WO2011052452A1 - リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、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

リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、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 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to carbon particles for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery.
  • the present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery that is suitable for use in portable devices, electric vehicles, power storage, etc. and has a high capacity and excellent quick charge characteristics, and a lithium ion secondary battery using the negative electrode.
  • Examples of using graphite as the negative electrode active material include natural graphite particles, artificial graphite particles graphitized with coke, artificial graphite particles graphitized with organic polymer materials and pitch, graphite particles obtained by pulverizing these, and the like. These graphite particles are mixed with an organic binder and an organic solvent to form a graphite paste. The graphite paste is applied to the surface of the copper foil, and the solvent is dried and molded to form a negative electrode for a lithium ion secondary battery. I use it. By using graphite for the negative electrode, the problem of content short circuit due to lithium dendrite is solved, and the charge / discharge characteristics are improved (for example, see Patent Document 1).
  • the treatment described in Patent Document 2 is a treatment characterized by repeatedly applying to the particles a weak force that does not break the bond between the graphite layers. Therefore, the treated particles have many pores of 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 ⁇ in the particles. If the particle has a large number of pores with a size of 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 ⁇ , the organic binder enters the pores in the particle during the preparation of the negative electrode, and the conductivity of the particle The present inventors have found that this is reduced.
  • the present inventors made a negative electrode by using carbon particles having a specific shape parameter and a specific crystal structure. It has been found that the carbon particles in the state exhibit a preferable pore volume and circularity of the particle cross section, and are excellent in rapid charge characteristics with a high capacity.
  • the particles have a large number of pores, and the conductivity of the carbon particles decreases due to the organic binder component entering the pores in the particles. Found that there is a tendency to. Furthermore, it has been found that in the conventional method, the particles are too spherical and the interparticle conductivity tends to decrease. Thus, it has been found that by making the pores of a specific size of the carbon particles below a certain level and further making the circularity of the cross section of the particles a certain range, adverse effects on the quick charge characteristics can be avoided. Based on these findings, the present invention has been achieved.
  • the present invention is characterized by the matters described in the following (1) to (8).
  • the pore volume of 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 pores is 0.1 ml / g or less per mass of carbon particles, and the interlayer distance d (002) of the graphite crystal determined by X-ray diffraction measurement Is a carbon particle for a negative electrode of a lithium ion secondary battery having a crystallite size Lc in the C-axis direction of 500 ⁇ or more and a circularity of the particle cross section of 0.6 to 0.9.
  • a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode according to any one of (1) to (6) above.
  • a lithium ion secondary battery having the negative electrode according to (7) and a positive electrode containing a lithium compound.
  • the present invention has a high capacity and can suppress the organic binder from entering the pores in the carbon particles during the production of the negative electrode, thereby suppressing the decrease in conductivity due to the addition of an excessive organic binder. it can. Furthermore, a decrease in interparticle contact can be suppressed, and a decrease in interparticle conductivity can be suppressed.
  • the carbon particle for lithium ion secondary battery negative electrodes excellent in the quick charge characteristic can be obtained.
  • the carbon particles for the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention have a pore volume of 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 ⁇ pores of 0.1 ml / g or less per mass of carbon particles.
  • the required interlayer distance d (002) of the graphite crystals is 3.38 mm or less, the crystallite size Lc in the C-axis direction is 500 mm or more, and the circularity of the particle cross section is 0.6 to 0.9.
  • the carbon particles used for the negative electrode preferably have a pore volume of 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 ⁇ pores of 0.1 ml / g or less, and 0.08 ml / g or less per mass of carbon particles. More preferably, it is more preferably 0.04 ml / g or less.
  • the pore volume can be determined by pore size distribution measurement by mercury porosimetry using the carbon particles of the present invention (for example, Autopore 9520 manufactured by Shimadzu Corporation).
  • the pore size can also be determined by measuring the pore size distribution by mercury porosimetry.
  • the standard size of the pore volume was set to 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 ⁇ ⁇ because the reduction of pores having a small pore volume is effective in improving the quick charge characteristics. is there.
  • the present invention in order to make the pore volume of the carbon particles in the above range, it can be adjusted by pressure treatment, modification by mechanical treatment, coating treatment or the like.
  • carbon adjusted by a coating treatment described later is used.
  • the particles are mainly characterized by having an exothermic peak at 550 to 650 ° C. by differential thermal analysis in an air stream. As described later, this is because the carbon particles having the exothermic peak are subjected to an appropriate carbon coating treatment on the graphite particles serving as a nucleus. By using low crystalline carbon in this “carbon coating treatment”, the above exothermic peak is obtained.
  • the area of the exothermic peak at a temperature rise of 5 ° C./min is most preferably 100 ⁇ V ⁇ s / mg or more and 2100 ⁇ V ⁇ s / mg or less.
  • the coating treatment for adjusting the pore volume of the 2 ⁇ 10 to 2 ⁇ 10 4 pores to 0.1 ml / g or less per mass of carbon particles is performed using a material other than low crystalline carbon. Can also be done. However, for example, when resin is used, the exothermic peak in the differential thermal analysis in the air stream is in a region different from 550 to 650 ° C.
  • a more preferable exothermic peak area is 200 to 2100 ⁇ V ⁇ s / mg, more preferably 1100 to 2100 ⁇ V ⁇ s / mg from the viewpoint of reducing the pore volume.
  • the coating process for adjusting the pore volume is, for example, by attaching an organic compound (carbon precursor) that leaves carbonaceous material to the surface of the carbon particles by heat treatment, and then modifying the surface by firing (low crystal For example, carbon).
  • the method for attaching the organic compound to the surface of the carbon particles is not particularly limited.
  • Examples of the material used for coating include petroleum pitch, naphthalene, anthracene, phenanthrolen, coal tar, phenol resin, and polyvinyl alcohol.
  • the coating amount may be adjusted. That is, if the coating amount is large, the area of the exothermic peak tends to increase.
  • an electrode material of a lithium ion secondary battery is mixed with a solvent and an organic binder to form a slurry, which is applied to a copper foil or the like as a current collector, and the solvent is dried and molded.
  • a solvent and an organic binder for example, scaly graphite having a small circularity has a plate-like shape, so that the fluidity when mixed with a solvent and a binder is poor, and the density of the negative electrode for a lithium ion secondary battery to be produced varies greatly. And there exists a tendency for adhesiveness with a negative electrode electrical power collector to fall. As a result, the charge / discharge characteristics of the obtained lithium ion secondary battery tend to deteriorate.
  • the contact between the particles tends to be point contact, and the conductivity tends to decrease. Further, the contact area between the particles tends to decrease due to the expansion and contraction of the particles due to repeated insertion and extraction of lithium into and from the graphite crystal. As a result, the charge / discharge characteristics tend to be adversely affected.
  • the contour of the particle cross-sectional image in the state of being a negative electrode for a lithium ion secondary battery has a pseudo-polygonal shape. It will have.
  • the contact area between carbon particles increases and it can be set as the shape which is easy to maintain the electroconductivity between carbon particles.
  • the contact area between the carbon particles does not decrease, and good charge / discharge characteristics can be obtained.
  • the circularity of the carbon particles of the present invention is measured as follows. First, the cross section of the particle is photographed and obtained by the following formula.
  • Circularity (perimeter of equivalent circle) / (perimeter of particle cross-sectional image)
  • the “equivalent circle” is a circle having the same area as the particle cross-sectional image.
  • the peripheral length of the particle cross-sectional image is the length of the contour line of the captured particle cross-sectional image.
  • the circularity in the present invention is magnified to 1000 times with a scanning electron microscope, 10 carbon particles are arbitrarily selected, the circularity of each carbon particle is measured by the above method, and the average value is taken. Average circularity.
