JP5266428B1 - 黒鉛材料、電池電極用炭素材料、及び電池 - Google Patents
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Abstract
Description
また、電動ドリル等の電動工具や、ハイブリッド自動車用等、高出力で大容量の二次電池への要求が高まっている。この分野は従来より、鉛二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池が主に使用されているが、小型軽量で高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池への期待は高く、大電流負荷特性に優れたリチウムイオン二次電池が求められている。
これらのうち天然黒鉛は安価に入手できる。しかし、天然黒鉛は鱗片状を成しているので、バインダーとともにペーストにし、それを集電体に塗布すると、天然黒鉛が一方向に配向してしまう。そのような電極で充電すると電極が一方向にのみ膨張し、電極としての性能を低下させる。天然黒鉛を造粒して球状にしたものが提案されているが、電極作製時のプレスによって球状化天然黒鉛が潰れて配向してしまう。また、天然黒鉛の表面がアクティブであるために初回充電時にガスが多量に発生し、初期効率が低く、さらに、サイクル特性も良くなかった。これらを解決するため、特許第3534391号公報(米国特許第6632569号明細書;特許文献1)等では、球状に加工した天然黒鉛の表面に、人造カーボンをコーティングする方法が提案されている。
特開2003−77534号公報(特許文献5)においては、比較的大きな隙間を持ち、高速に充放電することを目的とした検討が行われている。
WO2011/052452(カナダ特許第2778407号明細書;特許文献6)においては、少ない空隙を有した、炭素粒子についての検討がなされている。
WO2011/049199(米国特許出願公開第2012/045642号明細書;特許文献7)にはサイクル特性に優れた、人造黒鉛が開示されている。
特許文献2に記載の黒鉛化品は、非常にバランスの良い負極材であり、高容量、大電流の電池を作製可能であるが、大型電池に要求される、モバイル用途をはるかに超えた長期にわたるサイクル特性を達成することは困難である。
特許文献3の方法は、人造黒鉛原料の微粉の他、天然黒鉛等の微粉も使用可能であり、モバイル用負極材としては、非常に優れた性能を発揮する。しかし、この材料もモバイル用途等が要求する高容量・低電流・中サイクル特性については対応可能であるが、上記のような大型電池の大電流、超長期サイクル特性といった要求を満たすには至っていない。
特許文献4に記載の負極材料は、体積エネルギー密度があまりにも低く、また、価格も非常に高価なため、一部の特殊な大型電池にしか使用されていない。
特許文献5では、充放電時の容量の保持が不十分であり、現実的に、二次電池に用いるためには不十分である。
特許文献6では、サイクル特性、より高速な放電を行った際に、特に十分な容量を発揮できないという問題点があった。
特許文献7では、黒鉛の組織が密であり活物質イオンの拡散には改善の余地があった。
[2]走査型電子顕微鏡で観察した黒鉛材料表面像において、6μm×8μmの矩形領域を任意に200箇所選んだとき、該領域中に現れる黒鉛材料の表面において、表面に現れる細孔の開口部の形状が直径15nm以上200nm以下、円形度0.75以上1.0以下および長径/短径比1.0以上1.5以下である細孔が2箇所以上で視認できる前記1に記載の黒鉛材料。
[3]前記細孔が円柱状である前記1または2に記載の黒鉛材料。
[4]下記(a)および(b)の条件を満足する前記1乃至3のいずれか1項に記載の黒鉛材料;
(a)水銀圧入法で測定された総細孔容積が0.35cm3/g以上0.65cm3/g以下、
(b)水銀圧入法で測定された細孔直径3μm以下の細孔の累積細孔容積が0.18cm3/g以上0.60cm3/g以下。
[5]水銀圧入法で測定された比表面積をSHG、BET法で測定された比表面積をSBETとした場合、SBET/SHGが0.65以上1.5以下である前記4に記載の黒鉛材料。
[6]レーザー回折型粒度分布計を用いて溶媒中で測定した体積基準の平均粒子径をD50、水銀圧入法を用いて測定した平均細孔径をPDAVEとした場合に、D50/PDAVEが1.5以上13以下である前記4または5に記載の黒鉛材料。
[7]BET比表面積が0.4m2/g以上5m2/g以下である前記1乃至6のいずれか1項に記載の黒鉛材料。
[8]レーザー回折型粒度分布計を用いて溶媒中で測定した体積基準の平均粒子径(D50)が3μm以上30μm以下である前記1乃至7のいずれか1項に記載の黒鉛材料。
[9]粉末X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔(d002)が0.3356以上0.3375以下、ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm-1の範囲にあるピーク強度(ID)と1580〜1620cm-1の範囲にあるピーク強度(IG)との強度比ID/IG(R値)が0.05以上である前記1乃至8のいずれか1項に記載の黒鉛材料。
[10]前記1乃至9のいずれか1項に記載の黒鉛材料を含む電池電極用炭素材料。
[11]前記1乃至9のいずれか1項に記載の黒鉛材料100質量部と、0.3370nm以下の平均面間隔(d002)を有する球状の天然黒鉛または人造黒鉛0.01〜200質量部とを含む前記10に記載の電池電極用炭素材料。
[12]前記1乃至9のいずれか1項に記載の黒鉛材料100質量部と、0.3370nm以下の平均面間隔(d002)を有しアスペクト比が2〜100の天然黒鉛または人造黒鉛0.01〜120質量部とを含む前記10に記載の電池電極用炭素材料。
