JP2002124260A - Negative electrode carbon material for lithium-ion secondary battery - Google Patents

Negative electrode carbon material for lithium-ion secondary battery

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JP2002124260A
JP2002124260A JP2000318796A JP2000318796A JP2002124260A JP 2002124260 A JP2002124260 A JP 2002124260A JP 2000318796 A JP2000318796 A JP 2000318796A JP 2000318796 A JP2000318796 A JP 2000318796A JP 2002124260 A JP2002124260 A JP 2002124260A
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lithium
carbon
negative electrode
carbon material
secondary battery
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Takatoshi Matsumoto
高利 松本
Kazutoshi Tanabe
和俊 田辺
Unpei Nagashima
雲兵 長嶋
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon material, small-sized, lightweight, capable of storing a large volume of lithium, having high performance, and optimum for a negative electrode of a lithium-ion secondary battery. SOLUTION: As this negative electrode carbon material for a lithium-ion secondary battery, fibrous carbon is used having a three-dimensional carbon layer structure provided with air gaps between internal carbon crystal grain layers for storing lithium, lithium ions, and lithium ion clusters, and provided with inlets/outlets allowing lithium ions and lithium ion clusters to easily move therethrough. As the fibrous carbon, tubular hollow yarn is preferable. Preferably, the air gaps capable of storing the lithium, lithium ions, and lithium ion clusters, are cracks and pores.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明に属する技術分野】本発明は、高性能なリチウム
二次電池の負極に用いる炭素材料に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon material used for a negative electrode of a high performance lithium secondary battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】リチウムイオン二次電池は、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
が飛躍的に拡大しており、それに伴って大容量化、小型
軽量化、低価格化等の要求も益々高まっている。それら
の要望に応じるには負極材料の高性能化が不可欠であ
る。一般に、リチウムイオン二次電池の負極材料に要求
される特性としては、(1)リチウムの吸蔵量及び放出
量が多いこと、(2)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。そのた
め、二次電池の負極に用いられる炭素材料について、リ
チウムの吸蔵・放出反応に関する速度論的な検討が必要
とされ、また、新しい炭素材料を開発する際にも、炭素
材料の構造とリチウム吸蔵機構の詳細な解析に基づいた
材料設計の重要性が増大している。
2. Description of the Related Art The use of lithium ion secondary batteries as batteries for notebook computers, mobile phones, electric vehicles, etc. has been dramatically expanded, and accordingly, large capacity, small size, light weight, low price, etc. Demands are also increasing. In order to meet those demands, it is essential to improve the performance of the negative electrode material. Generally, characteristics required for a negative electrode material of a lithium ion secondary battery include: (1) a large amount of occlusion and release of lithium; (2) a high rate of occlusion and release;
(3) small expansion and contraction during occlusion and release; (4)
High initial charge / discharge efficiency; Therefore, kinetic studies on the insertion and extraction reactions of lithium are required for the carbon material used for the anode of the secondary battery, and the structure of the carbon material and the lithium storage The importance of material design based on detailed analysis of the mechanism is increasing.

【0003】リチウムイオン二次電池における負極側の
電極材料には、電池のサイクル特性や取扱時の安全性等
の性能向上に向けて、様々な炭素材料について活発な研
究開発が行われてきており、その中の幾つかは既に実用
化されている。その炭素材料としては、黒鉛、炭素繊
維、樹脂焼成炭素、コークス、熱分解気相成長炭素、ポ
リアセン系有機半導体、メソカーボンマイクロビーズ
(MCMB)、メソフェーズピッチ系炭素繊維、黒鉛ウ
ェスカ、疑似等方性炭素、天然素材の焼成体等が挙げら
れるが、中でも、最近では主に黒鉛、MCMB、メソフ
ェーズピッチ系炭素繊維及び疑似等方性炭素が、負極材
料として広範囲に利用されている。
For the electrode material on the negative electrode side of a lithium ion secondary battery, active research and development has been conducted on various carbon materials with a view to improving performance such as battery cycle characteristics and safety during handling. Some of them are already in practical use. Examples of the carbon material include graphite, carbon fiber, resin calcined carbon, coke, pyrolytic vapor-grown carbon, polyacene-based organic semiconductor, mesocarbon microbeads (MCMB), mesophase pitch-based carbon fiber, graphite wesker, quasi-isotropic Examples include carbon and a fired body of a natural material. Among them, recently, mainly graphite, MCMB, mesophase pitch-based carbon fiber, and quasi-isotropic carbon have been widely used as negative electrode materials.

【0004】炭素材料の結晶性は、使用する炭素源の種
類と熱処理温度(Heat Treatment Temperature:HT
T)に依存しており、非結晶に近いものから黒鉛結晶ま
で数多く存在している。また、放電容量がHTTにより
変化するのは、HTTによって炭素構造が変化し、リチ
ウム吸蔵サイトが複雑な変化を起こすことに因るもので
ある。一般に、負極に用いられている炭素材料として
は、下記する4種類に大別することができる。 (1)黒鉛質材料(黒鉛化が進んだ炭素材料) (2)炭素質材料(黒鉛化が進んでおらず、結晶性が低
い炭素材料)として、1,000〜2,000℃で熱処理
された易黒鉛化性炭素:ソフトカーボン(熱処理により
黒鉛化が進行しやすい材料) (3)1,000〜1,400℃で熱処理された難黒鉛化
性炭素:ハードカーボン(熱処理により黒鉛化が進みに
くい材料) (4)低温焼成炭素(550〜1,000℃で熱処理した未炭素
化物)
[0004] The crystallinity of the carbon material depends on the type of carbon source used and the heat treatment temperature (HT).
T), and there are a number of materials ranging from near amorphous to graphite crystals. Further, the reason why the discharge capacity changes due to the HTT is that the carbon structure changes due to the HTT, and the lithium storage site causes a complicated change. Generally, carbon materials used for the negative electrode can be roughly classified into the following four types. (1) Graphitic material (carbon material with advanced graphitization) (2) Heat treatment at 1,000 to 2,000 ° C as carbonaceous material (carbon material with low graphitization and low crystallinity) Graphitizable carbon: Soft carbon (material that graphitization easily proceeds by heat treatment) (3) Graphitizable carbon hardened by heat treatment at 1,000 to 1,400 ° C: Hard carbon (Graphization proceeds by heat treatment) (Hard material) (4) Low-temperature calcined carbon (non-carbonized material heat-treated at 550 to 1,000 ° C)

【0005】現在、 天然黒鉛を代表とする黒鉛質材料
は、リチウムイオン電池の負極として広く用いられてお
り、リチウム黒鉛層間化合物(Lithium Carbon Interc
alation Compound:Li−CIC)の第1ステージ(L
iC)の生成過程で、372mAh/gの最大放電容量値が
得られている。この黒鉛の充放電曲線は、電解液溶媒に
も大きく依存しており、例えば、電解液溶媒として、プ
ロピレンカーボネート(PC)に代えて、エチレンカー
ボネート(EC)と鎖状カーボネートの混合溶媒を用い
ると、非可逆容量が大幅に減少するため、実用的な負極
材料として使用できること[(a)A.M. Dey and B.P.
Sullivan, J. Electrochem. Soc., 1970, 117,222.,
(b)Z.Jiang, M.Alamgir, K.M.Abraham, J. Electroc
hem. Soc., 1995,142,333]が報告されている。
At present, a graphite material represented by natural graphite is widely used as a negative electrode of a lithium ion battery, and a lithium graphite intercalation compound (Lithium Carbon Interc) is used.
alation Compound: First stage of Li-CIC (L
In the process of producing iC 6 ), a maximum discharge capacity value of 372 mAh / g was obtained. The charge / discharge curve of graphite greatly depends on the electrolyte solvent. For example, when a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and a chain carbonate is used as the electrolyte solvent instead of propylene carbonate (PC), Since the irreversible capacity is greatly reduced, it can be used as a practical anode material [(a) AM Dey and BP
Sullivan, J. Electrochem. Soc., 1970, 117,222.,
(B) Z. Jiang, M. Alamgir, KMAbraham, J. Electroc
hem. Soc., 1995, 142, 333].

【0006】ところが、一般に黒鉛粉末は薄片状であっ
て、その薄片中では結晶子が密に面へ移行しているため
に、リチウムイオンの挿入・脱離反応は、薄片の端面に
集中し全体としては反応が進行し難いという問題があ
り、大電流の放電時には容量の大幅な低下を招く上に、
サイクル寿命が短いという欠点がある。そのため、黒鉛
粉末を実用化するためには、黒鉛質材料の微細構造、粉
末形状及び電極構造の最適化を図って、高容量化を引き
出すことが必要である。
However, the graphite powder is generally in the form of flakes, and the crystallites are densely transferred to the planes in the flakes, so that the lithium ion insertion and desorption reactions are concentrated on the end faces of the flakes and As a problem, the reaction is difficult to proceed, and when discharging a large current, the capacity is greatly reduced, and
There is a disadvantage that the cycle life is short. Therefore, in order to put graphite powder into practical use, it is necessary to optimize the fine structure, powder shape, and electrode structure of the graphite material to draw out a high capacity.

