JP3385464B2 - 炭素材料を負極に含むリチウムイオン２次電池及びその炭素材料の識別方法 - Google Patents
炭素材料を負極に含むリチウムイオン２次電池及びその炭素材料の識別方法Info
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウムイオン２
次電池の負極電極材料に関し、さらに詳しくは、負極電
極として好適な炭素材料を用いたリチウムイオン２次電
池及びその炭素材料の識別方法に関する。
次電池の負極電極材料に関し、さらに詳しくは、負極電
極として好適な炭素材料を用いたリチウムイオン２次電
池及びその炭素材料の識別方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、リチウムイオン２次電池は，ノー
トパソコン，携帯電話，電気自動車等のバッテリーとし
て用途が拡大しており、それに伴って容量の増大、小型
軽量化及び低価格化等の要求が益々高まっており、その
ためには負極材料の高性能化が不可欠である。ところ
で、リチウムイオン２次電池の負極材料に要求される特
性としては、（１）リチウムの吸蔵・放出量が多いこ
と、（２）リチウムの吸蔵・放出の速度が速いこと、
（３）吸蔵・放出時の膨張・収縮が小さいこと、（４）
初期充電・放電効率が高いこと等が挙げられる。これら
の特性を有する負極材料として、現在、黒鉛、易黒鉛化
性炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化性炭素（ハードカ
ーボン）等の炭素材料が使用されている。しかしなが
ら、リチウムイオン２次電池におけるリチウムの吸蔵構
造や機構は未だ十分に判明していない。
トパソコン，携帯電話，電気自動車等のバッテリーとし
て用途が拡大しており、それに伴って容量の増大、小型
軽量化及び低価格化等の要求が益々高まっており、その
ためには負極材料の高性能化が不可欠である。ところ
で、リチウムイオン２次電池の負極材料に要求される特
性としては、（１）リチウムの吸蔵・放出量が多いこ
と、（２）リチウムの吸蔵・放出の速度が速いこと、
（３）吸蔵・放出時の膨張・収縮が小さいこと、（４）
初期充電・放電効率が高いこと等が挙げられる。これら
の特性を有する負極材料として、現在、黒鉛、易黒鉛化
性炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化性炭素（ハードカ
ーボン）等の炭素材料が使用されている。しかしなが
ら、リチウムイオン２次電池におけるリチウムの吸蔵構
造や機構は未だ十分に判明していない。
【０００３】リチウムイオン２次電池の機能をさらに向
上させるには、リチウムの吸蔵の構造や機構について解
明することが不可欠であるが、負極材として用いられる
炭素材料は不定形であるために実験的な解析では極めて
困難を伴うものである。そこで、リチウムイオン吸蔵に
最適な炭素材料の化学構造や形態に関して解明すること
が求められている。
上させるには、リチウムの吸蔵の構造や機構について解
明することが不可欠であるが、負極材として用いられる
炭素材料は不定形であるために実験的な解析では極めて
困難を伴うものである。そこで、リチウムイオン吸蔵に
最適な炭素材料の化学構造や形態に関して解明すること
が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
における上記した実状に鑑みてなされたものである。す
なわち、本発明の目的は、小型でも容量が大きく、かつ
耐久性に優れた高性能なリチウムイオン２次電池を提供
することにある。また、 本発明の他の目的は、小型化
及び高性能化できるリチウムイオン２次電池の負極に、
好適な化学構造及び形状を持つ炭素材料を判別する識別
方法を提供することにある。さらに、 本発明の他の目
的は、小型で高性能なリチウムイオン２次電池として、
負極に上記識別方法により選別された化学構造及び形状
を持つ炭素材料を使用する方法を提供することにある。
における上記した実状に鑑みてなされたものである。す
なわち、本発明の目的は、小型でも容量が大きく、かつ
耐久性に優れた高性能なリチウムイオン２次電池を提供
することにある。また、 本発明の他の目的は、小型化
及び高性能化できるリチウムイオン２次電池の負極に、
好適な化学構造及び形状を持つ炭素材料を判別する識別
方法を提供することにある。さらに、 本発明の他の目
的は、小型で高性能なリチウムイオン２次電池として、
負極に上記識別方法により選別された化学構造及び形状
