JP5877284B1 - 炭素材料、その製造方法及びその用途 - Google Patents
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Abstract
Description
携帯機器用途では、電気・電子機器の小型化、軽量化、また機能の多様化に伴う消費電力の増加等により、より高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が求められている。
また、電動ドリル等の電動工具や、ハイブリッド自動車用等、高出力で大容量の二次電池への要求が高まっている。この分野では従来、鉛二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池が主に使用されているが、小型軽量で高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池への期待は高く、大電流負荷特性に優れたリチウムイオン二次電池が求められている。
これらのうち天然黒鉛は安価に入手でき、黒鉛化度が高い為放電容量や電極密度は高いが、粒子形状が鱗片状であり、大きな比表面積を有することや、反応性の高いグラファイトのエッジ面により電解液が分解され、初回充放電時のクーロン効率が非常に低い、ガスが発生する、ということが問題であった。また、サイクル特性も良くはなかった。これらを解決するため、特許第3534391号公報(米国特許第6632569号;特許文献2)等では、球状に加工した天然黒鉛の表面に、カーボンをコーティングする方法が提案されている。
[1] 粉末XRD測定から得られる黒鉛結晶の(110)面のピーク強度I110と(004)面のピーク強度I004の比I110/I004が0.1〜0.6、平均円形度が0.80以上0.95以下、X線回折法による(002)面の平均面間隔d002が0.337nm以下、窒素ガス吸着法によって測定される直径0.4μm以下の細孔の全細孔容積が8.0〜20.0μL/gである非鱗片状炭素材料であって、
前記炭素材料からなる成形体断面の光学組織を偏光顕微鏡により観察した場合、面積の小さな組織から面積を累積し、その累計面積が全光学組織面積の60%の面積となるときの光学組織の面積をSOPとし、アスペクト比の小さな組織から組織の数を数え組織全体の数の60%番目の組織におけるアスペクト比をAROP、レーザー回析法による体積基準の平均粒子径をD50としたとき、
1.5≦AROP≦6.0 および
0.2×D50≦(SOP×AROP)1/2<2×D50
の関係を有する炭素材料。
[2] レーザー回析法による体積基準の平均粒子径D50が1〜30μmである前項1に記載の炭素材料。
[3] BET比表面積が1.0〜5.0m2/gである前項1または2に記載の炭素材料。
[4] 前項1〜3のいずれか1項に記載の炭素材料の製造方法であって、熱履歴が1000℃以下のコークスを粉砕した粒子を2400〜3600℃で黒鉛化する工程及び前項粉砕された粒子を500℃以上で酸素ガスと接触させる工程を含み、該コークスが、断面を偏光顕微鏡により光学組織を観察した場合、面積の小さな組織から面積を累積し、その累計面積が全光学組織面積の60%の面積となるときの光学組織の面積が50〜5000μm2であり、かつアスペクト比の小さな組織から組織の数を数え組織全体の数の60%番目の組織におけるアスペクト比が1.5〜6であるコークスを用いる炭素材料の製造方法。
[5] 酸素ガスと接触させる工程が、黒鉛化する工程の加熱時に酸素と接触させるものである前項4に記載の炭素材料の製造方法。
[6] 酸素ガスと接触させる工程が、黒鉛化する工程後に冷却する過程で酸素と接触さるものである前項4に記載の炭素材料の製造方法。
[7] 酸素ガスと接触させる工程が、黒鉛化の工程が完了した後、独立した加熱処理時に酸素と接触させるものである前項4に記載の炭素材料の製造方法。
[8] 前項1〜3のいずれか1項に記載の炭素材料を含む電池電極用炭素材料。
[9] 前項8に記載の電池電極用炭素材料とバインダーとを含む電極用ペースト。
[10] 前項9に記載の電極用ペーストを集電体上に塗布して乾燥した後、1.5〜5t/cm2の圧力により圧縮してなるリチウム電池用電極。
[11] 前項10に記載の電極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。
