JPH0773868A - 非水電解質二次電池およびその負極の製造法 - Google Patents
非水電解質二次電池およびその負極の製造法Info
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- JPH0773868A JPH0773868A JP5219752A JP21975293A JPH0773868A JP H0773868 A JPH0773868 A JP H0773868A JP 5219752 A JP5219752 A JP 5219752A JP 21975293 A JP21975293 A JP 21975293A JP H0773868 A JPH0773868 A JP H0773868A
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Abstract
く、保存性に優れた非水電解質二次電池用負極材料を提
供する。 【構成】 天然黒鉛の表層に、X線広角回折法による
(002)面の面間隔が3.40オングストローム以下
で、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が100〜10
00オングストロームの炭素質層を具備する負極を用い
る。
Description
特にその負極の改良に関する。
池は、起電力が高く、従来のニッケル−カドミウム蓄電
池や鉛蓄電池に比べ高エネルギー密度になると期待さ
れ、多くの研究がなされている。しかし、金属状のリチ
ウムを負極に用いると、充電時にデンドライトが発生
し、短絡を起こしやすく信頼性の低い電池となる。この
問題を解決するために、Liとアルミニウム、鉛との合
金負極を用いることが検討されている。これら合金負極
を用いると、充電によりLiは負極合金中に吸蔵され、
デンドライトの発生がなく信頼性の高い電池となる。し
かし、合金負極の放電電位は金属Liに比べ約0.5V
貴であるため、電池の電圧も0.5V低下し、これによ
り電池のエネルギー密度も低下する。
合物を負極活物質とする研究も活発になされている。こ
の化合物負極においても、充電によりLiは炭素の層間
に入りデンドライトは発生しない。放電電位は金属Li
に比べ約0.1V貴であるため、電池電圧の低下も小さ
い。したがって、より好ましい負極と言える。通常、炭
素質材料は、有機物を不活性雰囲気中においておよそ4
00〜3000℃の加熱により分解し、炭素化、さらに
は黒鉛化を行うことにより得られる。炭素質材料の出発
原料は、ほとんどの場合に有機物であり、炭素化工程で
ある1500℃付近までの加熱により、ほとんど炭素原
子のみが残り、3000℃近い高温までの加熱により黒
鉛構造を発達させる。
チ、コ−ルタ−ル、あるいはコ−クスとピッチの混合物
などが用いられ、固相では木質原料、フラン樹脂、セル
ロ−ス、ポリアクリロニトリル、レ−ヨンを挙げること
ができる。また、気相では、メタン、プロパンなどの炭
化水素ガスが用いられている。これまでに石油ピッチな
どを出発原料とし、一般的には2000℃以上の高温で
焼成し、発達したグラファイト構造を有する、いわゆる
易黒鉛化炭素材料や、フラン樹脂を始めとする熱硬化性
樹脂を出発原料として、2000℃以下の比較的低温で
焼成し、乱層構造を有する、いわゆる難黒鉛化炭素材料
を、リチウムを吸蔵、放出させる非水電解質二次電池用
負極材料として用いる試みがなされている。
る検討も数多く行われている。天然黒鉛は、一般的に結
晶構造が完全なグラファイト構造を有し、(002)面
の層間距離はd002=3.35オングストローム、結晶
子サイズはLc>1000オングストロームを示す。こ
のような天然黒鉛にリチウムを吸蔵、放出させると、他
の炭素材料に比べてより多くの電気容量を可逆的に充放
電することができる。現在では、理論上、最高の吸蔵状
態であるC6Li、すなわち、電気容量は372Ah/
kgに非常に近い値、例えば、350Ah/kgに達す
ることが知られている。
の層間化合物を負極活物質とした場合にも大きい問題が
あった。すなわち、天然黒鉛を負極活物質に用いた場
合、他の人造炭素類を用いた場合に比べ、電池の保存特
性が劣る。特に、電池を充電し、60℃などの高温環境
に保管した場合に容量低下が大きく、その後の回復容量
も低下するという課題である。
けい素、カルシウムなどを含有した状態で産出される。
その含有量は、産出地などによって異なるが、最大で数
%、少なくとも100分の数%である。本発明者らは、
このような電池の保存特性と不純物に関して詳細に検討
した結果、天然黒鉛を負極活物質に用いた電池の保存特
性が劣る原因は、上記のような産出時に含まれる不純物
元素にその主たる原因があることを突き止めた。
による保存特性への悪影響を実質的に除去することによ
り、天然黒鉛の特徴を生かし、高エネルギー密度で、保
存による性能の劣化の少ない信頼性の高い非水電解質二
次電池を与える負極を提供することを目的とする。
て可逆性を有する正極、リチウム塩を含有する非水電解
質、および炭素材料からなる負極を具備する非水電解質
二次電池において、前記負極が、X線広角回折法による
(002)面の面間隔が3.40オングストローム以下
で、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が100〜10
00オングストロームの炭素質層を表層に有する天然黒
鉛を含むことを特徴としている。
コールタールおよびコークスよりなる群から選択される
少なくとも一種の有機物と天然黒鉛との混合物を加熱し
て前記有機物を炭素化もしくは黒鉛化することを特徴と
している。なお、その加熱温度としては2000〜30
00℃の範囲であることが好ましい。
炭素材料を用いた負極と同様に、充電によりリチウムを
吸蔵し、放電すると吸蔵されたリチウムを電解質中にイ
オンとして放出する。したがって、充電によりリチウム
が金属状で析出することはなく、デンドライトによる電
池の内部短絡は起こらない。放電電位は金属Liに比べ
約0.1V貴であるので、電池電圧の低下も小さい。
易黒鉛化炭素材が形成されているため、天然黒鉛の持つ
高い容量を低下することなく、天然黒鉛に含有される不
純物元素を表面に露出することなく、電解液などと不純
物が接触することがない。すなわち、保存特性に悪影響
をもたらす天然黒鉛の表層部分の不純物を、より高純度
な易黒鉛化炭素材の形成により、実質的に除去したこと
と同様な状態へ改良したと考えることができる。したが
って、このような天然黒鉛に含まれる不純物が原因とな
る保存特性への悪影響を実質的に除去することができ
る。
化度は、天然黒鉛のそれに比べて若干低いものであるか
ら、充電時にリチウムが挿入されやすい状態となり、結
果的に放電容量は、372Ah/kgという天然黒鉛の
理論容量を得ることができる。本発明により、従来の炭
素材や黒鉛に比べて充放電の電気容量が増大し、しか
も、電池の保存特性が向上する。
説明する。天然黒鉛として純度98.0%のものを用
い、その表層にX線広角回折法による(002)面の面
間隔(d002)が3.36オングストロームでc軸方向
の結晶子の大きさ(Lc)が600オングストロームの
炭素質層を有するものを試験材料とする。なお、この材
料は平均粒径10μmの天然黒鉛100重量部に、20
重量%のタールを含むピッチ10重量部を添加し、充分
に混合した後、アルゴンガス雰囲気中において2600
℃まで加熱して得たものであり、加熱時間は100時間
である。
には単一構造を有する炭素材料を用いる。すなわち、比
較例1は、上記の純度98.0%の天然黒鉛、比較例2
は、(002)面の面間隔(d002)が3.36オング
ストロームでc軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が60
0オングストロームの炭素質材料である。
討するため、以下のようにして図1に示す試験セルを作
製する。炭素材10gに対して結着剤のポリエチレン粉
末1gを混合し、この合剤0.1gを直径17.5mm
の円板に加圧成型して炭素電極を作製する。この電極1
をケース2の中央に配し、その上に微孔性ポリプロピレ
ンセパレータ3を置き、次いで、1モル/lの過塩素酸
リチウム(LiClO4)を溶解したエチレンカーボネ
ートとジメトキシエタンの体積比1:1の混合溶液から
なる非水電解液をセパレータ上に注液する。次に、内側
に直径17.5mmの円板状金属リチウム4を張り付
け、外周部にポリプロピレン製ガスケット5を付けた封
口板6を組み合わせ、封口して試験セルとする。
たセルについて、2mAの定電流で、炭素電極がLi対
極に対して0Vになるまでカソード分極(炭素電極を負
極として見る場合には充電に相当)し、次に炭素電極が
1.0Vになるまでアノード分極(放電に相当)する。
このカソード分極とアノード分極のサイクルを20℃に
おいて10サイクル繰り返した後、11サイクル目の充
電終了後、60℃で4週間保存し、保存後20℃に戻
し、同じ条件で放電と充電を繰り返す。
放電容量(初期容量)と、以下に定義する容量維持率お
よび容量回復率を表1に示す。 容量維持率=100×(11サイクル目の放電電気量)
/(10サイクル目の放電電気量) 容量回復率=100×(12サイクル目の放電電気量)
/(10サイクル目の放電電気量)
較例1のセルが大きく、比較例2のセルが小さい。ま
た、比較例1のセルは、60℃4週間保存にともない非
常に大きな容量低下を示す。一方、実施例および比較例
2のセルは、容量維持率90%以上であり、容量回復率
95%以上と高い値を示す。このように天然黒鉛の表層
に特定の条件を満たす炭素質層を有したものを用いるこ
とにより、高温保存にともなう容量低下を抑制する効果
がある。
