JP5994319B2 - Method for producing composite graphite particles for non-aqueous secondary battery, composite graphite particles obtained by the production method, negative electrode, and non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水系二次電池に用いる非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法、及びその製造方法で得られた複合黒鉛粒子、その粒子を用いて形成された負極と、その負極を有する非水系二次電池に関するものである。 The present invention relates to a method for producing composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries used in non-aqueous secondary batteries, composite graphite particles obtained by the production method, a negative electrode formed using the particles, and a negative electrode. The present invention relates to a non-aqueous secondary battery.
近年、電子機器の小型化に伴い、高容量の二次電池に対する需要が高まってきている。特に、ニッケル・カドミウム電池や、ニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密度の高く、大電流充放電特性に優れたリチウムイオン二次電池が注目されてきている。従来、リチウムイオン二次電池の高容量化は広く検討されているが、近年リチウムイオン二次電池に対する高性能化要求の高まりから、更なる高容量化・大電流充放電特性・高温保存特性・高サイクル特性を満たすことが求められている。 In recent years, demand for high-capacity secondary batteries has increased with the downsizing of electronic devices. In particular, lithium ion secondary batteries having higher energy density and excellent large current charge / discharge characteristics have attracted attention as compared to nickel / cadmium batteries and nickel / hydrogen batteries. Conventionally, higher capacity of lithium ion secondary batteries has been widely studied, but in recent years, due to the increasing demand for higher performance of lithium ion secondary batteries, further increase in capacity, large current charge / discharge characteristics, high temperature storage characteristics, It is required to satisfy high cycle characteristics.
リチウムイオン二次電池の負極材料としては、コストと耐久性の面で、黒鉛材料や非晶質炭素が使用されることが多い。しかしながら、非晶質炭素材料は、実用化可能な材料範囲での可逆容量の小さく、活物質層の高密度化が困難なことから高容量化に至らないといった問題点があった。黒鉛材料はリチウム吸蔵の理論容量である372mAh/gに近い容量が得られ、活物質として好ましいことが知られている。一方、高容量化のために負極材料を含む活物質層を高密度化すると、材料の破壊・変形により、初期サイクル時の充放電不可逆容量の増加、大電流充放電特性の低下、サイクル特性の低下といった問題点があった。 As a negative electrode material of a lithium ion secondary battery, graphite material and amorphous carbon are often used in terms of cost and durability. However, the amorphous carbon material has a problem that the reversible capacity is small in a material range that can be put into practical use, and it is difficult to increase the density of the active material layer, so that the capacity cannot be increased. It is known that a graphite material has a capacity close to 372 mAh / g, which is the theoretical capacity of lithium storage, and is preferable as an active material. On the other hand, when the active material layer containing the negative electrode material is densified to increase the capacity, the destruction / deformation of the material increases the irreversible capacity of charge / discharge during the initial cycle, decreases the large current charge / discharge characteristics, There was a problem of decline.
上記問題点を解決するため、例えば、炭素材料として、特許文献1には鱗片上黒鉛質炭素粒子に力学的エネルギー処理を与えて球状にすることで、充填性や、大電流放電特性が向上されることが開示されている。
特許文献2においては、Tap密度の低い天然黒鉛及びバインダーを混合して混合物を得、700〜1500℃で一次加熱して該バインダーを炭素化し、次いで、2400〜3000℃で二次加熱することにより、天然黒鉛の純化及び炭素化されたバインダーの黒鉛化を同時に行うことにより、大電流充放電特性が良好な炭素複合材料の製造方法が開示されている。
In order to solve the above-mentioned problems, for example, as a carbon material, in Patent Document 1, mechanical energy treatment is applied to the graphite carbon particles on the scale to make it spherical, thereby improving the filling property and the large current discharge characteristics. Is disclosed.
In Patent Literature 2, natural graphite having a low Tap density and a binder are mixed to obtain a mixture, and the binder is carbonized by primary heating at 700 to 1500 ° C, and then secondary heating at 2400 to 3000 ° C. Further, a method for producing a carbon composite material having good large current charge / discharge characteristics by simultaneously purifying natural graphite and graphitizing a carbonized binder has been disclosed.
また特許文献3においては、特定の構造と物性を有する球状黒鉛粒子とバインダー黒鉛とが複合化した複合黒鉛粒子を負極活物質として用いることで、負極活物質層を高密度化した場合においても良好な大電流充放電特性を示すことが開示されている。 In Patent Document 3, composite graphite particles in which spherical graphite particles having a specific structure and physical properties and binder graphite are combined are used as the negative electrode active material, which is favorable even when the negative electrode active material layer is densified. That exhibit high current charge / discharge characteristics.
しかしながら本発明者らの検討によると、特許文献1に記載の技術では、鱗片黒鉛を折りたたんでいる構造上、内部空隙量が大きく柔らかいため、負極活物質層を高密度化した場合に黒鉛粒子が変形しやすく、単に鱗片黒鉛を球状化しただけの黒鉛粒子では、大電流
充放電特性やサイクル特性が著しく低下してしまうという問題があった。
特許文献2に記載の技術では、出発原料としてTap密度が低い鱗状又は鱗片状天然黒鉛を想定しているものであるため、特に活物質層を高密度化したときLiイオンの移動が遅くなり、且つバインダーに特段の規定がないため、充放電反応性に劣り、活物質層の高密度化、電池の高容量化が困難であり、大電流充放電特性が不十分であった。
However, according to the study by the present inventors, in the technique described in Patent Document 1, since the internal void amount is large and soft due to the structure in which the flaky graphite is folded, the graphite particles are formed when the density of the negative electrode active material layer is increased. Graphite particles that are easily deformed and are simply spheroidized from flaky graphite have a problem in that the large current charge / discharge characteristics and cycle characteristics are remarkably deteriorated.
In the technology described in Patent Document 2, since the scale material or scale-like natural graphite having a low Tap density is assumed as a starting material, the movement of Li ions is slow particularly when the active material layer is densified, In addition, since there is no special provision in the binder, charge / discharge reactivity is inferior, it is difficult to increase the density of the active material layer and increase the capacity of the battery, and the large current charge / discharge characteristics are insufficient.
特許文献3に記載の技術では、初期サイクル時の充放電不可逆容量の抑制が見られたが、バインダーに特段の規定がないため、充放電反応性の低下・界面抵抗の増大が見られ、昨今求められる高いサイクル特性や低温での大電流充放電特性には更なる改善が必要であった。また、高温保存時におけるガス発生が多く、これに伴う電池膨れが大きいといった問題もあった。つまり、上記特許文献からもわかるように、バインダーの技術改良は従来において余り重要視されていなかった。 In the technique described in Patent Document 3, suppression of charge / discharge irreversible capacity during the initial cycle was observed, but since there is no special provision in the binder, reduction in charge / discharge reactivity and increase in interface resistance were observed. Further improvement was required for the required high cycle characteristics and large current charge / discharge characteristics at low temperatures. In addition, there is a problem in that gas generation during storage at high temperatures is large, and battery swelling associated therewith is large. In other words, as can be seen from the above-mentioned patent documents, the technical improvement of the binder has not been considered so important in the past.
そこで、本発明は、かかる背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、負極活物質層を高密度化した場合にも、初期サイクル時にみられる充放電不可逆容量が十分に小さく、高入出力特性、高温保存特性、高サイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を作製するための負極材を提供し、その結果として、高容量、高入出力特性、高温保存特性、高サイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the background art, and the problem is that even when the density of the negative electrode active material layer is increased, the charge / discharge irreversible capacity seen during the initial cycle is sufficiently small and high. Provided negative electrode material for producing lithium ion secondary battery having input / output characteristics, high temperature storage characteristics, and high cycle characteristics, and as a result, has high capacity, high input / output characteristics, high temperature storage characteristics, and high cycle characteristics The object is to provide a lithium ion secondary battery.
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、黒鉛粒子と黒鉛化可能なバインダーの黒鉛化物を混合し焼成することで黒鉛質被覆黒鉛(本明細書では、非水系二次電池用複合黒鉛粒子ともいう)を製造するに際し、特定の条件を満たす黒鉛化可能なバインダーを用いて非水系二次電池用複合黒鉛粒子を製造し、それを負極材に用いることにより、負極活物質層を高密度化した場合にも、初期サイクル時にみられる充放電不可逆容量が十分に小さく、大電流充放電特性、高温保存特性、高サイクル特性を満たすことが可能となるため、その結果として、高容量、高入出力特性、高温保存特性、高サイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を得られることを見出し、本発明に至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention mixed graphite particles and graphitized material of a graphitizable binder and calcined them to produce graphite-coated graphite (in this specification, non-aqueous two-dimensional graphite). When producing composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries using a graphitizable binder that satisfies specific conditions, and using it as a negative electrode material, Even when the active material layer is densified, the charge / discharge irreversible capacity seen during the initial cycle is sufficiently small, and it is possible to satisfy large current charge / discharge characteristics, high temperature storage characteristics, and high cycle characteristics. As a result, it was found that a lithium ion secondary battery having high capacity, high input / output characteristics, high temperature storage characteristics, and high cycle characteristics can be obtained, and the present invention has been achieved.
すなわち、本発明の趣旨は、黒鉛粒子(A)と黒鉛化可能なバインダー(B)を混合し焼成する非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の製造方法であって、黒鉛化可能なバインダー(B)が下記条件(1)を満たすことを特徴とする非水系二次電池用複合黒鉛粒子の製造方法に存する。
条件(1):黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.3357nm以上0.34nm以下、且つLc(004)が10nm以上500nm以下である。
That is, the gist of the present invention is a method for producing composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries in which graphite particles (A) and graphitizable binder (B) are mixed and fired, and can be graphitized. The binder (B) satisfies the following condition (1). The present invention resides in a method for producing composite graphite particles for a non-aqueous secondary battery.
Condition (1): The plane distance (d002) of the 002 plane by the X-ray wide angle diffraction method of the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) is 0.3357 nm or more and 0.34 nm or less, and Lc (004) is 10 nm or more and 500 nm or less.
本発明の製造方法で得られた非水系二次電池用複合黒鉛粒子は、それを非水系二次電池用負極材として用いることにより、高容量、高入出力特性、高温保存特性、高サイクル特性を有する非水系二次電池を提供することができる。また、本発明の非水系二次電池用負極材の製造方法によれば、上述の利点を有する負極材料を平易な工程で製造することが可能となる。 The composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries obtained by the production method of the present invention can be used as a negative electrode material for non-aqueous secondary batteries, resulting in high capacity, high input / output characteristics, high-temperature storage characteristics, and high cycle characteristics. The non-aqueous secondary battery which has can be provided. Moreover, according to the manufacturing method of the negative electrode material for non-aqueous secondary batteries of this invention, it becomes possible to manufacture the negative electrode material which has the above-mentioned advantage in a simple process.
以下、本発明の内容を詳細に述べる。なお、以下に記載する発明構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨をこえない限り、これらの形態に特定されるものではない。
<黒鉛粒子(A)>
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子の原料である黒鉛粒子(A)は、一例として下
記に示すが、特に制限されない。
Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. The description of the invention constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these forms unless it exceeds the gist.
<Graphite particles (A)>
Although the graphite particle (A) which is a raw material of the composite graphite particle for non-aqueous secondary batteries of this invention is shown below as an example, it is not restrict | limited in particular.
・黒鉛粒子(A)の種類
黒鉛粒子(A)の例としては、黒鉛から非晶質のものにいたるまで種々の黒鉛化度の炭素材料が挙げられる。
また、商業的にも容易に入手可能であるという点で、黒鉛又は黒鉛化度の小さい炭素材料が特に好ましい。
-Types of graphite particles (A) Examples of the graphite particles (A) include carbon materials having various degrees of graphitization from graphite to amorphous ones.
In addition, graphite or a carbon material having a low degree of graphitization is particularly preferable in that it can be easily obtained commercially.
なお、黒鉛を黒鉛粒子(A)として用いると、他の負極活物質を用いた場合よりも、高電流密度での充放電特性の改善効果が著しく大きいので好ましい。
黒鉛は、天然黒鉛、人造黒鉛の何れを用いてもよい。黒鉛としては、不純物の少ないものが好ましく、必要に応じて種々の精製処理を施して用いる。また、黒鉛化度の大きいものが好ましく、具体的には、X線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が、3.37Å(0.337nm)未満のものが好ましい。
Note that it is preferable to use graphite as the graphite particles (A) because the effect of improving the charge / discharge characteristics at a high current density is remarkably greater than when other negative electrode active materials are used.
As the graphite, either natural graphite or artificial graphite may be used. As graphite, those with few impurities are preferable, and they are used after being subjected to various purification treatments as necessary. Further, those having a high degree of graphitization are preferred, and specifically, those having a (002) plane spacing (d002) of less than 3.37 mm (0.337 nm) by X-ray wide angle diffraction method are preferred.
人造黒鉛の具体例としては、コールタールピッチ、石炭系重質油、常圧残油、石油系重質油、芳香族炭化水素、窒素含有環状化合物、硫黄含有環状化合物、ポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルブチラール、天然高分子、ポリフェニレンサイルファイド、ポリフェニレンオキシド、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂などの有機物を、通常2500℃以上、通常3200℃以下の範囲の温度で焼成し、黒鉛化したものが挙げられる。 Specific examples of artificial graphite include coal tar pitch, coal heavy oil, atmospheric residue, petroleum heavy oil, aromatic hydrocarbon, nitrogen-containing cyclic compound, sulfur-containing cyclic compound, polyphenylene, polyvinyl chloride, Organic substances such as polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinyl butyral, natural polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, furfuryl alcohol resin, phenol-formaldehyde resin, and imide resin are usually in a temperature range of 2500 ° C. or higher and usually 3200 ° C. or lower. Baked with and graphitized.
また、黒鉛化度の小さい黒鉛粒子としては、有機物を通常2500℃以下の温度で焼成したものが用いられる。有機物の具体例としては、コールタールピッチ、乾留液化油などの石炭系重質油;常圧残油、減圧残油などの直留系重質油;原油、ナフサなどの熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油などの石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセンなどの芳香族炭化水素;フェナジンやアクリジンなどの窒素含有環状化合物;チオフェンなどの硫黄含有環状化合物;アダマンタンなどの脂肪族環状化合物;ビフェニル、テルフェニルなどのポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラールなどのポリビニルエステル類、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性高分子などが挙げられる。 Further, as the graphite particles having a low graphitization degree, those obtained by firing an organic substance at a temperature of usually 2500 ° C. or lower are used. Specific examples of organic substances include coal-based heavy oils such as coal tar pitch and dry-distilled liquefied oil; straight-run heavy oils such as atmospheric residual oil and vacuum residual oil; by-product during thermal decomposition of crude oil, naphtha, etc. Petroleum heavy oils such as cracked heavy oils such as ethylene tar; Aromatic hydrocarbons such as acenaphthylene, decacyclene and anthracene; Nitrogen-containing cyclic compounds such as phenazine and acridine; Sulfur-containing cyclic compounds such as thiophene; Aliphatic cyclic compounds; polyphenylenes such as biphenyl and terphenyl; polyvinyl esters such as polyvinyl chloride, polyvinyl acetate and polyvinyl butyral; and thermoplastic polymers such as polyvinyl alcohol.
更に黒鉛化度の小さい黒鉛粒子を得る場合、有機物の焼成温度は通常600℃以上、好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上である。その上限は、黒鉛粒子に付与する所望の黒鉛化度等により異なるが、通常2500℃以下、好ましくは2000℃以下、より好ましくは1400℃以下の範囲である。焼成する際には、有機物に燐酸、ホウ酸、塩酸などの酸類、水酸化ナトリウム等のアルカリ類を混合してもよい。 Further, when obtaining graphite particles having a low degree of graphitization, the firing temperature of the organic substance is usually 600 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 950 ° C. or higher. The upper limit varies depending on the desired degree of graphitization imparted to the graphite particles, but is usually 2500 ° C. or lower, preferably 2000 ° C. or lower, more preferably 1400 ° C. or lower. At the time of baking, acids such as phosphoric acid, boric acid and hydrochloric acid, and alkalis such as sodium hydroxide may be mixed with the organic matter.
黒鉛粒子(A)は、黒鉛粒子(A)に金属粒子、及び金属酸化物粒子等の粒子を任意の組み合わせで適宜混合して用いても良い。また、個々の粒子中に複数の材料が混在するものであってもよい。例えば、黒鉛の表面を黒鉛化度の小さい炭素材料で被覆した構造の炭素質粒子や、黒鉛粒子を適当な有機物で集合させ再黒鉛化した粒子でも良い。更に、前記複合粒子中にSn、Si、Al、BiなどLiと合金化可能な金属を含んでいても良い。 The graphite particles (A) may be used by appropriately mixing particles such as metal particles and metal oxide particles with the graphite particles (A) in any combination. Further, a plurality of materials may be mixed in each particle. For example, carbonaceous particles having a structure in which the surface of graphite is coated with a carbon material having a low degree of graphitization, or particles obtained by aggregating graphite particles with an appropriate organic substance and regraphitizing may be used. Furthermore, the composite particles may contain a metal that can be alloyed with Li, such as Sn, Si, Al, Bi.
・黒鉛粒子(A)の物性
本発明における黒鉛粒子(A)は以下の物性を示すものである。なお、本発明における測定方法は特に制限はないが、特段の事情がない限り実施例に記載の測定方法に準じる。
(1)黒鉛粒子(A)の表面官能基量
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子である黒鉛粒子(A)は、下記式1で表される、表面官能基量O/C値が通常1%以上4以%下であり、2%以上3.6%以下であると
更に好ましく、2.6%以上3%以下であると最も好ましい。この表面官能基量O/C値が小さすぎると、大電流充放電特性が低下する場合があり、大きすぎるとサイクル初期の充放電不可逆容量の増大し、O/C値の調整が困難となり、製造処理を強く長時間行う必要が生じたり、工程数を増加させる必要が生じたりする傾向があり、生産性の低下、コストの上昇を招く虞がある。
式1
O/C値(%)=X線光電子分光法(XPS)分析におけるO1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたO原子濃度/XPS分析におけるC1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたC原子濃度 × 100
本発明における表面官能基量はX線光電子分光法(XPS)を用いて測定することができる。
-Physical property of graphite particle (A) The graphite particle (A) in this invention shows the following physical properties. In addition, there is no restriction | limiting in particular in the measuring method in this invention, According to the measuring method as described in an Example, unless there is a special situation.
