JPWO2006082708A1 - Positive electrode for secondary battery, method for producing the same, and secondary battery - Google Patents

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雅博 須黒
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Abstract

電気抵抗が低く、機械的強度が大きい二次電池用正極、及び、大電流を用いた充放電ができ、大容量で保存特性に優れた二次電池を提供するため、ラジカル化合物と、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有した二次電池用正極を用いる。こうした層間距離を持つ炭素繊維は、200GPa以上800GPa以下の範囲内の引張弾性率を有し、特に、炭素繊維の体積抵抗率が200μΩ・cm以上2000μΩ・cm以下の範囲内であることが好ましく、炭素繊維として気相成長炭素繊維もしくはメゾフェーズピッチを前駆体とする炭素繊維を黒鉛化したものであることが好ましい。In order to provide a positive electrode for a secondary battery having a low electrical resistance and a high mechanical strength, and a secondary battery that can be charged and discharged using a large current and has a large capacity and excellent storage characteristics. A positive electrode for a secondary battery having an active material layer containing at least a carbon fiber having an interlayer distance d002 in the range of 0.335 nm to 0.340 nm is used. The carbon fiber having such an interlayer distance has a tensile elastic modulus in the range of 200 GPa or more and 800 GPa or less, and in particular, the volume resistivity of the carbon fiber is preferably in the range of 200 μΩ · cm or more and 2000 μΩ · cm or less, The carbon fiber is preferably a graphitized carbon fiber having a vapor-grown carbon fiber or mesophase pitch as a precursor.

Description

本発明は、二次電池用正極及びその製造方法並びに二次電池に関し、更に詳しくは、ラジカル化合物を含有する二次電池用正極において、正極の電気抵抗を低下させると共に機械的強度を向上させた二次電池用正極及びその製造方法並びに二次電池に関するものである。   The present invention relates to a positive electrode for a secondary battery, a method for producing the same, and a secondary battery. More specifically, in the positive electrode for a secondary battery containing a radical compound, the electrical resistance of the positive electrode is reduced and the mechanical strength is improved. The present invention relates to a positive electrode for a secondary battery, a manufacturing method thereof, and a secondary battery.

ノート型パソコン、携帯電話、電気自動車等の急速な市場拡大に伴い、これらに用いられる蓄電デバイスには、高容量、高エネルギー密度及び高安定性が求められている。これらの要求を満たすため、各種の材料を用いた二次電池が蓄電デバイスとして提案されている。   With the rapid market expansion of notebook personal computers, mobile phones, electric vehicles, etc., high capacity, high energy density, and high stability are required for power storage devices used for these. In order to satisfy these requirements, secondary batteries using various materials have been proposed as power storage devices.

例えば、下記特許文献1には、エネルギー密度が高く、高容量で安定性に優れた二次電池として、正極の活物質層に、ニトロキシルラジカル化合物、オキシラジカル化合物、アリールオキシラジカル化合物並びにアミノトリアジン構造を有する高分子化合物等のラジカル化合物を用いたリチウム二次電池が提案されている。   For example, in Patent Document 1 below, as a secondary battery having high energy density, high capacity, and excellent stability, a nitroxyl radical compound, an oxy radical compound, an aryloxy radical compound, and an aminotriazine are formed on an active material layer of a positive electrode. A lithium secondary battery using a radical compound such as a polymer compound having a structure has been proposed.

また、下記特許文献2には、エネルギー密度が高く、大電流で使用可能な二次電池として、酸化状態でニトロキシルカチオン部分構造をとり、還元状態でニトロキシルラジカル部分構造をとるニトロキシル化合物を正極の活物質層に含有させ、酸化状態と還元状態との間の電子の授受反応を正極の電極反応として用いるリチウム二次電池が提案されている。   Further, in Patent Document 2 below, as a secondary battery having a high energy density and usable at a large current, a nitroxyl compound having a nitroxyl cation partial structure in an oxidized state and a nitroxyl radical partial structure in a reduced state is used as a positive electrode. There has been proposed a lithium secondary battery that is contained in the active material layer and uses an electron transfer reaction between an oxidized state and a reduced state as an electrode reaction of the positive electrode.

また、下記特許文献3には、エネルギー密度が高く、大容量で安定な二次電池として、少なくとも正極、負極及び電解質を構成要素とし、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有し、その粒子が少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物で正極用の活物質層を形成したリチウム二次電池が提案されている。   In Patent Document 3 below, as a secondary battery having a high energy density, a large capacity and a stability, at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte are used as constituent elements, and a radical is generated in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction. There has been proposed a lithium secondary battery that includes particles containing an organic compound that generates a compound as an active material, and in which the active material layer for the positive electrode is formed of a composite that includes at least two regions having a composition.

また、下記特許文献4には、電極の導電性及び機械的強度を向上させる二次電池として、ジスルフィド基を含有する活物質層であって、そのジスルフィド基のS−S結合が電気化学的還元によって開裂され、電気化学的酸化によって再生される導電性マトリックスを正極の活物質層に用いたリチウム二次電池が提案されている。このリチウム二次電池では、導電性マトリックス中にカーボンナノチューブが分散されている。
特開平2002−151084号公報 特開平2002−304996号公報 特開平2002−298850号公報 特開平11−329414号公報
Patent Document 4 listed below discloses an active material layer containing a disulfide group as a secondary battery that improves the conductivity and mechanical strength of an electrode, and the S—S bond of the disulfide group is electrochemically reduced. There has been proposed a lithium secondary battery using a conductive matrix that is cleaved by, and regenerated by electrochemical oxidation, as an active material layer of a positive electrode. In this lithium secondary battery, carbon nanotubes are dispersed in a conductive matrix.
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-151084 JP-A-2002-304996 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-298850 JP 11-329414 A

しかしながら、上記特許文献1〜3に記載のリチウム二次電池においては、活物質層に含まれるラジカル化合物はその導電性が小さいため、活物質層の電極抵抗が高くなるという問題がある。また、そうした活物質層は機械的強度が比較的小さいので、活物質層にひび割れが発生するおそれがあり、その結果として、活物質層の電極抵抗が高くなるおそれがある。電気抵抗の高い活物質層を有したリチウム二次電池は、特に大電流による充放電時に、電池の容量が不充分であるといった問題が生じ易いため、その解決が求められている。   However, in the lithium secondary batteries described in Patent Documents 1 to 3, since the radical compound contained in the active material layer has low conductivity, there is a problem that the electrode resistance of the active material layer is increased. In addition, since such an active material layer has a relatively low mechanical strength, the active material layer may be cracked, and as a result, the electrode resistance of the active material layer may be increased. A lithium secondary battery having an active material layer having a high electrical resistance is likely to have a problem that the capacity of the battery is insufficient particularly during charging / discharging with a large current, and therefore, a solution is required.

さらに、上記特許文献1〜3に記載のリチウム二次電池は、機械的強度が低いために、リチウム二次電池の充放電を行わない保存時に集電体から活物質層が脱落するおそれがあり、保存時における活物質層の充放電容量(保存特性という。)が低下するというおそれがある。   Furthermore, since the lithium secondary batteries described in Patent Documents 1 to 3 have low mechanical strength, the active material layer may drop from the current collector during storage without charging or discharging the lithium secondary battery. The charge / discharge capacity (referred to as storage characteristics) of the active material layer during storage may be reduced.

一方、特許文献4に記載のリチウム二次電池においては、充放電時の電気化学反応の際に、開裂したS−S結合の再生効率が小さいため、特許文献1〜3に記載のラジカル化合物を活物質層に用いたリチウム二次電池の場合と比べて、充放電時の安定性が乏しい。このため、特許文献4に記載のリチウム二次電池は、大電流を用いた充放電を可能とする大容量の二次電池としての使用が困難であるという問題があり、その解決が求められていた。   On the other hand, in the lithium secondary battery described in Patent Document 4, since the regeneration efficiency of the cleaved SS bond is small during the electrochemical reaction during charge and discharge, the radical compound described in Patent Documents 1 to 3 is used. Compared to the lithium secondary battery used for the active material layer, the stability during charging and discharging is poor. For this reason, the lithium secondary battery described in Patent Document 4 has a problem that it is difficult to use as a large-capacity secondary battery capable of charging and discharging using a large current, and a solution to this problem is required. It was.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その第1の目的は、電極抵抗が低く、機械的強度が大きい二次電池用正極及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の第2の目的は、大電流を用いた充放電を可能とする、大容量で保存特性に優れた二次電池を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and a first object thereof is to provide a positive electrode for a secondary battery having a low electrode resistance and a high mechanical strength, and a method for manufacturing the same. . A second object of the present invention is to provide a secondary battery having a large capacity and excellent storage characteristics that enables charging / discharging using a large current.

上記課題を解決するための本発明の二次電池用正極は、ラジカル化合物と、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有することを特徴とする。Secondary battery positive electrode of the present invention for solving the above problems includes a radical compound, the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure is a carbon fiber in the range of 0.340nm than 0.335nm least It has an active material layer.

この発明によれば、ラジカル化合物と炭素繊維とを含むので、両者の界面抵抗が著しく低くなると考えられ、これらが含まれる活物質層の導電性を高くすることができる。その結果、電気抵抗が低い二次電池用正極を構成することができる。また、活物質層に含まれる炭素繊維の黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内であり、その範囲内の炭素繊維は機械的強度が大きいので、そうした炭素繊維を含む活物質層の機械的強度を大きくすることができる。その結果、ひび割れや脱落がなく、導電性の高い活物質層を有した二次電池用正極を構成することができる。また、本発明の二次電池用正極は、その活物質層がラジカル化合物を含むので、この二次電池用正極を用いた二次電池を大容量とすることができる。According to the present invention, since the radical compound and the carbon fiber are included, it is considered that the interface resistance between the two is remarkably lowered, and the conductivity of the active material layer containing them can be increased. As a result, a positive electrode for a secondary battery having a low electric resistance can be configured. Further, in the range the average value is less 0.340nm than 0.335nm interlayer distance d 002 of the graphite structure of the carbon fiber contained in the active material layer, since carbon fiber mechanical strength within the range is large, The mechanical strength of the active material layer containing such carbon fibers can be increased. As a result, a positive electrode for a secondary battery having an active material layer having high conductivity without cracking or falling off can be formed. Moreover, since the active material layer of the positive electrode for secondary batteries of the present invention contains a radical compound, a secondary battery using the positive electrode for secondary batteries can have a large capacity.

