JP2004134295A - Nonaqueous electrolyte battery - Google Patents

Nonaqueous electrolyte battery Download PDF

Info

Publication number
JP2004134295A
JP2004134295A JP2002299240A JP2002299240A JP2004134295A JP 2004134295 A JP2004134295 A JP 2004134295A JP 2002299240 A JP2002299240 A JP 2002299240A JP 2002299240 A JP2002299240 A JP 2002299240A JP 2004134295 A JP2004134295 A JP 2004134295A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
graphite
boron
intercalation compound
graphite intercalation
electrolyte battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002299240A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiyuki Miwa
美和 俊之
Takashi Suzuki
鈴木 貴志
Hiroto Sagisaka
鷺坂 博人
Minoru Inagaki
稲垣 稔
Masanori Nakanishi
中西 正典
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FDK Corp
Original Assignee
FDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FDK Corp filed Critical FDK Corp
Priority to JP2002299240A priority Critical patent/JP2004134295A/en
Publication of JP2004134295A publication Critical patent/JP2004134295A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous electrolyte battery in which charge and discharge capacity is large, and which is less liable to deterioration in cycles. <P>SOLUTION: This battery is provided with a negative electrode 1 composed of lithium metal or a material capable of storing and releasing lithium, an electrolyte containing lithium salt, and a positive electrode 3 composed of graphite intercalation compound. As the host material of the graphite intercalation compound used for the positive electrode 3, a material obtained by carrying out heat treatment of a carbon material containing boron or boron compound, and by intercalating an electron attracting substance is used. The electron attracting substance to intercalate with the graphite intercalation compound contains at least one kind selected from CoCl<SB>2</SB>, NiCl<SB>2</SB>, CuCl<SB>2</SB>, CrCl<SB>3</SB>, FeCl<SB>3</SB>, and MnCl<SB>2</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム金属またはリチウムの吸蔵・放出が可能な材料からなる負極と、リチウム塩を含んだ電解質と、黒鉛層間化合物からなる正極とを備えた非水電解液電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
二次電池において、正極あるいは負極を層状構造を有する化合物あるいは黒鉛層間化合物により構成することが知られている。
たとえば、特許文献1においては、正極活物質としてFeCl 黒鉛層間化合物を用い、負極にリチウム黒鉛層間化合物を用い、固体電解質を用いた二次電池について記載されている。そして、放電時に3.5Vの初期開路電圧、負荷抵抗100kΩで平均負荷電流14μA、平均開路電圧3.3Vが得られている。
【0003】
この時、正極に用いられる黒鉛層間化合物のゲスト種は、黒鉛との間でπ軌道による電荷移動錯体を形成する電子吸引性物質である。その電荷移動錯体は、一般式Cn(AXy)で表すことができ、Aは配位する金属原子または高い原子価状態にある非金属原子であり、Xは電子吸引性の非金属原子である。カソードとして用いたときには、放電反応は下式(2)のように表される。
xe+xM+(CnAXy)→(MxCnAXy) (式2)
このような黒鉛とπ軌道電荷移動錯体を形成する電子吸引性物質としては、AsF、BCl、BF、Br、BrF、CdCl、Cl、CoCl、CrO、CrCl、CuCl、CuBr、FeCl、FeCl、FeBr、NiCl、IF、ICl、MoF、MoCl、PF、PtCl、ReCl、RhCl、RuCl、SbF、SbFCl、SbCl、TiF、WF、WClなど他にも多数挙げられる。このようなゲスト種をインターカレートするホスト材としては、天然、人造黒鉛やファイバー等の黒鉛構造が発達したものが使用されている。
【0004】
【特許文献1】
特開昭58−102464号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のこの種の電池にあっては、黒鉛材料をホスト材にして黒鉛層間化合物を作製しているため、ゲスト種をインターカレーションすることにより、充電容量が低下してしまうという課題があった。この原因は、主に正極材料の結晶構造の破壊や配向性の劣化に起因している。即ち、充放電サイクルに伴って、分子サイズの比較的大きなアニオンが黒鉛材料に繰り返し吸蔵・放出されることにより、黒鉛結晶が崩壊し、粒子に亀裂が生じる結果、その一部が充放電不可能な形態に変化するからである。即ち、そのような結晶構造の破壊や配向性の劣化をもたらす黒鉛層間化合物を使用して、非水電解質電池を構成すると、充放電容量が少なくなってしまうだけでなく、サイクル劣化の進行が早まってしまう。
【0006】
なお、本明細書中において「黒鉛化」とは、無定形炭素から黒鉛への熱エネルギーによる固相遷移を指し、具体的には黒鉛化後の結晶化度に関係なく、2500℃以上の温度で熱処理することを意味する。また、「炭素材料」とは、炭素原子を主成分として含む固体物質を指すこととし、その配列の規則性までは指定しないこととする。同様に、「黒鉛材料」は炭素原子を主成分として含み、当該炭素原子が三次元的な規則性を伴って配列した結晶構造を有する固体物質を意味することとし、前記黒鉛化を行った材料であるか否かは関係無いこととする。また黒鉛材料は炭素材料の一部に含まれることにする。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、充放電容量が大きく、サイクル劣化を起こし難い非水電解質電池を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して得られた黒鉛材料を、黒鉛層間化合物作製時のホスト材として用いる。
【0009】
ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して得られる黒鉛材料は、結晶化度は高度に発達しているが、部分的に欠陥が挿入されているため、ゲスト種のインターカレーションに対して安定化が図られており、結晶構造の破壊や配向性の劣化を抑えることができる。
【0010】
ホウ素を導入された黒鉛材料の結晶化度を表すd(002)の大きさは、電池の充放電容量と関係しており、ラマンスペクトルのピーク強度比は導入された欠陥の量を表すため、電池ではサイクル特性に関係する。
【0011】
即ち、本発明の請求項1に係る非水電解質電池は、リチウム金属またはリチウムの吸蔵・放出が可能な材料からなる負極と、リチウム塩を含んだ電解質と、黒鉛層間化合物からなる正極とを備えた非水電解液電池において、前記正極に用いる黒鉛層間化合物のホスト材料として、ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して電子吸引性物質をインターカレートして得られた物質を用いる、ことを特徴とする。
【0012】
