JPH076754A - Battery electrode and secondary battery using this electrode - Google Patents

Battery electrode and secondary battery using this electrode

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JPH076754A
JPH076754A JP5144688A JP14468893A JPH076754A JP H076754 A JPH076754 A JP H076754A JP 5144688 A JP5144688 A JP 5144688A JP 14468893 A JP14468893 A JP 14468893A JP H076754 A JPH076754 A JP H076754A
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JP
Japan
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carbon fiber
electrode
orientation
carbon
degree
Prior art date
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Application number
JP5144688A
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Japanese (ja)
Inventor
Jun Tsukamoto
遵 塚本
Tatsuhiko Suzuki
達彦 鈴木
Keizo Ono
恵三 小野
Sugiro Otani
杉郎 大谷
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PURPOSE:To utilize the advantage of a carbon fiber and to increase charge/ discharge capacity by using the carbon fiber whose degree of orientation P is in a specified range. CONSTITUTION:A carbon fiber whose degree of orientation which is an index to show the degree of orientation of a carbon layer in the carbon fiber to the carbon axis direction is adequate is used as a high capacity carbon material. The carbon fiber whose degree of orientation P is in a range of 70%<=P<=85% is used. The carbon fiber is prepared in such a way that an acrylic fiber in which the degree of orientation of (400) of PAN(polyacrylonitrile) comprising 99.2 molar % acrylonitrile and 0.8 molar % methacrylic acid is 92% is heated at 200-250 deg.C in the air under no stretch as fire resistant treatment, and baked at 900-1500 deg.C for 5 minutes in the nitrogen atmosphere under no stretch. By using the carbon fiber, an electrode capable of charging/discharging at high rate and a secondary battery using the electrode can be provided.

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、配向度の低い炭素繊維
から構成される電極、および該電極を用いた二次電池に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode composed of carbon fiber having a low degree of orientation and a secondary battery using the electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ビデオカメラやノート型パソコン
などのポータブル機器の普及に伴い、小型高容量の二次
電池に対する需要が高まっている。現在使用されている
二次電池のほとんどはアルカリ電解液を用いたニッケル
−カドミウム電池であるが、電池電圧が約1.2Vと低
く、エネルギー密度の向上は困難である。そのため、負
極に最も卑な金属であるリチウム金属を使用して、高エ
ネルギー二次電池の検討が行われてきた。
2. Description of the Related Art In recent years, with the widespread use of portable devices such as video cameras and notebook computers, demand for small and high capacity secondary batteries has increased. Most of the secondary batteries currently used are nickel-cadmium batteries using an alkaline electrolyte, but the battery voltage is low at about 1.2 V, and it is difficult to improve the energy density. Therefore, high-energy secondary batteries have been studied using lithium metal, which is the base metal, as the negative electrode.

【0003】ところが、リチウム金属を負極に使用する
二次電池では、充放電の繰り返しによってリチウムが樹
枝状(デンドライト)に成長し、短絡を起こして発火す
る危険性がある。また、活性の高い金属リチウムを使用
するので、本質的に危険性が高く、民生用として使用す
るには問題が多い。近年、このような安全性の問題を解
決し、かつリチウム電極特有の高エネルギーが可能なも
のとして、各種炭素質材料を用いたリチウムイオン二次
電池が考案されている。この方法では、充電時、炭素質
材料が、リチウムイオンをドーピングされ、金属リチウ
ムと同電位になるので、金属リチウムの変わりに負極に
使用することができることを利用したものである。ま
た、放電時には、ドープされたリチウムイオンが負極か
ら脱ドーピングされて、もとの炭素質材料に戻る。この
ような、リチウムイオンがドーピングされた炭素質材料
を負極として用いた場合には、デンドライト生成の問題
もなく、また金属リチウムが存在しないため、安全性に
も優れていると言う特長があり、現在、研究開発が活発
に行われている。
However, in a secondary battery in which lithium metal is used for the negative electrode, there is a risk that lithium will grow into dendrites due to repeated charging and discharging, causing a short circuit and igniting. In addition, since highly active metallic lithium is used, it is inherently dangerous, and there are many problems in using it for consumer use. In recent years, a lithium ion secondary battery using various carbonaceous materials has been devised as a device that solves such a safety problem and enables high energy peculiar to a lithium electrode. This method utilizes the fact that the carbonaceous material is doped with lithium ions during charging and has the same potential as that of metallic lithium, so that it can be used for the negative electrode instead of metallic lithium. In addition, during discharge, the doped lithium ions are dedoped from the negative electrode and return to the original carbonaceous material. When such a carbonaceous material doped with lithium ions is used as the negative electrode, there is no problem of dendrite generation, and since there is no metallic lithium, there is a feature that it is also excellent in safety, Currently, research and development are actively carried out.

