JP2016189319A - Carbon material and non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素材と、その炭素材を用いた非水系二次電池用負極を備えた非水系二次電池に関するものである。 The present invention relates to a non-aqueous secondary battery including a carbon material and a negative electrode for a non-aqueous secondary battery using the carbon material.
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リチウムイオン二次電池が注目されてきている。従来、リチウムイオン二次電池の高容量化は広く検討されているが、近年、リチウムイオン二次電池に対する更なる高性能化の要求が高まってきており、更なる高容量化、高入出力化、高寿命化を達成することが求められている。
In recent years, demand for high-capacity secondary batteries has increased with the downsizing of electronic devices.
In particular, lithium ion 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. Conventionally, high capacity of lithium ion secondary batteries has been widely studied, but in recent years, the demand for higher performance of lithium ion secondary batteries has been increasing. Therefore, there is a demand to achieve a long life.
リチウムイオン二次電池については、負極用活物質として、黒鉛等の炭素材料を使用することが知られている。中でも、黒鉛化度の大きい黒鉛は、リチウムイオン二次電池用の負極用活物質として用いた場合、黒鉛のリチウム吸蔵の理論容量である372mAh/gに近い容量が得られ、さらに、コスト・耐久性にも優れることから、負極用活物質として好ましいことが知られている。
一方、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、材料の破壊・変形により、初期サイクル時の充放電不可逆容量の増加、大電流充放電特性の低下、サイクル特性の低下といった問題点があった。
For lithium ion secondary batteries, it is known to use a carbon material such as graphite as the negative electrode active material. Among them, graphite having a high degree of graphitization, when used as an active material for a negative electrode for a lithium ion secondary battery, has a capacity close to 372 mAh / g, which is the theoretical capacity for lithium occlusion of graphite. Since it is excellent also in the property, it is known that it is preferable as an active material for negative electrodes.
On the other hand, when the active material layer containing the negative electrode material is densified to increase the capacity, the destruction / deformation of the material increases the irreversible capacity of charge / discharge during the initial cycle, decreases the large current charge / discharge characteristics, There was a problem of decline.
上記の問題を解決するために、例えば、特許文献1、2には、鱗片状天然黒鉛に力学的エネルギー処理を施すことにより球形化天然黒鉛を製造し、更に球形化天然黒鉛を核黒鉛としてその表面に非晶質炭素を被覆することにより、充填性や入出力特性を向上させる技術が開示されている。
In order to solve the above problem, for example, in
本発明者らの検討によると、特許文献1や特許文献2で開示されている球形化天然黒鉛は、粒子の緻密さに欠ける構造であり、その粒子表面が非晶質炭素で覆われることにより、比表面積が小さくなり、粒子のLiイオン挿入脱離サイトが小さく、電池の入出力特性の向上には改善の余地があった。
一般的に、比表面積の大きな黒鉛粒子を用いることにより、黒鉛粒子のLiイオン挿入脱離サイトを大きく使えるため、電池とした時の入出力特性を向上することが知られている。
According to the study by the present inventors, the spheroidized natural graphite disclosed in Patent Document 1 and
In general, it is known that by using graphite particles having a large specific surface area, the Li ion insertion / desorption sites of the graphite particles can be used greatly, so that the input / output characteristics of the battery are improved.
一方で、炭素質物を被覆した黒鉛粒子の炭素質物は、黒鉛と比較し結晶性が低く、Liイオン挿入脱離がしやすい構造を有するため、電池とした時の入出力特性を向上させることが分かっている。すなわち、比表面積を大きくし、黒鉛粒子の結晶性を低下させることにより、より入出力特性の向上させることができると考えられる。しかしながら、Liイオン挿入脱離がしやすい結晶性の低い領域を増やすために、黒鉛粒子に炭素質物を被覆した場合、粒子表面の微細構造が覆われてしまうことから、比表面積の拡大と炭素質物の被
覆による低結晶性領域の増加はトレードオフの関係にある。
On the other hand, the carbonaceous material of graphite particles coated with a carbonaceous material has a lower crystallinity than graphite and has a structure that facilitates Li ion insertion and desorption, so that the input / output characteristics of a battery can be improved. I know. That is, it is considered that the input / output characteristics can be further improved by increasing the specific surface area and reducing the crystallinity of the graphite particles. However, when graphite particles are coated with a carbonaceous material in order to increase the low-crystalline region where Li ion insertion and desorption is likely to occur, the fine structure of the particle surface is covered. The increase in the low crystalline region due to the coating of is in a trade-off relationship.
本発明は、かかる背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は従来の比表面積と低結晶性領域のトレードオフの関係から脱却した、優れた入出力特性を備えた非水系二次電池用炭素材を提供し、その結果として、高性能な非水系二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the background art, and the problem is a non-aqueous secondary battery having excellent input / output characteristics, which has escaped from the trade-off relationship between the conventional specific surface area and the low crystalline region. It is to provide a high-performance non-aqueous secondary battery as a result.
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、リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な非水系二次電池用炭素材であって、該炭素材が炭素質物を粒子表面に含有するものであり、真密度とBET法により測定した比表面積(SA)との関係が特定の値を満足することにより、優れた入出力特性を有する非水系二次電池用炭素材を得られることを見出し、本発明を完成するに至った。なお真密度は黒鉛粒子の結晶性の指標となる物性の一つである。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention are carbon materials for non-aqueous secondary batteries that can occlude and release lithium ions, and the carbon material particles carbonaceous particles. A carbon material for a non-aqueous secondary battery having excellent input / output characteristics when the relationship between the true density and the specific surface area (SA) measured by the BET method satisfies a specific value. As a result, the present invention was completed. The true density is one of physical properties that is an index of crystallinity of graphite particles.
本発明に係る炭素材は従来の炭素質物を粒子表面に含有している炭素材と比較して、BET法により測定した比表面積(SA)が大きいため、Liイオンの挿入脱離サイトを広範囲で利用することが可能であり、また、BET法により測定した比表面積(SA)が大きいにも関わらず、真密度が低い(すなわち、低結晶性の炭素質物成分が多い)ことから、Liイオンの挿入脱離が良好である。つまり、比表面積による入出力特性の向上効果と低結晶性の炭素質物による入出力特性の向上効果を併せ持った非水系二次電池用炭素材を得ることが出来た。 The carbon material according to the present invention has a large specific surface area (SA) measured by the BET method compared with a carbon material containing a conventional carbonaceous material on the particle surface. It can be used, and despite its large specific surface area (SA) measured by the BET method, the true density is low (ie, there are many low-crystalline carbonaceous material components), so Good insertion and removal. That is, a carbon material for a non-aqueous secondary battery having both the effect of improving the input / output characteristics due to the specific surface area and the effect of improving the input / output characteristics due to the low crystalline carbonaceous material could be obtained.
すなわち本発明の要旨は、リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な非水系二次電池用炭素材であって、該炭素材は炭素質物を粒子表面に含有するものであり、下記式(1)の関係を満足することを特徴とする非水系二次電池用炭素材に存する。
(式1)
Y−0.01X ≦ α (1)
(Y=真密度(g/cm3)、X=BET法により測定した炭素材の比表面積(SA)(m2/g)、α=2.20)
That is, the gist of the present invention is a carbon material for a non-aqueous secondary battery capable of occluding and releasing lithium ions, and the carbon material contains a carbonaceous material on the particle surface. The carbon material for non-aqueous secondary batteries is characterized by satisfying the relationship of
(Formula 1)
Y-0.01X ≦ α (1)
(Y = true density (g / cm 3 ), X = specific surface area (SA) of carbon material measured by BET method (m 2 / g), α = 2.20)
また本発明の他の要旨は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに、電解質を備えると共に、該負極が集電体と該集電体上に形成された負極活物質層とを備えると共に、該負極活物質層が上記の炭素材を含有することを特徴とする非水系二次電池に存する。 Another aspect of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte. The negative electrode includes a current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector. In addition, the present invention resides in a non-aqueous secondary battery in which the negative electrode active material layer contains the above carbon material.
本発明の炭素材は、それを非水系二次電池用の負極活物質として用いることにより、高容量で、良好な低温入出力特性、及びサイクル特性を有する非水系二次電池を提供することができる。 By using the carbon material of the present invention as a negative electrode active material for a non-aqueous secondary battery, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having high capacity, good low-temperature input / output characteristics, and cycle characteristics. it can.
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。 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.
<非水系二次電池用炭素材の核となる炭素材>
本発明のリチウムイオンを吸蔵・放出可能な非水系二次電池用炭素材は、該炭素材が炭素質物を粒子表面に含有するものであり、上記式(1)の関係を満足するものであれば特に限定されないが、例えば、黒鉛、非晶質炭素、黒鉛化度の小さい炭素質物(バルクメソフェーズ)等の核となる炭素材を炭素質物(例えば非晶質炭素や黒鉛化物)で被覆したものが挙げられる。
<Carbon material that is the core of carbon materials for non-aqueous secondary batteries>
The carbon material for a non-aqueous secondary battery capable of occluding and releasing lithium ions of the present invention is one in which the carbon material contains a carbonaceous material on the particle surface and satisfies the relationship of the above formula (1). Although not particularly limited, for example, a carbon material (eg, amorphous carbon or graphitized material) coated with a carbon material serving as a core, such as graphite, amorphous carbon, or a carbonaceous material (bulk mesophase) having a low degree of graphitization Is mentioned.
炭素材の表面にある凹凸を被覆することによりDBP(フタル酸ジブチル)吸油量が少なくなるので、電極作製時に塗料化で塗料の粘度を下げることができ、塗布性を向上させることが期待できる。
なお本明細書でいう被覆されているとは、炭素物質の表面の少なくとも一部又は全面が炭素質物で被覆、又は添着されている態様をいう。
Since the DBP (dibutyl phthalate) oil absorption amount is reduced by coating the unevenness on the surface of the carbon material, the viscosity of the paint can be lowered by forming a paint at the time of producing the electrode, and the coating property can be expected to be improved.
The term “coated” as used herein refers to an embodiment in which at least a part or the entire surface of the carbon material is coated or attached with a carbonaceous material.
核となる炭素材は、黒鉛が商業的に容易に入手可能であり、理論上372mAh/gの高い充放電容量を有し、さらには他の負極用活物質を用いた場合と比較して、高電流密度での充放電特性の改善効果が大きいため好ましい。黒鉛としては、不純物の少ないものが好ましく、必要に応じて、公知である種々の精製処理を施して用いることができる。 As the carbon material as the core, graphite is readily available commercially, theoretically has a high charge / discharge capacity of 372 mAh / g, and further compared to the case of using another negative electrode active material, This is preferable because the effect of improving the charge / discharge characteristics at a high current density is great. As graphite, those having few impurities are preferable, and they can be used after being subjected to various known purification treatments, if necessary.
黒鉛の種類としては、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられ、高容量且つ高電流密度での充放電特性が良好な点から天然黒鉛がより好ましい。
また、本発明ではこれらを単独で、又は二種以上を組み合わせて使用することができる。
Examples of the type of graphite include natural graphite, artificial graphite and the like, and natural graphite is more preferable from the viewpoint of good charge / discharge characteristics at a high capacity and a high current density.
Moreover, in this invention, these can be used individually or in combination of 2 or more types.
前記天然黒鉛としては、その性状によって、鱗片状黒(FlakeGraphite)、鱗状(Crystalline Graphite)、塊状黒鉛(Vein Graphite)、土壌黒鉛(Amorphous Graphite)に分類される(「粉粒体プロセス技術集成」((株)産業技術センター、昭和49年発行)の黒鉛の項、および「HANDBOOKOF CARBON, GRAPHITE, DIAMOND AND FULLERENES」(NoyesPubLications発行)参照)。黒鉛化度は、鱗状黒鉛や塊状黒鉛が100%で最も高く、これに次いで鱗片状黒鉛が99.9%で高く、本発明において好適である。なかでも不純物の少ないものが好ましく、必要に応じて、公知である種々の精製処理を施して用いることができる。 The natural graphite is classified into scale black (FlakeGraphite), scale (Crystalline Graphite), bulk graphite (Vein Graphite), and soil graphite (Amorphous Graphite) according to the properties ("Powder Process Technology Assembly" ( (See Industrial Technology Center Co., Ltd., published in 1974), Graphite section, and "HANDBOOKOF CARBON, GRAPHITE, DIAMOND AND FULLERENES" (published by NoyesPubLications)). The degree of graphitization is the highest at 100% for scaly graphite and massive graphite, followed by scaly graphite at 99.9%, which is suitable in the present invention. Among them, those having few impurities are preferable, and can be used after being subjected to various known purification treatments, if necessary.
天然黒鉛の産地は、マダガスカル、中国、ブラジル、ウクライナ、カナダ等であり、鱗状黒鉛の産地は、主にスリランカである。土壌黒鉛の主な産地は、朝鮮半島、中国、メキシコ等である。
天然黒鉛の中でも、例えば、鱗状、鱗片状、又は塊状の天然黒鉛、高純度化した鱗片状黒鉛、後述する球形化処理した天然黒鉛(以降、球形化天然黒鉛と称す。)等が挙げられる。中でも、炭素材の内部に好適な緻密な細孔を形成させることができ、優れた粒子の充填性や充放電負荷特性を発揮するという観点から、球形化天然黒鉛が最も好ましい。
Natural graphite is produced in Madagascar, China, Brazil, Ukraine, Canada, etc., and scaly graphite is produced mainly in Sri Lanka. The main producers of soil graphite are the Korean Peninsula, China and Mexico.
Among natural graphites, for example, scaly, scaly, or massive natural graphite, highly purified scaly graphite, spheroidized natural graphite described below (hereinafter referred to as spheroidized natural graphite), and the like. Among these, spheroidized natural graphite is most preferable from the viewpoints that suitable fine pores can be formed inside the carbon material and that excellent particle filling properties and charge / discharge load characteristics are exhibited.
前記人造黒鉛、非晶質炭素及び黒鉛化度の小さい炭素質物(バルクメソフェーズ)の原料としては易黒鉛化炭素や難黒鉛化炭素を用いることができる。例えば、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所定の温度で焼成したものが挙げられる。
As the raw material for the artificial graphite, amorphous carbon, and carbonaceous material (bulk mesophase) having a low degree of graphitization, graphitizable carbon and non-graphitizable carbon can be used. For example, coal tar pitch, coal heavy oil, atmospheric residue, petroleum heavy oil, aromatic hydrocarbon, nitrogen-containing cyclic compound, sulfur-containing cyclic compound, polyphenylene, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, Examples include those obtained by firing organic substances such as polyvinyl butyral, natural polymer, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, furfuryl alcohol resin, phenol-formaldehyde resin, and imide resin at a predetermined temperature.
前記人造黒鉛は易黒鉛化炭素を多く含む原料を、2500℃以上、3200℃以下の範囲で黒鉛化することで得ることができ、焼成の際、珪素含有化合物やホウ素含有化合物などを黒鉛化触媒として用いることもできる。 The artificial graphite can be obtained by graphitizing a raw material containing a large amount of graphitizable carbon in a range of 2500 ° C. or higher and 3200 ° C. or lower. During firing, a silicon-containing compound or a boron-containing compound is graphitized as a catalyst. Can also be used.
易黒鉛化炭素としては、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。 As graphitizable carbon, coal heavy oil such as coal tar pitch and dry distillation liquefied oil; straight heavy oil such as atmospheric residue and vacuum residue; 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; thermoplastic polymers such as polyvinyl alcohol.
前記非晶質炭素は難黒鉛化炭素や、炭素前駆体を不融化処理等し、黒鉛化を阻害したものを600℃以上、3200℃以下で焼成することで得ることができる。
難黒鉛化炭素としては、カーボンブラック、ポリ塩化ビニリデン、砂糖、セルロース、フェノールホルムアルデヒド樹脂などが挙げられる。
The amorphous carbon can be obtained by calcining non-graphitizable carbon or a carbon precursor in which the graphitization is inhibited and firing at 600 ° C. or more and 3200 ° C. or less.
Examples of the non-graphitizable carbon include carbon black, polyvinylidene chloride, sugar, cellulose, and phenol formaldehyde resin.
更に、前記非晶質炭素は易黒鉛化炭素を原料として用いることもできる。その場合の易黒鉛化炭素を通常2500℃未満の温度で焼成したものが挙げられる。非晶質炭素の化学構造の程度に応じて、焼成温度は通常600℃以上とすることができ、好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上であり、通常2500℃未満とすることができ、好ましくは2000℃以下、より好ましくは1400℃以下の範囲である。 Furthermore, the amorphous carbon can also be easily graphitized carbon. Examples thereof include those obtained by firing graphitizable carbon at a temperature usually lower than 2500 ° C. Depending on the degree of the chemical structure of the amorphous carbon, the firing temperature can usually be 600 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 950 ° C. or higher, and usually lower than 2500 ° C. , Preferably it is 2000 degrees C or less, More preferably, it is the range of 1400 degrees C or less.
前記黒鉛化度の小さい炭素質物(バルクメソフェーズ)は、易黒鉛化炭素を400〜600℃の温度で熱処理したものが挙げられる。
焼成の際、有機物にリン酸、ホウ酸、塩酸などの酸類や、水酸化ナトリウム等のアルカリ類などを混合することもできる。
Examples of the carbonaceous material (bulk mesophase) having a small degree of graphitization include those obtained by heat-treating graphitizable carbon at a temperature of 400 to 600 ° C.
At the time of firing, acids such as phosphoric acid, boric acid and hydrochloric acid, alkalis such as sodium hydroxide and the like can be mixed with the organic matter.
非水系二次電池用炭素材としては、酸化物やその他金属を含んでいてもよい。その他金属としては、Sn、Si、Al、BiなどのLiと合金化可能な金属が挙げられる。 As a carbon material for non-aqueous secondary batteries, an oxide and other metals may be included. Other metals include metals that can be alloyed with Li, such as Sn, Si, Al, Bi.
<非水系二次電池用炭素材の製造方法>
本発明の非水系二次電池用炭素材は、該炭素材が炭素質物を粒子表面に含有するものであり、上記式(1)の関係を満足するように製造すれば特に制限はないが、達成手段の一つとしては、平均粒径d50が80μm以下となるように粒度を調整した鱗片状天然黒鉛を球形化(造粒)処理する際に生成する微粉を、球形化処理した黒鉛となる母材に付着、及び/又は球形化黒鉛の粒子に内包しながら球形化処理することにより球形化炭素材を得た後(以降、球形化処理を施して得られる、本発明の非水系二次電池用炭素材の前駆体の炭素材を球形化炭素材と称す)、得られた球形化炭素材と有機化合物を混合後熱処理することにより有機化合物を炭素化又は黒鉛化させることで、得ることができる。前記球形化処理としては、球形化処理中に炭素材から生成する微粉を、前記球形化炭素材となる母材に付着、及び/又は前記球形化炭素材の粒子に内包しながら球形化処理することが好ましい。具体的には、少なくとも衝撃、圧縮、摩擦、及びせん断力のいずれかの力学的エネルギーを付与して原料炭素材を造粒する造粒工程を有し、前記造粒工程を、下記1)及び2)の条件を満足する造粒剤の存在下で行うことでもよい。
<Method for producing carbon material for non-aqueous secondary battery>
The carbon material for a non-aqueous secondary battery according to the present invention is one in which the carbon material contains a carbonaceous material on the particle surface and is not particularly limited as long as it is produced so as to satisfy the relationship of the above formula (1). As one of the means for achieving the above, graphite obtained by spheroidizing fine powder produced when spheroidizing (granulating) flaky natural graphite whose particle size is adjusted so that the average particle diameter d50 is 80 μm or less is obtained. After obtaining a spheronized carbon material by spheronizing while adhering to the base material and / or encapsulating in particles of spheroidized graphite (hereinafter referred to as spheroidizing treatment, the non-aqueous secondary of the present invention obtained Obtained by carbonizing or graphitizing an organic compound by mixing and heat-treating the obtained spherical carbon material and an organic compound after the carbon material of the carbon material for the battery is referred to as a spherical carbon material) Can do. As the spheronization treatment, the fine powder generated from the carbon material during the spheronization treatment is attached to the base material to be the spheroidized carbon material and / or spheroidized while being included in the particles of the spheroidized carbon material. It is preferable. Specifically, it has a granulation step of granulating the raw material carbon material by applying at least one of mechanical energy of impact, compression, friction, and shear force, and the granulation step includes the following 1) and It may be performed in the presence of a granulating agent that satisfies the condition of 2).
1)前記原料炭素材を造粒する工程時に液体
2)造粒剤が有機溶剤を含まないか、有機溶剤を含む場合、有機溶剤の内、少なくとも1種は引火点を有さない、又は引火点を有するときには該引火点が5℃以上である。また、必要により、高純度化する処理や分級処理等の他の処理を任意の工程で行ってもよい。
1) Liquid at the time of granulating the raw material carbon material 2) When the granulating agent does not contain an organic solvent or contains an organic solvent, at least one of the organic solvents does not have a flash point or ignites When it has a point, the flash point is 5 ° C or higher. Moreover, you may perform other processes, such as the process of refinement | purification, and a classification process, by arbitrary processes as needed.
球形化炭素材の原料として用いる炭素材の平均粒径d50が80μm以下である場合、球形化炭素材のBET法により測定される比表面積(SA)を制御しやすくなる傾向がある。さらに、球形化炭素材が偏平になり難く、好適なタップ密度を提供しやすくなる。更に、球形化処理中に生成する微粉を球形化炭素材となる母材に付着、及び/又は球形化炭素材の粒子に内包しながら球形化処理することにより、粒子構造をより緻密化することが可能になり、BET法により測定される比表面積(SA)が比較的高いものが得られ、上記式(1)の関係を満足することが出来る。 When the average particle diameter d50 of the carbon material used as the raw material for the spherical carbon material is 80 μm or less, the specific surface area (SA) measured by the BET method of the spherical carbon material tends to be easily controlled. Furthermore, it becomes difficult for the spheroidized carbon material to be flat, and it is easy to provide a suitable tap density. Furthermore, the fine powder generated during the spheronization treatment is adhered to the base material that becomes the spheroidized carbon material and / or the spheronization process is performed while encapsulating in the particles of the spheroidized carbon material, thereby further densifying the particle structure. Thus, a material having a relatively high specific surface area (SA) measured by the BET method can be obtained, and the relationship of the above formula (1) can be satisfied.
上記造粒工程を有すれば、必要に応じて別の工程を更に有していてもよい。別の工程は単独で実施してもよいし、複数工程を同時に実施してもよい。一実施形態としては、以下の第1工程乃至第6工程を含む。 If it has the said granulation process, you may further have another process as needed. Another process may be implemented independently and multiple processes may be implemented simultaneously. As one embodiment, the following first to sixth steps are included.
(第1工程)原料炭素材の粒度を調整する工程
(第2工程)原料炭素材と造粒剤とを混合する工程
(第3工程)原料炭素材を造粒する工程
(第4工程)造粒剤を除去する工程
(第5工程)造粒炭素材を高純度化する工程
(第6工程)造粒炭素材に、さらに原料炭素材より結晶性が低い炭素質物を添着する工程
以下、これら工程について説明する。
(1st process) The process of adjusting the particle size of raw material carbon material (2nd process) The process of mixing raw material carbon material and a granulating agent (3rd process) The process of granulating raw material carbon material (4th process) Step of removing the granule (fifth step) Step of purifying the granulated carbon material (sixth step) Step of adding a carbonaceous material having lower crystallinity than the raw carbon material to the granulated carbon material. The process will be described.
