JP2002324547A

JP2002324547A - リチウムイオン電池の負極構造およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002324547A
Application number: JP2001130417A
Authority: JP
Inventors: Kazuyasu Nakane; 和靖中根
Original assignee: Inoue MTP KK; Inoac Corp
Current assignee: Inoac Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-11-08

Abstract

(57)【要約】【課題】負極活物質を負極集電体に保持させるパイン
ダとして、炭化することで該活物質としても機能する熱
硬化性樹脂を用い、電気容量、充放電特性およびサイク
ル特性等に優れるリチウムイオン電池の負極構造と、こ
れを製造する方法とを提供する。【解決手段】所要の導電性を有する負極集電体１２お
よび炭素を材質とする負極活物質１４とからなるリチウ
ムイオン電池の負極構造において、前記負極活物質１４
を無酸素雰囲気下で加熱されて炭化する熱硬化性樹脂の
バインダ１６および炭素材料１８を混合した負極活物質
１４から構成し、前記雰囲気下で該バインダ１６が加熱
により炭化した状態となるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リチウムイオン
電池の負極構造およびその製造方法に関し、更に詳細に
は、リチウムイオン二次電池に好適に使用され、電気容
量および充放電特性等の各物性を向上させ得る負極構造
と、該負極構造を製造する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、小型で充電が可能な二次電池とし
て、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池や、ニッケ
ル・水素蓄電池その他の電池が好適に採用されている。
しかし近年の電子機器の小形化および軽量化の要請に伴
い、よりエネルギー密度の高い電池、すなわち高い電気
容量を有すると共に、環境負荷が少くて安全な二次電池
が求められている。

【０００３】これらの要求に応えるに、充分な性能の電
池として、リチウムイオン電池が挙げられる。このリチ
ウムイオン電池は、軽量性、電圧、電気容量、充放電特
性およびサイクル特性等で優れた特性を有し、その使用
用途としては、例えばパーソナルコンピュータ、カメラ
一体型ＶＴＲおよび携帯電話、データ端末機器等の民生
用電子機器の電源等が挙げられる。

【０００４】前記リチウムイオン電池は、負極活物質と
して金属リチウムを用いておらず、リチウムイオンのド
ープ・アンドープを行ない得る物質を用いた二次電池で
あり、リチウムイオンを正極体と負極体との間で往来さ
せることにより充放電を行なうものである。このため正
極活物質および負極活物質の形態が変化しない特徴を有
する。

【０００５】従来一般的に知られている円筒形のリチウ
ムイオン電池は、図６に示す如く、シート状の正極体６
０と負極体６２との間に、セパレータ６４を挟んで渦巻
状としたスパイラル構造となっており、該セパレータ６
４を介して正極体６０と負極体６２との間をリチウムイ
オンが行き来することで、充放電がなされる構造となっ
ている。また図７に示す如く、前記正極体６０は、正極
活物質６０ａおよび正極集電体６０ｂにより構成され、
該正極活物質６０ａとしてはリチウムおよびコバルトか
らなる複合金属酸化物(LiCoO₂)が、また該正極集電体６
０ｂとしてはアルミニウム箔が好適に採用されている。
更に負極体６２は、負極活物質６２ａおよび負極集電体
６２ｂにより構成され、該負極活物質６２ａとしては所
要の炭素質物質が、該負極集電体６２ｂとしては銅箔が
好適に採用されている。

【０００６】前記負極体６２を構成する負極活物質６２
ａは、その容量がリチウムイオン電池の電気容量に比例
することが判明しているので、できる限り多い方がよ
い。また同じく負極体６２を構成する負極集電体６２ｂ
は、前述の負極活物質６２ａの容量を増大させると共
に、速やかなリチウムイオンの容易な移動を許容するた
めに、可能な限り薄い方がよい。

【０００７】

【発明が解決すべき課題】前記負極体６２は、一般的に
採用されている製造方法によれば、前記負極集電体６２
ｂに、電気によるアタック耐性が高いポリフッ化ビニリ
デン(ＰＶＤＦ)樹脂等をバインダ成分として混合した炭
素材料の負極活物質６２ａを付与することで製造されて
いる。このように前記バインダを使用するときは、その
量が充分でないと前記負極活物質６２ａが負極集電体６
２ｂから剥離し易くなり、結果として電気容量が低下し
てしまう。一方前記バインダの量を増やすと、前記負極
活物質６２ａの量は相対的に減少するため、やはり充分
な電気容量の確保が困難となってしまう。

