JP4856867B2 - フラーレンベースの二次電池電極 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、「フラーレンベースの二次電池電極」の名称を与えられて、米国仮特許出願第６０／５１４，４３８号（２００３年１０月２７日出願）の優先権を主張する。この特許出願の開示は、本明細書中にその全体が参考として援用される。

（発明の背景）
本発明は、リチウムイオンの二次電池（すなわち、充電式）のための電極に関する。特に、本発明は、リチウムイオン二次電池のためのフラーレンベースのアノードに関する。

（関連技術の説明）
リチウムイオン二次電池（ｃｅｌｌ）またはリチウムイオンバッテリーは、ポータブル電子機器の電源として一般的に使用される。一般に、このような充電式の電池は、リチウム遷移金属酸化物（例えば、リチウムコルバルテート（ｃｏｌｂａｌｔａｔｅ））正極および非常に多孔性の炭素質物質（代表的に、黒鉛）で構成された負極を使用する。しかし、炭素質物質はまた、他の炭素、金属、および／または熱分解された有機物を含み得る。リチウムのイオン可溶性の電解質は、２つの電極の間に提供され、そして、電池が充電される。充電の電気化学的なプロセスの間、正極におけるいくつかのリチウムイオンは、正極（アノードとして機能する）から移動し、負極へインターカレートする（カソードとして機能する）。放電の間、負極によって維持された負の電荷（現在、アノードとして機能する）は、負端子を通してバッテリーから伝導され、リチウムイオンは電解質を介して移動し、正極へ戻る（現在、カソードとして機能する）。用語「アノード」および「カソード」は、電池が充電されているか、または放電されているかに依存する、各々の負極および正極に適用されることが理解されているが、以下の用語「アノード」は、負極に対していう時に使用され、そして、用語「カソード」は、正極に対していう時に使用される。

リチウムイオンバッテリーは、他の再充電式の電池（例えば、ニッケル金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）、ニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）、鉛酸、およびリチウム電池）より多くの利点がある。例えば、リチウムイオン電池におけるリチウムの使用は、これらの電池により高い特定のエネルギー密度を提供する（Ｎｉ−Ｃｄバッテリーおよび鉛酸バッテリーより約３倍以上、Ｎｉ−ＭＨバッテリーよりも約２倍以上）。リチウムの使用はまた、最大４ボルトまでの高い電池電圧を提供する。比較として、Ｎｉ−ＣｄバッテリーおよびＮｉ−ＭＨバッテリーは、約１．２ボルトを提供し、そして、鉛酸バッテリーは、約２ボルトを提供する。リチウムイオンバッテリーは、長い貯蔵安定性（約１／４〜１／２の割合のＮｉ−Ｃｄバッテリー、Ｎｉ−ＭＨバッテリーおよび鉛酸バッテリーで自己放電する）を有し、また、ほとんど記憶効果はない。さらに、リチウムイオンバッテリーは鉛、カドミウムまたは水銀を含んでいないので、リチウムイオンバッテリーは、比較的環境に優しく、そして、金属リチウムに代わって、リチウム化炭素物質のそれらの使用に起因するので、再充電性リチウム電池より安全であると考えられている。

現在のリチウムイオンバッテリー技術は、他の蓄電池技術（例えば、ニッケルおよび鉛を使用するバッテリー）を上回るかなりの改良であるが、このようなバッテリーに関連して、いくつかの欠点がある。特に、黒鉛アノードを有するリチウムイオンバッテリーは、初期に高い可逆容量を示すが、多くの充電サイクルおよび放電サイクルにおいて、バッテリーの可逆容量は、急速に落ちる。任意の特定の理論によって束縛されないが、この急速な容量減衰は、黒鉛の剥離、および／またはアノードに固体電解質位相間（ＳＥＩ）層を形成するために生じる電解質の不可逆的な電気化学還元によって生じると信じられている。従って、従来のリチウムイオンバッテリーの使用は、多く（例えば、数千）の充電サイクルおよび放電サイクルを伴う長期のバッテリー使用を必要とする適用において、使用に適していない。

従って、複数のバッテリーサイクルの間、リチウムイオンの高いインターカレーション／脱インターカレーション効果と同様に、高い可逆容量値（例えば、理論値、または理論値付近の３７２ｍＡｈ／ｇの黒鉛）を維持するように、リチウムイオンバッテリーのサイクル特性を改良すること望ましい。

（本発明の目的および要旨）
従って、上記の観点から、本発明が説明される場合に明らかになる他の理由のため、本発明の目的は、向上された電気化学特性を有する電極を形成する組成物を提供することである。

本発明の別の目的は、バッテリーで実行される場合、高められた性能を示す組成物で電極を形成することである。

本発明のさらなる目的は、バッテリーの複数サイクル（例えば、数千サイクル）において、有意に減少しないか、または落ちない高い可逆容量を有する電極で、リチウムイオン蓄電池を形成することである。

前述の目的は、個々および組み合わせで達成され、そして、本明細書に添付された特許請求の範囲によって明確に要求されない限り、本発明は、２つ以上の組み合わされた目的を必要とすると解釈されることを意図しない。

本発明によると、以下の項目１〜５が提供され、上記目的が達成される。

（項目１） フラーレン材料と組み合わされた炭素質材料を含む組成物であって、該フラーレン材料が、ｎが１００以上のＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種を含む、組成物。

（項目２） 項目１に記載の組成物を含む、電極。

（項目３） フラーレン材料と組み合わされた炭素質材料を含む組成物であって、該組成物が、約１００℃以上の温度に加熱されている、組成物。

（項目４） フラーレン材料と組み合わされた炭素質材料を含む組成物であって、ｎが１００未満のＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種の選択された量が、該フラーレン材料から除去されている、組成物。

（項目５） 組成物を形成する方法であって、以下：
（ａ）炭素質材料とフラーレン材料とを組み合わせて、複合物材料を形成する工程；および
（ｂ）該複合物材料を約１００℃以上の温度に加熱する工程、
を包含する、方法。

