JP6345116B2 - 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 - Google Patents
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Description
化性炭素を調製するには、多くの工程が必要となる。
なお、特許文献6及び7には、平均粒径を8μm以下とすることにより、湾曲状及び薄片状の粒子を減少し、出力特性に優れた負極材料とする試みが開示されている。しかしながら、特許文献6及び7に記載の植物由来の難黒鉛性炭素においては、アルカリ金属であるカリウムの除去は行われておらず、特に10年以上の寿命性能の実現(高耐久性)が求められる車載用リチウムイオン二次電池用負極材料としては信頼性の点で不十分である。他方、カリウムを除去しようとしても、脱灰工程により、得られる炭素質材料の構造や物性が異なってくるため、カリウム量が少ないときに、優れた出力特性を維持することが可能かは不明である。
黒鉛の電極を形成するためのバインダーとしては、水溶性高分子を使用することが多い。この水溶性高分子は、黒鉛を電極として用いた二次電池のサイクル特性を向上させることができることが知られている。しかしながら、水溶性高分子は吸水性が高く、同じように高吸水性の難黒鉛化性炭素と組み合わせることは、二次電池の暴露試験の結果を悪化させるため困難であった。本発明において、特定の物性を有する植物由来の炭素質材料及び水溶性高分子を含む負極を製造できたことは、驚くべきことである。
[1]植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、元素分析による水素原子と炭素原子との原子比(H/C)が0.1以下、平均粒子径Dv50が2μm以上50μm以下、粉末X線回折法により求めた002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下であり、カリウム元素含有量が0.5質量%以下、カルシウム元素含有量が0.02質量%以下である非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[2]ブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度(ρBt)とヘリウムを用いた乾式密度測定により求めた真密度(ρH)との比(ρH/ρBt)が1.18以上1.38以下である、[1]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[3]平均粒子径Dv50が2μm以上8μm以下である[1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[4]ブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度が1.51g/cm3以上である[1]から[3]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[5]マグネシウム元素含有量が0.01質量%以下である[1]から[4]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[6]ケイ素元素含有量が0.02質量%以下である[1]から[5]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[7]比表面積が13m2/g以下である[1]から[6]のいずれに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[8]前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む[1]から[7]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[9]平均粒子径が100μm以上である植物由来の有機物に対し、pH3.0以下の酸性溶液を用いて脱灰をする工程と、前記脱灰された有機物を300℃以上1000℃以下で脱タールする工程と、を含む非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[10]前記脱灰工程を、0℃以上80℃以下の温度で行う、[9]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[11]前記脱タール工程を、燃焼ガス雰囲気下、300℃以上800℃以下で行う[9]又は[10]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[12]前記植物由来の有機物は、500℃以上での熱処理が行われていないものである[9]から[11]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[13]前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む[9]から[12]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[14]前記脱灰された有機物を粉砕する工程を更に含む[9]から[13]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[15][9]から[14]のいずれかに記載の方法によって得られる中間体、
[16][9]から[13]のいずれかに記載の方法で製造した前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程と、前記中間体又はその焼成物を粉砕する工程と、を含む非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法、
[17][14]に記載の方法で製造した前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程を含む非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法、
[18][16]又は[17]に記載の製造方法によって得られる非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[19][1]から[8]及び[18]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極電極、
[20]水溶性高分子を含む、[19]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[21]前記水溶性高分子が、共役ジエン又はアクリル酸エステルを構成単位として含む重合体である、[20]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[22]前記水溶性高分子が、カルボキシメチルセルロース誘導体、ポリビニルアルコール誘導体、ポリアクリル酸塩から選択される少なくとも1種である、[20]又は[21]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[23]前記水溶性高分子の質量平均分子量が10,000以上6,000,000以下である[20]から[22]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[24][19]から[23]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極を備える非水電解質二次電池、
[25]半経験的分子軌道法のAM1(Austin Model 1)計算法を使用して算出したLUMOの値が−1.10eV以上1.11eV以下の範囲である添加剤を含む電解液を含む[24]に記載の非水電解質二次電池、
[26]前記添加剤が、フルオロエチレンカーボネート、トリメチルシリルリン酸、四フッ化ホウ酸リチウム、クロロエチレンカーボネート、プロパンスルトン、エチレンサルファイト、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジオキサチオランジオキシド、及びリチウムビス(オキサラト)ボレートからなる群から選択される1つ以上の添加剤である、[25]に記載の非水電解質二次電池、及び
[27][24]から[26]のいずれかに記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
に関する。
[28]ハロゲン含有量が50ppm以上10000ppm以下である[1]から[8]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[29]平均粒子径Dv50が2μm以上50μm以下であり、かつ1μm以下の粒子が2体積%以下である、[1]から[8]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[30]平均粒子径Dv50が2μm以上8μm以下であり、1μm以下の粒子が10%以下である[3]から[8]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[31]前記脱タールを、酸素含有雰囲気下で行う、[9]から[14]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[32][9]から[14]及び[31]のいずれかに記載の方法によって得られる中間体、
