JP5894688B2 - 非水電解質二次電池用炭素質材料およびその製造方法、非水電解質二次電池用負極ならびに非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程、
を具備する、
非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法および本発明の製造方法により得られる非水電解質二次電池用炭素質材料により上記目的を達成できることを見出した。
すなわち、本発明は、以下の好適な態様を包含する。
〔1〕比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程、
を具備する、
非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔2〕前記炭素前駆体が植物由来である、前記〔1〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔3〕前記揮発性有機物は、常温で固体状態であり、残炭率が5重量%未満である、前記〔1〕または〔2〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔4〕広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記非水電解質電池用炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記非水電解質電池用炭素質材料の比表面積が1〜20m2/gの範囲にある、前記〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔5〕前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m2/gの範囲にある、前記〔4〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔6〕前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、前記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔7〕(1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理することを含む気相脱灰工程、
(2)気相脱灰された植物由来のチャーと、800℃で灰化した場合に残炭率が5重量%未満である揮発性有機物とを含む混合物を得る混合工程、および
(3)前記混合物を焼成する工程
を含む、前記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔8〕前記混合物における、前記気相脱灰された植物由来のチャーと前記揮発性有機物との重量比が、97:3〜40:60である、前記〔7〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔9〕前記焼成が、
(a)800〜1600℃の本焼成、または
(b)350℃以上800℃未満の予備焼成、および800〜1600℃での本焼成
である、前記〔7〕または〔8〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法。
〔10〕広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記非水電解質電池用炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記非水電解質電池用炭素質材料の比表面積が1〜20m2/gの範囲にあり、窒素元素含量が0.5重量%以下、および酸素元素含量が0.25重量%以下である、非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔11〕前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m2/gの範囲にある、前記〔10〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔12〕前記非水電解質二次電池用炭素質材料が、比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成したものである、前記〔10〕または〔11〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔13〕前記炭素前駆体が植物由来である、前記〔12〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔14〕前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、前記〔12〕または〔13〕に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔15〕カリウム元素含量が0.1重量%以下、および鉄元素含量が0.02重量%以下である、前記〔10〕〜〔14〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔16〕ブタノール法により求めた真密度が1.40〜1.70g/cm3である、前記〔10〕〜〔15〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料。
〔17〕前記〔10〕〜〔16〕のいずれかに記載の非水電解質二次電池用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。
〔18〕前記〔17〕に記載の非水電解質二次電池用負極を含む非水電解質二次電池。
本実施形態の非水電解質二次電池用炭素質材料は、炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成して得られる。
比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程(以下、「焼成工程」と称することがある)、を具備する。焼成工程は、脱灰工程後に実施するのが好ましく、脱灰工程、粉砕工程および分級工程後に実施するのが好ましい。
(a)粉砕された混合物を、800〜1400℃で焼成し、本焼成を行う焼成工程、を具備していてもよく、
(b)粉砕された混合物を、350℃以上800℃未満で予備焼成し、その後800〜1400℃で本焼成を行う焼成工程、を具備していてもよい。
