JPH08180869A - Secondary battery electrode - Google Patents

Secondary battery electrode

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JPH08180869A
JPH08180869A JP6322968A JP32296894A JPH08180869A JP H08180869 A JPH08180869 A JP H08180869A JP 6322968 A JP6322968 A JP 6322968A JP 32296894 A JP32296894 A JP 32296894A JP H08180869 A JPH08180869 A JP H08180869A
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JP
Japan
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electrode
carbon
secondary battery
orientation
carbon body
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Application number
JP6322968A
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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 JPH08180869A publication Critical patent/JPH08180869A/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 a secondary battery electrode with high charging and discharging capacity which is easy to mold by constituting the electrode by a carbonaceous material obtained by setting a carbon body having specified orientation and crystallite thickness to a specified length. CONSTITUTION: A carbon body having an orientation P of 70<=P<=85% and a crystallite thickness Lc by X-ray diffraction of 13<=Lc<=20Åis crushed to provide a carbonaceous material having an average length not more than 5mm, and this material is used to provide a secondary battery electrode. As the carbon body, carbon fiber obtained by baking an organic material such as polyacrylonitrile is preferred. This electrode is used as a secondary battery negative electrode, and as a positive electrode material at that time, a transition metal oxide, for example, LiCoO2 or LiNiO2 is preferably used.

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、配向度と結晶性が低い
炭素体から得られる炭素質材料を用いた電極、および該
電極を用いた二次電池に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode using a carbonaceous material obtained from a carbon body having a low degree of orientation and crystallinity, 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
材料に、リチウムイオンがドーピングされ、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 that the carbonaceous material is doped with lithium ions during charging and has the same potential as metallic lithium, so that it can be used for the negative electrode instead of metallic lithium. Further, during discharge, the doped lithium ions are dedoped from the negative electrode. 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。
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.

【0005】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、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形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60−54
181号公報、特開昭62−103991号公報、特開
昭62−154564号公報、特開昭63−58763
号公報、特開平2−82466号公報等が公知である。
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. On the other hand, as a secondary battery using carbon fibers or a carbon fiber structure as an electrode as a carbonaceous material, instead of powder, JP-A-60-36315 and JP-A-60-54 are known.
181, JP 62-103991 A, JP 62-154564 A, JP 63-58763 A.
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-82466 and the like are known.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
特開昭60−36315号公報などに記載の技術におい
ては、放電容量が不充分であるといった問題点があっ
た。
However, the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-36315 has a problem that the discharge capacity is insufficient.

【0007】本発明は、かかる従来技術の欠点を解消し
ようとするものであり、充放電容量が高く、かつ、成形
加工の容易な二次電池用電極を提供することを目的とす
る。
The present invention is intended to solve the drawbacks of the prior art, and an object thereof is to provide an electrode for a secondary battery, which has a high charge / discharge capacity and is easy to mold.

【0008】[0008]

【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.

【0009】「配向度Pが70%≦P≦85%、かつ、
X線回折による結晶子厚みLcが13オングストローム
≦Lc≦20オングストロームである炭素体から得られ
る平均長さ5mm以下の炭素質材料からなる二次電池用
電極。」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、Lcの小さ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た。ま
た、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。
"Orientation degree P is 70% ≤P≤85%, and
An electrode for a secondary battery made of a carbonaceous material having an average length of 5 mm or less obtained from a carbon body having a crystallite thickness Lc by X-ray diffraction of 13 Å ≦ Lc ≦ 20 Å. 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 even an amorphous carbon material having a small Lc, such as a fired body of an organic material, can be intercalated. Further, since a high-performance secondary battery utilizing intercalation of such a fired organic material is realized, interest in amorphous carbon materials is increasing. 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いな
い。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、適切な配向度と結晶子の厚みLc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。すなわち、配向度Pとしては70%≦P≦85%、
かつ、X線回折による結晶子厚みLcが13オングスト
ローム≦Lc≦20オングストロームである炭素体を電
極として用いるのである。
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. At present, we are developing carbon materials through repeated trial and error. 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 and a crystallite thickness Lc is excellent as the high-capacity carbon material. That is, the degree of orientation P is 70% ≦ P ≦ 85%,
Moreover, a carbon body having a crystallite thickness Lc by X-ray diffraction of 13 Å ≦ Lc ≦ 20 Å is used as an electrode.

