DE69510977T2 - Negative Elektrode für Lithium Akkumulator und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Negative Elektrode für Lithium Akkumulator und Verfahren zu deren Herstellung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie und ein Verfahren zu deren Herstellung. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie, die spezielle gemahlene Graphitfasern umfaßt und die eine Lithium-Sekundärbatterie mit einem nichtwäßrigen Elektrolyten mit großen Lade- und Entladekapazitäten pro Masse liefert und erlaubt, die Stromdichte beim Laden oder Endaden hoch zu setzen, und betrifft außerdem ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Eine Sekundärbatterie (Akkumulator), in der ein Alkalimetall, wie Lithium, als aktives Material der negativen Elektrode verwendet wird, hat im allgemeinen verschiedene Vorteile. Sie sichert zum Beispiel nicht nur eine hohe Energiedichte und eine hohe elektromotorische Kraft, sondern besitzt auch wegen der Verwendung eines nichtwäßrigen Elektrolyten einen breiten Öffnungstemperaturbereich. Außerdem hat die Sekundärbatterie eine ausgezeichnete Haltbarkeit, ist miniaturisiert und leichtwiegend.
  • Deshalb wird die praktische Verwendung der vorstehenden mit nichtwäßrigem Elektrolyten geladenen Lithium-Sekundärbatterie als eine Energiequelle zur Verwendung in einem tragbaren elektronischen Gerät und auch als eine Hochleistungsbatterie zur Verwendung in einem elektrischen Fahrzeug und Elektrizitätsspeicher vorgesehen.
  • Allerdings haben alle entwickelten Prototypbatterien die vorstehenden Eigenschaften, die von der Lithium-Sekundärbatterie erwartet worden sind, nicht vollständig realisiert, und sind so vom Gesichtspunkt der Lade- und Entladekapazität, Zykluslebensdauer und Energiedichte unvollständig gewesen.
  • Ein Hauptgrund dafür beruhte auf der negativen Elektrode, die in der Sekundärbatterie verwendet wurde.
  • Zum Beispiel besaß eine Lithium-Sekundärbatterie mit einer negativen Elektrode aus darin eingelagertem metallischem Lithium nachteilig eine kurze Zykluslebensdauer und geringe Sicherheit, weil sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode während des Ladens Lithium niederschlug, um aciculare Dendriten zu bilden, die einen Kurzschluß zwischen der negativen und positiven Elektrode verursachen können.
  • Lithium hat eine extrem hohe Reaktivität und verursacht dadurch, daß der Elektrolyt in der Nähe der Oberfläche der negativen Elektrode an Zersetzungsreaktion leidet. Deshalb bestand die Gefahr, daß die vorstehende Zersetzungsreaktion die Oberfläche der negativen Elektrode modifizieren würde und dadurch die Zellkapazität während wiederholter Verwendungen der Sekundärbatterie verringert.
  • In "Proceedings of the Symposium on High Power, Ambient Temperature Lithium Batteries. The Electrochemical Society, Inc. Pennington, NJ, Vol. 92, Nr. 15, 13. Oktober 1991" wurden vier Arten von hochgeordneten Kohlenstoffen auf Mesophasenpechbasis in Bezug auf elektrochemische Eigenschaften und Strukturänderung untersucht. Unterschiede in der Anordnung beeinflußten die Lade-Entlade-Eigenschaften. Die radial angeordnete Kohlenstofffaser zeigte geringe Polarisierung und eine hohe Lithiumeinlagerungskapazität. In EP-A-0 644 603 wird eine negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie offenbart, die aus Mesophasenpech erhaltene gemahlene Kohlenstofffasern umfaßt, wobei die gemahlenen Kohlenstofffasern jeweils eine Faserschnittoberfläche und eine Faserachse besitzen, die einander in Schnittwinkeln schneiden, wobei der kleinere davon im Mittel mindestens 65º beträgt. JP-A-05 047 729 (Zusammenfassung) betrifft die Herstellung von gemahlenen Kohlenstofffasern auf Pechbasis, die eine scharfe Faserlängenverteilung und ein sehr niedriges Seitenverhältnis haben.
  • Im Hinblick auf die Beseitigung der vorstehenden Probleme der Lithium- Sekundärbatterie sind verschiedene Untersuchungen zum Material der negativen Elektrode gemacht worden.
  • Zum Beispiel ist die Verwendung von Legierungen, die Lithium enthalten, wie Lithium/Aluminium und Wood's Legierung, als Material für die negative Elektrode der Lithium-Sekundärbatterie untersucht worden. Allerdings hat diese negative Elektrode aus einer solchen Lithiumlegierung das Problem der Kristallstrukturänderung wegen des Unterschieds in der Arbeitstemperatur und Lade- und Entladebedingungen.
  • Außerdem ist die Verwendung von Kohlenstoff oder Graphitmaterialien als Material der negativen Elektrode der Lithium-Sekundärbatterie untersucht worden. Es ist zum Beispiel ein Versuch gemacht worden, während des Ladens gebildete Lithiumionen in Zwischenräume zwischen Graphitschichten eines Kohlenstoff oder Graphitmaterials einzufangen (Interkaladon), um so ein Verbindung, die als "Interkalationsverbindung" bekannt ist, zum Zweck der Verhinderung der Erzeugung von Dendriten herzustellen.
  • Als die vorstehenden Kohlenstoffmaterialien sind aus Kohle, Koks und PAN erhaltene Kohlenstofffasern und aus einem isotropen Pech erhaltene Kohlenstofffasern ausführlich untersucht worden.
  • Allerdings haben diese Kohlenstoffmaterialien mehrere Nachteile, zum Beispiel darin, daß die Graphitkristallite nicht nur klein sind, sondern die Kristalle sind auch ungeordnet angeordnet, so daß die Lade- und Entladekapazitäten davon unbefriedigend sind, und darin, daß eine Zersetzung des Elektrolyten auftritt, um dadurch die Zykluslebensdauer zu erniedrigen, wenn die Stromdichte beim Laden und Endaden hoch gesetzt wird.
  • Graphitmaterialien, wie natürliche und künstliche Graphite, ziehen nun stark die Aufmerksamkeit auf sich als das Kohlenstoffmaterial zur Erzeugung einer negativen Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie und werden ausführlich untersucht.
  • Obwohl die Lade- oder Entladekapazität pro Masse eines natürlichen Graphits ziemlich groß ist, wenn der Graphitisierungsgrad hoch ist, hat der natürliche Graphit einen Nachteil darin, daß die Stromdichte, die eine vernünftige Entladung erlaubt, niedrig ist und darin, daß das Laden oder Entladen bei hoher Stromdichte die Lade- oder Entladeleistung verringern würde. Dieser natürliche Graphit ist nicht geeignet für die Verwendung in einer negativen Elektrode einer Hochlade-Energiequelle, von der eine große Strommenge entladen werden muß und von der es erwünscht ist, das Laden bei einer hohen Stromdichte zu erreichen, um die Ladezeit zu verkürzen, z. B. eine Energiequelle für eine Vorrichtung mit einem Antriebsmotor oder ähnliches.
  • In der negativen Elektrode aus einem herkömmlichen künstlichen Graphit ist das Volumen der Graphitzwischenschichthohlräume als Ganzes so ausreichend, daß große Lade- und Entladekapazitäten erhalten werden, solange der Graphitisierungsgrad hoch ist. Allerdings war der künstliche Graphit ebenfalls nicht zum Laden und Endaden bei einer hohen Stromdichte geeignet.
  • In der Lithium-Sekundärbatterie unter Verwendung einer negativen Elektrode aus einem herkömmlichen Graphitmaterial liegt die Stromdichte in der Zeit des Ladens im allgemeinen im Bereich von 25 bis 35 mA/g, und so benötigt das Laden im Hinblick auf die Ladekapazität etwa 10 Stunden. Wenn das Laden bei einer höheren Stromdichte durchgeführt werden kann, zum Beispiel 100 mAl g, kann die Ladezeit allerdings so kurz wie 3 Stunden sein. Weiterhin kann, wenn die Stromdichte 600 mA/g beträgt, die Ladezeit sogar so kurz wie 30 min sein.
