JP6062849B2 - 非水電解質二次電池負極用炭素質材料 - Google Patents
非水電解質二次電池負極用炭素質材料 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6062849B2 JP6062849B2 JP2013503642A JP2013503642A JP6062849B2 JP 6062849 B2 JP6062849 B2 JP 6062849B2 JP 2013503642 A JP2013503642 A JP 2013503642A JP 2013503642 A JP2013503642 A JP 2013503642A JP 6062849 B2 JP6062849 B2 JP 6062849B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbonaceous material
- secondary battery
- negative electrode
- electrolyte secondary
- carbonaceous
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
- H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
- C01B32/33—Preparation characterised by the starting materials from distillation residues of coal or petroleum; from petroleum acid sludge
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/312—Preparation
- C01B32/336—Preparation characterised by gaseous activating agents
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
- H01M2004/8684—Negative electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
現在、リチウムイオン二次電池の負極材には炭素材料が利用されており、主に黒鉛、黒鉛構造の発達した易黒鉛化性炭素質材料、又は難黒鉛化性炭素質材料が用いられている。黒鉛には理論容量(372Ah/kg)が存在するため、エネルギー密度を向上させるには、電極密度の増加あるいは充放電効率の更なる改善が必要である。更に、自動車用途においては、長期使用に対応するため10年以上の寿命性能の実現が求められており、黒鉛又は黒鉛構造の発達した易黒鉛化炭素質材料は、リチウムのドープ、脱ドープの繰り返しにより黒鉛結晶の破壊が起きやすいため、このような炭素質材料を用いて構成した二次電池は、充放電の繰り返し性能が劣り、自動車用途には適していない。
これに対し、難黒鉛化性炭素質材料はリチウムのドープ、脱ドープ反応による粒子の膨張収縮が小さく、高いサイクル耐久性を有するため自動車用途での使用に好適である。従って、自動車用途のリチウムイオン二次電池においては、難黒鉛化性炭素質材料を用いて更なる高エネルギー密度化が期待されている。
まず、本発明者は、難黒鉛化性炭素質材料の製造において、仮焼成した炭素源をボールミル又はロッドミルにより粉砕し、難黒鉛化性炭素質材料を得た。しかしながら、この難黒鉛化性炭素質材料を負極として使用したリチウムイオン二次電池においては、ボールミル又はロッドミルを用いて得られた難黒鉛化性炭素質材料に、粒径の大きな粒子が混入しているために、リチウムイオン二次電池の負極を薄くしようとすると、粒径の大きな粒子により負極の平滑性が失われ、負極の製造の障害となることがあった。このような粒径の大きな粒子を減少させるためには、ボールミル又はロッドミルによる破砕を長時間行えばよい。しかしながら粉砕を長時間行った場合、粒径の小さな微粉が増加する。このような微粉を多く含む難黒鉛化性炭素質材料を負極として用いたリチウムイオン二次電池は、不可逆容量が大きくなり、電池としての性能が低下する。
本発明者は、電池性能を向上させるため、鋭意研究を重ねた結果、炭素源の粉砕に用いるボールミル又はロッドミルに代えて、高圧の空気等で粉砕するジェットミルを用いることにより、粒径の大きな粒子を含まず、且つ微粉も含まない難黒鉛化性炭素質材料を得ることができることを見出した。すなわち、ジェットミルを用いることにより、シャープな粒子径分布の範囲を有する難黒鉛化性炭素質材料を得ることができることを見出した。更に、ジェットミルを用いることにより、難黒鉛化性炭素質材料の粒子の円形度を向上させることが可能であることを見出した。すなわち、円形度が向上することにより、難黒鉛化性炭素質材料の負極への充填量が増加し、充放電容量を増加させることが可能になった。
しかしながら、ジェットミルを用いて得られた難黒鉛化性炭素質材料を負極として使用したリチウムイオン二次電池は、しばしば放電量が小さく、不可逆容量が大きくなり、優れた電池性能が得られないことがあった。本発明者は、この原因について解析を行い、ジェットミルを用い炭素質前駆体の粉砕を行った場合、ジェットミル粉砕機の内壁の金属が剥離し、得られた難黒鉛化性炭素質材料に、金属片が混入することがあることを見出した。
本発明者は、更に金属片の混入を防ぐために、鋭意研究を重ねた結果、仮焼成の温度を610℃以下に調整し、難黒鉛化性炭素質材料の炭素質前駆体の硬度を低下させることによって、得られた難黒鉛化性炭素質材料への金属片の混入が防止できることを見出した。これは、高温で仮焼成を行った場合、難黒鉛化性炭素質材料の炭素質前駆体の硬度が高くなるため、粉砕が激しくなり、ジェットミルの内壁の金属が剥離するためであった。そのため、低温で仮焼成を行うことにより、炭素質前駆体の硬度を低下させることが可能であり、ジェットミル粉砕機の内壁の金属の剥離を防止でき、ジェットミル粉砕機の負荷を低減させることも可能になった。
