JPH1173945A - 電極用炭素材料及びその製造方法並びにこれを用いた非水電解液二次電池用負極 - Google Patents
電極用炭素材料及びその製造方法並びにこれを用いた非水電解液二次電池用負極Info
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Abstract
材料及びその製造方法を提供し、単位体積当たりの放電
容量が黒鉛電極の理論容量を遙かに上回る非水電解液電
池を提供する。 【解決手段】 金属元素を10〜60重量%含有するこ
と、好ましくは、更にX線解析により求められるC軸方
向の結晶子サイズ(Lc)が15Å以下であり、002
面の面間隔(d002)が3.70Å以上であること、更
に好ましくは、更に比重瓶法(JIS R7212)に
より求められる真比重(ρ)が1.65g/cm3以上
である炭素材料を非水電解液二次電池(特にリチウムイ
オン二次電池)用負極の構成材料として使用する。
Description
池、特にリチウムイオン二次電池の負極材料として有用
な炭素材料及びその製造方法並びにこれを用いた負極に
関するものである。
ギー密度が要求される。リチウム二次電池は高エネルギ
ー密度型二次電池の一種として注目されている。前記リ
チウム二次電池においては金属リチウムを負極材料とし
て、リチウムを含む正極、非プロトン性有機溶媒に塩を
溶解させた電解液が使用されている。しかし、負極材料
として金属リチウムを使用したのでは特に二次電池とす
る場合に充放電の繰り返しにより、電極表面にリチウム
デントライドが析出する。しかも、このリチウムデント
ライドは隔膜を貫通して成長し、正極との間で短絡する
危険性が大きい。そのため、充放電のサイクル寿命が短
いという問題がある。
極に黒鉛を用いることが提案されている。この方法では
黒鉛を負極とし、リチウムを含む正極とともに非水電解
液中で充電を行うと、リチウムイオンが層状構造を有す
る黒鉛に吸蔵され、黒鉛層間化合物が生成する。黒鉛層
間化合物(負極)中のリチウムイオンは放電により炭素
層間から放出され、正極に戻る。黒鉛を負極として電気
化学的に充電することにより、リチウムとの層間化合物
が生成し、炭素6個に対してリチウム1個が配位する状
態(C6Li)の時に、最大の容量を有することが理論
的に分かっており、最大で372mAh/g-carb
on、即ち、841mAh/cm3-carbon(黒鉛
炭素材料の真比重は2.26g/cm3)まで負極の放
電容量を高めることができる。
極材料として用いれば黒鉛の理論放電容量372mAh
/g-carbonを越えることも知られている。しか
し、そのような炭素材料の真比重(1.40〜1.60
g/cm3)は黒鉛の真比重より低いので、単位体積当
たりのエネルギー密度、電池容量が黒鉛を超えるのは難
しい。また、最近、金属酸化物は炭素材料と比べ真比重
が高く、リチウムを大量に吸収することが最近分かって
いる。例えば、SnOに対しては、リチウムイオン8個
が配位することができる。しかし、SnOを負極材料と
して実用化するためには、SnOの結晶構造が不安定で
あり、サイクル特性が悪いことが課題になっている。
課題を克服し、サイクル寿命特性に優れるとともに単位
体積当りのエネルギー密度、電池容量が黒鉛電極の理論
放電容量を遙かに上回る非水電解液二次電池用負極を提
供することにある。本発明の目的は、非水電解液二次電
池用負極の構成材料として優れた特性を有する高真比重
高容量炭素材料及びその製造方法を提供することにあ
る。すなわち、本発明の目的は、リチウム吸蔵量が大き
な高真比重高容量複合炭素負極材料及びその製造方法を
提供し、単位体積当たりの放電容量が黒鉛電極の理論容
量を遙かに上回る非水電解液二次電池を提供することに
ある。
めに、本発明者らが長期にわたり検討した結果、金属元
素を含有させた炭素材料が高真比重を有し、これを負極
材料として使用することにより、高容量で単位体積当た
りのエネルギー密度が高く、しかも、サイクル特性が良
好な非水電解液二次電池(リチウムイオン二次電池)と
なること、即ち、前記課題の解決に極めて有効であるこ
とを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は、
以下の電極用炭素材料及びその製造方法並びに非水電解
液二次電池用負極に係る。
と、好ましくは、更にX線解析により求められるC軸方
