JP6291414B2 - リチウムイオン二次電池負極用炭素材およびその製造方法並びに用途 - Google Patents
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Description
コーティング法は、黒鉛表面にピッチやレジンを液相または固相にて混合し、次いで炭素化または黒鉛化することによって表面に在るエッジを覆うものである。
丸み化処理法は、黒鉛を機械的に丸み化処理することによって、表面に在るエッジを覆い潰すものである(特許文献1〜4参照)。また、低結晶性炭素原料を機械的に丸み化処理し、その後、黒鉛化するという手法も提案されている(特許文献5または6参照)。
一方、丸み化処理法によって黒鉛の結晶形態が六方晶から菱面体晶に変化することがある。菱面体晶はリチウムイオンの脱挿入反応の可逆性に劣るので、電池の充放電特性を低下させる傾向がある。低結晶性炭素原料を機械的に丸み化処理し、その後、黒鉛化するという手法でも満足のできる結果が得られていない。
本発明の目的は、初期効率が高く且つ高い放電容量と優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を得ることができる負極用の活物質として有用な炭素材およびその製造方法、並びに用途を提供することである。
〔1〕 比表面積が1.5m2/g以上6.5m2/g以下で、
タップ密度が0.5g/cm3以上1.3g/cm3以下で、
ラマンR値が0.1以上0.4以下で、
X線回折において回折角42.7度〜43.7度の範囲に回折ピークが存在せず、
d002が0.337nm以下で、且つ
熱重量−示差熱分析において500℃以上1000℃未満の領域に多くとも1つのピークしかない
リチウムイオン二次電池負極用炭素材。
〔2〕 レーザー回析法による体積基準累積粒度分布における50%粒子径(D50)が1μm以上50μm以下である〔1〕に記載の炭素材。
〔3〕 1Cにて10サイクル充放電を行い10サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T10)に対する1Cにて500サイクル充放電を行い500サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T500)の比(T500/T10)が1.0以上1.30以下になる成形体層を有する負極用電極を備えた電池を与える、〔1〕または〔2〕に記載の炭素材。
〔5〕 表面改質前の見掛密度に対する表面改質後の見掛密度の比が1.1未満である〔4〕に記載の炭素材の製造方法。
〔6〕 粉粒状黒鉛が2400℃以上3600℃以下の温度で熱処理された人造黒鉛である〔4〕または〔5〕に記載の炭素材の製造方法。
〔7〕 粉粒状黒鉛が単一のコークスまたはピッチを原料として合成された人造黒鉛である〔4〕〜〔6〕のいずれかひとつに記載の炭素材の製造方法。
〔8〕 粉粒状黒鉛がか焼コークスを粉砕してなる粒子を熱処理することによって合成された人造黒鉛である〔4〕〜〔6〕のいずれか一つに記載の炭素材の製造方法。
〔10〕 前記〔1〕〜〔3〕のいずれかひとつに記載の炭素材とバインダーとを含む成形体層を有する電極。
〔11〕 1Cにて10サイクル充放電を行い10サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T10)に対する1Cにて500サイクル充放電を行い500サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T500)の比(T500/T10)が1.0以上1.30以下である成形体層を有する電極。
〔12〕 前記〔10〕または〔11〕に記載の電極を構成要素として含む電池。
本発明に係る製造方法によると、六方晶から菱面体晶への変化を生じさせずに、ピッチコークスやニードルコークスなどを原料に用いた人造黒鉛に表面改質処理を施すことができる。
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、初期効率が高く、高い放電容量と優れたサイクル特性を有するので、電源として、携帯電話、ノートブック型若しくはタブレット型パソコン、デジタルカメラなどの電子機器;電動工具、電動自転車、航空機などのハイパワー機器に用いることができる。