従来、リチウムイオン二次電池の負極用難黒鉛化性炭素質材料の製造において、ジェットミルは用いられておらず、またジェットミルを用いることより、炭素質材料の粒子径分布がシャープになること、及び円形度が向上することは、知られていなかった。また、炭素源の粉砕にジェットミルを用いることによって、金属片の混入が生じるという問題点は、全く認識されていなかった。本発明者らは、電池性能を向上させ、金属片の混入の課題を解決するために、鋭意研究した結果、仮焼成の温度を610℃以下で行い、得られた難黒鉛化性炭素質材料の炭素質前駆体を、ジェットミルを用い粉砕し、更に、その粉砕炭素質前駆体を本焼成することにより、高い充放電容量を有し、充放電効率が高く、充放電サイクル特性の優れた非水電解質二次電池負極用炭素質材料を得ることができることを見出したものである。
本発明は、こうした知見に基づくものである。
本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の好ましい態様においては、円形度が0.925以上である。
本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の好ましい態様においては、前記炭素質材料の炭素源が、石油系ピッチ又は石炭系ピッチである。
また、本発明は、(1)炭素源を、610℃以下で仮焼成し、炭素質前駆体を得る仮焼成工程、(2)前記炭素質前駆体をジェットミルで粉砕し、粉砕炭素質前駆体を得る粉砕工程、及び(3)前記炭素質前駆体細粒子を800℃以上で、本焼成し炭素質材料を得る本焼成工程、を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法に関する。
本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法の好ましい態様においては、前記炭素源が石油ピッチ又は石炭ピッチであり、酸化ガス雰囲気中で50〜400℃で酸化する工程を、前記仮焼成工程の前に更に含む。
本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料は、X線回折法により測定した(002)面の平均層面間隔が0.365−0.40nmであり、空気雰囲気中での示差熱分析で620℃以下に発熱ピークを有さず、BET比表面積が1〜7m2/gであり、平均粒子径D50が5〜25μmであり、そして(D90−D10)/D50が、1.05以下であることを特徴とする。
黒鉛、又は黒鉛構造の発達した易黒鉛化炭素質材料は、緻密な黒鉛の結晶構造を有しており、例えばリチウムイオン2次電池においては、リチウムのドープ、脱ドープの繰り返しにより、黒鉛層間は10%程度膨張するため黒鉛の結晶構造の破壊が起こりやすい。一方、難黒鉛化性炭素質材料は、黒鉛の結晶構造がそれほど発達していないため、結晶の乱れた微細な空隙にリチウムを格納することができる。このため、充放電による粒子の膨張収縮が小さく、充放電を繰り返すことによる粒子の構造破壊、電極内部における粒子間接触抵抗の増加、あるいは電極板の変形がほとんどない。従って、難黒鉛化性炭素質材料を負極として用いた場合の、リチウムのドープ、脱ドープ反応による耐久性に優れている。換言すると、難黒鉛化性炭素質材料は、黒鉛又は易黒鉛化炭素質材料と比較すると、充放電時の膨張収縮が小さく繰り返し性能(いわゆる、耐久性)において優れている。
前記金属片(例えば、Fe)の混入は、ジェットミルの内壁のステンレス鋼からの混入によるものと考えられ、後述の難黒鉛性炭素質材料の製造においては、仮焼成の温度を610℃以下にすることによって、解決することができる。
BET比表面積が、7m2/gを超えると、非水電解質二次電池の負極として用いた場合に、電解液との分解反応が増加し、不可逆容量の増加に繋がり、従って電池性能が低下する。一方、BET比表面積が1m2/g未満であると、非水電解質二次電池の負極として用いた場合に、電解液との反応面積が低下することにより入出力特性が低下する可能性がある。
微粉を多く含む炭素質材料を非水電解質二次電池の負極として用いると、不可逆容量が増加し、充放電効率が低下する。また、粒径の大きな粒子を多く含む炭素質材料を非水電解質二次電池の負極として用いると、負極の平滑性が失われ、負極を薄くすることが困難になる。非水電解質二次電池の負極を薄くすることにより、抵抗を小さくすることができ、その結果急速充電可能で、且つレート特性が高い非水電解質二次電池を作ることができる。
円形度は、二次元平面に投影された粒子像から算出することができる。粒子を含む懸濁液が測定装置に吸引され、試料流が形成される。その試料流にストロボ光を照射することにより、セルを通過中の粒子は対物レンズを通じてCCDカメラで静止画像として撮影される。撮影された粒子は、画像解析され、円形度が求められる。粒子円形度とは、粒子投影像と同じ投影面積を持つ相当円の周囲長を、粒子投影像の周囲長で割った値をいう。例えば、粒子円形度は、正六角形では0.952、正五角形では0.930、正四角形では0.886、正三角形では0.777となる。不定形粒子の円形度を求める場合、市販の粒子像分析装置を使用する限り、装置の違いによって、粒子円形度の値に実質的な差が生じることはないと考えられる。フロー式粒子像分析装置として、例えばSysmex製フロー式粒子像分析装置FPIA−3000を用いることができる。
本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法は、(1)炭素源を、610℃以下で仮焼成し、炭素質前駆体を得る仮焼成工程、(2)前記炭素質前駆体をジェットミルで粉砕し、粉砕炭素質前駆体を得る粉砕工程、及び(3)前記炭素質前駆体細粒子を800℃以上で、本焼成し炭素質材料を得る本焼成工程、を含む。
