JP2612320B2 - Lithium secondary battery using carbon fiber for both electrodes - Google Patents

Lithium secondary battery using carbon fiber for both electrodes

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JP2612320B2
JP2612320B2 JP63233759A JP23375988A JP2612320B2 JP 2612320 B2 JP2612320 B2 JP 2612320B2 JP 63233759 A JP63233759 A JP 63233759A JP 23375988 A JP23375988 A JP 23375988A JP 2612320 B2 JP2612320 B2 JP 2612320B2
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graphitization
carbon fiber
lithium
degree
carbon
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孝 飯島
真樹 佐藤
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Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
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Nippon Steel Chemical Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、黒鉛構造を有する炭素繊維を負極と正極の
両方の電極に用いた有機電解液リチウム二次電池に関す
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an organic electrolyte lithium secondary battery using carbon fibers having a graphite structure for both the negative electrode and the positive electrode.

従来の技術 近年の電子機器の小型軽量化に伴って、放電容量が大
きく高電圧、即ち高エネルギー密度であり、且つ、長時
間安定して使用できる充放電可能な二次電池に対する要
求が高まってきている。
2. Description of the Related Art As electronic devices have become smaller and lighter in recent years, there has been an increasing demand for chargeable / dischargeable secondary batteries that have a large discharge capacity, a high voltage, that is, a high energy density, and can be used stably for a long time. ing.

これらの要求を満足するものとして、炭素材を電極に
用いた様々な電池が報告されている。例えば、活性炭、
或は、活性炭素繊維を正極に用いたものがある(特開昭
55−99714号公報、特開昭58−2225200号公報、特開昭59
−138327号公報、特開昭62−226561号公報)。これらの
電池はアニオンの静電機的吸脱着反応を活性炭、或は、
活性炭素繊維の広い表面積を利用して行うもので、一種
の電気二重層キャパシタであり、充放電に対する耐久性
の高さが特徴である。
Various batteries using carbon materials for electrodes have been reported as satisfying these requirements. For example, activated carbon,
Alternatively, an active carbon fiber is used for the positive electrode (see
JP-A-55-99714, JP-A-58-2225200, JP-A-59-225200
-138327, JP-A-62-226561). These batteries use an activated carbon or
This is a type of electric double layer capacitor, which is performed using a large surface area of activated carbon fiber, and is characterized by high durability against charge and discharge.

しかし、その放電容量は必ずしも大きくなく、また、
キャパシタであるから起電力は、Q=CV(Q:蓄電量、C:
静電容量、V:起電力)に表されるように蓄電量に依存
し、電池としては良好な放電特性を持つものではなかっ
た。また、電気二重層キャパシタは、自己放電が大きく
電圧が経時的に減少するという欠点があった。
However, the discharge capacity is not always large, and
Since it is a capacitor, the electromotive force is Q = CV (Q: stored amount, C:
As represented by capacitance, V: electromotive force), the battery did not have good discharge characteristics depending on the amount of stored electricity. Further, the electric double layer capacitor has a disadvantage that self-discharge is large and the voltage decreases with time.

黒鉛、或は、黒鉛化度の発達した炭素材や炭素繊維を
正極に用いた電池(特開昭58−135581号公報、特開昭61
−10882号公報、特開昭62−154564号公報、特開昭62−1
65857号公報、特開昭63−58763号公報)、負極に用いた
電池(特開昭60−182670号公報、特開昭62−82669号公
報、特開昭63−24555号公報)、更に、両極に用いた電
池(特開昭62−103991号公報)が検討されている。これ
らは、いずれも積層構造の発達した炭素材の層間に負極
であればリチウムイオンを、正極であればアニオンをド
ープ、脱ドープする反応、即ち、電気化学的な黒鉛層間
化合物の生成分解反応を電極に利用したものである。
Batteries using graphite or a carbon material or carbon fiber with a high degree of graphitization for the positive electrode (JP-A-58-135581, JP-A-61-61581)
-10882 JP, JP-A-62-154564, JP-A-62-1
No. 65857, JP-A-63-58763), batteries used for the negative electrode (JP-A-60-182670, JP-A-62-82669, JP-A-63-24555), and A battery (JP-A-62-103991) used for both electrodes has been studied. These are reactions of doping and undoping lithium ions in the case of a negative electrode, and doping and dedoping of anions in the case of a positive electrode between layers of a carbon material having a layered structure, that is, an electrochemical formation and decomposition reaction of a graphite intercalation compound. It is used for electrodes.

正極の場合には、次の反応を利用する。 In the case of a positive electrode, the following reaction is used.

ここで、nの値は電極中に収容できる電気量に対応
し、nの値が小さいほど電極として望ましい。一般にn
は、用いる炭素材の黒鉛化度に依存する。黒鉛化度と
は、炭素材の結晶構造がどの程度黒鉛に近いかを表す概
念であり、例えば、X線回折図形や、ラマン散乱スペク
トルに基づく定量化が一般的に利用されている。そして
上の電極反応の場合には、黒鉛化度が高いほどnは小さ
くなり、即ち放電容量は大きくなる事が知られている。
Here, the value of n corresponds to the amount of electricity that can be accommodated in the electrode, and the smaller the value of n, the more desirable the electrode. Generally n
Depends on the degree of graphitization of the carbon material used. The degree of graphitization is a concept indicating how close the crystal structure of a carbon material is to graphite. For example, quantification based on an X-ray diffraction pattern or Raman scattering spectrum is generally used. In the case of the above electrode reaction, it is known that as the degree of graphitization increases, n decreases, that is, the discharge capacity increases.

然しながら、単に黒点化度だけで電極に対する適合性
を判断することは出来ない。黒鉛化度の非常に高い黒鉛
粉末は、充放電に対する安定性が悪く実用には適さな
い。これは、アニオンがドープすることで炭素層の面間
隔が増大するが、黒鉛粉末は構造的安定性に乏しく、こ
のc軸方向の膨張に耐えられず崩壊するためである。
However, it is not possible to judge suitability for an electrode only by the degree of black spotting. Graphite powder having a very high degree of graphitization has poor stability against charge and discharge and is not suitable for practical use. This is because the doping of the anion increases the interplanar spacing of the carbon layer, but the graphite powder has poor structural stability and cannot withstand the expansion in the c-axis direction and collapses.

そこで、高黒鉛化度、構造的安定性という観点から炭
素繊維が注目される。
Therefore, carbon fibers are attracting attention from the viewpoints of high graphitization degree and structural stability.

炭素繊維の中では、ピッチ系炭素繊維が最も適当であ
る。PAN系炭素繊維は機械的強度ではピッチ系炭素繊維
と同等であるが黒鉛化度に於いて劣り、事実、アニオン
を殆どドープせず、正極には適さない。
Among the carbon fibers, pitch-based carbon fibers are most suitable. The PAN-based carbon fiber has the same mechanical strength as the pitch-based carbon fiber, but is inferior in the degree of graphitization. In fact, it is hardly doped with anions and is not suitable for a positive electrode.

然しながら、従来検討されてきたピッチ系炭素繊維
は、黒鉛層間化合物を電極に利用するという観点からす
ると必ずしも最適化が追求されきれておらず、放電容量
が小さいという問題があった。
However, the pitch-based carbon fibers that have been conventionally studied have not always been satisfactorily optimized from the viewpoint of using a graphite intercalation compound for an electrode, and have a problem that the discharge capacity is small.

負極の場合には、次の反応を利用する。 In the case of a negative electrode, the following reaction is used.

nの大きさが負極に用いる炭素材に依存するのは正極
と同じであるが、負極に適する炭素材の構造は正極とは
全く異なる。即ち、正極では高い黒鉛化度が要求される
のに対して、負極では乱層構造と言われるような適度に
乱れ、適度に黒鉛化した炭素材が要求されるのである。
これはリチウムをドープした黒鉛層間化合物の電解液中
での安定性に起因するものである。この安定性は炭素材
の結晶構造に強く依存し、積層構造の整った、即ち、高
い黒鉛化度を持った炭素材の黒鉛層間化合物は電解液中
で不安定であり、従って自己放電がはげしく、更に放電
容量が小さいのに対し、乱層構造を持った炭素材の黒鉛
層間化合物は非常に安定性が高く、放電容量も大きくす
ることが出来る。
Although the size of n depends on the carbon material used for the negative electrode as in the positive electrode, the structure of the carbon material suitable for the negative electrode is completely different from that of the positive electrode. That is, while the positive electrode requires a high degree of graphitization, the negative electrode requires a moderately disordered and moderately graphitized carbon material such as a turbostratic structure.
This is due to the stability of the lithium-doped graphite intercalation compound in the electrolyte. This stability strongly depends on the crystal structure of the carbon material, and the laminated structure is well-ordered, that is, the graphite intercalation compound of the carbon material having a high degree of graphitization is unstable in the electrolytic solution, and therefore self-discharge is strong. While the discharge capacity is still smaller, the graphite intercalation compound of a carbon material having a turbostratic structure has very high stability and can increase the discharge capacity.

このような乱層構造をもった炭素材としてCVD技術を
利用して構造した炭素薄膜を黒鉛化した熱分解黒鉛が報
告されている(特開昭62−202809号公報、特開昭63−24
555号公報)。熱分解黒鉛は非常に炭素層面の配向性の
高いのが特徴で、しかも適度な乱層構造を持ち、高い充
放電安定性を示す。然しながら、薄膜状であるが故に高
い電流密度で充放電することは出来ず、またドープに伴
うc軸方向への膨張に依る極材の変形等の問題点を有し
ている。
As a carbon material having such a turbostratic structure, pyrolytic graphite obtained by graphitizing a carbon thin film formed by utilizing the CVD technique has been reported (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 62-202809 and 63-24).
No. 555). Pyrolytic graphite is characterized by a very high orientation of the carbon layer surface, has a moderately turbostratic structure, and exhibits high charge / discharge stability. However, it cannot be charged / discharged at a high current density because of its thin film shape, and has problems such as deformation of the pole material due to expansion in the c-axis direction due to doping.

