JP5636786B2 - リチウム二次電池用負極材、これを用いたリチウム二次電池用負極、及びリチウム二次電池。 - Google Patents
リチウム二次電池用負極材、これを用いたリチウム二次電池用負極、及びリチウム二次電池。 Download PDFInfo
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Description
このようにいずれの炭素質材料を用いたリチウム二次電池においても、放電負荷特性及び密着特性を向上させることは必要となる。
すなわち、具体的には本発明は下記(1)〜(5)に記載の事項を特徴とするものである。
(1)炭素質材料及びホウ素単体又は炭化ホウ素、窒化ホウ素、酸化ホウ素及びホウ酸から選ばれる少なくとも1種であるホウ素化合物を含み、前記ホウ素単体又はホウ素化合物の平均粒径が1μm以上50μm以下であり、前記炭素質材料は比表面積が10m2/g以下であり、平均粒子径が5μm〜30μmであり、かつ複数の扁平状の粒子が配向面に非並行となるように集合又は結合した構造を有する黒鉛質材料を含む、リチウム二次電池用負極材。
(2)ホウ素単体又はホウ素化合物の含有量が炭素質材料に対して0.01wt%以上10wt%以下である上記のリチウム二次電池用負極材。
(3)上記のリチウム二次電池負極材を用いてなるリチウム二次電池用負極。
(4)上記のリチウム二次電池負極を用いてなるリチウム二次電池。
(5)炭素質材料、ホウ素単体又は炭化ホウ素、窒化ホウ素、酸化ホウ素及びホウ酸から選ばれる少なくとも1種であるホウ素化合物、結着剤及び増粘剤を混合しスラリーとし、前記スラリーを集電体に塗布することを特徴とし、前記炭素質材料は比表面積が10m2/g以下であり、平均粒子径が5μm〜30μmであり、かつ複数の扁平状の粒子が配向面に非並行となるように集合又は結合した構造を有する黒鉛質材料を含む、リチウム二次電池用負極の製造方法。
本発明のリチウム二次電池用負極材は、炭素質材料及びホウ素単体又はホウ素化合物を含むことを特徴とする。上記負極材とすることによって、炭素質材料にホウ素単体又はホウ素化合物を黒鉛化触媒として利用した際の、残存ホウ素、ホウ素置換型固溶体・ホウ素侵入型固溶体の形成によっては得ることができなかった放電負荷特性及び密着特性の向上効果を有するものである。
77Kでの窒素吸着測定より求められる比表面積は、例えば、負極材の平均粒子径を大きくすること、負極材への熱処理温度を高くすること、負極材の表面を改質すること等で値が小さくなる傾向があり、この性質を利用して77Kでの窒素吸着測定より求められる比表面積を上記範囲内に設定することができる。
集電体としては、例えばニッケル、銅等の箔やメッシュ等が使用できる。
炭素質材料として、下記(a)人造黒鉛粒子を作製した。
(a)人造黒鉛粒子
平均粒子径が5μmのコークス粉末100重量部、タールピッチ30重量部、平均粒子径が48μmの炭化珪素30重量部、及びコールタール20重量部を混合し、270℃で1時間混合した。得られた混合物を粉砕し、ペレット状に加圧成形、窒素中1000℃で予備焼成した後、アチソン炉を用いて3000℃で黒鉛化した。上記によって得られた黒鉛ブロックをハンマーミルもしくはジェットミルを用いて、得られる人造黒鉛の平均粒子径が所望の値となるように粉砕条件を適宜選択して粉砕を行った。次いで、粉砕した人造黒鉛を250mesh標準篩を通過させた。得られた人造黒鉛の走査型電子顕微鏡(SEM)写真によれば、この黒鉛質粒子は、複数の扁平状の粒子が配向面に非平行となるように集合又は結合した構造をしていた。表1にd(002)、平均粒径、比表面積、かさ密度を示す。
上記で得たリチウム二次電池用負極材を用いてリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池を下記のように作製した。
上記リチウム二次電池用負極材98重量%、結着剤としてスチレンブタジエンゴム(日本ゼオン株式会社製、商品名「BM−400B」)1重量%、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(第一工業製薬株式会社製)1重量%を混合し、水に分散させて均一なスラリーとした。このスラリーを11μm厚の銅箔に塗布し、130℃及び105℃で乾燥させ、加圧成形し、さらにφ14mmの大きさに切り出してリチウム二次電池用負極を作製した。また、10mm×5mmの大きさに切り出して密着性試験用負極を作製した。
