JP2002237302A - Lithium ion secondary battery wherein natural product- originated carbon is used as negative electrode - Google Patents
Lithium ion secondary battery wherein natural product- originated carbon is used as negative electrodeInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン二
次電池に関し、特に負極に天然物由来炭素を使用したリ
チウムイオン二次電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and more particularly to a lithium ion secondary battery using a carbon derived from a natural product for a negative electrode.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、携帯電話やラップトップコンピュ
ータ、或いはカメラ一体型VTRなどの携帯機器が大き
な市場を形成してきている。これら携帯機器に用いる電
源として、軽量、小型、高エネルギー密度を有する二次
電池への要望が強い。リチウムイオン二次電池はこれら
の点で他の二次電池に比較して優位性があり、活発な研
究開発が行われている。金属リチウムを負極に使用した
二次電池は、民生用としては、一時期、通信機器用に開
発されたことはあるが、充電時、負極表面に析出するデ
ンドライト(樹脂状結晶)、或いはまた活性な粒状のリ
チウムの生成などにより、電池の安全性と電池性能を損
なうという重要な問題があった。このため、特開平4−
286864号公報で開示されているように負極にリチ
ウム合金を使うとか、特開平4−56078号公報に開
示されているように電解液を検討するなどの方策が取ら
れてきた。2. Description of the Related Art In recent years, portable devices such as portable telephones, laptop computers, and camera-integrated VTRs have formed a large market. There is a strong demand for a lightweight, compact, and high energy density secondary battery as a power supply for these portable devices. Lithium-ion secondary batteries are superior to other secondary batteries in these respects, and active research and development are underway. Secondary batteries using lithium metal for the negative electrode have been developed for consumer use at one time for communication equipment, but when charged, dendrites (resin-like crystals) that precipitate on the negative electrode surface or There has been an important problem that the safety and battery performance of the battery are impaired due to the generation of granular lithium and the like. For this reason, Japanese Unexamined Patent Publication No.
Various measures have been taken, such as using a lithium alloy for the negative electrode as disclosed in Japanese Patent No. 286864, and examining an electrolytic solution as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-56078.
【0003】一方、これを改良するため充放電過程にお
けるリチウムの吸蔵を層間で行い、リチウム金属の析出
を防止できる炭素質材料を負極として使用することが見
いだされた。その中には、特開平4−237949号公
報で示されるように高分子炭化物、コークス、炭素繊
維、石炭及び石油ピッチ焼成物、メソカーボンマイクロ
ビーズ等の黒鉛質炭素など、より低い結晶化度と比重、
ラマン分光、比表面積その他の特性により定義される炭
素質物が提案されている。また、特開昭57−2080
79号公報には炭素質物としては最も結晶化度が高い黒
鉛を使用するとよいことが開示されている。しかしなが
ら、黒鉛はリチウムイオンの黒鉛結晶中へのインターカ
レーションを充放電の原理として使用するため、最大リ
チウム導入化合物のLiC6から算出される372mA
h/g以上の容量が得られないということもある一方
で、950℃以下で焼成した結晶化部分が極めて少ない
炭素質物は黒鉛の理論容量372mAh/gよりも大き
な容量を示すことが報告され、容量増大法として注目を
集めている。On the other hand, in order to improve this, it has been found that lithium is inserted between layers in a charge / discharge process, and a carbonaceous material capable of preventing deposition of lithium metal is used as a negative electrode. Among them, as shown in JP-A-4-237949, polymerized carbide, coke, carbon fiber, coal and petroleum pitch fired material, graphitic carbon such as mesocarbon microbeads, lower crystallinity and specific gravity,
Carbonaceous materials defined by Raman spectroscopy, specific surface area and other properties have been proposed. Also, JP-A-57-2080
No. 79 discloses that graphite having the highest crystallinity is preferably used as a carbonaceous material. However, since graphite uses intercalation of lithium ions into graphite crystals as the principle of charge and discharge, 372 mA calculated from the maximum lithium-introducing compound LiC 6 is used.
It is reported that a capacity of at least h / g cannot be obtained, whereas a carbonaceous material calcined at 950 ° C. or lower and having a very small amount of crystallized portion exhibits a capacity larger than the theoretical capacity of graphite of 372 mAh / g, It is receiving attention as a capacity increase method.
【0004】その一方、このような高性能リチウムイオ
ン二次電池も低価格化の研究開発が鋭意行われている。
とりわけ正極材料としてのLiMn2O4は、正極活物質
価格を従来のLiCoO2に比べて一気に十分の一以下
にまで圧縮することに成功し、一部で実用に供されてい
る。しかしながら、負極用材料に対してこれまでコスト
という観点から研究が行われた例はほとんど見あたらな
い。上述したように、リチウムイオンを可逆的に脱挿入
しうる負極用材料には、高分子炭化物、コークス、炭素
繊維、石炭及び石油ピッチ焼成物、メソカーボンマイク
ロビーズ等の黒鉛質炭素が提案され使用されているが、
いずれも原材料が高価であるか製造時の処理温度が高温
でコストを引き上げている。このように、リチウムイオ
ン二次電池用の新規な負極材料で、リチウムイオンを可
逆的に脱挿入しうる安価な材料の出現が待ち望まれてい
た。On the other hand, research and development of such a high-performance lithium-ion secondary battery at a low price have been earnestly conducted.