(1) Surface Functional Group Amount of Graphite Particle (A) Graphite particle (A) which is a composite graphite particle for a non-aqueous secondary battery of the present invention has a surface functional group amount O / C value represented by the following formula 1. Is usually 1% or more and 4 or less, more preferably 2% or more and 3.6% or less, and most preferably 2.6% or more and 3% or less. If this surface functional group amount O / C value is too small, the large current charge / discharge characteristics may be reduced. If it is too large, the charge / discharge irreversible capacity at the beginning of the cycle will increase, making it difficult to adjust the O / C value. There is a tendency that the manufacturing process needs to be performed for a long time or the number of steps needs to be increased, which may lead to a decrease in productivity and an increase in cost.
Formula 1
O / C value (%) = O atom concentration determined based on the peak area of the O1s spectrum in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis / C atom concentration determined based on the peak area of the C1s spectrum in XPS analysis × 100
The amount of surface functional groups in the present invention can be measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
表面官能基量O/C値は、X線光電子分光法測定としてX線光電子分光器を用い、測定対象を表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、マルチプレックス測定により、C1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを測定する。得られたC1sのピークトップを284.3eVとして帯電補正し、C1sとO1sのスペクトルのピーク面積を求め、更に装置感度係数を掛けて、CとOの表面原子濃度をそれぞれ算出する。得られたそのOとCの原子濃度比O/C(O原子濃度/C原子濃度)を炭素材料の表面官能基量O/C値と定義する。 The surface functional group amount O / C value is measured using an X-ray photoelectron spectrometer as an X-ray photoelectron spectroscopy measurement, the measurement target is placed on a sample stage so that the surface is flat, and the Kα ray of aluminum is used as an X-ray source. The spectra of C1s (280 to 300 eV) and O1s (525 to 545 eV) are measured by multiplex measurement. The obtained C1s peak top is corrected to be 284.3 eV, the peak areas of the C1s and O1s spectra are obtained, and the device sensitivity coefficient is multiplied to calculate the surface atomic concentrations of C and O, respectively. The obtained atomic concentration ratio O / C of O and C (O atomic concentration / C atomic concentration) is defined as the surface functional group amount O / C value of the carbon material.
(2)黒鉛粒子(A)の粒径
黒鉛粒子(A)の粒径については特に制限が無いが、使用される範囲として、d50が
通常50μm以下、好ましくは30μm以下、更に好ましくは25μm以下であり、また通常1μm以上、好ましくは4μm以上、更に好ましくは10μm以上である。この粒径範囲を超えると極板化した際に、筋引きなどの工程上の不都合が出ることが多く、また、これ以下であると、表面積が大きくなりすぎ電解液との活性を抑制することが難しくなる。
(2) Particle size of graphite particles (A) The particle size of the graphite particles (A) is not particularly limited, but as a range to be used, d50 is usually 50 µm or less, preferably 30 µm or less, more preferably 25 µm or less. It is usually 1 μm or more, preferably 4 μm or more, more preferably 10 μm or more. If this particle size range is exceeded, inconveniences such as striping often occur when the plate is made, and if it is less than this, the surface area becomes too large and the activity with the electrolyte is suppressed. Becomes difficult.
なお粒径の測定方法は、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液10mLに、黒鉛粒子0.01gを懸濁させ、市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置に導入し、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、測定装置における体積基準のメジアン径として測定したものを、本発明におけるd50と定義する。 The particle size is measured by suspending 0.01 g of graphite particles in 10 mL of a 0.2% by weight aqueous solution of polyoxyethylene sorbitan monolaurate, which is a surfactant, and measuring a commercially available laser diffraction / scattering particle size distribution. The sample was introduced into the apparatus, irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, and then measured as a volume-based median diameter in the measuring apparatus, which is defined as d50 in the present invention.
(3)黒鉛粒子(A)のBET比表面積(SA)
本発明の黒鉛粒子(A)のBET法で測定した比表面積については、通常4m2/g以上、好ましくは5m2/g以上である。また、通常11m2/g以下、好ましくは9m2/g以下、より好ましくは8m2/g以下である。比表面積がこの範囲を下回ると、Liが出入りする部位が少なく、高速充放電特性出力特性に劣り、一方、比表面積がこの範囲を上回ると、活物質の電解液に対する活性が過剰になり、初期不可逆容量が大きくなるため、高容量電池を製造できない可能性がある。
(3) BET specific surface area (SA) of graphite particles (A)
The specific surface area of the graphite particles (A) of the present invention measured by the BET method is usually 4 m 2 / g or more, preferably 5 m 2 / g or more. Moreover, it is 11 m < 2 > / g or less normally, Preferably it is 9 m < 2 > / g or less, More preferably, it is 8 m < 2 > / g or less. When the specific surface area is below this range, there are few sites where Li enters and exits, and the high-speed charge / discharge characteristic output characteristics are inferior. On the other hand, when the specific surface area exceeds this range, the activity of the active material with respect to the electrolytic solution becomes excessive. Since the irreversible capacity becomes large, a high-capacity battery may not be manufactured.
なおBET比表面積の測定方法は、比表面積測定装置を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。
(4)黒鉛粒子(A)のX線構造解析(XRD)
黒鉛粒子(A)の学振法によるX線回折から求めた002面の面間隔(d002)は、好ましくは0.337nm以下、より好ましくは0.3365nm以下、さらに好ましくは0.336nm以下、Lcが90nm以上であることが好ましい。黒鉛質炭素により被覆する前の球形化黒鉛質粒子の002面の面間隔(d002)とLcを上記範囲とすることにより、不可逆容量の増大による低容量化を生じにくい高容量電極が得られる。
In addition, the measuring method of a BET specific surface area is measured by a BET 1 point method by a nitrogen gas adsorption circulation method using a specific surface area measuring device.
(4) X-ray structural analysis (XRD) of graphite particles (A)
The interplanar spacing (d002) of the 002 plane determined from the X-ray diffraction of the graphite particles (A) by the Gakushin method is preferably 0.337 nm or less, more preferably 0.3365 nm or less, still more preferably 0.336 nm or less, Lc Is preferably 90 nm or more. By setting the 002-plane spacing (d002) and Lc of the spheroidized graphite particles before being coated with graphitic carbon within the above range, a high-capacity electrode that is less likely to be reduced in capacity due to an increase in irreversible capacity can be obtained.
黒鉛粒子(A)のX線構造解析(XRD)から得られる、Rhombohedral(
菱面体晶) に対するHexagonal(六方体晶)の結晶の存在比(3R/2H)は0.20以上であることが好ましい。3R/2Hがこの範囲を下回ると、高速充放電特性の低下を招く虞がある。
なお、X線構造解析(XRD)の測定方法は、0.2mmの試料板に炭素材料を配向しないように充填し、X線回折装置で、CuKα線にて出力30kV、200mAで測定する。得られた43.4°付近の3R(101)、及び44.5°付近の2H(101)の両ピークからバックグラウンドを差し引いた後、強度比3R(101)/2H(101)を算出できる。
From the X-ray structural analysis (XRD) of graphite particles (A),
The abundance ratio (3R / 2H) of the hexagonal crystal to the rhombohedral crystal is preferably 0.20 or more. If 3R / 2H is below this range, the high-speed charge / discharge characteristics may be degraded.
In the X-ray structural analysis (XRD) measurement method, a 0.2 mm sample plate is filled so that the carbon material is not oriented, and is measured with an X-ray diffractometer at an output of 30 kV and 200 mA with CuKα rays. After subtracting the background from the obtained 3R (101) near 43.4 ° and 2H (101) near 44.5 °, the intensity ratio 3R (101) / 2H (101) can be calculated. .
(5)黒鉛粒子(A)のタップ密度
本発明の黒鉛粒子(A)のタップ密度は、通常0.5g/cm3以上が好ましく、0.7g/cm3以上がより好ましく、1g/cm3以上がより好ましい。また、通常1.3g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。タップ密度が低すぎると、特に高密度に圧延された電極内で充分な連続空隙が確保されず、空隙に保持ざれた電解液内のLiイオンの移動性が落ちることで、大電流充放電特性が低下する傾向がある。タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
(5) Tap density of graphite particles (A) The tap density of the graphite particles (A) of the present invention is usually preferably 0.5 g / cm 3 or more, more preferably 0.7 g / cm 3 or more, and 1 g / cm 3. The above is more preferable. Moreover, 1.3 g / cm < 3 > or less is preferable normally and 1.1 g / cm < 3 > or less is more preferable. If the tap density is too low, sufficient continuous voids are not secured especially in the electrode rolled to a high density, and the mobility of Li ions in the electrolyte that is not held in the voids is reduced, resulting in large current charge / discharge characteristics. Tends to decrease. When the tap density is too high, the carbon density in the particle increases, the rollability is insufficient, and it may be difficult to form a high-density negative electrode sheet.
本発明において、タップ密度は、粉体密度測定器を用い、直径1.6cm、体積容量20cm3の円筒状タップセルに、目開き300μmの篩を通して、炭素材料を落下させて、セルに満杯に充填した後、ストローク長10mmのタップを1000回行なって、その時の体積と試料の重量から求めた密度をタップ密度として定義する。
(6)黒鉛粒子(A)のラマンスペクトル(Raman)スペクトル
黒鉛粒子(A)のラマンR値は、1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比R(R=IB/IA)を算出して定義する。その値は0.15以上であることが好ましい。また、0.4以下であることが好ましく、0.3以下ではより好ましい。ラマンR値がこの範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く虞がある。一方、この範囲を上回ると、粒子表面の結晶が乱れ、電解液との反応性が増し、充放電効率の低下やガス発生の増加を招く虞がある。
In the present invention, the tap density is measured by using a powder density measuring device to drop the carbon material into a cylindrical tap cell having a diameter of 1.6 cm and a volume capacity of 20 cm 3 through a sieve having a mesh opening of 300 μm to fill the cell. After that, a tap having a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the density obtained from the volume at that time and the weight of the sample is defined as the tap density.
(6) the intensity of the Raman R value is an intensity I A of the peak P A in the vicinity of 1580 cm -1, a peak P B in the vicinity of 1360 cm -1 in the Raman spectrum (Raman) spectrum graphite particles (A) of the graphite particles (A) It was measured and I B, defined by calculating the intensity ratio R (R = I B / I a). The value is preferably 0.15 or more. Further, it is preferably 0.4 or less, and more preferably 0.3 or less. If the Raman R value is below this range, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and when the density is increased, the crystals are likely to be oriented in a direction parallel to the electrode plate, which may lead to a reduction in load characteristics. On the other hand, if it exceeds this range, the crystal on the particle surface is disturbed, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and the charge / discharge efficiency may be lowered and the gas generation may be increased.
ラマンスペクトルはラマン分光器で測定できる。具体的には、測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :514.5nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm−1
測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理(単純平均によるコンボリューション5ポイント)
・黒鉛粒子(A)の製造方法
本発明の黒鉛粒子(A)は、その原料として、黒鉛化している炭素粒子であれば特に限定はないが、天然黒鉛、人造黒鉛、並びにコークス粉、ニードルコークス粉、樹脂の黒鉛化物の粉体等が挙げられる。これらのうち、天然黒鉛が好ましく、中でも球形化処理を施した球状黒鉛が特に好ましい。
The Raman spectrum can be measured with a Raman spectrometer. Specifically, the sample particles are naturally dropped into the measurement cell to fill the sample, and the measurement cell is rotated in a plane perpendicular to the laser beam while irradiating the measurement cell with an argon ion laser beam. Measure.
Argon ion laser light wavelength: 514.5 nm
Laser power on sample: 25 mW
Resolution: 4cm -1
Measurement range: 1100cm -1 ~1730cm -1 peak intensity measurement, peak half-width measurement: background processing, smoothing processing (convolution 5 points by a simple average)
-Manufacturing method of graphite particles (A)
The graphite particles (A) of the present invention are not particularly limited as long as they are graphitized carbon particles, but natural graphite, artificial graphite, coke powder, needle coke powder, resin graphitized powder Etc. Of these, natural graphite is preferable, and spheroidal graphite subjected to spheroidizing treatment is particularly preferable.
球形化処理に用いる装置としては、例えば、衝撃力を主体に粒子の相互作用も含めた圧
縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を繰り返し粒子に与える装置を用いることができる。具体的には、ケーシング内部に多数のブレードを設置したローターを有し、そのローターが高速回転することによって、内部に導入された炭素材料に対して衝撃圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を与え、表面処理を行なう装置が好ましい。また、炭素材料を循環させることによって機械的作用を繰り返して与える機構を有するものであるのが好ましい。好ましい装置として、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、クリプトロン(アーステクニカ社製)、CFミル(宇部興産社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)等が挙げられる。これらの中で、奈良機械製作所社製のハイブリダイゼーションシステムが好ましい。
As an apparatus used for the spheroidization treatment, for example, an apparatus that repeatedly gives mechanical action such as compression, friction, shearing force, etc. including the interaction of particles mainly with impact force to the particles can be used. Specifically, it has a rotor with a large number of blades installed inside the casing, and when the rotor rotates at high speed, mechanical action such as impact compression, friction, shearing force, etc. is applied to the carbon material introduced inside. An apparatus that provides a surface treatment is preferable. Moreover, it is preferable to have a mechanism that repeatedly gives mechanical action by circulating the carbon material. Preferable apparatuses include, for example, a hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), kryptron (manufactured by Earth Technica Co., Ltd.), CF mill (manufactured by Ube Industries, Ltd.), mechanofusion system (manufactured by Hosokawa Micron Corporation), Etc.). Among these, a hybridization system manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. is preferable.
本発明の黒鉛粒子は、上記の表面処理による球形化工程を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれる、もしくは周囲エッジ部分が球形粉砕されることにより球状とされた母体粒子に、粉砕により生じた主に5μm以下の微粉が付着してなり、表面処理後の黒鉛粒子の表面官能基量O/C値が1%以上、4%以下となる条件で、球形化処理を行うことにより製造される。この際には、機械処理のエネルギーにより黒鉛表面の酸化反応を進行させ、黒鉛表面に酸性官能基を導入することができるよう、活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば前述の装置を用いて処理する場合は、回転するローターの周速度を30〜100m/秒にするのが好ましく、40〜100m/秒にするのがより好ましく、50〜100m/秒にするのが更に好ましい。また、処理は、単に炭素質物を通過させるだけでも可能であるが、30秒以上装置内を循環又は滞留させて処理するのが好ましく、1分以上装置内を循環又は滞留させて処理するのがより好ましい。 The graphite particles of the present invention are pulverized into base particles that are made spherical by spheroidizing the scale-like natural graphite by applying the spheronization step by the surface treatment described above, or by pulverizing the peripheral edge portion into spheres. Produced by performing spheronization treatment under the condition that the resulting fine powder of 5 μm or less adheres and the surface functional group amount O / C value of the surface-treated graphite particles is 1% or more and 4% or less. Is done. In this case, it is preferable to carry out in an active atmosphere so that the oxidation reaction of the graphite surface can be advanced by the energy of mechanical treatment and acidic functional groups can be introduced into the graphite surface. For example, when processing using the above-mentioned apparatus, the peripheral speed of the rotating rotor is preferably 30 to 100 m / sec, more preferably 40 to 100 m / sec, and 50 to 100 m / sec. Is more preferable. The treatment can be performed by simply passing a carbonaceous material, but it is preferable to circulate or stay in the apparatus for 30 seconds or longer, and it is preferable to circulate or stay in the apparatus for 1 minute or longer. More preferred.
<黒鉛化可能なバインダー(B)>
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(本発明では、複合黒鉛粒子ともいう)の原料である黒鉛化可能なバインダー(B)は、下記に示す条件を満たせば特に制限されない。条件:黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.3357nm以上0.34nm以下、且つLc(004)が10nm以上500nm以下である。
<Binder that can be graphitized (B)>
The graphitizable binder (B) that is a raw material of the composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries of the present invention (also referred to as composite graphite particles in the present invention) is not particularly limited as long as the following conditions are satisfied. Condition: Carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) has a surface spacing (d002) of 002 planes by an X-ray wide angle diffraction method of 0.3357 nm to 0.34 nm and Lc (004 ) Is 10 nm or more and 500 nm or less.
なお、本明細書でいう、黒鉛化処理して得られた炭素粉末とは、以下の条件で黒鉛化処理を行うこととする。
条件:100gのバインダー(B)を窒素雰囲気下にて、1000℃で1時間、3000℃で3時間、焼成する。
好ましい条件を下記に記載する。
The carbon powder obtained by the graphitization treatment in the present specification is subjected to the graphitization treatment under the following conditions.
Conditions: 100 g of binder (B) is baked in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour and 3000 ° C. for 3 hours.
Preferred conditions are described below.
・黒鉛化可能なバインダー(B)の種類
黒鉛化可能なバインダー(B)としては、焼成によって黒鉛化が可能な炭素質であれば特に限定はない。中でもバインダーピッチが好ましく、具体的にはタール、軟ピッチから硬ピッチまでの石油系及び石炭系の縮合多環芳香族類が用いられ、含浸ピッチ、コールタールピッチ、石炭液化油等の石炭系重質油、アスファルテン等の直留系重質油、分解系重質油等の石油系重質油等がより好ましい。
-Types of graphitizable binder (B) The graphitizable binder (B) is not particularly limited as long as it is carbonaceous that can be graphitized by firing. Among them, binder pitch is preferable, specifically, petroleum-based and coal-based condensed polycyclic aromatics from tar, soft pitch to hard pitch are used, and coal-based heavy oils such as impregnated pitch, coal tar pitch, and coal liquefied oil are used. More preferred are straight-run heavy oils such as fine oils and asphaltenes, and petroleum heavy oils such as cracked heavy oils.
