JP5742153B2 - Multi-layer carbon material for non-aqueous secondary battery, negative electrode material using the same, and non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水系二次電池に用いる複層構造炭素材と、その材料を用いて形成された負極と、その負極を有する非水系二次電池に関するものである。 The present invention relates to a multilayer carbon material used for a non-aqueous secondary battery, a negative electrode formed using the material, and a non-aqueous secondary battery having the negative electrode.
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の高く、大電流充放電特性に優れた非水系二次電池が注目されてきている。
非水系二次電池の負極材料としては、コストと耐久性の面で、黒鉛材料や非晶質炭素が使用されることが多い。しかしながら、非晶質炭素材料は、実用化可能な材料範囲での可逆容量の小ささ故、また黒鉛材料は、高容量化のために負極材料を含む活物質層を高密度化すると、材料破壊により初期サイクル時の充放電不可逆容量が増え、結果として、高容量化に至らないといった問題点があった。
In recent years, demand for high-capacity secondary batteries has increased with the downsizing of electronic devices. In particular, non-aqueous secondary batteries having higher energy density and excellent large current charge / discharge characteristics have attracted attention as compared to nickel / cadmium batteries and nickel / hydrogen batteries.
As a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery, a graphite material or amorphous carbon is often used in terms of cost and durability. However, the amorphous carbon material has a small reversible capacity within the range of materials that can be put to practical use, and the graphite material breaks down when the active material layer containing the negative electrode material is densified to increase the capacity. As a result, the irreversible charge / discharge capacity at the initial cycle increases, and as a result, there is a problem that the capacity cannot be increased.
上記問題点を解決するため、例えば、炭素材料として、特許文献1には、放電容量、および充放電効率が大きなリチウム電池の電極用炭素材およびその製造方法として、メソフェーズ小球体を40℃/時以下の昇温速度で昇温しながら焼成すること、キノリン不溶分89.5重量% 以上及び/又はトルエン不溶分93.6重量% 以上のメソフェーズ小球体を炭素化すること、メソフェーズ小球体を粉砕することで、粒径d50を1.3 〜1
5μm の粉粒体とした後、600〜1500℃ の温度で炭素化するか、またはメソフェーズ小球体を600 〜1500℃ の温度で炭素化した後、粉砕して平均粒径d50が1.8〜15μmの粉粒体とすることによりことが開示されている。また特許文献2には、急速充放電特性と高い容量を得る為に、高い容量を保有するが、充填性の得にくい黒鉛質材料を球形に処理して得られる球形化処理黒鉛及び炭素質粒子を用いる方法、及び得られた球形化処理黒鉛と有機化合物と混合した後に、その有機化合物を炭素化した複層構造炭素材について開示されている。
In order to solve the above problems, for example, as a carbon material, Patent Document 1 discloses that a mesophase microsphere is 40 ° C./hour as a carbon material for an electrode of a lithium battery having a large discharge capacity and charge / discharge efficiency and a manufacturing method thereof. Firing while heating at the following heating rate, carbonizing mesophase microspheres having a quinoline insoluble content of 89.5 wt% or more and / or toluene insoluble content of 93.6 wt% or more, and crushing mesophase microspheres By doing so, the particle size d50 is 1.3 to 1
After making the powder particles 5 μm, carbonize at a temperature of 600-1500 ° C. or carbonize mesophase spherules at a temperature of 600-1500 ° C. and then pulverize to obtain an average particle size d50 of 1.8- It is disclosed that it is made into a granular material of 15 μm. Further, Patent Document 2 discloses spheroidized graphite and carbonaceous particles obtained by processing a graphite material which has a high capacity but is difficult to obtain a filling property in order to obtain rapid charge / discharge characteristics and a high capacity. And a multi-layer structure carbon material obtained by carbonizing the organic compound after mixing with the obtained spheroidized graphite and the organic compound.
また特許文献3には、黒鉛性炭素質物に対し、黒鉛性炭素質物の表面に、該黒鉛性炭素質物100重量部に対する残炭量として12重量部以下0.1重量部以上となるような極微量(薄い)の有機物の炭化物が付着してなる電極材料を用いることによって、黒鉛単独や従来の明確な複相複層構造炭素材に比べ、電気容量が高く、かつリテンションが低く抑えられた、極めて良好な電気的性能を有し、更に電解液に対する安全性も高い非水溶媒二次電池が得られることが開示されている。 Patent Document 3 discloses that an amount of carbon remaining on the surface of the graphitic carbonaceous material is 12 parts by weight or less and 0.1 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the graphitic carbonaceous material. By using an electrode material to which a small amount (thin) organic carbide is attached, the electric capacity is high and the retention is kept low compared to graphite alone or a conventional clear multi-phase multi-layer carbon material. It is disclosed that a non-aqueous solvent secondary battery having extremely good electrical performance and high safety against an electrolytic solution can be obtained.
しかしながら本発明者らの検討によると、特許文献1に記載の技術では、メソフェーズ小球体を用いると、電極密度に限界があり高容量化と高効率化の両立は困難となる問題があった。
特許文献2に記載の技術では、核黒鉛として球形化処理を施した黒鉛を用い、有機化合
物と混合した後に、その有機化合物を炭素化した複層構造炭素材を用いているが、有機化合物の重量率が高く、反応抵抗は高くなってしまう問題があった。
However, according to the study by the present inventors, the technique described in Patent Document 1 has a problem that if mesophase spherules are used, there is a limit to the electrode density and it is difficult to achieve both high capacity and high efficiency.
In the technique described in Patent Document 2, a graphite having a spheroidizing treatment is used as nuclear graphite, and after mixing with an organic compound, a multi-layer structure carbon material obtained by carbonizing the organic compound is used. There was a problem that the weight ratio was high and the reaction resistance was high.
特許文献3では、黒鉛性炭素質物に薄い有機物の炭化物を被覆させることで、比表面積の減少を抑えることは可能であるが、粒子の大きさが大きい為、効果的に負極抵抗を減少させ、保存特性(負極二重層容量)を低下させることが困難であるという問題があった。
一方、粒径が小さい黒鉛は通常、粒度分布がブロードになったり、タップ密度が高くならなかったり、更には電極に塗布する際に、微粉が凝集してしまい電極にすることが困難であった。
In Patent Document 3, it is possible to suppress a decrease in specific surface area by coating a graphitic carbonaceous material with a thin organic carbide, but since the particle size is large, the negative electrode resistance is effectively reduced, There was a problem that it was difficult to reduce the storage characteristics (negative electrode double layer capacity).
On the other hand, graphite with a small particle size usually has a broad particle size distribution, does not have a high tap density, and further, when applied to the electrode, fine powder aggregates, making it difficult to make an electrode. .
そこで、本発明は、かかる背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は電極への塗布性も良好で、負極抵抗低減と保存特性のバランスに優れた特性を有する非水系二次電池を作製するための負極材を提供し、その結果として高容量の非水系二次電池を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the background art, and the problem is a non-aqueous secondary battery that has good coating properties to the electrode and has a good balance between negative electrode resistance reduction and storage characteristics. It is to provide a negative electrode material for manufacturing, and as a result, to provide a high capacity non-aqueous secondary battery.
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、平均粒径が小さい黒鉛質粒子の表面に非晶質炭素を従来よりも薄く被覆することによって製造される複層構造炭素材を負極材に用いることにより、負極抵抗低減と保存特性のバランスに優れた非水系二次
電池を得られることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明の要旨は、黒鉛質粒子の表面を非晶質炭素で被覆されてなる複層構造炭素材であって、下記条件(1)〜(4)を満たすことを特徴とする非水系二次電池用複層構造炭素材。
(1)複層構造炭素材の平均粒径d50が1μm以上18μm以下であること
(2)黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が96/4以上99.99/0.01以下であること
(3)複層構造炭素材のタップ密度が0.95g/cm3以上1.3g/cm3であること
(4)BET法を用いて測定した比表面積(SA)が6.5m2/g以上10m2/g以下であること
に存する。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have obtained a multilayer structure carbon produced by coating amorphous carbon on the surface of a graphite particle having a small average particle diameter thinner than before. By using the material for the negative electrode material, it was found that a non-aqueous secondary battery excellent in balance between negative electrode resistance reduction and storage characteristics can be obtained, and the present invention has been achieved.
That is, the gist of the present invention is a multi-layer structure carbon material in which the surface of graphite particles is coated with amorphous carbon, which satisfies the following conditions (1) to (4): Multi-layer carbon material for secondary batteries.
(1) The average particle diameter d50 of the multi-layer structure carbon material is 1 μm or more and 18 μm or less. (2) The weight ratio of graphite particles / amorphous carbon is 96/4 or more and 99.99 / 0.01 or less. (3) The tap density of the multi-layer structure carbon material is 0.95 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 (4) The specific surface area (SA) measured using the BET method is 6.5 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less.
本発明で得られた非水電解液二次電池負極用炭素材を電極として用いた非水電解液二次電池は、効果的に負極抵抗を減少させ、且つ保存特性(負極二重層容量)の低下を軽減する特性を示すものである。 The non-aqueous electrolyte secondary battery using the carbon material for a non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode obtained by the present invention as an electrode effectively reduces the negative electrode resistance and has storage characteristics (negative electrode double layer capacity). The characteristic which reduces a fall is shown.
以下、本発明の内容を詳細に述べる。なお、以下に記載する発明構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨をこえない限り、これらの形態に特定されるものではない。
<非水系二次電池用複層構造炭素材>
本発明における非水系二次電池用複層構造炭素材(本発明では、複層構造炭素材ともいう)は、黒鉛質粒子の表面を非晶質炭素で被覆されてなる複層構造炭素材であって、下記条件(1)及び(3)を全て満たすことを特徴とする非水系二次電池用複層構造炭素材であれば、特に制限はされない。
(1)複層構造炭素材の平均粒径d50が1μm以上18μm以下であること
(2)黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が96/4以上99.99/0.01以下であること
(3)複層構造炭素材のタップ密度が0.85g/cm3以上1.3g/cm3以下であること
Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail. The description of the invention constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to these forms unless it exceeds the gist.
<Multi-layer carbon material for non-aqueous secondary batteries>
The multi-layer structure carbon material for non-aqueous secondary batteries in the present invention (also referred to as multi-layer structure carbon material in the present invention) is a multi-layer structure carbon material in which the surface of graphite particles is coated with amorphous carbon. And if it is the multilayer structure carbon material for non-aqueous secondary batteries characterized by satisfy | filling all the following conditions (1) and (3), there will be no restriction | limiting in particular.
(1) The average particle diameter d50 of the multi-layer structure carbon material is 1 μm or more and 18 μm or less. (2) The weight ratio of graphite particles / amorphous carbon is 96/4 or more and 99.99 / 0.01 or less. (3) The tap density of the multi-layer structure carbon material is 0.85 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less.
・複層構造炭素材の主な物性
(1)体積基準平均粒径(平均粒径d50)
複層構造炭素材の体積基準平均粒径(本明細書では、平均粒径d50ともいう)は、通常18μm以下、好ましくは12μm以下、より好ましくは10μm以下、更に好ましくは8μm以下である。また、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、更に好ましくは6μm以上である。体積基準平均粒径が大きすぎると、負極抵抗低減と保存特性のバランスが崩れてしまう傾向があり、小さすぎると、粒子自体の凝集性が高くなる為、塗布工程を有する電極化の際にスジ引きなどの問題を引き起しやすい傾向がある。
・ Main physical properties of multi-layer carbon material (1) Volume-based average particle diameter (average particle diameter d50)
The volume-based average particle diameter (also referred to as an average particle diameter d50 in the present specification) of the multilayer structure carbon material is usually 18 μm or less, preferably 12 μm or less, more preferably 10 μm or less, and further preferably 8 μm or less. Moreover, it is 1 micrometer or more normally, Preferably it is 3 micrometers or more, More preferably, it is 5 micrometers or more, More preferably, it is 6 micrometers or more. If the volume-based average particle size is too large, the balance between the negative electrode resistance reduction and the storage characteristics tends to be lost.If the volume-based average particle size is too small, the cohesiveness of the particles themselves is increased. It tends to cause problems such as pulling.
また、本発明における体積基準平均粒径は、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))の0.2質量%水溶液10mLに、炭素材料0.01gを懸濁させ、市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置「HORIBA製LA−920」に導入し、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、測定装置における体積基準のメジアン径として測定したものを、本発明におけるd50と定義する。 The volume-based average particle diameter in the present invention is 0.01 g of a carbon material in 10 mL of a 0.2 mass% aqueous solution of polyoxyethylene sorbitan monolaurate (for example, Tween 20 (registered trademark)) which is a surfactant. Was suspended in a commercially available laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device “LA-920 manufactured by HORIBA”, irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, and then used as a volume-based median diameter in the measuring device. The measured value is defined as d50 in the present invention.
(2)黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率
複層構造炭素材における黒鉛質粒子(重量部)/非晶質炭素(重量部)の重量比率は、黒鉛質粒子に対する非晶質炭素の被覆量を示すものであり、通常、96/4以上、好ましくは97/3以上、より好ましくは98/2以上、更に好ましくは99/1以上である。また、通常99.99/0.01以下、より好ましくは、99.9/0.1以下である。黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が小さすぎると、負極抵抗低減と保存特性のバランスが崩れてしまう傾向があり、黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が大きすぎると、複層となっている効果が得にくくなる傾向がある。即ち、非晶質は薄くても全体に均一に存在していれば、本発明の効果を奏する事ができるが、少なくなりすぎて、黒鉛質粒子そのものが最表面に多くあらわれると効果が得にくくなる傾向がある。
(2) Weight ratio of graphite particles / amorphous carbon The weight ratio of graphite particles (parts by weight) / amorphous carbon (parts by weight) in the multi-layered carbon material is the ratio of amorphous carbon to graphite particles. The amount of coating is usually 96/4 or more, preferably 97/3 or more, more preferably 98/2 or more, and still more preferably 99/1 or more. Moreover, it is 99.99 / 0.01 or less normally, More preferably, it is 99.9 / 0.1 or less. If the weight ratio of graphitic particles / amorphous carbon is too small, the balance between negative electrode resistance reduction and storage characteristics tends to be lost, and if the weight ratio of graphite particles / amorphous carbon is too large, multiple layers It tends to be difficult to obtain the effect. That is, if the amorphous material is thin but present uniformly throughout the surface, the effect of the present invention can be obtained. However, if the amorphous material becomes too small and the graphite particles themselves appear on the outermost surface, the effect is difficult to obtain. Tend to be.
また、本発明における黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率は、材料焼成前後の焼成収率より算出できる。またこのとき、黒鉛質粒子の焼成前後重量変化はないものとして計算する。
w1を焼成前黒鉛質炭素粒子重量(kg)、w2を非晶質炭素の原料重量(kg)、aを焼成収率(%)とすると、
黒鉛質粒子/非晶質炭素=w1/{(w1+w2)×a/100− w1 }
といった測定方法で計算される。
Further, the weight ratio of graphitic particles / amorphous carbon in the present invention can be calculated from the firing yield before and after firing the material. At this time, the calculation is made assuming that there is no change in weight of the graphite particles before and after firing.
When w1 is the weight of graphite carbon particles before firing (kg), w2 is the raw material weight of amorphous carbon (kg), and a is the firing yield (%),
Graphite particles / amorphous carbon = w1 / {(w1 + w2) × a / 100−w1}
It is calculated by the measurement method.
(3)タップ密度
本発明の複層構造炭素材のタップ密度は、通常0.85g/cm3以上、好ましくは0.90g/cm3以上より好ましくは0.95g/cm3である。また、通常1.3g/cm3以下、好ましくは1.2g/cm3以下、より好ましくは1.1g/cm3以下である。タップ密度が低すぎると、極板化する際にスジ引きして、工程上問題となる傾向がある。タップ密度が高すぎると、粒子内炭素密度が上昇し、圧延性に欠け、高密度の負極シートを形成することが難しくなる傾向がある。
(3) Tap density The tap density of the multilayer structure carbon material of the present invention is usually 0.85 g / cm 3 or more, preferably 0.90 g / cm 3 or more, more preferably 0.95 g / cm 3 . Moreover, it is 1.3 g / cm < 3 > or less normally, Preferably it is 1.2 g / cm < 3 > or less, More preferably, it is 1.1 g / cm < 3 > or less. If the tap density is too low, streaking is likely to occur when forming the electrode plate, which tends to cause a problem in the process. When the tap density is too high, the intra-particle carbon density increases, the rollability is lacking, and it tends to be difficult to form a high-density negative electrode sheet.
複層構造炭素材のタップ密度は、粉体密度測定器を用い、直径1.6cm、体積容量20cm3の円筒状タップセルに、目開き300μmの篩を通して、炭素材料を落下させて、セルに満杯に充填した後、ストローク長10mmのタップを1000回行なって、その
時の体積と試料の重量から求めた密度をタップ密度として定義する。
・その他の物性
本発明のリチウムイオン二次電池用複層構造炭素材は、上記要件を満たしてさえすれば、上記した本発明の効果を奏して十分性能を発揮することが可能であるが、更に、次に示す(4)〜(15)の何れか1項又は複数項を同時に満たしていることが好ましい。
The tap density of the multi-layered carbon material is filled with a powder density measuring device by dropping the carbon material through a sieve having a diameter of 1.6 cm and a volume capacity of 20 cm 3 through a sieve having a mesh opening of 300 μm. Then, a tap having a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the density obtained from the volume at that time and the weight of the sample is defined as the tap density.
-Other physical properties The multi-layer structure carbon material for lithium ion secondary batteries of the present invention, as long as the above requirements are satisfied, can exhibit the above-described effects of the present invention and exhibit sufficient performance. Furthermore, it is preferable that one or more of the following (4) to (15) are simultaneously satisfied.
(4)X線パラメータ
複層構造炭素材は、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd値(層間距離)は、通常0.337nm以下である。d002値が大きすぎるということは結晶性が低いことを示し、初期不可逆容量が増加する場合がある。一方黒鉛の002面の面間隔の理論値は0.335nmであるため、通常0.335nm以上である。また、学振法によるX線回折で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc)は、通常1.5nm以上、好ましくは3.0nm以上の範囲である。この範囲を上回ると、結晶性が低い粒子となり、可逆容量が減少してしまう可能性がある。下限は黒鉛の理論値である。
(4) X-ray parameters In the multi-layer structure carbon material, the d value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 0.337 nm or less. If the d002 value is too large, it indicates that the crystallinity is low, and the initial irreversible capacity may increase. On the other hand, the theoretical value of the interplanar spacing of the 002 plane of graphite is 0.335 nm and is usually 0.335 nm or more. Further, the crystallite size (Lc) of the carbon material determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 1.5 nm or more, preferably 3.0 nm or more. Beyond this range, particles with low crystallinity are produced, and the reversible capacity may be reduced. The lower limit is the theoretical value of graphite.
(5)灰分
複層構造炭素材に含まれる灰分は、複層構造炭素材の全質量に対して、1質量%以下、中でも0.5質量%以下、特に0.1質量%以下、下限としては1ppm以上であることが好ましい。上記の範囲を上回ると充放電時の電解液との反応による電池性能の劣化が無視できなくなる場合がある。この範囲を下回ると、製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストが上昇する場合がある。
(5) Ash content The ash content in the multilayer carbon material is 1% by mass or less, particularly 0.5% by mass or less, especially 0.1% by mass or less, as a lower limit, based on the total mass of the multilayer carbon material. Is preferably 1 ppm or more. When the above range is exceeded, deterioration of the battery performance due to the reaction with the electrolyte during charging / discharging may not be negligible. Below this range, the manufacturing process requires a lot of time, energy and equipment for preventing contamination, which may increase costs.
(6)BET比表面積
複層構造炭素材のBET法を用いて測定した比表面積(SA)は、通常0.1m2/g
以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上、更に好ましくは2.0m2/g以上である。また、通常100m2/g以下、好ましくは25m2/g以下、
より好ましくは15m2/g以下、更に好ましくは10m2/g以下である。比表面積の値が低すぎると、負極材料として用いた場合の反応面積が特に減少し、満充電までの時間が多く必要となり、好ましい電池が得られにくい傾向がある。一方、比表面積の値が高すぎると、負極材料として用いた時に電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなり易く、好ましい電池が得られにくい傾向がある。
(6) BET specific surface area The specific surface area (SA) measured using the BET method of the multi-layer structure carbon material is usually 0.1 m 2 / g.
