JPH08162164A - 非水二次電池およびその製造方法 - Google Patents

非水二次電池およびその製造方法

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JPH08162164A
JPH08162164A JP7209971A JP20997195A JPH08162164A JP H08162164 A JPH08162164 A JP H08162164A JP 7209971 A JP7209971 A JP 7209971A JP 20997195 A JP20997195 A JP 20997195A JP H08162164 A JPH08162164 A JP H08162164A
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リテンションが小さく、高容量の非水二次電
池を提供する。 【構成】 有機溶媒系の電解液を用いる非水二次電池に
おいて、負極活物質として、12kV−10mAの測定
条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜
540eV付近の酸素のピーク強度(Io)と285e
V付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/
Ic)が2以上の炭素材料を用いる。上記非水二次電池
において、電解液中に二酸化炭素を溶解させることによ
り、リテンションをより小さくすることができる。ま
た、電解液の有機溶媒としてリン酸トリエステルを用い
ることにより、火災などに対する安全性を向上させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、有機溶媒系の電解
液を用いる非水二次電池に関し、さらに詳しくは、リテ
ンション(充電容量と放電容量との差)が小さく、高容
量の非水二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池に代表される非水二次
電池は、放電容量が大きく、高電圧、高エネルギー密度
であることから、その発展に対して大きな期待が寄せら
れている。この非水二次電池では、有機溶媒にリチウム
塩を溶解させた有機溶媒系の電解液を用い、負極活物質
としてリチウムまたはリチウム合金を用いているが、こ
れらの負極活物質による場合、リチウムは充電時のリチ
ウムのデンドライト成長のため、また硬いリチウム合金
はセパレータ貫通のため、内部短絡を起こしやすく、電
池特性の低下を引き起こしたり、安全性に欠けるなどの
問題があった。
【0003】そのため、リチウムまたはリチウム合金に
代えて、リチウムイオンをドープ、脱ドープ可能な活性
炭や黒鉛などの炭素材料を負極活物質として用いること
が検討されている(特公平4−24831号公報、特公
平5−17669号公報など)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
知の炭素材料は、いずれも、それらの炭素材料表面で電
解液が一部分解するため、リテンションが大きいという
問題があった。したがって、高容量の電池を得るために
は、リテンションを小さくする必要がある。
【0005】特に最近の非水二次電池では、一定単位体
積当たりのエネルギー密度が200wh/l以上という
高エネルギー密度が要望されており、このような電池に
おいては、電極の活物質を最大限に利用することが要求
されるため、リテンションのより小さい二次電池が必要
とされる。
【0006】また、上記非水二次電池では電解液の溶媒
として有機溶媒が用いられており、これまではその有機
溶媒としてプロピレンカーボネートや1,2−ジメトキ
シエタンなどが用いられてきたが、それらは可燃性溶媒
であるため、それらに代わるより安全な有機溶媒を使用
することがより望ましいと考えられる。
【0007】したがって、本発明は、リテンションが小
さく、高容量の非水二次電池を提供することを目的と
し、より好ましくは、上記特性に加え火災などに対する
安全性のより高い非水二次電池を提供することを目的と
する。さらに、本発明は、そのような非水二次電池を製
造する方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、負極活物質とし
て、下記の特性を有する炭素材料を用いるときは、リテ
ンションが小さく、高容量の非水二次電池が得られるこ
とを見出した。
【0009】すなわち、本発明は、有機溶媒系の電解液
を用いる非水二次電池において、負極活物質が12kV
−10mAの測定条件におけるXPS(X線光電子分
光)分析の光電子スペクトルの530〜540eV付近
の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近のカーボ
ンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が2以上
の炭素材料からなる非水二次電池に関する。
【0010】また、本発明者らは、上記炭素材料を用い
た非水二次電池において、電解液に二酸化炭素を溶解さ
せることにより、リテンションをより小さくすることが
できることも見出した。
【0011】さらに、本発明者らは、上記炭素材料を用
いた高容量の非水二次電池において、電解液の有機溶媒
としてリン酸トリエステルを用いることにより、火災な
どに対する安全性を向上させることができることも見出
した。
【0012】本発明においては、前記のように、負極活
物質が12kV−10mAの測定条件におけるXPS分
析の光電子スペクトルの530〜540eV付近の酸素
のピーク強度(Io)と285eV付近のカーボンのピ
ーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が2以上の炭素
材料からなることを必要とし、上記ピーク強度比(Io
/Ic)が2以上の範囲内で10以下の炭素材料である
ことが好ましい。上記ピーク強度比(Io/Ic)が2
より小さい炭素材料を負極活物質として用いると、リテ
ンションが小さくなり、高容量の非水二次電池が得られ
なくなる。上記ピーク強度比(Io/Ic)が大きくな
るほどリテンションは小さくなるが、上記ピーク強度比
(Io/Ic)があまりにも大きくなると電池の電気特
性が低下するおそれがあるので、前記のように、上記ピ
