JP3658807B2 - 負極炭素材料及びその製造方法、これを用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池の負極活物質として用いられる負極炭素材料及びその製造方法に関するものであり、さらには、この負極炭素材料を負極活物質として用いた非水電解質二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやラジオカセットレコーダ（いわゆるラジカセ）等のポータブル機器の普及に伴い、使い捨てである一次電池に代わって繰り返し使用できる二次電池に対する需要が高まっている。
【０００３】
これまで使用されている二次電池の殆どは、アルカリ電解液を用いたニッケルカドミウム電池である。しかし、この電池の電圧は約１．２Ｖであるので、電池のエネルギー密度を向上させることが困難である。また、常温での自己放電率が１ヶ月で２０％以上となって高いという欠点もある。
【０００４】
そこで、電解液に非水溶媒を使用し、また、負極にリチウム等の軽金属を使用することによって、電圧が３Ｖ以上と高く、高エネルギー密度を有し、しかも、自己放電率も低い非水電解質二次電池が、検討されてきた。
【０００５】
しかしながら、このような二次電池では、負極に使用する金属リチウム等が充放電の繰り返しによりデンドライド状に成長して正極と接触し、この結果、電池内部において短絡が生じ寿命が短いものとなるという欠点を有し、実用化が困難である。
【０００６】
このため、リチウム等を他の金属と合金化し、この合金を負極に使用するようにした非水電解質二次電池が検討された。しかし、この場合は、この合金が充放電を繰り返すことにより微細粒子となり、やはり短寿命となるという欠点のために、実用化が困難である。
【０００７】
このような状況から、例えば特開昭６２−９０８６３号公報に開示されているように、コークス等の炭素質材料を負極活物質として使用する非水電解質二次電池が提案されている。この二次電池は、負極における上述のような欠点を有していないため、サイクル寿命特性に優れている。そして、正極活物質として、本願出願人が先に特開昭６３−１３５０９９号公報において提案したような、ＬｉxＭＯ2（Ｍまたは１種類または１種類よりも多い遷移金属を表し、０．０５≦ｘ≦１．１０である）を用いることで、電池寿命が向上して、念願の高エネルギー密度の非水電解質二次電池を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭素質材料を負極活物質として用いた非水電解質二次電池は、金属リチウム等を負極活物質として用いた電池に比べて、サイクル寿命、安全性には優れるものの、エネルギー密度においては劣るという点がある。かかる欠点を改善するために、充填密度を向上させる等の対策があるが、それにも限界がある。
【０００９】
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、高容量を有し、非水電解質二次電池の負極活物質として好適な、新規な負極炭素材料を提供することを目的とし、さらにはその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、サイクル寿命、安全性に優れるとともに、高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、ある特殊な炭素質材料を前駆体として用い、その前処理として、酸化処理を行い、その後、不活性ガス、または真空中にて熱処理し、焼結させることで、非常に高容量な炭素材料が得られるとの知見を得るに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理を施した後、前記酸化処理温度以上の温度にて不活性ガス雰囲気中または真空中で熱処理を施し、真比重を１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌ、好ましくは００２面の面間隔を３．３７〜３．７０オングストロームとすることを特徴とするものであり、さらにはこのようにして作成される炭素材料を負極活物質として用いることを特徴とするものである。
【００１３】
なお、ここで言うメソフェーズカーボンとは、メソフェーズピッチ単体、メソフェーズピッチを完全に炭素化したもの、メソフェーズピッチを部分的に炭素化したもの、メソフェーズピッチを含有するカーボン、例えばメソフェーズピッチとカーボンの混合体である。
【００１４】
なお、この前駆体となるメソフェーズカーボンは、最終的に焼結体として得られた負極炭素材料をそのまま電極に用いる場合には、体積膨張率が２０％以下であるのが望ましい。焼結体を粉砕して用いる場合には、メソフェーズカーボンの体積膨張率はこの範囲に限定されず、さらに体積膨張率が大きなメソフェーズカーボンを用いるようにしても良い。
【００１５】
このようにして生成される炭素材料を負極活物質として用いる非水電解液二次電池では、正極活物質はＬｉxＭＯ2（ただし、Ｍは１種以上の遷移金属であり、０．０５≦ｘ≦１．１０である。）で示される複合酸化物が適している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態について以下に説明する。
【００１７】
本発明の炭素負極材料は、メソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理を施した後、前記酸化処理温度以上の温度にて不活性ガス雰囲気中または真空中で熱処理を施して製造されるものであり、真比重が１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌとされている。
【００１８】
この前駆体として用いられるメソフェーズカーボンは、メソフェーズピッチ単体、メソフェーズピッチを完全に炭素化したもの、メソフェーズピッチを部分的に炭素化したもの、メソフェーズピッチを含有するカーボン、例えばメソフェーズピッチとカーボンの混合体である。
【００１９】
このメソフェーズカーボンは、原料を特定の温度、雰囲気にて焼成し、メソフェーズを成長させたものである。この原料としては、石油ピッチ、バインダーピッチ類等が挙げられる。この他、フラン、アントラセン、アセナフチレン等の低分子量有機化合物等が使用可能である。
【００２０】
負極炭素材料を製造するには、上記メソフェーズカーボンに対して、先ず酸化処理を行い、次いで窒素等の不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中で熱処理を施す。
【００２１】
酸化処理の手法としては、空気中等の酸化雰囲気を用いる酸化処理のほか、無機酸，有機酸による酸化処理、オゾンによる酸化処理、過マンガン酸カリウム，塩化アルミニウム等の酸化剤を用いた酸化処理が挙げられる。
【００２２】
酸化処理時の温度条件や熱処理時の温度条件は任意であるが、酸化処理時の温度よりも不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中での熱処理時の温度の方が高いことが必要である。実用的には、後者（不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中での熱処理温度）を８００℃以上とし、前者（酸化処理温度）との温度差を１００℃以上とするのがよい。
