JP5431729B2 - 非水電解質二次電池用複合負極活物質およびその製造法、ならびにそれを用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
負極活物質には、リチウムイオンを吸蔵および放出し得る炭素材料が用いられている。中でも、放電電位がフラットであり、高容量密度であるため、黒鉛材料が負極活物質として主に用いられている。
また、将来的には、燃料電池自動車の普及が予想されており、燃料電池をアシストするために、出入力特性に優れ、長寿命な電源としても、リチウムイオン二次電池が有望視されている。
以上のことから、従来の炭素材料では、大電流によるパルス充電およびパルス放電の双方に対する耐久性が高く、長寿命であり、かつ高エネルギー密度の電池を構成することは困難である。
(b)前記混合炭素材料を、700℃〜1300℃で熱処理して、前記黒鉛材料の粒子と前記黒鉛化途上炭素材料の粒子との融合物を得る工程、および
(c)前記融合物を、粉砕する工程
を含み、
前記工程(a)において、前記黒鉛材料と前記黒鉛化途上炭素材料との合計に占める前記黒鉛材料の割合が、60質量%〜90質量%である、非水電解質二次電池用複合負極活物質の製造法に関する。
上記工程(a)は、上記混合炭素材料に、重質油を加える工程をさらに含むことが好ましい。
前記混合炭素材料において、黒鉛材料と易黒鉛化性の黒鉛化途上炭素材料との合計に占める黒鉛材料の割合は、70質量%〜80質量%であることが好ましい。
図1に、参考形態に係る複合負極活物質を示す。図1の複合負極活物質10は、黒鉛材料1と、易黒鉛化性の黒鉛化途上炭素材料(以下、第2の炭素材料という)2との融合物を含む。つまり、複合負極活物質10は、黒鉛化度の異なる2種の炭素材料を焼結して得られる複合炭素材料である。
なお、黒鉛材料1と第2の炭素材料2との接合面の少なくとも一部において、黒鉛材料1と第2の炭素材料2が互いに混じりあっており、粒界が存在していない状態であると考えられる。
比表面積は、一般にBET法として知られている方法を用い、複合負極活物質への窒素ガスの吸着量により算出することができる。
平均粒径は、例えば、(株)日本レーザー製の粒度分布測定装置HELOS system、(株)島津製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置SALDシリーズ等を用いて測定することができる。
黒鉛材料1と第2の炭素材料2との融合物が非晶質の炭素材料3で被覆されることにより、黒鉛材料1と、第2の炭素材料2との融合効果が増加する。また、融合物の表面が非晶質の炭素材料3で覆われることにより、リチウムイオンを吸蔵および放出する効果も増加する。このため、出入力特性および寿命特性をさらに向上させることができる。
なお、被覆層である非晶質の炭素材料3の少なくとも一部も、リチウムの吸蔵および放出する能力を有する。
なお、非晶質の炭素材料3の割合が5質量%より小さくなると、黒鉛材料1と第2の炭素材料2との融合物において、非晶質の炭素材料3によって被覆されない部分が生じ、黒鉛材料1と第2の炭素材料2との融合効果のさらなる向上が得られにくくなることがある。
(a)黒鉛材料と、易黒鉛化性の黒鉛化途上炭素材料(第2の炭素材料)とを所定の割合で混合して、混合炭素材料を得る工程、
(b)前記混合炭素材料を、700℃〜1300℃で熱処理して、前記黒鉛材料と前記
易黒鉛化性の黒鉛化途上炭素材料との融合物を得る工程、および
(c)前記融合物を、粉砕する工程
を含む製造法により、作製することができる。
人造黒鉛としては、例えば、コークス類を2500℃〜3000℃で熱処理して得られる黒鉛材料が挙げられる。前記コークス類は、例えば、易黒鉛化性の異方性ピッチまたはメソフェーズピッチのような前駆体を炭素化することにより得ることができる。
黒鉛材料の平均粒径は、例えば、(株)日本レーザー製の粒度分布測定装置HELOS system、(株)島津製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置SALDシリーズ等を用いて測定することができる。