【0004】上記の炭素質材料へのリチウムイオンのド
ーピングを利用した電極を利用した二次電池としては、
特開昭57−208079号公報、特開昭58−931
76号公報、特開昭58−192266号公報、特開昭
62−90863号公報、特開昭62−122066号
公報、特開平3−66856号公報等が公知である。こ
のような炭素質材料は、一般には粉末の形状をとってお
り、電極成型のためにはテフロンやフッ化ビニリデン等
のポリマの結着剤が必要である。ところが、炭素質材料
として、粉末でなく炭素繊維あるいは炭素繊維構造体を
用いると、結着剤を用いずに、あるいは、僅かの量で電
極を作成することが可能となる。さらには、電解質に対
する化学的安定性、ドーピングによる体積膨張に対する
構造安定性、繰り返し充放電特性などの点からも、炭素
繊維あるいは炭素繊維構造体が優れているとされる。こ
のような電極を用いた二次電池としては、特開昭60−
36315号公報、特開昭60−54181号公報、特
開昭62−103991号公報、特開昭62−1545
64号公報、特開昭63−58763号公報、特開平2
−82466号公報等が公知である。
As a secondary battery using an electrode using the above-mentioned carbonaceous material doped with lithium ions,
JP-A-57-208079, JP-A-58-931
76, JP-A-58-192266, JP-A-62-90863, JP-A-62-122066 and JP-A-3-66856 are known. Such a carbonaceous material is generally in the form of powder, and a polymer binder such as Teflon or vinylidene fluoride is required for molding the electrode. However, when carbon fiber or a carbon fiber structure is used as the carbonaceous material instead of powder, an electrode can be prepared without using a binder or in a small amount. Further, the carbon fiber or the carbon fiber structure is said to be excellent in terms of chemical stability with respect to the electrolyte, structural stability against volume expansion due to doping, and repeated charge / discharge characteristics. A secondary battery using such an electrode is disclosed in JP-A-60-
No. 36315, No. 60-54181, No. 62-103991, No. 62-1545.
64, JP-A-63-58763, JP-A-2
No. 82,466, etc. are known.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リチウ
ムなどのイオンをドープした炭素質材料を利用した電極
では、リチウム金属の場合と比べ、重量当りのイオン濃
度が低いので、充放電容量がリチウム金属の場合と比べ
まだ低いという問題がある。充放電容量を高めるには最
適の構造を持つ炭素質材料をことが必要である。本発明
は、炭素繊維を用いた場合における利点を有し、かつ、
充放電容量が充分に高い電極およびそれを用いた二次電
池を提供することを目的とする。
However, an electrode using a carbonaceous material doped with ions of lithium or the like has a lower ion concentration per weight than that of lithium metal, so that the charge / discharge capacity of lithium metal is low. There is a problem that it is still lower than the case. In order to increase the charge / discharge capacity, it is necessary to use a carbonaceous material having an optimum structure. The present invention has advantages when using carbon fiber, and
It is an object of the present invention to provide an electrode having a sufficiently high charge / discharge capacity and a secondary battery using the electrode.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために以下の構成を有するものである。
The present invention has the following constitution in order to solve the above problems.

【0007】「(1) 配向度Pが70%≦P≦85%であ
る炭素繊維からなる電極。
"(1) An electrode made of carbon fiber having a degree of orientation P of 70% ≤P≤85%.

【0008】(2) 上記(1) 項記載の電極からなる二次電
池。」 炭素材へのインターカレーション(または、ドーピン
グ)については、古くから研究がなされ、多くの知見が
蓄積されているが、従来、インターカレーションが可能
な炭素材は、グラファイト化度(結晶化度)の高いもの
に限られると考えられてきた。しかし、近年、有機物の
焼成体のような、非晶性の炭素材にもインターカレーシ
ョンが可能なことが判明し、しかもそのような有機物焼
成体へのインターカレーションを利用した高性能二次電
池が実現して以来、非晶性の炭素材への関心が高まりつ
つある。有機物焼成体へのリチウムのインターカレーシ
ョンを利用した二次電池は、リチウム電池の安全性の問
題を克服でき、かつリチウム電池の特長である高容量二
次電池となることから、新型高性電池として注目されて
いる。
(2) A secondary battery comprising the electrode described in (1) above. The intercalation (or doping) of carbon materials has been studied for a long time, and much knowledge has been accumulated. Conventionally, carbon materials that can be intercalated have a graphitization degree (crystallinity). It has been considered that it is limited to high quality items. However, in recent years, it has been found that intercalation is possible even for an amorphous carbon material such as a fired body of an organic material, and a high-performance secondary material utilizing intercalation into such a fired body of an organic material is used. Since the realization of batteries, there has been an increasing interest in amorphous carbon materials. Rechargeable batteries that utilize intercalation of lithium into a fired organic material can overcome the safety problems of lithium batteries and become high-capacity secondary batteries, which is a feature of lithium batteries. Is being watched as.

