JPH1173963A - Composite material for lithium ion secondary battery negative electrode and its manufacture - Google Patents
Composite material for lithium ion secondary battery negative electrode and its manufactureInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は高容量であり、安全
性に優れ、かつ充放電サイクル特性に優れたリチウムイ
オン二次電池の負極用炭素複合材に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery having a high capacity, excellent safety, and excellent charge-discharge cycle characteristics.
【0002】[0002]
【従来の技術】電子機器の小型軽量化に伴い、電池の高
エネルギー密度化が要求され、また省資源の面からも繰
り返し充放電が可能な二次電池の開発が急務になってい
る。この要求に答えるものとして、高エネルギー密度、
軽量、小型、かつ充放電サイクル特性に優れたリチウム
イオン二次電池が提案されている。2. Description of the Related Art As electronic devices become smaller and lighter, batteries are required to have a higher energy density. From the viewpoint of resource saving, there is an urgent need to develop secondary batteries which can be repeatedly charged and discharged. In response to this demand, high energy density,
Lithium ion secondary batteries that are lightweight, small, and excellent in charge / discharge cycle characteristics have been proposed.
【0003】リチウムイオン二次電池はリチウム金属二
次電池の有する急速充電性に劣る問題、サイクル寿命が
短い問題、安全性に劣る問題等を解決するために開発さ
れたものである。リチウム金属二次電池の場合には負極
に金属リチウムが用いられていたの対し、リチウムイオ
ン二次電池の場合には負極に炭素材を用いることによ
り、上記の問題を解決しようとするものである。[0003] A lithium ion secondary battery has been developed to solve the problems of the lithium metal secondary battery having poor quick chargeability, short cycle life, and poor safety. In the case of a lithium metal secondary battery, metallic lithium is used for the negative electrode, whereas in the case of a lithium ion secondary battery, the above-mentioned problem is solved by using a carbon material for the negative electrode. .
【0004】即ち、リチウム化合物を正極とし、炭素材
を負極として充電を行うと、負極ではリチウムイオンが
炭素材にドーピングされ、いわゆる炭素ーリチウム層間
化合物が形成される。一方、放電時には前記炭素材の層
間からリチウムイオンが脱ドーピンクし、生じたリチウ
ムイオンは再び正極のリチウム化合物と結合する。これ
により充放電が可能な電池が形成されるものである。That is, when charging is performed using a lithium compound as a positive electrode and a carbon material as a negative electrode, lithium ions are doped into the carbon material at the negative electrode to form a so-called carbon-lithium intercalation compound. On the other hand, at the time of discharge, lithium ions are dedoped from between layers of the carbon material, and the generated lithium ions are combined with the lithium compound of the positive electrode again. Thereby, a chargeable / dischargeable battery is formed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】炭素材料である黒鉛、
とりわけ天然黒鉛を用いてリチウムイオン二次電池の負
極を製造する場合、まず粘結材を用いて天然黒鉛を集電
体に成膜する工程がある。この成膜工程においては、天
然黒鉛は板上であるので集電体面に平行に黒鉛のAB軸
面が配列される傾向にある。その結果、得られる負極は
集電体面及び正極面と垂直方向に、即ち、リチウムイオ
ンと電子とが流れる方向に黒鉛のC軸方向が配列するこ
とになる。SUMMARY OF THE INVENTION Graphite, which is a carbon material,
In particular, when producing a negative electrode of a lithium ion secondary battery using natural graphite, there is a step of first forming a natural graphite film on a current collector using a binder. In this film forming process, since natural graphite is on a plate, the AB axis surface of graphite tends to be arranged in parallel to the current collector surface. As a result, in the obtained negative electrode, the C-axis direction of graphite is arranged in a direction perpendicular to the current collector surface and the positive electrode surface, that is, in a direction in which lithium ions and electrons flow.
【0006】黒鉛のAB軸面内の電気抵抗(体積抵抗)
は4〜7×10-5Ωcmと極めて小さな電気抵抗であ
る。しかし、天然黒鉛のC軸方向の電気抵抗は5×10
-3Ωcmとも1〜5×10-1Ωcmともいわれ、AB軸
面内の電気抵抗に比べ大きな抵抗値となっている。Electric resistance (volume resistance) in the AB axis plane of graphite
Has an extremely small electric resistance of 4 to 7 × 10 −5 Ωcm. However, the electrical resistance in the C-axis direction of natural graphite is 5 × 10
Both -3 Ωcm and 1-5 × 10 -1 Ωcm, the resistance value is larger than the electric resistance in the AB axis plane.
【0007】従って、本来は電気抵抗の小さな天然黒鉛
を用いたにもかかわらず、実際には電気抵抗の大きな黒
鉛のC軸が集電体面と正極面に対して垂直に配列する結
果、リチウムイオンの電導方向に電気抵抗の大きな黒鉛
のC軸が配列することとなり、リチウムイオン二次電池
の内部抵抗は高くなり、レート特性が低下する原因とな
っている。Therefore, despite the fact that natural graphite having a small electric resistance was originally used, the C-axis of graphite having a large electric resistance is arranged perpendicularly to the current collector surface and the positive electrode surface. The C-axis of graphite having a large electric resistance is arranged in the direction of conduction, which increases the internal resistance of the lithium ion secondary battery and causes the rate characteristics to deteriorate.
【0008】更に、このような配列をとる場合には、黒
鉛層間にリチウムイオンが挿入される充電時には、負極
の層厚方向が一定方向のみに膨張する。また、黒鉛層間
に挿入されていたリチウムイオンが放出される放電時に
は、負極は前記と逆方向のみに収縮する。充放電によっ
て、一定方向のみに負極の膨張収縮が繰り返されること
はリチウムイオン二次電池の充放電容量の低下や、安全
性の低下の原因となる。Further, in such an arrangement, during charging in which lithium ions are inserted between graphite layers, the thickness direction of the negative electrode expands only in a certain direction. At the time of discharge in which lithium ions inserted between the graphite layers are released, the negative electrode contracts only in the opposite direction. The repeated expansion and contraction of the negative electrode only in a certain direction due to charge and discharge causes a decrease in the charge and discharge capacity of the lithium ion secondary battery and a decrease in safety.