As mentioned above, Preferably it is 0.7 m < 2 > / g or more, More preferably, it is 1 m < 2 > / g or more, More preferably, it is 2.0 m < 2 > / g or more. Further, it is usually 100 m 2 / g or less, preferably 25 m 2 / g or less,
More preferably, it is 15 m < 2 > / g or less, More preferably, it is 10 m < 2 > / g or less. When the value of the specific surface area is too low, the reaction area when used as a negative electrode material is particularly reduced, and a long time until full charge is required, and a preferable battery tends to be hardly obtained. On the other hand, if the value of the specific surface area is too high, the reactivity with the electrolyte increases when used as a negative electrode material, gas generation tends to increase, and a preferable battery tends to be difficult to obtain.
BET比表面積は、表面積計(例えば、大倉理研製全自動表面積測定装置)を用い、試料に対して窒素流通下350℃で15分間、予備乾燥を行なった後、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点法によって測定した値で定義する。
(7)細孔分布
複層構造炭素材としては、水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)により求められる、直径0.01μm以上、1μm以下に相当する粒子内の空隙、粒子表面のステップによる凹凸の量が、通常0.01mL/g以上、好ましくは0.05mL/g以上、より好ましくは0.1mL/g以上である。また通常0.6mL/g以下、好ましくは0.4mL/g以下、より好ましくは0.3mL/g以下である。凹凸の量が多すぎると、極板化時にバインダを多量に必要となる場合がある。凹凸の量が少なすぎると、高電流密度充放電特性が低下し、且つ充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が得られない傾向がある。
The BET specific surface area was measured by using a surface area meter (for example, a fully automatic surface area measuring device manufactured by Okura Riken), preliminarily drying the sample for 15 minutes at 350 ° C. under a nitrogen flow, and then measuring the relative pressure of nitrogen with respect to atmospheric pressure. This is defined by a value measured by a nitrogen adsorption BET one-point method using a gas flow method, using a nitrogen-helium mixed gas that is accurately adjusted to have a value of 0.3.
(7) Pore distribution As the multi-layer structure carbon material, voids in the particle corresponding to a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less, and the amount of irregularities due to the step of the particle surface, which are determined by mercury porosimetry (mercury intrusion method) However, it is usually 0.01 mL / g or more, preferably 0.05 mL / g or more, more preferably 0.1 mL / g or more. Moreover, it is 0.6 mL / g or less normally, Preferably it is 0.4 mL / g or less, More preferably, it is 0.3 mL / g or less. If the amount of unevenness is too large, a large amount of binder may be required when forming a plate. When the amount of the unevenness is too small, the high current density charge / discharge characteristics are deteriorated, and the effect of relaxing the expansion / contraction of the electrode during charge / discharge tends to be not obtained.
また、全細孔容積が、通常0.1mL/g、好ましくは0.2mL/g以上、より好ましくは0.25mL/g以上である。また通常10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、より好ましくは2mL/g以下である。全細孔容積が大きすぎると極板化時にバインダを多量に必要となる傾向がある。全細孔容積が少なすぎると、極板化時に増粘剤や結着剤の分散効果が得られない傾向がある。 The total pore volume is usually 0.1 mL / g, preferably 0.2 mL / g or more, more preferably 0.25 mL / g or more. Moreover, it is 10 mL / g or less normally, Preferably it is 5 mL / g or less, More preferably, it is 2 mL / g or less. If the total pore volume is too large, a large amount of binder tends to be required when forming an electrode plate. If the total pore volume is too small, there is a tendency that the effect of dispersing the thickener or the binder cannot be obtained when forming an electrode plate.
また、平均細孔径が、通常0.03μm以上、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、更に好ましくは0.5μm以上である。また通常80μm以下、好ましくは50μm以下、より好ましくは20μm以下である。平均細孔径が大きすぎると、バインダを多量に必要となる傾向があり、また平均細孔径が小さすぎると、高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。 The average pore diameter is usually 0.03 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.5 μm or more. Moreover, it is usually 80 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less. If the average pore diameter is too large, a large amount of binder tends to be required, and if the average pore diameter is too small, the high current density charge / discharge characteristics tend to deteriorate.
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)を用いた。試料(負極材料)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した。引き続き、4psia(約28kPa)に減圧し水銀を導入し、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)まで降圧させた。昇圧時のステップ数は80点以上とし、各ステップでは10秒の平衡時間の後、水銀圧入量を測定した。こうして得られた水銀圧入曲線からWashburnの式を用い、細孔分布を算出した。なお、水銀の表面張力(γ)は485dyne/cm、接触角(ψ)は140°として算出した。平均細孔径には累計細孔体積が50%となるときの細孔径を用いた。 As an apparatus for mercury porosimetry, a mercury porosimeter (Autopore 9520: manufactured by Micromeritex Corporation) was used. A sample (negative electrode material) was weighed so as to have a value of about 0.2 g, sealed in a powder cell, and pretreated by degassing at room temperature under vacuum (50 μmHg or less) for 10 minutes. Subsequently, the pressure was reduced to 4 psia (about 28 kPa), mercury was introduced, the pressure was increased stepwise from 4 psia (about 28 kPa) to 40000 psia (about 280 MPa), and then the pressure was reduced to 25 psia (about 170 kPa). The number of steps at the time of pressure increase was 80 points or more, and the mercury intrusion amount was measured after an equilibration time of 10 seconds in each step. The pore distribution was calculated from the mercury intrusion curve thus obtained using the Washburn equation. The mercury surface tension (γ) was calculated as 485 dyne / cm, and the contact angle (ψ) was calculated as 140 °. As the average pore diameter, the pore diameter when the cumulative pore volume was 50% was used.
(8)円形度
複層構造炭素材の円形度は、通常0.85以上、より好ましくは0.87以上、更に好ましくは0.88以上である。また通常1以下、好ましくは0.98以下、より好ましくは0.97以下である。円形度が小さすぎると、高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。なお、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)
円形度の値としては、例えば、フロー式粒子像分析装置(例えば、シスメックスインダストリアル社製FPIA)を用い、試料約0.2gを、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約50mL)に分散させ、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、検出範囲を0.6〜400μmに指定し、粒径が1.5〜40μmの範囲の粒子について測定した値を用いる。
(8) Circularity The circularity of the multilayer carbon material is usually 0.85 or more, more preferably 0.87 or more, and still more preferably 0.88 or more. Further, it is usually 1 or less, preferably 0.98 or less, more preferably 0.97 or less. If the circularity is too small, the high current density charge / discharge characteristics tend to decrease. The circularity is defined by the following formula, and when the circularity is 1, a theoretical sphere is obtained.
Circularity = (perimeter of equivalent circle having the same area as the particle projection shape) / (actual circumference of particle projection shape)
As the value of the circularity, for example, a flow type particle image analyzer (for example, FPIA manufactured by Sysmex Industrial Co., Ltd.) is used, and about 0.2 g of a sample is mixed with polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate as a surfactant. After being dispersed in a 0.2 mass% aqueous solution (about 50 mL) and irradiating 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, the detection range is specified as 0.6 to 400 μm, and the particle size is in the range of 1.5 to 40 μm. The values measured for the particles are used.
円形度を向上させる方法は、特に限定されないが、球形化処理を施して球形にしたものが、電極体にしたときの粒子間空隙の形状が整うので好ましい。球形化処理の例としては、せん断力、圧縮力を与えることによって機械的に球形に近づける方法、複数の微粒子をバインダーもしくは、粒子自身の有する付着力によって造粒する機械的・物理的処理方法等が挙げられる。 The method for improving the degree of circularity is not particularly limited, but a spheroidized sphere is preferable because the shape of the interparticle void when the electrode body is formed is preferable. Examples of spheroidizing treatment include a method of mechanically approaching a sphere by applying a shearing force and a compressive force, a mechanical / physical processing method of granulating a plurality of fine particles by the binder or the adhesive force of the particles themselves, etc. Is mentioned.
(9)真密度
複層構造炭素材の真密度は、通常1.9g/cm3以上、好ましくは2g/cm3以上、より好ましくは2.1g/cm3以上、更に好ましくは2.2g/cm3以上であり、上限としては2.26g/cm3以下である。上限は黒鉛の理論値である。この範囲を下回る
と炭素の結晶性が低すぎて初期不可逆容量が増大する場合がある。
(9) True density The true density of the multi-layer structure carbon material is usually 1.9 g / cm 3 or more, preferably 2 g / cm 3 or more, more preferably 2.1 g / cm 3 or more, and even more preferably 2.2 g / cm 3. cm 3 and the upper limit is 2.26 g / cm 3 or less. The upper limit is the theoretical value of graphite. Below this range, the crystallinity of the carbon is too low and the initial irreversible capacity may increase.
(10)アスペクト比
複層構造炭素材の粉末状態でのアスペクト比は、理論上1以上であり、好ましくは1.1以上、より好ましくは1.2以上である。また通常10以下、好ましくは8以下、より好ましくは5以下である。アスペクト比が大きすぎると、極板化時にスジ引きや、均一な塗布面が得られず、高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。
(10) Aspect ratio The aspect ratio of the multilayer carbon material in the powder state is theoretically 1 or more, preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more. Moreover, it is 10 or less normally, Preferably it is 8 or less, More preferably, it is 5 or less. When the aspect ratio is too large, streaking or a uniform coated surface cannot be obtained when forming an electrode plate, and the high current density charge / discharge characteristics tend to deteriorate.
アスペクト比は、3次元的に観察した時の炭素材料粒子の最長となる径Aと、それと直
交する最短となる径Bとしたとき、A/Bであらわされる。炭素粒子の観察は、拡大観察ができる走査型電子顕微鏡で行う。厚さ50ミクロン以下の金属の端面に固定した任意の50個の黒鉛質粒子を選択し、それぞれについて試料が固定されているステージを回転、傾斜させて、A、Bを測定し、A/Bの平均値を求める。
The aspect ratio is expressed as A / B, where the longest diameter A of the carbon material particles when observed three-dimensionally and the shortest diameter B orthogonal to the carbon material particles. The carbon particles are observed with a scanning electron microscope capable of magnifying observation. Arbitrary 50 graphite particles fixed on the end face of a metal having a thickness of 50 microns or less are selected, and the stage on which the sample is fixed is rotated and tilted, and A and B are measured. Find the average value of.
(11)最大粒径dmax
複層構造炭素材の最大粒径dmaxは、通常77μm以下、好ましくは45μm以下、より好ましくは、39μm以下である。大きすぎると、スジ引きの原因となりやすい傾向がある。
また、本発明における最大粒径は、平均粒径の測定項で得られた粒度分布で粒子が測定された最も大きい値で定義される。
(11) Maximum particle size dmax
The maximum particle size dmax of the multilayer structure carbon material is usually 77 μm or less, preferably 45 μm or less, and more preferably 39 μm or less. If it is too large, it tends to cause streaking.
Further, the maximum particle size in the present invention is defined as the largest value at which particles are measured in the particle size distribution obtained in the measurement term of average particle size.
(12)黒鉛質粒子のラマンR値
黒鉛質粒子のラマンR値は、1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比R(R=IB/IA)を算出して定義する。その値は通常0.15以上、好ましくは0.2以上である。また、通常0.6以下、好ましくは0.55以下、より好ましくは0.5以下である。ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下する傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶が乱れ、電解液との反応性が増し、充放電効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
(12) The Raman R value of the Raman R value graphite particles of graphite particles was measured and the intensity I A of the peak P A in the vicinity of 1580 cm -1, and an intensity I B of a peak P B in the vicinity of 1360 cm -1, The intensity ratio R (R = I B / I A ) is calculated and defined. The value is usually 0.15 or more, preferably 0.2 or more. Moreover, it is 0.6 or less normally, Preferably it is 0.55 or less, More preferably, it is 0.5 or less. If the Raman R value is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and when the density is increased, the crystals tend to be oriented in the direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics tend to decrease. On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystal on the particle surface is disturbed, the reactivity with the electrolytic solution increases, and the charge / discharge efficiency tends to decrease and the gas generation tends to increase.
ラマンスペクトルはラマン分光器で測定できる。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なう。
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)(10)DBP吸油量
The Raman spectrum can be measured with a Raman spectrometer. Specifically, the sample particles are naturally dropped into the measurement cell to fill the sample, and the measurement cell is rotated in a plane perpendicular to the laser beam while irradiating the measurement cell with an argon ion laser beam. Measure.
Argon ion laser light wavelength: 514.5 nm
Laser power on sample: 25 mW
Resolution: 4cm -1
Measurement range: 1100 cm −1 to 1730 cm −1
Peak intensity measurement, peak half width measurement: background processing, smoothing processing (convolution 5 points by simple average) (10) DBP oil absorption
(13)DBP吸油量
DBP(フタル酸ジブチル)吸油量は、通常65ml/100g以下、好ましくは62ml/100g以下、より好ましくは60ml/100g 以下、更に好ましくは57ml/100g以下である。また、通常30ml/100g以上、好ましくは40ml/100g以上である。DBP吸油量が大きすぎると、球形化の進み具合が十分ではなく、塗布時のスジ引きなどを引き起こしやすい傾向があり、小さすぎると、粒子内の細孔構造が殆ど存在していない可能性があり、反応面がすくなくなる傾向がある。
(13) DBP oil absorption The DBP (dibutyl phthalate) oil absorption is usually 65 ml / 100 g or less, preferably 62 ml / 100 g or less, more preferably 60 ml / 100 g or less, and still more preferably 57 ml / 100 g or less. Moreover, it is 30 ml / 100g or more normally, Preferably it is 40 ml / 100g or more. If the DBP oil absorption is too large, the progress of spheroidization is not sufficient, and it tends to cause streaking during coating, and if it is too small, there may be almost no pore structure in the particles. Yes, the reaction surface tends to become dull.
また、本発明におけるDBP吸油量は、JIS K6217に準拠し、測定材料を、40g投入し、滴下速度4ml/min、回転数125rpm、設定トルクは500N・mとしたときの測定値によって定義される。測定には、ブラベンダー社製 アブソープトメーター E型を用いた。 In addition, the DBP oil absorption amount in the present invention is defined by measured values when 40 g of a measurement material is added, the dropping speed is 4 ml / min, the rotation speed is 125 rpm, and the set torque is 500 N · m in accordance with JIS K6217. . For measurement, an Absorbometer E type manufactured by Brabender was used.
(14)平均粒径d10
複層構造炭素材の体積基準で小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は通常10μm以下、好ましくは8μm以下、より好ましくは6μm以下である。また、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは4μm以上である。d10が大きすぎると、粒子の大きさが大きくなり、本発明の効果が得られにくくなる傾向がある。一
般的に小粒径黒鉛は、d10が小さくなり、粒子の凝集傾向が強くなり、塗布時のスジ引きが起こりやすい傾向となるが、本発明では、このd10を極力小さくならない黒鉛とすることも本発明の効果をより発現するために重要である。本発明におけるd10は、平均粒径の測定項で得られた粒度分布で粒子の頻度%が小さい粒径から積算で10%となった値で定義される。
(14) Average particle diameter d10
The particle size (d10) corresponding to a cumulative 10% from the small particle side on the volume basis of the multilayer carbon material is usually 10 μm or less, preferably 8 μm or less, more preferably 6 μm or less. Moreover, it is 1 micrometer or more normally, Preferably it is 3 micrometers or more, More preferably, it is 4 micrometers or more. When d10 is too large, the size of the particles becomes large, and the effect of the present invention tends to be difficult to obtain. In general, small-diameter graphite has a small d10, a tendency to aggregate particles, and tends to cause streaking during coating. In the present invention, this d10 may be a graphite that does not become as small as possible. This is important for more manifesting the effects of the present invention. In the present invention, d10 is defined as a value obtained by integrating 10% from a particle size having a small particle frequency% in the particle size distribution obtained in the measurement term of the average particle size.
(15)平均粒径d90
レーザー回折・散乱法により求めた黒鉛質粒子のd90(体積基準で小さい粒子から累計90%となる粒子径)は、通常8μm以上、好ましくは9μm以上、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは15μm以上である。また、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下、更に好ましくは20μm以下である。d90が小さすぎると、不可逆容量が増大して、初期の電池容量の損失する傾向がある。またd90が大きすぎると、本発明の効果が得にくい傾向がある。本発明におけるd90は、平均粒径の測定項で得られた粒度分布で粒子の頻度%が小さい粒径から積算で90%となった値で定義される。
(15) Average particle diameter d90
Graphite particles obtained by laser diffraction / scattering method have a d90 (particle size that is 90% cumulative from small particles on a volume basis) of usually 8 μm or more, preferably 9 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 15 μm or more. It is. Moreover, it is 50 micrometers or less normally, Preferably it is 30 micrometers or less, More preferably, it is 25 micrometers or less, More preferably, it is 20 micrometers or less. If d90 is too small, the irreversible capacity increases and the initial battery capacity tends to be lost. If d90 is too large, the effect of the present invention tends to be difficult to obtain. In the present invention, d90 is defined as a value obtained by integrating 90% from a particle size having a small particle frequency% in the particle size distribution obtained in the measurement term of the average particle size.
<黒鉛質粒子>
複層構造炭素材の核黒鉛となる黒鉛質粒子は、次に示す物性の何れか1つ又は複数を満たしていることが好ましい。
(1)X線パラメータ
黒鉛質粒子は、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd002値(層間距離)が、通常0.335nm以上である。また通常0.340nm未満であるが、好ましくは0.337nm以下である。d002値が大きすぎると、結晶性が低下し、初期不可逆容量が増加する傾向がある。
<Graphite particles>
It is preferable that the graphite particles that are the core graphite of the multilayer structure carbon material satisfy one or more of the following physical properties.
(1) X-ray parameters As for graphite particles, the d002 value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 0.335 nm or more. Moreover, although it is usually less than 0.340 nm, Preferably it is 0.337 nm or less. If the d002 value is too large, the crystallinity is lowered and the initial irreversible capacity tends to increase.
また、学振法によるX線回折で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc)は、通常30nm以上、好ましくは50nm以上、より好ましくは100nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、初期不可逆容量が増加する傾向がある。
(2)灰分
黒鉛質粒子中に含まれる灰分は、黒鉛質粒子の全質量に対して、通常1質量%以下、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。また、通常0.0001質量%以上であることが好ましい。灰分が多すぎると、充放電時の電解液との反応による電池性能の劣化する傾向がある。また灰分が少なすぎると、製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストも工業製品として好ましくない範囲まで上昇する傾向がある。
The crystallite size (Lc) of the carbon material determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually in the range of 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more. Below this range, crystallinity decreases and the initial irreversible capacity tends to increase.
(2) Ash content The ash content in the graphite particles is usually 1% by mass or less, preferably 0.5% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less, based on the total mass of the graphite particles. . Moreover, it is preferable that it is 0.0001 mass% or more normally. When there is too much ash content, there exists a tendency for the battery performance to deteriorate by reaction with the electrolyte solution at the time of charging / discharging. Moreover, when there is too little ash content, manufacturing requires a lot of time, energy, and the equipment for pollution prevention, and there exists a tendency for cost to also rise to the range which is unpreferable as an industrial product.
