JP4853692B2

JP4853692B2 - 黒鉛粉末およびその製造方法

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Publication number: JP4853692B2
Application number: JP2000130729A
Authority: JP
Inventors: 秀樹松永; 研岡本; 毅城; 徹藤原; 篤雄小丸; 祐介藤重; 政幸永峰
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Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2020-04-28
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電容量が高く、かつ大電流放電特性と低温放電特性とに優れたリチウムイオン二次電池の作製を可能にする、リチウムイオン二次電池の負極材料として好適な黒鉛 (グラファイト) 粉末の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出する炭素材料を負極に用いた非水電解質二次電池であり、自己放電が少なく、起電力とエネルギー密度が高いという特長を有することから、携帯機器用の電源を中心に急速に利用が拡大しており、将来的には電気自動車や電力貯蔵用といった大規模用途への利用も期待されている。
【０００３】
金属リチウムからなる負極の理論容量が約3800 mAh/gと非常に高いのに比べ、炭素材料からなる負極では、黒鉛の層間にリチウムイオンが密に格納された層間化合物であるLiC₆組成の理論容量である372 mAh/g が限界容量になると考えられており、負極容量は金属リチウムよりずっと低くなる。しかし、金属リチウム負極では避けられない充電時のデンドライト析出 (これは短絡を生じ、サイクル寿命の悪化や異常発熱を引き起こす) が起こらないことから、炭素材料を負極に用いたリチウムイオン二次電池が実用化されたのである。
【０００４】
リチウムイオン二次電池の負極に用いる炭素材料には、結晶質の黒鉛、黒鉛の前駆体である易黒鉛化性炭素 (ソフトカーボン) 、高温熱処理しても黒鉛にならない難黒鉛化性炭素 (ハードカーボン) がある。ピッチや樹脂等の有機物を不活性雰囲気中1000℃程度の温度で揮発分が実質的になくなるまで熱処理とするとソフトカーボンやハードカーボンが得られる。ハードカーボンは結晶性が低く、非晶質な構造を持つ炭素材料である。ソフトカーボンを2500℃程度以上の高温で熱処理すると、黒鉛が得られる。
【０００５】
これらの炭素材料うち、結晶質である黒鉛が、Liイオンの吸蔵・放出に伴う体積変化を受けた場合の構造安定性が高く、サイクル寿命がよいリチウムイオン二次電池となるので、負極材料として最も一般的である。いずれの炭素材料も、粉末化した材料を、通常は少量の結着剤 (一般に有機樹脂) を用いて成形し、集電体となる電極基板に圧着させて電極 (負極) を製造するのが普通である。
【０００６】
黒鉛を負極に用いた場合には、上記の372 mAh/g が限界容量となるが、リチウムイオンの侵入を阻害する表面活性サイトや、リチウムイオン格納に対する死領域等が存在することから、実際の放電容量はこれよりかなり低くなるので、この限界容量に近づくように放電容量を高めることが目標となる。
【０００７】
黒鉛からなるリチウムイオン二次電池の負極の別の問題点は、充放電効率である。黒鉛は表面の反応性が高いため、充電時に電解液の分解に伴って不動態皮膜が付着し易い。この時に使用される電気量がロスとなるため、充電容量と放電容量の差が大きくなり、充放電効率 (放電容量／充電容量の比) が低下する。この充放電効率の低下は、特に大電流放電や低温放電において目立つので、このような放電条件での充放電効率の増大も重要である。
【０００８】
