JPH05299073A - 炭素複合体電極材料の製造方法 - Google Patents

炭素複合体電極材料の製造方法

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JPH05299073A
JPH05299073A JP5017598A JP1759893A JPH05299073A JP H05299073 A JPH05299073 A JP H05299073A JP 5017598 A JP5017598 A JP 5017598A JP 1759893 A JP1759893 A JP 1759893A JP H05299073 A JPH05299073 A JP H05299073A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 2層構造炭素の製造方法 【構成】 芯を形成する高結晶性炭素粒子の表面を、VI
II族の金属元素を含む膜で被覆し、さらにその上を、炭
素が被覆することよりなる炭素複合体電極材料の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、炭素複合体電極材料の
製造方法に関する。とくに、リチウム二次電池の負極活
物質をして使用される炭素複合体電極材料の製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】炭素複合体電極材料のうち、ある種の炭
素材料が、とくにリチウム二次電池の負極活物質として
適用されたとき、二次電池の充放電サイクル特性と安全
性が優れたものになることが、報告されている(例え
ば、特開昭63-24555号、特開平1-311565号)。この炭素
材料は、例えば炭化水素の気相における熱分解によっ
て、製造されている。
【0003】本願発明者等は、上述の炭素材料のうち、
リチウム二次電池の負極活物質として、とくに内層が高
結晶性を有し、表層が乱層構造を有する炭素で覆われて
いる構造の炭素材料が、とくに優れていることを見出し
て、開示している(特願平3-144547号)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような炭素複合体
電極材料の製造方法のうち最も簡単な方法は、高い結晶
性を有する、グラファイトのような炭素材料を芯材料と
し、その表面に炭化水素または、その誘導体の気相熱分
解により炭素材料を生成して、堆積させる方法がある。
この場合、堆積された炭素材料は乱層構造を示す。しか
しながら、このような乱層構造を有する炭素材料を堆積
させる条件は約1000℃の温度にて、長時間保持する
必要がある。この条件においては、副反応としてタール
状の生成物が多量発生するので、実用的な方法ではな
い。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明は、芯を形成す
る高結晶性炭素粒子の表面を、VIII族の金属元素を含む
膜で被覆し、さらにその上を、炭化水素およびその誘導
体を熱分解によって生成した炭素材料を被覆することよ
りなる炭素複合体電極材料の製造方法を提供する。
【0006】ここで、表面を被覆する炭素材料が、炭化
水素およびその誘導体の気相における熱分解によって生
成され、また高結晶性炭素粒子の結晶構造が、C軸方向
の平均面間隔が約0.335〜0.340nmであり、
アルゴンレーザーラマンによる1580cm-1に対する1
360cm-1のピーク強度比が約0.4未満であることが
好ましい。
【0007】さらに、VIII族の金属元素が、ニッケル、
コバルト、鉄またはその合金であり、金属元素を含む膜
の厚さが、0.1〜2.0μmであることが好ましい。
また、炭素複合体電極材料がリチウム二次電池の負極活
物質であることが好ましい。
【0008】本願発明は、芯を形成する高結晶性炭素粒
子の表面を、比較的低温かつ短時間で乱層構造を有する
炭素材料を被覆することが可能となると同時に、被覆さ
れた炭素材料の比表面積が大きくすることができる炭素
複合体電極材料の製造方法を提供する。
【0009】本願発明の芯を形成する高結晶性炭素粒子
は、例えば天然黒鉛、キッシュグラファイト、あるいは
公知の炭素材料の原料である石油コークスまたは石炭ピ
ッチコークス等から得られる易黒鉛化性炭素材料を20
00℃以上の高温にて熱処理して得られる。その平均粒
径は約100μm以下、とくに1〜20μmのものが好
ましい。この粒径の範囲であると、電池の電極活物質と
して適用されたとき、活物質としての利用率が高く、負
極活物質の充填密度も大きく取れる。ここで、平均粒径
はレーザー回折式粒度分布計により測定して求められた
値の平均の値とする。
【0010】また形状は球形、鱗片状、繊維状あるいは
それらの粉砕物のいずれであってもよいが、球形または
鱗片状が好ましい。さらに、その結晶構造はX線広角法
によって求められる(002)面の平均面間隔が約0.
