(57)【要約】本発明は、ある種の改良黒鉛顆粒およびその製造方法について開示している。それぞれの改良黒鉛顆粒は、その電気化学特性を改良する必要がある未改良黒鉛顆粒、および未改良黒鉛顆粒を包んで膜を形成しているアモルファス炭素膜を含んでいる。アモルファス炭素膜の厚さは、０．０５μｍ乃至１μｍの間にある。当該改良黒鉛顆粒を製造するために、未改良黒鉛顆粒をポリマー表面修飾溶液に浸漬し、攪拌し、分離し、ふるいにかけ、次いで固化および炭化させる。当該改良黒鉛顆粒は、リチウムイオン充電池の負極として使用した場合、優れた高電流特性、高い可逆比容量、長いサイクル寿命を有する電池を作り出し、そして充電池における性能の要求を満たすことができる。この改良黒鉛顆粒の製造技術は、簡単である。その生産コストは低い。したがって、この技術を大量生産のために実施することが容易である。
2006528407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良黒鉛顆粒を製造するための方法であって、
所定量の表面修飾剤を表面修飾剤に対応する溶媒の中に混合することによって表面修飾溶液を調製する工程と、
表面修飾溶液の中に未改良黒鉛顆粒を浸漬する工程と、
未改良黒鉛顆粒を表面修飾溶液の中で所定速度にて所定時間攪拌し、被膜黒鉛顆粒を形成する工程と、
被膜黒鉛顆粒を表面修飾溶液から分離する工程と、
被膜黒鉛顆粒を加熱して乾燥する工程と、
被膜黒鉛顆粒をふるいにかける工程と、
被膜黒鉛顆粒を不活性環境の中で所定温度において所定時間固化させる工程と、
固化顆粒を不活性環境の中で所定温度において所定時間炭化させ、改良黒鉛顆粒を形成する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
未改良黒鉛顆粒の平均粒径が、７μｍ乃至３５μｍの間にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１ｋｇの未改良黒鉛顆粒あたり１．５リットル乃至３リットルの表面修飾溶液を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
表面修飾剤が、石炭ピッチ、コールタール、石油ピッチ、石油コークス、ベンゼン、ナフタレン、ベンゼン・ナフタレンコポリマーのコポリマー、石油ワックスおよび石油樹脂からなる群から選択される１つ以上のポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記対応する溶媒が、アセトン、無水エタノール、Ｎ−メチルピロリドン、クロロホルム、テトラヒドロフラン、四塩化炭素およびシクロヘキサンからなる群から選択される有機溶媒であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
未改良黒鉛顆粒が、表面修飾溶液の中で１００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍにおいて０．５時間乃至１０時間攪拌されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
固化させる工程において、固化が２００℃乃至６００℃において０．２時間乃至１２時間で進行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
固化させる工程における温度上昇の割合が、０．５℃／分乃至３５℃／分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
炭化させる工程において、炭化が７５０℃乃至１３００℃において１時間乃至２４時間で進行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
炭化させる工程のための温度上昇の割合が、０．１℃／分乃至３０℃／分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
１ｋｇの未改良黒鉛顆粒あたり１．５リットル乃至３リットルの表面修飾溶液を使用することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
未改良黒鉛顆粒の平均粒径が７μｍ乃至３５μｍの間にあり、１ｋｇの未改良黒鉛顆粒あたり１．５リットル乃至３リットルの表面修飾溶液を使用することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
固化させる工程において、固化のための温度上昇の割合が０．５℃／分乃至３５℃／分であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
炭化させる工程において、炭化のための温度上昇の割合が０．１℃／分乃至３０℃／分であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
炭化させる工程において、炭化が７５０℃乃至１３００℃において１時間乃至２４時間で進行し、炭化のための温度上昇の割合が０．１℃／分乃至３０℃／分であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
改良黒鉛顆粒を製造するための方法であって、
表面修飾剤は、石炭ピッチ、コールタール、石油ピッチ、石油コークス、ベンゼン、ナフタレン、ベンゼン・ナフタレンコポリマーのコポリマー、石油ワックスおよび石油樹脂からなる群から選択される１つ以上のポリマーであり、かつ対応する溶媒は、アセトン、無水エタノール、Ｎ−メチルピロリドン、クロロホルム、テトラヒドロフラン、四塩化炭素およびシクロヘキサンからなる群から選択される有機溶媒である、所定量の表面修飾剤を表面修飾剤に対応する溶媒の中に混合することによって表面修飾溶液を調製する工程と、
未改良黒鉛顆粒の平均粒径が７μｍ乃至３５μｍの間にあり、そして１ｋｇの未改良黒鉛顆粒あたり１．５リットル乃至３リットルの表面修飾溶液を使用する、表面修飾溶液の中に未改良黒鉛顆粒を浸漬する工程と、
未改良黒鉛顆粒を表面修飾溶液の中で１００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍにて０．５時間乃至１０時間時間攪拌し、被膜黒鉛顆粒を形成する工程と、
被膜黒鉛顆粒を表面修飾溶液から分離する工程と、
被膜黒鉛顆粒を加熱して乾燥する工程と、
被膜黒鉛顆粒をふるいにかける工程と、
被膜黒鉛顆粒を不活性環境の中で２００℃乃至６００℃において０．２時間乃至１２時間で固化させ、固化のための温度上昇の割合が０．５℃／分乃至３５℃／分である工程と、
被膜固化顆粒を不活性環境の中で７５０℃乃至１３００℃において１時間乃至２４時間炭化させて黒鉛顆粒を形成し、炭化のための温度上昇の割合が０．１℃／分乃至３０℃／分である工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
未改良黒鉛顆粒と、未改良黒鉛顆粒を包んで外膜を形成しているアモルファス炭素の膜とを有し、アモルファス炭素膜の厚さが０．０５μｍ乃至１μｍの間にある改良黒鉛顆粒。
【請求項１８】
改良黒鉛顆粒中の結晶層間隔、ｄ002 、が０．３３５ｎｍ  乃至０．３４０ｎｍの間にあり、改良黒鉛顆粒の比表面積が１．３ｍ2 ／ｇ乃至４．２  ｍ2 ／ｇの間にあり、改良黒鉛顆粒の平均粒径が８μｍ乃至３５μｍの間にあることを特徴とする請求項１７に記載の改良黒鉛。
【請求項１９】
改良黒鉛顆粒が、
所定量の表面修飾剤を表面修飾剤に対応する溶媒の中に混合することによって表面修飾溶液を調製する工程と、
表面修飾溶液の中に未改良黒鉛顆粒を浸漬する工程と、
未改良黒鉛顆粒を表面修飾溶液の中で所定速度にて所定時間攪拌し、被膜黒鉛顆粒を形成する工程と、
被膜黒鉛顆粒を表面修飾溶液から分離する工程と、
被膜黒鉛顆粒を加熱して乾燥する工程と、
被膜黒鉛顆粒をふるいにかける工程と、
被膜黒鉛顆粒を不活性環境の中で所定温度において所定時間固化させる工程と、
被膜固化顆粒を不活性環境の中で所定温度において所定時間炭化させ、改良黒鉛顆粒を形成する工程と
を備える方法を用いて製造されることを特徴とする請求項１７に記載の改良黒鉛。
【請求項２０】
改良黒鉛顆粒の結晶層間隔、ｄ002 、が０．３３５ｎｍ乃至０．３４０ｎｍの間にあり、改良黒鉛顆粒の比表面積が１．３ｍ2 ／ｇ乃至４．２  ｍ2 ／ｇの間にあり、改良黒鉛顆粒の平均粒径が８μｍ乃至３５μｍの間にあることを特徴とする請求項１９に記載の改良黒鉛。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、中国特許出願「ある種の改良された黒鉛およびその製造方法」、２００３年８月１６日出願、中国出願番号０３１４０１９９．６、および「ある種のリチウムイオン充電池」、２００３年７月２２日出願、中国出願番号０３１３２９３９．Ｘ、に基づく優先権を主張している。上記の出願の全ては、参照として本明細書において援用される。
【０００２】
本発明は、改良黒鉛顆粒およびその製造方法に関する。特に、本発明は、電池の負極における活性物質として使用される改良黒鉛顆粒に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子産業、コミュニケーション産業およびＩＴ（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）産業の急速な進展により、電子製品の電源に対する市場需要が増加している。この１０年の間に、リチウムイオン充電池は、それらの優れた全体的な電気特性の結果として、急速な発達および広範囲にわたる使用を示している。
【０００４】
電子製品、特に携帯電子製品が次第にいっそう複雑となり、小型化されているために、これらの製品の電源に対する需要もまた増加している。これらの電源は、今や、十分に高い単位重量または単位体積当たりのエネルギー密度、優れた高電流特性、ならびに適切なサイクル寿命および信頼できる安全特性が要求されている。とりわけ、重量あたりの密なエネルギー容量および高電流特性を有する電源に対する要求は特に高い。
【０００５】
最近の携帯製品、電子ツール、電動自転車および電気自動車のような電気製品および電子製品は、単位時間当たりの電気消費に対する非常に高い需要を有し得る。例としては、カラースクリーンを有し、無線インターネット接続およびマルチメディア能力のような機能を有する最近の携帯電話、電気を長時間使う能力が要求されるノートブックコンピューター、および自動車のためのスターター機構が挙げられる。電源として使用されるリチウムイオン充電池については、これらの電源から高電流を作り出す。言いかえれば、近年では多くの状況のために、リチウムイオン充電池の高電流特性に関してさらに需要が高まっている。
【０００６】
リチウムイオン充電池の高電流特性は、主にそれらの正極および負極のための材料に依存する。とりわけ、負極の活性物質は、導電特性に主に依存している高電流特性および基礎をなす活性物質の構造安定性を改善するために、特に重要である。
【０００７】
現在のところ、リチウムイオン充電池における負極のために最も一般的な活性物質は、黒鉛タイプ材料である。というのは、黒鉛は、低い放電基盤およびより良いサイクル安定性を有するからである。これらの黒鉛タイプ材料の中でも、高度に黒鉛化された天然黒鉛がより高い比容量を有する。しかしながら、リチウムを脱着する過程の中で、天然黒鉛中の結晶の構造が容易に解かれ、さらには破壊されて、サイクル特性および高電流特性の悪化をもたらし得る。
【０００８】
「黒鉛顆粒およびリチウム充電池のための負極としての黒鉛顆粒の使用」というタイトルの中国特許第１２３０１５９号は、ある種の黒鉛顆粒を開示している。それらの黒鉛顆粒を使っているリチウム充電池は、優れた急速充電および放電、および優れたサイクル特性を有する。この種の黒鉛顆粒の特徴は、さらに低い黒鉛顆粒の方向性である。その方向性は、多くの平坦形状の顆粒を一緒にグループ化または統合することをもたらし、そのため隣接する平坦形状の結晶顆粒の結晶表面の方向性の位置は平行ではない。次いで、Ｌｉ＋イオンの脱着は、高い速度において十分に進行し、それにより、優れた高電流特性を有する黒鉛から作られたリチウム充電池を得ることができる。しかしながら、黒鉛を製造するためのこの方法は、実際には黒鉛化処理のために２８００℃程度の高温を必要とするある種の人工の黒鉛処理プロセスであり、高いコストおよび困難な技術をもたらし、そのため工業生産のために実施するのが同様に難しいものとなっている。
【０００９】
したがって、従来技術の限界に起因して、より良い電気化学特性を有する新規形態の改良黒鉛顆粒を手に入れ、これらの改良黒鉛顆粒で作られた負極を有する電池がより良好な性能を有することができるようになることが望ましい。さらに、このような改良黒鉛顆粒の製造のための新規方法が、低コストおよび単純な手法で当該黒鉛顆粒を生産するために必要とされる。
【特許文献１】中国特許出願公開第１２２４２５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、リチウムイオン充電池のような電池における負極に使った場合、高電流特性、より高い可逆比容量およびより長いサイクル寿命を有する電池を作り出すための、優れた電気化学特性を有する改良黒鉛顆粒を提供することである。
【００１１】
もう１つの本発明の目的は、大量生産のために、単純、低コストおよび簡易な技術で当該の改良黒鉛顆粒を製造するための方法を提供することである。
【００１２】
簡潔に言うと、本発明は、ある種の改良黒鉛顆粒および当該改良黒鉛顆粒の製造の方法に関する。改良黒鉛顆粒の各顆粒は、未改良黒鉛顆粒、および改良黒鉛顆粒を包んで外膜を形成しているアモルファス炭素膜を含んでいる。アモルファス炭素膜の厚さは、０．０５μｍ乃至１μｍの間にある。未改良黒鉛顆粒は、天然もしくは人工の、またはさらに修飾黒鉛顆粒であり得る。当該の改良黒鉛顆粒を製造するために、未改良黒鉛顆粒をほぼ飽和状態の表面修飾溶液に浸漬する。その溶液は、対応する溶媒に所定量の表面修飾剤を混合することで調整される。未改良黒鉛顆粒を、表面修飾溶液の中で所定速度で所定時間攪拌し、被膜黒鉛顆粒を形成する。それから、被膜黒鉛顆粒を表面修飾溶液から分離し、加熱して乾燥する。次いで、被膜黒鉛顆粒をふるいにかけ、そして所定温度において所定時間の間に不活性環境の中で固化させる。固化した後、被膜固化黒鉛顆粒を所定温度において所定時間の間に不活性環境の中で炭化させ、改良黒鉛顆粒を形成させる。
【００１３】
本発明の実施形態の改良黒鉛顆粒の利点は、改良黒鉛顆粒が電池（例えば、リチウムイオン電池）における負極のための活性物質として使用される場合、優れた高電流特性、より高い可逆比容量、および実用的な使用の要求を満足させ得るさらに長いサイクル寿命を有する電池を作り出す優れた電気化学特性を持つことである。
【００１４】
本発明の改良黒鉛顆粒の製造方法の利点は、製造のための技術が単純で、高価でなく、そのため商業生産のために使うことが容易であるということである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態における改良黒鉛顆粒は、高い実用上の能力を有する優れた高電流特性、および速い充放電のための高い需要を必要とする条件における優位性を有している。負極のためのこのような活性物質は、より高い可逆比容量を維持し、より長いサイクル寿命を有し、安定し、信頼性があり、そして実用上の要求を満たすことができる。本発明の実施形態におけるこの改良黒鉛顆粒の製造方法は、簡単な技術を有し、低コストで、そして工業生産が容易である。
【００１６】
本発明は、特定の好ましい実施形態を参照として記述されているが、本発明がこのような特定の実施形態に限定されないと理解されるべきである。むしろ、本発明は、その最も広い意味で本願の請求項によって反映されるものと理解および解釈されることが、本発明者の主張するところである。したがって、これらの請求項は、本明細書で記載された好ましい実施形態だけではなく、当業者にとって明白な全ての他のさらなる変更および修正も組み込まれるものと理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
改良黒鉛顆粒の実施形態は、以下のように行うことができる。当該表面修飾溶液の対応する溶媒中に所定量の表面修飾剤を混合することでほとんど飽和している表面修飾溶液の中に未改良黒鉛顆粒を浸漬する。表面修飾剤は、石炭ピッチ、コールタール、石油ピッチ、石油コークス、ベンゼン、ナフタレン、ベンゼン・ナフタレンコポリマーのコポリマー、石油ワックスおよび石油樹脂の群から選択される１つ以上のポリマーである。表面修飾剤に対応する溶媒は、アセトン、無水エタノール、Ｎ−メチルピロリドン、クロロホルム、テトラヒドロフラン、四塩化炭素およびシクロヘキサンの群から選択される有機溶媒である。未改良黒鉛顆粒の平均粒径は、７μｍ乃至３５μｍの間にある。１ｋｇの未改良黒鉛顆粒あたり、１．５リットル乃至３リットルの表面修飾溶液が使用される。表面修飾溶液が黒鉛顆粒の未改良のコア物質の表面に完全に接触するまで、未改良黒鉛顆粒を表面修飾溶液の中で１００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍで０．５時間乃至１０時間攪拌する。それから、その被膜黒鉛顆粒を表面修飾溶液から分離し、そして加熱して過剰の表面修飾溶液を乾燥する。次いで、被膜黒鉛顆粒をふるいにかけ、そして不活性環境の中で２００℃乃至６００℃において０．２時間乃至１２時間で固化させる。固化の間に、温度を０．５℃／分から３５℃／分の割合で増加させる。最後に、被膜黒鉛を不活性環境の中で７５０℃乃至１３００℃において１時間乃至２４時間で炭化させ、改良黒鉛顆粒を形成させる。炭化の間、炭化のための温度増加の割合は、０．１℃／分乃至３０℃／分である。
【００１８】
改良黒鉛顆粒のコアを形成する未改良黒鉛顆粒は、天然黒鉛、人工黒鉛、または他の手段によって修飾された黒鉛であり得る。
【００１９】
該製造方法の望ましい実施形態の一つの仕様は、以下のようになる。
０．５時間乃至３時間温度が保たれ、そして温度上昇の割合が５℃／分乃至２０℃／分である場合、該固化は３００℃乃至５００℃において進行する。
【００２０】
２時間乃至１０時間温度が保たれ、該炭化のための温度上昇の割合が３℃／分乃至２０℃／分である場合、該炭化は８００℃乃至１２００℃において進行する。
【００２１】
該炭化工程において、温度減少の割合は５℃／分乃至１５℃／分である
【００２２】
本発明はまた、それぞれの該改良黒鉛顆粒が、未改良黒鉛顆粒および未改良黒鉛顆粒を包んで外膜を形成しているアモルファス炭素膜を含む改良黒鉛顆粒について開示している。該アモルファス炭素膜の厚さは、０．０５μｍ乃至１μｍの間にある。
