JP3532115B2 - 非水系二次電池 - Google Patents

非水系二次電池

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JP3532115B2 JP11565099A JP11565099A JP3532115B2 JP 3532115 B2 JP3532115 B2 JP 3532115B2 JP 11565099 A JP11565099 A JP 11565099A JP 11565099 A JP11565099 A JP 11565099A JP 3532115 B2 JP3532115 B2 JP 3532115B2
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勝 吉田
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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は非水系二次電池に
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】上記範囲内の単一の面間隔を有する黒鉛を
用いた場合、面間隔が小さくなると充放電曲線の平坦性
が向上するものの、放電容量は小さくなり、逆に面間隔
が大きくなると高電位領域を含めた容量は増加するもの
の、充放電曲線の平坦性が失われてしまう。
【0004】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。
【0005】
【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/g以下と小さなもの
であった。
【0006】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、充放電量の大きい二次電池を提供し
ようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らはかかる二次
電池の高容量化を図るべく鋭意検討を行った結果、負極
として面間隔の異なる特定の黒鉛の混合物を用いること
良好な電極特性を示すことを見出した。即ち、本発明
の二次電池は、前記黒鉛負極の(002)反射のX線回
折パターンが極大ピークに対して非対称形状であり、極
大ピークに対して低角度側が高角度側に比べて広がって
おり、かつ、前記黒鉛リチウム金属の電位を基準とした
0V〜0.5Vの電位範囲での放電容量が180mAh
/g以上である黒鉛材料からなる負極を用いることを特
徴とする。特に、X線回折における上記高結晶性黒鉛の
面間隔は、0.3354nmから0.3400nmの範
囲内にある電極が、低電位部分での単位重量当たりの充
放電容量において従来のものよりも優れていることを見
出したのである。
【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として観測される。
即ち、高結晶性黒鉛由来のピークと低結晶性黒鉛由来の
ピークとして観測され、具体例として図1、あるいは図
3に示すような高結晶性黒鉛由来のピークが極大ピーク
となり、その低角度側に低結晶性黒鉛由来のピークがシ
ョルダーとなって観測され、極大ピークに対し左右非対
称形状のX線回折パターンとなる。高結晶性黒鉛由来の
ピークにより面間隔は特定され、その面間隔は、0.3
354nmから0.3400nmの範囲内にあり、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】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。
【0010】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。
【0011】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。
【0012】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
分子/l ・流 速 0.5cm/分〜70cm/分 ・熱分解温度 450℃〜1300℃(好ましくは7
00℃〜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、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。
【0013】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、ビフェンル、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。
【0014】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。
【0015】気相法によって触媒作用のある基板上に炭
素を堆積させる場合には、ニッケルなどの触媒作用を受
けて成長する高度に黒鉛構造の発達した触媒黒鉛炭素
と、気相中で分解、重合を繰り返し成長する結晶性の低
いすす状炭素が生成する。一般的に、CVD法で触媒黒
鉛炭素を純度よく得るために、原料濃度、反応温度を適
宜選択することによってすすの発生を抑えることができ
る。本発明においては、上述するような反応条件を選択
することによって気相中で生成した低結晶性のすす状炭
素と高結晶性の触媒黒鉛化炭素が混合した電極を得るこ
とができる。
【0016】ただし、この発明では、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】高結晶性黒鉛と低結晶性黒鉛とが混在して
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、本発明の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高結晶性黒鉛と、それ
より低角度側の2θ=25°(面間隔0.356nmに
相当する)にピークをもつ低結晶性黒鉛の混合物であ
り、高結晶性黒鉛の回折強度に対する低結晶性黒鉛の回
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、高結晶性黒
鉛と低結晶性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)の単一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】本発明の二次電池は電池性能の向上に役
立つものである。そしてその製造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 平8−315824(JP,A) 特開 昭63−102166(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/00 - 4/04 H01M 4/36 - 4/62 H01M 10/40

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極、非水電解質、高結晶性黒鉛と低結
    晶性黒鉛とが混合された黒鉛材料の黒鉛負極からなるリ
    チウム二次電池であって、前記高結晶性黒鉛のX線回折
    における面間隔が0.3354nm〜0.3400nm
    であり、前記黒鉛負極は(002)反射のX線回折パタ
    ーンが極大ピークに対して非対称形状であり、極大ピー
    クに対して低角度側が高角度側に比べて広がっており、
    かつ、リチウム金属の電位を基準とした0V〜0.5Vの
    電位範囲での放電容量が180mAh/gより大きいこ
    とを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】 前記黒鉛材料は、鉄族元素又はそれを含
    む合金よりなる基板上に炭化水素化合物を出発原料とす
    る化学気相堆積法により熱分解して作製することを特徴
    とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
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