JP6102914B2 - 二次電池用負極材料、および二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池用負極材料に関し、特に、低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛からなる二次電池用負極材料に関する。
リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度や動作電圧が高いことや、充放電サイクルによる劣化が少ないなど優れた特性を有し、携帯電話やノート型パソコンをはじめとする携帯型情報端末や産業用機器に広く用いられている。今後は、大型化による電気自動車や電力貯蔵などへの応用が期待されており、研究開発が進められている。
現在、リチウムイオン二次電池の負極活物質には、主として黒鉛が用いられている。しかしながら、黒鉛を負極活物質として用いた場合、電極/電解液界面において電解液の分解反応が生じ、容量が低下してしまうことがあった。
この問題を解決するために、たとえば特許文献1及び特許文献2には、黒鉛に非晶質炭素または低結晶性炭素を被覆させることが提案されている。これにより、電解液が直接黒鉛表面に接するのを防止できるので、電解液の分解反応を抑制することができる。
特開平4−368778号公報 特開2003−308838号公報
上述したように、特許文献1及び特許文献2に記載されている低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛は、低結晶性炭素被覆膜によって、電解液が直接黒鉛表面に接するのを防止でき、電解液の分解反応を抑制することができる。しかしながら、内部の黒鉛および低結晶性炭素被覆膜について十分に検討されていない点があった。また、二次電池用負極材料として、特に電池の長期信頼性の向上が望まれている。
本発明は、上記の課題を解決し、低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛からなり、長期間使用しても電池容量の低下量が少ない二次電池を実現することができる二次電池用負極材料を提供することを目的とする。
第一の本発明は、六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、表面には低結晶性炭素被覆膜を有し、DTA測定において、600℃以下と、690℃以上に発熱ピークを有する黒鉛からなる二次電池用負極材料に関する。
第二の本発明は、六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、表面には低結晶性炭素被覆膜を有し、XRD測定において、前記六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅が0.2575°以下である黒鉛からなる二次電池用負極材料に関する。
第三の本発明は、六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、表面には低結晶性炭素被覆膜を有し、XRD測定において、前記六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と前記六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値が7.1×10−4以下である黒鉛からなる二次電池用負極材料に関する。
さらに本発明は、上記のいずれかの黒鉛を負極活物質として含む二次電池用負極に関する。
さらに本発明は、上記の二次電池用負極を有する二次電池に関する。
本発明によれば、低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛からなり、長期間使用しても電池容量の低下量が少ない長期信頼性に優れた二次電池を実現することができる二次電池用負極材料を提供することができる。さらに、本発明によれば、長期信頼性に優れたリチウムイオン二次電池などの二次電池を提供することができる。
低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛の低温領域におけるDTAスペクトルである。 低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛の高温領域におけるDTAスペクトルである。 低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛のXRDスペクトルである。 低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛のDTA測定における高温ピーク温度と、六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅の関係を示すグラフである。 低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛のDTA測定における高温ピーク温度と、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値の関係を示すグラフである。