【0009】しかし、非晶性の炭素材へのインターカレ
ーションの機構については、まだ不明な点が多く、二次
電池用の高性能炭素材を探索する指針はまだ確立してお
らず、試行錯誤を繰り返しながら炭素材を開発している
のが現状である。現在、高性能炭素材の探索の方向とし
ては、非晶性炭素材を目指す方向と結晶性の炭素材を目
指す方向とがある。本発明者らは高容量炭素材について
鋭意検討した結果、適切な配向度を持つ炭素繊維が高容
量炭素材として優れていることを見出した。
However, there are still many unclear points about the mechanism of intercalation into an amorphous carbon material, and a guideline for searching for a high-performance carbon material for a secondary battery has not been established yet. The current situation is that carbon materials are being developed with repeated mistakes. Currently, the search for high-performance carbon materials is directed toward amorphous carbon materials and toward crystalline carbon materials. As a result of diligent studies on the high-capacity carbon material, the present inventors have found that carbon fibers having an appropriate degree of orientation are excellent as the high-capacity carbon material.

【0010】以下、本発明にいう電池電極を構成する炭
素繊維について、具体例を挙げながら詳述する。
Hereinafter, the carbon fibers constituting the battery electrode according to the present invention will be described in detail with reference to specific examples.

【0011】本発明において、配向度Pとは、繊維軸方
向に対して炭素繊維中の炭素層面がどの程度配向してい
るかを示す指標であり、次の方法で測定することができ
る。炭素繊維軸が垂直になるように繊維試料台に配置
し、X線(Cu,Kα)を直角方向から照射すると、水
平面内で回折角2θ=26°付近に(002)の強い回
折線が現れる。次に、入射X線に垂直な面内で炭素繊維
を回転させながら、水平面内で回折角2θ=26°付近
の位置で回折強度の回転角度依存性を測定する。この強
度の角度依存性から求められる半値幅を角度Hとして、
配向度Pは以下の式から算出される。
In the present invention, the orientation degree P is an index showing how much the carbon layer surface in the carbon fiber is oriented with respect to the fiber axis direction, and can be measured by the following method. When the carbon fiber axis is arranged on the fiber sample stand so as to be vertical and irradiated with X-rays (Cu, Kα) from a right angle direction, a strong diffraction line of (002) appears near the diffraction angle 2θ = 26 ° in the horizontal plane. . Next, while rotating the carbon fiber in a plane perpendicular to the incident X-ray, the rotation angle dependence of the diffraction intensity is measured at a position near the diffraction angle 2θ = 26 ° in the horizontal plane. The half width obtained from the angle dependence of this intensity is defined as the angle H,
The orientation degree P is calculated from the following formula.

【0012】 P={(180−H)/180}×100(%) (1) 本発明における炭素繊維としては、特に限定されるもの
ではなく、一般に有機物を焼成したものが用いられる。
具体的には、ポリアクリロニトリル(以下、PANと略
す)から得られるPAN系炭素繊維、石炭もしくは石油
などのピッチから得られるピッチ系炭素繊維、セルロー
スから得られるセルロース系炭素繊維、低分子量有機物
の気体から得られる気相成長炭素繊維などが挙げられる
が、そのほかに、ポリビニルアルコール、リグニン、ポ
リ塩化ビニル、ポリアミド、ポリイミド、フェノール樹
脂、フルフリルアルコールなどを焼成して得られる炭素
繊維でも構わない。これらの炭素繊維の中で、炭素繊維
が用いられる電極および電池の特性に応じて、その特性
を満たす炭素繊維が適宜選択されることが好ましい。
P = {(180-H) / 180} × 100 (%) (1) The carbon fiber in the present invention is not particularly limited, and a carbonized organic material is generally used.
Specifically, PAN-based carbon fiber obtained from polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN), pitch-based carbon fiber obtained from pitch of coal or petroleum, cellulose-based carbon fiber obtained from cellulose, gas of low molecular weight organic substance Examples thereof include vapor-grown carbon fibers, but other than these, carbon fibers obtained by firing polyvinyl alcohol, lignin, polyvinyl chloride, polyamide, polyimide, phenol resin, furfuryl alcohol, etc. may be used. Among these carbon fibers, it is preferable to appropriately select carbon fibers satisfying the characteristics according to the characteristics of the electrode and the battery in which the carbon fibers are used.

【0013】上記炭素繊維の中で、アルカリ金属塩を含
む非水電解液を用いた二次電池の負極に使用する場合に
は、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭
素繊維が好ましい。特に、アルカリ金属イオン、特にリ
チウムイオンのドーピングが良好であるという点で、P
AN系炭素繊維が好ましく用いられる。
Among the above carbon fibers, when used as a negative electrode of a secondary battery using a non-aqueous electrolyte containing an alkali metal salt, PAN-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers and vapor-grown carbon fibers are used. preferable. In particular, in terms of good doping with alkali metal ions, especially lithium ions, P
AN-based carbon fiber is preferably used.