また、上記のように、従来の複層構造の炭素材料では、被覆層の割合は制限され、その量は非常に少ない。しかし、本発明においては、黒鉛材料と第2の炭素材料との融合比率を、任意に制御することができる。
黒鉛化触媒は、炭素前駆体100質量部あたり、例えば0.1〜20質量部、好ましくは1〜10質量部添加される。
重質油としては、例えば、溶融したピッチが用いられる。なお、重質油を、700〜1300℃の熱処理して得られる炭素材料は、非結晶性である。
図5の非水電解質二次電池50は、正極板51、負極板52、正極板51と負極板52との間に配置されたセパレータ53、および非水電解質(図示せず)を含む。正極板とセパレータと負極板とは、捲回型の電極群を構成している。
正極芯材、負極芯材、導電材、結着剤、およびセパレータには、当該分野で公知のものを特に限定することなく用いることができる。
非水電解質は、例えば、非水溶媒およびそれに溶解した溶質を含む。非水溶媒および溶質としては、当該分野で公知の材料を用いることができる。
サイクル寿命特性を向上させるために、リチウム含有複合酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換してもよい。例えば、LiNiO2のNi元素の一部をCoや他の元素(Al、Mn、Tiなど)で置換した複合酸化物を好ましく用いることができる。
正極製造時にはリチウムを有しないが、その後のリチウムを含有させる処理によって、リチウム含有複合酸化物を形成する材料を正極活物質として用いることもできる。
上記のような正極板、負極板、ならびに正極板および負極板の間に配置されたセパレータを捲回して、電極群を得る。その電極群を、電池ケースに収容し、電池ケース内に非水電解質を注液する。次いで、電池ケースの開口部を、封口板で密閉して、非水電解質二次電池を得ることができる。
(実施例1)
(正極板の作製)
正極活物質には、組成式LiNi0.8Co0.15Al0.05O2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。この正極活物質は、以下のようにして作製した。
所定の濃度のNiSO4水溶液に、所定比率でCoの硫酸塩およびAlの硫酸塩を加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液を攪拌しながら、この飽和水溶液に、水酸化ナトリウムを溶解したアルカリ水溶液をゆっくりと滴下し、中和した。こうして、3元系の水酸化ニッケルNi0.8Co0.15Al0.05(OH)2を共沈法により生成させた。得られた沈殿物をろ過し、水洗し、80℃で乾燥して、CoおよびAlを含む水酸化ニッケル(Ni0.8Co0.15Al0.05(OH)2)を得た。得られた水酸化ニッケルの平均粒径は、約10μmであった。
そのリチウムニッケル複合酸化物を、粉砕し、分級して、正極活物質粉末を得た。正極活物質粒子の平均粒径は、9.5μmであった。
第2の炭素材料を、以下のようにして作製した。
ピッチ(三菱ガス化学(株)製の品種AR24Z、軟化点293.9℃)を100質量部と、架橋剤であるパラキシレングリコールを5質量部と、触媒であるホウ酸を5質量部とを混合した。得られた混合物を、常圧下、300℃まで昇温して、溶融し、その状態に2時間保持した。得られた重合ピッチを、アルゴン雰囲気中、800℃にて1時間熱処理して、易黒鉛化性の炭素材料を得た。
得られた第2の炭素材料の黒鉛化度を粉末X線回折により調べた。その結果、d002は0.340nmであり、比I(101)/I(100)は0.68であった。比表面積は、BET法で測定した結果、2.2m2/gであった。
得られた黒鉛材料を80質量部と、第2の炭素材料を20質量部とを混合した。この混合物に、さらに、等方性ピッチ(大阪ガスケミカル(株)製、軟化点280℃)を300℃で溶融して得た重質油を5質量部添加した。これらを混合し、次いで、得られた混合物を、アルゴン雰囲気中、1000℃で熱処理して、複合炭素材料を得た。得られた複合炭素材料においては、黒鉛材料と第2の炭素材料とが焼結されていた。その複合炭素材料を、粉砕し、分級して、複合負極活物質を得た。複合負極活物質の平均粒径は、約9μmであった。なお、得られた複合負極活物質においては、黒鉛材料と第2の炭素材料の融合物の表面の一部が、非晶質の炭素材料で被覆されていた。