これに対し表面積の広さや力学的強度の強さから乱層
構造を持った炭素繊維を負極に用いたものも検討されて
いるが、必ずしも乱層構造に対する制御がなされておら
ず、また、最適化の条件も掴みきれていなかった。従っ
て、放電容量や自己放電に関して問題点を残していた。
On the other hand, the use of carbon fibers with a turbostratic structure for the negative electrode has been studied because of the large surface area and the high mechanical strength, but control over the turbostratic structure is not always performed, The conditions for conversion were not fully grasped. Therefore, there remains a problem regarding the discharge capacity and the self-discharge.

発明が解決しようとする課題 本発明は、上記のごとき現状を鑑みてなされたもの
で、正極、負極ともに炭素繊維を用い放電容量が大き
く、繰り返し充放電に対する安定性が高く、自己放電が
少ない、リチウム二次電池を提供することを目的とす
る。
Problems to be Solved by the Invention The present invention has been made in view of the current situation as described above, the positive electrode, the negative electrode has a large discharge capacity using carbon fibers, high stability against repeated charge and discharge, low self-discharge, An object is to provide a lithium secondary battery.

貴台を解決するための手段 本発明は、正極、負極に、各々特定の炭素繊維を使用
すると、放電容量が大きく、充放電安定性にも優れ、自
己放電が少ない、非常に優れたリチウム二次電池が得ら
れるとの発見をもとに完成されたものである。
Means for solving the problem The present invention provides a very excellent lithium secondary battery having a large discharge capacity, excellent charge / discharge stability, low self-discharge, and a specific carbon fiber for each of the positive electrode and the negative electrode. It was completed based on the discovery that a secondary battery could be obtained.

本発明は、リチウム塩を有機溶媒に溶解した有機電解
液を用いたリチウム二次電池に於いて、正極には、黒鉛
化度が高く、且つ、機械的強度に優れた炭素繊維を活物
質として用い、アニオンのドーピング、脱ドーピング反
応を電極反応に利用し、負極には、適度な黒鉛化度と適
度な乱れとを併せ持った乱層構造の炭素繊維を活物質と
して用い、リチウムイオンのドーピング、脱ドーピング
反応を電極反応に利用することを特徴とする炭素繊維を
両極に用いたリチウム二次電池である。
The present invention provides, in a lithium secondary battery using an organic electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, the positive electrode has a high degree of graphitization, and carbon fiber having excellent mechanical strength as an active material. Using an anion doping and dedoping reactions for the electrode reaction, the negative electrode uses a turbostratic carbon fiber having an appropriate degree of graphitization and an appropriate degree of disorder as an active material, and performs lithium ion doping, A lithium secondary battery using carbon fibers for both electrodes, wherein a undoping reaction is used for an electrode reaction.

すなわち、正極には、多量の電気量を収容できるよう
に黒鉛化度の高いピッチ系炭素繊維、つまり炭素層面の
平均面間隔が3.40A以下で、c軸方向及び、a軸方向の
結晶子の大きさが、各々、200〜800A、200〜1000Aであ
るピッチ系炭素繊維を用い、負極には、乱層構造と言わ
れるような適度に乱れ、適度に黒鉛化した炭素繊維、つ
まり炭素層面の平均面間隔が3.45〜3.37A、c軸方向及
び、a軸方向の結晶子の大きさが、各々、40〜500A、40
〜700Aで、且つ、アルゴンレーザーを用いたラマンスペ
クトルにおける1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1
のピーク強度の比が0.2以上1.0以下である炭素繊維を用
いたことを特徴とする炭素繊維を両極に用いたリチウム
二次電池である。
That is, in the positive electrode, the pitch-based carbon fiber having a high degree of graphitization so that a large amount of electricity can be accommodated, that is, the average plane spacing of the carbon layer surface is 3.40A or less, and the c-axis direction and the crystallite in the a-axis direction The size is 200-800A, using a pitch-based carbon fiber of 200-1000A, respectively, for the negative electrode, moderately disturbed, so-called turbostratic structure, moderately graphitized carbon fiber, that is, the carbon layer surface The average plane spacing is 3.45 to 3.37 A, the crystallite size in the c-axis direction and the a-axis direction is 40 to 500 A, 40, respectively.
In ~700A, and, 1360 cm to the peak intensity of 1580 cm -1 in the Raman spectrum using argon laser -1
A lithium secondary battery using carbon fibers for both electrodes, characterized by using carbon fibers having a peak intensity ratio of 0.2 to 1.0.

以下、正極、負極の順に電極に用いる炭素繊維に関す
る詳細を説明する。
Hereinafter, details regarding the carbon fiber used for the electrode will be described in the order of the positive electrode and the negative electrode.

正極に用いる黒鉛化度が高く、且つ機械的強度に優れ
た炭素繊維とは、石炭ピッチ、或は、石油ピッチを原料
としたピッチ系炭素繊維を、不活性ガス中で2000℃以
上、好ましくは2500℃以上で黒鉛化処理を施したところ
のものである。
The carbon fiber having a high degree of graphitization used for the positive electrode and having excellent mechanical strength is coal pitch, or pitch-based carbon fiber obtained from petroleum pitch as a raw material, at 2,000 ° C. or higher in an inert gas, preferably It has been subjected to a graphitization treatment at 2500 ° C or higher.

ここで正極に適する黒鉛化度、機械的強度とは以下に
規定されるものである。
Here, the graphitization degree and mechanical strength suitable for the positive electrode are defined below.

一般に炭素材の黒鉛化度を表す指標としてX線回折法
に依る積層の面間隔dとa軸方向の結晶子の大きさLa、
c軸方向の結晶子の大きさLcという三種のパラメータを
用いることができる。そしてこれらの指標を用いれば、
理想的な黒鉛は、d=3.354Aで、La、Lcは無限大であ
り、黒鉛化度が低下するに従ってdは大きくなり、La、
Lcは小さくなる。
In general, as an index indicating the degree of graphitization of the carbon material, the interplanar spacing d of the lamination according to the X-ray diffraction method and the crystallite size La in the a-axis direction La,
Three kinds of parameters, that is, the crystallite size Lc in the c-axis direction can be used. And with these metrics,
The ideal graphite is d = 3.354 A, La and Lc are infinite, and d increases as the degree of graphitization decreases.
Lc decreases.

本発明に用いる正極の炭素繊維は、上記のX線回折法
による黒鉛化度のパラメータが、d=3.40A以下、Lc=2
00〜800A、La=200〜1000Aで規定されるもので、更に詳
しくは、上記黒鉛化度の規定範囲の中で、面間隔dが小
さくLaが大きい、且つ、Lcが小さいような炭素繊維が好
ましい。
The carbon fiber of the positive electrode used in the present invention has a parameter of the degree of graphitization according to the X-ray diffraction method described above, where d = 3.40 A or less and Lc = 2.
00-800A, which is defined by La = 200-1000A, and more specifically, in the specified range of the degree of graphitization, a carbon fiber having a small interplanar spacing d, a large La, and a small Lc. preferable.

また、一般に機械的強度と言えば、引張試験、曲げ試
験などに依る強度を指すが、ここに表現される機械的強
度とは必ずしも引張強度、曲げ強度に対応するような機
械力学的な強度ではなく、アニオンのドープ、脱ドープ
に伴う炭素層の積層面間隔の膨張収縮に対しての炭素繊
維の強度を意味する。そして、上記の黒鉛化度を持った
前記ピッチ系炭素繊維は、この意味での十分な機械的強
度を有するのである。
In general, mechanical strength refers to strength based on tensile tests, bending tests, etc., but the mechanical strength expressed here does not necessarily mean mechanical strength corresponding to tensile strength or bending strength. In other words, it means the strength of the carbon fiber against expansion and contraction of the lamination plane interval of the carbon layer due to doping and undoping of the anion. The pitch-based carbon fiber having the above degree of graphitization has sufficient mechanical strength in this sense.

上記の黒鉛化度、機械的強度を有する炭素繊維を、特
に正極に選択するのは以下の理由に因る。即ち、正極で
は、例えばClO4 -のようなイオン半径のかなり大きなア
ニオンの炭素層間でのドープ、脱ドープ反応が行われる
が、この反応が完全に可逆的に行われるためには、アニ
オンの巨大性の故に堅固な構造を持つ結晶性の高い炭素
層が要求される。これは、Laが大きいこと、そして、そ
の結果としてdが小さいことを要求するものである。
The carbon fibers having the above graphitization degree and mechanical strength are particularly selected for the positive electrode for the following reasons. That is, in the positive electrode, for example, ClO 4 -, such doping fairly large anions carbon layers of the ionic radius, but dedoping reaction is carried out, for this reaction is completely reversible performed as giant anion Therefore, a highly crystalline carbon layer having a firm structure is required. This requires that La be large and consequently that d be small.

他方、イオン半径のかなり大きなアニオンの炭素層間
へのドープ、脱ドープ反応は炭素層の面間隔の大きな変
化を伴いc軸方向の歪みを生じる。反応の可逆性を高め
るにはこの歪みの影響を小さくする必要があり、従って
Lcが小さい事が要求される。以上まとめると、正極に用
いる炭素材に要求される黒鉛化度は、 d:小さい、La:大きい、Lc:小さい となる。
On the other hand, the doping and undoping reactions of the anion having a considerably large ionic radius between the carbon layers cause a large change in the plane spacing of the carbon layers, causing distortion in the c-axis direction. In order to increase the reversibility of the reaction, it is necessary to reduce the effect of this distortion, and
Lc is required to be small. In summary, the degree of graphitization required for the carbon material used for the positive electrode is as follows: d: small, La: large, Lc: small.