335〜0.340nmであり、アルゴンレーザーラマ
ンによる1580cm-1に対する1360cm-1のピーク強
度比が約0.4未満であるものが好ましい。
【0011】ついで本願発明では上述したような高結晶
性炭素粒子上にVIII族の金属を含む金属膜を形成する。
本願発明のVIII族の金属元素は、鉄、ニッケル、コバル
ト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、
イリジウム、白金およびその合金などが挙げられる。こ
のうち、鉄、ニッケル、コバルトが好ましい。
【0012】被覆する方法は、無電解メッキ法、上記VI
II族の金属を高減圧中に保って加熱蒸発を利用して金属
膜を形成する蒸着法、加熱蒸発およびイオン衝撃を利用
して金属膜を形成するスパッタリング法などが挙げられ
るが、低コストおよび作業のしやすさから無電解メッキ
法が好ましい。
【0013】またニッケルの無電解メッキ法では、重量
比でNiSO4・7H2Oを約20、NaH2PO2を約2
5の割合で混合してメッキ浴を作成し、pHを約5.0
に調製されたメッキ浴中に芯を形成する高結晶性炭素粒
子を浸漬する。このメッキ浴を約90℃に保持しなが
ら、次亜リン酸塩またはホウ化水素ナトリウム等の還元
剤を添加することにより、高結晶性炭素粒子の表面に金
属膜を得る。これらメッキ浴や還元剤は調製され、市販
(例えば、TMP化学ニッケル;奥野製薬工業株式会社
製)されているものもある。
【0014】被覆されたVIII族の金属を含む膜の平均厚
さは、0.01〜2.0μmが好ましい。0.01μm
より薄くなると触媒としての効果が薄れ、2.0μmよ
り厚くなると内部の炭素材料へのインターカレーショ
ン、デインターカレーションの妨げとなり、内部の高結
晶炭素が利用されなくなる。
【0015】VIII族の金属を含む膜の上に、炭素材料が
炭化水素の気相または霧滴状物の熱分解によって生成、
堆積される。炭化水素およびその誘導体は、脂肪族炭化
水素、芳香族炭化水素、脂環式炭化水素のいずれであっ
てもよく、これらは置換基(ハロゲン原子、水酸基、ス
ルホン基、ニトロ基、アミノ基、カルボキシル基等)を
一部有してもよい。これらの具体例としては、メタン、
エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、シク
ロヘキサン、ナフタレン、アントラセン、ピレン、ベン
ゼン、トルエン、ピリジン、アリルベンゼン、ヘキサメ
チルベンゼン、アニリン、フェノール、1,2−ジクロ
ロエチレン、1,2−ジブロモエチレン、2−ブテン、
アセチレン、ビフェニル、ジフェニルアセチレン、スチ
レン、アクリロニトリル、ピロール、チオフェンおよび
その誘導体あるいはクレオソート油、エチレンボトム
油、天然ガス等が挙げられる。このうち、メタン、エタ
ン、プロパンがコストが低いこと、排ガスの処理のしや
すさおよび熱分解炉の腐食のしにくさのなどの点から好
ましい。
【0016】上記炭化水素およびその誘導体は、気相ま
たは霧滴状にて炭素堆積用装置に導入され、炭素材料堆
積用の台上に載置してあるVIII族の金属を含む膜の上に
搬送される。この時の反応条件は、気相または霧滴状物
の供給速度は0.03〜20モル/時、流速は0.5〜
100cm/分である。その熱分解は不燃焼雰囲気中、例
えば高減圧中や不活性ガス中において、約300〜13
00℃、好ましくは約500〜1100℃の温度で行わ
れる。かくして、平均粒径約15〜50μmの炭素複合
体電極材料が得られる。
【0017】この炭素複合体電極材料は、芯を形成する
高結晶性炭素粒子の上をVIII族の金属を含む膜で被覆さ
れ、さらにその上を炭素材料が炭化水素およびその誘導
体の気相または霧滴状物の熱分解によって生成されるの
で、つぎのような特徴を有する。
【0018】第1に、VIII族の金属が炭化水素およびそ
の誘導体の気相または霧滴状物の熱分解反応の触媒とし
て働くので、比較的低温かつ短時間で生成、堆積でき
る。第2に、VIII族の金属の膜の一部または全部が、上
記熱分解反応中に生成、堆積される炭素材料中に拡散す
るので、芯を形成する高結晶性炭素粒子の上を、熱分解
によって生成、堆積された炭素材料が、直接覆うことに
なる。
【0019】第3に、炭素複合体電極材料の表層の炭素
材料は、熱分解によって生成、堆積された炭素材料であ
り、リチウムイオンなどのインターカレイション、デイ
ンターカレションが容易にできる所謂乱層構造の炭素材
料である。ここで、乱層構造の炭素材料とは、その結晶
構造がC軸方向の平均面間隔が0.337nm以上であ
り、アルゴンレーザーラマンによる1580cm-1に対す
る1360cm-1のピーク強度比が0.4以上を示すもの
をいう。
【0020】
【実施例】
実施例1 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、グラファイト
(ロンザ社製 KS−75)の粉末(平均粒径18.0