【0014】一般に繊維状素材は、繊維方向に配向して
いるため方向性を持つ。このような繊維の焼成体である
炭素繊維も当然、配向性を持つが、この場合には配向性
を持つことは、炭素層面がほぼ一定方向に並んでいるこ
とを示している。活電極素材として炭素繊維を利用する
場合には、配向性が高過ぎると構造的に異方性が強く、
方向によってインターカレーションの起こりやすさが異
なるために、容量が高くならないという欠点がある。ま
た、配向性が高過ぎると、焼成後の結晶化度が一般に高
く、そのため高容量が得られないという問題もある。そ
こで、本発明者らは高容量炭素材について鋭意検討した
結果、適切な配向度を持つ炭素繊維が高容量炭素材とし
て優れていることを見出した。
Generally, the fibrous material has directionality because it is oriented in the fiber direction. Carbon fibers, which are fired bodies of such fibers, naturally have orientation, but in this case having orientation indicates that the carbon layer surfaces are aligned in a substantially constant direction. When carbon fiber is used as the active electrode material, if the orientation is too high, structural anisotropy is strong,
Since the intercalation is likely to occur depending on the direction, there is a drawback that the capacity does not increase. Further, if the orientation is too high, the crystallinity after firing is generally high, so that there is a problem that a high capacity cannot be obtained. Then, as a result of intensive studies on the high-capacity carbon material, the present inventors have found that carbon fibers having an appropriate degree of orientation are excellent as the high-capacity carbon material.

【0015】PAN系炭素繊維を製造する方法として
は、特公昭37−4405、特公昭44−21175、
特公昭47−24185、特公昭51−6244、その
他数多くの公知の方法が挙げられる。ただし、その多く
は補強材としての炭素繊維の製造方法のため、製糸およ
び焼成工程で配向を高くする技術が採用されている。し
かし、本発明における炭素繊維は前述のように低いこと
が重要であるから、公知の技術に若干の改良を加える。
配向を低く制御する技術としては、製糸および焼成工程
において弛緩下で処理することが簡便で効果的である。
すなわち、高強度を達成するために高配向を有する炭素
繊維の公知の製造方法において、原糸は延伸倍率を低く
すること、また焼成工程は低張力下、さらには無緊張下
で行うという技術的改善によって、低配向を有する炭素
繊維の製造が可能である。低配向を有する炭素繊維の製
造方法としては、例えば、まず原糸においては、主成分
をポリアクリロニトリルとして、アクリル酸メチル、あ
るいはメタアクリル酸メチルのような加熱により配向緩
和が起こりやすい成分との共重合組成ポリマを用いる方
法が好ましく用いられる。また、焼成工程においては、
具体的な例としては、特公昭51-24603号公報に示されて
いる方法において、耐炎化工程の延伸倍率を0.78倍
とする、さらには炭化工程の延伸倍率も0.92倍と収
縮させるなどの方法を採用することができる。さらに
は、特開昭62-117818 号に示されている安定化工程、す
なわち耐炎化工程での張力を比較例の0.16g/dよ
りもさらに低い0.03g/dfとすることにより配向
度は80%となる。炭化工程の張力として、延伸倍率を
0.92倍に下げることにより、配向度78%の炭素繊
維の製造が可能となる。ピッチ系炭素繊維、およびその
他の有機重合体を出発物質とする炭素繊維においても、
同様な技術思想によって、低配向の炭素繊維の製造が可
能である。
The method for producing PAN-based carbon fibers is described in JP-B-37-4405, JP-B-44-21175,
Japanese Patent Publication No. 47-24185, Japanese Patent Publication No. 51-6244, and many other known methods. However, most of them are methods of manufacturing carbon fiber as a reinforcing material, and therefore, a technique of increasing orientation in a yarn making and firing step is adopted. However, since it is important that the carbon fiber in the present invention is low as described above, a slight improvement is added to the known technique.
As a technique for controlling the orientation to be low, it is convenient and effective to perform the treatment under relaxation in the yarn making and firing steps.
That is, in a known method for producing a carbon fiber having a high orientation in order to achieve high strength, the raw yarn has a low draw ratio, and the firing step is performed under low tension and even under no tension. The improvements enable the production of carbon fibers with low orientation. As a method for producing a carbon fiber having a low orientation, for example, first, in the raw yarn, the main component is polyacrylonitrile, and co-treatment with a component such as methyl acrylate or methyl methacrylate, which tends to cause orientation relaxation by heating. A method using a polymerized polymer is preferably used. In the firing process,
As a specific example, in the method disclosed in JP-B-51-24603, the stretching ratio in the flameproofing step is 0.78 times, and the stretching ratio in the carbonization step is shrinking to 0.92 times. It is possible to adopt a method such as letting it occur. Furthermore, the degree of orientation is adjusted by setting the tension in the stabilization process, ie, the flameproofing process, disclosed in JP-A-62-117818 to 0.03 g / df, which is lower than 0.16 g / d in the comparative example. Is 80%. By reducing the draw ratio to 0.92 as the tension in the carbonization step, it becomes possible to manufacture carbon fibers having an orientation degree of 78%. Pitch-based carbon fibers, and also in carbon fibers starting from other organic polymers,
With the same technical idea, it is possible to manufacture low orientation carbon fibers.