本発明の二次電池用正極においては、前記炭素繊維の引張弾性率が、200GPa以上800GPa以下の範囲内であることが好ましい。
In the positive electrode for a secondary battery of the present invention, it is preferable that a tensile elastic modulus of the carbon fiber is in a range of 200 GPa to 800 GPa.

上述した黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の炭素繊維は、通常、その引張弾性率が200GPa以上800GPa以下の範囲内と大きい値をもっている。この発明によれば、そうした炭素繊維が含まれる活物質層及びその活物質層を備えた二次電池用正極の機械的強度を大きくすることができる。Carbon fiber in the range the average value is less 0.340nm than 0.335nm interlayer distance d 002 of the above-described graphite structure is generally the tensile modulus has a large value in the range of less 800GPa least 200 GPa. According to the present invention, the mechanical strength of the active material layer containing such carbon fibers and the positive electrode for a secondary battery including the active material layer can be increased.

本発明の二次電池用正極においては、前記炭素繊維の体積抵抗率が、200μΩ・cm以上2000μΩ・cm以下の範囲内であることが好ましい。   In the positive electrode for a secondary battery of the present invention, the volume resistivity of the carbon fiber is preferably in the range of 200 μΩ · cm to 2000 μΩ · cm.

この発明によれば、活物質層に含まれる炭素繊維の体積抵抗率が200μΩ・cm以上2000μΩ・cm以下の範囲内であるので、こうした炭素繊維を含む活物質層の導電性が高くなる。その結果、そうした活物質層を備えた二次電池用正極の電極抵抗を低くすることができる。   According to this invention, since the volume resistivity of the carbon fibers contained in the active material layer is in the range of 200 μΩ · cm to 2000 μΩ · cm, the conductivity of the active material layer containing such carbon fibers is increased. As a result, the electrode resistance of the secondary battery positive electrode provided with such an active material layer can be reduced.

本発明の二次電池用正極においては、前記炭素繊維が、気相成長炭素繊維であることが好ましい。   In the positive electrode for a secondary battery of the present invention, the carbon fiber is preferably a vapor growth carbon fiber.

この発明によれば、前記炭素繊維が分散性に優れる気相成長炭素繊維であるので、活物質層を作製する際のラジカル化合物中の炭素繊維の分散性を高めることができる。その結果、各部で均一な特性を有する活物質層及びその活物質層を備えた二次電池用正極を容易に得ることができる。   According to this invention, since the carbon fiber is a vapor-grown carbon fiber excellent in dispersibility, the dispersibility of the carbon fiber in the radical compound at the time of producing the active material layer can be improved. As a result, an active material layer having uniform characteristics in each part and a secondary battery positive electrode including the active material layer can be easily obtained.

また本発明の二次電池用正極においては、前記炭素繊維が、メソフェーズピッチを前駆体とする炭素繊維を黒鉛化したものであることが好ましい。メソフェーズピッチとはコールタールや石油ピッチに含まれる多環芳香族化合物が、加熱等により重縮合反応を起こして均一な光学的異方性を有したものである。メソフェーズピッチを前駆体とする炭素繊維を2600℃から3000℃の温度で焼成することにより、極めて黒鉛化度の高い炭素繊維を得ることができる。このような黒鉛化度が高い炭素繊維は電気伝導性や機械的強度に優れているため、これを正極に用いると抵抗が小さく、機械的強度に優れた二次電池用正極を容易に得ることができる。   Moreover, in the positive electrode for secondary batteries of this invention, it is preferable that the said carbon fiber graphitizes the carbon fiber which makes a mesophase pitch a precursor. The mesophase pitch is a polycyclic aromatic compound contained in coal tar or petroleum pitch having a uniform optical anisotropy by causing a polycondensation reaction by heating or the like. By firing carbon fibers having mesophase pitch as a precursor at a temperature of 2600 ° C. to 3000 ° C., carbon fibers having an extremely high degree of graphitization can be obtained. Since carbon fiber with such high graphitization degree is excellent in electrical conductivity and mechanical strength, when it is used for the positive electrode, it is easy to obtain a positive electrode for a secondary battery with low resistance and excellent mechanical strength. Can do.

本発明の二次電池用正極においては、活物質層中の前記炭素繊維の含有割合が、10重量%以上50重量%以下の範囲内であることが好ましい。   In the positive electrode for a secondary battery of the present invention, the content ratio of the carbon fiber in the active material layer is preferably in the range of 10% by weight to 50% by weight.

この発明によれば、活物質層中の炭素繊維の含有割合が10重量%以上であるので、活物質層の機械的強度を高くすることができ、その結果、本発明の二次電池用正極の機械的強度を大きくすることができる。また、活物質層中の炭素繊維の含有割合が50重量%以下であるので、活物質層中のラジカル化合物の含有割合を相対的に多くすることができ、その結果、本発明の二次電池用正極を用いた二次電池を大容量とすることができる。   According to this invention, since the carbon fiber content in the active material layer is 10% by weight or more, the mechanical strength of the active material layer can be increased, and as a result, the positive electrode for secondary battery of the present invention. The mechanical strength of can be increased. Moreover, since the content ratio of the carbon fiber in the active material layer is 50% by weight or less, the content ratio of the radical compound in the active material layer can be relatively increased, and as a result, the secondary battery of the present invention. The secondary battery using the positive electrode for the battery can have a large capacity.

本発明の二次電池用正極においては、前記ラジカル化合物が、ニトロキシルラジカル化合物、オキシラジカル化合物及び窒素ラジカル化合物のうち少なくとも一種を含むことが好ましく、特に、前記ニトロキシルラジカル化合物においては、ポリ(4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)、ポリ(4−アクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)、又はポリ(4−ビニルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)であることが好ましい。   In the secondary battery positive electrode of the present invention, the radical compound preferably contains at least one of a nitroxyl radical compound, an oxy radical compound, and a nitrogen radical compound. In particular, in the nitroxyl radical compound, poly ( 4-methacryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl), poly (4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl), or poly (4 -Vinyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) is preferable.

上記課題を解決するための本発明の二次電池用正極の製造方法は、ラジカル化合物と炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有する二次電池用正極の製造方法であって、前記ラジカル化合物を含む溶媒中で、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の前記炭素繊維を分散させる工程を有することを特徴とする。A method for producing a positive electrode for a secondary battery according to the present invention for solving the above problem is a method for producing a positive electrode for a secondary battery having an active material layer containing at least a radical compound and carbon fiber, in containing solvent, characterized by having a step of average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure to disperse the carbon fibers in the range of 0.340nm than 0.335 nm.

この発明によれば、電気抵抗が低く、機械的強度の大きい二次電池用正極を製造することができる。   According to the present invention, a positive electrode for a secondary battery having a low electrical resistance and a high mechanical strength can be produced.

本発明の二次電池用正極の製造方法において、活物質層中の前記炭素繊維の含有割合が、10重量%以上50重量%以下の範囲内となるように分散させることが好ましい。   In the manufacturing method of the positive electrode for secondary batteries of this invention, it is preferable to disperse | distribute so that the content rate of the said carbon fiber in an active material layer may be in the range of 10 to 50 weight%.

この発明によれば、活物質層中の前記炭素繊維の含有割合が上記範囲内となるように分散させるので、電気抵抗及び機械的特性が各部において均一となる活物質層を形成でき、その結果、電気抵抗が低く機械的強度の大きい二次電池用正極を製造することができる。   According to this invention, since the content ratio of the carbon fiber in the active material layer is dispersed so as to be within the above range, an active material layer in which electric resistance and mechanical properties are uniform in each part can be formed, and as a result. In addition, a positive electrode for a secondary battery having a low electrical resistance and a high mechanical strength can be produced.

上記課題を解決するための本発明の二次電池は、少なくとも正極、負極及び電解液から構成される二次電池において、前記正極が、上述した本発明に係る二次電池用正極であることを特徴とする。   The secondary battery of the present invention for solving the above problems is a secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte solution, wherein the positive electrode is the above-described positive electrode for a secondary battery according to the present invention. Features.

この発明によれば、ラジカル化合物を含み、低い電極抵抗及び大きな機械的強度をもつ活物質層を有する二次電池用正極を備えるので、大電流を用いた充放電が可能となり、大容量で保存特性に優れる二次電池を得ることができる。   According to the present invention, since the secondary battery positive electrode including a radical compound and having an active material layer having a low electrode resistance and a large mechanical strength is provided, charging / discharging using a large current is possible, and a large capacity is stored. A secondary battery having excellent characteristics can be obtained.

以上説明したように、本発明の二次電池用正極によれば、活物質層の導電性が高まると共にひび割れや脱落が起こらないので、電気抵抗が低く機械的強度の高い二次電池用正極を構成することができる。また、本発明の二次電池用正極は、その活物質層がラジカル化合物を含むので、この二次電池用正極を用いた二次電池を大容量とすることができる。   As described above, according to the positive electrode for secondary battery of the present invention, since the conductivity of the active material layer is increased and neither cracking nor dropping occurs, the positive electrode for secondary battery having low electrical resistance and high mechanical strength is obtained. Can be configured. Moreover, since the active material layer of the positive electrode for secondary batteries of the present invention contains a radical compound, a secondary battery using the positive electrode for secondary batteries can have a large capacity.

また、本発明の二次電池用正極の製造方法によれば、電気抵抗及び機械的特性が各部において均一となる活物質層を形成できるので、電気抵抗が低く機械的強度の大きい二次電池用正極を製造することができる。   In addition, according to the method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery of the present invention, an active material layer having uniform electrical resistance and mechanical characteristics in each part can be formed, so that the secondary battery has a low electrical resistance and a high mechanical strength. A positive electrode can be manufactured.