本発明の製造方法は、難黒鉛化性炭素材料を得るための製造方法であり、例えば炭素源として、石油ピッチ又は石炭ピッチを用いる場合、前記仮焼成工程(1)の前に、石油ピッチ又は石炭ピッチを、50〜400℃、好ましくは120〜300℃で酸化する工程を含む。なお、アルデヒド樹脂、セルロース、ヤシガラチャー、木炭、又は熱硬化性樹脂を炭素源として用いる場合は、酸化工程は必須の工程ではない。
前記石油系ピッチ、又は石炭系ピッチの酸化工程は、石油系ピッチ、又は石炭系ピッチなどの多孔性ピッチが架橋されるものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、酸化剤を用いて行うことができる。酸化剤も特に限定されるものではないが、気体としては、O2、O3、若しくはNO2を、空気若しくは窒素等で希釈したガス、又はそれらの混合ガス、あるいは空気等の酸化性気体を用いることができる。また、液体としては、硫酸、硝酸、若しくは過酸化水素等の酸化性液体、又はそれらの混合物を用いることができる。
酸化温度も、特に限定されるものではないが、例えば50〜400℃であり、好ましくは100〜400℃であり、より好ましくは、120〜300℃又は150〜350℃であり、更に好ましくは150〜300℃であり、最も好ましくは200〜300℃である。
本発明の製造方法における仮焼成工程は、炭素源を610℃以下で焼成することによって行い、炭素質前駆体を得ることができる。仮焼成は、揮発分、例えばCO2、CO、CH4、及びH2などと、タール分とを除去し、本焼成において、それらの発生を軽減し、焼成器の負担を軽減することができる。
炭素源の仮焼成の温度は、610℃以下であり、好ましくは600℃以下であり、より好ましくは、595℃以下であり、更に好ましくは590℃以下であり、最も好ましくは585℃以下である。仮焼成温度の下限は、特に限定されるものではないが、350℃以上であり、好ましくは400℃以上である。仮焼成は、610℃以下で行うことを除けば、通常の仮焼成の手順にしたがって行うことができる。具体的には、仮焼成は、不活性ガス雰囲気中で行い、不活性ガスとしては、窒素、又はアルゴンなどを挙げることができる。また、仮焼成は、減圧下で行うこともでき、例えば、10KPa以下で行うことができる。仮焼成の時間も特に限定されるものではないが、例えば0.5〜10時間で行うことができ、1〜5時間がより好ましい。
本発明の製造方法においては、炭素源を610℃以下で仮焼成することによって、得られた炭素質前駆体の硬度を低下させることができ、ジェットミルを用いる粉砕工程において、ジェットミルの内壁から剥離する金属片のコンタミネーションを防ぐことができる。すなわち、炭素源が610℃を超える温度で仮焼成されると、炭素質前駆体の硬度が高くなりすぎるために、粉砕時に炭素質前駆体によってジェットミルの内壁の金属が剥離し、得られた難黒鉛化性炭素質材料に、金属片が混入する。難黒鉛化性炭素質材料への、金属片の混入は、難黒鉛化性炭素質材料を用いた非水電解質二次電池において、放電量の低下、及び不可逆容量の増加を起こし、充放電効率が低下する。
粉砕工程は、非水電解質二次電池負極用炭素質材料の粒径を、均一にするために行い、本発明の製造方法においては、ジェットミルを用いる。ジェットミルの粉砕圧は、特に限定されるものではないが、例えば3.0〜3.5kgf/cm2で行うことができる。粉砕時間も、仕込み量やローターの回転数などに応じて適宜決定することができ、特に限定されるものはないが、例えば30分〜2時間程度で行うことができる。
また、用いるジェットミルは、分級機を備えたものが好ましい。分級により、特に細かい微粉を取り除き、(D90−D10)/D50をシャープにすることができるからである。
更に、本発明の破砕工程において、ジェットミルを用いることによって、炭素質材料はエッジレスとなり、角が丸みを帯び、円形度が上昇する。ジェットミルを用いた場合と比較すると、ボールミル、ハンマーミル、ロッドミル、アトマイザーミルなどの機械的に粉砕する方法を用いた場合は、エッジができやすく、円形度が低くなる。円形度の高い炭素質材料は、非水電解質二次電池の負極とした用いた場合、充填量を増加させることが可能であり、単位体積あたりの充放電容量を改善させることが可能である。
本発明の製造方法における本焼成工程は、通常の本焼成の手順にしたがって行うことができ、本焼成を行うことにより、非水電解質二次電池負極用炭素質材料を得ることができる。
具体的な粉砕炭素質前駆体の本焼成の温度は、800〜1400℃であり、好ましくは900〜1350℃であり、より好ましくは1000〜1350℃である。本焼成は、不活性ガス雰囲気中で行い、不活性ガスとしては、窒素又はアルゴンなどを挙げることができ、更にはハロゲンガスを含有する不活性ガス中で本焼成を行うことも可能である。また、本焼成は、減圧下で行うこともでき、例えば、10KPa以下で行うことも可能である。本焼成の時間も特に限定されるものではないが、例えば0.1〜10時間で行うことができ、0.3〜8時間が好ましく、0.4〜6時間がより好ましい。
本発明の炭素質材料は、石油系又は石炭系ピッチを用いる場合、多孔性のピッチ成形体を調整し、その多孔性ピッチ成形体を前記酸化工程に用いる。多孔性ピッチ成形体の調整方法は、特に限定されるものではないが、例えば以下の手順により、調製することができる。すなわち、石油系又は石炭系のタールもしくはピッチに対し、添加剤として沸点200℃以上の2乃至3環の芳香族化合物又はその混合物を加えて加熱して溶融混合した後、成形しピッチ成形体を得る。次にピッチに対し低溶解度を有し、且つ添加剤に対して高溶解度を有する溶剤で、ピッチ成形体から添加剤を抽出除去して多孔性ピッチを得る。
前記のようにして得られた炭素質材料は、非水電解質二次電池の負極として用いることができる。以下に、非水電解質二次電池の製造方法の一例を記載する。