【0007】また、ピッチ類から分離抽出されるメソフ
ェーズピッチを原料とする炭素繊維を2,800℃以上
で熱処理して得られた黒鉛化メソフェーズピッチ系炭素
繊維(MCF)は、高性能な負極材料として注目されて
いる。この黒鉛化MCFの負極性能は、放電容量300
mAh/g、初期充放電効率94%であり、比較的高い
こと(N.Takami, A.Satoh, M.Hara, T.Ohsaki, J. Elec
trochem. Soc., 1995,142, 2564)が報告されている。
黒鉛化MCF繊維の断面は、図1の電子顕微鏡写真に見
られるように、結晶子がラジアル状に近い状態で配向し
ている。このような結晶配向性を持つ炭素繊維は、繊維
粉末の全方向からのリチウムイオンをスムーズに吸蔵・
放出できるため、急速な充放電作動に有利である上に、
繊維形状の粉末であるから負極充填性を高めることも可
能である。また、ポリエチレンオキシドポリマー電解質
中の黒鉛化MCFは、他の黒鉛質材料に比べて大電流特
性に優れている。
[0007] Graphitized mesophase pitch-based carbon fibers (MCF) obtained by heat-treating carbon fibers made from mesophase pitch separated and extracted from pitches at a temperature of 2,800 ° C or more are used as high-performance negative electrode materials. It is attracting attention. The negative electrode performance of this graphitized MCF was 300 discharge capacity.
mAh / g, initial charge / discharge efficiency 94%, relatively high (N. Takami, A. Satoh, M. Hara, T. Ohsaki, J. Elec
trochem. Soc., 1995, 142, 2564).
As shown in the electron micrograph of FIG. 1, the cross section of the graphitized MCF fiber has crystallites oriented in a state close to a radial state. The carbon fiber having such crystal orientation smoothly absorbs lithium ions from all directions of the fiber powder.
Because it can be released, it is advantageous for rapid charge and discharge operation,
Since it is a fiber-shaped powder, it is also possible to enhance the negative electrode filling property. Graphitized MCF in a polyethylene oxide polymer electrolyte has excellent high current characteristics as compared with other graphitic materials.

【0008】また、1,000〜2,000℃で熱処理さ
れたコークス、MCMB、MCF等の易黒鉛化性炭素
は、一般に熱処理温度を高くすると結晶子が成長するに
伴って充放電曲線が変化する。例えば、熱処理温度を
2,000℃の高温にすると、放電容量が1,000℃で
処理したものよりも減少する。また、1,000〜1,5
00℃で熱処理した易黒鉛化性炭素では、200〜25
0mAh/g程度の容量が得られており、充放電反応が
スムーズに進行し、サイクル特性にも優れた安価な炭素
材料であることから、負極材として最初に採択された。
[0008] In general, graphitizable carbon such as coke, MCMB, and MCF heat-treated at 1,000 to 2,000 ° C generally has a charge / discharge curve that changes as the crystallite grows when the heat treatment temperature is increased. I do. For example, when the heat treatment temperature is set to a high temperature of 2,000 ° C., the discharge capacity is reduced as compared with the case where the heat treatment is performed at 1,000 ° C. In addition, 1,000 to 1.5
For graphitizable carbon heat treated at 00 ° C., 200 to 25
Since it was an inexpensive carbon material having a capacity of about 0 mAh / g, a smooth charge-discharge reaction and excellent cycle characteristics, it was first adopted as a negative electrode material.

【0009】さらに、難黒鉛化性炭素は、熱硬化性樹脂
を炭素化して得られる材料であり、高温で熱処理しても
結晶子配向の乱れた状態が保持されて、黒鉛構造が発達
しない。特に1,000〜1,400℃で熱処理された難
黒鉛化性炭素は、密度が1.5〜1.8g/cm程度と
低く、ナノサイズの空隙が多数存在するものである。こ
の種の炭素材料の充放電特性は、コークス等の易黒鉛化
性炭素に比べて高容量であり、リチウム金属の電極電位
に近い電位に電位平坦部を示すという特徴がある。なか
でも、疑似等方性炭素は、充放電曲線0V付近の電位平
坦部とLiC (372mAh/g)を越える高容量であ
ることが報告されている(園部直弘,石川実,岩崎隆
夫,第35回電池討論会要旨集,名古屋,1994, 2B09, P4
7)。このような電位平坦部と高容量の出現は、ナノサ
イズの空隙や未組織部へのリチウム吸蔵反応に起因する
ものと考えられている(N.Takami, A.Satoh, T.Ohsaki,
DENKI KAGAKU, 1998, 66, 1270)。
Further, non-graphitizable carbon is a thermosetting resin.
Is a material obtained by carbonizing
Crystalline structure develops with crystallite orientation disorder maintained
do not do. Especially difficult to heat treated at 1,000 ~ 1,400 ℃
Graphitizable carbon has a density of 1.5 to 1.8 g / cm.3Degree and
It is low and has many nano-sized voids. This
Charge and discharge characteristics of carbon materials
Capacity is higher than that of carbon, and the electrode potential of lithium metal
The characteristic is that a potential flat portion is shown at a potential close to. Inside
However, quasi-isotropic carbon has a potential flat around a charge / discharge curve of 0 V.
Tanbu and LiC 6(372 mAh / g)
(Naohiro Sonobe, Minoru Ishikawa, Takashi Iwasaki)
Husband, Abstracts of the 35th Battery Symposium, Nagoya, 1994, 2B09, P4
7). The emergence of such a potential flat portion and high capacity has
Due to lithium occlusion reaction into voids and unstructured parts
(N.Takami, A.Satoh, T.Ohsaki,
 DENKI KAGAKU, 1998, 66, 1270).

【0010】難黒鉛化性炭素は、LiCを越える高容
量が得られること及び充放電電位のヒステリシスが小さ
くて良好な電位平坦部を有することから、電池の高エネ
ルギー密度化には有効ではあるが、黒鉛質材料に比べて
真密度と初期充電効率が低いため、電池の高容量化を達
成するには不利なものであって、急速充放電時に高容量
を引き出す工夫が求められる。
[0010] The non-graphitizable carbon is effective in increasing the energy density of the battery because it has a high capacity exceeding LiC 6 and has a good potential flat portion with a small hysteresis of the charge / discharge potential. However, since the true density and the initial charging efficiency are lower than those of the graphite material, it is disadvantageous for achieving a high capacity of the battery, and a device for extracting a high capacity at the time of rapid charge / discharge is required.

【0011】また、炭素前駆体を550〜1,000℃
の温度で熱処理した炭素は、低温焼結と呼ばれ、ポリマ
ーと炭素の中間的な性質を持っている。この低温焼結炭
素は、372mAh/gを越える放電容量が得られる。
中でも、フェノール樹脂を500〜700℃で熱処理し
たポリアセン系有機半導体(PAS)は、高容量の負極
炭素として注目されている(S.Yata, H.Kinoshita, M.K
omori, T.Kashiwamura,T.Harada, K.Tanaka, T.Yamabe,
Synth. Met., 1994, 62, 153)。
Further, the carbon precursor is heated at 550 to 1,000 ° C.
Is heat-treated at low temperature, called low temperature sintering, and has intermediate properties between polymer and carbon. This low-temperature sintered carbon has a discharge capacity exceeding 372 mAh / g.
Above all, polyacene-based organic semiconductors (PAS) obtained by heat-treating a phenol resin at 500 to 700 ° C. have been attracting attention as high-capacity negative electrode carbon (S. Yata, H. Kinoshita, MK).
omori, T. Kashiwamura, T. Harada, K. Tanaka, T. Yamabe,
Synth. Met., 1994, 62, 153).