【0009】本発明者らは従来の黒鉛系負極材料を用い
たリチウムイオン二次電池の放電容量、充放電速度、サ
イクル特性と同時に安全性を改善する方法として、負極
の電気抵抗を低下させ得る負極用炭素材料を用いること
が極めて有効であると考えた。そして、負極の電気抵抗
を低下させうる炭素材料として、黒鉛と炭素からなる複
合材であって、かつその形状を球形とすることにより上
記課題を解決できることに想到した。As a method of improving the discharge capacity, charge / discharge rate, cycle characteristics and safety of a lithium ion secondary battery using a conventional graphite-based negative electrode material, the present inventors can lower the electric resistance of the negative electrode. It was considered that the use of a carbon material for a negative electrode was extremely effective. The present inventors have conceived that the above problem can be solved by using a composite material of graphite and carbon as a carbon material capable of lowering the electric resistance of the negative electrode and making the shape spherical.
【0010】特に、複合材の形状を球形にすることによ
り、複合材中の黒鉛の本来有する高い導電性をリチウム
イオンの導電方向に有効に寄与させ得るようにする事が
できることを見出した。この点につき、更に詳述する
と、リチウムイオン二次電池の負極材料として用いられ
る炭素材料に、黒鉛と炭素とからなる複合材であり、か
つその形状が球形の複合材を用いることにより、黒鉛の
A、B面を効果的に負極の集電体面、及び正極面に対し
て垂直に配列させる割合を増加させることができる。そ
の結果、負極の電気抵抗を低下させることが可能とな
り、リチウムイオン二次電池の放電容量、充放電速度、
サイクル特性と同時に安全性を改善することができる。In particular, it has been found that by making the shape of the composite material spherical, it is possible to effectively contribute the inherently high conductivity of graphite in the composite material to the conduction direction of lithium ions. More specifically, the carbon material used as the negative electrode material of the lithium ion secondary battery is a composite material composed of graphite and carbon, and the shape of the composite material is spherical. The ratio in which the A and B surfaces are effectively arranged perpendicular to the current collector surface of the negative electrode and the positive electrode surface can be increased. As a result, the electric resistance of the negative electrode can be reduced, and the discharge capacity, charge / discharge speed,
Safety can be improved simultaneously with cycle characteristics.
【0011】更に、本発明者等は黒鉛の表面が炭素によ
って被覆されている複合材が最も好適であることを見出
した。本発明は上記知見に基づいて完成するに至ったも
のである。Further, the present inventors have found that a composite material in which the surface of graphite is coated with carbon is most suitable. The present invention has been completed based on the above findings.
【0012】従って、本発明の目的とするところは、リ
チウムイオン二次電池の負極の電気抵抗を低下させるこ
とのできるリチウムイオン二次電池負極用複合材を提供
することにある。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, which can reduce the electric resistance of the negative electrode of the lithium ion secondary battery.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、 〔1〕 フィラー黒鉛と、前記フィラー黒鉛を連結する
マトリックス炭素とからなり、その形状が球形であるこ
とを特徴とするリチウムイオン二次電池負極用複合材、
及び 〔2〕 表面に炭素の被覆層を有するフィラー黒鉛と、
前記被覆層を有するフィラー黒鉛を連結するマトリック
ス炭素とからなり、その形状が球形であることを特徴と
するリチウムイオン二次電池負極用複合材である。According to the present invention, there is provided a lithium ion battery comprising: [1] a filler graphite and a matrix carbon for connecting the filler graphite, the shape of which is spherical. Composite material for secondary battery negative electrode,
And [2] filler graphite having a carbon coating layer on the surface,
A composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, comprising a matrix carbon for connecting filler graphite having the coating layer and having a spherical shape.
【0014】〔3〕 上記〔1〕、〔2〕には、フィラ
ー黒鉛の平均粒径が1〜20μmであること、及び 〔4〕 複合材の平均粒径が5〜40μmであることを
含む。[3] The above [1] and [2] include that the filler graphite has an average particle size of 1 to 20 μm, and [4] the composite material has an average particle size of 5 to 40 μm. .
【0015】また本発明は、 〔5〕 フィラー黒鉛と炭素化可能な粘結材と粘結材
を溶解する溶媒とからなるスラリーをスプレードライ法
で球形に成形すると共に乾燥して造粒物を得、次いで粘
結材を不融化し、あるいは不融化することなく前記造粒
物を不活性雰囲気下で900〜1400℃で所定時間熱
処理をすることにより粘結材を炭素化してマトリックス
炭素とすることを特徴とする、フィラー黒鉛と、前記フ
ィラー黒鉛を連結するマトリックス炭素とからなり、そ
の形状が球形であるリチウムイオン二次電池負極用複合
材の製造方法、及び 〔6〕 フィラー黒鉛と炭素化可能な粘結材と粘結材
を溶解する溶媒とからなるスラリーをスプレードライ法
で球形に成形すると共に乾燥して造粒物を得、次いで粘
結材を不融化し、あるいは不融化することなく前記造粒
物を不活性雰囲気下で900〜1400℃で所定時間熱
処理をすることにより粘結材を炭素化してマトリックス
炭素としながら、若しくはマトリックス炭素とした後、
炭素質材料を用いてフィラー黒鉛の表面に炭素被覆層を
形成することを特徴とする、表面に炭素の被覆層を有す
るフィラー黒鉛と、前記被覆層を有するフィラー黒鉛を
連結するマトリックス炭素とからなり、その形状が球形
であるリチウムイオン二次電池負極用複合材の製造方法
である。[0015] The present invention also provides: [5] a slurry comprising filler graphite, a binder capable of being carbonized, and a solvent dissolving the binder is formed into a spherical shape by a spray drying method and dried to form a granulated product. Obtaining and then infusibilizing the binder, or heat treating the granulated material without infusibilization at 900 to 1400 ° C. for a predetermined time under an inert atmosphere to carbonize the binder to form matrix carbon. A method for producing a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, comprising filler graphite and matrix carbon connecting the filler graphite, wherein the composite material has a spherical shape. [6] Filler graphite and carbonization A slurry comprising a possible binder and a solvent that dissolves the binder is formed into a sphere by spray drying and dried to obtain a granulated product, and then the binder is made infusible or infusible. While the granulated material is subjected to heat treatment at 900 to 1400 ° C. for a predetermined time under an inert atmosphere without carbonization, the binder is carbonized into matrix carbon, or after the matrix carbon is formed,
Forming a carbon coating layer on the surface of filler graphite using a carbonaceous material, characterized by filler graphite having a carbon coating layer on the surface, and matrix carbon connecting the filler graphite having the coating layer And a method for producing a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery having a spherical shape.