通常の合成黒鉛材料は、石油ピッチ、コールタールピッチ、縮合多環炭化水素化合物、有機高分子化合物等の有機材料を窒素またはアルゴンガスあるいはヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気中、300〜700℃で炭素化した後、さらに2500℃以上、望ましくは3000℃以上で熱処理(黒鉛化)することで生成される。また天然に産出する黒鉛材料も、前記合成黒鉛に匹敵するか、それ以上に発達した結晶構造を備えている場合が多い。以上のような高度に黒鉛化された合成黒鉛材料、若しくは天然黒鉛材料は、結晶子サイズが大きく且つ隣接六角網平面間の格子歪が少ないため、結晶子内部に存在する格子欠陥の量は僅かである。
【0013】
通常、このような黒鉛材料にアニオンや分子が電気化学的に吸蔵されると、黒鉛結晶が崩壊し、充放電サイクルの進行と共に可逆的な吸蔵・放出可能容量が減少する。これは黒鉛結晶を構成する六角網平面は弱いファン・デル・ワールスの力のみにより積み重なっているため、六角網平面間の距離よりも分子サイズの大きなアニオン等がインターカレーションすると簡単にへき開してしまうからである。
【0014】
一方、初期サイクルのみではあるが、アニオンの吸蔵・放出可能容量は結晶化度が高いほど大きく、放電カーブの安定性にも優れることが一般的に知られている。
【0015】
本発明者等は、上記インターカレーション反応が繰り返し行われる場合、黒鉛材料の結晶化度を高度に発達させ、且つその一部に欠陥を導入することで結晶構造の安定性を高めることにより、容量を保ったままサイクル特性を改善できることを見出した。すなわち、正極に用いる黒鉛層間化合物のホスト材料として、ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して電子吸引性物質をインターカレートして得られた物質を用いることである。
【0016】
ホウ素化合物を含有する黒鉛材料の代表的な製造方法としては、易黒鉛化性炭素材料又はその出発原料、若しくは炭素前駆体にホウ素又はホウ素化合物粉末を添加・混合し、熱処理(炭素化又は黒鉛化)することで得られる。
【0017】
易黒鉛化性炭素材料の出発原料としては、コールタールピッチ又は石油ピッチ等の各種ピッチ類が代表的である。これらのピッチは、コールタール又は原油等の原料を蒸留、抽出、熱分解、乾留等の精製若しくは改質工程を経て得られる。
【0018】
また、ナフタレン、フェナンスレン、アントラセン、ピレン、ペリレン、アセナフチレン等の芳香族化合物を原料とした縮合多環多核芳香族(COPNA樹脂)及びポリ塩化ビニル樹脂等の有機高分子化合物も使用可能である。これらの出発原料は、熱処理段階の途中約350℃付近で液相状態を経由するため、重縮合した多環炭化水素化合物の生成及びその三次元的な積層化が容易に進行し、異方性領域が形成され、炭素前駆体を生成する。当該前駆体は、その後の熱処理で容易に黒鉛材料を与え得る状態となる。以上の有機材料を出発原料として、窒素またはアルゴンガスあるいはヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気中で、300〜700℃で炭素化した後、最高到達温度900〜1500℃程度の条件で焼成し、易黒鉛化性炭素を生成させる。
【0019】
また、得られる炭素材料として、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、メソカーボンマイクロビーズ、ピッチコークス又は石油コークス、若しくはニードルコークス等易黒鉛化性の炭素材料がある。
【0020】
ホウ素又はホウ素化合物を添加する時期(段階)は、前記出発原料に添加しても良いし、炭素前駆体又は生成した炭素材料に添加しても特に問題は無い。何れの場合も、混合する際の分散性を高めるために、予め平均粒子径で200μm以下、好ましくは50μm以下程度に粉砕しておくことが望ましい。ホウ素又はホウ素化合物の例としては、ホウ素単体の他にホウ素原子を含んだ化合物であれば何れも適用可能である。例示するのであれば、ホウ化コバルト、ホウ化ハフニウム、ホウ化ジルコニウム等のホウ化物セラミックス、BC、BC等の炭化ホウ素、B、B等の酸化ホウ素、オルトホウ酸又はメタホウ酸及びこれらの塩等である。
【0021】
このようにして得られたホウ素又はホウ素化合物が混合された炭素材料を、前述の不活性ガス雰囲気中で1400℃以上、好ましくは2000℃以上の熱処理温度で炭素化又は黒鉛化することにより、ホウ素又はホウ素化合物を含んだ黒鉛材料が得られる。
【0022】
前記方法に加え、黒鉛材料に前述のホウ素又はホウ素化合物を添加し、その後不活性ガス雰囲気中で2400℃以上、好ましくは3000℃程度の温度で熱処理を行っても良い。黒鉛材料の例としては、2400℃以上の熱処理温度で黒鉛化されたメソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、熱分解炭素、メソカーボンマイクロビーズ、ピッチコークス又は石油コークス等の多結晶黒鉛材料や各種合成黒鉛材料及び各種天然黒鉛材料である。
【0023】
天然黒鉛は、中国、マダカスカル、ブラジル、スリランカ等で産出される。鉱石の状態では、黒鉛以外の不純物が多く含まれているため、ホウ素又はホウ素化合物と共に混合して2400℃以上で熱処理を行ったとしても、黒鉛中へのホウ素の拡散が進行し難く、均質にホウ素が含有された黒鉛材料が得られ難い。このため、これら不純物を予め除去しておく必要がある。例えば、フッ化水素、塩化水素、硫酸及び硝酸またはこれらの混酸等の酸性水溶液、または苛性ソーダ等のアルカリ性水溶液または有機系溶媒中でこれらの不純物を溶解させることにより除去することが可能である。またフッ素、塩素ガス等のハロゲンガス気流中で500℃以上の熱処理を行うことによっても不純物を除去し、黒鉛材料を高純度化することが可能である。
【0024】
ここで、請求項2係る非水電解質電池に示すように、前記黒鉛層間化合物にインターカレートする電子吸引性物質は、CoCl、NiCl、CuCl、CrCl、FeCl、MnClから選ばれた少なくとも1種類を含むものとなし得る。
【0025】
請求項3係る非水電解質電池は、前記黒鉛層間化合物のホスト材料が、下記(a)及び(b)の要件を共に満足することを特徴とする。
(a)黒鉛結晶構造を有した炭素材料の(002)面の平均面間隔d(002)が3.365オングストローム以下である。
(b)波長5145オングストロームのアルゴンイオンレーザー光を用いたラマンスペクトル分析において、1580cm−1の付近にピークP、1360cm−1の付近にピークPを有し、Pのピーク強度をI、Pのピーク強度をIとした場合、下式(1)で定義されたR値が0.35以上となる。
R値=I/I          (式1)
【0026】
一般的にラマン散乱の振動スペクトルから得られる情報は、分子の構造、原子の配列等である。例えば、ほぼ完全な単結晶と考えられる天然黒鉛は1580cm−1付近に一本のラマンバンドを示すが、多結晶から成る人造黒鉛や、未組織炭素から成る活性炭とかガラス状炭素では1580cm−1付近のバンドに相当するものの他に、1360cm−1付近にも一本のラマンバンドが現れる。1580cm−1付近に生じるバンドの強度に対する1360cm−1付近に出現するバンドの相対強度比は、一般に試料中の未組繊炭素の増大とともに増加し、黒鉛結晶子の増大とともに小さくなる。
従って、本出願の請求項3の発明で規定したR値(前記相対強度比)は、しばしば黒鉛化度を示すパラメータとして用いられている。
【0027】
例えば、前記R値は、X線回折から得られるa軸方向の結晶子の大きさLaと密接な関係が有り、各種の炭素材料から得られた1/La(Laの逆数)をR値に対してプロットすると直線関係が認められ(F.Tuinstra and J.L.Koenig,J.Chem.Phys.,53,1126(1970))、La(オングストローム)≒44/Rの実験式が帰納的に得られるとの報告もある。
【0028】
一方、本出願に記載された炭素材料の(002)面の面間隔d(002)は、粉末X線回折法によって測定することができる(日本学術振興会第117委員会,炭素,25,36(1963))。上記面間隔d(002)は、一般的に熱処理温度が高くなるほど減少し、最終的には理想黒鉛結晶の同面間隔である3.354オングストロームに漸近するが、この値以下になることは無い。例えば黒鉛材料は、炭素原子から成る六角網平面が三次元的な規則性を伴って積み重なる結晶構造を有しているが、秩序ある黒鉛的な積み重なりの部分と、無秩序な積み重なりの部分とが混在した状態であると考えることも可能である。無秩序な積み重なりの部分が全体に占める割合をpとすると、d(002)=3.440−0.086×(1−p)の関係式が成立すると報告されており(P.E.Franklin,Acta.Cryst.,4,235(1951))、面間隔d(002)も黒鉛化度を示すパラメータとして、しばしば用いられてきた。
【0029】
以上のように、本発明で使用する黒鉛層間化合物のホスト材料を規定する上記R値及び面間隔d(002)は共に黒鉛化度を示すパラメータである。例えば、面間隔d(002)が3.365オングストローム以下となるように黒鉛化された合成黒鉛材料、若しくはd(002)が3.365オングストローム以下であるような高度に結晶が発達した天然黒鉛材料は、結晶子サイズが大きく、且つ、隣接六角網平面間の格子歪が少ないため、結晶子内部に存在する格子欠陥の量は僅かである。従って、上記に示したような黒鉛材料のラマンバンドを測定すると、R値は通常0.25以下となる。
【0030】
これに対して本出願請求項3の発明で規定した黒鉛層間化合物のホスト材料は、面間隔d(002)が3.365オングストローム以下であって、R値が0.35以上であり、通常の合成黒鉛材料又は天然黒鉛材料の性質とは全く異なる。前述のように、黒鉛材料の結晶化度を高度に発達させ、且つ、その一部に欠陥が導入されているからである。導入された欠陥の量は、ラマンスペクトルから算出されるR値で把握することが可能である。