【０００８】また前記負極集電体６２ｂに、充分なバイ
ンダを混合した多量の負極活物質６２ａを使用すれば確
実な結着がなされるが、その反面で厚くなりすぎた負極
活物質６２ａが自重により負極集電体６２ｂから剥離し
てしまう畏れがある。また、同時に多量の負極活物質６
２ａを構造的に支持するため、前記負極集電体６２ｂを
厚くする必要性を生じ、結果として同一体積内での負極
活物質容量が相対的に減少し、電気容量が低下してしま
う欠点が指摘される。

【０００９】また前記ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)
樹脂等のバインダの場合、該バインダ作用を発現させる
ために充分な乾燥が必要とされる。この乾燥により、前
記ＰＶＤＦに使用される溶媒、具体的にはＮ-メチル-２
-ピロリドンが除去されることで充分な結着がなされる
が、該ＰＶＤＦの融点(約１７０℃)等の各要素によっ
て、乾燥温度は１５０℃以下に設定される。しかし溶媒
である前記Ｎ-メチル-２-ピロリドンは除去に必要とさ
れる沸点が高く(２０２℃)、通常完全な乾燥に４８〜１
００時間程度の時間が必要とされ、その結果製造コスト
が増大してしまう問題を内在していた。

【００１０】

【発明の目的】この発明は、前述した従来技術に係る二
次リチウムイオン電池の負極構造およびその製造方法に
内在していた欠点に鑑み、これを好適に解決すべく提案
されたものであって、負極活物質を負極集電体に結着・
保持させるパインダとして、炭化することで該活物質と
しても機能する熱硬化性樹脂を用い、電気容量、充放電
特性およびサイクル特性等に優れるリチウムイオン電池
の負極構造と、これを製造する方法とを提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を克服し、所期
の目的を達成するため本願の発明に係るリチウムイオン
電池の負極構造は、負極活物質として炭素を用いるリチ
ウムイオン電池の負極構造において、所要の導電性を有
する負極集電体と、該負極集電体に設けた炭素を材質と
する負極活物質とからなるリチウムイオン電池の負極構
造において、前記負極活物質は、無酸素雰囲気下で加熱
されて炭化する熱硬化性樹脂のバインダおよび炭素材料
を混合した負極活物質の原料からなり、前記雰囲気下で
該バインダが加熱されて炭化した状態で前記負極集電体
に設けられていることを特徴とする。

【００１２】前記課題を克服し、所期の目的を達成する
ため本願の別の発明に係るリチウムイオン電池の負極構
造は、所要の導電性を有する負極集電体と、該負極集電
体に設けた炭素を材質とする負極活物質とからなるリチ
ウムイオン電池の負極構造において、前記負極集電体
は、導管を有する樹木を炭化させた格子状基材および該
格子状基材に画成される各導管跡に積層的に形成した導
電層からなり、前記負極活物質は、無酸素雰囲気下で加
熱されて炭化する熱硬化性樹脂のバインダおよび炭素材
料を混合した負極活物質の原料からなり、前記雰囲気下
で該バインダが加熱されて炭化した状態で前記負極集電
体に設けられていることを特徴とする。

【００１３】前記課題を克服し、所期の目的を達成する
ため本願の更に別の発明に係るリチウムイオン電池の負
極構造の製造方法は、所要の導電性を有する負極集電体
と、該負極集電体に設けた炭素を材質とする負極活物質
とからなるリチウムイオン電池の負極構造の製造方法に
おいて、無酸素雰囲気下で加熱されて炭化する熱硬化性
樹脂のバインダおよび炭素材料を混合した負極活物質の
原料を前記負極集電体に付与し、この混合物を無酸素雰
囲気下で加熱して、前記バインダを炭化した状態とする
ことで前記負極集電体に設けるようにしたことを特徴と
する。