  • a sample electrode is prepared, the electrode is embedded in an epoxy resin, mirror-polished, and observed with a scanning electron microscope.
  • the sample electrode is manufactured as follows. First, using a mixture of 97 parts by mass of carbon particles as a negative electrode material and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride resin as an organic binder, the viscosity at 25 ° C. of the mixture is 1500 to 2500 mPa ⁇ s. A paint to which N-methyl-2-pyrrolidone has been added is prepared. And after apply
  • the measuring method of a viscosity is as follows. Using a viscometer (manufactured by Brookfield, product name: DV-III, spindle: SC4-18 # 14), the viscosity is measured at a rotation speed of 100 rpm and a temperature of 25 ° C.
  • the perimeter of the equivalent circle and the perimeter of the increase in particle cross section can be obtained, for example, by analysis software attached to the scanning electron microscope.
  • the carbon particles for a negative electrode of a lithium ion secondary battery of the present invention preferably have a non-spherical shape having an acute angle or an obtuse angle, including a linear portion in the contour line in the shape of the particle cross section.
  • the shape of the particle cross section may include a contour line having a dent and a curved portion.
  • spheroidized natural graphite or spheroidized artificial graphite having a circularity of 0.9 to 1.0 is used as a raw material for the carbon particles.
  • it can be adjusted by modifying the graphite that is the raw material of the carbon particles.
  • Spherical natural graphite having a circularity of 0.9 to 1.0 and spheroidized artificial graphite as raw materials for carbon particles will be described later, but flat natural graphite particles such as scaly natural graphite and scaly natural graphite will be described later. Or obtained by subjecting artificial graphite particles to mechanical treatment for modification treatment.
  • the interlaminar distance d (002) of the graphite crystal of the carbon particles is a value calculated from the measurement by wide angle X-ray diffraction of the carbon particles used for the negative electrode for the lithium ion secondary battery, and this value is 3.38 cm.
  • a range of 3.35 to 3.37 mm is more preferable.
  • d (002) exceeds 3.38 mm, the discharge capacity tends to decrease.
  • the theoretical value of d (002) of pure graphite crystal is usually 3.35 mm or more.
  • the d (002) of the carbon particles of the present invention is measured by irradiating the carbon particles with X-rays (CuK ⁇ rays) and measuring the diffraction lines with a goniometer. From the diffraction peak corresponding to the carbon d (002) plane appearing in the vicinity of 24 to 26 °, calculation is performed using the Bragg equation.
  • natural graphite having high crystallinity or artificial graphite having high crystallinity may be used in order to set the d (002) of the carbon particles to 3.38 cm or less.
  • heat treatment may be performed at a temperature of 2000 ° C. or higher.
  • the crystallite size Lc in the C-axis direction of the carbon particles is also a value calculated from measurement by wide-angle X-ray diffraction. If this value is less than 500 mm, the discharge capacity tends to be small.
  • the carbon particles used for the negative electrode for an ion secondary battery have Lc of 500% or more. Although there is no restriction
  • the measurement of Lc of the carbon particles of the present invention is performed by a usual method, and specifically, it is performed as follows.
  • the crystallite size Lc is calculated based on the Gakushin method using a wide-angle X-ray diffractometer.
  • natural graphite with high crystallinity or artificial graphite with high crystallinity may be used.
  • heat treatment may be performed at a temperature of 2000 ° C. or higher.
  • the carbon particles of the present invention preferably have an N 2 specific surface area of 10 m 2 / g or less, more preferably 6 m 2 / g or less, and still more preferably 4 m 2 / g or less, determined by nitrogen adsorption measurement at 77K. .
  • N 2 specific surface area 10 m 2 / g or less, more preferably 6 m 2 / g or less, and still more preferably 4 m 2 / g or less, determined by nitrogen adsorption measurement at 77K. .
  • the specific surface area exceeds 10 m 2 / g, the irreversible capacity of the first cycle of the obtained lithium ion secondary battery tends to be large, the energy density is small, and many organic binders are used when producing a negative electrode. There is a tendency to require agents.
  • the specific surface area is more preferably from 0.3 to 4 m 2 / g, more preferably from 0.3 to 2 m 2 / g, from the viewpoint that the cycle characteristics and
  • the N 2 specific surface area obtained by measuring the nitrogen adsorption at 77K can be a known method such as the BET method (nitrogen gas adsorption method).
  • mechanical surface modification treatment, coating treatment, pulverization, and the like may be performed in order to make the N 2 specific surface area obtained by measuring nitrogen adsorption at 77 K of carbon particles 10 m 2 / g or less. Further, when the particle size is decreased, the specific surface area tends to increase, and when the particle size is increased, the specific surface area tends to decrease.
  • the carbon particles of the present invention preferably have a true specific gravity of 2.2 or more. More preferably, it is 2.200-2.270. If the true specific gravity is less than 2.2, the charge / discharge capacity per volume of the lithium ion secondary battery tends to decrease, and the initial charge / discharge efficiency tends to decrease.
  • the true specific gravity can be determined by a pycnometer method using butanol.
  • natural graphite having high crystallinity or artificial graphite having high crystallinity may be used.
  • heat treatment may be performed at a temperature of 2000 ° C. or higher.
  • the carbon particles of the present invention preferably have an average particle size in the range of 1 to 100 ⁇ m as measured by a laser diffraction particle size distribution meter. More preferably, it is 1 to 80 ⁇ m, and further preferably 5 to 30 ⁇ m.
  • the average particle size is 100 ⁇ m or more, the coating property is poor when applied to a paste, and the rapid charge / discharge characteristics tend to be inferior.
  • the average particle size is 1 ⁇ m or less, the particles cannot efficiently participate in the electrochemical reaction with lithium ions, and the capacity and cycle characteristics tend to decrease.
  • the average particle size is calculated as 50% D when measured with a laser diffraction particle size distribution meter.
  • particles having a desired size may be obtained using a pulverizer or a sieve.
  • the bulk density of the carbon particles of the present invention is preferably 0.7 g / ml or more.
  • the upper limit of the bulk density is not particularly limited, but is usually 1.5 g / ml or less.
  • a graduated cylinder with a capacity of 100 ml is slanted, and 100 ml of sample powder is gradually added to it using a spoon, and the graduated cylinder is dropped 30 times from a height of 5 cm after plugging the graduated cylinder.
  • the tap density is 30 times that can be calculated from the mass and volume of the sample powder.
  • particles of a desired size may be obtained using a pulverizer or a sieve.
  • carbon particles whose graphite crystal interlayer distance d (002) determined by X-ray diffraction measurement is 3.38 mm or less and crystallite size Lc in the C-axis direction is 500 mm or more include, for example, scaly natural graphite, scaly Heat treatment may be performed at 2000 ° C. or higher, preferably 2600 to 3000 ° C. using flat natural graphite particles such as natural graphite.
  • the following modification treatment is performed.
  • flat natural graphite particles having an average particle diameter of 1 to 100 ⁇ m and a circularity of 0.2 to 0.55 are used as a preferred raw material, subjected to mechanical treatment, and the average particle diameter of carbon particles is 5 to 50 ⁇ m and circular.
  • Spherical natural graphite having a degree of 0.9 to 1.0 is obtained.
  • the mechanical treatment refers to a treatment in which the particles collide with a part of the processing apparatus or particles.
  • the spheroidized natural graphite is subjected to pressure treatment.
  • the method for pressurizing the spheroidized natural graphite is not particular limitation.
  • the raw graphite is placed in a rubber mold or the like and water is used as a pressurizing medium for isostatic pressure.
  • the pressurizing process include a press and an isotropic press using an air pressure using a gas such as air as a pressurizing medium.