ーク強度比(Io/Ic)が2以上の範囲内で10以下
の炭素材料を負極活物質として用いることが好ましく、
特に上記ピーク強度比(Io/Ic)が4以上で10以
下の炭素材料を負極活物質として用いることが好まし
い。
【0013】本発明において、負極活物質として用いる
炭素材料としては、上記ピーク強度比(Io/Ic)が
2以上で、リチウムイオンをドープ、脱ドープできるも
のであればよく、たとえば熱分解炭素類、コークス類、
ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカー
ボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などを用いるこ
とができる。
【0014】このような炭素材料は、一般に、炭素原子
と水素原子から構成されるか、またはそれらの原子と窒
素、硫黄などの他の原子とから構成され、質量数が約4
00以下の低分子量の芳香族化合物や脂肪族化合物など
からなる有機溶媒易溶性の有機質成分が該炭素材料全体
中の約0.1〜10重量%含まれているものが好まし
い。
【0015】また、本発明において用いる炭素材料は、
電池の高容量化をはかる観点から、X線回折測定での
(002)面の面間距離(d002 )が3.36Å以上、
特に3.37Å以上、とりわけ3.38Å以上で、かつ
3.5Å以下、特に3.45Å以下、とりわけ3.4Å
以下で、c軸方向の結晶子の大きさLcが50Å以下、
特に40Å以下、とりわけ35Å以下で、かつ3Å以
上、特に5Å以上、とりわけ10Å以上のものが好まし
い。
【0016】また、本発明において負極活物質として用
いる炭素材料は、平均粒径が2μmより小さくなると自
己放電が大きく、サイクル寿命も劣化しはじめる傾向に
あるため、炭素材料の平均粒径は2〜30μmが好まし
く、より好ましくは8〜15μm、さらに好ましくは1
0〜15μmである。
【0017】通常の炭素材料は、12kV−10mAの
測定条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの53
0〜540eV付近の酸素のピーク強度(Io)と28
5eV付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(I
o/Ic)が2より小さく、本発明で目的とするリテン
ションが小さい非水二次電池を得るためには、上記ピー
ク強度比(Io/Ic)が2以上であることが必要であ
り、かつ10以下であることが好ましく、特に4以上1
0以下であることがより好ましい。
【0018】上記ピーク強度比(Io/Ic)が小さい
ということは、炭素材料表面の酸素原子の存在量が少な
いことを意味しているが、このピーク強度比(Io/I
c)が2より小さくなると、リテンションが大きくなる
のは、現在のところ必ずしも明確ではないが、以下の理
由によるものと考えられる。
【0019】すなわち、530〜540eV付近の酸素
のピークは炭素材料表面の保護層に含まれる酸素の存在
を示すものであり、この表面の保護層はC=O基または
C−O−基などの官能基から形成されているものと考え
られ、これらの官能基は、通常530〜540eV付近
にピークを有する。そして、これらの表面層の官能基は
イオン伝導にも寄与するものであることから、炭素材料
表面にこれらの官能基を有する表面保護層が形成される
と、その保護被膜が炭素材料表面を不活性化する電解液
の有機溶媒と炭素材料表面とが直接接触するのを防止す
るので、リチウムイオンドープ時の電解液の有機溶媒と
炭素材料との反応が抑制され、リテンションが小さい電
池を得ることができる。
【0020】一方、上記ピーク強度比(Io/Ic)が
大きくなればなるほどリテンションは小さくなるが、上
記ピーク強度比(Io/Ic)が大きくなりすぎると、
リチウムイオンをドープ、脱ドープすることができる炭
素材料が少なくなって、容量が低下する場合があるの
で、前述したように、上記ピーク強度比(Io/Ic)
は10以下であることが好ましい。すなわち、上記ピー
ク強度比(Io/Ic)を10以下に抑えておくことに
より、負極表面にリチウムイオンをドープ、脱ドープす
ることが可能な炭素材料を比較的多く存在させることが
でき、高容量の電池を得ることができる。
【0021】特に体積エネルギー密度が200wh/l
以上の高エネルギー密度電池を得ようとすると、負極活
物質としての炭素材料を最大限に利用することが必要で
あることから、リテンションの小さい電池がより重要と
なる。
【0022】また、前記のような12kV−10mAの
測定条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの53
0〜540eV付近の酸素のピーク強度(Io)と28
5eV付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(I
o/Ic)が2より小さい炭素材料から、本発明で必要
とするピーク強度比(Io/Ic)が2以上の炭素材料
を得る場合、その方法としては、上記のピーク強度比
(Io/Ic)が2より小さい炭素材料をカーボン処理
液に浸漬し、その中でアルカリ金属イオンをドープする
方法や、少量のリチウムと酸素原子が含まれる状態で熱
処理する方法などを採用することができる。ピーク強度
比(Io/Ic)が炭素材料表面でより均一になるよう
にするには、それらの中でも前者のカーボン処理液で処
理する方法が好ましい。すなわち、カーボン処理液で処
理する方法では、溶液処理によるため、電解液の溶媒と
反応する炭素材料表面を重点的に処理できるので、リテ
ンションのより小さい電池を得ることができる。ただ
し、必ずしも上記例示の方法に限られることはない。
【0023】負極表面の炭素材料のピーク強度比(Io
/Ic)は、2keV、7〜8μAのアルゴンスパッタ
で10分間エッチングした後の負極内部の炭素材料のピ
ーク強度比(Io/Ic)より大きいが、その度合いと
しては、負極表面の炭素材料のピーク強度比(Io/I
c)を1としたときに、負極内部の炭素材料のピーク強
度比(Io/Ic)が0.95以下であることが好まし
く、より好ましくは0.90以下、さらに好ましくは
0.70以下である。
【0024】すなわち、負極表面の炭素材料のピーク強
度比(Io/Ic)を1としたときに、負極内部の炭素
