JP7047892B2 - 炭素質粒子、リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明は上記事情に鑑み、低抵抗なリチウムイオン二次電池を製造可能な炭素質粒子及びリチウムイオン二次電池用負極材、並びにリチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。
<1> ラマンマッピング測定で得られる黒鉛のGバンド(1580cm-1)とDバンド(1360cm-1)のピーク強度比(G/D)を表すR値の度数分布において、下記条件(1)及び(2)を満たす、リチウムイオン二次電池の負極材用の炭素質粒子。
(1)R値の最頻値(Rc)が0.87~0.96である。
(2)R値が小さい側からの頻度の累積が50%のときのR値(R50)が0.88~0.92である。
<2> 核としての第一炭素材と、前記第一炭素材の表面の少なくとも一部に存在し、前記第一炭素材よりも結晶性の低い第二炭素材と、を有する、<1>に記載の炭素質粒子。
<3> c軸方向の結晶子サイズ(Lc)が4.5nm~5.2nmである、<1>又は<2>に記載の炭素質粒子。
<4> 比表面積が2.0m2/g~5.0m2/gである、<1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素質粒子。
<5> 平均粒径(50%D)が5μm~20μmである、<1>~<4>のいずれか1項に記載の炭素質粒子。
<6> <1>~<5>のいずれか1項に記載の炭素質材料を含む、リチウムイオン二次電池用負極材。
<7> 黒鉛粒子をさらに含む、<6>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
<8> <6>又は<7>に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含む、リチウムイオン二次電池用負極。
<9> <8>に記載のリチウムイオンン二次電池用負極を備える、リチウムイオン二次電池。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「層」又は「膜」との語には、当該層又は膜が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示の炭素質粒子は、ラマンマッピング測定で得られる黒鉛のGバンド(1580cm-1)とDバンド(1360cm-1)のピーク強度比(G/D)を表すR値の度数分布において、下記条件(1)及び(2)を満たす、リチウムイオン二次電池の負極材用の炭素質粒子である。
(1)R値の最頻値(Rc)が0.87~0.96である。
(2)R値が小さい側からの頻度の累積が50%のときのR値(R50)が0.88~0.92である。
上記方法において、第一炭素材及び第二炭素材の詳細並びに好ましい態様は、前述のリチウムイオン二次電池用負極材の項目にて説明したものと同様である。
熱処理後の混合物は、必要に応じて粉砕、解砕、粒度調整等の処理を施してもよい。
本開示のリチウムイオン二次電池用負極材(以下、負極材とも称する)は、上述した炭素質粒子を含む。
本開示のリチウムイオン二次電池用負極(以下、負極とも称する)は、上述した負極材を含む。負極の具体的な構成としては、例えば、集電体と、集電体の少なくとも一方の面に配置される負極材を含む負極材層と、からなる構成が挙げられる。
シート状、ペレット状等の形状に成形された負極材スラリーと集電体とを一体化する方法は特に限定されず、ロール、プレス、これらの組み合わせ等が挙げられる。
本開示のリチウムイオン二次電池は、上述した本開示のリチウムイオン二次電池用負極を備える。具体的には、本開示の負極と、正極と、必要に応じてセパレータと、電解液とを少なくとも備える。
電解質としては、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSO3CF3等のリチウム塩が挙げられる。
非水系溶剤としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、シクロペンタノン、スルホラン、3-メチルスルホラン、2,4-ジメチルスルホラン、3-メチル-1,3-オキサゾリジン-2-オン、γ-ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ブチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、これらの混合物等が挙げられる。
d002が0.346nm、Lcが4.6nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕した。この粉砕物99質量部にコールタールピッチ(軟化点98℃、残炭率(炭化率)50%)1質量部を加えて混合物を得た。次いでこの混合物を窒素流通下、20℃/時間の昇温速度で900℃まで昇温し、900℃(焼成処理温度)にて1時間保持して、熱処理物を得た。得られた熱処理物をカッターミルで解砕した後、300メッシュ篩で篩分けを行い粗粉を除去して、コークスに由来する第一炭素材(核)と、前記第一炭素材の表面の少なくとも一部に存在するコールタールピッチに由来する第二炭素材と、を有する炭素質粒子を得た。
得られた炭素質粒子のd002とLcの測定を、X線回折測定により行った。具体的には、理学電気株式会社の広角X線回折装置を用いて、モノクロメーターで単色化したCu-Kα線を用い、高純度シリコンを標準物質として測定した。d002は、回折角2θ=24°~26°付近に現れる002面に対応した回折ピークより、ブラッグの式を用いて算出した。Lcは、d002の回折ピークの半価幅からシェラーの式により算出した。結果を表1に示す。