【0011】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
炭素体も当然、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体を利用する場合
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。そのた
め、配向度Pとして70%≦P≦85%のものを用い
る。
Generally, a fibrous material has directionality because it is oriented in the fiber direction. Naturally, the carbon body which is a fired body of such fibers also has an orientation, but in this case having an orientation indicates that the carbon layer surfaces are aligned in a substantially constant direction. When a carbon body is used as a material for the active electrode, if the orientation is too high, structural anisotropy is strong and intercalation easily occurs depending on the direction, so that the capacity does not increase. . Therefore, the degree of orientation P is 70% ≦ P ≦ 85%.

【0012】一方、結晶化度が高すぎると炭素体中のイ
オンの移動度が低く、そのため高い電流放電時の放電容
量が低下するという問題がある。逆に結晶化度が低すぎ
る炭素体は炭化が十分でないため炭素体電極としては不
適当である。そこで、X線回折による結晶子厚みLcが
13オングストローム≦Lc≦20オングストローム、
より好ましくは13オングストローム≦Lc≦16オン
グストロームである炭素体を用いる。
On the other hand, if the crystallinity is too high, the mobility of ions in the carbon body is low, which causes a problem that the discharge capacity at the time of high current discharge is lowered. On the contrary, a carbon body having a too low degree of crystallinity is not suitable as a carbon body electrode because carbonization is not sufficient. Therefore, the crystallite thickness Lc by X-ray diffraction is 13 Å ≦ Lc ≦ 20 Å,
More preferably, a carbon body with 13 Å ≦ Lc ≦ 16 Å is used.

【0013】ここで、配向度Pとは、繊維軸方向に対し
て炭素体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。
Here, the orientation degree P is an index showing how much the carbon layer surface in the carbon body is oriented with respect to the fiber axis direction, and can be measured by the following method.

【0014】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。
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 of (002) occurs in the vicinity of the diffraction angle 2θ = 26 ° in the horizontal plane. A line appears. Next, while rotating the carbon fiber in the plane perpendicular to the incident X-ray, the diffraction angle 2θ = 26 in the horizontal plane.
The rotation angle dependence of the diffraction intensity is measured at a position near °.
The degree of orientation P is calculated from the following equation, where the half-value width obtained from the angle dependence of this intensity is the angle H.

【0015】 P ={(180−H)/180}× 100 (%) (1) また、結晶子の厚みLcは、X線回折によって得られ
た、面指数(002)ピークの半値幅の値から、下記の
Scherrerの式を用い算出した。
P = {(180−H) / 180} × 100 (%) (1) Further, the thickness Lc of the crystallite is the value of the full width at half maximum of the plane index (002) peak obtained by X-ray diffraction. From the below
It was calculated using the Scherrer formula.

【0016】 LC (002) =Kλ/β0 cosθB (2) ただし、LC (002) :微結晶の(002)面に垂直な方
向の平均の大きさ、K:1.0、λ:X線の波長(Cu
Kαの場合、1・54)、β0 =(βE 2 −βI 2
1/2 、βE :見掛けの半値幅(測定値)、βI :補正
値、θB :ブラッグ角である。
L C (002) = Kλ / β 0 cos θ B (2) where L C (002): average size in the direction perpendicular to the (002) plane of the microcrystal, K: 1.0, λ : Wavelength of X-ray (Cu
In the case of Kα, 1.54), β 0 = (β E 2 −β I 2 )
1/2 , β E : apparent half width (measured value), β I : correction value, θ B : Bragg angle.

【0017】以下、本発明にいう電池電極を構成する炭
素体について、具体例を挙げながら詳述する。
The carbon body constituting the battery electrode according to the present invention will be described in detail below with reference to specific examples.

【0018】本発明における炭素体としては、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(PA
N)から得られるPAN系炭素体、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体、セルロースか
ら得られるセルロース系炭素体、低分子量有機物の気体
から得られる気相成長炭素体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体でも構
わない。これらの炭素体の中で、炭素体が用いられる電
極および電池の特性に応じて、その特性を満たす炭素体
が適宜選択されることが必要となる。
The carbon body in the present invention is not particularly limited, and generally, a carbon material obtained by firing an organic material is used. Specifically, polyacrylonitrile (PA
N), PAN-based carbon bodies, pitch-based carbon bodies obtained from pitch such as coal or petroleum, cellulose-based carbon bodies obtained from cellulose, vapor-grown carbon bodies obtained from gas of low molecular weight organic matter, and the like. However, in addition thereto, a carbon body obtained by firing polyvinyl alcohol, lignin, polyvinyl chloride, polyamide, polyimide, phenol resin, furfuryl alcohol, or the like may be used. Among these carbon bodies, depending on the characteristics of the electrode and battery in which the carbon body is used, it is necessary to appropriately select the carbon body that satisfies the characteristics.