(第1工程)原料炭素材の粒度を調整する工程
本発明で用いる原料炭素材は特に限定されず、前述した人造黒鉛や天然黒鉛を使用することが出来る。中でも、結晶性が高く高容量であることから天然黒鉛を使用することが好ましい。天然黒鉛としては、例えば、鱗状、鱗片状、塊状又は板状の天然黒鉛が挙げられ、中でも、鱗片状黒鉛が好ましい。
(1st process) The process of adjusting the particle size of raw material carbon material The raw material carbon material used by this invention is not specifically limited, Artificial graphite and natural graphite mentioned above can be used. Among them, it is preferable to use natural graphite because of its high crystallinity and high capacity. Examples of natural graphite include scaly, scaly, massive, or plate-like natural graphite. Among these, scaly graphite is preferable.
第1工程で得られる、球形化黒鉛の原料となる鱗片上黒鉛などの原料炭素材の平均粒径(体積基準のメジアン径:d50)は、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上、更に好ましくは3μm以上、好ましくは80μm以下、より好ましくは50μm以下、更に好ましくは35μm以下、非常に好ましくは20μm以下、特に好ましくは10μm以下、最も好ましくは8μm以下である。平均粒径は後述の方法により測定することが出来る。 The average particle diameter (volume-based median diameter: d50) of the raw material carbon material such as graphite on scales, which is the raw material of spheroidized graphite, obtained in the first step is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and even more preferably. Is not more than 3 μm, preferably not more than 80 μm, more preferably not more than 50 μm, still more preferably not more than 35 μm, very preferably not more than 20 μm, particularly preferably not more than 10 μm, most preferably not more than 8 μm. The average particle diameter can be measured by the method described later.
平均粒径が上記範囲にある場合、不可逆容量の増加やサイクル特性の低下を防ぐことができる。また、球形化黒鉛の粒子内空隙構造を緻密に制御することができる。このため、電解液が粒子内空隙へと効率的に行き渡ることが出来るようになり、粒子内のLiイオン挿入脱離サイトを効率的に利用できようになるため、低温出力特性やサイクル特性が向上する傾向にある。さらに、球形化黒鉛の円形度を高く調整することができるため、Liイオン拡散の屈曲度が上がることなく粒子間空隙中のスムーズな電解液移動が可能となり、急速充放電特性が向上する。 When the average particle size is in the above range, an increase in irreversible capacity and a decrease in cycle characteristics can be prevented. In addition, the void structure in the particles of spheroidized graphite can be precisely controlled. As a result, the electrolyte can efficiently spread to the voids in the particles, and the Li ion insertion / desorption sites in the particles can be used efficiently, improving the low-temperature output characteristics and cycle characteristics. Tend to. Furthermore, since the circularity of the spheroidized graphite can be adjusted to be high, the electrolyte solution can smoothly move in the interparticle void without increasing the bending degree of Li ion diffusion, and the rapid charge / discharge characteristics are improved.
また、平均粒径が上記範囲にある場合、造粒工程中に生成する微粉を、造粒された黒鉛(以降、造粒炭素材と称す。)となる母材に付着或いは母材の内部に包む込みながら造粒することが可能になり、球形化度が高く微粉が少ない造粒炭素材を得ることが出来る。 In addition, when the average particle size is in the above range, the fine powder generated during the granulation step is attached to the base material to be granulated graphite (hereinafter referred to as a granulated carbon material) or inside the base material. It is possible to granulate while wrapping, and it is possible to obtain a granulated carbon material having a high degree of spheroidization and a small amount of fine powder.
原料炭素材の平均粒径(d50)を上記範囲に調整する方法として、例えば(天然)黒鉛粒子を粉砕、及び/または分級する方法が挙げられる。
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、機械式粉砕機、気流式粉砕機、旋回流式粉砕機等が挙げられる。具体的には、ボールミル、振動ミル、ピンミル、攪拌ミル、ジェットミル、サイクロンミル、ターボミル等が挙げられる。特に、10μm以下の黒鉛粒子を得る場合には、気流式粉砕機や旋回流式粉砕機を用いることが好ましい。
As a method for adjusting the average particle diameter (d50) of the raw material carbon material to the above range, for example, there is a method of pulverizing and / or classifying (natural) graphite particles.
There are no particular restrictions on the apparatus used for pulverization, for example, the coarse pulverizer includes a shearing mill, jaw crusher, impact crusher, cone crusher, etc., and the intermediate pulverizer includes a roll crusher, hammer mill, etc. Examples of the fine pulverizer include a mechanical pulverizer, an airflow pulverizer, and a swirl flow pulverizer. Specific examples include a ball mill, a vibration mill, a pin mill, a stirring mill, a jet mill, a cyclone mill, and a turbo mill. In particular, when obtaining graphite particles of 10 μm or less, it is preferable to use an airflow pulverizer or a swirl flow pulverizer.
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 classifier, inertial classifier, centrifugal classifier (classifier, cyclone, etc.) can be used, wet sieving, mechanical wet classifier, hydraulic classifier, sedimentation classifier A centrifugal wet classifier or the like can be used.
また、第一工程で得られる、原料炭素材としては以下のような物性を満足することが好ましい。
原料炭素材に含まれる灰分は、炭素材の全質量に対して、好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下であり、更に好ましくは0.1質量%以下である。また、灰分の下限は1ppm以上であることが好ましい。
Further, it is preferable that the raw material carbon material obtained in the first step satisfies the following physical properties.
The ash contained in the raw carbon material is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, and still more preferably 0.1% by mass or less, with respect to the total mass of the carbon material. Moreover, it is preferable that the minimum of ash content is 1 ppm or more.
灰分が上記範囲内であると非水系二次電池とした場合に、充放電時の炭素材と電解液との反応による電池性能の劣化を無視できる程度に抑えることができる。また、炭素材の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ないため、コストの上昇も抑えられる。 When the ash content is within the above range, when a non-aqueous secondary battery is used, deterioration of battery performance due to the reaction between the carbon material and the electrolyte during charge / discharge can be suppressed to a negligible level. Further, since a great amount of time, energy, and equipment for preventing contamination are not required for producing the carbon material, an increase in cost can be suppressed.
原料炭素材のアスペクト比は、好ましくは3以上、より好ましくは5以上、更に好ましくは10以上、特に好ましくは15以上である。また、好ましくは1000以下、より好ましくは500以下、更に好ましくは100以下、特に好ましくは50以下である。アスペクト比は、後述する方法により測定する。アスペクト比が上記範囲内にあると、粒径が100μm程度の大きな粒子が出来難く、一方で一方向からの加圧をした際に接触面積が適度なため、強固な造粒炭素材を得易くなる。アスペクト比が大きすぎると粒径が100μm程度の大きな粒子ができやすい傾向があり、小さすぎる粒子は、一方向からの加圧をした際に接触面積が小さいため、強固な造粒体が形成されない傾向があり、また粒子を造粒しても鱗片状黒鉛の小さい比表面積が反映して、比表面積が30m2/gを超える造粒体となる傾向がある。 The aspect ratio of the raw carbon material is preferably 3 or more, more preferably 5 or more, still more preferably 10 or more, and particularly preferably 15 or more. Further, it is preferably 1000 or less, more preferably 500 or less, still more preferably 100 or less, and particularly preferably 50 or less. The aspect ratio is measured by the method described later. When the aspect ratio is within the above range, it is difficult to obtain large particles having a particle size of about 100 μm, and on the other hand, when the pressure is applied from one direction, the contact area is appropriate, so it is easy to obtain a strong granulated carbon material. Become. When the aspect ratio is too large, there is a tendency that large particles having a particle size of about 100 μm tend to be formed. Too small particles do not form a strong granule because the contact area is small when pressed from one direction. Even if the particles are granulated, the small specific surface area of the flake graphite is reflected, and the specific surface area tends to be a granulated body exceeding 30 m 2 / g.
原料炭素材のX線広角回折法による002面の面間隔(d002)及び結晶子の大きさ(Lc)は、通常(d002)が3.37Å以下で(Lc)が900Å以上であり、(d002)が3.36Å以下で(Lc)が950Å以上であることが好ましい。面間隔(d002)及び結晶子の大きさ(Lc)は、炭素材バルクの結晶性を示す値であり、002面の面間隔(d002)の値が小さいほど、また結晶子の大きさ(Lc)が大きいほど、結晶性が高い炭素材であることを示し、黒鉛層間に入るリチウムの量が理論値に近づくので容量が増加する。結晶性が低いと高結晶性黒鉛を電極に用いた場合の優れた電池特性(高容量で、且つ不可逆容量が低い)が発現されない。面間隔(d002)と結晶子サイズ(Lc)は、上記範囲が組み合わされていることが特に好ましい。 The 002 plane spacing (d002) and crystallite size (Lc) of the raw carbon material by X-ray wide angle diffraction method are usually (d002) of 3.37 mm or less and (Lc) of 900 mm or more, (d002 ) Is 3.36 mm or less and (Lc) is preferably 950 mm or more. The interplanar spacing (d002) and the crystallite size (Lc) are values indicating the crystallinity of the carbon material bulk. The smaller the interplanar spacing (d002), the smaller the crystallite size (Lc). ) Indicates that the carbon material has high crystallinity, and the amount of lithium entering the graphite layer approaches the theoretical value, so that the capacity increases. When the crystallinity is low, excellent battery characteristics (high capacity and low irreversible capacity) when high crystalline graphite is used for the electrode are not exhibited. It is particularly preferable that the above-mentioned ranges are combined for the interplanar spacing (d002) and the crystallite size (Lc).
X線回折は以下の手法により測定する。炭素粉末に総量の約15質量%のX線標準高純
度シリコン粉末を加えて混合したものを材料とし、グラファイトモノクロメーターで単色化したCuKα線を線源とし、反射式ディフラクトメーター法で広角X線回折曲線を測定する。その後、学振法を用いて面間隔(d002)及び結晶子の大きさ(Lc)を求める。
X-ray diffraction is measured by the following method. Carbon powder is mixed with X-ray standard high-purity silicon powder of about 15% by mass of the total amount, and CuKα ray monochromatized with a graphite monochromator is used as a radiation source. A line diffraction curve is measured. Thereafter, the interplanar spacing (d002) and the crystallite size (Lc) are obtained using the Gakushin method.
原料炭素材の充填構造は、粒子の大きさ、形状、粒子間相互作用力の程度等によって左右されるが、本明細書では充填構造を定量的に議論する指標の一つとしてタップ密度を適用することも可能である。本発明者らの検討では、真密度と平均粒径がほぼ等しい鉛質粒子では、形状が球状で粒子表面が平滑であるほど、タップ密度が高い値を示すことが確認されている。すなわち、タップ密度を上げるためには、粒子の形状に丸みを帯びさせて球状に近づけ、粒子表面のささくれや欠損を除き平滑さを保つことが重要である。粒子形状が球状に近づき粒子表面が平滑であると、粉体の充填性も大きく向上する。原料炭素材のタップ密度は、好ましくは0.1g/cm3以上であり、より好ましくは0.15g/cm3以上であり、更に好ましくは0.2g/cm3以上であり、特に好ましくは0.3g/cm3以上である。タップ密度は実施例で後述する方法により測定する。 The filling structure of the raw carbon material depends on the size, shape, degree of interaction force between particles, etc., but in this specification, tap density is applied as one of the indicators for quantitative discussion of the filling structure. It is also possible to do. In the study by the present inventors, it has been confirmed that in the case of lead-like particles having a true density and an average particle size substantially equal, the tap density increases as the shape is spherical and the particle surface is smoother. In other words, in order to increase the tap density, it is important to round the shape of the particle so that it is close to a sphere, and to maintain smoothness except for the surface and chipping of the particle surface. When the particle shape approaches a spherical shape and the particle surface is smooth, the powder filling property is greatly improved. The tap density of the raw material carbon material is preferably 0.1 g / cm 3 or more, more preferably 0.15 g / cm 3 or more, still more preferably 0.2 g / cm 3 or more, and particularly preferably 0. .3 g / cm 3 or more. The tap density is measured by the method described later in the examples.
原料炭素材のアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルは粒子の表面の性状を現す指標として利用されている。原料炭素材のアルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおける1580cm−1付近のピーク強度に対する1360cm−1付近のピーク強度比であるラマンR値は、好ましくは0.05以上0.9以下であり、より好ましくは0.05以上0.7以下であり、更に好ましくは0.05以上0.5以下である。R値は炭素粒子の表面近傍(粒子表面から100Å位まで)の結晶性を表す指標であり、R値が小さいほど結晶性が高い、あるいは結晶状態が乱れていないことを示す。ラマンスペクトルは以下に示す方法により測定する。具体的には、測定対象粒子をラマン分光器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。なお、アルゴンイオンレーザー光の波長は514.5nmとする。 The argon ion laser Raman spectrum of the raw carbon material is used as an index indicating the surface properties of the particles. Raman R value is the peak intensity ratio in the vicinity of 1360 cm -1 to the peak intensity near 1580 cm -1 in the argon ion laser Raman spectrum of the raw carbon material is preferably 0.05 to 0.9, more preferably 0 .05 or more and 0.7 or less, more preferably 0.05 or more and 0.5 or less. The R value is an index representing the crystallinity in the vicinity of the surface of the carbon particle (from the particle surface to about 100 °), and the smaller the R value, the higher the crystallinity or the disordered crystal state. The Raman spectrum is measured by the method shown below. Specifically, the sample particle is naturally dropped into the Raman spectrometer measurement cell, and the sample cell is filled with the sample. While irradiating the measurement cell with an argon ion laser beam, Measure while rotating. Note that the wavelength of the argon ion laser light is 514.5 nm.
原料炭素材のX線広角回折法は、粒子全体の結晶性を表す指標として用いられる。鱗片状黒鉛は、X線広角回折法による菱面体結晶構造に基づく101面の強度3R(101)と六方晶結晶構造に基づく101面の強度2H(101)との比3R/2Hが好ましくは0.1以上、より好ましくは0.15以上、更に好ましくは0.2以上である。菱面体結晶構造とは、黒鉛の網面構造の積み重なりが3層おきに繰り返される結晶形態である。また、六方晶結晶構造とはとは黒鉛の網面構造の積み重なりが2層おきに繰り返される結晶形態である。菱面体結晶構造3Rの比率の多い結晶形態を示す鱗片状黒鉛の場合、菱面体結晶構造3Rの比率の少ない黒鉛に比べLiイオンの受け入れ性が高い。 The X-ray wide angle diffraction method of the raw material carbon material is used as an index representing the crystallinity of the entire particle. The scaly graphite preferably has a ratio 3R / 2H of 101 plane strength 3R (101) based on rhombohedral crystal structure by X-ray wide angle diffraction method and 101 plane strength 2H (101) based on hexagonal crystal structure. .1 or more, more preferably 0.15 or more, still more preferably 0.2 or more. The rhombohedral crystal structure is a crystal form in which a stack of graphite network structures is repeated every three layers. The hexagonal crystal structure is a crystal form in which a stack of graphite network structures is repeated every two layers. In the case of scaly graphite showing a crystal form with a large ratio of rhombohedral crystal structure 3R, the acceptability of Li ions is higher than that of graphite with a small ratio of rhombohedral crystal structure 3R.
原料炭素材のBET法による比表面積は、好ましくは0.3m2/g以上、より好ましくは0.5m2/g以上、更に好ましくは1m2/g以上、特に好ましくは2m2/g以上、最も好ましくは5m2/g以上であり、好ましくは30m2/g以下、より好ましくは20m2/g以下、更に好ましくは15m2/g以下である。BET法による比表面積は後述する実施例の方法により測定する。原料炭素材の比表面積が上記範囲内にあると、Liイオンの受け入れ性が良好となり、不可逆容量の増加による電池容量の減少を防ぐことができる。鱗片状黒鉛の比表面積が小さすぎると、Liイオンの受け入れ性が悪くなり、大きすぎると不可逆容量の増加による電池容量の減少を防ぐことができない傾向がある。 The specific surface area of the raw carbon material by the BET method is preferably 0.3 m 2 / g or more, more preferably 0.5 m 2 / g or more, still more preferably 1 m 2 / g or more, particularly preferably 2 m 2 / g or more, most preferably at 5 m 2 / g or more, preferably 30 m 2 / g or less, more preferably 20 m 2 / g or less, still more preferably not more than 15 m 2 / g. The specific surface area by BET method is measured by the method of the Example mentioned later. When the specific surface area of the raw material carbon material is within the above range, the acceptability of Li ions is improved, and the decrease in battery capacity due to the increase in irreversible capacity can be prevented. If the specific surface area of the flaky graphite is too small, the acceptability of Li ions is deteriorated, and if it is too large, a decrease in battery capacity due to an increase in irreversible capacity tends to be prevented.
造粒炭素材の原料炭素材(原料黒鉛)に含まれる水分量は、原料黒鉛の全質量に対して、好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下であり、更に好ましくは0.1質量%以下、特に好ましくは0.05質量%以下、最も好ましくは0.01質量%以
下である。また、水分量の下限は1ppm以上であることが好ましい。水分量は例えばJIS M8811に準拠した方法で測定することが出来る。水分量が上記範囲内であると
、球形化処理の際に粒子間の静電引力が大きくなるため粒子間付着力が増し、微粉が母材に付着、及び球形化粒子に内包された状態となりやすく好ましい。また、疎水性造粒剤を用いる場合の濡れ性低下を防ぐことができる。
The amount of water contained in the raw carbon material (raw material graphite) of the granulated carbon material is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, and still more preferably with respect to the total mass of the raw material graphite. It is 0.1% by mass or less, particularly preferably 0.05% by mass or less, and most preferably 0.01% by mass or less. Moreover, it is preferable that the minimum of a moisture content is 1 ppm or more. The water content can be measured by a method based on JIS M8811, for example. When the amount of water is within the above range, the electrostatic attractive force between the particles increases during the spheronization treatment, so that the interparticle adhesion increases, and the fine powder adheres to the base material and is encapsulated in the spheroidized particles. It is easy and preferable. Moreover, the wettability fall when using a hydrophobic granule can be prevented.
造粒炭素材の原料炭素材(原料黒鉛)の水分量を上記範囲とするために、必要に応じて乾燥処理を実施することが出来る。処理温度は、通常60℃以上、好ましくは100℃以上、より好ましくは200℃以上、更に好ましくは、250℃以上、特に好ましくは300℃以上、最も好ましくは350℃であり、また通常1500℃以下、好ましくは1000℃以下、より好ましくは800℃以下、更に好ましくは600℃以下である。低すぎると、水分量を十分に低減できなくなる傾向があり、高すぎると、生産性の低下、コスト増大を招く傾向がある。 In order to make the moisture content of the raw carbon material (raw material graphite) of the granulated carbon material within the above range, a drying treatment can be performed as necessary. The treatment temperature is usually 60 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher, more preferably 250 ° C. or higher, particularly preferably 300 ° C. or higher, most preferably 350 ° C., and usually 1500 ° C. or lower. The temperature is preferably 1000 ° C. or lower, more preferably 800 ° C. or lower, and still more preferably 600 ° C. or lower. If it is too low, there is a tendency that the amount of water cannot be sufficiently reduced, and if it is too high, there is a tendency that productivity is lowered and cost is increased.
乾燥処理時間は、通常0.5〜48時間、好ましくは1〜40時間、より好ましくは2〜30時間、更に好ましくは、3〜24時間である。長すぎると、生産性の低下を招き、短すぎると、熱処理効果が十分に発揮されない傾向になる。 The drying treatment time is usually 0.5 to 48 hours, preferably 1 to 40 hours, more preferably 2 to 30 hours, and further preferably 3 to 24 hours. If it is too long, the productivity will be lowered, and if it is too short, the heat treatment effect will not be sufficiently exhibited.
熱処理の雰囲気は、大気雰囲気などの活性雰囲気、もしくは、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気があげられ、200℃〜300℃で熱処理する場合には特段制限はないが、300℃以上で熱処理を行う場合には、黒鉛表面の酸化を防止する観点で、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気が好ましい。 The atmosphere of the heat treatment includes an active atmosphere such as an air atmosphere or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. When heat treatment is performed at 200 ° C. to 300 ° C., there is no particular limitation, but the heat treatment is performed at 300 ° C. or higher. In the case of performing the above, an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere is preferable from the viewpoint of preventing oxidation of the graphite surface.
原料炭素材である球形化黒鉛の原料となる鱗片状黒鉛のXPSより求められる表面官能基量O/C値(%)は、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.1以上、更に好ましくは0.3以上、特に好ましくは0.5以上、好ましくは5以下、より好ましくは3以下、更に好ましくは2.5以下、特に好ましくは2以下、最も好ましくは1.5以下である。上記範囲内であると、吸湿性が抑えられて粒子が乾燥状態を保ちやすく、球形化処理の際に粒子間の静電引力が大きくなるため粒子間付着力が増し、微粉が母材に付着、及び球形化粒子に内包された状態となりやすく好ましい。 The surface functional group amount O / C value (%) obtained from XPS of the scaly graphite used as the raw material of the spheroidized graphite as the raw carbon material is preferably 0.01 or more, more preferably 0.1 or more, and still more preferably. Is 0.3 or more, particularly preferably 0.5 or more, preferably 5 or less, more preferably 3 or less, still more preferably 2.5 or less, particularly preferably 2 or less, and most preferably 1.5 or less. Within the above range, the hygroscopicity is suppressed and the particles are easily kept dry, and the electrostatic attraction between the particles is increased during the spheronization treatment, so that the adhesion between particles is increased and fine powder adheres to the base material. , And is preferable because it tends to be in a state of being encapsulated in spheroidized particles.
(第2工程)原料炭素材と造粒剤とを混合する工程
本発明の実施形態で用いる造粒剤は、1)前記原料炭素材を造粒する工程時に液体及び2)造粒剤が有機溶剤を含まないか、有機溶剤を含む場合、有機溶剤の内、少なくとも1種は引火点を有さない、又は引火点を有するときには該引火点が5℃以上、の条件を満足するものである。
(Second step) Step of mixing raw material carbon material and granulating agent The granulating agent used in the embodiment of the present invention is 1) liquid during the step of granulating the raw carbon material and 2) the granulating agent is organic. When it does not contain a solvent or contains an organic solvent, at least one of the organic solvents does not have a flash point, or when it has a flash point, the flash point satisfies the condition of 5 ° C. or higher. .
上記要件を満たす造粒剤を有することで、続く第3工程における原料炭素材を造粒する工程の際に、原料炭素材間を造粒剤が液架橋することにより、原料炭素材間に液橋内の毛管負圧と液の表面張力によって生じる引力が粒子間に液架橋付着力として働くため、原料炭素材間の液架橋付着力が増大し、原料炭素材がより強固に付着することが可能となる。 By having a granulating agent that satisfies the above requirements, the granulating agent liquid-crosslinks between the raw material carbon materials in the subsequent step of granulating the raw material carbon material in the third step, so that the liquid between the raw material carbon materials. The attractive force generated by the capillary negative pressure in the bridge and the surface tension of the liquid acts as the liquid cross-linking adhesion force between the particles, so the liquid cross-linking adhesion force between the raw carbon materials increases and the raw carbon material adheres more firmly. It becomes possible.
本発明の実施形態においては、原料炭素材間を造粒剤が液架橋することによる原料炭素材間の液架橋付着力の強さはγcosθ値に比例する(ここで、γ:液の表面張力、θ:液と粒子の接触角)。すなわち、原料炭素材を造粒する際に、造粒剤は原料炭素材との濡れ性が高いことが好ましく、具体的にはγcosθ値>0となるようにcosθ>0となる造粒剤を選択するのが好ましく、造粒剤の下記測定方法で測定した黒鉛との接触角θが90°未満であることが好ましい。 In the embodiment of the present invention, the strength of the liquid cross-linking adhesive force between the raw material carbon materials due to the liquid crosslinking between the raw material carbon materials is proportional to the γ cos θ value (where γ: surface tension of the liquid) , Θ: contact angle between liquid and particles). That is, when granulating the raw material carbon material, it is preferable that the granulating agent has high wettability with the raw material carbon material. Specifically, a granulating agent satisfying cos θ> 0 so that γ cos θ value> 0 is obtained. The contact angle θ with the graphite measured by the following measuring method of the granulating agent is preferably less than 90 °.
<黒鉛との接触角θの測定方法>
HOPG表面に1.2μLの造粒剤を滴下し、濡れ広がりが収束して一秒間の接触角θの変化率が3%以下となったとき(定常状態ともいう)の接触角を接触角測定装置(協和界面社製自動接触角計DM−501)にて測定する。ここで、25℃における粘度が500cP以下の造粒剤を用いる場合には25℃における値を、25℃における粘度が500cPより大きい造粒剤を用いる場合には、粘度が500cP以下となる温度まで加温した温度における接触角θの測定値とする。
<Measuring method of contact angle θ with graphite>
Contact angle measurement when 1.2 μL of granulating agent is dropped on the HOPG surface and the wetting spread converges and the change rate of the contact angle θ per second becomes 3% or less (also called steady state). It measures with an apparatus (Kyowa Interface Co., Ltd. automatic contact angle meter DM-501). Here, when using a granulating agent having a viscosity at 25 ° C. of 500 cP or less, the value at 25 ° C. is used, and when using a granulating agent having a viscosity at 25 ° C. of more than 500 cP, the viscosity reaches 500 cP or less. The measured value of the contact angle θ at the heated temperature.
さらに、原料炭素材と造粒剤の接触角θが0°に近いほど、γcosθ値が大きくなるため、黒鉛粒子間の液架橋付着力が増大し、黒鉛粒子同士がより強固に付着することが可能となる。従って、前記造粒剤の黒鉛との接触角θは85°以下であることがより好ましく、80°以下であることが更に好ましく、50°以下であることがこと更に好ましく、30°以下であることが特に好ましく、20°以下であることが最も好ましい。 Furthermore, as the contact angle θ between the raw carbon material and the granulating agent is closer to 0 °, the γ cos θ value increases, so that the liquid-crosslinking adhesion between graphite particles increases and the graphite particles adhere more firmly. It becomes possible. Accordingly, the contact angle θ of the granulating agent with graphite is more preferably 85 ° or less, further preferably 80 ° or less, further preferably 50 ° or less, and more preferably 30 ° or less. It is particularly preferable that the angle is 20 ° or less.
表面張力γが大きい造粒剤を使用することによっても、γcosθ値が大きくなり黒鉛粒子の付着力は向上するため、γは好ましくは0以上、より好ましくは15以上、更に好ましくは30以上である。
造粒剤の表面張力γは、表面張力計(例えば、協和界面科学株式会社製DCA−700)を用いてWilhelmy法により測定する。
Even when a granulating agent having a large surface tension γ is used, the γ cos θ value is increased and the adhesion of graphite particles is improved. Therefore, γ is preferably 0 or more, more preferably 15 or more, and further preferably 30 or more. .
The surface tension γ of the granulating agent is measured by a Wilhelmy method using a surface tension meter (for example, DCA-700 manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.).
また、粒子の移動に伴う液橋の伸びに対する抵抗成分として粘性力が働き、その大きさは粘度に比例する。このため、原料炭素材を造粒する造粒工程時において液体であれば造粒剤の粘度は特段限定されないが、造粒工程時において1cP以上であることが好ましい。 In addition, a viscous force acts as a resistance component against the elongation of the liquid bridge accompanying the movement of particles, and the magnitude thereof is proportional to the viscosity. For this reason, if it is a liquid at the time of the granulation process which granulates a raw material carbon material, the viscosity of a granulating agent will not be specifically limited, However, It is preferable that it is 1 cP or more at the time of a granulation process.
また造粒剤の、25℃における粘度が1cP以上100000cP以下であることが好ましく、5cP以上10000cP以下であることがより好ましく、10cP以上8000cP以下であることが更に好ましく、50cP以上6000cP以下であることが特に好ましい。粘度が上記範囲内にあると、原料炭素材を造粒する際に、ローターやケーシングとの衝突などの衝撃力による付着粒子の脱離を妨ぐことが可能となる。 Further, the viscosity at 25 ° C. of the granulating agent is preferably 1 cP or more and 100,000 cP or less, more preferably 5 cP or more and 10000 cP or less, further preferably 10 cP or more and 8000 cP or less, and 50 cP or more and 6000 cP or less. Is particularly preferred. When the viscosity is within the above range, it is possible to prevent the adhered particles from being detached due to an impact force such as a collision with the rotor or casing when the raw carbon material is granulated.
本発明で用いる造粒剤の粘度は、レオメーター(例えば、Rheometric Scientific社製ARES)を用い、カップに測定対象(ここでは造粒剤)を適量入れ、所定の温度に調節して測定する。せん断速度100s−1におけるせん断応力が0.1Pa以上の場合にはせん断速度100s−1で測定した値を、せん断速度100s−1におけるせん断応力が0.1Pa未満の場合には1000s−1で測定した値を、せん断速度1000s−1におけるせん断応力が0.1Pa未満の場合にはせん断応力が0.1Pa以上となるせん断速度で測定した値を、本明細における粘度と定義する。なお、用いるスピンドルを低粘度流体に適した形状とすることでもせん断応力を0.1Pa以上とすることが出来る。 The viscosity of the granulating agent used in the present invention is measured by using a rheometer (for example, ARES manufactured by Rheometric Scientific Co.), putting an appropriate amount of a measuring object (in this case, a granulating agent) in a cup and adjusting the temperature to a predetermined temperature. When the shear stress at a shear rate of 100 s −1 is 0.1 Pa or more, the value measured at the shear rate of 100 s −1 is measured, and when the shear stress at the shear rate of 100 s −1 is less than 0.1 Pa, measured at 1000 s −1 . When the shear stress at a shear rate of 1000 s −1 is less than 0.1 Pa, the value measured at the shear rate at which the shear stress is 0.1 Pa or more is defined as the viscosity in the present specification. Note that the shear stress can be set to 0.1 Pa or more by making the spindle to be used in a shape suitable for a low-viscosity fluid.
さらに、本発明の実施形態で用いる造粒剤は、有機溶剤を含まないか、有機溶剤を含む場合、有機溶剤の内、少なくとも1種は引火点を有さない、あるいは引火点を有するときは引火点が5℃以上のものである。これにより、続く第3工程における原料炭素材を造粒する際に、衝撃や発熱に誘発される有機化合物の引火、火災、及び爆発の危険を防止することができるため、安定的に効率良く製造を実施することが出来る。 Furthermore, when the granulating agent used in the embodiment of the present invention does not contain an organic solvent or contains an organic solvent, at least one of the organic solvents does not have a flash point or has a flash point. The flash point is 5 ° C or higher. As a result, when granulating the raw material carbon material in the subsequent third step, it is possible to prevent the risk of ignition, fire, and explosion of organic compounds induced by impact and heat generation, so stable and efficient production. Can be implemented.
造粒剤としては、例えば、コールタール、石油系重質油、流動パラフィンなどのパラフィン系オイルやオレフィン系オイルやナフテン系オイルや芳香族系オイルなどの合成油、植物系油脂類や動物系脂肪族類やエステル類や高級アルコール類などの天然油、引火点5℃以上、好ましくは21℃以上の有機溶媒中に樹脂バインダを溶解させた樹脂バインダ溶
液などの有機化合物、水などの水系溶媒、及びそれらの混合物などが挙げられる。引火点5℃以上の有機溶剤としては、キシレン、イソプロピルベンゼン、エチルベンゼン、プロピルベンゼンなどのアルキルベンゼン、メチルナフタレン、エチルナフタレン、プロピルナフタレンなどのアルキルナフタレン、スチレンなどのアリルベンゼン、アリルナフタレンなどの芳香族炭化水素類や、オクタン、ノナン、デカンなどの脂肪族炭化水素類や、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類や、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸アミルなどのエステル類や、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソプロピルアルコール、イソブチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、グリセリンなどのアルコール類や、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、テトラエチレングリコールモノブチルエーテル、メトキシプロパノール、メトキシプロピル−2−アセテート、メトキシメチルブタノール、メトキシブチルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、などのグリコール類誘導体類や、1,4−ジオキサンなどのエーテル類や、ジメチルホルムアミド、ピリジン、2−ピロリドン、N−メチル−2−ピロリドンなどの含窒素化合物、ジメチルスルホキシドなどの含硫黄化合物、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、ジクロロエタン、トリクロロエタン、クロロベンゼンなどの含ハロゲン化合物、及びそれらの混合物などがあげられ、例えばトルエンのような引火点が低い物は含まれない。これら有機溶剤は単体で造粒剤としても用いることが出来る。なお、本明細書において、引火点は、公知の方法により測定できる。
Examples of granulating agents include, for example, coal tar, petroleum heavy oil, paraffinic oil such as liquid paraffin, synthetic oil such as olefinic oil, naphthenic oil and aromatic oil, vegetable oil and animal fat, and the like. An organic compound such as a resin binder solution in which a resin binder is dissolved in an organic solvent having a flash point of 5 ° C or higher, preferably 21 ° C or higher, an aqueous solvent such as water, And mixtures thereof. Organic solvents with a flash point of 5 ° C or higher include alkylbenzenes such as xylene, isopropylbenzene, ethylbenzene and propylbenzene, alkylnaphthalenes such as methylnaphthalene, ethylnaphthalene and propylnaphthalene, and aromatic carbonization such as allylbenzene such as styrene and allylnaphthalene. Hydrogen, aliphatic hydrocarbons such as octane, nonane, decane, ketones such as methyl isobutyl ketone, diisobutyl ketone, cyclohexanone, esters such as propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, amyl acetate, methanol , Ethanol, propanol, butanol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene Alcohols such as lenglycol and glycerine, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, tetraethylene glycol monobutyl ether, methoxypropanol, methoxypropyl-2- Acetate, methoxymethyl butanol, methoxybutyl acetate, diethylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol ethyl methyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol monophenyl Glycol derivatives such as nyl ether, ethers such as 1,4-dioxane, nitrogen-containing compounds such as dimethylformamide, pyridine, 2-pyrrolidone and N-methyl-2-pyrrolidone, and sulfur-containing compounds such as dimethyl sulfoxide , Halogen-containing compounds such as dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, dichloroethane, trichloroethane, and chlorobenzene, and mixtures thereof, for example, those having a low flash point such as toluene are not included. These organic solvents can be used alone as a granulating agent. In the present specification, the flash point can be measured by a known method.
樹脂バインダとしては、公知のものを使用することができる。例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、及びそれらの塩等のセルロース系の樹脂バインダ、ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリアクリル酸、及びそれらの塩等のアクリル系の樹脂バインダ、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のメタクリル系の樹脂バインダ、フェノール樹脂バインダ等を使用することができる。以上の中でも、コールタール、石油系重質油、流動パラフィンなどのパラフィン系オイル、芳香族系オイルが、球形化度(円形度)が高く微粉が少ない炭素材を製造できるため好ましい。 A well-known thing can be used as a resin binder. For example, cellulose-based resin binders such as ethyl cellulose, methyl cellulose, and salts thereof, acrylic resin binders such as polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polybutyl acrylate, polyacrylic acid, and salts thereof, polymethyl methacrylate, Methacrylic resin binders such as polyethyl methacrylate and polybutyl methacrylate, and phenol resin binders can be used. Among these, coal tar, petroleum heavy oil, paraffinic oil such as liquid paraffin, and aromatic oil are preferable because they can produce a carbon material having a high degree of sphericity (roundness) and a small amount of fine powder.
造粒剤としては、後述する造粒剤を除去する工程(第4工程)において、効率よく除去が可能であり、容量や出力特性や保存・サイクル特性などの電池特性への悪影響を与えることが無い性状のものが好ましい。具体的には、不活性雰囲気下700℃に加熱した時に通常50%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは95%以上、更に好ましくは99%以上、特に好ましくは99.9%以上重量減少するものを適宜選択することが出来る。 As the granulating agent, it can be efficiently removed in the step of removing the granulating agent described later (fourth step), which may adversely affect the battery characteristics such as capacity, output characteristics and storage / cycle characteristics. Those having no properties are preferred. Specifically, when heated to 700 ° C. in an inert atmosphere, the weight loss is usually 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 95% or more, still more preferably 99% or more, and particularly preferably 99.9% or more. Can be selected as appropriate.
原料炭素材と造粒剤を混合する方法として、例えば、原料炭素材と造粒剤とをミキサーやニーダーを用いて混合する方法や、有機化合物を低粘度希釈溶媒(有機溶剤)に溶解させた造粒剤と原料炭素材を混合した後に該希釈溶媒(有機溶剤)を除去する方法等が挙げられる。また、続く第3工程にて原料炭素材を造粒する際に、造粒装置に造粒剤と原料炭素材とを投入して、原料炭素材と造粒剤を混合する工程と造粒する工程とを同時に行う方法も挙げられる。 As a method of mixing the raw carbon material and the granulating agent, for example, a method of mixing the raw carbon material and the granulating agent using a mixer or a kneader, or an organic compound dissolved in a low viscosity diluent solvent (organic solvent). Examples thereof include a method of removing the dilution solvent (organic solvent) after mixing the granulating agent and the raw material carbon material. In addition, when the raw material carbon material is granulated in the subsequent third step, the granulation device and the raw material carbon material are added to the granulating apparatus, and the raw material carbon material and the granulating agent are mixed and granulated. The method of performing a process simultaneously is also mentioned.
造粒剤の添加量は、原料炭素材100質量部に対して好ましくは0.1質量部以上、よ
り好ましくは1質量部以上、更に好ましくは3質量部以上、より更に好ましくは6質量部以上、こと更に好ましくは10質量部以上、特に好ましくは12質量部以上、最も好ましくは15質量部以上であり、好ましくは1000質量部以下、より好ましくは100質量部以下、更に好ましくは80質量部以下、特に好ましくは50質量部以下、最も好ましくは20質量部以下である。上記範囲内にあると、粒子間付着力の低下による球形化度の低下や、装置への原料炭素材の付着による生産性の低下といった問題が生じ難くなる。
The amount of the granulating agent added is preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 1 part by mass or more, still more preferably 3 parts by mass or more, and still more preferably 6 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the raw carbon material. More preferably, it is 10 parts by mass or more, particularly preferably 12 parts by mass or more, most preferably 15 parts by mass or more, preferably 1000 parts by mass or less, more preferably 100 parts by mass or less, still more preferably 80 parts by mass or less. Particularly preferably, it is 50 parts by mass or less, and most preferably 20 parts by mass or less. Within the above range, problems such as a decrease in spheroidization due to a decrease in adhesion between particles and a decrease in productivity due to adhesion of the raw carbon material to the apparatus are less likely to occur.
(第3工程)原料炭素材を造粒する工程(原料炭素材に対して球形化処理を行う工程)
炭素材は、原料炭素材に衝撃圧縮、摩擦、せん断力等の機械的作用を与えることにより球形化処理(以下、造粒とも称する)を施したものであることが好ましい。また、該球形化黒鉛は、複数の鱗片状又は鱗状黒鉛、及び磨砕された黒鉛微粉からなるものであることが好ましく、特に複数の鱗片状黒鉛からなるものであることが特に好ましい。
(Third step) Step of granulating raw material carbon material (step of spheroidizing raw material carbon material)
The carbon material is preferably a material obtained by subjecting the raw material carbon material to a spheroidizing treatment (hereinafter also referred to as granulation) by imparting mechanical action such as impact compression, friction, and shearing force. Further, the spheroidized graphite is preferably composed of a plurality of scaly or scaly graphites and ground graphite fine powder, and particularly preferably composed of a plurality of scaly graphites.
本発明の実施形態は、少なくとも衝撃、圧縮、摩擦、及びせん断力のいずれかの力学的エネルギーを付与して原料炭素材を造粒する造粒工程を有することが好ましい。
この工程に用いる装置としては、例えば、衝撃力を主体に、原料炭素材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与える装置を用いることができる。
The embodiment of the present invention preferably includes a granulation step of granulating the raw material carbon material by applying at least one of mechanical energy of impact, compression, friction, and shear force.
As an apparatus used in this step, for example, an apparatus that repeatedly gives mechanical action such as compression, friction, shearing force including interaction of raw material carbon materials mainly with impact force can be used.
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、内部に導入された原料炭素材に対して衝撃、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、原料炭素材を循環させることによって機械的作用を繰り返し与える機構を有するものであるのが好ましい。 Specifically, it has a rotor with a large number of blades installed inside the casing, and the rotor rotates at a high speed, so that the raw material carbon material introduced inside is a machine such as impact, compression, friction, shear force, etc. An apparatus that imparts a functional effect and performs surface treatment is preferable. Moreover, it is preferable to have a mechanism that repeatedly gives mechanical action by circulating the raw carbon material.
このような装置としては、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、クリプトロンオーブ(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、ノビルタ、ファカルティ(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)、COMPOSI(日本コークス工業製)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。 As such an apparatus, for example, a hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), kryptron, kryptron orb (manufactured by Earth Technica), CF mill (manufactured by Ube Industries), mechano-fusion system, nobilta, faculty ( Hosokawa Micron Co., Ltd.), Theta Composer (manufactured by Tokuju Kogakusho Co., Ltd.), COMPOSI (manufactured by Nihon Coke Industries), etc. Among these, a hybridization system manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. is preferable.
前記装置を用いて処理する場合、例えば、回転するローターの周速度は好ましくは30m/秒以上、より好ましくは50m/秒以上、更に好ましくは60m/秒以上、特に好ましくは70m/秒以上、最も好ましくは80m/秒以上であり、好ましくは100m/秒以下である。上記範囲内であると、より効率的に球形化と同時に微粉の母材への付着や母材による内包を行うことができるため好ましい。 When processing using the apparatus, for example, the peripheral speed of the rotating rotor is preferably 30 m / second or more, more preferably 50 m / second or more, still more preferably 60 m / second or more, particularly preferably 70 m / second or more, most preferably Preferably it is 80 m / sec or more, preferably 100 m / sec or less. Within the above range, it is preferable because the fine powder can be adhered to the base material and enclosed by the base material at the same time as the spheroidization.
また、原料炭素材に機械的作用を与える処理は、単に原料炭素材を通過させるだけでも可能であるが、原料炭素材を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、より好ましくは1分以上、更に好ましくは3分以上、特に好ましくは5分以上、装置内を循環又は滞留させて処理する。 In addition, the treatment that gives mechanical action to the raw carbon material can be performed simply by passing the raw carbon material, but it is preferable to circulate or retain the raw carbon material in the apparatus for 30 seconds or more, More preferably, the treatment is performed by circulating or staying in the apparatus for 1 minute or more, more preferably 3 minutes or more, particularly preferably 5 minutes or more.
また原料炭素材を造粒する工程においては、原料炭素材を、その他の物質存在下で造粒してもよく、その他の物質としては、例えばリチウムと合金化可能な金属或いはその酸化物、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、磨砕された黒鉛微粉、非晶質炭素、及び生コークスなどが挙げられる。原料炭素材以外の物質と併せて造粒することで様々なタイプの粒子構造の非水系二次電池用炭素材を製造できる。 Further, in the step of granulating the raw material carbon material, the raw material carbon material may be granulated in the presence of other substances. Examples of other substances include metals that can be alloyed with lithium or oxides thereof, scales, and the like. Examples thereof include flake graphite, scaly graphite, ground graphite fine powder, amorphous carbon, and raw coke. By granulating together with substances other than the raw material carbon material, carbon materials for non-aqueous secondary batteries having various types of particle structures can be produced.
また、原料炭素材や造粒剤や上記その他の物質は上記装置内に全量投入してもよく、分けて逐次投入してもよく、連続投入してもよい。また、原料炭素材や造粒剤や上記その他
の物質は上記装置内に同時に投入してもよく、混合して投入してもよく、別々に投入してもよい。原料炭素材と造粒剤と上記その他の物質を同時に混合してもよいし、原料炭素材と造粒剤を混合したものに上記その他の物質を添加してもよいし、その他の物質と造粒剤を混合したものに原料炭素材を添加してもよい。粒子設計に併せて、別途適切なタイミングで添加・混合することができる。
In addition, the raw material carbon material, the granulating agent, and the other substances may be introduced in the whole amount into the apparatus, may be separately added, or may be continuously added. In addition, the raw carbon material, the granulating agent and the other substances may be charged simultaneously into the apparatus, may be mixed and may be charged separately. The raw material carbon material, the granulating agent, and the above-mentioned other substances may be mixed simultaneously, or the above-mentioned other substances may be added to the mixture of the raw carbon material and the granulating agent. A raw material carbon material may be added to a mixture of granules. In addition to the particle design, it can be added and mixed separately at an appropriate timing.
炭素材の球形化処理の際には、球形化処理中に生成する微粉を母材に付着、及び/又は球形化粒子に内包しながら球形化処理することがより好ましい。球形化処理中に生成する微粉を母材に付着、及び/又は球形化粒子に内包しながら球形化処理することにより、粒子内空隙構造をより緻密化することが可能となる。このため、電解液が粒子内空隙へと有効且つ効率的に行き渡り、粒子内のLiイオン挿入脱離サイトを効率的に利用できなくなるため、良好な低温出力特性やサイクル特性を示す傾向がある。また、母材に付着する微粉は球形化処理中に生成したものに限らず、鱗片状黒鉛粒度調整の際に同時に微粉を含むよう調整しても良いし、別途適切なタイミングで添加・混合してもよい。 In the spheroidizing treatment of the carbon material, it is more preferable to spheroidize the fine powder generated during the spheroidizing treatment while adhering to the base material and / or enclosing it in the spheroidized particles. By attaching the fine powder generated during the spheronization treatment to the base material and / or spheronizing the particles while enclosing them in the spheroidized particles, it is possible to further refine the void structure in the particles. For this reason, the electrolytic solution spreads effectively and efficiently into the voids in the particles, and the Li ion insertion / desorption sites in the particles cannot be used efficiently, so that there is a tendency to exhibit good low-temperature output characteristics and cycle characteristics. In addition, the fine powder adhering to the base material is not limited to that generated during the spheronization treatment, and may be adjusted so as to include fine powder at the same time as the scale-like graphite particle size adjustment, or added and mixed separately at an appropriate timing. May be.
微粉を母材に付着、及び球形化粒子に内包させるために、鱗片状黒鉛粒子−鱗片状黒鉛粒子間、鱗片状黒鉛粒子−微粉粒子間、及び微粉粒子−微粉粒子間の付着力を強くすることが好ましい。粒子間の付着力として、具体的には、粒子間介在物を介さないファンデルワールス力や静電引力、粒子間介在物を介する物理的及び/または化学架橋力等が挙げられる。 In order to attach fine powder to the base material and encapsulate it in the spheroidized particles, the adhesion between the flaky graphite particles and the flaky graphite particles, between the flaky graphite particles and the fine powder particles, and between the fine powder particles and the fine powder particles is strengthened. It is preferable. Specific examples of the adhesion force between particles include van der Waals force and electrostatic attraction without intervening inclusions, and physical and / or chemical crosslinking force via interparticle inclusions.
ファンデルワールス力は、平均粒径(d50)が100μmを境に小さくなるほど「自重<付着力」となる。このため、球形化黒鉛の原料となる鱗片状黒鉛(原料炭素材)の平均粒径(d50)が小さいほど粒子間付着力が増し、微粉が母材に付着、及び球形化粒子に内包された状態となりやすく好ましい。鱗片状黒鉛の平均粒径(d50)は、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上、更に好ましくは3μm以上、好ましくは80μm以下、より好ましくは50μm以下、更に好ましくは35μm以下、非常に好ましくは20μm以下、特に好ましくは10μm以下、最も好ましくは8μm以下である。 The van der Waals force becomes “self-weight <adhesion force” as the average particle size (d50) becomes smaller at 100 μm. For this reason, the smaller the average particle diameter (d50) of the flaky graphite (raw carbon material) that is the raw material for the spheroidized graphite, the greater the interparticle adhesion, and the fine powder adheres to the base material and is encapsulated in the spheroidized particles. It is preferable because it tends to be in a state. The average particle diameter (d50) of the flaky graphite is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, still more preferably 3 μm or more, preferably 80 μm or less, more preferably 50 μm or less, still more preferably 35 μm or less, and very preferably It is 20 μm or less, particularly preferably 10 μm or less, and most preferably 8 μm or less.
静電引力は、粒子摩擦等による帯電に由来しており、粒子が乾燥しているほど帯電しやすく粒子間付着力が大きくなる傾向がある。従って、例えば球形化処理を行う前の黒鉛に含まれる水分量を少なくしておくことで粒子間付着力を高めることができる。 The electrostatic attraction is derived from charging due to particle friction or the like, and the more the particles are dried, the more easily they are charged, and the interparticle adhesion tends to increase. Therefore, for example, by reducing the amount of water contained in the graphite before the spheronization treatment, the adhesion between particles can be increased.
球形化処理の際には、処理中の鱗片状黒鉛が吸湿しないよう、低湿度雰囲気下で行うことが好ましい、また処理中に機械処理のエネルギーにより鱗片状黒鉛表面の酸化反応が進行して酸性官能基が導入されることを防ぐことを目的として不活性雰囲下で球形化処理を行うことが好ましい。 The spheroidizing treatment is preferably performed in a low-humidity atmosphere so that the scaly graphite being treated does not absorb moisture, and the oxidation reaction of the scaly graphite surface proceeds due to the energy of mechanical treatment during the treatment. It is preferable to perform spheronization treatment in an inert atmosphere for the purpose of preventing the introduction of a functional group.
粒子間介在物を介する物理的及び/または化学的架橋力としては、液体性介在物、固体性介在物、を介する物理的及び/または化学的架橋力が挙げられる。上記化学的架橋力としては、粒子と粒子間介在物との間で化学反応、焼結、メカノケミカル効果などにより、共有結合、イオン結合、水素結合等が形成された場合の架橋力が挙げられる。 Examples of the physical and / or chemical cross-linking force through interparticle inclusions include physical and / or chemical cross-linking force through liquid inclusions and solid inclusions. Examples of the chemical cross-linking force include a cross-linking force when a covalent bond, an ionic bond, a hydrogen bond, or the like is formed between a particle and an inclusion between particles due to a chemical reaction, sintering, a mechanochemical effect, or the like. .
(第4工程)造粒剤を除去する工程
本発明の実施形態においては、前記造粒剤を除去する工程を有していてもよい。造粒剤を除去する方法としては、例えば、溶剤により洗浄する方法や、熱処理により造粒剤を揮発・分解除去する方法が挙げられる。なお、以下の第6工程でも造粒剤を除去することができるため、本工程は無くても良い。
(4th process) The process of removing a granulating agent In embodiment of this invention, you may have the process of removing the said granulating agent. Examples of the method for removing the granulating agent include a method of washing with a solvent and a method of volatilizing and decomposing and removing the granulating agent by heat treatment. In addition, since the granulating agent can be removed also in the following sixth step, this step may be omitted.
熱処理温度は、好ましくは60℃以上、より好ましくは100℃以上、更に好ましくは
200℃以上、より更に好ましくは300℃以上、特に好ましくは400℃以上、最も好ましくは500℃であり、好ましくは1500℃以下、より好ましくは1000℃以下、更に好ましくは800℃以下である。上記範囲内にあると、十分に造粒剤を揮発・分解除去でき生産性を向上できる。
The heat treatment temperature is preferably 60 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher, further preferably 200 ° C. or higher, still more preferably 300 ° C. or higher, particularly preferably 400 ° C. or higher, most preferably 500 ° C., preferably 1500 ° C. ° C or lower, more preferably 1000 ° C or lower, still more preferably 800 ° C or lower. Within the above range, the granulating agent can be sufficiently volatilized and decomposed and productivity can be improved.
熱処理時間は、好ましくは0.5〜48時間、より好ましくは1〜40時間、更に好ましくは2〜30時間、特に好ましくは3〜24時間である。上記範囲内にあると、十分に造粒剤を揮発・分解除去でき生産性を向上できる。 The heat treatment time is preferably 0.5 to 48 hours, more preferably 1 to 40 hours, still more preferably 2 to 30 hours, and particularly preferably 3 to 24 hours. Within the above range, the granulating agent can be sufficiently volatilized and decomposed and productivity can be improved.
熱処理の雰囲気は、大気雰囲気などの活性雰囲気、もしくは、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気があげられ、200℃〜300℃で熱処理する場合には特段制限はないが、300℃以上で熱処理を行う場合には、黒鉛表面の酸化を防止する観点で、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気が好ましい。 The atmosphere of the heat treatment includes an active atmosphere such as an air atmosphere or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere. When heat treatment is performed at 200 ° C. to 300 ° C., there is no particular limitation, but the heat treatment is performed at 300 ° C. or higher. In the case of performing the above, an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere is preferable from the viewpoint of preventing oxidation of the graphite surface.
(第5工程)造粒炭素材を高純度化する工程
本発明においては、造粒炭素材を高純度化する工程を有していてもよい。造粒炭素材を高純度化する方法としては、硝酸や塩酸を含む酸処理を行う方法が挙げられ、活性の高い硫黄元となりうる硫酸塩を系内に導入することなく黒鉛中の金属、金属化合物、無機化合物などの不純物を除去できるため好ましい。
(5th process) The process of purifying a granulated carbon material In this invention, you may have the process of purifying a granulated carbon material. Examples of a method for purifying a granulated carbon material include a method of performing an acid treatment including nitric acid and hydrochloric acid. Without introducing a sulfate which can be a highly active sulfur source into the system, the metal in the graphite, the metal It is preferable because impurities such as a compound and an inorganic compound can be removed.
なお、上記酸処理は、硝酸や塩酸を含む酸を用いればよく、その他の酸、例えば、臭素酸、フッ酸、ホウ酸あるいはヨウ素酸などの無機酸、または、クエン酸、ギ酸、酢酸、シュウ酸、トリクロロ酢酸あるいはトリフルオロ酢酸などの有機酸を適宜混合した酸を用いることもできる。好ましくは濃フッ酸、濃硝酸、濃塩酸であり、より好ましくは濃硝酸、濃塩酸である。なお、本発明において硫酸にて黒鉛を処理してもよいが、本発明の効果や物性を損なわない程度の量と濃度にて用いることとする。 The acid treatment may be performed using an acid containing nitric acid or hydrochloric acid. Other acids such as inorganic acids such as bromic acid, hydrofluoric acid, boric acid or iodic acid, or citric acid, formic acid, acetic acid, An acid in which an organic acid such as acid, trichloroacetic acid or trifluoroacetic acid is appropriately mixed can also be used. Concentrated hydrofluoric acid, concentrated nitric acid and concentrated hydrochloric acid are preferable, and concentrated nitric acid and concentrated hydrochloric acid are more preferable. In the present invention, graphite may be treated with sulfuric acid, but it is used in such an amount and concentration that does not impair the effects and physical properties of the present invention.
酸を複数用いる場合、例えば、フッ酸、硝酸、塩酸の組み合わせが、上記不純物を効率良く除去できるため好ましい。上記のように酸の種類を組み合わせた場合の混合酸の混合比率は、最も少ないものが通常10質量%以上、好ましくは20質量%以上、より好ましくは、25質量%以上である。上限は、全て等量混合した値である(100質量%/酸の種類で表される)。 When a plurality of acids are used, for example, a combination of hydrofluoric acid, nitric acid, and hydrochloric acid is preferable because the impurities can be efficiently removed. As described above, the mixing ratio of the mixed acids when the types of acids are combined is usually 10% by mass or more, preferably 20% by mass or more, and more preferably 25% by mass or more. The upper limit is a value obtained by mixing all equal amounts (represented by 100% by mass / acid type).
酸処理における黒鉛と酸の混合比率(質量比率)は、通常100:10以上、好ましくは100:20以上、より好ましくは、100:30以上、更に好ましくは、100:40以上であり、また100:1000以下、好ましくは100:500以下、より好ましくは100:300以下である。少なすぎると上記不純物を効率良く除去できなくなる傾向がある。一方、多すぎると、一回に洗浄できる黒鉛量が減り、生産性低下とコストの上昇を招くため、好ましくない。 The mixing ratio (mass ratio) of graphite and acid in the acid treatment is usually 100: 10 or more, preferably 100: 20 or more, more preferably 100: 30 or more, and still more preferably 100: 40 or more. : 1000 or less, preferably 100: 500 or less, more preferably 100: 300 or less. If the amount is too small, the impurities tend not to be efficiently removed. On the other hand, if the amount is too large, the amount of graphite that can be washed at one time is reduced, which leads to a decrease in productivity and an increase in cost.
酸処理は、黒鉛を前記のような酸性溶液に浸漬することにより行われる。浸漬時間は、通常0.5〜48時間、好ましくは1〜40時間、より好ましくは2〜30時間、更に好ましくは、3〜24時間である。長すぎると、生産性低下とコストの上昇を招く傾向があり、短すぎると、上記不純物を十分に除去できなくなる傾向がある。 The acid treatment is performed by immersing graphite in the acidic solution as described above. The immersion time is usually 0.5 to 48 hours, preferably 1 to 40 hours, more preferably 2 to 30 hours, and further preferably 3 to 24 hours. If the length is too long, the productivity tends to decrease and the cost increases. If the length is too short, the impurities cannot be sufficiently removed.
浸漬温度は、通常25℃以上、好ましくは40℃以上、より好ましくは50℃以上、更に好ましくは、60℃以上である。水系の酸を用いる場合の理論上限は水の沸点である100℃である。この温度が低すぎると、上記不純物を十分に除去できなくなる傾向がある。 The immersion temperature is usually 25 ° C. or higher, preferably 40 ° C. or higher, more preferably 50 ° C. or higher, and still more preferably 60 ° C. or higher. The theoretical upper limit in the case of using an aqueous acid is 100 ° C., which is the boiling point of water. If this temperature is too low, the impurities tend not to be sufficiently removed.
酸洗浄により残った酸分を除去し、pHを弱酸性から中性域にまで上昇させる目的で、更に水洗浄を実施することが好ましい。例えば、前記処理黒鉛のpHが、通常3以上、好ましくは3.5以上、より好ましくは4以上、更に好ましくは4.5以上であれば、水で洗浄することは省略できるし、もし上記範囲でなければ、必要に応じて水で洗浄することが好ましい。洗浄する水は、イオン交換水や蒸留水を用いることが、洗浄効率の向上、不純物混入防止の観点から好ましい。水中のイオン量の指標となる比抵抗が、通常0.1MΩ・cm以上、好ましくは1MΩ・cm以上、より好ましくは、更に好ましくは10MΩ・cm以上、である。25℃での理論上限は18.24MΩ・cmである。この数値が小さいと水中のイオン量が多くなることを示しており、不純物混入、洗浄効率低下の傾向がある。 It is preferable to carry out further water washing for the purpose of removing the remaining acid content by acid washing and raising the pH from weakly acidic to neutral range. For example, if the treated graphite has a pH of usually 3 or higher, preferably 3.5 or higher, more preferably 4 or higher, and still more preferably 4.5 or higher, washing with water can be omitted, and if the above range is satisfied. Otherwise, it is preferable to wash with water as necessary. It is preferable to use ion-exchanged water or distilled water as the water to be washed from the viewpoint of improving the washing efficiency and preventing impurities from being mixed. The specific resistance that is an indicator of the amount of ions in water is usually 0.1 MΩ · cm or more, preferably 1 MΩ · cm or more, more preferably 10 MΩ · cm or more. The theoretical upper limit at 25 ° C. is 18.24 MΩ · cm. When this numerical value is small, it indicates that the amount of ions in water increases, and there is a tendency for contamination by impurities and a reduction in cleaning efficiency.
水で洗浄する、つまり前記処理黒鉛と水とを撹拌する時間は、通常0.5〜48時間、好ましくは1〜40時間、より好ましくは2〜30時間、更に好ましくは、3〜24時間である。長すぎると、生産効率が低下する傾向があり、短すぎると、残留不純物・酸分が増大する傾向になる。 The time for washing with water, that is, stirring the treated graphite and water is usually 0.5 to 48 hours, preferably 1 to 40 hours, more preferably 2 to 30 hours, still more preferably 3 to 24 hours. is there. If it is too long, the production efficiency tends to decrease, and if it is too short, the residual impurities / acid content tends to increase.
前記処理黒鉛と水との混合割合は、通常100:10以上、好ましくは100:30以上、より好ましくは、100:50以上、更に好ましくは、100:100以上であり、また100:1000以下、好ましくは100:700以下、より好ましくは100:500以下、更に好ましくは100:400以下である。多すぎると生産効率が低下する傾向があり、少なすぎると残留不純物・酸分が増大する傾向になる。 The mixing ratio of the treated graphite and water is usually 100: 10 or more, preferably 100: 30 or more, more preferably 100: 50 or more, still more preferably 100: 100 or more, and 100: 1000 or less. Preferably it is 100: 700 or less, More preferably, it is 100: 500 or less, More preferably, it is 100: 400 or less. If the amount is too large, the production efficiency tends to decrease. If the amount is too small, the residual impurities and acid content tend to increase.
撹拌温度は、通常25℃以上、好ましくは40℃以上、より好ましくは50℃以上、更に好ましくは、60℃以上である。上限は水の沸点である100℃である。低すぎると、残留不純物・酸分が増大する傾向になる。 The stirring temperature is usually 25 ° C. or higher, preferably 40 ° C. or higher, more preferably 50 ° C. or higher, and still more preferably 60 ° C. or higher. The upper limit is 100 ° C., which is the boiling point of water. If it is too low, residual impurities and acid content tend to increase.
また、水洗浄処理をバッチ式にて行う場合は、純水中での攪拌−ろ過の処理工程を複数回繰り返して洗浄行うことが不純物・酸分除去の観点から好ましい。上記処理は、上述した処理黒鉛のpHが上記範囲になるように繰り返し行ってもよい。通常、1回以上、好ましくは2回以上、より好ましくは、3回以上である。 Moreover, when performing a water washing process by a batch type, it is preferable from a viewpoint of an impurity and acid content removal to wash by repeating the process process of stirring-filtration in a pure water in multiple times. The above treatment may be repeated so that the above-mentioned treated graphite has a pH in the above range. Usually, it is 1 or more times, preferably 2 or more times, more preferably 3 or more times.
上述したように処理を施すことにより、得られた黒鉛の廃水イオン濃度が、通常200ppm以下、好ましくは100ppm以下、より好ましくは50ppm以下、更に好ましくは30ppm以下、また通常1ppm以上、好ましくは2ppm以上、より好ましくは3ppm以上、更に好ましくは4ppm以上となる。イオン濃度が高すぎると、酸分が残存してpHが低下する傾向があり、低すぎると処理に時間がかかり生産性の低下に繋がる傾向がある。 By performing the treatment as described above, the wastewater ion concentration of the obtained graphite is usually 200 ppm or less, preferably 100 ppm or less, more preferably 50 ppm or less, more preferably 30 ppm or less, and usually 1 ppm or more, preferably 2 ppm or more. More preferably, it is 3 ppm or more, and further preferably 4 ppm or more. If the ion concentration is too high, the acid content remains and the pH tends to decrease. If the ion concentration is too low, the treatment takes time and the productivity tends to decrease.
(第6工程)造粒炭素材に、さらに原料炭素材より結晶性が低い炭素質物を添着する工程
さらに、本発明では、電解液との副反応抑制や、急速充放電性の向上を目的とし、前記造粒炭素材に、さらに原料炭素材より結晶性が低い炭素質物を添着する工程を有する。すなわち、前記炭素材に炭素質物を複合化する。この工程によれば、電解液との副反応抑制や、急速充放電性の向上できる炭素材を得ることができる。
造粒炭素材に、さらに原料炭素材より結晶性が低い炭素質物を添着した複合黒鉛を「炭素質物複合炭素材」又は「複合炭素材」と呼ぶことがある。
(Sixth step) A step of attaching a carbonaceous material having lower crystallinity than the raw carbon material to the granulated carbon material. Further, in the present invention, for the purpose of suppressing side reactions with the electrolytic solution and improving rapid charge / discharge characteristics. And a step of attaching a carbonaceous material having lower crystallinity than the raw carbon material to the granulated carbon material. That is, a carbonaceous material is combined with the carbon material. According to this step, it is possible to obtain a carbon material that can suppress side reactions with the electrolytic solution and improve rapid charge / discharge characteristics.
Composite graphite in which a carbonaceous material having lower crystallinity than the raw carbon material is further added to the granulated carbon material may be referred to as “carbonaceous material composite carbon material” or “composite carbon material”.
造粒炭素材への炭素質物添着(複合化)処理は炭素質物となる有機化合物と、造粒炭素材を混合し、非酸化性雰囲気下、好ましくは窒素、アルゴン、二酸化炭素などの流通下に加熱して、有機化合物を炭素化又は黒鉛化させる処理である。 The carbonaceous material adhering (compositing) treatment to the granulated carbon material is performed by mixing the organic compound that becomes the carbonaceous material and the granulated carbon material, and in a non-oxidizing atmosphere, preferably under the flow of nitrogen, argon, carbon dioxide, etc. This is a treatment for heating and carbonizing or graphitizing the organic compound.
炭素質物となる具体的な有機化合物としては、軟質ないし硬質の種々のコールタールピッチや石炭液化油などの炭素系重質油、原油の常圧又は減圧蒸留残渣油などの石油系重質油、ナフサ分解によるエチレン製造の副生物である分解系重質油など種々のものを用いることができる。 Specific organic compounds that become carbonaceous materials include various heavy or carbon oils such as coal tar pitch and coal liquefied oil, petroleum heavy oil such as crude oil normal pressure or vacuum distillation residue oil, Various things such as cracked heavy oil which is a byproduct of ethylene production by naphtha cracking can be used.
また、分解系重質油を熱処理することで得られるエチレンタールピッチ、FCCデカントオイル、アシュランドピッチなどの熱処理ピッチ等を挙げることができる。さらにポリ塩化ビニル、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール等のビニル系高分子と3−メチルフェノールホルムアルデヒド樹脂、3,5−ジメチルフェノールホルムアルデヒド樹脂等の置換フェノール樹脂、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環化合物、チオフェンなどのイオウ環化合物などを挙げることができる。また、固相で炭素化を進行させる有機化合物としては、セルロースなどの天然高分子、ポリ塩化ビニリデンやポリアクリロニトリルなどの鎖状ビニル樹脂、ポリフェニレン等の芳香族系ポリマー、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、イミド樹脂等熱硬化性樹脂やフルフリルアルコールのような熱硬化性樹脂原料などを挙げることができる。これらの中でも石油系重質油が好ましい。 Moreover, heat treatment pitches such as ethylene tar pitch, FCC decant oil, and Ashland pitch obtained by heat-treating cracked heavy oil can be exemplified. Furthermore, vinyl polymers such as polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyvinyl butyral, and polyvinyl alcohol, substituted phenol resins such as 3-methylphenol formaldehyde resin and 3,5-dimethylphenol formaldehyde resin, and aromatics such as acenaphthylene, decacyclene, and anthracene Examples thereof include hydrocarbons, nitrogen ring compounds such as phenazine and acridine, and sulfur ring compounds such as thiophene. Examples of organic compounds that promote carbonization in the solid phase include natural polymers such as cellulose, chain vinyl resins such as polyvinylidene chloride and polyacrylonitrile, aromatic polymers such as polyphenylene, furfuryl alcohol resins, phenol- Examples thereof include thermosetting resins such as formaldehyde resin and imide resin, and thermosetting resin raw materials such as furfuryl alcohol. Among these, petroleum heavy oil is preferable.
加熱温度(焼成温度)は混合物の調製に用いた有機化合物により異なるが、通常は800℃以上、好ましくは900℃以上、より好ましくは950℃以上に加熱して十分に炭素化又は黒鉛化させる。加熱温度の上限は有機化合物の炭化物が、混合物中の鱗片状黒鉛の結晶構造と同等の結晶構造に達しない温度であり、通常は高くても3500℃である。加熱温度の上限は3000℃、好ましくは2000℃、より好ましくは1500℃に止めるのが好ましい。 The heating temperature (firing temperature) varies depending on the organic compound used for the preparation of the mixture, but is usually 800 ° C. or higher, preferably 900 ° C. or higher, more preferably 950 ° C. or higher to sufficiently carbonize or graphitize. The upper limit of the heating temperature is a temperature at which the carbide of the organic compound does not reach a crystal structure equivalent to that of the scaly graphite in the mixture, and is usually 3500 ° C. at the highest. The upper limit of the heating temperature is preferably 3000 ° C, preferably 2000 ° C, more preferably 1500 ° C.
上述したような処理を行った後、次いで解砕及び/又は粉砕処理を施すことにより、炭素質物複合炭素材とすることができる。
形状は任意であるが、平均粒径は、通常2〜50μmであり、5〜35μmが好ましく、特に8〜30μmである。上記粒径範囲となるよう、必要に応じて、解砕及び/又は粉砕及び/又は分級を行う。
なお、本実施形態の効果を損なわない限り、他の工程の追加や上述に記載のない制御条件を追加してもよい。
After performing the treatment as described above, the carbonaceous material composite carbon material can be obtained by performing crushing and / or crushing treatment.
Although the shape is arbitrary, the average particle diameter is usually 2 to 50 μm, preferably 5 to 35 μm, and particularly 8 to 30 μm. Crushing and / or crushing and / or classification is performed as necessary so that the particle size is in the above range.
In addition, as long as the effect of this embodiment is not impaired, the addition of another process and the control conditions not described above may be added.
炭素質物複合炭素材中の炭素質物の含有量は、原料となる造粒炭素材に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3%以上、更に好ましくは0.7質量%以上、特に好ましくは1質量%以上、最も好ましくは1.5質量%以上であり、であり、また前記含有量は、通常20質量%以下、好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下、特に好ましくは7質量%以下、最も好ましくは5質量%以下である。 The content of the carbonaceous material in the carbonaceous material composite carbon material is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.3% or more with respect to the granulated carbon material as a raw material. More preferably, it is 0.7% by mass or more, particularly preferably 1% by mass or more, most preferably 1.5% by mass or more, and the content is usually 20% by mass or less, preferably 15% by mass. % Or less, more preferably 10% by mass or less, particularly preferably 7% by mass or less, and most preferably 5% by mass or less.
炭素質物複合炭素材中の炭素質物の含有量が多すぎると、非水系二次電池において高容量を達成する為に十分な圧力で圧延を行った場合に、炭素材にダメージが与えられて材料破壊が起こり、初期サイクル時充放電不可逆容量の増大、初期効率の低下を招く傾向がある。
一方、含有量が小さすぎると、被覆による効果が得られにくくなる傾向がある。
If the carbonaceous material content in the carbonaceous material composite carbon material is too high, the carbon material will be damaged when rolled with sufficient pressure to achieve high capacity in non-aqueous secondary batteries. There is a tendency for destruction to occur, leading to an increase in charge / discharge irreversible capacity during an initial cycle and a decrease in initial efficiency.
On the other hand, if the content is too small, the effect of coating tends to be difficult to obtain.
また、炭素質物複合炭素材中の炭素質物の含有量は、下記式のように材料焼成前後のサンプル質量より算出できる。なおこのとき、造粒炭素材の焼成前後質量変化はないものとして計算する。 Further, the content of the carbonaceous material in the carbonaceous material composite carbon material can be calculated from the sample mass before and after the material firing as shown in the following formula. At this time, the calculation is made on the assumption that there is no mass change before and after firing the granulated carbon material.
炭素質物の含有量(質量%)=[(w2−w1)/w1]×100
(w1を造粒炭素材の質量(kg)、w2を炭素質物複合炭素材の質量(kg)とする)
Content of carbonaceous material (mass%) = [(w2-w1) / w1] × 100
(W1 is the mass (kg) of the granulated carbon material, and w2 is the mass (kg) of the carbonaceous composite carbon material)
また、極板の配向性、電解液の浸透性、導電パス等を向上させ、サイクル特性、極版膨れ等の改善を目的とし、前記造粒炭素材とは異なる炭素材料を混合することができる(以下、前記造粒炭素材に、前記造粒炭素材とは異なる炭素材料を混合して得られた炭素材を「混合炭素材」と呼ぶことがある)。 Further, for the purpose of improving the orientation of the electrode plate, the permeability of the electrolytic solution, the conductive path, etc., and improving the cycle characteristics, electrode plate swelling, etc., a carbon material different from the granulated carbon material can be mixed. (Hereinafter, a carbon material obtained by mixing the granulated carbon material with a carbon material different from the granulated carbon material may be referred to as a “mixed carbon material”).
前記炭素材とは異なる炭素材料としては、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、炭素材を炭素質物で被覆した被覆黒鉛、非晶質炭素、金属粒子や金属化合物を含有した炭素材の中から選ばれる材料を用いることができる。これらの材料は、何れかを一種を単独で用いても良く、二種以上を任意の組み合わせ及び組成で併用しても良い。 Examples of the carbon material different from the carbon material include natural graphite, artificial graphite, coated graphite obtained by coating a carbon material with a carbonaceous material, amorphous carbon, and a carbon material containing metal particles and a metal compound. Can be used. Any one of these materials may be used alone, or two or more of these materials may be used in any combination and composition.
天然黒鉛としては、例えば、高純度化した炭素材や球形化した天然黒鉛を用いることができる。本発明でいう高純度化とは、通常、塩酸、硫酸、硝酸、弗酸などの酸中で処理する、若しくは複数の酸処理工程を組み合わせて行なうことにより、低純度天然黒鉛中に含まれる灰分や金属等を溶解除去する操作のことを意味し、通常、酸処理工程の後に水洗処理等を行ない高純度化処理工程で用いた酸分の除去をする。また、酸処理工程の代わりに2000℃以上の高温で処理することにより、灰分や金属等を蒸発、除去しても構わない。また、高温熱処理時に塩素ガス等ハロゲンガス雰囲気で処理することにより灰分や金属等を除去しても構わない。更にまた、これらの手法を任意に組み合わせて用いても良い。 As the natural graphite, for example, a highly purified carbon material or a spherical natural graphite can be used. In the present invention, high purification means that ash contained in low-purity natural graphite is usually treated in an acid such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, or a combination of a plurality of acid treatment steps. It means an operation of dissolving and removing metal and metal, etc., and usually, after the acid treatment step, a water washing treatment or the like is performed to remove the acid content used in the high purification treatment step. Moreover, you may evaporate and remove ash, a metal, etc. by processing at high temperature 2000 degreeC or more instead of an acid treatment process. Moreover, you may remove ash, a metal, etc. by processing in halogen gas atmosphere, such as chlorine gas, at the time of high temperature heat processing. Furthermore, these methods may be used in any combination.
天然黒鉛の体積基準平均粒径は、通常5μm以上、好ましくは8μm以上、より好ましくは10μm以上、特に好ましくは12μm以上また、通常60μm以下、好ましくは40μm以下、特に好ましくは30μm以下の範囲である。平均粒径がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 The volume-based average particle diameter of natural graphite is usually 5 μm or more, preferably 8 μm or more, more preferably 10 μm or more, particularly preferably 12 μm or more, and usually 60 μm or less, preferably 40 μm or less, particularly preferably 30 μm or less. . If the average particle diameter is within this range, it is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
天然黒鉛のBET比表面積は、通常1m2/g以上、好ましくは2m2/g以上、また、通常30m2/g以下、好ましくは15m2/g以下の範囲である。比表面積がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 Natural graphite has a BET specific surface area of usually 1 m 2 / g or more, preferably 2 m 2 / g or more, and usually 30 m 2 / g or less, preferably 15 m 2 / g or less. If the specific surface area is within this range, it is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
また、天然黒鉛のタップ密度は、通常0.6g/cm3以上、0.7g/cm3以上が好ましく、0.8g/cm3以上がより好ましく、0.85g/cm3以上が更に好ましい。また、通常1.3g/cm3以下、1.2g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。この範囲であれば高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 The tap density of natural graphite is usually preferably 0.6 g / cm 3 or more, 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, and further preferably 0.85 g / cm 3 or more. Moreover, 1.3 g / cm 3 or less and 1.2 g / cm 3 or less are usually preferable, and 1.1 g / cm 3 or less is more preferable. If it is this range, since a high-speed charge / discharge characteristic and productivity become favorable, it is preferable.
人造黒鉛としては、炭素材を黒鉛化した粒子等が挙げられ、例えば、単一の黒鉛前駆体粒子を粉状のまま焼成、黒鉛化した粒子や、複数の黒鉛前駆体粒子を成形し焼成、黒鉛化し解砕した造粒粒子などを用いることができる。 Examples of the artificial graphite include particles obtained by graphitizing a carbon material. For example, a single graphite precursor particle is fired while being powdered, a graphitized particle, and a plurality of graphite precursor particles are molded and fired. Granulated particles that have been graphitized and crushed can be used.
人造黒鉛の体積基準平均粒径は、通常5μm以上、好ましくは10μm以上、また、通常60μm以下、好ましくは40μm、更に好ましくは30μm以下の範囲である。この範囲であれば、極板膨れの抑制や生産性が良好となるため好ましい。
人造黒鉛のBET比表面積は、通常0.5m2/g以上、好ましくは1.0m2/g以上、また、通常8m2/g以下、好ましくは6m2/g以下、更に好ましくは4m2/g以下の範囲である。この範囲であれば、極板膨れの抑制や生産性が良好となるため好ましい。
The volume-based average particle size of artificial graphite is usually 5 μm or more, preferably 10 μm or more, and usually 60 μm or less, preferably 40 μm, more preferably 30 μm or less. If it is this range, since suppression of electrode plate swelling and productivity become favorable, it is preferable.
BET specific surface area of the artificial graphite is usually 0.5 m 2 / g or more, preferably 1.0 m 2 / g or more and usually 8m 2 / g or less, preferably 6 m 2 / g or less, more preferably 4m 2 / It is the range below g. If it is this range, since suppression of electrode plate swelling and productivity become favorable, it is preferable.
また、人造黒鉛のタップ密度は、通常0.6g/cm3以上、0.7g/cm3以上が
好ましく、0.8g/cm3以上がより好ましく、0.85g/cm3以上が更に好ましい。また、通常1.5g/cm3以下、1.4g/cm3以下が好ましく、1.3g/cm3以下がより好ましい。この範囲であれば、極板膨れの抑制や生産性が良好となるため好ましい。
Further, the tap density of the artificial graphite is usually preferably 0.6 g / cm 3 or more, 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, and further preferably 0.85 g / cm 3 or more. Moreover, normally 1.5 g / cm < 3 > or less and 1.4 g / cm < 3 > or less are preferable, and 1.3 g / cm < 3 > or less is more preferable. If it is this range, since suppression of electrode plate swelling and productivity become favorable, it is preferable.
炭素材を炭素質物で被覆した被覆黒鉛としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛に上述した炭素質物の前駆体である有機化合物を被覆、焼成及び/又は黒鉛化した粒子や、天然黒鉛や人造黒鉛に炭素質物を化学気相蒸着(CVD)により被覆した粒子を用いることができる。 Examples of the coated graphite obtained by coating a carbon material with a carbonaceous material include, for example, particles obtained by coating, firing and / or graphitizing an organic compound which is a precursor of the above-described carbonaceous material on natural graphite or artificial graphite, natural graphite or artificial graphite. Further, particles coated with a carbonaceous material by chemical vapor deposition (CVD) can be used.
被覆黒鉛の体積基準平均粒径は、通常5μm以上、好ましくは8μm以上、より好ましくは10μm以上、特に好ましくは12μm以上また、通常60μm以下、好ましくは40μm以下、特に好ましくは30μm以下の範囲である。平均粒径がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 The volume-based average particle diameter of the coated graphite is usually 5 μm or more, preferably 8 μm or more, more preferably 10 μm or more, particularly preferably 12 μm or more, and usually 60 μm or less, preferably 40 μm or less, particularly preferably 30 μm or less. . If the average particle diameter is within this range, it is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
被覆黒鉛のBET比表面積は、通常1m2/g以上、好ましくは2m2/g以上、更に好ましくは2.5m2/g以上、また、通常20m2/g以下、好ましくは10m2/g以下、更に好ましくは8m2/g以下、特に好ましくは5m2/g以下の範囲である。比表面積がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 The BET specific surface area of the coated graphite is usually 1 m 2 / g or more, preferably 2 m 2 / g or more, more preferably 2.5 m 2 / g or more, and usually 20 m 2 / g or less, preferably 10 m 2 / g or less. More preferably, it is 8 m 2 / g or less, particularly preferably 5 m 2 / g or less. If the specific surface area is within this range, it is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
また、被覆黒鉛のタップ密度は、通常0.6g/cm3以上、0.7g/cm3以上が好ましく、0.8g/cm3以上がより好ましく、0.85g/cm3以上が更に好ましい。また、通常1.3g/cm3以下、1.2g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。タップ密度がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 The tap density of the coated graphite is usually preferably 0.6 g / cm 3 or more, 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, and further preferably 0.85 g / cm 3 or more. Moreover, 1.3 g / cm 3 or less and 1.2 g / cm 3 or less are usually preferable, and 1.1 g / cm 3 or less is more preferable. A tap density in this range is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
非晶質炭素としては、例えば、バルクメソフェーズを焼成した粒子や、易黒鉛化性有機化合物を不融化処理し、焼成した粒子を用いることができる。
非晶質炭素の体積基準平均粒径は、通常5μm以上、好ましくは12μm以上、また、通常60μm以下、好ましくは40μm以下の範囲である。この範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。
As amorphous carbon, for example, particles obtained by firing a bulk mesophase or particles obtained by infusibilizing an easily graphitizable organic compound and firing can be used.
The volume-based average particle size of the amorphous carbon is usually in the range of 5 μm or more, preferably 12 μm or more, and usually 60 μm or less, preferably 40 μm or less. If it is this range, since a high-speed charge / discharge characteristic and productivity become favorable, it is preferable.
非晶質炭素のBET比表面積は、通常1m2/g以上、好ましくは2m2/g以上、更に好ましくは2.5m2/g以上、また、通常8m2/g以下、好ましくは6m2/g以下、更に好ましくは4m2/g以下の範囲である。比表面積がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 BET specific surface area of the amorphous carbon is usually 1 m 2 / g or more, preferably 2m 2 / g or more, more preferably 2.5 m 2 / g or more and usually 8m 2 / g or less, preferably 6 m 2 / g or less, more preferably 4 m 2 / g or less. If the specific surface area is within this range, it is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
また、非晶質炭素のタップ密度は、通常0.6g/cm3以上、0.7g/cm3以上が好ましく、0.8g/cm3以上がより好ましく、0.85g/cm3以上が更に好ましい。また、通常1.3g/cm3以下、1.2g/cm3以下が好ましく、1.1g/cm3以下がより好ましい。タップ密度がこの範囲であれば、高速充放電特性、生産性が良好となるため好ましい。 Moreover, the tap density of amorphous carbon is usually preferably 0.6 g / cm 3 or more, preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.8 g / cm 3 or more, and further more preferably 0.85 g / cm 3 or more. preferable. Moreover, 1.3 g / cm 3 or less and 1.2 g / cm 3 or less are usually preferable, and 1.1 g / cm 3 or less is more preferable. A tap density in this range is preferable because high-speed charge / discharge characteristics and productivity are improved.
金属粒子や金属化合物を含有した炭素材としては、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Ag、Si、Sn、Al、Zr、Cr、P、S、V、Mn、Nb、Mo、Cu、Zn、Ge、In、Ti等からなる群から選ばれる金属又はその化合物を黒鉛と複合化した材料が挙げられる。用いることができる金属又はその化合物としては、2種以上の金属からなる合金を使用してもよく、金属粒子が、2種以上の金属元素により形成された合金粒子であってもよい。これらの中でも、Si、Sn、As、Sb、Al、Zn及びWからなる群から選ばれる金属又はその化合物が好ましく、中でも好ましくはSi及びSi
Oxである。この一般式SiOxは、二酸化Si(SiO2)と金属Si(Si)とを原料として得られるが、そのxの値は通常0<x<2であり、好ましくは0.2以上、より好ましくは0.4以上、更に好ましくは0.6以上であり、好ましくは1.8以下、より好ましくは1.6以下、更に好ましくは1.4以下である。この範囲であれば、高容量であると同時に、Liと酸素との結合による不可逆容量を低減させることが可能となる。
Examples of carbon materials containing metal particles and metal compounds include Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Ag, Si, Sn, Al, Zr, Cr, P, S, V, Mn, Nb, and Mo. , Cu, Zn, Ge, In, Ti, and the like, or a material obtained by combining a metal selected from the group consisting of, for example, graphite with graphite. As the metal or the compound that can be used, an alloy composed of two or more kinds of metals may be used, and the metal particles may be alloy particles formed of two or more kinds of metal elements. Among these, a metal selected from the group consisting of Si, Sn, As, Sb, Al, Zn, and W or a compound thereof is preferable, and among these, Si and Si are preferable.
Ox. This general formula SiOx is obtained using Si dioxide (SiO 2 ) and metal Si (Si) as raw materials, and the value of x is usually 0 <x <2, preferably 0.2 or more, more preferably It is 0.4 or more, more preferably 0.6 or more, preferably 1.8 or less, more preferably 1.6 or less, and still more preferably 1.4 or less. If it is this range, it becomes high capacity | capacitance and it becomes possible to reduce the irreversible capacity | capacitance by the coupling | bonding of Li and oxygen.
金属粒子の体積基準平均粒径は、サイクル寿命の観点から、通常0.005μm以上、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.02μm以上、更に好ましくは0.03μm以上であり、通常10μm以下、好ましくは9μm以下、より好ましくは8μm以下である。平均粒径がこの範囲であると充放電に伴う体積膨張が低減され、充放電容量を維持しつつ、良好なサイクル特性を得ることができる。 The volume-based average particle diameter of the metal particles is usually 0.005 μm or more, preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.02 μm or more, further preferably 0.03 μm or more, and usually 10 μm or less from the viewpoint of cycle life. , Preferably 9 μm or less, more preferably 8 μm or less. When the average particle size is within this range, volume expansion associated with charge / discharge is reduced, and good cycle characteristics can be obtained while maintaining charge / discharge capacity.
金属粒子のBET比表面積は、通常0.5m2/g以上120m2/g以下、1m2/g以上100m2/g以下であることが好ましい。比表面積が前記範囲内であると、電池の充放電効率および放電容量が高く、高速充放電においてリチウムの出し入れが速く、レート特性に優れるので好ましい。 BET specific surface area of the metal particles is usually 0.5 m 2 / g or more 120 m 2 / g or less and a 1 m 2 / g or more 100m 2 / g or less. When the specific surface area is within the above range, the charge / discharge efficiency and discharge capacity of the battery are high, lithium is quickly taken in and out during high-speed charge / discharge, and the rate characteristics are excellent.
造粒炭素材と造粒炭素材とは異なる炭素材料を混合するために用いる装置としては、特に制限はないが、例えば、回転型混合機の場合:円筒型混合機、双子円筒型混合機、二重円錐型混合機、正立方型混合機、鍬形混合機、固定型混合機の場合:螺旋型混合機、リボン型混合機、Muller型混合機、Helical Flight型混合機、Pugm
ill型混合機、流動化型混合機等を用いることができる。
The apparatus used for mixing the carbon material different from the granulated carbon material and the granulated carbon material is not particularly limited. For example, in the case of a rotary mixer: a cylindrical mixer, a twin cylinder mixer, Double cone type mixer, regular cubic type mixer, vertical type mixer, fixed type mixer: spiral type mixer, ribbon type mixer, Muller type mixer, Helical Flight type mixer, Pugm
An ill type mixer, a fluidized type mixer, or the like can be used.
<非水系二次電池用炭素材の物性>
・タップ密度とBET法により測定した比表面積(SA)の関係
本発明の炭素材は、下記式(1)の関係を満足するものである。
(式1)
Y−0.01X ≦ α (1)
(Y=真密度(g/cm3)、X=BET法により測定した炭素材の比表面積(SA)(m2/g)、α=2.20)
<Physical properties of carbon materials for non-aqueous secondary batteries>
-Relationship between tap density and specific surface area (SA) measured by BET method The carbon material of the present invention satisfies the relationship of the following formula (1).
(Formula 1)
Y-0.01X ≦ α (1)
(Y = true density (g / cm 3 ), X = specific surface area (SA) of carbon material measured by BET method (m 2 / g), α = 2.20)
本発明の炭素材において、上記式(1)で表されるαは、2.20、好ましくは2.195、より好ましくは2.19、更に好ましくは2.16である。
上記式(1)で表される関係が満足できない場合、粒子内のLiイオン挿入脱離サイトの利用可能な領域とLiイオン挿入脱離しやすい結晶性の炭素質物のバランスが悪くなるため、低温入出力特性が低下する傾向がある。
In the carbon material of the present invention, α represented by the above formula (1) is 2.20, preferably 2.195, more preferably 2.19, and further preferably 2.16.
When the relationship represented by the above formula (1) cannot be satisfied, the balance between the usable region of the Li ion insertion / desorption site in the particle and the crystalline carbonaceous material that is liable to insert and desorb Li ions is deteriorated. There is a tendency for output characteristics to deteriorate.
・真密度
本発明の炭素材の真密度は好ましくは2.15g/cm3以上、より好ましくは2.16g/cm3以上、更に好ましくは2.17g/cm3以上、特に好ましくは2.18g/cm3以上、最も好ましくは2.19g/cm3以上、好ましくは2.26g/cm3以下であり、より好ましくは2.25g/cm3以下である。
- True Density The true density of the carbon material of the present invention is preferably 2.15 g / cm 3 or more, more preferably 2.16 g / cm 3 or more, more preferably 2.17 g / cm 3 or more, particularly preferably 2.18g / cm 3 or more, most preferably 2.19 g / cm 3 or higher, preferably 2.26 g / cm 3 or less, more preferably 2.25 g / cm 3 or less.
真密度が上記範囲内であると、Liイオンが挿入脱離しやすい結晶性の低い構造が適度に得られるため、良好な入出力特性を得ることができる。 When the true density is within the above range, a structure with low crystallinity in which Li ions can be easily inserted and desorbed can be appropriately obtained, so that favorable input / output characteristics can be obtained.
・BET法により測定した比表面積(SA)
本発明の炭素材のBET法により測定した比表面積(SA)は、好ましくは2m2/g以上、より好ましくは2.5m2/g以上、更に好ましくは3m2/g以上、特に好ましくは4m2/g以上である。また、好ましくは30m2/g以下、より好ましくは20m
2/g以下、更に好ましくは17m2/g以下、特に好ましくは15m2/g以下である。
・ Specific surface area (SA) measured by BET method
The specific surface area (SA) measured by the BET method of the carbon material of the present invention is preferably 2 m 2 / g or more, more preferably 2.5 m 2 / g or more, still more preferably 3 m 2 / g or more, particularly preferably 4 m. 2 / g or more. Moreover, Preferably it is 30 m < 2 > / g or less, More preferably, it is 20 m
2 / g or less, more preferably 17 m 2 / g or less, and particularly preferably 15 m 2 / g or less.
比表面積が上記範囲内であると、Liが出入りする部位を十分確保することができるため入出力特性に優れ、活物質の電解液に対する活性も適度抑えることができるため、初期不可逆容量が大きくならず、高容量電池を製造できる傾向にある。 If the specific surface area is within the above range, the portion where Li enters and exits can be sufficiently secured, so that the input / output characteristics are excellent, and the activity of the active material with respect to the electrolytic solution can be moderately suppressed. However, there is a tendency that a high-capacity battery can be manufactured.
BET比法で測定した比表面積としては、比表面積計(例えば、マイクロメリティクス社製トライスターII3020)を用い、測定対象(ここでは黒鉛負極材料)に対して、窒素流通下350℃で60分間、予備乾燥を行った後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3に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BET多点法によって測定した値を用いることができる。 As a specific surface area measured by the BET ratio method, a specific surface area meter (for example, Tristar II3020 manufactured by Micromeritics Co., Ltd.) is used, and a measurement object (here, a graphite negative electrode material) is subjected to nitrogen flow at 350 ° C. for 60 minutes. The value measured by the nitrogen adsorption BET multipoint method by the gas flow method using a nitrogen helium mixed gas that was precisely adjusted so that the relative pressure of nitrogen relative to atmospheric pressure was 0.3 after preliminary drying. Can be used.
・体積基準平均粒径(平均粒径d50)
本発明の炭素材の体積基準平均粒径(「平均粒径d50」とも記載する)は好ましくは1μm以上、より好ましくは3μm以上、更に好ましくは4μm以上、特に好ましくは5μm以上、最も好ましくは6μm以上である。また平均粒径d50は、好ましくは50μm以下、より好ましくは40μm以下、更に好ましくは35μm以下、特に好ましくは31μm以下である。
上記範囲内であると、不可逆容量の増加、初期電池容量の損失が抑えられる傾向がある。
-Volume-based average particle size (average particle size d50)
The volume-based average particle diameter (also referred to as “average particle diameter d50”) of the carbon material of the present invention is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more, still more preferably 4 μm or more, particularly preferably 5 μm or more, and most preferably 6 μm. That's it. The average particle diameter d50 is preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, still more preferably 35 μm or less, and particularly preferably 31 μm or less.
Within the above range, an increase in irreversible capacity and a loss of initial battery capacity tend to be suppressed.
・タップ密度
本発明の炭素材のタップ密度は好ましくは1.00g/cm3以上、より好ましくは1.05g/cm3以上、更に好ましくは1.10g/cm3以上、特に好ましくは1.12g/cm3以上、最も好ましくは1.14g/cm3以上、好ましくは1.40g/cm3以下であり、より好ましくは1.35g/cm3以下であり、更に好ましくは1.30g/cm3以下であり、特に好ましくは1.25g/cm3以下である。
Tap density of the carbon material of the tap density the invention preferably 1.00 g / cm 3 or more, more preferably 1.05 g / cm 3 or more, more preferably 1.10 g / cm 3 or more, particularly preferably 1.12g / cm 3 or more, most preferably 1.14 g / cm 3 or higher, preferably 1.40 g / cm 3 or less, more preferably 1.35 g / cm 3 or less, more preferably 1.30 g / cm 3 Or less, particularly preferably 1.25 g / cm 3 or less.
タップ密度が上記範囲内であると、充分な充填性が得られるため、高容量化することができる。また、粒子内炭素密度が上昇し難いため圧延性も良好で、高密度の負極シートを形成し易くなる傾向にある。 When the tap density is within the above range, sufficient filling property can be obtained, so that the capacity can be increased. In addition, since the carbon density in the particles is difficult to increase, the rolling property is good, and a high-density negative electrode sheet tends to be easily formed.
・X線パラメータ
本発明の炭素材の、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、好ましくは0.335nm以上、0.340nm未満である。ここで、d値はより好ましくは0.339nm以下、更に好ましくは0.337nm以下である。d002値が上記範囲内にあると、黒鉛の結晶性が高いため、初期不可逆容量が増加を抑制する傾向にある。ここで、0.335nmは黒鉛の理論値である。
-X-ray parameter The d 002 value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) of the carbon material of the present invention determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is preferably 0.335 nm or more and less than 0.340 nm. . Here, the d value is more preferably 0.339 nm or less, and still more preferably 0.337 nm or less. When the d 002 value is within the above range, the initial irreversible capacity tends to suppress an increase because the crystallinity of graphite is high. Here, 0.335 nm is a theoretical value of graphite.
また、学振法によるX線回折で求めた前記炭素材の結晶子サイズ(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、更に好ましくは500nm以上、特に好ましくは1000nm以上の範囲である。
上記範囲内であると、結晶性が低過ぎない粒子となり、非水系二次電池とした場合に可逆容量が減少し難くなる。なお、Lcの下限は黒鉛の理論値である。
The crystallite size (Lc) of the carbon material determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, still more preferably 500 nm or more, particularly preferably 1000 nm or more. Range.
Within the above range, the crystallinity is not too low, and the reversible capacity is difficult to decrease when a non-aqueous secondary battery is obtained. The lower limit of Lc is the theoretical value of graphite.
・円形度
本発明の炭素材の円形度は、0.88以上、好ましくは0.90以上、より好ましくは0.91以上である。また、円形度は好ましくは1以下、より好ましくは0.98以下、更に好ましくは0.97以下である。円形度が上記範囲内であると、非水系二次電池の高
電流密度充放電特性の低下を抑制できる傾向にある。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。
-Circularity The carbon material of the present invention has a circularity of 0.88 or more, preferably 0.90 or more, more preferably 0.91 or more. The circularity is preferably 1 or less, more preferably 0.98 or less, and still more preferably 0.97 or less. When the circularity is within the above range, the high current density charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary battery tend to be suppressed. The circularity is defined by the following formula, and when the circularity is 1, a theoretical sphere is obtained.
円形度が上記範囲内であると、円形度が上記範囲内であると、Liイオン拡散の屈曲度が下がって粒子間空隙中の電解液移動がスムーズになり、且つ適度に炭素材同士が接触することが可能なため、良好な急速充放電特性、及びサイクル特性を示す傾向がある。 When the circularity is within the above range, when the circularity is within the above range, the bending degree of Li ion diffusion decreases, the electrolyte solution moves smoothly in the interparticle voids, and the carbon materials are appropriately in contact with each other. Therefore, it tends to exhibit good rapid charge / discharge characteristics and cycle characteristics.
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) Circularity = (perimeter of equivalent circle having the same area as the particle projection shape) / (actual circumference of particle projection shape)
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(炭素材)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、分散液に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。 As the circularity value, 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 (carbon material) is added to polyoxyethylene (20) sorbitan as a surfactant. After dispersing in a 0.2% by weight monolaurate aqueous solution (about 50 mL) and irradiating the dispersion with an ultrasonic wave of 28 kHz for 1 minute at an output of 60 W, the detection range is specified as 0.6 to 400 μm, and the particle size is The value measured for particles in the range of 1.5-40 μm is used.
・灰分
本発明の炭素材に含まれる灰分は、炭素材の全質量に対して、好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下であり、更に好ましくは0.1質量%以下である。また、灰分の下限は1ppm以上であることが好ましい。
灰分が上記範囲内であると非水系二次電池とした場合に、充放電時の炭素材と電解液との反応による電池性能の劣化を無視できる程度に抑えることができる。また、炭素材の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ないため、コストの上昇も抑えられる。
-Ash content The ash content contained in the carbon material of the present invention is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, and still more preferably 0.1% by mass or less, with respect to the total mass of the carbon material. It is. Moreover, it is preferable that the minimum of ash content is 1 ppm or more.
When the ash content is within the above range, when a non-aqueous secondary battery is used, deterioration of battery performance due to the reaction between the carbon material and the electrolyte during charge / discharge can be suppressed to a negligible level. Further, since a great amount of time, energy, and equipment for preventing contamination are not required for producing the carbon material, an increase in cost can be suppressed.
また、炭素材を使用して負極を形成した場合の、その電解液との反応性の増加を抑制でき、ガス発生を抑えることができるため、好ましい非水系二次電池を提供することができる。 In addition, when a negative electrode is formed using a carbon material, an increase in reactivity with the electrolytic solution can be suppressed and gas generation can be suppressed, so that a preferable nonaqueous secondary battery can be provided.
・表面官能基量O/C値(%) -Surface functional group amount O / C value (%)
XPSより求められるO/C値は、好ましくは0.1以上、より好ましくは1以上、更に好ましくは1.5以上、特に好ましくは2以上、好ましくは8以下、より好ましくは4以下、更に好ましくは3.5以下、特に好ましくは3以下である。この表面官能基量O/C値が上記範囲内であれば、負極活物質表面におけるLiイオンと電解液溶媒の脱溶媒和反応性が促進され急速充放電特性が良好となり、電解液との反応性が抑制され充放電効率が良好となる傾向がある。 The O / C value obtained from XPS is preferably 0.1 or more, more preferably 1 or more, still more preferably 1.5 or more, particularly preferably 2 or more, preferably 8 or less, more preferably 4 or less, still more preferably. Is 3.5 or less, particularly preferably 3 or less. If the surface functional group amount O / C value is within the above range, the desolvation reactivity of Li ions and the electrolyte solvent on the negative electrode active material surface is promoted, the rapid charge / discharge characteristics are improved, and the reaction with the electrolyte Tend to be suppressed and charge / discharge efficiency tends to be good.
・真密度
本発明の炭素材の真密度は、好ましくは1.9g/cm3以上、より好ましくは2g/
cm3以上、更に好ましくは2.1g/cm3以上、特に好ましくは2.2g/cm3以上
であり、上限は2.26g/cm3である。上限は黒鉛の理論値である。真密度が上記範
囲内であると、炭素の結晶性が低すぎず、非水系二次電池とした場合の、その初期不可逆容量の増大を抑制できる傾向にある。
True density The true density of the carbon material of the present invention is preferably 1.9 g / cm 3 or more, more preferably 2 g /
cm 3 or more, more preferably 2.1 g / cm 3 or more, particularly preferably 2.2 g / cm 3 or more, the upper limit is 2.26 g / cm 3. The upper limit is the theoretical value of graphite. When the true density is within the above range, the crystallinity of the carbon is not too low, and an increase in the initial irreversible capacity in the case of a non-aqueous secondary battery tends to be suppressed.
・アスペクト比
本発明の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。またアスペクト比は好ましくは10以下、より好ましくは8以下、更に好ましくは5以下である。
Aspect ratio The aspect ratio of the carbon material of the present invention in a powder state is theoretically 1 or more, preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more. The aspect ratio is preferably 10 or less, more preferably 8 or less, and still more preferably 5 or less.
アスペクト比が上記範囲内であると、極板化時に炭素材を含むスラリー(負極形成材料)のスジ引きが起こり難く、均一な塗布面が得られ、非水系二次電池の高電流密度充放電特性の低下を回避する傾向にある。 When the aspect ratio is within the above range, streaking of the slurry containing the carbon material (negative electrode forming material) hardly occurs at the time of forming the electrode plate, and a uniform coated surface is obtained, and high current density charge / discharge of the non-aqueous secondary battery is obtained. There is a tendency to avoid deterioration of characteristics.
・最大粒径dmax
本発明の炭素材の最大粒径dmaxは、好ましくは200μm以下、より好ましくは150μm以下、更に好ましくは120μm以下、特に好ましくは100μm以下、最も好ましくは80μm以下である。dmaxが上記範囲内にあると、筋引きなどの工程不都合の発生を抑制できる傾向にある。
また、最大粒径は、平均粒径d50の測定の際に得られた粒度分布において、粒子が測定された最も大きい粒径の値として定義される。
・ Maximum particle size dmax
The maximum particle diameter dmax of the carbon material of the present invention is preferably 200 μm or less, more preferably 150 μm or less, still more preferably 120 μm or less, particularly preferably 100 μm or less, and most preferably 80 μm or less. When dmax is within the above range, the occurrence of process inconveniences such as line drawing tends to be suppressed.
The maximum particle size is defined as the value of the largest particle size at which particles are measured in the particle size distribution obtained when measuring the average particle size d50.
・ラマンR値
本発明の炭素材のラマンR値は、その値は通常0.01以上、好ましくは0.05以上、より好ましくは0.1以上、更に好ましくは0.15以上、特に好ましくは0.2以上である。また、ラマンR値は通常1以下、好ましくは0.6以下、より好ましくは0.5以下、更に好ましくは0.4以下である。
-Raman R value The Raman R value of the carbon material of the present invention is usually 0.01 or more, preferably 0.05 or more, more preferably 0.1 or more, still more preferably 0.15 or more, particularly preferably. 0.2 or more. The Raman R value is usually 1 or less, preferably 0.6 or less, more preferably 0.5 or less, and still more preferably 0.4 or less.
なお、前記ラマンR値は、ラマン分光法で求めたラマンスペクトルにおける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(IB/IA)として算出されたものと定義する。
なお、本明細書において「1580cm−1付近」とは1580〜1620cm-1の範囲を、「1360cm−1付近」とは1350〜1370cm-1の範囲を指す。
Incidentally, the Raman R value is measured and the intensity I A of the peak P A in the vicinity of 1580 cm -1 in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy, the intensity I B of a peak P B in the vicinity of 1360 cm -1, the intensity Defined as the ratio (I B / I A ).
Incidentally, the scope of 1580~1620Cm -1 A "1580cm around -1" in the present specification, "1360cm around -1" refers to the range of 1350 -1.
ラマンR値は炭素粒子の表面近傍(粒子表面から100Å位まで)の結晶性を表す指標であり、ラマンR値が小さいほど結晶性が高い、あるいは結晶状態が乱れていないことを示す。ラマンR値が上記範囲内にあると、炭素材粒子表面の結晶性は高くなり難く、高密度化した場合に負極板と平行方向に結晶が配向し難くなり、負荷特性の低下を回避する傾向にある。さらに、粒子表面の結晶も乱れ難く、負極の電解液との反応性の増大を抑制し、非水系二次電池の充放電効率の低下やガス発生の増加を回避できる傾向にある。 The Raman R value is an index representing the crystallinity in the vicinity of the surface of the carbon particle (from the particle surface to about 100 °). The smaller the Raman R value, the higher the crystallinity or the disordered crystal state. When the Raman R value is within the above range, the crystallinity of the carbon material particle surface is unlikely to be high, and when the density is increased, the crystal is difficult to be oriented in a direction parallel to the negative electrode plate, and a tendency to avoid deterioration of load characteristics is avoided. It is in. Furthermore, the crystal on the particle surface is not easily disturbed, and the increase in reactivity with the electrolyte solution of the negative electrode is suppressed, and the decrease in charge / discharge efficiency of the nonaqueous secondary battery and the increase in gas generation tend to be avoided.
前記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。測定条件は以下の通りである。 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. The measurement conditions are as follows.
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)
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 averaging)
・DBP吸油量
本発明の炭素材のDBP(フタル酸ジブチル)吸油量は、好ましくは85ml/100g以下、より好ましくは70ml/100g以下、更に好ましくは65ml/100g以下、特に好ましくは60ml/100g以下である。また、DBP吸油量は好ましくは30ml/100g以上、より好ましくは40ml/100g以上である。
-DBP oil absorption amount The DBP (dibutyl phthalate) oil absorption amount of the carbon material of the present invention is preferably 85 ml / 100 g or less, more preferably 70 ml / 100 g or less, still more preferably 65 ml / 100 g or less, particularly preferably 60 ml / 100 g or less. It is. The DBP oil absorption is preferably 30 ml / 100 g or more, more preferably 40 ml / 100 g or more.
DBP吸油量が上記範囲内であると、炭素材の球形化の進み具合が十分であることを意味し、該炭素材を含むスラリーの塗布時にスジ引きなどを引き起こし難い傾向があり、粒子内にも細孔構造が存在するため、反応面の低下を回避する傾向にある。 If the DBP oil absorption amount is within the above range, it means that the progress of spheroidization of the carbon material is sufficient, and there is a tendency that streaking is difficult to occur during the application of the slurry containing the carbon material. However, since the pore structure exists, the reaction surface tends to be prevented from lowering.
また、DBP吸油量は、JIS K6217に準拠し、測定材料(炭素材)を40g投入し、滴下速度4ml/min、回転数125rpm、設定トルク500N・mとしたときの測定値として定義される。測定には、例えばブラベンダー社製 アブソープトメーター E型を用いることができる。 The DBP oil absorption amount is defined as a measured value when 40 g of a measurement material (carbon material) is added, a dropping speed is 4 ml / min, a rotation speed is 125 rpm, and a set torque is 500 N · m, in accordance with JIS K6217. For the measurement, for example, Absorbometer E type manufactured by Brabender can be used.
・平均粒径d10
本発明の炭素材の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積10%に相当する粒径(d10)は好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下、更に好ましくは17μm以下、好ましくは1μm以上、より好ましくは3μm以上、更に好ましくは5μm以上である。
・ Average particle diameter d10
The particle size (d10) corresponding to 10% cumulative from the small particle side of the particle size measured on a volume basis of the carbon material of the present invention is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less, still more preferably 17 μm or less, preferably It is 1 μm or more, more preferably 3 μm or more, and further preferably 5 μm or more.
d10が上記範囲内にあると、粒子の凝集傾向が強くなり過ぎず、スラリー粘度上昇などの工程不都合の発生、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を回避できる。また、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下も回避する傾向にある。
d10は、平均粒径d50の測定の際に得られた粒度分布において、粒子の頻度%が小さい粒径から積算で10%となった値として定義される。
When d10 is within the above range, the tendency of the particles to agglomerate does not become too strong, and it is possible to avoid the occurrence of process inconveniences such as an increase in slurry viscosity, a decrease in electrode strength and a decrease in initial charge / discharge efficiency in a nonaqueous secondary battery. In addition, the high current density charge / discharge characteristics and the low temperature input / output characteristics tend to be avoided.
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 when measuring the average particle size d50.
・平均粒径d90
本発明の炭素材の体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積90%に相当する粒径(d90)は好ましくは100μm以下、より好ましくは70μm以下、更に好ましくは60μm以下、より更に好ましくは50μm以下、特に好ましくは45μm以下、最も好ましくは42μm以下、好ましくは20μm以上、より好ましくは26μm以上、更に好ましくは30μm以上、特に好ましくは34μm以上である。
・ Average particle size d90
The particle size (d90) corresponding to 90% of the particle size measured on the volume basis of the carbon material of the present invention is preferably 100 μm or less, more preferably 70 μm or less, still more preferably 60 μm or less, and even more. The thickness is preferably 50 μm or less, particularly preferably 45 μm or less, most preferably 42 μm or less, preferably 20 μm or more, more preferably 26 μm or more, still more preferably 30 μm or more, and particularly preferably 34 μm or more.
d90が上記範囲内にあると、非水系二次電池における電極強度の低下や初期充放電効率の低下を回避でき、スラリーの塗布時の筋引きなどの工程不都合の発生、高電流密度充放電特性の低下、低温入出力特性の低下も回避できる傾向にある。
d90は、平均粒径d50の測定の際に得られた粒度分布において、粒子の頻度%が小さい粒径から積算で90%となった値として定義される。
When d90 is within the above range, it is possible to avoid a decrease in electrode strength and a decrease in initial charge / discharge efficiency in a non-aqueous secondary battery, generation of process inconveniences such as striation during application of slurry, and high current density charge / discharge characteristics. There is a tendency to avoid the decrease in the temperature and the low-temperature input / output characteristics.
d90 is defined as a value in which the frequency% of particles is 90% integrated from a small particle size in the particle size distribution obtained when measuring the average particle size d50.
・体積基準の粒度分布における90%粒径(d90)と10%粒径(d10)の比(d90/d10)
本発明の炭素材の体積基準の粒度分布における90%粒径(d90)と10%粒径(d10)の比(d90/d10)は、通常2.0以上、好ましくは2.2以上、より好ましくは2.4以上、更に好ましくは2.5以上、より更に好ましくは2.6以上、特に好ましくは2.7以上、通常5.0以下、好ましくは4.5以下、より好ましくは4.0以下、更に好ましくは3.8以下、特に好ましくは3.5以下である。
The ratio (d90 / d10) of 90% particle size (d90) and 10% particle size (d10) in the volume-based particle size distribution
The ratio (d90 / d10) of 90% particle size (d90) and 10% particle size (d10) in the volume-based particle size distribution of the carbon material of the present invention is usually 2.0 or more, preferably 2.2 or more. Preferably it is 2.4 or more, More preferably, it is 2.5 or more, More preferably, it is 2.6 or more, Especially preferably, it is 2.7 or more, Usually 5.0 or less, Preferably it is 4.5 or less, More preferably, 4. 0 or less, more preferably 3.8 or less, particularly preferably 3.5 or less.
・電池の性能
本発明の炭素材を用いて、後述の実施例に記載の方法で作製した電池の初期放電容量は、通常300mAh/g以上、好ましくは320mAh/g、より好ましくは340mAh/g以上、更に好ましくは350mAh/g以上である。初期放電容量が低すぎると、消費電力が大きな機器への適用や長時間の使用ができなくなる傾向がある。
-Battery performance The initial discharge capacity of the battery produced by the method described in Examples below using the carbon material of the present invention is usually 300 mAh / g or more, preferably 320 mAh / g, more preferably 340 mAh / g or more. More preferably, it is 350 mAh / g or more. If the initial discharge capacity is too low, there is a tendency that it cannot be applied to a device with large power consumption or used for a long time.
[非水系二次電池用負極]
本発明はまた、本発明の炭素材を用いて形成される非水系二次電池用負極に関するものであり、その具体例として、リチウムイオン二次電池用負極が挙げられる。
[Negative electrode for non-aqueous secondary battery]
The present invention also relates to a negative electrode for a non-aqueous secondary battery formed using the carbon material of the present invention, and specific examples thereof include a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
非水系二次電池用負極の製造方法や非水系二次電池用負極を構成する本発明の非水系二次電池負極用炭素材以外の材料の選択については、特に限定されない。 The method for producing the negative electrode for nonaqueous secondary battery and the selection of materials other than the carbon material for nonaqueous secondary battery negative electrode of the present invention constituting the negative electrode for nonaqueous secondary battery are not particularly limited.
本発明の非水系二次電池用負極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備え、かつ前記活物質層が本発明の非水系二次電池負極用炭素材を含有するものである。前記活物質層は、好ましくは、さらにバインダを含有する。 The negative electrode for a non-aqueous secondary battery of the present invention includes a current collector and an active material layer formed on the current collector, and the active material layer is a carbon material for a non-aqueous secondary battery negative electrode of the present invention. It contains. The active material layer preferably further contains a binder.
バインダは、特に限定されないが、分子内にオレフィン性不飽和結合を有するものが好ましい。具体例としては、スチレン−ブタジエンゴム、スチレン・イソプレン・スチレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体などが挙げられる。 The binder is not particularly limited, but a binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule is preferable. Specific examples include styrene-butadiene rubber, styrene / isoprene / styrene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, butadiene rubber, and ethylene / propylene / diene copolymer.
このような分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダを用いることにより、活物質層の電解液に対する膨潤性を低減することができる。中でも入手の容易性から、スチレン−ブタジエンゴムが好ましい。 By using such a binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule, the swellability of the active material layer with respect to the electrolytic solution can be reduced. Of these, styrene-butadiene rubber is preferred because of its availability.
このような分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダと、本発明の非水系二次電池負極用炭素材とを組み合わせて用いることにより、負極板の機械的強度を高くすることができる。負極板の機械的強度が高いと、非水系二次電池の充放電による負極の劣化が抑制され、サイクル寿命を長くすることができる。 By using such a binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule and the carbon material for a nonaqueous secondary battery negative electrode of the present invention in combination, the mechanical strength of the negative electrode plate can be increased. When the mechanical strength of the negative electrode plate is high, deterioration of the negative electrode due to charging / discharging of the nonaqueous secondary battery is suppressed, and the cycle life can be extended.
分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダは、分子量が大きいもの及び/又は不飽和結合の割合が大きいものが好ましい。 The binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule preferably has a large molecular weight and / or a large proportion of unsaturated bonds.
バインダの分子量としては、重量平均分子量を通常1万以上とすることができ、また、通常100万以下とすることができる。この範囲であれば、機械的強度及び可撓性の両面を良好な範囲に制御できる。重量平均分子量は、好ましくは5万以上であり、また、好ましくは30万以下の範囲である。 As the molecular weight of the binder, the weight average molecular weight can usually be 10,000 or more, and can usually be 1,000,000 or less. If it is this range, both mechanical strength and flexibility can be controlled to a favorable range. The weight average molecular weight is preferably 50,000 or more, and preferably 300,000 or less.
バインダの分子内のオレフィン性不飽和結合の割合としては、全バインダ1g当たりのオレフィン性不飽和結合のモル数を通常2.5×10−7モル以上とすることができ、また、通常5×10−6モル以下とすることができる。この範囲であれば、強度向上効果が十分に得られ、可撓性も良好である。モル数は、好ましくは8×10−7モル以上であり、また、好ましくは1×10−6モル以下である。 As the ratio of olefinically unsaturated bonds in the binder molecule, the number of moles of olefinically unsaturated bonds per 1 g of the total binder can be usually 2.5 × 10 −7 mol or more, and usually 5 × It can be 10 <-6> mol or less. If it is this range, the intensity | strength improvement effect will be acquired sufficiently and flexibility will also be favorable. The number of moles is preferably 8 × 10 −7 mol or more, and preferably 1 × 10 −6 mol or less.