[13]前記10乃至12のいずれか1項に記載の電池電極用炭素材料とバインダーとを含む電極用ペースト。
[14]前記13に記載の電極用ペーストの成形体からなる電極。
[15]前記14に記載の電極を構成要素として含む電池。
[16]前記14に記載の電極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。
[17]非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質を含み、前記非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質に用いられる非水系溶媒がエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ―ブチロラクトン、及びビニレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である前記16に記載のリチウムイオン二次電池。
また、本発明の黒鉛材料は経済性、量産性に優れ、安全性の改善された方法により製造することができる。
[黒鉛材料]
本発明の好ましい実施態様における黒鉛材料は、開口部の形状が直径15nm以上200nm以下、円形度0.75以上1.0以下および長径/短径比1.0以上1.5以下である細孔を有する。この細孔の形状は円柱状であることが好ましい。このような細孔が存在することにより、充放電時の電流値を大きくしても放電容量を保持することができる。
円形度が上記範囲であると、充放電時に負極活物質粒子間の空隙からのリチウムイオンの供給がスムーズに行われるため、好ましい。より好ましい円形度は0.75以上1.0以下、更に好ましい円形度は0.8以上1.0以下である。円形度は、対象図形の面積をS(m2)、対象図形の周囲長をL(m)としたときに、4πS/L2で表わすことができる。
長径/短径が上記の範囲にあると、充放電時に負極活物質粒子間の空隙からのリチウムイオンの供給がスムーズに行われ、電池とした時の充放電特性が良好となるため、好ましい。より好ましい長径/短径の比は1.0以上1.4以下、更に好ましい長径/短径の比は1.0以上1.3以下である。
また、SEMで観察した黒鉛材料表面像において、6μm×8μmの矩形領域を任意に200箇所選んだとき、該領域中に現れる黒鉛材料の表面に前記の細孔が2箇所以上で視認できること(細孔視認率1%以上)が望ましい。より好ましい視認数は3箇所以上(細孔視認率1.5%以上)である。視認できる数が少ないと、細孔に基づく物性の改善が十分でない場合がある。
6μm×8μmの矩形領域は、SEM(電界放出型走査型、WDを3〜4mm前後、加速電圧0.5keV、2次電子像、GB−High、1.5万倍)にて観察した場合の一視野に相当する。
なお、すべての細孔が整った形状とはならない場合がある。そのため、直径15nm以上200nm以下の細孔を10個観察した場合に、5つ以上が上記の円形度および長径/短径比の条件に当てはまることが好ましい。
(a)水銀圧入法で測定された総細孔容積が0.35cm3/g以上0.65cm3/g以下。
(b)水銀圧入法で測定された細孔直径3μm以下の細孔の累積細孔容積が0.18cm3/g以上0.60cm3/g以下。
上記総細孔容積は0.36cm3/g以上0.60cm3/g以下が好ましく、0.37cm3/g以上0.55cm3/g以下がさらに好ましい。総細孔容積を前記範囲とすることで、リチウムイオン二次電池の負極材として用いた場合に負極材へのリチウムイオンの拡散が充分に達せられるのと同時に、電極中の活物質の密度が高くなるため好ましい。
細孔直径3μm以下の細孔の累積細孔容積は0.19cm3/g以上0.5cm3/g以下が好ましく、0.20cm3/g以上0.45cm3/g以下がさらに好ましい。累積細孔容積を前記範囲とすることで、細孔の容積に比して、リチウムイオンの拡散を効率よく改善することができる。また、3μm以下の細孔容積が大きいことが、電極の密度の低下を防ぎ、エネルギー密度を高めるためにも好ましい。
総細孔容積は上記範囲を満足するが、細孔直径3μm以下の累積細孔容積が上記範囲を満足しない場合は、リチウムイオンの拡散が不充分となることがある。リチウムイオンの拡散が不充分となれば、充放電速度に影響が及ぶ可能性がある。逆に、細孔直径3μm以下の累積細孔容積は上記範囲を満足するが、総細孔容積が上記範囲を満足しない場合は、過剰な細孔の存在によりエネルギー密度が小さくなる傾向がある。
サンプル(粉体)は1検体について0.25±0.02gの範囲で精密に秤量し、1g当たりの水銀圧入体積を求める。測定は圧力を増加させていく側、すなわち、水銀侵入時に行ない、圧力の増加と共に、サンプルに侵入した水銀量を測定する。
細孔半径と圧力の近似式として一般的に使用されている「半径R=0.75μm/P」(P:圧力(MPa))を用い、サンプルに圧入された水銀の体積より細孔分布および細孔容積を求める。また、それぞれの細孔径の範囲における細孔容積も算出し、直径が3μm以下の細孔容積をも累積加算して求める。比表面積(SHG)は得られた細孔分布および細孔容積の結果から算出する。
水銀圧入法の使用機器として、Pascal 140および440(CARLO ERBA INSTRUMENTS社製)を用いる。測定範囲は0.3kPa〜400kPa(Pascal 140)とする。
BET比表面積(SBET)については、単位質量あたりのガスの吸着脱離量の計測という一般的な手法によって測定する。測定装置としては、例えばNOVA−1200を用いることができる。