【００２３】
本発明の実施形態において、該改良黒鉛顆粒中の結晶層間隔、ｄ002 、は、０．３３５ｎｍ乃至０．３４０ｎｍの間にある。該改良黒鉛顆粒の比表面積は、１．３ｍ2 ／ｇ乃至４．２ｍ2 ／ｇの間にある。改良黒鉛顆粒の平均粒径は、８μｍ乃至３５μｍの間にある。
【００２４】
改良黒鉛顆粒のための実施形態のさらなる好ましい仕様では、該改良黒鉛顆粒中の結晶層間隔、ｄ002 、は０．３３５ｎｍ乃至０．３３８ｎｍの間にある。該改良黒鉛顆粒の比表面積は、１．８ｍ2 ／ｇ乃至３．５ｍ2 ／ｇの間にある。そして、該改良黒鉛顆粒の平均粒径は、１０μｍ乃至２０μｍの間にある。
【００２５】
平均の粒径は、粒度分析計を使って測定されるＤ50である。結晶層間隔、ｄ002 、は、Ｘ線回折装置を使って測定される。比表面積は、１点ＢＥＴ法を用いて得られる。
【００２６】
黒鉛顆粒のコア物質の表面を覆うアモルファス炭素膜は、顆粒の表面モルフォロジーを改良することができ、その比表面積を下げる。改良黒鉛顆粒がリチウムイオン電池の負極のための活性物質として使用される場合、改良された表面モルフォロジーは、顆粒と電池中の導電溶液との相溶性を向上させ、電池の初期充放電効率の改良をもたらす。改良された表面モルフォロジーはまた、未改良黒鉛顆粒のコア物質の結晶構造の境界エッジの弱点を補って、結晶の方向性を低くし、黒鉛結晶を安定させ、さらにその導電性および電極の電子分布の均一性を改善する。このことは、電池におけるＬｉ+ の電子移動速度の上昇をもたらし、充放電プロセスの間における負極の構造の安定性を向上させ、高電流特性を改善するという結果となる。
【００２７】
本発明の実施形態において、改良黒鉛顆粒の平均粒径は８μｍ乃至３５μｍの間にある。好ましい仕様は、１０μｍ乃至２０μｍの間にある。改良黒鉛顆粒の平均粒径が小さすぎる場合、改良黒鉛顆粒は小さすぎて、そして比表面積はあまりに大きい。このことは、改良黒鉛顆粒から作られた負極を有する電池において可逆放電容量にダメージを与えることがあり得る。平均の粒径が大きすぎる場合、改良黒鉛の端部と中心との間隔が大きすぎるため、電池中のＬｉ+ が十分に脱着できず、改良黒鉛顆粒をリチウムイオン充電池の負極のための活性物質として適さないものとする。
【００２８】
本発明の実施形態において、改良黒鉛顆粒中の結晶層間隔、ｄ002 、は、０．３３５ｎｍ乃至０．３４０ｎｍの間にある。好ましい間隔は、０．３３５ｎｍ乃至０．３３８ｎｍである。改良黒鉛顆粒中の結晶層間隔、ｄ002 、は、未改良黒鉛顆粒の原料、すなわち未改良黒鉛顆粒が高度に黒鉛化された天然黒鉛または人工黒鉛から作られたかどうかによって主に決定される。表面修飾プロセスは、結晶層間隔、ｄ002 、にあまり影響は与えない。通常、結晶層間隔、ｄ002 、が０．３３５４ｎｍという理想的な黒鉛の値に接近すればするほど、それだけ黒鉛化の程度は高くなる。黒鉛化の程度が高くなればなるほど、その負極のための活性物質としての改良黒鉛顆粒で作られる電池の可逆比容量は高くなる。したがって、リチウムイオン充電池の放電容量を保証するために、高度に黒鉛化されている天然または人工の黒鉛が未改良黒鉛顆粒の原料として使われるべきである。
【００２９】
本発明の実施形態において、改良黒鉛顆粒の比表面積は１．３ｍ2 ／ｇ乃至４．２ｍ2 ／ｇの間にある。好ましい仕様は、１．８ｍ2 ／ｇ乃至３．５ｍ2 ／ｇの間にある。表面修飾処理がなされた改良黒鉛は、未改良黒鉛顆粒の比表面積を効果的に減少させる。（未改良黒鉛顆粒の原料の比表面積は約５ｍ2 ／ｇである。）負極のための物質の比表面積の大きさは、リチウムイオン電池における初期充電プロセスの間に形成されるＳＥＩ薄膜によって使われる不可逆容量の量に直接影響を与える。このことは、初期の充電効率および放電効率、ならびに電池の可逆比容量の大きさに直接影響を与える。したがって、電池における最も高い可逆比容量を保証するために、可能な限り小さい比表面積を有する物質から負極を製造するほうが良い。
【００３０】
該アモルファス炭素膜の厚さは、０．０５μｍ乃至１μｍの間にある。該アモルファス炭素膜の厚さは、黒鉛コア物質の表面上の表面修飾剤のコーティングの体積および黒鉛顆粒のコア物質の平均粒径によって計算される。改良黒鉛顆粒のＤＳＣ（示差走査熱量測定および熱重量分析）グラフは、熱分析によって得られる。
【００３１】
