ハードカーボン陽極材料の特性と製造方法

新エネルギー産業の急速な拡大に伴い、高性能陽極材の需要が急増しています。主要材料であるハードカーボンの生産量と品質に対する要求は、それに応じて高まっています。これらの需要を満たすには、効率的で精密な加工設備が不可欠です。本稿では、ハードカーボンの製造と、それが果たす重要な役割について考察します。ジェットミリングテクノロジー。

ハードカーボン 熱分解炭素の一種。ポリマー、石油化学製品、バイオマスなどの熱分解によって得られ、難黒鉛化炭素に分類されます。これは、前駆体にH、O、Nなどのヘテロ原子が多数含まれているため、熱処理中に結晶ドメインの形成が阻害されるためです。そのため、2500℃を超える高温でも黒鉛化が困難です。

ハードカーボン材料は、熱分解炭化温度によって、高温熱分解炭素（1000～1400℃）と低温熱分解炭素（500～1000℃）の2種類に分けられます。炭素源に基づいて、樹脂炭素（フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリフルフリルアルコール樹脂など）、有機ポリマー炭素（PVA、PVC、PVDF、PANなど）、カーボンブラック（CVD法で製造されるアセチレンブラックなど）、バイオマス炭素（植物残渣や貝殻など）などに分類されます。

そのジェットミル Epic Powderの粉砕機は、高効率と最小限の汚染を実現するように設計されています。当社の粉砕機を使用することで、硬質炭素を1～50ミクロンの微細粉末に加工できます。これは、特に導電性ペーストや高度な炭素添加剤など、エレクトロニクス業界に最適です。

ハードカーボンは、構造膨張をほとんど起こさずにリチウムのインターカレーションを容易にし、良好な充放電サイクル特性を示します。リチウムイオン電池の負極材として用いられるハードカーボンは、主に前駆体から製造されます。前駆体には、ピッチ系、バイオマス系、樹脂系などがあります。

ハードカーボンを製造するための前駆物質としては、アスファルト、バイオマス、砂糖、フェノール樹脂、有機ポリマーなどがあります。異なる物質から製造されたハードカーボン材料は、同様の充放電曲線を示します。

①ピッチからハードカーボンを製造する

ピッチベースの前駆体は、高い炭素残留率、幅広い原料源、低コストのため、ハードカーボンの製造に最適です。しかし、ピッチは黒鉛化する傾向があり、炭化中に黒鉛のような構造を形成しやすいため、ピッチからハードカーボンを製造するには前処理が必要です。ピッチの前処理では通常、架橋剤を使用してピッチを架橋し、その微細構造を修正し、熱分解炭化中の黒鉛結晶の成長を妨げ、固相炭化を行ってハードカーボン材料を得ます。ピッチの別の製造方法は、前酸化です。これは、酸化剤を使用してピッチを前酸化し、特定の酸素含有量を持つ前酸化ピッチを得る方法です。酸素ヘテロ原子の存在により、ピッチは熱分解および炭化中に秩序だった構造を形成するのが困難です。その結果、比較的無秩序な微細構造を持つハードカーボン材料が得られます。

②バイオマスからのハードカーボンの製造

バイオマスは多様な供給源を有し、環境に優しく、環境に優しいだけでなく、豊富なヘテロ原子と独特の微細構造を有するため、ハードカーボン製造の原料として適しています。グレープフルーツの皮を炭素源としてハードカーボン材料を作製した研究者もいます。彼らの研究では、作製したサンプルの優れたリチウムインターカレーション性能は、材料の独特の細孔構造に深く関係していると考えられています。この構造は、材料が電解質と完全に接触するのを助け、材料内でのLi+輸送のためのチャネルと、より多くのリチウムインターカレーションサイトを提供します。

③有機ポリマーからのハードカーボンの製造

バイオマスと比較して、有機ポリマーの分子構造は比較的単純で制御性に優れています。関連する分子構造を必要に応じて設計できるため、ハードカーボン製造の優れた前駆体となります。一部の研究者は、フェノール樹脂を炭素前駆体として用い、熱分解と炭化によって樹脂ベースのハードカーボン材料を得、これをリチウムイオン電池の負極材料やスーパーキャパシタの電極材料として利用しています。リチウムイオン電池の容量は526mAh·g⁻¹に達し、初期クーロン効率は最大80%に達します。

以上がハードカーボンの特性とその製造方法の紹介です。ハードカーボンは、グラファイトよりも層間距離の大きい層状構造と、豊富な微細孔構造を有しています。リチウムイオンの急速なデインターカレーションが可能で、優れたレート特性を示します。一部のハードカーボン材料は、従来のグラファイト負極材料よりも高いリチウム貯蔵性能を有しています。そのため、ハードカーボンは有望な負極材料の一つと考えられています。技術の進歩と徹底的な研究により、リチウム電池負極へのハードカーボン材料の応用も独自の地位を確立していくと考えられます。

Epic Powderは、カスタマイズされた炭素粉末製造ソリューションを専門としています。当社の統合システムは、硬質炭素前駆体原料を、カスタマイズ可能な粒子径（D97 3～45µm）の完成粉末へと変換します。これにより、航空宇宙（複合材料）、冶金（加炭装置）、民生用電子機器など、幅広い産業での利用が可能になります。