JPH09306494A - リチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池Info
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- JPH09306494A JPH09306494A JP8146584A JP14658496A JPH09306494A JP H09306494 A JPH09306494 A JP H09306494A JP 8146584 A JP8146584 A JP 8146584A JP 14658496 A JP14658496 A JP 14658496A JP H09306494 A JPH09306494 A JP H09306494A
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Abstract
る。 【解決手段】 負極活物質として炭素積層体を用いたリ
チウム二次電池において、前記炭素積層体として、炭素
網面の面間隔d002 が0.350〜0.400nmであ
り、炭素原子に対する水素原子の比率(H/C)が0.
10以上であり、比表面積が200m2/g以上であるもの
を用いる。前記炭素積層体は、層状粘土鉱物であるサポ
ナイトまたはモンモリロナイトに炭素源を挿入した後、
熱処理して重合し、次いで、500〜1200℃で炭素
化する工程を経て得られる。
Description
として用いるリチウム二次電池に関する。
イオンが出入りする、いわゆるリチウム二次電池(リチ
ウムイオン二次電池)の負極活物質として黒鉛が知られ
ている(特開昭57−208079号公報)。
れとは反対に低結晶性の炭素も負極活物質として検討さ
れている(特開平2−66856号公報等)。
824に記載されているように、一般に、用語としての
炭素と黒鉛とは混同して用いられることが多いが、本来
は同義ではない。すなわち、炭素、人造炭素、無定形炭
素、焼成炭素など一般に炭素といわれるものは、フィラ
ー(骨材)といわれる固体炭素の粒子(石油コークス、
カーボンブラック、無煙炭など)を、コールタールピッ
チや石油ピッチのようなバインダー(結合材)と混合
し、型込めや押出しによって成形したのち、不活性雰囲
気の炉中で1800〜1400℃で焼成した製品に対す
る呼称である。フィラーは最終製品の本体をなす材料で
ある(充填材とも呼ばれる)。成形された焼成前の炭素
質材料は、グリーンカーボン[生(なま)成形品]と称
される。一方、人工(人造)黒鉛、合成黒鉛、電気黒
鉛、黒鉛化炭素など一般に黒鉛といわれるものは、上記
の炭素をさらに2400℃以上(望ましくは2800〜
3000℃)の高温で熱処理した炭素材のことである。
極用炭素材料の特性が「DENKIKAGAKU、Vo
l.62、No.11、P1029〜1033(199
4年)」にまとめられている。ここには、黒鉛では例え
ば約360mAh/g の放電容量が得られており、また、低
結晶性炭素では例えば500mAh/g 近い放電容量が得ら
れている旨の記載がある。
電容量が求められており、従来の低結晶性炭素や黒鉛を
上回る特性が必要とされている。
高いリチウム二次電池を提供することを目的とする。
(1)〜(3)の本発明により達成される。 (1) 負極活物質として炭素積層体を用いたリチウム
二次電池であって、前記炭素積層体として、炭素網面の
面間隔d002 が0.350〜0.400nmであり、炭素
原子に対する水素原子の比率(H/C)が0.10以上
であり、比表面積が200m2/g以上であるものを用いた
リチウム二次電池。 (2) 前記炭素積層体が、層状粘土鉱物に炭素源を挿
入した後、重合・炭素化する工程を経て得られたもので
ある上記(1)のリチウム二次電池。 (3) 負極活物質として炭素積層体を用いたリチウム
二次電池であって、前記炭素積層体が、層状粘土鉱物で
あるサポナイトまたはモンモリロナイトに炭素源を挿入
した後、熱処理して重合し、次いで、500〜1200
℃で炭素化する工程を経て得られたものであるリチウム
二次電池。
比表面積が所定範囲内にある炭素積層体を負極活物質と
して用いる。この炭素積層体では、黒鉛や従来の低結晶
性炭素において報告されている放電容量を大きく上回る
放電容量が得られる。このため、本発明によれば、従来
にない高容量のリチウム二次電池が実現する。
に、負極活物質である炭素積層体を、層状粘土鉱物に炭
素源を挿入した後、熱処理して重合・炭素化する工程を
経て製造する。このような製造方法による炭素積層体
は、例えば以下の文献に開示されている。
JANUARY、P331〜333、1988」 「Carbon、Vol.26、No.4、P573〜
578、1988」 「J.Phys.Chem.、Vol.92、No.2
4、P7029〜7034、1988」 「炭素、No.141、P38〜44、1990」 「Carbon、Vol.28、No.4、P483〜
488、1990」 「Carbon、Vol.29、No.1、P61〜6
7、1991」 「International Symposium
on Carbon(Tsukuba)、P78〜8
1、1990」 「炭素、No.155、P301〜306、1992」 「表面、Vol.31、No.7、P68〜77、19
93」 「Carbon、Vol.31、No.1、P149〜