充電電池の電極は、単位体積あたりにより多くの電気を蓄えられることが要求されている。黒鉛は、初回の充放電のクーロン効率に優れるが,挿入時の炭素原子に対するリチウム原子の量論比には上限があり、質量あたりのエネルギー密度をこれ以上向上させていくことは困難である。電極のエネルギー密度の向上のためには,電極体積あたりの質量密度の向上が必要となる。このため、一般的に電池の電極として用いるためには活物質を集電板上に塗工乾燥した後、プレスを行い、体積あたりの負極活物質の充填性を向上させる。この際、黒鉛粒子が柔らかく、プレスに伴ってある程度変形すると電極密度を極めて大きくすることが可能である。
1.5≦AROP≦6.0 および
0.2×D50≦(SOP×AROP)1/2<2×D50
より好ましいD50は5〜20μmである。この粒度ではハンドリングも容易で入出力特性が高くなり、自動車等駆動電源として使う際に必要な大電流に耐えることができる。
[偏光顕微鏡観察試料作製]
本発明における「炭素材料からなる成形体断面」は以下のようにして調製する。
内容積30cm3のプラスチック製サンプル容器の底に両面テープを貼り、その上にスパチュラ2杯ほど(2g程度)の観察用サンプルを乗せる。冷間埋込樹脂(商品名:冷間埋込樹脂#105、製造会社:ジャパンコンポジット(株)、販売会社:丸本ストルアス(株))に硬化剤(商品名:硬化剤(M剤)、製造会社:日本油脂(株)、販売会社:丸本ストルアス(株))を加え、30秒練る。得られた混合物(5ml程度)を前記サンプル容器に高さ約1cmになるまでゆっくりと流し入れ、1日静置して凝固させる。次に凝固したサンプルを取り出し、両面テープを剥がす。そして、研磨板回転式の研磨機を用いて、測定する面を研磨する。
観察は200倍で行う。偏光顕微鏡で観察した画像は、OLYMPUS製CAMEDIA(登録商標) C−5050 ZOOMデジタルカメラをアタッチメントで偏光顕微鏡に接続し、撮影する。シャッタータイムは1.6秒で行う。撮影データのうち、1200ピクセル×1600ピクセルの画像を解析対象とする。これは480μm×640μmの視野を検討していることに相当する。解析に使用する画像は多いほど好ましく、40枚以上で測定誤差が小さくなる。画像解析はImageJ(アメリカ国立衛生研究所製)を用いて,青色部,黄色部,赤色部,黒色部を判定した。
各色のImageJ使用時に各色を定義したパラメーターは表1の通りである。
また、鱗片状になると嵩密度が小さくなるので扱いにくくなり、電極作製のためにスラリーにする際に溶媒との親和性が低く、電極の剥離強度が弱くなることもある。
この粒子の配向性は、先述の光学組織とも関わりがある。特に、炭素材を粉砕して作製するような炭素粒子においては、AROPが1.5以上と大きい値の場合は粒子の形状も鱗片状となり配向し易くなる。そのため先述の光学組織を維持しつつ配向性を低下させるためには後述の炭素材料の熱履歴が重要となる。
なお、平均円形度はsysmex社製FPIA−3000を用いてLPFモードで10000個以上の粒子に対して解析された円形度の頻度分布により算出される。ここで円形度とは、観測された粒子像の面積と同面積を有する円の周長を粒子像の周長で割ったものであり、1に近い程真円に近い。粒子像の面積をS、周長をLとすると、以下の式で表すことができる。
円形度=L/(Sπ)1/2
d002およびLcは、既知の方法により粉末X線回折(XRD)法を用いて測定することができる(野田稲吉,稲垣道夫,日本学術振興会,第117委員会試料,117−71−A−1(1963)、稲垣道夫他,日本学術振興会,第117委員会試料,117−121−C−5(1972)、稲垣道夫,「炭素」,1963,No.36,25−34頁参照)。
このような範囲とすることで、リチウムとの層間化合物の形成がスムーズになり、これを負極材料としてリチウムイオン二次電池に用いた場合、リチウム吸蔵・放出反応が阻害されづらく、急速充放電特性が向上する。
なお、炭素材料中の菱面体晶構造のピーク割合(x)は、六方晶構造(100)面の実測ピーク強度(P1)、菱面体晶構造の(101)面の実測ピーク強度(P2)から、下記式によって求める。
x=P2/(P1+P2)
本発明の好ましい実施態様における炭素材料は、熱履歴が1000℃以下のコークスを粉砕した粒子を加熱することにより製造することができる。
コークスの原料としては、例えば、石油ピッチ、石炭ピッチ、石炭ピッチコークス、石油コークスおよびこれらの混合物を用いることができる。これらの中でも、特定の条件下でディレイドコーキングを行ったものが望ましい。
乾式で粉砕を行う場合、粉砕時にコークスに水が含まれていると粉砕性が著しく低下するので、100〜1000℃程度で乾燥させることが好ましい。より好ましくは100〜500℃である。コークスが高い熱履歴を有していると圧砕強度が強くなり粉砕性が悪くなり、また結晶の異方性が発達してしまうので劈開性が強くなり鱗片状の粉末になり易くなる。粉砕する手法に特に制限はなく、公知のジェットミル、ハンマーミル、ローラーミル、ピンミル、振動ミル等が用いて行なうことができる。