本発明の一実施形態に係る炭素材は、比表面積が、通常、1.5m2/g以上6.5m2/g以下、好ましくは1.5m2/g以上5m2/g以下、より好ましくは1.5m2/g以上4m2/g以下、さらに好ましくは1.5m2/g以上3m2/g以下である。比表面積は、窒素吸着に基づきBET法で算出されるものである。測定装置としては、例えばNOVA−4200e(QUANTANCHROME INSTRUMENTS社製)が挙げられる。比表面積が広すぎると電解液との副反応が起きやすくなり初期効率が低下する傾向がある。比表面積が狭すぎると電解液との接触面積が減りリチウムイオンの挿入がスムーズに進み難くなりサイクル特性などが低下する傾向がある。
なお、六方晶黒鉛は、炭素の六角網平面構造からなる層が、(2/3,1/3)ずつ平行移動して積み重なる、いわゆるAB型積層構造を成している。一方、菱面体晶黒鉛は、炭素の六角網平面構造からなる層が、先ず(2/3,1/3)平行移動し、次いで(1/3,2/3)平行移動して積み重なる、いわゆるABC型積層構造を成している。菱面体晶構造は、六方晶黒鉛を粉砕した際に生じる格子歪みによって形成される。
また、本発明の一実施形態に係る炭素材は、Lcが、好ましくは20nm以上1000nm以下である。Lcがこのような数値範囲にある場合は重量当たりのエネルギー密度やつぶれ性が良好になる傾向がある。
なお、d002およびLcは、粉末X線回折における002回折線に基づいて算出した値である。
熱重量−示差熱分析は、空気流通雰囲気中で測定(TG−DTA測定)が行われる。示差熱分析(DTA)における発熱分解ピークは、炭素骨格構造の広がりを示しており、発熱分解ピークの現れる温度が高いものほど炭素骨格構造が発達した高結晶性炭素材料である。一般的に炭素骨格が規則的に配列していない非晶質炭素は800℃以下の領域で発熱ピークが観察される。炭素骨格が高度に発達した黒鉛では800℃以上の領域で発熱ピークが観察される。
なお、成形体層の厚さの比(T500/T10)は次のようにして算出する。先ず、後述するような方法によって炭素材を用いて成形体層を有する負極用電極を得る。該負極用電極と公知の正極用電極とを用いて同じ仕様の電池を複数組み立てる。該電池について、1Cにて充放電を10サイクル行い、該10サイクル目の放電終了時に、負極用電極の成形体層の厚さ(T10)を測定する。別に、該電池について、1Cにて充放電を500サイクル行い、該500サイクル目の放電終了時に、負極用電極の成形体層の厚さ(T500)を測定する。当該測定値から比(T500/T10)を算出する。
コークスまたはピッチは、石油または石炭のどちらに由来するものであってもよいが、石油に由来のものが好ましい。
黒鉛化はアルゴン中等の不活性雰囲気中で行なっても良いが、黒鉛化中または黒鉛化後に、空気と接触させ、表面の酸化を行うと、負極材活物質として使用した際の初期効率が向上したり、長期の充放電サイクル後も容量の維持率が高い等、より好ましい特性が得られることがある。
衝撃圧縮力とは、回転部との衝突およびそれに引き続く粒子同士や装置内壁への衝突により粒子に加わる圧縮力のことをいう。衝撃圧縮力によって粉粒状黒鉛が砕けたり粉粒状黒鉛に格子歪みを発生させたりすると菱面体晶が形成しやすくなるので、本発明の製造方法においては、黒鉛の結晶構造に歪みを与えず、粒径や結晶構造に大きな変化を与えずに衝撃圧縮力を付与することが好ましい。本発明においては衝撃圧縮力以外に剪断力を加えてもよい。
機械式回転機の好ましい運転条件は、粉砕ローターの周速度(m/s)を、好ましくは20m/s以上200m/s以下、より好ましくは50m/s以上170m/s以下に設定する。なお、周速度は回転半径(m)×2×円周率×回転数(rpm)÷60で求めることができる。ローターを構成する材料は、特に制限されない。例えば、鉄鋼、セラミックなどが挙げられる。
表面改質処理の時間は、好ましくは10秒間以上90分間以下、より好ましくは10秒間以上5分間以下である。また、バッチあたり粉体処理量を1kg以上100kg以下にすることが好ましい。
また、別の機械式回転機として、回転するドラムと、回転ドラムと異なる周速度で回転するインナーピースとを少なくとも有し、回転ドラムとインナーピースとの間に供給された粉粒状黒鉛に遠心力を付与しながら、インナーピースと回転ドラムとの速度差に起因する剪断力と圧縮力とを黒鉛に同時に掛けて、メカノケミカル処理することができる装置(メカノフュージョシステム);固定ドラム(ステーター)と、高速回転するローターとを有し、ステーターとローターとの間に粉粒状黒鉛を通すことによってローターの回転に起因する剪断力と圧縮力とを黒鉛に同時に掛けて、メカノケミカル処理することができる装置(ハイブリダイゼーションシステム)が挙げられる。さらに、機械式回転機は、回転するドラムまたはローターと黒鉛粉との衝突および黒鉛粉同士の衝突によって表面改質が行われる装置が好ましい。このような球形化処理装置としては、例えば、ホソカワミクロン(株)製のACMパルペライザ(登録商標)、イノマイザ(登録商標)及びファカルティ(登録商標)、アーステクニカ製クリプトロン(登録商標)シリーズ、日本ニューマチック工業製FMなどが挙げられる。
