JP2943287B2 - 非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents

非水電解質二次電池の製造方法

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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、負極活物質を改良したことにより、高電
圧、高放電容量の優れた電池性能を有し、かつ短絡時等
の安全性にも優れる非水電解質二次電池の製造方法に関
する。
従来の技術及び発明が解決しようとする課題 近年、リチウム等のアルカリ金属を負極活物質に用い
た非水電解質電池は、高電圧、高エネルギー密度で優れ
た自己放電性を示すことからパソコン、VTR等のメモリ
ーバックアップやカメラ等の駆動源などとして非常に注
目されている。
しかしながら、高エネルギー密度を得るために負極に
リチウム金属を使用した二次電池の場合、充放電の繰り
返しに伴ってデンドライト状のリチウムが形成された
り、あるいはリチウムが電気化学的に不活性化すること
により充放電のサイクル耐久性が非常に低下する傾向が
あることが問題となっている。
また、リチウム金属は水分等に対して高活性で、かつ
低融点であるため発火し易く、急激な短絡時には高電流
による発熱が起こり、非常に危険な状況に至ることが懸
念されている。
そこで従来、これらの問題を解決するための一つの手
段として、例えば、黒鉛にリチウムをインターカレート
させた炭素質材など、リチウムを炭素原子で構成される
結晶の層間にドープし得る炭素質材料を負極に用いるこ
とが提案されている(米国特許第4,423,125号など)。
ここで、高エネルギー電池のための負極に適する炭素
質材料として必要な特性は、炭素原子の層間へのリチウ
ムの吸蔵能力が大きいことはもちろんのこと、リチウム
脱離時の電圧が低いこと、リチウム挿入・脱離時の過電
圧の低いこと、そして炭素粉体をベースとして作製した
合剤が高い密度を示すことが望まれる。
このような観点において、上記の炭素質材料は、未だ
十分とはいい難いものである。また従来、このような炭
素質材料の(002)面の層間距離や結晶子の大きさ等に
ついて最適値が種々提案されており、例えば2000℃以上
というような高温焼成を行って黒鉛化処理を施したもの
は、比較的良好な特性を示すことが報告されているが、
上記要望をバランスよく満足しうる炭素質材料は得られ
ていないのが現状である。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、リチウム
の吸蔵能力が大きく、またリチウムの脱離時の電圧及び
リチウム挿入時・脱離時の過電圧が低く、しかも合剤と
して高い密度が得られる炭素質材料を開発し、これを負
極活物質として用いることにより、高電圧、高放電容量
の優れた電池特性を有し、しかも短絡時の安全性にも優
れる非水電解質二次電池の製造方法を提供することを目
的とする。
課題を解決するための手段及び作用 本発明者は、上記目的を達成するため、鋭意検討を行
なった結果、ピッチの炭素化過程で生じるメソフェーズ
小球体を2000〜2500℃の温度で焼成して得られる黒鉛化
炭素質材料がリチウムの吸蔵能力が大きく、またリチウ
ムの脱離時の電圧及びリチウム挿入時・脱離時の過電圧
が低く、しかも合剤として高い密度を得ることができ、
非水電解質二次電池の負極材料として非常に好ましい特
性を有することを見い出した。
即ち、石油や石炭などのピッチから得られたメソフェ
ーズカーボンは、平均粒径として5−15μmの均一な球
形状をしており、このメソフェーズカーボンを結着剤と
ともに合剤化したものは、その形状のため間隙が少なく
詰め込まれ、最密充填になり易く、合剤として非常に高
い密度が得られる。具体的には、従来のカーボン材料で
は1.5g/cm2が最高レベルであったが、本メソフェーズカ
ーボンでは上記の理由により1.8g/cm2もの高密度が得ら
れるものである。また、このメソフェーズカーボンを20
00〜2500℃の温度で焼成して得られる黒鉛化処理を施す
と炭素原子は球の緯度方向に層状に並び、層間が球の全
表面にわたって露出した構造となり、従ってリチウムが
あらゆる方向から侵入できることになる。このため、コ
ークス等の異方性を持つ材料では、リチウムがある限ら
れた方向からしか侵入できないのに対し、この黒鉛化処
理メソフェーズカーボンではリチウムが挿入、脱離でき
るサイト面積を広くとることができ、高いリチウム吸蔵
容量が得られ、それと同時に良好な高電流放電性も達成
できるものである。更に、通常炭素質材料は、1500℃以
上の高温で焼成処理することにより、層間へのリチウム
の吸蔵能力を高く、またリチウム脱離電位を低くするこ
とができ、これによって電池電圧を高くすることができ
るが、メソフェーズ小球体は他の炭素質材料に比べて非
常に黒鉛化し易く、黒鉛化したメソフェーズ材料は、30
0mAH/g以上のリチウム吸蔵容量、そしてリチウムの酸化