また、黒鉛化炉の空気を窒素ガスやアルゴンで置換しないことによって、黒鉛化処理と酸化処理を同一設備で行うこともできる。このような方法で黒鉛化処理および酸化処理を行うことで、黒鉛粒子の表面が酸化されることにより表面の高活性部位が除去されるなどして電池特性が改善する。また、工程および設備を簡略化することが出来るため経済性・安全性・量産性が向上する。
上記(c)のように、黒鉛化を行った後に別途酸化処理を行う場合は、酸素ガス存在下で500℃以上の温度で温度に応じて適切な酸素ガス濃度、加熱時間で処理を行う。
本発明の好ましい実施態様における適度な酸化処理を経て、粒子の表面形状および表面活性を改質することによって製造された炭素材料を活物質として電極を作製した際、該電極を圧縮すると、該電極内部で隣接する粒子間の接触が安定なものとなり、該電極を電池の繰り返しの充放電に適したものとすることが可能である。
本発明の好ましい実施態様における電池電極用炭素材料は、上記炭素材料を含んでなる。上記炭素材料を電池電極用炭素材料として用いると、高容量、高エネルギー密度、高クーロン効率、高サイクル特性を維持したまま、低抵抗、高入出力特性の電池電極を得ることができる。
本発明の好ましい実施態様における電極用ペーストは、前記電池電極用炭素材料とバインダーとを含んでなる。この電極用ペーストは、前記電池電極用炭素材料とバインダーとを混練することによって得られる。混錬には、リボンミキサー、スクリュー型ニーダー、スパルタンリューザー、レディゲミキサー、プラネタリーミキサー、万能ミキサー等公知の装置が使用できる。電極用ペーストは、シート状、ペレット状等の形状に成形することができる。
本発明の好ましい実施態様における電極は前記電極用ペーストの成形体からなるものである。電極は例えば前記電極用ペーストを集電体上に塗布し、乾燥し、加圧成形することによって得られる。
前記電極を構成要素(好ましくは負極)として、電池または二次電池とすることができる。
なお、実施例及び比較例の炭素材料についての、光学組織に関する観察及びデータ解析、X線回折法による平均面間隔(d002)、平均粒子径D50、BET法による比表面積は、本明細書の「発明を実施するための形態」に詳述した方法により測定する。また、その他の物性の測定方法は以下の通りである。
炭素粉末試料をガラス製試料板(試料板窓18×20mm、深さ0.2mm)に充填し、以下のような条件で測定を行った。
XRD装置:Rigaku製SmartLab、
X線種:Cu−Kα線、
Kβ線除去方法:Niフィルター、
X線出力:45kV、200mA、
測定範囲:5.0〜10.0°、
スキャンスピード:10.0°/分、
得られた波形に対し、平滑化、バックグラウンド除去、Kα2除去を行い、プロファイルフィッティングを行った。その結果得られた(004)面のピーク強度I004と(110)面のピーク強度I110から配向性の指標となる強度比I110/I004を算出した。なお、各面のピークは以下の範囲のうち最大の強度のものをそれぞれのピークとして選択した。
(004)面:54.0〜55.0°、
(110)面:76.5〜78.0°。
炭素材料を106μmのフィルターに通して微細なゴミを取り除いて精製し、その試料0.1gを20mlのイオン交換水中に添加し、界面活性剤0.1〜0.5質量%加えることによって均一に分散させ、測定用試料溶液を調製した。分散は超音波洗浄機UT−105S(シャープマニファクチャリングシステム社製)を用い、5分間処理することにより行った。
得られた測定用試料溶液をフロー式粒子像分析装置FPIA−2100(シスメックス社製)に投入し、LPFモードで10000個の粒子に対して粒子の画像解析を行い、得られた各々の粒子の円形度の中央値を平均円形度とした。
炭素材料約5gをガラス製セルに秤量し、1kPa以下の減圧下300℃で約3時間乾燥して、水分等の吸着成分を除去した後、炭素材料の質量を測定した。その後、液体窒素冷却下における乾燥後の炭素材料の窒素ガスの吸着等温線をカンタクローム(Quantachrome)社製Autosorb−1で測定した。得られた吸着等温線のP/P0=0.992〜0.995での測定点における窒素吸着量と乾燥後の炭素材料の質量から直径0.4μm以下の全細孔容積を求めた。
a)ペースト作製:
