JP5158460B2 - リチウムイオン二次電池用シリコン添加黒鉛負極材および製造法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池用負極材に関し、黒鉛基材にシリコンを添加することにより得られる高容量でサイクル特性にも優れた負極材および製造法に関する。

リチウム二次電池はハイパワ−、高容量の二次電池として携帯電話、パソコン、ＰＤＡ等の可搬型機器類に多く使用され、今後もその需要がさらに高くなると予想されている。
可搬型機器類の小型化、軽量化への流れを受けて、リチウム二次電池も小型・軽量化の要請が強くなっている。
この要請に応えるため、リチウム二次電池に使用される材料の高性能化が活発に試みられ、中でも電池の性能を左右するものとして、負極材の開発は、重要度を増している。

負極材としては、現在は、カ−ボン(黒鉛)系が主流であり、350〜360ｍＡｈ/ｇ程度と黒鉛の理論容量の372ｍＡｈ/ｇとほぼ同等のものまで開発され実用段階にきている。
近年では、さらに放電容量を高めるため、ケイ素と黒鉛粉末を混合させたものや、炭素粉末や黒鉛粉末表面にケイ素粉末を混合させたピッチをコ−テングした負極材が提案されている。
例えば特許第3268770号では炭素材とケイ素粉末を混合、熱処理したものを提案しているが、10サイクルしか評価しておらず、実用には不十分である。（特許文献1）

また特許第3285246号では、ケイ素粉末に代えてケイ素金属間化合物などが提案されているが、サイクル特性のみ検討され放電容量や電池効率が考慮されていない。（特許文献2）

あるいは、集電体である銅箔の上に直接ケイ素やケイ素とコバルトを複合メッキした電極材料も盛んに研究されているが、リチウムのド−プ・アンド−プに伴う体積変化を吸収するのが困難なため、サイクル特性で大きな問題がある。

さらに特開２００２−２７０１７０号記載の発明では、ケイ素やその他の金属、もしくはそれらの合金を含有する負極材について言及されているが、20サイクルでの評価であり充分とは言えず、初回充放電効率も80％以下である。（特許文献3）

特許第３２６８７７０号公報 特許第３２６８７７０号公報 特開２００２-２７０１７０号公報

このように、現在の主流である黒鉛を超える高容量の負極材の開発が多数検討されているが、高容量であるとともにサイクル特性や電池効率にすぐれ、実用化できる負極材の開発は困難である。

上記のような状況に鑑み、本発明者は、黒鉛材を超える高容量で、サイクル特性、電池効率にも優れたリチウムイオン二次電池負極材を提供する。
本発明者は黒鉛材にシリコン微粉を添加した高容量の負極材について、特にサイクル特性の改善について鋭意研究をしたところ、サイクルの進行に伴い、シリコン表面が活性化して、電解液と反応することによって放電容量が低下することに気付いた。
また、リチウムのド−プ・アンド−プに伴って黒鉛に混合したシリコン微粉の体積変化が生じるが、電池特性の向上にはこの体積膨張を吸収する必要がある。
本発明は、上記のシリコン表面の活性化の防止、及び体積膨張を抑制しようとするものである。

本発明は、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのいずれかからなる空隙形成剤を黒鉛質粉末、炭素前駆体、及びシリコン微粉末からなるリチウムイオン二次電池用負極剤に加えて加熱混合した後、焼成することによって空隙形成剤を消失させて空隙を形成し、シリコン微粉末の体積膨張を吸収するようにしたものである。
シリコン粉末を最適度な粒径に微粉化して、黒鉛基材に埋設させた負極材とすることが電解液との反応を抑制すること、また、鎖状高分子等の空隙形成剤をシリコン微粉末に被覆して、焼成によってこの空隙形成剤を完全に消失させ、あるいは一部の残渣を残して消失させることにより、シリコン微粉末の周囲に空隙を形成して体積変化を吸収するものである。
本発明のリチウムイオン二次電池負極材と製造法につき以下に詳細に説明する。

本発明の負極材は、基材の黒鉛粉末、バインダ−として炭素前駆体、高容量化のための添加材としてシリコン微粉末を使用するが、これらに加えて空隙形成剤を用いることが特徴である。

