JPH02242569A - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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JPH02242569A
JPH02242569A JP1062070A JP6207089A JPH02242569A JP H02242569 A JPH02242569 A JP H02242569A JP 1062070 A JP1062070 A JP 1062070A JP 6207089 A JP6207089 A JP 6207089A JP H02242569 A JPH02242569 A JP H02242569A
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JP
Japan
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electrode body
positive electrode
current collector
battery
negative electrode
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Application number
JP1062070A
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English (en)
Inventor
Hitoshi Tsuchiyama
土山 等
Hiroyoshi Nose
博義 能勢
Kuniaki Inada
稲田 圀昭
Mitsutaka Miyabayashi
宮林 光孝
Hiroshi Yui
浩 由井
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Mitsubishi Chemical Corp
FDK Twicell Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Battery Co Ltd
Mitsubishi Petrochemical Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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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) 本発明は二次電池に関し、更に詳しくは、小型で、充放
電ザイクル寿命が長く、安定な高容量を有する二次電池
に関する。
(従来の技術) 正極体の主要成分がTi5z、MO32のような遷移金
属のカルコゲン化合物であり、負極体がLlまたはLl
を生体とするアルカリ金属である二次電池は、高エネル
ギー密度を有するので商品化の努力が払われている。
このような二次電池の1例を第3図に示す。図はボタン
形二次電池の縦断面図である。
図において、1が正極体である。正極体1は、例えば遷
移金属カルコゲン化合物の粉末とポリテドラフルオロエ
チレンのような結着剤との混合物をペレット化またはシ
ート化したものである。
2はセパレータで、例えば多孔質ポリプロピレン薄膜、
ポリプロピレン不織布のような保液性を有する材料で構
成され、正極体1の上に載置される。そして、このセパ
レータ2には、プロピレンカーポネ−1〜、]、]2−
シメトギシエタのような非プロトン性有機溶媒に、L 
i CE O、。
LiAff04.LiBF4.LiPF6゜L i A
 s F 6のような電解質を溶解せしめた所定濃度の
非水電解液が含浸されている。
3は、セパレータ2を介して正極体1に載置されている
負極体で、L i箔またはLiを主体とするアルカリ金
属箔で構成されている。
これら正極体1、セパレータ(非水電解液)2、および
負極体3は全体として発電要素を構成する。そして、こ
の発電要素が正極缶4および負極缶5から成る電池容器
に内蔵されて電池が組立てられる。6は絶縁バッキング
であり、7は正極体1と正極缶4の間に介在せしめられ
た集電体である。この集電体7は、通常、ニッケル、ス
テンレス鋼製の金属金網、バンチトメタル、フオームメ
タルで構成され、ペレット化またはシー1〜化された正
極体1の片面に圧着されている。
