JP7178271B2 - 人造黒鉛材料、人造黒鉛材料の製造方法、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
リチウムイオン二次電池の負極材料として、人造黒鉛材料などの黒鉛が用いられている(例えば、特許文献1参照。)。
また、本発明は、上記の人造黒鉛材料の製造方法、上記の人造黒鉛材料を含むリチウムイオン二次電池用負極、およびこの負極を用いた0℃以下の低温で充放電が繰り返されても放電容量が劣化しにくいリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。
レーザー回折式粒度分布測定装置により算出される体積基準表面積が0.22~1.70m2/cm3であり、
吸油量が67~147mL/100gであり、
Xバンドを用いて測定される電子スピン共鳴法において出現する炭素由来のスペクトルが3200~3410gaussの範囲にあり、当該スペクトルの温度4.8Kの一次微分スペクトルから算出される前記スペクトルの線幅である△Hppが41~69gauss
であることを特徴とする人造黒鉛材料。
原料油組成物をディレードコーキングプロセスによってコーキング処理して原料炭組成物を生成する工程と、
前記原料炭組成物を粉砕して原料炭粉体を得る工程と、
前記原料炭粉体を熱処理して黒鉛粉体を得る工程と、
前記黒鉛粉体を粉砕する工程とを、少なくとも含む人造黒鉛材料の製造方法。
[3]流動接触分解残油を、無機酸化物担体に周期表第6A族金属および第8族金属から選ばれる1種以上の金属を担持した触媒が充填された、平均細孔径141~200Åの触媒層(A)および平均細孔径65~110Åの触媒層(B)に、この順番に接触させて水素化脱硫した第1の重質油を得る工程と、
前記第1の重質油と、硫黄分が0.4質量%以下であって、前記第1の重質油を含まない第2の重質油とを混合して原料油組成物を得る工程と、を更に含み、
前記原料油組成物中の前記第1の重質油の含有率が15~80質量%である、請求項2に記載の人造黒鉛材料の製造方法。
[5][4]に記載の負極を有するリチウムイオン二次電池。
本実施形態の人造黒鉛材料は、下記(1)~(4)の条件を全て満たすものである。
(1)X線広角回折法によって得られた(112)回折線から算出されるc軸方向の結晶子の大きさL(112)が4~30nmである。
(2)レーザー回折式粒度分布測定装置により算出される体積基準表面積が0.22~1.70m2/cm3である。
(3)吸油量が67~147mL/100gである。
(4)Xバンドを用いて測定される電子スピン共鳴法において出現する炭素由来のスペクトルが3200~3410gaussの範囲にあり、当該スペクトルの温度4.8Kの一次微分スペクトルから算出される前記スペクトルの線幅である△Hppが41~69gaussである。
L(112)が4nm未満の人造黒鉛材料は、結晶組織の発達が不十分である。このため、L(112)が4nm未満の人造黒鉛材料を含む負極を有するリチウムイオン二次電池は、容量が小さく、好ましくない(例えば、非特許文献2参照)。
体積基準表面積が0.22m2/cm3未満であると、粒子径の大きな粗粉粒子の割合が高くなり、一般的な厚み(20~200μm)の均一な負極を成形できない場合がある。また、体積基準表面積が1.70m2/cm3を超えると、粒子径の小さい微粉の割合が高くなり、粒子間に働く付着力のような相互作用の影響が、重力の影響よりも強くなる場合がある。このため、人造黒鉛材料を含む負極合剤を用いてリチウムイオン二次電池の負極を形成する場合に、均質な負極合剤が得られにくく、実状に即さない。
粒度分布は、粒子径(μm)と頻度(%)のヒストグラムとして表現するが、頻度には単位重量当たりの粒子数の情報は全く含まれていない。同様に粒度分布から求められる体積基準表面積にも、単位重量当たりの粒子数の情報は全く含まれていない。
また、黒鉛粉体の剥離的な粉砕とは、黒鉛の化学結合の切断を伴わない粉砕であり、黒鉛の面方向に対して略平行な剥離が生じる粉砕であることを意味する。
ここでΔHpp(4.8K)は、黒鉛材料の粒子表面に露出するエッジ面の状態の多さを表す指標である。その理由について以下に詳述する。
本実施形態の人造黒鉛材料は、例えば、以下に示す製造方法により製造できる。
すなわち、原料油組成物をディレードコーキングプロセスによってコーキング処理して原料炭組成物を生成する工程と、原料炭組成物を粉砕して原料炭粉体を得る工程と、原料炭粉体を熱処理して黒鉛粉体を得る工程と、黒鉛粉体を粉砕する工程とを行う。