In particular, LiMn 2 O 4 as a positive electrode material has succeeded in reducing the price of the positive electrode active material to one tenth or less at a stretch compared to conventional LiCoO 2 , and has been partly put to practical use. However, there have been almost no examples of studies on materials for negative electrodes from the viewpoint of cost. As described above, as the negative electrode material capable of reversibly removing and inserting lithium ions, graphitic carbon such as polymer carbide, coke, carbon fiber, fired coal and petroleum pitch, and mesocarbon microbeads has been proposed and used. Has been
In either case, the raw materials are expensive or the processing temperature during production is high, raising the cost. As described above, there has been a long-awaited demand for a new negative electrode material for a lithium ion secondary battery, which is an inexpensive material capable of reversibly inserting and removing lithium ions.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明の第一の目的
は、リチウムイオンを脱挿入する新規な負極用材料を提
供することにある。本発明の第二の目的は、リチウムイ
オン二次電池用の安価な負極用材料を提供することにあ
る。本発明の第三の目的は、かかる新規な材料を用いて
繰り返し使用安定性に優れたリチウムイオン二次電池を
提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide a novel material for a negative electrode capable of deintercalating lithium ions. A second object of the present invention is to provide an inexpensive negative electrode material for a lithium ion secondary battery. A third object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having excellent repeated use stability using such a novel material.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために新規な負極用材料を中心に検討を重ね
た。その結果、(1)少なくとも正極と、非水溶液電解
液と、集電体上にリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・
放出し得る天然物由来炭素を有効成分として用いた負極
を有してなることを特徴とするリチウムイオン二次電
池、(2)天然物由来炭素が竹製備長炭であることを特
徴とする(1)に記載のリチウムイオン二次電池が、前
記の課題を解決することを見いだし、本発明の完成に至
った。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have repeatedly studied mainly on a novel negative electrode material. As a result, (1) at least the positive electrode, the non-aqueous electrolyte and the current collector are electrochemically occluded with lithium ions.
A lithium ion secondary battery comprising a negative electrode using a releasable natural product-derived carbon as an active ingredient, and (2) the natural product-derived carbon is bamboo charcoal ( The inventors have found that the lithium ion secondary battery described in 1) solves the above-mentioned problems, and have completed the present invention.
【0007】すなわち、本願本発者らは天然物由来炭素
がリチウムイオンを脱挿入できることを初めて見いだ
し、リチウムイオン二次電池用負極として使用すること
に成功した。かかる炭素材料は、リチウムイオン二次電
池用材料として全く新規なものである。また、これら材
料の多くは、従来リチウムイオン二次電池用負極に用い
られてきた炭素材料に比べて安価に入手でき、リチウム
イオン二次電池の低価格化に寄与するものである。さら
に、天然物由来炭素のなかには、実用化されている炭素
材料と比較して、充放電特性ならびに繰り返し特性にお
いて全く遜色ないものがあることを本願発明者らは見い
だして、本発明の完成に至った。That is, the present inventors have found for the first time that carbon derived from a natural product can insert and remove lithium ions, and have succeeded in using the carbon as a negative electrode for a lithium ion secondary battery. Such a carbon material is completely novel as a material for a lithium ion secondary battery. In addition, many of these materials can be obtained at a lower cost than carbon materials conventionally used for negative electrodes for lithium ion secondary batteries, and contribute to lowering the price of lithium ion secondary batteries. In addition, the present inventors have found that some of the carbons derived from natural products are not inferior in charge / discharge characteristics and repetition characteristics as compared with carbon materials that have been put into practical use, and have completed the present invention. Was.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】本発明にいう天然物由来炭素は、
草木や菌類それに動物等を原料としてそれらを炭化して
得た炭素を主成分とする物質のことである。具体的に
は、草木類ならば、葉、幹、枝、根、および花弁、果
実、種子が原料となるが、それらを加工ないし抽出した
セルロースや油脂も原料となる。菌類はそれ全体が原料
となる。動物に関してはでんぷん質や油脂などが原料と
なりうる。これらの天然物を炭化して天然物由来の炭素
材料を得ることができる。炭化の方法としては、高圧、
常圧あるいは減圧下で、酸素分圧10-7〜105Pa下
で加熱処理することで行うことができる。加熱温度は、
経済効率を勘案するなら、3200℃以下、好ましくは
1300℃以下が望ましい。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The carbon derived from a natural product according to the present invention is:
It is a substance whose main component is carbon obtained by carbonizing plants, fungi, animals and the like as raw materials. Specifically, in the case of plants, leaves, stems, branches, roots, petals, fruits, and seeds are used as raw materials, and cellulose and oils obtained by processing or extracting them are also used as raw materials. Fungi are all raw materials. For animals, starch and oils and fats can be raw materials. A carbon material derived from a natural product can be obtained by carbonizing these natural products. High pressure,
The heat treatment can be carried out under normal pressure or reduced pressure and under an oxygen partial pressure of 10 −7 to 10 5 Pa. The heating temperature is
Considering economic efficiency, the temperature is desirably 3200 ° C. or lower, preferably 1300 ° C. or lower.