炭素材料100質量部に増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)1.5質量部および水を適宜加えて粘度を調節し、固形分比40%のスチレン−ブタジエンゴム(SBR)微粒子の分散した水溶液3.8質量部を加え攪拌・混合し、充分な流動性を有するスラリー状の分散液を作製し、主剤原液とした。
主剤原液を高純度銅箔上でドクターブレードを用いて150μm厚に塗布し、70℃で12時間真空乾燥した。塗布部が20cm2となるように打ち抜いた後、超鋼製プレス板で挟み、プレス圧が約1×102〜3×102N/mm2(1×103〜3×103kg/cm2)となるようにプレスし、負極1を作製した。また、前記の塗布部を16mmφに打ち抜いた後、負極1と同様の方法で、プレス圧が1×102N/mm2(1×103kg/cm2)となるようにプレスし、負極2を作製した。
Li3Ni1/3Mn1/3Co1/3O2(D50:7μm)を90g、導電助剤としてのカーボンブラック(TIMCAL社製、C45)を5g、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を5gをN−メチル−ピロリドンを適宜加えながら攪拌・混合し、スラリー状の分散液を作製した。
この分散液を厚み20μmのアルミ箔上に厚さが均一となるようにロールコーターにより塗布し、乾燥後、ロールプレスを行い、塗布部が20cm2となるように打ち抜き、正極を得た。
[二極セル]
上記負極1、正極に対し、それぞれAl箔にAlタブ、Cu箔にNiタブをとりつけた。ポリプロピレン製フィルム微多孔膜を介してこれらを対向させ積層、アルミラミネートによりパックし電解液を注液後、開口部を熱融着により封止し、電池を作製した。
[対極リチウムセル]
ポリプロピレン製のねじ込み式フタつきのセル(内径約18mm)内において、上記負極2と16mmφに打ち抜いた金属リチウム箔をセパレーター(ポリプロピレン製マイクロポーラスフィルム(セルガード2400))で挟み込んで積層し、電解液を加えて試験用セルとした。
EC(エチレンカーボネート)8質量部及びDEC(ジエチルカーボネート)12質量部の混合液に、電解質としてLiPF6を1モル/リットル溶解した。
対極リチウムセルを用いて試験を行った。レストポテンシャルから0.002Vまで0.2mAでCC(コンスタントカレント:定電流)充電を行った。次に0.002VでCV(コンスタントボルト:定電圧)充電に切り替え、カットオフ電流値25.4μAで充電を行った。
上限電圧1.5VとしてCCモードで0.2mAで放電を行った。
試験は25℃に設定した恒温槽内行った。この際、初回放電時の容量を放電容量とした。また初回充放電時の電気量の比率、すなわち放電電気量/充電電気量を百分率で表した結果を初回クーロン効率とした。
二極セルを用いて試験を行った。充電はレストポテンシャルから上限電圧を4.15Vとして定電流値50mA(2C相当)でCCモード充電を行ったのち、CVモードでカットオフ電流値1.25mAで充電を行った。
放電は下限電圧2.8Vとして、CCモードで50mAの放電を行った。
上記条件で、25℃の恒温槽中で500サイクル充放電を繰り返した。
初期電池容量で得られた電池容量(1C=25mAh)を基準として、満充電状態から3時間30分0.1CのCC放電をし(充電深度(State of Charge:SOCと略記)50%)、30分休止後、25mAを5秒放電することによって、電圧降下量からオームの法則(R=ΔV/0.025)により電池内直流抵抗(Direct Current Internal Resistance;DC−IRと略記)を測定した。
二極セルを用いて試験を行った。セルを上限電圧4.15V、カットオフ電流値1.25mAとしてCC、CVモードにより0.2C(0.2C=約5mA)で充電後、下限電圧2.8VでCCモードにより10C(約250mA)放電し、0.2C放電容量を基準として、10Cにおける放電容量の比を算出した。
また、セルを下限電圧2.8VとしてCCモードにより0.2Cで放電後、上限電圧4.15VとしてCCモードにより10Cで充電し、0.2C充電容量を基準として、10Cにおける充電容量の比を算出した。
主剤原液を高純度銅箔上でドクターブレードを用いて150μm厚に塗布し、70℃で12時間真空乾燥した。これを15mmφに打ち抜き、打ち抜いた電極を超鋼製プレス版ではさみ、プレス圧が電極に対して1×102N/mm2(1×103kg/cm2)となるようにプレスし、電極重量と電極厚みから電極密度を算出した。
