JP4254947B2 - Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material - Google Patents

Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material Download PDF

Info

Publication number
JP4254947B2
JP4254947B2 JP2003091135A JP2003091135A JP4254947B2 JP 4254947 B2 JP4254947 B2 JP 4254947B2 JP 2003091135 A JP2003091135 A JP 2003091135A JP 2003091135 A JP2003091135 A JP 2003091135A JP 4254947 B2 JP4254947 B2 JP 4254947B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon material
negative electrode
polycyclic
secondary battery
electrode active
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003091135A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004303428A5 (en
JP2004303428A (en
Inventor
雅人 白方
環 三浦
徹 鎌田
龍朗 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Sumitomo Bakelite Co Ltd
Original Assignee
NEC Corp
Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp, Sumitomo Bakelite Co Ltd filed Critical NEC Corp
Priority to JP2003091135A priority Critical patent/JP4254947B2/en
Publication of JP2004303428A publication Critical patent/JP2004303428A/en
Publication of JP2004303428A5 publication Critical patent/JP2004303428A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4254947B2 publication Critical patent/JP4254947B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素材、その製造方法、および当該炭素材を負極活物質として用いた二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子技術の発達に伴い、電子機器の小型化および軽量化が要求されるようになっている。これに伴い、電子機器に搭載される電源電池に関しても、さらなる小型化および軽量化、かつ高エネルギー密度化が求められるようになっている。
【0003】
従来、このような電子機器には、ニッケル・カドミウム二次電池や鉛二次電池が使用されてきたが、これらの二次電池は放電電圧が低く、小型軽量・高エネルギー化の期待に沿えていない。最近、これらの二次電池にかわるものとして、負極にリチウムを吸蔵放出可能な炭素材料を用い、正極にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池が用いられるようになってきた。
【0004】
リチウムイオン二次電池は、高い放電電圧と高エネルギー密度を有しており、高エネルギー化や小型軽量化の要求に沿うものと期待されている。 このようなリチウムイオン二次電池では、炭素材料の層間にリチウムがインターカレーション/デインターカレーションする現象を利用している。そのため、充放電サイクルが進行しても、炭素材料を使用した負極上にはデンドライト状リチウムが析出されず、安全性も保証される。さらに、このようなリチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度を有し、優れた充放電サイクル特性を示す。
【0005】
炭素材料の一例として、天然黒鉛が挙げられる(特許文献1)。
【0006】
また、各種クレゾールや各種キシレノール等のフェノール樹脂を用いた炭素材料が例示されている(特許文献2)。
【0007】
【特許文献1】
特開平05−028996号公報
【特許文献2】
特開平10−188978号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、黒鉛を負極の炭素材料として用いた場合、理論充放電容量に上限があり、さらにサイクル特性が乏しく、電池特性が低いという問題があった。また、従来、各種フェノール樹脂を使用した場合でも、後述するような問題があった。
【0009】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、リチウムイオン二次電池の電池特性を高める技術を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
特開平10−188978号公報には、各種クレゾールや各種キシレノール等のフェノール樹脂(以下通常のフェノール樹脂という)を用いた炭素材が例示されている。しかし、通常のフェノール樹脂を用いた炭素材においては、三次元骨格が成長している為に炭素材の細孔容積を小さくするのが難しいという問題があった。細孔容積を小さくすることにより、炭素材を二次電池の負極活物質として用いたときに、細孔内に吸蔵したリチウムを可逆的に放出できる量が増加し、充放電効率を高めることができる。また、ここでは、炭素材の原料としてナフトールも例示されているが、単にナフトールを用いて従来の方法で炭素材を製造しても、ナフトールは2核体を形成すると溶媒に対する溶解性が非常に小さくなり、2核体よりも大きい分子量を有するナフトール樹脂を得ることが困難となり、低分子量の樹脂しか得ることができなかった。このような低分子量の樹脂を原料として炭素材を製造すると、収率が大きく低下するという問題があった。したがって、従来の方法では、炭素材の細孔容積を小さくして効率よく炭素材を形成するのは困難であった。
【0011】
本願の発明者は、ナフトール樹脂のような多環フェノール樹脂を炭素材の原料として用い、製造方法を工夫することで、樹脂構造の規則性を高めることができ、細孔容積の小さい炭素材を製造することができることを見いだした。このように細孔容積が小さく、樹脂構造の規則性が高い炭素材を負極活物質として用いることにより、リチウムイオン二次電池の充放電容量および充放電効率を高めることができる。
【0012】
本発明によれば、二次電池の負極活物質に用いられる炭素材であって、二以上の芳香環を含む多環フェノール類とアルデヒド類とを反応させて合成された多環フェノール樹脂を炭化処理することにより得られ、表面に複数の細孔が形成され、当該細孔の細孔容積が0.01ml/kg以上、2.3ml/kg以下である炭素材が提供される。
【0013】
ここで、細孔容積は、COを吸着ガスとして用いて測定されたものであり、0.33nmを超える細孔径を有するものとすることができる。多環フェノール類を原料として樹脂を形成し炭素材を形成することにより、このように細孔容積を小さくすることができる。細孔容積を50ml/kg以下とすることにより、細孔内に吸蔵したリチウムを可逆的に放出できる量が増加し、二次電池の充放電容量および充放電効率を高めることができる。
【0014】
多環フェノール類を原料としてフェノール樹脂を形成する場合、多環フェノール類モノマーおよび反応初期に生成する多環フェノール類の2核体成分を均一に溶解させ、多環フェノール類の2核体成分が溶融する温度になるまで2核体成分を溶解した状態を保ち、さらに重合化させることのできるような溶媒を選択する必要がある。これにより、高分子量の樹脂を得ることができる。このような高分子量の樹脂を原料とすることにより、効率よく細孔容積の小さい炭素材を形成することができる。このような溶媒としては、多環フェノール類の2核体成分が溶融する100℃〜200℃の温度域で還流反応を持続できるような沸点を有するものが好ましく用いられる。このような溶媒としては、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、エチルブチルケトン等のケトン類、エチレングリコール、ペンタノール、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類のほか、トルエン、キシレン等の石油類を例示することができる。
【0015】
本発明の炭素材において、炭素材の炭素含有率は95重量%以上とすることができる。
【0016】
炭素材の炭素含有量がこのような範囲であるときに、リチウムイオンが炭素材に電気的に吸着するのを防ぐことができ、二次電池の充放電効率を高めることができる。多環フェノール類を原料として樹脂を形成し炭素材を形成することにより、このように炭素含有量が高い炭素材を形成することができる。
【0017】
本発明の炭素材において、多環フェノール類は、縮合環を含むことができる。これにより、樹脂構造の規則性を高めることができ、細孔容積の小さい炭素材を形成することができる。ここで、縮合環はナフタレン骨格を有するものとすることができる。これにより、樹脂構造の規則性を高めることができるとともに、環縮合が進行しやすく、細孔容積の小さい炭素材を形成することができる。
【0018】
本発明の炭素材において、多環フェノール類は、ナフトール類、アントラセン類、またはビ−ナフトール類を含むことができる。
【0019】
本発明によれば、以上の炭素材を負極活物質として用いた二次電池が提供される。これにより、二次電池の充放電容量および充放電効率を高めることができる。