  • Die Erfinder haben ausführliche und intensive Untersuchungen im Hinblick auf die Vermeidung der vorstehenden Nachteile gemacht. Als ein Ergebnis haben sie gefunden, daß die bloßliegende Fläche der Graphitzwischenschichthohlräume als Einlässe für Lithiumionen in der negativen Elektrode aus natürlichem Graphit so klein ist, daß die negative Elektrode für das Laden oder Endaden bei einer hohen Stromdichte nicht geeignet ist, und dadurch die vorstehenden Nachteile mit sich bringt. Außerdem haben die Erfinder gefunden, daß jede der Graphitschichten nicht lange fortläuft, sondern innerhalb des künstlichen Graphits in Stücke geschnitten ist, so daß sich die Lithiumionen nicht schnell durch die Zwischenschichthohlräume ausbreiten können mit dem Ergebnis, daß das Laden oder Entladen nicht bei einer höheren Stromdichte durchgeführt werden kann.
  • Die Erfinder haben weitere Untersuchungen über ein Kohlenstoffmaterial mit einer Graphitschichtstruktur gemacht, das eine negative Elektrode mit hoher Lade- und Entladekapazität liefern und das Laden und Entladen bei hohen Stromdichten auf der Grundlage der vorstehenden Entdeckung der Beziehung zwischen der Graphitschichtstruktur und den Batterieeigenschaften erlauben kann. Als ein Ergebnis ist gefunden worden, daß gemahlene, aus Mesophasenpech erhaltene Graphitfasern, wobei jede eine Struktur besitzt, daß die Graphitschichten so angeordnet sind, daß die Graphitzwischenschichthohlräume als Einlässe und Auslässe für Lithiumionen über die Umfangsfläche sowie die Flächen am oberen und unteren Ende der Faser vorliegen und außerdem eine Struktur haben, so daß die meisten der Graphitzwischenschichthohlräume der gemahlenen Graphitfasern mit der Oberfläche davon kommunizieren, der Elektrode zur Verwendung in einer Lithium- Sekundärbatterie ausgezeichnete Batterieeigenschaften verleihen.
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die vorstehenden Probleme nach dem Stand der Technik zu lösen. Deshalb ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie zu liefern, die eine Lithium-Sekundärbatterie mit einem nichtwäßrigen Elektrolyten liefern kann, die hohe Lade- und Entladekapazitäten besitzt und erlaubt, die Stromdichte beim Laden oder Entladen hoch zu setzen. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung der vorstehenden negativen Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie zu liefern.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt gemahlene Graphitfasern, die aus Mesophasenpech erhalten sind, wobei jede eine Umfangsfläche sowie Flächen am oberen und unteren Ende hat, wobei die gemahlenen Fasern jeweils aus Graphitschichten mit Hohlräumem dazwischen zusammengesetzt sind, alle Umfangsflächen sowie Flächen am oberen und unteren Ende Öffnungen der Hohlräume zwischen den Graphitschichten haben, die als Einlässe und Auslässe für Lithiumionen dienen, wobei die gemahlenen Graphitfasern einen Schichtenabstand (d&sub0;&sub0;&sub2;) von 0,336 bis 0,342 nm, eine Kristallitgröße längs der c- Achse (Lc&sub0;&sub0;&sub2;) von 17 bis 80 nm und eine Kristallitgröße längs der a-Achse (La&sub1;&sub1;&sub0;) von 8 bis 100 nm haben, wobei die gemahlenen Graphitfasern erhältlich sind durch Verspinnen eines Mesophasenpechs bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) mit hoher Geschwindigkeit und Abschrecken zu einer Mesophasenpechfaser, Unschmelzbarmachen der Mesophasenpechfaser durch Erhitzen bei Temperaturen, deren Maximum 200 bis 350ºC beträgt, um dadurch eine unschmelzbar gemachte Pechfaser zu erhalten; Mahlen der unschmelzbar gemachten Pechfaser wie sie ist oder nach einer vorhergehenden Hitzebehandlung bei 300 bis 800ºC, um dadurch gemahlene, unschmelzbar gemachte Pechfasern zu erhalten, und Graphitisieren der gemahlenen, unschmelzbar gemachten Pechfasern bei 2500ºC oder höher.
  • In der negativen Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß die gemahlenen, aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfasern ein Seitenverhältnis von 1 bis 20 besitzen.
  • In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß die inneren Graphitzwischenschichthohlräume der gemahlenen, aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfaser zum größten Teil Einlässe besitzen und mit der Oberfläche der gemahlenen Graphitfaser kommunizieren, und daß die Menge an Lithiumionen, die zwischen die Graphitschichten eingefügt werden kann, mindestens 75% der theoretischen Kapazität des Graphits entspricht.
  • In der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin bevorzugt, daß die gemahlenen Graphitfasern, die aus Mesophasenpech erhalten wurden und in der negativen Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie enthalten sind, beim Laden oder Entladen bei einer Stromdichte von 100 mA/g eine Lade- oder Entladekapazität haben, die mindestens 85% der beim Laden oder Entladen bei einer Stromdichte von 35 mA/g beträgt. Noch weiter ist es bevorzugt, daß die gemahlenen Graphitfasern, die aus Mesophasenpech erhalten wurden und in der negativen Elektrode enthalten sind, beim Laden oder Entladen bei einer Stromdichte von 600 mA/g eine Lade- oder Entladekapazität haben, die mindestens 85% der beim Laden oder Entladen bei einer Stromdichte von 35 mA/ g beträgt. In der vorliegenden Patentbeschreibung bedeutet "g" in der Einheit "mA/g" der Stromdichte die Masse (Gramm) der in der negativen Elektrode enthaltenen gemahlenen Graphitfasern.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schritte:
  • Verspinnen eines Mesophasenpechs bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) zu einer Mesophasenpechfaser,
  • Unschmelzbarmachen der Mesophasenpechfaser durch Erhitzen bei Temperaturen, deren Maximum 200 bis 350ºC beträgt, um dadurch eine unschmelzbar gemachte Pechfaser zu erhalten;
  • Mahlen der unschmelzbar gemachten Pechfaser wie sie ist oder nach einer vorhergehenden Behandlung bei 300 bis 800ºC unter einer inerten Gasatmosphäre, um dadurch gemahlene, unschmelzbar gemachte Pechfasern zu erhalten,
  • Graphitisieren der gemahlenen, unschmelzbar gemachten Pechfasern bei 2500ºC oder höher, um dadurch gemahlene, aus Mesophasenpech erhaltene Graphitfasern zu erhalten und
  • Mischen der gemahlenen, aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfasern mit einem Bindemittel und Formen des Gemisches in die Form einer negativen Elektrode.
  • Die Fig. 1A-1D sind schematische Darstellungen von typischen Graphitschichtstrukturen der aus Mesophasenpech erhaltenen gemahlenen Graphitfasern zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ist eine Transmissionselektronenmikroskopaufnahme einer gemahlenen, aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 3 ist eine Transmissionselektronenmikroskopaufnahme, die durch Vergrößerung von Fig. 2 erhalten wurde.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher erläutert.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung umfaßt gemahlene, aus Mesophasenpech erhaltene Graphitfasern.
  • Das Ausgangsmaterial der Graphitfasern zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein optisch anisotropes Pech, d. h. Mesophasenpech. Das Mesophasenpech kann im allgemeinen aus Erdöl, Koks und verschiedenen anderen Rohmaterialien hergestellt werden. Das Ausgangsmaterial für die Graphitfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist nicht besonders eingeschränkt, solange es spinnbar ist.