【0016】〔7〕 上記〔5〕、〔6〕には、フィラ
ー黒鉛の平均粒径が1〜20μmであること、及び 〔8〕 複合材の平均粒径が5〜40μmであることを
含む。[7] The above [5] and [6] include that the filler graphite has an average particle size of 1 to 20 μm, and [8] the composite material has an average particle size of 5 to 40 μm. .
【0017】以下、本発明を詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】本発明のリチウムイオン二次電池
の負極の製造に用いられる炭素材料はフィラーとしての
黒鉛と、マトリックスとしての炭素からなる球形の黒鉛
/炭素複合材である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A carbon material used for manufacturing a negative electrode of a lithium ion secondary battery of the present invention is a spherical graphite / carbon composite material comprising graphite as a filler and carbon as a matrix.
【0019】黒鉛/炭素複合材の形状は球形である。こ
の球形複合材内部のフィラー黒鉛粒子の配列は、モザイ
ク状、同心円状、放射状等のいずれの配列でも良い。The shape of the graphite / carbon composite is spherical. The arrangement of the filler graphite particles inside the spherical composite material may be any arrangement such as mosaic, concentric, or radial.
【0020】最も好ましい配列は黒鉛のAB軸面が中心
より外表面に向かって放射状に配列し、かつ複合材表面
上の黒鉛のC軸が球形表面に露出した配列構造を有する
黒鉛と、マトリックス炭素からなる球形の複合材、若し
くは黒鉛のAB軸面が中心より外表面に向かって放射状
に配列し、かつ複合材表面上の黒鉛のC軸が球形表面に
露出した配列構造を有する黒鉛と炭素からなる球形の複
合材であって黒鉛表面に炭素で形成された被覆層を有す
る複合材である。The most preferred arrangement is a graphite having an arrangement structure in which the AB axis plane of the graphite is radially arranged from the center toward the outer surface, and the C axis of the graphite on the composite material surface is exposed to the spherical surface; A spherical composite material consisting of graphite and carbon having an array structure in which the AB axis surface of graphite is radially arranged from the center toward the outer surface and the C axis of graphite on the composite material surface is exposed to the spherical surface. This is a spherical composite material having a coating layer formed of carbon on the surface of graphite.
【0021】本発明に用いられるフィラー黒鉛は天然黒
鉛や人造黒鉛を原料とし、これを粉砕する事により製造
できる。原料の黒鉛は、そのまま粉砕してフィラー黒鉛
とすることもできるが、公知の方法で一旦膨張黒鉛とし
てから粉砕することでフィラー黒鉛とすることもでき
る。The filler graphite used in the present invention can be produced by using natural graphite or artificial graphite as a raw material and pulverizing the raw material. The raw material graphite can be pulverized as it is to obtain filler graphite, but it can also be made into exfoliated graphite by a known method and then pulverized to obtain filler graphite.
【0022】黒鉛の粉砕の方法としてはシェアストレス
による粉砕と、インパクト粉砕とがあるが、本発明に用
いるフィラー黒鉛はいずれの方法で粉砕したものでも使
用できる。The method of pulverizing graphite includes pulverization by shear stress and impact pulverization. The filler graphite used in the present invention may be pulverized by any method.
【0023】フィラー黒鉛の粒径が大きくなると初期放
電効率は高いものの、放電量が低く、また粒径が小さく
なると放電量は大きくなるものの、初期放電効率が低下
する傾向が認められる。そのためフィラー黒鉛の好まし
い平均粒径は20μm以下、更に好ましくは10μm以
下であり、1μm以上である。When the particle size of the filler graphite is large, the initial discharge efficiency is high, but the discharge amount is low. When the particle size is small, the discharge amount is large, but the initial discharge efficiency tends to decrease. Therefore, the preferred average particle size of the filler graphite is 20 μm or less, more preferably 10 μm or less, and 1 μm or more.
【0024】本発明において、フィラー黒鉛を連結して
球状複合材を構成するマトリックス炭素は、フィラー黒
鉛同士を互いに接着させるために用いた粘結材を、後述
するように炭化することにより得られるものである。こ
の粘結材は溶剤に可溶なものである。例えば水に可溶な
粘結材としては糖蜜、澱粉等の天然高分子化合物、ナフ
タリンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合体等の水溶性の
各種合成樹脂等を挙げることができる。また、有機溶剤
に可溶な石炭系や石油系の各種タールやピッチ、あるい
は各種の合成樹脂も挙げることができる。In the present invention, the matrix carbon which forms the spherical composite material by connecting the filler graphite is obtained by carbonizing the binder used for bonding the filler graphite to each other as described later. It is. This binder is soluble in a solvent. Examples of the water-soluble binder include natural polymer compounds such as molasses and starch, and various water-soluble synthetic resins such as naphthalenesulfonic acid-formaldehyde condensate. Further, various types of coal-based and petroleum-based tars and pitches soluble in an organic solvent, and various synthetic resins can also be used.