【0016】本発明における炭素繊維を電極にする際に
は、どのような形態をとっても構わないが、一軸方向に
配置したり、もしくは布帛状やフェルト状の構造体にす
るなどが、好ましい形態となる。布帛状あるいはフェル
ト状などの構造体としては、織物、編物、組物、レー
ス、網、フェルト、紙、不織布、マットなどが挙げられ
るが、炭素繊維の性質や電極特性などの点から、織物や
フェルトなどが好ましい。
When the carbon fiber in the present invention is used as an electrode, it may have any form, but it is preferably arranged in a uniaxial direction, or a fabric-like or felt-like structure. Become. Examples of the fabric-like or felt-like structure include woven fabrics, knitted fabrics, braids, laces, nets, felts, papers, non-woven fabrics, mats, and the like. Felt and the like are preferred.

【0017】本発明において用いられる炭素繊維の直径
は、それぞれの形態を採り易いように決められるべきで
あるが、好ましくは1 〜1000μmの直径の炭素繊維が用
いられ、1 〜20μmがさらに好ましい。また、異なった
直径の炭素繊維を数種類用いることも好ましいものであ
る。
The diameter of the carbon fibers used in the present invention should be determined so that each form can be easily adopted, but carbon fibers having a diameter of 1 to 1000 μm are preferably used, and 1 to 20 μm is more preferable. It is also preferable to use several kinds of carbon fibers having different diameters.

【0018】本発明の炭素繊維から構成される電極は、
各種電池の活電極として利用可能であり、一次電池、二
次電池など、どのような電池に利用されるかは特に限定
されるものではない。この中で、二次電池の負極に好ま
しく用いられる。特に好ましい二次電池としては、過塩
素酸リチウム、硼フッ化リチウム、6フッ化リン・リチ
ウムのようにアルカリ金属塩を含む非水電解液を用いた
二次電池を挙げることができる。
The electrode composed of the carbon fiber of the present invention is
It can be used as an active electrode of various batteries, and what kind of battery such as a primary battery or a secondary battery is used is not particularly limited. Among these, it is preferably used as a negative electrode of a secondary battery. Particularly preferable secondary batteries include secondary batteries using a non-aqueous electrolyte solution containing an alkali metal salt such as lithium perchlorate, lithium borofluoride, and phosphorus hexafluoride / lithium.

【0019】本発明の電極をアルカリ金属塩を含む非水
電解液二次電池に用いる場合には、炭素繊維へのカチオ
ンあるいはアニオンのドーピングを利用したものであ
り、カチオンがドープされる炭素繊維を負極に、アニオ
ンがドープされる炭素繊維を正極に用いることとなる。
これらは、炭素繊維の各種特性によって、正極あるいは
負極に使用され得るべきものであるが、必ずしも両極を
本発明の電極にする必要はなく、どちらか一方に用いれ
ばよく、本発明の炭素繊維より構成される電極を負極
に、炭素繊維を含まない電極を正極にすることも好まし
い実施態様となる。炭素繊維を含まない電極を正極に用
いる際には、繊維以外の炭素質材料の他に、人造あるい
は天然の黒鉛粉末、フッ化カーボン、金属あるいは金属
酸化物などの無機化合物や有機高分子化合物などを正極
として用いることできる。この場合、金属あるいは金属
酸化物などの無機化合物を正極は、カチオンのドープと
脱ドープを利用して充放電反応が生じる。有機高分子化
合物の際には、アニオンのドープと脱ドープにより充放
電反応が生じる。このように、物質により様々な充放電
反応様式を採るものであり、これらは必要とされる電池
の正極特性に応じて適宜選択されるものである。
When the electrode of the present invention is used in a non-aqueous electrolyte secondary battery containing an alkali metal salt, the cation or anion doping of carbon fiber is utilized, and the cation-doped carbon fiber is used. Carbon fiber doped with anions will be used for the negative electrode.
These should be able to be used for the positive electrode or the negative electrode depending on various characteristics of the carbon fiber, but it is not always necessary to use both electrodes as the electrode of the present invention, and it may be used for either one. It is also a preferred embodiment that the constituted electrode is the negative electrode and the electrode containing no carbon fiber is the positive electrode. When using an electrode that does not contain carbon fibers for the positive electrode, in addition to carbonaceous materials other than fibers, artificial or natural graphite powder, fluorinated carbon, inorganic compounds such as metal or metal oxides, organic polymer compounds, etc. Can be used as the positive electrode. In this case, in the positive electrode made of an inorganic compound such as a metal or a metal oxide, charge / discharge reaction occurs by utilizing cation doping and dedoping. In the case of an organic polymer compound, a charge / discharge reaction occurs due to anion doping and undoping. As described above, various charging / discharging reaction modes are adopted depending on the substance, and these are appropriately selected according to the required positive electrode characteristics of the battery.

