JP6301484B2 - リチウム二次電池用負極活物質およびその製造方法、これを用いたリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
a)粒状素材と、ポリオール組成物およびイソシアネート系化合物を含む熱硬化性樹脂組成物とを混合するステップと、
b)前記熱硬化性樹脂組成物と粒状素材の混合物を乾燥および硬化させて熱硬化性樹脂がコーティングされた粒状素材を製造するステップと、
c)前記熱硬化性樹脂がコーティングされた粒状素材を不活性気体雰囲気下で熱処理して炭素化させた炭素複合体を製造するステップと、
d)前記炭素複合体を解砕するステップと、を含むことができる。
1)XRD測定
粒子の平均層間距離(d 002 )の分析
X−ray回折法を用いて測定した2θ値のグラフを得てグラフのピーク位置を積分法により求めて、Bragg公式によりd002(d002=λ/2sinθ)を計算する。CuKa線の波長は、0.15406nmにした。このとき、測定範囲は、2.5゜〜80゜であり、測定速度は、5゜/minにした。
KS A 0094,KS L ISO 18757規格に準じて試料を採取し、前処理装置により300℃で3時間脱ガス処理を行った後、Surface Area、Pore Size Analyzer装置により窒素ガス気体吸着BET法による圧力区間(P/P0)0.05〜0.3で試料の比表面積を測定した。
比表面積測定時と同様に、試料を前処理した後、Surface Area、Pore Size Analyzer装置により測定する。ミクロ気孔(Micropore)が存在することを確認すると、気孔径分布(Pore Size Distribution)を解釈する際にt‐plotを利用する。すなわち、t‐plotを用いて気孔径(pore size)による形態を知ることができる。
Mesopore Volume=Total pore volumeMicropore volume
Micropore Volume percent=Micropore volume/Total pore volume *100
前処理装置により300℃で3時間脱ガス処理を行った後、Pore Size Analyzer(Bellsorp mini II)により窒素ガス気体吸着法で試料表面の気孔を分析した。
製造された炭素を相対湿度70%、温度25℃の条件で24時間放置した後、カールフィッシャー(Karl fischer)水分測定装備を用いて200℃で5分間維持し、試料に吸着された水分の量を測定した。
測定セルは、コイン型半電池であって、負極活物質とバインダーを97:3の割合で製造した。電極と相対電極としてリチウム金属箔を使用し、分離膜を挟んで有機電解液としてEC/DECが1:1の割合で混合されており、1MのLiPF6が溶解された電解液を含浸して2016typeのコインセルに製造した。
充電は、0.1C rateで0.005Vまで定電流法で炭素電極にリチウムイオンを挿入し、0.005Vから定電流法でリチウムイオンの挿入を行ってから電流が0.01mAになる時にリチウムイオンの挿入を終了した。放電は、0.1C rateで定電流法で終止電圧を1.5Vとしてリチウムイオンを炭素電極から脱離した。挿入量に対する脱離量の割合が初期効率であり、脱離された量を重量当たり容量に変換して可逆容量を計算した。
常温出力特性の評価は、25℃でリチウムイオン放電時の出力特性を測定したものであり、初期0.1Cで3サイクル充放電を行った後、0.2Cで3サイクル充放電を行い、その後から放電(リチウムイオン脱離)C rateのみ段階的に増加させながら0.2C rate可逆容量に対して5C‐rate可逆容量の維持率を測定した。
低温出力特性の評価は、25℃でリチウムイオン放電時の出力特性を測定したものであり、初期0.1Cで3サイクル充放電を行った後、0.2Cで3サイクル充放電を行い、その後から放電(リチウムイオン脱離)C rateのみ段階的に増加させながら0.2C rate可逆容量に対して0での5C‐rate可逆容量の維持率を測定した。
低温充電出力特性の評価は、0℃でリチウムイオン充電時の出力特性を測定したものであり、初期0.1Cで3サイクル充放電を行った後、0.2Cで3サイクル充放電を行い、その後に0℃で0.2Cで充電して常温0.2C充電に対して充電指数を測定した。
二軸連続混練機にD50が18μmである球形天然黒鉛を20kg/hr、ポリオール組成物でポリオール(SSP−104HC、愛敬油化社製)を1.3kg/hrおよびアセトンを3.1kg/hrの投入速度で同時投入した後、攪拌進行中に混練機の混練槽の中間部分にイソシアネート(JG55K、錦湖三井化学社製)を2.5kg/hrの投入速度で投入する。混練機の冷却ジャケットの温度は−15℃に設定し(この際、攪拌機内部の練りの実際の温度は、約7℃に測定)、乾燥工程は、連続式コンベヤベルトタイプの熱風乾燥機を使用し、乾燥機の室内温度は80℃に設定し、15分間乾燥および硬化反応を行って熱硬化性樹脂がコーティングされた球状黒鉛である炭素複合体を取得した。取得された炭素複合体を窒素雰囲気で700℃で1次熱処理し、1250℃で2次熱処理して約15nm厚さの難黒鉛化性炭素層が形成された負極活物質を製造した。製造された負極活物質の物性を測定し、下記の表2に示す。難黒鉛化性炭素の炭化収率を34%に合わせて設定し、ポリオールとイソシアネートの量を決定し投入する。