【0031】
各種の炭素材料に観測される1360cm−1のラマンバンドは、黒鉛の結晶構造の不完全性、即ち、結晶格子の欠陥と密接な関係にある。このバンドは六方格子から成る黒鉛結晶には存在しない振動モードに起因したもので、結晶中に存在する構造欠陥によってラマン活性になったものである。構造欠陥によって六方格子の対称性が低下するか、あるいは失われるからである。従って、R値は炭素の構造に含まれる欠陥量を反映すると言える。
【0032】
ここで、R値が0.35を下回る場合は、黒鉛材料に導入された欠陥の量が少な過ぎるため、充放電を繰り返すと前述のように放電容量が劣化することになり、好ましくない。また、前述のようにd(002)が3.365オングストロームより大きな場合には、充放電容量が小さくなるため好ましくない。
【0033】
従って、本出願の請求項3の発明では、ホウ素又はホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して得られた黒鉛材料のなかでも、面間隔d(002)が3.365オングストローム以下であることと、R値が0.35以上であることとを同時に満たす黒鉛材料を特定し、当該黒鉛材料が正極の黒鉛層間化合物のホスト材料として使用された、充放電可能な非水電解質電池とした。
【0034】
なお、ホウ素又はホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理することで、黒鉛結晶に欠陥が導入されたことを肯定的に推認することが可能な現象は、本出願の請求項3に係る発明で特定した事項の他にも認められる。
【0035】
例えば、ホウ素又はホウ素化合物を含有する炭素材料を、面間隔d(002)が3.365オングストローム以下となるように熱処理することで得られたブロック状の黒鉛は、平均粒子径が30μm以下に粉砕された場合であっても、X線広角回折法によつて測定される黒鉛結晶が六方晶のみに帰属され、菱面体晶に帰属される回折線が実質的に存在しない場合が多いのである。
【0036】
なお、ホウ素化合物を含んだ黒鉛ブロックは、石油コークス又はピッチコークス等の易黒鉛化炭素材料にバインダーピッチ等を加えて、100〜300℃の温度雰囲気下で混練・粉砕したあと、ホウ素又はホウ素化合物を加えて更に混練し、ブロック状に成形したものを不活性ガス雰囲気下2300℃以上、好ましくは3000℃以上に熱処理することで得られる。
【0037】
以上のようにして得られた黒鉛層間化合物のホスト材料においても、本発明の効果が十分に得られる。
【0038】
黒鉛には六方晶系(ABAB・・・積層周期)に属する結晶の他に菱面体晶系(ABCABC・・・積層周期)に属する形態がある。六方晶系黒鉛の六角網平面の積み重なりは、第1層に対して第2層は(2/3,1/3)だけ平行移動し、第3層はちょうど第1層に重なっている。即ち2層ごとに繰り返すABAB・‥の構造を持つ。一方菱面体晶系の黒鉛は、第1層に対して第2層が(2/3,1/3)だけずれ、第3層はさらに(1/3,2/3)だけずれて第4層は第1層に重なっている。即ち3層ごとに繰り返すABCABC‥・の構造を持つ(炭素材料入門、炭素材料学会編)。
【0039】
菱面体晶系黒鉛は、高度に結晶が発達した人造黒鉛、あるいは黒鉛化度の極めて高い天然黒鉛などのような、結晶子の平面方向(a軸)及び垂直積層方向(c軸)の格子歪みが極めて小さい六方晶系の黒鉛材料を粉砕することによって、その一部に導入される結晶の形態である。
【0040】
粉砕初期段階では、黒鉛層面間の非常に弱い結合を反映して、層面に沿ってせん断変形が生じ、菱面体構造が出現する。層面内の炭素−炭素結合は非常に強く、この結合を多数破壊して欠陥が多量に導入されるのではなく、粉砕によって与えられた力学的なエネルギーを蓄える一環として、平面性の高い六角網平面が一部ずれることで菱面体構造が導入される。
【0041】
このような菱面体晶構造及び六方晶構造の存在割合は、X線広角回折法によって得られる回折ピークの強度比を検討することで検証可能である。管球に銅を用いたガイガーフレックス型粉末X線回折装置で測定する場合には、回折角(2θ/θ)が40〜50°付近を走査すればよい(以下、単に回折角と表現された場合は、管球に銅を用いたガイガーフレックス型粉末X線広角回折装置で測定した場合を表現したものとする)。
【0042】
結晶化度の高い黒鉛を粉砕した試料の場合、通常このスペクトル帯域では4本の回折線を観察することができる。各々の回折線は42.3°付近及び44.4°付近に六方晶系の(100)面及び(101)面が、43.3°付近及び46.0°付近に菱面体晶系の(101)面及び(012)面が出現する。なお、菱面体晶系の面指数は、六方晶系と類似の単位格子をとった場合の指数付けで表現されている。粉砕前の黒鉛ブロックの結晶化度が低い場合には、粉砕の程度を大きくしたとしても、菱面体晶系に帰属されるピークを確認することはできない。元々積層構造の発達が十分でないために、六角網平面には多数の欠陥が存在し、その平面性が低いからである。このため粉砕エネルギーが与えられても平面全体がずれ難く、菱面体晶が導入され難い。
【0043】
d(002)が3.365オングストローム以下となるように黒鉛化された合成黒鉛材料、若しくはd(002)が3.365オングストローム以下であるような高度に結晶が発達した天然黒鉛材料は、平均粒子径として約30μm以下に粉砕されると通常は菱面体構造が導入される。このような黒鉛材料にアニオンが電気化学的に吸蔵されると、前述のように黒鉛結晶が崩壊し、充放電サイクルの進行と共に可逆的な 吸蔵・放出可能容量が減少する。
【0044】
しかし、ホウ素又はホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理(炭素化又は黒鉛化)して得られた黒鉛材料は、ホウ素が黒鉛結晶を構成する炭素原子と置換した状態で、若しくは積層した黒鉛層面間に侵入した状態で黒鉛化後の炭素材料中に残存し、黒鉛結晶に欠陥を導入することが可能となる。従って、ホウ素化合物を含有する黒鉛材料は、d(002)が3.365オングストローム以下であっても、この欠陥に起因して黒鉛結晶を構成する六角網平面の平面性が低下し、粉砕エネルギーが与えられても該平面のズレが生ずることは無く、その結果、菱面体構造が導入され難いのである。このような黒鉛材料を正極として用いた場合には、充放電サイクルを繰り返しても容量の劣化が極めて小さい。
【0045】
請求項4係る非水電解質電池は、前記黒鉛層間化合物のホスト材料中に存在するホウ素の比率が、0.05〜11重量%である、ことを特徴とする。
【0046】
本出願の請求項1〜3の発明で特定された黒鉛層間化合物のホスト材料は、ホウ素又はホウ素化合物を含有する炭素材料が熱処理して得られたことを特徴としているが、前述のように、このようにして得られた黒鉛層間化合物のホスト材料は結晶構造の内部にホウ素又はホウ素化合物が残存する。請求項4の発明は、このようなホウ素又はホウ素化合物のホウ素としての残存量を具体的に規定することにより、本発明で表現した黒鉛層間化合物のホスト材料を更に明確化している。
【0047】
炭素材料又は黒鉛材料にホウ素又はホウ素化合物を添加する量は、熱処理後の黒鉛材料に残存するホウ素化合物の、ホウ素としての含有率が0.05〜11重量%の範囲内となるように、炭素出発原料、炭素前駆体、炭素化又は黒鉛化前の各段階、あるいは炭素材料又は黒鉛材料の種類(特性)に応じて、ホウ素又はホウ素化合物の添加量を適宜設定しなければならない。熱処理後の残存量が0.05%重量未満では、ホウ素によって導入される欠陥の量が少な過ぎて、充放電を繰り返すとサイクル毎に容量が低下するため、本発明の効果が十分に得られず好ましくない。また、11重量%を上回る場合には、黒鉛材料中に多量の炭化ホウ素(BC)が生成・混在し、しかも、これらが充放電反応に関与しないため好ましくない。
よって、本発明においてホウ素残存量は0.05重量%から11重量%が好ましい。
【0048】
【発明の実施の形態】
<1>黒鉛材料(黒鉛層間化合物のホスト材料)の作製
イソビオラントロンと、9,10−ジヒドロアントラセンとを、モル比で1:1となるように混合し、この混合物にパラトルエンスルホン酸を重量比で15:1となるように添加して充分に攪拌した。その後、攪拌を続けながら150℃まで加熱し、この状態を5時間保持した後に、炭酸水素アンモニウム溶液を加えて中和し、放冷した。
【0049】
このようにして得られた縮合性多環多核芳香族を、黒鉛坩堝に投入し、電気炉内に設置した。窒素雰囲気下において、昇温速度70℃/時間で350℃まで昇温し、15時間保持した後、昇温速度70℃/時間で700℃まで昇温し、1時間保持して、窒素気流を保持したまま室温まで放冷した。
【0050】
得られた炭素前駆体を一旦スタンプミルで粗粉砕したあと、振動型ディスクミルで微粉砕し、#391メッシュ(目開き38μm)のふるいを通過した粉体を採取した。この粉体と#330メッシュ(目開き45μm)のふるいを通過した炭化ホウ素粉末(BC)をホウ素換算量の割合として0〜27重量%となるように各々混合し、黒鉛坩堝に投入した。
【0051】
坩堝を電気炉内に設置し、窒素雰囲気中で毎分10℃の速度で昇温し、最高到達温度2900℃で1時間熱処理し、黒鉛化を行った。以上のようにして得られた黒鉛材料をX線回折装置等を使用して分析を行い、d(002)の面間隔、ラマンスペクトルのピーク強度比、残存ホウ素濃度を測定した。その結果は、下記の表1中にサイクル特性試験の結果とともに示してある。
【0052】
<2>黒鉛層間化合物の作製