ところで、これら三種の指標は、実は相互に独立では
なく次の相関を持つ。即ち、dが小さければ、黒鉛構造
が発達していることを意味するから、当然La、Lcは大き
くなる。従って、正極に要求される上の条件は本来相反
するものである。本発明の特徴の一つは、以下に示すよ
うに、石炭ピッチ、或は石油ピッチを原料とした特定の
ピッチ系炭素繊維を用いることでこの条件を実現したこ
とである。
By the way, these three indices are not independent of each other, but have the following correlation. That is, if d is small, it means that the graphite structure has been developed, so that La and Lc naturally become large. Therefore, the above conditions required for the positive electrode are originally contradictory. One of the features of the present invention is that this condition is realized by using a specific pitch-based carbon fiber made of coal pitch or petroleum pitch as shown below.

一般にピッチ系炭素繊維は種々の炭素繊維の中でも特
に黒鉛化度を高くすることが可能である。それは、ピッ
チは元来多環芳香族性に富み、炭素層面の成長、及び、
積層構造の発達が容易な為である。更に、黒鉛化した際
の結晶子の大きさに関しても製造過程に依って或る程度
制御することができる。即ち、d、La、Lcを制御するこ
とが可能である。
In general, pitch-based carbon fibers can have a particularly high degree of graphitization among various carbon fibers. The pitch is originally rich in polycyclic aromaticity, the growth of the carbon layer surface, and
This is because the development of the laminated structure is easy. Further, the size of the crystallite at the time of graphitization can be controlled to some extent depending on the manufacturing process. That is, d, La, and Lc can be controlled.

従って、正極に適する黒鉛化度を持った炭素繊維を得
るには、例えば、以下の手段を採用すればよい。即ち、
高い黒鉛化性ピッチを原料に用い、結晶子の大きさ、特
にLcの大きさを小さくするように制御すれば、正極に要
求される黒鉛化度が正に実現できるのである。
Therefore, in order to obtain carbon fibers having a degree of graphitization suitable for the positive electrode, for example, the following means may be employed. That is,
If a high graphitizable pitch is used as a raw material and the size of crystallites, particularly Lc, is controlled to be small, the degree of graphitization required for the positive electrode can be positively realized.

更に、ピッチ系炭素繊維は、その断面における炭素層
面の配向に関して制御することが出来る。即ち、断面に
於ける炭素層面の配向が、オニオン構造、放射状構造、
ランダム構造のものを自由に制御することが出来る。ア
ニオンのドープ、脱ドープは、炭素層の端面を反応の場
とするのであるから、反応を容易に行わせるためには炭
素層端面と電解液との接触する面積が大きくなければな
らない。従って、電極に用いる炭素繊維は、上記の黒鉛
化度を持ったピッチ系炭素繊維の中で、特に断面に於け
る炭素層面の配向が、放射状構造、或は、ランダム構造
のものが好ましい。
Further, the pitch-based carbon fiber can be controlled with respect to the orientation of the carbon layer surface in its cross section. That is, the orientation of the carbon layer surface in the cross section is onion structure, radial structure,
Random structures can be controlled freely. Since doping and undoping of anions use the end face of the carbon layer as a reaction field, the area where the end face of the carbon layer comes into contact with the electrolytic solution must be large in order to facilitate the reaction. Accordingly, the carbon fiber used for the electrode is preferably a pitch-based carbon fiber having the above-mentioned degree of graphitization, particularly one having a radial structure or a random structure in which the orientation of the carbon layer surface in the cross section is particularly large.

このような他の炭素繊維には無いピッチ系炭素繊維の
自由度の広さ、即ち、黒鉛化度の制御、断面に於ける配
向構造の制御などに着目し、これを利用して正極な最適
な炭素繊維を得るということが、本発明に於て非常に重
要な点である。
Focusing on the degree of freedom of pitch-based carbon fiber that other carbon fibers do not have, that is, control of the degree of graphitization, control of the orientation structure in the cross section, etc. Obtaining an excellent carbon fiber is a very important point in the present invention.

負極に用いる適度な黒鉛化度と適度な乱れとを併せ持
った乱層構造の炭素繊維とは、正極と同じく石炭ピッ
チ、或は、石油ピッチを原料としたピッチ系炭素繊維
や、ポリアクリロニトリルを原料としたポリアクリロニ
トリル系炭素繊維(PAN系炭素繊維)、レーヨン系炭素
繊維、或はフェノール系炭素繊維など種々の原料を基に
した炭素繊維を、不活性ガス中で2000℃以上、好ましく
は2500℃以上で黒鉛化処理を施したところのものであ
る。
A carbon fiber with a turbostratic structure that has both a suitable degree of graphitization and a suitable degree of turbulence used for the negative electrode is, like the positive electrode, coal pitch, pitch-based carbon fiber made from petroleum pitch, or polyacrylonitrile. Carbon fibers based on various raw materials such as polyacrylonitrile-based carbon fibers (PAN-based carbon fibers), rayon-based carbon fibers, or phenol-based carbon fibers in an inert gas at 2,000 ° C. or higher, preferably 2500 ° C. This is where the graphitization treatment is applied.

ここで、負極に適する適度な黒鉛化度、適度な乱れと
を持った乱層構造のは以下に規定されるものである。
Here, the turbostratic structure having a suitable degree of graphitization and a suitable disorder suitable for the negative electrode is defined below.

一般に黒鉛化度を規定する指標として、正極の黒鉛化
度の規定に用いたようにX線回折法による三種のパラメ
ータの他に、ラマン分光法に於けるスペクトル形状を採
ることが出来る。一般にアルゴンレーザー(波長:5145
A)を光源として炭素材のラマンスペクトルを測定する
と、1580cm-1、1360cm-1付近に二つのピークが現れる。
前者は、黒鉛構造に由来するもので、後者は、炭素材の
乱層構造に由来するものである。従って、この二つのピ
ークの相対的な強度比に依って炭素材の黒鉛化度を知る
ことが出来る。このラマンスペクトルに依る乱層構造の
評価は、乱層構造に対応するピークが直接1360cm-1のピ
ークとして現れるので、非常に有効である。
In general, as an index for defining the degree of graphitization, a spectrum shape in Raman spectroscopy can be used in addition to the three parameters by the X-ray diffraction method as used for defining the degree of graphitization of the positive electrode. Generally an argon laser (wavelength: 5145
Measurement of the Raman spectrum of the carbon material of A) as a light source, 1580 cm -1, two peaks appear in the vicinity of 1360 cm -1.
The former is derived from a graphite structure, and the latter is derived from a turbostratic structure of a carbon material. Therefore, the degree of graphitization of the carbon material can be known from the relative intensity ratio between these two peaks. The evaluation of the turbostratic structure based on the Raman spectrum is very effective because the peak corresponding to the turbostratic structure appears directly as a peak at 1360 cm −1 .

本発明における負極に適する炭素繊維の黒鉛化度は、
Y線回折法に於ける指標が、d=3.45〜3.37A、Lc=40
〜500A、La=40〜700Aで規定されるものであり、且つ、
上記の1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピーク
強度の比が、0.2以上1.0以下のものである。
Graphitization degree of carbon fiber suitable for the negative electrode in the present invention,
The index in the Y-ray diffraction method is d = 3.45 to 3.37 A, Lc = 40
~ 500A, La = 40 ~ 700A, and
The ratio of the peak intensity of 1360 cm -1 to the peak intensity of the above 1580 cm -1 is of 0.2 to 1.0.

このように規定される乱層構造を持った炭素繊維を特
に負極に選択するのは以下の理由に因る。即ち、リチウ
ムをドープした黒鉛層間化合物は本質的に有機溶媒を用
いた電解液中で不安定であり、この安定性を母結晶であ
る炭素材を乱層化することで高めているのである。
The reason why the carbon fiber having the turbulent layer structure defined as described above is particularly selected for the negative electrode is as follows. That is, the lithium-doped graphite intercalation compound is essentially unstable in an electrolytic solution using an organic solvent, and this stability is enhanced by destabilizing the carbon material that is the mother crystal.

リチウム金属を負極に用いたリチウム二次電池の負極
反応の研究で知られているように、リチウム金属は非常
に反応性が高い。これまでに、様々な有機溶媒が電解液
として検討されているにも拘らず、未だにリチウム金属
に対して完全に安定な有機溶媒は見いだされていない。
更に、有機溶媒ばかりでなく、電解質であるリチウム塩
も負極反応で分解することが明らかにされている。
As is known from the study of the negative electrode reaction of a lithium secondary battery using lithium metal for the negative electrode, lithium metal has extremely high reactivity. Although various organic solvents have been studied as electrolytes, organic solvents completely stable to lithium metal have not been found yet.
Furthermore, it has been clarified that not only an organic solvent but also a lithium salt as an electrolyte is decomposed by a negative electrode reaction.

このようなリチウム金属の持つ反応性の高さは、リチ
ウムをドープした黒鉛層間化合物に関してもそのままあ
てはまる。リチウム金属の反応性の高さは、リチウムの
原子構造そのものに由来するものであり、金属状態であ
ることは本質的に重要ではない。つまり、リチウム原子
が高い反応性を持つのである。従って黒鉛の層間に存在
するリチウムは、金属状態のようにリジッドな結晶格子
こそ組まないが、基本的には同等の反応性の高さを有す
ると考えられる。
Such high reactivity of lithium metal is directly applicable to a graphite intercalation compound doped with lithium. The high reactivity of lithium metal is derived from the atomic structure of lithium itself, and it is not essential to be in a metallic state. That is, lithium atoms have high reactivity. Accordingly, lithium existing between layers of graphite does not form a rigid crystal lattice like a metal state, but is considered to have basically the same high reactivity.