【００１４】前記課題を克服し、所期の目的を達成する
ため本願の更に別の発明に係るリチウムイオン電池の負
極構造の製造方法は、所要の導電性を有する負極集電体
と、該負極集電体に設けた炭素を材質とする負極活物質
とからなるリチウムイオン電池の負極構造の製造方法に
おいて、導管を有する樹木を炭化させて格子状基材と
し、この格子状基材に画成される各導管跡に導電層を積
層的に形成することで前記負極集電体とし、無酸素雰囲
気下で加熱されて炭化する熱硬化性樹脂のバインダおよ
び炭素材料を混合した負極活物質の原料を前記負極集電
体に付与し、この混合物を無酸素雰囲気下で加熱して、
前記バインダを炭化した状態とすることで前記負極集電
体に設けるようにしたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係るリチウムイオ
ン電池の負極構造およびその製造方法につき、好適な実
施例を挙げて、添付図面を参照しながら以下説明する。
本願の発明者は、所要の導電性を有する材質から負極集
電体を作製し、次いで負極活物質として負極集電体に結
着・保持すると共に、炭化することで該活物質としても
機能するバインダおよび炭素材料の混合物を負極活物質
の原料として用いることで、電気容量、充放電特性およ
びサイクル特性等に優れるリチウムイオン電池の負極構
造が得られることを知見したものである。また前記負極
集電体として、被子植物、殊に松、杉、桧等の針葉樹に
代表される樹木、すなわち円柱状または多角形状の導管
細胞が縦に並ばせて上下に相通する管状の導管を有して
いる樹木を炭化させることで、該導管が格子状となった
格子状基材を基として負極集電体を作製することで、構
造強度的にも優れたリチウムイオン電池の負極構造が得
られることを確認した。なお本発明で云う「無酸素雰囲
気」とは、例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガ
ス雰囲気、還元雰囲気または酸素が存在しても、加熱に
より燃焼が促進されず炭化体が得られる程度の雰囲気を
云う。

【００１６】図１は、本発明の好適な実施例に係る電池
の負極体を示す横断平面図である。この負極体１０は、
正極との間の物理的に遮断するセパレータ(図示せず)を
介してリチウムイオンを受け入れ電子を放出する負極活
物質１４と、この負極活物質１４から放出された電子を
電池外に送出する負極集電体１２とから基本的に構成さ
れる。本実施例では前記負極集電体１２として、構造強
度的に優れた効果を示す格子状基材(後述)を利用した
が、この他、前記負極活物質１４と効率よく接触するよ
うに表面積が大きくされるシート形状物、メッシュ形状
物その他立体形状物等の従来公知の集電体構造形状であ
れば好適に使用し得る。

【００１７】前記負極集電体１２は、前述の格子状基材
２０と、この基材２０を基としてその上に形成される所
定厚さの導電層２２とからなり、該格子状基材２０は、
幹に多数の微細な導管を有する、例えばスギ、マツ、ヒ
ノキ等の針葉樹の、例えば幹を前記導管に対して垂直に
切断し、熱処理を加えて炭化することで得られる。この
際、前記導管部分は、格子状基材２０の導管跡２０ａと
なる。前記針葉樹の幹における導管の幹に対する断面積
的な割合は略９０％以上であり、これら幹から得られる
格子状基材２０における導管跡２０ａの割合である導管
跡率、すなわち負極体１０における負極活物質１４の割
合も略９０％以上の高率となる。

【００１８】前記格子状基材２０は、電子を抵抗なく流
電させ得る負極集電体１２のベースとして作用するだけ
でなく、前記負極体１０に構造的剛性を提供するもので
もある。従ってその形状としては、外部からの応力に対
応し得る、例えばハニカム形状或いは三角形または四角
形等の多角形形状が好適である。実際、前述した針葉樹
の幹からは、複雑な円柱状または多角形状を略規則的に
有して、構造的剛性を充分に有する格子状基材２０が得
られる。