本発明の二次電池用負極材料は、六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、表面に低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛からなる。ここで、「低結晶性炭素被覆膜を有する」とは、黒鉛の表面が、黒鉛よりも結晶性が低い炭素、または非晶質炭素で被覆されていることを意味する。そして、本発明の二次電池用負極材料である黒鉛(低結晶性炭素で被覆された黒鉛)は、下記の特性(1)〜(3)のいずれか1つ以上、好ましくは特性(1)〜(3)のすべてを有する。
(1)DTA測定において、600℃以下、好ましくは570〜590℃と、690℃以上、好ましくは700℃以上、より好ましくは710〜730℃に発熱ピークを有する。
(2)XRD測定において、六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅が0.2575°以下、好ましくは0.257°以下、より好ましくは0.2565°以下である。
(3)XRD測定において、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値が7.1×10−4以下、好ましくは7.0×10−4以下、より好ましくは6.9×10−4以下である。
低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛(低結晶性炭素で被覆された黒鉛)を負極活物質として用いるには、その表面被覆膜や黒鉛の物性を把握して制御する必要がある。黒鉛の結晶性や熱的性質について、上記の特性(1)〜(3)のいずれか1つ以上、好ましくは特性(1)〜(3)のすべてを有する低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛(低結晶性炭素で被覆された黒鉛)は内部の黒鉛の結晶性が良好であり、これを負極活物質として用いた二次電池は長期信頼性に優れている。
なお、DTA測定(示差熱分析;Differential Thermal Analysis)およびXRD測定については、実施例において詳細に説明する。
このような本発明の二次電池用負極材料である黒鉛(低結晶性炭素で被覆された黒鉛)は、たとえば、核材の黒鉛と表面被覆の原料となる炭素前駆体たとえば重質油や樹脂を混合攪拌する方法などで製造することができる。核材となる黒鉛の原料には、天然に産出される鉱石から不純物を除去して得られる天然黒鉛や、各種の有機材料を熱処理して得られる人造黒鉛を用いることができる。攪拌の方法としては、たとえば、リボンミキサーを用いる方法などが挙げられる。攪拌時の温度や時間、雰囲気等の条件は、原料(核材や炭素前駆体)の成分、被覆量などに応じて選択される。このようにして得られた炭素材料を、たとえば600〜2500℃程度の温度で焼成すれば、黒鉛の表面が低結晶性炭素で被覆される。低結晶性炭素による表面被覆は、化学気相成長法などの気相原料を用いる方法でも可能である。なお、核材の大きさや結晶性を調整するために、あらかじめ黒鉛を粉砕しておくことも可能である。粉砕の方法には、たとえばボールミルを用いる方法などがある。以上、本発明の低結晶性炭素で被覆された黒鉛を得るための原材料や製造過程には数多くの選択肢がある。よって、本発明では、上記の特性(1)〜(3)のいずれか1つ以上、好ましくは特性(1)〜(3)のすべてを有する黒鉛の生成方法を限定すべきではない。製造された黒鉛が上記の特性(1)〜(3)のいずれか1つ以上、好ましくは特性(1)〜(3)のすべてを有することが重要である。
次に、本発明の二次電池について説明する。本発明の二次電池は、本発明の二次電池用負極材料である黒鉛、すなわち、六方晶グラファイトと菱面体晶グラファイトを含有し、表面に低結晶性炭素被覆膜を有し、上記の特性(1)〜(3)のいずれか1つ以上、好ましくは特性(1)〜(3)のすべてを有する黒鉛を負極活物質として用いたことを特徴とするものである。
本発明の二次電池は、例えば、正極活物質を含有する層が正極集電体上に形成されて成る正極と、負極活物質(本発明の二次電池用負極材料である黒鉛)を含有する層が負極集電体上に形成されて成る負極を備え、これらの正極と負極は、電解液を含む多孔質セパレータを介して対向配置される。多孔質セパレータは、負極活物質を含有する層、および正極活物質を含有する層に対して略平行に配置される。
本発明の二次電池の形状としては、特に制限はないが、例えば、円筒型、角型、コイン型、ラミネートパックなどが挙げられる。
本発明の二次電池の負極は、上記のような黒鉛を負極活物質として含むものであり、例えば、本発明の二次電池用負極材料である黒鉛と、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の結着剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤と分散混練したものを金属箔等の基体(負極集電体)上に塗布したものを用いることができる。
本発明の二次電池の正極としては、リチウムを吸蔵、放出可能な種々の材料、例えばLiMO(ただしMは、少なくとも1つの遷移金属を表す。)等の複合酸化物、具体的には、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiMnO、LiNiCo1−y等と、カーボンブラック等の導電性物質、PVdF等の結着剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤と分散混練したものを金属箔等の基体(正極集電体)上に塗布したものを用いることができる。