上記1のようにして作製した各黒鉛材料について、以下に示す方法により黒鉛層間化合物の調製を行った。
黒鉛材料とNiClを1:1の比率で混合し、真空下300℃に10時間維持して脱水した。これをガラス管に入れ真空引きした後塩素ガスを1.5気圧になるように導入して密封した。このガラス管を700℃に加熱して3日間保持した。得られた生成物をアセトニトリルで洗って余剰のNiClを除去し、乾燥させてNiClをゲスト種とした黒鉛層間化合物を得た。
また、同様にしてゲスト種をCoCl、CuCl、CrCl、FeCl、MnClに替えたものも作製した。
【0053】
<3>電池の作製と充放電試験
上記2のようにして得られた黒鉛層間化合物と、PTFEとを、98:2の割合で混合し、成型して正極ペレットを作製した。負極にはリチウム金属を、電解液に1M LiClO/PCを使用して、図1に示したコイン型セルを作製した。同図において、1は負極活物質、2はセパレータ、3は正極活物質、4は集電体である。作製した電池を0.1mA/cmにて充放電サイクルを行った。
【0054】
<4>結果の検討
表1に、実施例1〜30と比較例1〜6の結果をまとめて示す。また、図2に実施例2の放電曲線を、図3にサイクル特性を示す。
【0055】
【表1】

Figure 2004134295
【0056】
実施例1〜30に挙げた中で、残存ホウ素量の範囲0.05重量%〜10.98重量%では、10サイクルまでではあるが、容量劣化は認められなかった。これらの実施例1〜30に比べて、ホウ素を含まない黒鉛層間化合物を使用した比較例の場合は、顕著な容量劣化が認められた。また、残存ホウ素量が0.05〜11重量%の範囲の外、即ち、0.05重量%未満あるいは11重量%を超えている実施例では、若干ではあるが容量劣化が認められた。
【0057】
【発明の効果】
以上の実施例にて詳細に説明したように、正極に用いる黒鉛層間化合物のホスト材料として、ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して電子吸引性物質をインターカレートして得られた物質を用いる本発明にあっては、黒鉛層間化合物を作成する際に結晶構造が破壊されたり配向性の劣化をもたらすことがなく、その黒鉛層間化合物を用いることにより充放電容量が大きくサイクル劣化しにくい非水電解質電池を構成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】コイン型セルに作製した非水電解質電池を示す図である。
【図2】実施例1の放電曲線を示すグラフである。
【図3】実施例1のサイクル特性を示グラフである。
【符号の説明】
1 負極活物質
2 セパレータ
3 正極活物質
4 集電体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery including a negative electrode made of lithium metal or a material capable of inserting and extracting lithium, an electrolyte containing a lithium salt, and a positive electrode made of a graphite intercalation compound.
[0002]
[Prior art]
In a secondary battery, it is known that a positive electrode or a negative electrode is composed of a compound having a layered structure or a graphite interlayer compound.
For example, in Patent Document 1, FeCl 2 is used as a positive electrode active material.2 Using graphite intercalation compound, lithium for negative electrodeA secondary battery using a graphite intercalation compound and using a solid electrolyte is described. During discharge, an initial open circuit voltage of 3.5 V, an average load current of 14 μA and an average open circuit voltage of 3.3 V are obtained with a load resistance of 100 kΩ.
[0003]
At this time, the guest species of the graphite intercalation compound used for the positive electrode is an electron-withdrawing substance that forms a charge transfer complex with π orbitals with graphite. The charge transfer complex can be represented by the general formula Cn (AXy), where A is a coordinating metal atom or a non-metal atom in a high valence state, and X is an electron-withdrawing non-metal atom. When used as a cathode, the discharge reaction is represented by the following equation (2).
xe+ XM++ (CnAXy) → (MxCnAXy) (Equation 2)
Examples of such an electron-withdrawing substance that forms a π-orbital charge transfer complex with graphite include AsF.5, BCl3, BF3, Br2, BrF3, CdCl2, Cl2, CoCl2, CrO3, CrCl3, CuCl2, CuBr2, FeCl2, FeCl3, FeBr3, NiCl2, IF5, ICl3, MoF6, MoCl5, PF5, PtCl4, ReCl4, RhCl3, RuCl3, SbF5, SbF3Cl2, SbCl5, TiF4, WF6, WCl6And many others. As a host material for intercalating such a guest species, a material having a developed graphite structure such as natural or artificial graphite or fiber is used.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-58-102464
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this type of conventional battery, since a graphite intercalation compound is produced using a graphite material as a host material, a problem that the charge capacity is reduced by intercalating the guest species. was there. This is mainly due to destruction of the crystal structure of the positive electrode material and deterioration of the orientation. In other words, with the charge-discharge cycle, relatively large anions of molecular size are repeatedly absorbed and released into the graphite material, which causes the graphite crystals to collapse, resulting in cracks in the particles, and some of the particles cannot be charged or discharged. This is because it changes to a different form. That is, when a non-aqueous electrolyte battery is configured using a graphite intercalation compound that causes such crystal structure destruction and deterioration of orientation, not only does the charge / discharge capacity decrease, but also the cycle deterioration accelerates. Would.