もう１つの本発明の実施形態において、改良黒鉛顆粒は、高い黒鉛化レベルの天然または人工の黒鉛顆粒の表面を処理および修飾することによって得られる。製造方法は次の通りである。未改良黒鉛顆粒を、その対応する溶媒にポリマー表面修飾剤を溶解することで調製される飽和もしくはほぼ飽和状態のポリマー表面修飾溶液に浸漬する。１００ｒｐｍ乃至２０００ｒｐｍの速度で０．５時間乃至１０時間攪拌し、表面修飾溶液が未改良黒鉛顆粒の表面と十分に接触するようにして、被膜黒鉛顆粒を形成させる。被膜黒鉛顆粒を濾過または遠心分離により分離する。過剰の表面修飾溶液を加熱して乾燥させる。ふるいにかける。不活性環境の中で被膜黒鉛顆粒を固化させ、炭化もさせる。粉砕プロセスは、本発明の実施形態における改良黒鉛顆粒を得るためには必要とされない。
【００３２】
この改良黒鉛顆粒の製造方法の実施形態において、表面修飾剤は、高い炭素含有量を有するある種の有機物である。それは、以下の群から選択される１つ以上のポリマーである、石炭ピッチ、コールタール、石油ピッチ、石油コークス、ベンゼン、ナフタレン、ベンゼン・ナフタレンコポリマー、石油ワックスおよび石油樹脂、対応する溶媒は、以下の群から選択される有機溶媒である、アセトン、無水エタノール、Ｎ−メチルピロリドン、クロロホルム、テトラヒドロフラン、四塩化炭素およびシクロヘキサンである。
【００３３】
本発明の実施形態の改良黒鉛顆粒の製造方法において、表面修飾の効果は、上記攪拌工程における攪拌時間に関係している。攪拌時間が長すぎる場合、未改良黒鉛顆粒のコア物質の表面に付着している有機薄膜の厚さが厚すぎて、改良黒鉛顆粒の特性に影響を与えるため、その負極が改良黒鉛顆粒から作られる電池の初期充電／放電効率を下げるようになる。攪拌時間が短すぎる場合、有機物膜の薄膜が薄すぎて、未改良黒鉛顆粒のコア物質の表面上で均一に分散されず、そのため改良黒鉛顆粒の特性に影響を与える。
【００３４】
本発明の実施形態の改良黒鉛顆粒の製造方法の固化工程においては、温度を０．５℃／分乃至３５℃／分の割合で上昇させ、固化のために望ましい温度に到達させる。より好ましい範囲は５℃／分乃至２０℃／分である。固化温度は２００℃乃至６００℃である。より好ましい範囲は３００℃乃至５００℃である。温度を０．２時間乃至１２時間維持する。より好ましい時間は０．５時間乃至３時間である。固化の後、温度を０．１℃／分乃至３０℃／分の割合で増加させ、炭化のために望ましい温度に到達させる。より好ましい温度上昇の範囲は３℃／分乃至２０℃／分である。炭化温度は７５０℃乃至１３００℃である。より好ましい範囲は８００℃乃至１２００℃である。温度を１時間乃至２４時間維持する。より好ましい時間は２時間乃至１０時間である。炭化の後、温度を１℃／分乃至２０℃／分の割合で下げる。より好ましい減少の割合は、５℃／分乃至１５℃／分である。温度は、自然に低下させることも可能である。
【００３５】
炭化温度が７５０℃未満のような低すぎる場合、未改良黒鉛顆粒のコア物質の表面上の有機層の炭化が、安定した緻密な炭素膜を形成するには不十分であり、さらに微細孔が形成され得る。微細孔と大きな比表面積をもつ構造が形成されることもある。この種類の構造は、表面モルフォロジーを改良しない。炭化温度が１２００℃を超えるほど高すぎる場合、結果として明確な改良は見られない。しかしながら、エネルギー使用量は増え、この方法を経済的でないものとする。温度を保つ時間は短すぎるべきではない。さもなければ炭化により安定した炭素膜を形成するには不十分である。温度があまりに長く保たれると、エネルギー使用量が増え、方法は経済的でなくなる。
【００３６】
本発明の実施形態の改良黒鉛顆粒の製造方法において、加熱炉が望ましい温度に達することができ、密封することができ、そして不活性環境を給気することが可能である限り、箱型電気抵抗炉、管状炉、プッシュプルトンネル炉または回転トンネル炉のような加熱炉を固化および炭化のために使うことができる。当該の不活性環境は、アルゴンガス、ヘリウムガスおよび窒素ガスのうちの１つ以上の混合であり得る。
【００３７】
下述の実施形態は、本発明についてのさらなる詳細事項を提供する。下述の実施形態によってなされた改良黒鉛の電気化学特性をテストするために、改良黒鉛顆粒は、リチウムイオン充電池の負極の活性成分に加工され、下述の２つの比較例の未改良黒鉛顆粒から作られた負極を持っている電池と対照してテストされる。
【００３８】
下述の実施形態および比較例における改良黒鉛顆粒または未改良黒鉛顆粒から負極を作製するために、結着剤および脱イオン水を改良黒鉛顆粒または未改良黒鉛顆粒に添加する。得られた混合物を攪拌し、次いでコートし、加熱乾燥および圧縮して、負極プレートを形成させる。
【００３９】
上述のように作られた負極を使って既存の電池技術でリチウムイオン充電池を作製するために、正極の活性物質としてのＬｉＣｏＯ2、対応する導電剤、結着剤、および電解質塩としてのＬｉＰＦ6 を使用する。電解液のための溶媒は、炭酸エチレン、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチルの有機体の溶媒の混合物である。濃度は、１リットルあたり１モルである。セパレーターは、ポリエチレンおよびポリプロピレンの複合セパレーターである。
【００４０】
（実施形態１）
実施形態１の製造方法は、２００ｍｌの４％表面修飾溶液を処方するために、四塩化炭素の中に８ｇ石油コークスを溶解させる工程と、１００ｇの乾燥した未改良の天然黒鉛顆粒を浸漬し、そして表面修飾剤有機溶液に浸漬する工程と、３００ｒｐｍの速度で攪拌し、未改良黒鉛顆粒の表面の表面修飾膜の薄層を形成させる工程と、得られた被膜黒鉛顆粒を濾過する工程と、加熱乾燥して、３００メッシュでふるいにかける工程と、ふるいにかけられた被膜黒鉛顆粒を密封された管状高温炉に入れる工程と、１０リットル／分の流量で高純度の窒素を通し、そして温度を１５℃／分で増加させて４００℃にし、温度を１時間維持する工程と、温度を１０℃／分で増加させて１０００℃にし、温度を３時間維持する工程と、温度を自然に室温まで下げ、表面修飾された改良黒鉛顆粒を得る工程とを含む。
【００４１】
Ｄ50を使えば、実施形態の改良黒鉛顆粒の平均粒径は、１３．８μｍを示す。その結晶層間隔、ｄ002 、は０．３３６５ｎｍであり、その比表面積は２．８ｍ2 ／ｇである。
【００４２】
（実施形態２）
この実施形態では、表面修飾溶液は、５％の石炭ピッチのテトラヒドロフラン溶液である。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。この実施形態から得られた改良黒鉛顆粒は、実施形態１の改良黒鉛顆粒と基本的に同じ平均粒径、Ｄ50、および結晶層間隔、ｄ002 、を有する。
【００４３】
（実施形態３）
この実施形態では、表面修飾溶液は、３％の石油ピッチおよびクロロホルムの溶液である。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。この実施形態から得られた改良黒鉛顆粒は、実施形態１の改良黒鉛顆粒と基本的に同じ平均粒径、Ｄ50、および結晶層間隔、ｄ002 、を有する。
【００４４】
（実施形態４）
この実施形態では、８００℃の炭化温度を用いる。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。この実施形態から得られた改良黒鉛顆粒は、実施形態１の改良黒鉛顆粒と基本的に同じ平均粒径Ｄ50および結晶層間隔、ｄ002 、を有する。
【００４５】
（実施形態５）
この実施形態では、１２００℃の炭化温度を用いる。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。この実施形態から得られた改良黒鉛顆粒は、実施形態１の改良黒鉛顆粒と基本的に同じ平均粒径Ｄ50および結晶層間隔、ｄ002 、を有する。
【００４６】
（実施形態６）
この実施形態では、より粒径の小さい天然黒鉛を未改良黒鉛顆粒として使用する。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。この実施形態から得られた改良黒鉛顆粒は、８．２μｍの平均粒径Ｄ50を有する。その結晶層間隔、ｄ002 、は、実施形態１の改良黒鉛顆粒と基本的に同じである。
【００４７】
（実施形態７）
この実施形態では、より粒径の大きい天然黒鉛を未改良黒鉛顆粒として使用する。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。この実施形態から得られた改良黒鉛顆粒は、３５．０μｍの平均粒径Ｄ50を有する。その結晶層間隔、ｄ002 、は、実施形態１の改良黒鉛顆粒と基本的に同じである。
【００４８】
実施形態１乃至７における本発明の実施形態についての電気化学特性を調べるために、上記実施形態から負極が作られる電池の特性を、本発明の実施形態で記述された改良がなされなかった黒鉛顆粒から負極が作られる電池の特性と比較する。比較のために用いられる未改良黒鉛顆粒の例としては、以下のものがあげられる。
【００４９】
（比較例１）
負極のための活性物質として実施形態１の天然黒鉛顆粒を直接使って、電池を作製する。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。
【００５０】
（比較例２）
この実施形態では、７００℃の炭化温度を使い、温度を５時間維持する。したがって、この比較例の黒鉛顆粒は修飾されるが、改良はされない。これ以外の全ての工程および仕様は、実施形態１と同じである。
【００５１】
実施形態１乃至７および比較例１および２から作製された電池の以下の動作特性が、測定され比較される。
高電流特性、Ｃ3C／Ｃ0.5C、４．２Ｖから３．０Ｖまでの３Ｃの放電電流および４．２Ｖから３．０Ｖまでの０．５Ｃの電流を使用した放電容量の比、
高電流特性、Ｃ2C／Ｃ0.5C、４．２Ｖから３．０Ｖまでの２Ｃの放電電流および４．２Ｖから３．０Ｖまでの０．５Ｃの電流を使用した放電容量の比、
可逆比容量、４．２Ｖまで０．１Ｃの初期充電をした後、４．２Ｖから３．０Ｖまでの０．１Ｃの電流の初期放電の放電容量／負極の活性物質の重量、
サイクル寿命、サイクルは、４．２Ｖに充電され、次いで３．０Ｖまで放電される１Ｃの電気量を使用するプロセスである。各サイクルに対して、放電容量は、そのサイクルの容量である。本発明の実施形態の電気化学特性を測ることにおいて、サイクル寿命は、そのサイクルの放電容量が初期サイクルの放電容量の８０％になるのに要するサイクルの数である。
【００５２】
実施形態１乃至７および比較例１および２における改良黒鉛顆粒の電気化学特性を得るための方法は、比表面積は、１点ＢＥＴ法で得られ、熱分析テストのための条件は、使用した装置の装置モデルおよび番号は、ＮＥＴＳＣＨ  ＳＴＡ  ４４９Ｃであり、使用した方法は、示差走査熱量測定および熱重量分析、すなわちＤＳＣ−ＴＧであり、未改良黒鉛顆粒のサンプルの重量は、６．８２４ｍｇであり、るつぼの材料は、Ａ１2 Ｏ3 であり、加熱炉の環境は、２５Ｎｍｌ／分の流速のガスであり、加熱炉の環境温度は、室温から始め、１０℃／分の割合で１０００℃に上昇される。
上記電気化学特性のテストの結果は、以下の表１に示される。
【００５３】
【表１】
2006528407.tif 000003
【００５４】
上記表１は、実施形態１乃至７の改良黒鉛顆粒の比表面積が、比較例１乃至２の比表面積より小さいことを示す。実施形態１乃至７から作製された電池は、優れた高電流特性、より高い可逆比容量およびより長いサイクル寿命を有する。
【００５５】
図面に関して、図１は、実施形態１で使われる未改良黒鉛顆粒の走査型電子顕微鏡写真である。図２は、実施形態１によって作られる改良黒鉛顆粒の走査型電子顕微鏡写真である。図１および図２の顕微鏡写真は、ＪＯＥＬ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ製モデル番号ＪＳＭ−５１６０装置を使って作成される。顕微鏡写真は、改良黒鉛顆粒の形状がジャガイモ状または球状であることを示す。
【００５６】
図３は、実施形態１における改良黒鉛顆粒の熱分析（ＤＳＣ示差走査熱量測定および熱重量分析）の結果を示す。５９２．１℃に対応しているピークは、アモルファス炭素膜である。８２１．２℃に対応しているピークは、未改良黒鉛顆粒のコア物質である。通常の条件下では、５００℃乃至６５０℃に対応しているピークがアモルファス炭素膜であるべきであり、７５０℃乃至８５０℃に対応しているピークが黒鉛顆粒のコア物質であるべきである。
【００５７】
未改良黒鉛顆粒のコア物質の複合ピークに関する詳細なデータは、以下にリストされ、
エリア、１５６００Ｊ／ｇ
ピーク、８２１．２℃
開始、７２７．５℃
最終、８７４．７℃
幅、１２２．８℃（３７．０００％）
高さ、２３．２ｍＷ／ｍｇ
である。
【００５８】
アモルファス炭素膜の複合ピークに関する詳細なデータは、以下にリストされ、
エリア、１１７．２Ｊ／ｇ
ピーク、５９２．１℃
開始、５６４．１℃
最終、６１７．１℃
幅、４０．０℃（３７．０００％）
高さ、０．５６１１ｍＷ／ｍｇ
である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施形態１で使われる未改良黒鉛顆粒の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】実施形態１によって作られる改良黒鉛顆粒の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３Ａ】実施形態１の改良黒鉛顆粒の熱分析（ＤＳＣ−示差走査熱量測定および熱重量分析）の結果のグラフである。
【図３Ｂ】実施形態１の改良黒鉛顆粒の熱分析（ＤＳＣ−示差走査熱量測定および熱重量分析）の結果のグラフである。
【図１】
2006528407.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
2006528407.tif 000006
【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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