  • Die gewünschte Graphitfaser auf Mesophasenbasis, die durch Unterwerfen des vorstehenden Ausgangspechs dem Verspinnen, dem Unschmelzbar machen und der Carbonisierung oder Graphitisierung hergestellt wird, erlaubt eine freie Kontrolle ihres Kristallisationsgrades, so daß sie zur Verwendung bei der Herstellung einer negativen Elektrode einer Sekundärbatterie geeignet ist.
  • Unter den Graphitfasern bedeutet der hier verwendete Begriff "gemahlene Graphitfaser" im Unterschied zu einer zerkleinerten Faden-Kohlenstofffaser mit einer Länge von zum Beispiel 1 bis 25 mm eine Graphitfaser mit einer Länge von nicht mehr als 1 mm. Die gemahlenen Graphitfasern können leicht durch Zugabe eines Bindemittels zu den hergestellten gemahlenen Graphitfasern und Formen des Gemisches in die gewünschte negative Elektrodenform in jede gewünschte negative Elektrodenform geformt werden.
  • In der vorliegenden Erfindung hat die gemahlene, aus Mesophasenpech erhaltene, in der negativen Elektrode enthaltene Graphitfaser auf ihrer Umfangsfläche, sowie Flächen an ihrem oberen und unteren Ende bloßgelegte Graphitzwischenschichthohlraumkanäle als Einlässe und Auslässe für Lithiumionen.
  • Das heißt, in der gemahlenen Graphitfaser sind die Graphitschichten eine über der anderen aufgestapelt, so daß die gesamte Oberfläche der gemahlenen Graphitfaser die Öffnungen der Graphitzwischenschichthohlräume besitzt, die als Einlässe (Auslässe) zum Einführen (Freisetzen) von Lithiumionen in die (aus den) inneren Graphitzwischenschichthohlraumkanäle(n) dienen. In der negativen Elektrode, zusammengesetzt aus den gemahlenen Graphitfasern mit jeweils der vorstehenden Graphitschichtstruktur, wird die Einlagerung von Lithiumionen in die Graphitzwischenschichthohlräume gleichzeitig durch die Lithiumioneneinlaßöffnungen, die über die gesamte Oberfläche der Faser verteilt sind, durchgeführt, so daß das Laden und Entladen bei hohen Stromdichten durchgeführt werden kann, um dadurch das Laden innerhalb eines kurzen Zeitraums bei einer hohen Stromdichte zu ermöglichen.
  • In der gemahlenen Graphitfaser ist es bevorzugt, daß die inneren Graphitzwischenschichthohlräume größtenteils mit der Oberfläche der gemahlenen Graphitfaser kommunizieren.
  • In der gemahlenen Graphitfaser der vorstehenden Struktur haben die meisten der Graphitzwischenschichthohlräume, die innerhalb der Faser vorliegen, Lithiumioneneinlässe, die auf die Oberfläche der Faser öffnen, so daß eine negative Elektrode mit großer Lade- und Entladekapazität erhalten werden kann. In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß das Verhältnis von Graphitzwischenschichthohlräumen, die mit der Oberfläche der Faser kommunizieren, ausgedrückt als die Menge an Lithiumionen, die zwischen die Graphitschichten eingelagert werden kann, mindestens 75%, insbesondere mindestens 80%, der theoretischen Kapazität des Graphits entspricht.
  • Der hier verwendete Begriff "theoretische Kapazität von Graphit" bedeutet die elektrische Kapazität von Graphit im Zustand von C&sub6;Li, in dem Li unter der Annahme, daß die Hohlräume der Gitterebenen [d(002)] als Kristallitparameter in der Röntgendiffraktometrie 0,3354 nm betragen und daß jede der Kristallitgrößen längs der c- Achse [Lc(002)] und der Kristallitgrößen längs der a-Achse [La(002)] unendlich groß ist, eingelagert und bei normaler Temperatur und normalem Druck stabilisiert ist. Die vorstehende elektrische Kapazität beträgt 372 mAh/g.
  • Der hier verwendete Begriff "die Menge an Lithiumionen, die eingelagert werden kann" bedeutet das Maximum der elektrischen Kapazität, die zwischen die Graphitschichten eingelagert werden kann, wenn das Laden bei einer gegebenen Ladestromdichte durchgeführt wird. Bei der Durchführung der Einlagerung wird jedes Auftreten von Niederschlag von metallischem Lithium auf der Oberfläche des Graphitmaterials als Zeichen bewertet, daß die Einlagerung nicht länger möglich ist.
  • Die vorstehend beschriebene Graphitschichtstruktur der gemahlenen Graphitfaser wird mit Bezug auf die Fig. 1(A) bis (D) weiter erläutert. Fig. 1(A) bis (D) zeigt schematische Darstellungen von bevorzugten Formen der Graphitschichtstruktur der gemahlenen Graphitfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung.
  • In der in Fig. 1(A) gezeigten Graphitschichtstruktur erstreckt sich jede Graphitschicht g in einer zylindrischen gemahlenen Graphitfaser 4 mit einer Umfangsfläche 1 und zwei Endflächen 2, 3 entlang ihrer Längsrichtung in einer solchen Weise, daß die Schichtausdehnung linear und radial um die Achse der Faser 4 gemacht wird. In dieser Schichtstruktur schneiden sowohl die Umfangsfläche 1, als auch die beiden Endflächen 2, 3 die Graphitschicht g im rechten Winkel, so daß die Hohlräume zwischen benachbarten Graphitschichten g Öffnungen in der Umfangsfläche und den zwei Endflächen 2, 3 der Faser 4 haben.
  • In der in Fig. 1(B) gezeigten Graphitschichtstruktur erstreckt sich jede Graphitschicht g in einer zylindrischen gemahlenen Graphitfaser 4 mit einer Umfangsfläche 1 und zwei Endflächen 2, 3 entlang ihrer Längsrichtung in einer solchen Weise, daß die Schichtausdehnung radial gemacht wird, während sie leicht um die Achse der Faser 4 gefaltet ist.
  • In der in Fig. 1(C) gezeigten Graphitschichtstruktur bestehen die Graphitschichten g aus einem Paar zentraler Graphitschichten g1, die einander entlang einer Grenzfläche gegenüberstehen, die die zentralen Durchmesser der Endflächen 2, 3 einer zylindrischen gemahlenen Graphitfaser 4 passiert und die sich entlang der Längsrichtung der Faser 4 erstreckt, und zweiseitigen Graphitschichten g2, die nacheinander auf jede der zentralen Graphitschichten g1 gestapelt werden, die gekrümmt sind, so daß sie vorstehen und in Richtung der zentralen Schichten g1 ausbauchen.
  • Die in Fig. 1(D) gezeigte Graphitschichtstruktur hat eine Schichtbruchfläche s, die die zentralen Durchmesser der zwei Endflächen 2, 3 einer röhrenförmigen gemahlenen Graphitfaser 4 passiert und sich entlang ihrer Längsrichtung erstreckt. In dieser Struktur bestehen die Graphitschichten g aus parallelen Graphitschichten g1, die sich entlang der Längsrichtung der Graphitfaser 4 erstrecken und auf beiden Seiten der Schichtbruchfläche s in ihrem zentralen Teil angeordnet sind, so daß die parallelen Graphitschichten g 1 senkrecht zur Schichtbruchfläche s sind, und sektoriellen Graphitschichten g2, die sektoriell an beiden Randteilen der Schichtbruchfläche s um die Randteile aufgestapelt sind.
  • Auch in den Graphitschichtstrukturen von Fig. 1(B) bis (D) sind die Graphitschichten auf solch eine Weise gestapelt, daß die Graphitschichten, wie in Fig. 1(A), in gegebenen Winkeln von der Umfangsfläche und den Flächen am oberen und unteren Ende der gemahlenen Graphitfaser geschnitten werden. Als ein Ergebnis öffnen sich die Graphitzwischenschichthohlräume nicht nur auf die Umfangsfläche, sondern auch auf die beiden Endflächen der Graphitfaser.
