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JP3840087B2 - Lithium secondary battery and negative electrode material - Google Patents

Lithium secondary battery and negative electrode material Download PDF

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JP3840087B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池に関し、特に負極の構成を改良したリチウム二次電池と負極材料に係わる。
【0002】
【従来の技術】
近年、負極活物質としてリチウムを用いた非水電解質電池は高エネルギー密度電池として注目されており、正極活物質に二酸化マンガン(MnO2 )、フッ化炭素[(CF2 n ]、塩化チオニル(SOCl2 )等を用いた一次電池は、既に電卓、時計の電源やメモリのバックアップ電池として多用されている。
【0003】
さらに、近年、VTR、通信機器などの各種の電子機器の小型、軽量化に伴いそれらの電源として高エネルギー密度の二次電池の要求が高まり、リチウムを負極活物質とするリチウム二次電池の研究が活発に行われている。
【0004】
リチウム二次電池は、負極にリチウムを用い、電解液として炭酸プロピレン (PC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、テトラヒドロフラン(THF)等の非水溶媒中にLiClO4 、LiBF4 、LiAsF6 等のリチウム塩を溶解した非水電解液やリチウムイオン伝導性固体電解質を用い、また正極活物質としては主にTiS2 、MoS2 、V2 5 、V6 13、MnO2 等のリチウムとの間でトポケミカル反応する化合物を用いることが研究されている。
【0005】
しかしながら、上述したリチウム二次電池は現在まだ実用化されていない。この主な理由は、充放電効率が低く、しかも充放電が可能な回数(サイクル寿命)が短いためである。この原因は、負極のリチウムと非水電解液との反応によるリチウムの劣化によるところが大きいと考えられている。すなわち、放電時にリチウムイオンとして非水電解液中に溶解したリチウムは、充電時に析出する際に溶媒と反応し、その表面が一部不活性化される。このため、充放電を繰り返していくとデンドライド状(樹枝状)や小球状にリチウムが析出し、さらにはリチウムが集電体より脱離するなどの現象が生じる。
【0006】
このようなことから、リチウム二次電池に組み込まれる負極としてリチウムを吸蔵・放出する炭素質物、例えばコークス、樹脂焼成体、炭素繊維、熱分解気相炭素などを用いることによって、リチウムと非水電解液との反応、さらにはデンドライド析出による負極特性の劣化を改善することが提案されている。
【0007】
前記炭素質物を含む負極は、炭素質物の中でも主に炭素原子からなる六角網面層が積み重なった構造(黒鉛構造)の部分において、前記の層と層の間の部分にリチウムイオンが出入りすることにより充放電を行うと考えられている。このため、リチウム二次電池の負極にはある程度黒鉛構造の発達した炭素質物を用いる必要がある。しかしながら、黒鉛化の進んだ巨大結晶を粉末化した炭素質物を非水電解液中で負極として用いると、非水電解液が分解し、結果して電池の容量および充放電効率が低くなる。特に、高電流密度で電池を作動させると、容量、充放電効率、放電時の電圧の低下が著しくなる。また、充放電サイクルが進むに従い炭素質物の結晶構造あるいは微細構造が崩れ、リチウムの吸蔵放出能が劣化し、サイクル寿命が低下するという問題点があった。
【0008】
また、黒鉛化物においてその粉末は薄片状であるため、リチウムイオンの挿入する黒鉛結晶子のc軸方向の面が電解液に露出する面積がより小さくなるため、ハイレートの充放電サイクルにおいては急激に容量が低下する問題がある。このため、カーボンブラック等を添加して改善がなされているが、負極充填密度が低下する問題が生じる。その結果、従来の黒鉛化物では高容量のリチウム二次電池を実現できなかった。
【0009】
さらに、黒鉛化の進んだ炭素繊維においても、粉末にすると非水電解液が分解し、巨大結晶の粉末を用いた場合と同様に、負極としての性能が大幅に低下するなどの問題点を有していた。
【0010】
一方、黒鉛化度の低いコークスや炭素繊維等の炭素化物では、溶媒の分解はある程度抑えられるものの、容量および充放電効率が低く、しかも充放電の過電圧が大きいこと、電池の放電電圧の平坦性が低いこと、さらにサイクル寿命が低いことなどの問題点を有している。
【0011】
従来、特開昭62−268058号、特開平2−82466号、特開平4−61747号、特開平4−115458号、特開平4−184862号、特開平4−190557号等に開示されているように種々の炭素化物や黒鉛化物の黒鉛化度を制御し、最適な黒鉛構造のパラメータについて提案されてきたが、十分な特性を有する負極は得られていない。また、特開平4−79170号、特開平4−82172号には負極として用いる炭素繊維について開示されているが、それを粉末化した炭素質物を用いた負極の性能は問題を有している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高容量で充放電効率、サイクル寿命、放電電圧の平坦性、急速充放電サイクルなど電池特性が優れたリチウム二次電池及び負極材料を提供しようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるリチウム二次電池は、正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物を含む負極と、非水電解液とを具備したリチウム二次電池において、
前記炭素質物は、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d002 が0.335〜0.33nmの範囲にあり、X線回折法による六方晶系の(101)回折ピークに対するX線回折法による菱面体晶系の(101)回折ピークの比率が0.6以下で、かつX線回折法による六方晶系の(101)回折ピークP 101 と(100)回折ピークP 100 のピーク強度比(P 101 /P 100 )が2.2を越えることを特徴とするものである。
【0014】
本発明に係わる負極材料は、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d002 が0.335〜0.33nmの範囲にあり、X線回折法による六方晶系の(101)回折ピークに対するX線回折法による菱面体晶系の(101)回折ピークの比率が0.6以下で、かつX線回折法による六方晶系の(101)回折ピークP 101 と(100)回折ピークP 100 のピーク強度比(P 101 /P 100 )が2.2を越える炭素質物を含有することを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるリチウム二次電池(例えば円筒形リチウム二次電池)を図1を参照して詳細に説明する。
【0016】
有底円筒状の容器1は、底部に絶縁体2が配置されている。電極群3は、前記容器 1内に収納されている。前記電極群3は、正極4、セパレ―タ5及び負極6をこの順序で積層した帯状物を前記負極6が外側に位置するように渦巻き状に巻回した構造になっている。
【0017】
前記容器1内には、電解液が収容されている。中央部が開口された絶縁紙7は、前記容器1内の前記電極群3の上方に載置されている。絶縁封口板8は、前記容器1の上部開口部に配置され、かつ前記上部開口部付近を内側にかしめ加工することにより前記封口板8は前記容器1に液密に固定されている。正極端子9は、前記絶縁封口板8の中央には嵌合されている。正極リ―ド10の一端は、前記正極4に、他端は前記正極端子9にそれぞれ接続されている。前記負極6は、図示しない負極リ―ドを介して負極端子である前記容器1に接続されている。
【0018】
前記容器1は、例えばステンレスから作られている。
【0019】
前記正極4は、正極活物質に導電剤および結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより作製される。
【0020】
前記正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有コバルト化合物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。中でも、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2 )、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2 )、リチウムマンガン酸化物(LiMn2 4 、LiMnO2 )を用いると、高電圧が得られるために好ましい。
