JP3430706B2 - Carbon material for negative electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Carbon material for negative electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery

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JP3430706B2
JP3430706B2 JP10427295A JP10427295A JP3430706B2 JP 3430706 B2 JP3430706 B2 JP 3430706B2 JP 10427295 A JP10427295 A JP 10427295A JP 10427295 A JP10427295 A JP 10427295A JP 3430706 B2 JP3430706 B2 JP 3430706B2
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negative electrode
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、負極用炭素材料及びそ
れを用いた非水電解液二次電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon material for a negative electrode and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the carbon material.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の電子技術のめざましい進歩は、電
子機器の小型、軽量化を次々と実現させている。それに
伴い、ポータブル用電源としての電池に対しても益々小
型・軽量且つ高エネルギー密度であることが求められる
ようになっている。
2. Description of the Related Art Recent remarkable advances in electronic technology have made electronic devices smaller and lighter one after another. Along with this, batteries, which are portable power sources, are required to be smaller and lighter and have higher energy density.

【0003】従来、一般用途の二次電池としては鉛電
池、ニッケル・カドミウム電池等の水溶液系二次電池が
主流である。しかし、これらの水溶液系二次電池はサイ
クル特性にはある程度満足できるものの、電池重量やエ
ネルギー密度の点で十分であるとは言えない。
Conventionally, an aqueous solution type secondary battery such as a lead battery or a nickel-cadmium battery has been mainly used as a secondary battery for general use. However, although these aqueous secondary batteries can satisfy cycle characteristics to some extent, they cannot be said to be sufficient in terms of battery weight and energy density.

【0004】一方、最近、リチウムあるいはリチウム合
金を負極材料として用いる非水電解液二次電池の研究・
開発が盛んに行われている。この非水電解液二次電池は
高エネルギー密度を有し、自己放電も少なく、軽量とい
う優れた特長を有するものである。
On the other hand, recently, research on a non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium or a lithium alloy as a negative electrode material
Development is actively done. This non-aqueous electrolyte secondary battery has high energy density, little self-discharge, and is lightweight.

【0005】しかし、この非水電解液二次電池は、充放
電サイクルが進行するのに伴って充電時に負極上にリチ
ウムがデンドライト状に結晶成長し、ついには正極に到
達して内部ショートに至るといった可能性が高く、実用
化が困難である。
However, in this non-aqueous electrolyte secondary battery, lithium is dendrite-like crystal grown on the negative electrode at the time of charging as the charging / discharging cycle progresses, and finally reaches the positive electrode to cause an internal short circuit. Therefore, it is difficult to put it into practical use.

【0006】そこで、さらに、負極材料として炭素材料
を使用した非水電解液二次電池が提案されている。この
非水電解液二次電池は、炭素材料の炭素層間にリチウム
がドープ/脱ドープされることを負極反応に利用するも
のであり、充放電サイクルが進行しても負極上にデンド
ライト状リチウムが析出するといった現象は認められ
ず、高エネルギー密度を有し、軽量であるとともに優れ
た充放電サイクル特性を発揮する。
Therefore, a non-aqueous electrolyte secondary battery using a carbon material as a negative electrode material has been proposed. This non-aqueous electrolyte secondary battery utilizes the fact that lithium is doped / dedoped between carbon layers of a carbon material in a negative electrode reaction, and dendrite-like lithium remains on the negative electrode even if a charge / discharge cycle proceeds. No phenomenon such as precipitation is observed, it has a high energy density, is lightweight, and exhibits excellent charge / discharge cycle characteristics.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
非水電解液二次電池において、負極材料として使用し得
る炭素材料は各種あるが、はじめに負極材料として実用
化された炭素材料はコークスやガラス状炭素等の難黒鉛
化性炭素材料、すなわち有機材料を比較的低温で熱処理
することで得られる結晶性の低い炭素材料である。これ
ら難黒鉛化性炭素材料で構成された負極と炭酸プロピレ
ン(PC)を主溶媒とする電解液を用いた非水電解液二
次電池が既に商品化されている。
There are various carbon materials that can be used as the negative electrode material in such a non-aqueous electrolyte secondary battery. First, the carbon material practically used as the negative electrode material is coke or glass. It is a carbon material having low crystallinity obtained by heat-treating an organic material at a relatively low temperature, such as a non-graphitizable carbon material such as linear carbon. Non-aqueous electrolyte secondary batteries using a negative electrode composed of these non-graphitizable carbon materials and an electrolyte containing propylene carbonate (PC) as a main solvent have already been commercialized.

【0008】さらに最近では、結晶構造が発達した黒鉛
類が負極材料として用いられるようになっている。
More recently, graphites having a developed crystal structure have been used as a negative electrode material.

【0009】この黒鉛類は、これまで非水溶媒の主溶媒
として汎用されているPCを分解するために、負極材料
としての使用は困難であるとされていた。しかし、PC
の代わりに炭酸エチレン(EC)を用いることでこのよ
うな不都合が解消されることが判明し、このECと組み
合わせたかたちで負極に使用できるようになっている。
It has been considered difficult to use this graphite as a negative electrode material because it decomposes PC, which has been widely used as a main solvent of non-aqueous solvents. But the PC
It has been found that such inconvenience can be eliminated by using ethylene carbonate (EC) instead of, and it can be used for the negative electrode in the form of a combination with this EC.

【0010】ここで、このような難黒鉛化性炭素材料と
黒鉛類の負極材料としての特性を比較すると、まず、難
黒鉛化性炭素材料については、充放電メカニズムの解析
が進み、一般に言われている炭素層間以外に、材料内に
多数存在する細孔がリチウムの格納場所になっていると
いう学説が発表されている(第21回炭素材料学会要旨
集、p190,194,196)。このような細孔構造
を制御することで480mAh/gという高い放電容量
を持たせた難黒鉛化性炭素材料が開発・発表されている
(第35回電池討論会要旨集p47)。
Here, comparing the characteristics of the non-graphitizable carbon material and the graphites as the negative electrode material, the charge-discharge mechanism of the non-graphitizable carbon material has been analyzed, and it is generally said. In addition to the existing carbon layers, a theory has been published that many pores in the material serve as storage places for lithium (21st Annual Meeting of the Carbon Material Society, p190, 194, 196). A non-graphitizable carbon material having a high discharge capacity of 480 mAh / g by controlling such a pore structure has been developed and announced (the 35th Annual Meeting of the Battery Symposium p47).

【0011】しかしながら、この難黒鉛化性炭素材料に
ついて、リチウムの脱ドープ曲線(脱ドープ量vs電
位)を観測すると、脱ドープ初期の電位は低い値である
ものの曲線の後半部分がなだらかな形状で上昇し、黒鉛
類の場合のような平坦な曲線が得られない。この電位の
なだらかな上昇は、コークス類似の疑似デインターカレ
ーションに相当するものであり、難黒鉛化性炭素材料で
はこのような電位の上昇のため、電池の放電終了電圧が
高く設定された場合には、その向上した容量を十分に活
かすことができないといった問題がある。
However, when observing the lithium de-doping curve (de-doping amount vs potential) for this non-graphitizable carbon material, the initial potential of de-doping is low, but the latter half of the curve shows a smooth shape. It rises and does not give a flat curve as with graphites. This gentle increase in the electric potential corresponds to pseudo deintercalation similar to coke, and in the case of the non-graphitizable carbon material, such an increase in the electric potential causes the discharge end voltage of the battery to be set high. However, there is a problem that the improved capacity cannot be fully utilized.

【0012】一方、黒鉛類では、通説通り主にその黒鉛
層間にリチウムが格納されると考えられ、理論的には3
72mAh/gの容量が得られる。そして、この黒鉛類
は、難黒鉛化性炭素材料に比べて真密度が高いので、負
極材料として使用したときに高い電極充填性が得られる
長所を有している。
On the other hand, in the case of graphites, it is generally believed that lithium is mainly stored between the graphite layers, and theoretically 3
A capacity of 72 mAh / g is obtained. Since the graphites have a higher true density than the non-graphitizable carbon material, they have an advantage that a high electrode filling property can be obtained when used as a negative electrode material.