材料のピーク強度比(Io/Ic)が0.95以下にな
るようにすることにより、酸素原子を含む被膜を薄く緻
密に形成、維持することが可能になり、リテンションを
より小さくすることができるものと考えられる。
【0025】一方、ピーク強度比(Io/Ic)が10
より大きい炭素材料からピーク強度比(Io/Ic)が
10以下の炭素材料を得るには、たとえば、水蒸気、二
酸化炭素、不活性ガス、燃焼ガス、空気などを用いて3
00〜1200℃で加熱処理すればよいが、必ずしもそ
れらの方法に限定されるものでない。
【0026】本発明の負極と組み合わせて使用できる正
極としては、たとえば、二酸化マンガン、五酸化バナジ
ウム、クロム酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウ
ムニッケル酸化物などの金属酸化物あるいは二硫化モリ
ブデンなどの金属硫化物からなる正極活物質、またはそ
れらの正極活物質にりん状黒鉛などの導電助剤やポリテ
トラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの結
着剤を適宜添加した合剤を、ステンレス鋼網、アルミニ
ウム箔などの集電材料を芯材として成形体に仕上げたも
のが用いられる。特にリチウムコバルト酸化物、リチウ
ムニッケル酸化物、またはそれらに上記の結着剤などを
添加したものを用いると、電池容量を向上させることが
できる。なお、上記正極活物質のうちリチウムコバルト
酸化物またはリチウムニッケル化合物がその状態で存在
するのは、電池が放電状態にある場合であり、充電状態
では別の化合物として存在し、また、負極活物質として
の炭素材料も、充電状態ではその内部にリチウムがイン
ターカレートした状態になる。
【0027】電解液の電解質としては、たとえばLiC
lO4 、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、Li
SbF6 、LiCF3 SO3 、LiC4 9 SO3 、L
iCF3 CO2 、Li2 2 4 (SO3 2 、LiN
(CF3 SO2 2 、LiC(CF2 SO2 3 、Li
CnF2n+1SO3 (n≧2)などのリチウム含有化合物
が単独でまたは2種以上混合して用いられる。特にLi
PF6 やLiC4 9SO3 などは充放電特性が良好な
ことから好ましい。電解液中における電解質の濃度は、
特に限定されるものではないが、通常0.1〜2mol
/l、特に0.4〜1mol/l程度が好ましい。
【0028】電解液は有機溶媒に上記の電解質を溶解さ
せることによって調製されるが、その際の有機溶媒とし
ては、電解液中のリチウムイオンの移動を好ましい状態
にするため、特に比誘電率が20以上のエステルや粘度
の低いエーテル、鎖状カーボネートなどの鎖状エステル
を用いることが好ましい。比誘電率が20未満の溶媒の
みを使用すると、電解液中でのリチウムイオンの解離が
困難となり、リテンションが大きくなる傾向がある。
【0029】上記比誘電率が20以上のエステルとして
は、たとえばプロピレンカーボネート(PC)、エチレ
ンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(B
C)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)などが挙げられ
る。
【0030】また、粘度の低いエーテルとしては、たと
えば1,2−ジメトキシエタン(DME)、ジオキソラ
ン(DO)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチ
ル−テトラヒドロフラン(2Me−THF)、ジエチル
エーテル(DEE)などが挙げられる。また、粘度の低
い鎖状カーボネートとしては、たとえばジエチルカーボ
ネート、ジメチルカーボネートなどが挙げられる。
【0031】そのほか、イミド系有機溶媒や、含イオウ
または含フッ素系有機溶媒、リン酸トリエステルなども
用いることができる。
【0032】電解液の有機溶媒としては、比誘電率の高
い溶媒と粘度の低い溶媒との混合溶媒を用いることが好
ましく、比誘電率の高い溶媒としてエチレンカーボネー
ト(EC)を用いることが特に好ましい。
【0033】また、粘度の低い溶媒としては、鎖状カー
ボネートなどの鎖状エステルやエーテルが好ましく、エ
ーテルはピーク強度比(Io/Ic)が2より小さい炭
素材料を負極活物質として用いた場合には、リテンショ
ンを増大する傾向にあったが、本発明では、上記エーテ
ルを使用した場合でも、リテンションが小さい電池を得
ることができる。
【0034】そして、本発明において好ましく使用でき
るエーテルとしては、環状エーテルが低温特性向上のた
めに好ましく、なかでもジオキソランが特に好ましい。
【0035】本発明の非水二次電池において、電解液中
に二酸化炭素を溶解させると、リテンションをさらに小
さくすることができる。これは、負極活物質として炭素
材料を用いたときでも、炭素材料と電解液の有機溶媒と
の反応が若干生じ、その反応生成物によって充放電反応
が多少阻害されるが、二酸化炭素がそれを防止すること
によるものと考えられる。上記のように電解液中に溶解
させた二酸化炭素がリテンションを小さくさせる理由
は、現在のところ必ずしも明確ではないが、以下のよう
に推測される。
【0036】すなわち、電解液中に二酸化炭素を溶解さ
せると、炭素材料の表面に有機または無機の炭酸塩など
の薄い緻密な被膜が生成する。この被膜を本発明におい
て負極活物質として用いるXPS分析の光電子スペクト
ルの530〜540eV付近の酸素のピーク強度(I
o)と285eV付近のカーボンのピーク強度(Ic)
との比(Io/Ic)が2以上の炭素材料の表面に形成
しておくことにより、リチウムイオンドープ時の電解液
の有機溶媒と炭素材料との反応がより効率よく抑制さ
れ、それによって、リテンションを小さくすることがで
きるようになるものと考えられる。
【0037】電解液中に溶解させる二酸化炭素の量とし
ては、電池内の電解液に対して0.03mol/l(電
解液1リットルに対して二酸化炭素が0.03モル)以
上が好ましく、より好ましくは0.1mol/l以上、
さらに好ましくは0.3mol/l以上である。この二
酸化炭素の量は多いほど炭素材料の反応活性をより安定
して引き出し、また正極活物質の電解液への反応性を抑