本発明に従って、電極を構築するための組成物は、Ｃ_ｎ（ここで、ｎ≧１００）の炭素成分を有するフラーレン種を含むフラーレン物質と結合された炭素質物質を含むことで形成される。好ましくは、フラーレン物質は、Ｃ_ｎ（ここで、１００≦ｎ≦２５０）の炭素成分を有する。好ましくは、炭素質物質は、黒鉛を含むが、好ましくは、フラーレン物質は、アーク放電プロセス（例えば、Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒ−Ｈｕｆｆｍａｎプロセス）、レーザー脱着プロセス、および燃焼フレーム発生プロセスの少なくとも一つによって製造されたフラーレンすすを含む。組成物は、炭素質物質を有するフラーレン物質の反応および／または拡散を容易にするために、約１００℃以上の温度に加熱される。さらに、フラーレン物質から昇華で選択された低分子量のフラーレン（すなわち、Ｃ_１００未満の炭素成分を有するフラーレン種）を取り除くために、熱処理が組成物に適用される。また、組成物のフラーレン物質から、異なる範囲の分子量のフラーレン（例えば、低分子量のフラーレン）を抽出するために、他の抽出技術（例えば、化学抽出、クロマトグラフィーなど）もまた利用され得る。組成物は、さらに、バインダー物質などの追加物質を含み得る。

組成物を含む電極は、リチウムイオンバッテリーを形成するのに使用される。好ましくは、電極組成物は、組成物の重さに対して、約３０％より少ない量でフラーレン物質を含む。従来のリチウムイオンバッテリーと比べると、本発明に従って形成された組成物を含む電極で形成されたリチウムバッテリーは、高められた性能を示す。

本発明の上記のおよびさらなる目的、特徴および利点は、特に、添付される図と照らし合わせると、以下の特定の実施形態の詳細な説明の考察で明らかになる。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明に従い、リチウムイオン二次電池の電極の構築における使用のための、電気化学特性を向上された組成物は、炭素質物質とフラーレン物質を結合し、次いで、この組成物を１００℃以上で熱処理することにより、形成される。好ましくは、最初にフラーレン物質中に存在した、大部分の低分子量フラーレンまたはｎ＜１００であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種（例えば、Ｃ_６０、Ｃ_７０および他のＣ_＜１００フラーレン）は、熱処理過程の間の昇華によりこの組成物から除去されるが、少なくとも幾らかの高分子量フラーレン、またはｎ≧１００であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種（すなわち、Ｃ_１００＋フラーレン）は、組成物中に残留する。より好ましくは、フラーレン物質を、１つ以上の適切な抽出過程にかけ、ｎ＞２５０であるＣ_ｎの炭素成分を有する高分子量フラーレン（すなわち、Ｃ_２５０＋フラーレン）を、さらに除去する。従って、この組成物が、１００≦ｎ≦２５０であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種を含有することが、最も好ましい。何故なら、この分子量の範囲のフラーレンは、本発明に従って形成して得た電極について、非常に望ましい電気化学特性を提供するからである。

本明細書中で使用される用語「炭素質物質」は、電極を形成するために適切な任意の炭素ベースの物質を言い、黒鉛、層状黒鉛、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）、石炭ピッチ、コークス、カーボンブラックおよび／または導電性炭素物質、炭素アークにより産生されたすす、およびこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない。黒鉛は、バッテリーのためのその最初の高い可逆容量（ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）を提供する性質ゆえに、リチウムイオンバッテリーにおけるアノードを形成するために好ましい物質である。必要に応じて、炭素質物質は、他の炭素質物質と混合された黒鉛を含み得る。例えば、炭素質物質は、少量（例えば、電極組成物の約１％〜約５％）の１つ以上の他の導電性炭素物質（例えば、カーボンブラック）と組み合わされた一次黒鉛を含み得る。

本明細書中で使用される場合、用語「フラーレン物質」は、フラーレン生成過程を利用して形成される、任意の生成物質を言う。この生成物質としては、フラーレン化合物が挙げられ、また、不完全な（すなわち、完全に形成されず、開鎖でない）炭素殻のような、この過程において生成される任意の他の炭素化合物もまた、挙げられる。代表的なフラーレン生成過程としては、強レーザー脱離、アーク放電（例えば、Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒ−Ｈｕｆｆｍａｎプロセス）、および燃焼フレーム生成が挙げられるが、これらに限定されない。必要に応じて、フラーレン物質を、フラーレン生成過程によって形成する際にさらに処理し、フラーレン物質からフラーレン化合物の特定の基および／または他の物質を、任意の便利な手段によって、分離し得るかまたは抽出し得る。この任意の便利な手段としては、拡散法、飽和溶液の冷却、溶媒を用いた沈殿、昇華または電気化学的方法、液体クロマトグラフィーによる分離、およびこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。化学修飾されたフラーレンまたは物理的修飾されたフラーレン化合物（例えばフッ化フラーレン）または付加体および誘導体（例えば、Ｃａｒｄｕｌｌａら，Ｈｅｌｖ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ８０：３４３−３７１，１９９７；Ｚｈｏｕら，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｐｅｒｋｉｎ Ｔｒａｎｓ．２：１−５，１９９７；Ｏｋｉｎｏら，Ｓｙｎｔｈ．Ｍｅｔａｌｓ ７０：１４４７−１４４８，１９９５；Ｏｋｉｎｏら，Ｒｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．３，１９９６，ｐｐ．１９１−１９９；Ｈａｄｄｏｎら，Ｎａｔｕｒｅ ３５０：３２０−３２２，１９９１；Ｃｈａｂｒｅら，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１４：７６４−７６６，１９９２；Ｇｒｏｍｏｖら，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．２００３−２００４，１９９７；Ｓｔｒａｓｓｅｒら，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １０２：４１３１−４１３４，１９９８；Ｃｒｉｓｔｏｆｏｌｉｎｉら，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ： Ｃｏｎｄ．Ｍａｔｔｅｒ Ｍａｔｅｒ．Ｐｈｙｓ．５９：８３４３−８３４６，１９９９；Ｗａｎｇら，Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌｓ １０３（１）：２３５０−２３５３，１９９９；Ｗａｎｇら，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．４１３：５７１，１９９６；Ｋａｌｌｉｎｇｅｒら，Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌｓ １０１：２８５−２８６，１９９９；Ｋａｊｉｉら，Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌｓ ８６：２３５１−２３５２，１９９７；ａｎｄ Ａｒａｋｉら，Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｅｔａｌｓ ７７：２９１−２９８，１９９６（これらの開示は、本明細書中でその全体が参考として援用される）において記載される）は、ポリマーフラーレンの化合物および組成物、コポリマーフラーレンの化合物および組成物、および架橋されたフラーレンの化合物および組成物と同様に、フラーレン物質に含まれ得る。これらの化合物それ自体が、先行技術に記載されている。フラーレン物質はまた、物質の全ての物理的形態（固体、気体、蒸気、液体、エマルジョン、粉末、薄フィルムなどであるが、これらに限定されない）を含み得る。