複合負極活物質粉末を100質量部と、PVdFのNMP溶液とを混合して、負極合剤ペーストを調製した。PVdFの添加量は、負極活物質100質量部あたり、8質量部とした。
次いで、得られたペーストを、負極芯材である銅箔の両面に塗工し、乾燥し、圧延して、厚み0.078mm、長さ3510mmの負極板を得た。得られた負極板において、合剤層の幅は105mmであり、その長さは、3510mmであった。負極芯材の両面に担持された負極合剤層の合計厚みは68μmであった。
上記のようにして得られた正極板と負極板との間に、厚み0.020mm、幅108mmのポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータを配置し、正極板、負極板およびセパレータを渦巻状に捲回して、円筒形の極板群を作製した。得られた極板群を直径32mm、高さ120mmの電池ケースに収容した。正極リードの一端を正極板に接続し、正極リードの他端を、正極端子に導通した封口板の裏面に接続した。負極リードの一端を負極板に接続し、負極リードの他端を、電池ケースの底部に接続した。電池ケース内に非水電解質を注液し、電池ケースの開口部を封口して、電池1を得た。
非水電解質は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートとを3:4:3の体積比で混合した溶媒に、1モル/Lの濃度でLiPF6を溶解して、調製した。
作製した電池は、満充電状態における負極の容量密度が、約300Ah/kgとなるように設計した。
複合炭素材料を作製するときに、80質量部の黒鉛材料と、20質量部の第2の炭素材料との混合炭素材料を、重質油を加えずに、アルゴン雰囲気中、1200℃で熱処理した。得られた複合炭素材料は、黒鉛材料と第2の炭素材料が凝集および焼結した固形物を形成していた。その複合炭素材料を、粉砕し、分級して、平均粒径が約9μmの複合負極活物質を得た。この複合負極活物質を用いたこと以外、実施例1と同様にして、電池2を作製した。
負極活物質として、黒鉛材料のみを用いたこと以外、実施例1と同様にして、比較電池1を作製した。
負極活物質として、第2の炭素材料のみを用いたこと以外、実施例1と同様にして、比較電池2を作製した。
負極活物質として、難黒鉛化性炭素材料を用いたこと以外、実施例1と同様にして、比較電池3を作製した。
難黒鉛化性炭素材料は、以下のようにして作製した。
軟化点280℃の石炭系コールタールピッチを、メジアン粒径が約30μmになるように粉砕した。粉砕後のピッチを、空気雰囲気中、300℃で3時間酸化処理して、第1生成物を得た。第1生成物を、再度、メジアン粒径が5μmになるように粉砕し、300℃で2時間、酸化処理して、第2生成物を得た。その後、第2生成物を、アルゴンガス雰囲気中、1050℃で熱処理して、第3生成物を得た。第3生成物を、粉砕し、分級して、平均粒径が約6μmの難黒鉛化性炭素材料を得た。
得られた難黒鉛化性炭素材料を、粉末X線回折法により分析した。その結果、d002は0.380nmであり、2θ=44度付近に見られる101回折ピークは認められなかった。よって、得られた難黒鉛化性炭素材料は、ほとんど黒鉛層構造は有していないことが確認された。
負極活物質として、複層構造の炭素材料を用いたこと以外、実施例1と同様にして、比較電池4を作製した。
複層構造の炭素材料は、以下のようにして作製した。
実施例1で作製した黒鉛材料を95質量部と、300℃で溶融した等方性ピッチ(大阪ガスケミカル(株)製、軟化点280℃)を5質量部とを充分に混合した。その混合物を、アルゴンガス雰囲気中、1000℃で熱処理した。得られた生成物を、粉砕し、分級して、黒鉛材料の表面が非晶質の炭素材料で被覆された複層構造の炭素材料を得た。得られた複層構造の炭素材料の平均粒径は、約10μmであった。なお、黒鉛粒子表面に形成可能な非晶質の炭素材料の量は、複層構造の炭素材料の5質量%がほぼ限界である。それ以上の割合で黒鉛材料とピッチの溶融物を混合しても、ピッチの溶融物は、被覆層にはならず、炭素化されて、炭素質粒子となる傾向にある。