本発明の二次電池は、乾燥空気または不活性ガス雰囲気において、負極および正極を、セパレータを介して積層、あるいは積層したものを捲回した後に、電池缶に収容したり、合成樹脂と金属箔との積層体からなる可とう性フィルム等によって封口することによって製造することができる。
なお、セパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂等の多孔性フィルムを好適に用いることができる。
本発明における電解液としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)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等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、フッ素化カルボン酸エステルなどの非プロトン性有機溶媒を一種または二種以上を混合して使用し、これらの有機溶媒にリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiAsF、LiAlCl、LiClO、LiBF、LiSbF、LiCFSO、LiCCO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、イミド類などが挙げられる。また、電解液に代えてポリマー電解質を用いてもよい。
なお、本発明の二次電池は、負極活物質が本発明の二次電池用負極材料である黒鉛であること以外は従来公知の構造、材料を用いることができ、上記のものに限定されるものではない。また、本発明の二次電池は、従来公知の方法を用いて製造することができる。
<実施例1〜5>
(黒鉛A〜Eの製造)
黒鉛の結晶性が異なる5つの試料(低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛A〜E)を次のようにして製造した。
まず、核材の大きさを調整するために、原料の黒鉛を粉砕して分級した。次いで、核材の黒鉛と表面被覆の原料となる炭素前駆体を混合攪拌した後、焼成処理して低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛A〜Eを得た。なお、黒鉛の結晶性を制御するために粉砕や攪拌の条件を適宜調整した。
(黒鉛A〜EのDTA測定)
このようにして得た低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛の熱的性質を明らかにするために、黒鉛A〜EについてDTA測定を行った。
測定した粉体試料の質量は約3mgであり、測定時のガス流量は窒素ガス:240cc/minおよび酸素ガス:60cc/minとした。昇温時の温度プロファイルは次のように設定した。まず、測定前にガス流を安定化させるために、5分間の待機時間を設けた。次に、20℃から400℃までは10℃/minの割合で昇温させながら測定を行った。その後、400℃に達した時点で10分間待機し、400℃から900℃までは3℃/minの割合で昇温させながら測定を行った。
図1に低温領域におけるDTAスペクトルを示す。曲線1〜5はそれぞれ黒鉛A〜EのDTA曲線である。破線6で示した位置に、いずれの試料においても1つのピークが観測されている。以下では、これらのピークを低温ピークと呼ぶ。
図2に高温領域におけるDTAスペクトルを示す。曲線7〜11はそれぞれ黒鉛A〜EのDTA曲線である。破線12で示した位置に、いずれの試料においてもピークが観測されている。以下では、これらのピークを高温ピークと呼ぶ。
DTA曲線における黒鉛A〜Eの低温ピーク温度および高温ピーク温度を表1にまとめて示す。
Figure 0006102914
ここで、600℃以下、具体的には576℃から582℃の間に位置する低温ピークは低結晶性炭素被覆膜の燃焼に起因する。低温ピーク温度の差は黒鉛間で小さいことから、低結晶性炭素被覆膜の性質は黒鉛A〜Eで大きくは異ならないと考えられる。
一方、690℃以上、具体的には676℃から720℃の間に位置する高温ピークは黒鉛の燃焼に起因する。低温ピーク温度の差が小さかったのに対し、高温ピーク温度は676℃から720℃にわたり、黒鉛間で差が大きい。高温ピーク温度の違いは、黒鉛の結晶性の違いを反映していると考えられる。
(黒鉛A〜EのXRD測定)
黒鉛の結晶性を評価するために、黒鉛A〜EについてXRD測定を行った。
測定に用いたX線の波長は0.1241nmであった。例として、黒鉛Aの測定結果を図3に示す。2θ=33.88°のピーク14は六方晶グラファイトの(100)面、2θ=34.66°のピーク13は菱面晶グラファイトの(001)面、2θ=35.57°のピーク15は六方晶グラファイトの(101)面、2θ=36.80°のピーク16は菱面晶グラファイトの(011)面に帰属される。すなわち、黒鉛Aは単相ではなく、菱面体晶と六方晶を含んでいる。これらのピークはすべての黒鉛A〜Eにおいて観測された。
図4に、DTA測定における高温ピーク温度と、XRD測定における六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅の関係を示す。DTAの高温ピーク温度が高いほど、半値幅が小さいことが分かる。特に、黒鉛A、Bの半値幅は0.256°以下であった。