【0020】炭素繊維を含まない正極としては、アルカ
リ金属を含む遷移金属酸化物や遷移金属カルコゲンなど
の無機化合物、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、
ポリフェニレンビニレン、ポリアニリン、ポリピロー
ル、ポリチオフェンなどの共役系高分子、ジスルフィド
結合を有する架橋高分子、塩化チオニルなど、通常の二
次電池において用いられる正極を挙げることができる。
これらの中で、リチウム塩を含む非水電解液を用いた二
次電池の場合には、コバルト、マンガン、モリブデン、
バナジウム、クロム、鉄、銅、チタンなどの遷移金属酸
化物や遷移金属カルコゲンが好ましく用いられる。
The positive electrode containing no carbon fiber includes inorganic compounds such as transition metal oxides and transition metal chalcogens containing alkali metal, polyacetylene, polyparaphenylene,
Examples of the positive electrode used in ordinary secondary batteries include conjugated polymers such as polyphenylene vinylene, polyaniline, polypyrrole, and polythiophene, crosslinked polymers having a disulfide bond, and thionyl chloride.
Among these, in the case of a secondary battery using a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, cobalt, manganese, molybdenum,
Transition metal oxides and transition metal chalcogens such as vanadium, chromium, iron, copper and titanium are preferably used.

【0021】本発明の電極を用いた二次電池の電解液と
しては、特に限定されることなく従来の電解液が用いら
れ、例えば酸あるいはアルカリ水溶液、または非水溶媒
などが挙げられる。この中で、上述のアルカリ金属塩を
含む非水電解液からなる二次電池の電解液としては、プ
ロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ-ブ
チロラクトン、N- メチルピロリドン、アセトニトリ
ル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォ
キシド、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、
ギ酸メチル、スルホラン、オキサゾリドン、塩化チオニ
ル、1,2−ジメトキシエタン、ジエチレンカーボネー
トや、これらの誘導体や混合物などが好ましく用いられ
る。電解液に含まれる電解質としては、アルカリ金属、
特にリチウムのハロゲン化物、過塩素酸塩、チオシアン
塩、ホウフッ化塩、リンフッ化塩、砒素フッ化塩、アル
ミニウムフッ化塩、トリフルオロメチル硫酸塩などが好
ましく用いられる。
The electrolytic solution of the secondary battery using the electrode of the present invention is not particularly limited, and a conventional electrolytic solution is used, and examples thereof include an acid or alkaline aqueous solution or a non-aqueous solvent. Among these, as the electrolytic solution of the secondary battery composed of the above-mentioned non-aqueous electrolytic solution containing an alkali metal salt, propylene carbonate, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, N-methylpyrrolidone, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, Dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane,
Methyl formate, sulfolane, oxazolidone, thionyl chloride, 1,2-dimethoxyethane, diethylene carbonate, derivatives and mixtures of these are preferably used. The electrolyte contained in the electrolytic solution is an alkali metal,
Particularly, lithium halides, perchlorates, thiocyanates, borofluorides, phosphorous fluorides, arsenic fluorides, aluminum fluorides, trifluoromethylsulfates and the like are preferably used.

【0022】本発明の電極を用いた二次電池の用途とし
ては、軽量かつ高容量で高エネルギー密度の特徴を利用
して、ビデオカメラ、パソコン、ワープロ、ラジカセ、
携帯電話などの携帯用小型電子機器に広く利用可能であ
る。
The secondary battery using the electrode of the present invention can be used as a video camera, a personal computer, a word processor, a radio-cassette, by utilizing the features of light weight, high capacity and high energy density.
It is widely applicable to portable small electronic devices such as mobile phones.

【0023】[0023]

【実施例】本発明の具体的実施態様を以下に実施例をも
って述べるが、本発明はこれに限定されるものではな
い。
EXAMPLES Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

【0024】実施例1 アクリロニトリル99.2モル%、メタアクリル酸0.
8モル%よりなるPANの(400)の配向度が92%
のアクリル繊維を空気中無緊張下で200℃から250
℃で耐炎化し、続いて窒素中無緊張下で1100℃まで
5分間で焼成することにより、炭素繊維を作製した。該
炭素繊維の配向度を、広角X線回折(カウンター法)に
よって測定した。式(1)より求めた該炭素繊維の配向
度は76.7%であった。
Example 1 Acrylonitrile 99.2 mol%, methacrylic acid 0.
PAN (400) orientation ratio of 8 mol% is 92%
Acrylic fiber of 200 to 250 ℃ without tension in air
A carbon fiber was produced by making it flame resistant at 0 ° C. and subsequently firing it at 1100 ° C. for 5 minutes in nitrogen under no stress. The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 76.7%.