また、この他正極体にポリアセチレン等の導電性高分子
を、負極体にL iまたはLlを主体とするアルカリ金
属を用いた二次電池も研究されている。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、かかる二次電池においては、負極体がL
 i箔またはLlを主体とするアルカリ金属の箔そのも
のであることに基づく問題が生じている。
すなわち、電池の放電時には負極体からL iがL i
イオンとなって電解液中に移動し、正極体中にトープ“
され、このトープ゛された1、、、 iイオンが充電時
には金属L iとなって再び負極体に電析するが、この
充放電ザイクルを反復させるとそれに伴って、金属L]
はデンドライト状となることである。これは、正極の集
電体であるステンレス鋼、ニッケル等の金属が、リチウ
ムとの間で局部電池を形成し、集電体金属の部分的な溶
解が起こり、その結果、集電が非溶解部に集中するため
に、電析する金属L1がデンドライト状となるのである
このデンドライト状X、、1は極めて活性な物質である
ため、電解液を分解せしめ、その結果、電池の充放電ザ
イクル特性が劣化するという不都合が生ずる。さらにこ
れが成長していくと、最後には、このデンドライト状の
金属L1電析物がセパレータを貫通して正極体に達し、
短絡現象を起すという問題を生ずる。別言すれば、充放
電ザイクル寿命が短いという問題が生ずるのである。
このような問題を回避するために、前記した集、電体金
属の表面に、コロイダルカーボンを用いたカーボン被覆
層を設けて集電体の溶解を防止し、リチウムの充放電反
応を均一化し、リチウムのデンドライト状析出を防ぐ試
みがなされている(特公昭59−28944号公報)。
上記に開示されたように、カーボン被膜層な有する正極
集電体を用いることにより、集電体の溶解とリチウムデ
ンドライトの析出は防止されるようになったが、しかし
一方では、このような正極体を組込んだ電池は、カーボ
ン自身にリチウムをトープする能力がないため、その放
電容量が小さくなり、また、放電深度が深くなればなる
程、リチウムドープ能が無い故の問題、すなわちカーボ
ン層と正極体の間には、リチウムが集積して両者の剥離
が発生し、容量の急激な減少と電池内でのガス発生等の
問題が生じるために、そのような電池の信頼性は低かっ
た。
本発明は、かかる状況の下に、電池容量を損なうことな
く、過1′li電に際しても信頼性が高い二次電池の提
供を目的とするものである。
「発明の構成」 (課題を解決するだめの手段) 本発明考らは上記問題を解決すべく、正極体およびその
集電体に関して鋭意研究を重ねた結果、遷移金属カルコ
ゲン化合物を主要成分とする正極体に、後述する特徴を
有する炭素質物層を集電体金1ぷに被着ぜしめた集電体
を用いると、上述の目的達成のために有効であるとの事
実を見出し、本発明に到った。
すなわち、本発明の二次電池は、正極体と、該正極体に
載置されたセパレータと、該セパレータに保持された電
解質と、該セパレータに載置された負極体と、該正極体
および/または該負極体に包含され充放電反応に対応し
て該正・負極体間を移動する活物質とから成る発電要素
が内蔵されており、 (a)該活物質が、リチウムまたはリチウムを主体とす
るアルカリ金属であり、 (b)該正極体が、遷移金属カルコゲン化合物を主要成
分とし、 (c)該正極体に接して集電体が着設されており、該集
電体が、 (イ)水素/炭素の原子比が0.15未満かつ、 (ロ)X線広角回折法による(002)面の面間隔(d
oo2)が3.37人以−ト、およびC軸方向の結晶子
の大きさ(Lc)が 150Å以下:である炭素質物層を集電体金属表面に被
着形成せしめてなるものである、 ことを特徴とする。
本発明の電池は、正極体および正極集電体が上記した構
成をとるところに特徴があり、他の要素は従来の二次電
池と同じてあってもよい。
本発明の電池において、活物質はL iまたはL】を主
体とするアルカリ金属であるが、この活物質は、電池の
充放電に対応して正・負極体を出入する。
本発明にかかる正極体は、1..1イオン等のアルカリ
金属カチオンを充放電反応に伴って放出もしくは獲得す
る遷移金属カルコゲン化合物を主要成分とするが、その
ような遷移金属カルコゲン化合物としては、バナジウム
の酸化物、バナジウムの硫化物、モリブデンの酸化物、