μm、C軸方向の平均面間隔0.3358nm、アルゴ
ンレーザーラマンによる1360cm-1のピークは観察さ
れない)を5.014gとり、無電解ニッケルメッキ法
により被膜させた。ニッケル膜の形成は前処理としてMA
C-100(奥野製薬工業株式会社製)を用いて感応化処理を
行い、充分に水洗を行った後、MAC-200(奥野製薬工業株
式会社製)にて活性化処理を行い、充分に水洗した後、
メッキ工程に供した。ついで、メッキ浴としてTMP化学
ニッケル(奥野製薬工業株式会社製)を用いて、メッキ
浴温度を約35℃に保持し、スターラーで攪拌しながら
製膜した。
【0021】製膜後のグラファイトの重量は10.12
8gであったので、重量の増加分とグラファイトの平均
粒径より、ニッケル膜の平均膜厚は0.79μmであっ
た。このようにして得られたニッケル膜で被覆されたグ
ラファイトを炭素堆積用装置の台に載置し、図1に示す
炭素堆積用装置を利用して、以下の手順にて炭化水素の
熱分解による生成、堆積をおこなった。
【0022】アルゴン供給ライン1およびプロパン供給
ライン2により、それぞれアルゴンガス、プロパンガス
を供給した。ニードル弁3、4を操作することによりプ
ロパンの濃度を10モル%に調製した。ガスの流速はい
ずれも12.7cm/分、プロパンの供給量は0.05モ
ル/時とした。一方反応管5内の試料台6にはニッケル
膜で被覆されたグラファイトが載置されており、反応管
5の外周囲には加熱炉7が設置されている。この加熱炉
7により試料ホルダー6およびニッケル膜で被覆された
グラファイトを750℃の温度に維持し、パイレックス
製ガラス管8から供給されるプロパンを熱分解し、ニッ
ケル膜を被覆したグラファイトの表面に炭素材料を生
成、堆積させ、炭素複合体電極材料の粒子を得た。この
時の反応時間は約30分とした。このときの炭素複合体
電極材料の平均粒径を、レーザー回折式粒度分布計によ
り求めたところ、約25.1μmであった。ただこの観
察では、粒子の回転体の堆積を基準として平均粒径を算
出すること、反応により生成、堆積する過程において粒
子同士が凝集したものの上に炭素が堆積し一つの粒子を
形成している場合もあるため、粒径の増加分が堆積され
た炭素層の厚みであるとは断定できない。
【0023】なお、熱分解反応後の反応管に残留したガ
スは排気設備9より、排気、除去した。このようにして
得られた炭素複合体電極材料の結晶構造について、X線
回析およびアルゴンレーザーラマン散乱を測定した結
果、 d=0.3373nm、 R=0.48 を得た。ここで、X線回析はCuKα線を用い、dはC
軸方向の(002)面の面間隔である。また、Rはアル
ゴンレーザーラマンにおける1580cm-1に対する13
60cm-1のピーク強度比である。
【0024】炭素複合体電極材料約30mgを、ポリオ
レフィン系の結着剤5wt%と混合し、温度120℃、
圧力400kg/cm2にて、ニッケルメッシュ上にホッ
トプレスを行い、約直径15mmのペレットを得、これを
試験電極Aとした。
【0025】比較例 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、実施例1のグラ
ファイト(ロンザ社製KS−75)の粉末を用い、ニッ
ケル膜を被覆させなかった他は実施例1と同様条件にて
炭素複合体電極材料を作成した。この結晶構造を実施例
1と同様条件にて、測定したところ、 d=0.3360nm、 R=0.15 を得た。上記の面間隔dはグラファイトと殆ど同じであ
り、実施例1のような条件では、グラファイト表面に非
晶質炭素材料は殆ど形成されないことがわかった。
【0026】また、BET法による比表面の測定結果で
は、実施例1の炭素複合体電極材料は比較例1の炭素複
合体電極材料の12倍の比表面を持つことがわかった。
さらに、この炭素複合体電極材料約30mgを、実施例
1と同様方法で、約直径15mmのペレットを得、これ
を比較極とした。
【0027】実施例2 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、実施例1のグラ
ファイト(ロンザ社製KS−75)の粉末を用い、無電
解コバルトメッキ法にて被膜させた。実施例1と同様条
件にて、前処理、活性化処理を施した後、コバルトメッ
キ浴に浸漬した。メッキ浴は0.13モル/lCoCl
3・6H2Oと0.05モル/l次亜リン酸ナトリウムを
混合して調合し、温度80℃にてコバルトメッキを施し
た。実施例1と同様方法にて、コバルトメッキ膜厚を測
定したところ、膜厚は約0.51μmであった。
【0028】このようにして得られたコバルト膜で被覆
されたグラファイトを用いた以外は実施例1と同様にし
て、炭素材料を生成、堆積させて炭素複合体電極材料を
作成した。このときの炭素複合体電極材料の平均粒径
を、レーザー回折式粒度分布計により求めたところ、約
31.2μmであった。この結晶構造を実施例1と同様
条件にて、測定したところ、 d=0.3375nm、 R=0.51 を得た。
【0029】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Bとした。
【0030】実施例3 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、実施例1のグラ
ファイト(ロンザ社製KS−75)の粉末を用い、無電
解ニッケル−鉄合金メッキ法にて被膜させた。実施例1
と同様条件にて、前処理、活性化処理を施した後、ニッ
ケル−鉄メッキ浴に浸漬した。メッキ浴は0.05モル
/lNiSO4・6H2O、0.05モル/l硫酸鉄(II)
アンモニウム、0.16モル/lクエン酸ナトリウムと
0.5モル/l硫酸アンモニウムとを混合して調合し、
温度90℃にてニッケル−鉄メッキを施した。実施例1
と同様方法にて、メッキ膜厚を測定したところ、膜厚は
約0.80μmであった。
【0031】このようにして得られたコバルト膜で被覆
されたグラファイトを用いた以外は実施例1と同様にし
て、炭素材料を生成、堆積させて炭素複合体電極材料を
作成した。このときの炭素複合体電極材料の平均粒径
を、レーザー回折式粒度分布計により求めたところ、約
28.3μmであった。この結晶構造を実施例1と同様
条件にて、測定したところ、 d=0.3386 R=0.49 を得た。
【0032】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Cとした。
【0033】実施例4 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、実施例1のグラ
ファイト(ロンザ社製KS−75)の粉末を用い、実施
例1と同様の無電解ニッケルメッキ法により被膜させ
た。
【0034】図1に示す炭素堆積用装置を利用して、実
施例1と同様の手順にて炭化水素の熱分解による生成、
堆積をおこなった。この時、原料の炭化水素として、実
施例1のプロパンの代りにベンゼンを用いた。熱分解の
条件は、ガスの流速が25.5cm/分、供給量は0.1
5モル/時、反応温度は約650℃、反応時間は約30
分とした。レーザー回折式粒度分布計により求めたとこ
ろ平均粒径は29.3μmであった。炭素複合体電極材
料の結晶構造を実施例1と同様条件にて、測定したとこ
ろ、 d=0.3385nm、 R=0.43 を得た。
【0035】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Dとした。
【0036】実施例5 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、実施例1のグラ
ファイト(ロンザ社製KS−75)の粉末を用い、実施
例1と同様の無電解ニッケルメッキ法により被膜させ
た。
【0037】図1に示す炭素堆積用装置を利用して、実
施例1と同様の手順にて炭化水素の熱分解による生成、
堆積をおこなった。この時、原料の炭化水素として、実
施例1のプロパンの代りに2−ジクロロエチレンを用い
た。熱分解の条件は、ガスの流速が18.5cm/分、供
給量は0.12モル/時、反応温度は約650℃、反応
時間は約30分とした。このときの炭素複合体電極の平
均粒径をレーザー回折式粒度分布計により求めたところ
平均粒径は34.5μmであった。炭素複合体電極材料
の結晶構造を実施例1と同様条件にて、測定したとこ
ろ、 d=0.3412 R=0.55 を得た。
【0038】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Eとした。
【0039】実施例6 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、天然黒鉛(マダ
ガスカル産 平均粒径6.2μm、d=0.3363n
m、アルゴンレーザーラマンによる1360cm -1のピー
クは観察されない)を約5g、無電解ニッケルメッキ法
により被膜させた。ニッケル膜の前処理と活性化処理は
実施例1と同様に行い、メッキ工程に供した。ついで、
メッキ浴としてNiSO4・6H2Oを30g/l、酢酸
ナトリウムを10g/lと次亜リン酸ナトリウムを10
g/lとの混合液を用いて、メッキ浴温度を約90℃に
保持しながら製膜した。製膜後のグラファイトの重量よ
り、ニッケル膜の平均膜厚は0.70μmであった。
【0040】実施例1と同様にして、炭素材料を生成、
堆積させて炭素複合体電極材料を作成した。このときの
炭素複合体電極材料の平均粒径を、レーザー回折式粒度
分布計により求めたところ、約14.1μmであった。
この結晶構造を実施例1と同様条件にて、測定したとこ
ろ、 d=0.3378nm、 R=0.51 を得た。
【0041】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Fとした。