を持つ炭素材料を使用する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、リチウム
イオン吸蔵に最も適した炭素材料の形状及び構造を解明
するべく鋭意研究を重ねた結果、量子化学計算の手法を
用いることにより、リチウムイオン２次電池の負極炭素
材料のリチウム吸蔵の構造や機構について知見し、それ
によって、リチウムイオン２次電池の性能を向上させる
負極材料として好適な炭素構造を見出し、本発明を完成
するに至った。
イオン吸蔵に最も適した炭素材料の形状及び構造を解明
するべく鋭意研究を重ねた結果、量子化学計算の手法を
用いることにより、リチウムイオン２次電池の負極炭素
材料のリチウム吸蔵の構造や機構について知見し、それ
によって、リチウムイオン２次電池の性能を向上させる
負極材料として好適な炭素構造を見出し、本発明を完成
するに至った。
【０００６】すなわち、本発明のリチウムイオン２次電
池は、負極に炭素材料を含むリチウムイオン２次電池で
あって、該炭素材料として、量子化学計算の手法による
最高被占軌道(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)
値が、リチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる値ま
たはそれに近接する値を有する縮合多環芳香族化合物を
用いたことを特徴とする。また、本発明のリチウムイオ
ン２次電池の負極に用いる炭素材料の識別方法は、該炭
素材料として、量子化学計算の手法により、６員炭素芳
香環が縮合したそれぞれの炭素骨格構造の最高被占軌道
(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)値を求め、こ
れらの値がリチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる
値またはその領域帯に近接した値を有する炭素骨格構造
からなる縮合多環芳香族化合物を選別することを特徴と
する。さらに、本発明は、リチウムイオン２次電池の負
極炭素材料として上記の縮合多環芳香族化合物を使用す
ることを特徴とする。
池は、負極に炭素材料を含むリチウムイオン２次電池で
あって、該炭素材料として、量子化学計算の手法による
最高被占軌道(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)
値が、リチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる値ま
たはそれに近接する値を有する縮合多環芳香族化合物を
用いたことを特徴とする。また、本発明のリチウムイオ
ン２次電池の負極に用いる炭素材料の識別方法は、該炭
素材料として、量子化学計算の手法により、６員炭素芳
香環が縮合したそれぞれの炭素骨格構造の最高被占軌道
(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)値を求め、こ
れらの値がリチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる
値またはその領域帯に近接した値を有する炭素骨格構造
からなる縮合多環芳香族化合物を選別することを特徴と
する。さらに、本発明は、リチウムイオン２次電池の負
極炭素材料として上記の縮合多環芳香族化合物を使用す
ることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。リチウムイオン２次電池の性能を向上させるに
は、負極に使用される炭素材料に好適な化学構造の存在
を明らかにする必要があるとの観点から、本発明者ら
は、量子化学計算の手法を用いて、炭素材料の化学構造
を究明することとした。本発明では、量子化学計算の手
法によって好適な化学構造を持つ化学物質を計算により
見出すには、量子化学計算プログラム（ＱーChem Inc.
社製プログラム：Ｑ−Chem）で制限ハートリィー・フォ
ック(Restricted HartreeーFock : ＲＨＦ)法の３ー２
１Ｇを用いて行ったが、他の公知の量子化学計算プログ
ラムも同様に使用可能である。
する。リチウムイオン２次電池の性能を向上させるに
は、負極に使用される炭素材料に好適な化学構造の存在
を明らかにする必要があるとの観点から、本発明者ら
は、量子化学計算の手法を用いて、炭素材料の化学構造
を究明することとした。本発明では、量子化学計算の手
法によって好適な化学構造を持つ化学物質を計算により
見出すには、量子化学計算プログラム（ＱーChem Inc.