モリブデンの硫化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化
物、チタンの酸化物、チタンの硫化物およびこれらの複
合酸化物、複合硫化物等が挙げられる。好ましくは、C
r30s 、  ■205.V60+3、VO2、Cr
zOs、MnO2、T10□、M OV 20 a、T
iS2、V2S6、iVT o S 2、M o S 
3、vS2、Cr o、 25V o、 7!i S 
2、Cr o、s Vo、5 S 2等−Cある。また
、L i COO2、WO2等の酸化物、Cu S 、
 F e o25”V−0,7552、Nao、+ C
r5z等の硫化物、N IP S 3 、 F e P
 S3 、等のリン、イ才つ化合物、V S e 2、
N b S e 3等のセレン化合物などを用いること
もできる。
正極体は、例えば次のようにして製造できる。
すなわち、上記した遷移金属カルコゲン化合物を所定の
粒径に粉砕して、そのままもしくは所定量の結着剤を添
加して、両者を十分に混練する。結着剤はパウダー状、
有機溶媒等に分散させたディスバージョン状または溶液
として用いられ、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエ
チレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂またはポ
リスチレンのようなものを用いることができる。結着剤
の好ましい添加量は、遷移金属カルコゲン化合物に対し
て1〜IO重量%である。結着剤の添加量が多すぎると
得られた正極体の電気抵抗が高くなって不都合であり、
また、少なずぎると結着効果が発現しない。
このとき、グラファイト、カーボンブラック等の導電材
料の粉末を、遷移金属カルコゲン化合物に対して50重
量%未満添加することもてき、好ましくは30重量%未
満、さらに好ましくは15重量%未満である。
得られた混線物を所定厚みのベレットまたはシートに加
圧成形すると、正極体が得られる。
本発明にかかる正極の集電体は、上記の正極体に接して
着設される。集電体は、集電体金属例えば、又デンレス
鋼やニッケル等の金属の金網やバンチトメタルに、次の
ような特性を有する炭素質物を被着形成してなるもので
ある。
すなわち、この炭素質物は、 (イ)水素/炭素の原子比(H/ C)が015未満、
 かつ、 (ロ)X線広角回折法による(002)面の面間隔(d
oo2)が337人以−L、およびC軸方向の結晶子の
大きさ(L c )が150Å以下: の特性を有する。この炭素質物には、他の原子、例えば
窒素、酸素、ハロゲン等の原子が好ましくは7モル%以
下、さらに好ましくは4モル%以下、特に好ましくは2
モル%以下の割合で存在していてもよい。
H/ Cは好ましくは0.10未満、さらに好ましくは
0.07未満、特に好ましくは0.05未満である。
また、(002)面の面間隔(dooz)は、好ましく
は339〜3.75人、さらに好ましくは3.41〜3
.70人、特に好ましくは3.45〜3.70人最も好
ましくは3.51〜3.70人:C軸方向の結晶子の大
きさL cは好ましくは5〜150人、さら(こ好まし
くは10〜80人、特に好ましくは12〜70人である
これらのパラメータ、すなわちH/C,d、、2および
L cのいずれかが上記範囲から逸脱してぃ1す る場合は、1. iのドープ量が減少し、正極体におけ
る充放電時の過電圧が大きくなり、その結果、正極体か
らガスが発生して電池の安全性が著しく損われるばかり
でなく充放電サイクル特性も低下する。
さらに、本発明にかかる正極の集電体に用いられる炭素
質物にあっては、次に述へる特性を何することが好まし
い。
すなわち、波長5145人のアルゴンイオンレーザ光を
用いたラマンスペクトル分析において、下記式: て定義されるG値が25未満であることが好ましく、さ
らに好ましくは2.0未満であり、特に好ましくは0.
2以上12未満である。
ここで、G値とは、上述の炭素質物に対し波長5145
人のアルゴンイオンレーザ光を用いてラマンスペクトル
分析を行なった際にチャー1・に記録されでいるスペク
トル強度曲線において、波数1580±1.00 cm
−’の範囲内のスペクトル強度の積分値(面積強度)を
波数1360±100crN’の範囲内の面積強度で除
した値を指し、その炭素質物の黒鉛化度の尺度に相当す
るものである。
すなわち、この炭素質物は結晶質部分と非結晶部分を有
