JPH1083814A - 非水溶媒二次電池負極用炭素材料 - Google Patents

非水溶媒二次電池負極用炭素材料

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JPH1083814A
JPH1083814A JP8239320A JP23932096A JPH1083814A JP H1083814 A JPH1083814 A JP H1083814A JP 8239320 A JP8239320 A JP 8239320A JP 23932096 A JP23932096 A JP 23932096A JP H1083814 A JPH1083814 A JP H1083814A
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Japan
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pitch
carbon material
secondary battery
aqueous solvent
solvent secondary
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JP8239320A
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English (en)
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Koichi Sugano
公一 菅野
Nobuyuki Koike
信行 小池
Takashi Yoshimura
貴史 吉村
Yuzuru Takahashi
譲 高橋
Yukio Sakai
幸男 酒井
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Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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    • 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

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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 非水溶媒二次電池負極用炭素材料 【課題】 大容量で、かつ容量ロスの少ない高性能な非
水溶媒二次電池負極用炭素材料を提供する。 【解決手段】 縮合多環式炭化水素またはこれを含有す
る物質を弗化水素・三弗化硼素の存在下で重合させて得
られた前駆ピッチあるいはタールを改質して製造された
100%光学的等方性の改質ピッチを不融化処理した
後、焼成することにより調製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は大容量で不可逆容量
の少ない非水溶媒二次電池負極用炭素材料に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】負極に炭素材料を用いた非水溶媒二次電
池はリチウムイオン二次電池として、その高エネルギー
密度、軽量小型および長期保存性などの利点により、す
でに実用化されている。しかし、電子機器の小型化、軽
量化に対応するため負極用炭素材料の高容量化が必要で
ある。そのため、例えば、特開平6−187988に記
載されているように、ピッチやタール類をニトロ化合物
と反応させることにより、高容量な炭素材料が見出さ
れ、検討されてきた。しかしながら、容量が向上する反
面、二次電池化において不利となる不可逆容量(第1サ
イクル目における吸蔵容量と放出容量の差)が増大し、
要求に対応するには不十分であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の炭素材を負極材料として用いた非水溶媒二次電池は、
その特徴である大容量を実現するには十分なものではな
かった。本発明は、従来のかかる問題点、すなわち、負
極用炭素材料の第1サイクル目における不可逆容量を低
減化することにより、二次電池の大容量を実現でき、か
つ充放電サイクル特性が良好で、しかも、安定かつ安全
性に優れた高性能な非水溶媒二次電池負極用炭素材料を
提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するため、ピッチやタールを原料とする高容量
な負極用炭素材料を鋭意検討した結果、縮合多環式炭化
水素またはこれを含有する物質から合成によって得られ
る特定の前駆ピッチあるいはタールを、改質、不融化処
理した後、焼成することによって得られる炭素材料が非
水溶媒二次電池の負極として優れた性質を有することを
見出し本発明を完成するに至った。本発明の非水溶媒二
次電池負極用炭素材料は、縮合多環式炭化水素またはこ
れを含有する物質を弗化水素・三弗化硼素の存在下で重
合させて得られる特定の前駆ピッチあるいはタールを改
質することで等方性の改質ピッチを調製し、これを不融
化処理した後、焼成することにより調製されたことを特
徴とする非水溶媒二次電池負極用炭素材料である。
【0005】
【発明の実施の形態】縮合多環式化合物としては、ナフ
タレン、アントラセン、ピレン、コロネン等の縮合多環
式炭化水素およびその誘導体、ベンゾフラン、キノリ
ン、チアナフタレン、シラナフタレン等の縮合複素環式
化合物およびその誘導体、これら化合物が相互に架橋し
た化合物、またそれらの混合物である種々の石油留分、
石油加工工程の残油及び石炭タール留分等が挙げられ
る。特に、ナフタレンまたはメチルナフタレンおよびこ
れらの混合物が好ましい。縮合多環式化合物から、弗化
水素・三弗化硼素触媒下、前駆タール及びピッチを合成
する方法は、特に制限はないが、通常縮合多環式化合物
に対する触媒量を、縮合多環式化合物1モルに対し、弗
化水素を0.1〜10モル、三弗化硼素を0.01〜1.
