JPH07296795A - Negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery using it - Google Patents

Negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery using it

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JPH07296795A
JPH07296795A JP6086375A JP8637594A JPH07296795A JP H07296795 A JPH07296795 A JP H07296795A JP 6086375 A JP6086375 A JP 6086375A JP 8637594 A JP8637594 A JP 8637594A JP H07296795 A JPH07296795 A JP H07296795A
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JP
Japan
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negative electrode
secondary battery
lithium secondary
positive electrode
hollow carbon
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Application number
JP6086375A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaharu Kamauchi
正治 鎌内
Yoshinori Takada
善典 高田
Toshio Nishihara
敏夫 西原
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Mitsubishi Cable Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Cable Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a negative electrode for lithium secondary battery minimized in the deterioration by repeat of charge and discharge and having a high charge and discharge capacity and a high energy density, and a lithium secondary battery using it. CONSTITUTION:A negative electrode for lithium secondary battery has a negative electrode material containing a hollow carbon fiber, preferably, a hollow carbon fiber having a cylindrical structure 1-500nm in diameter and 0.05-500mum in length consisting of a carbon atomic membrane in which carbon atoms are arranged in honeycomb form. A lithium secondary battery has this negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte.

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、サイクル寿命に優れる
とともに、高起電力・高エネルギー密度を有するリチウ
ム二次電池用負極およびそれを用いてなるリチウム二次
電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery having excellent cycle life and high electromotive force and high energy density, and a lithium secondary battery using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術・発明が解決しようとする課題】一般に二
次電池に要求される性能として、エネルギー密度が大
きい、出力密度が大きい、自己放電率が小さい、
安価である、エネルギー効率が高い、サイクル寿命
が長い等が挙げられる。このような性能を有する二次電
池として、リチウムイオンの移動による電気エネルギー
を利用した非水電解質電池、所謂リチウム二次電池が高
起電圧、高エネルギー密度を有するものとして知られて
いる。
2. Description of the Related Art Generally, secondary batteries are required to have high energy density, high output density, and low self-discharge rate.
It is inexpensive, has high energy efficiency, and has a long cycle life. As a secondary battery having such performance, a non-aqueous electrolyte battery utilizing electric energy due to movement of lithium ions, a so-called lithium secondary battery is known to have a high electromotive voltage and a high energy density.

【0003】このリチウム二次電池においては、負極に
純リチウムを用いると、高エネルギー密度を有する負極
が得られる反面、充電時にリチウムがデンドライトと呼
ばれる析出形態をとりやすいという欠点がある。このデ
ンドライトは樹枝状の結晶であり、一旦形成されると急
速に成長するため、セパレータを貫通し正極と短絡して
電池のサイクル寿命が著しく短くなる。また、上記デン
ドライトと正極との短絡により発火が起きたりすること
がある。さらに、このデンドライトが途中で切れたりし
て活性を喪失すると負極の容量が低下するという問題が
ある。
In this lithium secondary battery, when pure lithium is used for the negative electrode, a negative electrode having a high energy density can be obtained, but on the other hand, there is a drawback that lithium tends to take a deposition form called dendrite during charging. This dendrite is a dendritic crystal, and once it is formed, it grows rapidly. Therefore, the dendrite penetrates through the separator and short-circuits with the positive electrode, and the cycle life of the battery is significantly shortened. Further, ignition may occur due to a short circuit between the dendrite and the positive electrode. Further, there is a problem that the capacity of the negative electrode decreases when the dendrite is cut off on the way and loses its activity.

【0004】このため、負極材料として、純リチウムに
かえてカーボン系の材料を用いることが知られている。
このカーボン系材料は、黒鉛構造、即ち炭素原子が形成
する六角形網目構造を有する層が積み重なった結晶構造
を有するものである。このカーボン材で負極を構成する
と、充電時にリチウムがこれらの層の間を通って内部に
挿入されていくため、電極面でデンドライトが発生する
ことは少ない。
Therefore, it is known to use a carbon material instead of pure lithium as the negative electrode material.
This carbon-based material has a graphite structure, that is, a crystal structure in which layers having a hexagonal network structure formed by carbon atoms are stacked. When the negative electrode is composed of this carbon material, lithium is inserted into these layers through these layers during charging, so that dendrite is rarely generated on the electrode surface.

【0005】ところが、上記カーボン材の結晶構造にお
いては、層間距離は3.54〜3.9Å程度であるた
め、出入りし得るリチウムの量は少ない。したがって、
このカーボン材を用いた負極によれば、充放電容量・エ
ネルギー密度が低下するという問題がある。
However, in the crystal structure of the carbon material, the interlayer distance is about 3.54 to 3.9 Å, so the amount of lithium that can enter and leave is small. Therefore,
The negative electrode using this carbon material has a problem that charge / discharge capacity and energy density are lowered.

