JP2000251885A - 非水電解液二次電池用負極材料およびこれを用いる二次電池 - Google Patents
非水電解液二次電池用負極材料およびこれを用いる二次電池Info
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Abstract
することができかつ初期効率の高い非水電解液二次電池
用負極材料を得ることを主な目的とする。 【解決手段】(1)ピッチを主成分とする原料を熱反応に
供することにより得られ、(2)水素/炭素の原子比が0.3
5〜0.05であり、(3)BET法による比表面積が50m2/g以下
であることを特徴とする非水電解液二次電池用負極材
料。
Description
次電池に関し、より詳細には、リチウム二次電池の性能
を著しく向上させることができる新規な非水電解液二次
電池用負極材料に関する。
どに適したエネルギーの有効利用の観点から、深夜電力
の貯蔵、太陽光発電による電力貯蔵などを行うための家
庭用分散型蓄電システム、電気自動車のための蓄電シス
テムなどが注目を集めている。これら蓄電システムに用
いる二次電池としては、エネルギー容量が10Wh以下の携
帯機器用小型二次電池と比較して、大容量かつ大型のも
のが必要となる。例えば、携帯機器用小型二次電池の分
野では、小型かつ高容量のニーズに応えるべく、ニッケ
ル水素電池、リチウム二次電池などの新型電池の開発が
進んでおり、180Wh/l以上の体積エネルギー密度を有す
る電池が、市販されている。特にリチウムイオン電池
は、350Wh/lを超える高い体積エネルギー密度を発揮す
る可能性を有すること、安全性、サイクル特性などの信
頼性の点で、金属リチウムを負極に用いたリチウム二次
電池に比べて優れていることなどの理由により、その市
場は飛躍的に拡大している。
システム用大型電池の分野においても、高エネルギー密
度電池として、リチウムイオン電池の実用化に向けての
研究開発が、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合(LIBE
S)などにより精力的に進められている。
ルギー容量が100〜400Wh程度であり、携帯用小型リチウ
ムイオン電池の10〜100倍程度にも達するので、高エネ
ルギー密度の達成に加えて、安全性の確保および材料の
低コスト化に向けた各種材料の開発が活発に行われてい
る。
材料、炭素系材料および多環芳香族系共役構造物質(一
般に、低温処理炭素材料あるいはポリアセン系材料と呼
ばれている)が開発されており、特に、原料を550〜1000
℃程度の比較的低温において熱処理することにより得ら
れる多環芳香族系共役構造物質は、グラファイトの理論
容量であるC6Li(372mAh/g)を超える材料として、特に注
目を浴びている。
構造物質が開発されている。これら材料の原料として
は、フェノール樹脂、ポリパラフェニレン、ポリフェニ
レンスルフィド、メソカーボンマイクロビーズ、ピッチ
系繊維、コークスなどが用いられており、400mAh/gを超
える容量が得られている(“ポリマーバッテリーの最新
技術”、シーエムシー社発行(1998)、pp22-30)。
は、フェノール樹脂などの合成樹脂を出発原料とするも
のが、比較的高い容量を示している。例えば、Synth. M
et.,73(1995), pp273-277 が開示しているフェノール樹
脂を原料とするポリアセン系有機半導体では、1100mAh/
gのリチウムがドーピング可能であり、850mAh/gのリチ
ウムを脱ドープできる。また、150℃付近で起こる電解
液との反応による発熱ピークも小さく、安全性の高い材
料である。(第8回電池討論会予稿集(1997)、pp213-21
4)しかしながら、合成樹脂を出発原料とする場合に
は、その原料費が高いので、負極材料としての低コスト
化が困難であるという間題がある。
かつ大量に製造されているので、大型リチウム二次電池
用負極材料の原料として有望である。しかしながら、ピ
ッチあるいはコークスを原料とする多環芳香族系共役構
造物質は、容量および初期効率が未だ不十分であり、よ
り一層の高容量化と高効率化が望まれている。例えば、
8th International Meeting on Lithium Batteries Ext
end Abstracts(1996),pp174-175には、石油ピッチを原
料として、700℃で熱反応した多環芳香族系共役構造物
質が開示されているが、その容量は600mAh/gであり、効
率は60%以下と低い。
