JP2001229927A - Lithium ion secondary battery having negative electrode containing carbon material and method of identifying carbon material - Google Patents
Lithium ion secondary battery having negative electrode containing carbon material and method of identifying carbon materialInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン２
次電池の負極電極材料に関し、さらに詳しくは、負極電
極として好適な炭素材料を用いたリチウムイオン２次電
池及びその炭素材料の識別方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
More specifically, the present invention relates to a lithium ion secondary battery using a carbon material suitable for a negative electrode and a method for identifying the carbon material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、リチウムイオン２次電池は，ノー
トパソコン，携帯電話，電気自動車等のバッテリーとし
て用途が拡大しており、それに伴って容量の増大、小型
軽量化及び低価格化等の要求が益々高まっており、その
ためには負極材料の高性能化が不可欠である。ところ
で、リチウムイオン２次電池の負極材料に要求される特
性としては、（１）リチウムの吸蔵・放出量が多いこ
と、（２）リチウムの吸蔵・放出の速度が速いこと、
（３）吸蔵・放出時の膨張・収縮が小さいこと、（４）
初期充電・放電効率が高いこと等が挙げられる。これら
の特性を有する負極材料として、現在、黒鉛、易黒鉛化
性炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化性炭素（ハードカ
ーボン）等の炭素材料が使用されている。しかしなが
ら、リチウムイオン２次電池におけるリチウムの吸蔵構
造や機構は未だ十分に判明していない。2. Description of the Related Art In recent years, the use of lithium ion secondary batteries as batteries for notebook computers, mobile phones, electric vehicles, and the like has been expanding, and accordingly, demands for an increase in capacity, a reduction in size and weight, and a reduction in price have been made. And the performance of the anode material is indispensable. By the way, characteristics required for a negative electrode material of a lithium ion secondary battery include (1) a large amount of occlusion / release of lithium, (2) a high speed of occlusion / release of lithium,
(3) small expansion and contraction during occlusion and release; (4)
High initial charge / discharge efficiency; At present, carbon materials such as graphite, graphitizable carbon (soft carbon), and non-graphitizable carbon (hard carbon) are used as negative electrode materials having these characteristics. However, the structure and mechanism of lithium occlusion in a lithium ion secondary battery have not yet been sufficiently clarified.
【０００３】リチウムイオン２次電池の機能をさらに向
上させるには、リチウムの吸蔵の構造や機構について解
明することが不可欠であるが、負極材として用いられる
炭素材料は不定形であるために実験的な解析では極めて
困難を伴うものである。そこで、リチウムイオン吸蔵に
最適な炭素材料の化学構造や形態に関して解明すること
が求められている。[0003] In order to further improve the function of a lithium ion secondary battery, it is essential to clarify the structure and mechanism of lithium occlusion. However, since the carbon material used as the negative electrode material is indefinite, it has been experimentally required. Such analysis is extremely difficult. Therefore, it is required to clarify the chemical structure and morphology of a carbon material that is optimal for lithium ion storage.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
における上記した実状に鑑みてなされたものである。す
なわち、本発明の目的は、小型でも容量が大きく、かつ
耐久性に優れた高性能なリチウムイオン２次電池を提供
することにある。また、 本発明の他の目的は、小型化
及び高性能化できるリチウムイオン２次電池の負極に、
好適な化学構造及び形状を持つ炭素材料を判別する識別
方法を提供することにある。さらに、 本発明の他の目
的は、小型で高性能なリチウムイオン２次電池として、
負極に上記識別方法により選別された化学構造及び形状
を持つ炭素材料を使用する方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above situation in the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a high-performance lithium-ion secondary battery having a small capacity, a large capacity, and excellent durability. Another object of the present invention is to provide a negative electrode of a lithium ion secondary battery that can be reduced in size and improved in performance.
An object of the present invention is to provide an identification method for determining a carbon material having a suitable chemical structure and shape. Further, another object of the present invention is to provide a small and high performance lithium ion secondary battery.