  • raw material graphite may be filled in a mold, and pressure treatment may be applied in a certain direction by uniaxial pressing.
  • the pressure of the pressure medium for the spherical natural graphite is preferably 50 to 2000 kgf / cm 2 , more preferably 300 to 2000 kgf / cm 2 , and 500 to 1000 kgf / cm 2 . More preferably.
  • the pressure is less than 50 kgf / cm 2 , the effect of improving the cycle characteristics of the obtained lithium ion secondary battery tends to be small.
  • the pressure exceeds 2000 kgf / cm 2 , the specific surface area of the obtained carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode increases, and as a result, the irreversible capacity of the first cycle of the obtained lithium ion secondary battery increases. Tend to be.
  • the obtained carbon particles are likely to aggregate together, and therefore it is preferable to perform treatment such as crushing and sieving after the pressure treatment.
  • treatment such as crushing and sieving after the pressure treatment.
  • carbon particles do not aggregate, it is not necessary to crush.
  • the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention forms the negative electrode layer by mixing the carbon particles with an organic binder and a solvent or water, applying the mixture to a current collector, drying the solvent or water, and applying pressure. And a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
  • the organic binder examples include polymer compounds such as polyethylene, polypropylene, ethylene propylene rubber, butadiene rubber, styrene butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, polyethylene oxide, polyepichlorohydrin, polyacrylonitrile, and the like.
  • the carbon particles for the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention have an organic bond in the pores when the negative electrode is made of polyvinylidene fluoride or the like, which is hydrophobic and easily compatible with the carbon particles, as an organic binder. The effect which suppresses that a dressing enters is exhibited more.
  • the mixing ratio of the carbon particles and the organic binder is preferably 1 to 20 parts by mass of the organic binder with respect to 100 parts by mass of the carbon particles.
  • the solvent used for mixing the carbon particles and the organic binder is not particularly limited, and N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylformamide, ⁇ -butyrolactone and the like are used.
  • the current collector for example, a foil or mesh of nickel, copper or the like can be used.
  • the density of the mixture layer (negative electrode layer) containing the carbon particles and the organic binder on the current collector is 1.40 to 1.90 g / cm 3. Is preferred. Above the density is more preferably 1.45 ⁇ 1.80g / cm 3, more preferably 1.50 ⁇ 1.70g / cm 3.
  • the energy density per volume of the lithium ion secondary battery obtained using this negative electrode is reduced. Can be bigger.
  • the density of the negative electrode layer containing the carbon particles and the organic binder is less than 1.40 g / cm 3 , the energy density per volume of the obtained lithium secondary battery tends to be small.
  • the density of the negative electrode layer containing the carbon particles and the organic binder exceeds 1.90 g / cm 3 , the pouring property of the electrolytic solution when producing a lithium ion secondary battery tends to deteriorate. In addition, there is a tendency that rapid charge / discharge characteristics and cycle characteristics of a lithium ion secondary battery to be manufactured are deteriorated.
  • the density of the negative electrode layer containing the carbon particles and the organic binder can be calculated from the measured values of the mass and volume of the negative electrode layer containing the carbon particles and the organic binder.
  • the density of the negative electrode layer containing the carbon particles and the organic binder after integration of the negative electrode layer into the current collector is appropriately adjusted by, for example, the pressure at the time of integral molding, the clearance of a device such as a roll press, etc. can do.
  • a positive electrode containing a lithium compound is placed facing the separator via a separator, and an electrolytic solution is injected.
  • the positive electrode containing a lithium compound for example, can be used alone or as a mixture of LiNiO 2, LiCoO 2, LiMn 2 O 4 or the like.
  • the positive electrode can be obtained by forming a positive electrode layer on the current collector surface in the same manner as the negative electrode.
  • the electrolytic solution is, for example, a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 4 , LiAsF, LiBF 4 , LiSO 3 CF 4 dissolved in, for example, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate tetrahydrofuran, etc. Can be used. Also, a solid or gel so-called polymer electrolyte can be used in place of the electrolytic solution.
  • a lithium salt such as LiClO 4 , LiPF 4 , LiAsF, LiBF 4 , LiSO 3 CF 4 dissolved in, for example, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethoxyethane, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate tetrahydrofuran, etc.
  • a solid or gel so-called polymer electrolyte can be used in place of the electrolytic solution.
  • separator for example, a nonwoven fabric, a cloth, a microporous film, or a combination thereof having a polyolefin as a main component such as polyethylene or polypropylene can be used. It can also be used as coated with inorganic compounds such as SiO 2 or Al 2 O 3 in the aforementioned separator.
  • a separator when it is set as the structure where the positive electrode and negative electrode of the lithium ion secondary battery to produce are not directly contacted, it is not necessary to use a separator.
  • the structure of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited. Usually, a positive electrode and a negative electrode, and a separator provided as necessary, are wound into a flat spiral to form a wound electrode group. Or these are laminated
  • the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, but is used as a paper-type battery, a button battery, a coin-type battery, a laminated battery, a cylindrical battery, or the like.
  • Example 1 Production of negative electrode for lithium ion secondary battery Spherical natural graphite (average particle size 22 ⁇ m, circularity 0.95, specific surface area 5.0 m 2 / g, true specific gravity 2.25, Lc> 1000 ⁇ , d (002 ) After filling and sealing 3.354 mm, bulk density 0.72 g / ml) into a rubber container, the rubber container is isotropic with a hydrostatic pressure press at a pressure of 1000 kgf / cm 2 of the pressurized medium. A pressure treatment was performed. Subsequently, it was pulverized by a cutter mill to obtain carbon particles used for a negative electrode for a lithium secondary battery.
  • Spherical natural graphite average particle size 22 ⁇ m, circularity 0.95, specific surface area 5.0 m 2 / g, true specific gravity 2.25, Lc> 1000 ⁇ , d (002 ) After filling and sealing 3.354 mm, bulk density 0.72 g / ml) into a rubber container, the rubber container
  • Table 1 shows the characteristics of the obtained negative electrode material samples such as the pore volume, circularity, d (002), and Lc of the carbon particles used in the obtained negative electrode for a lithium ion secondary battery.
  • the circularity was measured by preparing a sample electrode as follows. 97 parts by mass of carbon particles, polyvinylidene fluoride (PVDF 5% NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) dispersion) as an organic binder (manufacturer: Kureha Chemical Co., Ltd., product name: PVDF # 9305) 3 parts by mass Part of the mixture was used as a solid content to prepare a paint in which NMP was added so that the viscosity at 25 ° C. was 1600 mPa ⁇ s. Next, this was coated on a 10 ⁇ m copper foil so as to have a thickness of about 70 ⁇ m, and then dried at 120 ° C. for 1 hour, and the resultant was used as a sample electrode.
  • PVDF 5% NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • the circularity was measured with a scanning electron microscope (VE-7800 manufactured by Keyence Corporation) after the sample electrode was embedded in an epoxy resin and then mirror-polished.
  • the viscosity of the paint was determined with a viscometer (manufactured by Brookfield, product name: DV-III (spindle: SC4-18 # 14, temperature: 25 ° C., rotation speed: 100 rpm)).
  • the perimeter of the equivalent circle and the perimeter of the increase in the particle cross section were obtained by analysis software (VE-7800 observation application) attached to the scanning electron microscope.