【0020】
本発明によれば、二次電池の負極活物質に用いられる炭素材を製造する方法であって、二以上の芳香環を含む多環フェノール類とアルデヒド類とを沸点が100℃以上の溶媒に溶解させ、100℃以上で多環フェノール類とアルデヒド類とを反応させてフェノール樹脂組成物を製造する工程と、フェノール樹脂組成物を熱処理する工程と、を含む炭素材の製造方法が提供される。
【0021】
上述したように、多環フェノール類を原料としてフェノール樹脂を形成する場合、多環フェノール類モノマーおよび反応初期に生成する多環フェノール類の2核体成分を均一に溶解させ、多環フェノール類の2核体成分が溶融する温度まで反応系に残存して多環フェノール類をさらに重合化させることのできるような溶媒を選択する必要がある。多環フェノール類の2核体成分は、約100℃〜200℃で溶融するため、二以上の芳香環を含む多環フェノール類とアルデヒド類とを沸点が100℃以上の溶媒に溶解させることにより、高分子量の多環フェノール樹脂を得ることができる。このような高分子量の多環フェノール樹脂を原料とすることにより、効率よく細孔容積の小さい炭素材を形成することができる。
【0022】
ここで、このような溶媒としては、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、エチルブチルケトン、エチレングリコール、ペンタノール、ブタノール、シクロヘキサノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、トルエン、キシレンから選択される1または2以上が例示される。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の二次電池の構成を示す概略図である。二次電池10は、負極活物質12および負極集電体14により構成される負極13と、電解液16と、セパレータ18と、ならびに正極活物質20および正極集電体22により構成される正極21とを含む。
【0024】
負極13において、負極集電体14としては、たとえば銅箔またはニッケル箔を用いることができる。
【0025】
次に、本発明の負極活物質(負極材)12について説明する。負極活物質12としては、以下に説明する炭素材が用いられる。
【0026】
本発明の炭素材は、二以上の芳香環を有する多環フェノール類と、アルデヒド類とから合成される多環フェノール樹脂を含有する樹脂組成物を炭化処理して形成される。
【0027】
多環フェノール樹脂の合成に用いられる、多環フェノール類としては、たとえば、α−ナフトールまたはβ−ナフトール等のナフトール類、α−ナフトヒドロキノン(4,4−ナフタレンジオール)またはβ−ナフトヒドロキノン(1,2−ナフタレンジオール)等のジオキシナフタレン類、1,1’−ビ−2−ナフトールまたは1,1−メチレン−ビ−2−ナフトール等のビ−ナフトール類、α−アントロールまたはβ−アントロール等のモノオキシアントラセン類、1,2−ジオキシアントラセン、または9,10−ジオキシアントラセン(アントラキノール)等のジオキシアントラセン類、p−ベンジルフェノール、4,4’−イソプロピリデンジフェノール、またはビスフェノールF等のベンジルフェノール類、あるいは、p−フェニルフェノール、または4,4−ビフェノール等のフェニルフェノール類等が挙げられる。これらの中から単独または2種類以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、ナフトール類、ジオキシナフタレン類、ビ−ナフトール類、モノオキシアントラセン類、またはジオキシアントラセン類がとくに好ましく用いられる。これにより、樹脂構造の規則性を高めることができるとともに、環縮合が進行しやすく、細孔容積の小さい炭素材を形成することができる。また、ベンジルフェノール類も好ましく用いられる。
【0028】
なお、このような多環フェノール類に加えて、これら以外のフェノール類を併用することもできる。この場合、多環フェノール類以外のフェノール類の配合量は、本発明の炭素材の特性を損なわない程度に、少量とすることが好ましい。
【0029】
多環フェノール樹脂の合成に用いられるアルデヒド類としては、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、トリオキサン、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ポリオキシメチレン、クロラール、フルフラール、グリオキザール、n−ブチルアルデヒド、カプロアルデヒド、アリルアルデヒド、ベンズアルデヒド、クロトンアルデヒド、アクロレイン、テトラオキシメチレン、フェニルアセトアルデヒド、o−トルアルデヒド、サリチルアルデヒド等が挙げられる。これらの中から単独または2種類以上を組み合わせて用いることができる。
【0030】
多環フェノール樹脂は、たとえば、多環フェノール類およびアルデヒド類を配合し、酸性または塩基性触媒を用いて反応させることにより製造される。モノマー類の反応モル比は、たとえば、多環フェノール類(P)に対するアルデヒド類(F)のモル数を、モル比(F/P)で0.3〜3.0とすることができる。このうち、例えば酸性触媒を用いてノボラックタイプの多環フェノール樹脂を製造する場合は、上記反応モル比を0.3〜1.0、好ましくは0.6〜0.8とすることができる。なお、酸性および塩基性触媒としては、フェノール樹脂の合成に用いられる既知のものを使用することができる。
【0031】
多環フェノール類とアルデヒド類を反応させると、反応初期に多環フェノール類の2核体成分が生成する。この後に反応系を昇温して反応系から水分を除去するとともに、多環フェノール類の2核体を溶融させて均一系で反応させることにより高分子化することができる。従来のフェノール類モノマーを原料とするフェノール樹脂を製造する場合には、原料が液状であり、生成した2核体成分も反応系に溶解するので、とくに溶媒を用いることなく、このまま反応を進行させることができる。しかし、本発明のように、固形の多環フェノール類モノマーを原料として多環フェノール樹脂を製造する場合は、固形のモノマーを溶解させるために適切な溶媒を選択する必要がある。また、反応初期に生成する2核体成分は、低温では溶媒に溶解できずに析出してしまうという性質を有する。2核体成分が溶媒に溶解していないと、2核体成分が析出してしまい、溶融させて均一系で反応させることができず、それ以上高分子化する反応が実質的に進行しなくなってしまう。
【0032】
このため、多環フェノール樹脂を製造するにあたっては、原料の多環フェノール類モノマーを溶解、かつ、2核体成分を溶解可能な100〜200℃の温度域で、還流反応を持続できるような沸点を有する溶媒を選択するのが好ましい。また、ここで用いられる溶媒は、還流反応後、反応系をさらに昇温して溶剤と水分を除去する際に、2核体成分が溶融するたとえば110〜150℃の温度になるまで反応系に残存し、2核体成分が析出しないようにして2核体の溶融を補助する機能を有するものであることが好ましい。このような溶媒としては、たとえば、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、エチルブチルケトン等のケトン類、エチレングリコール、ペンタノール、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類のほか、トルエン、キシレン等の石油類が挙げられる。このような溶媒を用い、上記反応温度で0.1〜5時間反応させ、この後脱水反応を行うことにより、多環フェノール樹脂を製造することができる。
【0033】
本発明の炭素材は、上記多環フェノール樹脂に加えて、上記多環フェノール樹脂以外のフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂のほか、石油ピッチ、石炭ピッチ、紡糸用ピッチ等を配合して製造することができる。これらの材料を単独あるいは二種以上併用して用いることもできる。上記多環フェノール樹脂以外の樹脂としては、各樹脂を構成するモノマー中にもともと含まれる環、またはモノマー中の置換基等から誘導された環を多く含有するものを用いることが好ましい。
【0034】
また、本発明の炭素材は、樹脂以外にも、樹脂の硬化剤、種々のモノマー成分、200〜800℃にて炭化した炭素材前駆体、金属、金属化合物、黒鉛、黒鉛変性剤等の添加剤等を配合して製造することができる。
【0035】
本発明のフェノール樹脂組成物は、上記多環フェノール樹脂を50重量%以上含有することが好ましく、80重量%以上含有することがさらに好ましい。
【0036】
本発明の炭素材が複数種の樹脂を原料として製造される場合、それらを化学的に反応させてもよいし、混練ロール、二軸混練機、ニーダー等の混練装置により物理的に混合することもできる。
【0037】
上述したようにして多環フェノール樹脂を製造した後、硬化処理を行う。硬化処理は、たとえば、熱硬化、酸硬化、酸無水物硬化、またはアミン硬化等の方法を用いて行うことができる。
【0038】
硬化処理の後、熱処理による炭化処理を行う。炭化処理は、たとえば、800℃以上1500℃以下の温度で0.1時間以上50時間以下の間、より好ましくは1時間以上15時間以下の間行われる。炭化処理は、窒素またはヘリウム等の不活性ガス雰囲気下、あるいは不活性ガス中に微量の酸素が存在するガス雰囲気下で行うことができる。このような炭化処理時の温度、時間等により、炭素材の特性を最適なものに調整することができる。
【0039】
本発明の炭素材の炭素含有率は、好ましくは95重量%以上、より好ましくは97重量%以上とする。これにより、充放電効率の高い負極活物質を得ることができる。炭素含有率が上記下限値より低い場合、炭素原子以外の極性の高い原子の含有量が増加する為に、リチウムイオンが炭素材に電気的に吸着してしまう可能性が高くなり、結果として充放電効率が低くなる傾向がある。
【0040】
また、本発明の炭素材において、炭素材表面に複数の細孔が形成される。ここで、細孔は、COを吸着ガスとして用いて測定されたものであり、0.33nmを超える細孔径を有するものである。細孔容積は、好ましくは0.01〜50ml/kg、より好ましくは、0.1〜5ml/kgである。
