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KR20160145678A - 탄소재료, 그 제조 방법 및 그 용도 - Google Patents

탄소재료, 그 제조 방법 및 그 용도 Download PDF

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KR20160145678A
KR20160145678A KR1020167031478A KR20167031478A KR20160145678A KR 20160145678 A KR20160145678 A KR 20160145678A KR 1020167031478 A KR1020167031478 A KR 1020167031478A KR 20167031478 A KR20167031478 A KR 20167031478A KR 20160145678 A KR20160145678 A KR 20160145678A
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나오토 카와구치
야스아키 와키자카
유이치 카미죠
요시키 시모다이라
요시쿠니 사토
Original Assignee
쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

본 발명은 분말 XRD 측정으로부터 얻어지는 흑연 결정의 (110)면의 피크 강도 I110과 (004)면의 피크 강도 I004의 비 I110/I004가 0.1이상, 평균 원형도가 0.95이하이며, d002가 0.337nm이하인 탄소재료이며, 질소 가스 흡착법에 의해 측정되는 지름 0.4㎛이하의 세공의 전체 세공 용적이 8.0∼20.0μL/g이며, 특유의 광학 조직을 갖는 비인편상 탄소재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 탄소재료는 높이 사이클 특성을 유지한 채 고용량, 고에너지 밀도, 고쿨롬 효율을 갖고, 고속으로 충방전 가능한 저저항의 전지전극을 얻을 수 있는 전지전극용 탄소재료로서 적합하다.

Description

탄소재료, 그 제조 방법 및 그 용도{CARBON MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND APPLICATION OF SAME}
본 발명은 탄소재료, 그 제조 방법 및 그 용도에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 비수전해액 2차전지의 전극재료로서 양호한 전극 충전성, 고에너지 밀도, 고입출력 특성을 나타내는 탄소재료와 그 제조 방법, 및 충방전 사이클 특성, 고쿨롬 효율을 갖는 2차전지에 관한 것이다.
리튬 이온 2차전지는 여러가지 용도로 전개되어 있고, 휴대기기 등의 소형의 것에서부터 배터리 전기자동차(BEV)나 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 대형의 것까지, 다종다양한 사용 방법에 적합한 성능이 요구되고 있다.
휴대기기 용도에서는 전기·전자기기의 소형화, 경량화, 또 기능의 다양화에 따른 소비전력의 증가 등에 의해 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 이온 2차전지가 요구되고 있다.
또한 전동 드릴 등의 전동공구나, 하이브리드 자동차용 등, 고출력이며 대용량의 2차전지에의 요구가 높아지고 있다. 이 분야에서는 종래, 납 2차전지, 니켈카드뮴 2차전지, 니켈수소 2차전지가 주로 사용되고 있지만, 소형 경량이며 고에너지 밀도의 리튬 이온 2차전지에의 기대는 높아 대전류 부하 특성이 우수한 리튬 이온 2차전지가 요구되고 있다.
특히, BEV나 PHEV 용도에서는 10년간이상에 걸친 장기간의 사이클 특성과, 하이 파워 모터를 구동시키기 위한 대전류 부하 특성을 주된 요구 특성으로 하고, 또한 항속거리를 늘리기 위해 보다 높은 체적 에너지 밀도가 요구되고 있으며, 또 대형의 리튬 이온 2차전지는 고가이기 때문에 저비용화가 요구되고 있다.
이 리튬 이온 2차전지의 부극 활물질에는 흑연, 하드 카본, 소프트 카본 등의 탄소재료가 사용되는 것이 일반적이다. 일본 특허 제3653105호 공보(미국 특허 제5587255호;특허문헌 1)에 기재되어 있는 하드 카본이나, 소프트 카본은 대전류 특성이 우수하고, 사이클 특성도 비교적 양호하지만, 가장 널리 사용되고 있는 것이 흑연이다.
흑연에는 천연흑연과 인조흑연이 있다.
이들 중 천연흑연은 저렴하게 입수할 수 있고, 흑연화도가 높기 때문에 방전 용량이나 전극밀도는 높지만, 입자형상이 인편상이며, 큰 비표면적을 갖는 점이나, 반응성이 높은 그라파이트의 엣지면에 의해 전해액이 분해되어 첫회 충방전시의 쿨롬 효율이 매우 낮은, 가스가 발생한다라는 것이 문제였다. 또한 사이클 특성도 좋지는 않았다. 이들을 해결하기 위해서, 일본 특허 제3534391호 공보(미국 특허 제6632569호;특허문헌 2) 등에서는 구상으로 가공한 천연흑연의 표면에 카본을 코팅하는 방법이 제안되어 있다.
한편, 인조흑연에 대해서는 일본 특허 제3126030호 공보(특허문헌 3) 등에 기재되어 있는 메소 카본 소구체의 흑연화품을 들 수 있다.
또한 석유, 석탄 피치, 코크스 등의 흑연화품은 비교적 저렴하게 입수할 수 있다. 그러나 결정성이 좋은 침상 코크스는 인편상으로 되어 배향하기 쉽다. 이 문제를 해결하기 위해서, 일본 특허 제3361510호 공보(특허문헌 4) 등에 기재된 방법이 성과를 올리고 있다.
일본 특허공개 2003-77534호 공보(특허문헌 5)에 있어서는 비교적 큰 간극을 갖고, 고속으로 충방전하는 것을 목적으로 한 검토가 행해지고 있다.
WO 2011/049199(미국 특허공개 제2012-045642호;특허문헌 6)에는 사이클 특성이 우수한 인조흑연이 개시되어 있다.
일본 특허 제4945029호 공보(미국 특허공개 제2004-91782호;특허문헌 7)에는 흐름 조직을 갖는 생의 침상 코크스에 붕소 첨가를 행함으로써 제조된 인조 흑연 부극이 개시되어 있다.
WO 2014/003135 국제공개 팜플렛(특허문헌 8)에는 특유의 광학 조직을 갖는 탄소재료에 표면 코팅을 실시한 인편상 탄소재료가 개시되어 있다.
WO 2014/058040 국제공개 팜플렛(특허문헌 9)에는 특유의 광학 조직을 갖고, 붕소를 포함하는 탄소재료가 개시되어 있다.
일본 특허 제3653105호 공보(미국 특허 제5587255호) 일본 특허 제3534391호 공보(미국 특허 제6632569호) 일본 특허 제3126030호 공보 일본 특허 제3361510호 공보 일본 특허공개 2003-77534호 공보 WO 2011/049199(미국 특허공개 제2012-045642호) 일본 특허 제4945029호 공보(미국 특허공개 제2004-91782호) WO 2014/003135 국제공개 팜플렛 WO 2014/058040 국제공개 팜플렛
특허문헌 1에 기재된 부극재는 대전류에 대한 특성이 우수하지만, 체적 에너지 밀도가 낮고, 가격도 매우 고가이기 때문에 일부의 특수한 대형 전지에밖에 사용되고 있지 않다.
특허문헌 2에 기재된 방법으로 제조된 재료는 모바일 용도 등이 요구하는 고용량·저전류·중사이클 특성에 대해서는 대응 가능하지만, 대형 전지의 대전류, 초장기 사이클 특성이라는 요구를 만족시키는 것은 매우 어렵다.
특허문헌 3에 기재된 흑연화품은 밸런스가 좋은 부극재이며, 용량, 입출력 특성에 있어서 우수하지만, 원형도가 높은 진구상 입자이기 때문에 입자간의 접촉 면적이 작고, 저항이 높고 입출력 특성이 낮다.
특허문헌 4의 방법은 인조 흑연 원료의 미분 외에 천연 흑연 등의 미분도 사용 가능하며, 모바일용 부극재로서는 매우 우수한 성능을 발휘한다. 그러나, 이 재료도 모바일 용도 등이 요구하는 고용량·저전류·중사이클 특성에 대해서는 대응 가능하지만, 대형 전지의 대전류, 초장기 사이클 특성이라는 요구를 만족시키지는 못했다.
본 발명은 이하의 탄소재료, 그 제조 방법 및 그 용도를 제공한다.
[1]분말 XRD 측정으로부터 얻어지는 흑연 결정의 (110)면의 피크 강도 I110과 (004)면의 피크 강도 I004의 비 I110/I004가 0.1∼0.6, 평균 원형도가 0.80이상 0.95이하, X선 회절법에 의한 (002)면의 평균 면간격 d002가 0.337nm이하, 질소 가스 흡착법에 의해 측정되는 지름 0.4㎛이하의 세공의 전체 세공 용적이 8.0∼20.0μL/g인 비인편상 탄소재료로서,
상기 탄소재료로 이루어지는 성형체 단면의 광학 조직을 편광 현미경에 의해 관찰했을 경우, 면적이 작은 조직부터 면적을 누적하고, 그 누계 면적이 전체 광학 조직 면적의 60%의 면적이 될 때의 광학 조직의 면적을 SOP로 하고, 애스펙트비가 작은 조직부터 조직의 수를 세어서 조직 전체의 수의 60%번째의 조직에 있어서의 애스펙트비를 AROP, 레이저 회절법에 의한 체적 기준의 평균 입자지름을 D50으로 했을 때,
1.5≤AROP≤6.0 및
0.2×D50≤(SOP×AROP)1/2＜2×D50
의 관계를 갖는 탄소재료.
[2]레이저 회절법에 의한 체적 기준의 평균 입자지름 D50이 1∼30㎛인 전항 1에 기재된 탄소재료.
[3］BET 비표면적이 1.0∼5.0㎡/g인 전항 1 또는 2에 기재된 탄소재료.
[4]전항 1∼3 중 어느 한 항에 기재된 탄소재료의 제조 방법으로서, 열이력이 1000℃이하인 코크스를 분쇄한 입자를 2400∼3600℃에서 흑연화하는 공정 및 전항 분쇄된 입자를 500℃이상에서 산소 가스와 접촉시키는 공정을 포함하고, 상기 코크스는 단면을 편광 현미경에 의해 광학 조직을 관찰했을 경우, 면적이 작은 조직부터 면적을 누적하고, 그 누계 면적이 전체 광학 조직 면적의 60%의 면적이 될 때의 광학 조직의 면적이 50∼5000μ㎡이며, 또한 애스펙트비가 작은 조직부터 조직의 수를 세어서 조직 전체의 수의 60%번째의 조직에 있어서의 애스펙트비가 1.5∼6인 코크스를 사용하는 탄소재료의 제조 방법.
[5]산소 가스와 접촉시키는 공정은 흑연화하는 공정의 가열시에 산소와 접촉시키는 것인 전항 4에 기재된 탄소재료의 제조 방법.
[6]산소 가스와 접촉시키는 공정은 흑연화하는 공정후에 냉각하는 과정에서 산소와 접촉시키는 것인 전항 4에 기재된 탄소재료의 제조 방법.
[7]산소 가스와 접촉시키는 공정은 흑연화의 공정이 완료한 후, 독립된 가열 처리시에 산소와 접촉시키는 것인 전항 4에 기재된 탄소재료의 제조 방법.
[8]전항 1∼3 중 어느 한 항에 기재된 탄소재료를 포함하는 전지전극용 탄소재료.
[9]전항 8에 기재된 전지전극용 탄소재료와 바인더를 포함하는 전극용 페이스트.
[10]전항 9에 기재된 전극용 페이스트를 집전체 상에 도포해서 건조한 후, 1.5∼5t/㎠의 압력에 의해 압축해서 이루어지는 리튬전지용 전극.
[11]전항 10에 기재된 전극을 구성요소로서 포함하는 리튬 이온 2차전지.
(발명의 효과)
본 발명의 탄소재료를 전지전극용 탄소재료로서 사용하면, 높은 사이클 특성을 유지한 채, 고용량, 고에너지 밀도, 고쿨롬 효율을 갖고, 고속으로 충방전 가능한 저저항의 전지전극을 얻을 수 있다.
도 1은 실시예 1의 코크스의 편광 현미경 사진(480㎛×640㎛)을 나타낸다. 검은 부분이 매입 수지이며, 회색의 부분이 광학 조직이다.
도 2는 실시예 1의 탄소재료의 편광 현미경 사진(480㎛×640㎛)을 나타낸다. 검은 부분이 매입 수지이며, 회색의 부분이 광학 조직이다.
(1)탄소재료
충전 전지의 전극은 단위체적당 보다 많은 전기가 축적되는 것이 요구되고 있다. 흑연은 첫회의 충방전의 쿨롬 효율이 우수하지만, 삽입시의 탄소원자에 대한 리튬 원자의 양론비에는 상한이 있고, 질량당 에너지 밀도를 더 이상 향상시켜 가는 것은 곤란하다. 전극의 에너지 밀도의 향상을 위해서는 전극체적당 질량밀도의 향상이 필요하다. 이 때문에, 일반적으로 전지의 전극으로서 사용하기 위해서는 활물질을 집전판 상에 도포 건조한 후, 프레스를 행하고, 체적당 부극 활물질의 충전성을 향상시킨다. 이 때, 흑연입자가 부드러워 프레스에 따라 어느 정도 변형하면 전극밀도를 극히 크게 하는 것이 가능하다.
흑연입자는 조직이 뒤얽혀 있으면 단단하기 때문에, 전극밀도를 향상시키기 위해서는 큰 조직을 갖는 흑연입자로 하는 것이 바람직하다. 흑연입자중에 관찰되는 조직으로서는 결정이 발달하여 흑연망면이 가지런함으로써 광학이방성을 나타내는 조직과, 결정이 미발달 또는 하드카본과 같은 결정의 흐트러짐이 큰 것에 의해 광학등방성을 나타내는 조직이 있는 것은 옛부터 알려져 있다. 이들 조직의 관찰에 대해서, X선 회절법을 사용하여 결정의 사이즈를 측정하는 것도 가능하지만, 예를 들면 최신의 탄소재료 실험 기술(분석·해석편), 탄소재료 학회편(2001년), 출판:사이펙 가부시키가이샤, 1∼8페이지 등에 기재되어 있는 편광 현미경 관찰법에 의해 관찰할 수 있다. 본 명세서에 있어서는 편광이 관찰되는 조직을 광학 조직이라고 기술한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 광학 조직의 크기 및 형상이 특정의 범위에 있고, 또한 적절한 흑연화도를 가짐으로써 전극재료로서의 파쇄 특성과 전지특성이 모두 우수한 재료가 된다.
광학 조직의 크기 및 형상에 관하여, 상기 탄소재료는 이하의 식을 만족하는 것이 바람직하다.
1.5≤AROP≤6.0 및
0.2×D50≤(SOP×AROP)1/2＜2×D50
SOP란 상기 탄소재료로 이루어지는 성형체 단면을 편광 현미경에 의해 광학 조직을 관찰했을 경우, 면적이 작은 조직부터 면적을 누적하고, 그 누계 면적이 전체 광학 조직 면적의 60%의 면적이 될 때의 광학 조직의 면적을 나타낸다. AROP란 동일한 관찰에 있어서, 애스펙트비가 작은 조직부터 조직의 수를 세어서 조직 전체의 수의 60%번째의 조직에 있어서의 애스펙트비를 나타낸다.
탄소재료중의 광학 조직은 흐르면서 경화되므로 띠형상을 하고 있는 것이 많고, 탄소재료로 이루어지는 성형체 단면을 관찰했을 때에 광학 조직의 형상은 대략 직사각형으로 되어 있고, 그 면적은 광학 조직의 단경과 장경을 곱한 것이라고 추정할 수 있다. 또한 단경은 장경/애스펙트비이다. 면적 SOP의 대상이 되는 광학 조직과 애스펙트비 AROP의 대상이 되는 광학 조직이 같은 것이라고 가정하면, 그 광학 조직에 있어서의 장경은 (SOP×AROP)1/2이 된다. 즉, (SOP×AROP)1/2은 특정 크기의 광학 조직의 장경을 가정한 것이며, 그것과 평균 입자지름 D50의 비에 의해, 광학 조직이 어느 정도 이상의 크기를 갖는 것을 상기 수식으로 규정하고 있다.
광학 조직의 장경을 가정한 (SOP×AROP)1/2은 통상, 평균 입자지름 D50보다 작아지지만, (SOP×AROP)1/2과 D50의 값이 가까운 경우에는 탄소재료중의 입자는 보다 적은 수의 광학 조직으로 되어 있는 것을 의미하고, D50에 대하여 (SOP×AROP)1/2이 작은 경우에는 탄소재료중의 입자는 다수의 광학 조직을 포함하는 것을 의미한다. (SOP×AROP)1/2의 값이 0.2×D50이상이면 광학 조직의 경계가 적고, 리튬 이온의 확산에 있어서 형편이 좋고, 그 때문에 고속도로 충방전할 수 있다. 또 그 값이 커지면 유지할 수 있는 리튬 이온이 보다 많아진다. 그 값은 바람직하게는 0.25×D50이상이며, 보다 바람직하게는 0.28×D50이상이며, 더욱 바람직하게는 0.35×D50이상이다. 상한은 2×D50미만이지만, 바람직하게는 1×D50이하, 더욱 바람직하게는 0.5×D50이하이다.
D50은 레이저 회절식 입도 분포계에 있어서 체적 기준으로 측정된 50% 누적시의 지름(평균 입자지름)을 나타내고, 입자의 외견상의 지름을 나타낸다. 레이저 회절식 입도 분포계로서는 예를 들면 말번제 마스터사이저(Mastersizer;등록상표) 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료의 평균 입자지름 D50은 1∼30㎛이다. D50을 1㎛미만으로 하기 위해서는 분쇄시에 특수한 기기에 의해 분쇄하는 것이 필요하며, 에너지도 보다 많이 필요하다. 또 응집이나 도포성의 저하 등 핸들링이 어렵게 되고, 표면적이 과도하게 상승하면 초기 충방전 효율이 저하한다. 한편, D50이 지나치게 크면, 부극재중의 리튬 확산에 시간이 걸리게 되어 입출력 특성이 저하한다.
보다 바람직한 D50은 5∼20㎛이다. 이 입도에서는 핸들링도 용이하며 입출력 특성이 높아지고, 자동차 등 구동 전원으로서 사용할 때에 필요한 대전류에 견딜 수 있다.
탄소재료의 애스펙트비 AROP는 바람직하게는 1.5∼6.0, 보다 바람직하게는 2.0∼4.0, 더욱 바람직하게는 2.0∼2.3이다. 애스펙트비가 상기 하한값보다 크면 조직끼리가 미끄러짐으로써 고밀도의 전극이 얻어지기 쉽기 때문에 바람직하며, 상한치이하이면 원료를 합성하기 위해서 필요한 에너지가 작아 바람직하다.
광학 조직의 관찰 및 해석 방법은 이하와 같다.
[편광 현미경 관찰 시료 제작]
본 발명에 있어서의 「탄소재료로 이루어지는 성형체 단면」은 이하와 같이 해서 조제한다.
내용적 30㎤의 플라스틱제 샘플 용기의 바닥에 양면 테이프를 붙이고, 그 위에 스패튤러 2스푼 정도(2g 정도)의 관찰용 샘플을 올린다. 냉간 매입 수지(상품명:냉간 매입 수지 #105, 제조회사:재팬 콤포지트(주), 판매 회사:마루모토 스투루아스(주))에 경화제(상품명:경화제(M제), 제조회사:니폰 유시(주), 판매 회사:마루모토 스투루아스(주))를 첨가하고 30초 혼련한다. 얻어진 혼합물(5㎖ 정도)을 상기 샘플 용기에 높이 약 1cm가 될 때까지 천천히 흘려넣고, 하루 정치해서 응고시킨다. 다음에 응고한 샘플을 꺼내고, 양면 테이프를 벗긴다. 그리고, 연마판 회전식의 연마기를 이용하여 측정하는 면을 연마한다.
연마는 회전면에 연마면을 밀착시키도록 행한다. 연마판의 회전은 1000rpm으로 행한다. 연마판의 번수는 #500, #1000, #2000의 순으로 행하고, 마지막은 알루미나(상품명:바이카록스(Baikalox;등록상표) 타입 0.3CR, 입자지름 0.3㎛, 제조회사:바이코우스키, 판매 회사:바이코우스키 재팬)를 이용하여 경면 연마한다.
연마한 샘플을 프리파레트 상에 점토로 고정하고, 편광 현미경(OLYMPAS사제, BX51)을 사용해서 관찰을 행한다.
[편광 현미경상 해석 방법]
관찰은 200배로 행한다. 편광 현미경으로 관찰한 화상은 OLYMPUS제 CAMEDIA(등록상표） C-5050 ZOOM 디지털 카메라를 어태치먼트로 편광 현미경에 접속하고, 촬영한다. 셔터 타임은 1.6초로 행한다. 촬영 데이터 중, 1200픽셀×1600픽셀의 화상을 해석 대상으로 한다. 이것은 480㎛×640㎛의 시야를 검토하고 있는 것에 해당한다. 해석에 사용하는 화상은 많을수록 바람직하고, 40매이상에서 측정오차가 작아진다. 화상해석은 ImageJ(미국 국립 위생 연구소제)를 이용하여, 청색부, 황색부, 적색부, 흑색부를 판정했다.
각 색의 ImageJ 사용시에 각 색을 정의한 파라미터는 표 1과 같다.
Figure pct00001
검출된 조직에 대한 통계처리는 외부 매크로를 사용해서 행한다. 흑색부, 즉, 광학 조직이 아닌 수지부분에 상당하는 것은 통계대상으로부터 제외하고, 청색, 황색, 적색의 각각의 광학 조직에 대해서 각 조직의 면적 및 애스펙트비를 산출한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소입자는 비인편상의 탄소입자로 이루어진다. 이것은 전극 제작시의 탄소망면층의 배향을 막기 위해서이다. 인편도의 평가의 지표로서는 배향성을 사용한다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 분말 X선 회절 측정으로부터 얻어지는 XRD 패턴에 있어서 흑연 결정의 (110)면의 피크 강도 I110과 (004)면의 피크 강도 I004의 비 I110/I004가 0.1이상이다. 이것보다 낮은 값을 갖는 탄소재료는 첫회 충방전시에 전극이 팽창하기 쉽고, 또 탄소망면이 전극판과 평행하게 되므로 Li의 삽입이 일어나기 어렵고 급속 충방전 특성이 나빠진다. 상기 비의 상한으로서는 바람직하게는 0.6이하, 더욱 바람직하게는 0.3이하이다. 배향성이 지나치게 낮으면 전극 제작시의 프레스를 행할 때에 전극밀도가 높아지기 어려워진다.
또한 인편상으로 되면 부피밀도가 작아지므로 취급하기 어려워지고, 전극 제작을 위해서 슬러리로 할 때에 용매와의 친화성이 낮아 전극의 박리강도가 약해지는 일도 있다.
이 입자의 배향성은 선술한 광학 조직과도 관계가 있다. 특히, 탄소재를 분쇄해서 제작하는 탄소입자에 있어서는 AROP가 1.5이상으로 큰 값의 경우에는 입자의 형상도 인편상으로 되어 배향하기 쉬워진다. 그 때문에 선술의 광학 조직을 유지하면서 배향성을 저하시키기 위해서는 후술의 탄소재료의 열이력이 중요하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 입자의 평균 원형도가 0.80∼0.95이다. 선술과 같이 입자가 인편상인 경우나 형상이 찌그러진 경우에는 평균 원형도가 작아지지만, 인편상인 경우에는 선술과 같이 급속 충방전성이 저하되고, 찌그러진 경우에는 전극 제작시에 입자간의 공극이 커지므로 전극밀도가 높아지기 어렵다. 반대로 평균 원형도가 지나치게 높으면 전극을 제작했을 때에 입자간의 접점이 작아지고, 저항이 높아 입출력 특성이 나빠진다. 보다 바람직하게는 0.85∼0.90이다.
또, 평균 원형도는 sysmex사제 FPIA-3000을 사용해서 LPF 모드로 10000개이상의 입자에 대하여 해석된 원형도의 빈도분포에 의해 산출된다. 여기에서 원형도란 관측된 입자상의 면적과 동 면적을 갖는 원의 둘레길이를 입자상의 둘레길이로 나눈 것이며, 1에 가까울수록 진원에 가깝다. 입자상의 면적을 S, 둘레길이를 L이라고 하면, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
원형도=L/(Sπ)1/2
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 X선 회절법에 의한 (002)면의 평균 면간격 d002가 0.337nm이하이다. 이에 따라 탄소재료의 질량당 리튬 삽입, 탈리량이 많고, 즉 중량 에너지 밀도가 높아진다. 또한 결정의 C축방향의 두께 Lc로서는 50∼1000nm가 중량 에너지 밀도나 파쇄성의 관점으로부터 바람직하다. 보다 바람직하게는 d002가 0.3365nm이하, Lc가 100∼1000nm이다.
d002 및 Lc는 기지의 방법에 의해 분말 X선 회절(XRD)법을 이용하여 측정할 수 있다(노다 이나요시, 이나가키 미치오, 일본 학술 진흥회, 제117위원회 시료, 117-71-A-1(1963), 이나가키 미치오 외, 일본 학술 진흥회, 제117위원회 시료, 117-121-C-5(1972), 이나가키 미치오, 「탄소」, 1963, No．36, 25-34페이지 참조).
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 BET 비표면적이 1.0∼5.0㎡/g이며, 1.5∼4.0㎡/g이 보다 바람직하다. 더욱 바람직하게는 2.0∼3.5㎡/g이다. BET 비표면적이 이 범위에 있는 것에 의해, 결착제를 과잉으로 사용하지 않고, 활물질 표면에서의 불가역인 부반응을 억제할 수 있고, 또한 전해액과 접촉하는 면적을 크게 확보하여 입출력 특성이 향상된다.
BET 비표면적에 대해서는 단위질량당 질소 가스의 흡착 탈리량의 계측이라는 일반적인 방법에 의해 측정한다. 측정 장치로서는 예를 들면 NOVA-1200을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 적당한 산화 처리를 거침으로써, 세공의 생성 및 확대가 일어나므로, 액체 질소 냉각하에 있어서의 질소 가스 흡착법에 의한 지름 0.4mm이하의 세공의 전체 세공 용적이 8.0∼20.0μL/g이 된다. 이 때, 전해액이 침투하기 쉬워짐과 아울러 급속 충방전 특성이 향상된다. 전체 세공 용적이 8.0μL/g이상이면 탄소재료로 얻어지는 부극이 부반응이 적어 첫회 충방전 효율이 높은 부극이 된다. X선 회절법으로 측정되는 Lc가 100nm이상인 탄소재료에 있어서, 상기 전체 세공 용적이 20.0μL/g이하이면 충방전시의 흑연층의 이방적인 팽창 수축에 기인하는 구조의 불가역 변화가 일어나기 어려워 사이클 특성이 더욱 향상한다. 더욱 바람직한 실시형태에 있어서는 상기 전체 세공 용적이 8.5∼17.0μL/g이다. 가장 바람직한 실시형태에 있어서는 상기 전체 세공 용적이 8.7∼15.0μL/g이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 흑연화후에 분쇄를 행하지 않는다. 그 때문에 마름면체 피크 비율은 5%이하, 더욱 바람직하게는 1%이하이다.
이러한 범위로 함으로써 리튬과의 층간 화합물의 형성이 원활해지고, 이것을 부극재료로서 리튬 이온 2차전지에 사용했을 경우, 리튬 흡장·방출 반응이 저해되기 어려워 급속 충방전 특성이 향상한다.
또, 탄소재료중의 마름면체정 구조의 피크 비율(x)은 육방정 구조 (100)면의 실측 피크 강도(P1), 마름면체정 구조의 (101)면의 실측 피크 강도(P2)로부터 하기 식에 의해 구한다.
x=P2/(P1+P2)
(2)탄소재료의 제조 방법
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료는 열이력이 1000℃이하인 코크스를 분쇄한 입자를 가열함으로써 제조할 수 있다.
코크스의 원료로서는 예를 들면 석유 피치, 석탄 피치, 석탄 피치 코크스, 석유 코크스 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 특정 조건하에서 딜레이드 코킹을 행한 것이 바람직하다.
딜레이드 코커에 통과시키는 원료로서는 원유 정제시의 중질유분에 대하여 유동상 접촉 분해를 행한 후에 촉매를 제거한 데칸트 오일이나, 역청탄 등으로부터 추출된 콜타르를 200℃이상의 온도에서 증류하고, 얻어진 타르를 100℃이상으로 승온함으로써 충분히 유동성을 갖게 한 것을 들 수 있다. 딜레이드 코킹 프로세스 중 적어도 드럼내 입구에 있어서는 이들의 액체가 450℃이상, 더욱 500℃, 보다 더욱 510℃이상으로 승온되어 있는 것이 바람직하고, 그것에 의해 후공정에서의 열처리시에 잔탄율이 높아져서 수율이 향상된다. 또한 드럼내에서의 압력은 바람직하게는 상압이상, 보다 바람직하게는 300kPa이상, 더욱 바람직하게는 400kPa이상으로 유지한다. 이에 따라 부극으로서의 용량이 보다 높아진다. 이상과 같이, 통상보다 가혹한 조건에 있어서 코킹을 행함으로써, 액체를 보다 반응시켜서 보다 중합도가 높은 코크스를 얻을 수 있다.
얻어진 코크스를 드럼내로부터 제트 수류에 의해 잘라내고, 얻어진 덩어리를 5cm 정도까지 쇠망치 등으로 조분쇄한다. 조분쇄에는 2축 롤 크러셔나 조 크러셔를 사용할 수도 있지만, 바람직하게는 1mm 체 상이 90질량%이상이 되도록 분쇄한다. 입경 1mm이하의 미분이 대량으로 발생하는 정도로까지 과분쇄를 행하면, 이후의 가열의 공정 등에 있어서, 건조후, 코크스분이 날아 올라가거나, 소손(燒損)이 증가하여 버리는 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
코크스는 특정 광학 조직의 면적 및 애스펙트비가 특정 범위에 있는 것이 바람직하다. 광학 조직의 면적 및 애스펙트비에 대해서는 선술의 방법에 의해 산출하는 것도 가능하지만, 코크스를 수cm 크기의 괴상물로서 얻었을 경우에는 그것을 그대로 수지에 매설하고, 경면 가공 등 해서 그 단면을 편광 현미경에 의해 관찰하고, 광학 조직의 면적 및 애스펙트비를 산출한다.
코크스 단면의 480㎛×640㎛의 직사각형의 시야에 있어서 편광 현미경에 의해 광학 조직을 관찰했을 경우, 면적이 작은 조직부터 면적을 누적하고, 그 누계 면적이 전체 광학 조직 면적의 60%의 면적이 될 때의 광학 조직의 면적이 50∼5000μ㎡인 것이 바람직하고, 100∼3000μ㎡인 것이 보다 바람직하고, 100∼160μ㎡인 것이 가장 바람직하다. 상기 범위에 있는 코크스를 분쇄하여 흑연화하면, 선술과 같은 광학 조직을 갖는 탄소재료를 얻을 수 있고, 충분히 발달한 결정조직을 갖게 되므로 리튬 이온을 보다 높은 밀도로 유지하는 것이 가능해진다. 또한 결정이 보다 가지런한 형태로 발달하고, 결정면 파단에 의한 미끄러짐에 의해 전극을 프레스할 때에 입자형상의 자유도가 높아 충전성이 높아져 보다 바람직하다.
또한 상기와 마찬가지로 코크스의 광학 조직을 관찰했을 경우, 애스펙트비가 작은 조직부터 조직의 수를 세어서 조직 전체의 수의 60%번째의 조직에 있어서의 애스펙트비가 1.5∼6인 것이 바람직하고, 2.0∼3.0인 것이 보다 바람직하고, 2.3∼2.6인 것이 가장 바람직하다.
다음에 코크스를 분쇄한다.
건식으로 분쇄를 행할 경우, 분쇄시에 코크스에 물이 포함되어 있으면 분쇄성이 현저하게 저하되므로, 100∼1000℃ 정도로 건조시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 100∼500℃이다. 코크스가 높은 열이력을 갖고 있으면 압쇄 강도가 강해져서 분쇄성이 나빠지고, 또 결정의 이방성이 발달해 버리므로 벽개성이 강해져서 인편상의 분말이 되기 쉬워진다. 분쇄하는 방법에 특별히 제한은 없고, 공지의 제트밀, 해머밀, 롤러밀, 핀밀, 진동밀 등을 사용해서 행할 수 있다.
분쇄는 레이저 회절법에 의한 체적 기준의 평균 입자지름 D50이 1∼30㎛가 되도록 행하는 것이 바람직하다. D50이 1㎛미만이 될 때까지 분쇄하기 위해서는 특수한 기기를 이용하여 큰 에너지가 필요하다. 또 D50이 지나치게 크면, 전극으로 했을 경우의 리튬 확산에 시간이 걸리고, 입출력 특성이 나빠지는 경향이 있다. 보다 바람직한 D50은 5∼20㎛이다. 이 영역에서는 자동차 등 구동 전원으로서 사용할 때에 필요한 대전류에 견디는 우수한 부극재를 제작할 수 있다.
흑연화는 바람직하게는 2400℃이상, 보다 바람직하게는 2800℃이상, 더욱 바람직하게는 3050℃이상, 가장 바람직하게는 3150℃이상의 온도에서 행한다. 보다 높은 온도에서 처리하면, 보다 흑연 결정이 성장하여 리튬 이온을 보다 고용량으로 축적하는 것이 가능한 전극을 얻을 수 있다. 한편, 온도가 지나치게 높으면 흑연분이 승화하는 것을 막는 것이 곤란하며, 필요로 되는 에너지도 너무 커지므로 흑연화 온도는 3600℃이하인 것이 바람직하다.
이들 온도를 달성하기 위해서는 전기 에너지를 사용하는 것이 바람직하다. 전기 에너지는 다른 열원과 비교하면 고가이며, 특히 2000℃이상을 달성하기 위해서는 매우 큰 전력을 소비한다. 그 때문에 흑연화 이외에 전기 에너지는 소비되지 않는 쪽이 바람직하고, 흑연화에 앞서 탄소원료는 소성되고, 유기 휘발분이 제거된 상태, 즉 고정 탄소분이 95%이상, 보다 바람직하게는 98%이상, 더욱 바람직하게는 99%이상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 소성은 예를 들면 700∼1500℃에서 가열함으로써 행할 수 있다. 소성에 의해 흑연화시의 질량감소가 저감되므로 흑연화 처리 장치에서 한번의 처리량을 높일 수 있다.
종래, 흑연화 처리는 산소를 포함하지 않는 분위기, 예를 들면 질소 봉입 환경이나 아르곤 봉입 환경에서 행해지고 있지만, 본 발명에 있어서의 흑연화 처리는 산소 가스를 일정 농도 포함하는 환경하에서 행하거나 흑연화 공정후에 산화 처리가 이루어지는 것이 바람직하다. 통상, 흑연은 표면에 고활성 부위를 갖고, 이 고활성 부위가 전지내부에 있어서의 부반응의 원인이 되므로 첫회 충방전 효율, 사이클 특성, 전력보존 특성 저하의 원인으로 되어 있었다. 본 발명에 있어서의 탄소재료는 이 고활성 부위가 산화 반응에 의해 제거되므로 상기 탄소재료를 구성하는 흑연입자 표면 상의 고활성 부위가 적고, 전지내에서의 부반응이 억제되므로 첫회 충방전 효율, 사이클 특성, 전력보존 특성이 개선된 탄소재료가 얻어진다.
본 발명의 탄소재료의 제조 방법에 있어서는 500℃이상의 온도에 있어서 산소 가스(O2)와 접촉시키는 공정을 포함한다. 산소 가스와 접촉시키는 온도는 보다 바람직하게는 1000℃이상이다. 상한온도는 흑연화시의 온도이다. 그 공정으로서는 구체적으로는 (a)흑연화를 위한 가열시에 산소와 접촉시킨다, (b)흑연화를 위한 가열후의 냉각하는 과정에서 산소와 접촉시킨다, 또는 (c)흑연화의 공정이 완료된 후, 독립된 가열 처리시에 산소와 접촉시키는 것 등에 의해 행할 수 있다.
또한 흑연화로의 공기를 질소 가스나 아르곤으로 치환하지 않음으로써, 흑연화 처리와 산화 처리를 동일 설비로 행할 수도 있다. 이러한 방법으로 흑연화 처리 및 산화 처리를 행함으로써 흑연입자의 표면이 산화됨으로써 표면의 고활성 부위가 제거되는 등해서 전지특성이 개선된다. 또한 공정 및 설비를 간략화할 수 있으므로 경제성·안전성·양산성이 향상된다.
흑연화 처리는 산소를 일정 농도 포함하는 환경하에서 행할 수 있는 것이면 제한되지 않지만, 예를 들면 탄소입자 또는 흑연입자를 패킹 코크로 한 애치슨로에서 흑연 도가니에 흑연화하는 재료를 채우고, 뚜껑을 덮지 않고 상부를 산소 가스 함유 기체와 접촉시킨 상태, 흑연 도가니에 지름 1mm 내지 50mm의 복수의 산소 유입 구멍을 설치한 상태 또는 흑연 도가니 외부에 접속된 지름 1mm 내지 50mm의 복수의 통형상의 산소 유입통을 설치한 상태에서 통전하여 발열시키는 방법에 의해 행할 수 있다. 이 때, 흑연화하는 재료에 포함되어 있는 물질이 폭발적으로 반응을 하는 것을 막기 위해서, 또는 폭발적으로 반응한 상기 재료가 외부로 비산하는 것을 막기 위해서, 도가니 상부에 탄화 또는 흑연화한 펠트나 다공체의 판을 씌워서 경도로 산소 가스 함유 기체를 차단해도 좋다. 아르곤이나 질소 가스를 소량 유입시켜도 좋지만, 완전하게 아르곤이나 질소 가스로 치환하지 않고, 흑연화의 공정에 있어서 흑연화하는 재료의 표면 근방(5cm이내)의 산소농도를 1%이상, 바람직하게는 1∼20%로 조정하는 것이 바람직하다. 산소 가스 함유 기체로서는 공기가 바람직하지만, 산소농도를 상기 농도내에서 조정한 저산소 농도 기체도 사용가능하다. 아르곤이나 질소 가스를 대량으로 사용하는 것은 가스의 농축에 에너지를 필요로 하고, 또 가스를 유통시키면 그 만큼 흑연화에 필요한 열이 계 외부로 배출되어 보다 많은 에너지를 필요로 한다. 그 때문에 에너지의 유효이용 및 경제성의 관점으로부터도 대기 개방 환경하에서 흑연화를 행하는 것이 바람직하다.
표면 산화가 흑연화후에 일어나면, 흑연입자 표면 상의 고활성 부위가 제거되고, 그 후에는 탄소원자의 결합의 조직전환은 일어나지 않는다. 따라서, 얻어지는 흑연입자는 표면에 고활성 부위가 적기 때문에 전지 내부에서의 부반응이 적어 첫회 충방전 효율이나 사이클 특성이 우수한 전극재료가 된다. 그 때문에 표면 산화는 흑연화 공정의 냉각 과정이나, 흑연화 공정 후에 일어나는 것이 가장 바람직하다. 특히 대기 해방 환경하에서 흑연화를 행한 경우에는 흑연화로의 냉각시에 공기가 유입되어 로내의 산소 가스 농도가 1∼20%가 되도록 로를 설계하는 것이 바람직하다.
상기 (c)와 같이, 흑연화를 행한 후에 별도 산화 처리를 행하는 경우에는 산소 가스 존재 하에서 500℃이상의 온도에서 온도에 따라 적절한 산소 가스 농도, 가열 시간에 처리를 행한다.
단, 이렇게 해서 흑연화를 행할 경우, 산소 가스와 접하는 부분은 탄소재료에 유래하는 불순물 성분이 석출되기 쉬워 이것을 제거하는 것이 바람직하다. 제거 방법으로서는 산소 가스 함유 기체와 접하는 부분으로부터 소정 깊이까지의 범위의 흑연재료를 제거하는 방법을 들 수 있다. 즉, 그 이후의 깊이의 흑연재료를 취득한다. 소정 깊이로서는 표면으로부터 2cm, 보다 바람직하게는 3cm, 더욱 바람직하게는 5cm이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는 산화 반응에 의해 입자 표면 상의 고활성 부위를 불활성화하고 있기 때문에, 흑연화후에는 분쇄 처리를 행하지 않는다. 단, 흑연화후에 입자가 분쇄되지 않는 정도로 해쇄할 수는 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 적당한 산화 처리를 거쳐 입자의 표면형상 및 표면활성을 개질함으로써 제조된 탄소재료를 활물질로서 전극을 제작했을 때, 상기 전극을 압축하면 상기 전극 내부에서 인접하는 입자간의 접촉이 안정된 것으로 되어 상기 전극을 전지의 반복의 충방전에 적합한 것으로 하는 것이 가능하다.
(3)전지전극용 탄소재료
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전지전극용 탄소재료는 상기 탄소재료를 포함해서 이루어진다. 상기 탄소재료를 전지전극용 탄소재료로서 사용하면, 고용량, 고에너지 밀도, 고쿨롬 효율, 고사이클 특성을 유지한 채, 저저항, 고입출력 특성의 전지전극을 얻을 수 있다.
전지전극용 탄소재료로서는 예를 들면 리튬 이온 2차전지의 부극 활물질 및 부극 도전 부여재로서 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전지전극용 탄소재료는 상기 탄소재료만을 사용할 수 있지만, 탄소재료 100질량부에 대해서 d002가 0.3370nm이하인 구상의 천연흑연 또는 인조흑연을 0.01∼200질량부, 바람직하게는 0.01∼100질량부 배합한 것, 또는 d002가 0.3370nm이하이며, 애스펙트비가 2∼100인 천연흑연 또는 인조흑연을 0.01∼120질량부, 바람직하게는 0.01∼100질량부 배합한 것을 사용할 수도 있다. 다른 흑연재료를 혼합해서 사용함으로써, 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 탄소재료의 우수한 특성을 유지한 상태에서 다른 흑연재료가 갖는 우수한 특성을 가미한 탄소재료로 하는 것이 가능하다. 이들의 혼합은 요구되는 전지특성에 따라 적당히 혼합재료를 선택하여 혼합량을 결정할 수 있다.
또한 전지전극용 탄소재료에는 탄소섬유를 배합할 수도 있다. 배합량은 상기 탄소재료 100질량부에 대해서 0.01∼20질량부이며, 바람직하게는 0.5∼5질량부이다.
탄소섬유로서는 예를 들면 PAN계 탄소섬유, 피치계 탄소섬유, 레이온계 탄소섬유 등의 유기계 카본파이버, 기상법 탄소섬유 등을 들 수 있다. 이들 중, 특히, 결정성이 높고, 열전도성의 높은 기상법 탄소섬유가 바람직하다. 탄소섬유를 탄소재료의 입자 표면에 접착시키는 경우에는 특히 기상법 탄소섬유가 바람직하다.
기상법 탄소섬유는 예를 들면 유기 화합물을 원료로 하고, 촉매로서의 유기 전이 금속 화합물을 캐리어 가스와 함께 고온의 반응로에 도입하여 생성하고, 계속해서 열처리해서 제조된다(일본 특허공개 소 60-54998호 공보, 일본 특허 제2778434호 공보 등 참조). 그 섬유지름은 2∼1000nm, 바람직하게는 10∼500㎛이며, 애스펙트비는 바람직하게는 10∼15000이다.
탄소섬유의 원료가 되는 유기 화합물로서는 톨루엔, 벤젠, 나프탈렌, 에틸렌, 아세틸렌, 에탄, 천연가스, 일산화탄소 등의 가스 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 그 중에서도 톨루엔, 벤젠 등의 방향족 탄화수소가 바람직하다.
유기 전이 금속 화합물은 촉매가 되는 전이 금속을 포함하는 것이다. 전이 금속으로서는 주기율표 제IVa, Va, VIa, VIIa, VIII족의 금속을 들 수 있다. 유기 전이 금속 화합물로서는 페로센, 니켈로센 등의 화합물이 바람직하다.
탄소섬유는 기상법 등으로 얻어진 장섬유를 분쇄 또는 해쇄한 것이어도 좋다. 또한 탄소섬유는 플록 상에 응집한 것이어도 좋다.
탄소섬유는 그 표면에 유기 화합물 등에 유래하는 열분해물이 부착되어 있지 않은 것, 또는 탄소구조의 결정성이 높은 것이 바람직하다.
열분해물이 부착되어 있지 않은 탄소섬유 또는 탄소구조의 결정성이 높은 탄소섬유는 예를 들면 불활성 가스 분위기하에서 탄소섬유, 바람직하게는 기상법 탄소섬유를 소성(열처리)함으로써 얻어진다. 구체적으로는 열분해물이 부착되어 있지 않은 탄소섬유는 약 800∼1500℃에서 아르곤 등의 불활성 가스중에서 열처리함으로써 얻어진다. 또한 탄소구조의 결정성이 높은 탄소섬유는 바람직하게는 2000℃이상, 보다 바람직하게는 2000∼3000℃에서 아르곤 등의 불활성 가스중에서 열처리함으로써 얻어진다.
탄소섬유는 분기상 섬유가 포함되어 있는 것이 바람직하다. 또 섬유 전체가 서로 연통한 중공구조를 갖고 있는 개소가 있어도 좋다. 그 때문에 섬유의 원통부분을 구성하고 있는 탄소층이 연속하고 있다. 중공구조란 탄소층이 원통형상으로 권취되어 있는 구조로서, 완전한 원통이 아닌 것, 부분적인 절단 개소를 갖는 것, 적층한 2층의 탄소층이 1층에 결합한 것 등을 포함한다. 또한 원통의 단면은 완전한 원에 한정되지 않고 타원이나 다각화의 것을 포함한다.
또 탄소섬유는 X선 회절법에 의한 (002)면의 평균 면간격 d002가 바람직하게는 0.344nm이하, 보다 바람직하게는 0.339nm이하, 특히 바람직하게는 0.338nm이하이다. 또한 결정의 C축방향의 두께 Lc가 40nm이하인 것이 바람직하다.
(4)전극용 페이스트
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전극용 페이스트는 상기 전지전극용 탄소재료와 바인더를 포함해서 이루어진다. 이 전극용 페이스트는 상기 전지전극용 탄소재료와 바인더를 혼련함으로써 얻어진다. 혼련에는 리본 믹서, 스크류형 니더, 스파르탄류저, 레디게 믹서, 플레네터리 믹서, 만능 믹서 등 공지의 장치를 사용할 수 있다. 전극용 페이스트는 시트상, 펠릿상 등의 형상으로 성형할 수 있다.
전극용 페이스트에 사용하는 바인더로서는 폴리불화 비닐리덴이나 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 폴리머, SBR(스티렌 부타디엔 러버) 등의 고무계 등 공지의 것을 들 수 있다.
바인더의 사용량은 전지전극용 탄소재료 100질량부에 대하여 1∼30질량부가 적당하지만, 특히 3∼20질량부 정도가 바람직하다.
혼련할 때에 용매를 사용할 수 있다. 용매로서는 각각의 바인더에 적합한 공지의 것, 예를 들면 불소계 폴리머의 경우에는 톨루엔, N-메틸피롤리돈 등; SBR의 경우에는 물 등; 그 밖에 디메틸포름아미드, 이소프로판올 등을 들 수 있다. 용매로서 물을 사용하는 바인더의 경우에는 증점제를 병용하는 것이 바람직하다. 용매의 양은 집전체에 도포하기 쉬운 점도가 되도록 조정된다.
(5)전극
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전극은 상기 전극용 페이스트의 성형체로 이루어지는 것이다. 전극은 예를 들면 상기 전극용 페이스트를 집전체 상에 도포하고, 건조하고, 가압성형함으로써 얻어진다.
집전체로서는 예를 들면 알루미늄, 니켈, 구리, 스테인레스 등의 박, 메시 등을 들 수 있다. 페이스트의 도포두께는 통상 50∼200㎛이다. 도포 두께가 지나치게 커지면, 규격화된 전지용기에 부극을 수용할 수 없게 되는 일이 있다. 페이스트의 도포 방법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 닥터 블레이드나 바코터 등으로 도포후, 롤 프레스 등으로 성형하는 방법 등을 들 수 있다.
가압 성형법으로서는 롤 가압, 프레스 가압 등의 성형법을 들 수 있다. 가압 성형할 때의 압력은 1∼3t/㎠ 정도가 바람직하다. 전극의 전극밀도가 높아질수록 체적당 전지 용량이 통상 커진다. 그러나 전극밀도를 지나치게 높게 하면 사이클 특성이 통상 저하한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전극용 페이스트를 사용하면 전극밀도를 높게 해도 사이클 특성의 저하가 작으므로, 높은 전극밀도의 전극을 얻을 수 있다. 이 전극용 페이스트를 이용하여 얻어지는 전극의 전극밀도의 최대값은 통상 1.6∼1.9g/㎤이다. 이렇게 해서 얻어진 전극은 전지의 부극, 특히 2차전지의 부극에 바람직하다.
(6)전지
상기 전극을 구성요소(바람직하게는 부극)로서 전지 또는 2차전지로 할 수 있다.
리튬 이온 2차전지를 구체예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전지 또는 2차전지를 설명한다. 리튬 이온 2차전지는 정극과 부극이 전해액 또는 전해질 중에 침지된 구조를 한 것이다. 부극에는 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 전극이 사용된다.
리튬 이온 2차전지의 정극에는 정극 활물질로서, 통상, 리튬 함유 전이 금속 산화물이 사용되고, 바람직하게는 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(C), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)으로부터 선택되는 적어도 1종의 전이 금속 원소와 리튬을 주로 함유하는 산화물로서, 리튬과 전이 금속 원소의 몰비가 0.3∼2.2인 화합물이 사용되며, 보다 바람직하게는 V, Cr, Mn, Fe, Co 및 Ni에서 선택되는 적어도 1종의 전이 금속 원소와 리튬(Li)을 주로 함유하는 산화물로서, 리튬과 전이 금속의 몰비가 0.3∼2.2인 화합물이 사용된다. 또, 주로 존재하는 전이 금속에 대하여 30몰%미만의 범위에서 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 규소(Si), 인(P), 붕소(B) 등을 함유하고 있어도 좋다. 상기 정극 활물질 중에서 일반식 LixMO2(M은 Co, Ni, Fe, Mn 중 적어도 1종, x=0∼1.2), 또는 LiyN2O4(N은 적어도 Mn을 포함한다. y=0∼2)로 나타내어지는 스피넬 구조를 갖는 재료 중 적어도 1종을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 정극 활물질은 LiyMaD1-aO2(M은 Co, Ni, Fe, Mn 중 적어도 1종, D는 Co, Ni, Fe, Mn, Al, Ｚn, Cu, Mo, Ag, W, Ga, In, Sn, Pb, Sb, Sr, B, P 중 M 이외의 적어도 1종, y=0∼1.2, a=0.5∼1)를 포함하는 재료, 또는 Liz(NbE1-b)2O4(N은 Mn, E는 Co, Ni, Fe, Mn, Al, Ｚn, Cu, Mo, Ag, W, Ga, In, Sn, Pb, Sb, Sr, B, P 중 적어도 1종, b=1∼0.2, z=0∼2)로 나타내어지는 스피넬 구조를 갖는 재료 중 적어도 1종을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
구체적으로는 LixCoO2, LixNiO2, LixMnO2, LixCoaNi1-aO2, LixCobV1-bOz, LixCobFe1-bO2, LixMn2O4, LixMncCo2-cO4, LixMncNi2-cO4, LixMncV2-cO4, LixMncFe2-cO4, LixNidMneCo1-d-eO2(여기에서 x=0.02∼1.2, a=0.1∼0.9, b=0.8∼0.98, c=1.6∼1.96, d=0.1∼0.8, e=0.1∼0.8-d, z=2.01∼2.3.)를 들 수 있다. 가장 바람직한 리튬 함유 전이 금속 산화물로서는 LixCoO2, LixNiO2, LixMnO2, LixCoaNi1-aO2, LixMn2O4, LixCobV1-bOz, LixNidMneCo1-d-eO2(x=M.02∼1.2, a=0.1∼0.M, b=0.9∼0.98, d=0.1∼0.8, e=0.1∼0.8-d, z=2.01∼2.3)를 들 수 있다. 또, x의 값은 충방전 개시전의 값이며, 충방전에 의해 증감한다.
정극 활물질의 평균 입자지름 D50은 특별히 한정되지 않지만, 0.1∼50㎛가 바람직하다. 또한 입경이 0.5∼30㎛의 입자의 체적이 95%이상인 것이 바람직하다. 입경 3㎛이하의 입자군이 차지하는 체적이 전체 체적의 18%이하이며, 또한 입경 15㎛이상 25㎛이하의 입자군이 차지하는 체적이 전체 체적의 18%이하인 것이 더욱 바람직하다. 비표면적은 특별히 한정되지 않지만, BET법으로 0.01∼50㎡/g이 바람직하고, 특히 0.2㎡/g∼1㎡/g이 바람직하다. 또 정극 활물질 5g을 증류수 100㎖에 녹였을 때의 상청액의 pH로서는 7이상 12이하가 바람직하다.
리튬 이온 2차전지에서는 정극과 부극 사이에 세퍼레이터를 설치하는 일이 있다. 세퍼레이터로서는 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀을 주성분으로 한 부직포, 크로스, 미공 필름 또는 이들을 조합한 것 등을 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서의 리튬 이온 2차전지를 구성하는 전해액 및 전해질로서는 공지의 유기 전해액, 무기 고체 전해질, 고분자 고체 전해질을 사용할 수 있지만, 전기전도성의 관점으로부터 유기 전해액이 바람직하다.
유기 전해액으로서는 디에틸에테르, 디부틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 에틸렌글리콜페닐에테르 등의 에테르; 포름아미드, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드, N-에틸포름아미드, N,N-디에틸포름아미드, N-메틸아세트아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-에틸아세트아미드, N,N-디에틸아세트아미드, N,N-디메틸프로피온아미드, 헥사메틸포스포릴아미드 등의 아미드; 디메틸술폭시드, 설포란 등의 함유황 화합물; 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등의 디알킬케톤; 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 테트라히드로푸란, 2-메톡시테트라히드로푸란, 1,2-디메톡시에탄, 1,3-디옥솔란 등의 환상 에테르; 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트; γ-부틸올락톤; N-메틸피롤리돈; 아세토니트릴, 니트로메탄 등의 유기 용매의 용액이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 에틸렌카보네이트, 부틸렌카보네이트, 디에틸카보네이트, 디메틸카보네이트, 프로필렌카보네이트, 비닐렌카보네이트, γ-부틸올락톤 등의 에스테르류, 디옥솔란, 디에틸에테르, 디에톡시에탄 등의 에테르류, 디메틸술폭시드, 아세토니트릴, 테트라히드로푸란 등을 들 수 있고, 특히 바람직하게는 에틸렌카보네이트, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트계 비수용매를 사용할 수 있다. 이들 용매는 단독으로 또는 2종이상을 혼합해서 사용할 수 있다.
이들 용매의 용질(전해질)에는 리튬염이 사용된다. 일반적으로 알려져 있는 리튬염에는 LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAlCl4, LiSbF6, LiSCN, LiCl, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiN(CF3SO2)2 등이 있다.
고분자 고체 전해질로서는 폴리에틸렌옥사이드 유도체 및 상기 유도체를 포함하는 중합체, 폴리프로필렌옥사이드 유도체 및 상기 유도체를 포함하는 중합체, 인산 에스테르 중합체, 폴리카보네이트 유도체 및 상기 유도체를 포함하는 중합체 등을 들 수 있다.
또, 상기 이외의 전지구성 상 필요한 부재의 선택에 대해서는 하등 제약을 받는 것은 아니다.
실시예
이하에 본 발명에 대해서 대표적인 예를 나타내고, 더욱 구체적으로 설명한다. 또, 이들은 설명을 위한 단순한 예시이며, 본 발명은 이들에 하등 제한되는 것은 아니다.
또, 실시예 및 비교예의 탄소재료에 관한 광학 조직에 관한 관찰 및 데이터해석, X선 회절법에 의한 평균 면간격(d002), 평균 입자지름 D50, BET법에 의한 비표면적은 본 명세서의 「발명을 실시하기 위한 형태」에 상세하게 설명한 방법에 의해 측정한다. 또한 그 밖의 물성의 측정 방법은 이하와 같다.
(1)분말 XRD 측정
탄소 분말 시료를 유리제 시료판(시료판창 18×20mm, 깊이 0.2mm)에 충전하고, 이하와 같은 조건으로 측정을 행했다.
XRD 장치:Rigaku제 SmartLab,
X선종:Cu-Kα선,
Kβ선 제거 방법:Ni 필터,
X선 출력:45kV, 200mA,
측정범위:5.0∼10.0°,
스캔 스피드:10.0°／분,
얻어진 파형에 대해서 평활화, 백그라운드 제거, Kα2 제거를 행하고, 프로파일 피팅을 행했다. 그 결과 얻어진 (004)면의 피크 강도 I004와 (110)면의 피크 강도 I110으로부터 배향성의 지표가 되는 강도비 I110/I004를 산출했다. 또, 각 면의 피크는 이하의 범위 중 최대의 강도의 것을 각각의 피크로서 선택했다.
(004)면:54.0∼55.0°,
(110)면:76.5∼78.0°。
(2)평균 원형도 측정
탄소재료를 106㎛의 필터에 통과시켜서 미세한 먼지를 제거해서 정제하고, 그 시료 0.1g을 20㎖의 이온 교환수중에 첨가하고, 계면활성제 0.1∼0.5질량% 첨가함으로써 균일하게 분산시키고, 측정용 시료용액을 조제했다. 분산은 초음파 세정기 UT-105S(샤프 매뉴팩쳐링 시스템사제)를 사용하고, 5분간 처리함으로써 행했다.
얻어진 측정용 시료용액을 플로우식 입자상 분석 장치 FPIA-2100(시스멕스사제)에 투입하고, LPF 모드로 10000개의 입자에 대하여 입자의 화상해석을 행하고, 얻어진 각각의 입자의 원형도의 중앙값을 평균 원형도로 했다.
(3)세공 용적의 측정
탄소재료 약 5g을 유리제 셀로 칭량하고, 1kPa이하의 감압하 300℃에서 약 3시간 건조하고, 수분 등의 흡착 성분을 제거한 후, 탄소재료의 질량을 측정했다. 그 후에 액체 질소 냉각하에 있어서의 건조후의 탄소재료의 질소 가스의 흡착 등온선을 퀀타크롬(Quantachrome)사제 Autosorb-1로 측정했다. 얻어진 흡착 등온선의 P/P0=0.992∼0.995에서의 측정점에 있어서의 질소 흡착량과 건조후의 탄소재료의 질량으로부터 지름 0.4㎛이하의 전체 세공 용적을 구했다.
(4)전지 평가 방법
a)페이스트 제작:
탄소재료 100질량부에 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 1.5질량부 및 물을 적당하게 첨가하여 점도를 조절하고, 고형분비 40%의 스티렌-부타디엔고무(SBR) 미립자가 분산된 수용액 3.8질량부를 첨가하여 교반·혼합하여, 충분한 유동성을 갖는 슬러리상의 분산액을 제작하고, 주제 원액으로 했다.
b)부극 제작:
주제 원료를 고순도 동박 상에서 닥터 블레이드를 이용하여 150㎛ 두께로 도포하고, 70℃에서 12시간 진공 건조했다. 도포부가 20c㎡가 되도록 펀칭한 후, 초강제 프레스판으로 끼우고, 프레스압이 약 1×102∼3×102N/㎟(1×103∼3×103kg/㎠)가 되도록 프레스하고, 부극 1을 제작했다. 또한 상기 도포부를 16mmφ으로 펀칭한 후, 부극 1과 같은 방법으로 프레스압이 1×102N/㎟(1×103kg/㎠)가 되도록 프레스하고, 부극 2를 제작했다.
c)정극 제작
Li3Ni1/3Mn1/3Co1/3O2(D50:7㎛)를 90g, 도전 조제로서의 카본블랙(TIMCAL사제, C45)을 5g, 결착재로서의 폴리 불화 비닐리덴(PVdF) 5g을 N-메틸-피롤리돈을 적당하게 첨가하면서 교반·혼합하고, 슬러리상의 분산액을 제작했다.
이 분산액을 두께 20㎛의 알루미늄박 상에 두께가 균일하게 되도록 롤코터에 의해 도포하고, 건조후, 롤 프레스를 행하고, 도포부가 20c㎡가 되도록 펀칭하고, 정극을 얻었다.
d)전지 제작:
[2극 셀]
상기 부극 1, 정극에 대해서 각각 Al박에 Al탭, Cu박에 Ni탭을 부착했다. 폴리프로필렌제 필름 미다공막을 통해 이들을 대향시켜서 적층, 알루미늄 라미네이트에 의해 패킹하고 전해액을 주액후, 개구부를 열융착에 의해 밀봉하고, 전지를 제작했다.
[대극 리튬셀]
폴리프로필렌제의 나사삽입식 뚜껑이 부착된 셀(내경 약 18mm)내에 있어서 상기 부극 2와 16mmφ로 펀칭한 금속 리튬박을 세퍼레이터(폴리프로필렌제 마이크로폴리스 필름(셀 가드 2400))로 끼워넣어 적층하고, 전해액을 첨가하여 시험용 셀로 했다.
e)전해액:
EC(에틸렌카보네이트) 8질량부 및 DEC(디에틸카보네이트) 12질량부의 혼합 액에 전해질로서 LiPF6을 1mol/L 용해했다.
f)방전 용량, 첫회 쿨롬 효율의 측정 시험:
대극 리튬셀을 이용하여 시험을 행했다. 레스트 포텐셜로부터 0.002V까지 0.2mA로 CC(컨스턴트 커렌트:정전류) 충전을 행했다. 다음에 0.002V로 CV(컨스턴트 볼트:정전압) 충전으로 스위칭하고, 컷오프 전류값 25.4μA로 충전을 행했다.
상한 전압 1.5V로서 CC 모드로 0.2mA 방전을 행했다.
시험은 25℃로 설정한 항온조내에서 행했다. 이 때, 첫회 방전시의 용량을 방전 용량으로 했다. 또 첫회 충방전시의 전기량의 비율, 즉 방전 전기량/충전 전기량을 백분률로 나타낸 결과를 첫회 쿨롬 효율로 했다.
g)충방전 사이클 용량 유지율의 측정 시험:
2극 셀을 이용하여 시험을 행했다. 충전은 레스트 포텐셜로부터 상한 전압을 4.15V로서 정전류값 50mA(2C 상당)로 CC 모드 충전을 행한 후, CV 모드로 컷오프 전류값 1.25mA로 충전을 행했다.
방전은 하한 전압 2.8V로서 CC 모드로 50mA의 방전을 행했다.
상기 조건으로 25℃의 항온조중에서 500사이클 충방전을 반복했다.
h)DC-IR의 측정 시험:
초기 전지 용량으로 얻어진 전지 용량(1C=25mAh)을 기준으로 해서 만충전 상태로부터 3시간 30분 0.1C의 CC 방전을 하고(충전 심도(State of Charge:SOC로 약기) 50%), 30분 휴지후, 25mA를 5초 방전함으로써, 전압 강하량으로부터 옴의 법칙(R=ΔV/0.025)에 의해 전지내 직류 저항(Direct Current Internal Resistance;DC-IR로 약기)을 측정했다.
i)충방전 레이트 시험
2극 셀을 이용하여 시험을 행했다. 셀을 상한 전압 4.15V, 컷오프 전류값 1.25mA로서 CC, CV 모드에 의해 0.2C(0.2C=약 5mA)로 충전후, 하한 전압 2.8V로 CC 모드에 의해 10C(약 250mA) 방전하고, 0.2C 방전 용량을 기준으로 해서 10C에 있어서의 방전 용량의 비를 산출했다.
또한 셀을 하한 전압 2.8V로서 CC 모드에 의해 0.2C로 방전후, 상한 전압 4.15V로서 CC 모드에 의해 10C로 충전하고, 0.2C 충전 용량을 기준으로 해서 10C에 있어서의 충전 용량의 비를 산출했다.
j)전극밀도
주제 원액을 고순도 동박 상에서 닥터 블레이드를 이용하여 150㎛ 두께로 도포하고, 70℃에서 12시간 진공 건조했다. 이것을 15mmφ로 펀칭하고, 펀칭한 전극을 초강제 프레스판으로 끼우고, 프레스압이 전극에 대하여 1×102N/㎟(1×103kg/㎠)가 되도록 프레스하고, 전극중량과 전극두께로부터 전극밀도를 산출했다.
실시예 1:
중국 랴오닝성산 원유(API28, 왁스 함유율 17%, 유황분 0.66%)를 상압 증류하고, 중질류분에 대해서 충분한 양의 Y형 제올라이트 촉매를 사용하고, 510℃, 상압에서 유동상 접촉 분해를 행했다. 얻어진 오일이 징명으로 될 때까지 촉매 등의 고형분을 원심 분리하고, 데칸트 오일을 얻었다. 이 오일을 소형 딜레이드 코킹 프로세스에 투입했다. 드럼 입구 온도는 505℃, 드럼 내압은 600kPa(6kgf/㎠)로 10시간 유지한 후, 수냉해서 흑색 덩어리를 얻었다. 얻어진 흑색 덩어리를 최대 5cm 정도가 되도록 쇠망치로 분쇄한 후, 킬른으로 200℃에서 건조를 행했다. 이것을 코크스 1로 했다.
코크스 1에 대해서 전술의 편광 현미경에 의한 관찰 및 화상해석을 행하고, 작은 면적의 조직부터 면적을 누적하고, 총면적의 60%가 될 때의 조직의 면적을 측정한 결과, 153μ㎡였다. 또한 검출된 조직 중, 애스펙트비가 작은 조직의 것부터 배열해 가고, 입자 전체의 60%번째가 된 부분의 애스펙트비는 2.41이었다.
또한 이 코크스 1에 관한 편광 현미경 사진(480㎛×640㎛)을 도 1에 나타낸다. 검은 부분이 매입 수지이며, 회색의 부분이 광학 조직이다.;
이 코크스 1을 호소카와미크론제 반텀밀로 분쇄하고, 그 후 45㎛의 매시 크기의 체를 이용하여 조분을 커트했다. 다음에 닛신 엔지니어링제 터보크라시파이어 TC-15N으로 기류 분급하고, 입경이 1.0㎛이하인 입자를 실질적으로 포함하지 않는 분말 코크스 1을 얻었다.
이 분말 코크스 1을 흑연 도가니에 충전하고, 애시슨로에서 최고 도달 온도가 약 3300℃가 되도록 1주일에 걸쳐서 가열 처리를 행했다. 흑연 도가니에는 복수의 산소 유입 구멍을 형성하고, 흑연화 처리의 최중 및 전후에서 공기를 출입할 수 있도록 되어 있다. 흑연화 처리후의 냉각 과정에 있어서 약 1주일에 걸쳐서 분체의 산화를 행하고, 입자가 비인편상인 탄소재료를 얻었다.
얻어진 시료에 대해서 각종 물성을 측정후, 상기한 바와 같이 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
또한 그 탄소재료에 관한 편광 현미경 사진(480㎛×640㎛)을 도 2에 나타낸다. 검은 부분이 매입 수지이며, 회색의 부분이 광학 조직이다.
실시예 2:
역청탄 유래 콜타르를 320℃에서 상압 증류하고, 증류 온도이하의 증류분을 제거했다. 얻어진 연화점 30℃의 타르로부터 100℃에서 여과함으로써 불용분을 제거하고, 점조의 액체를 얻었다. 이것을 소형 딜레이드 코킹 크로세스에 투입했다. 드럼 입구 온도는 510℃, 드럼 내압은 500kPa(5kgf/㎠)로 10시간 유지한 후, 수냉해서 흑색 덩어리를 얻었다. 얻어진 흑색 덩어리를 최대 5cm 정도가 되도록 쇠망치로 분쇄한 후 킬른으로 200℃에서 건조를 행했다. 이것을 코크스 2로 했다.
코크스 2를 실시예 1과 마찬가지로 편광 현미경에 의해 관찰 및 화상해석을 행했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
이 코크스 2를 실시예 1과 같은 방법에 의해 분쇄하고, 그 후 32㎛의 메시 크기의 체를 이용하여 조분을 커트했다. 다음에 닛신엔지니어링제 터보크라시파이어 TC-15N으로 기류 분급하고, 입경이 0.5㎛이하인 입자를 실질적으로 포함하지 않는 분말 코크스 2를 얻었다.
얻어진 분말 코크스 2를 흑연 도가니에 충전하고, 애치슨로에서 최고 도달 온도가 약 3300℃가 되도록 1주일에 걸쳐서 가열 처리를 행했다. 이 때, 흑연 도가니에 복수의 산소 유입 구멍을 형성하고, 흑연화 처리의 최중 및 전후에서 공기를 출입할 수 있도록 하고, 냉각 과정에 있어서 약 1주일에 걸쳐서 분체의 산화를 행하고, 입자가 비인편상인 탄소재료를 얻었다.
얻어진 시료에 대해서 각종 물성을 측정후, 상기한 바와 같이 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
실시예 3:
실시예 2에 기재된 분말 코크스 2에 대해서 밀폐된 도가니를 사용해서 애치슨로에서 최고 도달 온도가 약 3300℃가 되도록 1주일에 걸쳐서 가열함으로써 흑연화 처리를 행한 후, 로터리 킬른으로 공기중에 있어서 1100℃에서 1시간 산화 처리를 실시하고, 32㎛의 메시 크기의 체를 이용하여 조분을 제거하고, 입자가 비인편상인 탄소재료를 얻었다. 얻어진 탄소재료의 분석 결과를 표 2에 나타낸다.
비교예 1:
실시예 1에 기재된 코크스 1에 대해서 내통 중심부 외벽 온도를 1450℃로 설정한 로터리 킬른(전기 히터 외열식, 산화알루미늄 SSA-Sφ 120mm 내통관)을 사용하고, 체류시간이 15분이 되도록 피드량 및 경사각을 조정하고, 가열을 행함으로써 코크스를 하소하고, 하소 코크스 1을 얻었다.