本実施形態における予備焼成工程は、例えば粉砕された混合物を350℃以上800℃未満で焼成することによって行うことができる。予備焼成工程によって、揮発分(例えばCO2、CO、CH4、H2等)とタール分とを除去できる。予備焼成工程後に実施する本焼成工程における揮発分やタール分の発生を軽減でき、焼成機の負担を軽減することができる。
本焼成工程は、通常の本焼成の手順に従って行うことができる。本焼成を行うことにより、非水電解質二次電池用炭素質材料を得ることができる。
比表面積を上記範囲にするためには、例えば、炭素質材料を与える炭素質前駆体の焼成温度や焼成時間を調整する方法を用いることができる。すなわち、焼成温度を高くしたり、焼成時間を長くすると比表面積は小さくなる傾向があるので、上記の範囲の比表面積が得られるように、焼成温度や焼成時間を調整すればよい。また、揮発性有機化合物と混合して焼成する方法を用いてもよい。上記に述べたように、炭素質前駆体と揮発性有機化合物とを混合して焼成することで、炭素前駆体の表面には、揮発性有機化合物の熱処理により得られる炭素質皮膜が形成されると考えられる。そして、この炭素質被膜により、炭素前駆体から得た炭素質材料の比表面積が減少すると考えられる。そのため、混合する揮発性有機化合物の量を調整することで、炭素質材料の比表面積の上記の範囲に調整することができる。
窒素元素含量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理する工程を含む方法で気相脱灰することや、植物由来のチャーを揮発性有機物と混合して焼成することにより、窒素元素含量を上記の範囲に調整することができる。
酸素元素含量を上記の範囲に調整する方法は何ら限定されないが、例えば、植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理する工程を含む方法で気相脱灰することや、植物由来のチャーを揮発性有機物と混合して焼成することにより、酸素元素含量を上記の範囲に調整することができる。
本発明の非水電解質二次電池用負極は、本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料を含むものである。
本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池用負極を含むものである。本発明の炭素質材料を使用した非水電解質二次電池用負極電極を用いた非水電解質二次電池は、優れた出力特性および優れたサイクル特性を示す。
以下にBETの式から誘導された近似式を記す。
「株式会社リガク製MiniFlexII」を用い、炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、Niフィルターにより単色化したCuKα線を線源とし、X線回折図形を得た。回折図形のピーク位置は重心法(回折線の重心位置を求め、これに対応する2θ値でピーク位置を求める方法)により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正した。CuKα線の波長を0.15418nmとし、以下に記すBraggの公式によりd002を算出した。
株式会社堀場製作所製、酸素・窒素・水素分析装置EMGA−930を用いて元素分析を行った。
当該装置の検出方法は、酸素:不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法(NDIR)、窒素:不活性ガス融解−熱伝導度法(TCD)、水素:不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法(NDIR)であり、校正は、(酸素・窒素)Niカプセル、TiH2(H標準試料)、SS−3(N、O標準試料)で行い、前処理として250℃、約10分で水分量を測定した試料20mgをNiカプセルに取り、元素分析装置内で30秒脱ガスした後に測定した。試験は3検体で分析し、平均値を分析値とした。
残炭率は、試料を不活性ガス中で強熱した後の強熱残分の炭素量を定量することにより測定した。強熱は、揮発性有機物およそ1g(この正確な重量をW1(g)とする)を坩堝にいれ、1分間に20リットルの窒素を流しながら坩堝を電気炉にて、10℃/分の昇温速度で常温から800℃まで昇温、その後800℃で1時間強熱した。このときの残存物を強熱残分とし、その重量をW2(g)とした。
次いで上記強熱残分について、JIS M8819に定められた方法に準拠して元素分析を行い、炭素の重量割合P1(%)を測定した。残炭率P2(%)は以下の式により算出した。
真密度は、JIS R 7212に定められた方法に従い、ブタノール法により測定した。内容積約40mLの側管付比重びんの質量(m1)を正確に量った。次に、その底部に試料を約10mmの厚さになるように平らに入れた後、その質量(m2)を正確に量った。これに1−ブタノールを静かに加えて、底から20mm 程度の深さにした。次に比重びんに軽い振動を加えて、大きな気泡の発生がなくなったのを確かめた後、真空デシケーター中に入れ、徐々に排気して2.0〜2.7kPaとした。その圧力に20分間以上保ち、気泡の発生が止まった後に、取り出し、更に1−ブタノールを満たし、栓をして恒温水槽(30±0.03℃に調節してあるもの)に15分間以上浸し、1−ブタノールの液面を標線に合わせた。次に、これを取り出して外部をよくぬぐって室温まで冷却した後質量(m4)を正確に量った。次に、同じ比重びんに1−ブタノールだけを満たし、前記と同じようにして恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m3)を量った。また使用直前に沸騰させて溶解した気体を除いた蒸留水を比重びんにとり、前記と同様に恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m5)を量った。
真密度ρBtは次の式により計算した。
このとき、dは水の30℃における比重(0.9946)である。
植物由来のチャーおよび炭素質材料の平均粒子径(粒度分布)は、例えば以下の方法により測定した。試料を界面活性剤(和光純薬工業(株)製「ToritonX100」)が0.3質量%含まれた水溶液に投入し、超音波洗浄器で10分以上処理し、水溶液中に分散させた。この分散液を用いて粒度分布を測定した。粒度分布測定は、粒子径・粒度分布測定装置(日機装(株)製「マイクロトラックM T3000」)を用いて行った。d50は、累積体積が50%となる粒子径であり、この値を平均粒子径として用いた。