An object of the present invention is to provide a method of using a carbon material having a chemical structure and a shape selected by the above-described identification method for a negative electrode.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、リチウム
イオン吸蔵に最も適した炭素材料の形状及び構造を解明
するべく鋭意研究を重ねた結果、量子化学計算の手法を
用いることにより、リチウムイオン２次電池の負極炭素
材料のリチウム吸蔵の構造や機構について知見し、それ
によって、リチウムイオン２次電池の性能を向上させる
負極材料として好適な炭素構造を見出し、本発明を完成
するに至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to elucidate the shape and structure of a carbon material most suitable for storing lithium ions. We learned the structure and mechanism of lithium occlusion of the negative electrode carbon material of the ion secondary battery, and thereby found a carbon structure suitable as a negative electrode material for improving the performance of the lithium ion secondary battery, and completed the present invention. .
【０００６】すなわち、本発明のリチウムイオン２次電
池は、負極に炭素材料を含むリチウムイオン２次電池で
あって、該炭素材料として、量子化学計算の手法による
最高被占軌道(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)
値が、リチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる値ま
たはそれに近接する値を有する縮合多環芳香族化合物を
用いたことを特徴とする。また、本発明のリチウムイオ
ン２次電池の負極に用いる炭素材料の識別方法は、該炭
素材料として、量子化学計算の手法により、６員炭素芳
香環が縮合したそれぞれの炭素骨格構造の最高被占軌道
(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)値を求め、こ
れらの値がリチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる
値またはその領域帯に近接した値を有する炭素骨格構造
からなる縮合多環芳香族化合物を選別することを特徴と
する。さらに、本発明は、リチウムイオン２次電池の負
極炭素材料として上記の縮合多環芳香族化合物を使用す
ることを特徴とする。That is, the lithium ion secondary battery of the present invention is a lithium ion secondary battery including a carbon material in the negative electrode, wherein the carbon material has the highest occupied orbital (HOMO) value and a HOMO value by a quantum chemical calculation technique. Lowest free orbit (LUMO)
A condensed polycyclic aromatic compound having a value included in orbital energy range of lithium or a value close thereto is used. The method for identifying a carbon material used for the negative electrode of the lithium ion secondary battery according to the present invention is characterized in that the carbon material has a maximum occupancy of each carbon skeleton structure to which a 6-membered carbon aromatic ring is condensed by a quantum chemical calculation method. Orbit
(HOMO) value and lowest unoccupied orbital (LUMO) value are obtained, and these values have a value included in orbital energy region band of lithium or a value close to the region band. Is selected. Furthermore, the present invention is characterized in that the above-mentioned condensed polycyclic aromatic compound is used as a carbon material for a negative electrode of a lithium ion secondary battery.
【０００７】[0007]
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。リチウムイオン２次電池の性能を向上させるに
は、負極に使用される炭素材料に好適な化学構造の存在
を明らかにする必要があるとの観点から、本発明者ら
は、量子化学計算の手法を用いて、炭素材料の化学構造
を究明することとした。本発明では、量子化学計算の手
法によって好適な化学構造を持つ化学物質を計算により
見出すには、量子化学計算プログラム（ＱーChem Inc.
社製プログラム：Ｑ−Chem）で制限ハートリィー・フォ
ック(Restricted HartreeーFock : ＲＨＦ)法の３ー２
１Ｇを用いて行ったが、他の公知の量子化学計算プログ
ラムも同様に使用可能である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail. From the viewpoint that it is necessary to clarify the existence of a chemical structure suitable for a carbon material used for a negative electrode in order to improve the performance of a lithium ion secondary battery, the present inventors have proposed a method of quantum chemical calculation. Was used to determine the chemical structure of the carbon material. In the present invention, in order to find out by calculation the chemical substance having a suitable chemical structure by the method of quantum chemical calculation, a quantum chemical calculation program (Q-Chem Inc.
3-2 of the Restricted Hartree-Fock (RHF) method with the company program: Q-Chem
Although performed using 1G, other known quantum chemistry calculation programs can be used as well.