社製プログラム：Ｑ−Chem）で制限ハートリィー・フォ
ック(Restricted HartreeーFock : ＲＨＦ)法の３ー２
１Ｇを用いて行ったが、他の公知の量子化学計算プログ
ラムも同様に使用可能である。
【０００８】本発明に用いた量子化学計算の手法は、リ
チウムイオン２次電池の性能を向上させる負極の炭素材
料に適合した化学構造を求めるために、種々の炭素骨格
モデルについて、その最高被占軌道(Highest Occupied
Molecular Orbital :ＨＯＭＯ)値及び最低空軌道(Lowes
t Unoccupied Molecular Orbital : ＬＵＭＯ）値の計
算を行った。その炭素骨格モデルとしては、炭素原子の
みで形成される６員環からなる炭素芳香環同士が互いに
連続して面結合している縮合多環芳香族化合物群を用い
て、それぞれのＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を計算し、リチ
ウムの軌道エネルギーと対比する方法を採用した。な
お、炭素骨格モデルの計算において、エネルギー表記
は、原子単位である１ a.u.＝１ hartree＝27.2116 eＶ
＝627.5095kcal ／molを用いた。
チウムイオン２次電池の性能を向上させる負極の炭素材
料に適合した化学構造を求めるために、種々の炭素骨格
モデルについて、その最高被占軌道(Highest Occupied
Molecular Orbital :ＨＯＭＯ)値及び最低空軌道(Lowes
t Unoccupied Molecular Orbital : ＬＵＭＯ）値の計
算を行った。その炭素骨格モデルとしては、炭素原子の
みで形成される６員環からなる炭素芳香環同士が互いに
連続して面結合している縮合多環芳香族化合物群を用い
て、それぞれのＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を計算し、リチ
ウムの軌道エネルギーと対比する方法を採用した。な
お、炭素骨格モデルの計算において、エネルギー表記
は、原子単位である１ a.u.＝１ hartree＝27.2116 eＶ
＝627.5095kcal ／molを用いた。
【０００９】本発明において、リチウムイオン２次電池
の性能を向上させる負極の炭素材料としては、リチウム
イオンの吸蔵及び放出を容易にするリチウム原子（Ｌ
i）の軌道エネルギー領域帯内に含まれるか、または、
その領域帯に近接するＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を有する
化学構造からなる縮合多環芳香族化合物を使用するもの
である。このリチウム原子の軌道エネルギー領域帯は、
Ｌi :−0.146 a.u. (Single Occupied Molecular Orbit
al : ＳＯＭＯ）とＬi+ :−0.196 a.u.(ＬＵＭＯ)の範
囲内であるから、種々の炭素骨格モデルについて、それ
らのＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を計算することにより、上
記の条件に適合する化学構造からなる縮合多環芳香族化
合物を求めることとした。なお、Ｌi+は、ＲＨＦ／３−
２１Ｇにおいては−0.194 a.u.であるが、ＲＨＦ／６−
３１１Ｇにおいては−0.196 a.u.である。
の性能を向上させる負極の炭素材料としては、リチウム
イオンの吸蔵及び放出を容易にするリチウム原子（Ｌ
i）の軌道エネルギー領域帯内に含まれるか、または、
その領域帯に近接するＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を有する
化学構造からなる縮合多環芳香族化合物を使用するもの
である。このリチウム原子の軌道エネルギー領域帯は、
Ｌi :−0.146 a.u. (Single Occupied Molecular Orbit
al : ＳＯＭＯ）とＬi+ :−0.196 a.u.(ＬＵＭＯ)の範
囲内であるから、種々の炭素骨格モデルについて、それ
らのＨＯＭＯ値とＬＵＭＯ値を計算することにより、上
記の条件に適合する化学構造からなる縮合多環芳香族化
合物を求めることとした。なお、Ｌi+は、ＲＨＦ／３−
２１Ｇにおいては−0.194 a.u.であるが、ＲＨＦ／６−
３１１Ｇにおいては−0.196 a.u.である。
【００１０】実際に計算を行った炭素骨格モデル４９種
の化学構造式を、下記表１及び表２に示す。なお、表中
のＴＢＣは、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンであ
り、また、ＴＢＣｎ（ｎは正の整数である。）について
は、後述するように、ＴＢＣの構造をｎ個有することを
意味する。
の化学構造式を、下記表１及び表２に示す。なお、表中
