JP6274390B2 - リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法に関する。
リチウム二次電池は軽量でエネルギー密度が高く、携帯用小型電子機器の電源をはじめ近年ではハイブリッドカーや電気自動車などの動力用電源として期待されている。当初、リチウム二次電池の負極材には金属リチウムが用いられていたが、充電時にリチウムイオンが負極面にデンドライト(樹枝)状に析出、成長し、脱落して容量低下をもたらしたり、ショートの原因となるため、このようなデンドライト状の析出を生じない黒鉛材が提案されるようになっている。
黒鉛材はリチウムイオンのドープ・アンドープ性(脱・挿入性)が優れていることから充放電効率が高く、更に、充放電時の電位も金属リチウムとほぼ等しく、高電圧の電池が得られるなどの利点がある。
このような黒鉛材からなるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法としては、生のピッチコークス100質量部に、バインダーとして60質量部の合成ピッチタールを加えて混練し、900kgf/cmの冷間静水圧でブロック状に成形し、1000℃で熱処理した後さらに2800℃で熱処理して黒鉛化し、得られた黒鉛化ブロックを粉砕・粒度調整する方法が知られている(特許文献1(特開2008−059903号公報)の実施例3参照)。
特開2008−059903号公報
特許文献1記載の方法においては、炭素質骨材である生のピッチコークスに対して多量のバインダーを混練し、高圧下でブロック状に成形するものであるために、生のピッチコークスの内部にバインダーを含浸させつつ、その表面をも被覆して、充放電時におけるガスの発生を抑制し得るとされている。
しかしながら、本発明者等が検討したところ、特許文献1記載の方法においては、ガスの発生を抑制し得る黒鉛粉末を製造し得るものの、炭素質骨材である生のピッチコークスに対して多量のバインダーを混練し、高圧下で成形するものであるために、得られるブロック状成形体の強度が高くなり、黒鉛化後に粉砕する際に、多大なエネルギーを必要とするばかりか、得られる黒鉛粉末の比表面積が増大してしまい、リチウム二次電池負極材に使用したときに、自己放電が増加して不可逆容量が増大し、発電容量の低下を招くことが判明した。
本発明は、このような事情のもとで、エネルギー消費量を抑制しつつ、比表面積の小さなリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を高い黒鉛化効率の下で簡便に製造する方法を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明者等が鋭意検討したところ、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μmの生コークス粉を非酸化性雰囲気中600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるコークス粉と、炭素前駆体バインダーとを、前記コークス粉100質量部に対して、前記炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜15質量部となるように溶融混合した後、加圧成形して加圧成形体を作製し、次いで、前記加圧成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理して、炭素化および黒鉛化を行うことにより黒鉛化成形体を得、得られた黒鉛化成形体を粉砕処理してリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を製造することにより、上記課題を解決し得ることを見出し、本知見に基いて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
(1)体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μmの生コークス粉を非酸化性雰囲気中600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるコークス粉と、炭素前駆体バインダーとを、前記コークス粉100質量部に対して、前記炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜15質量部となるように、溶融混合した後、加圧成形して嵩密度が1.2〜1.8g/cm である加圧成形体を作製し、次いで、
前記加圧成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理して、炭素化および黒鉛化を行うことにより黒鉛化成形体を得、
得られた黒鉛化成形体を粉砕処理する
ことを特徴とするリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法、
(2)前記加圧成形時における成形圧が1〜1000kgf/cmである上記(1)に記載のリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法、
(3)前記炭素前駆体バインダーが、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、エチレンヘビーエンドタール、アントラセンオイル、クレオソート油およびFCCデカントオイルから選ばれる一種以上である上記(1)または(2)に記載のリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法、
(4)得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末が、球形度が1.0〜2.0、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μm、体積基準積算粒度分布における積算粒度で90%の粒径/体積基準積算粒度分布における積算粒度で10%の粒径で表わされる比が2〜16、窒素吸着比表面積が1.0〜4.0m/gである上記(1)〜(3)のいずれかに記載のリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法
を提供するものである。
本発明によれば、エネルギー消費量を抑制しつつ、比表面積の小さなリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を高い黒鉛化効率の下で簡便に製造する方法を提供することができる。
本発明の実施例で得られた黒鉛粉末を用いたボタン型リチウム二次電池の構造を説明するための垂直断面図である。
本発明に係るリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法は、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μmの生コークス粉を非酸化性雰囲気中600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるコークス粉と、炭素前駆体バインダーとを、前記コークス粉100質量部に対して、前記炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜15質量部となるように溶融混合した後、加圧成形して加圧成形体を作製し、次いで、前記加圧成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理して、炭素化および黒鉛化を行うことにより黒鉛化成形体を得、得られた黒鉛化成形体を粉砕処理することを特徴とするものである。
本発明の製造方法において、生コークス粉を構成する生コークスとは、重質油やピッチを、ディレードコーカー、フルードコーカー、フレキシコーカー、室炉コークス炉等のコークス炉で熱分解して得られたものであって、揮発分を除去する仮焼を行う前のコークスを意味する。
生コークスとして、具体的には、石油系または石炭系の重質油、FCCデカントオイル(FCCDO)、エチレンヘビーエンドタール(EHE)等の重質油の少なくとも一種を原料として、例えばディレードコーカー等のコークス化設備を用い、例えばディレードコーカー等のコークス化設備を用いて、最高到達温度400〜550℃の温度下で、熱分解、重縮合反応を行うことにより作製したものを挙げることができる。