【0041】
これにより、充電容量を確保し、充放電効率を良好なものにすることができる。このような範囲の細孔径を有する細孔の細孔容積が0.01ml/kgより小さいと、リチウムを吸蔵・放出することができる可逆的な細孔そのものが減少するため、充放電容量が小さくなる傾向がある。また、このような範囲の細孔径を有する細孔の細孔容積が50ml/kgより大きいと、吸蔵できるリチウムは多くなるが放出が困難な不可逆な細孔も多くなり、充放電効率が低下するようになる。また、範囲の細孔径を有する細孔の細孔容積が5ml/kgより小さいと、吸蔵したリチウムをさらに効率よく放出することができ、これにより充放電効率を高めることができる。
【0042】
本発明の炭素材は、上記多環フェノール類から合成した多環フェノール樹脂を主成分として含有するため、硬化・炭化時における細孔形成のプロセスが通常のフェノール樹脂を主成分とするものとは異なり、樹脂構造の規則性が高く、また細孔容積が小さい炭素材の製造が可能となる。これにより、本発明の炭素材をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いた場合、優れた特性を示し、リチウムイオン二次電池の高い充放電容量および充放電効率を確保することができる。
【0043】
なお、本発明の炭素材の製造時に金属または他の炭素材料となりうる材料等で変性したり、顔料、滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤等他の添加剤を添加したりすることもできる。
【0044】
本発明の負極13は、たとえば、以下のようにして製造される。
上記炭素材100重量部に対して、有機高分子結着剤(ポリエチレン、ポリプロピレン等を含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴム等のゴム状高分子等)1〜30重量部、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド等)を添加して混練して、ペースト状にした混合物を圧縮成形、ロール成形等によりシート状、ペレット状等に成形して負極活物質12を作製し、これを負極集電体14と積層させることにより製造する。
【0045】
また、上記炭素材100重量部に対して、有機高分子結着剤(ポリエチレン、ポリプロピレン等を含むフッ素系高分子、ブチルゴム、ブタジエンゴム等のゴム状高分子等)1〜30重量部、および適量の粘度調整用溶剤(N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド等)を添加して混練して、スラリー状にした混合物を銅箔、ニッケル箔等の集電体に塗布成形して製造することもできる。
【0046】
本発明における電解液16としては、水系、または非水系のものを用いることができるが、通常は非水系のものが用いられる。非水系の電解液16としては、たとえば非水系溶媒に電解質となるリチウム塩を溶解したものが用いられる。非水系溶媒としては、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環状エステル類、ジエチルカーボネート等の鎖状エステル類、ジメトキシエタン等のエーテル類等の混合物等を用いることができる。電解質としては、LiClO、LiPF等のリチウム金属塩、テトラアルキルアンモニウム塩等を用いることができる。また、上記塩類をポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル等に混合した固体電解質を用いることもできる。
【0047】
セパレータ18としては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の微多孔質フィルム、不織布等を用いることができる。
【0048】
正極11において、正極活物質(正極材)20としては、とくに限定されないが、リチウムコバルト酸化物(LiCoO)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO)、リチウムマンガン酸化物(LiMn)等の複合酸化物やポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子等を用いることができる。正極集電体22としては、たとえばアルミニウム箔を用いることができる。本発明の正極21は、既知の正極の製造方法により製造される。
【0049】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0050】
1.炭素材の製造
(実施例1)
β-ナフトール100重量部、37%ホルムアルデヒド水溶液40重量部、25%硫酸水溶液2重量部、およびメチルイソブチルケトン150重量部を攪拌機および冷却管を備えた3つ口フラスコに入れ、100℃で3時間反応後、反応温度を150℃に上昇して脱水し、多環フェノール樹脂90重量部を得た。得られた多環フェノール樹脂100重量部に対してヘキサメチレンテトラミンを10重量部の割合で添加したものを粉砕混合した後、200℃にて5時間硬化処理を行った。硬化処理後、窒素雰囲気下にて昇温し、1000℃到達後10時間の炭化処理を行い、炭素材を得た。
【0051】
(実施例2)
炭化処理条件を、1200℃到達後10時間とした以外は、実施例1と同様の方法により炭素材を得た。
【0053】
(実施例4)
β―ナフトール100重量部の代わりにアントラキノール135重量部を用いた以外は、実施例1と同様の方法により炭素材を得た。
【0054】
(実施例5)
β―ナフトール100重量部の代わりにパラフェニルフェノール120重量部を用いた以外は、実施例1と同様の方法により炭素材を得た。
【0055】
(比較例1)
多環フェノール樹脂のかわりに、フェノールとホルムアルデヒドより合成されるフェノール樹脂(住友ベークライト社製「PR−217」)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により炭素材を得た。
【0056】
(比較例2)
多環フェノール樹脂のかわりに、フェノールとホルムアルデヒドより合成されるフェノール樹脂(住友ベークライト社製「PR−217」)100重量部に対して水酸化ナトリウム1重量部を水5重量部に溶解した溶液を溶解混合した後に1時間攪拌したものを用いた以外は、実施例1と同様の方法により炭素材を得た。
【0057】
2.炭素含有量の評価
110℃で3時間乾燥処理後、元素分析測定装置(パーキンエルマー社製)を用い炭素、水素、および窒素の組成比を測定した。
【0058】
3.細孔容積の評価
本発明の炭素材における、細孔径と細孔容積の測定方法については以下の通りである。
【0059】
測定試料を細孔分布測定装置(ASAP2010、島津製作所製)を用いて、623Kで真空加熱前処理後、測定ガスとしてCO(分子径:0.33nm)を用い、273.15Kでの吸着等温線を測定し、Dubinin−Radushkevichの式を用いてそれぞれの吸着ガスの細孔容積を計算し、これをもとに細孔径が0.33nmを超える細孔の細孔容積を以下の式1および式2に基づいて計算した。
【0060】
W=W×exp[−(A/E)n] (式1)
A=RT[ln(Ps/P)] (式2)
W:吸着分子が占有しているエネルギー[ml/g]
E:吸着特性エネルギー[J/mol]
P:平行蒸気圧[mmHg]
T:吸着温度[K]
:細孔容積[ml/g]
Ps:飽和蒸気圧[mmHg]
n:構造指数=2[−]
【0061】
4.二次電池用負極活物質としての評価
<二次電池の製造>
(1)負極の作製:各実施例および比較例にて製造された炭素材100重量部に対して、結合剤としてポリフッ化ビニリデン10重量部、希釈溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを適量加え混合し、スラリー状の負極活物質用混合物を調製した。調製した負極活物質用混合物を18μmの銅箔の両面に塗布し、110℃で1時間真空下で溶剤を乾燥・除去した。つづいて、負極活物質用混合物をローラープレス機により圧縮成形して帯状の負極を作製した。これを直径16.156mmの円形として切り出し負極を作製した。
【0062】
(2)正極の作製:LiCoOを用いて100重量部に対して、導電剤として黒鉛6.6重量部と、結着剤としてメトキシメチル基置換率30%のN−メトキシメチル化アミド樹脂(トレジンEF−30T、帝国化学産業(株)製)3.3重量部を希釈溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを適量加え混合し、スラリー状の正極活物質用混合物を調整した。調整した正極活物質用混合物を厚さ10μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、真空下で溶剤を乾燥・除去した。つづいて、正極活物質用混合物をローラープレス機により圧縮成形して帯状の正極を作製した。これを直径16.156mmの円形として切り出し正極を作製した。
【0063】
(3)二次電池(二極式コインセル)の製造
以上のようにして作製した負極および正極と、厚さが25μmで幅が44mmの微多孔性ポリプロピレンフィルム製セパレータとを用い、負極、セパレータ、正極の順に積層して二極式コインセルを製造した。電解液としては、体積比が1:1のエチレンカーボネートとジエチレンカーボネートの混合液に過塩素酸リチウムを1モル/リットル溶解させたものを用いた。
【0064】
(4)二次電池特性の測定方法
初回の充電容量および放電容量を、充電条件を電流25mA/gの定電流で1mVになるまでとし、放電条件を1.25mA/g以下に電流が減衰するまでとして測定した。また、放電条件のカットオフ電位は 1.5Vとした。充放電効率は、(電容量/電容量)×100(%)により算出した。
【0065】
以上の方法で得られた炭素材、および二極式コインセルについて特性評価を行った結果を表1に示す。
【0066】
【表1】