また、本発明の二次電池によれば、機械的強度が大きな二次電池用正極を備えるので、活物質層のひび割れに起因する電極抵抗の増大や、活物質層の脱落に起因する保存特性の劣化を抑制することができる。また、本発明の二次電池は、ラジカル化合物を含み、低い電極抵抗及び大きな機械的強度をもつ活物質層を有する二次電池用正極を備えるので、大電流を用いた充放電が可能となり、大容量で保存特性に優れる二次電池を得ることができる。   Further, according to the secondary battery of the present invention, since the secondary battery positive electrode having a large mechanical strength is provided, the storage characteristics due to the increase in the electrode resistance due to the crack of the active material layer and the falling off of the active material layer. Can be prevented. In addition, the secondary battery of the present invention includes a positive electrode for a secondary battery that includes a radical compound and has an active material layer having a low electrode resistance and a large mechanical strength, so that charge / discharge using a large current is possible, A secondary battery having a large capacity and excellent storage characteristics can be obtained.

本発明の二次電池の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the secondary battery of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 正極活物質層
2 負極活物質層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 電解液
6 正極外装缶
7 負極外装缶
8 絶縁パッキング部
10 リチウム二次電池
11 正極
12 負極
13 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode active material layer 2 Negative electrode active material layer 3 Positive electrode collector 4 Negative electrode collector 5 Electrolyte 6 Positive electrode outer can 7 Negative electrode outer can 8 Insulation packing part 10 Lithium secondary battery 11 Positive electrode 12 Negative electrode 13 Separator

以下に、本発明の二次電池用正極及びその製造方法並びに二次電池について説明する。   Below, the positive electrode for secondary batteries of this invention, its manufacturing method, and a secondary battery are demonstrated.

(二次電池用正極)
本発明の二次電池用正極は、ラジカル化合物と、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有している。そうした活物質層は、通常、集電体上に形成されて二次電池用正極の一部を構成している。なお、集電体は、特に限定されるものではなく、一般的な材料及び形状のものが好ましく用いられる。集電体材料としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、アルミニウム合金、ニッケル合金、炭素等の各種の材料を挙げることができ、その形状としては、例えば、箔、平板状及びメッシュ状等の形状からなるものを挙げることができる。
(Positive electrode for secondary battery)
Secondary battery positive electrode of the present invention, comprises a radical compound, containing at least an active material layer and the carbon fiber in the range the average value is less 0.340nm than 0.335nm interlayer distance d 002 of the graphite structure Yes. Such an active material layer is usually formed on a current collector and constitutes a part of a positive electrode for a secondary battery. The current collector is not particularly limited, and a common material and shape are preferably used. Examples of the current collector material include various materials such as aluminum, nickel, an aluminum alloy, a nickel alloy, and carbon. The shape of the current collector material includes, for example, a foil, a flat plate, and a mesh. Things can be mentioned.

(ラジカル化合物)
ラジカル化合物は、活物質として活物質層を構成する化合物である。ラジカル化合物とは、不対電子を有する遊離基(すなわち、ラジカル)を有する化合物であり、本発明を構成するラジカル化合物は、ラジカル密度が高く、平衡状態におけるスピン濃度が1021spin/g以上である状態が1秒以上継続されるものである。また、本発明を構成するラジカル化合物の荷電状態は、充放電反応の容易さの点から、電気的に中性であることが好ましい。
(Radical compound)
A radical compound is a compound which comprises an active material layer as an active material. A radical compound is a compound having a free radical (that is, a radical) having an unpaired electron. The radical compound constituting the present invention has a high radical density and a spin concentration in an equilibrium state of 10 21 spin / g or more. A state continues for 1 second or longer. Moreover, it is preferable that the charge state of the radical compound which comprises this invention is electrically neutral from the point of the ease of charging / discharging reaction.

なお、ラジカルはスピン核運動量をもつため、ラジカル密度(不対電子の密度)はスピン濃度に等しくなる。ここで、スピン濃度とは、例えば電子スピン共鳴スペクトル(以下、ESRスペクトルという。)の吸収面積強度から以下の方法で求められる値である。先ず、ESRスペクトルの測定に供する試料を乳鉢等ですりつぶして粉砕する。この処理により表皮効果(マイクロ波が中まで通らない現象)が無視できる程度の大きさの粒子に粉砕することができる。破砕した試料の一定量を内径2mm以下、望ましくは1〜0.5mmの石英ガラス製細管に充填し、1.33〜0.67kPa(10〜5mmHg)以下に脱気して封止し、ESRスペクトルを測定する。ESRスペクトルは、例えばJEOL−JES−FR30型ESRスペクトロメーター等を用いて測定することができる。スピン濃度は、得られたESRシグナルを2回積分して検量線と比較して求めることができる。なお、本発明では、スピン濃度が正しく測定できる方法であれば測定器や測定条件は問わない。   Since radicals have spin nuclear momentum, the radical density (unpaired electron density) is equal to the spin concentration. Here, the spin concentration is a value obtained by, for example, the following method from the absorption area intensity of an electron spin resonance spectrum (hereinafter referred to as ESR spectrum). First, a sample to be used for measuring the ESR spectrum is ground and ground with a mortar or the like. By this treatment, the skin effect (a phenomenon in which the microwave does not pass through to the inside) can be pulverized into particles having a size that can be ignored. A certain amount of the crushed sample is filled into a quartz glass capillary having an inner diameter of 2 mm or less, preferably 1 to 0.5 mm, degassed to 1.33 to 0.67 kPa (10 to 5 mmHg) or less, and sealed. Measure the spectrum. The ESR spectrum can be measured using, for example, a JEOL-JES-FR30 type ESR spectrometer. The spin concentration can be obtained by integrating the obtained ESR signal twice and comparing it with a calibration curve. In the present invention, any measuring instrument and measurement condition are applicable as long as the spin concentration can be measured correctly.

ラジカル化合物としては、高分子ニトロキシルラジカル化合物、高分子オキシラジカル化合物及び高分子ヒドラジルラジカル化合物等を挙げることができる。本発明では、活物質として、これらのラジカル化合物を少なくとも1種又は2種以上を用いることができる。   Examples of the radical compound include a polymer nitroxyl radical compound, a polymer oxy radical compound, and a polymer hydrazyl radical compound. In the present invention, at least one or more of these radical compounds can be used as the active material.

上記のラジカル化合物の中で、高分子ニトロキシルラジカル化合物、すなわちニトロキシルを有するポリマーが最も好ましく用いられる。ニトロキシルは、ラジカルの非局在性により安定性が著しく高いため、特に活物質として好ましい。高分子ニトロキシルラジカル化合物の代表的なものとして、下記化学構造式のA−1からA−8を挙げることができる。これらの高分子ニトロキシルラジカル化合物では、近傍の嵩高い置換基による立体障害や、共鳴構造により、それぞれのラジカルがさらに安定化されている。また、ポリマー主鎖としては、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリアルキル(メタ)アクリレート類、ポリビニルエーテル類、ポリ(メタ)アクリルアミド類ポリマーが、耐酸化性及び耐還元性が大きく電気化学的に安定であるため特に好ましい。なお、式中、R1〜R5は、それぞれ独立にアルキル基を表し、そのアルキル基としては、メチル基、エチル基等が用いられるが、特にメチル基が電気化学的安定性、及び容量の大きさから好ましく用いられる。Among the above radical compounds, a polymer nitroxyl radical compound, that is, a polymer having nitroxyl is most preferably used. Nitroxyl is particularly preferable as an active material because of its extremely high stability due to the delocalization of radicals. Typical examples of the polymer nitroxyl radical compound include A-1 to A-8 of the following chemical structural formula. In these high-molecular nitroxyl radical compounds, the respective radicals are further stabilized by steric hindrance by nearby bulky substituents and resonance structures. In addition, poly (meth) acrylic acid, polyalkyl (meth) acrylates, polyvinyl ethers, and poly (meth) acrylamide polymers as the polymer main chain have high oxidation resistance and reduction resistance and are electrochemically stable. Is particularly preferable. In the formula, R 1 to R 5 each independently represents an alkyl group, and as the alkyl group, a methyl group, an ethyl group, or the like is used. In particular, the methyl group has electrochemical stability and capacity. It is preferably used because of its size.

Figure 2006082708
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高分子オキシラジカル化合物は、オキシラジカルを有するポリマーであり、その代表的なものとして、下記化学構造式のA−9からA−11を挙げることができる。また、高分子ヒドラジルラジカル化合物は、ヒドラジルラジカルを有するポリマーであり、下記化学構造式のA−12及びA−13を挙げることができる。なお、式中、R1〜R6はそれぞれ独立にアルキル基を表し、そのアルキル基としては、メチル基、エチル基等が用いられるが、特にメチル基が電気化学的安定性、及び容量の大きさから好ましく用いられる。The polymer oxyradical compound is a polymer having an oxyradical, and typical examples thereof include A-9 to A-11 of the following chemical structural formulas. The high molecular hydrazyl radical compound is a polymer having a hydrazyl radical, and examples thereof include A-12 and A-13 having the following chemical structural formula. In the formula, R 1 to R 6 each independently represents an alkyl group, and as the alkyl group, a methyl group, an ethyl group, or the like is used. In particular, the methyl group is electrochemically stable and has a large capacity. Therefore, it is preferably used.

Figure 2006082708
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(炭素繊維)
本発明の炭素繊維は、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内にあるものである。本発明においては、こうした炭素繊維が活物質層に含まれるので、上述したラジカル化合物との界面抵抗が著しく低くなると考えられ、これらが含まれる活物質層の導電性を高くすることができる。
(Carbon fiber)
Carbon fiber of the present invention is one in which the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure is in the range of 0.340nm than 0.335 nm. In the present invention, since such carbon fibers are contained in the active material layer, it is considered that the interface resistance with the above-described radical compound is remarkably lowered, and the conductivity of the active material layer containing these can be increased.

本発明において、炭素繊維の黒鉛構造の層間距離d002の平均値は、例えばX線回折から求めることができる。具体的には、炭素繊維の黒鉛構造において、個々の層間距離d002の平均値として現れるX線回折ピークの解析結果により表すことができる。上記範囲内の層間距離を有する炭素繊維はその機械的強度(例えば引張弾性率)が大きいので、活物質層の機械的強度を大きくすることができる。その結果、ひび割れや脱落がない活物質層となり、導電性の高い活物質層を有した二次電池用正極を構成することができる。In the present invention, the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure of the carbon fibers can be obtained, for example, from X-ray diffraction. Specifically, it can be represented by an analysis result of an X-ray diffraction peak appearing as an average value of individual interlayer distances d002 in the graphite structure of carbon fiber. Since the carbon fiber having an interlayer distance within the above range has a large mechanical strength (for example, tensile elastic modulus), the mechanical strength of the active material layer can be increased. As a result, the active material layer is free from cracking and falling off, and a positive electrode for a secondary battery having a highly conductive active material layer can be configured.