【0042】実施例7 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、メソフェーズ小
球体を炭素化し、さらに2800℃にて熱処理したもの
(平均粒径5.8μm、d=0.3368nm、R=
0.35)を約5g、無電解ニッケルメッキ法により被
膜させた。ニッケル膜の前処理と活性化処理は実施例1
と同様に行い、メッキ工程に供した。ついで、メッキ浴
としてNiSO4・6H2Oを30g/l、塩化アンモニ
ウムを50g/lと次亜リン酸ナトリウムを10g/l
との混合液を用いて、メッキ浴温度を約90℃に保持し
ながら製膜した。製膜後のグラファイトの重量より、ニ
ッケル膜の平均膜厚は12.6μmであった。
【0043】実施例1と同様にして、炭素材料を生成、
堆積させて炭素複合体電極材料を作成した。このときの
炭素複合体電極材料の平均粒径を、レーザー式回折式粒
度分布計により求めたところ、約12.6μmであっ
た。この結晶構造を実施例1と同様条件にて、測定した
ところ、 d=0.3397nm、 R=0.62 を得た。
【0044】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Gとした。
【0045】実施例8 芯を形成する高結晶性炭素粒子として、メソフェーズ小
球体を炭素化し、さらに2000℃にて熱処理したもの
(平均粒径16.4μm、d=0.3385nm、R=
0.39)を用いた他は、実施例7と同様にして炭素複
合体電極材料を作成した。このときのニッケル膜の平均
膜厚は1.72μmであり、炭素複合体電極材料の平均
粒径は25.3μmであった。さらに、この結晶構造を
実施例1と同様条件にて、測定したところ、 d=0.3410nm、 R=0.58 を得た。
【0046】さらに、この炭素複合体電極材料約30m
gを、実施例1と同様方法で、約直径15mmのペレッ
トを得、これを試験極Hとした。
【0047】以上の試験極A〜Hおよび比較極につい
て、0〜2.5Vの範囲にて充放電試験を行った。作用
極は試験極および比較極とし、対極および参照極は金属
リチウムを用いた。また、電解液は1モル/lLiCl
4溶解のプロピレンカーボネートを用いた。充放電試
験は、アルゴン雰囲気中のグローブボックス中で実施
し、そのときの放電曲線を図2、3に示した。図から分
るように、比較電極に比べて、試験極A〜Hのいずれも
が、高容量の放電電流容量を示している。
【0048】
【発明の効果】本願発明によれば、内層は高い結晶性を
有し、表層は乱層構造を有する炭素材料を、比較的低温
かつ短時間で製造することができた。この製造方法によ
って得られた炭素複合体電極材料を負極活物質にした電
池は、表面のいわゆる乱層構造を有する炭素材料がリチ
ウムのインターカレーションを助けると同時に電極の表
面積が大きいため、充放電容量および充放電速度が著し
く向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の実施例で使用した炭素材料堆積用装
置の概略図である。
【図2】本願発明の実施例における試験電極Aと比較電
極の放電曲線を示す模式図である。
【図3】本願発明の実施例における別の試験電極B、
C、D、E、F、G、Hの放電曲線を示す模式図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 正治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 芯を形成する高結晶性炭素粒子の表面
    を、VIII族の金属元素を含む膜で被覆し、さらにその上
    を、炭化水素およびその誘導体を熱分解によって生成し
    た炭素材料を被覆することよりなる炭素複合体電極材料
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 高結晶性炭素粒子の結晶構造が、C軸方
    向の平均面間隔が約0.335〜0.340nmであ
    り、アルゴンレーザーラマンによる1580cm -1に対す
    る1360cm-1のピーク強度比が約0.4未満である請
    求項1に記載の製造方法。
  3. 【請求項3】 表面を被覆する炭素材料が、炭化水素お
    よびその誘導体の気相における熱分解によって生成され
    る請求項1に記載の製造方法。
  4. 【請求項4】 VIII族の金属元素が、ニッケル、コバル
    ト、鉄またはその合金である請求項1に記載の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 金属元素を含む膜の厚さが、0.1〜
    2.0μmである請求項1に記載の製造方法。
  6. 【請求項6】 炭素複合体電極材料がリチウム二次電池
    の負極活物質である請求項1に記載の製造方法。
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