(3)体積基準平均粒径
黒鉛質粒子の体積基準平均粒径(d50)は、レーザー回折・散乱法により求めた体積基準の平均粒径(d50)が、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、更に好ましくは6μm以上である。また、上限は、通常18μm以下、好ましくは12μm以下、より好ましくは10μm以下、更に好ましくは8μm以下である。平均粒径が小さすぎると、不可逆容量が増大して、初期の電池容量の損失を招く傾向がある。また平均粒径が大きすぎると、本発明の効果が得にくい傾向がある。特に本発明においては、体積基準平均粒径(d50)が上述した範囲である黒鉛質粒子を複層構造炭素材の原料として用いることが好ましい。
(3) Volume-based average particle diameter The volume-based average particle diameter (d50) of the graphite particles is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, based on the volume-based average particle diameter (d50) determined by the laser diffraction / scattering method. More preferably, it is 5 micrometers or more, More preferably, it is 6 micrometers or more. Moreover, an upper limit is 18 micrometers or less normally, Preferably it is 12 micrometers or less, More preferably, it is 10 micrometers or less, More preferably, it is 8 micrometers or less. If the average particle size is too small, the irreversible capacity tends to increase, leading to a loss of initial battery capacity. If the average particle size is too large, the effect of the present invention tends to be difficult to obtain. In particular, in the present invention, it is preferable to use graphite particles having a volume-based average particle diameter (d50) in the above-described range as a raw material for the multilayer structure carbon material.
(4)ラマンR値及びラマン半値幅
アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した黒鉛質粒子のラマンR値は、通常0.01以上、好ましくは0.03以上、より好ましくは0.10以上、上限としては0.60以下、好ましくは0.50以下、より好ましくは0.40以下の範囲であ
る。ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
(4) Raman R value and Raman half-value width The Raman R value of graphite particles measured using an argon ion laser Raman spectrum method is usually 0.01 or more, preferably 0.03 or more, more preferably 0.10 or more. The upper limit is 0.60 or less, preferably 0.50 or less, more preferably 0.40 or less. If the Raman R value is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li enters between the layers increases with charge / discharge. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystallinity of the particle surface is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
また、黒鉛質粒子の1360cm-1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常10cm-1以上、好ましくは15cm-1以上である。通常90cm-1以下、好ましくは70cm-1以下、より好ましくは60cm-1以下の範囲である。ラマン半値幅が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。一方、ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
なお、ラマンR値及びラマン半値幅の測定方法は前述のとおりである。
Further, the Raman half-width in the vicinity of 1360 cm −1 of the graphite particles is not particularly limited, but is usually 10 cm −1 or more, preferably 15 cm −1 or more. Usually, it is 90 cm −1 or less, preferably 70 cm −1 or less, more preferably 60 cm −1 or less. If the Raman half-value width is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li enters between the layers increases with charge / discharge. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. On the other hand, if the Raman half-value width is too large, the crystallinity of the particle surface decreases, the reactivity with the electrolytic solution increases, and the efficiency tends to decrease and the gas generation increases.
The method for measuring the Raman R value and the Raman half-value width is as described above.
(5)BET比表面積
黒鉛質粒子のBET法を用いて測定した比表面積は、通常0.1m2/g以上、好まし
くは0.7m2/g以上、より好ましくは1m2/g以上、更に好ましくは2m2/g以上
である。上限は、通常100m2/g以下、好ましくは25m2/g以下、より好ましくは20m2/g以下である。比表面積の値が小さすぎると、負極材料として用いた場合の充
電時にリチウムの受け入れ性が悪くなる傾向がある。一方、比表面積の値が大きすぎると、負極材料として用いた時に電解液に露出した部分と電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなり易く、好ましい電池が得られにくい傾向がある。また、複層構造炭素材のBET比表面積を低減するために、非晶質炭素の割合を増加させると、過剰な非晶質を増加さ
せることになり、高出力特性を得にくい傾向がある。
(5) BET specific surface area The specific surface area of the graphite particles measured by the BET method is usually 0.1 m 2 / g or more, preferably 0.7 m 2 / g or more, more preferably 1 m 2 / g or more, and more Preferably it is 2 m 2 / g or more. The upper limit is usually 100 m 2 / g or less, preferably 25 m 2 / g or less, more preferably 20 m 2 / g or less. When the value of the specific surface area is too small, lithium acceptability tends to be deteriorated during charging when used as a negative electrode material. On the other hand, if the value of the specific surface area is too large, the reactivity between the portion exposed to the electrolytic solution and the electrolytic solution when used as a negative electrode material is increased, gas generation tends to increase, and a preferable battery tends to be difficult to obtain. . Further, if the proportion of amorphous carbon is increased in order to reduce the BET specific surface area of the multi-layer structure carbon material, excess amorphous material is increased and high output characteristics tend to be difficult to obtain.
(6)細孔分布
黒鉛質粒子の水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)により求められる、直径0.01μm以上、1μm以下に相当する粒子内の空隙、粒子表面のステップによる凹凸の量は、通常0.01mL/g以上、好ましくは0.05mL/g以上、より好ましくは0.1mL/g以上である。また通常0.6mL/g以下、好ましくは0.4mL/g以下、より好ましくは0.3mL/g以下の範囲である。この範囲を上回ると、極板化時にバインダーを多量に必要となる場合がある。凹凸の量が少なすぎると、高電流密度充放電特性が低下し、且つ充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が得られない傾向がある。
(6) Pore distribution The amount of voids in the particle corresponding to a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less, and the amount of irregularities due to the step on the particle surface, which is obtained by mercury porosimetry (mercury intrusion method) of the graphite particles, is usually 0. 0.01 mL / g or more, preferably 0.05 mL / g or more, more preferably 0.1 mL / g or more. Moreover, it is 0.6 mL / g or less normally, Preferably it is 0.4 mL / g or less, More preferably, it is the range of 0.3 mL / g or less. If it exceeds this range, a large amount of binder may be required when forming an electrode plate. When the amount of the unevenness is too small, the high current density charge / discharge characteristics are deteriorated, and the effect of relaxing the expansion / contraction of the electrode during charge / discharge tends to be not obtained.
また、全細孔容積は、通常0.1以上、好ましくは0.2mL/g以上、より好ましくは0.25mL/g以上である。また通常10mL/g以下、好ましくは5mL/g以下、より好ましくは2mL/g以下の範囲である。全細孔容積が大きすぎると極板化時にバインダを多量に必要となる傾向がある。全細孔容積が小さすぎると極板化時に増粘剤や結着剤の分散効果が得られない傾向がある。 Further, the total pore volume is usually 0.1 or more, preferably 0.2 mL / g or more, more preferably 0.25 mL / g or more. Moreover, it is 10 mL / g or less normally, Preferably it is 5 mL / g or less, More preferably, it is the range of 2 mL / g or less. If the total pore volume is too large, a large amount of binder tends to be required when forming an electrode plate. If the total pore volume is too small, there is a tendency that the effect of dispersing the thickener and the binder cannot be obtained when forming an electrode plate.
また、平均細孔径は、通常0.05μm以上、好ましくは0.75μm以上、より好ましくは0.1μm以上、更に好ましくは0.5μm以上である。また通常50μm以下、好ましくは20μm以下、より好ましくは10μm以下である。平均細孔径が大きすぎると、バインダを多量に必要となる場合が傾向があり、一方平均細孔径が小さすぎると高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。 The average pore diameter is usually 0.05 μm or more, preferably 0.75 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.5 μm or more. Further, it is usually 50 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 10 μm or less. If the average pore diameter is too large, a large amount of binder tends to be required. On the other hand, if the average pore diameter is too small, high current density charge / discharge characteristics tend to decrease.
(7)円形度
黒鉛質粒子の円形度は、通常0.1以上、好ましくは0.2以上、特に好ましくは0.5以上、より好ましくは0.8以上、更に好ましくは0.85以上である。また通常1以下、好ましくは0.99以下、より好ましくは0.98以下である。円形度が小さすぎる
と、高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。円形度を向上させる方法は、特に限定されないが、前記のとおり、球形化処理を行う方法が好ましく、例としては、せん断力、圧縮力を与えることによって機械的に球形に近づける方法、複数の微粒子をバインダもしくは、粒子自身の有する付着力によって造粒する機械的・物理的処理方法等が挙げられる。
(7) Circularity The circularity of the graphite particles is usually 0.1 or more, preferably 0.2 or more, particularly preferably 0.5 or more, more preferably 0.8 or more, and further preferably 0.85 or more. is there. Also, it is usually 1 or less, preferably 0.99 or less, more preferably 0.98 or less. If the circularity is too small, the high current density charge / discharge characteristics tend to decrease. Although the method for improving the circularity is not particularly limited, as described above, a method of performing spheroidization is preferable, and examples thereof include a method of mechanically approaching a sphere by applying a shearing force and a compressive force, and a plurality of fine particles And a mechanical / physical treatment method in which the particles are granulated by the adhesive force of the binder or the particles themselves.
(8)真密度
黒鉛質粒子の真密度は、通常2g/cm3以上、好ましくは2.1g/cm3以上、より好ましくは2.2g/cm3以上、更に好ましくは2.22g/cm3以上であり、上限としては2.26g/cm3以下である。上限は黒鉛の理論値である。真密度が小さすぎる
と炭素の結晶性が低すぎて初期不可逆容量が増大する傾向がある。本発明における真密度は、ブタノールを使用した液相置換法(ピクノメータ法)によって測定したもので定義する。
(8) True density The true density of the graphite particles is usually 2 g / cm 3 or more, preferably 2.1 g / cm 3 or more, more preferably 2.2 g / cm 3 or more, and further preferably 2.22 g / cm 3. The upper limit is 2.26 g / cm 3 or less. The upper limit is the theoretical value of graphite. If the true density is too low, the crystallinity of the carbon is too low and the initial irreversible capacity tends to increase. The true density in the present invention is defined by a value measured by a liquid phase substitution method (pycnometer method) using butanol.
(9)タップ密度
黒鉛質粒子のタップ密度は、通常0.67g/cm3以上、好ましくは0.7g/cm3以上、更に好ましくは0.8g/cm3以上、特に好ましくは0.88g/cm3以上であることが望まれる。また、通常1.5g/cm3、好ましくは1.4g/cm3以下、更に好ましくは1.2g/cm3以下、特に好ましくは1.1g/cm3以下である。タップ密度が小さすぎると、負極として用いた場合に充填密度が上がり難く、高容量の電池を得にくい傾向があり、一方、大きすぎると、電極中の粒子間の空隙が少なくなり過ぎ、粒子間の導電性が確保され難くなり、好ましい電池特性が得られにくい傾向がある。特に本発明においては、タップ密度が上述した範囲である黒鉛質粒子を複層構造炭素材の原料として用いることが好ましい。
(9) Tap Density Tap density graphite particles is usually 0.67 g / cm 3 or higher, preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, particularly preferably 0.88 g / It is desired to be cm 3 or more. And usually 1.5 g / cm 3, preferably 1.4 g / cm 3 or less, more preferably 1.2 g / cm 3 or less, particularly preferably 1.1 g / cm 3 or less. If the tap density is too small, the packing density is difficult to increase when used as a negative electrode, and it tends to be difficult to obtain a high-capacity battery. Therefore, it is difficult to ensure the conductivity of the battery, and it is difficult to obtain preferable battery characteristics. In particular, in the present invention, it is preferable to use graphite particles having a tap density in the above-described range as a raw material for the multilayer structure carbon material.
(10)配向比
黒鉛質粒子の粉末状態での配向比は、通常0.01以上であり、好ましくは0.02以上、より好ましくは0.04以上、上限は0.67以下である。配向比が小さすぎると、高密度充放電特性が低下する傾向がある。
(11)アスペクト比
黒鉛質粒子の粉末状態でのアスペクト比は、通常1以上であり、通常10以下、好ましくは8以下、更に好ましくは5以下である。アスペクト比が大きすぎると、極板化時にスジ引きや、均一な塗布面が得られず、高電流密度充放電特性が低下する傾向がある。
(10) Orientation ratio The orientation ratio of the graphite particles in the powder state is usually 0.01 or more, preferably 0.02 or more, more preferably 0.04 or more, and the upper limit is 0.67 or less. When the orientation ratio is too small, the high-density charge / discharge characteristics tend to decrease.
(11) Aspect ratio The aspect ratio of the graphite particles in a powder state is usually 1 or more, usually 10 or less, preferably 8 or less, and more preferably 5 or less. When the aspect ratio is too large, streaking or a uniform coated surface cannot be obtained when forming an electrode plate, and the high current density charge / discharge characteristics tend to deteriorate.
(12)平均粒径d10
黒鉛質粒子の体積基準で小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は通常10μm以下、好ましくは8μm以下、より好ましくは6μm以下である。また、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは4μm以上である。d10が大きすぎると、粒子の大きさが大きくなり、本発明の効果が得られにくくなる傾向がある。一般的に小粒径黒鉛は、d10が小さくなり、粒子の凝集傾向が強くなり、塗布時のスジ引きが起こりやすい傾向となるが、本発明では、このd10を極力小さくならない黒鉛とすることも本発明の効果をより発現するために重要である。本発明におけるd10は、平均粒径の測定項で得られた粒度分布で粒子の頻度%が小さい粒径から積算で10%となった値で定義される。
(12) Average particle diameter d10
The particle size (d10) corresponding to a cumulative 10% from the small particle side on the volume basis of the graphite particles is usually 10 μm or less, preferably 8 μm or less, more preferably 6 μm or less. Moreover, it is 1 micrometer or more normally, Preferably it is 3 micrometers or more, More preferably, it is 4 micrometers or more. When d10 is too large, the size of the particles becomes large, and the effect of the present invention tends to be difficult to obtain. In general, small-diameter graphite has a small d10, a tendency to aggregate particles, and tends to cause streaking during coating. In the present invention, this d10 may be a graphite that does not become as small as possible. This is important for more manifesting the effects of the present invention. In the present invention, d10 is defined as a value obtained by integrating 10% from a particle size having a small particle frequency% in the particle size distribution obtained in the measurement term of the average particle size.
(13)平均粒径d90
レーザー回折・散乱法により求めた黒鉛質粒子のd90(体積基準で小さい粒子から累計90%となる粒子径)は、通常8μm以上、好ましくは9μm以上、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは15μm以上である。また、通常50μm以下、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下、更に好ましくは20μm以下である。d9
0が小さすぎると、不可逆容量が増大して、初期の電池容量の損失する傾向がある。またd90が大きすぎると、本発明の効果が得にくい傾向がある。本発明におけるd90は、平均粒径の測定項で得られた粒度分布で粒子の頻度%が小さい粒径から積算で90%となった値で定義される。
(13) Average particle diameter d90
Graphite particles obtained by laser diffraction / scattering method have a d90 (particle size that is 90% cumulative from small particles on a volume basis) of usually 8 μm or more, preferably 9 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 15 μm or more. It is. Moreover, it is 50 micrometers or less normally, Preferably it is 30 micrometers or less, More preferably, it is 25 micrometers or less, More preferably, it is 20 micrometers or less. d9
If 0 is too small, the irreversible capacity increases and the initial battery capacity tends to be lost. If d90 is too large, the effect of the present invention tends to be difficult to obtain. In the present invention, d90 is defined as a value obtained by integrating 90% from a particle size having a small particle frequency% in the particle size distribution obtained in the measurement term of the average particle size.
(14)最大粒径dmax
黒鉛質粒子の最大粒径dmaxは、通常300μm以下、好ましくは250μm以下、より好ましくは、100μm以下である。大きすぎると、スジ引きの原因となりやすい傾向がある。
また、本発明における最大粒径は、平均粒径の測定項で得られた粒度分布で粒子が測定された最も大きい値で定義される。
(14) Maximum particle size dmax
The maximum particle diameter dmax of the graphite particles is usually 300 μm or less, preferably 250 μm or less, more preferably 100 μm or less. If it is too large, it tends to cause streaking.
Further, the maximum particle size in the present invention is defined as the largest value at which particles are measured in the particle size distribution obtained in the measurement term of average particle size.
・黒鉛質粒子の製造方法
本発明の黒鉛質粒子は、その原料として、天然黒鉛及び/又は人造黒鉛を含有する黒鉛質粒子、又は、これらよりもやや結晶性の低い石炭系コークス、石油系コークス、ファーネスブラック、アセチレンブラック及びピッチ系炭素繊維からなる群から選ばれる材料の焼成物及び又は黒鉛化物を含有するものが好ましく、天然黒鉛及び/又は人造黒鉛を含有する黒鉛質粒子がより好ましい。これらの中でも天然黒鉛に対して球形化処理を施した球形化天然黒鉛が特に好ましい。
・ Method for producing graphite particles
The graphite particles of the present invention include, as a raw material, graphite particles containing natural graphite and / or artificial graphite, or coal-based coke, petroleum-based coke, furnace black, acetylene black, and a slightly lower crystallinity than these. Those containing a fired product and / or graphitized material selected from the group consisting of pitch-based carbon fibers are preferred, and graphitic particles containing natural graphite and / or artificial graphite are more preferred. Among these, spheroidized natural graphite obtained by spheronizing natural graphite is particularly preferable.
球形化処理に用いる装置としては、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ることができる。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料に対して衝撃圧縮、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、炭素材料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。好ましい装置として、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。本発明の黒鉛質粒子は、球形化処理を施すことにより、鱗片状の天然黒鉛が折りたたまれる、もしくは周囲エッジ部分が球形粉砕されることにより球状とされた母体粒子に、粉砕により生じた主に5μm以下の微粉が付着してなり、球形化処理後の黒鉛質粒子の表面官能基量O/C値が1%以上、4%以下となる条件で、球形化処理を行うことにより製造することが好ましい。 As an apparatus used for the spheroidization treatment, for example, an apparatus that repeatedly gives mechanical action such as compression, friction, shearing force, etc. including the interaction of particles mainly with impact force to the particles can be used. Specifically, it has a rotor with a large number of blades installed inside the casing, and when the rotor rotates at high speed, mechanical action such as impact compression, friction, shearing force, etc. is applied to the carbon material introduced inside. An apparatus that provides a surface treatment is preferable. Moreover, it is preferable to have a mechanism that repeatedly gives mechanical action by circulating the carbon material. Preferable apparatuses include, for example, a hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), kryptron (manufactured by Earth Technica Co., Ltd.), CF mill (manufactured by Ube Industries, Ltd.), mechanofusion system (manufactured by Hosokawa Micron Corporation), Etc.). Among these, a hybridization system manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. is preferable. The graphite particles of the present invention are mainly produced by pulverization into base particles that are made spherical by spheroidizing the flaky natural graphite or by pulverizing the peripheral edge portion. Produced by performing spheronization treatment under the condition that the fine particles of 5 μm or less adhere and the surface functional group amount O / C value of the graphite particles after spheronization treatment is 1% or more and 4% or less. Is preferred.
この際には、機械的処理のエネルギーにより黒鉛表面の酸化反応を進行させ、黒鉛表面に酸性官能基を導入することができるよう、活性雰囲気下で行うことが好ましい。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30〜100m/秒にするのが好ましく、40〜100m/秒にするのがより好ましく、50〜100m/秒にするのが更に好ましい。 In this case, it is preferable to carry out in an active atmosphere so that the oxidation reaction of the graphite surface is advanced by the energy of mechanical treatment, and acidic functional groups can be introduced into the graphite surface. For example, when processing using the above-mentioned apparatus, the peripheral speed of the rotating rotor is preferably 30 to 100 m / sec, more preferably 40 to 100 m / sec, and 50 to 100 m / sec. Is more preferable.
また機械的処理は、単に黒鉛質粒子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。このように強い球形化処理を施すことにより、微粉を大幅に除去し、その結果、高いタップ密度及び/又はより小さな平均粒径の特性を得た黒鉛質粒子を得ることが可能となる。 The mechanical treatment can be performed simply by passing the graphite particles, but it is preferable to circulate or stay in the apparatus for 30 seconds or longer, and to circulate or stay in the apparatus for 1 minute or longer. Is more preferable. By applying such a strong spheronization treatment, it is possible to greatly remove fine powder, and as a result, it is possible to obtain graphitic particles having characteristics of high tap density and / or smaller average particle diameter.
本発明の複層構造炭素材を製造するに際し、このような処理を施した黒鉛質粒子を核黒鉛の原料として用いることがより好ましい。
また人造黒鉛の具体例としては、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、イミド樹脂などの有機物を、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。
In producing the multilayer structure carbon material of the present invention, it is more preferable to use the graphite particles subjected to such treatment as a raw material of nuclear graphite.