得られた炭素質材料は、そのまま、又は例えば1〜10重量%のアセチレンブラックや導電性カーボンブラック等の導電助剤と共に用いられる。結合剤(バインダー)及び適当な溶媒を適量添加し、混練することによって、電極合剤ペーストとする。その後、例えば、円形あるいは矩形の金属板等からなる導電性の集電材に塗布・乾燥後、加圧成形する。厚さが10〜200μmの層を形成し、負極として電極製造に用いられる。結合剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、及びSBR等、電解液と反応しないものであれば特に限定されない。ポリフッ化ビニリデンの場合、N−メチルピロリドン(NMP)などの極性溶媒が好ましく用いられるが、SBRなどの水性エマルジョンを用いることも出来る。結合剤の好ましい添加量は、本発明の炭素質材料100重量部に対して、0.5〜10重量部である。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の抵抗が大きくなるため、電池の内部抵抗が大きくなり電池特性を低下させるので好ましくない。また、結合剤の添加量が少なすぎると、負極材料粒子相互及び集電材との結合が不十分となり好ましくない。
なお、以下に本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の物性値の測定法を記載するが、実施例を含めて、本明細書中に記載する物性値は、以下の方法により求めた値に基づくものである。
「炭素材料のd 002 」:炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、Niフィルターにより単色化したCuKα線を線源とし、X線回折図形を得る。回折図形のピーク位置は重心法(回折線の重心位置を求め、これに対応する2θ値でピーク位置を求める方法)により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正する。CuKα線の波長を0.15428nmとし、Braggの公式によりd002を計算する。
d002=λ/(2sinθ)
「窒素吸着による比表面積」:B.E.T.の式から誘導された近似式Vm=1/(v(1−x))を用いて、液体窒素温度における窒素吸着による1点法(相対圧力x=0.3)によりVmを求め、次式から試料の比表面積を計算した。
比表面積=4.35×Vm(m2/g)
ここで、Vmは試料表面に単分子層を形成するのに必要な吸着量(cm3/g)、vは実測される吸着量(cm3/g)、xは相対圧力である。具体的には、MICROMERITICS社製「Flow Sorb II2300」を用いて、以下のようにして液体窒素温度における炭素質物質への窒素の吸着量を測定した。
炭素材料を試料管に充填し、窒素ガスを30mol%濃度で含有するヘリウムガスを流しながら、試料管を−196℃に冷却し、炭素質材料に窒素を吸着させる。次に、試験管を室温に戻すことで試料から脱離する窒素量を熱伝導度型検出器で測定し、吸着ガス量vとした。
島津製作所社製DTG−50を使用し、乾燥空気気流下で示差熱分析を行った。分析条件は、試料2mg、100mL/minの空気気流下、昇温速度10℃/minである。示差熱曲線から発熱ピーク温度を読み取った。
試料に分散剤(界面活性剤SNウェット366(サンノプコ社製))を加え馴染ませる。次に純水を加えて、超音波により分散させた後、粒径分布測定器(島津製作所社製「SALD−3000S」)で、粒径0.5〜3000μmの範囲の粒径分布を求めた。
累積(積算)容積粒子径D90(μm)、D50(μm)、及びD10(μm):粒径分布から、累積容積が、それぞれ90%、50%及び10%となる粒径をもって、累積(積算)容積粒子径D90、D50、及びD10とした。
炭素源である石油系ピッチの軟化点は、以下の方法によって測定した。島津製作所製高化式フローテスターを用い、250μm以下に粉砕された試料1gを直径1mmのノズルを底部に有する断面積1cm2のシリンダーに充填し、9.8N/cm2(10Kg/cm2)の加重を加えながら6℃/minの速度で昇温した。温度の上昇に伴い粉体粒子が軟化し、充填率が向上し、試料粉体の体積は減少するが、ある温度以上では体積の減少は停止した。更に昇温を続けると、シリンダー下部のノズルより試料が溶融して流出した。この時の試料粉体の体積減少が停止する温度をその試料の軟化点と定義した。
円形度は、フロー式粒子像分析装置(FPIA−3000:Sysmex社製)を用いた。粒子を含む懸濁液を測定装置に吸引し、形成された試料流にストロボ光を照射することにより、セルを通過中の粒子は対物レンズを通じてCCDカメラで静止画像として撮影した。撮影された粒子は、画像解析され、円形度を求めた。なお、粒子円形度は、粒子投影像と同じ投影面積を持つ相当円の周囲長を、粒子投影像の周囲長で割った値である。
軟化点205℃、H/C原子比0.65の石油系ピッチ70kgと、ナフタレン30kgとを、撹拌翼及び出口ノズルのついた内容積300リットルの耐圧容器に仕込み、190℃で加熱溶融混合を行った後、80〜90℃に冷却し、耐圧容器内を窒素ガスにより加圧して、内容物を出口ノズルから押し出し、直径約500μmの紐状成型体を得た。ついで、この紐状成型体を直径(D)と長さ(L)の比(L/D)が約1.5になるように粉砕し、得られた粉砕物を93℃に加熱した0.53質量%のポリビニルアルコール(ケン化度88%)を溶解した水溶液中に投入し、攪拌分散し、冷却して球状ピッチ成型体スラリーを得た。大部分の水をろ過により取り除いた後に、球状ピッチ成型体の約6倍量の重量のn−ヘキサンでピッチ成型体中のナフタレンを抽出除去した。このようにして得た多孔性球状ピッチを、流動床を用いて、加熱空気を通じながら、270℃まで昇温し、270℃で1時間保持して酸化し、熱に対して不融性の多孔性球状酸化ピッチを得た。
