JP5133543B2 - メソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の要旨は以下の通りである。
リチウムイオン二次電池は、通常、電解液(非水電解質)、負極および正極を主たる電池構成要素とし、これら要素が、例えば、電池缶内に封入されている。負極および正極はそれぞれリチウムイオンの担持体として作用する。充電時にはリチウムイオンが負極中に吸蔵され、放電時には負極からリチウムイオンが離脱する電池機構によっている。
本発明のメソカーボン小球体黒鉛化物は、非造粒、非破砕型の黒鉛粒子であり、表面に亀裂を有することを特徴とする。本発明のメソカーボン小球体黒鉛化物の断面模式図を図1に示す。図1(a)は、従来のメソカーボン小球体黒鉛化物を、図1(b)は、本発明のメソカーボン小球体黒鉛化物を示す。
また、メソカーボン小球体を真球と仮定した場合の断面の外周長さは、レーザー回折式粒度分布計により粒度分布の累積度数が体積百分率で50%となる粒子直径を測定し、該粒子が真球と仮定した場合の外周長さとする。
本発明の負極材料は、本発明のメソカーボン小球体黒鉛化物を含むものであって、本発明のメソカーボン小球体黒鉛化物を単独で用いてもよいし、炭素材料、黒鉛材料、金属材料などの公知の各種負極材料との混合物、複合物であってもよい。
メソカーボン小球体は、石炭系、石油系の重質油、タール類、ピッチ類を300〜500℃で加熱処理することにより生成する光学的的異方性の球状の重合物であるが、本発明の製造方法では、前記の石炭系および/または石油系の重質油、タール類ならびにピッチ類から選ばれる1種または2種以上の原料に、さらに、炭素と反応する性質および炭素を溶解する性質のうちの少なくとも一方の性質を有する金属材料と、熱硬化性樹脂とを加えることを特徴とする。
リチウムイオン二次電池の負極の作製は、通常の負極の成形方法に準じて行うことができるが、化学的、電気化学的に安定な負極を得ることができる成形方法であれば何ら制限されない。
また、本発明は、前記リチウムイオン二次電池用負極を用いて形成されるリチウムイオン二次電池でもある。
本発明のリチウムイオン二次電池は、前記負極を用いること以外は特に限定されず、他の電池構成要素については、一般的なリチウムイオン二次電池の要素に準じる。
本発明のリチウムイオン二次電池に使用される正極材(正極活物質)としては、リチウム化合物が用いられるが、充分な量のリチウムを吸蔵/脱離し得るものを選択することが好ましい。例えば、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物、その他のリチウム含有化合物、一般式MxMo6S8−Y(式中Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、Mは少なくとも一種の遷移金属を表す)で表されるシュブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。前記バナジウム酸化物としては、V2O5、V6O13、V2O4、V3O8で示されるものなどを用いることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解質としては、通常の非水電解液に使用される電解質塩である。LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)、LiCl、LiBr、LiCF3SO3、LiCH3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3CH2OSO2)2、LiN(CF3CF2OSO2)2、LiN(HCF2CF2CH2OSO2)2、LiN((CF3)2CHOSO2)2、LiB[{C6H3(CF3)2}]4、LiAlCl4 、LiSiF6などのリチウム塩を用いることができる。酸化安定性の点からは、特に、LiPF6、LiBF4が好ましい。
電解液中の電解質塩濃度は0.1〜5mol/lが好ましく、0.5〜3.0mol/lがより好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレータを使用することもできる。