[33][31]に記載の方法で製造した粉砕されていない前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程と、前記中間体又はその焼成物を粉砕する工程と、を含む非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法、
[34][31]に記載の方法で製造した粉砕された前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程を含む非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法、
[35]前記焼成を、ハロゲンガスを含有する不活性ガス中で行う、[16]、[17]、[33]、及び[34]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法、
[36][16]、[17]、[33]から[35]のいずれかに記載の製造方法によって得られる非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[37][1]から[7]及び[36]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極電極、
[38]水溶性高分子を含む、[37]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[39]前記水溶性高分子が、共役ジエン又はアクリル酸エステルを構成単位として含む重合体である、[38]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[40]前記水溶性高分子が、カルボキシメチルセルロース誘導体、ポリビニルアルコール誘導体、ポリアクリル酸塩から選択される少なくとも1種である、[38]又は[39]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[41]前記水溶性高分子の質量平均分子量が10,000以上6,000,000以下である[38]から[40]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[42]プレス圧が2.0〜5.0tf/cm2で製造された、[19]から[23]及び[38]から[41]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[43][37]から[42]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極を備える非水電解質二次電池、
[44]半経験的分子軌道法のAM1(Austin Model 1)計算法を使用して算出したLUMOの値が−1.10eV以上1.11eV以下の範囲である添加剤を含む電解液を含む[43]に記載の非水電解質二次電池、
[45]前記添加剤が、フルオロエチレンカーボネート、トリメチルシリルリン酸、四フッ化ホウ酸リチウム、クロロエチレンカーボネート、プロパンスルトン、エチレンサルファイト、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジオキサチオランジオキシド、及びリチウムビス(オキサラト)ボレートからなる群から選択される1つ以上の添加剤である、[44]に記載の非水電解質二次電池、及び
[46][43]から[45]のいずれかに記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
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(以下、単に炭素質材料ということもある。)は、植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、元素分析による水素原子と炭素原子の原子比(H/C)が0.1以下、平均粒子径Dv50が2〜50μm、X線回折法により求めた002面の平均面間隔が0.365〜0.400nmであり、カリウム元素含有量が0.5質量%以下、カルシウム元素含有量が0.02質量%以下であることを特徴とする。本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料は、好ましくはブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度(ρBt)とヘリウムを用いた乾式密度測定により求めた真密度(ρH)の比(ρH/ρBt)が1.18〜1.38である。また、本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料は、好ましくは平均粒子径Dv50が2〜8μmである。また、本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料は、好ましくはリン元素を0.02質量%以上かつ/又は硫黄元素を0.05質量%以上の量で含む炭素質材料である。
本発明の炭素質材料は、微粉が除去されているものが好ましい。微粉が除去された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、不可逆容量が低下し、充放電効率が向上する。微粉が少ない炭素質材料の場合、少量のバインダーで活物質を十分に接着させることができる。すなわち、微粉を多く含む炭素質材料は、微粉を十分に接着することができず、長期の耐久性に劣ることがある。
平均粒子径10μmの炭素質材料において、1μm以下の微粉を0.0体積%含む(ほとんど含んでいない)炭素質材料と、1μm以下の微粉を2.8体積%含む炭素質材料とを用いて製造した二次電池の放電容量/不可逆容量を比較すると、それぞれ444/57(mAh/g)及び454/77(mAh/g)であり、微粉が少ないことにより、不可逆容量が低下することがわかった。
また、本発明は、植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、元素分析による水素原子と炭素原子との原子比(H/C)が0.1以下、平均粒子径Dv50が1〜8μm、粉末X線回折法により求めた002面の平均面間隔が0.365nm〜0.400nmであり、カリウム元素含有量が0.5質量%以下、1μm以下の粒子の割合が10%以下である、非水電解質二次電池負極用炭素質材料に関する。
植物由来の有機物は、アルカリ金属(例えば、カリウム、ナトリウム)、アルカリ土類金属(例えばマグネシウム、又はカルシウム)、遷移金属(例えば、鉄や銅)及びその他の元素類を含んでおり、これらの金属類の含有量も減少させることが好ましい。これらの金属を含んでいると負極からの脱ドープ時に不純物が電解液中に溶出し、電池性能や安全性に悪影響を及ぼす可能性が高いからである。
炭素質材料の(002)面の平均層面間隔は、結晶完全性が高いほど小さな値を示し、理想的な黒鉛構造のそれは、0.3354nmの値を示し、構造が乱れるほどその値が増加する傾向がある。したがって、平均層面間隔は、炭素の構造を示す指標として有効である。本発明の非水電解質二次電池用炭素質材料のX線回折法により求めた002面の平均面間隔は、0.365nm以上であり、0.370nm以上がより好ましく、0.375nm以上が更に好ましい。同じく、上記平均面間隔は、0.400nm以下であり、0.395nm以下がより好ましく、0.390nm以下が更に好ましい。002面の面間隔が0.365nm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ドープ容量が小さくなるため、あるいはリチウムのドープ、脱ドープに伴う膨張収縮が大きくなり、粒子間に空隙を生じてしまい、粒子間の導電ネットワークを遮断してしまうことから、繰り返し特性に劣るため、特に自動車用途として好ましくない。また0.400nmを超えると非脱ドープ容量が大きくなるため好ましくない。
理想的な構造を有する黒鉛質材料の真密度は2.2g/cm3であり、結晶構造が乱れるに従い真密度が小さくなる傾向がある。したがって、真密度は炭素の構造を表す指標として用いることができる。本発明の炭素質材料の真密度は、限定されるものではないが、下限は1.51g/cm3以上であり、好ましくは1.54g/cm3以上であり、より好ましくは1.55g/cm3以上であり、更に好ましくは1.56g/cm3以上である。1.51g/cm3未満の炭素質材料は、閉孔が多くなる場合があり、ドープ及び脱ドープ容量が小さくなることがあるので好ましくない。更に電極密度が低下するため、体積エネルギー密度の低下をもたらすので好ましくない。また、真密度の上限は限定されるものではないが、1.65g/cm3以下であり、より好ましくは1.62g/cm3以下であり、更に好ましくは1.60g/cm3以下である。1.65g/cm3を超える場合、炭素質材料の結晶性が高くなり、エッジ面の割合が減少して、入出力性能が低下するため好ましくない。真密度が1.65g/cm3超であると電池に使用した場合、高温サイクル特性が劣ることがある。
本発明の炭素質材料の窒素吸着のBET法により求めた比表面積(以下「SSA」と記すことがある)は、限定されるものではないが、好ましくは13m2/g以下、より好ましくは12m2/g以下、更に好ましくは10m2/g以下、更に好ましくは8m2/g以下、最も好ましくは、7.0m2/g以下である。SSAが13m2/gより大きい炭素質材料を用いると、得られる電池の不可逆容量が大きくなることがある。また、その比表面積の下限は、好ましくは1m2/g以上、より好ましくは1.5m2/g以上、更に好ましくは、2m2/g以上である。SSAが1m2/g未満の炭素質材料を使用すると、電池の放電容量が小さくなることがある。なお、平均粒子径Dv50が1〜8μm(特には2〜8μm)の場合の比表面積は6〜12m2/gが好ましく、8〜11m2/gが更に好ましい。