Figure 0004254947
【0067】
実施例1、2、4および5はいずれも、芳香環を2個以上有するフェノール類を用いた多環フェノール樹脂を含有する樹脂組成物を炭化して製造された炭素材である。実施例1、2、4および5の方法で得られた炭素材は、いずれも炭素含有量が98重量%以上であった。また、実施例1、2、4および5の方法で得られた炭素材は、いずれも細孔径が0.33nmを超える細孔の細孔容積が5ml/kg以下であった。また、実施例1、2、4および5の方法で得られた炭素材を負極活物質として用いた二次電池は、比較例の方法で得られた炭素材を負極活物質として用いた二次電池に比べて、放電容量、充放電効率において優れた特性を示した。
【0068】
【発明の効果】
本発明によれば、リチウムイオン二次電池の電池特性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における二次電池の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
10 二次電池
12 負極活物質
13 負極
14 負極集電体
16 電解液
18 セパレータ
20 正極活物質
21 正極
22 正極集電体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon material, a manufacturing method thereof, and a secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material.
[0002]
[Prior art]
With the recent development of electronic technology, electronic devices are required to be smaller and lighter. As a result, power supply batteries mounted on electronic devices are also required to be further reduced in size, weight, and energy density.
[0003]
Conventionally, nickel-cadmium secondary batteries and lead secondary batteries have been used for such electronic devices, but these secondary batteries have low discharge voltage and meet the expectations of small size, light weight and high energy. Absent. Recently, as a replacement for these secondary batteries, a lithium ion secondary battery using a carbon material capable of occluding and releasing lithium for a negative electrode and a lithium composite oxide such as a lithium cobalt composite oxide for a positive electrode has been used. It has become.
[0004]
Lithium ion secondary batteries have a high discharge voltage and high energy density, and are expected to meet the demands for higher energy and smaller size and weight. Such a lithium ion secondary battery utilizes a phenomenon in which lithium intercalates / deintercalates between carbon material layers. Therefore, even if the charge / discharge cycle proceeds, dendritic lithium is not deposited on the negative electrode using the carbon material, and safety is also ensured. Furthermore, such a lithium ion secondary battery has a high energy density and exhibits excellent charge / discharge cycle characteristics.
[0005]
An example of the carbon material is natural graphite (Patent Document 1).
[0006]
Moreover, the carbon material using phenol resins, such as various cresol and various xylenol, is illustrated (patent document 2).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 05-028996
[Patent Document 2]
JP-A-10-188978
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when graphite is used as the carbon material for the negative electrode, there is an upper limit on the theoretical charge / discharge capacity, and the cycle characteristics are poor and the battery characteristics are low. Conventionally, even when various phenol resins are used, there are problems as described later.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a technique for improving battery characteristics of a lithium ion secondary battery.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
JP-A-10-188978 exemplifies carbon materials using phenol resins (hereinafter referred to as normal phenol resins) such as various cresols and various xylenols. However, a carbon material using a normal phenol resin has a problem that it is difficult to reduce the pore volume of the carbon material because the three-dimensional skeleton is growing. By reducing the pore volume, when a carbon material is used as the negative electrode active material of a secondary battery, the amount of lithium reversibly released in the pores can be increased, and charge / discharge efficiency can be improved. it can. In addition, naphthol is also exemplified here as a raw material for the carbon material. However, even if a carbon material is simply produced using naphthol by a conventional method, naphthol is very soluble in a solvent when it forms a binuclear body. It became small and it became difficult to obtain a naphthol resin having a molecular weight larger than that of a binuclear body, and only a low molecular weight resin could be obtained. When a carbon material is produced using such a low molecular weight resin as a raw material, there is a problem that the yield is greatly reduced. Therefore, in the conventional method, it is difficult to efficiently form the carbon material by reducing the pore volume of the carbon material.
[0011]
The inventor of the present application uses a polycyclic phenol resin such as a naphthol resin as a raw material for a carbon material, and by devising a production method, the regularity of the resin structure can be improved, and a carbon material having a small pore volume can be obtained. I found out that it can be manufactured. Thus, by using a carbon material having a small pore volume and a high regularity of the resin structure as the negative electrode active material, the charge / discharge capacity and the charge / discharge efficiency of the lithium ion secondary battery can be increased.
[0012]
  According to the present invention, a carbon material used for a negative electrode active material of a secondary battery, which is obtained by carbonizing a polycyclic phenol resin synthesized by reacting a polycyclic phenol containing two or more aromatic rings with an aldehyde. A plurality of pores are formed on the surface, and the pore volume of the pores is0.01 ml / kg or more 2.3A carbon material that is less than or equal to ml / kg is provided.
[0013]
Here, the pore volume is CO2Can be measured as an adsorbed gas, and can have a pore diameter exceeding 0.33 nm. By forming a resin by using a polycyclic phenol as a raw material to form a carbon material, the pore volume can be reduced in this way. By setting the pore volume to 50 ml / kg or less, the amount capable of reversibly releasing lithium occluded in the pores increases, and the charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency of the secondary battery can be increased.
[0014]
When a phenol resin is formed using polycyclic phenols as raw materials, the polynuclear phenol monomers and the binuclear component of polycyclic phenols generated at the beginning of the reaction are uniformly dissolved, and the dinuclear component of polycyclic phenols is It is necessary to select a solvent that can keep the dinuclear component dissolved until it reaches a melting temperature and can be polymerized. Thereby, a high molecular weight resin can be obtained. By using such a high molecular weight resin as a raw material, a carbon material having a small pore volume can be efficiently formed. As such a solvent, a solvent having a boiling point capable of maintaining the reflux reaction in a temperature range of 100 ° C. to 200 ° C. where the dinuclear component of the polycyclic phenol melts is preferably used. Examples of such solvents include ketones such as methyl isobutyl ketone, cyclohexanone and ethyl butyl ketone, alcohols such as ethylene glycol, pentanol, butanol and cyclohexanol, amides such as dimethylformamide and dimethylacetamide, toluene, Petroleum such as xylene can be exemplified.
[0015]
  In the carbon material of the present invention, the carbon content of the carbon material can be 95% by weight or more.
[0016]
When the carbon content of the carbon material is in such a range, lithium ions can be prevented from being electrically adsorbed to the carbon material, and the charge / discharge efficiency of the secondary battery can be increased. By forming a resin from polycyclic phenols as a raw material to form a carbon material, a carbon material having a high carbon content can be formed.
[0017]
In the carbon material of the present invention, the polycyclic phenols can contain a condensed ring. Thereby, the regularity of a resin structure can be improved and a carbon material with a small pore volume can be formed. Here, the condensed ring can have a naphthalene skeleton. Thereby, the regularity of the resin structure can be enhanced, and the carbon material having a small pore volume can be formed because the ring condensation easily proceeds.
[0018]
In the carbon material of the present invention, the polycyclic phenols may include naphthols, anthracenes, or binaphthols.
[0019]
According to the present invention, a secondary battery using the above carbon material as a negative electrode active material is provided. Thereby, the charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency of the secondary battery can be increased.
[0020]
According to the present invention, there is provided a method for producing a carbon material used for a negative electrode active material of a secondary battery, wherein polycyclic phenols containing two or more aromatic rings and aldehydes are used in a solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher. Disclosed is a method for producing a carbon material comprising a step of producing a phenol resin composition by dissolving and reacting a polycyclic phenol and an aldehyde at 100 ° C. or higher, and a step of heat-treating the phenol resin composition. .
[0021]
As described above, when a phenol resin is formed from a polycyclic phenol as a raw material, the polycyclic phenol monomer and the binuclear component of the polycyclic phenol generated at the beginning of the reaction are uniformly dissolved, and the polycyclic phenol It is necessary to select a solvent that can remain in the reaction system up to a temperature at which the binuclear component melts and can further polymerize the polycyclic phenols. Since the dinuclear component of polycyclic phenols melts at about 100 ° C. to 200 ° C., by dissolving polycyclic phenols containing two or more aromatic rings and aldehydes in a solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher. A high molecular weight polycyclic phenol resin can be obtained. By using such a high molecular weight polycyclic phenol resin as a raw material, a carbon material having a small pore volume can be efficiently formed.
[0022]
Examples of such solvents include one or more selected from methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, ethyl butyl ketone, ethylene glycol, pentanol, butanol, cyclohexanol, dimethylformamide, dimethylacetamide, toluene, and xylene. Is done.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the secondary battery of the present invention. The secondary battery 10 includes a negative electrode 13 composed of a negative electrode active material 12 and a negative electrode current collector 14, an electrolyte solution 16, a separator 18, and a positive electrode 21 composed of a positive electrode active material 20 and a positive electrode current collector 22. Including.