セパレータの材質は特に限定されるものではないが、例えば、織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜などを用いることができる。前記セパレータの材質としては、合成樹脂製微多孔膜が好適であるが、なかでもポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗の面で好適である。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等が好適である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述した構成の、黒鉛質物を含有する負極、正極および非水電解質を、例えば、負極、非水電解質、正極の順で積層し、電池の外装材内に収容することで構成される。さらに、負極と正極の外側に非水電解質を配するようにしてもよい。
1(a)熱硬化性樹脂と金属材料の混合物の調製
平均粒子径7μmの球状のフェノール樹脂(図3に用いたフェノール樹脂のSEM写真を示す)100質量部に、平均粒子径0.2μmのニッケル超微粉100質量部を混合し、ボールミルによって両者を一体化させ、フェノール樹脂の表面にニッケル超微粉が埋設された複合体を調整した。
フリーカーボンを1質量%含有するコールタールピッチ90質量部に、前記の金属材料と熱硬化性樹脂の複合物を10質量部混合し、不活性雰囲気中450℃で30分加熱処理し、メソカーボン小球体をピッチマトリックス中に30質量%生成させた。その後、タール中油を用いて、コールタールピッチからピッチマトリックスを溶解抽出し、メソカーボン小球体をろ過によって分離し、窒素雰囲気中120℃で乾燥した。これを窒素雰囲気中600℃で3時間加熱処理して、メソカーボン小球体の焼成物を調製した。
得られたメソカーボン小球体の焼成物を黒鉛るつぼに充填し、非酸化性雰囲気下3150℃で5時間かけて黒鉛化処理を行い、メソカーボン小球体黒鉛化物を調製した。
得られたメソカーボン小球体黒鉛化物について分析すると、平均粒子径が22μm、X線広角回折における(002)面の平均格子面間隔d002が0.3358nmであった。
さらに、図5に示すように、断面を偏光顕微鏡で観察すると亀裂を有することが明らかであり、50個について、外周長さを測定し、外周長比(L)を求めたところ外周長比(L)は1.6であった。
前記メソカーボン小球体黒鉛化物98質量部、結合剤としてのカルボキシメチルセルロース1質量部およびスチレンーブタジエンゴム1質量部を水に入れ、攪拌して負極合剤ペーストを調製した。
前記負極合剤ペーストを厚み16μmの銅箔上に均一な厚さで塗布し、さらに真空中90℃で分散媒の水を蒸発させて乾燥した。次に、この銅箔上に塗布された負極合剤をハンドプレスによって20kN/cm2(200MPa)の圧力で加圧し、さらに直径15.5mmの円形状に打抜くことで、銅箔からなる集電材に密着した負極合剤層(厚み60μm)からなる作用電極12を作成した。なお、活物質層の密度は1.80g/cm3に到達した。密度の測定は次のように行った。
式(2)から密度を算出した。
リチウム金属箔をニッケルネットに押付け、直径15.5mmの円形状に打抜いて、ニッケルネットからなる集電体と、該集電体に密着したリチウム金属箔(厚み0.5mm)からなる対極(正極)を作製した。
エチレンカーボネート33vol%−メチルエチルカーボネート67vol%の混合溶剤に、LiPF6を1mol/lとなる濃度で溶解させ、非水電解液を調製した。得られた非水電解液をポリプロピレン多孔質体(厚み20μm)に含浸させ、電解液が含浸したセパレータを作製した。
評価電池として図2に示すボタン型二次電池を作製した。
外装カップ1と外装缶3は、その周縁部において絶縁ガスケット6を介在させ、両周縁部をかしめて密閉した。その内部に外装缶3の内面から順に、ニッケルネットからなる集電体7a、リチウム箔よりなる円筒状の対極(正極)4、電解液が含浸されたセパレータ5、負極合剤からなる円盤状の作用電極(負極)2および銅箔からなる集電体7bが積層された電池系である。
前記のように作製した評価電池について、25℃の温度下で以下に示すような充放電試験を行い、質量当たり放電容量、体積当たり放電容量、急速充電率、急速放電率およびサイクル特性を評価した。評価結果を表1に示した。
回路電圧が0mVに達するまで0.9mAの定電流充電を行った後、定電圧充電に切り替え、電流値が20μAになるまで充電を続けた。その間の通電量から質量当たり充電容量を求めた。その後、120分間休止した。次に0.9mAの電流値で、回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行い、この間の通電量から質量当たり放電容量を求めた。これを第1サイクルとした。