本発明の製造方法において、生コークス粉を構成する生コークスとしては、異方性組織が少ないモザイクコークスが好適である。
本発明の製造方法において、生コークス粉は、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径(D50)が、5〜50μmであるものであり、5〜40μmであるものが好ましく、5〜30μmであるものがより好ましく、5〜20μmであるものがさらに好ましく、5〜17.5μmであるものが一層好ましく、5〜15μmであるものがより一層好ましい。
生コークス粉の体積積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5μm以上であることにより、得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の比表面積を低減し得るとともに、負極材の構成材料として使用したときに自己放電を抑制することができ、また、リチウム二次電池負極材を作製するためにスラリー化したときに、黒鉛粉末の分散性を向上させることができる。
また、生コークス粉の体積積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が50μm以下であることにより、リチウム二次電池において大電流充放電した際の容量維持率を維持することができる。
本発明の製造方法において、生コークス粉は、体積基準積算粒度分布における積算粒度で90%の粒径(D90)/体積基準積算粒度分布における積算粒度で10%の粒径(D10)で表わされる比が2〜16であるものが好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜12であるものがより好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜8であるものがさらに好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜6であるものが一層好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜4であるものがより一層好ましい。
なお、本出願書類において、生コークス粉のD10、D50およびD90は、それぞれ、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所(株)製SALD2000)により測定される、体積基準積算粒度分布における積算粒度で10%の粒径(μm)、50%の粒径(μm)、90%の粒径(μm)を意味するものとする。
本発明の製造方法において、生コークス粉としては、球形度が1.0〜2.0であるものが好ましく、球形度が1.0〜1.7であるものがより好ましく、球形度が1.0〜1.4であるものがさらに好ましい。
なお、本出願書類において、生コークス粉の球形度は、走査型電子顕微鏡(日本電子(株)製 JSM−6510LV)で30個の粒子を観察し、それぞれ画像解析したときに、各粒子の最大径(ML)と、MLと直交する方向の幅のうち最大のもの(BD)とを測定してそれぞれML/BDを算出したときの平均値を意味する。測定対象となる粒子が真球である場合、球形度は1となる。
上記生コークス粉は、必要に応じて生コークスを粉砕することにより作製することができる。
生コークスの粉砕は、公知の粉砕機を用いて行うことができ、粉砕機としては、ロールクラッシャー、ハンマーミル、ピンミル、ジェットミル、ベベルインパクター、ターボミル等を挙げることができ、上記粉砕機を複数組み合わせて所望粒径を有する生コークス粉を作製してもよい。
粉砕機の粉砕条件は、所望粒径を有する生コークス粉が得られるように適宜調整すればよい。
本発明の製造方法においては、上記生コークス粉を、非酸化性雰囲気中、600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるコークス粉が用いられる。
非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気等の希ガス雰囲気等を挙げることができる。
本発明の製造方法において、コークス粉は、上記生コークス粉を、600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるものであり、800〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるものであることが好ましく、1000〜1200℃の温度条件下で加熱処理してなるものであることがより好ましい。
生コークス粉の熱処理温度が600℃以上であることにより、揮発分の残存量が低減され、真密度が高く成形体の密度の高いコークス粉となることから、後述するように嵩密度の高い加圧成形体を得ることができ、黒鉛化効率を向上させることができる。
また、生コークス粉の熱処理温度が1450℃以下であることにより、熱処理コストを増加させることなく、高いエネルギー効率の下で真密度の高いコークス粉とすることができる。
本発明の製造方法において、コークス粉は、上記生コークス粉を60〜600分間加熱処理してなるものであることが好ましく、60〜450分間加熱処理してなるものであることがより好ましく、60〜300分間加熱処理してなるものであることがさらに好ましい。
本発明の製造方法において、上記生コークス粉を加熱処理してなるコークス粉は、炭素前駆体バインダーと溶融混合する。
本出願書類において、炭素前駆体バインダーは、加熱溶融することによりコークス粉同士を結着し得るとともに、さらに高温で加熱処理することにより炭化し得るものを意味する。
炭素前駆体バインダーとしては、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、エチレンヘビーエンドタール(EHE)、アントラセンオイル、クレオソート油およびFCCデカントオイル(FCCDO)から選ばれる一種以上を挙げることができ、エチレンヘビーエンドタールや石炭系ピッチとアントラセンオイルとの混合物や、石油系ピッチとFCCデカントオイルの混合物などが好適に使用することができる。
本発明の製造方法において、炭素前駆体バインダーの粘度は、1〜800mPa・s以下であることが好ましく、1〜600mPa・sであることがより好ましく、1〜400mPa・sであることがさらに好ましい。
炭素前駆体バインダーの粘度が800mPa・s以下であることにより、バインダーをコークス粉に均一にコートすることが容易になり、炭素前駆体バインダー量が少なくても成形体の取扱性を向上させることができる。また、炭素前駆体バインダーの使用量を抑制し得るため、黒鉛化後の解砕時に比表面積の増加を抑制することができる。
炭素前駆体バインダーの粘度が800mPa・sを超える場合、バインダーがコークス粉に均一にコートされ難いため、良好な成形体を得るためには、コークス粉100質量部に対し、炭素前駆体バインダーの必要量が固定炭素量で15質量部以上になる場合があることから、黒鉛化後の成形体の強度が高くなり、解砕時に多大なエネルギーが必要となり、その結果、比表面積が増大してしまう。
炭素前駆体バインダーの粘度を調整する方法としては、炭素前駆体バインダーとして、固定炭素分の含有割合が低く粘度が低い、クレオソート油やFCCデカントオイル(FCCDO)等と、固定炭素分の含有割合が多く粘度が高い、石炭系ピッチや石油系ピッチとを所望割合で混合する方法があげられる。
本出願書類において、炭素前駆体バインダーの粘度は、ブルックフィールド粘度計((株)東京計器製B8L型粘度計)を用い、JIS K7117に準拠して測定を行った。
本発明の製造方法において、炭素前駆体バインダーは、コークス粉100質量部に対し、炭素前駆体バインダーを、炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜15質量部になるように溶融混合するものであり、炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜12.5質量部になるように溶融混合することが好ましく、炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜10質量部になるように溶融混合することがさらに好ましい。
固定炭素量とは、炭素前駆体バインダー量から、水分、揮発分および灰分の合計量を差し引いた値を意味し、本出願書類において、固定炭素量は、JIS K 2425に準拠した方法で測定、算出される値を意味する。
