JPH09129236A - リチウム二次電池用負極活物質並びにリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用負極活物質並びにリチウム二次電池

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JPH09129236A
JPH09129236A JP8226039A JP22603996A JPH09129236A JP H09129236 A JPH09129236 A JP H09129236A JP 8226039 A JP8226039 A JP 8226039A JP 22603996 A JP22603996 A JP 22603996A JP H09129236 A JPH09129236 A JP H09129236A
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JP
Japan
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secondary battery
lithium secondary
active material
negative electrode
lithium
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Satoshi Tanno
諭 丹野
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Furukawa Battery Co Ltd
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Furukawa Battery Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 初期充放電における放電時の優れた電位平坦
性と不可逆容量の減少をもたらすリチウム二次電池用負
極活物質とこれを負極とするリチウム二次電池を提供す
る。 【解決手段】 フルドコークスを黒鉛化処理して得た層
状構造と乱層構造を有する炭素材料をリチウム二次電池
の負極活物質として使用する。特に、フルドコークスを
黒鉛化処理の場合の焼成温度は、好ましくは2000℃
以上、一層好ましくは2500℃以上である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
用負極活物質並びにリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ノートパソコン、コードレス電
話、携帯電話等の電子機器の性能の進歩は著しく、小型
化、軽量化、高性能化が進んでいる。それに伴い電源と
しての電池は小型軽量、高性能の再充電可能な二次電池
の要求が高まりつつある。従来の代表的な二次電池とし
ては鉛蓄電池、アルカリ蓄電池等があるが、上記目的を
達成すべく、高出力、高エネルギー密度のリチウム二次
電池の研究が活発に進められている。而して、該リチウ
ム二次電池の負極の活物質として、金属リチウム、リチ
ウム合金、炭素質材料或いは黒鉛材料などが用いられて
いる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】リチウム二次電池の負
極活物質として、金属リチウム又はリチウム合金を使用
する場合は、放電時に電解液に溶解したリチウムが充電
時に析出する際に電解液と反応し、一部が不活性化した
り、デンドライト状リチウムが発生するために負極劣化
を起こす問題がある。また、コールタール、ピッチ、炭
水化物、フルフリルアルコール樹脂などを出発原料と
し、これを1000℃前後で熱処理して得られる炭素質
材料を負極の活物質とする場合は、デンドライト状リチ
ウムの析出による負極劣化は解消されるが、放電電位の
平坦性が悪い欠点を有する。また、石炭コークスなどの
各種コークス、ピッチ、メソフェーズ炭素、気相成長炭
素などの易黒鉛化炭素材料を2000℃以上で熱処理し
て得られる黒鉛質材料を負極の活物質として用いる場合
は、電位平坦性に優れているものの、初回の充電の際に
生じる不可逆反応のために多くのリチウムが消費されて
不可逆容量(容量ロス)が大きくなる欠点を有する。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来の欠
点を解消すると共に電位平坦性に優れ、且つ不可逆容量
の少ない高容量のリチウム二次電池をもたらすリチウム
二次電池用負極活物質を提供するもので、フルドコーク
スを黒鉛化処理して成る層状構造と乱層構造を有する炭
素材料から成る。この場合、フルドコークスを黒鉛化処
理における焼成温度は、好ましくは2000℃以上であ