本実施形態の人造黒鉛材料の製造方法において用いられる原料油組成物としては、後述する第1の重質油と第2の重質油とを含む原料油組成物が好ましい。
第1の重質油は、硫黄分が好ましくは0.5質量%以上1.5質量%未満であり、アロマ成分が好ましくは50質量%以上90質量%未満である流動接触分解残油を、所定の水素化脱硫処理することで得られる。流動接触分解残油中の硫黄分の上限値は、1.0質量%が更に好ましい。流動接触分解残油中の硫黄分が1.5質量%を超えると、後述の触媒システムで水素化脱硫をしても、難脱硫成分である多環アロマ成分の脱硫が困難となる場合がある。
なお、硫黄分は、JIS M 8813-附属2:2006に記載された方法に基づき測定することができる。また、流動接触分解残油中のアロマ成分の下限値は、70質量%が更に好ましい。
なお、アロマ成分、後述する飽和成分およびアスファルテン成分の含有率は、TLC-FID法により測定できる。TLC-FID法とは、薄層クロマトグラフィー(TLC)により試料を飽和成分、アロマ成分、レジン成分及びアスファルテン成分に4分割し、その後、水素炎イオン化検出器(Flame Ionization Detector:FID)にて各成分を検出し、各成分量の全成分量に対する百分率をもって組成成分値としたものである。まず、試料0.2g±0.01gをトルエン10mlに溶解して、試料溶液を調整する。予め空焼きしたシリカゲル棒状薄層(クロマロッド)の下端(ロッドホルダーの0.5cmの位置)にマイクロシリンジを用いて1μlスポットし、ドライヤー等により乾燥させる。次に、このマイクロロッド10本を1セットとして、展開溶媒にて試料の展開を行う。展開溶媒としては、第1展開槽にヘキサン、第2展開槽にヘキサン/トルエン(体積比20:80)、第3展開槽にジクロロメタン/メタノール(体積比95:5)を使用する。飽和成分については、ヘキサンを溶媒とする第1展開槽にて溶出して展開する。アロマ成分については、第1展開の後、第2展開槽にて溶出して展開する。アスファルテン成分については、第1展開、第2展開の後、ジクロロメタン/メタノールを溶媒とする第3展開槽にて溶出して展開する。展開後のクロマロッドを測定器(例えば、ダイアヤトロン社(現三菱化学ヤトロン社)製の「イアトロスキャンMK-5」(商品名))にセットし、水素炎イオン化検出器(FID)で各成分量を測定する。各成分量を合計すると全成分量が得られる。
第1の重質油は、上述した流動接触分解残油を所定の水素化脱硫を行うことで得られる。水素化脱硫システムは、例えば特開2013-209528号または特開2013-209529号に準じた触媒システムを用いてもよい。具体的には、流動接触分解残油を、無機酸化物担体に周期表第6A族金属および第8族金属から選ばれる1種以上の金属を担持した触媒が充填された、平均細孔径140~200Åの触媒層(A)および平均細孔径80~110Åの触媒層(B)に、この順番に接触させる2層の触媒層を用いて、場合によっては、触媒層(A)および触媒層(B)との接触後に、さらに平均細孔径65~79Åの触媒層(C)に接触させる3層の触媒層を用いて水素化脱硫し、脱硫流動接触分解残油を得る。従来の製造方法において水素化脱硫に用いられる重質油の脱硫触媒は、80Å程度の細孔径が一般的であり、多環アロマ成分はその分子サイズから立体障害が大きく、触媒の細孔内に分子が入る頻度が低下し脱硫反応が十分に行われないことがあり、高い脱硫率を得られなかった。本実施形態においては、以下に説明する水素化脱硫システムを用いることにより、流動接触分解残油から多くの多環アロマ成分を除去することができ、脱硫率を向上させることが可能である。このため、水素化脱硫システムで処理した後の流動接触分解残油は、良好なバルクメソフェーズ形成に好ましいとされる2~3環のアロマ成分を十分に得ることができる。
Σ[(全触媒充填層に占める割合)×(平均細孔径)]≧90
第2の重質油は、第1の重質油および第1の重質油の原料油である流動接触分解残油を含まないものであり、硫黄分が、好ましくは0.4質量%以下、より好ましくは0.35質量%以下、更により好ましくは0.30質量%以下である。硫黄分が上記上限値を超えると、前記バルクメソフェーズの発達が阻害される場合があるため好ましくない。第2の重質油のアスファルテン分は、好ましくは5質量%以下、より好ましくは4質量%以下、更により好ましくは3質量%以下である。アスファルテン分が上記上限値を超える場合も、前記バルクメソフェーズの発達が阻害される場合があるため好ましくない。
