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      非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的制作方法_2

      文檔序號:9240213閱讀:來源:國知局
      石墨化碳前驅(qū)體含有揮發(fā)性成分13~80重量%,下限優(yōu)選 為15重量%,更優(yōu)選為17重量%。此外,揮發(fā)性成分的上限只要在80重量%以下,則無限 制,例如作為揮發(fā)性成分含量較高者,可以使用咖啡豆這種源自植物的有機(jī)物,揮發(fā)性成分 的上限優(yōu)選為70重量%,更優(yōu)選為50重量%。本發(fā)明的負(fù)極用碳質(zhì)材料是通過在煅燒過 程中揮發(fā)的揮發(fā)性成分(例如,揮發(fā)性焦油)覆蓋在碳質(zhì)材料的表面,從而獲得本發(fā)明的效 果。因此,如果揮發(fā)性成分少于13重量%,則負(fù)極用碳質(zhì)材料的覆蓋有可能不充分。此外, 如果揮發(fā)性成分多于80重量%,則負(fù)極用碳質(zhì)材料的收率有可能變低。
      [0041]作為揮發(fā)性成分,可列舉C02、CO、CH4、H2以及焦油組分。揮發(fā)性成分可以通過熱 重測量(Thermogravity;TG)進(jìn)行測量,在本說明書中,將溫度從室溫上升至1000°C時重 量減少的部分設(shè)為揮發(fā)性成分。揮發(fā)性成分量可以使用能夠以升溫速度l〇°C/min進(jìn)行 TG及DTA測量的市售裝置進(jìn)行測量。具體為,準(zhǔn)確稱取測量樣品(例如,經(jīng)粉碎的碳前驅(qū) 體)20mg,放入鉑制盤中并設(shè)置到裝置(例如,島津制作所制DTG-50)上。使氮?dú)庖?00mL/ min的速度流動,以10°C/min的升溫速度從室溫升溫至1000°C,測量重量的減少量。作為 參考,例如可以使用島津制作所制的a-氧化鋁。
      [0042]另外,石油焦油或煤焦油由于重質(zhì)化(高分子量化),不會揮發(fā),但未實(shí)施重質(zhì)化 處理的揮發(fā)性焦油組分在本發(fā)明中作為揮發(fā)性成分發(fā)揮作用。
      [0043]《粉碎》
      [0044]本發(fā)明中所用的難石墨化碳前驅(qū)體在加熱處理前已被粉碎。關(guān)于粉碎的時機(jī),只 要難石墨化碳前驅(qū)體含有揮發(fā)性成分13~80重量%且在加熱處理之前,則無特別限制。也 就是說,為實(shí)現(xiàn)不熔化而實(shí)施加熱或者臨時煅燒的加熱等處理后,即便難石墨化碳前驅(qū)體 中揮發(fā)性成分發(fā)生一定程度的氣化,仍然可以對含有揮發(fā)性成分13~80重量%的難石墨 化碳前驅(qū)體進(jìn)行粉碎。
      [0045]此外,加熱處理可以和下述預(yù)備煅燒或正式煅燒分開進(jìn)行,也可以和預(yù)備煅燒或 正式煅燒同時進(jìn)行。如果和預(yù)備煅燒或正式煅燒同時進(jìn)行,則可以在預(yù)備煅燒之前進(jìn)行粉 碎,如果不進(jìn)行預(yù)備煅燒,則在正式煅燒前進(jìn)行粉碎即可。此外,使用不熔化的瀝青或焦油 作為難石墨化碳前驅(qū)體時,可以同時進(jìn)行加熱處理和不熔化處理,這種情況下,可以在不熔 化處理之前進(jìn)行粉碎,也可以在不熔化處理之后進(jìn)行粉碎。
      [0046]另外,如下所述,本發(fā)明的效果可被推測為通過加熱處理而揮發(fā)的揮發(fā)性成分覆 蓋在所獲得的碳質(zhì)材料的表面上而獲得。因此,對通過加熱處理及正式煅燒而獲得的、被揮 發(fā)性成分覆蓋的碳質(zhì)材料進(jìn)一步粉碎,從本發(fā)明效果方面看,并不優(yōu)選。但是,只要可以獲 得本發(fā)明的效果,并不排除在正式煅燒之后進(jìn)行粉碎。
      [0047]粉碎中所使用的粉碎機(jī)也無特別限制,例如可以使用氣流粉碎機(jī)、棒磨機(jī)、球磨機(jī) 或錘磨機(jī)。
      [0048] 關(guān)于被粉碎的難石墨化碳前驅(qū)體的平均粒徑,只要可以獲得本發(fā)明的效果,則無 特別限制,但應(yīng)接近所獲得的非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的平均粒徑。實(shí)際上, 難石墨化碳前驅(qū)體通過煅燒,其粒徑收縮到97%~85%左右,因此,優(yōu)選使其平均粒徑大 于目標(biāo)平均粒徑。具體為,平均粒徑優(yōu)選為3~50ym,更優(yōu)選為3~40ym,進(jìn)一步優(yōu)選為 4~30ym。另外,如果平均粒徑為50ym以上,則造成揮發(fā)性成分的覆蓋不充分,有可能無 法獲得本發(fā)明的效果。
      [0049]《加熱處理》
      [0050] 關(guān)于本發(fā)明中的加熱處理,只要難石墨化碳前驅(qū)體中所含的揮發(fā)性成分發(fā)生氣 化,附著于前驅(qū)體上,則無限制,但優(yōu)選在250~800°C的溫度下保持1分鐘以上。
      [0051] 加熱溫度沒有限制,但加熱溫度的下限優(yōu)選為250°C以上,更優(yōu)選為300°C以上, 進(jìn)一步優(yōu)選為350°C以上。加熱溫度的上限優(yōu)選為800°C以下,更優(yōu)選為700°C以下,進(jìn)一步 優(yōu)選為600°C以下。這是因?yàn)樵?50~800°C下?lián)]發(fā)的揮發(fā)性成分覆蓋(附著)在前驅(qū)體 上,特別可以獲得本發(fā)明的效果。
      [0052] 此外,加熱時間也沒有限制,但下限優(yōu)選為1分鐘以上,更優(yōu)選為2分鐘以上,進(jìn)一 步優(yōu)選為4分鐘以上。另外,加熱時間的上限沒有限制。這是因?yàn)榧訜釙r間較長,就不會發(fā) 生附著于前驅(qū)體的揮發(fā)性成分消失等問題,從而可以維持本發(fā)明的效果,但在制造工序上, 優(yōu)選在48小時以內(nèi),更優(yōu)選在24小時以內(nèi)。
      [0053] 在本說明書中,"在250~800°C的溫度下保持1分鐘以上"是指在250~800°C的 任意溫度下維持1分鐘以上。也就是說,如果溫度范圍為250~800°C,可以在固定溫度下 維持1分鐘以上,也可以在升溫或者降溫的同時維持1分鐘以上。
      [0054] 此外,加熱處理可以和不熔化、臨時煅燒或正式煅燒中的加熱分開進(jìn)行,但只要 可以獲得本發(fā)明的效果,也可以和不熔化、臨時煅燒或正式煅燒同時進(jìn)行。也就是說,在 150°C~400°C的不熔化處理過程中,可以在250~800°C溫度下保持1分鐘以上。此外,也 可以在達(dá)到臨時煅燒或正式煅燒的達(dá)到溫度之前,在250~800°C溫度下保持1分鐘以上。
      [0055] 加熱處理的氣體環(huán)境并無特別限制,優(yōu)選為惰性氣體,例如氮?dú)狻⒑?、或氬氣、?氣、或者這些氣體的混合氣體,更優(yōu)選為氮?dú)狻?br>[0056]《煅燒》
      [0057] 煅燒是指將難石墨化碳前驅(qū)體制成非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料。例如, 可以通過達(dá)到溫度為800~1600°C溫度下的正式煅燒進(jìn)行煅燒,或者也可以通過達(dá)到溫度 為350°C以上且小于800°C溫度下的預(yù)備煅燒以及達(dá)到溫度為800~1600°C溫度下的正式 煅燒進(jìn)行煅燒。進(jìn)行預(yù)備煅燒以及正式煅燒時,可以在預(yù)備煅燒后暫時降低溫度,進(jìn)行正式 煅燒,也可以在預(yù)備煅燒后直接上升至正式煅燒的溫度,進(jìn)行正式煅燒。此外,如上所述,預(yù) 備煅燒及正式煅燒可以和加熱處理分開進(jìn)行,但如果通過預(yù)備煅燒及正式煅燒可以獲得上 述加熱處理的效果,也可以進(jìn)行預(yù)備煅燒以及/或者正式煅燒作為加熱處理。
      [0058] 預(yù)備煅燒及正式煅燒在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi),可以通過眾所周知的方法實(shí)施。例如,可 按照下述"非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的制造方法"中記載的正式煅燒步驟、或者 預(yù)備煅燒及正式煅燒步驟實(shí)施。
      [0059]《不熔化(氧化)》
      [0060] 作為難石墨化碳前驅(qū)體,使用瀝青或焦油時,實(shí)施不熔化處理以便制成難石墨化 碳前驅(qū)體。在本發(fā)明的領(lǐng)域中,不熔化處理可以通過眾所周知的方法實(shí)施。例如,可以按照 下述"非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的制造方法"中記載的不熔化(氧化)步驟對 碳質(zhì)前驅(qū)體進(jìn)行交聯(lián),從而實(shí)施不熔化處理。此外,如上所述,不熔化處理可以和加熱處理 分開進(jìn)行,但如果通過不熔化處理可以獲得上述加熱處理的效果,也可以作為加熱處理來 進(jìn)行不熔化處理。
      [0061] 另外,作為難石墨化碳前驅(qū)體,在使用熱固性樹脂以及源自植物的有機(jī)物時,也可 以不實(shí)施不熔化處理。
      [0062] 《物性》
      [0063] 關(guān)于所獲得的非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的物性,只要是難石墨化碳 質(zhì)材料,則無特別限制,例如通過X射線衍射法求得的(002)面的平均面間隔' 2可為 0? 360 ~0? 400nm,真密度可為 1. 40 ~1. 60g/cm3。
      [0064] 本發(fā)明的碳質(zhì)材料中,平均層面間隔優(yōu)選為0. 360nm以上且0. 400以下,更優(yōu)選為 0. 375nm以上且0. 390以下。如果碳質(zhì)材料的平均層面間隔較小,則隨著鋰的摻雜與去摻 雜,膨脹收縮變大,粒子間會產(chǎn)生空隙,導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被阻斷,重復(fù)特性變差,因此并不適用于汽 車用途。
      [0065] 本發(fā)明的碳質(zhì)材料中,真密度優(yōu)選在1. 40~1. 60g/cm3范圍內(nèi),更優(yōu)選在1. 45~ 1. 55g/cm3范圍內(nèi)。
      [0066] 在碳材料的結(jié)晶構(gòu)造中,僅僅依據(jù)平均層面間隔很難鑒定易石墨化碳和難石墨化 碳,但可以通過平均層面間隔和真密度的組合,確定難石墨化碳。
      [0067] 本發(fā)明的碳質(zhì)材料比表面積并無特別限制,優(yōu)選BET比表面積為1~7m2/g。如 果BET比表面積超過7m2/g,則用作非水電解質(zhì)二次電池的負(fù)極時,與電解液的分解反應(yīng)增 加,導(dǎo)致不可逆容量增加,從而有可能造成電池性能降低。另一方面,如果BET比表面積小 于lm2/g,則用作非水電解質(zhì)二次電池的負(fù)極時,與電解液的反應(yīng)面積減小,從而有可能造 成輸入輸出特性降低。
      [0068] 本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的硫含量并無特別限制。然而,本 發(fā)明者等確認(rèn)除下述實(shí)施例以外,通過至少含有700ppm硫的本發(fā)明非水電解質(zhì)二次電池 負(fù)極用碳質(zhì)材料可獲得本發(fā)明的效果。此外,利用含有約2000ppm硫的本發(fā)明非水電解質(zhì) 二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料,雖然效率有少許降低,但仍然可以獲得本發(fā)明的效果。因此,硫 含量優(yōu)選為4000ppm以下,更優(yōu)選為3000ppm以下,進(jìn)一步優(yōu)選為2000ppm以下,更進(jìn)一步 優(yōu)選為lOOOppm以下,尤其優(yōu)選為500ppm以下。由于硫含量較少,所以使用碳質(zhì)材料制造 而成的非水電解質(zhì)二次電池會顯示優(yōu)異的效率。也就是說,如果非水電解質(zhì)二次電池所使 用的碳質(zhì)材料中硫含量較多,則初始效率有可能變差。
      [0069] 本發(fā)明的非水電解質(zhì)二次電池負(fù)極用碳質(zhì)材料的比表面積比并無限制,但優(yōu)選為 4. 5以上,更優(yōu)選為5. 0以上,進(jìn)一步優(yōu)選為5. 5以上,更進(jìn)一步優(yōu)選為超過5. 5,尤其優(yōu)選 為5. 6以上,最優(yōu)選為6. 0以上。使用具有較高比表面積比的碳質(zhì)材料制造而成的非水電 解質(zhì)二次電池,其顯示優(yōu)異的輸出特性。此外,比表面積比的上限并無限制,但優(yōu)選為15. 0 以下,更優(yōu)選為13.0以下,進(jìn)一步優(yōu)選為11.0以下。如果比表面積比過高,則會導(dǎo)致輸出 特性降低。
      [0070] 在本說明書中,"比表面積比"是指通過BET法求得的比表面積(BET)與使用平均 粒徑DV5(I及丁醇真密度PBt依據(jù)公式:6ADV5(IXpBt)求得的比表面積(CALC)之比(BET/ CALC)〇
      [0071]《非水
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