JP3158047B2 - 電極及び電極の製造方法 - Google Patents

電極及び電極の製造方法

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electrode
crystalline graphite
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和田  弘
芳和 好本
勝 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は電極及び電極の製
造方法に関し、特にリチウムやカリウム等のアルカリ金
属をドーパント物質とする電池の電極活物質に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、アルカリ金属をドーパントとする
二次電池の電極としては、面間隔(d)が0.337n
mから0.355nmの範囲内にある単一の面間隔を有
する黒鉛を活物質とした電極が知られている特開昭6
3−24555号公報)。
【0003】ここで、黒鉛は、炭素六員環の網平面の広
がりと重なりによって形成された構造を有するが、とく
にこの六員環網平面が非常に規則正しく重なったとき、
その面間隔が0.3354nmとなり、一方、これより
も不規則に重なったとき、その不規則性の増加と共に面
間隔は徐々に大きくなる。上記従来用いられた電極用黒
鉛はその面間隔が上記のうちの狭い範囲内に分布するも
のであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の面間隔が狭い範囲に分布する面間隔が単一の黒鉛を
活物質とした電極は、その電気化学的充放電容量が小さ
いという問題点を有していた。とくに適当な正極と組み
合わせて電池として作動させる場合に重要となる低電位
領域での充放電容量が小さく、リチウム金属の電位を基
準として0Vから+0.5Vまでの低電位領域での容量
は、黒鉛1mg当り180mAh以下と小さなものであ
った。
【0005】この発明は、上記問題を解決するためにな
されたものであり、ことに充放電容量の大きい電極及び
電極の製造方法を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らはかかる黒鉛
電極の高容量化を図るべく鋭意検討を行った結果、面間
隔の異なる特定の黒鉛の混合物が良好な電極特性を示す
ことを見出した。即ち、本発明の電極は、活物質が高結
晶性黒鉛と低結晶性黒鉛との混合物からなり、該混合物
から得られる黒鉛の(002)反射のX線回折パターン
の極大ピークで特定される上記高結晶性黒鉛の面間隔が
0.3354nmから0.3400nmの範囲内にあ
り、上記低結晶性黒鉛の面間隔が上記高結晶性黒鉛の面
間隔より広いことを特徴とする。
【0007】
【0008】通常、面間隔は、X線回折分析により測定
され、具体的には回折ピークの2θ値に基づいて決定さ
れる。本発明の高結晶性黒鉛と低結晶性黒鉛との混合物
は、X線回折において複数のピークが観測される。ここ
で、高結晶性黒鉛の面間隔が0.3354nm〜0.3
400nmの範囲内にあるとは、この全範囲に面間隔分
布を有していることを必ずしも意味せず、少なくともこ
の範囲内に属する面間隔を有しておれば良い。また、高
結晶性黒鉛のピークと低結晶性黒鉛のピークとがX線回
折ピーク上で連続状に分布するものであってもよく、X
線回折分析により測定される回折ピークは、ピーク分離
が可能であるが、ピーク分離を行った場合の低結晶性黒
鉛のピークは、0.343nm〜0.355nmの面間
隔分布の範囲内であることが多い。
【0009】
【0010】これらの黒鉛のうち、CuKα線を線源と
するX線回折計を用いた測定において、面間隔の小さい
方の黒鉛の(002)反射の回折極大ピークの回折線強
度に対する2θ(回折角)=25.0°での回折強度の
比が0.03から0.90、好ましくは0.03から
0.50の範囲内とした場合、例えばリチウム金属の電
位を基準として0Vから+0.5Vまでの低電位部分で
の充放電容量が従来の黒鉛電極に比して約1.4〜1.
7倍に増加する点で好ましい。この比率が0.9を越え
ると第2の面間隔の黒鉛種の比率が高まり、高電位部分
までを含めた充放電容量は増大するものの、充放電曲線
の平坦性が失われ、また、この比率が0.03未満であ
ると第1の面間隔の黒鉛種の比率が高まり、逆に、充放
電曲線の平坦性は良好になるものの、高電位部分までを
含めた充放電容量が減少するため、いずれにおいても低
電位部分での充放電容量は減少する点で好ましくない。
なお、ここで面間隔の大きな黒鉛種の(002)反射の
回折極大ピーク強度の代わりに2θ(回折角)=25.
