JP6379565B2 - 非水系二次電池負極用炭素材、及び、非水系二次電池 - Google Patents
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Description
近年、ノート型パソコンや、移動通信機器、携帯型カメラ、携帯型ゲーム機などの民生用途、ならびに電気自動車や定置用蓄電池などの大型電池向けなどの高容量化に伴い、より高い電極密度(例えば、1.6g/cm3以上)においても急速充放電特性や、高サイ
クル特性を併せ持つ非水系二次電池負極用炭素材が報告されている。
例えば、特許文献1では、天然黒鉛に対して、天然黒鉛と炭素質または黒鉛質とが複合化した複合黒鉛粒子とを混合することで、活物質層を高密度化しても、初期充放電不可逆容量が十分小さく、かつ、優れた充放電特性、サイクル特性を示す負極が作製可能であることを報告している。
特許文献3では、表面に微小突起を有する球形黒鉛粒子をリチウムイオン二次電池負極用炭素材として用いることで、プレスにおいても表面の微小突起が流路を確保し、優れた放電特性を示すことを報告している。
<1>炭素材(A)、複合炭素材(B)および複合炭素材(E)を含有する非水系二次電池負極用炭素材であって、上記炭素材(A)は、黒鉛粒子であり、上記複合炭素材(B)は、炭素材(c)に対して、少なくとも炭素質物(d)を複合化した粒子であり、かつ、アスペクト比が1.0以上4.0未満であり、上記複合炭素材(E)は、炭素材(f)と炭素質物(g)と炭素質粒子(h)を複合化した粒子であり、かつ、アスペクト比が4.0以上であることを特徴とする非水系二次電池負極用炭素材、に存し、
<2>炭素材のアスペクト比が1以上4以下であることを特徴とする<1>に記載の非水系二次電池負極用炭素材、に存し、
<3>少なくとも炭素材(A)、炭素材(c)、炭素材(f)の何れか一つが天然黒鉛であることを特徴とする<1>または<2>に記載の非水系二次電池負極用炭素材、に存し、
<4>炭素質粒子(h)がカーボンブラックであることを特徴とする<1>乃至<3>の何れか1つに記載の非水系二次電池負極用炭素材、に存し、
<5>正極及び負極、並びに、電解質を備える非水系二次電池であって、前記負極が、集電体と、前記集電体上に形成された活物質層とを備えると共に、前記活物質層が<1>乃至<4>の何れか1つに記載の非水系二次電池負極用炭素材を含有することを特徴とする非水系二次電池、に存する。
ここで前記効果の詳細は不明であるが、炭素材(A)と複合炭素材(B)とにより、大きな空隙が確保され、液の拡散が向上する。これにさらに、炭素質粒子が複合化した複合炭素材(E)が混合されることで、炭素質粒子が粒子接点の液拡散を保持させ、更なる液拡散の向上につながる。更にアスペクト比が比較的大きい複合材炭素材(E)が炭素材(A)と複合炭素材(B)との電子伝導パスの効果を奏する。その結果、優れた電池特性を得ることができると考えられる。
本発明の炭素材(A)及び複合炭素材(B)の原料である炭素材(c)に関して、一例として下記に示すが、特に制限されるものではない。また、炭素材(A)、(c)は、同一のものであってもよいし、種類や物性が異なっていてもよい。
なお、ここでいう炭素質物が複合化するというのは、炭素質物が炭素材の表面、もしくは内部に添着されている状態を示し、炭素質物が炭素材を被覆したもの、炭素材内に取り
込まれたもの、もしくは炭素質物を介して造粒体を形成した炭素材などが該当する。
炭素材の例としては、黒鉛から非晶質のものにいたるまで種々の黒鉛化度の炭素材が挙げられる。また、商業的にも容易に入手可能であるという点で、黒鉛又は黒鉛化度の小さい原料炭素(非晶質炭素)材が特に好ましい。黒鉛を炭素材として用いると、他の負極活物質を用いた場合よりも、理論値に近い容量を取り出せる点で好ましい。
ここで炭素材(A)は黒鉛粒子であり、炭素材(c)としては上記する種々の黒鉛化度の炭素材が挙げられる。
黒鉛は、天然黒鉛、人造黒鉛の何れを用いてもよい。黒鉛としては、不純物の少ないものが好ましく、必要に応じて種々の精製処理を施して用いる。
酸処理工程の代わりに2000℃以上の高温で処理することにより、灰分や金属等を蒸発、除去しても良い。また、高温熱処理時に塩素ガス等のハロゲンガス雰囲気で処理することにより灰分や金属等を除去しても良い。更に、これらの高純度化の手法を任意に組み合わせて用いても良い。
本発明における炭素材は以下の物性を示すものである。なお、本発明における測定方法は特に制限はないが、特段の事情がない限り実施例に記載の測定方法に準じる。
炭素材の学振法によるX線回折で求めた格子面(002)のd値(層間距離)は、通常
0.335nm以上、0.340nm未満である。ここで、d値は好ましくは0.339nm以下、更に好ましくは0.337nm以下である。d値が大きすぎると結晶性が低下し、初期不可逆容量が増加する場合がある。一方、下限値である0.335nmは黒鉛の理論値である。
炭素材は、表面官能基量(O/C値)が通常0.01%以上4%以下であり、1%以上3%以下が好ましく、2%以上3%以下であるとより好ましい。このO/C値が小さすぎると、バインダとの親和性が低下し、負極表面と被覆材の相互作用が弱くなり、被覆材がはがれやすくなる傾向がある。一方表面官能基量O/C値が大きすぎると、O/C値の調整が困難となり、製造処理を長時間行う必要が生じたり、工程数を増加させる必要が生じたりする傾向があり、生産性の低下やコストの上昇を招く虞がある。
本発明における表面官能基量(O/C値)はX線光電子分光法(XPS)を用いて以下のように測定することができる。 X線光電子分光法測定としてX線光電子分光器を用い、測定対象を表面が平坦になるように試料台に載せ、アルミニウムのKα線をX線源とし、マルチプレックス測定により、C1s(280〜300eV)とO1s(525〜545eV)のスペクトルを測定する。得られたC1sのピークトップを284.3eVとして帯電補正し、C1sとO1sのスペクトルのピーク面積を求め、式(1)から算出する。
O/C値(%)={X線光電子分光法(XPS)分析におけるO1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたO原子濃度/XPS分析におけるC1sのスペクトルのピーク面積に基づいて求めたC原子濃度}×100
炭素材の粒径については特に制限が無いが、使用される範囲として、体積基準平均粒径(d50)が通常50μm以下、好ましくは30μm以下、更に好ましくは25μm以下である。また、通常1μm以上、好ましくは4μm以上、更に好ましくは10μm以上である。この粒径が大きすぎると極板化した際に、筋引きなどの工程上の不都合が出る傾向があり、また、粒径が小さすぎると、表面積が大きくなりすぎて、電解液に対する活性を抑制することが難しくなる傾向がある。
炭素材のBET法で測定した比表面積については、通常4m2/g以上、好ましくは5m2/g以上である。また、通常11m2/g以下、好ましくは9m2/g以下、より好ましくは8m2/g以下である。
比表面積が小さすぎると、Liが出入りする部位が少なく、高速充放電特性及び出力特性に劣り、一方、比表面積が大きすぎると、活物質の電解液に対する活性が過剰になり、初期不可逆容量が大きくなるため、高容量電池を製造できない傾向がある。
なおBET比表面積の測定方法は、比表面積測定装置を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。
炭素材のX線回折構造解析(XRD)から得られる、Rhombohedral(菱面体晶)に対するHexagonal(六方晶)の結晶の存在比(3R/2H)は通常0.20以上、0.25以上が好ましく、0.30以上がより好ましい。3R/2Hが小さすぎると、高速充放電特性の低下を招く傾向がある。
なお、X線回折構造解析(XRD)の測定方法は、0.2mmの試料板に炭素材を配向しないように充填し、X線回折装置で、CuKα線にて出力30kV、200mAで測定する。得られた43.4°付近の3R(101)、及び44.5°付近の2H(101)の両ピークからバックグラウンドを差し引いた後、強度比3R(101)/2H(101)を算出できる。
炭素材のタップ密度は、通常0.7g/cm3以上、0.8g/cm3以上が好ましく、1g/cm3以上がより好ましい。また、通常1.3g/cm3以下、1.2g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。タップ密度が低すぎると、高速充放電特性に劣り、タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
本発明において、タップ密度は、粉体密度測定器を用い、直径1.6cm、体積容量20cm3の円筒状タップセルに、目開き300μmの篩を通して、炭素材を落下させて、セルに満杯に充填した後、ストローク長10mmのタップを1000回行なって、その時の体積と試料の重量から求めた密度をタップ密度として定義する。
