JP2021158044A - 非水系二次電池用負極材原料、非水系二次電池用負極材、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池 - Google Patents

非水系二次電池用負極材原料、非水系二次電池用負極材、非水系二次電池用負極及び非水系二次電池 Download PDF

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Hiroaki Yoshida
博明 吉田
俊介 山田
Shunsuke Yamada
俊介 山田
瑛博 加藤
Akihiro Kato
瑛博 加藤
信亨 石渡
Nobuyuki Ishiwatari
信亨 石渡
正和 横溝
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正和 横溝
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Abstract

【課題】高容量で、急速充電特性に優れ、充放電サイクル後の極板膨れが小さい非水系二次電池を提供できる非水系二次電池用負極材原料及び非水系二次電池用負極材、並びにこれを含む非水系二次電池用負極及び非水系二次電池を提供する。【解決手段】黒鉛を含み、かつ水銀圧入法から得られる水銀圧入量をA、水銀退出量をBとしたときに、下記式(1)が45%以上である非水系二次電池用負極材原料。式(1) B/A×100(%)【選択図】なし

Description

本発明は、非水系二次電池用負極材原料及び非水系二次電池用負極材に関する。また、本発明は、この非水系二次電池用負極材を含む非水系二次電池用負極及び非水系二次電池に関する。
近年、電子機器の小型化に伴い、高容量の二次電池に対する需要が高まってきている。特に、ニッケル・カドミウム電池や、ニッケル・水素電池に比べ、よりエネルギー密度が高く、急速充放電特性に優れた非水系二次電池、とりわけリチウムイオン二次電池が注目されている。特に、リチウムイオンを吸蔵・放出できる正極及び負極、並びにLiPFやLiBF等のリチウム塩を溶解させた非水電解液からなる非水系リチウム二次電池が開発され、実用化されている。
この非水系リチウム二次電池の負極材としては種々のものが提案されているが、高容量であること、放電電位の平坦性に優れていること等の理由から、天然黒鉛やコークス等の黒鉛化で得られる人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズピッチ、黒鉛化炭素繊維等の黒鉛質の炭素材が用いられている。また、一部の電解液に対して比較的安定しているなどの理由で非晶質の炭素材も用いられている。更には、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素を被覆あるいは付着させ、黒鉛による高容量かつ不可逆容量が小さいという特性と、非晶質炭素による電解液との安定性に優れるという特性との2つの特性を併せもたせた炭素材も用いられている。
最近では、電気自動車等の分野において、高容量であることや低温入出力特性に優れること等の特性が重視され、これらの観点から上記の非水系リチウム二次電池の負極材の中でも黒鉛粒子の表面に非晶質炭素を被覆あるいは付着させた材料が使用されている。このような材料の中でも、特許文献1において、特定の条件で非晶質炭素を被覆させると共に、黒鉛に等方的加圧処理を行うことで急速充電特性を改善した負極材が開示されている。また、特許文献2において、黒鉛粒子に被覆する非晶質炭素について、原料にキノリン含有量が高いコールタールピッチを用いて表面に存在する硫黄元素及び窒素元素の原子濃度を制御することにより、高容量で、充放電特性を改善した負極材が開示されている。また、特許文献3において、特定の熱的特性を有する炭素材により、プレス荷重が低く、低温出力特性を改善した負極材が開示されている。更に、特許文献4において、特定の非晶質炭素で被覆されており、特定の細孔容積を有することにより、低温入出力特性及び高温保存特性を改善した負極材が開示されている。
WO2011/052452 WO2012/157590 特開2017−045574号公報 特開2018−163868号公報
本発明者等の検討によれば、特許文献1〜4に記載の非水系二次電池用負極材では、充放電サイクル後の極板膨れが起こってしまうことがわかった。即ち、本発明の課題は、高
容量で、急速充電特性に優れ、充放電サイクル後の極板膨れが小さい非水系二次電池を提供できる非水系二次電池用負極材原料及び非水系二次電池用負極材、並びにこれを含む非水系二次電池用負極及び非水系二次電池を提供することにある。
本発明者等は上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、水銀圧入法により測定される水銀退出量/水銀圧入量(B/A)を特定の範囲に制御した、黒鉛質原料を用いた非水系二次電池用負極材により上記課題を解決し得ることを見出した。即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
[1] 黒鉛を含み、かつ水銀圧入法から得られる水銀圧入量をA、水銀退出量をBとしたときに、下記式(1)が45%以上である非水系二次電池用負極材原料。
式(1) B/A×100(%)
[2] 前記水銀圧入量Aが、0.001mL/g以上、0.5mL/g以下である[1]に記載の非水系二次電池用負極材原料。
[3] 前記水銀退出量Bが、0.0005mL/g以上、0.5mL/g以下である[1]または[2]に記載の非水系二次電池用負極材原料。
[4] タップ密度が0.7g/cm以上、1.4g/cm以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の非水系二次電池用負極材原料。
[5] [1]〜[4]のいずれかに記載の非水系二次電池用負極材原料を含む非水系二次電池用負極材。
[6] X線回折法から得られる面間隔(d002)が0.34nm以下であり、かつc軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が90nm以上である、[5]に記載の非水系二次電池負極材。
[7] 下記式αから算出されるラマンR値が0.15以上1.00以下である[5]または[6]に記載の非水系二次電池負極材。
式α:
[ラマンR値]=[ラマンスペクトル分析における1360cm−1付近のピークPの強度I]/[1580cm−1付近のピークPの強度I
[8] [5]〜[7]のいずれかに記載の負極材を用いた非水系二次電池。
本発明によれば、高容量で、急速充電特性に優れ、サイクル後の極板膨れが小さい非水系二次電池を提供できる非水系二次電池用負極材原料及び非水系二次電池用負極材並びにこれを含む非水系二次電池用負極及び非水系二次電池が提供される。
図1は、実施例1〜2及び比較例1〜3の水銀退出量/水銀圧入量(B/A)とサイクル膨れの関係を示すグラフである。
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。なお、本発明において、「〜」を用いてその前後に数値又は物性値を挟んで表現する場合、その前後の値を含むものとして用いることとする。
〔非水系二次電池用負極材原料〕
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池用負極材原料(以下、「本発明の負極材原料」と称する場合がある。)は、黒鉛を含み、水銀圧入法により測定された水銀圧入量(mL/g)をA、水銀退出量(mL/g)をBとした場合、水銀退出量/水銀圧入量(B/
A)×100が45%以上である。
水銀退出量/水銀圧入量(B/A)は、負極材原料粒子内構造の複雑さの指標であり、粒子内構造が複雑であることは粒子内の残存応力の大きさに繋がり、粒子内の残存応力が大きさは本原料を用いた負極材の充放電サイクルにともなう粒子膨張の発生しやすさに繋がる恐れがある。そのため、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100は、通常45%以上であり、50%以上であることがより好ましく、55%以上であることがさらに好ましく、60%以上であることが特に好ましく、63%以上であることが最も好ましい。水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100の上限としては、特に限定されないが、粒子内構造の複雑さが低くなる(すなわち、粒子内構造が単純になる)ほど粒子の球形度が低下する傾向にあり、粒子の球形度が低下すると本原料を用いた負極材を用いた負極中のリチウムイオン拡散性が低下し、急速充電性能等の負荷特性への悪影響が顕著になる恐れがあるため、95%以下であることが好ましく、90%以下であることがより好ましく、85%以下であることがさらに好ましく、80%以下であることが最も好ましい。
水銀圧入量(mL/g)Aとしては、特に限定されないが、Aが小さいことは粒子内細孔量が少ないことを意味し、粒子内細孔量が少ないと本原料を用いた負極材の入出力特性等の負荷特性の低下につながる恐れがある。そのため、水銀圧入量(mL/g)Aは0.001mL/g以上であることが好ましく、0.003mL/g以上であることがより好ましく、0.005mL/g以上であることがさらに好ましく、0.01mL/g以上であることが特に好ましく、0.03mL/g以上であることが最も好ましい。水銀圧入量(mL/g)Aの上限としては、Aが大きいことは粒子内細孔量が多いことを意味し、粒子内細孔量が多いことは本原料を用いた負極材のかさ密度の低下によるスラリー作製効率や電極乾燥効率の低下につながる恐れがあるため、1.0mL/g以下であることが好ましく、0.8mL/g以下であることがより好ましく、0.6mL/g以下であることがさらに好ましく、0.4mL/g以下であることが特に好ましく、0.3mL/g以下であることが最も好ましい。