向の結晶子サイズ(Lc)が15Å以下であり、002
面の面間隔(d002)が3.70Å以上であること、更
に好ましくは、更に比重瓶法(JIS R7212)に
より求められる真比重(ρ)が1.65g/cm3以上
であることを特徴とする電極用炭素材料。炭素材原料と
金属化合物とを混合し、熱処理することにより、前記金
属化合物に由来する金属元素を10〜60重量%含有す
る前記の電極用炭素材料とすることを特徴とする電極用
炭素材料の製造方法。前記の炭素材料を構成材料とする
ことを特徴とする非水電解液二次電池(特にリチウムイ
オン二次電池)用負極。
元素を含有することにより、負極に使用した場合の充放
電容量が向上し、しかも、例えば、炭素材原料と金属化
合物とを熱処理する際に、炭素材料を構成する炭素と、
金属化合物に由来する金属元素との間にある種の化学結
合ができ、金属化合物の結晶構造が安定化し、負極に使
用した場合の充放電に対する安定性の低下が抑制される
ものと考えられる。
くは20〜40重量%の金属元素を含有する。金属元素
としては、錫、アルミニウム、亜鉛及びケイ素から選ば
れた1種又は2種以上を含有することができる。本発明
の電極用炭素材料によれば、金属元素を含有することに
より、真比重が高く、非水電解液二次電池(特にリチウ
ムイオン二次電池)の負極に使用した場合に、高い放電
容量を示すので、単位体積当たりのエネルギー密度が高
い二次電池を提供することができる。金属元素の含有量
が10%未満では、これを添加することによる真比重の
改善効果が小さく、また、60重量%を超えると、電極
に使用する場合に、集電体との接着性が悪くなり、二次
電池のサイクル特性が悪くなる。
金属化合物とを混合し、熱処理することにより、製造す
ることができる。炭素材原料としては、炭素材料(特に
ハードカーボン)の出発原料となり得る各種の有機材
料、即ち、熱処理により炭素材料となり得る各種の有機
材料を使用することができる。炭素材原料としては、
a)石油系又は石炭系ピッチ、b)炭化可能なポリマー
(フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリアクロリニトリ
ル、レーヨン、セルロース、ポリアセン、ポリカーボネ
ート、ポリパラフェニレン等)、c)芳香族成分が架橋
剤により架橋した芳香族樹脂等を使用することができ
る。エアーブローイング反応させた炭素材原料を使用す
ることにより、結晶子サイズ(Lc)の値が小さく、ま
た、d002面の面間隔が大きい炭素材料を製造すること
ができる。
亜鉛及びケイ素の化合物から選ばれた化合物を単独で又
は2種以上の混合物として使用することができる。錫化
合物としては、錫酸化物、酢酸錫などのカルボン酸塩、
塩化第1錫などハロゲン化合物、リン酸錫等の無機酸塩
等を使用することができる。ケイ素化合物としては、酸
化ケイ素、四塩化ケイ素、ケイ酸等を使用することがで
きる。アルミニウム化合物としては、塩化アルミニウ
ム、アルミニウム酸化物、水酸化アルミニウム、アセト
アルコキシアルミニウムジイソプロピレート等のアルミ
ニウム系カップリング剤等を使用することができる。亜
鉛化合物としては、水酸化亜鉛、リン酸亜鉛等の無機酸
塩を使用することができる。
原料を熱処理して、炭素材原料を炭化させることによ
り、金属元素を含有する炭素材料を製造することができ
る。例えば、混合原料を、5〜50℃/分の昇温速度で
800〜1200℃、好ましくは900〜1100℃、
更に好ましくは950〜1050℃まで熱処理すること
により、炭素材料を炭化させ、金属元素を含有する炭素
材料を製造することができる。
とにより、結晶子サイズ(Lc)の値が小さく、002
面の面間隔(d002)の値が大きい炭素材料を製造する
ことができる。炭化させる前の混合原料又は金属化合物
と混合する前の炭素材原料を、架橋処理、即ち、例え
ば、酸素含有雰囲気中(例えば、空気雰囲気中)におい
て0.1〜10℃/分の昇温速度で150〜400℃で
1〜5時間加熱することにより、炭素材原料が架橋す
る。混合物中の酸素の濃度が2〜25%となる程度に架
橋することにより、電極用炭素材料として好適な炭素材
料を得ることができる。
材原料としては、粉末状のもの(好ましくは粒子径3〜
25μm程度の微粉末)を使用することにより、熱処理
又は架橋処理を効率よく実施することができる。混合原
料又は炭素材原料を不活性ガス雰囲気下(例えば、窒素
