非水电解质二次电池用负极、其材料、及其材料的制造方法、及锂离子二次电池的制作方法_3

文档序号:9845629阅读:来源:国知局
s^1),如下述式(3)。
[0084] R (rpm) = 2jtR/60 (rad/s_1)......(3)
[0085] 并且,如果将投入至炉芯管1的颗粒在每单位时间内的质量W(kg/h)的时间单位合 算成秒,为W/3600(kg/s)。至此,由每单位的质量Ws(kg/s)、角速度ω (rad/s-1)、炉芯管径T (m),根据下述式(4)定义的值满足:
[0086] ffs/ ω T2……(4)
[0087] ffs/〇T2=(ff/3600)/((23iR/60) XT2)
[0088] =ff/(376.8XRXT2),
[0089] 能够导出式(I)的左边。由式(4)定义的值Ws/ ω T2是表示粉末投入量相对于从其 维度旋转旋转时直径所描绘出的面积的值。
[0090] 并且,关系式(2)的左边的(TXR2/0.353)的值,是以(弗劳德数(froude number) X 1〇5)定义的值,在本发明中控制为3.0以下。
[0091 ]所述算式能够如下所述地导出。由圆筒形旋转体的转数与旋转体的直径定义的弗 劳德数Fr,一般由以下式(5)表不。
[0092] Fr = N2IVg……(5)
[0093](此处,N是旋转速度(?Γ1),!1是圆形旋转体的直径(m),g是重力加速度(9.8m/s 2)。)
[0094] 并且,转数R(rpm)换算成旋转速度,为(R/eOKiT1)。代入(3),为:
[0095] Fr=(R/60)2T/9.8=(R2T)/35300,
[0096] 再乘以105,成为式(2)的左边的值。弗劳德数是与圆周速度度相关的参数,经过探 讨研究结果发现,其规定了存在于圆筒形旋转体的内周附近的颗粒的行迹。
[0097] -般,当颗粒在回转窑的炉芯管1内移动时,可发生以下模式:滑动模式,颗粒在炉 芯管1的内壁上滑落的模式;以及,滚动模式,颗粒从炉芯管内壁的上部滚落的模式。在滚动 模式中,容易产生颗粒彼此凝集而成的小块,可能会导致在炉芯管1内移动期间缓缓成长, 最终形成10~IOOmm左右的凝集物。当(Τ X R2/0.353)超过3.0时,由炉芯管1旋转产生的圆 周速度非常大,颗粒的移动容易进入滚动模式,容易生成如上所述的凝集物。这些凝集物的 生成,在连续生产中,容易导致堵塞炉芯管1。并且,并且由于非凝集部的颗粒与凝集物的内 部的颗粒的碳膜的覆盖量不同,制造而成的整个负极材料的碳膜的覆盖量不均匀,因此,导 致电池特性的降低。另外,当作为进行碳覆盖的硅类负极活性物质的颗粒,准备上述SiO x (0.5 SxS 1.6),且在所述碳覆盖步骤中还同时进行歧化时,能够控制颗粒的歧化程度。如 果生成较多的凝集物,则在颗粒的受热历程中会产生偏差,难以如愿地控制歧化。
[0098] 因此,如本发明所述,如果在回转窑中,将炉芯管的转数R(rpm)、投入至炉芯管中 的颗粒在每单位时间内的质量W(kg/h)、炉芯管的内径T(m)控制成同时满足关系式(1)、 (2),能够与以往所使用的批次炉等同等程度地,以所需覆盖量和结晶性,形成更均匀且良 好的碳膜,并且能够连续地制造高品质的负极活性物质,进行大量生产。因而,能够低成本 制造一种能够提尚电池的容量、循环特性的负极活性物质。
[0099] 并且,在本发明的制造方法中,优选为使用内径T(m)为0.1 3的炉芯管1。如果 内径T为0.1 m以上,由于能够确保充足的能够在炉芯管1内流动的颗粒,因此,能够获得较高 的生产性。并且,如果内径T为3m以下,则能够保证炉芯管1内的温度的均匀性。特别地,为了 保证炉芯管1内的温度更加均匀,优选为使内径T为2m以下。这样一来,当设定内径T时,当 然,将每单位时间内的质量W、转数R控制为同时满足上述关系式(1 )、(2)。
[0100] 并且,在本发明的制造方法中,优选为使用炉长L(m)为ISLS 20的炉芯管1。如果 炉长L(m)为Im以上,则能够确保充足的形成碳膜所需的加热时间。并且,如果炉长L(m)为 20m以下,则能够使被导入至炉芯管内的碳源,即,烃类气体的分布更均匀,能过以更高的精 度获得所需量的碳膜。
[0101] 进一步地,在本发明的制造方法中,如图2所示,作为炉芯管1,优选为使用外侧7由 金属制成且内侧8由碳制成的双重结构的炉芯管。其原因在于,当在炉芯管1的内部蒸镀碳 膜时,即使颗粒发生凝集,如果接触粉末的部分,即,内侧8的材质是碳,则能够抑制颗粒附 着在内壁上。此处,碳能够使用冷等静压制(CoId Isostatic Pressing,CIP)材料、挤制材 料、模塑材料、被称为碳复合材料的碳纤维与树脂(主要是环氧树脂等的热固化性树脂)的 复合原材料、以及碳纤维与碳基质或石墨基质的复合材料等,但并无特别限定。并且,如果 外侧7为金属,则不会因撞击等导致炉芯管的外壁容易产生裂纹。进一步地,为了减少颗粒 附着在内壁上,较为有效的是如图1所示,在炉芯管1的外壁上设置使炉芯管振动的气力抖 动器(air knocker)6等振动机构,使炉芯管1定期振动,从该方面来看,外侧7(外壁)也优选 为金属。如果外侧7为金属,即便当气力抖动器6使炉芯管1受到撞击时,也不用担心炉芯管1 产生裂纹。所述金属并无特别限定,能够根据温度等使用条件,适当选择不锈钢、inconel (因康合金,注册商标)、hastell〇y(哈斯特合金,注册商标)以及耐热铸钢等。