その他に、衝撃圧縮力を付与するために用いる機械式回転機として、回転するドラム若しくはローターとインナーピース若しくは固定ドラムとが対向する面の内側に凹凸を設けてなる装置(例えば、ACMパルペライザ、ファカルティおよびクリプトロンエディなど)を用いることができる。この装置は、表面改質効率が高く、処理時間の短縮が可能であるので好ましい。
以上のような機械式回転機を用いることで、黒鉛の結晶構造に歪みを与えずに表面改質のみを行うことができる。
本発明の一実施形態に係る電極用ペーストは、本発明に係る炭素材とバインダーと必要に応じて溶媒、導電助剤などとを含むものである。この電極用ペーストは、例えば、本発明に係る炭素材とバインダーと必要に応じて溶媒、導電助剤などとを混練することによって得られる。電極用ペーストは、シート状、ペレット状などの形状に成形することができる。
本発明の一実施形態に係る電極は、本発明に係る炭素材とバインダーと必要に応じて導電助剤などとを含む成形体層を有するものである。成形体層は、通常、集電体に積層される。
集電体としては、例えば、ニッケル箔、銅箔、ニッケルメッシュまたは銅メッシュなどが挙げられる。
成形体層は、バインダーと前記の炭素材とを少なくとも含有するものである。成形体層は、例えば、前記の電極用ペーストを塗布し乾燥させることによって得ることができる。ペーストの塗布方法は特に制限されない。成形体層の厚さは、通常、50〜200μmである。成形体層の厚さが大きくなりすぎると、規格化された電池容器に負極シートを収容できなくなることがある。成形体層の厚さは、ペーストの塗布量によって調整できる。また、ペーストを乾燥させた後、加圧成形することによっても調整することができる。加圧成形法としては、ロール加圧、プレス加圧などの成形法が挙げられる。加圧成形するときの圧力は、好ましくは約100MPa〜約300MPa(1〜3ton/cm2程度)である。
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、本発明に係る電極(負極)と、さらに正極と、非水系電解液および/または非水系ポリマー電解質とを構成要素として有する。
正極として、リチウムイオン二次電池に従来から使われていたもの、具体的には正極活物質を含んでなるシートを用いることができる。正極活物質としては、LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、LiNi0.34Mn0.33Co0.33O2、LiFePO4などが挙げられる。
Quantachrome INSTRUMENTS社製比表面積測定装置(NOVA 4200e)を用い、予備乾燥として300℃ に加熱し、15分間窒素ガスを流した後、窒素ガス吸着によるBET3点法によって測定した。
セイシン企業社製粉体密度測定器「タップデンサー KYT−4000K」を用い、セルが満杯に充填された後、ストローク長2mmのタッピングを400回行って、その時の見かけ密度を測定した。
処理前後の見かけ密度比とは、処理前のタップ密度を分母とし、処理後のタップ密度を分子とした、処理前後のタップ密度比のことである。
粉体を極小型スパーテル1杯分、及び非イオン性界面活性剤を水10mlに0.1%となるように添加し、5分間超音波分散させた。この分散液をセイシン企業社製レーザー回折式粒度分布測定器(LMS−2000e)に投入し、数基準および体積基準の粒度分布を測定し、体積基準累積粒度分布から50%粒子径(D50)を算出した。
深さ0.1cmの試料板に炭素粉体を配向しないように充填し、X線回折装置(リガク社製、Smart Lab)で、下記の条件にて測定した。リガク社製の解析ソフトPDXLを用いて回折線の分析を行った。
ターゲット : 銅
管電圧 : 40kV
管電流 : 200mA
発散スリット : 1/2°
散乱スリット : 1/2°
受光スリット : 0.15mm
操作モード : 連続
スキャンステップ : 0.02°
計測時間 : 10秒