【０００８】本発明に用いた量子化学計算の手法は、リ
チウムイオン２次電池の性能を向上させる負極の炭素材
料に適合した化学構造を求めるために、種々の炭素骨格
モデルについて、その最高被占軌道(Highest Occupied
Molecular Orbital :ＨＯＭＯ)値及び最低空軌道(Lowes
t Unoccupied Molecular Orbital : ＬＵＭＯ）値の計
算を行った。その炭素骨格モデルとしては、炭素原子の
みで形成される６員環からなる炭素芳香環同士が互いに
連続して面結合している縮合多環芳香族化合物群を用い
て、それぞれのＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を計算し、リチ
ウムの軌道エネルギーと対比する方法を採用した。な
お、炭素骨格モデルの計算において、エネルギー表記
は、原子単位である１ a.u.＝１ hartree＝27.2116 eＶ
＝627.5095kcal ／molを用いた。The method of quantum chemical calculation used in the present invention uses the highest occupancy of various carbon skeleton models in order to obtain a chemical structure suitable for the carbon material of the negative electrode for improving the performance of the lithium ion secondary battery. Orbit (Highest Occupied
Molecular Orbital (HOMO) value and lowest free orbit (Lowes)
t Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) value was calculated. As the carbon skeleton model, a HOMO value and a LUMO value of each of the condensed polycyclic aromatic compounds in which six-membered carbon aromatic rings formed only of carbon atoms are continuously and plane-bonded to each other are used. The value was calculated and compared with the orbital energy of lithium. In the calculation of the carbon skeleton model, the energy notation is expressed as 1 au = 1 hartree = 27.2116 eV which is an atomic unit.
= 627.5095 kcal / mol was used.
【０００９】本発明において、リチウムイオン２次電池
の性能を向上させる負極の炭素材料としては、リチウム
イオンの吸蔵及び放出を容易にするリチウム原子（Ｌ
i）の軌道エネルギー領域帯内に含まれるか、または、
その領域帯に近接するＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を有する
化学構造からなる縮合多環芳香族化合物を使用するもの
である。このリチウム原子の軌道エネルギー領域帯は、
Ｌi :−0.146 a.u. (Single Occupied Molecular Orbit
al : ＳＯＭＯ）とＬi+ :−0.196 a.u.(ＬＵＭＯ)の範
囲内であるから、種々の炭素骨格モデルについて、それ
らのＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を計算することにより、上
記の条件に適合する化学構造からなる縮合多環芳香族化
合物を求めることとした。なお、Ｌi+は、ＲＨＦ／３−
２１Ｇにおいては−0.194 a.u.であるが、ＲＨＦ／６−
３１１Ｇにおいては−0.196 a.u.である。In the present invention, as a carbon material of the negative electrode for improving the performance of the lithium ion secondary battery, a lithium atom (L) for facilitating occlusion and release of lithium ions is used.
included in the orbital energy zone of i), or
A condensed polycyclic aromatic compound having a chemical structure having a HOMO value and a LUMO value close to the region band is used. The orbital energy range of this lithium atom is
Li: -0.146 au (Single Occupied Molecular Orbit
al: SOMO) and Li +: -0.196 au (LUMO), so that for various carbon skeleton models, their HOMO and LUMO values are calculated to form a chemical structure that meets the above conditions. A condensed polycyclic aromatic compound was determined. Note that Li + is RHF / 3−
In 21G, it is -0.194 au, but RHF / 6-
In 311G, it is -0.196 au.
【００１０】実際に計算を行った炭素骨格モデル４９種
の化学構造式を、下記表１及び表２に示す。なお、表中
のＴＢＣは、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンであ
り、また、ＴＢＣｎ（ｎは正の整数である。）について
は、後述するように、ＴＢＣの構造をｎ個有することを
意味する。Tables 1 and 2 below show the chemical formulas of 49 kinds of carbon skeleton models actually calculated. Note that TBC in the table is tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene, and TBCn (n is a positive integer) has n TBC structures as described later. Means that.
【００１１】[0011]
【表１】 [Table 1]
【００１２】[0012]
【表２】 [Table 2]
【００１３】さらに、リチウムと、計算を行った４９種
の炭素骨格モデルのＨＯＭＯ及びＬＵＭＯの軌道エネル
ギー値を、下記表３及び表４に示す。The HOMO and LUMO orbital energies of lithium and the 49 calculated carbon skeleton models are shown in Tables 3 and 4 below.
