JPH06239607A - 高黒鉛化炭素材料の製造方法及び二次電池 - Google Patents

高黒鉛化炭素材料の製造方法及び二次電池

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JPH06239607A
JPH06239607A JP5047314A JP4731493A JPH06239607A JP H06239607 A JPH06239607 A JP H06239607A JP 5047314 A JP5047314 A JP 5047314A JP 4731493 A JP4731493 A JP 4731493A JP H06239607 A JPH06239607 A JP H06239607A
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JP
Japan
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carbon material
present
negative electrode
graphitized carbon
organic compound
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JP5047314A
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Masahisa Fujimoto
正久 藤本
Koji Nishio
晃治 西尾
Toshihiko Saito
俊彦 斎藤
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【構成】出発原料たる液状有機化合物を層状構造を有す
る粘土鉱物の層間に挿入した後、前記液状有機化合物を
不活性ガス雰囲気下において2000°C以上の温度で
焼成し、次いで前記粘土鉱物を溶剤に溶かして除去す
る。 【効果】本発明方法によれば、高黒鉛化炭素材料を極め
て容易に製造することができる。また、本発明方法によ
り製造した高黒鉛化炭素材料を負極に使用した本発明電
池は、大きな容量を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高黒鉛化炭素材料の製
造方法及びその製造方法に係わる二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
リチウム二次電池などの負極材料として、炭素材料が、
デンドライトの生成がなくサイクル特性に優れるなどの
理由から、従前のリチウム金属などに代わる材料として
脚光を浴びつつある。
【0003】この種の二次電池においては、充放電時に
炭素材料の層間にリチウムイオンが吸蔵又は放出される
が、このときのリチウムイオンの吸蔵放出量すなわち負
極容量は、結晶性の高い黒鉛化の進んだ炭素材料ほど大
きいことが知られている。
【0004】このような黒鉛化の程度(黒鉛化度)の高
い炭素材料を人工的に得るためには、炭素原料たる有機
化合物を高温、高圧下で焼成する必要がある。しかし、
高温、高圧雰囲気を作り出すことは至難である。このた
め、従来、次善策として、大気圧下で高温焼成すること
が行われている。この方法では、焼成温度を高くするこ
とによりある程度黒鉛化度の高い炭素材料が得られる。
【0005】しかしながら、焼成温度を高くするにも限
度があるので、上記の方法では、黒鉛化度の極めて高
い、すなわち二次電池の負極材料として好適な炭素材料
を製造することは困難である。このため、従来、黒鉛化
度の高い炭素材料(人造黒鉛)を簡便に得る方法の出現
が嘱望されていた。
【0006】本発明は、この要望に応えるべくなされた
ものであって、その目的とするところは、黒鉛化度の高
い炭素材料を簡便に得ることができる製造方法及びその
方法により得た炭素材料を負極に使用してなる大容量の
二次電池を提供するにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項1記載の発明に係る高黒鉛化炭素材料の製造方
法(以下、「本発明方法」と称する。)は、出発原料た
る液状有機化合物を層状構造を有する粘土鉱物の層間に
挿入した後、前記液状有機化合物を不活性ガス雰囲気下
において2000°C以上の温度で焼成し、次いで前記
粘土鉱物を溶剤に溶かして除去する方法である。
【0008】また、請求項3記載の発明に係る二次電池
(以下、「本発明電池」と称する。)は、請求項1記載
の製造方法により製造された高黒鉛化炭素材料が、負極
に使用されてなる。
【0009】本発明方法では、高黒鉛化に必要な要件の
一つである高圧雰囲気が、出発原料たる液状有機化合物
を粘土鉱物の層間に挿入することにより創出される。
【0010】粘土鉱物の層状構造は、主に分子間のファ
ンデルワールス力により維持されており、この層間はか
なりの高圧(50kg/cm2 程度)下にあるので、液
状有機化合物を粘土鉱物の層間に挿入して焼成するとい
うことは、液状有機化合物を高圧反応容器内で焼成する
ことと同じことになる。本発明方法はこの原理を巧みに
利用したものである。
【0011】本発明における粘土鉱物は、粘土の主成分
として天然に産出する含水ケイ酸塩の一種であり、層状
構造を有しその層間に液状有機化合物を挿入し得るもの
である。具体例としては、モンモリロナイト、バーミキ
ュライト、パイロフィライト、タルク、雲母などが挙げ
られるが、これらに限定されない。