セイコーインスツル社製示差熱熱重量同時測定装置(EXSTAR TG/DTA 6300)を使用し、試料2mgについて、200ml/minの空気気流下、昇温速度10℃/分で、室温から1000℃までの範囲で測定した。示差熱曲線から発熱ピークの現れる温度を読み取った。
日本分光株式会社製レーザーラマン分光測定装置(NRS−5100)を用いて、励起波長532nm、入射スリット幅200μm、露光時間3秒、積算回数2回、回折格子1800本/mmの条件で測定を行った。測定されたスペクトルから1360cm-1付近のピークの強度ID(非晶質成分由来)と1580cm-1付近のピークの強度IG(黒鉛成分由来)の比(ID/IG)を算出した。それをR値として黒鉛化度合いの指標とした。
露点−75℃以下の乾燥アルゴンガス雰囲気に保ったグローブボックス内で下記の操作を実施した。
2032型コインセル(直径20mm、厚み3.2mm;宝泉製)を用意した。直径15mmの負極シートをコインセルケースの中に置いた。これに電解液を注ぎ、負極シートに浸透させた。その上に直径20mmのセパレータ(セルガード2400)と、直径17.5mmおよび厚さ3mmのリチウム箔とをこの順で載せた。その上に、ガスケットを取り付けたコインセルキャップを被せ、コインセルケースとコインセルキャップとをかしめて密封し、評価用のリチウムイオン二次電池を得た。
なお、電解液は、エチレンカーボネートおよびエチルメチルカーボネートが体積比で2:3の割合で混合された溶媒に電解質LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させて得られた液である。
初期効率(%)=((放電容量)/(充電容量))×100
露点−80℃以下の乾燥アルゴンガス雰囲気下に保ったグローブボックス内で下記の操作を実施した。
炭素材90質量部、導電助剤(C45;TIMCAL社製)2質量部、導電助剤(KS6L)3質量部、およびポリフッ化ビニリデン(KFポリマー W#1300;クレハ製)5質量部(固形分として)にN−メチル−ピロリドンを適宜加えながら攪拌・混合し、スラリー状の分散液を作製した。作製した分散液を厚さ20μmの銅箔上にクリアランス200μmのドクターブレードで塗布し、乾燥させ、加圧成形して、負極シートを得た。
LiMO2(M=Ni,Mn,Co;Unicore社製三元系正極材)90質量部、導電助剤(C45;TIMCAL社製)2質量部、導電助剤(KS6L)3質量部、およびポリフッ化ビニリデン(KFポリマー W#1300;クレハ製)5質量部(固形分として)にN−メチル−ピロリドンを適宜加えながら攪拌・混合し、スラリー状の分散液を作製した。作製した分散液を厚さ20μmのアルミ箔上にクリアランス200μmのドクターブレードで塗布し、乾燥させ、加圧成形して、正極シートを得た。
負極シートと正極シートとをポリプロピレン製セパレータ(セルガード2400;東燃株式会社製)を間に挟んで重ね合せた。それをアルミラミネート包材の中に入れ、電解液を注入し、真空中でヒートシールして、評価用のラミネートセルを得た。
電解液は、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートが体積比で3:2:5の割合で混合された溶媒に電解質LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させて得られた液である。
評価用ラミネートセルを用いて以下の条件で充放電を行った。
1回目と2回目の充放電サイクルは、次のようにして行った。レストポテンシャルから4.2Vまで5.5mAで定電流充電し、次に4.2Vで定電圧充電を行い、電流値が0.27mAに低下した時点で充電を停止させた。次いで、5.5mAで定電流放電を行い、電圧2.7Vでカットオフした。
3回目以降の充放電サイクルは、次のようにして行った。レストポテンシャルから4.2Vまで11mA(2Cに相当)で定電流充電し、次に4.2Vで定電圧充電を行い、電流値が55μAに低下した時点で充電を停止させた。次いで、1.65mA(3Cに相当)で定電流放電を行い、電圧2.7Vでカットオフした。
そして、3回目の放電容量に対する500回目の放電容量の割合(500サイクル容量維持率)を算出した。この容量維持率は大電流充放電におけるサイクル特性を示している。
サイクル特性の測定に用いたラミネートセルの作製法と同じ方法で、同じ仕様の評価用ラミネートセルを複数作製した。評価用ラミネートセルに、1Cにて充放電を10サイクル行い、該10サイクル目の放電終了時に、負極シートの成形体層の厚さ(T10)を測定した。評価用ラミネートセルに、1Cにて充放電を500サイクル行い、該500サイクル目の放電終了時に、負極シートの成形体層の厚さ(T500)を測定した。そして、成形体層の厚さ比(T500/T10)を算出した。