のＴＢＣは、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンであ
り、また、ＴＢＣｎ（ｎは正の整数である。）について
は、後述するように、ＴＢＣの構造をｎ個有することを
意味する。
【００１１】
【表１】
【００１２】
【表２】
【００１３】さらに、リチウムと、計算を行った４９種
の炭素骨格モデルのＨＯＭＯ及びＬＵＭＯの軌道エネル
ギー値を、下記表３及び表４に示す。
の炭素骨格モデルのＨＯＭＯ及びＬＵＭＯの軌道エネル
ギー値を、下記表３及び表４に示す。
【表３】
【００１４】
【表４】
【００１５】さらに、図１には、実際に計算した炭素骨
格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯの軌道エネルギー値（単
位：a.u.）の関係をプロットしたグラフを示す。横軸
は、炭素骨格モデルの炭素数を示し、縦軸は、それぞれ
の炭素骨格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯの軌道エネルギ
ー値である．なお、炭素数が０のものは、リチウムのそ
れぞれの状態における軌道エネルギーを示している。
格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯの軌道エネルギー値（単
位：a.u.）の関係をプロットしたグラフを示す。横軸
は、炭素骨格モデルの炭素数を示し、縦軸は、それぞれ
の炭素骨格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯの軌道エネルギ
ー値である．なお、炭素数が０のものは、リチウムのそ
れぞれの状態における軌道エネルギーを示している。
【００１６】炭素骨格モデル４９種の中で、リチウム原
子の軌道エネルギー領域帯である、−0.146〜−0.194
(−0.196) a.u.の範囲に含まれる最小構造ユニットを持
つ炭素骨格モデルはピレン(Pyrene)であった。そこで、
本発明において求める炭素材料の構造上の特徴は、基本
構築ユニットとしてピレン(Pyrene)が存在している点に
ある。ピレンを基本最小単位構築ユニットして考えれ
ば、Ｌiの軌道エネルギーに由来する範囲内に入る構造
は、容易に構築可能である。このピレンを基本最小ユニ
ットと考えれば、２次元展開−面として様々な形態を持
つものを創製することが可能となる。
子の軌道エネルギー領域帯である、−0.146〜−0.194
(−0.196) a.u.の範囲に含まれる最小構造ユニットを持
つ炭素骨格モデルはピレン(Pyrene)であった。そこで、
本発明において求める炭素材料の構造上の特徴は、基本
構築ユニットとしてピレン(Pyrene)が存在している点に
ある。ピレンを基本最小単位構築ユニットして考えれ
ば、Ｌiの軌道エネルギーに由来する範囲内に入る構造
は、容易に構築可能である。このピレンを基本最小ユニ
ットと考えれば、２次元展開−面として様々な形態を持
つものを創製することが可能となる。
【００１７】炭素骨格モデルについて探索したところ、
ある特定の構造の４量体形式（重複していても良い。）
のものは、目的とするＬiの軌道エネルギー領域帯と特
異的に重なり合っていることが分かる。これらの事実か
ら、本発明におけるリチウムイオン２次電池の性能を向
上させる負極材の炭素材料に好適な化学構造は、単位構
造ユニットとして、下記（１）で示されるピレンまたは
下記（２）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロ
ネン(tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene :ＴＢＣ)を基
本形として有するものである。
ある特定の構造の４量体形式（重複していても良い。）
のものは、目的とするＬiの軌道エネルギー領域帯と特
異的に重なり合っていることが分かる。これらの事実か
ら、本発明におけるリチウムイオン２次電池の性能を向
上させる負極材の炭素材料に好適な化学構造は、単位構
造ユニットとして、下記（１）で示されるピレンまたは
下記（２）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロ
ネン(tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene :ＴＢＣ)を基
本形として有するものである。
【００１８】
【化４】
【００１９】
【化５】
【００２０】そこで、２次元展開について、ピレン系と
ＴＢＣ系の２種に分けて説明する。先ず、ピレン系で
は、最小単位モデルとしてのピレンがある。次の候補と
して、ピレンの４量体等が考えられるが、これらは炭素
骨格モデルのＬＵＭＯの軌道エネルギーを特異的に著し
く低下させることが可能である。ただし、ある特定の構
造の４量体形式のものでは、炭素数７０程度の大きさ迄
にはピレンのほかに該当するものは見い出せなかった。
ＴＢＣ系の２種に分けて説明する。先ず、ピレン系で
は、最小単位モデルとしてのピレンがある。次の候補と
して、ピレンの４量体等が考えられるが、これらは炭素
骨格モデルのＬＵＭＯの軌道エネルギーを特異的に著し
く低下させることが可能である。ただし、ある特定の構
造の４量体形式のものでは、炭素数７０程度の大きさ迄
にはピレンのほかに該当するものは見い出せなかった。
【００２１】次に見い出された炭素骨格モデルは、コロ
ネン(Coronene)の４量体である。これは、ＬＵＭＯが−
0.188 a.u.であり、探索した数値範囲内に入るものであ
る。ところが、それより大きいモデルについては，急激
な炭素数の増加を招き、計算機資源の物理的な制約から
計算不能であった。それと同時に、ある特定の構造の４
量体形式を満たすためには、基礎構造が複雑になるばか
りでなく、とびとびの炭素数を有するものと考えられる
ため、これ以上、この系列の探求は極めて困難であると
推測される。
ネン(Coronene)の４量体である。これは、ＬＵＭＯが−
0.188 a.u.であり、探索した数値範囲内に入るものであ
る。ところが、それより大きいモデルについては，急激
な炭素数の増加を招き、計算機資源の物理的な制約から
計算不能であった。それと同時に、ある特定の構造の４
量体形式を満たすためには、基礎構造が複雑になるばか
りでなく、とびとびの炭素数を有するものと考えられる
ため、これ以上、この系列の探求は極めて困難であると
推測される。
【００２２】次に、ＴＢＣ系については、炭素環の展開
方向の問題が発生する。最近、ソニー社の電極開発研究
において、竹が炭素電極材として優れた材料になるとい
う報告があった（化工日，1999.11.09, 日経，1999.11.
30，化学と工業，1999, 52(2), 171）。そこで、この実
験結果に着目し，この意味するところは、ある種の植物
細胞由来の炭素骨格は一定方向に延びている点にあると
推定し、特定方向に伸長させたモデルを計算することに
した。なお、化学構造の名称付与が複雑なものとなるた
め、下記に示す表記方法を用いた。
方向の問題が発生する。最近、ソニー社の電極開発研究
において、竹が炭素電極材として優れた材料になるとい
う報告があった（化工日，1999.11.09, 日経，1999.11.
30，化学と工業，1999, 52(2), 171）。そこで、この実
験結果に着目し，この意味するところは、ある種の植物
細胞由来の炭素骨格は一定方向に延びている点にあると
推定し、特定方向に伸長させたモデルを計算することに
した。なお、化学構造の名称付与が複雑なものとなるた
め、下記に示す表記方法を用いた。
【００２３】
【化６】
上記の表記法においては、４連続する６員環部分（表
記：４）と３連続する６員環部分（表記：３）を数値で
表し、３連続部分を数えるのみで構造を一義的に規定す
ることが可能となる。例えば、３連続部分が２個であれ
ば、下記に示す表記方法となる。以下、この表記方法を
使用する。
記：４）と３連続する６員環部分（表記：３）を数値で
表し、３連続部分を数えるのみで構造を一義的に規定す
ることが可能となる。例えば、３連続部分が２個であれ
ば、下記に示す表記方法となる。以下、この表記方法を
使用する。
【００２４】
【化７】
【００２５】ＴＢＣ系の計算結果については、下記表５
及び図２に示す。図２は、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]
コロネン(tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene : ＴＢＣ)
を基本構築ユニットとするＴＢＣｎ（ｎは、ＴＢＣの構
造の数である。）の長さ（横軸）とＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ
の軌道エネルギー（縦軸）の関係を示す図である。な
お、長さが０のものは、リチウムのそれぞれの状態にお
ける軌道エネルギーを示している。
及び図２に示す。図２は、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]
コロネン(tetrabenzo[bc,ef,kl,no]coronene : ＴＢＣ)
を基本構築ユニットとするＴＢＣｎ（ｎは、ＴＢＣの構
造の数である。）の長さ（横軸）とＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ
の軌道エネルギー（縦軸）の関係を示す図である。な
お、長さが０のものは、リチウムのそれぞれの状態にお
ける軌道エネルギーを示している。
【００２６】
【表５】
【００２７】３連続部分が３個以上になると、炭素骨格
モデルのＬＵＭＯの軌道エネルギーが、Ｌiの軌道エネ