雰囲気下)で撹拌しながら1時間で300〜380℃ま
で加熱して、常温まで冷却した後に粉砕することによ
り、粉末状の混合原料又は炭素材原料とすることができ
る。混合原料又は炭素材原料の加熱は、例えば、オート
クレーブ中で実施することができる。粉砕は、例えば、
ジードメールにより、3〜25μmに微粉砕することに
より実施することができる。
物の混合は、炭素材原料のエアーブローイング反応の前
後、架橋処理の前後、炭化(熱処理)の前後のいずれの
段階においても実施することができる。本発明の金属元
素を含有する炭素材料は、化学的気相成長法(プラズマ
CVD、熱CVD、光CVD等)を利用することにより
製造することもできる。すなわち、例えば、炭化前の炭
素材原料を基材とし、基材表面に金属化合物又は金属元
素を化学的気相成長法により、析出させたものを、熱処
理して炭化させることにより製造することもできる。ま
た、例えば、熱処理して炭化させた炭素材原料(金属元
素含有しない炭素材料)を基材とし、基材表面に金属元
素を化学的気相成長法により、析出させることにより、
製造することもできる。
電池) 本発明の電極用複合炭素材料を、負極の構成材料として
使用することにより、単位体積当たりの容量、即ち、エ
ネルギー密度が高く、サイクル特性も良好な非水電解液
二次電池(特にリチウムイオン二次電池)を提供するこ
とができる。リチウムイオン二次電池は、本発明の電極
用炭素材料を構成材料とする負極、正極、電解液、セパ
レータ、集電体、ガスケット、封口板、ケース等の電池
構成要素を使用し、常法により組み立てることにより、
製造することができる。リチウム二次電池の一例を示す
概略断面図を図1に示す。
ることにより、負極とすることができる。例えば、粉末
状の炭素材料をバインダーと混合し、集電体に接着させ
ることにより、接続することができる。バインダーとし
ては、例えば、フッ化ビニリデンを使用することができ
る。集電体としては、特に限定はなく、導電性物質、例
えば、金属箔、金属シート、金属メッシュ等を使用する
ことができる。
正極活物質とからなる。正極活物質としては、例えば、
一般式LiMO2(ただし、MはCo、Ni又はMnの
少なくとも1種を表す)で表わされる複合金属酸化物
や、リチウムを含有する層間化合物を使用することがで
きる。特に正極活物質として、LiCoO2を使用する
ことにより、良好な特性を発揮させることができる。
させたものを使用することができる。非水溶媒として
は、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボ
ネート(EC)、テトラヒドロフラン、2−メチルテト
ラヒドロフラン、ジオキソラン、4−メチルジオキソラ
ン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタン、ジメチル
スルホキシド、アセトニトリル、N,N−ジメチルホル
ムアミド、ジエチレングリコール、ジメチルエーテル等
の非プロトン性溶媒等を使用することができる。
ロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラ
ン、4−メチルジオキソラン等の強い還元性雰囲気下で
も安定なエーテル系溶媒を使用することが好ましい。電
解質としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、
LiAsF6等の溶媒和しにくいアニオンを生成するリ
チウム塩を使用することができる。
例えば、多孔質ポリプロピレン製不織布等のポリオレフ
ィン系多孔質膜等を使用することができる。
池(特にリチウムイオン二次電池)は、ポータブル電子
機器の電源、各種メモリーやソーラーバッテリのバック
アップ電源、電気自動車、ロードレベリング用等の広い
用途に使用することができる。
り低沸点成分を除去した後、エアーブローイング反応に
より軟化点280℃のエアーブロンピッチを得た。得ら
れたエアーブロンピッチを粉砕し、10重量%のSnO
を混合して、不融化処理後、1050℃にて1時間炭化
し高真密度高容量炭素材料を得た。得られた炭素材料を
冷却した後、乳鉢で粉砕し、篩い(メッシュ)により分
級することで粒径37μm以下のものを収得した。
うに結晶構造と物性を測定した。炭素材料のc軸方向の
結晶子サイズ(Lc)、002面の面間隔(d002)は
「日本学術振興会X線回折法」により測定した。当該X
