量%と計算される。これに対して、比較用に得られたコールタールピッチ溶液の単独焼成品の揮発分量の実測値:4.3質量%であり、このことから、概ね炭素質層の比率の計算値が正しいことが支持された。
【0088】
得られた焼成品を衝撃式粉砕機で解砕して、平均粒子径が22μm、アスペクト比が1.7の複合黒鉛質粒子前駆体を得た。
次いで、複合黒鉛質粒子前駆体を黒鉛るつぼに充填し、るつぼの周囲にコークスブリーズを充填して2800℃で5時間熱処理した。黒鉛化して得られた複合黒鉛質粒子に融着や変形は認められず、粒子形状が保持されていた。得られた複合黒鉛質粒子の平均粒子径は21μm、アスペクト比は1.7、比表面積は0.8m2 /g、嵩密度は1.00g/cm3 であった。X線広角回折法による結晶性はd002 =0.3358nm、Lc=85nm、ラマン分光法によるR値は0.12であった。
【0089】
この黒鉛質粒子を用いて、以下の方法にしたがって、作用電極(負極)を製造した。
<負極合剤ペーストの調製>
上記で得られた複合黒鉛質粒子を90質量%、結合剤としてポリフッ化ビニリデン10質量%の割合で、N−メチルピロリドンを溶剤に用いて混合し、ホモミキサーを用いて2000rpm で30分間攪拌し、有機溶剤系負極合剤ペーストを調製した。
【0090】
<作用電極(負極)の製造>
上記の負極合剤ペーストを、銅箔(図1に示す集電材7b)上に均一な厚さで塗布し、さらに真空中で90℃で溶剤を揮発させて乾燥した。次に、この銅箔上に塗布された負極合剤をローラープレスによって加圧し、さらに直径15.5mmの円形状に打ち抜くことで、集電体に密着した負極合剤層からなる、図1に示す作用電極(負極)2を製造した。
【0091】
<対極の製造>
リチウム金属箔を、ニッケルネットに押付け、直径15.5mmの円柱状に打ち抜いて、ニッケルネットからなる集電体(図1中の7a)と、該集電体に密着したリチウム金属箔からなる対極(図1中の4)を製造した。
【0092】
<電解質>
プロピレンカーボネート10 mol%、エチレンカーボネート50 mol%およびジエチルカーボネート40 mol%の割合の混合溶媒に、LiClO4を1 mol/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体に含浸させ、電解質液が含浸されたセパレータ(図1中の5)を準備した。
【0093】
<評価電池の製造>
評価電池として図1に示すボタン型二次電池を製造した。
このボタン型二次電池は、外装カップ1と外装缶3とは、その周縁部において絶縁ガスケット6を介してかしめられた密閉構造を有し、その内部に、外装缶3の内面から順に、ニッケルネットからなる集電体7a、リチウム箔よりなる円盤状の対極4、電解質溶液が含浸されたセパレータ5、負極合剤からなる円盤状の作用電極(負極)2および銅箔からなる集電体7bが積層された電池系を構成する。
【0094】
この評価電池は、電解質溶液を含浸させたセパレータ5を、集電体7bに密着した作用電極2と、集電体7aに密着した対極4との間に挟んで積層した後、作用電極2を外装カップ1内に、対極4を外装缶3内に収容して、外装カップ1と外装缶3とを合わせ、外装カップ1と外装缶3との周縁部を絶縁ガスケット6を介してかしめ密閉して製造した。
【0095】
この評価電池は、実電池において負極用活物質として使用可能な黒鉛質材料を含有する作用電極(負極)2と、リチウム金属箔からなる対極4とから構成される電池である。
【0096】
以上のようにして製造された評価電池について、25℃の温度で下記のような充放電試験を行った。
<充放電試験>
0.9mAの電流値で回路電圧が0mVに達す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り替え、さらに電流値が20μA になるまで充電を続けた後、120分間休止した。
【0097】
次に0.9mAの電流値で、回路電圧が2.5V に達するまで定電流放電を行った。このとき第1サイクルにおける通電量から充電容量と放電容量を求め、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サイクルの放電容量/第1サイクルの充電容量)×100
なおこの試験では、リチウムイオンを炭素材料中にドープする過程を充電、黒鉛質材料から脱ドープする過程を放電とした。
【0098】
次いで、第2サイクルにおいて、第1サイクルと同様にして充電したのち、18mAの電流値で、回路電圧が2.5Vに達するまで定電流放電を行った。このとき第1サイクルにおける放電容量から、次式に従って急速放電効率を求め、ハイレート特性を評価した。
急速放電効率(%)=(第2サイクルの放電容量/第1サイクルの放電容量)×100
【0099】
また、これらの評価とは別に第1サイクルと同一条件で10回充放電を繰り返し、次式に従ってサイクル特性を評価した。
サイクル特性(%)=(第10サイクルの放電容量/第1サイクルの放電容量)×100
【0100】
さらに、これらの充放電試験を負極の電極密度を変えて行った。測定された複合黒鉛質粒子1gあたりの放電容量(mAh/g)、初回充放電効率(%)、急速放電効率(%)、サイクル特性(%)の値を表1に示す。
表1に示されるように、作用電極(実電池の負極に相当)に実施例1複合黒鉛質粒子(本発明例)を用いたリチウムイオン二次電池は、黒鉛の理論容量(372mAh/g)に近い高い放電容量を示し、かつ高い初期充放電効率(すなわち小さな不可逆容量)を有する。さらに、急速充放電効率やサイクル特性にも優れる。特に、電極密度を高く設定した場合においても、優れた急速充放電効率とサイクル特性を示す。
【0101】
(実施例2)
炭素質微粒子の種類を表1に示すものに代えた以外は、実施例1と同様に黒鉛質粒子を製造し、評価電池による充放電試験を行い、放電容量の測定、初期充放電効率、急速充放電効率およびサイクル特性を評価した。
【0102】
(比較例1)
実施例1の黒鉛造粒体(A)に炭素質物による充填および被覆処理を施さず、黒鉛造粒体(A)を単独で負極用材料として用いて評価電池を製造し、結晶性および充放電試験を行った。結果を表1に示す。
表1に示される結果から、本発明の複合黒鉛質粒子の特徴である炭素質層(B)を設けない黒鉛造粒体を負極用材料として用いた場合には、初期充放電効率が著しく小さかった。また、急速充放電効率やサイクル特性が低く、悪化する傾向が認められた。
【0103】
(比較例2)
実施例2の炭素質層(B)中に炭素質微粒子を含有しない以外は実施例2と同様の複合黒鉛質粒子を製造し、結晶性の評価および充放電試験による電池特性の評価を行った。結果を表1に示す。
表1に示されるように、炭素質層が炭素質微粒子を含有しない場合には、初期充放電効率が若干小さく、急速放電効率、サイクル特性が低い。
【0108】
(比較例3)
黒鉛として鱗片状天然黒鉛(平均粒径30μm、厚み5μm)を造粒せずに、そのまま用いた以外は実施例1と同様に黒鉛質粒子を製造し、結晶性の評価および評価電池による充放電試験を行った。
【0109】
(比較例4)
実施例4において、黒鉛造粒物を用いなかった以外は、実施例4と同様に黒鉛質粒子を製造し、結晶性の評価および評価電池による充放電試験を行った。
【0110】
【表1】
【0111】
【表2】
【0112】
【表3】
【0113】
【発明の効果】
本発明の複合黒鉛質粒子は、リチウムイオン二次電池用負極材料として用いたときに、高い放電容量および高い初期充放電効率(不可逆容量が小さい)、さらに優れたハイレート特性およびサイクル特性をともに得ることができる。
また、本発明の方法によれば、前記複合黒鉛質粒子を、黒鉛化時の融着などを抑制しつつ生産性良く製造することができる。
さらに、この複合黒鉛質粒子を用いる本発明のリチウムイオン二次電池用負極、およびその負極を用いる本発明のリチウムイオン二次電池は、高い放電容量を維持したまま、不可逆容量を低減することが可能であり、さらに、初期充放電効率、急速放電効率、サイクル特性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例および比較例で作製し、充放電特性の評価に用いた評価電池の断面図である。
【図2】 本発明で用いた剪断圧縮加工機(造粒機)の概略図である。
【符号の説明】
1 外装カップ
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 集電体
21 固定ドラム
22 ローター
23 黒鉛前駆体
24 循環機構
25 排出機構
26 ブレード
27 ステーター
28 ジャケット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to composite graphite particles having a composite structure, a method for producing the same, a negative electrode for a lithium ion secondary battery using the composite graphite particles, and a high discharge rate and initial charge / discharge efficiency using the negative electrode. The present invention relates to a lithium ion secondary battery having excellent characteristics and cycle characteristics.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the miniaturization or high performance of electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries. In this situation, a lithium secondary battery using lithium for the negative electrode has attracted attention because it has the advantages of high energy density and high voltage.
