JP5065901B2 - 非水電解質二次電池用負極材料及びその製造法並びに負極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
(1)JIS R1620(4)気体置換法に準拠して測定したヘリウムを置換媒体として測定した真密度(ρH)が1.5g/cm3以上1.9g/cm3以下であり、好ましくは1.55g/cm3以上1.85g/cm3以下であり、より好ましくは1.60g/cm3以上1.80g/cm3以下である;又は
(2)JIS K1469に準拠して測定した120時間後の平衡水分吸着量が1重量%以下であり、好ましくは0.0重量%以上0.5重量%以下である。
(XRD測定)
「(002)面の平均層面間隔d002」は、負極材料粉末を試料ホルダーに充填し、グラファイトモノクロメーターにより単色化したCuKα線を線源とし、X線回折図形を得て、回折図形のピーク位置を積分法(回折線の接線と回折図形に囲まれた面積の重心位置を求め、これに対応する2θ値でピークの位置を求める方法)により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(111)面の回折ピークを用いて補正し、CuKα線の波長を0.15418nmとし、Braggの公式によりをd002を計算した値である。
「窒素吸着による比表面積」は、B.E.T.の式から誘導された近似式
JIS R1620 (2)ピクノメータ法に準拠して、30℃でブタノールを置換媒体として、真密度(ρB)を測定した。
ヘリウムを置換媒体とする真密度ρHの測定は、マイクロメリティックス社製マルチボリューム・ピクノメーター(アキュピック1330)を用い、試料を200℃で12時間真空乾燥させてから行った。測定時の周囲温度は、25℃で一定として行った。本測定法での圧力はいずれもゲージ圧力であり、絶対圧力から周囲圧力を差し引いた圧力である。
島津製作所製DTG-50を使用し、乾燥空気気流下で示差熱分析を行った。分析条件は、試料2mg、100ml/分の空気気流下、昇温速度10℃/分である。示差熱曲線から発熱ピーク温度を読み取った。
CHNアナライザーによる元素分析を行った。酸素含有量は次式で計算した。
負極材料を恒温恒湿槽内に静置し、水分吸着に伴う重量変化を測定した。測定は、JIS K1469の水分測定法に準拠して行った。測定前に、負極材料を200℃で12時間、真空乾燥させ、その後、この負極材料1gを縦5.5cm、幅8.5cm、高さ1.5cmの蓋付き容器に、できる限り薄い厚みとなるように広げた。温度40℃、湿度90%の一定雰囲気に制御した恒温恒湿槽内に、120時間、蓋を外した状態で放置した後、恒温恒湿槽から容器を取り出し、重量測定を行った(重量a)。続いて内部を107℃に保持した自然対流式の乾燥機で2時間乾燥させ、デシケータ中で室温まで放冷した後、重量測定を行った(重量b)。平衡水分吸着量(単位;重量%)は次式で計算した。
負極材料を酸水素炎燃焼装置(Heraeus社製ウイックボルドV5型)を用いて燃焼させ、生成した燃焼ガス中のHClを0.01モルのNaOH水溶液に吸収させた後、この水溶液中の塩素含有量をイオンクロマトグラフィー分析装置(DIONEX社製DX-300型)で定量した。イオンクロマトグラフィー分析装置の検量線の作成に際しては、関東化学(株)製イオンクロマトグラフィー用塩化物イオン標準液(塩化ナトリウム水溶液、塩素イオン濃度1000ppm)を希釈することにより20ppm、100ppm、500ppmの各濃度溶液を調製して分析した。
島津製作所製高化式フローテスターを用い、250μm以下に粉砕された試料(ピッチ)1gを直径1mmのノズルを底部に有する断面積1cm2のシリンダーに充填し、9.8N/cm2(10Kg/cm2 )の加重を加えながら6℃/分の速度で昇温した。温度の上昇に伴い粉体粒子が軟化し、充填率が向上し、試料粉体の体積は減少するが、ある温度以上では体積の減少は停止した。さらに昇温を続けると、シリンダー下部のノズルより試料が溶融して流出した。このときの試料粉体の体積減少が停止する温度をその試料の軟化点と定義した。なお軟化点の高い試料においては、ノズルからの試料の流出が起らない場合もある。
後述する各実施例及び比較例で製造した各負極材料を用いて、以下のようにして非水電解質二次電池を作成し、その特性を評価した。本発明の負極材料は非水電解質二次電池の負極として用いるのに適しているが、本発明の効果である電池活物質の充電容量、放電容量及び非放電容量を、対極の性能のバラツキに影響されることなく精度良く評価するために、対極リチウム評価を行った。すなわち特性の安定したリチウム金属を負極とし、上記で得られた負極材料を正極とするリチウム二次電池を構成し、その特性を評価した。
LiCoO2正極との組み合わせ電池における、45℃で100サイクル後の放電量を、初回放電量に対する%容量維持率として求めた。その詳細は、以下の通りである。
軟化点205℃、H/C原子比0.65の石油系ピッチ70kgと、ナフタレン30kgとを、撹拌翼および出口ノズルを具備する内容積300リットルの耐圧容器に仕込み、190℃で加熱溶融混合を行った後、80℃以上90℃以下に冷却し、耐圧容器内を窒素ガスにより加圧して、内容物を出口ノズルから押出し、直径約500μmの紐状成形体を得た。次いで、この紐状成形体を直径(D)と長さ(L)の比(L/D)が約1.5になるように粉砕し、得られた破砕物を93℃に加熱した0.53重量%のポリビニルアルコール(ケン化度88%)を溶解した水溶液中に投入し、撹拌分散し、冷却して球状ピッチ成形体スラリーを得た。大部分の水をろ過により取り除いた後、球状ピッチ成形体の約6倍量の重量のn−ヘキサンで、球状ピッチ成形体中のナフタレンを抽出除去して、多孔性球状ピッチ成形体を形成した。このようにして得た多孔性球状ピッチ成形体を、流動床を用いて、30L/minの加熱空気を通じながら215℃に昇温することで酸化を行い、熱に対して不融性の多孔性球状酸化ピッチを得た。得られた酸化ピッチの酸素含有量は6重量%であった。
多孔性球状ピッチの酸化を223℃に昇温することによって酸素含有量が9重量%の酸化ピッチを製造し、この酸素含有量9重量%の酸化ピッチの炭素化温度を1200℃とした以外は実施例1と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの炭素化温度を1300℃とした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
炭素化圧力を2kPa加圧とした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
炭素化圧力を10kPa加圧とした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
炭素化反応時の窒素ガス気流流量を60ml/g・hとした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
炭素化反応時の窒素ガス気流流量を120ml/g・hとして流動層にした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの酸素含有量を5重量%とした以外は、実施例1と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの酸素含有量を5重量%とし、炭素化温度を1200℃とした以外は、実施例1と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
炭素化温度を1350℃とした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
炭素化温度を1400℃とした以外は、実施例2と同様にして、負極材料(炭素質材料)を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの酸素含有量を3重量%とし、炭素化温度を1200℃とした以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を製造した。
炭素化温度を1100℃とした以外は実施例2と同様にして、炭素質材料を製造した。
炭素化温度を1500℃とした以外は実施例2と同様にして、炭素質材料を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの酸素含有量を10重量%とし、炭素化温度を1200℃とした以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの酸素含有量を17重量%とし、粉末状炭素前駆体を8.5cm×15cmの板上に10g薄層にして仕込み、窒素気流200ml/g・hの速度で1200℃まで昇温し、1200℃に1時間保持して炭素質材料を製造した以外は実施例1と同様にして炭素質材料を製造した。
多孔性球状酸化ピッチの酸素含有量を17重量%とし、炭素化温度を1200℃とした以外は実施例1と同様にして、炭素質材料を製造した。
比較例5で得た粉末状炭素前駆体30gを試料収容部が直径40mm、高さ60mmの円柱状るつぼに仕込み、電気炉内に置いた。電気炉内雰囲気を窒素ガス置換した後、常圧の窒素気流200ml/g・hの速度で600℃/hで2000℃まで昇温し、2000℃で1時間保持して炭素質材料を製造した。
電気炉内温度が2000℃に達した時点で、窒素気流166ml/g・h及び塩素気流34ml/g・hの混合気流に切り換えて1時間保持し、その後、再び窒素気流200ml/g・hに切り換えた以外は比較例7と同様にして、炭素質材料を製造した。
Claims (7)
- 空気気流下で測定した示差熱分析において、650℃以上700℃未満に少なくとも1個の発熱ピークと、700℃以上760℃未満に少なくとも1個の発熱ピークと、を有し、
X線回折法により求められる(002)面の平均層面間隔d002が0.365nm以上0.370nm以下であり、
JIS R1620(4)気体置換法に準拠して測定したヘリウムを置換媒体として測定した真密度(ρH)が1.6g/cm3以上1.8g/cm3以下であり、
JIS K1469に準拠して測定した平衡水分吸着量が1重量%以下であり、
対極リチウム評価における電位0.1Vでの1g当たりの放電容量が60mAh/g以上115mAh/g未満、対極リチウム評価における電位1.5Vでの1g当たりの放電容量が200mAh/g以上300mAh/g未満で且つリチウムドープに要する電気容量とリチウム脱ドープに要する電気容量との差(不可逆容量)が60mAh/g以下である
酸素含有量が5重量%以上10重量%未満である負極材料前駆体から得られる非水電解質二次電池用負極材料。 - さらに、BET法で測定した比表面積が0.5m2/g以上5m2/g以下である、請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極材料。
- 酸素含有量が5重量%以上10重量%未満である負極材料前駆体を、120ml/g・h以下の不活性ガス気流下、常圧乃至10kPa加圧下、1100℃超過1500℃未満の温度にて炭素化することを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用負極材料の製造方法。
- 前記負極材料前駆体は、
石油又は石炭系のピッチに対し、沸点200℃以上の2乃至3個の環を有する芳香族化合物の1種又は2種以上を添加して、加熱し溶融混合し、成形して、該芳香族化合物を内包する球状ピッチ成形体を得る工程と、
次いで、ピッチに対する溶解度が低く且つ該芳香族化合物に対する溶解度が高い溶剤を用いて、該球状ピッチ成形体から内包されている該芳香族化合物を抽出除去し、多孔性球状ピッチ成形体を得る工程と、
得られた多孔性球状ピッチ成形体を酸化する工程と、
を含む製造工程により得られる請求項3に記載の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用負極材料を含む負極。
- 請求項5の負極と、リチウム複合酸化物を正極活物質として含む正極と、非水電解液と、を有する非水電解質二次電池。
- ハイブリッド型電気自動車用非水電解質二次電池である請求項6記載の非水電解質二次電池。
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