炭素材のラマンR値は、1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比R(R=IB/IA)を算出して定義する。その値は通常0.15以上であり、0.4以下であることが好ましく、0.3以下がより好ましい。ラマンR値がこの範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、この範囲を上回ると、粒子表面の結晶性が乱れ、電解液との反応性が増し、充放電効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
ラマンスペクトルはラマン分光器で測定できる。具体的には、測定対象粒子を測定セル内へ自然落下させることで試料充填し、測定セル内にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、測定セルをこのレーザー光と垂直な面内で回転させながら測定を行なう。
アルゴンイオンレーザー光の波長 :514.5nm
試料上のレーザーパワー :25mW
分解能 :4cm−1
測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1 ピーク強度測定、ピーク半値幅測定:バックグラウンド処理、スムージング処理(単純平均によるコンボリューション5ポイント)
炭素材のアスペクト比は好ましくは1以上4未満、より好ましくは3未満、さらに好ましくは2未満である。アスペクト比が小さいものに関しては問題ないが、大きすぎる場合は粒子が扁平であることを示す。上記範囲内であると、塗布時にスジ引きなどを起こし難くなる。
本発明において、アスペクト比は、粒子の短径に対する長径の長さの比であり、最小値は1となるので、アスペクト比の下限は通常1である。なお、アスペクト比の測定は以下のように行った。炭素材料を電子顕微鏡で写真撮影し、任意選んだ領域内の20個の粒子について、それぞれの粒子の最長径をα(μm)、最短径をβ(μm)としてα/βを求め、α/βの20個の粒子の平均値をアスペクト比とする。
炭素材は黒鉛化されている炭素粒子であれば特に限定はないが、上述したように天然黒鉛、人造黒鉛、並びにコークス粉、ニードルコークス粉、及び樹脂等の黒鉛化物の粉体等を用いることができる。これらのうち、天然黒鉛が好ましく、中でも球形化処理を施した球形化天然黒鉛が高密度においても、液拡散を阻害しない点から特に好ましい。以下に、一例として球形化天然黒鉛の製造方法を記載する。
例えば本発明で用いる炭素材が鱗片状黒鉛である場合には、上記の表面処理による球形化工程を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれて球状になる。又は、炭素材の周囲エッジ部分が球形粉砕されて球状となり、その母体粒子に、さらに粉砕により生じた主に5μm以下の微粉が付着してなる。
例えば前述の装置を用いて処理する場合は、回転するローターの周速度を30〜100m/秒、40〜100m/秒にするのが好ましく、50〜100m/秒にするのがより好ましい。また、球形化処理は単に炭素質物を通過させるだけでも可能であるが、30秒以上装置内を循環又は滞留させて処理するのが好ましく、1分以上装置内を循環又は滞留させて処理することがより好ましい。
本発明の複合炭素材(E)の原料である炭素材(f)に関して、一例として下記に示すが、特に制限されない。
炭素材(f)は、アスペクト比が4以上である鱗片状黒鉛であることが好ましく、上記鱗片状黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛の何れを用いてもよい。また、不純物の少ない黒鉛が好ましく、必要に応じて種々の精製処理を施して用いる。
天然黒鉛の具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土壌黒鉛等が挙げられる。人造黒鉛としては、ピッチ原料を高温熱処理して製造した、コークス、ニードルコークス、高密度炭素材等の黒鉛質粒子が挙げられる。また、安全性の観点から、不純物が少なく、高純度化された炭素材が好ましい。高純度化を行なった天然黒鉛の純度は、通常98.0質量%以上、好ましくは99.0質量%以上、より好ましくは99.6質量%以上である。純度がこの範囲であれば、負極材料として用いた場合、電池容量が高くなるのでより好ましい。
本発明における炭素材は以下の物性を示すものである。なお、本発明における測定方法は特に制限はないが、特段の事情がない限り実施例に記載の測定方法に準じる。
炭素材(f)の学振法によるX線回折で求めた格子面(002)のd値(層間距離)の好適な範囲は、上記した炭素材(a)・(c)の場合と同じである。
炭素材(f)の表面官能基量O/Cの好適は範囲は、炭素材(a)・(c)の場合と同じである。
炭素材(f)のd50の好適な範囲は、炭素材(a)・(c)の場合と同じである。
炭素材(f)のBET法で測定した比表面積については、好ましくは0.5m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上である。また、好ましくは20m2/g以下、より好ましくは15m2/g以下、更に好ましくは10m2/g以下である。比表面積が高すぎるということは、アスペクト比が4以上である炭素材(f)が微粉として存在していることを意味し、導電パスの確保に寄与しないことを意味する、一方、比表面積が低すぎるということは炭素材(f)が非常に長い鱗片状であることを意味し、電極塗布時のスジ引きといった工程性の悪化を引き起こす傾向がある。
炭素材(f)のタップ密度は、通常0.2g/cm3以上、0.25g/cm3以上が好ましい。また、通常0.8g/cm3以下、0.7g/cm3以下が好ましい。炭素材(f)のタップ密度が上記範囲内であると、黒鉛質物と複合した複合炭素材(E)を混合した炭素材料の電極の強度が弱くなり難い。また、充放電での粒子の膨張収縮が大きくなり難く、粒子間の接触を保つことができる。
鱗片状黒鉛であるということは、球形化処理を受けてないということで、ラマンR値は小さい値となる。球形化処理は鱗片状黒鉛に機械的処理を与えることで、該鱗片状黒鉛が折り曲げ、角削り、粒子巻き込み、結合等により球形化される。そのため、球形化黒鉛粒子全体は鱗片状黒鉛由来の高結晶性を維持しているが、球形化黒鉛粒子の表面は結晶性が乱れその結果、粒子の表面から10nm程度の深さまでの結晶性を表すラマンR値は大きな値となる。すなわちラマンR値が小さいということは、球形化処理を受けていない、板状を呈した鱗片状黒鉛であることを示している。ラマンR値は好ましくは0.21以下、より好ましくは0.15以下、更に好ましくは0.14以下、より更に好ましくは0.13以下、特に好ましくは0.1以下、最も好ましくは0.09以下である。完全結晶黒鉛のラマンR値は理論的に0なので、ラマンR値の下限は0以上であり、好ましくは0.03以上、より好ましくは0.05以上である。
炭素材(f)のアスペクト比は、好ましくは4以上、より好ましくは5以上、さらに好ましくは6以上である。また、好ましくは50以下、より好ましくは40以下、さらに好ましくは20以下である。アスペクト比が上記範囲内であると、粒子間の接点を効果的にとることができる。
炭素材(f)は、前述の性状であれば、どのような製法で作製しても問題なく、前述の特許第3534391号公報(特許文献1)で提案されている方法を用いても製造できる。例えば、天然で産出される鱗片、鱗状、板状、塊状の黒鉛、或いは、例えば石油コークス、石炭ピッチコークス、石炭ニードルコークス、メソフェーズピッチなどを2500℃以上に加熱して製造した人造黒鉛を、必要により、不純物除去、粉砕、篩い分けや分級処理を行うことで得ることができる。
本発明の複合炭素材(B)、(E)のもう一方の原料である炭素質物(c)、(d)の前駆体である有機化合物は、一例として下記に示すが、特に制限されない。上記有機化合物は、同一のものであってもよいし、種類や物性が異なっていてもよい。また、下記に示す物性を満たすことが好ましい。
本発明における有機化合物とは、焼成を行うことによって炭素質物となる原料である。ここで、炭素質物とは、d値が通常0.340nm以上の非晶質炭素質物と、d値が0.340nm未満の黒鉛質物のことである。
(1)X線パラメータ(d002値)
<有機化合物を焼成した非晶質炭素質物における物性>
有機化合物のみを焼成処理して得られた炭素質物粉末のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が通常0.340nm以上、好ましくは0.342nm以上である。また、通常0.380nm未満、好ましくは0.370nm以下、より好ましくは0.360nm以下である。d002値が大きすぎるということは結晶性が低いことを示し、複合炭素材(B)・(E)が結晶性の低い粒子となって不可逆容量が増加する場合があり、d002値が小さすぎると非晶質の炭素質物を複合化させた効果が得られ難い。
有機化合物のみを黒鉛化処理して得られた黒鉛質物粉末のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が通常0.3354nm以上、好ましくは0.3357nm以上、より好ましくは0.3359nm以上である。また、通常0.340nm未満、好ましくは0.338nm以下、より好ましくは0.337nm以下である。d002値が大きすぎるということは結晶性が低いことを示し、複合炭素材(B)・(E)が結晶性の