In this lithium secondary battery, since lithium metal is used as it is as a negative electrode, it is known that lithium is deposited in a dendritic state during charging and the negative electrode is deteriorated, so that the charge / discharge cycle is short. Moreover, there is a possibility that lithium deposited in a dendrite shape penetrates the separator, reaches the positive electrode, and is short-circuited.
[0003]
For this reason, each material for positive and negative electrodes is composed of two kinds of intercalation compounds with different oxidation-reduction potentials, each functioning as a lithium ion support, and the non-aqueous solvent enters and exits during the charge / discharge process. Lithium ion secondary batteries are being studied.
[0004]
As this negative electrode material, it has been proposed to use a carbon material that has the ability to occlude and release lithium ions and can prevent the precipitation of lithium metal. A wide variety of structures, structures, and forms such as a graphite crystalline structure or a disordered layer structure are known as carbon materials, and the electrode performance including the operating voltage during charging / discharging varies greatly. Among them, graphite that is particularly excellent in charge / discharge characteristics and exhibits high discharge capacity and potential flatness is promising (Japanese Patent Publication No. Sho 62-23433).
[0005]
It has been reported that the more the crystalline graphite structure is developed, the more stable the intercalation compound with lithium, and the higher the discharge capacity is obtained because a large amount of lithium is inserted between the carbon network planes. (Electrochemistry and industrial physical chemistry, 61 (2), 1383 (1993), etc.). Various layer structures are formed depending on the amount of lithium inserted, and in the region where they coexist, they are flat and have a high potential close to lithium metal (J. Electrochem. Soc., Vol. 140, 9, 2490 (1993), etc.) . Therefore, when an assembled battery is used, it is possible to obtain a high output. Generally, the theoretical capacity (limit value) of a carbon anode material is an ideal graphite intercalation compound of graphite and lithium. LiC6In this case, the discharge capacity is 372 mAh / g.
[0006]
On the other hand, in the lithium ion secondary battery using graphite as a negative electrode material, as the crystallinity of graphite increases, side reactions that do not participate in the battery reaction such as decomposition of the electrolytic solution on the graphite surface easily occur during the first charge. The irreversible capacity (= initial charge capacity-initial discharge capacity) that cannot be taken out as the amount of electricity during the charge-discharge process is markedly increased, resulting in a discharge capacity loss of tens to hundreds of mAh / g level during the initial discharge. (J. Electrochem. Soc., Vol. 117 222 (1970), etc.).
[0007]
Side reactions such as decomposition of the electrolytic solution continue until the decomposition product is deposited and grows on the graphite (carbon) surface, and the electrons are so thick that they cannot move directly from the graphite surface to the solvent. In addition, solvent molecules and lithium ions may be co-intercalated to peel off the graphite surface layer, and the newly exposed graphite surface may react with the electrolyte to increase the irreversible capacity, that is, the initial charge / discharge efficiency. Is also reported to be low (J. Electrochem. Soc., Vol. 137, 2009 (1990)).
[0008]
Such an increase in irreversible capacity (low initial charge / discharge efficiency) can be compensated for by adding a positive electrode material to the secondary battery, but the addition of excess positive electrode material is a new problem of reduced energy density. It is desirable to avoid it.
[0009]
As described above, in a lithium ion secondary battery using graphite as a negative electrode carbon material, a high discharge capacity and a low irreversible capacity are contradictory requirements, but as a solution to this, a highly crystalline graphite material (nucleus) A method has also been proposed in which the surface of the substrate is coated with a low crystalline material to form a multilayer structure. Broadly speaking,
(1) The surface of a highly crystalline graphite material serving as a nucleus is coated with low crystalline carbon using a pyrolysis gas of an organic compound such as propane or benzene (Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-368778 and 5) 275076),
[0010]
(2) A highly crystalline graphite material as a core is coated or impregnated with a carbon material such as pitch in a liquid phase, and then fired at a temperature of about 1000 ° C. to form a carbonaceous material on the surface layer (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 5- No. 121066, JP-A-5-217604, JP-A-6-84516, JP-A-11-54123, JP-A-2001-229924),
(3) A graphite precursor such as a graphite crystalline material or raw coke is oxidized at about 300 ° C. in a gas phase or a liquid phase in an oxidizing atmosphere (Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-326611 and 10-218615). Gazette),
(4) A combination of (1) to (3) (Japanese Patent Laid-Open Nos. 10-214615 and 10-284080).
[0011]
However, the above methods (1) and (4) have a problem that the production process is complicated and expensive from the viewpoint of industrial production, and the method (1) is stable because it is difficult to control the coating thickness. Thus, there is a problem that high electrode performance and powder performance cannot be exhibited.
[0012]
The above method (2) is stable because it is difficult to control the homogeneity and thickness of the surface layer because the coated graphite adheres firmly when fired at about 1000 ° C., and the coating peels off during crushing. Therefore, there is a problem that high electrode performance and powder performance cannot be exhibited.
[0013]
In the method (3) above, in order to obtain a high initial charge / discharge efficiency, it is necessary to highly oxidize, but this reduces not only the surface layer but also the crystallinity of the inside (nucleus) of the crystalline graphite material. This causes a problem that the discharge capacity is reduced.
[0014]
In addition, any of the conventional methods lacks performance in response to the recent demands for high discharge capacity, high rate characteristics (rapid charge / discharge characteristics), and cycle characteristics. Therefore, in order to obtain a high discharge capacity, (5) composite graphite particles having highly crystalline graphite particles such as natural graphite as a core have been proposed (for example, JP-A-2001-89118). . However, natural graphite generally has a flat particle shape, and when a negative electrode is formed, graphite particles tend to be oriented in one direction, causing deterioration in high rate characteristics and cycle characteristics.
[0015]
The composite graphite particles of (5) above have a high irreversible capacity because the surface of the graphite highly reactive with the electrolyte is exposed. Also, highly crystalline graphite particles (nuclei) derived from coke powder are those in which the crystals in the particles are oriented in one direction, and when forming a negative electrode, the graphite particles are easily oriented in one direction, resulting in a high rate. The characteristics and cycle characteristics were deteriorated. That is, when a plurality of highly crystalline graphites (nuclei) are interposed in one composite graphite particle and the crystal orientation in the particles is randomized, A large amount of tar pitch coating is required, leading to a reduction in discharge capacity. Therefore, when the tar pitch film is thinned, the strength of the composite graphite particles is lowered, and when the negative electrode is formed, there is a problem that it easily deforms and breaks, resulting in a decrease in high rate characteristics, cycle characteristics and initial charge / discharge efficiency.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention has been made in view of the above situation, and when used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, high discharge capacity and high initial charge / discharge efficiency (small irreversible capacity), Further, composite graphite particles having both excellent high-rate characteristics and cycle characteristics, a method for producing with good productivity while suppressing fusion during graphitization, and for lithium ion secondary batteries using the composite graphite particles It aims at providing the negative electrode and the lithium ion secondary battery which has the said battery characteristic.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor fills and / or coats a mesophase precursor in which carbonaceous fine particles are dispersed in a spherical or ellipsoidal graphite granule formed from a plurality of scaly graphites, and applies a specific volatile content. After firing so as to contain, it was found that the melt viscosity is increased by crushing as necessary and heat-treating in a non-oxidizing atmosphere, and the fusion between the materials during the heat-treatment can be suppressed. Even if a slight fusion occurs at the time of firing, it is possible to suppress peeling of the coating due to crushing. And it discovered that the composite graphite particle | grains by which the thin film of the low crystalline carbonaceous material was uniformly and firmly adhere | attached on the outer surface can be manufactured. In addition, the composite graphite particles having a unique structure thus obtained have a high discharge capacity, and an increase in irreversible capacity is suppressed, so that high initial charge / discharge efficiency is exhibited, and further excellent high rate characteristics and cycle characteristics. Have Further, it has been found that the battery performance is maintained even when the negative electrode is formed at a high density.