制するが、多くなりすぎると電解液中から蒸発して電池
の内圧を高めて電池の防爆用安全弁の作動を引き起こす
原因になるので、電池ケースや封口部材の耐圧性を考慮
すると、電解液中に溶解させる二酸化炭素の量としては
2mol/l以下が好ましい。なお、本発明では、電池
内に入れられているが電解液中に溶解していない二酸化
炭素も、電解液中の二酸化炭素が消費された場合や低温
にした場合には、電解液中に溶解していくので、実質的
に溶解しているものとみなす。
【0038】二酸化炭素を電解液中に溶解させる方法と
しては、たとえば、電解液中に二酸化炭素をバブリング
させる方法や電解液中に液化二酸化炭素を溶解させる方
法などを採用できる。バブリングさせるときの二酸化炭
素の圧力は高い方が好ましい。また、電解液中に溶解さ
せる二酸化炭素量を高めるため、電解液と二酸化炭素を
密閉加圧容器に入れ、圧力をかけて二酸化炭素を電解液
中に溶解させる方法や、電池ケースにドライアイスを入
れたのち、封口する方法なども採用できるが、必ずしも
これらによらなくてもよい。
【0039】電解液中に二酸化炭素を溶解させた時の二
酸化炭素分圧は0.5kgf/cm2 以上が好ましく、
1kgf/cm2 以上が特に好ましい。ただし、高くな
りすぎると電解液注入時に気泡が発生しやすくなるの
で、二酸化炭素分圧は0.5kgf/cm2 以上の範囲
内で10kgf/cm2 以下であることが好ましい。ま
た、電解液の注入も二酸化炭素を含む乾燥雰囲気で行う
のが好ましい。さらに、電解液注入時の電解液やその注
入前の電池の温度は10℃以下が好ましく、−20℃以
下が特に好ましい。ドライアイスや液化二酸化炭素を使
用すると、これらを満足しやすいので好ましい。また、
ドライアイスを電池内に投入することも好ましい。この
場合、電解液中にはドライアイスを入れないようにし、
セパレータの上などに置くのが好ましい。そして、ドラ
イアイス投入後は、1分以内に封口を行うのが好まし
く、より好ましくは20秒以内、さらに好ましくは10
秒以内である。
【0040】二酸化炭素を溶解後の電解液を電池ケース
に注入する方法としては、たとえば電池ケースと電解液
を−20℃以下に数時間冷却したのち、その冷却した電
解液を冷却した電池ケースに注入する方法を採用でき
る。また、遠心分離機に電池ケースをセットし、電解液
をすばやく注入する方法や、電池ケースを真空にしたの
ち電解液を注入する方法なども採用できる。
【0041】上記のように、特定の炭素材料を負極活物
質として用いることにより、また電解液中に二酸化炭素
を溶解させることにより、リテンションの小さい非水二
次電池を得ることが可能になるが、これらの非水二次電
池は電解液に有機溶媒を用いているので、高容量化した
場合には安全性面をさらに高めておくことが望ましい。
そのため、電解液の有機溶媒として難燃性のリン酸トリ
エステルを用いることが好ましい。リン酸トリエステル
とは、一般式(I) (RO)3 P=O (I) (式中、Rは炭素数1〜6のアルキル基であり、式中の
3つのRは同一でもよく、または異なっていてもよい)
で示される化合物である。その好ましい具体例を挙げる
と、たとえば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、
リン酸トリプロピル、リン酸トリブチルなどである。
【0042】電解液の有機溶媒中におけるリン酸トリエ
ステルの量は、電解液の有機溶媒の全部がリン酸トリエ
ステルであってもよいが、放電性能を考慮すると、リン
酸トリエステルと他の有機溶媒とを併用することが好ま
しく、そのような混合溶媒系の電解液において、リン酸
トリエステルによる火災に対する安全性を確保するに
は、リン酸トリエステルの量は全有機溶媒中の40体積
%以上であることが好ましく、より好ましくはリン酸ト
リエステルが全有機溶媒中60体積%以上、さらに好ま
しくはリン酸トリエステルが全有機溶媒中90体積%以
上である。
【0043】リン酸トリエステルを用いた場合、併用可
能な他の有機溶媒としては、前述のような有機溶媒が挙
げられるが、比誘電率の高いエステルは可燃性のものが
多いため、併用に当たっては、それらの割合は少ない方
が好ましい。比誘電率の高いエステルの電解液中の割合
は、全有機溶媒中の10体積%以下が好ましく、より好
ましくは5体積%以下、さらに好ましくは3体積%以下
である。
【0044】そして、これらの比誘電率の高いエステル
による容量の向上は、上記エステルが電解液の全有機溶
媒中で1体積%以上になると現れるようになり、2体積
%に達すると著しい向上が見られるようになる。したが
って、リン酸トリアルキルとの併用にあたって、比誘電
率の高いエステルは電解液の全溶媒中1〜10体積%、
特に2〜5体積%、とりわけ2〜3体積%であることが
好ましい。
【0045】また、リン酸トリエステルと比誘電率の高
いエステルとの沸点の差は、150℃以下であることが
好ましく、より好ましくは100℃以下、さらに好まし
くは50℃以下、さらに好ましくは10℃以下である。
これは、可燃性のエステルと難燃性のリン酸トリエステ
ルとが共沸した方が、エステルが引火しにくくなるから
である。
【0046】なお、炭素材料を負極活物質として用い、
リン酸トリエステルを電解液に使用する場合には、上述
した二酸化炭素を電解液中に溶解させることによる効果
がより顕著に発現する。
【0047】すなわち、負極活物質として上記ピーク強
度比(Io/Ic)が2より小さい炭素材料を用い、正
極に高電圧活物質を用いて電池を作製すると、リン酸ト
リエステルを用いた電解液は、負極表面で反応して、放
電性能を著しく低下させるという問題を生ずるが、電解
液中に二酸化炭素を溶解させておくことにより、負極の
炭素材料と電解液の有機溶媒との反応が抑制されるから
である。
【0048】
【発明の実施の形態】つぎに、実施例を挙げて本発明を
より具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施
例のみに限定されるものでない。
【0049】実施例1 負極活物質として、12kV−10mAの測定条件にお
けるXPS分析の光電子スペクトルの530〜540e
V付近の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近の
カーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が