水銀退出量(mL/g)Bとしては、特に限定されないが、Bが小さいことは粒子内細孔量が少ない、あるいは、粒子内構造が複雑であることを反映しており、前者は本原料を用いた負極材の入出力特性等の負荷特性の低下に繋がる恐れがあり、後者は粒子内の残存応力が大きいことの反映であり、粒子内の残存応力が大きいことは本原料を用いた負極材の充放電サイクルにともなう粒子膨張の発生懸念に繋がるおそれがある。そのため、水銀退出量(mL/g)Bは0.001mL/g以上であることが好ましく、0.005mL/g以上であることがより好ましく、0.010mL/g以上であることがさらに好ましく、0.040mL/g以上であることが特に好ましく、0.065mL/g以上であることが最も好ましい。水銀退出量(mL/g)Bの上限としては、Bが大きいことはB測定直前の水銀圧入量(mL/g)Aが大きいことを意味し、Aが大き過ぎると前述の懸念があるため、1.0mL/g以下であることが好ましく、0.6mL/g以下であることがより好ましく、0.4mL/g以下であることがさらに好ましく、0.2mL/g以下であることが特に好ましく、0.1mL/g以下であることが最も好ましい。
上記のような負極材原料は、負極材に含まれると二次電池の充放電に伴うサイクル後の極板膨れ(サイクル膨れ)を抑制できるため、好ましい。
本実施形態の非水系二次電池用負極材原料および非水系二次電池用負極材は、高容量でサイクル膨れの抑制に優れ、且つ、急速充電性能に優れる非水系二次電池を提供するという効果を奏する。本発明がこのような効果を奏する理由は定かではないが、次の理由が考えられる。
本実施形態の負極材原料において、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)は粒子内構造の複雑さの指標となり、B/A値が小さいほど粒子内構造が複雑であることを意味する。粒子内構造が複雑であることは粒子内の残存応力の大きさに繋がり、粒子内の残存応力の大きさは本負極材原料を用いた負極材の充放電サイクルにともなう粒子膨張の発生しやすさ
に繋がると考えられる。B/A×100の値を45%以上にすることにより、粒子内構造の複雑さを一定以下に抑え、粒子内の残存応力を抑制することで、本負極材原料を用いた負極材の充放電サイクルにともなう粒子膨張を抑制することが可能となり、負極のサイクル膨れの抑制に優れると考えられる。
さらに、B/A×100の値を63%以上に維持することで、負極のサイクル膨れの抑制に優れながら、さらに急速充電性能を高めることが可能となる。これは、負極中のリチウムイオン拡散が促進され、負極中のリチウムイオン濃度勾配が緩やかになり、急速充電のような物質拡散が律速になるような使用条件において、濃度過電圧が抑制されるためと考えられる。
[物性]
本発明の一実施形態に係る負極材原料以下に説明する(B/A)×100を満足する。<水銀圧入量および水銀退出量>
本発明の負極材原料は、水銀圧入法により測定された水銀圧入量(mL/g)をA、水銀退出量(mL/g)をBとした場合、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100が45%以上である。
上記水銀ポロシメトリー用の装置として、水銀ポロシメータ(オートポア9520:マイクロメリテックス社製)を用いることができる。試料(負極材原料)を0.2g前後の値となるように秤量し、パウダー用セルに封入し、室温、真空下(50μmHg以下)にて10分間脱気して前処理を実施する。引き続き、4psia(約28kPa)に減圧して前記セルに水銀を導入し、圧力を4psia(約28kPa)から40000psia(約280MPa)までステップ状に昇圧させた後、25psia(約170kPa)まで降圧させる。昇圧時のステップ数は42点以上、降圧時のステップ数は39点以上とし、各ステップでは10秒の平衡時間の後、水銀圧入量を測定する。こうして得られた水銀圧入曲線からWashburnの式を用い、細孔分布を算出する。なお、水銀の表面張力(γ)は485dyne/cm、接触角(ψ)は140°として算出する。平均細孔径は、累計細孔体積が50%となるときの細孔径として定義する。このようにして得られた水銀圧入挙動および水銀退出挙動より、水銀圧入量(A)と水銀退出量(B)を以下のように算出した。
水銀圧入量(A)=圧入側0.01μm以上0.6μm以下の積算細孔容積(mL/g)水銀退出量(B)=退出側25psia(約170kPa)までの水銀退出量(mL/g)
また、本発明の一実施形態に係る負極材原料は、以下の各物性を満足していることが好ましい。
(円形度)
本発明の一実施形態に係る負極材原料は、フロー式粒子像分析より求められる円形度が、0.88以上であることが好ましく、0.90以上であることがより好ましく、0.91以上であることが更に好ましく、0.92以上であることが特に好ましく、0.93以上であることが最も好ましい。このように円形度が高い黒鉛であると、それを用いて製造した負極材の、Liイオン拡散の屈曲度が下がって粒子間空隙中の電解液移動がスムーズになり、急速充電特性を高めることができるために好ましい。一方、この円形度は、理論上限が1であるため、通常、1未満であり、好ましくは0.99以下、より好ましくは0.98以下、さらに好ましくは0.97以下である。得られた負極材同士の接触性を確保してサイクル特性を高める観点からは上記上限以下であることが好ましい。
円形度はフロー式粒子像分析装置(東亜医療電子社製FPIA−2000)を使用し、
円相当径による粒径分布の測定を行い、平均円形度を算出することにより求められる。円形度は以下の式で定義され、円形度が1のときに理論的真球となる。
[円形度]=[粒子投影形状と同じ面積を持つ相当円の周囲長]/[粒子投影形状の実際の周囲長]
この円形度の測定においては、分散媒としてイオン交換水を使用し、界面活性剤としてポリオキシエチレン(20)モノラウレートを使用する。円相当径とは、撮影した粒子像と同じ投影面積を持つ円(相当円)の直径であり、円形度とは、相当円の周囲長を分子とし、撮影された粒子投影像の周囲長を分母とした比率である。測定した相当径が1.5〜40μmの範囲の粒子の円形度を平均し、円形度とする。
(タップ密度)
負極材原料のタップ密度は、好ましくは0.60g/cm以上であり、より好ましくは0.70g/cm以上であり、更に好ましくは0.80g/cm以上であり、特に好ましくは0.855/cm以上であり、最も好ましくは0.90g/cm以上であり、一方、通常1.40g/cm以下であり、好ましくは1.30g/cm以下であり、より好ましくは1.20g/cm以下である。
なお、タップ密度は、粉体密度測定器タップデンサーKYT−3000(株式会社セイシン企業製)を用いて測定される。具体的には、20ccのタップセルに試料を落下させ、セルに満杯に充填した後、ストローク長10mmのタップを1000回行い、そのときの密度をタップ密度とする。
(体積基準平均粒子径)
負極材原料の体積基準平均粒子径(D50)は特に限定されないが、通常1μm以上であり、好ましくは3μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは8μm以上であり、特に好ましくは10μm以上であり、通常50μm以下であり、好ましくは40μm以下であり、より好ましくは30μm以下であり、さらに好ましくは20μm以下であり、特に好ましくは16μm以下であり、最も好ましくは14μm以下である。
平均粒子径(d50)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)が挙げられる)の0.2重量%水溶液10mLに、複合粒子0.01gを懸濁させ、これを測定サンプルとして市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(例えばHORIBA製LA−920)に導入し、測定サンプルに28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、前記測定装置において体積基準のメジアン径として測定したものであると定義する。
(BET比表面積)
負極材原料のBET比表面積は特に限定されないが、通常1.0m/g以上であり、好ましくは1.5m/g以上であり、より好ましくは2.0m/g以上であり、更に好ましくは3.0m/g以上であり、特に好ましくは4.5m/g以上であり、最も好ましくは5.0m/g以上である。また、通常、30.0m/g以下であり、好ましくは25.0m/g以下であり、より好ましくは20.0m/g以下であり、さら好ましくは16.0m/g以下であり、特に好ましくは13.0m/g以下であり、特に好ましくは12.0m/g以下である。
なお、BET比表面積(SA)はマウンテック社製マクソーブを用いて測定することができる。具体的には、試料に対して窒素流通下100℃、3時間の予備減圧乾燥を行なった後、液体窒素温度まで冷却し、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用い、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって測定することができる。