【００２３】
このようにして酸化処理を経て得られる負極炭素材料は非常に高い容量を有している。これは、酸化処理により、炭素間結合が弱い部分が形成され、真比重が低減し、リチウムをトラッピング、あるいはドーピングできるサイトが増加したためと推測される。
【００２４】
なお、これによって負極炭素材料が得られるが、負極炭素材料は、真比重が１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌの範囲であることが必要である。より好ましくは、１．５５〜１．７９ｇ／ｍｌである。また、このような真比重を得るためには、００２面の面間隔が、黒鉛構造の場合より大きく且つ３．７０オングストロームより小さいこと、すなわち３．３７〜３．７０オングストロームであることが重要である。
【００２５】
また、焼結体として得られる負極炭素材料は、そのまま電極として使用するのが最適であるが、粉砕粉のかたちで結着材とともに混合し、電極合剤として用いるようにしても良い。このような電極合剤は、例えば帯状の集電体に電極合剤層が形成された負極と正極をセパレータを介して積層し、巻回することで形成される巻回電極体に適用するこができる。
【００２６】
一方、正極にはＬｉxＭＯ2（ただしＭは１種類以上の遷移金属、好ましくは、ＣｏまたはＮｉ、Ｆｅの少なくとも１種を表し、０．０５≦Ｘ≦１．１０である。）を含んだ活物質が使用される。かかる活物質としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＮｉyＣｏ(1-y)Ｏ2（但し、０．０５≦Ｘ≦１．１０、０＜ｙ＜１）で表される複合酸化物が挙げられる。ＬｉＭｎ2Ｏ4を用いることも可能である。
【００２７】
上記複合酸化物は、例えばリチウム、コバルト、ニッケル等の炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気下６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物からも同様に合成可能である。
【００２８】
電解液も、有機溶剤に電解質を溶解したものであれば、従来から知られたものがいずれも使用できる。したがって、有機溶剤としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のエステル類や、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、置換テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ピラン及びその誘導体、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン等のエーテル類や、３−メチル−２−オキサゾリジノン等の３置換−２−オキサゾリジノン類や、スルホラン、メチルスホラン、アセトニトリル、プロピオニトル等が挙げられ、これらを単独もしくは２種類以上混合して使用される。また、電解質としては、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム、リンフッ化リチウム、塩化アルミン酸リチウム、ハロゲン化リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム等が使用できる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について説明する。
【００３０】
比較例１
最初に、正極ペレットを次のように作成した。
【００３１】
正極化合物は、炭酸リチウム０．５モルと炭酸コバルト１モルとを混合し９００℃の空気中で５時間焼成することにより、ＬｉＣｏＯ2を得た。この、ＬｉＣｏＯ2をボウルミルで粉砕することによって平均粒径１０μｍの粉体を得た。次に、このＬｉＣｏＯ2９１重量部と導電剤としてのグラファイト６重量部と結着材としてのポリフッ化ビニリデン３重量部とを混合し、これにＮ−メチルピロリドンを分散剤として加えて、ペースト作成した。そして、このペーストを乾燥し、直径１５．５ｍｍに、５トンにて成形し、正極ペレットを得た。体積密度はｄ=３．５ｇ／ｍｌであった。
【００３２】
次に、負極ペレットを次のようにして作成した。炭素材料は、ピッチコークスを振動ミル中で直径１２．７ｍｍのステンレス鋼製の球と共に１５分間粉砕することによって得た。また、このピッチコークスの真密度は、２．０３ｇ／ｃｍ3，Ｘ線回折により日本学術振興会法に準じて求めた００２面の面間隔は３．４６オングストローム、Ｃ軸方向の結晶厚みＬｃは４０オングストロームであった。平均粒径は３３μｍであった。次に、この粒状のピッチコークス９０重量部と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン１０重量部とを混合し、これにＮ−メチルピロリドンを分散剤として加えて、ペーストを作成した。このペーストを乾燥し、直径１６．０ｍｍにて成形し、負極ペレットを得た。電解液としては、炭酸エチレンと、ジエチルカーボネートとの混合液にＬｉＰＦ6を１モル／リットル溶解したものを用いた。
【００３３】
図１に示すように、上記炭素質材料負極ペレット２と上記正極ペレット１とポリプロピレン製の薄膜セパレータ３、電解液、負極カップ４、正極缶５、ガスケット６を用いて、正極ペレット１、セパレータ３、負極ペレット２の順で積層し、電解液を注入し、かしめて、ＣＲ２０２５型と同一形状（直径２０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）のリチウムイオンコイン型電池を作成した。この二次電池を比較例１とする。
【００３４】
実施例１
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．８０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００３５】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００３６】
実施例２
固定炭素８８．５％、全膨張率（体積膨張率に相当する。）０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて９５０℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００３７】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００３８】
実施例３
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて９００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００３９】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４０】
実施例４