  • Die Graphitschichtstruktur der gemahlenen, aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfaser nach der vorliegenden Erfindung muß nur Graphitzwischenschichthohlräume haben, die als Einlässe und Auslässe für Lithiumionen auf der Umfangsfläche und den Flächen am oberen und unteren Ende vorliegen. Deshalb sollte die vorliegende Erfindung bei der Interpretation nicht auf die Strukturen von Fig. 1(A) bis (D) beschränkt sein.
  • Die in der vorliegenden Erfindung definierte Graphitschichtstruktur der gemahlenen Graphitfaser kann durch Beobachten der sektionalen und Seitenflächenstrukturen unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM), die zur Bestätigung der Umrisse der Stapelstruktur und Anordnung von Graphitschichten in der gemahlenen Graphitfaser geeignet sind, bestätigt werden.
  • Außerdem kann die feine innere Struktur der Graphitschichten der gemahlenen Graphitfaser durch die Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen (TEM) von Schnitten davon bestätigt werden. Die Fig. 2 und 3 sind TEMs von Schnitten der aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfasern zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung, in denen beobachtet wird, daß die Graphitschichten radial vom Zentrum der Faser zu ihrer Oberfläche angeordnet sind und daß praktisch alle Graphitschichtgrenzflächen (Graphitzwischenschichthohlräume) mit der Umfangsfläche kommunizieren (auf die Fläche öffnen).
  • Die vorstehend beschriebenen, aus Mesophasenpech erhaltenen, gemahlenen Graphitfasern können durch Verspinnen des vorstehenden Ausgangspechs, Unschmelzbarmachen der gesponnenen Faser und Durchführung von Mahlen, Carbonisieren und Graphitisieren der unschmelzbar gemachten Faser in der nachstehend beschriebenen Reihenfolge hergestellt werden.
  • Das Ausgangspech kann mit jedem der herkömmlichen Schmelz-, Zentrifugal-, Wirbel- Schmelzblas- und anderen Spinnverfahren versponnen werden. Insbesondere das Schmelzblasspinnverfahren ist bevorzugt, da es gemeinsam die Kapazität für das Spinnverfahren, die Kosten für die Installation des Spinnapparates und den Grad der Freiheit beim Festsetzen der Arbeitsbedingungen berücksichtigt.
  • Das Hochgeschwindigkeitsspinnen eines Ausgangspechs mit einer Viskosität von so gering wie einige bis einige zehn mal 0,1 Pa · s (einige bis einige zehn Poise), das bei Verwendung der herkömmlichen Spinnverfahren für schwierig gehalten wurde, kann durch Schmelzblasspinnen der Pechfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Die Anordnung der Mesophasenmoleküle kann durch Extrudieren des Mesophasenpechs mit geringer Viskosität durch eine Düse mit hoher Geschwindigkeit und Ausüben von Scherkraft auf die extrudierte Pechfaser während des Abschreckens gesteuert werden, so daß sie entlang der Faserachsenrichtung und praktisch senkrecht zur Oberfläche ist.
  • Diese Anordnung aus Mesophasenmolekülen erhöht die Neigung zur Graphitisierung des grundsätzlich leicht zu graphidsierenden Mesophasenpechs in der Pechfaser, die mit dem Schmelzblasverfahren erhalten wurde. Außerdem kann die so erhaltene Pechfaser die gemahlene Graphitfaser als Endprodukt mit einer Struktur liefern, in der die Graphitschichten so angeordnet sind, daß Graphitzwischenschichthohlräume praktisch über alle Oberflächen der Faser vorliegen, insbesondere einer Struktur, in der der größte Teil des Volumens der Graphitzwischenschichthohlräume mit der Oberfläche der gemahlenen Graphitfaser kommuniziert.
  • Die durch den vorstehenden Spinnschritt aus dem Ausgangspech erhaltenen Graphitfasern haben insbesondere Graphitschichtstrukturen, wie typischerweise in Fig. 1 (A) bis (D) gezeigt. Die aus diesen Graphitfasern erhaltenen gemahlenen Graphitfasern haben eine Struktur, so daß die Graphitzwischenschichthohlräume sich über die gesamte Oberfläche einschließlich der geschnittenen Oberflächen, die die beiden Endflächen bilden, öffnen.
  • Im Verfahren zur Herstellung der gemahlenen Graphitfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird das Mesophasenpech bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) (gemessen mit einem HAKKE M-500-VISCOMETOR), insbesondere 0,5 bis 2 Pa · s (5 bis 20 Poise) und bei einer Temperatur von 300 bis 400ºC, insbesondere 320 bis 380ºC, versponnen, um eine Pechfaser zu erhalten, die Pechfaser wird bei Temperaturen unschmelzbar gemacht, deren Maximum im Bereich von 200 bis 350ºC, insbesondere 250 bis 320ºC, liegt, das unschmelzbar gemachte Pech wird wie es ist oder nach einer vorhergehenden Hitzebehandlung (leichte Carbonisierung) in einem inerten Gas bei 300 bis 800ºC, besonders bei 400 bis 750ºC und insbesondere bei 500 bis 700ºC, gemahlen, um dadurch gemahlene, unschmelzbar gemachte Pechfasern zu erhalten, und die gemahlenen, unschmelzbar gemachten Pechfasern werden bei 2500ºC oder höher, insbesondere 2800 bis 3100ºC, graphitisiert.
  • Im Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Sekundärbatterie der vorliegenden Erfindung wird das Mesophasenpech bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) versponnen, um die Mesophasenpechfasern zu erhalten. Wenn die Viskosität des dem Verspinnen unterzogenen Mesophasenpechs geringer als 0,5 Pa · s (5 Poise) ist, ist das Mesophasenpech geneigt, als Fasern mit einem kleinen Faserdurchmesser versponnen zu werden, und es ist unmöglich, das Spinnverfahren zu steuern, so daß die so erhaltenen Pechfasern einen erwünschten Durchmesser haben. Als Ergebnis haben die so erhaltenen Pechfasern einen zu kleinen Durchmesser. Außerdem haben die so erhaltenen Pechfasern sehr unterschiedliche Durchmesser und werden häufig während des Spinnverfahren gebrochen, um Schrot zu verursachen. Wenn solche Pechfasern unschmelzbar gemacht und gemahlen werden, wird die Teilchengröße der gemahlenen Fasern instabil, das Seitenverhältnis davon wird größer als 20, und lange Fasern mit einer Länge von mehr als 200 um nehmen zu. Außerdem verursacht das während des Spinnverfahrens hergestellte Schrot die Herstellung von unerwünschten Mikropulvern während des Mahlens der Mesophasenpechfasern.
  • Wenn die Viskosität des dem Verspinnen unterzogenen Mesophasenpechs mehr als 5 Pa · s (50 Poise) beträgt, nimmt die Spinnbarkeit des Pechs ab, und es ist unmöglich, das Spinnverfahren so zu steuern, daß die so erhaltenen Pechfasern einen wünschenswerten Durchmesser haben. Als Ergebnis haben die so erhaltenen Pechfasern einen zu großen Durchmesser. Außerdem verursacht die Abnahme der Spinnbarkeit den häufigen Bruch der Pechfasern während des Spinnverfahrens durch geringe Änderung der Spinnbedingungen. Wenn solche Pechfasern mit einem großen Faserdurchmesser unschmelzbar gemacht und gemahlen werden, treten Brüche an den gemahlenen, unschmelzbar gemachten Fasern längs der Faserachse auf, die längs der im Graphtisierungsverfahren gewachsenen Graphitschichtebene sein wird. Solche Brüche der gemahlenen Pechfasern geben den durch Graphitisieren der Pechfasern erhaltenen gemahlenen Graphitfasern nach den gewählten Graphitbedingungen die Möglichkeit der Zersetzung des Elektrolyten, um Gaserzeugung zu verursachen.