[0018]
This is because when the mesophase precursor is fired, the crystal structure of the coating composed of the carbonaceous layer on the outer surface is moderately disturbed by the action of the carbonaceous fine particles and has a random orientation. This is thought to have contributed to the development of excellent high-rate characteristics. Further, it is considered that excellent cycle characteristics and high rate characteristics can be realized by granulating a plurality of scaly graphites at the same time as high discharge capacity is obtained by graphite having high crystallinity. Furthermore, by granulating a plurality of flaky graphite into a spherical shape, moderate voids and irregularities are formed, and this is filled and / or coated with a mesophase precursor, so that the interface between the two is strengthened by the anchor effect. It is thought that it was closely attached.
[0019]
That is, the present invention provides a graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites, and the graphite granulation on the internal voids and / or outer surface of the graphite granule (A). The carbonaceous layer (B) having lower crystallinity than the product (A) is a composite graphite particle formed by filling and / or coating, and the carbonaceous layer (B) is a carbonaceous fine particle.(C)IncludingSee
The content of the graphite granule (A) in the composite graphite particles is 70 to 99% by mass, and the content of the carbonaceous layer (B) in the composite graphite particles is 30 to 1% by mass. The content of the carbonaceous fine particles (C) in the carbonaceous layer (B) is 0.1 to 2% by mass.A composite graphite particle is provided.
[0020]
The composite graphite particles have an average particle size of 5 to 100 μm, and the carbonaceous fine particles (C) have an average particle size of 0.005 to 0.5 μm.BeIs preferred.
[0022]
Interplanar spacing (d) of the carbon network layer of the composite graphite particles002) 0.3365nm or less, Raman spectrum 1360cm-1Peak intensity (I1360) And 1580cm-1Peak intensity (I1580) Intensity ratio (I1360/ I1580) Is preferably 0.05 or more and less than 0.40.
[0023]
Furthermore, the present invention provides a method for producing the composite graphite particles as a spherical or ellipsoidal graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites.After the production of graphite granulated product (A)A step of filling and / or coating a mesophase precursor containing carbonaceous fine particles (C) on the internal voids and / or the outer surface thereof, and the internal voids and / or the outer surface of the graphite granule (A) by the above-mentioned steps The step of firing so that the volatile content of the mesophase precursor in the filler and / or coating formed in the coating is 2% by mass or more and less than 8% by mass, and the calcined product obtained in the above step is 900 to 3200 ° C. And a method of producing a composite graphite particle, characterized by comprising a step of heat-treating with.
[0024]
The present invention also provides a negative electrode for a lithium ion secondary battery using the composite graphite particles, and a lithium ion secondary battery using the negative electrode for a lithium ion secondary battery. provide.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the component of the composite graphite particle of the present invention and the production method thereof, the negative electrode for a lithium ion secondary battery, and the lithium ion secondary battery will be described in detail.
[0026]
The composite graphite particles of the present invention comprise a graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites, and filling and / or outer surfaces of the internal voids of the graphite granule (A). The carbonaceous layer (B) to be coated and the carbonaceous fine particles contained in the carbonaceous layer (B) are the main constituent elements. The carbonaceous layer (B) may cover each of the scaly graphite, and is filled between the scaly graphites, that is, filled in the internal voids of the graphite granule (A), or of the graphite. The graphite granule (A) is covered with the carbonaceous layer (B), and the outer surface of the graphite granule (A) is covered by the carbonaceous layer (B). Spherical to ellipsoidal particles having a coated composite structure.
[0027]
<Graphite granules>
The graphite granule (A), which is a constituent element of the composite graphite particles of the present invention, is formed by granulating a plurality of scaly graphites. As scale-like graphite, natural graphite, artificial graphite, mesophase calcined carbon (bulk mesophase) made from tar pitch, coke (raw coke, green coke, pitch coke, needle coke, petroleum coke, etc.), etc. Graphitized, etc., and those granulated using a plurality of natural graphites having high crystallinity are particularly preferable. One graphite granule (A) is usually formed by collecting 2 to 100, preferably 3 to 20, scale-like graphite. Further, it is possible to spheroidize one graphite.
[0028]
A method of forming a graphite granule (A) by aggregating a plurality of these graphites is not particularly limited. For example, a method of mixing a plurality of scaly graphites in the presence of a binder of a graphite precursor, a plurality of scaly shapes Examples of the method include applying a mechanical external force to the graphite and a combination of both, and a method of granulating by applying a mechanical external force without using a binder component is particularly preferable. Examples of the device for applying the mechanical external force include a pulverizer such as a counter jet mill (manufactured by Hosokawa Micron Corporation), a current jet (manufactured by Nissin Engineering Co., Ltd.), and SARARA (manufactured by Kawasaki Heavy Industries, Ltd.). , Granulators such as GRANUREX (manufactured by Freund Sangyo Co., Ltd.), Agromaster (manufactured by Hosokawa Micron Co., Ltd.), Newgra Machine (manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.), kneaders such as pressure kneaders and two rolls, rotation A shear compression processing machine such as a ball mill, a hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), mechanomicros (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), or mechanofusion system (manufactured by Hosokawa Micron Corporation) can be used. .
[0029]
In the present invention, the graphite granulated product (A) is preferably granulated densely so that the porosity in the granulated product particles is 50% or less, preferably 30% or less. When the porosity exceeds 50%, the required amount of the carbonaceous layer (B) that is a filling or coating increases, and the discharge capacity decreases, or voids remain in the composite graphite particles after coating. Therefore, when the negative electrode is produced at a high density, the composite graphite particles may be destroyed.
[0030]
The average particle diameter of the graphite granulated product (A) is preferably in the range of 5 to 100 μm, more preferably 5 to 30 μm.
The graphite granule (A) preferably has a spherical to ellipsoidal shape, and the aspect ratio (ratio of the major axis direction to the minor axis direction perpendicular thereto) is preferably 3 or less. 2 or less is more preferable.
[0031]
<Carbonaceous layer (B)>
In the composite graphite particles of the present invention, the carbonaceous layer (B) fills the internal voids of the graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites, and / or the graphite granule. It has a lower crystallinity than the graphite granule (A) that covers the outer surface of (A). Interplanar spacing of carbon network layer of graphite granule (A) (d002) Is preferably 0.3362 nm or less, more preferably 0.3358 nm or less, whereas d of the carbonaceous layer (B).002Is preferably in the range of 0.3362 to 0.3500 nm, more preferably 0.3365 to 0.3400 nm.
[0032]
Examples of the carbonaceous material forming the carbonaceous layer (B) include petroleum-based and / or coal-based heavy oil such as tar and / or pitch, phenol resin, oxygen-crosslinked petroleum pitch, ethylene heavy oil, and the like. A heat-treated polycondensation reaction may be mentioned. Among them, mesophase precursors that form mesophase by heating, particularly petroleum-based and / or coal-based heavy oils such as tar and / or pitch are preferable.
[0033]
The coating amount of carbonaceous material (total amount required for filling and coating) is such that the ratio of the graphite granulated product (A) and the carbonaceous layer (B) constituting the composite graphite particles finally obtained is (A ): (B) = 70 to 99:30 to 1% by mass is desirable. When (B) exceeds 30% by mass, the particles are easily fused after firing, and the surface portion of the carbonaceous layer (B) is peeled off during pulverization, so that the initial charge / discharge efficiency is lowered. If (B) is less than 1% by mass, it is difficult to completely coat the graphite granule (A), and the initial charge / discharge efficiency may be reduced due to insufficient coating.