【0009】このようにして得られる天然物由来炭素
は、従来リチウムイオン二次電池用負極材料として提案
されてきた黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料とは異
なるものであり、新規な素材である。The carbon derived from natural products thus obtained is different from carbon materials such as graphite and carbon black which have been conventionally proposed as negative electrode materials for lithium ion secondary batteries, and is a novel material.
【0010】以上のようにして得られる天然物由来炭素
は、本発明の負極用材料として使用に供するために、平
均粒径5〜100μm、好ましくは10〜50μmに粉
砕・分級する必要がある。このためには、ボールミル、
アトライター、振動ミル、遊星ミル、ジェットミル等公
知の粉砕装置と篩に代表される分級装置を用いて適切な
粒径ならびに粒径分布を持つ炭素材料を得ることができ
る。The natural product-derived carbon obtained as described above must be pulverized and classified to have an average particle size of 5 to 100 μm, preferably 10 to 50 μm, in order to use it as a material for a negative electrode of the present invention. For this, a ball mill,
A carbon material having an appropriate particle size and particle size distribution can be obtained by using a known pulverizing device such as an attritor, a vibration mill, a planetary mill, and a jet mill and a classifier such as a sieve.
【0011】本願発明の電池の製造方法について、次に
説明する。上で述べた天然物由来の炭素材料を、好まし
くは1〜100μm、更に好ましくは平均粒径5〜50
μmの範囲に粉砕し、該粉砕物に結着剤、溶媒等を加え
て、スラリー状とし、銅箔等の金属製集電体の基板にス
ラリーを塗布・乾燥することで電極とする。また、該電
極材料をそのままロール成形、圧縮成形等の方法で電極
の形状に成形することもできる。The method for manufacturing the battery of the present invention will be described below. The carbon material derived from a natural product described above is preferably used in an amount of 1 to 100 μm, more preferably an average particle size of 5 to 50 μm.
It is pulverized to a range of μm, a binder, a solvent, and the like are added to the pulverized material to form a slurry. The slurry is applied to a metal current collector substrate such as a copper foil and dried to form an electrode. Further, the electrode material can be directly formed into an electrode shape by a method such as roll forming or compression forming.
【0012】集電体は、電子伝導性を有する材質であれ
ば公知のものが全て使用できるが、とりわけ非腐食性の
材質が好ましい。このような材質としては、導電性カー
ボン、金、白金、ステンレス等が挙げられるが、ステン
レスが好適に使用される。集電体の形状は、箔状あるい
は多孔質体が実用的である。As the current collector, any known materials may be used as long as they have electron conductivity, but non-corrosive materials are particularly preferable. Examples of such a material include conductive carbon, gold, platinum, and stainless steel, and stainless steel is preferably used. The shape of the current collector is practically a foil or a porous body.
【0013】上記の目的で使用できる結着剤としては、
電解液に対して安定な、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、
セルロース等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴ
ム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロ
ピレンゴム等のゴム状高分子、スチレン・ブタジエン・
スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン
・イソプレン・スチレンブロック共重合体、その水素添
加物等の熱可塑性エラストマー状高分子、シンジオタク
チック12−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共
重合体、プロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜1
2)共重合体等の軟質樹脂状高分子、ポリフッ化ビニリ
デン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオ
ロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子、ア
ルカリ金属イオン、特にリチウムイオンのイオン伝導性
を有する高分子組成物が挙げられる。The binder usable for the above purpose includes:
Stable against electrolyte, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide,
Resin-based polymers such as cellulose, rubber-like polymers such as styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, styrene / butadiene /
Styrene block copolymers, hydrogenated products thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymers, thermoplastic elastomeric polymers such as hydrogenated products thereof, syndiotactic 12-polybutadiene, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene .Alpha.-olefins (2 to 1 carbon atoms)
2) The ion conductivity of soft resinous polymers such as copolymers, fluorine-based polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers, alkali metal ions, particularly lithium ions. Polymer composition having the same.
【0014】上記のイオン伝導性を有する高分子として
は、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等
のポリエーテル系高分子化合物、ポリエーテル化合物の
架橋体高分子、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスフ
ァゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリ
ビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリル等の高
分子化合物に、リチウム塩、またはリチウムを主体とす
るアルカリ金属塩を複合させた系、あるいはこれに炭酸
プロピレン、炭酸エチレン、γ−ブチロラクトン等の高
い誘電率を有する有機化合物を配合した系を用いること
ができる。この様な、イオン伝導性高分子組成物の室温
におけるイオン導電率は、好ましくは10 -5S/cm以
上、さらに好ましくは10-3S/cm以上である。As the above-mentioned polymer having ion conductivity,
Is polyethylene oxide, polypropylene oxide, etc.
