JPH10223226A - 二次電池電極用炭素質材料 - Google Patents
二次電池電極用炭素質材料Info
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Abstract
エネルギー密度の二次電池を可能とする二次電池電極用
炭素質材料、その製造方法および二次電池を提供する。 【課題解決手段】 フェノール性水酸基を有する芳香族
化合物とアルデヒド類との縮合物である芳香族系縮合高
分子の炭素化物であって、水素原子と炭素原子の原子比
H/Cが0.1未満、炭酸ガスの吸着量が10ml/g
以上、X線小角散乱の測定において、s=2・sinθ
/λ(ここに、θは散乱角、λはX線の波長である。)
で定義した、sの値が0.5nm-1における散乱強度を
測定し、乾燥状態で測定された強度をID 、含水状態で
測定された強度をIW としたとき、X線散乱強度比IW
/ID が0.25以上である炭素質材料。
Description
素質材料に関するものであり、更に詳しくは電池活物質
のドープ容量が大きく、高エネルギー密度の非水溶媒系
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
造方法に関するものである。
素質材料を負極として用いる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57−20807
9号公報、特開昭62−90863号公報、特開昭62
−122066号公報、特開平2−66856号公報参
照)。これは、リチウムが電気化学的に容易に炭素質材
料にドープ・脱ドープすることを利用したものであり、
この電池を充電すると、例えばLiCoO2 等のカルコ
ゲン化合物からなる正極中のリチウムは電気化学的に負
極炭素にドープされる。そして、炭素質材料にドープし
たリチウムは、放電に伴って炭素質材料から脱ドープ
し、正極中に戻る。
料を用いて電極を構成した場合、炭素質材料にリチウム
をドープした際に、黒鉛層間化合物が形成され、黒鉛層
間隔は広がる。層間にドープされたリチウムを脱ドープ
することにより、黒鉛層間隔は元に戻る。従って、黒鉛
構造の発達した炭素質材料では、リチウムのドープ−脱
ドープの繰り返し(二次電池においては充放電の繰り返
し)により、黒鉛層間隔の増大/復帰の繰り返しが起こ
り、黒鉛結晶の破壊が起き易い。そのため黒鉛または黒
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、充放電の繰り返し特性が劣るといわれている。更
に、このような黒鉛構造の発達した炭素質材料を使用し
た電池においては、電池作動時に電解液の分解が起こり
易いという問題も指摘されている。
炭素質材料を、二次電池の負極材料として使用すること
が、これまで提案されている(例えば、特開昭58−2
09864号公報、特開昭62−122066号公報、
特開昭63−276873号公報参照。)。しかし、フ
ェノール樹脂を、高温、例えば1900℃以上、で焼成
して得られる炭素質材料を用いて負極を構成した場合、
負極炭素へのリチウム等の活物質のドープ、脱ドープ容
量が少ないという問題があった。また、フェノール樹脂
を比較的低温、例えば、480〜700℃程度、で熱処
理した炭素質材料を用いて負極を構成した場合、活物質
であるリチウムのドープ量が大きく、この観点では好ま
しい。しかし、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。
を解決するためになされたものであり、大きな充放電容
量を有し、ドープ容量と脱ドープ容量の差として求めら
れる活物質の不可逆容量が小さく活物質を有効に利用す
る非水溶媒系二次電池を提供すること、また、このよう
な電池を可能とする二次電池電極用炭素質材料及びその
製造方法を提供することを目的とする。
題に鑑み、非水溶媒系二次電池に、より好ましく用いら
れ得る高性能の電池用炭素材料を研究している過程で、
原料となるフェノール樹脂の構造を制御し、且つ炭素化
過程を適正に制御することにより、大きな充放電容量を
有し、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、本発明に想到した。
ール性水酸基を有する芳香族化合物とアルデヒド類との
縮合物である芳香族系縮合高分子の炭素化物であって、
水素原子と炭素原子の原子比H/Cが0.1未満、炭酸
ガスの吸着量が10ml/g(ミリリットル/グラム)
以上、5X線小角散乱の測定において、s=2・sin
θ/λ(ここに、θは散乱角、λはX線の波長であ
る。)で定義した、sの値が0.5nm-1における散乱
強度を測定し、乾燥状態で測定された強度をID 、含水
