JPH0864207A - 二次電池電極用炭素質材料およびその製造法 - Google Patents
二次電池電極用炭素質材料およびその製造法Info
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Abstract
能とする二次電池電極用炭素質材料を提供する。 【構成】 炭素質材料であって、該炭素質材料に電気化
学的にリチウムをドープし、 7Li−NMR分析を行っ
たとき、基準物質LiClの共鳴線に対して低磁場側に
80〜200ppmシフトした主共鳴ピークが観測され
る炭素質材料。
Description
材料に関するものであり、更に詳しくは高エネルギー密
度非水溶媒系二次電池の電極材料として好適な炭素質材
料及びその製造法に関するものである。
伴い、それらの電源として高エネルギー密度の二次電池
の要求が高まり、非水溶媒系リチウム二次電池が提案さ
れている(例えば、特開昭57−208079号公報、
特開昭62−90863号公報、特開昭62−1220
66号公報、特開平2−66856号公報参照)。これ
らは負極にリチウム金属を用いる代わりに、リチウムを
炭素へドープして使用することにより、デンドライトの
発生に伴う内部ショートの危険性を解消し、充放電サイ
クル特性、貯蔵安定性等を改良したものである。
するためには、負極を構成する材料が多くのリチウムを
ドープ・脱ドープできることが重要である。
ウム二次電池の負極用炭素質材料として黒鉛、あるいは
有機材料を炭素化して得られる炭素質材料を用いる。
黒鉛層間化合物を形成するが、c軸方向の結晶子が大き
いほどドープ・脱ドープにより結晶子に繰り返し生じる
歪みが大きく、結晶の破壊が起き易い。そのためc軸方
向の結晶子の大きな黒鉛構造の発達した炭素質材料を用
いて構成した二次電池は、充放電の繰り返し性能が劣
る。また、黒鉛を負極材として用いて電解液の分壊を避
けるためには、電解液として炭酸エチレン系のものを使
用する必要がある。炭酸エチレンは、融点が高いため、
低温特性が悪い。さらに、黒鉛層間へのリチウムのドー
プ、脱ドープ反応は、黒鉛のエッジ面より進行するが、
a軸方向の結晶子の大きな黒鉛ではエッジ面が少ないた
めドープ、脱ドープ反応が遅い。そのため、このような
炭素質材料を使用した電池においては、急速な充放電を
行おうとするとドープ容量や脱ドープ容量が急激に減少
したり、過電圧が高くなり電解液の分解が起り易いとい
う問題もある。
処理して得られるポリアセン(PAS)や、メソカーボ
ンマイクロビーズ(MCMB)を800℃前後で熱処理
して得られる低温処理炭は、700〜1000mAh/
gもの高いドープ容量を有するが、脱ドープ容量が50
0〜600mAh/g程度であることが報告されてお
り、ドープ容量と脱ドープ容量の差が200mAh/g
以上もあり、負極炭素にドープされたリチウムが完全に
は脱ドープされず、多量のリチウムが負極炭素中に残
り、活物質であるリチウムが無駄に消費されるという問
題がある(例えば、SEVENTH INTERNAT
IONAL MEETING ON LITHIUM
BATTERIES,Boston,Massachu
setts,USA,May15−20,1994,
EXTENDED ABSTRACTS AND PR
OGRAM,212ページ 参照)。
電容量を有し、活物質利用率が高く、充放電サイクル特
性の優れた非水溶媒系二次電池を可能とする二次電池電
極用炭素材料を提供することを目的とする。具体的に
は、リチウム等の活物質のドープ・脱ドープ容量が大き
く、脱ドープされずに炭素質材料中に残る活物質量(不
可逆容量)が少なく、充放電の繰り返しによる構造破壊
や電解液の分解を起さない炭素材料を提供することを目
的とする。
材料の微細構造を適切に制御することにより、炭素質材
料に大量のリチウムを吸蔵することを可能にし、その結
果、大きな充放電容量を有し、急速充放電による容量低
下が小さく、充放電サイクル特性に優れ、不可逆容量の
小さい(活物質利用率の大きい)非水溶媒系二次電池を
可能とする炭素質材料が得られることを見出した。
極用炭素質材料は、該炭素質材料に電気化学的にリチウ
ムをドープし、 7Li−NMR分析を行ったとき、基準
物質LiClの共鳴線に対して低磁場側に80〜200
ppmシフトした主共鳴ピークが観測されることを特徴
とする炭素質材料である。