0モル、反応温度は0〜300℃の範囲、好ましくは4
0〜150℃、さらに好ましくは80〜120℃で行な
われる。反応終了後、触媒を除去して得られたピッチあ
るいはタールの全量、もしくはその中の一部を蒸留によ
って分離したものを、前駆ピッチあるいはタールとして
用いる事ができる。縮合多環式化合物から得られる前駆
ピッチあるいはタールの性状は、軟化点としては0〜1
50℃が好ましく、さらに好ましくは0〜100℃であ
る。また炭素に対する水素の原子比が0.6〜0.9
5、ピリジン不溶分が1.0%以下、ピッチに含まれる
全水素の中の脂肪族水素の割合が20〜70%であるこ
とが好ましい。ピッチを常法により研磨後、偏光顕微鏡
下で観察したときの光学的組織は100%等方性であ
る。
【0006】次に、前駆ピッチあるいはタールは光学的
等方性を保ったまま改質することで軟化点150℃以上
の改質ピッチとされる。改質は、蒸留、エアーブローイ
ング、硝酸添加、硫黄添加等の公知の方法によって行う
事ができる。それらのなかでも、加熱下流動状態にある
前駆ピッチあるいはタールの中に酸化性ガス、一般には
空気を流通させることによって行なう方法が、簡便かつ
安価であり、有効である。この時の温度は前駆ピツチあ
るいはタールの軟化点により一概に特定できないが、2
00℃以上、好ましくは300〜350℃で行なわれ
る。処理温度が低すぎると反応性が低いため、空気によ
る改質が十分に行われない。また温度が高すぎると前駆
ピッチあるいはタール自身の熱重合が起こり、空気によ
る改質が有効に行われない。空気流量は装置形状等によ
って異なるが、ピッチに対して0.5〜50ml/g程
度である。この時、前駆ピッチあるいはタールと空気の
接触効率を上げるためメッシュやフィルター等の使用あ
るいは撹拌すること等が適用できる。酸化性ガスによる
改質の終了点は、軟化点の上昇が伴うため、この軟化点
の測定により判断できる。出発原料等により改質の終了
点の軟化点は特定できないが、150〜350℃が好ま
しい。
【0007】不融化処理は窒素、硫黄、酸素等を含有す
る化合物が使用できる。例えば、硝酸、硫酸、ニトロ化
剤、ニトロ化合物、硫酸アンモニウム、酸性硫酸アンモ
ニウム、二酸化窒素ガス、オゾン、空気、酸素等および
これらの混合物が挙げられる。なかでも、硫酸アンモニ
ウム及びジニトロナフタレンが好適に使用される。硫酸
アンモニウムを用いる場合、硫酸アンモニウムの改質ピ
ッチに対する重量比は適宜、最適値が選択されるが、
0.1〜3程度が好ましい。反応温度についても適宜、
最適値が選択されるが、通常200〜600℃程度であ
る。ニトロ化合物としては芳香族ニトロ化合物が好まし
く、特に、ジニトロナフタレンが好適に使用される。ニ
トロ化合物の改質ピッチに対する重量比は適宜、最適値
が選択されるが、例えば、ジニトロナフタレンでは0.