実施例1で作製した黒鉛材料と第2の炭素材料とを、80:20の質量比で混合した。得られた混合物を負極活物質として用いたこと以外、実施例1と同様にして、比較電池5を作製した。
(初期容量の測定)
電池1〜2および比較電池1〜5の各電池を、25℃環境下において、2.7Aの電流で、電池電圧が4.1Vとなるまで充電した。充電後の電池を、2.7Aの電流で、電池電圧が2.5Vに低下するまで放電した。このような充放電を3サイクル繰り返した。3サイクル目の放電容量を初期容量とした。結果を表1に示す。
初期容量を測定した後、上記電池および比較電池の出力値を測定するために、以下の手順に従って、電流−電圧特性試験を行った。
まず、各電池を、25℃環境下において、50%の充電状態(SOC)となるように、所定の電流値にて充電した。充電後の電池について、時間率1Cから最大10Cの電流で、放電パルスと充電パルスとを、各々10秒間ずつ繰り返した。
所定の時間率での放電電流[C]で、放電パルスの印加を開始して10秒後の電池電圧を測定し、電流値に対してプロットした。そのプロットの一例を、図6に示す。図6において、各電圧プロットを最小二乗法を用いて直線近似し、その直線を、放電下限電圧である2.5Vまで外挿して、2.5Vのときの予測電流値(A)を求めた。得られた予測電流値(A)と2.5(V)を乗ずることで、出力(W)を算出した。結果を表1に示す。
電流−電圧特性試験に供した電池を、再度、2.7Aの電流で、電池電圧が4.1Vとなるまで充電し、次いで、2.7Aの電流で、電池電圧が2.5Vに低下するまで放電した。このような充放電を50サイクル繰り返し、50サイクル目の放電容量を測定した。得られた放電容量を、サイクル後容量として、表1に示す。
正極活物質には、組成式LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。このリチウムニッケル複合酸化物は、以下のようにして作製した。
所定の濃度のNiSO4水溶液に、所定比率でCoの硫酸塩およびMnの硫酸塩を加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液を攪拌しながら、水酸化ナトリウムを溶解したアルカリ水溶液をゆっくりと滴下し、飽和水溶液を中和した。こうして、3元系の水酸化ニッケルNi0.4Co0.3Mn0.3(OH)2を共沈法により生成させた。得られた沈殿物をろ過し、水洗し、80℃で乾燥して、CoとMnを含む水酸化ニッケル(Ni0.4Co0.3Mn0.3(OH)2)を得た。
そのリチウムニッケル複合酸化物を、粉砕し、分級して、正極活物質粉末を得た。正極活物質粒子の平均粒径は、11.2μmであった。
この正極活物質を用い、実施例1と同様にして、正極板を作製した。
次いで、得られた易黒鉛化性の炭素材料を、メジアン粒径が10μmとなるように粉砕し、窒素雰囲気中、1800℃で熱処理して、第2の炭素材料を得た。得られた第2の炭素材料の黒鉛化度を、粉末X線回折法により調べた。その結果、d002は0.341nmであり、I(101)/I(100)の比率は0.60であった。比表面積は2.5m2/gであった。
(100)は2.2であった。その比表面積は3.0m2/gであった。
複合負極活物質A〜Fを用い、実施例1と同様にして、負極板A〜Fを得た。
一方、黒鉛材料と第2の炭素材料との合計に占める黒鉛材料の割合(以下、黒鉛の割合という)が50質量%である電池Aでは、他の電池と比べて、サイクル後容量が小さかった。これは、第2の炭素材料の割合が多いために、負極の容量密度が制限され、リチウムを可逆的にインターカレートし得る能力を超えたためと考えられる。