【0006】本発明の目的は、上記のような問題を解消
し、充放電の繰り返しによる劣化が少なく、かつ高充放
電容量・高エネルギー密度を有するリチウム二次電池用
負極を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、サイクル寿命に優れるとともに、高起電力、高充放
電容量、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池を
提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a negative electrode for a lithium secondary battery which has a high charge / discharge capacity and a high energy density and is less likely to deteriorate due to repeated charge / discharge. . Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having excellent cycle life, high electromotive force, high charge / discharge capacity, and high energy density.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、特定のカ
ーボン系材料を用いることによって上記目的が達成され
ることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本
発明のリチウム二次電池用負極は、中空状炭素繊維、好
ましくは炭素原子がハニカム状に配列されてなる炭素原
子膜よりなる直径1〜500nm、長さ0.05〜500
μmの円筒状の構造を有する中空状炭素繊維を含有する
負極材料を有するものである。また、本発明のリチウム
二次電池は、上記負極と、正極と、電解質とを有するも
のである。
The present inventors have found that the above object can be achieved by using a specific carbon-based material, and have completed the present invention. That is, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention has a diameter of 1 to 500 nm and a length of 0.05 to 500 formed of a hollow carbon fiber, preferably a carbon atom film in which carbon atoms are arranged in a honeycomb shape.
It has a negative electrode material containing hollow carbon fibers having a cylindrical structure of μm. The lithium secondary battery of the present invention has the above-mentioned negative electrode, positive electrode, and electrolyte.

【0008】[0008]

【作用】本発明においては、負極材料として中空状の炭
素繊維を使用するが、この中空状炭素繊維のなかでも特
に好ましいものは、図1に示すように炭素原子がハニカ
ム状に配列されてなる炭素原子膜よりなる筒状の結晶構
造を有し、また直径約1〜500nm、長さ約0.05〜
500μmのものであり、一般にカーボンナノチューブ
あるいはバッキーチューブと称されるものである(本明
細書においてはカーボンナノチューブと称す)。
In the present invention, a hollow carbon fiber is used as the negative electrode material. Among the hollow carbon fibers, a particularly preferable one is that the carbon atoms are arranged in a honeycomb shape as shown in FIG. It has a cylindrical crystal structure consisting of a carbon atom film, and has a diameter of about 1 to 500 nm and a length of about 0.05 to
It has a thickness of 500 μm and is generally called a carbon nanotube or a bucky tube (referred to as a carbon nanotube in the present specification).

【0009】上記中空状炭素繊維を含有する負極材料で
負極を構成すると、例えば図3の拡大断面図に示すよう
に、充電時にデンドライトが成長しても、この中空状炭
素繊維の壁面により阻害されるため、これが大きく成長
することがない。
When a negative electrode is made of the above-mentioned hollow carbon fiber-containing negative electrode material, for example, as shown in the enlarged cross-sectional view of FIG. 3, even if dendrites grow during charging, they are hindered by the wall surface of this hollow carbon fiber. Therefore, it does not grow significantly.

【0010】さらに、上記中空状炭素繊維を含有する負
極材料においては、リチウムイオンがこの中空状炭素繊
維の中空状部に出入りすることができる。この中空状炭
素繊維の直径は例えば上記したように1〜500nm程度
であるため、多量のリチウムイオンが出入りすることが
可能である。したがって、この中空状炭素繊維を含有す
る負極材料で負極を構成すると、充放電容量やエネルギ
ー密度の低下が抑制される。
Further, in the negative electrode material containing the hollow carbon fiber, lithium ions can enter and leave the hollow portion of the hollow carbon fiber. Since the diameter of this hollow carbon fiber is, for example, about 1 to 500 nm as described above, a large amount of lithium ions can enter and leave. Therefore, when the negative electrode is made of the negative electrode material containing this hollow carbon fiber, the decrease in charge / discharge capacity and energy density is suppressed.

【0011】本発明において使用される中空状炭素繊維
は、図2に示すように筒状体が入れ子状に配置された構
造のものであってもよいが、多量のリチウムイオンが出
入りすることが可能となるように、1〜20重、好まし
くは1〜5重のものであることが望ましい。
The hollow carbon fiber used in the present invention may have a structure in which tubular bodies are arranged in a nested manner as shown in FIG. 2, but a large amount of lithium ions can come and go. It is desirable that the weight is 1 to 20 layers, preferably 1 to 5 layers so as to be possible.

【0012】また、例えばカーボンナノチューブの場
合、一般に先端部が閉じたものと開いたものがあるが、
本発明においては、上記のようにリチウムイオンが出入
りできるようにするため、図1に示すように先端部が開
いたものを用いることが好ましい。
Further, for example, in the case of carbon nanotubes, there are generally those with closed tips and those with open tips.
In the present invention, in order to allow lithium ions to move in and out as described above, it is preferable to use one having an open tip as shown in FIG.