すなわち、100gの炭素前駆体バインダーを800℃で加熱処理して水分および揮発分を除去し、得られた残留物からさらに灰分を除いてx(g)の残分(固定炭素)が得られる場合において、下記式により固定炭素の絶対量(g)が算出される。
固定炭素量(絶対量)(g)=炭素前駆体バインダー量(g)×(x(g)/100(g))
次いで、上記固定炭素量(絶対量)(g)を、コークス粉100質量部に対する相対量に換算することにより、目的とする固定炭素量(質量部)を算出することができる。
炭素前駆体バインダーの固定炭素量が、コークス粉100質量部に対して15質量部以下となるように混合することにより、黒鉛化後に粉砕する際に多大なエネルギーを必要とすることなく、比表面積の小さなリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を容易に作製することができる。また、炭素前駆体バインダーの固定炭素量が、コークス粉100質量部に対して5質量部以上となるように混合することにより、後述する加圧成形時に取り扱い性の高い加圧成形体を得ることができ、黒鉛化効率を容易に向上させることができる。
コークス粉と炭素前駆体バインダーとの溶融混合は、混合対象を加熱可能な公知の混合機により行うことができる。
溶融混合を行う混合機としては、内部に撹拌軸を有し該攪拌軸に攪拌翼を取り付けて混合を行うミキサーが好ましく、具体的には、ヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)、ハイスピードミキサー(深江パウテック(株)製、レディゲミキサー((株)マツボー製)等を挙げることができる。また、溶融混合を行う混合機としては、ニーダーや万能混合機を挙げることもできる。
コークス粉と炭素前駆体バインダーとの溶融混合は、炭素前駆体バインダーの溶融温度以上炭化温度未満の温度下で行い、80〜180℃の温度下で行うことが好ましく、100〜160℃の温度下で行うことがより好ましい。
溶融混合時間は、1〜20分間が好ましく、1〜15分間がより好ましく、1〜10分間がさらに好ましい。
コークス粉と炭素前駆体バインダーとの溶融混合は、例えば、混合機内に先ずコークス粉を装入した上で、炭素前駆体バインダーを装入し、両者を加熱溶融しつつ攪拌混合することにより行うことができる。
コークス粉と炭素前駆体バインダーとを溶融混合して得られた溶融混合物は、その後、適宜冷却する。溶融混合物の冷却は、自然冷却であってもよいし、送風等による強制冷却であってもよい。
本発明の製造方法においては、上記溶融混合物を加圧成形して加圧成形体を作製する。
溶融混合物を加圧成形する方法としては、公知の方法を採用することができ、例えば、型込め成形法、冷間静水圧成形法、等方圧成形法等を挙げることができ、具体的には、冷間静水圧成形法が好ましい。
加圧成形時の成形圧は、1〜1000kgf/cmであることが好ましく、50〜1000kgf/cmであることがより好ましく、100〜1000kgf/cmであることがさらも好ましい。
溶融混合物を加圧成形する時間は、10〜180分間が好ましく、20〜150分間がより好ましく、30〜120分間がより好ましい。
加圧成形時の成形圧や加圧成形時間が上記範囲内にあることにより、後述する粉砕処理時におけるエネルギーロスを効果的に低減して、表面積が抑制された黒鉛粉を得ることができる。
本発明の製造方法において、加圧成形により得られる加圧成形体の見掛け密度(嵩密度)は、1.0〜1.8g/cmであることが好ましく、1.1〜1.7g/cmであることがより好ましく、1.2〜1.6g/cmであることがさらに好ましい。
加圧成形体の嵩密度が上記範囲内にあることにより、後述する黒鉛化処理を効率的に行うことができ、リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を簡便に製造することができる。
なお、本出願書類において、加圧成形体の嵩密度は、加圧成形体の体積および質量をそれぞれ測定することにより算出することができる。
本発明の製造方法においては、溶融混合物を直接黒鉛化処理することなく、加圧成形体に成形した上で後述する炭素化および黒鉛化を行うことにより、炭素化および黒鉛化時における、炉詰めおよび炉出しの作業を容易に行うことができ、このために作業負担を軽減して簡便に目的とする黒鉛粉を製造することができる。
本発明の製造方法においては、上記加圧成形により得られた加圧成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理して、炭素化および黒鉛化を行うことにより黒鉛化成形体を得る。
本発明の製造方法において、加圧成形体を炭素化または黒鉛化する際における非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気等の希ガス雰囲気や加圧成形体から発生するガス雰囲気等を挙げることができる。
本発明の製造方法において、加圧成形体の炭素化処理は、公知の加熱装置により行うことができる。
加圧成形体の炭素化は、例えば、金属材、黒鉛材等からなる耐熱性サガー内に上記加圧成形体を載置して雰囲気を調整したり、炭素粉パッキンに埋め込んで加熱処理することにより行うことができる。
また、例えば、加圧成形体の炭素化は、トンネル炉、電気(電熱ヒーター)炉、誘導加熱炉、電磁波加熱炉、電気炉・電磁波ハイブリッド炉等の公知の焼成炉を用いて加熱処理することにより行うことができる。
本発明の製造方法において、加圧成形体の黒鉛化処理も、公知の加熱装置により行うことができる。
加圧成形体の黒鉛化は、例えば、金属材、黒鉛材等からなる耐熱性サガー内に上記加圧成形体を載置して雰囲気を調整したり、炭素粉パッキンに埋め込んで加熱処理することにより行うことができる。
また、例えば、加圧成形体の黒鉛化は、人造黒鉛電極を製造する際に用いられる直接通電炉(Length-width graphitization furnace(LWG炉))、アチェソン炉等の公知の黒鉛化炉を用いて加熱処理することにより行ったり、加圧成形体を黒鉛ルツボに収容した状態で、黒鉛ルツボをヒーターとする誘導加熱炉により加熱処理することにより行うことができる。
加圧成形体の炭素化および黒鉛化は、単一または複数の加熱装置を用い、炭素化時と黒鉛化時で処理温度を変更する複数工程の加熱処理により行うことができる。
また、加圧成形体の炭素化および黒鉛化は、単一の加熱装置を用い、加圧成形体を当初から黒鉛化温度に相当する高温度で加熱する、一工程の加熱処理により行うことができる。
加圧成形体の炭素化および黒鉛化を、単一または複数の加熱装置を用い、炭素化時と黒鉛化時で処理温度を変更する複数工程の加熱処理により行う場合、加圧成形体を炭素化する際の加熱処理温度は、600〜1200℃であることが好ましく、700〜1100℃であることがより好ましく、800〜1000℃であることがさらに好ましい。また、この場合、加圧成形体を炭素化処理する際の加熱処理時間は、60〜600分間であることが好ましく、60〜450分間であることがより好ましく、60〜300分間であることがさらに好ましい。
加圧成形体の炭素化および黒鉛化を、単一または複数の加熱装置を用い、炭素化時と黒鉛化時で処理温度を変更する複数工程の加熱処理により行う場合、加圧成形体を黒鉛化する際の加熱処理温度は、2000〜3000℃であることが好ましく、2600〜3000℃であることがより好ましく、2800〜3000℃であることがさらに好ましい。また、この場合、加圧成形体を黒鉛化する際の加熱処理時間は、60〜600分間であることが好ましく、60〜450分間であることがより好ましく、60〜300分間であることがさらに好ましい。
加圧成形体の炭素化および黒鉛化を、単一の加熱装置を用い、加圧成形体を当初から黒鉛化温度に相当する高温度で加熱する、一工程の加熱処理により行う場合、加圧成形体を炭素化および黒鉛化する際の加熱処理温度は、2000〜3000℃であることが好ましく、2600〜3000℃であることがより好ましく、2800〜3000℃であることがさらに好ましい。また、この場合、加圧成形体を炭素化および黒鉛化する際の加熱処理時間は、60〜600分間であることが好ましく、60〜450分間であることがより好ましく、60〜300分間であることがさらに好ましい。
本発明の製造方法においては、上記加熱処理することにより得られた黒鉛化成形体を粉砕処理する。