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、平均粒径100μm以上の植物由来の有機物を原料とし、少なくとも(1)pH3.0以下の酸性溶液を用いて脱灰する工程(以下、「液相脱灰工程」と称することがある)、(2)脱灰した有機物、あるいは炭素化物(脱タール後の炭素化物、又は本焼成後の炭素化物)のいずれかを平均粒子径が2〜50μmに粉砕する工程(以下、「粉砕工程」と称することがある)、及び(4)非酸化性雰囲気下1000〜1500℃で焼成する工程(以下、「焼成工程」と称することがある)を含む、炭素質材料の製造方法である。非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法は、好ましくは(3)脱灰された有機物を300〜1000℃で脱タールする工程(以下、「脱タール工程」と称することがある)を含む。従って、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、液相脱灰工程(1)、粉砕工程(2)及び焼成工程(4)を含み、好ましくは脱タール工程(3)を含む。更に、前記液相脱灰工程(1)は、好ましくは植物由来の有機物を、0℃以上80℃以下のpH3.0以下の酸性溶液中で処理する工程である。
また本発明の特別な態様においては、植物由来の有機物を原料とし、少なくとも(1)pH3.0以下の酸性溶液を用いて脱灰する工程、(2)脱灰した有機物、あるいは炭素化物(脱タール後の炭素化物、又は本焼成後の炭素化物)のいずれかを平均粒子径が2〜50μmに粉砕する工程、及び(3)非酸化性雰囲気下1000〜1500℃で焼成する工程を含む非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法であってもよい。
本発明に用いることのできる植物由来の有機物において、原料となる植物は、特に限定されるものではないが、例えば、コーヒー豆、ヤシ殻、茶葉、サトウキビ、果実(みかん、又はバナナ)、藁、広葉樹、針葉樹、竹、又は籾殻を挙げることができる。これらの植物由来の有機物を、単独で又は2種以上組み合わせて使用することができる。前記植物由来の有機物の中で、コーヒー豆から飲料コーヒー成分を抽出した抽出残渣はコーヒー成分を抽出する際に一部のミネラル分が抽出除去されており、中でも工業的に抽出処理されたコーヒー抽出残渣は適度に粉砕されており、且つ大量に入手可能であることから特に好ましい。
好気性腐敗が進んだコーヒー抽出残渣を用いると、得られた炭素質材料の真密度が低下することがある。炭素質材料の真密度が低下すると、電池に用いた場合に不可逆容量が大きくなることがあるので好ましくない。また炭素質材料の吸水性も高くなるため、大気暴露による劣化の度合いが大きくなる。
本発明の製造方法における液相脱灰工程は、植物由来の有機物を、脱タールの前に、pH3.0以下の酸性溶液中で処理するものである。この液相脱灰によって、カリウム元素及びカルシウム元素などを効率よく除去することができ、特に酸を用いない場合と比較して、カルシウム元素を効率よく除去することができる。また、他のアルカリ金属、アルカリ土類金属、更には銅やニッケルなどの遷移金属を除去することが可能である。液相脱灰工程においては、植物由来の有機物を、0℃以上80℃以下のpH3.0以下の酸性溶液中で処理することが好ましい。0℃以上80℃未満で液相脱灰することによって得られた炭素質材料を用いた二次電池は、放電容量及び効率において特に優れている。
本発明に用いる植物由来の有機物は、500℃以上で熱処理されていないものが好ましいが、500℃以上で熱処理されて有機物の炭素化が進行している場合には、フッ化水素酸を用いることで十分に脱灰を行うことが可能である。例えば、コーヒー抽出残渣を700℃で脱タールした後、35%塩酸を用いて1時間液相脱灰を行い、その後3回水洗し、乾燥させた後に10μmに粉砕してから1250℃本焼成した場合、カリウムが409ppm、カルシウムが507ppm残存した。一方、8.8%塩酸+11.5%フッ化水素酸混合溶液を用いた場合、蛍光X線測定においてカリウムとカルシウムは検出限界以下(10ppm以下)であった。
なお、液相脱灰の前に、植物由来の有機物を適当な平均粒子径(好ましくは100〜50000μm、より好ましくは100〜10000μm、更に好ましくは100〜5000μm)に粉砕することができる。この粉砕は、焼成後の平均粒子径を2〜50μmになるように粉砕する粉砕工程(2)とは、異なるものである。
本発明の製造方法における粉砕工程は、カリウム及びカルシウムを除去した有機物、あるいは炭素化物(脱タール後の炭素化物、又は本焼成後の炭素化物)を、焼成後の平均粒子径が2〜50μmになるように粉砕する工程である。すなわち、粉砕工程によって、得られる炭素質材料の平均粒子径が2〜50μmとなるように調整する。粉砕工程は、焼成後の平均粒子径が好ましくは1〜8μm、より好ましくは2〜8μmになるように粉砕する。すなわち、粉砕工程によって、得られる炭素質材料の平均粒子径が1〜8μm、より好ましくは2〜8μmとなるように調製する。
なお、本明細書において「炭素質前駆体」又は「中間体」とは、脱タール工程を終えたものを意味する。すなわち、本明細書において「炭素質前駆体」及び「中間体」は、実質的に同じ意味で用いられ、粉砕されたもの及び粉砕されていないものを含む。
本発明の炭素質材料は、微粉が除去されているものが好ましい。微粉を除去することにより、二次電池の長期の耐久性を上昇させることができる。また、二次電池の不可逆容量を低下させることができる。
微粉を除去する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば分級機能を備えたジェットミルなどの粉砕機を用いて、粉砕工程において、微粉を除去することができる。一方、分級機能を持たない粉砕機を用いる場合は、粉砕後に分級を行うことで微粉を除くことができる。更には粉砕の後、もしくは分級の後にサイクロンやバグフィルターを用いて微粉を回収することができる。
本発明の製造方法においては、炭素源に対して脱タールを行い、炭素質前駆体を形成する。また、炭素質前駆体を炭素質へ改質するための熱処理を、焼成という。焼成は一段階で行ってもよいし、低温及び高温の二段階以上に分割して行うこともできる。この場合、本焼成と比べて比較的低温で行う焼成を予備焼成と呼び、到達温度が最も高い温度における焼成を本焼成と呼ぶ。なお、本明細書においては、炭素源から揮発分などを除去し炭素質前駆体を形成すること(脱タール)や炭素質前駆体を炭素質へ改質すること(焼成)を主目的としない場合を「非炭素化熱処理」といい、「脱タール」や「焼成」と区別する。非炭素化熱処理とは、例えば500℃未満の熱処理を意味する。より具体的には、200℃程度でのコーヒー豆の焙煎などが非炭素化熱処理に含まれる。前記のように、本発明に用いる植物由来の有機物は、500℃以上で熱処理されていないものが好ましいが、すなわち本発明に用いる植物由来の有機物は、非炭素化熱処理されたものを用いることができる。
本発明においては、脱タールを含酸素雰囲気中で行うことも可能である。含酸素雰囲気は限定されるものではなく、例えば空気を用いることができるが、酸素含有量が少ないほうが好ましい。従って、含酸素雰囲気中の酸素含有量は、好ましくは20容量%以下であり、より好ましくは15容量%以下であり、更に好ましくは10容量%以下であり、最も好ましくは5容量%以下である。なお、酸素含有量は、例えば1容量%以上であってよい。
賦活発生の有無は脱タール後に焼成工程(4)を経た炭素質材料の比表面積から推測が可能であり、賦活が生じた材料では比表面積が増大する。例えば、600℃で熱処理された植物由来の有機物(例えば、椰子殻チャー)を用いて、脱タール工程(3)を含酸素雰囲気中で行った場合、その後に焼成工程(4)を経た炭素質材料の比表面積は60m2/gであったが、500℃以上で熱処理されていない植物由来の有機物(例えば、コーヒー残渣)を用いて、脱タール工程(3)を含酸素雰囲気中で行った場合、焼成工程(4)を経た炭素質材料の比表面積は6m2/gであり、比表面積の増加が見られなかった。これは不活性ガス雰囲気中で脱タールを行った炭素質材料と同等の数値である。
本発明の製造方法における焼成工程は、粉砕した炭素質前駆体を、1000℃〜1500℃で焼成する工程である。好ましくは、非酸化性ガス雰囲気下で行う。1000℃〜1500℃の焼成は、本発明の技術分野においては、通常「本焼成」と呼ばれている焼成である。また、本発明の焼成工程においては、必要に応じて、本焼成の前に予備焼成を行うことができる。
本発明の製造方法においては、予備焼成を行うことができる。予備焼成は、炭素源を300℃以上1000℃未満、好ましくは300℃以上900℃未満で焼成することによって行う。予備焼成は、脱タール工程をへても残存する揮発分、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。すなわち、脱タール工程に加えて、更にCO2、CO、CH4、H2、又はタール分を予備焼成により除去してもよい。