[0024]
In the negative electrode 13, as the negative electrode current collector 14, for example, a copper foil or a nickel foil can be used.
[0025]
Next, the negative electrode active material (negative electrode material) 12 of the present invention will be described. As the negative electrode active material 12, a carbon material described below is used.
[0026]
The carbon material of the present invention is formed by carbonizing a resin composition containing a polycyclic phenol resin synthesized from polycyclic phenols having two or more aromatic rings and aldehydes.
[0027]
Examples of the polycyclic phenols used in the synthesis of the polycyclic phenol resin include naphthols such as α-naphthol and β-naphthol, α-naphthohydroquinone (4,4-naphthalenediol), and β-naphthohydroquinone (1 , 2-naphthalenediol) and the like, binaphthols such as 1,1′-bi-2-naphthol and 1,1-methylene-bi-2-naphthol, α-anthrol or β-ant Monooxyanthracenes such as roll, dioxyanthracenes such as 1,2-dioxyanthracene, or 9,10-dioxyanthracene (anthraquinol), p-benzylphenol, 4,4′-isopropylidenediphenol, Or benzylphenols such as bisphenol F, or p-phenyl Phenol, or 4,4-phenyl phenols such as biphenol, and the like. Among these, it can use individually or in combination of 2 or more types. Among these, naphthols, dioxynaphthalenes, binaphthols, monooxyanthracenes, or dioxyanthracenes are particularly preferably used. Thereby, the regularity of the resin structure can be enhanced, and the carbon material having a small pore volume can be formed because the ring condensation easily proceeds. Benzylphenols are also preferably used.
[0028]
In addition to such polycyclic phenols, phenols other than these can also be used in combination. In this case, the blending amount of phenols other than polycyclic phenols is preferably small so as not to impair the characteristics of the carbon material of the present invention.
[0029]
Examples of aldehydes used in the synthesis of polycyclic phenol resins include formaldehyde, paraformaldehyde, trioxane, acetaldehyde, propionaldehyde, polyoxymethylene, chloral, furfural, glyoxal, n-butyraldehyde, caproaldehyde, allylaldehyde, benzaldehyde, Examples include crotonaldehyde, acrolein, tetraoxymethylene, phenylacetaldehyde, o-tolualdehyde, and salicylaldehyde. Among these, it can use individually or in combination of 2 or more types.
[0030]
The polycyclic phenol resin is produced, for example, by blending polycyclic phenols and aldehydes and reacting them using an acidic or basic catalyst. As for the reaction molar ratio of the monomers, for example, the number of moles of the aldehyde (F) relative to the polycyclic phenol (P) can be 0.3 to 3.0 in terms of the molar ratio (F / P). Among these, for example, when producing a novolac type polycyclic phenol resin using an acidic catalyst, the reaction molar ratio can be set to 0.3 to 1.0, preferably 0.6 to 0.8. In addition, as an acidic and basic catalyst, the known thing used for the synthesis | combination of a phenol resin can be used.
[0031]
When polycyclic phenols and aldehydes are reacted, a binuclear component of polycyclic phenols is generated at the initial stage of the reaction. Thereafter, the temperature of the reaction system is raised to remove water from the reaction system, and the polynuclear phenolic binuclear body is melted and reacted in a homogeneous system to be polymerized. In the case of producing a phenol resin using a conventional phenolic monomer as a raw material, the raw material is in a liquid state, and the produced binuclear component is dissolved in the reaction system, so that the reaction is allowed to proceed as it is without particularly using a solvent. be able to. However, when a polycyclic phenol resin is produced using a solid polycyclic phenol monomer as a raw material as in the present invention, it is necessary to select an appropriate solvent in order to dissolve the solid monomer. In addition, the dinuclear component generated at the initial stage of the reaction has a property that it cannot be dissolved in a solvent at a low temperature and precipitates. If the binuclear component is not dissolved in the solvent, the binuclear component will precipitate, and cannot be melted and reacted in a homogeneous system, and the reaction for polymerizing further will not proceed substantially. End up.
[0032]
Therefore, in producing a polycyclic phenol resin, the boiling point is such that the reflux reaction can be continued in a temperature range of 100 to 200 ° C. in which the raw polycyclic phenol monomers are dissolved and the binuclear component can be dissolved. It is preferred to select a solvent having In addition, the solvent used here is, after the reflux reaction, when the temperature of the reaction system is further increased to remove the solvent and water, the dinuclear component is melted until the temperature reaches, for example, 110 to 150 ° C. It is preferable that it has a function of assisting the melting of the binuclear body so that the remaining binuclear component does not precipitate. Examples of such a solvent include ketones such as methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, and ethyl butyl ketone, alcohols such as ethylene glycol, pentanol, butanol, and cyclohexanol, amides such as dimethylformamide and dimethylacetamide, And petroleum such as toluene and xylene. Using such a solvent, the polycyclic phenol resin can be produced by reacting at the above reaction temperature for 0.1 to 5 hours and then performing a dehydration reaction.
[0033]
In addition to the polycyclic phenol resin, the carbon material of the present invention includes phenol resins other than the polycyclic phenol resins, thermosetting resins such as furan resins and epoxy resins, and thermoplastic resins such as polystyrene, polyamide, and polypropylene. , Petroleum pitch, coal pitch, spinning pitch and the like can be blended. These materials can be used alone or in combination of two or more. As the resin other than the polycyclic phenol resin, it is preferable to use a resin containing a large number of rings originally contained in the monomers constituting each resin or rings derived from substituents in the monomers.
[0034]
In addition to the resin, the carbon material of the present invention includes addition of a resin curing agent, various monomer components, a carbon material precursor carbonized at 200 to 800 ° C., a metal, a metal compound, graphite, a graphite modifier, and the like. An agent etc. can be mix | blended and manufactured.
[0035]
The phenol resin composition of the present invention preferably contains 50% by weight or more, more preferably 80% by weight or more of the polycyclic phenol resin.
[0036]
When the carbon material of the present invention is produced using a plurality of types of resins as raw materials, they may be chemically reacted or physically mixed by a kneading apparatus such as a kneading roll, a twin-screw kneader, or a kneader. You can also.
[0037]
After producing a polycyclic phenol resin as described above, a curing treatment is performed. The curing treatment can be performed using a method such as heat curing, acid curing, acid anhydride curing, or amine curing.
[0038]
After the curing treatment, carbonization treatment by heat treatment is performed. The carbonization treatment is performed, for example, at a temperature of 800 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower for 0.1 hour or longer and 50 hours or shorter, more preferably 1 hour or longer and 15 hours or shorter. The carbonization treatment can be performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or helium, or in a gas atmosphere in which a trace amount of oxygen is present in the inert gas. The characteristics of the carbon material can be adjusted to the optimum by the temperature, time, etc. during such carbonization treatment.
[0039]
The carbon content of the carbon material of the present invention is preferably 95% by weight or more, more preferably 97% by weight or more. Thereby, a negative electrode active material with high charging / discharging efficiency can be obtained. When the carbon content is lower than the above lower limit, the content of highly polar atoms other than carbon atoms increases, so the possibility that lithium ions will be electrically adsorbed to the carbon material increases, and as a result Discharge efficiency tends to be low.
[0040]
In the carbon material of the present invention, a plurality of pores are formed on the surface of the carbon material. Here, the pores are CO2Is used as an adsorbed gas, and has a pore diameter exceeding 0.33 nm. The pore volume is preferably 0.01 to 50 ml / kg, more preferably 0.1 to 5 ml / kg.
[0041]
Thereby, charge capacity can be ensured and charging / discharging efficiency can be made favorable. When the pore volume of the pore having such a pore diameter is smaller than 0.01 ml / kg, the reversible pores capable of occluding and releasing lithium are reduced, so the charge / discharge capacity is small. Tend to be. Further, when the pore volume of the pore having such a pore diameter is larger than 50 ml / kg, more lithium can be occluded but more irreversible pores that are difficult to release, resulting in lower charge / discharge efficiency. It becomes like this. Moreover, when the pore volume of the pores having a pore diameter in the range is smaller than 5 ml / kg, the occluded lithium can be released more efficiently, thereby increasing the charge / discharge efficiency.
[0042]
Since the carbon material of the present invention contains a polycyclic phenol resin synthesized from the above polycyclic phenols as a main component, the process of pore formation during curing and carbonization is based on a normal phenol resin as the main component. In contrast, it is possible to produce a carbon material having a high regularity of the resin structure and a small pore volume. Thereby, when the carbon material of the present invention is used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery, excellent characteristics are exhibited, and high charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency of the lithium ion secondary battery can be ensured.
[0043]
In addition, it can modify | denature with the material etc. which can become a metal or another carbon material at the time of manufacture of the carbon material of this invention, and other additives, such as a pigment, a lubricant, an antistatic agent, and antioxidant, can also be added.
