負極材料を支える重要なカーボン源。

人造黒鉛は、石油コークスやニードルコークスを原料とし、粉砕、成形、2800～3000℃で黒鉛化して作られます。規則的な結晶構造、高いグラム容量、長いサイクル寿命を備えています。ただし、PC などの溶媒にグラファイト表面が共埋め込まれるリスクがあり、電解質を隔離するためにアモルファスカーボンシェルを形成するピッチコーティングが必要です。

固相コーティングは動力電池の主流のプロセスです。グラファイトとピッチ粉末を重量比 90:10 ～ 95:5 で混合し、軟化点以上に加熱して液体の浸透を完了させた後、窒素下 800 ～ 1100°C で炭化します。ピッチの主な要件は、混合段階での凝集を避けるために十分に高い軟化点 (200 ～ 280°C)、単位ピッチあたりの硬質炭素シェルの収率を高めるための高い残留炭素値、および硬質粒子による不均一なコーティングを避けるために厳密に制御された QI です。

RefineU^® PE-200 (残留炭素値 ≥58%) は固相コーティングの主流の選択肢であり、軟化点と炭素収率のバランスが最も優れています。 PE-250 および PE-280 (≥67% および ≥73%) は、より高い初動効率とサイクル寿命を追求するハイエンド ソリューションに適しています。コーティングの均一性に対するより高い要件が求められるハイエンド EV プロジェクトの場合、二次プロセスとして PE-150 液相コーティングを固相ボディに重ねることができます。

人造黒鉛と比較して、球状化黒鉛はグラム容量が高く、コストが低い。しかし、表面には多数の細孔、欠陥、活性エッジ部位が存在します。電解質と接触すると、激しい副反応が引き起こされ、不安定な SEI 膜が生成され、その結果、初期効率が低くなり、サイクル減衰が早期に起こります。ピッチコーティングは、天然黒鉛負極に必要な表面処理ステップです。

球状化黒鉛の欠陥は偏在しており、固相被膜が細孔の全てを埋めることが難しく、局所的な空孔が発生しやすい。液相コーティングは、分子レベルの均一性を達成するのにより適しています。まずピッチをTHF、トルエン、アセトンなどの溶媒に溶解し、グラファイトと混合してから溶媒を蒸発させ、分散したピッチを欠陥箇所に付着させ、その後800〜1100℃で炭化して均一なカーボンシェルを形成します。このプロセスでは、ピッチには、低い軟化点 (室温で溶解できる)、非常に低い QI (不溶性粒子を避けるため)、および非常に低い灰分 (溶媒蒸発後の金属残留物を避けるため) が必要です。

RefineU^® PE-150（軟化点145～155℃）は液相コーティングの中核原料です。 QI ≤0.5% および灰分 ≤0.1% は、球状化グラファイトの高均一性プロセスウィンドウを満たしています。当社の連続生産ラインでは、低軟化点グレードに個別の低温熱制御と成分管理を導入し、低軟化点製品でよくあるバッチ安定性の問題を回避しています。研究開発段階では、顧客は特定の溶媒システムに基づいてカスタマイズされた評価のために kg レベルのサンプルをリクエストできます。

シリコンの理論グラム容量は 4200 mAh/g で、これはグラファイト (372 mAh/g) の約 11 倍です。これはエネルギー密度を高めるための重要な手段です。ただし、リチウム化中にシリコンの体積膨張は 300% に達する可能性があり、粒子の粉砕、電極構造の破壊、SEI の繰り返しの破壊につながり、活性リチウムが消費されます。市販のソリューションは、ナノシリコンとグラファイト/ハードカーボンの複合体であり、柔軟なピッチ由来のカーボンシェルで覆われています。

ピッチコーティング層は、シリコン - カーボン系で 2 つの機能を果たします。物理的緩衝剤 - カーボンシェルは適切な柔軟性と機械的強度を持ち、シリコンのリチウム化中の体積膨張を吸収し、ナノシリコン粉末の流出を防ぎます。電子経路 - アモルファスカーボンの導電率はシリコン本体の導電率よりもはるかに高く、ディープシリコン粒子にリチウムイオンと電子の二重輸送を提供します。

シリコンと炭素の複合材料は通常、固相段階という 2 段階のプロセスを使用します。 RefineU^® PE-280 (残留炭素値 ≥73%) は、高い炭素収率の主コーティング層を提供します。 PE-150 は液相で使用され、ナノシリコン表面に微細なコーティングを施します。当社の研究開発研究所は、シリコン - カーボン緩衝層のピッチ配合の最適化と、さまざまなシリコンソース (ナノシリコン、SiOx、Si@C コアシェル) との適合性評価への投資を継続しており、シリコン - カーボン複合ソリューションを顧客と共同開発できます。

ナトリウムイオン電池は、低コストの蓄電およびローエンド電気自動車を目的としています。ナトリウム資源はリチウムよりはるかに豊富であり、コストも低い。しかし、ナトリウムイオンはリチウムよりも半径が大きいため、グラファイトシート間に安定して埋め込むことができない。市販のソリューションはハード カーボンです。これはナトリウム イオンが層間空隙、ナノ細孔、欠陥サイトに蓄えられている無秩序な多孔質の非黒鉛化炭素です。

ナトリウムイオン電池ハードカーボンシステムでは、ピッチがリチウムイオン電池の「コーティング層」の役割から「主前駆体」にアップグレードされました。低軟化点ピッチは、前酸化架橋と高温炭化の後、大きな層間間隔と豊富なナノ細孔を備えたハードカーボンを形成できます。樹脂ベースまたはバイオマスベースのハードカーボンと比較したピッチベースのハードカーボンの利点は、高い炭素収率（ピッチの場合は 47 ～ 73%、ヤシ殻カーボンの約 20% よりもはるかに高い）、低い原材料コスト、およびスケールアップが容易であることです。

RefineU^® PE-150 は、軟化点が低く、前酸化反応活性が優れているため、ナトリウムイオン電池ハードカーボン前駆体の研究によく選ばれています。当社の研究開発研究所は、ピッチの窒素ドーピング改質の方向に投資を続けてきました。つまり、最終的なハードカーボンが sp2 ネットワーク内に窒素原子を保持し、ナトリウムイオンの可逆的貯蔵容量を向上させるために、溶融段階で窒素含有前駆体を導入します。窒素ドープピッチ系ハードカーボンの量産プロセスは、大学やナトリウム電極材料会社と共同開発できる。