ルギーに由来する数値範囲内に入り、また、３連続部分
が６個以上になると、炭素骨格モデルのＨＯＭＯ及びＬ
ＵＭＯの軌道エネルギーが、Ｌiの軌道エネルギーに由
来する数値範囲内に入るようになる。それより大きいモ
デル構造については、全てこの数値範囲内に含まれる。
この結果は、伸長方向の最小の長さを示すものである。
言い換えれば，伸長した炭素骨格モデルを考えた際、３
連続部分が６：28.30Åの長さ（総表面積：119.64
Å２）を有する最小炭素骨格モデル以上の炭素骨格を入
手すればよいことになる。
モデルのＬＵＭＯの軌道エネルギーが、Ｌiの軌道エネ
ルギーに由来する数値範囲内に入り、また、３連続部分
が６個以上になると、炭素骨格モデルのＨＯＭＯ及びＬ
ＵＭＯの軌道エネルギーが、Ｌiの軌道エネルギーに由
来する数値範囲内に入るようになる。それより大きいモ
デル構造については、全てこの数値範囲内に含まれる。
この結果は、伸長方向の最小の長さを示すものである。
言い換えれば，伸長した炭素骨格モデルを考えた際、３
連続部分が６：28.30Åの長さ（総表面積：119.64
Å２）を有する最小炭素骨格モデル以上の炭素骨格を入
手すればよいことになる。
【００２８】上記の結果及び図面から、本発明のリチウ
ムイオン２次電池の負極に用いる炭素材料には、Ｌiの
軌道エネルギー（−0.146〜−0.196 a.u.）の範囲内に
入る最小構造ユニットとして、前記構造式（１）または
（２）で示される炭素骨格を基本形として有する縮合多
環芳香族化合物が好ましく、なかでも、化学構造式中に
ベイ構造(Ａ)とエッジ構造（Ｂ）を同時に持つ縮合多環
芳香族化合物がより好ましい。
ムイオン２次電池の負極に用いる炭素材料には、Ｌiの
軌道エネルギー（−0.146〜−0.196 a.u.）の範囲内に
入る最小構造ユニットとして、前記構造式（１）または
（２）で示される炭素骨格を基本形として有する縮合多
環芳香族化合物が好ましく、なかでも、化学構造式中に
ベイ構造(Ａ)とエッジ構造（Ｂ）を同時に持つ縮合多環
芳香族化合物がより好ましい。
【００２９】本発明において、ベイ構造とは、縮合多環
芳香族化合物の中で、下記の化学構造式（４）の化学構
造中に、ベイ構造（Ａ）として示す囲まれた横方向部分
のように、６員環からなる炭素環の最上面が横方向に凸
面と凹面を交互に繰り返し規則正しく形成している化学
構造をいう。また、エッジ構造とは、同じく、下記化学
構造式（４）中にエッジ構造（Ｂ）として示す囲まれた
縦方向部分のように、６員環からなる炭素環の最表面の
炭素原子が同一面に連続して規則正しく並んだ化学構造
をいう。
芳香族化合物の中で、下記の化学構造式（４）の化学構
造中に、ベイ構造（Ａ）として示す囲まれた横方向部分
のように、６員環からなる炭素環の最上面が横方向に凸
面と凹面を交互に繰り返し規則正しく形成している化学
構造をいう。また、エッジ構造とは、同じく、下記化学
構造式（４）中にエッジ構造（Ｂ）として示す囲まれた
縦方向部分のように、６員環からなる炭素環の最表面の
炭素原子が同一面に連続して規則正しく並んだ化学構造
をいう。
【００３０】
【化８】
【００３１】本発明において探求した炭素材料の中で、
化学構造式中にベイ構造(Ａ)とエッジ構造（Ｂ）を同時
に持つ縮合多環芳香族化合物としては、前記構造式
（２）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
構造を最小単位とし、これを化学構造式中に１〜８個有
する縮合多環芳香族化合物がより好ましく、最も好まし
いものは、下記構造式（３）で示されるテトラベンゾ[b
c,ef,kl,no]コロネン構造を６個有する化合物（ＴＢＣ
６）であった。
化学構造式中にベイ構造(Ａ)とエッジ構造（Ｂ）を同時
に持つ縮合多環芳香族化合物としては、前記構造式
（２）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
構造を最小単位とし、これを化学構造式中に１〜８個有
する縮合多環芳香族化合物がより好ましく、最も好まし
いものは、下記構造式（３）で示されるテトラベンゾ[b
c,ef,kl,no]コロネン構造を６個有する化合物（ＴＢＣ
６）であった。
【００３２】
【化９】
【００３３】本発明におけるＨＯＭＯとＬＵＭＯによる
炭素骨格モデルの探索過程において、Ｌiの軌道エネル
ギー：−0.146〜−0.196 a.u.の範囲内に入るための幾
つかの重要な炭素材料の化学構造に関する知見を得た。
それらを集約すると、主に、次の６点である。 1. 基本ユニット構造は、ピレンである。 2. ２次元展開を行うための基本形構造は，ピレン及び4
-3-4型のテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン（ＴＢ
Ｃ）である。 3. ある特定の構造の４量体形式のもの（重複していて