本発明の好ましい実施態様における黒鉛材料は、先に水銀圧入法で測定した比表面積値(SHG)と、BET法で算出した比表面積値(SBET)が近い値を示す。SHGの算出においては、細孔が円柱形状であるという近似を用いていることから、SHGの値とSBETの値が近いことは細孔が円柱形状に近いことを意味する。少なくとも、細孔がクレバス状、あるいはトックリ状のような円柱形状とは異なる形状ではない。
D50/PDAVEは1.75以上10以下が好ましく、2.0以上7以下がさらに好ましい。D50/PDAVEを前記範囲とすることで、空孔が過不足なく存在し、適切な多孔体構造を持った、電子伝導性、リチウムイオン拡散性に優れた、高性能な電極を作製することができる。
平均細孔径PDAVEは前述の水銀圧入法を用いて測定する。
レーザー回折式粒度分布計としては、例えばマルバーン製マスターサイザー等が利用できる。
平均面間隔d002が0.3356nm〜0.3375nmにあることにより黒鉛の結晶性が高く、リチウムイオンがインターカレーション可能な空間が増す。
このような範囲とすることで、リチウムとの層間化合物の形成がスムーズになり、これを負極材料としてリチウム二次電池に用いた場合、リチウム吸蔵・放出反応が阻害されづらく、急速充放電特性が向上する。
なお、黒鉛材料中の菱面体晶構造のピーク割合(x)は、六方晶構造(100)面の実測ピーク強度(P1)、菱面体晶構造の(101)面の実測ピーク強度(P2)から、下記式によって求める。
x=P2/(P1+P2)
本明細書においてレーザーラマンR値とは、ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm-1の範囲にあるピーク強度(ID)と1580〜1620cm-1の範囲にあるピーク強度(IG)との強度比ID/IGを意味する。R値が大きいほど結晶性が低いことを示す。
レーザーラマンR値は、例えば、日本分光株式会社製レーザーラマン分光測定装置(NRS−3100)を用いて、励起波長532nm、入射スリット幅200μm、露光時間15秒、積算回数2回、回折格子600本/mmの条件で測定を行い、その結果得られた1360cm-1付近のピーク強度と1580cm-1付近のピーク強度に基づいて算出することができる。
本明細書においてアスペクト比は、画像解析で測定することができる。例えば、シスメックス製のFPIA3000を用い、測定点数として3000点以上、好ましくは30000点以上、さらに好ましくは50000点以上測定し、算出した平均値を使用する。
また、本発明の好ましい実施態様における黒鉛材料には、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないことが好ましい。0.5μm以下の粒子は、表面の活性ポイントが大きく、電池の初期効率を低下させる。ここで実質的に含まないとは粒径が0.5μm以下の粒子が0.1質量%以下であることを意味する。0.5μm以下の粒子の含有量は前記したようなレーザー回折式粒度分布測定装置により測定できる。また、D0を測定することにより実質的な最小粒径を求めることもできる。
ゆるめ嵩密度は、高さ20cmから試料100gをメスシリンダーに落下させ、振動を加えずに体積と質量を測定して得られる密度である。また、タップ密度は、カンタクローム製オートタップを使用して400回タッピングした100gの粉の体積と質量を測定して得られる密度である。
これらはASTM B527およびJIS K5101−12−2に準拠した測定方法であるが、タップ密度測定におけるオートタップの落下高さは5mmとした。
ゆるめ嵩密度が0.7g/cm3以上であることにより、電極へ塗工した際の、プレス前の電極密度をより高めることが可能となる。この値により、ロールプレス一回で十分な電極密度を得ることが可能かどうかを予測できる。また、タップ密度が上記範囲内にあることによりプレス時に到達する電極密度が充分高くすることが可能となる。
本発明の好ましい実施態様における黒鉛材料は、炭素原料を2000〜3300℃の熱処理をすることにより製造することができる。
炭素原料としては、例えば、石油ピッチ、石炭ピッチ、石炭コークス、石油コークスおよびこれらの混合物から選択することが好ましく、その最大熱履歴が500℃〜1800℃であることが好ましい。中でも石油コークスが好ましく、原油を石油精製プロセスにおいて常圧、減圧蒸留してなる残渣や、熱分解タール等にしたものをコーキングしたものが使用できる。このような炭素原料の一例として、アスファルテン分と樹脂分の組成の合計が30質量%〜80質量%、硫黄分が0.3質量%〜6質量%の原油蒸留残渣を、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を550℃〜580℃に制御したディレードコーキングを行ない得られたものが挙げられる。これは特許第4738553号(米国特許出願公開第2012/0045642号明細書)の請求項15に記載された炭素材料であり、詳しくはその明細書段落0039〜0044に記載されている。
この加熱減量分が5質量%未満のものでは粉砕後の粒子形状が板状になりやすい。また、粉砕面(エッジ部分)が露出しており比表面積が大きくなり副反応も多くなる。逆に20質量%を超えるものは黒鉛化後の粒子同士の結着が多くなり、収率に影響する。
粉砕した炭素原料はレーザー回折法により測定した体積基準の平均粒子径(D50)が3μm以上30μm以下、好ましくは3μm以上20μm以下になるように分級することが好ましい。D50が大きいと電極密度が上がりにくい傾向になり、逆に小さいと充放電時に副反応が起きやすくなる。なお、D50はマルバーン製マスターサイザーなどのレーザー回折式粒度分布測定装置により測定することができる。
粉砕した炭素原料の平均アスペクト比は、1〜4が好ましく、1〜2がより好ましく、1.00〜1.32がさらに好ましく、1.00〜1.20が最も好ましい。アスペクト比は前述と同様の方法により測定することができる。