下記の表1に示されているように、インペラ方式の攪拌機にD50が18μmである球形天然黒鉛10kgと、炭化収率が65%であり平均粒径が約2μmと微粉砕された石油系ピッチ0.65kgを同時投入して150rpmで30分間混合してピッチ微粉末が均一に分布した黒鉛ピッチ複合体を製造した。製造された複合体は、窒素雰囲気で700℃で1次熱処理し、1250℃で2次熱処理して易黒鉛化性炭素層が形成された負極活物質を製造した。易軟化性炭素の前駆体であるピッチは、炭化収率64%に設定して投入した。
下記の表1に示されているように、ポリオール(SSP−104HC、愛敬油化社製)を2.8kg/hrおよびイソシアネート(JG55K、錦湖三井化学社製)を5.4kg/hrの速度で投入したことと、アセトンを使用しない以外は、実施例1と同様に実施して負極活物質を製造した。製造された負極活物質の物性を測定し、下記の表2に示す。
下記の表1に示されているように、ポリオール(SSP−104HC、愛敬油化社製)を0.3kg/hr、アセトンを6.2kg/hrおよびイソシアネート(JG55K、錦湖三井化学社製)を0.5kg/hrの速度で投入した以外は、実施例1と同様に実施して負極活物質を製造した。製造された負極活物質の物性を測定し、下記の表2に示す。
下記の表1に示されているように、ポリオール(SSP−104HC、愛敬油化社製)を2.3kg/hr、アセトンを4.0kg/hrおよびイソシアネート(JG55K、錦湖三井化学社製)を0.7kg/hrの速度で投入した以外は、実施例1と同様に実施して負極活物質を製造した。製造された負極活物質の物性を測定し、下記の表2に示す。
下記の表1に示されているように、ポリオール(SSP−104HC、愛敬油化社製)を0.8kg/hr、アセトンを3.9kg/hrおよびイソシアネート(JG55K、錦湖三井化学社製)を2.3kg/hrの速度で投入した以外は、実施例1と同様に実施して負極活物質を製造した。製造された負極活物質の物性を測定し、下記の表2に示す。
下記の表1に示されているように、平均粒径18μmの処理していない球形天然黒鉛をそのまま使用し、物性を測定し、下記の表2に示す。
(a)電極の作製
前記製造された負極活物質97重量部にSBR(Stylene Butadiene Rubber)1.5重量部、CMC(Carboxyl Methyl Cellulose)1.5重量部を添加し、蒸留水を添加してスラリー形態に均一に攪拌して銅箔上に均一にコーティングした。コーティングは、ドクターブレードを用いて110μmと均一にコーティングし、60℃のオーブンで30分間乾燥して0.6Mpaの圧力でプレスを行った。箔上の電極を面積1cm2の円形にパンチングし、120℃の真空オーブンで12時間乾燥した。
前記実施例および比較例で製造された負極活物質は、水系電解質二次電池の負極に使用し、負極活物質の充電(リチウム挿入)容量および放電(リチウム脱離)容量が対極の性能に影響を受けず、単独で精密に評価するためにリチウム金属を対極として使用してリチウム二次電池を構成し、特性を評価した。
前記組み立てられたリチウム二次電池に対する特性の分析は、TOYO SYSTEM社製のTOSCAT‐3100充放電試験装置を用いて定電流‐定電圧法(CCCV)により25℃で充放電を行った。ここで、「充電」は、負極にリチウムが挿入される反応で、コイン型電池の電圧が低くなる反応であり、「放電」は、リチウムが負極から脱離され、対極側に移動する反応で、コイン型電池の電圧が高くなる反応である。また、ここで、定電流‐定電圧条件は、コイン型電池の電圧が0.005Vになるまで所定の電流密度(0.1C基準)で充電を行い、その後に、電圧を維持した状態で電流値が0.05mAになるまで一定に減少させて充電を行う。この際、供給した電気量を電極の負極活物質の重量で除算した値を負極活物質の単位重量当たり充電容量(mAh/g)とした。充電終了後、10分間電池の作動を中止し放電を行った。放電は、コイン型電池の電圧が1.5Vになるまで所定の電流で行い、この際、放電した電気量を電極の負極活物質の重量で除算した値を負極活物質の単位重量当たり放電容量(mAh/g)とした。可逆容量は、放電容量で定義し、非可逆容量は、充電容量から放電容量を減算した容量で計算し、効率は、充電容量に対する放電容量をパーセント(%)で計算した。基本的なコイン型電池の特性値は、同一試料で作製した同一電池3個以上の特性値を平均して示した。
前記組み立てられたリチウム二次電池に対する高率充放電特性の分析は、(c)と同様に、定電流‐定電圧法(CCCV)により25℃で行った。高率充放電特性は、充放電時の電流密度を変化させ、供給または放電する所定の電流密度をサイクル別に増加させ、その電流密度で充放電されて測定される容量(mAh/g)で示した。
Claims (12)
- ポリオールおよびイソシアネート系化合物の硬化物から由来する難黒鉛化性炭素層が平均厚さ3〜30nmで表面に形成されている炭素系粒状素材を含み、