状態で測定された強度をIW としたときの、X線散乱強
度比IW /ID (以下、単に「X線散乱強度比IW /I
D 」ということがある)が0.25以上であることを特
徴とするものである。
池の活物質のドープ容量が大きく、且つ、脱ドープされ
ずに炭素質材料中に残存する活物質の量、いわゆる不可
逆容量が小さい。このような炭素質材料を非水溶媒系二
次電池の電極として二次電池を構成すると、得られる二
次電池は充放電容量が大きく、高エネルギー密度の二次
電池となる。
法については後で詳述する。
による(002)面の平均層面間隔が0.360nm以
上、0.400nm以下であることが好ましい。
とアルデヒド類の縮合物であるレゾール型フェノール樹
脂を炭素化したものであることが好ましい。
ル性水酸基を有する芳香族化合物とアルデヒド類を塩基
性触媒の存在下で反応させて得られる初期縮合物及びこ
れを加熱硬化させた樹脂状物質をいう。
製造することができる。
ール性水酸基を有する芳香族化合物とアルデヒド類との
縮合物である芳香族系縮合高分子を10kPaを超える
圧力の下、不活性ガスを流通させながら1050℃〜1
400℃の温度で炭素化することによって製造される。
ール性水酸基を有する芳香族化合物とアルデヒド類との
縮合物である芳香族系縮合高分子を10kPa以下の圧
力の下1050℃〜1400℃の温度で炭素化すること
によっても製造可能である。
ス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス、及び
これらの不活性ガスに塩素等のハロゲンガスを40モル
%以下含有するガスを包含するものとする。
素質材料からなる負極を有することを特徴とするもので
ある。
難黒鉛化性炭素であって、乱れた層構造に起因する微細
な細孔を有している。乱れた層構造に起因する細孔は、
炭素層面の乱れの度合いにより変化する。
れる炭素質材料の構造は、芳香族系縮合高分子の架橋構
造、炭素化の条件により大きく変化する。
有する芳香族化合物に対するアルデヒド類の割合、反応
触媒、及び反応温度などの縮合条件により、得られる芳
香族系縮合高分子の架橋構造を制御した。
分の散逸を容易にすることで微細な細孔の生成を促進し
た。
ける低角度側の散乱強度が吸水しても大きく低下するこ
とはない。
て得られる炭素質材料であっても、吸水することによっ
て、X線小角散乱における低角度側の散乱強度が大きく
低下するものがある。これらのものは、炭素質材料に対
する活物質のドープ容量が小さかったり、不可逆容量が
大きかったりして、二次電池電極用の炭素質材料として
は好ましくない。
る散乱強度の低下は、微細な細孔内への水分子の進入に
よるものと考えられる。本発明の炭素質材料は微細な細
孔に水分子が進入し難い物理的、或いは化学的構造を有
するものと考えられる。
容量が、リチウムの黒鉛層間化合物LiC6 から計算さ
れる値よりはるかに大きい。従って、本発明の炭素質材
料においては、炭素中にドープされたリチウムは黒鉛層
間化合物以外の状態でも炭素質材料中に存在するものと
考えられる。黒鉛層間化合物以外の状態のリチウムのド
ープ、脱ドープには、微細な細孔が寄与しているものと
推測される。
W /ID が0.25以上、好ましくは0.30以上1.
00以下を示すものである。
吸着量が10ml/g以上を示す。炭酸ガスの吸着量が
10ml/g以下のものは、リチウム等の活物質のドー
プ量が小さく好ましくない。このような、炭酸ガスの吸
着量の小さい炭素質材料は、微細な細孔が未発達である
か、細孔が閉塞しており(クローズドポアであり)炭酸
ガスが進入できないような細孔が多いことを意味する。
等の活物質は微細な細孔内にも吸蔵されると考えられ、
上述のような炭酸ガスの吸着量の小さな炭素質材料では
活物質を吸蔵できる細孔が少ないため、活物質のドープ
量が小さいものと考えられる。
0ml/g以上、好ましくは20ml/g以上、更に好
ましくは30ml/g以上100ml/g以下である。
素原子と炭素原子の原子比H/C(以下単に「H/C」
と略記することがある。)が0.1以下を示す。炭素質
材料は、一般には、その製造の際の最終的な熱処理温度
の上昇に従って、そのH/Cが減少する。H/Cが0.
1を越える炭素質材料は、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活物質の不可逆容量が大き
くなり、好ましくない。H/Cは、より好ましくは0.
08以下、更に好ましくは0.06以下である。
求めた(002)面の平均層面間隔d002 が0.360
nm以上、0.400nm以下であることが好ましい。
を負極として非水溶媒系二次電池を構成した場合、電池
活物質のドープ容量が小さくなる。また、d002 が0.