・黒鉛化可能なバインダー(B)の物性
(1)X線パラメータ(d002値)
黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が好ましくは0.3357nm以上、より好ましくは0.3358nm以上、さらに好ましくは0.3359nm以上であり、また0.34nm以下、好ましくは0.338nm以下、より好ましくは0.337nm以下である。d002値が大きすぎるということは結晶性が低いことを示し、複合黒鉛粒子(C)が結晶
性の低い粒子となって充放電容量が低下する場合があり、d002が小さすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の虞がある。
-Physical properties of graphitizable binder (B) (1) X-ray parameters (d002 value)
The interplanar spacing (d002) of the 002 plane by the X-ray wide angle diffraction method of the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) is preferably 0.3357 nm or more, more preferably 0.3358 nm or more, More preferably, it is 0.3359 nm or more, 0.34 nm or less, preferably 0.338 nm or less, more preferably 0.337 nm or less. If the d002 value is too large, it indicates that the crystallinity is low, and the composite graphite particles (C) may become particles having low crystallinity, resulting in a decrease in charge / discharge capacity. If d002 is too small, the charge / discharge reactivity may be reduced. There is a risk that gas generation will increase during high-temperature storage and large current charge / discharge characteristics may deteriorate.
(2)結晶子サイズ(Lc(004))
黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末の学振法によるX線回折で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc(004))が10nm以上、好ましくは30nm以上、より好ましくは50nm以上であり、また500nm以下、好ましくは300nm以下、より好ましくは100nm以下である。通常、学振法によるX線回折で求めた際のLc(004)はその測定精度の問題から100nmを上限とし、それ以上は>100nmと記述される。しかしながら、近年の測定精度の向上により、必ずしも100nmを測定限度と考える必要はなくなってきた。実施例においては参考値として記載する。
(2) Crystallite size (Lc (004))
The crystallite size (Lc (004)) of the carbon material determined by X-ray diffraction of the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) is 10 nm or more, preferably 30 nm or more. , More preferably 50 nm or more, and 500 nm or less, preferably 300 nm or less, more preferably 100 nm or less. Normally, Lc (004) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method has an upper limit of 100 nm due to the problem of measurement accuracy, and more than that is described as> 100 nm. However, with recent improvements in measurement accuracy, it is no longer necessary to consider 100 nm as the measurement limit. In the examples, it is described as a reference value.
Lc(004)が大きすぎると、複合黒鉛粒子(C)が結晶性の低い粒子となって充放電容量が低下する傾向があり、Lc(004)が小さすぎると、充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の傾向がある。
(3)軟化点
黒鉛化可能なバインダー(B)の軟化点が通常400℃以下、好ましくは300℃以下、より好ましくは200℃以下、さらに好ましくは150℃以下である。軟化点が高すぎると、黒鉛粒子と混合・混合する際に、均一に混合することが困難になり、且つ高温でとり行う必要が生じるため生産性に欠ける場合がある。下限は特に制限されないが、通常40℃以上である。
If Lc (004) is too large, the composite graphite particles (C) tend to have low crystallinity and the charge / discharge capacity tends to decrease. If Lc (004) is too small, the charge / discharge reactivity decreases. Therefore, there is a tendency for gas generation to increase during high-temperature storage, and large current charge / discharge characteristics to decrease.
(3) Softening point The softening point of the graphitizable binder (B) is usually 400 ° C or lower, preferably 300 ° C or lower, more preferably 200 ° C or lower, and further preferably 150 ° C or lower. When the softening point is too high, it becomes difficult to uniformly mix with the graphite particles, and it may be necessary to carry out the mixing at a high temperature. The lower limit is not particularly limited, but is usually 40 ° C. or higher.
(4)残炭率
黒鉛化可能なバインダー(B)の残炭率は、特に制限されないが、通常1質量%以上、
好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上、さらに好ましくは30質量%以上であり、通常80質量%以下、好ましくは70%以下、より好ましくは60質量%以下である。上記範囲内であれば、均一な複合黒鉛粒子となり易く、且つ生産性に優れているため好ましい。ここで残炭率とは黒鉛化可能なバインダー(B)の、焼成前後の収率から求めた値で、例えばJIS K2270記載の方法で求めることが出来る。
(4) Residual carbon ratio The residual carbon ratio of the graphitizable binder (B) is not particularly limited, but is usually 1% by mass or more,
Preferably it is 10 mass% or more, More preferably, it is 20 mass% or more, More preferably, it is 30 mass% or more, Usually 80 mass% or less, Preferably it is 70% or less, More preferably, it is 60 mass% or less. If it is in the said range, since it becomes easy to become uniform composite graphite particle and it is excellent in productivity, it is preferable. Here, the residual carbon ratio is a value obtained from the yield of the graphitizable binder (B) before and after firing, and can be obtained, for example, by the method described in JIS K2270.
(5)キノリン不溶分(QI)、トルエン不溶分(TI)
黒鉛化可能なバインダー(B)のキノリン不溶分が、通常0.6%以上、好ましくは3%以上、より好ましくは5%以上、さらに好ましくは10%以上であり、また通常30%以下、より好ましくは25%以下、さらに好ましくは20%以下、特に好ましくは15%以下である。
(5) Quinoline insoluble matter (QI), toluene insoluble matter (TI)
The quinoline insoluble content of the graphitizable binder (B) is usually 0.6% or more, preferably 3% or more, more preferably 5% or more, still more preferably 10% or more, and usually 30% or less, more Preferably it is 25% or less, More preferably, it is 20% or less, Most preferably, it is 15% or less.
キノリン不溶分が多すぎるとサイクル初期の充放電不可逆容量が増大してしまう可能性があり、キノリン不溶分が少なすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性、サイクル特性が低下する傾向がある。
トルエン不溶分が通常10%以上、好ましくは17%以上、より好ましくは20%以上、さらに好ましくは25%以上であり、また通常60%以下、好ましくは50%以下、より好ましくは40%以下である。トルエン不溶分が多すぎると、サイクル初期の充放電不可逆容量が増大してしまう可能性があり、トルエン不溶分が少なすぎると、充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性、サイクル特性が低下する傾向がある。
If there is too much quinoline insoluble matter, the irreversible capacity of charge / discharge at the beginning of the cycle may increase, and if there is too little quinoline insoluble matter, charge / discharge reactivity will decrease, resulting in increased gas generation during high temperature storage, large current Charge / discharge characteristics and cycle characteristics tend to deteriorate.
Toluene insoluble content is usually 10% or more, preferably 17% or more, more preferably 20% or more, further preferably 25% or more, and usually 60% or less, preferably 50% or less, more preferably 40% or less. is there. If there is too much toluene insoluble matter, the charge / discharge irreversible capacity at the beginning of the cycle may increase, and if there is too little toluene insoluble matter, charge / discharge reactivity will decrease, increasing gas generation during high-temperature storage, Large current charge / discharge characteristics and cycle characteristics tend to deteriorate.
なお、キノリン不溶分(QI)、トルエン不溶分(TI)の測定方法は、実施例に記載の方法に準じるものとする。
黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のキノリン不溶分含有率(黒鉛化可能なバインダー(B)のキノリン不溶分含有率(%)/残炭率(%))が
、通常1.2%以上、好ましくは5%以上、より好ましくは10%以上、さらに好ましくは15%以上であり、また通常50%以下、より好ましくは40%以下、さらに好ましくは30%以下、特に好ましくは20%以下である。
In addition, the measuring method of a quinoline insoluble content (QI) and a toluene insoluble content (TI) shall follow the method as described in an Example.
The quinoline insoluble content of the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) (the quinoline insoluble content of the graphitizable binder (B) (%) / residual carbon ratio (%) ) Is usually 1.2% or more, preferably 5% or more, more preferably 10% or more, still more preferably 15% or more, and usually 50% or less, more preferably 40% or less, still more preferably 30%. Hereinafter, it is particularly preferably 20% or less.
黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のキノリン不溶分含有率が多すぎるとサイクル初期の充放電不可逆容量が増大してしまう傾向があり、黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のキノリン不溶分が少なすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性、サイクル特性が低下する傾向がある。 If the quinoline insoluble content of the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) is too large, the charge / discharge irreversible capacity at the beginning of the cycle tends to increase. When the quinoline insoluble content of the carbon powder obtained by graphitizing (B) is too small, the charge / discharge reactivity is lowered, resulting in increased gas generation during high temperature storage, large current charge / discharge characteristics, and cycle characteristics. Tend.
黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のトルエン不溶分含有率(黒鉛化可能なバインダー(B)のトルエン不溶分含有率(%)/残炭率(%))が
、通常15%以上、好ましくは25%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは35%以上であり、また通常90%以下、好ましくは80%以下、より好ましくは60%以下である。黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のトルエン不溶分含有率が多すぎるとサイクル初期の充放電不可逆容量が増大してしまう傾向があり、黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のトルエン不溶分が少なすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性、サイクル特性が低下する傾向がある。
Toluene insoluble content of carbon powder obtained by graphitizing graphitizable binder (B) (toluene insoluble content of graphitizable binder (B) (%) / residual carbon ratio (%) ) Is usually at least 15%, preferably at least 25%, more preferably at least 30%, even more preferably at least 35%, and usually at most 90%, preferably at most 80%, more preferably at most 60%. . If the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) has too much toluene insoluble content, the charge / discharge irreversible capacity at the beginning of the cycle tends to increase. When the toluene insoluble content of the carbon powder obtained by graphitizing (B) is too small, the charge / discharge reactivity is lowered, resulting in increased gas generation during high temperature storage, large current charge / discharge characteristics, and cycle characteristics. Tend.
(6)水素原素比(H/C)
黒鉛化可能なバインダー(B)の水素原素比(H/C)が通常0.03以上、好ましくは0.035以上、より好ましくは0.04以上であり、また、好ましくは0.15以下、より好ましくは0.10以下、さらに好ましくは0.06以下、特に好ましくは0.043以下である。水素原素比が大きすぎると、サイクル初期の不可逆容量が増大してしまう可能性があり、水素原素比が小さすぎると、充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の傾向がある。
なお、水素原素比(H/C)の測定方法は、実施例に記載の方法に準じるものとする。
(6) Elementary hydrogen ratio (H / C)
The hydrogen source ratio (H / C) of the graphitizable binder (B) is usually 0.03 or more, preferably 0.035 or more, more preferably 0.04 or more, and preferably 0.15 or less. More preferably, it is 0.10 or less, More preferably, it is 0.06 or less, Most preferably, it is 0.043 or less. If the hydrogen source ratio is too large, the irreversible capacity at the beginning of the cycle may increase.If the hydrogen source ratio is too small, the charge / discharge reactivity decreases, increasing gas generation during high-temperature storage, There is a tendency for large-current charge / discharge characteristics to decrease.
In addition, the measuring method of hydrogen raw material ratio (H / C) shall follow the method as described in an Example.
<非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の製造方法>
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の製造方法は、上述した黒鉛粒子(A)と黒鉛質被覆部分を得るための黒鉛化可能なバインダー(B)を原料として用いることであり、これら特定の原料を組み合わせとすることで本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)を製造することができる。
<Method for producing composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries>
The method for producing composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries is to use the above-described graphite particles (A) and a graphitizable binder (B) for obtaining a graphite-coated portion as raw materials. By combining specific raw materials, the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries of the present invention can be produced.
より具体的には、本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)は、黒鉛粒子(A)と特定の黒鉛化可能なバインダー(B)を含むバインダーと混合、黒鉛化処理を行うことにより製造される。非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)を製造する際に原料となる黒鉛化可能なバインダー(B)として、下記条件を満たす黒鉛化可能なバインダー(B)を少なくとも用いて製造されれば、本発明の負極材料を製造する方法は特に制限されない。 More specifically, the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries of the present invention are mixed with a binder containing graphite particles (A) and a specific graphitizable binder (B), and subjected to a graphitization treatment. It is manufactured by. If produced using at least a graphitizable binder (B) satisfying the following conditions as a graphitizable binder (B) as a raw material when producing composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries The method for producing the negative electrode material of the present invention is not particularly limited.
条件:黒鉛化処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.3357nm以上0.340nm以下、且つLc(004)が10nm以上500nm以下である。
具体的な方法としては、黒鉛粒子(A)と黒鉛化可能なバインダー(B)を混合する際に、黒鉛質被覆部分を得るための黒鉛化可能なバインダー(B)をそのまま用いて、黒鉛化可能なバインダー(B)と黒鉛粒子(A)との混合物を黒鉛化処理して非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)を得る方法、前述の黒鉛化可能なバインダー(B)を一部炭素化した非晶質炭素粉体を予め作製しておき、黒鉛粒子(A)と混合し、黒鉛化処理して複合化する方法、前述の非晶質炭素粉体を予め作製しておき、黒鉛粒子(A)と非晶質炭素粉体
と黒鉛化可能なバインダー(B)とを混合し、黒鉛化処理して複合化する方法等が採用可能である。なお、後二者の予め非晶質炭素粉体を用意しておく方法では、平均粒子径が黒鉛粒子(A)の平均粒径の10分の1以下の非晶質炭素を用いることが好ましい。また、予め作製した非晶質炭素と黒鉛質粒子を粉砕等の力学的エネルギーを加えることで、一方に他方が巻き込まれた構造や、静電的に付着した構造にする方法も採用が可能である。この中でも黒鉛粒子(A)と黒鉛化可能なバインダー(B)を混合する際に、黒鉛質被覆部分を得るための黒鉛化可能なバインダー(B)をそのまま用いて、黒鉛化可能なバインダー(B)と黒鉛粒子(A)との混合物を黒鉛化処理して非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)を得る方法が好ましい。上述したように本発明の製造方法においては、バインダーとして黒鉛化可能なバインダー(B)が少なくとも原料として用いていれば良く、例えば、上記条件を満たさない他のバインダーを先に混合した後、バインダー(B)を更に混合した後、黒鉛化処理を行ってもよい。
Conditions: The surface distance (d002) of the 002 plane by the X-ray wide angle diffraction method of the carbon powder obtained by graphitization is 0.3357 nm or more and 0.340 nm or less, and Lc (004) is 10 nm or more and 500 nm or less.
As a specific method, when the graphite particles (A) and the graphitizable binder (B) are mixed, the graphitizable binder (B) for obtaining a graphite-coated portion is used as it is and graphitized. A method of obtaining a composite graphite particle (C) for a non-aqueous secondary battery by graphitizing a mixture of a possible binder (B) and graphite particles (A), a part of the graphitizable binder (B) described above Carbonized amorphous carbon powder is prepared in advance, mixed with graphite particles (A), graphitized and combined, and the aforementioned amorphous carbon powder is prepared in advance. A method of mixing graphite particles (A), amorphous carbon powder, and a graphitizable binder (B), and performing a graphitization treatment to form a composite can be employed. In the latter two methods of preparing amorphous carbon powder in advance, it is preferable to use amorphous carbon having an average particle size of 1/10 or less of the average particle size of the graphite particles (A). . In addition, by applying mechanical energy such as pulverization to amorphous carbon and graphite particles prepared in advance, it is possible to adopt a method in which the other is involved in one or a structure that is electrostatically attached. is there. Among these, when mixing the graphite particles (A) and the graphitizable binder (B), the graphitizable binder (B) is used as it is by using the graphitizable binder (B) for obtaining the graphite-coated portion. ) And graphite particles (A) are preferably graphitized to obtain composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries. As described above, in the production method of the present invention, it is only necessary that the binder (B) that can be graphitized as a binder is used as at least a raw material. For example, after mixing other binders that do not satisfy the above conditions, After further mixing (B), a graphitization treatment may be performed.
より具体的な本発明における非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)を得るための製造工程は、以下の3工程に分けられる。
第1工程:黒鉛質粒子及び黒鉛化可能なバインダー(B)、更に、必要に応じて溶媒とを、種々の市販の混合機や混練機等を用いて混合し、混合物を得る。
黒鉛化可能なバインダー(B)は、炭化・黒鉛化により得られる黒鉛化処理を経た非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)に占めているバインダー由来炭素成分の比率が通常1質量%以上、好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上となるように仕込み量を調整して混合する。その上限としては、この比率が通常60質量%以下、好ましくは40質量%以下、更に好ましくは30質量%以下となる量である。黒鉛化可能なバインダー(B)の混合量が多すぎると、充放電容量が低下し、集電体に塗布された活物質層を高密度に圧延する際に必要なプレス荷重が高くなり、結果として非水系二次電池の高容量化が困難となる場合がある。一方、バインダー(B)量が少なすぎると、集電体に塗布された活物質層を高密度に圧延した際に粒子が破壊・変形し、良好な大電流充放電特性が得られない場合がある。
A more specific manufacturing process for obtaining composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries in the present invention is divided into the following three processes.
First step: Graphite particles, a graphitizable binder (B), and, if necessary, a solvent are mixed using various commercially available mixers and kneaders to obtain a mixture.
In the graphitizable binder (B), the ratio of the binder-derived carbon component occupying the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries that have been graphitized by carbonization / graphitization is usually 1% by mass or more. , Preferably 5% by mass or more, and more preferably 10% by mass or more. As the upper limit, this ratio is usually 60% by mass or less, preferably 40% by mass or less, and more preferably 30% by mass or less. If the amount of the binder (B) that can be graphitized is too large, the charge / discharge capacity is reduced, and the press load necessary for high-density rolling of the active material layer applied to the current collector is increased. As a result, it may be difficult to increase the capacity of the non-aqueous secondary battery. On the other hand, if the amount of the binder (B) is too small, when the active material layer applied to the current collector is rolled to a high density, the particles may be destroyed and deformed, and good large current charge / discharge characteristics may not be obtained. is there.