【0025】粘結材の配合量は粘結材の炭化歩留まりに
よって異なるが、複合材中にマトリックス炭素として5
重量%〜30重量%になるように配合することが好まし
い。マトリックス炭素量が5重量%未満であれば、フィ
ラー黒鉛の粘結が十分でなく、複合材の嵩比重は低いも
のとなり、電池に負極として組み込んだ場合、安全性に
問題が残る。炭化物としての配合量が30重量%を超え
る場合は、十分嵩密度の大きな複合材を得ることができ
るが、フィラー黒鉛の割合が減る結果、放電容量が低下
する。The amount of the binder varies depending on the carbonization yield of the binder.
It is preferable to mix them in an amount of from 30 to 30% by weight. If the amount of matrix carbon is less than 5% by weight, the binder graphite is not sufficiently bonded, the bulk specific gravity of the composite material is low, and when incorporated as a negative electrode in a battery, there remains a problem in safety. When the compounding amount as a carbide exceeds 30% by weight, a composite material having a sufficiently large bulk density can be obtained, but the discharge capacity is reduced as a result of a decrease in the proportion of filler graphite.
【0026】上記方法で得た複合材は、更にCVD等の
方法によって炭素被覆をするにより、いっそう均一な被
覆層を形成することができ、この被覆層を有する複合材
は性能の安定性等の点で好ましいものである。The composite material obtained by the above method can be further coated with carbon by a method such as CVD, so that a more uniform coating layer can be formed. This is preferable in that respect.
【0027】また、マトリックス炭素による黒鉛の被覆
が不十分な複合材の場合、更にCVD等の方法によって
炭素被覆をすることにより、性能を向上させることもで
きる。In the case of a composite material in which the coating of graphite with matrix carbon is insufficient, the performance can be improved by further coating the carbon by a method such as CVD.
【0028】利用できるCVD法は、従来用いられてい
る公知の各種方法がそのまま利用できる。As the CVD method that can be used, various conventionally known methods can be used as they are.
【0029】フィラー黒鉛と粘結材と溶媒から成るスラ
リー、あるいは粘結材の粘度が十分に低いときにはフィ
ラー黒鉛と粘結材から成るスラリーをスプレードライ法
で球形に造粒し、かつ乾燥することで黒鉛と粘結材から
なる球形の造粒物を得ることができる。スプレードライ
法以外の方法でも球形粒子は製造できるが、真球に近い
形状であること、造粒された粒径が小さいこと、所望の
黒鉛配列が得られることを考慮すると、スプレードライ
法が造粒方法として最も好ましい。A slurry comprising filler graphite, a binder and a solvent, or a slurry comprising filler graphite and a binder when the viscosity of the binder is sufficiently low, is granulated into spherical particles by a spray drying method and dried. Thus, a spherical granulated product composed of graphite and a binder can be obtained. Spherical particles can be produced by a method other than the spray-drying method.However, the spray-drying method can be used in consideration of a shape close to a true sphere, a small granulated particle size, and a desired graphite arrangement. Most preferred as a granulation method.
【0030】黒鉛と粘結材からなる球形の造粒物を熱処
理することによって黒鉛と炭素からなる球形の複合材が
得られるが、この球形の黒鉛/炭素複合材において、粒
子内部の黒鉛配列はスプレードライによる造粒段階で決
定される。黒鉛配列とスプレードライ条件との関係は充
分に把握されていないが、黒鉛/粘結材/溶媒からなる
スプレードライ液の粘度が高い場合は黒鉛配列は同心円
状に、同粘度が低い場合は放射状に、中間粘度において
モザイク状に配列する傾向がある。A spherical composite made of graphite and carbon can be obtained by heat-treating a spherical granulated product made of graphite and a binder. In this spherical graphite / carbon composite, the graphite arrangement inside the particles is It is determined at the granulation stage by spray drying. The relationship between the graphite arrangement and the spray drying conditions is not fully understood, but the graphite arrangement is concentric when the viscosity of the spray-dried liquid consisting of graphite / binder / solvent is high, and radial when the viscosity is low. Tend to be arranged in a mosaic at an intermediate viscosity.
【0031】スプレードライ後の黒鉛と粘結材からなる
造粒物は、続いて粘結材に対して不融化を行った後、あ
るいは粘結材が不融化を必要とせず固相炭化するもので
あればそのまま、900℃ないし1400℃の不活性雰
囲気下に熱処理を行い、黒鉛と炭素からなる球形の複合
材とする。熱処理温度が900℃未満であれば複合材の
初期放電効率が低くなり、熱処理温度が1400℃を超
える場合は充放電量が低くなり、好ましい特性の負極材
を得にくくなる傾向にある。The granules comprising graphite and binder after spray-drying may be obtained by subjecting the binder to infusibilization or by solidifying the binder without solidification. If so, heat treatment is performed in an inert atmosphere at 900 ° C. to 1400 ° C. to obtain a spherical composite material of graphite and carbon. When the heat treatment temperature is lower than 900 ° C., the initial discharge efficiency of the composite material is low. When the heat treatment temperature is higher than 1400 ° C., the charge / discharge amount is low, and it tends to be difficult to obtain a negative electrode material having preferable characteristics.
【0032】本発明の球形の複合材の表面、及び内部に
おけるフィラー黒鉛の配列状態は、複合材の表面を走査
顕微鏡を用いて観察する方法や、複合材の断面を偏光顕
微鏡を用いて観察する方法により確認することができ
る。The arrangement state of the filler graphite on the surface and inside of the spherical composite of the present invention can be determined by observing the surface of the composite using a scanning microscope or observing the cross section of the composite using a polarizing microscope. It can be confirmed by the method.