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて８００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．６５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００４１】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４２】
実施例５
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて７００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．５５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００４３】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４４】
実施例６
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて６００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．５０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．７０オングストロームであった。
【００４５】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４６】
比較例２
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて５００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．４５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．７２オングストロームであった。
【００４７】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４８】
実施例７
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）２００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００４９】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５０】
実施例８
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）２００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００５１】
この焼結体を粉砕した後、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体粉末に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５２】
実施例Ａ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）４００℃で０．５時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００５３】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５４】
実施例Ｂ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）５００℃で０．５時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７２ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００５５】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５６】
実施例Ｃ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）６００℃で０．５時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６０オングストロームであった。
【００５７】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５８】
実施例Ｄ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）７００℃で０．１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．５０オングストロームであった。
【００５９】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００６０】
実施例Ｅ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを粉末のまま酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、これを３トンの加圧下で直径１６．５ｍｍの成形体とし、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００６１】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００６２】
比較例３
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）８００℃で０．１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて７００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．５５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００６３】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００６４】
比較例４
比較例１と同様の構成にて負極のみを人造黒鉛（ロンザ社製 商品名ＫＳ−１５）に置き換え、非水電解液二次電池を作成した。この人造黒鉛は、真比重が、２．２６ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．３６オングストロームであった。
【００６５】
なお、上述の実施例、比較例において、炭素焼結体またはその粉末の真比重及び００２面の面間隔は以下のようにして測定した。
【００６６】
真比重の測定：得られた焼結体またはその粉末を、めのう乳鉢にて微粉砕し、測定用ガラス瓶に約５ｇ装填した。そして、ブタノールを溶媒として用い、セイシン社製 商品名ＡＵＴＯ ＴＲＵＥ ＤＥＮＳＥＲ ＭＡＴ−５０００によって真比重を測定した。
【００６７】
粉末Ｘ線回折測定方法：得られた焼結体またはその粉末を、めのう乳鉢にて微粉砕し、測定用ガラス板上に約１ｍｍ程度の厚みにて装填した。そして、Ｃｕターゲットを用い、理学ガイガーフレックス（商品名ＲＡＤ−ＩＩＣ）によってＸ線回折スペクトルを観測した。格子面間隔は、未補正のチャートのカーブ上にベースラインを引き、作図によってピークトップを決定し、このピークトップから算出した。
【００６８】
作成された各非水電解質電池について、充電電流１ｍＡ、終止電圧４．２Ｖまでの定電流充電を行い、次に放電電流５ｍＡ、終止電圧３．０Ｖまで定電流放電を行うといった充放電を行い、放電容量を比較した。この結果を表１，表２に示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
【表２】
【００７１】
上記結果より、比較例に対して、各実施例は、充放電容量が優れていることが明らかである。これは、空気酸化処理により炭素間結合が弱い部分が形成され、真比重が低減し、リチウムをトラッピング、ドーピングできるサイトが増加したためと推定される。
【００７２】
ここで、比較例４で用いた黒鉛のように００２面の面間隔の狭いものは、真比重が高く、電池の充放電効率を十分に高めることができない。しかし、比較例２で用いた負極活物質のように００２面の面間隔が３．７１オングストローム以上のものは、真比重が低く過ぎるために、電極充填性が劣る。実施例系で用いた負極活物質のように、００２面の面間隔ｄが３．３７〜３．７０オングストロームであり、真比重が１．５〜１．８０ｇ／ｍｌの範囲になっているものは、リチウムをトラッピング、ドーピングできるサイトを多く有しており、また電極充填性も高い。このため、電池に高い充放電効率を与えることができる。なお、負極活物質の真比重のより好ましい範囲は、１．５５〜１．７９ｇ／ｍｌである。
【００７３】
なお、実施例Ｅのように、粉末となされたメソフェーズカーボンに空気酸化処理を施した場合にも、同様の効果がある。但し、比較例４のように、酸化処理を行った後に、酸化処理の温度よりも低い温度で熱処理を行った場合には、電池に十分な充放電効率を与えることができない。つまり、酸化処理後に不活性ガスまたは真空中で行う熱処理の温度は、酸化処理の温度以上に設定することが望ましい。
【００７４】
以上、この実施例ではメソフェーズカーボンとして１種類のものを用いたが、他の種類のメソフェーズカーボンを用いた場合でも同様の効果が得られるのは勿論である。
【００７５】
また、酸化処理として一般的な空気酸化の手法を採用したが、無機酸、有機酸による酸化処理、オゾンによる酸化処理、マンガン酸カリウム，塩化アルミニウム等の酸化剤を用いた酸化処理を採用した場合でも同様の効果を示すことは明らかである。
【００７６】
正極活物質としては、ＬｉxＭＯ2（Ｍは１種以上の遷移金属）が適しているが、他のものを使用することもできる。
【００７７】
電池の形状は、コイン型の電池に限らず、角型の電極を作成して評価を行った場合でも同傾向な結果を得ることができた。したがって、本発明は、積層タイプの角型電池やカード型電池に対しても非常に有効な技術である。また、さらに、得られた炭素焼結体は、粉砕粉としたかたちで結着材と混合して正極合剤を調製すれば、帯状の集電体上に正極合剤層が形成されてなる電極を用いる円筒型電池にも適用可能である。
【００７８】
次に、炭素前駆体として用いるメソフェーズカーボンの全膨張率（体積膨張率）について検討した。
【００７９】
実験例Ｐ−１
固定炭素８５．５％、全膨張率が６２％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）であるメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、カーボン焼結体を得た。焼結体は作成できたが、不定形をしており、電池化は不可能であった。真比重は、１．９０ｇ／ｃｍ3であった。
【００８０】
実験例Ｐ−２
固定炭素８５．５％、全膨張率が３０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）であるメソフェーズカーボンを直径１６．５に３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、カーボン焼結体を得た。焼結体は作成できたが、不定形をしており、電池化は不可能であった。真比重は、１．９０ｇ／ｃｍ3であった。
【００８１】
実験例Ｐ−３
固定炭素８５．５％、全膨張率が２０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）であるメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０のカーボン焼結体を得た。真比重は、１．８０ｇ／ｃｍ3であった。
【００８２】
実験例Ｐ−４
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である極めて低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍの径に３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。
【００８３】
これらの結果をまとめたものが表３である。
【００８４】
【表３】
【００８５】
この表からも明らかなように、全膨張率が３０％以上と大きいものは、焼結体の作製が不可能であった。したがって、全膨張率が２０％以下でないと焼結体の作製が難しく、さらに１０％以下が望ましいと思われる。
【００８６】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、非常に高容量の負極炭素材料を提供することが可能である。
【００８７】
したがって、この負極炭素材料を活物質として用いることで、サイクル寿命、安全性に優れるとともに、エネルギー密度の高い非水電解質二次電池を提供することができる。
また、全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体にすることで焼結体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において作製した電池の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 正極ペレット
２ 負極ペレット
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池の負極活物質として用いられる負極炭素材料及びその製造方法に関するものであり、さらには、この負極炭素材料を負極活物質として用いた非水電解質二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラやラジオカセットレコーダ（いわゆるラジカセ）等のポータブル機器の普及に伴い、使い捨てである一次電池に代わって繰り返し使用できる二次電池に対する需要が高まっている。
【０００３】
これまで使用されている二次電池の殆どは、アルカリ電解液を用いたニッケルカドミウム電池である。しかし、この電池の電圧は約１．２Ｖであるので、電池のエネルギー密度を向上させることが困難である。また、常温での自己放電率が１ヶ月で２０％以上となって高いという欠点もある。
【０００４】
そこで、電解液に非水溶媒を使用し、また、負極にリチウム等の軽金属を使用することによって、電圧が３Ｖ以上と高く、高エネルギー密度を有し、しかも、自己放電率も低い非水電解質二次電池が、検討されてきた。
【０００５】