[0034]
<Carbonaceous fine particles>
In the composite graphite particles of the present invention, the carbonaceous layer (B) contains carbonaceous fine particles. The carbonaceous fine particles contained in the carbonaceous layer (B) preferably have an average particle size of 0.005 to 0.5 μm from the viewpoint of obtaining an excellent negative electrode material such as initial charge / discharge efficiency and high rate characteristics. Here, the average particle diameter is a value converted into a volume of a sphere, the shape of the carbonaceous fine particles is not limited, and any of granular, spherical, chain-like, needle-like, fibrous, plate-like, scale-like, etc. Also good. When the average particle diameter is outside the specified range, the effect of the present invention is difficult to obtain.
[0035]
Examples of the carbonaceous fine particles include primary QI (quinoline insoluble matter) components present in coal-based tar / pitch such as coal fine powder, vapor phase carbon powder, and coke powder, carbon black, ketjen black, and graphitized products thereof. Examples of the above-mentioned carbonaceous material or a fired product of the carbonaceous material, and fine powders such as artificial graphite, natural graphite, graphite fiber, and carbon nanofiber are exemplified and are not particularly limited.
[0036]
The carbonaceous fine particles in the carbonaceous layer (B) are finally 1 to 10,000 / μm in the carbonaceous layer (B) formed by heat-treating the mesophase precursor.3 It is preferable to contain in the range. 1 / μm3 If the amount is smaller than that, the effect of improving the initial charge / discharge efficiency and the high rate characteristic becomes small, and 10,000 pieces / μm.3 If it exceeds the upper limit, it may cause a reduction in discharge capacity, etc., which is not preferable. Usually, carbonaceous fine particles are 0.1 to 0.1 in the carbonaceous layer (B).2It is preferable to be contained by mass%. When the QI (quinoline insoluble component) component present in the coal-based tar / pitch is used as the carbonaceous fine particles, the carbonaceous layer (B) finally obtained0.1-2A range of mass% is preferred. In the present invention, primary QI refers to coal scrap, coke scrap and the like. Conventionally, tar / pitch with a low primary QI is desired to improve the crystallinity of the carbonaceous layer, and those having a primary QI of about 0 have been used as the precursor of the carbonaceous layer. As a reference example, the primary QI in a normal pitch is about 0 to 10%.
[0037]
<Crystallinity of composite graphite particles>
The composite graphite particles of the present invention are characterized in that the crystallinity of the carbonaceous layer (B) interposed between the outer surface and the internal voids is lower than the crystallinity of the nucleus (graphite granulated product (A)). The crystallinity of the surface layer of the graphite particles is evaluated by a Raman spectrum using an argon laser. That is, among the nine types of lattice vibration based on the graphite structure, 1580 cm corresponding to the E2g type vibration corresponding to the lattice vibration in the in-mesh plane.-11360cm reflecting the nearby Raman spectrum and disorder of the crystal structure, mainly crystal defects in the surface layer, stacking irregularities, etc.-1The nearby Raman spectrum is measured with a Raman spectroscopic analyzer (NR1100, manufactured by JASCO Corporation) using an argon laser having a wavelength of 514.5 nm. From the peak intensity of each Raman spectrum, the intensity ratio (R = I1360/ I1580) Is calculated, and the larger the intensity ratio, the lower the surface crystallinity. The intensity ratio R is preferably R ≧ 0.05 from the viewpoint of reducing the irreversible capacity. When R <0.05, the irreversible capacity is large and sufficient battery performance cannot be obtained. This is presumably because the crystallization of the surface layer proceeds so much that the decomposition reaction of the electrolytic solution on the surface of the composite graphite particles easily proceeds. Further, from the viewpoint of obtaining a high discharge capacity, R <0.40 is preferable. In the case of R ≧ 0.40, since the discharge capacity of the carbonaceous layer (B) is significantly reduced, it is necessary to reduce the ratio of the carbonaceous layer (B) to the composite graphite particles. In this case, the graphite granule (A) may be insufficiently filled and covered, and the initial charge / discharge efficiency may be reduced. More preferably, 0.10 ≦ R <0.30.
[0038]
On the other hand, the average crystallinity of the composite graphite particles is determined by the interplanar spacing of the carbon network layer (d002) And the size (Lc) of the crystallite in the C-axis direction. That is, using a CuKα ray as an X-ray source and high-purity silicon as a standard substance, a (002) diffraction peak was measured for the composite graphite particles, and d was determined from the peak position and its half-value width, respectively.002, Lc is calculated. The calculation method is in accordance with the Gakushin Law, and a specific method includes the method described in “Carbon Fiber” (Modern Editorial Company, published in March 1986), pages 733-742.
[0039]
D by the X-ray diffraction method which is an index of the degree of development of the graphite structure of the composite graphite particles of the present invention002And Lc is d from the viewpoint of developing a high discharge capacity.002Preferably ≦ 0.3365 nm, Lc ≧ 40 nm, d002It is particularly preferable that ≦ 0.3362 nm and Lc ≧ 50 nm. d002In the case of> 0.3365 nm and Lc <40 nm, the degree of development of the graphite structure is low. Therefore, when the graphite material is used as the negative electrode material of a lithium ion secondary battery, the lithium doping amount is small and the discharge capacity is high. May not be able to get.
[0040]
<Powder characteristics of composite graphite particles>
When the composite graphite particles of the present invention are used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, the average particle diameter is preferably 5 to 100 μm, particularly preferably 5 to 30 μm. The average particle size of the composite graphite particles is preferably 1.0 to 1.3 times, particularly preferably 1.0 to 1.1 times the average particle size of the graphite granulated material (A) as the core. It is.
[0041]
Although the composite graphite particles of the present invention contain highly crystalline graphite particles typified by natural graphite, a shape close to a spherical shape can be obtained. The spherical or ellipsoidal shape contributes to improvement of high rate characteristics and cycle characteristics as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. The average aspect ratio of the graphite particles is preferably 3 or less, particularly preferably 2 or less.
[0042]
Further, the composite graphite particles of the present invention are dense particles and can express a high bulk density. A high bulk density is advantageous because it can reduce problems such as the destruction of composite graphite particles when the negative electrode is produced at a high density. Bulk density is 0.5g / cmThreeIt is preferable that it is above, especially 0.7 g / cmThreeThe above is preferable.
[0043]
The specific surface area of the composite graphite particles of the present invention can be arbitrarily designed according to the characteristics of the lithium ion secondary battery and the properties of the negative electrode mixture paste. However, 20m2If it exceeds / g, the safety of the lithium ion secondary battery may be lowered. Generally 0.3-5m2/ G, particularly 3 m2/ G or less is preferable.
[0044]
The production of the composite graphite particles of the present invention is a spherical or ellipsoidal graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites.After the production of graphite granulated product (A)A step of filling and / or coating a mesophase precursor containing carbonaceous fine particles (C) on the internal voids and / or the outer surface thereof, and the internal voids and / or the outer surface of the graphite granule (A) by the above-mentioned steps The step of firing so that the volatile content of the mesophase precursor in the filler and / or coating formed in the coating is 2% by mass or more and less than 8% by mass, and the calcined product obtained in the above step is 900 to 3200 ° C. A method of producing composite graphite particles characterized by having a heat treatment step (hereinafter referred to as “method of the present invention”).
[0045]
In the method of the present invention, a spherical or ellipsoidal graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphitesAfter the production of graphite granulated product (A)The step of filling and / or coating the mesophase precursor containing the carbonaceous fine particles (C) in the internal voids and / or the outer surface of the graphite is carried out in a molten state or a solution using a solvent in the graphite structure. It can be carried out by bringing into contact with the granules (A) and impregnating and coating the inner voids and outer surfaces of the graphite granules (A). There is no limitation on the impregnation and coating method, a method of kneading the melted or dissolved mesophase precursor and the graphite granulated product (A), and after the graphite granulated product (A) is immersed and mixed in the solution of the mesophase precursor, heating and / A method of removing the solvent by reducing the pressure, a method of immersing and mixing the solution of the mesophase precursor and the graphite granulated product (A), and then removing the solvent by a spray drying method, and a mesophase precursor in the graphite granulated product (A). May be performed by any method such as a method of adjusting the coating amount of the carbonaceous material by washing with a solvent. In these methods, from the viewpoint of uniform coating, it is desirable to include an operation of immersing the graphite granule (A) in the mesophase precursor solution and subjecting it to a reduced pressure treatment.
[0046]
In the method of the present invention, the graphite granule (A) in which the internal voids and / or the outer surface is filled and / or coated with the mesophase precursor is calcined, the mesophase precursor is mesophased, and the volatile content thereof is adjusted. At this time, the mesophase precursor is calcined so that the volatile content is 2 mass% or more and less than 8 mass%.
[0047]
The firing method may be any of reduced pressure, normal pressure, and increased pressure, and is usually performed in a temperature range of 300 to 1200 ° C, preferably 350 to 600 ° C. Although the atmosphere is preferably non-oxidizing, it can be fired in a slightly oxidizing atmosphere. In addition, you may perform a baking process in multiple times. The firing time is not particularly limited, but is usually about 0.5 to 100 hours. When a solvent is used in the filling or covering step, the solvent may be removed in the main firing step.
[0048]
The calcined mesophase coating film (precursor of the carbonaceous layer (B)) is a solid having a softening point (Mettler method) of about 360 ° C. or higher and has a graphite structure grown to some extent. Examples of the index representing the degree of growth of the graphite structure include the amount of volatile components contained in the mesophase coating (precursor of the carbonaceous layer (B)). The amount of volatile components is 2% by mass or more and less than 8% by mass, preferably 3 to 6% by mass. Here, the amount of volatile matter is measured as follows based on the fixed carbon method of JIS K2425.
[0049]
Method for measuring volatile content: 1 g of a sample (graphite precursor) is weighed into a crucible and heated in an electric furnace at 430 ° C. for 30 minutes without a lid. Then, it is set as a double crucible, it heats for 30 minutes with an 800 degreeC electric furnace, a volatile matter is removed, and a weight loss rate is made into a volatile matter.
Quinoline insoluble matter (QI) can also be used as a guideline as an index representing the degree of growth of the graphite structure. It means that the graphite structure is growing as the QI approaches 100% by mass.
[0050]
Here, QI is measured by the following filtration method based on JIS K2425.
QI measurement method: Powder material (graphite precursor) is dissolved in quinoline, heated at 75 ° C. for 30 minutes, and then suction filtered while hot using a filter. The residue is washed in the order of quinoline and acetone until the filtrate becomes colorless, then dried and weighed to calculate the quinoline insoluble matter. Diatomaceous earth is used as a filter aid. As the filter, a vertical filter 1G4 defined in JIS R3503 is used.
[0051]
A mesophase coating (a precursor of the carbonaceous layer (B)) having a large amount of volatile components or a low QI exhibits meltability in the heat treatment step after crushing. Therefore, when such a mesophase coating (precursor of the carbonaceous layer (B)) is heat-treated as it is, the shape usually changes or the materials are fused. In particular, when the volatile content is 8% by mass or more, the coating film is remelted and fused by heat treatment, so that when the negative electrode is produced at a high density, the fused particles are damaged and the coating film is peeled off. It may cause a decrease in charge / discharge efficiency, which is not preferable. The QI of the mesophase film (the precursor of the carbonaceous layer (B)) is preferably more than 80% by mass.
[0052]
On the other hand, a mesophase film having a low volatile content or a high QI does not exhibit the above-described meltability (infusibilization). However, when the volatile content is less than 2% by mass, the graphitized structure of the film is highly developed. Therefore, peeling of the coating film (the carbonaceous layer (B) on the outer surface layer of the graphite granule (A) constituting the core) may occur during crushing. Therefore, in the present invention, a mesophase film having a volatile content of 2% by mass or more and less than 8% by mass, preferably 3 to 6% by mass is formed. When based on QI, it is more than 80% by mass and less than 100% by mass, preferably 90 to 99.5% by mass.
[0053]
<Crushing process>
In the method of the present invention, the mesophase precursor-coated graphite granulated material fused in the firing step is crushed. As the crushing method, various known crushing methods can be employed. For example, various commercially available pulverizers such as a roller type, an impact type, a friction type, a compression type, a stone mill type, a moving object collision type, a vortex (air flow) type, a shear type, and a vibration type can be used.
[0054]
In the method of the present invention, since no melting deformation or fusion between solids occurs during firing, the final composite graphite particles can be obtained while maintaining the shape after the firing step. For this reason, if it adjusts to the shape of the desired product before heat processing, it is not necessary to grind | pulverize and shape | mold into a desired shape after heat processing, and a process is simplified. Furthermore, since the surface crystallized low by this can be maintained as it is, the effect of the present invention can be exhibited better. For example, when the composite graphite particles of the present invention are used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, the average particle size of the mesophase-coated graphite granule after pulverization is preferably in the range of 5 to 100 μm. 5 to 50 μm is more preferable. Moreover, it is desirable to crush so that it may become 1.0 to 1.3 times the average particle diameter of a graphite granulated material (A). In the case of less than 1.0 times, the graphite granulated material (A) which is a nucleus is pulverized, the low crystallized surface is not retained, and the irreversible capacity is increased. On the other hand, when it exceeds 1.3 times, a large number of fused particles are present, and when a negative electrode is produced at a high density, peeling of the coating or the like may occur, resulting in a decrease in initial charge / discharge efficiency.
The average aspect ratio of the mesophase-coated graphite granule after pulverization is preferably 3 or less, and more preferably 2 or less, like the composite graphite particles finally obtained.
[0055]
<Heat treatment>
The mesophase-coated graphite granule, which is a precursor of composite graphite particles, is filled in a container such as a crucible or molded with a resin that is burned off during heat treatment, and heated at a high temperature in a non-oxidizing atmosphere. Composite graphite particles are formed. The heat treatment temperature is 900 to 3200 ° C. The heat treatment may be performed at a heat treatment temperature (900 to 1500 ° C.) at which the film does not substantially form a graphite structure, or may be performed at a heat treatment temperature (1500 to 3200 ° C.) that forms the graphite structure. When the heat treatment temperature exceeds 3200 ° C., it is difficult to control the properties of the finally obtained composite graphite particles, which is not preferable.
[0056]
Among these, heat treatment is performed at 1800 to 3200 ° C., particularly preferably 2000 to 3000 ° C., in order to obtain excellent battery characteristics even when a negative electrode is produced at a high density. By heating to such a high temperature for 0.5 to 50 hours, preferably 2 to 20 hours, the composite graphite particles of the present invention suitably used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery and the like can be obtained.
[0057]
The composite graphite particles of the present invention can be diverted to applications other than the negative electrode, for example, conductive materials for fuel cell separators and graphite for refractories, taking advantage of the characteristics thereof. Therefore, the present invention further provides a negative electrode for a lithium ion secondary battery and further a lithium ion secondary battery using the negative electrode material.
[0058]
<Lithium ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery of the present invention usually comprises a negative electrode, a positive electrode and a non-aqueous electrolyte as main battery components, and the positive and negative electrodes are each composed of a lithium ion carrier, and the non-aqueous solvent enters and exits during the charge / discharge process. Done in
In essence, it has a battery mechanism in which lithium ions are doped into the negative electrode during charging and dedope from the negative electrode during discharging.
[0059]
The lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited except that the composite graphite particles are used as the negative electrode material, and other battery components conform to the elements of a general lithium ion secondary battery.
[0060]
<Negative electrode>
The production of the negative electrode from the composite graphite particles can be carried out in accordance with a normal molding method. However, the performance of the composite graphite particles is sufficiently drawn, and the moldability to the powder is high. If it is a method which can obtain a negative electrode stable, it will not be restrict | limited at all.
[0061]
At the time of producing the negative electrode, a negative electrode mixture obtained by adding a binder to the composite graphite particles can be used. As the binder, it is desirable to use one having chemical stability and electrochemical stability with respect to the electrolyte. For example, fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, polyethylene, polyvinyl alcohol, and styrene butadiene. Rubber, carboxymethylcellulose, etc. are used. These can also be used together.
In general, the binder is preferably used in an amount of about 1 to 20% by mass in the total amount of the negative electrode mixture.
[0062]
Specifically, for example, the composite graphite particles are adjusted to an appropriate particle size by classification or the like, and mixed with a binder to prepare a negative electrode mixture. This negative electrode mixture is usually used on one side of the current collector. Or a negative mix layer can be formed by apply | coating to both surfaces.
In this case, a normal solvent can be used. The negative electrode mixture is dispersed in the solvent, made into a paste, and then applied to the current collector and dried to make the negative electrode mixture layer uniform and strong. Glued to the body. The paste can be prepared by stirring at about 300 to 3000 rpm with a wing homomixer.
[0063]
For example, the composite graphite particles and a fluorine resin powder such as polytetrafluoroethylene can be applied after being mixed and kneaded in a solvent such as isopropyl alcohol. Also, a composite graphite particle and a fluorine resin powder such as polyvinylidene fluoride or a water-soluble binder such as carboxymethylcellulose are mixed with a solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, water, alcohol or the like to form a slurry. It can be applied later.
[0064]
The coating thickness when the mixture of the composite graphite particles and the binder is applied to the current collector is suitably 10 to 200 μm.
Alternatively, the composite graphite particles and resin powder such as polyethylene and polyvinyl alcohol can be dry mixed and hot press molded in a mold.
After the negative electrode mixture layer is formed, the adhesive strength between the negative electrode mixture layer and the current collector can be further increased by pressure bonding such as pressurization.
[0065]
The shape of the current collector used for the negative electrode is not particularly limited, but a foil or a net-like material such as a mesh or expanded metal is used. Examples of the material for the current collector include copper, stainless steel, and nickel. In the case of a foil shape, the thickness of the current collector is preferably about 5 to 20 μm.
[0066]
<Positive electrode>
As the positive electrode material (positive electrode active material), a material capable of doping / dedoping a sufficient amount of lithium is preferably selected. Examples of such positive electrode active materials include lithium-containing transition metal oxides, transition metal chalcogenides, and vanadium oxides (V2OFive, V6O13, V2OFour, VThreeO8And lithium-containing compounds such as Li compounds thereof, general formula MXMo6S8-y(Wherein X is a numerical value in a range of 0 ≦ X ≦ 4, Y is a numerical value in a range of 0 ≦ Y ≦ 1, M represents a metal such as a transition metal), a chevrel phase compound, activated carbon, activated carbon fiber, etc. Can be used.
[0067]
The lithium-containing transition metal oxide is a composite oxide of lithium and a transition metal, and may be a solid solution of lithium and two or more transition metals. Specifically, the lithium-containing transition metal oxide is LiM (1).1-pM (2)pO2(Wherein P is a numerical value in the range of 0 ≦ P ≦ 1, and M (1) and M (2) are composed of at least one transition metal element) or LiM (1)2-QM (2)QOFour(Wherein Q is a numerical value in a range of 0 ≦ Q ≦ 1, and M (1) and M (2) are composed of at least one transition metal element).
In the above, examples of the transition metal element represented by M include Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al, In, and Sn, and preferably Co, Fe, Mn, Ti, and Cr. , V, Al and the like.
[0068]
More specifically, as the lithium-containing transition metal oxide, LiCoO2Lip NiQM1-QO2(M is the above transition metal element excluding Ni, preferably at least one selected from Co, Fe, Mn, Ti, Cr, V, and Al, 0.05 ≦ P, 0.5 ≦ Q ≦ 1.0. Lithium composite oxide, LiNiO2LiMnO2, LiMn2OFourEtc.
[0069]
The lithium-containing transition metal oxide as described above includes, for example, Li, transition metal oxides or salts as starting materials, these starting materials are mixed according to the composition, and a temperature range of 600 ° C. to 1000 ° C. in an oxygen atmosphere. It can obtain by baking with. The starting material is not limited to oxides or salts, and can be synthesized from hydroxides or the like.
In the lithium ion secondary battery of the present invention, the above compounds may be used alone or in combination of two or more as the positive electrode active material. Further, for example, a carbon salt such as lithium carbonate can be added to the positive electrode.
[0070]
In order to form a positive electrode with such a positive electrode material, for example, a positive electrode mixture comprising a positive electrode material, a binder, and a conductive agent for imparting conductivity to the electrode is applied to both sides of the current collector. An agent layer is formed. As the binder, any of those exemplified for the negative electrode can be used. As the conductive agent, for example, a carbon material, graphite, or carbon black is used.
[0071]
The shape of the current collector is not particularly limited, and a foil shape or a net shape such as a mesh or expanded metal is used. For example, examples of the current collector include aluminum foil, stainless steel foil, and nickel foil. The thickness is preferably 10 to 40 μm.
[0072]
Also in the case of the positive electrode, in the same way as the negative electrode, the positive electrode mixture is dispersed in a solvent to form a paste, and the paste-like positive electrode mixture is applied to a current collector and dried to form a positive electrode mixture layer. Alternatively, after the positive electrode mixture layer is formed, pressure bonding such as press pressing may be further performed. Thereby, the positive electrode mixture layer is uniformly and firmly bonded to the current collector.
[0073]
In forming the above negative electrode and positive electrode, various conventionally known additives such as a conductive agent and a binder can be appropriately used.
[0074]
<Electrolyte>
As an electrolyte used in the lithium ion secondary battery of the present invention, an electrolyte salt used in a normal nonaqueous electrolytic solution can be used, for example, LiPF.6, LiBFFour, LiAsF6LiClOFour, LiB (C6HFive)Four, LiCl, LiBr, LiCFThreeSOThree, LiCHThreeSOThree, LiN (CFThreeSO2)2, LiC (CFThreeSO2)Three, LiN (CFThreeCH2OSO2)2, LiN (CFThreeCF2OSO2)2, LiN (HCF2CF2CH2OSO2)2, LiN ((CFThree)2CHOSO2)2, LiB [C6HThree(CFThree)2]FourLiAlClFour, LiSiF6Lithium salt etc. can be used. In particular, LiPF6, LiBFFourIs preferably used from the viewpoint of oxidation stability.
The electrolyte salt concentration in the electrolytic solution is preferably 0.1 to 5 mol / L, and more preferably 0.5 to 3.0 mol / L.
[0075]
The non-aqueous electrolyte may be a liquid non-aqueous electrolyte or a polymer electrolyte such as a solid electrolyte or a gel electrolyte. In the former case, the non-aqueous electrolyte battery is configured as a so-called lithium ion battery, and in the latter case, the non-aqueous electrolyte battery is configured as a polymer electrolyte battery such as a polymer solid electrolyte battery or a polymer gel electrolyte battery.
[0076]
In the case of a liquid non-aqueous electrolyte solution, as a solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1,1- or 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, anisole, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile, trimethylborate, tetramethylsilicate, Nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, trimethyl orthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene, dimethyl sulfoxide, 3-methyl-2-oxy Aprotic organic solvents such as sazolidone, ethylene glycol and dimethyl sulfite can be used.
[0077]
When the non-aqueous electrolyte is a polymer electrolyte such as a polymer solid electrolyte or a polymer gel electrolyte, a matrix polymer gelled with a plasticizer (non-aqueous electrolyte) is included. Ether polymers such as polyethylene oxide and its crosslinked products, polymethacrylates, polyacrylates, fluorine polymers such as polyvinylidene fluoride and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymers, etc., alone or in combination Can be used.
Among these, it is desirable to use a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride or vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer from the viewpoint of oxidation-reduction stability.
[0078]
As the electrolyte salt and non-aqueous solvent constituting the plasticizer contained in these polymer solid electrolyte and polymer gel electrolyte, any of those described above can be used. In the case of a gel electrolyte, the concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte that is a plasticizer is preferably 0.1 to 5 mol / L, and more preferably 0.5 to 2.0 mol / L.
[0079]
The method for producing such a solid electrolyte is not particularly limited. For example, a polymer compound that forms a matrix, a lithium salt and a solvent are mixed, heated and melted, a polymer compound and a lithium salt in an appropriate organic solvent. And the method of evaporating the organic solvent after the solvent is dissolved, and the polymerizing monomer, lithium salt and solvent that are the raw materials for the polymer electrolyte are mixed, and then irradiated with ultraviolet rays, electron beams, molecular beams, or the like for polymerization. Examples thereof include a method for producing a polymer electrolyte.
Moreover, 10 to 90 mass% is preferable, and, as for the addition ratio of the solvent in the said solid electrolyte, More preferably, it is 30 to 80 mass%. When the content is 10 to 90% by mass, the electrical conductivity is high, the mechanical strength is high, and film formation is easy.
[0080]
A separator can also be used in the lithium ion secondary battery of the present invention.
Although a separator is not specifically limited, For example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a synthetic resin microporous film, etc. are mentioned. In particular, a synthetic resin microporous membrane is preferably used. Among these, a polyolefin microporous membrane is preferable in terms of thickness, membrane strength, and membrane resistance. Specifically, it is a microporous membrane made of polyethylene and polypropylene, or a microporous membrane that combines these.
[0081]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, the gel electrolyte can be used because the initial charge / discharge efficiency has been improved.
The gel electrolyte secondary battery is configured by laminating a negative electrode containing the composite graphite material of the present invention, a positive electrode, and a gel electrolyte in the order of, for example, a negative electrode, a gel electrolyte, and a positive electrode, and accommodating them in a battery exterior material. Is done. In addition to this, a gel electrolyte may be further disposed outside the negative electrode and the positive electrode. In such a gel electrolyte secondary battery using the composite graphite material of the present invention for the negative electrode, the gel electrolyte contains propylene carbonate, and the graphite material powder has a particle size small enough to reduce the impedance sufficiently. Even when used, the irreversible capacity can be kept small. Therefore, a large discharge capacity is obtained and a high initial charge / discharge efficiency is obtained.
[0082]
Furthermore, the structure of the lithium ion secondary battery of the present invention is arbitrary, and the shape and form thereof are not particularly limited, and can be arbitrarily selected from a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, and the like. Can do. In order to obtain a sealed non-aqueous electrolyte battery with higher safety, it is desirable to have a means for detecting an increase in the internal pressure of the battery and shutting off the current when an abnormality such as overcharge occurs. In the case of a polymer solid electrolyte battery or a polymer gel electrolyte battery, a structure enclosed in a laminate film can also be used.
[0083]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to these Examples.
[0084]
Example 1
<Preparation of graphite granule (A)>
Granule treatment of scaly highly crystalline natural graphite particles having an average particle size of 30 μm and a volatile content of 0.7% using a shear compression processing machine (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd., hybridization system) shown in FIG. Went. That is, by processing at a rotor peripheral speed of 60 m / s under a condition of a processing time of 3 minutes, mechanical properties such as impact force, compressive force, frictional force, and shear force are mainly applied to the natural graphite particles charged into the apparatus. External force was repeatedly applied. As a result, natural graphite particles were granulated, and dense spherical to ellipsoidal graphite granules (A) were formed. The obtained graphite granule (A) has an average particle diameter of 20 μm, an aspect ratio of 1.7, and crystallinity by the X-ray wide angle diffraction method is d.002= 0.3355 nm, Lc = 86 nm. In addition, when the cross section of the obtained graphite granulated material (A) was grind | polished and the porosity (area ratio) in particle | grains was measured using the scanning electron microscope, it was about 15%.
[0085]
<Manufacture of composite graphite particles>
Coal tar pitch containing approximately 40% by mass of volatile matter (Kawasaki Steel Co., Ltd., PK-QL, primary QI = 0% by mass) is added to 44 parts by mass of tar middle oil 76 parts by mass, and ketjen black ( 0.15 parts by mass (average particle size: 0.03 μm) (about 0.6% by mass, about 1870 / μm with respect to the finally obtained carbonaceous layer (B))ThreeThe coal tar pitch solution was produced by dispersing and mixing at a ratio of (equivalent).
[0086]
The graphite granule (A) is charged in a mass ratio of 100 parts by mass with respect to 120 parts by mass of the coal tar pitch solution in a stirrer, immersed at 150 ° C. for 1 hour, stirred and then gradually heated and depressurized. Stirring was continued after 3 hours until the internal pressure reached 50 mmHg and 200 ° C., and tar oil as a solvent was removed. The obtained mesophase precursor-coated graphite was filled in a steel container. In a firing furnace equipped with a volatile gas combustion treatment device, the mesophase precursor-coated graphite is fired at 470 ° C. for 20 hours under an inert gas flow, with respect to 100 parts by mass of the charged graphite granule (A). A fired product having a mass of 126 parts by mass was obtained. In the fired product, a carbonaceous layer (B) is filled in an internal space between a plurality of scaly graphite particles forming the graphite granule (A) and / or carbon is formed on the outer surface of the graphite granule (A). The coated graphite precursor particles in a form in which the porous layer was coated were in a slightly fused state.
[0087]
Here, for comparison, the coal tar pitch solution was baked in the same manner as described above without adding the graphite granule, and when the mass before calcination was 120 parts by mass, the ratio of 25 parts by mass after calcination It became the mass of. From this result, the mass ratio of the carbonaceous layer / graphite granule in the coated graphite particles was calculated to be 20/80. Moreover, the volatile matter content of the entire fired product was 1.4% by mass. From this, when the volatile content of the graphite granule (A) after firing is 0.7 mass% and the volatile content of the carbonaceous layer is x, 0.7 × 0.8 + x × 0.2 = 1.4 Therefore, the volatile content of the carbonaceous layer is calculated to be about 4.2% by mass. On the other hand, the measured value of the volatile content of the single fired product of the coal tar pitch solution obtained for comparison is 4.3% by mass, and from this, the calculated value of the carbonaceous layer ratio is generally correct. Was supported.
[0088]
The obtained fired product was pulverized by an impact pulverizer to obtain a composite graphite particle precursor having an average particle diameter of 22 μm and an aspect ratio of 1.7.
Subsequently, the composite graphite particle precursor was filled into a graphite crucible, and coke breeze was filled around the crucible, followed by heat treatment at 2800 ° C. for 5 hours. The composite graphite particles obtained by graphitization were not fused or deformed, and the particle shape was maintained. The obtained composite graphite particles had an average particle diameter of 21 μm, an aspect ratio of 1.7, and a specific surface area of 0.8 m.2/ G, bulk density is 1.00 g / cmThreeMet. The crystallinity by the X-ray wide angle diffraction method is d002= 0.3358 nm, Lc = 85 nm, R value by Raman spectroscopy was 0.12.
[0089]
Using the graphite particles, a working electrode (negative electrode) was produced according to the following method.
<Preparation of negative electrode mixture paste>
90% by mass of the composite graphite particles obtained above and 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed using N-methylpyrrolidone as a solvent and stirred at 2000 rpm for 30 minutes using a homomixer. An organic solvent-based negative electrode mixture paste was prepared.
[0090]
<Manufacture of working electrode (negative electrode)>
The negative electrode mixture paste was applied on a copper foil (
[0091]
<Manufacture of counter electrode>
A lithium metal foil is pressed onto a nickel net and punched into a cylindrical shape with a diameter of 15.5 mm, and a current collector made of nickel net (7a in FIG. 1) and a counter electrode made of a lithium metal foil in close contact with the current collector (4 in FIG. 1) was produced.
[0092]
<Electrolyte>
LiClO in a mixed solvent of 10 mol% propylene carbonate, 50 mol% ethylene carbonate and 40 mol% diethyl carbonateFour1 mol / dmThreeA non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving at a concentration of
The obtained nonaqueous electrolytic solution was impregnated into a polypropylene porous body to prepare a separator (5 in FIG. 1) impregnated with the electrolytic solution.
[0093]
<Production of evaluation battery>
A button-type secondary battery shown in FIG. 1 was manufactured as an evaluation battery.
In this button-type secondary battery, the outer cup 1 and the
[0094]
In this evaluation battery, a separator 5 impregnated with an electrolyte solution is stacked between a working
[0095]
This evaluation battery is a battery composed of a working electrode (negative electrode) 2 containing a graphite material that can be used as a negative electrode active material in a real battery, and a counter electrode 4 made of a lithium metal foil.
[0096]
The evaluation battery manufactured as described above was subjected to the following charge / discharge test at a temperature of 25 ° C.
<Charge / discharge test>
Constant current charging is performed until the circuit voltage reaches 0 mV at a current value of 0.9 mA, switching to constant voltage charging when the circuit voltage reaches 0 mV, and further charging is continued until the current value reaches 20 μA. Paused for a minute.
[0097]
Next, constant current discharge was performed at a current value of 0.9 mA until the circuit voltage reached 2.5V. At this time, the charge capacity and the discharge capacity were obtained from the energization amount in the first cycle, and the initial charge / discharge efficiency was calculated from the following equation.
Initial charge / discharge efficiency (%) = (first cycle discharge capacity / first cycle charge capacity) × 100
In this test, the process of doping lithium ions into the carbon material was charged, and the process of dedoping from the graphite material was discharge.
[0098]
Next, in the second cycle, after charging in the same manner as in the first cycle, constant current discharge was performed at a current value of 18 mA until the circuit voltage reached 2.5V. At this time, the rapid discharge efficiency was obtained from the discharge capacity in the first cycle according to the following equation, and the high rate characteristics were evaluated.
Rapid discharge efficiency (%) = (second cycle discharge capacity / first cycle discharge capacity) × 100
[0099]
In addition to these evaluations, charging and discharging were repeated 10 times under the same conditions as in the first cycle, and the cycle characteristics were evaluated according to the following formula.
Cycle characteristics (%) = (discharge capacity of 10th cycle / discharge capacity of 1st cycle) × 100
[0100]
Furthermore, these charge / discharge tests were conducted by changing the electrode density of the negative electrode. Table 1 shows the measured values of discharge capacity (mAh / g), initial charge / discharge efficiency (%), rapid discharge efficiency (%), and cycle characteristics (%) per 1 g of composite graphite particles.
As shown in Table 1, the lithium ion secondary battery using the composite graphite particles of Example 1 (example of the present invention) as the working electrode (corresponding to the negative electrode of the actual battery) has a theoretical capacity of graphite (372 mAh / g). And a high initial charge / discharge efficiency (that is, a small irreversible capacity). Furthermore, it is excellent in rapid charge / discharge efficiency and cycle characteristics. In particular, even when the electrode density is set high, excellent rapid charge / discharge efficiency and cycle characteristics are exhibited.
[0101]
(Example2)
Except that the types of carbonaceous fine particles are changed to those shown in Table 1, graphite particles are produced in the same manner as in Example 1 and a charge / discharge test using an evaluation battery is performed to measure discharge capacity, initial charge / discharge efficiency, and rapidity. The charge / discharge efficiency and cycle characteristics were evaluated.
[0102]
(Comparative Example 1)
The graphite granule (A) of Example 1 was not subjected to filling and coating with a carbonaceous material, and an evaluation battery was produced using the graphite granule (A) alone as a negative electrode material. A test was conducted. The results are shown in Table 1.
From the results shown in Table 1, the initial charge / discharge efficiency is remarkably small when a graphite granule without the carbonaceous layer (B), which is a feature of the composite graphite particles of the present invention, is used as the negative electrode material. It was. Moreover, the rapid charge / discharge efficiency and cycle characteristics were low and a tendency to deteriorate was recognized.
[0103]
(Comparative Example 2)
Except not containing carbonaceous fine particles in the carbonaceous layer (B) of Example 2, composite graphite particles similar to Example 2 were produced, and evaluation of crystallinity and evaluation of battery characteristics by a charge / discharge test were performed. . The results are shown in Table 1.
As shown in Table 1, when the carbonaceous layer does not contain carbonaceous fine particles, the initial charge / discharge efficiency is slightly small, and the rapid discharge efficiency and cycle characteristics are low.
[0108]
(Comparative Example 3)
Graphite particles were produced in the same manner as in Example 1 except that scaly natural graphite (average particle size 30 μm, thickness 5 μm) was used as it was without being granulated, and evaluation of crystallinity and charge / discharge by evaluation battery A test was conducted.
[0109]
(Comparative Example 4)
In Example 4, graphite particles were produced in the same manner as in Example 4 except that the graphite granulated material was not used, and the crystallinity was evaluated and the charge / discharge test using an evaluation battery was performed.
[0110]
[Table 1]
[0111]
[Table 2]
[0112]
[Table 3]
[0113]
【The invention's effect】
When used as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery, the composite graphite particles of the present invention have both high discharge capacity, high initial charge / discharge efficiency (small irreversible capacity), and excellent high rate characteristics and cycle characteristics. be able to.
Moreover, according to the method of the present invention, the composite graphite particles can be produced with high productivity while suppressing fusion during graphitization.
Furthermore, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention using the composite graphite particles and the lithium ion secondary battery of the present invention using the negative electrode can reduce the irreversible capacity while maintaining a high discharge capacity. In addition, initial charge / discharge efficiency, rapid discharge efficiency, and cycle characteristics can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an evaluation battery produced in Examples and Comparative Examples of the present invention and used for evaluation of charge / discharge characteristics.
FIG. 2 is a schematic view of a shear compression machine (granulator) used in the present invention.
[Explanation of symbols]
1 exterior cup
2 Working electrode
3 Exterior can
4 Counter electrode
5 Separator
6 Insulation gasket
7a, 7b Current collector
21 Fixed drum
22 Rotor
23 Graphite precursor
24 Circulation mechanism
25 Discharge mechanism
26 blade
27 Stator
28 jacket
Claims (6)
前記複合黒鉛質粒子中の黒鉛造粒物(A)の含有量が70〜99質量%であり、前記複合黒鉛質粒子中の炭素質層(B)の含有量が30〜1質量%であり、前記炭素質層(B)中の炭素質微粒子(C)の含有量が0.1〜2質量%であることを特徴とする複合黒鉛質粒子。A graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites, and an internal void and / or an outer surface of the graphite granule (A), than the graphite granule (A). low crystallinity carbonaceous layer (B) is a composite graphite particle formed by filling and / or coating, the carbonaceous layer (B) is seen containing a carbonaceous particulate (C),
The content of the graphite granule (A) in the composite graphite particles is 70 to 99% by mass, and the content of the carbonaceous layer (B) in the composite graphite particles is 30 to 1% by mass. The composite graphite particles , wherein the content of the carbonaceous fine particles (C) in the carbonaceous layer (B) is 0.1 to 2% by mass .
前記工程によって黒鉛造粒物(A)の内部空隙および/または外表面に形成された充填物および/または被覆物中のメソフェーズ前駆体の揮発分量が2質量%以上8質量%未満となるように焼成する工程と、
前記工程で得られた焼成物を900〜3200℃で熱処理する工程とを有することを特徴とする複合黒鉛質粒子の製造方法。 After producing a spherical or ellipsoidal graphite granule (A) formed by aggregating a plurality of scaly graphites, the graphite granule (A) obtained has an internal void and / or outer surface. Filling and / or coating a mesophase precursor containing carbonaceous fine particles (C);
The volatile content of the mesophase precursor in the filler and / or coating formed in the internal voids and / or the outer surface of the graphite granulated product (A) by the above-mentioned process is 2% by mass or more and less than 8% by mass. A firing step;
And a step of heat-treating the fired product obtained in the step at 900 to 3200 ° C.
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