カリウム元素含量および鉄元素含量の測定方法は、例えば以下の方法により測定した。予め所定のカリウム元素および鉄元素を含有する炭素試料を調製し、蛍光X線分析装置を用いて、カリウムKα線の強度とカリウム含有量との関係、および鉄Kα線の強度と鉄含有量との関係に関する検量線を作成した。ついで試料について蛍光X線分析におけるカリウムKα線および鉄Kα線の強度を測定し、先に作成した検量線よりカリウム含有量および鉄含有量を求めた。蛍光X線分析は、(株)島津製作所製LAB CENTER XRF−1700を、以下の条件で行った。上部照射方式用ホルダーを用い、試料測定面積を直径20mmの円周内とした。被測定試料の設置は、内径25mmのポリエチレン製容器の中に被測定試料を0.5g入れ、裏をプランクトンネットで押さえ、測定表面をポリプロピレン製フィルムで覆い測定を行った。X線源は40kV、60mAに設定した。カリウムについては、分光結晶にLiF(200)、検出器にガスフロー型比例係数管を使用し、2θが90〜140°の範囲を、走査速度8°/分で測定した。鉄については、分光結晶にLiF(200)、検出器にシンチレーションカウンターを使用し、2θが56〜60°の範囲を、走査速度8°/分で測定した。
粒子径約5〜50μmに粉砕した炭素材料10gをサンプル管に入れ、133Paの減圧下、120℃にて2時間事前乾燥し、50mmφのガラス製シャーレに移し、25℃、湿度50%の恒温恒湿槽にて、所定時間暴露した。サンプル1gを取り、カールフィッシャー(三菱化学アナリテック社製)にて、250℃に加熱し、窒素気流下に水分量を測定した。
椰子殻を破砕し、500℃で乾留して、粒径2.360〜0.850mmの椰子殻チャー(粒径2.360〜0.850mmの粒子を98重量%含有)を得た。この椰子殻チャー100gに対して、塩化水素ガスを1体積%含む窒素ガスを10L/分の流量で供給しながら900℃で50分間気相脱灰処理を実施した。その後、塩化水素ガスの供給のみを停止し、窒素ガスを10L/分の流量で供給しながら、さらに900℃で30分間気相脱酸処理を実施し、炭素前駆体を得た。
得られた炭素前駆体を、ボールミルを用いて平均粒子径10μmに粗粉砕した後、コンパクトジェットミル(株式会社セイシン企業製、コジェットシステムα―mkIII)を用いて粉砕および分級し、平均粒径9.6μmの炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、210m2/gであった。
気相脱灰処理温度および気相脱酸処理温度を870℃に変更した以外は、調製例1と同様にして、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、350m2/gであった。
気相脱灰処理温度および気相脱酸処理温度を950℃に変更した以外は、調製例1と同様にして、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、70m2/gであった。
気相脱灰処理温度および気相脱酸処理温度を800℃に変更した以外は、調製例1と同様にして、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体の比表面積は、520m2/gであった。
調製例1で調製した炭素前駆体9.1gと、ポリスチレン0.9g(積水化成品工業株式会社製、平均粒径400μm、残炭率1.2%)とを混合した。この混合物10gを黒鉛製鞘(縦100mm、横100mm、高さ50mm)に入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中、毎分5Lの窒素流量下、毎分60℃の昇温速度で1290℃まで昇温した後、11分間保持し、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出した。回収された炭素質材料は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
調製例2で調製した炭素前駆体を用いた以外は、実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
焼成温度を1270℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
焼成温度を1270℃に変更した以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
1290℃における保持時間を23分に変更した以外は、実施例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
1290℃における保持時間を23分に変更した以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
焼成温度を1250℃とした以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。回収量は、8.1gであり、回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
植物由来のチャー炭素前駆体を9.6g、ポリスチレンを0.4gとした以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。回収量は8.5gであり、回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
ポリスチレンに代えてポリエチレン(住友精化株式会社製 平均粒径250μm、残炭率 1.9%)0.9gを用いた以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。回収量は9.0gであり、回収率は88%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
調製例3で調製した炭素前駆体9.1gと、ポリスチレン0.9g(積水化成品工業株式会社製、平均粒径400μm、残炭率1.2%)とを混合した。この混合物10gを黒鉛製鞘(縦100mm、横100mm、高さ50mm)に入れ、株式会社モトヤマ製高速昇温炉中、毎分5Lの窒素流量下、毎分60℃の昇温速度で1290℃まで昇温し、その後11分間保持した後、自然冷却した。炉内温度が200℃以下に低下したことを確認し、炉内から炭素質材料を取り出した。回収された炭素質材料は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