【表３】 [Table 3]
【００１４】[0014]
【表４】 [Table 4]
【００１５】さらに、図１には、実際に計算した炭素骨
格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯの軌道エネルギー値（単
位：a.u.）の関係をプロットしたグラフを示す。横軸
は、炭素骨格モデルの炭素数を示し、縦軸は、それぞれ
の炭素骨格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯの軌道エネルギ
ー値である．なお、炭素数が０のものは、リチウムのそ
れぞれの状態における軌道エネルギーを示している。FIG. 1 is a graph plotting the relationship between orbital energy values (unit: au) of HOMO and LUMO of the carbon skeleton model actually calculated. The horizontal axis shows the number of carbon atoms in the carbon skeleton model, and the vertical axis shows the orbital energy values of HOMO and LUMO of each carbon skeleton model. In addition, the thing of 0 carbon numbers shows the orbital energy in each state of lithium.
【００１６】炭素骨格モデル４９種の中で、リチウム原
子の軌道エネルギー領域帯である、−0.146〜−0.194
(−0.196) a.u.の範囲に含まれる最小構造ユニットを持
つ炭素骨格モデルはピレン(Pyrene)であった。そこで、
本発明において求める炭素材料の構造上の特徴は、基本
構築ユニットとしてピレン(Pyrene)が存在している点に
ある。ピレンを基本最小単位構築ユニットして考えれ
ば、Ｌiの軌道エネルギーに由来する範囲内に入る構造
は、容易に構築可能である。このピレンを基本最小ユニ
ットと考えれば、２次元展開−面として様々な形態を持
つものを創製することが可能となる。Of the 49 carbon skeleton models, the orbital energy region band of lithium atoms, -0.146 to -0.194
The carbon skeleton model having the smallest structural unit included in the range of (−0.196) au was pyrene. Therefore,
The structural feature of the carbon material required in the present invention lies in the presence of Pyrene as a basic building unit. If pyrene is considered as a basic minimum unit building unit, a structure falling within the range derived from the orbital energy of Li can be easily built. If this pyrene is considered as a basic minimum unit, it is possible to create one having various forms as a two-dimensional development-plane.
【００１７】炭素骨格モデルについて探索したところ、
ある特定の構造の４量体形式（重複していても良い。）
のものは、目的とするＬiの軌道エネルギー領域帯と特
異的に重なり合っていることが分かる。これらの事実か
ら、本発明におけるリチウムイオン２次電池の性能を向
上させる負極材の炭素材料に好適な化学構造は、単位構
造ユニットとして、下記（１）で示されるピレンまたは
下記（２）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロ
ネン(tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene :ＴＢＣ)を基
本形として有するものである。When searching for a carbon skeleton model,
Tetramer form of a specific structure (may overlap)
It can be seen that the superconductors specifically overlap with the target orbital energy region band of Li. From these facts, the chemical structure suitable for the carbon material of the negative electrode material for improving the performance of the lithium ion secondary battery in the present invention is shown as pyrene represented by the following (1) or (2) below as a unit structural unit. Has the basic form of tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TBC).
【００１８】[0018]
【化４】 Embedded image
【００１９】[0019]
【化５】 Embedded image
【００２０】そこで、２次元展開について、ピレン系と
ＴＢＣ系の２種に分けて説明する。先ず、ピレン系で
は、最小単位モデルとしてのピレンがある。次の候補と
して、ピレンの４量体等が考えられるが、これらは炭素
骨格モデルのＬＵＭＯの軌道エネルギーを特異的に著し
く低下させることが可能である。ただし、ある特定の構
造の４量体形式のものでは、炭素数７０程度の大きさ迄
にはピレンのほかに該当するものは見い出せなかった。Therefore, the two-dimensional expansion will be described separately for the two types of pyrene and TBC. First, in the pyrene system, there is pyrene as a minimum unit model. As the next candidate, a tetramer of pyrene or the like can be considered, and these can specifically and significantly reduce the LUMO orbital energy of the carbon skeleton model. However, in the tetramer form having a specific structure, no applicable substance other than pyrene was found up to about 70 carbon atoms.