黒鉛化成形体の粉砕処理は、公知の粉砕機を用いて行うことができ、粉砕機としては、ハンマーミル、ピンミル、ジェットミル、ベベルインパクター、ターボミル、ナイフハンマーミル、ロータリーカッターミル、ロールクラッシャー等を挙げることができる。
本発明の製造方法においては、上記粉砕機を複数組み合わせて粉砕処理を行ってもよい。
粉砕機の粉砕条件は、所望特性等を有する黒鉛粉末が得られるように適宜調整すればよい。
本発明の製造方法においては、上記粉砕処理により、または上記粉砕処理後に必要に応じ分級処理することにより、所望性状を有するリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得ることができる。
上記粉砕処理後に分級処理する場合、分級に用いる装置としては、ローター式分級機、振動ふるい、気流式分級機等を挙げることができる。
本発明の製造方法で得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末としては、球形度が1.0〜2.0であるものが好ましく、球形度が1.0〜1.7であるものがより好ましく、球形度が1.0〜1.5であるものがさらに好ましく、球形度が1.0〜1.4であるものが一層好ましく、球形度が1.0〜1.3であるものがより一層好ましい。
リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の球形度が上記範囲内にあることにより、プレス成形してリチウム二次電池負極材を作製したときに、黒鉛粉末が容易に配向して体積当たりの電池容量が向上し、好適な負極材を得ることができる。
上記球形度が2.0を超えると、リチウム二次電池用負極材に使用したときに、充電時に負極材が膨張し易くなり電極としての性能が低下し易くなる。
なお、本出願書類において、リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の球形度は、走査型電子顕微鏡(日本電子(株) 製 JSM−6510LV)で30個の粉末粒子を観察し、それぞれ画像解析したときに、各粒子の最大径(ML)と、MLと直交する方向の幅のうち最大のもの(BD)とを測定してそれぞれML/BDを算出したときの平均値を意味する。測定対象となる粒子が真球である場合、球形度は1となる。
本発明の製造方法で得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末としては、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径(体積基準メディアン径D50)が5〜50μmであるものが好ましく、D50が5〜40μmであるものがより好ましく、D50が5〜30μmであるものがさらに好ましく、D50が5〜20μmであるものが一層好ましく、D50が5〜17.5μmであるものがより一層好ましく、D50が5〜15μmであるものが特に好ましい。
D50が5μm以上であることにより、黒鉛粉末の比表面積が低減し、自己放電を抑制することができるとともに、リチウム二次電池負極材を作製するためにスラリー化したときに、黒鉛粉末を良好に分散させることができる。
D50が50μm以下であることにより、リチウム二次電池において大電流充放電した際の容量維持率を容易に維持することができる。
本発明の製造方法で得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末としては、体積基準積算粒度分布における積算粒度で体積基準積算粒度分布における積算粒度で90%の粒径(D90)/体積基準積算粒度分布における積算粒度で10%の粒径(D10)で表わされる比が2〜16であるものが好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜12であるものがより好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜8であるものがさらに好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜6であるものが一層好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜5であるものがより一層好ましく、D90/D10で表わされる比が2〜4であるものが特に好ましい。
D90/D10が上記範囲内にあることにより、微粉化による比表面積の増大を抑制することができ、得られる黒鉛粉末をリチウム二次電池負極材に用いたときに、不可逆容量の増大を容易に抑制することができ、反応性の増大に伴う充放電効率の低下を容易に抑制することができる。また、100μm以上の大粒径粒子の存在割合を低減させて、大電流充放電時における容量維持率の低下を抑制することができる。
なお、本出願書類において、リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末のD10、D50およびD90は、それぞれ、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所(株)製SALD2000)により測定される、体積基準積算粒度分布における積算粒度で10%の粒径(μm)、50%の粒径(μm)、90%の粒径(μm)を意味する。
本発明の製造方法で得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末としては、窒素吸着比表面積(NSA)が、1.0〜4.0m/gであるものが好ましく、1.0〜3.0m/gであるものがより好ましく、1.0〜2.7m/gであるものがさらに好ましく、1.0〜2.5m/gであるものが特に好ましい。
本発明の製造方法で得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末は、窒素吸着比表面積が上記範囲内にあることにより、リチウム二次電池負極材を作製したときに不可逆容量の増大を容易に抑制し反応性を好適に制御することができる。
なお、本出願書類において、リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の窒素吸着比表面積(NSA)は、表面積計((株)島津製作所製全自動表面積測定装置 ジェミニV)を用い、黒鉛粉末に対して窒素ガス流通下350℃で30分間予備乾燥を施した後、大気圧に対する窒素ガスの相対圧が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用い、ガス流動法による窒素吸着BET10点法により測定した値を意味するものとする。
本発明によれば、エネルギー消費量を抑制しつつ、比表面積の小さなリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を高い黒鉛化効率の下で簡便に製造する方法を提供することができる。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものではない。
(実施例1)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.8μm、D90/D10が4.0である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素(以下すべて窒素)雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉とエチレンヘビーエンドタール(EHE)(100gあたりの固定炭素量30.0g)とを、コークス粉100質量部に対するEHEの固定炭素量が6質量部になるように、コークス粉100質量部に対してEHE20質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、120℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.34g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、さらに不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.2μm、 D90/D10が3.8、窒素吸着比表面積(NSA)が1.9m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
(負極(作用極)の作製)