低い粒子となって黒鉛質物を複合化させた効果が得られ難い場合があり、d002値が小さすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加や大電流充放電特性低下の虞がある。
<有機化合物を焼成した非晶質炭素質物における物性>
有機化合物を焼成処理して得られた非晶質炭素質物粉末の学振法によるX線回折法で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc(002))は、通常5nm以上、好ましくは10nm以上、より好ましくは20nm以上である。また通常300nm以下、好ましくは200nm以下、より好ましくは100nm以下である。結晶子サイズが大きすぎると、複合炭素材(A)が結晶性の低い粒子となって不可逆容量が増加する傾向があり、結晶子サイズが小さすぎると、炭素質物を複合化させた効果が得られ難い。
有機化合物を黒鉛化処理して得られた黒鉛質物粉末の学振法によるX線回折法で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc(002))は、通常300nm以上、好ましくは400nm以上、より好ましくは500nm以上である。また通常1000nm以下、好ましくは800nm以下、より好ましくは600nm以下である。結晶子サイズが大きすぎると、複合炭素材(B)・(E)が結晶性の低い粒子となって黒鉛質物を複合化させた効果が得られ難い場合があり、結晶子サイズが小さすぎると、充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加や大電流充放電特性低下の傾向がある。
有機化合物の軟化点が通常400℃以下、好ましくは300℃以下、より好ましくは200℃以下、さらに好ましくは150℃以下である。軟化点が高すぎると、炭素材と混合又は捏合する際に、均一に混合又は捏合することが困難になり、且つ高温で取り扱う必要が生じるため生産性に欠ける場合がある。下限は特に制限されないが、通常40℃以上である。
有機化合物のキノリン不溶分(QI)が、通常0%以上、好ましくは1%以上、より好ましくは5%以上、更に好ましくは6%以上、特に好ましくは8%以上である。また通常30%以下、好ましくは25%以下、より好ましくは20%以下、更に好ましくは15%以下、特に好ましくは12%以下である。
なお、QIとは、コールタール中に微量に含まれるサブミクロンの炭素粒子や極微小なスラッジ等であり、これが多すぎると黒鉛化過程での結晶性向上を著しく阻害し、黒鉛化後の放電容量の著しい低下を招く。
る。
充放電容量の増加とプレス性の改良のために、炭素質粒子と有機化合物の混合に際し、
黒鉛化触媒を添加しても良い。黒鉛化触媒としては、鉄、ニッケル、チタン、ケイ素、ホウ素等の金属及びこれらの炭化物、酸化物、窒化物等の化合物が挙げられる。なかでも、ケイ素、ケイ素化合物、鉄、鉄化合物が好ましく、ケイ素化合物のなかでは炭化珪素、鉄化合物のなかでは酸化鉄が特に好ましい。これらの黒鉛化触媒の添加量は、原料としての炭素質一次粒子に対して通常30質量%以下、好ましくは20質量% 以下、さらに好ま
しくは10質量% 以下、特に好ましくは5質量%以下である。黒鉛化触媒が多すぎると
、黒鉛化が進みすぎ、リチウムイオン二次電池製造時の特性、特に浸液性が充分でないといった問題が生じる場合がある。同時に、黒鉛質複合粒子内に細孔を生成させるためか、粒子の強度が低下し、その結果極板作製時のプレス工程において表面が平滑化し、イオンの移動を阻害する場合もある。一方、黒鉛化触媒が少なすぎると、黒鉛化が不十分で非水系二次電池にした時の充放電容量の低下の問題があり、また、極板作製時のプレス工程において高圧力を必要とし高密度化するのが困難となる場合もある。更に、黒鉛質複合粒子内に適量の細孔が存在しないためか、粒子の強度が高くなりすぎ、集電体に塗布された活物質層を所定の嵩密度にプレス成形するときに高圧力を必要とし、負極活物質層を高密度化するのが困難となる場合がある。
本発明の複合炭素材(E)を構成する材となる、炭素質粒子(h)としては種類も特に限定されないが、石炭微粉、気相炭素粉、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー等が挙げられる。この中でもカーボンブラックが特に好ましい。カーボンブラックであると、低温下においても入出力特性が高くなり、同時に安価・簡便に入手が可能という利点がある。
また、形状は特に限定されず、粒状、球状、鎖状、針状、繊維状、板状、鱗片状等の何れであってもよい。
本発明における炭素質粒子(h)は、次に示す物性の何れか1つ又は複数を満たしていることが好ましい。本発明においては、かかる物性を示す炭素質粒子(h)1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせで併用してもよい。
本発明における炭素質粒子(h)の1次粒径は、通常3nm以上500nm以下である。1次粒径は、好ましくは3nm以上、より好ましくは15nm以上であり、更に好ましくは30nm以上であり、特に好ましくは40nm以上であり、好ましくは500nm以下、より好ましくは200nm以下、更に好ましくは100nm以下、特に好ましくは70nm以下である。なお、炭素質粒子の1次粒子径は、SEM等の電子顕微鏡観察やレーザー回折式粒度分布計などによって測定することができる。
1次粒径が大きすぎる場合、比表面積が小さくなり、低温時の入出力特性が低下する傾向がある。また、1次粒径が小さすぎる場合、比表面積が大きくなりとなり、容量が低下する傾向がある
炭素質粒子のBET法による比表面積は、通常1m2/g以上、好ましくは10m2/g以上、より好ましくは30m2/g以上であり、通常は1000m2/g以下、好ましくは500m2/g以下、より好ましくは100m2/g以下、更に好ましくは70m2/g以下の範囲である。比表面積が大きすぎると負極活物質として用いた時に電解液に露出した部分と電解液との反応性が増加し、初期効率の低下、ガス発生量の増大を招きやすく、好ましい電池が得られにくい傾向がある。比表面積が小さすぎるとリチウムイオンが出入りする部位が少なく、高速充放電特性及び出力特性に劣る傾向がある。
炭素質粒子(h)の嵩密度は、通常0.01g/cm3以上、好ましくは0.1g/cm3以上、より好ましくは0.15g/cm3以上であり、更に好ましくは0.17g/cm3以上であり、通常1g/cm3以下、好ましくは0.8g/cm3以下、より好ましくは0.6g/cm3以下である。
炭素質粒子(h)のタップ密度は、通常0.1g/cm3以上、好ましくは0.15g/cm3以上、より好ましくは0.2g/cm3以上であり、通常2g/cm3以下、好ましくは1g/cm3以下、より好ましくは0.8g/cm3以下である。タップ密度が大きすぎる場合、低温入出力特性が低下する傾向があり、小さすぎる場合、電池容量が低下する傾向がある。
炭素質粒子(h)のDBP吸油量は、通常10ml/100g以上、好ましくは50ml/100g以上、より好ましくは60ml/100g以上、通常1000ml/100g以下、好ましくは500ml/100g以下、より好ましくは200ml/100g以下、更に好ましくは100ml/100g以下である。DBP吸油量が大きすぎる場合、容量が低下する傾向があり、小さすぎる場合、低温入出力特性が低下する傾向がある。
炭素材(A)は黒鉛粒子であり、好ましくは天然黒鉛粒子である。さらに好ましい態様としては以下の物性のものが挙げられる。
炭素材の粒径については特に制限が無いが、使用される範囲として、体積基準平均粒径(d50)が通常50μm以下、好ましくは30μm以下、更に好ましくは25μm以下である。また、通常1μm以上、好ましくは4μm以上、更に好ましくは10μm以上である。この粒径が大きすぎると極板化した際に、筋引きなどの工程上の不都合が出る傾向があり、また、粒径が小さすぎると、表面積が大きくなりすぎて、電解液に対する活性を抑制することが難しくなる傾向がある。
炭素材のBET法で測定した比表面積については、通常4m2/g以上、好ましくは5m2/g以上である。また、通常11m2/g以下、好ましくは9m2/g以下、より好ましくは8m2/g以下である。
比表面積が小さすぎると、Liが出入りする部位が少なく、高速充放電特性及び出力特性に劣り、一方、比表面積が大きすぎると、活物質の電解液に対する活性が過剰になり、初期不可逆容量が大きくなるため、高容量電池を製造できない傾向がある。
炭素材のタップ密度は、通常0.7g/cm3以上、0.8g/cm3以上が好ましく、1g/cm3以上がより好ましい。また、通常1.3g/cm3以下、1.2g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。タップ密度が低すぎると、高