また、粉砕後の低温焼成に代わりに、粉砕前に800〜1500℃で予備加熱することもできる。
本発明の好ましい実施態様における黒鉛材料は他の炭素材料で被覆して使用することができる。
例えば、前記黒鉛材料を構成する黒鉛粒子は、表面に光学等方性炭素によるコーティングを行うことができる。コーティングにより、充電時の入力特性を改善でき、大型電池要求特性が向上する。コーティング量は特に限定はないが、芯材100質量部に対し、0.1〜10質量部が好ましい。
コーティング方法は公知の技術が利用でき、特に制限されない。例えば、直径0.1〜1μmのコールタールピッチと黒鉛材料をホソカワミクロン製メカノフージョンを用いてメカノケミカル法により黒鉛粒子のコーティングを行い、非酸化性雰囲気下、800℃〜3300℃で加熱することにより表面に光学等方性炭素を形成する方法や、黒鉛粒子の少なくとも一部の表面に重合体を含む組成物を付着させ、非酸化性雰囲気下、800℃〜3300℃で熱処理することにより表面に光学等方性炭素を形成する方法などが挙げられる。前記重合体を含む組成物は、例えば、乾性油またはその脂肪酸及びフェノール樹脂を含む組成物を用いることができる。後者の方法は、例えば、特開2003−100293号公報(国際公開第03/028128号パンフレット)や特開2005−019397号公報(国際公開第2004/109825号パンフレット)に記載されている。
接着方法は公知の方法が利用でき、特に制限されない。例えば、直径0.1〜1μmのコールタールピッチと黒鉛材料と炭素繊維をホソカワミクロン製メカノフージョンを用いてメカノケミカル法により黒鉛粒子のコーティングと同時に炭素繊維の接着を行い、非酸化性雰囲気下、800℃〜3300℃で加熱することにより行うことができる。また、黒鉛粒子の少なくとも一部の表面に重合体を含む組成物を付着させ、これに繊維状炭素を混合し、重合体を含む組成物を介して黒鉛粒子に繊維状炭素を付着させ、次いで黒鉛粒子を、非酸化性雰囲気下、800℃〜3300℃で熱処理することにより行うことができる。前記重合体を含む組成物は、例えば、乾性油またはその脂肪酸及びフェノール樹脂を含む組成物を用いることができる。後者の方法は、例えば、特開2003−100293号公報(国際公開第03/028128号パンフレット)や特開2005−019397号公報(国際公開第2004/109825号パンフレット)に記載されている。
気相法炭素繊維は、例えば、有機化合物を原料とし、触媒としての有機遷移金属化合物をキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し生成し、続いて熱処理して製造される(特開昭60−54998号公報(米国特許第4572813号明細書)、特許第2778434号公報等参照)。その繊維径は2〜1000nm、好ましくは10〜500nmであり、アスペクト比は好ましくは10〜15000である。
炭素繊維の原料となる有機化合物としては、トルエン、ベンゼン、ナフタレン、エチレン、アセチレン、エタン、天然ガス、一酸化炭素等のガス及びそれらの混合物が挙げられる。中でもトルエン、ベンゼン等の芳香族炭化水素が好ましい。
有機遷移金属化合物は、触媒となる遷移金属を含むものである。遷移金属としては、周期律表第IVa、Va、VIa、VIIa、VIII族の金属が挙げられる。有機遷移金属化合物としてはフェロセン、ニッケロセン等の化合物が好ましい。
炭素繊維は、その表面に有機化合物等に由来する熱分解物が付着していないもの、または炭素構造の結晶性が高いものが好ましい。
熱分解物が付着していない炭素繊維または炭素構造の結晶性が高い炭素繊維は、例えば、不活性ガス雰囲気下で、炭素繊維、好ましくは気相法炭素繊維を焼成(熱処理)することによって得られる。具体的には、熱分解物が付着していない炭素繊維は、約800〜1500℃でアルゴン等の不活性ガス中で熱処理することによって得られる。また、炭素構造の結晶性が高い炭素繊維は、好ましくは2000℃以上、より好ましくは2000〜3000℃でアルゴン等の不活性ガス中で熱処理することによって得られる。
また炭素繊維は、X線回折法による(002)面の平均面間隔d002が、好ましくは0.344nm以下、より好ましくは0.339nm以下、特に好ましくは0.338nm以下である。また、結晶のC軸方向の厚さ(Lc)が40nm以下のものが好ましい。
本発明の好ましい実施態様における電池電極用炭素材料は、上記黒鉛材料を含んでなる。上記黒鉛材料を電池電極用炭素材料として用いると、高容量、高クーロン効率、高サイクル特性を維持したまま、高エネルギー密度の電池電極を得ることができる。
電池電極用炭素材料としては、例えば、リチウムイオン二次電池の負極活物質及び負極導電付与材として用いることができる。
本発明の好ましい実施態様における電池電極用炭素材料は、上記黒鉛材料のみを使用することができるが、黒鉛材料100質量部に対して、d002が0.3370nm以下の球状の天然黒鉛または人造黒鉛を0.01〜200質量部、好ましくは0.01〜100質量部配合したもの、あるいはd002が0.3370nm以下で、アスペクト比が2〜100の天然黒鉛または人造黒鉛(例えば、鱗片状黒鉛)を0.01〜120質量部、好ましくは0.01〜100質量部配合したものを使用することもできる。他の黒鉛材料を混合して用いることにより、本発明の好ましい実施態様における黒鉛材料の優れた特性を維持した状態で、他の黒鉛材料が有する優れた特性を加味した黒鉛材料とすることが可能である。具体的には、例えば球状人造黒鉛としてメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)を混合した場合には、MCMBが有する優れた潰れ性により、電極としたときの密度が上がり、体積エネルギー密度を向上させることができる。これらの混合は、要求される電池特性に応じて適宜、混合材料を選択し、混合量を決定することができる。