炭素繊維の黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.340nmより大きいと、その機械的強度(例えば引張弾性率)が不足するために、炭素繊維が含まれる活物質層の機械的強度が不足することがある。一方、理想的な黒鉛構造の層間距離d002は0.335nmであり、0.335nm未満の層間距離を持つ炭素繊維は存在しない。The average value is larger than 0.340nm interlayer distance d 002 of the graphite structure of carbon fiber, for mechanical strength (such as tensile modulus) is insufficient, the mechanical strength of the active material layer contains carbon fibers There may be a shortage. On the other hand, the interlayer distance d 002 of an ideal graphite structure is 0.335 nm, the carbon fiber having an interlayer distance of less than 0.335 nm are not present.

炭素繊維の引張弾性率は、200GPa以上800GPa以下の範囲内であることが好ましい。上述した黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内にある炭素繊維は、通常、その引張弾性率が200GPa以上800GPa以下の範囲内と大きい値をもっている。こうした炭素繊維が含まれる活物質層は機械的強度が大きく、二次電池用正極の機械的強度を大きくすることができる。炭素繊維の引張弾性率が200GPa未満では、その機械的強度が不足するために、炭素繊維が含まれる活物質層の機械的強度が不足することがある。一方、炭素繊維の引張弾性率の上限は、炭素繊維の製造コストの観点から、800GPaとした。なお、炭素繊維の引張弾性率の定義及び測定方法は、JIS R7601−1986(炭素繊維試験方法)による。The tensile modulus of carbon fiber is preferably in the range of 200 GPa to 800 GPa. Carbon fiber average value of the interlayer distance d 002 of the above-described graphite structure is in the range of 0.340nm than 0.335nm is usually the tensile modulus has a large value in the range of less 800GPa least 200 GPa. The active material layer containing such carbon fibers has high mechanical strength, and can increase the mechanical strength of the positive electrode for a secondary battery. If the tensile modulus of the carbon fiber is less than 200 GPa, the mechanical strength of the carbon fiber-containing active material layer may be insufficient because the mechanical strength is insufficient. On the other hand, the upper limit of the tensile elastic modulus of the carbon fiber was set to 800 GPa from the viewpoint of the production cost of the carbon fiber. In addition, the definition and measurement method of the tensile elasticity modulus of carbon fiber are based on JISR7601-1986 (carbon fiber test method).

上述した炭素繊維を含有する活物質層は、機械的強度が大きくなるという特徴を有するが、本発明においては、炭素繊維の体積抵抗率が200μΩ・cm以上2000μΩ・cm以下の範囲内であることが好ましい。こうした範囲の体積抵抗率を有する炭素繊維が活物質層中に含まれることにより、活物質層の導電性が高くなる。その結果、活物質層を備えた二次電池用正極の電極抵抗を低くすることができる。炭素繊維の体積抵抗率の下限は、炭素繊維の製造コストの観点から、200μΩ・cmとした。一方、炭素繊維の体積抵抗率が2000μΩ・cmを超えると、正極の電極抵抗が充分に低くならない場合がある。なお、炭素繊維の体積抵抗率の定義及び測定方法についても、上記の引張弾性率と同様、JIS R7601−1986(炭素繊維試験方法)による。   The active material layer containing the carbon fiber described above has a feature that the mechanical strength is increased, but in the present invention, the volume resistivity of the carbon fiber is in the range of 200 μΩ · cm to 2000 μΩ · cm. Is preferred. When carbon fibers having a volume resistivity in such a range are included in the active material layer, the conductivity of the active material layer is increased. As a result, the electrode resistance of the positive electrode for secondary batteries provided with the active material layer can be lowered. The lower limit of the volume resistivity of the carbon fiber was set to 200 μΩ · cm from the viewpoint of the production cost of the carbon fiber. On the other hand, when the volume resistivity of the carbon fiber exceeds 2000 μΩ · cm, the electrode resistance of the positive electrode may not be sufficiently lowered. In addition, also about the definition and measuring method of the volume resistivity of carbon fiber, it is based on JISR7601-1986 (carbon fiber test method) similarly to said tensile elasticity modulus.

炭素繊維の種類は作製方法によって分類されるが、本発明に適用できる炭素繊維は特に限定されるものではなく、上記の特性を満たす各種のものを用いることができる。例えば、ポリアクリルニトリル(PolyAcryloNitrile:PAN)前駆体を炭化する方法によって得られるPAN炭素繊維、石油や石炭を精製する際に得られるピッチを前駆体として用い、これを炭化、黒鉛化する方法によって得られるピッチ炭素繊維、炭化水素系の蒸気を用いて反応炉中で基板上に繊維を成長させて得られる気相成長炭素繊維(Vapor-Grown Carbon Fibers:VGCF)、黒鉛電極間のアーク放電を用いたアーク放電法によって得られるカーボンナノチューブ(CNT)、等を用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし2種類以上を混合して用いてもよい。   Although the kind of carbon fiber is classified according to the production method, the carbon fiber applicable to the present invention is not particularly limited, and various kinds of carbon fibers satisfying the above characteristics can be used. For example, using PAN carbon fiber obtained by carbonizing polyacrylonitrile (PAN) precursor, pitch obtained when refining petroleum or coal as a precursor, obtained by carbonizing and graphitizing this. Vapor-Grown Carbon Fibers (VGCF) obtained by growing fibers on a substrate in a reactor using a pitch-type carbon fiber, hydrocarbon-based steam, and arc discharge between graphite electrodes Carbon nanotubes (CNTs) obtained by the arc discharge method that has been used can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

こうした炭素繊維を用いて活物質層を形成する際には、溶媒中でラジカル化合物に炭素繊維を分散させる工程を経るが、特に気相成長炭素繊維(VGCF)は、その際の分散性に優れているために最も好ましく用いられる。   When forming an active material layer using such a carbon fiber, a process of dispersing the carbon fiber in a radical compound in a solvent is performed. In particular, vapor grown carbon fiber (VGCF) is excellent in dispersibility at that time. Therefore, it is most preferably used.

また石油や石炭を精製する際に得られるピッチのなかで光学的異方性を持つメソフェーズピッチを前駆体として用い、これを炭化、黒鉛化することによって得られるメソフェーズピッチ炭素繊維は、電気伝導度、機械的強度に優れているため特に好ましい。またメソフェーズピッチに10〜50ppmの範囲のホウ素を添加したものを前駆体に用いると、より黒鉛化が進みやすく好ましい。   Also, mesophase pitch carbon fiber obtained by carbonizing and graphitizing mesophase pitch with optical anisotropy among the pitches obtained when refining petroleum and coal is used as the electrical conductivity. Particularly preferred because of its excellent mechanical strength. Further, it is preferable to use a precursor obtained by adding boron in the range of 10 to 50 ppm to the mesophase pitch, since graphitization is more likely to proceed.

炭素繊維の大きさは特に限定されないが、本発明においては、通常、平均長さが10μm以上200μm以下で、平均直径が0.4μm以上4μm以下の繊維状のものが、分散性が良い理由により好ましく用いられる。ここで、平均長さ及び平均直径とは、電子顕微鏡等で観察したときの炭素繊維を1000本以上測定したときの長さの平均値及び直径の平均値である。   Although the size of the carbon fiber is not particularly limited, in the present invention, a fiber-like fiber having an average length of 10 μm to 200 μm and an average diameter of 0.4 μm to 4 μm is usually because of good dispersibility. Preferably used. Here, the average length and the average diameter are an average value of lengths and an average value of diameters when 1000 or more carbon fibers are observed with an electron microscope or the like.

(活物質層)
活物質層は、集電体上に形成されて本発明の二次電池用正極を構成し、上記ラジカル化合物と、上記炭素繊維とを少なくとも含んでいる。
(Active material layer)
The active material layer is formed on the current collector to constitute the positive electrode for a secondary battery of the present invention, and includes at least the radical compound and the carbon fiber.

活物質層には、炭素繊維が10重量%以上50重量%以下の範囲内の割合で含まれていることが好ましい。活物質層中に炭素繊維がこの割合で含まれていることにより、活物質層の機械的強度を大きくすることができると共に、電気抵抗を小さくすることができる。活物質層中の炭素繊維の含有割合が10重量%未満では、活物質層にひび割れや脱落が生じることがあり、機械的強度が不充分になることがある。一方、活物質層中の炭素繊維の含有割合が50重量%を超えると、活物質として機能するラジカル化合物の割合が相対的に低下することになるので、この活物質層を有する正極で構成した二次電池の容量が低下することになる。   The active material layer preferably contains carbon fibers in a proportion in the range of 10 wt% to 50 wt%. By containing carbon fiber in this proportion in the active material layer, the mechanical strength of the active material layer can be increased and the electrical resistance can be decreased. When the content ratio of the carbon fiber in the active material layer is less than 10% by weight, the active material layer may be cracked or dropped, and the mechanical strength may be insufficient. On the other hand, when the content ratio of the carbon fiber in the active material layer exceeds 50% by weight, the ratio of the radical compound that functions as the active material is relatively decreased. Therefore, the positive electrode having the active material layer is used. The capacity of the secondary battery will be reduced.

なお、本発明に係る二次電池用正極を構成する活物質層において、その導電性は、炭素繊維を含有する場合に顕著に高くなるという現象がある。その原因は、ラジカル化合物と炭素繊維を構成する炭素との電荷移動の際のエネルギー障壁がほぼ同じであるために、ラジカル化合物と炭素繊維との界面抵抗が低くなるためであると考えられる。   In addition, the active material layer which comprises the positive electrode for secondary batteries which concerns on this invention has the phenomenon that the electroconductivity becomes high remarkably when carbon fiber is contained. The cause is considered to be that the interface resistance between the radical compound and the carbon fiber is lowered because the energy barrier at the time of charge transfer between the radical compound and the carbon constituting the carbon fiber is substantially the same.

