JPH09213328A - 非水溶媒二次電池電極材料及びその製造方法 - Google Patents

非水溶媒二次電池電極材料及びその製造方法

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JPH09213328A
JPH09213328A JP8017477A JP1747796A JPH09213328A JP H09213328 A JPH09213328 A JP H09213328A JP 8017477 A JP8017477 A JP 8017477A JP 1747796 A JP1747796 A JP 1747796A JP H09213328 A JPH09213328 A JP H09213328A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】黒鉛並の高い放電容量を保持しつつ、かつ不可
逆容量が非常に低く抑えられ、充電効率が優れるという
良好な電気特性が得られ、更には電解液に対する安定性
が向上した非水溶媒二次電池を提供する 【解決手段】黒鉛性炭素質物の表面に、該黒鉛性炭素質
物100重量部に対する残炭量として12重量部以下
0.1重量部以上となるような有機物の炭化物を付着し
てなる複合炭素質物からなることを特徴とする非水溶媒
二次電池用電極材料

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水溶媒二次電池
に用いる電極材料及びその製造方法に関し、特に多相構
造を有する電極材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器の小型化に伴い高容量の
二次電池が必要になってきている。特にニッケル・カド
ミウム、ニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密
度の高い非水溶媒二次電池が注目されてきている。その
負極材料として、これまで金属や黒鉛などが検討されて
いる。しかし、金属電極は、充放電を繰り返すと溶媒中
の金属がデンドライト状に析出し、最終的には両極を短
絡させてしまうという問題があった。また、黒鉛は、そ
の層間に金属イオンの出入りが可能なため、短絡の問題
は無いが、プロピレンカーボネート系の電解液を分解す
る上、エチレンカーボネート系の電解液では充放電サイ
クル特性が悪いという問題がある。
【0003】一方、多相構造を有する炭素質物を用いる
ことも検討されている。これは、結晶性の高い炭素質物
の長所(高容量かつ不可逆容量が小さい)と短所(プロ
ピレンカーボネート系電解液を分解する)および結晶性
の低い炭素質物の長所(電解液との安定性に優れる)と
短所(容量が小さく不可逆容量大)を組み合わせ、互い
の長所を生かしつつ、短所を補うという考えによる。例
えば本発明者等が以前に提案した特開平4ー37066
2号公報では、黒鉛性の高い炭素質物からなる核と、黒
鉛性の低い炭素質物からなる表層からなる炭素質物粒子
を用いることが示されている。しかし、該従来技術で
は、製造上の制約から比較的厚い表層でなければ均一な
層が得られないと考えられていたため、例えばその具体
例として、核と表層の比が50重量部対50重量部の例
(実施例1)、53対47の例(実施例2)、65対3
5の例(実施例3)が示されている様に、比較的厚い表
層を有し、明確に複相からなる複合炭素質物が好ましい
ものと考えられていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等は、各種物性の電極材料について鋭意検討を重ねた
結果、従来の、比較的厚い表層を有し、明確に複層から
なる複合炭素質物が二次電池電極材料として好ましいと
されていた技術思想に反し、黒鉛性炭素質物に対し、あ
る特定範囲の残炭量となるような極微量(薄い)の有機
物の炭化物が付着してなる電極材料を用いることによっ
て、意外にも、黒鉛単独や従来の明確な複相複合炭素質
物に比べ、電気容量が高く、かつリテンションが低く抑
えられた、極めて良好な電気的性能を有し、更に電解液
に対する安全性も高い非水溶媒二次電池が得られること
を見出し本願発明発明に到達したものである。
【0005】又、かかる特定の電極材料を得るための特
定の製造方法を見出し、かかる方法により均一な性能の
電極材料を安定して、効率的に製造できることを見出し
本願発明を完成したものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の要旨
は、黒鉛性炭素質物の表面に、該黒鉛性炭素質物100
重量部に対する残炭量として12重量部以下0.1重量
部以上となるような有機物の炭化物を付着してなる複合
炭素質物からなることを特徴とする非水溶媒二次電池用
電極材料、又は黒鉛性炭素質物粒子と有機物の混合体に
芳香族系有機溶媒を添加し、粘度を10000cp以下
に調節したスラリー状体を、内部にシャフトによって回
転されるパドルを有した反応室を有し、反応室の内壁面
はパドルの回転の最外線に実質的に沿って形成され、か
つ溶媒を脱気する機構を備えた混合撹拌装置に導入し
て、撹拌しながら溶媒の沸点以上600℃未満の温度に
加熱して、固形状の中間物質を製造し、該中間物質を、
不活性ガス雰囲気下で600℃以上に加熱し炭素化する
工程を有することを特徴とする非水溶媒二次電池用電極
材料の製造方法に存する。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本願発明の二次電池用電極材料は、黒鉛性炭素質物の表
面に有機物の炭化物が付着してなる複合炭素質物であ
る。 (1)原料の選択 本発明において最終的に核を形成する黒鉛性炭素質物
(以下、炭素質物(N)とも称する)としては、その構
造に対応する回折線のピークとして、(002)面の面
間隔 d002が0.345nm以下、好ましくは0.