  • Außerdem können durch Mahlen der unschmelzbar gemachten Pechfasern wie sie sind oder nach vorhergehender Hitzebehandlung bei 300 bis 800ºC und Unterziehen der gemahlenen Fasern einer zweiten Hitzebehandlung bei 2500ºC oder höher longitudinale Brüche der gemahlenen Fasern verhindert werden und funktionelle Gruppen, die den Elektrolyten zersetzen, können nach der zweiten Hitzebehandlung von der Oberfläche der gemahlenen Graphitfaser entfernt werden.
  • Das Mahlen kann nach der Hitzebehandlung (Graphitisierung) bei 2500ºC oder höher durchgeführt werden. Dies führt allerdings leicht dazu, daß Brüche entlang der Graphitschichtebene, die entlang der Faserachse gewachsen ist, auftreten und daß das Anteil an Bruchoberfläche zur gesamten Oberfläche der hergestellten gemahlenen Graphitfaser zunimmt. Die Bruchoberfläche ist ungünstig, weil sie praktisch nicht zur Einlagerung von Lithiumionen beiträgt. Außerdem werden funktionelle Gruppen, die den Elektrolyten zersetzen, auf der neu hergestellten Bruchoberfläche erzeugt, und verschlechtern dadurch die Batterieeigenschaften schwer. Deshalb ist das Mahlen nach dem Graphitisieren nicht günstig.
  • Im nach dem Unschmelzbarmachen oder der vorhergehenden Hitzebehandlung der Pechfasern durchgeführten Mahlschritt ist es aus dem Gesichtspunkt des effektiven Erhaltens der zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Fasern bevorzugt, daß das Mahlen mit einem Verfahren durchgeführt wird, das das Rotieren eines mit einer Klinge ausgerüsteten Rotors bei einer hohen Geschwindigkeit und in Kontakt bringen der Fasern mit der Klinge, um dadurch die Fasern in der Richtung senkrecht zur Faserachse zu schneiden, umfaßt. In diesem Verfahren kann das Mahlen unter Verwendung zum Beispiel einer Victory-Mühle oder einer Kreuzflußmühle durchgeführt werden. Im vorstehenden Verfahren kann die Länge jeder der gemahlenen Kohlenstofffasern durch Regulieren der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, des Winkels der Klinge und der Größe der Poren eines Filters, der an der Peripherie des Rotors angebracht ist, etc. gesteuert werden.
  • Auf dem Fachgebiet ist das Mahlen der Kohlenstofffasern auch mit Hilfe eines Henschel-Mixers, einer Kugelmühle oder eines Zerkleinerers durchgeführt worden. Diese Mahlverfahren können nicht als geeignete Verfahren angesehen werden, weil nicht nur Druck auf die Kohlenstofffasern in Richtung ihres Durchmessers wirkt, um dadurch die Wahrscheinlichkeit von longitudinalen Brüchen längs der Faserachse zu erhöhen, sondern das Mahlen auch eine verlängerte Zeitspanne dauert.
  • Von den gemahlenen Graphitfasern, die durch Graphitisieren der vorstehend hergestellten gemahlenen Fasern erhalten wurden, ist es in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, jene mit einem Seitenverhältnis von 1 bis 20, insbesondere von 1 bis 10 und einem Faserdurchmesservariationskoeffizienten von 10 bis 50%, insbesondere 15 bis 40%, zu verwenden. Die gemahlenen Graphitfasern haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 5 um bis 20 um, insbesondere von 5 um bis 15 um. Die Verwendung der vorstehenden gemahlenen Graphitfasern führt zur Realisierung einer höheren Volumendichte der so erhaltenen negativen Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie.
  • Hier ist das vorstehende Seitenverhältnis und der vorstehende Faserdurchmesservariationskoeffizient jeweils ein Mittelwert der Werte von mindestens 100 Proben, die von den erhaltenen gemahlenen Graphitfasern genommen wurden.
  • Das heißt, wenn das Seitenverhältnis 20 übersteigt, oder wenn der Faserdurchmesservariationskoeffizient weniger als 10% beträgt, wird nachteilig ein Hohlraum zwischen den Fasern erzeugt, wodurch das das Anwachsen der Volumendichte der negativen Elektrode unerreichbar gemacht und außerdem ihre Leitfähigkeit verschlechtert wird.
  • Wenn das Seitenverhältnis der verwendeten gemahlenen Graphitfasern 20 übersteigt und zu groß wird, das heißt, wenn die verwendeten gemahlenen Graphitfasern jeweils eine extrem große Faserlänge besitzen, ist es neben der Schwierigkeit beim Steigern der Volumendichte der negativen Elektrode wahrscheinlich, daß unvorteilhafterweise ein Kurzschluß zwischen der negativen und der positiven Elektrode auftritt.
  • Die Verwendung von gemahlenen Graphitfasern mit einem Faserdurchmesservariationskoeffizienten über 50% beinhaltet das Mischen von Graphitfasern mit zu großen Faserdurchmessern, so daß unvorteilhafterweise die Flachheit der Elektrodenoberfläche herabgesetzt wird, oder der Druck, der während des Walzformens angewendet wird, auf die vorstehenden, zu großen Graphitfasern fokussiert wird, wodurch die Gefahr von longitudinalen Faserbrüchen mit sich gebracht wird.
  • Wenn das Seitenverhältnis weniger als 1 beträgt, wird die Zahl der Graphitfasern, die longitudinale Brüche längs der Faserachse erleiden, unvorteilhafterweise während des Mahlens erhöht.
  • Bei der Herstellung einer Masse von gemahlenen Graphitfasern mit einem Faserdurchmesservariationskoeffizienten von 10 bis 50% ist es vorteilhaft, Pech durch eine Spinndüse mit einer Vielzahl von Spinnöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern pro Düse zu Pechfasern zu verspinnen.
  • In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, zuerst eine Vielzahl von Pechfasern mit verschiedenen Durchmessern herzustellen und dann entweder ein geeignetes Mischen und anschließendes Mahlen oder Mahlen und anschließendes Mischen durchzuführen.
  • Es ist bevorzugt, daß die gemahlenen Graphitfasern zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung eine mittlere Teilchengröße (D) von 10 bis 30 um, insbesondere 10 bis 20 um haben, wie mit einem Laserdiffraktionsteilchengrößenverteilungsmesser (SALD- 3000, hergestellt von der Shimadzu Corporation) gemessen wurde, und daß 90% D im Bereich von 30 bis 60 um ist, weil die Volumendichte der negativen Elektrode hoch sein kann und weil die Zellkapazität pro Volumen erhöht werden kann.
  • Außerdem ist es bevorzugt, daß die maximale Länge der gemahlenen Graphitfasern vom Gesichtspunkt der Verhinderung eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden 120 um oder weniger, besonders 100 um oder weniger, insbesondere 80 um oder weniger, beträgt.
  • Noch weiter ist es bevorzugt, daß die spezifische Oberfläche der gemahlenen Graphitfasern im Bereich von 0,5 bis 2,0 m²/g liegt, wie mit einem QUANTASORB® spezifischen Oberflächenmesser, hergestellt von der QUANTA CHROME Corporation, gemessen wurde. Gemahlene Graphitfasern mit einer spezifischen Oberfläche von über 2,0 m²/g erhöhen ungünstigerweise die Zersetzung des Elektrolyten zur Zeit des Ladens oder Entladens, und erniedrigen dadurch die Lade- und Entladeleistung und verursachen Gaserzeugung, die elektrolytischer Zersetzung zugeschrieben wird.
  • Die Graphitschichtstruktur und die Morphologie der gemahlenen Graphitfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zur Herstellung derselben sind beschrieben worden. Nun wird die Reinheit und Kristallstruktur der gemahlenen Graphitfaser beschrieben.