しかしながら、このような二次電池では、負極に使用する金属リチウム等が充放電の繰り返しによりデンドライド状に成長して正極と接触し、この結果、電池内部において短絡が生じ寿命が短いものとなるという欠点を有し、実用化が困難である。
【０００６】
このため、リチウム等を他の金属と合金化し、この合金を負極に使用するようにした非水電解質二次電池が検討された。しかし、この場合は、この合金が充放電を繰り返すことにより微細粒子となり、やはり短寿命となるという欠点のために、実用化が困難である。
【０００７】
このような状況から、例えば特開昭６２−９０８６３号公報に開示されているように、コークス等の炭素質材料を負極活物質として使用する非水電解質二次電池が提案されている。この二次電池は、負極における上述のような欠点を有していないため、サイクル寿命特性に優れている。そして、正極活物質として、本願出願人が先に特開昭６３−１３５０９９号公報において提案したような、ＬｉxＭＯ2（Ｍまたは１種類または１種類よりも多い遷移金属を表し、０．０５≦ｘ≦１．１０である）を用いることで、電池寿命が向上して、念願の高エネルギー密度の非水電解質二次電池を得ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭素質材料を負極活物質として用いた非水電解質二次電池は、金属リチウム等を負極活物質として用いた電池に比べて、サイクル寿命、安全性には優れるものの、エネルギー密度においては劣るという点がある。かかる欠点を改善するために、充填密度を向上させる等の対策があるが、それにも限界がある。
【０００９】
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、高容量を有し、非水電解質二次電池の負極活物質として好適な、新規な負極炭素材料を提供することを目的とし、さらにはその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、サイクル寿命、安全性に優れるとともに、高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、ある特殊な炭素質材料を前駆体として用い、その前処理として、酸化処理を行い、その後、不活性ガス、または真空中にて熱処理し、焼結させることで、非常に高容量な炭素材料が得られるとの知見を得るに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は、全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理を施した後、前記酸化処理温度以上の温度にて不活性ガス雰囲気中または真空中で熱処理を施し、真比重を１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌ、好ましくは００２面の面間隔を３．３７〜３．７０オングストロームとすることを特徴とするものであり、さらにはこのようにして作成される炭素材料を負極活物質として用いることを特徴とするものである。
【００１３】
なお、ここで言うメソフェーズカーボンとは、メソフェーズピッチ単体、メソフェーズピッチを完全に炭素化したもの、メソフェーズピッチを部分的に炭素化したもの、メソフェーズピッチを含有するカーボン、例えばメソフェーズピッチとカーボンの混合体である。
【００１４】
なお、この前駆体となるメソフェーズカーボンは、最終的に焼結体として得られた負極炭素材料をそのまま電極に用いる場合には、体積膨張率が２０％以下であるのが望ましい。焼結体を粉砕して用いる場合には、メソフェーズカーボンの体積膨張率はこの範囲に限定されず、さらに体積膨張率が大きなメソフェーズカーボンを用いるようにしても良い。
【００１５】
このようにして生成される炭素材料を負極活物質として用いる非水電解液二次電池では、正極活物質はＬｉxＭＯ2（ただし、Ｍは１種以上の遷移金属であり、０．０５≦ｘ≦１．１０である。）で示される複合酸化物が適している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態について以下に説明する。
【００１７】
本発明の炭素負極材料は、メソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理を施した後、前記酸化処理温度以上の温度にて不活性ガス雰囲気中または真空中で熱処理を施して製造されるものであり、真比重が１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌとされている。
【００１８】
この前駆体として用いられるメソフェーズカーボンは、メソフェーズピッチ単体、メソフェーズピッチを完全に炭素化したもの、メソフェーズピッチを部分的に炭素化したもの、メソフェーズピッチを含有するカーボン、例えばメソフェーズピッチとカーボンの混合体である。
【００１９】
このメソフェーズカーボンは、原料を特定の温度、雰囲気にて焼成し、メソフェーズを成長させたものである。この原料としては、石油ピッチ、バインダーピッチ類等が挙げられる。この他、フラン、アントラセン、アセナフチレン等の低分子量有機化合物等が使用可能である。
【００２０】
負極炭素材料を製造するには、上記メソフェーズカーボンに対して、先ず酸化処理を行い、次いで窒素等の不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中で熱処理を施す。
【００２１】
酸化処理の手法としては、空気中等の酸化雰囲気を用いる酸化処理のほか、無機酸，有機酸による酸化処理、オゾンによる酸化処理、過マンガン酸カリウム，塩化アルミニウム等の酸化剤を用いた酸化処理が挙げられる。
【００２２】
酸化処理時の温度条件や熱処理時の温度条件は任意であるが、酸化処理時の温度よりも不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中での熱処理時の温度の方が高いことが必要である。実用的には、後者（不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中での熱処理温度）を８００℃以上とし、前者（酸化処理温度）との温度差を１００℃以上とするのがよい。
【００２３】
このようにして酸化処理を経て得られる負極炭素材料は非常に高い容量を有している。これは、酸化処理により、炭素間結合が弱い部分が形成され、真比重が低減し、リチウムをトラッピング、あるいはドーピングできるサイトが増加したためと推測される。
【００２４】
なお、これによって負極炭素材料が得られるが、負極炭素材料は、真比重が１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌの範囲であることが必要である。より好ましくは、１．５５〜１．７９ｇ／ｍｌである。また、このような真比重を得るためには、００２面の面間隔が、黒鉛構造の場合より大きく且つ３．７０オングストロームより小さいこと、すなわち３．３７〜３．７０オングストロームであることが重要である。
【００２５】
また、焼結体として得られる負極炭素材料は、そのまま電極として使用するのが最適であるが、粉砕粉のかたちで結着材とともに混合し、電極合剤として用いるようにしても良い。このような電極合剤は、例えば帯状の集電体に電極合剤層が形成された負極と正極をセパレータを介して積層し、巻回することで形成される巻回電極体に適用するこができる。