例えば、LiClO4を炭酸プロピレンに溶解した電解液中
で、キッシュ黒鉛にリチウムを電気化学的に挿入しよう
とすると、初期に黒鉛の膨張を伴った挿入反応は認めら
れるが、その後、リチウムの挿入は進行せず電解液の分
解反応に伴って気泡が発生するという状態に定常化す
る。この定常状態は、黒鉛層間へのリチウムの挿入反応
と、分解による黒鉛層間からのリチウムの放出反応との
平衡によるものであり、リチウムをドープした黒鉛層間
化合物の電解液中での不安定性を反映するものである。
For example, when an attempt is made to electrochemically insert lithium into Kish graphite in an electrolyte solution in which LiClO 4 is dissolved in propylene carbonate, an insertion reaction accompanied by expansion of graphite is initially observed, but thereafter, the insertion of lithium is stopped. It does not proceed, and is stabilized to a state in which bubbles are generated along with the decomposition reaction of the electrolytic solution. This steady state is due to the equilibrium between the insertion reaction of lithium between the graphite layers and the release reaction of lithium from the graphite layers due to decomposition, and reflects the instability of the lithium-doped graphite intercalation compound in the electrolyte. Is what you do.

リチウムをドープした黒鉛層間化合物の安定性の程
度、即ち、分解の速度は、用いる黒鉛母結晶の構造を反
映する。黒鉛の結晶性が高いほど分解速度は大きく、黒
鉛の結晶性が低く乱層構造が発達したものほど分解速度
は小さく安定性は高い。この事実に対する完全な解釈は
必ずしも明確にされていないが、定性的には以下のよう
に考えられる。
The degree of stability of the lithium-doped graphite intercalation compound, ie, the rate of decomposition, reflects the structure of the graphite matrix used. The higher the crystallinity of graphite, the higher the decomposition rate, and the lower the crystallinity of graphite, the more developed the turbostratic structure, the lower the decomposition rate and the higher the stability. Although the full interpretation of this fact is not always clear, it can be qualitatively considered as follows.

黒鉛構造が発達した層間のリチウム原子は非常に移動
度が高く、電解液と接した黒鉛層端部のリチウム原子が
分解反応に因って黒鉛から放出されると、隣接した層内
部の新たなリチウム原子が、すぐに端面に移動し再び分
解に寄与する。このように層間でのリチウム原子の移動
度が高いために、次々に端面でのリチウム原子と電解液
との分解反応が進行し、最終的には層間に挿入されたリ
チウム原子は全て分解に依って放出してしまう。
Lithium atoms between layers with a developed graphite structure have very high mobility, and when lithium atoms at the end of the graphite layer in contact with the electrolyte are released from graphite due to decomposition reactions, new lithium atoms in adjacent layers The lithium atoms immediately move to the end face and again contribute to decomposition. Because of the high mobility of lithium atoms between the layers, the decomposition reaction between the lithium atoms and the electrolyte at the end face proceeds one after another, and finally, all the lithium atoms inserted between the layers depend on the decomposition. And release it.

即ち、高黒鉛化度の炭素材を用いたリチウム黒鉛層間
化合物は、電解液中で安定に存在できないと考えらる。
ここで注目すべきは、いわゆる電解液の「安定に存在で
きる電位の窓」の範囲外に、リチウムを挿入した炭素材
の電位が位置するために、分解が生じるのではなく、純
粋に層間のリチウム原子の反応性の高さによるものだと
いうことである。このことは、リチウム黒鉛層間化合物
の分解が、リチウム金属の電位付近から炭素材自身の電
位付近まで一様に進行することから確認できる。
That is, it is considered that a lithium graphite intercalation compound using a carbon material having a high degree of graphitization cannot be stably present in the electrolytic solution.
It should be noted that the potential of the carbon material into which lithium is inserted is located outside the range of the so-called “window of potential that can stably exist” in the electrolytic solution. It is due to the high reactivity of lithium atoms. This can be confirmed from the fact that the decomposition of the lithium graphite intercalation compound proceeds uniformly from near the potential of the lithium metal to near the potential of the carbon material itself.

他方、乱層構造の炭素材は、リチウム原子の反応性と
いう点では黒鉛構造が発達した場合と全く変わりが無い
が、乱層構造のためにリチウム原子の層間での移動度が
極端に低い。この移動度の低さが、リチウム原子の高い
反応性にも拘らず、リチウム黒鉛層間化合物を電解液中
で安定に存在せしめているのである。即ち、端面の電解
液に接したリチウム原子が、電解液との分解反応に依っ
て層間から放出された後、内部のリチウム原子は乱層構
造のために端面になかなか移動できず、従って、層間の
リチウム原子と電解液とが新たに接することがなく、乱
層構造の黒鉛層間化合物は安定に存在することが出来る
のである。
On the other hand, the carbon material having a turbostratic structure is completely the same as the case where the graphite structure is developed in terms of the reactivity of lithium atoms, but the mobility of lithium atoms between layers is extremely low due to the turbostratic structure. This low mobility allows the lithium graphite intercalation compound to be stably present in the electrolytic solution despite the high reactivity of lithium atoms. That is, after lithium atoms in contact with the electrolyte on the end face are released from the interlayer by a decomposition reaction with the electrolyte, the lithium atoms inside cannot move easily to the end face due to the turbostratic structure, and therefore, the interlayer The lithium intercalation compound having a turbostratic structure can be stably present without the lithium atom and the electrolyte newly contacting with each other.

ここで、金属リチウムとリチウム黒鉛層間化合物の電
解液中での安定性の本質的な違いに注意すべきである。
金属リチウムの場合には、リチウム原子と有機溶媒、或
は電解質とが反応した結果生じる生成物が被膜を形成
し、金属リチウムの表面を覆うためにリチウムと電解液
とは直に接触することがなくなり、安定化する。つま
り、リチウムが金属という堅固な結晶を組んでいること
が、被膜の形成を可能にしているのである。
Here, attention should be paid to the essential difference in the stability of lithium metal and the lithium graphite intercalation compound in the electrolyte.
In the case of metallic lithium, the product resulting from the reaction between the lithium atoms and the organic solvent or electrolyte forms a film, and the lithium and the electrolytic solution may come into direct contact with each other to cover the metallic lithium surface. Disappears and stabilizes. In other words, the fact that lithium forms a solid crystal of a metal makes it possible to form a film.

これに対して、リチウムのアマルガムなど完全に液体
状のリチウムや、黒鉛層間化合物における層間のリチウ
ム原子のように、層間で液体のように比較的自由に動け
る状態で存在し、堅固な結晶構造を取らない場合には、
分解反応の生成物は被膜を形成することが出来ず、分解
は何処までも進行し安定化しない。そこで、黒鉛層間化
合物の場合には被膜の形成ではなく、乱層構造によるリ
チウム原子の層間への或る程度の固定によって、安定化
を実現しているのである。
In contrast, completely liquid lithium such as lithium amalgam, or lithium atoms between layers in a graphite intercalation compound, exist in a state where they can move relatively freely like liquids, and have a solid crystal structure. If not,
The product of the decomposition reaction cannot form a film, and the decomposition proceeds everywhere and is not stabilized. Therefore, in the case of a graphite intercalation compound, stabilization is realized by forming a certain amount of lithium atoms between layers by a turbostratic structure, instead of forming a film.

上に述べたような乱層構造を持った炭素材に、特に炭
素繊維を用いる理由は、本質的には正極と同じであり、
例えばピッチやポリアクリロニトリルなど、原料の持つ
元来の黒鉛化度の高さと、炭素繊維に紡糸することに因
る黒鉛化度の制御範囲の広さにある。乱層構造と言って
も層間にリチウム原子を挿入できる程度の層面の発達は
要求される。そのために炭素繊維の原料には、ある程度
の黒鉛化度を持ったものを用いる。乱層構造を実現する
には、原料段階で黒鉛化を抑制するか、もしくは、製造
過程で黒鉛化度を制御すれば良い。
The reason why carbon fiber is used for the carbon material having a turbostratic structure as described above is essentially the same as that of the positive electrode,
For example, the raw material such as pitch and polyacrylonitrile has a high degree of original graphitization and a wide range of control of the degree of graphitization due to spinning on carbon fiber. Even in the case of a turbostratic structure, the development of a layer surface that can insert lithium atoms between layers is required. For this purpose, a carbon fiber material having a certain degree of graphitization is used. In order to realize a turbostratic structure, graphitization may be suppressed at the raw material stage, or the degree of graphitization may be controlled during the manufacturing process.

黒鉛化に関しては正極と全く同様である。即ち、不活
性雰囲気下、2000℃以上、好ましくは、2500℃以上1時
間以上黒鉛化処理する。乱層構造は一般的に熱処理温度
を低くすれば実現するが、層間化合物を形成し、しかも
ドープ、脱ドープに対しての安定性を得るためには、或
る程度黒鉛化処理温度を高くし、堅固な炭素層を形成す
る必要があり、そのための最低の温度が2000℃である。
Graphitization is exactly the same as for the positive electrode. That is, graphitization treatment is performed in an inert atmosphere at 2000 ° C. or more, preferably 2500 ° C. or more for 1 hour or more. In general, a turbostratic structure can be realized by lowering the heat treatment temperature.However, in order to form an intercalation compound and obtain stability against doping and undoping, the graphitization temperature must be increased to some extent. , A solid carbon layer must be formed, the minimum temperature for which is 2000 ° C.

本発明は、正極及び負極に、各々、最適な黒鉛化度の
炭素繊維を用いることを特徴とした二次電池システムに
関するものであり、炭素繊維を用いた電極であれば、電
極の形状に関して特に制限するものではない。
The present invention relates to a secondary battery system characterized by using carbon fibers having an optimum degree of graphitization for each of a positive electrode and a negative electrode. There is no restriction.