400nmを越えるような炭素質材料は、ドープ容量と
脱ドープ容量の差として求められる活物質の不可逆容量
が大きくなる。d002 は、更に好ましくは0.365n
m以上、0.395nm以下、特に好ましくは、0.3
70nm以上、0.390nm以下である。
基を有する芳香族化合物とアルデヒド類との縮合物であ
る芳香族系縮合高分子を10kPa(0.1気圧)を超
える圧力の下、不活性ガスを流通させながら、或いは1
0kPa以下の圧力の下、1050℃〜1400℃の温
度で炭素化することによって製造される。
縮合高分子は、フェノール性水酸基を有する芳香族化合
物1molに対しアルデヒド類を1〜3molの割合で
重縮合させて製造することが好ましい。
としては、フェノールあるいはクレゾール、エチルフェ
ノール、キシレノール、ジエチルフェノール等のアルキ
ルフェノールの異性体及び混合物、クロロフェノール、
ジクロロフェノール、ブロモフェノール等のハロゲン化
フェノールの異性体及び混合物、フェニルフェノール、
メチルフェニルフェノール等の芳香族置換基を有するフ
ェノールの異性体及び混合物等が使用される。これらの
フェノール類は1種または2種以上を混合して使用して
もよい。中でも、フェノールが好ましく用いられる。
ド、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアル
デヒド等が使用される。中でも、ホルムアルデヒドが好
適に使用される。ホルムアルデヒドは、水溶液、重合体
等各種形態のものが使用できる。
ことが好ましく、塩基性触媒としては、水酸化ナトリウ
ム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、炭酸ナトリウ
ム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、アンモニア等が用い
られる。
わゆるレゾール型の縮合物が得られる。得られた初期縮
合物は、そのまま(すなわち、触媒を含んだまま)更に
熱を加えて硬化させて、又は酸を加えて中和し、縮合物
を分離した後、加熱して硬化させて、縮合高分子(樹
脂)とする。
ノールとアルデヒド類の縮合物であるレゾール型のフェ
ノール樹脂が好適である。
える圧力の下、不活性ガスを流通させながら、或いは、
10kPa以下の圧力の下、1050℃〜1400℃の
温度で行う。
度(1050℃〜1400℃)まで連続的に昇温して行
うことも可能であるが、最終的な炭素化温度よりも低い
温度(例えば800℃未満)で一旦仮焼成を行った後、
より高温で本焼成することも可能である。仮焼成とは予
備的な炭素化を、本焼成とは最終的な炭素化を意味する
ものとする。縮合高分子を、不活性雰囲気中(例えば窒
素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中、あるい
は減圧下)で350℃〜700℃で仮焼成した後、これ
を平均粒径100μm以下、好ましくは50μm以下に
粉砕し粉末状の炭素前駆体とし、この微粉末状の炭素前
駆体を本焼成して、粉末状の炭素質材料を製造すること
ができる。
不活性ガスを流通させながら行う。
リウムガス等)は40モル%以下の塩素等のハロゲンガ
スを含有してもよい。
圧)以下の減圧下で1050℃〜1400℃の温度で行
なうこともできる。焼成時の被焼成物の酸化を防止する
ため、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中で
焼成することが好ましい。減圧下での圧力が10kPa
を越える場合は、被焼成物からの分解ガスの抜けが不十
分となり、微細な細孔の形成が不十分となる。圧力は、
好ましくは1kPa以下、更に好ましくは、0.1kP
a以下である。
物の炭化が不十分であり、得られる炭素質材料のX線散
乱強度比IW /ID が0.25以上とならず、この炭素
質材料を二次電池の電極材料に使用した場合、炭素質材
料にドープされた電池活物質が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)が大きくなる。ま
た、本焼成温度が1400℃を越える場合は、得られる
炭素質材料の炭酸ガスの吸着量が10ml/g以下で、
炭素質材料への電池活物質のドープ容量が小さくなる。
くは1100℃〜1400℃、更に好ましくは1100
℃〜1350℃で行なう。
(ドープ)に適した微細構造を有し、リチウムを吸蔵す
る負極あるいは正極を構成するための電極材料として好
適に用いられる。中でも非水溶媒系二次電池の電極材
料、特に非水溶媒系リチウム二次電池の負極を構成する
ための電極材料として好適に用いられる。
うにして得られた炭素質材料で構成された負極を有する
ことを特徴とするものである。
ての、非水溶媒系リチウム二次電池の一部分解斜視図で
ある。
極1および負極2間に、電解液を含浸したポリプロピレ
ン、ポリエチレン等の高分子物質の微多孔膜からなるセ
パレータ3を配置積層したものを渦巻き状に巻き回した
発電素子が、負極端子5aを形成する有底の金属ケーシ
ング5中に収容された構造を有する。この二次電池は、
更に、負極2は負極端子5aと電気的に接続され、頂部
においてガスケット6および安全弁7を配置したのち、
凸部において前記正極1と電気的に接続された正極端子
8a構成する頂部プレート8を配置し、ケーシング5の
頂部リム5bをかしめて、全体を封止した構造をなして
いる。
電極構造体10は、図2に部分断面構造を示すように、
鉄、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケル、チタ
ン等の金属箔あるいは金属網等からなり、厚さが5〜1