Of polyether polymer compounds and polyether compounds
Crosslinked polymer, polyepichlorohydrin, polyphosph
Azen, polysiloxane, polyvinylpyrrolidone, poly
For high-density vinylidene carbonate, polyacrylonitrile, etc.
Lithium salt or lithium-based molecular compound
Or a mixture of alkali metal salts
High levels of propylene, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, etc.
Using a system containing an organic compound having a high dielectric constant
Can be. Room temperature of such an ion conductive polymer composition
Preferably has an ionic conductivity of 10 -FiveS / cm or less
Above, more preferably 10-3S / cm or more.
【0015】上記の負極用炭素材料を分散して塗工する
ための溶媒としては、いずれの溶媒を用いても良いが、
該結着剤を溶解ないしは分散することができるものが好
ましく使用される。このような溶媒としては、N−メチ
ルピロリドン、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセ
トアミド、ジメチルスルフォキシド、シクロヘキサノ
ン、アセトン、2−ブタノン、メチルイソブチルケトン
等の有機溶媒単独ないしはこれら溶媒を含む混合溶媒が
好適に使用される。As a solvent for dispersing and coating the above-mentioned carbon material for a negative electrode, any solvent may be used.
Those capable of dissolving or dispersing the binder are preferably used. As such a solvent, an organic solvent alone such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, cyclohexanone, acetone, 2-butanone, methylisobutylketone, or a mixed solvent containing these solvents is preferred. used.
【0016】上記の天然物由来炭素材料を必要に応じて
結着剤を加え、上記の溶媒とともに、公知の分散装置お
よび/または混合装置を用いて、塗工液を調合すること
ができる。このようにして準備された塗工液は、ブレー
ドコート、ワイヤーバーコート、スピンコート、スプレ
ーコート、浸漬塗工、ビードコートをはじめとする公知
の塗工手段を用いて集電体上に塗布することができる。
また、加熱した集電体と塗工液を含むノズル間に電界を
印加して製膜と加熱処理を同時に行うエレクトロスタテ
ィックスプレーディポジション(ESD)法も、好まし
く使用される。集電体上に塗布された液は加熱処理され
ることで、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し
得る負極板を形成する。A coating liquid can be prepared by adding a binder to the above-mentioned natural material-derived carbon material, if necessary, and using the above-mentioned solvent and a known dispersing device and / or mixing device. The coating solution prepared in this manner is coated on the current collector using a known coating method such as blade coating, wire bar coating, spin coating, spray coating, dip coating, or bead coating. be able to.
In addition, an electrostatic spray deposition (ESD) method in which an electric field is applied between a heated current collector and a nozzle containing a coating liquid to simultaneously perform film formation and heat treatment is also preferably used. The liquid applied on the current collector is subjected to a heat treatment to form a negative electrode plate capable of electrochemically inserting and extracting lithium ions.
【0017】こうして作製した負極板と以下に説明する
電解液、正極板を、その他の電池構成要素であるセパレ
ータ、ガスケット、集電体、封口板、セルケース等と組
み合わせてリチウムイオン二次電池を構成する。作製可
能な電池は筒型、角型、コイン型等特に限定されるもの
ではないが、基本的にはセル床板上に集電体と負極材料
を乗せ、その上に電解液とセパレータを、さらに負極と
対向するように正極を乗せ、ガスケット、封口板と共に
かしめて二次電池とする。The lithium ion secondary battery is obtained by combining the negative electrode plate thus prepared, the electrolyte solution described below, and the positive electrode plate with other battery components such as a separator, a gasket, a current collector, a sealing plate, and a cell case. Constitute. The battery that can be manufactured is not particularly limited, such as a cylindrical type, a square type, a coin type, but basically, a current collector and a negative electrode material are placed on a cell floor plate, and an electrolyte and a separator are further placed thereon. A positive electrode is placed so as to face the negative electrode, and caulked together with a gasket and a sealing plate to form a secondary battery.
【0018】電解液用に使用できる非水溶媒としては、
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、エチルメチ
ルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、γ−ブチ
ロラクトン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロフラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、1,
3−ジオキソラン等の有機溶媒の単独、または二種類以
上を混合したものを用いることができる。Non-aqueous solvents that can be used for the electrolyte include:
Propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, 1,
A single organic solvent such as 3-dioxolane or a mixture of two or more organic solvents can be used.