も良い。）が、特異的にＬiの軌道エネルギーの数値範
囲内に含まれる。 4. ピレンを基本構造とする場合は、ピレンとテトラコ
ロネンが充足する。 5. 4−3−4型のテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
（ＴＢＣ）を基本構造とするものは、特定方向に伸長し
た構造を持つ場合に、特異的にＬiの軌道エネルギーの
数値範囲内に入るように調節できる。 6. 伸長を行った4−3−4型のポリＴＢＣ系は、３連続部
分が６：28.30Åの長さ（総表面積：119.64Å２）であ
り、これらの数値は最小値である。
炭素骨格モデルの探索過程において、Ｌiの軌道エネル
ギー：−0.146〜−0.196 a.u.の範囲内に入るための幾
つかの重要な炭素材料の化学構造に関する知見を得た。
それらを集約すると、主に、次の６点である。 1. 基本ユニット構造は、ピレンである。 2. ２次元展開を行うための基本形構造は，ピレン及び4
-3-4型のテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン（ＴＢ
Ｃ）である。 3. ある特定の構造の４量体形式のもの（重複していて
も良い。）が、特異的にＬiの軌道エネルギーの数値範
囲内に含まれる。 4. ピレンを基本構造とする場合は、ピレンとテトラコ
ロネンが充足する。 5. 4−3−4型のテトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン
（ＴＢＣ）を基本構造とするものは、特定方向に伸長し
た構造を持つ場合に、特異的にＬiの軌道エネルギーの
数値範囲内に入るように調節できる。 6. 伸長を行った4−3−4型のポリＴＢＣ系は、３連続部
分が６：28.30Åの長さ（総表面積：119.64Å２）であ
り、これらの数値は最小値である。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、リチウムイオン２次電
池の負極に用いる炭素材料として、好適な縮合多環芳香
族化合物の化学構造を明確に示すことができたから、小
型で高性能なリチウムイオン２次電池の製作に、大きく
貢献できるものである。すなわち、本発明では、炭素質
材料として、リチウム原子の軌道エネルギーの範囲内に
収まる縮合多環芳香族化合物の炭素骨格を見出すことが
できたから、分子設計が容易になり、それらの炭素骨格
を持つ縮合多環芳香族化合物を用いて形成した層状体を
重ね合わせて得られた炭素質材料の積層体を負極材に用
いると、リチウムの移動が極めて容易になるため、小型
でも大容量かつ長寿命を有するという高性能のリチウム
イオン２次電池の製作が可能である。
池の負極に用いる炭素材料として、好適な縮合多環芳香
族化合物の化学構造を明確に示すことができたから、小
型で高性能なリチウムイオン２次電池の製作に、大きく
貢献できるものである。すなわち、本発明では、炭素質
材料として、リチウム原子の軌道エネルギーの範囲内に
収まる縮合多環芳香族化合物の炭素骨格を見出すことが
できたから、分子設計が容易になり、それらの炭素骨格
を持つ縮合多環芳香族化合物を用いて形成した層状体を
重ね合わせて得られた炭素質材料の積層体を負極材に用
いると、リチウムの移動が極めて容易になるため、小型
でも大容量かつ長寿命を有するという高性能のリチウム
イオン２次電池の製作が可能である。
【図１】 種々の炭素骨格モデルのＨＯＭＯとＬＵＭＯ
の軌道エネルギー（単位：a.u.）の関係を示すグラフで
ある。
の軌道エネルギー（単位：a.u.）の関係を示すグラフで
ある。
【図２】 テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネン（ＴＢ
Ｃ）を基本構築単位とするＴＢＣｎの長さ（横軸）とＨ
ＯＭＯ−ＬＵＭＯの軌道エネルギー（縦軸）の関係を示
すグラフである。
Ｃ）を基本構築単位とするＴＢＣｎの長さ（横軸）とＨ
ＯＭＯ−ＬＵＭＯの軌道エネルギー（縦軸）の関係を示
すグラフである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−115110（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−187972（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−264180（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 4/58
H01M 4/02
H01M 10/40
Claims (6)
- 【請求項１】 負極に炭素材料を含むリチウムイオン２
次電池において、該炭素材料として、量子化学計算の手
法による最高被占軌道(ＨＯＭＯ）値及び最低空軌道(Ｌ
ＵＭＯ)値が、リチウムの軌道エネルギー領域帯に含ま
