JPH1111919A - 複合炭素粒子の製造法、該製造法で得られた複合炭素粒子、複合炭素粒子を用いた炭素ペースト、リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池 - Google Patents

複合炭素粒子の製造法、該製造法で得られた複合炭素粒子、複合炭素粒子を用いた炭素ペースト、リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池

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JPH1111919A
JPH1111919A JP9168713A JP16871397A JPH1111919A JP H1111919 A JPH1111919 A JP H1111919A JP 9168713 A JP9168713 A JP 9168713A JP 16871397 A JP16871397 A JP 16871397A JP H1111919 A JPH1111919 A JP H1111919A
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secondary battery
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graphite
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Tatsuya Nishida
達也 西田
Yoshito Ishii
義人 石井
Atsushi Fujita
藤田  淳
Kazuo Yamada
和夫 山田
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Hitachi Chemical Co Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高容量で、かつサイクル特性及び急速充放電
特性に優れ、加えて放電時の電圧が連続的に変化し、放
電末期での電圧の変化が緩やかになる高性能のリチウム
二次電池とそれを得るための複合炭素粒子の製造法、該
製造法で得られた複合炭素粒子、複合炭素粒子を用いた
炭素ペースト及びリチウム二次電池用負極を提供する。 【解決手段】 黒鉛の表面にバインダーを融着させた
後、非酸化雰囲気中で焼成してバインダーを炭素化する
ことを特徴とする複合炭素粒子の製造法、上記の方法で
製造された複合炭素粒子中の黒鉛粒子のX線広角回折に
おける結晶の厚み方向の層間距離が3.375Å以下
で、厚み方向の結晶子の大きさが500Å以上である複
合炭素粒子、上記の方法で製造された複合炭素粒子又は
上記の複合炭素粒子に有機系結着剤及び溶剤を添加し、
混合してなる炭素ペースト、該炭素ペーストを集電体に
塗布、一体化してなるリチウム二次電池用負極並びに該
リチウム二次電池用負極と正極とをセパレータを介して
対向して配置し、かつその周辺に電解液が注入されたリ
チウム二次電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は新規な複合炭素粒子
の製造法、該製造法で得られた複合炭素粒子、複合炭素
粒子を用いた炭素ペースト、リチウム二次電池用負極及
びリチウム二次電池に関する。さらに詳しくは、ポータ
ブル機器、電気自動車、電力貯蔵用に用いるのに好適
な、急速充放電特性及びサイクル特性に優れたリチウム
二次電池とそれを得るための複合炭素粉末の製造法、該
製造法で得られた複合炭素粒子、複合炭素粒子を用いた
炭素ペースト、リチウム二次電池用負極及びリチウム二
次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来黒鉛粒子は、例えば天然黒鉛粒子、
コークスを黒鉛化した人造黒鉛粒子、有機系高分子材
料、ピッチ等を黒鉛化した人造黒鉛粒子、これらを粉砕
した黒鉛粒子などがある。これらの黒鉛粒子は、特公昭
62−23433号公報に示されるように有機系結着剤
及び有機溶剤と混合して黒鉛ペーストとし、この黒鉛ペ
ーストを銅箔の表面に塗布し、溶剤を乾燥させて高容量
のリチウム二次電池負極として使用されている。この中
