JPH01296565A - 二次電池用負極 - Google Patents

二次電池用負極

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JPH01296565A
JPH01296565A JP63124905A JP12490588A JPH01296565A JP H01296565 A JPH01296565 A JP H01296565A JP 63124905 A JP63124905 A JP 63124905A JP 12490588 A JP12490588 A JP 12490588A JP H01296565 A JPH01296565 A JP H01296565A
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JP
Japan
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carbon fiber
negative electrode
lithium
carbon
secondary battery
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JP63124905A
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English (en)
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Yuzuru Takahashi
譲 高橋
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Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Publication date
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は、非水電解質二次電池に関するものてあり、特
に高電流密度における充放電特性およびザイクル安定性
に優れた二次電池用負極ζこ関するものである。
[’tM来の技術、発明7))解決し・ようとずろ問題
点]一般に負極活物質として金属リチウムを用いた電池
は高エネルギー密度、軽量小型、そして長期)呆存性な
との利点を有し、すてに多くの一次電池か実用化されて
いる。しかしながら、この負極活物質を二次電池として
使用した場合(こ、この二次電池は、−次電池には無い
新しい問題点を有する。
すなわち、金属リチウムを負極とした二次電池は充放電
サイクル寿命が短く、また、充放電に際し、この充放電
効率が低いことである。これは負極ζこ析出する金属リ
チウムがテントライト状(樹枝状)であることによるリ
チウム負極の劣化に起因する。
本発明者は、負極として金属リチウムを使用することの
欠点を解消する手段として、ある特定の格子面間隔を有
する炭素繊維成型体に予めリチウムを吸蔵さぜた複合体
を二次電池用負極とする発明を完成した(特開昭62−
268058号)。この負極を用いた二次電池はデンド
ライトの発生もなく充放電サイクル寿命が長く、信頼性
が高く、しかも、軽量である等の優れた性質を有してい
る。
しかしながら、その後の研究により、炭素繊維の成型体
または炭素繊維粉末の成型体に予めリチラムを吸蔵させ
た複合体を負極とし、二次電池を製造した際、さらに高
い電流密度における充放電特性およびサイクル安定性を
改善できることが判明した。
[問題を解決するための手段、作用] 本発明者は、ある特定の格子面間隔を有する炭素繊維お
よび炭素繊維粉末のそれぞれの成型体(以下、単に 炭
素成型体 と記すこともある。)に予めリチウムを吸蔵
させた複合体を負極とする二次電池について、ざらに高
い電流密度での充放電特性およびサイクル安定性に優れ
た二次電池を開発するため種々研究を重ねた結果、X線
回折における格子面間隔(d002)が3.38〜3.
56人の格子面間隔(doo2)を有す、る炭素繊維の
成型体または炭素繊維粉末の成型体にリチウムを吸蔵さ
せた二次電池用負極において、空気中て熱処理された炭
素繊維および炭素繊維粉末をそれぞれ使用することζこ
より、高い電流密度における充放電特性およびサイクル
安定性が改善されることを見出し、本発明を完成するに
至った。
すなわち、X線回折における格子面間隔(doo2)が
3.38〜3.56人である炭素繊維の成型体または炭
素繊維粉末の成型体にリチウムを吸蔵させた二次電池用
負極おいて、炭素繊維もしくは炭素&!:維粉米粉末ケ
アは炭素繊維の成型体もしくは炭素繊維粉末の成型体が
空気中て熱処理されたものであることを特徴とする二次
電池用負極である。
本発明で使用される炭素繊維または炭素繊維粉末はその
格子面間隔(doo2)が3.38〜3.56人、好ま
しくは:3 、40〜3.50人のものである。
また、このような炭素繊維の成型体および炭素繊維粉末
の成型体のそれぞれの格子面間隔(cloo2)は、使
用された炭素繊維および炭素繊維粉末のそれぞれの格子
面間R(d[+02)に起因して、3.38〜3.56
人、好ましくは3.40〜3.5o@−÷÷→・である
3.56人をこえる格子面間隔((1002)を有する
炭素繊維および炭素繊維粉末のそれぞれの成型体を使用
すると、電池電圧が低すき、また、放電開始と同時に放
電電圧が急激に低下する。 また一方、3.38人未満
の格子面間隔(d002)を有する炭素繊維および炭素
繊維粉末のそれぞれの成型体を使用したときには、3.