【0019】上記炭素体の中で、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系炭素体、ピッチ系炭素体、気相成長炭素体
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、PAN系
炭素体が好ましく用いられる。
Among the above carbon bodies, when used as a negative electrode of a secondary battery using a non-aqueous electrolyte containing an alkali metal salt, PAN-based carbon bodies, pitch-based carbon bodies and vapor-grown carbon bodies are preferable. Particularly, the PAN-based carbon body is preferably used in that the doping of alkali metal ions, particularly lithium ions is good.

【0020】本願発明においては、かかる炭素体の形態
としては、粒子状、繊維状など特に限定されるものでは
ないが、繊維状の場合、PAN系炭素繊維を製造する方
法としては、特公昭37−4405号、特公昭44−2
1175号、特公昭47−24185号、特公昭51−
6244号、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。すなわち、高強度を達成する方法として
は、定長処理による方法、さらには自由収縮に対して収
縮を規制し、実質的に配向緩和を抑制する方法、等の手
段により高配向を有する炭素繊維の製造方法が公知であ
る。しかし、本発明における炭素繊維は前述のように配
向度、および結晶性が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必要がある。低配向、およ
び非晶性を有する炭素繊維の製造方法としては、まず原
糸において、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、低張力下、さらには無緊張下で実施す
ることによって、低配向、および非晶性を有する炭素繊
維の製造が可能である。
In the invention of the present application, the form of the carbon body is not particularly limited, such as a particulate form or a fibrous form. However, in the case of a fibrous form, a method for producing a PAN-based carbon fiber is disclosed in JP-B-37. -4405, Japanese Patent Publication No. 44-2
No. 1175, Japanese Patent Publication No. 47-24185, Japanese Patent Publication No. 51-
6244 and many other known methods.
However, most of them are methods of manufacturing carbon fiber as a reinforcing material, and therefore, a technique of increasing orientation in a yarn making and firing step is adopted. That is, as a method for achieving high strength, a method by constant length treatment, further controlling the shrinkage against free shrinkage, a method of substantially suppressing orientation relaxation, such as a method of carbon fiber having a high orientation Manufacturing methods are known. However, since it is important that the carbon fiber in the present invention has a low degree of orientation and crystallinity as described above, it is necessary to improve the known technique to some extent. As a method for producing a carbon fiber having low orientation and amorphousness, first, in the raw yarn, the main component is polyacrylonitrile, and a component such as methyl acrylate or methyl methacrylate that easily causes orientation relaxation by heating. The method using the copolymer composition polymer of is preferably used. Further, in the firing step, carbon fiber having low orientation and non-crystallinity can be produced by carrying out under low tension and further under no tension.

【0021】より具体的には特公昭51−24603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倍とし、さらに炭化工程の延伸倍率も0.92
倍と収縮させるという改良技術を採用することにより、
改良前の配向度81%、結晶子の大きさ(Lc)17オ
ングストロームに対し、配向度78%、結晶子の大きさ
(Lc)15オングストロームと極めて低い配向を有す
る炭素繊維の製造が可能である。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。
More specifically, in the method disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 51-24603, the draw ratio in the flameproofing step is 0.78, and the draw ratio in the carbonization step is 0.92.
By adopting the improved technology of shrinking twice,
It is possible to manufacture a carbon fiber having an orientation degree of 78% and a crystallite size (Lc) of 15 angstroms, which is extremely low with respect to an orientation degree of 81% before improvement and a crystallite size (Lc) of 17 angstroms. . Also in pitch-based carbon fibers and carbon fibers starting from other organic polymers, low orientation carbon fibers can be produced by the same technical idea.

【0022】本発明においては、上記適切な配向度と結
晶厚みを有する炭素体から得られる平均長さが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。この炭素質材料は、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
型して電極として使用するが、平均長さが5mmを越え
ると塗工性が悪くなる。炭素体を平均長さ5mm以下に
切断あるいは粉砕する方法としては、種々の微粉砕機を
使用することが可能である。また、本願発明において平
均長さとは、例えば、SEM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。
In the present invention, the average length obtained from the carbon body having the above-mentioned suitable degree of orientation and crystal thickness is 5 mm or less, preferably 1 mm or less, more preferably 100 μm.
The following carbonaceous materials are used. This carbonaceous material is used as an electrode by shaping it into a sheet from a slurry containing a binder and a solvent, but if the average length exceeds 5 mm, the coatability deteriorates. As a method for cutting or crushing the carbon body to an average length of 5 mm or less, various fine pulverizers can be used. In the present invention, the average length is obtained by measuring the length of 20 or more carbonaceous materials in the orientation direction by observing with a microscope such as SEM.

【0023】炭素繊維として用いる場合、その直径は、
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。
When used as carbon fiber, its diameter is
It 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.

【0024】本発明の、炭素体から構成される電極は、
各種電池の活電極として利用可能であり、一次電池、二
次電池など、どのような電池に利用されるかは特に限定
されるものではない。この中で、二次電池の負極に好ま
しく用いられる。特に好ましい二次電池としては、過塩
素酸リチウム、硼フッ化リチウム、6フッ化リン・リチ
ウムのようにアルカリ金属塩を含む非水電解液を用いた
二次電池を挙げることができる。
The electrode composed of a carbon body of the present invention is
It can be used as an active electrode of various batteries, and what kind of battery such as a primary battery or a secondary battery is used is not particularly limited. Among these, it is preferably used as a negative electrode of a secondary battery. Particularly preferable secondary batteries include secondary batteries using a non-aqueous electrolyte solution containing an alkali metal salt such as lithium perchlorate, lithium borofluoride, and phosphorus hexafluoride / lithium.

【0025】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、炭素体へのカチオン
あるいはアニオンのドーピングを利用し、カチオンがド
ープされる炭素体を負極に、アニオンがドープされる炭
素体を正極に用いることとなる。これらは、炭素体の各
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、本発明の炭素体より構成される電極を負極に、
炭素体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。
When the electrode of the present invention is used in a non-aqueous electrolyte secondary battery containing an alkali metal salt, the cation or anion doping of the carbon body is utilized, and the cation-doped carbon body is used as the negative electrode. A carbon body doped with anions will be used for the positive electrode. These should be able to be used for the positive electrode or the negative electrode depending on various characteristics of the carbon body, but it is not always necessary to use both electrodes as the electrodes of the present invention, and an electrode composed of the carbon body of the present invention for the negative electrode,
It is also a preferred embodiment to use an electrode containing no carbon body as a positive electrode.

【0026】炭素体を含まない電極を正極に用いる際に
は、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
合物などを用いることができる。金属あるいは金属酸化
物などの無機化合物を用いた正極においては、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。金属としては、例えば、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
などが挙げられる。また、有機高分子としては、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、塩化チオニルなどが用いられる。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。
When an electrode containing no carbon body is used for the positive electrode, artificial or natural graphite powder, fluorinated carbon, an inorganic compound such as metal or metal oxide, or an organic polymer compound can be used. In a positive electrode using 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. Examples of the metal include transition metal oxides containing alkali metals, transition metal chalcogens, and the like. Further, as the organic polymer, conjugated polymers such as polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyaniline, polypyrrole, and polythiophene, cross-linked polymers having a disulfide bond, thionyl chloride and the like are used. Among these, in the case of a secondary battery using a non-aqueous electrolytic solution containing a lithium salt, transition metal oxides and transition metal chalcogens such as cobalt, manganese, molybdenum, vanadium, chromium, iron, copper and titanium are It is preferably used.

【0027】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、ジメチルカーボネー
ト、ジエチレンカーボネートや、これらの誘導体や混合
物などが好ましく用いられる。電解液に含まれる電解質
としては、アルカリ金属、特にリチウムのハロゲン化
物、過塩素酸塩、チオシアン塩、ホウフッ化塩、リンフ
ッ化塩、砒素フッ化塩、アルミニウムフッ化塩、トリフ
ルオロメチル硫酸塩などが好ましく用いられる。
The electrolytic solution of the secondary battery using the electrode of the present invention is not particularly limited, and a conventional electrolytic solution is used, and examples thereof include an acid or alkaline aqueous solution or a non-aqueous solvent. Among 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, dimethyl carbonate, diethylene carbonate, and derivatives and mixtures thereof are preferably used. As the electrolyte contained in the electrolytic solution, alkali metal, particularly lithium halide, perchlorate, thiocyanate, borofluoride, phosphorus fluoride, arsenic fluoride, aluminum fluoride, trifluoromethyl sulfate, etc. Is preferably used.

【0028】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を有するとい
う特徴を利用して、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とし
て、広く好適に利用可能である。
The secondary battery using the electrode of the present invention is lightweight, has a high capacity and has a high energy density, and can be used for portable applications such as video cameras, personal computers, word processors, radio-cassettes, and mobile phones. It can be widely and suitably used as a small electronic device.

【0029】[0029]

【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.

【0030】実施例1 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、1100℃で5分間焼成すること
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77.0%であ
った。また、式(2)より求めた結晶子厚みLcは1
4.3オングストロームであった。
Example 1 Acrylic fiber having a (400) orientation degree of PAN of 92% was flame-proofed in air at 200 ° C. to 250 ° C. under no stress, and then fired in nitrogen under no stress for 1 minute at 1100 ° C. By doing so, a carbon fiber was produced. Degree of orientation of the carbon fiber,
It was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 77.0%. Further, the crystallite thickness Lc obtained from the equation (2) is 1
It was 4.3 angstroms.

【0031】次に上記炭素繊維を粉砕し、平均長さ30
μmのミルドファイバーとし、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、溶媒に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、400mAh/gであっ
た。
Next, the carbon fiber is crushed to obtain an average length of 30.
A μm milled fiber was prepared, 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder was added thereto, 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 is 40 mA / g at a constant current of 0 V (vs. Li
+ / Li). The discharge capacity of the carbonaceous material electrode determined from the amount of charge discharged after charging was 400 mAh / g.

【0032】実施例2 実施例1において、焼成温度、時間を1200℃、5分
間にした以外は、同様にして、炭素繊維を作製した。
Example 2 A carbon fiber was produced in the same manner as in Example 1, except that the firing temperature and time were 1200 ° C. and 5 minutes.

【0033】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。また、式
(2)より求めた結晶子厚みLcは14.8オングスト
ロームであった。
The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 78.0%. Further, the crystallite thickness Lc calculated from the equation (2) was 14.8 angstrom.

【0034】次に上記炭素繊維を用いて実施例1と同様
にして電極を作製し、充電評価を行った。電解液は1M
LiBF4 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繊維電極の放電容量は、38
0mAh/gであった。
Next, an electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the above carbon fiber, and the charge was evaluated. The electrolyte is 1M
Evaluation was carried out in a three-electrode cell in which propylene carbonate containing LiBF 4 and metallic lithium foil were used 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 carbon fiber electrode calculated from the amount of charge discharged after charging is 38
It was 0 mAh / g.

【0035】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、窒素雰囲気中で5分間、1200℃付近
で焼成した。
Example 3 Acrylic fibers were subjected to flameproofing treatment in the same manner as in Example 1, and then fired at about 1200 ° C. for 5 minutes in a nitrogen atmosphere under tension.

【0036】該炭素繊維の配向度を、広角X線回折(カ
ウンター法)によって測定した。式(1)より求めた該
炭素繊維の配向度は80.5%であった。また、式
(2)より求めた結晶子厚みLcは16.0オングスト
ロームであった。
The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 80.5%. Further, the crystallite thickness Lc calculated from the equation (2) was 16.0 angstrom.

【0037】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の放電容量は、370mAh
/gであった。
Next, an electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the above carbon fiber, 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 calculated from the amount of charge discharged after charging is 370 mAh
It was / g.

【0038】比較例1 実施例1において、焼成温度、時間を1700℃、5分
間にした以外は、同様にして、炭素繊維を作製した。
Comparative Example 1 A carbon fiber was prepared in the same manner as in Example 1, except that the firing temperature and time were set to 1700 ° C. for 5 minutes.

【0039】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82.0%であった。また、式
(2)より求めた結晶子厚みLcは21.0オングスト
ロームであった。
The degree of orientation of the carbon fibers was measured by wide-angle X-ray diffraction (counter method). The degree of orientation of the carbon fiber obtained from the formula (1) was 82.0%. Further, the crystallite thickness Lc calculated from the equation (2) was 21.0 angstrom.

【0040】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1MLi
BF4 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繊維電極の放電容量は、220m
Ah/gであった。
Next, an electrode was prepared in the same manner as in Example 1 using the above carbon fiber, and the charge was evaluated. The electrolyte is 1MLi
Evaluation was carried out in a three-electrode cell in which propylene carbonate containing BF 4 and metallic lithium foil were used 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 carbon fiber electrode calculated from the amount of charge discharged after charging is 220 m.
It was Ah / g.

【0041】実施例4 市販の炭酸リチウム (Li2 CO3 ) と塩基性炭酸コバルト
(2CoCO3 ・3Co(OH) 2) を、モル比でLi/Co=1/1 となる
ように秤量、ボールミルにて混合後、900 ℃で20時間熱
処理してLiCoO 2 を得た。これをボールミルにて粉砕
し、導電材として人造黒鉛、結着材としてポリフッ化ビ
ニリデン(PVdF)、溶媒としてN−メチルピロリドンを用
い、重量比でLiCoO 2 / 人造黒鉛/PVdF =80/15/5 とな
るように混合し正極スラリーを調製し、このスラリーを
アルミ箔上に塗布、乾燥、プレスして正極を得た。
Example 4 Commercially available lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and basic cobalt carbonate
(2CoCO 3 .3Co (OH) 2 ) was weighed so that the molar ratio was Li / Co = 1/1, mixed with a ball mill, and heat-treated at 900 ° C. for 20 hours to obtain LiCoO 2 . This was crushed with a ball mill, and artificial graphite was used as a conductive material, polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as a binder, and N-methylpyrrolidone was used as a solvent. The weight ratio of LiCoO 2 / artificial graphite / PVdF = 80/15/5 To prepare a positive electrode slurry, which was applied on an aluminum foil, dried and pressed to obtain a positive electrode.

【0042】実施例1にて作製した炭素質材料からなる
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
含むプロピレンカーボネートを用いた。
The electrode made of the carbonaceous material prepared in Example 1 was used as a negative electrode, and the positive electrode prepared above was put through a separator made of a porous polypropylene film (Celguard # 2500, manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.). A secondary battery was produced by stacking them. As the electrolyte, propylene carbonate containing 1M LiBF 4 was used.

【0043】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370mAh/gであった。
The charging evaluation of the secondary battery produced 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 370 mAh / g based on the weight of the carbonaceous material used in the battery.

【0044】比較例2 比較例1で作製した炭素繊維電極を負極として用い、実
施例4と同様な方法で二次電池を作製した。この電池に
使用された炭素質材料の重量当たりで190mAh/gであっ
た。
Comparative Example 2 A secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 4, using the carbon fiber electrode manufactured in Comparative Example 1 as the negative electrode. The weight of the carbonaceous material used in this battery was 190 mAh / g.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明により、炭素体を電極とした、高
放電容量を有する電池を提供することができる。
According to the present invention, a battery having a carbon body as an electrode and having a high discharge capacity can be provided.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】配向度Pが70%≦P≦85%、かつ、X
線回折による結晶子厚みLcが13オングストローム≦
Lc≦20オングストロームである炭素体から得られる
平均長さ5mm以下の炭素質材料からなる二次電池用電
極。
1. An orientation degree P of 70% ≦ P ≦ 85% and X
The crystallite thickness Lc by line diffraction is 13 Å ≦
An electrode for a secondary battery, which is made of a carbonaceous material having an average length of 5 mm or less, which is obtained from a carbon body having Lc ≦ 20 Å.
【請求項2】該炭素体が炭素繊維である請求項1記載の
二次電池用電極。
2. The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the carbon body is carbon fiber.
【請求項3】負極に用いることを特徴とする請求項1記
載の二次電池用電極。
3. The secondary battery electrode according to claim 1, which is used as a negative electrode.
【請求項4】正極材として、遷移金属酸化物を用いるこ
とを特徴とする請求項1記載の二次電池用電極。
4. The electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein a transition metal oxide is used as the positive electrode material.
【請求項5】該遷移金属酸化物が、LiCoOまたは
LiNiOであることを特徴とする請求項4記載の二
次電池用電極。
5. The electrode for a secondary battery according to claim 4, wherein the transition metal oxide is LiCoO 2 or LiNiO 2 .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9054364B2 (en) 2012-03-30 2015-06-09 Sony Corporation Battery, negative electrode for battery, battery pack, electronic apparatus, electric vehicle, electricity storage apparatus and electric power system
JP2021020190A (en) * 2019-07-30 2021-02-18 三菱鉛筆株式会社 Liquid absorbing body

Cited By (3)

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