【0013】しかし、電極での反応をスムーズに行わせ
るためには、電極内に電解液を行き渡らせるためにある
程度の空隙を持たせる必要があり、無闇に電極充填性を
上げるわけにはいかない。このため、黒鉛類の電極充填
性が高い長所を十分に活かすのは難しい。
However, in order to smoothly carry out the reaction at the electrodes, it is necessary to provide a certain amount of voids in the electrodes so that the electrolytic solution can be spread throughout the electrodes, and it is not possible to improve the electrode filling property without fail. For this reason, it is difficult to fully utilize the advantage of graphites having a high electrode filling property.

【0014】また、非水電解液二次電池では、定電圧充
電の終止電圧が例えば4.2V程度に設定される。この
ような終止電圧で充電を終了した場合に、難黒鉛化性炭
素よりなる負極では負極単体の電位が50mV以下に抑
えられるが、黒鉛類よりなる負極では負極単体の電位が
100〜150mVに及ぶ。
In the non-aqueous electrolyte secondary battery, the final voltage for constant voltage charging is set to, for example, 4.2V. When charging is terminated at such a cutoff voltage, the potential of the negative electrode made of non-graphitizable carbon can be suppressed to 50 mV or less, but the potential of the negative electrode made of graphite can reach 100 to 150 mV. .

【0015】すなわち、同じ終止電圧で充電を終了した
にもかかわらず、黒鉛類で構成された負極は、難黒鉛化
性炭素材料で構成された負極に比べて負極単体の電位が
50〜100mV高くなる。このように充電終止時に負
極単体の電位が高いと、その分、正極活物資からリチウ
ムが多量に引き抜かれる。その結果、正極の構造安定性
が損なわれ、ひいては耐環境性能等において信頼性を損
なう事態になる。
That is, although the charging is completed at the same final voltage, the potential of the negative electrode made of graphite is 50 to 100 mV higher than that of the negative electrode made of the non-graphitizable carbon material. Become. When the potential of the negative electrode alone is high at the end of charging, a large amount of lithium is extracted from the positive electrode active material. As a result, the structural stability of the positive electrode is impaired, and the reliability of the environmental resistance and the like is impaired.

【0016】このように、これまで負極材料として用い
られている黒鉛類、難黒鉛化性炭素は、いずれも弱点を
有しており、十分満足のいくものとは言えない。
As described above, the graphites and the non-graphitizable carbon that have been used as the negative electrode material have weak points, and cannot be said to be sufficiently satisfactory.

【0017】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、電極充填性が高く高容量
であるとともに電位平坦性に優れ、また充電終了時に低
い電位を示す負極用炭素材料を提供することを目的とす
る。また、そのような負極用炭素材料を用いることによ
って高エネルギー密度を有するとともに良好なサイクル
特性を発揮し、信頼性に優れた非水電解液二次電池を提
供することを目的とする。
Therefore, the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and is for a negative electrode having a high electrode filling property, a high capacity, an excellent potential flatness, and a low potential at the end of charging. The purpose is to provide a carbon material. It is another object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having high energy density, good cycle characteristics, and excellent reliability by using such a carbon material for a negative electrode.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明者らが鋭意検討を行った結果、黒鉛結晶構
造と細孔とを併せもつ特異な炭素材料が、高容量で電位
平坦性に優れ、また充電終了時に低い電位を示すといっ
た負極材料に求められる要件を満たすことを見い出し
た。そして、このような炭素材料を負極に用いること
で、高エネルギー密度を有するとともに良好なサイクル
特性を発揮し、信頼性に優れた非水電解液二次電池が実
現するとの知見を得るに至った。
In order to achieve the above object, the inventors of the present invention have conducted extensive studies and found that a unique carbon material having both a graphite crystal structure and pores has a high capacity and potential. It has been found that the requirements for the negative electrode material such as excellent flatness and low potential at the end of charging are satisfied. Then, by using such a carbon material for the negative electrode, it has been found that a non-aqueous electrolyte secondary battery having high energy density and good cycle characteristics and excellent reliability is realized. .

【0019】本発明の負極用炭素材料は、このような知
見に基づいて完成されたものであって、黒鉛材料と樹脂
の原料となる有機化合物とを混合し、焼成して得られた
炭素材料がX線回折法によって測定される(002)面
の面間隔が0.34nm以下で、(002)面のC軸結
晶子厚みが14.0nm以上である黒鉛構造を主体と
し、且つヘリウム置換法によって測定される密度とブタ
ノール溶媒法によって測定される密度との差が0.1g
/cc以上で0.30g/cc以下としたものである。
さらに、炭素材料は、黒鉛材料と樹脂の原料となる有機
化合物とを混合し、不活性ガス気流中900℃〜150
0℃で熱処理されて得られる炭素材料であることが望ま
しい。
The carbon material for a negative electrode of the present invention has been completed on the basis of such findings, and is made of a graphite material and a resin.
The carbon material obtained by mixing and firing the organic compound as the raw material of is a (002) plane spacing of 0.34 nm or less measured by an X-ray diffraction method, and a (002) plane. Is mainly composed of a graphite structure having a C-axis crystallite thickness of 14.0 nm or more, and the difference between the density measured by the helium substitution method and the density measured by the butanol solvent method is 0.1 g.
/ Cc or more and 0.30 g / cc or less.
Furthermore, carbon materials are organic materials that are the raw materials for graphite materials and resins.
900 to 150 in an inert gas stream by mixing with a compound
Desirably a carbon material obtained by heat treatment at 0 ° C
Good

【0020】また、本発明の非水電解液二次電池は、以
上のような特性を有する負極用炭素材料よりなる負極
と、リチウムを含有する遷移金属複合酸化物よりなる正
極と、非水溶媒に電解質が溶解されてなる電解液を有し
てなることを特徴とするものである。
Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises a negative electrode made of a carbon material for a negative electrode having the above characteristics, a positive electrode made of a transition metal composite oxide containing lithium, and a non-aqueous solvent. And an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved.

【0021】[0021]

【0022】ここで、ブタノール溶媒法及びヘリウム置
換法による密度の測定方法を説明する。
Here, a method of measuring the density by the butanol solvent method and the helium substitution method will be described.

【0023】まず、ブタノール溶媒法による密度の測定
は、JIS−R7222で規定されており、基本的には
下記のような手順で行われる。
First, the measurement of the density by the butanol solvent method is specified in JIS-R7222, and is basically performed by the following procedure.

【0024】すなわち、炭素材料の密度を測定するに
は、予め炭素材料の重量を測定しておく。測定された炭
素材料の重量をxとする。
That is, in order to measure the density of the carbon material, the weight of the carbon material is measured in advance. The measured weight of the carbon material is defined as x.

【0025】そして、この重量xなる炭素材料を、容器
内に満たされたブタノール中に浸漬し、炭素材料の浸漬
によって排除されたブタノールの体積を測定する。この
ブタノールの排除体積をyl とする。このxとyl の比
x/yl がブタノール溶媒法における密度ρqに相当す
る。
Then, the carbon material having the weight x is immersed in butanol filled in the container, and the volume of butanol removed by the immersion of the carbon material is measured. The excluded volume of this butanol is y 1 . The ratio x / y l for the x and y l corresponds to the density ρq in butanol solvent method.

【0026】一方、ヘリウム置換法によって炭素材料の
密度を測定するには、ブタノール溶媒法の場合と同様に
炭素材料の重量を予め測定しておく。測定された炭素材
料の重量をxとする。
On the other hand, in order to measure the density of the carbon material by the helium substitution method, the weight of the carbon material is measured in advance as in the case of the butanol solvent method. The measured weight of the carbon material is defined as x.