[0006]
In the present specification, “graphitization” refers to a solid phase transition due to thermal energy from amorphous carbon to graphite, and specifically, a temperature of 2500 ° C. or higher regardless of the degree of crystallinity after graphitization. Means heat treatment. Further, the “carbon material” refers to a solid substance containing carbon atoms as a main component, and does not specify the regularity of the arrangement. Similarly, "graphite material" means a solid material having a crystal structure in which carbon atoms are contained as a main component and the carbon atoms are arranged with three-dimensional regularity, and the graphitized material is used. Is not relevant. The graphite material is included in a part of the carbon material.
[0007]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte battery having a large charge / discharge capacity and hardly causing cycle deterioration.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention uses a graphite material obtained by heat-treating a carbon material containing boron or a boron compound as a host material when producing a graphite intercalation compound.
[0009]
Graphite materials obtained by heat-treating carbon materials containing boron or boron compounds have a high degree of crystallinity, but are partially defect-inserted, making it difficult for guest species to intercalate. Therefore, destruction of the crystal structure and deterioration of the orientation can be suppressed.
[0010]
The magnitude of d (002) representing the crystallinity of the graphite material into which boron has been introduced is related to the charge / discharge capacity of the battery, and the peak intensity ratio of the Raman spectrum represents the amount of introduced defects. For batteries, it relates to cycle characteristics.
[0011]
That is, the nonaqueous electrolyte battery according to claim 1 of the present invention includes a negative electrode made of a material capable of inserting and extracting lithium metal or lithium, an electrolyte containing a lithium salt, and a positive electrode made of a graphite intercalation compound. In a non-aqueous electrolyte battery, as a host material of a graphite intercalation compound used for the positive electrode, a material obtained by heat-treating a carbon material containing boron or a boron compound and intercalating an electron-withdrawing material is used, It is characterized by the following.
[0012]
Ordinary synthetic graphite materials are prepared by subjecting organic materials such as petroleum pitch, coal tar pitch, condensed polycyclic hydrocarbon compounds and organic polymer compounds to an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon gas or helium gas at 300 to 700 ° C. After carbonization, it is produced by heat treatment (graphitization) at 2500 ° C. or higher, preferably 3000 ° C. or higher. In addition, naturally occurring graphite materials often have a crystal structure that is comparable to or better than the synthetic graphite described above. Since the highly graphitized synthetic graphite material or natural graphite material as described above has a large crystallite size and a small lattice distortion between adjacent hexagonal mesh planes, the amount of lattice defects existing inside the crystallite is small. It is.
[0013]
Normally, when anions and molecules are electrochemically occluded in such a graphite material, the graphite crystals collapse, and the reversible storage / release capacity decreases as the charge / discharge cycle progresses. This is because the hexagonal mesh planes constituting the graphite crystal are stacked only by the weak van der Waals' force, so if anions with a molecular size larger than the distance between the hexagonal mesh planes intercalate, they are easily cleaved. It is because.
[0014]
On the other hand, although it is only the initial cycle, it is generally known that the capacity capable of storing and releasing anions is higher as the crystallinity is higher, and that the stability of the discharge curve is excellent.
[0015]
The present inventors, when the above intercalation reaction is repeatedly performed, by highly developing the degree of crystallinity of the graphite material, and by increasing the stability of the crystal structure by introducing a defect in a part thereof, It has been found that the cycle characteristics can be improved while maintaining the capacity. That is, a substance obtained by heat-treating boron or a carbon material containing a boron compound and intercalating an electron-withdrawing substance is used as a host material of the graphite intercalation compound used for the positive electrode.
[0016]
As a typical method for producing a graphite material containing a boron compound, a boron or boron compound powder is added and mixed to a graphitizable carbon material or its starting material, or a carbon precursor, and heat treatment (carbonization or graphitization) is performed. ).
[0017]
As a starting material of the graphitizable carbon material, various pitches such as coal tar pitch or petroleum pitch are representative. These pitches are obtained through a purification or reforming process such as distillation, extraction, thermal decomposition, dry distillation, etc. of a raw material such as coal tar or crude oil.
[0018]
Organic polymer compounds such as condensed polycyclic polynuclear aromatics (COPNA resin) and polyvinyl chloride resins using aromatic compounds such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, pyrene, perylene and acenaphthylene as raw materials can also be used. Since these starting materials pass through a liquid phase state at about 350 ° C. during the heat treatment step, the production of polycondensed polycyclic hydrocarbon compounds and the three-dimensional lamination thereof easily progress, Regions are formed, producing a carbon precursor. The precursor is in a state where it can easily give a graphite material by a subsequent heat treatment. Using the above organic material as a starting material, carbonization is performed at 300 to 700 ° C. in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, argon gas or helium gas, and then calcined at a maximum temperature of about 900 to 1500 ° C. Generates graphitizable carbon.
[0019]
Examples of the obtained carbon material include easily graphitizable carbon materials such as mesophase pitch-based carbon fiber, vapor grown carbon fiber, pyrolytic carbon, mesocarbon microbeads, pitch coke or petroleum coke, and needle coke.
[0020]
There is no particular problem when boron or boron compound is added to the starting material or to the carbon precursor or the generated carbon material. In any case, in order to enhance the dispersibility at the time of mixing, it is desirable that the particles are previously ground to an average particle diameter of 200 μm or less, preferably about 50 μm or less. As an example of boron or a boron compound, any compound that contains a boron atom in addition to boron alone can be applied. For example, boride ceramics such as cobalt boride, hafnium boride, and zirconium boride;4C, B6Boron carbide such as C, B2O3, B4O5Such as boron oxide, orthoboric acid or metaboric acid, and salts thereof.
[0021]
By carbonizing or graphitizing the carbon material mixed with boron or boron compound obtained as described above at a heat treatment temperature of 1400 ° C. or more, preferably 2000 ° C. or more in the above-mentioned inert gas atmosphere, boron is obtained. Alternatively, a graphite material containing a boron compound is obtained.
[0022]
In addition to the above method, the above-mentioned boron or boron compound may be added to the graphite material, and then heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere at a temperature of 2400 ° C. or higher, preferably about 3000 ° C. Examples of graphite materials include polycrystalline graphite materials such as mesophase pitch-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, pyrolytic carbon, mesocarbon microbeads, pitch coke or petroleum coke graphitized at a heat treatment temperature of 2400 ° C. or more. And various synthetic graphite materials and various natural graphite materials.
[0023]
Natural graphite is produced in China, Madagascar, Brazil, Sri Lanka, etc. In the state of the ore, impurities other than graphite are contained in a large amount. Therefore, even when mixed with boron or a boron compound and subjected to a heat treatment at 2400 ° C. or more, diffusion of boron into the graphite hardly proceeds, and the ore is homogeneous. It is difficult to obtain a graphite material containing boron. Therefore, it is necessary to remove these impurities in advance. For example, these impurities can be removed by dissolving these impurities in an acidic aqueous solution such as hydrogen fluoride, hydrogen chloride, sulfuric acid, and nitric acid or a mixed acid thereof, an alkaline aqueous solution such as caustic soda, or an organic solvent. Further, heat treatment at 500 ° C. or more in a flow of halogen gas such as fluorine or chlorine gas can also remove impurities and purify the graphite material.
[0024]
Here, as shown in the non-aqueous electrolyte battery according to claim 2, the electron-withdrawing substance intercalating into the graphite intercalation compound is CoCl 2.2, NiCl2, CuCl2, CrCl3, FeCl3, MnCl2And at least one type selected from the group consisting of:
[0025]
The non-aqueous electrolyte battery according to claim 3 is characterized in that the host material of the graphite intercalation compound satisfies both requirements (a) and (b) below.
(A) The carbon material having a graphite crystal structure has an average spacing d (002) of (002) planes of 3.365 Å or less.