〔非水系二次電池用負極材〕
本発明の非水系二次電池用負極材は、上述した本発明の非水系二次電池用負極材原料を含む。
[物性]
(ラマンR値)
本明細書におけるラマンR値は、下記式αの通り、負極材についてラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピークPの強度Iと、1360cm−1付近のピークPの強度Iとを測定したときの強度比(I/I)として定義する。なお、「1580cm−1付近」とは1580〜1620cm−1の範囲を、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm−1の範囲を指す。
負極材原料の下記式αで表されるラマンR値は特に限定されないが、0.10以上1.00以下であることが好ましい。また、ラマンR値は、より好ましくは0.15以上であり、さらに好ましくは0.20以上であり、特に好ましくは0.25以上であり、一方、より好ましくは0.80以下、さらに好ましくは0.60以下である。
式α:
ラマンR値=(ラマンスペクトル分析における1360cm−1付近のピークPの強度I)/(1580cm−1付近のピークPの強度I
<負極材のラマン特性(ラマンR値、ラマン半値全幅Δν(cm−1)、ラマンR値、ラマンR値)>
(ラマンR値)
上述した通り、本明細書におけるラマンR値は、下記式αの通り、負極材についてラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピークPの強度Iと、1360cm−1付近のピークPの強度Iとを測定したときの強度比(I/I)として定義する。なお、「1580cm−1付近」とは1580〜1620cm−1の範囲を、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm−1の範囲を指す。
式α:
[ラマンR値]=[ラマンスペクトル分析における1360cm−1付近のピークPの強度I]/[1580cm−1付近のピークPの強度I
本明細書におけるラマン半値全幅Δν(cm−1)は、負極材についてラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおける1360cm−1付近のピークPの半値全幅として定義する。なお、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm−1の範囲を指す。
本明細書におけるラマンR値は、下記式βの通り、負極材についてラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピークPの強度Iと、1580cm−1付近のピークPと1360cm−1付近のピークPの間の谷(極小値)の強度Iとを測定したときの強度比(I/I)として定義する。なお、「1580cm−1付近」とは1580〜1620cm−1の範囲を、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm−1の範囲を指す。
式β:
[ラマンR値]=[ラマンスペクトル分析における1580cm−1付近のピークPと1360cm−1付近のピークPの間の谷(極小値)の強度I]/[1580cm−1付近のピークPの強度I
本発明の一実施形態におけるラマンR値は、下記式γの通り、負極材についてラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおける1360cm−1付近のピークPの強度Iと、1580cm−1付近のピークPと1360cm−1付近のピークPの間
の谷(極小値)の強度Iとを測定したときの強度比(I/I)として定義する。なお、「1580cm−1付近」とは1580〜1620cm−1の範囲を、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm−1の範囲を指す。
式γ:
[ラマンR値]=[ラマンスペクトル分析における1580cm−1付近のピークPと1360cm−1付近のピークPの間の谷(極小値)の強度I]/[1360cm−1付近のピークPの強度I
本発明の一実施形態に係る負極材のラマンR値は、通常0.15以上、好ましくは0.20以上、より好ましくは0.25以上、更に好ましくは0.30以上、特に好ましくは0.32以上、最も好ましくは0.35以上である。また、通常1.00以下、好ましくは0.80以下、より好ましくは0.70以下、更に好ましくは0.65以下、特に好ましくは0.50以下である。
本発明の一実施形態に係る負極材のラマン半値全幅(Δν)は、通常65cm−1以上、好ましくは70cm−1以上、より好ましくは80cm−1以上、更に好ましくは85cm−1以上、特に好ましくは90cm−1以上、最も好ましくは100cm−1以上である。また、通常400cm−1以下、好ましくは300cm−1以下、より好ましくは250cm−1以下、更に好ましくは200cm−1以下、特に好ましくは170cm−1以下、最も好ましくは145cm−1以下である。
本発明の一実施形態に係る負極材のラマンR値は、好ましくは0.03以上、より好ましくは0.05以上、更に好ましくは0.07以上、特に好ましくは0.09以上、最も好ましくは0.11以上である。また、通常0.60以下、好ましくは0.40以下、より好ましくは0.30以下、更に好ましくは0.25以下、特に好ましくは0.22以下である。
これらラマン特性は負極材表面の黒鉛結晶性の指標となり、これらの数値が大きいほど負極材表面の黒鉛結晶性が低くなる(非晶性が高くなる)ことを示す。ラマンR値(I/I)は黒鉛化度(グラファイト構造の完全性)だけでなくグラファイト結晶表面のエッジや結晶境界の比率の影響を受けており、ラマンR値が大きいほど黒鉛化度は低くエッジや結晶境界の比率が高くなる傾向にある。このため、負極材表面の一部に非晶質炭素質を有する場合だけでなく、グラファイトが割断的に粉砕される等でエッジ比率が増大した場合にもラマンR値は大きくなる場合がある。一方で、ラマン半値全幅(Δν)はグラファイト結晶表面のエッジや結晶境界の比率による影響が比較的小さく、黒鉛化度(グラファイト構造の完全性)の影響がより大きく反映される傾向にある。このため、ラマン半値全幅(Δν)は負極材表面の一部に非晶質炭素質を有することにより大きくなる傾向にあるが、粉砕等によるエッジ比率増大においては比較的変化が小さい傾向にある。また、1580cm−1付近のピークPと1360cm−1付近のピークPの間の谷(極小値)の強度Iは、グラファイト結晶構造欠陥や非晶質炭素構造におけるSP3性に由来していると言われており、ラマンR値(I/I)やラマンR値(I/I)は黒鉛化度(ローカルなグラファイト構造の完全性)の影響がより反映される傾向にある。このため、ラマンR値(I/I)やラマンR値(I/I)は負極材表面の一部に非晶質炭素質を有することにより大きくなる傾向にあるが、粉砕等によるエッジ比率増大においては比較的変化が小さい傾向にある。
これらラマン特性の各パラメータ値が上記下限値以上であることは負極材表面の非晶性が適切な範囲であることを示しており、Liイオンが挿入・脱離しやすくなることにより低温入出力特性が向上する傾向にある。一方、これらラマン特性の各パラメータ値が上記上限値以下であると非晶性が高い炭素の持つ不可逆容量の影響の増大や電解液との副反応
の増大が抑えられ、リチウムイオン二次電池の初期充放電効率の低下やガス発生量の増大を防ぎ、電池容量が向上する傾向がある。
ラマンスペクトルはラマン分光器により測定される。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、ピーク半値全幅測定: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)
<BET比表面積(SA)>
本発明の一実施形態に係る負極材は、BET法による比表面積(SA)が、好ましくは0.5m/g以上であり、より好ましくは1.0m/g以上であり、更に好ましくは1.2m/g以上であり、特に好ましくは1.5m/g以上であり、最も好ましくは1.8m/g以上であり、一方、好ましくは10.0m/g以下、より好ましくは6.5m/g以下、更に好ましくは5.0m/g以下、特に好ましくは4.0m/g以下であり、最も好ましくは3.0m/g以下である。SAが上記下限値以上であると、Liイオンが出入りする部位が確保され、リチウムイオン二次電池の急速充放電特性が良好となる傾向にある。一方、SAが上記上限値以下であると活物質の電解液に対する活性が過剰となり過ぎず、電解液との副反応が抑えられて電池の初期充放電効率の低下やガス発生量の増大を防ぎ、電池容量が向上する傾向がある。BET比表面積(SA)は、負極材原料で説明した方法と同様の方法で測定される。
<タップ密度>
