JPH08180868A - Carbon material for lithium secondary battery negative electrode, its manufacture, carbon electrode and nonaqueous electrolytic lithium secondary battery - Google Patents

Carbon material for lithium secondary battery negative electrode, its manufacture, carbon electrode and nonaqueous electrolytic lithium secondary battery

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JPH08180868A
JPH08180868A JP6322888A JP32288894A JPH08180868A JP H08180868 A JPH08180868 A JP H08180868A JP 6322888 A JP6322888 A JP 6322888A JP 32288894 A JP32288894 A JP 32288894A JP H08180868 A JPH08180868 A JP H08180868A
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Japan
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carbon
negative electrode
secondary battery
carbon material
lithium secondary
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Yuji Matsumura
雄次 松村
Seiriyuu Ou
生龍 王
Shigeji Mizutori
重司 水取
Chiharu Yamaguchi
千春 山口
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Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

PURPOSE: To provide a carbon material (carbon electrode) having a large lithium storing quantity, and a method for manufacturing it, and also provide a nonaqueous electrolytic lithium secondary battery with long charging and discharging cycle life and high discharging capacity. CONSTITUTION: A carbon material in which the C-axial crystallite size Lc determined from X-ray diffraction is not more than 20Å, the value of 1÷(Lc÷d002+1) is 0.17 or more when the 002 surface spacing is d002, and oxygen content is less than 3wt.% is used as a negative electrode 3. A petroleum or petroleum pitch, aromatic resin, mesocarbon microbead or polymer material is baked under inert or reductive atmosphere to form a negative electrode carbon material.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は非水電解液リチウム二次
電池負極用炭素材料及びその製造方法に関する。本発明
は非水電解液リチウム二次電池負極用炭素電極に関す
る。本発明は、新規な非水電解液リチウム二次電池に関
する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a carbon material for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery and a method for producing the same. The present invention relates to a carbon electrode for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery. The present invention relates to a novel non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】電子機器の小型化に伴い電池の高エネル
ギー密度が要求されている。負極活物質としてリチウム
を使用するリチウム二次電池は高エネルギー密度型二次
電池の一種として注目されている。従来のリチウム二次
電池においては、金属リチウムを負極用材料とし、リチ
ウムを含む正極及び非プロトン性有機溶媒に塩を溶解さ
せた電解液を使用する。しかし、負極用材料として金属
リチウムを使用したのでは、特に二次電池として使用す
る場合に、充放電の繰り返しにより、負極表面にリチウ
ムデントライトが析出するという問題点がある。このリ
チウムデントライトは隔膜を貫通して成長し、正極との
間で短絡する危険性が大きい。そのため、負極用材料と
して金属リチウムを使用した二次電池には充放電のサイ
クル寿命が短いという欠点がある。
2. Description of the Related Art With the miniaturization of electronic devices, high energy density of batteries is required. BACKGROUND ART A lithium secondary battery using lithium as a negative electrode active material has attracted attention as a type of high energy density secondary battery. In a conventional lithium secondary battery, metallic lithium is used as a negative electrode material, and a positive electrode containing lithium and an electrolytic solution in which a salt is dissolved in an aprotic organic solvent are used. However, when metallic lithium is used as the material for the negative electrode, there is a problem that lithium dendrite is deposited on the surface of the negative electrode due to repeated charging and discharging, especially when used as a secondary battery. This lithium dendrite grows through the diaphragm and has a high risk of short circuit with the positive electrode. Therefore, the secondary battery using metallic lithium as the material for the negative electrode has a shortcoming that the cycle life of charging / discharging is short.

【0003】この問題点を解決する一つの方法として、
負極用材料として黒鉛を用いることが提案されている。
この方法では、黒鉛を負極とし、リチウムを含む正極及
び非水電解液を使用する。この方法では、充電の際に、
負極において、黒鉛の層状構造にリチウムが吸蔵され、
リチウムを含む黒鉛層間化合物が生成する。放電の際に
は、負極の黒鉛層間化合物中のリチウムが炭素層間から
放出され、正極に戻る。
As one method for solving this problem,
It has been proposed to use graphite as the material for the negative electrode.
In this method, graphite is used as a negative electrode, and a positive electrode containing lithium and a nonaqueous electrolytic solution are used. In this way, when charging,
In the negative electrode, lithium is occluded in the graphite layered structure,
A graphite intercalation compound containing lithium is produced. During discharge, lithium in the graphite intercalation compound of the negative electrode is released from the carbon layer and returns to the positive electrode.

【0004】高温、高圧での極端な条件下では、黒鉛と
リチウムとの化学反応によりC2 Liが形成される。し
かし、黒鉛を負極としたリチウム二次電池において、電
気化学的充電により、黒鉛とリチウムとの層間化合物を
生成させる場合には、炭素6個に対してリチウム1個が
配位する状態(C6 Li)となる時に、最大の放電容量
を持つことが分かっており、理論的には、負極の放電容
量は最大で372mAh/g−carbonまで高めることが
できる。
Under extreme conditions of high temperature and high pressure, C 2 Li is formed by a chemical reaction between graphite and lithium. However, in a lithium secondary battery using graphite as a negative electrode, when an intercalation compound of graphite and lithium is produced by electrochemical charging, one lithium is coordinated with six carbons (C 6 It is known to have the maximum discharge capacity when it becomes Li), and theoretically, the discharge capacity of the negative electrode can be increased up to 372 mAh / g-carbon.

【0005】これに対し、本発明者が調べたところ、負
極材料として非結晶炭素材料を使用した場合、黒鉛を使
用した場合の理論放電容量である372mAh/g−ca
rbonを越える電池が得られる場合があることが判明し
た。このことは、炭素原子とリチウムとの結合状態とし
て、黒鉛層間化合物におけるインターカレーション以外
の結合状態が存在することを示唆している。従来、その
詳細なメカニズムは不明であった。
On the other hand, the inventor of the present invention has found that when an amorphous carbon material is used as the negative electrode material, the theoretical discharge capacity is 372 mAh / g-ca when graphite is used.
It has been found that a battery exceeding rbon may be obtained in some cases. This suggests that a bonding state other than intercalation in the graphite intercalation compound exists as a bonding state between the carbon atom and lithium. Conventionally, the detailed mechanism has been unknown.

【0006】一方、炭素材料を負極として使用した場合
の放電容量を、炭素材料の物理的なパラメーターと関連
付けようとする試みも種々なされている。例えば、この
ようなパラメーターとして、負極に用いる炭素材料の0
02面の面間隔(d002 )、C軸方向の結晶子サイズ
(Lc)、比表面積、ラマン分光のR値(非結晶質構造
に基づく1360cm-1のピーク強度と結晶構造に基づ
く1580cm-1のピーク強度との比であり、Rが小さ
いほど結晶化度が高くなる)、H/C原子比率、細孔径
分布、細孔容積、ESRの一次微分吸収スペクトルのピ
ーク間の線幅、比重などが検討されている。
On the other hand, various attempts have been made to relate the discharge capacity when a carbon material is used as a negative electrode to the physical parameters of the carbon material. For example, as such a parameter, 0 of the carbon material used for the negative electrode is used.
02 side of the plane spacing (d002), crystallite size in the C-axis direction (Lc), specific surface area, Raman spectroscopy R value (the amorphous structure peak intensity of 1360 cm -1 based on the based on the crystal structure 1580 cm -1 It is the ratio to the peak intensity, and the smaller R is, the higher the crystallinity is), the H / C atomic ratio, the pore size distribution, the pore volume, the line width between peaks of the first derivative absorption spectrum of ESR, the specific gravity, etc. Is being considered.