5.4である炭素材料を用いた。なお、この炭素材料を
用いて作製した負極の表面を2keV、7〜8μAのア
ルゴンスパッタで10分間エッチングした後の負極内部
の炭素材料のピーク強度比(Io/Ic)は5.1であ
り、負極表面の炭素材料のピーク強度比(Io/Ic)
を1としたときの負極内部の炭素材料のピーク強度比
(Io/Ic)は0.98であった。XPS分析によっ
て得られたスペクトルの530〜540eV付近のピー
ク強度と285eV付近のピーク強度を比較した。この
XPSの測定結果を図1と図2に示す。図1は285e
V付近のカーボンの光電子スペクトルを概略的に示す図
であり、図2は530〜540eV付近の酸素の光電子
スペクトルを概略的に示す図である。
【0050】なお、負極活物質として用いる上記炭素材
料のX線回折測定による(002)面の面間距離(d
002 )は3.39Åで、c軸方向の結晶子の大きさLc
は31Å、平均粒径は12μmであった。
【0051】つぎに、上記負極活物質としての炭素材料
と結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを9:1(重量
比)で混合して負極合剤とした後、これをN−メチルピ
ロリドンで分散してスラリー状にし、その負極合剤スラ
リーを厚さ18μmの帯状の銅箔からなる負極集電体の
両面に均一に塗布して乾燥し、その後、ローラープレス
機により圧縮して帯状にし、それを所定の大きさに切断
した後、リード体を溶接して、帯状の電極体を作製し
た。
【0052】以上のようにして作製した電極体を負極と
して用い、その負極を以下に示す正極などとともに用い
て電池を作製した。まず、LiCoO2 91重量部と黒
鉛6重量部とポリフッ化ビニリデン3重量部と混合して
正極合剤を調製し、その正極合剤をN−メチルピロリド
ンで溶解してスラリーにした。この正極合剤スラリーを
厚さ20μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両
面に均一に塗布して乾燥し、その後、ローラープレス機
により圧縮して帯状にし、それを所定の大きさに切断し
た後、リード体を溶接して、帯状の正極を作製した。
【0053】つぎに、上記帯状正極を厚さ25μmの微
孔性ポリプロピレンフィルムを介して前記帯状負極活物
質として重ね、渦巻状に巻回して渦巻状電極体とした
後、外径15mmの有底円筒状の電池ケース内に充填
し、正極および負極のリード体の溶接を行った後、電解
液を電池ケース内に注入する工程を経て図3に示す非水
二次電池を作製した。電解液はエチレンカーボネートと
ジオキソランとの体積比1:1の混合溶媒にLiC4
9 SO3 を0.5mol/l溶解させたものである。
【0054】ここで、図3に示す電池について説明する
と、1は前記の正極で、2は前記の負極である。ただ
し、図3では、繁雑化を避けるため、正極1や負極2の
作製にあたって使用された集電体などは図示していな
い。そして、3は微孔性ポリプロピレンフィルムからな
るセパレータで、4は上記の電解液である。
【0055】5はステンレス鋼製の電池ケースであり、
この電池ケース5は負極端子を兼ねている。電池ケース
5の底部にはポリテトラフルオロエチレンシートからな
る絶縁体6が配置され、電池ケース5の内周部にもポリ
テトラフルオロエチレンシートからなる絶縁体7が配置
されていて、前記正極1、負極2およびセパレータ3か
らなる渦巻状電極体や、電解液4などは、この電池ケー
ス5内に収容されている。
【0056】8はステンレス鋼製の封口板であり、この
封口体8の中央部にはガス通気孔8aが設けられてい
る。9はポリプロピレン製の環状パッキング、10はチ
タン製の可撓性薄板で、11は環状のポリプロピレン製
の熱変形部材である。上記の熱変形部材11は温度によ
って変形することにより、可撓性薄板10の破壊圧力を
変える作用をする。
【0057】12はニッケルメッキを施した圧延鋼製の
端子板であり、この端子板12には切刃12aとガス排
出孔12bとが設けられていて、電池内部にガスが発生
して電池の内部圧力が上昇し、その内圧上昇によって可
撓性薄板10が変形したときに、上記切刃12aによっ
て可撓性薄板10を破壊し、電池内部のガスを上記ガス
排出孔12bから電池外部に排出して、電池の破壊が防
止できるように設計されている。
【0058】13は絶縁パッキングで、14はリード体
であり、このリード体14は正極1と封口板8とを電気
的に接続しており、端子板12は封口板8との接触によ
り正極端子として作用する。また、15は負極2と電池
ケース5とを電気的に接続するリード体である。
【0059】実施例2 負極活物質として、12kV−10mAの測定条件にお
けるXPS分析の光電子スペクトルの530〜540e
V付近の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近の
カーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が
2.2である炭素材料を用いた以外は、実施例1と同様
にして非水二次電池を作製した。
【0060】なお、上記炭素材料を用いて作製した負極
の表面を2keV、7〜8μAのアルゴンスパッタで1
0分間エッチングした後の負極内部の炭素材料のピーク
強度比(Io/Ic)は2.1であり、負極表面の炭素
材料のピーク強度比(Io/Ic)を1としたときの負
極内部の炭素材料のピーク強度比(Io/Ic)は0.
95であった。
【0061】実施例3 実施例1と同様にして測定した530〜540eV付近
の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近のカーボ
ンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が1.7
5で、X線回折測定による(002)面の面間距離(d
002 )が3.44Å、c軸方向の結晶子の大きさLcが
28Å、平均粒径が11μmの炭素材料を負極活物質前
駆体として用い、実施例1と同様にして帯状の電極体を
作製した。
【0062】つぎに、この電極体をカーボン処理液によ
る処理を行った。カーボン処理液による処理方法は、ま
ずLiC4 9 SO3 (NFB)をジオキソランに溶解
させた後、エチレンカーボネートを加えて混合し、0.