  • Das Kohlenstoffmaterial enthält im allgemeinen Verbindungen von anderen Elementen als Kohlenstoff, wie Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Halogene und Metalle, z. B. Eisen, abhängig von der Art des Ausgangsmaterials. Die Reinheit des Kohlenstoffmaterials zur Verwendung in der negativen Elektrode beeinflußt das Verhältnis von Entladekapazität zu Ladekapazität (im folgenden als "Lade- und Entladeleistung" bezeichnet) einer Sekundärbatterie, insbesondere die anfängliche Lade- und Entladeleistung.
  • Der Gesamtgehalt an solchen Verunreinigungen in der gemahlenen Graphitfaser zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt nicht größer als 2000 ppm, stärker bevorzugt nicht größer als 1000 ppm. Der vorstehende Gesamtgehalt an Verunreinigungen kann durch Flammenphotometrie, Plasmafluoreszenzanalyse, Ionenchromatographie oder ähnliches bestimmt werden.
  • Lithium reagiert leicht mit jeder Verbindung der vorstehenden anderen Elemente als Kohlenstoff und erzeugt dadurch Lithiumverbindungen. Wenn die Lithiumverbindungen einmal erzeugt sind, kann Lithium nicht in Form von freien Lithiumionen vorliegen. Das heißt, die negative Elektrode kann eine extrem geringe Lade- und Entladeleistung, insbesondere eine extrem geringe anfängliche Lade- und Entladeleistung, besitzen, wenn ein Kohlenstoffmaterial, das die vorstehenden Verunreinigungen in einer Konzentration über 2000 ppm enthält, als Material der negativen Elektrode verwendet wird.
  • Eine Behandlung, die die Umsetzung von Chlor etc. mit den Verunreinigungen während der Carbonisierung oder Graphitisierung und das Entfernen der Verunreinigungen als Halogenide aus dem System umfaßt, d. h. eine hochreinigende Behandlung, wird vorteilhafterweise ausgeführt, um ein gereinigtes Kohlenstoffmaterial, dessen Verunreinigungsgehalt nicht größer als 2000 ppm ist, zu erhalten.
  • Bei der Herstellung der Graphitfaser auf Mesophasenbasis ist es bevorzugt, daß das Ausgangspechmaterial mit dem geringstmöglichen Verunreinigungsgehalt gewählt wird und daß Filtration und andere Behandlungen durchgeführt werden, um den Verunreinigungsgehalt weiter herabzusetzen.
  • Mit Bezug auf die Kristallparameter in der Röntgenkristalldiffraktometrie der gemahlenen Graphitfaser, die besonders zur Verwendung in einer negativen Elektrode nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist es bevorzugt, daß der Schichtenabstand (d&sub0;&sub0;&sub2;) 0,336 bis 0,342 nm, insbesondere 0,336 bis 0,338 nm, beträgt, daß die Kristallitgröße längs der c-Achse (Lc(002)) 17 bis 80 nm, insbesondere 30 bis 60 nm, beträgt, und daß die Kristallitgröße längs der a-Achse (La(110)) 8 bis 100 nm, insbesondere 20 bis 80 nm, beträgt.
  • Die hier verwendete Röntgendiffraktometrie ist ein Verfahren, in dem unter Verwendung von Cuka und eines hochgereinigten Siliciums als Röntgenquelle bzw. Referenzmaterial ein Diffraktionsmuster eines Kohlenstoffmaterials erhalten wird. Der Schichtenabstand (d002) und die Kristallitgröße längs der c-Achse (Lc(002)) sind in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Japan Society for Promotion of Scientific Reasearch aus der Peakposition bzw. der Halbwertsbreite des 002-Diffraktionsmusters und die Kristallitgröße längs der a-Achse (La(110)) aus der Peakposition bzw. der Halbwertsbreite des 110-Diffraktionsmusters berechnet worden.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung kann durch Graphitisieren der so erhaltenen gemahlenen Fasern bei 2500ºC oder höher, um dadurch gemahlene, aus Mesophasenpech erhaltene Graphitfasern zu erhalten, und durch Mischen der gemahlenen, aus Mesophasenpech erhaltenen Graphitfasern mit einem Bindemittel und anschließendes Formen der Bindemittel-geladenen Graphitfasern mit Hilfe von Walzen in eine zur Verwendung als negative Elektrode geeignete Form hergestellt werden. Falls gewünscht, geht diese negative Elektrode eine Reduktionsbehandlung ein, die unter Verwendung von metallischem Lithium als Gegenelektrode durchgeführt wird.
  • Beispiele für die vorstehenden Bindemittel zur Verwendung in der negativen Elektrode für eine Sekundärbatterie schließen Polyethylen, Polyvinylidenfluorid und Polytetrafluorethylen ein.
  • Die so hergestellte negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung besitzt eine Volumendichte von im allgemeinen mindestens 1,3 g/cm³, bevorzugt mindestens 1,4 g/cm³ und stärker bevorzugt mindestens 1,5 g/cm³, so daß sie für die Miniaturisierung einer Batterie geeignet ist.
  • In der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin bevorzugt, daß die negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie eine Lade- oder Entladekapazität beim bei einer Stromdichte von 100 mA/g durchgeführten Laden oder Entladen besitzt, die mindestens 85%, vorzugsweise mindestens 90% der beim bei einer Stromdichte von 35 mA/g durchgeführten Laden oder Endaden beträgt. Noch weiter ist es bevorzugt, daß die negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie eine Lade- oder Entladekapazität beim bei einer Stromdichte von 600 mA/g durchgeführten Laden oder Entladen besitzt, die mindestens 85% der beim bei einer Stromdichte von 35 mA/g durchgeführten Laden oder Entladen beträgt.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung kann mit einem Stromkollektor, wie es die herkömmliche Batterieelektrode ist, ausgestattet werden. Der Stromkollektor für die negative Elektrode kann in Form einer Platte, einer Folie oder eines Stabes aus einem zur Elektrode und zum Elektrolyten elektrochemisch inerten Leiter, z. B. einem Metall, wie Kupfer, Nickel, Titan oder Edelstahl, vorliegen. Der vorstehende Stromkollektor kann auf die später beschriebene positive Elektrode angewendet werden.
  • Eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, die die negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung einschließt, kann aus der negativen Elektrode der vorliegenden Erfindung, einer positiven Elektrode und, dazwischen angeordnet, einem Separator, der mit einem Elektrolyten imprägniert ist, zusammengesetzt sein.
  • Der Separator kann aus einem nicht gewebten oder gewebten Gewebe aus synthetischen oder Glasfasern, einer polyolefinischen porösen Membran, einem nicht gewebten Gewebe aus Polytetrafluorethylen, Polyethylen und anderem üblichen Material bestehen.
  • Obwohl die Art des Lösungsmittels zur Verwendung in dem in den Separator eingelagerten Elektrolyten nicht besonders eingeschränkt ist, solange es Lithiumsalze lösen kann, ist es bevorzugt, daß das Lösungsmittel aus aprotischen organischen Lösungsmitteln mit hohen Dielektrizitätskonstanten ausgewählt wird.
  • Beispiele für solche Lösungsmittel schließen Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, Dioxolan, 4-Methyldioxolan, Acetonitril, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, 6-Butyrolacton und Methylethylcarbonat ein. Diese Lösungsmittel können entweder einzeln oder in einer geeigneten Kombination verwendet werden.
  • Lithiumsalze, die zum Beispiel Lithiumperchlorat, Lithiumborfluorid, Lithiumhexafluorantimonat, Lithiumhexachlorantimonat und Lithiumhexafluorphosphat (LiPF&sub6;) einschließen, die stabile Anionen erzeugen können, können zum Beispiel geeigneterweise als der Elektrolyt verwendet werden.