[0044]
The negative electrode 13 of the present invention is manufactured, for example, as follows.
1 to 30 parts by weight of organic polymer binder (fluorine polymer including polyethylene, polypropylene, etc., rubbery polymer such as butyl rubber, butadiene rubber, etc.) and an appropriate amount of viscosity with respect to 100 parts by weight of the carbon material. An adjustment solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, etc.) is added and kneaded, and the paste-like mixture is formed into a sheet, pellet, or the like by compression molding, roll molding, or the like, and the negative electrode active material 12 is manufactured and laminated with the negative electrode current collector 14.
[0045]
Further, 1 to 30 parts by weight of an organic polymer binder (fluorine polymer including polyethylene, polypropylene, etc., rubbery polymer such as butyl rubber, butadiene rubber, etc.) and an appropriate amount with respect to 100 parts by weight of the carbon material. A viscosity adjusting solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, etc.) is added and kneaded, and the mixture in the form of a slurry is applied to a current collector such as a copper foil or a nickel foil to be manufactured. You can also.
[0046]
As the electrolytic solution 16 in the present invention, an aqueous or non-aqueous solution can be used, but a non-aqueous solution is usually used. As the non-aqueous electrolyte solution 16, for example, a solution obtained by dissolving a lithium salt serving as an electrolyte in a non-aqueous solvent is used. As the non-aqueous solvent, a mixture of cyclic esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate and γ-butyrolactone, chain esters such as diethyl carbonate, ethers such as dimethoxyethane, and the like can be used. As an electrolyte, LiClO4, LiPF6Lithium metal salts such as, tetraalkylammonium salts and the like can be used. A solid electrolyte obtained by mixing the above salts with polyethylene oxide, polyacrylonitrile, or the like can also be used.
[0047]
As the separator 18, for example, a microporous film such as polyethylene or polypropylene, a nonwoven fabric, or the like can be used.
[0048]
In the positive electrode 11, the positive electrode active material (positive electrode material) 20 is not particularly limited, but is lithium cobalt oxide (LiCoO).2), Lithium nickel oxide (LiNiO)2), Lithium manganese oxide (LiMn)2O4) And the like, and conductive polymers such as polyaniline and polypyrrole can be used. As the positive electrode current collector 22, for example, an aluminum foil can be used. The positive electrode 21 of the present invention is manufactured by a known positive electrode manufacturing method.
[0049]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited to an Example.
[0050]
1. Carbon material manufacturing
Example 1
100 parts by weight of β-naphthol, 40 parts by weight of 37% formaldehyde aqueous solution, 2 parts by weight of 25% sulfuric acid aqueous solution, and 150 parts by weight of methyl isobutyl ketone were placed in a three-necked flask equipped with a stirrer and a condenser tube, and then at 100 ° C. for 3 hours. After the reaction, the reaction temperature was raised to 150 ° C. for dehydration to obtain 90 parts by weight of a polycyclic phenol resin. A mixture obtained by adding 10 parts by weight of hexamethylenetetramine to 100 parts by weight of the obtained polycyclic phenol resin was ground and mixed, and then cured at 200 ° C. for 5 hours. After the curing treatment, the temperature was raised in a nitrogen atmosphere, and carbonization treatment was performed for 10 hours after reaching 1000 ° C. to obtain a carbon material.
[0051]
(Example 2)
A carbon material was obtained by the same method as in Example 1 except that the carbonization condition was changed to 10 hours after reaching 1200 ° C.
[0053]
(Example 4)
A carbon material was obtained in the same manner as in Example 1 except that 135 parts by weight of anthraquinol was used instead of 100 parts by weight of β-naphthol.
[0054]
(Example 5)
A carbon material was obtained in the same manner as in Example 1 except that 120 parts by weight of paraphenylphenol was used instead of 100 parts by weight of β-naphthol.
[0055]
(Comparative Example 1)
A carbon material was obtained in the same manner as in Example 1 except that a phenol resin synthesized from phenol and formaldehyde (“PR-217” manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) was used instead of the polycyclic phenol resin.
[0056]
(Comparative Example 2)
Instead of polycyclic phenolic resin, a solution prepared by dissolving 1 part by weight of sodium hydroxide in 5 parts by weight of water per 100 parts by weight of phenolic resin ("PR-217" manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) synthesized from phenol and formaldehyde A carbon material was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mixture was dissolved and mixed and stirred for 1 hour.
[0057]
2. Evaluation of carbon content
After drying at 110 ° C. for 3 hours, the composition ratio of carbon, hydrogen, and nitrogen was measured using an elemental analyzer (manufactured by Perkin Elmer).
[0058]
3. Evaluation of pore volume
The measuring method of the pore diameter and the pore volume in the carbon material of the present invention is as follows.
[0059]
Using a pore distribution measuring device (ASAP2010, manufactured by Shimadzu Corporation), the measurement sample was subjected to preheating treatment at 623 K and then CO as a measurement gas.2(Molecular diameter: 0.33 nm) was used to measure the adsorption isotherm at 273.15 K, and the pore volume of each adsorbed gas was calculated using the Dubinin-Radushkevich equation. The pore volume of pores having a diameter exceeding 0.33 nm was calculated based on the following formulas 1 and 2.
[0060]
W = W0Xexp [-(A / E) n] (Formula 1)
A = RT [ln (Ps / P)] (Formula 2)
W: Energy [ml / g] occupied by adsorbed molecules
E: Adsorption characteristic energy [J / mol]
P: Parallel vapor pressure [mmHg]
T: Adsorption temperature [K]
W0: Pore volume [ml / g]
Ps: saturated vapor pressure [mmHg]
n: Structural index = 2 [−]
[0061]
4). Evaluation as a negative electrode active material for secondary batteries
<Manufacture of secondary batteries>
(1) Production of negative electrode: 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone as a diluent solvent are added to 100 parts by weight of the carbon material produced in each of the examples and comparative examples. By mixing, a slurry-like mixture for negative electrode active material was prepared. The prepared mixture for negative electrode active material was applied on both sides of 18 μm copper foil, and the solvent was dried and removed under vacuum at 110 ° C. for 1 hour. Subsequently, the negative electrode active material mixture was compression-molded with a roller press to produce a strip-shaped negative electrode. This was cut out as a circle having a diameter of 16.156 mm to produce a negative electrode.
[0062]
(2) Fabrication of positive electrode: LiCoO2And 6.6 parts by weight of graphite as a conductive agent and 100% by weight of N-methoxymethylated amide resin having a methoxymethyl group substitution rate of 30% (Toresin EF-30T, Teikoku Sangyo ( A suitable amount of N-methyl-2-pyrrolidone was added and mixed with 3.3 parts by weight of a diluent solvent, to prepare a slurry-like mixture for positive electrode active material. The adjusted mixture for positive electrode active material was applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 10 μm, and the solvent was dried and removed under vacuum. Subsequently, the mixture for positive electrode active material was compression-molded by a roller press to produce a belt-like positive electrode. This was cut out as a circle having a diameter of 16.156 mm to produce a positive electrode.
[0063]
(3) Manufacture of secondary batteries (bipolar coin cells)
Using the negative electrode and positive electrode produced as described above and a separator made of a microporous polypropylene film having a thickness of 25 μm and a width of 44 mm, a negative electrode, a separator, and a positive electrode were laminated in this order to produce a bipolar coin cell. As the electrolytic solution, a solution in which 1 mol / liter of lithium perchlorate was dissolved in a mixed solution of ethylene carbonate and diethylene carbonate having a volume ratio of 1: 1 was used.
[0064]
(4) Measuring method of secondary battery characteristics
  First charge capacity and discharge capacity, charge condition is current 25mA /The constant current of g is 1 mV and the discharge condition is 1.25 m.A /It was measured as the current was attenuated to g or less. The cut-off potential under discharge conditions was 1.5V. The charge / discharge efficiency is (ReleaseElectric capacity /ChargeCapacity)× 100 (%)Calculated by
[0065]
Table 1 shows the results of the characteristic evaluation of the carbon material obtained by the above method and the bipolar coin cell.
[0066]
[Table 1]
Figure 0004254947
[0067]
  Example1, 2, 4 and 5All are carbon materials produced by carbonizing a resin composition containing a polycyclic phenol resin using a phenol having two or more aromatic rings. Example1, 2, 4 and 5The carbon materials obtained by this method all had a carbon content of 98% by weight or more. Examples1, 2, 4 and 5All of the carbon materials obtained by the above method had a pore volume of pores having a pore diameter exceeding 0.33 nm of 5 ml / kg or less. Examples1, 2, 4 and 5The secondary battery using the carbon material obtained by the above method as a negative electrode active material has a higher discharge capacity and charge / discharge efficiency than the secondary battery using the carbon material obtained by the method of the comparative example as a negative electrode active material. It showed excellent characteristics.
[0068]
【The invention's effect】
According to the present invention, the battery characteristics of a lithium ion secondary battery can be enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a secondary battery in an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Secondary battery
12 Negative electrode active material
13 Negative electrode
14 Negative electrode current collector
16 Electrolyte
18 Separator
20 Cathode active material
21 Positive electrode
22 Positive current collector