まず、基材である黒鉛粉末は、コークスまたは生コ−クスの黒鉛化品、メソフェ−ズピッチ粉末の黒鉛化品、天然黒鉛および天然黒鉛の造粒品などが使用可能で、これらの二種以上の任意の割合の混合物を用いてもよい。
黒鉛粉末の平均粒子径は、市販の黒鉛負極材と同程度であれば問題ないが、1〜50μｍ程度が適当である。
50μｍ以上では、この粒子を造粒後に得られる粒子径がその粒度分布上、負極電極シ−トの厚さを超える80μｍ以上の粒子を多く含むことになり好ましくない。
黒鉛化の程度は、放電容量、電池効率等に優れた負極材を得るために、炭素結晶面同士の間隔ｄ（002）が0.337ｎｍ以下であることが好ましい。
また黒鉛粉末はシリコン微粉末を埋設させやすくするため、その表面のエッジ部分に凹凸があるものがより好ましい。

炭素前駆体は次のようなピッチや樹脂を使用する。
ピッチでは石油系、石炭系の非晶質系（イソフェ−ズピッチ）、晶質系（メソフェ−ズピッチ）のものいずれも使用可能である。
ピッチの融点は360℃以下であることが好ましく、これ以上のものでは、混合やコ−テングの過程で不都合が生じ易い。
樹脂ではフェノ−ル樹脂、フラン樹脂等を使用する。 これらの樹脂は、酸素含有量が 20％以下であることが好ましく、焼成熱処理後に過剰な酸素を含有していると、得られる負極材の放電容量や電池効率を低下させるので好ましくない。
これらの炭素前駆体の使用量は、基材である黒鉛粉末の比表面積や吸油量により若干異なるが、概ね黒鉛粉末100重量部に対して5〜30重量部程度が適当で、黒鉛粉末の粉末特性により調整する必要がある。
５重量部以下では少量で、効果が得られず、30重量部を超えると効率を減少させてしまうため好ましくない。

高容量化のための添加材であるシリコン微粉末は、基材の黒鉛粉末に埋設させるため、微粒子であることが必要で、平均粒子径が0.1〜0.5μｍ であることが好ましい。基本的に微粒子であることが望ましいが、0.1μｍ以下では凝集してしまうので取り扱い上不都合である。
また平均粒子径だけでなく最大粒径についても留意する必要があり、最大粒径が1μｍ以下であることが好ましい。1μｍ以上のものが存在するとサイクル特性に悪影響を及ぼしやすい。
シリコン微粉末の添加量は.黒鉛粉末100重量部に対して1〜20重量部が好ましい。1重量部以下では放電容量増加の効果が乏しく、20重量部を超えるとサイクル特性を劣化させるので好ましくない。

本発明では、さらに、空隙形成剤として鎖状高分子材料を添加する。この鎖状高分子材料は、焼成後に残炭として残らない材料で、焼成によって殆どが消失するものである。
その結果、シリコン微粉末の周囲または近傍に空隙が形成される。この空隙がシリコン微粉末の体積膨張を吸収することにより、電極の破壊を防止し、サイクル特性の向上に優れた効果を発揮する。
空隙形成剤の具体的なものは、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等が適当である。

本発明の製造法は次の通りである。
まず、黒鉛粉末、炭素前駆体、シリコン微粉末、空隙形成剤を100〜200℃で加熱混合する。 混合に使用する装置は、一般には加熱ニ−ダ−が適しているが、これに限定されない。
加熱混合処理後の混合物を、窒素等の非酸化性雰囲気または還元性雰囲気中で800〜1300℃で焼成して、本発明の負極材が得られる。
また加熱混合後に、不融化処理を行ってもよい。これは、焼成中の粒子同士の融着防止に効果がある。
またシリコン微粉末に予め空隙形成剤を被覆させたのち、黒鉛粉末および炭素前駆体と加熱混合することが望ましい。

上記のような製造法で得られた本発明の負極材は、次のような特徴を有する。
シリコン微粉末は一粒子の中に、1〜20％程度含有されており、これらのシリコン微粉末は黒鉛基材内部に埋設されている。
また、上記のシリコン微粉末の周囲もしくは近傍には、空隙形成剤が焼成熱処理によって消失することにより形成された空隙が存在している。
この空隙の存在が、充放電に伴うシリコンの膨張収縮を吸収するための有効な手段となる。

本発明のリチウム二次電池負極材によると、微粉化されたシリコン粉末が黒鉛基材の中に埋設された構成とすることにより、シリコンと電解液との反応に起因するサイクル特性の劣化を抑制することができる。
またシリコン粉末の周囲に形成された空隙が、リチウムイオンのド−プ・アンド−プに伴うシリコンの体積膨張を吸収し、電極の破壊防止に優れた効果を発揮する。
これらの作用、効果により従来の黒鉛負極材を超える高容量を発現するとともに、サイクル特性、電池効率にも優れた負極材を提供できる。