【0013】また、本発明において使用される中空状炭
素繊維の直径は、例えばカーボンナノチューブの場合で
通常は1〜500nmであるが、多量のリチウムイオンが
出入りできるようにするためには、10〜500nm、さ
らに好ましくは20〜100nmであることが望ましい。
なお、中空状炭素繊維の直径が500nm以下であれば、
前記したように該中空状炭素繊維がデンドライトの成長
を十分に抑制することができる。また、中空状炭素繊維
の長さは、カーボンナノチューブの場合で通常0.05
〜500μmであるが、前記デンドライトの成長を抑制
する効果、ならびに負極材中への組み込み性を十分なも
のとするためには、0.1〜100μm、さらに好まし
くは0.5〜50μmであることが望ましい。
The diameter of the hollow carbon fibers used in the present invention is usually 1 to 500 nm in the case of carbon nanotubes, but in order to allow a large amount of lithium ions to enter and exit, The thickness is preferably 500 nm, more preferably 20 to 100 nm.
If the diameter of the hollow carbon fiber is 500 nm or less,
As described above, the hollow carbon fiber can sufficiently suppress the growth of dendrite. The length of the hollow carbon fiber is usually 0.05 in the case of carbon nanotube.
˜500 μm, but in order to achieve the effect of suppressing the growth of the dendrite and the ability to be incorporated into the negative electrode material sufficiently, the thickness is 0.1 to 100 μm, and more preferably 0.5 to 50 μm. Is desirable.

【0014】上記カーボンナノチューブは、例えば、1
00〜500Torr程度の不活性ガス(He、Ar等)を
封入した容器内で、炭素電極間に直流アーク放電を起こ
すことにより負極に炭素堆積物を成長させ、この炭素堆
積物から蒐集することにより得られるものである。
The carbon nanotube has, for example, 1
By causing a direct current arc discharge between the carbon electrodes to grow a carbon deposit on the negative electrode in a container filled with an inert gas (He, Ar, etc.) of about 00 to 500 Torr, and collecting from the carbon deposit. Is what you get.

【0015】上記中空状炭素繊維は、負極材料100重
量部中に1〜10重量部程度、好ましくは2〜5重量部
程度含有されていることが好ましい。上記中空状炭素繊
維が負極材料中に1重量部以上含有されていると、該負
極材料が多数の中空状炭素繊維により多孔質構造のもの
となり、デンドライトの発生がより効率良く防止される
とともに、より多量のリチウムイオンが該中空状炭素繊
維に出入りすることができるため負極の容量が増大し、
また該中空状炭素繊維を結着剤で固定する場合には結着
性が十分となる。一方、10重量部以下では、不活性物
質である中空状炭素繊維が含有されることによる負極の
容量低下の度合いが小さい。
The hollow carbon fiber is contained in an amount of 1 to 10 parts by weight, preferably 2 to 5 parts by weight, per 100 parts by weight of the negative electrode material. When the hollow carbon fiber is contained in the negative electrode material in an amount of 1 part by weight or more, the negative electrode material has a porous structure due to a large number of hollow carbon fibers, and dendrite generation is more efficiently prevented, and Since a larger amount of lithium ions can enter and leave the hollow carbon fiber, the capacity of the negative electrode increases,
When the hollow carbon fibers are fixed with a binder, the binding property is sufficient. On the other hand, when the amount is 10 parts by weight or less, the degree of capacity decrease of the negative electrode due to the inclusion of the hollow carbon fiber which is an inert material is small.

【0016】なお、上記負極材料中には、中空状炭素繊
維以外にも、該負極材料100重量部に対し、炭素粒子
やフラーレン(中空状の炭素分子)等が0.01〜30
0重量部程度含有されていてもよい。
In the negative electrode material, in addition to the hollow carbon fibers, 0.01 to 30 carbon particles, fullerenes (hollow carbon molecules) and the like are added to 100 parts by weight of the negative electrode material.
About 0 parts by weight may be contained.

【0017】本発明のリチウム二次電池用負極は、例え
ば上記中空状炭素繊維をCuテープ、Alテープ、Ni
テープ、Agテープ等の集電体上に付着させて得られる
ものであり、より具体的には、例えば中空状炭素繊維を
集電体上に圧着する方法や、あるいは中空状炭素繊維を
ペースト状にして集電体上に塗布しPVDF(ポリフッ
化ビニリデン)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエ
チレン等の結着剤で固める方法等により得られるもので
ある。
The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention comprises, for example, the above hollow carbon fibers made of Cu tape, Al tape, Ni.
It is obtained by adhering it onto a current collector such as tape or Ag tape. More specifically, for example, a method in which hollow carbon fibers are pressure-bonded onto the current collector, or hollow carbon fibers are pasted It is obtained by a method such as coating on a current collector and hardening with a binder such as PVDF (polyvinylidene fluoride), polytetrafluoroethylene, or polyethylene.

【0018】上記負極の大きさおよび形状は、電池の大
きさや形状(円筒型、角型、積層型、コイン型、ボタン
型等)等に応じて任意に決定される。
The size and shape of the negative electrode are arbitrarily determined according to the size and shape of the battery (cylindrical type, square type, laminated type, coin type, button type, etc.).