【００１９】前記導電層２２は、電子の導通性を充分に
備える負極集電体１２の実質的な本体となる部分であ
り、前記格子状基材２０の導電性を高めるために形成さ
れる。具体的には化学気相反応を用いることで、炭素塊
である前記格子状基材２０の内表面に対して０.５〜５
μｍ程度の厚さとなるように欠損なく、均一に高い密着
性(化学的親和性)をもって形成される。その材質として
は、例えば窒化チタンまたは炭化チタン等が好適であ
る。前述した層厚さが薄すぎると集電体としての電気導
通性が悪化、すなわち抵抗が大きくなってしまい、また
厚すぎると導管跡２０ａが必要以上に狭まってしまっ
て、前記負極活物質１４の量が相対的に減少してしまう
ので注意が必要である。

【００２０】本実施例では前記負極集電体１２として、
前記格子状基材２０に対して導電層２２を形成して所定
の導電率を達成するように構成したが、本発明に係るリ
チウムイオン電池の負極集電体は殊にこれに限定される
ものではなく、例えば電池集電体として求められる導電
性を達成する金属板や、この金属板をシート形状、メッ
シュ状や立体形状に加工したものでも採用可能である。
このように所定の導電性を達成する材質の場合には、前
記導電層２２は必要ない。

【００２１】前記負極活物質１４は、前記導管跡２０ａ
に充填する等してバインダ１６および炭素材料１８を混
合して調合した負極活物質の原料を付与して形成されて
いるものであり、正極からセパレータを介してドープま
たはアンドープされるリチウムイオンを受け入れまたは
放出する部分である。

【００２２】前記バインダ１６としては、アルゴンガス
等の無酸素雰囲気下で１,０００℃程度の加熱により炭
化され、後述する炭素材料１８を前記負極集電体１２に
結着し得る、例えばフェノール樹脂の如き熱硬化性樹脂
が使用される。

【００２３】前記炭素材料１８としては、所定の導電性
を有する炭素または黒鉛等が使用される。その性状とし
ては、前記バインダ１６との混合が容易なように、例え
ば粉体状であることが好ましい。

【００２４】前記バインダ１６の１００重量部の該炭素
材料１８に対する混合量は、３〜１００重量部の範囲内
に設定される。この混合量が３重量部未満であると、バ
インダ１６の総量が不足なため、前記負極集電体１２に
対して充分な結着性を発現し得ず、また１００重量部を
越える場合には、最終的に得られる負極集電体１２内に
該バインダ１８の炭化により得られる無結晶性(アモル
ファス)炭素が多すぎることにより、電気容量が低下し
てしまうため注意が必要である。

【００２５】

【製造方法】本発明に係るリチウムイオン電池の負極構
造の製造方法は、図２および図３に示す如く、集電体形
成工程Ｓ１、活物質作製工程Ｓ２、活物質付与工程Ｓ３
および最終工程Ｓ４の各工程に大きく分かれる。

【００２６】前記集電体形成工程Ｓ１は、所要の導電性
を有する材質を集電体１２として必要とされる、シート
形状、格子形状またはメッシュ状に形成する工程であ
り、本実施例においては、所定の針葉樹の幹を炭化して
格子状基材２０を得るための工程であり、所定の針葉樹
の幹を炭化して格子状基材２０を得る炭化段階Ｓ１１
と、得られた格子状基材２０の内表面に化学気相反応を
利用して導電層２２を形成する導電層付与段階Ｓ１２と
からなる。

【００２７】前記炭化段階Ｓ１１では、前述した通り、
導管を有する針葉樹の幹から格子状基材２０を製造する
が(図３(ａ)参照)、例えばアルゴン、窒素等の不活性ま
たは還元雰囲気等の無酸素雰囲気下において、温度１,
０００℃程度、時間４時間程度の条件により炭化を施す
強制還元雰囲気炭化法により実施されるが、その他従来
公知の何れの方法でも採用可能である。またこの際の炭
化温度は、炭素が昇華抑制および製造コストの点から３
５００℃、好ましくは３０００℃以下に設定され、この
温度が許容範囲内で高ければ高いほど、該炭素の結晶度
が促進され、その結果前記格子状基材２０の機械的強度
の向上が期待できる。