本発明の組成物の形成における使用のために好ましいフラーレン物質は、フラーレンすすまたは例えば、Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒ−Ｈｕｆｆｍａｎプロセスのようなアーク放電過程から得られるフラーレンすす物質（例えば、Ｗ．Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒら，Ｎａｔｕｒｅ １９９０，Ｖｏｌ．３４７およびＷ．Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒら，Ｃｈｅｍ Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９０，Ｖｏｌ．１７０，Ｉｓｓｕｅｓ ２−３（これらの開示は、本明細書中でその全体が参考として援用される）を参照のこと）である。アーク放電過程によって形成されるフラーレンすすは、広範な種々のフラーレン化合物を含み、これらとしては、これらに限定されないが、Ｃ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_７６、Ｃ_７８、Ｃ_８４、Ｃ_９０、Ｃ_９４、Ｃ_{１００−２５０}およびＣ_２５０＋（フラーレンすすにおけるフラーレン種の大部分がＣ_６０およびＣ_７０を含む）が挙げられる（例えば、Ｆ．Ｄｉｅｄｅｒｉｃｈら、Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．１９９２、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．３を参照のこと）。フラーレンすすは、他のすす物質（例えば、開鎖および完全に閉鎖してフラーレンを形成していない不完全な炭素殻）を含む。

リチウムイオンバッテリーのアノードにおけるフラーレン化合物の使用は、一般的に当該分野で公知であるが、アノードの性能が、炭素質物質と結合したフラーレン物質を含む電極組成物（この組成物は１００℃以上の温度で熱処理され、この組成物の電気化学特性は向上されている）の提供により向上されることは、本発明の前に公知ではない。この組成物の熱処理はフラーレン物質の炭素質物質に対して反応するか、および／または移動するかもしくは分散を容易にし、修飾されかつ向上された生成物を生じる。さらに、組成物の熱処理は、低分子量フラーレン（すなわち、Ｃ_６０フラーレンおよびＣ_７０フラーレンのような、Ｃ_＜１００フラーレン）の少なくとも幾らかの画分を、組成物から除去する。電極組成物中の大量の特定の低分子量フラーレンが、電極の性能に不都合であることが決定されている。従って、この組成物は、熱処理されて低分子量フラーレン（すなわち、Ｃ_＜１００フラーレン）の濃度の減少した組成生成物を達成し、一方で、少なくとも幾らかの高分子フラーレン（すなわち、Ｃ_１００＋フラーレン）を、組成生成物中で維持することが、好ましい。より好ましくは、この組成物は、熱処理されて最終組成生成物中の低分子量フラーレン成分（すなわち、Ｃ_＜１００フラーレン）を、フラーレン物質中の最初のＣ_＜１００フラーレン成分の少なくとも約５０％減少する。

電極組成物は、本発明に従い、フラーレン物質（好ましくは、例えばアーク放電過程（例えば、Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒ−Ｈｕｆｆｍａｎプロセス）から得られるフラーレンすす物質）と、炭素質物質（好ましくは黒鉛を含む）とを結合させることにより形成される。フラーレンおよび炭素質物質を混合し、ボールミル粉砕または他の適切な混合過程を利用し、概ね一様かつ均質な混合物または複合物を形成する。電極組成物中のフラーレン物質の量は、組成物の約１重量％以下〜９９重量％以上のどの範囲でもあり得る。炭素質物質と結合して電極組成物を形成するフラーレン物質の量は、電極およびこの電極を利用するリチウムイオンバッテリーの性能に影響する。特に、リチウムイオンバッテリーの性能は、電極における電極組成物が、電極組成物の約５０重量％以下のフラーレン物質を含む場合、向上される。好ましくは、フラーレン物質の重量％は、電極組成物の約２０％以下または約３０％以下、最も好ましくは約１０％以下である。熱処理および／または以下に記載する他の技術を利用して、電極組成物がどのように処理されたかに依存して、アノードの性能の向上は、約５％未満、約４％未満、約３％未満、約２％未満または約１％未満の、電極組成物中のフラーレン物質の重量％によって達成される。

処理したフラーレン物質と炭素質物質とを十分に混合して混合物を形成した後、この混合物を熱処理にかけ、特定のフラーレン化合物を昇華させ、適切に混合物質を（例えば、フラーレンおよび／または他の炭素化合物と他の炭素質物質との反応および／もしくは分散によって）結合する。混合物の熱処理は、混合物を、約１００℃〜約１１００℃以上の温度で、選択された時間で加熱することを含む。例えば、電極組成物は、約１００℃、約２００℃、約３００℃、約４００℃、約６００℃、約８００℃、および／または約１０００℃の温度で加熱され得る。電極組成物のための１つ以上の特異的な加熱温度の選択が、多くの因子（電極組成物中に存在するフラーレン物質、炭素質物質および／または他の物質の量ならびにタイプが上げられるが、これらに限定されない）に基づいて決定される。この組成物の熱処理を、好ましくは、約１分間〜約２４時間以上行う。最も好ましくは、熱処理を約３時間以上行う。しかし、短い熱処理も長い熱処理もまた、電極組成物を形成し得る。

熱処理過程をまた、好ましくは、減圧中（例えば、約１０^−４ｋＰａ）で行い、フラーレン物質から昇華する低分子量炭素化合物（例えば、Ｃ_＜１００フラーレン）の分離または除去を容易にする。さらに、この熱処理過程は、必要に応じて、
上限温度から室温までの約１℃／分〜約１０℃／分の割合で制御された組成物の冷却を包含し得る。しかし、低速および高速の冷却速度を、所望のように使用し得る。フラーレン物質を、黒鉛または他の炭素質物質と結合する前に、あるいは結合後に熱処理し、電極組成物を形成する。熱処理を、電極組成物および電極の形成の間、任意の１回以上実施する場合、この組成物を、フラーレン物質と炭素質物質との混合物形成後に、少なくとも１回、熱処理にかけることが好ましい。