本発明の一実施形態に係る負極材は、タップ密度(g/cm)が、好ましくは0.60g/cm以上であり、より好ましくは0.80g/cm以上であり、更に好ましくは1.00g/cm以上であり、特に好ましくは1.10g/cm以上であり、最も好ましくは1.15g以上であり、一方、好ましくは1.40g/cm以下であり、より好ましくは1.35g/cm以下であり、更に好ましくは1.30g/cm以下、特に好ましくは1.24g/cm以下である。タップ密度は、上記下限値以上であると極板化作製時のスジ引き等の工程性が良好になり、負極材層の充填性が上がるため圧延性が良好で高密度の負極シートが形成し易くなり高密度化が可能になり、電極体にしたときにLiイオン移動経路の屈曲度が小さくなり、かつ粒子間空隙の形状が整うため電解液の移動がスムーズになり急速充放電特性が向上するといった観点から好ましく、また、上記上限値以下であると粒子の表面や内部に適度な空間を有するため粒子が固くなりすぎず電極プレス性に優れ、また急速充放電特性に優れる観点から好ましい。タップ密度は、負極材原料で説明した方法と同様の方法で測定される。
<面間隔(d002)及び結晶子の大きさ(Lc)>
本発明の一実施形態に係る負極材は、結晶性(黒鉛化度)に関して、学振法によるX線広角回折法から求めた(002)面の面間隔(d002)が、0.340nm以下であることが好ましく、また、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が90nm以上であることが好ましい。d002値は0.338nm以下であることがより好ましく、0.337nm以下であることが更に好ましい。また、Lcはより好ましくは95nm以上、更に好ましくは100nm以上である。d002、Lcが上記範囲であると、放電容量が大きくなるため、電池を高容量化できる観点から好ましい。
<円形度>
本発明の一実施形態に係る負極材は、フロー式粒子像分析より求められる円形度が、0.88以上であることが好ましく、0.90以上であることがより好ましく、0.91以上であることが更に好ましく、0.92以上であることが特に好ましく、0.93以上であることが最も好ましい。このように円形度が高い負極材であると、Liイオン拡散の屈曲度が下がって粒子間空隙中の電解液移動がスムーズになり急速充放電特性を高めることができるために好ましい。一方、この円形度は、理論上限が1であるため、通常、1未満であり、好ましくは0.99以下、より好ましくは0.98以下、さらに好ましくは0.97以下である。得られた負極材同士の接触性を確保してサイクル特性を高める観点からは上記上限以下であることが好ましい。円形度は、負極材原料で説明した方法と同様の方法で求められる。
<体積基準平均粒子径(平均粒子径d50)>
本発明の一実施形態に係る負極材は、体積基準平均粒子径(「平均粒子径d50」とも記載する。)は好ましくは1μm以上、より好ましくは3μm以上、更に好ましくは4μm以上、特に好ましくは5μm以上であり、最も好ましくは8μm以上である。また、好ましくは50μm以下、より好ましくは40μm以下、更に好ましくは30μm以下、特に好ましくは20μm以下、最も好ましくは14μm以下である。d50の値が上記下限値以上であると、不可逆容量の増加、初期電池容量の損失を防ぎやすくなる傾向があり、一方、d50の値が上記上限値以下であるとスラリー塗布における筋引き等の工程不都合の発生を防ぎ、急速充放電特性や低温入出力特性が向上する傾向がある。体積基準平均粒子径は、負極材原料で説明した方法と同様の方法で求められる。
[製造方法]
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池用負極材原料の製造方法は、黒鉛を含み、かつ水銀圧入法により測定された水銀圧入量(mL/g)をA、水銀退出量(mL/g)をBとした場合、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100が45%以上を満たすものとなるように製造できる方法であれば特に制限はないが、例えば、球形化処理を施した球状黒鉛を加圧処理して製造することができる。加圧処理は、異方的、等方的な加圧処理が挙げられるが、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)を特定の範囲内に制御する観点から、当方的加圧処理が好ましい。また、加圧処理の条件としては、特に限定されないが、50MPa以上300MPa以下で処理することで、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)を特定の範囲内に制御することができる。加圧処理の条件は、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)を特定の範囲内に制御する観点から、好ましくは100MPa以上、より好ましくは120MPa以上、さらに好ましくは140MPa以上、特に好ましくは160MPa以上、最も好ましくは180MPa以上、また、好ましくは280MPa以下、より好ましくは260MPa以下、さらに好ましくは240MPa以下、特に好ましくは230MPa以下、最も好ましくは220MPa以下である。上述の製造法は、具体的には、例えば、天然黒鉛を粉砕し、粉砕した天然黒鉛に造粒剤を混合して球形化処理を行い、さらに熱処理により造粒剤を除去し、球形化黒鉛を得る。得られた球形化黒鉛を加圧処理し、得られた成型物を解砕・分級処理することで、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)が特定の範囲に制御された非水系二次電池用負極材原料を製造することができる。
また、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池用負極材の製造方法は、特に限定されないが、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池用負極材原料と非晶質炭素前駆体(非晶質炭素の原料)を混合し、焼成することで製造することができる。具体的には、球形化黒鉛として加圧処理によって細孔容積を調整し、特定範囲の水銀退出量/水銀圧入量を達成することが可能となり、また、炭素構造の発達に適するように、灰分、金属不純物量、キノリン不溶分(Qi)などが低い非晶質炭素前駆体を用い、適度な焼成温度で不活性雰囲気下にて焼成することが好ましい。
<黒鉛>
本発明の一実施形態に係る負極材原料は黒鉛を含む。本発明の一実施形態に係る負極材原料を製造するために使用する黒鉛は、以下の種類、物性を示すものが好ましい。なお、黒鉛の物性について、その測定条件及び定義は特に説明しない限りは前述の負極材原料について説明したものと同様である。
黒鉛の種類は、リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能であれば、その種類は特に限定されず、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれであってもよい。天然黒鉛としては、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等のいずれであってもよいが、不純物の少ない黒鉛が好ましく、必要に応じて公知の精製処理を施して用いることが好ましい。人造黒鉛としては、コールタールピッチ、石炭系重質油、常圧残油、石油系重質油、芳香族炭化水素、窒素含有環状化合物、硫黄含有環状化合物、ポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリビニルブチラール、天然高分子、ポリフェニレンサイルファイド、ポリフェニレンオキシド、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等の有機物を、通常2500℃以上、通常3200℃以下の範囲の温度で焼成し、黒鉛化したものが挙げられる。この際、珪素含有化合物やホウ素含有化合物などを黒鉛化触媒として用いることもできる。
黒鉛の結晶性(黒鉛化度)は、通常、X線広角回折法による(002)面の面間隔(d002)が、0.335nm以上0.340nm未満である。また、d002値は0.338nm以下であることが好ましく、0.337nm以下であることがより好ましく、0.336nm以下であることが更に好ましい。
黒鉛の形状は急速充放電特性の観点から特に球状黒鉛(球状化黒鉛)であることが好ましい。黒鉛粒子を球状化する方法として、公知の技術を用いて球形化処理を施すことで球形化された黒鉛粒子を製造することができる。球形化処理としては、例えば、衝撃力を主体に粒子の相互作用も含めた圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を繰り返し粒子に与える装置を用いて行うことが挙げられる。球形化処理に用いられる装置としては具体的には、ケーシング内部に多数のブレードを設置したローターを有し、そのローターが高速回転することによって、内部に導入された炭素材に対して衝撃圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を与え、表面処理を行なう装置が好ましい。また、黒鉛粒子を循環させることによって機械的作用を繰り返して与える機構を有するものであるのが好ましい。具体的な装置としては、例えば、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、クリプトロン(アーステクニカ社製)、CFミル(宇部興産社製)、メカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン社製)、シータコンポーザ(徳寿工作所社製)等が挙げられる。これらの中で、奈良機械製作所社製のハイブリダイゼーションシステムが好ましい。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、特に制限はないが、30m/秒〜100m/秒にするのが好ましく、40m/秒〜100m/秒にするのがより好ましく、50m/秒〜100m/秒にするのが更に好ましい。また、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のがより好ましい。また、複数の鱗片状又は鱗状黒鉛、及び磨砕された黒鉛微粉等の黒鉛と造粒剤とを用い、前記特許文献4に記載された方法により造粒して得られた球状黒鉛を用いてもよい。
