JPH0722022A - Negative electrode for lithium secondary battery and manufacture thereof - Google Patents

Negative electrode for lithium secondary battery and manufacture thereof

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JPH0722022A
JPH0722022A JP5161324A JP16132493A JPH0722022A JP H0722022 A JPH0722022 A JP H0722022A JP 5161324 A JP5161324 A JP 5161324A JP 16132493 A JP16132493 A JP 16132493A JP H0722022 A JPH0722022 A JP H0722022A
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JP
Japan
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electrode
sheet
carbon
carbon fiber
negative electrode
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Application number
JP5161324A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Iijima
孝 飯島
Kimihito Suzuki
公仁 鈴木
Koichiro Mukai
幸一郎 向井
Hiroyoshi Yoshihisa
洋悦 吉久
Kazuya Kuriyama
和哉 栗山
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.)
Nippon Steel Corp
Yuasa Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Yuasa Corp
Nippon Steel Chemical Co Ltd
Yuasa Battery Corp
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Publication date
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Priority to JP5161324A priority Critical patent/JPH0722022A/en
Publication of JPH0722022A publication Critical patent/JPH0722022A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PURPOSE:To provide an electrode of high energy density by using a sheet-like carbon fiber-containing carbon material in which carbon fibers are oriented in parallel to a sheet surface and most of the carbon fibers are exposed on the sheet surface. CONSTITUTION:Pitch group carbon fibers of which fiber axes are arranged in parallel are impregnated with a phenol resin, preliminarily cured at 80-100 deg.C to obtain a semi-hardened prepreg sheet. Two of these sheets are placed in a metal die with their fiber axes arranged, left as they are under pressure of 100kg weight and at 110 deg.C in the atmosphere for 20 minutes, and further processed at 150 deg.C for 20 minutes, and taken out from the metal die to obtain a hardened mold product. Furthermore, this hardened mold product is increased in temperature at a rate of 100 deg.C per hour in argon atmosphere, processed for 5 hours at 1000 deg.C for carbonization, and a sheet-like carbon fiber containing carbon material having high energy density and high electric conductivity for an electrode mold body can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、炭素繊維を用いたリチ
ウム二次電池用負極とその製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery using carbon fiber and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、リチウム金属を負極としたリチウ
ム二次電池は、高いエネルギー密度が期待できる反面、
充放電効率が低い、充放電のサイクルに伴う放電容量の
低下が著しいという問題があった。これは、充電時に負
極上に析出するデンドライトと呼ばれるリチウムの樹状
結晶の剥離、あるいは、成長したデンドライトの正極と
の短絡に起因するものである。このデンドライトの生成
を防止するための方法として、負極にリチウムを含有す
る合金を用いる方法、炭素材料を用いる方法、導電性高
分子を用いる方法等がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a lithium secondary battery using lithium metal as a negative electrode can be expected to have high energy density, but
There are problems that the charge and discharge efficiency is low and the discharge capacity is significantly reduced with the charge and discharge cycle. This is due to peeling of dendrites of lithium called dendrites deposited on the negative electrode during charging, or short circuit between the grown dendrites and the positive electrode. Examples of methods for preventing the generation of dendrites include a method using an alloy containing lithium in the negative electrode, a method using a carbon material, and a method using a conductive polymer.

【0003】合金を用いる方法は、充電時に析出するリ
チウムを拡散過程を経て合金化して電極内部へ取り込む
ことによりデンドライトの生成を防ぐものである。しか
しながら、合金電極内部でのリチウムの拡散速度が小さ
いため電流密度を大きくできないこと、合金中のリチウ
ム組成の変化によって結晶が歪むために、深い充電、放
電ができず、負極のエネルギー密度が低下すること、結
晶の歪みに起因する構造破壊によるサイクル安定性の低
下等の問題点がある。
The method using an alloy prevents the formation of dendrites by alloying the lithium deposited during charging through a diffusion process and taking it into the electrode. However, because the diffusion rate of lithium inside the alloy electrode is low, the current density cannot be increased, and because the crystal is distorted due to the change in the lithium composition in the alloy, deep charging and discharging cannot be performed and the energy density of the negative electrode decreases. However, there are problems such as deterioration in cycle stability due to structural destruction due to crystal distortion.

【0004】導電性高分子を用いる方法は、リチウムの
ドープ・アンドープを負極反応に用いることによりデン
ドライトの生成を防止するものであるが、高分子自身の
卑な反応電位での電気化学的安定性、リチウム金属に対
する化学的安定性に問題があり、現状ではリチウム二次
電池負極への適用は困難である。
The method using a conductive polymer prevents the formation of dendrites by using lithium doping / undoping in the negative electrode reaction, but the polymer itself is electrochemically stable at a base reaction potential. However, there is a problem in chemical stability against lithium metal, and at present, it is difficult to apply it to a negative electrode of a lithium secondary battery.