【００２６】
一方、正極にはＬｉxＭＯ2（ただしＭは１種類以上の遷移金属、好ましくは、ＣｏまたはＮｉ、Ｆｅの少なくとも１種を表し、０．０５≦Ｘ≦１．１０である。）を含んだ活物質が使用される。かかる活物質としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＮｉyＣｏ(1-y)Ｏ2（但し、０．０５≦Ｘ≦１．１０、０＜ｙ＜１）で表される複合酸化物が挙げられる。ＬｉＭｎ2Ｏ4を用いることも可能である。
【００２７】
上記複合酸化物は、例えばリチウム、コバルト、ニッケル等の炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気下６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物からも同様に合成可能である。
【００２８】
電解液も、有機溶剤に電解質を溶解したものであれば、従来から知られたものがいずれも使用できる。したがって、有機溶剤としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のエステル類や、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、置換テトラヒドロフラン、ジオキソラン、ピラン及びその誘導体、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン等のエーテル類や、３−メチル−２−オキサゾリジノン等の３置換−２−オキサゾリジノン類や、スルホラン、メチルスホラン、アセトニトリル、プロピオニトル等が挙げられ、これらを単独もしくは２種類以上混合して使用される。また、電解質としては、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム、リンフッ化リチウム、塩化アルミン酸リチウム、ハロゲン化リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム等が使用できる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について説明する。
【００３０】
比較例１
最初に、正極ペレットを次のように作成した。
【００３１】
正極化合物は、炭酸リチウム０．５モルと炭酸コバルト１モルとを混合し９００℃の空気中で５時間焼成することにより、ＬｉＣｏＯ2を得た。この、ＬｉＣｏＯ2をボウルミルで粉砕することによって平均粒径１０μｍの粉体を得た。次に、このＬｉＣｏＯ2９１重量部と導電剤としてのグラファイト６重量部と結着材としてのポリフッ化ビニリデン３重量部とを混合し、これにＮ−メチルピロリドンを分散剤として加えて、ペースト作成した。そして、このペーストを乾燥し、直径１５．５ｍｍに、５トンにて成形し、正極ペレットを得た。体積密度はｄ=３．５ｇ／ｍｌであった。
【００３２】
次に、負極ペレットを次のようにして作成した。炭素材料は、ピッチコークスを振動ミル中で直径１２．７ｍｍのステンレス鋼製の球と共に１５分間粉砕することによって得た。また、このピッチコークスの真密度は、２．０３ｇ／ｃｍ3，Ｘ線回折により日本学術振興会法に準じて求めた００２面の面間隔は３．４６オングストローム、Ｃ軸方向の結晶厚みＬｃは４０オングストロームであった。平均粒径は３３μｍであった。次に、この粒状のピッチコークス９０重量部と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン１０重量部とを混合し、これにＮ−メチルピロリドンを分散剤として加えて、ペーストを作成した。このペーストを乾燥し、直径１６．０ｍｍにて成形し、負極ペレットを得た。電解液としては、炭酸エチレンと、ジエチルカーボネートとの混合液にＬｉＰＦ6を１モル／リットル溶解したものを用いた。
【００３３】
図１に示すように、上記炭素質材料負極ペレット２と上記正極ペレット１とポリプロピレン製の薄膜セパレータ３、電解液、負極カップ４、正極缶５、ガスケット６を用いて、正極ペレット１、セパレータ３、負極ペレット２の順で積層し、電解液を注入し、かしめて、ＣＲ２０２５型と同一形状（直径２０ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）のリチウムイオンコイン型電池を作成した。この二次電池を比較例１とする。
【００３４】
実施例１
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．８０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００３５】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００３６】
実施例２
固定炭素８８．５％、全膨張率（体積膨張率に相当する。）０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて９５０℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００３７】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００３８】
実施例３
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて９００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００３９】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４０】
実施例４
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて８００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．６５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００４１】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４２】
実施例５
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて７００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．５５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００４３】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４４】
実施例６
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて６００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．５０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．７０オングストロームであった。