1〜3程度が好ましい。反応温度についても適宜、最適
値が選択されるが、通常200〜600℃程度である。
【0008】不融化処理により得られた化合物を非酸化
性ガスまたは真空下で焼成することにより、本願発明の
炭素材料が得られる。焼成温度は800〜1800℃、
好ましくは1000〜1300℃、焼成時間は1〜50
時間で適宜、最適な条件が選択される。また、800℃
以下で予備焼成を行ってもよい。非酸化性ガスとしては
窒素、アルゴンが好ましい。非酸化性ガスを気流として
連続的に供給し、焼成によって発生するガスを同伴して
排出する方法や、真空排気により強制的に発生ガスを系
外に排出する方法が適宜適用できる。
【0009】本発明の非水溶媒系二次電池負極用炭素材
料は種々の優れた特徴を持っているが、特に、対リチウ
ム金属電位で0〜1.5(V)の間で450(mAh/g)以
上の放出容量が可能であると同時に、第1サイクル目に
おける不可逆容量が100(mAh/g)以下であることが
最大の特徴である。以下、本発明について実施例を示し
てその効果を具体的かつ詳細に説明するが、以下に示す
例は、具体的に説明するためのものであって本発明の実
施形態や発明の範囲を限定するものとしては意図されて
いない。また、本実施例でのピッチの分析方法及び分析
条件を以下に記載する。
【0010】(元素分析)炭素、窒素、水素の同時分析
には、分析装置としてパーキンエルマー(PERKINELME
R)社製、2400CHN型元素分析計を使用した。測定は、試
料のピッチを錫製の容器に1.5±0.2mgを秤量し、装置に
セット後、975℃の温度で5分間燃焼し、Heガスキャリ
ヤーによりTCDで検出し測定した。なお、試料の測定
にあたって、予め、標準物質のアセトアニリド(2.0±
0.1mg)により補正した。 (NMR分析)ピッチに含まれる全水素の中の脂肪族水
素の割合を求めるには、1H−NMR法を用いた。ピッ
チはほぼ全量がクロロホルムに可溶であるので、その1
%重クロロホルム溶液を、NMRサンプル管に入れ、日
本電子(株)製JNM−EX270により測定を行っ
た。なお、TMS(テトラメチルシラン)を基準物質と
して、これを0ppmとした。
【0011】
【実施例】
実施例1 内容積3Lの耐酸オートクレーブに、ナフタレン7モ
ル、弗化水素(HF)2.45モル、三弗化硼素(BF
3)0.77モルを仕込み、自生圧下に100℃まで昇
温した後、更に4時間、100℃に保持して反応させ
た。次いで、常法に従って、オートクレーブ内に窒素を
吹き込んでHF及びBF3を回収し、引き続いて低沸点
成分を除去して軟化点80℃の前駆ピッチを得た。前駆
ピッチに含有されている水素原子の炭素原子に対する比
(H/C)は0.76、ピリジン不溶分は0.0%、前駆
ピッチに含まれる全水素の中の脂肪族水素の割合は35
%であった。得られた前駆ピッチを、別のオートクレー
ブに仕込み、340℃で100g当たり、毎分2Lの空
気を吹き込み、2時間反応させ、軟化点170℃の10
0%光学的等方性の改質ピッチを得た。次に、改質ピッ
チ100重量部と硫酸アンモニウム35部を粉末状態で
混合し、450℃まで昇温し、1時間保持した後、室温
まで冷却した。得られた処理物を、平均粒径15μmに
粉砕した。ついで、窒素気流中1200℃で2時間焼成
し、粉末状の炭素材料を得た。
【0012】(負極材料としての評価)得られた炭素材
料100重量部に、ポリフルオロエチレン粉末5重量部
(バインダー)を配合・混合して円盤状に圧縮成型した
柔軟な成型体を作成し、評価用試験片とした。次いで、
LiPF6をエチレンカーボネートとジメチルカーボネ
ートの等容量混合物に溶解した溶液(濃度1.0mol/l)
を電解液とし、厚さ50μmのポリプロピレン製微孔膜
をセパレーターとするハーフセルを作製した。なお、対
極として直径16mm、厚さ0.5mmのリチウム金属
を使用した。また、参照極として対極と同様にリチウム
金属の小片を使用した。電流密度2.0mA/cm2
参照極に対する評価用試験片の電極電位が1mVまで定
電流充電を行い、さらに電極電位1mVで定電位充電を
20時間行ったところ、吸蔵容量:570mA/gが確
認された。次いで、電流密度1.0mAh/cm2 で参
照極に対する評価用試験片の電極電位が1.5Vまで定