混合物の熱処理後、好ましくは、適切な量の結合物質を混合物に加え、混合物中の炭素質物質とフラーレン物質との結合を容易にする。利用され得る任意の適切な結合物質としては、フッ化ポリビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレン、酸化ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリレート、これらの置換誘導体、これらのコポリマー、およびこれらの任意の他の適切な組み合わせが挙げられるが、これらに限定はされない。フラーレンすす／黒鉛混合物との結合のために適切な例示的な結合物は、フッ化ポリビニリデンヘキサフルオロプロピレン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）である。電極組成物中に供給されるべき結合物質の量は、好ましくは電極組成物の約１重量％〜約１５重量％である。

任意の適切な方法が、結合物質を、炭素質物質およびフラーレン物質の混合物と十分に結合し、概ね一様かつ均質な電極組成物を形成するために利用され得る。例示的な方法において、結合物質を、まず溶媒（エチルアセテート、シクロペンタノン、１−メチル−２−ピロリジノン、および／または他の適切な溶媒）中に溶解し、次いで、炭素質物質およびフラーレン物質混合物を添加する。フラーレン物質および炭素質物質を、任意の適切な過程（例えば、撹拌、超音波処理など）を利用して、溶媒中で結合物質と結合させる。混合された炭素質物質、フラーレン物質および結合物質ならびに溶媒を含有するスラリーを形成し、そしてこのスラリーを、カレントコレクタまたは他の適切な基質に（例えば、ドクターブレードを介して）一様に適用し、電極を形成する。この電極を、次いで、十分な時間、好ましくは減圧下（例えば、約１０^−４ｋＰａ）で乾燥し、溶媒および任意の他の残留の湿気を、組成物から実質的に除去する。

形成した電極を、（例えば、およそ室温で）適切な圧力（例えば、約２００キロパスカル（ｋＰａ）〜約３００メガパスカル（ＭＰａ））で、十分な時間（例えば、約１秒〜約８時間）冷却圧縮し、次いで、リチウムイオンバッテリーにおける使用に導入する。必要に応じて、この電極は、高い温度（例えば、約０℃〜約２５０℃）で圧縮され、電極組成物中で結合物質のより均質な分散を達成し得る。好ましくは、熱圧縮の間の温度は、結合物質の融点（例えば、ＰＶＤＦ−ＨＦＰについては約１４０℃）未満であり、圧縮の間の組成物の保形を維持する。電極の性能が、この様式における電極の熱圧縮により向上され得、冷却圧縮された電極と熱圧縮された電極との間の比較試験において観察される可逆容量の増加を伴い得る。

必要に応じて、フラーレン物質は、特定の量の、低分子量フラーレンおよび／または高分子量フラーレン（例えば、Ｃ_＜１００フラーレンおよび／またはＣ_２５０＋フラーレン）を、フラーレン物質から除去または抽出するために処理され得、次いで、これを炭素質物質と混合し、熱処理をかける。任意の数の適切な抽出技術（一般的に上述される）が利用し得、選択された量の特定の分子量の範囲のフラーレンが、フラーレン物質から除去される。

化学的抽出技術は、低分子量フラーレンをフラーレン物質から分離し、Ｃ_＜１００フラーレンの数が減少したフラーレン物質生成物を得るために、特に有用である。例えば、２つの周知の抽出溶媒は、トルエンおよび１，２，４−トリクロロベンゼン（ＴＣＢ）である。これらの２つの溶媒は、多くの抽出技術（Ｓｏｘｈｌｅｔ装置を用いた固体の連続抽出法）に適合する。トルエンおよびＴＣＢの、フラーレンの分離のための溶媒としての使用は、Ｆ．Ｄｉｅｄｅｒｉｃｈら，Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，１９９２，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．３（この開示は本明細書中でその全体が参考として援用される）に記載される。

トルエン抽出過程において、Ｃ_＜１００フラーレン成分の大部分を溶解し、そして残留不溶フラーレンすすから抽出し、ここで、より大きな分子量のフラーレン（すなわち、Ｃ_１００＋フラーレン）および他の炭素物質が、不溶フラーレン中に残留する。言い換えれば、フラーレン物質中に最初に存在した少なくとも５０％のＣ_＜１００フラーレンを溶解し得、そして不溶フラーレン物質から、トルエンによって抽出され得る。

トルエン抽出は、フラーレン物質から低分子量フラーレンの分離において有用であるが、不溶フラーレン物質生成物中のトルエンの存在は、リチウムイオンバッテリーのための電極に実施される場合の電極組成物には不都合であり得る。どのようなマイナス効果を防ぐかまたは最小化するため、トルエン抽出過程の後および／またはその前に、不溶フラーレン物質を適切な溶媒（例えば、アセトン）で処理し、残留するトルエンおよび水ならびに／または最初にフラーレン物質において存在し得た可溶炭化水素を除去する。

抽出もまた、他の溶媒を用いて実行し得、選択された分子量のフラーレン化合物をフラーレン物質から除去するかおよび／または単離し得る。例えば、フラーレン物質を、ＴＣＢ抽出にかけ、Ｃ_＜２５０フラーレンを可溶抽出物として不溶フラーレン物質から除去し得る。ＴＣＢ抽出はまた、トルエン抽出と組み合わせて使用し得る（例えば、ＴＣＢ抽出をトルエン抽出の後に実施することによる）。フラーレン物質を、ＴＣＢ抽出生成物を得るこの様式で処理するとこのＴＣＢ抽出物は、Ｃ_{１００−２５０}フラーレンおよび／または他のフラーレン物質（例えば、Ｃ_{１００−２５０}分子量の範囲の不完全炭素殻）を含有し、そしてＴＣＢ不溶生成物は、Ｃ_２５０＋フラーレンおよび／または他のフラーレン物質（例えば、Ｃ_２５０＋分子量の範囲の不完全炭素殻）を含有する。あるいは、フラーレン物質を、ＴＣＢ抽出にのみかけて、フラーレン物質抽出物および不溶フラーレン物質を得てもよい。他の抽出技術および／またはフラーレン精製技術もまた、本発明の電極組成物の形成における使用のために、１つ以上の特定の分子量分散範囲のフラーレン物質をさらに単離するために、利用し得る。Ｃ_１００＋フラーレン物質の特定の分子量範囲（例えば、Ｃ_ｎの炭素成分を有し、１００≦ｎ≦２５０である、フラーレン種）の選択は、得られる電極組成物の電気化学特性および性能をさらに向上し得る。従って、本発明は、任意の分子量範囲のフラーレンまたはＣ_１００＋フラーレンを黒鉛および／または任意の他の炭素質物質と組み合わせて使用した電極組成物の形成を包含する。