本発明における焼成又は予備焼成は、ハロゲンガスを含有した非酸化性ガス中で行うことができる。用いるハロゲンガスとしては、塩素ガス、臭素ガス、ヨウ素ガス、又はフッ素ガスを挙げることができるが、塩素ガスが特に好ましい。更に、CCl4、Cl2F2のような高温で容易にハロゲンを放出する物質を、不活性ガスをキャリアとして供給することも可能である。
ハロゲンガス含有非酸化性ガスによる焼成又は予備焼成は、本焼成の温度(1000〜1500℃)で行ってもよいが、本焼成よりも低い温度(例えば、300℃〜1000℃)で行うこともできる。その温度域は好ましくは800〜1400℃である。温度の下限としては800℃が好ましく、850℃が更に好ましい。上限としては1400℃が好ましく、1350℃が更に好ましく、1300℃が最も好ましい。
ハロゲンガス含有非酸化性ガスによる焼成又は予備焼成を行うことにより充放電容量が大きい非水電解質二次電池負極用炭素質材料が得られる理由は定かでないが、ハロゲンと炭素質材料中の水素原子とが反応し、炭素質材料から速やかに水素が除去された状態で炭素化が進むためと考えられる。またハロゲンガスは炭素質材料中に含まれる灰分とも反応し、残存灰分を低減させる効果もあると考えられる。なお、炭素質材料に含まれるハロゲン含有量が過小であると、その製造プロセスの過程で十分に水素が除去されず、結果的に充放電容量が十分に向上しないおそれがある一方、過大であると、残存するハロゲンが電池内でリチウムと反応し不可逆容量が増加するという問題があり得る。
本発明の中間体(炭素質前駆体)の製造方法は、平均粒子径が100μm以上である植物由来の有機物に対し、pH3.0以下の酸性溶液を用いて脱灰をする工程(液相脱灰工程)と、前記脱灰された有機物を300〜1000℃で脱タールする工程(脱タール工程)とを含み、好ましくは前記脱灰された有機物を粉砕する工程(粉砕工程)を更に含むものである。更に、前記液相脱灰工程を、0℃以上80℃以下の温度で行うことが好ましい。
液相脱灰工程、脱タール工程、及び粉砕工程は、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における液相脱灰工程、脱タール工程、及び粉砕工程と同様である。本発明の中間体の製造方法においては、粉砕工程を液相脱灰工程の後、又は脱タール工程の後に行うことができる。なお、脱タール工程によって得られる中間体(炭素質前駆体)は、粉砕されていても、粉砕されていなくてもよい。
本発明の非水電解質二次電池負極は、本発明の非水電解質二次電池負極用炭素質材料を含むものである。
本発明の炭素質材料を用いる負極電極は、炭素質材料に結合剤(バインダー)を添加し適当な溶媒を適量添加、混練し、電極合剤とした後に、金属板などからなる集電板に塗布・乾燥後、加圧成形することにより製造することができる。本発明の炭素質材料を用いることにより特に導電助剤を添加しなくとも高い導電性を有する電極を製造することができるが、更に高い導電性を賦与することを目的に必要に応じて電極合剤を調製時に、導電助剤を添加することができる。導電助剤としては、導電性のカーボンブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、ナノチューブなどを用いることができ、添加量は使用する導電助剤の種類によっても異なるが、添加する量が少なすぎると期待する導電性が得られないので好ましくなく、多すぎると電極合剤中の分散が悪くなるので好ましくない。このような観点から、添加する導電助剤の好ましい割合は0.5〜10質量%(ここで、活物質(炭素質材料)量+バインダー量+導電助剤量=100質量%とする)であり、更に好ましくは0.5〜7質量%、特に好ましくは0.5〜5質量%である。結合剤としては、PVDF(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(スチレン・ブタジエン・ラバー)とCMC(カルボキシメチルセルロース)との混合物などの電解液と反応しないものであれば特に限定されない。中でもPVDFは、活物質表面に付着したPVDFがリチウムイオン移動を阻害することが少なく、良好な入出力特性を得るために好ましい。PVDFを溶解しスラリーを形成するために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やCMCを水に溶解して用いることもできる。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。結合剤の好ましい添加量は、使用するバインダーの種類によっても異なるが、PVDF系のバインダーでは好ましくは3〜13質量%であり、更に好ましくは3〜10質量%である。一方、溶媒に水を使用するバインダーでは、SBRとCMCとの混合物など、複数のバインダーを混合して使用することが多く、使用する全バインダーの総量として0.5〜5質量%が好ましく、更に好ましくは1〜4質量%である。電極活物質層は集電板の両面に形成するのが基本であるが、必要に応じて片面でもよい。電極活物質層が厚いほど、集電板やセパレータなどが少なくて済むため高容量化には好ましいが、対極と対向する電極面積が広いほど入出力特性の向上に有利なため活物質層が厚すぎると入出力特性が低下するため好ましくない。好ましい活物質層(片面当たり)の厚みは、10〜80μmであり、更に好ましくは20〜75μm、特に好ましくは20〜60μmである。
本発明の好ましい非水電解質二次電池負極に用いるバインダーとして水溶性高分子をあげることができる。本発明の非水電解質二次電池負極に水溶性高分子を用いることによって、暴露試験によって不可逆容量が増加しない非水電解質二次電池を得ることができる。また、サイクル特性の優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
このような水溶性高分子としては、水に溶解するものであれば特に限定されることなく使用できる。具体例には、セルロース系化合物、ポリビニルアルコール、スターチ、ポリアクリルアミド、ポリ(メタ)アクリル酸、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−アクリルアミド−アクリル酸共重合体、ポリエチレンイミン等及びそれらの誘導体又は塩が挙げられる。これらのなかでも、セルロース系化合物、ポリビニルアルコール、ポリ(メタ)アクリル酸及びそれらの誘導体が好ましい。また、カルボキシメチルセルロース(CMC)誘導体、ポリビニルアルコール誘導体、ポリアクリル酸塩を用いることが、更に好ましい。これらは、単独または2種類以上を組み合わせて使用することができる。
本発明の炭素質材料を用いた電極の製造におけるプレス圧は、特に限定されるものではない。しかしながら、好ましくは2.0〜5.0tf/cm2であり、より好ましくは2.5〜4.5tf/cm2であり、更に好ましくは3.0〜4.0tf/cm2である。炭素質材料を塗工、乾燥した後に、前記のプレス圧をかけることで活物質同士の接触が良くなり導電性が向上する。従って、長期のサイクル耐久性に優れた電極を得ることができる。なお、プレス圧力が低すぎる場合は、活物質同士の接触が不十分となるため電極の抵抗が高くなり、クーロン効率が低下するため長期の耐久性に劣ることがある。また、プレス圧力が高すぎる場合は、圧延により電極が湾曲し、捲回が困難になることがある。
本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水電解質二次電池負極を含むものである。本発明の炭素質材料を使用した非水電解質二次電池用負極電極を用いた非水電解質二次電池は、不純物が少なく高い信頼性が担保される。
本発明の負極材料を用いて、非水電解質二次電池の負極電極を形成した場合、正極材料、セパレータ、及び電解液など電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。
本発明の非水電解質二次電池は、好ましくは電解質に半経験的分子軌道法のAM1(Austin Model 1)計算法を使用して算出したLUMOの値が−1.10〜1.11eVの範囲である添加剤を含むものである。本発明の炭素質材料及び添加剤を使用した非水電解質二次電池用負極電極を用いた非水電解質二次電池は、高いドープ、脱ドープ容量を有し、優れた高温サイクル特性を示す。
半経験的計算方法としては、仮定及びパラメータの種類によってAM1、PM3(Parametric method 3)、MNDO(Modified Neglect of Differential Overlap)、CNDO(Complete Neglect of Differential Overlap)、INDO(Intermediate Neglect of Differential Overlap)、MINDO(Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap)などに分類される。AM1計算法は、1985年Dewerらが水素結合計算に適するようにMNDO法を部分的に改善して開発したものである。本発明におけるAM1法は、コンピュータプログラムパッケージGaussian03(Gaussian社)により提供されたものであるが、これに限定されるものではない。
以下に、Gaussian03を使用してLUMO値を計算する操作手順を示す。計算の前段階における分子構造のモデリングには描画プログラムGaussView3.0に搭載されている可視化機能を使用した。分子構造を作成し、ハミルトニアンにAM1法を用いて「基底状態」、電荷「0」、スピン「Singlet」、溶媒効果「なし」にて構造最適化を行った後、同じレベルでエネルギー一点計算を行った。構造最適化によって得られた全電子エネルギーの値が最も小さい構造を最安定構造とし、その分子構造における最低空軌道に対応する数値をLUMO値とした。結果は単位が原子単位で与えられるため、1a.u.=27.2114eVを用いて電子ボルトに換算した。