中国遼寧省産原油(API28、ワックス含有率17%、硫黄分0.66%)を常圧蒸留し、重質溜分に対して、十分な量のY型ゼオライト触媒を用い、510℃、常圧で流動床接触分解を行った。得られたオイルが澄明となるまで触媒等の固形分を遠心分離し、デカントオイルを得た。このオイルを小型ディレイドコーキングプロセスに投入した。ドラム入り口温度は505℃、ドラム内圧は600kPa(6kgf/cm2)に10時間維持した後、水冷して黒色塊を得た。得られた黒色塊を最大5cm程度になるように金槌で粉砕した後、キルンにて200℃で乾燥を行った。これをコークス1とした。
コークス1について前述の偏光顕微鏡による観察および画像解析を行い、小さい面積の組織から面積を累積し、総面積の60%となるときの組織の面積を測定したところ、153μm2であった。また、検出された組織のうち、アスペクト比が小さな組織のものから並べていき、粒子全体の60%番目になった部分のアスペクト比は2.41であった。
また、このコークス1についての偏光顕微鏡写真(480μm×640μm)を図1に示す。黒い部分が埋込み樹脂であり、灰色の部分が光学組織である。;
このコークス1をホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕し、その後45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットした。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が1.0μm以下の粒子を実質的に含まない粉末コークス1を得た。
この粉末コークス1を黒鉛るつぼに充填し、アチソン炉にて最高到達温度が約3300℃となるように1週間かけて加熱処理を行った。黒鉛るつぼには、複数の酸素流入孔を設け、黒鉛化処理の最中及び前後で空気が出入りできるようにしてある。黒鉛化処理後の冷却過程において約1週間をかけて粉体の酸化を行い、粒子が非鱗片状である炭素材料を得た。
得られた試料について各種物性を測定後、上記のように電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
また、その炭素材料についての偏光顕微鏡写真(480μm×640μm)を図2に示す。黒い部分が埋込み樹脂であり、灰色の部分が光学組織である。
瀝青炭由来コールタールを320℃で常圧蒸留し、蒸留温度以下の留分を除去した。得られた軟化点30℃のタールから、100℃でろ過することにより不溶分を除去して、粘調の液体を得た。これを小型ディレイドコーキングプロセスに投入した。ドラム入り口温度は510℃、ドラム内圧は500kPa(5kgf/cm2)に10時間維持した後、水冷して黒色塊を得た。得られた黒色塊を最大5cm程度になるように金槌で粉砕した後キルンにて200℃で乾燥を行った。これをコークス2とした。
コークス2を実施例1と同様に偏光顕微鏡により観察および画像解析を行った。結果を表2に示す。
このコークス2を実施例1と同様な手法により粉砕し、その後32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットした。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まない粉末コークス2を得た。
得られた粉末コークス2を黒鉛るつぼに充填し、アチソン炉にて最高到達温度が約3300℃となるように1週間かけて加熱処理を行った。この時、黒鉛るつぼに複数の酸素流入孔を設け、黒鉛化処理の最中及び前後で空気が出入りできるようにし、冷却過程において約1週間をかけて粉体の酸化を行い、粒子が非鱗片状である炭素材料を得た。
得られた試料について各種物性を測定後、上記のように電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
実施例2に記載の粉末コークス2に対し、密閉されたるつぼを使用してアチソン炉にて最高到達温度が約3300℃となるように1週間かけて加熱することで黒鉛化処理を行った後、ロータリーキルンにて空気中において1100℃で1時間酸化処理を施し、32μmの目開きの篩を用いて粗粉を除去し、粒子が非鱗片状である炭素材料を得た。得られた炭素材料の分析結果を表2に示す。
実施例1に記載のコークス1に対し、内筒中心部外壁温度を1450℃に設定したロータリーキルン(電気ヒーター外熱式、酸化アルミニウムSSA−Sφ 120mm内筒管)を用い、滞留時間が15分となるようにフィード量および傾斜角を調整し、加熱を行うことでコークスをか焼し、か焼コークス1を得た。
か焼コークス1を実施例1と同様に偏光顕微鏡により観察および画像解析を行った。結果を表2に示す。