(B) Raman spectrum analysis using an argon ion laser beam having a wavelength of 5145 Å-1Near the peak PA, 1360cm-1Near the peak PBAnd PAThe peak intensity of IA, PBThe peak intensity of IBIn this case, the R value defined by the following equation (1) is 0.35 or more.
R value = IB/ IA(Equation 1)
[0026]
In general, information obtained from a vibration spectrum of Raman scattering includes a molecular structure, an arrangement of atoms, and the like. For example, natural graphite, which is considered to be almost perfect single crystal, is 1580 cm.-1One Raman band is shown in the vicinity, but 1580 cm for artificial graphite made of polycrystal, activated carbon made of unorganized carbon or glassy carbon-1In addition to the one corresponding to the nearby band, 1360cm-1One Raman band also appears in the vicinity. 1580cm-11360cm for the intensity of the band generated near-1The relative intensity ratio of the bands appearing in the vicinity generally increases with an increase in unwoven carbon in the sample, and decreases with an increase in graphite crystallites.
Therefore, the R value (the relative intensity ratio) defined in the invention of claim 3 of the present application is often used as a parameter indicating the degree of graphitization.
[0027]
For example, the R value has a close relationship with the crystallite size La in the a-axis direction obtained from X-ray diffraction, and 1 / La (the reciprocal of La) obtained from various carbon materials is used as the R value. When plotted on the other hand, a linear relationship was recognized (F. Tuinstra @ and @ JL Koenig, J. Chem. Phys.,53, 1126 (1970)), and there is a report that an empirical formula of La (Angstrom) ー ム 44 / R can be obtained recursively.
[0028]
On the other hand, the plane distance d (002) of the (002) plane of the carbon material described in the present application can be measured by a powder X-ray diffraction method (117th Committee of the Japan Society for the Promotion of Science, Carbon,25, 36 (1963)). The above-mentioned plane spacing d (002) generally decreases as the heat treatment temperature increases, and eventually approaches as close as 3.354 angstroms, which is the same plane spacing of the ideal graphite crystal, but does not fall below this value. . For example, graphite material has a crystal structure in which hexagonal mesh planes composed of carbon atoms are stacked with three-dimensional regularity, but ordered graphite-like stacked parts and disorderly stacked parts are mixed. It is also possible to think that it is in the state of having done. Assuming that the ratio of the disordered stacked portion to the whole is p, d (002) = 3.440−0.086 × (1−p2) Is reported (PE Franklin, Acta. Cryst., 4, 235 (1951)), and the interplanar spacing d (002) is often used as a parameter indicating the degree of graphitization. Was.
[0029]
As described above, both the R value and the interplanar spacing d (002) defining the host material of the graphite intercalation compound used in the present invention are parameters indicating the degree of graphitization. For example, a synthetic graphite material graphitized so that the interplanar spacing d (002) is 3.365 angstroms or less, or a natural graphite material with a highly developed crystal having d (002) of 3.365 angstroms or less. Has a large crystallite size and a small lattice distortion between adjacent hexagonal mesh planes, so that the amount of lattice defects existing inside the crystallite is small. Therefore, when the Raman band of the graphite material as described above is measured, the R value is usually 0.25 or less.
[0030]
On the other hand, the host material of the graphite intercalation compound defined by the invention of claim 3 of the present application has an interplanar spacing d (002) of 3.365 angstroms or less, an R value of 0.35 or more, and It is completely different from the properties of synthetic or natural graphite materials. This is because, as described above, the degree of crystallinity of the graphite material is highly developed, and a defect is introduced into a part thereof. The amount of the introduced defect can be grasped by the R value calculated from the Raman spectrum.
[0031]
1360cm observed in various carbon materials-1Is closely related to imperfections in the crystal structure of graphite, that is, defects in the crystal lattice. This band is caused by a vibration mode which is not present in the graphite crystal having a hexagonal lattice, and is Raman activated by a structural defect existing in the crystal. This is because the symmetry of the hexagonal lattice is reduced or lost due to structural defects. Therefore, it can be said that the R value reflects the amount of defects contained in the carbon structure.
[0032]
Here, when the R value is less than 0.35, the amount of defects introduced into the graphite material is too small, so that repeated charging and discharging will deteriorate the discharge capacity as described above, which is not preferable. When d (002) is larger than 3.365 angstroms as described above, the charge / discharge capacity becomes small, which is not preferable.
[0033]
Therefore, according to the invention of claim 3 of the present application, among graphite materials obtained by heat-treating a carbon material containing boron or a boron compound, the plane spacing d (002) is not more than 3.365 angstroms. , A graphite material that simultaneously satisfies that the R value is 0.35 or more was specified, and a chargeable / dischargeable nonaqueous electrolyte battery in which the graphite material was used as a host material of a graphite intercalation compound of a positive electrode was obtained.
[0034]
It should be noted that a phenomenon that can be positively inferred that a defect has been introduced into graphite crystals by heat-treating a carbon material containing boron or a boron compound is specified in the invention according to claim 3 of the present application. In addition to the matters mentioned above, it is recognized.
[0035]
For example, block graphite obtained by heat-treating a carbon material containing boron or a boron compound so that the interplanar spacing d (002) is 3.365 Å or less is pulverized to an average particle size of 30 μm or less. Even in this case, the graphite crystal measured by the X-ray wide-angle diffraction method is often attributed only to the hexagonal crystal, and there is often no substantial diffraction line attributed to the rhombohedral crystal.
[0036]
The graphite block containing a boron compound is obtained by adding a binder pitch or the like to a graphitizable carbon material such as petroleum coke or pitch coke, and kneading and pulverizing the mixture in a temperature atmosphere of 100 to 300 ° C. The mixture is further kneaded, and the mixture is shaped into a block and heat-treated at 2300 ° C. or higher, preferably 3000 ° C. or higher in an inert gas atmosphere.
[0037]
The host material of the graphite intercalation compound obtained as described above can sufficiently obtain the effects of the present invention.
[0038]
Graphite has a form belonging to a rhombohedral system (ABCABC ... lamination period) in addition to a crystal belonging to a hexagonal system (ABAB ... lamination period). The stack of hexagonal graphite hexagonal mesh planes is such that the second layer moves parallel to the first layer by (2/3, 1/3), and the third layer just overlaps the first layer. That is, it has an ABAB · ‥ structure that repeats every two layers. On the other hand, in rhombohedral graphite, the second layer is shifted by (2/3, 1/3) with respect to the first layer, and the third layer is further shifted by (1/3, 2/3) with respect to the first layer. The layers overlap the first layer. That is, it has an ABCABC ‥ structure that is repeated every three layers (Introduction to Carbon Materials, edited by the Society of Carbon Materials).
[0039]
Rhombohedral graphite is a lattice strain in the plane direction (a-axis) and vertical stacking direction (c-axis) of crystallites, such as artificial graphite in which crystals are highly developed or natural graphite having a very high degree of graphitization. Is a form of crystals that are introduced into a part of a very small hexagonal graphite material by grinding the material.
[0040]
In the initial stage of pulverization, a shear deformation occurs along the layer surface, reflecting a very weak bond between the graphite layer surfaces, and a rhombohedral structure appears. The carbon-carbon bond in the layer plane is very strong, and instead of destroying many of these bonds and introducing a large amount of defects, as a part of storing mechanical energy given by grinding, a hexagonal network with high flatness A rhombohedral structure is introduced by a partial displacement of the plane.
[0041]
The existence ratio of such a rhombohedral structure and a hexagonal structure can be verified by examining the intensity ratio of diffraction peaks obtained by the X-ray wide-angle diffraction method. When measuring with a Geiger flex type powder X-ray diffractometer using copper for the bulb, the diffraction angle (2θ / θ) may be scanned around 40 to 50 ° (hereinafter simply referred to as the diffraction angle). In this case, it is assumed that the measurement is performed using a Geiger-flex type powder X-ray wide-angle diffractometer using copper as a tube).
[0042]
In the case of a sample obtained by pulverizing graphite having a high degree of crystallinity, usually four diffraction lines can be observed in this spectral band. Each diffraction line has a hexagonal (100) plane and a (101) plane around 42.3 ° and 44.4 °, and a rhombohedral (100) plane near 43.3 ° and 46.0 °. The (101) plane and the (012) plane appear. The surface index of the rhombohedral system is expressed by indexing when a unit cell similar to that of the hexagonal system is taken. When the crystallinity of the graphite block before pulverization is low, even if the degree of pulverization is increased, a peak belonging to the rhombohedral system cannot be confirmed. This is because the hexagonal mesh plane has many defects and its planarity is low because the laminated structure is not sufficiently developed. For this reason, even if the pulverizing energy is applied, the entire plane is hard to shift, and it is difficult to introduce rhombohedral crystals.
[0043]
A synthetic graphite material graphitized so that d (002) is 3.365 angstroms or less, or a natural graphite material in which highly crystallized such that d (002) is 3.365 angstroms or less, is an average particle. When crushed to a diameter of about 30 μm or less, a rhombohedral structure is usually introduced. When anions are electrochemically occluded in such a graphite material, the graphite crystals collapse as described above, and the reversible occluding / releasing capacity decreases as the charge / discharge cycle progresses.
[0044]
However, a graphite material obtained by heat-treating (carbonizing or graphitizing) a carbon material containing boron or a boron compound is in a state in which boron has been replaced by carbon atoms constituting graphite crystals, or between layers of graphite layers laminated. It remains in the graphitized carbon material in the state of infiltration into the graphite, and it becomes possible to introduce defects into the graphite crystals. Therefore, in the graphite material containing a boron compound, even if d (002) is equal to or less than 3.365 angstroms, the flatness of the hexagonal mesh plane constituting the graphite crystal is reduced due to this defect, and the pulverization energy is reduced. Even if given, no deviation of the plane occurs, and as a result, it is difficult to introduce a rhombohedral structure. When such a graphite material is used as the positive electrode, deterioration of the capacity is extremely small even when charge / discharge cycles are repeated.
[0045]
The nonaqueous electrolyte battery according to claim 4 is characterized in that the ratio of boron present in the host material of the graphite intercalation compound is 0.05 to 11% by weight.
[0046]
The host material of the graphite intercalation compound specified in the invention of claims 1 to 3 of the present application is characterized in that boron or a carbon material containing a boron compound is obtained by heat treatment. In the host material of the graphite intercalation compound thus obtained, boron or the boron compound remains inside the crystal structure. The invention of claim 4 further clarifies the host material of the graphite intercalation compound expressed in the present invention by specifically defining the remaining amount of boron or boron compound as boron.
[0047]
The amount of boron or boron compound added to the carbon material or the graphite material is adjusted so that the boron content remaining in the graphite material after the heat treatment is in the range of 0.05 to 11% by weight as boron. The amount of boron or boron compound to be added must be appropriately set according to the starting material, carbon precursor, each stage before carbonization or graphitization, or the type (characteristics) of the carbon material or graphite material. If the residual amount after the heat treatment is less than 0.05% by weight, the amount of defects introduced by boron is too small, and the capacity is reduced in each cycle when charge and discharge are repeated, so that the effect of the present invention is sufficiently obtained. Not preferred. If it exceeds 11% by weight, a large amount of boron carbide (B) is contained in the graphite material.4C) is produced and mixed, and these are not preferred because they do not participate in the charge / discharge reaction.
Therefore, in the present invention, the residual amount of boron is preferably 0.05% by weight to 11% by weight.
[0048]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<1> Preparation of graphite material (host material of graphite intercalation compound)
Isobiolanthrone and 9,10-dihydroanthracene are mixed at a molar ratio of 1: 1 and paratoluenesulfonic acid is added to the mixture at a weight ratio of 15: 1 to give a sufficient amount. Was stirred. Thereafter, the mixture was heated to 150 ° C. while continuing stirring, and after maintaining this state for 5 hours, the mixture was neutralized by adding an ammonium hydrogen carbonate solution, and allowed to cool.
[0049]
The condensable polycyclic polynuclear aromatic thus obtained was charged into a graphite crucible and set in an electric furnace. In a nitrogen atmosphere, the temperature was raised to 350 ° C. at a rate of 70 ° C./hour and maintained for 15 hours, and then increased to 700 ° C. at a rate of 70 ° C./hour, and maintained for 1 hour to reduce the nitrogen flow. While maintaining the temperature, the solution was allowed to cool to room temperature.
[0050]
The obtained carbon precursor was once roughly pulverized by a stamp mill, then finely pulverized by a vibration type disk mill, and a powder passed through a # 391 mesh (mesh size: 38 μm) sieve was collected. This powder and a boron carbide powder (B) passed through a # 330 mesh (45 μm mesh) sieve4C) were each mixed so as to be 0 to 27% by weight in terms of a boron conversion amount, and charged into a graphite crucible.
[0051]
The crucible was placed in an electric furnace, heated in a nitrogen atmosphere at a rate of 10 ° C./min, heat-treated at a maximum temperature of 2900 ° C. for 1 hour, and graphitized. The graphite material obtained as described above was analyzed using an X-ray diffractometer or the like, and the d (002) spacing, the peak intensity ratio of the Raman spectrum, and the residual boron concentration were measured. The results are shown in Table 1 below together with the results of the cycle characteristic test.
[0052]
<2> Preparation of graphite intercalation compound
For each of the graphite materials produced as in the above 1, a graphite intercalation compound was prepared by the following method.
Graphite material and NiCl2Were mixed at a ratio of 1: 1 and dehydrated by maintaining at 300 ° C. under vacuum for 10 hours. This was placed in a glass tube and evacuated, and then chlorine gas was introduced at 1.5 atm and sealed. The glass tube was heated to 700 ° C. and held for 3 days. The resulting product is washed with acetonitrile to remove excess NiCl2And dried with NiCl2Was used as a guest species to obtain a graphite intercalation compound.
Similarly, the guest species is changed to CoCl.2, CuCl2, CrCl3, FeCl3, MnCl2Was also prepared.
[0053]
<3> Battery fabrication and charge / discharge test
The graphite intercalation compound obtained as in the above 2 and PTFE were mixed at a ratio of 98: 2 and molded to prepare a positive electrode pellet. Lithium metal for the negative electrode and 1M LiClO for the electrolyte4The coin-type cell shown in FIG. 1 was produced using / PC. In the figure, 1 is a negative electrode active material, 2 is a separator, 3 is a positive electrode active material, and 4 is a current collector. 0.1 mA / cm2A charge / discharge cycle was performed.
[0054]
<4> Examination of results
Table 1 summarizes the results of Examples 1 to 30 and Comparative Examples 1 to 6. FIG. 2 shows a discharge curve of Example 2, and FIG. 3 shows cycle characteristics.
[0055]
[Table 1]
Figure 2004134295
[0056]
In Examples 1 to 30, in the range of the residual boron amount of 0.05% by weight to 10.98% by weight, capacity deterioration was not recognized although it was up to 10 cycles. Compared to Examples 1 to 30, in the case of the comparative example using the graphite intercalation compound containing no boron, remarkable capacity deterioration was observed. Further, in the examples in which the amount of residual boron is out of the range of 0.05 to 11% by weight, that is, less than 0.05% by weight or more than 11% by weight, although the capacity is slightly reduced, it is recognized.