速充放電特性に劣り、タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
炭素材のアスペクト比は好ましくは1以上4未満、より好ましくは3未満、さらに好ましくは2未満である。アスペクト比が小さいものに関しては問題ないが、大きすぎる場合は粒子が扁平であることを示し、極板内の液の拡散が悪くなる。
<複合炭素材(B)の製造方法>
複合炭素材(B)は、炭素材(c)と炭素質物(d)が複合化したものであり、かつ、アスペクト比が1.0以上4.0未満であれば、特に制限はない。例えば、上述した炭素材(c)に炭素質物(d)が被覆された複合粒子材を得る場合、炭素質物(d)の被覆部分を得るための有機化合物と炭素材(c)とを混合し、得られた混合物を焼成、粉砕処理を行う工程にて、本発明の複合炭素材(B)を製造することができる。
なお、原料である炭素材(c)に加圧処理を施してもよいが、炭素材(c)と炭素質物(d)を得るための有機化合物と混合し、加圧処理した後、得られた混合物を焼成、粉砕処理を行う製造する方法が、粉砕工程数が少ないという点からより好ましい。
炭素材と有機化合物との混合は常法により行うことができる。混合温度は通常は常温〜150℃であり、50〜150℃がより好ましく、100〜130℃が炭素材と有機化合物が均一に混合し易い点から更に好ましい。
炭素材と混合する際に、有機化合物は有機溶媒によって希釈することが好ましい。希釈する理由としては、有機溶媒で希釈することで混合する有機化合物の粘度を下げ、より効率良く、均一に炭素材を被覆できるからである。
また、これらを2種以上混合したものでもよい。この中でも、ベンゼン、トルエン、キシレンが比較的沸点が高く粘度の低い有機溶媒であり、揮発による濃度変化等が起こり難く、有機化合物の粘度を下げられる点で特に好ましい。
混合は通常は常圧下で行うが、所望ならば、減圧下又は加圧下で行うこともできる。混
合は回分方式及び連続方式のいずれで行うこともできる。いずれの場合でも、粗混合に適した装置及び精密混合に適した装置を組合せて用いることにより、混合効率を向上させることができる。
本発明における複合炭素材(B)に使用する炭素材(c)は加圧処理をした材を使用することができる、また有機化合物と炭素材(c)を混合する後に、炭素材に対して加圧処理を行うこともできる。
加圧及び成型する方法は特に限定されず、ロールコンパクター、ロールプレス、プリケット機、冷間等方圧加圧装置(CIP)、一軸成形機及びタブレット機などを用いることができる。炭素材を加圧することにより炭素材の内部空隙が圧縮される。その結果、加圧処理をした後に解砕した炭素材の密度が増加する。
なお、加圧処理は、一方向からの加圧による加圧処理でもよいし、等方的に加圧する処理でもよいが、粒子の扁平化が起こり難く、球形を保つことができ、塗料化した際の流動性の低下も防げる点で、等方的に加圧処理することが好ましい。
加抑制の両方が両立可能であると考えられる。
加圧処理することにより得られた炭素材は、以下のような物性を示すことが好ましい。
具体的には、混合物を非酸化性雰囲気下、好ましくは窒素、アルゴン、二酸化炭素などの流通下に加熱して、有機化合物を炭素化ないし、黒鉛化する工程である。
焼成温度は混合物の調製に用いた有機化合物により異なるが、炭素化する場合、通常は600℃以上、好ましくは700℃以上、より好ましくは800℃以上に加熱し、通常1500℃以下、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1200℃以下が好ましい。
焼成処理条件において、熱履歴温度条件、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は、適宜設定する。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こともできる。なお、本工程に用いる反応機は回分式でも連続式でも、また一基でも複数基でもよい。
焼成に使用する炉は上記要件を満たせば特に、制約はないが、例えば、シャトル炉、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、タンマン炉、アチソン炉、加熱方式も、高周波誘導加熱炉、直接式抵抗加熱、間接式抵抗加熱、直接燃焼加熱、輻射熱加熱等を用いることができる。処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。
常50rpm以上、好ましい100rpm以上、より好ましくは150rpm以上、更に好ましくは200rpm以上である。また、通常2500rpm以下、好ましくは2300rpm以下、より好ましくは2000rpm以下である。速度が速すぎると、粒径の制御が難しくなる傾向があり、速度が遅すぎると処理速度が遅くなる傾向がある。
上記製造方法で得られた複合炭素材(B)は、炭素材(c)に対して炭素質物(d)を複合化した粒子であり、以下のような特性を持つことが好ましい。
複合炭素材(B)の学振法によるX線回折で求めた002面の面間隔(d002)は、通常0.337nm以下、好ましくは0.3365nm以下、より好ましくは0.336nm以下、Lcが90nm以上であることが好ましい。X線広角回折法による002面の面間隔(d002)が0.337nm以下、Lcが90nm以上であることは、複合炭素材(B)の粒子の表面を除く大部分の結晶性が高いということであり、非晶質炭素材料に見られるような不可逆容量が大きいことによる低容量化を生じない高容量電極となる炭素材料であることを示す。
複合炭素材(B)のタップ密度は、通常0.7g/cm3以上であり、1.50g/cm3以下が好ましい。
タップ密度が小さすぎると、特に高密度に圧延された電極内で充分な連続空隙が確保されず、空隙に保持ざれた電解液内のLiイオンの移動性が落ちることで、大電流充放電特性が低下する傾向がある。タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる場合がある。
複合炭素材(B)のアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピーク強度に対する1360cm−1付近のピーク強度比であるラマンR値は通常0.01以上、好ましくは0.05以上であり、また通常0.5以下、好ましくは、0.45以下、より好ましくは0.4以下である。ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、電解液との反応性が増し、効率の低下を招く傾向があり、ラマン値が小さすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の傾向がある。
複合炭素材(B)のBET法による比表面積は通常0.5m2/g以上、好ましくは1
.0m2/g以上、好ましくは、8m2/g以下、より好ましくは7m2/g以下である。比表面積が大きすぎると電解液との反応性が増し、充放電効率の低下を招く虞があり、比表面積が小さすぎると充放電反応性が低下して、高温保存時のガス発生増加、大電流充放電特性低下の傾向がある。
複合炭素材(B)の水銀圧入法による10nm〜100000nmの範囲の細孔容量は、通常5ml/g以下、好ましくは、3ml/g以下、より好ましくは2ml/g以下であ
り、通常、0.01ml/g以上、好ましくは、0.05ml/g以上、より好ましくは0.1ml/g以上であり、250〜2500nmの範囲の細孔容積は、通常、0.001
ml/g以上、好ましくは0.002ml/g以上、より好ましくは0.005ml/g以
上であり、通常1ml/g以下、好ましくは0.9ml/g以下、より好ましくは、0.7
ml/g以下である。細孔量が大きすぎると、細孔に起因した比表面積が増加し、電解液
との反応が過剰に発生して、不可逆容量が増加する傾向があり、少なすぎると、大電流充放電特性が低下する傾向がある。
複合炭素材(B)の粒径において、通常d50は40μm以下、好ましくは、30μm以下、より好ましくは25μm以下であり、通常、3μm以上、好ましくは、4μm以上、より好ましくは5μm以上である。平均粒径が大きすぎるとこの粒径範囲を超えると極板化した際に、筋引きなどの工程上の不都合が出ることが多く、また、この粒径範囲を下回ると、表面積が大きくなりすぎ電解液との活性を抑制することが難しくなる傾向がある。
複合炭素材(B)の表面層のO/C値は、通常0.1%以上、好ましくは0.3%以上、より好ましくは0.5%以上である。また通常3%以下、好ましくは2.5%以下、より好ましく、2%以下である。O/C値が小さすぎると、負極活物質表面におけるLiイオンと電解液溶媒の脱溶媒和反応性が低下し、大電流充放電特性が低下する虞があり、大きすぎると、電解液との反応性が増し、充放電効率の低下を招く虞がある。
広角X線回折測定により得られる、複合炭素材(B)の格子面(110)と(004)に対応するピークの強度比R(=I(110)/I(004))が通常0.50以下、好ましくは、0.40以下、より好ましくは0.30以下であり、通常、0.05以上、好ましくは、0.10以上、より好ましくは0.15以上である。粉体配向比が上記範囲を下回ると、電池充電時の電極の膨張が大きくなり、サイクル試験中の膨張収縮に起因する活物質の脱落等によりサイクル特性が低下しやすくなる傾向がある。一方、粉体配向比が上記範囲を上回ると、プレスにより電極の活物質充填密度を上げ難くなる場合がある。