前記硬化物は、前記ポリオール100重量部に対して、前記イソシアネート系化合物を50〜250重量部含み、負極活物質の全体に対して、5〜25重量%である、リチウム二次電池用負極活物質。 - ポリオールおよびイソシアネート系化合物は、粒状素材の表面で硬化されてポリウレタン樹脂を形成し、
前記ポリウレタン樹脂は、ポリイソシアヌレートを含有することを特徴とする、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極活物質。 - ポリオールは、ポリエーテル系ポリオール、ポリエステル系ポリオール、ポリテトラメチレンエーテルグリコールポリオール、ポリ尿素分散ポリオール(Polyharnstoff Dispersion(PHD)polyol)、アミン(Amine)変性ポリオール、マンニッヒ(Mannich)ポリオールおよびこれらの混合物から選択されるいずれか一つまたは二つ以上であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- イソシアネート系化合物は、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4´‐ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、ポリエチレンポリフェニルイソシアネート、トルエンジイソシアネート、2,2‐ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4‐ジフェニルメタンジイソシアネート、4,4´‐ジフェニルメタンジイソシアネート、ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネート、オルトトルイジンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、リジンジイソシアネートおよびトリフェニルメタントリイソシアネートから選択されるいずれか一つまたは二つ以上であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- 比表面積が5〜10m2/gであり、表面ミクロ気孔の平均サイズが1〜2nmであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極活物質。
- リチウム二次電池用負極活物質の製造方法であって、
a)粒状素材と、ポリオール組成物およびイソシアネート系化合物を含む熱硬化性樹脂組成物とを混合するステップと、
b)前記熱硬化性樹脂組成物と粒状素材の混合物を乾燥および硬化させて熱硬化性樹脂がコーティングされた粒状素材を製造するステップと、
c)前記熱硬化性樹脂がコーティングされた粒状素材を不活性気体雰囲気下で熱処理して炭素化させた炭素複合体を製造するステップと、
d)前記炭素複合体を解砕するステップと、を含み、
前記熱硬化性樹脂組成物には前記ポリオール100重量部に対して、前記イソシアネート系化合物が50〜250重量部含まれ、前記熱硬化性樹脂組成物は、その硬化物が負極活物質全体に対して、5〜25重量%となるように混合され、前記粒状素材の表面に平均厚さ3〜30nmの難黒鉛化性炭素層を形成する、リチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - ポリオール組成物は、ポリオールと、有機溶媒と、添加剤と、触媒と、を含み、
前記ポリオール組成物の固形分含有量が10〜70重量%であることを特徴とする、請求項6に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - a)ステップにおける混合は、一軸混練機、二軸混練機またはバッチ式混練機で10℃以下で行い、
b)ステップにおける乾燥および硬化は、チャンバ、熱処理部および排気口が備えられた装置で60〜150℃の熱風加熱により行われることを特徴とする、請求項6又は7に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - c)ステップにおける熱処理は、1次熱処理および2次熱処理のうち少なくとも一つを含み、
前記1次熱処理は500〜1,000℃の温度で、前記2次熱処理は900〜1,500℃の温度で行うことを特徴とする、請求項6から8のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。 - d)の解砕するステップは、モータによって回転する円形ロータによって回転し、回転ロータに少なくとも二つ以上の粉砕バーが取り付けられており、粉砕バーの断面形状は円形あるいは多角形である形態の粉砕機で処理することを特徴とする、請求項6から9のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極活物質の製造方法。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極活物質を含む、リチウム二次電池。
- 非可逆容量が10〜31mAh/gであり、50回サイクル容量維持率が90%以上であることを特徴とする、請求項11に記載のリチウム二次電池。
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