JPS5864773A - 難黒鉛化性炭素材料を負極とするアルカリ二次電池 - Google Patents

難黒鉛化性炭素材料を負極とするアルカリ二次電池

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JPS5864773A
JPS5864773A JP56161854A JP16185481A JPS5864773A JP S5864773 A JPS5864773 A JP S5864773A JP 56161854 A JP56161854 A JP 56161854A JP 16185481 A JP16185481 A JP 16185481A JP S5864773 A JPS5864773 A JP S5864773A
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carbon
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
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    • 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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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は難黒鉛化性でかつ分子篩作用なもつ炭素材料な
負極とするアルカリニ次電池に関するものであり、本発
明者により先に出願された特公昭52−57576号、
特公昭55−54824号及び特開昭51−12173
9号に係る二次電池な更に改良し、放電時における電圧
がより長時間安定し、充放電の繰返し寿命が長いすぐれ
た二次電池な提供するものである。
本発明の基本は、ある種の脚素材料を周期律表第−族の
アルカリ金属イオン(M+)を含む水溶液中で負極とし
て電気化学的に還元するとMCaであられされる化合物
が生成し、この化合物は水溶液、49に濃厚アルカリ水
溶液中で安定に存在し、電気化学的操作によって[11
式のような可逆反応を行なわせることが可能であること
に気付いた点にある。
÷MCn : MC?ll +(骨−1)虻+(÷−1
ハ(−〉ル)(1) 本発明はこの発見に基づいて、特定の炭素材料な負極と
し、虻イオン?含むアルカリ性水溶液を電解液として、
(1)式の反応を負極反応とする実用的性能なもつ新し
い二次電池を提供するものである。
すなわち、前記した先願の提供する二次電池の電池構成
に対し電解液なアルカリ金属イオンな含むアルカリ水溶
液に限定し、負極として難黒鉛化性でかつ分子篩作用を
もつ炭素材料を用いることに限定することKよりすぐれ
た特性を有する二次電池が得られることを見出し本発明
に到達したものである。
正極についてはアルカリ水溶液中で安定に作動する材料
であることが要求され、例えば酸化ニッケル電極、酸化
銀電極などがより好ましく用いられる。この意味から特
開昭51−121759号に開示される如き活性炭素繊
維(この場合中性塩を電解流とし、活性炭素繊維な正極
として用いる)は耐アルカリ性に劣るため本発明の正極
としての使用は不適である。
以下に本発明の負極材料である炭素材料について記す。
これまでに知られているMCs型化合物としては、黒鉛
・アルカリ金属層間化合物がある。これは一般に黒鉛と
アルカリ金属蒸気との接触によって容易に生成する。し
かしこの樵の層間化合物は水中は勿論、空気中でも不安
定であって、これらの環境下では急速に分解する。また
黒鉛を用いてこれをアルカリイオンな含む水溶液中で電
気化学的に還元しても(1)式に示されたMC%化合物
は得られない。
こめ水溶液中、%にアルカリ水溶液中で安定なMC3化
合vBをつくる炭素は、黒鉛ではなくて逆に黒鉛にはな
り難くいいわゆる難黒鉛化性炭素で、かつ熱処理温度が
1500℃以下のものに限られる。
X線回折や電子顕微鏡観察の結果によれば、黒鉛は人工
的に造られた場合でも炭素網状平面の直径は1000A
を越え、その積層の厚さLCもいしは五36iである。
黒鉛がこの広く厚い積層構造をもつのに対し、ここでい
う難黒鉛化性炭素とは2500℃で熱処理しても、Lc
は300A以下、doetが539λ以上であるか、あ
るいはこのような構造を主体としてその中に少量の黒鉛
構造が混在したいわゆる多相黒鉛化現象を示すような、
黒鉛化しにくい炭素の1群な指している。このような難
黒鉛化炭素は架構密度の高い熱硬化性高分子やセル關−
スなどの天然高分子を炭素化するか、あるいは熱可塑性
の高分子やピッチ類のような比較的低分子量の化合物か
らなる溶融性の物質な炭素化の初期過程で酸化反応その
他の反応で分子間架橋を充分性なった後で炭素化すれば
つくることができる。
このような難黒鉛化性炭素の1500℃以Fでの炭素化
物はLeが100A以下、多くの場合501以下で、 
dooxは14A以上である。その基本的な構造は直径
10〜201機度の縮合多環芳香族構造な主体とし、こ
のような平面が数枚型なった単位が三次元的な立体的配
Ii1%:とって化学的に強く結合した巨大分子である
難黒鉛化性炭素の低温炭素化物は、上述した立体構造の
ために一種の分子篩としての機能を示す。すなわち分子
径の異なる各種の化合物、例えばGO! 、 Nt 、
 Krあるいはルーブタン、イソブタンなどに対し、異
った吸着特性な示すのが普通である。これらの吸着特性
から見た細孔分布は炭素によってかなり違うが、分子篩
作用に関係する大きさの範囲についてみれば、doo2
の値に近い3〜5Aの範囲にあるといえる。
本発明に用いられる負極炭素材料は、このような難黒鉛
化性炭素の低温炭素化物(1500℃以下の熱処理)に
限られる。この事実からすれば水中で安定なMCs化合
物の生成は、この分子篩的な立体構造に基本的な原因が
あると考えられる。このような炭素材料は一般に負極と
しての電極活性なもつが、単位重量当りの電気容量はそ
の細孔構造の違いによってかなりの違いがあられれる。
これまでの経験では二酸化炭素(COりの吸着能を有し
、窒素(N2)をほとんど吸着し難い程度の細孔が多い
ものほど好まい・特性を示す。
これらのガス吸着能はCotおよびN2のそれぞれのガ
スの液体温度における物理吸着の測定によって求められ
る比表面積の値に対応する。
具体的には本発明の難黒鉛化性でかつ分子篩的作用を有
する炭素材料は一般に吸着質をCO2とする場合100
 rn/9以上の比表面積を有し−N2の場合1 m’
/9以下の比表面積な有するものが好ましいことが判明
した。
尚、難黒鉛化性炭素の構造←特に表面細孔構造)は炭素
化温度の上昇にともなって変化する。
1500℃以上の温度での炭素化物はCotによる比表
面積が100→乍以下となり、その結果として著しく小
さい電極活性しか示さないことが判明した。
電極に使用する炭素材料の形態は繊維状、フィルム状、
粉末状など種々あり得るが、取り扱いが容易であること
から繊維状が望ましい。
以下に繊維状の難黒鉛化性炭素を例にとって説明する。
現在市販されている炭素繊維はほとんどが本質的には難
黒鉛化炭素に属している。ただ高性能炭素繊維と呼ばれ
る種類のものは、炭素網面が繊維軸方向へ選択的罠配向
するよう工夫されているため三次元的な立体構造からな
る分子篩の作用はそれ以外のいわゆる低弾性率炭素繊維
の方によりあきらかにあられれる。この低弾性率炭素繊
維には原料側にみてピッチ系、フェノール系、レーヨン
系、PAN系などがある。それぞれの構造が微妙に異な
るため負極材料とした場合にもその特性に差があられれ
る。もつとも大きい電気容量な示すものがピッチ系で、
次がフェノール系であることが見出された。
以下にピッチ系低弾性率炭素繊維を用いて本発明の電池
構成の有用性な説明する。
光学的に等方性のピッチを原料とし、これを浴融紡糸し
、ついで酸化不融化処理し、その後窒素雰曲気中にて約
900℃Kまで熱処理し炭素繊維を得た。
得られた炭素繊維はCowの吸着による比表面積は50
0 +9であり、Ntの吸着から求められる比表面積は
o、2rd/gであり、かつ力学的特性からみて低弾性
率炭素繊維に属するものであった。