【００２１】次に見い出された炭素骨格モデルは、コロ
ネン(Coronene)の４量体である。これは、ＬＵＭＯが−
0.188 a.u.であり、探索した数値範囲内に入るものであ
る。ところが、それより大きいモデルについては，急激
な炭素数の増加を招き、計算機資源の物理的な制約から
計算不能であった。それと同時に、ある特定の構造の４
量体形式を満たすためには、基礎構造が複雑になるばか
りでなく、とびとびの炭素数を有するものと考えられる
ため、これ以上、この系列の探求は極めて困難であると
推測される。The carbon skeleton model found next is a tetramer of Coronene. This is because LUMO
0.188 au, which falls within the searched numerical range. However, a larger model resulted in a sudden increase in the carbon number, and could not be calculated due to physical restrictions on computer resources. At the same time, 4
In order to satisfy the monomer form, not only the basic structure is complicated, but also it is thought that it has a discrete carbon number. Therefore, it is presumed that further exploration of this series is extremely difficult.
【００２２】次に、ＴＢＣ系については、炭素環の展開
方向の問題が発生する。最近、ソニー社の電極開発研究
において、竹が炭素電極材として優れた材料になるとい
う報告があった（化工日，1999.11.09, 日経，1999.11.
30，化学と工業，1999, 52(2), 171）。そこで、この実
験結果に着目し，この意味するところは、ある種の植物
細胞由来の炭素骨格は一定方向に延びている点にあると
推定し、特定方向に伸長させたモデルを計算することに
した。なお、化学構造の名称付与が複雑なものとなるた
め、下記に示す表記方法を用いた。Next, in the case of the TBC system, there arises a problem of the direction of development of the carbocycle. Recently, in Sony's electrode development research, it was reported that bamboo would be an excellent material for carbon electrodes (Kakodate, November 11, 1999, Nikkei, November 1999.
30, Chemistry and Industry, 1999, 52 (2), 171). Therefore, focusing on the experimental results, it is assumed that the carbon skeleton derived from a certain plant cell extends in a certain direction, and to calculate a model extended in a specific direction. did. In addition, since the naming of a chemical structure becomes complicated, the following notation was used.
【００２３】[0023]
【化６】 上記の表記法においては、４連続する６員環部分（表
記：４）と３連続する６員環部分（表記：３）を数値で
表し、３連続部分を数えるのみで構造を一義的に規定す
ることが可能となる。例えば、３連続部分が２個であれ
ば、下記に示す表記方法となる。以下、この表記方法を
使用する。Embedded image In the above notation, four consecutive six-membered ring portions (notation: 4) and three consecutive six-membered ring portions (notation: 3) are represented by numerical values, and the structure is uniquely defined only by counting the three consecutive portions. It is possible to do. For example, if there are two consecutive portions, the following notation is used. Hereinafter, this notation is used.
【００２４】[0024]
【化７】 Embedded image
【００２５】ＴＢＣ系の計算結果については、下記表５
及び図２に示す。図２は、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]
コロネン(tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene : ＴＢＣ)
を基本構築ユニットとするＴＢＣｎ（ｎは、ＴＢＣの構
造の数である。）の長さ（横軸）とＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ
の軌道エネルギー（縦軸）の関係を示す図である。な
お、長さが０のものは、リチウムのそれぞれの状態にお
ける軌道エネルギーを示している。The calculation results of the TBC system are shown in Table 5 below.
And FIG. Figure 2 shows tetrabenzo [bc, ef, kl, no]
Coronene (tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene: TBC)
(Where n is the number of TBC structures) and the HOMO-LUMO
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between orbital energies (vertical axis). In addition, the thing of length 0 has shown the orbital energy in each state of lithium.
【００２６】[0026]
【表５】 [Table 5]
【００２７】３連続部分が３個以上になると、炭素骨格
モデルのＬＵＭＯの軌道エネルギーが、Ｌiの軌道エネ
ルギーに由来する数値範囲内に入り、また、３連続部分
が６個以上になると、炭素骨格モデルのＨＯＭＯ及びＬ
ＵＭＯの軌道エネルギーが、Ｌiの軌道エネルギーに由
来する数値範囲内に入るようになる。それより大きいモ
デル構造については、全てこの数値範囲内に含まれる。
この結果は、伸長方向の最小の長さを示すものである。
言い換えれば，伸長した炭素骨格モデルを考えた際、３
連続部分が６：28.30Åの長さ（総表面積：119.64
Å２）を有する最小炭素骨格モデル以上の炭素骨格を入
手すればよいことになる。When the number of three continuous parts becomes three or more, the LUMO orbital energy of the carbon skeleton model falls within the numerical range derived from the orbital energy of Li, and when the number of three continuous parts becomes six or more, the carbon skeleton increases. HOMO and L of model
The orbital energy of the UMO falls within the numerical range derived from the orbital energy of Li. All larger model structures fall within this numerical range.