本発明の負極材料を用いて、非水電解質二次電池の負極電極を形成した場合、電解質に少なくともビニレンカーボネート又はフルオロエチレンカーボネートを含むこと以外に,正極電極、セパレータ、及び電解液など電池を構成する他の材料は特に限定されることなく、非水溶媒二次電池として従来使用され、あるいは提案されている種々の材料を使用することが可能である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば自動車などの車両に搭載される電池(典型的には車両駆動用リチウムイオン二次電池)として好適である。
本発明による車両とは、通常電動車両として知られるものや燃料電池や内燃機関とのハイブリッド車など、特に制限されることなく対象とすることができるが、少なくとも上記電池を備えた電源装置と、該電源装置からの電源供給により駆動する電動駆動機構と、これを制御する制御装置を備えるものである。更に、発電ブレーキや回生ブレーキを備え制動によるエネルギーを電気に変換して当該リチウムイオン二次電池に充電する機構を備えてもよい。
試料約0.01gに対し、分散剤(カチオン系界面活性剤「SNウェット366」(サンノプコ社製))を3滴加え、試料に分散剤を馴染ませる。つぎに、純水30mLを加え、超音波洗浄機で約2分間分散させたのち、粒径分布測定器(島津製作所製「SALD−3000S」)で、粒径0.5〜3000μmの範囲の粒径分布を求めた。粒子の屈折率は2.0〜0.1iとした。得られた粒径分布から、累積容積が50%となる粒径をもって平均粒子径Dv50(μm)とした。
JIS M8819に定められた方法に準拠し測定した。すなわち、CHNアナライザー(Perkin−elmer社製2400II)による元素分析により得られる試料中の水素及び炭素の質量割合をそれぞれの元素の質量数で除し、水素/炭素の原子数の比を求めた。
JIS Z8830に定められた方法に準拠し、比表面積(SSA)を測定した。概要を以下に記す。BET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=0.2)によりvmを求め、次式により試料の比表面積を計算した:
比表面積(SSA)=4.35×vm(m2/g)
(ここで、vmは試料表面に単分子層を形成するに必要な吸着量(cm3/g)、vは実測される吸着量(cm3/g)、xは相対圧力である。)
カリウム、カルシウム、マグネシウム、ケイ素、リンの含有率の測定のために、予め所定の各元素を含有する炭素試料を調製し、蛍光X線分析装置を用い、カリウムKα線の強度とカリウム含有量との関係、及びカルシウム、マグネシウム、ケイ素についても同様にKα線の強度と含有量との関係に関する検量線を作成した。ついで試料について蛍光X線分析におけるKα線の強度を測定し、先に作成した検量線より各元素の含有量を求めた。
炭素質試料をボンブ燃焼法にて燃焼させた後、イオンクロマトグラフ法によって含有量を測定した。
JIS R7212に定められた方法に準拠し、ブタノールを用いて測定した。概要を以下に記す。内容積約40mLの側管付比重びんの質量(m1)を正確に量る。次に、その底部に試料を約10mmの厚さになるように平らに入れた後、その質量(m2)を正確に量る。これに1−ブタノールを静かに加えて、底から20mm程度の深さにする。次に比重びんに軽い振動を加えて、大きな気泡の発生がなくなったのを確かめた後、真空デシケーター中に入れ、徐々に排気して2.0〜2.7kPaとする。その圧力に20分間以上保ち、気泡の発生が止まったのち取り出して、更に1−ブタノールで満たし、栓をして恒温水槽(3.0±0.03℃に調節してあるもの)に15分間以上浸し、1−ブタノールの液面を標線に合わせる。次に、これを取り出して外部をよくぬぐって室温まで冷却した後、質量(m4)を正確に量る。次に同じ比重びんに1−ブタノールで満たし、前記と同じようにして恒温水槽に浸し、標線を合わせた後、質量(m3)を量る。また、使用直前に沸騰させて溶解した期待を除いた蒸留水を比重びんにとり、前と同様に恒温水槽に浸し、標線を合わせた後質量(m5)を量る。真密度(ρB)は次の式により計算する。これを、ρBtとする。
(ここでdは水の30℃における比重(0.9946)である。)
ρHの測定は、島津製作所社製乾式自動密度計アキュピック1330を用いた。試料は予め200℃で5時間以上乾燥してから測定を行った。10cm3のセルを用い、試料を1g入れ、周囲温度は23℃で行った。パージ回数は5回とし、体積値が繰り返し測定で0.5%以内で一致することを確認したn=5の平均値をρHとした。
試料室の容積(VCELL)及び膨張室の容積(VEXP)は体積既知の校正球を使用して予め測定しておく。試料室に試料を入れ、系内をヘリウムで満たし、その時の系内圧力をPaとする。次にバルブを閉じ、試料室のみヘリウムガスを加え圧力P1まで増加させる。その後バルブを開け、膨張室と試料室を接続すると、膨張により系内圧力はP2まで減少する。
このとき試料の体積(VSAMP)は次式で計算する。
したがって、試料の質量をWSAMPとすると密度は
となる。
炭素質材料粉末を試料ホルダーに充填し、PANalytical社製X’Pert PROを用いて、対称反射法にて測定した。走査範囲は8<2θ<50°で印加電流/印加電圧は45kV/40mAの条件で、Niフィルターにより単色化したCuKα線(λ=1.5418Å)を線源とし、X線回折図形を得た。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した。CuKα線の波長を0.15418nmとし、Braggの公式によりd002を計算した。
抽出後のコーヒー残渣100gに対して1%塩酸300gを加え、100℃で1時間攪拌した後ろ過した。次に沸騰水300gを加えて1時間攪拌した後ろ過する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。得られた脱灰コーヒー抽出残渣を窒素ガス雰囲気中で乾燥させたのち、700℃で脱タールして炭素質前駆体を調製した。これをロッドミルを用いて粉砕し、炭素質前駆体微粒子とした。次にこの炭素前駆体を1250℃で1時間本焼成し、平均粒子径10μmの炭素質材料1を得た。
脱灰で用いた酸を硫酸にした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料2を得た。
脱灰で用いた酸をクエン酸とした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料3を得た。
塩酸濃度を0.5%とした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料4を得た。
塩酸濃度を0.1%とした以外は、実施例1と同様にして炭素質材料5を得た。
脱灰工程を行わなかった以外は、実施例1と同様にして比較炭素質材料1を得た。
抽出後のコーヒー残渣を窒素ガス雰囲気中で乾燥させたのち、700℃で脱タールして予備炭素化を行った。予備炭素化を行ったコーヒー残渣100gに対して1%塩酸300gを加え、100℃で1時間攪拌した後ろ過した。次に沸騰水300gを加えて1時間攪拌した後ろ過する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。これをロッドミルを用いて粉砕し、炭素質前駆体微粒子とした。次にこの炭素前駆体を1250℃で1時間本焼成し、平均粒子径10μmの比較炭素質材料2を得た。
抽出後のコーヒー残渣を窒素ガス雰囲気中で乾燥させたのち、700℃で脱タールして予備炭素化を行った。これをロッドミルを用いて粉砕し、微粉状とした。予備炭素化を行った微粉状のコーヒー残渣100gに対して1%塩酸300gを加え、100℃で1時間攪拌した後ろ過した。次に沸騰水300gを加えて1時間攪拌した後ろ過する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。次にこの炭素質前駆体を1250℃で1時間本焼成し、平均粒子径10μmの比較炭素質材料3を得た。
脱灰時の塩酸濃度を35%とした以外は、比較例3と同様にして比較炭素質材料4を得た。
脱灰時に酸を用いず水洗のみ繰り返した以外は、実施例1と同様にして比較炭素質材料4を得た。
実施例1〜5及び比較例1〜5で得られた炭素質材料1〜5及び比較炭素質材料1〜5を用いて、以下の(a)〜(c)の操作を行い、負極電極及び非水電解質二次電池を作製し、そして電極性能の評価を行った。
上記炭素質材料90質量部、ポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製「KF#1100」)10質量部にNMPを加えてペースト状にし、銅箔上に均一に塗布した。乾燥した後、銅箔より直径15mmの円板状に打ち抜き、これをプレスして電極とした。なお、電極中の炭素質材料の量は約10mgになるように調整した。
本発明の炭素質材料は非水電解質二次電池の負極電極を構成するのに適しているが、電池活物質の放電容量(脱ドープ量)及び不可逆容量(非脱ドープ量)を、対極の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二次電池を構成し、その特性を評価した。