からの共鳴ピークの低磁場側へのシフトを、以後「ナイ
トシフト」と呼ぶことにする。
例えば、石油系又は石炭系のタール若しくはピッチに対
し、架橋処理を施した後、10kPa(0.1気圧)以
下の減圧下で900〜1500℃で炭素化することによ
って製造することができる。
ープ容量(電気容量として約500〜650mAh/
g。後述実施例参照)を示す。これは、本発明の微細組
織を適切に制御した炭素質材料によれば、これまで報告
されていたリチウム黒鉛層間化合物LiC6 の生成を伴
う吸蔵機構(最大372mAh/g、ナイトシフト約4
4ppm以下に相当)ならびに金属リチウムの析出(ナ
イトシフト約265ppmに相当)とは別の、ナイトシ
フト80〜200ppmに相当する吸蔵機構が支配的な
ものとして、許容されていることに起因すると解され
る。
材料は、該炭素質材料に電気化学的にリチウムをドープ
し、 7Li−NMR分析を行ったとき、基準物質LiC
lの共鳴線に対して低磁場側に80〜200ppmシフ
トした(すなわちナイトシフトが80〜200ppmで
ある)主共鳴ピークが観測されることを特徴とする。
た場合、リチウムのドープ量の増大に伴って炭素質材料
中にドープされたリチウム由来のナイトシフトが大きく
なり、ついには80ppmを越えたナイトシフトを示
す。更にリチウムのドープ量を増大すると、ナイトシフ
トが80〜200ppmの間のピークの他にナイトシフ
トが約265ppmのところに金属リチウムに由来する
ピークが現れる。これは炭素質材料の表面に金属リチウ
ムが析出したことを示す(例えば後述の実施例1で得ら
れる炭素質材料にリチウムをドープしたもののNMRス
ペクトルである図1参照)。
200ppmの範囲の共鳴ピークのうちピーク面積が最
大なピークをいう。
低磁場側に80〜200ppmシフトした主共鳴ピーク
が観測される」とは、リチウムのドープ量が少ない場合
は主共鳴ピークのナイトシフトが80ppm以下であっ
ても、リチウムのドープ量を(例えば、金属リチウムが
析出するまで)増大することによって主共鳴ピークのナ
イトシフトが80〜200ppmの範囲となるものを含
むものである。
5ppmのピーク(金属リチウム由来のピーク)が現れ
るまでリチウムをドープしても、天然黒鉛内にドープさ
れたリチウム由来のピークのナイトシフトは約44pp
mを越えることはない(後述の比較例9の天然黒鉛にリ
チウムをドープしたもののNMRスペクトルである図3
参照)。
にいわゆる黒鉛層間化合物を形成し吸蔵されているとい
われており、ドープされるリチウムの最大量はLiC6
に相当する量(372mA/g)とされている。
pmを越えることがないのはこのことを支持するものと
思われる。
ナイトシフトを示すことは、本発明の炭素質材料は、黒
鉛層間化合物以外の形態でも炭素質材料中にリチウムを
吸蔵できる構造を有していることを意味するものであ
る。
の吸蔵状態を反映したものである。
にリチウムを吸蔵することが出来、且つ、リチウムドー
プ時の電極電位が比較的金属リチウムの電位に近い状態
であるという特徴を有する。この様な炭素質材料を負極
材料として用いたリチウム二次電池では、大きな充放電
容量を有し、高い放電電位が得られるという利点があ
る。更に、電解液に炭酸エチレンにより融点の低い炭酸
プロピレンを使用しても充放電時に電解液が分解するこ
とがないという特性もある。
物質を低温(例えば500〜800℃)で炭素化して得
た炭素質材料では、ナイトシフトが約12ppmの位置
に主共鳴ピークが観察される場合がある(後述の比較例
4で得られる炭素材料にリチウムをドープしたもののN
MRスペクトルである図2参照)。このような炭素質材
料を負極材料として用いた二次電池においては、負極炭
素にドープされたリチウムが完全には脱ドープされず、
多量のリチウムが負極炭素中に残り、活物質であるリチ
ウムが無駄に消費されるという問題がある。
ppm未満の炭素質材料は、上述の炭素化度の低い炭素
材料を除いては一般に活物質のドープ容量が小さく好ま
しくない。本発明の炭素質材料は好ましくは90ppm
以上、更に好ましくは95ppm以上に主共鳴ピークの
ナイトシフトが観測されることである。
求めた水素、炭素の原子比(H/C)が0.10以下で
あることがより好ましい。
H/Cは、炭素質材料の炭素化の度合いを表わす指標と
して用いることができ、H/Cが小さいほど炭素化が進
んでいることを意味する。