【0025】次に上記炭素繊維を用いて電極を作製し、
充電評価を行った。電解液は1M過塩素酸リチウムを含
むプロピレンカーボネート、対極および参照極には金属
リチウム箔を用いる、3極式セルで評価した。炭素繊維
重量当たりの電流密度は40mA/gの定電流で、0V(vs.Li
+ /Li)まで充電した。充電後に放電した電荷量から求め
られる炭素繊維電極の放電容量は、420mAh/gであった。
処理時の全収縮率は原長に対して30%であった。
Next, an electrode was prepared using the above carbon fiber,
Charge evaluation was performed. The electrolytic solution was evaluated by a three-electrode cell using propylene carbonate containing 1M lithium perchlorate, and a metal lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbon fiber is 0V (vs. Li
+ / Li). The discharge capacity of the carbon fiber electrode calculated from the amount of charge discharged after charging was 420 mAh / g.
The total shrinkage during processing was 30% of the original length.

【0026】比較例1 実施例1と同じアクリル繊維を空気中定長化で200℃
から250℃で耐炎化し、続いて窒素中定荷重下で26
00℃まで7分間で焼成することにより、炭素繊維を作
製した。黒鉛化処理時の原長に対する収縮率は6%であ
った。
Comparative Example 1 The same acrylic fiber as in Example 1 was subjected to constant length in air at 200 ° C.
To 250 ° C. to flame resistance, and then under nitrogen at a constant load of 26
Carbon fibers were produced by firing to 00 ° C for 7 minutes. The shrinkage ratio to the original length during graphitization was 6%.

【0027】該炭素繊維の配向度を、広角X線回折(カ
ウンター法)によって測定した。式(1)より求めた該
炭素繊維の配向度は90.4%であった。
The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 90.4%.

【0028】次に上記炭素繊維を用いて電極を作製し、
充電評価を行った。電解液は1M過塩素酸リチウムを含
むプロピレンカーボネート、対極および参照極には金属
リチウム箔を用いる、3極式セルで評価した。炭素繊維
重量当たりの電流密度は40mA/gの定電流で、0V(vs.Li
+ /Li)まで充電した。充電後に放電した電荷量から求め
られる炭素繊維電極の放電容量は、130mAh/gであった。
Next, an electrode was prepared using the above carbon fiber,
Charge evaluation was performed. The electrolytic solution was evaluated by a three-electrode cell using propylene carbonate containing 1M lithium perchlorate, and a metal lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbon fiber is 0V (vs. Li
+ / Li). The discharge capacity of the carbon fiber electrode obtained from the amount of charge discharged after charging was 130 mAh / g.

【0029】実施例2 実施例1と同様な方法でアクリル繊維を耐炎化処理した
後、無緊張下、窒素雰囲気下で5分間、1200℃付近
で焼成した。処理時の全収縮率は原長に対して31%で
あった。該炭素繊維の配向度を、広角X線回折(カウン
ター法)によって測定した。式(1)より求めた該炭素
繊維の配向度は77.1%であった。
Example 2 Acrylic fibers were subjected to flameproofing treatment in the same manner as in Example 1, and then fired at about 1200 ° C. for 5 minutes in a nitrogen atmosphere without tension. The total shrinkage during treatment was 31% of the original length. The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 77.1%.

【0030】次に上記炭素繊維を用いて電極を作製し、
充電評価を行った。電解液は1M過塩素酸リチウムを含
むプロピレンカーボネート、対極および参照極には金属
リチウム箔を用いる、3極式セルで評価した。炭素繊維
重量当たりの電流密度は40mA/gの定電流で、0V(vs.Li
+ /Li)まで充電した。充電後に放電した電荷量から求め
られる炭素繊維電極の放電容量は、380mAh/gであった。
Next, an electrode was prepared using the above carbon fiber,
Charge evaluation was performed. The electrolytic solution was evaluated by a three-electrode cell using propylene carbonate containing 1M lithium perchlorate, and a metal lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbon fiber is 0V (vs. Li
+ / Li). The discharge capacity of the carbon fiber electrode obtained from the amount of charge discharged after charging was 380 mAh / g.

【0031】実施例3 実施例1と同様な方法でアクリル繊維を耐炎化処理した
後、緊張状態、窒素雰囲気下で5分間、1050℃付近
で焼成した。処理時の全収縮率は原長に対して30%で
あった。該炭素繊維の配向度を、広角X線回折(カウン
ター法)によって測定した。式(1)より求めた該炭素
繊維の配向度は80.0%であった。
Example 3 Acrylic fibers were subjected to flameproofing treatment in the same manner as in Example 1, and then fired at about 1050 ° C. for 5 minutes under a nitrogen atmosphere in a tension state. The total shrinkage during processing was 30% of the original length. The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 80.0%.