上述のように、フラーレン物質と炭素質物質との混合物のための特定の熱処理温度の選択は、因子の数（電極組成物中に存在するフラーレン物質、炭素質物質、および／または他の物質の量およびタイプ）に依存する。例えば、黒鉛と、いかなる化学的抽出過程も他の抽出過程も受けていないフラーレンすすとの混合物を形成する場合、熱処理過程を、好ましくは約６００℃以上、最も好ましくは１０００℃以上の温度で実施する。フラーレン／トルエン抽出から得た不溶フラーレンすすを含む黒鉛の混合物を、好ましくは６００℃以上、最も好ましくは１０００℃以上の温度で実施する。フラーレン／ＴＣＢ抽出から得た不溶フラーレンすすを含む黒鉛の混合物を、好ましくは約１００℃〜約４００℃の範囲内の温度で熱処理過程に供する。フラーレン／ＴＣＢ抽出から得た不溶フラーレンすすを含む黒鉛の混合物を、好ましくは約６００℃以上、最も好ましくは１０００℃以上の温度で熱処理過程に供する。

電極組成物の電気化学特性に影響し、従って電極の性能に影響し得る別の因子は、電極組成物を形成するために使用するフラーレン物質を、酸素に曝す程度である。フラーレンは、酸素（大気中の酸素を含む）に対し非常に反応性が高いことが見出されている。大気または他の供給源由来の酸素原子は、フラーレン分子の表面上で吸収され得、フラーレンの部分的な酸化および二量体化または重合体化を引き起こす。関連技術は、幾つかのタイプのフラーレンベースの電極を作製するためのＣ_６０フラーレンまたはＣ_７０フラーレンの使用を記載し、いかにしてこれらを合成し、精製するかを記載している。しかし、先行技術において、全ての段階において、これらの物質が、大気の非存在下で合成され操作されるべきであることは述べられていない。フラーレンの酸素への短い露出は、部分的にのみ反応を引き起こし、この物質の大部分は損なわれない。しかし、反応する量は、バルクのフラーレン物質の電気化学特性にマイナスに作用し得、酸化したフラーレン物質の作製は、バッテリー電極のための有用性がより低い。

従って、特定のシナリオにおいて、特定の適用に依存して、フラーレン物質が、電極組成物ならびに電極組成物を組み込んだ電極およびバッテリーを製造するために使用され、生成の全段階（フラーレン物質の合成および／または処理、電極組成物および電極の形成、電池製造および梱包を含む）の間、酸素から隔離されることが望ましい。減圧環境（例えば、フラーレン物質を約１０^−４ｋＰａの減圧にかける）および不活性雰囲気環境（例えば、アルゴンまたはヘリウム）の少なくとも１つを提供することは、フラーレン物質内のフラーレンを、実質的に酸素を含まない環境に維持し、フラーレン物質が使用される電極およびバッテリーの生成の前または生成の間に酸化させないことを保障する。

上述の電極組成物で形成される電極は、任意の従来バッテリー設計または他の選択されたバッテリー設計において、リチウムイオン二次電池中での使用のために、導入され得る。特に、リチウムイオン二次電池は、上述の電極組成物を含むアノードおよび酸化リチウム遷移金属を含む正電極で構築され得、ここで、電極は、それぞれ電気的末端を介して荷電供給源に接続され、そして適切なリチウムイオン可溶電解質で互いに隔てられる。バッテリーを充電中、リチウムイオンは、アノードに移動してアノード内でインターカレートするが、バッテリーの放電の間は、リチウムイオンは、アノードから脱インターカレートし、そして正電極に戻っていく。

アノードおよびリチウムイオンバッテリーの操作上の性能を表示を提供する有用な物理的パラメーターは、バッテリーの可逆容量である。可逆容量は、グラムあたりのミリアンプ時間またはｍＡｈ／ｇの単位で記載され、活性物質のグラム重量（すなわち、電極において提供される電極組成物の量）あたりのリチウムイオンの量を表し、これは、バッテリーの放電周期（すなわち、荷電およびアノードのインターカレーションの周期が起こった後）において、アノードから除去されるか、または脱インターカレートされる。言い換えれば、可逆容量は、特定の周期の間に、バッテリーによって輸送される電荷の指標を提供する。

黒煙で形成される従来のアノードは、最初の充電周期および放電周期において、リチウムイオンバッテリーに比較的高い可逆容量をもたらすが、この可逆容量は、多数の周期にわたって急速に減少するかまたは衰え、従って、バッテリーの寿命を制限する。関連技術に記載されるような公知の様式におけるフラーレンの黒鉛アノードへの取り込み（本発明に記載されるフラーレンの処理を全く行わない）は、いくらか向上された、可逆容量における改善を提供し得る。しかし、これらのフラーレン電極の可逆容量は、繰返し周期にわたってまだかなり減少し、長期の使用にわたり、選択されたレベルの性能を要求するバッテリーにおける使用のためにこれらの電極を不適切にする。

リチウムイオン二次電池におけるアノード（このアノードは本発明に従って形成された電極組成物を含む）の使用は、バッテリーの性能をかなり向上する。特に、可逆容量は、多数の充電／放電周期にわたって実質的に維持される。さらに、上述の範囲内の電極組成物中のフラーレン物質の重量％は、アノードの可逆容量をさらに向上し、従って、バッテリーの性能を改善する。