還元電位に対して0.3V以下のリチウム脱離電位が達成さ
れ、非水電解質二次電池の負極材料として非常に好まし
いものである。
而して、本発明者は、上記黒鉛化メソフェーズ材料を
活物質とする負極を構成し、これに金属の酸化物や硫化
物或いは導電性ポリマーなどを活物質とする正極と、リ
チウムを含む非水電解質とを組合わせることにより、高
電圧,高放電容量の優れた電池特性を有し、しかも短絡
時の安全性にも優れる非水電解質二次電池が得られるこ
とを知見し、本発明を完成したものである。
従って、本発明は、正極と、リチウムを吸蔵・放出可
能な負極と、リチウムを含む非水電解質とを具備してな
る非水電解質二次電池の製造方法において、ピッチの炭
素化過程で生じるメソフェーズ小球体を2000〜2500℃の
温度で焼成して黒鉛化炭素を得ると共に、この黒鉛化炭
素を前記負極の活物質として用いることを特徴とする非
水電解質二次電池の製造方法を提供する。この場合、前
記黒鉛化炭素と結着剤とを有機溶媒で混練して合剤シー
トを得た後、該合剤シートにリチウム箔を圧着して負極
を作製することが好ましい。
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の非水電解質二次電池の負極は、上述のように
メソフェーズ小球体を黒鉛化し、これにリチウムをドー
プした炭素質材料を活物質としたものである。
ここで、上記メソフェーズ小球体は、ピッチの炭素化
過程で得られるものである。具体的には、石油や石炭な
どから得たピッチを400〜450℃の温度で1〜2時間熱処
理した後、ピリジンやキノリンにより分離することによ
り得られるものである。
このメソフェーズ小球体を黒鉛化する方法としては、
本発明では2000〜2500℃の温度で焼成するものであり、
5〜50時間程度焼成する方法が好適に採用される。な
お、この場合不活性ガス雰囲気中で焼成することが好ま
しい。
このメソフェーズ小球体を2000〜2500℃の温度で焼成
して得られる黒鉛化炭素は、結着剤を用いて負極合剤と
され、電池負極を構成するが、この場合該黒鉛化炭素に
リチウムをドープさせる。リチウムをドープさせる方法
としては、リチウムイオンを含む非水電解液中で炭素材
を対極として電気化学的にリチウムをドープさせる方
法、又はこの黒鉛化炭素を結着剤を用いて板状等に成形
し、これとリチウム金属とを圧接し、正極、非水電解液
と共に電池を組み立てた後、電池内でリチウムをドープ
させる方法を好適に採用することができる。なお、負極
合剤の調製に用いられる結着剤としては、結着効果があ
り耐溶媒性があればいずれの物質でも構わないが、特に
フッ素樹脂が好ましく、中でもポリテトラフルオロエチ
レン粉末が好適に使用される。
本発明非水電解質二次電池の正極としては、特に制限
はなく、通常の非水電解質二次電池に使用される正極材
料を用いることができ、具体的には、V2O5,V6O13,LiV3O
8,MnO2,MoO3,LiCoC2等の金属酸化物、TiS2,MoS2等の金
属硫化物、ポリアニリン等の導電性ポリマーなどを活物
質とする正極を使用することができる。
また、本発明二次電池に使用される非水電解質は、リ
チウムを含むものが使用され、具体的にはリチウム塩、
特にLiClO4,LiBF4,LiPF6,LiCF3SO3,及びLiAsF6から選ば
れた1種または2種以上が好適である。これらの電解質
は、通常溶媒により溶解された状態で使用されるが、こ
の場合溶媒としては、特に限定されるものではないが、
プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、エチレ
ンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエ
タン、γ−ブチロラクトン、ジオキソラン、ブチレンカ
ーボネート及びジメチルホルムアミドから選ばれた1種
または2種以上の混合溶媒が好適である。
本発明の非水電解質二次電池は、通常正負極間に電解
液を介在させることにより構成されるが、この場合正負
両極間に両極の接触による電流の短絡を防ぐためセパレ
ーターを介在することができる。セパレーターとして
は、両極の接触を確実に防止し得、かつ電解液を通した
り含んだりできる材料、例えばポリテトラフルオロエチ
レン,ポリプロピレンやポリエチレン等の合成樹脂製の
不織布、織布多孔体や網などを挙げることができるが、
特に厚さ20−50μm程度のポリプロピレンまたはポリエ
チレン製の微孔性フィルムが好ましく用いられる。
なお、本発明の非水電解質二次電池のその他の構成部
材としては、通常使用されているものを支障なく用いる
ことができる。また、電池の形態は特に制限されず、コ
インタイプ、ボタンタイプ、ペーパータイプ又はスパイ
ラル構造の筒型電池など、種々の形態とすることができ
る。
発明の効果 以上説明したように、本発明の非水電解質二次電池
は、負極活物質としてリチウムをドープした黒鉛化メソ
フェーズ小球体カーボンを使用しているので、高放電容