サイクル特性の測定に用いたラミネートセルの作製法と同じ方法でラミネートセルを作製した。
0.5Cで、レストポテンシャルから4.2Vまで5.5mAで定電流充電し、次に4.2Vで定電圧充電を行い、電流値が0.27mAに低下した時点で充電を停止させた。次いで、5.5mAで定電流放電を行い、電圧2.75Vでカットオフした。この操作を10回繰り返した。10回目の操作時における放電容量Q1を測定した。
次に、4.2Vまで満充電し短絡しないように電極タブにマスキングを施した上で、50℃の恒温槽にセルを4週間安置した。セルを恒温槽から取り出し、0.5Cで2.75Vまで充電し、次いで放電させた。このときの放電容量Q2を測定した。
Q2/Q1×100[%]を50℃容量維持率と定義した。
サイクル特性の測定に用いたラミネートセルの作製法と同じ方法でラミネートセルを作製した。
まず、5.5mAで定電流放電を行った。そしてレストポテンシャルから4.2Vまで5.5mAで定電流充電し、4.2Vに達した時点から4.2Vで定電圧充電を行い、電流値が0.27mAに低下した時点で充電を停止させた。ついで0.55mA(0.1Cに相当)で2時間定電流放電を行った。
1.1mA(0.2Cに相当)で5秒間定電流放電を行い、30分間休止した。次いで、0.11mA(0.02Cに相当)の定電流充電と、4.2Vに達した時点からの4.2Vの定電圧充電とをトータルで50秒間行った。その時の電流と電圧を記録した。
この5秒間の定電流放電と、50秒間の定電流充電および定電圧充電とを、0.2C、0.5C、1C、および2Cのそれぞれで行い、それらの時の電流と電圧を記録した。
記録した電流および電圧の値から「直流抵抗」を算出した。
中国遼寧省産原油(API28、ワックス含有率17%、硫黄分0.66%)を常圧蒸留して重質溜分を抜き出した。十分な量のY型ゼオライト触媒を用い、510℃、常圧で、重質留分の流動床接触分解を行った。分解生成物から遠心分離によって触媒などの固形分を除去し透明なデカントオイル1を得た。このオイルを小型ディレイドコーキングプロセスに投入した。ドラム入り口温度505℃、ドラム内圧600kPa(6kgf/cm2)にて10時間コーキングした。その後、水冷して黒色塊(生コークス)を得た。
粒度調製が成されたか焼コークス1を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)をるつぼの上に載せ、空気が急激に流入しないようにした状態でアチソン炉に入れ、3150℃で熱処理を行いD50が22.6μmの黒鉛粉1を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2、表3および図1に示す。
粉砕ローター周速度を125m/sに変更した以外は実施例1と同じ方法で表面改質処理した。表面改質処理によってD50が22.9μmになった。その後、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットし、D50が21.0μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
粉砕ローター周速度を125m/s、処理時間を3分間に変更した以外は実施例1と同じ方法で表面改質処理した。表面改質処理によってD50が22.1μmになった。その後、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットし、D50が20.6μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉1を回転部にインペラを備えた機械式回転複合機(昭和電工製)を用いて、粉砕ローター周速度25m/s、処理時間30分間、およびバッチあたり処理量4kgの条件で処理した。その後、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットした。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径1.0μm以下の粒子を実質的に含まないD50が22.1μmの炭素材を得た。