153、1993」 「Carbon、Vol.32、No.4、P627〜
635、1994」
1、No.7、P68〜77、1993」では、モンモ
リロナイト、テニオライトなどの層状粘土鉱物にフルフ
リルアルコールなどの炭素源をインターカレーションさ
せ、これを重合・炭素化させた後、粘土鉱物を酸で溶解
除去して炭素を得ている。同文献には、この炭素は層間
への原子や分子などの挿入、脱離が容易なので、ゲスト
のインターカレーションおよびデインターカレーション
を頻繁に行わなければならないような応用用途(たとえ
ばリチウム二次電池電極材)に適していると考えられ
る、との記載がある。しかし、この文献には、リチウム
二次電池に適用したときに高放電容量を得るためのd
002 の範囲および炭素化の際の最適な熱処理条件は一切
示されていない。また、炭素原子に対する水素原子の最
適な比率についても同様に示されていない。
て詳細に説明する。
として炭素積層体を用いたものである。
{(002)面の面間隔}d002 が0.350〜0.4
00nm、好ましくは0.351〜0.380nmであり、
炭素原子に対する水素原子の比率(H/C)が0.10
以上、好ましくは0.15〜0.90、より好ましくは
0.30〜0.80であり、比表面積(BET値)が2
00m2/g以上である。d002 が小さすぎる場合、黒鉛化
が進みすぎていることになり、高容量が得られない。一
方、d002 が大きすぎる場合には炭素化が不十分であ
り、やはり高容量が得られない。H/Cが小さすぎる場
合、黒鉛化が進みすぎていることになり、高容量が得ら
れない。一方、H/Cが大きすぎる場合には炭素化が不
十分であり、やはり高容量が得られない。比表面積が小
さすぎる場合、反応速度が低下して高容量が得られな
い。
状粘土鉱物に炭素源を挿入した後、熱処理して重合・炭
素化する工程を有する製造方法を利用することが好まし
い。炭素化後、粘土鉱物を酸で溶解除去して炭素積層体
を取り出す。以下、この方法について説明する。
x≦1)、モンモリロナイト{Na(Al3.4Fe0.15Mg0.47)
(Si7.65Al0.35)O20(OH)4・nH2O}、テニオライト{KMg2L
i(Si4O10)F2}、ふっ素金雲母{KMg3(AlSi3O10)F2}、
カリ4ケイ素雲母{KMg2.5(Si4O10)F2}、テトラシリッ
クマイカ{NaMg2.5(Si4O10)F2 }、ヘクトライト{Li
1/3Mg22/3Li1/3(Si4O10)F2}、スメクタイト等を用いる
ことができる。ただし、高容量を得るためには特に、サ
ポナイトまたはモンモリロナイトを用いることが好まし
く、これらの層状粘土鉱物を用いることにより、上記し
たd00 2 を有する炭素積層体を容易に得ることができ
る。なお、これら各層状粘土鉱物において、Si、A
l、Mg等を元素置換したものも使用することができ
る。
ることができる。モノマーとしては、アクリロニトリ
ル、酢酸ビニル、メチルアルコール、エチルアルコー
ル、アセトン、エチレングリコール、グリセリン、ホル
ムアミド、フェノール、ホルムアルデヒド、アニリン、
ピロール等が好ましく、ポリマーとしては、ポリスチレ
ン、ポリふっ化ビリニリデン、ポリエチレンオキサイ
ド、ポリεカプロラクトン、ポリジメチルシロキサン、
ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等が好ましい。
分散・混合することにより、層状粘土鉱物中に炭素源を
挿入することができる。また、炭素源と層状粘土鉱物と
を溶融混練することによっても炭素源を挿入することが
できる。
理して、溶媒を除去する。次いで、好ましくは130〜
180℃で3〜12時間熱処理して、層状粘土鉱物中の
炭素源を重合する。
が好ましい。この熱処理は、500〜1200℃、好ま
しくは500〜1000℃の温度で、好ましくは10分
間〜72時間、より好ましくは1〜24時間行う。熱処
理温度が低すぎても高すぎても高放電容量の炭素積層体
が得られない。
丸善」に記述されているように、上記の層状粘土鉱物の
ようなけい酸塩では、一般にふっ化水素酸分解を行う。
そのとき分解成分の可溶性塩を得るためと、残存するふ
っ素化物を追い出すために、ふっ化水素酸よりも低揮発
性の硫酸や過塩素酸を併用する。硫酸や過塩素酸のかわ
りに塩酸を使用してもよい。
に熱処理を施してもよい。ただし、溶解除去後の熱処理
も、d002 の減少やH/Cの減少を抑えるために、溶解
除去前の熱処理と同範囲の温度領域で行うことが好まし
い。
解除去を行わない場合でも、負極活物質として利用する
ことができる。この場合、活物質として機能しない層状
粘土鉱物が混在しているため、単位重量あたりの放電容
量は低くなる。しかし、炭素積層体の放電容量が極めて
高いため、層状粘土鉱物が混在していても比較的高い放
電容量が得られ、溶解除去の工程を省けるために低コス
ト化が可能となる。
する。
ーピングまたはインターカレーション可能な金属化合
物、金属酸化物、金属硫化物、または導電性高分子材料
を用ればよく、例えばLiCoO2 、LiNiO2 、L
iMnO2 、LiMn2 O4 、V2 O5 、TiS2 、M
oS2 、FeS2 、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポ
リピロール、ポリチオフェン、ポリアセンなどが挙げら
れ、特公昭61−53828号公報、特公昭63−59