【0019】図4は、本発明のリチウム二次電池の一実
施例を示す模式図である。同図において、Dはリチウム
二次電池で、負極1と正極2との間にセパレータ3を介
在させ、上記負極1の外側面に圧接する負極缶5と、正
極2の外側面に圧接する正極キャップ6とを絶縁体7で
封止した構成となっている。なお、4は集電体である。
FIG. 4 is a schematic view showing an embodiment of the lithium secondary battery of the present invention. In the figure, D is a lithium secondary battery, in which a separator 3 is interposed between a negative electrode 1 and a positive electrode 2, and a negative electrode can 5 that is in pressure contact with the outer surface of the negative electrode 1 and a positive electrode that is in pressure contact with the outer surface of the positive electrode 2. The cap 6 and the cap 6 are sealed with an insulator 7. In addition, 4 is a collector.

【0020】本発明においては、上記負極1として、前
記リチウム二次電池用負極が用いられる。
In the present invention, the negative electrode for the lithium secondary battery is used as the negative electrode 1.

【0021】一方、本発明のリチウム二次電池Dの正極
2を構成する正極材としては、通常リチウム二次電池の
正極に使用される正極材が使用でき、例えばV2 5
MnO2 、LiMn2 4 、LiCoO2 、LiNi
0.5 Co0.5 2 、LiNiO 2 、Li−Co−P系複
合酸化物(LiCo0.5 0.5 2 、LiCo0.4 0.
6 2 、LiCo0.6 0.4 2 、LiCo0.3 Ni
0.3 0.4 2 、LiCo 0.2 Ni0.2 0.6 2 等)
等を活物質とする正極材が使用できるが、なかでも二次
電池の起電力や充放電電圧を特に高くすることができる
Li−Co−P系複合酸化物が好適に使用できる。
On the other hand, the positive electrode of the lithium secondary battery D of the present invention
The positive electrode material that constitutes 2 is usually a lithium secondary battery.
The positive electrode material used for the positive electrode can be used, for example, V2OFive,
MnO2, LiMn2OFour, LiCoO2, LiNi
0.5Co0.5O2, LiNiO 2, Li-Co-P system compound
Compound oxide (LiCo0.5P0.5O2, LiCo0.4P0.
6O2, LiCo0.6P0.4O2, LiCo0.3Ni
0.3P0.4O2, LiCo 0.2Ni0.2P0.6O2etc)
A positive electrode material with an active material such as
Can increase the electromotive force and charge / discharge voltage of the battery
Li-Co-P type composite oxide can be used conveniently.

【0022】本発明においては、前記したように基本的
に中空状炭素繊維を負極材料として用いるため、上記正
極材のうち、Liを含有しないもの(V2 5 、MnO
2 等)を使用する場合は、負極材料にLiを含有させて
おくことが必要である。一方、Liを含有する正極材料
(LiCoO2 、LiNiO2 、Li−Co−P系複合
酸化物等)を使用する場合は、負極材料にLiを含有さ
せておく必要はないが、少量(負極材料100部に対し
0.1〜10部程度)のLiを含有させておくようにす
ると、一部のLiが電解質等と反応したりして不活性と
なっても、上記負極材に含有させたLiで補充すること
ができるので好ましい。上記のように負極材料にLiを
含有させるには、例えば前記中空状炭素繊維を圧着した
集電体上に加熱・溶融したリチウムを塗布して中空状炭
素繊維内および中空状炭素繊維の間隙にLiを含浸させ
たり、あるいは電解液中で電気化学的に負極材にLiを
ドープさせたりするようにすればよい。
In the present invention, since hollow carbon fiber is basically used as the negative electrode material as described above, one of the above positive electrode materials that does not contain Li (V 2 O 5 , MnO 2).
2 ), it is necessary that Li is contained in the negative electrode material. On the other hand, when a positive electrode material containing Li (LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li-Co-P-based composite oxide, etc.) is used, it is not necessary to contain Li in the negative electrode material, but a small amount (negative electrode material When 0.1 to 10 parts of Li is contained in 100 parts), even if a part of Li reacts with the electrolyte or the like and becomes inactive, it is contained in the negative electrode material. It is preferable because it can be supplemented with Li. As described above, in order to contain Li in the negative electrode material, for example, the heated and melted lithium is applied onto the current collector to which the hollow carbon fibers are pressure-bonded, and the inside of the hollow carbon fibers and the gaps between the hollow carbon fibers are filled. Li may be impregnated or the negative electrode material may be electrochemically doped with Li in an electrolytic solution.

【0023】なお、上記正極材には、アセチレンブラッ
ク、ケッチェンブラック、グラファイト等の導電材料
が、またポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニ
リデン、ポリエチレン等の結着剤が配合される。
The positive electrode material is mixed with a conductive material such as acetylene black, Ketjen black and graphite, and a binder such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride and polyethylene.

【0024】上記正極材に導電材料および結着剤を配合
して得られる正極合剤は、キャスティング成形、圧縮成
形、ロール成形等の任意の方法で適当な形状および大き
さに成形されて、本発明のリチウム二次電池Dの正極2
として使用される。
The positive electrode mixture obtained by blending a conductive material and a binder with the above positive electrode material is molded into an appropriate shape and size by any method such as casting, compression molding, roll molding, and the like. Positive electrode 2 of the lithium secondary battery D of the invention
Used as.

【0025】本発明のリチウム二次電池Dに使用する電
解質としては、塩類を有機溶媒に溶解させた電解液や固
体電解質が使用できる。電解質が電解液の場合、この塩
類としては、LiClO4 、LiBF4 、LiPF6
LiAsF6 、LiAlCl4 、Li(CF3 SO2
2 N等が使用でき、エチレンカーボネート、プロピレン
カーボネート、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ
−ブチロラクトン、1,2-ジメトキシエタン、N,N-ジメチ
ルホルムアミド、テトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラ
ン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートおよびこ
れらの混合物等の有機溶媒に溶解させて濃度0.1〜3
モル/リットルに調製して使用される。この電解液は、
通常、多孔性ポリマーやガラスフィルタのようなセパレ
ータに含浸あるいは充填させて使用される。
As the electrolyte used in the lithium secondary battery D of the present invention, an electrolytic solution in which salts are dissolved in an organic solvent or a solid electrolyte can be used. When the electrolyte is an electrolytic solution, the salts include LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 ,
LiAsF 6 , LiAlCl 4 , Li (CF 3 SO 2 )
2 N, etc. can be used, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ
-Butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, N, N-dimethylformamide, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, diethyl ether,
Dissolving it in an organic solvent such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and a mixture thereof to give a concentration of 0.1 to 3
It is used by adjusting to mol / l. This electrolyte is
Usually, it is used by impregnating or filling a separator such as a porous polymer or a glass filter.

【0026】電解質が固体電解質の場合、上記塩類がポ
リエチレンオキシド、ポリホスファゼン、ポリアジリジ
ン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール等
やこれらの誘導体、混合物、複合体等に混合されて使用
される。この固体電解質は、負極1と正極2とのセパレ
ータを兼ねる。
When the electrolyte is a solid electrolyte, the above-mentioned salts are used by being mixed with polyethylene oxide, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol and the like, their derivatives, mixtures and complexes. This solid electrolyte also serves as a separator for the negative electrode 1 and the positive electrode 2.

【0027】なお、上記負極1、セパレータ(あるいは
固体電解質)3、正極2等をシート状に成形し、これら
を巻いてスパイラル構造とすると、さらに高電気容量の
リチウム二次電池とすることができる。
By forming the negative electrode 1, the separator (or solid electrolyte) 3, the positive electrode 2 and the like into a sheet and winding them into a spiral structure, a lithium secondary battery having a higher electric capacity can be obtained. .

【0028】[0028]

【実施例】以下、本発明の実施例を示しより具体的に説
明する。なお、もとより本発明はこれら実施例により何
ら限定されるものではない。
EXAMPLES Examples of the present invention will now be described in more detail. It should be noted that the present invention is by no means limited to these examples.

【0029】実施例1 (カーボンナノチューブの調製)ガラス製反応容器内に
直径1cmの炭素棒電極2本を設置し、この容器内を真空
排気した後、500TorrのHeガスを該容器内に導入し
た。ついで、電極に25Vの直流電圧を印加して(この
ときの電流は約200Aであった。)アーク放電を起こ
し、この放電を1時間続けた後、負極に成長した炭素堆
積物からカーボンナノチューブをかき集めた。
Example 1 (Preparation of Carbon Nanotubes) Two carbon rod electrodes having a diameter of 1 cm were placed in a glass reaction vessel, the vessel was evacuated, and then 500 Torr of He gas was introduced into the vessel. . Then, a DC voltage of 25 V was applied to the electrode (current at this time was about 200 A) to cause arc discharge, and this discharge was continued for 1 hour, and then carbon nanotubes were removed from the carbon deposit grown on the negative electrode. I collected it.

【0030】(負極の作製)直径18mmのニッケル製エ
キスパンドメタルに上記カーボンナノチューブの粉体状
集合物100mgを圧着し、この上に直径18mm、厚さ1
00μmのリチウムシートをのせて軽く圧着した後、真
空下で200℃に加熱してリチウムを溶融させ、カーボ
ンナノチューブの内部およびカーボンナノチューブ間の
間隙にLiを含浸させて、負極体を得た。
(Preparation of Negative Electrode) 100 mg of the above powdery aggregate of carbon nanotubes was pressure-bonded to a nickel expanded metal having a diameter of 18 mm, and a diameter of 18 mm and a thickness of 1
After a lithium sheet having a thickness of 00 μm was lightly pressure-bonded, it was heated to 200 ° C. under vacuum to melt lithium, and Li was impregnated inside the carbon nanotubes and in the gaps between the carbon nanotubes to obtain a negative electrode body.