また、分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダについては、その不飽和度を、通常15%以上90%以下とすることができる。不飽和度は、好ましくは20%以上、より好ましくは40%以上であり、また、好ましくは80%以下である。本願明細書において、不飽和度とは、ポリマーの繰り返し単位に対する二重結合の割合(%)を表す。 Moreover, about the binder which has an olefinically unsaturated bond in a molecule | numerator, the unsaturation degree can be normally 15% or more and 90% or less. The degree of unsaturation is preferably 20% or more, more preferably 40% or more, and preferably 80% or less. In the present specification, the degree of unsaturation represents the ratio (%) of the double bond to the repeating unit of the polymer.
バインダとして、分子内にオレフィン性不飽和結合を有さないバインダも、使用することができる。分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダと分子内にオレフィン性不飽和結合を有さないバインダとを併用することによって、塗布性の向上等が期待できる。 As the binder, a binder having no olefinically unsaturated bond in the molecule can also be used. By using a binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule and a binder having no olefinically unsaturated bond in the molecule, improvement in coating property can be expected.
分子内にオレフィン性不飽和結合を有するバインダを100質量%とした場合、分子内にオレフィン性不飽和結合を有さないバインダの混合比率は、活物質層の強度が低下する
のを抑制するため、通常150質量%以下とすることができ、好ましくは120質量%以下である。
When the binder having an olefinically unsaturated bond in the molecule is 100% by mass, the mixing ratio of the binder having no olefinically unsaturated bond in the molecule is to suppress the strength of the active material layer from being lowered. Usually, it can be 150 mass% or less, Preferably it is 120 mass% or less.
分子内にオレフィン性不飽和結合を有さないバインダの例としては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、澱粉、カラギーナン、プルラン、グアーガム、ザンサンガム(キサンタンガム)等の増粘多糖類;
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類;
ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等のビニルアルコール類;
ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等のポリ酸またはこれらの金属塩;
ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素ポリマー;
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのアルカン系ポリマーまたはこれらの共重合体などが挙げられる。
Examples of the binder having no olefinically unsaturated bond in the molecule include thickening polysaccharides such as methylcellulose, carboxymethylcellulose, starch, carrageenan, pullulan, guar gum, xanthan gum (xanthan gum);
Polyethers such as polyethylene oxide and polypropylene oxide;
Vinyl alcohols such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral;
Polyacids such as polyacrylic acid and polymethacrylic acid or metal salts thereof;
Fluorine-containing polymers such as polyvinylidene fluoride;
Examples thereof include alkane polymers such as polyethylene and polypropylene, and copolymers thereof.
本発明の非水系二次電池用負極における活物質層には、負極の導電性を向上させるために、導電助剤を含有させてもよい。導電助剤は、特に限定されず、その例として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック、平均粒径1μm以下のCu、Ni又はこれらの合金からなる微粉末などが挙げられる。 In order to improve the electroconductivity of a negative electrode, you may make the active material layer in the negative electrode for non-aqueous secondary batteries of this invention contain a conductive support agent. The conductive aid is not particularly limited, and examples thereof include carbon black such as acetylene black, ketjen black, and furnace black, fine powder made of Cu, Ni having an average particle size of 1 μm or less, or an alloy thereof.
導電助剤の添加量は、本発明の非水系二次電池負極用炭素材100質量部に対して、10質量部以下であることが好ましい。 It is preferable that the addition amount of a conductive support agent is 10 mass parts or less with respect to 100 mass parts of carbon materials for non-aqueous secondary battery negative electrodes of this invention.
本発明の非水系二次電池用負極は、本発明の非水系二次電池負極用炭素材と場合によりバインダ及び/又は導電助剤とを分散媒に分散させてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥することにより形成することができる。分散媒としては、アルコールなどの有機溶媒や、水を用いることができる。 The negative electrode for a non-aqueous secondary battery of the present invention is a slurry obtained by dispersing the carbon material for a non-aqueous secondary battery negative electrode of the present invention and optionally a binder and / or a conductive additive in a dispersion medium. It can be formed by coating and drying. As the dispersion medium, an organic solvent such as alcohol or water can be used.
スラリーを塗布する集電体としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。具体的には、圧延銅箔、電解銅箔、ステンレス箔等の金属薄膜などが挙げられる。 It does not specifically limit as a collector which apply | coats a slurry, A well-known thing can be used. Specific examples include metal thin films such as rolled copper foil, electrolytic copper foil, and stainless steel foil.
集電体の厚さは通常4μm以上とすることができ、また、通常30μm以下とすることができる。厚さは、好ましくは6μm以上であり、また、好ましくは20μm以下である。 The thickness of the current collector can usually be 4 μm or more, and can usually be 30 μm or less. The thickness is preferably 6 μm or more, and preferably 20 μm or less.
スラリーを塗布、乾燥して得られる活物質層の厚さは、負極としての実用性及び高密度の電流値に対する十分なリチウムイオンの吸蔵・放出の機能の点から、通常5μm以上とすることができ、また、通常200μm以下とすることができる。好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上であり、また、好ましくは100μm以下、より好ましくは75μm以下である。 The thickness of the active material layer obtained by applying and drying the slurry is usually 5 μm or more from the viewpoint of practicality as a negative electrode and sufficient lithium ion occlusion / release function for high-density current values. In addition, it can usually be 200 μm or less. Preferably it is 20 micrometers or more, More preferably, it is 30 micrometers or more, Preferably it is 100 micrometers or less, More preferably, it is 75 micrometers or less.
活物質層の厚さは、スラリーの塗布、乾燥後にプレスすることにより、上記範囲の厚さになるように調整してもよい。 You may adjust the thickness of an active material layer so that it may become the thickness of the said range by pressing after application | coating of a slurry and drying.
活物質層における非水系二次電池負極用炭素材の密度は、用途により異なるものの、例えば車載用途やパワーツール用途などの入出力特性を重視する用途においては、通常1.1g/cm3以上、1.65g/cm3以下である。 この範囲であれば、密度が低すぎることによる粒子同士の接触抵抗の増大を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができる。 Although the density of the carbon material for the non-aqueous secondary battery negative electrode in the active material layer varies depending on the application, for example, in an application in which input / output characteristics such as an in-vehicle application and a power tool application are important, 1.1 g / cm 3 or more 1.65 g / cm 3 or less. Within this range, it is possible to avoid an increase in contact resistance between particles due to the density being too low, and it is also possible to suppress a decrease in rate characteristics due to the density being too high.
密度は、好ましくは1.2g/cm3以上、さらに好ましくは1.25g/cm3以上である。 The density is preferably 1.2 g / cm 3 or more, more preferably 1.25 g / cm 3 or more.
携帯電話やパソコンといった携帯機器用途などの容量を重視する用途では、通常1.45g/cm3以上とすることができ、また、通常1.9g/cm3以下とすることができる。 In applications in which capacity is important, such as portable device applications such as mobile phones and personal computers, it is usually 1.45 g / cm 3 or more, and usually 1.9 g / cm 3 or less.
この範囲であれば、密度が低すぎることによる単位体積あたりの電池の容量低下を回避することができ、一方、密度が高すぎることによるレート特性の低下も抑制することができる。 If it is this range, the capacity | capacitance fall of the battery per unit volume by a density being too low can be avoided, On the other hand, the fall of the rate characteristic by a density being too high can also be suppressed.
密度は、好ましくは1.55g/cm3以上、さらに好ましくは1.65g/cm3以上、特に好ましくは1.7g/cm3以上である。 Density is preferably 1.55 g / cm 3 or more, more preferably 1.65 g / cm 3 or more, and particularly preferably 1.7 g / cm 3 or more.
[非水系二次電池]
本発明に係る非水系二次電池の基本的構成は、例えば、公知のリチウムイオン二次電池と同様とすることができ、通常、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備え、前記負極は上述した本発明に係る非水系二次電池用負極である。
[Non-aqueous secondary battery]
The basic configuration of the nonaqueous secondary battery according to the present invention can be the same as, for example, a known lithium ion secondary battery, and usually includes a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte. The negative electrode is a negative electrode for a non-aqueous secondary battery according to the present invention described above.
<正極>
正極は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とを備えることができる。活物質層は、正極用活物質の他に、好ましくはバインダを含有する。
<Positive electrode>
The positive electrode can include a current collector and an active material layer formed on the current collector. The active material layer preferably contains a binder in addition to the positive electrode active material.
正極用活物質としては、リチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出できる金属カルコゲン化合物などが挙げられる。中でもリチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属カルコゲン化合物が好ましい。 Examples of the positive electrode active material include metal chalcogen compounds that can occlude and release alkali metal cations such as lithium ions during charge and discharge. Of these, metal chalcogen compounds capable of inserting and extracting lithium ions are preferred.
金属カルコゲン化合物としては、バナジウム酸化物、モリブデン酸化物、マンガン酸化物、クロム酸化物、チタン酸化物、タングステン酸化物などの遷移金属酸化物;
バナジウム硫化物、モリブデン硫化物、チタン硫化物、CuSなどの遷移金属硫化物;
NiPS3、FePS3等の遷移金属のリン−硫黄化合物;
VSe2、NbSe3などの遷移金属のセレン化合物;
Fe0.25V0.75S2、Na0.1CrS2などの遷移金属の複合酸化物;
LiCoS2、LiNiS2などの遷移金属の複合硫化物等が挙げられる。
Examples of metal chalcogen compounds include transition metal oxides such as vanadium oxide, molybdenum oxide, manganese oxide, chromium oxide, titanium oxide, and tungsten oxide;
Transition metal sulfides such as vanadium sulfide, molybdenum sulfide, titanium sulfide, CuS;
Phosphorus-sulfur compounds of transition metals such as NiPS 3 and FePS 3 ;
Selenium compounds of transition metals such as VSe 2 and NbSe 3 ;
Complex oxides of transition metals such as Fe 0.25 V 0.75 S 2 , Na 0.1 CrS 2 ;
Examples thereof include composite sulfides of transition metals such as LiCoS 2 and LiNiS 2 .
中でも、リチウムイオンの吸蔵・放出の観点から、V2O5、V5O13、VO2、Cr2O5、MnO2、TiO2、MoV2O8、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、TiS2、V2S5、Cr0.25V0.75S2、Cr0.5V0.5S2などが好ましく、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4や、これらの遷移金属の一部を他の金属で置換したリチウム遷移金属複合酸化物が特に好ましい。 Among them, from the viewpoint of occlusion / release of lithium ions, V 2 O 5 , V 5 O 13 , VO 2 , Cr 2 O 5 , MnO 2 , TiO 2 , MoV 2 O 8 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , TiS 2 , V 2 S 5 , Cr 0.25 V 0.75 S 2 , Cr 0.5 V 0.5 S 2 and the like are preferable, and LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, and their transitions A lithium transition metal composite oxide in which a part of the metal is substituted with another metal is particularly preferable.
これらの正極活物質は、単独で用いても複数を混合して用いてもよい。 These positive electrode active materials may be used alone or in combination.
正極用のバインダは、特に限定されず、公知のものを任意に選択して用いることができる。例としては、シリケート、水ガラス等の無機化合物や、テフロン(登録商標)、ポリフッ化ビニリデン等の不飽和結合を有さない樹脂などが挙げられる。中でも好ましいのは、酸化反応時に分解しにくいため、不飽和結合を有さない樹脂である。 The binder for positive electrodes is not specifically limited, A well-known thing can be selected arbitrarily and can be used. Examples include inorganic compounds such as silicate and water glass, and resins having no unsaturated bond such as Teflon (registered trademark) and polyvinylidene fluoride. Among them, a resin having no unsaturated bond is preferable because it is difficult to decompose during the oxidation reaction.
バインダの重量平均分子量は、通常1万以上とすることができ、また、通常300万以下とすることができる。重量平均分子量は、好ましくは10万以上であり、また、好ましくは100万以下である。 The weight average molecular weight of the binder can usually be 10,000 or more, and can usually be 3 million or less. The weight average molecular weight is preferably 100,000 or more, and preferably 1,000,000 or less.
正極活物質層中には、正極の導電性を向上させるために、導電助剤を含有させてもよい。導電助剤は、特に限定されず、その例として、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末、各種の金属の繊維、粉末、箔などが挙げられる。 The positive electrode active material layer may contain a conductive additive in order to improve the conductivity of the positive electrode. The conductive auxiliary agent is not particularly limited, and examples thereof include carbon powders such as acetylene black, carbon black, and graphite, and various metal fibers, powders, and foils.
本発明において正極は、上述したような負極の製造方法と同様にして、活物質と、場合によりバインダ及び/又は導電助剤を分散媒に分散させてスラリーとし、これを集電体表面に塗布することにより形成することができる。正極の集電体は、特に限定されず、その例として、アルミニウム、ニッケル、ステンレススチール(SUS)などが挙げられる。 In the present invention, in the same manner as the above-described negative electrode manufacturing method, the positive electrode is dispersed in a dispersion medium with an active material and, optionally, a binder and / or a conductive auxiliary agent, and this is applied to the surface of the current collector. Can be formed. The current collector of the positive electrode is not particularly limited, and examples thereof include aluminum, nickel, stainless steel (SUS), and the like.
<電解質>
電解質(「電解液」と称することもある。)は、特に限定されず、非水系溶媒に電解質としてリチウム塩を溶解させた非水系電解液や、該非水系電解液に有機高分子化合物等を添加することによりゲル状、ゴム状、または固体シート状にしたものなどが挙げられる。
<Electrolyte>
The electrolyte (sometimes referred to as “electrolyte”) is not particularly limited, and a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt as an electrolyte in a non-aqueous solvent, or an organic polymer compound or the like is added to the non-aqueous electrolyte. By doing so, a gel-like, rubber-like, or solid sheet-like shape can be mentioned.
非水系電解液に使用される非水系溶媒は、特に限定されず、公知の非水系溶媒を用いることができる。 The non-aqueous solvent used for the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, and a known non-aqueous solvent can be used.
その例として、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;
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等の環状カーボネート類;
1,2−ジメトキシエタン等の鎖状エーテル類;
テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、1,3−ジオキソラン等の環状エーテル類;
ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等の鎖状エステル類;
γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類などが挙げられる。
Examples thereof include chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate;
Cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate;
Chain ethers such as 1,2-dimethoxyethane;
Cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, 1,3-dioxolane;
Chain esters such as methyl formate, methyl acetate and methyl propionate;
and cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone.
非水系溶媒は、単独でも、2種以上を併用してもよい。混合溶媒の場合は、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒の組み合わせが導電性と粘度のバランスから好ましく、環状カーボネートが、エチレンカーボネートであることが好ましい。 A non-aqueous solvent may be individual or may use 2 or more types together. In the case of a mixed solvent, a combination of a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate is preferable from the balance of conductivity and viscosity, and the cyclic carbonate is preferably ethylene carbonate.
非水系電解液に使用されるリチウム塩も特に制限されず、公知のリチウム塩を用いることができる。例えば、LiCl、LiBrなどのハロゲン化物;
LiClO4、LiBrO4、LiClO4などの過ハロゲン酸塩;
LiPF6、LiBF4、LiAsF6などの無機フッ化物塩などの無機リチウム塩;
LiCF3SO3、LiC4F9SO3などのパーフルオロアルカンスルホン酸塩;
Liトリフルオロメタンスルフォニルイミド((CF3SO2)2NLi)などのパーフルオロアルカンスルホン酸イミド塩などの含フッ素有機リチウム塩などが使用可能である。これらの中でもLiClO4、LiPF6、LiBF4が好ましい。
The lithium salt used in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, and a known lithium salt can be used. For example, halides such as LiCl and LiBr;
Perhalogenates such as LiClO 4 , LiBrO 4 , LiClO 4 ;
Inorganic lithium salts such as inorganic fluoride salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 ;
Perfluoroalkanesulfonates such as LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 ;
Fluorine-containing organic lithium salts such as perfluoroalkanesulfonic acid imide salts such as Li trifluoromethanesulfonylimide ((CF 3 SO 2 ) 2 NLi) can be used. Among these, LiClO 4 , LiPF 6 , and LiBF 4 are preferable.
リチウム塩は、単独で用いても、2種以上を併用してもよい。非水系電解液中におけるリチウム塩の濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下の範囲とすることができる。 A lithium salt may be used independently or may use 2 or more types together. The concentration of the lithium salt in the nonaqueous electrolytic solution can be in the range of 0.5 mol / L to 2.0 mol / L.
上述の非水系電解液に有機高分子化合物を含ませることで、ゲル状、ゴム状、或いは固体シート状にして使用する場合、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)、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン)等のポリマー共重合体などが挙げられる。
When the organic polymer compound is included in the non-aqueous electrolyte solution described above and used in the form of a gel, rubber, or solid sheet, specific examples of the organic polymer compound include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and the like. Polyether polymer compounds;
A crosslinked polymer of a polyether polymer compound;
Vinyl alcohol polymer compounds such as polyvinyl alcohol and polyvinyl butyral; insolubilized vinyl alcohol polymer compounds;
Polyepichlorohydrin;
Polyphosphazene;
Polysiloxane;
Vinyl polymer compounds such as polyvinylpyrrolidone, polyvinylidene carbonate, and polyacrylonitrile;
Examples thereof include polymer copolymers such as poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate), poly (ω-methoxyoligooxyethylene methacrylate-co-methyl methacrylate) and poly (hexafluoropropylene-vinylidene fluoride).
上述の非水系電解液は、さらに被膜形成剤を含んでいてもよい。
被膜形成剤の具体例としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチルカーボネート、メチルフェニルカーボネートなどのカーボネート化合物;
エチレンサルファイド、プロピレンサルファイドなどのアルケンサルファイド;
1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトンなどのスルトン化合物;
マレイン酸無水物、コハク酸無水物などの酸無水物などが挙げられる。
The non-aqueous electrolyte solution described above may further contain a film forming agent.
Specific examples of the film forming agent include carbonate compounds such as vinylene carbonate, vinyl ethyl carbonate, and methyl phenyl carbonate;
Alkene sulfides such as ethylene sulfide and propylene sulfide;
Sultone compounds such as 1,3-propane sultone and 1,4-butane sultone;
Examples of the acid anhydride include maleic acid anhydride and succinic acid anhydride.
非水系電解液にはさらに、ジフェニルエーテル、シクロヘキシルベンゼン等の過充電防止剤が添加されていてもよい。 Further, an overcharge inhibitor such as diphenyl ether or cyclohexylbenzene may be added to the non-aqueous electrolyte.
上記各種添加剤を用いる場合、初期不可逆容量の増加や低温特性、レート特性の低下等、他の電池特性に悪影響を及ぼさないようにするために、添加剤の総含有量は非水系電解液全体に対して通常10質量%以下とすることができ、中でも8質量%以下、さらには5質量%以下、特に2質量%以下の範囲が好ましい。 When using the above-mentioned various additives, the total content of the additives is the total amount of the non-aqueous electrolyte so as not to adversely affect other battery characteristics such as an increase in initial irreversible capacity, low temperature characteristics, and deterioration in rate characteristics. In general, it can be 10% by mass or less, in particular, 8% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and particularly preferably 2% by mass or less.
また、電解質として、リチウムイオン等のアルカリ金属カチオンの導電体である高分子固体電解質を用いることもできる。 Further, as the electrolyte, a polymer solid electrolyte which is a conductor of an alkali metal cation such as lithium ion can be used.
高分子固体電解質としては、前述のポリエーテル系高分子化合物にLi塩を溶解させたものや、ポリエーテルの末端水酸基がアルコキシドに置換されているポリマーなどが挙げられる。 Examples of the polymer solid electrolyte include those obtained by dissolving a Li salt in the aforementioned polyether polymer compound, and polymers in which the terminal hydroxyl group of the polyether is substituted with an alkoxide.
<その他>
正極と負極との間には、通常、電極間の短絡を防止するために、多孔膜や不織布などの多孔性のセパレータを介在させることができ、非水系電解液は、多孔性のセパレータに含浸させて用いることが便利である。セパレータの材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエーテルスルホンなどが用いられ、好ましくはポリオレフィンである。
<Others>
In order to prevent a short circuit between the electrodes, a porous separator such as a porous membrane or a nonwoven fabric can usually be interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte is impregnated into the porous separator. It is convenient to use it. As a material for the separator, polyolefin such as polyethylene and polypropylene, polyethersulfone, and the like are used, and polyolefin is preferable.
非水系二次電池の形態は特に限定されず、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ;
ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ;ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプ等が挙げられる。
The form of the non-aqueous secondary battery is not particularly limited, for example, a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are spiraled;
Examples include an inside-out structure cylinder type in which a pellet electrode and a separator are combined; a coin type in which a pellet electrode and a separator are stacked, and the like.
また、これらの形態の電池を任意の外装ケースに収めることにより、コイン型、円筒型、角型等の任意の形状及び大きさにして用いることができる。 Further, by storing batteries of these forms in an optional outer case, the battery can be used in an arbitrary shape and size such as a coin shape, a cylindrical shape, and a square shape.
非水系二次電池を組み立てる手順も特に限定されず、電池の構造に応じて適切な手順で組み立てることができる。例えば、外装ケース上に負極を乗せ、その上に電解液とセパレータを設け、さらに負極と対向するように正極を乗せて、ガスケット、封口板と共にかしめて電池にすることができる。 The procedure for assembling the non-aqueous secondary battery is not particularly limited, and can be assembled by an appropriate procedure according to the structure of the battery. For example, a negative electrode can be placed on an outer case, an electrolyte and a separator can be provided thereon, and a positive electrode can be placed so as to face the negative electrode, and can be caulked together with a gasket and a sealing plate to form a battery.
本発明の非水系二次電池負極用炭素材を用いることで、安定性に優れ、高出力、高容量で、不可逆容量が小さく、サイクル維持率に優れた非水系二次電池を提供することができる。 By using the carbon material for a non-aqueous secondary battery negative electrode of the present invention, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having excellent stability, high output, high capacity, small irreversible capacity, and excellent cycle retention. it can.
次に実施例により本発明の具体的態様を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Next, specific embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
<電極シートの作製>
実施例又は比較例の黒鉛質粒子を用い、活物質層密度1.50±0.03g/cm3の
活物質層を有する極板を作製した。具体的には、負極材50.00±0.02gに、1質量%カルボキシメチルセルロースナトリウム塩水溶液を50.00±0.02g(固形分換算で0.500g)、及び重量平均分子量27万のスチレン・ブタジエンゴム水性ディスパージョン1.00±0.05g(固形分換算で0.5g)を、キーエンス製ハイブリッドミキサーで5分間撹拌し、30秒脱泡してスラリーを得た。
<Production of electrode sheet>
An electrode plate having an active material layer with an active material layer density of 1.50 ± 0.03 g / cm 3 was prepared using the graphite particles of Examples or Comparative Examples. Specifically, 50.00 ± 0.02 g of negative electrode material, 50.00 ± 0.02 g of 1 mass% carboxymethylcellulose sodium salt aqueous solution (0.500 g in terms of solid content), and styrene having a weight average molecular weight of 270,000 -Aqueous dispersion of butadiene rubber 1.00 ± 0.05 g (0.5 g in terms of solid content) was stirred for 5 minutes with a hybrid mixer manufactured by Keyence and defoamed for 30 seconds to obtain a slurry.