このか焼コークス1をホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕し、その後45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットした。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が1.0μm以下の粒子を実質的に含まない粉末か焼コークス1を得た。
この粉末か焼コークス1を黒鉛るつぼに充填し、アチソン炉にて最高到達温度が約3300℃となるように1週間かけて加熱処理を行った。この時、黒鉛るつぼに複数の酸素流入孔を設け、黒鉛化処理の最中及び前後で空気が出入りできるようにし、冷却過程において約1週間をかけて粉体の酸化を行い、粒子が鱗片状である炭素材料を得た。
この炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した結果を表2に示す。
この例では粒子が鱗片状になることで配向性が高くなり、抵抗(DC−IR)が高くなり、また急速充放電特性が悪くなっている。
実施例2に記載の粉末コークス2に対し、密閉された黒鉛るつぼを使用してアチソン炉にて最高到達温度が約3300℃となるように1週間かけて加熱することで黒鉛化処理を行った後、試料として使用するためによく混合を行った。
得られた炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
本例においては、酸素を含まない雰囲気中で処理したことにより黒鉛粒子の活性なエッジ部が除去されず、該エッジ部において電解液が反応し、初回充放電時のクーロン効率が小さくなっており、抵抗値が高く、サイクル後容量維持率も低く、実用に耐えないことが分かる。
実施例1に記載の粉末コークス1に対し、炭化ホウ素を2質量%添加し倉田技研製高温炉でアルゴン雰囲気中2600℃において熱処理を行った後、試料として使用するためによく混合を行った。
得られた炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
本例においては、ホウ素添加により粒子表面の高活性部位は消えているものの、アルゴンを用いているため非常にコストがかかる。また、不活性ガス雰囲気での熱処理の影響で比表面積及び細孔容積が著しく小さくなるため、高レートにおける充放電特性が非常に悪くなってしまう。また、残留不純物の影響により長期のサイクル特性が悪くなる。
実施例1に記載のコークス1をジェットミルで粉砕し、平均粒子径D50が10.2μmである炭素質粒子を得た。この粒子を軟化点80℃のバインダーピッチと100:30の質量比で混合し、140℃に加熱されたニーダーに投入して30分間混合した。
この混合物をモールドプレス機の金型に充填し、0.30MPaの圧力で成形し、成形体を作製した。
得られた成形体をアルミナ製るつぼに入れ、ローラーハースキルンにて窒素気流中、1300℃で5時間保持し揮発分を除去した。その後、黒鉛るつぼ内に入れ蓋で密閉した後、アチソン炉にて最高到達温度が約3300℃となるように1週間かけて加熱することで黒鉛化処理を行い、塊状の黒鉛を作製した。
得られた塊状黒鉛をホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕し、その後45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットした。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が1.0μm以下の粒子を実質的に含まない炭素材料を得た。
得られた炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
本例においては黒鉛化後粉砕処理を行うことにより粒子表面が荒れ、活性なエッジ部は処理され初回クーロン効率は高いものの、全細孔容積が大きくサイクル特性が悪くなっている。また細孔は大きいものの黒鉛化後に粉砕処理を行っていることで菱面体晶が存在し、急速充放電特性も低い値となった。
平均粒子径D50が17μm、d002が0.3354nm、比表面積が5.9m2/g、円形度が0.98である球状天然黒鉛をゴム製の容器に充填、密閉し、静水圧プレス機により液体の圧力150MPa(1500kgf/cm2)で加圧処理を行った。得られた黒鉛塊はピンミルにて解砕を行い、黒鉛粉末材料を得た。
得られた炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
本例においては球状天然黒鉛を原料とし、圧縮成形をしているため比表面積と全細孔容積が大きく、サイクル特性が悪くなっている。