この炭素繊維な用い、本発明の電池の電接反応と電池と
しての特徴をさらに詳しく説明する。
電池の構成は次の通りとする。
負 極   電解液   正 極 上記炭素繊維   KOHaI化ニッケル負極電位は−
120〜−125V (ボルト)、正極電位は十〇、5
Vであるから起電力としては17〜i、75Vである。
負極反応は+1)式にあられされる0 電解液のアル男り金属イオンの種類を変化させ電極容量
を測るとK”>NI+>Ri”>L−の順になりカリウ
ム(K+)が最も望ましく・ことが判明した。
初充電は2回目以降の充電の際より3倍はど長い時間を
要することが見い出された。また効率的な充放電は負極
電位−[14〜−1,25Vの範囲で行うことが望まし
い。
この充放電にともなって負極炭素繊維にと−り込まれる
カリウム量は可逆的に変化し、充電完了時ではKCn 
Kおけるルの値は40以下(?しく40)で、放電時に
はKCytにおけるルの値はほぼ100 (B中100
)Kなることが測定された。
このカリウム量の変化量はほぼ通過電気量に対応する。
またこのカリウム量の変化に伴って負極炭素繊維のX線
的な#IIfXパラメータが可逆的に変化することも見
い出された。この現象から充電によってカリウムが負極
炭素繊維の中にとり込まれ、元の構造よりは乱れた状態
となり、放電に?求めると(2)式のようになった。
2.5KC40−’  KClno + t5K + 
15g  +2)(2)式は本発明により得られたもの
であるが、fl)式における路の値((2)式において
はル=40)をどこまで低下させるか、すなわち負極に
カリウムをどれだけ多くとり込ませられるかを知ること
は本発明の電池電極の理論容量の推定にとって重要であ
る。一般に難黒鉛化性炭素粉末をカリウム蒸気と接触さ
せた時にとり込まれるカリウム量の最大はKCI@に和
尚することが知られている。
水溶液中の電気化学的操作による場合でもこの程度が上
限と考えると期待し得るもっとも高い電気容量を示す時
の負極反応は(3)式となる。
10KCso戸KC<oo+9K”+9g   (a)
仁のようにKCloを最高充電状態と考えればこの負極
活物質1gのもつ電気量はQ、’0566F(ファラデ
ー)/lllICなり、鉛のα009フル省。
カドミウムのa0178F/y、亜鉛のα0309 F
/flのいずれよりも大きい。
(2)式に示されたKCao(Q場合には0.0011
5ル/g K和尚し、(3)式を理論容量を示す式と考
えると利用率は256程度である。
負極に生成したKCF&の安定性は電解液に影響される
ことが判明した。
すなわち電池を開路状態で1ケ月放置した時の残存電気
量を比較するに、電解液が中性塩の場合のそれは充電直
後の約20%となるのに対してアルカリ水溶液の場合(
本発明)のそれは約70%であった。
この結果から電解液としては中性の塩類水溶液に比較し
て強アルカリ性の水溶液の方が優れることが判る。
充放電の繰返しによって容量が初充電時の50−以下に
低下するまでの回数は700回な越える。
また本発明の電池は過充電に対しても過放電に対しても
極めてつよく、時によっては深い過放電によって容量が
回復する。この深い過放電による容量回復の操作を1回
行うことを含めると連続充放電の寿命は1000回を越
える。
負極の形状や構造は種々のものが考えられる。
たとえばトウ状の炭素繊維を炭素棒にしっかりと巻きつ
けた円柱状電極、織布やマット状の炭素繊維を導体の枠
にはさんだ平板状電極、炭素繊維を一方向に*に並べた
フィルム状電極あるいは粉末状の難黒鉛化性炭素粉を圧
縮成形した円柱状、平板状電極あるいは難黒鉛化性炭素
のフィルムなどが適用される。
正極はアルカリ水溶液中で安定に作動する材料であるこ
とが必要であり、酸化ニッケル、酸化銅などがより好ま
しい。内部抵抗の小さいことや、電池構成が簡単になる
ことなどから正極としては酸化ニッケルが最も好ましい
これまでの実用二次電池の負極は、鉛やカドミウムなど
の重金属に限られ、生産工程や廃棄にあたって多くの環
境汚染問題を抱えており、資源的にも不安が存在する。
また亜鉛電極は一次電池の負極としてはきわめて優れた