  • the sample electrode was produced as follows. A mixture of 97 parts by mass of carbon particles and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF 5% NMP dispersion) (manufacturer: Kureha Chemical Co., Ltd., product name: PVDF # 9305) as an organic binder, A paint to which NMP was added was prepared so that the viscosity at 1 ° C. was 1600 mPa ⁇ s. Subsequently, this was coated on a 10 ⁇ m copper foil so as to have a thickness of about 70 ⁇ m, and then dried at 120 ° C. for 1 hour, and used as a sample electrode. After drying, it was pressed to 1.65 g / cm 3 and punched into a 14 mm ⁇ circular shape as a sample electrode (negative electrode) for evaluation of the charge capacity.
  • PVDF 5% NMP dispersion manufactured so that the viscosity at 1 ° C. was 1600 mPa ⁇ s.
  • this was coated on a 10
  • the evaluation battery was produced by injecting an electrolyte solution with a CR2016 coin cell facing the negative electrode and metallic lithium through a 40 ⁇ m polypropylene separator.
  • the electrolyte was prepared by adding 0.5% by weight of vinylene carbonate to a mixed solvent of ethyl carbonate (EC) and methyl ethyl carbonate (MEC) in a volume ratio of 3 to 7, and dissolving LiPF 6 to a concentration of 1 mol / L.
  • EC ethyl carbonate
  • MEC methyl ethyl carbonate
  • the battery was charged to 0 V with a constant current of 0.38 mA (0.1 C; 0.25 mA / cm 2 ), and the constant current charge capacity at 0.1 C was measured. Discharging was performed at a constant current of 0.38 mA to a voltage value of 1.5V.
  • the quick charge capacity ratio was calculated based on the following formula.
  • Example 2 (Examples 2, 3, and 4) Using the same spheroidized natural graphite as in Example 1, isotropic pressure treatment was similarly performed and pulverized with a cutter mill to obtain similar carbon particles.
  • Petroleum pitch (softening point 80 ° C., carbonization rate 50%, average particle size 80 ⁇ m) 40 g (Example 2), 120 g (Example 3), 200 g (Example 4) to 1000 g of the obtained carbon particles, respectively. And mixed at room temperature.
  • the obtained pitch-coated graphite particles were heated to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./h under nitrogen flow to obtain carbon-coated graphite particles.
  • the obtained carbon-coated graphite particles were passed through a 250 mesh standard sieve to obtain carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode.
  • Table 1 shows the characteristics of the obtained carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode of each example.
  • Example 5 The same spheroidized natural graphite as that used in Example 1 was filled in a mold and subjected to a pressure treatment in a fixed direction at 1000 kgf / cm 2 from the top with a uniaxial press in the same manner as in Example 1. Carbon particles for a negative electrode of a lithium ion secondary battery were obtained.
  • Table 1 shows the characteristics of the obtained carbon particles for the negative electrode of the lithium ion secondary battery of each Example.
  • Example 6 The same spheroidized natural graphite as used in Example 1 was subjected to pressure treatment in a certain direction as in Example 5, and crushed with a cutter mill to obtain carbon particles similar to those in Example 5. Petroleum pitch 200g was put in each 1000g of obtained carbon particles, and it mixed at room temperature. The obtained pitch-coated graphite particles were heated to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./h under nitrogen flow to obtain carbon-coated graphite particles. The obtained carbon-coated graphite particles were passed through a 250 mesh standard sieve to obtain carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode. Table 1 shows the characteristics of the obtained carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode of each example.
  • Example 1 (Comparative Example 1) In Example 1, the same experiment was conducted except that the rubber container was not subjected to an isotropic pressure treatment using a hydrostatic press. Table 1 shows the characteristics of the obtained carbon particles for the negative electrode of a lithium ion secondary battery.
  • the obtained carbon-coated graphite particles were passed through a 250 mesh standard sieve to obtain carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode.
  • Table 1 shows the characteristics of the obtained carbon particles for a negative electrode of a lithium ion secondary battery of each comparative example.