This result indicates the minimum length in the extension direction.
In other words, considering the extended carbon skeleton model,
The continuous part is 6: 28.30mm long (total surface area: 119.64)
It suffices to obtain a carbon skeleton larger than the minimum carbon skeleton model having Å 2 ).
【００２８】上記の結果及び図面から、本発明のリチウ
ムイオン２次電池の負極に用いる炭素材料には、Ｌiの
軌道エネルギー（−0.146〜−0.196 a.u.）の範囲内に
入る最小構造ユニットとして、前記構造式（１）または
（２）で示される炭素骨格を基本形として有する縮合多
環芳香族化合物が好ましく、なかでも、化学構造式中に
ベイ構造(Ａ)とエッジ構造（Ｂ）を同時に持つ縮合多環
芳香族化合物がより好ましい。From the above results and drawings, the carbon material used for the negative electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention has the minimum structural unit falling within the range of the Li orbital energy (-0.146 to -0.196 au). A condensed polycyclic aromatic compound having a carbon skeleton represented by the structural formula (1) or (2) as a basic form is preferable. Among them, a condensation having a bay structure (A) and an edge structure (B) in a chemical structural formula at the same time Polycyclic aromatic compounds are more preferred.
【００２９】本発明において、ベイ構造とは、縮合多環
芳香族化合物の中で、下記の化学構造式（４）の化学構
造中に、ベイ構造（Ａ）として示す囲まれた横方向部分
のように、６員環からなる炭素環の最上面が横方向に凸
面と凹面を交互に繰り返し規則正しく形成している化学
構造をいう。また、エッジ構造とは、同じく、下記化学
構造式（４）中にエッジ構造（Ｂ）として示す囲まれた
縦方向部分のように、６員環からなる炭素環の最表面の
炭素原子が同一面に連続して規則正しく並んだ化学構造
をいう。In the present invention, the term “bay structure” refers to a condensed polycyclic aromatic compound in the chemical structure represented by the following chemical structural formula (4): As described above, it refers to a chemical structure in which the uppermost surface of a six-membered carbon ring alternately and regularly forms a convex surface and a concave surface in a lateral direction. In addition, the edge structure is also the same as the surrounded vertical portion shown as the edge structure (B) in the following chemical structural formula (4), in which the carbon atoms on the outermost surface of the six-membered carbon ring are the same. A chemical structure that is regularly arranged on a surface.
【００３０】[0030]
【化８】 Embedded image
【００３１】本発明において探求した炭素材料の中で、
化学構造式中にベイ構造(Ａ)とエッジ構造（Ｂ）を同時
に持つ縮合多環芳香族化合物としては、前記構造式
（２）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
構造を最小単位とし、これを化学構造式中に１〜８個有
する縮合多環芳香族化合物がより好ましく、最も好まし
いものは、下記構造式（３）で示されるテトラベンゾ[b
c,ef,kl,no]コロネン構造を６個有する化合物（ＴＢＣ
６）であった。Among the carbon materials sought in the present invention,
As the condensed polycyclic aromatic compound having both the bay structure (A) and the edge structure (B) in the chemical structural formula, a tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene structure represented by the structural formula (2) is used. A condensed polycyclic aromatic compound having a minimum unit of 1 to 8 in the chemical structural formula is more preferable, and the most preferable is a tetrabenzo [b represented by the following structural formula (3).
c, ef, kl, no] Compound having six coronene structures (TBC
6).