【0012】また、本発明における液状有機化合物につ
いても、粘土鉱物をこれに浸漬して、当該粘土鉱物の層
間に挿入し得るものであり、且つ、焼成により黒鉛化し
得る有機化合物であれば特に制限されない。具体例とし
ては、石油コークス、各種樹脂、コールタールピッチ、
メソフェーズピッチ、石油ピッチなどが挙げられる。な
お、常温では固形であっても加熱等の適宜の手段により
挿入時に液状となり流動性を有し得る有機化合物も本発
明における液状有機化合物に含まれる。
【0013】液状有機化合物は、たとえば液状有機化合
物に粘土鉱物を適宜の時間浸漬する方法などにより、容
易に粘土鉱物の層間に挿入することができる。
【0014】本発明方法において、焼成温度が2000
°C以上に規制されるのは、低温での焼成では、たとえ
高圧雰囲気下で行っても、黒鉛化度の高い炭素材料が得
られないからである。因みに、使用する粘土鉱物の層間
圧力によっても多少異なるが、本発明方法によれば、一
般に格子面(002)面のd値(d002 )が3.35〜
3.36Å程度、c軸方向の結晶子の大きさLcが10
00Å以上の結晶性の極めて高い黒鉛化炭素材料が得ら
れる。
【0015】本発明電池は、上記した本発明方法により
製造した高黒鉛化炭素材料を負極に使用した二次電池で
ある。負極のリチウムイオン吸蔵放出量が多いため、容
量が大きい点が他の二次電池と異なるところである。そ
れゆえ、本発明電池を構成する正極、電解液等の他の部
材については特に制限されず、二次電池用として従来使
用され、或いは提案されている種々の材料を使用するこ
とが可能である。
【0016】たとえば、正極(活物質)としては、改質
MnO2 、LiCoO2 、LiNiO2 、LiMn
2 、LiMn2 4 が例示される。
【0017】また、電解液としては、プロピレンカーボ
ネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート
などの有機溶媒や、これらとジメチルカーボネート、ジ
エチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,
2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタンなどの
低沸点溶媒との混合溶媒に、LiPF6 、LiCl
4 、LiCF3 SO3 などの電解液溶質を0.7〜
1.5M(モル/リットル)、就中1Mの割合で溶かし
た溶液が例示される。好適な電解液溶媒としては、エチ
レンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒
及びビニレンカーボネートとジメチルカーボネートとの
混合溶媒が挙げられる。
【0018】
【作用】本発明方法において、層状構造を有する粘土鉱
物の層間に液状有機化合物を挿入し、高温で加熱する
と、当該液状有機化合物は高温、高圧下で焼成されるこ
ととなり、黒鉛化の進んだ炭素材料が生成する。また、
この本発明方法により製造した黒鉛化の進んだ炭素材料
を二次電池の負極に使用すると(本発明電池)、負極の
リチウム吸蔵放出量が多いため、容量が大きくなる。
【0019】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定され
るものではなく、その要旨を変更しない範囲において適
宜変更して実施することが可能なものである。
【0020】(実施例)本発明方法により単3型(A
A)のリチウム二次電池(本発明電池)を作製した。
【0021】〔正極〕正極活物質としてのLiCoO2
と導電剤としての黒鉛とを重量比9:1で混合して得た
混合物を、ポリイミドの5重量%N−メチルピロリドン
(NMP)溶液に分散させてスラリーを調製し、このス
ラリーをドクターブレード法にて正極集電体としてのア
ルミニウム箔の両面に塗布した後、350°Cで2時間
真空乾燥して正極を作製した。
【0022】〔負極〕100°Cに保持したメソフェー
ズピッチ中にモンモリロナイトを一昼夜(24時間)浸
漬して、モンモリロナイト1g当たり、0.1gのメソ
フェーズピッチをモンモリロナイトの層間に挿入した。
【0023】次いで、この層間化合物を、窒素気流下、
3000°Cで24時間焼成し、フッ酸でモンモリロナ
イトを溶かした後、濾過し、濾物を中和し、乾燥して高
黒鉛化炭素材料(人造黒鉛)を得た。
【0024】この高黒鉛化炭素材料の粉末X線回折によ
るd002 及びLcは、それぞれ3.356Å、1000
Åであった。
【0025】次いで、このようにして得た高黒鉛化炭素
材料を、ポリイミドの5重量%N−メチルピロリドン
(NMP)溶液に分散させてスラリーを調製し、このス
ラリーをドクターブレード法にて負極集電体としての銅
箔の両面に塗布した後、350°Cで2時間真空乾燥し
て負極を作製した。
【0026】〔電解液〕エチレンカーボネートとジメチ
ルカーボネートとの等体積混合溶媒に、LiPF6 を1
Mの割合で溶かして電解液を調製した。
【0027】〔電池の作製〕以上の正負両極及び電解液
を用いて単3型の本発明電池BA1を作製した。なお、
セパレータとしては、ポリプロピレン製の微多孔膜(ポ
リプラスチックス社製、商品名「セルガード」)を使用
し、これに先の電解液を注液した。
【0028】図1は作製した本発明電池BA1を模式的
に示す断面図であり、図示の電池BA1は、正極1、負
極2、これら両電極を離間するセパレータ3、正極リー
ド4、負極リード5、正極外部端子6、負極缶7などか
らなる。正極1及び負極2は、非水系電解液を注入され
たセパレータ3を介して渦巻き状に巻き取られた状態で
負極缶7内に収容されており、正極1は正極リード4を
介して正極外部端子6に、また負極2は負極リード5を
介して負極缶7に接続され、電池内部で生じた化学エネ
ルギーを電気エネルギーとして外部へ取り出し得るよう
になっている。
【0029】(比較例)石油コークスを窒素雰囲気下に
おいて、大気圧下、3000°Cで焼成して炭素材料を
得た。この炭素材料(d002 =3.37Å;Lc=65
0Å)を負極材料として使用したこと以外は、実施例と
同様にして、比較電池BC1を作製した。
【0030】〔両電池の放電特性〕200mAで充電終
止電圧4.2Vまで充電した後、200mAで放電終止
電圧2.4Vまで放電して、両電池の放電特性を調べ
た。結果を図2に示す。
【0031】図2は、両電池の放電特性を、縦軸に電池
電圧(V)を、また横軸に充放電容量(mAh)をとっ
て示したグラフである。
【0032】同図より、本発明方法により製造した高黒
鉛化炭素材料を負極に使用した本発明電池BA1は、大
気圧下で焼成して製造した炭素材料を負極に使用した比
較電池BC1に比し、容量が格段に大きいことが分か
る。
【0033】叙上の実施例では、本発明電池をリチウム
二次電池に適用する場合について説明したが、本発明は
リチウム二次電池に限られず、負極に炭素材料を使用す
る二次電池に広く適用し得るものである。
【0034】
【発明の効果】本発明方法によれば、高黒鉛化炭素材料
を極めて容易に製造することができる。また、本発明方
法により製造した高黒鉛化炭素材料を負極に使用した本
発明電池は、大きな容量を有する。以上の如く、本発明
は優れた特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】単3型の本発明電池の断面図である。
【図2】実施例及び比較例で作製した各リチウム二次電
池の放電特性を示すグラフである。
【符号の説明】 BA1 本発明電池 1 正極 2 負極 3 セパレータ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】出発原料たる液状有機化合物を層状構造を
    有する粘土鉱物の層間に挿入した後、前記液状有機化合
    物を不活性ガス雰囲気下において2000°C以上の温
    度で焼成し、次いで前記粘土鉱物を溶剤に溶かして除去
    することを特徴とする高黒鉛化炭素材料の製造方法。
  2. 【請求項2】前記溶剤がフッ酸である請求項1記載の製
    造方法。
  3. 【請求項3】請求項1記載の製造方法により製造された
    高黒鉛化炭素材料が、負極に使用されてなる二次電池。
JP5047314A 1993-02-12 1993-02-12 高黒鉛化炭素材料の製造方法及び二次電池 Pending JPH06239607A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6268086B1 (en) 1995-04-10 2001-07-31 Hitachi, Ltd. Non-aqueous secondary battery and a method of manufacturing graphite powder
US6447955B1 (en) 1993-03-30 2002-09-10 Sanyo Electric Co., Ltd. Lithium secondary battery with a negative electrode of heat-treated natural graphite
US7273681B2 (en) 1995-04-10 2007-09-25 Hitachi, Ltd. Non-aqueous secondary battery having negative electrode including graphite powder
JP2013518022A (ja) * 2010-01-27 2013-05-20 ヘレーウス クヴァルツグラース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト 多孔質炭素製品並びにその製造方法

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US6383467B1 (en) 1995-04-10 2002-05-07 Hitachi, Ltd. Non-aqueous secondary battery and a method of manufacturing graphite powder
US6835215B2 (en) 1995-04-10 2004-12-28 Hitachi, Ltd. Non-aqueous secondary battery and a method of manufacturing graphite powder
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JP2013518022A (ja) * 2010-01-27 2013-05-20 ヘレーウス クヴァルツグラース ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト 多孔質炭素製品並びにその製造方法

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