【0007】しかし、炭素材料を負極として使用した場
合の放電容量を、炭素材料の構造やこれらのパラメータ
ーによって統一的に説明する試みは成功していなかっ
た。
However, an attempt to uniformly explain the discharge capacity when a carbon material is used as a negative electrode by the structure of the carbon material and these parameters has not been successful.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来の実情に鑑みて提案されたものであり、炭素材料の構
造と物性に関する新しいパラメーターと、炭素材料を非
水電解液リチウム二次電池の負極として使用した場合の
放電容量との相関性を見つけて、その相関性に基いて、
リチウム吸蔵量が大きく、黒鉛電極の理論放電容量と同
等以上の放電容量を有する非水電解液リチウム二次電池
負極用の炭素材料及びその製造方法並びに炭素電極を提
供することを目的とする。本発明は、充放電のサイクル
寿命が長く且つ放電容量が高い非水電解液二次電池を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and new parameters relating to the structure and physical properties of the carbon material and the non-aqueous electrolyte lithium secondary battery containing the carbon material. Find the correlation with the discharge capacity when used as the negative electrode of, and based on the correlation,
An object of the present invention is to provide a carbon material for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery having a large lithium storage capacity and a discharge capacity equal to or higher than the theoretical discharge capacity of a graphite electrode, a method for producing the same, and a carbon electrode. It is an object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a long charge / discharge cycle life and a high discharge capacity.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明者らは、長期にわたり研究を重ねた結果、
結晶子サイズが小さな炭素材料についてリチウムの吸蔵
機構を学術的に明らかにし、この吸蔵機構に基づいて、
炭素材料の結晶構造に関する新しいパラメーターと負極
用材料に使用した場合の放電容量との相関関係を見出し
た。すなわち、本発明者らの知見によれば、結晶子サイ
ズが小さな炭素材料を負極として用いることにより黒鉛
の理論放電容量372mAh/g−carbonを越えること
が説明可能となる。さらにこの相関関係により放電容量
の極めて大きな負極用材料を得るための知見を得るに至
った。本発明はこのような知見に基づいて完成されたも
のである。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have conducted a long-term study, and as a result,
Scientifically clarified the lithium storage mechanism for carbon materials with a small crystallite size, and based on this storage mechanism,
The correlation between the new parameters for the crystal structure of the carbon material and the discharge capacity when used as the material for the negative electrode was found. That is, according to the knowledge of the present inventors, it is possible to explain that the theoretical discharge capacity of graphite exceeds 372 mAh / g-carbon by using a carbon material having a small crystallite size as the negative electrode. Furthermore, this correlation has led to the acquisition of knowledge for obtaining a negative electrode material having an extremely large discharge capacity. The present invention has been completed based on such findings.

【0010】本発明は、X線回折から求めたC軸方向の
結晶子サイズLcが20オングストーム以下であり、0
02面の面間隔をd002 (オングストローム)とすると
1÷(Lc÷d002 +1)が0.17以上の値を有し且
つ酸素含有量が3重量%以下である非水電解液リチウム
二次電池負極用炭素材料に係る。本発明は、炭素原料
を、不活性雰囲気下において650〜1100℃で熱処
理し、更に還元性雰囲気下において650〜1100℃
で熱処理することを特徴とする前記負極用炭素材料の製
造方法に係る。本発明は、前記負極用炭素材料からなる
非水電解液リチウム二次電池負極用炭素電極に係る。本
発明は、負極として前記炭素電極を有し、正極としてリ
チウムを含む電極を有する非水電解液リチウム二次電池
に係る。
According to the present invention, the crystallite size Lc in the C-axis direction determined by X-ray diffraction is 20 angstroms or less, and 0
Non-aqueous electrolyte lithium secondary battery negative electrode in which 1 / (Lc / d002 + 1) has a value of 0.17 or more and the oxygen content is 3% by weight or less, where d002 (angstrom) is the surface spacing of 02 surfaces. Related to carbon materials for automobiles. In the present invention, a carbon raw material is heat-treated at 650 to 1100 ° C in an inert atmosphere, and further 650 to 1100 ° C in a reducing atmosphere.
The present invention relates to the method for producing a carbon material for a negative electrode, which is characterized in that the heat treatment is performed at The present invention relates to a carbon electrode for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery comprising the carbon material for a negative electrode. The present invention relates to a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery having the carbon electrode as a negative electrode and an electrode containing lithium as a positive electrode.

【0011】非水電解液二次電池負極用炭素材料 本発明の非水電解液リチウム二次電池負極用炭素材料
は、X線回折から求めたC軸方向の結晶子サイズLcが
20オングストーム以下、好ましくは7〜20オングス
トローム、更に好ましくは7〜10オングストロームで
あり、002面の面間隔をd002 とすると1÷(Lc÷
d002 +1)の値(以下、X値ともいう)が0.17以
上、好ましくは0.20以上、更に好ましくは0.2〜
0.33、特に好ましくは0.2〜0.25であり且つ
酸素含有量が3重量%以下、好ましくは2重量%以下、
更に好ましくは1重量%以下、特に好ましくは0.5重
量%以下であることを特徴とする。
Carbon Material for Negative Electrode of Non-Aqueous Electrolyte Secondary Battery The carbon material for negative electrode of non-aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention has a crystallite size Lc in the C-axis direction of 20 angstroms or less determined by X-ray diffraction. Is preferably 7 to 20 angstroms, more preferably 7 to 10 angstroms, and 1 ÷ (Lc ÷ when the surface spacing of 002 surfaces is d002.
The value of d002 + 1) (hereinafter, also referred to as X value) is 0.17 or more, preferably 0.20 or more, more preferably 0.2 to
0.33, particularly preferably 0.2 to 0.25 and having an oxygen content of 3% by weight or less, preferably 2% by weight or less,
It is more preferably 1% by weight or less, and particularly preferably 0.5% by weight or less.

【0012】Lcが20オングストームより大きな炭素
材料、即ち、結晶化度の高い炭素材料は、二次電池の負
極用材料として用いた場合に、充電時に該炭素材料を使
用した負極表面でのガス発生を伴う電解液の分解の原因
となり、サイクル特性の劣化、充放電効率の低下をもた
らす。これに対し、Lcが小さな炭素材料では、結晶子
の表面積が大きくなり、放電容量が大きくなる。Xが
0.17より小さい炭素材料を使用した負極の放電容量
は370mAh/gを下回る。
A carbon material having Lc of more than 20 angstrom, that is, a carbon material having a high degree of crystallinity, is used as a material for a negative electrode of a secondary battery. It causes the decomposition of the electrolytic solution, which causes the deterioration of cycle characteristics and the decrease of charge / discharge efficiency. On the other hand, in the case of a carbon material having a small Lc, the surface area of the crystallite becomes large and the discharge capacity becomes large. The discharge capacity of the negative electrode using the carbon material with X smaller than 0.17 is less than 370 mAh / g.

【0013】本発明の負極用炭素材料としては、炭素層
の端側部分に−OH、−COOHなどの官能基を有しな
い炭素材料、即ち酸素含有量が少ない炭素材料が好まし
い。炭素層の端側部分に−OH、−COOHなどの官能
基を有しない炭素材料では、これらの官能基を有するも
のと比較して、リチウムの吸蔵量がより多くなる傾向が
あり、負極用炭素材料として使用した場合の放電容量が
より大きくなる傾向がある。なお、本明細書における酸
素含有量の値は、燃焼法により測定された値であり、具
体的には以下のようにして測定された値である。
The carbon material for the negative electrode of the present invention is preferably a carbon material having no functional group such as —OH or —COOH in the end portion of the carbon layer, that is, a carbon material having a low oxygen content. Carbon materials that do not have a functional group such as —OH and —COOH in the end portion of the carbon layer tend to have a larger lithium occlusion amount as compared with those having these functional groups. When used as a material, the discharge capacity tends to be larger. In addition, the value of the oxygen content in the present specification is a value measured by a combustion method, and specifically, a value measured as follows.

【0014】ヤナコ分析工業のCHN Corder
MT−5型の装置を使用し、ヘリウムガス気流で1〜3
mgの試料を950℃〜1050℃で分解し、生成する
ガスを定量ポンプにより一定速度で検出部に送り、基準
物質にアンチピリンを利用して酸素の定量分析を行う。
CHN Corder of Yanaco Analytical Industry
Using MT-5 type device, 1 to 3 with helium gas flow
A mg sample is decomposed at 950 ° C. to 1050 ° C., the generated gas is sent to the detection unit at a constant rate by a quantitative pump, and oxygen is quantitatively analyzed using antipyrine as a reference substance.

【0015】本発明の炭素材料の形態は、特に制限され
ず、粉末状、粒状、球状、繊維状、フィルム状などのい
ずれであってもよい。
The form of the carbon material of the present invention is not particularly limited, and may be any of powder form, granular form, spherical form, fibrous form, film form and the like.

【0016】非水電解液二次電池負極用炭素材料の製造
方法本発明の負極用炭素材料は、炭素原料を不活性雰囲
気下又は還元性雰囲気下において650〜1100℃、
好ましくは650〜1000℃、より好ましくは650
〜900℃、更に好ましくは700〜800℃で熱処理
(焼成)することにより製造できる。炭素原料として
は、易黒鉛化材料、難黒鉛化材料、高分子材料(合成と
天然)などの有機材料を使用することができる。
Production of carbon material for negative electrode of non-aqueous electrolyte secondary battery
Method The carbon material for a negative electrode of the present invention is a carbon raw material in an inert atmosphere or a reducing atmosphere at 650 to 1100 ° C.,
Preferably 650 to 1000 ° C., more preferably 650
It can be manufactured by heat treatment (baking) at ˜900 ° C., more preferably 700 to 800 ° C. As the carbon raw material, an organic material such as an easily graphitizable material, a non-graphitizable material, and a polymer material (synthetic and natural) can be used.

【0017】出発原料(炭素原料)となる有機材料の代
表的なものとして、a)石油系ピッチ、石炭系ピッチ、
b)炭化可能な高分子材料(ポリマー)、具体的には、
フラン樹脂、ポリアクリロニトリル、レーヨン、セルロ
ース、ポリカーボネートなど、c)芳香族成分が架橋剤
により架橋した芳香族樹脂、d)メソカーボンマイクロ
ビーズ(MCMB)を挙げることができる。特に工業的
に実施する場合には、得られる炭素材料の特性及びコス
トの点から上記a)、b)又はd)の有機材料を使用す
るのが好ましい。炭素原料としては、これらの有機材料
を単独で又は混合物として使用することができる。
Typical organic materials used as starting materials (carbon materials) are: a) petroleum pitch, coal pitch,
b) a carbonizable polymer material (polymer), specifically,
Furan resin, polyacrylonitrile, rayon, cellulose, polycarbonate, and the like, c) aromatic resin in which an aromatic component is crosslinked with a crosslinking agent, and d) mesocarbon microbeads (MCMB) can be mentioned. Especially when it is carried out industrially, it is preferable to use the organic material a), b) or d) from the viewpoint of the characteristics and cost of the obtained carbon material. As the carbon raw material, these organic materials can be used alone or as a mixture.

【0018】本発明においては、炭素原料を熱処理する
ことにより炭化させる。具体的な熱処理方法について
は、使用する炭素原料の特性により好適な方法が異な
り、特に限定はなく、前記の特性を有する本発明の炭素
材料を得られればよい。例えば、炭素原料として石炭系
又は石油系のピッチを使用する場合には、公知の方法、
例えば空気中で300〜350℃に加熱することにより
不融化した後、前記特定範囲の温度条件で熱処理するの
がよい。炭素原料を熱処理するための具体的な手段につ
いては、特に限定はなく、炭素材料の製造において一般
に行われている熱処理手段、例えば、電気炉、ガス炉等
を使用することができる。
In the present invention, the carbon material is carbonized by heat treatment. Regarding a specific heat treatment method, a suitable method differs depending on the characteristics of the carbon raw material to be used, and there is no particular limitation, and the carbon material of the present invention having the above characteristics may be obtained. For example, when using a coal-based or petroleum-based pitch as a carbon raw material, a known method,
For example, after infusibilizing by heating at 300 to 350 ° C. in air, it is preferable to perform heat treatment under the temperature condition of the above specific range. The specific means for heat-treating the carbon raw material is not particularly limited, and heat treatment means generally used in the production of carbon materials, such as an electric furnace and a gas furnace, can be used.

【0019】本発明においては、炭素原料の熱処理を不
活性雰囲気下で行った後、更に還元性雰囲気下で行う。
不活性雰囲気下には、真空下、各種の不活性ガス、例え
ば、窒素ガス、アルゴン、ヘリウム等の雰囲気下が包含
される。還元性雰囲気下には、各種の還元性ガス、例え
ば、不活性ガスと水素ガスとの混合ガス又は純水素ガス
等の雰囲気下が包含される。得られる炭素材料を負極用
炭素材料として使用する場合の特性の点からは、炭素原
料を不活性雰囲気下で熱処理した後更に還元性雰囲気
下、具体的には水素雰囲気下で熱処理するのが好まし
い。炭素原料(不活性雰囲気下で熱処理した炭素原料)
を還元性雰囲気下で熱処理することにより、炭素層の端
側部分の−OHや−COOHなどの官能基を除去するこ
とができる。
In the present invention, the heat treatment of the carbon raw material is performed in an inert atmosphere and then in a reducing atmosphere.
The inert atmosphere includes various inert gases such as nitrogen gas, argon, and helium under vacuum. The reducing atmosphere includes various reducing gases such as a mixed gas of an inert gas and hydrogen gas or an atmosphere of pure hydrogen gas. From the viewpoint of characteristics when the obtained carbon material is used as the carbon material for the negative electrode, it is preferable to heat-treat the carbon raw material in an inert atmosphere and then further heat it in a reducing atmosphere, specifically, a hydrogen atmosphere. . Carbon raw material (carbon raw material heat-treated in an inert atmosphere)
Is heat-treated in a reducing atmosphere to remove functional groups such as —OH and —COOH in the end portion of the carbon layer.

【0020】還元性雰囲気とする方法としては、例え
ば、炭素原料を熱処理する空間内、例えば電気炉内に、
窒素、アルゴン等の不活性ガスを充満させておき、水素
を流通することにより水素雰囲気とすることができる。
この場合の水素の流通量は、炭素原料1g当り0.2m
l/分以上、好ましくは0.25〜0.60ml/分程
度、更に好ましくは0.25〜0.40ml/分程度と
するのがよい。
As a method for creating a reducing atmosphere, for example, in a space for heat treating a carbon raw material, for example, in an electric furnace,
A hydrogen atmosphere can be created by filling an inert gas such as nitrogen or argon and then circulating hydrogen.
The flow rate of hydrogen in this case is 0.2 m per 1 g of carbon raw material.
It is 1 / min or more, preferably about 0.25 to 0.60 ml / min, more preferably about 0.25 to 0.40 ml / min.

【0021】非水電解質二次電池負極用炭素電極 本発明の炭素電極は、前記本発明の炭素材料の成形体又
は該炭素材料と他の種類の炭素材料等、例えば、炭素繊
維又は活性炭との混合物の成形体を構成する炭素材料と
して前記本発明の炭素材料と炭素繊維との混合物を使用
する場合の炭素繊維の使用割合は、前記炭素材料に対し
て15重量%以下、好ましくは5〜15重量%、更に好
ましくは5〜10重量%程度とするのがよい。炭素繊維
又は活性炭を使用することにより負極用炭素電極として
の放電容量を向上させることができる。しかし、炭素繊
維又は活性炭の使用割合が高すぎても負極用炭素電極と
しての放電容量が低下する傾向がある。
Carbon Electrode for Negative Electrode of Non-Aqueous Electrolyte Secondary Battery The carbon electrode of the present invention is a molded product of the carbon material of the present invention or a carbon material of another kind, such as carbon fiber or activated carbon. When the mixture of the carbon material of the present invention and the carbon fiber is used as the carbon material forming the molded body of the mixture, the proportion of the carbon fiber used is 15% by weight or less, preferably 5 to 15% with respect to the carbon material. It is good to set it as the weight%, More preferably, it is about 5-10 weight%. The use of carbon fibers or activated carbon can improve the discharge capacity of the carbon electrode for the negative electrode. However, if the proportion of carbon fiber or activated carbon used is too high, the discharge capacity of the carbon electrode for negative electrode tends to decrease.

【0022】炭素電極の作製にあたり、炭素材料に対し
て必要に応じてバインダー等の炭素材料以外の添加剤を
使用することができる。炭素材料のバインダーとしては
ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素化炭化水素重合
体を使用することができる。炭素材料以外の添加剤の使
用量については、特に限定はなく、炭素電極の特性に対
する悪影響が少ない範囲で調節するのがよく、具体的に
は炭素材料の合計量に対して30重量%以下、好ましく
は20重量%以下、更に好ましくは10重量%以下とす
るのがよい。
In producing the carbon electrode, an additive other than the carbon material such as a binder can be used for the carbon material, if necessary. A fluorinated hydrocarbon polymer such as polytetrafluoroethylene can be used as the binder of the carbon material. The amount of the additive other than the carbon material is not particularly limited and may be adjusted within a range in which the adverse effect on the characteristics of the carbon electrode is small, specifically, 30% by weight or less based on the total amount of the carbon material, It is preferably 20% by weight or less, more preferably 10% by weight or less.

【0023】本発明の炭素電極の形状については、特に
限定はなく、使用する電池の種類、形状等により、適宜
選択することができる。本発明の炭素電極は、充放電の
サイクル寿命及び放電容量の点より、非水電解液リチウ
ム二次電池の負極として好適である。
The shape of the carbon electrode of the present invention is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the type and shape of the battery used. The carbon electrode of the present invention is suitable as a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery from the viewpoint of charge / discharge cycle life and discharge capacity.