以下の実施例は、本発明に従って電極組成物で形成したアノードを利用した場合に達成される、向上されたバッテリー性能を実証する。各実施例において、電極組成物を、フラーレンすす（Ｋｒａｔｓｃｈｍｅｒ−Ｈｕｆｆｍａｎアーク過程を用いて製造した）、黒鉛および結合物質で形成した。特に、生のフラーレンすすを、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（ＭＥＲ）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｔｕｃｓｏｎ，Ａｒｉｚｏｎａ）およびＢｕｃｋｙＵＳＡ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ）から得た。電極を形成するために利用した黒鉛は、Ｔｉｍｃａｌ Ａｍｅｒｉｃａ Ｌｔｄ．（Ｗｅｓｔｌａｋｅ，Ｏｈｉｏ）から得たＴｉｍｒｅｘ ＳＦＧ−１５合成黒鉛であった。

（実施例１）
この実施例において、未処理のフラーレンすす（ＭＥＲコーポレーションから得た）を、２０重量％フラーレンすす対８０重量％ＳＦＧ−１５黒鉛で、ＳＦＧ−１５黒鉛と組み合わせた。未処理のフラーレンすすを、プラネタリーボウルミル（Ｆｒｉｔｃｈ ｍｏｄｅｌ ＬＣ−１０６Ａ、８０ｍＬクロム鋼ボール、２ｇ材料、４つの１５ｍｍクロム鋼ボールを、１００ｒｐｍおよび３０分の製粉時間を使用）を使用して、黒鉛材料と一緒に混合した。次いで、黒鉛／フラーレンすす複合物を、動的減圧（ｄｙｎａｍｉｃ ｖａｃｕｕｍ）（１０^−４ｋＰａ）下で、３時間１０００℃の温度で、溶融シリカチューブ中で、熱処理した。この加熱プロセスは、少なくともいくらの低分子量のフラーレン（すなわち、Ｃ_＜１００フラーレン）および他の炭素化合物の昇華を生じ、これは、シリカチューブの冷却端で黒い堆積物を形成し、このようにして、フラーレン／黒鉛複合物材料から昇華した材料を分離した。昇華したフラーレン材料が、フラーレン／黒鉛複合物材料と再結合することを妨げ、その結果、熱処理した複合物材料は、実質的に、Ｃ_＜１００フラーレンを含まなかった。従って、熱処理したフラーレン／黒鉛複合物中のＣ_＜１００フラーレンの含有量は、熱処理前の複合物中のＣ_＜１００フラーレンの含有量の少なくとも５０％未満であった。１０００℃の加熱温度を使用したが、複合物材料から低分子量のフラーレンの十分な分離を達成する際に、より低いかまたはより高い加熱温度もまた有効であることが注目される。

熱処理後、黒鉛／処理フラーレンすす複合物を、減圧アタッチメントを備えたホウケイ酸フラスコ中で、２ｍｌの１−メチル−２−ピロリジノン（ＮＭＰ、ＡＣＳ試薬グレード、９９＋％Ａｓｓａｙ、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃ．，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎから入手可能）中に溶解させた５重量％のポリビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ、平均Ｍ_ｎ約１１０，０００、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃ．，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎから入手可能）と混合した。この混合物を、動的減圧（１０^−４ｋＰａ）下で、２０分間、超音波浴（モデルＦＳ３０，１３０ Ｗ，Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）中での撹拌によって均一にした。次いで、得られたスラリーを、カスタムドクターブレード装備（ｓｅｔ−ｕｐ）を使用して、銅集電装置（９９．９％純度の銅、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ，Ｗａｒｄ Ｈｉｌｌ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓから入手可能）上に広げて、約７／１６インチの直径を有する電極組成物の円形活性材料を形成した。次いで、電極を１３０℃で１時間、動的減圧（１０^−４ｋＰａ）下で乾燥させ、溶媒および残留水分を除き、そしてほぼ室温および５，０００ｐｓｉ（３４，４７０ｋＰａ）で加圧した。この活性材料は、約５０マイクロメートルの厚み、および３．９０ミリグラムの重さを有した。第２の電極を、活性材料が全体的にＳＦＧ−１５黒鉛である（すなわち、フラーレン材料を含まない）ことを除いて、上記と同様な方法で調製した。第２の電極の活性材料は、第１の電極の活性材料と同じ厚みであり、そして５．２７ミリグラムの質量を有した。

電池アセンブリおよび充電／放電サイクル試験を、アルゴンで満たしたドライボックス（ドライボックス内の酸素および水の含有量を約１ｐｐｍ未満に維持するための再循環システムを取り付けている）中で行った。調製したフラーレン−黒鉛電極が、各電池において作用電極として働く、三電極電池装備を各電極について構築した。各三電極電池は、電池構成要素を収容するために注文製のホウケイ酸ティーフィッティング（ｔｅｅ ｆｉｔｔｉｎｇ）を備えていた。対電極および参照電極の各々を、ステンレス鋼電極（１／２インチ直径）の端部上に１／２インチ直径の円板のリチウム箔（０．７５ｍｍ厚、９９．９％純粋リチウム、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ，Ｗａｒｄ Ｈｉｌｌ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓから入手可能）を押すことによって構築した。次いで、対電極および参照電極のリチウム端部を、ティーフィッティングの対向する開口端部内に挿入した。作用電極（すなわち、複合物活性材料を含む）を、対電極のリチウム末端と参照電極のリチウム末端との間に押し、そしてミクロ細孔性ポリプロピレン膜セパレーター（Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）２４００，Ｃｅｌｇａｒｄ Ｉｎｃ．，Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）によって分離し、作用電極の銅集電装置がティーフィッティングの第三の開口部を通って延びる。参照電極および対電極に対してほぼ一定の張力を適用して、これらの参照電極および対電極をティーフィッティング内の適所に保持し、このティーフィッティングは、参照電極および対照電極の対向する端部（すなわち、ティーフィッティングの対向する開口部から延びる電極端部）に係合した支持ブロックを使用し、そして支持ブロック間に延びそして支持ブロックに結合されたバネを保持する。１．０Ｍ ＬｉＰＦ_６支持電解質（＜１０ｐｐｍ Ｈ_２Ｏ、Ｆｅｒｒｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ）を含む炭酸エチレン／炭酸ジメチル（１：１ｗ／ｗ）溶液を、電極をカバーし、そして電解質として役立つように各ティーフィッティングに加えた。ティーフィッティングの各開口部を、適切な液密プラグ部材でシールし、そして電極を従来の（三電極）様式で、バッテリー試験システムに接続した。