하소 코크스 1을 실시예 1과 마찬가지로 편광 현미경에 의해 관찰 및 화상해석을 행했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
이 하소 코크스 1을 호소카와 미크론제 반텀밀로 분쇄하고, 그 후 45㎛의 메시 크기의 체를 이용하여 조분을 커트했다. 다음에 닛신엔지니어링제 터보크라시파이어 TC-15N으로 기류 분급하고, 입경이 1.0㎛이하인 입자를 실질적으로 포함하지 않는 분말 하소 코크스 1을 얻었다.
이 분말 하소 코크스 1을 흑연 도가니에 충전하고, 애치슨로에서 최고 도달 온도가 약 3300℃가 되도록 1주일에 걸쳐서 가열 처리를 행했다. 이 때, 흑연 도가니에 복수의 산소 유입 구멍을 형성하고, 흑연화 처리의 최중 및 전후에서 공기를 출입할 수 있게 하고, 냉각 과정에 있어서 약 1주일에 걸쳐서 분체의 산화를 행하고, 입자가 인편상인 탄소재료를 얻었다.
이 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정한 결과를 표 2에 나타낸다.
이 예에서는 입자가 인편상으로 됨으로써 배향성이 높이지고, 저항(DC-IR)이 높아지고, 또 급속 충방전 특성이 나빠졌다.
비교예 2:
실시예 2에 기재된 분말 코크스 2에 대해서 밀폐된 흑연 도가니를 사용해서 애치슨로에서 최고 도달 온도가 약 3300℃가 되도록 1주일에 걸쳐서 가열함으로써 흑연화 처리를 행한 후, 시료로서 사용하기 위해서 잘 혼합을 행했다.
얻어진 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
본 예에 있어서는 산소를 포함하지 않는 분위기중에서 처리함으로써 흑연입자의 활성 엣지부가 제거되지 않고, 상기 엣지부에 있어서 전해액이 반응하고, 첫회 충방전시의 쿨롬 효율이 작아지고 있고, 저항값이 높고, 사이클후 용량 유지율도 낮아 실용에 견딜 수 없는 것을 알 수 있다.
비교예 3:
실시예 1에 기재된 분말 코크스 1에 대해서 탄화 붕소를 2질량% 첨가하고 쿠라타 키켄제 고온로에서 아르곤 분위기중 2600℃에 있어서 열처리를 행한 후, 시료로서 사용하기 위해서 잘 혼합을 행했다.
얻어진 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
본 예에 있어서는 붕소 첨가에 의해 입자 표면의 고활성 부위는 사라지고 있지만, 아르곤을 이용하고 있기 때문에 매우 비용이 든다. 또한 불활성 가스 분위기에서의 열처리의 영향으로 비표면적 및 세공 용적이 현저하게 작아지므로 고레이트에 있어서의 충방전 특성이 매우 나빠져 버린다. 또한 잔류 불순물의 영향에 의해 장기의 사이클 특성이 나빠진다.
비교예 4:
실시예 1에 기재된 코크스 1을 제트밀로 분쇄하고, 평균 입자지름 D50이 10.2㎛인 탄소질 입자를 얻었다. 이 입자를 연화점 80℃의 바인더 피치와 100:30의 질량비로 혼합하고, 140℃로 가열된 니더에 투입해서 30분간 혼합했다.
이 혼합물을 몰드 프레스기의 금형에 충전하고, 0.30MPa의 압력으로 성형하고, 성형체를 제작했다.
얻어진 성형체를 알루미나제 도가니에 넣고, 롤러 하스킬른으로 질소기류중, 1300℃에서 5시간 유지하여 휘발분을 제거했다. 그 후에 흑연 도가니내에 넣어 뚜껑으로 밀폐한 후, 애치슨로에서 최고 도달 온도가 약 3300℃가 되도록 1주일에 걸쳐서 가열함으로써 흑연화 처리를 행하고, 괴상의 흑연을 제작했다.
얻어진 괴상 흑연을 호소카와미크론제 반텀밀로 분쇄하고, 그 후 45㎛의 메시 크기의 체를 이용하여 조분을 커트했다. 다음에 닛신 엔지니어링제 터보크라시파이어 TC-15N으로 기류 분급하고, 입경이 1.0㎛이하인 입자를 실질적으로 포함하지 않는 탄소재료를 얻었다.
얻어진 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
본 예에 있어서는 흑연화후 분쇄 처리를 행함으로써 입자표면이 거칠어지고, 활성 엣지부는 처리되어 첫회 쿨롬 효율은 높지만, 전체 세공 용적이 커서 사이클 특성이 나빠지고 있다. 또 세공은 크지만 흑연화후에 분쇄 처리를 행하고 있음으로써 마름모면체정이 존재하고, 급속 충방전 특성도 낮은 값으로 되었다.
비교예 5:
평균 입자지름 D50이 17㎛, d002가 0.3354nm, 비표면적이 5.9㎡/g, 원형도가 0.98인 구상 천연 흑연을 고무제의 용기에 충전, 밀폐하고, 정수압 프레스기에 의해 액체의 압력 150MPa(1500kgf/㎠)로 가압 처리를 행했다. 얻어진 흑연 덩어리는 핀밀로 해쇄를 행하여 흑연 분말재료를 얻었다.
얻어진 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
본 예에 있어서는 구상 천연 흑연을 원료로 하고, 압축 성형을 행하고 있으므로 비표면적과 전체 세공 용적이 크고, 사이클 특성이 나빠졌다.
비교예 6:
미국 서해안산 원유를 감압 증류한 잔사를 원료로 한다. 본 원료의 성상은 API18, Wax분 11질량%, 유황분은 3.5질량%이다. 이 원료를 소형 딜레이드 코킹 프로세스에 투입한다. 드럼 입구 온도는 490℃, 드럼 내압은 200kPa(2kgf/㎠)로 10시간 유지한 후, 수냉해서 흑색 덩어리를 얻었다. 최대 5cm하 정도가 되도록 쇠망치로 분쇄한 후, 킬른으로 200℃에서 건조를 행했다. 이것을 코크스 3으로 했다.
코크스 3을 실시예 1과 마찬가지로 편광 현미경에 의해 관찰 및 화상해석을 행했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
이 코크스 3을 실시예 1과 같은 방법에 의해 분쇄·분급하고, 실시예 1과 같은 방법으로 흑연화를 행하고, 입자가 비인편상인 탄소재료를 얻었다.
얻어진 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
본 예에 있어서는 광학 조직의 미세함으로부터 유지할 수 있는 리튬 이온이 적어 전극의 체적 용량 밀도가 낮아지고 있고, 고밀도의 전지를 얻기 위해서는 문제가 발생하고 있는 것을 알 수 있다.
비교예 7:
오사카 가스 케미칼(주)제 메소페이즈 구상 흑연입자를 로터리킬른으로 공기중에 있어서 1100℃에서 1시간 산화 처리를 실시하고, 탄소재료를 얻었다.
얻어진 탄소재료에 대해서 각종 물성을 측정후, 실시예 1과 마찬가지로 전극을 제작하고, 사이클 특성 등을 측정했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
본 예에 있어서는 입자의 원형도가 높기 때문에 전지내 저항이 매우 높고, 그 영향으로 사이클 특성도 나빠지고 있다.
Figure pct00002

Claims (11)

  1. 분말 XRD 측정으로부터 얻어지는 흑연 결정의 (110)면의 피크 강도 I110과 (004)면의 피크 강도 I004의 비 I110/I004가 0.1∼0.6, 평균 원형도가 0.80∼0.95, X선 회절법에 의한 (002)면의 평균 면간격 d002가 0.337nm이하, 질소 가스 흡착법에 의해 측정되는 지름 0.4㎛이하의 세공의 전체 세공 용적이 8.0∼20.0μL/g인 비인편상 탄소재료로서, 상기 탄소재료로 이루어지는 성형체 단면의 광학 조직을 편광 현미경에 의해 관찰했을 경우, 면적이 작은 조직부터 면적을 누적하고, 그 누계 면적이 전체 광학 조직 면적의 60%의 면적이 될 때의 광학 조직의 면적을 SOP로 하고, 애스펙트비가 작은 조직부터 조직의 수를 세어서 조직 전체의 수의 60%번째의 조직에 있어서의 애스펙트비를 AROP, 레이저 회절법에 의한 체적 기준의 평균 입자지름을 D50으로 했을 때,
    1.5≤AROP≤6.0 및
    0.2×D50≤(SOP×AROP)1/2＜2×D50
    의 관계를 갖는 탄소재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    레이저 회절법에 의한 체적 기준의 평균 입자지름 D50이 1∼30㎛인 탄소재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    BET 비표면적이 1.0∼5.0㎡/g인 탄소재료.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 탄소재료의 제조 방법으로서, 열이력이 1000℃이하인 코크스를 분쇄한 입자를 2400∼3600℃에서 흑연화하는 공정 및 상기 분쇄된 입자를 500℃이상에서 산소 가스와 접촉시키는 공정을 포함하고, 그 코크스는 단면을 편광 현미경에 의해 광학 조직을 관찰했을 경우, 면적이 작은 조직부터 면적을 누적하고, 그 누계 면적이 전체 광학 조직 면적의 60%의 면적이 될 때의 광학 조직의 면적이 50∼5000μ㎡이며, 또한 애스펙트비가 작은 조직부터 조직의 수를 세어서 조직 전체의 수의 60%번째의 조직에 있어서의 애스펙트비가 1.5∼6인 코크스를 사용하는 탄소재료의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    산소 가스와 접촉시키는 공정은 흑연화하는 공정의 가열시에 산소와 접촉시키는 것인 탄소재료의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    산소 가스와 접촉시키는 공정은 흑연화하는 공정후에 냉각하는 과정에서 산소와 접촉시키는 것인 탄소재료의 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    산소 가스와 접촉시키는 공정은 흑연화의 공정이 완료된 후, 독립된 가열 처리시에 산소와 접촉시키는 것인 탄소재료의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 탄소재료를 포함하는 전지전극용 탄소재료.
  9. 제 8 항에 기재된 전지전극용 탄소재료와 바인더를 포함하는 전극용 페이스트.
  10. 제 9 항에 기재된 전극용 페이스트를 집전체 상에 도포해서 건조한 후, 1.5∼5t/㎠의 압력에 의해 압축해서 이루어지는 리튬전지용 전극.
  11. 제 10 항에 기재된 전극을 구성요소로서 포함하는 리튬 이온 2차전지.
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