り、これにより上記構造の炭素材料が良好に得られ、更
に好ましいその焼成温度は、2500℃以上である。更
に本発明は、上記のフルドコークスを黒鉛化処理して得
られた層状構造と乱層構造を有する炭素材料から成る負
極活物質を用いて作製した負極を組み込んで成るリチウ
ム二次電池を提供する。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明は、特に、フルドコーク
ス、即ち、フルードコーキング法で得られた石油コーク
スを、好ましくは約2000℃以上の焼成温度で、更
に、好ましくは2500℃〜3000℃の範囲で黒鉛化
処理して、図1に模写図で示すような、黒鉛の炭素原子
の正六角環が平面上で多数連なって形成された網平面が
層状に積み重なった黒鉛構造a1 とその層が乱れた乱層
構造a2 とから成る菊花状粒子から成る炭素材料(即ち
黒鉛質材料)を開発し、且つこれをリチウム二次電池用
負極の活物質として用いることに特徴を有する。
【0006】本発明のリチウム二次電池は、上記の活物
質を主体とし、これにテフロンなどの結着剤を混合して
加圧成形して製造した電極を負極として用いる他は、従
来の構成と変わらない。即ち、その正極は、バナジウム
酸化物、二酸化マンガンのように結晶構造中の空間にリ
チウムイオンが挿入(インターカレーション)脱離(デ
インターカレーション)するものやコバルト酸リチウム
(LiCoO2 )やスピネル型マンガン酸化物(LiM
2 4 )のように結晶構造中にリチウムを有し、その
リチウムが挿入、脱離する酸化物或いはこれらのMn、
Coの一部をFe、Niなどで置換した複合酸化物又は
窒化物などを材料として作製される。電解液としては、
有機溶媒に少なくとも1種のリチウム塩を溶解した溶液
が用いられる。
【0007】次に、本発明の具体的な実施例と比較例を
例示して、本発明の負極活物質を用いたリチウム二次電
池の負極が電位平坦性が優れ、且つ初期充放電における
不可逆容量の減少効果を明らかにする。
【0008】実施例1 関西熱化学株式会社製フルドコークス(品名F−290
0)を2800℃で黒鉛化処理して得た図1示の層状構
造と乱層構造を有する菊花状の炭素材料粉末とテフロン
粉末とを重量比で9:1の割合で混合して負極合剤を製
造した。この合剤を加圧成形し小形円盤状の作用電極を
作製した。一方、対極電極としては、金属リチウムシー
トを所定の寸法で打ち抜いたものを使用し、電解液とし
ては、六フッ化リン酸リチウム塩を、エチレンカーボネ
イトとジエチルカーボネイトを体積比1:1で混合した
混合溶媒に1mol/lで溶解したものを用い、上記の
作用極を正極、対極を負極として構成したCR2032
タイプのコイン型セルを作製した。このセルを図2に示
す。これを試験セルAと称する。図2において、1は、
電池容器、2は作用極、3は対極、4はセパレータ、5
はシール絶縁部材を示す。
【0009】比較例1 ロンザシャパン株式会社製人造黒鉛(品名SFG−6)
を作用極活物質として用いた以外は、実施例1と同様に
してコイン型セルを作製した。これを試験セルBと称す
る。
【0010】比較例2 石炭コークスを1200℃で焼成したものを作用極活物
質として用いた以外は、実施例1と同様にしてコイン型
セルを作製した。これを試験セルCと称する。
【0011】比較例3 石炭コークスを2500℃で焼成したものを作用極活物
質として用いた以外は、実施例1と同様にしてコイン型
セルを作製した。これを試験セルDと称する。
【0012】これらの試験セルA〜Dにつき、対極であ
るリチウム金属に対し、作用極電位が0Vとなるまで充
電し、1.5Vとなるまで放電し、且つ通電電流0.5
mA/cm2 の条件で充放電を1サイクル行い、その第
1サイクル目の充放電特性の評価を行った。その結果を
下記表1及び図3に示す。図3は、各試験セルの初期充
放電特性を示す。
【0013】
【表1】
【0014】表1及び図3から明らかなように、フルド
コークスを原料とし、これを黒鉛化処理して得た本発明
の作用極物質を用いた試験セルAは、その他の原料を黒
鉛化処理して得た作用極物質を用いた試験セルB〜Dに
比し、初期充放電における不可逆容量が著しく小さく、
有利であることが判る。また、図3から、本発明の作用
極物質を用いた試験セルAは、黒鉛を作用極物質として
用いた試験セルB或いは石炭コークスを高温で焼成して
黒鉛化処理したものを作用極物質として用いた試験セル
Dと同様に初期放電時における電位平坦性に優れている
ことが判る。而して、これらの作用極物質、即ち活物質
を主体として用いた負極とコバルト酸リチウムなどの活
物質を主体として用いた正極と、これら正,負極間に介
在せしめたセパレータとから成り且つ有機電解液を含む
夫々のリチウム二次電池を作製し、これらにつき、その
夫々の初期充放電特性を比較試験したが、上記と同様の
初期充放電特性結果が得られ、本発明のリチウム二次電
池は、初期放電時における優れた電位平坦性と初期充放
電における不可逆容量、即ち、容量ロスの減少が認めら
れた。
【0015】フルドコークスを焼成して黒鉛化処理を施
す場合に、その焼成温度は、2000℃以上が好まし
い。就中、2500℃以上が一層好ましいことを下記の
比較試験例により明らかにする。 実施例2 関西熱化学株式会社製フルドコークスを2500℃で黒
鉛化処理して得た炭素材料粉末を作用極活物質に用いた
以外は、実施例1と同様にコイン型セルを作製した。こ
れを試験セルEと称する。
【0016】実施例3 関西熱化学株式会社製フルドコークスを2000℃で黒
鉛化処理して得た炭素材料粉末を作用極活物質に用いた
以外は、実施例1と同様にコイン型セルを作製した。こ
れを試験セルFと称する。
【0017】比較例5 関西熱化学株式会社製フルドコークスを1500℃で黒
鉛化処理して得た炭素材料粉末を作用極活物質に用いた
以外は、実施例1と同様にコイン型セルを作製した。こ
れを試験セルGと称する。
【0018】これらの試験セルE〜Gにつき、対極であ
るリチウム金属に対し、作用極電位を充電0V、放電
1.5V、通電電流0.5mA/cm2 の条件で充放電
を1サイクル行い、その第1サイクル目の充放電特性の
評価を行った。その結果を下記表2及び図4に示す。図
4は、各セルの初期充放電特性を示す。
【0019】
【表2】
【0020】上記表2及び図4から明らかなように、フ
ルードコークスを焼成温度2000℃以上で黒鉛化処理
して得た本発明の作用極物質を用いた試験セルA,E及
びFは、フルードコークスを焼成温度2000℃以下で
黒鉛化処理して得た作用極物質を用いた試験セルGに比
し、初期充放電における不可逆容量が小さく且つ初期放
電時における電位平坦性に優れていることが判る。ま
た、特に2500℃以上の焼成温度で、上記の両者の特
性効果が増大することが判る。而して、これらの作用極
物質、即ち活物質を主体として用いた負極とコバルト酸
リチウムなどの活物質を主体として用いた正極と、これ
ら正,負極間に介在せしめたセパレータとから成る夫々
のリチウム二次電池を作製し、これらにつき、その夫々
の初期充放電特性を比較試験したが、上記と同様の初期
充放電特性結果が得られ、本発明のリチウム二次電池
は、初期放電時における優れた電位平坦性と初期充放電
における不可逆容量の減少が認められた。
【0021】
【発明の効果】このように本発明によるときは、フルー
ドコークスを黒鉛化処理して成る層状構造と乱層構造を
有する炭素材料をリチウム二次電池の負極の活物質とし
て使用するときは、初期放電時の電位平坦性に優れ且つ
初期充放電における不可逆容量の著しく小さいリチウム
二次電池をもたらし、焼成温度2000℃以上、好まし
くは2500℃以上で黒鉛化処理を施して得た炭素材料
は、初期放電時における電位平坦性効果及び初期充放電
における不可逆容量の減少効果を増大する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 フルドコークスを黒鉛化処理して成る本発明
の1例の層状構造と乱層構造を有する炭素材料の模写断
面図を示す。
【図2】 本発明の試験セルの1例の断面図を示す。
【図3】 本発明の実施例の試験セルと比較例の試験セ
ルの初期充放電特性の比較グラフを示す。
【図4】 フルドコークスを黒鉛化処理する場合の焼成
温度と試験セルの初期充放電特性の関係を示す比較グラ
フである。
【符号の説明】
A フルドコークス a1 層状構造 a
2 乱層構造

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フルドコークスを黒鉛化処理して成る層
    状構造と乱層構造を有する炭素材料から成るリチウム二
    次電池用負極活物質。
  2. 【請求項2】 フルドコークスの該黒鉛化処理における
    焼成温度は、好ましくは2000℃以上である該黒鉛化
    処理して成る請求項1記載のリチウム二次電池用負極活
    物質。
  3. 【請求項3】 該焼成温度は、より好ましくは2500
    ℃以上である請求項2記載のリチウム二次電池用負極活
    物質。
  4. 【請求項4】 請求項1,2又は3記載のリチウム二次
    電池用負極活物質を用いて作製した負極を具備して成る
    リチウム二次電池。
JP8226039A 1995-08-25 1996-08-08 リチウム二次電池用負極活物質並びにリチウム二次電池 Pending JPH09129236A (ja)

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