【0021】
前記導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。
【0022】
前記結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDE)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0023】
前記正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
【0024】
前記集電体としては、例えばアルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を用いることができる。
【0025】
前記セパレータ5としては、例えば合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム等を用いることができる。
【0026】
前記負極6は、下記(1)〜(4)に説明する炭素質物を含む。ただし、炭素質物を決定するためのLa、d002 、Lcおよび強度比(P101 /P100 )の測定、定義は、次の通りである。
【0027】
(a)X線回折法による測定のデータは全てCuKαをX線源、標準物質に高純度シリコンを使用した。La、d002 、Lcは各回折ピークの位置、及び半値幅から求めた。算出方法としては、半値幅中点法を用いた。
【0028】
(b)a軸方向の結晶子の長さLaおよびc軸方向の結晶子の長さLcは、シェラーの式の形状因子であるKが0.89とした時の値である。
【0029】
(c)X線回折法による(101)回折ピークP101 と(100)回折ピークP100 の強度比(P101 /P100 )とは、それらピークの高さ比から求めたものである。
【0030】
(1)炭素質物
この炭素質物は、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d002 が0.335〜0.336nmの範囲にあり、(101)回折ピークP101 と(100)回折ピークP100 のピーク強度比(P101 /P100 )が2.2を越え、a軸方向の結晶子の長さLaとc軸方向の結晶子の長さLcの比(La/Lc)が1.5未満の粉末である。
【0031】
前記炭素質物は、X線回折法により得られる(002)面の平均面間隔d002 が0.335〜0.336nmである。このような炭素質物は、リチウムイオンを挿入できるサイトが多くなり、容量は増大する。ただし、前記範囲を逸脱する平均面間隔を有する炭素質物では、容量が低下し、電池の放電時の電圧の平坦性が低くなる。
【0032】
前記強度比(P101 /P100 )が2.2を越える炭素質物は、黒鉛構造が非常に発達している。このような黒鉛構造は、積み重なった六角網面層間のずれ、ねじれ、角度が少ないものである。これは従来の天然黒鉛の特徴を有しているため、ハイレートの充放電条件では容量の低下を起す。このため、前記X線回折法によるa軸方向の結晶子の長さLaとC軸方向の結晶子の長さLcの比(La/Lc)を1.5未満とすることにより、前記ハイレートの充放電条件での容量の低下を回避した黒鉛化物を得ることができた。すなわち、従来の黒鉛より前記Laを短く、前記Lcを長くすることにより、リチウムイオンの挿入・脱離反応を円滑に行うことができ、前記層構造の問題点を克服することが可能となり、ハイレートの充放電条件で高容量を得ることができる。
【0033】
前記炭素質物は、X軸回折により得られる(110)面の回折ピークによる黒鉛構造のa軸方向の結晶子の長さLaが20〜100nm、より好ましくは40〜80nmであることが望ましい。また、前記炭素質物の黒鉛構造におけるa軸面の形状は長方形であることが好ましい。
【0034】
前記Laが前記範囲内にある炭素質物は、黒鉛構造が適度に発達しており、かつ結晶子のa軸方向の長さが適度であるため、リチウムイオンが六角網面層の層間に拡散し易くなり、また、リチウムイオンの出入りするサイトが多くなり、リチウムイオンがより多く吸蔵・放出できる性質を示す。
【0035】
前記Laが100nmを越えた炭素質物は、巨大結晶となり、リチウムイオンが六角網面層の層間へ拡散し難くなり、リチウムイオンの吸蔵・放出量が確保し難くなる。また、その表面は、非水溶媒に対して活性であり、該溶媒が還元分解しやすくなる。一方、前記Laが20nm未満の炭素質物は黒鉛構造が未発達の炭素質物が炭素質物中に多く混在するため、リチウムイオンの六角網面層の層間への可逆的な吸蔵・放出が少ないものになる恐れがある。