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末10gに対し、増粘剤として1質量%のカルボキシメチルセルロース(CMC)水溶液を5L投入して30分間擁拌混合した後、結合剤として40質量%のスチレンーブタジエンゴム(SBR)水溶液を0.25L投入して5分間攪拌混合し、負極合材ペーストを調製した。
得られた負極合材ペーストを厚さ18μmの銅箔(集電体)上に塗布し、真空中で130℃に加熱して水溶媒を完全に揮発させて電極シートを得た。得られた電極シートを極板密度が1.5g/ccになるようローラープレスで圧延し、ポンチで打ち抜いて負極(作用極)を作製した。
(正極(対極)の作製)
不活性雰囲気下、リチウム金属箔を、ポンチで打ち抜いた厚さ270μmのニッケルメッシュ(集電体)にめり込ませることにより、正極(対極)を作製した。
(評価用リチウム二次電池aの作製)
電解液として、1mol/dmのリチウム塩LiPFを溶解したエチレンカーボネート(EC)と、ジエチルカーボネート(DEC)との1:1混合溶液を使用して、不活性雰囲気下、図1に示すように、ケース1中に、上記ニッケルメッシュ(集電体)3にめり込ませた正極(対極)4、セパレータ5、上記負極(作用極)8、スペーサー7を積層させた状態で組付け、スプリング6を介して封口蓋(キャップ)2で封止することにより、図1に示す形態を有するボタン型の評価用リチウム二次電池aを作製した。
得られた評価用リチウム二次電池aにおいて、電流密度0.2mA/cm、終止電圧5mVで定電流充電を行った後、下限電流0.02mA/cmとなるまで定電位保持した。次いで、電流密度0.2mA/cmにて終止電圧1.5Vまで定電流放電を行い、5サイクル終了後の放電容量を定格容量(可逆容量(mAh/g))として求めた。結果を表2に示す。
負極材の出力特性は、満充電状態から10mA/cmで放電した際の容量維持率(%)を下記式により求め、この容量維持率を初期効率(%)とした。結果を表2に示す。
初期効率(%)=(1回目の放電容量(mAh/g)/1回目の充電容量(mAh/g))×100
(評価用リチウム二次電池bの作製)
評価用リチウム二次電池aにおいて、対極をリチウムコバルト酸化物に変更して、同様にボタン型の評価用リチウム二次電池bを作製した。
60℃の温度条件下、電流密度0.2mA/cmで4.1V〜3.0V間を100回繰り返し充放電を行った後の1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の割合をサイクル特性率(%)として評価した。結果を表2に示す。
サイクル特性率(%)=(100サイクル目の放電容量(mAh/g)/1サイクル目の放電容量(mAh/g))×100
(実施例2)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が11.2μm、D90/D10が4.3である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1300℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉とEHE(100gあたりの固定炭素量30.0g)とを、コークス粉100質量部に対するEHEの固定炭素量が9質量部になるように、コークス粉100質量部に対してEHE30質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、120℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.48g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が11.0μm、 D90/D10が4.2、窒素吸着比表面積(NSA)が1.9m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例3)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.2、体積基準メディアン径D50が10.6μm、D90/D10が4.1である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、850℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉とEHE(100gあたりの固定炭素量30.0g)とを、コークス粉100質量部に対するEHEの固定炭素量が9質量部になるように、コークス粉100質量部に対してEHE30質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、120℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.47g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.2、体積基準メディアン径D50が10.8μm、 D90/D10が3.7、窒素吸着比表面積(NSA)が1.9m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例4)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.3μm、D90/D10が4.5である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、650℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉とエチレンヘビーエンドタール(EHE)(100gあたりの固定炭素量30.0g)とを、コークス粉100質量部に対するEHEの固定炭素量が9質量部となるように、コークス粉100質量部に対してEHE30質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、120℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.37g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.5μm、 D90/D10が4.0、窒素吸着比表面積(NSA)が1.8m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例5)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.8μm、D90/D10が3.8である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と、石炭系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびアントラセン油(100gあたりの固定炭素量1.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石炭系ピッチの固定炭素量が7.2質量部、コークス粉100質量部に対するアントラセン油の固定炭素量が0.1質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石炭系ピッチ12質量部と、アントラセン油6質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.32g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.6μm、 D90/D10が3.6、窒素吸着比表面積(NSA)が1.6m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例6)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.2、体積基準メディアン径D50が10.3μm、D90/D10が4.0である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石炭系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびアントラセン油(100gあたりの固定炭素量2.0g)とを、コークス粉100質量部に対する石炭系ピッチの固定炭素量が12質量部、コークス粉100質量部に対するアントラセン油の固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石炭系ピッチ20質量部、アントラセン油10質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.39g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.6μm、 D90/D10が3.8、窒素吸着比表面積(NSA)が2.3m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例7)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.2、体積基準メディアン径D50が10.8μm、D90/D10が3.8である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量1.