3), pp1179-1191には、石油ピッチを550℃および900℃
で熱反応した多環芳香族系共役構造物質が開示されてい
るが、C6Li(372mAh/g)を超える容量は、得られていな
い。
融化石油ピッチを原料として800℃で熱反応したH/C=0.1
2の多環芳香族系共役構造物質が得られているが、その
特性は、ドープ容量951mAh/g、脱ドープ量546mAh/g(放
電効率57.4%)であり、容量および効率のいずれもが低
い。
No.4(1995), pp1041-1046には、メソカーボンマイクロ
ビーズを700℃で熟反応した多環芳香族系共役構造物質
が開示されている。しかしながら、その容量は750mAh/g
に達しているものの、初期効率は62%と低い。また、メ
ソフェーズピッチ系炭素繊維前駆体を800〜1000℃で熱
処理する試みもなされているが、性能面だけでなく、コ
スト面からも高価なピッチ二次成形材料を原料とするこ
とは、実用的でない。
ストでありながら、高容量かつ高効率という特性を発揮
できるリチウム二次電池用負極材料は、未だ見出されて
いない。
価な原料を用いて、大量のリチウムをドープすることが
できかつ初期効率の高い非水電解液二次電池用負極材料
を得ることを主な目的とする。
技術の現状に留意しつつ、研究を重ねた結果、ピッチを
原料として熱反応により製造された特定の構造を持つ材
料が、非水系電解液二次電池用の負極材料として優れた
効果を発揮することを見出した。すなわち、本発明は、
下記の非水系電解液二次電池用負極材料を提供する。 1.(1)ピッチを主成分とする原料を熱反応に供するこ
とにより得られ、(2)水素/炭素の原子比が0.35〜0.05
であり、(3)BET法による比表面積が50m2/g以下であるこ
とを特徴とする非水電解液二次電池用負極材料。 2.(1)ピッチを主成分とする原料を不融化処理を行う
ことなく熱反応に供することにより得られ、(2)水素/炭
素の原子比が0.35〜0.05であり、(3)BET法による比表面
積が50m2/g以下であることを特徴とする非水電解液二次
電池用負極材料。
用負極材料(以下、「本発明負極材料」ということがあ
る)は、ピッチを熱反応に供することにより得られる多
環芳香族系共役構造物質である。
的の物性を有する負極材料を得ることができる限り、特
に限定されるものではないが、大別して石油系ピッチと
石炭系ピッチに分けられる。石油系ピッチとしては、原
油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイルな
ど)、サーマルクラッカーからのボトム油、ナフサクラ
ッキングの際に得られるエチレンタールなどを原料と
し、これら原料を熱処理により重縮合させてピッチ化し
たものが挙げられる。また、石炭系ピッチとしては、石
炭の乾留時に得られる油分であるコールタールを蒸留し
て、軽質分を流出させた残査であるストレートピッチあ
るいはこれにアントラセン油、タールなどを添加し、圧
力下に重縮合させたものが挙げられる。さらに、これら
ピッチを原料として合成されるメソフェーズピッチも、
本発明負極材料の製造原料として挙げることができる。
生産されており、主に製鉄用コークスバインダー、電極
用含浸材、コークス用原料、炭素繊維用原料、成形炭素
材科用バインダーなどの用途に用いられている。
を熱反応させて得られ、(2)水素/炭素の原子比が0.35〜
0.05の範囲にあり、(3)BET法による比表面積が50m2/g以
下であることを必須の要件とする。
不活性雰囲気中(真空を含む)で行う。反応温度は、原料
の種類/性状および温度以外の諸条件(昇温速度、反応
時間、反応雰囲気など)をも考慮して、水素/炭素の原
子比とBET法による比表面積が上記の範囲となる様に適
宜選択すれば良く、通常550〜750℃程度、より好ましく
は600〜700℃程度である。本発明負極材料の特性を決定
する主な条件は、熱反応温度であり、その他の条件は、
副次的な条件であるといえる。従って、これら副次的な
条件は、特に限定されるものではないが、昇温速度10〜
1000℃/h程度、より好ましくは50〜500℃/h程度、反応
時間(ピーク温度保持時間)1分〜20時間程度、より好ま
しくは30分〜10時間程度とすればよい。圧力は常圧でよ
いが、減圧あるいは加圧状態で行うことも可能である。
/炭素の原子比(以下「H/C」とする)が通常0.35〜0.05程
度、より好ましくは0.30〜0.10程度、さらに好ましくは
0.30〜0.15程度である。H/Cが上限値を上回る場合に
は、多環芳香族系共役構造が十分に発達していないの