黒鉛材料の割合が95質量%である電池Fでは、他の電池と比べて、出力値が小さかった。これは、黒鉛材料の割合が支配的であるために、第2の炭素材料を融合した効果が得られていないからであると考えられる。
実施例1と同様にして、黒鉛材料と第2の炭素材料とを混合し、得られた混合炭素材料に、重質油を混合した。得られた混合物の熱処理温度(融合時の熱処理温度)を、表3に示されるように変化させたこと以外、実施例1と同様にして、複合負極活物質G〜Lを作製した。
複合負極活物質G〜Lを用いて、実施例1と同様にして、電池G〜Lを作製した。なお、電池Gおよび電池Lは、比較電池である。
電池G〜電池Lについて、実施例1と同様にして、初期容量と出力値を求めた。結果を表3に示す。
一方、熱処理温度が600℃である電池Gおよび1400℃である電池Lは、出力値が低いことがわかる。熱処理温度が600℃である場合、黒鉛材料と第2炭素材料との融合が不十分であり、第2の炭素材料の特長である高出入力特性を活かすことができないと考えられる。熱処理温度が1400℃である場合、第2の炭素材料自体の黒鉛化が進むために、出入力特性が低いと考えられる。
以上のことから、黒鉛材料と第2の炭素材料とを融合させて、複合負極活物質を合成する際の熱処理温度は、700℃〜1300℃である必要がある。
第2の炭素材料を作製する際に、易黒鉛化性の炭素材料の熱処理温度を、表4に示されるように変化させたこと以外、実施例1と同様にして、第2の炭素材料M〜Rを得た。第2の炭素材料M〜Rを用いたこと以外、実施例1と同様にして、電池M〜Rを作製した。電池MおよびRは参考例の電池である。
電池M〜Rについて、実施例1と同様にして、初期容量と出力値を求めた。結果を表4に示す。
リチウムを含んでいない酸化物であっても、予め化学的あるいは電気化学的な操作によりリチウムを含有することが可能な酸化物を、正極活物質として用いることができる。
さらに、溶質としては、LiPF6以外にも、LiBF4、LiClO4など、従来より公知の溶質を使用可能である。これらの溶質も、単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Claims (6)
- 黒鉛材料の粒子と易黒鉛化性の黒鉛化途上炭素材料の粒子とを700〜1300℃で熱処理することにより得られた融合物を含み、
前記融合物が、非晶質の炭素材料で覆われており、
前記黒鉛材料と前記黒鉛化途上炭素材料との合計に占める前記黒鉛材料の割合が、60質量%〜90質量%であり、
前記黒鉛化途上炭素材料が、易黒鉛化性の炭素材料を1400℃〜2200℃で熱処理することで得られたものである、非水電解質二次電池用複合負極活物質。 - 前記黒鉛材料と前記黒鉛化途上炭素材料との合計に占める前記黒鉛材料の割合が、70質量%〜80質量%である請求項1記載の非水電解質二次電池用複合負極活物質。
- (a)黒鉛材料の粒子と、易黒鉛化性の炭素材料を1400℃〜2200℃で熱処理することで得られる易黒鉛化性の黒鉛化途上炭素材料の粒子とを混合して、混合炭素材料を得る工程、
(b)前記混合炭素材料を、700℃〜1300℃で熱処理して、前記黒鉛材料の粒子と前記黒鉛化途上炭素材料の粒子との融合物を得る工程、および
(c)前記融合物を、粉砕する工程
を含み、
前記工程(a)において、前記黒鉛材料と前記黒鉛化途上炭素材料との合計に占める前記黒鉛材料の割合が、60質量%〜90質量%である、非水電解質二次電池用複合負極活物質の製造法。 - 前記工程(a)が、前記混合炭素材料に、重質油を加える工程をさらに含む請求項3記載の非水電解質二次電池用複合負極活物質の製造法。
- 前記混合炭素材料において、前記黒鉛材料と前記黒鉛化途上炭素材料との合計に占める前記黒鉛材料の割合が、70質量%〜80質量%である請求項3記載の非水電解質二次電池用複合負極活物質の製造法。
- 請求項1記載の複合負極活物質を含む負極と、正極と、非水電解質と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを具備する非水電解質二次電池。
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