複合炭素材(B)のアスペクト比は好ましくは1以上4未満、より好ましくは3未満、さらに好ましくは2未満である。アスペクト比が小さいものに関しては問題ないが、大きすぎる場合は粒子が扁平であることを示し、極板内の液の拡散が悪くなる。
本発明の複合炭素材(B)における炭素質物(d)の含有量は、炭素材(c)に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3%以上、特に好ましくは0.7質量%以上であり、また前記含有量は、通常30質量%以下、好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下、特に好ましくは10質量%以
下、最も好ましくは5質量%以下である。含有量が多すぎると、非水系二次電池において高容量を達成する為に十分な圧力で圧延を行った場合に、炭素材にダメージが与えられて材料破壊が起こり、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。 一方、含有量が少なすぎると、被覆による効果が得られにくくなる傾向がある。すなわち、電池において電解液との副反応を十分に抑制できず、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。
<複合炭素材(E)の製造方法>
複合炭素材(E)は、炭素材(f)と炭素質物(g)と炭素質粒子(h)が複合化した粒子あれば、特に制限はないが、例えば、以下の(1)及び(2)の観点を考慮した製造方法を採用することが好ましい。
このような解砕混合機を用いて炭素材(f)と炭素質粒子(h)を混合することにより、炭素材(f)や炭素質粒子(h)の凝集体を解砕して均一に混合することができる。複合化する前に炭素材(f)や炭素質粒子(h)の凝集体を十分に解砕して均一に混合しておくことにより、その後の工程において生じる炭素質粒子(h)同士の凝集も抑制することができる。例えば、炭素質粒子(h)の凝集体が多く残存する炭素材は、合計細孔体積及び顕微ラマン分光装置によるラマンR値の比が大きくなる傾向にあり、保存特性が低下する傾向がある。
このような製造方法を採用することにより、本発明の複合粒子(E)の好ましい形態である、複合粒子(E)の一部若しくは全面を炭素質物(g)と炭素質粒子(h)が被覆した複合炭素材を作製し易くなる利点がある。
工程(i):炭素材(f)と炭素質粒子(h)を解砕しながら混合撹拌する工程
工程(ii):工程(a)で得られた粉体に、炭素質物(g)の被覆部分を得るための有機化合物を混合する工程
工程(iii):工程(b)で得られた混合物を、不活性ガス中で熱処理する工程
なお、炭素材(f)、炭素質粒子(h)及び有機化合物はそれぞれ1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
炭素材(f)と炭素質粒子(h)を解砕しながら混合撹拌する方法は、常法により行うことができる。以下に一例を示す。
炭素材(f)と炭素質粒子(h)の混合比率は、目的とする複合粒子の組成に基づいて適宜選択されるべきものであるが、炭素材(f)に対して、炭素質粒子(h)は、通常0
.01質量%、好ましくは0.1質量%、より好ましくは0.15質量%であり、通常20質量%、好ましくは10質量%、より好ましくは5質量%以下、更に好ましくは2.9質量%以下である。上記範囲であると、電池の充放電効率および放電容量などリチウムイオン二次電池に求められる諸特性を満足しつつ、低温下においても入出力特性が高くなる利点がある。
炭素材(f)と炭素質粒子(h)を混合する装置として解砕混合機を採用する場合、具体的な装置は特に限定されず、市販されているものを適宜採用することができるが、例えばロッキングミキサー、レーディゲミキサー、ヘンシェルミキサー等が挙げられる。また、解砕混合条件も特に限定されないが、解砕羽根(チョッパー)の回転数は、通常100rpm以上、好ましくは1000rpm以上、より好ましくは2000rpm以上であり、通常100000rpm以下、好ましくは30000rpm以下、好ましくは10000rpm以下である。さらに解砕混合時間は、通常30秒以上、好ましくは1分以上、より好ましくは10分以上であり、通常24時間以下、好ましくは3時間以下、より好ましくは1時間以下である。上記範囲内であると、炭素材(f)や炭素質粒子(h)の凝集を効果的に防止することができる。
工程(i)で得られた粉体と炭素質物(g)の被覆部分を得るための有機化合物との混合は複合炭素材(B)の製造方法と同様の方法で行うことができる。
(1)焼成温度
焼成温度は混合物の調製に用いた有機化合物により異なるが、炭素化する場合、通常は600℃以上、好ましくは700℃以上、より好ましくは800℃以上に加熱し、通常1500℃以下、好ましくは1400℃以下、より好ましくは1200℃以下が好ましい。
焼成処理条件において、熱履歴温度条件、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は、適宜設定する。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こともできる。なお、本工程に用いる反応機は回分式でも連続式でも、また一基でも複数基でもよい。
焼成に使用する炉は上記要件を満たせば特に制約はないが、例えば、シャトル炉、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、タンマン炉、アチソン炉、高周波誘導加熱炉などを用いることができ、加熱方式も、直接式抵抗加熱、間接式抵抗加熱、直接燃焼加熱、輻射熱加熱等を用いることができる。熱処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。
本発明の複合炭素材(E)における炭素質粒子(h)の含有量は、炭素材(f)の混合時における添加量とする。
本発明の炭素質粒子(h)の含有量は通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3%以上、特に好ましくは0.7質量%以上であり、また前記含有量は、通常20質量%以下、好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下、特に好ましくは7質量%以下、最も好ましくは5質量%以下である。
含有量が多すぎると、電解液との反応性が高まり、電池のサイクル特性が低下する傾向
がある。一方、含有量が少なすぎると、高密度において、粒子表面の凹凸を利用した粒子間の液拡散向上の効果が得られにくくなる傾向がある。
複合炭素材(E)は炭素材(f)と炭素質物(g)と炭素質粒子(h)が複合化した材である。炭素質物は、好ましくは非晶質炭素であることが好ましく、この態様は下記に示す物性やSEM写真等で確認することができる。
複合炭素材(E)のX線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)は3.37Å以下、結晶子サイズLcが900Å以上である。X線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が3.37Å以下、Lcが900Å以上であることは、複合炭素材(E)の粒子の表面を除く大部分の結晶性が高いということであり、非水系二次電池の負極材に用いた場合に、非晶質炭素材に見られるような不可逆容量の大きさゆえの低容量化を生じない、高容量電極となる複合炭素材であることを示す。
複合炭素材(E)のタップ密度は、通常0.8g/cm3以下であり、0.75g/cm3以下が好ましい。 複合炭素材(E)のタップ密度が0.8g/cm3以下であるということは、複合炭素材(E)が鱗片状を呈していることを示す指標の一つである。タップ密度が0.8g/cm3より小さいというのは、複合炭素材(E)の原料である球形炭素材が充分な球形粒子となっていないことを示す指標の一つである。タップ密度が0.8g/cm3より大きいと、粒子間の接触面積を向上させることができず、サイクル特性が悪化する傾向がある。
複合炭素材(E)のアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピーク強度に対する1360cm−1付近のピーク強度比であるラマンR値は通常0.45以下、好ましくは0.40以下、より好ましくは0.35以下であり、通常0.20以上、好ましくは0.23以上、より好ましくは0.25以上である。ラマン値がこの範囲であれば、負極活物質表面の結晶性が適度な範囲にあるため、高出力を得やすいことから好ましい。
複合炭素材(E)のBET法による比表面積は通常10m2/g以下、好ましくは8m2/g以下、より好ましくは6m2/g以下であり、通常0.1m2/g以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上である。比表面積が大きすぎると負極活物質として用いた時に電解液に露出した部分と電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなりやすく、好ましい電池が得られにくい傾向がある。比表面積が小さすぎると負極活物質として用いた場合の充電時にリチウムイオンの受け入れ性が悪くなる傾向がある。
複合炭素材(E)の水銀圧入法による10nm〜100000nmの範囲の細孔容量は、通常1.2mL/g以下、好ましくは、0.8mL/g以下、より好ましくは0.6mL/g以下であり、通常、0.01mL/g以上、好ましくは、0.05mL/g以上、より好ましくは0.1mL/g以上である。細孔容積が大きすぎると極板化時にバインダを多量に必要とする傾向があり、細孔容積が小さすぎると高電流密度充放電特性が低下し、かつ充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が得られなくなる傾向がある。
複合炭素材(E)の粒径において、通常d50は50μm以下、好ましくは40μm以下、より好ましくは30μm以下であり、通常、1μm以上、好ましくは、4μm以上、より好ましくは10μm以上である。平均粒径が大きすぎると炭素1粒子あたりが必要とするバインダが多量となる傾向があり、平均粒径が小さすぎると高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。
複合炭素材(E)の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上であり、また、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下である。
d10が小さすぎると、粒子の凝集傾向が強くなり、スラリー粘度上昇などの工程不都合の発生、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率が低下する傾向がある。d10が大きすぎると高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性が低下する傾向がある。
複合炭素材(E)の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積90%に相当する粒径(d90)は通常5μm以上、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上であり、また、通常300μm以下、好ましくは200μm以下、より好ましくは100μm以下である。
d90が小さすぎると、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を招く場合があり、大きすぎるとスラリーの塗布時の筋引きなどの工程不都合の発生、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。
本発明の複合炭素材(E)は、炭素質物又は黒鉛質物で被覆されている。この中でも非晶質炭素質物で被覆されていることがリチウムイオンの受入性の点から好ましく、この被覆率は、通常0.5%以上10.0%以下、好ましくは1.0%以上9.0%以下、より好ましくは、2.0%以上8.0%以下である。この含有率が大きすぎると負極材の非晶質炭素部分が多くなり、電池を組んだ際の可逆容量が小さくなる傾向がある。含有率が小さすぎると、炭素材(f)に対して非晶質炭素部位が均一にコートされないとともに強固な造粒がなされず、焼成後に粉砕した際、粒径が小さくなりすぎる傾向がある。
複合炭素材(E)の内部空隙率は通常1%以上、好ましくは3%以上、より好ましく5%以上、更に好ましくは7%以上である。また40%未満、好ましくは35%以下、より好ましくは30%以下、更に好ましくは25%以下である。この内部空隙率が小さすぎると粒子内の液量が少なくなり、充放電特性が悪化する傾向があり、内部空隙率が大きすぎると、電極にした場合に粒子間空隙が少なく、電解液の拡散が不十分になる傾向がある。
複合炭素材(E)のアスペクト比は4以上、好ましくは5以上、より好ましくは6以上である。また、好ましくは50以下、より好ましくは40以下、さらに好ましくは20以下である。アスペクト比が小さすぎる場合は、粒子間の接点が取れないため、極板内の電子伝導パスが保てず、結果、サイクル特性が悪化する傾向がある。また上記好ましい範囲にある場合、スラリーを塗布する際、電極にスジを引き難くなる。
本発明の非水系二次電池負極用炭素材は、少なくとも上述した炭素材(A)と複合炭素材(B)と複合炭素材(E)とを含むことを特徴としている。
上述の炭素材(A)、複合炭素材(B)を混合する場合、炭素材(A)と複合炭素材(B)の総量に対する炭素材(A)の混合割合は、特に制限はないが、通常5質量%以上、好ましくは10質量%以上、また、通常95質量%以下、好ましくは90質量%以下の範囲である。また、炭素材(A)と複合炭素材(B)との総量に対する複合炭素材(B)と複合炭素材(E)の混合割合はそれぞれ通常5質量%以上、好ましくは10質量%以上、また、通常95質量%以下、好ましくは90質量%以下の範囲である。
また、炭素材(A)、複合炭素材(B)に対して、複合炭素材(E)を混合する場合、複合炭素材(A)と複合炭素材(B)と複合炭素材(E)の総量に対する複合炭素材(E)の混合割合は、特に制限はないが、通常5質量%以上、好ましくは10質量%以上、また、通常95質量%以下、好ましくは90質量%以下の範囲である。
本発明の非水系二次電池負極用炭素材は炭素材(A)、複合炭素材(B)、複合炭素材(E)との混合物である
・非水系二次電池負極用炭素材の物性
本発明の非水系二次電池負極用炭素材の物性は以下のような物性であることが好ましい。
X線広角回折法による002面の面間隔(d002)は、通常0.337nm以下、好ましくは0.336nm以下である。d002値が大きすぎるということは結晶性が低いことを示し、非水系二次電池とした場合に初期不可逆容量が増加する場合がある。一方、黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.3356nmであるため、前記d値は通常0.3356nm以上である。
また、複合炭素材(E)の結晶子サイズ(Lc)は、通常30nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、電池の放電容量が低下する傾向がある。なお、Lcの下限は黒鉛の理論値である
平均粒径d50は通常50μm以下、好ましくは40μm以下、より好ましくは30μm以下、更に好ましくは20μm以下であり、通常5μm以上、好ましくは、7μm以上、より好ましくは10μm以上である。平均粒径d50が小さすぎると、比表面積が大きくなるため電解液の分解が増え、初期効率が低下する傾向があり、平均粒径d50が大きすぎると急速充放電特性の低下を招く傾向がある。また、複合炭素材(E)の平均粒径d50は、通常、黒鉛質粒子(C)の平均粒径d50と同程度またはそれより小さくなる傾向がある。
アスペクト比は好ましくは1以上4未満、より好ましくは3未満、さらに好ましくは2未満である。アスペクト比が小さいものに関しては問題ないが、大きすぎる場合は粒子が扁平であることを示し、極板内の液の拡散が悪くなる。
複合炭素材(E)の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上であり、また、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下である。
d10が小さすぎると、粒子の凝集傾向が強くなり、スラリー粘度上昇などの工程不都合の発生、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率が低下する傾向がある。d10が大きすぎると高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性が低下する傾向がある。
複合炭素材(E)の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積90%に相当する粒径(d90)は通常5μm以上、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上であり、また、通常100μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは40μm以下である。
d90が小さすぎると、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を招く場合があり、大きすぎるとスラリーの塗布時の筋引きなどの工程不都合の発生、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下を招く場合がある。