Specific examples of artificial graphite include coal tar pitch, coal heavy oil, atmospheric residue, petroleum heavy oil, aromatic hydrocarbon, nitrogen-containing cyclic compound, sulfur-containing cyclic compound, polyphenylene, polyvinyl chloride. , Organic substances such as polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyvinyl butyral, natural polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, furfuryl alcohol resin, phenol-formaldehyde resin, imide resin, usually in a range of 2500 ° C. or more and usually 3200 ° C. or less. Examples thereof include those calcined at a temperature and graphitized.
また、黒鉛化度の小さい黒鉛質粒子としては、有機物を通常2500℃以下の温度で焼成したものが用いられる。有機物の具体例としては、コールタールピッチ、乾留液化油などの石炭系重質油;常圧残油、減圧残油などの直留系重質油;原油、ナフサなどの熱分解時に副生するエチレンタール等の分解系重質油などの石油系重質油;アセナフチレン、デカシクレン、アントラセンなどの芳香族炭化水素;フェナジンやアクリジンなどの窒素含有環状化合物;チオフェンなどの硫黄含有環状化合物;アダマンタンなどの脂肪族環状化合物;ビフェニル、テルフェニルなどのポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルブチラールなどのポリビニルエステル類、ポリビニルアルコールなどの熱可塑性高分子などが挙げられる。 Further, as the graphite particles having a low graphitization degree, those obtained by firing an organic substance at a temperature of usually 2500 ° C. or less are used. Specific examples of organic substances include coal-based heavy oils such as coal tar pitch and dry-distilled liquefied oil; straight-run heavy oils such as atmospheric residual oil and vacuum residual oil; by-product during thermal decomposition of crude oil, naphtha, etc. Petroleum heavy oils such as cracked heavy oils such as ethylene tar; Aromatic hydrocarbons such as acenaphthylene, decacyclene and anthracene; Nitrogen-containing cyclic compounds such as phenazine and acridine; Sulfur-containing cyclic compounds such as thiophene; Aliphatic cyclic compounds; polyphenylenes such as biphenyl and terphenyl; polyvinyl esters such as polyvinyl chloride, polyvinyl acetate and polyvinyl butyral; and thermoplastic polymers such as polyvinyl alcohol.
更に黒鉛化度の小さい黒鉛質粒子を得る場合、有機物の焼成温度は通常600℃以上、好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上である。その上限は、炭素材料に付与する所望の黒鉛化度等により異なるが、通常2500℃以下、好ましくは2000℃以下、より好ましくは1400℃以下の範囲である。焼成する際には、有機物に燐酸、ホウ酸、塩酸などの酸類、水酸化ナトリウム等のアルカリ類を混合してもよい。 Further, when obtaining graphitic particles having a low degree of graphitization, the firing temperature of the organic substance is usually 600 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 950 ° C. or higher. The upper limit varies depending on the desired degree of graphitization imparted to the carbon material and the like, but is usually 2500 ° C. or lower, preferably 2000 ° C. or lower, more preferably 1400 ° C. or lower. At the time of baking, acids such as phosphoric acid, boric acid and hydrochloric acid, and alkalis such as sodium hydroxide may be mixed with the organic matter.
黒鉛質粒子は、黒鉛質粒子に金属粒子、及び金属酸化物粒子等の粒子を任意の組み合わせで適宜混合して用いても良い。また、個々の粒子中に複数の材料が混在するものであってもよい。例えば、黒鉛の表面を黒鉛化度の小さい炭素材料で被覆した構造の炭素質粒子や、黒鉛質粒子を適当な有機物で集合させ再黒鉛化した粒子でも良い。更に、前記複合粒子中にSn、Si、Al、BiなどLiと合金化可能な金属を含んでいても良い。 The graphite particles may be used by appropriately mixing graphite particles with metal particles, metal oxide particles, and the like in any combination. Further, a plurality of materials may be mixed in each particle. For example, carbonaceous particles having a structure in which the surface of graphite is coated with a carbon material having a low graphitization degree, or particles obtained by aggregating graphite particles with an appropriate organic substance and regraphitizing may be used. Furthermore, the composite particles may contain a metal that can be alloyed with Li, such as Sn, Si, Al, Bi.
<非晶質炭素>
非晶質炭素とは、結晶性の低い炭素質物をいう。
具体的には、非晶質炭素を得るための炭素前駆体として、以下の(a)又は(b)に記載の炭素材が好ましい。
(a)石炭系重質油、直流系重質油、分解系石油重質油、芳香族炭化水素、N環化合物、S環化合物、ポリフェニレン、有機合成高分子、天然高分子、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなる群より選ばれた炭化可能な有機物が挙げられる。
<Amorphous carbon>
Amorphous carbon refers to a carbonaceous material with low crystallinity.
Specifically, the carbon material described in the following (a) or (b) is preferable as a carbon precursor for obtaining amorphous carbon.
(A) Coal heavy oil, DC heavy oil, cracked heavy oil, aromatic hydrocarbon, N ring compound, S ring compound, polyphenylene, organic synthetic polymer, natural polymer, thermoplastic resin and Examples thereof include carbonizable organic substances selected from the group consisting of thermosetting resins.
(b)炭化可能な有機物を低分子有機溶媒に溶解させたもの
石炭系重質油としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ、乾留液化油等が好ましく、直流系重質油としては、常圧残油、減圧残油等が好ましく、分解系石油重質油としては、原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等が好ましく、芳香族炭化水素としては、アセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等が好ましく、N環化合物としては、フェナジン、アクリジン等が好ましく、S環化合物としては、チオフェン、ビチオフェン等が好ましく、ポリフェニレンとしては、ビフェニル、テルフェニル等が好ましく、有機合成高分子としては、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、これらのものの不溶化処理品、ポリアクリロニトリル、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリスチレン等が好ましく、天然高分子としては、セルロース、リグニン、マンナン、ポリガラクトウロン酸、キトサン、サッカロース等の多糖類等が好ましく、熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレ
ンオキシド等が好ましく、熱硬化性樹脂としては、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、イミド樹脂等が好ましい。
またベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n−へキサン等の低分子有機溶媒に溶解させた溶液等の炭化物であることも好ましい。
(B) Carbonized organic substance dissolved in low molecular weight organic solvent As coal-based heavy oil, coal tar pitch from dry pitch to hard pitch, dry distillation liquefied oil, etc. are preferable, and DC heavy oil as Normal pressure residue, reduced pressure residue, etc., and cracked petroleum heavy oil is preferably ethylene tar produced as a by-product during thermal decomposition of crude oil, naphtha, etc., and aromatic hydrocarbons are acenaphthylene, decacyclene, Anthracene, phenanthrene, and the like are preferable. As the N ring compound, phenazine, acridine, and the like are preferable. As the S ring compound, thiophene, bithiophene, and the like are preferable. As the polyphenylene, biphenyl, terphenyl, and the like are preferable. Polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and the like Preferred are natural products, polyacrylonitrile, polypyrrole, polythiophene, polystyrene, etc., natural polymers are preferably polysaccharides such as cellulose, lignin, mannan, polygalacturonic acid, chitosan, saccharose, etc., and thermoplastic resins are polyphenylene Sulfide, polyphenylene oxide and the like are preferable, and as the thermosetting resin, a furfuryl alcohol resin, a phenol-formaldehyde resin, an imide resin and the like are preferable.
Moreover, it is also preferable that it is carbide | carbonized_materials, such as a solution dissolved in low molecular organic solvents, such as benzene, toluene, xylene, quinoline, and n-hexane.
・非晶質炭素の物性
非晶質炭素の物性としては、次に示す(1)〜(4)の何れか1項又は複数項を満たしていることが望ましい。また、かかる物性を示す非晶質炭素1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせで併用しても良い。
(1)X線パラメータ
非晶質炭素部分については、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd002値(層間距離)は、通常0.340nm以上であるが、0.340nm以上であることが好ましく、0.341nm以上であることが特に好ましい。また通常0.380nm以下が好ましく、より好ましくは0.355nm以下、更に好ましくは0.350nm以下である。d002値が大きすぎると、著しく結晶性の低い表面となり、不可逆容量が増加する傾向があり、一方小さすぎると、低結晶性炭素質を表面に配置することによる得られる充電受入性向上の効果が小さく、本発明の効果が小さくなってしまう傾向がある。また、学振法によるX線回折で求めた炭素材料の結晶子サイズ(Lc)は、通常1nm以上、好ましくは1.5nm以上の範囲である。この範囲を下回ると、結晶性が低下し、初期不可逆容量の増大が増加する場合がある。
-Physical property of amorphous carbon As a physical property of amorphous carbon, it is desirable to satisfy any one or plural of the following (1) to (4). One kind of amorphous carbon exhibiting such physical properties may be used alone, or two or more kinds may be used in combination in any combination.
(1) X-ray parameters For the amorphous carbon portion, the d002 value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 0.340 nm or more, but is not less than 0.30 nm. It is preferably 340 nm or more, and particularly preferably 0.341 nm or more. Moreover, 0.380 nm or less is preferable normally, More preferably, it is 0.355 nm or less, More preferably, it is 0.350 nm or less. If the d002 value is too large, the surface is remarkably low in crystallinity, and the irreversible capacity tends to increase. On the other hand, if the value is too small, the effect of improving the charge acceptability obtained by disposing the low crystalline carbonaceous material on the surface. It is small and the effect of the present invention tends to be small. The crystallite size (Lc) of the carbon material determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually in the range of 1 nm or more, preferably 1.5 nm or more. Below this range, the crystallinity may decrease and the increase in initial irreversible capacity may increase.
(2)灰分
非晶質炭素部分に含まれる灰分は、複層構造炭素材の全質量に対して、通常1質量%以下、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。通常0.001質量%以上である。また灰分が少なすぎると、製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストも工業製品として好ましくない範囲まで上昇する傾向がある。
(2) Ash content The ash content contained in the amorphous carbon portion is usually 1% by mass or less, preferably 0.5% by mass or less, more preferably 0.1% by mass with respect to the total mass of the multilayer carbon material. It is as follows. Usually 0.001% by mass or more. Moreover, when there is too little ash content, manufacturing requires a lot of time, energy, and the equipment for pollution prevention, and there exists a tendency for cost to also rise to the range which is unpreferable as an industrial product.
(3)ラマンR値及びラマン半値幅
アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した非晶質炭素部分のラマンR値は、通常0.5以上、好ましくは0.7以上、より好ましくは0.9以上である。また通常1.5以下、好ましくは1.4以下である。ラマンR値が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を傾向がある。一方、ラマンR値が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加する傾向がある。
(3) Raman R value and Raman half-value width The Raman R value of the amorphous carbon portion measured using an argon ion laser Raman spectrum method is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.8. 9 or more. Moreover, it is 1.5 or less normally, Preferably it is 1.4 or less. If the Raman R value is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li enters between the layers increases with charge / discharge. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. In addition, when the negative electrode is densified by applying it to the current collector and then pressing it, the crystals tend to be oriented in the direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics tend to decrease. On the other hand, if the Raman R value is too large, the crystallinity of the particle surface is lowered, the reactivity with the electrolytic solution is increased, and there is a tendency that efficiency is lowered and gas generation is increased.
また、非晶質炭素部分の1580cm-1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常60cm-1以上、好ましくは80cm-1以上、また通常150cm-1以下、好ましくは140cm-1以下である。ラマン半値幅が小さすぎると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる傾向がある。即ち、充電受入性が低下する傾向がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向し易くなり、負荷特性の低下を招く傾向がある。一方、ラマン半値幅が大きすぎると、粒子表面の結晶性が低下し、電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く傾向がある。
なお、ラマンR値とラマン半値幅の測定方法は前述のとおりである。
Further, the Raman half-width in the vicinity of 1580 cm −1 of the amorphous carbon portion is not particularly limited, but is usually 60 cm −1 or more, preferably 80 cm −1 or more, and usually 150 cm −1 or less, preferably 140 cm −1 or less. . If the Raman half-value width is too small, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there is a tendency that the number of sites where Li enters between the layers increases with charge / discharge. That is, there is a tendency that charge acceptance is lowered. In addition, when the negative electrode is densified by applying it to the current collector and then pressing it, the crystals tend to be oriented in a direction parallel to the electrode plate, and the load characteristics tend to be reduced. On the other hand, if the Raman half-value width is too large, the crystallinity of the particle surface decreases, the reactivity with the electrolytic solution increases, and the efficiency tends to decrease and the gas generation increases.
In addition, the measuring method of a Raman R value and a Raman half value width is as above-mentioned.
(4)真密度
非晶質炭素部分の真密度は、通常1.4g/cm3以上、好ましくは1.5g/cm3以
上、より好ましくは1.6g/cm3以上、更に好ましくは1.7g/cm3以上であり、通常2.1g/cm3以下、好ましくは2g/cm3以下である。真密度が大きすぎると充電受入性が損なわれる傾向がある。
真密度が小さすぎると炭素の結晶性が低すぎて初期不可逆容量が増大する傾向がある。
(4) True density The true density of the amorphous carbon portion is usually 1.4 g / cm 3 or more, preferably 1.5 g / cm 3 or more, more preferably 1.6 g / cm 3 or more, and still more preferably 1. It is 7 g / cm 3 or more, usually 2.1 g / cm 3 or less, preferably 2 g / cm 3 or less. If the true density is too large, charge acceptance tends to be impaired.
If the true density is too low, the crystallinity of the carbon is too low and the initial irreversible capacity tends to increase.
<複層構造炭素材の製法>
本発明の複層構造炭素材の製法は、黒鉛質粒子の表面を非晶質炭素で被覆し、且つ得られた複層構造炭素材が、複層構造炭素材の平均粒径d50が1μm以上18μm以下であり、黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が96/4以上99.99/0.01以下であり、且つ複層構造炭素材のタップ密度が0.85g/cm3以上1.3g/cm3以下となるように製造されれば、特には制限されない。より具体的な複層構造炭素材の製造方法は、上述した黒鉛質粒子を核黒鉛とし、非晶質炭素を得るための炭素前駆体を被覆原料として用い、これらを混合、焼成することであり、これら原料を組み合わせ、特定の黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率を制御することで本発明の複層構造炭素材を製造することができる。
<Production method of multi-layer carbon material>
The method for producing a multilayer structure carbon material of the present invention is such that the surface of the graphite particles is coated with amorphous carbon, and the resulting multilayer structure carbon material has an average particle diameter d50 of the multilayer structure carbon material of 1 μm or more. 18 μm or less, the weight ratio of graphite particles / amorphous carbon is 96/4 or more and 99.99 / 0.01 or less, and the tap density of the multi-layer structure carbon material is 0.85 g / cm 3 or more and 1 If it is manufactured to be 3 g / cm 3 or less, it is not particularly limited. A more specific method for producing a multi-layer carbon material is to use the above graphite particles as nuclear graphite, a carbon precursor for obtaining amorphous carbon as a coating raw material, and mix and fire these. The multilayer carbon material of the present invention can be produced by combining these raw materials and controlling the specific graphite particle / amorphous carbon weight ratio.
黒鉛質粒子に非晶質炭素を被覆する方法は、非晶質炭素を得るための炭素前駆体をそのまま用いて、炭素前駆体と黒鉛質粒子粉体との混合物を加熱処理して複合粉体を得る方法、前述の炭素前駆体を一部炭素化した非晶質炭素粉体を予め作製しておき、黒鉛質粒子粉体と混合し、加熱処理して複合化する方法、前述の非晶質炭素粉体を予め作製しておき、黒鉛質粒子粉体と非晶質炭素粉体と炭素前駆体とを混合し、加熱処理して複合化する方法等が採用可能である。なお、後二者の予め非晶質炭素粉体を用意しておく方法では、平均粒子径が黒鉛質粒子の平均粒径の10分の1以下の非晶質炭素を用いることが好ましい。また、予め作製した非晶質炭素と黒鉛質粒子を粉砕等の力学的エネルギーを加えることで、一方に他方が巻き込まれた構造や、静電的に付着した構造にする方法も採用が可能である。 The method of coating amorphous carbon on graphite particles is to use a carbon precursor for obtaining amorphous carbon as it is, and heat-treat the mixture of the carbon precursor and the graphite particle powder to form a composite powder. A method in which an amorphous carbon powder obtained by partially carbonizing the carbon precursor described above is prepared in advance, mixed with a graphite particle powder, and heat-treated to form a composite. A method of preparing a carbonaceous powder in advance, mixing a graphite particle powder, an amorphous carbon powder, and a carbon precursor, and performing a heat treatment to form a composite can be employed. In the latter two methods of preparing amorphous carbon powder in advance, it is preferable to use amorphous carbon having an average particle diameter of 1/10 or less of the average particle diameter of the graphite particles. In addition, by applying mechanical energy such as pulverization to amorphous carbon and graphite particles prepared in advance, it is possible to adopt a method in which the other is involved in one or a structure that is electrostatically attached. is there.
黒鉛質粒子と炭素前駆体を混合したものを得るか、あるいは、黒鉛質粒子と非晶質炭素の混合物と炭素前駆体を混合したものを加熱して中間物質を得て、その後、炭化焼成、粉砕することにより、最終的に黒鉛質粒子に非晶質炭素を複合化させた複層構造炭素材を得ることが好ましい。
より具体的な本発明における複層構造炭素材を得るための製造工程は、以下の4工程に分けられる。
Obtain a mixture of graphite particles and a carbon precursor, or heat a mixture of graphite particles and amorphous carbon and a carbon precursor to obtain an intermediate substance, and then carbonize and fire, It is preferable to obtain a multi-layer structure carbon material in which amorphous carbon is finally combined with graphite particles by pulverization.
A more specific manufacturing process for obtaining a multi-layer structure carbon material in the present invention is divided into the following four processes.
第1工程:黒鉛質粒子及び非晶質炭素の炭素前駆体、更に、必要に応じて溶媒とを、種々の市販の混合機や混練機等を用いて混合し、混合物を得る。
第2工程:混合物を加熱し溶媒及び、炭素前駆体から発生する揮発分を除去した中間物質を得る。このとき必要に応じ、前記混合物を攪拌しながら行ってもよい。また、揮発分が残留していても、後の第3工程で除去されるので、問題ない。
First step: Graphite particles, a carbon precursor of amorphous carbon, and, if necessary, a solvent are mixed using various commercially available mixers and kneaders to obtain a mixture.
Second step: The mixture is heated to obtain an intermediate material from which volatile components generated from the solvent and the carbon precursor are removed. At this time, if necessary, the mixture may be stirred. Further, even if the volatile matter remains, it is not a problem because it is removed in a later third step.
第3工程:前記混合物又は中間物質を、窒素ガス、炭酸ガス、アルゴンガス、前記混合物又は中間物からの発生ガス雰囲気等のガス雰囲気下で、400℃以上3200℃以下に加熱し、複層構造炭素材を得る。
第4工程:前記複層構造炭素材を必要に応じて粉砕、解砕、分級処理等の粉体加工をする。
Third step: The mixture or intermediate substance is heated to 400 ° C. or higher and 3200 ° C. or lower in a gas atmosphere such as nitrogen gas, carbon dioxide gas, argon gas, or a gas atmosphere generated from the mixture or intermediate, and has a multilayer structure. Obtain carbon material.
Fourth step: The multi-layered carbon material is subjected to powder processing such as pulverization, pulverization, and classification as required.
これらの工程中、第2工程及び第4工程は場合によっては省略可能であり、第4工程は第3工程の前に行っても良い。但し、第4工程を第3工程の前に実施した場合は、必要に応じて、再度粉砕、解砕、分級処理等の粉体加工し、複層構造炭素材を得る。
第3工程の原料の熱処理に用いる装置としては特に制限はないが、例えば、シャトル炉
、トンネル炉、リードハンマー炉、ロータリーキルン、オートクレーブ等の反応槽、コーカー(コークス製造の熱処理槽)、タンマン炉、アチソン炉、加熱方式も、高周波誘導加熱炉、直接式抵抗加熱、間接式抵抗加熱、直接燃焼加熱、輻射熱加熱等を用いることができる。処理時には、必要に応じて攪拌を行なってもよい。
Among these steps, the second step and the fourth step may be omitted depending on circumstances, and the fourth step may be performed before the third step. However, when the fourth step is performed before the third step, powder processing such as pulverization, pulverization, and classification treatment is performed again as necessary to obtain a multilayered carbon material.
Although there is no restriction | limiting in particular as an apparatus used for the heat processing of the raw material of a 3rd process, For example, reaction furnaces, such as a shuttle furnace, a tunnel furnace, a lead hammer furnace, a rotary kiln, an autoclave, a coker (heat processing tank of coke manufacture), a Tamman furnace, As the Atchison furnace and heating method, a high-frequency induction heating furnace, direct resistance heating, indirect resistance heating, direct combustion heating, radiant heat heating, or the like can be used. During the treatment, stirring may be performed as necessary.
また、加熱処理条件としては、熱履歴温度条件が重要である。その温度下限は炭素前駆体の種類、その熱履歴によっても若干異なるが通常700℃以上、好ましくは800℃以上、より好ましくは900℃以上である。一方、上限温度は、基本的に黒鉛質粒子核の結晶構造を上回る構造秩序を有しない温度まで上げることができる。従って熱処理の上限温度としては、3200℃以下、好ましくは2000℃以下、より好ましくは1500℃以下、更に好ましくは1200℃以下が好ましい範囲である。このような熱処理条件において、熱履歴温度条件、昇温速度、冷却速度、熱処理時間等は、黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が上述の範囲になるように適宜設定する。 In addition, the heat history temperature condition is important as the heat treatment condition. The lower limit of temperature is usually 700 ° C. or higher, preferably 800 ° C. or higher, more preferably 900 ° C. or higher, although it varies slightly depending on the type of carbon precursor and its thermal history. On the other hand, the upper limit temperature can be raised to a temperature that basically has no structural order exceeding the crystal structure of the graphite particle nucleus. Therefore, the upper limit temperature of the heat treatment is 3200 ° C. or less, preferably 2000 ° C. or less, more preferably 1500 ° C. or less, and further preferably 1200 ° C. or less. In such a heat treatment condition, the heat history temperature condition, the heating rate, the cooling rate, the heat treatment time, and the like are appropriately set so that the weight ratio of the graphite particles / amorphous carbon falls within the above range.
また、比較的低温領域で熱処理した後、所定の温度に昇温することもできる。なお、本工程に用いる反応機は回分式でも連続式でも、また一基でも複数基でもよい。
第3工程に用いることが可能な炉は上記要件を満たせば特に、制約はないが、好ましくは次のような装置が挙げられる。
第4工程の粉砕に用いる装置に特に制限はないが、例えば、粗粉砕機としてはせん断式ミル、ジョークラッシャー、衝撃式クラッシャー、コー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。
Further, after heat treatment in a relatively low temperature region, the temperature can be raised to a predetermined temperature. In addition, the reactor used for this process may be a batch type or a continuous type, and may be one or more.
The furnace that can be used in the third step is not particularly limited as long as it satisfies the above requirements, but the following apparatus is preferable.
The apparatus used for the pulverization in the fourth step is not particularly limited. For example, examples of the coarse pulverizer include a shearing mill, a jaw crusher, an impact crusher, and a cone crusher. Examples of the intermediate pulverizer include a roll crusher and a hammer mill. Examples of the pulverizer include a ball mill, a vibration mill, a pin mill, a stirring mill, and a jet mill.
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は、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は、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)を用いることができ、また、湿式篩い分け、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。 There is no particular limitation on the apparatus used for classification, but for example, in the case of dry sieving, a rotary sieving, a swaying sieving, a rotating sieving, a vibrating sieving, etc. can be used. In this case, gravity classifiers, inertial force classifiers, centrifugal classifiers (classifiers, cyclones, etc.) can be used. A centrifugal wet classifier or the like can be used.
<副材>
本発明のリチウムイオン二次電池における複層構造炭素材には、上記複層構造炭素材以外に、それとは炭素質の物性が異なる炭素質物(炭素質材料)を1種以上含有させることにより、更に電池性能の向上を図ることが可能である。ここで述べた「炭素質の物性」とは、X線回折パラメータ、メジアン径、アスペクト比、BET比表面積、配向比、ラマンR値、タップ密度、真密度、細孔分布、円形度、灰分量のうちの一つ以上の特性を示す。また、好ましい実施の形態としては、体積基準粒度分布がメジアン径を中心としたときに左右対称とならないことや、ラマンR値異なる炭素材料を2種以上含有していること、X線パラメータが異なること等が挙げられる。その効果の一例としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料を副材として含有されることにより電気抵抗を低減させること等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。副材として添加する場合には通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、通常80質量%以下、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、更に好ましくは30質量%以下である。この範囲を下回りすぎると、導電性向上の効果が得にくい傾向がある。上回りすぎると、初期不可逆容量の増大を招き好ましくない。
<Sub-material>
In addition to the multilayer carbon material, the multilayer carbon material in the lithium ion secondary battery of the present invention contains one or more carbonaceous materials (carbonaceous materials) having different carbonaceous physical properties from the carbon material. Furthermore, it is possible to improve battery performance. The “carbonaceous physical properties” mentioned here are X-ray diffraction parameters, median diameter, aspect ratio, BET specific surface area, orientation ratio, Raman R value, tap density, true density, pore distribution, circularity, ash content. Exhibit one or more characteristics. Further, as a preferred embodiment, when the volume-based particle size distribution is not symmetrical with respect to the median diameter, it contains two or more carbon materials having different Raman R values, and the X-ray parameters are different. And so on. As an example of the effect, electrical resistance is reduced by containing carbon materials such as graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke as secondary materials. For example. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. When added as a secondary material, it is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and usually 80% by mass or less, preferably 50% by mass or less. More preferably, it is 40 mass% or less, More preferably, it is 30 mass% or less. If it is less than this range, the effect of improving conductivity tends to be difficult to obtain. If it exceeds the upper limit, the initial irreversible capacity is increased, which is not preferable.
<電極作製>
負極の製造は、常法によればよい。例えば、複層構造炭素材に、バインダ、溶媒、必要に応じて、増粘剤、導電材、充填材等を加えてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥
した後にプレスすることによって形成することができる。電池の電解液注液工程直前の段階での片面あたりの複層構造炭素材層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上であり、上限は150μm以下、好ましくは120μm以下、より好ましくは100μmである。この範囲を上回ると、電解液が集電体界面付近まで浸透しにくいため、高電流密度充放電特性が低下する点で好ましくない。またこの範囲を下回ると、複層構造炭素材に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少して好ましくない。また、複層構造炭素材をロール成形してシート電極としても、圧縮成形によりペレット電極としても良い。
<Electrode production>
The negative electrode may be manufactured by a conventional method. For example, it is formed by adding a binder, a solvent, and if necessary, a thickener, a conductive material, a filler, etc. to a multi-layer structure carbon material to form a slurry, which is applied to a current collector, dried and then pressed. can do. The thickness of the multi-layer structure carbon material layer per side in the stage immediately before the electrolyte solution injection step of the battery is usually 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and the upper limit is 150 μm or less, preferably 120 μm. Hereinafter, it is more preferably 100 μm. If it exceeds this range, the electrolyte solution hardly penetrates to the vicinity of the current collector interface, which is not preferable in that the high current density charge / discharge characteristics are deteriorated. On the other hand, if it falls below this range, the volume ratio of the current collector to the multilayer structure carbon material increases, and the battery capacity decreases, which is not preferable. Further, the multilayer structure carbon material may be roll-formed to form a sheet electrode, or may be compressed to a pellet electrode.
<負極>
複層構造炭素材を保持させる集電体としては、公知のものを任意に用いることができる。負極の集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられ、中でも加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。集電体の形状は、集電体が金属材料の場合は、例えば金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも好ましくは金属薄膜、より好ましくは銅箔であり、更に好ましくは圧延法による圧延銅箔と、電解法による電解銅箔があり、どちらも集電体として用いることができる。銅箔の厚さが25μmよりも薄い場合、純銅よりも強度の高い銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることができる。
<Negative electrode>
As the current collector for holding the multi-layer structure carbon material, a known one can be arbitrarily used. Examples of the current collector for the negative electrode include metal materials such as copper, nickel, stainless steel, and nickel-plated steel. Of these, copper is particularly preferable from the viewpoint of ease of processing and cost. When the current collector is a metal material, examples of the shape of the current collector include metal foil, metal cylinder, metal coil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punch metal, and foam metal. Among them, a metal thin film is preferable, a copper foil is more preferable, and a rolled copper foil by a rolling method and an electrolytic copper foil by an electrolytic method are more preferable, and both can be used as a current collector. When the thickness of the copper foil is less than 25 μm, a copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) having higher strength than pure copper can be used.
圧延法により作製した銅箔からなる集電体は、銅結晶が圧延方向に並んでいるため、負極を密に丸めても、鋭角に丸めても割れにくく、小型の円筒状電池に好適に用いることができる。電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られるものである。上記の圧延銅箔の表面に、電解法により銅を析出させていても良い。銅箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理(例えば、厚さが数nm〜1μm程度までのクロメート処理、Ti等の下地処理等)がなされていても良い。 A current collector made of a copper foil produced by a rolling method is suitable for use in a small cylindrical battery because the copper crystals are arranged in the rolling direction so that the negative electrode is hard to crack even if it is rounded sharply or rounded at an acute angle. be able to. For example, an electrolytic copper foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and flowing current while rotating the copper drum, thereby depositing copper on the surface of the drum and peeling it off. It is obtained. Copper may be deposited on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method. One side or both sides of the copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment (for example, a chromate treatment having a thickness of about several nm to 1 μm, a base treatment such as Ti).
また、集電体基板には、更に次のような物性が望まれる。
(1)平均表面粗さ(Ra)
JISB0601−1994に記載の方法で規定される集電体基板の活物質薄膜形成面の平均表面粗さ(Ra)は、特に制限されないが、通常0.01μm以上、好ましくは0.03μm以上、通常1.5μm以下、好ましくは1.3μm以下、特に好ましくは1.0μm以下である。集電体基板の平均表面粗さ(Ra)を上記した下限と上限の間の範囲内とすることにより、良好な充放電サイクル特性が期待できる。上記下限値以上とすることにより、活物質薄膜との界面の面積が大きくなり、活物質薄膜との密着性が向上する。平均表面粗さ(Ra)の上限値は特に制限されるものではないが、平均表面粗さ(Ra)が1.5μmを超えるものは電池として実用的な厚みの箔としては一般に入手しにくいため、1.5μm以下のものが好ましい。
Further, the following physical properties are desired for the current collector substrate.
(1) Average surface roughness (Ra)
The average surface roughness (Ra) of the active material thin film forming surface of the current collector substrate defined by the method described in JIS B0601-1994 is not particularly limited, but is usually 0.01 μm or more, preferably 0.03 μm or more, usually It is 1.5 μm or less, preferably 1.3 μm or less, particularly preferably 1.0 μm or less. By setting the average surface roughness (Ra) of the current collector substrate within the range between the lower limit and the upper limit described above, good charge / discharge cycle characteristics can be expected. By setting it to the above lower limit or more, the area of the interface with the active material thin film is increased, and the adhesion with the active material thin film is improved. The upper limit of the average surface roughness (Ra) is not particularly limited, but those having an average surface roughness (Ra) exceeding 1.5 μm are generally difficult to obtain as foils having a practical thickness as a battery. 1.5 μm or less is preferable.
(2)引張強度
集電体基板の引張強度は、特に制限されないが、通常50N/mm2以上、好ましくは
100N/mm2以上、更に好ましくは150N/mm2以上である。引張強度とは、試
験片が破断に至るまでに要した最大引張力を、試験片の断面積で割ったものである。本発明における引張強度は、伸び率と同様な装置及び方法で測定される。引張強度が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う活物質薄膜の膨張・収縮による集電体基板の亀裂を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。
(2) Tensile strength The tensile strength of the current collector substrate is not particularly limited, but is usually 50 N / mm 2 or more, preferably 100 N / mm 2 or more, and more preferably 150 N / mm 2 or more. The tensile strength is obtained by dividing the maximum tensile force required until the test piece breaks by the cross-sectional area of the test piece. The tensile strength in the present invention is measured by the same apparatus and method as the elongation rate. If the current collector substrate has a high tensile strength, cracking of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material thin film accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained.
(3)0.2%耐力
集電体基板の0.2%耐力は、特に制限されないが、通常30N/mm2以上、好まし
くは100N/mm2以上、特に好ましくは150N/mm2以上である。0.2%耐力とは、0.2%の塑性(永久)歪みを与えるに必要な負荷の大きさであり、この大きさの負荷を加えた後に除荷しても0.2%変形している事を意味している。本発明における0.2%耐力は、伸び率と同様な装置及び方法で測定される。0.2%耐力が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う活物質薄膜の膨張・収縮による集電体基板の塑性変形を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。金属薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上である。また、上限は、通常1mm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは30μm以下である。1μmより薄くなると強度が低下するため塗布が困難となり工程上好ましくない。100μmより厚くなると巻回等の電極の形を変形させることが工程上困難となり好ましくない。また、金属薄膜は、メッシュ状でもよい。
(3) 0.2% proof stress of 0.2% proof stress current collector substrate is not particularly limited, normally 30 N / mm 2 or more, preferably 100 N / mm 2 or more, particularly preferably 150 N / mm 2 or more . The 0.2% proof stress is the magnitude of the load necessary to give a plastic (permanent) strain of 0.2%. It means that The 0.2% proof stress in the present invention is measured by the same apparatus and method as the elongation rate. If the current collector substrate has a high 0.2% proof stress, plastic deformation of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material thin film accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained. it can. Although the thickness of a metal thin film is arbitrary, it is 1 micrometer or more normally, Preferably it is 3 micrometers or more, More preferably, it is 5 micrometers or more. Moreover, an upper limit is 1 mm or less normally, Preferably it is 100 micrometers or less, More preferably, it is 30 micrometers or less. If the thickness is less than 1 μm, the strength is lowered, so that coating becomes difficult, which is not preferable in the process. If it is thicker than 100 μm, it is difficult to change the shape of the electrode such as winding because of difficulty in the process. The metal thin film may be mesh.
(4)集電体と活物質層の厚さの比
集電体と活物質層の厚さの比は特には限定されないが、(電解液注液直前の片面の活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)の値が150以下、好ましくは20以下、より好ましくは10以下であり、下限は0.1以上、好ましくは0.4以上、より好ましくは1以上の範囲である。この範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じ、好ましくない。この範囲を下回ると、複層構造炭素材に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少して好ましくない。
(4) Ratio of current collector and active material layer thickness The ratio of current collector and active material layer thickness is not particularly limited, but (thickness of active material layer on one side immediately before electrolyte injection) / (Thickness of current collector) is 150 or less, preferably 20 or less, more preferably 10 or less, and the lower limit is 0.1 or more, preferably 0.4 or more, more preferably 1 or more. is there. Above this range, the current collector generates heat due to Joule heat during high current density charge / discharge, which is not preferable. Below this range, the volume ratio of the current collector to the multilayer structure carbon material increases, and the battery capacity decreases, which is not preferable.
(5)電極密度
複層構造炭素材の電極化した際の電極構造は特には限定されないが、集電体上に存在している活物質の密度は、好ましくは1g/cm3以上、より好ましくは1.1g/cm3、更に好ましくは1.2g/cm3以上であり、上限として2g/cm3以下、好ましくは1.9g/cm3以下、よりに好ましくは1.8g/cm3以下、更に好ましくは1.7g/cm3以下の範囲である。この範囲を上回ると活物質粒子が破壊され、初期不可逆容量の
増加や、集電体/活物質界面付近への電解液の浸透性が低下し、高電流密度充放電特性が低下して招き好ましくない。また下回ると活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大し、単位容積当たりの容量が低下するため好ましくない。
(5) Electrode density The electrode structure of the multi-layered carbon material is not particularly limited, but the density of the active material present on the current collector is preferably 1 g / cm 3 or more, more preferably Is 1.1 g / cm 3 , more preferably 1.2 g / cm 3 or more, and the upper limit is 2 g / cm 3 or less, preferably 1.9 g / cm 3 or less, more preferably 1.8 g / cm 3 or less. More preferably, it is in a range of 1.7 g / cm 3 or less. Exceeding this range is preferable because the active material particles are destroyed, the initial irreversible capacity increases, the permeability of the electrolyte solution near the current collector / active material interface decreases, and the high current density charge / discharge characteristics decrease. Absent. On the other hand, if it is lower, the conductivity between the active materials is lowered, the battery resistance is increased, and the capacity per unit volume is lowered.
(6)極板配向比
極板配向は、0.01以上、好ましくは0.05以上、より好ましくは0.10以上、上限は理論値である0.67以下である。この範囲を下回ると、高密度充放電特性が低下して好ましくない。
極板配向比の測定は以下のとおりである。目的密度にプレス後の負極電極について、X線回折により電極の活物質配向比を測定する。具体的手法は特に制限されないが、標準的な方法としては、X線回折により炭素の(110)回折と(004)回折のピークを、プロファイル関数として非対称ピアソンVIIを用いてフィッティングすることによりピーク
分離を行ない、(110)回折と(004)回折のピークの積分強度を各々算出する。得られた積分強度から、(110)回折積分強度/(004)回折積分強度で表わされる比を算出し、電極の活物質配向比と定義する。
(6) Electrode orientation ratio The electrode orientation is 0.01 or more, preferably 0.05 or more, more preferably 0.10 or more, and the upper limit is 0.67 or less, which is a theoretical value. Below this range, the high-density charge / discharge characteristics deteriorate, which is not preferable.
The measurement of the electrode plate orientation ratio is as follows. About the negative electrode after pressing to the target density, the active material orientation ratio of the electrode is measured by X-ray diffraction. The specific method is not particularly limited, but as a standard method, peak separation is performed by fitting the peaks of (110) and (004) diffraction of carbon by X-ray diffraction using asymmetric Pearson VII as a profile function. The integrated intensities of the peaks of (110) diffraction and (004) diffraction are calculated. From the obtained integrated intensity, a ratio represented by (110) diffraction integrated intensity / (004) diffraction integrated intensity is calculated and defined as the active material orientation ratio of the electrode.
ここでのX線回折測定条件は次の通りである。なお、「2θ」は回折角を示す。
・ターゲット: Cu(Kα線)グラファイトモノクロメーター
・スリット : 発散スリット=1度、受光スリット=0.1mm、散乱スリット=1度・測定範囲、及び、ステップ角度/計測時間:
(110)面 : 76.5度≦2θ≦78.5度 0.01度/3秒
(004)面 : 53.5度≦2θ≦56.0度 0.01度/3秒
試料調整 : 硝子板に0.1mm厚さの両面テープで電極を固定
(7)インピーダンス
放電状態から公称容量の60%まで充電した時の負極の抵抗が100Ω以下が好ましく、特に好ましくは50Ω以下、より好ましくは20Ω以下、及び/又は二重層容量が1×10-6F以上が好ましく、特に好ましくは1×10-5F以上、より好ましくは1×10-
4F以上である。この範囲であると出力特性が良く好ましい。
The X-ray diffraction measurement conditions here are as follows. “2θ” indicates a diffraction angle.