5mol/lNFB/EC:DO(体積比1:1)で組
成が示されるカーボン処理液を調製した。
【0063】上記カーボン処理液におけるNFBはLi
4 9 SO3 の略称で、ECはエチレンカーボネート
の略称で、DOはジオキソランの略称である。したがっ
て、上記カーボン処理液を示す0.5mol/lNFB
/EC:DO(体積比1:1)は、エチレンカーボネー
トとジオキソランとの体積比1:1の混合溶媒にLiC
4 9 SO3 を0.5mol/l溶解させたものである
ことを示している。
【0064】つぎに、上記電極体をカーボン処理液中で
Liを対極として48時間短絡させてリチウムをドープ
し、ついで1.5Vの電圧を3日間かけて脱ドープし、
ジオキソランで洗浄した後、所望の負極を得た。
【0065】このようにして得た負極の炭素材料のXP
S分析を行った。その結果、12kV−10mAの測定
条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜
540eV付近の酸素ピーク強度(Io)と285eV
付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/I
c)は6.2であった。また、この負極の表面を2ke
V、7〜8μAのアルゴンスパッタで10分間エッチン
グした後の負極内部の炭素材料のピーク強度比(Io/
Ic)は4.2であり、負極表面の炭素材料のピーク強
度比(Io/Ic)を1としたときの負極内部の炭素材
料のピーク強度比(Io/Ic)は0.68であった。
そして、この負極を用いた以外は、実施例1と同様にし
て非水二次電池を作製した。
【0066】実施例4 実施例1と同様にして測定した530〜540eV付近
の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近のカーボ
ンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が12.
8で、X線回折測定による(002)面の面間距離(d
002 )が3.37Å、c軸方向の結晶子の大きさLcが
35Å、平均粒径が11μmの炭素材料を負極活物質前
駆体として用い、この炭素材料を二酸化炭素10体積%
を含むアルゴン雰囲気中、900℃で5時間加熱処理を
して、ピーク強度比(Io/Ic)が9.1の炭素材料
を得た。
【0067】つぎに、上記のようにして得られたピーク
強度比(Io/Ic)が9.1の炭素材料を負極活物質
として用いた以外は、実施例1と同様にして非水二次電
池を作製した。なお、上記炭素材料を用いて作製した負
極の表面を2keV、7〜8μAのアルゴンスパッタで
10分間エッチングした後の負極内部の炭素材料のピー
ク強度比(Io/Ic)は8.8であり、負極表面の炭
素材料のピーク強度比(Io/Ic)を1としたときの
負極内部の炭素材料のピーク強度比(Io/Ic)は
0.98であった。
【0068】実施例5 実施例1と同様の負極を用い、電解液中に二酸化炭素を
バブリングさせ、電解液中に二酸化炭素を分圧1kg/
cm2 で溶解させたものを用いた以外は、実施例1と同
様にして非水二次電池を作製した。
【0069】ただし、この電池の作製にあたっては、渦
巻状電極体などを充填した電池ケースおよび前記の二酸
化炭素を溶解させた電解液をドライアイスで−20℃〜
−40℃に冷却したのち、二酸化炭素雰囲気を保ちなが
ら、電解液を電池ケース内に注入し、電解液がセパレー
タなどに充分に浸透した後、さらに約0.02gのドラ
イアイスを電解液にぬれないようにして投入した後、5
秒間で封口し、電池を作製した。なお、同様に作製した
電池中の二酸化炭素量を測定したところ、電解液換算で
約0.35mol/lの二酸化炭素が検出された。
【0070】実施例6 リン酸トリメチルとエチレンカーボネートとを体積比9
8:2で混合し、この混合溶媒にLiC4 9 SO3
1.0mol/l溶解させて、組成が1.0mol/l
NFB/〔TMP(98vol%)+EC(2vol
%)〕で示されるカーボン処理液を調製した。
【0071】上記電解液におけるTMPはリン酸トリメ
チルの略称である。したがって、上記電解液を示す1.
0mol/lNFB/〔TMP(98vol%)+EC
(2vol%)〕は、リン酸トリメチル98体積%とエ
チレンカーボネート2体積%との混合溶媒にLiC4
9 SO3 を1.0mol/l溶解させたものであること
を示している。このカーボン処理液を用いて実施例3と
同様のピーク強度比(Io/Ic)が1.75の炭素材
料を負極活物質前駆体として実施例3と同様に処理し、
所望の負極を得た。
【0072】このようにして得た負極の炭素材料のXP
S分析を行った。その結果、12kV−10mAの測定
条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜
540eV付近の酸素ピーク強度(Io)と285eV
付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/I
c)は9.2であった。また、この負極の表面を2ke
V、7〜8μAのアルゴンスパッタで10分間エッチン
グした後の負極内部の炭素材料のピーク強度比(Io/
Ic)は6.4であり、負極表面の炭素材料のピーク強
度比(Io/Ic)を1としたときの負極内部の炭素材
料のピーク強度比(Io/Ic)は0.69であった。
【0073】この負極と、上記処理液と同組成の溶液中
に二酸化炭素をバブリングさせ、二酸化炭素を分圧1k
g/cm2 で溶解させたものを電解液として用いた以外
は、実施例1と同様にして非水二次電池を作製した。
【0074】この電池について実施例5と同様にして電
池中の二酸化炭素量を測定したところ、約0.35mo
l/lの二酸化炭素が検出された。
【0075】比較例1 実施例1と同様にして測定した530〜540eV付近
の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近のカーボ
ンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が1.5
で、X線回折測定による(002)面の面間距離(d
002 )が3.38Å、c軸方向の結晶子の大きさLcが
32Å、平均粒径が12μmの炭素材料を負極活物質と
して用い、それ以外は実施例1と同様にして非水二次電
池を作製した。
【0076】なお、上記電池の組立前に、負極の表面を
2keV、7〜8μAのアルゴンスパッタで10分間エ
ッチングした後の負極内部の炭素材料のピーク強度比
(Io/Ic)は1.5であり、負極表面の炭素材料の
ピーク強度比(Io/Ic)を1としたときの負極内部
の炭素材料のピーク強度比(Io/Ic)は1であっ
た。
【0077】比較例2 実施例1と同様にして測定した530〜540eV付近
の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近のカーボ
ンのピーク強度(Ic)との比(Io/Ic)が11.
0で、X線回折測定による(002)面の面間距離(d
002 )が3.38Å、c軸方向の結晶子の大きさLcが
32Å、平均粒径が12μmの炭素材料を負極活物質と
して用い、それ以外は実施例1と同様にして非水二次電
池を作製した。
【0078】なお、上記電池の組立前に、負極の表面を
2keV、7〜8μAのアルゴンスパッタで10分間エ
ッチングした後の負極内部の炭素材料のピーク強度比
(Io/Ic)比は10.5であり、負極表面の炭素材
料のピーク強度比(Io/Ic)を1としたときの負極
内部の炭素材料のピーク強度比(Io/Ic)は0.9
5であった。
【0079】上記のようにして得た実施例1〜6の電池
および比較例1〜2の電池について0.1Cで、電圧
2.7〜4.2Vの範囲で充放電させ、1サイクル目の
リテンションを調べた。また、実施例1の容量を100
とし、各電池の容量比を調べた。その結果を表1に示
す。なお、リテンションは下記の式から求めた。 リテンション(%)=〔(充電容量−放電容量)/(充
電容量)〕×100
【0080】また、表1には、負極表面の炭素材料のピ
ーク強度比を簡略化して「表面のピーク強度比」と表示
し、負極内部の炭素材料のピーク強度比を簡略化して
「内部のピーク強度比」と表示する。
【0081】
【表1】
【0082】XPS分析の測定条件:ESCALAB
mark2 測定条件 12kV−10mA 真空度 7×10-7Pa アルゴンスパッタ処理なし (ピークのみられない箇所を強度0とし、これをベース
ラインとして処理した)
【0083】表1に示すように、実施例1〜6の電池
は、比較例〜2の電池に比べて、リテンションが非常に
小さかった。また電解液中に二酸化炭素を溶解させた実
施例5の電池は、電解液中に二酸化炭素を溶解させなか
った実施例1に比べて、リテンションが小さく、容量比
も大きかった。
【0084】実施例7 リン酸トリメチル(TMP)にLiC4 9 SO3 (N
FB)を1.0mol/l溶解させて、組成が1.0m
ol/lNFB/TMPで示される電解液を調製し、こ
の電解液中に二酸化炭素をバブリングさせ、二酸化炭素
を電解液中に溶解させた。
【0085】なお、同様に作製した電池の二酸化炭素量
を実施例5と同様の方法により測定したところ、電解液
単位体積当たり約0.35mol/lの二酸化炭素が検
出された。
【0086】これとは別に、正極活物質としてLiNi
2 を用い、このLiNiO2 に導電助剤としてりん状
黒鉛を重量比100:33で加えて混合し、この混合物
と、ポリフッ化ビニリデンをN−メチルピロリドンに溶
解させた溶液とを混合してスラリーにした。この正極合
剤スラリー中におけるポリフッ化ビニリデン量はLiN
iO2 100重量部に対して12重量部であった。この
正極合剤スラリーを70メッシュの網を通過させて大き
なものを取り除いた後、厚さ20μmのアルミニウム箔
からなる正極集電体の両面に均一に塗布して乾燥し、そ
の後、ローラプレス機により圧縮して帯状にした後、所
定の大きさに切断し、リード体を溶接して、帯状の正極
を作製した。
【0087】上記電解液および正極と実施例1で得られ
た負極とを用い、実施例1と同様にして非水二次電池を
作製した。
【0088】実施例8 電解液中への二酸化炭素の溶解量を0.1mol/lに
変更した以外は、実施例7と同様にして非水二次電池を
作製した。この電池の電解液はリン酸トリメチル98体
積%とエチレンカーボネート2体積%との混合溶媒にL
iC4 9 SO3 を1.0mol/l溶解させたもので
あり、この電池の電解液単位体積当たりの二酸化炭素の
溶解量は0.1mol/lであった。なお、この電池で
は、電解液注入時に電池にドライアイスを投入しなかっ
た。
【0089】実施例9 リン酸トリエチル(TEP)とエチレンカーボネート
(EC)を体積比98:2で混合し、この混合溶媒にL
iC4 9 SO3 を1.0mol/l溶解させて、組成
が1.0mol/lNFB/〔TEP(98vol%)
+EC(2vol%)〕で示される電解液を調製した。
【0090】この電解液中に二酸化炭素をバブリングさ
せて、電解液中に二酸化炭素を溶解させ、この電解液を
用いた以外は、実施例7と同様にして非水二次電池を作
製した。なお、同様に作製した電池の電解液単位体積当
たりの二酸化炭素量は約0.35mol/lであった。
【0091】比較例3 1,2−ジメトキシエタンとエチレンカーボネートとの
体積比1:1の混合溶媒にLiC4 9 SO3 を1.0
mol/l溶解して、電解液を調製した。
【0092】この電解液中に二酸化炭素を溶解させるこ
となく、そのまま電池組立に供し、それ以外は実施例7
と同様にして非水二次電池を作製した。
【0093】この比較例3の電池と上記実施例6〜9の
電池について、次に示す安全性試験を行った。
【0094】安全性試験 電池が高温に加熱されて、防爆用の安全弁が作動した状
態(すなわち、図3に示す電池において、電解液中から
の溶媒の蒸発などにより、電池内部にガスが発生し、電
池内圧が上昇して、可撓性薄板10が端子板12側に膨
張し、切刃12aに接触して、可撓性薄板10が破壊さ
れ、電池内部のガスがガス排出孔12bから電池外部に
排出される状態)になったことを想定し、あらかじめ可
撓性薄板10を破壊しておき、その状態で電池を100
℃まで加熱し、電池のガス排出孔12bに火を近付け
て、引火するか否かを調べた。その結果を表2に示す。
【0095】
【表2】
【0096】表2に示すように、実施例6〜9の電池は
100℃まで加熱しても引火せず、火災に対して高い安
全性を有していた。なお、実施例6〜9の電池の電解液
の引火点はいずれも200℃以上であった。
【0097】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、負極
活物質として、12kV−10mAの測定条件における
XPS分析の光電子スペクトルの530〜540eV付
近の酸素のピーク強度(Io)と285eV付近のカー
ボンのピーク強度(Ic)の比(Io/Ic)が2以上
の炭素材料を用いることによって、リテンションが小さ
く、高容量の非水二次電池を提供することができる。