56人をこえる格子面間隔(doo2)を有する炭素繊
維および炭素繊維粉末のそれぞれの成型体を使用したと
きと同様に電池電圧が低すぎる以外に、リチウムの吸蔵
時に炭素成型体が著しく膨潤し、ついにはもとの形状を
維持できなくなり、どちらの炭素成型体も負極としては
実用し得ない。
本発明において、格子面間隔(dno2)は、X線とし
てCuKαを用い、標準物質として高純度シリコンを使
用する方法によって測定された値である。
なお、この方法は、たとえば、「炭素繊維ノ (大谷杉
部著、近代編集社 昭和61年3月発行)第733〜7
42頁に記載されている。
炭素成型体を構成する炭素繊維または炭素繊維粉末は、
その原料、製法に何ら制限はないが、実用的な原料の代
表例として、ピッチ、ポリアクリロニトリルおよびレー
ヨン等があげられる。炭素繊維の繊維径には特に制限は
ないが、実用上0.5〜30μm、好ましくは 1〜2
0μm、さらに好まし・くは3〜10μmのものか使用
される。
本発明で使用される炭素繊維粉末は、前記の格子面間隔
(clno2)を有する炭素繊維を粉砕、分級して得ら
れる。炭素繊維粉末の平均粒子径は、−般ニO,1〜2
00 μm、好ましくは 1〜1oolJm、さらに好
ましくは5〜60μmである。
本発明において、炭素繊維粉末の平均粒子径は、ストー
クスの沈降式による液相沈降法によって、光透過法で測
定して得られた粒度分布から、累積分布が、5ozに相
当する粒子径としてもとめられた値である。これには、
たとえば、「現場製作所(株)製、遠心式自動粒度分布
測定装置」が好適に使用される。
成型体は、それぞれ予め空気中で熱処理されたものであ
る。
この熱処理に使用される加熱炉としては電気を使用した
電気炉およびガス、石油、石炭などを使用した燃焼炉な
とがあり、この中で電気炉が好適6一 加熱炉、アーク加熱炉、電子ビーム加熱炉およびプラズ
マ加熱炉なとがあけられるが、実用上、抵抗加熱炉が好
適に使用される。また、炉の構造ないることができる。
熱処理の温度は、通常は200〜800 ”C:、好ま
しくは350〜600℃程度である。
熱処理の時間は、熱処理の温度によって一概に特定てき
ないか、通常は2〜120分、好ましくは5〜60分程
度である。なお、熱処理の時間は熱処理の温度が高い程
短くし、また、熱処理の温度が低いほど長くするのが良
い。
このようにして熱処理された炭素繊維および炭素繊維粉
末の格子面間隔(do02)は熱処理前のものと実質的
に異なるところはない。
本発明で使用される炭素繊維の成型体は炭素繊維なバイ
ンターを使用し、または使用しないで、実用上、たとえ
は、板、網、撒布、不織布および抄紙などの形態に成型
したものであるが、必ずしもこれらに限定されるもので
はない。
また、炭素繊維粉末を使用した成型体は、通常は、バイ
ンダーを使用し、−船釣には板状あるいはシート状に成
型されたものである。
バインターは有機電解液に不活性なものであれば良く、
たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレンあるいはポリ
テトラフルオロエチレンなとがあげられる。バインダー
の量は炭素成型体の50wt%以下、好ましくは0.5
〜30冒tχ、特に好ましくは1〜20冒tχとされる
炭素成型体の厚さは所望される電池容量および電池の形
状などにより一概に特定しえないが、実用上、通常は0
.05〜50mm、好ましくは帆1〜20mm程度とさ
れる。また、炭素成型体は一枚でもよいが数枚重ねて併
用することもてきる。
本発明における負極は、前記の炭素成型体にリチウムを
吸蔵させた複合体(以下、複合体と記すこともある)で
ある。前記の炭素成型体そのものを負極とした場合ζこ
は、エネルギー密度か低く、充放電サイクル寿命が短い
等の難点を有する。
炭素成型体にリチウムを吸蔵させる方法には特に制限は
ないが、通常は、電気化学的方法または物理的方法があ
げられる。すなわち、たとえは電気化学的方法としては
リチウムを吸蔵させるべき炭素成型体および金属リチウ
ムを各々電極とし、リチウム塩−たとえば LiCl、
LiCIO4、LiBF4、LiPFe、LiAsF5