-Target: Cu (Kα ray) graphite monochromator-Slit: Divergence slit = 1 degree, Receiving slit = 0.1 mm, Scattering slit = 1 degree-Measurement range and step angle / measurement time:
(110) plane: 76.5 degrees ≦ 2θ ≦ 78.5 degrees 0.01 degrees / 3 seconds (004) plane: 53.5 degrees ≦ 2θ ≦ 56.0 degrees 0.01 degrees / 3 seconds Sample preparation: glass (7) Impedance The resistance of the negative electrode when charged from the discharged state to 60% of the nominal capacity is preferably 100Ω or less, particularly preferably 50Ω or less, more preferably 20Ω. or less and / or double-layer capacity is preferably not less than 1 × 10 -6 F, particularly preferably 1 × 10 -5 F or more, more preferably 1 × 10 -
4 F or more. Within this range, the output characteristics are good and preferable.
負極の抵抗及び二重層容量は、次の手順で測定する。測定するリチウムイオン二次電池は、公称容量を5時間で充電できる電流値にて充電した後に、20分間充放電をしない状態を維持し、次に公称容量を1時間で放電できる電流値で放電したときの容量が公称容量の80%以上あるものを用いる。前述の放電状態のリチウムイオン二次電池について公称容量を5時間で充電できる電流値にて公称容量の60%まで充電し、直ちにリチウムイオン二次電池をアルゴンガス雰囲気下のグローブボックス内に移す。ここで該リチウムイオン二次電池を負極が放電又はショートしない状態ですばやく解体して取り出し、両面塗布電極であれば、片面の電極活物質を他面の電極活物質を傷つけずに剥離し、負極電極を12.5mmφに2枚打ち抜き、セパレータを介して活物質面がずれないよう対向させる。電池に使用されていた電解液60μLをセパレータと両負極間に滴下して密着し、外気と触れない状態を保持して、両負極の集電体に導電をとり、交流インピーダンス法を実施する。測定は温度25℃で、10-2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行
ない、求められたコール・コール・プロットの負極抵抗成分の円弧を半円で近似して表面抵抗(R)と、二重層容量(Cdl)を求める。
The resistance and double layer capacity of the negative electrode are measured by the following procedure. The lithium-ion secondary battery to be measured is charged at a current value that can be charged for 5 hours in a nominal capacity, then maintained in a state where it is not charged / discharged for 20 minutes, and then discharged at a current value that can be discharged in 1 hour for a nominal capacity. The capacity when the capacity is 80% or more of the nominal capacity is used. About the lithium ion secondary battery of the above-mentioned discharge state, it charges to 60% of a nominal capacity with the electric current value which can charge a nominal capacity in 5 hours, Immediately transfers a lithium ion secondary battery in the glove box under argon gas atmosphere. Here, the lithium ion secondary battery is quickly disassembled and taken out in a state where the negative electrode does not discharge or short-circuit, and if it is a double-sided coated electrode, the electrode active material on one side is peeled off without damaging the electrode active material on the other side, Two electrodes are punched to 12.5 mmφ, and are opposed to each other so that the active material surface does not shift through a separator. 60 μL of the electrolytic solution used in the battery is dropped and adhered between the separator and both negative electrodes, and kept in a state where it is not in contact with the outside air, the current collectors of both negative electrodes are made conductive, and the AC impedance method is performed. The measurement was performed at a temperature of 25 ° C. and a complex impedance measurement was performed in a frequency band of 10 −2 to 10 5 Hz, and the surface resistance (R) was obtained by approximating the arc of the negative resistance component of the obtained Cole-Cole plot with a semicircle. And double layer capacity | capacitance (Cdl) is calculated | required.
(8)電極面積
本発明の非水系電解液を用いる場合、高出力かつ高温時の安定性を高める観点から、正極活物質層の面積は、電池外装ケースの外表面積に対して大きくすることが好ましい。具体的には、二次電池の外装の表面積に対する前記正極の電極面積の総和が面積比で20倍以上とすることが好ましく、更に40倍以上とすることがより好ましい。外装ケースの外表面積とは、有底角型形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分の縦と横と厚さの寸法から計算で求める総面積をいう。有底円筒形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分を円筒として近似する幾何表面積である。正極の電極面積の総和とは、複層構造炭素材を含む合材層に対向する正極合材層の幾何表面積であり、集電体箔を介して両面に正極合材層を形成してなる構造では、それぞれの面を別々に算出する面積の総和をいう。
(8) Electrode Area When using the non-aqueous electrolyte solution of the present invention, the area of the positive electrode active material layer may be larger than the outer surface area of the battery outer case from the viewpoint of enhancing the stability at high output and high temperature. preferable. Specifically, the total electrode area of the positive electrode with respect to the surface area of the exterior of the secondary battery is preferably 20 times or more, and more preferably 40 times or more. The outer surface area of the outer case is the total area obtained by calculation from the vertical, horizontal, and thickness dimensions of the case part filled with the power generation element excluding the protruding part of the terminal in the case of a bottomed square shape. . In the case of a bottomed cylindrical shape, the geometric surface area approximates the case portion filled with the power generation element excluding the protruding portion of the terminal as a cylinder. The sum of the electrode areas of the positive electrode is the geometric surface area of the positive electrode mixture layer facing the composite layer containing the multi-layer structure carbon material, and is formed by forming the positive electrode mixture layer on both sides with a current collector foil. In the structure, it means the sum of areas where each surface is calculated separately.
<バインダ>
活物質を結着するバインダとしては、電解液や電極製造時に用いる溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限されない。具体的には、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、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物;EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体)、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・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
<Binder>
The binder for binding the active material is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the electrolyte and the solvent used when manufacturing the electrode. Specifically, resin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, aromatic polyamide, cellulose, nitrocellulose; SBR (styrene / butadiene rubber), isoprene rubber, butadiene rubber, fluorine rubber, NBR ( Acrylonitrile-butadiene rubber), rubbery polymers such as ethylene / propylene rubber; styrene / butadiene / styrene block copolymers and hydrogenated products thereof; EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), styrene / ethylene / Thermoplastic elastomeric polymers such as butadiene / styrene copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer and hydrogenated products thereof; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene / vinegar Soft resinous polymers such as vinyl copolymers and propylene / α-olefin copolymers; fluorinated polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers Molecule: a polymer composition having ion conductivity of alkali metal ions (particularly lithium ions), and the like. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
スラリーを形成するための溶媒としては、活物質、バインダ、必要に応じて使用される
増粘剤及び導電剤を、溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いても良い。水系溶媒の例としては水、アルコール等が挙げられ、有機系溶媒の例としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメリルホスファルアミド、ジメチルスルフォキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。特に水系溶媒を用いる場合、上述の増粘剤に併せて分散剤等を加え、SBR等のラテックスを用いてスラリー化する。なお、これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
The solvent for forming the slurry is not particularly limited as long as it is a solvent capable of dissolving or dispersing the active material, binder, thickener and conductive agent used as necessary. Either an aqueous solvent or an organic solvent may be used. Examples of the aqueous solvent include water, alcohol and the like, and examples of the organic solvent include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N -N-dimethylaminopropylamine, tetrahydrofuran (THF), toluene, acetone, diethyl ether, dimethylacetamide, hexameryl phosphalamide, dimethyl sulfoxide, benzene, xylene, quinoline, pyridine, methylnaphthalene, hexane, etc. . In particular, when an aqueous solvent is used, a dispersant or the like is added in addition to the above-described thickener, and a slurry is formed using a latex such as SBR. In addition, these may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
活物質に対するバインダの割合は、0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、上限としては20質量%以下、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは8質量%以下の範囲である。この範囲を上回るとバインダ量が電池容量に寄与しないバインダ割合が増加して、電池容量が低下する場合がある。また下回ると、負極電極の強度低下を招き、電池作製工程上好ましくない場合がある。特に、SBRに代表されるゴム状高分子を主要成分に含有する場合には、活物質に対するバインダの割合は、0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上であり、上限としては5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下の範囲である。また、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素系高分子を主要成分に含有する場合には活物質に対する割合は、1質量%以上、好ましくは2質量%以上、より好ましくは3質量%以上であり、上限としては15質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下の範囲である。 The ratio of the binder to the active material is 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and the upper limit is 20% by mass or less, preferably 15% by mass or less. More preferably, it is 10 mass% or less, More preferably, it is the range of 8 mass% or less. If it exceeds this range, the binder ratio in which the amount of the binder does not contribute to the battery capacity increases, and the battery capacity may decrease. On the other hand, if it is lower, the strength of the negative electrode is lowered, which may be undesirable in the battery production process. In particular, when a rubbery polymer typified by SBR is contained as a main component, the ratio of the binder to the active material is 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.00%. The upper limit is 5% by mass or less, preferably 3% by mass or less, and more preferably 2% by mass or less. Further, when the main component contains a fluorine-based polymer typified by polyvinylidene fluoride, the ratio to the active material is 1% by mass or more, preferably 2% by mass or more, more preferably 3% by mass or more. As an upper limit, it is 15 mass% or less, Preferably it is 10 mass% or less, More preferably, it is the range of 8 mass% or less.
増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調製するために使用される。増粘剤としては、特に制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。更に増粘剤を添加する場合には、活物質に対する増粘剤の割合は、0.1質量%以上、好ましくは0.5%以上、より好ましくは0.6%以上であり、上限としては5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下の範囲である。この範囲を下回ると、著しく塗布性が低下する場合がある。上回ると、複層構造炭素材層に占める活物質の割合が低下し、電池の容量が低下する問題や複層構造炭素材間の抵抗が増大する問題が生じる場合がある。 A thickener is usually used to adjust the viscosity of the slurry. The thickener is not particularly limited, and specific examples include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, casein, and salts thereof. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. When a thickener is further added, the ratio of the thickener to the active material is 0.1% by mass or more, preferably 0.5% or more, more preferably 0.6% or more. It is 5 mass% or less, Preferably it is 3 mass% or less, More preferably, it is the range of 2 mass% or less. Below this range, applicability may be significantly reduced. If it exceeds, the ratio of the active material in the multi-layer structure carbon material layer may decrease, and there may occur a problem that the capacity of the battery decreases and a problem that the resistance between the multi-layer structure carbon material increases.
<リチウムイオン二次電池>
以下に、本発明のリチウムイオン二次電池について詳細に記す。
・電池形状
電池形状は特に限定されるものではないが、有底筒型形状、有底角型形状、薄型形状、シート形状状、ペーパー形状が挙げられる。システムや機器に組み込まれる際に、容積効率を高めて収納性を上げるために、電池周辺に配置される周辺システムへの収まりを考慮した馬蹄形、櫛型形状等の異型のものであってもよい。電池内部の熱を効率よく外部に放出する観点から、比較的平らで大面積の面を少なくとも一つを有する角型形状が好ましい。
<Lithium ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery of the present invention is described in detail below.
Battery shape The battery shape is not particularly limited, and examples thereof include a bottomed cylindrical shape, a bottomed square shape, a thin shape, a sheet shape, and a paper shape. When incorporating into a system or device, in order to increase the volumetric efficiency and increase the storage capacity, it may be of a different shape such as a horseshoe shape, a comb shape, etc. considering the fit to the peripheral system arranged around the battery . From the viewpoint of efficiently releasing the heat inside the battery to the outside, a rectangular shape having at least one surface that is relatively flat and has a large area is preferable.
有底筒型形状の電池では、充填される発電素子に対する外表面積が小さくなるので、充電や放電時に内部抵抗による発生するジュール発熱を効率よく外部に逃げる設計にすることが好ましい。また、熱伝導性の高い物質の充填比率を高め、内部での温度分布が小さく
なるように設計することが好ましい。
有底角型形状では、一番大きい面の面積S(端子部を除く外形寸法の幅と高さとの積、単位m2)の2倍と電池外形の厚さT(単位m)との比率2S/Tの値が100以上であ
ることが好ましく、200以上であることが更に好適である。最大面を大きくすることにより高出力かつ大容量の電池であってもサイクル性や高温保存等の特性を向上させるとともに、異常発熱時の放熱効率を上げることができ、「弁作動」や「破裂」という危険な状態になることを抑制することができる。
In a battery having a bottomed cylindrical shape, since the outer surface area with respect to the power generating element to be filled becomes small, it is preferable to design so that Joule heat generated by the internal resistance at the time of charging and discharging efficiently escapes to the outside. Moreover, it is preferable to design so that the filling ratio of the substance having high thermal conductivity is increased and the temperature distribution inside is reduced.
In the bottomed square shape, the ratio of the area S of the largest surface (the product of the width and height of the outer dimensions excluding the terminal part, unit m 2 ) to the thickness T (unit m) of the battery outer shape The 2S / T value is preferably 100 or more, and more preferably 200 or more. By increasing the maximum surface, it is possible to improve characteristics such as cycle performance and high-temperature storage even for high-power and large-capacity batteries, and increase the heat dissipation efficiency during abnormal heat generation. Can be prevented from becoming a dangerous state.
・電池構成
本発明のリチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極及び負極、非水系電解液、正極と負極の間に配設されるセパレータ、集電端子、及び外装ケース等によって少なくとも構成される。要すれば、電池の内部及び/又は電池の外部に保護素子を装着してもよい。
Battery configuration The lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, a non-aqueous electrolyte, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, a current collecting terminal, and an outer case. At least composed. If necessary, a protective element may be mounted inside the battery and / or outside the battery.
<正極>
本発明に係わる正極は、集電体基板上に、正極活物質と、結着及び増粘効果を有する有機物(結着剤)を含有する活物質層を形成してなり、通常、正極活物質と結着及び増粘効果を有する有機物を水あるいは有機溶媒中に分散させたスラリー状のものを、集電体基板上に薄く塗布・乾燥する工程、続いて所定の厚み・密度まで圧密するプレス工程により形成される。
<Positive electrode>
The positive electrode according to the present invention comprises a positive electrode active material and an active material layer containing an organic substance (binder) having a binding and thickening effect on a current collector substrate. A process of thinly applying and drying a slurry in which an organic substance having a binding and thickening effect is dispersed in water or an organic solvent on a current collector substrate, followed by pressing to a predetermined thickness and density It is formed by a process.
正極活物質材料には、リチウムを吸蔵・放出できる機能を有している限り特に制限はないが、例えば、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料;二酸化マンガン等の遷移金属酸化物材料;フッ化黒鉛等の炭素質材料などを使用することができる。具体的には、LiFeO2、Li
CoO2、LiNiO2、LiMn2O4及びこれらの非定比化合物、MnO2、TiS2、FeS2、Nb3S4、Mo3S4、CoS2、V2O5、P2O5、CrO3、V3O3、TeO2、GeO2、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2等を用いることができる。
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it has a function capable of inserting and extracting lithium. For example, lithium transition metal composite oxides such as lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium manganese oxide Materials: transition metal oxide materials such as manganese dioxide; carbonaceous materials such as fluorinated graphite can be used. Specifically, LiFeO 2 , Li
CoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and their non-stoichiometric compounds, MnO 2 , TiS 2 , FeS 2 , Nb 3 S 4 , Mo 3 S 4 , CoS 2 , V 2 O 5 , P 2 O 5 , CrO 3 , V 3 O 3 , TeO 2 , GeO 2, LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 or the like can be used.
正極活物質層には、正極用導電剤を用いることができる。正極用導電剤は、用いる正極活物質材料の充放電電位において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でも良い。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、アセチレンブラックが特に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、正極活物質材料に対して1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が特に好ましい。 A positive electrode conductive agent can be used for the positive electrode active material layer. The positive electrode conductive agent may be any electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode active material used. For example, natural graphite (such as flake graphite), graphite such as artificial graphite, carbon black such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, carbon fiber, metal fiber, etc. Conductive fibers, metal powders such as carbon fluoride and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives It can be included alone or as a mixture thereof. Among these conductive agents, artificial graphite and acetylene black are particularly preferable. Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 weight% is preferable with respect to positive electrode active material material, and 1-30 weight% is especially preferable. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable.
正極活物質層の形成に用いられる結着及び増粘効果を有する有機物としては、特に制限はなく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良い。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプ
ロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体又は前記材料の(Na+)イオン架橋体を挙げることができ、これらの材料を単独又は混合物として用いることができる。これらの材料の中でより好ましい材料はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。
There is no restriction | limiting in particular as an organic substance which has a binding and thickening effect used for formation of a positive electrode active material layer, Any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin may be sufficient. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) , Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrif Oroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or (Na + ) ion crosslinked product of the material, ethylene-methyl acrylate copolymer, or (Na + ) ion crosslinked product of the material, ethylene-methacrylic acid Examples thereof include an acid methyl copolymer or a (Na + ) ion-crosslinked product of the above materials, and these materials can be used alone or as a mixture. Among these materials, more preferable materials are polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
正極活物質層には、前述の導電剤の他、更にフィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤及びその他の各種添加剤を配合することができる。フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、活物質層中の含有量として0〜30重量%が好ましい。 In addition to the conductive agent described above, the positive electrode active material layer may further contain a filler, a dispersant, an ionic conductor, a pressure enhancer, and other various additives. Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0-30 weight% is preferable as content in an active material layer.
正極活物質スラリーの調製には、水系溶媒又は有機溶媒が分散媒として用いられる。水系溶媒としては、通常、水が用いられるが、これにエタノール等のアルコール類、N−メチルピロリドン等の環状アミド類等の添加剤を水に対して、30重量%以下程度まで添加することもできる。
また、有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。
In preparing the positive electrode active material slurry, an aqueous solvent or an organic solvent is used as a dispersion medium. As the aqueous solvent, water is usually used, and additives such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone may be added to water up to about 30% by weight or less. it can.
As the organic solvent, usually, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and aromatic carbonization such as anisole, toluene and xylene Examples thereof include alcohols such as hydrogens, butanol and cyclohexanol, among which cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide are preferable. .
正極活物質、結着剤である結着及び増粘効果を有する有機物及び必要に応じて配合される正極用導電剤、その他フィラー等をこれらの溶媒に混合して正極活物質スラリーを調製し、これを正極用集電体基板に所定の厚みとなるように塗布することにより正極活物質層が形成される。
なお、この正極活物質スラリー中の正極活物質の濃度の上限は通常70重量%以下、好ましくは55重量%以下であり、下限は通常30重量%以上、好ましくは40重量%以上である。正極活物質の濃度がこの上限を超えると正極活物質スラリー中の正極活物質が凝集しやすくなり、下限を下回ると正極活物質スラリーの保存中に正極活物質が沈降しやすくなる。
A positive electrode active material, a binder as a binder, an organic substance having a thickening effect, a positive electrode conductive agent blended as necessary, and other fillers are mixed in these solvents to prepare a positive electrode active material slurry, The positive electrode active material layer is formed by applying this to the positive electrode current collector substrate so as to have a predetermined thickness.
The upper limit of the concentration of the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry is usually 70% by weight or less, preferably 55% by weight or less, and the lower limit is usually 30% by weight or more, preferably 40% by weight or more. If the concentration of the positive electrode active material exceeds this upper limit, the positive electrode active material in the positive electrode active material slurry tends to aggregate, and if it falls below the lower limit, the positive electrode active material tends to settle during storage of the positive electrode active material slurry.
また、正極活物質スラリー中の結着剤の濃度の上限は通常30重量%以下、好ましくは10重量%以下であり、下限は通常0.1重量%以上、好ましくは0.5重量以上である。結着剤の濃度がこの上限を超えると得られる正極の内部抵抗が大きくなり、下限を下回ると正極活物質層の結着性に劣るものとなる。
正極用集電体基板には、例えば、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成する弁金属又はその合金を用いるのが好ましい。弁金属としては、周期表4族、5族、13族に属する金属及びこれらの合金を例示することができる。具体的には、Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta及びこれらの金属を含む合金などを例示することができ、Al、Ti、Ta及びこれらの金属を含む合金を好ましく使用することができる。特にAl及びその合金は軽量であるためエネルギー密度が高くて望ましい。正極用集電体基板の厚みは特に限定されないが通常1〜50μm程度である。
Further, the upper limit of the concentration of the binder in the positive electrode active material slurry is usually 30% by weight or less, preferably 10% by weight or less, and the lower limit is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.5% or more. . When the concentration of the binder exceeds the upper limit, the internal resistance of the positive electrode obtained is increased, and when the concentration is lower than the lower limit, the binding property of the positive electrode active material layer is deteriorated.
For the positive electrode current collector substrate, it is preferable to use, for example, a valve metal or an alloy thereof that forms a passive film on the surface by anodic oxidation in an electrolytic solution. Examples of the valve metal include metals belonging to Groups 4, 5, and 13 of the periodic table and alloys thereof. Specifically, Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta and alloys containing these metals can be exemplified, and Al, Ti, Ta and alloys containing these metals can be preferably used. . In particular, Al and its alloys are desirable because of their light weight and high energy density. The thickness of the positive electrode current collector substrate is not particularly limited, but is usually about 1 to 50 μm.
<電解液>
電解質としては、電解液や固体電解質など、任意の電解質を用いることができる。なおここで電解質とはイオン導電体すべてのことをいい、電解液及び固体電解質は共に電解質に含まれるものとする。
本発明に係わる電解液としては、例えば、非水系溶媒に溶質を溶解したものを用いることができる。溶質としては、アルカリ金属塩や4級アンモニウム塩などを用いることができる。具体的には、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(C
F3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3等が好ましく用いられる。これらの溶質は、1種類を選択して使用
してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
<Electrolyte>
Any electrolyte such as an electrolytic solution or a solid electrolyte can be used as the electrolyte. Here, the electrolyte refers to all ionic conductors, and both the electrolytic solution and the solid electrolyte are included in the electrolyte.
As the electrolytic solution according to the present invention, for example, a solution obtained by dissolving a solute in a non-aqueous solvent can be used. As the solute, an alkali metal salt, a quaternary ammonium salt, or the like can be used. Specifically, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (C
F 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like are preferably used. One kind of these solutes may be selected and used, or two or more kinds may be mixed and used.
電解液中のこれらの溶質の含有量は、0.2mol/L以上、特に0.5mol/L以上で、2mol/L以下、特に1.5mol/L以下であることが好ましい。
非水系溶媒としては、例えば、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、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステル化合物;1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル;クラウンエーテル、2−メチルテトラヒドロフラン、1,2−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン等の環状エーテル;ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネートなどを用いることができる。これらの中でも、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含有する非水溶媒が好ましい。
The content of these solutes in the electrolytic solution is preferably 0.2 mol / L or more, particularly 0.5 mol / L or more, and 2 mol / L or less, particularly 1.5 mol / L or less.
Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate; cyclic ester compounds such as γ-butyrolactone; chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane; crown ethers, 2- Cyclic ethers such as methyltetrahydrofuran, 1,2-dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and tetrahydrofuran; chain carbonates such as diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dimethyl carbonate can be used. Among these, a nonaqueous solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate is preferable.
これらの溶媒は1種類を選択して使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
本発明に係る非水系電解液は、分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルや従来公知の過充電防止剤、脱酸剤、脱水剤などの種々の助剤を含有していてもよい。
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、ビニレンカーボネート系化合物、ビニルエチレンカーボネート系化合物、メチレンエチレンカーボネート系化合物等が挙げられる。
One type of these solvents may be selected and used, or two or more types may be mixed and used.
The nonaqueous electrolytic solution according to the present invention may contain various auxiliary agents such as a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule, a conventionally known overcharge inhibitor, a deoxidizer, and a dehydrator.
Examples of the cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule include vinylene carbonate compounds, vinyl ethylene carbonate compounds, methylene ethylene carbonate compounds, and the like.
ビニレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、4,5−ジメチルビニレンカーボネート、4,5−ジエチルビニレンカーボネート、フルオロビニレンカーボネート、トリフルオロメチルビニレンカーボネート等が挙げられる。
ビニルエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、ビニルエチレンカーボネート、4−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−エチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4−n−プロピル−4−ビニルエチレンカーボネート、5−メチル−4−ビニルエチレンカーボネート、4,4−ジビニルエチレンカーボネート、4,5−ジビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。
Examples of the vinylene carbonate compounds include vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, 4,5-dimethyl vinylene carbonate, 4,5-diethyl vinylene carbonate, fluoro vinylene carbonate, trifluoromethyl vinylene carbonate, and the like.
Examples of the vinyl ethylene carbonate compound include vinyl ethylene carbonate, 4-methyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-ethyl-4-vinyl ethylene carbonate, 4-n-propyl-4-vinyl ethylene carbonate, 5-methyl- Examples include 4-vinylethylene carbonate, 4,4-divinylethylene carbonate, 4,5-divinylethylene carbonate, and the like.
メチレンエチレンカーボネート系化合物としては、例えば、メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジメチル−5−メチレンエチレンカーボネート、4,4−ジエチル−5−メチレンエチレンカーボネート等が挙げられる。
これらのうち、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートが好ましく、特にビニレンカーボネートが好ましい。
また、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も好適な例として挙げられる。
Examples of the methylene ethylene carbonate compound include methylene ethylene carbonate, 4,4-dimethyl-5-methylene ethylene carbonate, 4,4-diethyl-5-methylene ethylene carbonate, and the like.
Of these, vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are preferable, and vinylene carbonate is particularly preferable.
A suitable example is a difluorophosphate such as lithium difluorophosphate.
これらは1種を単独で用いても、2種類以上を併用してもよい。
非水系電解液が分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステル化合物を含有する場合、
非水系電解液中におけるその割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、特に好ましくは0.3重量%以上、最も好ましくは0.5重量%以上であり、通常8重量%以下、好ましくは4重量%以下、特に好ましくは3重量%以下である。
These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.
When the non-aqueous electrolyte contains a cyclic carbonate compound having an unsaturated bond in the molecule,
The proportion in the non-aqueous electrolyte is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, particularly preferably 0.3% by weight or more, and most preferably 0.5% by weight or more. It is 8% by weight or less, preferably 4% by weight or less, particularly preferably 3% by weight or less.
分子内に不飽和結合を有する環状炭酸エステルを電解液に含有させることにより、電池のサイクル特性を向上させることができる。その理由は明かではないが、負極の表面に安定な保護被膜を形成することができるためと推測される。ただし、その含有量が少ないとこの特性が十分に向上しない。しかし、含有量が多すぎると高温保存時にガス発生量が増大する傾向にあるので、電解液中の含有量は上記の範囲にするのが好ましい。 By including in the electrolyte a cyclic carbonate having an unsaturated bond in the molecule, the cycle characteristics of the battery can be improved. Although the reason is not clear, it is presumed that a stable protective film can be formed on the surface of the negative electrode. However, when the content is small, this property is not sufficiently improved. However, if the content is too large, the gas generation amount tends to increase during high-temperature storage, so the content in the electrolyte is preferably in the above range.
過充電防止剤としては、例えば、ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2−フルオロビフェニル、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン等の
前記芳香族化合物の部分フッ素化物;2,4−ジフルオロアニソール、2,5−ジフルオロアニソールおよび2,6−ジフルオロアニソ−ル等の含フッ素アニソール化合物などが挙げられる。
これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上併用してもよい。
非水系電解液中における過充電防止剤の割合は、通常0.1〜5重量%である。過充電防止剤を含有させることにより、過充電等のときに電池の破裂・発火を抑制することができる。
Examples of the overcharge inhibitor include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; 2-fluoro Partially fluorinated products of the above aromatic compounds such as biphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene; fluorine-containing compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole and 2,6-difluoroanisole Anisole compounds and the like can be mentioned.
These may be used alone or in combination of two or more.
The ratio of the overcharge inhibitor in the non-aqueous electrolyte is usually 0.1 to 5% by weight. By containing an overcharge preventing agent, rupture / ignition of the battery can be suppressed during overcharge or the like.
他の助剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、エリスリタンカーボネート、スピロ−ビス−ジメチレンカーボネート、メトキシエチル−メチルカーボネート等のカーボネート化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、無水ジグリコール酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物およびフェニルコハク酸無水物等のカルボン酸無水物;エチレンサルファイト、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、スルホラン、スルホレン、ジメチルスルホンおよびテトラメチルチウラムモノスルフィド、N,N−ジメチルメタンスルホンアミド、N,N−ジエチルメタンスルホンアミド等の含硫黄化合物;1−メチル−2−ピロリジノン、1−メチル−2−ピペリドン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンおよびN−メチルスクシイミド等の含窒素化合物;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物、フルオロベンゼン、ジフルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、ベンゾトリフルオライド等の含フッ素芳香族化合物などが挙げられる。 Examples of other auxiliaries include carbonate compounds such as fluoroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, phenylethylene carbonate, erythritan carbonate, spiro-bis-dimethylene carbonate, methoxyethyl-methyl carbonate; succinic anhydride, anhydrous glutar Carboxylic acid anhydrides such as acid, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, diglycolic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride, cyclopentanetetracarboxylic dianhydride and phenylsuccinic anhydride; Ethylene sulfite, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, methyl methanesulfonate, busulfan, sulfolane, sulfolene, dimethyl sulfone and tetramethylthiuram monos Sulfur-containing compounds such as fido, N, N-dimethylmethanesulfonamide, N, N-diethylmethanesulfonamide; 1-methyl-2-pyrrolidinone, 1-methyl-2-piperidone, 3-methyl-2-oxazolidinone, 1 , 3-dimethyl-2-imidazolidinone and nitrogen-containing compounds such as N-methylsuccinimide; hydrocarbon compounds such as heptane, octane and cycloheptane; fluorobenzene, difluorobenzene, hexafluorobenzene, benzotrifluoride, etc. And fluorine-containing aromatic compounds.
これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上併用して用いてもよい。
非水系電解液中におけるこれらの助剤の割合は、通常0.1〜5重量%である。これらの助剤を含有することにより、高温保存後の容量維持特性やサイクル特性を向上させることができる。
また、非水系電解液は、電解液中に有機高分子化合物を含ませ、ゲル状または、ゴム状、或いは固体シート状の固体電解質としてもよい。この場合、有機高分子化合物の具体例としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物;ポリエーテル系高分子化合物の架橋体高分子;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールなどのビニルアルコール系高分子化合物;ビニルアルコール系高分子化合物の不溶化物;ポリエピクロルヒドリン;ポリフォスファゼン;ポリシロキサン;ポリビニルピロリドン、ポリビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリルなどのビニル系高分子化合物;ポリ(ω−メトキシオリゴオキシエチレンメタクリレート)、ポリ(ω−メトキ
シオリゴオキシエチレンメタクリレート−co−メチルメタクリレート)等のポリマー共重合体などが挙げられる。
These may be used alone or in combination of two or more.
The ratio of these auxiliaries in the nonaqueous electrolytic solution is usually 0.1 to 5% by weight. By containing these auxiliaries, capacity maintenance characteristics and cycle characteristics after high-temperature storage can be improved.
Further, the non-aqueous electrolyte solution may contain an organic polymer compound in the electrolyte solution, and may be a gel, rubber, or solid sheet solid electrolyte. In this case, specific examples of organic polymer compounds include polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide; crosslinked polymers of polyether polymer compounds; vinyl alcohol polymers such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral. Compound; insolubilized product of vinyl alcohol polymer; polyepichlorohydrin; polyphosphazene; polysiloxane; vinyl polymer such as polyvinyl pyrrolidone, polyvinylidene carbonate, polyacrylonitrile; poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate), Examples thereof include polymer copolymers such as poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate-co-methyl methacrylate).
<セパレータ>
本発明で用いられるセパレータは、両極間を電子的に絶縁する所定の機械的強度を有し、イオン透過度が大きく、かつ、正極と接する側における酸化性と負極側における還元性への耐性を兼ね備えるものであれば特に限定されるものではない。このような要求特性を有するセパレータの材質として、樹脂、無機物、ガラス繊維等が用いられる。前記樹脂としては、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が用いられる。具体的には、電解液に対して安定で、保液性の優れた材料の中から選ぶのが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等を用いるのが好ましい。
<Separator>
The separator used in the present invention has a predetermined mechanical strength that electrically insulates both electrodes, has a high ion permeability, and has resistance to oxidation on the side in contact with the positive electrode and reduction on the negative electrode side. There is no particular limitation as long as it has both. As a material for the separator having such required characteristics, a resin, an inorganic material, glass fiber, or the like is used. As the resin, olefin polymer, fluorine polymer, cellulose polymer, polyimide, nylon and the like are used. Specifically, it is preferable to select from materials that are stable with respect to the electrolytic solution and have excellent liquid retention properties, and it is preferable to use a porous sheet or nonwoven fabric made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene.
前記無機物としては、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられ、粒子形状若しくは繊維形状のものが用いられる。形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01〜1μm、厚さが5〜50μmのものが好適に用いられる。前記の独立した薄膜形状以外に、樹脂製の結着剤を用いて前記無機物の粒子を含有する複合多孔層を正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子をフッ素樹脂を結着剤として多孔層を形成させることが挙げられる。 As the inorganic substance, oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate are used, and those having a particle shape or fiber shape are used. As the form, a thin film shape such as a non-woven fabric, a woven fabric, or a microporous film is used. In the thin film shape, those having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm are preferably used. In addition to the independent thin film shape, a separator formed by forming a composite porous layer containing the inorganic particles on the surface layer of the positive electrode and / or the negative electrode using a resin binder can be used. For example, a porous layer may be formed on both surfaces of the positive electrode using alumina particles having a 90% particle size of less than 1 μm as a binder.
本発明の非水系電解液は、電極活物質に対するリチウムの脱挿入に係わる反応抵抗の低減に効果があり、それが良好な低温放電特性を実現できる要因になっていると考えられる。しかし、通常の直流抵抗が大きな電池では、直流抵抗に阻害されて反応抵抗低減の効果を低温放電特性に100%反映できないことがわかった。直流抵抗成分の小さな電池を用いることでこれを改善し、本発明の非水系電解液の効果を充分に発揮できるようになる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention is effective in reducing reaction resistance related to lithium insertion / extraction with respect to the electrode active material, which is considered to be a factor that can realize good low-temperature discharge characteristics. However, it has been found that a battery having a large direct current resistance is inhibited by the direct current resistance and the effect of reducing the reaction resistance cannot be reflected 100% on the low temperature discharge characteristics. This can be improved by using a battery having a small DC resistance component, and the effect of the non-aqueous electrolyte solution of the present invention can be sufficiently exhibited.
<外装ケース>
外装ケースの材質は用いられる非水電解質に対して安定な物質であれば特に限定されるものではない。具体的には、ニッケルめっき鋼板、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属類、又は、樹脂とアルミ箔との積層フィルム(ラミネートフィルム)が用いられる。軽量化の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属、ラミネートフィルムが好適に用いられる。
<Exterior case>
The material of the outer case is not particularly limited as long as it is a substance that is stable with respect to the nonaqueous electrolyte used. Specifically, a nickel-plated steel plate, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, a metal such as a magnesium alloy, or a laminated film (laminate film) of a resin and an aluminum foil is used. From the viewpoint of weight reduction, an aluminum or aluminum alloy metal or a laminate film is preferably used.
前記金属類を用いる外装ケースでは、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接により金属同士を溶着して封止密閉構造とするもの、若しくは、樹脂製ガスケットを介して前記金属類を用いてかしめ構造とするものが挙げられる。
前記ラミネートフィルムを用いる外装ケースでは、樹脂層同士を熱融着することにより封止密閉構造とするもの等が挙げられる。シール性を上げるために、前記樹脂層の間にラミネートフィルムに用いられる樹脂と異なる樹脂を介在させてもよい。特に、集電端子を介して樹脂層を熱融着して密閉構造とする場合には、金属と樹脂との接合になるので、介在する樹脂として極性基を有する樹脂や極性基を導入した変成樹脂が好適に用いられる。
In the exterior case using the above metals, a laser-sealed, resistance-welded, ultrasonic welding is used to weld the metals together to form a sealed sealed structure, or a caulking structure using the above-mentioned metals via a resin gasket To do.
Examples of the outer case using the laminate film include those having a sealed and sealed structure by heat-sealing resin layers. In order to improve the sealing performance, a resin different from the resin used for the laminate film may be interposed between the resin layers. In particular, when a resin layer is heat-sealed through a current collecting terminal to form a sealed structure, a metal and a resin are joined, so that a resin having a polar group or a modified group having a polar group introduced as an intervening resin is used. Resins are preferably used.
<保護素子>
前述の保護素子として、異常発熱や過大電流が流れた時に抵抗が増大するPTC(Positive Temperature Coefficient)、温度ヒューズ、サーミスター、異常発熱時に電池内部圧力や内部温度の急激な上昇により回路に流れる電流を遮断する弁(電流遮断弁)等が挙げられる。前記保護素子は高電流の通常使用で作動しない条件のものを選択することが好ましく、高出力の観点から、保護素子がなくても異常発熱や熱暴走に至らない設計にする
ことがより好ましい。
<Protective element>
As the above-mentioned protective element, PTC (Positive Temperature Coefficient), thermal fuse, thermistor, whose resistance increases when abnormal heat generation or excessive current flows, current that flows in the circuit due to sudden rise in battery internal pressure or internal temperature during abnormal heat generation For example, a valve (current cutoff valve) that shuts off the current is mentioned. It is preferable to select a protective element that does not operate under normal use at a high current. From the viewpoint of high output, it is more preferable that the protective element is designed so as not to cause abnormal heat generation or thermal runaway without a protective element.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明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、これらの実施例に限定されるものではない。
本発明に用いた黒鉛質粒子の物性を表1に示す。なお、実施例に記載の物性の測定方法については、上述した測定方法に準じるものとする。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples, unless the summary is exceeded.
Table 1 shows the physical properties of the graphite particles used in the present invention. In addition, about the measuring method of the physical property as described in an Example, it shall follow the measuring method mentioned above.