次に本発明の実施形態について以下の実施例により説明する。

平均粒子径15.1μｍの軟化点340℃、メソフェ−ズ量95％のメソフェ−ズピッチを空気中360℃にて熱処理し、不融化した。解砕後、不活性雰囲気下1000℃にて熱処理焼成し、更に黒鉛化炉に移して、アルゴン雰囲気下3000℃で熱処理し、黒鉛化した。これを整粒し、平均粒子径14.1μｍで平均層面間隔ｄ₀₀₂が0.3357ｎｍの黒鉛粉末を得た。
また、あらかじめ空隙形成剤として5％のポリビニルアルコ−ルを溶解させたアルコ−ル溶液にデッピングした平均粒子径0.2μｍ、最大粒子径1μｍ以下のシリコン微粉末を用意した。
上記の黒鉛粉末100重量部とシリコン微粉末15重量部をニ−ダ−にて室温で5時間混合した。
この粉末に軟化点120℃のコールタ−ルピッチ10重量部を投入し、ニーダ−にて150℃で1時間混合熱処理した。得られた粉末をさらに窒素雰囲気下1200℃で熱処理した後、解砕、整粒し、平均粒子径21.8μｍのリチウムイオン二次電池用負極材を得た。

実施例1で使用した黒鉛粉末の粒径を10μｍとし、シリコン微粉末を5重量部、コ−ルタ−ルピッチを15重量部にした以外は同一の製造法で、平均粒子径19.1μｍのリチウムイオン二次電池負極材を得た。

平均粒子径14μｍ、ｄ_（002）が0.336ｎｍの鱗片状天然黒鉛100重量部に含浸ピッチをバインダ−として造粒成形を行い、これをアルゴン雰囲気下3000℃で熱処理をし、平均粒径16μｍ、タップ密度が0.92ｇ/ｃｍ³の略球形成形体（長径と短径の比は、1.1〜2.0程度に分布）を調整した。
この黒鉛成形体100重量部に対し、平均粒子径0.25μｍ、最大粒子径１μｍ以下のシリコン微粉末8重量部と、ポリビニルアルコ−ル 5重量部を加えて予め200℃にて加熱したニーダーにて1時間混合熱処理を行った。このまま、ニーダーの温度を150℃にした後、実施例1で使用したコ−ルタ−ルピッチ10重量部を投入し、2時間混合熱処理させた。
得られた粉末を窒素雰囲気下1200℃で熱処理した焼成品を、（株）セイシン企業製クイックミルで粉砕し、整粒することによって平均粒子径22μｍのリチウムイオン二次電池用負極材を得た。

予め過剰量のキシレンで溶解させた軟化点80℃のコールタ−ルピッチ20重量部と、ポリエチレンクグリコール10重量部、平均粒径0.3μｍで最大粒径1μｍ以下のシリコン微粉末を5重量部混合させて超音波分散させ分散液を得た。
実施例3で使用した天然黒鉛成形体100重量部をニーダーに投入し、混合させながら、室温にて前述の分散液をスプレーにて表面に塗布した後、ニーダー処理温度を１５０℃にして、分散剤を揮発後、軽く解砕し、この乾燥物を窒素雰囲気下、1200℃で6時間熱処理を行った。この熱処理品を実施例3のクイックミルで解砕し、平均粒子径20.6μmのリチウムイオン二次電池用負極材を得た。

実施例1で用いた黒鉛粉末100重量部に対し、平均粒子径0.25μｍ、最大粒子径1μｍのシリコン微粉末5重量部とポリエチレングリコ−ル 5重量部をニ−ダ−にて1時間室温で予備混合させた後、200℃で1時間混合熱処理した。さらに軟化点110℃の非晶質ピッチ18重量部をニ−ダ−に投入し1時間混合熱処理した後窒素雰囲気下1000℃にて熱処理して得た焼成品を解砕、整粒し、平均粒子径19.1μmのリチウムイオン二次電池用負極材を得た。

実施例1で使用した黒鉛粉末100重量部に対し、平均粒子径0.25μｍ、最大粒子径1μmであるシリコン微粉末をエタノ−ルにて分散させ、シリコン濃度が４０％である分散液を作成した。この分散液250重量部と、セルロース10重量部をニ−ダ−にて室温で混合攪拌させた後、過剰量のキシレンにて溶解させたコールタ−ルピッチ15重量部を投入し１時間混合させた。混合後、このまま150℃まで昇温させ、キシレン、エタノ−ルを完全に除去させ、得られた粉末を窒素雰囲気下1200℃にて熱処理して得た焼成品を解砕、整粒し、平均粒子径19.2μmのリチウムイオン二次電池用負極材を得た。
（比較例1）