また、電池電極用炭素材料には炭素繊維を配合することもできる。炭素繊維は前述のものと同様のものが使用できる。配合量は、前記黒鉛材料100質量部に対して、0.01〜20質量部であり、好ましくは0.5〜5質量部である。
本発明の好ましい実施態様における電極用ペーストは、前記電池電極用炭素材料とバインダーとを含んでなる。この電極用ペーストは、前記電池電極用炭素材料とバインダーとを混練することによって得られる。混錬には、リボンミキサー、スクリュー型ニーダー、スパルタンリューザー、レディゲミキサー、プラネタリーミキサー、万能ミキサー等公知の装置が使用できる。電極用ペーストは、シート状、ペレット状等の形状に成形することができる。
バインダーの使用量は、電池電極用炭素材料100質量部に対して1〜30質量部が適当であるが、特に3〜20質量部程度が好ましい。
混練する際に溶媒を用いることができる。溶媒としては、各々のバインダーに適した公知のもの、例えばフッ素系ポリマーの場合はトルエン、N−メチルピロリドン等;SBRの場合は水等;その他にジメチルホルムアミド、イソプロパノール等が挙げられる。溶媒として水を使用するバインダーの場合は、増粘剤を併用することが好ましい。溶媒の量は集電体に塗布しやすい粘度となるように調整される。
本発明の好ましい実施態様における電極は前記電極用ペーストの成形体からなるものである。電極は例えば前記電極用ペーストを集電体上に塗布し、乾燥し、加圧成形することによって得られる。
集電体としては、例えばアルミニウム、ニッケル、銅、ステンレス等の箔、メッシュなどが挙げられる。ペーストの塗布厚は、通常50〜200μmである。塗布厚が大きくなりすぎると、規格化された電池容器に負極を収容できなくなることがある。ペーストの塗布方法は特に制限されず、例えばドクターブレードやバーコーターなどで塗布後、ロールプレス等で成形する方法等が挙げられる。
前記電極を構成要素(好ましくは負極)として、電池または二次電池とすることができる。
リチウムイオン二次電池を具体例に挙げて本発明の好ましい実施態様における電池または二次電池を説明する。リチウムイオン二次電池は、正極と負極とが電解液または電解質の中に浸漬された構造をしたものである。負極には本発明の好ましい実施態様における電極が用いられる。
リチウムイオン二次電池の正極には、正極活物質として、通常、リチウム含有遷移金属酸化物が用いられ、好ましくはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びWから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属元素のモル比が0.3〜2.2の化合物が用いられ、より好ましくはV、Cr、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が0.3〜2.2の化合物が用いられる。なお、主として存在する遷移金属に対し30モル%未満の範囲でAl、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなどを含有していても良い。上記の正極活物質の中で、一般式LixMO2(MはCo、Ni、Fe、Mnの少なくとも1種、x=0〜1.2)、またはLiyN2O4(Nは少なくともMnを含む。y=0〜2)で表わされるスピネル構造を有する材料の少なくとも1種を用いることが好ましい。
なお、上記以外の電池構成上必要な部材の選択についてはなんら制約を受けるものではない。
なお、実施例及び比較例の黒鉛材料についての、X線回折法による平均面間隔(d002)、水銀圧入法による各種物性(総細孔容積、直径3μm以下の細孔の累積細孔容積、比表面積(SHG)および平均細孔径(PDAVE))、ラマンピークR値は、本明細書の「発明を実施するための形態」に詳述した方法により測定する。その他の物性の測定方法は以下の通り。
レーザー回折式粒度分布測定装置として、マルバーン製マスターサイザーを用いて、体積基準の平均粒子径(D50)を求めた。
BET比表面積(SBET)は、比表面積測定装置NOVA−1200(ユアサアイオニクス(株)製)を用いて、一般的な比表面積の測定方法であるBET法により測定し、水銀法による比表面積(SHG)との間でSBET/SHGを算出した。
SEM(電界放出型走査型、WDを3〜4mm前後、加速電圧0.5keV、2次電子像、GB−High、1.5万倍)にて200視野を観察した場合に、開口部の形状が直径15nm〜200nm、円形度0.75以上1.0以下および長径/短径比1.0以上1.25以下である円柱状の細孔が観察された視野数を数え、視認率(%)を算出した。
また、5万倍で観察した電子顕微鏡像に対して、画像解析ソフトウエア、ImageJ(NIH製)を用いて、視認された孔の入口の形状の円形度と長径/短径を算出した。
(a)ペースト作製:
黒鉛材料1質量部に呉羽化学社製KFポリマーL1320(ポリビニリデンフルオライド(PVDF)を12質量%含有したN−メチルピロリドン(NMP)溶液品)0.1質量部を加え、プラネタリーミキサーにて混練し、主剤原液とした。
主剤原液にNMPを加え、粘度を調整した後、高純度銅箔上でドクターブレードを用いて250μm厚に塗布し、120℃で1時間真空乾燥する。これを18mmφに打ち抜いた電極を超鋼製プレス板で挟み、プレス圧が電極に対して約1×102〜3×102N/mm2(1×103〜3×103kg/cm2)となるようにプレスし、その後、真空乾燥器で120℃、12時間乾燥して、評価用電極とする。
下記のようにして3極セルを作製する。なお以下の操作は露点−80℃以下の乾燥アルゴン雰囲気下で実施する。