で、黒鉛結晶が発達している天然黒鉛粒子及びコークス
を単一で高度に黒鉛化した粒子は、それ自体の放電容量
は大きく、優れた負極材料である。
【0003】しかし黒鉛は、表面に官能基がほとんど存
在しないため、有機系結着剤との結合が弱く、充放電の
際のリチウムの吸蔵、離脱で生じる約10%の体積変化
の際に粒子の欠落が生じ、サイクル劣化しやすい。また
黒鉛粒子の面方向の結晶の結合が、厚み方向の結晶の結
合に比べてきわめて大きいため、粒子形状が、アスペク
ト比の大きな、鱗片状になる。このようにして得られた
鱗片状の黒鉛粒子は、リチウム二次電池用電極材として
使用する際、粒子が電極面に平行に配向しやすくなる。
一般にリチウムの吸蔵、脱離は、黒鉛粒子の端部面を通
して行われるため、黒鉛粒子が電極面に配向してしまう
と、急激にリチウムの吸蔵、脱離が行われる急速充放電
時は、急速に容量が低下する。
【0004】黒鉛粒子を負極に使用したリチウム電池
は、放電時の電圧が平坦で、かつ放電末期における電圧
の上昇が急激に起こるため、残存容量の検出が困難であ
るといった欠点がある。一方ピッチや熱硬化性樹脂を非
酸化雰囲気中で焼成して得た非晶質炭素は、上記の黒鉛
粒子の欠点がないが、その放電容量は黒鉛粒子に比べて
小さいため、単独では、高容量のリチウム二次電池を得
ることは困難である。
【0005】これに対して、特開平7−192427号
公報に示されるように、非晶質炭素を黒鉛粒子に一部添
加することにより解消されるが、この方法では元元、黒
鉛粒子と低温で焼成して得た非晶質炭素の比重、形状が
異なるため、粒子レベルで均一に混合できず、結果とし
て電池の性能バラツキが生じやすい。そこでリチウム二
次電池用負極炭素としては、高容量で、かつ安定したサ
イクル特性及び急速充放電特性に優れ、これに加えて放
電時の電圧がわずかに変化し、放電末期での電圧変化が
緩やかとなるような負極材が求められている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】請求項1、2、3記載
の発明は、高容量で、かつサイクル特性及び急速充放電
特性に優れ、加えて放電時の電圧が連続的に変化し、放
電末期での電圧の変化が緩やかになる高性能のリチウム
二次電池に好適な複合炭素粒子の製造法を提供するもの
である。請求項4記載の発明は、高容量で、かつサイク
ル特性及び急速充放電特性に優れ、加えて放電時の電圧
が連続的に変化し、放電末期での電圧の変化が緩やかに
なる高性能のリチウム二次電池に好適な複合炭素粒子を
提供するものである。
【0007】請求項5記載の発明は、高容量で、かつサ
イクル特性及び急速充放電特性に優れ、加えて放電時の
電圧が連続的に変化し、放電末期での電圧の変化が緩や
かになる高性能のリチウム二次電池に好適な炭素ペース
トを提供するものである。請求項6記載の発明は、高容
量で、かつサイクル特性及び急速充放電特性に優れ、加
えて放電時の電圧が連続的に変化し、放電末期での電圧
の変化が緩やかになる高性能のリチウム二次電池に好適
なリチウム二次電池用負極を提供するものである。請求
項7項記載の発明は、高容量で、かつサイクル特性及び
急速充放電特性に優れ、加えて放電時の電圧が連続的に
変化し、放電末期での電圧の変化が緩やかになる高性能
のリチウム二次電池を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、黒鉛の表面に
バインダーを融着させた後、非酸化雰囲気中で焼成して
バインダーを炭素化することを特徴とする複合炭素粒子
の製造法に関する。また、本発明は、バインダーを炭素
化した後の残炭率が10重量%以上である複合炭素粒子
の製造法に関する。また、本発明は、バインダーが黒鉛
とバインダーの総量に対して5〜20重量%含有してな
る複合炭素粒子の製造法に関する。また、本発明は、前
記のいずれかの方法で製造された複合炭素粒子中の黒鉛
粒子のX線広角回折における結晶の厚み方向の層間距離
が3.375Å以下で、厚み方向の結晶子の大きさが5
00Å以上である複合炭素粒子に関する。
【0009】また、本発明は、前記のいずれかの方法で
製造された複合炭素粒子若しくは前記の複合炭素粒子に
有機系結着剤及び溶剤を添加し、混合してなる炭素ペー