340nm以下、また、c軸方向の結晶子の大きさLc
が15nm以上、好ましくは50nm以上、より好まし
くはLcが80nm以上であるものが好ましく、さら
に、黒鉛性炭素質物の形状としては、粒状、繊維状など
の任意の形状をとりうるが、粒子状が好ましく、体積平
均粒径にして30μm以下、好ましくは28μm以下、
5μm以上であることを満たすならば、炭素質物粒子を
はじめ、ピッチ系、ポリアクリロニトリル系、メソフェ
ーズピッチ系、気相成長系それぞれの炭素繊維を粉末状
に加工したものも用いることができる。尚、これらは単
体でも、これら2種以上を混合して用いてもよい。
【0008】具体的な炭素質物(N)の調製方法として
は、 (a)溶融溶解性有機物、熱硬化性高分子等を不活性ガ
ス雰囲気下又は真空中において、1500〜3000
℃、好ましくは2000〜3000℃の温度で加熱する
ことによって、炭素化と黒鉛化を行う方法。 (b)カーボンブラック、コークス等、既製の炭素質物
を更に加熱処理して黒鉛質化を適度に進行させる方法。 (c)人造黒鉛、天然黒鉛、気相成長黒鉛ウィスカー、
炭素繊維をそのままか、あるいは粒子径、繊維長の調整
を行った後、粉末状にして用いる方法。 などを用いることができる。
【0009】一方、最終的に炭素質物(N)の表面に付
着せしめ、ほぼ、核を被覆する有機物の炭素化物(以
下、炭素質物(S)とする)の原料には、重質油など液
相炭化反応を伴う有機物、熱硬化性樹脂などの固相炭化
反応を伴う有機物又はそれらの混合物等の有機物を用い
る(「炭素材の化学と工業」持田勲著、朝倉書店発行」
参照)。
【0010】重質油としては、軟ピッチ〜硬ピッチまで
のコールタールピッチ、石炭液化油等の石炭系重質油、
アスファルテン等の直流系重質油、原油、ナフサなどの
熱分解時に副生するエチレンヘビーエンドタール等分解
系重質油等の石油系重質油、分解系重質油を熱処理する
ことで得られる、エチレンタールピッチ、FCCデカン
トオイル、クレハピッチ、アシュランドピッチなど熱処
理ピッチ等を用いることができる。
【0011】また、固相で炭素化を進行させる有機物と
して、セルロースなどの天然高分子、熱硬化によってフ
ルフリルアルコール樹脂、フルフリルアルコール、フェ
ノールーホルムアルデヒド樹脂等を経て炭素化を進行さ
せる熱硬化性樹脂原料などがあげられる。 (2)混合比 本願発明においては、通常、かかる黒鉛性炭素質物粒子
(N)と有機物を混合したものを加熱し中間物質を得
て、その後炭化焼成、粉砕することにより、最終的に黒
鉛性炭素質物(N)の表面に有機物の炭化物(S)が付
着した複合炭素質物を得るが、黒鉛性炭素質物の表面上
の有機物の炭化物の量が必要最小限であることを特徴と
する。即ち、黒鉛性炭素質物100重量部に対する残炭
量として12重量部以下0.1重量部以上、好ましくは
8重量部以下0.5重量部以上、更に好ましくは7.0
重量部以下0.65重量部以上となるような有機物の炭
化物を付着せしめる。
【0012】残炭量は、有機物の種類と有機物の混合割
合により左右されるものであり、予め JIS K22
70により定められた試験方法の内、ミクロ法に従って
求められた有機物の残炭率を測定しておき、下記(式
1)により、使用する有機物重量とを乗じて得られる炭
化物重量が黒鉛性炭素質物(N)100重量部に対して
12重量部以下0.1重量部以上となるような有機物の
種類と混合量を考慮して混合し、有機物を黒鉛性炭素質
物の表面に吸着、含浸させる。
【0013】
【数1】(式1) 本願発明において、かかる残炭率が少なすぎると、黒鉛
性炭素質物の細孔への有機物の充填が不十分となると考
えられ、a.多相構造炭素質物の表面に黒鉛が露出しや
すくなるため、電解液との安定性が低下する、b.細孔
内に残ったガスが熱処理過程で噴出することにより、多
相構造が破壊される恐れがある、c.細孔が残ったまま
だと、導電性の悪化や金属イオン移動の妨げの原因にな
ったり、又は、活物質である複合炭素質物の電解液に対
する濡れ性が低いために、金属イオンの吸蔵・放出が行
われる炭素質物表面が金属イオンの授受に関して均一に
利用されない等の問題が生じる。一方、残炭量が大きす
ぎる場合には、黒鉛性炭素質物の表面の細孔へ有機物が
充填される以上の有機物により、複合炭素質物の物性が
変化し悪影響が生ずるものと考えられるが、放電容量が
低下し、充放電効率が低下し、理論状電極容量の最大で
ある黒鉛性炭素質物の特性を有効に利用することができ
なくなる。
【0014】尚、本発明の製造方法では、黒鉛性炭素質
物(N)を有機物中、好ましくは50℃における粘度が
200cp以下の有機物中に混合し、分散し、有機物と
接触させることで、有機物、特に重質油中に含まれる多
環芳香族分子、好ましくはより分子量の大きな多環芳香
族オリゴマーによって黒鉛性炭素質粒子の表面及び細孔
内を置換する操作を行う。しかし、50℃における粘度
が200cpを超える重質油を用いる場合は、有機物の
均一で効率的な黒鉛性炭素質物への吸着含浸を行うため
に、溶媒、例えばトルエン、キシレン、アルキルベンゼ
ン等の芳香族系有機溶媒やキノリンやピリジン等の複素
環式化合物からなる溶媒を黒鉛性炭素質物(N)と有機
物との混合体に添加することが好ましい。尚、芳香族系
有機溶媒の方が本発明には好ましい。
【0015】更に、本発明では、黒鉛性炭素質物(N)
を予め溶媒処理しておくことも有用である。炭素質物粒
子(N)を、芳香族系溶媒に浸漬し、表面及び細孔中を
溶媒により置換しておき、しかる後に過剰な溶媒から分
離しておいた炭素質物粒子を用いることで、炭素質物粒
子(N)の有機物に対する「ぬれ」をよくする効果が得
られる。有機溶媒の添加割合としては、黒鉛性炭素質物
と有機物との混合体に溶媒を加えた状態がスラリー状に
なるまで添加することが望ましい。好ましくは50℃で