【0024】非水電解液リチウム二次電池 本発明の非水電解液リチウム二次電池は、負極用材料と
してとして結晶子サイズが小さな炭素材料を使用したリ
チウム二次電池に係り、具体的には、前記本発明の炭素
材料を構成要素とする本発明の炭素電極(負極)、正
極、電解液、セパレーター、集電体、ガスケット、封口
板、ケースなどの電池構成要素を用いることにより、常
法により組み立てることができる。図1に、リチウム二
次電池の一例の概略を示す。
Non-Aqueous Electrolyte Lithium Secondary Battery The non- aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention relates to a lithium secondary battery using a carbon material having a small crystallite size as a material for a negative electrode. , By using the battery component such as the carbon electrode (negative electrode), the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, the current collector, the gasket, the sealing plate, and the case of the present invention which has the carbon material of the present invention as a constituent Can be assembled by. FIG. 1 schematically shows an example of a lithium secondary battery.

【0025】正極としては、リチウムを含む電極を使用
する。例えば、正極活物質として一般式LiMO2 (た
だし、MはCo、Ni、Feの少なくとも1種を表わ
す)で表される複合金属酸化物を含む層間化合物を使用
した電極、リチウムを含んだ層間化合物を使用した電極
が好適であり、特にLiCoO2 を使用した電極は、リ
チウム二次電池の正極として良好な特性を発揮する。
An electrode containing lithium is used as the positive electrode. For example, an electrode using an intercalation compound containing a composite metal oxide represented by the general formula LiMO 2 (where M represents at least one of Co, Ni, and Fe) as a positive electrode active material, an intercalation compound containing lithium. Is preferable, and particularly an electrode using LiCoO 2 exhibits good characteristics as a positive electrode of a lithium secondary battery.

【0026】電解液としては、一種又は二種以上の電解
質を非水溶媒に溶解させてなる非水電解液を使用でき
る。非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、テトラヒドロフラン、2−
メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、4−メチル
ジオキソラン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタ
ン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、N,N−
ジメチルホルムアミド、ジエチレングリコール、ジメチ
ルエーテルなどの非プロトン性溶媒などを使用すること
ができる。本発明において使用する非水溶媒としては、
特に強い還元性雰囲気下でも安定なエーテル系溶媒、例
えば、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフ
ラン、ジオキソラン、4−メチルジオキソランなどが好
ましい。
As the electrolytic solution, a non-aqueous electrolytic solution prepared by dissolving one or more electrolytes in a non-aqueous solvent can be used. Examples of the non-aqueous solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, tetrahydrofuran, 2-
Methyltetrahydrofuran, dioxolane, 4-methyldioxolane, sulfolane, 1,2-dimethoxyethane, dimethylsulfoxide, acetonitrile, N, N-
An aprotic solvent such as dimethylformamide, diethylene glycol or dimethyl ether can be used. The non-aqueous solvent used in the present invention,
Particularly preferred ether solvents that are stable even under a strong reducing atmosphere, for example, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxolane, 4-methyldioxolane and the like.

【0027】電解質としては、溶媒和しにくいアニオン
を生成する塩、例えば、LiPF6、LiClO4 、L
iBF4 、LiClF4 、LiAsF6 、LiSb
6 、LiAlO4 、LiAlCl4 、LiPF6 、L
iCl、LiIなどのリチウムを含む塩を使用すること
ができる。セパレーターとしては、保液性を有する材
料、例えば、多孔質ポリプロピレン製不織布などのポリ
オレフィン系多孔質膜などを使用できる。
As the electrolyte, salts which generate anions that are difficult to solvate, such as LiPF 6 , LiClO 4 , and L
iBF 4, LiClF 4, LiAsF 6 , LiSb
F 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiPF 6 , L
Salts containing lithium such as iCl and LiI can be used. As the separator, a liquid-retaining material, for example, a polyolefin-based porous film such as a porous polypropylene nonwoven fabric can be used.

【0028】本発明の非水電解液リチウム二次電池は、
ポータブル電子機器の電源、各種メモリーやソーラーバ
ッテリーのバックアップ電源、電気自動車などの広い用
途において好適に使用することができる。
The non-aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention comprises:
It can be suitably used in a wide range of applications such as power sources for portable electronic devices, backup power sources for various memories and solar batteries, and electric vehicles.

【0029】[0029]

【作用】負極として結晶子サイズが大きな黒鉛を使用し
たリチウム二次電池においては、充電により黒鉛の炭素
原子とリチウムとは層間化合物を生成し、放電によりリ
チウムが黒鉛から放出される。このとき、理論的には、
最大372mAh/gの放電容量が得られる。これに対
し、本発明者は、負極として結晶子サイズが小さな炭素
材料を使用すると、放電容量が372mAh/gを越え
るリチウム二次電池が得られることを見出した。
In a lithium secondary battery using graphite having a large crystallite size as a negative electrode, an intercalation compound is formed between carbon atoms of the graphite and lithium by charging, and lithium is released from graphite by discharging. At this time, theoretically,
A maximum discharge capacity of 372 mAh / g is obtained. On the other hand, the present inventor has found that when a carbon material having a small crystallite size is used as the negative electrode, a lithium secondary battery having a discharge capacity exceeding 372 mAh / g can be obtained.

【0030】リチウム二次電池の放電容量は負極に吸蔵
されるリチウム量に依存する。すなわち、負極に吸蔵さ
れるリチウム量が大きな程、放電容量が大きくなる。図
2に、本発明の炭素電極のリチウム吸蔵機構を示すモデ
ルを示す。本発明のリチウム二次電池においては、充電
によりリチウムが負極に吸蔵される。これらのリチウム
には負極の炭素原子との間に3種類の結合状態があると
考えられる。
The discharge capacity of the lithium secondary battery depends on the amount of lithium stored in the negative electrode. That is, the larger the amount of lithium stored in the negative electrode, the larger the discharge capacity. FIG. 2 shows a model showing the lithium storage mechanism of the carbon electrode of the present invention. In the lithium secondary battery of the present invention, lithium is occluded in the negative electrode by charging. It is considered that these lithiums have three kinds of bonding states with the carbon atom of the negative electrode.

【0031】第一に、負極の積層構造部分の炭素層の間
にリチウムが吸蔵され、インタカレーション化合物を形
成する。この結合状態で吸蔵されたリチウムの電子状態
は、炭素層の間に存在するので黒鉛電極に吸蔵されたリ
チウムの電子状態と同じと考えられる。このような結合
状態で吸蔵されたリチウムをLiL とよぶ。ここで、結
晶子サイズが小さな炭素材料中には炭素面の積層不整が
存在するため、炭素層は隣の炭素層と相関関係がないの
で、炭素層の端側部分の炭素原子はリチウムとインタカ
レーション結合することができないと考えられる。従っ
て、積層構造部分に吸蔵されるリチウムの量はC6 Li
となる場合より小さい。そして、結晶子サイズが小さく
なるとLiL は減ることが予測される。
First, lithium is occluded between the carbon layers in the laminated structure of the negative electrode to form an intercalation compound. The electronic state of lithium occluded in this bonded state is considered to be the same as the electronic state of lithium occluded in the graphite electrode because it exists between the carbon layers. Lithium occluded in such a bound state is called Li L. Here, since a carbon material with a small crystallite size has a stacking irregularity of the carbon surface, the carbon layer has no correlation with the adjacent carbon layer. It seems that the tacaration cannot be combined. Therefore, the amount of lithium occluded in the laminated structure is C 6 Li.
Is smaller than Then, it is predicted that Li L decreases as the crystallite size decreases.

【0032】第二に、リチウムとインタカレーション結
合することができない炭素層の端側部分の炭素原子は図
2に示すように横からリチウムと結合して電荷転移化合
物を生成すると考えられる。このような結合状態で吸蔵
されたリチウムをLiE と呼ぶ。結晶子サイズが小さく
なるとLiE は増加することが予測される。
Second, it is considered that the carbon atoms at the end portion of the carbon layer which cannot intercalate with lithium are laterally bonded with lithium to form a charge transfer compound as shown in FIG. Lithium occluded in such a bound state is called Li E. It is expected that Li E will increase as the crystallite size decreases.

【0033】第三に、図2に示すようにリチウムは結晶
子表面の炭素原子に吸蔵され、電荷転移化合物が生成す
ることも考えられる。この結合状態で吸蔵されたリチウ
ムの電子状態は端側部分に吸蔵されるリチウムの電子状
態と同じであると考えられる。この種類のリチウムをL
S と呼ぶ。そして、結晶子サイズが小さくなるとLi
S が増加することが予測される。なお、前記LiE とL
S はリチウムドーピングしているポリアセチリンのリ
チウムと類似していると考えられる。
Thirdly, as shown in FIG. 2, it is conceivable that lithium is occluded by carbon atoms on the crystallite surface to form a charge transfer compound. It is considered that the electronic state of lithium stored in this bonded state is the same as the electronic state of lithium stored in the end portion. L of this kind of lithium
Call i S. When the crystallite size becomes smaller, Li
S is expected to increase. The above Li E and L
i S is believed to be similar to lithium in lithium-doped polyacetylene.

【0034】炭素層間に挿入されたLiL はインタカレ
ーションリチウムと呼ぶ。また、炭素層の端部分に吸蔵
されたLiE と結晶子の表面に吸蔵されたLiS はドー
ピングリチウムと呼ぶ。インタカレーションリチウムと
ドーピングリチウムはすべてリチウムの2S電子が炭素
負極のLUMO(最低空分子軌道)に移動して系が安定
化することになる。従って、これらのリチウムはイオン
性リチウムになる。炭素電極(負極)に吸蔵されたリチ
ウムの合計量LiT は下記の式により示され、負極の放
電容量はLiT に依存する。
Li L inserted between carbon layers is called intercalation lithium. In addition, Li E occluded at the end portion of the carbon layer and Li S occluded on the surface of the crystallite are referred to as doping lithium. In the intercalation lithium and the doping lithium, the 2S electrons of lithium all move to the LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) of the carbon negative electrode to stabilize the system. Therefore, these lithiums become ionic lithium. The total amount Li T of lithium occluded in the carbon electrode (negative electrode) is shown by the following formula, and the discharge capacity of the negative electrode depends on Li T.

【0035】LiT =LiL +LiE +LiS黒鉛結晶
構造は炭素6員環平面が2次元的に発達するとともに、
3次元的な積層構造をもとる。一般に黒鉛の結晶子サイ
ズは大きいので、黒鉛を使用した負極に充電により吸蔵
されたリチウムはほとんど炭素層間に入りLiL にな
る。黒鉛の場合、LiE 及びLiS は、LiL と比較す
ると小さすぎる値であるので、無視できる。理論的に
は、LiL は最大C6 Liまで吸蔵することができる。
The Li T = Li L + Li E + Li S graphite crystal structure has a carbon 6-membered ring plane developed two-dimensionally,
Based on a three-dimensional laminated structure. Since the crystallite size of graphite is generally large, most of the lithium occluded by the negative electrode using graphite enters the carbon layer and becomes Li L. In the case of graphite, Li E and Li S are too small as compared with Li L and can be ignored. Theoretically, Li L can store up to C 6 Li.

【0036】これに対し、負極に使用する炭素材料の結
晶子サイズが小さくなると、LiEとLiS とが増加
し、LiL と比較して無視することができなくなる。図
2にモデルを示すように、本発明においては、負極に使
用する炭素材料の結晶子サイズが小さいほどLiS とL
E が増加することに起因して、負極放電容量が大きく
なるものと考えられる。すなわち、本発明においては、
結晶子サイズが小さいことに起因するLiL の低減を、
LiE 及びLiS の増加により十分に補っているものと
考えられる。
On the other hand, when the crystallite size of the carbon material used for the negative electrode becomes small, Li E and Li S increase, and it cannot be ignored compared with Li L. As shown in the model in FIG. 2, in the present invention, the smaller the crystallite size of the carbon material used for the negative electrode, the more Li S and L
It is considered that the negative electrode discharge capacity increases due to the increase in i E. That is, in the present invention,
The reduction of Li L due to the small crystallite size is
It is considered that the increase in Li E and Li S sufficiently compensates for this.

【0037】また、LiE は炭素層の端側部分の原子の
種類に依存する。つまり、炭素層の端側部分に−OH、
−COOHなど官能基が存在すれば、リチウムは炭素層
の端側部分の炭素原子と電荷転移化合物を生成すること
ができなくなり、LiE は少なくなる。これは、本発明
において、炭素層の端側部分に−OH、−COOHなど
の官能基がない炭素材料を使用することにより、負極の
放電容量を更に大きくすることができる事実を反映して
いる。
Further, Li E depends on the kind of atoms in the end portion of the carbon layer. That is, -OH is added to the end portion of the carbon layer,
When a functional group such as —COOH is present, lithium cannot generate a charge transfer compound with the carbon atom in the end portion of the carbon layer, and Li E is reduced. This reflects the fact that the discharge capacity of the negative electrode can be further increased by using a carbon material having no functional group such as —OH and —COOH in the end portion of the carbon layer in the present invention. .

【0038】さらに、LiS は結晶子の表面積の大きさ
に依存する。Lcは層面の積層の高さ、d002 は炭素層
の面間隔、Lc÷d002 +1の値は一つの結晶子当たり
の炭素層の積層枚数を表わす。通常、この積層枚数が多
くなると、即ち、Lcが大きくなるほど、結晶子の表面
積が小さくなる。すなわち、Lc÷d002 +1の逆数は
炭素材料の結晶子の表面積に比例すると考えられる。従
って、X値、即ち1÷(Lc÷d002 +1)の値が大き
いほどLiS は大きくなり、放電容量が大きくなる。こ
れは、本発明において、結晶子の表面積が大きい炭素材
料を使用する場合に、放電容量が更に大きくなるという
事実を反映している。
Furthermore, Li S depends on the size of the surface area of the crystallite. Lc is the stacking height of the layer surfaces, d002 is the interplanar spacing of the carbon layers, and the value of Lc / d002 + 1 represents the number of carbon layers stacked per one crystallite. Usually, as the number of stacked layers increases, that is, as Lc increases, the surface area of the crystallite decreases. That is, the reciprocal of Lc / d002 + 1 is considered to be proportional to the surface area of the crystallite of the carbon material. Therefore, the larger the X value, that is, the value of 1 / (Lc / d002 + 1), the larger Li S and the larger the discharge capacity. This reflects the fact that the discharge capacity is further increased when a carbon material having a large crystallite surface area is used in the present invention.

【0039】[0039]

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に
説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in more detail with reference to embodiments.

【0040】実施例1 〔炭素原料の調製〕軟化点100℃、キノリン不溶分
0.2%、ベンゼン不溶分30%のコールタールピッチ
に2倍量の水素化アントラセン油を加え、430℃で6
0分間加熱し、さらに減圧下300℃で水素化アントラ
セン油を除いて、還元ピッチを得た。次いで、この還元
ピッチに窒素ガスを導入して、軟化点310℃、キノリ
ン不溶分50%、ベンゼン不溶分98%、メソフェーズ
含有量90%以上のメソフェーズピッチを得た。
Example 1 [Preparation of carbon raw material] Double amount of hydrogenated anthracene oil was added to coal tar pitch having a softening point of 100 ° C., quinoline insoluble content of 0.2% and benzene insoluble content of 30%, and the mixture was heated at 6 ° C. at 430 ° C.
The mixture was heated for 0 minutes, and the hydrogenated anthracene oil was removed at 300 ° C. under reduced pressure to obtain reduced pitch. Next, nitrogen gas was introduced into this reduced pitch to obtain a mesophase pitch having a softening point of 310 ° C., a quinoline insoluble content of 50%, a benzene insoluble content of 98%, and a mesophase content of 90% or more.

【0041】〔負極用炭素材料の製造〕前記のようにし
て得たメソフェーズピッチを溶融し、スリットを通して
リボン状の炭素原料フィルムに成形し、空気雰囲気下に
おいて300〜350℃で加熱して不融化を行った。得
られたリボン状の不融化炭素フィルムを不活性ガス雰囲
気下において1000℃で炭化処理し、幅8mm、厚さ
0.01mmの炭素フィルムを調製した後、引き続き水
素ガス雰囲気下において1000℃で30分間熱処理を
行った。得られたリボン状の炭素フィルムをX線回折し
たところ層間距離d002 が3.48オングストーム、C
軸方向の結晶子サイズLcが16オングストームであっ
た(X値は0.179)。
[Manufacture of Carbon Material for Negative Electrode] The mesophase pitch obtained as described above is melted, shaped into a ribbon-shaped carbon raw material film through a slit, and heated at 300 to 350 ° C. in an air atmosphere to make it infusible. I went. The ribbon-shaped infusible carbon film thus obtained was carbonized at 1000 ° C. in an inert gas atmosphere to prepare a carbon film having a width of 8 mm and a thickness of 0.01 mm, and then continuously heated to 1000 ° C. in a hydrogen gas atmosphere at 30 ° C. Heat treatment was performed for a minute. When the obtained ribbon-shaped carbon film was subjected to X-ray diffraction, the interlayer distance d002 was 3.48 angstrom, C
The crystallite size Lc in the axial direction was 16 angstrom (X value is 0.179).

【0042】〔リチウム二次電池の作製〕得られたリボ
ン状の炭素フィルムを長さ20mmに切断し、この上端
部をクリップで挟み炭素電極(負極)とした。電解液と
してLiClO4 をプロピレンカーボネートに溶解した
濃度1モル/リットルの溶液を用い、対極(正極)に金
属リチウムを用いて、負極試験セルを構成した。
[Production of Lithium Secondary Battery] The obtained ribbon-shaped carbon film was cut into a length of 20 mm, and the upper end portion was sandwiched by clips to form a carbon electrode (negative electrode). A negative electrode test cell was constructed by using a solution of LiClO 4 dissolved in propylene carbonate at a concentration of 1 mol / liter as an electrolytic solution and metallic lithium as a counter electrode (positive electrode).

【0043】〔放電容量の測定〕上記試験セルに対し
て、電流密度50mAh/g−carbonの定電流で充放電
を行った。負極に使用した炭素フィルムのX線回折パラ
メーター〔Lc(オングストローム)、d002 (オング
ストローム)、X値(=1÷(Lc÷d002 +1))〕
を求め、酸素含有量を測定するとともに放電容量を測定
した。結果を表1に示す。
[Measurement of Discharge Capacity] The test cell was charged and discharged at a constant current of a current density of 50 mAh / g-carbon. X-ray diffraction parameter of carbon film used for negative electrode [Lc (angstrom), d002 (angstrom), X value (= 1 ÷ (Lc ÷ d002 + 1))]
Then, the oxygen content was measured and the discharge capacity was measured. The results are shown in Table 1.

【0044】なお、充放電条件は以下のようにした:充
電:金属リチウムに対して10mVとなるまで充電し、
つぎに10mVで定電圧で充電し、電流が平衡電流(通
常は1×10-5〜5×10-6A程度)になったら充電を
終了した;放電:定電流で放電させ、電池電圧が2.0
Vを上回った時点で放電を終了した。
The charging and discharging conditions were as follows: Charging: charging to 10 mV against metallic lithium,
Next, the battery was charged at a constant voltage of 10 mV, and when the current reached an equilibrium current (usually about 1 × 10 −5 to 5 × 10 −6 A), the charging was terminated; 2.0
The discharge was terminated when the voltage exceeded V.

【0045】実施例2−4 〔負極用炭素材料の製造〕炭素フィルムの原料としてメ
ソフェーズピッチを使用し、不融化炭素フィルムの焼成
温度を変えた他は実施例1と同様にした。すなわち、メ
ソフェーズピッチを溶融し、スリットを通してリボン状
の炭素フィルムに成形し、空気雰囲気下において300
〜350℃で加熱して不融化した。得られたリボン状の
不融化炭素フィルムを不活性ガス雰囲気下において異な
る温度条件で焼成した後、引き続き水素ガス雰囲気下に
おいて、焼成温度と同じ温度で30分間熱処理を行い、
異なる3種類の炭素材料(実施例2〜4)を作製した。
Example 2-4 [Production of Carbon Material for Negative Electrode] The procedure of Example 1 was repeated, except that mesophase pitch was used as a raw material of the carbon film and the firing temperature of the infusible carbon film was changed. That is, the mesophase pitch is melted and formed into a ribbon-shaped carbon film through a slit, and the mesophase pitch is heated to 300 in an air atmosphere.
It was made infusible by heating at ~ 350 ° C. After firing the obtained ribbon-shaped infusible carbon film under different temperature conditions in an inert gas atmosphere, subsequently, in a hydrogen gas atmosphere, heat treatment is performed at the same temperature as the firing temperature for 30 minutes,
Three different types of carbon materials (Examples 2 to 4) were produced.

【0046】各実施例における不融化フィルムの焼成温
度は以下の通りである: 実施例2:810℃、 実施例3:750℃、 実施例4:700℃。
The firing temperature of the infusible film in each example is as follows: Example 2: 810 ° C., Example 3: 750 ° C., Example 4: 700 ° C.

【0047】〔リチウム二次電池の作製〕このようにし
て得たリボン状の炭素フィルムを負極用炭素材料として
使用した以外は実施例1と同様にして負極試験セルを構
成した。
[Preparation of Lithium Secondary Battery] A negative electrode test cell was constructed in the same manner as in Example 1 except that the ribbon-shaped carbon film thus obtained was used as the carbon material for the negative electrode.

【0048】〔放電容量の測定〕以上のような条件で作
製したリボン状の炭素フィルムについて実施例1と同様
にしてX線回折パラメーターを求め、酸素含有量を測定
するとともに放電容量を測定した。結果を表1に示す。
[Measurement of Discharge Capacity] With respect to the ribbon-shaped carbon film produced under the above conditions, X-ray diffraction parameters were determined in the same manner as in Example 1 to measure oxygen content and discharge capacity. The results are shown in Table 1.

【0049】実施例5 〔負極用炭素材料の製造〕実施例1と同様にメソフェー
ズピッチを溶融し、スリットを通してリボン状の炭素フ
ィルムに成形し、空気雰囲気下において300〜350
℃で加熱して不融化した。得られたリボン状の不融化炭
素フィルムを不活性ガス雰囲気下において1000℃で
炭化処理した。
Example 5 [Manufacture of Carbon Material for Negative Electrode] In the same manner as in Example 1, mesophase pitch was melted and formed into a ribbon-shaped carbon film through a slit, and 300-350 in an air atmosphere.
It was made infusible by heating at ℃. The obtained ribbon-shaped infusible carbon film was carbonized at 1000 ° C. in an inert gas atmosphere.

【0050】〔リチウム二次電池の作製〕このようにし
て得たリボン状の炭素フィルムを負極として用いた以外
は実施例1と同様にして負極試験セルを構成した。
[Production of Lithium Secondary Battery] A negative electrode test cell was constructed in the same manner as in Example 1 except that the ribbon-shaped carbon film thus obtained was used as the negative electrode.

【0051】〔放電容量の測定〕以上のような条件で作
製したリボン状の炭素フィルムについて実施例1と同様
にしてX線回折パラメーターを求め、酸素含有量を測定
するとともに放電容量を測定した。
[Measurement of Discharge Capacity] With respect to the ribbon-shaped carbon film produced under the above conditions, X-ray diffraction parameters were determined in the same manner as in Example 1 to measure the oxygen content and the discharge capacity.

【0052】実施例6−8 実施例1と同様にメソフェーズピッチを溶融し、スリッ
トを通してリボン状の炭素フィルムに成形し、空気雰囲
気下において300〜350℃で加熱して不融化した。
得られたリボン状の不融化炭素フィルムを不活性ガス雰
囲気下において焼成し、焼成温度の異なる3種類の炭素
材料(実施例6−8)を作製した。焼成温度は以下の通
りである。
Examples 6-8 In the same manner as in Example 1, the mesophase pitch was melted, formed into a ribbon-shaped carbon film through a slit, and heated at 300 to 350 ° C. in an air atmosphere to make it infusible.
The obtained ribbon-shaped infusible carbon film was fired in an inert gas atmosphere to prepare three types of carbon materials (Examples 6-8) having different firing temperatures. The firing temperature is as follows.

【0053】実施例6:810℃、 実施例7:750℃、 実施例8:700℃。Example 6: 810 ° C, Example 7: 750 ° C, Example 8: 700 ° C.

【0054】〔リチウム二次電池の作製〕このようにし
て得たリボン状の炭素フィルムを負極用炭素材料として
使用した以外は実施例1と同様にして負極試験セルを構
成した。
[Preparation of Lithium Secondary Battery] A negative electrode test cell was constructed in the same manner as in Example 1 except that the ribbon-shaped carbon film thus obtained was used as the negative electrode carbon material.

【0055】〔放電容量の測定〕以上のような条件で作
製したリボン状の炭素フィルム(実施例6−8)につい
て実施例1と同様にしてX線回折パラメーターを求め、
酸素含有量を測定するとともに放電容量を測定した。結
果を表1に示す。
[Measurement of Discharge Capacity] Regarding the ribbon-shaped carbon film (Example 6-8) produced under the above conditions, the X-ray diffraction parameters were determined in the same manner as in Example 1.
The oxygen content was measured and the discharge capacity was measured. The results are shown in Table 1.