【0005】他方、炭素材料は、電気化学的安定性、リ
チウムに対する化学的安定性が高く、炭素材料中に取り
込むことができるリチウム量も、理論的にC6 Li=3
72mAh/gと大きいため、リチウム金属に代替する
負極材として注目を集め、種々の炭素材料に関し検討が
進められている(例えば、特開昭62-268,058号公報、特
開昭63-213,258号公報、特開昭64-645号公報、特開平 1
-221,859号公報、特開平2-82,466号公報等)。
On the other hand, the carbon material has high electrochemical stability and chemical stability to lithium, and theoretically the amount of lithium that can be incorporated into the carbon material is C 6 Li = 3.
Since it is as large as 72 mAh / g, it has attracted attention as a negative electrode material to replace lithium metal, and various carbon materials have been studied (for example, JP-A-62-268,058 and JP-A-63-213,258). , JP-A-64-645, JP-A-1
-221,859, JP-A-2-82,466, etc.).

【0006】有機電解液中での炭素材料へのリチウムの
インターカレーション反応は、母材である炭素材料のミ
クロ、及びマクロな構造によって異なり、本発明者らが
鋭意検討した結果、ピッチを原料とした炭素繊維が、挿
入・脱離可能なリチウム組成、すなわち、放電容量、及
び充放電サイクルに対する安定性といった負極特性にお
いて、非常に優れることが判明し、先に出願(特開平2-
82,466号公報)を行った。
The intercalation reaction of lithium into the carbon material in the organic electrolytic solution differs depending on the micro- and macro-structure of the carbon material as the base material, and as a result of diligent studies by the present inventors, pitch was used as the raw material. It was found that the above-mentioned carbon fiber is very excellent in the negative electrode characteristics such as lithium composition that can be inserted / removed, that is, discharge capacity and stability against charge / discharge cycles.
82,466).

【0007】上述した炭素繊維の高性能の本質は、炭素
層間の伸縮に対するマクロな構造の安定性にあり、この
安定性は、繊維という形態によって維持されている。す
なわち、繊維という形態が負極インターカレーション反
応とサイクル安定性に本質的な重要性を持つものであ
り、従って、電極を成型するにあたっても、繊維形状を
維持した成型が最も望ましい。ところが、従来の電極成
型の方法は、粉体を主な対象とするため、炭素繊維をそ
のままの形態で成型したものではなかった。
The essence of the high performance of the above-mentioned carbon fiber lies in the stability of the macro structure against expansion and contraction between the carbon layers, and this stability is maintained by the form of the fiber. That is, the form of the fiber has an essential importance for the negative electrode intercalation reaction and the cycle stability, and therefore, it is most desirable to form the electrode while maintaining the fiber shape. However, since the conventional electrode molding method mainly targets powder, it is not a method of molding carbon fiber as it is.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決するもので、炭素繊維を負極として用いたリチウ
ム二次電池の負極において、炭素繊維の形状を維持した
上で、高い充填密度に成型した新しい構造の電極の提供
を目的とするものである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is to solve the above problems, and in a negative electrode of a lithium secondary battery using carbon fiber as a negative electrode, while maintaining the shape of the carbon fiber, a high packing density. It is intended to provide an electrode having a new structure molded into

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者は、炭素繊維の
配列を制御することにより、炭素繊維の持つリチウム二
次電池負極としての特性を損なうことなく、高いエネル
ギー密度の電極を得ることができることを見い出した。
また、その製造方法として、バインダー成分を炭化、あ
るいは、黒鉛化することが重要であることを見い出し
た。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたもので
ある。
By controlling the arrangement of carbon fibers, the present inventor can obtain an electrode having a high energy density without impairing the characteristics of carbon fibers as a negative electrode for a lithium secondary battery. I found what I could do.
It was also found that it is important to carbonize or graphitize the binder component as a manufacturing method thereof. The present invention has been completed based on such findings.

【0010】すなわち、本発明は、シート状炭素繊維含
有炭素材料であって、炭素繊維が該シートの表面に平行
に配向し、炭素繊維の大部分がシートの表面に露出して
いることを特徴とするリチウム二次電池用負極であり、
その製造方法は、炭素繊維がその表面と平行に配向した
シート状炭素繊維集合体をバインダーを用いて成型した
後に、成型に用いたバインダーを炭化、あるいは、黒鉛
化することを特徴とするものである。本発明によって、
炭素繊維の持つ本来の負極特性を損なうことなく、炭素
繊維の充填密度の高いリチウム二次電池用電池を提供す
ることが可能になった。
That is, the present invention is a sheet-shaped carbon fiber-containing carbon material, wherein the carbon fibers are oriented parallel to the surface of the sheet, and most of the carbon fibers are exposed on the surface of the sheet. And a negative electrode for a lithium secondary battery,
The manufacturing method is characterized in that after a sheet-shaped carbon fiber aggregate in which carbon fibers are oriented parallel to the surface thereof is molded using a binder, the binder used for molding is carbonized or graphitized. is there. According to the invention,
It has become possible to provide a battery for a lithium secondary battery having a high packing density of carbon fibers without impairing the original negative electrode characteristics of carbon fibers.