【0031】(正極の作製)市販の結晶性五酸化バナジ
ウム(純度99.9%以上)をボールミルにより粉砕
し、ふるいにより粒径20μm以下に調製して正極活物
質とした。ついで、この正極活物質80mg、アセチレン
ブラック10mgおよびポリテトラフルオロエチレン10
mgを十分に混合した後、この混合物を直径15mm、厚さ
0.2mmの円板状に成形して、正極体を得た。
(Production of Positive Electrode) Commercially available crystalline vanadium pentoxide (purity: 99.9% or more) was crushed by a ball mill and adjusted to a particle size of 20 μm or less by a sieve to obtain a positive electrode active material. Next, 80 mg of this positive electrode active material, 10 mg of acetylene black and 10 mg of polytetrafluoroethylene.
After thoroughly mixing mg, the mixture was molded into a disk shape having a diameter of 15 mm and a thickness of 0.2 mm to obtain a positive electrode body.

【0032】(電解液およびセパレータの調製)プロピ
レンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比5
0:50の溶液に、1モル/リットルの過塩素酸リチウ
ムを溶解して電解液を調製した。また、厚さ25μmの
多孔性ポリプロピレンフィルムを、直径19.0mmに打
ち抜いてセパレータを調製した。
(Preparation of Electrolyte Solution and Separator) Volume ratio of propylene carbonate and diethyl carbonate 5
An electrolyte was prepared by dissolving 1 mol / liter of lithium perchlorate in a solution of 0:50. A 25 μm-thick porous polypropylene film was punched to a diameter of 19.0 mm to prepare a separator.

【0033】(リチウム二次電池の作製)上記負極体、
正極体およびセパレータを用いて、図4と同様の構成と
なるように、負極体1と正極体2との間にセパレータ3
を介在させ、上記負極体1の外側面に圧接するアノード
ケース5と、正極体2の外側面に圧接するステンレス製
カソードキャップ6とを、内部に電解液を注入した後ガ
スケット7で封止して、コイン型の試験用リチウム二次
電池Dを作製した。
(Production of Lithium Secondary Battery) The above negative electrode body,
Using the positive electrode body and the separator, the separator 3 is provided between the negative electrode body 1 and the positive electrode body 2 so as to have the same configuration as that in FIG.
The anode case 5 that is pressed against the outer surface of the negative electrode body 1 and the stainless cathode cap 6 that is pressed against the outer surface of the positive electrode body 2 are sealed with a gasket 7 after injecting an electrolytic solution into the inside. A coin-type test lithium secondary battery D was produced.

【0034】(充放電試験)上記試験用リチウム二次電
池は充電された状態にあるため、まず放電を一定電流値
(1mA)で2.8Vまで行い、1時間休止後、一定電流
値(1mA)で3.8Vまで充電を行い、1時間休止し
た。この放電および充電を1サイクルとし、これを10
0サイクルまで繰り返した。
(Charge / Discharge Test) Since the test lithium secondary battery is in a charged state, discharge is first performed at a constant current value (1 mA) up to 2.8 V, and after resting for 1 hour, a constant current value (1 mA) is set. ) And charged to 3.8 V, and then rested for 1 hour. This discharge and charge are regarded as one cycle, and this is 10
Repeated until 0 cycle.

【0035】実施例2〜3 上記実施例1において、充放電時の電流値を5mA(実施
例2)、10mA(実施例3)とする以外は全て同様にし
て試験用リチウム二次電池の充放電試験を行った。
Examples 2 to 3 The same procedure as in Example 1 was repeated except that the current value during charging / discharging was 5 mA (Example 2) and 10 mA (Example 3). A discharge test was conducted.

【0036】比較例1 上記実施例1において、カーボンナノチューブの粉体状
集合物を使用せず、直径18mmのニッケル製エキスパン
ドメタル上に直径18mm、厚さ100μmのリチウムシ
ートを圧着して負極体とし、これを用いる以外は全て同
様にして試験用リチウム二次電池を作製しその充放電試
験を行った。
Comparative Example 1 In the above Example 1, a negative electrode body was prepared by pressing a lithium sheet having a diameter of 18 mm and a thickness of 100 μm onto an expanded metal made of nickel having a diameter of 18 mm without using the powdery aggregate of carbon nanotubes. A test lithium secondary battery was prepared and a charge / discharge test was conducted in the same manner except that this was used.

【0037】比較例2〜3 上記比較例1において、充放電時の電流値を5mA(比較
例2)、10mA(比較例3)とする以外は全て同様にし
て試験用リチウム二次電池の充放電試験を行った。
Comparative Examples 2 to 3 The same procedure as in Comparative Example 1 was repeated except that the current value during charging / discharging was 5 mA (Comparative Example 2) and 10 mA (Comparative Example 3). A discharge test was conducted.