そうした現象はラジカル化合物と炭素繊維との組み合わせで得られる顕著な効果であり、本発明者は、他の導電体、例えば金、銀、銅等を炭素繊維の代わりに用いた場合には、活物質層の導電性が高くならないことを確認している。   Such a phenomenon is a remarkable effect obtained by the combination of the radical compound and the carbon fiber, and the present inventor is active when other conductors such as gold, silver, copper, etc. are used instead of the carbon fiber. It has been confirmed that the conductivity of the material layer does not increase.

なお、上記特許文献4に記載の活物質層(ジスルフィド基を含有する導電性マトリクスにカーボンナノチューブを分散させた活物質層)においては、カーボンナノチューブと同等の導電性をもつ銀、金、銅等を、カーボンナノチューブの代わりに分散させて活物質層を形成した場合でも、その活物質層の導電性は同様に高くなる点で本発明で用いられる活物質層とは異なっている。   In the active material layer described in Patent Document 4 (active material layer in which carbon nanotubes are dispersed in a conductive matrix containing a disulfide group), silver, gold, copper, or the like having conductivity equivalent to that of carbon nanotubes is used. Even in the case where an active material layer is formed by dispersing them instead of carbon nanotubes, the active material layer is different from the active material layer used in the present invention in that the conductivity of the active material layer is similarly increased.

(二次電池用正極の製造方法)
次に、二次電池用正極の製造方法について説明する。本発明の二次電池用正極の製造方法は、ラジカル化合物と炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有する二次電池用正極を製造する方法であり、詳しくは、ラジカル化合物を含む溶媒中で、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の前記炭素繊維を分散させる工程を有することを特徴とする。
(Method for producing positive electrode for secondary battery)
Next, the manufacturing method of the positive electrode for secondary batteries is demonstrated. The method for producing a positive electrode for a secondary battery according to the present invention is a method for producing a positive electrode for a secondary battery having an active material layer containing at least a radical compound and carbon fiber. Specifically, in a solvent containing a radical compound, the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure is characterized by having a step of dispersing the carbon fibers in the range of 0.340nm than 0.335 nm.

先ず、前記のラジカル化合物を溶媒に溶解した溶液を作製し、その溶液に前記の炭素繊維と結着剤(バインダーともいう。)とを混合し、その混合溶液に超音波を放射して混合溶液中の炭素繊維を分散させることによりスラリーを得る。次いで、このスラリーを集電体上に所定の厚さに塗布した後に、溶媒を蒸発させることによって、活物質層を有する二次電池用正極を製造することができる。   First, a solution in which the radical compound is dissolved in a solvent is prepared, the carbon fiber and a binder (also referred to as a binder) are mixed with the solution, and an ultrasonic wave is radiated to the mixed solution. A slurry is obtained by dispersing the carbon fibers therein. Next, after applying the slurry to a predetermined thickness on the current collector, the positive electrode for a secondary battery having an active material layer can be manufactured by evaporating the solvent.

溶媒としては、n−メチルピロリドン(NMP)、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン等を用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし2種類以上を混合して用いてもよい。   As the solvent, n-methylpyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), toluene and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体等を用いることができる。これらも、単独で用いてもよいし2種類以上を混合して用いてもよい。活物質層に含まれる結着剤の割合は、1重量%以上10重量%以下の範囲内であることが好ましい。活物質層中の結着剤の割合が1重量%未満では、形成された活物質層と集電体との密着性が悪く、剥離を生ずるおそれがある。一方、活物質層中の結着剤の割合が10重量%を超えると、活物質層中のラジカル化合物又は炭素繊維の割合が相対的に低下するため、本発明に係る正極を用いた二次電池の容量が低下したり、活物質層の機械的強度が不足することがある。   As the binder, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more. The ratio of the binder contained in the active material layer is preferably in the range of 1% by weight to 10% by weight. When the ratio of the binder in the active material layer is less than 1% by weight, the adhesion between the formed active material layer and the current collector is poor, and peeling may occur. On the other hand, when the proportion of the binder in the active material layer exceeds 10% by weight, the proportion of the radical compound or carbon fiber in the active material layer is relatively lowered, and therefore the secondary using the positive electrode according to the present invention. The capacity of the battery may be reduced, and the mechanical strength of the active material layer may be insufficient.

二次電池用正極の他の製造方法として、前記のラジカル化合物を溶媒に溶解し、その溶液を、前記の炭素繊維からなるシートに含浸させた後、溶媒を蒸発させることによって、活物質層を有する二次電池用正極を製造することができる。なお、この場合、集電体としての機能は、炭素繊維が絡み合ってなるシートが担いうので、上記のような結着剤は含まれないことになる。   As another method for producing a positive electrode for a secondary battery, the radical compound is dissolved in a solvent, the solution is impregnated into a sheet made of the carbon fiber, and then the solvent is evaporated to thereby form an active material layer. The positive electrode for secondary batteries which has can be manufactured. In this case, since the function as the current collector is borne by the sheet in which the carbon fibers are entangled, the binder as described above is not included.

(二次電池)
次に、本発明の二次電池について説明する。本発明の二次電池は、正極、負極及び電解液で構成され、その正極として前記の二次電池用正極が用いられる。この二次電池においては、上述した本発明に係る二次電池用正極が用いられるので、活物質層のひび割れに起因する電極抵抗の増大や、活物質層の脱落に起因する保存特性の劣化を抑制することができる。また、この正極の活物質層は、活物質として機能するラジカル化合物を含むと共に、電極抵抗が低いので、その大電流での充放電容量を大きくすることができる。従って、この二次電池は、大電流を用いた充放電が可能となり、大容量で保存特性に優れたものとなる。
(Secondary battery)
Next, the secondary battery of the present invention will be described. The secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, and the positive electrode for a secondary battery is used as the positive electrode. In this secondary battery, since the above-described positive electrode for a secondary battery according to the present invention is used, an increase in electrode resistance due to cracking of the active material layer and a deterioration in storage characteristics due to dropping of the active material layer. Can be suppressed. In addition, the active material layer of the positive electrode includes a radical compound that functions as an active material and has low electrode resistance, so that the charge / discharge capacity at a large current can be increased. Therefore, the secondary battery can be charged / discharged using a large current, has a large capacity and excellent storage characteristics.

本発明では、正極と負極の積層形態について特に限定されるものではなく、任意の積層形態を採用することができる。例えば、多層積層体、集電体の両面に積層したものを組み合わせた形態、さらにこれらを巻回した形態とすることができる。   In this invention, it does not specifically limit about the lamination | stacking form of a positive electrode and a negative electrode, Arbitrary lamination | stacking forms are employable. For example, it can be set as the form which combined what laminated | stacked the multilayer laminated body and the both surfaces of the electrical power collector, and also wound these.

本発明の二次電池の形状についても特に限定されるものではなく、従来より公知のものを用いることができ、例えばコイン型、円筒型、角型、シート型等を用いることができる。   The shape of the secondary battery of the present invention is not particularly limited, and a conventionally known battery can be used. For example, a coin type, a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like can be used.

図1は、本発明の二次電池の一例を示すコイン型二次電池の模式断面図である。図1に示すコイン型二次電池10は、活物質層1及び集電体3からなる正極11と、活物質層2及び集電体4からなる負極12とを有し、その正極11と負極12との間には両者の電気的な接続を防ぐための多孔質のセパレータ13が挟まれている。正極11と負極12とセパレータ13は、電解液5に浸った状態であり、これらが正極外装缶6及び負極外装缶7の中に、絶縁パッキング部8により密閉された状態で構成されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a coin-type secondary battery showing an example of the secondary battery of the present invention. A coin-type secondary battery 10 shown in FIG. 1 has a positive electrode 11 composed of an active material layer 1 and a current collector 3, and a negative electrode 12 composed of an active material layer 2 and a current collector 4, and the positive electrode 11 and the negative electrode A porous separator 13 for preventing electrical connection between the two is sandwiched between the two. The positive electrode 11, the negative electrode 12, and the separator 13 are immersed in the electrolytic solution 5, and are configured in a state where they are sealed in the positive electrode outer can 6 and the negative electrode outer can 7 by the insulating packing portion 8.

負極は、正極と同様、集電体上に負極用の活物質層が形成されたものであり、その活物質層には、負極用の活物質が含まれる。負極用の活物質としては、特に限定されるものではなく、前記の正極よりも酸化還元電位が卑なものであれば、従来より公知のものを用いることができる。例えば、天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチコークス、カーボンブラック、活性炭、樹脂焼成炭素、有機高分子焼成体、熱分解気相成長炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、フラーレン、カーボンナノチューブ等の炭素材料等のいずれかを用いることができる。また、金属リチウム、リチウム合金、窒化リチウム、Li3−xxN(ここで、xは0<x<1であり、Mは、Co、Ni及びCuから選ばれる元素のうちの少なくとも1種である)等のLi系材料を用いることもできる。これらの材料は、単独で用いてもよいし2種類以上を混合して用いてもよい。As in the positive electrode, the negative electrode is obtained by forming an active material layer for a negative electrode on a current collector, and the active material layer includes an active material for the negative electrode. The active material for the negative electrode is not particularly limited, and conventionally known materials can be used as long as the redox potential is lower than that of the positive electrode. For example, natural graphite, petroleum coke, coal coke, pitch coke, carbon black, activated carbon, resin-fired carbon, organic polymer fired body, pyrolytic vapor-grown carbon fiber, mesocarbon microbead, mesophase pitch-based carbon fiber, polyacrylonitrile Any of carbon materials such as carbon fiber, fullerene, and carbon nanotube can be used. Further, metallic lithium, lithium alloy, lithium nitride, Li 3−x M x N (where x is 0 <x <1, and M is at least one element selected from Co, Ni, and Cu) Li-based material can also be used. These materials may be used alone or in combination of two or more.

集電体としては、銅、銀、銅合金、銀合金、及び炭素のうちのいずれかの材料からなるものを用いることができる。集電体の形状としては、例えば、箔、平板状及びメッシュ状のいずれかの形状を挙げることができる。負極の活物質材料を含む活物質層を集電体上に形成する方法としては、負極用の活物質材料と結着剤とを混合したものを集電体上に塗布等する方法を挙げることができる。   As the current collector, one made of any material of copper, silver, copper alloy, silver alloy, and carbon can be used. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a flat plate shape, and a mesh shape. Examples of a method for forming an active material layer containing a negative electrode active material on a current collector include a method of applying a mixture of a negative electrode active material and a binder onto the current collector. Can do.