複合炭素材(E)のBET法による比表面積は通常0.5m2/g以上、好ましくは1m2/g以上、より好ましくは2m2/g以上、更に好ましくは3m2/g以上である。また、通常15m2/g以下、好ましくは12m2/g以下、より好ましくは10m2/g以下、更に好ましくは8m2/g以下、特に好ましくは6m2/g以下である。比表面積が大きすぎると負極活物質として用いた時に電解液に露出した部分と電解液との反応性が増加し、初期効率の低下、ガス発生量の増大を招きやすく、好ましい電池が得られにくい傾向がある。比表面積が小さすぎるとリチウムイオンが出入りする部位が少なく、高速充放電特性及び出力特性に劣る傾向がある。
複合炭素材(E)のタップ密度は、通常0.8g/cm3以上、0.85g/cm3以上が好ましく、0.9g/cm3以上がより好ましく、0.95g/cm3以上が更に好ましい。また、通常1.8g/cm3以下、1.5g/cm3以下が好ましく、1.3g/cm3以下がより好ましい。
タップ密度が0.8g/cm3以上であるということは、複合炭素材(E)が球状を呈していることを示す指標の一つである。タップ密度が0.8g/cm3より小さいというのは、複合炭素材(E)の原料である炭素材(C)が充分な球形粒子となっていないこと
を示す指標の一つである。タップ密度が0.8g/cm3より小さいと、電極内で充分な連続空隙が確保されず、空隙に保持された電解液内のリチウムイオンの移動性が落ちることで、急速充放電特性が低下する傾向がある。
複合炭素材(E)のラマンR値は通常1以下、好ましくは0.8以下、より好ましくは0.6以下、更に好ましくは0.5以下であり、通常0.05以上、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上、更に好ましくは0.25以上である。ラマンR値がこの範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎてLi挿入サイト数が減り、急速充放電特性の低下を招く傾向がある。一方、この範囲を上回ると、粒子表面の結晶性が乱れ、電解液との反応性が増し、充放電効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
複合炭素材(E)の水銀圧入法による10nm〜100000nmの範囲の細孔容積は、通常1.0mL/g以下、好ましくは、0.9mL/g以下、より好ましくは0.8mL/g以下であり、通常、0.05mL/g以上、好ましくは、0.1mL/g以上、より好ましくは0.15mL/g以上である。全細孔容積が上記範囲を下回ると、非水系電解液の浸入可能な空隙が少なくなり易く、急速充放電をさせた時にリチウムイオンの挿入脱離が間に合わなくなり、それに伴いリチウム金属が析出しサイクル特性が悪化する傾向がある。一方、上記範囲を上回ると、極板作製時にバインダが空隙に吸収され易くなり、それに伴い極板強度の低下を招く傾向がある。
複合炭素材(E)の細孔径80nm〜900nmの範囲の微細孔容積は、水銀圧入法(水銀ポロシメトリー)を用いて測定した値であり、通常0.08mL/g以上、好ましくは0.1mL/g以上、より好ましくは0.15mL/g以上、更に好ましくは0.3mL/g以上である。また、通常1mL/g以下であり、好ましくは0.8mL/g以下、更に好ましくは0.5mL/g以下である。
本発明の非水系二次電池負極用炭素材は、複合炭素材(A)と複合炭素材(B)、および複合炭素材(E)以外に、本発明の効果を損なわない範囲であれば、公知の炭素材を混合させてもよい。上述の非水系二次電池負極用炭素材にその他炭素材料を混合する場合、非水系二次電池負極用炭素材及びその他炭素材料の総量に対する非水系二次電池負極用炭素材の混合割合は、通常10質量%以上、好ましくは20質量%以上、また、通常90質量%以下、好ましくは80質量%以下の範囲である。その他炭素材料の混合割合が、前記範囲を下回ると、添加した効果が現れ難い傾向がある。一方、前記範囲を上回ると、本発明の非水系二次電池負極用炭素材の特性が現れ難い傾向がある。
体積基準平均粒径は、通常8μm以上、好ましくは12μm以上、また、通常60μm以下、好ましくは40μm以下の範囲である。天然黒鉛のBET比表面積は、通常3.5m2/g以上、好ましくは、4.5m2/g以上、また、通常8m2/g以下、好ましくは6
m2/g以下の範囲である。
機等を用いることができる。
と酸素との結合による不可逆容量を低減させることが可能となる。
本発明の非水系二次電池用負極(以下適宜「電極シート」ともいう。)は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備え、当該活物質層は少なくとも本発明にかかる非水系二次電池用複合炭素材を含有することを特徴とする。更に好ましくは、当該活物質層にはバインダを含有する。
きる。中でも入手の容易性から、スチレン−ブタジエンゴムが好ましい。
具体的に、分子量が大きいバインダの場合には、その重量平均分子量が通常1万以上、好ましくは5万以上、また、通常100万以下、好ましくは30万以下の範囲にあるものが望ましい。また、不飽和結合の割合が高いバインダの場合には、全バインダの1g当たりのオレフィン性不飽和結合のモル数が、通常2.5×10−7以上、好ましくは8×10−7以上、また、通常5×10−6以下、好ましくは1×10−6以下の範囲にあるものが望ましい。
また、オレフィン性不飽和結合を有するバインダは、その不飽和度が、通常15%以上、好ましくは20%以上、より好ましくは40%以上、また、通常90%以下、好ましくは80%以下の範囲にあるものが望ましい。なお、不飽和度とは、ポリマーの繰り返し単位に対する二重結合の割合(%)を表す。
オレフィン性不飽和結合を有さないバインダを併用することにより、塗布性を向上することができるが、併用量が多すぎると活物質層の強度が低下する。
ある。
バインダの割合が高過ぎると容量の減少や、抵抗増大を招きやすく、バインダの割合が少な過ぎると負極板強度が劣る。
このスラリーを、集電体である銅箔上に、負極用炭素材が5〜15mg/cm2付着するように、ドクターブレードを用いて幅5cmに塗布し、室温で風乾を行う。更に110℃で30分乾燥後、ロールプレスで、活物質層の密度が1.7g/cm3になるよう調整することにより、好ましい電極シートを得ることができる。
スラリーを塗布、乾燥して得られる活物質層の厚さは、ロールプレスを行った後の状態において、通常5μm以上、好ましくは20μm以上、更に好ましくは30μm以上、また、通常200μm以下、好ましくは100μm以下、更に好ましくは75μm以下である。活物質層が薄すぎると、活物質の粒径との兼ね合いから負極としての実用性に欠け、厚すぎると、高密度の電流値に対する十分なLiイオンの吸蔵・放出の機能が得られにくい。
以下、本発明の負極用炭素材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の詳細を例示するが、使用し得る材料や作製の方法等は以下の具体例に限定されるものではない。
本発明の非水系二次電池、特にリチウムイオン二次電池の基本的構成は、従来公知のリチウムイオン二次電池と同様であり、通常、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備える。負極としては、上述した本発明の負極を用いる。
正極は、正極活物質及びバインダを含有する正極活物質層を、集電体上に形成したもの
である。
正極板は、前記したような負極の製造と同様の手法で、正極活物質やバインダを溶剤でスラリー化し、集電体上に塗布、乾燥することにより形成する。正極の集電体としては、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール(SUS)などが用いられるが、何ら限定されない。
非水系電解液に使用される非水系溶媒は特に制限されず、従来から非水系電解液の溶媒として提案されている公知の非水系溶媒の中から、適宜選択して用いることができる。例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、1,3−ジオキソラン等の環状エーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類などが挙げられる。
混合溶媒であることが、低温でも高いイオン電導度を発現でき、低温充電負荷特性が向上するという点で特に好ましい。
リチウム塩は、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。非水系電解液中におけるリチウム塩の濃度は、通常0.5mol/L以上、2.0mol/L以下の範囲である。
更に、ジフェニルエーテル、シクロヘキシルベンゼン等の過充電防止剤が添加されていても良い。上記添加剤を用いる場合、その含有量は通常10質量%以下、中でも8質量%以下、更には5質量%以下、特に2質量%以下の範囲が好ましい。上記添加剤の含有量が多過ぎると、初期不可逆容量の増加や低温特性、レート特性の低下等、他の電池特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
正極と負極との間には通常、電極間の短絡を防止するために、多孔膜や不織布などの多
孔性のセパレータを介在させる。この場合、非水系電解液は、多孔性のセパレータに含浸させて用いる。セパレータの材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテルスルホンなどが用いられ、好ましくはポリオレフィンである。
上述のように作製した電池は以下の様な性能を示すものである。
放電Cレート特性は1Cでの放電容量/0.2Cでの放電容量が好ましくは、85%以上、より好ましくは88%以上、さらに好ましくは90%以上である。放電Cレートが悪い場合、短時間で電池から取り出せるエネルギーが少ないことを示す。
サイクル維持率は、通常70%以上、好ましくは75%以上、より好ましくは80%以上である。サイクル維持率が低すぎると、充放電を繰り返し、長い期間使用するような用途へ適さない。ここでサイクル維持率とは、1サイクル目の放電容量に対する、200サイクル目の放電容量のことを表す。
(1)体積基準平均粒径(d50)
粒径の測定方法は、界面活性剤であるポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート(例として、ツィーン20(登録商標))の0.2質量%水溶液10mLに、炭素材0.01gを懸濁させ、市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「HORIBA製LA−920」に導入し、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、測定装置における体積基準のメジアン径として測定したものを、本発明における体積基準平均粒径d50と定義する。
BET比表面積の測定方法は、例えば大倉理研社製比表面積測定装置「AMS8000」を用いて、窒素ガス吸着流通法によりBET1点法にて測定する。具体的には、試料(炭素材)0.4gをセルに充填し、350℃に加熱して前処理を行った後、液体窒素温度まで冷却して、窒素30%、He70%のガスを飽和吸着させ、その後室温まで加熱して脱着したガス量を計測し、得られた結果から、通常のBET法により比表面積を算出した。
・負極用炭素材の作成
炭素材(A)として、平均粒径(d50)とBET比表面積が表1に記載の球形化天然黒鉛を用いた。これを炭素材A1とする。
炭素材(c)として平均粒径(d50)とBET比表面積が表1に記載の球形化天然黒鉛を用い、上記球形化天然黒鉛とバインダーピッチとを、100:20の質量比で混合し、ニーダーに投入して20分間捏合した。得られた混合物を不活性ガス中で700℃、2時間、更に1000℃で1時間の熱処理し、球形化天然炭素材表面に異なる結晶性を有する炭素質物(d)が被覆した複合炭素材(B1)を得た。得られた負極用炭素材の粉体物性を表1に示す。
実施例1の負極用炭素材に導電助剤10%を添加したものを負極活物質とし、この負極活物質98質量%に、増粘剤、バインダーとしてそれぞれ、カルボキシメチルセルロースナトリウム1質量%、及び、スチレン−ブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレン−ブタジエンゴムの濃度40質量%)1質量%を加え、2軸混練で混合してスラリー化した。得られたスラリーを10μmの圧延銅箔に片面塗布して乾燥し、プレス機で圧延したものを、活物質層のサイズとして幅32mm、長さ42mm及び集電部タブ溶接部として未塗工部を有する形状に切り出し、負極とした。この時の負極の活物質の密度は1.75g/cm3であった。
正極活物質は、以下に示す方法で合成したリチウム遷移金属複合酸化物であり、組成式LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2で表される。マンガン原料としてMn3O4、ニッケル原料としてNiO、及びコバルト原料としてCo(OH)2を、Mn:Ni:Co=1:1:1のモル比となるように秤量し、これに純水を加えてスラリーとし、攪拌しながら、循環式媒体攪拌湿式ビーズミルを用いて、スラリー中の固形分を、体積基準平均粒径d50が0.2μmになるように湿式粉砕した。
着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で混合して、スラリー化した。得られたスラリーを15μmのアルミ箔に塗布して乾燥し、プレス機で厚さ100μmに圧延したものを、正極活物質層のサイズとして幅30mm、長さ40mm及び集電用の未塗工部を有する形状に切り出し正極とした。正極活物質層の密度は2.6g/cm3であった。
不活性雰囲気下でエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合物(体積比3:7)に、1mol/Lの濃度で、十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた。さらに、その電解液にビニレンカーボネート(VC)を1質量%添加したものを用いた。
正極1枚と負極1枚は活物質面が対峙するように配置し、電極の間に多孔性ポリエチレンシートのセパレータ(厚さ25μm)が挟まれるようにした。この際、正極活物質面が負極活物質面内から外れないよう対面させた。この正極と負極それぞれについての未塗工部に集電タブを溶接し、電極体としたものをポリプロピレンフィルム、厚さ0.04mmのアルミニウム箔、及びナイロンフィルムをこの順に積層したラミネートシート(合計厚さ0.1mm)を用い、内面側にポリプロピレンフィルムがくるようにしてラミネートシートではさみ、電解液を注入するための一片を除いて、電極のない領域をヒートシールした。その後、活物質層に前記非水電解液を200μL注入して、電極に充分浸透させ、密閉して、ラミネートセルを作製した。この電池の定格容量は、40mAhである。
以下の方法で各Cレートにおける放電容量を確認した。0.5Cにて、4.35Vまで充電した後、0.2Cで放電し、その際の放電容量を求めた。次に、0.5Cで再度充電し、1Cで放電、放電容量を求めた。以下の式を用いて、Cレート特性測定を行った。測定結果を表2に示す。
(式)Cレート特性=1Cでの放電容量/0.2Cでの放電容量
1サイクル目の放電容量を基準とし、50サイクル目の放電容量から次式にしたがってサイクル維持率を算出した。
サイクル維持率(%)=50サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100
炭素質粒子(h)のカーボンブラックの添加量を0.2%とした以外は実施例1と同様の方法で負極用炭素材(E2)を得た。得られた炭素材の粉体物性を表1に示す。複合炭素材(A1):複合炭素材(B1):複合炭素材(E2)=60:30:10となるように秤量し、双子円筒型混合機を用いて20分間混合し負極用炭素材を得た。得られた炭素材の粉体物性・放電Cレート特性を表2に示す。
複合炭素材(A1):複合炭素材(B1)=90:10となるように混合した以外は実施例1と同様の方法で負極用炭素材を得た。得られた炭素材の粉体物性・放電Cレート特
性を表2に示す。
複合炭素材(A1):複合炭素材(B1)=70:30となるように混合した以外は実施例1と同様の方法で負極用炭素材を得た。得られた炭素材の粉体物性・放電Cレート特性を表2に示す。
複合炭素材(A1):複合炭素材(B1)=50:50となるように混合した以外は実施例1と同様の方法で負極用炭素材を得た。得られた炭素材の粉体物性・放電Cレート特性を表2に示す。
Claims (5)
- 炭素材(A)、複合炭素材(B)および複合炭素材(E)を含有する非水系二次電池負
極用炭素材であって、上記炭素材(A)は、天然黒鉛である黒鉛粒子であり、上記複合炭
素材(B)は、天然黒鉛である炭素材(c)に対して、少なくとも炭素質物(d)を複合
化した粒子であり、かつ、アスペクト比が1.0以上4.0未満であり、上記複合炭素材
(E)は、炭素材(f)と炭素質物(g)と炭素質粒子(h)を複合化した粒子であり、
アスペクト比が4.0以上であり、かつ、炭素材(A)と複合炭素材(B)の総量に対す
る炭素材(A)の混合割合が5質量%以上95質量%以下であり、かつ炭素材(A)と複
合炭素材(B)と複合炭素材(E)の総量に対する複合炭素材(E)の混合割合が5質量
%以上95質量%以下であることを特徴とする非水系二次電池負極用炭素材。 - 少なくとも炭素材(A)のアスペクト比が1以上4以下であることを特徴とする請求項
1に記載の非水系二次電池負極用炭素材。 - 炭素材(f)が天然黒鉛であることを特徴とする請求項1または2に記載の非水系二次
電池負極用炭素材。 - 炭素質粒子(h)がカーボンブラックであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか
1項に記載の非水系二次電池負極用炭素材。 - 正極及び負極、並びに、電解質を備える非水系二次電池であって、前記負極が、集電体
と、前記集電体上に形成された活物質層とを備えると共に、前記活物質層が請求項1乃至
4の何れか1項に記載の非水系二次電池負極用炭素材を含有することを特徴とする非水系
二次電池。
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