【0027】そして、この重量xなる炭素材料を、ヘリ
ウムガスが充満する容器中に放置し、炭素材料の放置に
よって排除されたヘリウムの体積を測定する。このヘリ
ウムの排除体積をyg とする。このxとyg の比x/y
g がヘリウム置換法における密度ρHeに相当する。
Then, the carbon material having the weight x is left to stand in a container filled with helium gas, and the volume of helium removed by the standing of the carbon material is measured. The excluded volume of helium is y g . This ratio of x and y g x / y
g corresponds to the density ρHe in the helium substitution method.

【0028】このように炭素材料のρHe、ρqは、そ
れぞれx,yg 、x,yl を測定することによって求め
られるが、このうちyg ,yl はHeとブタノールとが
分子レベルでの嵩が相違することと、炭素材料表面には
大小様々な細孔が存在することから通常異なる値とな
る。
As described above, ρHe and ρq of the carbon material are obtained by measuring x, y g , x, and y 1 , respectively. Of these, y g and y l are He and butanol at the molecular level. Since the bulks are different and the carbon material surface has pores of various sizes, the values are usually different.

【0029】すなわち、ブタノール中に炭素材料を浸漬
した場合、ブタノールは直鎖に沿った分子長さが約0.
7nm程度であるので、分子の熱運動を考慮しても開口
部及び内部の直径が約0.8nm以下の細孔(いわゆ
る、サブミクロポア)中へ拡散することは困難であると
考えられる。つまり、炭素材料の浸漬によって排除され
るn−ブタノールの体積yl は、ブタノールが細孔中に
拡散できないことから、炭素材料そのものの体積に細孔
の容積を加えた値に略相当すると言える。
That is, when a carbon material is immersed in butanol, butanol has a molecular length of about 0.
Since it is about 7 nm, it is considered difficult to diffuse into the pores (so-called sub-micropores) having a diameter of about 0.8 nm or less in the opening and inside even if the thermal motion of molecules is taken into consideration. That is, it can be said that the volume y l of n-butanol eliminated by the immersion of the carbon material is approximately equivalent to the value obtained by adding the volume of the pores to the volume of the carbon material itself, because butanol cannot diffuse into the pores.

【0030】一方、ヘリウムガス中に炭素材料を放置し
た場合では、He原子は原子半径が約0.15nmであ
り、n−ブタノールが侵入できないような直径0.3〜
0.4nmの細孔中への拡散が可能である。つまり、炭
素材料の放置によって排除されるヘリウムガスの体積y
g は、Heが細孔中にも拡散できることから、炭素材料
表面に細孔が存在することを加味した値,すなわち、細
孔の容積を除いた炭素材料そのものの体積と略一致する
と言える。
On the other hand, when the carbon material is left to stand in helium gas, the He atom has an atomic radius of about 0.15 nm and a diameter of 0.3 to such that n-butanol cannot penetrate.
Diffusion into 0.4 nm pores is possible. That is, the volume y of the helium gas that is removed by leaving the carbon material unattended
Since He can diffuse into the pores as well, it can be said that g is substantially the same as the value in which the pores are present on the surface of the carbon material, that is, the volume of the carbon material itself excluding the volume of the pores.

【0031】したがって、ブタノール溶媒法で求められ
る炭素材料の密度ρp(x/yl)とヘリウム置換法で
求められる炭素材料の密度ρHe(x/yg)では、ヘ
リウム置換法で求められる炭素材料の密度ρHeの方が
ブタノール溶媒法で求められる炭素材料の密度ρpより
も通常大きな値になる。そして、このρHeからρpを
差し引いた値ρHe−ρpは炭素材料中に存在する細孔
の割合を反映し、この差ρHe−ρpが大きいもの程、
単位体積当たりに多くの細孔を有していることを意味す
る。
Therefore, for the density ρp (x / y l ) of the carbon material obtained by the butanol solvent method and the density ρHe (x / y g ) of the carbon material obtained by the helium substitution method, the carbon material obtained by the helium substitution method is used. The density ρHe is usually larger than the density ρp of the carbon material obtained by the butanol solvent method. The value ρHe-ρp obtained by subtracting ρp from ρHe reflects the proportion of pores present in the carbon material, and the larger this difference ρHe-ρp is,
It means that it has many pores per unit volume.

【0032】本発明の負極用炭素材料は、上述の如くX
線回折法で測定される結晶構造パラメータが所定の条件
を満たす黒鉛構造を主体とするとともに、このヘリウム
置換法で測定される密度とブタノール溶媒法で測定され
る密度の差ρHe−ρpが0.1g/cc以上である。
したがって、ある程度以上の細孔を有している。
The carbon material for the negative electrode of the present invention is the same as the above-mentioned X material.
The crystal structure parameter measured by the line diffraction method is mainly composed of a graphite structure satisfying a predetermined condition, and the difference ρHe-ρp between the density measured by the helium substitution method and the density measured by the butanol solvent method is 0. It is 1 g / cc or more.
Therefore, it has pores of a certain size or more.

【0033】このように黒鉛構造と細孔とを合わせ持つ
負極用炭素材料では、難黒鉛化性炭素材料と黒鉛類の両
方の長所を合わせた如き特性を示し、負極材料として非
常に良好に機能する。
As described above, the negative electrode carbon material having both the graphite structure and the fine pores exhibits the characteristics of combining the advantages of both the non-graphitizable carbon material and the graphites, and functions very well as the negative electrode material. To do.

【0034】すなわち、この負極用炭素材料は、ある程
度以上の細孔を有していることから高容量であり、黒鉛
構造を主体としていることから真密度が高く、高い電極
充填性が得られる。
That is, the carbon material for the negative electrode has a high capacity because it has pores of a certain size or more, and since it is mainly composed of a graphite structure, it has a high true density and a high electrode packing property.

【0035】また、リチウム脱ドープ曲線を測定する
と、脱ドープ初期には難黒鉛化性炭素材料で見られたよ
うな低い電位を示す。そして、放電が進行してもこの低
い電位が長く維持され、黒鉛類で見られたように優れた
電位平坦性が得られる。したがって、放電終了電圧を高
く設定した場合でもその材料が持つ容量が十分に活かさ
れ、電池のエネルギー密度が向上できる。
When the lithium dedoping curve is measured, it shows a low potential as seen in the non-graphitizable carbon material in the early stage of dedoping. Then, even if the discharge proceeds, this low potential is maintained for a long time, and excellent potential flatness is obtained as seen in graphites. Therefore, even when the discharge end voltage is set high, the capacity of the material can be fully utilized and the energy density of the battery can be improved.

【0036】さらに、この負極用炭素材料では、定電流
充電を行った時の充電終了時の電位が、通常用いられて
いる黒鉛類に比べて低い値である。したがって、正極の
構造安定性を損なうことがなく、電池の信頼性向上に大
いに寄与することになる。
Further, in this carbon material for the negative electrode, the potential at the end of charging when constant current charging is performed is lower than that of commonly used graphites. Therefore, the structural stability of the positive electrode is not impaired, and it greatly contributes to the reliability improvement of the battery.

【0037】なお、ここではρHe−ρpを0.1g/
cm3以上と規制するが、このρHe−ρpのより好ま
しい値は0.3g/cm3以上である。
Here, ρHe-ρp is 0.1 g /
Although it is regulated to be 3 cm 3 or more, a more preferable value of ρHe-ρp is 0.3 g / cm 3 or more.

【0038】以上のような特性を有する負極用炭素材料
は、黒鉛材料と有機化合物を混合して重合処理し、その
後、焼成することで合成できる。ここで、所望の炭素材
料を得るには、その材料種や合成条件をある程度厳密に
設定することが望ましい。
The carbon material for the negative electrode having the above characteristics can be synthesized by mixing the graphite material and the organic compound, polymerizing, and then firing. Here, in order to obtain the desired carbon material, it is desirable to set the material type and synthesis conditions to some extent strictly.