なお、バインダー(B)の添加量は、黒鉛粒子(A)とバインダー(B)の質量比で、黒鉛粒子(A)100に対してバインダー(B)が、通常1以上、好ましくは10以上、より好ましくは19以上であり、更に好ましくは21以上であり、また通常200以下、好ましくは100以下、より好ましくは70以下、更に好ましくは50以下である。バインダー(B)の添加量が上記範囲内であれば、均一な複合黒鉛粒子となり易く、且つ生産性に優れているため好ましい。 The amount of the binder (B) added is the mass ratio of the graphite particles (A) and the binder (B), and the binder (B) is usually 1 or more, preferably 10 or more, with respect to the graphite particles (A) 100. More preferably, it is 19 or more, More preferably, it is 21 or more, Usually, 200 or less, Preferably it is 100 or less, More preferably, it is 70 or less, More preferably, it is 50 or less. When the amount of the binder (B) added is within the above range, it is preferable because uniform composite graphite particles are easily obtained and the productivity is excellent.
複合黒鉛粒子中のバインダー(B)由来炭素成分の量は、混合以前の段階で添加するバインダー(B)の量によってコントロールする。例えばJIS K2270記載の方法で求めたバインダーの残炭率がp%である場合には所望の量の100/p倍のバインダー(B)を添加することとなる。
充放電容量の増加とプレス性の改良のために、黒鉛粒子とバインダー(B)の混合に際し、黒鉛化触媒を添加しても良い。黒鉛化触媒としては、鉄、ニッケル、チタン、ケイ素、ホウ素等の金属及びこれらの炭化物、酸化物、窒化物等の化合物が挙げられる。なかでも、ケイ素、ケイ素化合物、鉄、鉄化合物が好ましく、ケイ素化合物のなかでは炭化珪素、鉄化合物のなかでは酸化鉄が特に好ましい。黒鉛化触媒としてケイ素やケイ素化合物を用いた場合、加熱により生成する炭化ケイ素が2800℃以上の温度ですべて熱分解して結晶性の極めて良好な黒鉛を成長させ、且つケイ素が揮散する時に黒鉛結晶間に細孔が形成されるので、粒子内部のリチウムイオンの電荷移動反応と拡散とを助長し電池性能を向上させることができる。また、黒鉛化触媒として鉄又はその化合物を用いた場合、炭素の触媒への溶解、析出の機構により結晶性の良好な黒鉛を成長させ、ケイ素と同様な効果を発現することができる。これらの黒鉛化触媒の添加量は、原料としての炭素質一次粒子に
対して通常30質量%以下、好ましくは20質量%以下、更に好ましくは10質量%以下、特に好ましくは5質量%以下である。黒鉛化触媒が多すぎると、黒鉛化が進みすぎ、リチウムイオン二次電池製造時の特性、特に浸液性が充分でないといった問題が生じる場合がある。同時に、複合黒鉛粒子内に細孔を生成させるためか、粒子の強度が低下し、その結果極板作製時のプレス工程において表面が平滑化し、イオンの移動を阻害する場合もある。一方、黒鉛化触媒が少なすぎると、黒鉛化が不十分で非水系二次電池にした時の充放電容量の低下の問題があり、また、極板作製時のプレス工程において高圧力を必要とし高密度化するのが困難となる場合もある。更に、複合黒鉛粒子内に適量の細孔が存在しないためか、粒子の強度が高くなりすぎ、集電体に塗布された活物質層を所定の嵩密度にプレス成形するときに高圧力を必要とし、負極活物質層を高密度化するのが困難となる場合がある。
The amount of the binder (B) -derived carbon component in the composite graphite particles is controlled by the amount of the binder (B) added at the stage before mixing. For example, when the residual carbon ratio of the binder obtained by the method described in JIS K2270 is p%, 100 / p times the desired amount of binder (B) is added.
In order to increase the charge / discharge capacity and improve the pressability, a graphitization catalyst may be added when mixing the graphite particles and the binder (B). Examples of the graphitization catalyst include metals such as iron, nickel, titanium, silicon, and boron, and compounds such as carbides, oxides, and nitrides thereof. Of these, silicon, silicon compounds, iron, and iron compounds are preferable, and silicon carbide is particularly preferable among silicon compounds, and iron oxide is particularly preferable among iron compounds. When silicon or a silicon compound is used as the graphitization catalyst, all of the silicon carbide produced by heating is pyrolyzed at a temperature of 2800 ° C. or more to grow graphite with extremely good crystallinity, and when the silicon is volatilized, the graphite crystal Since pores are formed between them, the charge transfer reaction and diffusion of lithium ions inside the particles can be promoted, and the battery performance can be improved. Further, when iron or a compound thereof is used as the graphitization catalyst, graphite having good crystallinity can be grown by the mechanism of dissolution and precipitation of carbon in the catalyst, and the same effect as silicon can be exhibited. The addition amount of these graphitization catalysts is usually 30% by mass or less, preferably 20% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and particularly preferably 5% by mass or less with respect to the carbonaceous primary particles as a raw material. . When there are too many graphitization catalysts, graphitization will advance too much and the characteristic at the time of lithium ion secondary battery manufacture, especially the problem that immersion property may not be enough may arise. At the same time, the strength of the particles may decrease because of the formation of pores in the composite graphite particles, and as a result, the surface may be smoothed in the pressing step during electrode plate preparation, and ion migration may be inhibited. On the other hand, if there is too little graphitization catalyst, graphitization is insufficient and there is a problem of reduction in charge / discharge capacity when a non-aqueous secondary battery is made, and high pressure is required in the pressing process during electrode plate production. It may be difficult to increase the density. In addition, due to the absence of an appropriate amount of pores in the composite graphite particles, the strength of the particles becomes too high, and high pressure is required when the active material layer applied to the current collector is pressed to a predetermined bulk density. In some cases, it is difficult to increase the density of the negative electrode active material layer.
黒鉛粒子、バインダー(B)及び所望により添加された黒鉛化触媒等の原料は、まず、加熱下で混合される。これにより、黒鉛粒子及び混合温度では溶融しない原料に液状のバインダー(B)が添着された状態となる。この場合、混合機に全原料を仕込んで混合と昇温を同時に行っても良いし、混合機にバインダー(B)以外の成分を仕込んで攪拌状態で加熱し、混合温度まで温度が上がった後に常温又は加硫溶融状態のバインダー(B)を仕込んでも良い。 The raw materials such as the graphite particles, the binder (B) and the graphitization catalyst added if desired are first mixed under heating. As a result, the liquid binder (B) is attached to the graphite particles and the raw material that does not melt at the mixing temperature. In this case, all the raw materials may be charged into the mixer and mixing and heating may be performed at the same time, or components other than the binder (B) may be charged into the mixer and heated with stirring, after the temperature has risen to the mixing temperature. A binder (B) at room temperature or in a vulcanized molten state may be charged.
混合する際の加熱温度は、バインダー(B)の軟化点以上であり、通常軟化点より10℃以上高い温度、好ましくは軟化点より20℃以上高い温度、通常450℃以下、好ましくは250℃以下で行われる。加熱温度が低すぎると、バインダー(B)の粘度が高くなって混合が困難となる虞があり、加熱温度が高すぎるとバインダー(B)の揮発と重縮合によって混合系の粘度が高くなりすぎる虞がある。 The heating temperature at the time of mixing is not lower than the softening point of the binder (B) and is usually 10 ° C or higher than the softening point, preferably 20 ° C or higher than the softening point, usually 450 ° C or lower, preferably 250 ° C or lower. Done in If the heating temperature is too low, the viscosity of the binder (B) may become high and mixing may be difficult. If the heating temperature is too high, the viscosity of the mixed system becomes too high due to volatilization and polycondensation of the binder (B). There is a fear.
混合機は撹拌翼をもつ機種が好ましく、撹拌翼はZ型、マチスケータ型といった汎用的なものを用いることができる。混合機に投入する原料の量は、通常混合機容積の10体積%以上、好ましくは15体積%以上で、50体積%以下、好ましくは30体積%以下である。混合時間は5分以上必要であり、最長でも揮発分の揮散による大きな粘性の変化を来たす時間までで、通常は30〜120分である。混合機は混合に先立ち混合温度まで予熱しておくことが好ましい。 As the mixer, a model having a stirring blade is preferable, and a general-purpose device such as a Z type or a gusset type may be used as the stirring blade. The amount of the raw material charged into the mixer is usually 10% by volume or more, preferably 15% by volume or more, and 50% by volume or less, preferably 30% by volume or less of the volume of the mixer. The mixing time is required for 5 minutes or longer, and at most, it takes up to a time when a large viscosity change occurs due to volatilization of volatile matter, and is usually 30 to 120 minutes. The mixer is preferably preheated to the mixing temperature prior to mixing.
得られた混合物は、そのまま、揮発成分(以下、「VM」と略記する)の除去と炭化を目的とする脱VM焼成工程に供してもよいが、ハンドリングしやすいように、成形してから脱VM焼成工程に供することが好ましい。
成形方法は形状を保持することが可能であれば特に制限はなく、押し出し成形、金型成形、静水圧成形等を採用することができる。このうち、成形体内で粒子が配向し易い押し出し成形に比べ、粒子の配向がランダムに保たれる金型成形、静水圧成形が好ましい。
The resulting mixture may be used as it is in a de-VM firing process for the purpose of removing volatile components (hereinafter abbreviated as “VM”) and carbonizing, but is molded and removed for easy handling. It is preferable to use for a VM baking process.
The molding method is not particularly limited as long as the shape can be maintained, and extrusion molding, mold molding, isostatic pressing, and the like can be employed. Among these, compared with the extrusion molding in which the particles are easily oriented in the molded body, mold molding and isostatic pressing in which the particle orientation is kept at random are preferable.
成形温度は、室温(冷間)、加熱下(熱間、バインダーの軟化点以上の温度)のどちらでもよい。冷間で成形する場合は、成形性の向上と成形体の均一性を得るために、混合後冷却された混合物を予め最大寸法が1mm以下に粗砕することが望ましい。成形体の形状、大きさは特に制限は無いが、熱間成形では、成形体が大きすぎると成形に先立つ均一な予熱を行うのに時間がかかる問題があるので、通常最大寸法で150cm程度以下の大きさとすることが好ましい。 The molding temperature may be room temperature (cold) or under heating (hot, temperature above the softening point of the binder). In the case of cold molding, it is desirable to preliminarily crush the mixture that has been cooled after mixing to a maximum dimension of 1 mm or less in order to improve moldability and obtain uniformity of the molded body. The shape and size of the molded body are not particularly limited, but in hot forming, if the molded body is too large, there is a problem that it takes time to perform uniform preheating prior to molding. It is preferable to set it as the magnitude | size.
成形圧力は、圧力が高すぎると成形体の細孔を通しての脱揮発成分除去(脱VM)が困難となり、かつ真円ではない炭素質粒子が配向し、後工程における粉砕が難しくなる場合があるので、成形圧力の上限は、通常3tf/cm2(294MPa)以下、好ましくは1500kgf/cm2(49MPa)以下、更に好ましくは600kgf/cm2(0
.98MPa)以下である。下限の圧力は特に制限はないが、脱VMの工程で成形体の形状を保持できる程度に設定することが好ましい。
If the molding pressure is too high, removal of devolatilized components through the pores of the molded body (de-VM) becomes difficult, and carbonaceous particles that are not perfect circles may be oriented, making pulverization in subsequent processes difficult. Therefore, the upper limit of the molding pressure is usually 3 tf / cm 2 (294 MPa) or less, preferably 1500 kgf / cm 2 (49 MPa) or less, more preferably 600 kgf / cm 2 (0
. 98 MPa) or less. The lower limit pressure is not particularly limited, but is preferably set to such an extent that the shape of the molded body can be maintained in the VM removal step.
第2工程:得られた混合物もしくは成形体を加熱し、黒鉛粒子、溶媒、及び黒鉛化可能なバインダー(B)から発生する揮発成分(VM)を除去した中間物質を得るため脱VM焼成を行う。脱VM焼成は、通常600℃以上、好ましくは650℃以上で、通常1300℃以下、好ましくは1100℃以下の温度で、通常0.1時間〜10時間行う。加熱は、酸化を防止するために、通常、窒素、アルゴン等不活性ガスの流通下又はブリーズ、パッキングコークス等の粒状炭素材料を間隙に充填した非酸化性雰囲気で行う。 Second step: The obtained mixture or molded body is heated and subjected to de-VM firing to obtain an intermediate substance from which volatile components (VM) generated from the graphite particles, the solvent, and the graphitizable binder (B) are removed. . The de-VM firing is usually performed at a temperature of 600 ° C. or higher, preferably 650 ° C. or higher, usually 1300 ° C. or lower, preferably 1100 ° C. or lower, usually for 0.1 hour to 10 hours. In order to prevent oxidation, heating is usually performed in a non-oxidizing atmosphere in which an inert gas such as nitrogen or argon is circulated or a granular carbon material such as breeze or packing coke is filled in the gap.
脱VM焼成に用いる設備は、例えば、シャトル炉、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、電気炉やガス炉等、非酸化性雰囲気で焼成可能であれば特に限定されない。加熱時の昇温速度は揮発分の除去のために低速であることが望ましく、通常、低沸分の揮発が始まる200℃付近から水素の発生のみとなる700℃近傍までを、3〜100℃/hrで昇温する。処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。 Equipment used for de-VM firing is, for example, a reaction furnace such as a shuttle furnace, a tunnel furnace, a lead hammer furnace, a rotary kiln, an autoclave, a coker (heat treatment tank for coke production), an electric furnace, a gas furnace, etc. There is no particular limitation if possible. The heating rate during heating is desirably a low speed for removal of volatile components, and usually from 3 to 100 ° C. from around 200 ° C. where low-boiling components start to volatilize to around 700 ° C. where only hydrogen is generated. The temperature is raised at / hr. During the treatment, stirring may be performed as necessary.
脱VM焼成により得られた混合物もしくは成形体は、次いで、高温で加熱して黒鉛化処理する。黒鉛化時の加熱温度は、通常2600℃以上、好ましくは2800℃以上で加熱する。また、加熱温度が高過ぎると、黒鉛の昇華が顕著となるので、3300℃以下が好ましい。加熱時間は、バインダー(B)が黒鉛となるまで行えばよく、通常1〜24時間である。 The mixture or molded body obtained by the de-VM firing is then heated at a high temperature and graphitized. The heating temperature during graphitization is usually 2600 ° C. or higher, preferably 2800 ° C. or higher. Moreover, since the sublimation of graphite will become remarkable when heating temperature is too high, 3300 degrees C or less is preferable. The heating time may be performed until the binder (B) becomes graphite, and is usually 1 to 24 hours.
黒鉛化時の雰囲気は、酸化を防止するため、窒素、アルゴン等の不活性ガスの流通下又はブリーズ、パッキングコークス等の粒状黒鉛粒子を間隙に充填した非酸化性雰囲気下で行う。黒鉛化に用いる設備は、電気炉やガス炉、電極材用アチソン炉等、上記の目的に添うものであれば特に限定されず、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は使用する設備の許容範囲で任意に設定することができる。 In order to prevent oxidation, the atmosphere during graphitization is performed under a non-oxidizing atmosphere in which an inert gas such as nitrogen or argon is circulated or granular graphite particles such as breeze or packing coke are filled in the gap. The equipment used for graphitization is not particularly limited as long as it meets the above purpose, such as an electric furnace, a gas furnace, an electrode material Atchison furnace, etc. The heating rate, cooling rate, heat treatment time, etc. are acceptable for the equipment used. It can be set arbitrarily within the range.
第3工程:前記非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)を必要に応じて粉砕、解砕、磨砕、分級処理等の粉体加工をする。粉砕に用いる装置に特に制限はないが、例えば、粗粉砕機としてはせん断式ミル、ジョークラッシャー、衝撃式クラッシャー、コーンクラッシャー等が挙げられ、中間粉砕機としてはロールクラッシャー、ハンマーミル等が挙げられ、微粉砕機としてはボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル等が挙げられる。 Third step: The non-aqueous secondary battery composite graphite particles (C) are subjected to powder processing such as pulverization, pulverization, grinding, and classification as required. There are no particular restrictions on the apparatus used for pulverization, for example, the coarse pulverizer includes a shearing mill, jaw crusher, impact crusher, cone crusher, etc., and the intermediate pulverizer includes a roll crusher, hammer mill, etc. Examples of the fine pulverizer include a ball mill, a vibration mill, a pin mill, a stirring mill, and a jet mill.
分級処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、乾式篩い分けの場合は、回転式篩い、動揺式篩い、旋動式篩い、振動式篩い等を用いることができ、乾式気流式分級の場合は、重力式分級機、慣性力式分級機、遠心力式分級機(クラシファイア、サイクロン等)を用いることができ、また、湿式篩い分け、機械的湿式分級機、水力分級機、沈降分級機、遠心式湿式分級機等を用いることができる。 There is no particular limitation on the apparatus used for classification, but for example, in the case of dry sieving, a rotary sieving, a swaying sieving, a rotating sieving, a vibrating sieving, etc. can be used. In this case, gravity classifier, inertial classifier, centrifugal classifier (classifier, cyclone, etc.) can be used, wet sieving, mechanical wet classifier, hydraulic classifier, sedimentation classifier A centrifugal wet classifier or the like can be used.
<非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)>
上記製造方法で得られた非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)は、以下のような特性を持つ。
(1)002面の面間隔(d002)
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の学振法によるX線回折で求めた002面の面間隔(d002)は、通常0.337nm以下、好ましくは0.3365nm以下、より好ましくは0.336nm以下、Lcが90nm以上であることが好ましい。X線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.337nm以下、Lcが90nm以上であ
ることは、非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の粒子の表面を除く大部分の結晶性が高いということであり、非晶質炭素材料に見られるような不可逆容量が大きいことによる低容量化を生じない高容量電極となる炭素材料であることを示す。
<Composite graphite particles for non-aqueous secondary batteries (C)>
The composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries obtained by the above production method have the following characteristics.