で、容量および効率が低くなるのに対し、下限値を下回
る場合には、炭素化が過度に進行して、充分な容量が得
られない。
の元素(酸素、硫黄、窒素など)が含まれやすい。炭素材
料の特性を阻害しないためには、これら元素の合計重量
が20%以下、より好ましくは10%以下となる様に、原料
および反応条件を選定することが望ましい。例えば、こ
れらの不要元素含有量の少ない原料を使用したり、ある
いは熱反応中にこれらの不要元素が放出されやすい条件
を選択する。
は、50m2/g以下であることを必須とし、さらには30m2/g
以下かつ0.1m2/g以上であることがより好ましい。比表
面積が大きすぎる場合には、リチウムのドープおよび脱
ドープの初期効率が低下するのに対し、小さすぎる場合
には、リチウムのドープがスムーズに行われ難くなる。
ちなみに、従来報告されている多環芳香族系共役構造物
質は、一般に比表面積が炭素系材料および黒鉛系材料に
比して高く、50m2/gを上回るものが多い。この高い比表
面積を低下させて効率を高めるために、再度表面処理を
行う技術も開発されているが、この場合には、製造コス
トが高くなる。
応温度を上昇させると低下し、リチウムのドーブおよび
脱ドープの初期効率は高くなるが、その反面、容量は、
比表面積の低下に伴って、急激に滅少する。本発明負極
材料は、原料を1回の熱反応に供することにより、上述
のH/Cの範囲内において比表面積を50m2/g以下とするこ
とに特徴を有する。
を同時に充足する負極材料は、ピッチ原料の熱反応条件
(反応時間、昇温速度、雰囲気、圧力、反応時に生成す
るガス成分の反応系外への除去速度など)を制御するこ
とにより、製造することができる。特に、ピッチ原料を
選択することにより、反応操作を更に簡便に行うことが
できる。すなわち、一般にピッチを原料として炭素材料
を製造する際には、ピッチを100〜400℃程度の温度で空
気中で加熱するか、あるいは硝酸、硫酸などの酸化性液
体で処理するなどの操作を行うことにより、ピッチ原料
全体あるいはその表面を不融化処理(架橋処埋)した
後、不活性雰囲気中で熱処理している。本発明負極材料
を製造するために用いる原料ピッチは、生成物が上記の
特定H/C値と低い比表面積値とを同時に充足する様に、
不融化処理あるいは表面酸化をしていない状態で、その
まま熱反応に供することが望ましい。
ピッチの軟化点は、好ましくは70〜400℃程度、さらに
は好ましくは100〜350℃程度、特に好ましくは150〜300
℃程度である。ピッチの軟化点が低すぎる場合には、後
述する熱反応生成物の収量が低下するのに対し、上限値
を超える場合には、熱反応生成物の比表面積が増大しや
すい。
囲気下550〜750℃程度の温度で熱反応することにより、
行う。この熱反応による収率は、原料ピッチの種類など
により異なるが、60%以上であることが望ましい。この
負極材料の製造に際しては、原料ピッチの50重量%を超
えない範囲で、より好ましくは30重量%を超えない範囲
で、例えばフェノール樹脂などの合成樹脂、黒鉛などの
導電材などを混合し、熱反応することも、可能である。
本明細書において、「ピッチを主成分とする原料」と
は、ピッチ単独からなる原料のみならず、この様な混合
物含有ピッチをも意味する。熱反応により得られる生成
物は、結晶構造的には不定形である。
粒径となるまで、常法に従って、熱処理反応生成物をボ
ールミル、ジェットミルなどの粉砕器で粉砕し、さらに
必要ならば、分級する。粉砕物の平均粒径は、目的とす
る電池の形状、特性、電極の厚み、密度などを考慮して
決定されるが、通常30μm以下であり、より好ましくは2
0〜1μm程度である。粒径が小さすぎる場合には、電極
作製時の成形性が低下するおそれがある。
以上のリチウムをドープ可能であり、かつその内の65%
以上のリチウムが脱ドープ可能である。
ドープ量、脱ドープ量)は、負極材料を用いた電極を作
用極とし、対極と参照極としてリチウム金属を用いた電
気化学セルを組み立て、後述の非水系電解液中におい
て、リチウム金属電位に対し1mVの電位で定電圧を印加
し、電流値が充分に小さく(例えば0.01mA/cm2)なるまで
リチウムをドープした後、充分に遅い速度(例えぱ0.25m
A/cm2)でリチウム金属電位に対し、2Vまで脱ドープする
ことにより、測定される。
対象としての非水電解液二次電池は、特に限定されるも
のではない。例えば、本発明の負極材料を用いた負極、
公知の正極および公知の非水系電解液と組み合わせて、
リチウム二次電池を製造することができる。高電圧と高