【0039】まず、この炭素材料の原料は黒鉛材料と有
機化合物であるが、このうち当該炭素材料の骨格を構成
することになる黒鉛材料については、結晶性と粒径とを
合わせて考慮する必要がある。
First, the raw materials of this carbon material are a graphite material and an organic compound. Of these, the graphite material that constitutes the skeleton of the carbon material needs to be considered in terms of crystallinity and particle size. There is.

【0040】すなわち、黒鉛材料としては、最終的に合
成される炭素材料に所定の結晶構造パラメータを有する
黒鉛構造を持たせるために、その黒鉛構造と同じ結晶構
造パラメータ、すなわちX線回折法で測定される(00
2)面の面間隔が0.340nm以下、(002)面の
C軸結晶子厚みが14.0nm以上といった条件を満足
するものを用いる。このような結晶構造パラメータを有
するもののうち、比較的結晶性の高い黒鉛材料を用いる
場合には、粒子径が小さいものを選択することが好まし
い。但し、粒子径が1μm以下というように、あまり細
かい黒鉛材料は不適当である。細かい黒鉛材料を用いて
合成された炭素材料は、充放電時の副反応が大きく、充
電しても放電されない不可逆容量を生じるからである。
That is, as the graphite material, in order to give the finally synthesized carbon material a graphite structure having a predetermined crystal structure parameter, the same crystal structure parameter as that of the graphite structure, that is, measured by the X-ray diffraction method. Done (00
2) The ones satisfying the conditions that the interplanar spacing of the faces is 0.340 nm or less and the C-axis crystallite thickness of the (002) face is 14.0 nm or more. When a graphite material having relatively high crystallinity is used among those having such crystal structure parameters, it is preferable to select one having a small particle size. However, a graphite material that is too fine, such as a particle diameter of 1 μm or less, is unsuitable. This is because a carbon material synthesized using a fine graphite material has a large side reaction at the time of charging / discharging and produces an irreversible capacity that is not discharged even when charged.

【0041】一方、有機化合物としては、それのみを熱
処理したときに難黒鉛化性炭素を与えるものが適当であ
る。そのような有機化合物は、焼成過程で揮発物を生成
し、その揮発過程によって材料中に適度な細孔が形成さ
れる。
On the other hand, as the organic compound, a compound which gives non-graphitizable carbon when heat treated alone is suitable. Such an organic compound produces a volatile substance in the firing process, and the appropriate volatilization process forms a pore in the material.

【0042】その代表例としては、熱硬化性樹脂の原料
となるフルフリルアルコール、フルフラール等のフラン
環を持つ化合物や、フェノール系化合物等が好適であ
る。
As typical examples, compounds having a furan ring such as furfuryl alcohol and furfural, which are raw materials for thermosetting resins, and phenol compounds are suitable.

【0043】また、これら熱硬化性樹脂を与えるもの以
外に、黒鉛材料と混合した後、二次処理によって樹脂と
なり固相炭素化するものも使用可能である。たとえばナ
フタレン、フェナントレン、アントラセン、トリフェニ
レン、ピレン、ペリレン、ペンタフェン、ペンタセン等
の縮合多環炭化水素化合物、その他誘導体(たとえばこ
れらのカルボン酸、カルボン酸無水物、カルボン酸イミ
ド等)、あるいはこれらの混合物、アセナフチレン、イ
ンドール、イソインドール、キノリン、イソキノリン、
キノキサリン、フタラジン、カルバゾール、アクリジ
ン、フェナジン、フェナントリジン等の縮合複素環化合
物、さらにはその誘導体、またいわゆる石炭や石油から
得られるピッチ等も使用可能である。
In addition to those which give these thermosetting resins, it is also possible to use those which, after being mixed with a graphite material, become a resin by a secondary treatment and become solid-phase carbonized. For example, condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, triphenylene, pyrene, perylene, pentaphene and pentacene, other derivatives (for example, carboxylic acid thereof, carboxylic acid anhydride, carboxylic acid imide, etc.), or a mixture thereof, Acenaphthylene, indole, isoindole, quinoline, isoquinoline,
Fused heterocyclic compounds such as quinoxaline, phthalazine, carbazole, acridine, phenazine, and phenanthridine, derivatives thereof, pitches obtained from so-called coal and petroleum, and the like can also be used.

【0044】上記石油ピッチは、コールタール、エチレ
ンボトム油、原油等の高温熱分解で得られるタール類、
アスファルト等より蒸留(真空蒸留、常圧蒸留、スチー
ム蒸留)、熱重縮合、抽出、化学重縮合等の操作によっ
て得られる。また、この他石炭ピッチは、石炭の熱処理
の際に液状物として得られる。このとき、ピッチのH/
C原子比が重要で、細孔を形成できるものとするにはH
/C原子比を0.6〜0.8とする必要がある。
The petroleum pitch is tars obtained by high-temperature thermal decomposition of coal tar, ethylene bottom oil, crude oil, etc.
It can be obtained from asphalt or the like by operations such as distillation (vacuum distillation, atmospheric distillation, steam distillation), thermal polycondensation, extraction, chemical polycondensation and the like. In addition, other coal pitch is obtained as a liquid material during heat treatment of coal. At this time, the pitch H /
The C atomic ratio is important, and H must be H in order to form pores.
The / C atomic ratio needs to be 0.6 to 0.8.

【0045】負極用炭素材料を合成するには、先ず以上
のような黒鉛材料と有機化合物を混合する。ここで、細
孔を適度に有する炭素材料を得るには、この混合の割合
が重要となる。例えば有機化合物の混合量が少なすぎる
場合には、炭素材料中に細孔が十分形成されない。この
ように細孔の少ない炭素材料を負極に使用すると、充電
終了時の電位が高くなって正極の構造安定性を損なう虞
れがある。また、逆に有機化合物の混合量が多すぎる
と、炭素材料中に細孔が必要以上に多く形成されてしま
う。細孔が過度に形成された炭素材料では、リチウム脱
ドープ曲線の後半部分がスロープ状に上昇し、電池のエ
ネルギー密度を十分に高めることができない。なお、混
合率の具体的な適正範囲は、有機化合物の種類によって
異なるので一律には決められず、熱処理中に発生する揮
発物の生成度合いによって適宜選択するのが望ましい。
To synthesize the carbon material for the negative electrode, first, the above graphite material and the organic compound are mixed. Here, in order to obtain a carbon material having appropriate pores, the mixing ratio is important. For example, when the amount of the organic compound mixed is too small, the pores are not sufficiently formed in the carbon material. When a carbon material having a small number of pores is used for the negative electrode as described above, the potential at the end of charging is increased, which may impair the structural stability of the positive electrode. On the contrary, if the amount of the organic compound mixed is too large, the carbon material will have too many pores formed therein. In the carbon material with excessively formed pores, the latter half of the lithium dedoping curve rises in a slope shape, and the energy density of the battery cannot be sufficiently increased. It should be noted that the specific appropriate range of the mixing ratio varies depending on the type of the organic compound and is therefore not uniformly determined, and it is desirable to appropriately select the appropriate range according to the degree of formation of volatiles generated during the heat treatment.

【0046】このような適正な混合率で混合された黒鉛
材料と有機化合物の混合物は、次に重合処理が施され
る。この重合処理では、黒鉛材料の表面に有機化合物が
反応連結され、さらにその反応連結された有機化合物と
他の有機化合物の有機鎖同士が重合される。
The mixture of the graphite material and the organic compound mixed in such an appropriate mixing ratio is then subjected to polymerization treatment. In this polymerization treatment, an organic compound is reactively linked to the surface of the graphite material, and further the organic chains of the reactively linked organic compound and other organic compounds are polymerized.

