碳材料、其制造方法及其用途技术

本发明专利技术涉及一种非鳞片状碳材料及其制造方法，所述碳材料是由粉末XRD测定得到的石墨结晶的(110)面的峰强度I110与(004)面的峰强度I004的比即I110/I004为0.1以上，平均圆形度为0.95以下，d002为0.337nm以下的碳材料，由氮气吸附法测定出的直径为0.4μm以下的细孔的总细孔容积为8.0～20.0μL/g，且具有特有的光学组织。本发明专利技术的碳材料适合作为电池电极用碳材料，所述电池电极用碳材料可用于获得在维持高循环特性的状态下具有高容量、高能量密度、高库仑效率，能够高速充放电的低电阻的电池电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳材料、其制造方法及其用途。更详而言，涉及作为非水电解液二次电池的电极材料显示良好的电极填充性、高能量密度、高输入输出特性的碳材料及其制造方法、以及具有充放电循环特性、高库仑效率的二次电池。
技术介绍
锂离子二次电池已拓展至各种各样的用途，从便携式设备等小型物品，到电池电动汽车(BEV)和混合动力汽车(HEV)等大型的机器，要求适合于各种使用方法的性能。在便携式设备用途中，伴随着电气电子设备的小型化、轻量化、以及功能的多样化，导致耗电增加等，因此需求具有更高的能量密度的锂离子二次电池。另外，对电钻等电动工具、混合动力汽车用等高输出且大容量的二次电池的要求提高。在此领域中，以往主要使用铅二次电池、镍镉二次电池、镍氢二次电池，但对小型轻量且高能量密度的锂离子二次电池的期待极高，需求大电流负载特性优异的锂离子二次电池。尤其是在BEV和PHEV用途中，以延续10年以上的长期间的循环特性、和用于驱动高功率马达的大电流负载特性为主要的要求特性，为了进一步延长续航距离而要求更高的体积能量密度，另外，因为大型的锂离子二次电池价格高昂，因此要求低成本化。作为该锂离子二次电池的负极活性物质，一般使用石墨、硬碳、软碳等碳材料。日本专利第3653105号公报(美国专利第5587255号；专利文献1)中所记载的硬碳、软碳其大电流特性优异，循环特性也比较良好，但受到最广泛使用的是石墨。石墨有天然石墨和人造石墨。其中，天然石墨可廉价地取得，因其石墨化度高，因此放电容量和电极密度高，但存在以下问题：粒子形状为鳞片状，具有大的比表面积；电解液被反应性高的石墨的边缘面分解，初次充放电时的库仑效率非常低；会产生气体。另外，循环特性亦不佳。为解决这些问题，在日本专利第3534391号公报(美国专利第6632569号；专利文献2)等中提出了一种对加工成球状的天然石墨的表面涂敷碳的方法。另一方面，就人造石墨而言，可举出日本专利第3126030号公报(专利文献3)等所记载的中间相碳小球体的石墨化物。另外，石油、煤沥青、焦炭等石墨化物可较廉价地取得。然而，结晶性良好的针状焦炭会形成鳞片状而容易取向。为解决此问题，日本专利第3361510号公报(专利文献4)等所记载的方法举出了成果。在日本特开2003-77534号公报(专利文献5)中，对于具有较大的间隙的人造石墨，进行了以高速充放电为目的的研究。WO2011/049199(美国专利公开第2012-045642号；专利文献6)中公开了一种循环特性优异的人造石墨。日本专利第4945029号公报(美国专利公开第2004-91782号；专利文献7)中公开了一种人造石墨负极，其是通过对具有流动组织的生的针状焦炭进行硼添加而制成的。WO2014/003135国际公开小册子(专利文献8)中公开了一种对具备特有的光学组织的碳材料实施表面涂敷而形成的鳞片状碳材料。WO2014/058040国际公开小册子(专利文献9)中公开了一种具备特有的光学组织、且含有硼的碳材料。在先技术文献专利文献专利文献1：日本专利第3653105号公报(美国专利第5587255号)专利文献2：日本专利第3534391号公报(美国专利第6632569号)专利文献3：日本专利第3126030号公报专利文献4：日本专利第3361510号公报专利文献5：日本特开2003-77534号公报专利文献6：WO2011/049199(美国专利公开第2012-045642号)专利文献7：日本专利第4945029号公报(美国专利公开第2004-91782号)专利文献8：WO2014/003135国际公开小册子专利文献9：WO2014/058040国际公开小册子
技术实现思路
专利文献1所记载的负极材料，对大电流的特性优异，但体积能量密度较低，价格亦极为高昂，因此仅被使用于一部分的特殊的大型电池中。以专利文献2所记载的方法制成的材料，虽对于便携用途等所要求的高容量、低电流、中循环特性能够应对，但非常难以满足大型电池的大电流、超长期循环特性这样的要求。专利文献3所记载的石墨化物为平衡性良好的负极材料，在容量、循环特性方面优异，但因为是圆形度高的圆球状粒子，因此粒子间的接触面积小，电阻高且输入输出特性低。在专利文献4的方法中，除人造石墨原料的微粉外，亦可使用天然石墨等的微粉，其作为便携用负极材料发挥非常优异的性能。然而，该材料虽对于便携用途等所要求的高容量、低电流、中循环特性能够应对，但尚不满足大型电池的大电流、超长期循环特性这样的要求。本专利技术提供以下的碳材料、其制造方法以及其用途。[1]一种碳材料，是由粉末XRD测定得到的石墨结晶的(110)面的峰强度I110与(004)面的峰强度I004之比即I110/I004为0.1～0.6、平均圆形度为0.80以上且0.95以下、由X射线衍射法测得的(002)面的平均面间距d002为0.337nm以下、由氮气吸附法测定出的直径为0.4μm以下的细孔的总细孔容积为8.0～20.0μL/g的非鳞片状碳材料，在利用偏光显微镜观察由前述碳材料构成的成形体的截面的光学组织的情况下，从面积小的组织开始累计面积，将该累计面积达到总光学组织面积的60％时的光学组织的面积记为SOP，从纵横尺寸比小的组织开始计数组织的数量，将该数量达到组织总体数量的60％时的组织的纵横尺寸比记为AROP，将利用激光衍射法测得的体积基准的平均粒径记为D50，此时满足1.5≤AROP≤6.0以及0.2×D50≤(SOP×AROP)1/2<2×D50的关系。[2]根据前项1所述的碳材料，由激光衍射法测得的体积基准的平均粒径D50为1～30μm。[3]根据前项1或2所述的碳材料，BET比表面积为1.0～5.0m2/g。[4]一种碳材料的制造方法，是前项1～3的任一项所述的碳材料的制造方法，包括将对热过程温度为1000℃以下的焦炭进行粉碎而得到的粒子在2400～3600℃石墨化的工序、和使所述粉碎得到的粒子在500℃以上的温度下与氧气接触的工序，该焦炭使用下述焦炭，所述焦炭在利用偏光显微镜对截面观察光学组织的情况下，从面积小的组织开始累计面积，该累计面积达到总光学组织面积的60％时的光学组织的面积为50～5000μm2，并且，从纵横尺寸比小的组织开始计数组织的数量，该数量达到组织总体数量的60％时的组织的纵横尺寸比为1.5～6。[5]根据前项4所述的碳材料的制造方法，与氧气接触的工序是在石墨化工序的加热时与氧气接触的工序。[6]根据前项4所述的碳材料的制造方法，与氧气接触的工序是在石墨化工序后冷却的过程中与氧气接触的工序。[7]根据前项4所述的碳材料的制造方法，与氧气接触的工序是在石墨化工序结束后进行独立的加热处理时与氧气接触的工序。[8]一种电池电极用碳材料，包含前项1～3的任一项所述的碳材料。[9]一种电极用糊，包含前项8所述的电池电极用碳材料、和粘合剂。[10]一种锂电池用电极，是将前项9所述的电极用糊涂敷于集电体上并干燥，然后采用1.5～5吨/cm2的压力压缩而成的。[11]一种锂离子二次电池，包含前项10所述的电极作为构成要素。当将本专利技术的碳材料作为电池电极用碳材料使用时，能够获得在维持高循环特性的状态下具有高容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材料，是由粉末XRD测定得到的石墨结晶的(110)面的峰强度I110与(004)面的峰强度I004之比即I110/I004为0.1～0.6、平均圆形度为0.80～0.95、由X射线衍射法测得的(002)面的平均面间距d002为0.337nm以下、由氮气吸附法测定出的直径为0.4μm以下的细孔的总细孔容积为8.0～20.0μL/g的非鳞片状碳材料，在利用偏光显微镜观察由所述碳材料构成的成形体的截面的光学组织的情况下，从面积小的组织开始累计面积，将该累计面积达到总光学组织面积的60％时的光学组织的面积记为SOP，从纵横尺寸比小的组织开始计数组织的数量，将该数量达到组织总体数量的60％时的组织的纵横尺寸比记为AROP，将利用激光衍射法测得的体积基准的平均粒径记为D50，此时满足1.5≤AROP≤6.0以及0.2×D50≤(SOP×AROP)1/2<2×D50的关系。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.30 JP 2014-1126551.一种碳材料，是由粉末XRD测定得到的石墨结晶的(110)面的峰强度I110与(004)面的峰强度I004之比即I110/I004为0.1～0.6、平均圆形度为0.80～0.95、由X射线衍射法测得的(002)面的平均面间距d002为0.337nm以下、由氮气吸附法测定出的直径为0.4μm以下的细孔的总细孔容积为8.0～20.0μL/g的非鳞片状碳材料，在利用偏光显微镜观察由所述碳材料构成的成形体的截面的光学组织的情况下，从面积小的组织开始累计面积，将该累计面积达到总光学组织面积的60％时的光学组织的面积记为SOP，从纵横尺寸比小的组织开始计数组织的数量，将该数量达到组织总体数量的60％时的组织的纵横尺寸比记为AROP，将利用激光衍射法测得的体积基准的平均粒径记为D50，此时满足1.5≤AROP≤6.0以及0.2×D50≤(SOP×AROP)1/2<2×D50的关系。2.根据权利要求1所述的碳材料，由激光衍射法测得的体积基准的平均粒径D50为1～30μm。3.根据权利要求1或2所述的碳材料，BET比表面积为1.0～5.0m2/g。4.一种碳材料的制造方法，是权利要求1～3的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：川口直登，胁坂安显，上条祐一，下平祥贵，佐藤佳邦，
申请(专利权)人：昭和电工株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP