JPH08171913A - Electrode and battery employing the electrode - Google Patents

Electrode and battery employing the electrode

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JPH08171913A
JPH08171913A JP6313345A JP31334594A JPH08171913A JP H08171913 A JPH08171913 A JP H08171913A JP 6313345 A JP6313345 A JP 6313345A JP 31334594 A JP31334594 A JP 31334594A JP H08171913 A JPH08171913 A JP H08171913A
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JP
Japan
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electrode
orientation
carbon
fibers
degree
Prior art date
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Pending
Application number
JP6313345A
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Japanese (ja)
Inventor
Tatsuhiko Suzuki
達彦 鈴木
Jun Tsukamoto
遵 塚本
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH08171913A publication Critical patent/JPH08171913A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

PURPOSE: To provide the electrode and a battery employing the electrode where the electrode is high in charging/discharging capacity, and can be easily molded by using carbonaceous material whose average length in the direction of orientation is less than a specified value, which can be obtained out of carbon substances having a specified degree of orientation. CONSTITUTION: The electrode is formed out of carbonaceous material whose average length in the direction of orientation is less than 5mm, which can be obtained out of carbon substances whose degree P of orientation is 70%<=P<=85%. For example, acrylo fibers of polyacrylonitride composed of 99.2% acrylonitride by mole and 0.8% metha-acrylic acid by mole where the degree of orientation of acrylo fibers is 92%, is made fire resistant in the air at the temperature of 200 to 250 deg.C with no attention strained, and is subsequently sintered in the nitrogen at 1100 deg.C for 5 minutes with no attention strained so as to be formed into carbon fibers. The aforesaid carbon fibers are smashed into middle fibers whose average length is about 30μm, and binding and solvent are added thereto so as to be formed into slurry. The slurry is then applied onto a copper foil, dried and pressed so as to be formed into the electrode.

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、配向度の低い炭素体か
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 a carbon body 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用いた二次電池としては、特
開昭57−208079号公報、特開昭58−9317
6号公報、特開昭58−192266号公報、特開昭6
2−90863号公報、特開昭62−122066号公
報、特開平2−66856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
のポリマの結着剤を加えたシート状成型体として電極に
用いられる。一方、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電極に用いた二次電池
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62−154564号公報、特開昭63−5
8763号公報、特開平2−82466号公報等が公知
である。
Secondary batteries using an electrode utilizing the above-mentioned carbonaceous material doped with lithium ions are disclosed in JP-A-57-208079 and JP-A-58-9317.
6, JP-A-58-192266, JP-A-6-
No. 2-90863, Japanese Patent Laid-Open No. 62-122066, Japanese Patent Laid-Open No. 2-66856 and the like are known. Such a carbonaceous material is generally in the form of powder, and is used for an electrode as a sheet-shaped molded body to which a polymer binder such as Teflon or vinylidene fluoride is added for electrode molding. On the other hand, as a secondary battery using a carbon fiber or a carbon fiber structure as an electrode instead of a powder as a carbonaceous material, JP-A-60-36315 and JP-A-60-6315 are available.
-54181, JP-A-62-103991, JP-A-62-154564, JP-A-63-5.
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 8763 and Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-82466 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。
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.

【0006】本発明は、上記欠点を解消して、配向を有
する炭素体を用いた充放電容量が高く、かつ、成型加工
の容易な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。
It is an object of the present invention to solve the above-mentioned drawbacks and to provide an electrode using a carbon body having an orientation and having a high charge / discharge capacity and being easily molded and a secondary battery using the electrode. And

【0007】[0007]

【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.

【0008】「(1) 配向度Pが、70%≦P≦85%で
ある炭素体から得られる配向方向の平均長さが5mm以下
の炭素質材料からなる電極。
"(1) An electrode made of a carbonaceous material having an orientation degree P of 70% ≤P≤85% and having an average length of 5 mm or less in the orientation direction obtained from a carbon body.

【0009】(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.

【0010】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体が高容量
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 a carbon body having an appropriate degree of orientation is excellent as the high-capacity carbon material.

【0011】以下、本発明の電池用電極に用いられる炭
素体について、その代表例として炭素繊維を上げて、詳
述する。
The carbon body used in the battery electrode of the present invention will be described in detail below by using carbon fiber as a typical example.

【0012】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. Assuming that the full width at half maximum obtained from the angle dependence of this intensity is the angle H,
The orientation degree P is calculated from the following formula.

【0013】 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 generally fired organic material is 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.

【0014】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 preferable. In particular, in terms of good doping with alkali metal ions, especially lithium ions, P
AN-based carbon fiber is preferably used.

【0015】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, a 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.

【0016】PAN系炭素繊維を製造する方法として
は、特公昭37−4405号公報、特公昭44−211
75号公報、特公昭47−24185号公報、特公昭5
1−6244号公報、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 号公報に
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。
As a method for producing a PAN-based carbon fiber, Japanese Patent Publication No. 37-4405 and Japanese Patent Publication No. 44-211.
No. 75, Japanese Patent Publication No. 47-24185, Japanese Patent Publication No. 5
No. 1-6244, 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 the co-precipitation with a component such as methyl acrylate or methyl methacrylate that easily causes orientation relaxation by heating. A method using a polymerized polymer is preferably used. In the firing process, a specific example is
In the method disclosed in Japanese Patent No. 51-24603, it is possible to adopt a method in which the stretching ratio in the flameproofing step is 0.78 times, and the stretching ratio in the carbonization step is also contracted to 0.92 times. it can. Furthermore, the tension in the stabilization process, that is, the flameproofing process disclosed in JP-A-62-117818 is 0.03 g, which is lower than 0.16 g / d of the comparative example.
By setting / df, the degree of orientation becomes 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, by the same technical idea,
It is possible to manufacture low orientation carbon fibers.

【0017】本発明においては、上記適切な配向度を持
つ炭素繊維から得られる配向方向の平均長さが5mm以
下、好ましくは1mm以下、より好ましくは100μm以
下の炭素質材料が用いられる。平均長さは、例えば、S
EM等の顕微鏡での観察により、20個以上の炭素質材
料の配向方向の長さを測定することにより求める。上記
炭素質材料は、結着剤を添加し、溶媒を加えたスラリー
から、シート状に成型し、電極として使用するが、長さ
が5mmを越えると、塗工性が悪くなる。炭素繊維を長さ
5mm以下に切断あるいは粉砕する方法としては、種々の
微粉砕機などを使用することが可能である。
In the present invention, a carbonaceous material having an average length in the orientation direction of 5 mm or less, preferably 1 mm or less, and more preferably 100 μm or less, which is obtained from the carbon fiber having the appropriate degree of orientation, is used. The average length is, for example, S
It is determined by measuring the length of 20 or more carbonaceous materials in the orientation direction by observing with a microscope such as EM. The above carbonaceous material is used as an electrode by forming a sheet from a slurry containing a binder and a solvent, but if the length exceeds 5 mm, the coatability deteriorates. As a method of cutting or crushing the carbon fiber to a length of 5 mm or less, various fine crushers can be used.

【0018】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.

【0019】以上本発明の適切な配向度を持つ炭素体と
して、炭素繊維について詳述したが、炭素繊維以外にも
配向性を持つ炭素体であれば、本発明の適用が可能であ
る。本発明の炭素体から得られる長さが5mm以下の炭素
質材料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。
Although carbon fibers have been described in detail as the carbon body having an appropriate degree of orientation of the present invention, the present invention can be applied to any carbon body having an orientation other than carbon fibers. The electrode composed of a carbonaceous material having a length of 5 mm or less, which is obtained from the carbon body of the present invention, can be used as an active electrode of various batteries, and is used for any battery such as a primary battery or a secondary battery. It 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.

【0020】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 to the 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 are those which should 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 is sufficient to use either one of them for the carbon fiber of the present invention. 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.

【0021】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.

【0022】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 may be used, and examples thereof include an acid or alkaline aqueous solution or a non-aqueous solvent. Among them, 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.

【0023】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.

【0024】[0024]

【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.

【0025】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%.

【0026】次に上記炭素繊維を粉砕し、平均長さ約3
0μmのミルドファイバーとた。平均長さは、SEM観
察により、20個の粒子の配向方向の長さを測定し、平
均値を求めた。これに結着剤としてポリフッ化ビニリデ
ン10重量部を加え、溶媒として1−メチル−2−ピロ
リドンを用いてスラリーを作成した。このスラリーを銅
箔に塗布後、乾燥、プレスして電極を作成し、充電評価
を行った。電解液は1MLiBF4 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。炭素質材料重量当たりの
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質
材料電極の放電容量は、390mAh/gであった。
Next, the above-mentioned carbon fiber is crushed to obtain an average length of about 3
It was a 0 μm milled fiber. The average length was obtained by measuring the lengths of 20 particles in the orientation direction by SEM observation and determining the average value. To this, 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride was added as a binder, and 1-methyl-2-pyrrolidone was used as a solvent to prepare a slurry. After applying this slurry to a copper foil, it was dried and pressed to form an electrode, and the charge was evaluated. The electrolytic solution was evaluated by a three-electrode cell using propylene carbonate containing 1 M LiBF 4 and a metallic lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbonaceous material was 40 mA / g constant current, and the battery was charged to 0 V (vs. Li + / Li). The discharge capacity of the carbonaceous material electrode determined from the amount of charge discharged after charging was 390 mAh / g.

【0027】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。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。
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 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、実施例1と同
様に電極を作製し、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。炭素質材料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質材料電極の放電容量は、
130mAh/gであった。
Next, using the above carbon fiber, an electrode was prepared in the same manner as in Example 1 and the charge was evaluated. 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 carbonaceous material was a constant current of 40 mA / g, and it was charged to 0 V (vs. Li + / Li). The discharge capacity of the carbonaceous material electrode obtained from the amount of charge discharged after charging is
It 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10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78.0%であった。次に上記炭素繊
維を用いて、実施例1と同様に電極を作製し、充電評価
を行った。電解液は1MLiBF4 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。炭素質材料重量当たりの
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質
材料電極の放電容量は、375mAh/g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 10 minutes in a nitrogen atmosphere without tension. Total shrinkage during processing is 31% of original length
Met. 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 78.0%. Next, an electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the above carbon fiber, and the charge was evaluated. The electrolytic solution was evaluated by a three-electrode cell using propylene carbonate containing 1 M LiBF 4 and a metallic lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbonaceous material was 40 mA / g constant current, and the battery was charged to 0 V (vs. Li + / Li). The discharge capacity of the carbonaceous material electrode determined from the amount of charge discharged after charging was 375 mAh / g.

【0030】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10分間、1050℃付
近で焼成した。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79.8%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 10 minutes under a nitrogen atmosphere in a tension state. 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 79.8%.

【0031】次に上記炭素繊維を用いて、実施例1と同
様に電極を作製し、充電評価を行った。電解液は1ML
iBF4 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。炭素質材料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質材料電極の放電容量は、41
0mAh/gであった。
Next, using the above carbon fiber, an electrode was prepared in the same manner as in Example 1 and the charge was evaluated. The electrolyte is 1ML
Evaluation was carried out in a three-electrode cell using propylene carbonate containing iBF 4 , and metallic lithium foil for the counter electrode and the reference electrode. The current density per weight of carbonaceous material was 40 mA / g constant current, and the battery was charged to 0 V (vs. Li + / Li). The discharge capacity of the carbonaceous material electrode calculated from the amount of charge discharged after charging is 41
It was 0 mAh / g.

【0032】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 pulverized in a ball mill, artificial graphite as a conductive material, polyvinylidene fluoride as a binder (PVdF), using N- methylpyrrolidone as a solvent, LiCoO at a weight ratio of 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.

【0033】実施例1にて作製した炭素質材料電極を負
極にし、多孔質ポリプロピレンフィルム(セルガード#
2500、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、1MLiBF4 を含むプロピ
レンカーボネートを用いた。
The carbonaceous material electrode prepared in Example 1 was used as a negative electrode, and a porous polypropylene film (Celgard #
A secondary battery was manufactured by stacking the positive electrode prepared above through a separator 2500 (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.). As the electrolyte, propylene carbonate containing 1M LiBF 4 was used.

【0034】上記にて作製した二次電池の充電評価を行
った。炭素質材料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
用された炭素質材料の重量当たりで390mAh/gであった。
The charging evaluation of the secondary battery manufactured as described above was performed. The current density per weight of carbonaceous material was 40 mA / g, and the battery was charged to 4.3 V at a constant current. The discharge capacity of the secondary battery obtained from the amount of charge discharged after charging was 390 mAh / g based on the weight of the carbonaceous material used in the battery.

【0035】比較例2 比較例1で作製した炭素質材料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
に使用された炭素質材料の重量当たりで110mAh/gであっ
た。
Comparative Example 2 The carbonaceous material electrode prepared in Comparative Example 1 was used as the negative electrode,
A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4. The weight of the carbonaceous material used in this battery was 110 mAh / g.

【0036】[0036]

【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 (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】配向度Pが、70%≦P≦85%である炭
素体から得られる配向方向の平均長さが5mm以下の炭素
質材料からなる電極。
1. An electrode made of a carbonaceous material having a degree of orientation P of 70% ≦ P ≦ 85% and having an average length in the orientation direction of 5 mm or less, which is obtained from a carbon body.
【請求項2】該炭素体が、炭素繊維である請求項1記載
電極。
2. The electrode according to claim 1, wherein the carbon body is carbon fiber.
【請求項3】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2記載の電極。
3. The carbon fiber comprises polyacrylonitrile 90
The electrode according to claim 2, which is obtained by firing at 0 ° C to 1500 ° C.
【請求項4】請求項1記載の電極を用いた二次電池。4. A secondary battery using the electrode according to claim 1. 【請求項5】請求項2記載の電極を用いた二次電池。5. A secondary battery using the electrode according to claim 2.
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