【0019】これらの溶媒に0.5〜2.0M程度のL
iClO4 ,LiPF6 ,LiBF4,LiCF3 SO3
,LiAsF6 等の電解質を溶解して電解液とする。
また、リチウムイオン等のアルカリ金属カチオンの導電
体である高分子固体電解質を、用いることもできる。正
極体の材料は、特に限定されないが、リチウムイオンな
どのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出でき
る金属カルコゲン化合物からなることが好ましい。その
様な金属カルコゲン化合物としては、バナジウムの酸化
物、バナジウムの硫化物、モリブデンの酸化物、モリブ
デンの硫化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化物、チ
タンの酸化物、チタンの硫化物及びこれらの複合酸化
物、複合硫化物等が挙げられる。好ましくは、Cr3 O
8 , V2 O5, V5 O13, VO2, Cr2 O5 , MnO
2 , TiO2 , MoV2 O8 , TiS2V2 S5 Mo
S2, MoS3 VS2 , Cr0.25V0.75S2 , Cr0.5
V0.5 S2等である。また、LiMY2 (Mは、Co,
Ni等の遷移金属YはO,S等のカルコゲン化合物),
LiM2 Y4 (MはMn,YはO),WO3 等の酸化
物、CuS,Fe0.25V0.75S2 , Na0.1 CrS2 等
の硫化物、NiPS3 , FePS3 等のリン、硫黄化合
物、VSe2 , NbSe3 等のセレン化合物等を用いる
こともできる。これらを負極材と同様、結着剤と混合し
て集電体の上に塗布して正極板とする。In these solvents, L of about 0.5 to 2.0 M is added.
iClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3
An electrolyte such as LiAsF 6 is dissolved to form an electrolyte.
Alternatively, a solid polymer electrolyte which is a conductor of an alkali metal cation such as lithium ion can be used. The material of the positive electrode body is not particularly limited, but is preferably made of a metal chalcogen compound that can occlude and release alkali metal cations such as lithium ions during charge and discharge. Such metal chalcogen compounds include vanadium oxide, vanadium sulfide, molybdenum oxide, molybdenum sulfide, manganese oxide, chromium oxide, titanium oxide, titanium sulfide and the like. Composite oxides and composite sulfides. Preferably, Cr 3 O
8, V 2 O 5, V 5 O 13, VO 2, Cr 2 O 5, MnO
2, TiO 2, MoV 2 O 8, TiS 2 V 2 S 5 Mo
S 2 , MoS 3 VS 2 , Cr 0.25 V 0.75 S 2 , Cr 0.5
V 0.5 S 2 and the like. LiMY 2 (M is Co,
Transition metals Y such as Ni are chalcogen compounds such as O and S),
Oxides such as LiM 2 Y 4 (M is Mn and Y is O) and WO 3 , sulfides such as CuS, Fe 0.25 V 0.75 S 2 and Na 0.1 CrS 2 , phosphorus and sulfur compounds such as NiPS 3 and FePS 3 , Selenium compounds such as VSe 2 and NbSe 3 can also be used. Like the negative electrode material, these are mixed with a binder and applied on a current collector to form a positive electrode plate.
【0020】電解液を保持するセパレータは、一般的に
保液性に優れた材料であり、例えば、ポリオレフィン系
樹脂の不織布や多孔性フィルムなどを使用して、上記電
解液を含浸させることで機能を発現する。The separator holding the electrolyte is generally a material having excellent liquid retention properties. For example, the separator is impregnated with the above electrolyte using a nonwoven fabric or a porous film of a polyolefin resin. Is expressed.
【0021】[0021]
【実施例】次に実施例により本発明を詳細に説明する
が、実施例は本発明を詳しく説明するためのものであ
り、本発明がこれらの実施例によってなんらの制約も受
けないことは断るまでもない。Next, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the examples are for describing the present invention in detail, and it is refused that the present invention is not limited by these examples. Not even.
【0022】(実施例−1)市販の竹製備長炭を遊星ミ
ルで軽く粉砕した後、篩い分けした中から35μm径の
粒子を取り出した。この粒子を1モル/リットルの過塩
素酸リチウムを含むエチレンカーボネートとプロピレン
カーボネート1:1体積比よりなる電解液に浸漬し、作
動極に直径35μmの白金−ロジウムフィラメント、対
極に参照極をかねたリチウム金属箔を用いて、電位走査
法による電流−電位曲線の測定を行った。このとき、作
用極は微小動作型のx−y−zステージを用いて、目標
とする炭素粒子に接触させて測定を行った。測定は、露
点−50℃以下のドライボックス中で行った。測定方法
の詳細については、エレクトロケミカル・アンド・ソリ
ッドステート・レターズ誌第3巻第3号125頁に記述
してある。Example 1 Commercially available bamboo charcoal made of bamboo was lightly pulverized with a planetary mill and then sieved to obtain particles having a diameter of 35 μm. The particles were immersed in an electrolytic solution containing 1 mol / l of lithium carbonate and 1: 1 by volume of ethylene carbonate and propylene carbonate, and the working electrode was a platinum-rhodium filament having a diameter of 35 μm and the counter electrode was a reference electrode. Using a lithium metal foil, a current-potential curve was measured by a potential scanning method. At this time, the working electrode was measured by using a micro operation type xyz stage in contact with target carbon particles. The measurement was performed in a dry box having a dew point of −50 ° C. or less. The details of the measurement method are described in Electrochemical and Solid State Letters, Vol. 3, No. 3, page 125.