【００３２】[0032]
【化９】 Embedded image
【００３３】本発明におけるＨＯＭＯとＬＵＭＯによる
炭素骨格モデルの探索過程において、Ｌiの軌道エネル
ギー：−0.146〜−0.196 a.u.の範囲内に入るための幾
つかの重要な炭素材料の化学構造に関する知見を得た。
それらを集約すると、主に、次の６点である。 1. 基本ユニット構造は、ピレンである。 2. ２次元展開を行うための基本形構造は，ピレン及び4
-3-4型のテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン（ＴＢ
Ｃ）である。 3. ある特定の構造の４量体形式のもの（重複していて
も良い。）が、特異的にＬiの軌道エネルギーの数値範
囲内に含まれる。 4. ピレンを基本構造とする場合は、ピレンとテトラコ
ロネンが充足する。 5. 4−3−4型のテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
（ＴＢＣ）を基本構造とするものは、特定方向に伸長し
た構造を持つ場合に、特異的にＬiの軌道エネルギーの
数値範囲内に入るように調節できる。 6. 伸長を行った4−3−4型のポリＴＢＣ系は、３連続部
分が６：28.30Åの長さ（総表面積：119.64Å２）であ
り、これらの数値は最小値である。In the process of searching for a carbon skeleton model by HOMO and LUMO in the present invention, knowledge on the chemical structures of several important carbon materials to enter the orbital energy of Li: -0.146 to -0.196 au was obtained. Was.
These are mainly the following six points. 1. The basic unit structure is pyrene. 2. The basic structures for two-dimensional expansion are pyrene and 4
-3-4 type tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TB
C). 3. The tetramer form of a specific structure (which may overlap) is specifically included in the numerical range of Li orbital energies. 4. When pyrene is used as the basic structure, pyrene and tetracoronene are sufficient. 5. Those having the basic structure of tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TBC) of the type 4-3-4, when having a structure elongated in a specific direction, specifically have a Li orbital energy. It can be adjusted to fall within the numerical range. 6. The stretched 4-3-4 type poly TBC system has a length of 6: 28.30Å in 3 consecutive portions (total surface area: 119.64Å 2 ), and these figures are the minimum values.
【００３４】[0034]
【発明の効果】本発明によれば、リチウムイオン２次電
池の負極に用いる炭素材料として、好適な縮合多環芳香
族化合物の化学構造を明確に示すことができたから、小
型で高性能なリチウムイオン２次電池の製作に、大きく
貢献できるものである。すなわち、本発明では、炭素質
材料として、リチウム原子の軌道エネルギーの範囲内に
収まる縮合多環芳香族化合物の炭素骨格を見出すことが
できたから、分子設計が容易になり、それらの炭素骨格
を持つ縮合多環芳香族化合物を用いて形成した層状体を
重ね合わせて得られた炭素質材料の積層体を負極材に用
いると、リチウムの移動が極めて容易になるため、小型
でも大容量かつ長寿命を有するという高性能のリチウム
イオン２次電池の製作が可能である。According to the present invention, the chemical structure of a condensed polycyclic aromatic compound suitable as a carbon material for use in a negative electrode of a lithium ion secondary battery can be clearly shown. This can greatly contribute to the production of an ion secondary battery. That is, in the present invention, as the carbonaceous material, the carbon skeleton of the condensed polycyclic aromatic compound falling within the range of the orbital energy of the lithium atom could be found. When a laminate of carbonaceous materials obtained by laminating layered bodies formed using a condensed polycyclic aromatic compound is used as a negative electrode material, lithium can be extremely easily transferred, so that even a small size has a large capacity and a long life. It is possible to manufacture a high performance lithium ion secondary battery having the following.
【図１】 種々の炭素骨格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯ
の軌道エネルギー（単位：a.u.）の関係を示すグラフで
ある。Fig. 1 HOMO and LUMO of various carbon skeleton models
3 is a graph showing the relationship between orbital energies (unit: au).
【図２】 テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン（ＴＢ
Ｃ）を基本構築単位とするＴＢＣｎの長さ（横軸）とＨ
ＯＭＯ−ＬＵＭＯの軌道エネルギー（縦軸）の関係を示
すグラフである。Fig. 2 Tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TB
The length (horizontal axis) of TBCn and H
It is a graph which shows the relationship of the orbital energy (vertical axis) of OMO-LUMO.
Claims (8)
次電池において、該炭素材料として、量子化学計算の手
法による最高被占軌道(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(Ｌ
ＵＭＯ)値が、リチウムの軌道エネルギー領域帯に含ま
れる値またはそれに近接する値を有する縮合多環芳香族
化合物を用いたことを特徴とするリチウムイオン２次電
池。A lithium ion containing a carbon material in a negative electrode
In the secondary battery, as the carbon material, the highest occupied orbit (HOMO) value and the lowest unoccupied orbit (L
A lithium ion secondary battery using a condensed polycyclic aromatic compound having a UMO value that is within or close to the orbital energy range of lithium.