【0036】
前記炭素質物は、X線回折法により得られるc軸方向の結晶子の大きさLcが15nm以上、より好ましくは20〜100nmであることが望ましい。このような範囲のLcを有する炭素質物は、黒鉛構造が適度に発達し、リチウムイオンが多く可逆的に吸蔵・放出される性質を示す。
【0037】
前記炭素質物を構成する黒鉛構造と乱層構造の比率の尺度としては、アルゴンレーザ(波長514.5nm)を光源として測定された炭素質物のラマンスペクトルがある。前記炭素質物について測定されるラマンスペクトルには、1360cm-1付近に現れる乱層構造に由来するピークと、1580cm-1付近に現れる黒鉛構造に由来するピークが存在する。そのピーク強度比、すなわち前記アルゴンレーザラマンスペクトル(波長514.5nm)における1580cm-1のピーク強度(R2)に対する1360cm-1のピーク強度(R1)の比(R1/R2)の値が、0.2以下の炭素質物を用いることが好ましい。
【0038】
前記炭素質物は、黒鉛化度を示す尺度である真密度が2.20g/cm3 以上であることが好ましい。
【0039】
前記炭素質物は、粒度分布が1〜100μmの範囲に90体積%以上が存在し、かつ平均粒径が1〜80μmであることが好ましい。また、N2 ガス吸着のBET法による比表面積が0.1〜40m2 /gであることが好ましい。このような粒度分布および比表面積を有する炭素質物は、負極の充填密度を向上できると同時に、非水溶媒に対し活性である黒鉛結晶構造の崩れた炭素質物または無定型炭素の含有を減少させ、非水溶媒の還元分解を抑えることができる。さらに、粒径が0.5μm以下の微粒子を粒度分布において5体積%以下含む炭素質物は黒鉛結晶構造の崩れた炭素質物あるいは無定型炭素をさらに減少させ、非水溶媒の還元分解を効果的に抑制することが可能になる。逆に、前記粒度分布およびN2 ガス吸着のBET法による比表面積が大きくなり過ぎると、無定型炭素質物の含有および黒鉛結晶構造の崩れた炭素質物の含有が多くなって溶媒の還元分解が起こり易くなり、その上負極の充填密度が低下する。
【0040】
炭素質物は、硫黄の含有量が1000ppm以下(0ppmを含む)であることが好ましい。このような硫黄の含有量の少ない炭素質物は、リチウムイオンの吸蔵・放出量を増加されると共に非水溶媒の還元分解が低減される。
【0041】
黒鉛構造がある程度発達した炭素質物においては、硫黄の含有量を1000ppm以下(0ppmを含む)の低い値にすると、黒鉛構造の欠陥が少なく、結果として黒鉛構造の崩れが生じにくく、その上リチウムイオンの吸蔵・放出量が増加するものと考えられる。このため、リチウム二次電池の容量、充放電効率、及びサイクル寿命を向上することができる。また、非水溶媒及びリチウムイオンと硫黄または硫黄化合物との反応による非水溶媒の分解および電極反応の阻害が低減されると考えられ、充放電効率、及びサイクル寿命を向上することができる。つまり、炭素質物中の硫黄とリチウムイオンが反応した場合、LiS−等の安定な基や、LiS等の化合物を作る。そのリチウムは可逆的な吸蔵・放出反応に寄与しなくなると考えられる。また、生じた化合物が六角網面層間の障害物となり、リチウムイオンの、スムーズな挿入を妨げると考えられる。これらの要因は、充放電効率及びサイクル寿命を低下させる。
【0042】
前記炭素質物中のその他の不純物として酸素、窒素、ケイ素、またはFe、Niなどの金属元素は、可能な限り少ないことが好ましい。具体的には、酸素の含有量は500ppm以下、窒素の含有量は、1000ppm以下、Fe、Niなどの金属元素はそれぞれ50ppm以下であることが好ましい。これらの不純物元素が前記範囲を越えると、炭素層間にあるリチウムイオンが不純物元素と反応して消費される恐れがある。ただし、アルミニウム、ホウ素、リン、カルシウム、スズなどが含有されることを許容する。
【0043】
前記炭素質物の製造方法の一例を次に説明する。
【0044】