Claims (7)

二次電池の負極活物質に用いられる炭素材であって、
二以上の芳香環を含む多環フェノール類とアルデヒド類とを反応させて合成された多環フェノール樹脂を炭化処理することにより得られ、表面に複数の細孔が形成され、当該細孔の細孔容積が0.01ml/kg以上、2.3ml/kg以下である炭素材。
A carbon material used for a negative electrode active material of a secondary battery,
It is obtained by carbonizing a polycyclic phenol resin synthesized by reacting polycyclic phenols containing two or more aromatic rings with aldehydes. A carbon material having a pore volume of 0.01 ml / kg or more and 2.3 ml / kg or less.
素含有率が95重量%以上である、請求項1に記載の炭素材 -Carbon content is 95 wt% or more, the carbon material according to claim 1. 請求項1または2に記載の炭素材において、
前記多環フェノール類は、縮合環を含む炭素材。
In the carbon material according to claim 1 or 2,
The polycyclic phenol is a carbon material containing a condensed ring.
請求項1乃至3いずれかに記載の炭素材において、
前記多環フェノール類は、ナフトール類、アントラセン類、またはビ−ナフトール類を含む炭素材。
In the carbon material according to any one of claims 1 to 3,
The polycyclic phenol is a carbon material containing naphthols, anthracenes, or binaphthols.
請求項1乃至4いずれかに記載の炭素材を負極活物質として用いた二次電池。  A secondary battery using the carbon material according to claim 1 as a negative electrode active material. 二次電池の負極活物質に用いられる炭素材を製造する方法であって、
二以上の芳香環を含む多環フェノール類とアルデヒド類とを沸点が100℃以上の溶媒に溶解させ、100℃以上で前記多環フェノール類と前記アルデヒド類とを反応させてフェノール樹脂組成物を製造する工程と、
前記フェノール樹脂組成物を熱処理する工程と、
を含む炭素材の製造方法。
A method for producing a carbon material used for a negative electrode active material of a secondary battery,
A polycyclic phenol containing two or more aromatic rings and an aldehyde are dissolved in a solvent having a boiling point of 100 ° C. or higher, and the polycyclic phenol and the aldehyde are reacted at 100 ° C. or higher to obtain a phenol resin composition. Manufacturing process;
Heat treating the phenolic resin composition;
The manufacturing method of the carbon material containing this.
請求項6の炭素材の製造方法において、
前記溶媒は、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、エチルブチルケトン、エチレングリコール、ペンタノール、ブタノール、シクロヘキサノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、トルエン、キシレンから選択される1または2以上の溶媒である炭素材の製造方法。
In the manufacturing method of the carbon material of Claim 6,
Production of carbon material, wherein the solvent is one or more solvents selected from methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, ethyl butyl ketone, ethylene glycol, pentanol, butanol, cyclohexanol, dimethylformamide, dimethylacetamide, toluene, xylene Method.
JP2003091135A 2003-03-28 2003-03-28 Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material Expired - Fee Related JP4254947B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003091135A JP4254947B2 (en) 2003-03-28 2003-03-28 Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003091135A JP4254947B2 (en) 2003-03-28 2003-03-28 Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2004303428A JP2004303428A (en) 2004-10-28
JP2004303428A5 JP2004303428A5 (en) 2005-08-25
JP4254947B2 true JP4254947B2 (en) 2009-04-15