次に、酸化ピッチ100gを内径50mm、高さ900mmの縦型管状炉に入れて、装置下部から常圧の窒素ガスを5NL/minの流量で流しながら550℃まで昇温し、550℃で1時間保持して仮焼成を実施し、炭素質前駆体を得た。得られた炭素質前駆体70gをジェットミル(ホソカワミクロン社AIR JET MILL;MODEL 100AFG)により、粉砕圧3.0kgf/cm2、ローターの回転数6800rpmで、1時間粉砕し、平均粒子径が約10μmの粉砕炭素質前駆体とした。なお、使用したジェットミルは、分級機を備えたものである。次に、粉砕炭素質前駆体10gを直径100mmの横型管状炉に入れ、250℃/hの昇温速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持して、本焼成を行い、炭素質材料1を調製した。なお、本焼成は、流量10L/minの窒素雰囲気下で行った。
得られた炭素質材料1の粒子径分布を図1に示す。後述の比較例3の振動ボールミルにより粉砕を行った比較炭素質材料3と比較すると、ジェットミルにより炭素質前駆体の粉砕を行った場合、0.4μm程度の微粉の発生が、抑えられている。また、粒子径分布が狭く、D50の3倍である27.6μmを超える粒子の含量は0.3%未満である。
仮焼成の温度を500℃にした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料2を調製した。
仮焼成の温度を600℃にした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料3を調製した。
仮焼成の温度を600℃にし、ジェットミルのローター回転数を4000rpmに変更した以外は、実施例1と同様にして炭素質材料4を調製した。
仮焼成の温度を580℃にした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料5を調製した。
仮焼成の温度を620℃にした以外は、実施例1と同様にして比較炭素質材料1を調製した。
予備炭素化の温度を800℃にした以外は、実施例1と同様にして比較炭素質材料2を調製した。
粉砕機を振動ボールミルにした以外は、実施例3と同様にして比較炭素質材料3を調製した。炭素質前駆体を振動ボールミルにより粉砕し、そして分級機を用いて分級し、微粉を除去した。
比較炭素質材料3の粒子径分布を図1に示す。振動ボールミルにより炭素質前駆体の粉砕を行うと、分級を行ったにも拘らず、0.4μm程度の微粉が発生することがわかる。
実施例1〜5及び比較例1〜3で製造した、負極材料である炭素質材料1〜5及び比較炭素質材料1〜3を用いて、以下のようにして非水電解質二次電池を作成し、その特性を評価した。本発明の負極材料は非水電解質二次電池の負極として適しているが、電池活物質の放電容量及び不可逆容量を、対極性能のバラツキに影響されることなく精度良く評価するために、特性の安定したリチウム金属を対極として、上記で得られた電極を用いてリチウムイオン二次電池を構成し、その特性を評価した。
正極(炭素極)は次のようにして製造した。各実施例及び比較例で製造した負極材料(炭素質材料)を90重量部、ポリフッ化ビニリデン10重量部に、N−メチル−2−ピロリドンを加えてペースト状とし、ペーストを銅箔上に均一に塗布し、乾燥させた後、シート状の電極を直径15mmの円盤状に打ち抜き、これをプレスして電極とした。電極中の炭素質材料(負極材料)の重量は10mgになるように調整し、炭素材料の充填率が約67%となるようにプレスした。
負極(リチウム極)の調製は、Arガス雰囲気中のグローブボックス内で行った。予め2016サイズのコイン型電池用缶の外蓋に直径16mmのステンレススチール網円盤をスポット溶接した後、厚さ0.8mmの金属リチウム薄板を直径15mmの円盤状に打ち抜いたものをステンレススチール網円盤に圧着し、電極とした。
このようにして製造した正極及び負極を用い、電解液としてはエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートを容量比1:2:2で混合した混合溶媒に1.5mol/Lの割合でLiPF6を加えたものを使用し、直径19mmの硼珪酸塩ガラス繊維製微細孔膜をセパレータとして、ポリエチレン製のガスケットを用いて、Ar雰囲気のグローブボックス内で2016サイズのコイン型非水電解質リチウムイオン二次電池を組み立てた。
前記のそれぞれのリチウムイオン二次電池について、充放電試験装置(東洋システム製「TOSCAT」)を用いて充放電試験を行い、充放電は定電流定電圧法により行った。ここで、「充電」は試験電池では放電反応であるが、この場合は炭素材へのリチウム挿入反応であるので、便宜上「充電」と記述する。逆に「放電」とは試験電池では充電反応であるが、炭素材からのリチウムの脱離反応であるため、便宜上「放電」と記述することにする。ここで採用した定電流定電圧法は、電池電圧が0Vになるまで一定の電流密度0.5mA/cm2で充電を行い、その後、電圧を0Vに保持するように(定電圧を保持しながら)電流値を連続的に変化させて電流値が20μAに達するまで充電を継続する。このとき供給した電気量を電極の炭素材の重量で除した値を炭素材の単位重量あたりの充電容量(mAh/g)と定義した。充電終了後、30分間電池回路を開放し、その後放電を行った。放電は電池電圧が1.5Vに達するまで一定の電流密度0.5mA/cm2で行い、このとき放電した電気量を電極の炭素材の重量で除した値を炭素材の単位重量あたりの放電容量(mAh/g)と定義する。不可逆容量は、充電量−放電量として計算される。同一試料を用いて作製した試験電池についてのn=3の測定値を平均して充放電容量及び不可逆容量を決定した。
更に、実施例1〜5の炭素質材料を用いて製造したリチウムイオン二次電池は、放電量が高く、不可逆容量が低いため、87%以上の優れた充放電効率を示している。一方、仮焼成の温度を、620℃以上で行った比較例1及び2の炭素質材料は、示差熱分析で620℃以下に発熱ピークを有しており、金属片(Fe)が混入しているものと考えられ、放電量の低下、及び不可逆容量の増加が見られる。