ポリプロピレン製のねじ込み式フタ付きのセル(内径約18mm)内において、上記(b)で作製した銅箔付き炭素電極と金属リチウム箔をセパレーター(ポリプロピレン製マイクロポーラスフィルム(セルガード2400))で挟み込んで積層し、さらにリファレンス用の金属リチウムを同様に積層する。これに電解液を加えて試験用セルとする。
EC(エチレンカーボネート)8質量部及びDEC(ジエチルカーボネート)12質量部の混合液に、電解質としてLiPF6を1モル/リットル溶解し、電解液とする。
充電(炭素へのリチウムの挿入)はレストポテンシャルから0.002Vまで0.2mA/cm2でCC(コンスタントカレント:定電流)充電を行う。次に0.002VでCV(コンスタントボルト:定電圧)充電に切り替え、電流値が25.4μAに低下した時点で停止させる。
25℃に設定した恒温槽内で、電流密度0.4mA/cm2(0.2C相当)および10mA/cm2(5C相当)で定電流低電圧放電試験を行う。
放電容量は、0.4mA/cm2(0.2C相当)での放電電気量を、単位面積当たりの活物質量で除して算出した。また、レート特性は、0.4mA/cm2(0.2C相当)での放電を行ない、放電容量を測定した後、上記手法により充電を行い、さらに、10mA/cm2(5C相当)での放電容量を測定し、0.4mA/cm2(0.2C相当)での放電容量で除して、レート特性とする。
電流密度2mA/cm2(1C相当)で定電流低電圧充放電試験を行う。
充電(炭素へのリチウムの挿入)はレストポテンシャルから0.002Vまで0.2mA/cm2でCC(コンスタントカレント:定電流)充電を行い、次に0.002VでCV(コンスタントボルト:定電圧)充電に切り替え、電流値が25.4μAに低下した時点で停止させる。
放電(炭素からの放出)は所定電流密度でCC放電を行い、電圧1.5Vでカットオフする。また、測定は、60℃に設定した恒温槽中で行い、充放電を100サイクル繰り返す。
レストポテンシャルから2mVまで0.2mA/cm2でCC(コンスタントカレント:定電流)充電を行った。次に2mVでCV(コンスタントボルト:定電圧)充電を行い、電流値が12.0μAに低下した時点で充電を停止させ、0.2mA/cm2でCC放電を行い、電圧1.5Vでカットオフした。この充放電を2回繰り返す。
次いで、レストポテンシャルから2mVまで2mA/cm2でCC(コンスタントカレント:定電流)充電を行い、次に2mVでCV(コンスタントボルト:定電圧)充電を行い、電流値が12.0μAに低下した時点で充電を停止させる。この際の全充電容量の内、CC充電の容量が占める割合を算出して充電特性を評価する。
この占める割合が大きいほど、充電特性が良好であることを意味する。
(5)電解液および高分子固体電解質用組成物の浸透速度評価(吸液時間)
25℃の大気中で、上記(4)(b)で作製した電極(18mmΦ)上に25℃の大気中で、各種電解液とほぼ同等の粘度を有する揮発性の低いプロピレンカーボネート(PC)を用い、マイクロシリンジを用いてPCを該電極の中心に3μlを1滴として滴下し、PCが電極内に浸透する時間を測定する。測定は3回ずつ行ない、その平均値を評価値とする。
メキシコ産原油を常圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重0.7°API、アスファルテン分15質量%、樹脂分14質量%、硫黄分5.3質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を560℃とし、かつドラム内圧力を約207kPa(30psig)とした状態で運転する。これを水冷してからコーキングドラムから排出する。得られたコークスは、120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は13.1質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.2μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から10〜25cmの部分を採取し、これをよく混合して試料とする。この試料について各種物性を測定後、上記のように電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
また、試料表面を観察したSEM写真を図1に示し、細孔径に対する積算細孔容積をプロットしたグラフを図4に示す。
カリフォルニア産原油を減圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重3.0°API、アスファルテン分28質量%、樹脂分11質量%、硫黄分は3.5質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、内部圧力約214kPa(31psig)にてコークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を570℃で運転する。得られたコークスは通常とは異なり、粒径約3〜8mmの粒子状に造粒された状態となる。これを水冷してコーキングドラムから排出し、120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は12.8質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.1μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から5〜20cmの部分を採取し、よく混合して試料とする。この試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