  • Verschiedene Materialien, die zum Beispiel Metalloxide, wie Chromoxid, Titanoxid und Vanadiumpentoxid; Lithiummetalloxide, wie Lithiummanganpentoxid, Lithiummetalloxide, wie Lithiummanganoxid (LiMn&sub2;O&sub4;), Lithiumcobaltoxid (LiCoO&sub2;) und Lithiumnickeloxid (LiNiO&sub2;); Übergangsmetallchalkogenverbindungen, wie Titan- und Molybdänsulfide; und leitfähige konjugierte polymere Substanzen, wie Polyacetylen, Polyparaphenylen und Polypyrrol einschließen, können zur Zusammensetzung der positiven Elektrode verwendet werden.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung wird zusammen mit anderen Batterie-bildenen Elementen, wie dem vorstehend genannten Stromkollektor, der positiven Elektrode und dem Separator und dem Elektrolyten unter Verwendung einer Dichtung, einer Verschlußplatte etc. nach dem üblichen Verfahren in ein Gehäuse eingebaut. So kann eine zylindrische, rechteckige oder knopfförmige Lithiumionen- Sekundärbatterie zusammengestellt werden.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung umfaßt gemahlene, aus Mesophasenpech erhaltene Graphitfasern, die jeweils eine Umfangsfläche sowie Flächen am oberen und unteren Ende haben, und die gemahlenen Graphitfasern sind jeweils aus Graphitschichten mit Hohlräumen dazwischen zusammengesetzt, und sowohl die Umfangsfläche als auch die Flächen am oberen und unteren Ende haben Öffnungen der Hohlräume zwischen den Graphitschichten, die als Einlässe und Auslässe für Lithiumionen dienen, die gemahlenen Graphitfasern haben einen Schichtenabstand (d&sub0;&sub0;&sub2;) 0,336 bis 0,342 nm, eine Kristallitgröße längs der c-Achse (Lc&sub0;&sub0;&sub2;) von 17 bis 80 nm und eine Kristallitgröße längs der a-Achse (La&sub1;&sub1;&sub0;) von 8 bis 100 nm, wobei die gemahlenen Graphitfasern erhältlich sind durch Verspinnen eines Mesophasenpechs bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) mit hoher Geschwindigkeit und Abschrecken zu einer Mesophasenpechfaser, Unschmelzbarmachen der Mesophasenpechfaser durch Erhitzen bei Temperaturen, deren Maximum 200 bis 350 C beträgt, um dadurch eine unschmelzbar gemachte Pechfaser zu erhalten; Mahlen der unschmelzbar gemachten Pechfaser, wie sie ist oder nach einer vorhergehenden Hitzebehandlung bei 300 bis 800 C, um dadurch gemahlene, unschmelzbar gemachte Pechfasern zu erhalten, und Graphitisieren der gemahlenen, unschmelzbar gemachten Pechfasern bei 2500ºC oder höher. So besitzt die negative Elektrode hohe Lade- und Entladekapazitäten. Deshalb liefert die vorliegende Erfindung eine negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie, die eine Lithium-Sekundärbatterie auf nichtwäßriger Elektrolytbasis liefern kann, die erlaubt, die Stromdichte zur Zeit des Ladens oder Entladens hoch zu setzen.
  • Die negative Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie, die die vorstehenden Eigenschaften besitzt, kann durch das Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie nach der vorliegenden Erfindung effektiv hergestellt werden.
  • Beispiele 1
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die nachstehenden Beispiele ausführlicher erläutert.
  • Die Eigenschaften der in den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellten gemahlenen Graphitfasern und die Lade- und Entladeeigenschaften der so erhaltenen Sekundärbatterien sind zusammen in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
  • (Beispiel 1)
  • Ein Ausgangsmaterial aus optisch anisotropem Mesophasenpech mit einem Erweichungspunkt von 280ºC wurde geschmolzen und durch eine Düse, die einen 3 mm weiten Schlitz und darin angeordnet eine Reihe von 1500 Spinnöffnungen mit jeweils einem Durchmesser von 0,2 mm umfaßte, gezogen, während heiße Luft durch den Schlitz eingeblasen wurde, wodurch Pechfasern erhalten wurden. Das Spinnen wurde unter den Bedingungen einer Pechinjekfionsgeschwindigkeit von 1500 g/min, einer Pechviskosität von 3 Pa · s (30 Poise), einer Pechtemperatur von 340ºC, einer Heißlufttemperatur von 350ºC und einem Heißluftdruck von 0,2 kg/cm³G durchgeführt. Die die Düse verlassenden Pechfasern wurden schon in einem Abstand von einigen zehn Zentimetern von der Düse durch einen großen Überschuß an angeschlossener Raumtemperaturluft auf eine Temperatur nahe bei Raumtemperatur abgeschreckt.
  • Die gesponnenen Pechfasern wurden in Form einer Matte auf einem Band mit einer Sammelzone aus einem 20-Mesh Edelstahlnetz gesammelt, während die Faser durch Eintragen von Luft von der Rückseite des Bandes angesaugt wurde.
  • Die so erhaltene gesammelte Fasermatte wurde in Luft 20 min bei 300ºC erhitzt, wozu die Temperatur mit einer mittleren Aufheizrate von 6ºC/min von Raumtemperatur erhöht wurde, um dadurch die Fasermatte unschmelzbar zu machen.
  • Weiterhin wurde die unschmelzbar gemachte Matte unter einer Atmosphäre aus inertem Gas in einem ersten Hitzebehandlungofen, der an der gleichen Verfahrenslinie stand, auf 700ºC erhitzt.
  • Die so erhaltenen unschmelzbar gemachten, aus Mesophasenpech erhaltenen Fasern wurden unter Verwendung einer Kreuzflußmühle gemahlen, und man erhielt Fasern mit einer mittleren Teilchengröße von 20 um, die dann bei 2800ºC in Argon graphitisiert wurden. Die so erhaltenen gemahlenen Graphitfasern hatten eine spezifische Oberfläche von 1,1 m²/g und ein Seitenverhältnis von 4.
  • Die gemahlenen Graphitfasern hatten in ihrer Analyse durch Röntgendiffraktometrie einen Schichtenabstand (d&sub0;&sub0;&sub2;), eine Kristallitgröße längs der c-Achse (Lc(002)) und eine Kristallitgröße längs der a-Achse (Lc(110)) von 0,3375 nm, 33 nm bzw. 55,2 nm.
  • Eine REM-Aufnahme der gemahlenen Graphitfasern zeigte, daß jede der Fasern eine zylindrische Form besaß, deren Schnitt Graphitschichten zeigte, die sich radial ausdehnten, während sie leicht gefaltet waren, wie in Fig. 1 (B) gezeigt, und daß die meisten Graphitschichten Öffnungen an der Oberfläche der Faser hatten. Außerdem zeigten die Seiten der gemahlenen Graphitfasern die Struktur, in der die Graphitschichten regelmäßig parallel längs der Faserachse angeordnet waren und in der die Graphitzwischenschichtanteile sich über die Seitenoberflächen entblößten.
  • 20 mg der gemahlenen Graphitfasern wurden mit 3 Gewichts-% eines Bindemittels aus Polytetrafluorethylenpulver gemischt, in Blätter geformt und mit einem Bleidraht zu einer negativen Elektrode zusammengebaut. Eine Lade- und Entladestromdichte von 35 mA/g unter Verwendung der vorstehenden Elektrode erlaubte ein Laden von 348 mAh/g, das 94% der theoretischen Ladekapazität durch eine ideale Lithiumeinlagerung in Graphit, d. h. 372 mAh/g, entspricht.
  • Auf die gleiche Weise ergab ein Entladen bei einer Stromdichte von 35 mA/g unter Verwendung der vorstehend geladenen negativen Elektrode eine Entladekapazität von 320 mAh/g, entsprechend 86% der theoretischen Entladekapazität.
  • Laden und Entladen wurden unter den gleichen Bedingungen wiederholt. So wurde beim 10. Laden eine Ladekapazität von 313 mAh/g und bei der 10, Entladung eine Entladekapazität von 313 mAh/g, entsprechend 100% Lade-Entladeleistung, festgestellt.
  • (Beispiele 2 bis 5)
  • Die gemahlenen Graphitfasern wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zu negativen Elektroden geformt. Laden und Endaden wurde zehnmal bei verschiedenen Stromdichten, d. h. 100 mA/g in Beispiel 2, 200 mA/g in Beispiel 3, 300 mA/g in Beispiel 4 und 600 mA/g in Beispiel 5, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Alle Lade- und Entladekapazitäten der Beispiele 2 bis 5 wurden bei 90% oder mehr von denen in Beispiel 1 (Stromdichte 35 mA/g) gehalten.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • 3 Gewichts-% eines Bindemittels aus Polytetrafluorethylenpulver wurden zu 20 mg pulverisiertem natürlichem Graphit (mittlere Teilchengröße: 50 um), der zur Verwendung in Batterieelektroden im Handel erhältlich ist, gegeben, gemischt und in Blätter geformt. Dieselbe Bewertung wie in Beispiel 2 wurde durchgeführt. Während die anfänglichen Lade- und Entladekapazitäten 384 mAh/g (man glaubt, daß der Grund für diese Überschreitung der theoretischen Kapazität ein Zusatz ist, der für den Verbrauch gemacht wird, der zum Beispiel der Zersetzung des Elektrolyten zugeschrieben wird) bzw. 287 mAh/g betrugen, betrugen die 10. Lade- und Entladekapazitäten 263 mAh/g bzw. 252 mAh/g. So wurden Kapazitätsabnahmen festgestellt. Außerdem war die 10. Lade- und Entladeleistung mit 95,8% niedriger gegenüber der, die auftrat, wenn die negative Elektrode von Beispiel 2 verwendet wurde.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • Laden und Entladen wurde bei einer Stromdichte von 600 mA/ g unter Verwendung der negativen Elektrode aus natürlichem Graphit, die auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt worden war, durchgeführt. Als ein Ergebnis schlug sich während des Ladens metallisches Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode nieder, dessen Wiederholungen zur Erzeugung von acicularen Dendriten führte. Dies ist nicht bevorzugt wegen des Auftretens von Kurzschluß zwischen den Elektroden. Außerdem ist es auch vom Gesichtspunkt der Leistung ersichtlich, daß der natürliche Graphit nicht für das Laden und Entladen bei hohen Stromdichten geeignet ist, dadurch daß die Energie während des Ladens von anderem als der Lithiumeinlagerung verbraucht wird und dadurch, daß die Entladeleistung sehr niedrig ist.
  • (Vergleichsbeispiel 3)
  • Mit Bezug auf den pulverisierten künstlichen Graphit (mittlere Teilchengröße: 10 um), der zur Verwendung in Batterieelektroden im Handel erhältlich ist, wurde die gleiche Bewertung wie in Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt. Während die anfänglichen Lade- und Entladekapazitäten 426 mAh/g bzw. 288 mAh/g betrugen, waren die 10. Lade- und Endadekapazitäten 238 mAh/g bzw. 224 mAh/g. So wurden starke Kapazitätsabnahmen wie bei der Verwendung des natürlichen Graphits festgestellt.
  • (Vergleichsbeispiel 4)
  • Laden und Entladen wurde bei einer Stromdichte von 600 mA/g unter Verwendung einer negativen Elektrode aus künstlichem Graphit, die auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 3 hergestellt worden war, wiederholt. Als ein Ergebnis schlug sich metallisches Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode nieder, was zu schwerem Leistungsabfall führte, wie in Vergleichsbeispiel 2. Tabelle 1 Tabelle 2
  • EC: Ethylencarbonat
  • DMC: Dimethylcarbonat

Claims (8)

1. Negative Elektrode, die aus Mesophasenpech erhaltene gemahlene Graphitfasern mit einer Umfangsfläche sowie Flächen am oberen und unteren Ende umfaßt, wobei die gemahlenen Graphitfasern jeweils aus Graphitschichten mit Hohlräumen dazwischen zusammengesetzt sind, alle Umfangsflächen, sowie Flächen am oberen und unteren Ende Öffnungen der Hohlräume zwischen den Graphitfasern aufweisen, die als Einlaß und Auslaß für Lithiumionen dienen, und die gemahlenen Graphitfasern einen Schichtenabstand (d&sub0;&sub0;&sub2;) von 0,336 bis 0,342 nm, eine Kristallitgröße längs der c-Achse (Lc&sub0;&sub0;&sub2;) von 17 bis 80 nm und eine Kristallitgröße entlang der a-Achse (La&sub1;&sub1;&sub0;) von 8 bis 100 nm aufweisen, wobei die gemahlenen Graphitfasern erhältlich sind durch Verspinnen eines Mesophasenpechs bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) mit hoher Geschwindigkeit und Abschrecken zu einer Mesophasenpechfaser, Unschmelzbarmachen der Mesophasenpechfaser durch Erhitzen auf Temperaturen, deren Maximum bei 200 bis 350ºC liegt, um dadurch eine unschmelzbar gemachte Pechfaser zu erhalten, Mahlen der unschmelzbar gemachten Pechfaser, wie sie ist, oder nach einer vorhergehenden Hitzebehandlung bei 300 bis 800ºC, um dadurch gemahlene unschmelzbar gemachte Pechfasern zu erhalten, und Graphitisieren der gemahlenen unschmelzbar gemachten Pechfasern bei 2500ºC oder höher.
2. Negative Elektrode gemäß Anspruch 1, wobei die aus einem Mesophasenpech erhaltenen gemahlenen Graphitfasern ein Seitenverhältnis von 1 bis 20 aufweisen.
3. Negative Elektrode gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die aus einem Mesophasenpech erhaltenen gemahlenen Graphitfasern eine spezifische Oberfläche von 0,5 bis 2,0 m²/g aufweisen.
4. Negative Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die inneren Graphitzwischenschichthohlräume der aus Mesophasenpech erhaltenen gemahlenen Graphitfasern meist mit der Oberfläche der gemahlenen Graphitfasern kommunizieren und wobei die Menge an Lithiumionen, die zwischen den Graphitschichten eingefügt werden kann, wenigstens 75% der theoretischen Kapazität von Graphit entspricht.
5. Negative Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die negative Elektrode eine Ladungs- oder Entladungskapazität bei einer bei einer Stromdichte von 100 mA/g durchgeführten Ladung oder Entladung aufweist, die wenigstens 85% der Kapazität der bei einer Stromdichte von 35 mA/g durchgeführten Ladung oder Entladung beträgt.
6. Negative Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die negative Elektrode eine Ladungs- oder Entladungskapazität bei einer Stromdichte von 600 mA/g aufweist, die wenigstens 85% der Kapazität der bei einer Stromdichte von 35 mA/g ausgeführten Ladung oder Entladung beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode, umfassend das Verspinnen eines Mesophasenpechs bei einer Viskosität von 0,5 bis 5 Pa · s (5 bis 50 Poise) mit hoher Geschwindigkeit und Abschrecken zu einer Mesophasenpechfaser, Unschmelzbarmachen der Mesophasenpechfaser durch Erhitzen auf Temperaturen, deren Maximum bei 200 bis 350ºC liegt, um dadurch eine unschmelzbar gemachte Pechfaser zu erhalten, Mahlen der unschmelzbar gemachten Pechfaser, wie sie ist, oder nach einer vorhergehenden Hitzebehandlung bei 300 bis 800ºC, um dadurch gemahlene unschmelzbar gemachte Pechfasern zu erhalten, Graphitisieren der gemahlenen unschmelzbar gemachten Pechfasern bei 2500ºC oder höher, um dadurch von Mesophasenpech erhaltene gemahlene Graphitfasern zu erhalten, und Mischen der von Mesophasenpech erhaltenen gemahlenen Graphitfasern mit einem Binder und Formen der Mischung in Form einer negativen Elektrode.
8. Verwendung der negativen Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 für eine Lithium-Sekundärbatterie.
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