【0033】このようにして製造した黒鉛と粘結材から
なる球形の複合材の平均粒径は40μm以下、好ましく
は30μm〜10μmである。フィラー黒鉛の粒径が小
さな物であれば得られる複合材の粒径も小さくできる
が、フィラー黒鉛の平均粒径が1μm未満に粉砕された
ものを用いる場合はフィラー黒鉛自身の効率が低下し、
これを用いて製造する複合材は更に効率が低下する傾向
にあるので、複合材の粒径は5μm以上とすることが好
ましい。The average particle size of the spherical composite material of graphite and binder produced in this way is 40 μm or less, preferably 30 μm to 10 μm. If the particle size of the filler graphite is small, the particle size of the obtained composite material can also be reduced, but if the average particle size of the filler graphite is less than 1 μm, the efficiency of the filler graphite itself decreases,
Since the efficiency of a composite material produced by using this tends to further decrease, the particle size of the composite material is preferably 5 μm or more.
【0034】上記構成の本発明複合材を用いて製造した
リチウムイオン二次電池用負極の負極の集電体面、及び
正極面に対して垂直方向の(即ちリチウムイオンの電導
方向)電気抵抗は、板状黒鉛を負極材として製造した従
来の負極の同方向の電気抵抗にくらべ50〜80%程度
小さい。その結果、充放電速度の向上、ハイレート特性
の向上、充放電時の発熱の抑制、黒鉛の膨張収縮の抑制
等が著しいものである。The electric resistance perpendicular to the current collector surface and the positive electrode surface of the negative electrode for a lithium ion secondary battery manufactured using the composite material of the present invention having the above structure (that is, the conduction direction of lithium ions) is as follows: It is about 50 to 80% smaller than the electric resistance in the same direction of the conventional negative electrode manufactured using plate graphite as the negative electrode material. As a result, remarkable improvements in charge / discharge speed, high rate characteristics, suppression of heat generation during charge / discharge, suppression of expansion and contraction of graphite, and the like are remarkable.
【0035】一般に、粉砕されただけで何ら処理をして
いない黒鉛微粒子は嵩高く、その嵩比重は、0.05〜
0.25g/cm3程度である。このように嵩高い黒鉛
微粒子は試料量を数10mg〜数gしか必要としない負
極材料としての基礎的な評価実験には何ら問題なく使用
することができる。しかし、実電池の生産工程では黒鉛
微粒子と、粘着剤を溶解した溶剤を用いて黒鉛微粒子の
スラリーを形成し、この黒鉛微粒子スラリーを集電体金
属上にコーティングし、乾燥後これをコイル状に巻き取
る方法で負極を製造する。そして、リチウムイオン二次
電池の充放電量を大きくするためには、集電体金属上に
コーティングする黒鉛微粒子量をできるだけ多量にする
ことが望ましい。このためスラリー中の負極材料の嵩密
度をできる限り高くすることが望まれている。In general, graphite fine particles which have been pulverized but not subjected to any treatment are bulky and have a bulk specific gravity of 0.05 to
It is about 0.25 g / cm 3 . Such bulky graphite fine particles can be used without any problem in a basic evaluation experiment as a negative electrode material requiring only a few tens of mg to a few g of a sample. However, in the actual battery production process, a slurry of graphite fine particles is formed using graphite fine particles and a solvent in which an adhesive is dissolved, and the graphite fine particle slurry is coated on a current collector metal, and then dried to form a coil. The negative electrode is manufactured by a winding method. In order to increase the charge / discharge amount of the lithium ion secondary battery, it is desirable to increase the amount of graphite fine particles coated on the current collector metal as much as possible. Therefore, it is desired to increase the bulk density of the negative electrode material in the slurry as much as possible.
【0036】しかし、黒鉛微粒子が嵩高い場合、黒鉛微
粒子の大部分が溶剤に濡れさえしないことがある。この
ような場合、高濃度の黒鉛スラリーを調製することがで
きない。したがってリチウムイオン二次電池用負極材料
としての黒鉛微粒子には、嵩密度の大きな、即ち単位重
量当たり容積の小さな黒鉛微粒子が望まれる。However, when the graphite fine particles are bulky, most of the graphite fine particles may not even get wet with the solvent. In such a case, a graphite slurry having a high concentration cannot be prepared. Therefore, graphite fine particles having a large bulk density, that is, a small volume per unit weight, are desired for graphite fine particles as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery.
【0037】本発明の黒鉛と炭素とからなる複合材にお
いては、炭素が粘結材として作用するため黒鉛と炭素か
らなる複合材の嵩密度は0.3g/cm3以上、通常は
0.4〜1.2g/cm3と大きな値を有することも本
発明複合材の特徴である。In the composite material of graphite and carbon of the present invention, since carbon acts as a binder, the bulk density of the composite material of graphite and carbon is at least 0.3 g / cm 3 , usually 0.4 g / cm 3. It is also a feature of the composite of the present invention that it has a large value of up to 1.2 g / cm 3 .
【0038】本発明の黒鉛と炭素からなる球形の複合材
を用いてリチウムイオン二次電池の負極を調製する方法
は特に限定されないが、例えば該複合材にバインダー
(例えばポリビニリデンフルオライド(PVDF))を
溶解した溶剤(例えば1−メチル−2−ピロリドン)を
加え十分に混練することにより、黒鉛濃度60wt%以
上の高濃度黒鉛微粒子スラリーを調製することができ
る。この黒鉛微粒子スラリーを金属箔からなる集電体
に、通常ドクタープレードを用いて20〜200μmの
厚みにコーティングする。金属箔上の黒鉛微粒子スラリ
ーは乾燥することにより、金属箔集電体に密着する。必
要があれば、加圧して密着性を高め、かつコーティング
層厚みを均一化することもできる。The method for preparing a negative electrode of a lithium ion secondary battery using the spherical composite material of graphite and carbon of the present invention is not particularly limited. For example, a binder (for example, polyvinylidene fluoride (PVDF)) is added to the composite material. ) Is dissolved in a solvent (for example, 1-methyl-2-pyrrolidone) and sufficiently kneaded to prepare a high-concentration graphite fine particle slurry having a graphite concentration of 60% by weight or more. This graphite fine particle slurry is coated on a current collector made of a metal foil to a thickness of 20 to 200 μm using a doctor blade. The graphite fine particle slurry on the metal foil is dried and adheres to the metal foil current collector. If necessary, pressure can be applied to increase the adhesion and make the thickness of the coating layer uniform.
【0039】バインダーには公知の材料、例えば各種ピ
ッチ、ポリテトラフルオロエチレン等を用いることがで
きるが、なかでもポリビニリデンフルオライド(PVD
F)が最適である。本発明の複合材とバインダーの混合
比(重量比)は100:2〜100:10とすることが
望ましい。As the binder, known materials such as various pitches and polytetrafluoroethylene can be used. Among them, polyvinylidene fluoride (PVD)
F) is optimal. The mixing ratio (weight ratio) of the composite material and the binder of the present invention is desirably 100: 2 to 100: 10.
【0040】正極材料は特に限定されないが、正極材料
として従来用いているものがそのまま使用できる。例え
ば、LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4等やこれ
らの混合物が好適である。粉末状の正極材料は、必要が
あれば導電材を加えてバインダーを溶解した溶剤と十分
に混練後、集電体とともに成形して調製することができ
る。これらは公知の技術である。The cathode material is not particularly limited, but those conventionally used as cathode materials can be used as they are. For example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 and the like, and a mixture thereof are suitable. The powdery positive electrode material can be prepared by adding a conductive material, if necessary, sufficiently kneading the mixture with a solvent in which a binder is dissolved, and then molding the resultant with a current collector. These are known techniques.
【0041】またセパレーターについても特に限定はな
く、公知の材料を用いることができる。The separator is not particularly limited, and a known material can be used.
【0042】リチウムイオン二次電池の非水系溶媒とし
ては、リチウム塩を溶解する非プロトン性低誘電率の公
知の溶媒が好ましい。このような溶媒としては、例えば
エチレンカーボネイト、ジメチルカーボネイト、プロピ
レンカーボネイト、ジエチレンカーボネイト、アセトニ
トリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、γー
ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン、1、
3−ジオキソラン、4−メチル−1、3−ジオキソラ
ン、1、2−ジメトキシエタン、1、2−ジエトキシエ
タン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラ
ン、ニトロメタン、N,Nージメチルホルムアミド、ジ
メチルスルホキシド等があげられ、これらの溶媒の単
独、またはこれらの二種類以上を混合して用いることが
できる。As the non-aqueous solvent for the lithium ion secondary battery, a known aprotic solvent having a low dielectric constant that dissolves a lithium salt is preferable. Such solvents include, for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, diethylene carbonate, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, 2-methyltetrahydrofuran, 1,
3-dioxolan, 4-methyl-1,3-dioxolan, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide and the like. These solvents can be used alone or in combination of two or more.
【0043】リチウムイオン二次電池の電解質として用
いるリチウム塩としては、LiCiO4,LiAsF6,
LiPF6,LiBF4,LiB(C6H5)4,LiC
l,LiBr,CH3SO3Li,CF3SO3Li等があ
り、これらの塩を単独で、あるいは二種類以上の塩を混
合して用いる。As the lithium salt used as the electrolyte of the lithium ion secondary battery, LiCiO 4 , LiAsF 6 ,
LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiC
1, LiBr, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, and the like, and these salts are used alone or as a mixture of two or more kinds.
【0044】なお、各物性値は以下の方法で測定した。Each physical property value was measured by the following method.
【0045】嵩密度: 100mlのガラス製メスシリ
ンダーに黒鉛粒子を入れてタッピングし、試料の容積が
変化しなくなったところで試料容積を測定し、試料重量
を試料容積で除した値を嵩密度とした。Bulk density: The graphite particles were put into a 100 ml glass measuring cylinder and tapped. When the sample volume stopped changing, the sample volume was measured, and the value obtained by dividing the sample weight by the sample volume was defined as the bulk density. .
【0046】結晶格子定数C0(002): 東芝製X
線回折装置XCー40Hを用い、CuーKn線をNiで
単色化し、高純度シリコンを標準物質として学振法で測
定した。Crystal lattice constant C0 (002): X made by Toshiba
Using a line diffractometer XC-40H, the Cu-Kn line was made monochromatic with Ni, and measurement was performed by Gakushin method using high-purity silicon as a standard substance.
【0047】平均粒径: 島津製作所製レーザー回折式
粒度分布測定装置SALD1100を用いて測定した。Average particle size: Measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer SALD1100 manufactured by Shimadzu Corporation.
【0048】走査型電子顕微鏡観察: 日本電子社製J
SM−5300を用いて観察した。Scanning electron microscope observation: J made by JEOL Ltd.
Observation was performed using SM-5300.
【0049】偏向顕微鏡観察: 試料をポリエステル樹
脂に埋め込み、研磨後ライツ社製オルソルクスポルを用
いて観察した。Observation with a deflection microscope: The sample was embedded in a polyester resin, polished, and then observed using Orthorx Spor manufactured by Leitz.
【0050】体積比抵抗の測定: 試料にPVDF−メ
チルピロリドン溶液(PVDF5wt% 対試料)を添
加してスラリーとし、ドクターブレドー法で2.5cm
2のSUS板に塗布した。乾燥後SUS板で試料を挟
み、5kg/cm2の圧力下にアドバンテスト社製R6
551マルチメターで抵抗を測定し、体積比抵抗を算出
した。Measurement of volume resistivity: A PVDF-methylpyrrolidone solution (5% by weight of PVDF vs. sample) was added to the sample to form a slurry, and the slurry was 2.5 cm in diameter by the doctor blade method.
2 was applied to the SUS plate. After drying, the sample is sandwiched between SUS plates, and R6 manufactured by Advantest Co., Ltd. is applied under a pressure of 5 kg / cm 2.
The resistance was measured with a 551 multimeter, and the volume resistivity was calculated.
【0051】以下、実施例により本発明を更に具体的に
説明する。Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
【0052】[0052]
(実施例1)灰分0.1重量%の中国産鱗片状黒鉛を三
井鉱山(株)製CGS16型ジェットミルで粉砕した。
得られたフィラー黒鉛の平均粒径は8.9μmであっ
た。同フィラー黒鉛の結晶格子定数Co(002)は
0.6708nm、嵩密度は0.187g/cm3であ
った。同フィラー黒鉛100重量部、ナフタリンスルホ
ン酸ホルムアルデヒド縮合物38重量部、水500重量
部を均一に混合したのち、三井鉱山(株)製SD−25
型スプレードライヤーにて、ディスクアトマイザーを用
いて造粒・乾燥を行った。このようにして得られた造粒
物の平均粒径は25μmであった。Example 1 Chinese flaky graphite having an ash content of 0.1% by weight was pulverized by a CGS16 type jet mill manufactured by Mitsui Mining Co., Ltd.
The average particle size of the obtained filler graphite was 8.9 μm. The filler graphite had a crystal lattice constant Co (002) of 0.6708 nm and a bulk density of 0.187 g / cm 3 . After uniformly mixing 100 parts by weight of the filler graphite, 38 parts by weight of naphthalenesulfonic acid formaldehyde condensate, and 500 parts by weight of water, SD-25 manufactured by Mitsui Mining Co., Ltd.
Granulation and drying were performed using a disk atomizer with a mold spray dryer. The average particle size of the granules thus obtained was 25 μm.
【0053】前記造粒物を窒素ガス雰囲気中、1200
℃まで加熱し、粘結材として用いたナフタリンスルホン
酸ホルムアルデヒド縮合物を炭化し、フィラー黒鉛と炭
素からなる複合材を得た。得られた複材材の電子顕微鏡
写真を図1に、偏向顕微鏡写真を図2に示す。The above granulated product was placed in a nitrogen gas atmosphere at 1200
C., and carbonized the naphthalenesulfonic acid formaldehyde condensate used as the binder to obtain a composite material comprising filler graphite and carbon. An electron micrograph of the obtained composite material is shown in FIG. 1, and a deflection micrograph is shown in FIG.
【0054】図1から、フィラー黒鉛のAB軸面が中心
より外表面に向かってほぼ放射状に配列し、図2から複
合材の内部はフィラー黒鉛がランダムに配列したモザイ
ク状であることが明らかである。From FIG. 1, it is clear that the AB axis plane of the filler graphite is arranged almost radially from the center toward the outer surface, and FIG. 2 shows that the inside of the composite material has a mosaic shape in which the filler graphite is randomly arranged. is there.
【0055】製造した複合材の体積比抵抗を測定した。
その結果を表1に示す。The volume resistivity of the manufactured composite material was measured.
Table 1 shows the results.
【0056】[0056]
【表1】 リチウムイオン二次電池の負極材としての基本的な性状
を、表2に示す条件で測定した。その結果を表3に示し
た。[Table 1] The basic properties of the negative electrode material of the lithium ion secondary battery were measured under the conditions shown in Table 2. Table 3 shows the results.
【0057】[0057]
【表2】 EC: エチレンカーボネイト DMC:ジメチルカーボネイト なお、ここでは便宣的に黒鉛にリチウムイオンをインタ
ーカレーションする事を充電と記した。[Table 2] EC: Ethylene carbonate DMC: Dimethyl carbonate In this case, intercalating lithium ions into graphite is referred to as charging.
【0058】[0058]
【表3】 表2中の低電流充放電時の電流を8mA(3.2mA/
cm2)とした以外は表2に示す条件で本複合材のハイ
レートでの試験を行った。その結果を表4に示す。[Table 3] The current at the time of low current charge / discharge in Table 2 was 8 mA (3.2 mA /
The composite material was tested at a high rate under the conditions shown in Table 2 except that the composite material was cm 2 ). Table 4 shows the results.
【0059】[0059]
【表4】 (比較例1)実施例1で用いたフィラー黒鉛をそのまま
負極材として用いて製造したリチウムイオン二次電池の
負極の体積比抵抗を測定した。その結果を表5に示す。[Table 4] Comparative Example 1 The volume resistivity of the negative electrode of a lithium ion secondary battery manufactured using the filler graphite used in Example 1 as it was as a negative electrode material was measured. Table 5 shows the results.
【0060】[0060]
【表5】 フィラー黒鉛のリチウムイオン二次電池の負極材として
の基本的な性状を表2の条件で測定した。その結果を表
6に示した。[Table 5] The basic properties of the filler graphite as a negative electrode material of a lithium ion secondary battery were measured under the conditions shown in Table 2. Table 6 shows the results.
【0061】[0061]
【表6】 表2中の定電流充放電時の電流を8mA(3.2mA/
cm2)とした以外は表2に示す条件で、実施例1の複
合材のハイレートでの試験を行った。その結果を表7に
示す。[Table 6] The current at the time of constant current charge / discharge in Table 2 was 8 mA (3.2 mA /
The composite material of Example 1 was tested at a high rate under the conditions shown in Table 2 except that the cm 2 ) was used. Table 7 shows the results.
【0062】[0062]
【表7】 実施例1で、表3、表4を比較すると、充放電時の電流
が8mAに増加しても大きな放電量の低下はみられない
ことから、ハイレート特性は良いことが分かる。[Table 7] Comparing Tables 3 and 4 in Example 1, it can be seen that the high rate characteristics are good because no large decrease in the discharge amount is observed even when the current during charging and discharging is increased to 8 mA.
【0063】又、サイクル数が100となっても、表
3、表4とも放電量の低下はわずかであることから、サ
イクル特性が良いことが分かる。Even when the number of cycles reached 100, the discharge amount was slightly reduced in both Tables 3 and 4, indicating that the cycle characteristics were good.