  • Example 6 The same spheroidized natural graphite as used in Example 1 was subjected to isotropic pressure treatment in the same manner and crushed with a cutter mill to obtain the same carbon particles as in Example 1. Petroleum pitch 400g was put in each 1000g of obtained carbon particles, and it mixed at room temperature. The obtained pitch-coated graphite particles were heated to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./h under nitrogen flow to obtain carbon-coated graphite particles. The obtained carbon-coated graphite particles were passed through a 250 mesh standard sieve to obtain carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode. Table 1 shows the characteristics of the obtained carbon particles for a lithium ion secondary battery negative electrode of each example.
  • the present invention it is possible to provide a carbon particle for a lithium ion secondary battery negative electrode having a high capacity and more excellent quick charge characteristics, a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery using the same.

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Abstract

 リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子において、2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり0.1ml/g以下であり、X線回折測定より求められる黒鉛結晶の層間距離d(002)が3.38Å以下であり、C軸方向の結晶子サイズLcが500Å以上であり、粒子断面の円形度が0.6~0.9とする。それにより、高容量を有し、より急速充電特性に優れたリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、それを用いたリチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池を提供できる。

Description

リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、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
 本発明は、リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、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に関する。
 さらに詳しくは、ポータブル機器、電気自動車、電力貯蔵等に用いるのに好適な、高容量で且つ急速充電特性に優れたリチウムイオン二次電池用負極とそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。
 リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、これまで金属や黒鉛等が検討されてきた。金属電極は、充放電を繰り返すと電極上にリチウム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。そのため、充放電過程において、リチウム金属が析出しない炭素材料、特に黒鉛が注目されている。
 負極活物質に黒鉛を用いた例として、天然黒鉛粒子、コークスを黒鉛化した人造黒鉛粒子、有機系高分子材料やピッチ等を黒鉛化した人造黒鉛粒子、これらを粉砕した黒鉛粒子等がある。これらの黒鉛粒子は、有機系結着剤及び有機溶剤と混合して黒鉛ペーストとし、この黒鉛ペーストを銅箔の表面に塗布し、溶剤を乾燥、成形して、リチウムイオン二次電池用負極として使用している。負極に黒鉛を使用することでリチウムのデンドライトによる内容短絡の問題を解消し、充放電特性の改良を図っている(例えば、特許文献1参照)。
 しかしながら、黒鉛結晶が発達している天然黒鉛は、C軸方向の結晶の層間の結合力が、結晶の面方向の結合に比べて弱い。そのため、粉砕により黒鉛層間の結合が切れ、アスペクト比が大きいいわゆる鱗片状の黒鉛粒子となる。鱗片状黒鉛は、アスペクト比が大きいために、有機系結着剤と混練して集電体に塗布して電極を作製したときに、鱗片状黒鉛粒子が集電体の面方向に配向しやすい。その結果、充放電特性や急速充放電特性が低下しやすくなる問題がある。
 この問題を改善するために、鱗片状黒鉛を球形に近づくように改質した球形化黒鉛が示されている(例えば、特許文献2参照)。鱗片状黒鉛を機械的な処理を施すことによって、粒子を球形化することで充放電特性を向上させている。
特公昭62-23433号公報 特許第3787030号公報
 しかし、特許文献2に記載の処理は、黒鉛層間の結合を切らない程度の弱い力を、繰り返し粒子に加えることを特徴とした処理である。そのため、処理された粒子は粒子内に2×10~2×10Åの細孔を多数有することとなる。粒子内に、2×10~2×10~2×104Åの大きさの多数の細孔を有すると、負極作製時に有機系結着剤がこの粒子内細孔に入り込み、粒子の導電性を低下させることを本発明者等は見出した。
 また、2×10~2×104Åの大きさの多数の細孔を有すると、粒子間に存在する有機系結着剤量が少なくなり、黒鉛活物質層と集電体との接着強度を低下させる傾向がある。さらに、特許文献2に記載の処理を用いると、鱗片状黒鉛が球形の粒子となり、球形になり過ぎると粒子間の接触が点接触となり導電性が低下する傾向がある。これらのことは、特に急速充電特性に悪影響を及ぼすこととなることも本発明者等の検討でわかった。
 本発明は、高容量を有し、より急速充電特性に優れたリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、それを用いた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。
 本発明者等は、リチウムイオン二次電池用として種々の負極材料を作製し検討を行った結果、特定の形状パラメータを有し、特定の結晶構造を有する炭素粒子を用いることで、負極とした状態での炭素粒子が好ましい細孔体積と粒子断面の円形度を示し、高容量で急速充電特性に優れることを見出した。
 具体的には、従来の鱗片状黒鉛の球形化処理では、粒子内に多数の細孔を有することとなり、粒子内細孔に有機系結着剤成分が入り込むことで炭素粒子の導電性が低下する傾向があることを見出した。さらに従来法では粒子が球形となりすぎ、粒子間導電性が低下する傾向があることを見出した。そこで、炭素粒子の特定の大きさの細孔を一定以下とすること、さらに粒子断面の円形度を一定範囲とすることで、急速充電特性に悪影響を及ぼすことを回避できることを見出した。これらの知見をもとに、本発明に至った。
 すなわち、具体的には、本発明は下記(1)~(8)に記載の事項を特徴とするものである。
(1)2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり0.1ml/g以下であり、X線回折測定より求められる黒鉛結晶の層間距離d(002)が3.38Å以下であり、C軸方向の結晶子サイズLcが500Å以上であり、粒子断面の円形度が0.6~0.9であるリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
(2)空気気流中における示差熱分析で550℃以上650℃以下に発熱ピークを有し、昇温5℃/minにおけるピーク面積が100μV・s/mg以上2100μV・s/mg以下である上記(1)記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
(3)レーザー回折式粒度分布計により測定される平均粒径が1~100μmである上記(1)又は(2)記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
(4)77Kでの窒素吸着測定より求めたN比表面積が10m/g以下である上記(1)~(3)のいずれか一つに記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
(5)かさ密度が0.7g/ml以上である上記(1)~(4)のいずれか一つに記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
(6)真比重が2.2以上である上記(1)~(5)のいずれか一つに記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
(7)上記(1)~(6)のいずれか一つに記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子を含有するリチウム二次電池用負極。
(8)上記(7)に記載の負極及びリチウム化合物を含む正極を有するリチウムイオン二次電池。
 本発明によれば、高容量を有し、負極作製時に有機系結着剤が炭素粒子内細孔に入り込むことを抑制でき、それにより過剰な有機系結着剤添加による導電性の低下を抑制できる。さらに粒子間接触の減少を抑制し、粒子間導電性の低下を抑制できる。これらのことにより、急速充電特性に優れたリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子を得ることができる。