のスラリー粘度にして、10000cp以下、更に好ま
しくは、5000cp以下、なお更に好ましくは100
0cp以下である。有機物が固体である場合は溶媒によ
り溶解し、液体であるものの場合は希釈により粘度調整
を行う必要がある。なお、有機物を溶解する際に、重質
油の全成分が必ずしも全て溶解する必要はなく、所定の
粘度範囲で液状化していれば良い。重質油の粘度が10
Pas(10000cP)を越えると、電極性能にばら
つきが生じる為、好ましくない。これは有機物が炭素質
物(N)に存在する細孔へ充填されにくくなるからと考
えられる。
【0016】この充填が不十分だと、上記のa、b及び
c等の問題が生じ易くなる。 (3)製造方法 一方、本願発明のかかる複合炭素質物を得るための、本
願発明の製造方法について以下に説明する。本願発明の
複合炭素質物の製造方法は主に次の工程からなる。 (A)炭素質物(N)と有機物、及び好ましくは溶媒と
を混合し、混合物を得る工程。 (B)前記混合物を攪拌しながら加熱し、中間物質を得
る工程。 (C)前記中間物質を、不活性ガス雰囲気下で600℃
以上好ましくは2500℃以下に加熱し、炭素化物質を
得る工程。 (D)前記炭素化物質を粉体加工する工程。 A.混合工程 本発明における第1工程では、炭素質物(N)と有機
物、及び好ましくは前述の溶媒を添加混合する。混合工
程は回分式または連続式のいずれの装置で行っても良
い。また、室温で行っても良いし、反応槽を加温して行
っても良い。反応槽を加温することで混合物の粘度を低
下させ、装置にかかる負荷を低減し、混合効率を高める
ことが出来る。更に混合時の槽内圧力を減圧状態にする
ことで、微小粉末からの脱泡効果を高め、分散性の向上
を図ることも可能である。
【0017】回分式の場合、混合装置は撹拌翼を備えた
混合機1機で構成しても、複数台で構成して順次、分散
度の向上を図っても良い。回分式混合装置としては、2
本の枠型ブレードが固定式タンク内で遊星運動を行いな
がら回転する構造を有する混合機、高速高剪断ミキサー
であるディゾルバーや高粘度用のバタフライミキサーの
様な一枚のブレードがタンク内を撹拌・分散を行う形態
の装置、半円筒状混合槽の側面に沿ってシグマ型等の撹
拌翼が回転する構造を有する、いわゆるニーダー形式の
装置、撹拌翼を合計3軸にしたトリミックスタイプの装
置、分散槽内に回転ディスクと分散媒体を有するいわゆ
るビーズミル形式の装置等を用いることができる。いず
れの装置を用いるかは、炭素質物(N)と有機物とを混
合した際の粘度を考慮して決定すればよい。
【0018】一方、連続式の装置を用いる場合には、パ
イプラインミキサーを用いても良いし、連続式ビーズミ
ル(媒体分散機)を用いても良い。更に通常の樹脂加工
等に用いられる混練機に液漏れ対策を施して用いても良
い。混合装置と次工程を受け持つ装置が別個の場合は、
連続式混合機を用いることにより、次工程を受け持つ装
置への搬送を混合と同時に行うことができ、製造工程を
より効率化することができる。
【0019】また、内部に一本のシャフトとシャフトに
固定された複数のすき状又は鋸歯状のパドルがパドルが
位相を変えて複数配置された反応室を有し、その内壁面
は、パドルの回転の最外線に沿った円筒型に形成され、
その隙間を最小限とし、パドルはシャフトの軸方向に複
数枚配列された構造の外熱式反応装置を用いれば、同一
装置で混合工程と中間物質を得る工程とを行なうことが
できる。 B.中間物質を得る工程(脱揮・重縮合反応工程) 混合工程で炭素質物(N)が十分均一に分散し、また炭
素質物(N)の細孔にも有機物が十分充填された混合物
は、本工程で混練(攪拌)されながら加熱され、炭素質
物粒子(N)と有機物成分が高度に分散し、かつ有機物
に一定の揮発分の除去と加熱処理が行われた中間生成物
として回収される。
【0020】本工程においては、常に攪拌しながら加熱
することがもっとも重要な点である。本工程に適した装
置としては、(a)図1に示すような、内部にシャフト
(1)によって回転されるパドル(2)が内装された反応室
(3)を有し、反応室内壁面はパドルの回転の最外線に実
質的に沿って、好ましくは長い双胴型に形成され、パド
ルは互いに対向する側面を摺動可能に咬合するようにシ
ャフトの軸方向に多数対配列された構造を有する反応
機、(b)図2に示すような、内部に一本のシャフト(1
1)とシャフトに固定された複数のすき状又は鋸歯状のパ
ドル(12)がパドルが位相を変えて複数配置された反応室
(13)を有し、その内壁面は、パドルの回転の最外線に実
質的に沿って、好ましくは円筒型に形成された、その隙
間を最小限とし、パドルはシャフトの軸方向に複数枚配
列された構造の(外熱式)反応装置を挙げることができ
る。この様な構造を有する反応装置を用いることによ
り、炭素質物粒子(N)の細孔部分にも炭素質物(S)
が充填された、品質の良好な非水溶媒二次電池負極材料
を得ることができる。
【0021】上述の(a)タイプの反応装置としては例
えば栗本鉄工所(株)製の「KRCリアクタ」や「SC
プロセッサ」、(株)東芝機械セルマック製の「TE
M」、(株)日本製鋼所製の「TEX−K」がある。ま
た、(b)タイプの反応装置としては例えばレーディゲ
社製の「レディゲミキサー」、太平洋機工社製の「プロ
ーシェアーミキサー」、月島機械(株)製の「DTドラ
イヤー」がある。
【0022】さらに上述の(b)タイプの装置におい
て、反応室内壁面に高速で回転するスクリュー型解砕翼
(14)を一段或いは多段に一個或いは複数個設置する
ことは、混合操作、或いはその後の反応操作において凝
集体の発生を防ぐことをより確実とし、より均一な中間
物質を得られるため、好ましい。この様な反応装置を用
いることにより、 イ)本願発明の電極材料の様な、極薄い有機物を均一、
かつ効率的に黒鉛性炭素質物の表面に付着することがで