れる値またはそれに近接する値を有し、かつベイ構造と
エッジ構造を同時に持つ縮合多環芳香族化合物を用いた
ことを特徴とするリチウムイオン２次電池。 - 【請求項２】 ベイ構造とエッジ構造を同時に持つ化
合物が、テトラベンゾ[bc,ef,kl,no]コロネンを最小単
位とする構造体を１〜８個有するものであることを特徴
とする請求項１に記載のリチウムイオン２次電池。 - 【請求項３】 ベイ構造とエッジ構造を同時に持つ化合
物が、下記式（３）で示されるテトラベンゾ[bc,ef,kl,
no]コロネンを６個有する構造体であることを特徴とす
る請求項１または２に記載のリチウムイオン２次電池。 【化３】 - 【請求項４】 リチウムイオン２次電池の負極に用いる
炭素材料を識別する方法において、該炭素材料として、
量子化学計算の手法により、６員環からなる炭素芳香環
が縮合して形成された炭素骨格構造の最高被占軌道(Ｈ
ＯＭＯ）値及び最低空軌道(ＬＵＭＯ)値を求め、これら
の値がリチウムの軌道エネルギー領域帯に含まれる値ま
たはその領域帯に近接した値を有する炭素骨格構造から
なる縮合多環芳香族化合物を選別することを特徴とする
リチウムイオン２次電池の負極に用いる炭素材料の識別
方法。 - 【請求項５】 縮合多環芳香族化合物が、ベイ構造とエ
ッジ構造を同時に持つ化合物であることを特徴とする請
求項４に記載のリチウムイオン２次電池の負極に用いる
炭素材料の識別方法。 - 【請求項６】 請求項４または５に記載の方法によって
選別された縮合多環芳香族化合物を、リチウムイオン２
次電池の負極炭素材料として使用する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000042362A JP3385464B2 (ja) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | 炭素材料を負極に含むリチウムイオン２次電池及びその炭素材料の識別方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000042362A JP3385464B2 (ja) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | 炭素材料を負極に含むリチウムイオン２次電池及びその炭素材料の識別方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001229927A JP2001229927A (ja) | 2001-08-24 |
| JP3385464B2 true JP3385464B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=18565444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000042362A Expired - Lifetime JP3385464B2 (ja) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | 炭素材料を負極に含むリチウムイオン２次電池及びその炭素材料の識別方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3385464B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101128349B1 (ko) * | 2004-01-20 | 2012-03-26 | 가부시키가이샤 코세 | 화장료 |
| JP5200523B2 (ja) * | 2007-12-18 | 2013-06-05 | 株式会社豊田中央研究所 | リチウムイオン二次電池 |
| JP5509627B2 (ja) * | 2009-03-06 | 2014-06-04 | 株式会社豊田中央研究所 | 蓄電デバイス |
| WO2013042706A1 (ja) * | 2011-09-20 | 2013-03-28 | 公立大学法人大阪市立大学 | 有機分子スピンバッテリー |
| KR101920714B1 (ko) | 2012-05-16 | 2018-11-21 | 삼성전자주식회사 | 리튬 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 전지 |
-
2000
- 2000-02-21 JP JP2000042362A patent/JP3385464B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001229927A (ja) | 2001-08-24 |
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