【００２８】前記導電層付与段階Ｓ１２では、前記炭化
段階Ｓ１１で得られた格子状基材２０の内表面に導電層
２２を積層的に形成するが(図３(ｂ)参照)、この際、使
用される従来公知の化学気相反応装置の一例を図４に示
す。この化学気相反応装置４０は、反応部４２、原料供
給部４４、真空ポンプ４６およびリザーバータンク４８
から基本的に構成される。前記反応部４２は、反応容器
５０と、この反応容器５０を制御下に加熱する電気炉等
の加熱手段５２とからなる。前記原料供給部４４は、本
導電層付与段階Ｓ１２においては、前記導電層２２を形
成する四塩化チタン、窒素ガスおよび水素ガス等の必要
に応じた複数のガス供給源４４ａを備えている。前記真
空ポンプ４６は、前記反応容器５０内を所定の真空状態
にする等の手段であり、前記リザーバータンク４８は、
複数の各ガス供給源４４ａから供給され所定割合にされ
た混合ガスを一時的に保持するものである。またガスが
流通する各流通経路の主要箇所には、制御下に該流通経
路を開閉する電磁弁等のバルブ５４が設けられている。

【００２９】前記導電層２２の形成手順としては、前記炭化段階Ｓ１１で得られた格子状基材２０を反応
容器５０内に接触しないように固定する。該反応容器５０内を加熱手段５２を使用して８００〜
1,１００℃程度の所定温度とすると共に、真空ポンプ４
６を駆動させ所定の真空状態とする。そして、所定の混合ガスを前記原料供給部４４の各ガ
ス供給源４４ａを開放して作製し(場合によっては、得
られた混合ガスを塩化チタンの飽和器等に流通させ
る)、リザーバータンク４８に一時的に貯留する。得られた混合ガスを一気に反応容器５０内に供給し、
所定時間(１〜２秒程度)保持させ、前記格子状基材２０
の露出している内表面に該混合ガスを層として蒸着させ
る。前記反応容器５０内の反応済み混合ガスを真空ポンプ
４６により排気する。を一巡として、所要厚さの導電層
２２が形成されるまで繰り返す。

【００３０】このようにして格子状基材２０上に積層的
に導電層２２が積層的に形成され、導管跡２０ａに充分
な構造的強度および導電度を発現し得る負極集電体１２
が得られる。

【００３１】前述の集電体形成工程Ｓ１では、前記負極
集電体１２を格子状基材２０および導電層２２から形成
した場合を述べたが、[００２０]で述べた通り、該負極
集電体１２として、該集電体１２として求められる導電
性を達成する銅等の金属板を材質を使用した際には、前
記導電層付与段階Ｓ１２は必要ない。

【００３２】前記集電体形成工程Ｓ１に引き続いて行な
われる活物質作製工程Ｓ２は、該集電体形成工程Ｓ１で
得られた負極集電体１２上に付与する活物質を作製する
工程である。具体的には湿式の混合機等を使用し、前記
負極活物質の原料である熱硬化性樹脂等のバインダ１６
および炭素微粉末等の炭素材料１８を充分に混合して負
極活物質１４の原料を得る工程である。また前記バイン
ダ１６および炭素材料１８を混合する際には、該バイン
ダ１８をアルコール等の所定の溶媒に溶解させること
で、作業性および後述する活物質付与工程Ｓ３を容易化
し得る。前記所定の溶媒としては、室温で容易に揮発し
て前記バインダ１６および炭素材料１８中に不純物を残
留させないアルコール等が好適である。

【００３３】前記活物質作製工程Ｓ２の次に施される活
物質付与工程Ｓ３は、前記活物質作製工程Ｓ２で作製さ
れた負極活物質１４の原料を前記負極集電体１２上に付
与る工程である。本工程を経ることで、前記負極集電体
１２上に負極活物質１４が設けられる。

【００３４】前記負極集電体１２がシート形状物または
メッシュ状物の場合の具体的な付与は、前記前記活物質
作製工程Ｓ２で負極活物質１４の原料を作製した際に、
その性状を本工程Ｓ３を容易ならしめる、例えば低粘度
流動物または液状物とした後、刷毛、スプレーコーティ
ング、ロールコーティングまたは含浸等の従来公知の方
法を使用して行なわれる。