一般に、半値幅が小さいことは、結晶子サイズが大きいこと、及び格子歪の結晶子間のばらつきが小さいことを示す。この意味で、半値幅が小さいことは黒鉛の結晶性が良好であることを反映している。よって、DTAの高温ピークが高いことは黒鉛の結晶性が良好であることを示していると考えられる。
図5に、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値と、DTA測定における高温ピーク温度の関係を示す。
六方晶グラファイトの(101)面の格子歪、六方晶グラファイトの(100)面の格子歪、および、その差の絶対値は次のようにして求めた。
まず、XRDスペクトルから、六方晶グラファイトの(101)ピークの2θ値と六方晶グラファイトの(100)ピークの2θ値を読みとる。これらの値は、それぞれ2θ(101)、2θ(100)とする。六方晶グラファイトの(101)面の面間隔d(101)と、六方晶グラファイトの(100)面の面間隔d(100)はθ(101)とθ(100)の値を用いて以下の式より求められる。
Figure 0006102914
Figure 0006102914
これらの式はブラッグの式2dsinθ=λを変形して得られる。また、λはX線の波長である。
そして、求められた面間隔d(101)、d(100)から、次式にしたがって、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪ε(101)と、六方晶グラファイトの(100)面の格子歪ε(100)を計算する。
Figure 0006102914
Figure 0006102914
ここで、d(101),0は無歪の六方晶グラファイトにおける(101)面の面間隔であり、d(100),0は無歪の六方晶グラファイトにおける(100)面の面間隔である。本明細書においては、d(101),0を0.2032nm、d(100),0を0.2132nmとした。
そして、求められた格子歪ε(101)とε(100)を用いて、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値|Δε|を以下の式より求める。
Figure 0006102914
図5から、DTAの高温ピーク温度が高いものは、格子歪の差の絶対値|Δε|が小さいことが分かる。特に、黒鉛A、Bの|Δε|は6.85×10−4以下であった。この結果は、黒鉛に含まれる六方晶グラファイトの格子歪が一様なものほど、黒鉛が燃焼しにくいことを示唆している。
(黒鉛A〜Eを負極活物質として用いた二次電池の製造、および長期信頼性の評価)
黒鉛A〜Eを活物質とした負極シートを以下のように作製した。すなわち、活物質とPVdF、導電助剤を混合し、NMPを溶剤として分散混練したものを銅箔に塗布し、乾燥、圧縮することにより負極シートを形成した。また、正極活物質とPVdF、導電助剤を混合し、NMPを溶剤として分散混練したものをアルミニウム箔に塗布し、乾燥、圧縮することにより正極シートを形成した。さらに、1mol/LのLiPFをECとDECの混合溶媒に溶解させたものを電解質溶液とした。上記の負極、正極、電解質溶液およびセパレータを用いてコイン型二次電池を作製した。これらのコイン型二次電池を用いて充放電サイクル試験を行ったところ、電池としての長期信頼性は黒鉛A、Bが他の黒鉛C、D、Eよりも良好であった。
以上の結果から、六方晶グラファイトと菱面体晶グラファイトが共存する黒鉛を低結晶性炭素で被覆した二次電池用負極材料について、以下のことが明らかになった。すなわち、
(1)黒鉛の燃焼に起因するDTAの高温ピーク温度と、黒鉛の結晶性に関わる2つの指標:六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差に相関がある、
(2)(i) DTAの高温ピークがより高温であり(717℃以上)、(ii) 六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅が小さく(0.256°以下)、(iii)六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値が小さい(6.85×10−4以下)、黒鉛A,Bを負極活物質として用いた二次電池は、長期信頼性が良好であった。
したがって、下記の特性(1)〜(3)のいずれか1つ以上、好ましくは特性(1)〜(3)のすべてを有する、低結晶性炭素被覆膜を有し、六方晶グラファイトと菱面体晶グラファイトを含有する黒鉛を負極材料として用いれば、リチウムイオン二次電池の信頼性が向上することが分かる。
(1)DTA測定において、600℃以下と、690℃以上に発熱ピークを有する。
(2)XRD測定において、六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅が0.2575°以下である。
(3)XRD測定において、六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値が7.1×10−4以下である。
なお、本実施例においては、低結晶性炭素被覆膜を有する黒鉛の熱的性質を評価するに当たりDTAを用いたが、例えば、温度上昇に伴う質量変化を測定する熱質量分析(ThermoGravimetry Analysis:TGA)等の他の方法を用いることもできる。