【0098】また、上記炭素材料を用いた電池におい
て、電解液に二酸化炭素を溶解させることにより、リテ
ンションをより小さくすることができた。
【0099】さらに、上記炭素材料を負極活物質として
用い、二酸化炭素を溶解した電解液を用いた高容量の非
水二次電池において、電解液の有機溶媒としてリン酸ト
リエステルを用いることにより、安全性を向上させるる
ことができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1で負極活物質として用いる炭
素材料のXPS測定の285eV付近のカーボンの光電
子スペクトルを概略的に示す図である。
【図2】本発明の実施例1で負極活物質として用いる炭
素材料のXPS測定の530〜540eV付近の酸素の
光電子スペクトルを概略的に示す図である。
【図3】本発明に係る非水二次電池の一例を模式的に示
す断面図である。
【符号の説明】
1 正極 2 負極 3 セパレータ 4 電解液

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機溶媒系の電解液を用いる非水二次電
    池において、負極活物質が12kV−10mAの測定条
    件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜5
    40eV付近の酸素のピーク強度(Io)と285eV
    付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/I
    c)が2以上の炭素材料からなることを特徴とする非水
    二次電池。
  2. 【請求項2】 負極活物質が12kV−10mAの測定
    条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜
    540eV付近の酸素のピーク強度(Io)と285e
    V付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/
    Ic)が4以上の炭素材料からなることを特徴とする請
    求項1記載の非水二次電池。
  3. 【請求項3】 電解液中に二酸化炭素が溶解されている
    ことを特徴とする請求項1または2記載の非水二次電
    池。
  4. 【請求項4】 二酸化炭素の溶解量が0.03mol/
    l以上であることを特徴とする請求項3記載の非水二次
    電池。
  5. 【請求項5】 電解液の比誘電率が20〜100である
    ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載の非水
    二次電池。
  6. 【請求項6】 電解液の電解質としてリチウム含有化合
    物を用いたことを特徴とする請求項1、2、3、4また
    は5記載の非水二次電池。
  7. 【請求項7】 電解液の有機溶媒としてリン酸トリエス
    テルを含有することを特徴とする請求項1、2、3、
    4、5または6記載の非水二次電池。
  8. 【請求項8】 リン酸トリエステルが、一般式(I) (RO)3 P=O (I) (式中、Rは炭素数1〜6のアルキル基を表し、式中の
    3つのRは同一でもよく、また異なっていてもよい)で
    示される化合物であることを特徴とする請求項7記載の
    非水二次電池。
  9. 【請求項9】 有機溶媒系の電解液を用いる非水二次電
    池において、負極活物質が12kV−10mAの測定条
    件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜5
    40eV付近の酸素のピーク強度(Io)と285eV
    付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/I
    c)が2以上の炭素材料からなり、かつ上記ピーク強度
    比(Io/Ic)が負極表面を2keV、7〜8μAの
    アルゴンスパッタで10分間エッチングした後の負極内
    部の炭素材料の前記同様のピーク強度比(Io/Ic)
    より大きいことを特徴とする請求項1、2、3または4
    記載の非水二次電池。
  10. 【請求項10】 負極表面の炭素材料のピーク強度比
    (Io/Ic)を1としたときの負極内部の炭素材料の
    ピーク強度(Io/Ic)が0.95以下である請求項
    9記載の非水二次電池。
  11. 【請求項11】 有機溶媒系の電解液を用いる非水二次
    電池において、負極活物質が12kV−10mAの測定
    条件におけるXPS分析の光電子スペクトルの530〜
    540eV付近の酸素のピーク強度(Io)と285e
    V付近のカーボンのピーク強度(Ic)との比(Io/
    Ic)が2以上の炭素材料からなり、電解液中に二酸化
    炭素が溶解されており、電解液の有機溶媒としてリン酸
    トリエステルが含有されていることを特徴とする非水二
    次電池。
  12. 【請求項12】 電池への電解液の注入を二酸化炭素を
    含む乾燥雰囲気中で行うことを行うことを特徴とする請
    求項9または10記載の非水二次電池の製造方法。
  13. 【請求項13】 乾燥雰囲気中の二酸化炭素分圧が0.
    05kgf/cm2以上であることを特徴とする請求項
    12記載の非水二次電池の製造方法。
  14. 【請求項14】 電解液の注入前の温度が10℃以下で
    あることを特徴とする請求項12または13記載の非水
    二次電池の製造方法。
  15. 【請求項15】 電解液注入時に電池内にドライアイス
    を投入する請求項14記載の非水二次電池の製造方法。
  16. 【請求項16】 ドライアイス投入時に電解液との接触
    がなく、投入後1分以内に電池の封口を行うことを特徴
    とする請求項15記載の非水二次電池の製造方法。
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