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチを固定炭素量が7.2質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOが0.1質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチ12質量部と、FCCデカントオイル(FCCDO)6質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.32g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.2、体積基準メディアン径D50が10.7μm、 D90/D10が3.7、窒素吸着比表面積(NSA)が1.7m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例8)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.8μm、D90/D10が3.7である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.0g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が12質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ20質量部と、FCCDO10質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.40g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.2μm、 D90/D10が3.9、窒素吸着比表面積(NSA)が2.4m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例9)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.5 、体積基準メディアン径D50が25.6μm、D90/D10が5.9である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ15質量部と、FCCDO7.5質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.37g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.5、体積基準メディアン径D50が25.3μm、 D90/D10が5.7、窒素吸着比表面積(NSA)が1.3m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例10)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.4 、体積基準メディアン径D50が6.5μm、D90/D10が3.6である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ15質量部と、FCCDO7.5質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.35g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が5.7μm、 D90/D10が3.8、窒素吸着比表面積(NSA)が3.1m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例11)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.6 、体積基準メディアン径D50が32.3μm、D90/D10が4.9である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ15質量部と、FCCDO7.5質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.35g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.6、体積基準メディアン径D50が30.6μm、 D90/D10が4.8、窒素吸着比表面積(NSA)が1.1m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例12)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.7 、体積基準メディアン径D50が46.8μm、D90/D10が4.9である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ15質量部と、FCCDO7.5質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.36g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.7、体積基準メディアン径D50が45.2μm、 D90/D10が3.2、窒素吸着比表面積(NSA)が0.9m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例13)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.5 、体積基準メディアン径D50が20.8μm、D90/D10が4.9である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1450℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ15質量部と、FCCDO7.5質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.50g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.5、体積基準メディアン径D50が19.6μm、 D90/D10が4.8、窒素吸着比表面積(NSA)が1.2m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(実施例14)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3 、体積基準メディアン径D50が10.5μm、D90/D10が4.9である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)とを、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対し、石油系ピッチ15質量部と、FCCDO7.5質量部とをヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.34g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕し、その後分級処理することなく、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が19.8μm、 D90/D10が5.6、窒素吸着比表面積(NSA)が1.9m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(比較例1)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が11.5μm、D90/D10が4.2である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石炭系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とを、コークス粉100質量部に対する石炭系ピッチの固定炭素量が3質量部になるように、コークス粉100質量部に対し石炭系ピッチ5質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm)を作製しようとしたが、十分な強度を付与することができず、加圧成形体を作製することができなかった。