0°での回折強度を用いるのは2種の黒鉛の(002)
反射回折線が近接して両ピークの分離が困難な場合を考
慮したものである。
【0011】また黒鉛の場合、その面間隔は結晶性の良
好な指標となることが知られており、実際、X線回折法
での回折ピークの半値巾は、面間隔が小さくなるに従っ
て狭くなる。従って黒鉛の結晶性の高低は上記のごとき
面間隔の大小で充分に判断することができる。
【0012】この発明における異なった面間隔を有する
黒鉛の調製方法には種々の方法がある。
【0013】ことに、鉄族元素(鉄、コバルト、ニッケ
ル)または、それを含む合金よりなる基板上に、出発物
質である炭化水素化合物を化学気相堆積法によって熱分
解することにより合成する方法を利用し、分子量150
以下の炭化水素化合物を用いかつ下記条件: ・供給速度 0.05モル/時間〜15モル/時間 ・分子数密度 2×1021分子/l〜2.6×1022
子/l ・流速 0.5cm/分〜70cm/分 ・熱分解温度 450℃〜1300℃(好ましくは70
0℃〜1200℃) で黒鉛の堆積を行うことにより、効率良く上記黒鉛を形
成させることができる。なお、これらから逸脱した条件
においては、面間隔の異なる高結晶性黒鉛と低結晶性黒
鉛との混合物を形成することは困難である。
【0014】なお、この際用いる炭化水素化合物として
は、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素
等のいずれであってもよく、その具体例としては、例え
ば、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、アン
トラセン、ヘキサメチルベンゼン、1,2−ジブロモエ
チレン、2−ブチン、プロパン、アセチレン、ビフェニ
ル、ジフェニルアセチレン及びその置換誘導体等が挙げ
られる。また堆積厚みは1〜300μm程度が適してい
る。
【0015】かかる熱分解法に用いる鉄族元素またはそ
れを含む合金からなる基板は、その導電性の故に黒鉛電
極の集電体として用いることができる。従って、この方
法によれば、前記黒鉛からなる黒鉛活物質の合成と黒鉛
電極の形成とを同時に行うことができ、実用上最も好ま
しい。なお、この際の基板は、平板状のみならず、発泡
状、網状等のいずれの形態のものであってもよい。
【0016】ただしこの発明の黒鉛はたとえばピッチ系
炭素等の低結晶性黒鉛と、高温熱処理を施した炭素繊維
等の高結晶性黒鉛とを粉砕し混合し、焼成することによ
っても作製することができる。
【0017】このようにして得られた電極は、種々の電
池用電極として使用でき、ことにアルカリ金属をドーパ
ントとする二次電池用の負極として好適に用いることが
できる。
【0018】面間隔の異なる黒鉛が混在しているため、
黒鉛電極の低電位部分での充放電容量は、従来の単一の
面間隔の黒鉛からなるものに比して、著しく(例えば約
1.4〜1.7倍)増加する。この低電位部分での充放
電容量は、黒鉛電極を適当な正極と組み合わせて、電池
として作動させる場合に電池容量、電池寿命等の電池性
能の向上に役立つものである。
【0019】一方、鉄族元素または、それを含む合金よ
りなる基板上に、出発物質である炭化水素化合物を、化
学気相堆積法によって熱分解することによって黒鉛を合
成する方法により、上記の電極を制御性良く製造するこ
とができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
実施例1 CVD装置の中にニッケル基材を配置し、化学気相堆積
法によりベンゼンを供給して熱分解することによって、
該基材上に黒鉛を成長(90μm)させ、黒鉛電極を形
成した。このときの化学気相堆積法の反応条件は、供給
速度1.5mol/時間、分子数密度1.0×1022
子/l、流速1.5cm/分、熱分解温度950℃であ
る。
【0021】このように合成された黒鉛は、図1に示す
CuKα線を線源に用いたX線回折パターンによれば、
2θ=26.3°(面間隔0.339nmに相当する)
に(002)反射のピークをもつ第1の面間隔の黒鉛
と、それより低角度側の2θ=25°(面間隔0.35
6nmに相当する)にピークをもつ第2の面間隔の黒鉛
の混合物であり、該第1の面間隔の黒鉛の回折強度に対
する該第2の面間隔の黒鉛の回折強度の比は0.18で