 本願の開示は、2009年10月27日に出願された特願2009-246798号に記載の主題と関連しており、それらの開示内容は引用によりここに援用される。
 本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子は、2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり0.1ml/g以下であり、X線回折測定より求められる黒鉛結晶の層間距離d(002)が3.38Å以下であり、C軸方向の結晶子サイズLcが500Å以上であり、粒子断面の円形度が0.6~0.9である。
 負極に用いる炭素粒子は、2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり、0.1ml/g以下であることが好ましく、0.08ml/g以下であることがより好ましく、0.04ml/g以下であることがさらに好ましい。該炭素粒子をリチウムイオン二次電池用負極に使用すると、粒子内細孔に有機系結着剤が入り込みにくく、リチウムイオン二次電池の急速充電特性を向上させることができる。
 上記細孔体積は、本発明の炭素粒子を用い、水銀圧入法による細孔径分布測定(例えば、株式会社島津製作所製 オートポア9520)により求めることができる。細孔の大きさもまた水銀圧入法による細孔径分布測定により知ることができる。
 なお、細孔体積の基準の大きさを2×10~2×104Åとしたのは、細孔体積が小さな細孔を減少させることが急速充電特性の向上に効果的である理由からである。
 本発明において、炭素粒子の細孔体積を上記範囲とするには、加圧処理、機械的処理による改質、被覆処理等で調整することができる。
 なお、上記2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり、0.1ml/g以下となるように調整する方法のうち、後述の被覆処理により調整した炭素粒子は、空気気流中における示差熱分析で550~650℃に発熱ピークを有することを主たる特徴とする。それは後述するように、上記発熱ピークを有する炭素粒子が、核となる黒鉛質粒子に、適当な炭素被覆処理を施すことに由来する。この「炭素被覆処理」において低結晶性炭素を用いることで、上記発熱ピークを有することとなる。
 また、昇温5℃/minにおける発熱ピークの面積が、100μV・s/mg以上2100μV・s/mg以下とすることが最も好ましい。
 なお、上記2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり、0.1ml/g以下となるように調整する被覆処理を、低結晶性炭素以外を用いても行える。しかし、例えば樹脂を用いて行った場合、空気気流中における示差熱分析での発熱ピークは550~650℃とは違う領域となる。
 発熱ピークの面積が、100μV・s/mg以上であると、負極集電体との充分な密着性が得られる傾向がある。また、2100μV・s/mg以下であると、不可逆容量の増大を抑制することができる傾向がある。
 より好ましい発熱ピークの面積は、細孔体積を減少させる点から、200~2100μV・s/mgであり、さらに好ましくは1100~2100μV・s/mgである。
 細孔体積を調整するための被覆処理とは例えば、熱処理により炭素質を残す有機化合物(炭素前駆体)を炭素粒子の表面に付着させた後、焼成することで表面を改質する(低結晶性炭素とする)ことが挙げられる。炭素粒子の表面に有機化合物を付着させる方法としては、特に制限はないが、例えば、有機化合物を溶媒に溶解、又は分散させた混合溶液に核となる炭素粒子(粉末)を分散・混合した後、溶媒を除去する湿式方式や炭素粒子と有機化合物を固体同士で混合し、その混合物に力学的エネルギーを加えることで付着させる乾式方式、有機化合物を固体同士で混合し、その混合物を不活性雰囲気下で焼成する方法、CVD法等の気相方式等が挙げられる。
 被覆に用いる材料は、石油系ピッチ、ナフタレン、アントラセン、フェナントロレン、コールタール、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール等が挙げられる。
 空気気流中における示差熱分析で550~650℃に発熱ピークを有し、昇温5℃/minにおける発熱ピークの面積が、100μV・s/mg以上2100μV・s/mg以下とするには、例えば、被覆量を調整すればよい。すなわち、被覆量が多ければ発熱ピークの面積が増加する傾向がある。
 通常、リチウムイオン二次電池の電極材料は、溶媒及び有機系結着剤と混合してスラリー化し、集電体である銅箔等に塗布して、溶剤を乾燥、成形して使用される。この場合、例えば円形度の小さい鱗片状黒鉛は、板状の形状を有することから、溶媒及びバインダとの混合時の流動性が悪く、作製するリチウムイオン二次電池用負極の密度のバラツキが大きく、かつ負極集電体との密着性が低下する傾向がある。その結果、得られるリチウムイオン二次電池の充放電特性が低下する傾向がある。
 一方で、円形度が1に近い値を有する球状化粒子は、球形となり過ぎると粒子間の接触が点接触となり導電性が低下する傾向がある。また、黒鉛結晶へのリチウムの吸蔵・放出の繰り返しによる粒子の膨張・収縮により粒子間の接触面積が減少する傾向がある。その結果、充放電特性に悪影響をおよぼす傾向がある。
 従って、本発明において、炭素粒子の円形度を0.6~0.9とすることにより、リチウムイオン二次電池用負極とした状態での粒子断面像の輪郭が擬似的に多角形に近い形状を有することとなる。これにより炭素粒子間の接触面積が増大し、炭素粒子間の導電性を保ちやすい形状とすることができる。その結果、このような形状にすることによって、炭素粒子間の接触面積が減少せず、良好な充放電特性が得られることとなる。
 本発明の炭素粒子の円形度は以下のようにして測定する。まず、粒子断面を写真撮影して、下記式により求める。
円形度=(相当円の周囲長)/(粒子断面像の周囲長)
 ここで「相当円」とは、粒子断面像と同じ面積を持つ円である。粒子断面像の周囲長とは、撮像した粒子断面像の輪郭線の長さである。本発明における円形度は、走査式電子顕微鏡で倍率1000倍に拡大し、任意に10個の炭素粒子を選択し、上記方法にて個々の炭素粒子の円形度を測定し、その平均値をとった平均円形度である。負極とした場合の炭素粒子断面像の撮影法としては、試料電極を作製し、その電極をエポキシ樹脂に埋め込んだ後、鏡面研磨して、走査式電子顕微鏡で観察を行う。
 本発明において試料電極は、以下の様に作製する。まず、負極材としての炭素粒子97質量部、有機系結着剤としてのポリフッ化ビニリデン樹脂3質量部の混合物を固形分として、該混合物の25℃における粘度が1500~2500mPa・sとなるようにN-メチル-2-ピロリドンを添加した塗料を作製する。そして、これを10μmの銅箔上に70μm程度の厚み(塗工時)になるように塗工後、120℃で1時間乾燥させて、試料電極を得る。
 なお、粘度の測定方法は以下のとおりである。粘度計(ブルックフィールド社製、製品名:DV-III スピンドル:SC4-18 #14)を用い、回転数100rpm、温度25℃において粘度を測定する。
 相当円の周囲長及び粒子断面増の周囲長は、例えば、走査式電子顕微鏡に付属の解析ソフトによって求めることが可能である。
 本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子は、粒子断面の形状において、輪郭線に直線的な部分を含み、鋭角又は鈍角を有する非球形の形状であることが好ましい。また、上記好ましい形状において、粒子断面の形状に、へこみ、曲線部分を有する輪郭線を含んでいてもかまわない。炭素粒子が上記範囲の円形度を有することで、負極とした状態での炭素粒子間の接触面積が増大し、リチウムイオンの吸蔵・放出の繰り返しによっても接触面積が大きく変化することはない。そのため炭素粒子間の導電性を保ちやすく、良好な急速充電特性が得られると考えられる。
 本発明において、炭素粒子の円形度を0.6~0.9とするには、炭素粒子の原料に円形度0.9~1.0の球状化天然黒鉛や球状化人造黒鉛を用い、後述のように炭素粒子の原料となる黒鉛を改質処理する等で調整できる。なお、炭素粒子の原料としての、円形度0.9~1.0の球状化天然黒鉛や球状化人造黒鉛は、後述するが、鱗片状天然黒鉛、鱗状天然黒鉛等の扁平状の天然黒鉛粒子や人造黒鉛粒子を改質処理のための機械的処理を行うことにより得られる。
 本発明において、炭素粒子の黒鉛結晶の層間距離d(002)は、リチウムイオン二次電池用負極に用いる炭素粒子の広角X線回折による測定から算出される値であり、この値を3.38Å以下とする。3.35~3.37Åの範囲がより好ましい。d(002)が3.38Åを超えると放電容量が小さくなる傾向がある。d(002)の下限値に特に制限はないが、純粋な黒鉛結晶のd(002)の理論値で通常3.35Å以上とされる。
 本発明の炭素粒子のd(002)の測定は、詳しくは、X線(CuKα線)を炭素粒子に照射し、回折線をゴニオメーターにより測定して得られた回折プロファイルにより、回折角2θ=24~26°付近に現れる炭素d(002)面に対応した回折ピークより、ブラッグの式を用い算出する。
 本発明において、炭素粒子のd(002)を3.38Å以下とするには、結晶性の高い天然黒鉛を用いるか、結晶性を高くした人造黒鉛を用いればよい。結晶性を高くするには、例えば、2000℃以上の温度で熱処理を施せばよい。
 また、炭素粒子のC軸方向の結晶子サイズLcも広角X線回折による測定から算出される値で、この値が500Å未満であると放電容量が小さくなる傾向があることから、本発明のリチウムイオン二次電池用負極に用いる炭素粒子は、Lcを500Å以上とする。Lcの上限値に特に制限はないが、通常10000Å以下とされる。
 本発明の炭素粒子のLcの測定は、通常の方法が用いられるが、具体的には以下のようにして行う。広角X線回折測定装置を用い、学振法に基づき、結晶子の大きさLcを算出する。
 また、本発明の炭素粒子のLcを500Å以上とするには、結晶性の高い天然黒鉛を用いるか、結晶性を高くした人造黒鉛を用いればよい。結晶性を高くするには、例えば、2000℃以上の温度で熱処理を施せばよい。