以上、本発明を特定の態様に沿って説明したが、当業者に自明の変形や改良は本発明の範囲に含まれる。
Claims (2)
- X線回折法により測定した(002)面の平均層面間隔が0.365−0.40nmであり、空気雰囲気中での示差熱分析で620℃以下に発熱ピークを有さず、BET比表面積が1〜7m2/gであり、平均粒子径D50が5〜25μmであり、そして(D90−D10)/D50が、1.05以下である難黒鉛化性炭素質材料であることを特徴とする、非水電解質二次電池負極用炭素質材料。
- 円形度が0.925以上である、請求項1に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011052441 | 2011-03-10 | ||
JP2011052441 | 2011-03-10 | ||
PCT/JP2012/056232 WO2012121407A1 (ja) | 2011-03-10 | 2012-03-12 | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2012121407A1 JPWO2012121407A1 (ja) | 2014-07-17 |
JP6062849B2 true JP6062849B2 (ja) | 2017-01-18 |
Family
ID=46798353
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013503642A Expired - Fee Related JP6062849B2 (ja) | 2011-03-10 | 2012-03-12 | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20140080004A1 (ja) |
EP (1) | EP2685535A4 (ja) |
JP (1) | JP6062849B2 (ja) |
KR (1) | KR101578275B1 (ja) |
CN (1) | CN103415948B (ja) |
WO (1) | WO2012121407A1 (ja) |
Families Citing this family (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104094458A (zh) * | 2012-02-06 | 2014-10-08 | 株式会社吴羽 | 非水电解质二次电池用碳质材料 |
KR20150065773A (ko) * | 2012-10-09 | 2015-06-15 | 이비덴 가부시키가이샤 | 축전 디바이스용 탄소 재료, 그의 제조 방법 및 그것을 사용한 축전 디바이스 |
JP6201294B2 (ja) * | 2012-11-01 | 2017-09-27 | トヨタ自動車株式会社 | 非水電解質二次電池の負極 |
JP6393976B2 (ja) * | 2012-12-04 | 2018-09-26 | 株式会社Gsユアサ | 蓄電素子及び蓄電装置 |
JP6296278B2 (ja) * | 2013-11-28 | 2018-03-20 | 株式会社デンソー | 非水電解質二次電池 |
JP6476431B2 (ja) * | 2013-12-16 | 2019-03-06 | Jfeケミカル株式会社 | リチウムイオン二次電池負極材用炭素質被覆黒鉛粒子、リチウムイオン二次電池負極およびリチウムイオン二次電池 |
JPWO2015152088A1 (ja) * | 2014-03-31 | 2017-04-13 | 株式会社クレハ | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料、非水電解質二次電池用負極電極、非水電解質二次電池及び車両 |
JP6195660B2 (ja) * | 2014-03-31 | 2017-09-13 | 株式会社クレハ | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料、非水電解質二次電池用負極電極、非水電解質二次電池及び車両 |
TWI565654B (zh) | 2014-08-08 | 2017-01-11 | Kureha Corp | Production method of carbonaceous material for negative electrode of nonaqueous electrolyte secondary battery and carbonaceous material for negative electrode of nonaqueous electrolyte secondary battery |
TWI604655B (zh) * | 2014-08-08 | 2017-11-01 | Kureha Corp | Non-aqueous electrolyte secondary battery negative carbonaceous material |
WO2016121585A1 (ja) * | 2015-01-29 | 2016-08-04 | Necエナジーデバイス株式会社 | 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 |
JP6796272B2 (ja) * | 2015-03-31 | 2020-12-09 | 株式会社Gsユアサ | 蓄電素子 |
CN106159198A (zh) * | 2015-04-08 | 2016-11-23 | 上海宝钢化工有限公司 | 一种沥青基无定形碳负极材料、其制备方法及应用 |