【0047】この重合に際しては、必要に応じて酸触媒
を添加しても良い。酸触媒としては硫酸、硝酸、過塩素
酸等の無機酸、パラトルエンスルホン酸等の有機酸がい
ずれも使用可能である。
In this polymerization, an acid catalyst may be added if necessary. As the acid catalyst, inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid and perchloric acid, and organic acids such as paratoluenesulfonic acid can be used.

【0048】また、重合処理は通常不活性雰囲気中で行
われるが、酸触媒を併用する場合には、重合雰囲気を一
時的に酸化性ガス雰囲気としてもよい。この酸化性ガス
としては、空気、二酸化硫黄、二酸化窒素等が用いられ
る。
The polymerization treatment is usually carried out in an inert atmosphere, but when an acid catalyst is used in combination, the polymerization atmosphere may be temporarily set to an oxidizing gas atmosphere. Air, sulfur dioxide, nitrogen dioxide or the like is used as the oxidizing gas.

【0049】重合の処理温度、時間及び圧力は、原料と
なる有機化合物や触媒の種類によって適宜選択される。
その目安としては、例えば処理温度の場合、有機化合物
の固化が始まる500℃以下とするのが望ましい。時間
及び圧力は、温度との兼ね合いで決められる。なお、こ
の重合時間が長い程、また圧力が高い程重合度は高くな
る。
The processing temperature, time and pressure for the polymerization are appropriately selected depending on the kind of the organic compound or the catalyst as the raw material.
As a guide, for example, at the treatment temperature, it is desirable to set the temperature to 500 ° C. or lower at which solidification of the organic compound starts. The time and the pressure are decided in consideration of the temperature. The longer the polymerization time and the higher the pressure, the higher the degree of polymerization.

【0050】以上が基本的な重合の処理条件であるが、
この重合反応が十分に行われない場合には、黒鉛材料に
予め酸化等の表面処理を施すと重合反応を促進させるこ
とができる。黒鉛材料に表面処理を施すと、それによっ
て付与された官能基が重合開始点として作用するからで
ある。
The above are the basic processing conditions for polymerization.
When the polymerization reaction is not sufficiently carried out, it is possible to accelerate the polymerization reaction by subjecting the graphite material to surface treatment such as oxidation in advance. This is because when the graphite material is subjected to the surface treatment, the functional group provided thereby acts as a polymerization initiation point.

【0051】表面処理の手段は、特に限定されないが、
たとえば硝酸、混酸、硫酸、次亜塩素酸等の水溶液によ
る湿式法、酸化性ガス(例えば空気、酸素等)による乾
式法、さらに硫黄、硝酸アンモニウム、過硫酸アンモニ
ア、塩化第二鉄等の固体試薬による方法が挙げられる。
The means for surface treatment is not particularly limited,
For example, a wet method using an aqueous solution of nitric acid, mixed acid, sulfuric acid, hypochlorous acid, etc., a dry method using an oxidizing gas (eg, air, oxygen, etc.), and a solid reagent such as sulfur, ammonium nitrate, ammonium persulfate, ferric chloride, etc. There is a method.

【0052】このような重合処理によって得られた重合
物は、この後焼成され、目的の炭素材料が生成される。
The polymer obtained by such a polymerization treatment is then calcined to produce the desired carbon material.

【0053】この際、得られた重合物はそのままの状態
で焼成してもよく、また重合物をそのまま、あるいはバ
インダーピッチ等を加えプレス等により成型加工し、こ
の後、焼成を行うようにしても良い。
At this time, the obtained polymer may be calcined as it is, or the polymer may be calcined as it is, or may be molded by pressing with a binder pitch or the like, and then calcined. Is also good.

【0054】この焼成は、たとえば窒素等の不活性ガス
気流中、上記重合物を温度500〜700℃で炭化した
後、さらに不活性ガス気流中、昇温速度毎分1〜100
℃、到達温度900〜1500℃、到達温度での保持時
間0〜30時間程度なる条件で熱処理することで行われ
る。なお、場合によって炭化操作は省略しても良い。
This calcination is carried out, for example, by carbonizing the above-mentioned polymer at a temperature of 500 to 700 ° C. in an inert gas stream such as nitrogen, and then in an inert gas stream, a heating rate of 1 to 100 per minute.
The heat treatment is performed at a temperature of 900 ° C., a reached temperature of 900 to 1500 ° C., and a holding time at the reached temperature of 0 to 30 hours. The carbonization operation may be omitted depending on the case.

【0055】そして、生成された炭素材料は、粉砕・分
級したかたちで負極材料に供することができる。この粉
砕は炭化、焼成の前後あるいは昇温過程の間のいずれで
行っても良い。
The produced carbon material can be crushed and classified to be used as a negative electrode material. This pulverization may be performed before or after carbonization or firing, or during the temperature rising process.

【0056】本発明の非水電解液二次電池は、このよう
にして得られた負極用炭素材料で負極が構成されるが、
正極材料、非水電解液としては以下のものが適してい
る。
In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the negative electrode is composed of the carbon material for negative electrode thus obtained,
The following are suitable as the positive electrode material and the non-aqueous electrolyte.

【0057】すなわち、正極材料は十分な量のLiを含
んでいることが好ましく、たとえば一般式LiMO
2(ただし、MはCo,Ni,Mn,Feの少なくとも
1種を表す)で表されるリチウムを含有する遷移金属複
合酸化物やLiを含んだ層間化合物等が好適である。
That is, the positive electrode material preferably contains a sufficient amount of Li, for example, the general formula LiMO.
A lithium-containing transition metal composite oxide represented by 2 (wherein M represents at least one of Co, Ni, Mn, and Fe) and an intercalation compound containing Li are preferable.

【0058】さらに、本発明の非水電解液二次電池は高
容量を達成することを狙ったものであるので、正極は、
定常状態(たとえば5回程度充電を繰り返した後)で負
極の炭素材料1g当たり250mAh以上の充放電容量
相当分のLiを含むことが必要で、300mAh以上の
充放電容量相当分のLiを含むことが望ましく、330
mAh以上の充放電容量相当分のLiを含むことがより
好ましい。
Further, since the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is aimed at achieving a high capacity, the positive electrode is
In a steady state (for example, after repeating charging for about 5 times), it is necessary to contain 250 mAh or more of charge / discharge capacity equivalent Li per 1 g of the negative electrode carbon material, and 300 mAh or more of charge / discharge capacity equivalent Li. Is desirable 330
It is more preferable to include Li corresponding to the charge / discharge capacity of mAh or more.

【0059】但し、Liは必ずしも正極材からすべて供
給される必要はなく、要は電池系内に炭素材料1g当た
り250mAh以上の充放電容量相当分のLiが存在す
れば良い。なお、この電池系内のLiの量は、電池の放
電容量を測定することによって求めることとする。
However, it is not always necessary to supply all the Li from the positive electrode material, and the point is that Li corresponding to the charge / discharge capacity of 250 mAh or more per 1 g of the carbon material should be present in the battery system. The amount of Li in the battery system is determined by measuring the discharge capacity of the battery.

【0060】一方、非水電解液は非水溶媒に電解質を溶
解して調製されるものである。
On the other hand, the non-aqueous electrolytic solution is prepared by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent.

【0061】この非水溶媒には、炭酸エチレン(EC)
等の比較的誘電率の高い溶媒を主体とし、さらにこの高
誘電率溶媒に複数の低粘度溶媒を添加した混合溶媒が使
用される。
This non-aqueous solvent includes ethylene carbonate (EC)
A solvent mixture mainly composed of a solvent having a relatively high dielectric constant, such as, and a solvent having a plurality of low viscosity solvents added to this high dielectric constant solvent is used.