00μm、小規模の場合には5〜20μmとなるような
集電体11の少なくとも一面、好ましくは図2に示すよ
うに両面に、例えば小規模の場合厚さが10〜1000
μm、好ましくは10〜200μmの電極合剤層12
a、12bを形成したものである。
の炭素質材料あるいはコバルトやニッケルとリチウムの
複合酸化物である正極材料、フッ化ビニリデン系樹脂等
の結合剤(バインダー)および必要により添加する炭素
等の導電材からなる電極合剤形成用組成物を、上記集電
体11に塗布接着し形成したものである。
な非水溶媒系二次電池の電極構造体10(図2;図1の
1または2に対応)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11に接着して厚さが例えば10〜2
00μm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。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11との
結合が不十分となる。上記は、比較的小容量の二次電池
についての値であるが、より大形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、非水溶媒系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
系二次電池の負極、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材料として用いること
が好ましい。
2 、LiNiO2 、LiMnO4 、LiMn2 O4 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(例えばカー
ボンブラック)とともに成形して、導電性の集電材上に
層形成される。
る非水溶媒系電解液は、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、LiAS F6 、LiCl、LiBr、
LiB(C6 H5 )4 、LiN(SO2CF3 )2 等が
用いられる。
ようにして形成した正極層1と負極層2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3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(図1)。
したが、本発明の非水溶媒系二次電池を、コイン形、角
形またはペーパー形電池として構成することも可能であ
る。
子と炭素原子の原子比H/C、X線散乱強度比IW /I
D 、(002)面の平均層面間隔d002 、炭酸ガス吸着
量、の測定は、以下のようにして行った。
ザーによる元素分析により求めた。
の炭素試料及び吸水状態の炭素試料は以下のようにして
準備した。
50℃で5時間真空乾燥したものを乾燥状態の炭素試料
とした。また、この乾燥状態の炭素試料1gに脱イオン
水0.3mlを加え、めのう製の乳鉢で充分に混合した
ものを吸水状態の炭素試料とした。吸水状態の炭素試料
は、乳鉢で水と炭素質材料を混合後直ちに試料ホルダー
に充填し、10〜15分静置した後測定に供した。
のように定義する。
装置を用いて行った。
れたX線真空通路装置内を真空にし、試料ホルダーに粉
末状炭素質材料を充填した(試料ホルダー(面積35×
50mm2 、厚さ1.5mmのアルミニウム板に面積2
0×18mm2の窓をあけたもの)の両面をポリエチレ
ンフィルム(ワンラップ:十条特殊株式会社製)で覆
い、ポリエチレンフィルムの間に粉末試料を充填し、粉
末試料がこぼれ落ちるのを防止した。)ときのX線の散
乱強度Im (s)、試料ホルダーに試料を充填しない時
のX線散乱強度B(s)を測定した。この場合、試料の
単位重量当たりの干渉性散乱強度IG (s)は、次式で
表される。
(s))/(A・InA) また、Aは粉末状炭素試料の吸収因子で、X線広角散乱
測定装置を用いて次のような方法により求めた。
1)回折X線をNiフィルターを用いて単色化する。こ
の回折線が、試料ホルダー中の炭素試料を透過したとき
の強度をIS とし、試料ホルダー中から試料を取り除い
たときの強度をIO とする。これにより吸収因子Aを次
式より求める。
て、それぞれ乾燥状態および吸水状態での、s値に対す
る散乱強度IG のプロットを図3に示す。) 以上の測定値を使用し、s=0.5に相当する散乱強度
IG (0.5)を計算する。
5)は、入射X線の強度等により変化するので、試料ホ
ルダーと検出器の間のX線の通路の空気による散乱強度
を測定し、この値を用いて炭素質材料試料の散乱強度I
G (0.5)を規格化した。すなわち、上記の小角散乱
測定装置において試料ホルダーに試料を充填せず、試料
ホルダーと検出器の間のX線真空通路内に1気圧の空気
を存在させて、X線真空通路内の空気の散乱強度I
A (0.5)を求める。このIA (0.5)を用いて次
式により規格化した炭素質材料試料の散乱強度I
S (0.5)を求めた。
おいて、乾燥状態の炭素試料についての値をID 、吸水
状態の炭素試料についての値をIW とし、X線散乱強度
比IW /ID を求めた。
空乾燥機を用いて、130℃で3時間以上真空乾燥を行
ったものを測定試料とした。炭酸ガスの吸着量の測定は
Micromeritics Instrument
Corporation社製ASAP−2000Mを使
用して行った。
0.2Pa以下の減圧下、300℃で3時間以上減圧乾
燥を行い、その後炭酸ガスの吸着量の測定を行った。
料管の圧力が0.6Pa以下になるまで減圧にした後、
炭酸ガスを試料管に導入し、試料管内の平衡圧力が0.