容量のリチウム二次電池を得るために、正極としてはLi
CoO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNiO2などのリチウム複合酸
化物を用いることが好ましい。また、負極中の本発明負
極材料中にあらかじめリチウムをドープした状態で、電
池を組み立てることも可能であり、さらに負極上にリチ
ウム金属を張り合わせるなどの方法により、電池組立後
に本発明負極材料にリチウムをドープすることも可能で
ある。
を含む非水系電解液が用いられる。電解液の種類は、正
極材料の種類、負極材料の性状、充電電圧などの使用条
件などに応じて、適宜決定される。電解液としては、例
えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4などのリチウム塩をプロピ
レンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカ
ーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカー
ボネート、ジメトキシエタン、γ-ブチロラクトン、酢
酸メチル、蟻酸メチルなどの1種または2種以上からな
る有機溶媒に溶解したものが、好ましい。
の特徴とするところをさらに明確にする。 実施例1 石炭系等方性ピッチ(大阪ガス株式会社製、軟化点280
℃)をコーヒーミルで粉砕し、粒度1mm以下のピッチ原料
を得た。このピッチ粉末60gを黒鉛製の皿に入れ、この
皿を小型円筒炉(炉心管内径100mm)内に配置して、熱反
応に供した。熱反応は、窒素雰囲気下で行い、窒素流量
は0.5リットル/分とした。熱反応は、100℃/時間の速度
で、炉心管内温が室温から634℃となるまで昇温し、同
温度で4時間保持した後、自然冷却により、60℃まで冷
却し、皿を炉から取り出した。得られた生成物は、原料
の形状を留めておらず、不定形な不溶不融性固体であっ
た。収量は43.8gであり、収率は73%であった。
平均粒度7μmまで粉砕し、負極材料を得た。得られた負
極材料について、元素分析(測定使用機:パーキンエル
マー製元素分析装置「PE2400 シリーズII、CHNS/
O)、およびBET法による比表面積(測定使用機:ユアサ
アイオニクス杜製「NOVA1200」)の測定を行った。結果
を表1に示す。
びPVdF10重量部をNMP120重量部と混合し、負極合材スラ
リーを得た。このスラリーを厚さ14μmの銅箔の片面に
塗布し、乾燥した後、プレス加工して厚さ65μmの電極
を得た。
チウムを対極と参照極とに用い、電解液としてエチレン
カーボネートとジエチルカーボネートとを1:1(重量比)
で混合した溶媒に1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液
を用いて、電気化学セルをアルゴンドライボックス中で
作成した。リチウムのドーピングは、リチウム電位に対
して1mVになるまで0.25mA/cm2の速度で行い、さらにリ
チウム電位に対して1mVの定電圧を20時間印加して、ド
ーピングを終了した。次いで、0.25mA/cm2の速度でリチ
ウム電位に対して2Vまで脱ドーピングを行った。結果を
表1に示す。 実施例2 ピッチ原料の熱反応温度を668℃とする以外は実施例1
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は42.6gであり、収率は71%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 実施例3 ピッチ原料の熱反応温度を694℃とする以外は実施例1
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は43.8gであり、収率は73%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表lに
示す。 実施例4 ピッチ原料の熱反応温度を620℃とする以外は実施例l
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は44.4gであり、収率は74%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 実施例5 ピッチ原料の熱反応温度を603℃とする以外は実施例1
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は45gであり、収率は75%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 比較例1 ピッチ原料の熱反応温度を350℃とする以外は実施例1