作用極として上記で作製した負極を用い、対極として厚さ1mmの金属リチウムを用い、これら両極をセパレーター(旭化成株式会社製、微細孔オレフィン膜)を介して対向させた。さらに1.0M LiPF6/エチレンカーボネート及びメチルエチルカーボネートの混合溶液(3:7容量比)にビニレンカーボネートを0.5重量%添加した非水電解液を注入し、通常の方法によってリチウム二次電池を作製した。
(放電負荷特性)
作製したリチウム二次電池(電極密度1750kg/m3)を25℃の雰囲気下において、定電流定電圧方式で、定電流0.434mA、定電圧0V(Li/Li+)、カット電流0.043mAの条件で充電し、次いで、定電流方式で、定電流0.434mA、カット電圧1.5V(Li/Li+)になるまで放電するサイクルを2回繰り返した。3サイクル目においては同様の充電を行い、定電流方式で、定電流8.68mA、カット電圧1.0V(Li/Li+)になるまで放電した。4サイクル目おいては同様の充電を行い、定電流方式で、定電流10.85mA、カット電圧1.0V(Li/Li+)になるまで放電した。5サイクル目においては同様の充電を行い、定電流方式で、定電流13.021mA、カット電圧1.0V(Li/Li+)になるまで放電した。
2サイクル目の放電容量(kg/Ah)(電流密度0.282mA/cm2)、3サイクル目の放電容量(電流密度5.64mA/cm2)、4サイクル目の放電容量(電流密度7.05mA/cm2)、5サイクル目の放電容量(電流密度8.46mA/cm2)を測定し、2サイクル目の放電容量を100とした場合の3サイクル、4サイクル、5サイクル目の放電容量維持率を表2に示す。
作製したリチウム二次電池用負極(電極密度1750kg/m3)をガラス板に負極塗布面を両面テープで固定し、垂直に折り曲げ、引っ張り試験の台座にガラス板を固定する。次いで、リチウム二次電池負極を引っ張り試験機の治具に固定し、引張り試験機(SHIMPO社製 FGC−0.2B)を用いて、引張り強度を測定した。リチウム二次電池負極の引っ張り強度を密着指数として表3に示す。
炭素質材料として下記(b)天然黒鉛を使用した以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
(b)天然黒鉛粒子
中国産の天然黒鉛を、ハンマーミルもしくはジェットミルを用いて、得られる天然黒鉛の平均粒子径が所望の値となるように粉砕条件を適宜選択して粉砕を行った。次いで、粉砕した天然黒鉛を250meshの標準篩を通過させた。表1にd(002)、平均粒径、比表面積、かさ密度を示す。
添加するホウ素化合物を、窒化ホウ素(電気化学工業株式会社製 GPシリーズ、平均粒径8μm)に変えた以外は、実施例1と同様にして評価を行った。得られた放電容量維持率の結果を表2、密着指数を表3に示す。
炭化ホウ素を添加しない以外は、実施例1と同様にして評価を行った。得られた放電容量維持率の結果を表2、密着特性試験の結果を表3に示す。
(比較例2)
炭化ホウ素を添加しない以外は、参考例2と同様にして評価を行った。得られた放電容量維持率の結果を表2、密着特性試験の結果を表3に示す。
(a)人造黒鉛粒子の作製において、炭化珪素を15重量部とし、さらに、ホウ酸を15重量部混合した以外は比較例1と同様にして評価を行った。得られた放電容量維持率の結果を表2、密着特性試験の結果を表3に示す。
Claims (5)
- 炭素質材料及びホウ素単体又は炭化ホウ素、窒化ホウ素、酸化ホウ素及びホウ酸から選ばれる少なくとも1種であるホウ素化合物を含み、
前記ホウ素単体又はホウ素化合物の平均粒径が1μm以上50μm以下であり、
前記炭素質材料は比表面積が10m2/g以下であり、平均粒子径が5μm〜30μmであり、かつ複数の扁平状の粒子が配向面に非並行となるように集合又は結合した構造を有する黒鉛質材料を含む、リチウム二次電池用負極材。 - ホウ素単体又はホウ素化合物の含有量が炭素質材料に対して0.01wt%以上10wt%以下である請求項1に記載のリチウム二次電池用負極材。
- 請求項1または請求項2に記載のリチウム二次電池負極材を用いてなるリチウム二次電池用負極。
- 請求項3に記載のリチウム二次電池負極を用いてなるリチウム二次電池。
- 炭素質材料、ホウ素単体又は炭化ホウ素、窒化ホウ素、酸化ホウ素及びホウ酸から選ばれる少なくとも1種であるホウ素化合物、結着剤及び増粘剤を混合しスラリーとし、前記スラリーを集電体に塗布することを特徴とし、
前記炭素質材料は比表面積が10m2/g以下であり、平均粒子径が5μm〜30μmであり、かつ複数の扁平状の粒子が配向面に非並行となるように集合又は結合した構造を有する黒鉛質材料を含む、リチウム二次電池用負極の製造方法。
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