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JP4554795B2 - Carbon material for negative electrode of lithium ion secondary battery and method for producing the same - Google Patents

Carbon material for negative electrode of lithium ion secondary battery and method for producing the same Download PDF

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JP4554795B2
JP4554795B2 JP2000298723A JP2000298723A JP4554795B2 JP 4554795 B2 JP4554795 B2 JP 4554795B2 JP 2000298723 A JP2000298723 A JP 2000298723A JP 2000298723 A JP2000298723 A JP 2000298723A JP 4554795 B2 JP4554795 B2 JP 4554795B2
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lithium ion
carbon material
secondary battery
ion secondary
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真樹子 井尻
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高放電容量で、高い初期充放電効率を示すリチウムイオン二次電池負極用炭素材料およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化あるいは高性能化に伴い、電池の高エネルギー密度化に対する要望はますます高まっている。このような情況のなか、負極にリチウムを利用したリチウム二次電池は、理論的に、エネルギー密度が高く高電圧化、長いサイクル寿命が可能であるだけでなく、環境汚染の面からも現在の主流であるニッケル・カドミウム電池に代わる次世代二次電池として注目を浴びている。
特にそのまま負極に用いると、デンドライト析出によるサイクル寿命低下、安全性低下の課題があったリチウム金属に代わり、リチウムイオンを挿入(吸蔵)・離脱(放出)する能力を有し、リチウム金属の析出を防止しうる炭素材料が安定した負極材料となりうることが発見されて以来、リチウムイオン二次電池の実用化が可能となっている。
【0003】
リチウムイオン二次電池は、通常、正・負極用各材料として、それぞれリチウムイオンの担持体として機能する酸化還元電位の異なる二種類の層間化合物で構成され、充放電過程における非水溶媒の出入は層間で行われる。炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池での負極におけるリチウムイオンの挿入・離脱機構そのものは現在のところ充分に解明されているとはいえないが、炭素材料に関する多くの提案がなされている。
このうちでも充放電特性に優れ、高い放電容量と電位平坦性とを示す黒鉛が有望視されている(特公昭62−23433号など)。とくに近年、メソフェーズカーボン小球体(メソカーボンマイクロビーズ)を2000℃以上で高温処理した黒鉛系炭素材料は、リチウムイオン二次電池の負極に適していることが提案されている(特開平4−115458号、特開平4−188559号、特開平4−190557号、特開平4−332484号など)。これは、メソフェーズカーボン小球体が数〜数十μmの微小球体であり、リチウムイオンの挿入・離脱サイトが多く、また電極充填率を大きくとれることに加え、高温加熱により適度な黒鉛構造あるいは黒鉛類似構造を持つことに起因すると考えられている。
【0004】
黒鉛の電池特性は、黒鉛層間化合物との類似性から黒鉛構造との関連性がいわれているが、電解質あるいは溶媒などの電池要素によって最適な黒鉛構造は異なるとされ、リチウムイオン二次電池の負極として良い性能を与える炭素材料として種々の黒鉛構造が提案されている。たとえば炭素のX線回折におけるC軸方向の結晶格子の厚み(Lc)が200Å(20nm)であって、かつA軸方向の結晶格子の厚み(La)との比Lc/Laが1.3以上である炭素材料(特開平4−190556号)、格子面間隔(d002 )が3.45Å(0.345nm)であって、かつLcが300Å(30nm)以上である炭素材料(特開平4−188559号)、d002 が3.35〜3.40Å(0.335〜0.340nm)であって、かつLcおよびLaが200Å(20nm)以上であり、かつ真密度が2.00〜2.25g/cm3 である炭素材料(特開平4−188559号)などが提案されている。
【0005】
上記のような黒鉛化メソフェーズカーボン小球体は、ピッチ類を熱処理した際に350〜450℃付近で析出する巨大芳香族性高分子の光学的異方性中間相(球晶)をピッチマトリックスから分離し、これを高温加熱(黒鉛化)して得られるが、ピッチマトリックスから分離した球晶をそのまま高温に加熱すると強固に融着した塊状物で得られる。これを電池用負極材料として使用するには、塊状の加熱融着物を解砕または粉砕して粉末状にする必要があるが、この融着物の解砕または粉砕は容易ではない。
【0006】
このためたとえばピッチマトリックスから分離した球晶を高温に加熱するに先だって、350℃程度の低温で一次焼成(仮焼)を加えるなどして黒鉛化時の融着を防止することが提案されている。また加熱時の融着防止のため、ピッチマトリックスから球晶を分離する際には、ベンゼン、キノリンなどの抽出溶剤を用いて、融着炭素化するピッチ分を5質量%以下に除去しておくことが好ましいことも提案されている(特開平7−169458号)。
【0007】
上記公報の方法によれば、メソフェーズカーボン小球体に黒鉛化処理を行ってもほとんど融着することなくリチウムイオン二次電池の負極として使用可能な粒径で得ることができ、当初の粒径を得るために必ずしも解砕または粉砕を必要としないが、粉砕または解砕は容易に行うことができ、また一次焼成後および/または黒鉛化後に粉砕または解砕処理を加えれば歩留まりを上げることもできる。
またリチウムイオン二次電池の容量増大には、負極炭素材料の充填率の寄与は大きく、このために粒度調整として商業的実施では、通常解砕または粉砕が行われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
一方、黒鉛を負極材料としたリチウムイオン二次電池は、第1サイクルにおける不可逆な容量(以下「不可逆容量」ともいう)の増加が著しく、初回の放電時に数十から数百mAh/gレベルの放電容量ロスを示す。すなわち初期充放電効率が低いという問題がある。この原因のすべてが明らかになってはいないが、その一つには、黒鉛が電解液に対して活性であることが挙げられ、具体的には黒鉛表面での溶媒あるいは支持電解質の分解が報告されている。この分解反応は、分解生成物が黒鉛(炭素)表面に堆積・成長し、電子が黒鉛表面から溶媒等に直接移動できない程度の厚さとなるまで継続する。また溶媒分子とリチウムイオンとがコインターカレートして黒鉛表面層が剥げ落ち、新たに露出した黒鉛表面が電解液と反応することにより不可逆容量が大きくなる場合がある(初期充放電効率が低い)ことも報告されている(ジャーナルオブエレクトロケミカルソサイアティー、vol.137, 2009 (1990))。
【0009】
本発明は、上記のような情況に鑑みて、第1サイクルでの不可逆容量が有効的に低減され、高い初期充放電効率が得られるとともに、高放電容量のリチウムイオン二次電池が得られる負極用炭素材料、このような炭素材料の製造方法およびリチウムイオン二次電池を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意検討したところ、粒径の揃った黒鉛粒子を高い歩留まりで得るために一次焼成後または黒鉛化処理後に行っている解砕または粉砕処理をいずれも行わず、一次焼成、黒鉛化時に形成された溶融表面層を有する粒子のみをリチウムイオン二次電池負極の炭素材料として用いると、初期充放電効率を格段に向上させることができることを見出した。
すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料は、不活性雰囲気下、400〜600℃での一次焼成に次いで2000℃以上での高温加熱が加えられ、粉砕または解砕が行われないメソフェーズカーボン小球体の単体および/またはその凝集体からなる実質的に単一層の粉末状炭素材料であって、前記一次焼成および高温加熱過程に形成された溶融表面層をそのまま有する。
【0011】
上記リチウムイオン二次電池負極用炭素材料の最大粒径は150μmよりも小さいことが好ましい。
また粒径3μm以下の微粉末は含まないことが望ましい。
【0012】
本発明に係るリチウムイオン二次電池負極用炭素材料の製造方法では、ピッチ類の熱処理により生成したメソフェーズカーボン小球体を、ピッチマトリックスから分離した後、不活性雰囲気下、400〜600℃で一次焼成し、得られた焼成品を粉砕または解砕を行わずに分級して粗粒子および塊状物を除去した後、2000℃以上で高温加熱し、高温加熱過程で形成された溶融表面層をそのまま残す
【0013】
上記焼成品の分級は、200メッシュ篩により行うことができる。
さらに風力分級より粒径3μm以下の微粉末を除去することが望ましい。
【0014】
上記において、メソフェーズカーボン小球体のキノリン可溶分が20質量%以下となるように有機溶剤を用いてピッチマトリックスから分離・洗浄することが望ましい。またこれにより分離されたメソフェーズカーボン小球体のトルエン可溶分は10質量%以下であることが望ましい。
【0015】
これにより上記した本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料を得ることができる。
本発明では、該炭素材料から形成される負極を用いたリチウムイオン二次電池も提供される。リチウムイオン二次電池は、通常、上記負極とともに正極および非水電解質を備えてなる。
【0016】
なお黒鉛粒子同士が融着・凝集した材料の粉砕により露出した黒鉛粒子の表面に被覆を形成してリチウムイオン二次電池の負極に用いることは提案されており、たとえば特開平11−310405号には、芯材炭素材料(黒鉛)表面に、被覆形成用炭素材料からなる表面層を形成し、芯材結晶のエッジ部分の一部または全部を被覆形成用炭素材料により被覆した二層構造の炭素材料が提案されている。このように黒鉛表面に形成された被覆層は、使用中に剥がれ落ちるおそれがある。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより具体的に説明する。
上記したようにリチウムイオン二次電池は、通常、負極、正極および非水電解質を主たる電池構成要素とし、正・負極はそれぞれリチウムイオンの担持体からなり、充放電過程における非水溶媒の出入は層間で行われる。本質的に、充電時にはリチウムイオンが負極中にドープされ、放電時には負極から脱ドープする電池機構である。
本発明では、このようなリチウムイオン二次電池の負極用材料として、以下のような特定の炭素材料が提供される。すなわち本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料は、350〜900℃での一次焼成に次いで2000℃以上での高温加熱が加えられたメソフェーズカーボン小球体の単体および/またはその凝集体からなる実質的に単一層の粉末状炭素材料であって、前記一次焼成および高温加熱過程に形成された溶融表面層をそのまま有する。
【0018】
メソフェーズカーボン小球体は、表面にピッチマトリックス成分などの低融点成分が残存しているので、一次焼成で該成分の溶融が生じ、黒鉛化される。本発明の炭素材料は、このように溶融した後に黒鉛化された表面を有している。本発明では、この低融点成分が溶融した後に黒鉛化された表面を溶融表面層と称す。
本発明の炭素材料は、本質的にエッジが露出しておらず、溶融表面層をそのまま有したものである。
本発明で実質的に単一層を有するとは、最終的に2000℃以上での高温加熱を受けた融着層として粒子内部と一体的に形成された表面層は有するが、炭素材料を黒鉛化した後に形成した被覆層、あるいは黒鉛粒子を解砕または粉砕した後に形成した被覆層は有さないことを意味する。このような溶融表面層は剥がれ落ちるおそれがない。
【0019】
前記したようにリチウムイオン二次電池の負極材料として使用される黒鉛化したメソフェーズカーボン小球体は、通常、製造過程のいずれかで解砕または粉砕工程加えた製品であり、これにより少なくとも一部は内部が露出しているが、一次焼成、黒鉛化時に形成された溶融表面層を有する黒鉛化炭素材料のみからなる粒子をリチウムイオン二次電池の負極用材料として使用すれば、通常の解砕または粉砕品を含む製品に比べ、初期充放電効率が格段に改善されることは知られていない。
【0020】
上記炭素材料は、X線回折における格子面間隔d002 が0.34nm以下で、真比重が2.2以上の黒鉛質材料が好ましい。ここで、格子面間隔d002 とは、X線としてCuKα線を用い、高純度シリコンを標準物質とするX線回折法〔大谷杉郎、炭素繊維、P733−742(1986)近代編集社〕によって測定された値を意味する。
【0021】
本発明のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料は、充填率の面から、最大粒径が150μmよりも小さいことが好ましく、さらには108μm以下が好ましい。
また粒径3μm以下の微粉末は含まないことが望ましい。
通常、平均粒径3μm超108μm以下程度のものが好ましく使用される。
【0022】
上記のようなリチウムイオン二次電池負極用炭素材料は、以下のような方法により製造することができる。
本発明に係るリチウムイオン二次電池負極用炭素材料の製造方法では、ピッチ類の熱処理により生成したメソフェーズカーボン小球体を、ピッチマトリックスから分離した後、350〜900℃で一次焼成し、得られた焼成品を分級して粗粒子および塊状物を除去した後、2000℃以上で高温加熱する。
【0023】
上記メソフェーズカーボン小球体は、石油ピッチ、コールタールピッチなどの石油、石炭系ピッチ類を熱処理した際に350〜450℃付近でピッチ中に生成した巨大芳香族性高分子がピッチマトリックス中に析出した中間相(球晶)をピッチマトリックスから分離した粒径が数〜数十μmの微小球体である。
【0024】
上記において、メソフェーズカーボン小球体のキノリン可溶分(QS)が20質量%以下、好ましくは10質量%以下となるように有機溶剤を用いてピッチマトリックスから分離・洗浄することが望ましい。
またこれにより分離されたメソフェーズカーボン小球体のトルエン可溶分(TS)は10質量%以下、さらには5質量%以下であることが望ましい。
この際有機溶剤としては、ベンゼン、トルエン、キノリン、タール中油、タール重油などを用いることができる。これらの二種以上を併用することもできる。
【0025】
ピッチマトリックスから分離されたメソフェーズカーボン小球体は、不活性雰囲気の流動下で400〜600℃に加熱し、一次焼成(仮焼)される。この焼成品を分級して粗粒子および塊状物を除去するには、篩、風力分級等、一般的な分級方法を採用することができる。分級は、粉砕、解砕がなされないような条件で行われる。具体的には、200メッシュ篩により行うことができる。
また、必要に応じて微粉も除去し、最小粒子径の調整を行う。風力分級より粒径3μm以下の微粉末を除去することが好ましい。
一次焼成の温度が400℃未満では、次工程の高温加熱で融着しやすく、600℃超では一次焼成で融着しやすい。
【0026】
粗粒子および塊状物が除去された仮焼品は、次いで2000℃以上、好ましくは2500℃以上さらに好ましくは2500〜3200℃で高温加熱(黒鉛化)される。この黒鉛化処理後に、上記のような分級による粗粒子および塊状物の除去処理を行ってもよい。2000℃未満では黒鉛化が十分に進まないため、放電容量が小さくなる。
【0027】
本発明では、上記いずれの過程でも粒径は、分級により調整し、粉砕または解砕は行わない。このため粉砕または解砕を含む方法に比べ、最終的な製品としての歩留まりは高いとはいえないが、結晶のエッジ部分の露出がなく、リチウムイオン二次電池負極用材料として好適な、高容量で、特に初期充放電効率に優れた炭素材料が得られる。
なお、一次焼成時に、メソフェーズカーボン小球体は、数〜数十μmの微小球体の単体であるが、一次焼成時に、複数の単体が凝集して数十μmの凝集体となり、さらに凝集が進むと、例えば300μm以上の粗粒子となったり、数cm程度の塊状物となってしまう。
粗粒子や塊状物を負極用炭素材料として用いると凹凸などが激しく、除去することが好ましい。
【0028】
<リチウムイオン二次電池>
本発明では、上記のような炭素材料から形成される負極を用いたリチウムイオン二次電池も提供される。本発明のリチウムイオン二次電池は、負極材料として上記炭素材料を用いること以外は特に限定されず、他の電池構成要素については一般的なリチウムイオン二次電池の要素に準じる。リチウムイオン二次電池は、通常、負極、正極および非水電解質を主たる電池構成要素とする。
【0029】
<負極>
上記炭素材料から負極の形成は、通常の成形方法に準じて行うことができるが、炭素材料の性能を充分に引き出し、かつ粉末に対する賦型性が高く、化学的、電気化学的に安定な負極を得ることができる方法であれば何ら制限されない。
負極作製時には、炭素材料に結合剤を加えた結合合剤を用いることができる。
結合剤としては、電解質に対して化学的安定性、電気化学的安定性を有するものを用いるのが望ましく、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、さらにはカルボキシメチルセルロースなどが用いられる。これらを併用することもできる。
結合剤は、通常、負極合剤全量中1〜20質量%程度の量で用いるのが好ましい。
【0030】
具体的には、たとえば炭素材料を分級等によって適当な粒径に調整し、結合剤と混合することによって負極合剤を調製し、この負極合剤を、通常、集電体の片面もしくは両面に塗布することで負極合剤層を形成することができる。
この際には通常の溶媒を用いることができ、負極合剤を溶媒中に分散させ、ペースト状とした後、集電体に塗布、乾燥すれば、負極合剤層が均一かつ強固に集電体に接着される。
より具体的には、たとえば炭素材料と、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂粉末とを、イソプロピルアルコール等の溶媒中で混合・混練した後、塗布することができる。また炭素材料と、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂粉末あるいはカルボキシメチルセルロース等の水溶性粘結剤とを、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミドあるいは水、アルコール等の溶媒と混合してスラリーとした後、塗布することができる。
【0031】
炭素材料粉末と結合剤の混合物を集電体に塗布する際の塗布厚は10〜200μmとするのが適当である。
負極合剤層を形成した後、プレス加圧等の圧着を行うと、負極合剤層と集電体との接着強度をさらに高めることができる。
また炭素材料と、ポリエチレン、ポリビニルアルコールなどの樹脂粉末とを乾式混合し、金型内でホットプレス成型することもできる。
【0032】
負極に用いる集電体の形状としては、特に限定されないが、箔状、あるいはメッシュ、エキスパンドメタル等の網状のもの等が用いられる。集電材としては、例えば銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を挙げることができる。集電体の厚みは、箔状の場合、5〜20μm程度が好適である。
【0033】
<正極>
正極の材料(正極活物質)としては、充分量のリチウムをドープ/脱ドープし得るものを選択するのが好ましい。そのような正極活物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物(V2 5 、V6 13、V2 4 、V3 8 など)およびそのLi化合物などのリチウム含有化合物、一般式MX Mo6 8-y (式中Xは0≦X≦4、Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、Mは遷移金属などの金属を表す)で表されるシェブレル相化合物、活性炭、活性炭素繊維などを用いることができる。
上記リチウム含有遷移金属酸化物は、リチウムと遷移金属との複合酸化物であり、リチウムと2種類以上の遷移金属を固溶したものであってもよい。リチウム含有遷移金属酸化物は、具体的には、LiM(1)1-X M(2)X 2 (式中Xは0≦X≦1の範囲の数値であり、M(1)、M(2)は少なくとも一種の遷移金属元素からなる。)あるいはLiM(1)2-y M(2)y 4 (式中Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、M(1)、M(2)は少なくとも一種の遷移金属元素からなる。)で示される。
式中Mで示される遷移金属元素としては、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、V、Fe、Zn、Al、In、Snなどが挙げられ、好ましくはCo、Fe、Mn、Ti、Cr、V、Alが挙げられる。
【0034】
リチウム含有遷移金属酸化物としては、より具体的に、LiCoO2 、LixNiy 1-y 2(MはNiを除く上記遷移金属元素、好ましくはCo、Fe、Mn、Ti、Cr、V、Alから選ばれる少なくとも一種、0.05≦x≦1.10、0.5≦y≦1.0である。)で示されるリチウム複合酸化物、LiNiO2 、LiMnO2 、LiMn24 などが挙げられる。
【0035】
上記のようなリチウム含有遷移金属酸化物は、たとえば、Li、遷移金属の酸化物または塩類を出発原料とし、これら出発原料を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気下600℃〜2000℃の温度範囲で焼成することにより得ることができる。なお出発原料は酸化物または塩類に限定されず、水酸化物等からも合成可能である。
本発明では、正極活物質は、上記化合物を単独で使用しても2種類以上併用してもよい。たとえば正極中には、炭酸リチウム等の炭素塩を添加することもできる。
【0036】
このような正極材料によって正極を形成するには、例えば正極材料と結合剤および電極に導電性を付与するための導電剤よりなる正極合剤を集電体の両面に塗布することで正極合剤層を形成する。結合剤としては、負極で例示したものがいずれも使用可能である。導電剤としては例えば炭素材料が用いられる。
【0037】
集電体の形状は特に限定されず、箱状、あるいはメッシュ、エキスパンドメタル等の網状等のものが用いられる。たとえば集電体としては、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を挙げることができる。その厚さとしては、10〜40μmのものが好適である。
また正極の場合も負極と同様に、正極合剤を溶剤中に分散させることでペースト状にし、このペースト状の正極合剤を集電体に塗布、乾燥することによって正極合剤層を形成しても良く、正極合剤層を形成した後、さらにプレス加圧等の圧着を行っても構わない。これにより正極合剤層が均一且つ強固に集電体に接着される。
【0038】
以上のような負極および正極を形成するに際しては、従来公知の導電剤や結着剤などの各種添加剤を適宜に使用することができる。
【0039】
<電解質>
本発明に用いられる電解質としては通常の非水電解液に使用されている電解質塩を用いることができ、たとえばLiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiClO4 、LiB(C6 5)、LiCl、LiBr、LiCF3 SO3 、LiCH3 SO3 、LiN(CF3 SO2)2 、LiC(CF3 SO2)3 、LiN(CF3 CH2 OSO2)2 、LiN(CF3 CF2 OSO2)2 、LiN(HCF2 CF2 CH2 OSO2)2 、LiN((CF3)2 CHOSO2)2 、LiB[C6 3(CF3)2 4 、LiAlCl4 、LiSiF6 などのリチウム塩などを用いることができる。特に、LiPF6 、LiBF4 が酸化安定性の点から好ましく用いられる。
電解液中の電解質塩濃度は、0.1〜5モル/リットルが好ましく、0.5〜3.0モル/リットルがより好ましい。
【0040】
上記非水電解質は、液系の非水電解液としてもよいし、固体電解質あるいはゲル電解質等、高分子電解質としてもよい。前者の場合、非水電解質電池は、いわゆるリチウムイオン電池として構成され、後者の場合、非水電解質電池は、高分子固体電解質電池、高分子ゲル電解質電池等の高分子電解質電池として構成される。
【0041】
液系の非水電解質液とする場合には、溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,1 −または1,2 −ジメトキシエタン、1,2 −ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、1 ,3−ジオキソラン、4 −メチル−1 ,3 −ジオキソラン、アニソール、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、クロロニトリル、プロピオニトリル、ホウ酸トリメチル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、−メチルピロリドン、酢酸エチル、トリメチルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベンゾイル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、ジメチルスルホキシド、3−メチル−2−オキサゾリドン、エチレングリコール、サルファイト、ジメチルサルファイト等の非プロトン性有機溶媒を用いることができる。
【0042】
非水電解質を高分子固体電解質、高分子ゲル電解質等の高分子電解質とする場合には、可塑剤(非水電解液)でゲル化されたマトリックス高分子を含むが、このマトリックス高分子としては、ポリエチレンオキサイドやその架橋体等のエーテル系高分子、ポリメタクリレート系、ポリアクリレート系、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系高分子等を単独、もしくは混合して用いることができる。
これらの中で、酸化還元安定性の観点等から、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系高分子を用いることが望ましい。
【0043】
これら高分子固体電解質、高分子ゲル電解質に含有される可塑剤を構成する電解質塩や非水溶媒としては、前述のものがいずれも使用可能である。ゲル電解質の場合、可塑剤である非水電解液中の電解質塩濃度は、0.1〜5モル/リットルが好ましく、0.5〜2.0モル/リットルがより好ましい。
このような固体電解質の作製方法としては特に制限はないが、例えば、高分子化合物、リチウム塩および溶媒(可塑剤)を混合し、加熱して溶融する方法、適当な混合用の有機溶剤に高分子化合物、リチウム塩および溶媒(可塑剤)を溶解させた後、混合用の有機溶剤を蒸発させる方法、並びにモノマー、リチウム塩および溶媒(可塑剤)を混合し、それに紫外線、電子線または分子線などを照射してポリマーを形成させる方法等を挙げることができる。
また、前記固体電解質中の溶媒(可塑剤)の添加割合は、10〜90質量%が好ましく、さらに好ましくは、30〜80質量%である。10質量%未満であると、導電率が低くなり、90質量%を超えると機械的強度が弱くなりフィルム化が困難となる。
【0044】
本発明のリチウムイオン二次電池においては、セパレーターを使用することもできる。
セパレーターとしては、特に限定されるものではないが、例えば織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜等が挙げられる。特に合成樹脂製微多孔膜が好適に用いられるが、その中でもポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗の面で好適である。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等である。
【0045】
本発明のリチウムイオン二次電池においては、初期充放電効率が改善したことから、ゲル電解質を用いることが可能である。
ゲル電解質二次電池は、炭素材料を含有する負極と、正極およびゲル電解質を、例えば負極、ゲル電解質、正極の順で積層し、電池外装材内に収容することで構成される。なお、これに加えてさらに負極と正極の外側にゲル電解質を配するようにしても良い。このような炭素材料を負極に用いるゲル電解質二次電池では、ゲル電解質にプロピレンカーボネートが含有され、また炭素材料粉末としてインピーダンスを十分に低くできる程度に小粒径のものを用いた場合でも、不可逆容量が小さく抑えられる。したがって、大きな放電容量が得られるとともに高い初期充放電効率が得られる。
【0046】
さらに、本発明に係るリチウムイオン二次電池の構造は任意であり、その形状、形態について特に限定されるものではなく、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等の中から任意に選択することができる。より安全性の高い密閉型非水電解液電池を得るためには、過充電等の異常時に電池内圧上昇を感知して電流を遮断させる手段を備えたものであることが望ましい。高分子固体電解質電池や高分子ゲル電解質電池の場合には、ラミネートフィルムに封入した構造とすることもできる。
【0047】
【実施例】
次に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例および比較例で得られた黒鉛粉末の粉体特性および充放電特性は以下のように測定した。また以下では、リチウムイオン二次電池評価用回路を作製して充放電特性を測定したが、実電池は、本発明の概念に基づき、公知の方法に準じて作製することができる。
【0048】
<粉体特性評価>
(1)粒度分布
黒鉛粉末を界面活性剤を加えた蒸留水に分散し、セイシン社製レーザー回折式粒度分布計LS−5000にて粒度分布を測定した。
(2)BET比表面積
窒素ガス吸着法によるBET1点法によって測定した。
(3)X線回折
黒鉛粉末に対して約15質量%のX線標準高純度シリコン粉末を加えて混合し、資料セルに詰め、グラファイトモノクロメータで単色化したCuKα線を線源として反射式ディフラクトメータ法によって、広角X線回折曲線を測定し、学振法を用いて層間距離(格子面間隔d002)を求めた。
(4)トルエン可溶分
JIS K2425に準拠して測定した。
(5)キノリン可溶分
JIS K2425に準拠して測定した。
黒鉛粉末をキノリンに溶解させ、75℃で30分間加熱した後、JIS R3503に規定するるつぼ型ろ過器1G4を用い、熱いうちに吸引ろ過する。ろ液を乾燥して質量を測定する。なおろ過助剤としてケイ藻土を用いる。
【0049】
<充放電特性評価>
ドライボックス中アルゴン流通下、以下の条件で充放電容量を測定した。
セル形式:3極式ビーカーセル
対極および参照極:金属リチウム
作用極:黒鉛粉末100重量部に対して10重量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を混合し、さらにN−メチルピロリドンを加えPVDFを充分に溶解してペースト状とし、銅箔上に塗布した。これを100℃で予備乾燥後、ロールプレス機によりプレスし、さらに100℃真空下でN−メチルピロリドンを除去し、作用極とした。
電解液:1M LiClO4 /PC+EC+DMC(モル比3:5:2)
PC:プロピレンカーボネート
EC:エチレンカーボネート
DMC:ジメチルカーボネート
【0050】
電流密度0.2mA/cm2 で定電流充電を行い、回路電圧が0.4mVに達した時点で0.1Vで定電位充電に切り替え、電流値が20μAになるまで充電を続けた後、0.4mA/cm2 の定電流放電を行った。回路電圧が2.5Vに達するまでの容量を放電容量とした。
黒鉛粉末1g当たりの放電容量(mAh/g)を表中に示す。
【0051】
<初期充放電効率>
上記充放電の第1サイクルにおける通電量から充電容量と放電容量を求め、次式により初期放電効率を算出した。
初期充放電効率=(放電容量/充電容量)×100(%)
【0052】
(実施例1)
<メソフェーズカーボン小球体の製造>
フリーカーボン(QI)を0.5質量%含有するコールタールを、350℃で0.5hr熱処理後、更に450℃で0.2hr再熱処理してメソフェーズ小球体を生成させた。かかる熱処理ピッチをタール中油(bp:130〜250℃)を使用して抽出し、ピッチマトリックス中からメソフェーズカーボン小球体を分離濾過した。得られたメソフェーズカーボン小球体をロータリーキルンで500℃で一次焼成(仮焼)した。
仮焼品を200メッシュ(篩目75μm)振動篩を用いて、粗径の大きなもの(粗粉と称す)の除去を行った。得られた粒度調整品を黒鉛るつぼに入れ、アルゴン雰囲気下、1000℃/hrの昇温速度で3000℃まで昇温して黒鉛化処理した。
こうして得られた黒鉛粉末の粉体特性(粒度分布(平均粒径、最大粒径)、比表面積、結晶性格子面間隔d002 )および充放電特性を表1に示す。また該黒鉛粉末の電子顕微鏡写真を図1に示す。
【0053】
(実施例2)
熱処理ピッチの抽出剤として、タール中油に代えてタール重油(bp:200〜300℃)を用いた以外は、実施例1と同様にして黒鉛粉末を製造した。
得られた黒鉛粉末の粉体特性、充放電特性を表1に示す。
【0054】
(実施例3)
仮焼品を篩にかけず、そのまま黒鉛化処理した以外は、実施例1と同様にして黒鉛粉末を製造した。
得られた黒鉛粉末の粉体特性、充放電特性を表1に示す。
【0055】
(比較例1)
仮焼品を200メッシュ(篩目75μm)振動篩にかける前に、ハンマーミルで粉砕処理を加えた以外は、実施例1と同様にして黒鉛粉末を製造した。該粉末の電子顕微鏡写真を図2に示す。
得られた黒鉛粉末の粉体特性、充放電特性を表1に示す。
【0056】
(比較例2)
340℃で一次焼成を行い、実施例1と同様にして黒鉛化処理したところ、塊状となり、充放電特性を評価することができなかった。
【0057】
(比較例3)
市販の人造黒鉛粉の粉体特性、およびこれを作用極の炭素材料としたときの充放電特性を表1に示す。
【0058】
【表1】

Figure 0004554795
【0059】
【発明の効果】
本発明によれば、リチウムイオン二次電池において、高放電容量で、高い初期充放電効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1で得られた炭素材料を電子顕微鏡撮影した図面代用写真である。
【図2】 従来の解砕または粉砕処理が施された炭素材料を電子顕微鏡撮影した図面代用写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery that exhibits a high discharge capacity and high initial charge / discharge efficiency, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the miniaturization or high performance of electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries. Under such circumstances, lithium secondary batteries using lithium for the negative electrode theoretically have not only high energy density, high voltage and long cycle life, but also from the viewpoint of environmental pollution. It is attracting attention as a next-generation secondary battery to replace the mainstream nickel-cadmium battery.
Especially when used as a negative electrode as it is, it has the ability to insert (occlude) and release (release) lithium ions instead of lithium metal, which has the problems of cycle life reduction and safety reduction due to dendrite precipitation. Since the discovery that a carbon material that can be prevented can be a stable negative electrode material, it has become possible to put lithium ion secondary batteries into practical use.
[0003]
Lithium ion secondary batteries are usually composed of two types of intercalation compounds with different oxidation-reduction potentials that function as lithium ion carriers as positive and negative electrode materials. Done between layers. Although the lithium ion insertion / removal mechanism itself in the negative electrode in a lithium ion secondary battery using a carbon material has not been fully elucidated at present, many proposals regarding the carbon material have been made.
Among these, graphite having excellent charge / discharge characteristics and high discharge capacity and potential flatness is considered promising (Japanese Patent Publication No. 62-23433, etc.). Particularly in recent years, it has been proposed that a graphite-based carbon material obtained by high-temperature treatment of mesophase carbon microspheres (mesocarbon microbeads) at 2000 ° C. or higher is suitable for a negative electrode of a lithium ion secondary battery (Japanese Patent Laid-Open No. 4-115458). No. 4, JP-A-4-188559, JP-A-4-190557, JP-A-4-332484, etc.). This is a microsphere of mesophase carbon microspheres of several to several tens of μm, has many lithium ion insertion / extraction sites, can take a large electrode filling rate, and has an appropriate graphite structure or similar to graphite by high-temperature heating. It is thought to be due to having a structure.
[0004]
The battery characteristics of graphite are said to be related to the graphite structure because of its similarity to the graphite intercalation compound, but the optimum graphite structure differs depending on the battery element such as electrolyte or solvent, and the negative electrode of the lithium ion secondary battery Various graphite structures have been proposed as carbon materials that give good performance. For example, the thickness (Lc) of the crystal lattice in the C-axis direction in carbon X-ray diffraction is 200 mm (20 nm), and the ratio Lc / La to the thickness (La) of the crystal lattice in the A-axis direction is 1.3 or more. Carbon material (Japanese Patent Laid-Open No. 4-190556), lattice spacing (d 002 ) Is 3.45 mm (0.345 nm) and Lc is 300 mm (30 nm) or more (Japanese Patent Laid-Open No. 4-188559), d 002 3.35-3.40 mm (0.335-0.340 nm), Lc and La are 200 mm (20 nm) or more, and the true density is 2.00-2.25 g / cm. Three A carbon material (Japanese Patent Laid-Open No. 4-188559) is proposed.
[0005]
The graphitized mesophase carbon microspheres described above separate the optically anisotropic intermediate phase (spherulites) of macroaromatic polymers that precipitate around 350-450 ° C when the pitches are heat-treated from the pitch matrix. The spherulites separated from the pitch matrix can be obtained by heating them to high temperatures as they are, and they can be obtained as a strongly fused lump. In order to use this as a negative electrode material for batteries, it is necessary to pulverize or pulverize the massive heat-fused product into a powder form, but it is not easy to pulverize or grind this fused material.
[0006]
For this reason, for example, prior to heating the spherulites separated from the pitch matrix to a high temperature, it is proposed to prevent fusion during graphitization by adding primary firing (calcination) at a low temperature of about 350 ° C. . In order to prevent fusion during heating, when separating the spherulites from the pitch matrix, the pitch component to be fused carbonized is removed to 5% by mass or less using an extraction solvent such as benzene or quinoline. It is also proposed that this is preferable (Japanese Patent Laid-Open No. 7-169458).
[0007]
According to the method of the above publication, even if the mesophase carbon spherules are graphitized, they can be obtained with a particle size that can be used as a negative electrode of a lithium ion secondary battery with almost no fusion. Although crushing or crushing is not necessarily required to obtain, crushing or crushing can be easily performed, and the yield can be increased by adding crushing or crushing treatment after primary firing and / or graphitization. .
Further, the increase in the capacity of the lithium ion secondary battery greatly contributes to the filling rate of the negative electrode carbon material. For this reason, in commercial practice, the particle size is usually crushed or crushed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, in the lithium ion secondary battery using graphite as a negative electrode material, the irreversible capacity (hereinafter also referred to as “irreversible capacity”) in the first cycle is remarkably increased, and the level is several tens to several hundred mAh / g at the first discharge. Indicates discharge capacity loss. That is, there is a problem that the initial charge / discharge efficiency is low. Not all of the causes have been clarified, but one of them is that graphite is active against the electrolyte. Specifically, the decomposition of the solvent or supporting electrolyte on the graphite surface has been reported. Has been. This decomposition reaction continues until the decomposition product is deposited and grows on the graphite (carbon) surface, and the electron has a thickness that cannot move directly from the graphite surface to a solvent or the like. Also, solvent molecules and lithium ions co-intercalate and the graphite surface layer peels off, and the newly exposed graphite surface may react with the electrolyte to increase the irreversible capacity (low initial charge / discharge efficiency) (Journal of Electrochemical Society, vol.137, 2009 (1990)).
[0009]
In view of the circumstances as described above, the present invention effectively reduces the irreversible capacity in the first cycle, obtains high initial charge / discharge efficiency, and provides a high-discharge capacity lithium ion secondary battery. It is an object to provide a carbon material for use, a method for producing such a carbon material, and a lithium ion secondary battery.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above-described problems. As a result, the pulverization or pulverization treatment is performed after the primary firing or after the graphitization treatment in order to obtain graphite particles having a uniform particle size with a high yield. If only the particles having a molten surface layer formed during primary firing and graphitization are used as the carbon material of the negative electrode of the lithium ion secondary battery, the initial charge / discharge efficiency is reduced. Markedly It was found that it can be improved.
That is, the carbon material for a lithium ion secondary battery negative electrode of the present invention is 400-600 under inert atmosphere High-temperature heating at 2000 ° C. or higher is added after primary firing at No crushing or crushing It is a substantially single layer powdery carbon material consisting of mesophase carbon spherules alone and / or aggregates thereof, and has the molten surface layer formed in the primary firing and high-temperature heating process as it is.
[0011]
The maximum particle diameter of the lithium ion secondary battery negative electrode carbon material is preferably smaller than 150 μm.
Moreover, it is desirable not to contain fine powder having a particle size of 3 μm or less.
[0012]
In the method for producing a carbon material for a lithium ion secondary battery negative electrode according to the present invention, after separating mesophase carbon microspheres generated by heat treatment of pitches from the pitch matrix, 400-600 under inert atmosphere Primary firing at ℃, the resulting fired product Without crushing or crushing After classifying and removing coarse particles and lumps, heat at 2000 ° C or higher And leave the molten surface layer formed in the high-temperature heating process as it is .
[0013]
Classification of the fired product can be performed with a 200 mesh sieve.
Furthermore, it is desirable to remove fine powder having a particle size of 3 μm or less from air classification.
[0014]
In the above, it is desirable to separate and wash from the pitch matrix using an organic solvent so that the quinoline soluble content of the mesophase carbon microspheres is 20% by mass or less. The mesophase carbon microspheres thus separated preferably have a toluene soluble content of 10% by mass or less.
[0015]
Thereby, the above-described carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery of the present invention can be obtained.
In the present invention, a lithium ion secondary battery using a negative electrode formed from the carbon material is also provided. A lithium ion secondary battery usually includes a positive electrode and a nonaqueous electrolyte together with the negative electrode.
[0016]
In addition, it has been proposed to form a coating on the surface of graphite particles exposed by pulverization of a material in which graphite particles are fused and agglomerated with each other, and use them for the negative electrode of a lithium ion secondary battery, for example, in JP-A-11-310405. Is a carbon having a two-layer structure in which a surface layer made of a carbon material for coating formation is formed on the surface of the core carbon material (graphite), and part or all of the edge portion of the core crystal is coated with the carbon material for coating formation. Materials have been proposed. Thus, the coating layer formed on the graphite surface may peel off during use.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As described above, a lithium ion secondary battery usually has a negative electrode, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte as main battery components, and the positive and negative electrodes are each composed of a lithium ion carrier, and the nonaqueous solvent enters and exits during the charge / discharge process. Done between layers. In essence, this is a battery mechanism in which lithium ions are doped into the negative electrode during charging and are dedoped from the negative electrode during discharging.
In the present invention, the following specific carbon materials are provided as negative electrode materials for such lithium ion secondary batteries. That is, the carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery of the present invention is composed of mesophase carbon microspheres alone and / or aggregates thereof subjected to high-temperature heating at 2000 ° C. or higher following primary firing at 350 to 900 ° C. It is a substantially single-layer powdery carbon material, and has the molten surface layer formed in the primary firing and high-temperature heating process as it is.
[0018]
Since mesophase carbon microspheres have low melting point components such as a pitch matrix component remaining on the surface, the components are melted and graphitized by primary firing. The carbon material of the present invention has a graphitized surface after being melted in this way. In the present invention, the surface graphitized after the low melting point component is melted is referred to as a molten surface layer.
The carbon material of the present invention essentially has no exposed edge and has a molten surface layer as it is.
In the present invention, having a substantially single layer means that a surface layer integrally formed with the inside of the particle as a fusion layer finally subjected to high-temperature heating at 2000 ° C. or higher is graphitized, but the carbon material is graphitized. This means that there is no coating layer formed after pulverizing or pulverizing or pulverizing graphite particles. Such a molten surface layer has no fear of peeling off.
[0019]
As described above, the graphitized mesophase carbon microspheres used as the negative electrode material of the lithium ion secondary battery are usually crushed or ground in any of the manufacturing processes. The This is an added product, and at least a part of the inside is exposed, but particles made of only a graphitized carbon material having a melted surface layer formed during primary firing and graphitization are used as negative electrodes for lithium ion secondary batteries. It is not known that the initial charge / discharge efficiency is remarkably improved as compared with products containing ordinary pulverized or pulverized products.
[0020]
The carbon material has a lattice spacing d in X-ray diffraction. 002 Is preferably a graphite material having a true specific gravity of 2.2 or more. Here, the lattice spacing d 002 Means a value measured by an X-ray diffraction method (Otani Sugirou, carbon fiber, P733-742 (1986) Modern Editing Co., Ltd.) using CuKα rays as X-rays and high-purity silicon as a standard substance.
[0021]
The carbon material for a negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention preferably has a maximum particle size smaller than 150 μm, more preferably 108 μm or less, from the viewpoint of filling rate.
Moreover, it is desirable not to contain fine powder having a particle size of 3 μm or less.
Usually, those having an average particle size of more than 3 μm and not more than 108 μm are preferably used.
[0022]
The carbon material for a lithium ion secondary battery negative electrode as described above can be produced by the following method.
In the method for producing a carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to the present invention, the mesophase carbon microspheres produced by heat treatment of pitches were separated from the pitch matrix, and then subjected to primary firing at 350 to 900 ° C. After classifying the baked product to remove coarse particles and agglomerates, it is heated at a high temperature of 2000 ° C. or higher.
[0023]
In the mesophase carbon microspheres, when the petroleum pitch, coal tar pitch and other petroleum and coal-based pitches are heat-treated, the giant aromatic polymer produced in the pitch around 350 to 450 ° C. is precipitated in the pitch matrix. It is a microsphere having a particle size of several to several tens of μm obtained by separating the intermediate phase (spherulite) from the pitch matrix.
[0024]
In the above, it is desirable to separate and wash from the pitch matrix using an organic solvent so that the quinoline soluble part (QS) of the mesophase carbon microspheres is 20 mass% or less, preferably 10 mass% or less.
The mesophase carbon microspheres thus separated preferably have a toluene soluble content (TS) of 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less.
In this case, benzene, toluene, quinoline, tar middle oil, tar heavy oil, or the like can be used as the organic solvent. Two or more of these may be used in combination.
[0025]
The mesophase carbon spheres separated from the pitch matrix are , It heats to 400-600 degreeC and performs primary baking (calcination). In order to classify the fired product and remove coarse particles and agglomerates, a general classification method such as sieving or air classification can be employed. Classification is performed under conditions such that crushing and crushing are not performed. Specifically, it can be performed with a 200 mesh sieve.
Further, if necessary, fine powder is also removed and the minimum particle size is adjusted. It is preferable to remove fine powder having a particle size of 3 μm or less from air classification.
Primary firing temperature is 400 ° C Less than, it is easy to fuse by high temperature heating in the next process, 600 ° C If it is super, it is easy to fuse by primary firing.
[0026]
The calcined product from which coarse particles and agglomerates have been removed is then heated (graphitized) at a high temperature of 2000 ° C. or higher, preferably 2500 ° C. or higher, more preferably 2500 to 3200 ° C. After this graphitization treatment, the removal treatment of coarse particles and aggregates by classification as described above may be performed. If it is less than 2000 ° C., graphitization does not proceed sufficiently, and the discharge capacity becomes small.
[0027]
In the present invention, the particle size is adjusted by classification in any of the above processes, and is not pulverized or crushed. For this reason, the yield as the final product is not high compared with the method including crushing or crushing, but there is no exposure of the edge portion of the crystal, and it is suitable as a material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery. Thus, a carbon material having particularly excellent initial charge / discharge efficiency can be obtained.
In the primary firing, mesophase carbon microspheres are simple spheres of several to several tens of μm. However, when the primary firing, a plurality of single particles are aggregated into aggregates of several tens of μm, and further aggregation proceeds. For example, it becomes a coarse particle of 300 μm or more or a lump of about several centimeters.
When coarse particles or lumps are used as the carbon material for the negative electrode, the unevenness is severe and it is preferable to remove them.
[0028]
<Lithium ion secondary battery>
In this invention, the lithium ion secondary battery using the negative electrode formed from the above carbon materials is also provided. The lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited except that the above carbon material is used as the negative electrode material, and other battery components conform to the elements of a general lithium ion secondary battery. A lithium ion secondary battery usually includes a negative electrode, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte as main battery components.
[0029]
<Negative electrode>
Formation of the negative electrode from the carbon material can be carried out in accordance with a normal molding method, but the negative electrode is capable of sufficiently drawing out the performance of the carbon material, having high formability to the powder, and being chemically and electrochemically stable. There is no limitation as long as it can be obtained.
At the time of producing the negative electrode, a binder mixture obtained by adding a binder to a carbon material can be used.
As the binder, it is desirable to use one having chemical stability and electrochemical stability with respect to the electrolyte. For example, fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene, polyethylene, polyvinyl alcohol, and Carboxymethylcellulose and the like are used. These can also be used together.
In general, the binder is preferably used in an amount of about 1 to 20% by mass in the total amount of the negative electrode mixture.
[0030]
Specifically, for example, a carbon material is adjusted to an appropriate particle size by classification or the like, and mixed with a binder to prepare a negative electrode mixture. This negative electrode mixture is usually applied to one or both sides of a current collector. By coating, a negative electrode mixture layer can be formed.
In this case, a normal solvent can be used. The negative electrode mixture is dispersed in the solvent, made into a paste, and then applied to the current collector and dried to make the negative electrode mixture layer uniform and strong. Glued to the body.
More specifically, for example, a carbon material and a fluorine resin powder such as polytetrafluoroethylene may be mixed and kneaded in a solvent such as isopropyl alcohol and then applied. Further, after mixing the carbon material and a water-based binder such as fluorinated resin powder such as polyvinylidene fluoride or carboxymethylcellulose with a solvent such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, water, alcohol or the like, Can be applied.
[0031]
The coating thickness when the mixture of the carbon material powder and the binder is applied to the current collector is suitably 10 to 200 μm.
After the negative electrode mixture layer is formed, the adhesive strength between the negative electrode mixture layer and the current collector can be further increased by pressure bonding such as pressurization.
Also, the carbon material and resin powder such as polyethylene and polyvinyl alcohol can be dry-mixed and hot-press molded in a mold.
[0032]
The shape of the current collector used for the negative electrode is not particularly limited, but a foil or a net-like material such as a mesh or expanded metal is used. Examples of the current collector include copper foil, stainless steel foil, and nickel foil. In the case of a foil shape, the thickness of the current collector is preferably about 5 to 20 μm.