(円形度)
本発明の一実施形態に係る負極材原料に用いる黒鉛は、フロー式粒子像分析より求められる円形度が、0.88以上であることが好ましく、0.90以上であることがより好ましく、0.91以上であることが更に好ましく、0.92以上であることが特に好ましく、0.93以上であることが最も好ましい。このように円形度が高い黒鉛であると、それを用いて製造した負極材の、Liイオン拡散の屈曲度が下がって粒子間空隙中の電解液移
動がスムーズになり、急速充放電特性を高めることができるために好ましい。一方、この円形度は、理論上限が1であるため、通常、1未満であり、好ましくは0.99以下、より好ましくは0.98以下、さらに好ましくは0.97以下である。得られた負極材同士の接触性を確保してサイクル特性を高める観点からは上記上限以下であることが好ましい。
(タップ密度)
黒鉛のタップ密度は、好ましくは0.60g/cm以上であり、より好ましくは0.70g/cm以上であり、更に好ましくは0.80g/cm以上であり、特に好ましくは0.855/cm以上であり、最も好ましくは0.90g/cm以上であり、一方、通常1.40g/cm以下であり、好ましくは1.30g/cm以下であり、より好ましくは1.20g/cm以下である。
(体積基準平均粒子径)
黒鉛の体積基準平均粒子径(D50)は特に限定されないが、通常1μm以上であり、好ましくは3μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、通常50μm以下であり、好ましくは40μm以下であり、より好ましくは30μm以下である。
(BET比表面積)
黒鉛のBET比表面積は特に限定されないが、通常1.0m/g以上であり、好ましくは1.5m/g以上であり、より好ましくは2.0m/g以上であり、更に好ましくは3.0m/g以上であり、特に好ましくは4.5m/g以上であり、最も好ましくは5.0m/g以上である。また、通常、30.0m/g以下であり、好ましくは25.0m/g以下であり、より好ましくは20.0m/g以下である。
(ラマンR値)
黒鉛の下記式αで表されるラマンR値は特に限定されないが、0.10以上1.00以下であることが好ましい。また、ラマンR値は、より好ましくは0.15以上であり、さらに好ましくは0.20以上であり、特に好ましくは0.25以上であり、一方、より好ましくは0.80以下、さらに好ましくは0.60以下である。
式α:
ラマンR値=(ラマンスペクトル分析における1360cm−1付近のピークPの強度I)/(1580cm−1付近のピークPの強度I
<黒鉛の加圧処理>
本発明の一実施形態に係る負極材原料の製造は、黒鉛を加圧処理する工程を含むことが好ましい。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的加圧処理や、空気等のガスを加圧媒体とする空圧による等方的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行ってもよい。
黒鉛の加圧処理の加圧媒体の圧力としては、5〜400MPaの範囲が好ましく、30〜350MPaの範囲がより好ましく、50〜300MPaの範囲が更に好ましい。上記下限値以上であると細孔容積をより小さい範囲にすることができる。また、圧力が上記上限値以下であると、得られる負極材の比表面積増大を抑えやすくなる傾向にある。
<負極材原料の非晶質炭素複合化>
本発明の一実施形態に係る負極材は、表面の少なくとも一部に非晶質炭素を有する黒鉛を含むことが好ましい。この非晶質炭素複合化の処理は上記の黒鉛を含む負極材原料と非晶質炭素前駆体(非晶質炭素の原料)を混合して焼成することにより行われる。黒鉛を含
む負極材原料の非晶質炭素複合化を適切な条件で行うことにより、積算細孔容積を前述の範囲に制御しやすくなる。
非晶質炭素前駆体としては、特に限定されないが、タールやピッチ、ナフタレンやアントラセンやその誘導体等の芳香族炭化水素類、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール等の熱可塑性高分子等の有機物が挙げられる。これらの有機物前駆体は1種のみで用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、炭素構造が発達しやすいという観点から、タール、ピッチ、芳香族炭化水素類が好ましい。
非晶質炭素前駆体に含まれる灰分は、非晶質炭素前駆体の全重量に対して、好ましくは1重量%以下、より好ましくは0.5重量%以下であり、更に好ましくは0.1重量%以下である。また、灰分の下限は通常0.1重量ppm以上である。非晶質炭素前駆体に含まれる灰分が上記範囲内であると熱的特性が良好となる。
本発明における非晶質炭素前駆体に含まれる金属不純物量は、非晶質炭素前駆体の全重量に対するFe、Al、Si、Caの合計含有量に残炭率を除した値と定義する。非晶質炭素前駆体の全重量に対して、好ましくは1000重量ppm以下、より好ましく400重量ppm以下、さらに好ましくは100重量ppm以下、特に好ましくは50重量ppm以下、通常、0.1重量ppm以上である。非晶質炭素前駆体に含まれる金属不純物量が上記範囲内であると熱的特性が良好となる。
非晶質炭素前駆体に含まれるキノリン不溶分(Qi)は、非晶質炭素前駆体の全重量に対して、好ましくは5重量%以下、より好ましくは2重量%以下、さらに好ましくは1重量%以下、特に好ましくは0.5重量%以下、最も好ましくは0.1重量%以下である。非晶質炭素前駆体に含まれるキノリン不溶分(Qi)が上記範囲内であると熱的特性が良好となる。
黒鉛と非晶質炭素前駆体とを混合した後、焼成する。焼成する際の温度は、好ましくは950℃以上であり、より好ましくは1000℃以上であり、さらに好ましくは1050℃以上であり、特に好ましくは1100℃以上、最も好ましくは1150℃以上である。一方、好ましくは2000℃以下であり、より好ましくは1800℃以下であり、さらに好ましくは1600℃以下、特に好ましくは1500℃以下である。また、焼成する際の時間は、好ましくは0.5時間以上であり、より好ましくは1時間以上であり、一方、好ましくは1000時間以下であり、より好ましくは500時間以下であり、さらに好ましくは100時間以下である。焼成する際の温度、時間が上記範囲であると熱的特性が良好となる。
焼成する際の雰囲気は不活性雰囲気下であることが好ましい。具体的には、窒素やアルゴンといった不活性気体を流通させることにより酸素濃度を下げる方法や、減圧処理により酸素を系外に排出し窒素やアルゴンで復圧する方法や、コークスブリーズ等の犠牲材を製品の周囲に充填することにより炉内雰囲気に含まれる酸素を低減する方法が挙げられる。不活性気体の流通量や流通時間、減圧処理の程度、犠牲材の充填条件などにより、系内の酸素濃度を制御することが可能である。酸素濃度(体積濃度)は、好ましくは3%以下、より好ましくは1%以下、さらに好ましくは1000ppm以下、特に好ましくは500ppm以下、最も好ましくは100ppm以下である。上記範囲を上回ると、非晶質炭素質物の炭素構造の発達が阻害され、好ましい熱的特性が得られなくなる傾向がある。
黒鉛に非晶質炭素前駆体を混合する場合の非晶質炭素前駆体の混合比率は、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、黒鉛に対して、非晶質炭素前駆体の量はその残炭物(非晶質炭素)として、重量比(〔[非晶質炭素の重量]/[黒
鉛の重量]〕×100)で、通常、0.01%以上好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.5%以上、更に好ましくは1%以上、特に好ましくは2%以上、最も好ましいは3%以上である。一方、好ましくは30%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10%以下である。この重量比が上記範囲であると、高容量であり、かつ、Liイオンが挿入・脱離し易くなるため、低温入出力特性、急速充放電特性及びサイクル特性に優れる点で好ましい。
<その他の処理>
本発明の一実施形態に係る負極材を製造するために、前述の製造方法によって得られた複合粒子について、別途粉砕処理を行ってもよい。
粉砕処理に使用する粗粉砕機としては、ジョークラッシャー、衝撃式クラッシャー、コ−ンクラッシャー等が挙げられ、中間粉砕機としてはロールクラッシャー、ハンマーミル等が挙げられ、微粉砕機としてはボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル等が挙げられる。これらの中でも、ボールミル、振動ミル等が、粉砕時間が短く、処理速度の観点から好ましい。
粉砕速度は、装置の種類、大きさによって適宜設定するものであるが、例えば、ボールミルの場合、通常50rpm以上、好ましくは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。