上記構成のリチウム二次電池について、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った。炭素極へのリチウムのドープ反応を定電流定電圧法により行い、脱ドープ反応を定電流法で行った。ここで、正極にリチウムカルコゲン化合物を使用した電池では、炭素極へのリチウムのドープ反応が「充電」であり、本発明の試験電池のように対極にリチウム金属を使用した電池では、炭素極へのドープ反応が「放電」と呼ぶことになり、用いる対極により同じ炭素極へのリチウムのドープ反応の呼び方が異なる。そこでここでは、便宜上炭素極へのリチウムのドープ反応を「充電」と記述することにする。逆に「放電」とは試験電池では充電反応であるが、炭素質材料からのリチウムの脱ドープ反応であるため便宜上「放電」と記述することにする。ここで採用した充電方法は定電流定電圧法であり、具体的には端子電圧が0mVになるまで0.5mA/cm2で定電流充電を行い、端子電圧を0mVに達した後、端子電圧0mVで定電圧充電を行い電流値が20μAに達するまで充電を継続した。このとき、供給した電気量を電極の炭素質材料の質量で除した値を炭素質材料の単位質量当たりの充電容量(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0.5mA/cm2で定電流放電を行い、終止電圧を1.5Vとした。このとき放電した電気量を電極の炭素質材料の質量で除した値を炭素質材料の単位質量当たりの放電容量(mAh/g)と定義する。不可逆容量は、充電容量−放電容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。表3に電池特性を示す。
ブレンドコーヒー豆を抽出後のコーヒー残渣100gに対して1%塩酸300g(pH0.5)を加え、20℃で1時間攪拌した後ろ過した。20℃の水300gを加えて1時間攪拌した後ろ過する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。得られた脱灰コーヒー抽出残渣を窒素ガス雰囲気中で乾燥させたのち、700℃で脱タールして炭素質前駆体を調製した。これをロッドミルを用いて粉砕し、炭素質前駆体微粒子とした。次にこの炭素質前駆体微粒子を1250℃で1時間本焼成し、平均粒子径9.8μmの炭素質材料6を得た。脱灰及び焼成の条件、並びに得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
脱灰温度を、それぞれ、5℃、40℃、70℃とした以外は、実施例6と同様にして、炭素質材料7〜9を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
使用コーヒー残渣として、ブラジル豆(アラビカ種)を抽出した後の残渣を使用した以外は、実施例6と同様にして、炭素質材料10を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
使用コーヒー残渣として、焙煎度の異なるブラジル豆(アラビカ種)を抽出した後の残渣を使用した以外は、実施例6と同様にして、炭素質材料11を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
使用コーヒー残渣として、ベトナム豆(カネフォラ種)を抽出した後の残渣を使用した以外は、実施例6と同様にして、炭素質材料12を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
脱灰処理として、コーヒー残渣100gに対して1%塩酸300gを加え、100℃で1時間攪拌した後ろ過した。沸騰水300gを加えて1時間攪拌した後ろ過する水洗操作を3回繰り返して行う以外は、実施例6と同様にして、炭素質材料13を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
脱灰工程を行わなかった以外は、実施例6と同様にして比較炭素質材料6を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
脱灰処理に、塩酸を使用せず水(pH7.5)を使用した以外は、実施例6と同様にして、比較炭素質材料7を得た。得られた炭素質材料の物性を表4に示す。
実施例6〜13並びに比較例6及び7で得られた炭素質材料6〜13及び比較炭素質材料6〜7を用いて、前記「(活物質のドープ−脱ドープ試験)」の(a)〜(c)の操作を行い、負極電極及び非水電解質二次電池を作製し、そして電極性能の評価を行った。表5に電池特性を示す。
抽出後のコーヒー残渣100gに対して1%塩酸300gを加え、20℃で1時間攪拌した後ろ過し、20℃の水300gを加えて水洗する洗浄操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。得られた脱灰コーヒー抽出残渣を窒素ガス雰囲気中150℃で乾燥させたのち、管状炉で窒素気流下、700℃で1時間脱タールして予備炭素化を行った。これをロッドミルを用いて粉砕した後、38μmの篩で篩分し、粗大粒子をカットして炭素前駆体微粒子とした。次にこの炭素前駆体を横型管状炉に入れ、窒素ガスを流しながら、1250℃で1時間保持して炭素化し、平均粒子径6.1μmの炭素質材料14を得た。
使用コーヒー残渣として、焙煎度の異なるブラジル豆(アラビカ種)を抽出したものを使用した以外は、炭素質材料14と同様にして、炭素質材料15を得た。
使用コーヒー残渣として、ベトナム豆(カネフォラ種)を抽出したものを使用した以外は、炭素質材料14と同様にして、炭素質材料16を得た。
抽出後のコーヒー残渣2000g(含水率65%)に対して、35%塩酸(純正化学株式会社製 特級)171g、純水5830gを加え、pH0.5とした。液温20℃で1時間攪拌した後、ろ過し、酸処理コーヒー抽出残渣を得た。その後、酸処理コーヒー抽出残渣に、純水6000gを加え、1時間攪拌する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。
平均粒子径を11μmにした以外は、実施例13と同様にして炭素質材料18を得た。
(比較例8)
本焼成温度を800℃とした以外は実施例13と同様にして、比較炭素質材料8を得た。
上記実施例又は比較例で得られた炭素質材料各94質量部、ポリフッ化ビニリデン(クレハ製KF#9100)6質量部にNMPを加えてペースト状にし、銅箔上に均一に塗布した。乾燥した後、塗工電極を直径15mmの円板状に打ち抜き、これをプレスすることで負極電極を作製した。
はじめに2回充放電を繰り返してエージングを行う。エージングにおける電流値のCレートへの換算は、先に規定したコバルト酸リチウムの電気容量と質量から算出した。充電は定電流定電圧により行う。充電条件は4.2Vになるまで一定の電流0.2C(1時間で充電するために必要な電流値が1Cと定義される)で充電を行い、その後、電圧を4.2Vに保持するように(定電圧に保持しながら)電流値を減衰させて、電流値が(1/100)Cに達するまで充電を継続する。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2.75Vに達するまで一定の電流0.2Cで行った。2回目の充放電は電流値をそれぞれ0.4Cとした。
本実施例、比較例においては、コーヒー豆残渣及びヤシガラを以下の方法で負極用炭素質材料粉末とする。植物由来の有機物を原料とする炭素質材料粉末は、以下の方法で作成する。
抽出後のブレンドコーヒー残渣100gに対して1%塩酸300gを加え、20℃で1時間攪拌した後ろ過した。次に20℃の水300gを加えて1時間攪拌した後ろ過する水洗操作を3回繰り返して脱灰処理し、脱灰コーヒー抽出残渣を得た。得られた脱灰コーヒー抽出残渣を窒素ガス雰囲気中で乾燥させたのち、700℃で脱タールして予備炭素化を行った。これをロッドミルを用いて粉砕し、炭素前駆体微粒子とした。次にこの炭素前駆体を1250℃で1時間本焼成し、平均粒子径10μmの炭素質材料19を得た。検討した炭素質材料の諸特性を、表8にそれぞれ示す。
使用コーヒー残渣として、浅煎りブラジル豆を抽出したものを使用した以外は、実施例19と同様にして、炭素質材料20を得た。得られた炭素質材料の諸特性を、表8に示す。
使用コーヒー残渣として、深煎りブラジル豆を抽出したものを使用した以外は、実施例19と同様にして、炭素質材料21を得た。得られた炭素質材料の諸特性を、表8に示す。
(実施例22)
焼成温度を800℃とした以外は実施例19と同様にして、炭素質材料22を得た。得られた炭素質材料の諸特性を、表8にそれぞれ示す。
椰子殻チャーを窒素ガス雰囲気中(常圧)で600℃で1時間仮焼成した後、粉砕し、平均粒径19μmの粉末状炭素前駆体とした。次に、この粉末状炭素前駆体を、35%塩酸に1時間浸漬した後、沸騰した水で1時間洗浄する洗浄操作を2回繰り返して脱灰処理し、脱灰粉末状炭素前駆体を得た。得られた脱灰粉末状炭素前駆体10gを、横型管状炉中に置き、窒素雰囲気下、1200℃で1時間本焼成を行い、比較炭素質材料9を得た。得られた比較炭素質材料9の諸特性を表8に示す。
(a)電極作製
上記炭素質材料とバインダに溶媒を加えてペースト状にし、銅箔上に均一に塗布した。乾燥した後、銅箔より直径15mmの円板状に打ち抜き、これをプレスして実施例23〜27及び比較例10〜12の電極とした。表9に、用いた炭素質材料およびバインダ、配合比をそれぞれ示す。
SBR:スチレン・ブタジエン・ラバー
CMC:カルボキシメチルセルロース
PVA:ポリビニルアルコール
PAA:ポリアクリル酸塩