量など、優れた電池性能が得られ、また安全性にも非常
に優れたものである。
以下、実施例,比較例を示し、本発明を具体的に説明
するが、本発明は下記実施例に制限されるものではな
い。
なお、実施例に先立ち、本発明非水電解質二次電池の
負極を構成するメソフェーズ小球体からなる黒鉛化炭素
の製造例を示す。
〔製造例〕
コールタールピッチのキノリン可溶分を430℃で120分
間熱処理した後、ピリジンによりメソフェーズ小球体を
分離した。
このメソフェーズ小球体を窒素ガス雰囲気下に2500℃
で24時間焼成して黒鉛化し、電池負極用炭素質材料を得
た。
上記炭素質材料100部(重量部、以下同じ)に対し
て、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン粉末を10
部添加し、有機溶媒で混練後、ロール圧延により厚さ約
200μmの合剤シートを作製した。
この合剤シートの密度を測定したところ、1.75g/cm3
であり、高密度なものであった。
一方、ピッチコークス、PAN系ミルドファイバー、ア
セチレンブラックそれぞれ100部にポリテトラフルオロ
エチレン粉末を10部づつ添加し、上記と同様に厚さ約20
0μmの合剤シートを3種類作製した。
これらの合剤シートの密度を測定したところ、ピッチ
コークスは1.42g/cm3、PAN系ミルドファイバーは1.48g/
cm3、アセチレンブラックは1.38g/cm3であり、いずれも
上記メソフェーズカーボンの合剤シートに比べて低密度
のものであった。
〔実施例,比較例〕
上記製造例で得た各合剤シートを所定寸法に打ち抜
き、これの一面側に厚さ70μmのリチウム箔を圧着し、
更に厚さ50μmの銅箔を集電体として導電性結着剤を用
いて一体化し、4種類の電池負極を作製した。
一方、化学式LiV3O8で示されるバナジウム酸化物を活
物質として用い、これに導電助剤としてアセチレンブラ
ックを10部、結着剤としてフッ素樹脂を10部添加して十
分混合した後、有機溶媒により混練し、ロールで約400
μmに圧延して合剤シートを得た。このシートから上記
負極と同様に所定寸法に打ち抜き、50μm厚みのアルミ
ニウム箔を集電体として導電性接着剤を用いて一体化
し、電池正極を作製した。
上記負極及び正極を用い、セパレーターに25μm厚の
ポリプロピレン製の微孔性フィルム、そして電解液には
プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの混
合溶媒(容量比1:1)にLiPF6を1モル/溶解したもの
を用い、寸法が直径20.0mm、厚さ1.6mmのコイン型電池
を4種類組み立てた。
なお、これらの電池は、正極のもつ放電可能容量とし
て約28mAHが期待されるが、一方負極側容量は多くても
約18mAHであり、明らかに負極容量規制の電池である。
上記4種類の電池について、それぞれ充放電電流1mA
において、放電終止電圧2.0V、充電終止電圧3.5Vの条件
で充放電を繰り返し、100サイクルまでのサイクル特性
を測定した。その結果を図面に示す。
図面に示した結果より、本発明品である黒鉛化したメ
ソフェーズ小球体よりなる合剤を用いた電池(実施例
1)は、放電容量が最も大きく、かつ充放電サイクルに
よる容量劣化も非常に小さいことが確認された。
また、参考として黒鉛化したメソフェーズ小球体より
なる合剤シートの特性を確認するため、正極をリチウム
金属とした以外は上記と同様にして4種類のコイル型電
池を作製し、各電池について1mAの電流で負極からリチ
ウムイオンを脱離させる方向に反応を進め、リチウムの
酸化還元電位に対し+1Vまでの吸蔵可能容量及び脱離時
の平均電圧を求めた。結果を第1表に示す。
第1表に示した結果より、リチウムをドープした黒鉛
化メソフェーズ小球体は、高いリチウム吸蔵可能容量を
有し、かつ低電位でリチウムの挿入、脱離が可能である
ことが認められ、非水電解質二次電池の負極材料として
非常に適したものであることが確認された。
【図面の簡単な説明】 図面は、本発明の実施例及び比較例の電池の放電容量及
びサイクル特性を示すグラフである。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と、リチウムを吸蔵・放出可能な負極
    と、リチウムを含む非水電解質とを具備してなる非水電
    解質二次電池の製造方法において、ピッチの炭素化過程
    で生じるメソフェーズ小球体を2000〜2500℃の温度で焼
    成して黒鉛化炭素を得ると共に、この黒鉛化炭素を前記
    負極の活物質として用いることを特徴とする非水電解質
    二次電池の製造方法。
  2. 【請求項2】前記黒鉛化炭素と結着剤とを有機溶媒で混
    練して合剤シートを得た後、該合剤シートにリチウム箔
    を圧着して負極を作製するようにした請求項1記載の非
    水電解質二次電池の製造方法。
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