11MPa(相対圧力0.032に相当)に達するまで
の炭酸ガスの吸着量を定容法により求め、ml/g単位
で表した。吸着量は標準状態(STP)に換算した値で
ある。
をアルミニウム製試料セルに充填し、グラファイトモノ
クロメーターにより単色化したCuKα線(波長λ=
0.15418nm)を線源とし、反射式デフラクトメ
ーター法によりX線回折図形を得る。回折図形の補正に
は、ローレンツ偏光因子、吸収因子、原子散乱因子等に
関する補正を行わず、Kα1 、Kα2 の2重線の補正の
みをRachingerの方法により行った。(00
2)回折線のピーク位置は、重心法(回折線の重心位置
を求め、これに対応する2θ値でピーク位置を求める方
法)により求め、標準物質用高純度シリコン粉末の(1
11)回折線を用いて補正し、下記Braggの公式よ
りd002 を計算した。
(Braggの公式)
更に詳細に説明する。
試薬)94.2gと37%フォルマリン80.6gをジ
ムロート冷却管を付けたセパラブルフラスコに入れ、撹
拌混合したのち、20%水酸化ナトリウム水溶液14.
0gを加え撹拌混合した。この溶液をマントルヒーター
上にて85〜95℃の温度で6時間反応させた。反応終
了後、室温まで放冷しフェノールフォルムアルデヒド初
期縮合物152gを得た。フェノールフォルムアルデヒ
ド初期縮合物を銅箔で作製した容器に入れ、乾燥機(東
京理化機器製:EYELA NED−300)を用い1
50℃で12時間硬化反応を行いフェノール樹脂95g
を得た。つぎに、フェノール樹脂を直径1〜2cm程度
に破砕し、窒素ガス雰囲気中(常圧)で200℃/hで
600℃まで昇温し、600℃で1時間保持して仮焼成
し、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体を粉砕し、
平均粒径25μmの粉末状炭素前駆体とした。次に粉末
状炭素前駆体を真空焼成炉に仕込み、1kPa以下の減
圧に保ちながら5℃/minの速度で1100℃まで昇
温し、1100℃で1時間保持して本焼成を行った後、
冷却し、粉末状炭素質材料を製造した。
例、比較例の結果とともに、後記表1に示す。
温度をそれぞれ、1200℃(実施例2)及び1300
℃(実施例3)とした以外は実施例1と同様にして炭素
質材料を製造した。
前駆体5gを横型管状炉に仕込み窒素ガス流通下(圧力
=1気圧、窒素ガス流量=10リットル/分)、5℃/
minの速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1
時間保持して本焼成を行った後、冷却し、粉末状炭素質
材料を製造した。
試薬)48.0gと37%フォルマリン82.6gをジ
ムロート冷却管を付けたセパラブルフラスコに入れ、撹
拌混合したのち、29%アンモニア水3.8gを加え撹
拌混合した。この溶液をマントルヒーター上にて70〜
80℃の温度で6.5時間反応させた。反応終了後、室
温まで放冷し初期縮合物78gを得た。得られたフェノ
ールフォルムアルデヒド初期縮合物を銅箔で作製した容
器に入れ、乾燥機(東京理化機器製:EYELA NE
D−300)を用い150℃で12時間硬化反応を行
い、フェノール樹脂60gを得た。つぎに、フェノール
樹脂を直径1〜2cmに破砕し、窒素ガス雰囲気中(常
圧)で200℃/hの昇温速度で600℃まで昇温し、
600℃で1時間保持して仮焼成し、炭素前駆体を得
た。得られた炭素前駆体を粉砕し、平均粒径25μmの
粉末状炭素前駆体とした。次に粉末状炭素前駆体を真空
焼成炉に仕込み、1kPa以下の減圧下、5℃/min
の速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保
持して本焼成を行った後、冷却し、粉末状炭素質材料を
製造した。
化学製特級試薬)122.0gと37%フォルマリン8
1.0gをジムロート冷却管を付けたセパラブルフラス
コに入れ撹拌混合しながら20%水酸化ナトリウム水溶
液12.0gを加えた。セパラブルフラスコをマントル
ヒーター上にて加熱して90〜98℃で3時間反応させ
た。反応終了後、室温まで放冷し反応液に乳酸12.0
gを加え中和し、上澄み液を除去し、初期縮合物を得
た。初期縮合物を銅箔で作製した容器に入れ、乾燥機
(東京理化機器製:EYELA NED−300)を用
い150℃で12時間硬化反応を行い、キシレノール樹
脂を得た。つぎに、キシレノール樹脂を直径1〜2cm
に粉砕し、窒素ガス雰囲気中(常圧)で200℃/hの
昇温速度で600℃まで昇温し、600℃で1時間保持
して仮焼成し、炭素前駆体を得た。得られた炭素前駆体
を粉砕し、平均粒径25μmの粉末状炭素前駆体とし
た。つぎに粉末状炭素前駆体を真空焼成炉に仕込み、1
kPa以下の減圧下5℃/minの速度で1200℃ま
で昇温し1200℃で1時間保持して本焼成を行った
後、冷却し、粉末状炭素質材料を製造した。
温度をそれぞれ、1000℃(比較例1)及び1500
℃(比較例2)とした以外は実施例1と同様にして炭素
質材料を製造した。
試薬)142.0gと37%フォルマリン122.5g
をジムロート冷却管を付けたセパラブルフラスコに入れ
撹拌しながら、水酸化マグネシウム17.5gを加え
た。セパラブルフラスコをマントルヒーター上にて84
〜99℃に加熱し、3時間反応させた。反応終了後、室
温まで放冷し、上澄み液を除去し初期縮合物165gを
得た。初期縮合物を銅箔で作製した容器に入れ、乾燥機
(東京理化機器製:EYELA NED−300)を用
い150℃で12時間硬化反応を行いフェノール樹脂1
52gを得た。つぎに、フェノール樹脂を直径1〜2c
mに破砕し、窒素ガス雰囲気中(常圧)で200℃/h
の昇温速度で600℃まで昇温し、600℃で1時間保
持して仮焼成し、炭素前駆体88gを得た。得られた炭
素前駆体を粉砕し、平均粒径25μmの粉末状炭素前駆
体とした。次に粉末状炭素前駆体を真空焼成炉に仕込
み、1kPa以下の減圧下5℃/minの速度で120
0℃まで昇温し、1200℃で1時間保持して本焼成を
行った後、冷却し、粉末状炭素質材料を製造した。
(「ベルパールS830」鐘紡株式会社製)を銅箔で作
製した容器に入れ、乾燥機(東京理化機器製:EYEL
A NED−300)を用い150℃で12時間硬化反
応を行いフェノール樹脂を得た。つぎに、該フェノール
樹脂を直径1〜2cmに粉砕し、窒素ガス雰囲気中(常
圧)で200℃/hの昇温速度で600℃まで昇温し、
600℃で1時間保持して仮焼成し、炭素前駆体を得
た。得られた炭素前駆体を粉砕し、平均粒径25μmの
粉末状炭素前駆体とした。次に粉末状炭素前駆体を真空
焼成炉に仕込み、1kPa以下の減圧下5℃/minの
速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持
して本焼成を行った後、冷却し、粉末状炭素質材料を製
造した。
試薬)94.1gと37%フォルマリン81.1gをジ
ムロート冷却管を付けたセパラブルフラスコに入れ、撹
拌混合したのち、20%水酸化ナトリウム水溶液14.
0gを加え撹拌混合した。この溶液をマントルヒーター
にて加熱し85〜95℃の温度で2時間反応させた。反
応終了後、室温まで放冷したのち反応溶液に10%塩酸
を徐々に加え反応溶液を中和した。中和終了時の10%
塩酸添加量は7.0gであった。つぎに、反応溶液から
上澄み液を除去し初期縮合物104gを得た。さらに初
期縮合物を銅箔で作製した容器に入れ、乾燥機(東京理
化機器製:EYELA NED−300)を用い150
℃で12時間硬化反応を行いフェノール樹脂62gを得
た。得られたフェノール樹脂を直径1〜2cmに粉砕
し、窒素ガス雰囲気中(常圧)で600℃まで昇温し、
600℃で1時間保持して仮焼成し、炭素前駆体を得
た。得られた炭素前駆体を粉砕し、平均粒径25μmの
粉末状炭素前駆体とした。次に粉末状炭素前駆体を真空
焼成炉に仕込み、1kPa以下の減圧下5℃/minの
速度で1200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持
して本焼成を行った後、冷却し、粉末状炭素質材料を製
造した。
試薬)48.0gと37%フォルマリン82.7gをジ
ムロート冷却管を付けたセパラブルフラスコに入れ、撹
拌混合したのち、29%アンモニア水3.8gを加え撹
拌混合した。この溶液をマントルヒーター上にて85〜
95℃に加熱し1.5時間反応させた。反応終了後、室
温まで放冷し初期縮合物78gを得た。得られたフェノ
ールフォルムアルデヒド初期縮合物を銅箔で作製した容
器に入れ、乾燥機(東京理化機器製:EYELA NE
D−300)を用い150℃で12時間硬化反応を行い
フェノール樹脂59gを得た。つぎに、フェノール樹脂
を直径1〜2cmに粉砕し、反応窒素ガス雰囲気中(常
圧)で200℃/hの昇温速度で600℃まで昇温し、
600℃で1時間保持して仮焼成し、炭素前駆体を得
た。得られた炭素前駆体を粉砕し、平均粒径25μmの
粉末状炭素前駆体とした。次に粉末状炭素前駆体を真空
焼成炉に仕込み、1kPa以下の減圧下5℃/minの
速度で1100℃まで昇温し、1100℃で1時間保持
して本焼成を行った後、冷却し、粉末状炭素質材料を製
造した。
パラホルムアルデヒド32g、エチルセロソルブ242
g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