【0012】また、低温焼成炭素は、完全に炭化してい
ない酸素,窒素等のヘテロ原子が一部残った未炭素化物
であり、例えば、水素と炭素の原子比(H/C)が0.26
で、これを550℃で熱処理したぺリレン焼成炭素では
804mAh/gという高放電容量と65%の初期充電
効率を達成することができる。しかし、これらの低温焼
成炭素は、負極材料としてはマイナスに作用する放電電
位に大きなヒステリシスと非可逆容量を示すことから、
その性能の改善が不可欠であるという問題がある。
Low-temperature calcined carbon is an uncarbonized material in which some heteroatoms such as oxygen and nitrogen that are not completely carbonized remain, and for example, have an atomic ratio (H / C) of hydrogen to carbon of 0.1. 26
Thus, perylene calcined carbon heat-treated at 550 ° C. can achieve a high discharge capacity of 804 mAh / g and an initial charging efficiency of 65%. However, since these low-temperature calcined carbons exhibit large hysteresis and irreversible capacity at the discharge potential acting negatively as a negative electrode material,
There is a problem that improvement of the performance is essential.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、リチウムイ
オン二次電池の高性能化及び大容量化に欠くことのでき
ない負極に使用される炭素材料の最適な構造を理論的に
解明することにより、高性能のリチウムイオン二次電池
を開発するためになされたものである。すなわち、本発
明の目的は、小型軽量で、大容量のリチウムを吸蔵でき
る高性能なリチウムイオン二次電池の負極に最適な炭素
材料を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims at theoretically elucidating the optimal structure of a carbon material used for a negative electrode, which is indispensable for improving the performance and increasing the capacity of a lithium ion secondary battery. , To develop a high performance lithium ion secondary battery. That is, an object of the present invention is to provide a carbon material that is small and lightweight, and that is optimal for a negative electrode of a high-performance lithium ion secondary battery capable of storing a large amount of lithium.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする手段】本発明者等は、リチウ
ムイオン二次電池の負極に用いる炭素材料について、リ
チウムイオンの吸蔵に最適な炭素材料の形状及び構造を
実験的に解析することは極めて困難であるとの観点か
ら、量子力学、量子工学、固体物理及び量子化学の理論
的アプローチによる数値シュミレーションを行って、炭
素材料のリチウム吸蔵の構造及び機構を解明する研究を
行った結果、大量のリチウムを吸蔵できる炭素材料の構
造及び形状を知見し、本発明を完成するに至った。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors have found that it is extremely difficult to experimentally analyze the shape and structure of a carbon material that is optimal for storing lithium ions for a carbon material used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery. From the viewpoint that it is difficult, we conducted numerical simulations based on theoretical approaches of quantum mechanics, quantum engineering, solid-state physics and quantum chemistry, and conducted research to elucidate the structure and mechanism of lithium occlusion of carbon materials. The present inventors have found out the structure and shape of a carbon material capable of storing lithium, and have completed the present invention.

【0015】すなわち、本発明のリチウムイオン二次電
池用負極炭素材料は、炭素物質の結晶子の層間にリチウ
ム、リチウムイオン及びリチウムイオンクラスターを吸
蔵できる空隙を有し、かつ表面部に該リチウム、リチウ
ムイオン、リチウムイオンクラスターが容易に移動でき
る出入口を有する三次元炭素構造からなる繊維状炭素を
用いたことを特徴とする。本発明に用いられる上記の繊
維状炭素としては、筒状中空糸であることが好ましい。
また、上記のリチウム、リチウムイオン及びリチウムイ
オンクラスターを吸蔵できる繊維状炭素の空隙は、クラ
ック及び細孔であることが好ましい。
That is, the negative electrode carbon material for a lithium ion secondary battery of the present invention has a void between the layers of the crystallite of the carbon material capable of absorbing lithium, lithium ions and lithium ion clusters, and has a lithium, lithium, It is characterized by using fibrous carbon having a three-dimensional carbon structure having an entrance through which lithium ions and lithium ion clusters can easily move. The fibrous carbon used in the present invention is preferably a tubular hollow fiber.
The voids of the fibrous carbon capable of storing lithium, lithium ions, and lithium ion clusters are preferably cracks and pores.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。リチウムイオン二次電池の性能を向上させるに
は、負極に使用されている炭素材料について、ハードカ
ーボン(難黒鉛化性炭素)の構造を詳しく調べる必要が
ある。特に、ハードカーボンの炭素により形成されてい
る積層構造が有する特異性及び粒塊の乱雑性について明
らかにすることが不可欠である。なぜなら、ハードカー
ボンは、ソフトカーボンやグラファイト(黒鉛)等の他
の炭素材料には見られない特徴と特異な特性を備えてい
るからである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail. In order to improve the performance of a lithium ion secondary battery, it is necessary to investigate in detail the structure of hard carbon (hardly graphitizable carbon) for the carbon material used for the negative electrode. In particular, it is indispensable to clarify the specificity of the laminated structure formed by the carbon of the hard carbon and the randomness of the granular mass. This is because hard carbon has characteristics and unique characteristics not found in other carbon materials such as soft carbon and graphite (graphite).

【0017】本発明者らが、1枚のグラファイトシート
について詳細に調べた結果、最適なグラファイトシート
の形状の存在が明らかとなった。その最適化されたグラ
ファイトシートの形状としては、次のような条件が必要
である。 1.基本ユニット構造は、図2に示すピレン(Pyrene)
である。 2.ある特定構造の4量体型(重なり合っても可能)
が、特異的にリチウムの軌道エネルギーの数値範囲内に
入る。 3.2次元展開を行うための基本構造は、図2に示すピ
レンと図3に示すテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
(Terabenzo[bc,ef,kl,no]coronene:TBC)が満た
される。 4.ピレンを基本構造とする場合、図2に示すピレンと
図4に示すテトラコロネン(Tetracoronene)が満たさ
れる。 5.テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン(TBC)を
基本構造とする場合、特定方向に伸長させると、特異的
にリチウムの軌道エネルギー範囲内に入るように調節で
きる。 6.図5に示すように、ベイ構造とエッジ構造を同時に
持つ炭素環化合物は、その炭素構造の持つ軌道特性の状
態が直接リチウムの持つ軌道特性の状態に対して反映さ
せることができる。それ故に、ベイ構造とエッジ構造を
同時に必要とする。
As a result of a detailed study of one graphite sheet by the present inventors, the existence of an optimal graphite sheet shape was clarified. The following conditions are necessary for the optimized graphite sheet shape. 1. The basic unit structure is Pyrene shown in Fig. 2.
It is. 2. A tetramer of a specific structure (can be overlapped)
Specifically falls within the numerical range of lithium orbital energies. 3. The basic structure for performing two-dimensional expansion is pyrene shown in FIG. 2 and tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TBC) shown in FIG. It is filled. 4. When pyrene is used as a basic structure, it is filled with pyrene shown in FIG. 2 and tetracoronene shown in FIG. 5. In the case of using tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TBC) as a basic structure, it can be adjusted so as to be specifically in the orbital energy range of lithium by extending in a specific direction. 6. As shown in FIG. 5, in a carbocyclic compound having both a bay structure and an edge structure, the state of orbital characteristics of the carbon structure can be directly reflected on the state of orbital characteristics of lithium. Therefore, a bay structure and an edge structure are required at the same time.

【0018】上記した条件を満たす最小の炭素構造は、
図6の化学構造式で示すテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]
コロネン(Tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene:TB
C)を単位とする6量体(n=6,TBC6)であるこ
とを突き止めた。更に、グラファイトシートとリチウム
イオンとの相互作用について調べた結果、リチウムイオ
ンの出入を一定の方向に流れるようにすると、効率よく
稼働できることが明らかとなった。
The minimum carbon structure satisfying the above conditions is:
Tetrabenzo [bc, ef, kl, no] represented by the chemical structural formula in FIG.
Coronene (Tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene: TB
C) and a hexamer (n = 6, TBC6) as a unit. Further, as a result of examining the interaction between the graphite sheet and lithium ions, it was found that the operation can be efficiently performed if the flow of lithium ions in and out flows in a certain direction.

【0019】次に、リチウムイオン二次電池の充放電過
程におけるリチウムイオンの動きを制御できるような炭
素構造及び形状について、更に詳しく調べることとし
た。図7に見られるように、炭素材料には、様々な構造
を有するものが存在するが、特に、ハードカーボンで
は、その中の炭素結晶子の配列の秩序性、つまり炭素結
晶子相互間の配列の乱雑性がリチウムイオンの挙動に大
きく関与しているものと考えられることから、黒鉛(グ
ラファイト)及び黒鉛層間化合物(Graphite Intercala
tion Compound:GIC)の構造について考察した。
Next, the carbon structure and shape capable of controlling the movement of lithium ions in the charge / discharge process of the lithium ion secondary battery were examined in more detail. As shown in FIG. 7, there are carbon materials having various structures. In particular, in the case of hard carbon, the order of arrangement of carbon crystallites therein, that is, the arrangement between carbon crystallites. It is considered that the randomness of the graphite greatly contributes to the behavior of lithium ions. Therefore, graphite (Graphite) and graphite intercala
Discussion Compound (GIC) structure was considered.