およびLiSbF6なと−・を万機溶媒−たとえはプロ
ピレンカーボネート、エチレンカーボネート、アセトニ
トリル、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタ
ン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホランお
よびN、N−ジメチルホルJ1アミドなど−tこ溶解し
て得られた有機電解液中で両電極間に電流を流す方法、
あるいは両電極間を導体で短絡させる方法があけられる
両電極間乙こ外部端子を通して直流電流を流す方法とし
ては、たとえは、外部直流電源のプラス端子を金属リチ
ウムの外部端子に、一方のマイナス端子を炭素成型体に
接続する方法かある。
物理的方法としては、たとえは、炭素成型体を一〇− 2枚の金属リチウム板で挟持し、または1枚の金属リチ
ウム板と接触させて重ねた積層体を、前記のようなリチ
ウム化合物の有機溶媒溶液中に浸漬するなどにより、金
属リチウムと炭素成型体とを接触させる方法があげられ
る。
前記のリチウムの吸蔵は水分が少なく、しかも酸素が少
ないほど好ましいか、特に好ましくは、水分が実質的に
存在しない雰囲気中で、しかも特に好ましくは、さらに
酸素が実質的に存在しない雰囲気中で行なわれる。
このよう乙こして得られた複合体のリチウムの含有率は
リチウム金属として通常は0.5〜12wt2+、好ま
しくは1〜lowtχ程度とされる。
本発明の二次電池用負極を使用した二次電池に使用され
る正極とし・では、充放電可能なものであれはよく、た
とえは遷移金属のカルコク゛ン1ヒ合物、共役高分子化
合物、あるいは活性炭素などが法用されるか、こわらこ
こ限定ざnろものてはない。
遷移金属のカルコケン(ヒ合物としては、たとえばT 
i 02、Cr 305−V2O3、V30c、M n
 02およ− l〇− ひさりo30等の酸化物、Tl52、■S2、FeSお
よびIvl o S 3等の硫化物ならひにNbSe3
なとのセレン化合物があけられる。また、共役高分子化
合物としては、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、
ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリアニリンなど
を用いることができる。
これら正極は一般ここ膜状の、もしくは、板状の形態で
使用されるが、正極としての成型体を得る方法は常法で
よく、たとえば、粉末状の正極材を必要に応し導電剤−
たとえは、グラファイト、カーボンブラックなどの粉末
−およびバインダ−たとえば、ポリエチレン、ポリプロ
ピレンおよびポリテトラフルオロエチレンなとの粉末−
を加え、金型内で加圧成型する方法、ロールで圧延する
方法などがあげられるが、これらに限定されるものでは
ない。
二次電池の有機電解液に使用されるリチウム塩ここは特
に制限はないが、代表例としては、LiCl、1、.1
c104.1BF4、LiPF6、L i AsF6お
よびLi5bFeなとをあげることができる。これらの
中でjic104、LiPF6およびL i BF4か
好ましい。これらのリチウム塩は、通常、単独で使用さ
れるが、二種類以上を併用することもてきる。
これらのリチウム塩を溶媒に溶解した液が二次電池の有
機電解液として使用されるが、この溶媒は、リチウム塩
を溶解しうる有機溶媒であれはよいが、非プロトン性で
かつ高誘電率の有機溶媒か好ましく、ニトリル、カーボ
ネート、エーテル、ニトロ化合物、アミド、含硫黄化合
物、塩素化炭化水素、ケトンおよびエステル等を用いる
ことができる。これらの代表例として、アセトニトリル
、プロピオニトリル、プロピレンカーボネート、エチレ
ンカーホネート、テトラヒドロフラン、ジオキサン、1
,2−ジメトキシエタン、ニトロメタン、N、N−ジメ
チルホルムアミド、シメチルスルボキシト、スルホラン
およびγ−ブチロラクトン等をあげることができる。こ
れらの有機溶媒は、−種類でもよく、または、二種類以
上の混合溶媒として用いてもよい。
この溶液中のリチウム塩の濃度は、通常は0.1〜5.