結着剤としては、特に限定されるものではなく、従来より公知のものを用いることができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体を挙げることができる。これらの材料は、単独で用いてもよいし2種類以上を混合して用いてもよい。また、特に金属リチウムやリチウム合金を負極の活物質材料として用いる場合には、集電体も同じ材料とすることにより、負極全体を同一材料で形成することができる。   The binder is not particularly limited, and conventionally known binders can be used. For example, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer can be used. A polymer can be mentioned. These materials may be used alone or in combination of two or more. In particular, when metallic lithium or a lithium alloy is used as the active material of the negative electrode, the entire negative electrode can be formed of the same material by using the same current collector.

電解液としては、電解液溶媒に電解質塩を溶解させたものが用いられる。これらに用いられる材料は特に限定されるものではなく、従来より公知のものを採用することができる。電解液は、20℃で10-5〜10-1S/cmのイオン伝導性を有していることが望ましい。As the electrolytic solution, an electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved is used. The materials used for these are not particularly limited, and conventionally known materials can be employed. The electrolytic solution desirably has an ionic conductivity of 10 −5 to 10 −1 S / cm at 20 ° C.

電解質塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO22、LiN(CF3SO22、等のリチウム塩から選択して用いることができる。他の電解質塩としては、四フッ化ホウ酸テトラアンモニウム、四フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム等の第四級アンモニウム塩、四フッ化ホウ酸テトラエチルホスホニウム等の第四級ホスホニウム塩、四フッ化ホウ酸エチルメチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム塩、等から選ばれる塩を用いることができる。これらの材料は、単独で用いてもよいし2種類以上を混合して用いてもよい。Examples of the electrolyte salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2. , Etc. can be selected and used. Other electrolyte salts include quaternary ammonium salts such as tetraammonium tetrafluoroborate and tetraethylammonium tetrafluoroborate, quaternary phosphonium salts such as tetraethylphosphonium tetrafluoroborate, and tetrafluoroboric acid. A salt selected from imidazolium salts such as ethylmethylimidazolium, and the like can be used. These materials may be used alone or in combination of two or more.

電解液溶媒は、上記の電解質塩を溶解することができるものであり、用いる電解質塩に応じて任意に選択される。電解質溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類と、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類とを2種類以上を混合したものを用いることができる。   The electrolyte solution solvent can dissolve the above electrolyte salt, and is arbitrarily selected according to the electrolyte salt to be used. Examples of the electrolyte solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate. (EMC), what mixed two or more types of chain carbonates, such as a dipropyl carbonate (DPC), can be used.

セパレータは、特に限定されるものではなく、従来より公知のものを用いることができる。セパレータの材料としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂等を用いることができる。セパレータの形状としては、例えば、多孔性の薄膜が好ましく用いられる。   The separator is not particularly limited, and conventionally known separators can be used. As a material for the separator, for example, a polyolefin such as polypropylene or polyethylene, a fluororesin, or the like can be used. As the shape of the separator, for example, a porous thin film is preferably used.

以下に実施例と比較例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

(実施例1)
先ず、正極を作製した。ラジカル化合物として、化学式A−1(R1〜R5は全てメチル基)で表される環状ニトロキシル構造含有ポリマーであるポリ(4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)(PTME)を合成した。
(Example 1)
First, a positive electrode was produced. As a radical compound, poly (4-methacryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1) which is a cyclic nitroxyl structure-containing polymer represented by the chemical formula A-1 (all R 1 to R 5 are methyl groups) -Oxyl) (PTME) was synthesized.

環状ニトロキシル構造含有ポリマーの合成例;還流管を付けた100mlナスフラスコ中に、4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルモノマー20g(0.089mol)を入れ、乾燥テトラヒドロフラン80mlに溶解させた。そこに、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.29g(0.00187mol)(モノマー/AIBN=50/1)を加え、アルゴン雰囲気下75〜80℃で攪拌した。6時間反応後、室温まで放冷した。へキサン中でポリマーを析出させて濾別し、減圧乾燥してポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジンメタクリレート)18g(収率90%)を得た。次に、得られたポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジンメタクリレート)10gを乾操ジクロロメタン100mlに溶解させた。ここに、m−クロロ過安息香酸15.2g(0.088mol)のジクロロメタン溶液100mlを室温にて攪拌しながら1時間かけて滴下した。さらに、6時間攪拌した後、沈殿したm−クロロ安息香酸を濾別して除き、濾液を炭酸ナトリウム水溶液及び水で洗浄した後、ジクロロメタンを留去した。残った固形分を粉砕し、得られた粉末をジエチルカーボネート(DEC)で洗浄し、減圧下乾燥させて、化学式A−1で表される環状ニトロキシル構造含有ポリマーであるポリ(4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)(PTME)7.2gを得た(収率68.2%、茶褐色粉末)。得られた高分子の構造をIRで確認した。また、GPCにより測定した結果、重量平均分子量Mw=89000、分散度Mw/Mn=3.30という値が得られた。ESRスペクトルにより求めたスピン濃度は、2.48×1021spin/gであった。Synthesis example of cyclic nitroxyl structure-containing polymer: In a 100 ml eggplant flask equipped with a reflux tube, 20 g (0.089 mol) of 4-methacryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl monomer was added, Dissolved in 80 ml of dry tetrahydrofuran. Thereto was added 0.29 g (0.00187 mol) of azobisisobutyronitrile (AIBN) (monomer / AIBN = 50/1), and the mixture was stirred at 75 to 80 ° C. in an argon atmosphere. After reacting for 6 hours, it was allowed to cool to room temperature. The polymer was precipitated in hexane, separated by filtration, and dried under reduced pressure to obtain 18 g (yield 90%) of poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate). Next, 10 g of the obtained poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate) was dissolved in 100 ml of dry-treated dichloromethane. 100 ml of a dichloromethane solution of 15.2 g (0.088 mol) of m-chloroperbenzoic acid was added dropwise over 1 hour while stirring at room temperature. Further, after stirring for 6 hours, the precipitated m-chlorobenzoic acid was removed by filtration, and the filtrate was washed with an aqueous sodium carbonate solution and water, and then dichloromethane was distilled off. The remaining solid was pulverized, and the resulting powder was washed with diethyl carbonate (DEC), dried under reduced pressure, and poly (4-methacryloyloxy-), which is a cyclic nitroxyl structure-containing polymer represented by the chemical formula A-1. There were obtained 7.2 g of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) (PTME) (yield 68.2%, brown powder). The structure of the obtained polymer was confirmed by IR. Moreover, as a result of measuring by GPC, the value of weight average molecular weight Mw = 89000 and dispersion degree Mw / Mn = 3.30 was obtained. The spin concentration determined by ESR spectrum was 2.48 × 10 21 spin / g.

上記の環状ニトロキシル構造含有ポリマーからなるラジカル化合物と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(呉羽化学製)と、ベンゼンガスを熱分解し、鉄微粒子を噴霧した基盤上に成長させた炭素繊維を2800℃で焼成させて得られた気相成長炭素繊維(黒鉛構造の層間距離d002の平均値は0.336nm、引張弾性率は700GPa)とを、4:1:5の重量比となるように計量し、それらを溶媒であるn−メチルピロリドン中で混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。なお、上記の気相成長炭素繊維の体積抵抗率は300μΩ・cmであり、その平均長さは10μmで平均直径は0.5μmであった。2800 carbon fibers grown on a substrate on which a radical compound composed of the above-mentioned cyclic nitroxyl structure-containing polymer, polyvinylidene fluoride as a binder (manufactured by Kureha Chemical), and benzene gas are thermally decomposed and sprayed with iron fine particles are sprayed. Vapor growth carbon fiber obtained by firing at 0 ° C. (average value of interlaminar distance d 002 of graphite structure is 0.336 nm, tensile modulus is 700 GPa) so that the weight ratio is 4: 1: 5 Weighed and mixed them in the solvent n-methylpyrrolidone to make a slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector. The volume resistivity of the vapor grown carbon fiber was 300 μΩ · cm, the average length was 10 μm, and the average diameter was 0.5 μm.

次に、負極を作製した。負極は、人造黒鉛(大阪ガス製:MCMB25-28)とゴム系バインダー(日本ゼオン製:BM-400B)とを95:5の重量比で水中に分散させてスラリーを作製し、そのスラリーをドクターブレードを用いて、厚さ10μmの銅箔上に塗布し、80℃で乾燥した後にローラーで圧縮して作製した。こうして得られた負極の活物質層は20μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。   Next, a negative electrode was produced. For the negative electrode, artificial graphite (manufactured by Osaka Gas: MCMB25-28) and rubber-based binder (manufactured by Nippon Zeon: BM-400B) were dispersed in water at a weight ratio of 95: 5 to prepare a slurry. Using a blade, it was applied onto a copper foil having a thickness of 10 μm, dried at 80 ° C., and then compressed with a roller. The negative electrode active material layer thus obtained had a thickness of 20 μm. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector.

電解液は、電解質塩として0.9mol/lのLiPF6を含んだものを用い、その電解質塩を、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液(体積混合比3:7)からなる電解質溶媒中に溶解して作製した。As the electrolyte, one containing 0.9 mol / l LiPF 6 as an electrolyte salt is used, and the electrolyte salt is dissolved in an electrolyte solvent composed of an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution (volume mixing ratio 3: 7). Made.

以上のようにして作製した正極と負極を、大きさ12mmφの円形に切り出し、セパレータとして用いた厚さ25μmの多孔性のポリプロピレンを介して重ね合わせてステンレス製の外装缶に収納し、電解液を注入した後に封止して、図1に示す形態のコイン型二次電池を作製した。   The positive electrode and the negative electrode produced as described above are cut into a circular shape having a size of 12 mmφ, stacked with a 25 μm-thick porous polypropylene used as a separator, and stored in a stainless steel outer can. After the injection, it was sealed to produce a coin-type secondary battery having the form shown in FIG.