【0038】実施例4 (負極の作製)上記実施例1で得られたカーボンナノチ
ューブの粉体状集合物50重量部、PVDF(結着剤)
2重量部およびN−メチル−2−ピロリドン48重量部
を混合してペーストを調製し、ついでこのペースト20
0mgを直径15mm、厚さ0.05mmのNi板上に塗布し
た。この後、これを自然乾燥した後さらに120℃で真
空乾燥して、負極体を得た。
Example 4 (Preparation of Negative Electrode) 50 parts by weight of the carbon nanotube powder aggregate obtained in Example 1 above, PVDF (binder)
A paste was prepared by mixing 2 parts by weight and 48 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone, and
0 mg was applied on a Ni plate having a diameter of 15 mm and a thickness of 0.05 mm. Then, this was naturally dried and then vacuum dried at 120 ° C. to obtain a negative electrode body.

【0039】(正極の作製)炭酸リチウムと塩基性炭酸
コバルトとを、LiとCoとの原子比が1:1となるよ
うに混合して、空気中で900℃にて24時間焼成し
た。さらにこれを乳鉢で粉砕し、ふるいにより粒径20
μm以下に調製して正極活物質とした。この正極活物質
をX線回折により分析したところ、LiCoO2 である
ことが確認された。ついで、この正極活物質400mg、
アセチレンブラック50mgおよびポリテトラフルオロエ
チレン粉末50mgを十分に混合し、この混合物をプレス
機で直径15mmの円板状に成形して、正極体を得た。
(Production of Positive Electrode) Lithium carbonate and basic cobalt carbonate were mixed so that the atomic ratio of Li and Co was 1: 1 and the mixture was calcined in air at 900 ° C. for 24 hours. This is further crushed in a mortar and sieved to a particle size of 20
The positive electrode active material was prepared by adjusting the thickness to less than μm. When this positive electrode active material was analyzed by X-ray diffraction, it was confirmed to be LiCoO 2 . Then, 400 mg of this positive electrode active material,
50 mg of acetylene black and 50 mg of polytetrafluoroethylene powder were sufficiently mixed, and this mixture was molded into a disk shape having a diameter of 15 mm by a pressing machine to obtain a positive electrode body.

【0040】(リチウム二次電池の作製および充放電試
験)上記実施例1において、負極体および正極体を上記
のものにかえる以外は全て同様にして試験用リチウム二
次電池を作製した。この試験用リチウム二次電池は放電
状態にあるため、まず充電を一定電流値(1mA)で4.
2Vまで行い、1時間休止後、一定電流値(1mA)で
2.8Vまで放電を行い、1時間休止した。この充電お
よび放電を1サイクルとし、これを100サイクルまで
繰り返した。
(Preparation of Lithium Secondary Battery and Charge / Discharge Test) A lithium secondary battery for test was prepared in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode body and the positive electrode body were changed to those described above. Since this test lithium secondary battery is in a discharged state, first charge it at a constant current value (1 mA).
The voltage was maintained up to 2 V, and after resting for 1 hour, the battery was discharged to 2.8 V at a constant current value (1 mA) and rested for 1 hour. This charging and discharging was defined as one cycle, and this was repeated up to 100 cycles.

【0041】比較例4 上記実施例4において、カーボンナノチューブの粉体状
集合物にかえて天然黒鉛粉末を使用する以外は全て同様
にして試験用リチウム二次電池を作製しその充放電試験
を行った。
Comparative Example 4 A test lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 4 except that natural graphite powder was used instead of the powdery aggregate of carbon nanotubes, and its charge / discharge test was conducted. It was

【0042】リチウム二次電池の評価 上記実施例1〜3および比較例1〜3のそれぞれにおい
て、充放電の繰り返しに伴う試験用リチウム二次電池の
放電容量の変化は図5に(実施例4および比較例4につ
いては、図6に)示す通りであった。なお、放電容量は
正極活物質1g当たりで示した。さらに、各試験用リチ
ウム二次電池を充放電終了後に解体して内部を観察した
ところ、実施例1〜4の電池ではいずれも異常が認めら
れなかったのに対し、比較例1〜4の電池ではいずれも
負極面にデンドライトが成長してセパレータを貫通して
おり、正極と負極とがショートしていることが認められ
た。
Evaluation of Lithium Secondary Battery In each of the above Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, the change in discharge capacity of the test lithium secondary battery with repeated charging and discharging is shown in FIG. And about Comparative Example 4, it was as shown in FIG. The discharge capacity is shown per 1 g of the positive electrode active material. Furthermore, when each test lithium secondary battery was disassembled after completion of charge / discharge and the inside was observed, no abnormality was observed in any of the batteries of Examples 1 to 4, whereas the batteries of Comparative Examples 1 to 4 were found. In each case, it was confirmed that dendrite grew on the negative electrode surface and penetrated the separator, and the positive electrode and the negative electrode were short-circuited.

【0043】上記図5から明らかなように、実施例1〜
3においては、電流値が大きくなると放電容量は小さく
なるが、充放電の繰り返しに伴う放電容量の低下は小さ
い。これに対し比較例1〜3においては、初期の放電容
量は実施例の場合と略同じであるが、充放電の繰り返し
に伴う放電容量の低下が著しく、20〜60サイクル目
で充放電が不可能となった。これは上記デンドライトの
成長による正極と負極とのショートによるものと考えら
れる。また、比較例4においては、充放電可能なサイク
ル数の上限が比較例1よりも大きくなっているものの、
80サイクル程度に過ぎず、満足できるものとは言えな
い。
As is clear from FIG.
In No. 3, the discharge capacity decreases as the current value increases, but the decrease in discharge capacity due to repeated charging and discharging is small. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, the initial discharge capacity was almost the same as that of the Example, but the discharge capacity was remarkably decreased with the repetition of charging and discharging, and the charging and discharging did not occur at the 20th to 60th cycles. It has become possible. It is considered that this is due to a short circuit between the positive electrode and the negative electrode due to the growth of the dendrite. Further, in Comparative Example 4, although the upper limit of the number of cycles that can be charged and discharged is larger than that in Comparative Example 1,
Only about 80 cycles, which is not satisfactory.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のリチウム
二次電池用負極は、中空状炭素繊維を含有する負極材料
で構成されているので、充電時にデンドライトが成長し
ても、この中空状炭素繊維の壁面により阻害されるた
め、これが大きく成長することがない。したがって該負
極が、充放電の繰り返しによる劣化が少ないものとなっ
ている。
As described in detail above, since the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is composed of the negative electrode material containing hollow carbon fibers, even if dendrite grows during charging, the hollow Since it is hindered by the wall surface of the filamentous carbon fiber, it does not grow greatly. Therefore, the negative electrode is less likely to deteriorate due to repeated charging and discharging.

【0045】また、上記中空状炭素繊維を含有する負極
材料においては、リチウムイオンがこの中空状炭素繊維
の中空状部に出入りすることができ、この中空状炭素繊
維の直径は例えば1〜500nm程度であるため、多量の
リチウムイオンがこの中空状部に出入りすることが可能
である。これにより該負極が、高充放電容量および高エ
ネルギー密度を有するものとなっている。
In the negative electrode material containing the hollow carbon fiber, lithium ions can enter and leave the hollow portion of the hollow carbon fiber, and the diameter of the hollow carbon fiber is, for example, about 1 to 500 nm. Therefore, a large amount of lithium ions can enter and leave this hollow portion. As a result, the negative electrode has a high charge / discharge capacity and a high energy density.

【0046】したがって、上記負極を用いた本発明のリ
チウム二次電池は、サイクル寿命に優れるとともに、高
起電力、高充放電容量、高エネルギー密度を有するもの
となっている。
Therefore, the lithium secondary battery of the present invention using the above negative electrode has excellent cycle life, high electromotive force, high charge / discharge capacity and high energy density.

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

【図1】カーボンナノチューブの構造を示す模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic view showing a structure of a carbon nanotube.

【図2】入れ子状構造を有するカーボンナノチューブの
模式図である。
FIG. 2 is a schematic view of a carbon nanotube having a nested structure.

【図3】充電時における本発明のリチウム二次電池用負
極の正極に対向する表面の状態を示す模式部分拡大断面
図である。
FIG. 3 is a schematic partial enlarged cross-sectional view showing a state of a surface of a negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention which faces a positive electrode during charging.

【図4】本発明の一実施例を示すリチウム二次電池の模
式断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery showing an example of the present invention.

【図5】実施例1〜3および比較例1〜3の試験用リチ
ウム二次電池の充放電におけるサイクル数に対する放電
容量の変化を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing changes in discharge capacity with respect to the number of cycles in charging and discharging of the test lithium secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.

【図6】実施例4および比較例4の試験用リチウム二次
電池の充放電におけるサイクル数に対する放電容量の変
化を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing changes in discharge capacity with respect to the number of cycles during charge / discharge of the test lithium secondary batteries of Example 4 and Comparative Example 4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 負極 2 正極 3 セパレータ D リチウム二次電池 1 Negative electrode 2 Positive electrode 3 Separator D Lithium secondary battery

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 中空状炭素繊維を含有する負極材料を有
するリチウム二次電池用負極。
1. A negative electrode for a lithium secondary battery, which has a negative electrode material containing hollow carbon fibers.
【請求項2】 中空状炭素繊維が、炭素原子がハニカム
状に配列されてなる炭素原子膜よりなる直径1〜500
nm、長さ0.05〜500μmの筒状の構造を有するも
のである請求項1記載のリチウム二次電池用負極。
2. The hollow carbon fiber comprises a carbon atom film in which carbon atoms are arranged in a honeycomb shape and has a diameter of 1 to 500.
The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, which has a cylindrical structure having a length of nm and a length of 0.05 to 500 μm.
【請求項3】 中空状炭素繊維が、負極材料100重量
部中に1〜10重量部含有されてなる請求項1記載のリ
チウム二次電池用負極。
3. The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein 1 to 10 parts by weight of the hollow carbon fiber is contained in 100 parts by weight of the negative electrode material.
【請求項4】 請求項1、2または3に記載のリチウム
二次電池用負極と、正極と、電解質とを有するリチウム
二次電池。
4. A lithium secondary battery comprising the negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, 2 or 3, a positive electrode and an electrolyte.
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