【0011】以下、本発明の内容を詳細に説明する。本
発明の特徴は、以下の点にある。第一の特徴は、炭素繊
維を何ら破壊することなく成型し電極としている点であ
る。一般に炭素繊維は、繊維の形状において最も高い初
期充放電効率、サイクル安定性を有する。例えば、ピッ
チ系炭素繊維は、初期充放電効率に関しては、90%以
上、電解液を選定すれば、95%を越える性能〔第31
回電池討論会3B09(1990年)、第32回電池討論会
2B10(1991年)〕が得られている。本発明によって
得られる炭素繊維のシート状成型体は、繊維を破壊する
ことなく成型しているため、実施例に示すように、炭素
繊維の持つ性能を維持した良好な性能を示すことができ
る。
The contents of the present invention will be described in detail below. The features of the present invention are as follows. The first feature is that the carbon fiber is formed into an electrode without breaking it. Generally, carbon fiber has the highest initial charge / discharge efficiency and cycle stability in the shape of the fiber. For example, the pitch-based carbon fiber has an initial charge / discharge efficiency of 90% or more, and a performance exceeding 95% when an electrolytic solution is selected [31st
The 3rd battery discussion meeting 3B09 (1990) and the 32nd battery discussion meeting 2B10 (1991)] have been obtained. Since the sheet-shaped molded body of carbon fiber obtained by the present invention is molded without breaking the fiber, as shown in Examples, it is possible to exhibit good performance while maintaining the performance of carbon fiber.

【0012】本発明の炭素繊維は、リチウム二次電池負
極反応、すなわち、リチウムの挿入・脱離反応に適する
ものであれば、特に限定されるものではないが、好まし
くは、ピッチ系炭素繊維であり、更に好ましくは、X線
回折による炭素面間隔(d00 2 )が0.35nm以下の
ピッチ系炭素繊維である。上記のピッチ系炭素繊維は、
放電容量が大きく、かつ、初期充放電効率が大きいた
め、本発明には好適である。
The carbon fiber of the present invention is not particularly limited as long as it is suitable for a lithium secondary battery negative electrode reaction, that is, a lithium insertion / desorption reaction, but a pitch-based carbon fiber is preferable. It is more preferable that the pitch-based carbon fiber has a carbon spacing (d 00 2 ) determined by X-ray diffraction of 0.35 nm or less. The above pitch-based carbon fiber,
Since it has a large discharge capacity and a large initial charge / discharge efficiency, it is suitable for the present invention.

【0013】第二の特徴は、炭素繊維を一方向、若しく
は互いに直交する二方向等に配向することにより、該シ
ートの表面に平行に炭素繊維を配向したシート状炭素繊
維集合体を成型することである。繊維軸を一方向に揃え
ることにより、炭素繊維集合体における炭素繊維の充填
密度を高めることが可能であり、また、その炭化、ある
いは黒鉛化したシート状成型体は、繊維軸に垂直な方向
に柔軟性を持つという特徴がある。
The second feature is to form a sheet-like carbon fiber aggregate in which carbon fibers are oriented parallel to the surface of the sheet by orienting the carbon fibers in one direction or in two directions orthogonal to each other. Is. By aligning the fiber axes in one direction, it is possible to increase the packing density of carbon fibers in the carbon fiber aggregate, and the carbonized or graphitized sheet-shaped molded product can be used in a direction perpendicular to the fiber axis. It is characterized by having flexibility.

【0014】互いに直交する二方向に配向したシート状
炭素繊維集合体とは、例えば、平織りのような炭素繊維
の織布や、炭素繊維が一方向に配向したシート状炭素繊
維集合体を、互いに90度の配向角で積層したものを表
す。互いに直交する二方向に配向したシート状炭素繊維
集合体の特徴は、炭素繊維の充填密度を高めることが可
能であることと、その炭化、あるいは黒鉛化したシート
状成型体が強固なことである。
The sheet-like carbon fiber aggregates oriented in two directions orthogonal to each other are, for example, a woven fabric of carbon fibers such as plain weave, or a sheet-like carbon fiber aggregates in which carbon fibers are oriented in one direction. Represents a stack with an orientation angle of 90 degrees. The characteristics of the sheet-shaped carbon fiber aggregates oriented in two directions orthogonal to each other are that the packing density of carbon fibers can be increased and that the carbonized or graphitized sheet-shaped molded body is strong. .

【0015】本発明のシート状炭素繊維成型体の厚さ
は、成型体を構成する炭素繊維全てが電極反応に関与す
ることを妨げない範囲であれば、特にこれを制限するも
のではないが、5mm以下が好ましく、更に好ましくは
1mm以下である。5mmを越える厚さの成型体は、成
型体の内部の炭素繊維が電極反応に関与することが出来
ず、従って成型体のエネルギー密度が低下してしまう。
The thickness of the sheet-shaped carbon fiber molded body of the present invention is not particularly limited as long as it does not prevent all of the carbon fibers constituting the molded body from participating in the electrode reaction. It is preferably 5 mm or less, more preferably 1 mm or less. In a molded product having a thickness of more than 5 mm, the carbon fibers inside the molded product cannot participate in the electrode reaction, and the energy density of the molded product is reduced.

【0016】本発明に用いる負極の成型には、例えば、
樹脂やピッチによる成型を好ましく適用することがで
き、更に好ましくは、熱硬化性樹脂を用いることができ
る。熱硬化性樹脂やピッチを用い、これを加圧下で熱硬
化させることにより、本発明に適した成型体を作成する
ことができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノ
ール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることが
できる。
For molding the negative electrode used in the present invention, for example,
Molding with a resin or pitch can be preferably applied, and more preferably, a thermosetting resin can be used. By using a thermosetting resin or pitch and thermosetting it under pressure, a molded body suitable for the present invention can be prepared. As the thermosetting resin, for example, phenol resin, furan resin, epoxy resin or the like can be used.