PVDF:ポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製「KF#9100」)
上記構成のリチウム二次電池について、25℃、50%RH、空気中に1週間放置した。試験電池の作製と電池容量の測定は、暴露後の電極を試験極として用いた以外は暴露前の試験と同様に行った。
(負極電極の作製)
実施炭素1の電極合剤を厚み18μmの銅箔の片面上に均一に塗布し、これを120℃25分加熱・乾燥した。乾燥後、直径15mmの円盤状に打ち抜き、これをプレスすることで負極電極を作製した。なお円盤状負極電極が有する活物質の質量は10mgとなるように調整した。
(正極電極の作製)
コバルト酸リチウム(日本化学工業性「セルシードC−5」)94質量部、カーボンブラック3質量部、ポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製KF#1300)3質量部、カーボンブラック3質量部にNMPを添加し、混合して正極用合剤を調製した。得られた合剤を厚さ50μmのアルミ箔上に均一に塗布した。乾燥した後、塗工電極を直径14mmの円盤状に打ち抜き、正極電極を作製した。なお、前述に記載の方法で測定した実施例23における活物質の単位質量あたりの充電容量の95%となるよう正極電極中のコバルト酸リチウムの量を調整した。コバルト酸リチウムの容量を150mAh/gとして計算した。
(活物質のドープ−脱ドープ試験)
(a)電極作製
前記各実施例及び比較例で製造した負極材料を用いて、以下のようにして非水電解液二次電池を作成し、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、前記で得られた電極を用いてリチウム二次電池を構成し、その特性を評価した。
上記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とジメチルカーボネートとメチルエ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、1あるいは3wt%の割合で表11に示した添加剤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細孔膜のセパレータとして、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二次電池を組み立てた。また、添加剤を用いない以外は同様のものを、比較電解質とし、比較例及び参考例(表11)にて使用した。
上記構成のリチウム二次電池について、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、この場合は炭素質材料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、炭素質材料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質材料の質量で除した値を炭素質材料の単位質量あたりの充電容量(ドープ容量)(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質材料の質量で除した値を炭素質材料の単位質量あたりの放電容量(脱ドープ容量)(mAh/g)と定義する。不可逆容量(非脱ドープ容量)(mAh/g)は、充電量−放電量として計算され、効率(%)は(放電容量/充電容量)×100として算出される。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。
(a)測定セルの作成方法
上記炭素質材料94質量部、ポリフッ化ビニリデン(クレハ製KF#9100)6質量部にNMPを加えてペースト状にし、銅箔上に均一に塗布した。乾燥した後、塗工電極を直径15mmの円板状に打ち抜き、これをプレスすることで負極電極を作製した。
充電は定電流定電圧により行う。充電条件は4.2Vになるまで一定の電流(2C;1時間で充電するために必要な電流値が1Cと定義される)で充電を行い、その後、電圧を4.2Vに保持するように(定電圧に保持しながら)電流値を減衰させて、電流値が(1/100)Cに達するまで充電を継続する。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2.75Vに達するまで一定の電流(2C)で行った。初めの3サイクルは25℃で行い、以降のサイクルは50℃の恒温槽内で行った。
サイクル特性の評価は、50℃の恒温槽に移した初めの充放電を1サイクル目として、150サイクル後の放電容量を1サイクル目の放電容量で除した値を放電容量維持率(%)として行った。
VC:ビニレンカーボネート(0.0155eV)
FEC:フルオロエチレンカーボネート(0.9829eV)
CIEC:クロロエチレンカーボネート(0.1056eV)
PC:プロピレンカーボネート(1.3132eV)
電解液とLUMO
EC:エチレンカーボネート(1.2417eV)
DMC:ジメチルカーボネート(1.1366eV)
EMC:エチルメチルカーボネート(1.1301eV)
[1]植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、元素分析による水素原子と炭素原子の原子比(H/C)が0.1以下、平均粒子径Dv50が2μm以上50μm以下、X線回折法により求めた002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下であり、カリウム元素含有量が0.5質量%以下、カルシウム元素含有量が0.02質量%以下であり、ブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度(ρBt)とヘリウムを用いた乾式密度測定により求めた真密度(ρH)の比(ρH/ρBt)が1.18以上1.38以下である非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[2]前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む[2]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[3]植物由来の有機物に対し、pH3.0以下の酸性溶液を用いて0℃以上80℃未満の温度で脱灰をする工程と、前記脱灰をされた有機物を脱タールする工程と、を含む非水電解質二次電池用炭素質材料製造用の中間体の製造方法、
[4]前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む[3]に記載の方法、
[5]前記脱灰をされた有機物を粉砕する工程を更に含む[3]又は[4]に記載の方法、
[6][3]又は[4]に記載の方法で製造した前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程と、前記中間体又はその被熱処理物を粉砕する工程と、を含む非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法、
[7][5]に記載の方法で製造した前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程を含む非水電解質二次電池用炭素質材料の製造方法、
[8][1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池用炭素質材料、又は、[6]又は[7]に記載の方法で製造される非水電解質二次電池用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極電極、
[9][8]に記載の非水電解質二次電池用負極電極を備える非水電解質二次電池、及び
[10][9]に記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
を開示する。
[1]植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、カリウム含有量が0.5質量%以下、平均粒子径Dv50が1μm以上8μm以下、粉末X線回折法により求められる002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下、元素分析による水素原子と炭素原子の原子比(H/C)が0.1以下である非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[2]前記炭素質材料のカルシウム含有量が0.02質量%以下である[1]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[3]ブタノール法により求めた真密度が1.51g/cm3以上1.65g/cm3以下である[1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[4]前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む[1]から[3]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[5]植物由来の有機物を炭素化して得られる非水電解質二次電池負極用炭素質材料製造用の中間体であって、カリウム含有量が0.5質量%以下、平均粒子径Dv50が1μm以上10μm以下である中間体、
[6]前記中間体のカルシウム含有量が0.02質量%以下である[5]に記載の中間体、