このスラリーを、集電体である厚さ10μmの銅箔上に、負極材料が6.00±0.3mg/cm2または12.00±0.3mg/cm2付着するように、伊藤忠マシニング製小型ダイコーターを用いて幅10cmに塗布し、直径20cmのローラを用いてロールプレスして、活物質層の密度が1.50±0.03g/cm3になるよう調整し電極シート
を得た。
This slurry is made by ITOCHU Machining so that the negative electrode material adheres to 6.00 ± 0.3 mg / cm 2 or 12.00 ± 0.3 mg / cm 2 on a 10 μm thick copper foil as a current collector. Application to a width of 10 cm using a small die coater and roll press using a roller having a diameter of 20 cm to adjust the density of the active material layer to 1.50 ± 0.03 g / cm 3 to obtain an electrode sheet .
<非水系二次電池(2016コイン型電池)の作製>
上記方法で作製した負極材料が12.00±0.3mg/cm2付着した電極シートを
直径12.5mmの円盤状に打ち抜き、リチウム金属箔を直径14mmの円板状に打ち抜き対極とした。両極の間には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(容積比=3:7)に、LiPF6を1mol/Lになるように溶解させた電解液を
含浸させたセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、2016コイン型電池をそれぞれ作製した。
<Preparation of non-aqueous secondary battery (2016 coin type battery)>
The electrode sheet with 12.00 ± 0.3 mg / cm 2 of the negative electrode material produced by the above method was punched into a disk shape with a diameter of 12.5 mm, and a lithium metal foil was punched into a disk shape with a diameter of 14 mm as a counter electrode. Between the two electrodes, a separator (porous polyethylene film) impregnated with an electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved at 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (volume ratio = 3: 7). 2016 coin type batteries were prepared.
<非水系二次電池(ラミネート型電池)の作製方法>
上記方法で作製した負極材料が6.00±0.3mg/cm2付着した電極シートを4
cm×3cmに切り出し負極とし、NMCからなる正極を同面積で切り出し、負極と正極の間にはセパレータ(多孔性ポリエチレンフィルム製)を置き、組み合わせた。エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒(容積比=3:3:4)に、LiPF6を1.2mol/Lになるように溶解させた電解液を250μl注液してラミネート型電池を作製した。
<Production method of non-aqueous secondary battery (laminated battery)>
4 electrode sheets to which 6.00 ± 0.3 mg / cm 2 of the negative electrode material produced by the above method was adhered
A positive electrode made of NMC was cut out with the same area as a negative electrode cut out in cm × 3 cm, and a separator (made of a porous polyethylene film) was placed between the negative electrode and the positive electrode for combination. A laminate type battery was prepared by injecting 250 μl of an electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, and dimethyl carbonate (volume ratio = 3: 3: 4) so as to be 1.2 mol / L. Was made.
<初期放電容量の測定方法>
上述の方法で作製した非水系二次電池(2016コイン型電池)を用いて、下記の測定方法で電池充放電時の容量を測定した。
0.04Cの電流密度でリチウム対極に対して5mV
まで充電し、さらに5mVの一定電圧で電流密度が0.005Cになるまで充電し、負極中にリチウムをドープした後、0.08Cの電流密度でリチウム対極に対して1.5Vまで放電を行った。引き続き同電流密度で2回目の充放電を行い、この2サイクル目の放電容量を本材料の初期放電容量とした。
<Measurement method of initial discharge capacity>
Using the non-aqueous secondary battery (2016 coin-type battery) produced by the above method, the capacity during battery charging / discharging was measured by the following measurement method.
5 mV to the lithium counter electrode at a current density of 0.04C
Then, the battery is charged at a constant voltage of 5 mV until the current density becomes 0.005 C, doped with lithium in the negative electrode, and then discharged to 1.5 V with respect to the lithium counter electrode at a current density of 0.08 C. It was. Subsequently, the second charge and discharge was performed at the same current density, and the discharge capacity at the second cycle was defined as the initial discharge capacity of the material.
<低温出力特性>
上記非水電解液二次電池の作製法により作製したラミネート型非水電解液二次電池を用
いて、下記の測定方法で低温出力特性を測定した。
<Low temperature output characteristics>
Using the laminate type non-aqueous electrolyte secondary battery produced by the method for producing the non-aqueous electrolyte secondary battery, low temperature output characteristics were measured by the following measuring method.
充放電サイクルを経ていない非水電解液二次電池に対して、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3サイクル、電圧範囲4.2V〜3.0V、電流値0.2Cにて(充電時には4.2Vにて定電圧充電をさらに2.5時間実施)2サイクル、初期充放電を行った。 For non-aqueous electrolyte secondary batteries that have not undergone charge / discharge cycles, a voltage range of 4.1 V to 3.0 V at 25 ° C., a current value of 0.2 C (the rated capacity with a discharge capacity of 1 hour rate is discharged in 1 hour) 3C for the current value to be 1C, the same applies hereinafter), voltage range of 4.2V to 3.0V, current value of 0.2C (at the time of charging 4.2V constant voltage charging for another 2.5 hours) Implementation) Initial charge and discharge was performed for 2 cycles.
さらに、SOC50%まで電流値0.2Cで充電を行った後、−30℃の低温環境下で、1/8C、1/4C、1/2C、1.5C、2Cの各電流値で2秒間定電流放電させ、各々の条件の放電における2秒後の電池電圧の降下を測定し、それらの測定値から充電上限電圧を3Vとした際に、2秒間に流すことのできる電流値Iを算出し、3×I(W)という式で計算される値をそれぞれの電池の低温出力特性とした。 Furthermore, after charging at a current value of 0.2 C to SOC 50%, in a low temperature environment of −30 ° C., each current value of 1/8 C, 1/4 C, 1/2 C, 1.5 C, 2 C is 2 seconds. Measure the drop in battery voltage after 2 seconds of discharge under each condition, and calculate the current value I that can flow for 2 seconds when the upper limit of charge voltage is 3V. The value calculated by the formula 3 × I (W) was used as the low temperature output characteristic of each battery.
実施例において、製造した負極材の物性は以下の方法により測定した。また、造粒剤の粘度、接触角、表面張力、rcоsθは、それぞれ明細書中に記載の方法により測定した。 In the examples, the physical properties of the manufactured negative electrode material were measured by the following methods. Further, the viscosity, contact angle, surface tension, and rc ssθ of the granulating agent were measured by the methods described in the specification.
<平均粒径d50;d50>
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(ツィーン20(登録商標))の0.2質量%水溶液10mLに、炭素材0.01gを懸濁させ、これを測定サンプルとして市販のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(例えばHORIBA製LA−920)に導入し、測定サンプルに28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、前記測定装置において体積基準のメジアン径として測定した。
<Average particle diameter d50; d50>
A carbon material (0.01 g) is suspended in 10 mL of a 0.2% by mass aqueous solution of polyoxyethylene sorbitan monolaurate (Tween 20 (registered trademark)), which is a surfactant, and this is used as a measurement sample. The sample was introduced into a scattering type particle size distribution measuring apparatus (for example, LA-920 manufactured by HORIBA), and the measurement sample was irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute, and then measured as a volume-based median diameter in the measuring apparatus.
<平均粒径d90;d90>
体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積90%に相当する粒径として測定した。
<Average particle diameter d90; d90>
The particle size measured on a volume basis was measured as the particle size corresponding to 90% cumulative from the small particle side.
<平均粒径d10;d10>
体積基準で測定した粒径の、小さい粒子側から累積10%に相当する粒径として測定した。
<Average particle diameter d10; d10>
The particle size measured on a volume basis was measured as the particle size corresponding to 10% cumulative from the small particle side.
<タップ密度>
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の篩を通して本発明の炭素材を落下させて、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質量から求めた密度として定義した。
<Tap density>
The carbon material of the present invention was dropped into a cylindrical tap cell having a diameter of 1.6 cm and a volume capacity of 20 cm 3 using a powder density measuring instrument through a sieve having an opening of 300 μm and filled into the cell, and then the stroke length was 10 mm. Was defined as the density obtained from the volume at that time and the mass of the sample.
<BET法により測定した比表面積;SA(X)>
表面積計(マイクロメリティクス社製トライスターII3020)を用い、炭素材試料に対して窒素流通下350℃で60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BET多点法によって測定した。
<Specific surface area measured by BET method; SA (X)>
Using a surface area meter (Tristar II3020 manufactured by Micromeritics), the carbon material sample was preliminarily dried at 350 ° C. for 60 minutes under a nitrogen flow, and then the value of the relative pressure of nitrogen with respect to atmospheric pressure was 0.3. Measurement was performed by a nitrogen adsorption BET multipoint method using a gas flow method, using a nitrogen-helium mixed gas that was accurately adjusted.
<真密度>
真密度測定器(セイシン企業社製オート・トゥルーデンサーMAT−7000)を用い、液相置換法により炭素材試料の真密度を測定した。
<True density>
The true density of the carbon material sample was measured by a liquid phase replacement method using a true density measuring device (Auto Truedenser MAT-7000 manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.).
(実施例1)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を粉砕ローターとライナーを有する機械式粉砕機により粉砕し、d50が30μm、水分量0.03質量%の鱗片状天然黒鉛を得た。得られた鱗片状天然黒鉛100gに造粒剤としてパラフィン系オイル(流動パラフィン、和光純薬工業社製、一級、25℃における物性:粘度=95cP、接触角=13.2°、表面
張力=31.7mN/m、rcоsθ=30.9)を6g添加して撹拌混合した後、得られたサンプルをハンマーミル(IKA社製MF10)で回転数3000rpmにて解砕混合し、造粒剤が均一に添着した鱗片状天然黒鉛を得た。得られた造粒剤が均一に添着した鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、球形化処理中に生成する微粉を母材に付着、及び球形化粒子に内包させながら、ローター周速度85m/秒で10分間の機械的作用による球形化処理を行い、d50が19.4μmの球形化天然黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.03であることが確認された。前記測定法でd50、d90、d10、SA、Tap、初期放電容量、低温出力特性を測定した。結果を表1に示す。
Example 1
The flaky natural graphite having a d50 of 100 μm was pulverized by a mechanical pulverizer having a pulverizing rotor and a liner to obtain flaky natural graphite having a d50 of 30 μm and a water content of 0.03 mass%. Paraffinic oil (liquid paraffin, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., first grade, physical properties at 25 ° C .: viscosity = 95 cP, contact angle = 13.2 °, surface tension = 31 to 100 g of the obtained scaly natural graphite After adding 6 g of 7 mN / m, rcos θ = 30.9) and stirring and mixing, the obtained sample was pulverized and mixed at a rotation speed of 3000 rpm with a hammer mill (MF10 manufactured by IKA), and the granulating agent was uniform. A scaly natural graphite adhering to was obtained. The obtained flaky natural graphite uniformly attached with the granulating agent is adhered to the base material by the fine powder produced during the spheroidizing treatment by the hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. While being encapsulated, a spheronization treatment was performed by mechanical action for 10 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec to obtain spheroidized natural graphite having a d50 of 19.4 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of the spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.03. Was confirmed. D50, d90, d10, SA, Tap, initial discharge capacity, and low-temperature output characteristics were measured by the above measurement methods. The results are shown in Table 1.
(実施例2)
実施例1で得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.042であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Example 2)
By mixing the spheroidized natural graphite obtained in Example 1 and coal tar pitch as an amorphous carbon precursor and subjecting it to 1300 ° C. heat treatment in an inert gas, the fired product is crushed and classified. Thus, a multi-layer structure carbon material in which graphite particles and amorphous carbon were combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.042. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(実施例3)
実施例1で得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.05であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
Example 3
By mixing the spheroidized natural graphite obtained in Example 1 and coal tar pitch as an amorphous carbon precursor and subjecting it to 1300 ° C. heat treatment in an inert gas, the fired product is crushed and classified. Thus, a multi-layer structure carbon material in which graphite particles and amorphous carbon were combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.05. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(実施例4)
実施例1で得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.065であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
Example 4
By mixing the spheroidized natural graphite obtained in Example 1 and coal tar pitch as an amorphous carbon precursor and subjecting it to 1300 ° C. heat treatment in an inert gas, the fired product is crushed and classified. Thus, a multi-layer structure carbon material in which graphite particles and amorphous carbon were combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.065. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(実施例5)
実施例1で得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.10であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Example 5)
By mixing the spheroidized natural graphite obtained in Example 1 and coal tar pitch as an amorphous carbon precursor and subjecting it to 1300 ° C. heat treatment in an inert gas, the fired product is crushed and classified. Thus, a multi-layer structure carbon material in which graphite particles and amorphous carbon were combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer structure carbon material is 1: 0.10. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(実施例6)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を粉砕ローターとライナーを有する機械式粉砕機により粉砕し、d50が6μm、水分量0.08質量%の鱗片状天然黒鉛を得た。得られた鱗片状天然黒鉛100gに造粒剤としてパラフィン系オイル(流動パラフィン、和光純薬工業社製、一級、25℃における物性:粘度=95cP、接触角=13.2°、表面張
力=31.7mN/m、rcоsθ=30.9)を12g添加して撹拌混合した後、得られたサンプルをハンマーミル(IKA社製MF10)で回転数3000rpmにて解砕混合し、造粒剤が均一に添着した鱗片状天然黒鉛を得た。得られた造粒剤が均一に添着した鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、球形化処理中に生成する微粉を母材に付着、及び球形化粒子に内包させながら、ローター周速度85m/秒で10分間の機械的作用による球形化処理を行い、d50が9.2μmの球形化天然黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.065であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Example 6)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was pulverized by a mechanical pulverizer having a pulverizing rotor and a liner to obtain scaly natural graphite having a d50 of 6 μm and a water content of 0.08% by mass. Paraffinic oil (liquid paraffin, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., first grade, physical properties at 25 ° C .: viscosity = 95 cP, contact angle = 13.2 °, surface tension = 31 to 100 g of the obtained scaly natural graphite 0.7 mN / m, rc оsθ = 30.9) was added and stirred and mixed, and then the resulting sample was pulverized and mixed with a hammer mill (MF10 made by IKA) at a rotation speed of 3000 rpm, and the granulating agent was uniform. A scaly natural graphite adhering to was obtained. The obtained flaky natural graphite uniformly attached with the granulating agent is adhered to the base material by the fine powder produced during the spheroidizing treatment by the hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. While being encapsulated, spheroidizing treatment was performed by mechanical action for 10 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec to obtain spheroidized natural graphite having a d50 of 9.2 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.065. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(実施例7)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を粉砕ローターとライナーを有する機械式粉砕機により粉砕し、d50が6μm、水分量0.08質量%の鱗片状天然黒鉛を得た。得られた鱗片状天然黒鉛100gに造粒剤としてパラフィン系オイル(流動パラフィン、和光純薬工業社製、一級、25℃における物性:粘度=95cP、接触角=13.2°、表面張
力=31.7mN/m、rcоsθ=30.9)を12g添加して撹拌混合した後、得られたサンプルをハンマーミル(IKA社製MF10)で回転数3000rpmにて解砕混合し、造粒剤が均一に添着した鱗片状天然黒鉛を得た。得られた造粒剤が均一に添着した鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、球形化処理中に生成する微粉を母材に付着、及び球形化粒子に内包させながら、ローター周速度85m/秒で10分間の機械的作用による球形化処理を行い、d50が9.2μmの球形化天然黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.1であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Example 7)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was pulverized by a mechanical pulverizer having a pulverizing rotor and a liner to obtain scaly natural graphite having a d50 of 6 μm and a water content of 0.08% by mass. Paraffinic oil (liquid paraffin, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., first grade, physical properties at 25 ° C .: viscosity = 95 cP, contact angle = 13.2 °, surface tension = 31 to 100 g of the obtained scaly natural graphite 0.7 mN / m, rc оsθ = 30.9) was added and stirred and mixed, and then the resulting sample was pulverized and mixed with a hammer mill (MF10 made by IKA) at a rotation speed of 3000 rpm, and the granulating agent was uniform. A scaly natural graphite adhering to was obtained. The obtained flaky natural graphite uniformly attached with the granulating agent is adhered to the base material by the fine powder produced during the spheroidizing treatment by the hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. While being encapsulated, spheroidizing treatment was performed by mechanical action for 10 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec to obtain spheroidized natural graphite having a d50 of 9.2 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.1. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(比較例1)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、ローター周速度85m/秒で10分間の機械的作用による球形化処理を行った。得られたサンプルには母材に付着、及び内包されていない状態の鱗片黒鉛や球形化処理中に生成する鱗片黒鉛状微粉が多く存在していることが確認された。このサンプルを分級により上記鱗片黒鉛状微粉を除去し、d50が10.8μmの球形化黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.02であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was spheroidized by a mechanical action for 10 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec using a hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. In the obtained sample, it was confirmed that a lot of flaky graphite adhering to the base material and not encapsulated and flaky graphite-like fine powder generated during the spheronization treatment were present. The scale graphite fine powder was removed from this sample by classification to obtain spheroidized graphite having a d50 of 10.8 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.02. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(比較例2)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、ローター周速度85m/秒で10分間の機械的作用による球形化処理を行った。得られたサンプルには母材に付着、及び内包されていない状態の鱗片黒鉛や球形化処理中に生成する鱗片黒鉛状微粉が多く存在していることが確認された。このサンプルを分級により上記鱗片黒鉛状微粉を除去し、d50が10.8μmの球形化黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.04であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was spheroidized by a mechanical action for 10 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec using a hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. In the obtained sample, it was confirmed that a lot of flaky graphite adhering to the base material and not encapsulated and flaky graphite-like fine powder generated during the spheronization treatment were present. The scale graphite fine powder was removed from this sample by classification to obtain spheroidized graphite having a d50 of 10.8 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.04. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(比較例3)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、ローター周速度85m/秒で3分間の機械的作用による球形化処理を行った。得られたサンプルには母材に付着、及び内包されていない状態の鱗片黒鉛や球形化処理中に生成する鱗片黒鉛状微粉が多く存在していることが確認された。このサンプルを分級により上記鱗片黒鉛状微粉を除去し、d50が15.7μmの球形化黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.015であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was spheroidized by a mechanical action for 3 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec using a hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. In the obtained sample, it was confirmed that a lot of flaky graphite adhering to the base material and not encapsulated and flaky graphite-like fine powder generated during the spheronization treatment were present. The scale graphite fine powder was removed from this sample by classification to obtain spheroidized graphite having a d50 of 15.7 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of the spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.015. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(比較例4)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、ローター周速度85m/秒で3分間の機械的作用による球形化処理を行った。得られたサンプルには母材に付着、及び内包されていない状態の鱗片黒鉛や球形化処理中に生成する鱗片黒鉛状微粉が多く存在していることが確認された。このサンプルを分級により上記鱗片黒鉛状微粉を除去し、d50が15.7μmの球形化黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.04であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Comparative Example 4)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was spheroidized by a mechanical action for 3 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec using a hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. In the obtained sample, it was confirmed that a lot of flaky graphite adhering to the base material and not encapsulated and flaky graphite-like fine powder generated during the spheronization treatment were present. The scale graphite fine powder was removed from this sample by classification to obtain spheroidized graphite having a d50 of 15.7 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.04. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(比較例5)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、ローター周速度85m/秒で10分間の機械的作用による球形化処理を行った。得られたサンプルには母材に付着、及び内包されていない状態の鱗片黒鉛や球形化処理中に生成する鱗片黒鉛状微粉が多く存在していることが確認された。このサンプルを分級により上記鱗片黒鉛状微粉を除去し、d50が10.8μmの球形化黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.013であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Comparative Example 5)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was spheroidized by a mechanical action for 10 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec using a hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. In the obtained sample, it was confirmed that a lot of flaky graphite adhering to the base material and not encapsulated and flaky graphite-like fine powder generated during the spheronization treatment were present. The scale graphite fine powder was removed from this sample by classification to obtain spheroidized graphite having a d50 of 10.8 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of the spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.013. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
(比較例6)
d50が100μmの鱗片状天然黒鉛を、奈良機械製作所製ハイブリダイゼーションシステムNHS−1型にて、ローター周速度85m/秒で3分間の機械的作用による球形化処理を行った。得られたサンプルには母材に付着、及び内包されていない状態の鱗片黒鉛や球形化処理中に生成する鱗片黒鉛状微粉が多く存在していることが確認された。このサンプルを分級により上記鱗片黒鉛状微粉を除去し、d50が19.5μmの球形化黒鉛を得た。得られた球形化天然黒鉛と非晶質炭素前駆体としてコールタールピッチを混合し、不活性ガス中で1300℃熱処理を施した後、焼成物を解砕・分級処理することにより、黒鉛粒子と非晶質炭素とが複合化した複層構造炭素材を得た。焼成収率から、得られた複層構造炭素材において、球形化黒鉛質粒子と非晶質炭素との質量比率(球形化黒鉛質粒子:非晶質炭素)は1:0.075であることが確認された。実施例1同様の測定を行った結果を表1に示す。
(Comparative Example 6)
The scaly natural graphite having a d50 of 100 μm was spheroidized by a mechanical action for 3 minutes at a rotor peripheral speed of 85 m / sec using a hybridization system NHS-1 manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. In the obtained sample, it was confirmed that a lot of flaky graphite adhering to the base material and not encapsulated and flaky graphite-like fine powder generated during the spheronization treatment were present. The scale graphite fine powder was removed from the sample by classification to obtain spheroidized graphite having a d50 of 19.5 μm. The obtained spheroidized natural graphite and a coal tar pitch as an amorphous carbon precursor are mixed, subjected to heat treatment at 1300 ° C. in an inert gas, and then the fired product is crushed and classified to obtain graphite particles. A multi-layer carbon material in which amorphous carbon was combined was obtained. From the firing yield, the mass ratio of spheroidized graphite particles and amorphous carbon (spheroidized graphite particles: amorphous carbon) in the obtained multilayer carbon material is 1: 0.075. Was confirmed. Table 1 shows the results of the same measurement as in Example 1.
実施例1〜7は、規定粒度へ調整した鱗片状天然黒鉛に、球形化処理中に生成する微粉を母材に付着、及び/又は球形化粒子に内包しながら球形化処理することにより、上記式(1)を満足することが出来たため、高容量且つ優れた低温出力特性を示した。 In Examples 1 to 7, the flaky natural graphite adjusted to the specified particle size is subjected to spheronization treatment while adhering fine powder generated during spheronization treatment to the base material and / or encapsulating in spheroidized particles. Since the formula (1) could be satisfied, the high capacity and excellent low temperature output characteristics were exhibited.
本発明の炭素材は、それを非水系二次電池負極用の活物質として用いることにより、容量且つ、優れた入出力特性、高温保存特性、サイクル特性な非水系二次電池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。 By using the carbon material of the present invention as an active material for a non-aqueous secondary battery negative electrode, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having excellent capacity, input / output characteristics, high-temperature storage characteristics, and cycle characteristics. it can. Moreover, according to the manufacturing method of the said material, since there are few processes, it can manufacture stably and efficiently and cheaply.
Claims (6)
下記式(1)の関係を満足することを特徴とする非水系二次電池用炭素材。
(式1)
Y−0.01X ≦ α (1)
(Y=真密度(g/cm3)、X=BET法により測定した炭素材の比表面積(SA)(m2/g)、α=2.20) A carbon material for a non-aqueous secondary battery capable of occluding and releasing lithium ions, the carbon material containing a carbonaceous material on the particle surface,
A carbon material for a nonaqueous secondary battery, characterized by satisfying the relationship of the following formula (1).
(Formula 1)
Y-0.01X ≦ α (1)
(Y = true density (g / cm 3 ), X = specific surface area (SA) of carbon material measured by BET method (m 2 / g), α = 2.20)
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