【0023】かくして測定された電流−電位曲線(サイ
クリックボルタモグラム)を、図1に示す。1V〜0V
の電位域において卑方向電位走査時の負電流に基づくリ
チウムイオンの挿入と、貴方向電位走査時の正電流に基
づくリチウムイオンの脱離が観測され、この竹備長炭が
リチウムイオンを連続的に脱挿入できることが、はじめ
て明らかとなった。図1の負電流を電位走査した時間で
積分しリチウムイオン挿入電荷量を求め、また正電流を
時間積分してリチウムイオン脱離電荷量を求めることが
できる。この電荷量Qから次の式で表される放電容量の
変化と、充放電比が定義される。FIG. 1 shows the current-potential curve (cyclic voltammogram) thus measured. 1V to 0V
In the potential region, insertion of lithium ions based on the negative current during the base potential scanning and desorption of the lithium ions based on the positive current during the noble potential scanning were observed. It has become clear for the first time that it can be inserted and removed. The negative current in FIG. 1 can be integrated over the potential scanning time to determine the amount of lithium ion insertion charge, and the positive current can be integrated over time to determine the amount of lithium ion desorption charge. From this charge amount Q, a change in discharge capacity represented by the following equation and a charge / discharge ratio are defined.
【0024】[0024]
【数式1】 放電容量の変化=QNth/Q1st [Formula 1] Change in discharge capacity = Q Nth / Q 1st
【0025】[0025]
【数式2】 充放電比=Qdischarge/Qcharge [Formula 2] Charge / discharge ratio = Q discharge / Q charge
【0026】上式において、Q1stは一回目の電位走査
で充電の後放電した電荷を表し、QNthはN回目の電位
走査で充電の後放電した電荷を表す。また、Qchargeと
Qdischa rgeは各々N回目の電位走査で充電した電荷
と、そのあと放電した電荷を表す。このようにして測定
した値を、表1に示す。In the above equation, Q 1st represents the charge discharged after charging in the first potential scan, and Q Nth represents the charge discharged after charging in the N-th potential scan. Also, Q charge and Q discha rge represents a charge charged in each N-th potential scan, the after-discharge electric charge. Table 1 shows the values thus measured.
【0027】(比較例−1)実施例−1で使用した炭素
粒子の代わりに黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ(2
800℃焼成)を用いた以外は、実施例−1と同様にし
て直径30μmの粒子の電流−電位曲線の測定を行っ
た。この材料は、従来より、リチウムイオン二次電池用
負極材料としての使用が提案されている。測定の結果、
非常に可逆性の良好なサイクリックボルタモグラムが得
られた。このことから、この炭素材料にリチウムイオン
が可逆的に脱挿入することが分かり、従来よりリチウム
イオン二次電池用負極材料として好適に使用されている
ことが改めて証明された。また、実施例−1と同様にし
て、放電容量の変化と充放電比を測定し、表1に示す。Comparative Example 1 Instead of the carbon particles used in Example 1, graphitized mesocarbon microbeads (2
The current-potential curve of the particles having a diameter of 30 μm was measured in the same manner as in Example 1 except that (calcination at 800 ° C.) was used. This material has conventionally been proposed for use as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. As a result of the measurement,
Very good reversible cyclic voltammograms were obtained. From this, it was found that lithium ions were reversibly inserted and removed from the carbon material, and it was proved that the carbon material has been suitably used in the past as a negative electrode material for lithium ion secondary batteries. Further, the change in the discharge capacity and the charge / discharge ratio were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
【0028】(比較例−2)実施例−1で使用した炭素
粒子の代わりに黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ(1
000℃焼成)を用いた以外は、実施例−1と同様にし
て直径30μmの粒子の電流−電位曲線の測定を行っ
た。この材料は、従来より、リチウムイオン二次電池用
負極材料としての使用が提案されている。測定の結果、
図1と同様に可逆性の良好なサイクリックボルタモグラ
ムが得られた。このことから、この炭素材料にリチウム
イオンが可逆的に脱挿入することが分かり、従来よりリ
チウムイオン二次電池用負極材料として好適に使用され
ていることが改めて証明された。また、実施例−1と同
様にして、放電容量の変化と充放電比を測定し、表1に
示す。Comparative Example 2 Graphitized mesocarbon microbeads (1) were used instead of the carbon particles used in Example 1.