ストに関する。また、本発明は、上記の炭素ペーストを
集電体に塗布、一体化してなるリチウム二次電池用負極
に関する。さらに、本発明は、上記のリチウム二次電池
用負極と正極とをセパレータを介して対向して配置し、
かつその周辺に電解液が注入されたリチウム二次電池に
関する。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の複合炭素粒子は、黒鉛の
表面にバインダーを融着した後、非酸化雰囲気中で焼成
してバインダーを炭素化することにより得られる。黒鉛
としては、例えば天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末等が使用
できるが粉末状であれば特に制限はない。なお融着前の
黒鉛とバインダーの粒径の比率は前者/後者で、2/1
以上が好ましく、5/1以上であることがさらに好まし
い。またバインダーとしては、石油ピッチ、石炭ピッチ
等のピッチ類、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ
樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂など非酸化雰囲
気中で焼成して炭素化した後、残炭率が10重量%以上
となるバインダーを用いることが好ましく、20重量%
以上となるバインダーを用いることがさらに好ましい。
残炭率が10重量%未満であると黒鉛の表面へのバイン
ダーの融着が不十分でサイクル特性が劣り、放電時の電
圧が連続的に変化することが困難で、放電末期での電圧
が急激に変化する傾向がある。本発明において、残炭率
とは、バインダーを非酸化雰囲気中で1000℃で2時
間焼成した後の最終的な残存量、詳しくは炭素化した後
の重量残留率を示したものである。
【0011】バインダーの配合量は、黒鉛とバインダー
の総量に対して5〜20重量%含有することが好まし
く、10〜15重量%含有することがさらに好ましい。
バインダーの量が少なすぎると黒鉛の一次粒子の結合力
が弱くなる傾向があり、また多すぎるとバインダーを炭
素化した非晶質炭素の充放電特性における放電容量が、
一次粒子の黒鉛に比べて低下する傾向がある。黒鉛の表
面にバインダーを融着する方法は特に制限はないが、例
えば黒鉛及びバインダーを加熱できる撹拌装置を用い、
該撹拌装置内を黒鉛及びバインダーが回転しながら拡散
するように所定時間バインダーの軟化点以上の温度で加
熱撹拌することにより達成できる。なお撹拌装置につい
ては特に制限はなく、市販の撹拌装置を用いて黒鉛の表
面にバインダーを融着することができる。
【0012】次に、黒鉛の表面にバインダーを融着させ
た複合物を焼成し、バインダーの炭素化を行う。焼成は
前記複合物が酸化し難い条件、例えば窒素雰囲気中、ア
ルゴンガス雰囲気中、真空中等の非酸化雰囲気中で焼成
する必要がある。また焼成温度は800〜1200℃の
温度で焼成することが好ましく、800〜1000℃の
温度で焼成することがさらに好ましい。800℃未満の
温度で焼成するとバインダーの炭素化が不十分で放電容
量が低下する傾向があり、また1200℃を越える温度
で焼成すると黒鉛化が進みサイクル特性が劣る傾向があ
る。
【0013】本発明の方法で製造された複合炭素粒子
は、X線広角回折における結晶の厚み方向の層間距離d
(002)は3.375Å以下、好ましくは3.370
Å以下とされ、3.375Åを越えると放電容量が低下
するという問題点が生じる。また厚み方向の結晶子の大
きさLc(002)は500Å以上、好ましくは100
0Å以上とされ、500Å未満であると放電容量が低下
するという問題点が生じる。
【0014】また、本発明の方法で製造された複合炭素
粒子は、黒鉛の表面に異形の粒子が付着することによ
り、通常鱗片状である粒子を異形し、この結果有機系結
着剤を加え、集電体表面に塗布して負極材とする際、集
電体に配向し難くなる。これによりリチウムの吸蔵、脱
離が急激に行われる急速充放電の際、容量の低下が少な
くなる。さらに、黒鉛の表面に融着したバインダーを非
酸化雰囲気中で焼成して炭素化することにより、この部
分を非晶質炭素とする。この非晶質炭素は、表面に多量
の官能基を保持しているため、有機系結着剤との馴染み
がよく、結果として結着性が向上する。これにより充放
電の繰り返しによる粒子の欠落が起こり難くなるため、
サイクル特性が向上する。また黒鉛の表面に融着され炭
素化した非晶質炭素は、黒鉛に比べ、放電時の電圧が連
続的に変化し、放電末期での電圧の変化が緩やかに生じ
る。
【0015】本発明の複合炭素粒子は、有機系結着剤及
び溶剤と混練して、シート状、ペレット状等の形状に成
形される。有機系結着剤としては、例えば、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンターポリマ
ー、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチル
ゴム、イオン伝導率の大きな高分子化合物等が使用でき
る。また溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリ
ドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキサイド
等が使用できる。本発明においてイオン伝導率の大きな
高分子化合物としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエ
チレンオキサイド、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォ
スファゼン、ポリアクリロニトリル等が使用できる。有
機系結着剤の含有量は、複合炭素粒子と有機系結着剤と
の混合物に対して、3〜20重量%含有することが好ま
しい。複合炭素粒子は、有機系結着剤及び溶剤と混練
し、粘度を調整した後、集電体に塗布し、その後加熱し
て溶剤を蒸発させ該集電体と一体化して負極とされる。
集電体としては、例えばニッケル、銅等の箔、メッシュ
などの金属集電体が使用できる。なお一体化は、例えば
ロール、プレス等の成形法で行うことができ、またこれ
らを組み合わせて一体化してもよい。
【0016】このようにして得られた負極はセパレータ
を介して正極を対向して配置し、かつ電解液を注入する
ことにより、従来の炭素材料を負極に使用したリチウム
二次電池に比較して、急速充放電特性及びサイクル特性
に優れ、かつ不可逆容量が小さいリチウム二次電池を作
製することができる。
【0017】本発明におけるリチウム二次電池の正極に
用いられる材料については特に制限はなく、LiNiO
2、LiCoO2、LiMn24等を単独又は混合して使
用することができる。電解液としては、LiClO4
LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSO3CF3
等のリチウム塩を例えばエチレンカーボネート、ジエチ
ルカーボネート、ジメトキシエタン、ジメチルカーボネ
ート、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート等
の非水系溶剤に溶解したいわゆる有機電解液を使用する
ことができる。セパレータとしては、例えばポリエチレ
ン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを主成分とした
不織布、クロス、微孔フィルム又はこれらを組み合わせ
たものを使用することができる。
【0018】以下、本発明の実施例の形態を図面により
詳述する。図1は円筒型リチウム二次電池の一部断面正
面図で、1は正極、2は負極、3はセパレータ、4は正
極タブ、5は負極タブ、6は正極蓋、7は電池缶及び8
はガスケットである。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を引用し説明す
る。 実施例1 (1)複合炭素粒子の調整 平均粒径が10μmの中国産の鱗片状天然黒鉛粉末90
重量%及び残炭率が28重量%のタールピッチ10重量
%をメカノフュージョン加熱機(ホソカワミクロン(株)
製)に入れ、120℃で2時間加熱撹拌して黒鉛粉末の
表面に石油ピッチを融着し、この後窒素雰囲気中で80
0℃で焼成し、タールピッチを炭素化して平均粒径が2
0μmの複合炭素粒子を得た。得られた複合炭素粒子中
の黒鉛粒子のX線広角回折による結晶の厚み方向の層間
距離d(002)は3.361Å及び厚み方向の結晶子