【0017】第三の特徴は、炭素繊維の成型に用いたバ
インダーを炭化、あるいは黒鉛化することで、バインダ
ーの電極反応に及ぼす影響を取り除き、かつ、導電性を
賦与することである。熱硬化性樹脂をバインダーとした
場合、硬化後の状態では、硬化した樹脂が電解液に溶解
し、電解液の変成による電極性能の低下を誘起し、ま
た、電気伝導度の低い樹脂を用いるため、成型体の電気
伝導度が低下するおそれがある。バインダーを用いた樹
脂を炭化、あるいは黒鉛化することで炭素繊維含有炭素
材料とすることにより、樹脂の電解液への溶解はなくな
り、また、炭化した樹脂は電気伝導性を有するため、成
型体の電気伝導度を高めることができる。
The third feature is that the effect of the binder on the electrode reaction is removed and conductivity is imparted by carbonizing or graphitizing the binder used for molding the carbon fiber. When a thermosetting resin is used as a binder, in the state after curing, the cured resin dissolves in the electrolytic solution, which induces deterioration of the electrode performance due to modification of the electrolytic solution, and because a resin with low electrical conductivity is used. However, the electric conductivity of the molded body may decrease. By carbonizing or graphitizing a resin using a binder to obtain a carbon fiber-containing carbon material, dissolution of the resin in the electrolytic solution is eliminated, and since the carbonized resin has electrical conductivity, The electrical conductivity can be increased.

【0018】第四の特徴は、炭素繊維の成型に用いたバ
インダーを炭化、あるいは黒鉛化することで、炭素繊維
の大部分をシート状成型体の表面に露出させることであ
る。本発明においては、炭素繊維はその表面が電極反応
に関与する、すなわち、炭素繊維の表面がリチウムの挿
入・脱離反応の場となる。従って、シート状炭素繊維成
型体は、電極反応に関与するシート表面に炭素繊維が露
出していることが重要である。本発明におけるバインダ
ーを炭化、あるいは、黒鉛化した成型体は、バインダー
は炭素繊維の表面の極く一部を覆うだけで炭素繊維のほ
とんどは露出しているため、炭素繊維の持つ電極特性を
何ら損なうことはない。
The fourth characteristic is that most of the carbon fibers are exposed on the surface of the sheet-shaped molded body by carbonizing or graphitizing the binder used for molding the carbon fibers. In the present invention, the surface of the carbon fiber participates in the electrode reaction, that is, the surface of the carbon fiber serves as a place for lithium insertion / desorption reaction. Therefore, in the sheet-shaped carbon fiber molded body, it is important that the carbon fibers are exposed on the surface of the sheet involved in the electrode reaction. In the molded body in which the binder is carbonized or graphitized in the present invention, the binder covers only a very small part of the surface of the carbon fiber and most of the carbon fiber is exposed. There is no loss.

【0019】本発明における成型体の炭化には、不活性
雰囲気下、800℃以上での処理が好ましく、更に好ま
しくは1,000℃以上である。炭化処理温度には特に
上限はなく、樹脂自体は難黒鉛化材料であり、黒鉛化処
理を施しても電極特性、賦形性に影響は生じない。80
0℃未満の温度で炭化した成型体は、リチウムの挿入反
応がスムースに進行せず、充放電サイクルに伴う容量の
低下や、過電圧の増加等の劣化が大きく、本発明に用い
るには適していない。
The carbonization of the molded article in the present invention is preferably carried out at 800 ° C. or higher in an inert atmosphere, more preferably 1,000 ° C. or higher. There is no particular upper limit to the carbonization temperature, and the resin itself is a non-graphitizable material, and the graphitization treatment does not affect the electrode characteristics and shapeability. 80
The molded product carbonized at a temperature of less than 0 ° C. does not smoothly proceed with the lithium insertion reaction, has a large decrease in capacity with charge / discharge cycles, and has a large deterioration such as an increase in overvoltage, and is suitable for use in the present invention. Absent.

【0020】本発明の成型に用いる熱硬化性樹脂は、例
えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等を
好適に使用することができるが、炭化後における賦形性
が重要であり、炭化歩留まりが高く賦形性が高ければ、
何ら上記のフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂
に限定するものではない。
As the thermosetting resin used in the molding of the present invention, for example, phenol resin, furan resin, epoxy resin and the like can be preferably used, but the shapeability after carbonization is important and the carbonization yield is high. If it is high and the shapeability is high,
It is not limited to the above-mentioned phenol resin, furan resin and epoxy resin.