The current-potential curve of the particles having a diameter of 30 μm was measured in the same manner as in Example 1 except that calcination at 000 ° C. was used. This material has conventionally been proposed for use as a negative electrode material for a lithium ion secondary battery. As a result of the measurement,
As in FIG. 1, a cyclic voltammogram with good reversibility was obtained. From this, it was found that lithium ions were reversibly inserted and removed from the carbon material, and it was proved that the carbon material has been suitably used in the past as a negative electrode material for lithium ion secondary batteries. Further, the change in the discharge capacity and the charge / discharge ratio were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
【0029】(実施例−2)実施例−1で使用した炭素
粒子の代わりに備長炭を用いた以外は、実施例−1と同
様にして直径35μmの粒子の電流−電位曲線の測定を
行った。測定の結果、図1と同様に可逆性の良好なサイ
クリックボルタモグラムが得られ、この備長炭がリチウ
ムイオンを連続的に脱挿入できることが、はじめて明ら
かとなった。また、実施例−1と同様にして、放電容量
の変化と充放電比を測定し、表1に示す。Example 2 A current-potential curve of particles having a diameter of 35 μm was measured in the same manner as in Example 1 except that Bincho charcoal was used instead of the carbon particles used in Example 1. Was. As a result of the measurement, a cyclic voltammogram having good reversibility was obtained as in FIG. 1, and it became clear for the first time that Bincho charcoal was capable of continuously inserting and removing lithium ions. Further, the change in the discharge capacity and the charge / discharge ratio were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
【0030】(実施例−3)実施例−1で使用した炭素
粒子の代わりにバンブーセラミックスを用いた以外は、
実施例−1と同様にして直径35μmの粒子の電流−電
位曲線の測定を行った。測定の結果、図1と同様に可逆
性の良好なサイクリックボルタモグラムが得られ、この
バンブーセラミックスがリチウムイオンを連続的に脱挿
入できることが、はじめて明らかとなった。また、実施
例−1と同様にして、放電容量の変化と充放電比を測定
し、表1に示す。Example 3 Except that the carbon particles used in Example 1 were replaced by bamboo ceramics,
The current-potential curve of particles having a diameter of 35 μm was measured in the same manner as in Example-1. As a result of the measurement, a cyclic voltammogram with good reversibility was obtained as in FIG. 1, and it was first clarified that the bamboo ceramics could continuously insert and remove lithium ions. Further, the change in the discharge capacity and the charge / discharge ratio were measured in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.
【0031】[0031]
【表1】 [Table 1]
【0032】表1から、実施例に使用した安価に入手で
きる天然物由来炭素は、リチウムイオンの脱挿入を可逆
的に脱挿入できることがはじめて分かり、リチウムイオ
ン二次電池の負極に使用できることが分かる。特に、表
1から、実施例−1に用いた竹備長炭は、従来からリチ
ウムイオン二次電池の負極に提案されている比較例の材
料と比べて全く遜色ないことが分かる。そこで、次に、
実際の二次電池セルを作製して、電池の充放電試験を行
った。From Table 1, it can be seen for the first time that the inexpensive natural-derived carbon used in the examples can reversibly insert and remove lithium ions, and that it can be used for the negative electrode of lithium ion secondary batteries. . In particular, from Table 1, it can be seen that the bamboo charcoal used in Example-1 is not inferior to the material of the comparative example conventionally proposed for the negative electrode of the lithium ion secondary battery. So, next,
An actual secondary battery cell was manufactured, and a charge / discharge test of the battery was performed.
【0033】実施例−1、比較例−1、比較例−2に使
用した炭素材料9重量部を各々ポリフッ化ビニリデン1
重量部とともに、N−メチルピロリドン6重量部を加え
て乳鉢で良く混練してスラリーを作製した。これを銅箔
集電体上にドクターブレード塗工し、110℃で12時
間真空乾燥してリチウムイオン二次電池用負極を作製し
た。かくして得られた負極に対し、電解液をはさみ、リ
チウム金属電極に対向させたセルを作製し、充放電試験
を行った。電解液には、エチレンカーボネートとプロピ
レンカーボネートを容量比1:1の比率で混合した溶媒
に過塩素酸リチウムを1mol/Lの割合で溶解させた
ものを用いた。セルの組み立ては、超乾燥空気を満たし
たグローブボックス内で行った。セルの組み立て後、負
極に電解液が十分しみ込むよう、2時間放置してから測
定を開始した。9 parts by weight of the carbon material used in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were each replaced with polyvinylidene fluoride 1
6 parts by weight of N-methylpyrrolidone were added together with the parts by weight, and the mixture was kneaded well in a mortar to prepare a slurry. This was coated with a doctor blade on a copper foil current collector and vacuum-dried at 110 ° C. for 12 hours to prepare a negative electrode for a lithium ion secondary battery. The negative electrode thus obtained was sandwiched with an electrolytic solution, a cell was made to face the lithium metal electrode, and a charge / discharge test was performed. As the electrolytic solution, a solution prepared by dissolving lithium perchlorate at a rate of 1 mol / L in a solvent in which ethylene carbonate and propylene carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. The cell was assembled in a glove box filled with ultra-dry air. After assembling the cell, measurement was started after leaving the cell for 2 hours so that the electrolyte solution permeated the negative electrode sufficiently.
【0034】充放電試験は、定電流充放電法によって行
った。電流密度0.1mA/cm2で極間電位差が0V
になるまでドープを行い、ついで極間電位差1.5Vに
なるまで脱ドープを行った。繰り返し3サイクルの充放
電を行い、脱ドープ容量を測定した。測定結果を表2に
示す。The charge / discharge test was performed by a constant current charge / discharge method. Current density of 0.1 mA / cm 2 and potential difference between electrodes is 0 V
, And then undoped until the potential difference between the electrodes reached 1.5 V. The charge / discharge was repeated three cycles, and the undoping capacity was measured. Table 2 shows the measurement results.
【0035】[0035]
【表2】 [Table 2]
【0036】比較例−1の炭素材料を用いた二次電池の
放電容量は黒鉛の理論容量より少ないものの、ジャーナ
ル・オブ・エレクトロケミカル・ソサイエティー誌14
2巻1041頁に記載の報告値とよく一致している。こ
のことから、これらの電池およびその評価特性は、信頼
の置けるものであると考えられる。また、実施例−1の
竹備長炭を使用した電池は、従来より提案され使用され
ている炭素材料と比較して全く遜色のない特性を示して
いる。従って、かかる新規かつ安価な炭素材料を使用し
て従来の電池と同等の性能を有する電池を作製できるこ
とが明らかである。Although the discharge capacity of the secondary battery using the carbon material of Comparative Example 1 was smaller than the theoretical capacity of graphite, it was found in Journal of Electrochemical Society 14
This is in good agreement with the reported values described in Vol. 2, page 1041. From these facts, it is considered that these batteries and their evaluation characteristics are reliable. Further, the battery using the bamboo charcoal of Example 1 has characteristics comparable to those of conventionally proposed and used carbon materials. Therefore, it is clear that a battery having performance equivalent to that of a conventional battery can be manufactured using such a novel and inexpensive carbon material.
【0037】[0037]
【発明の効果】本発明は、負極に今までに提案されたこ
とのない天然物由来炭素を用いることで新規な負極材料
を使用したリチウムイオン二次電池を提供するものであ
る。また、かかる天然物由来炭素材料は、従来から使用
されている負極用材料に比較してきわめて安価に入手で
きるため、安価なリチウムイオン二次電池を提供するも
のである。さらに、竹備長炭を天然物由来炭素として使
用すると、従来の材料と同等の繰り返し使用安定性に優
れたリチウムイオン二次電池が提供される。The present invention provides a lithium ion secondary battery using a novel negative electrode material by using a carbon derived from a natural product that has never been proposed before. Further, since such a natural product-derived carbon material can be obtained at a very low price as compared with a conventionally used negative electrode material, it provides an inexpensive lithium ion secondary battery. Furthermore, when bamboo charcoal is used as carbon derived from a natural product, a lithium ion secondary battery having excellent repeated use stability equivalent to that of conventional materials is provided.
【図1】本願発明実施例1の炭素材料におけるリチウム
イオン充放電特性の繰り返し依存性を示す電流−電位曲
線(サイクリックボルタモグラム)である。FIG. 1 is a current-potential curve (cyclic voltammogram) showing the repetition dependence of lithium ion charge / discharge characteristics in a carbon material of Example 1 of the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 獨古 薫 宮城県仙台市青葉区川内亀岡町60番地AO BA62−110 (72)発明者 藤田 有美 宮城県仙台市泉区黒松3丁目1番18−201 号 Fターム(参考) 5H029 AJ00 AK02 AK03 AK05 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 EJ01 EJ12 5H050 AA00 BA17 CA02 CA05 CA08 CA09 CA11 CB07 DA04 EA24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kaoru Dokoko, AO BA62-110, 60 Kameoka-cho, Kawauchi, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (72) Yumi Fujita 3--18, Kuromatsu, Izumi-ku, Sendai, Miyagi Prefecture -201 F term (reference) 5H029 AJ00 AK02 AK03 AK05 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 EJ01 EJ12 5H050 AA00 BA17 CA02 CA05 CA08 CA09 CA11 CB07 DA04 EA24
Claims (2)
集電体上にリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し
得る天然物由来炭素を有効成分として用いた負極を有し
てなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。At least a positive electrode, a non-aqueous electrolyte,
A lithium ion secondary battery comprising a current collector and a negative electrode using, as an active ingredient, carbon derived from a natural product capable of electrochemically storing and releasing lithium ions.
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。2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the carbon derived from a natural product is bamboo charcoal made of bamboo.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001033552A JP2002237302A (en) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | Lithium ion secondary battery wherein natural product- originated carbon is used as negative electrode |
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Publications (1)
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CN107275588A (en) * | 2017-05-11 | 2017-10-20 | 华南农业大学 | A kind of lithium ion battery bamboo charcoal/molybdenum sulfide composite negative pole material and preparation method thereof |
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-
2001
- 2001-02-09 JP JP2001033552A patent/JP2002237302A/en active Pending
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