(1) 002 plane spacing (d002)
The interplanar spacing (d002) of the 002 plane determined by X-ray diffraction by the Gakushin method of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries is usually 0.337 nm or less, preferably 0.3365 nm or less, more preferably 0. It is preferable that 336 nm or less and Lc be 90 nm or more. The fact that the interplanar spacing (d002) of the 002 plane by X-ray wide angle diffraction method is 0.337 nm or less and Lc is 90 nm or more is that most of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries excluding the surface of the particles. The high crystallinity indicates that the carbon material is a high-capacity electrode that does not cause a reduction in capacity due to the large irreversible capacity found in amorphous carbon materials.
(2)タップ密度
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)のタップ密度は、通常0.7g/cm3以上であり、1.35g/cm3以上が好ましい。
タップ密度が小さすぎると、特に高密度に圧延された電極内で充分な連続空隙が確保されず、空隙に保持ざれた電解液内のLiイオンの移動性が落ちることで、大電流充放電特性が低下する傾向がある。タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
The tap density of (2) a tap density non-aqueous secondary battery composite graphite particle (C) is usually 0.7 g / cm 3 or more, 1.35 g / cm 3 or more.
If the tap density is too small, sufficient continuous voids are not secured especially in the electrode rolled to a high density, and the mobility of Li ions in the electrolyte that is not retained in the voids is reduced, resulting in large current charge / discharge characteristics. Tends to decrease. When the tap density is too high, the carbon density in the particle increases, the rollability is insufficient, and it may be difficult to form a high-density negative electrode sheet.
(3)ラマンR値
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)のアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピーク強度に対する1360cm−1付近のピーク強度比であるラマンR値は通常0.01以上、好ましくは0.05以上であり、また通常0.3以下、好ましくは、0.25以下、より好ましくは0.2以下である。ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、電解液との反応性が増し、効率の低下を招く傾向があり、ラマン値が小さすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の傾向がある。
(3) Raman R value is the peak intensity ratio in the vicinity of 1360 cm -1 to the peak intensity near 1580 cm -1 in the argon ion laser Raman spectrum of the Raman R value for nonaqueous secondary batteries composite graphite particle (C) is usually 0. 01 or more, preferably 0.05 or more, and usually 0.3 or less, preferably 0.25 or less, more preferably 0.2 or less. If the Raman R value is too large, the crystal on the particle surface is disturbed, and the reactivity with the electrolytic solution tends to increase, leading to a decrease in efficiency. If the Raman value is too small, the charge / discharge reactivity is lowered and stored at high temperatures. There is a tendency to increase gas generation at the time and to reduce large current charge / discharge characteristics.
(4)BET法による比表面積
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)のBET法による比表面積は通常0.5m2/g以上、好ましくは1.0m2/g以上、好ましくは、8m2/g以下、より好ましくは7m2/g以下である。比表面積が大きすぎると電解液との反応性が増し、充放電効率の低下を招く虞があり、比表面積が小さすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の傾向がある。
(4) Specific surface area by BET method The specific surface area by the BET method of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries is usually 0.5 m 2 / g or more, preferably 1.0 m 2 / g or more, preferably 8 m. 2 / g or less, and more preferably not more than 7m 2 / g. If the specific surface area is too large, the reactivity with the electrolyte may increase, leading to a decrease in charge / discharge efficiency. If the specific surface area is too small, the charge / discharge reactivity will decrease, resulting in increased gas generation during high-temperature storage. There is a tendency for the current charge / discharge characteristics to decrease.
(5)細孔容量
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の水銀圧入法による10nm〜100000nmの範囲の細孔容量は、通常5ml/g以下、好ましくは、3ml/g以下、より好ましくは2ml/g以下であり、通常、0.01ml/g以上、好ましくは、0.05ml/g以上
、より好ましくは0.1ml/g以上であり、250〜2500nmの範囲の細孔容積は
、通常、0.001ml/g以上、好ましくは0.002ml/g以上、より好ましくは0.005ml/g以上であり、通常1ml/g以下、好ましくは0.9ml/g以下、より好ましくは、0.7ml/g以下である。細孔量が大きすぎると、細孔に起因した比表面積
が増加し、電解液との反応が過剰に発生して、不可逆容量が増加する傾向があり、少なすぎると、大電流充放電特性が低下する傾向がある。
(5) Pore capacity The pore capacity in the range of 10 nm to 100000 nm of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries by mercury intrusion method is usually 5 ml / g or less, preferably 3 ml / g or less, more preferably Is 2 ml / g or less, usually 0.01 ml / g or more, preferably 0.05 ml / g or more, more preferably 0.1 ml / g or more, and the pore volume in the range of 250 to 2500 nm is Usually, 0.001 ml / g or more, preferably 0.002 ml / g or more, more preferably 0.005 ml / g or more, usually 1 ml / g or less, preferably 0.9 ml / g or less, more preferably 0 0.7 ml / g or less. If the amount of pores is too large, the specific surface area resulting from the pores will increase, and excessive reaction with the electrolyte will tend to increase the irreversible capacity. There is a tendency to decrease.
(6)平均粒径(d50)
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の平均粒径(d50)は通常40μm以下、好ましくは、30μm以下、より好ましくは25μm以下であり、通常、3μm以上、好ましくは、4μm以上、より好ましくは5μm以上である。平均粒径が大きすぎるとこの粒径範囲を超えると極板化した際に、筋引きなどの工程上の不都合が出ることが多く、また、この粒径範囲を下回ると、表面積が大きくなりすぎ電解液との活性を抑制することが難しくなる傾向がある。
(6) Average particle diameter (d50)
The average particle diameter (d50) of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries is usually 40 μm or less, preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, and usually 3 μm or more, preferably 4 μm or more. Preferably it is 5 micrometers or more. If the average particle size is too large, exceeding this particle size range will often cause inconveniences in the process of striping, etc., and if it falls below this particle size range, the surface area will become too large. It tends to be difficult to suppress the activity with the electrolytic solution.
(7)表面層官能基量(O/C)
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の表面層の下記式2で表される官能基量(O/C値)は、通常0.1%以上、好ましくは0.3%以上、より好ましくは0.5%以上であ
る。また通常3%以下、好ましくは2.5%以下、より好ましく、2%以下である。この表面官能基量O/C値が小さすぎると、負極活物質表面におけるLiイオンと電解液溶媒の脱溶媒和反応性が低下し、大電流充放電特性が低下する虞があり、大きすぎると、電解液との反応性が増し、充放電効率の低下を招く虞がある。
式2
O/C値(%)=X線光電子分光法(XPS)分析におけるO1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたO原子濃度/XPS分析におけるC1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたC原子濃度×100
本発明における表面官能基量はX線光電子分光法(XPS)を用いて測定することができる。
(7) Surface layer functional group amount (O / C)
The functional group amount (O / C value) represented by the following formula 2 of the surface layer of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries is usually 0.1% or more, preferably 0.3% or more. Preferably it is 0.5% or more. Further, it is usually 3% or less, preferably 2.5% or less, more preferably 2% or less. If the surface functional group amount O / C value is too small, the desolvation reactivity of Li ions and the electrolyte solvent on the surface of the negative electrode active material is lowered, and the large current charge / discharge characteristics may be lowered. There is a possibility that the reactivity with the electrolyte increases and the charge / discharge efficiency decreases.
Formula 2
O / C value (%) = O atom concentration determined based on the peak area of the O1s spectrum in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis / C atom concentration determined based on the peak area of the C1s spectrum in XPS analysis × 100
The amount of surface functional groups in the present invention can be measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
表面官能基量O/C値は、X線光電子分光法測定としてX線光電子分光器を用い、測定対象を表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、マルチプレックス測定により、C1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを測定する。得られたC1sのピークトップを284.3eVとして帯電補正し、C1sとO1sのスペクトルのピーク面積を求め、更に装置感度係数を掛けて、CとOの表面原子濃度をそれぞれ算出する。得られたそのOとCの原子濃度比O/C(O原子濃度/C原子濃度)を炭素材料の表面官能基量O/C値と定義する。 The surface functional group amount O / C value is measured using an X-ray photoelectron spectrometer as an X-ray photoelectron spectroscopy measurement, the measurement target is placed on a sample stage so that the surface is flat, and the Kα ray of aluminum is used as an X-ray source. The spectra of C1s (280 to 300 eV) and O1s (525 to 545 eV) are measured by multiplex measurement. The obtained C1s peak top is corrected to be 284.3 eV, the peak areas of the C1s and O1s spectra are obtained, and the device sensitivity coefficient is multiplied to calculate the surface atomic concentrations of C and O, respectively. The obtained atomic concentration ratio O / C of O and C (O atomic concentration / C atomic concentration) is defined as the surface functional group amount O / C value of the carbon material.
(8)黒鉛結晶配向比(I(110)/I(004))
広角X線回折測定により得られる、非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の格子面(110)と(004)に対応するピークの強度比R(=I(110)/I(004))が通常0.50以下、好ましくは、0.40以下、より好ましくは0.30以下であり、通常、0.05以上、好ましくは、0.10以上、より好ましくは0.15以上である。粉体配向比が上記範囲を下回ると、電池充電時の電極の膨張が大きくなり、サイクル試験中の膨張収縮に起因する活物質の脱落等によりサイクル特性が低下しやすくなる傾向がある。一方、粉体配向比が上記範囲を上回ると、プレスにより電極の活物質充填密度を上げ難くなる場合がある。
(8) Graphite crystal orientation ratio (I (110) / I (004))
Intensity ratio R of peaks corresponding to lattice planes (110) and (004) of composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries obtained by wide-angle X-ray diffraction measurement (= I (110) / I (004) ) Is usually 0.50 or less, preferably 0.40 or less, more preferably 0.30 or less, and usually 0.05 or more, preferably 0.10 or more, more preferably 0.15 or more. . When the powder orientation ratio is less than the above range, the expansion of the electrode at the time of charging the battery tends to increase, and the cycle characteristics tend to be deteriorated due to the dropping of the active material due to the expansion and contraction during the cycle test. On the other hand, when the powder orientation ratio exceeds the above range, it may be difficult to increase the active material filling density of the electrode by pressing.
(9)平均円形度
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の粒径10μm〜40μmの範囲の粒子について測定した下記式で与えられる円形度(=粒子投影面積と同じ面積の円の周長/粒子投影像の周長)が通常0.85以上、好ましくは、0.90以上、より好ましくは0.93以上
である。平均円形度がこの範囲を下回ると、大電流充放電特性の低下が生じる傾向がある。
(9) Average circularity Circularity given by the following formula measured for particles having a particle diameter of 10 μm to 40 μm of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries (= circumference of a circle having the same area as the particle projected area) Long / peripheral length of the projected particle image) is usually 0.85 or more, preferably 0.90 or more, more preferably 0.93 or more. When the average circularity is below this range, the large current charge / discharge characteristics tend to be reduced.
(10)被覆率
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)は、黒鉛質物で被覆されている。この被覆率は、通常1%以上、好ましくは5%以上、より好ましくは8%以上、更に好ましくは11%以上であり、また通常20%以下、好ましくは19%以下、より好ましくは17%以下である。この含有率が大きすぎると負極材の低結晶性部分が多くなり、電池を組んだ際の可逆容量が小さくなる傾向があり、小さすぎると、鱗片黒鉛に対して低結晶部位が均一にコートされないとともに強固な造粒がなされず、焼成後に粉砕した際、粒径が小さくなる傾向がある。なお、最終的に得られる非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)のバインダー由来の炭化物の含有率(被覆率)は、用いる炭素材の量と、バインダーの量及びそのJIS K 2270のミクロ法により測定される残炭率により、下記式で算出することができる。
(10) Coverage The composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries of the present invention are coated with a graphite material. This coverage is usually 1% or more, preferably 5% or more, more preferably 8% or more, more preferably 11% or more, and usually 20% or less, preferably 19% or less, more preferably 17% or less. It is. If the content is too large, the low crystalline portion of the negative electrode material increases, and the reversible capacity when the battery is assembled tends to be small. If the content is too small, the low crystalline portion is not uniformly coated on the scale graphite. At the same time, strong granulation is not achieved, and the particle size tends to be small when pulverized after firing. In addition, the content rate (coverage) of the carbide derived from the binder of the composite graphite particles (C) for the non-aqueous secondary battery finally obtained is the amount of the carbon material used, the amount of the binder, and the microscopic value of JIS K 2270. It can be calculated by the following formula based on the residual carbon ratio measured by the method.
バインダー由来の炭化物の被覆率(%)=(バインダーの質量×残炭率×100)/
(黒鉛粒子の質量+バインダーの質量×残炭率)
<非水系二次電池用負極材(E)>
本発明の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)は、単独で又は二種以上を任意の組成及び組み合わせで併用して、非水系二次電池用負極材として好適に使用することができるが、一種又は二種以上を、他の一種又は二種以上のその他炭素材料(D)と混合し、これを非水系二次電池、好ましくはリチウムイオン二次電池の負極材として用いても良い。本発明ではこれらの混合物を非水系二次電池用負極材(E)ともいう。
Covering ratio of carbide derived from binder (%) = (mass of binder × residual carbon ratio × 100) /
(Mass of graphite particles + mass of binder x residual carbon ratio)
<Negative electrode material for non-aqueous secondary battery (E)>
The composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries of the present invention can be suitably used as a negative electrode material for non-aqueous secondary batteries, either alone or in combination of two or more in any composition and combination. However, one kind or two or more kinds may be mixed with another kind or two or more kinds of other carbon materials (D), and this may be used as a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery, preferably a lithium ion secondary battery. . In the present invention, these mixtures are also referred to as negative electrode materials (E) for non-aqueous secondary batteries.
上述の非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)にその他炭素材料(D)を混合する場合、非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)とその他炭素材料(D)の総量に対する非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の混合割合は、通常10質量%以上、好ましくは20質量%以上、また、通常90質量%以下、好ましくは80質量%以下の範囲である。その他炭素材料(D)の混合割合が、前記範囲を下回ると、添加した効果が現れ難い傾向がある。一方、前記範囲を上回ると、非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)の特性が現れ難い傾向がある。 When other carbon material (D) is mixed with the above-mentioned non-aqueous secondary battery composite graphite particles (C), the non-aqueous system with respect to the total amount of the non-aqueous secondary battery composite graphite particles (C) and the other carbon material (D). The mixing ratio of the composite graphite particles (C) for secondary batteries is usually 10% by mass or more, preferably 20% by mass or more, and usually 90% by mass or less, preferably 80% by mass or less. When the mixing ratio of the other carbon material (D) is less than the above range, the added effect tends to hardly appear. On the other hand, if it exceeds the above range, the characteristics of the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries tend to hardly appear.
その他炭素材料(D)としては、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質被覆黒鉛、非晶質炭素の中から選ばれる材料を用いる。これらの材料は、何れかを一種を単独で用いても良く、二種以上を任意の組み合わせ及び組成で併用しても良い。
天然黒鉛としては、例えば、高純度化した鱗片状黒鉛や球形化した黒鉛を用いることができる。天然黒鉛の体積基準平均粒径は、通常8μm以上、好ましくは12μm以上、また、通常60μm以下、好ましくは40μm以下の範囲である。天然黒鉛のBET比表面積は、通常3.5m2/g以上、好ましくは、4.5m2/g以上、また、通常8m2/g以下、好ましくは6m2/g以下の範囲である。
In addition, as the carbon material (D), a material selected from natural graphite, artificial graphite, amorphous-coated graphite, and amorphous carbon is used. Any one of these materials may be used alone, or two or more of these materials may be used in any combination and composition.
As natural graphite, for example, highly purified flaky graphite or spheroidized graphite can be used. The volume-based average particle diameter of natural graphite is usually 8 μm or more, preferably 12 μm or more, and usually 60 μm or less, preferably 40 μm or less. Natural graphite has a BET specific surface area of usually 3.5 m 2 / g or more, preferably 4.5 m 2 / g or more, and usually 8 m 2 / g or less, preferably 6 m 2 / g or less.
人造黒鉛としては、炭素材料を黒鉛化した粒子等が挙げられ、例えば、単一の黒鉛前駆体粒子を粉状のまま焼成、黒鉛化した粒子などを用いることができる。
非晶質被覆黒鉛としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛に非晶質前駆対を被覆、焼成した粒子や、天然黒鉛や人造黒鉛に非晶質をCVDにより被覆した粒子を用いることができる。
Examples of the artificial graphite include particles obtained by graphitizing a carbon material. For example, particles obtained by firing and graphitizing a single graphite precursor particle while it is powdered can be used.
As amorphous-coated graphite, for example, natural graphite or artificial graphite coated with an amorphous precursor pair and fired, or natural graphite or artificial graphite coated with amorphous by CVD can be used.
非晶質炭素としては、例えば、バルクメソフェーズを焼成した粒子や、黒鉛化可能なバインダー(B)を不融化処理し、焼成した粒子を用いることができる。
非水系二次電池用複合黒鉛粒子(C)とその他炭素材料(D)との混合に用いる装置としては、特に制限はないが、例えば、回転型混合機の場合:円筒型混合機、双子円筒型混合機、二重円錐型混合機、正立方型混合機、鍬形混合機、固定型混合機の場合:螺旋型混合機、リボン型混合機、Muller型混合機、Helical Flight型混合機
、Pugmill型混合機、流動化型混合機等を用いることができる。
As amorphous carbon, for example, particles obtained by calcining bulk mesophase or particles obtained by infusibilizing a graphitizable binder (B) and calcining can be used.
The apparatus used for mixing the composite graphite particles (C) for non-aqueous secondary batteries and other carbon materials (D) is not particularly limited. For example, in the case of a rotary mixer: a cylindrical mixer, a twin cylinder Type mixer, double cone mixer, regular cubic mixer, vertical mixer, stationary mixer: spiral mixer, ribbon mixer, Muller mixer, Helical Flight mixer, Pugmill A mold mixer, a fluidized mixer, or the like can be used.