【００３５】また本実施例に記載の格子形状物の場合に
は格子間に充填し易い、例えばスラリー状物等を練り込
むまたは押し込むように充填する方法が望ましい。この
ように四方を囲まれた導管跡２０ａに負極活物質１４の
原料を充填して順次埋めていくため、外部から応力が掛
かった場合、該応力が内部に向かってのみ掛かることに
なるので高い耐久性を示す。これに伴い、前記負極集電
体１２自体の構造的剛性も補強されることになるので、
より薄い該負極集電体１２の採用によっても充分な構造
的剛性を得ることができる。すなわちより大容量の負極
活物質１４の充填が可能となり、電気容量が向上する。

【００３６】ここまでに施された集電体形成工程Ｓ１、
活物質作製工程Ｓ２および活物質付与工程Ｓ３により、
格子状基材２０から、構造的剛性、電気容量および充放
電特性を向上させた負極体１０を得ることができる。最
終的に施される最終工程Ｓ４では、前記負極体１０への
最終的な仕上げおよび検査等が行なわれる。

【００３７】

【実験例】以下に実施例に係る負極の製造方法により得
られた負極を有する電池の電気容量および充放電特性の
評価並びに製造における負極活物質の乾燥時間について
の実験例を示すが、本発明に係るリチウムイオン電池の
負極構造およびその製造方法は、この実験例に限定され
るものではない。

【００３８】(各実験に使用される実験および比較に係
る負極の作製)実験１〜３に係る負極試験体は、負極集
電体としてニッケルメッシュ(１５０mech;ニコラ製(寸
法３０ｍｍ×１０ｍｍ))を、負極活物質を構成するバイ
ンダにフェノール樹脂(商品名フェノライト５９００;
大日本インキ製)、炭素材料に粉末炭素(商品名メソカ
ーボンマイクロビーズ(ＭＣＭＢ)(登録商標);大阪ガス
ケミカル製)および溶媒として汎用にエタノールを夫々
使用し、該負極集電体に該バインダ、炭素材料および溶
媒を混合した負極活物質の原料を付与して負極活物質と
した。この際、実験１〜３については、夫々前記負極活
物質の原料を構成するバインダおよび炭素材料の混合割
合を変化させることで作製されている。

【００３９】比較１および２に係る負極試験体は、負極
集電体として前記実験例と同様のニッケルメッシュ(１
５０mech;ニコラ製(寸法３０ｍｍ×１０ｍｍ))を、負極
活物質を構成するバインダにポリフッ化ビニリデン(商
品名ＫＦポリマー＃１１２０;呉羽化学工業製)、炭素
材料に実験例と同様の粉末炭素(商品名メソカーボンマ
イクロビーズ(ＭＣＭＢ)(登録商標);大阪ガスケミカル
製)および溶媒として汎用にＮ-メチル-２-ピロリドン
(キシダ化学製)を夫々使用し、該負極集電体に該バイン
ダ、炭素材料および溶媒を混合した負極活物質の原料を
付与して負極活物質とした。この際、比較１、２につい
ては、夫々前記負極活物質の原料を構成するバインダお
よび炭素材料の混合割合を変化させることで作製されて
いる。

【００４０】実験例１〜３および比較例１、２に係る負
極試験体における前記バインダ、炭素材料および溶媒の
混合割合、製造の際に必要とされる負極活物質の乾燥時
間および電気容量を下記の表１に記載した。

【００４１】

【表１】

【００４２】(電気容量の測定)各実験１〜３および比較
１、２に係る負極試験体について、後述する「充放電特
性」と、各種物性データ(負極体の重量および体積並び
に負極活物質の重量、体積および密度等(表記せず))と
を利用して電気容量を算出した。

【００４３】(充放電特性の測定)各実験１〜３および比
較１、２に係る負極試験体について、対極および参照極
にはリチウム箔を用い、電解液としては、その比率を
１：１としたエチレンカーボネートおよびジエチルカー
ボネートの混合溶媒に対して、１ｍｏｌ/ｌの過塩素酸
リチウムを溶解させたものを使用して、充放電の１サイ
クルが１２時間になるように電流値を設定し、電圧０〜
１.５Ｖ間の条件下で３極セルにより計５０回の充放電
を行なうことで充放電特性を測定した。そして前記充放
電特性を、充放電効率(＝放電で得られた電気量／充電
に要した電気量)およびサイクル数のグラフとして図５
に示した。

【００４４】(結果)本発明の実験に係る負極試験体は、
比較に係る試験用負極に較べて何れも製造に係る乾燥時
間が大きく(１／２４)短縮していること、電気容量が一
割以上と大きく向上していることおよび充放電特性が改
善していることが確認された。また各実験に係る負極試
験体を比較した場合、電気容量については実験２に係る
負極試験体の結果が最も良好であり、充放電特性につい
てはバインダの混合割合の増加に従って向上しているこ
とが確認された。

【００４５】ここから電気容量については、前記パイン
ダの混合割合による最適値が存在し、これは該バインダ
が少ない場合には該負極集電体および負極活物質が充分
に結着されておらず、多い場合には該バインダの炭化物
が炭素材料に較べて電気容量的に劣るためであると推測
される。また充放電特性については、前記パインダの混
合割合が少なすぎると、負極集電体に対する結着性が悪
化し、充放電の繰り返しによる負極活物質の剥離が生じ
てしまうためであると推測される。

【００４６】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明に係るリチウ
ムイオン電池の負極構造およびその製造方法によれば、
これまで電気容量の向上等に貢献し得なかったバインダ
として、加熱により炭化して負極活物質として利用し得
る熱硬化性樹脂を用いるようにしたので、負極集電体に
対する負極活物質の良好な結着性と、電気容量の向上等
とを両立した負極構造とし得る。また針葉樹等の導管を
有する樹木を炭化した格子状基材を使用することで、機
械的強度が高く、かつ体積占有率が少ない負極集電体と
し、更に高い電気容量、優れた充放電特性およびサイク
ル特性等を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施例に係るリチウムイオン電
池の負極構造を示す横断平面図である。

【図２】実施例に係るリチウムイオン電池の負極構造を
製造する工程を示すフローチャート図である。

【図３】図２に示すリチウムイオン電池の負極構造を製
造する工程を各工程毎に示す工程図である。

【図４】実施例に係る負極活物質の導電層の形成に好適
に使用される化学気相反応装置の一例を示す概略図であ
る。

【図５】各実験１〜３および比較１、２のサイクル特性
をサイクル数と効率とで示すサイクル特性図である。

【図６】従来の技術に係るリチウムイオン電池の負極構
造を切り欠き、展開して示す斜視図である。

【図７】図６の正極体および負極体の積層構造を拡大し
て示す断面図である。

【符号の説明】

１２負極集電体１４負極活物質１６バインダ１８炭素材料２０格子状基材２０ａ導管跡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H017 AA03 AS02 BB01 BB04 BB09 BB12 CC05 DD08 EE06 5H050 AA02 AA07 AA08 BA17 CB07 DA03 DA10 DA11 EA08 FA05 FA17 GA02 GA10 HA01 HA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所要の導電性を有する負極集電体(12)
と、該負極集電体(12)に設けた炭素を材質とする負極活
物質(14)とからなるリチウムイオン電池の負極構造にお
いて、前記負極活物質(14)は、無酸素雰囲気下で加熱されて炭
化する熱硬化性樹脂のバインダ(16)および炭素材料(18)
を混合した負極活物質(14)の原料からなり、前記雰囲気
下で該バインダ(16)が加熱されて炭化した状態で前記負
極集電体(12)に設けられていることを特徴とするリチウ
ムイオン電池の負極構造。
【請求項２】前記熱硬化性樹脂として、フェノール樹
脂が採用される請求項１記載のリチウムイオン電池の負
極構造。
【請求項３】前記炭素材料(18)として、カーボンブラ
ックの如き炭素微粉等が使用される請求項１または２記
載のリチウムイオン電池の負極構造。
【請求項４】前記バインダ(16)の混合量は、１００重
量部の炭素材料(18)に対して、３〜１００重量部の範囲
内に設定される請求項１〜３の何れかに記載のリチウム
イオン電池の負極構造。
【請求項５】前記負極集電体(12)は、シート形状に形
成されると共に、前記負極活物質(14)は該負極集電体(1
2)の表面に付与される請求項１〜４の何れかに記載のリ
チウムイオン電池の負極構造。
【請求項６】前記負極集電体(12)は、格子形状に形成
されると共に、前記負極活物質(14)は該負極集電体(12)
の格子内部に充填される請求項１〜４に何れかに記載の
リチウムイオン電池の負極構造。
【請求項７】所要の導電性を有する負極集電体(12)
と、該負極集電体(12)に設けた炭素を材質とする負極活
物質(14)とからなるリチウムイオン電池の負極構造にお
いて、前記負極集電体(12)は、導管を有する樹木を炭化させた
格子状基材(20)および該格子状基材(20)に画成される各
導管跡(20a)に積層的に形成した導電層(22)からなり、前記負極活物質(14)は、無酸素雰囲気下で加熱されて炭
化する熱硬化性樹脂のバインダ(16)および炭素材料(18)
を混合した負極活物質(14)の原料からなり、前記雰囲気
下で該バインダ(16)が加熱されて炭化した状態で前記負
極集電体(12)に設けられていることを特徴とするリチウ
ムイオン電池の負極構造。
【請求項８】前記導管を有する樹木は、例えば松、杉
または桧等の針葉樹である請求項７記載のリチウムイオ
ン電池の負極構造。
【請求項９】前記導電層(22)は、化学気相反応により
形成される請求項７または８記載のリチウムイオン電池
の負極構造。
【請求項１０】前記導電層(22)の材質として、窒化チ
タンまたは炭化チタン等が使用される請求項７〜９の何
れかに記載のリチウムイオン電池の負極構造。
【請求項１１】前記導電層(22)の厚さは、０.５〜５
μｍである請求項７〜１０の何れかに記載のリチウムイ
オン電池の負極構造。
【請求項１２】前記熱硬化性樹脂として、フェノール
樹脂が採用される請求項７〜１１の何れかに記載のリチ
ウムイオン電池の負極構造。
【請求項１３】前記炭素材料(18)として、カーボンブ
ラックの如き炭素微粉等が使用される請求項７〜１２の
何れかに記載のリチウムイオン電池の負極構造。
【請求項１４】前記バインダ(16)の混合量は、１００
重量部の炭素材料(18)に対して、３〜１００重量部の範
囲内に設定される請求項７〜１３の何れかに記載のリチ
ウムイオン電池の負極構造。
【請求項１５】所要の導電性を有する負極集電体(12)
と、該負極集電体(12)に設けた炭素を材質とする負極活
物質(14)とからなるリチウムイオン電池の負極構造の製
造方法において、無酸素雰囲気下で加熱されて炭化する熱硬化性樹脂のバ
インダ(16)および炭素材料(18)を混合した負極活物質(1
4)の原料を前記負極集電体(12)に付与し、この混合物を無酸素雰囲気下で加熱して、前記バインダ
(16)を炭化した状態とすることで前記負極集電体(12)に
設けるようにしたことを特徴とするリチウムイオン電池
の負極構造の製造方法。
【請求項１６】所要の導電性を有する負極集電体(12)
と、該負極集電体(12)に設けた炭素を材質とする負極活
物質(14)とからなるリチウムイオン電池の負極構造の製
造方法において、導管を有する樹木を炭化させて格子状基材(20)とし、この格子状基材(20)に画成される各導管跡(20a)に導電
層(22)を積層的に形成することで前記負極集電体(12)と
し、無酸素雰囲気下で加熱されて炭化する熱硬化性樹脂のバ
インダ(16)および炭素材料(18)を混合した負極活物質(1
4)の原料を前記負極集電体(12)に付与し、この混合物を無酸素雰囲気下で加熱して、前記バインダ
(16)を炭化した状態とすることで前記負極集電体(12)に
設けるようにしたことを特徴とするリチウムイオン電池
の負極構造の製造方法。
【請求項１７】前記導管を有する樹木は、例えば松、
杉または桧等の針葉樹から選択される請求項１６記載の
リチウムイオン電池の負極構造の製造方法。
【請求項１８】前記導電層(22)の形成は、化学気相反
応によりなされる請求項１６または１７記載のリチウム
イオン電池の負極構造の製造方法。