また、試料表面を観察したSEM写真を図2に示し、細孔径に対する積算細孔容積をプロットしたグラフを図4に示す。
ベネズエラ産原油を減圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重3.4°API、アスファルテン分21質量%、樹脂分11質量%、硫黄分3.3質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、内部圧力約138kPa(20psig)、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を570℃で運転する。水冷してコーキングドラムからコークスを排出し、120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は11.8質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.0μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から20〜40cmの部分を採取し、よく混合して試料とする。試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
また、試料表面を観察したSEM写真を図3に示し、細孔径に対する積算細孔容積をプロットしたグラフを図4に示す。
ベネズエラ産原油を減圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重3.4°API、アスファルテン分21質量%、樹脂分11質量%、硫黄分3.3質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、内部圧力約138kPa(20psig)として、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を570℃で運転する。これを水冷してコーキングドラムからコークスを排出し、120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は11.8質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.0μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から10〜25cmの部分を採取し、よく混合して試料とした。試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
また、細孔径に対する積算細孔容積をプロットしたグラフを図1に示す。
メキシコ産原油を常圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重0.7°API、アスファルテン分15質量%、樹脂分14質量%、硫黄分5.3質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を560℃とし、かつドラム内圧力を約207kPa(30psig)とした状態で運転する。生成コークスは通常とは異なり、粒径約3〜8mmの粒子状に造粒された状態となる。これを水冷して、コーキングドラムから排出する。得られたコークスを、120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は14.3質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.2μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から10〜25cmの部分を採取し、よく混合して試料とした。試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
カリフォルニア産原油を減圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重3.0°API、アスファルテン分28質量%、樹脂分11質量%、硫黄分は3.5質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、内部圧力は約214kPa(31psig)とし、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を570℃で運転する。水冷してコーキングドラムからコークスを排出し、これを120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は12.8質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=5.1μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から20〜40cmの部分を採取し、よく混合して試料とした。試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
メキシコ産原油を常圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重0.7°API、アスファルテン分15質量%、樹脂分14質量%、硫黄分5.3質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を560℃とし、かつドラム内圧力を約207kPa(30psig)とした状態で運転する。これを水冷し、コークスをコーキングドラムから排出する。得られたコークスは、120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は13.1質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.2μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、炭化したカーボンフェルト(2mm)を軽く載せ、空気が急激に流入することを防いだ。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、表面から30〜40cmの部分を採取し、よく混合して試料とした。試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