充電／放電サイクルを制御し、そして以下のバッテリー試験システムを使用して測定した：Ｍｏｄｅｌ ＢＴ２０００（Ａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｔｅｘａｓ）から入手可能）およびＭｏｄｅｌ ＭＣ−４（Ｍａｃｃｏｒ，Ｉｎｃ．（Ｔｕｌｓａ，Ｏｋｌａｈｏｍａ）から入手可能）。電池を約２５℃でサイクルさせ、そして最初に、リチウム金属に対して２０ｍＶのカットオフ電圧まで、０．７１ｍＡ／ｃｍ^２（０．６９ｍＡ）で、充電した（すなわち、作用電極の活性材料内に充填されたリチウム）。３時間、リチウム金属に対して、２０ｍＶの一定電位で充電を続け、次いで、この電池を一時間休止（ｒｅｓｔ）させた。放電（作用電極の活性材料からのリチウムの除去）を、リチウム金属に対して１．５Ｖのカットオフ電圧まで、０．７１ｍＡ／ｃｍ^２の一定電流で実施した。次いで、電池を１時間休止させ、１サイクルを完了させた。第一のサイクルと同じ充電および放電手順を使用して、引き続くサイクルを実行した。このサイクル全体を通して、可逆容量の変化の指標を提供するために、複数のサイクルを実施した。

２つの電池（すなわち、フラーレン／黒鉛電極電池および黒鉛電極電池）の測定されたデータを、表１に提供する。図１を参照して、ＳＦＧ−１５黒鉛電極を備える電池が、最初の数回のサイクルで高い可逆容量を有することが分かる。しかし、可逆容量は、次の数回のサイクルで、迅速に減少するかまたは消失する。対照的に、フラーレン／黒鉛電極は、多くのサイクルの間、高い可逆容量を実質的に維持し、そして最小の容量消失を示した（図１において、相対的に平坦な曲線から観察され得る）。

（実施例２）
この実施例では、作用電極における、フラーレン材料対黒鉛の種々の重量比を含むリチウム電池の性能を研究した。電極および電池を、黒鉛の含有量に対するフラーレンの量が電極当たりで変化することを除いて、実施例１において上記される様式と同じ様式（黒鉛／フラーレン複合物からの低分子量のフラーレンの大部分を抽出するための１０００℃での熱処理を含む）で調製した。

特に、以下の未処理のフラーレンすす材料対ＳＦＧ−１５黒鉛材料の重量割合の組み合わせによって形成された活性材料を用いて、６個の電極を調製した：９０：１０（すなわち、９０％黒鉛、１０％未処理フラーレンすす）、８０：２０（すなわち、８０％黒鉛、２０％未処理フラーレンすす）、６０：４０（すなわち、６０％黒鉛、４０％未処理フラーレンすす）、４０：６０（すなわち、４０％黒鉛、６０％未処理フラーレンすす）、２０：８０（すなわち、２０％黒鉛、８０％未処理フラーレンすす）、および１００：０（すなわち、電極組成物中にフラーレン材料を含まない）。電極の各々についての活性材料は、約５０マイクロメートルの厚みおよび約３〜９ミリグラムの範囲の質量を有した。種々のフラーレンすす／黒鉛比を含む６個の作用電極を使用して、６個のリチウム電池を調製し、そして実施例１について上記された技術と同じ技術を使用して、複数のサイクルにわたって、電池を充電および放電した。

各電池について試験した、測定された可逆容量対サイクルの数を、図２にプロットする。図２を参照して、電極組成物内の黒鉛に対するフラーレン材料の比が減少するとき、可逆容量の増加が生じることが分かる。特に、９０：１０の黒鉛対未処理のフラーレンすすの混合物は、活性材料について純粋な黒鉛を使用した場合、最初の可逆容量に非常に近い可逆容量を生じることが分かる。さらに、熱処理を受けたフラーレンすす／黒鉛混合物を含む電極の各々が、純粋な黒鉛電極について観察される迅速な容量消失と対照的に、比較的低い容量消失を起こした（すなわち、各々が、実質的に平坦な可逆容量曲線を有する）ことが分かる。

（実施例３）
この実施例において、リチウム電池の性能を研究した。ここで、この電池は、種々のトルエンおよび熱抽出プロセスに供されたフラーレン材料を含んだ。電極を形成するために使用されたフラーレン材料は、ＢｕｃｋｙＵＳＡから得たフラーレンすすであり、活性材料を、８０重量％の黒鉛対２０重量％のフラーレンすすの比で、形成されている。

１つのプロセスにおいて、未処理のフラーレンすすを、トルエン（ＨＰＬＣグレード、９９．８％Ａｓｓａｙ、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）を用いて連続ソックスレー抽出に供した。未処理のフラーレンすす（約１０ｇ）を、綿セルロース抽出シンブル（１２３ｍｍの高さ、４３ｍｍの内部直径、１ｍｍの厚み、Ｗｈａｔｍａｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃカタログ番号２８００４３２）中に充填し、そして、水冷コンデンサーおよびトルエン溶媒を入れた丸底フラスコを備えたソックスレー抽出管内に入れた。溶媒を還流させ、そして４８時間抽出を進行させた。

トルエン抽出の変化において、アセトン（９９．５＋％Ａｓｓａｙ、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ，Ｗａｒｄ Ｈｉｌｌ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）でのソックスレー抽出を、トルエンでの連続抽出の直前、および直後に再び、４８時間、未処理のフラーレンすすに対して行った。アセトン抽出とトルエン抽出の組合せは、処理されたフラーレンすす材料からのトルエン、ならびにフラーレンすす中に最初に存在し得た水および／または可溶性炭化水素を実質的に除去した。