【0064】この結果から明らかなように、黒鉛を炭素
と複合化することにより負極の初期(サイクル数 1回
目)の放電容量は若干低下するものの、ハイレート特
性、並びにサイクル特性は向上することが明らかであ
る。As is evident from the results, the compounding of graphite with carbon slightly reduces the initial discharge capacity (first cycle number) of the negative electrode, but improves the high rate characteristics and the cycle characteristics. It is.
【0065】[0065]
【発明の効果】本発明の複合材は上記のように構成した
ので、本発明複合材を用いて製造したリチウムイオン二
次電池用負極の電気抵抗は、板状黒鉛を負極材として製
造した従来の負極の同方向の電気抵抗にくらべ50〜8
0%程度小さい。その結果、充放電速度の向上、ハイレ
ート特性の向上、充放電時の発熱の抑制、黒鉛の膨張収
縮の抑制等が著しいものである。更に、本複合材は比重
が大きいので、負極の製造に好適である。As described above, the composite material of the present invention is constructed as described above. The electric resistance of the negative electrode for a lithium ion secondary battery manufactured using the composite material of the present invention is the 50 to 8 compared to the electric resistance of the negative electrode in the same direction
About 0% smaller. As a result, remarkable improvements in charge / discharge speed, high rate characteristics, suppression of heat generation during charge / discharge, suppression of expansion and contraction of graphite, and the like are remarkable. Further, since the composite material has a large specific gravity, it is suitable for manufacturing a negative electrode.
【図1】本発明複合材の一例を示す図面代用顕微鏡写真
である。FIG. 1 is a drawing-substituted micrograph showing an example of the composite material of the present invention.
【図2】本発明複合材の一例を示す図面代用偏向顕微鏡
写真である。FIG. 2 is a deflection microscope photograph as a drawing showing an example of the composite material of the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 綱分 忠則 福岡県北九州市若松区響町1丁目3番地 三井鉱山株式会社総合研究所内 (72)発明者 坂田 康二 福岡県北九州市若松区響町1丁目3番地 三井鉱山株式会社総合研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tadanori Tsunata 1-3-3 Hibiki-cho, Wakamatsu-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka In-house of Mitsui Mining Co., Ltd. (72) Inventor Koji Sakata 1 Hibiki-cho, Wakamatsu-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka 3 chome Mitsui Mining Co., Ltd.
Claims (8)
結するマトリックス炭素とからなり、その形状が球形で
あることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極用複
合材。1. A composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, comprising a filler graphite and a matrix carbon connecting the filler graphite, wherein the composite material has a spherical shape.
鉛と、前記被覆層を有するフィラー黒鉛を連結するマト
リックス炭素とからなり、その形状が球形であることを
特徴とするリチウムイオン二次電池負極用複合材。2. A negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising: filler graphite having a carbon coating layer on its surface; and matrix carbon connecting the filler graphite having the coating layer, and having a spherical shape. For composites.
である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池
負極用複合材。3. The filler graphite has an average particle size of 1 to 20 μm.
The composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein
請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池負極用
複合材。4. The composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the composite material has an average particle size of 5 to 40 μm.
結材を溶解する溶媒とからなるスラリーをスプレードラ
イ法で球形に成形すると共に乾燥して造粒物を得、次い
で粘結材を不融化し、あるいは不融化することなく前記
造粒物を不活性雰囲気下で900〜1400℃で所定時
間熱処理をすることにより粘結材を炭素化してマトリッ
クス炭素とすることを特徴とする、フィラー黒鉛と、前
記フィラー黒鉛を連結するマトリックス炭素とからな
り、その形状が球形であるリチウムイオン二次電池負極
用複合材の製造方法。5. A slurry comprising a filler graphite, a binder capable of being carbonized, and a solvent dissolving the binder is formed into a spherical shape by a spray dry method and dried to obtain a granulated product. Infusible, or, without infusi? Cation, the binder is carbonized into matrix carbon by performing a heat treatment at 900 to 1400 ° C. for a predetermined time under an inert atmosphere without infusing the granulated material. A method for producing a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, comprising a filler graphite and matrix carbon connecting the filler graphite, wherein the composite material has a spherical shape.
結材を溶解する溶媒とからなるスラリーをスプレードラ
イ法で球形に成形すると共に乾燥して造粒物を得、次い
で粘結材を不融化し、あるいは不融化することなく前記
造粒物を不活性雰囲気下で900〜1400℃で所定時
間熱処理をすることにより粘結材を炭素化してマトリッ
クス炭素としながら、若しくはマトリックス炭素とした
後、炭素質材料を用いてフィラー黒鉛の表面に炭素被覆
層を形成することを特徴とする、表面に炭素の被覆層を
有するフィラー黒鉛と、前記被覆層を有するフィラー黒
鉛を連結するマトリックス炭素とからなり、その形状が
球形であるリチウムイオン二次電池負極用複合材の製造
方法。6. A slurry comprising filler graphite, a binder capable of being carbonized, and a solvent dissolving the binder is formed into a spherical shape by a spray drying method and dried to obtain a granulated product. Infusible, or, without infusibilization, the granulated material was heat-treated at 900 to 1400 ° C. for a predetermined time under an inert atmosphere to carbonize the binder to form matrix carbon, or to form matrix carbon. After that, a carbon coating layer is formed on the surface of the filler graphite using a carbonaceous material, a filler graphite having a carbon coating layer on the surface, and a matrix carbon linking the filler graphite having the coating layer. A method for producing a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, comprising a spherical shape.
である請求項5又は6に記載のリチウムイオン二次電池
負極用複合材の製造方法。7. The filler graphite has an average particle size of 1 to 20 μm.
The method for producing a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein
請求項5又は6に記載のリチウムイオン二次電池負極用
複合材の製造方法。8. The method for producing a composite material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the composite material has an average particle size of 5 to 40 μm.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9247804A JPH1173963A (en) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Composite material for lithium ion secondary battery negative electrode and its manufacture |
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JP (1) | JPH1173963A (en) |
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