【0020】まず、グラファイトは、図8に示すよう
に、炭素−炭素間の距離が1.415Åであり、炭素シ
ート間の距離が3.354Åで構成されている。この時
は、炭素・炭素同士が互いに重なり合わない構造、つま
りABA構造から構成されている。次に、リチウムがド
ープされるGICでは、グラファイトの炭素シート間の
距離である3.354Åよりも間隔を広げて、リチウム
イオンを取り込んでいる。この時の最大の変化は、炭素
・炭素同士が互いに重なり合う構造、つまりAAA構造
からなっていることである。ところが、この場合には炭
素・炭素同士が重なり合う構造を形成していても、その
間にリチウムイオンを介在させて炭素シートの間隔が広
くなっているから、上下の炭素同士が強く排斥し合う力
は弱まっている。
First, graphite has a carbon-carbon distance of 1.415 ° and a carbon sheet distance of 3.354 ° as shown in FIG. At this time, it is composed of a structure in which carbons do not overlap each other, that is, an ABA structure. Next, in the GIC doped with lithium, lithium ions are taken in at a wider interval than 3.354 ° which is a distance between graphite carbon sheets. The greatest change at this time is that the carbon has a structure in which carbons overlap each other, that is, an AAA structure. However, in this case, even if a structure in which carbon and carbon overlap each other is formed, since the distance between the carbon sheets is widened by interposing lithium ions therebetween, the force of strong repulsion between the upper and lower carbons is small. It is weakening.

【0021】そこで、大容量のリチウムを吸蔵し得る炭
素材料を理論設計するには、上記したことを考慮して、
ハードカーボン中にリチウムがドープされる構造を明ら
かにすることが重要であり、中でも、炭素結晶子同士が
形成するミクロポア(空隙)間の形態に重要な意味があ
り、このミクロポア(空隙)を制御することが不可欠で
ある。図10は、本発明において、炭素材料として用い
るハードカーボンの炭素層(結晶子)間のミクロポア
(空隙)に、リチウム、リチウムイオン及びリチウムイ
オンクラスターが吸蔵されている構造の1例を示すドー
プモデルの概念図である。
Therefore, in order to theoretically design a carbon material capable of storing a large amount of lithium, considering the above,
It is important to clarify the structure in which hard carbon is doped with lithium. In particular, the form between micropores (voids) formed by carbon crystallites is important, and this micropore (void) is controlled. Is essential. FIG. 10 is a dope model showing an example of a structure in which lithium, lithium ions, and lithium ion clusters are occluded in micropores (voids) between carbon layers (crystallites) of hard carbon used as a carbon material in the present invention. FIG.

【0022】本発明では、炭素材料の積層構造に新たな
概念の基本モデルを導入して考察することにした。ま
ず、炭素材料の代表であるグラファイト構造について、
リチウムイオンがドープされていないグラファイト本来
の状態はABA構造であり、リチウムイオンがドープさ
れている状態はAAA構造であるとして、相変化が起き
ていると考えると、次のように説明ができる。
In the present invention, a basic model of a new concept is introduced into the laminated structure of the carbon material and considered. First, regarding the graphite structure, which is a representative of carbon materials,
Assuming that the original state of graphite not doped with lithium ions has an ABA structure and the state doped with lithium ions has an AAA structure, a phase change has occurred, and the following explanation can be given.

【0023】リチウムは1枚のグラファイトシートと対
になって誘電体としての機能を有するものであり、その
リチウムを挟み込むグラファイトシートをコンデンサー
板と見なすことができる。これを分子レベルにおけるコ
ンデンサーの挙動と見ると、図11に示すように、分子
コンデンサーとして捉えることができる。この基本モデ
ルの特徴は、リチウムの果たす役割であって、リチウム
とグラファイトシートが一体となってコンデンサーのよ
うに作用することである。つまり、充電されるという現
象は、通常の誘電体を含むコンデンサーと同じく、2枚
のグラファイトシート間に、誘電体が挿入されていくこ
とであり、また、その際の電場からの仕事関数は、電気
エネルギーに変えてエネルギーとして保存される。
Lithium has a function as a dielectric in a pair with one graphite sheet, and the graphite sheet sandwiching the lithium can be regarded as a capacitor plate. When this is regarded as the behavior of the condenser at the molecular level, it can be regarded as a molecular condenser as shown in FIG. The feature of this basic model is that the role played by lithium is that lithium and the graphite sheet work together as a capacitor. In other words, the phenomenon of being charged is that a dielectric is inserted between two graphite sheets as in a capacitor containing a normal dielectric, and the work function from the electric field at that time is as follows: It is stored as energy instead of electrical energy.

【0024】この基本モデルを更に拡張させると、リチ
ウムイオン電池の炭素電極上における現象は、図12を
参照して次のように説明できる。図12は、充放電のメ
カニズムを説明する概念図である。まず、リチウムイオ
ンはグラファイト(ハードカーボン)の周囲に存在し、
ハードカーボンがABA構造を有している時は、完全放
電された状態である。次にこの状態から充電を行うに
は、系全体に電場を付与し、外部より仕事関数が供給さ
れる。その際、リチウムイオンが一部のグラファイトシ
ートと同一の挙動を示すことから、1つの誘電体が形成
される。
When this basic model is further extended, the phenomenon on the carbon electrode of the lithium ion battery can be explained as follows with reference to FIG. FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a charging / discharging mechanism. First, lithium ion exists around graphite (hard carbon),
When the hard carbon has the ABA structure, it is in a completely discharged state. Next, to perform charging from this state, an electric field is applied to the entire system, and a work function is supplied from the outside. At this time, one dielectric is formed because the lithium ions exhibit the same behavior as some of the graphite sheets.

【0025】この誘電体では、外部から供給される仕事
関数により、リチウムイオンがグラファイトシート2枚
で形成される電極の間に挿入されて行く。この挿入現象
が起きる際に、グラファイトの系の構造がABAからA
AAに相変化が起こる。そして、全ての構造に誘電体の
挿入が終了した時点で、完全充電となる。すなわち、グ
ラファイトシート層間へのリチウムイオンのドープパタ
ーンは、図13に示すように、電池の負極側においてマ
クロレベルで起きている現象と分子コンデンサーモデル
においてミクロレベルで起きている現象とは、同一現象
であるために、連続的に連動している。
In this dielectric, lithium ions are inserted between electrodes formed of two graphite sheets due to a work function supplied from the outside. When this insertion phenomenon occurs, the structure of the graphite system changes from ABA to A
AA changes phase. When the insertion of the dielectric into all the structures is completed, the battery is fully charged. That is, as shown in FIG. 13, the doping pattern of lithium ions between the graphite sheet layers is the same as the phenomenon occurring at the macro level on the negative electrode side of the battery and the phenomenon occurring at the micro level in the molecular capacitor model. , They are continuously linked.

【0026】そこで、分子コンデンサーとして捉える概
念は、図14に示すような通常の平行板コンデンサーと
同じものと考えることができる。通常の平行板コンデン
サーは、1組の導体(電極)が電荷を蓄えることがで
き、これが充電である。そして通常の平行板コンデンサ
ーでは、電場E、電位差V、電気量Q、電気容量Cは、
それぞれ次の式(1)〜(4)のような関係式で表され
る。
Therefore, the concept considered as a molecular capacitor can be considered to be the same as a general parallel plate capacitor as shown in FIG. In a normal parallel plate capacitor, a set of conductors (electrodes) can store a charge, which is charging. And in a normal parallel plate capacitor, the electric field E, the potential difference V, the electric quantity Q, and the electric capacity C are
Each is expressed by the following relational expressions (1) to (4).

【0027】[0027]

【数1】 (式中、kは比例定数、σは電荷密度、dは極板間の距
離、Sは平行板コンデンサーの電極の面積である。)
(Equation 1) (Where k is a proportionality constant, σ is the charge density, d is the distance between the plates, and S is the area of the electrodes of the parallel plate capacitor.)

【0028】また、通常のコンデンサーにおける誘電体
の働きは、コンデンサーの極板間に誘電体(絶縁体)を
挿入すると、真空時よりも電気容量を大きくすることが
できる。そこで、真空時の電気容量Cと誘電体挿入時
の電気容量Cは、次のような式(5)〜(7)の関係式
で表され、極板間は、真空時よりもεγ倍の電気容量を
持つことになる。
The function of the dielectric in the ordinary capacitor is that when a dielectric (insulator) is inserted between the electrode plates of the capacitor, the electric capacity can be made larger than in a vacuum. Therefore, the capacitance C O and capacitance C at the time of dielectric inserts during vacuum is expressed by the relational expression such as the following equation (5) to (7), between the plates, rather than time of vacuum epsilon gamma It will have twice the electric capacity.