【0021】本発明の炭素材料は、正極と有機溶媒系電
解液と適宜に組み合わせて用いることができるが、これ
らの有機溶媒系電解液や正極は、リチウム二次電池に通
常に用いることのできるものであれば、特にこれを制限
するものではない。正極材としては、例えば、リチウム
を含んだ金属酸化物(Lix MO2 ;M=Co、Ni、
Mnの中の一種以上)、遷移金属カルコゲン化物、バナ
ジウム酸化物(V2 5 、V6 13)、及び、そのアモ
ルファス化物、一般式Mx Mo6 8-y (M=金属)で
表されるシェブレル相化合物、あるいは、活性炭、導電
性高分子等を用いることができる。
The carbon material of the present invention is composed of a positive electrode and an organic solvent-based electrode.
It can be used in combination with the lysate as appropriate.
These organic solvent-based electrolytes and positive electrodes are passed through a lithium secondary battery.
If it can always be used, limit this
Not something to do. As the positive electrode material, for example, lithium
Metal oxide containing (LixMO2M = Co, Ni,
One or more of Mn), transition metal chalcogenide, vana
Dium oxide (V2OFive, V6O13), And the ammo
Rufus compound, general formula MxMo6S 8-y(M = metal)
Chevrel phase compound represented, or activated carbon, conductive
A polymer or the like can be used.

【0022】有機溶媒としては、例えば、プロピレンカ
ーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキ
シエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラク
トン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフ
ラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジ
オキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルス
ルホラン、アセトニトリル、ピロピオニトリル、アニソ
ール、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、
ジメチルスルホキシド等を用いることができ、その一種
を単独で使用できるほか、二種以上の混合溶媒として用
いることもできる。
As the organic solvent, for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4- Methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, pyropionitrile, anisole, diethyl carbonate, dimethyl carbonate,
Dimethyl sulfoxide and the like can be used, and one of them can be used alone, or two or more can be used as a mixed solvent.

【0023】電解質としては、LiClO4 、LiBF
4 、LiPF6 、LiAsF6 、LiCF3 SO3 、L
iBr、LiCl、LiB(C6 5 4 等が挙げられ
る。
As the electrolyte, LiClO 4 , LiBF 4
4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , L
Examples thereof include iBr, LiCl, LiB (C 6 H 5 ) 4 .

【0024】[0024]

【作用】本発明における炭素繊維集合体は、炭素繊維を
何ら破壊することなしに成型するため、炭素繊維の持つ
電極特性を損なうことがない。更に、遷移軸をシートの
表面に平行に配向させることにより炭素繊維集合体にお
ける繊維の充填密度は高まり、成型に用いるバインダー
成分を炭化、あるいは黒鉛化することにより、バインダ
ー成分は導電性を示すため、本発明における炭素繊維集
合体は、高エネルギー密度で電気電導性の高い電極成型
体となる。また、炭素繊維成型体は、例えば、一方向に
配向させることにより、繊維軸に垂直な方向に柔軟性を
持ち、互いに垂直な二方向に配向させることにより剛直
な成型体となる。すなわち、繊維の配向を制御すること
で機械的強度を設計することができる。
The carbon fiber aggregate according to the present invention is formed without destroying the carbon fiber, so that the electrode characteristics of the carbon fiber are not impaired. Further, by orienting the transition axis parallel to the surface of the sheet, the packing density of the fibers in the carbon fiber aggregate is increased, and by carbonizing or graphitizing the binder component used for molding, the binder component exhibits conductivity. The carbon fiber aggregate according to the present invention is an electrode molded body having high energy density and high electric conductivity. Further, the carbon fiber molded body has flexibility in a direction perpendicular to the fiber axis by, for example, being oriented in one direction, and becomes a rigid molded body by being oriented in two directions perpendicular to each other. That is, the mechanical strength can be designed by controlling the orientation of the fibers.

【0025】[0025]

【実施例】以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明
を具体的に説明する。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on Examples and Comparative Examples.

【0026】実施例1 遷移軸を平行に揃えたピッチ系炭素繊維(繊維直径約1
0μm、d002 =0.342nm)にフェノール樹脂を
含浸し、80℃から100℃で予備硬化させ半硬化状態
としたプリプレグシートを準備した。このシート二枚を
繊維軸を揃えて金型に入れ、100kg重の圧力下、大
気中、110℃で20分間放置後、更に150℃で20
分間処理することにより硬化成型品を作製した。硬化過
程を終了した成型体は金型から取り出し、更に、アルゴ
ン雰囲気下で、毎時100℃で昇温し、1,000℃で
5時間処理して炭化を行った。炭化後の成型体の大きさ
は、一辺150mmの正方形で、厚さは0.12mmで
あった。また、炭化後の成型体の嵩密度は、1.20g
/cm3 であり、賦形性は高く、柔軟性を持った簾状の
成型体を作製することができた。この成型体の表面は、
電子線走査型顕微鏡等の機器で観察したところ、炭素繊
維が露出しておりバインダーには覆われていなかった。
Example 1 Pitch-based carbon fibers whose transition axes are aligned in parallel (fiber diameter of about 1
0 μm, d 002 = 0.342 nm) was impregnated with a phenol resin and pre-cured at 80 ° C. to 100 ° C. to prepare a semi-cured prepreg sheet. The two sheets are placed in a mold with their fiber axes aligned, and left at 110 ° C for 20 minutes in the air under a pressure of 100 kg, and then at 150 ° C for 20 minutes.
A cured molded product was produced by processing for minutes. The molded body that had undergone the curing process was taken out of the mold, and further heated in an argon atmosphere at 100 ° C./hour and treated at 1,000 ° C. for 5 hours to perform carbonization. The size of the molded body after carbonization was a square having a side of 150 mm, and the thickness was 0.12 mm. The bulk density of the molded body after carbonization is 1.20 g.
/ Cm 3 , the shapeability was high, and a flexible, blind-shaped molded body could be produced. The surface of this molded body is
Observation with a device such as an electron beam scanning microscope revealed that the carbon fibers were exposed and were not covered with the binder.