電流放電を行ったところ、放出容量:485mAh/g
が確認された。すなわち、容量ロスは85mAh/gで
あった。
【0013】実施例2 実施例1で得られた改質ピッチ100重量部とジニトロ
ナフタレン30部を粉末状態で混合し、450℃まで昇
温し、1時間保持した後、室温まで冷却した。得られた
処理物を、平均粒径15μmに粉砕した。ついで、窒素
気流中1200℃で2時間焼成し、粉末状の炭素材料を
得た。実施例1と同様の、ハーフセルを作製し、電流密
度2.0mA/cm2 で参照極に対する評価用試験片の
電極電位が1mVまで定電流充電を行い、さらに電極電
位1mVで定電位充電を20時間行ったところ、吸蔵容
量:600mAh/gが確認された。次いで、電流密度
1.0mA/cm2 で参照極に対する評価用試験片の電
極電位が1.5Vまで定電流放電を行ったところ、放出
容量:509mAh/gが確認された。すなわち、容量
ロスは91mAh/gであった。
【0014】比較例1 軟化点76℃、含有されている水素原子の炭素原子に対
する比(H/C)は0.55、ピリジン不溶分が0.1
%、含まれる全水素の中の脂肪族水素の割合が3%であ
るコールタールピッチを、オートクレーブに仕込み、3
40℃で100g当たり、毎分2Lの空気を吹き込み、
1時間反応させ、軟化点243℃の100%光学的等方
性の改質ピッチを得た。次に、改質ピッチ100重量部
と硫酸アンモニウム35部を粉末状態で混合し、450
℃まで昇温し、1時間保持した後、室温まで冷却した。
得られた処理物を、平均粒径15μmに粉砕した。つい
で、窒素気流中1200℃で2時間焼成し、粉末状の炭
素材料を得た。実施例1と同様に、ハーフセルを作製
し、電流密度2.0mA/cm2 で参照極に対する評価
用試験片の電極電位が1mVまで定電流充電を行い、さ
らに電極電位1mVで定電位充電を20時間行ったとこ
ろ、吸蔵容量:603mAh/gが確認された。次い
で、電流密度1.0mA/cm2 で参照極に対する評価
用試験片の電極電位が1.5Vまで定電流放電を行った
ところ、放出容量:467mAh/gが確認された。す
なわち、放出容量は450mAh/g以上であったが、
容量ロスは136mAh/gと大きくなった。
【0015】比較例2 軟化点20℃以下(室温で液体)、含有されている水素
原子の炭素原子に対する比(H/C)が0.95、ピリジ
ン不溶分が0.0%、含まれる全水素の中の脂肪族水素
の割合が57%であるエチレンボトムオイルを、オート
クレーブに仕込み、340℃で100g当たり、毎分2
Lの空気を吹き込み、2時間反応させ、軟化点260℃
の100%光学的等方性ピッチを得た。次に、改質ピッ
チ100重量部と硫酸アンモニウム35部を粉末状態で
混合し、450℃まで昇温し、1時間保持した後、室温
まで冷却した。得られた処理物を、平均粒径15μmに
粉砕した。ついで、窒素気流中1200℃で2時間焼成
し、粉末状の炭素材料を得た。実施例1と同様に、ハー
フセルを作製し、電流密度2.0mA/cm2 で参照極
に対する評価用試験片の電極電位が1mVまで定電流充
電を行い、さらに電極電位1mVで定電位充電を20時
間行ったところ、吸蔵容量:609mAh/gが確認さ
れた。次いで、電流密度1.0mA/cm2 で参照極に
対する評価用試験片の電極電位が1.5Vまで定電流放
電を行ったところ、放出容量:474mAh/gが確認
された。すなわち、放出容量は450mAh/g以上で
あったが、容量ロスは135mAh/gと大きくなっ
た。
【0016】比較例3 内容積3Lの耐酸オートクレーブに、ナフタレン7モ
ル、弗化水素(HF)2.45モル、三弗化硼素(BF
3)0.77モルを仕込み、自生圧下に230℃まで昇
温した後、更に4時間、230℃に保持して反応させ
た。次いで、常法に従って、オートクレーブ内に窒素を
吹き込んでHF及びBF3を回収し、引き続いて低沸点
成分を除去して軟化点180℃の前駆ピッチを得た。こ
の前駆ピッチの、含有されている水素原子の炭素原子に
対する比(H/C)は0.68、ピリジン不溶分は8.3
%であった。得られた前駆ピッチを、別のオートクレー
ブに仕込み、340℃で100g当たり、毎分2Lの空
気を吹き込み、2時間反応させ、軟化点240℃の改質
ピッチを得た。改質ピッチを常法により研磨後、偏光顕