(比較例2)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.7μm、D90/D10が3.8である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石炭系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)とを、コークス粉100質量部に対する石炭系ピッチの固定炭素量が21質量部となるように、コークス粉100質量部に対し石炭系ピッチ35質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.53g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.5μm、 D90/D10が4.5、窒素吸着比表面積(NSA)が5.3m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(比較例3)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が11.5μm、D90/D10が4.3である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉とエチレンヘビーエンドタール(EHE)(100gあたりの固定炭素量30.0g)とを、コークス粉100質量部に対するEHEの固定炭素量が3質量部になるように、コークス粉100質量部に対しEHE10質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、120℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm)を作製しようとしたが、十分な強度を付与することができず、加圧成形体を作製することができなかった。
(比較例4)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が11.3μm、D90/D10が3.8である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量0.0g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が3質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチを5質量部、FCCDO2.5質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm)を作製しようとしたが、十分な強度を付与することができず、加圧成形体を作製することができなかった。
(比較例5)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.7μm、D90/D10が4.5である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.0g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が18質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.3質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチ30質量部、FCCDO15質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.52g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.4、体積基準メディアン径D50が10.6μm、 D90/D10が4.7、窒素吸着比表面積(NSA)が4.5m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(比較例6)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.5μm、D90/D10が4.3である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、500℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.0g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチ15質量部、FCCDO7.5質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.10g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.2、体積基準メディアン径D50が11.4μm、 D90/D10が4.3、窒素吸着比表面積(NSA)が1.7m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(比較例7)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.6μm、D90/D10が3.9である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1500℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.0g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチ15質量部、FCCDO7.5質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処
理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.38g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理して、円柱状の黒鉛化成形体を得た。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が10.8μm、 D90/D10が4.2、窒素吸着比表面積(NSA)が1.8m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(比較例8)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.5、体積基準メディアン径D50が52.6μm、D90/D10が7.4である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチ15質量部、FCCDO7.5質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.37g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.5、体積基準メディアン径D50が53.6μm、 D90/D10が7.2、窒素吸着比表面積(NSA)が1.1m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
(比較例9)
<リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造>