リチウムイオン二次電池の炭素材負極の容量増大については、これまでにも多くの提案がある。例えば、特開平４−115458号に提案されているように、コールタールやピッチの炭化過程で生じるメソフェーズ小球体を焼成して黒鉛の球形粉末を製造し、これを用いて負極を作製すると、球形粉末の充填密度の増大を利用して放電容量が増大する。
【０００９】
特開平７−282812号公報には、黒鉛化した炭素繊維において、黒鉛層の積層配列の規制性を高めると高容量化することが記載されている。
特開平７−326355号公報には、コールタールの熱処理で得たメソフェーズ小球体を焼成して負極用炭素材料を製造する際に、該コールタールのフリーカーボン量 (タールのキノリン不溶分の質量％) に応じて炭素材料の結晶構造や平均粒径を制御することにより、所望の結晶構造や平均粒径を有する炭素材料を工業的に安定して製造することが記載されている。使用するコールタールのフリーカーボン量は0.5 質量％以上である。しかし、この公報には、得られた炭素材料の充放電特性が示されていない。
【００１０】
特開平10−284063号公報には、 0.5〜3.0 質量％のフリーカーボンを含有するコールタールを熱処理して、メソフェーズ／フリーカーボンの重量比が２以上のメソフェーズ小球体とし、これを焼成して黒鉛化することにより、放電容量の高い黒鉛系炭素材料が得られることが記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の容量改善手段では、黒鉛系炭素材料の放電容量はたかだか 330〜340 mAh/g であった。即ち、理論容量の372 mAh/g に近づけるために、350 mAh/g を越えるような高さの放電容量を示す炭素材料を得ることは、これまでは困難であった。
【００１２】
本発明は、理論容量にかなり近づいた、350 mAh/g を越える高さの放電容量を示し、かつ充放電効率が95％前後またはそれ以上と高く、大電流放電や低温放電においても高い充放電効率を維持することができる、リチウムイオン二次電池の負極材料に適した黒鉛粉末を安定して確実に製造することができる方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは先に、バルクメソフェーズカーボンを高速粉砕した後、炭化および黒鉛化することにより、放電容量と充放電効率がどちらも高い黒鉛粉末の製造が可能となることを提案した (国際公開公報WO98/29335号) 。この方法により、放電容量が 320〜358 mAh/g と高く、充放電効率も95％付近と十分な黒鉛粉末を得ることができる。しかし、実施例の多くでは放電容量が350 mAh/g を下回り、350 mAh/g を越える放電容量を持つ黒鉛粉末を安定して確実に製造する手段は示されていない。
【００１４】
その後の研究により、バルクメソフェーズカーボンの原料であるタールやピッチのフリーカーボン (キノリン不溶分) の含有量が、メソフェーズ化から炭化および黒鉛化を経て得られる黒鉛粉末の充放電特性に大きく影響することを見出した。
【００１５】
より詳しく説明すると、フリーカーボン含有量を一定以下に低減させたタールおよび／またはピッチを特定範囲内の温度で熱処理すると、高度に異方性が発達したバルクメソフェーズカーボンが得られる。この高度の異方性は、小角Ｘ線散乱法により求めたバルクメソフェーズカーボンの異方性ドメインの粒径が非常に大きいことによって判定される。この高度に異方性のバルクメソフェーズカーボンを炭化および黒鉛化し、炭化の前か後に高速粉砕および／または剪断粉砕を行うと、結晶度が高く（これはｄ002 結晶面間隔が小さく、結晶子径が大きいことで示される）、かつLi侵入サイトの多い黒鉛粉末が得られる。このような黒鉛粉末は、理論容量にかなり近い350 mAh/g 以上の放電容量と95％前後またはそれ以上の高い充放電効率を示す。
【００１６】
このような知見に基づいて完成した本発明は、バルクメソフェーズカーボンを炭化する工程と、得られた炭化材を黒鉛化する工程と、粉砕工程とを含む黒鉛粉末の製造方法であって、
前記バルクメソフェーズカーボンは、Ｘ線小角散乱法により求めた異方性ドメイン径が1300Å以上のものであり、
前記粉砕工程は、黒鉛化工程より前に高速粉砕と剪断粉砕の少なくとも一方を行うことを含んでいる、