【0029】[0029]

【数2】 (Equation 2)

【0030】次に、上記した新しい分子コンデンサーの
概念を基礎にして、次のような非平行板コンデンサーモ
デルを設定し、そのコンデンサーの容量について考察し
た。すなわち、その非平行板コンデンサーモデルは、長
方形(各辺の長さがaとb)であるが、正確には下部コ
ンデンサー板に対して平行ではないコンデンサーであ
る。ただし、下部コンデンサー板は固定長とするが、上
部コンデンサー板は下部コンデンサー板に合わせて変化
できる可変長とする。この上部コンデンサー板は、下部
コンデンサー板の固定された長さaに合わせて、傾きθ
に対して無限の大きさを有することも可能である。ここ
で、両板の傾きをθとしたコンデンサーの静電容量につ
いて計算した。
Next, based on the concept of the new molecular capacitor described above, the following non-parallel plate capacitor model was set, and the capacity of the capacitor was considered. That is, the non-parallel plate capacitor model is a capacitor that is rectangular (the length of each side is a and b) but is not exactly parallel to the lower capacitor plate. However, while the lower condenser plate has a fixed length, the upper condenser plate has a variable length that can be changed according to the lower condenser plate. The upper condenser plate has an inclination θ in accordance with the fixed length a of the lower condenser plate.
Can have an infinite size for. Here, the capacitance of the condenser was calculated with the inclination of both plates as θ.

【0031】図16は、上記した非平行板コンデンサー
モデルの概念図を示すものである。この非平行板コンデ
ンサーでは、図16に示すような静電容量C(x)=ε
・b(dx/y)の微小平行コンデンサーを並列に連
結したものと見なすことができる。ここで、図16より
y=d+X・tanθであるから、全体の静電容量C
(x)は次に示す式(8)となる。
FIG. 16 is a conceptual diagram of the above-mentioned non-parallel plate capacitor model. In this non-parallel plate capacitor, the capacitance C (x) = ε as shown in FIG.
It can be considered that micro parallel capacitors of 0 · b (dx / y) are connected in parallel. Here, since y = d + X · tan θ from FIG. 16, the total capacitance C
(X) becomes the following equation (8).

【0032】[0032]

【数3】 (Equation 3)

【0033】ここでatanθ/2dの項を新しくxとす
ると、式(8)は式(9)として表される。
Here, when the term of atan θ / 2d is newly set to x, equation (8) is expressed as equation (9).

【数4】
(9)
(Equation 4)
(9)

【0034】式(9)中において、1/2x・ln
[(1+x)/(1−x)]の項を新しくF(x)する
と、式(9)に示す一番右に示される数式となる。この
式(9)において、εab/dは定数と考えることが
できる。
In equation (9), 1/2 × · ln
When the term of [(1 + x) / (1-x)] is newly set to F (x), the expression shown on the rightmost side in Expression (9) is obtained. In this equation (9), ε 0 ab / d can be considered as a constant.

【数5】 が、非平行板コンデンサーが蓄えることのできる静電容
量を決める実質的な支配因子となる。すなわち、F
(x)の制御が、コンデンサーが蓄えることのできる静
電容量を増大させる因子である。図17は、F(x)の
関数に注目し0<x<1の範囲内でF(x)のグラフを
描いたものである。なお、このF(x)の値にεab
/dを乗じた値が、実際の非平行板コンデンサーが蓄え
ることのできる静電容量である。
(Equation 5) Is a substantial dominant factor in determining the capacitance that a non-parallel plate capacitor can store. That is, F
The control in (x) is a factor that increases the capacitance that the capacitor can store. FIG. 17 focuses on the function of F (x) and draws a graph of F (x) within the range of 0 <x <1. Note that this value of F (x) is equal to ε 0 ab
The value multiplied by / d is the capacitance that the actual non-parallel plate capacitor can store.

【0035】この結果を物理学的側面から考察すると、
下部のコンデンサー板が固定長であり、上部のコンデン
サー板が可変長であることに起因して、θは0°≦θ<
90°で傾けることができるために、上部のコンデンサ
ー板は無限の大きさを持つことができる。そして、下部
のコンデンサー板に対して一定の射影面積を持つことが
できるために、全体の静電容量に決定的な影響を及ぼし
ていることが判明する。そして、コンデンサー板間に傾
斜を設けることは、誘電体の挿入効果と同等の効果を有
することから、ハードカーボンにリチウムイオンをドー
プする際に、傾き効果と誘電体の挿入効果の相乗効果か
ら高い静電容量を生み出すことができる。
Considering the result from a physical point of view,
Due to the fixed length of the lower condenser plate and the variable length of the upper condenser plate, θ is 0 ° ≦ θ <
Because it can be tilted at 90 °, the upper condenser plate can have infinite size. Further, it can be seen that a certain projection area can be provided to the lower condenser plate, which has a decisive effect on the entire capacitance. And, since the provision of the inclination between the capacitor plates has the same effect as the effect of inserting the dielectric, when doping the hard carbon with lithium ions, the synergistic effect of the inclination effect and the effect of inserting the dielectric is high. Capacitance can be created.

【0036】次に、リチウムイオン二次電池の性能を向
上させるには、負極材料として用いる炭素(結晶子)が
形成する積層構造の持つ特性及び粒塊の乱雑性について
明らかにする必要があるから、前記した非平行板コンデ
ンサーモデルを参照して、上部は固定長であり、下部は
可変長とする次のような非平行板コンデンサーモデルを
考えた。なお、この下部コンデンサー板では、上部コン
デンサー板の固定された長さaに合わせて、傾きθに対
応して有限の大きさを有するものである。このことは、
実際の炭素結晶子においては、その長さは有限であるか
ら、この下部コンデンサーの長さは傾きθに応じた長さ
を有することに相当する。すなわち、前述のモデルにお
いては、コンデンサーの長さについて実際の炭素結晶子
に対応する有限の長さが未対応であったが、ここにいう
モデルでは、無限長の部分を修正して有限長のものに変
更したことにより、図10に示すような現実系に極めて
よく適合したモデルになっている。このコンデンサーで
は、前述した非平行板コンデンサーモデルと同じく、長
方形(各辺の長さがaとb)であるが、正確には平行で
はないコンデンサー板からなり、両板の傾きがθである
コンデンサーモデルについて静電容量を理論計算した。
この場合の非平行板コンデンサーモデルの概念図を図1
8に示す。
Next, in order to improve the performance of the lithium ion secondary battery, it is necessary to clarify the characteristics of the laminated structure formed by carbon (crystallite) used as the negative electrode material and the randomness of the granular mass. With reference to the above-described non-parallel plate capacitor model, the following non-parallel plate capacitor model in which the upper portion has a fixed length and the lower portion has a variable length was considered. The lower condenser plate has a finite size corresponding to the inclination θ in accordance with the fixed length a of the upper condenser plate. This means
Since the length of an actual carbon crystallite is finite, the length of the lower capacitor corresponds to having a length corresponding to the inclination θ. That is, in the above-mentioned model, the finite length corresponding to the actual carbon crystallite was not supported for the length of the capacitor, but in the model here, the infinite length portion was corrected and the finite length was changed. By changing the model, a model very well suited to a real system as shown in FIG. 10 is obtained. This capacitor has a rectangular shape (the length of each side is a and b) but is not exactly parallel, as in the non-parallel plate capacitor model described above. The capacitance was theoretically calculated for the model.
A conceptual diagram of the non-parallel plate capacitor model in this case is shown in FIG.
FIG.

【0037】非平行板コンデンサーの静電容量は、図1
8に示すような静電容量C(x)=εb(dx/y)
の微少平行コンデンサーを並列に連結したものと見なす
ことができるから、前記と同様に求めることができる。
ここで、y=d+X・tanθであるから、
The capacitance of the non-parallel plate capacitor is shown in FIG.
The capacitance C (x) = ε 0 b (dx / y) as shown in FIG.
Can be regarded as being connected in parallel, and can be obtained in the same manner as described above.
Here, since y = d + X · tan θ,

【数6】 (Equation 6)

【0038】ここで、asinθ/2dの項を新しくxと
すると、式(10)は式(11)のように表される。
Here, if the term of asin θ / 2d is newly set to x, equation (10) is expressed as equation (11).

【数7】 式(11)中において、cosθ/2x・ln[(1+
x)/(1−x)]の項を新しくF(x,θ)とする
と、式(11)に示す一番右に示される数式となる。こ
の式(11)において、εab/dは定数と考えるこ
とができる。
(Equation 7) In equation (11), cos θ / 2x · ln [(1+
x) / (1−x)] is newly expressed as F (x, θ), and the expression shown on the rightmost side of Expression (11) is obtained. In this equation (11), ε 0 ab / d can be considered as a constant.