本発明の二次電池は、電源を必要とするあらゆる産業分野、ならびに電気的エネルギーの輸送、貯蔵および供給に関する産業分野にて利用することができる。具体的には、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源;電気自動車、ハイブリッドカー、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両を含む、電車や衛星や潜水艦などの移動・輸送用媒体の電源;UPSなどのバックアップ電源;太陽光発電、風力発電などで発電した電力を貯める蓄電設備などに利用することができる。
1 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Aの低温領域におけるDTA曲線
2 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Bの低温領域におけるDTA曲線
3 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Cの低温領域におけるDTA曲線
4 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Dの低温領域におけるDTA曲線
5 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Eの低温領域におけるDTA曲線
6 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛のDTAスペクトルにおける低温ピーク
7 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Aの高温領域におけるDTA曲線
8 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Bの高温領域におけるDTA曲線
9 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Cの高温領域におけるDTA曲線
10 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Dの高温領域におけるDTA曲線
11 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛Eの高温領域におけるDTA曲線
12 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛のDTAスペクトルにおける高温ピーク
13 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛のXRDスペクトルにおける六方晶グラファイトの(100)面に起因する回折ピーク
14 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛のXRDスペクトルにおける菱面体晶グラファイトの(001)面に起因する回折ピーク
15 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛のXRDスペクトルにおける六方晶グラファイトの(101)面に起因する回折ピーク
16 低結晶性炭素皮膜を有する黒鉛のXRDスペクトルにおける菱面体晶グラファイトの(011)面に起因する回折ピーク

Claims (6)

  1. 六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、
    表面には低結晶性炭素被覆膜を有し、
    DTA測定において、570℃〜590℃と、710℃〜730℃に発熱ピークを有する黒鉛からなる二次電池用負極材料。
  2. 六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、
    表面には低結晶性炭素被覆膜を有し、
    DTA測定において、570℃〜590℃と、710℃〜730℃に発熱ピークを有し、
    XRD測定において、前記六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅が0.2575°以下である黒鉛からなる二次電池用負極材料。
  3. 六方晶グラファイトと、菱面体晶グラファイトを含有し、
    表面には低結晶性炭素被覆膜を有し、
    DTA測定において、570℃〜590℃と、710℃〜730℃に発熱ピークを有し、
    XRD測定において、前記六方晶グラファイトの(101)面の格子歪と前記六方晶グラファイトの(100)面の格子歪の差の絶対値が7.1×10−4以下である黒鉛からなる二次電池用負極材料。
  4. 前記黒鉛が、XRD測定において、六方晶グラファイトの(101)ピークの半値幅が0.2575°以下である請求項に記載の二次電池用負極材料。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の黒鉛を負極活物質として含む二次電池用負極。
  6. 請求項に記載の負極を有する二次電池。
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