の大きさLc(002)は1700Åであった。なおバ
インダーの残炭率は、前以って窒素雰囲気中で、100
0℃で2時間焼成して炭素化した後の重量残留率を示し
た。以下同じ。
【0020】(2)リチウム二次電池の作製 図1に示すリチウム二次電池を以下のようにして作製し
た。正極活物質としてLiCoO2を88重量%、導電
材として平均粒径が1μmの鱗片状天然黒鉛を7重量%
及び結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)w
p5重量%添加して、これにN−メチル−2−ピロリド
ンを加えて混合し正極合剤のペーストを調整した。同様
に負極活物質として(1)で得た黒鉛粉末90重量%及
び結着剤としてPVDFを10重量%添加して、これに
N−メチル−2−ピロリドンを加え混合して負極合剤の
ペーストを得た。
【0021】次に正極合剤のペーストを厚みが25μm
のアルミニウム箔の両面に塗布し、その後120℃で1
時間真空乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって
電極を加圧成形して厚みを190μmとした。単位面積
当りの正極合剤塗布量は49mg/cm2であり、幅が40mm
で長さが285mmの大きさに切り出して正極1を作製し
た。但し、正極1の両端の長さ10mmの部分は正極合剤
が塗布されておらずアルミニウム箔が露出しており、こ
の一方に正極タブ4を超音波接合によって圧着してい
る。
【0022】一方、負極合剤のペーストを厚みが10μ
mの銅箔の両面に塗布し、その後120℃で1時間真空
乾燥した。真空乾燥後、ロールプレスによって電極を加
圧成形して厚みを175μmとした。単位面積当りの負
極合剤塗布量は20mg/cm2であり、幅が40mmで長さが
290mmの大きさに切り出して負極2を作製した。これ
を正極1と同様に、負極2の両端の長さ10mmの部分は
負極合剤が塗布されておらず銅箔が露出しており、この
一方に負極タブ5を超音波接合によって圧着した。
【0023】セパレータ3は、厚みが25μmで幅が4
4mmのポリエチレン製の微孔膜を用いた。次いで図1に
示すように正極1、セパレータ3、負極2及びセパレー
タ3の順で重ね合わせ、これを捲回して電極群とした。
これを単三サイズの電池缶7に挿入して、負極タブ5を
缶底溶接し、正極蓋6をかしめるための絞り部を設け
た。この後体積比で1:1のエチレンカーボネートとジ
メチルカーボネートの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウ
ムを1モル/リットル溶解させた電解液(図示せず)を
電池缶7に注入した後、正極タブ4を正極蓋6に溶接し
た後、正極蓋6をかしめてリチウム二次電池を得た。
【0024】得られたリチウム二次電池を用いて、充放
電電流300mA、充電終止電圧を4.15V及び放電
終止電圧2.8Vで充放電を繰り返した。また、充放電
電流を300mAから600mAの範囲で変化させ、急
速充放電も行った。このときの1サイクル目の黒鉛粒子
の単位重量当たりの放電容量及び500サイクル目の黒
鉛粒子の単位重量当たりの放電容量の維持率を測定し
た。その結果を表1に示す。また充放電電流300mA
のときの電圧と放電容量との関係を示す放電曲線を図2
に示す。
【0025】実施例2 平均粒径が10μmの鱗片状人造黒鉛粉末(ロンザ社
製、商品名KS−44)85重量%及び残炭率が32重
量%のフェノール樹脂(鐘紡(株)製、ベルパール)15
重量%を実施例1で用いた加熱機に入れ、80℃で1時
間加熱撹拌して黒鉛粉末の表面にフェノール樹脂を融着
し、この後窒素雰囲気中で800℃で焼成し、フェノー
ル樹脂を炭素化して平均粒径が20μmの複合炭素粒子
を得た。得られた複合炭素粒子のX線広角回折による結
晶の厚み方向の層間距離d(002)は3.363Å及
び厚み方向の結晶子の大きさLc(002)は1100
Åであった。得られた黒鉛粒子を実施例1と同様の工程
を経てリチウム二次電池を作製し、実施例1と同様の電
池特性試験を行った。その結果を表1に示す。
【0026】比較例1 実施例1で用いた鱗片状天然黒鉛のX線広角回折による
結晶の厚み方向の層間距離d(002)は3.357Å
及び厚み方向の結晶子の大きさLc(002)は220
0Åであった。次にこの鱗片状天然黒鉛を実施例1と同
様の工程を経てリチウム二次電池を作製し、実施例1と
同様の電池特性試験を行った。その結果を表1に示す。
また充放電電流300mAのときの電圧と放電容量との
関係を示す放電曲線を図2に示す。
【0027】
【表1】
【0028】表1に示されるように、本発明の実施例で
得らたれリチウム二次電池は、高容量で、かつ急速充放
電特性及びサイクル特性に優れることが明らかである。
また図2に示されるように、本発明の実施例で得られた
リチウム二次電池は、比較例のリチウム二次電池に比較
して放電時の電圧の変動が連続して起こり、放電末期で
の電圧の変化が緩やかであることが明らかである。
【0029】
【発明の効果】請求項1、2及び3における方法により
得られる複合炭素粒子は、高容量で、かつサイクル特性
及び急速充放電特性に優れ、加えて放電時の電圧が連続
的に変化し、また放電末期での電圧の変化が緩やかであ
り、リチウム二次電池に好適な複合炭素粒子である。請
求項4における複合炭素粒子は、高容量で、かつサイク
ル特性及び急速充放電特性に優れ、加えて放電時の電圧
が連続的に変化し、また放電末期での電圧の変化が緩や
かであり、リチウム二次電池に好適な複合炭素粒子であ
る。請求項5における炭素ペーストは、高容量で、かつ
サイクル特性及び急速充放電特性に優れ、加えて放電時
の電圧が連続的に変化し、また放電末期での電圧の変化
が緩やかであり、リチウム二次電池に好適な炭素ペース
トである。請求項6におけるリチウム二次電池用負極
は、高容量で、かつサイクル特性及び急速充放電特性に
優れ、加えて放電時の電圧が連続的に変化し、また放電
末期での電圧の変化が緩やかであり、リチウム二次電池
に好適なリチウム二次電池用負極である。請求項7にお
けるリチウム二次電池は、高容量で、かつサイクル特性
及び急速充放電特性に優れ、加えて放電時の電圧が連続
的に変化し、また放電末期での電圧の変化が緩やかであ
るリチウム二次電池である。
【図面の簡単な説明】
【図1】円筒型リチウム二次電池の一部断面側面図であ
る。
【図2】充放電電流300mAのときの実施例1及び比
較例1で得たリチウム二次電池の電圧と放電電流との関
係を示す放電曲線である。
【符号の説明】
1 正極 2 負極 3 セパレータ 4 正極タブ 5 負極タブ 6 正極蓋 7 電池缶 8 ガスケット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 和夫 茨城県日立市鮎川町三丁目3番1号 日立 化成工業株式会社山崎工場内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 黒鉛の表面にバインダーを融着させた
    後、非酸化雰囲気中で焼成してバインダーを炭素化する
    ことを特徴とする複合炭素粒子の製造法。
  2. 【請求項2】 バインダーを炭素化した後の残炭率が1
    0重量%以上である請求項1記載の複合炭素粒子の製造
    法。
  3. 【請求項3】 バインダーが黒鉛とバインダーの総量に
    対して5〜20重量%含有してなる請求項1又は2記載
    の複合炭素粒子の製造法。
  4. 【請求項4】 請求項1、2又は3記載の製造法で得ら
    れ、かつ複合炭素粒子中の黒鉛粒子のX線広角回折にお
    ける結晶の厚み方向の層間距離が3.375Å以下で、
    厚み方向の結晶子の大きさが500Å以上である複合炭
    素粒子。
  5. 【請求項5】 請求項1、2又は3記載の方法で製造さ
    れた複合炭素粒子若しくは請求項4記載の複合炭素粒子
    に有機系結着剤及び溶剤を添加し、混合してなる炭素ペ
    ースト。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の炭素ペーストを集電体に
    塗布、一体化してなるリチウム二次電池用負極。
  7. 【請求項7】 請求項6記載のリチウム二次電池用負極
    と正極とをセパレータを介して対向して配置し、かつそ
    の周辺に電解液が注入されたリチウム二次電池。
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