粉砕時間は、通常30秒以上、好ましくは1分以上、より好ましくは1分30秒以上、更に好ましくは2分以上である。また、通常3時間以下、好ましくは2.5時間以下、より好ましくは2時間以下である。粉砕時間が短すぎると粒径制御が難しくなる傾向があり、粉砕時間が長すぎると、生産性が低下する傾向がある。
振動ミルの場合、粉砕速度は、通常50rpm以上、好ましくは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。
粉砕時間は、通常30秒以上、好ましくは1分以上、より好ましくは1分30秒以上、更に好ましくは2分以上である。また、通常3時間以下、好ましくは2.5時間以下、より好ましくは2時間以下である。粉砕時間が短すぎると粒径制御が難しくなる傾向があり、粉砕時間が長すぎると、生産性が低下する傾向がある。
本発明の一実施形態に係る負極材を製造するために、前述の製造方法によって得られた複合粒子について、粒径の分級処理を行ってもよい。分級処理条件としては、目開きが、通常53μm以下、好ましくは45μm以下、より好ましくは38μm以下であるものを用いて実施される。
分級処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、乾式篩い分けの場合:回転式篩い、動揺式篩い、旋動式篩い、振動式篩い等を用いることができ、乾式気流式分級の場合:重力式分級機、慣性力式分級機、遠心力式分級機(クラシファイア、サイクロン等)等を用いることができ、湿式篩い分けの場合:機械的湿式分級機、水力分級機、沈降分級機、遠心式湿式分級機等を用いることができる。
〔非水系二次電池用負極〕
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池用負極(以下、「本発明の負極」と称する場合がある。)は、集電体と、該集電体上に形成された活物質層とを備え、該活物質層が上記の本発明の一実施形態に係る負極材を含有するものである。
上記負極材を用いて負極を作製するには、負極材に結着樹脂を配合したものを水性又は有機系媒体でスラリーとし、必要によりこれに増粘材を加えて集電体に塗布し、乾燥すればよい。
結着樹脂としては、非水電解液に対して安定で、かつ非水溶性のものを用いるのが好ましい。例えば、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム及びエチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリアクリル酸、及び芳香族ポリアミド等の合成樹脂;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体やその水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン、スチレン共重合体、スチレン・イソプレン及びスチレンブロック共重合体並びにその水素化物等の熱可塑性エラストマー;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、及びエチレンと炭素数3〜12のα−オレフィンとの共重合体等の軟質樹脂状高分子;テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニデンフルオライド、ポリペンタフルオロプロピレン及びポリヘキサフルオロプロピレン等のフッ素化高分子等を用いることができる。有機系媒体としては、例えば、N−メチルピロリドン及びジメチルホルムアミドを用いることができる。
結着樹脂は、負極材100重量部に対して通常は0.1重量部以上、好ましくは0.2重量部以上用いるのが好ましい。結着樹脂の使用量を負極材100重量部に対して0.1重量部以上とすることで、負極材料相互間や負極材料と集電体との結着力が十分となり、負極から負極材料が剥離することによる電池容量の減少及びリサイクル特性の悪化を防ぐことができる。
また、結着樹脂の使用量は負極材100重量部に対して10重量部以下とするのが好ましく、7重量部以下とするのがより好ましい。結着樹脂の使用量を負極材100重量部に対して10重量部以下とすることにより、負極の容量の減少を防ぎ、かつリチウムイオン等のアルカリイオンの負極材料への出入が妨げられる等の問題を防ぐことができる。
スラリーに添加する増粘材としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース及びヒドロキシプロピルセルロース等の水溶性セルロース類、ポリビニルアルコール並びにポリエチレングリコール等が挙げられる。これらの中でも好ましいのはカルボキシメチルセルロースである。増粘材は負極材料100重量部に対して、通常0.1重量部〜10重量部、特に0.2重量部〜7重量部となるように用いるのが好ましい。
負極集電体としては、従来からこの用途に用い得ることが知られている、例えば、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、チタン及び炭素等を用いればよい。集電体の形状は通常はシート状であり、その表面に凹凸をつけたもの、ネット及びパンチングメタル等を用いることも好ましい。
集電体に負極材と結着樹脂のスラリーを塗布・乾燥した後は、加圧して集電体上に形成された活物質層の密度を大きくして負極活物質層の単位体積当たりの電池容量を大きくするのが好ましい。活物質層の密度は1.2g/cm〜1.8g/cmの範囲にあることが好ましく、1.3g/cm〜1.6g/cmであることがより好ましい。活物質
層の密度を上記下限値以上とすることで、電極の厚みの増大に伴う電池の容量の低下を防ぐことができる。また、活物質層の密度を上記上限値以下とすることで、電極内の粒子間空隙が減少に伴い空隙に保持される電解液量が減り、リチウムイオン等のアルカリイオンの移動性が小さくなり急速充放電特性が低下することを防ぐことができる。
〔非水系二次電池〕
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、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、負極として、本発明の一実施形態に係る負極を用いたものである。特に、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池に用いる正極及び負極は、通常、Liイオンを吸蔵及び放出可能な正極及び負極であることが好ましく、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、上記の本発明の一実施形態に係る負極を用いる以外は、常法に従って製造することができる。特に、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、[負極の容量]/[正極の容量]の値を1.01〜1.5に設計することが好ましく、1.2〜1.4に設計することがより好ましい。
[正極]
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池の正極の活物質となる正極材としては、例えば、基本組成がLiCoOで表されるリチウムコバルト複合酸化物、LiNiOで表されるリチウムニッケル複合酸化物、LiMnO及びLiMnで表されるリチウムマンガン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物、二酸化マンガン等の遷移金属酸化物、並びにこれらの複合酸化物混合物等を用いればよい。更にはTiS、FeS、Nb、Mo、CoS、V、CrO、V、FeO、GeO及びLiNi0.33Mn0.33Co0.33、LiFePO等を用いればよい。
前記正極材に結着樹脂を配合したものを適当な溶媒でスラリー化して集電体に塗布、乾燥することにより正極を製造することができる。なお、スラリー中にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック等の導電材を含有させることが好ましい。また、必要に応じて増粘材を含有させてもよい。なお、結着材及び増粘剤としては、この用途に周知のもの、例えば負極の製造に用いるものとして例示したものを用いることができる。
導電材の配合量は正極材100重量部に対し、0.5重量部〜20重量部が好ましく、1重量部〜15重量部がより好ましい。また、増粘材の配合量は正極材100重量部に対し、0.2重量部〜10重量部が好ましく、0.5重量部〜7重量部がより好ましい。更に、正極材100重量部に対する結着樹脂の配合量は、結着樹脂を水でスラリー化する場合には0.2重量部〜10重量部が好ましく、0.5重量部〜7重量部がより好ましく、一方、結着樹脂をN−メチルピロリドン等の結着樹脂を溶解する有機溶媒でスラリー化する場合には0.5重量部〜20重量部が好ましく、1〜15重量部がより好ましい。
正極集電体としては、例えば、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ及びタンタル等並びにこれらの合金が挙げられる。これらの中でもアルミニウム、チタン及びタンタル並びにその合金が好ましく、アルミニウム及びその合金が最も好ましい。
[電解液]