[0033]
<Positive electrode>
As a material for the positive electrode (positive electrode active material), it is preferable to select a material capable of doping / dedoping a sufficient amount of lithium. Examples of such positive electrode active materials include lithium-containing transition metal oxides, transition metal chalcogenides, and vanadium oxides (V 2 O Five , V 6 O 13 , V 2 O Four , V Three O 8 And lithium-containing compounds such as Li compounds thereof, general formula M X Mo 6 S 8-y (Wherein X is a numerical value in a range of 0 ≦ X ≦ 4, Y is a value in a range of 0 ≦ Y ≦ 1, M represents a metal such as a transition metal), a chevrel phase compound, activated carbon, activated carbon fiber, etc. Can be used.
The lithium-containing transition metal oxide is a composite oxide of lithium and a transition metal, and may be a solid solution of lithium and two or more transition metals. Specifically, the lithium-containing transition metal oxide is LiM (1). 1-X M (2) X O 2 (Wherein X is a numerical value in the range of 0 ≦ X ≦ 1, and M (1) and M (2) are composed of at least one transition metal element) or LiM (1) 2-y M (2) y O Four (Where Y is a numerical value in the range of 0 ≦ Y ≦ 1, and M (1) and M (2) are composed of at least one transition metal element).
Examples of the transition metal element represented by M in the formula include Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al, In, Sn, etc., preferably Co, Fe, Mn, Ti, Cr, V and Al are mentioned.
[0034]
More specifically, as the lithium-containing transition metal oxide, LiCoO 2 LixNi y M 1-y O 2 (M is the transition metal element excluding Ni, preferably at least one selected from Co, Fe, Mn, Ti, Cr, V, and Al, 0.05 ≦ x ≦ 1.10, 0.5 ≦ y ≦ 1. A lithium composite oxide represented by LiNiO 2 LiMnO 2 , LiMn 2 O Four Etc.
[0035]
The lithium-containing transition metal oxide as described above includes, for example, Li, transition metal oxides or salts as starting materials, these starting materials are mixed according to the composition, and a temperature of 600 ° C. to 2000 ° C. in an oxygen-existing atmosphere. It can be obtained by firing in a range. The starting material is not limited to oxides or salts, and can be synthesized from hydroxides or the like.
In the present invention, the positive electrode active material may be used alone or in combination of two or more. For example, a carbon salt such as lithium carbonate can be added to the positive electrode.
[0036]
In order to form a positive electrode with such a positive electrode material, for example, a positive electrode mixture comprising a positive electrode material, a binder, and a conductive agent for imparting conductivity to the electrode is applied to both surfaces of the current collector. Form a layer. As the binder, any of those exemplified for the negative electrode can be used. For example, a carbon material is used as the conductive agent.
[0037]
The shape of the current collector is not particularly limited, and may be a box shape or a mesh shape such as a mesh or expanded metal. For example, examples of the current collector include aluminum foil, stainless steel foil, and nickel foil. The thickness is preferably 10 to 40 μm.
In the case of the positive electrode, as in the case of the negative electrode, the positive electrode mixture is dispersed in a solvent to make a paste, and the paste-like positive electrode mixture is applied to a current collector and dried to form a positive electrode mixture layer. Alternatively, after forming the positive electrode mixture layer, pressure bonding such as press pressing may be further performed. As a result, the positive electrode mixture layer is uniformly and firmly bonded to the current collector.
[0038]
In forming the negative electrode and the positive electrode as described above, conventionally known various additives such as a conductive agent and a binder can be appropriately used.
[0039]
<Electrolyte>
As an electrolyte used in the present invention, an electrolyte salt used in a normal nonaqueous electrolytic solution can be used, for example, LiPF. 6 , LiBF Four , LiAsF 6 LiClO Four , LiB (C 6 H Five ), LiCl, LiBr, LiCF Three SO Three , LiCH Three SO Three , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiC (CF Three SO 2 ) Three , LiN (CF Three CH 2 OSO 2 ) 2 , LiN (CF Three CF 2 OSO 2 ) 2 , LiN (HCF 2 CF 2 CH 2 OSO 2 ) 2 , LiN ((CF Three ) 2 CHOSO 2 ) 2 , LiB [C 6 H Three (CF Three ) 2 ] Four LiAlCl Four , LiSiF 6 Lithium salt etc. can be used. In particular, LiPF 6 , LiBF Four Is preferably used from the viewpoint of oxidation stability.
The electrolyte salt concentration in the electrolytic solution is preferably 0.1 to 5 mol / liter, and more preferably 0.5 to 3.0 mol / liter.
[0040]
The non-aqueous electrolyte may be a liquid non-aqueous electrolyte or a polymer electrolyte such as a solid electrolyte or a gel electrolyte. In the former case, the non-aqueous electrolyte battery is configured as a so-called lithium ion battery, and in the latter case, the non-aqueous electrolyte battery is configured as a polymer electrolyte battery such as a polymer solid electrolyte battery or a polymer gel electrolyte battery.
[0041]
In the case of a liquid non-aqueous electrolyte solution, the solvent is ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1,1- or 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, anisole, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, chloronitrile, propionitrile, trimethyl borate, silicic acid Tetramethyl, nitromethane, dimethylformamide, N -Aprotic organics such as methyl pyrrolidone, ethyl acetate, trimethyl orthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene, dimethyl sulfoxide, 3-methyl-2-oxazolidone, ethylene glycol, sulfite, dimethyl sulfite A solvent can be used.
[0042]
When the non-aqueous electrolyte is a polymer electrolyte such as a polymer solid electrolyte or a polymer gel electrolyte, it contains a matrix polymer gelled with a plasticizer (non-aqueous electrolyte). , Fluorinated polymers such as polyethylene oxide and its crosslinked polymers, polymethacrylates, polyacrylates, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, etc., alone or in combination. Can be used.
Among these, it is desirable to use a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride or vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer from the viewpoint of oxidation-reduction stability.
[0043]
As the electrolyte salt and non-aqueous solvent constituting the plasticizer contained in these polymer solid electrolyte and polymer gel electrolyte, any of those described above can be used. In the case of a gel electrolyte, the electrolyte salt concentration in the non-aqueous electrolyte that is a plasticizer is preferably 0.1 to 5 mol / liter, and more preferably 0.5 to 2.0 mol / liter.
The method for producing such a solid electrolyte is not particularly limited. For example, a method in which a polymer compound, a lithium salt and a solvent (plasticizer) are mixed and heated to melt, or a suitable organic solvent for mixing is highly suitable. Method of evaporating the organic solvent for mixing after dissolving the molecular compound, lithium salt and solvent (plasticizer), and mixing the monomer, lithium salt and solvent (plasticizer), and then ultraviolet, electron beam or molecular beam And a method of forming a polymer by irradiation.
Moreover, 10-90 mass% is preferable, and, as for the addition ratio of the solvent (plasticizer) in the said solid electrolyte, More preferably, it is 30-80 mass%. If it is less than 10% by mass, the electrical conductivity will be low, and if it exceeds 90% by mass, the mechanical strength will be weak and filming will be difficult.
[0044]
A separator can also be used in the lithium ion secondary battery of the present invention.
Although it does not specifically limit as a separator, For example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a synthetic resin microporous film, etc. are mentioned. In particular, a synthetic resin microporous membrane is preferably used. Among these, a polyolefin microporous membrane is preferable in terms of thickness, membrane strength, and membrane resistance. Specifically, it is a microporous membrane made of polyethylene and polypropylene, or a microporous membrane that combines these.
[0045]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, the gel electrolyte can be used because the initial charge / discharge efficiency has been improved.
A gel electrolyte secondary battery is configured by laminating a negative electrode containing a carbon material, a positive electrode, and a gel electrolyte in the order of, for example, a negative electrode, a gel electrolyte, and a positive electrode, and housing the resultant in a battery exterior material. In addition to this, a gel electrolyte may be further disposed outside the negative electrode and the positive electrode. In the gel electrolyte secondary battery using such a carbon material for the negative electrode, even when propylene carbonate is contained in the gel electrolyte and the carbon material powder has a particle size small enough to reduce the impedance sufficiently, it is irreversible. Capacity is kept small. Therefore, a large discharge capacity is obtained and a high initial charge / discharge efficiency is obtained.
[0046]
Furthermore, the structure of the lithium ion secondary battery according to the present invention is arbitrary, and the shape and form thereof are not particularly limited, and can be arbitrarily selected from a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, and the like. be able to. In order to obtain a sealed non-aqueous electrolyte battery with higher safety, it is desirable to have a means for detecting an increase in the internal pressure of the battery and shutting off the current when an abnormality such as overcharge occurs. In the case of a polymer solid electrolyte battery or a polymer gel electrolyte battery, a structure enclosed in a laminate film can also be used.
[0047]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to these Examples.
The powder characteristics and charge / discharge characteristics of the graphite powders obtained in Examples and Comparative Examples were measured as follows. In the following, a circuit for evaluating a lithium ion secondary battery was produced and the charge / discharge characteristics were measured. However, an actual battery can be produced according to a known method based on the concept of the present invention.
[0048]
<Powder characteristic evaluation>
(1) Particle size distribution
The graphite powder was dispersed in distilled water to which a surfactant was added, and the particle size distribution was measured with a laser diffraction particle size distribution analyzer LS-5000 manufactured by Seishin Co.
(2) BET specific surface area
It was measured by the BET 1 point method by nitrogen gas adsorption method.
(3) X-ray diffraction
About 15% by mass of X-ray standard high-purity silicon powder is added to the graphite powder, mixed, packed in a data cell, and monochromatic with a graphite monochromator. The X-ray diffraction curve is measured, and the interlayer distance (lattice spacing d 002 )
(4) Toluene soluble matter
The measurement was performed according to JIS K2425.
(5) Quinoline soluble content
The measurement was performed according to JIS K2425.
The graphite powder is dissolved in quinoline and heated at 75 ° C. for 30 minutes, and then suction filtered while hot using a crucible type filter 1G4 specified in JIS R3503. The filtrate is dried and the mass is measured. Diatomaceous earth is used as a filter aid.
[0049]
<Charge / discharge characteristics evaluation>
The charge / discharge capacity was measured under the following conditions under argon flow in the dry box.
Cell format: 3-pole beaker cell
Counter electrode and reference electrode: metallic lithium
Working electrode: 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) was mixed with 100 parts by weight of graphite powder, and further N-methylpyrrolidone was added to dissolve PVDF sufficiently to form a paste, which was applied onto a copper foil. This was pre-dried at 100 ° C. and then pressed with a roll press, and further N-methylpyrrolidone was removed under vacuum at 100 ° C. to obtain a working electrode.
Electrolyte: 1M LiClO Four / PC + EC + DMC (molar ratio 3: 5: 2)
PC: Propylene carbonate
EC: ethylene carbonate
DMC: Dimethyl carbonate
[0050]
Current density 0.2mA / cm 2 When the circuit voltage reaches 0.4 mV, switch to constant potential charging at 0.1 V and continue charging until the current value reaches 20 μA, then 0.4 mA / cm 2 The constant current discharge was performed. The capacity until the circuit voltage reached 2.5 V was defined as the discharge capacity.
The discharge capacity (mAh / g) per gram of graphite powder is shown in the table.
[0051]
<Initial charge / discharge efficiency>
The charge capacity and discharge capacity were determined from the energization amount in the first charge / discharge cycle, and the initial discharge efficiency was calculated by the following equation.
Initial charge / discharge efficiency = (discharge capacity / charge capacity) x 100 (%)
[0052]
Example 1
<Manufacture of mesophase carbon spheres>
Coal tar containing 0.5% by mass of free carbon (QI) was heat-treated at 350 ° C. for 0.5 hr, and further reheated at 450 ° C. for 0.2 hr to produce mesophase microspheres. Such heat-treated pitch was extracted using oil in tar (bp: 130 to 250 ° C.), and mesophase carbon microspheres were separated and filtered from the pitch matrix. The obtained mesophase carbon microspheres were subjected to primary firing (calcination) at 500 ° C. in a rotary kiln.
The calcined product was removed from a large coarse diameter (referred to as coarse powder) using a 200 mesh (sieve 75 μm) vibrating sieve. The obtained particle size-adjusted product was put into a graphite crucible, and was graphitized by raising the temperature to 3000 ° C. at a rate of 1000 ° C./hr in an argon atmosphere.
Powder characteristics of the graphite powder thus obtained (particle size distribution (average particle size, maximum particle size), specific surface area, crystalline lattice spacing d) 002 ) And charge / discharge characteristics are shown in Table 1. An electron micrograph of the graphite powder is shown in FIG.
[0053]
(Example 2)
A graphite powder was produced in the same manner as in Example 1 except that tar heavy oil (bp: 200 to 300 ° C.) was used instead of tar middle oil as an extractant for the heat treatment pitch.
Table 1 shows the powder characteristics and charge / discharge characteristics of the obtained graphite powder.
[0054]
Example 3
A graphite powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the calcined product was not subjected to sieving and subjected to graphitization treatment as it was.
Table 1 shows the powder characteristics and charge / discharge characteristics of the obtained graphite powder.
[0055]
(Comparative Example 1)
A graphite powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the calcined product was pulverized with a hammer mill before passing through a 200-mesh (sieve 75 μm) vibrating sieve. An electron micrograph of the powder is shown in FIG.
Table 1 shows the powder characteristics and charge / discharge characteristics of the obtained graphite powder.
[0056]
(Comparative Example 2)
When primary baking was performed at 340 ° C. and graphitization treatment was performed in the same manner as in Example 1, it was in the form of a lump and charge / discharge characteristics could not be evaluated.
[0057]
(Comparative Example 3)
Table 1 shows the powder characteristics of commercially available artificial graphite powder and the charge / discharge characteristics when this powder is used as a carbon material for the working electrode.
[0058]
[Table 1]
Figure 0004554795
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a lithium ion secondary battery, high initial charge / discharge efficiency can be obtained with a high discharge capacity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drawing-substituting photograph of an electron microscope photograph of the carbon material obtained in Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a drawing-substituting photograph in which a conventional carbon material that has been crushed or crushed is taken with an electron microscope.

Claims (5)

不活性雰囲気下、400〜600℃での一次焼成に次いで2000℃以上での高温加熱が加えられ、粉砕または解砕が行われないメソフェーズカーボン小球体の単体および/またはその凝集体からなる実質的に単一層の粉末状炭素材料であって、前記一次焼成および高温加熱過程形成された溶融表面層をそのまま有するリチウムイオン二次電池負極用炭素材料。Substantially composed of mesophase carbon microspheres alone and / or aggregates thereof that are subjected to primary baking at 400 to 600 ° C. in an inert atmosphere, followed by high-temperature heating at 2000 ° C. or higher, and are not pulverized or crushed. powdery carbonaceous material in a, the primary firing and the lithium ion secondary battery negative electrode carbon material as it has a melting surface layer formed by high-temperature heating process of a single layer. 最大粒径が150μmよりも小さい請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料。  The carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the maximum particle size is smaller than 150 µm. ピッチ類の熱処理により生成したメソフェーズカーボン小球体を、ピッチマトリックスから分離した後、不活性雰囲気下、400〜600℃で一次焼成し、得られた焼成品を粉砕または解砕を行わずに分級して粗粒子および塊状物を除去した後、2000℃以上で高温加熱する請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料の製造方法。The mesophase carbon microspheres produced by heat treatment of pitches are separated from the pitch matrix, and then primary fired at 400 to 600 ° C. in an inert atmosphere, and the obtained fired products are classified without being crushed or disintegrated. 3. The method for producing a carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the coarse particles and the lump are removed and then heated at a high temperature of 2000 ° C. or higher. 前記焼成品を200メッシュ篩により分級する請求項3に記載のリチウムイオン二次電池負極用炭素材料の製造方法。  The manufacturing method of the carbon material for lithium ion secondary battery negative electrodes of Claim 3 which classifies the said baked goods with a 200 mesh sieve. 請求項1または2に記載の炭素材料から形成される負極を用いたリチウムイオン二次電池。  A lithium ion secondary battery using a negative electrode formed from the carbon material according to claim 1.
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