微鏡下で観察したときの光学的組織は約50%が異方性
を示した。得られた改質ピッチ100重量部と硫酸アン
モニウム35部を粉末状態で混合し、450℃まで昇温
し、1時間保持した後、室温まで冷却した。得られた処
理物を、平均粒径15μmに粉砕した。ついで、窒素気
流中1200℃で2時間焼成し、粉末状の炭素材料を得
た。実施例1と同様に、ハーフセルを作製し、電流密度
2.0mA/cm2 で参照極に対する評価用試験片の電
極電位が1mVまで定電流充電を行い、さらに電極電位
1mVで定電位充電を20時間行ったところ、吸蔵容
量:520mAh/gが確認された。次いで、電流密度
1.0mA/cm2 で参照極に対する評価用試験片の電
極電位が1.5Vまで定電流放電を行ったところ、放出
容量:384mAh/gが確認された。すなわち、容量
ロスは136mAh/gと大きく、吸蔵・放出容量も低
下した。
【0017】比較例4 内容積3Lの耐酸オートクレーブに、ナフタレン7モ
ル、弗化水素(HF)2.45モル、三弗化硼素(BF
3)0.77モルを仕込み、自生圧下に130℃まで昇
温した後、更に4時間、130℃に保持して反応させ
た。次いで、常法に従って、オートクレーブ内に窒素を
吹き込んでHF及びBF3を回収し、引き続いて低沸点
成分を除去して軟化点94℃の前駆ピッチを得た。前駆
ピッチに含有されている水素原子の炭素原子に対する比
(H/C)は0.72、ピリジン不溶分は0.0%、前駆
ピッチに含まれる全水素の中の脂肪族水素の割合は40
%であった。また前駆ピッチを常法により研磨後、偏光
顕微鏡下で観察したときの工学的組織は100%等方性
であった。空気による処理を行わずに、得られた前駆ピ
ッチ100重量部と硫酸アンモニウム35部を粉末状態
で混合し、450℃まで昇温し、1時間保持した後、室
温まで冷却した。得られた処理物を、平均粒径15μm
に粉砕した。ついで、窒素気流中1200℃で2時間焼
成し、粉末状の炭素材料を得た。実施例1と同様にハー
フセルを作製し、電流密度2.0mA/cm2 で参照極
に対する評価用試験片の電極電位が1mVまで定電流充
電を行い、さらに電極電位1mVで定電位充電を20時
間行ったところ、吸蔵容量:590mAh/gが確認さ
れた。次いで、電流密度1.0mA/cm2 で参照極に
対する評価用試験片の電極電位が1.5Vまで定電流放
電を行ったところ、放出容量:413mAh/gが確認
された。すなわち、容量ロスは167mAh/gと大き
く、吸蔵・放出容量も大きく低下した。
【0018】
【発明の効果】従来のリチウム二次電池に比べ、負極用
炭素材料の第1サイクル目における不可逆容量を低減化
することにより、二次電池の大容量を実現できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 譲 茨城県つくば市和台22番地 三菱瓦斯化学 株式会社総合研究所内 (72)発明者 酒井 幸男 茨城県つくば市和台22番地 三菱瓦斯化学 株式会社総合研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 縮合多環式炭化水素またはこれを含有す
    る物質を弗化水素・三弗化硼素の存在下で重合させて得
    られた前駆ピッチあるいはタールを改質して製造された
    100%光学的等方性の改質ピッチを不融化処理した
    後、焼成することにより調製された非水溶媒二次電池負
    極用炭素材料。
  2. 【請求項2】 前駆ピッチあるいはタールの軟化点が0
    〜150℃、炭素に対する水素の原子比が0. 60〜
    1. 00、ピリジン不溶分が1.0%以下、含まれる全
    水素の中の脂肪族水素の割合が20〜70%であること
    を特徴とする請求項1記載の非水溶媒二次電池負極用炭
    素材料。
  3. 【請求項3】 不融化処理に硫酸アンモニウム及びジニ
    トロナフタレンを用いることを特徴とする請求項1記載
    の非水溶媒二次電池負極用炭素材料。
JP8239320A 1996-09-10 1996-09-10 非水溶媒二次電池負極用炭素材料 Pending JPH1083814A (ja)

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