本発明に用いることができる電解質としては、以下の
リチウム塩を挙げることが出来る。
As the electrolyte that can be used in the present invention, the following lithium salts can be exemplified.

リチウムパークロレート:LiClO4、リチウムヘキサフロ
ロアンチモネート:LiSbF6、リチウムヘキサフロロアセ
ネート:LiAsF6、リチウムテトラフロロボレート:LiB
F4、リチウムヘキサクロロアンチモネート:LiSbCl6、リ
チウムヘキサフロロホスフェート:LiPF6 これらの中で特に好ましいのは、LiBF4、LiPF6であ
る。
Lithium perchlorate: LiClO 4, lithium hexafluoroantimonate: LiSbF 6, lithium hexafluoro acetone sulfonate: LiAsF 6, lithium tetrafluoroborate: LiB
F 4 , lithium hexachloroantimonate: LiSbCl 6 , lithium hexafluorophosphate: LiPF 6 Among these, LiBF 4 and LiPF 6 are particularly preferred.

電解質として用いるリチウム塩に要求されるのは、ア
ニオンに関する次の条件である。即ち、基本的には電気
化学的反応におけるアニオンの安定性が要求される。本
発明に於いては、炭素繊維に於けるアニオンの挿入放出
が正極反応に利用されるので、電気化学的反応に於ける
安定性に加えて更に、炭素繊維に於ける挿入放出反応を
生じるようなアニオンであることが要求される。
The following conditions regarding anions are required for a lithium salt used as an electrolyte. That is, basically, the stability of the anion in the electrochemical reaction is required. In the present invention, since the insertion and release of anions in the carbon fiber are used for the positive electrode reaction, in addition to the stability in the electrochemical reaction, the insertion and release reaction in the carbon fiber may be further caused. Is required to be a suitable anion.

炭素繊維に於ける挿入放出反応に適するアニオンの条
件は、現段階では必ずしも明確にされていないが、一価
のアニオンとしての安定性が基本的に重要であって、従
来言われていたような挿入放出反応に関与するアニオン
の原子、或は、分子の大きさなどの幾何学的な形状は重
要ではない。上に挙げた一連のリチウム塩は、正にこの
二つの条件を満足するものである。即ち、これらのリチ
ウム塩は、電離度が非常に高く電離した結果生じるアニ
オンは、電気化学的に非常に安定であり、更に一価のア
ニオンとして非常に高い安定性を有する。
The conditions of the anion suitable for the insertion-release reaction in carbon fiber are not always clear at this stage, but the stability as a monovalent anion is fundamentally important, The geometry of the anion, or the size of the molecule, involved in the insertion-release reaction is not critical. The series of lithium salts listed above satisfy these two conditions. That is, these lithium salts have a very high degree of ionization, and the anions resulting from ionization are very stable electrochemically, and have very high stability as monovalent anions.

ここで注意すべきは、ハロゲンのアニオンである。ハ
ロゲンは、電子親和力が大きく、従って一価のアニオン
としての高安定性が期待できる。更に、電気化学的にも
高い安定性を持つため、炭素材に於ける挿入放出反応に
はハロゲンのアニオンは最適と思われる。しかしなが
ら、例えば気相法で合成されたヨウ素、臭素の黒鉛層間
化合物の研究で知られるように、その安定性は非常に乏
しく、ハロゲンガスの圧力下で無ければその構造を保て
ず、減圧することで容易に一度挿入されたハロゲン原子
は層外へ放出する。この様なハロゲンの黒鉛層間化合物
の低い安定性を反映し、電気化学的にはハロゲンの黒鉛
層間化合物を合成することは困難であり、電極反応には
適していないと考えられる。
Note here the halogen anion. Halogen has a high electron affinity, and can therefore be expected to have high stability as a monovalent anion. Furthermore, since it has a high electrochemical stability, a halogen anion seems to be the most suitable for the insertion-release reaction in a carbon material. However, as is known in the study of graphite intercalation compounds of iodine and bromine synthesized by a gas phase method, for example, the stability is very poor, and the structure cannot be maintained unless the pressure is halogen gas, and the pressure is reduced. As a result, the halogen atom once inserted easily is released to the outside of the layer. Reflecting such low stability of the halogen graphite intercalation compound, it is difficult to electrochemically synthesize the halogen graphite intercalation compound, and is considered to be unsuitable for the electrode reaction.

本発明に用いられる電解液としての有機溶媒は、非プ
ロトン性有機溶媒であり、従来、二次電池に用いられて
いた有機溶媒であれば、特にこれを制限するものではな
いが、その中で、誘電率が大きい、双極子能率が大き
い、酸化還元に対する安定性が高く電位窓が広い、粘度
の低い等の特性を有した有機溶媒が特に好ましい。
The organic solvent as the electrolytic solution used in the present invention is an aprotic organic solvent, and conventionally, as long as it is an organic solvent used in a secondary battery, the organic solvent is not particularly limited. Organic solvents having characteristics such as high dielectric constant, high dipole efficiency, high stability against oxidation / reduction, a wide potential window, and low viscosity are particularly preferable.

具体的には、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、スルホ
ラン、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、
テトラヒドロフラン、2メチル−テトラヒドロフラン、
アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホル
ムアミド等の溶媒や、これらの混合溶媒を用いることが
出来る。
Specifically, propylene carbonate, ethylene carbonate, sulfolane, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane,
Tetrahydrofuran, 2 methyl-tetrahydrofuran,
Solvents such as acetonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and the like, and a mixed solvent thereof can be used.

また、電解液の濃度は、溶媒や電解質の種類、電極材
に依存するため一概に規定することは出来ないが、通常
0.1〜10mol/の範囲である。電解液中の微量の酸素や
水分が電池の性能を低下させるので、溶媒や電解質は予
め常法に従い十分に精製しておく必要がある。本発明に
於て、必要ならばポりエチレン、ポリプロピレン、テフ
ロン等の合成樹脂性の多孔質膜や、天然繊維を両極の間
の隔膜として使用してもよい。
In addition, the concentration of the electrolytic solution cannot be specified unconditionally because it depends on the type of the solvent, the type of the electrolyte, and the electrode material.
It is in the range of 0.1 to 10 mol /. Since a trace amount of oxygen or moisture in the electrolytic solution lowers the performance of the battery, it is necessary to sufficiently purify the solvent and the electrolyte according to a conventional method. In the present invention, if necessary, a porous membrane made of synthetic resin such as polyethylene, polypropylene, Teflon or the like, or a natural fiber may be used as a diaphragm between the two electrodes.

実施例 実施例1 第1図のように2900℃で熱処理したピッチ系炭素繊維
1の10mgを、直径0.1mmの白金線2で束ねたものを正極
4とした。
Example 1 As shown in FIG. 1, a positive electrode 4 was obtained by bundling 10 mg of pitch-based carbon fibers 1 heat-treated at 2900 ° C. with a platinum wire 2 having a diameter of 0.1 mm.

充放電特性の測定は、第2図のように10〜20mgの金属
リチウムのシートをニッケル網に圧着したものを対極
(負極)3、対極(負極)と同じ金属リチウムシートの
小片をニッケル線に接続したものを基準極5、LiBF4
炭酸プロピレンに2mol/の濃度に溶かした溶液を電解
液6に用いた三極セルをガラス容器7に入れ、全体を、
アルゴン(Ar)ガス8を導入し、不活性雰囲気にした密
閉容器内に設置し、定電流で充放電を繰返した際の基準
極に対する正極の電位を測定した。
The charge / discharge characteristics were measured by pressing a sheet of 10 to 20 mg of metallic lithium on a nickel mesh as shown in Fig. 2 to form a counter electrode (negative electrode) 3 and a small piece of the same metal lithium sheet as the counter electrode (negative electrode) into a nickel wire. The connected electrode was placed in a glass container 7 as a reference electrode 5, and a triode cell using a solution obtained by dissolving LiBF 4 at a concentration of 2 mol / in propylene carbonate as an electrolytic solution 6 was placed in a glass container 7.
Argon (Ar) gas 8 was introduced, the sample was placed in a closed container in an inert atmosphere, and the potential of the positive electrode with respect to the reference electrode when charge and discharge were repeated at a constant current was measured.

正極に用いた炭素繊維は、原料段階及び製造過程に於
て黒鉛化を制御し、正極に要求される黒鉛化度を実現し
たものであり、この炭素繊維のX線回折法による黒鉛化
度の指標は、第1表に示した。充放電の電流値は、10mA
/炭素材1gで、充電の際に通電する電気量は300クーロン
/炭素材1gである。
The carbon fiber used for the positive electrode controls the graphitization in the raw material stage and in the manufacturing process, and achieves the degree of graphitization required for the positive electrode. The indices are shown in Table 1. Charge / discharge current value is 10mA
The amount of electricity passed during charging is 300 coulombs / g of carbon material.

このような条件で充放電させた結果、放電の電気量効
率は、1回目のサイクルは高々50%であるが、2回目の
サイクル以降は安定して、ほぼ95%であった。充放電の
電位は非常に貴であり、リチウム基準に対して4.6〜4.7
Vから充電を開始し充電量の増加に伴って電位は上昇
し、充電完了時の最終電位は5Vに達する。放電の際に電
位変化は、充電時とほぼ同じであり放電が進行するに従
って、電位は徐々に減少し4Vで急激に落ち込み放電を終
了する。従って、放電の利用できる電位は4〜5Vの範囲
である。第3図に充放電の際の電位カーブを示す。
As a result of charging and discharging under these conditions, the electricity efficiency of the discharge was at most 50% in the first cycle, but was stable and almost 95% after the second cycle. The charge / discharge potential is very noble, 4.6-4.7
Charging is started from V, and the potential rises with an increase in the amount of charge, and the final potential when charging is completed reaches 5V. The potential change at the time of discharging is almost the same as that at the time of charging, and as the discharging progresses, the potential gradually decreases and drops sharply at 4 V to finish discharging. Thus, the potential available for discharge is in the range of 4-5V. FIG. 3 shows a potential curve at the time of charging and discharging.