調製例4で調製した炭素前駆体を用いた以外は、比較例1と同様にして、炭素質材料を得た。炭素質材料の回収量は8.1gであり、炭素前駆体に対する回収率は89%であった。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
植物由来のチャー炭素前駆体のみを用い、ポリスチレンを混合しなかった以外は、実施例2と同様にして、炭素質材料を得た。得られた炭素質材料の物性を表1に示す。
実施例1〜9、比較例1〜3で得られた炭素質材料をそれぞれ用いて、以下の手順に従って負極の作製を行った。
調製した炭素質材料92質量部、アセチレンブラック2質量部、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)6質量部およびNMP(N−メチルピロリドン)90質量部を混合し、スラリーを得た。厚さ14μmの銅箔に、得られたスラリーを塗布し、乾燥後プレスして、厚さ60μmの電極を得た。得られた電極の密度は、0.9〜1.1g/cm3であった。
上記で作製した電極を作用極とし、金属リチウムを対極および参照極として使用した。溶媒として、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを、体積比で3:7となるように混合して用いた。この溶媒に、LiPF6を1mol/L溶解し、電解質として用いた。セパレータにはガラス繊維不織布を使用した。アルゴン雰囲気下のグローブボックス内でコインセルを作製した。
上記構成のリチウム二次電池について、充放電試験装置(東洋システム株式会社製、「TOSCAT」)を用いて充放電試験を行った。リチウムのドーピングは、活物質質量に対し70mA/gの速度で行い、リチウム電位に対して1mVになるまでドーピングした。更にリチウム電位に対して1mVの定電圧を8時間印加して、ドーピングを終了した。このときの容量(mAh/g)を充電容量とした。次いで、活物質重量に対し70mA/gの速度で、リチウム電位に対して2.5Vになるまで脱ドーピングを行い、このとき放電した容量を放電容量とした。放電容量/充電容量の百分率を充放電効率(初期の充放電効率)とし、電池内におけるリチウムイオンの利用効率の指標とした。
また、7日後に再度同様の電池性能を測定し、放電容量、充電容量、充放電効率を測定した。初期の充放電効率の値に対する、7日後の充放電効率の値を、効率維持率(%)とし、炭素質材料の酸化劣化に対する耐性の指標とした。なお7日後の電池性能は、作製した電極を室温、空気中で、7日間保存した後に、7日間保存前と同様の電池性能を測定し得られた値である。
得られた電池性能を表2に示す。
Claims (13)
- 比表面積100〜500m2/gの炭素前駆体と揮発性有機物との混合物を800〜1400℃の不活性ガス雰囲気下で焼成し、炭素質材料を得る工程、
を具備する、
非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料の製造方法であって、前記炭素前駆体は植物由来であり、広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される、前記炭素質材料の(002)面の平均面間隔d 002 は0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記炭素質材料の比表面積は1〜20m 2 /gの範囲にあり、前記炭素質材料の窒素元素含量は0.5重量%以下であり、前記炭素質材料の酸素元素含量は0.25重量%以下である、製造方法。 - 前記揮発性有機物は、常温で固体状態であり、残炭率が5重量%未満であり、残炭率は、前記揮発性有機物1gを窒素中で常温から10℃/分の昇温速度で800℃まで昇温した後、800℃で1時間灰化して得た残存物の重量と前記残存物の炭素重量割合との積により算出される、請求項1に記載の炭素質材料の製造方法。
- 前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m2/gの範囲にある、請求項1または2に記載の炭素質材料の製造方法。
- 前記揮発性有機物が、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレンからなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素質材料の製造方法。
- (1)植物由来のチャーを、ハロゲン化合物を含む不活性ガス雰囲気中、500℃〜940℃で熱処理することを含む気相脱灰工程、
(2)気相脱灰された植物由来のチャーと、800℃で灰化した場合に残炭率が5重量%未満である揮発性有機物とを含む混合物を得る混合工程、および
(3)前記混合物を焼成する工程
を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素質材料の製造方法。 - 前記混合物における、前記気相脱灰された植物由来のチャーと前記揮発性有機物との重量比が、97:3〜40:60である、請求項5に記載の炭素質材料の製造方法。
- 前記焼成が、
(a)800〜1600℃の本焼成、または
(b)350℃以上800℃未満の予備焼成、および800〜1600℃での本焼成
である、請求項5または6に記載の炭素質材料の製造方法。 - 非水電解質二次電池の負極活物質用の炭素質材料であって、広角X線回折法によるBragg式を用いて算出される前記炭素質材料の(002)面の平均面間隔d002が0.36〜0.42nmの範囲にあり、窒素吸着BET3点法により求めた前記炭素質材料の比表面積が1〜20m2/gの範囲にあり、窒素元素含量が0.5重量%以下、および酸素元素含量が0.25重量%以下であり、前記炭素質材料は植物由来炭素前駆体に由来する、炭素質材料。
- 前記(002)面の平均面間隔d002が0.38〜0.40nmの範囲にあり、前記比表面積が1〜10m2/gの範囲にある、請求項8に記載の炭素質材料。
- カリウム元素含量が0.1重量%以下、および鉄元素含量が0.02重量%以下である、請求項8または9に記載の炭素質材料。
- ブタノール法により求めた真密度が1.40〜1.70g/cm3である、請求項8〜10のいずれか1項に記載の炭素質材料。
- 請求項8〜11のいずれか1項に記載の炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極。
- 請求項12に記載の非水電解質二次電池用負極を含む非水電解質二次電池。
Priority Applications (1)
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