回路電圧が0mVに達するまで、電流値を第1サイクルの4倍の3.6mAとして、定電流充電を行った後、定電圧充電に切り替え、電流値が20μAになるまで充電を続けて満充電した。その後、120分間休止した。次に電流値を第1サイクルの16倍の14.4mAとして、回路電圧が1.5Vに達するまで、定電流放電を行った。得られた定電流充電容量から、式(4)により急速充電率を求めた。また、得られた放電容量から、式(5)により急速放電率を計算した。
質量当たり放電容量、急速充電率、急速放電率を評価した評価電池とは別の評価電池を作製し、以下のような評価を行った。
回路電圧が0mVに達するまで4.0mAの定電流充電を行った後、定電圧充電に切り替え、電流値が20μAになるまで充電を続けた後、120分間休止した。次に4.0mAの電流値で、回路電圧が1.5Vに達するまで定電流放電を行った。20回充放電を繰り返し、得られた質量当たり放電容量から、式(6)を用いてサイクル特性を計算した。
本発明例1において、熱硬化性樹脂および金属材料を配合しない以外は本発明例1と同様にしてメソカーボン小球体黒鉛化物を調製した。
なお、充填密度は1.65g/cm3にまでしか到達しなかった。
比較例1で作製したメソカーボン小球体黒鉛化物を用いて、本発明例1と同様な方法と条件で、作用電極および評価電池を作製したが、銅箔上に塗布された負極合剤をハンドプレスする際に、本発明例1と同じ充填密度(1.80g/cm3)に到達するまでプレス圧力を高めた。
本発明例1において、熱硬化性樹脂の配合量や金属材料の種類や配合量を変えたほかは本発明例1と同様にしてメソカーボン小球体黒鉛化物を調製した。
この黒鉛化物を用いて、実施例1と同様な方法と条件で、作用電極および評価電池を作製して、充放電試験を行った。電池特性の評価結果を表1に示した。
負極材料として平均粒径10μmの鱗片状天然黒鉛を用いた。X線広角回折における(002)面の平均格子面間隔d002が0.3357nmであった。
この天然黒鉛を用いて、実施例1と同様な方法と条件で、作用電極および評価電池を作製して、充放電試験を行った。電池特性の評価結果を表1に示した。
2 作用電極(負極)
3 外装缶
4 対極(正極)
5 セパレータ
6 絶縁ガスケット
7a、7b 集電体
Claims (4)
- 石炭系および/または石油系の重質油、タール類ならびにピッチ類から選ばれる1種または2種以上の原料に、炭素と反応する性質および炭素を溶解する性質のうち少なくとも一方の性質を有する金属材料と、熱硬化性樹脂とを加えて加熱し、メソカーボン小球体を生成するメソカーボン小球体生成工程と、該メソカーボン小球体生成工程で得られたメソカーボン小球体を加熱して、黒鉛化する黒鉛化工程を有するメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法であって、前記メソカーボン小球体黒鉛化物が、式(1)で定義する外周長比(L)の平均値が1.2以上であり、表面に亀裂部分を有することを特徴とするメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法。
(数1)
外周長比(L)=(メソカーボン小球体黒鉛化物の断面の外周長さ)/(メソカーボン
小球体を真球と仮定した場合の断面の外周長さ) ・・・・・(1) - 前記金属材料が、前記熱硬化性樹脂に付着および/または内包されていることを特徴とする請求項1に記載のメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法。
- 前記メソカーボン小球体黒鉛化物の平均格子面間隔d002の値が0.3363nm未満であることを特徴する請求項1または2に記載のメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法。
- 前記メソカーボン小球体黒鉛化物が、リチウムイオン二次電池負極用であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のメソカーボン小球体黒鉛化物の製造方法。
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