<非水系二次電池用負極>
本発明の非水系二次電池用負極(以下適宜「電極シート」ともいう。)は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備えると共に、活物質層は少なくとも本発明の非水系二次電池用負極材(E)を含有することを特徴とする。更に好ましくはバインダを含有する。 ここでいうバインダとは、非水系二次電池用負極を作成する際に、活物質同士の結
着、及び活物質層を集電体に保持することを目的として添加するバインダを意味し、黒鉛化可能なバインダー(B)とは異なるものである。
<Negative electrode for non-aqueous secondary battery>
A negative electrode for a non-aqueous secondary battery of the present invention (hereinafter also referred to as an “electrode sheet” as appropriate) includes a current collector and an active material layer formed on the current collector, and the active material layer is at least the present material layer. It contains the negative electrode material (E) for non-aqueous secondary batteries of the invention. More preferably, it contains a binder. The binder here means a binder added for the purpose of binding the active materials and holding the active material layer on the current collector when producing a negative electrode for a non-aqueous secondary battery, and graphite. It is different from the binder (B) which can be converted.
バインダとしては、分子内にオレフィン性不飽和結合を有するものを用いる。その種類は特に制限されないが、具体例としては、スチレン−ブタジエンゴム、スチレン・イソプレン・スチレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体などが挙げられる。このようなオレフィン性不飽和結合を有
するバインダを用いることにより、活物質層の電解液に対する膨潤性を低減することができる。中でも入手の容易性から、スチレン−ブタジエンゴムが好ましい。
As the binder, one having an olefinically unsaturated bond in the molecule is used. The type is not particularly limited, and specific examples include styrene-butadiene rubber, styrene / isoprene / styrene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, butadiene rubber, and ethylene / propylene / diene copolymer. By using such a binder having an olefinically unsaturated bond, the swellability of the active material layer with respect to the electrolytic solution can be reduced. Of these, styrene-butadiene rubber is preferred because of its availability.
このようなオレフィン性不飽和結合を有するバインダと、前述の活物質とを組み合わせて用いることにより、負極板の強度を高くすることができる。負極の強度が高いと、充放電による負極の劣化が抑制され、サイクル寿命を長くすることができる。また、本発明に係る負極では、活物質層と集電体との接着強度が高いので、活物質層中のバインダの含有量を低減させても、負極を捲回して電池を製造する際に、集電体から活物質層が剥離するという課題も起こらないと推察される。 By using a binder having such an olefinically unsaturated bond in combination with the above active material, the strength of the negative electrode plate can be increased. When the strength of the negative electrode is high, deterioration of the negative electrode due to charge / discharge is suppressed, and the cycle life can be extended. In addition, since the negative electrode according to the present invention has high adhesive strength between the active material layer and the current collector, even when the binder content in the active material layer is reduced, the negative electrode is wound to produce a battery. It is speculated that the problem that the active material layer peels from the current collector does not occur.
分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダとしては、その分子量が大きいものか、或いは、不飽和結合の割合が大きいものが望ましい。具体的に、分子量が大きいバインダの場合には、その重量平均分子量が通常1万以上、好ましくは5万以上、また、通常100万以下、好ましくは30万以下の範囲にあるものが望ましい。また、不飽和結合の割合が大きいバインダの場合には、全バインダの1g当たりのオレフィン性不飽和結合のモル数が、通常2.5×10−7以上、好ましくは8×10−7以上、また、通常1×10−6以下、好ましくは5×10−6以下の範囲にあるものが望ましい。バインダとしては、これらの分子量に関する規定と不飽和結合の割合に関する規定のうち、少なくとも何れか一方を満たしていればよいが、両方の規定を同時に満たすものがより好ましい。オレフィン性不飽和結合を有するバインダの分子量が小さ過ぎると機械的強度に劣り、大き過ぎると可撓性に劣る。また、バインダ中のオレフィン性不飽和結合の割合が小さ過ぎると強度向上効果が薄れ、大き過ぎると可撓性に劣る。 As the binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule, one having a large molecular weight or one having a large proportion of unsaturated bonds is desirable. Specifically, in the case of a binder having a large molecular weight, it is desirable that the weight average molecular weight is usually 10,000 or more, preferably 50,000 or more, and usually 1,000,000 or less, preferably 300,000 or less. In the case of a binder having a large ratio of unsaturated bonds, the number of moles of olefinically unsaturated bonds per gram of all binders is usually 2.5 × 10 −7 or more, preferably 8 × 10 −7 or more, In addition, it is usually 1 × 10 −6 or less, preferably 5 × 10 −6 or less. The binder only needs to satisfy at least one of these regulations regarding molecular weight and regulations regarding the proportion of unsaturated bonds, but it is more preferable to satisfy both regulations simultaneously. When the molecular weight of the binder having an olefinically unsaturated bond is too small, the mechanical strength is inferior, and when it is too large, the flexibility is inferior. Moreover, if the ratio of the olefinically unsaturated bond in the binder is too small, the effect of improving the strength is reduced, and if it is too large, the flexibility is poor.
また、オレフィン性不飽和結合を有するバインダは、その不飽和度が、通常15%以上、好ましくは20%以上、より好ましくは40%以上、また、通常90%以下、好ましくは80%以下の範囲にあるものが望ましい。なお、不飽和度とは、ポリマーの繰り返し単位に対する二重結合の割合(%)を表す。
本発明においては、オレフィン性不飽和結合を有さないバインダも、本発明の効果が失われない範囲において、上述のオレフィン性不飽和結合を有するバインダと併用することができる。オレフィン性不飽和結合を有するバインダに対する、オレフィン性不飽和結合を有さないバインダの混合比率は、通常150質量%以下、好ましくは120質量%以下の範囲である。
The binder having an olefinically unsaturated bond has a degree of unsaturation of usually 15% or more, preferably 20% or more, more preferably 40% or more, and usually 90% or less, preferably 80% or less. Is desirable. The degree of unsaturation represents the ratio (%) of the double bond to the repeating unit of the polymer.
In the present invention, a binder that does not have an olefinically unsaturated bond can also be used in combination with the above-described binder that has an olefinically unsaturated bond as long as the effects of the present invention are not lost. The mixing ratio of the binder having no olefinically unsaturated bond to the binder having an olefinically unsaturated bond is usually 150% by mass or less, preferably 120% by mass or less.
オレフィン性不飽和結合を有さないバインダを併用することにより、塗布性を向上することができるが、併用量が多すぎると活物質層の強度が低下する。
オレフィン性不飽和結合を有さないバインダの例としては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、澱粉、カラギナン、プルラン、グアーガム、ザンサンガム(キサンタンガム)等の増粘多糖類、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル類、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のビニルアルコール類、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のポリ酸、或いはこれらポリマーの金属塩、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのアルカン系ポリマー及びこれらの共重合体などが挙げられる。
By using a binder that does not have an olefinically unsaturated bond, the coatability can be improved. However, if the combined amount is too large, the strength of the active material layer is lowered.
Examples of the binder having no olefinic unsaturated bond include thickening polysaccharides such as methylcellulose, carboxymethylcellulose, starch, carrageenan, pullulan, guar gum, xanthan gum (xanthan gum), polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, Vinyl alcohols such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral, polyacids such as polyacrylic acid and polymethacrylic acid, or metal salts of these polymers, fluorine-containing polymers such as polyvinylidene fluoride, alkane polymers such as polyethylene and polypropylene, and these A copolymer etc. are mentioned.
本発明の負極は、上述の本発明の負極材料とバインダとを分散媒に分散させてスラリーとし、これを集電体に塗布することにより形成される。分散媒としては、アルコールなどの有機溶媒や、水を用いることができる。このスラリーには更に、所望により導電剤を加えてもよい。導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック、平均粒径1μm以下のCu、Ni又はこれらの合金からなる微粉末などが挙げられる。導電剤の添加量は、本発明の負極材料に対して通常10質量%以下程度である。 The negative electrode of the present invention is formed by dispersing the above-described negative electrode material of the present invention and a binder in a dispersion medium to form a slurry, which is applied to a current collector. As the dispersion medium, an organic solvent such as alcohol or water can be used. If necessary, a conductive agent may be added to the slurry. Examples of the conductive agent include carbon black such as acetylene black, ketjen black, and furnace black, and fine powder made of Cu, Ni having an average particle diameter of 1 μm or less, or an alloy thereof. The addition amount of the conductive agent is usually about 10% by mass or less with respect to the negative electrode material of the present invention.
スラリーを塗布する集電体としては、従来公知のものを用いることができる。具体的には、圧延銅箔、電解銅箔、ステンレス箔等の金属薄膜が挙げられる。集電体の厚さは、通常4μm以上、好ましくは6μm以上であり、通常30μm以下、好ましくは20μm以下である。
このスラリーを、集電体である厚さ18μmの銅箔上に、負極材料が14.5±0.3mg/cm2付着するように、ドクターブレードを用いて幅5cmに塗布し、室温で風乾を行った。更に110℃で30分乾燥後、直径20cmのローラを用いてロールプレスして、活物質層の密度が1.70±0.03g/cm3になるよう調整し電極シートを得た。
A conventionally well-known thing can be used as a collector which apply | coats a slurry. Specific examples include metal thin films such as rolled copper foil, electrolytic copper foil, and stainless steel foil. The thickness of the current collector is usually 4 μm or more, preferably 6 μm or more, and usually 30 μm or less, preferably 20 μm or less.
This slurry was applied to a width of 5 cm using a doctor blade so that the negative electrode material was 14.5 ± 0.3 mg / cm 2 on a 18 μm-thick copper foil as a current collector, and air-dried at room temperature. Went. Further, after drying at 110 ° C. for 30 minutes, roll pressing was performed using a roller having a diameter of 20 cm to adjust the density of the active material layer to 1.70 ± 0.03 g / cm 3 to obtain an electrode sheet.
スラリーを集電体上に塗布した後、通常60℃以上、好ましくは80℃以上、また、通常200℃以下、好ましくは195℃以下の温度で、乾燥空気又は不活性雰囲気下で乾燥し、活物性層を形成する。
スラリーを塗布、乾燥して得られる活物質層の厚さは、通常5μm以上、好ましくは20μm以上、更に好ましくは30μm以上、また、通常200μm以下、好ましくは100μm以下、更に好ましくは75μm以下である。活物質層が薄すぎると、活物質の粒径との兼ね合いから負極としての実用性に欠け、厚すぎると、高密度の電流値に対する十分なLiの吸蔵・放出の機能が得られにくい。
After applying the slurry on the current collector, the slurry is usually dried at a temperature of 60 ° C. or higher, preferably 80 ° C. or higher, and usually 200 ° C. or lower, preferably 195 ° C. or lower, in dry air or an inert atmosphere. A physical layer is formed.
The thickness of the active material layer obtained by applying and drying the slurry is usually 5 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and usually 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less. . If the active material layer is too thin, it is not practical as a negative electrode because of the balance with the particle size of the active material, and if it is too thick, it is difficult to obtain a sufficient Li occlusion / release function for high-density current values.
活物質層における非水系二次電池用負極材(E)の密度は、用途により異なるが、容量を重視する用途では、好ましくは1.55g/cm3以上、とりわけ1.60g/cm3以上、更に1.65g/cm3以上、特に1.70g/cm3以上が好ましい。密度が低すぎると、単位体積あたりの電池の容量が必ずしも充分ではない。また、密度が高すぎるとレート特性が低下するので、1.9g/cm3以下が好ましい。 The density of the non-aqueous secondary battery negative electrode material (E) in the active material layer varies depending on the application, the application that emphasizes capacity, preferably 1.55 g / cm 3 or more, especially 1.60 g / cm 3 or more, further 1.65 g / cm 3 or more, in particular 1.70 g / cm 3 or more. If the density is too low, the capacity of the battery per unit volume is not always sufficient. Moreover, since a rate characteristic will fall when a density is too high, 1.9 g / cm < 3 > or less is preferable.
以上説明した本発明の非水系二次電池用負極材(E)を用いて非水系二次電池用負極を作製する場合、その手法や他の材料の選択については、特に制限されない。また、この負極を用いてリチウムイオン二次電池を作製する場合も、リチウムイオン二次電池を構成する正極、電解液等の電池構成上必要な部材の選択については特に制限されない。以下、本発明の負極材料を用いたリチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池の詳細を例示するが、使用し得る材料や作製の方法等は以下の具体例に限定されるものではない。 When producing the negative electrode for non-aqueous secondary batteries using the negative electrode material for non-aqueous secondary batteries (E) of the present invention described above, the method and selection of other materials are not particularly limited. Moreover, when producing a lithium ion secondary battery using this negative electrode, there is no particular limitation on the selection of members necessary for the battery configuration such as the positive electrode and the electrolytic solution constituting the lithium ion secondary battery. Hereinafter, the details of the negative electrode for lithium ion secondary batteries and the lithium ion secondary battery using the negative electrode material of the present invention will be exemplified, but the materials that can be used and the method of production are not limited to the following specific examples. Absent.
<非水系二次電池>
本発明の非水系二次電池、特にリチウムイオン二次電池の基本的構成は、従来公知の非水系二次電池又はリチウムイオン二次電池と同様であり、通常、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備える。負極としては、上述した本発明の負極を用いる。
<Non-aqueous secondary battery>
The basic configuration of the non-aqueous secondary battery of the present invention, particularly the lithium ion secondary battery, is the same as that of a conventionally known non-aqueous secondary battery or lithium ion secondary battery, and can normally occlude and release lithium ions. A positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte are provided. The negative electrode of the present invention described above is used as the negative electrode.
正極は、正極活物質及びバインダを含有する正極活物質層を、集電体上に形成したものである。
正極活物質としては、リチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出できる金属カルコゲン化合物などが挙げられる。金属カルコゲン化合物としては、バナジウムの酸化物、モリブデンの酸化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化物、チタンの酸化物、タングステンの酸化物などの遷移金属酸化物、バナジウムの硫化物、モリブデンの硫化物、チタンの硫化物、CuSなどの遷移金属硫化物、NiPS3、FePS3等の遷移金属のリン−硫黄化合物、VSe2、NbSe3などの遷移金属のセレン化合物、Fe0.25V0.75S2、Na0.1CrS2などの遷移金属の複合酸化物、LiCoS2、LiNiS2などの遷移金属の複合硫化物等が挙げられる。
The positive electrode is obtained by forming a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material and a binder on a current collector.
Examples of the positive electrode active material include metal chalcogen compounds that can occlude and release alkali metal cations such as lithium ions during charge and discharge. Examples of metal chalcogen compounds include vanadium oxide, molybdenum oxide, manganese oxide, chromium oxide, titanium oxide, tungsten oxide and other transition metal oxides, vanadium sulfide, molybdenum sulfide. Transition metal sulfides such as NiPS 3 and FePS 3 , selenium compounds of transition metals such as VSe 2 and NbSe 3 , Fe0.25V0.75S 2 , Na0.1CrS 2 composite oxide of a transition metal such as, LiCoS 2, LiNiS 2 composite sulfide of a transition metal, such as and the like.
これらの中でも、V2O5、V5O13、VO2、Cr2O5、MnO2、TiO、MoV2O8、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、TiS2、V2S5、Cr0.25V0.75S2、Cr0.5V0.5S2などが好ましく、特に好ましいのはLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4や、これらの遷移金属の一部を他の金属で置換したリチウム遷移金属複合酸化物である。これらの正極活物質は、単独で用いても複数を混合して用いてもよい。 Among these, V 2 O 5, V 5 O 13, VO 2, Cr 2 O 5, MnO 2, TiO, MoV 2 O 8, LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4, TiS 2, V 2 S 5 Cr0.25V0.75S 2 , Cr0.5V0.5S 2 and the like are preferable, and LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, and lithium transitions in which some of these transition metals are replaced with other metals are particularly preferable. It is a metal complex oxide. These positive electrode active materials may be used alone or in combination.
正極活物質を結着するバインダとしては、公知のものを任意に選択して用いることができる。例としては、シリケート、水ガラス等の無機化合物や、テフロン(登録商標)、ポリフッ化ビニリデン等の不飽和結合を有さない樹脂などが挙げられる。これらの中でも好ましいのは、不飽和結合を有さない樹脂である。正極活物質を結着する樹脂として不飽和結合を有する樹脂を用いると酸化反応時に分解される恐れがある。これらの樹脂の重量平均分子量は通常1万以上、好ましくは10万以上、また、通常300万以下、好ましくは100万以下の範囲である。 A known binder can be arbitrarily selected and used as the binder for binding the positive electrode active material. Examples include inorganic compounds such as silicate and water glass, and resins having no unsaturated bond such as Teflon (registered trademark) and polyvinylidene fluoride. Among these, a resin having no unsaturated bond is preferable. If a resin having an unsaturated bond is used as the resin for binding the positive electrode active material, the resin may be decomposed during the oxidation reaction. The weight average molecular weight of these resins is usually 10,000 or more, preferably 100,000 or more, and usually 3 million or less, preferably 1 million or less.
正極活物質層中には、電極の導電性を向上させるために、導電材を含有させてもよい。導電剤としては、活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はないが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末、各種の金属の繊維、粉末、箔などが挙げられる。
正極板は、前記したような負極の製造と同様の手法で、正極活物質やバインダを溶剤でスラリー化し、集電体上に塗布、乾燥することにより形成する。正極の集電体としては、アルミニウム、ニッケル、SUSなどが用いられるが、何ら限定されない。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material in order to improve the conductivity of the electrode. The conductive agent is not particularly limited as long as it can be mixed with an active material in an appropriate amount to impart conductivity, but is usually carbon powder such as acetylene black, carbon black, and graphite, various metal fibers, powder, and foil. Etc.
The positive electrode plate is formed by slurrying a positive electrode active material or a binder with a solvent in the same manner as in the production of the negative electrode as described above, and applying and drying on a current collector. As the current collector of the positive electrode, aluminum, nickel, SUS, or the like is used, but is not limited at all.