KR102449847B1 (ko) * | 2015-10-27 | 2022-09-29 | 삼성에스디아이 주식회사 | 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 |
JP6806302B2 (ja) * | 2016-02-05 | 2021-01-06 | 国立大学法人大阪大学 | 燃料電池用正極触媒 |
CN107986254B (zh) * | 2016-10-27 | 2020-12-08 | 宝武炭材料科技有限公司 | 一种硬碳负极材料的制备方法 |
KR102365132B1 (ko) | 2017-01-20 | 2022-02-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 |
JP7256950B2 (ja) * | 2018-09-06 | 2023-04-13 | 住友金属鉱山株式会社 | 焼成物の硬さ計測法および硬さ計測装置並びに解砕可否判定方法 |
KR20210089643A (ko) * | 2018-11-09 | 2021-07-16 | 주식회사 쿠라레 | 탄소질 재료, 그 제조 방법, 전기 화학 디바이스용 전극 활물질, 전기 화학 디바이스용 전극 및 전기 화학 디바이스 |
KR102542989B1 (ko) * | 2020-04-30 | 2023-06-13 | 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 | 이차 전지, 그 제조 방법 및 당해 이차 전지를 포함하는 장치 |
CN113097472B (zh) * | 2021-03-01 | 2022-09-27 | 华中科技大学 | 一种层状无锂正极材料容量调控方法 |
CN114586213A (zh) * | 2021-06-21 | 2022-06-03 | 宁德新能源科技有限公司 | 电化学装置和电子装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08115723A (ja) * | 1994-08-23 | 1996-05-07 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 二次電池電極用炭素質材料 |
JP2006252817A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Japan Energy Corp | 非水電解液二次電池、およびそれに用いる炭素材料 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2156675C (en) * | 1994-08-23 | 1999-03-09 | Naohiro Sonobe | Carbonaceous electrode material for secondary battery |
JP2002083595A (ja) * | 2000-09-06 | 2002-03-22 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | コークス、人造黒鉛および非水溶媒二次電池負極用炭素材料の製造法とピッチ組成物 |
CN100477345C (zh) * | 2004-03-30 | 2009-04-08 | 株式会社吴羽 | 非水电解质二次电池用负极材料、其制造方法、负极和电池 |
JP4836781B2 (ja) * | 2004-03-30 | 2011-12-14 | 株式会社クレハ | 球状炭素材の製造方法 |
EP2151881B1 (en) * | 2007-05-29 | 2012-08-08 | Tokai Carbon Co., Ltd. | Negative electrode material for lithium rechargeable battery |
JP2009084099A (ja) | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | 炭素材の製造方法、炭素材及びこれを用いたリチウムイオン二次電池用負極材 |
JP2009224323A (ja) * | 2008-02-21 | 2009-10-01 | Nippon Steel Chem Co Ltd | 非水電解質二次電池負極活物質及び非水電解質二次電池負極活物質の製造方法 |
JP4864116B2 (ja) * | 2009-04-30 | 2012-02-01 | シャープ株式会社 | 樹脂被覆キャリアおよびその製造方法、ならびに該樹脂被覆キャリアを含む2成分現像剤、現像装置および画像形成装置 |
CN104094458A (zh) * | 2012-02-06 | 2014-10-08 | 株式会社吴羽 | 非水电解质二次电池用碳质材料 |
-
2012
- 2012-03-12 WO PCT/JP2012/056232 patent/WO2012121407A1/ja active Application Filing
- 2012-03-12 JP JP2013503642A patent/JP6062849B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2012-03-12 KR KR1020137026193A patent/KR101578275B1/ko active IP Right Grant
- 2012-03-12 US US14/004,156 patent/US20140080004A1/en not_active Abandoned
- 2012-03-12 EP EP12755067.1A patent/EP2685535A4/en not_active Withdrawn
- 2012-03-12 CN CN201280012551.9A patent/CN103415948B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08115723A (ja) * | 1994-08-23 | 1996-05-07 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 二次電池電極用炭素質材料 |
JP2006252817A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Japan Energy Corp | 非水電解液二次電池、およびそれに用いる炭素材料 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20130124584A (ko) | 2013-11-14 |
JPWO2012121407A1 (ja) | 2014-07-17 |
EP2685535A4 (en) | 2014-09-03 |
CN103415948A (zh) | 2013-11-27 |
WO2012121407A1 (ja) | 2012-09-13 |
CN103415948B (zh) | 2016-05-04 |
KR101578275B1 (ko) | 2015-12-16 |
US20140080004A1 (en) | 2014-03-20 |
EP2685535A1 (en) | 2014-01-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6062849B2 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料 | |
TWI504562B (zh) | 非水電解質二次電池負極用碳質材料及其製造方法 | |
TWI481105B (zh) | 非水電解質二次電池用碳質材料 | |
JP6367925B2 (ja) | 全固体電池用負極及びそれを含む全固体電池 | |
JP6450480B2 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料 | |
WO2014038492A1 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料及びその製造方法、並びに前記炭素質材料を用いた負極および非水電解質二次電池 | |
JP6573549B2 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料 | |
JP6195660B2 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料、非水電解質二次電池用負極電極、非水電解質二次電池及び車両 | |
JP2016181348A (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料及び非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法 | |
WO2015152088A1 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料、非水電解質二次電池用負極電極、非水電解質二次電池及び車両 | |
TW201822394A (zh) | 鋰離子二次電池用負極材料、鋰離子二次電池用負極及鋰離子二次電池 | |
JP7004093B2 (ja) | リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極材の製造方法、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 | |
TW201937785A (zh) | 碳質粒子、鋰離子二次電池用負極材料、鋰離子二次電池用負極及鋰離子二次電池 | |
JP6570413B2 (ja) | 非水電解質二次電池用負極電極及びそれを含む非水電解質二次電池 | |
JP6605451B2 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料、非水電解質二次電池用負極電極、非水電解質二次電池及び車両 | |
WO2015152089A1 (ja) | 非水電解質二次電池負極用炭素質材料、非水電解質二次電池用負極電極、非水電解質二次電池及び車両 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20141204 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160105 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160307 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20160412 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160816 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161115 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20161121 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20161213 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20161215 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6062849 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |