JPH0817094B2 - 電極材料およびその製造法 - Google Patents

電極材料およびその製造法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、Li等の二次電池用の電極材料、中でも特に
負極活物質として優れた特性を有するホウ素、炭素、窒
素および水素からなる電極材料およびその製造法に関す
る。
[従来の技術とその解決しようとする課題] 近年エレクトロニクスの進歩に従い、電機、電子機器
は小型軽量化され、それに並行するように高機能化も益
々進んでいる。それに伴い、当然それら機器の電源とし
て高エネルギー密度で長寿命の電池を開発が望まれてい
る。
このような状況の中で、大幅な高エネルギー密度化の
可能なリチウム電池で、繰り返し充電して使用すること
ができる二次電池化の要望が大きくなっている。リチウ
ム一次電池自体は、高エネルギー密度であるだけでな
く、保存による劣化が少なく、広い温度範囲での使用が
可能であるなど信頼性に優れるため、ますますその二次
電池化の要望は大きくなってきた。
ところで、従来使用されているLi金属またはLi−Al合
金を負極活物質とした二次電池は、充放電を繰り返すこ
とによりLi極あるいはLi−Al極にLiがデンドライト状に
析出し、正極との短絡、Liの剥離、脱落等が起こるた
め、充放電の回数を余り多くとれないという問題点があ
る。そこで、上記問題点を解決する手段として、Li金属
と挿入反応を起こす化合物を負極活物質として使用し
て、充放電の際に可逆的に挿入、放出反応を起こさせる
ことが提案され、その化合物としてグラファイト、LGH
(Linear Graphite Hybrid)[以下、LGHと記す。]ま
たはポリアセチレン、ポリピロール等の有機導電性高分
子等を使用することが試みられている。
しかし、グラファイトを使用した場合、グラファイト
層間内でのLiイオンの拡散が遅く、また一旦挿入される
とLiの相互作用が大きく、放出が容易でないので、電流
密度を上げられない等の問題が起こり、更に充放電を繰
り返すことにより結晶性が崩れ、負極の容積が増大する
という問題点がある。
また、LGHを使用する場合は、LGHは結晶子が非常に小
さく、Liの保持力が弱いため、自己放電が起こりやす
く、容量自体が小さいという問題点がある。
さらに有機高分子を使用した場合は、充電状態におい
て負極が電解液と不可逆的に反応し、自己放電の増大と
サイクル特性の劣化を招き、またこの化合物の場合も容
量が小さいという問題点がある。
[問題点を解決するための具体的手段] 本発明者らはかかる問題点に鑑み、鋭意検討した結
果、炭素の他にほう素、窒素および水素が付加された均
一な化合物が層状構造を有し、グラファイトと同様にLi
等が層間に挿入された化合物を生成し、しかもその組成
をコントロールすることによって相互作用の大きさもコ
ントロールできることを見い出し本発明に到達したもの
である。
すなわち本発明は、ほう素、炭素、窒素および水素か
らなり、且つCu−Kα線によるX線回折測定による2θ
が20〜30゜および40〜50゜の範囲にのみ回折ピークを有
する化合物を含有することを特徴とする電極材料、およ
びホウ素源ガス、炭素源ガス、窒素源ガスおよびキャリ
ヤーガスからなる混合ガスを反応容器内に導入して、50
0℃以上でCVD法により反応させることを特徴とする電極
材料の製造法を提供するものである。
本発明の電極材料は、ほう素、炭素、窒素および水素
を含有するものであり、その含有量はいかなる量でもよ
いが、電極材料としての特性からみてより好ましい範囲
は、ほう素含有量が4.3〜44wt%、炭素含有量が0.5〜90
wt%、窒素含有量が5.6〜57wt%、水素含有量が0〜10w
t%である。
上記材料の結晶構造は、グラファイト類似の構造を有
しており、X線回折による2θ=20〜30゜の間に(00
2)に由来するピークを、また2θ=40〜50゜の間に(1
0)に由来するピークを有している。また、組成は、元
素分析等により測定できる。また電極特性については、
得られた粉末をテフロン等のプラスチックと混合した後
によく粉砕して成型器により平板状に成型し、LiClO4/
プロピレンカーボネート溶液を電解質とし、Li金属と組
み合わせて評価用の電極を作成し、充電、放電、および
その繰り返し実験を行った時の経過時間と端子電圧の関
係を調べることにより評価した。また、充電が終了した
後、この化合物の組成を分析することにより、Liが本発
明の化合物と挿入反応を起こし、化合物中にLi金属を含
有しているということを確かめた。さらに、この化合物
のエネルギー密度についての測定も行った。
電極特性測定の結果、充電がスムーズに行われ放電時
にはLi電極に近い電位を示すことから考えて、電気化学
的にLiの挿入および放出がスムーズに行われており、ま
た繰り返し充放電を行った場合、殆ど同一の特性を示す
ことから、Liの挿入、放出もほぼ可逆的にスムーズに行
われており、エネルギー密度も大きいため、二次電池の
負極活物質として極めて優れた特性を有しており、十分
実用に供する材料であるということがわかった。
前述のように、本発明の電極材料の製造法は、ホウ素
源ガス、炭素源ガス、窒素源ガスおよびキャリャーガス
からなる混合ガスを、500℃以上でCVD法により反応させ
る方法であるが、電極材料を製造するためのCVD法ガス
原料としては、特に限定されない。
しかし中でもホウ素源としては、BCl3等のハロゲン化
ホウ素、窒素源としてはNH3等の反応性の高いガスが好
ましく、また炭素源としてはメタン、エタン、プロパ
ン、エチレン、アセチレン、ベンゼン等の炭化水素を使
用することができるが、1000℃以下の温度で反応を行う
場合は、不飽和結合を有するガスが好ましく、反応性等
からアセチレンが最も好ましい。一方1000℃より高い温
度で反応を行う場合は、アセチレン以外の炭化水素が好
ましい。また炭素と窒素の両方を含むガスとしてCH3CN
等を使用することができる。また、炭素源を複数の化合
物とした場合、ホウ素源ガスとの反応速度の違いによ
り、本発明の化合物と並行してBXC(炭化ホウ素)等の
別組成の化合物が生成することがあるため避けるべきで
ある。さらに、均質な電極材料を再現性よく得るために
は、これら原料ガスに加えてキャリャーガスの使用が好
ましく、水素ガス、アルゴン等を用いることができる。
これら原料ガスの量的関係については特に制限され
ず、種々の割合で行うことができる。
また、上記ガスの反応させる圧力は1〜1000Torr好ま
しくは5〜760Torrであり、1Torr以下では系内の圧力を
上記圧力に維持するのが難しく、一方1000Torr以上では
圧力を維持するために種々の工夫が必要で装置が高価に
なる。
反応温度は、500℃以上、より好ましくは900〜2000℃
であり、500℃より低い場合は反応速度が低くなりす
ぎ、経済的でない。
本発明の化合物を析出させる場合、そのまま反応管内
に粉末として析出させてもよく、基板上に粉末または膜
状で析出させてもよいが、基板を使う場合、金属、黒鉛
または石英、アルミナ等のセラミックスが好ましく、10
00℃以下では触媒作用のあるNi,Cu等の遷移金属が好ま
しく、1000℃を越えた場合は、耐熱性に優れる黒鉛が好
ましい。
このようにして得られる電極材料は、反応条件により
基板に被着した形の膜、これが厚み方向に成長した塊状
体、あるいは粉体等種々の形態があるが、これらはいず
れの形態においても電極特性を有するものであり、その
まま膜として使用することもでき、あるいはテフロン等
の化学的に不活性な樹脂等と混合した後に成型加工する
ことにより負極活性物質として使用できる。
本発明の電極材料はそれ自体が耐熱性に優れるもので
あり、空気中でも800℃付近まで使用することができる
ので、普通の電池を使用する状態においては何の問題も
ない。
本発明の化合物は、このように二次電池の負極活物質
として有用なだけでなく、他のイオンとも挿入反応を行
うことができるため正極活物質としての用途も考えら
れ、電極材料として十分実用化できるものである。
[実施例] 以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
実施例1 内径40mm、長さ1000mmの石英管を反応管として用い、
中央部500mmを電気炉により外部から加熱した。
反応管内部を真空排気した後、反応管中央部を1100℃
に加熱した。
続いて管内を1100℃に保持し、Arで大気圧にした後、
電気炉前方部から反応管内に挿入した2本のノズル(外
径6mm)を用い、一方よりBCl3を75cc/min、もう一方よ
りAr558cc/minで搬送したCH3CNを75cc/min導入した。反
応は大気圧下で行った。
30分反応後、降温して生成物を取り出したところ、反
応管内および出口付近に設けた捕集器により褐色〜黒色
の粉末が1g得られた。
この膜の元素分析を行ったところ、C:51.0wt%、N:25
wt%、H:0.2wt%であり、残りをBとして計算するとB:2
3.8wt%となり、組成を化学式で表わすと、BC1.80.76
0.08であった。
この粉末のX線回折図を第10に示すが、乱層構造グラ
ファイトに類似したブロードな002(2θ=25.4゜)回
折線と10(2θ=42〜44゜)回折線が観察される。
実施例2 実施例1と同じ装置を用い、中央部500mmを電気炉に
より外部から加熱した。
反応管内部を真空排気した後、反応管中央部を1000℃
に加熱した。
続いて管内を1000℃に保持し、Arで大気圧にした後、
電気炉前方部から反応管内に挿入したノズル(外径6m
m)によりBCl3を15cc/min、C2H2を30cc/minで導入し、
その周囲よりNH3を120cc/minで導入した。反応は大気圧
下で行った。
6時間反応後、降温して生成物を取り出したところ、
電気炉前方より250〜450mmの位置に黒色で弾力性のある
塊状体5gが得られた。
この膜の元素分析を行ったところ、C:77.0wt%、B:7.
8wt%、N:14.7wt%、H:0.6wt%であり、組成を化学式で
表わすと、BC9.741.50.94であった。
この固体を粉砕して測定したX線回折図は第1図とほ
ぼ同様であった。
実施例4 実施例1で合成した化合物0.80gを、テフロン微粒子
0.14gを分散したアルコール水溶液10ccに加え、撹拌、
濾過、乾燥後、粉砕した。
次に、負極活物質としての性能評価をするために以下
のようなセルを組んだ。
上記処理後の粉末60.5mgを16mmφの成型器に入れ、45
00Kg/cm2で加圧成型した。次にこの成型体をドライボッ
クス中でSUS製の容器にいれ、Li金属と組み合わせて評
価用のセルとした。両電極間には電解液(1M−LiClO4/
プロピレンカーボネート溶液)を含ませた不織布をはさ
んだ。
1日放置後の開回路電圧は3.05V(vs.Li)であった。
第3図に定電流(50μA:25μA/cm2)充電曲線を示す
が、この充電操作により活物質へのLiの挿入反応が起こ
っていることがわかった。
すなわち、329時間後の閉回路電圧は0.23Vであり、こ
こで充電を止めて負極活物質の組成を測定したところ、
その組成は(BC1.80.760.081.94Liであり、グラ
ファイトが化学的にLiを最大挿入した化合物C8Liと同程
度の挿入量であった。
開回路にして24時間後の開回路電圧は、0.47V(vs.L
i)であった。
次に、電池の電極を反対にして定電流(50μA:25μA/
cm2)で放電した時の放電曲線を第4図に示す。充電と
同じ時間(329時間)放電した後の開回路電圧は1.43V
(vs.Li)であった。
なお、第3図、第4図において、OCVは開回路電圧を
示し、CCVは閉回路電圧を示し、offは開回路にした時点
を示す。
実施例5 実施例4の操作を実施後、定電流(50μA:25μA/c
m2)で浅い充放電を繰り返した結果を第5図に示す。放
電を開始して100時間後の閉回路電圧は0.68〜0.98V(v
s.Li)であった。
この時の負極活物質に対するエネルギー密度は97.3Ah
/Kg)であり、十分実用に供するものであった。なお、
第5図のoffは開回路にした時点を示す。
実施例6 実施例2で得られた化合物を負極活物質に用い、実施
例4、5と同様の方法を実施し、ほぼ同様の結果を得、
Li二次電池の負極活物質として十分使用できる見通しを
得た。
比較例1 実施例1と同程度の結晶性を有するアセチレンブラッ
ク、および結晶性の高い天然黒鉛の微粉末を負極活物質
に用い、実施例4および5と同様の性能テストを試みた
が、容量が極端に小さく、エネルギー密度も10Ah/Kg以
下であった。
[発明の効果] 本発明の電極材料は、耐熱性、化学的安定性、耐熱衝
撃性等に優れた材料であり、その層状構造中にLi等のイ
オンを可逆的に挿入、放出することができるだけでな
く、放電時の閉回路電圧が低く、エネルギー密度も大き
いため、Li二次電池の電極材料、特に負極活物質として
極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例1で得られた電極材料のX線回折図であ
る。 また第2図は実施例4の充電の際の定電流充放電曲線で
あり、第3図は実施例4の放電の際の定電流充放電曲線
であり、第4図は実施例5の浅い充放電による定電流充
放電曲線である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ほう素、炭素、窒素および水素からなり、
    且つCu−Kα線によるX線回折測定による2θが20〜30
    ゜および40〜50゜の範囲にのみ回折ピークを有する化合
    物を含有することを特徴とする電極材料。
  2. 【請求項2】ホウ素源ガス、炭素源ガス、窒素源ガスお
    よびキャリヤーガスからなる混合ガスを反応容器内に導
    入して、500℃以上でCVD法により反応させることを特徴
    とする電極材料の製造法。
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