電解液は、従来公知の非水溶媒に種々のリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、フルオロ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及びビニレンカーボネート等の環状カーボネート;ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトン等の環状エステル;クラウンエーテル、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、1,2−ジメチルテトラヒドロフラン及び1,3−ジオキソラン等の環状エーテル;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル等を用いればよい。通常はこれらの2種以上を混合して用いる。なかでも環状カーボネートと鎖状カーボネート、又はこれに更に他の溶媒を混合して用いることが好ましい。
電解液には、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、無水コハク酸、無水マレイン酸、プロパンスルトン及びジエチルスルホン等の化合物やジフルオロリン酸リチウムのようなジフルオロリン酸塩等が添加されていてもよい。更に、ジフェニルエーテル及び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よい。
非水溶媒に溶解させる電解質としては、例えば、LiClO、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)及びLiC(CFSO等が挙げられる。電解液中の電解質の濃度は通常0.5mol/L〜2mol/Lであり、好ましくは0.6mol/L〜1.5mol/Lである。
[セパレータ]
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池には、正極と負極との間に介在させるセパレータを用いることが好ましい。このようなセパレータとしては、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンの多孔性シートや不織布を用いることが好ましい。
以下、実施例により本発明の内容を更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例によって限定されるものではない。なお、以下の実施例における各種の製造条件や評価結果の値は、本発明の実施態様における上限又は下限の好ましい値としての意味を持つものであり、好ましい範囲は前記した上限又は下限の値と、下記実施例の値又は実施例同士の値との組み合わせで規定される範囲であってもよい。
<負極シートの作製>
後述の条件で調製した負極材を負極活物質として用い、活物質層密度1.5±0.03g/cmの活物質層を有する極板を作製した。具体的には、負極材50.00±0.02gに、1重量%カルボキシメチルセルロースナトリウム塩水溶液を50.00±0.02g(固形分換算で0.500g)、及び重量平均分子量27万のスチレン・ブタジエンゴム水性ディスパージョン1.00±0.05g(固形分換算で0.5g)を、キーエンス製ハイブリッドミキサーで5分間撹拌し、30秒脱泡してスラリーを得た。
このスラリーを、集電体である厚さ10μmの銅箔上に、負極材料が10.00±0.2mg/cm付着するように、ダイコーターを用いて幅10cmに塗布して乾燥後、幅5cmにカットし、直径20cmのローラを用いてロールプレスして、活物質層の密度が1.5±0.03g/cmになるよう調整し電極シートを得た。
<正極シートの作製>
正極は、次の通りに作製した。まず、正極活物質としてのニッケル−マンガン−コバルト酸リチウム(LiNiMnCoO)85重量%と、導電材としてのアセチレンブラック10重量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で混合してスラリーを得た。このスラリーを、集電体である厚さ
15μmのアルミニウム箔上に正極材が22.5±0.2mg/cm付着するように、ブレードコーターを用いて塗布し、130℃で乾燥した。更にロールプレスを行い、正極密度が2.60±0.05g/cmになるよう調整し電極シートを得た。
<非水系二次電池(ラミネート型電池)の作製法>
上記方法で作製した、負極材料が10.0±0.3mg/cm付着した、活物質層の密度が1.5±0.03g/cmの負極シートと正極シート、及びポリエチレン製セパレータを、負極、セパレータ、正極の順に積層した。こうして得られた電池要素を筒状のアルミニウムラミネートフィルムで包み込み、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒(体積比=3:3:4)に、LiPFを1mol/Lになるように溶解させた電解液を注入した後で真空封止し、シート状の非水系二次電池をそれぞれ作製した。更に、電極間の密着性を高めるために、ガラス板でシート状電池を挟んで加圧した。
<非水系二次電池(コイン型電池)の作製法>
上記方法で作製した、負極材料が10.0±0.3mg/cm付着した、活物質層の密度が1.5±0.03g/cmの電極シートを直径12.5mmの円盤状に打ち抜き負極とし、リチウム金属箔を直径14mmの円板状に打ち抜き、対極とした。両極の間には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(体積比=3:7)に、LiPFを1mol/Lになるように溶解させた電解液を含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、2016コイン型電池をそれぞれ作製した。
<放電容量(mAh/g)>
上述の方法で作製した非水系二次電池(2016コイン型電池)を用いて、次の測定方法で電池充放電時の容量を測定した。
0.05Cの電流密度でリチウム対極に対して5mVまで充電し、さらに5mVの一定電圧で電流密度が0.005Cになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.1Cの電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行った。このときの負極活物質重量あたりの放電容量を本材料の放電容量(mAh/g)とした。
<サイクル膨れ>
充放電サイクルを経ていない非水系二次電池に対して、25℃で電圧範囲4.1V〜3.0V、電流値0.2C(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1Cとする、以下同様)にて3サイクル、電圧範囲4.2V〜3.0V、電流値0.2Cにて(充電時には4.2Vにて定電圧充電をさらに2.5時間実施)2サイクル、初期充放電を行った。この時点で一度固定するためのガラス板を外し、株式会社ミツトヨ製の接触式厚み計にて1つの電池に対し9点厚みを測定し、その平均を「サイクル前の厚み」とした。その後電池を再びガラス板で挟んだのち45℃の恒温槽中で0.8C−CCCV充電0.8CCC放電1.5Vカットの条件で25回充放電しサイクル試験を実施した。その後、SOC0%の状態の電池についてサイクル前と同じ場所を9点測定し、その平均を求め「サイクル後の厚み」とし、サイクル膨れ={(サイクル後の厚み)/(サイクル前の厚み)−1}×100(%)とした。
<急速充電特性>
充放電サイクルを経ていないコイン型電池に対して、25℃で電圧範囲4.1V〜3.0V、電流値0.2C(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1Cとする、以下同様)にて3サイクル、電圧範囲4.2V〜3.0V、電流値0.2Cにて(充電時には4.2Vにて定電圧充電をさらに2.5時間実施)2サイクル、初期充放電を行った。その後、SOC0%の状態から電流値3CでSOC100%までCC充電
した。得られた電圧(V)−容量(Q)曲線の微分からdV/dQ値を算出し、dV/dQ値が負領域から正領域となるdV/dQ=0のときの容量値を求め、急速充電特性={dV/dQ=0時の容量値(mAh)}/{SOC100%の容量値(mAh)}×100(%)とした。
(実施例1)
平均粒径(d50)が100μmの鱗片状天然黒鉛を粉砕してd50が11.1μmの鱗片状天然黒鉛を得た。得られた鱗片状天然黒鉛100重量部に対して造粒剤として液状オイルを12重量部混合した後、球形化処理を行い、さらに熱処理により造粒剤を除去し、球形化天然黒鉛を得た。得られた球形化黒鉛をゴム製容器に充填・密閉して等方的加圧処理を200MPaで処理することで、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)を制御した。得られた成型物を解砕・分級処理した。得られた球形化黒鉛粉末(負極材原料)の各種物性を表1に示す。なお、前記水銀ポロシメトリーにおける水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100(%)は61.5%であった。この球形化黒鉛粉末と非晶質炭素前駆体として灰分0.02重量%、金属不純物量20重量ppm、Qi1重量%に調整したピッチを混合し、炉内圧力を10torr以下に減圧処理して窒素で大気圧まで復圧し、さらに窒素を流通させて炉内の酸素濃度<100ppmにして不活性ガス中で1300℃熱処理を施した。得られた焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素質物を含有する複合炭素材を得た。焼成収率から、得られた複合炭素材において、球形化黒鉛粒子と非晶質炭素との重量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.08であることが確認された。このようにして得られた負極材の各種物性を表1に示す。また、得られた負極材を用いて、前述の放電容量、サイクル膨れ、急速充電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。なお、表1のA、Bは小数第4位を四捨五入した値を示している。