電解質としては、非水系溶媒にリチウム塩を溶解させた非水系電解液や、この非水系電解液を有機高分子化合物等によりゲル状、ゴム状、固体シート状にしたものなどが用いられる。
非水系電解液に使用される非水系溶媒は特に制限されず、従来から非水系電解液の溶媒として提案されている公知の非水系溶媒の中から、適宜選択して用いることができる。例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類;テトラ
ヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、1,3−ジオキソラン等の環状エーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類などが挙げられる。
As the electrolyte, a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent, or a gel, rubber, or solid sheet obtained by using an organic polymer compound or the like from the non-aqueous electrolyte is used.
The non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, and can be appropriately selected from known non-aqueous solvents that have been conventionally proposed as solvents for non-aqueous electrolytes. For example, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate; cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane; tetrahydrofuran, 2-methyl Examples include cyclic ethers such as tetrahydrofuran, sulfolane, and 1,3-dioxolane; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, and methyl propionate; and cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone.
これらの非水系溶媒は、何れか一種を単独で用いても良く、二種以上を混合して用いても良い。混合溶媒の場合は、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒の組合せが好ましく、環状カーボネートが、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶媒であることが、低温でも高いイオン電導度を発現でき、低温充電不可特性が向上するという点で特に好ましい。中でもプロピレンカーボネートが非水系溶媒全体に対し、2質量%以上80質量%以下の範囲が好ましく、5質量%以上70質量%以下の範囲がより好ましく、10質量%以上60質量%以下の範囲がさらに好ましい。プロピレンカーボネートの割合が上記より低いと低温でのイオン電導度が低下し、プロピレンカーボネートの割合が上記より高いと、黒鉛系電極を用いた場合にはLiイオンに溶媒和したPCが黒鉛相間へ共挿入することにより黒鉛系負極活物質の層間剥離劣化がおこり、十分な容量が得られなくなる問題がある。 Any one of these non-aqueous solvents may be used alone, or two or more thereof may be mixed and used. In the case of a mixed solvent, a combination of a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate is preferable, and the cyclic carbonate is a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate. This is particularly preferable from the viewpoint that the impossible characteristics are improved. Among these, propylene carbonate is preferably in a range of 2% by mass to 80% by mass, more preferably in a range of 5% by mass to 70% by mass, and further in a range of 10% by mass to 60% by mass with respect to the entire non-aqueous solvent. preferable. When the proportion of propylene carbonate is lower than the above, the ionic conductivity at low temperature is lowered, and when the proportion of propylene carbonate is higher than the above, when a graphite electrode is used, the PC solvated with Li ions coexists between the graphite phases. Insertion causes delamination degradation of the graphite-based negative electrode active material, and there is a problem that sufficient capacity cannot be obtained.
非水系電解液に使用されるリチウム塩も特に制限されず、この用途に用い得ることが知られている公知のリチウム塩の中から、適宜選択して用いることができる。例えば、Li
Cl、LiBrなどのハロゲン化物、LiClO4、LiBrO4、LiClO4などの過ハロゲン酸塩、LiPF6、LiBF4、LiAsF6などの無機フッ化物塩などの無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiC4F9SO3などのパーフルオロアルカンスルホン酸塩、Liトリフルオロスルフォンイミド((CF3SO2)2NLi)などのパーフルオロアルカンスルホン酸イミド塩などの含フッ素有機リチウム塩などが挙げられ、この中でもLiClO4、LiPF6、LiBF4、が好ましい。リチウム塩は、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。非水系電解液中におけるリチウム塩の濃度は、通常0.5M以上、2.0M以下の範囲である。
The lithium salt used in the non-aqueous electrolytic solution is not particularly limited, and can be appropriately selected from known lithium salts that can be used for this purpose. For example, Li
Halides such as Cl and LiBr, perhalogenates such as LiClO 4 , LiBrO 4 and LiClO 4 , inorganic lithium salts such as inorganic fluoride salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 Fluorine-containing organic lithium salts such as perfluoroalkanesulfonic acid salts such as F 9 SO 3 and perfluoroalkanesulfonic acid imide salts such as Li trifluorosulfonimide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi), etc. Of these, LiClO 4 , LiPF 6 , and LiBF 4 are preferable. Lithium salts may be used alone or in combination of two or more. The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is usually in the range of 0.5M to 2.0M.
また、上述の非水系電解液に有機高分子化合物を含ませ、ゲル状、ゴム状、或いは固体シート状にして使用する場合、有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;ポリシロキサン;ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルなどのビニル系高分子化合物;ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)等のポリマー共重合体などが挙げられる。 In addition, when an organic polymer compound is included in the above non-aqueous electrolyte and used in the form of a gel, rubber, or solid sheet, specific examples of the organic polymer compound include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and the like. Polyether polymer compounds; Cross-linked polymers of polyether polymer compounds; Vinyl alcohol polymer compounds such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral; Insolubilized vinyl alcohol polymer compounds; Polyepichlorohydrin; Polyphosphazene; Siloxane; vinyl polymer compounds such as polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile; poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate), poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate-co-methyl methacrylate) Rate) and polymer copolymers such as poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride).
上述の非水系電解液は、更に被膜形成剤を含んでいても良い。被膜形成剤の具体例としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチルカーボネート、メチルフェニルカーボネートなどのカーボネート化合物、エチレンサルファイド、プロピレンサルファイドなどのアルケンサルファイド;1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトンなどのスルトン化合物;マレイン酸無水物、コハク酸無水物などの酸無水物などが挙げられる。更に、ジフェニルエーテル、シクロヘキシルベンゼン等の過充電防止剤が添加されていても良い。上記添加剤を用いる場合、その含有量は通常10質量%以下、中でも8質量%以下、更には5質量%以下、特に2質量%以下の範囲が好ましい。上記添加剤の含有量が多過ぎると、初期不可逆容量の増加や低温特性、レート特性の低下等、他の電池特性に悪影響を及ぼすおそれがある。 The non-aqueous electrolyte solution described above may further contain a film forming agent. Specific examples of the film forming agent include carbonate compounds such as vinylene carbonate, vinyl ethyl carbonate, and methylphenyl carbonate; alken sulfides such as ethylene sulfide and propylene sulfide; sultone compounds such as 1,3-propane sultone and 1,4-butane sultone And acid anhydrides such as maleic acid anhydride and succinic acid anhydride. Furthermore, an overcharge inhibitor such as diphenyl ether or cyclohexylbenzene may be added. When the above additives are used, the content is usually 10% by mass or less, preferably 8% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 2% by mass or less. If the content of the additive is too large, other battery characteristics such as an increase in initial irreversible capacity, low temperature characteristics, and deterioration in rate characteristics may be adversely affected.
また、電解質として、リチウムイオン等のアルカリ金属カチオンの導電体である高分子固体電解質を用いることもできる。高分子固体電解質としては、前述のポリエーテル系高分子化合物にLiの塩を溶解させたものや、ポリエーテルの末端水酸基がアルコキシドに置換されているポリマーなどが挙げられる。
正極と負極との間には通常、電極間の短絡を防止するために、多孔膜や不織布などの多孔性のセパレータを介在させる。この場合、非水系電解液は、多孔性のセパレータに含浸させて用いる。セパレータの材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテルスルホンなどが用いられ、好ましくはポリオレフィンである。
Further, as the electrolyte, a polymer solid electrolyte which is a conductor of an alkali metal cation such as lithium ion can be used. Examples of the polymer solid electrolyte include a polymer in which a salt of Li is dissolved in the aforementioned polyether polymer compound, and a polymer in which the terminal hydroxyl group of the polyether is substituted with an alkoxide.
In order to prevent a short circuit between the electrodes, a porous separator such as a porous film or a nonwoven fabric is usually interposed between the positive electrode and the negative electrode. In this case, the nonaqueous electrolytic solution is used by impregnating a porous separator. As a material for the separator, polyolefin such as polyethylene and polypropylene, polyethersulfone, and the like are used, and polyolefin is preferable.
本発明のリチウムイオン二次電池の形態は特に制限されない。例としては、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等が挙げられる。また、これらの形態の電池を任意の外装ケースに収めることにより、コイン型、円筒型、角型等の任意の形状にして用いることができる。 The form of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited. Examples include a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are spiral, a cylinder type having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, a coin type in which a pellet electrode and a separator are stacked, and the like. In addition, by storing batteries of these forms in an optional outer case, the battery can be used in an arbitrary shape such as a coin shape, a cylindrical shape, or a square shape.
本発明のリチウムイオン二次電池を組み立てる手順も特に制限されず、電池の構造に応じて適切な手順で組み立てればよいが、例を挙げると、外装ケース上に負極を乗せ、その上に電解液とセパレータを設け、更に負極と対向するように正極を乗せて、ガスケット、封口板と共にかしめて電池にすることができる。
<電池の性能>
上述のように作製した電池は以下の様な性能を示すものである。
The procedure for assembling the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and may be assembled by an appropriate procedure according to the structure of the battery. For example, the negative electrode is placed on the outer case, and the electrolytic solution is placed thereon. A separator is provided, and a positive electrode is placed so as to face the negative electrode, and it is caulked together with a gasket and a sealing plate to form a battery.
<Battery performance>
The battery produced as described above exhibits the following performance.
負荷逆容量は、通常、50mAh/g以下、好ましくは40mAh/g以下、 より好ましくは35mAh/g以下である。高温耐久試験時のセル膨れ量は通常0.66ml以下、好ましくは0.64ml以下、より好ましくは0.62ml以下、さらに好ましくは0.60ml以下である。サイクル維持率は、通常60%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは75%以上、さらに好ましくは80%以上である。 The load reverse capacity is usually 50 mAh / g or less, preferably 40 mAh / g or less, more preferably 35 mAh / g or less. The amount of cell swelling during the high temperature durability test is usually 0.66 ml or less, preferably 0.64 ml or less, more preferably 0.62 ml or less, and further preferably 0.60 ml or less. The cycle maintenance ratio is usually 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 75% or more, and further preferably 80% or more.
次に実施例により本発明の具体的態様を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
(測定方法)
(1)表面官能基量
表面官能基量はX線光電子分光法(XPS)を用いて測定する。
EXAMPLES Next, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(Measuring method)
(1) Surface functional group amount The surface functional group amount is measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
表面官能基量O/C値は、X線光電子分光法測定としてX線光電子分光器(アルバック・ファイ社製ESCA)を用い、測定対象(黒鉛材料)を表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、マルチプレックス測定により、C1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを測定する。得られたC1sのピークトップを284.3eVとして帯電補正し、C1sとO1sのスペクトルのピーク面積を求め、更に装置感度係数を掛けて、CとOの表面原子濃度をそれぞれ算出する。得られたそのOとCの原子濃度比O/C(O原子濃度/C原子濃度)を炭素材料の表面官能基量O/C値と定義し、具体的には下記式1にて算出できる。
式3
O/C値(%)=X線光電子分光法(XPS)分析におけるO1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたO原子濃度/XPS分析におけるC1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたC原子濃度 × 100
(2)粒径
粒径の測定方法は、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート(例として、ツィーン20(登録商標))の0.2質量%水溶液10mLに、炭素材料0.01gを懸濁させ、市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「HORIBA製LA−920」に導入し、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、測定装置における体積基準のメジアン径として測定したものを、本発明におけるd50と定義する。
The surface functional group amount O / C value is measured using an X-ray photoelectron spectrometer (ESCA manufactured by ULVAC-PHI) as the X-ray photoelectron spectroscopy measurement, and the measurement target (graphite material) is placed on the sample stage so that the surface becomes flat. The spectrum of C1s (280 to 300 eV) and O1s (525 to 545 eV) is measured by multiplex measurement using an aluminum Kα ray as an X-ray source. The obtained C1s peak top is corrected to be 284.3 eV, the peak areas of the C1s and O1s spectra are obtained, and the device sensitivity coefficient is multiplied to calculate the surface atomic concentrations of C and O. The obtained atomic concentration ratio O / C (O atomic concentration / C atomic concentration) of O and C is defined as the surface functional group amount O / C value of the carbon material, and can be calculated specifically by the following formula 1. .
Formula 3
O / C value (%) = O atom concentration determined based on the peak area of the O1s spectrum in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis / C atom concentration determined based on the peak area of the C1s spectrum in XPS analysis × 100
(2) Particle size The particle size was measured by adding 0.01 g of carbon material to 10 mL of 0.2% by weight aqueous solution of polyoxyethylene sorbitan monolaurate (for example, Tween 20 (registered trademark)) as a surfactant. Was suspended in a commercially available laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device “LA-920 manufactured by HORIBA”, irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, and then used as a volume-based median diameter in the measuring device. The measured value is defined as d50 in the present invention.
(3)BET比表面積(SA)
BET比表面積の測定方法は、例えば大倉理研社製比表面積測定装置「AMS8000」を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。具体的には、試料(炭素材料)0.4gをセルに充填し、350℃に加熱して前処理を行った後、液体窒素温度まで冷却して、窒素30%、He70%のガスを飽和吸着させ、その後室温まで加熱して脱着したガス量を計測し、得られた結果から、通常のBET法により比表面積を算出した。
(3) BET specific surface area (SA)
The BET specific surface area is measured by, for example, using a specific surface area measuring device “AMS8000” manufactured by Okura Riken Co., Ltd., by the nitrogen gas adsorption flow method, using the BET single point method. Specifically, 0.4 g of a sample (carbon material) is filled in a cell, heated to 350 ° C., pretreated, cooled to liquid nitrogen temperature, and saturated with 30% nitrogen and 70% He gas. The amount of gas adsorbed and then heated to room temperature and desorbed was measured, and the specific surface area was calculated from the obtained results by a normal BET method.
(4)X線構造解析(XRD)
X線構造解析(XRD)の測定方法は、0.2mmの試料板に、炭素粉末に約15%のX線標準高純度シリコン粉末を加えて混合したサンプルを配向しないように充填し、X線回折装置(例えば日本電子製、JDX−3500)で、CuKα線にて出力30kV、200mAで測定する。学振法を用いて002面の面間隔(d002)、及び結晶子サイズ(Lc(004))を求めた。また、得られた43.4°付近の3R(101)、及び44.5°付近の2H(101)の両ピークからバックグラウンドを差し引いた後、強度比
3R(101)/2H(101)を算出した。
(4) X-ray structural analysis (XRD)
The X-ray structural analysis (XRD) measurement method is performed by filling a sample plate of 0.2 mm with about 15% X-ray standard high purity silicon powder mixed with carbon powder so as not to be oriented. Measured with a diffraction device (for example, JDX-3500, manufactured by JEOL Ltd.) with CuKα rays at an output of 30 kV and 200 mA. Using the Gakushin method, the interplanar spacing (d002) and crystallite size (Lc (004)) of the 002 plane were determined. Also, after subtracting the background from the obtained 3R (101) near 43.4 ° and 2H (101) near 44.5 °, the intensity ratio 3R (101) / 2H (101) is obtained. Calculated.
(5)タップ密度
タップ密度は、粉体密度測定器である(株)セイシン企業社製「タップデンサーKYT−4000」を用い、直径1.6cm、体積容量20cm3の円筒状タップセルに、目開き300μmの篩を通して、炭素材料を落下させて、セルに満杯に充填した後、ストローク長10mmのタップを1000回行なって、その時の体積と試料の重量から求めた密度をタップ密度として定義する。
(5) Tap density The tap density is a powder density measuring instrument manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd. “Tap Denser KYT-4000”, with a diameter of 1.6 cm and a volume capacity of 20 cm 3 in a cylindrical tap cell. After dropping the carbon material through a 300 μm sieve and filling the cell completely, tap with a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the density obtained from the volume and the weight of the sample is defined as the tap density.
(6)ラマンスペクトル(Raman)スペクトル
ラマンスペクトルは、ラマン分光器:「日本分光社製ラマン分光器」で測定できる。具体的には、測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :514.5nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm−1
測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理(単純平均によるコンボリューション5ポイント)
(7)残炭率
黒鉛化可能なバインダー(B)の残炭率はJIS K2270の規定に準拠して測定した。
(6) Raman spectrum (Raman) spectrum The Raman spectrum can be measured with a Raman spectrometer: "Raman spectrometer manufactured by JASCO Corporation". Specifically, the sample particles are naturally dropped into the measurement cell to fill the sample, and the measurement cell is rotated in a plane perpendicular to the laser beam while irradiating the measurement cell with an argon ion laser beam. Measure.
Argon ion laser light wavelength: 514.5 nm
Laser power on sample: 25 mW
Resolution: 4cm -1
Measurement range: 1100cm -1 ~1730cm -1 peak intensity measurement, peak half-width measurement: background processing, smoothing processing (convolution 5 points by a simple average)
(7) Remaining charcoal ratio The remaining charcoal ratio of the graphitizable binder (B) was measured in accordance with JIS K2270.
(8)軟化点、キノリン不溶分(QI)、トルエン不溶分(TI)
黒鉛化可能なバインダー(B)の軟化点、キノリン不溶分(QI)、トルエン不溶分(TI)はJIS K2425の規定に準拠して測定した。
(9)水素原素比(H/C)元素分析装置(CHN計)で測定した水素量と炭素量から求められる原子比(H/C)を算出した。
(8) Softening point, quinoline insoluble matter (QI), toluene insoluble matter (TI)
The softening point, quinoline insoluble content (QI), and toluene insoluble content (TI) of the graphitizable binder (B) were measured in accordance with JIS K2425.
(9) Hydrogen elementary ratio (H / C) The atomic ratio (H / C) determined from the amount of hydrogen and the amount of carbon measured with an elemental analyzer (CHN meter) was calculated.
(10)不可逆容量、放電容量、初期効率測定方法
非水系二次電池を用いて、下記の測定方法で電池充放電時の不可逆容量・放電容量を測定した。
0.16mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して5mVまで充電し、更に、5mVの一定電圧で充電容量値が350mAh/gになるまで充電し、負極中にリチウムを
ドープした後、0.33mA/cm2の電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行なった。引き続き2、3回目は、同電流密度でcc−cv充電にて10mV、0.005Ccutにて充電し、放電は、全ての回で0.04Cで1.5Vまで放電した。この計3サイクルの充電容量と放電容量の差の和を不可逆容量として算出した。また、3サイクル目の放電容量を本材料の放電容量、3サイクル目の放電容量/(3サイクル目の放電容量+3サイクルの充電容量と放電容量の差の和)を初期効率とした。
(10) Irreversible Capacity, Discharge Capacity, Initial Efficiency Measurement Method Using a non-aqueous secondary battery, the irreversible capacity / discharge capacity during battery charge / discharge was measured by the following measurement method.