【0039】このF(x,θ)This F (x, θ)

【数8】 が、非平行板コンデンサーの蓄えることのできる静電容
量を決める実質的な支配因子となる。すなわち、F
(x、θ)の制御が、コンデンサーに蓄えることのでき
る静電容量を増大させる因子である。図19は、F
(x、θ)の関数に注目し、0<x<1の範囲内で描い
たグラフである。なお、このF(x、θ)値に定数ε
ab/dを乗じた値が、実際の非平行板コンデンサーが
蓄えることのできる静電容量である。
(Equation 8) Is a substantial controlling factor that determines the capacitance that can be stored in a non-parallel plate capacitor. That is, F
Control of (x, θ) is a factor that increases the capacitance that can be stored in the capacitor. FIG.
It is a graph drawn in the range of 0 <x <1, paying attention to the function of (x, θ). Note that the F (x, θ) value is a constant ε 0
The value multiplied by ab / d is the capacitance that the actual non-parallel plate capacitor can store.

【0040】この結果を物理学的側面から考察すると、
F(x、θ)のcosθの項は、上部のコンデンサー板を
X軸側に角度θで射影した面積に由来する項で、その射
影した上部コンデンサーが有効に働くことのできるコン
デンサー部分となって電気エネルギーを蓄えることがで
きる。また、F(x、θ)の1/2x・ln[(1+
x)/(1−x)]の項は、前述のモデルにおける結果
と同じく、コンデンサー極板を傾けた際に生じる効果で
ある。図19は、コンデンサー極板を傾けた際に生じる
係数(X軸)とコンデンサー極板の傾き具合(θ軸)を
取り、コンデンサーに蓄えることができる静電容量の割
合F(x、θ)をZ軸に取ったものである。そして、図
19においては、式(11)に示すように、F(x、
θ)の値に定数εab/dの倍数倍した値が、実際の
非平行板コンデンサーが蓄えることのできる静電容量で
ある。
Considering this result from a physical point of view,
The term of cos θ of F (x, θ) is a term derived from the area of the upper condenser plate projected on the X-axis side at an angle θ, and is a condenser part where the projected upper condenser can work effectively. Can store electrical energy. Also, 1 / 2x · ln [(1+
The term x) / (1-x)] is an effect that occurs when the capacitor plate is tilted, as in the result of the above-described model. FIG. 19 shows the coefficient (X axis) generated when the capacitor plate is tilted and the degree of tilt (θ axis) of the capacitor plate, and calculates the ratio F (x, θ) of the electrostatic capacity that can be stored in the capacitor. This is taken on the Z axis. Then, in FIG. 19, as shown in Expression (11), F (x,
The value obtained by multiplying the value of θ) by a multiple of the constant ε 0 ab / d is the capacitance that can be stored in an actual non-parallel plate capacitor.

【0041】以上のことから、まず、リチウムイオン電
池の負極材に使用されている炭素材料、特にハードカー
ボン中の粒塊を制御することが重要であることが明らか
になった。すなわち、ハードカーボン中には、リチウム
及びリチウムイオンはもとより、リチウムイオンクラス
ターを大量に吸蔵できる微細な空隙(ミクロボア)を有
する構造であることが必要であり、そのためには、粒塊
の形態が制御されていることが大容量化には必要な要件
である。言い換えれば、炭素材料を形成している粒塊の
方向、即ち、個々の大小の炭素結晶子は、それらの炭素
結晶子間に数多くの多様な形状の空間が形成されるよう
な方向に粒子の塊が制御されていることが、静電容量の
大容量化を可能にすると考えられる。この点に関し、更
に図面を参照して説明する。図20は、図10の一部を
拡大して示したものである。図20に示すような、粒塊
同士で新たに生じた,一方が大きくラッパ状に開いた空
隙(ミクロポア)部分は、図18のモデルと基本的に同
一のものであり、図10に示すハードカーボンにおける
リチウムドープモデルと極めてよく合致する。また、図
18の形状モデルから導き出される前記式(11)及び
式(11)中の定数項部分を除いた式(12)が重要で
ある。その式(12)に基づいて描いたものが図19で
あり、この図19に定数項εab/dを掛け合わせた
値が、実際のコンデンサーの容量となるのである。
From the above, it was first clarified that it is important to control the carbon material used for the negative electrode material of the lithium ion battery, particularly the hard particles in the hard carbon. That is, the hard carbon needs to have a structure having fine voids (micropores) capable of storing a large amount of lithium ion clusters in addition to lithium and lithium ions. Is a necessary requirement for large capacity. In other words, the particles in the direction of the agglomerates forming the carbon material, i.e., the individual large and small carbon crystallites, form many differently shaped spaces between the carbon crystallites. It is considered that the control of the lumps makes it possible to increase the capacitance. This will be further described with reference to the drawings. FIG. 20 is an enlarged view of a part of FIG. A void (micropore) portion newly generated between the granules as shown in FIG. 20 and one of which is greatly open like a trumpet is basically the same as the model in FIG. It fits very well with the lithium doping model in carbon. The equation (11) derived from the shape model of FIG. 18 and the equation (12) excluding the constant term part in the equation (11) are important. FIG. 19 is drawn based on the equation (12). The value obtained by multiplying FIG. 19 by the constant term ε 0 ab / d is the actual capacitance of the capacitor.

【0042】そして、分子コンデンサーとハードカーボ
ンとの関係は、1枚1枚のグラファイトシートがそれぞ
れ平行であっても、図20に見られるような粒塊を新た
な1個のコンデンサーと想定すると、クラスが大きくな
ったコンデンサーと見なすことができる点で、両者は共
通している。このことから、粒塊の形態制御が、コンデ
ンサーの性能を制御する直接的な要因であり、また、ハ
ードカーボンが大容量である理由は、ハードカーボンは
本来結晶子が乱雑に配置しているために、並列コンデン
サーと見なすことができることである。そして、このよ
うな並列コンデンサーでは、各コンデンサーが有する電
気容量の総和であるから、ハードカーボンが大容量とな
るのである。
The relationship between the molecular condenser and the hard carbon is as follows, assuming that a granular mass as shown in FIG. 20 is a new condenser even if the individual graphite sheets are parallel to each other. They are common in that they can be considered as a larger class capacitor. From this, the control of the morphology of the agglomerates is a direct factor that controls the performance of the condenser, and the reason that the hard carbon has a large capacity is that the crystallites are originally arranged randomly in the hard carbon. Second, it can be considered as a parallel capacitor. In such a parallel capacitor, since the sum of the electric capacities of the respective capacitors, the hard carbon has a large capacity.

【0043】次に、リチウムイオン二次電池のモデル計
算としてコロネンを用いて、コロネン上にリチウムイオ
ンを置いてサイトの依存性について調べた結果が、山邊
等により既に報告されている(H.Ago,K.Nagata,K.Yoshi
zawa,K.Tanaka,T.Yamabe,Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70,
1717.)。そこで、本発明者等は、このコロネン上にリ
チウムイオンを置いてサイトの依存性について再検証を
行った。その結果、山邊等の結果を更に深く探求し、此
までに知られていなかったエネルギー的に安定なリチウ
ムイオンのサイトの埋め方の順序を新たに見出すことが
できた。その結果は、図21(末端水素キャップありの
場合)及び図22(末端水素キャップなしの場合)に示
すように、グラフ理論に従い、リチウム−リチウムの結
合の組み合わせパターンの数が最小になるように、リチ
ウムイオンはコロネンの周辺部位から埋められて行き、
最終的に中性状態で全ての位置が埋め尽くされて安定化
することが判明した。つまり、リチウムは、グラファイ
トシートの周辺部からエネルギー的に安定な位置に移動
しながら詰め込まれて行くのである。
Next, the results of investigating the dependence of sites by placing lithium ions on coronene using coronene as a model calculation for a lithium ion secondary battery have already been reported by Yamabe et al. (H. Ago , K.Nagata, K.Yoshi
zawa, K.Tanaka, T.Yamabe, Bull.Chem.Soc.Jpn., 1997,70,
1717.). Therefore, the present inventors placed lithium ions on the coronene and re-examined the site dependence. As a result, they were able to explore the results of Yamabe et al. More deeply and find a new order of how to fill the energetically stable lithium ion sites, which had not been known so far. As shown in FIG. 21 (with a terminal hydrogen cap) and FIG. 22 (without a terminal hydrogen cap), the result is such that the number of lithium-lithium bond combination patterns is minimized according to the graph theory. , Lithium ions are buried from around the coronene,
Finally, it was found that all positions were filled and stabilized in the neutral state. In other words, lithium is packed while moving from the periphery of the graphite sheet to an energy-stable position.