【００４５】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４６】
比較例２
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて５００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．４５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．７２オングストロームであった。
【００４７】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００４８】
実施例７
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）２００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００４９】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５０】
実施例８
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）２００℃で１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００５１】
この焼結体を粉砕した後、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体粉末に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５２】
実施例Ａ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）４００℃で０．５時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００５３】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５４】
実施例Ｂ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）５００℃で０．５時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７２ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００５５】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５６】
実施例Ｃ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）６００℃で０．５時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７０ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６０オングストロームであった。
【００５７】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００５８】
実施例Ｄ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）７００℃で０．１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．５０オングストロームであった。
【００５９】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００６０】
実施例Ｅ
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを粉末のまま酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）３００℃で１時間処理を行い、その後、これを３トンの加圧下で直径１６．５ｍｍの成形体とし、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６６オングストロームであった。
【００６１】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００６２】
比較例３
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、酸化雰囲気中にて（本実施例は空気中にて）８００℃で０．１時間処理を行い、その後、酸化雰囲気を不活性ガス（窒素）に変更し、不活性ガス中にて７００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．５５ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．６７オングストロームであった。
【００６３】
次いで、比較例１と同様の構成にて負極のみをこのカーボン焼結体に置き換え、非水電解質二次電池を作成した。
【００６４】
比較例４
比較例１と同様の構成にて負極のみを人造黒鉛（ロンザ社製 商品名ＫＳ−１５）に置き換え、非水電解液二次電池を作成した。この人造黒鉛は、真比重が、２．２６ｇ／ｃｍ3であった。また、Ｘ線回折法による００２面の面間隔ｄは３．３６オングストロームであった。
【００６５】
なお、上述の実施例、比較例において、炭素焼結体またはその粉末の真比重及び００２面の面間隔は以下のようにして測定した。
【００６６】
真比重の測定：得られた焼結体またはその粉末を、めのう乳鉢にて微粉砕し、測定用ガラス瓶に約５ｇ装填した。そして、ブタノールを溶媒として用い、セイシン社製 商品名ＡＵＴＯ ＴＲＵＥ ＤＥＮＳＥＲ ＭＡＴ−５０００によって真比重を測定した。
【００６７】
粉末Ｘ線回折測定方法：得られた焼結体またはその粉末を、めのう乳鉢にて微粉砕し、測定用ガラス板上に約１ｍｍ程度の厚みにて装填した。そして、Ｃｕターゲットを用い、理学ガイガーフレックス（商品名ＲＡＤ−ＩＩＣ）によってＸ線回折スペクトルを観測した。格子面間隔は、未補正のチャートのカーブ上にベースラインを引き、作図によってピークトップを決定し、このピークトップから算出した。
【００６８】
作成された各非水電解質電池について、充電電流１ｍＡ、終止電圧４．２Ｖまでの定電流充電を行い、次に放電電流５ｍＡ、終止電圧３．０Ｖまで定電流放電を行うといった充放電を行い、放電容量を比較した。この結果を表１，表２に示す。
【００６９】
【表１】
【表２】
上記結果より、比較例に対して、各実施例は、充放電容量が優れていることが明らかである。これは、空気酸化処理により炭素間結合が弱い部分が形成され、真比重が低減し、リチウムをトラッピング、ドーピングできるサイトが増加したためと推定される。
【００７２】