0%の天然黒鉛100重量部に、10重量%のタールを
含むピッチ10重量部を添加し、充分に混合した後、ア
ルゴンガス雰囲気中において最高3000℃までの温度
で100時間加熱することにより、表2に示すように、
表層にX線広角回折法による(002)面の面間隔(d
002)が3.355〜3.45オングストロームでc軸
方向の結晶子の大きさ(Lc)が100〜1000オン
グストロームの炭素質層を有する材料を作製する。ま
た、比較例としては、表層に易黒鉛化炭素を形成しない
天然黒鉛そのものを用いる。
施例1と全く同様にして評価する。なお、各試験セルの
11サイクル目のカソード分極が終了した後、試験セル
を分解したところ、いずれも金属Liの析出は認められ
なかった。
3.355〜3.40オングストローム、c軸方向の結
晶子の大きさ(Lc)が100〜1000オングストロ
ームの範囲のものは、天然黒鉛を用いたものとほとんど
同じ値を示した。しかし、d002が3.45オングスト
ローム、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が100オ
ングストロームのものは、初期放電容量が小さいものと
なった。表層に形成した易黒鉛化炭素の結晶性が不充分
なため、この部分の充放電容量が小さいものとなり、そ
の結果炭素全体の単位重量当りの容量が低下したと考え
られる。また、Lcが1500オングストロームの場合
には、初期容量が低下した。これは、結晶性がかなり高
いものであり、天然黒鉛へのリチウムの侵入が逆に妨げ
られたと考えられる。各セルの4週間後の容量維持率、
容量回復率を表3に示す。
もない非常に大きな容量低下を示す。一方、実施例のセ
ルは、容量維持率90%以上、容量回復率95%以上と
高い値を示している。このように表層に特定の条件を満
たす炭素質層を有する天然黒鉛を用いることにより、高
温保存にともなう容量低下を抑制する効果がある。ま
た、初期容量と保存性の両面から、この表層の易黒鉛化
炭素としては、X線広角回折法による(002)面の面
間隔(d002)が3.40オングストローム以下でc軸
方向の結晶子の大きさ(Lc)が100〜1000オン
グストロームのものが望ましいことがわかる。
機物を加熱して得た易黒鉛化炭素層を形成した天然黒鉛
について評価した結果を説明する。平均粒径12μm、
純度98.0%の天然黒鉛100重量部に各種有機物1
0重量部を添加し、充部に混合した後、アルゴンガス雰
囲気中において最高2800℃までの温度で200時間
加熱することにより、天然黒鉛の表層に易黒鉛化層を形
成する。表4に添加した有機物と得られた炭素質層のd
002およびLcを示す。
極としての特性を実施例1と全く同様にして評価した結
果を表5に示す。
チ、コ−ルタ−ル、コ−クスの場合、初期容量は天然黒
鉛と同じ値であった。一方、高温保存後の容量維持率と
容量回復率は、比較例の場合、それぞれ65%、70%
であったのに対して、実施例による炭素材は、容量維持
率が90%以上、容量回復率は95%以上であった。こ
のように、天然黒鉛の表層を形成する有機物がピッチ、
コ−ルタ−ル、コ−クスから選ばれるものが望ましいこ
とがわかる。
層を形成する易黒鉛化炭素層を得るための加熱温度につ
いて検討した結果を説明する。平均粒径12μm、純度
98.0%の天然黒鉛100重量部にピッチ10重量部
を添加し、充分混合した後、アルゴンガス雰囲気中にお
いて各種温度で200時間加熱することにより天然黒鉛
の表層を形成する。加熱温度と得られた炭素質層のd
002およびLcを表6に示す。
実施例1と全く同様にして評価した結果を表6に示す。
量は天然黒鉛とほぼ同じ値となる。また、高温保存後の
容量維持率や回復率は、検討した温度範囲の全てにおい
て天然黒鉛に比べて高い値を示す。さらに、3000℃
より高い温度条件での加熱については、加熱炉の構成材
料や加熱工程の経済性等の観点から工業的に実用上、実
施が困難であることから、検討は行わなかった。以上の
結果から、加熱温度は2000℃から3000℃が望ま
しいことがわかる。
る円筒形電池の特性を調べた結果を説明する。純度9
8.0%、平均粒径12μmの天然黒鉛100重量部
に、20重量%のタールを含むピッチ10重量部を添加
し、充分に混合した後、アルゴンガス雰囲気中において
2600℃までの温度で100時間加熱することによ
り、天然黒鉛の表層にX線広角回折法による(002)
面の面間隔(d002)が3.36オングストロームでc
軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が600オングストロ
ームの炭素質層を形成する。また、比較例として、上記
の純度98.0%の天然黒鉛を用いる。
討するため、以下のようにして図2に示す構造の円筒形
電池を作製する。まず、上記の炭素質材料と結着剤のポ
リ弗化エチレン樹脂を重量比で100:5の割合で混合
し、これに水を加えてペースト状としたものを銅の芯材
に塗布後、100℃で乾燥して負極板とする。
のアセチレンブラックと結着剤のポリ弗化エチレン樹脂
を重量比で100:5:5の割合で混合し、水を加えて
ペースト状としたものをチタンの芯材に塗布後、乾燥し
て構成する。正極中のLiMn2O4の重量は5gとす
る。セパレータには微孔性ポリプロピレンを用いる。電
極体はスポット溶接にて取り付けた芯材と同材質の正極
リード14を有する正極板11と負極リード15を有す
る負極板12間に両極板より幅の広い帯状のセパレータ
13を介在して全体を渦巻状に卷回して構成する。
プロピレン製の絶縁板16、17を配して金属電槽18
に挿入し、電槽18の上部に段部を形成させた後、非水
電解液として、1モル/lの過塩素酸リチウム(LiC
lO4)を溶解したエチレンカーボネートとジメトキシ
エタンの体積比で1:1の混合溶液を注入し、封口板1
9により密閉して電池とする。20は正極端子である。
て10サイクルの充放電後、11サイクル目の充電終了
後、60℃で4週間保存し、保存後20℃に戻し、放電
し、さらに充放電をした。なお、充放電条件は、電圧範
囲4.3Vから3.0V、電流密度0.5mA/cm2
とした。
電曲線(保存前)、保存後の放電曲線(保存後維持)お
よび保存後の放電と充電をした後の放電曲線(保存回
復)を図3に示す。また、比較例の電池の同様の放電曲
線を図4に示す。
ない非常に大きな容量低下を示す。一方、本実施例の電
池は容量維持率および容量回復率が高く、実施例1と同
じ計算法による容量維持率は90%以上であり、容量回
復率は95%以上であった。このように、本発明による
負極を用いた電池は、高い放電電圧、高容量、優れた保
存特性を兼ね備えたものであることがわかる。なお、実
施例においては、正極活物質としてLiMn2O4を用い
たが、本発明による負極は、この他に、LiCoO2、
LiNiO2、LiFeO2、γ型LiV2O5などをはじ
めとする充放電に対して可逆性を有する正極と組み合わ
せた場合にも同様の効果があることは言うまでもない。
エネルギー密度で、デンドライトによる短絡のない、保
存性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
縦断面図である。
である。
前後の放電曲線である。
である。
Claims (3)
- 【請求項1】 充放電に対して可逆性を有する正極、リ
チウム塩を含有する非水電解質、および炭素材料からな
る負極を具備し、前記負極が、X線広角回折法による
(002)面の面間隔が3.40オングストローム以下
で、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が100〜10
00オングストロームの炭素質層を表面に有する天然黒
鉛を含むことを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項2】 ピッチ、コ−ルタ−ルおよびコ−クスよ
りなる群から選ばれる少なくとも一種の有機物と天然黒
鉛との混合物を加熱して前記有機物を炭素化もしくは黒
鉛化する工程を有することを特徴とする非水電解質二次
電池用負極の製造法。 - 【請求項3】 加熱温度が2000〜3000℃である
請求項2に記載の非水電解質二次電池用負極の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21975293A JP3253185B2 (ja) | 1993-09-03 | 1993-09-03 | 非水電解質二次電池およびその負極の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21975293A JP3253185B2 (ja) | 1993-09-03 | 1993-09-03 | 非水電解質二次電池およびその負極の製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0773868A true JPH0773868A (ja) | 1995-03-17 |
| JP3253185B2 JP3253185B2 (ja) | 2002-02-04 |
Family
ID=16740449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21975293A Expired - Lifetime JP3253185B2 (ja) | 1993-09-03 | 1993-09-03 | 非水電解質二次電池およびその負極の製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP3253185B2 (ja) |
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