【0027】この成型体を一辺10mmの正方形の薄い
板に切り出してNi網で包むことで集電し、これをリチ
ウム二次電池の負極として試験した。性能試験には、対
極、基準極をリチウム金属とした三極セルを用いた。プ
ロピレンカーボネート溶媒1リットルに1モルの濃度で
LiClO4 を溶かした溶液を電解液とした。この三極
セルを用い、基準極に対して試験極の電位が0V以上1
V以下の範囲で、定電流で充放電を繰り返し、性能を評
価した。すなわち、試験極の還元反応であるリチウムの
挿入反応を0Vで終了し、酸化反応であるリチウムの放
出反応を1Vに達したところで終了した。充放電の電流
密度は、炭素繊維成型体1g当たり30mAとした。
This molded body was cut into a square thin plate having a side of 10 mm and wrapped with a Ni net to collect current, which was tested as a negative electrode of a lithium secondary battery. In the performance test, a triode cell having lithium metal as the counter electrode and the reference electrode was used. A solution prepared by dissolving LiClO 4 at a concentration of 1 mol in 1 liter of a propylene carbonate solvent was used as an electrolytic solution. Using this three-electrode cell, the potential of the test electrode is 0 V or more with respect to the reference electrode 1
Charging and discharging were repeated at a constant current in the range of V or less to evaluate the performance. That is, the lithium insertion reaction, which is the reduction reaction of the test electrode, was terminated at 0 V, and the lithium release reaction, which was the oxidation reaction, was terminated at 1 V. The charge / discharge current density was 30 mA per 1 g of the carbon fiber molded body.

【0028】第1サイクルの放電容量は、約180mA
h/g、充放電効率は、約90%であった。また、第3
サイクル以降の充放電効率は、98%以上100%以下
であった。図1に、充放電の繰り返しに対する放電容量
のサイクル変化を示す。初期30サイクル程度で直線的
に容量は減少し、その後の容量は安定した。100サイ
クルめの放電容量は、155mAh/gであった。
The discharge capacity of the first cycle is about 180 mA.
The h / g and charge / discharge efficiency were about 90%. Also, the third
The charge / discharge efficiency after the cycle was 98% or more and 100% or less. FIG. 1 shows the cycle change of the discharge capacity with repeated charging and discharging. The capacity decreased linearly in the initial 30 cycles, and the capacity thereafter became stable. The discharge capacity at the 100th cycle was 155 mAh / g.

【0029】実施例2 実施例1に用いた炭化後の成型体を、更に、アルゴン雰
囲気下で、2,800℃、3,000℃、3,200℃
で各々1時間黒鉛化したものを調製した。黒鉛化後の成
型体の厚さは、約0.13mmであり、嵩密度は、1.
08g/cm3であった。黒鉛化によってバインダーに
よる賦形性は変化せず、実施例1と同様の柔軟性を有し
た簾状の電極シートを作製することができた。電解液に
は、エチレンカーボネートとγ−ブチロラクトンの体積
比1:1の混合溶媒に電解質LiClO4 を1M濃度に
溶解したものを用い、他は実施例1と同様の条件で試験
した。
Example 2 The molded body after carbonization used in Example 1 was further subjected to an argon atmosphere at 2,800 ° C., 3,000 ° C. and 3,200 ° C.
Were graphitized for 1 hour each. The thickness of the molded body after graphitization is about 0.13 mm, and the bulk density is 1.
It was 08 g / cm 3 . The shapeability due to the binder did not change due to graphitization, and it was possible to prepare a blind-shaped electrode sheet having the same flexibility as in Example 1. The electrolyte solution was prepared by dissolving electrolyte LiClO 4 at a concentration of 1M in a mixed solvent of ethylene carbonate and γ-butyrolactone at a volume ratio of 1: 1 and was tested under the same conditions as in Example 1.