各ソックスレー抽出プロセスについて抽出されたフラーレンすす材料を、実施例１において上記された様式と同じ様式で黒鉛と混合した。黒鉛／フラーレンすす複合物に熱処理をまた適用し、そして形成された電極に依存して加熱温度を変更したことを除いて、実施例１において上記された様式と同じ様式で電極を形成した。特に、電極Ａを、上記トルエン抽出を利用して処理された不溶性フラーレンすすを含む活性材料（ここで、この活性材料は、１０００℃で加熱されている）を用いて形成した。電極ＢおよびＣを、上記アセトンおよびトルエンの組合せ抽出から得た不溶性フラーレンすす（ここで、電極Ｂについての活性材料は、３００℃に加熱され、そして電極Ｃについての活性材料は、１０００℃に加熱されている）を用いて形成した。

電極Ｄ（ここで、この電極は、黒鉛のみを含んだ（すなわち、フラーレン材料を含まない））がまた形成された。この黒鉛電極を、減圧下で１０００℃の温度に加熱した；しかし、黒鉛電極のこの熱処理は、その性能に対して観察される効果を有さなかったことが注目される。

５個のリチウム電池（各々が、電極Ａ〜Ｄのそれぞれ１つを含む）を、実施例１で上記に記載される様式と同じ様式で調製した。電極Ａ〜Ｄの各々についての活性材料は、約５０マイクロメートルの厚みおよび約３〜９ミリグラムの範囲の質量を有した。電池を、実施例１において上記される技術と同じ技術を利用して、複数のサイクルにわたって充電および放電した。

電極Ａ〜Ｄを含む電池の各々について試験された、測定された可逆容量対サイクル数を、図３にプロットする。図３で分かるように、アセトンおよびトルエンの組合せ抽出、続く熱処理から得られた不溶性フラーレンすすを用いた電極（すなわち、電極ＢおよびＣ）を使用するリチウム電池についての可逆容量は、トルエン（アセトン無し）抽出、続く熱処理から得られた不溶性フラーレン材料を用いた電極（すなわち、電極Ａ）を使用するリチウム電池と比較して、複数のサイクルにわたってより高い可逆容量を維持した。しかし、いくらかの形態のトルエン抽出に供されたフラーレン材料を用いた電極の各々は、電極Ｄ（すなわち、純粋な黒鉛電極）と比較して、複数のサイクルにわたって、より高い可逆容量を生じた。さらに、電極Ｄが比較的迅速な容量消失を起こすことが分かる。

これらの実施例は、本発明に従う電極組成物を用いて形成された電極を利用した場合、バッテリー性能を有意に改善することを実証する。これらの電極は、従来の黒鉛電極で一般的な迅速な容量消失を起こさない。従って、本発明に従って形成された電極は、複数のサイクルにわたって維持される性能レベルを有して、かなり長いバッテリー寿命を生じ、多くの長期の適用についてこのバッテリーを有用にする。さらに、電極組成物におけるフラーレン材料対炭素質材料の比は、リチウムイオンバッテリーにおいて使用される電極の可逆容量をさらに向上するために制御され得る。

バッテリー性能は、特定の分子量群のフラーレンを含むように、上記の１つ以上の適切な抽出技術に供されたフラーレン材料をアノードで使用することによって、さらに向上し得る。特に、Ｃ_{１００〜２５０}の炭素成分を有するフラーレン種のアノードでの使用は、Ｃ_２５０＋の炭素成分を有するフラーレンを用いて形成されたアノードと比較して、バッテリー操作の最初の数回の充電／放電サイクルにおいてわずかにより良いクーロン効率を生じる。クーロン効率は、各充電／放電サイクルの間に失われる電極容量を測定し、そしてインターカレーションまたは充電容量に対するアンロードまたは放電容量の比として規定される。

フラーレンに基づく二次電池電極およびそれらの製造方法の好ましい実施形態を記載したが、本明細書中に記載される教示を考慮して、変更および変化が当業者に提案される。従って、このような全ての変更、改変および変化が、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に入ると考えられることが理解される。

リチウムイオン蓄電池のための電極を形成するための組成物は、ｎが１００以上のＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種を含むフラーレン材料と組み合わされた炭素質材料を含む。この組成物は、フラーレン材料と炭素質材料との反応および／またはフラーレン材料の拡散を促進し、そしてまた、この組成物から低分子量（Ｃ_＜１００）のフラーレンを除くために１００℃以上の温度に加熱される。さらに、他の抽出技術は、フラーレン材料からフラーレン種を選択的に除去するために熱処理と組み合わせて使用され得る。この組成物は、リチウムイオンバッテリーにおいて電極の電気化学的性能を向上する。

図１は、黒鉛電極を有するリチウム電池、および本発明に従って製造された電極を有するおよびリチウム電池の可逆容量を示す略図である。 図２は、本発明に従って製造された電極を有するリチウム電池の可逆容量を示す略図である（この電極は、黒鉛と混合された異なる量のフラーレン物質で形成されている）。 図３は、異なるアノードを利用するリチウム電池の可逆容量を示す略図である（いくつかの電池は、本発明に従って、異なる抽出技術に供されたフラーレン物質で製造された電極を含む）。

Claims (12)

1. フラーレン材料と組み合わされた炭素質材料を含む組成物であって、該フラーレン材料が、ｎが１００以上のＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種を含み、ここで、ｎ＜１００であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種は該フラーレン材料から除去されている、組成物。
2. 請求項１に記載の組成物を含む、電極。
3. 請求項１に記載の組成物であって、該組成物が、１００度以上の温度に加熱されている、組成物。
4. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、前記フラーレン材料が、該フラーレン材料からｎ＜１００であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種を除去するために化学抽出過程を受けている、組成物。
5. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、前記フラーレン材料が、該フラーレン材料からｎ＞２５０であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種を除去するために、熱処理過程および化学抽出過程のうちの少なくとも１つを受けている、組成物。
6. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、該組成物はｎ＜１００であるＣ_ｎの炭素成分を有するフラーレン種が実質的にない、組成物。
7. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、前記炭素質材料が黒鉛を含む、組成物。
8. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、該組成物が３００℃以上の温度に加熱されている、組成物。
9. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、該組成物が４００℃以上の温度に加熱されている、組成物。
10. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、該組成物が６００℃以上の温度に加熱されている、組成物。
11. 請求項１に記載の組成物であって、ここで、該組成物が１０００℃以上の温度に加熱されている、組成物。
12. 請求項２に記載の電極を含むリチウムイオン二次電池。

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