第2の重質油を得るための水素化脱硫の条件は、全圧16MPa以上、好ましくは17MPa以上、より好ましくは18MPa以上の条件で行われる。なお、全圧が前記下限値未満であると、水素化脱硫による重質油の分解が過剰に進行し、石油コークスの原料油として有効な重質油を得ることができない。
原料油は、上述した第1の重質油と第2の重質油の他に、所定の割合で、他の重質油や流動接触分解残油を含んでいてもよい。この場合の流動接触分解残油は、第1の重質油および第2の重質油に該当しない重質油であって、硫黄分が好ましくは0.5質量%以下であり、2環のアロマ成分が好ましくは20質量%以上である重質油であり、例えば、減圧脱硫軽油を原料油とした流動接触分解残油が挙げられる。
上述した第1の重質油と第2の重質油とを少なくとも含む原料油(混合油)を400~600℃でコーキングする。第1の重質油だけでは、良好なバルクメソフェーズを形成するものの、コーキング過程において固化時のガス発生量が十分でないため、当該メソフェーズが1軸方向に配向せず、その後の熱処理において黒鉛化の進行速度にバラツキが生じるため好ましくない。このため、原料油としては、第1の重質油の他に少なくとも第2の重質油を含む。しかし第一の原料油が少な過ぎると「難脱硫成分である多環アロマ成分」の脱硫により生じた2~3環のアロマ成分が不足し、バルクメソフェーズに比較的小さなサイズの六角網平面が積層された微細組織を十分に導入することが困難となる。そこで、原料油に、上述した第1の重質油と第2の重質油に加えて他の重質油を含んでいる場合も含め、原料油全量を基準として、第1の重質油は15~80質量%の範囲に限定される。 原料油をコーキングする方法としては、ディレードコーキング法が好ましい。具体的には、好ましくは、コーキング圧力が制御された条件の下、原料油をディレードコーカーに投入して加熱し、熱分解、重縮合して原料炭組成物を作製する。
このようにして得られた原料炭組成物は、所定の粒度となるように粉砕及び分級される。粒度としては、平均粒径として好ましくは41μm以下である。平均粒径は、レーザー回折式粒度分布計による測定に基づく。平均粒径が41μm以下である理由は、リチウムイオン二次電池の負極炭素材料として、一般的且つ好適に使用されている粒度だからである。さらに、好ましい平均粒径は5~41μmである。平均粒径が5μmより小さい生コークスを炭化して得られる黒鉛材料の比表面積は極端に大きいため、このような黒鉛材料を使用し、リチウムイオン二次電池用負極の極板製造で用いられるペースト状の高粘性流体を作製する場合、必要となる溶媒量が莫大となるため好ましくない。
次に、リチウムイオン二次電池の負極について説明する。リチウムイオン二次電池用負極の製造方法としては特に限定されず、例えば、本発明の人造黒鉛材料、バインダー(結着剤)、必要に応じて導電助剤、有機溶媒を含む混合物(負極合剤)を、所定寸法に加圧成形する方法が挙げられる。また他の方法としては、本発明の人造黒鉛材料、バインダー、導電助剤等を有機溶媒中で混練・スラリー化し、当該スラリーを銅箔等の集電体上に塗布・乾燥したもの、すなわち負極合剤を圧延し、所定の寸法に裁断する方法も挙げることができる。
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池について説明する。
図1は、本発明のリチウムイオン二次電池の一例を示した概略断面図である。図1に示すのリチウムイオン二次電池10は、負極集電体12と一体化された負極11と、正極集電体14と一体化された正極13とを有している。図1に示すリチウムイオン二次電池10では、負極11として本実施形態の負極が用いられている。負極11と正極13とは、セパレータ15を介して対向配置されている。図1において、符号16は、アルミラミネート外装を示している。アルミラミネート外装16内には、電解液が注入されている。
活物質としては、リチウムイオン二次電池用正極に用いられる公知のものを用いることができ、リチウムイオンをドーピング又はインターカレーション可能な金属化合物、金属酸化物、金属硫化物、又は導電性高分子材料を用いることができる。具体的には、活物質として、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、及び複酸化物(LiCoXNiYMnZO2、X+Y+Z=1)、リチウムバナジウム化合物、V2O5、V6O13、VO2、MnO2、TiO2、MoV2O8、TiS2、V2S5、VS2、MoS2、MoS3、Cr3O8、Cr2O5、オリビン型LiMPO4(M:Co、Ni、Mn、Fe)、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセン等の導電性ポリマー、多孔質炭素等及びこれらの混合物などを挙げることができる。
導電助剤としては、上述した負極11に用いられる導電助剤と同様のものを用いることができる。
正極集電体14としては、上述した負極集電体と同様のものを用いることができる。
なお、リチウムイオン二次電池が、正極と負極とが直接接触しない構造である場合には、セパレータは不要である。
電解液としては、電気伝導性の観点から有機電解液を用いることが好ましい。
例えば、リチウム塩として、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2等が挙げられる。
具体的には、本発明のリチウムイオン二次電池の構造は、図1に示すリチウムイオン二次電池10に限定されるものではない。
リチウムイオン二次電池の構造は、例えば、帯状に成型された正極と負極とが、セパレータを介して渦巻状に巻回された巻回電極群を、電池ケースに挿入し、封口した構造であってもよい。また、リチウムイオン二次電池の構造は、平板状に成型された正極と負極とが、セパレータを介して順次積層された積層式極板群を外装体中に封入した構造であってもよい。
(1)黒鉛粉末の結晶子の大きさL(112)の算出
黒鉛粉末に、内部標準としてSi標準試料を10質量%混合し、ガラス製試料ホルダー(窓枠の大きさが16mm×20mm、深さ0.2mm)に詰め、JIS R7651(2007)準拠して広角X線回折法で測定を行い、黒鉛粉末の結晶子の大きさL(112)を算出した。X線回折装置は(株)リガク社製ULTIMA IV、X線源はCuKα線(KβフィルターNiを使用)、X線管球への印可電圧及び電流は41kV及び41mAとした。得られた回折図形についても、JIS R7651(2007)に準拠した方法で解析を行った。具体的には、測定データにスムージング処理、バックグラウンド除去の後、吸収補正、偏光補正、Lorentz 補正を施し、Si標準試料の(422)回折線のピーク位置、及び値幅を用いて、黒鉛粉末の(112)回折線を補正し、結晶子サイズL(112)を算出した。なお、結晶子サイズは、補正ピークの半値幅から以下のScherrerの式を用いて計算した。測定・解析は3 回ずつ実施し、その平均値をL(112)とした。
L=K×λ/(β×cosθB)・・・Scherrerの式
ここで、L :結晶サイズ(nm)
K:形状因子定数(=1.0)
λ :X線の波長(=0.15416nm)
θ:ブラッグ角(補正された回折角度)
β:真の半値幅(補正値)
マイクロトラック・ベル株式会社製のレーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置MT3300EXIIを使用して粒度分布を測定した。測定に使用した分散液は、約0.5gの黒鉛粉末に、0.1質量%のヘキサメタ燐酸ナトリウム水溶液(数滴)と、界面活性剤(数滴)を乳鉢で均質となるように十分混ぜ合わせた後、更に0.1質量%のヘキサメタ燐酸ナトリウム水溶液を41mL加え、超音波ホモジナイザーで分散させることにより作製した。得られた粒度分布の測定結果を、JIS Z 8819-2(2001)の「粒子径測定結果の表現-第2部:粒子径分布からの平均粒子径又は平均粒子直径及びモーメントの計算」のうち「5.5体積基準表面積の計算」に準拠して算出した。
JIS K 5101-13-1(2004)の「吸油量-第一節:精製あまに油法」に準拠して測定・算出した。先ず、精秤した黒鉛粉末を測定板に置き、容量10mLのビュレットから、精製あまに油を滴下し、パレットナイフで精製あまに油を練り込み、完全に混錬するようにして、滴下と練りこみを繰り返した。次にペーストが滑らかな硬さになったところを終点とし、最後に以下の式で吸油量を算出した。
O1=100×V/m
ここでO1:吸油量(mL00g)
V:滴下したあまに油の容量(mL)
m:測定板に置いた黒鉛粉末の重量(g)
黒鉛材料2.5mgを試料管に入れ、ロータリーポンプで真空引きした後、試料管にHeガスを封入してESR測定を行った。ESR装置、マイクロ波周波数カウンター、ガウスメーター、クライオスタットは、それぞれBRUKER社製ESP350E、HEWLETT PACKARD社製HP5351P、BRUKER社製ER035M、OXFORD社製ESR910を用いた。マイクロ波はXバンド(9.47GHz)を用い、強度1mW、中心磁場3360G、磁場変調100kHzで測定を行った。測定温度は4.8KでESR測定を行った。実施例及び比較例で得られた黒鉛材料のESRスペクトルの線幅△Hpp(4.8K)の結果は、表1に示された通りである。線幅△Hppは、ESRスペクトル(微分曲線)における2つのピーク(最大と最小)の間隔を読み取った値を用いた。 尚、Xバンドを用いて測定される電子スピン共鳴法において出現する炭素由来のスペクトルは、いずれの実施例および比較例においても、3200~3400gauss(G)の範囲にあることを確認した。
(実施例1)
脱硫減圧軽油(硫黄分500質量ppm、15℃における密度0.88g/cm3)を流動接触分解し、流動接触分解残油(以下、「流動接触分解残油(A)」と記す。)を得た。得られた流動接触分解残油(A)は、初留点220℃、硫黄分0.2質量%、アロマ成分60質量%であった。また、硫黄分が3.5質量%の常圧蒸留残油を、Ni-Mo触媒の存在下、水素化分解率が30%以下となるように水素化脱硫し、水素化脱硫油(以下、「水素化脱硫油(A)」と記す。)を得た。得られた水素化脱硫油(A)は、初留点260℃、硫黄分0.3質量%、アスファルテン成分1質量%、飽和分70質量%、15℃における密度が0.92g/cm3であった。
を用いた。触媒として、以下のようにして製造した触媒1、触媒2および触媒3を用いた。
塩基性アルミニウム塩水溶液と酸性アルミニウム塩水溶液を中和して、アルミナ水和物スラリー(Al2O3換算で3kg)を得た。得られたアルミナ水和物スラリーを洗浄して副生塩を除去し、アルミナ水和物を得た。アルミナ水和物をpH10.5に調整し、95℃で10時間熟成した。熟成終了後のスラリーを脱水し、所定の水分量までニーダーで濃縮捏和し、アルミナ捏和物を得た。得られたアルミナ捏和物に硝酸50gを添加し、再度所定の水分量まで濃縮捏和した後、1.8mmの円柱形状に成型し110℃で乾燥した。乾燥した成型品は550℃の温度で3時間焼成し、担体を得た。担体組成はアルミナ100質量%である。
担体調製において、得られたアルミナ捏和物に硝酸100g、市販シリカゾルS-20L(日揮触媒化成(株)製)479g、リン酸155gを添加したこと以外は触媒1と同様の調製を行い、担体を得た。担体組成は、アルミナ94質量%、シリカ3質量%、P2O53質量%である。含浸液調製においては、次いで三酸化モリブデン232g、塩基性炭酸ニッケル23g及び炭酸コバルト76gを用いたこと以外は触媒1と同様の調製を行い、触媒2を得た。触媒の平均細孔径を測定すると100Åであった。酸化ニッケル、酸化コバルトおよび酸化モリブデンの含有量は、触媒基準でそれぞれ1質量%、3.5質量%および18質量%であった。
硫酸チタニル溶液1000g(チタニア(TiO2)換算で5質量%)、純水1900g、硫酸370gを混合し、40℃で1時間攪拌した後、攪拌しながら8.5質量%水ガラス353gを1.5時間かけて滴下した。滴下終了後、40℃で2.5時間攪拌を継続した。得られた溶液にpHが7.2になるまで15質量%アンモニア水を添加した後、pHが7.2の状態を2時間保持して、シリカチタニア1次粒子含有液を得た。次いで、そのシリカチタニア1次粒子含有液の温度を60℃に調整し、ベーマイトを含むアルミナスラリー(アルミナ(Al2O3)換算で3.6質量%)を25.6kg添加した後、pHが7.2になるように、15質量%アンモニア水を添加した。pHが7.2の状態を1時間保持した後、脱水洗浄して副生塩を除去し、酸化物ゲルのスラリーを得た。以降は触媒1と同様の調製を行い、担体を得た。担体組成は、アルミナ92質量%、シリカ3質量%、チタニア5質量%である。含浸液調製において、三酸化モリブデン297g、塩基性炭酸ニッケル74g、リン酸101gを用いたこと以外は触媒1と同様の調製を行い、触媒3を得た。触媒の平均細孔径を測定すると75Åであった。酸化ニッケルおよび酸化モリブデンの含有量は、触媒基準でそれぞれ3質量%および22質量%であった。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)および水素化脱硫油(A)を質量比15:65:20で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が18.8μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物を窒素ガス気流下1000℃で焼成してか焼コークスを得た。このとき室温から1000℃までの昇温時間を4時間、1000℃の保持時間を4時間、1000℃から410℃までの降温時間を2時間とし、410℃以降は窒素ガスの気流を継続しながら4時間放冷した。