え反応溶液を中和した。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とヘキサメチレンテト
ラミン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(常
圧)1時間仮焼成し、さらにアルゴンガス雰囲気下(常
圧)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15μ
mに調整した。
化学製特級試薬)122.0gと37%フォルマリン8
1.0gをジムロート冷却管を付けたセパラブルフラス
コに入れ撹拌混合しながら29%アンモニア水4.0g
を加えた。セパラブルフラスコをマントルヒーターにて
加熱して90〜98℃で3時間反応させた。反応終了
後、室温まで放冷し反応液に乳酸12mlを加え中和
し、上澄み液を除去し、初期縮合物を得た。初期縮合物
を銅箔で作製した容器に入れ、乾燥機(東京理化機器
製:EYELA NED−300)を用い150℃で1
2時間硬化反応を行いキシレノール樹脂を得た。つぎ
に、キシレノール樹脂を直径1〜2cmに粉砕し、窒素
ガス雰囲気中(常圧)で600℃まで昇温し、600℃
で1時間保持して仮焼成し、炭素前駆体を得た。得られ
た炭素前駆体を粉砕し、平均粒径25μmの粉末状炭素
前駆体とした。つぎに粉末状炭素前駆体を真空焼成炉に
仕込み、1kPa以下の減圧下5℃/minの速度で1
200℃まで昇温し、1200℃で1時間保持して本焼
成を行った後、冷却し、粉末状炭素質材料を製造した。
施例及び比較例で得られた各炭素質材料を用いて、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、脱ドープ容量及び非脱ドー
プ容量を、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、特性の安定したリチウム金属
を負極とし、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。
た。上記のようにして製造した炭素質材料を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、アルミ箔上に
均一に塗布し、乾燥した後、アルミ箔より剥離させ直径
15mmの円板状に打ち抜き円盤状炭素質膜を調製す
る。つぎに、2016サイズ(すなわち直径20mm
で、厚さ1.6mm)のコイン型電池用缶の内蓋に、直
径16mmのステンレススチール網円板をスポット溶接
した後、網円盤に円盤状炭素質膜をプレスにより加圧し
て圧着し正極とした。なお炭素極中の炭素質材料の量は
約20mgになるようにした。負極(リチウム極)の調
製は、アルゴン雰囲気中のグローブボックス内で行っ
た。予め、2016サイズのコイン型電池用缶の外蓋に
直径16mmのステンレススチール網円板をスポット溶
接した後、厚さ0.5mmの金属リチウム薄板を直径1
5mmの円板状に打ち抜いたものを、ステンレススチー
ル網円板に圧着し、負極とした。
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LiClO 4 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、ポリ
エチレン製のガスケットを用いて、アルゴングローブボ
ックス中で2016サイズのコイン型非水溶媒系リチウ
ム二次電池を組み立てた。このような構成のリチウム二
次電池において、炭素質材料からなる正極にリチウムの
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
時間通電した後、2時間休止する操作を繰り返し、端子
間の平衡電位が4mVになるまで行った。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、Ah/kgを単位として表わした。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時間通電した後2時間休止する操
作を繰り返し、端子電圧1.5ボルトをカットオフ電圧
とした。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、脱ドープ容量と定義し、Ah/kgを
単位として表わした。次いでドープ容量と脱ドープ容量
との差として、非脱ドープ容量を求めた。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にまとめて
示す。
分かる(表1、表2参照)。
施例の1100〜1300℃と比べて、同等ないしやや