料は、炭素化が不十分であり好ましくない。このような
低炭素化度の炭素質材料を用いて負極を構成した二次電
池では、活物質のドープ容量と脱ドープ容量の差として
求められる不可逆容量が大きくなり、活物質が無駄に消
費される。H/Cは、好ましくは0.08以下、更に好
ましくは0.06以下である。
により製造することができる。
しくはピッチに架橋処理を施した炭素前駆体を調製した
のち、10kPa以下の減圧下で900〜1500℃で
炭素化する方法である。
橋処理を行ったタール又はピッチを炭素化して得られる
炭素質材料を難黒鉛化性にすることを目的とするもので
ある。
時に副生する石油系のタールおよびピッチ、石炭乾留時
に生成するコールタール、コールタールの低沸点成分を
蒸留除去した重質成分やピッチ、石炭の液化により得ら
れるタール及びピッチのような石油系又は石炭系のター
ル若しくはピッチが使用できる。また、これらのタール
及びピッチの2種以上を混合して使用してもよい。
方法、空気などの酸化剤で処理する方法等がある。
タール若しくはピッチに対し、架橋剤を加えて加熱混合
し架橋反応を進め炭素前駆体を得る。
反応が進行するジビニルベンゼン、トリビニルベンゼ
ン、ジアリルフタレート、エチレングリコールジメタク
リレート、N,N−メチレンビスアクリルアミド等の多
官能ビニルモノマーなどが使用できる。多官能ビニルモ
ノマーによる架橋反応は、ラジカル開始剤を添加するこ
とにより反応が開始する。ラジカル開始剤には、α,
α’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、過酸
化ベンゾイル(BPO)、過酸化ラウロイル、クメンヒ
ドロペルオキシド、ジクミルペルオキシド、t−ブチル
ヒドロペルオキシド、過酸化水素などが使用できる。
応を進める場合は、以下のような方法で炭素前駆体を得
ることが好ましい。
し、添加剤として沸点200℃以上の2乃至3環の芳香
族化合物又はその混合物を加えて加熱混合した後、成形
しピッチ成形体を得る。次にピッチに対し低溶解度を有
しかつ添加剤に対して高溶解度を有する溶剤で、ピッチ
成形体から添加剤を抽出除去し、多孔性ピッチとした
後、酸化剤を用いて酸化し、炭素前駆体を得る。
ピッチ成形体から該添加剤を抽出除去して成形体を多孔
質とし、酸化による架橋処理を容易にし、また炭素化後
に得られる炭素質材料を多孔質にすることにある。この
ような添加剤は、例えばナフタレン、メチルナフタレ
ン、フェニルナフタレン、ベンジルナフタレン、メチル
アントラセン、フェナンスレン、ビフェニル等の1種又
は2種以上の混合物から選択される。ピッチに対する添
加量は、ピッチ100重量部に対し30〜70重量部の
範囲が好ましい。
成するため、加熱し溶融状態で行う。ピッチと添加剤の
混合物は、添加剤を混合物から容易に抽出できるように
するため、粒径1mm以下の粒子に成形することが好ま
しい。成形は溶融状態で行ってもよく、また混合物を冷
却後粉砕する等の方法によってもよい。
除去するための溶剤としては、ブタン、ペンタン、ヘキ
サン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素、ナフサ、ケロシン
等の脂肪族炭化水素主体の混合物、メタノール、エタノ
ール、プロパノール、ブタノール等の脂肪族アルコール
類が好適である。
成形体から添加剤を抽出することによって、成形体の形
状を維持したまま添加剤を成形体から除去することがで
きる。この際に成形体中に添加剤の抜け穴が形成され、
均一な多孔性を有するピッチ成形体が得られるものと推
定される。
橋するため、次に酸化剤を用いて、好ましくは50℃〜
400℃の温度で酸化する。酸化剤としては、O2 、O
3 、NO2 、これらを空気、窒素等で希釈した混合ガ
ス、又は空気等の酸化性気体、あるいは硫酸、硝酸、過
酸化水素水等の酸化性液体を用いることができる。
ば燃焼ガス等との混合ガスのような酸素を含むガスを用
いて、120℃〜300℃で酸化して架橋処理を行うこ
とが簡便であり、経済的にも有利である。この場合、ピ
ッチの軟化点が低いと、酸化時にピッチが溶融して酸化
が困難となるので、使用するピッチは軟化点が150℃
以上であることが好ましい。
駆体を、10kPa以下の減圧下900℃〜1500℃
で炭素化することにより、本発明の炭素質材料が得られ
る。