【0044】また、これまでに黒鉛化メソフェーズピッ
チ系炭素繊維(MCF)を使用した高性能なリチウムイ
オン電池が東芝の電池開発グループにより提案されてい
る。このMCFは、図1に示した黒鉛化MCFの断面の
電子顕微鏡写真から見て、高性能化する要因は、炭素繊
維のクラックが重要な働きを示していることによるもの
と推定される。これは、先に粒塊を制御することの重要
性と同じく、リチウム、リチウムイオンのみならず、リ
チウムイオンクラスターが出入りできる領域の穴の大き
さが極めて重要であることが、図1の電子顕微鏡写真か
らも判明する。このことが、高性能リチウムイオン電池
の真の正体であり、ハードカーボンを用いたリチウムイ
オン電池でも全く同様の現象が生じている。この炭素材
料は、次世代リチウムイオン電池に使用可能であるもの
の、リチウムイオンクラスターを用いた大容量電池に求
められるクラックの生成を人為的に制御することが極め
て困難であるため、高容量化を実現するには不十分なも
のと推定される。
A high-performance lithium-ion battery using graphitized mesophase pitch-based carbon fiber (MCF) has been proposed by the battery development group of Toshiba. From the electron micrograph of the cross-section of the graphitized MCF shown in FIG. 1, it is estimated that the factor for improving the performance of the MCF is due to the fact that cracks in the carbon fiber show an important function. This is because the size of the hole in the region where not only lithium and lithium ions but also lithium ion clusters can enter and exit is extremely important, as in the importance of controlling the agglomerates first. It is clear from the photos. This is the true identity of a high-performance lithium-ion battery, and the same phenomenon occurs in a lithium-ion battery using hard carbon. Although this carbon material can be used for next-generation lithium-ion batteries, it is extremely difficult to artificially control the generation of cracks required for large-capacity batteries using lithium-ion clusters. It is presumed to be insufficient to achieve this.

【0045】更に、2000年を目処にリチウムイオン
二次電池の負極材の市場に参入することが、三井鉱山か
ら発表されている(日刊工業新聞、日本工業新聞、日経
産業新聞、1999.10.28.)。そこには、炭素材料の簡易
な製造法方が開示されているが、ここで問題になるの
は、天然黒鉛を圧密化させて紡錘状にし、その粉体表面
に結晶炭素皮膜を形成することである。これは実験によ
る試行錯誤で見出されたものと推測されるが、その意味
について理論的に解明されているものとは考えられない
(M.Yoshio,HY.Wang,K.Fukuda,Y.Hara,Y.Adachi,J.Elect
rochem.Soc.,2000,147,1245)。ところが、この製造プロ
セスには、極めて重要な技術的意味が含まれている。例
えば、粉体表面に関して、最新の量子工学テクノロジー
を応用した量子ドットもしくは量子井戸のように再配置
を行って、表面積を大きくすることが重要であることが
示されている。そして圧密化して形状を紡錘状にするこ
とは、クラックを作ることを意味しているに他ならな
い。しかし、この方法では、クラックや細孔を充分に制
御することは不可能である点で、先のMCFと同じく不
十分なものである。
Further, Mitsui Mining has announced that it will enter the negative electrode material market for lithium ion secondary batteries by 2000 (Nikkan Kogyo Shimbun, Nippon Kogyo Shimbun, Nikkei Sangyo Shimbun, October 28, 1999. ). There is disclosed a simple method for producing a carbon material, but the problem here is that natural graphite is consolidated into a spindle shape, and a crystalline carbon film is formed on the powder surface. It is. This is presumed to have been found by trial and error by experiment, but its meaning is not considered to be theoretically clarified
(M.Yoshio, HY.Wang, K.Fukuda, Y.Hara, Y.Adachi, J.Elect
rochem. Soc., 2000, 147, 1245). However, this manufacturing process has a very important technical meaning. For example, it has been shown that it is important to increase the surface area of a powder surface by performing rearrangement like a quantum dot or a quantum well to which the latest quantum engineering technology is applied. Making the shape of the spindle into a spindle shape by compacting is nothing less than creating a crack. However, in this method, cracks and pores cannot be sufficiently controlled.

【0046】そこで、本発明では、上記した理論的考察
を基に考慮したところ、リチウム二次電池の負極に用い
る炭素材料が大容量化を達成するには、内部の炭素結晶
子層間においては、リチウム、リチウムイオン及びリチ
ウムイオンクラスターを吸蔵し得る大きさの空隙を多数
有する構造であるとともに、その炭素材料の表面部にお
いては、それらのリチウム、リチウムイオン及びリチウ
ムイオンクラスターが容易に移動できる出入口を有する
三次元炭素層構造からなる繊維状炭素であることを必要
とする。この繊維状炭素は、上記した図18、それから
誘導される図19及び図20の結果に基づいて、単位体
積当り最大限の表面積が得られるように再配置した結果
である。本来、単位体積当りで最大の表面積を持つ形状
としては球形であるが、この形状ではリチウムの移動に
使用される出入口を作り出すことができない。そこで、
次に最大限の表面積を導き出すことができる形状は、円
筒形であり、これであれば、上記の条件を全て充足する
ことが可能となる形状となる。このような認識の基に視
点を変えて検討した結果、元来相分離技術を応用したも
のとして開発され,人工透析に使用されている炭素繊維
の筒状中空糸を用いると、クラック生成を人為的に制御
することが可能である。図23には、本発明に用いられ
る炭素繊維の1例である中空糸断面を撮影した電子顕微
鏡写真を示す。このような筒状中空子では、外部表面と
内部表面とを持つために表面積が大きくなり、リチウ
ム、リチウムイオン及びリチウムイオンクラスターの出
入りに有利な構造である。
Therefore, in the present invention, considering the above theoretical considerations, in order to achieve a large capacity of the carbon material used for the negative electrode of the lithium secondary battery, the internal carbon crystallite layer must be It has a structure with many voids large enough to store lithium, lithium ions and lithium ion clusters, and at the surface of the carbon material, there is an entrance and exit through which the lithium, lithium ions and lithium ion clusters can easily move. It needs to be fibrous carbon having a three-dimensional carbon layer structure. This fibrous carbon is the result of rearrangement based on the results of FIG. 18 and FIGS. 19 and 20 derived therefrom so as to obtain the maximum surface area per unit volume. Originally, the shape having the maximum surface area per unit volume is spherical, but this shape cannot create an entrance used for lithium movement. Therefore,
Next, the shape from which the maximum surface area can be derived is a cylindrical shape, and in this case, the shape can satisfy all the above conditions. As a result of examining from a different viewpoint based on this recognition, cracks were generated artificially by using carbon fiber tubular hollow fibers originally developed as an application of phase separation technology and used in artificial dialysis. It is possible to control it. FIG. 23 shows an electron micrograph of a cross section of a hollow fiber which is an example of the carbon fiber used in the present invention. Such a cylindrical hollow element has an outer surface and an inner surface, and therefore has a large surface area, and is a structure advantageous for entry and exit of lithium, lithium ions, and lithium ion clusters.

【0047】この炭素繊維の筒状中空糸は、図23の断
面写真に見られるように、まさに負極に用いる炭素材料
として理想的な数多くのクラックを形成しているととも
に、多数の細孔を有しているため、これらの空隙にリチ
ウム、リチウムイオン及びリチウムイオンクラスターを
大量に吸蔵できる構造である。それと同時に、下記表1
に示すリチウムの構造データ(改訂第4版 化学便覧基
礎編II 日本化学会編、丸善、1993、R.D.Shannon,C.T.
Prewitt,Acta Crystallogr.,1969,B25,925-946,R.D.Sha
nnon,Acta Crystallogy.,A32,751-767.,A.Bondi,J.Phys
Chem.,1964,68,441-451.)を参考にして、リチウム等
の大きさに合わせて空隙の径の大きさを調整できるか
ら、既存のリチウムイオン電池よりも遥かに高性能なリ
チウムイオンクラスター電池を作成することができる。
As shown in the cross-sectional photograph of FIG. 23, this tubular hollow fiber of carbon fiber forms many cracks which are ideal as a carbon material used for the negative electrode, and has many pores. As a result, a large amount of lithium, lithium ions and lithium ion clusters can be stored in these voids. At the same time, Table 1 below
Lithium structural data shown in Revised 4th edition, Chemical Handbook Basic Edition II, Chemical Society of Japan, Maruzen, 1993, RDShannon, CT
Prewitt, Acta Crystallogr., 1969, B25, 925-946, RDSha
nnon, Acta Crystallogy., A32, 751-767., A. Bondi, J. Phys.
Chem., 1964, 68, 441-451.), The size of the void can be adjusted according to the size of lithium, etc., so the lithium-ion cluster battery has a much higher performance than existing lithium-ion batteries. Can be created.