ここで、比較例４で用いた黒鉛のように００２面の面間隔の狭いものは、真比重が高く、電池の充放電効率を十分に高めることができない。しかし、比較例２で用いた負極活物質のように００２面の面間隔が３．７１オングストローム以上のものは、真比重が低く過ぎるために、電極充填性が劣る。実施例系で用いた負極活物質のように、００２面の面間隔ｄが３．３７〜３．７０オングストロームであり、真比重が１．５〜１．８０ｇ／ｍｌの範囲になっているものは、リチウムをトラッピング、ドーピングできるサイトを多く有しており、また電極充填性も高い。このため、電池に高い充放電効率を与えることができる。なお、負極活物質の真比重のより好ましい範囲は、１．５５〜１．７９ｇ／ｍｌである。
【００７３】
なお、実施例Ｅのように、粉末となされたメソフェーズカーボンに空気酸化処理を施した場合にも、同様の効果がある。但し、比較例４のように、酸化処理を行った後に、酸化処理の温度よりも低い温度で熱処理を行った場合には、電池に十分な充放電効率を与えることができない。つまり、酸化処理後に不活性ガスまたは真空中で行う熱処理の温度は、酸化処理の温度以上に設定することが望ましい。
【００７４】
以上、この実施例ではメソフェーズカーボンとして１種類のものを用いたが、他の種類のメソフェーズカーボンを用いた場合でも同様の効果が得られるのは勿論である。
【００７５】
また、酸化処理として一般的な空気酸化の手法を採用したが、無機酸、有機酸による酸化処理、オゾンによる酸化処理、マンガン酸カリウム，塩化アルミニウム等の酸化剤を用いた酸化処理を採用した場合でも同様の効果を示すことは明らかである。
【００７６】
正極活物質としては、ＬｉxＭＯ2（Ｍは１種以上の遷移金属）が適しているが、他のものを使用することもできる。
【００７７】
電池の形状は、コイン型の電池に限らず、角型の電極を作成して評価を行った場合でも同傾向な結果を得ることができた。したがって、本発明は、積層タイプの角型電池やカード型電池に対しても非常に有効な技術である。また、さらに、得られた炭素焼結体は、粉砕粉としたかたちで結着材と混合して正極合剤を調製すれば、帯状の集電体上に正極合剤層が形成されてなる電極を用いる円筒型電池にも適用可能である。
【００７８】
次に、炭素前駆体として用いるメソフェーズカーボンの全膨張率（体積膨張率）について検討した。
【００７９】
実験例Ｐ−１
固定炭素８５．５％、全膨張率が６２％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）であるメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、カーボン焼結体を得た。焼結体は作成できたが、不定形をしており、電池化は不可能であった。真比重は、１．９０ｇ／ｃｍ3であった。
【００８０】
実験例Ｐ−２
固定炭素８５．５％、全膨張率が３０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）であるメソフェーズカーボンを直径１６．５に３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、カーボン焼結体を得た。焼結体は作成できたが、不定形をしており、電池化は不可能であった。真比重は、１．９０ｇ／ｃｍ3であった。
【００８１】
実験例Ｐ−３
固定炭素８５．５％、全膨張率が２０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）であるメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍに３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０のカーボン焼結体を得た。真比重は、１．８０ｇ／ｃｍ3であった。
【００８２】
実験例Ｐ−４
固定炭素８８．５％、全膨張率０％（石炭の熱膨張試験に用いられるディラトメータによる試験による）である極めて低膨張性のメソフェーズカーボンを直径１６．５ｍｍの径に３トンにて成形し、不活性ガス中にて１０００℃の温度で３時間焼成し、直径１６．０ｍｍのカーボン焼結体を得た。真比重は、１．７９ｇ／ｃｍ3であった。
【００８３】
これらの結果をまとめたものが表３である。
【００８４】
【表３】
この表からも明らかなように、全膨張率が３０％以上と大きいものは、焼結体の作製が不可能であった。したがって、全膨張率が２０％以下でないと焼結体の作製が難しく、さらに１０％以下が望ましいと思われる。
【００８６】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、非常に高容量の負極炭素材料を提供することが可能である。
【００８７】
したがって、この負極炭素材料を活物質として用いることで、サイクル寿命、安全性に優れるとともに、エネルギー密度の高い非水電解質二次電池を提供することができる。
また、全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体にすることで焼結体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において作製した電池の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 正極ペレット
２ 負極ペレット
Claims (8)
- 全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理及び前記酸化処理温度以上の温度での不活性ガス雰囲気中または真空中処理が順次施されてなり、真比重が１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌとされてなることを特徴とする非水電解質二次電池用の負極炭素材料。
- ００２面の面間隔が３．３７〜３．７０オングストロームであることを特徴とする請求項１記載の非水電解質二次電池用の負極炭素材料。
- 全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理を施した後、前記酸化処理温度以上の温度にて不活性ガス雰囲気中または真空中で熱処理を施し、真比重を１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌとすることを特徴とする非水電解質二次電池用の負極炭素材料の製造方法。
- メソフェーズカーボンに対する酸化処理を、酸化性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項３記載の非水電解質二次電池用の負極炭素材料の製造方法。
- 全膨張率が２０％以下であるメソフェーズカーボンを炭素前駆体として用い、このメソフェーズカーボンに対して酸化処理及び前記酸化処理温度以上の温度での不活性ガス雰囲気中または真空中処理が順次施されてなり、真比重が１．５０〜１．８０ｇ／ｍｌとされてなる炭素材料を負極活物質とする非水電解質二次電池。
- 焼結体として得られた炭素材料をそのまま負極活物質として用いることを特徴とする請求項５記載の非水電解質二次電池。
- 焼結体として得られた炭素材料を粉砕して負極活物質として用いることを特徴とする請求項５記載の非水電解質二次電池。
- 正極活物質がＬｉｘＭＯ２（ただし、Ｍは１種以上の遷移金属であり、０．０５≦ｘ≦１．１０である。）で示される複合酸化物であることを特徴とする請求項５記載の非水電解質二次電池。
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