得られた試料について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉1を表面改質処理を行わずに、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットした炭素材を作製した。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉1をジェットミルを用いて粉砕した。粉砕品のD50は12.0μmであった。該粉砕品2kgをホソカワミクロン社製ACMパルペライザを用い、粉砕ローター周速度90m/s、分級ローター周速度100m/s、風量15m3/min、平均滞留時間1分間、およびバッチあたり処理量2kgの条件で処理した。この処理によってD50が11.5μmになった。その後、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットし、D50が11.4μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉1 0.1gをボールミルで1時間攪拌処理した。この処理によってD50は12.0μmになった。その後、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットし、D50が11.8μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
粉砕ローター周速度を160m/s、平均滞留時間を10分間に変更した以外は実施例1と同じ方法で表面改質処理した。表面改質処理によってD50が18.3μmになった。その後、32μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットし、D50が18.1μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
か焼コークス1をホソカワミクロン社製ACMパルペライザを用い、粉砕ローター周速度90m/s、分級ローター周速度100m/s、風量15m3/min、平均滞留時間1分間、およびバッチあたり粉体処理量2kgの条件で処理して、D50が21.0μmのコークスを得た。
得られたコークスを黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ状態でアチソン炉に入れ、3150℃で熱処理を行い黒鉛粉を得た。その後、32μmの目開きの篩を用いてD50が21.0μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉1 100質量部に、D50が3.1μmで20μm以上の粒子を実質的に含まない粉末状の等方性石炭ピッチ(軟化点130℃、残炭率60%)5質量部を加え、自転公転式混合機で2000rpmで20分間、バッチあたり処理量4kgで乾式混合を行い、混合物を得た。
該混合物をアルゴン雰囲気下、1100℃にて1時間加熱して、目開き32μmの篩を用いて、D50が23.5μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
アメリカ西海岸産原油を減圧蒸留した残渣を原料として用意した。本原料は、API18、Wax分11質量%、硫黄分3.5質量%であった。この原料を、小型ディレードコーキングプロセスに投入した。ドラム入り口温度490℃、ドラム内圧2kgf/cm2にて10時間コーキングした。その後、水冷して黒色塊を得た。
得られた黒色塊を最大サイズが5cm程度になるように金槌で粉砕した。内筒中心部外壁温度が1450℃に設定されたロータリーキルン(電気ヒーター外熱式、酸化アルミニウムSSA−Sφ 120mm内筒管)に、粉砕された黒色塊の滞留時間が15分間となるように、黒色塊の供給量およびキルンの傾斜角度を調整して、黒色塊を加熱した。得られた赤熱塊をSUS製容器に入れて外気から遮断し、容器内部が負圧にならないように必要量の窒素を供給しながら外部水冷方式で冷却した。黒色で、最大で3cm程度の大きさを持つ、か焼コークス2を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
粉砕ローター周速度を160m/s、平均滞留時間を3分間に変更した以外は実施例5と同じ方法で表面改質処理した。D50が16.0μmになった。その後、45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットし、D50が15.9μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉2を用いた以外は実施例4と同じ方法で炭素材を表面改質処理した。D50が16.6μmになった。その後、45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットして、D50が15.9μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
か焼コークス1をホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕し、その後32μmの目開きの篩を用いて粗粉を取り除いた。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径1.0μm以下の粒子を取り除いた。粒度調整が成されたか焼コークス1を黒鉛るつぼに充填した。るつぼには蓋をしない状態でアチソン炉に入れて、3150℃での黒鉛化中、及び冷却中に十分な空気と接触させた。るつぼ内に生成した黒鉛のうち上部25cmを除去し、それより下部を採取して、D50が22.6μmの黒鉛粉3を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉2を表面改質処理を行わずに、45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットして、D50が16.0μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
黒鉛粉2を用いた以外は比較例3と同じ方法で炭素材を処理した。この処理によってD50が13.2μmになった。その後、45μmの目開きの篩を用いて粗粉をカットして、D50が13.1μmの炭素材を得た。
得られた炭素材について各種物性を測定し、その後、電極を作製し、充放電特性等を測定した。結果を表2および表3に示す。
Claims (12)
- 比表面積が1.5m2/g以上6.5m2/g以下で、
タップ密度が0.5g/cm3以上1.3g/cm3以下で、
ラマンR値が0.1以上0.4以下で、
X線回折において回折角42.7度〜43.7度の範囲に回折ピークが存在せず、
d002が0.337nm以下で、且つ
熱重量−示差熱分析において500℃以上1000℃未満の領域に多くとも1つのピークしかない
リチウムイオン二次電池負極用炭素材。 - レーザー回析法による体積基準累積粒度分布における50%粒子径(D50)が1μm以上50μm以下である請求項1に記載の炭素材。
- 1Cにて10サイクル充放電を行い10サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T10)に対する1Cにて500サイクル充放電を行い500サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T500)の比(T500/T10)が1.0以上1.30以下になる成形体層を有する負極用電極を備えた電池を与える、請求項1または2に記載の炭素材。
- 粉粒状黒鉛に、機械式回転機を用いて衝撃圧縮力を加えて表面改質することを含む請求項1〜3のいずれかひとつに記載の炭素材の製造方法。
- 表面改質前の見掛密度に対する表面改質後の見掛密度の比が1.1未満である請求項4に記載の炭素材の製造方法。
- 粉粒状黒鉛が2400℃以上3600℃以下の温度で熱処理された人造黒鉛である請求項4または5に記載の炭素材の製造方法。
- 粉粒状黒鉛がコークスまたはピッチを原料として合成された人造黒鉛である請求項4〜6のいずれかひとつに記載の炭素材の製造方法。
- 粉粒状黒鉛がか焼コークスを粉砕してなる粒子を熱処理することによって合成された人造黒鉛である請求項4〜6のいずれかひとつに記載の炭素材の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかひとつに記載の炭素材とバインダーとを含む電極用ペースト。
- 請求項1〜3のいずれかひとつに記載の炭素材とバインダーとを含む成形体層を有する電極。
- 前記成形体層は、1Cにて10サイクル充放電を行い10サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T10)に対する1Cにて500サイクル充放電を行い500サイクル目の放電終了時の成形体層の厚さ(T500)の比(T500/T10)が1.0以上1.30以下である、請求項10に記載の電極。
- 請求項10または11に記載の電極を構成要素として含む電池。
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