アメリカ西海岸産原油を減圧蒸留した残渣を原料とする。本原料の性状は、API18、Wax分11質量%、硫黄分は3.5質量%である。この原料を、小型ディレイドコーキングプロセスに投入する。ドラム入り口温度は490℃、ドラム内圧は200kPa(2kgf/cm2)に10時間維持した後、水冷して黒色塊を得た。最大5cm下程度になるように金槌で粉砕した後、キルンにて200℃で乾燥を行った。これをコークス3とした。
コークス3を実施例1と同様に偏光顕微鏡により観察および画像解析を行った。結果を表2に示す。
このコークス3を実施例1と同様な手法により粉砕・分級し、実施例1と同様の手法で黒鉛化を行い、粒子が非鱗片状である炭素材料を得た。
得られた炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
本例においては、光学組織の細かさから保持できるリチウムイオンが少なく電極の体積容量密度が低くなっており、高密度の電池を得るためには不都合が生じていることがわかる。
大阪ガスケミカル(株)製メソフェーズ球状黒鉛粒子をロータリーキルンにて空気中において1100℃で1時間酸化処理を施し、炭素材料を得た。
得られた炭素材料について各種物性を測定後、実施例1と同様に電極を作製し、サイクル特性等を測定した。結果を表2に示す。
本例においては、粒子の円形度が高いため電池内抵抗が非常に高く、その影響でサイクル特性も悪くなっている。
Claims (12)
- 粉末XRD測定から得られる黒鉛結晶の(110)面のピーク強度I110と(004)面のピーク強度I004の比I110/I004が0.1〜0.6、平均円形度が0.80〜0.95、X線回折法による(002)面の平均面間隔d002が0.337nm以下、窒素ガス吸着法によって測定される直径0.4μm以下の細孔の全細孔容積が8.0〜20.0μL/gである非鱗片状炭素材料であって、前記炭素材料からなる成形体断面の光学組織を偏光顕微鏡により観察した場合、面積の小さな組織から面積を累積し、その累計面積が全光学組織面積の60%の面積となるときの光学組織の面積をSOPとし、アスペクト比の小さな組織から組織の数を数え組織全体の数の60%番目の組織におけるアスペクト比をAROP、レーザー回析法による体積基準の平均粒子径をD50としたとき、
1.5≦AROP≦6.0 および
0.2×D50≦(SOP×AROP)1/2<2×D50
の関係を有する炭素材料。 - レーザー回析法による体積基準の平均粒子径D50が1〜30μmである請求項1に記載の炭素材料。
- BET比表面積が1.0〜5.0m2/gである請求項1または2に記載の炭素材料。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素材料の製造方法であって、熱履歴が1000℃以下のコークスを粉砕した粒子を2400〜3600℃で黒鉛化する工程及び前記粉砕された粒子を500℃以上で酸素ガスと接触させる工程を含み、該コークスが、断面を偏光顕微鏡により光学組織を観察した場合、面積の小さな組織から面積を累積し、その累計面積が全光学組織面積の60%の面積となるときの光学組織の面積が50〜5000μm2であり、かつアスペクト比の小さな組織から組織の数を数え組織全体の数の60%番目の組織におけるアスペクト比が1.5〜6であるコークスを用いる炭素材料の製造方法。
- 酸素ガスと接触させる工程が、黒鉛化する工程の加熱時に酸素と接触させるものである請求項4に記載の炭素材料の製造方法。
- 酸素ガスと接触させる工程が、黒鉛化する工程後に冷却する過程で酸素と接触さるものである請求項4に記載の炭素材料の製造方法。
- 酸素ガスと接触させる工程が、黒鉛化の工程が完了した後、独立した加熱処理時に酸素と接触させるものである請求項4に記載の炭素材料の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素材料を含む電池電極用炭素材料。
- 請求項8に記載の電池電極用炭素材料とバインダーとを含む電極用ペースト。
- 請求項9に記載の電極用ペーストの成形体からなるリチウムイオン二次電池用電極。
- 請求項10に記載の電極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。
- 請求項9に記載の電極用ペーストを集電体上に塗布して乾燥した後、1〜3t/cm 2 の圧力により圧縮する工程を含むリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
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