【0062】高誘電率溶媒としては、ECの他、プロピ
レンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、ビ
ニレンカーボネート、スルホラン類、ブチロラクトン
類、バレロラクトン類等が好適である。
As the high dielectric constant solvent, propylene carbonate (PC), butylene carbonate, vinylene carbonate, sulfolanes, butyrolactones, valerolactones and the like are suitable in addition to EC.

【0063】低粘度溶媒としてはジエチルカーボネー
ト、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネー
ト、メチルプロピルカーボネート等の対称鎖状炭酸エス
テルあるいは非対称鎖状炭酸エステルが適しており、さ
らにこのうち2種類以上を混合して用いても良好な効果
が得られる。
As the low-viscosity solvent, a symmetric chain carbonate or an asymmetric chain carbonate such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and methyl propyl carbonate is suitable, and two or more of them are mixed and used. However, a good effect can be obtained.

【0064】電解質としては、この種の電池に用いられ
るものがいずれも使用可能である。具体的には、LiP
6が好適であるが、LiClO4,LiAsF6,Li
BF4,LiB(C654,CH3SO3Li,(CH3
SO32NLi,(CH3SO33CLi,CF3SO3
Li,LiCl,LiBr等も使用可能である。
As the electrolyte, any of those used in this type of battery can be used. Specifically, LiP
F 6 is preferred, but LiClO 4 , LiAsF 6 , Li
BF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, (CH 3
SO 3 ) 2 NLi, (CH 3 SO 3 ) 3 CLi, CF 3 SO 3
Li, LiCl, LiBr, etc. can also be used.

【0065】[0065]

【作用】本発明の負極用炭素材料は、X線回折法で測定
される(002)面の面間隔が0.340nm以上、
(002)面のC軸結晶子厚みが14.0nm以上であ
る黒鉛構造を主体とし、且つヘリウム置換法による密度
とブタノール溶媒法による密度の差が0.1g/cm3
以上である。ここで、ヘリウム置換法による密度とブタ
ノール溶媒法による密度の差は、材料中に存在している
細孔の割合を反映するものである。
The carbon material for a negative electrode of the present invention has a (002) plane spacing of 0.340 nm or more as measured by X-ray diffraction,
The (002) plane is mainly composed of a graphite structure having a C-axis crystallite thickness of 14.0 nm or more, and the difference between the density by the helium substitution method and the density by the butanol solvent method is 0.1 g / cm 3.
That is all. Here, the difference between the density by the helium substitution method and the density by the butanol solvent method reflects the ratio of the pores existing in the material.

【0066】この値が0.1g/cm3以上であるとと
もに、X線回折法で測定される結晶構造パラメータが上
述の条件を満たす負極用炭素材料では、適度な割合で細
孔が存在するとともに黒鉛構造を有しているため、難黒
鉛化性炭素材料と黒鉛類の両方の長所を合わせた如き特
性を示し、負極材料として非常に良好に機能する。
This value is 0.1 g / cm 3 or more, and in the carbon material for negative electrode where the crystal structure parameter measured by the X-ray diffraction method satisfies the above-mentioned conditions, the pores are present at an appropriate ratio. Since it has a graphite structure, it exhibits characteristics that combine the advantages of both the non-graphitizable carbon material and graphites, and it functions very well as a negative electrode material.

【0067】すなわち、この負極用炭素材料は、高容量
でしかも真密度が高く、高い電極充填性が得られる。
That is, this carbon material for a negative electrode has a high capacity, a high true density, and a high electrode filling property.

【0068】また、リチウム脱ドープ曲線を測定する
と、脱ドープ初期には難黒鉛化性炭素材料で見られたよ
うに低い電位を示す。そして、放電が進行してもこの低
い電位が長く維持され、黒鉛類で見られたような電位平
坦性に優れた曲線が得られる。したがって、放電終了電
圧を高く設定した場合でもその材料が持つ容量が十分に
活かされる。
Further, when the lithium dedoping curve is measured, it shows a low potential in the early stage of dedoping as seen in the non-graphitizable carbon material. Then, even if the discharge progresses, this low potential is maintained for a long time, and a curve excellent in potential flatness as seen in graphites can be obtained. Therefore, even when the discharge end voltage is set high, the capacity of the material can be fully utilized.

【0069】さらに、この負極用炭素材料では、定電流
充電を行った時の充電終了時の電位が、通常用いられて
いる黒鉛類に比べて低い値である。このため、正極の構
造安定性を損なうことがない。
Furthermore, in this carbon material for negative electrode, the potential at the end of charging when constant current charging is performed is a value lower than that of commonly used graphites. Therefore, the structural stability of the positive electrode is not impaired.

【0070】したがって、このような負極用炭素材料を
用いる電池では、高いエネルギー密度が得られるととも
に良好なサイクル特性を発揮し、高い信頼性が得られ
る。
Therefore, in a battery using such a carbon material for a negative electrode, high energy density can be obtained, good cycle characteristics can be exhibited, and high reliability can be obtained.

【0071】[0071]

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例によって説明
するが、本発明がこの実施例に限定されるものではない
ことは言うまでもない。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to specific examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.

【0072】実施例1 人造黒鉛粉末(ロンザ社製 商品名KS−6)30g
と、フルフリルアルコール(和光純薬社製 特級品)1
0g、パラトルエンスルホン酸1g及び分散媒となる水
50gを混合して枝付きメスフラスコに充填し、窒素気
流中、温度200℃で50時間重合反応を行った。そし
て、得られた反応生成物を水洗した後、真空乾燥を行っ
た。次に、その反応生成物のうち10gをルツボに充填
し、窒素気流中、温度500℃で5時間保持した後、1
200℃に昇温して1時間熱処理を行った。この得られ
た焼成物を粉砕することで炭素材料粉末を得た。
Example 1 30 g of artificial graphite powder (trade name KS-6 manufactured by Lonza)
And furfuryl alcohol (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries) 1
0 g, 1 g of paratoluenesulfonic acid and 50 g of water serving as a dispersion medium were mixed and filled in a side-armed measuring flask, and a polymerization reaction was carried out at a temperature of 200 ° C. for 50 hours in a nitrogen stream. Then, the obtained reaction product was washed with water and then vacuum dried. Next, 10 g of the reaction product was filled in a crucible and kept at a temperature of 500 ° C. for 5 hours in a nitrogen stream, and then 1
The temperature was raised to 200 ° C. and heat treatment was performed for 1 hour. A carbon material powder was obtained by crushing the obtained fired product.

【0073】比較例1 フルフリルアルコール100重量部と、85%燐酸0.
5重量部及び水10重量部を混合し、湯浴上で5時間加
熱することで粘調な重合体(フルフリルアルコール樹
脂:PFA)を得た。
Comparative Example 1 100 parts by weight of furfuryl alcohol and 85% phosphoric acid of 0.
A viscous polymer (furfuryl alcohol resin: PFA) was obtained by mixing 5 parts by weight and 10 parts by weight of water and heating on a hot water bath for 5 hours.

【0074】そして、このフルフリルアルコール樹脂中
に残留する水及び未反応アルコールを真空蒸留で除去し
た後、この樹脂を、窒素気流中、温度500℃で5時間
炭化し、粉砕した。次いで、この粉砕物1gを、ルツボ
に充填し、温度1200℃に昇温して1時間熱処理を行
った。この得られた焼成物を粉砕することで炭素材料粉
末を得た。
After water and unreacted alcohol remaining in the furfuryl alcohol resin were removed by vacuum distillation, the resin was carbonized in a nitrogen stream at a temperature of 500 ° C. for 5 hours and ground. Then, 1 g of this pulverized product was filled in a crucible, heated to a temperature of 1200 ° C., and heat-treated for 1 hour. A carbon material powder was obtained by crushing the obtained fired product.