していて、G値はこの炭素質組織における結晶質部分の
割合を示すパラメータであるといえる。
さらに、本発明にかかる負極体の担持体に用いられる炭
素質物にあっては、次の条件を満足していることが望ま
しい。
すなわち、X線広角回折分析における(1.10)面の
面間隔(cl++o)の2倍の距離ao(:2 d、 
zo)が、好ましく(ま2.38人〜247人、さらに
好ましくは239人〜246人、a軸方向の結晶子の大
きさLaが好ましくは10人以」二、さらに好ましくは
15人〜1.50人、特に好ましくは19人〜70人で
ある。
上述の炭素質物は、有機化合物を通常不活性カス流下に
、300〜3000°Cの温度で加熱・分解し、炭素化
させて得ることができる。
出発源となる有機化合物としては、具体的には、例えば
セルロース樹脂、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリ
ル、ポリ(α−ハロゲン化アクリロニトリル)などのア
クリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポ
リ塩素化塩化ビニルなどのハロゲン化ビニル樹脂:ポリ
アミドイミド樹脂:ボリアミド樹脂:ポリアセチレン、
ポリ(p−フェニレン)などの共役系樹脂のような任意
の有機高分子化合物:例えば、ナフタレンフェナントレ
ン、アントラセン、トリフユニ1/ン、ピレン、クリセ
ン、ナフクセン、ピセン、ペルン、ペンタフェン、ペン
クセンのような3員環以上の単環炭化水素化合物が互い
に2個以上縮合してなる縮合環式炭化水素化合物、また
は、上記化合物のカルボン酸、カルボン酸無水物、カル
ボン酸イミドのような誘導体、上記各化合物の混合物を
主成分とする各種のピッチ:例えば、インドール、イソ
インドール、キノリン、イソキノリン、ギノキサリン、
フタラジン、カルバゾールアクリジン、フェナジン、ツ
ェナトリジンのような3員環以上の複素単環化合物が互
いに少なくとも2個以」−結合するか、または1個以」
二の3員環以上の単環炭化水素化合物と結合してなる縮
合複素環化合物、上記各化合物のカルボン酸、カルボン
酸無水物、カルボン酸イミドのような誘導体、更にベン
ゼンおよびそのカルボン酸、カルボン酸無水物、カルボ
ン酸イミドのような誘導体、すなわち、]、、]2.4
.5−テトラカルボン酸その二無水物またはそのジイミ
ド:あるいはトルエン、キシレンなどをあげることがで
きる。
また、出発源としてカーボンブラック等の炭素質物を用
い、これをさらに加熱して炭素化を適当に進めて、本発
明にがかる集電体を構成する炭素質物としてもよい。
さらに、この炭素質物は、その体積平均粒径が500μ
m以下の粒子であるのが好ましく、さらに好ましくは0
.5μm以上300tLm以下、特に好ましくはl+i
m以上150LLm以下、最も好ましくは5um以上1
100LL以下の粒子である。
また、本発明にがかる集電体を構成する炭素質物に、導
電剤、結着剤等を含有することもできる。
導電剤は、膨張黒鉛、金属粉等を、通常50重量%未満
、好ましくは30重量%未満添加することができる。
また、結着剤は、ポリオレフィン樹脂、ポリアクリル酸
等を50重量%未満、好ましくは30重量%未満、特に
好ましくは5重量%以上10重量%未満添加することが
できる。
本発明にかかる正極の集電体における炭素質物層は、例
えば集電体金属表面に、上記した炭素質物をそのまま、
もしくは結着剤等を添加して、スラリー状にしたものを
塗布する、圧縮成形により被着せしめる等の手段により
、設けることができる。
かかる炭素質物層は、5〜50umの厚さであると、集
電体あるいは正極活物質との密着性が良好となり好まし
い。
かくして得られた正極の集電体は、正極体に接するよう
に、例えば圧着等の手段により着設される。
上記した集電体が着設されている正極体上の集電体が着
設されていない側に、順次セパレータ、負極体を載置し
て発電要素を構成し、前記したように従来と同様の方法
で電池に組込むと、本発明の二次電池が得られる。
セパレータとしては、前記した公知のボタン上次電池に
おけるセパレータを用いることができる。また、L i
またはアルカリ金属イオンの導電体である固体電解質を
正極体および負極体の間に介在させることもてきる。
また、負極体としては、活物質の箔、すなわちLiもし
くはL】を主体とするアルカリ金属やLi−Aff合金