(実施例2)
平均粒径(d50)が100μmの鱗片状天然黒鉛を粉砕してd50が8.5μmの鱗片状天然黒鉛を得た。得られた鱗片状天然黒鉛に造粒剤として液状オイルを12重量部混合した後、球形化処理を行い、さらに熱処理により造粒剤を除去し、球形化天然黒鉛を得た。得られた球形化黒鉛をゴム製容器に充填・密閉して等方的加圧処理を200MPaで処理することで、水銀退出量/水銀圧入量(B/A)を制御した。得られた成型物を解砕・分級処理した。得られた球形化黒鉛粉末(負極材原料)の各種物性を表1に示す。なお、前記水銀ポロシメトリーにおける水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100(%)は69.9%であった。この球形化黒鉛粉末と非晶質炭素前駆体として灰分0.02重量%、金属不純物量20重量ppm、Qi1重量%に調整したピッチを混合し、炉内圧力を10torr以下に減圧処理して窒素で大気圧まで復圧し、さらに窒素を流通させて炉内の酸素濃度<100ppmにして不活性ガス中で1300℃熱処理を施した。得られた焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素質物を含有する複合炭素材を得た。焼成収率から、得られた複合炭素材において、球形化黒鉛粒子と非晶質炭素との重量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.06であることが確認された。このようにして得られた負極材の各種物性を表1に示す。また、得られた負極材を用いて、前述の放電容量、サイクル膨れ、急速充電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
(比較例1)
平均粒径(d50)が100μmの鱗片状天然黒鉛を球形化処理して球形化天然黒鉛(平均粒径(d50)16.2μm、BET比表面積(SA)6.9m/g、タップ密度1.00g/cm)を得た。得られた球形化黒鉛粉末(負極材原料)の前記水銀ポロシメトリーにおける水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100(%)は27.5%であった。この球形化黒鉛粉末と、非晶質炭素前駆体として灰分<0.01%、金属不純物量6
0ppm、Qi<0.1%に調整したタールを混合した後、炉内圧力を10torr以下に減圧処理して窒素で大気圧まで復圧し、さらに窒素を流通させて炉内の酸素濃度<100ppmにして1300℃熱処理を施した。得られた焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素質物を含有する複合炭素材である負極材を得た。焼成収率から、得られた負極材(複合炭素材)において、球形化黒鉛粒子と非晶質炭素との重量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.03であることが確認された。このようにして得られた負極材を用いて、前述の放電容量、サイクル膨れ、急速充電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
(比較例2)
平均粒径(d50)が100μmの鱗片状天然黒鉛を球形化処理して球形化天然黒鉛(平均粒径(d50)10.9μm、BET比表面積(SA)8.1m/g、タップ密度0.90g/cm)を得た。得られた球形化黒鉛粉末の前記水銀ポロシメトリーにおける水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100(%)は28.3%であった。この球形化黒鉛粉末と、非晶質炭素前駆体として灰分<0.01%、金属不純物量60ppm、Qi<0.1%に調整したタールを混合した後、炉内圧力を10torr以下に減圧処理して窒素で大気圧まで復圧し、さらに窒素を流通させて炉内の酸素濃度<100ppmにして1300℃熱処理を施した。得られた焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素質物を含有する複合炭素材である負極材を得た。焼成収率から、得られた負極材(複合炭素材)において、球形化黒鉛粒子と非晶質炭素との重量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.04であることが確認された。このようにして得られた負極材を用いて、前述の放電容量、サイクル膨れ、急速充電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
(比較例3)
平均粒径(d50)が100μmの鱗片状天然黒鉛を球形化処理して球形化天然黒鉛(平均粒径(d50)7.2μm、BET比表面積(SA)11.1m/g、タップ密度0.81g/cm)を得た。得られた球形化黒鉛粉末の前記水銀ポロシメトリーにおける水銀退出量/水銀圧入量(B/A)×100(%)は41.2%であった。この球形化黒鉛粉末と、非晶質炭素前駆体として灰分<0.01%、金属不純物量60ppm、Qi<0.1%に調整したタールを混合した後、炉内圧力を10torr以下に減圧処理して窒素で大気圧まで復圧し、さらに窒素を流通させて炉内の酸素濃度<100ppmにして1300℃熱処理を施した。得られた焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素質物を含有する複合炭素材である負極材を得た。焼成収率から、得られた負極材(複合炭素材)において、球形化黒鉛粒子と非晶質炭素との重量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.03であることが確認された。このようにして得られた負極材を用いて、前述の放電容量、サイクル膨れ、急速充電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
(比較例4)
表面に非晶質炭素を含有する人造黒鉛を用いて、前述の放電容量、サイクル膨れ、急速充電特性をそれぞれ測定した。結果を表1に示す。
Figure 2021158044
実施例1〜2及び比較例1〜3の水銀退出量/水銀圧入量(B/A)とサイクル膨れの関係を図1に示した。表1、図1より、本発明の負極材原料及び負極材を用いる
ことで、放電容量が高く、サイクル膨れの抑制、急速充電特性に優れたリチウムイオン二次電池を得ることができることがわかる。
本発明の非水系二次電池用負極材原料及び非水系二次電池用負極材、並びにこれを含む非水系二次電池用負極及び非水系二次電池は、高容量で、サイクル膨れが小さく、急速充放電特性に優れるため、車載用途;パワーツール用途;携帯電話、パソコン等の携帯機器用途等に好適に用いることができる。

Claims (8)

  1. 黒鉛を含み、かつ水銀圧入法から得られる水銀圧入量をA、水銀退出量をBとしたときに、下記式(1)が45%以上である非水系二次電池用負極材原料。
    式(1) B/A×100(%)
  2. 前記水銀圧入量Aが、0.001mL/g以上、0.5mL/g以下である請求項1に記載の非水系二次電池用負極材原料。
  3. 前記水銀退出量Bが、0.0005mL/g以上、0.5mL/g以下である請求項1または2に記載の非水系二次電池用負極材原料。
  4. タップ密度が0.7g/cm以上、1.4g/cm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水系二次電池用負極材原料。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の非水系二次電池用負極材原料を含む非水系二次電池用負極材。
  6. X線回折法から得られる面間隔(d002)が0.34nm以下であり、かつc軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が90nm以上である、請求項5に記載の非水系二次電池負極材。
  7. 下記式αから算出されるラマンR値が0.15以上1.00以下である請求項5または6に記載の非水系二次電池負極材。
    式α:
    [ラマンR値]=[ラマンスペクトル分析における1360cm−1付近のピークPの強度I]/[1580cm−1付近のピークPの強度I
  8. 請求項5〜7のいずれか一項に記載の負極材を用いた非水系二次電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023139662A1 (ja) * 2022-01-18 2023-07-27 株式会社レゾナック リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極材の製造方法、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

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