きること。 ロ)炭素材料の製造には必要不可欠である、有機物が十
分に芳香族化した構造に変化するまでの熱処理工程を連
続的に行うことができること。 ハ)有機物の反応槽内壁への固着を、撹半翼により抑制
することができる。 ニ)解砕翼の回転が遠心渦流を発生し、原料の精密な混
合が可能な上、だまの発生を防ぐ。これにより、混合工
程においては炭素質物粒子と有機物とが非常によく分散
され、反応工程においては反応物が流動性を示さなくな
った後も撹半が可能となり、炭素質物粒子が均一に分散
し、細孔内まで被覆炭素が充填され、かつ反応槽内での
場所による偏りの無い、均一に加熱処理された製品を得
ることができる。 ホ)特に(b)タイプの反応装置を用いた場合は混合工
程と中間物質を得る工程を同時に行うことができる。 等の利点がある。
【0023】本工程において、反応装置内の雰囲気は不
活性雰囲気又は非酸化性雰囲気が望ましいが、中間物質
が酸化による劣化を伴わない条件であれば特に雰囲気を
限定しなくても良い。更に反応槽内圧力を減圧状態にす
ることで、微小粉末からの脱泡効果を高め、分散性の向
上を図り、黒鉛性炭素質物・有機物混合スラリーからの
揮発分除去効果を高めることもできる。本工程における
熱処理温度は、有機物の種類により最適条件が異なる
が、溶媒の沸点以上、通常50℃〜600℃の範囲で、
好ましくは50℃〜500℃の範囲である。 C.炭素化物質を得る工程(炭素化工程) 脱揮・重縮合工程より得られた炭素質物粒子(N)と十
分に芳香族化した(炭素前駆体化した)有機物からなる
中間物質は本工程において窒素ガス、炭酸ガス、アルゴ
ンガス等不活性ガス流通下で加熱される。本工程におい
ては炭素前駆体の熱化学反応が進行し、前駆体の組成中
に残留した酸素、窒素、水素が系外へ排出されるととも
に、構造欠陥が加熱処理の度合いによって除去され、黒
鉛化の度合いを高めていく。
【0024】本工程の加熱処理条件としては、熱履歴温
度条件が重要である。その温度下限は芳香族化した重質
油の種類、その熱履歴によっても若干異なるが通常60
0℃以上、好ましくは800℃以上、更に好ましくは8
50℃以上である。一方、上限温度は基本的に炭素質物
(N)の結晶構造を上回る構造秩序を有しない温度まで
上げることができる。従って熱処理の上限温度として
は、通常2500℃以下、好ましくは2000℃以下、
更に好ましくは1500℃以下が好ましい範囲である。
このような熱処理条件において、昇温速度、冷却速度、
熱処理時間などは目的に応じて任意に設定する事ができ
る。また、比較的低温領域で熱処理した後、所定の温度
に昇温する事もできる。
【0025】なお、本工程に用いる反応機は回分式でも
連続式でも又、一基でも複数基でもよい。 D.粉体加工工程 こうして炭素化工程において炭素質物(S)が炭素化
し、炭素質物(N)表面の一部あるいは全体を被覆した
状態で複合化した生成物は本工程において、必要に応じ
て粉砕、解砕、分級処理など粉体加工処理を施され、非
水溶媒二次電池用電極材料とする。
【0026】なお、粉体加工工程は脱揮・重縮合反応工
程と炭素化工程との間に挿入することもできる。 (4)複合炭素質物 本願発明の複合炭素質物は全体として粒状、繊維状など
の任意の形状を取りえるが粒状であることが好ましい。
粒状の場合、体積平均粒径が1〜100μm、好ましく
は3〜30μm、特に好ましくは5〜25μmである。
繊維状の場合は、直径が好ましくは0.5〜25μm、
好ましくは1〜20μm、特に好ましくは2〜10μm
であり、長さは好ましくは10mm以下、好ましくは5
mm以下である。
【0027】又、本願発明による複合炭素質物のBET
法を用いて測定した比表面積は好ましくは1〜10m2
/g、特に好ましくは2〜6m2/gの範囲に入ること
が好ましく、特に核とした黒鉛性炭素質物(N)のBE
T比表面積に対し、生成した複合炭素質物のBET比表
面積が1/4以上3/4以下好ましくは1/3以上2/
3以下の範囲に入るものが好ましい。
【0028】又、本願発明の複合炭素質物は、波長51
45Åのアルゴンイオンレーザー光を用いたラマンスペ
クトル分析において、下記のようなスペクトルの特徴を
有することが好ましい。尚、本発明においてピーク強度
及びスペクトル強度積分値は下記条件による値である。
すなわち、1580±100cm-1の波長域にあるピー
クPAの強度をIA、スペクトル強度の積分値をYA
し、1360±100cm-1の範囲の波長域にあるピー
クPBの強度をIB、スペクトル強度の積分値をYBとす
る。
【0029】本願発明の複合炭素質物は両者のピーク強
度IBとIAの比、即ちR=IB/IAが、該複合炭素質物
の核として用いた黒鉛性炭素質物のR値より大であり、
かつ0.4未満であることが好ましい。特に好ましくは
0.11〜0.33の範囲、更に好ましくは0.12〜
0.28の範囲であることが、良好な電気性能を得る上
で好ましい。又、スペクトル強度の積分値YBとYA
比、即ちG=YB/YA値としては、該複合炭素質物の核
として用いた黒鉛性炭素質物のG値より大であり、かつ
0.75未満であることが好ましい。特に好ましくは
0.26〜0.74、更に好ましくは0.3〜0.68
の範囲であることが好ましい。
【0030】尚、黒鉛のみの電極材料のR値は約0.1
程度、G値は0.25程度であり、一方、従来の明確な
複相を有する複合炭素質物のR値は0.4以上、G値は
0.75程度であった。一方、本願発明の複合炭素質物
は、CuKα線を線源としたX線広角回折の回折図にお
いて、黒鉛性炭素質物(N)に由来するピークを見かけ
状の単一ピークとして、その低角側に炭素質物(S)に
由来する非常にブロードなピークを肩状に有する回折図
を示し、黒鉛性炭素質物(N)と炭素質物(S)の量比
に大きな差があるため、統計的な処理では正確な該ピー
クの分離が出来ない傾向にある。特に好ましくい態様と
しては、X線回折図形として、核として用いた黒鉛性炭
素質物との結晶構造の変化がとらえられないことが好ま
しい。即ち、測定上の誤差を考慮すると核となる黒鉛性
炭素質物と実質的に等しい半値幅を有することが好まし
い。この半値幅はX線回折スペクトルを非対象ピアソン
〓関数を用いてプロファイルフィテング化してスムーズ
にしたカーブから測定する。即ち本発明の好ましい態様
としては、その半値幅値が、その核として用いた黒鉛性
炭素質物(N)の半値幅値の±3σ(σは10回測定し
たときの標準偏差)に入るものを用いることが挙げられ
る。 (5)二次電池 上記複合炭素質物は、公知の方法に従い高分子結着剤と
の混合物、あるいは活物質と合金を形成しうる金属、又
は活物質と該金属との合金を配合してなる混合物からな
る電極材料とし、該電極材料をそのまま、ロール成形、
圧縮成形などの方法で電極の形状に成形して、負極とし
て用いることができる。本願発明の二次電池の構成とし
ては、上記のようにして得られた負極と、公知の任意の
正極と、該正極と負極の間に介在し電解液を保持する公
知の任意のセパレーター、例えばポリエチレン、ポリプ
ロピレンのようなポリオレフィン系樹脂の不織布などを
採用することができる。又、これに含浸させる電解液と
しても、公知の任意の電解液、例えば、エチレンカーボ
ネート、プロピレンカーボネート、1,3−ジオキソラ
ン、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒド
ロフランなどの非プロトン性有機溶媒に、LiCl
4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiSO3
CF3、LiN(SO2CF32などの電解質を溶解させ
た所定濃度の非水電解液を用いることができる。
【0031】
【実施例】次に実施例により本発明を更に詳細に説明す
るが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるも
のではない。 [実施例1] (1)混合工程 内容積20リットルのステンレスタンクに炭素質物
(N)として人造黒鉛粉末(LONZA社製KS−4
4:d002=0.336m,Lc=100nm以上,
平均体積粒径19μm)を3kgを投入し、炭素質物
(S)としてナフサ分解時に得られるエチレンヘビーエ
ンドタール(三菱化学(株)製:50℃における粘度5
0cpを)1kgを加えて、更に希釈剤としてハードア
ルキルベンゼン(三菱化学社製)を3.5kg加え、ハ
ンドミキサーにて20分撹拌した。更に80℃の温水で
ステンレス容器を湯浴し、更に10分間同様な手法で撹
拌したところ、調整されたスラリーの流動性から目視に
おいても混合度が向上していることが確認された。な
お、得られたスラリーの粘度は3210cpであった。 (2)脱揮・重縮合反応工程 混合工程で得られたスラリー状の混合物を計量ギアポン
プを用いて、図1に概略を示す上記明細書中で説明した
(a)タイプの装置、即ち栗本鉄工所(株)製KRCS
1リアクタ1台に3.2Kg/hで供給し、エチレンヘ
ビーエンドタールの熱処理ピッチ化反応を行った。リア
クタ内温を430℃に保ち、更に減圧度を87.99×
103 Pa(660torr)とし、脱気及び脱揮を
行い、エチレンヘビーエンドタールの軽質留分と希釈剤
の除去を行った。生成物を、KRCリアクタ出口より、
ペレット状で1.5Kg/hで回収した。こうして炭素
質物粒子と熱処理ピッチの複合物を得た。なお、反応に
用いたKRCリアクターには、直径25mmの凸レンズ
型パドルを45度ずらして計15枚取り付け使用した。 (3)炭素化工程 上記、炭素質物粒子と十分に芳香族化したピッチの複合
粉粒体を回分式加熱炉で熱処理した。複合粉粒体を黒鉛
容器にいれた状態で内熱式加熱炉に入れ、窒素ガスを5
リットル/分の流量下で3時間で950℃まで昇温し、
1時間保持した。その後、室温まで冷却して被覆相が炭
素化した複合物を得た。 (4)粉体処理工程 炭素化工程で得られた複合物を衝撃式粉砕機を用いて解
砕し、一定の粒径分布をもった炭素系複合粉末を得た。
なお、黒鉛100重量部に対する有機物の炭化物量を
表に示す。 (5)炭素系複合粉末の分析 下記に手法に従って分析を行った。結果を表1に示す。 (5−1)(002)面の面間隔(d002)、結晶子
の大きさLc 炭素質材料が粉末の場合にはそのまま、微小片状の場合
にはメノウ乳鉢で粉末化し、試料に対して約15wt%
のX線標準高純度シリコン粉末を加えて混合し、試料セ
ルに詰め、グラファイトモノクロメーターで単色化した
CuKα線を線源とし、反射式ディフラクトメーター法
によって広角X線回折曲線を測定した。得られたX線回
折曲線は異なる結晶化度に由来するふたつのピークが重
なりあった形状を呈しており、黒鉛性炭素質物に由来す
るピークを見掛け状の単一ピークとして、その低角側に
炭素質被覆層に由来する非常にブロードなピークが肩状
に現れていた。但し、複合炭素質物の黒鉛性炭素質物と
表面に付着した炭素質物の量比に大きさ差があるため、
統計的な処理で正確なピーク分離を行うことは不可能で
あった。 (5−2)ラマンスペクトル分析:波長514.5nm
のアルゴンイオンレーザー光を用いたラマンスペクトル
分析において、1580cm−1の付近のピークPAの
強度IA、1360cm−1の範囲のピークPBの強度
IBを測定し、その強度の比R=IB/IAを測定し
た。黒鉛KS−44のR値は0.12であり、表面が被
覆されていると判断された。 (5−3)体積基準平均粒径 堀場製作所社製レーザー回折式粒度分布計「LA−70
0」を用い、分散媒にエタノールを使用して体積基準平
均粒径(メジアン径)を測定した。 (6)電極性能評価 (6−1)電極成形体の作成 熱可塑性エラストマー(スチレン・エチレン・ブチレン
・スチレン・ブロックコポリマー)のトルエン溶液およ
びポリエチレン粉末を加えてかくはんし、スラリーを得
た。重量比は、炭素質物93wt%、熱可塑性エラスト
マー(固形分)4wt%、ポリエチレン粉末3wt%と
した。このスラリーを銅箔上に塗布し、80℃で予備乾
燥を行った。さらに銅箔に圧着させたのち、直径20m
mの円盤上に打ち抜き、110℃で減圧乾燥をして電極
とした。 (6−2)濡れの評価 電解液との濡れの大きさを比較するために、(6−1)
で作成した電極の接触角の測定をゴニオメーター式接触
角測定器を用いて行った。測定には純度99.9%のプ
ロピレンカーボネートを単一溶媒として使用した。結果
は、接触角が小さいために測定不能であった。これは溶
媒と電極との親和性が非常に良いことを示している。プ
ロピレンカーボネートを使用した理由は単独のエチレン
カーボネートは室温で固体であり、エチレンカーボネー
トを液体とするには副溶媒として他成分を混合しなけれ
ばならず、実験条件を単純化出来ないためである。接触
角の比較には実験条件は極力単純であるべきであり、室
温で液体であるプロピレンカーボネートを選択した。 (6−3)半電池による電極評価 上記電極に対し、電解液を含浸させたセパレーターをは
さみ、リチウム金属電極に対抗させたコイン型セルを作
成し、充放電試験を行った。電解液としては、エチレン
カーボネートとジエチレンカーボネートを重量比1:1
の比率で混合した溶媒に過塩素酸リチウムを1.5モル
/リットルの割合で溶解させたものを用いた。
【0032】充放電試験は電流値を0.2mAとし、両
電極間の電位差が0Vになるまで充電を行い、1.5V
まで放電を行った。その結果を表2に示す。表中の不可
逆容量は、充電容量から放電容量の値を差し引いて求め
た値であり、充放電効率は放電容量を充電容量で除した
値である。 [実施例2]炭化工程で最高処理温度を1200℃とし
た以外は、実施例1と同様の操作を行った。尚、この複
合炭素質物のX線回折スペクトル図を図3に示す。この
グラフより半値幅は0.223°であることがわかっ
た。後述する比較例4に示す核となる黒鉛性炭素質物の
X線回折スペクトルの半値幅は0.216°であり、半
値幅の標準偏差σは3.12×10-3°であるので、実
施例2の複合炭素質物の半値幅は核として用いた黒鉛性
炭素質物の半値幅±3σの範囲に入ることが確認され
る。 [実施例3] 炭化工程で最高処理温度を2000℃とした以外は、実
施例1と同様の操作を行った。 [実施例4] 炭化工程で最高処理温度を2400℃とした以外は、実
施例1と同様の操作を行った。 [実施例5] (1)混合工程 図2に概略を示す上記明細書中(b)タイプと記載した
装置、即ちレーディゲ社製レ−ディゲミキサー M−2
0型(内容積20リットル)を用いて、混合工程および
脱揮工程を実施した。まず、原料供給口より、人造黒鉛
粉末(LONZA社製KS−25)3Kgとエチレンヘ
ビーエンドタール(三菱化学(株)製:50℃における
粘度50cpを)製)1Kg、更に希釈剤としてトルエ
ン2.8kgを投入し、運転を開始した。運転条件は、
すき型撹拌翼の回転数が200rpm、解砕翼の回転数
が2000rpmであり、装置内温度は室温であった。
この操作を10分行った。 (2)脱揮工程 ミキサーのジャケットに温水を流し、100℃で加温し
た。次に装置内部を徐々に減圧し、最終的に内部を1
3.33×103 Pa(100torr)とし、脱気
及び脱揮を進行させ、エチレンヘビーエンドタールの軽
質留分と希釈剤の除去を行った。しかる後に温度を室温
まで下げ、人造黒鉛粉末にエチレンヘビーエンドタール
が付着・含浸された複合物を粉末状で得た。 (3)炭素化工程および粉体処理工程 炭化工程で最高処理温度を1200℃とした以外は、実
施例1と同様の操作を行った。 (4)炭素系複合粉末の分析・評価 実施例1と同様に行った。評価結果を表1、2に示し
た。 [実施例6]実施例5と同様にレーディゲ 社製レ−デ
ィゲミキサー M−20型(内容積20リットル)を用
いて、混合工程および脱揮工程を実施した。まず、原料
供給口より、人造黒鉛粉末(LONZA社製KS−4
4)3Kgとエチレンヘビーエンドタール(三菱化学
(株)製:50℃における粘度50cpを)製)0.6
Kg、更に希釈剤としてトルエン3.0kgを投入し
た。この後の操作は 実施例1と同様の操作を行った。 [実施例7]実施例5と同様にレーディゲ 社製レ−デ
ィゲミキサー M−20型(内容積20リットル)を用
いて、混合工程および脱揮工程を実施した。まず、原料
供給口より、人造黒鉛粉末(LONZA社製KS−4
4)3Kgとエチレンヘビーエンドタール(三菱化学
(株)製:50℃における粘度50cpを)製)0.6
Kg、更に希釈剤としてトルエン3.0kgを投入し
た。この後の操作は炭化工程で最高処理温度を1200
℃とした以外は実施例1と同様の操作を行った。 [実施例8]実施例5と同様にレーディゲ 社製レ−デ
ィゲミキサー M−20型(内容積20リットル)を用
いて、混合工程および脱揮工程を実施した。まず、原料
供給口より、人造黒鉛粉末(LONZA社製KS−4
4)3Kgとエチレンヘビーエンドタール(三菱化学
(株)製:50℃における粘度50cpを)製)0.2
Kg、更に希釈剤としてトルエン3.2kgを投入し
た。この後の操作は実施例1と同様の操作を行った。 [実施例9]実施例5と同様にレーディゲ 社製レ−デ
ィゲミキサー M−20型(内容積20リットル)を用
いて、混合工程および脱揮工程を実施した。まず、原料
供給口より、人造黒鉛粉末(LONZA社製KS−4
4)3Kgとエチレンヘビーエンドタール(三菱化学
(株)製:50℃における粘度50cpを)製)0.2
Kg、更に希釈剤としてトルエン3.2kgを投入し
た。この後の操作は炭化工程で最高処理温度を1200
℃とした以外は実施例1と同様の操作を行った。 [実施例10] (1)混合工程 実施例5と同様、レ−ディゲミキサー M−20型(内
容積20l)を用いて、混合工程および脱揮工程を実施
した。
【0033】まず、原料供給口より、人造黒鉛粉末(L
ONZA社製KS−44)3kgとコールタールピッチ
(新日本鉄化学(株)製)0.27kg、希釈溶剤とし
てピリジンを3.0kgを投入した。この後の操作は実
施例1と同様の操作を行った。 (2)脱揮・重縮合反応工程 次に内部を窒素ガス雰囲気に置換し、昇温を開始した。
80分かけて内温を110℃とし、更に90分間の混合
を行った。その後、内部を徐々に減圧し、最終的には3
0.66×103Pa(230torr)とした。この
間に30分を要した。こうして溶剤を回収した後、徐々
に内温を下降させ、内容物を排出口より粉末状態で回収
した。こうして黒鉛粉末にコールタールピッチ成分が付
着・含浸した複合物を得た。この後の操作は炭化工程で
最高処理温度を1200℃とした以外は実施例1と同様
の操作を行った。 [実施例11]最終的に炭素質物(S)となる有機物に
分解系の石油ピッチとして、FCCデカントオイルを用
いて、実施例1と同様な手法で試料を作成した。
【0034】まず、内容積20リットルのステンレスタ
ンクに炭素質物(N)として人造黒鉛粉末(LONZA
社製KS−25:d002=0.336m,Lc=10
0nm以上,平均体積粒径10μm)を3Kgを投入
し、炭素質物(S)の原料としてFCCデカントオイル
1kg、希釈溶剤としてハードアルキルベンゼンを加え
て、ハンドミキサーにて20分撹拌した。更に80℃の
温水でステンレス容器を湯浴し、更に10分間同様な手
法で撹拌した。以下同様な方法により、炭素系複合粉末
を得た。分析・電極評価も他の実施例と同様の手法に従
い行った。 [実施例12] (1)混合工程 内容積20リットルのステンレスタンクに炭素質物
(N)として人造黒鉛粉末(LONZA社製KS−4
4:d002=0.336m,Lc=100nm以上,
平均体積粒径19μm)を3kgを投入し、炭素質物
(S)としてナフサ分解時に得られるエチレンヘビーエ
ンドタール(三菱化学(株)製:50℃における粘度5
0cpを)1kgを加えて、更に希釈剤としてトルエン
を3.0kg加え、ハンドミキサーにて20分撹拌し
た。更に80℃の温水でステンレス容器を湯浴し、更に
10分間同様な手法で撹拌したところ、調整されたスラ
リーの流動性から目視においても混合度が向上している
ことが確認された。なお、得られたスラリーの粘度は3
500cpであった。 (2)脱揮・重縮合反応工程 混合工程で得られたスラリー状の混合物を高粘性用スラ
リーポンプを用いて、栗本鉄工所(株)製SCプロセッ
サSCP−100型1台に75Kg/hで供給し、エチ
レンヘビーエンドタールとトルエンの蒸留化反応を行っ
た。リアクタ内温を190℃に保ち、更に減圧度を8
7.99×103 Pa(660torr)とし、脱気
及び脱揮を行い、エチレンヘビーエンドタールの軽質留
分と希釈剤の除去を行った。生成物を、KRCリアクタ
出口より、ペレット状で36Kg/hで回収した。こう
して炭素質物粒子とエチレンヘビーエンドタールの残留
分との複合物を得た。
【0035】この後の操作は炭化工程で最高処理温度を
1200℃とした以外は実施例1と同様の操作を行っ
た。 [比較例1]実施例1の場合と同様な手法で黒鉛性炭素
質物に付着した有機物が過剰に多い状態の複合炭素質粉
末を作成し、評価を行った。
【0036】まず、内容積20リットルのステンレスタ
ンクに炭素質物(N)として人造黒鉛粉末(LONZA
社製KS−44:d002=0.336m,Lc=10
0nm以上,平均体積粒径19μm)を3Kgを投入
し、炭素質物(S)の原料としてナフサ分解時に得られ
るエチレンヘビーエンドタール(三菱化学(株)製:5
0℃における粘度50cpを)7Kgを加えて、ハンド
ミキサーにて20分撹拌した。更に80℃の温水でステ
ンレス容器を湯浴し、更に10分間同様な手法で撹拌し
た。 (2)脱揮・重縮合反応工程 混合工程で得られたスラリー状の混合物を計量ギアポン
プを用いて、栗本鉄工所(株)製KRCS1リアクタ1
台に3.1Kg/hで供給し、エチレンヘビーエンドタ
ールの熱処理ピッチ化反応を行った。リアクタ内温を4
30℃に保ち、更に減圧度を87.99×103 Pa
(660torr)とし、脱気及び脱揮を行い、エチレ
ンヘビーエンドタールの軽質留分の除去を行った。高粘
性を示す半固溶体である生成物を、KRCリアクタ出口
より、ペレット状で1.5Kg/hで回収した。こうし
て炭素質物粒子と熱処理ピッチの複合物を得た。なお、
反応に用いたKRCリアクターには、直径25mmの凸
レンズ型パドルを45度ずらして計15枚取り付け使用
した。
【0037】この後の操作は炭化工程で最高処理温度を
1200℃とした以外は実施例1と同様の操作を行っ
た。尚、この複合炭素質物のX線回折スペクトル図を図
3に示す。このグラフより比較例1の複合炭素質物の半
値幅は0.230°であることがわかった。後述する比
較例4に示す核となる黒鉛性炭素質物のX線回折スペク
トルの半値幅は0.216°であり、半値幅の標準偏差
σは3.12×10-3°であるので、比較例1の複合炭
素質物の半値幅は核として用いた黒鉛性炭素質物の半値
幅±3σの範囲外となることが確認される。 [比較例2]まず、内容積20リットルのステンレスタ
ンクに炭素質物(N)として人造黒鉛粉末(LONZA
社製KS−44:d002=0.336m,Lc=10
0nm以上,平均体積粒径19μm)を3Kgを投入
し、炭素質物(S)の原料としてナフサ分解時に得られ
るエチレンヘビーエンドタール(三菱化学(株)製:5
0℃における粘度50cpを)4.2Kg、更に希釈剤
としてハードアルキルベンゼン(三菱化学社製)を3.