[0102] 并且,在本发明中,优选为将炉芯管1的内部的温度控制在700°C以上且1300°C以 下。并且,更优选为将炉芯管1的内部的温度控制在800°C以上且1200°C以下,进一步优选控 制在900°C以上且1200°C以下。如果处理温度为700°C以上,由于能够高效地进行碳覆盖,且 处理时间也较短,因此,生产性良好。并且,如果为1300°C以下,当作为进行碳覆盖的硅类负 极活性物质的颗粒,准备上述Si0 x(0.5 < X < 1.6),且在碳覆盖步骤中还一并进行歧化时, SiOx颗粒不会发生过度歧化。进一步地,利用化学蒸镀处理使颗粒不会发生彼此熔敷、凝 集,能够均匀地形成导电性膜,因此,当作为锂离子二次电池的负极活性物质使用时,循环 性能良好。并且,在所述处理温度范围内,当在硅复合体粉末上形成碳膜时,硅微粒的结晶 化也不易发展,当作为锂离子二次电池的负极活性物质使用时,能够减小充电时的膨胀。此 处,处理温度是指装置内的最高设定温度,在连续式回转窑的情况下,大多是炉芯管1的中 央部的温度。
[0103] 而且,处理时间是根据目标碳覆盖量、处理温度、气体(有机物气体)的浓度(流速) 和导入量等来适当选定,但通常作为在最高温度范围内的滞留时间,是1小时以上且10小时 以下,尤其是1小时以上且4小时以下,既经济又有效。
[0104] 在本发明中,作为供给至炉芯管1内且用于产生烃类气体的原料的有机物,所选择 的有机物,尤其是在非酸性环境下,能够以上述热处理温度热分解而生成碳。能够列举,例 如,甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丁烷、丁烯、戊烷、异丁烷及己烷等烃或它们的混合物;以 及,苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、乙苯、二苯甲烷、萘、苯酚、甲酚、硝基苯、氯苯、茚、香豆酮、吡 啶、蒽及菲等1环至3环的芳香族烃或它们的混合物。并且,还能够使用由焦油蒸馏工序所获 得的煤气轻油、杂酚油、蒽油、石脑分解焦油或它们的混合物。
[0105] 并且,还能够与烃类气体一同导入氮、氩等惰性气体,例如,作为载气。
[0106] [非水电解质二次电池用负极材料]
[0107] 然后,对利用本发明的制造方法制造而成的负极材料进行说明。非水电解质二次 电池用负极材料的碳覆盖量并无特别限定,但相对于硅类活性物质颗粒与碳膜的合计,优 选为1质量%以上且30质量%以下,更优选为1.5质量%以上且25质量%以下。如果利用本 发明的制造方法制造而成的负极材料,则能够确实满足上述碳覆盖量的范围。如果碳覆盖 量为1质量%以上,则能够维持充分的导电性,当用于非水电解质二次电池时,循环性良好。 如果碳覆盖量为30质量%以下,由于碳在负极材料中所占的比例适量,能够充分提高硅原 材料的比例,因此,当用于非水电解质二次电池时,获得较高的充放电容量。
[0108] 并且,如上所述,在碳覆盖步骤中,在同时还进行歧化处理的情况下,利用本发明 的制造方法制造而成的非水电解质二次电池用负极材料,由于受热历程的偏差较小,通过 调整处理条件,能够更确实地获得一种非水电解质二次电池用负极材料,所负极材料根据 利用如上所述的X射线衍射所获得的由Si(Ill)结晶面产生的衍射峰的半值幅,计算出的微 晶尺寸为Inm以上且IOnm以下。
[0109] [非水电解质二次电池用负极]
[0110] 本发明的非水电解质二次电池用负极包含:上述的非水电解质二次电池用负极材 料、粘合剂、以及导电助剂。当使用上述非水电解质二次电池用负极材料来制造负极时,能 够使用本发明的非水电解质二次电池用负极材料作为主要活性物质;并且还能够公知的石 墨类活性物质,即,天然石墨、人造石墨作为主要活性物质,进一步添加本发明的非水电解 质二次电池用负极材料使其成为混合类电极。
[0111] 粘合剂并无特别限定,但能够使用,例如,聚丙烯酸、羧甲基纤维素、苯乙烯丁二烯 橡胶、聚偏二氟乙烯中的任一种或它们的混合物等。
[0112] 导电剂并无特别限定,只要是在二次电池中,不会引起分解和变质等的导电性的 材料即可,具体来说,能够使用41、11、?6、附、(:11、211、48、311、以及3;[等金属粉末、金属纤维或 天然石墨、人造石墨、各种焦炭粉末、中间相碳、气相成长碳纤维、沥青基碳纤维、PAN基碳纤 维、各种树脂煅烧体等石墨。
[0113] 作为负极(成型体)的制备方法,能够列举,例如,下述方法。在上述非水电解质二 次电池用负极材料、根据需要添加的导电剂、粘合剂等其他添加剂中,加入N-甲基吡咯啶酮 或水等的溶剂,混匀成胶状合剂,将所述合剂涂布于集电体的片材上。此时,作为集电体,如 果为铜箱、镍箱等通常作为负极的集电体使用的材料,就能够不限制尤其厚度、表面处理地 使用。而且
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