JP2009266816A - 二次電池用負極活物質、これを含む二次電池用電極および二次電池、並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、二次電池用負極活物質、これを含む二次電池用電極、二次電池及びその製造方法に関するものである。本発明による二次電池用負極活物質は、エッジの一部または全部が炭化物層によって被覆された芯材炭素材料を含み、CuKα線をX線源とするXRD測定データで、(002)面のピークが始まる前、回折角2θが25.5〜26.3度の区間についての放物線の接線の傾きが30〜43度であることを特徴とする。
本発明によれば、炭素材料系負極活物質の物性の中で、電解液の分解反応と密接な関連がある結晶性条件と比表面積の条件、そして電極圧着工程の工程性と関連があるタップ密度の条件を最適化することで、二次電池の放電容量、効率及び長期サイクルでの容量維持率を向上させることができる。
【選択図】図1
Description
エッジの一部または全部が炭化物層によって被覆された芯材炭素材料を含み、
CuKα線をX線源とするXRD測定データで、(002)面のピークが始まる前、回折角2θが25.5〜26.3度の区間についての放物線の接線の傾きが30〜43度である
ことを特徴とする。
望ましくは、上記芯材炭素材料は、高結晶性天然黒鉛、さらに望ましくは、球状の高結晶性天然黒鉛である。
ここで、この二次電池は、負極活物質がコーティングされた負極集電体、正極活物質がコーティングされた正極集電体、上記負極集電体と正極集電体との間に介在するセパレーター、及びこのセパレーターに含浸された二次電池用電解液を含む。
高結晶性芯材炭素材料、好ましくはタップ密度が1.0g/cm3以上である高結晶性芯材炭素材料と、軟化点が100℃以上である石炭系または石油系の被覆炭素材料とを混合して混合物を得る段階;及び
上記混合物を焼成して上記被覆炭素材料を炭化させることで芯材炭素材料のエッジの一部または全部に炭化物層、特に低結晶性炭化物層を形成する段階を含む。
望ましくは、上記混合物の焼成を、互いに異なる温度条件で2回以上行う。このような場合、後続の焼成工程の焼成温度は、先行して行われた焼成工程の焼成温度より高い。
ここで、タップ密度はJIS‐K5101に準するものであって、ホソカワミクロン社製の「パウダーテスターPT‐R」を用いて測定する。すなわち、本発明による負極活物質の粉末を目盛間隔が200μmのふるいを通じて20cc容量のタッピングセルに落下させ、タッピングセルを完全に充填した後、1秒当たり1回でストローク長さ18mmのタッピングを3000回行った後、タッピングされた負極活物質の密度を測定してタップ密度を測定する。
まず、粒子形態を有する芯材炭素材料と石炭系または石油系の炭素材料とを湿式または乾式で混合して芯材炭素材料の表面に炭素材料コーティング層を形成する。
望ましくは、上記芯材炭素材料としては、高結晶性天然黒鉛、さらに望ましくは、タップ密度が1.0g/cm3以上である球状の高結晶性天然黒鉛を用いる。
次いで、上記炭素材料コーティング層が形成された芯材炭素材料を焼成して被覆炭素材料を炭化させることで、芯材炭素材料のエッジの一部または全部に炭化物層を形成する。
[実施例1]
高結晶性の球状天然黒鉛に低結晶性炭素材料であるピッチを天然黒鉛の重量に対して20重量%の割合で混ぜ、10分間高速で乾式混合して混合物を得た。それから、混合物を焼成チャンバーに引き込んで昇温速度17℃/分で1,100℃まで昇温させた後1,100℃で1時間焼成し、また昇温速度17℃/分で2,200℃まで昇温させた後1時間焼成し、分級及び微粉除去工程を行って負極活物質を製造した。このように製造された負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ39度、0.65m2/g及び1.12g/cm3であった。
天然黒鉛に対するピッチの混合比を天然黒鉛の重量に対して10重量%に調節したことを除いては、上記実施例1と同一の方法で負極活物質を製造した。このように製造された負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ40.2度、1.28m2/g及び1.1g/cm3であった。
天然黒鉛に対するピッチの混合比を天然黒鉛の重量に対して5重量%に調節したことを除いては、上記実施例1と同一の方法で負極活物質を製造した。このように製造された負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ40.9度、1.5m2/g及び1.09g/cm3であった。
天然黒鉛に対するピッチの混合比を天然黒鉛の重量に対して1重量%に調節したことを除いては、上記実施例1と同一の方法で負極活物質を製造した。このように製造された負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ41.2度、2.1m2/g及び1.06g/cm3であった。
焼成時の昇温速度を10℃/minに調節したことを除いては、 実施例3と同一の方法で負極活物質を製造した。このように製造された負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ41.4度、1.94m2/g及び1.09g/cm3であった。
焼成時昇温速度を3℃/minに調節したことを除いては、実施例3と同一の方法で負極活物質を製造した。このように製造された負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ41.9度、1.87m2/g及び1.11g/cm3であった。
高結晶性の球状天然黒鉛のみからなる負極活物質に対するXRDデータ上の結晶性評価区間の放物線の接線の傾き、比表面積及びタップ密度を測定した結果、その値はそれぞれ44.1度、6.24m2/g及び0.93g/cm3であった。
上記実施例1〜6および比較例1で製造したそれぞれの二次電池用負極活物質を原料物質として、二次電池用電極を製作した。まず、負極活物質100gを500mlの反応器に入れ、少量のN‐メチルピロリドン(NMP)と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを投入して混合した。次いで、混合物をミキサーを用いて混練した後負極集電体である8μm厚の銅ホイルにコーティングして120℃で乾燥し1.65g/cm3の密度で圧着して二次電池用負極を製作した。それから、負極活物質の充放電特性評価のために各実施例及び比較例ごとにLiを相対電極にする2016規格のコインセルを製作した。
第1サイクルから第35サイクルまで充放電試験を行った。各サイクルの充放電試験は、電位を0.01〜1.5Vの範囲で規制しながら充電電流0.5mA/cm2で0.01Vになるまで充電し、0.01Vの電圧を維持しながら充電電流が0.02mA/cm2になるまで充電し続けた。そして、放電電流は0.5mA/cm2で1.5Vまでの放電を行った。
Claims (15)
- エッジの一部または全部が炭化物層によって被覆された芯材炭素材料を含み、
CuKα線をX線源とするXRD測定データで、(002)面のピークが始まる前、回折角2θが25.5〜26.3度の区間についての放物線の接線の傾きが30〜43度である
ことを特徴とする二次電池用負極活物質
(ここで、上記放物線の接線の傾きは、上記区間を多項式近似法(Polynomial approximation technique)に従って放物線の関数y=ax2+bx+cでマッピングしたときに、該放物線の関数の焦点に最も近接する点における接線の傾きである。)。 - タップ密度が1.0g/cm3以上であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。
- 比表面積が5m2/g以下であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。
- 上記芯材炭素材料が、高結晶性天然黒鉛であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。
- 上記高結晶性天然黒鉛が、球状の高結晶性天然黒鉛であることを特徴とする請求項4に記載の二次電池用負極活物質。
- 上記芯材炭素材料が、楕円形状、破砕状、鱗状またはウィスカー状の形状を有する天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ( mesocarbon microbead;MCMB)、メソフェーズピッチ(mesophase pitch)の微粉、等方性ピッチの微粉、樹脂炭、及び擬似黒鉛(pseudo‐graphite)構造または乱層構造(turbostratic structure)を有する非晶質系(low crystalline)炭素の微粉からなる群より選択された何れか一つ、またはこれらの混合物であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。
- 上記炭化物層が、上記芯材炭素材料に石炭系または石油系の、ピッチ、タールまたはこれらの混合物をコーティングした後炭化焼成して形成した低結晶性炭化物層であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用負極活物質。
- 請求項1〜7のうち何れか1項による負極活物質がコーティングされた金属集電体からなる二次電池用電極。
- 請求項1〜7のうち何れか1項による負極活物質がコーティングされた負極集電体、正極活物質がコーティングされた正極集電体、該負極集電体と該正極集電体との間に介在するセパレーター、及び該セパレーターに含浸された電解液を含むことを特徴とする二次電池。
- (a)タップ密度が1.0g/cm3以上である芯材炭素材料と軟化点が100℃以上である石炭系または石油系の被覆炭素材料を混合して混合物を得る段階;及び
(b)上記混合物を焼成して上記被覆炭素材料を炭化させることで芯材炭素材料のエッジの一部または全部に炭化物層を形成する段階;
を含み、かつ、
上記炭化物層が形成された芯材炭素材料からなる負極活物質についてのCuKα線をX線源とするXRD測定データで、(002)面のピークが始まる前、回折角2θが25.5〜26.3度の区間についての放物線の接線の傾きが30〜43度である
ことを特徴とする二次電池用負極活物質の製造方法
(ここで、上記放物線の接線の傾きは、上記区間を多項式近似法(Polynomial approximation technique)に従って放物線の関数y=ax2+bx+cでマッピングしたときに、該放物線の関数の焦点に最も近接する点における接線の傾きである。)。 - 上記芯材炭素材料が、球状の高結晶性天然黒鉛であることを特徴とする請求項10に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。
- 上記被覆炭素材料が、石炭系または石油系の、ピッチ、タールまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項10に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。
- 上記混合物の焼成温度が、1000〜2500℃であることを特徴とする請求項10に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。
- 上記(b)段階において、上記混合物の焼成が、互いに異なる温度条件で2回以上行われる
ことを特徴とする請求項10に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。 - 後続の焼成工程の焼成温度が、先行して行われた焼成工程の焼成温度より高いことを特徴とする請求項14に記載の二次電池用負極活物質の製造方法。
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