特性なもつが、二次電池の負極としては多くの開発努力
にもかかわらずまだ実用化されていない。
これに対し本発明の負極は植物2石炭2石油あるいはそ
れらから誘導された各種有機物な原料とするもので、資
源的に4)環境汚染の点でもほとんど問題がない。また
二液型電池な考えるならば、正極にも炭素材料な用いる
ことも可能であって、全く重金属を使用しない新しい型
の電池をつくることも可能になる。
実施例 光学的に等方性のピッA料とし、これを溶融紡糸し、つ
いで酸化不融化処理し、その後窒素雰囲気中にて約90
0℃にまで熱処理し炭素繊維な得た。
得られた炭素繊維はCOtの吸着による比表面積はs 
o o rd’7gであり、N2の吸着から求められる
比表面積はα2 Wi/gであり、かつ力学的特性から
みて低弾性率炭素繊維に属するものであった。
該炭素繊維を第1図に示す負極4として1B、9,9.
電解液6としてKOH水溶液(30重量%)579 、
正極2として2α5Iの焼結型板状酸化ニッケル電極を
用いて40ccのプラスチック容器1を利用した電池を
試作した。
尚3は炭素棒、5はガラス織布を示す。
この電池は最高t80Vの起電力な示し、充放電の電気
量効率は90mであった。放電電流の大きさと放電曲線
との関係を第2図に、開路状態で放置した時の残存容量
を第3−に、また温度による放電容量の変化率を第4図
にそれぞれ示した。第3図、第4図には参考のため市販
のカドミウム、ニッケル型アルカリ電池についての値を
併記した。仁の電池の連続充放電(60?FmA)Kよ
る寿命は800回以上であった。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例による電池の縦断斜視図な示す。第2図
は同上電池の放電曲線を示す。第5図は充電完了時の電
圧をt60vとした時の25℃における保存特性を示す
。第4図は電池容量の温度依存性を示す。 1・・・合成樹脂容器、2・・・正極(5!化ニツケル
入3・・・負極(炭素棒)、4は羨票繊維、5・・・ガ
ラス繊維、6・・・電解液(水酸化カリウム30重量−
水溶液)。 以  上 第1図 ■O 第2図 0 1  2 3 4  5 6 7 8 9 10枚
を時11J’l(晴rJ’+1 第3図 81間 (日) 第4ト

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、1500℃以下の温度で処理された難黒鉛化性
    炭素材料、望ましくは難黒鉛化性の炭素繊維を負極とし
    、電解液として周期律表第−族に属するアルカリ金属の
    水酸化物の水溶液を用いることを特徴とする二次電池。
  2. (2)、窒素吸着による比表面積の値が1畔勺以下であ
    り、二酸化炭素吸着による比表−積の値が1o o W
    yg以上である難黒鉛化性の炭素繊維を負極として用い
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の二次電
    池。
  3. (3)、アルカリ金属の水酸化物として水酸化カリウム
    を電解液として用いることを#!i微とする特許請求の
    範囲第1項記載の二次電池。
  4. (4)、正極として酸化ニッケルを用いることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の二次電池。
JP56161854A 1981-10-09 1981-10-09 難黒鉛化性炭素材料を負極とするアルカリ二次電池 Granted JPS5864773A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60185363A (ja) * 1983-12-05 1985-09-20 ザ ダウ ケミカル カンパニ− 二次電気エネルギ−貯蔵装置用電極および二次電気エネルギ−貯蔵装置
JPS60235372A (ja) * 1984-05-07 1985-11-22 Sanyo Chem Ind Ltd 二次電池

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