【0030】表1に、X線回折による炭素面間隔(d
002 )、放電容量、充放電効率を示す。黒鉛化処理温度
を高くすることにより、成型体の容量が大きくなる。こ
れは、黒鉛化処理により炭素繊維自体の黒鉛化度が向上
し、それに伴って容量が増大しているからである。図1
に、3,200℃処理の放電容量のサイクル変化を示
す。充放電サイクルに関する特性は、実施例1と同一の
傾向を示した。
Table 1 shows the carbon spacing (d
002 ), discharge capacity and charging / discharging efficiency. By increasing the graphitization temperature, the capacity of the molded body increases. This is because the degree of graphitization of the carbon fiber itself is improved by the graphitization treatment, and the capacity is increased accordingly. Figure 1
Shows the cycle change of the discharge capacity of 3,200 ° C. treatment. The characteristics regarding the charge / discharge cycle showed the same tendency as in Example 1.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】実施例3 実施例1と同様のプリプレグシートを準備し、このシー
ト2枚を繊維軸方向が互いに直交するように積層し、そ
の後の硬化、炭化処理は実施例1と同一の条件とし、更
に3,200℃で一時間黒鉛化処理し電極成型体を作製
した。成型体の大きさは、一辺10mmの正方形で炭化
後の厚さが0.15mm、黒鉛化後の厚さが0.16m
m、炭化後の嵩密度は、1.15g/cm3 、黒鉛化後
の嵩密度は、1.05g/cm3 であった。成型体は、
炭素繊維が表面に露出したものでバインダーには覆われ
ていなかった。また、黒鉛化過程で僅かに厚さ方向の膨
張があり、そのために嵩密度が低下しているが、炭化
後、黒鉛化後の何れの状態でも、賦形性が高かった。
Example 3 A prepreg sheet similar to that of Example 1 was prepared, two sheets were laminated so that the fiber axis directions thereof were orthogonal to each other, and the subsequent curing and carbonization treatments were performed under the same conditions as in Example 1. Further, it was graphitized at 3,200 ° C. for 1 hour to prepare an electrode molded body. The size of the molded body is a square with a side of 10 mm, the thickness after carbonization is 0.15 mm, and the thickness after graphitization is 0.16 m.
m, the bulk density after carbonization was 1.15 g / cm 3 , and the bulk density after graphitization was 1.05 g / cm 3 . The molded body is
The carbon fibers were exposed on the surface and were not covered with the binder. In addition, there was a slight expansion in the thickness direction during the graphitization process, which reduced the bulk density, but the shapeability was high in any state after carbonization and after graphitization.

【0033】電解液に、プロピレンカーボネートとエチ
レンカーボネートの体積比1:1の混合溶媒に電解質L
iClO4 を1M濃度に溶解したものを用い、他は実施
例1と同様の条件でこの炭素繊維成型体の電極評価試験
を行った。表2に、X線回折による炭素面間隔
(d002 )、放電容量、充放電効率を示す。実施例2と
同様に黒鉛化処理によって、成型体の容量は大幅に増大
している。何れの電極も容量の絶対値の違いはあるが、
非常に安定したサイクル特性を示し、良好な電極である
ことが判明した。
Electrolyte L was added to a mixed solvent of propylene carbonate and ethylene carbonate in a volume ratio of 1: 1.
An electrode evaluation test was conducted on this carbon fiber molded body under the same conditions as in Example 1 except that iClO 4 dissolved in 1 M was used. Table 2 shows the carbon plane spacing (d 002 ) by X-ray diffraction, the discharge capacity, and the charge / discharge efficiency. By the graphitization treatment as in Example 2, the capacity of the molded body was significantly increased. There is a difference in the absolute value of the capacitance for both electrodes,
It showed very stable cycle characteristics and was found to be a good electrode.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】実施例4 炭素繊維束を二軸織りにしたクロスにフェノールを含浸
し、実施例1と同様の硬化、炭化処理工程により、シー
ト状の電極を作製した。成型体は、100mm×70m
m×0.32mmの大きさで、その嵩密度は、1.00
g/cm3 であった。更にこの炭化品をアルゴン雰囲気
下で3,200℃、一時間焼成を行った。黒鉛化後の嵩
密度は、1.00g/cm3 であり、黒鉛化による嵩密
度の変化はなかった。二種の電極サンプルは何れも賦形
性は高かった。実施例3と同一の条件で電極評価を行っ
た。その結果を表3に示す。非常に安定したサイクル特
性を示し、良好な電極であることが判明した。
Example 4 A sheet-shaped electrode was produced by impregnating a biaxially woven cloth of carbon fiber bundles with phenol and carrying out the same curing and carbonization treatment steps as in Example 1. Molded body is 100 mm x 70 m
It has a size of m × 0.32 mm and a bulk density of 1.00.
It was g / cm 3 . Further, the carbonized product was fired at 3,200 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere. The bulk density after graphitization was 1.00 g / cm 3 , and there was no change in the bulk density due to graphitization. Both of the two kinds of electrode samples had high shapeability. The electrodes were evaluated under the same conditions as in Example 3. The results are shown in Table 3. It showed very stable cycle characteristics and was found to be a good electrode.

【0036】[0036]

【表3】 [Table 3]

【0037】比較例1 実施例1と同一の条件で硬化を終了し、炭化処理をして
いない成型体の電極特性を検討した。実施例1と同一の
大きさの電極を切り出し、Ni網で包んで負極とした。
試験セル、試験条件は、実施例1と同様にして試験し
た。充放電曲線のプロファイルは実施例1と良く似たも
のであったが、過電圧が大きく、第1サイクルの放電容
量は120mAh/g、充放電効率は78%であった。
充放電効率は、第5サイクル以降、98%以上100%
以下であった。放電容量は、初期40サイクルで単調に
減少し、その後安定して推移するが、100サイクルめ
の放電容量は、80mAh/gであった。
Comparative Example 1 The electrode characteristics of a molded body which had been cured under the same conditions as in Example 1 but had not been carbonized were examined. An electrode having the same size as in Example 1 was cut out and wrapped with a Ni net to give a negative electrode.
The test cell and test conditions were the same as in Example 1. The profile of the charge / discharge curve was very similar to that of Example 1, but the overvoltage was large, the discharge capacity in the first cycle was 120 mAh / g, and the charge / discharge efficiency was 78%.
Charge / discharge efficiency is 98% or more and 100% after the 5th cycle
It was below. The discharge capacity monotonously decreased in the initial 40 cycles and then remained stable, but the discharge capacity at the 100th cycle was 80 mAh / g.