[7]前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む[5]又は[6]に記載の中間体、
[8][1]から[4]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極電極、
[9][8]に記載の非水電解質二次電池用負極電極を備える非水電解質二次電池、及び
[10][9]に記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
を開示する。
[1]植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、カリウム含有量が0.5質量%以下、平均粒子径Dv50が2μm以上50μm以下、粉末X線回折法により求められる002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下、元素分析による水素原子と炭素原子の原子比(H/C)が0.1以下である炭素質材料と、水溶性高分子を含む非水電解質二次電池用負極電極、
[2]前記炭素質材料のカルシウム含有量が0.02質量%以下である[1]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[3]ブタノール法により求めた真密度が1.51g/cm3以上1.65g/cm3以下である[1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[4]前記植物由来の有機物がコーヒー豆由来の有機物を含む[1]から[3]のいずれか記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[5]前記炭素質材料は、ブタノール法により求めた真密度(ρBt)とヘリウムを用いた乾式密度測定により求めた真密度(ρH)の比(ρH/ρBt)が1.18以上1.38以下である[1]から[4]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[6]前記水溶性高分子は、カルボキシメチルセルロース誘導体、ポリビニルアルコール誘導体、ポリアクリル酸塩から選択される少なくとも1種を含む[1]から[5]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[7]前記水溶性高分子の質量平均分子量が10,000以上6,000,000以下である[1]から[6]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[8]前記水溶性高分子は、共役ジエン又は(メタ)アクリル酸エステルを構成単位として含む重合体を含む[1]から[7]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極、
[9][1]から[8]のいずれかに記載の非水電解質二次電池用負極電極を備える非水電解質二次電池、及び
[10][9]に記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
を開示する。
[1]植物由来の有機物を炭素化して得られる炭素質材料であって、カリウム含有量が0.5質量%以下、平均粒子径Dv50が2μm以上50μm以下、粉末X線回折法により求められる002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下、元素分析による水素原子と炭素原子の原子比(H/C)が0.1以下である非水電解質二次電池負極用炭素質材料を含む負極と、半経験的分子軌道法のAM1(Austin Model 1)計算法を使用して算出したLUMOの値が−1.10eV以上1.11eV以下の範囲である添加剤を含む電解液を含む非水電解質二次電池、
[2]前記炭素質材料のカルシウム含有量が0.02質量%以下である[1]に記載の非水電解質二次電池、
[3]ブタノール法により求めた真密度が1.51g/cm3以上1.65g/cm3以下である[1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池、
[4]前記植物由来の有機物がコーヒー豆由来の有機物を含む[1]から[3]のいずれかに記載の非水電解質二次電池、及び
[5][1]から[4]のいずれかに記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
を開示する。
[1]リン元素を0.02質量%以上かつ/又は硫黄元素を0.05質量%以上の量で含む炭素質材料であって、元素分析による水素原子と炭素原子の原子比(H/C)が0.1以下、平均粒子径Dv50が2μm以上50μm以下、X線回折法により求めた002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下であり、カリウム元素含有量が0.5質量%以下、カルシウム元素含有量が0.02質量%以下である非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[2]ブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度が1.54g/cm3以上である[2]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[3]マグネシウム元素含有量が0.01質量%以下である[1]又は[2]に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[4]ケイ素元素含有量が0.02質量%以下である[1]から[3]のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[5]比表面積が13m2/g以下である[1]から[4]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料、
[6][1]から[5]のいずれかに記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料を含む非水電解質二次電池用負極電極、
[7][6]に記載の非水電解質二次電池用負極電極を備える非水電解質二次電池、及び
[8][7]に記載の非水電解質二次電池を搭載した車両、
を開示する。
Claims (11)
- 平均粒子径が300μm以上である植物由来の有機物に対し、pH3.0以下の酸性溶液を用いて脱灰をする工程と、
前記脱灰された有機物を400℃以上900℃未満で脱タールして中間体を得る工程と、
前記中間体を、1000℃以上1500℃以下で焼成する工程と、
を含む、
元素分析による水素原子と炭素原子との原子比(H/C)が0.1以下、平均粒子径Dv50が2μm以上20μm以下、粉末X線回折法により求めた002面の平均面間隔が0.365nm以上0.400nm以下であり、カリウム元素含有量が0.5質量%以下、カルシウム元素含有量が0.02質量%以下、マグネシウム元素含有量が0.01質量%以下であり、ブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度(ρBt)とヘリウムを用いた乾式密度測定により求めた真密度(ρH)との比(ρH/ρBt)が1.18以上1.38以下である、炭素質材料を製造する、非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。 - 前記炭素質材料は、平均粒子径Dv50が2μm以上8μm以下である請求項1に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記炭素質材料は、ブタノールを用いたピクノメータ法により求めた真密度が1.51g/cm3以上である請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記炭素質材料は、ケイ素元素含有量が0.02質量%以下である請求項1から3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記炭素質材料は、比表面積が13m2/g以下である請求項1から4のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む請求項1から5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記脱灰をする工程を、0℃以上80℃以下の温度で行う、請求項1から6のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記植物由来の有機物は、500℃以上での熱処理が行われていないものである請求項1から7のいずれ一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記植物由来の有機物は、コーヒー豆由来の有機物を含む請求項1から8のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記脱灰された有機物を粉砕する工程を更に含む請求項1から9のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
- 前記中間体又はその焼成物を粉砕する工程を更に含む請求項1から10のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池負極用炭素質材料の製造方法。
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