After charging to 5 mV with respect to the lithium counter electrode at a current density of 0.16 mA / cm 2 , and further charging until the charge capacity value becomes 350 mAh / g at a constant voltage of 5 mV, after doping lithium in the negative electrode, 0 The battery was discharged to 1.5 V with respect to the lithium counter electrode at a current density of .33 mA / cm 2 . Subsequently, the second and third times were charged at 10 mV and 0.005 Ccut by cc-cv charging at the same current density, and the discharge was discharged to 1.5 V at 0.04 C at all times. The sum of the difference between the charge capacity and the discharge capacity for a total of three cycles was calculated as an irreversible capacity. Further, the discharge capacity at the third cycle was defined as the discharge capacity of the material, the discharge capacity at the third cycle / (the discharge capacity at the third cycle + the sum of the difference between the charge capacity and the discharge capacity at the third cycle).
(11)高温耐久試験時のセル膨れ量の測定方法
後述の方法で作製したラミネート型電池を、12時間放置した後、電流密度0.2CmA/cm3で、両電極間の電位差が4.1Vになるまで充電を行い、その後3Vになるまで0.2CmA/cm3で放電を行った。これを2回繰り返し、更に同電流値で、両電極間の電位差が4.2Vになるまで充電を実施した。ここまでに発生する膨れ量a(mL)は、浸漬容積法(アルキメデスの原理に基づく溶媒置換法)により計測した。その後、85℃の恒温槽内に24時間日間放置して、更に膨れる量b(mL)を求め、「a+b(mL)」を「高温耐久試験時のセル膨れ量」とした。表3の結果は、ラミネート型電池2個
について、それぞれ測定し平均値を求めることで得た。
(11) Method for measuring cell swell amount during high-temperature endurance test After a laminate-type battery produced by the method described below is left for 12 hours, the potential difference between both electrodes is 4.1 V at a current density of 0.2 CmA / cm3. Then, the battery was charged, and then discharged at 0.2 CmA / cm3 until 3V was reached. This was repeated twice, and further charging was carried out with the same current value until the potential difference between both electrodes reached 4.2V. The amount of swelling a (mL) generated so far was measured by the immersion volume method (solvent replacement method based on Archimedes' principle). Then, it was left in an 85 ° C. constant temperature bath for 24 hours, and the amount b (mL) of further swelling was obtained, and “a + b (mL)” was defined as “cell swelling amount during a high temperature durability test”. The results in Table 3 were obtained by measuring each of the two laminated batteries and calculating the average value.
(12)サイクル維持率の測定方法
後述の方法で作製したラミネート型電池を、0.8Cで4.2Vまで充電、0.5Cで3・0Vまでの放電を繰り返し、1サイクル目の放電容量に対する200サイクル目の放電容量の比×100をサイクル維持率(%)とした。(電極シートの作製)
本発明の炭素材料を負極材料として用い、活物質層密度1.70±0.03g/cm3の活物質層を有する極板を作製した。具体的には、負極材料20.00±0.02gに、1質量%カルボキシメチルセルロースナトリウム塩水溶液を20.00±0.02g(固形分換算で0.200g)、及び重量平均分子量27万のスチレン・ブタジエンゴム水性ディスパージョン0.50±0.05g(固形分換算で0.2g)を、キーエンス製ハイブリッドミキサーで5分間撹拌し、30秒脱泡してスラリーを得た。
このスラリーを、集電体である厚さ18μmの銅箔上に、負極材料が14.5±0.3mg/cm2付着するように、ドクターブレードを用いて幅5cmに塗布し、室温で風乾を行った。更に110℃で30分乾燥後、直径20cmのローラを用いてロールプレスして、活物質層の密度が1.70±0.03g/cm3になるよう調整し電極シートを得た。
(12) Measuring method of cycle retention rate A laminate type battery manufactured by the method described later is repeatedly charged to 4.2 V at 0.8 C and discharged to 3.0 V at 0.5 C, with respect to the discharge capacity at the first cycle. The ratio of discharge capacity at the 200th cycle × 100 was defined as the cycle retention rate (%). (Production of electrode sheet)
Using the carbon material of the present invention as the negative electrode material, an electrode plate having an active material layer with an active material layer density of 1.70 ± 0.03 g / cm 3 was produced. Specifically, 20.00 ± 0.02 g of a negative electrode material, 20.00 ± 0.02 g of a 1% by mass aqueous solution of carboxymethylcellulose sodium salt (0.200 g in terms of solid content), and styrene having a weight average molecular weight of 270,000 -Aqueous dispersion of butadiene rubber 0.50 ± 0.05 g (0.2 g in terms of solid content) was stirred for 5 minutes with a hybrid mixer manufactured by Keyence, and defoamed for 30 seconds to obtain a slurry.
This slurry was applied to a width of 5 cm using a doctor blade so that the negative electrode material was 14.5 ± 0.3 mg / cm 2 on a 18 μm-thick copper foil as a current collector, and air-dried at room temperature. Went. Further, after drying at 110 ° C. for 30 minutes, roll pressing was performed using a roller having a diameter of 20 cm to adjust the density of the active material layer to 1.70 ± 0.03 g / cm 3 to obtain an electrode sheet.
(非水系二次電池(2016コイン型電池)の作製)
上記方法で作製した電極シートを直径12.5mmの円盤状に打ち抜き、リチウム金属箔を直径14mmの円板状に打ち抜き対極とした。両極の間には、A:エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(容量比=3:7)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させた電解液、B:エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(容量比=2:4:4)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させた電解液、C:エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(容量比=1:5:4)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させた電解液(表中ではそれぞれ電解液A、B、Cと表す)を含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、A〜Cの電解液を使用した2016コイン型電池をそれぞれ作製した。
(Preparation of non-aqueous secondary battery (2016 coin type battery))
The electrode sheet produced by the above method was punched into a disk shape with a diameter of 12.5 mm, and a lithium metal foil was punched into a disk shape with a diameter of 14 mm as a counter electrode. Between the two electrodes, A: an electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (volume ratio = 3: 7) so as to be 1 mol / L, B: ethylene carbonate and propylene carbonate Electrolyte solution in which LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of 1 and diethyl carbonate (volume ratio = 2: 4: 4) to a concentration of 1 mol / L, C: mixed solvent of ethylene carbonate, propylene carbonate and diethyl carbonate (volume ratio) = 1: 5: 4) separator (made of a porous polyethylene film) impregnated with an electrolytic solution (represented as electrolytic solutions A, B, and C in the table, respectively) in which LiPF 6 was dissolved to 1 mol / L ) And 2016 coin type batteries using the electrolytes A to C were produced.
(非水系二次電池(ラミネート型電池)の作製方法)
上記方法で作製した負極シートを4cm×3cmの正方形に切り出し負極とし、LiCoO2からなる正極を同面積で切り出し、組み合わせた。負極と正極の間には、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートの混合溶媒(容量比=20:20:60)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させ、更に添加剤としてビニレンカーボネートを2容積%添加した電解液を含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、ラミネート型電池を作製した。
(Production method of non-aqueous secondary battery (laminated battery))
The negative electrode sheet produced by the above method was cut into a square of 4 cm × 3 cm to form a negative electrode, and a positive electrode made of LiCoO 2 was cut out with the same area and combined. Between the negative electrode and the positive electrode, LiPF6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, and dimethyl carbonate (volume ratio = 20: 20: 60) to 1 mol / L, and vinylene carbonate was further added as an additive. A separator (made of a porous polyethylene film) impregnated with 2% by volume of an electrolytic solution was placed and a laminate type battery was produced.
(原料の種類)
(1)黒鉛粒子(A)
本実施例では、黒鉛粒子(A)として以下の天然黒鉛の材料を使用する。
黒鉛粒子(a):前記測定法で測定した、粒径d50、タップ密度、比表面積、d002、Lc(004)、ラマンR値、O/Cがそれぞれ11.6μm、0.66g/cm3、8.6m2/g、0.3356nm、>100nm、0.20、2.3%である球状天然黒鉛粒子
黒鉛粒子(b):前記測定法で測定した、粒径d50、タップ密度、比表面積、d002、Lc(004)、ラマンR値、O/Cがそれぞれ16.4μm、1.02g/cm3、6.7m2/g、0.3355nm、>100nm、0.26、3.0%である球状天然黒鉛
(2)黒鉛化可能なバインダー(B)
本実施例では、黒鉛化可能なバインダー(B)として以下のバインダーピッチの材料を使用する。
(Type of raw material)
(1) Graphite particles (A)
In this example, the following natural graphite materials are used as the graphite particles (A).
Graphite particles (a): Particle size d50, tap density, specific surface area, d002, Lc (004), Raman R value, O / C measured by the above measurement method are 11.6 μm, 0.66 g / cm 3 , respectively. Spherical natural graphite particles of 8.6 m 2 / g, 0.3356 nm,> 100 nm, 0.20, 2.3% Graphite particles (b): particle size d50, tap density, specific surface area measured by the above measurement method , D002, Lc (004), Raman R value, O / C are 16.4 μm, 1.02 g / cm 3 , 6.7 m 2 / g, 0.3355 nm,> 100 nm, 0.26, 3.0%, respectively. Spherical natural graphite (2) Graphitizable binder (B)
In this example, the following binder pitch material is used as the graphitizable binder (B).
バインダーピッチ(a):黒鉛化後、粉砕処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.3360nm、Lc(004)が67nm、残炭率が50%、キノリン不溶分が10%、トルエン不溶分が30%、H/Cが0.041、軟化点が80℃であるバインダーピッチ。
バインダーピッチ(b):黒鉛化後、粉砕処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.3356nm、Lc(004)が>100nm(参考値550nm)、残炭率が50%、キノリン不溶分≦0.5%、トルエン不溶分が16%、H/Cが0.044、軟化点80℃であるバインダーピッチ。
Binder pitch (a): Carbon powder obtained by graphitization and then pulverized by X-ray wide angle diffraction method has a 002 plane spacing (d002) of 0.3360 nm, Lc (004) of 67 nm, and a residual carbon ratio of Binder pitch with 50%, quinoline insoluble content 10%, toluene insoluble content 30%, H / C 0.041, softening point 80 ° C.
Binder Pitch (b): Carbon powder obtained by graphitization and then pulverized by X-ray wide angle diffraction method has a 002 plane spacing (d002) of 0.3356 nm and Lc (004)> 100 nm (reference value 550 nm). ), Binder pitch with a residual carbon ratio of 50%, quinoline insoluble content ≦ 0.5%, toluene insoluble content 16%, H / C 0.044, softening point 80 ° C.
実施例1
黒鉛粒子(a)とバインダーピッチ(a)とを、1 0 0 : 3 0 の質量比にて添加し、ニーダーに投入して20分間混合した。この混合物を、成型機を用いて成型体として、電気炉で室温から1000 ℃ まで昇温し、さらに1000℃で保持することにより脱VM焼成を行った。その後、この焼成体を3000℃で加熱して黒鉛化した。得られた黒鉛質成形体を粗砕、微粉砕処理し、黒鉛質複合粒子サンプルを得た。このサンプルについて、前記測定法で粒径d50、タップ密度、比表面積、d002、Lc(004)、ラマンR値、O/Cを測定した。結果を表2に示す。なお、得られた黒鉛質複合粒子は、15%の黒鉛質物で被覆されていることが確認された。また、前記測定法に従い、不可逆容量、放電容量、初期効率、高温耐久試験時のセル膨れ量、サイクル維持率を測定した。結果を表3に示す。
Example 1
The graphite particles (a) and the binder pitch (a) were added at a mass ratio of 10 0: 30 and put into a kneader and mixed for 20 minutes. This mixture was molded as a molded body using a molding machine, heated from room temperature to 1000 ° C. in an electric furnace, and further held at 1000 ° C. to perform de-VM firing. Then, this fired body was graphitized by heating at 3000 ° C. The obtained graphite compact was roughly crushed and pulverized to obtain a graphite composite particle sample. With respect to this sample, the particle size d50, tap density, specific surface area, d002, Lc (004), Raman R value, and O / C were measured by the above measurement method. The results are shown in Table 2. It was confirmed that the obtained graphite composite particles were covered with 15% graphite. Moreover, according to the said measuring method, the irreversible capacity | capacitance, discharge capacity, initial efficiency, the amount of cell swelling at the time of a high temperature endurance test, and the cycle maintenance factor were measured. The results are shown in Table 3.
比較例1
バインダーピッチ(a)からバインダーピッチ(b)に変えた以外は、実施例1と同様に行い黒鉛質複合粒子サンプルを得た。なお、得られた黒鉛質複合粒子は、15%の黒鉛質物で被覆されていることが確認された。これについて、実施例1と同様の方法で物性、及び電池特性の測定を行った。結果を表2、表3に示す。
Comparative Example 1
A graphite composite particle sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the binder pitch (a) was changed to the binder pitch (b). It was confirmed that the obtained graphite composite particles were covered with 15% graphite. About this, the physical property and the battery characteristic were measured by the same method as Example 1. The results are shown in Tables 2 and 3.
実施例2
黒鉛粒子(a)から黒鉛粒子(b)に変えた以外は、実施例1と同様に行い黒鉛質複合粒子サンプルを得た。なお、得られた黒鉛質複合粒子は、15%の黒鉛質物で被覆されていることが確認された。これについて、実施例1と同様の方法で物性、及び電池特性の測定を行った。結果を表2、表3に示す。
Example 2
A graphite composite particle sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the graphite particles (a) were changed to the graphite particles (b). It was confirmed that the obtained graphite composite particles were covered with 15% graphite. About this, the physical property and the battery characteristic were measured by the same method as Example 1. The results are shown in Tables 2 and 3.
比較例2
バインダーピッチ(a)からバインダーピッチ(b)に変えた以外は、実施例2と同様に行い黒鉛質複合粒子サンプルを得た。なお、得られた黒鉛質複合粒子は、15%の黒鉛質物で被覆されていることが確認された。これについて、実施例1と同様の方法で物性、及び電池特性の測定を行った。結果を表2、表3に示す。
Comparative Example 2
A graphite composite particle sample was obtained in the same manner as in Example 2 except that the binder pitch (a) was changed to the binder pitch (b). It was confirmed that the obtained graphite composite particles were covered with 15% graphite. About this, the physical property and the battery characteristic were measured by the same method as Example 1. The results are shown in Tables 2 and 3.
実施例3
黒鉛粒子(b)とバインダーピッチ(b)を100:20の質量比にて添加し、ニーダーにて混合した後、さらにこの混合物をバインダーピッチ(a)と120:10の質量比で混合し、ニーダーにて混合した以外は、実施例1と同様に行い黒鉛質複合粒子サンプルを得た。なお、得られた黒鉛質複合粒子は、15%の黒鉛質物で被覆されていることが確認された。これについて、実施例1と同様の方法で物性、及び電池特性の測定を行った。結果を表2、表3に示す。
Example 3
After adding graphite particles (b) and binder pitch (b) at a mass ratio of 100: 20 and mixing with a kneader, this mixture is further mixed with binder pitch (a) at a mass ratio of 120: 10, A graphite composite particle sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that mixing was performed using a kneader. It was confirmed that the obtained graphite composite particles were covered with 15% graphite. About this, the physical property and the battery characteristic were measured by the same method as Example 1. The results are shown in Tables 2 and 3.
上記実施例、比較例に記載の原料の種類、混合割合及び電極密度を表1に纏めた。 Table 1 summarizes the types, mixing ratios, and electrode densities of the raw materials described in the above Examples and Comparative Examples.
実施例1から実施例3はそれぞれ、上記のように特定の物性を有する黒鉛化可能なバインダーを用いることにより、特定の物性を有しない黒鉛化可能なバインダーを用いた比較例1及び比較例2に比べて高温耐久試験時のセル膨れ量が低減した。さらに、実施例1では特定の物性を有する黒鉛化可能なバインダーを用いた事により、比較例1に比べてサイクル維持率の向上効果も顕著に見られた。 In each of Examples 1 to 3, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 using a graphitizable binder having no specific physical properties by using a graphitizable binder having specific physical properties as described above. Compared with, the amount of cell swelling during the high temperature durability test was reduced. Further, in Example 1, the use of a graphitizable binder having specific physical properties resulted in a remarkable improvement in cycle retention compared to Comparative Example 1.
本発明の複合黒鉛粒子は、非水系二次電池用の炭素材料として用いることにより、高容量、且つ充放電負荷特性の良好な非水系二次電池用負極材を提供することができる。また、当該材料の製造方法によれば、その工程数が少ない故、安定して効率的且つ安価に製造することができる。 By using the composite graphite particles of the present invention as a carbon material for a non-aqueous secondary battery, it is possible to provide a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery with high capacity and good charge / discharge load characteristics. Moreover, according to the manufacturing method of the said material, since there are few processes, it can manufacture stably and efficiently and cheaply.
Claims (4)
条件(1):黒鉛化可能なバインダー(B)を黒鉛化処理して得られた炭素粉末のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.3357nm以上0.34nm以下、且つLc(004)が10nm以上500nm以下である。 A method for producing composite graphite particles (C) for a non-aqueous secondary battery in which graphite particles (A) and a graphitizable binder (B) are mixed and graphitized, wherein the graphitizable binder (B) The manufacturing method of the composite graphite particle (C) for non-aqueous secondary batteries characterized by satisfying the following condition (1).
Condition (1): The plane distance (d002) of the 002 plane by the X-ray wide angle diffraction method of the carbon powder obtained by graphitizing the graphitizable binder (B) is 0.3357 nm or more and 0.34 nm or less, and Lc (004) is 10 nm or more and 500 nm or less.
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