石油系生コークスをロールクラッシャーで粗粉砕した後、ターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)を用いて微粉砕し、球形度が1.3 、体積基準メディアン径D50が3.5μm、D90/D10が4.6である生コークス粉を作製した。この生コークス粉を、非酸化性雰囲気である窒素雰囲気下、1000℃で4時間保持して加熱処理することによりコークス粉を得た。
上記コークス粉と石油系ピッチ(100gあたりの固定炭素量60.0g)およびFCCデカントオイル(FCCDO)(100gあたりの固定炭素量2.7g)を、コークス粉100質量部に対する石油系ピッチの固定炭素量が9質量部、コークス粉100質量部に対するFCCDOの固定炭素量が0.2質量部になるように、コークス粉100質量部に対して、石油系ピッチ15質量部、FCCDO7.5質量部をヘンシェルミキサー(日本コークス工業(株)製)に装入し、150℃の温度雰囲気下、回転羽根の回転数3000rpmで、10分間攪拌処理して溶融混合することにより、粉末状の溶融混合物を得た。
得られた粉末状の溶融混合物を、ゴム型に充填し、冷間静水圧成形法により、
1000kgf/cmで90分間加圧成形することにより、円柱状の加圧成形体(直径500mm、高さ1000mm、嵩密度1.32g/cm)を作製した。
得られた加圧成形体を、ステンレス鋼(SUS)製サガーにカーボンブリーズパッキンとともに詰めて、リードハンマー炉を用いて不活性雰囲気下、1000℃で4時間保持して焼成処理した後、アチェソン式黒鉛化炉に詰め込み、不活性雰囲気下、3000℃で4時間黒鉛化処理した。
上記円柱状の黒鉛化成形体をターボミル(ターボ工業(株)製ターボミル)により解砕した後、日清製粉(株)製ターボクラシファイアを用いて分級処理することにより、球形度が1.3、体積基準メディアン径D50が3.3μm、 D90/D10が4.5、窒素吸着比表面積(NSA)が4.8m/gであるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を得た。
上記リチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造条件を表1に記載する。
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られたリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を用いて、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池aを作製して定格容量(可逆容量)および初期効率(%)を求めるとともに、実施例1と同様にして評価用リチウム二次電池bを作製してサイクル特性率を求めた。結果を表2に示す。
表1および表2より、実施例1〜実施例14においては、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μmの生コークス粉を非酸化性雰囲気中600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるコークス粉と炭素前駆体バインダーとを、上記コークス粉末100質量部に対して、上記炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜15質量部となるように溶融混合した後、加圧成形して加圧成形体を作製し、次いで、上記加圧成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理して、炭素化および黒鉛化を行うことにより黒鉛化成形体を得た後、得られた黒鉛化成形体を粉砕処理していることから、エネルギー消費量を抑制しつつ、比表面積の小さなリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を高い黒鉛化効率の下で簡便に製造し得ることができ、得られた黒鉛粉末からなる負極材を用いて作製されたリチウム二次電池は、電池特性に優れるものであることが分かる。
一方、表1および表2より、比較例1、比較例3および比較例4においては、炭素前駆体バインダーの固定炭素量が少ないため、強度が弱く、所望の加圧成形体が得られないために、炭素化および黒鉛化時における取り扱い性が低下して、黒鉛粉末の生産性が低下するものであることが分かる。
また、表1より、比較例2および比較例5においては、炭素前駆体バインダーの使用量が多すぎるため、黒鉛化後の成形体が必要以上に硬くなり、二次粉砕処理時に多大なエネルギーを必要とし、その衝撃によって粒子表面に微細な凹凸が多数生じてしまうため、得られる黒鉛粉末の比表面積が高くなる。
このため、表2に記載しているように、得られた黒鉛粉末からなる負極材を用いてリチウム二次電池を作製した場合に、初期効率が低下してしまうことが分かる。
表1より、比較例6においては、生コークス粉を500℃と低温度で加熱処理してなるコークス粉を使用していることから、加圧成形時における成形体嵩密度が低くなり、黒鉛化効率が低くなって、生産性に劣ることが分かる。
また、表2より、比較例7は、実施例6とほぼ同じ電池特性を示すが、表1に示すように、比較例7で得られた黒鉛粉末は、生コークス粉の熱処理温度が高いため、実施例6よりも製造時のエネルギー効率が劣ることが分かる。
表1より、比較例8は、生コークス粉の体積基準メディアン径D50が大き過ぎるため、表2に示す通り、得られた黒鉛粉末からなる負極材を用いてリチウム二次電池を作製した場合に、サイクル特性が低下してしまうことが分かる。
表1より、比較例9は、生コークス粉の体積基準メディアン径D50が小さすぎるため、表2に示す通り、得られた黒鉛粉末からなる負極材を用いてリチウム二次電池を作製した場合に、初期効率が低下してしまうことが分かる。
本発明によれば、エネルギー消費量を抑制しつつ、比表面積の小さなリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末を高い黒鉛化効率の下で簡便に製造する方法を提供することができる。
1 ケース
2 封口蓋(キャップ)
3 集電体
4 正極
5 セパレータ
6 スプリング
7 スペーサー
8 負極
9 ガスケット

Claims (4)

  1. 体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μmの生コークス粉を非酸化性雰囲気中600〜1450℃の温度条件下で加熱処理してなるコークス粉と、炭素前駆体バインダーとを、前記コークス粉100質量部に対して、前記炭素前駆体バインダーの固定炭素量が5〜15質量部となるように、溶融混合した後、加圧成形して嵩密度が1.2〜1.8g/cm である加圧成形体を作製し、次いで、
    前記加圧成形体を非酸化性雰囲気中で加熱処理して、炭素化および黒鉛化を行うことにより黒鉛化成形体を得、
    得られた黒鉛化成形体を粉砕処理する
    ことを特徴とするリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法。
  2. 前記加圧成形時における成形圧が1〜1000kgf/cmである請求項1に記載のリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法。
  3. 前記炭素前駆体バインダーが、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、エチレンヘビーエンドタール、アントラセンオイル、クレオソート油およびFCCデカントオイルから選ばれる一種以上である請求項1または請求項2に記載のリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法。
  4. 得られるリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末が、球形度が1.0〜2.0、体積基準積算粒度分布における積算粒度で50%の粒径が5〜50μm、体積基準積算粒度分布における積算粒度で90%の粒径/体積基準積算粒度分布における積算粒度で10%の粒径で表わされる比が2〜16、窒素吸着比表面積が1.0〜4.0m/gである請求項1〜請求項3のいずれかに記載のリチウム二次電池負極材用黒鉛粉末の製造方法。
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