ことを特徴とする黒鉛粉末の製造方法である。
【００１７】
上記の異方性ドメイン径を有するバルクメソフェーズカーボンは、フリーカーボン含有量0.3 質量％以下のタールおよび／またはピッチを 400〜600 ℃の温度範囲で熱処理することにより得ることができる。
【００１８】
上記粉砕工程で得られた粉末は、2.0 以下のアスペクト比 (粉末の長径／短径比の平均値) を有することが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る黒鉛粉末の製造方法では、バルクメソフェーズカーボンを炭化原料として使用し、これを炭化および黒鉛化して黒鉛粉末を製造する。
【００２０】
常温で液状の炭素質物質であるタールを、加熱しながら偏光顕微鏡で観察すると、等方性であった液相中に光学異方性の球形粒子が現れてくる。この粒子がメソフェーズ小球体である。タールの蒸留残渣であるピッチ (常温では固体または半固体) を加熱した場合も、まず液状化した後、生成した液相中に同様にメソフェーズ小球体が観察される。メソフェーズ小球体は、熱による重縮合で生じた、炭素６員環の網目構造からなる大きな平板分子がほぼ平行に配向して積層した構造を持つ液晶が、等方性の母相から相分離したものである。
【００２１】
さらに加熱を続けると、メソフェーズ小球体の量が増加し、ついにはそれらが合体して光学異方性のマトリックスが生成し、最終的には全体が光学異方性となる。この光学異方性のマトリックス材料または全体的に光学異方性となった材料が、バルクメソフェーズカーボンである。
【００２２】
メソフェーズ小球体とバルクメソフェーズカーボンは、固化した後も、上述した平板分子が積層してなる光学的に異方性の配向状態 (液晶と同じ配向状態) を保持している。球形粒子であるメソフェーズ小球体では、粒子全体が実質的に同一の配向方向を有する。これに対し、バルクメソフェーズカーボンでは、同一の配向方向を持つ層状で光学的に異方性の積層領域 (これを本発明では異方性ドメインと称する) が多数集合した構造を持つ。即ち、メソフェーズ小球体は一つの異方性ドメインからなる粒子であり、バルクメソフェーズは無数の異方性ドメインの集合体である。
【００２３】
従来技術の欄で説明したように、メソフェーズ小球体は球形粒子で充填性がよい。しかし、メソフェーズ小球体は、光学的に等方性のマトリックスから分離するのに溶媒抽出といった分離操作が必要であり、余分な工程が加わる上、抽出に多量の有機溶媒が必要である。さらに、分離後に残ったマトリックスは廃棄するので、歩留まりが小さい。そのため、本発明では、メソフェーズ小球体よりずっと安価に取得できるバルクメソフェーズカーボンを原料として使用する。
【００２４】
このバルクメソフェーズカーボンの製造に用いる出発原料（メソフェーズ化原料) は、タールとピッチのいずれでもよく、その両者の混合物でもよい。タールおよび／またはピッチとしては、芳香族成分に富む石炭系のタール (コールタール) またはピッチが好ましいが、石油系のものも使用可能である。
【００２５】
本発明では、このバルクメソフェーズカーボンとして、Ｘ線小角散乱法により求めた異方性ドメイン径が1300Å以上のものを使用する。異方性ドメインは、前述したように、炭素６員環からなる板状の高分子が同一の配向方向で積層した光学的に異方性の領域であり、準結晶状態であることから、Ｘ線小角散乱法によりそのドメインの径を求めることができる。この異方性ドメイン径が大きいほど、バルクメソフェーズの異方性が発達している。本発明で規定する1300Å以上という値は、通常のバルクメソフェーズカーボンでの値に比べて非常に大きく、異方性が高度に発達していることを意味する。
【００２６】
バルクメソフェーズカーボンの異方性ドメイン径が1300Åより小さいと、炭化と黒鉛化後に得られる黒鉛粉末の結晶性を十分に高めることができず、本発明で目的とする350 mAh/g 以上の放電容量を持つ黒鉛粉末を得ることができない。このドメイン径は好ましくは1450Å以上である。異方性ドメイン径の上限は特に限定されないが、2500Åより大きな値を持つバルクメソフェーズカーボンを得るには、工業的に許容できないような長時間 (例、48時間を越える時間) の熱処理が必要になるので、2500Å以下とすることが好ましい。
【００２７】
異方性ドメイン径が1300Å以上という異方性が高度に発達したバルクメソフェーズカーボンは、フリーカーボン含有量が0.3 質量％以下のタールおよび／またはピッチ (以下、タール等という) を 400〜600 ℃の温度範囲で熱処理することにより得ることができる。
【００２８】
タール等のフリーカーボン含有量が0.3 質量％より多いと、その熱処理により異方性ドメイン径が1300Å以上のバルクメソフェーズカーボンを得ることが困難となり、最終的に製造される黒鉛粉末の結晶性が低下し、目的とする高い放電容量を達成することができない。タールのフリーカーボン含有量は、実質的に０％でもよく、黒鉛粉末の負極性能上はその方がより有利である。
【００２９】
フリーカーボン含有量が0.3 質量％未満のタール等は、タール等をトルエン、キノリンといった芳香族系の有機溶媒と混合して溶解させ、不溶分を濾過、遠心分離等により除去することにより得ることができる。残った濾液または上澄みを回収し、有機溶媒を蒸発させるか、留去すると、フリーカーボンの全部またはほとんどが除去されたタール等が得られる。十分な量の溶媒を使用すれば、１回の溶解操作でフリーカーボン含有量を０％にすることができる。
【００３０】
バルクメソフェーズを得る際の熱処理温度が400 ℃より低いと、メソフェーズ化が不十分で、異方性ドメイン径が1300Å以上のバルクメソフェーズカーボンを得ることが困難となり、黒鉛化に得られた黒鉛粉末の結晶性が十分に高くならないので、放電容量が低下する。熱処理温度が600 ℃を超えると、メソフェーズ化が急激に進行するため、組織が微細で比表面積の大きな黒鉛粉末となり、充放電効率が低下する。好ましい熱処理温度は 450〜550 ℃であり、より好ましくは 450〜500 ℃である。
【００３１】
このタール等の熱処理中にタール等を構成する芳香族化合物の重縮合が進んで高分子化する。その結果、前述したように、等方性の液相中に異方性のメソフェーズ小球体が現れ、さらに熱処理を続けると、マトリックスまでメソフェーズ化して、全体が異方性ドメインになったバルクメソフェーズカーボンとなる。バルクメソフェーズ化した後も熱処理を続けると、異方性ドメイン同士の融合が進行し、異方性ドメインの径が増大する。本発明では、固化後にＸ線小角散乱法で測定した異方性ドメイン径が1300Å以上、好ましくは1450Å以上のバルクメソフェーズが得られるまで、熱処理を続ける。
【００３２】
これに必要な熱処理時間は、熱処理に供するタール等のフリーカーボン含有量が0.3 質量％以下であれば、通常は２〜12時間程度である。工業的観点からは、12時間を超える長い熱処理時間は得策ではないので、12時間までの熱処理で所望の異方性ドメイン径を有するバルクメソフェーズカーボンが得られるように、熱処理温度および／または原料タール等のフリーカーボン含有量を設定することが好ましい。
【００３３】
熱処理中に油分が揮発するので、その揮発を促進するため、例えば、減圧蒸留釜を使用して、熱処理を10〜100 Torr程度の減圧下で行うことが好ましい。大気圧で熱処理する場合には、油分の除去の促進と熱処理中の材料の酸化防止のために、窒素ガスなどの不活性ガスの流通下で熱処理を行うことが好ましい。
【００３４】
この熱処理で得られた、異方性ドメイン径が1300Å以上と異方性が発達したバルクメソフェーズカーボンを炭化および黒鉛化し、かつ少なくとも一回の粉砕を行うことにより黒鉛粉末を製造する。炭化は炭素以外の元素をほぼ完全に熱分解させて除去する工程であり、黒鉛化は黒鉛の層状結晶構造を発達させる工程であり、いずれも熱処理により行われる。
【００３５】
本発明では、黒鉛化より前の段階で高速粉砕と剪断粉砕の一方または両方を行う。即ち、炭化前のバルクメソフェーズカーボンに対して、または炭化後に得られた炭化材に対して、上記の粉砕を行う。炭化前と炭化後の両方に上記粉砕を実施してもよい。上記粉砕を炭化後に行う場合には、炭化前にバルクメソフェーズを軽く粉砕して粉末化しておくことが好ましい。
【００３６】
黒鉛化前にこの粉砕を実施しておくと、黒鉛化後に、粉末表面の黒鉛ｃ面層の端部が２層ずつ連結して閉じた閉塞構造の間隙面密度が150 個／μｍ以上と高密度である黒鉛粉末を得ることができ、放電容量と充放電効率が改善される。
【００３７】
「黒鉛ｃ面層の端部が２層ずつ連結して閉じた閉塞構造」とは、図１に模式的に示すように、黒鉛ｃ面層の近接した２層の末端同士が連結して環状に閉じた構造を意味し、この連結端部は図示のように積層 (図示例では３層) 構造をとっていてもよい。
【００３８】
「間隙面」とは、図１に矢印で示すように、隣接する２つの閉塞構造の間の、外部に開いた層間の面を意味する。図示のように、隣接する連結閉塞構造がいずれも積層構造である場合には、その積層構造の最外層の層間面が間隙面となる。隣接する間隙面の間に挟まれた閉塞構造 (多層か単層かにかかわらず) を、単位閉塞構造とする。
【００３９】
「間隙面の密度」とは黒鉛ｃ面に垂直なｃ軸方向における１μｍ当たりの間隙面の個数として定義する。この間隙面の密度は、単位閉塞構造の密度と実質的に同じである。
【００４０】
図１に模式的に示した黒鉛粉末の連結閉塞構造および間隙面は、黒鉛粉末の表面付近の断面の高分解能電子顕微鏡写真により観察することができ、この電子顕微鏡写真から間隙面の密度を求めることができる。この構造については、上述したWO98/29335号公報に詳述されている。
【００４１】
黒鉛粉末は、一般にはｃ軸方向が異なる多くの領域から構成され、各領域 (即ち、ｃ軸方向が同一のひとかたまりの領域) を結晶子という。この結晶子は、バルクメソフェーズカーボンの異方性ドメインがそれぞれ結晶化したものであり、異方性ドメイン径が大きいほど黒鉛粉末の結晶子径が大きくなる傾向がある。但し、黒鉛化 (結晶化) によって層間間隔が小さくなるので、黒鉛の結晶子径はバルクメソフェーズカーボンの異方性ドメイン径より小さくなる。
【００４２】
黒鉛粉末の表面が上記の連結閉塞構造をとると、表面が化学的に安定化し、充放電効率やサイクル寿命が向上する。一方、この閉塞構造の間隙面は、Liイオンの侵入サイトとなるので、間隙面密度が高いほどLiイオンが侵入しやすくなり、放電容量の増大につながる。しかし、この閉塞構造や間隙面密度だけでは、350 mAh/g 以上という非常に高い放電容量を持つ黒鉛粉末を安定して製造することはできない。本発明では、この構造に加えて、異方性が高度に発達したバルクメソフェーズカーボンを炭化および黒鉛化して黒鉛粉末の結晶度を非常に高めることで、350 mAh/g 以上の放電容量を持つ黒鉛粉末を確実に製造することに成功したものである。
【００４３】
黒鉛化前に高速粉砕および／または剪断粉砕を行うと、粉末表面に原子レベルの凹凸 (層欠陥) が多数導入され、黒鉛化のための熱処理中に上記の連結閉塞構造が形成される際の間隙面密度が高くなる。黒鉛化熱処理後にこのような粉砕を行うと、黒鉛化熱処理で生成した閉塞構造が壊れて粉末表面にｃ面層に層欠陥が発生するので、サイクル寿命や充放電効率が低下する。但し、解砕を目的とする軽度の粉砕は黒鉛化後に実施してもよい。
【００４４】
通常の衝撃型粉砕を利用する場合、黒鉛化した時に上記間隙面密度が150 個／μｍ以上の黒鉛粉末が得られるような数の層欠陥を粉砕により導入するには、粉砕を高速で行う必要がある。「高速粉砕」とは、黒鉛化熱処理後に間隙面密度が150 個／μｍ以上の黒鉛粉末が生成する粉砕条件を意味する。目安として、ハンマーミルやアトリションミルといった衝撃粉砕では、5000 rpm以上の回転数での粉砕が高速粉砕に相当する。
【００４５】
ヘキ開を主とした粉砕になり、層欠陥を効率よく導入することができる剪断粉砕 (例、ディスククラッシャーによる粉砕) では、粉砕条件を高速とする必要はない。ディスクミルでの粉砕は、例えば 150〜300 rpm 程度の回転数で実施することができる。
【００４６】
上記の粉砕は、アスペクト比 (粉末の長径／短径の比の平均値) が2.0 以下の粉末が得られるように行うことが好ましい。それにより、充填密度が高い負極を作製することができ、負極の導電性が改善され、充放電効率が向上する。粉末のアスペクト比は、衝撃粉砕と剪断粉砕を組合わせて粉砕を行うことにより容易に調整することができる。このように衝撃粉砕と剪断粉砕を併用する場合、衝撃粉砕は高速粉砕とする必要はないが、高速粉砕としてもよいのは当然である。
【００４７】
粉砕後の粉末の平均粒径は10〜50μｍの範囲内とすることが好ましく、より好ましくは20〜40μｍの範囲内である。この平均粒径は、粉砕時の回転数や粉砕時間により調整することができる。必要であれば、粉砕後に分級を行って平均粒径を調整してもよい。
【００４８】
バルクメソフェーズカーボンの炭化に必要な温度は一般に 700〜1100℃、好ましくは 800〜1050℃であり、黒鉛化に必要な温度は2500℃以上、好ましくは2800℃以上である。黒鉛化時に、ホウ素等の黒鉛化触媒を微量添加してもよい。炭化と黒鉛化は、同じ炉を使って１工程の焼成で実施することも不可能ではないが、黒鉛化温度が非常に高く、特殊な炉が必要になるため、通常は別工程で行う。
【００４９】
炭化と黒鉛化の熱処理はいずれも非酸化性雰囲気中で行う。熱処理雰囲気は、不活性ガス (例、窒素、アルゴン等の希ガス) と還元性ガス (例、水素と不活性ガスの混合ガス) のいずれでもよい。炭素の酸化は黒鉛化後の結晶化度の低下や比表面積の増大の原因となるため、雰囲気中の酸素、水蒸気、二酸化炭素等の酸化性ガスの濃度は極力低くすることが好ましい。黒鉛化温度では、水素等の還元性ガスや場合によっては窒素も炭素と反応する可能性があるため、黒鉛化時の熱処理雰囲気は、アルゴン等の希ガスが好ましい。
【００５０】
本発明の方法に従ってバルクメソフェーズカーボンから粉砕、炭化、および黒鉛化を経て黒鉛粉末を製造すると、結晶度が非常に高い黒鉛粉末が得られる。この非常に高い結晶度は、結晶子径が 200〜1000Åと大きく、ｃ軸方向の結晶面間隔ｄ002 が3.3630Å以下と小さいことで示される。この黒鉛粉末はまた、連結閉塞構造の間隙面密度が150 個／μｍ以上であり、好ましくはアスペクト比が2.0 以下、比表面積が２m²/g以下、より好ましくは１m²/g以下である。比表面積が大きすぎると、サイクル寿命や充放電効率が低下する。
【００５１】
このような特性を備えた黒鉛粉末は、黒鉛負極の理論容量に近い350 mAh/g 以上という高い放電容量と、93％以上という高い充放電効率を示す。連結閉塞構造をとることで粉末の表面が化学的に安定化されているため、この高い充放電効率は、大電流放電や低温放電でもそれほど低下しない。従って、本発明によれば、350 mAh/g 以上の放電容量と高い充放電効率を示し、大電量放電や低温放電でも充放電効率が低下しにくい、リチウムイオン二次電池の負極材料に最適の黒鉛粉末を安定して製造することができる。
【００５２】
本発明の方法により製造された黒鉛粉末を用いて従来より公知の適当な方法で電極を作製し、リチウムイオン二次電池の負極として用いることができる。電極の作製は、一般に黒鉛粉末を適当な結着剤を用いて電極基板となる集電体上に成型することにより行われる。集電体としては、黒鉛粉末の担持性が良く、負極として使用した時に分解による溶出が起こらない任意の金属の箔 (例、電解銅箔、圧延銅箔などの銅箔) を使用することができる。
【００５３】
リチウムイオン二次電池の正極、非水電解液、セパレータ、電池容器とその形状、構造などの他の要素は特に制限されず、従来より利用されてきたものと同様でよい。
【００５４】
【実施例】
フリーカーボン含有量が1.5 質量％であるコールタールピッチをトルエンで溶解処理することにより不溶物を除去してフリーカーボン量を低減ないし０にした後、このピッチを減圧蒸留釜に入れて所定の熱処理温度まで昇温し、その温度に４時間保持する熱処理を行ってメソフェーズ化した。
【００５５】
生成したバルクメソフェーズカーボンが冷却・固化した後、これを釜から取り出して、試験No.1〜3 では衝撃粉砕機のハンマーミルと剪断粉砕機のディスククラッシャーの両方、残りの試験No. ではハンマーミルのみを用いて粉砕した。ハンマーミルは回転数7500 rpmの高速粉砕とし、ディスククラッシャーの回転数は200 rpm であった。粉砕は平均粒径約30μｍの粉末が得られるように行った。
【００５６】
このバルクメソフェーズカーボンの粉末を雰囲気焼成炉に入れ、窒素雰囲気下、10℃／時の昇温速度で1000℃に昇温し、この温度に10時間保持して炭化した。得られた炭素粉末を炉冷して取り出し、黒鉛化炉に移して、窒素雰囲気下、10℃／時の昇温速度で3000℃に昇温し、この温度に１時間保持して黒鉛化し、黒鉛粉末を得た。
【００５７】
メソフェーズ化に用いたコールタールピッチのフリーカーボン含有量、メソフェーズ化熱処理温度、バルクメソフェーズカーボンの小角Ｘ線散乱法で測定した異方性ドメイン径、粉砕後の得られたバルクメソフェーズカーボンのアスペクト比、ならびに黒鉛化で得られた黒鉛粉末の比表面積、連結閉塞構造の間隙面密度、ｃ軸(002) 方向の結晶面間隔ｄ002 、および結晶子径Ｌｃの測定結果を表１にまとめて示す。表１には、製造された各黒鉛粉末の放電容量および充放電効率の測定結果も併記する。これらの測定方法は次の通りである。
【００５８】
[フリーカーボン含有量]
バルクメソフェーズカーボンの原料として使用したタールまたはピッチ中のキノリン不溶分(QI)をJIS K2425 に従って測定し、このQI値をフリーカーボン含有量とした。具体的には、所定量のタールまたはピッチに、その50倍の質量のキノリンを混合し、75℃の温度で30分間攪拌した後、濾過して不溶分を分取した。この不溶分の乾燥質量を秤量し、最初のタールまたはピッチの質量に対する割合と (％) としてQIを算出した。
【００５９】
[アスペクト比]
粉砕後に得られた粉末のＳＥＭ写真を撮影し、不作為に選んだ100 個の粉末粒子の長径と短径を測定して各粒子の長径／短径の比を求め、その平均値をアスペクト比とした。
【００６０】
[比表面積]
黒鉛粉末の比表面積をＮ₂置換法によるＢＥＴ１点測定法により測定した。
[連結閉塞構造の間隙面密度]
黒鉛粉末をｃ軸方向に切断した断面の表面近傍の高分解能透過型電子顕微鏡写真を撮影した。この写真からｃ面層末端に連結閉塞構造と間隙面が明瞭に見られる。この写真から実測して、Liイオン侵入サイトである単位閉塞構造間の間隙面密度を求めた。
【００６１】
[ｃ軸結晶面間隔ｄ002]
黒鉛粉末のＸ線回折図から、ディフラクトメータの誤差を含めた最小二乗法による格子定数精密測定法 (内部標準は使用せず) により算出した。Ｘ線回折図の面指数(002), (100), (101), (004), (110), (112), (006) の全てのピーク位置を利用した。３回のＸ線回折測定を行い、得られた値の加重平均をとりｄ002 の値とした。
【００６２】
[異方性ドメイン径]
バルクメソフェーズカーボンの異方性ドメイン径は、小角Ｘ線散乱法により求めた。
【００６３】
[結晶子径]
結晶子径は、マックサイエンス社製Ｘ線回折装置を用いて、加速電圧40 kV 、電流150 mA、測定範囲20〜90°の条件で測定した粉末法Ｘ線回折図の002 回折ピークを、わが国の炭素学会で規定された学振法に基づいて解析することにより求めた値である。学振法で規定する黒鉛の結晶子径の上限は1000Åであるが、1000Åを超えるサンプルについても同法をそのまま適用し、半価幅から結晶子径を算出した。
【００６４】
[放電容量と充放電効率]
負極特性の評価は、対極、参照極に金属リチウムを用いた３極式定電流充放電試験により行った。電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの体積比１：１の混合溶媒に１Ｍ濃度でLiCl₄を溶解した非水溶液を使用した。0.3 mA/cm²の電流密度でLi参照極に対して0.0 V まで充電して負極中にLiを格納した後、同じ電流密度でLi参照極に対して1.50 Vまで放電 (Liイオンの放出) を行う充放電サイクルを10サイクル行い、２〜10サイクルの９回の放電容量の平均値を放電容量とした。また、初回の充放電において、充電に要した電気量に対する放電時の電気量の割合(%) として充放電効率を算出した。
【００６５】
【表１】

表１からわかるように、本発明に従ってフリーカーボン含有量が0.3 質量％以下のコールタールピッチを 400〜600 ℃の温度範囲で熱処理すると、異方性ドメイン径が1300Å以上と異方性が発達したバルクメソフェーズカーボンを得ることができる。このバルクメソフェーズカーボンを、本発明に従って粉砕し、炭化および黒鉛化した本発明例では、すべての例において、結晶面間隔ｄ002 が3.3630Åより小さく、結晶子径が300 Å以上と大きい、高度に結晶化した黒鉛粉末が得られる。また、この黒鉛粉末は、連結閉塞構造の間隙面密度が200 個／μｍ以上と高い。その結果、本発明例の黒鉛粉末はいずれも350 mAh/g を超える高い放電容量を示し、充放電効率も93％以上と高くなっている。
【００６６】
これに対し、メソフェーズ化原料として使用したコールタールピッチが0.3 質量％より多いフリーカーボンを含有していると、上記と同じ温度範囲で熱処理しても、異方性が十分に発達せず、得られたバルクメソフェーズの異方性ドメイン径は1300Åを下回る。このバルクメソフェーズを、本発明例と同様に粉砕、炭化および黒鉛化しても、間隙面密度は200 個／μｍ以上と大きくなるものの、本発明例のように高度に結晶性が発達した黒鉛粉末が得られない。即ち、得られた黒鉛粉末のｄ002 は3.3630Åより大きく、結晶子径は300 Åより小さくなる。そのため、放電容量は350 mAh/g に届かず、また充放電効率も低下する。
【００６７】
一方、メソフェーズ化原料のコールタールピッチのフリーカーボン含有量が０％であっても、メソフェーズ化熱処理温度が330 ℃を下回ると、やはり熱処理中の異方性の発達が不十分となり、黒鉛粉末の結晶性が低く、放電容量や充放電効率に悪影響が出る。また、メソフェーズ化熱処理温度が600 ℃より高くなると、黒鉛粉末の比表面積がやや増大し、放電容量と充放電効率が低下する。
【００６８】
黒鉛粉末のアスペクト比は、小さくなると放電容量がやや増大し、特に充放電効率が目立って向上する。これは、充填密度がやや増大すると導電性が著しく向上することを意味している。また、黒鉛粉末の比表面積は小さい方が、充放電効率が向上する。アスペクト比が2.0 以下で、比表面積が1.0 m²/g以下である本発明例の黒鉛粉末は、95〜99％という非常に高い充放電効率を示す。
【００６９】
【発明の効果】
本発明により、黒鉛負極の理論容量に近い350 mAh/g 以上という高い放電容量と、93％以上、好ましくは95〜99％という高い充放電効率を示し、大電流放電や低温放電でも充放電効率が定期低下しにくい、リチウムイオン二次電池の負極材料に最適の黒鉛粉末を安定して製造することが可能となる。従って、本発明はリチウムイオン二次電池の高性能化に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】黒鉛粉末の結晶構造における粉末表面の連結閉塞構造と間隙面を示す説明図である。

Claims

バルクメソフェーズカーボンを炭化する工程と、得られた炭化材を黒鉛化する黒鉛化工程と、粉砕工程と
を含み、
前記バルクメソフェーズカーボンとして、フリーカーボン含有量が０．３質量％以下のタールおよびピッチの少なくとも一方を４００〜６００℃の温度範囲で熱処理することにより得られ、かつ、Ｘ線小角散乱法により求めた異方性ドメイン径が１３００Å以上のものを用い、
前記粉砕工程は、前記黒鉛化工程より前に前記バルクメソフェーズカーボンに対する高速粉砕および剪断粉砕の少なくとも一方を行うことを含んでいる黒鉛粉末の製造方法。
前記バルクメソフェーズカーボンとして、フリーカーボン含有量が０．１質量％未満のタールおよびピッチの少なくとも一方を４５０〜４８０℃の温度範囲で熱処理することにより得られたものを用いる
請求項１記載の黒鉛粉末の製造方法。
前記粉砕工程で得られた粉末が２．０以下のアスペクト比を有する
請求項１記載の黒鉛粉末の製造方法。