【0075】比較例2 人造黒鉛粉末(ロンザ社製、商品名KS−6)を粉砕す
ることで炭素材料粉末を得た。
Comparative Example 2 A carbon material powder was obtained by crushing artificial graphite powder (Lonza Co., Ltd., trade name KS-6).

【0076】比較例3 熱処理温度1200℃で得られた石炭ピッチコークスを
粉砕することで炭素材料粉末を得た。
Comparative Example 3 A carbon material powder was obtained by pulverizing the coal pitch coke obtained at a heat treatment temperature of 1200 ° C.

【0077】以上のようにして得られた各種炭素材料粉
末について、粉末X線回折法によって(002)面の面
間隔及び(002)面のC軸結晶子厚みを求めるととも
に、ブタノール溶媒法,ヘリウム置換法によって密度を
測定した。その結果を表1に示す。
With respect to the various carbon material powders obtained as described above, the interplanar spacing of the (002) plane and the C-axis crystallite thickness of the (002) plane were determined by the powder X-ray diffraction method, and the butanol solvent method and helium were used. The density was measured by the substitution method. The results are shown in Table 1.

【0078】なお、ブタノール溶媒法による密度の測定
はJIS−R7222に規定される方法に準じて行っ
た。また、ヘリウム置換法による密度の測定はマイクロ
メリティックス社製の乾式自動密度計(商品名アキュピ
ック1330型)を用い、平衡判定圧力0.05psi
g、試料前処理温度150℃、前処理時間15時間なる
条件で行った。
The density was measured by the butanol solvent method according to the method specified in JIS-R7222. The density was measured by the helium substitution method using a dry automatic densimeter (trade name: Accupic 1330 type) manufactured by Micromeritics, and the equilibrium determination pressure was 0.05 psi.
g, sample pretreatment temperature 150 ° C., pretreatment time 15 hours.

【0079】さらに合成された炭素材料粉末によって作
用電極を作製し、図1に示すコイン型テストセルに組み
込み、その負極特性を調べた。
Further, a working electrode was prepared by using the synthesized carbon material powder, and the working electrode was incorporated into a coin-type test cell shown in FIG. 1 and its negative electrode characteristics were examined.

【0080】なお、作用電極は以下のようにして作製し
た。
The working electrode was manufactured as follows.

【0081】上記炭素材料粉末に対して、負極ミックス
作製直前にAr雰囲気中、昇温速度約30℃/分、到達
温度600℃、到達温度保持時間1時間なる条件で前熱
処理を施した。そして、この前処理が施された炭素材料
粉末に、バインダーとなるポリフッ化ビニリデンを10
重量%相当量加え、ジメチルホルムアミドを溶媒として
混合、乾燥して負極ミックスを調製した。
Immediately before preparation of the negative electrode mix, the carbon material powder was preheated in an Ar atmosphere under the conditions of a temperature rising rate of about 30 ° C./minute, an ultimate temperature of 600 ° C., and an ultimate temperature holding time of 1 hour. Then, polyvinylidene fluoride serving as a binder is added to the pretreated carbon material powder in an amount of 10%.
An amount corresponding to wt% was added, and dimethylformamide was mixed as a solvent and dried to prepare a negative electrode mix.

【0082】このようにして調製された負極ミックスの
うち37mgを集電体であるNiメッシュとともに直径
15.5mmのペレット状に成形することで作用電極を
作製した。
A working electrode was prepared by molding 37 mg of the thus prepared negative electrode mix into a pellet having a diameter of 15.5 mm together with Ni mesh as a current collector.

【0083】そして、図1に示すように、この作用電極
1を電極缶2の中に収容するとともに、電極カップ3の
中に対極(Li金属)4をそれぞれ収容し、この作用電
極1と対極4とを対向させ、セパレータ5を挟んで積層
した。そして、各電極1,4に電解液を含浸させた後、
電極缶2と電極カップ3の外周縁部を封口ガスケット6
を介してかしめ密閉することでコイン型テストセルを組
み立てた。なお、対極4、セパレータ5、電解液の材料
及びセルの寸法は以下の通りである。
Then, as shown in FIG. 1, the working electrode 1 is housed in the electrode can 2, and the counter electrode (Li metal) 4 is housed in the electrode cup 3, respectively. 4 were opposed to each other, and the separator 5 was sandwiched between them. Then, after impregnating each of the electrodes 1 and 4 with the electrolytic solution,
The outer peripheral edges of the electrode can 2 and the electrode cup 3 are covered with a sealing gasket 6.
A coin type test cell was assembled by caulking and sealing via. The counter electrode 4, the separator 5, the material of the electrolytic solution, and the dimensions of the cell are as follows.

【0084】テストセル構成 コイン型セル(直径20mm、厚さ2.5mm) 対極:Li金属 セパレータ:ポリプロピレン多孔質膜 電解液:エチレンカーボネートとジエチルカーボネート
の混合溶媒(容量比で1:1)にLiPF6を1mol
/lの濃度で溶解したもの そして、このようにして作製されたテストセルに対して
充放電を行い、炭素材料1g当たりの容量、容量ロスを
調べた。
Test cell configuration Coin cell (diameter 20 mm, thickness 2.5 mm) Counter electrode: Li metal separator: Polypropylene porous membrane Electrolyte: LiPF in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (volume ratio 1: 1). 1 mol of 6
The test cell thus prepared was charged / discharged, and the capacity and capacity loss per 1 g of the carbon material were examined.

【0085】なお、作用電極へのリチウムのドープ(充
電:厳密に言うとこの試験方法では炭素材料にリチウム
がドープされる過程は充電ではなく放電であるが、実電
池の実態に合わせて便宜上、このドーピング過程を充
電、脱ドープ過程を放電と称する)は、セル当たり0.
2mAの定電流で0mV(Li/Li+)になるまで行
った。また、リチウムの脱ドープ(放電)は、端子電圧
1.5Vをカットオフ電圧としセル当たり0.2mAの
定電流で行った。
Doping of lithium into the working electrode (charging: strictly speaking, in this test method, the process in which the carbon material is doped with lithium is not charging but discharging, but for convenience, according to the actual condition of the actual battery, This doping process is called charging, and the dedoping process is called discharging.
It was carried out at a constant current of 2 mA until it reached 0 mV (Li / Li + ). Further, dedoping (discharging) of lithium was performed with a terminal voltage of 1.5 V as a cutoff voltage and a constant current of 0.2 mA per cell.

【0086】測定された炭素材料1g当たりの容量、容
量ロスを、上述の粉末X線分析法で得られた結晶構造パ
ラメータ及びブタノール溶媒法による密度、ヘリウム置
換法による密度と併せて表1に示す。また、テストセル
の放電(リチウム脱ドープ)曲線を図2に示す。
The measured capacity and capacity loss per 1 g of the carbon material are shown in Table 1 together with the crystal structure parameters obtained by the powder X-ray analysis method, the density by the butanol solvent method, and the density by the helium substitution method. . The discharge (lithium dedoping) curve of the test cell is shown in FIG.

【0087】[0087]

【表1】 [Table 1]

【0088】表1に示すように、X線回折法で測定され
る(002)面の面間隔が0.340nm以下、(00
2)面のC軸結晶子厚みが14.0nm以上であり、且
つヘリウム置換法による密度とブタノール溶媒法による
密度の差が0.1g/cc以上である実施例1の炭素材
料粉末は、容量が大きく、容量ロスが小さい値になって
いる。また、図2を見てわかるように、リチウム脱ドー
プ曲線に平坦部分が見られ、電位平坦性に優れている。
As shown in Table 1, the (002) plane spacing measured by X-ray diffractometry is 0.340 nm or less, and (00
2) The carbon material powder of Example 1 having a C-axis crystallite thickness of 14.0 nm or more and a difference between the helium substitution method density and the butanol solvent method density of 0.1 g / cc or more has a volume of Is large and the capacity loss is small. Further, as can be seen from FIG. 2, a flat portion is seen in the lithium dedoping curve, and the potential flatness is excellent.