【表1】 [Table 1]

【0048】上記したような炭素繊維の筒状中空糸を炭
素電極に用いることによる利点としては、主に次の4点
が挙げられる。 (1)リチウム、リチウムイオンもしくはリチウムイオ
ンクラスターの大きさに合わせて、自由自在に最適な大
きさのクラック及び細孔に制御できる。 (2)細孔により表面積をより大きくすることができる
上に、中空糸の内部にも表面部を有することから、全表
面積は外部表面積に比べて少なくとも2倍以上に大きく
なる。 (3)細孔及びクラックにより、ハードカーボン以上の
ダングリング・ボンドの大量生成が可能である。 (4)中空糸では、糸の内部全域にわたってリチウムの
ドープが可能である。つまり、大量のリチウム、リチウ
ムイオン及びリチウムイオンクラスターのドープが可能
である。
The advantages of using the above-described tubular hollow fiber of carbon fiber for the carbon electrode mainly include the following four points. (1) Cracks and pores having optimal sizes can be freely controlled according to the size of lithium, lithium ions or lithium ion clusters. (2) Since the surface area can be further increased by the pores and the hollow fiber also has a surface portion inside, the total surface area is at least twice as large as the external surface area. (3) Due to pores and cracks, a large amount of dangling bonds equal to or greater than hard carbon can be generated. (4) In the hollow fiber, lithium can be doped throughout the entire area of the fiber. That is, doping of a large amount of lithium, lithium ions, and lithium ion clusters is possible.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明によれば、負極炭素材料に多量の
リチウム、リチウムイオン及びリチウムイオンクラスタ
ーを吸蔵し、放出できる構造の炭素材料を用いるから、
小型でも大容量で高性能なリチウムイオンクラスター電
池の作成が可能である。中でも、負極炭素材料に筒状中
空糸を用いると、空隙の制御が容易になる上に、所望に
よりリチウム、リチウムイオンもしくはリチウムイオン
クラスターの大きさに合わせた最適な大きさの空隙を持
つものを自在に作成することができる。更に、中空糸
は、その内部が空洞であるから内部表面も存在すること
となり、表面積は少なくとも2倍以上の大きさに広が
る。そのため、中空糸は、ハードカーボン以上のダング
リング・ボンドが大量生成可能であって、大量のリチウ
ム、リチウムイオン及びリチウムイオンクラスターのド
ープが可能となり、現状の実験限界であるCLi以上
のリチウムを吸蔵できるから、大容量リチウムイオンク
ラスター二次電池の実現が可能である。
According to the present invention, a carbon material having a structure capable of occluding and releasing a large amount of lithium, lithium ions and lithium ion clusters is used for the negative electrode carbon material.
This makes it possible to create high-capacity, high-capacity lithium-ion cluster batteries that are small in size. Among them, the use of a tubular hollow fiber as the negative electrode carbon material makes it easy to control the voids and, if desired, has a void having the optimal size according to the size of lithium, lithium ion or lithium ion cluster. Can be created freely. Furthermore, since the hollow fiber has a hollow interior, the hollow fiber also has an internal surface, and the surface area is at least twice as large. Therefore, hollow fibers, a large amount can generate hard carbon or dangling bonds, large quantities of lithium, allows lithium ions and doped lithium ion cluster, C 3 Li or lithium experimental limit the current Therefore, a large capacity lithium ion cluster secondary battery can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 黒鉛化MCF断面の電子顕微鏡写真である。FIG. 1 is an electron micrograph of a cross section of a graphitized MCF.

【図2】 ピレンの化学構造式である。FIG. 2 is a chemical structural formula of pyrene.

【図3】 テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン(TB
C)の化学構造式である。
Fig. 3 Tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene (TB
It is a chemical structural formula of C).

【図4】 テトラコロネンの化学構造式である。FIG. 4 is a chemical structural formula of tetracoronene.

【図5】 ベイ構造(1)とエッジ構造(2)を持つ炭
素材料の化学構造である。
FIG. 5 is a chemical structure of a carbon material having a bay structure (1) and an edge structure (2).

【図6】 テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンを単位
とする6量体(n=6、TBC6)の化学構造式であ
る。
FIG. 6 is a chemical structural formula of a hexamer (n = 6, TBC6) having tetrabenzo [bc, ef, kl, no] coronene as a unit.

【図7】 炭素材料の代表的な構造の概略図である。FIG. 7 is a schematic view of a typical structure of a carbon material.

【図8】 黒鉛(グラファイト)の構造(A:炭素−炭
素間の距離:1.415Å、B:炭素シート間距離:3.354
Å)である。
FIG. 8 Structure of graphite (A: carbon-carbon distance: 1.415 °, B: carbon sheet distance: 3.354)
Å).

【図9】 黒鉛層間化合物の構造である。FIG. 9 shows the structure of a graphite intercalation compound.

【図10】 ハードカーボンにおけるリチウムのドープ
モデルである。
FIG. 10 is a model of lithium doping in hard carbon.

【図11】 分子コンデンサーの概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram of a molecular condenser.

【図12】 充放電メカニズムの概念図である。FIG. 12 is a conceptual diagram of a charging / discharging mechanism.

【図13】 グラファイトシート層間へのリチウムのド
ープモデルの概念図である。
FIG. 13 is a conceptual diagram of a model of doping lithium between graphite sheet layers.

【図14】 一般的な平行板コンデンサーのモデルであ
る。
FIG. 14 is a model of a general parallel plate condenser.

【図15】 一般的な平行板コンデンサーに誘電体を挿
入したモデルである。
FIG. 15 is a model in which a dielectric is inserted into a general parallel plate capacitor.

【図16】 非平行板コンデンサーモデルの概念図であ
る。
FIG. 16 is a conceptual diagram of a non-parallel plate capacitor model.

【図17】 非平行板コンデンサーの実質的な支配因
子:F(x)のグラフである。
FIG. 17 is a graph of F (x), a substantial controlling factor of a non-parallel plate capacitor.

【図18】 非平行板コンデンサーモデルの概念図であ
る。
FIG. 18 is a conceptual diagram of a non-parallel plate condenser model.

【図19】 非平行板コンデンサーの実質的な支配因
子:F(x、θ)のグラフである。ただし、角度θは、
グラフ作成上の都合から、ラジアン表記ではなく、度表
記とした。
FIG. 19 is a graph of a substantial dominant factor of a non-parallel plate capacitor: F (x, θ). Where the angle θ is
For the convenience of graph creation, the notation was not in radians but in degrees.

【図20】 ハードカーボン中の結晶子間に形成された
ミクロポア構造である。
FIG. 20 shows a micropore structure formed between crystallites in hard carbon.

【図21】 末端水素キャップを持つオバレンにおい
て、各リチウムの状態でオバレンの上に置いた際のリチ
ウムの最も安定した配置である。
FIG. 21 shows the most stable arrangement of lithium when placed on the ovalene in each lithium state in the ovalene having a terminal hydrogen cap.

【図22】 末端水素キャップを有しないオバレンにお
いて、各リチウムの状態でオバレンの上に置いた際のリ
チウムの最も安定した配置である。
FIG. 22 shows the most stable arrangement of lithium when placed on ovalene in each lithium state in ovalene having no terminal hydrogen cap.

【図23】 本発明に用いられる炭素材料の1例である
炭素繊維の中空子断面の電子顕微鏡写真である。
FIG. 23 is an electron micrograph of a cross section of a hollow fiber of carbon fiber which is an example of a carbon material used in the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H029 AJ03 AJ05 AL06 AM02 DJ14 DJ15 5H050 AA07 AA08 BA17 CB07 FA11 FA15 FA16 FA18  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H029 AJ03 AJ05 AL06 AM02 DJ14 DJ15 5H050 AA07 AA08 BA17 CB07 FA11 FA15 FA16 FA18

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】内部の炭素物質層間にリチウム、リチウム
イオン及びリチウムイオンクラスターを吸蔵する空隙を
有し、かつ表面部に該リチウム、リチウムイオン及びリ
チウムイオンクラスターが容易に移動できる出入り口を
有する三次元炭素構造からなる繊維状炭素であることを
特徴とするリチウム二次電池用負極炭素材料。
1. A three-dimensional structure having voids for storing lithium, lithium ions, and lithium ion clusters between carbon material layers inside, and an entrance through which the lithium, lithium ions, and lithium ion clusters can easily move. A negative electrode carbon material for a lithium secondary battery, which is a fibrous carbon having a carbon structure.
【請求項2】前記繊維状炭素が、筒状中空糸であること
を特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池
用負極炭素材料。
2. The negative electrode carbon material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the fibrous carbon is a hollow cylindrical fiber.
【請求項3】前記リチウム、リチウムイオン及びリチウ
ムイオンクラスターを吸蔵できる空隙が、クラック及び
細孔であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム
イオン二次電池用負極炭素材料。
3. The negative electrode carbon material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the voids capable of occluding lithium, lithium ions and lithium ion clusters are cracks and pores.
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