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は42gであり、収率は70%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 比較例2 ピッチ原料に代えて、150℃で硬化したレゾール型フェ
ノール樹脂粉末を用いる以外は実施例1と同様にして熱
反応を行い、不溶不融性固体を得た。収量は34gであ
り、収率は57%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 比較例3 ピッチ原料に代えて、ノボラック型フェノール樹脂粉末
(硬化剤なし、一般にノンヘキサと呼ぱれる)を用いる以
外は実施例1と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固
体を得た。収量は23gであり、収率は38%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 比較例4 ピッチ原料の熱反応温度を550℃とする以外は実施例1
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は47.4gであり、収率は79%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。 比較例5 ピッチ原料の熱反応温度を800℃とする以外は実施例1
と同様にして熱反応を行い、不溶不融性固体を得た。収
量は42gであり、収率は65%であった。
し、リチウムのドーピング量および脱ドーピング量を測
定した。負極材料の諸物性と併せて、その結果を表1に
示す。
ピッチを用いた、特定の構造を有する負極材料が得られ
る。この材料は、安価で、かつ大量のリチウムをドープ
することが可能であるので、これを使用する非水系電解
液二次電池の高容量化、高効率化、低コスト化に貢献で
きる。
Claims (8)
- 【請求項1】(1)ピッチを主成分とする原料を熱反応に
供することにより得られ、(2)水素/炭素の原子比が0.3
5〜0.05であり、(3)BET法による比表面積が50m2/g以下
であることを特徴とする非水電解液二次電池用負極材
料。 - 【請求項2】(1)ピッチを主成分とする原料を不融化処
理を行うことなく熱反応に供することにより得られ、
(2)水素/炭素の原子比が0.35〜0.05であり、(3)BET法に
よる比表面積が50m2/g以下であることを特徴とする非水
電解液二次電池用負極材料。 - 【請求項3】ピッチを主成分とする原料の熱反応を不活
性雰囲気下で行い、かつ熱反応温度を550〜750℃の範囲
内とする請求項1または2に記載の非水電解液二次電池
用負極材料。 - 【請求項4】水素/炭素の原子比が、0.30〜0.10である
請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解液二次電池用
負極材料。 - 【請求項5】リチウムを1000mAh/g以上ドープすること
が可能であり、かつドープしたリチウムの65%以上が脱
ドープ可能である請求項1〜4のいずれかに記載の非水
電解液二次電池用負極材料。 - 【請求項6】軟化点70〜400℃のピッチを原料とするこ
とを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水電
解液二次電池用負極材料。 - 【請求項7】熱反応後に粉砕して得られる粒子の平均粒
径が30μm以下である請求項1〜6のいずれかに記載の
非水電解液二次電池用負極材料。 - 【請求項8】請求項1〜7のいずれかに記載された非水
電解液二次電池用負極材料を用いる非水電解液二次電
池。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11046699A JP2000251885A (ja) | 1999-02-24 | 1999-02-24 | 非水電解液二次電池用負極材料およびこれを用いる二次電池 |
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JP (1) | JP2000251885A (ja) |
Cited By (5)
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