て下記（１）で示されるピレンまたは下記（２）で示さ
れるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンを構造単位と
して持つものであることを特徴とする請求項１に記載の
リチウムイオン２次電池。 【化１】 【化２】 2. A fused polycyclic aromatic compound having, as a structural unit, pyrene represented by the following (1) or tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene represented by the following (2) as a structural unit. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein: Embedded image Embedded image
ッジ構造を同時に持つ化合物であることを特徴とする請
求項１または２に記載のリチウムイオン２次電池。3. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the condensed polycyclic aromatic compound is a compound having both a bay structure and an edge structure.
物が、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンを最小単位
とする構造体を１〜８個有するものであることを特徴と
する請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムイオ
ン２次電池。4. The compound having a bay structure and an edge structure simultaneously having 1 to 8 structures having tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene as a minimum unit. The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
物が、下記式（３）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,
no]コロネンを６個有する構造体であることを特徴とす
る請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウムイオン
２次電池。 【化３】 5. A compound having both a bay structure and an edge structure is a tetrabenzo [bc, ef, kl,
[no] The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the lithium ion secondary battery has a structure having six coronene. Embedded image
炭素材料を識別する方法において、該炭素材料として、
量子化学計算の手法により、６員環からなる炭素芳香環
が縮合して形成された炭素骨格構造の最高被占軌道(Ｈ
ＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)値を求め、これら
の値がリチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる値ま
たはその領域帯に近接した値を有する炭素骨格構造から
なる縮合多環芳香族化合物を選別することを特徴とする
リチウムイオン２次電池の負極に用いる炭素材料の識別
方法。6. A method for identifying a carbon material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, wherein the carbon material comprises:
By the method of quantum chemical calculation, the highest occupied orbital (H
OMO) value and the lowest unoccupied orbital (LUMO) value are determined, and these values are converted to a condensed polycyclic aromatic compound having a carbon skeleton structure having a value included in orbital energy band of lithium or a value close to the band. A method for identifying a carbon material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery, wherein the method comprises sorting.
ッジ構造を同時に持つ化合物であることを特徴とする請
求項６に記載のリチウムイオン２次電池の負極に用いる
炭素材料の識別方法。7. The method for identifying a carbon material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery according to claim 6, wherein the condensed polycyclic aromatic compound is a compound having both a bay structure and an edge structure.
選別された縮合多環芳香族化合物を、リチウムイオン２
次電池の負極炭素材料として使用する方法。8. The fused polycyclic aromatic compound selected by the method according to claim 6 or 7,
Method to use as negative electrode carbon material of secondary battery.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009151956A (en) * | 2007-12-18 | 2009-07-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | Lithium ion secondary battery |
| JP2010205695A (en) * | 2009-03-06 | 2010-09-16 | Toyota Central R&D Labs Inc | Energy storage device |
| KR101128349B1 (en) * | 2004-01-20 | 2012-03-26 | 가부시키가이샤 코세 | Cosmetic |
| WO2013042706A1 (en) * | 2011-09-20 | 2013-03-28 | 公立大学法人大阪市立大学 | Organic molecule spin battery |
| WO2013172646A1 (en) * | 2012-05-16 | 2013-11-21 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Negative electrode for lithium battery |
-
2000
- 2000-02-21 JP JP2000042362A patent/JP3385464B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101128349B1 (en) * | 2004-01-20 | 2012-03-26 | 가부시키가이샤 코세 | Cosmetic |
| JP2009151956A (en) * | 2007-12-18 | 2009-07-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | Lithium ion secondary battery |
| JP2010205695A (en) * | 2009-03-06 | 2010-09-16 | Toyota Central R&D Labs Inc | Energy storage device |
| WO2013042706A1 (en) * | 2011-09-20 | 2013-03-28 | 公立大学法人大阪市立大学 | Organic molecule spin battery |
| WO2013172646A1 (en) * | 2012-05-16 | 2013-11-21 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Negative electrode for lithium battery |
| US9391329B2 (en) | 2012-05-16 | 2016-07-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Negative electrode for lithium battery, lithium battery including the same, and methods of manufacture thereof |
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