比較例1 黒鉛化度の異なる三種の炭素材:キッシュ黒鉛、TORA
Y社製PAN系炭素繊維M40、UCC社製ピッチ系炭素繊維P75S
を実施例1と同じ条件で測定した。
Comparative Example 1 Three kinds of carbon materials having different degrees of graphitization: quiche graphite, TORA
Y Company PAN-based carbon fiber M40, UCC Pitch-based carbon fiber P75S
Was measured under the same conditions as in Example 1.

各々の炭素材のX線回折法による黒鉛化度は、第1表
に示した。キッシュ黒鉛は、d=3.354Aで、ほぼ理想的
な黒鉛構造を持つ。TARAY社製PAN系炭素繊維M40は、PAN
系炭素繊維の中では最も高い黒鉛化度の炭素繊維に属す
る。UCC社製ピッチ系炭素繊維P75Sは、ピッチ系炭素繊
維の中でも、実施例1に用いた炭素繊維に比較すると黒
鉛化度の低いものである。
The degree of graphitization of each carbon material by X-ray diffraction is shown in Table 1. Kish graphite has an almost ideal graphite structure with d = 3.354A. PAN-based carbon fiber M40 manufactured by TARAY
It belongs to the carbon fiber with the highest degree of graphitization among the system carbon fibers. The pitch-based carbon fiber P75S manufactured by UCC has a lower degree of graphitization than the carbon fiber used in Example 1 among pitch-based carbon fibers.

PAN系炭素繊維は、4.6Vから充電を開始し充電量の増
加に伴って電位は急激に増加し最終的には6.1Vに達す
る。放電に切り換えると電位は急激に低下し充電量に対
して殆ど放電しない。これはPAN系炭素繊維が三者中最
も黒鉛化度が低く、黒鉛化度の低さのためにアニオンの
ドーピング反応がほとんど生じないことを表している。
The PAN-based carbon fiber starts charging from 4.6 V, and the potential increases rapidly with the increase in the charged amount, and finally reaches 6.1 V. When switching to discharging, the potential drops sharply and hardly discharges with respect to the charged amount. This indicates that the PAN-based carbon fiber has the lowest graphitization degree among the three, and the anion doping reaction hardly occurs due to the low graphitization degree.

P75Sは4.9Vから充電を開始し電位は充電量の増加に伴
ってゆっくりと増加し、最終的には5.1Vに達する。放電
量は充電量に対して約25%であった。P75Sは乱層構造が
発達し、やはり、黒鉛化度の低さのために電気量効率は
低い。
P75S starts charging from 4.9V, and the potential slowly increases with the increase in charge amount, and finally reaches 5.1V. The amount of discharge was about 25% of the amount of charge. P75S has a turbostratic structure, and its electricity efficiency is low because of the low degree of graphitization.

キッシュ黒鉛は4.7Vから充電を開始し、充電量の増加
に伴って段階状に電位は増加し、最終的には5.0Vに達す
る。放電効率は約50%であった、この段階状の電位の変
化は、いわゆる黒鉛層間化合物のステージ構造に対応す
るものであり、キッシュ黒鉛の黒鉛化度の高さ故に現れ
る現象である。キッシュ黒鉛は理想的とも言える黒鉛化
度をもつが、La、Lcが共に大きすぎるためドープ、脱ド
ープ反応という可逆的な電極反応には適当ではない。可
逆反応に供するにはLa、Lcは大きすぎてはならないので
ある。これら三者の充放電カープを第3図に実施例1と
ともに示した。
Kish graphite starts charging from 4.7V, and the potential increases stepwise as the charged amount increases, and finally reaches 5.0V. This stepwise change in potential, which had a discharge efficiency of about 50%, corresponds to the so-called stage structure of a graphite intercalation compound, and is a phenomenon that appears due to the high degree of graphitization of quiche graphite. Kish graphite has a graphitization degree which can be said to be ideal, but is not suitable for reversible electrode reactions such as doping and undoping reactions because both La and Lc are too large. La and Lc must not be too large for reversible reactions. The charge / discharge carp of these three is shown together with Example 1 in FIG.

実施例1、及び、比較例1の結果から、本発明のよう
に正極に適した特定の黒鉛化度を持ったピッチ系炭素繊
維を用いることによって、優れた充放電特性が得られる
ことが分る。
From the results of Example 1 and Comparative Example 1, it was found that excellent charge / discharge characteristics can be obtained by using pitch-based carbon fibers having a specific degree of graphitization suitable for a positive electrode as in the present invention. You.

実施例2 実施例1と同様に、2900℃で熱処理したピッチ系炭素
繊維を白金線で束ねたものを試料極(負極)4とし、金
属リチウムを対極3と基準極5に用い、また実施例1と
同じ電解液6に依って構成された三極セルを用いて、定
電流で充放電を繰返した際の基準極に対する負極の電位
を測定した。
Example 2 As in Example 1, a pitch-based carbon fiber heat-treated at 2900 ° C. bundled with a platinum wire was used as a sample electrode (negative electrode) 4, and metallic lithium was used for a counter electrode 3 and a reference electrode 5. The potential of the negative electrode with respect to the reference electrode when charging and discharging were repeated at a constant current was measured using a three-electrode cell composed of the same electrolytic solution 6 as in Example 1.

負極に用いた炭素繊維は、原料段階及び製造過程に於
て黒鉛化を制御し、負極に要求される黒鉛化度を実現し
たものである。この炭素繊維のX線回折に依る黒鉛化度
の指標は、第2表に示した。また、用いた炭素繊維のア
ルゴンレーザー(波長:5145A)を光源としたラマンスペ
クトルは第4図に示すように黒鉛構造を反映する1580cm
-1と乱層構造を反映する1360cm-1の二つのピークが共存
しており、1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1のピ
ーク強度の比は、0.5〜0.6である。
The carbon fiber used in the negative electrode controls the graphitization in the raw material stage and in the production process, and realizes the degree of graphitization required for the negative electrode. The index of the degree of graphitization of the carbon fiber by X-ray diffraction is shown in Table 2. The Raman spectrum of the used carbon fiber using an argon laser (wavelength: 5145A) as a light source reflects a graphite structure of 1580 cm as shown in FIG.
-1 and turbostratic and structure coexist two peaks of 1360 cm -1 to reflect the ratio of the peak intensity of 1360 cm -1 to the peak intensity of 1580 cm -1 is 0.5 to 0.6.

充放電の電流値は、5mA/炭素材1gであり、充電の際に
通電した電気量は1300クーロン/炭素材1gである。
The charge / discharge current value was 5 mA / g of carbon material, and the amount of electricity passed during charging was 1300 coulomb / g of carbon material.

放電の電気量効率は、1回目のサイクルは70〜80%で
あるが、2回目のサイクル以降は、93%以上に安定す
る。また、その電位は、充電に関しては、リチウム基準
に対して0.5V付近から充電を開始し0.2V付近から非常に
電位の変化は緩やかになり、最終的にはリチウム金属と
ほぼ同じ電位にまでに達する。放電に関しては、リチウ
ム基準で0.3V付近までは非常にゆっくりと電位は上昇
し、0.6〜0.8Vから急激に電位は上昇を始め、放電を終
了する。従って、放電で使用する電位の範囲を0.5Vに採
れば、かなり平坦性のある電位カーブを得ることが出来
る。充放電の際の負極の電位の変化を第5図に示す。
The electricity efficiency of the discharge is 70 to 80% in the first cycle, but is stabilized to 93% or more after the second cycle. Regarding the charge, the charge starts charging around 0.5 V with respect to the lithium reference, and the change in the potential becomes very gentle from around 0.2 V, and eventually reaches almost the same potential as lithium metal. Reach. Regarding the discharge, the potential rises very slowly up to around 0.3 V on the basis of lithium, the potential starts to rise rapidly from 0.6 to 0.8 V, and the discharge ends. Therefore, if the range of the potential used in the discharge is set to 0.5 V, a considerably flat potential curve can be obtained. FIG. 5 shows changes in the potential of the negative electrode during charging and discharging.

比較例2 黒鉛構造の発達した炭素材であるキッシュ黒鉛を実施
例2と同じ条件下で測定した。
Comparative Example 2 Kish graphite, a carbon material having a developed graphite structure, was measured under the same conditions as in Example 2.

キッシュ黒鉛のX線回折による黒鉛化度の指標は、第
2表に併せて示した。また、アルゴンレーザーラマンス
ペクトルによる二つのピーク強度比は、ほぼ0である。
これらの指標から、キッシュ黒鉛の黒鉛化度の高さが分
る。
The index of the degree of graphitization of Kish graphite by X-ray diffraction is also shown in Table 2. The ratio of the two peak intensities according to the argon laser Raman spectrum is almost zero.
From these indices, the degree of graphitization of quiche graphite is high.

理想的な黒鉛構造を持ったキッシュ黒鉛は、基準極に
対して1.0Vで充電を開始し充電が進行してもその電位は
殆ど変化せず、リチウムイオンのドープに伴う電位の下
降が見られない。また、殆ど放電しない。
Kish graphite with an ideal graphite structure starts charging at 1.0 V with respect to the reference electrode, and even if charging proceeds, the potential hardly changes, and a drop in the potential due to lithium ion doping is observed. Absent. Also, almost no discharge occurs.

この結果は、充電の電気量は黒鉛化度が高いが故に殆
ど副反応に費やされ、リチウムのドーピングはキッシュ
黒鉛では殆ど進行していないことを示している。一方、
乱層構造の実施例2の炭素繊維は、C6-8Liに相当する充
電量のところで負極の電位はほぼリチウムと同じ電位に
なり、炭素繊維の層間がリチウムで飽和したことが分か
るし、また、放電効率も高い。これは、副反応が殆ど生
じていないことを示している。充放電の際の負極の電位
の変化は、実施例2の結果とともに第5図に示す。
This result indicates that the amount of electricity for charging is mostly spent on side reactions due to the high degree of graphitization, and that doping of lithium hardly progresses with quiche graphite. on the other hand,
In the carbon fiber of Example 2 having a turbostratic structure, the potential of the negative electrode was almost the same as that of lithium at a charge amount corresponding to C 6-8 Li, and it was found that the interlayer of the carbon fiber was saturated with lithium. Also, the discharge efficiency is high. This indicates that almost no side reactions occurred. The change in the potential of the negative electrode during charging and discharging is shown in FIG.

比較例3 PAN系炭素繊維であるTORAY社製T300と、ピッチ系炭素
繊維を1000℃で熱処理した二種の炭素繊維を実施例2と
同じ条件下で測定した。
Comparative Example 3 PAN-based carbon fiber, T300 manufactured by TORAY, and two kinds of carbon fibers obtained by heat-treating pitch-based carbon fiber at 1000 ° C. were measured under the same conditions as in Example 2.

この二種の炭素繊維のX線回折による黒鉛化度の指標
を第3表に示した。ラマン分光による黒鉛化度の指標
は、前者が0.9〜1.0、後者が1.0〜1.1である。両者共に
乱層構造を持つことが分かる。
Table 3 shows indices of the degree of graphitization of these two types of carbon fibers by X-ray diffraction. The index of the degree of graphitization by Raman spectroscopy is 0.9 to 1.0 for the former and 1.0 to 1.1 for the latter. It can be seen that both have a turbostratic structure.

定電流充放電を測定した結果、T300は、〜1Vから充電
を開始し、充電の進行に伴って電位の低下は認められる
が、その変化は滑らかではなくしばしば不連続である。
最終的には0.1Vに達するがその充電効率は10%以下であ
った。
As a result of measuring the constant current charge / discharge, T300 starts charging from 11 V, and the potential decreases with the progress of charging, but the change is not smooth but often discontinuous.
Eventually, it reached 0.1V, but its charging efficiency was less than 10%.

この現象は、T300に対してリチウムのドーピングが生
じ難い、或は、生じないことを示している。また、繰り
返しに対する安定性に欠ける。また、低温で熱処理した
ピッチ系炭素繊維は実施例2と同じような電位カーブを
描き、リチウムのドーピングが進行するが、放電効率が
極端に悪く、充放電の繰り返しに対する安定性に欠け
る。
This phenomenon indicates that doping of T300 with or without lithium is unlikely. Further, it lacks stability against repetition. Further, the pitch-based carbon fiber heat-treated at a low temperature draws a potential curve similar to that in Example 2 and lithium doping proceeds, but the discharge efficiency is extremely poor and lacks stability against repeated charge and discharge.

ここでは、他の乱層構造を持った炭素繊維と本発明が
主張するところの乱層構造を持った炭素繊維との比較を
するために、実施例2と同じ条件下で上の二種の炭素繊
維を測定したものである。
Here, in order to make a comparison between other carbon fibers having a turbostratic structure and carbon fibers having a turbostratic structure claimed by the present invention, the above two kinds of carbon fibers under the same conditions as in Example 2 were used. It is a measurement of carbon fiber.

実施例2で用いた炭素繊維は、2900℃という非常に高
い温度で熱処理した上で第2表に示すような乱層構造を
実現したものである。一般にピッチ系の炭素繊維は熱処
理温度を低くするだけでも乱層構造を実現出来ることが
知られている。
The carbon fiber used in Example 2 was heat-treated at a very high temperature of 2900 ° C. and then realized a turbostratic structure as shown in Table 2. It is generally known that a pitch-based carbon fiber can realize a turbostratic structure only by lowering the heat treatment temperature.

また、PAN系の炭素繊維も乱層構造を持つことが知ら
れている。実施例2、及び、比較的3の実験結果は、以
下の事を示している。即ち、PAN系の炭素繊維T300は、
炭素層面の発達の程度が低いためにリチウムをドープせ
ず、低温で熱処理したピッチ系炭素繊維は、原料に用い
たピッチの持つ黒鉛化性の高さから炭素層面は十分発達
しており、そのためドーピングはスムーズに行われる
が、熱処理温度が低いためにドープ・脱ドープに対する
積層構造の安定性に欠けるのである。
It is also known that PAN-based carbon fibers also have a turbostratic structure. The experimental results of Example 2 and comparatively 3 show the following. That is, PAN-based carbon fiber T300 is
Since the degree of development of the carbon layer surface is low, the pitch-based carbon fiber that has been heat-treated at a low temperature without doping with lithium has a sufficiently developed carbon layer surface due to the high graphitizing property of the pitch used as the raw material. Although the doping is performed smoothly, the stability of the laminated structure against doping and undoping is lacking due to the low heat treatment temperature.

以上、実施例2、比較例2、比較例3の結果から以下
のことが示された。即ち、負極に用いる炭素素材には、
結晶構造が非常に発達した炭素材は、その高い黒鉛化度
故に不適当であり、乱層構造と言われるように適度に乱
れ、適度に黒鉛化した炭素材が適する。更に、乱層構造
の中でも本発明に於て規定したところの乱層構造を持っ
た炭素繊維が最も適当であり、黒鉛化の程度が低すぎる
ものは不適当であることが示された。
As described above, the following results were shown from the results of Example 2, Comparative Example 2, and Comparative Example 3. That is, in the carbon material used for the negative electrode,
A carbon material having a very developed crystal structure is unsuitable due to its high degree of graphitization, and a carbon material which is appropriately disordered and moderately graphitized, which is called a turbostratic structure, is suitable. Furthermore, among the turbostratic structures, carbon fibers having a turbostratic structure as defined in the present invention are most suitable, and those having a too low degree of graphitization are unsuitable.

実施例3 ピッチ系炭素繊維、及びPAN系炭素繊維の負極特性
を、スルホランを有機溶媒に用いた電解液中で調べた。
Example 3 The negative electrode characteristics of the pitch-based carbon fiber and the PAN-based carbon fiber were examined in an electrolyte using sulfolane as an organic solvent.

実施例1と同様に、炭素繊維を白金線で束ねたものを
試料極(負極)4とし、金属リチウムを対極3と基準局
5に用い、LiBF4をスルホランに1mol/の濃度に溶かし
た電解液6によって構成された三極セルを用いて、定電
流で充放電を繰り返した際の基準極に対する負極の電位
を測定した。
Electrolyte in which carbon fiber bundled with a platinum wire was used as a sample electrode (negative electrode) 4 and lithium metal was used as a counter electrode 3 and a reference station 5 in the same manner as in Example 1 and LiBF 4 was dissolved in sulfolane at a concentration of 1 mol /. The potential of the negative electrode with respect to the reference electrode when charging and discharging were repeated at a constant current was measured using the three-electrode cell constituted by No. 6.

負極に用いたピッチ系炭素繊維は、UCC社製P75SとP12
0X、PAN系炭素繊維はTORAY社製M40である。三種の炭素
繊維は、全て本発明で規定される負極の黒鉛化度の範囲
に属するものである。これらの炭素繊維のX線回折に依
る黒鉛化度の指標は、第4表に示した。また、アルゴン
レーザーラマンスペクトルによる二つのピーク強度比
は、P120X:0.2〜0.3、P75S:0.5〜0.6、M40:0.9〜1.0で
ある。
The pitch-based carbon fibers used for the negative electrode were UCC P75S and P12
0X, PAN-based carbon fiber is M40 manufactured by TORAY. All three types of carbon fibers belong to the range of the graphitization degree of the negative electrode defined in the present invention. The index of the degree of graphitization of these carbon fibers by X-ray diffraction is shown in Table 4. The two peak intensity ratios in the argon laser Raman spectrum are P120X: 0.2 to 0.3, P75S: 0.5 to 0.6, and M40: 0.9 to 1.0.

充放電の電流値は、10mA/炭素材1gであり、充電の際
に通電した電気量は1300クーロン/炭素材1gである。
The charge / discharge current value is 10 mA / g of carbon material, and the amount of electricity passed during charging is 1300 coulomb / g of carbon material.

放電の電気量効率は、1回目のサイクルは、P120X:50
〜60%、P75S:60〜70%、M40:50〜60%であるが、数回
のサイクルの後、三者ともに〜90%以上に安定する。ま
た、充放電の際の電位変化は、三者ともに、炭酸プロピ
レンを有機溶媒に用いた電解液中での測定である実施例
2とほぼ同様である。即ち、基準極に対して0.5V付近か
ら充電を開始し、0.2〜0.3Vまで比較的急に電位は低下
し、そこから電位の変化は非常に緩やかになり、最終的
にはリチムウ金属とほぼ同じ電位にまで到達する。
Discharge electricity efficiency is the first cycle, P120X: 50
6060%, P75S: 60-70%, M40: 50-60%, but after several cycles, all three are stable to 9090% or more. Further, the potential change during charge and discharge is almost the same as in Example 2, which is a measurement in an electrolytic solution using propylene carbonate as an organic solvent. That is, charging starts at around 0.5 V with respect to the reference electrode, the potential decreases relatively sharply from 0.2 to 0.3 V, and the change in the potential becomes very gradual from that point, and finally becomes almost the same as the lithium metal. It reaches the same potential.

放電の際の電位の変化も実施例2とほぼ同様であっ
た。三者とも放電開始後徐々に電位は上昇し、0.6〜0.8
Vから急激に電位は上昇する。但し、放電カーブには、
三者の炭素繊維の黒鉛化度の違いが、僅かに見られた。
即ち、黒鉛化度の高いピッチ系炭素繊維P120Xは、放電
終了電位が比較的低く、放電開始電位と放電終了電位の
差が小さいのに対し、黒鉛化度の低いPAN系炭素繊維M40
は、放電終了電位が高く、この差が大きい。充放電の際
の負極の電位の変化を第6図に示す。
The change in potential during discharge was almost the same as in Example 2. In all three, the potential gradually rises after the start of discharge, and 0.6 to 0.8
The potential rises sharply from V. However, the discharge curve
A slight difference in the degree of graphitization of the three carbon fibers was observed.
That is, the pitch-based carbon fiber P120X having a high degree of graphitization has a relatively low discharge end potential and a small difference between the discharge start potential and the discharge end potential, whereas the PAN-based carbon fiber M40 having a low degree of graphitization has a low degree of graphitization.
Have a high discharge end potential, and this difference is large. FIG. 6 shows changes in the potential of the negative electrode during charging and discharging.

ここでは、炭素繊維の原料、及び、炭素繊維の黒鉛化
度の違いが負極特性に与える影響を調べるために、本発
明に規定した負極に適する炭素繊維の黒鉛化度の範囲に
含まれる原料の異なった三種の炭素繊維の負極特性を調
べたものである。その結果、負極に用いる炭素繊維の原
料の違いは重要ではなく、原料に拘らず本発明に規定す
る炭素繊維の黒鉛化度の指標で負極に適するかどうかの
判断ができることが示された。
Here, in order to investigate the influence of the difference in the degree of graphitization of the carbon fiber on the negative electrode characteristics, the raw material of the carbon fiber raw material included in the range of the degree of graphitization of the carbon fiber suitable for the negative electrode specified in the present invention is used. It is an examination of the negative electrode characteristics of three different types of carbon fibers. As a result, it was shown that the difference in the raw material of the carbon fiber used for the negative electrode is not important, and it can be determined whether or not the carbon fiber is suitable for the negative electrode by using the index of the degree of graphitization of the carbon fiber specified in the present invention regardless of the raw material.

また、本発明に於て規定するところの負極に適する炭
素繊維はその黒鉛化度に於て、ある程度の幅を持つが、
この黒鉛化度の範囲に属する炭素繊維であれば全て負極
として優れた性能を示し、黒鉛化度の違いは、放電カー
ブの違いとして現れることが判明した。即ち、黒鉛化度
の高い炭素繊維ほど放電カーブは平坦であり、放電の進
行に伴う負極の電位の変化が小さいのに対して、黒鉛化
度の低い炭素繊維ほど放電カーブは傾きを持ち、放電の
進行に伴う負極の電位の変化は大きい。
Further, the carbon fiber suitable for the negative electrode as defined in the present invention has a certain width in the degree of graphitization,
All carbon fibers belonging to this range of graphitization degree exhibited excellent performance as a negative electrode, and it was found that the difference in graphitization degree appeared as a difference in discharge curve. That is, the discharge curve is flatter as the degree of graphitization of carbon fiber is higher and the change in the potential of the negative electrode with the progress of discharge is smaller, whereas the discharge curve is lower as the degree of graphitization of the carbon fiber is lower. The change in the potential of the negative electrode accompanying the progress of is large.

実施例4 実施例1で用いた炭素繊維を正極に、実施例2で用い
た炭素繊維を負極に、電解液に実施例1と同じものを用
いて電池を作成し、定電流で充放電を行った。
Example 4 A battery was prepared using the same carbon fiber as used in Example 1 as a positive electrode, the carbon fiber used in Example 2 as a positive electrode, and the same carbon fiber as used in Example 1 as an electrolyte. went.

正極の炭素繊維は40mg、負極の炭素繊維は10mgであ
る。電流値は、10mA/炭素材1g、充電量は、負極が100ク
ーロン/炭素材1g、正極が250クーロン/炭素材1gであ
る。
The carbon fiber for the positive electrode is 40 mg, and the carbon fiber for the negative electrode is 10 mg. The current value is 10 mA / g of carbon material, and the charge amount is 100 coulomb / g of carbon material for the negative electrode and 250 coulomb / g of carbon material for the positive electrode.

3.8Vから充電を開始し4.6Vまで電圧は上昇する。放電
の電圧は4.3Vから3.5Vまで変化した。100回充放電の繰
り返しを行ったが、充放電の電圧カーブに顕著な変化は
認められなかった。また、電気量効率も高く、90%以上
で安定していた。第7図に充放電を100回繰り返した際
の測定結果を示す。
Charging starts at 3.8V and rises to 4.6V. The discharge voltage varied from 4.3V to 3.5V. The charge / discharge was repeated 100 times, but no remarkable change was observed in the charge / discharge voltage curve. In addition, the electricity efficiency was high and stable at 90% or more. FIG. 7 shows the measurement results when charging and discharging were repeated 100 times.

発明の効果 以上、詳細に説明してきたように、本発明は正極、負
極共に炭素材を用いた各々、アニオン、リチウムイオン
のドーピング反応を電極反応に利用したリチウム二次電
池に関するものである。本発明の最大の特徴は、正極、
負極の反応に最適な炭素材の特性を見極め、これを黒鉛
化度の指標を用いて表現したこと、更に、この特性を、
正極の場合には石炭ピッチ或は石油ピッチを原料とした
ピッチ系炭素繊維に依って、負極の場合には乱層構造を
持った炭素繊維に依って、実現したことにある。この二
次電池システムは、金属リチウムを電極として使わなく
とも非常に高電圧で、しかも軽量は充放電可能な二次電
池を可能としたものであり、極めて利用価値の高いもの
である。
Effect of the Invention As described above, the present invention relates to a lithium secondary battery using a carbon material for both a positive electrode and a negative electrode and utilizing a doping reaction of anions and lithium ions for an electrode reaction. The greatest feature of the present invention is the positive electrode,
The characteristics of the most suitable carbon material for the reaction of the negative electrode were determined, and this was expressed using an index of the degree of graphitization.
In the case of the positive electrode, it is realized by using pitch-based carbon fibers made of coal pitch or petroleum pitch, and in the case of the negative electrode, it is realized by using carbon fibers having a turbostratic structure. This secondary battery system enables a chargeable / dischargeable secondary battery with a very high voltage and light weight without using metallic lithium as an electrode, and is extremely useful.

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

第1図は炭素繊維の電極の概略図である。 第2図は炭素繊維の電極特性測定のための装置の概略図
である。 第3図は本発明に係わる炭素繊維、及び既存の炭素材の
正極に関する定電流充放電の特性図である。 第4図は本発明に係わる炭素繊維のラマンスペクトルを
示す特性図である。 第5図、第6図は本発明に係わる炭素繊維、及び既存の
炭素材の負極に関する定電流充放電の特性図である。 第7図は本発明に係わる炭素繊維を両極に用いた電池の
定電流充放電の特性図である。 1……炭素繊維、2……白金線、3……対極、4……試
料極、5……基準極、6……電解液、7……ガラス容
器、8……Arガス。
FIG. 1 is a schematic view of a carbon fiber electrode. FIG. 2 is a schematic view of an apparatus for measuring electrode characteristics of carbon fibers. FIG. 3 is a characteristic diagram of constant current charging / discharging for a carbon fiber according to the present invention and a positive electrode of an existing carbon material. FIG. 4 is a characteristic diagram showing a Raman spectrum of the carbon fiber according to the present invention. FIG. 5 and FIG. 6 are characteristic diagrams of constant current charging / discharging for the carbon fiber according to the present invention and the negative electrode of the existing carbon material. FIG. 7 is a characteristic diagram of constant current charge / discharge of a battery using the carbon fiber according to the present invention for both electrodes. 1 ... carbon fiber, 2 ... platinum wire, 3 ... counter electrode, 4 ... sample electrode, 5 ... reference electrode, 6 ... electrolyte solution, 7 ... glass container, 8 ... Ar gas.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤本 研一 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新 日本製鐵株式會社第1技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−182670(JP,A) 特開 昭62−103991(JP,A) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kenichi Fujimoto 1618 Ida, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture New Nippon Steel Corporation First Technical Research Institute (56) References JP-A-60-182670 (JP, A) JP-A-62-103991 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】炭素層面の平均面間隔が3.40A以下で、c
軸方向及び、a軸方向の結晶子の大きさが、各々、200
〜800A、200〜1000Aであるピッチ系炭素繊維を正極に用
い、炭素層面の平均面間隔が3.37〜3.45A、c軸方向及
び、a軸方向の結晶子の大きさが、各々、40〜500A、40
〜700Aで、且つ、アルゴンレーザーを用いたラマンスペ
クトルにおける1580cm-1のピーク強度に対する1360cm-1
のピーク強度の比が0.2以上1.0以下である炭素繊維を負
極に用いたことを特徴とする炭素繊維を両極に用いたリ
チウム二次電池。
1. The method according to claim 1, wherein the average distance between the carbon layers is 3.40 A or less,
The size of the crystallites in the axial direction and the a-axis direction is 200
~ 800A, using a pitch-based carbon fiber of 200 ~ 1000A for the positive electrode, the average plane spacing of the carbon layer surface is 3.37 ~ 3.45A, c-axis direction, and the crystallite size in the a-axis direction, 40 ~ 500A, respectively , 40
In ~700A, and, 1360 cm to the peak intensity of 1580 cm -1 in the Raman spectrum using argon laser -1
A lithium secondary battery using carbon fibers for both electrodes, wherein carbon fibers having a peak intensity ratio of 0.2 to 1.0 are used for the negative electrode.
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