の箔、または活物質を担持してなる擬似黒鉛構造を有す
る炭素質物、活物質と合金可能な金属を含有する複合材
料からなる担持体に、活物質を担持させたもの等を用い
ることがてきる。
本発明の二次電池において、正極体では充電時に、担持
されているLiイオン(またはI−iを主体とするアル
カリ金属イオン)の放出が起こり、また、放電時には遷
移金属カルコゲン化合物へのL1イオン(またはL i
を主体とするアルカリ金属イオン)のドープにより、L
 iイオン(または1−1を主体とするアルカリ金属イ
オン)が正極体の遷移金属カルコゲン化合物に担持され
る。
このようなL iイオンの担持、放出により、電池の充
放電サイクルが繰り返される。
(作用) 本発明の二次電池は、正極の集電体に活物質を担持しつ
る炭素質物の層を設けたことにより、正極体に活物質を
多量に担持させることができ、また、充放電に際しては
円滑に活物質の担持放出を繰り返すことを可能にしたた
め、従来にない大容量で優れた充放電特性を発揮しつる
なお、本発明において、元素分析およびX線広角回折の
各測定は下記方法により実施した。
1元素分析」 サンプルを120°Cで約15時間減圧乾燥し、その後
ドライボックス内のホットプレート上で100’cにお
いて1時間乾燥した。ついて、アルゴン雰囲気中でアル
ミニウムカップにサンプリングし、燃焼により発生する
CO□ガスの重量から炭素含有量を、また、発生するI
]20の重量から水素含有量を求める。なお、後述する
本発明の実施例では、パーキンエルマー240C型元素
分析計を使用して測定した。
「X線広角回折」 (])(002)面の面間隔(doo2)および(11
0)面の面間隔(dl、。) 炭素質材料が粉末の場合はそのまま、微小片状の場合に
はメノウ乳鉢で粉末化し、試料に対して約15重量%の
X線標準用高純度シリコン粉末を内部標準物質として加
え混合し、試料セルにつめ、グラファイトモノクロメー
タ−で単色化したCuKa線を線源とし、反射式デイフ
ラクトメタ−法によって広角X線回折曲線を測定する。
曲線の補正には、いわゆるローレンツ、偏光因子、吸収
因子、原子散乱因子等に関する補正は行なわず次の簡便
法を用いる。即ち(002)、および(11,0)回折
に相当する曲線のベースラインを引き、ベースラインか
らの実質強度をプロットし直して(002)面、および
(110)面の補正曲線を得る。この曲線のピーク高さ
の3分の2の高さに引いた角度軸に平行な線が回折曲線
と交わる線分の中点を求め、中点の角度を内部標準で補
正し、これを回折角の2(gとし、 CuKa線の波長
んとから次式のブラッグ式によってd。o2およびd 
++oを求める。
2 5inO2sinθ′ ん:1.り418人 θ、  e′: doo2. d++oに相当する回折
角(2)c軸およびa軸方向の結晶子の大きさ。
Lc:La 前項で得た補正回折曲線において、ピーク高さの半分の
位置におけるいわゆる半価中βを用いてC軸およびa軸
方向の結晶子の大きさを次式より求める。
β・cosθ β・cosθ′ 形状因子Kについては種々議論もあるが、Ko 90を
用いた。え、θおよびθ′については前項と同し意味で
ある。
(実施例) 以下、実施例をあげて本発明を説明する。
寒施当 (1)正極体の製造 470 ’Cて焼成したM n O2粉末5gおよび粉
末状のポリテトラフルオロエチレン0.5gとを混練し
、得られた混練物をロール成形して厚み0.4mmのシ
ートとした。
(2)集電体の製造 結晶セルロース粒子を電気加熱炉にセラ1〜し、窒素ガ
ス流下、200°C/時間の昇温速度で1000’Cま
て昇温し、さらにl 000°Cて]時間保持した。
その後、放冷し、得られた炭素質物の粒子を別な電気炉
にセットし、窒素ガス流下、1.o00’c/時間の昇
温速度で1800℃まで昇温し、さらに1800°Cて
1時間保持した。
かくして得られた炭素質物を500mffのメノウ製容
器に入れ、直径30mmのメノウ製ボール2個、直径2
5mmのメノウ製ポール6個および直径20mmのメノ
ウ製ポール16個を入れて3分間粉砕した。
得られた炭素質物は、元素分析、X線広角回折等の分析
および粒度分布、比表面積等の測定の結果、以下の特性
を有していた。
水素/炭素(原子比)=0.04 doo2=3.59人、   Lc=14人ao(2d
++。)=2.41人 L a = 25人9体積平均粒径=38um比表面積