線広角回折の分析の結果、得られた炭素材料粉末のd
002は3.8Å、Lcは11Åであった。金属元素(S
n)の含有率をICP分析により測定した結果、得られ
た炭素材料粉末のSnの含有率は10.2重量%であっ
た。
次電池の負極の構成材料として使用した場合の単位体積
当りの負極容量を以下のように測定した。得られた炭素
材料粉末90重量部にバインダーとしてポリフッ化ビニ
リデン10重量%を添加した後、N−メチル−2−ピロ
リドンを溶媒として混合した。これを厚み18μmの電
解銅箔(集電体)の片面に塗布した。これを空気中で8
0℃で30分を乾燥し、0.5ton/cm2の圧力で
成型したのち、さらに200℃で2時間真空乾燥した。
(セパレータ)を介して、ステンレスネット(集電体)
に押しつけたリチウムシートを対極(正極)とし、1.
0モル%のLiClO4のプロピレンカーボネート電解
液中で、1.0mA/cm2の電流密度で対Li/Li+
電位1mVまで定電流で充電し、その後定電圧で充電続
け、充電を開始後12時間充電した。
て求めた放電容量を、負極活物質(炭素材料粉末)重量
当たりの放電電気量としてmAh/gで表示する。さら
に、測定された放電容量に比重瓶法(JIS R721
2)より得られる真比重ρをかけ、この算出値をもっ
て、負極活物質の単位体積当たりの放電容量(mAh/
cm3)とした。このようにして求められた負極活物質
の単位体積当たり放電容量を、結晶構造(Lc、
d002)、金属元素の含有率、真比重(ρ)と併せて表
1に示す。
量%、35重量%、50重量%のSnOを混合したこと
以外は実施例1と同様にして負極用炭素材料粉末を製造
した。得られた負極用炭素材料粉末について真比重
(ρ)、結晶構造(Lc、d002)、金属元素(Sn)
の含有率及び単位体積当たりの負極容量を実施例1と同
様にして求めた。結果を表1に示す。
量%のSnO2を混合したこと以外は実施例1と同様に
して負極材料を製作した。得られた負極用炭素材料粉末
について、真比重(ρ)、結晶構造(Lc、d002)、
金属元素(Sn)の含有率及び負極活物質の体積単位当
たり放電容量を実施例1と同様にして求めた。結果を表
1に示す。
量%のSn2P2O7と10重量%のSiO2を混合したこ
と以外は実施例1と同様にして負極用炭素材料粉末を製
造した。得られた負極用炭素材料粉末について、真比重
(ρ)、結晶構造(Lc、d002)、金属元素(Sn、
Si)の含有率及び負極活物質の体積単位当たり放電容
量を実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
量%のSnOと10重量%のAl2O3を混合したこと以
外は実施例1と同様にして負極用炭素材料粉末を製造し
た。得られた負極用炭素材料粉末について真比重
(ρ)、結晶構造(Lc、d002)、金属元素(Sn、
Al)の含有率及び負極活物質の体積単位当たり放電容
量を実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
量%のSnOと10重量%のAlCl3を混合したこと
以外は実施例1と同様にして負極用炭素材料粉末を製造
した。得られた負極用炭素材料粉末について、真比重
(ρ)、結晶構造(Lc、d002)、金属元素(Sn、
Al)の含有率及び負極活物質の体積単位当たり放電容
量を実施例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
量%のSn2P2O7、5重量%のSiO2及び5重量%の
Al2O3を混合したこと以外は実施例1と同様にして負
極用炭素材料粉末を製造した。得られた負極用炭素材料
粉末について、真比重(ρ)、結晶構造(Lc、
d002)、金属元素(Sn、Si、Al)の含有率及び
負極活物質の体積単位当たり放電容量を実施例1と同様
にして求めた。結果を表1に示す。
用しないこと以外は実施例1と同様にして負極用炭素材
料粉末を製造した。得られた負極用炭素材料粉末につい
て、真比重(ρ)及び単位体積当たりの負極容量を実施
例1と同様にして求めた。結果を表1に示す。
と以外は実施例1と同様にして負極用炭素材料粉末を製
造し、電解液として、EC/DEC/1MLiClO4
電解液を使用して充放電を行った。天然黒鉛の真比重
(ρ)及び単位体積当たりの負極容量を実施例1と同様
にして求めた。結果を表1に示す。
素を含有する炭素材料を使用することにより、(1)負