低い程度の温度で得られた比較例1および3〜6の炭素
質材料は、IW /ID の値が0.22〜0.24と小さ
く(表1)、細孔を有するが、細孔を有する炭素構造が
充分に発達していないと考えられる。これに伴い、これ
ら比較例の炭素質材料は、電池活物質のドープ容量は大
きいが脱ドープ容量が小さくて、不可逆容量が大きく、
有効な電極材料とはなり難い(表2)。
例7の炭素質材料は、本焼成温度がそれぞれ1500
℃、1900℃と、実施例の炭素質材料の本焼成温度1
100〜1300℃に比べて高いものである(表1参
照)。すなわち、高温で本焼成されたこれら比較例の炭
素質材料は、炭素質材料中に一旦生成した微細な細孔が
高温の焼成により閉じるため(クローズド化するた
め)、炭酸ガスが細孔内に進入できなくなり、炭酸ガス
の吸着量が小さくなったものと考えられる。このこと
は、X線散乱強度比IW /ID の値が大きいことによっ
ても裏付けられる。すなわち、閉じた細孔(クローズド
ポア)には水分子が進入できないために、吸水後の炭素
質材料のX線散乱強度の低下は小さくなる。しかし、リ
チウム等の電池活物質は炭素の層間以外に細孔内にも吸
蔵されると考えられる。比較例2及び7の炭素質材料
は、閉じた細孔が多いため電池活物質のドープ容量が小
さい値を示している(表2参照)。
度が1200℃と低いのにもかかわらず、炭酸ガスの吸
着量が0.7ml/gと小さかった。この炭素質材料
は、焼成温度が1200℃と低いにもかかわらず、d
002 の値が0.362nmと小さく、結晶化の度合いが
実施例の炭素質材料に比較して高かったことを示す。炭
素質材料の結晶化の度合いが高いということは、原料の
芳香族系縮合高分子(キシレノール樹脂)の架橋の度合
いが小さいことを意味している。架橋の度合いの小さい
芳香族系縮合高分子は焼成の過程での細孔の生成が少な
く、得られる炭素質材料の炭酸ガス吸着量が小さくなっ
たと考えられる。このように炭酸ガス吸着量の小さい
(開いた細孔の少ない)比較例8の炭素質材料は、リチ
ウム等の電池活物質のドープ容量が小さい値を示してい
る。
判るように、本発明の炭素質材料は、原料である芳香族
系縮合高分子の架橋構造、焼成温度を制御し、更に焼成
時に生成する分解ガスやタール分の散逸を容易にし、リ
チウム等の電池活物質のドープに適した細孔の生成を促
進して得られたものである。
質材料の微細構造を制御することにより電池活物質のド
ープ、脱ドープ容量の大きな非水溶媒系二次電池用の炭
素質材料が提供される。そして、この炭素質材料を用い
て、例えばリチウム二次電池の負極を構成することによ
り、リチウムの利用率の高い、高エネルギー密度の二次
電池を製造することができる。
一部分解斜視図。
図。
て、それぞれ乾燥状態および吸水状態での、s値の変化
に伴う散乱強度IG の変化を示すプロット図。
Claims (6)
- 【請求項1】 フェノール性水酸基を有する芳香族化合
物とアルデヒド類との縮合物である芳香族系縮合高分子
の炭素化物であって、水素原子と炭素原子の原子比H/
Cが0.1未満、炭酸ガスの吸着量が10ml/g以
上、X線小角散乱の測定において、s=2・sinθ/
λ(ここに、θは散乱角、λはX線の波長である。)で
定義した、sの値が0.5nm-1における散乱強度を測
定し、乾燥状態で測定された強度をID 、含水状態で測
定された強度をIW としたとき、X線散乱強度比IW /
ID が0.25以上であることを特徴とする二次電池電
極用炭素質材料。 - 【請求項2】 炭素化物のX線回折法による(002)
面の平均層面間隔が0.360nm以上、0.400n
m以下である請求項1に記載の二次電池電極用炭素質材
料。 - 【請求項3】 芳香族系縮合高分子がフェノールとアル
デヒド類の縮合物であるレゾール型フェノール樹脂であ
る請求項1記載の二次電池電極用炭素材料。 - 【請求項4】 フェノール性水酸基を有する芳香族化合
物とアルデヒド類との縮合物である芳香族系縮合高分子
を10kPaを超える圧力の下、不活性ガスを流通させ
ながら1050℃〜1400℃の温度で炭素化すること
を特徴とする請求項1記載の二次電池電極用炭素材料の
製造法。 - 【請求項5】 フェノール性水酸基を有する芳香族化合
物とアルデヒド類との縮合物である芳香族系縮合高分子
を10kPa以下の圧力の下、1050℃〜1400℃
の温度で炭素化することを特徴とする請求項1記載の二
次電池電極用炭素材料の製造法。 - 【請求項6】 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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