植物繊維を10kPa以下の減圧下900℃〜1500
℃で炭素化することによっても得ることができる。
塩酸等の酸で処理して除去した後炭素化することが好ま
しい。椰子殻を低温で焼成した椰子殻炭(椰子殻チャ
ー)は好ましい原料である。
め、減圧度が低い場合は酸素等の酸化性ガスが存在しな
い、窒素、アルゴン等の不活性ガスのみが許容される減
圧下雰囲気の下で行うことが好ましい。減圧下での圧力
が10kPaを越える場合、あるいは炭素下温度が90
0℃未満又は1500℃を越える場合には、得られる炭
素質材料にリチウムをドープして 7Li−NMR分析を
行った際に、ナイトシフトが80〜200ppmを示す
炭素質材料が得られない。圧力は、好ましくは1kPa
以下、更に好ましくは0.1kPa以下、炭素化温度は
好ましくは950℃〜1450℃、更に好ましくは10
00℃〜1400℃である。
は全炭素化工程を通して行ってもよいが、800〜15
00℃の温度域が減圧下で行われれば十分である。
次電池の電極を構成する場合には、炭素質材料を、必要
に応じて平均粒径約5〜100μmの微粒子とした後、
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、
ポリエチレン等の非水溶媒に対して安定な結合剤によ
り、例えば、円形あるいは矩形の金属板等からなる導電
性の集電材に接着して厚さが例えば10〜200μmの
層を形成する等の方法により電極を製造する。結合剤の
好ましい添加量は、炭素質材料に対して1〜20重量%
である。結合剤の添加量が多すぎると、得られる電極の
電気抵抗が大きくなり電池の内部抵抗が大きくなり電池
特性を低下させるので好ましくない。また結合剤の添加
量が少なすぎると、炭素質材料粒子相互及び集電材との
結合が不十分となり好ましくない。なお、上記は、比較
的小容量の二次電池についての値であるが、より大容量
の二次電池の形成のためには、上記炭素質微粒子と結合
剤の混合物をプレス成形等の方法により、より大なる厚
さの成形体を製造し、これを集電材と電気的に接続する
等の方法も可能である。
特性を利用して、非水溶媒型二次電池の正極材料として
用いることも可能であるが、上述したように、非水溶媒
型二次電池の負極、特にリチウム二次電池の負極活物質
としてのリチウムのドープ用負極、の構成に用いること
が好ましい。
2 、LiNiO2 、LiMnO4 等の複合金属カルコゲ
ン化物が好ましく、適当なバインダーと電極に導電性を
付与するための炭素材料とともに成形して、導電性の集
電材上に層形成される。
る非水溶媒型電解液は、一般に非水溶媒に電解質を溶解
することにより形成される。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、ジメ
チルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシ
エタン、ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テト
ラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、スル
ホラン、1,3−ジオキソラン等の有機溶媒の一種また
は二種以上を組合せて用いることが出来る。また電解質
としては、LiClO4 、LiPF6 、LiBF4 、L
iCF3 SO3、LiAsF6 、LiCl、LiBr、
LiB(C6 H5 )4 、LiN(So2CF3 )2 等が
用いられる。
した正極層と負極層とを、必要に応じて不織布、その他
の多孔質材料等からなる透液性セパレータを介して、対
向させ電解液中に浸漬することにより形成される。
/C)の原子比の測定、 7Li−NMR分析及びピッチ
の軟化点の測定は以下のようにして行った。
定」:CHNアナライザーによる元素分析により得られ
る試料中の水素及び炭素の重量割合から、水素/炭素の
原子数の比として求めた。
て製造した炭素電極(正極)及びリチウム負極を用い、
電解液として、ジエチルカーボネートとエチレンカーボ
ネートを容量比で1:1で混合した混合溶媒に1モル/
リットルの割合でLiPF6を加えたものを使用し、ポ
リプロピレン製微細孔膜をセパレータとして非水溶媒系
リチウム二次電池を構成し、電流密度0.2mA/cm
2 の定電流で電気量が600mAh/g(炭素質物質)
に達するまで通電し、炭素質材料にリチウムをドープし
た。
アルゴン雰囲気下で炭素電極を取り出し、電解液を拭き
取った炭素電極(正極)を全てNMR測定用サンプル管
に充填した。NMR分析は、日本電子(株)製JNM−
EX270によりMAS− 7Li−NMRの測定を行っ
た。測定にあたっては、LiClを基準物質として測定
し、これを0ppmに設定した。
造]炭素質材料粉末90重量部、ポリフッ化ビニリデン
10重量部に、N−メチル−2−ピロリドンを加えてペ
ースト状とし、銅箔上に均一に塗布し、乾燥した後、銅
箔より剥離させ直径21mmの円板状に打ち抜き、約5
00MPaの圧力でプレスして正極とした。なお正極中
の炭素質材料の量は約40mgになるように調整した。
負極には、厚さ1mmの金属リチウム薄板を直径21m
mの円板状に打ち抜いたものを用いた。
スターを用い、250mm以下に粉砕された試料1gを
直径1mmのノズルを底部に有する断面積1cm2 のシ
リンダーに充填し、9.8N/cm2 (10kg/cm
2 )の加重を加えながら6℃/minの速度で昇温す
る。温度の上昇に伴い粉体粒子が軟化し充填率が向上
し、試料粉体の体積は減少するが、ある温度以上では体
積の減少は停止する。さらに昇温を続けるとシリンダー
下部のノズルより試料が溶融して流出する。この時の試
料粉体の体積減少が停止する温度をその試料の軟化点と
定義する。なお軟化点の高い試料においてはノズルから
の試料の流出は起らない場合もある。
更に詳細に説明する。
溶分1重量%、H/C原子比0.63の石油系ピッチ6
8kgと、ナフタレン32kgとを、撹拌翼のついた内
容積300リットルの耐圧容器に仕込み、190℃で加
熱溶融混合を行った後、80〜90℃に冷却して押し出
し、径約500μmの紐状成形体を得た。次いで、この
紐状成形体を直径と長さの比が約1.5になるように破
砕し、得られた破砕物を93℃に加熱した0.53重量
%のポリビニルアルコール(ケン化度88%)水溶液中
に投入し、撹拌分散し、冷却して球状ピッチ成形体を得
た。大部分の水を濾過により除いた後、球状ピッチ成形
体の約6倍量の重量のn−ヘキサンでピッチ成形体中の
ナフタレンを抽出除去した。
を、加熱空気を通じながら、260℃で1時間保持して
酸化処理を行い、熱に対して不融性の多孔性ピッチを得
た。得られた熱に対し不融性の多孔性ピッチ成形体を、
窒素ガス雰囲気中(102 kPa)で600℃で1時間
予備炭素化したのち、粉砕し平均粒径が約25μmの炭
素前駆体微粒子とした。次にこの炭素前駆体を1.3×
10-5kPaの減圧下1200℃で1時間炭素化し炭素
質材料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1
に、また 7Li−NMRチャートを図1に示す。
力を4kPaとする以外は実施例1と同様にして炭素質
材料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1に示
す。
る以外は実施例1と同様にして炭素質材料を得た。得ら
れた炭素質材料の特性を後記表1に示す。
0.63の石油系タール200gを、500mlのセパ
ラブルフラスコに入れ窒素気流下120℃で溶融撹拌し
ながら、これに、α,α’−アゾビスイソブチロニトリ
ル(AIBN)1gをジビニルベンゼン(DVB)(純
度57.2%)70gに溶融した混合物を添加し、5時
間反応させ架橋ピッチを得た。このようにして得られた
架橋ピッチを室温まで放冷したのち、粉砕し平均粒子径
が約20μmの炭素前駆体微粒子とした。
10-5kPaの減圧下1200℃で1時間炭素化し炭素
質材料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1に
示す。
に、平均粒径1mm以下に粉砕した椰子殻炭(クラレケ
ミカル(株);ヤシボン1号)30gと、35%塩酸1
00gを入れ、50℃で1時間振とうしたのち、濾過
し、さらに濾過残分をイオン交換水にて十分に水洗し1
20℃で2時間乾燥し脱灰炭を得た。このようにして得
られた脱灰炭を粉砕し、平均粒子径が約20μmの炭素
前駆体微粒子としたのち、1.3×10-5kPaの減圧
下1200℃で1時間炭素化し、炭素質材料を得た。得
られた炭素質材料の特性を後記表1に示す。
力を40kPaとする以外は実施例1と同様にして炭素
質材料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1に
示す。
粒子を焼成炉内に配置し、窒素ガスで炉内を置換したの
ち、炉内への窒素の導入を停止し、炭素前駆体微粒子か
らの発生ガス雰囲気下(102 kPa)1100℃で1
時間炭素化し、炭素質材料を得た。得られた炭素質材料
の特性を後記表1に示す。
を、窒素ガス雰囲気中(102 kPa)600℃で1時
間予備炭素化したのち、粉砕し、平均粒子径が約20μ
mの炭素前駆体微粒子とした。
0-5kPaの減圧下1200℃で1時間炭素化し、炭素
質材料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1に
示す。
800℃とする以外は実施例1と同様にして、炭素質材
料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1に、ま
た 7Li−NMRチャートを図2に示す。
素質材料を、さらにアルゴンガス雰囲気下(102 kP
a)2400℃で1時間処理して、炭素質材料を得た。
得られた炭素質材料の特性を後記表1に示す。
400℃とし、炭素化をアルゴン気流中(102kP
a)で行う以外は実施例5と同様にして炭素質材料を得
た。得られた炭素質材料の特性を表1に示す。
gに、85%燐酸0.5gと、水10.0gを加え、9
0℃で5時間反応させたのち、1NのNaOH水溶液を
徐々に加えpHを約5に調整し、2.7kPaの減圧下
70℃の条件で、残留水および未反応アルコールを留去
し、フルフリルアルコール初期縮合物を得た。得られた
縮合物はさらに150℃で16時間硬化させフラン樹脂
とした。
のち、窒素気流下(102 kPa)500℃で1時間予
備炭素化した。これを平均粒子径が約20μmに粉砕し
た後、窒素気流下1100℃で1時間炭素化し炭素質材
料を得た。得られた炭素質材料の特性を後記表1に示
す。
に、パラホルムアルデヒド32g、エチルセロソルブ2
42gおよび硫酸10gを添加し115℃で3時間反応
させたのち、炭酸水素ナトリウム17gおよび水30g
を加え反応液を中和した。得られた反応溶液は高速で撹
拌した2リットルの水中に投入しノボラック樹脂を得
た。つぎに、ノボラック樹脂17.3gとヘキサミン
2.0gを120℃で混練し、窒素ガス雰囲気中250
℃で2時間加熱し硬化樹脂とした。得られた硬化樹脂を
粗粉砕したのち、600℃で窒素雰囲気下(102 kP
a)1時間予備炭素化し、さらにアルゴンガス雰囲気下
(102 kPa)1900℃で1時間熱処理して炭素質
材料を得た。得られた炭素質材料を、さらに粉砕し、平
均粒子径15μmに調整した。得られた炭素質材料の特
性を後記表1に示す。
鉛(日本黒鉛商事(株)CP)を用いて評価した。この
黒鉛は、固定炭素分が97%、灰分が2%、揮発分が1
%、平均粒径7μmである。黒鉛の特性を後記表1に、
また 7Li−NMRチャート(TOSS法によりサイド
バンドの消去を行っている)を図3に示す。
を用いて、以下のようにして非水溶媒系二次電池を作成
し、その特性を評価した。
負極として用いるのに適しているが、本発明の効果であ
る電池活物質のドープ容量、脱ドープ容量及び脱ドープ
されずに炭素質材料中に残存する量(不可逆容量)を、
対極の性能のバラツキに影響されることなく精度良く評
価するために、特性の安定した大過剰のリチウム金属を
対極(負極)とし、上記で得られた炭素質材料を正極と
するリチウム二次電池を構成し、その特性を評価した。
ようにして製造した。上記のようにして製造した微粒子
状炭素質材料90重量部、ポリフッ化ビニリデン10重
量部に、N−メチル−2−ピロリドンを加えてペースト
状とし、銅箔上に均一に塗布し、乾燥した後、銅箔より
剥離させ直径21mmの円板状に打ち抜く。これを直径
21mmのステンレススチール網円板にプレスにより加
圧して圧着し正極とした。なお正極中の炭素材料の量は
約40mgになるように調整した。
を直径21mmの円板状に打ち抜いたものを使用した。
い、電解液としてはプロピレンカーボネートとジメトキ
シエタンを容量比で1:1で混合した混合溶媒に1モル
/リットルの割合でLiClO4 を加えたものを使用
し、ポリプロピレン製微細孔膜をセパレータとして非水
溶媒系リチウム二次電池を構成した。
て、炭素質材料にリチウムのドーピング、脱ドーピング
を行い、そのときの容量を求めた。ドーピングは、0.
5mA/cm2 の電流密度で1時間通電したのち2時間
休止する操作を繰り返し、端子間の平衡電位が5mVに
達するまで行った。このときの電気量を使用した炭素質
材料の重量で除した値をドープ容量と定義し、mAh/
gの単位で表わした。次に同様にして逆方向に電流を流
し炭素質材料にドープされたリチウムを脱ドープした。
脱ドープは、0.5mA/cm2 の電流密度で1時間通
電したのち2時間休止する操作を繰り返し、端子電圧
1.5Vをカットオフ電圧とした。このとき流れた電気
量を使用した炭素質材料の重量で除した値を脱ドープ容
量と定義し、mAh/gの単位で表わした。次いでドー
プ容量と脱ドープ容量との差として不可逆容量を求め
た。脱ドープ容量をドープ容量で除した値に100を乗
じて、放電効率(%)を求めた。これは活物質がどれだ
け有効に使用されたかを示す値である。
極としたリチウム二次電池の電池特性を表2に示す。
質材料を使用した二次電池は、比較例1〜3及び比較例
5〜7によって得た炭素材を使用した二次電池と比較
し、ドープ、脱ドープ容量がともに大きいことが分か
る。比較例4により得られた炭素質材料を利用した二次
電池では、不可逆容量が大きくリチウムが無駄に消費さ
れるため、対極に多くのリチウムを持たなければならな
くなり不利であることが分かる。
は、電解液の分解などにより、黒鉛にリチウムをドープ
する事が出来なかった。電解液に炭酸エチレン系のもの
を使用すれば、黒鉛を用いた二次電池を作動させること
が可能であることが知られているが、低温度での電池特
性に問題があり、リチウム二次電池用炭素材料として望
ましくない。
チウムを吸蔵できる構造を有するもので、高いドープ、
脱ドープ容量を示すとともに、ドープ容量と脱ドープ容
量の差として求められる不可逆容量が小さい。
ギー密度の非水溶媒系二次電池の電極用炭素質材料とし
て優れた特性を有するものである。
チウムを600mAh/g(炭素質材料)相当ドープし
たものの 7Li−NMRスペクトルである。
600mAh/g(炭素質材料)相当ドープしたものの
7Li−NMRスペクトルである。
h/g(炭素質材料)相当ドープしたものの 7Li−N
MRスペクトルである。なお、本図においてはTOSS
法によりサイドバンドの消去を行っている。
Claims (5)
- 【請求項1】 炭素質材料であって、該炭素質材料に電
気化学的にリチウムをドープし、 7Li−NMR分析を
行ったとき、基準物質LiClの共鳴線に対して低磁場
側に80〜200ppmシフトした主共鳴ピークが観測
されることを特徴とする非水溶媒系二次電池電極用炭素
質材料。 - 【請求項2】 水素、炭素の原子比(H/C)が0.1
0以下であることを特徴とする請求項1記載の炭素質材
料。 - 【請求項3】 石油系又は石炭系のタール若しくはピッ
チに対し、架橋処理を施した後、10kPa以下の減圧
下で900〜1500℃で炭素化することを特徴とする
請求項1記載の炭素質材料の製造方法。 - 【請求項4】 椰子殻を10kPa以下の減圧下で90
0〜1500℃で炭素化することを特徴とする請求項1
記載の炭素質材料の製造方法。 - 【請求項5】 請求項1記載の炭素質材料からなる負極
を有する非水溶媒系二次電池。
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