極活物質(炭素材料)の真比重が向上するとともに放電
容量もアップし、(2)放電容量が黒鉛理論容量841
mAh/cm3−carbonを遙かに超える材料を得
ることができる。本発明の電極用炭素材料を負極の構成
材料として使用することにより、負極体積を小さく設計
した場合でも十分な電池容量を得ることができる。従っ
て、二次電池の電池の小型化が可能である。すなわち、
本発明は、高エネルギー密度と共にサイクル寿命特性に
優れる二次電池の開発に大きく貢献することができる。
概略断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 金属元素を10〜60重量%含有するこ
とを特徴とする電極用炭素材料。 - 【請求項2】 X線解析により求められるC軸方向の結
晶子サイズの値をLc、002面の面間隔の値をd002
とすると、Lcが15Å以下であり、d002が3.70
Å以上である請求項1に記載の炭素材料。 - 【請求項3】 比重瓶法(JIS R7212)により
求められる真比重の値をρとすると、ρが1.65g/
cm3以上である請求項1又は2に記載の炭素材料。 - 【請求項4】 炭素材原料と金属化合物とを混合し、熱
処理することにより、前記金属化合物に由来する金属元
素を10〜60重量%含有する請求項1〜3のいずれか
に記載の炭素材料とすることを特徴とする電極用炭素材
料の製造方法。 - 【請求項5】 請求項1〜3のいずれかに記載の炭素材
料を構成材料とすることを特徴とする非水電解液二次電
池用負極。 - 【請求項6】 請求項1〜3のいずれかに記載の炭素材
料を構成材料とすることを特徴とするリチウムイオン二
次電池用負極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23608797A JP3870309B2 (ja) | 1997-09-01 | 1997-09-01 | 電極用炭素材料及びその製造方法並びにこれを用いた非水電解液二次電池用負極 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP23608797A JP3870309B2 (ja) | 1997-09-01 | 1997-09-01 | 電極用炭素材料及びその製造方法並びにこれを用いた非水電解液二次電池用負極 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1173945A true JPH1173945A (ja) | 1999-03-16 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3870309B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003051309A (ja) * | 2001-08-06 | 2003-02-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 非水電解質二次電池 |
| JP2011079737A (ja) * | 2004-08-27 | 2011-04-21 | Jfe Chemical Corp | 黒鉛質材料とその製造方法、リチウムイオン二次電池用負極材料、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池 |
| JP2021531226A (ja) * | 2018-05-18 | 2021-11-18 | 国家能源投資集団有限責任公司China Energy Investment Corporation Limited | アモルファス炭素材料、製造方法及び使用 |
-
1997
- 1997-09-01 JP JP23608797A patent/JP3870309B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2021531226A (ja) * | 2018-05-18 | 2021-11-18 | 国家能源投資集団有限責任公司China Energy Investment Corporation Limited | アモルファス炭素材料、製造方法及び使用 |
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