Omol/l、好ましくは0.5〜1.5mo l/ 
l程度とされる。
セパレータとしては、合成樹脂繊維製の不織布および織
布、ガラス繊維製の不織布および織布ならびに天然繊維
製の不織布および織布が使用される。この合成樹脂とし
ては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレンおよび
ポリテトラフルオロエチレン等がある。セパレータの厚
さは一概に特定しえないが、必要量の有機電解液を含有
保持することができ、かつ、正極と負極との短絡を防ぐ
に必要な厚さであればよく、実用上、通常は0.01き
、かつ、好ましい。集電体は、従来の電池で使用されて
いる集電体を使用しろる。すなわち、有機電解液ならび
に正極および負極のそれぞれに対し、電気化学的に不活
性な導体が用いられる。たとえは、ニッケル、チタン、
ステンレス鋼などの金属を板、箔および網の形態で使用
することができる。正極集電体と負極集電体とは互いに
異なる=13− 材質でもよく、また同し材質でもよい。またその厚さは
0.001〜10mm程度、好ましくは0.01〜5m
mとされる。
[実施例] 以下の実施例により、本発明をさらに具体的に説明する
。本発明は、これらの実施例に限定されるものではない
実施例1 格子面間隔(d002)が3.44人のポリアクリロニ
トリル系炭素繊維成型体(繊維径7μm2重量28.6
mg。
直径15mm、厚さOy4mm)をマツフル炉(ヤマト
科学(株)製、モデルFM−35)の中に入れ、500
°Cで15m i n間加熱した。
つづいて、熱処理をした炭素繊維成型体と金属リチウム
円板(直径18mm、厚さ1.5mm)とを、カラス繊
維製不織布を介在させて、互いに対向させて配置し、ス
テンレス板で両面から挟持して圧着した。これにプロピ
レンカーボネートと1,2−ジメトキシエタンの混合溶
液(1:1容量比)に、濃度か1.0 mol/lにな
るようにりんふっ化リチウムを溶解した溶液を含浸させ
た。つづいて外部直流電源[北斗電工(株)製、電池充
放電装置、HJ−201B](以下の実施例、比較例で
も同様)のプラス端子を金属リチウム側のステンレス板
に、マイナス端子を炭素繊維成型体側のステンレス板に
各々接続し、電流密度0.32mA/cm2の定電流で
9.0hrs通電し、1.3rngのリチウムを吸蔵し
た複合体を得た。
このようにして得られた複合体を負極とし、五酸化バナ
ジウム80重量部、導電剤としてアセチレンブラック1
0重量部、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレ
ン粉末10重量部の混合物を使用した円板状の成型体(
重量200mg 、直径15mm)を正極としノ、これ
にプロピレンカーホネートと1,2−ジメトキシエタン
の混合溶液(1:l容量比)+こ濃度カ月、Omol/
Icこなるようにりんふつ化リチウムを溶解した溶液を
含浸さぜたポリプロピレン製不織布をセパIノータとし
て二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は3.45vを示した。
つづいて放電電圧が2.00vξこなるまて5mA/c
m2の電流密度で定電流放電を行なったところ、3.4
mAhの放電容量が得られた。さらに5mA/cn+2
の電流密度で下限電圧2.00v、上限電圧を3.90
vとし、定電流充放電サイクル試験を行なったところ4
0サイクル目および120サイクル目ともに3’、2m
Ahの放電容量であった。
比較例1 炭素繊維成型体を熱処理しなかった他は、実施例1と同
様にしてリチウムを吸蔵させた複合体を得た。
このようにして得られた複合体を負極とし、実施例1と
同様にして二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は3.40vを示した。
つづいて放電電圧が2.00vになるまで5mA/cm
2の電流密度で定電流放電を行なったところ、2.8m
Ahの放電容量しか得られなか・つた。さらに5mA/
cm2の電流密度で下限電圧2.00v、上限電圧を3
.90vとし、定電流充放電サイクル試験を行なったと
ころ、20ザイクル目および80サイクル目の放電容量
はそれぞれ2.0mAhおよび1.8mAl]に低下し
た。
実施例2 実施例1と同様にして得られた複合体を負極とし、活性
炭繊維成型体[東洋紡績(株)製、商品名K Fフェル
l−、K F−1600,直径15mm、厚さ3.0m
m。
重量37.]mg]を正極としたほかは実施例1と同様
にして二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は3.15vを示した。
つづいて放電電圧か2.00vになるまで4mA/cm
2の電流密度で定電流放電を行なったところ、1.2m
Ahの放電容量が得られた。さらに下限電圧2.00v
、上限電圧を3.00vとし、4m、A/cm2の電流
密度で充放電サイクル試験を行なったところ150サイ
クル目および700サイクル目の放電容量はそれぞれ0
.8mAhを示し、また、電流効率はともに99.ルと
可逆性良好な充放電特性を示した。
比較例2 炭素繊維成型体を熱処理しなかったほかは、実施例Jと
同様にしてリチウムを吸蔵させた複合体を得た。
このようにして得られた複合体を負極とし、実鴇例2と
同様にして二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は3.12VL/か示さず
、つついて放電電圧が2.OOvになるまで4mA/c
m2の電流密度で定電流放電をおこなったところ、1.
0mAhの放電容量しか得られなかった。さらに4mA
/cm2の電流密度で下限電圧2.00v、上限電圧を
3.00vとし、定電流充放電サイクル試験を行なった
ところ100サイクル目および400サイクル目の放電
容量はそれぞれ0 、7mAhおよび0.5mAhに低
下し、電流効率はそれぞれ98.1χおよび97.2%
に低下した。
実施例3 格子面間FA(doo2)が3.49人のポリアクリロ
ニトリル系炭素繊維(繊維径7μm)を粉砕し炭素繊維
粉末とした。この炭素繊維粉末の平均粒子径を自動粒度
分布測定器[板場製作所(株)製、CAPA−500]
で測定したところ20.5μmであった。この炭素繊維
粉末を実施例1と同様にして加熱処理をした。この炭素
繊維粉末90重量部とポリテトラフルオロエチレン粉末
10重量部とを混練したのち、加圧成型で重量50mg
、直径15闘、厚さO−18mmの炭素粉末成型体を得
た。
つづいて、通電時間を15.6hrsとした他は、実施
例1と同様に操作し、2.2mgのリチウムを吸蔵させ
た複合体を得、ひきつづき、二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は3.47vを示した。
つづいて放電電圧が2.00vになるまで4mA/cm
2の電流密度で定電流放電を行なったところ、7.0m
Ahの放電容量が得られた。さらに4mA/cm2の電
流密度で下限電圧2.00v、上限電圧を3.90vと
し、定電流充放電ザイクル試験を行なったところ60サ
イクル目および]80サイクル目ともに6.8mAhの
放電容量であった。
比較例3 実施例3と同し炭素繊維成型体を窒素雰囲気の管状炉を
使用し・たほかは、実施例1と同様に熱処理をし、ひき
つつき、実施例3と同様ζこしてリチウムを吸蔵させた
複合体を得た。
このようにして得られた複合体を負極とし、実施例】と
同様にして二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は3.l1Ovを示した。
つづいて放電電圧が2.OOvになるまて4+nA/c
m2の電流密度で定電流放電を行なったところ、5.8
mAhの放電容量しか得られなかった。さらに4mA/
cm2の電流密度で下限電圧2.OOv、上限電圧を3
.90vとし、定電流充放電サイクル試験を行なったと
ころ20サイクル目および80サイクル目の放電容量は
それぞれ4.7mAhおよび3.8mAhに低下した。
比較例4 格子面間隔(doo2)が3.37人の炭素ブロック1
日本カーボンぐ株)製、EG−38]を粉砕して得られ
た平均粒子径5.4μmの炭素粉末を使用したほかは、