あった。
【0022】次にこの黒鉛電極を電解槽内に配設しリチ
ウム金属を対極とし、リチウムをドーバント物質とし、
電解液には1モル/lの過塩素酸リチウムを溶解したプ
ロピレンカーボネート、参照極にはリチウムを用いて、
リチウム原子のドープ、脱ドープによる充放電試験を行
った。この結果、リチウム参照極に対する放電時の電位
変化を図2の曲線Aに示すが、後述する比較例に比して
約1V以下の低電位領域で電池容量が著しく向上した。
【0023】実施例2 実施例1において、ベンゼンの代りにプロパンを用い、
供給速度を2.2モル/時間に、分子数密度を1.5×
1022分子/lに、流速を0.7cm/分に、熱分解温
度を900℃とする以外、実施例1と同様にして黒鉛を
合成した。
【0024】合成された黒鉛は、図3に示すCuKα線
を線源に用いたX線回折パターンによれば、第1の面間
隔の黒鉛と第2の面間隔の黒鉛の混合物であり、2θ=
26.3°に対する2θ=25.0°の回折強度の比は
0.23であった。
【0025】次にこれを実施例1と同様に黒鉛電極とし
て用い、充放電試験を行った。この結果は第2の曲線B
に示すが、低電位領域での容量が著しく大きかった。
【0026】比較例 CuKα線を線源に用いたX線回折パターンにおいて、
図4に示すような2θ=26.3°(面間隔0.339
nmに相当する)の第1の面間隔の黒鉛のみからなる黒
鉛電極を用いてリチウム原子のドープ、脱ドープによる
充放電試験を実施例1と同様な方法で行った。この結果
図2の曲線Cが得られ、低電位領域での容量が小さかっ
た。
【0027】
【発明の効果】この発明の電極は、単一な面間隔のみか
らなる黒鉛に比して充放電容量を増大化することがで
き、特に低電位部分での充放電容量を増大化することが
できる。従って、この発明の電極は適当な正極と組み合
わせて、例えば電池として作動させた場合に電池性能の
向上に役立つものである。そしてその製法も簡便に行え
るため、その有用性は極めて大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る黒鉛のX線回折チャートの要部
を示す図である。
【図2】本発明に係る電極を用いた際の充放電試験結果
を比較例と共に示す図である。
【図3】本実施例に係る黒鉛のX線回折チャートの要部
を示す図である。
【図4】従来の黒鉛電極のX線回折チャートの要部を示
す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 勝 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 中島 重夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−24555(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/02 - 4/04 H01M 4/36 - 4/62

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 活物質が高結晶性黒鉛と低結晶性黒鉛と
    の混合物からなり、該混合物から得られる黒鉛の(00
    2)反射のX線回折パターンの極大ピークで特定される
    上記高結晶性黒鉛の面間隔が0.3354nmから0.
    3400nmの範囲内にあり、上記低結晶性黒鉛の面間
    隔が上記高結晶性黒鉛の面間隔より広いことを特徴とす
    る電極。
  2. 【請求項2】 上記黒鉛の(002)反射のX線回折パ
    ターンは、上記極大ピークに対し非対称形状であり、上
    記極大ピークの低角度側の形状が上記極大ピークの高角
    度側の形状より広がっていることを特徴とする請求項1
    記載の電極。
  3. 【請求項3】 上記極大ピークの回折強度に対する回折
    角25.0°での回折強度の比が0.03から0.9の
    範囲内であることを特徴とする請求項1記載の電極。
  4. 【請求項4】 高結晶性黒鉛と低結晶性黒鉛とを粉砕、
    混合、焼成して上記混合物にすることを特徴とする請求
    項1乃至3記載の電極の製造方法。
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