0kg加え、ハンドミキサーにて20分撹拌した。更に
80℃の温水でステンレス容器を湯浴し、更に10分間
同様な手法で撹拌した。この後の操作は炭化工程で最高
処理温度を1200℃とした以外は実施例1と同様の操
作を行った。 [比較例3]実施例5の場合と同様な手法で黒鉛性炭素
質物に付着した有機物が過剰に多い状態の複合炭素質粉
末を作成し、評価を行った。 (1)混合工程 まず、原料供給口より、人造黒鉛粉末(LONZA社製
KS−44)3kgとコールタールピッチ(新日本鉄化
学(株)製)1.6kg、希釈溶剤としてピリジンを3
kg投入し、運転を開始した。運転条件は、すき型撹拌
翼の回転数が230rpm、解砕翼の回転数が3000
rpmであり、装置内温度は30℃であった。 (2)脱揮・重縮合反応工程 次に内部を窒素ガス雰囲気に置換し、昇温を開始した。
80分かけて内温を110℃とし、更に90分間の混合
を行った。その後、内部を徐々に減圧し、最終的には3
0.66×103Pa(230torr)とした。この
間に40分を要した。こうして溶剤を回収した後、徐々
に内温を下降させ、内容物を排出口より造粒された状態
で回収した。黒鉛粉末とコールタールピッチとの複合物
を直径約2mmのほぼ均一な造粒物として得ることがで
きた。
【0038】この後の操作は炭化工程で最高処理温度を
1200℃とした以外は実施例1と同様の操作を行っ
た。 [比較例4]表面修飾を施さない人造黒鉛粉末としてL
ONZA社製人造黒鉛KS−44を用いて比較実験を行
った。尚、この黒鉛のX線回折スペクトル図を図3に示
す。このグラフより比較例4の黒鉛の半値幅は0.21
6°であることがわかった。尚、半値幅の標準偏差σは
3.12×10-3°である。 [比較例5]表面修飾を施さない人造黒鉛粉末としてL
ONZA社製人造黒鉛KS−25を用いて比較実験を行
った。 [比較例6]表面修飾を施さない人造黒鉛粉末として関
西熱化学社製の天然黒鉛NG−7を用いて比較実験を行
った。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の非水溶媒
二次電池電極材料によれば、黒鉛並の高い放電容量を保
持しつつ、かつ不可逆容量が非常に低く抑えられ、充電
効率が優れるという良好な電気特性が得られ、更には電
解液に対する安定性が向上した非水溶媒二次電池を提供
することができる。
【0042】又、本願発明の製造方法によれば、かかる
高性能の均一な性能の複合炭素質物をを安定的に効率よ
く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明に用いる(a)タイプの反応装置の一
例を示す図
【図2】本願発明に用いる(b)タイプの反応装置の一
例を示す図
【図3】実施例2、比較例1、比較例4で用いた黒鉛性
炭素質物又は黒鉛のX線回折スペクトル図を示す図
【符号の説明】
1・・シャフト、2・・パドル、3・・反応室、11・
・シャフト、12・・パドル、13・・反応室、14・
・スクリュー型解砕翼
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅原 圭子 茨城県稲敷郡阿見町中央八丁目3番1号 三菱化学株式会社筑波研究所内 (72)発明者 森 章一郎 茨城県稲敷郡阿見町中央八丁目3番1号 三菱化学株式会社筑波研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】黒鉛性炭素質物の表面に、該黒鉛性炭素質
    物100重量部に対する残炭量として12重量部以下
    0.1重量部以上となるような有機物の炭化物を付着し
    てなる複合炭素質物からなることを特徴とする非水溶媒
    二次電池用電極材料。
  2. 【請求項2】該複合炭素質物のラマンスペクトル分析に
    おける1580±100cm-1の範囲のピークPAの強
    度IAと1360±100cm-1の範囲のピークPBの強
    度IBの比、R=IB/IAが、該複合炭素質物に用いた
    黒鉛性炭素質物のR値より大きく0.4未満の範囲にあ
    ることを特徴とする請求項1記載の非水溶媒二次電池電
    極材料。
  3. 【請求項3】該複合炭素質物のラマンスペクトル分析に
    おける1580±100cm-1の範囲のスペクトル強度
    の積分値YAと1360±100cm-1の範囲のスペク
    トル強度の積分値YBの比、G=YB/YAが、該複合炭
    素質物に用いた黒鉛性炭素質物のG値より大きく0.7
    5未満であることを特徴とする請求項1記載の非水溶媒
    二次電池電極材料。
  4. 【請求項4】黒鉛性炭素質物粒子と有機物の混合体に芳
    香族系有機溶媒を添加し、粘度を10000cp以下に
    調節したスラリー状体を内部にシャフトによって回転さ
    れるパドルを有した反応室を有し、反応室の内壁面はパ
    ドルの回転の最外線に実質的に沿って形成され、かつ溶
    媒を脱気する機構を備えた混合撹拌装置に導入して、撹
    拌しながら溶媒の沸点以上600℃未満の温度に加熱し
    て、固形状の中間物質を製造し、 該中間物質を、不活性ガス雰囲気下で600℃以上に加
    熱し炭素化する工程を有することを特徴とする非水溶媒
    二次電池用電極材料の製造方法。
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