実施例3と同様にして重量50mg、直径15mm、厚
さ0.17mmの炭素粉末成型体を得た。
得られた炭素粉末成型体を実施例3と同様にしてリチウ
ムの吸蔵を試みたが膨潤が大きく、また形が崩れて負極
として実用しえないものであった。
比較例5 格子面間隔(doo2)が3.65人の活性炭繊維成型
体[東洋紡績(株〉製、商品名 KFフェル)、KF−
1600,直径16mm、厚さ3.0mm、重it 3
7−1mg]用いたほかは、実施例1と同様に操作して
リチウムを吸蔵した複合体を得た。
このようにして得られた複合体を負極として実施例1と
同様にして二次電池を作製した。この二次電池の初期回
路電圧は2.40vシか示さず、定電流放電を試みたが
ほとんど放電容量が得られなかった。また、この二次電
池は再充電不能であった。
実施例4 格子面間隔(doo2)が3.42人のピッチ系炭素繊
維成型体[呉羽化学(株)製、E−715、重量22.
0mg、直径15mm、熱さ0.4mm]を二枚重ねて
積層体とし、400°Cで、50m i n熱処理し、
かつ、外部直流電源による通電の代りに画電極を48h
rs短絡させたほかは、実施例1と同様に操作し、1.
2mgのリチウムを吸蔵させた複合体を得た。
このようにして得られた複合体を負極とし、二硫化チタ
ン80重量部、導電剤としてアセチレンアラ9910重
量部、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン粉
末10重量部の混合物を使用した円板状の成型体(重1
200mg、直径14mm)を正極とした他は、実施例
1と同様にして二次電池を作製した。
この二次電池の初期回路電圧は2.69vを示し、つづ
いて放電電圧カ月、00■になるまて4mA/cm2の
電流密度で定電流放電を行なったところ、3.1mAh
の放電容量が得られた。さらに4mA/cm2の電流密
度で下限電圧2.00v、上限電圧を2.60vとし、
定電流充放電サイクル試験を行なったところ20サイク
ル目および80サイクル目における放電容量はそれぞれ
2.9mAhおよび2.8mAhの放電容量であった。
[発明の効果] 本発明によれは、特定の格子面間隔を有する炭素成型体
に予めリチウムを吸蔵させて得られる二次電池用負極に
おいて炭素繊維または炭素繊維粉末を予め空気中で加熱
処理することにより高電流密度における充放電特性およ
びサイクル安定性に優れた二次電池用負極を与えること
が可能となった。
−22=

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  X線回折における格子面間隔(doo2)が3.38
    〜3.56Åである炭素繊維の成型体または炭素繊維粉
    末の成型体にリチウムを吸蔵させた二次電池用負極にお
    いて、炭素繊維もしくは炭素繊維粉末または炭素繊維の
    成型体もしくは炭素繊維粉末の成型体が空気中で熱処理
    されたものであることを特徴とする二次電池用負極。
JP63124905A 1988-05-24 1988-05-24 二次電池用負極 Pending JPH01296565A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017050248A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 イビデン株式会社 Sei膜被覆負極活物質粉末の製造方法
JP2017050247A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 イビデン株式会社 アルカリ金属イオンプレドープ活物質粉末の製造方法。

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017050248A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 イビデン株式会社 Sei膜被覆負極活物質粉末の製造方法
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