得られたか焼コークスをグラファイトるつぼに投入し、高周波誘導炉を使用して、窒素ガス気流下、2800℃で黒鉛化した。このとき室温から2800℃までの昇温時間を23時間、2800℃の保持時間を3時間とし、6日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が13.2μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)および水素化脱硫油(A)を質量比40:40:20で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が20.5μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物を窒素ガス気流下1000℃で焼成してか焼コークスを得た。このとき室温から1000℃までの昇温時間を4時間、1000℃の保持時間を4時間、1000℃から410℃までの降温時間を2時間とし、410℃以降は窒素ガスの気流を継続しながら4時間放冷した。得られたか焼コークスをグラファイトるつぼに投入し、高周波誘導炉を使用して、窒素ガス気流下、2900℃で黒鉛化した。このとき室温から2900℃までの昇温時間を23時間、2900℃の保持時間を3時間とし、6日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が10.3μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)および水素化脱硫油(A)を質量比30:50:20で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が57.6μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物をグラファイトるつぼに投入し、アチソン炉のブリーズに埋め込んだ後、3050℃で黒鉛化した。このとき室温から3050℃までの昇温時間を130時間、3050℃の保持時間を8時間とし、25日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が29.8μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)および水素化脱硫油(A)を質量比70:10:20で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が44.2μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物をグラファイトるつぼに投入し、アチソン炉のブリーズに埋め込んだ後、3150℃で黒鉛化した。このとき室温から3150℃までの昇温時間を130時間、3150℃の保持時間を8時間とし、25日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が8.3μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が30.4μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物を窒素ガス気流下1000℃で焼成してか焼コークスを得た。このとき室温から1000℃までの昇温時間を4時間、1000℃の保持時間を4時間、1000℃から410℃までの降温時間を2時間とし、410℃以降は窒素ガスの気流を継続しながら4時間放冷した。得られたか焼コークスをグラファイトるつぼに投入し、高周波誘導炉を使用して、窒素ガス気流下、2700℃で黒鉛化した。このとき室温から2700℃までの昇温時間を23時間、2700℃の保持時間を3時間とし、6日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が4.8μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)および水素化脱硫油(A)を質量比10:60:20で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が19.8μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物を窒素ガス気流下1000℃で焼成してか焼コークスを得た。このとき室温から1000℃までの昇温時間を4時間、1000℃の保持時間を4時間、1000℃から410℃までの降温時間を2時間とし、410℃以降は窒素ガスの気流を継続しながら4時間放冷した。得られたか焼コークスをグラファイトるつぼに投入し、高周波誘導炉を使用して、窒素ガス気流下、2800℃で黒鉛化した。このとき室温から2800℃までの昇温時間を23時間、2800℃の保持時間を3時間とし、6日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が12.1μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)および水素化脱硫油(A)を質量比5:75:20で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が29.7μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物を窒素ガス気流下1000℃で焼成してか焼コークスを得た。このとき室温から1000℃までの昇温時間を4時間、1000℃の保持時間を4時間、1000℃から410℃までの降温時間を2時間とし、410℃以降は窒素ガスの気流を継続しながら4時間放冷した。得られたか焼コークスをグラファイトるつぼに投入し、高周波誘導炉を使用して、窒素ガス気流下、2900℃で黒鉛化した。このとき室温から2900℃までの昇温時間を23時間、2900℃の保持時間を3時間とし、6日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が16.8μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
流動接触分解残油(A)を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が38.6μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物をグラファイトるつぼに投入し、アチソン炉のブリーズに埋め込んだ後、3150℃で黒鉛化した。このとき室温から3150℃までの昇温時間を130時間、3150℃の保持時間を8時間とし、25日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が25.3μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
脱硫流動接触分解残油(B-1)、流動接触分解残油(A)を質量比95:5で混合して原料油組成物を得た。この原料油組成物を試験管に入れ、常圧、500℃で3時間熱処理を行い、コークス化して原料炭組成物を得た。この原料炭組成物を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が52.2μmとなるようにハンマー式ミルで粉砕した。得られた粉砕物をグラファイトるつぼに投入し、アチソン炉のブリーズに埋め込んだ後、3050℃で黒鉛化した。このとき室温から3050℃までの昇温時間を130時間、3050℃の保持時間を8時間とし、25日間放冷した後に取り出した。得られた黒鉛材料を、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定された平均粒子径が9.2μmとなるように気流式ジェットミルで粉砕し、人造黒鉛材料を得た。得られた人造黒鉛材料の結晶子の大きさL(112)、体積基準表面積、吸油量、ΔHpp(4.8K)を表1に示す。
実施例3で得られた人造黒鉛材料と、比較例2で得られた人造黒鉛材料を、重量比で50:50に混合した混合物を得た。
実施例3で得られた人造黒鉛と、比較例2で得られた人造黒鉛を、重量比で30:70に混合した混合物を得た。
実施例3で得られた人造黒鉛と、比較例2で得られた人造黒鉛を、重量比で20:80に混合した混合物を得た。
以下に示す方法により、評価用電池として図1に示すリチウムイオン二次電池10を作製した。負極11、負極集電体12、正極13、正極集電体14、セパレータ15としては、それぞれ以下に示すものを用いた。
実施例1~8、比較例1~5で得た何れかの人造黒鉛材料と、1.5質量%の濃度に調整された結着剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC(第一工業製薬株式会社製のBSH-6))水溶液と、48質量%の濃度で結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)が分散した水溶液とを、固形分の質量比で98:1:1の割合で混合し、ペースト状の負極合剤を得た。得られた負極合剤を、負極集電体12としての厚さ18μmの銅箔の片面全面に塗布し、乾燥及び圧延操作を行い、負極合剤からなる層である負極11が負極集電体12上に形成された負極シートを得た。負極シートにおける負極合剤の単位面積当たりの塗布量は、黒鉛材料の質量として約10mg/cm2となるように調整した。