(実施例2)
実施例1と同じラジカル化合物と、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、実施例1と同じ気相成長炭素繊維と、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製デンカブラック)とを、4:1:3:2の重量比に計量し、それらを溶媒であるn−メチルピロリドン中で混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、実施例2のコイン型二次電池を作製した。
(Example 2)
The same radical compound as in Example 1, the same polyvinylidene fluoride as in Example 1, the same vapor grown carbon fiber as in Example 1, and acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) were used at 4: 1: A weight ratio of 3: 2 was weighed, and they were mixed in a solvent n-methylpyrrolidone to prepare a slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector. A coin-type secondary battery of Example 2 was fabricated in the same manner as Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(実施例3)
実施例1と同じラジカル化合物と、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、ベンゼンガスを熱分解し、鉄微粒子を噴霧した基盤上に成長させた炭素繊維を3000℃で焼成させて得られた気相成長炭素繊維(黒鉛構造の層間距離d002の平均値は0.335nm、引張弾性率は800GPa)と、実施例2と同じアセチレンブラックとを、4:1:1:4の重量比に計量し、それらを溶媒であるn−メチルピロリドン中で混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。なお、上記の気相成長炭素繊維の体積抵抗率は200μΩ・cmであり、その平均長さは10μmで平均直径は0.5μmであった。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、実施例3のコイン型二次電池を作製した。
(Example 3)
A gas obtained by baking at 3000 ° C. the same radical compound as in Example 1, polyvinylidene fluoride as in Example 1, and carbon fiber grown on a substrate on which benzene gas was thermally decomposed and sprayed with iron fine particles. phase growth carbon fibers (average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure is 0.335 nm, the tensile modulus was 800 GPa) and, the same acetylene black as in example 2, 4: 1: 1: weighing the weight ratio of 4 Then, they were mixed in n-methylpyrrolidone as a solvent to prepare a slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector. The volume resistivity of the above vapor-grown carbon fiber was 200 μΩ · cm, the average length was 10 μm, and the average diameter was 0.5 μm. A coin-type secondary battery of Example 3 was fabricated in the same manner as in Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(実施例4)
ラジカル化合物として、化学式A−2(R1〜R4は全てメチル基)で表される環状ニトロキシル構造含有ポリマーであるポリ(4−アクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)(PTAA)を合成した。
Example 4
As a radical compound, poly (4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1) which is a cyclic nitroxyl structure-containing polymer represented by chemical formula A-2 (R 1 to R 4 are all methyl groups) -Oxyl) (PTAA) was synthesized.

環状ニトロキシル構造含有ポリマーの合成例;還流管を付けた100mlナスフラスコ中に、4−アクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシルモノマー10gを入れ乾燥テトラヒドロフラン中で触媒としてs−ブチルリチウムを用い、−20℃で48時間重合させて、ポリ(4−アクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)5.8gを得た(収率58%、オレンジ色の粉末)。得られた高分子の構造をIRで確認した。また、GPCにより測定した結果、重量平均分子量Mw=4300という値が得られた。ESRスペクトルにより求めたスピン濃度は、2.66×1021spin/gであった。Example of synthesis of cyclic nitroxyl structure-containing polymer: In a 100 ml eggplant flask equipped with a reflux tube, 10 g of 4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl monomer was added and used as a catalyst in dry tetrahydrofuran Polymerization was performed at −20 ° C. for 48 hours using s-butyllithium to obtain 5.8 g of poly (4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) (yield 58). % Orange powder). The structure of the obtained polymer was confirmed by IR. Further, as a result of measurement by GPC, a value of weight average molecular weight Mw = 4300 was obtained. The spin concentration determined by ESR spectrum was 2.66 × 10 21 spin / g.

こうして得られた環状ニトロキシル構造含有ポリマーからなるラジカル化合物と、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、ベンゼンガスを熱分解し、鉄微粒子を噴霧した基盤上に成長させた炭素繊維を2500℃で焼成させて得られた気相成長炭素繊維(黒鉛構造の層間距離d002の平均値は0.337nm、引張弾性率は500GPa)を、4:1:5の重量比に計量し、それらを溶媒であるn−メチルピロリドン中で混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。なお、上記の気相成長炭素繊維の体積抵抗率は800μΩ・cmであり、その平均長さは20μmで平均直径は0.5μmであった。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、実施例4のコイン型二次電池を作製した。The resulting radical compound comprising the cyclic nitroxyl structure-containing polymer, the same polyvinylidene fluoride as in Example 1, and benzene gas were pyrolyzed and carbon fibers grown on a substrate sprayed with iron fine particles were fired at 2500 ° C. It is allowed (the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure 0.337 nm, tensile modulus 500 GPa) obtained vapor-grown carbon fibers, and 4: 1: weigh the weight ratio of 5 them with solvent A slurry was prepared by mixing in some n-methylpyrrolidone. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector. The volume resistivity of the vapor grown carbon fiber was 800 μΩ · cm, the average length was 20 μm, and the average diameter was 0.5 μm. A coin-type secondary battery of Example 4 was produced in the same manner as Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(実施例5)
ラジカル化合物として、化学式A−3(R1〜R4は全てメチル基)で表される環状ニトロキシル構造含有ポリマーであるポリ(4−ビニルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(PTVE)を合成した。
(Example 5)
As a radical compound, poly (4-vinyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-) which is a cyclic nitroxyl structure-containing polymer represented by chemical formula A-3 (R 1 to R 4 are all methyl groups) Oxyl (PTVE) was synthesized.

環状ニトロキシル構造含有ポリマーの合成例;アルゴン雰囲気下、200mL3口丸底フラスコに、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−4−ビニル−1−オキシル(モノマー)10.0g、ジクロロメタン100mLを加え、−78℃に冷却した。さらに、三フッ化ホウ素−ジエチルエーテル錯体280mg(2mmol)を加えて均一にした後、20時間反応させた。反応終了後、得られた固形物をメタノールで数回洗浄し、真空乾燥を行うことで、赤色固体としてポリ(4−ビニルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)(PTVE)を得た(収率70%)。得られた高分子の構造はIRスペクトルで確認した。また、GPCより、DMF可溶部の分子量を測定した結果、重量平均分子量Mw=89000、分散度Mw/Mn=2.7という値が得られた。ESRスペクトルにより求めたスピン密度は、3.05×1021spin/gであった。Synthesis example of cyclic nitroxyl structure-containing polymer: Under argon atmosphere, 10.0 g of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-4-vinyl-1-oxyl (monomer) and 100 mL of dichloromethane were added to a 200 mL 3-neck round bottom flask. , Cooled to -78 ° C. Further, 280 mg (2 mmol) of boron trifluoride-diethyl ether complex was added to make it uniform, and then reacted for 20 hours. After completion of the reaction, the obtained solid was washed several times with methanol and vacuum dried to obtain poly (4-vinyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) ( PTVE) was obtained (yield 70%). The structure of the obtained polymer was confirmed by IR spectrum. Moreover, as a result of measuring the molecular weight of a DMF soluble part from GPC, the value of weight average molecular weight Mw = 89000 and dispersion degree Mw / Mn = 2.7 was obtained. The spin density determined by ESR spectrum was 3.05 × 10 21 spin / g.

こうして得られた環状ニトロキシル構造含有ポリマーからなるラジカル化合物と、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、ベンゼンガスを熱分解し、鉄微粒子を噴霧した基盤上に成長させた炭素繊維を2300℃で焼成させて得られた気相成長炭素繊維(黒鉛構造の層間距離d002の平均値は0.340nm、引張弾性率は200GPa)気相成長炭素繊維とを、4:1:5の重量比に計量し、それらを溶媒であるn−メチルピロリドン中で混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。なお、上記の気相成長炭素繊維の体積抵抗率は2000μΩ・cmであり、その平均長さは20μmで平均直径は0.5μmであった。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、実施例5のコイン型二次電池を作製した。The radical compound comprising the cyclic nitroxyl structure-containing polymer thus obtained, the same polyvinylidene fluoride as in Example 1, benzene gas was pyrolyzed, and the carbon fiber grown on the substrate sprayed with iron fine particles was baked at 2300 ° C. Vapor-grown carbon fiber (average value of interlaminar distance d 002 of graphite structure is 0.340 nm, tensile elastic modulus is 200 GPa) vapor-grown carbon fiber is measured at a weight ratio of 4: 1: 5 Then, they were mixed in n-methylpyrrolidone as a solvent to prepare a slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector. The volume resistivity of the vapor grown carbon fiber was 2000 μΩ · cm, the average length was 20 μm, and the average diameter was 0.5 μm. A coin-type secondary battery of Example 5 was produced in the same manner as Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(実施例6)
実施例5と同様に合成したPTVEと、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、メソフェーズピッチを前駆体とする炭素繊維を黒鉛化したもの(ペトカ社製、黒鉛構造の層間距離d002の平均値は0.337nm、引張弾性率は550GPa、体積抵抗率は400μΩ・cm、平均長さ70μm、平均直径0.6μm)とを4:1:5の重量比に計量し、それらを溶媒であるn−メチルピロリドン中で混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、135μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落は見られなかった。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、実施例6のコイン型二次電池を作製した。
(Example 6)
And PTVE synthesized in the same manner as in Example 5, the same polyvinylidene fluoride as in Example 1, the mesophase pitch obtained by graphitizing carbon fibers and precursor (Petka Co., the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure 0.337 nm, tensile elastic modulus is 550 GPa, volume resistivity is 400 μΩ · cm, average length is 70 μm, average diameter is 0.6 μm), and they are weighed to a weight ratio of 4: 1: 5, and they are solvents n -Mixed in methylpyrrolidone to make slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The active material layer of the positive electrode obtained in this way was 135 μm thick. The active material layer after drying did not crack or fall off from the current collector. A coin-type secondary battery of Example 6 was produced in the same manner as Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(比較例1)
実施例1と同じラジカル化合物と、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、実施例2と同じアセチレンブラックとを、4:1:5の重量比に計量し、それらを溶媒となるn−メチルピロリドンと混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落が見られた。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、比較例1のコイン型二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
The same radical compound as in Example 1, the same polyvinylidene fluoride as in Example 1, and the same acetylene black as in Example 2 were weighed in a weight ratio of 4: 1: 5, and these were used as a solvent, n-methylpyrrolidone To prepare a slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. In the active material layer after drying, cracks and falling off from the current collector were observed. A coin-type secondary battery of Comparative Example 1 was produced in the same manner as Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(比較例2)
実施例1と同じラジカル化合物と、実施例1と同じポリフッ化ビニリデンと、金粉(平均粒径3μm)とを、4:1:5の重量比に計量し、それらを溶媒となるn−メチルピロリドンと混合してスラリーを作製した。このスラリーに40キロヘルツの超音波を30分間照射した後、ドクターブレードを用いて、正極の集電体である厚さ20μmのアルミ箔上に塗布し、125℃で乾燥してn−メチルピロリドンを蒸発させたものを正極とした。これにより得られた正極の活物質層は、150μmの厚さであった。乾燥後の活物質層には、ひび割れや、集電体からの脱落が見られた。正極以外の負極、電解液及びセパレータ等は実施例1と同様にして、比較例2のコイン型二次電池を作製した。
(Comparative Example 2)
The same radical compound as in Example 1, the same polyvinylidene fluoride as in Example 1, and gold powder (average particle size: 3 μm) were weighed in a weight ratio of 4: 1: 5, and these were used as a solvent for n-methylpyrrolidone. To prepare a slurry. This slurry was irradiated with 40 kHz ultrasonic waves for 30 minutes, and then applied onto a 20 μm thick aluminum foil as a positive electrode current collector using a doctor blade and dried at 125 ° C. to obtain n-methylpyrrolidone. The evaporated one was used as the positive electrode. The positive electrode active material layer thus obtained had a thickness of 150 μm. In the active material layer after drying, cracks and falling off from the current collector were observed. A coin-type secondary battery of Comparative Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except for the negative electrode other than the positive electrode, the electrolytic solution, the separator, and the like.