得られた炭素質粒子の平均粒径(50%D)の測定を、レーザー回折・散乱法により行った。具体的には、レーザー回折式粒度分布測定装置(株式会社島津製作所のSALD-3000J)を用いて、炭素質粒子を界面活性剤と共に精製水中に分散させた分散液を装置の水槽に入れ、超音波をかけた状態でポンプで循環させながら測定した。得られた体積基準の粒度分布における累積が50%のときの粒径(50%D)を平均粒径とした。結果を表1に示す。
得られた炭素質粒子のRcとR50の測定を、ラマンマッピングにより行った。具体的には、ラマンマッピング装置(サーモフィッシャーサイエンティフィック社のDXR顕微レーザーラマン)を用いて、対物レンズの倍率:50倍、露光時間:2秒、積算回数:4回、サンプリング範囲:100μm×100μm、測定間隔:2μmとして行った。測定で得られた黒鉛のGバンド(1580cm-1)とDバンド(1360cm-1)のピーク強度比(G/D)をR値とし、その最頻値(Rc)と頻度の累積が50%となるときのR値(R50)を算出した。結果を表1に示す。
得られた炭素質粒子の比表面積(m2/g)を、比表面積計(株式会社島津製作所のFlowSorb)を用いてBET法(窒素ガス吸着法)により求めた。
炭素質粒子98質量%に対し、カルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)1質量%になるように加え、混練してペースト状の負極材スラリーを作製した。このスラリーを厚さ11μmの電解銅箔に厚さ200μmのマスクを用いて直径9.5mmの円形となるよう塗布した。これを105℃で乾燥して、単極試験用の負極を作製した。
炭素質粒子98質量%に、CMC1質量%、SBR1質量%となるよう加えて混練し、ペースト状の負極材スラリーを作製した。このスラリーを、厚さ11μmの電解銅箔に単位面積当りの塗布量が4.5mg/cm2となるように塗工機を用いて塗布した。その後、105℃で乾燥し、さらに、ロールプレス機により合材密度が1.05g/cm3となるように圧縮成型して、負極を作製した。
上記条件で充放電を実施した後、0.2Cの定電流で50%の充電状態(SOC)になるように充電を行った。その後、1Cで1分間定電流放電し、続いて3Cで1分間定電流放電し、続いて5Cで1分間定電流放電を行った。以上の試験から、SOCが50%のときの電圧値と各電流値での放電10秒後の電圧値の差(ΔV)を求め、横軸に電流値、縦軸にΔVをプロットした図の傾きを25℃での直流抵抗(25℃DCR)値(Ω)とした。結果を表1に示す。
充電:CC/CV 0.2C 0V 0.02C Cut
放電:CC 0.2C 1.5V Cut
d002が0.346nm、Lcが5.2nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.347nm、Lcが5.4nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.345nm、Lcが4.7nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.346nm、Lcが5.1nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.347nm、Lcが5.2nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.347nm、Lcが3.5nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.346nm、Lcが5.7nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
d002が0.346nm、Lcが4.7nmの市販のコークスを、分級機付きの衝撃粉砕機を用いて粉砕したものを用いたこと以外は実施例1と同様にして、炭素質粒子を得た。この炭素質粒子に対して実施例1と同様の測定を行った。また、この炭素質粒子を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、実施例1と同様の測定を行った。結果を表1に示す。
Claims (8)
- ラマンマッピング測定で得られる黒鉛のGバンド(1580cm-1)とDバンド(1360cm-1)のピーク強度比(G/D)を表すR値の度数分布において、下記条件(1)及び(2)を満たし、核としての第一炭素材と、前記第一炭素材の表面の少なくとも一部に存在し、前記第一炭素材よりも結晶性の低い第二炭素材と、を有する、リチウムイオン二次電池の負極材用の炭素質粒子。
(1)R値の最頻値(Rc)が0.87~0.96である。
(2)R値が小さい側からの頻度の累積が50%のときのR値(R50)が0.88~0.92である。 - c軸方向の結晶子サイズ(Lc)が4.5nm~5.2nmである、請求項1に記載の炭素質粒子。
- 比表面積が2.0m2/g~5.0m2/gである、請求項1又は請求項2に記載の炭素質粒子。
- 平均粒径(50%D)が5μm~20μmである、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の炭素質粒子。
- 請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の炭素質材料を含む、リチウムイオン二次電池用負極材。
- 黒鉛粒子をさらに含む、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用負極材。
- 請求項5又は請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用負極材を含む、リチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用負極を備える、リチウムイオン二次電池。
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