まず、メソフェーズピッチを原料として溶融ブロー法により繊維長が200〜300μmの短繊維を紡糸した後、不融化して粉砕化できる程度に炭素化する。この炭素化の熱処理は、600〜2000℃、好ましくは800〜1500℃で行うことが望ましい。前記炭素化したメソフェーズピッチ系炭素繊維のX線回折法による(002)面の面間隔d002 は、0.344nm以上、より好ましくは0.357nm以上であることが望ましい。このような炭素繊維は、繊維長を短くするのに適した微細構造を有するため、粉砕に適している。これに対し、前記面間隔d002 が0.344nm未満の炭素繊維は粉砕されると、縦割れが生じて繊維長を短くすることが困難になる。つづいて、前記炭素化、粉砕処理を施した炭素繊維を2000℃以上、より好ましくは2500〜3200℃で黒鉛化することにより前述した炭素質物を製造する。この際、前記粉砕、焼成工程が極めて重要であり、粉砕時にボールミルやジェトミルなどを用いて適度な時間(20時間以内)粉砕することにより球状、粒状、ブロック状、円柱状としたものを黒鉛化することが好ましい。また、黒鉛化物の結晶構造に菱面体晶系を有する結晶が30%以上にならないようにする必要がある。これは、粉砕により六方晶系の黒鉛構造がくずれ、菱面体構造が形成されるためであるが、適度に粉砕することにより、0〜30体積%にすることが好ましい。この範囲を越えると電解液の分解が起るため負極性能が低下する。
【0045】
前記方法で製造される炭素質物の前記LaとLcの比および結晶構造は、粉砕条件(粉砕時間、雰囲気、粉砕力)を規定することによりコントロールすることができる。
【0046】
前記方法で炭素質物を製造する際には、得られる炭素質物の粒度分布、比表面積が前述した値になるようにすることが望ましい。
【0047】
前記炭素質物は、前述した方法により得られるものの他、例えば低硫黄の石油ピッチ、コールタールなどを原料として得られたコークスまたはバルクメソフェーズを2500〜3200℃で黒鉛化することにより得ることができる。
【0048】
なお、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d 002 が0.335〜0.336nmの範囲にあり、かつX線回折法による六方晶系の(101)回折ピークP 101 と(100)回折ピークP 100 のピーク強度比(P 101 /P 100 )が2.2を越える炭素質物は前記菱面体晶系と六方晶系の比率をX線回折法による(101)回折ピークの比が0.6以下で規定できる。このような比率の菱面体構造が存在する炭素質物は、負極充放電効率を高くすることが可能である。
【0049】
(2)炭素質物
この炭素質物は、X線回折において、黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.340nm以下に由来する回折ピークと前記面間隔d002が0.344〜0.370nmの範囲に由来する回折ピークとが現れる粉末である。
【0050】
前記炭素質物は、(002)面の面間隔d002が0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す巨大な黒鉛結晶(a軸方向の厚さLaが20nm以上)有する黒鉛化物と(002)面の面間隔d002が0.344〜0.370nmの範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛結晶の小さい(Lcが6nm以下)炭素化物からなっているため、急速充電においてもサイクル劣化が少なく高容量を維持することが可能となる。後者の(002)回折ピークが0.356〜0.370nmの範囲に由来する炭素化物がより好ましい。
【0051】
従来では、(002)面の面間隔d002が0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す前記黒鉛化物からなる負極では急速充電においてサイクル劣化が大きく容量も小さくなる。また(002)面の面間隔d002が0.344〜0.370nmの範囲に由来する回折ピークを示す前記炭素質物は、真密度が1.70〜2.15/cm3 であるため前記黒鉛化物に比べ小さく、負極の単位体積当たりの容量(mAh/cm3 )は小さくなる問題点を有している。
【0052】
このような問題点を改善するため、本発明の負極を構成する炭素質物は、前記特徴を有する黒鉛化物と炭素化物の両方を兼ね備えることにより、急速充電特性と容量が大幅に向上することが可能となった。これは、定電流での急速充電(2mA/cm2 以上)時には主に、(002)面の面間隔d002が0.344〜0.370nmの範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛結晶にリチウムイオンが選択的に挿入される。この時のリチウムイオンの拡散速度は(002)面の面間隔d002が0.340nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物に比べ非常に速いため急速充電が可能である。さらに急速充電が進行すると充電終了電圧に達し、その電圧で定電圧充電に切り替わる時は、主に、(002)面の面間隔d002が0.340nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛結晶にリチウムイオンが選択的に緩やかな速度で挿入するようになる。このようなリチウムイオンの選択的な挿入反応により、急速充電が可能となり、かつ高容量を維持することができる。