(電池特性評価)
実施例1〜6及び比較例1、2のコイン型二次電池に対して、2Vから4Vの電圧範囲で、定電流での充放電を行った。充放電は20℃に設定した恒温槽内で行った。充電電流は1C電流で行い、放電電流は1C電流と50C電流で行い、それぞれの場合の放電容量を測定した。なお、1C電流とは1時間で放電が終わる電流値のことであり、50C電流とは1C電流の50倍の電流のことである。上記の二次電池の大電流放電時の容量特性を示す量として、1C電流のときの放電容量に対する50C電流のときの放電容量の比率を調べた。
(Battery characteristics evaluation)
The coin-type secondary batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were charged and discharged with a constant current in a voltage range of 2V to 4V. Charging / discharging was performed in a thermostat set to 20 ° C. The charging current was 1C current, the discharging current was 1C current and 50C current, and the discharge capacity in each case was measured. The 1C current is a current value at which discharge is completed in one hour, and the 50C current is a current that is 50 times the 1C current. As a quantity indicating the capacity characteristics at the time of large current discharge of the secondary battery, the ratio of the discharge capacity at 50 C current to the discharge capacity at 1 C current was examined.

また、作製したコイン型二次電池を1C電流で4Vに充電した後、20℃に設定した恒温槽内で1週間保存した後、1C電流で2Vまで放電してその残存容量を測定した。上記の二次電池の容量の保存特性を示す量として、保存前の放電容量に対する一週間後の残存容量の比率を調べた。   Moreover, after charging the produced coin-type secondary battery to 4 V with 1 C current, it was stored for 1 week in a thermostat set at 20 ° C., then discharged to 2 V with 1 C current, and the remaining capacity was measured. As an amount indicating the storage characteristics of the secondary battery, the ratio of the remaining capacity after one week to the discharge capacity before storage was examined.

実施例1〜6及び比較例1、2の二次電池について、それぞれの正極の外観の状態と、以上の特性を調べた結果を表1に示す。   For the secondary batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, the appearance state of each positive electrode and the results of examining the above characteristics are shown in Table 1.

Figure 2006082708
Figure 2006082708

実施例1〜6の正極には、ひび割れ及び脱落が無かったのに対して、比較例1、2の正極には、ひび割れ又は脱落が生じた。実施例1〜6の正極にひび割れや脱落が無かったのは、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の炭素繊維が活物質層に含まれていて、正極の活物質層の機械的強度を向上させているためである。The positive electrodes of Examples 1 to 6 did not crack or drop, whereas the positive electrodes of Comparative Examples 1 and 2 were cracked or dropped. Example The positive electrode cracking and falling off was not a 1-6 carbon fibers within a range the average value is less 0.340nm than 0.335nm interlayer distance d 002 of the graphite structure is contained in the active material layer This is because the mechanical strength of the active material layer of the positive electrode is improved.

1C放電容量に対する50C放電容量の比率については、実施例1〜6の二次電池は、いずれも比較例1の二次電池よりも大きかった。これは、実施例1〜6の二次電池においては、正極の活物質層のひび割れが無く、かつ活物質層の導電性が高く正極の電極抵抗が低いため、大電流時の放電容量が比較例よりも向上していることを示している。   Regarding the ratio of the 50 C discharge capacity to the 1 C discharge capacity, the secondary batteries of Examples 1 to 6 were all larger than the secondary battery of Comparative Example 1. This is because in the secondary batteries of Examples 1 to 6, the active material layer of the positive electrode is not cracked and the active material layer has high conductivity and the electrode resistance of the positive electrode is low. It shows an improvement over the example.

保存前の放電容量に対する一週間保存後の放電容量の比率については、実施例1〜6の二次電池は、いずれも比較例1の二次電池よりも大きかった。これは、実施例1〜6の二次電池においては、活物質層の脱落が無いため、比較例よりも容量の保存特性が向上したことを示している。   Regarding the ratio of the discharge capacity after one week storage to the discharge capacity before storage, the secondary batteries of Examples 1 to 6 were all larger than the secondary battery of Comparative Example 1. This indicates that in the secondary batteries of Examples 1 to 6, since the active material layer did not fall off, the storage characteristics of the capacity were improved as compared with the comparative example.

また、比較例2の二次電池は、1C放電において容量が全く得られず、1C放電容量に対する50Cの割合、保存前の放電容量に対する1週間保存後の放電容量の割合を求めることができなかった。これは、ラジカル化合物と金粒子との界面における電荷移動抵抗が、炭素繊維の場合と比較して著しく大きいため、充放電反応が進行しなかったためと考えられる。従って、同じ導電体であっても、炭素繊維の代わりに金を含む活物質層を用いた場合には、電極抵抗の低い正極は得られない。
In addition, the secondary battery of Comparative Example 2 has no capacity at 1C discharge, and the ratio of 50C to the 1C discharge capacity and the ratio of the discharge capacity after storage for one week to the discharge capacity before storage cannot be obtained. It was. This is thought to be because the charge / discharge reaction did not proceed because the charge transfer resistance at the interface between the radical compound and the gold particles was significantly greater than that of carbon fiber. Therefore, even if the same conductor is used, a positive electrode with low electrode resistance cannot be obtained when an active material layer containing gold is used instead of carbon fiber.

Claims (11)

ラジカル化合物と、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有することを特徴とする二次電池用正極。A radical compound, a positive electrode for a secondary battery, wherein the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure has an active material layer containing at least a carbon fiber in the range of 0.340nm than 0.335 nm. 前記炭素繊維の引張弾性率が、200GPa以上800GPa以下の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用正極。   2. The positive electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein a tensile elastic modulus of the carbon fiber is in a range of 200 GPa to 800 GPa. 前記炭素繊維の体積抵抗率が、200μΩ・cm以上2000μΩ・cm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1又は2に記載の二次電池用正極。   3. The positive electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the volume resistivity of the carbon fiber is in a range of 200 μΩ · cm to 2000 μΩ · cm. 前記炭素繊維が、気相成長炭素繊維であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用正極。   The positive electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fiber is a vapor-grown carbon fiber. 前記炭素繊維がメソフェーズピッチを前駆体とする炭素繊維を黒鉛化したものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用正極。   The positive electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fiber is graphitized carbon fiber having a mesophase pitch as a precursor. 活物質層中の前記炭素繊維の含有割合が、10重量%以上50重量%以下の範囲内であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の二次電池用正極。   6. The positive electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein a content ratio of the carbon fiber in the active material layer is in a range of 10 wt% or more and 50 wt% or less. 前記ラジカル化合物が、高分子ニトロキシルラジカル化合物、高分子オキシラジカル化合物及び高分子ヒドラジルラジカル化合物のうちの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の二次電池用正極。   The said radical compound contains at least 1 type of a polymeric nitroxyl radical compound, a polymeric oxy radical compound, and a polymeric hydrazyl radical compound, The 2 of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. Positive electrode for secondary battery. 前記高分子ニトロキシルラジカル化合物が、ポリ(4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)、ポリ(4−アクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)、又はポリ(4−ビニルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)であることを特徴とする請求項7に記載の二次電池用正極。   The polymer nitroxyl radical compound is poly (4-methacryloyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl), poly (4-acryloyloxy-2,2,6,6-tetramethyl). The positive electrode for a secondary battery according to claim 7, which is piperidine-1-oxyl) or poly (4-vinyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl). ラジカル化合物と炭素繊維とを少なくとも含む活物質層を有する二次電池用正極の製造方法であって、前記ラジカル化合物を含む溶媒中で、黒鉛構造の層間距離d002の平均値が0.335nm以上0.340nm以下の範囲内の前記炭素繊維を分散させる工程を有することを特徴とする二次電池用正極の製造方法。A carbon fiber radical compound is a positive electrode manufacturing method for a secondary battery having at least comprising an active material layer, in a solvent containing the radical compound, the average value of the interlayer distance d 002 of the graphite structure is more 0.335nm The manufacturing method of the positive electrode for secondary batteries characterized by having the process of disperse | distributing the said carbon fiber within the range of 0.340 nm or less. 活物質層中の前記炭素繊維の含有割合が、10重量%以上50重量%以下の範囲内となるように分散させることを特徴とする請求項9に記載の二次電池用正極の製造方法。   The method for producing a positive electrode for a secondary battery according to claim 9, wherein the content ratio of the carbon fiber in the active material layer is dispersed so as to fall within a range of 10 wt% or more and 50 wt% or less. 少なくとも正極、負極及び電解液から構成される二次電池において、前記正極が、請求項1〜8のいずれか1項に記載の二次電池用正極であることを特徴とする二次電池。
A secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution, wherein the positive electrode is a positive electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 8.
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