507号公報等に記載のものが挙げられる。
物等を用いる場合、導電剤として、グラファイト、アセ
チレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素材料等を
含有させることが好ましい。
に溶解して調製する。リチウム含有電解質としては、例
えば、LiClO4 、LiBF4 、LiPF6 等から適
宜選択すればよい。非水溶媒としては、例えば、エーテ
ル類、ケトン類、カーボネート類等、特開昭63−12
1260号公報などに例示される有機溶媒から選択する
ことができるが、本発明では特にカーボネート類を用い
ることが好ましい。カーボネート類のうちでは、特にエ
チレンカーボネートを主成分とし他の溶媒を1種類以上
添加した混合溶媒を用いることが好ましい。これらの混
合比率はエチレンカーボネート:他の溶媒=30〜7
0:70〜30(体積比)とすることが好ましい。エチ
レンカーボネートは凝固点が36.4℃と高く、常温で
は固化しているため、エチレンカーボネート単独では電
池の電解液としては使用できないが、凝固点の低い他の
溶媒を1種類以上添加することにより、混合溶媒の凝固
点が低くなり、使用可能となる。この場合の他の溶媒と
してはエチレンカーボネートの凝固点を低くするもので
あれば何でもよい。例えばジエチルカーボネート、ジメ
チルカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−
ジメトキシエタン、メチルエチルカーボネート、γ−ブ
チロラクトン、γ−パレロラクトン、γ−オクタノイッ
クラクトン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−エト
キシメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、1,
3−ジオキソラナン、テトラヒドロフラン、2−メチル
テトラヒドロフラン、4,4−ジメチル−1,3−ジオ
キサン、ブチレンカーボネート、蟻酸メチルなどが挙げ
られる。活物質として炭素を用い、かつ前記混合溶媒を
用いることにより、電池容量が著しく向上する。
ための電極層用塗料を調製し、これを集電体表面に塗布
する。
場合は特に限定されず、アルミニウム、銅、ニッケル、
チタン、ステンレス鋼等を、正極の場合はアルミニウ
ム、チタン、ステンレス鋼等の金属や合金を、箔状、穴
開け箔状、メッシュ状等にした帯状のものを用いればよ
い。
要に応じて溶剤などとともに攪拌機、ボールミル、スー
パーサンドミル、加圧ニーダー等の分散装置により混合
分散して電極層用塗料を得る。
ふっ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサ
フルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオ
ロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重
合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共
重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン
(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレ
ン共重合体(ECTFE)、ポリふっ化ビニル(PV
F)などのふっ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキ
サフルオロプロピレン系ふっ素ゴム(VDF−HFP系
ふっ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオ
ロプロピレン−テトラフルオロエチレン系ふっ素ゴム
(VDF−HFP−TFE系ふっ素ゴム)、ビニリデン
フルオライド−ペンタフルオロプロピレン系ふっ素ゴム
(VDF−PFP系ふっ素ゴム)、ビニリデンフルオラ
イド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチ
レン系ふっ素ゴム(VDF−PFP−TFE系ふっ素ゴ
ム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビ
ニルエーテル−テトラフルオロエチレン系ふっ素ゴム
(VDF−PFMVE−TFE系ふっ素ゴム)、ビニリ
デンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系ふっ
素ゴム(VDF−CTFE系ふっ素ゴム)、などのビニ
リデンフルオライド系フッ素ゴム、テトラフルオロエチ
レン−プロピレン系ふっ素ゴム(TFE−P系ふっ素ゴ
ム)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキル
ビニルエーテル系ふっ素ゴムおよび熱可塑性ふっ素ゴム
(例えば、ダイキン工業製ダイエルサーモプラスチッ
ク)等を使用することができる。
中に溶解あるいは分散した状態で使用されるが、溶媒を
用いずに粉末のまま使用される場合もある。用いる溶媒
は特に限定されず、水、メチルエチルケトン、シクロヘ
キサノン、イソホロン、N−メチルピロリドン、N,N
ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミ
ド、トルエン等の各種溶媒を目的に応じて選択すればよ
い。
程度となるように添加することが好ましい。上記炭素積
層体は自己結着性を有しているので、バインダは必須で
はないが、強固な結着性を得るためには上記程度の量を
添加することが好ましい。
に塗設して電極が形成される。塗設の方法は特に限定さ
れず、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコー
ト法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブ
レード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法など公
知の方法を用いればよい。その後、必要に応じて平板プ
レス、カレンダーロール等による圧延処理を行う。
定されないが、通常、正極および負極と、必要に応じて
設けられるセパレータとから構成される。本発明のリチ
ウム二次電池は、ぺーパー型電池、ボタン型電池、コイ
ン型電池、積層型電池、円筒型電池などに適用される。
池の負極活物質に限らず、電気二重層キャパシタの電極
などにも適用できる。
をさらに詳細に説明する。
ime Yamada、Naohiro.Sonob
e、Akira Tomita(Carbon、Vo
l.32、No.4、PP627〜635、1994
年)に従い、炭素を合成した。具体的な方法は以下のと
おりである。1000mlの三角フラスコに100g のフ
ルフリルアルコール(純正化学(株)試薬1級)と40
0g のベンゼン(関東化学(株)試薬特級)を入れ、マ
グネチックスターラーで攪拌した。そこに、表1に示す
層状粘土鉱物を100g投入した。これらの層状粘土鉱
物は、使用前に150℃で1日以上乾燥させた。次い
で、三角フラスコをアルゴンガスで置換したアクリル製
のグローブボックス中に置き、14日間攪拌した。この
分散液をブフナー漏斗で濾過し400mlのベンゼンで洗
浄後、1晩ドラフト内で風乾させた。得られた粉末を窒
素雰囲気下で80℃で24時間熱処理し、引き続き15
0℃で6時間熱処理して、フルフリルアルコールを重合
させ、さらに表1に示す温度で1時間熱処理して炭素化
させ、黒色粉末を得た。これらの黒色粉末をふっ酸と塩
酸で処理して層状粘土鉱物を溶解除去し、炭素積層体試
料を得た。
た。X線回折では、シリコンを内部標準に用いた。ま
た、各試料の比表面積(BET値)を測定した。また、
各試料中の原子比H/Cを元素分析計により測定した。
これらの結果を表1に示す。
ビニリデン(以下PVDFと略記)と溶媒としてN−メ
チルピロリドンとを添加して混練し、電極層用塗料を調
製した。試料とPVDFとの配合比は、重量比で試料:
PVDF=85:15とした。各電極層用塗料をメタル
マスク印刷法で24mm×24mm×1mmのチタン板
に20mm×20mmの面積に塗布した後、大気圧下に
おいて150℃で30分間、引き続き真空下において2
00℃で1時間乾燥させた。次いで、チタン板に直径1
mmのチタン棒をスポット溶接して、測定試料とした。
は、LiClO4 を1Mの濃度に溶解したエチレンカー
ボネート(以下ECと略記)とジメチルカーボネート
(以下DMCと略記)との混合溶媒を用いた(ECとD
MCの体積比は1:1)。対極と参照極にはリチウムを
用いた。充電は1mAで0V vs Li/Li+ になるま
で行い、放電は1mAで3V vs Li/Li+ になるま
で行った。炭素1g あたりの放電容量を表1に示す。
すなわち、d002 、H/CおよびBET値が所定範囲内
にある本発明試料では、著しく高い放電容量が得られて
いる。これらの本発明試料は、層状粘土鉱物としてサポ
ナイトまたはモンモリロナイトを用い、かつ、炭素化の
ための熱処理を500〜1200℃で行って得られたも
のである。
では、H/Cが本発明範囲を下回り、放電容量が低くな
っている。また、熱処理を400℃で行ったものは炭素
化が進んでおらず、電気化学的測定が不可能であった。
Claims (3)
- 【請求項1】 負極活物質として炭素積層体を用いたリ
チウム二次電池であって、前記炭素積層体として、炭素
網面の面間隔d002 が0.350〜0.400nmであ
り、炭素原子に対する水素原子の比率(H/C)が0.
10以上であり、比表面積が200m2/g以上であるもの
を用いたリチウム二次電池。 - 【請求項2】 前記炭素積層体が、層状粘土鉱物に炭素
源を挿入した後、重合・炭素化する工程を経て得られた
ものである請求項1のリチウム二次電池。 - 【請求項3】 負極活物質として炭素積層体を用いたリ
チウム二次電池であって、前記炭素積層体が、層状粘土
鉱物であるサポナイトまたはモンモリロナイトに炭素源
を挿入した後、熱処理して重合し、次いで、500〜1
200℃で炭素化する工程を経て得られたものであるリ
チウム二次電池。
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-
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- 1996-05-16 JP JP14658496A patent/JP3587935B2/ja not_active Expired - Fee Related
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