【0038】比較例2 実施例1と同一の炭素繊維を用い、成型せずにNi線で
束ねたものを負極として実施例1と同様の試験セル、試
験条件で試験した。第1サイクルの放電容量は、185
mAh/gで、充放電効率は93%であった。第1サイ
クルの充放電曲線のプロファイルは実施例1と同等であ
った。充放電効率、放電容量のサイクル変化は実施例1
と同等であった。100サイクルめの放電容量は、16
0mAh/gであった。比較例2の結果と実施例1の結
果とから、実施例1における成型体は、構成する炭素繊
維の電極性能を充分に発揮していることが分かる。
Comparative Example 2 The same carbon fiber as in Example 1 was used, and the carbon fiber bundled with Ni wire without molding was used as a negative electrode and tested in the same test cell and test conditions as in Example 1. The discharge capacity of the first cycle is 185
The charge / discharge efficiency was 93% at mAh / g. The profile of the charge / discharge curve in the first cycle was the same as in Example 1. The cycle change of charge / discharge efficiency and discharge capacity is shown in Example 1.
Was equivalent to. The discharge capacity at the 100th cycle is 16
It was 0 mAh / g. From the results of Comparative Example 2 and the results of Example 1, it can be seen that the molded body of Example 1 sufficiently exhibits the electrode performance of the constituent carbon fibers.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明によれば、炭素繊維を用いるリチ
ウム二次電池の負極において、その炭素繊維の配列を制
御することにより、炭素繊維の持つリチウム二次電池負
極としての特性を損なうことなく、高いエネルギー密度
の電極とすることができ、高い充填密度に成型した新し
い構造の電極を提供することができる。また、本発明方
法によれば、このような炭素繊維を用いるリチウム二次
電池の負極を容易に製造することができる。
According to the present invention, by controlling the arrangement of the carbon fibers in the negative electrode of a lithium secondary battery using carbon fibers, the characteristics of the carbon fibers as a negative electrode for lithium secondary batteries are not impaired. Therefore, an electrode having a high energy density can be obtained, and an electrode having a new structure molded to a high packing density can be provided. Further, according to the method of the present invention, the negative electrode of the lithium secondary battery using such carbon fiber can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 図1は、実施例1において樹脂で硬化した後
炭化して得られた成型体と、実施例2において3,20
0℃で焼成して得られた成型体の放電容量のサイクル変
化を示す説明図である。
FIG. 1 shows a molded body obtained by curing with a resin and then carbonizing in Example 1, and 3, 20 in Example 2.
It is explanatory drawing which shows the cycle change of the discharge capacity of the molded object obtained by baking at 0 degreeC.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 公仁 神奈川県川崎市中原区井田1618番地、新日 本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者 向井 幸一郎 神奈川県川崎市中原区井田1618番地、新日 本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者 吉久 洋悦 大阪府高槻市城西町6番6号、株式会社ユ アサコーポレーション内 (72)発明者 栗山 和哉 大阪府高槻市城西町6番6号、株式会社ユ アサコーポレーション内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Kojin Suzuki, Inventor 1618 Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture, inside the Advanced Technology Research Laboratories, Nippon Steel Corporation (72) Koichiro Mukai, Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture 1618, Nippon Steel Corporation Advanced Technology Research Laboratories (72) Inventor Yoetsu Yoshihisa 6-6 Josaimachi, Takatsuki City, Osaka Prefecture, Yuasa Corporation (72) Inventor Kazuya Kuriyama Takatsuki City, Osaka Prefecture 6-6 Josaimachi, Yuasa Corporation

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シート状炭素繊維含有炭素材料であっ
て、炭素繊維が該シートの表面に平行に配向しているこ
とを特徴とするリチウム二次電池用負極。
1. A negative electrode for a lithium secondary battery, which is a sheet-shaped carbon fiber-containing carbon material, wherein the carbon fibers are oriented parallel to the surface of the sheet.
【請求項2】 炭素繊維の大部分がシートの表面に露出
している請求項1記載のリチウム二次電池用負極。
2. The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein most of the carbon fibers are exposed on the surface of the sheet.
【請求項3】 炭素繊維がその表面と平行に配向したシ
ート状炭素繊維集合体をバインダーを用いて成型した後
に、バインダーを炭化、あるいは、黒鉛化することを特
徴とする請求項1のリチウム二次電池用負極の製造方
法。
3. The lithium carbon according to claim 1, wherein the sheet-shaped carbon fiber aggregate in which carbon fibers are oriented parallel to the surface thereof is molded using a binder, and then the binder is carbonized or graphitized. Manufacturing method of negative electrode for secondary battery.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001015170A (en) * 1999-06-29 2001-01-19 Sony Corp Nonaqueous electrolyte battery
JPWO2016158823A1 (en) * 2015-03-27 2017-10-26 株式会社クレハ Carbonaceous molded body for battery electrode and method for producing the same
US10388956B2 (en) 2014-03-20 2019-08-20 Kureha Corporation Carbonaceous molded article for electrodes and method of manufacturing the same

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