【0056】[0056]

【表1】 Lc d002 X値 放電容量 酸素含有量 (mAh/g) (重量%) 実施例1 16 3.48 0.179 400 0.05 実施例2 15 3.50 0.189 480 0.08 実施例3 14 3.51 0.200 510 0.10実施例4 13 3.52 0.213 530 0.10 実施例5 16 3.48 0.179 306 0.50 実施例6 15 3.50 0.189 407 0.90 実施例7 14 3.51 0.200 440 1.40実施例8 13 3.52 0.213 460 2.40 Table 1 Lc d002 X value Discharge capacity Oxygen content (mAh / g) (wt%) Example 1 16 3.48 0.179 400 0.05 Example 2 15 3.50 0.189 480 0.08 Example 3 14 3.51 0.200 510 0.10 Example 4 13 3.52 0.213 530 0.10 Example 5 16 3.48 0.179 306 0.50 Example 6 15 3.50 0 .189 407 0.90 Example 7 14 3.51 0.200 440 1.40 Example 8 13 3.52 0.213 460 2.40 .

【0057】実施例9、10 〔負極用炭素材料の製造〕脱水コールタールを3kg/
cm2 の加圧下において温度385℃で14時間加熱処
理し、生成した球晶を高温遠心分離機を用いて分離し、
軽質油及び中質油で洗浄した後、窒素ガス雰囲気下にお
いて150℃で3時間乾燥した。得られたMCMB(メ
ソカーボンマイクロビーズ)を不活性ガス雰囲気下にお
いて800℃で1時間熱処理した後、水素ガス雰囲気下
において800℃で30分間熱処理を行ない粉末状炭素
材料を得た(d002 =3.52オングストーム、Lc=
15オングストーム、X=0.19、酸素含有量=0.
10重量%)。
Examples 9 and 10 [Production of carbon material for negative electrode] 3 kg of dehydrated coal tar
heat treatment under a pressure of cm 2 at a temperature of 385 ° C. for 14 hours, and the generated spherulites are separated using a high temperature centrifuge,
After washing with light oil and medium oil, it was dried at 150 ° C. for 3 hours under a nitrogen gas atmosphere. The obtained MCMB (mesocarbon microbeads) was heat-treated at 800 ° C. for 1 hour in an inert gas atmosphere, and then heat-treated at 800 ° C. for 30 minutes in a hydrogen gas atmosphere to obtain a powdery carbon material (d002 = 3). .52 Angstrom, Lc =
15 angstrom, X = 0.19, oxygen content = 0.
10% by weight).

【0058】〔複合炭素電極の作製〕次にこの熱処理後
のMCMBとピッチ系炭素繊維(d002 =3.45オン
グストーム)とを表2に示すような混合比で混合し、該
混合物100重量部に対してポリテトラフルオロエチレ
ン(ダイキン工業(株)製、D−1)10重量部を混合
し、液相(水中)で均一に撹拌した後、乾燥させ、ペー
スト状とした。得られたペースト状の複合炭素材料30
mgを、集電体としてのニッケルメッシュに圧着させ、
200℃で6時間真空乾燥することにより、炭素電極
(負極)を作製した。
[Preparation of Composite Carbon Electrode] Next, MCMB after this heat treatment and pitch-based carbon fiber (d002 = 3.45 angstrom) were mixed at a mixing ratio as shown in Table 2, and 100 parts by weight of the mixture. On the other hand, 10 parts by weight of polytetrafluoroethylene (D-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.) was mixed, uniformly stirred in a liquid phase (in water), and then dried to obtain a paste. The obtained paste-like composite carbon material 30
mg is crimped onto a nickel mesh as a current collector,
A carbon electrode (negative electrode) was produced by vacuum drying at 200 ° C. for 6 hours.

【0059】〔リチウム二次電池の作製〕上記のように
して作製した炭素電極(実施例9)又はピッチ系炭素繊
維を使用しない他はこれと同様にして作製した炭素電極
(実施例10)を負極とし、正極としてLiClO
4 を、電解液として1モル/リットルの濃度でLiCl
4 を溶解させたプロピレンカーボネートを、セパレー
タとしてポリプロピレン不織布をそれぞれ用い、図1に
示す構造のリチウム二次電池を作製した。
[Preparation of Lithium Secondary Battery] A carbon electrode (Example 9) prepared as described above or a carbon electrode (Example 10) prepared in the same manner as above except that no pitch-based carbon fiber was used. LiClO as negative electrode and positive electrode
4 as the electrolytic solution at a concentration of 1 mol / liter, LiCl
Propylene carbonate in which O 4 was dissolved was used as a separator, and a polypropylene nonwoven fabric was used to manufacture a lithium secondary battery having a structure shown in FIG.

【0060】〔放電容量の測定〕得られた二次電池の充
放電特性を0.1mA/cm2 の定電流充放電で測定し
た。充電は金属リチウムに対して0.01Vとなるまで
充電し、つぎに0.01Vで定電圧で充電し、電流が平
衡電流(通常1×10-5〜5×10-6A程度)になった
ら充電を終了した。放電容量は電池電圧が2.0Vを上
回った時点までの容量とした。
[Measurement of Discharge Capacity] The charge / discharge characteristics of the obtained secondary battery were measured by constant current charge / discharge of 0.1 mA / cm 2 . Charging is performed to 0.01 V against metallic lithium and then at 0.01 V at a constant voltage, and the current becomes a balanced current (usually about 1 × 10 −5 to 5 × 10 −6 A). I finished charging. The discharge capacity was the capacity up to the time when the battery voltage exceeded 2.0V.

【0061】[0061]

【表2】 なお、混合材料として用いたピッチ系炭素繊維を電極と
して用いた電池の放電容量は150mAh/gである。
しかし、本発明の炭素材料にピッチ系炭素繊維を5〜1
5重量%混合した複合炭素電極を用いた電池では高い放
電容量が得られる。すなわち、ピッチ系炭素繊維を含む
実施例9は全般的に実施例10と比べると放電容量が高
く、これは複合炭素電極の効果である。
[Table 2] The discharge capacity of the battery using the pitch-based carbon fiber used as the mixed material as the electrode is 150 mAh / g.
However, if the pitch-based carbon fiber is added to the carbon material of the present invention in an amount of 5 to 1,
A battery using a composite carbon electrode mixed with 5 wt% can obtain a high discharge capacity. That is, the discharge capacity of Example 9 including the pitch-based carbon fiber was generally higher than that of Example 10, which is an effect of the composite carbon electrode.

【0062】実施例11 有機高分子ポリカーボネートを出発原料とし700℃で
3時間、真空下において熱処理することで炭化前駆体を
得た。次いで、この炭化前駆体を水素雰囲気下において
700℃で30分間焼成して炭素材料を得た。得られた
炭素材料を、冷却後、粉砕して、炭素繊維を使用しない
他は実施例9と同様の方法で炭素電極を作製し、そのX
線回折パラメーターを実施例1と同様の方法で評価し、
負極放電容量を実施例9と同様の方法で測定した。ま
た、得られた炭素質材料の酸素含有量を測定した。結果
を表3に示す。
Example 11 A carbonized precursor was obtained by heat-treating an organic polymer polycarbonate as a starting material at 700 ° C. for 3 hours under vacuum. Next, the carbonization precursor was fired in a hydrogen atmosphere at 700 ° C. for 30 minutes to obtain a carbon material. The obtained carbon material was cooled and then pulverized to prepare a carbon electrode in the same manner as in Example 9 except that carbon fiber was not used.
The line diffraction parameters were evaluated in the same manner as in Example 1,
The negative electrode discharge capacity was measured by the same method as in Example 9. Further, the oxygen content of the obtained carbonaceous material was measured. The results are shown in Table 3.

【0063】実施例12 有機高分子ポリカーボネートを出発原料とし700℃で
3時間、真空下において熱処理することで炭化前駆体を
得た。次いで、この炭化前駆体を700℃で120分間
水素雰囲気下で焼成し炭素材料を得た。冷却後、粉砕し
て、X線回折パラメーターを実施例1と同様の方法で評
価し、負極放電容量を実施例9と同様の方法で測定し
た。また、得られた炭素質材料の酸素含有量を測定し
た。結果を表3に示す。
Example 12 An organic polymer polycarbonate was used as a starting material and heat-treated at 700 ° C. for 3 hours under vacuum to obtain a carbonization precursor. Next, the carbonization precursor was fired at 700 ° C. for 120 minutes in a hydrogen atmosphere to obtain a carbon material. After cooling, the mixture was pulverized, the X-ray diffraction parameter was evaluated by the same method as in Example 1, and the negative electrode discharge capacity was measured by the same method as in Example 9. Further, the oxygen content of the obtained carbonaceous material was measured. The results are shown in Table 3.

【0064】実施例13 有機高分子ポリカーボネートを出発原料(炭素原料)と
し700℃で3時間、真空下において熱処理し炭素材料
を得た。得られた炭素材料を、冷却後、粉砕して、実施
例9と同様の方法で炭素電極を作製し、そのX線回折パ
ラメーターを実施例1と同様の方法で評価し、負極放電
容量を実施例9と同様の方法で測定した。また、得られ
た炭素質材料の酸素含有量を測定した。結果を表3に示
す。
Example 13 An organic polymer polycarbonate was used as a starting material (carbon material) and heat-treated at 700 ° C. for 3 hours under vacuum to obtain a carbon material. The obtained carbon material was cooled and then pulverized to prepare a carbon electrode in the same manner as in Example 9, and its X-ray diffraction parameter was evaluated in the same manner as in Example 1 to measure the negative electrode discharge capacity. The measurement was performed in the same manner as in Example 9. Further, the oxygen content of the obtained carbonaceous material was measured. The results are shown in Table 3.

【0065】[0065]

【表3】 Lc d002 X値 放電容量 酸素含有量 (mAh/g) (重量%) 実施例11 7.60 3.72 0.329 610 1.0 実施例12 7.54 3.73 0.331 650 0.1実施例13 7.64 3.71 0.327 550 3.0 Table 3 Lc d002 X value Discharge capacity Oxygen content (mAh / g) (wt%) Example 11 7.60 3.72 0.329 610 1.0 Example 12 7.54 3.73 0.331 650 0.1 Example 13 7.64 3.71 0.327 550 3.0 .

【0066】実施例11及び12は実施例13より放電
容量が高い。これは炭素電極(負極)に使用した炭素材
料の炭素層の端側部分の−COOHと−OHなどの官能
基が水素雰囲気下の焼成により減るため吸蔵LiE が多
くなり、放電容量が増えたものと考えられる。
The discharge capacities of Examples 11 and 12 are higher than those of Example 13. This is because the functional groups such as -COOH and -OH in the end portion of the carbon layer of the carbon material used for the carbon electrode (negative electrode) are reduced by firing in a hydrogen atmosphere, so that the stored Li E increases and the discharge capacity increases. It is considered to be a thing.

【0067】X値と放電容量との相関関係 上記酸素含有量0.1重量%以下の各実施例の結果に基
いて、X値、即ち1÷(Lc÷d002 +1)の値と負極
の放電容量の相関関係を図3に示す。図3に示すように
X値が大きくなるほど放電容量が大きくなり、X値が
0.17以上の場合に370mAh/g以上の放電容量
を得られることが分かる。
Correlation between X Value and Discharge Capacity Based on the results of the respective examples in which the oxygen content is 0.1% by weight or less, the X value, that is, the value of 1 / (Lc / d002 + 1) and the discharge of the negative electrode. The correlation of capacity is shown in FIG. As shown in FIG. 3, it can be seen that the discharge capacity increases as the X value increases, and that a discharge capacity of 370 mAh / g or higher can be obtained when the X value is 0.17 or higher.

【0068】[0068]

【発明の効果】実施例の結果からも明らかなとおり、本
発明によれば、新たに見出された放電容量と相関関係を
有する炭素材料の結晶に関する新しいパラメーター(L
c及びX値)に基いて負極用炭素材料の特性を規定する
ので、この関係を利用して、リチウム吸蔵量が大きく、
黒鉛電極の理論容量と同等以上の放電容量を有する非水
電解液リチウム二次電池を提供することができる。
As is clear from the results of the examples, according to the present invention, a new parameter (L) relating to crystals of a carbon material having a newly found correlation with discharge capacity is obtained.
Since the characteristics of the carbon material for the negative electrode are defined based on (c and X value), the lithium occlusion amount is large by utilizing this relationship.
It is possible to provide a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery having a discharge capacity equal to or higher than the theoretical capacity of a graphite electrode.

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

【図1】 非水電解液リチウム二次電池の一例の概略を
示す部分断面図である。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing an example of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.

【図2】 炭素電極に吸蔵されたリチウムの状態を示す
模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state of lithium occluded in a carbon electrode.

【図3】 本発明の非水電解液リチウム二次電池におけ
る負極用炭素材料のX値と放電容量との相関を示すグラ
フである。
FIG. 3 is a graph showing the correlation between the X value and the discharge capacity of the carbon material for negative electrode in the non-aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 正極 2 セパレータ 3 負極 4 ケース 5 封口板 6 集電体 7 絶縁パッキン 1 Positive Electrode 2 Separator 3 Negative Electrode 4 Case 5 Sealing Plate 6 Current Collector 7 Insulating Packing

フロントページの続き (72)発明者 山口 千春 大阪府大阪市中央区平野町四丁目1番2号 大阪瓦斯株式会社内Front page continuation (72) Inventor Chiharu Yamaguchi 4-1-2 Hiranocho Chuo-ku, Osaka City, Osaka Prefecture Osaka Gas Co., Ltd.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 X線回折から求めたC軸方向の結晶子サ
イズLcが20オングストローム以下であり、002面
の面間隔をd002 (オングストローム)とすると1÷
(Lc÷d002 +1)が0.17以上の値を有し且つ酸
素含有量が3重量%以下である非水電解液リチウム二次
電池負極用炭素材料。
1. A crystallite size Lc in the C-axis direction determined by X-ray diffraction is 20 angstroms or less, and when the 002 plane spacing is d002 (angstrom), 1 ÷
A carbon material for a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery negative electrode, which has a value of (Lc ÷ d002 + 1) of 0.17 or more and an oxygen content of 3% by weight or less.
【請求項2】 1÷(Lc÷d002 +1)が0.20以
上の値を有し且つ酸素含有量が1.0重量%以下である
非水電解液リチウム二次電池負極用炭素材料。
2. A carbon material for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery, which has a value of 1 ÷ (Lc ÷ d002 +1) of 0.20 or more and an oxygen content of 1.0% by weight or less.
【請求項3】 炭素原料を、不活性雰囲気下において6
50〜1100℃で熱処理し、更に還元性雰囲気下にお
いて650〜1100℃で熱処理することを特徴とする
請求項1に記載の負極用炭素材料の製造方法。
3. A carbon raw material is added under an inert atmosphere to 6
The method for producing a carbon material for a negative electrode according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at 50 to 1100 ° C., and further the heat treatment is performed at 650 to 1100 ° C. in a reducing atmosphere.
【請求項4】 還元性雰囲気下での熱処理を炭素原料1
g当たり0.2ml/分以上の流量の水素雰囲気下にお
いて行う請求項3に記載の負極用炭素材料の製造方法。
4. The carbon raw material 1 is subjected to a heat treatment under a reducing atmosphere.
The method for producing a carbon material for a negative electrode according to claim 3, which is performed in a hydrogen atmosphere at a flow rate of 0.2 ml / min or more per g.
【請求項5】 炭素原料が石油系ピッチ、石炭系ピッ
チ、芳香族系樹脂、メソカーボンマイクロビーズ及び高
分子材料よりなる群より選ばれた少くとも1種からなる
有機材料である請求項3又は4に記載の負極用炭素材料
の製造方法。
5. The organic material comprising at least one selected from the group consisting of petroleum-based pitch, coal-based pitch, aromatic resin, mesocarbon microbeads and polymer material as the carbon raw material. 4. The method for producing the carbon material for a negative electrode according to 4.
【請求項6】 請求項1に記載の負極用炭素材料を構成
要素とする非水電解液リチウム二次電池負極用炭素電
極。
6. A carbon electrode for a negative electrode of a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery, which comprises the carbon material for a negative electrode according to claim 1 as a constituent element.
【請求項7】 請求項1に記載の負極用炭素材料と炭素
繊維との混合物を構成要素とし、炭素繊維の含有量が前
記炭素材料の5〜15重量%である非水電解液リチウム
二次電池負極用複合炭素電極。
7. A non-aqueous electrolyte lithium secondary containing the mixture of the carbon material for negative electrode according to claim 1 and carbon fiber as a constituent element, and the content of carbon fiber is 5 to 15% by weight of the carbon material. Composite carbon electrode for battery negative electrode.
【請求項8】 負極として請求項6又は7に記載の炭素
電極を有し、正極としてリチウムを含む電極を有する非
水電解液リチウム二次電池。
8. A non-aqueous electrolyte lithium secondary battery having the carbon electrode according to claim 6 or 7 as a negative electrode and an electrode containing lithium as a positive electrode.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20240049677A (en) 2022-06-29 2024-04-16 제이에프이 케미칼 가부시키가이샤 Non-graphitizable carbon, mixed carbon powder, negative electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery

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