平均粒子径19.4μｍの天然黒鉛粉末100重量部に対して、平均粒子径0.3μｍ、最大粒子径3μmのシリコン微粉末8重量部と実施例1で使用したコ−ルタ−ルピッチ20重量部をニ−ダ−に投入し、3時間以上攪拌混合させた。
得られた混合粉末を窒素雰囲気下で1000℃にて6時間熱処理し焼成した後、クイックミルにて解砕、整粒し、平均粒子径20.3μｍのリチウムイオン二次電池用負極材を得た。
（比較例2）

比較例1で使用した天然黒鉛粉末100重量部に対し、平均粒子径0.3μｍ、最大粒子径3μｍのシリコン微粉末8重量部をニ−ダ-に投入し、室温にて3時間以上攪拌混合させ、黒鉛粉末とシリコン粉末が混合しているリチウムイオン二次電池負極材を得た。
（比較例3）

実施例1のバインダ-として使用したコ−ルタ−ルピッチの重量部を40重量部に変更し、平均粒子径0.3μｍのシリコン微粉末35重量部とコールタ−ルピッチをニ−ダ−に投入し、室温で1時間混合処理をした。この粉末を窒素雰囲気下1000℃にて熱処理焼成し、平均粒子径23.6μｍのリチウムイオン二次電池負極材を得た。
（比較例4）

比較例1と同じ黒鉛粉末を用い、この黒鉛粉末100重量部に対して、実施例5で用いたポリエチレングリコ−ル10重量部と軟化点150℃のメソフェ−ズピッチ15重量部をニ−ダ−にて180℃で1時間混合熱処理した後、窒素雰囲気下1000℃で熱処理焼成し、平均粒子径18.9μｍリチウムイオン二次電池負極材を得た。

上記の実施例1〜6、比較例1〜4によって得られた各々の負極材と導電補助剤を添加したもの100重量部とポリフッ化ビニリデン8重量部にＮ−メチル-2-ピロリドンを混合後ペ−スト化し、ドクタ−ブレ−ドを用いて銅箔に塗布、これを150℃で1時間乾燥後、2ｔ/ｃｍ²でプレスし電極シ−トとした。
対極と参照極にＬｉ金属を用い、電解液として1ＭＬｉＰＦ₆-ＥＣ/ＭＥＣ（体積比1：1）を用いて、各々のコインセルを作成し、充放電試験を以下に述べる条件で実施した。
充電条件は、電流密度0.5ｍＡ/ｃｍ²で10ｍＶになるまで充電し、電圧が10ｍＶになった時に定電圧充電に切り替え、電流値が0.001ｍＡになるまで充電した。放電条件は、電流密度0.5ｍＡ/ｃｍ²で1.5Ｖまで放電した。測定環境温度は30℃で、測定範囲は0.01〜1.5Ｖである。
各測定結果を表1に示す。

本発明の実施例では、いずれの評価においても放電容量が430ｍＡｈ/ｇ以上の高容量で、充放電効率が88％以上と高く、50回サイクル後の放電容量の保持率が、84％以上の良好なサイクル特性のリチウム電池が得られた。

本発明によれば、黒鉛質基材の内部にシリコン微粉末を埋設させ、空隙形成剤である低残炭率の高分子や鎖状高分子を用いて、シリコン微粉末と黒鉛質基材との間に空隙を作ることにより、充放電時のシリコンの膨張収縮を吸収し、電極の破壊を防止することができる。またピッチ等でコ−テングすることによりシリコン微粉末を覆い、これを熱処理することによって、効率を向上させることが可能である。
本発明により高容量、高効率で且つサイクル特性に優れた負極材を得ることが可能となり、リチウムイオン二次電池の高性能化が期待できる。

Claims (6)

1. 黒鉛質粉末、炭素前駆体、及びポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのいずれかからなる空隙形成剤で予めシリコン微粉末を被覆したものを加熱混合した後、焼成してなることを特徴とするリチウム二次電池用負極材の製造法。
2. 請求項１において、混合物を加熱混合した後、不融化することを特徴とするリチウム二次電池用負極材の製造法。
3. 請求項１または２において、炭素前駆体が石炭系または石油系の非晶質ピッチおよび／または晶質ピッチであることを特徴とするリチウム二次電池用負極材の製造法。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、シリコン微粉末の平均粒子径が０．１〜０．５μｍで、且つ、最大粒子径が１μｍ以下であることを特徴とするリチウム二次電池用負極材の製造法。
5. 請求項１〜４のいずれかの製造法で得られた、負極材の内部にシリコン微粉末が埋設されてなることを特徴とするリチウム二次電池用負極材。
6. ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのいずれかからなる空隙形成剤が被覆してある請求項１〜４のいずれかのリチウム二次電池用負極材の製造に使用するシリコン微粉末。