ベネズエラ産原油を減圧蒸留した残渣を原料とする。本原料は、比重3.4°API、アスファルテン分21質量%、樹脂分11質量%、硫黄分3.3質量%である。この原料を、ディレードコーキングプロセスに投入する。この際、コークスドラム前の加熱炉ヒーター出口温度を570℃で運転とし、内部圧力は約138kPa(20psig)とする。これを水冷してコーキングドラムから排出する。これを120℃で加熱し、水分含有率0.5質量%以下まで乾燥する。この時点で、300℃から1200℃まで間のアルゴン雰囲気下中における加熱減量分は11.8質量%である。これをホソカワミクロン製バンタムミルで粉砕する。次に、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアーTC−15Nで気流分級し、粒径が0.5μm以下の粒子を実質的に含まないD50=15.0μmの炭素材料を得る。
この粉砕された炭素材料を黒鉛るつぼに充填し、ネジを切った蓋をしめ、この黒鉛るつぼの上部に30cm以上さらにコークスを載せて、埋没させた。これをアチソン炉で3100℃で熱処理を行い、試料として使用した。試料について実施例1と同様に各種物性を測定後、電極を作製し、サイクル特性等を測定する。結果を表1に示す。
また、細孔径に対する積算細孔容積をプロットしたグラフを図4に示す。
Claims (16)
- 走査型電子顕微鏡で観察した黒鉛材料表面像において、6μm×8μmの矩形領域を任意に200箇所選んだとき、該領域中に現れる黒鉛材料の表面において、表面に現れる細孔の開口部の形状が直径15nm以上200nm以下、円形度0.75以上1.0以下および長径/短径比1.0以上1.5以下である細孔が2箇所以上で視認できる黒鉛材料。
- 前記細孔が円柱状である請求項1に記載の黒鉛材料。
- 下記(a)および(b)の条件を満足する請求項1または2に記載の黒鉛材料;
(a)水銀圧入法で測定された総細孔容積が0.35cm3/g以上0.65cm3/g以下、
(b)水銀圧入法で測定された細孔直径3μm以下の細孔の累積細孔容積が0.18cm3/g以上0.60cm3/g以下。 - 水銀圧入法で測定された比表面積をSHG、BET法で測定された比表面積をSBETとした場合、SBET/SHGが0.65以上1.5以下である請求項3に記載の黒鉛材料。
- レーザー回折型粒度分布計を用いて溶媒中で測定した体積基準の平均粒子径をD50、水銀圧入法を用いて測定した平均細孔径をPDAVEとした場合に、D50/PDAVEが1.5以上13以下である請求項3または4に記載の黒鉛材料。
- BET比表面積が0.4m2/g以上5m2/g以下である請求項1乃至5のいずれか1項に記載の黒鉛材料。
- レーザー回折型粒度分布計を用いて溶媒中で測定した体積基準の平均粒子径(D50)が3μm以上30μm以下である請求項1乃至6のいずれか1項に記載の黒鉛材料。
- 粉末X線回折法により測定した(002)面の平均面間隔(d002)が0.3356以上0.3375以下、ラマン分光スペクトルで測定される1300〜1400cm-1の範囲にあるピーク強度(ID)と1580〜1620cm-1の範囲にあるピーク強度(IG)との強度比ID/IG(R値)が0.05以上である請求項1乃至7のいずれか1項に記載の黒鉛材料。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の黒鉛材料を含む電池電極用炭素材料。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の黒鉛材料100質量部と、0.3370nm以下の平均面間隔(d002)を有する球状の天然黒鉛または人造黒鉛0.01〜200質量部とを含む請求項9に記載の電池電極用炭素材料。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の黒鉛材料100質量部と、0.3370nm以下の平均面間隔(d002)を有しアスペクト比が2〜100の天然黒鉛または人造黒鉛0.01〜120質量部とを含む請求項9に記載の電池電極用炭素材料。
- 請求項9乃至11のいずれか1項に記載の電池電極用炭素材料とバインダーとを含む電極用ペースト。
- 請求項12に記載の電極用ペーストの成形体からなる電極。
- 請求項13に記載の電極を構成要素として含む電池。
- 請求項13に記載の電極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。
- 非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質を含み、前記非水系電解液及び/または非水系ポリマー電解質に用いられる非水系溶媒がエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ―ブチロラクトン、及びビニレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項15に記載のリチウムイオン二次電池。
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