 本発明の炭素粒子は、77Kでの窒素吸着測定より求めたN比表面積が10m/g以下のものが好ましく、より好ましくは6m/g以下、さらに好ましくは4m/g以下である。該炭素粒子を負極に使用すると、得られるリチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができ、また、第一サイクル目の不可逆容量を小さくすることができる。比表面積が10m/gを超えると、得られるリチウムイオン二次電池の第一サイクル目の不可逆容量が大きくなる傾向にあり、エネルギー密度が小さく、さらに負極を作製する際多くの有機系結着剤が必要になる傾向にある。得られるリチウムイオン二次電池のサイクル特性等がさらに良好な点から、比表面積は、0.3~4m/gであることがさらに好ましく、0.3~2m/gであることが極めて好ましい。
 77Kでの窒素吸着測定より求めたN比表面積の測定は、BET法(窒素ガス吸着法)等の既知の方法をとることができる。
 本発明において、炭素粒子の77Kでの窒素吸着測定より求めたN比比表面積を10m/g以下とするには、機械的な表面改質処理、被覆処理、粉砕等を行えばよい。また、粒径を小さくすると比表面積は大きくなる傾向があり、粒径を大きくすると比表面積は小さくなる傾向がある。
 本発明の炭素粒子は、真比重が2.2以上であることが好ましい。さらに好ましくは2.200~2.270である。真比重が2.2未満であるとリチウムイオン二次電池の体積当りの充放電容量が低下し、また初回充放電効率が減少する傾向がある。
 本発明において、真比重はブタノールを用いたピクノメーター法により求めることができる。
 本発明において、炭素粒子の真比重を2.2以上とするには、結晶性の高い天然黒鉛を用いるか、結晶性を高くした人造黒鉛を用いればよい。結晶性を高くするには、例えば、2000℃以上の温度で熱処理を施せばよい。
 本発明の炭素粒子は、レーザー回折式粒度分布計による平均粒径が1~100μmの範囲となることが好ましい。より好ましくは1~80μmであり、さらに好ましくは5~30μmである。平均粒径が100μm以上であるとペーストにし塗工する際に塗工性が悪く、また、急速充放電特性に劣る傾向がある。また、平均粒径が1μm以下であるとリチウムイオンと電気化学的な反応に効率よく関与できない粒子となり、容量、サイクル特性が低下する傾向がある。
 本発明において、平均粒径の測定は、レーザー回折粒度分布計で測定した際の50%Dとして算出したものである。
 本発明において、炭素粒子の平均粒径を上記範囲とするには、例えば、粉砕機や篩を用いて所望の大きさの粒子を得ればよい。
 本発明の炭素粒子のかさ密度は0.7g/ml以上が好ましい。かさ密度が0.7g/ml未満であると負極を作製する際に多くの有機系結着剤が必要になり、その結果、作製するリチウムイオン二次電池のエネルギー密度が小さくなる傾向がある。かさ密度の上限値に特に制限はないが、通常1.5g/ml以下とされる。
 かさ密度は、容量100mlのメスシリンダーを斜めにし、これに試料粉末100mlをさじを用いて徐々に投入し、メスシリンダーに栓をした後、メスシリンダーを5cmの高さから30回落下させた後の試料粉末の質量及び容積から算出することができる30回タップ密度である。
 本発明において、炭素粒子のかさ比重を上記範囲とするには、例えば、粉砕機や篩を用いて所望の大きさの粒子を得ればよい。
 本発明において、X線回折測定より求められる黒鉛結晶の層間距離d(002)が3.38Å以下、C軸方向の結晶子サイズLcが500Å以上の炭素粒子は、例えば、鱗片状天然黒鉛、鱗状天然黒鉛等の扁平状の天然黒鉛粒子を用いて2000℃以上、好ましくは2600~3000℃で熱処理すればよい。
 また、炭素粒子の円形度を0.6~0.9とするため、また炭素粒子の平均粒径、細孔体積を本発明の範囲内に調製するために、以下の改質処理を行う。まず、平均粒径1~100μmで円形度0.2~0.55である扁平状の天然黒鉛粒子を好ましい原料として用い、機械的処理を施し、炭素粒子の平均粒径を5~50μm、円形度を0.9~1.0とした球状化天然黒鉛を得る。機械的処理とは、上記の粒子を処理装置の一部、または粒子同士を衝突させる処理をいう。
 次いで、上記球状化天然黒鉛を加圧処理する。球状化天然黒鉛の加圧処理の方法としては、加圧できる方法であれば特に制限はなく、例えば原料の黒鉛をゴム型等の容器に入れ、水を加圧媒体とする静水圧等方性プレスや、空気等のガスを加圧媒体とする空圧による等方性プレス等の加圧処理が挙げられる。また、原料の黒鉛を金型に充填し、一軸プレスで一定方向に加圧処理を加えてもよい。
 球状天然黒鉛の加圧処理の加圧媒体の圧力としては、50~2000kgf/cmの範囲が好ましく、300~2000kgf/cmの範囲であればより好ましく、500~1000kgf/cmの範囲であればさらに好ましい。圧力が50kgf/cm未満では、得られるリチウムイオン二次電池のサイクル特性の向上の効果が小さくなる傾向にある。また、圧力が2000kgf/cmを超えると、得られるリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の比表面積が大きくなり、その結果、得られるリチウムイオン二次電池の第一サイクル目の不可逆容量が大きくなる傾向にある。
 上記のように球状天然黒鉛に加圧処理を行うと、得られる炭素粒子同士が凝集しやすくなるため、加圧処理後に、解砕、篩い等の処理を行うことが好ましい。なお、炭素粒子同士が凝集しないときは解砕をしなくともよい。
 本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、上記炭素粒子を有機系結着剤及び溶剤又は水と混合し、集電体に塗布し溶剤又は水を乾燥し、加圧することにより負極層を成形しリチウムイオン二次電池用負極とすることができる。
 有機系結着剤としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンラバー、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリエピクロルヒドリン、ポリアクリロニトリル等の高分子化合物等が用いられる。この中でも、本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子は、疎水性があり炭素粒子になじみやすいポリフッ化ビニリデン等を有機系結着剤として用いて負極とした場合に、細孔に有機結着剤が入り込むことを抑制する効果をより発揮する。
 炭素粒子と有機系結着剤の混合割合は、炭素粒子100質量部に対し有機系結着剤1~20質量部が好ましい。
 炭素粒子と有機系結着剤の混合に使用する溶剤としては特に制限が無く、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、γ-ブチロラクトン等が用いられる。
 集電体としては、例えばニッケル、銅等の箔やメッシュ等が使用できる。
 本発明のリチウムイオン二次電池用負極において、集電体上の炭素粒子及び有機系結着剤を含有する混合物層(負極層)の密度が1.40~1.90g/cmであることが好ましい。上密度は、1.45~1.80g/cmがより好ましく、1.50~1.70g/cmがさらに好ましい。
 本発明の負極における集電体上の炭素粒子及び有機系結着剤を含有する負極層の密度を高くすることにより、この負極を用いて得られるリチウムイオン二次電池の体積当りのエネルギー密度を大きくすることができる。上記炭素粒子及び有機系結着剤を含有する負極層の密度が1.40g/cm未満では得られるリチウム二次電池の体積当りのエネルギー密度が小さくなる傾向がある。一方、上記炭素粒子及び有機系結着剤を含有する負極層の密度が1.90g/cmを超えると、リチウムイオン二次電池を作製するときの電解液の注液性が悪くなる傾向があるばかりでなく、作製するリチウムイオン二次電池の急速充放電特性及びサイクル特性が低下する傾向がある。
 ここで、上記炭素粒子及び有機系結着剤を含有する負極層の密度は、炭素粒子及び有機系結着剤を含有する負極層の質量及び体積の測定値から算出できる。
 負極層の集電体への一体化後の炭素粒子及び有機系結着剤を含有する負極層の密度は、例えば、一体化成形するときの圧力やロールプレス等の装置のクリアランス等により適宜調整することができる。
 得られた負極を用いて、本発明のリチウムイオン二次電池とするために、例えばリチウム化合物を含む正極とセパレータを介して対向して配置し、電解液を注入する。リチウム化合物を含む正極としては、例えば、LiNiO、LiCoO、LiMn等を単独又は混合して使用することができる。正極は、負極と同様にして、集電体表面上に正極層を形成することで得ることができる。
 また、電解液は、例えばLiClO、LiPF、LiAsF、LiBF、LiSOCF等のリチウム塩を、例えばエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートテトラヒドロフラン等に溶解したものが使用できる。また、電解液のかわりに固体又はゲル状のいわゆるポリマ電解質を用いることもできる。
 セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等ポリオレフィンを主成分とした不織布、クロス、微孔フィルム又はそれらを組み合わせたものを用いることができる。また、前述のセパレータにSiOやAl等の無機化合物を塗布したものも用いることができる。なお、作製するリチウムイオン二次電池の正極と負極が直接接触しない構造にした場合は、セパレータを使用しなくてもよい。
 本発明のリチウムイオン二次電池の構造は、特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレータとを、扁平状渦巻状に巻回して巻回式極板群とする、またはこれらを平板状として積層して積層式極板群とし、これら極板群を外装体中に封入した構造とするのが一般的である。
 本発明のリチウムイオン二次電池は、特に限定されないが、ペーパー型電池、ボタン電池、コイン型電池、積層型電池、円筒型電池等として使用される。
 以下、本発明の実施例を説明する。
(実施例1)
(1)リチウムイオン二次電池用負極の作製
 球状化天然黒鉛(平均粒径22μm、円形度0.95、比表面積5.0m/g、真比重2.25、Lc>1000Å、d(002)3.354Å、かさ密度0.72g/ml)をゴム製の容器に充填、密閉したのち、該ゴム製容器を静水圧プレス機で、加圧媒体の圧力1000kgf/cmで、等方性加圧処理を行った。ついでカッターミルで解砕し、リチウム二次電池用負極に用いる炭素粒子を得た。
 得られたリチウムイオン二次電池用負極に用いる炭素粒子の細孔体積、円形度、d(002)、Lc等の、得られた負極材試料の特性を表1に示す。