正極材料である平均粒子径10μmのコバルト酸リチウムLiCoO2(日本化学工業社製のセルシードC0N)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製KF#1120)と、導電助剤としてのアセチレンブラック(デンカ社製のデンカブラック)とを質量比で89:6:5に混合し、溶媒としてのN-メチル-2-ピロリジノンを加えて混練し、ペースト状の正極合剤を得た。得られた正極合剤を、正極集電体14としての厚さ30μmのアルミニウム箔の片面全面に塗布し、乾燥及び圧延操作を行い、正極合剤からなる層である正極13が正極集電体14上に形成された正極シートを得た。正極シートにおける正極合剤の単位面積当たりの塗布量は、コバルト酸リチウムの質量として、約20mg/cm2となるように調整した。
セパレータ15としては、セルロース系不織布(日本高度紙(株)製のTF40-50)を用いた。
その後、正極リード板および負極リード板がはみ出した状態で、アルミラミネート外装16を熱融着した。
以上の工程により、実施例1~8、比較例1~5の密閉型のリチウムイオン二次電池10を得た。
実施例1~8、比較例1~5のリチウムイオン二次電池10について、それぞれ以下に示す充放電試験を行った。
先ず、電池の異常を検知するための予備試験を行った。すなわち、電池を25℃の恒温室内に設置し、4mAの電流で、電池電圧が4.2Vとなるまで定電流で充電し、10分間休止した後、同じ電流で電池電圧が3.0Vとなるまで定電流で放電した。これらの充電、休止、および放電を1つの充放電サイクルとし、同様の条件で充放電サイクルを3回繰り返し、予備試験とした。
この予備試験により、実施例1~8、比較例1~5の電池は、全て異常がないことを確認した。その上で、以下の本試験を実施した。なお、予備試験は、本試験のサイクル数には含まない。
次に、電池を0℃に設定された恒温槽の中に設置し、5時間放置した後、初期放電容量を求めた充放電サイクルと同じ条件で、充放電サイクルを100回繰り返した。その後、電池を再度25℃の恒温槽内に設置し、5時間放置した後、初期放電容量を求めた充放電サイクルと同じ条件で、充放電サイクルを3回繰り返し、第3サイクル目の放電容量を「0℃の充放電を繰り返した後の放電容量」とした。
その結果を表1に示す。
Claims (4)
- X線広角回折法によって得られた(112)回折線から算出されるc軸方向の結晶子の大きさL(112)が4~30nmであり、
レーザー回折式粒度分布測定装置により算出される体積基準表面積が0.22~1.70m2/cm3であり、
吸油量が67~147mL/100gであり、
Xバンドを用いて測定される電子スピン共鳴法において出現する炭素由来のスペクトルが3200~3410gaussの範囲にあり、当該スペクトルの温度4.8Kの一次微分スペクトルから算出される前記スペクトルの線幅である△Hppが41~69gauss
であることを特徴とする人造黒鉛材料。 - 請求項1に記載の人造黒鉛材料の製造方法であって、
原料油組成物をディレードコーキングプロセスによってコーキング処理して原料炭組成物を生成する工程と、
前記原料炭組成物を粉砕して原料炭粉体を得る工程と、
前記原料炭粉体を熱処理して黒鉛粉体を得る工程と、
前記黒鉛粉体を粉砕する工程とを、少なくとも含み、
流動接触分解残油を、無機酸化物担体に周期表第6A族金属および第8族金属から選ばれる1種以上の金属を担持した触媒が充填された、平均細孔径141~200Åの触媒層(A)および平均細孔径65~110Åの触媒層(B)に、この順番に接触させて水素化脱硫した第1の重質油を得る工程と、
前記第1の重質油と、硫黄分が0.4質量%以下であって、前記第1の重質油を含まない第2の重質油とを混合して原料油組成物を得る工程と、を更に含み、
前記原料油組成物中の前記第1の重質油の含有率が15~80質量%である、人造黒鉛材料の製造方法。 - 請求項1に記載の人造黒鉛材料を含むリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項3に記載の負極を有するリチウムイオン二次電池。
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