【0032】次に上記炭素繊維を用いて電極を作製し、
充電評価を行った。電解液は1M過塩素酸リチウムを含
むプロピレンカーボネート、対極および参照極には金属
リチウム箔を用いる、3極式セルで評価した。炭素繊維
重量当たりの電流密度は40mA/gの定電流で、0V(vs.Li
+ /Li)まで充電した。充電後に放電した電荷量から求め
られる炭素繊維電極の放電容量は、400mAh/gであった。
Next, an electrode was prepared using the above carbon fiber,
Charge evaluation was performed. The electrolytic solution was evaluated by a three-electrode cell using propylene carbonate containing 1M lithium perchlorate, and a metal lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbon fiber is 0V (vs. Li
+ / Li). The discharge capacity of the carbon fiber electrode obtained from the amount of charge discharged after charging was 400 mAh / g.

【0033】実施例4 市販の炭酸リチウム(Li 2 CO3 ) と塩基性炭酸コバルト
(2CoCO3 ・3Co(OH) 2) を、モル比でLi/Co=1/1 となる
ように秤量、ボールミルにて混合後、900 ℃で20時間熱
処理してLiCoO 2 を得た。これをボールミルにて粉砕
し、導電材として人造黒鉛、結着材としてポリフッ化ビ
ニリデン(PVdF)、溶媒としてN−メチルピロリドンを用
い、重量比でLiCoO 2 / 人造黒鉛/PVdF =80/15/5 とな
るように混合し正極スラリーを調製し、このスラリーを
アルミ箔上に塗布、乾燥、プレスして正極を得た。
Example 4 Commercially available lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and basic cobalt carbonate
(2CoCO 3 .3Co (OH) 2 ) was weighed so that the molar ratio was Li / Co = 1/1, mixed with a ball mill, and heat-treated at 900 ° C. for 20 hours to obtain LiCoO 2 . This was crushed with a ball mill, and artificial graphite was used as a conductive material, polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as a binder, and N-methylpyrrolidone was used as a solvent. LiCoO 2 / artificial graphite / PVdF = 80/15/5 To prepare a positive electrode slurry, which was applied on an aluminum foil, dried and pressed to obtain a positive electrode.

【0034】実施例1にて作製した炭素繊維電極を負極
にし、多孔質ポリプロピレンフィルム(セルガード#2
500、ダイセル化学(株)製)のセパレーターを介し
て、上記にて作成した正極とを重ね合わせて、二次電池
を作製した。電解液は、1M過塩素酸リチウムを含むプ
ロピレンカーボネートを用いた。
The carbon fiber electrode prepared in Example 1 was used as a negative electrode, and a porous polypropylene film (Celguard # 2) was used.
A secondary battery was manufactured by stacking the positive electrode prepared above through a separator 500 (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.). As the electrolytic solution, propylene carbonate containing 1M lithium perchlorate was used.

【0035】上記にて作製した二次電池の充電評価を行
った。炭素繊維重量当たりの電流密度は40mA/gの定電流
で、4.3Vまで充電した。充電後に放電した電荷量か
ら求められた該二次電池の放電容量は、この電池に使用
された炭素繊維の重量当たりで370mAh/gであった。
The charging evaluation of the secondary battery produced above was performed. The current density per carbon fiber weight was 40 mA / g at a constant current, and the battery was charged to 4.3 V. The discharge capacity of the secondary battery obtained from the amount of charge discharged after charging was 370 mAh / g based on the weight of the carbon fiber used in this battery.

【0036】比較例2 比較例1で作製した炭素繊維電極を負極として用い、実
施例4と同様な方法で二次電池を作製した。この電池に
使用された炭素繊維の重量当たりで110mAh/gであった。
Comparative Example 2 A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4, using the carbon fiber electrode manufactured in Comparative Example 1 as the negative electrode. The weight of carbon fiber used in this battery was 110 mAh / g.

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明により、高充電可能な炭素繊維を
電極とした電池を提供することが可能になる。
According to the present invention, it is possible to provide a battery using a highly chargeable carbon fiber as an electrode.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】配向度Pが、70%≦P≦85%である炭
素繊維からなる電極。
1. An electrode made of carbon fiber having an orientation degree P of 70% ≦ P ≦ 85%.
【請求項2】該炭素繊維がポリアクリロニトリルを90
0℃から1500℃で焼成することによって得られたも
のである請求項1記載の電極。
2. The carbon fiber comprises polyacrylonitrile 90
The electrode according to claim 1, which is obtained by firing at 0 ° C to 1500 ° C.
【請求項3】請求項1記載の電極を用いた二次電池。3. A secondary battery using the electrode according to claim 1. 【請求項4】請求項2記載の電極を用いた二次電池。4. A secondary battery using the electrode according to claim 2.
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