【0089】これに対して、ヘリウム置換法による密度
とブタノール溶媒法による密度の差は0.1g/cc以
上であるが、粉末X線回折法で得られる結晶構造パラメ
ータが所定の条件を満たしていない比較例1の炭素材料
粉末は、実施例1の炭素材料粉末に比べて容量が小さ
く、容量ロスも大きい値になっている。しかも、リチウ
ム脱ドープ曲線の後半部分がスロープ状に上昇してお
り、良好な電位平坦性が得られない。
On the other hand, the difference between the density by the helium substitution method and the density by the butanol solvent method is 0.1 g / cc or more, but the crystal structure parameters obtained by the powder X-ray diffraction method satisfy the predetermined conditions. The carbon material powder of Comparative Example 1, which is not present, has a smaller capacity and a larger capacity loss than the carbon material powder of Example 1. Moreover, since the latter half of the lithium dedoping curve rises in a slope shape, good potential flatness cannot be obtained.

【0090】また、これとは逆には粉末X線回折法で得
られる結晶構造パラメータは所定の条件を満たしている
が、ヘリウム置換法による密度とブタノール溶媒法によ
る密度の差が0.1g/cc未満である比較例2の炭素
材料粉末では、リチウム脱ドープ曲線に平坦部分は観測
されるものの、実施例1の炭素材料粉末に比べて容量が
著しく低く、容量ロスも大きい。
On the contrary, the crystal structure parameters obtained by the powder X-ray diffraction method satisfy the predetermined conditions, but the difference between the density by the helium substitution method and the density by the butanol solvent method is 0.1 g / In the carbon material powder of Comparative Example 2, which is less than cc, a flat portion is observed in the lithium dedoping curve, but the capacity is remarkably lower than that of the carbon material powder of Example 1, and the capacity loss is large.

【0091】さらに、粉末X線回折法で得られる結晶構
造パラメータとヘリウム置換法による密度とブタノール
溶媒法による密度の差の両方が所定の条件を満たしてい
ない比較例3の炭素材料粉末は、容量が、実施例1の炭
素材料粉末の半分以下であり、リチウム脱ドープ曲線の
形状も不良である。
Furthermore, the carbon material powder of Comparative Example 3 in which both the crystal structure parameter obtained by the powder X-ray diffraction method and the difference in the density by the helium substitution method and the density by the butanol solvent method do not satisfy the predetermined conditions, However, the amount is less than half that of the carbon material powder of Example 1, and the shape of the lithium dedoping curve is also poor.

【0092】このことから、X線回折法で測定される
(002)面の面間隔、(002)面のC軸結晶子厚み
及びヘリウム置換法による密度とブタノール溶媒法によ
る密度の差を規制することは、炭素材料の負極特性を改
善する上で有効であることがわかった。
From this fact, the interplanar spacing of the (002) plane, the C-axis crystallite thickness of the (002) plane measured by the X-ray diffraction method, and the difference between the density by the helium substitution method and the density by the butanol solvent method are regulated. It was found that this is effective in improving the negative electrode characteristics of the carbon material.

【0093】以上の説明からも明らかなように、本発明
に係る負極用炭素材料は、黒鉛材料と樹脂の原料となる
有機化合物とを混合し、焼成して得られた炭素材料がX
線回折法によって測定される(002)面の面間隔が
0.34nm以下で、(002)面のC軸結晶子厚みが
14.0nm以上である黒鉛構造を主体とし、且つヘリ
ウム置換法によって測定される密度とブタノール溶媒法
によって測定される密度との差が0.1g/cc以上
0.30g/cc以下としたものであるので、高容量で
しかも電極充填性が高く、電位平坦性に優れ、充電終了
時に低い電位を示す。このような負極用炭素材料を電池
に用いることにより、高いエネルギー密度が得られると
ともに良好なサイクル特性を発揮し、信頼性に優れた電
池が得られる。
As is clear from the above description, the carbon material for the negative electrode according to the present invention is a raw material for the graphite material and the resin.
The carbon material obtained by mixing with an organic compound and firing is X.
Mainly composed of a graphite structure having a (002) plane spacing of 0.34 nm or less and a (002) plane C-axis crystallite thickness of 14.0 nm or more measured by a line diffraction method, and measured by a helium substitution method. The difference between the measured density and the density measured by the butanol solvent method is 0.1 g / cc or more .
Since it is 0.30 g / cc or less, it has a high capacity, a high electrode filling property, an excellent potential flatness, and a low potential at the end of charging. By using such a carbon material for a negative electrode in a battery, it is possible to obtain a battery having high energy density, good cycle characteristics, and excellent reliability.

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

【図1】炭素材料の負極特性を調査するためのコイン型
テストセルの構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a coin type test cell for investigating negative electrode characteristics of a carbon material.

【図2】炭素材料のリチウム脱ドープ曲線を示す特性図
である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a lithium dedoping curve of a carbon material.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−122300(JP,A) 特開 平8−115723(JP,A) 特開 平6−275270(JP,A) 特開 平1−161675(JP,A) 特開 平5−307959(JP,A) 特開 平6−295744(JP,A) 特開 昭61−277157(JP,A) 特開 平5−290889(JP,A) 特開 平7−230804(JP,A) 特開 平7−230803(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/58 H01M 4/02 H01M 10/40 C01B 31/04 101 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (56) References JP-A-7-122300 (JP, A) JP-A-8-115723 (JP, A) JP-A-6-275270 (JP, A) JP-A-1- 161675 (JP, A) JP-A-5-307959 (JP, A) JP-A-6-295744 (JP, A) JP-A-61-277157 (JP, A) JP-A-5-290889 (JP, A) JP-A-7-230804 (JP, A) JP-A-7-230803 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 4/58 H01M 4/02 H01M 10/40 C01B 31/04 101

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 黒鉛材料と樹脂の原料となる有機化合物
とを混合し、焼成して得られた炭素材料がX線回折法に
よって測定される(002)面の面間隔が0.34nm
以下で、(002)面のC軸結晶子厚みが14.0nm
以上である黒鉛構造を主体とし、且つヘリウム置換法に
よって測定される密度とブタノール溶媒法によって測定
される密度との差が0.1g/cc以上で0.30g/
cc以下であることを特徴とする負極用炭素材料。
1. An organic compound as a raw material for a graphite material and a resin.
The carbon material obtained by mixing and firing and has a (002) plane spacing of 0.34 nm measured by an X-ray diffraction method.
Below, the C-axis crystallite thickness of the (002) plane was 14.0 nm.
Mainly composed of the above graphite structure, and the difference between the density measured by the helium substitution method and the density measured by the butanol solvent method is 0.10 g / cc or more and 0.30 g / cc.
A carbon material for a negative electrode, which is cc or less .
【請求項2】 前記炭素材料は、黒鉛材料と樹脂の原料
となる有機化合物とを混合し、不活性ガス気流中900
℃〜1500℃で熱処理されて得られる炭素材料である
ことを特徴とする請求項1記載の負極用炭素材料。
2. The carbon material is a graphite material and a resin raw material.
Mixed with an organic compound to become 900
It is a carbon material obtained by heat treatment at ℃ ~ 1500 ℃
The carbon material for a negative electrode according to claim 1, wherein
【請求項3】 請求項1記載の負極用炭素材料よりなる
負極と、リチウムを含有する遷移金属複合酸化物よりな
る正極と、非水溶媒に電解質が溶解されている電解液と
有することを特徴とする非水電解液二次電池。
3. A negative electrode comprising the carbon material for a negative electrode according to claim 1, a positive electrode comprising a transition metal composite oxide containing lithium, and an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a non-aqueous solvent. Characteristic non-aqueous electrolyte secondary battery.
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