 円形度は、下記のように試料電極を作製して測定した。炭素粒子97質量部、有機系結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF5%NMP(N-メチル-2-ピロリドン)分散液)(製造元:クレハ化学工業(株)、製品名:PVDF#9305)3質量部の混合物を固形分として、25℃における粘度が1600mPa・sとなるようにNMPを加えた塗料を作製した。次いで、これを10μmの銅箔上に70μm程度の厚みになるように塗工後、120℃で1時間乾燥させ、得られたものを試料電極として用いた。
 円形度は、試料電極をエポキシ樹脂に埋め込んだ後、鏡面研磨して、走査式電子顕微鏡(株式会社キーエンス製 VE-7800)で観察を行った。
 塗料の粘度は、粘度計(ブルックフィールド社製、製品名:DV-III(スピンドル:SC4-18 #14、温度:25℃、回転数100rpm))により求めた。
 相当円の周囲長及び粒子断面増の周囲長は、走査式電子顕微鏡に付属の解析ソフト(VE-7800観察アプリケーション)によって求めた。
(2)評価セル作製法
 試料電極は、下記の様にして作製した。炭素粒子97質量部、有機系結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF5%NMP分散液)(製造元:クレハ化学工業(株)、製品名:PVDF#9305)3質量部の混合物を固形分として、25℃における粘度が1600mPa・sとなるようにNMPを加えた塗料を作製した。次いで、これを10μmの銅箔上に70μm程度の厚みになるように塗工後、120℃で1時間乾燥させて得られたものを試料電極として用いた。乾燥後、1.65g/cmとなるようプレスし、試料電極(負極)として、充電容量評価用に14mmφの円形状に打ち抜いた。
 評価電池は、CR2016型コインセルに上記負極と金属リチウムを40μmのポリプロピレン製セパレータを介して対向させ、電解液を注入することにより作製した。電解液は、エチルカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)を体積比3対7混合溶媒にビニレンカーボネートを0.5質量%添加させ、LiPFを1mol/Lの濃度になるように溶解させたものを用いた(1M LiPF EC:MEC=3:7 VC0.5wt%)。
(3)評価条件
 電極密度1.65g/cmの試料電極を用いた。試料電極評価条件は25℃雰囲気下、0.38mA(0.25mA/cm)の定電流で0Vまで充電し、続いて0Vの定電圧で電流値が0.04mAになるまで充電した。次いで、0.38mAの定電流で1.5Vの電圧値まで放電を行った。
 次に、0.38mA(0.1C;0.25mA/cm)の定電流で0Vまで充電し、0.1Cにおける定電流充電容量を測定した。0.38mAの定電流で1.5Vの電圧値まで放電を行った。
 その後、1.89mA(0.5C;1.2mA/cm)の定電流で0Vまで充電し、定電流充電容量を測定した。
 急速充電容量割合は以下の式に基づき算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
(実施例2、3、4)
 実施例1と同様の球状化天然黒鉛を用い、同様に等方性加圧処理を行い、カッターミルで解砕し、同様の炭素粒子を得た。得られた炭素粒子1000gに対し石油系ピッチ(軟化点80℃、炭化率50%、平均粒径80μm)40g(実施例2)、120g(実施例3)、200g(実施例4)をそれぞれに入れ、室温で混合した。得られたピッチ被覆黒鉛質粒子を窒素流通下、20℃/hの昇温速度で900℃まで昇温し、炭素被覆黒鉛質粒子とした。得られた炭素被覆黒鉛質粒子を250メッシュの標準篩に通し、リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子とした。得られた各実施例のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の特性を表1に示す。
(実施例5)
 実施例1に用いたものと同じ球状化天然黒鉛を金型に充填し、一軸プレスで上部から1000kgf/cmで一定方向に加圧処理を行った以外は、実施例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子を得た。
 得られた各実施例のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の特性を表1に示す。
(実施例6)
 実施例1に用いたものと同じ球状化天然黒鉛を、実施例5と同様に一定方向に加圧処理を行い、カッターミルで解砕し、実施例5と同様の炭素粒子を得た。得られた炭素粒子1000gに対し石油系ピッチ200gをそれぞれに入れ、室温で混合した。得られたピッチ被覆黒鉛質粒子を窒素流通下、20℃/hの昇温速度で900℃まで昇温し、炭素被覆黒鉛質粒子とした。得られた炭素被覆黒鉛質粒子を250メッシュの標準篩に通し、リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子とした。得られた各実施例のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の特性を表1に示す。
(比較例1)
 実施例1において、該ゴム製容器を静水圧プレス機での等方性加圧処理を行わないこと以外は、同様の実験を行った。得られたリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の特性を表1に示す。
(比較例2、3、4)
 実施例2、3、4において、該ゴム製容器を静水圧プレス機での等方性加圧処理を行わないこと以外は、同様の実験を行った。具体的には、実施例1で用いた同様の球状化天然黒鉛1000gに対し石油系ピッチ(軟化点80℃、炭化率50%、平均粒径80μm)40g(比較例2)、120g(比較例3)、200g(比較例4)をそれぞれに入れ、室温で混合した。得られたピッチ被覆黒鉛質粒子を窒素流通下、20℃/hの昇温速度で900℃まで昇温し、炭素被覆黒鉛質粒子とした。得られた炭素被覆黒鉛質粒子を250メッシュの標準篩に通し、リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子とした。得られた各比較例のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の特性を表1に示す。
(比較例5)
 鱗片状黒鉛(平均粒径35μm、円形度0.55、比表面積1.1m/g)をリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子として用いた。この炭素粒子の特性を表1に示す。
(比較例6)
 実施例1に用いたものと同じ球状化天然黒鉛を、同様に等方性加圧処理を行い、カッターミルで解砕し、実施例1と同様の炭素粒子を得た。得られた炭素粒子1000gに対し石油系ピッチ400gをそれぞれに入れ、室温で混合した。得られたピッチ被覆黒鉛質粒子を窒素流通下、20℃/hの昇温速度で900℃まで昇温し、炭素被覆黒鉛質粒子とした。得られた炭素被覆黒鉛質粒子を250メッシュの標準篩に通し、リチウムイオン二次電池負極用炭素粒子とした。得られた各実施例のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子の特性を表1に示す。
(比較例7)
 鱗片状黒鉛(平均粒径26μm、円形度0.56、比表面積5.0m/g)をリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子として用いた。この炭素粒子の特性を表1に示す。
(比較例8)
 球状化天然黒鉛(平均粒径20μm、円形度0.85、比表面積5.0m/g、真比重2.25、Lc>1000Å、d(002)3.356Å、かさ密度0.8g/ml)をリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子として用いた。この炭素粒子の特性を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 本発明により、高容量を有し、より急速充電特性に優れたリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子、それを用いたリチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池を提供できる。

Claims (8)

  1.  2×10~2×104Åの細孔の細孔体積が、炭素粒子質量あたり0.1ml/g以下であり、X線回折測定より求められる黒鉛結晶の層間距離d(002)が3.38Å以下であり、C軸方向の結晶子サイズLcが500Å以上であり、粒子断面の円形度が0.6~0.9であるリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
  2.  空気気流中における示差熱分析で550℃以上650℃以下に発熱ピークを有し、昇温5℃/minにおけるピーク面積が100μV・s/mg以上2100μV・s/mg以下である請求項1記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
  3.  レーザー回折式粒度分布計により測定される平均粒径が1~100μmである請求項1又は2記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
  4.  77Kでの窒素吸着測定より求めたN比表面積が10m/g以下である請求項1~3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
  5.  かさ密度が0.7g/ml以上である請求項1~4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
  6.  真比重が2.2以上である請求項1~5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子。
  7.  請求項1~6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素粒子を含有するリチウム二次電池用負極。
  8.  請求項7に記載の負極及びリチウム化合物を含む正極を有するリチウムイオン二次電池。
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