Family

ID=33404580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003091135A Expired - Fee Related JP4254947B2 (en) 2003-03-28 2003-03-28 Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4254947B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5050604B2 (en) * 2007-03-27 2012-10-17 住友ベークライト株式会社 Carbon material and manufacturing method thereof, secondary battery negative electrode material and non-aqueous electrolyte secondary battery
EP2506349A4 (en) 2009-11-25 2014-05-07 Sumitomo Bakelite Co Carbon material for lithium ion secondary battery, negative electrode material for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004303428A (en) 2004-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100742227B1 (en) Lithium Secondary Battery Containing Silicon-based or Tin-based Anode Active Material
JP2006264993A (en) Method of manufacturing carbon material, carbon material, negative electrode material for secondary cell and non-aqueous electrolyte secondary cell
JP2011100594A (en) Conduction aid composition for lithium ion battery, method of manufacturing the same, electrode mixture composition for lithium ion battery, method of manufacturing the electrode mixture composition, and lithium ion battery
CN113809324A (en) Carbonaceous coated graphite particles, negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery
JP4660146B2 (en) Carbon material, secondary battery negative electrode material and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP4899396B2 (en) Carbon material, and negative electrode material and non-aqueous electrolyte secondary battery for secondary battery using the same
JP2008047456A (en) Carbon material and its manufacturing method, negative electrode material for secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP5050604B2 (en) Carbon material and manufacturing method thereof, secondary battery negative electrode material and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP4254947B2 (en) Carbon material, method for producing the same, and secondary battery using the carbon material as a negative electrode active material
JP4511811B2 (en) Lithium ion secondary battery negative electrode active material resin composition, negative electrode active material carbon material, method for producing the same, and lithium ion secondary battery
JP4838991B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery negative electrode carbon material, secondary battery negative electrode material using the same, and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP5017897B2 (en) Carbon material, secondary battery negative electrode material, and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP5031981B2 (en) Carbon material precursor, carbon material, negative electrode material for secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same
JP2017091784A (en) Carbon material for secondary battery negative electrode, active material for secondary battery negative electrode, secondary battery negative electrode, and method of manufacturing secondary battery
JP2920079B2 (en) Organic electrolyte battery
JPH11343109A (en) Carbon material and its production, negative pole for lithium secondary battery and lithium secondary battery
JP2016136452A (en) Carbon material for sodium ion secondary battery, active material for sodium ion secondary battery negative electrode, sodium ion secondary negative electrode, sodium ion secondary battery, resin composition for sodium ion secondary battery negative electrode, and method of manufacturing carbon material for sodium ion secondary battery negative electrode
JP2006089349A (en) Method for producing carbon material, negative electrode material for secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP4402184B2 (en) Carbon material for secondary battery negative electrode material and method for producing the same
JP4944472B2 (en) Negative electrode for non-aqueous secondary battery and non-aqueous secondary battery using the same
JP2869355B2 (en) Organic electrolyte battery
JP3002112B2 (en) Organic electrolyte battery
JP3403894B2 (en) Organic electrolyte battery
JP2920070B2 (en) Organic electrolyte battery
JP3565392B2 (en) Electrode materials for lithium ion secondary batteries

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050209

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050209

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20071220

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080325

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080526

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080812

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20081008

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090113

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090121

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120206

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4254947

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130206

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130206

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140206

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees