JPH0785861A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH0785861A
JPH0785861A JP5226943A JP22694393A JPH0785861A JP H0785861 A JPH0785861 A JP H0785861A JP 5226943 A JP5226943 A JP 5226943A JP 22694393 A JP22694393 A JP 22694393A JP H0785861 A JPH0785861 A JP H0785861A
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JP
Japan
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carbon material
lithium
negative electrode
secondary battery
carbon
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Pending
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JP5226943A
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English (en)
Inventor
Koji Higashimoto
晃二 東本
Takumi Hayakawa
他▲く▼美 早川
Nobuatsu Watanabe
信淳 渡辺
Youhou Tei
容宝 鄭
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Resonac Corp
Original Assignee
Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】炭素材料を負極に用いながら放電容量が大き
く、エネルギー密度もリチウム金属を負極に用いたもの
と変わらず、しかも充放電サイクル特性も優れたリチウ
ム二次電池を提供する。 【構成】負極12として炭素材料とリチウムの化合物を
用いるリチウム二次電池において、炭素材料は、粒径を
50μm以下、結晶構造は、格子面間隔d(002)を
0.336nm以下、a軸方向及びc軸方向の結晶子の
大きさ(Lc,La)を共に20nm以上とする。La
は好ましくは50nm以上である。炭素材料としてエッ
ジ面に酸素官能基を持たないものを含むめば、初回の充
放電効率を高くすることがてきる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はリチウム電池に関し、と
りわけ放電容量が大きくかつ充放電サイクル特性が優れ
るリチウム二次電池を得るための負極に関する。
【0002】
【従来の技術】負極活物質にリチウムを用いたリチウム
電池は、高いエネルギー密度を有することから、数々の
方面でその二次電池化が試みられてきた。負極活物質に
純金属リチウムを用いた場合には、充放電の繰り返しに
伴うリチウムの針状析出、いわゆるデンドライトの生成
が問題となっている。この問題は、電池の性能面と安全
性の面の二つにある。性能面では、負極で析出した針状
リチウムがセパレータを突き破り、正極に到達すること
によって電池内部での短絡が起こり、電池性能が早期に
著しく低下する問題がある。安全性の面では、内部短絡
によって過大な電流が流れることによる温度の異常上昇
で有機電解液の揮発が起こり電池内圧が上昇し、最悪の
場合には、電池の破裂、爆発を引き起こすといった問題
である。特に安全性の面では、電池が破裂すると、化学
的に活性で反応性の高い金属リチウムが空気中の水分と
反応し、化1の反応式による水素ガスの発生と反応熱が
さらに安全性を低下させる。
【0003】
【化1】
【0004】このようなデンドライトによる問題を解決
するために、一応の対策として負極にLi−Al合金な
どのリチウム合金を使用することが提案されているが、
合金とは言え金属リチウムを用いる限りにおいて、内部
短絡防止に対して本質的な改善にはなっていない。そこ
で、近年、金属リチウムやその合金を用いない負極とし
て、充放電に伴いリチウムの収容、放出が可能なリチウ
ム保持体としての機能をもつ炭素材料が提案されてい
る。このような負極では、充電状態のときにリチウムが
炭素層間化合物を形成しており、放電時にリチウムイオ
ンが放出される(特公昭62−23433号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これまでに提
案されてきた負極としての炭素材料は、放電容量が少な
い。放電時間と共に電池電圧が低下し一定電圧を維持で
きないので、金属リチウムを用いた電池に比べエネルギ
ー密度も低い。また、初回の還元反応時(すなわち充電
時)に、炭素の層間にリチウムイオンが入り込む反応以
外に副反応を起こすため、初回の充放電効率が低いとい
う問題点がある。本発明が解決しようとする第一の課題
は、炭素材料を負極に用いながら放電容量が大きく、エ
ネルギー密度もリチウム金属を負極に用いたものと余り
変わらない程度に高く、しかも充放電サイクル特性も優
れたリチウム二次電池を提供することである。第二の課
題は、初回の充放電効率を高くすることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係るリチウム二次電池は、正極と、リチウム
塩を含む有機電解液と、主として炭素材料とリチウムの
化合物からなる負極を構成要素とするものであって、前
記負極の炭素材料は、粒径が50μm以下の粉末であ
り、その結晶構造が、格子面間隔d(002)が0.3
36nm以下、a軸方向及びc軸方向の結晶子の大きさ
(Lc,La)が共に20nm以上、であることを特徴
とする。上の記炭素材料は、エッジ面に酸素官能基をも
たないものを含むことが望ましい。
【0007】
【作用】現在のところ明確な原因はわかっていないが、
炭素の結晶構造がc軸方向、a軸方向共に発達している
方が、リチウムを多量に炭素の黒鉛構造の層間に入り込
ませることができ、その化合物の状態を安定に保つこと
ができる。このため、この化合物は、リチウム金属と余
り変わらない卑な電位を示す。また、リチウムが炭素の
層間中を容易に拡散できるため、一定な電位で電極反応
が進行すると考えられる。炭素粒子表面の酸素官能基を
なくせば、炭素材料の層間にリチウムが入りやすくな
り、初回の充放電効率を向上できるものと推測する。
【0008】
【実施例】以下に、本発明を実施した例に従って説明す
る。図1は、炭素材料を使用した負極単独の性能を確認
するために、対極にリチウム極を使用した試験セル(リ
チウム二次電池ではない)の断面図である。1は炭素
極、2はリチウム極、3はセパレータ、4はリチウム基
準の参照極、5はLiClO4を1モル溶かしたエチレ
ンカーボネート/ジエチレンカーボネート(体積比75
/25)混合電解液を示している。この試験セルは、慣
用的には、炭素極1は正極となるが放電時にリチウムイ
オンを受け取り還元される。この還元方向をここでは充
電と呼ぶ。尚、炭素極1の電位は参照極4に対するもの
を採用した。炭素極1の作製方法は次のとおりである。
炭素粉末(日本黒鉛製「CB−100」)をふるい機に
かける作業と粉砕する作業とを何回も繰り返して粒径を
10,50,70,100μm付近におのおの分ける。
これら各炭素粉末とポリフッ化ビニリデン(結着剤)
を、90/10の重量比で適量のN−メチルピロリドン
を用いて混合し、ステンレス網に塗布し加熱真空乾燥を
行い炭素極とする。この炭素極を、図1の試験セルの炭
素極1としてセットし、炭素極1とリチウム極2の間に
0.5mA/cm2の電流密度で電流を流し還元反応(充電
に相当)を行ない、その後、炭素極電位として0〜1.
5Vの間の酸化反応(放電に相当)における炭素極の容
量を測定した。図2はその結果を示し、これにより、炭
素材料の粒径が50μm以下の場合はほとんど容量が低
下せず、50μmを越えると急速に容量が低下すること
がわかる。つまり、炭素材料の粒径は50μm以下がよ
いことが明らかになった。
【0009】粒径30±10μmの炭素材料を出発物質
にして膨張化処理や化学的酸化処理を行い、表1に示す
結晶構造の炭素材料を作製し、これを用いて上記と同様
な方法で炭素極を作り、同様な評価方法で炭素極の容量
を測定した。その結果を表1に併せて示す。
【0010】
【表1】
【0011】表1のデータをもとにして、炭素材料のd
(002)の格子面間隔に着目し、これと0.4Vまで
の容量との関係を図3に示した。同様に、c軸方向の結
晶子Lcに着目しこれと0.4Vまでの容量との関係を
図4に、a軸方向の結晶子Laに着目しこれと0.4V
までの容量との関係を図5にそれぞれ示した。これらに
より、炭素材料の結晶構造は、d(002)の格子面間
隔が0.336nm以下で、a軸方向及びc軸方向の結
晶子の大きさが20nm以上であることが必要であるこ
とがわかる。a軸方向の結晶子の大きさは、好ましくは
50nm以上である。
【0012】次に、窒素ガス中で2200℃,5時間の
加熱処理をした表2に示す炭素材料(実施例4)と加熱
処理をしない表2に示す炭素材料(実施例5)を準備
し、これを用いて上記と同様な方法で炭素極を作り、同
様な評価方法で炭素極の容量を測定した。その結果を表
2に併せて示す。初回の充放電効率は、加熱処理品が9
5%と高い値を示し、加熱処理をしない場合より優れて
いる。これは、高温加熱処理により、炭素構造のエッジ
面の酸素官能基が殆ど除去され、リチウムの出入りがし
やすくなったためと考えられる。
【0013】
【表2】
【0014】最後に、図6に示すような構成の電池の充
放電サイクル試験を行ないその特性を確認した。負極1
2は、表3に示す高温加熱処理をしていない炭素材料な
らびにリチウム金属を使用した。炭素材料を使用した負
極は、炭素材料と結着剤を90/10の重量比で適量の
N−メチルピロリドンを用いて混合し、ステンレス網に
塗布し、加熱真空乾燥してシート状に成形したものを用
いた。正極14は、LiCoO2と導電材としてのアセ
チレンブラックと結着剤としてのテトラフルオロエチレ
ンを85/10/5の重量比で混ぜた合剤を乾燥後、圧
縮成形してペレットにしたものを用いた。セパレータ1
3は、ポリプロピレン不織布を用いた。電解液は、Li
ClO4を1モル溶かしたエチレンカーボネート/ジエ
チレンカーボネート(体積比75/25)混合電解液を
用いた。これらを、負極端子を兼ねる皿状体11と正極
端子を兼ねる皿状体15で構成されるケースに収容す
る。皿状体11と15の間には絶縁樹脂16介在させ
て、ケースを密封している。
【0015】
【表3】
【0016】上記各電池の充放電サイクル試験を行なっ
た結果を図7に示した。試験条件は、 放電:0.5mA/cm2の定電流密度放電(放電終止電圧
2.8V) 充電:0.5mA/cm2の定電流密度充電と4.2V定電
圧充電の併用で10時間 とした。図7から明らかなように、本発明に係る実施例
の電池は、リチウム金属を負極に用いた電池における初
期の高いエネルギー密度と同等の性能を、充放電サイク
ルを繰り返しても維持している。尚、上記実施例におけ
る負極は、電池を組立ててから充電により炭素材料とリ
チウムの化合物を形成するようにしているが、予め、炭
素材料とリチウムの化合物を作って、これを用いて負極
を作製してもよい。
【0017】
【発明の効果】上述したように、本発明に係るリチウム
二次電池は、負極を構成する炭素材料の粒径、結晶構造
の格子面間隔d(002)とa軸方向及びc軸方向の結
晶子の大きさを特定したことにより、放電容量が大き
く、リチウム金属を負極に用いた電池のエネルギー密度
を殆ど低下させることなく、充放電サイクル特性が極め
て優れている。炭素材料としてエッジ面に酸素官能基を
もたないものを含むことにより、初回の充放電効率も高
くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】負極単独の性能を確認するために使用した試験
セルの断面図である。
【図2】負極を構成する炭素材料の粒径と放電容量との
関係を示す曲線図である。
【図3】負極を構成する炭素材料のd(002)格子面
間隔と0.4Vまでの放電容量との関係を示す曲線図で
ある。
【図4】負極を構成する炭素材料のc軸方向結晶子と
0.4Vまでの放電容量との関係を示す曲線図である。
【図5】負極を構成する炭素材料のa軸方向結晶子と
0.4Vまでの放電容量との関係を示す曲線図である。
【図6】本発明を適用するリチウム二次電池の断面図で
ある。
【図7】リチウム二次電池の充放電サイクルと重量エネ
ルギー密度との関係を示す曲線図である。
【符号の説明】
11は負極端子を兼ねる皿状体 12は負極 13はセパレータ 14は正極 15は正極端子を兼ねる皿状体 16は絶縁樹脂

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と、リチウム塩を含む有機電解液と、
    主として炭素材料とリチウムの化合物からなる負極を構
    成要素とするリチウム二次電池あって、 前記負極の炭素材料は、粒径が50μm以下の粉末であ
    り、その結晶構造が、格子面間隔d(002)が0.3
    36nm以下、a軸方向及びc軸方向の結晶子の大きさ
    (Lc,La)が共に20nm以上、であることを特徴
    とするリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】炭素材料のa軸方向の結晶子の大きさLa
    が50nm以上であることを特徴とする請求項1記載の
    リチウム二次電池。
  3. 【請求項3】炭素材料はエッジ面に酸素官能基をもたな
    いものを含むことを特徴とする請求項1または2記載の
    リチウム二次電池。
JP5226943A 1993-09-13 1993-09-13 リチウム二次電池 Pending JPH0785861A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0690518A1 (en) * 1994-06-28 1996-01-03 Sharp Kabushiki Kaisha Non-aqueous secondary battery and negative electrode
US9099743B2 (en) 2008-02-21 2015-08-04 Sony Corporation Anode and secondary battery

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US5900335A (en) * 1994-06-28 1999-05-04 Sharp Kabushiki Kaisha Non-aqueous secondary battery and negative electrode for non-aqueous secondary battery
US9099743B2 (en) 2008-02-21 2015-08-04 Sony Corporation Anode and secondary battery
US9748574B2 (en) 2008-02-21 2017-08-29 Sony Corporation Anode and secondary battery

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