(実施例1)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(A)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合し、不活性ガス中で1000℃の熱処理を施し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(A)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(G)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して2.5重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Example 1)
Spherical natural graphite (A) is used as the graphite particles, petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis is mixed as the amorphous carbon precursor, heat treatment at 1000 ° C. is performed in an inert gas, and thereafter By pulverizing and classifying the fired product, a multi-layered carbon material (G), which is a multi-layered carbon structure in which carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the surface of spherical natural graphite (A) particles, was obtained. . From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer structure carbon material powder was coated with 2.5 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(実施例2)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1000℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(B)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(H)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して0.6重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Example 2)
Spherical natural graphite (B) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained during naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1000 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified to deposit carbonaceous materials having different crystallinity on the surface of the spherical natural graphite (B) particles. A multilayer carbon material (H) that is a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer carbon material powder was coated with 0.6 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(実施例3)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1000℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(B)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(I)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して1.4重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Example 3)
Spherical natural graphite (B) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained during naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1000 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified to deposit carbonaceous materials having different crystallinity on the surface of the spherical natural graphite (B) particles. A multilayer carbon material (I) that is a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer structure carbon material powder was coated with 1.4 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例9)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合し、不活性ガス中で1000℃の熱処理を施し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(B)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(J)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して3.3重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
( Comparative Example 9 )
Spherical natural graphite (B) is used as the graphite particles, petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis is mixed as the amorphous carbon precursor, heat treatment is performed at 1000 ° C. in an inert gas, and thereafter By pulverizing and classifying the fired product, a multi-layered carbon material (J), which is a multi-layered carbon structure in which carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the surface of spherical natural graphite (B) particles, was obtained. . From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer carbon material powder was coated with 3.3 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(実施例5)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1100℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(B)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(K)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して0.9重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Example 5)
Spherical natural graphite (B) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained during naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1100 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified to deposit carbonaceous materials having different crystallinity on the spherical natural graphite (B) particle surfaces. A multilayer carbon material (K) that is a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer structure carbon material powder was coated with 0.9 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例10)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1100℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(B)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(L)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して1.5重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
( Comparative Example 10 )
Spherical natural graphite (B) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained during naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1100 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified so that carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the spherical natural graphite (B) particle surfaces. A multilayer carbon material (L) that is a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multi-layer structure carbon material powder was coated with 1.5 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例11)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(B)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体の比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1100℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(B)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造をもつ複層構造炭素材(M)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して2.2重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
( Comparative Example 11 )
Spherical natural graphite (B) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained during naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor was small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1100 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified so that carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the spherical natural graphite (B) particle surfaces. A multilayer carbon material (M) having a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer carbon material powder was coated with 2.2 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例12)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(D)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1000℃の熱処理を施し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(D)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造物である複層構造炭素材(N)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して0.5重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
( Comparative Example 12 )
Spherical natural graphite (D) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture is subjected to heat treatment at 1000 ° C. in an inert gas, and then the calcined product is pulverized and classified to adhere carbonaceous materials having different crystallinity to the spherical natural graphite (D) particle surface. A multilayer carbon material (N) that was a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multi-layer structure carbon material powder was coated with 0.5 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例1)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(A)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合し、不活性ガス中で1000℃の熱処理を施し、しかる
後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(A)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造をもつ複層構造炭素材(O)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して7.6重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Comparative Example 1)
Spherical natural graphite (A) is used as graphite particles, petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis is mixed as amorphous carbon precursor, heat treatment at 1000 ° C. is performed in an inert gas, and thereafter The fired product was pulverized and classified to obtain a multi-layered carbon material (O) having a multi-layered carbon structure in which carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the spherical natural graphite (A) particle surfaces. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer structure carbon material powder was coated with 7.6 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例2)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(D)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合し、不活性ガス中で1000℃の熱処理を施し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(D)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した層炭素構造をもつ複層構造炭素材(P)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して2.8重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Comparative Example 2)
Spherical natural graphite (D) is used as the graphite particles, petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis is mixed as the amorphous carbon precursor, and heat treatment at 1000 ° C. is performed in an inert gas. The fired product was pulverized and classified to obtain a multi-layered carbon material (P) having a layered carbon structure in which carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the surface of spherical natural graphite (D) particles. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multi-layer structure carbon material powder was coated with 2.8 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例3)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(E)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1000℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(E)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造をもつ複層構造炭素材(Q)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して0.5重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Comparative Example 3)
Spherical natural graphite (E) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1000 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified to deposit carbonaceous materials having different crystallinity on the surface of the spherical natural graphite (E) particles. A multilayer carbon material (Q) having a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multi-layer structure carbon material powder was coated with 0.5 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例4)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(C)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合し、不活性ガス中で1000℃の熱処理を施し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(C)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造をもつ複層構造炭素材(R)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して5.0重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Comparative Example 4)
Spherical natural graphite (C) is used as the graphite particles, petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis is mixed as the amorphous carbon precursor, heat treatment is performed at 1000 ° C. in an inert gas, and thereafter The fired product was pulverized and classified to obtain a multi-layered carbon material (R) having a multi-layered carbon structure in which carbonaceous materials having different crystallinity were deposited on the spherical natural graphite (C) particle surfaces. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multi-layer structure carbon material powder was coated with 5.0 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例5)
黒鉛質粒子として球形化天然黒鉛(F)を用い、非晶質炭素前駆体としてナフサ熱分解時に得られる石油系重質油を混合した。この際、非晶質炭素前駆体比率が少ない為、混合の均一化を図るために装置付随のチョッパーを用いることで混合の均一化を実施した。得られた混合物を不活性ガス中で1000℃の熱処理し、しかる後に焼成物を粉砕・分級処理することにより、球形化天然黒鉛(F)粒子表面に異なる結晶性を有する炭素質物が被着した複層炭素構造をもつ複層構造炭素材(P)を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材粉末は、黒鉛質粒子の重量部に対して0.7重量部の非晶質炭素が被覆されていることが確認された。
(Comparative Example 5)
Spherical natural graphite (F) was used as the graphite particles, and petroleum heavy oil obtained at the time of naphtha pyrolysis was mixed as the amorphous carbon precursor. At this time, since the ratio of the amorphous carbon precursor is small, the mixing was made uniform by using a chopper attached to the apparatus in order to make the mixing uniform. The obtained mixture was heat-treated at 1000 ° C. in an inert gas, and then the fired product was pulverized and classified to deposit carbonaceous materials having different crystallinity on the spherical natural graphite (F) particle surfaces. A multilayer carbon material (P) having a multilayer carbon structure was obtained. From the firing yield, it was confirmed that the obtained multilayer structure carbon material powder was coated with 0.7 parts by weight of amorphous carbon with respect to parts by weight of the graphite particles.
(比較例6)
球形化黒鉛(C)をそのまま用いた。
(比較例7)
球形化黒鉛(E)をそのまま用いた。
(比較例8)
鱗片状黒鉛(T)をそのまま用いた。
実施例1〜3、5、比較例1〜12に記載の炭素材料の物性、製造条件、評価結果を表1又は表2に示す。
(Comparative Example 6)
Spherical graphite (C) was used as it was.
(Comparative Example 7)
Spherical graphite (E) was used as it was.
(Comparative Example 8)
Scaly graphite (T) was used as it was.
Tables 1 and 2 show the physical properties, production conditions, and evaluation results of the carbon materials described in Examples 1 to 3 , 5 and Comparative Examples 1 to 12 .
・電池の作製
(負極の作製)
複層構造炭素材として、複層構造炭素材(F)を97.7重量部に、増粘剤、バインダとしてそれぞれ、カルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)130重量部、及び、スチレン−ブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレン−ブタジエンゴムの濃度40質量%)2.5重量部を加え、自転・公転ミキサーで混合してスラリー化した。得られたスラリーを10μmの圧延銅箔の両面に塗布して乾燥し、プレス機で75μmに圧延したものを、活物質層のサイズとして幅30mm、長さ40mmおよび集電部タブ溶接部として未塗工部を有する形状に切り出し、負極とした。このときの負極の活物質の密度は1.35g/cm3であった。
・ Production of battery (Production of negative electrode)
As a multi-layer structure carbon material, 97.7 parts by weight of the multi-layer structure carbon material (F), and 130 wt. Of an aqueous dispersion of sodium carboxymethyl cellulose (concentration of 1% by mass of carboxymethyl cellulose sodium) as a thickener and binder, respectively. And 2.5 parts by weight of an aqueous dispersion of styrene-butadiene rubber (concentration of styrene-butadiene rubber 40% by mass) were added and mixed with a rotation / revolution mixer to form a slurry. The obtained slurry was applied to both sides of a 10 μm rolled copper foil, dried, and rolled to 75 μm with a press machine. The active material layer size was 30 mm in width, 40 mm in length, and was not used as a current collector tab weld. It cut out in the shape which has a coating part, and was set as the negative electrode. At this time, the density of the active material of the negative electrode was 1.35 g / cm 3 .
(正極の作製)
正極活物質は、以下に示す方法で合成したリチウム遷移金属複合酸化物であり、組成式LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2で表される。マンガン原料としてMn3O4、ニッケル原料としてNiO、及びコバルト原料としてCo(OH)2を、Mn:Ni:Co=1:1:1のモル比となるように秤量し、これに純水を加えてスラリーとし、攪拌しながら、循環式媒体攪拌型湿式ビーズミルを用いて、スラリー中の固形分を、メジアン径0.2μmになるように湿式粉砕した。
(Preparation of positive electrode)
The positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide synthesized by the method shown below, and is represented by the composition formula LiMn 0.33 Ni 0.33 Co 0.33 O 2 . Mn 3 O 4 as a manganese raw material, NiO as a nickel raw material, and Co (OH) 2 as a cobalt raw material are weighed so as to have a molar ratio of Mn: Ni: Co = 1: 1: 1, and pure water is added thereto. In addition, it was made into a slurry, and while being stirred, the solid content in the slurry was wet pulverized so as to have a median diameter of 0.2 μm using a circulating medium stirring type wet bead mill.
スラリーをスプレードライヤーにより噴霧乾燥し、マンガン原料、ニッケル原料、コバルト原料のみからなる、粒径約5μmのほぼ球状の造粒粒子を得た。得られた造粒粒子に、メジアン径3μmのLiOH粉末を、Mn、Ni、及びCoの合計モル数に対するLiのモル数の比が1.05となるように添加し、ハイスピードミキサーにて混合して、ニッケル原料、コバルト原料、マンガン原料の造粒粒子とリチウム原料との混合粉を得た。この混合粉を空気流通下、950℃で12時間焼成(昇降温速度5℃/min)した後、解砕し、目開き45μmの篩を通し、正極活物質を得た。この正極活物質のBET比表面積は、1.2m2/g、平均一次粒子径は、0.8μm、メジアン径d50は、4.4μm、
タップ密度は、1.6g/cm3であった。
The slurry was spray-dried with a spray dryer to obtain substantially spherical granulated particles having a particle size of about 5 μm, which consisted only of manganese raw material, nickel raw material and cobalt raw material. Add LiOH powder with a median diameter of 3 μm to the resulting granulated particles so that the ratio of the number of moles of Li to the total number of moles of Mn, Ni, and Co is 1.05, and mix with a high-speed mixer. Thus, a mixed powder of granulated particles of nickel raw material, cobalt raw material, manganese raw material and lithium raw material was obtained. This mixed powder was fired at 950 ° C. for 12 hours under air flow (climbing temperature rate 5 ° C./min), then crushed and passed through a sieve having an opening of 45 μm to obtain a positive electrode active material. The positive electrode active material has a BET specific surface area of 1.2 m 2 / g, an average primary particle diameter of 0.8 μm, a median diameter d 50 of 4.4 μm,
The tap density was 1.6 g / cm 3 .
上述の正極活物質を90質量%と、導電材としてのアセチレンブラック5質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量%とを、N−メチルピロリドン溶媒中で混合して、スラリー化した。得られたスラリーを15μmのアルミ箔に塗布して乾燥し、プレス機で厚さ81μmに圧延したものを、正極活物質層のサイズとして幅30mm、長さ40mm及び集電用の未塗工部を有する形状に切り出し正極とした。正極活物質層の密度は2.35g/cm3であり、(片面の正極活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)は2.2であり、L/(2×S2)は0.2であった。 90% by mass of the positive electrode active material described above, 5% by mass of acetylene black as a conductive material, and 5% by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed in an N-methylpyrrolidone solvent, Slurried. The obtained slurry was applied to a 15 μm aluminum foil, dried, and rolled to a thickness of 81 μm with a press machine. The positive electrode active material layer had a width of 30 mm, a length of 40 mm, and an uncoated part for current collection. It was cut out into a shape having a positive electrode. The density of the positive electrode active material layer is 2.35 g / cm 3 , (the thickness of the positive electrode active material layer on one side) / (the thickness of the current collector) is 2.2, and L / (2 × S 2 ) Was 0.2.
(電解液の作製)
不活性雰囲気下でエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)の混合物(体積比3:3:4)に、1mol/Lの濃度で、充分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を溶解させたも
のを用いた。
(Preparation of electrolyte)
Hexafluoroline sufficiently dried at a concentration of 1 mol / L in a mixture (volume ratio 3: 3: 4) of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) under an inert atmosphere It was used by dissolving lithium acid (LiPF 6).
(電池の作製)
正極1枚と負極1枚は活物質面が対向するように配置し、電極の間に多孔製ポリエチレンシートのセパレータ(25μm)が挟まれるようにした。この際、正極活物質面が複層構造炭素材面内から外れないよう対面させた。この正極と負極それぞれについての未塗工部に集電タブを溶接し、電極体としたものをポリプロピレンフィルム、厚さ0.04mmのアルミニウム箔、及びナイロンフィルムをこの順に積層したラミネートシート(合計厚
さ0.1mm)を用い、内面側にポリプロピレンフィルムがくるようにしてラミネートシートではさみ、電解液を注入するための一片を除いて、電極のない領域をヒートシールした。その後、活物質層に非水電解液を200μL注入して、電極に充分浸透させ、密閉して、ラミネートセルを作製した。この電池の定格容量は、20mAhである。
(Production of battery)
One positive electrode and one negative electrode were arranged so that the active material surfaces face each other, and a porous polyethylene sheet separator (25 μm) was sandwiched between the electrodes. At this time, the positive electrode active material surface was faced so as not to be detached from the multilayer structure carbon material surface. A current collector tab is welded to the uncoated portion of each of the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body, and a laminate sheet (total thickness) in which a polypropylene film, an aluminum foil having a thickness of 0.04 mm, and a nylon film are laminated in this order. 0.1 mm) was sandwiched with a laminate sheet so that the polypropylene film was on the inner surface side, and the area without electrodes was heat-sealed except for one piece for injecting the electrolyte solution. Thereafter, 200 μL of a non-aqueous electrolyte was injected into the active material layer, sufficiently infiltrated into the electrode, and sealed to produce a laminate cell. The rated capacity of this battery is 20 mAh.
・電池の評価
(容量測定)
充放電サイクルを経ていない電池に対して、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5サイクル初期充放電を行った。この時の5サイクル目0.2C放電容量を初期容量とした。次に下記に示す出力測定を実施した。
・ Battery evaluation (capacity measurement)
For a battery that has not undergone a charge / discharge cycle, a voltage range of 4.1 V to 3.0 V and a current value of 0.2 C at 25 ° C. In the same manner, the following initial charge / discharge was performed for 5 cycles. The discharge capacity at the 5th cycle at this time was defined as the initial capacity. Next, the following output measurement was performed.
(反応抵抗・二重層容量測定)
25℃環境下で、0.2Cの定電流により初期容量の50%となる容量の充電を行ない、その後−10℃の恒温槽に3時間以上保管した後に、ソーラートロン1280C(ソー
ラートロン社製)にて、電圧振幅10mV、0.1Hz〜20000Hzにてインピーダ
ンス測定を実施した。得られたデータを図1の等価回路にてフィッティングを実施し、10Hz付近の抵抗成分に由来する抵抗を反応抵抗、その抵抗成分に対応するCdlを電気化学的二重層容量とした。
実施例2〜3、5及び比較例1〜12で作製した複層構造炭素材・球形化黒鉛・鱗片状黒鉛についても同様に電池作製及び電池評価を実施した。結果を表2に示す。
(Reaction resistance / double layer capacitance measurement)
After charging at a constant current of 0.2 C and a capacity of 50% of the initial capacity in a 25 ° C. environment, and then storing in a -10 ° C. constant temperature bath for 3 hours or more, Solartron 1280C (manufactured by Solartron) The impedance measurement was performed at a voltage amplitude of 10 mV and 0.1 Hz to 20000 Hz. The obtained data was fitted using the equivalent circuit of FIG. 1, and a resistance derived from a resistance component in the vicinity of 10 Hz was defined as a reaction resistance, and Cdl corresponding to the resistance component was defined as an electrochemical double layer capacity.
It was performed battery production and battery also similarly evaluated Examples 2 to 3, 5 and Comparative Examples 1 to multilayer structure carbonaceous material, spherical graphite, flaky graphite produced in 12. The results are shown in Table 2.
表2の結果から、より小さな粒径の黒鉛質粒子により薄く非晶質炭素を被覆した複層構造炭素材は、意外にも電気化学的二重層容量の大きな増加はなく、単に反応抵抗のみを低減する効果を見いだした。即ち、本発明の複層構造炭素材を負極材に適用することで、反応抵抗が非常に小さく、且つ電気化学的二重層容量を抑えることで、不要な反応を抑制しながら、より高入出力特性を発現させることが可能となった。 From the results of Table 2, the multilayer carbon material thinly coated with amorphous carbon with smaller particle size graphite particles surprisingly does not have a large increase in electrochemical double layer capacity, only the reaction resistance. I found a reduction effect. That is, by applying the multi-layer structure carbon material of the present invention to the negative electrode material, the reaction resistance is very small and the electrochemical double layer capacity is suppressed, thereby suppressing unnecessary reactions and higher input / output. It became possible to express the characteristics.
また、一般的に小さな粒径の炭素材は、その粒度分布の微粒子側の影響により電極化時に、スジ引きを発生させるが、本発明の複層構造炭素材では吸油量を減少させることがで
き、改善が見られた。
In general, a carbon material having a small particle size causes streaking during electrode formation due to the influence of the fine particle side of the particle size distribution, but the multi-layered carbon material of the present invention can reduce the oil absorption. An improvement was seen.
本発明の複層構造炭素材は、効果的に負極抵抗を減少させ、保存特性(負極に由来する
電気化学的二重層容量)を低下させない実用可能な非水系二次電池用負極材を提供するこ
とができる。また、当該材料の製造方法によれば、その工程数が少ない故、安定して効率的且つ安価に製造することができる。
The multi-layer structure carbon material of the present invention provides a practical negative electrode material for non-aqueous secondary batteries that effectively reduces negative electrode resistance and does not decrease storage characteristics (electrochemical double layer capacity derived from the negative electrode). be able to. Moreover, according to the manufacturing method of the said material, since there are few processes, it can manufacture stably and efficiently and cheaply.
Rs.直流抵抗
R1.反応抵抗
R2.反応抵抗
R3.反応抵抗
CPE1.二重層容量(Cdl)
CPE2.二重層容量(Cdl)
CPE3.二重層容量(Cdl)
Rs. DC resistance R1. Reaction resistance R2. Reaction resistance R3. Reaction resistance CPE1. Double layer capacity (Cdl)
CPE2. Double layer capacity (Cdl)
CPE3. Double layer capacity (Cdl)
Claims (4)
(1)複層構造炭素材の平均粒径d50が1μm以上18μm以下である
(2)黒鉛質粒子/非晶質炭素の重量比率が96/4以上99.99/0.01以下である
(3)複層構造炭素材のタップ密度が0.95g/cm3以上1.3g/cm3以下である
(4)BET法を用いて測定した比表面積(SA)が6.5m2/g以上10m2/g以下である A multilayer carbon material for a non-aqueous secondary battery, characterized in that it is a multilayer carbon material obtained by coating the surface of graphite particles with amorphous carbon, and satisfies the following conditions (1) to (4): Material.
(1) The average particle diameter d50 of the multilayer carbon material is 1 μm or more and 18 μm or less. (2) The weight ratio of graphite particles / amorphous carbon is 96/4 or more and 99.99 / 0.01 or less ( 3) The tap density of the multi-layer structure carbon material is 0.95 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less. (4) The specific surface area (SA) measured using the BET method is 6.5 m 2 / g or more. 10 m 2 / g or less
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JP6188158B2 (en) * | 2012-06-04 | 2017-08-30 | Necエナジーデバイス株式会社 | Negative electrode for lithium ion secondary battery, negative electrode slurry for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery |
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US9960427B2 (en) | 2013-05-30 | 2018-05-01 | Lg Chem, Ltd. | Conductive material for lithium secondary battery and electrode for lithium secondary battery including the same |
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KR20150065041A (en) * | 2013-12-04 | 2015-06-12 | (주)포스코켐텍 | Negative electrode active material for rechargeable lithium battery, method for preparing the same and rechargeable lithium battery using the same |
WO2016006617A1 (en) | 2014-07-07 | 2016-01-14 | 三菱化学株式会社 | Carbon material, method for producing carbon material, and non-aqueous secondary battery using carbon material |
WO2016104489A1 (en) * | 2014-12-24 | 2016-06-30 | 住友ベークライト株式会社 | Carbon material for secondary cell negative electrode, active substance for secondary cell negative electrode, secondary cell negative electrode, and secondary cell |
JP2018006072A (en) * | 2016-06-29 | 2018-01-11 | オートモーティブエナジーサプライ株式会社 | Negative electrode of lithium-ion secondary battery |
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ES2973876T3 (en) * | 2019-09-30 | 2024-06-24 | Lg Energy Solution Ltd | Anode active material, method for preparing anode active material, anode comprising the same and lithium secondary battery |
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CN115000386B (en) * | 2022-07-07 | 2023-07-14 | 欣旺达电动汽车电池有限公司 | Negative electrode active material, negative electrode plate, lithium ion battery and electric equipment |
Family Cites Families (8)
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JP3712288B2 (en) * | 1996-02-02 | 2005-11-02 | 三菱化学株式会社 | Nonaqueous solvent secondary battery electrode material and method for producing the same |
JP3193342B2 (en) * | 1997-05-30 | 2001-07-30 | 松下電器産業株式会社 | Non-aqueous electrolyte secondary battery |
JP3916012B2 (en) * | 1997-05-30 | 2007-05-16 | 三菱化学株式会社 | Non-aqueous secondary battery electrode |
JP3711726B2 (en) * | 1998-01-20 | 2005-11-02 | 日立化成工業株式会社 | Graphite particles, production method thereof, lithium secondary battery and negative electrode thereof |
JP2003272621A (en) * | 2002-03-15 | 2003-09-26 | Mitsubishi Chemicals Corp | Negative electrode material for lithium secondary battery and negative electrode sheet manufactured from it |
JP4729716B2 (en) * | 2003-02-20 | 2011-07-20 | 三菱化学株式会社 | Lithium secondary battery negative electrode and lithium secondary battery |
JP2010165580A (en) * | 2009-01-16 | 2010-07-29 | Mitsubishi Chemicals Corp | Manufacturing method of negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, negative electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
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