(BET)=8.2rn”/gポリアクリル酸5.6g
を溶解させたメタノル薬液1.1.2mffに、(−記
の炭素質物4..2gを分散さぜたスラリーを、厚さ3
0umのステンレス鋼板の表面に塗布し、乾燥させて、
厚さ20μmの炭素質物層を有する集電体とした。
(3)負極体の製造 厚さ100μmの金属L1をベレット状に打ち抜き、負
極体とした。
(4)電池の組立 (1)で製造した正極体のシートの片面に、 (2)で
製造した集電体を圧着して着設した。
次いて、ステンレス鋼製の正極缶に、正極体を集電体を
下にして着設し、その」二にセパレータとしてのポリプ
ロピレン不織布を載置したのち、そこにL i (12
04を濃度1モル/12てプロピレンカーボネートに溶
解せしめた非水電解液を含浸せしめた。さらにその上に
上記負極体を載置して発電要素を構成した。
かくして、第3図に示したのと同様なボタン上次電池を
製作した。
(5)電池の特性 このようにして製作した電池について、放電−充電−放
電と、数回の充放電を子備的に実施した後、3.5〜2
Vの間で定電圧充電−20にΩ定抵抗放電を反復し、各
サイクルにおける電池の容量維持率を測定して、サイク
ル評価を行なった。
その結果を第1図に示した。
さらに20°C貯蔵中の自己放電評価実験を行ない、貯
蔵前の容量に対する容量維持率を測定し。
その結果を第2図に示した。
ル較圏 (1)正極体の製造 実施例と同様にして正極体を製造した。
(2)集電体の製造 集電体として、実施例で用いたのと同様の集電体金属、
すなわち厚さ30umのステンレス鋼板を用い、炭素質
物層は設けなかった。
(3)負極体の製造 実施例と同様にして負極体を製造した。
(4)電池の組立 実施例と同様にして電池を組み立てた。
(5)電池の特性 実施例と同様にして同一の条件で、電池特性を評価し、
結果を第1図および第2図に示した。
[発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明の二次電池は充放
電サイクル寿命が長く、また充電時にあっては、活物質
であるLlまたはL)を主体とするアルカリ金属を安定
した形で正極体に定着せしめることができるため、安定
した高容量、すなわち大電流放電が可能となる。さらに
自己放電特性も良好で、信頼性が高い電池であるので、
その工業的価値は大である。
なお、これまでの説明はボタン形構造の二次電池につい
て行なったが、本発明の技術思想はこの構造のものに限
定されるものではなく、例えば円筒形、扁平形、角形等
の形状の二次電池に適用することもてきる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例と比較例における電池の充放電
サイクル−容量維持率との関係を表す区てあり、第2図
は、本発明の実施例と比較例における電池の20’C貯
蔵中の自己放電の様子を経過日数に対する容量維持率の
植て示したものてあり、第3図は、ボタン形構造の二次
電池の縦断面図である。 1・・−正極体    2・・・セパレーク3・・・負
極体    4・・・正極缶5・・・負極缶    6
・・・絶縁バッキング7・・−集電体 too    150   200 yう′2?〜1日(史 (日)→

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  正極体と、該正極体に載置されたセパレータと、該セ
    パレータに保持された電解質と、該セパレータに載置さ
    れた負極体と、該正極体および/または該負極体に包含
    され充放電反応に対応して該正・負極体間を移動する活
    物質とから成る発電要素が内蔵された二次電池において
    、 (a)該活物質が、リチウムまたはリチウムを主体とす
    るアルカリ金属であり、 (b)該正極体が、遷移金属カルコゲン化合物を主要成
    分とし、 (c)該正極体に接して集電体が着設されており、該集
    電体が、 (イ)水素/炭素の原子比が0.15未満:かつ、 (ロ)X線広角回折法による(002)面の面間隔(d
    _0_0_2)が3.37Å以上:およびc軸方向の結
    晶子の大きさ(Lc)が 150Å以下;である炭素質物層を集電体 金属表面に被着形成せしめてなるものであ る、 ことを特徴とする二次電池。
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