JP5042854B2 - 黒鉛粒子、炭素−黒鉛複合粒子及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の黒鉛粒子の一例を示す概略断面図である。
図2は、本発明の黒鉛粒子の他の例を示す概略断面図である。
図3は、本発明の黒鉛粒子の他の例を示す概略断面図である。
以下、本発明の黒鉛粒子100の製造方法について、図4を参照して説明する。
以下、本発明の黒鉛粒子200、300の製造方法について、図5を参照して説明する。
本発明に使用する原料黒鉛は、人造黒鉛、天然黒鉛のどちらでも良い。但し、価格的に天然黒鉛の方が安く、資源的にも豊富であるため、天然黒鉛がより好ましい。黒鉛純度は、99.8質量%以上が好ましく、99.95質量%以上が電解液から発生するフッ酸との反応が少なく特に好ましい。
凹部形成用粒子を用い、これと原料黒鉛粒子とを混合してプレスした後、凹部形成用粒子を分離除去することにより、黒鉛粒子の表面に上述の凹部を形成することができる。
混合工程においては、原料黒鉛粒子と凹部形成用粒子とを、ヘンシェルミキサー、カッターミキサー、V型混合機などの汎用混合機で混合して混合物を得る。
加圧成型工程においては、原料黒鉛粒子と凹部形成用粒子との混合物を加圧成型して成型物を得る。成型方法としては、プレス機、押し出し機、コンパクター、ブリケットマシン、ペレット成型機、CIP成型機等を用いて1〜200Mpaで加圧下成型する方法がある。
粉砕工程は、加圧成型工程で得られた成型物をハンマーミル、ジョークラッシャー、ピンミル、ジェットミル、コーヒーミルなどの粉砕機を用いて粉砕し、粉砕物を得る。粉砕した成型物(粉砕物)の平均粒径が0.1〜50mm程度になるように粉砕することが好ましい。
分離工程においては、粉砕物から凹部形成用粒子を分離する。分離方法としては、熱分離法、気流分級法、水流分離法、比重分離法、遠心分離法、ろ過分離法、溶解分離法、抽出分離、磁力分離法、浮力分離などがある。
本発明の炭素−黒鉛複合粒子は、上述した黒鉛粒子100、200、又は300の表面を炭素層で被覆した平均粒径5〜50μmの粒子である。その表面には黒鉛粒子の表面に倣って凹部が1以上形成されている。この凹部の存否により、凹部の無い黒鉛粒子を炭素で被覆した従来の複合粒子と明確に区別できる。
CVD処理時の温度は800〜1200℃とすることが好ましい。更に好適な温度は950〜1150℃である。処理温度が800℃未満であると被覆される炭素の結晶性が低くなることがあり、その平均層間距離dは0.336nm以上となることがある。CVD処理温度が高いほど熱分解炭素の析出速度が大きくなり、有機物ガスの炭素への変換率は高くなるが、同時に炭素は膜状に成長するよりもむしろ繊維状あるいはスス状に成長するので、表面被覆の均一性を目的とした処理には好ましくない。また、被覆された炭素の結晶性も低下する傾向が認められる。したがって、CVD処理温度は1200℃以下とすることが好ましく、1150℃以下とすることが更に好ましい。
黒鉛粒子又は炭素−黒鉛複合粒子に形成された凹部の深さ、孔径は、リアルサーフェイスビュー顕微鏡で得られる画像を以下の方法で解析することにより求めることができる。
本発明の黒鉛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、以下の条件(1)〜(7)を満たす黒鉛粒子を使用することが望ましい。
黒鉛粒子のタップ密度は0.5〜1.5g/mlが好ましく、1.0〜1.2g/mlがより好ましい。
黒鉛粒子の粒子形状は特に限定されるものではないが、製造し易さから、鱗片状、球状、及び擬球状の何れかであることが好ましい。そのアスペクト比は1〜3とすることが好ましく、1〜2とすることがより好ましい。
本発明の黒鉛粒子の配向性は、X線回折により評価される。本発明の黒鉛粒子のX線回折による002面(26.4°)と110面(77.4°)のピーク強度比(002/110)を求めると、400以下となる。この値から、従来の黒鉛より黒鉛結晶のAB面が配向しにくくなっていることがわかる。この要因としては、凹部の周縁で形成される凸部の黒鉛層の積層構造が先端に向かって収束されているためであることが考えられる。その収束度合いは、凹部形成用粒子の選定や加圧条件の選定により変えることが可能である。具体的には、加圧時の圧力を高めるに従って002面(26.4°)と110面(77.4°)のピーク強度比を低下させることが可能である。黒鉛粒子の配向性の低下は、リチウムイオン二次電池用負極材の高入出力性能の向上に寄与される。
黒鉛表面の炭素状態は、ラマン分光法により評価できる。ラマン分光法で1580cm−1のピーク強度I1580と1360cm−1のピーク強度I1360のピーク強度比(I1360/I1580)は、0.3以下とすることが好ましい。
比表面積は、一般に、原料黒鉛の形状、原料黒鉛の結晶性等によって異なるが、本発明の黒鉛粒子は、製造時の黒鉛結晶性に変化が少ないため、相対的に粒度の影響が大きくなっている。即ち、平均粒径が小粒子径のものほど比表面積は増加する。上述した平均粒径の範囲では、その表面積は最大で40m2/gである。この程度の比表面積を有する黒鉛粒子は、リチウムイオン二次電池用負極材と使用した場合、初期効率が低下するなどの問題がある。従って、5m2/g以下にすることが好ましい。比表面積の好ましい範囲には下限値はないが、上述した平均粒径の範囲内で製造できる黒鉛粒子の比表面積の下限値は、1m2/gである。
粒子断面における空隙の面積率は、粒子を任意の面で切断したときの切断面積(空隙がないと仮定して算出した粒子の切断面積)に対する空隙の面積率で定義される。黒鉛粒子100,200の粒子内に存在する空隙は加圧処理により低減可能であるが、完全になくすことは難しい。空隙の面積率は、断面の面積の5%以下であれば負極材料として大きな影響を与えないが、好ましくは1%以下である。
ラマン分光法で測定したピーク強度比(I1360/I1580)は1.0以下とすることが好ましく、0.3〜0.7とすることがより好ましい。
炭素−黒鉛複合粒子の比表面積は10m2/g以下であることが好ましく、5m2/g以下であることがより好ましい。比表面積の好ましい範囲には下限値はないが、上述した平均粒径の範囲内で製造できる炭素−黒鉛粒子の比表面積の範囲は、1m2/gまでである。
本発明の黒鉛粒子又は炭素−黒鉛複合粒子を負極材料とするリチウムイオン二次電池について以下説明する。
表面に凹部が形成された黒鉛粒子又は炭素−黒鉛複合粒子を用いてリチウムイオン二次電池用負極を調製する方法は特に限定されないが、例えば以下の方法が例示できる。
正極材料は特に限定されないが、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等やこれらの異種元素置換物、あるいはこれらの混合物が好適に使用できる。粉末状の正極材料は必要があれば導電材を加えてバインダーを溶解した溶剤と十分に混練後、集電体と共に成型して調製することができる。これら正極材料及び正極の調製方法は公知の技術である。
また、セパレーターについても特に限定はなく、ポリプロピレンやポリエチレン等の公知の材料で形成されたものを用いることができる。
リチウムイオン二次電池用の電解液用非水系溶媒としては、リチウム塩を溶解できる非プロトン性低誘電率の公知の溶媒を用いることができる。例えば、エチレンカーボネイト(EC)、ジメチルカーボネイト(DMC)、プロピレンカーボネイト(PC)、ジエチレンカーボネイト、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の溶媒を、単独又は二種類以上混合して用いられる。
鱗片状黒鉛(平面方向に沿う長さの平均値28μm、厚さ5μm)100gに銅粒子(平均粒度10μm)100gを加えて卓上ミキサーで5分間混合した。混合後、机上成型機にて50MPaの圧力で4〜5cmΦ円柱状に成型した。成型物を乳鉢で平均粒径40μmに粉砕し、粉砕物を硫酸5質量%溶液に24hr、室温で浸漬し、銅を溶解除去した。銅と黒鉛の混合液を濾過し、水洗浄後、黒鉛を回収して105℃で12hr保持して乾燥した。得られた黒鉛粒子10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。凹部の孔径は、11.3μm、凹部深さ4.5μmであった。得られた粒子のSEM写真を図6に示す。
鱗片状黒鉛(平均粒度28μm)10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。
鱗片状黒鉛(平均粒度28μm)100gを卓上ミキサーで5分間混合した。混合後、机上成型機にて50MPaの圧力で4〜5cmΦ円柱状に成型した。成型物をRetsch社超遠心粉砕機ZM200で粉砕し、得られた粉砕物10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。
球状黒鉛(平均粒度28μm)100gにシリカ粒子(平均粒度6μm)10gを加えて卓上ミキサーで5分間混合した。混合後、机上成型機にて50MPaの圧力で4〜5cmΦ円柱状に成型した。成型物を乳鉢で粉砕し、粉砕物をフッ酸46質量%溶液に24hr、室温で浸漬し、シリカを溶解除去した。シリカと黒鉛の混合液を濾過し、水洗浄後、黒鉛を回収して105℃で12hr保持して乾燥した。回収した粒子10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。
球状黒鉛(平均粒度26μm)100gにポリエチレン粒子(平均粒度5μm)20gを加えて卓上ミキサーで5分間混合した。混合後、机上成型機にて50MPaの圧力で4〜5cmΦ円柱状に成型した。成型物を乳鉢で粉砕し、粉砕物を電気炉で窒素気流下、900℃で1hr保持して焼成し、ポリエチレンを除去した。回収した粒子10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。凹部の孔径は、5.7μm、凹部深さ2.1μmであった。得られた炭素−黒鉛複合粒子のSEM写真を図8に示す。
球状黒鉛(平均粒度26μm)10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。得られた炭素−黒鉛複合粒子のSEM写真を図9に示す。
球状黒鉛(平均粒度26μm)10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、これにアセチレンブラック導電材を5質量%添加して得られた粒子のタップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。
球状黒鉛(平均粒度26μm)100gを卓上ミキサーで5分間混合した。混合後、机上成型機にて50MPaの圧力で4〜5cmΦ円柱状に成型した。成型物をRetsch社超遠心粉砕機ZM200で粉砕し、得られた粉砕物10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持させると共に、トルエン2g投入してCVD処理を実施した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。
球状黒鉛(平均粒度26μm)100gにポリエチレン粒子(平均粒度5μm)20gを加えて卓上ミキサーで5分間混合した。混合後、机上成型機にて50MPaの圧力で4〜5cmΦ円柱状に成型した。成型物を乳鉢で粉砕し、粉砕物を電気炉で窒素気流下、900℃で1hr保持して焼成し、ポリエチレンを除去した。回収した粒子10gのタップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。凹部の孔径は、5.9μm、凹部深さ2.3μmであった。
球状黒鉛(平均粒度26μm)10gを電気炉にて窒素気流下、900℃で20分保持して熱処理した。処理後の粒子を回収し、タップ密度、平均粒度、SEM観察、炭素被覆量、凹部深さ、電極密度、電極評価などの測定を実施した。
Claims (25)
- 平均粒子径が5〜50μmの黒鉛粒子であって、その表面に凹部形成用粒子が黒鉛結晶のAB面に押し込まれて変形された深さ0.1〜10μmの凹部が1以上形成されていることを特徴とする黒鉛粒子。
- 黒鉛粒子内部に黒鉛結晶のAB面が凹部の形状に沿って褶曲された黒鉛層の積層構造を有し、黒鉛層の積層構造が凹部の周縁に向かうに従って収束された請求項1に記載の黒鉛粒子。
- 粒子の形状がアスペクト比1〜3の略球状であって、内部に黒鉛結晶のAB面が粒子表面に沿う1つの同心円状に褶曲された黒鉛層の積層構造を有する請求項1に記載の黒鉛粒子。
- 粒子の形状がアスペクト比1〜3の多面立体状であって、内部に黒鉛結晶のAB面が不規則に曲折された黒鉛層の積層構造を有する請求項1に記載の黒鉛粒子。
- 粒子の形状が、粒子の平面方向に沿う長さ5〜50μm、厚さ5〜20μmの鱗片状であって、内部に黒鉛結晶のAB面が平面状の黒鉛層の積層構造を有する請求項1に記載の黒鉛粒子。
- 粒子断面における空隙の面積比が全面積の5%以下である請求項1に記載の黒鉛粒子。
- X線回折による002面(26.4°)と110面(77.4°)のピーク強度比(002/110)が400以下、ラマン分光法による1580cm−1のピーク強度I1580と1360cm−1のピーク強度I1360のピーク強度比(I1360/I1580)が0.3以下である請求項1に記載の黒鉛粒子。
- 比表面積が40m2/g以下、タップ密度が0.5〜1.5g/mlである請求項1に記載の黒鉛粒子。
- 請求項1に記載の黒鉛粒子と、その表面を覆う炭素層とからなる炭素−黒鉛複合粒子。
- 請求項1に記載の黒鉛粒子と、前記黒鉛粒子の表面を覆う炭素層とからなる平均粒径5〜50μmの炭素−黒鉛複合粒子であって、その表面に深さ0.1〜10μmの凹部が1つ以上形成された炭素−黒鉛複合粒子。
- 炭素被覆量が0.1〜20質量%である請求項9又は10に記載の炭素−黒鉛複合粒子。
- X線回折による002面(26.4°)と110面(77.4°)のピーク強度比(002/110)が400以下、ラマン分光法による1580cm−1のピーク強度I1580と1360cm−1のピーク強度I1360のピーク強度比(I1360/I1580)が1.0以下である請求項9又は10に記載の炭素−黒鉛複合粒子。
- 比表面積が10m2/g以下、タップ密度が0.5〜1.5g/mlである請求項9又は10に記載の炭素−黒鉛複合粒子。
- 原料黒鉛粒子と凹部形成用粒子とを混合する混合工程と、原料黒鉛粒子と凹部形成用粒子とからなる混合物を加圧成型することにより成型物を得る加圧成型工程と、前記成型物を粉砕する粉砕工程と、粉砕した成型物から凹部形成用粒子を分離除去し、黒鉛粒子を得る分離工程と、を有する請求項1に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 原料黒鉛粒子が、アスペクト比1〜3の略球状であって、その内部に黒鉛結晶のAB面が粒子表面に沿う1つの同心円状に褶曲された黒鉛層の積層構造を有する請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 原料黒鉛粒子が鱗片状の黒鉛粒子である請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 原料黒鉛粒子が人造黒鉛又は天然黒鉛であって、その形状が球状、燐片状、擬球状、楕円状、繊維状、紡錘状、又はオニオン状である請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 凹部形成用粒子の材質が、金属類、酸化物類、合成高分子類、炭素化合物類、昇華性又は揮発性化学物質類、及び植物性高分子類から選ばれるものであって、その平均粒径が1〜20μmである請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 凹部形成用粒子の材質が、鉄、銅、スズ、アルミニウム、ニッケル;シリカ、アルミナ、酸化亜鉛、酸化鉄;ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、テトラフルオロエチレン、フェノール樹脂;石炭、石炭タール、石炭ピッチ、石油ピッチ、コークス、木炭、カーボンブラック、熱焼成炭素、及びその前駆体又は誘導体;ナフタレン、オレフィン類、天然ワックス、合成ワックス、リンゴ酸、マレイン酸、硫酸アンモニア;小麦粉、澱粉、コーンスターチ、カルボキシセルロース、カルボキシメチルセルロース、及びその前駆体又は誘導体から選ばれる請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 原料黒鉛粒子に対する凹部形成用粒子の混合比率が1〜60質量%である請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 原料黒鉛粒子の平均粒子径が5〜50μm、タップ密度が0.5〜1.3g/ml、比表面積が1〜40m2/g、灰分が0.2質量%以下である請求項14に記載の黒鉛粒子の製造方法。
- 平均粒子径が5〜50μmであって、その表面に深さ0.1〜10μmの凹部が1以上形成されている黒鉛粒子の表面を、熱CVD工程により炭素層で被覆する請求項9又は10に記載の炭素−黒鉛複合粒子の製造方法。
- 熱CVD工程が、流動床式反応炉を用い、不活性雰囲気下、800〜1200℃中、有機溶剤を炭素源とする熱CVD法により行われるものであって、黒鉛粒子に対する炭素被覆量が0.1〜20質量%である請求項22に記載の炭素−黒鉛複合粒子の製造方法。
- 請求項1に記載の黒鉛粒子又は請求項9若しくは10に記載の炭素−黒鉛複合粒子を用いて形成したリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項1に記載の黒鉛粒子又は請求項9若しくは10に記載の炭素−黒鉛複合粒子を用いて形成した負極を備えたリチウムイオン二次電池。
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