[0057]
【The invention's effect】
As described in detail in the above examples, as a host material of a graphite intercalation compound used for a positive electrode, a carbon material containing boron or a boron compound was heat-treated, and was obtained by intercalating an electron-withdrawing substance. In the present invention using a substance, when the graphite intercalation compound is produced, the crystal structure is not destroyed or the orientation is not deteriorated. A difficult nonaqueous electrolyte battery can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a non-aqueous electrolyte battery manufactured in a coin cell.
FIG. 2 is a graph showing a discharge curve of Example 1.
FIG. 3 is a graph showing cycle characteristics of Example 1.
[Explanation of symbols]
1 negative electrode active material
2 separator
3 positive electrode active material
4 Current collector

Claims (4)

リチウム金属またはリチウムの吸蔵・放出が可能な材料からなる負極と、リチウム塩を含んだ電解質と、黒鉛層間化合物からなる正極とを備えた非水電解液電池において、
前記正極に用いる黒鉛層間化合物のホスト材料として、ホウ素またはホウ素化合物を含有する炭素材料を熱処理して電子吸引性物質をインターカレートして得られた物質を用いる、
ことを特徴とする非水電解質電池。
In a non-aqueous electrolyte battery including a negative electrode made of a material capable of inserting and extracting lithium metal or lithium, an electrolyte containing a lithium salt, and a positive electrode made of a graphite intercalation compound,
As a host material of the graphite intercalation compound used for the positive electrode, a substance obtained by heat-treating a carbon material containing boron or a boron compound and intercalating an electron-withdrawing substance is used,
Non-aqueous electrolyte battery characterized by the above-mentioned.
前記黒鉛層間化合物にインターカレートする電子吸引性物質が、CoCl、NiCl、CuCl、CrCl、FeCl、MnClから選ばれた少なくとも1種類を含むことを特徴とする請求項1記載の非水電解質電池。The electron-withdrawing substance intercalating with the graphite intercalation compound includes at least one selected from the group consisting of CoCl 2 , NiCl 2 , CuCl 2 , CrCl 3 , FeCl 3 , and MnCl 2. Non-aqueous electrolyte battery. 前記黒鉛層間化合物のホスト材料が、下記(a)及び(b)の要件を共に満足する、
ことを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載の非水電解質電池。
(a)黒鉛結晶構造を有した炭素材料の(002)面の平均面間隔d(002)が3.365オングストローム以下。
(b)波長5145オングストロームのアルゴンイオンレーザー光を用いたラマンスペクトル分析において、1580cm−1の付近にピークP、1360cm−1の付近にピークPを有し、Pのピーク強度をI、Pのピーク強度をIとした場合、下式(1)で定義されたR値が0.35以上となる。
R値=I/I          (式1)
The host material of the graphite intercalation compound satisfies both the following requirements (a) and (b):
The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein:
(A) The average spacing d (002) of the (002) plane of the carbon material having a graphite crystal structure is 3.365 angstroms or less.
(B) in the Raman spectrum analysis using an argon ion laser beam having a wavelength of 5145 Å, has a peak P B in the vicinity of the peak P A, 1360 cm -1 in the vicinity of 1580 cm -1, the peak intensity of P A I A , when the peak intensity of P B was I B, R value defined by the following equation (1) is 0.35 or more.
R value = I B / I A (Formula 1)
前記黒鉛層間化合物のホスト材料中に存在するホウ素の比率が、0.05〜11重量%である、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質電池。
A ratio of boron present in the host material of the graphite intercalation compound is 0.05 to 11% by weight;
The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein:
JP2002299240A 2002-10-11 2002-10-11 Nonaqueous electrolyte battery Pending JP2004134295A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002299240A JP2004134295A (en) 2002-10-11 2002-10-11 Nonaqueous electrolyte battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002299240A JP2004134295A (en) 2002-10-11 2002-10-11 Nonaqueous electrolyte battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004134295A true JP2004134295A (en) 2004-04-30

Family

ID=32288439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002299240A Pending JP2004134295A (en) 2002-10-11 2002-10-11 Nonaqueous electrolyte battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004134295A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006003858A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-12 Fdk Corporation Non-aqueous electrolytic secondary battery
WO2008038551A1 (en) * 2006-09-28 2008-04-03 Fdk Corporation Lithium secondary battery
KR20130069421A (en) * 2011-12-16 2013-06-26 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Method for forming positive electrode for lithium-ion secondary battery
US9754726B2 (en) 2012-11-12 2017-09-05 Ricoh Company, Ltd. Nonaqueous electrolytic capacitor element
US9831521B2 (en) 2012-12-28 2017-11-28 Ricoh Company, Ltd. Nonaqueous electrolytic storage element

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006003858A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-12 Fdk Corporation Non-aqueous electrolytic secondary battery
WO2008038551A1 (en) * 2006-09-28 2008-04-03 Fdk Corporation Lithium secondary battery
JP2008084772A (en) * 2006-09-28 2008-04-10 Fdk Corp Lithium secondary battery
KR20130069421A (en) * 2011-12-16 2013-06-26 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Method for forming positive electrode for lithium-ion secondary battery
KR101986279B1 (en) 2011-12-16 2019-06-05 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Method for forming positive electrode for lithium-ion secondary battery
KR20210100586A (en) * 2011-12-16 2021-08-17 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Method for forming positive electrode for lithium-ion secondary battery
KR102460865B1 (en) 2011-12-16 2022-10-28 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Method for forming positive electrode for lithium-ion secondary battery
US9754726B2 (en) 2012-11-12 2017-09-05 Ricoh Company, Ltd. Nonaqueous electrolytic capacitor element
US9831521B2 (en) 2012-12-28 2017-11-28 Ricoh Company, Ltd. Nonaqueous electrolytic storage element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8580432B2 (en) Nano graphene reinforced nanocomposite particles for lithium battery electrodes
US9093693B2 (en) Process for producing nano graphene reinforced composite particles for lithium battery electrodes
JP4392169B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and method for producing positive electrode material thereof
JP4379925B2 (en) Graphite powder suitable for anode material of lithium ion secondary battery
Yoon et al. Novel carbon nanofibers of high graphitization as anodic materials for lithium ion secondary batteries
Endo et al. Anode performance of a Li ion battery based on graphitized and B-doped milled mesophase pitch-based carbon fibers
JP4560076B2 (en) Negative electrode carbon material and lithium secondary battery including the same
EP1186646B1 (en) Processes for producing coke, graphite and carbon material for negative electrode of non-aqueous solvent type secondary battery
US9029019B2 (en) Carbon anode compositions for lithium ion batteries
US20130302697A1 (en) Rechargeable magnesium-ion cell having a high-capacity cathode
JP3803866B2 (en) Double-layer carbon material for secondary battery and lithium secondary battery using the same
WO1997018160A1 (en) Cathode material for lithium secondary battery, process for manufacturing the same, and secondary battery using the same
JPH10326611A (en) Carbon material for negative electrode of lithium secondary battery
KR20150138265A (en) Amorphous carbon material and graphite carbon material for negative electrodes of lithium ion secondary batteries, lithium ion secondary battery using same, and method for producing carbon material for negative electrodes of lithium ion secondary batteries
JP2015179593A (en) Negative electrode and power storage device
JP4045438B2 (en) Double-layer carbon material for secondary battery and lithium secondary battery using the same
JP2004134658A (en) Chargeable and dischargeable electrochemical element
JP2000348727A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JPWO2017010476A1 (en) Method for producing graphite-containing carbon powder for secondary battery and carbon material for battery electrode
JPH0927344A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2004134295A (en) Nonaqueous electrolyte battery
JP3546612B2 (en) Graphite suitable for negative electrode material of lithium secondary battery
JPH10226506A (en) Graphite powder suitable for negative-electrode material of lithium secondary battery
JP4853692B2 (en) Graphite powder and method for producing the same
CN114097119A (en) Electrode particles suitable for batteries

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20040917

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050826

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080530

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080603

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20081014