【0053】
前記炭素質物としては、例えばX線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.340nm以下に由来する回折ピークと0.344〜0.370nmの範囲に由来する回折ピークとが現れる多相黒鉛化物、または(002)面の面間隔d002が0.340nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物と(002)面の面間隔d002が0.344nm〜0.370nmの範囲に由来する回折ピークを示す炭素化物の混合体を挙げることができる。
【0054】
前記多相黒鉛化物としては、例えばポリ塩化ビニリデン、フェノール樹脂、フルフラール樹脂、木炭、無煙炭、砂糖、ピッチなどを常圧または高圧下、1500〜3000℃の温度で不均一な黒鉛化を行って多相黒鉛化することにより得られる。このように黒鉛化を不均一に行うことにより、(002)面の面間隔d002が0.340nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化の進んだ相と(002)面の面間隔d002が0.344nm〜0.370nmに由来する回折ピークを示す黒鉛化の低い相を共存したものを得ることができる。
【0055】
前記混合体の一方の成分である黒鉛化物としては、例えば黒鉛、異方性ピッチ系炭素繊維、球状カーボン、熱分解気相成長炭素体、コークスなどの粉末が挙げられる。前記黒鉛化物は、比表面積が0.5〜10m2 /gの範囲にある黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末、メソフェーズ小球体がより好ましい。
【0056】
前記混合体の他方の成分である炭素化物としては、例えば低硫黄含有(2000ppm以下)、低窒素含有(1000pmm以下)のコークス、高純度異方性ピッチ系炭素繊維、球状カーボン、熱分解気相成長炭素体、樹脂焼成体などの粉末が挙げられる。前記炭素化物は、比表面積が2〜30m2 /gの範囲にある合成ピッチ(ナフタレンなど)を原料とする炭素繊維の粉末、高純度メソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末、メソフェーズ小球体、低硫黄含有のコークスがより好ましい。いずれの前記炭素化物も、600〜1200℃の範囲の焼成温度であるため、炭素化物中の硫黄や遷移金属(鉄、ニッケル)などの不純物を低くすることが重要である。このため原料である石油ピッチ、メソフェーズピッチ、コールタール中の前記不純物の少ないものを選択する必要がある。
【0057】
(3)炭素質物
この炭素質物は、ブロック状、繊維状または球状の形状を主体とする黒鉛化物で、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d002 が0.335〜0.337nmの範囲にあり、(101)回折ピークP101 と(100)回折ピークP100 のピーク強度比(P101 /P100 )が2.2を越える性状を有する。
【0058】
前記炭素質物は、X線回折法により得られる(002)面の平均面間隔d002 が0.335〜0.337nmである。このような炭素質物は、リチウムイオンを挿入できるサイトが多くなり、容量は増大する。ただし、前記範囲を逸脱する平均面間隔を有する炭素質物では、容量が低下し、電池の放電時の電圧の平坦性が低くなる。
【0059】
前記強度比(P101 /P100 )が2.2を越える炭素質物は、黒鉛構造が非常に発達している。このような黒鉛構造は、積み重なった六角網面層間のずれ、ねじれ、角度が少ないものである。これは従来の天然黒鉛の特徴を有しているため、ハイレートの充放電条件では容量の低下を起す恐れがある。このため、前記X線回折法によるa軸方向の結晶子の長さLaとC軸方向の結晶子の長さLcの比(La/Lc)を1.5未満とすることが好ましい。このようにLa/Lcを規定することにより、前記ハイレートの充放電条件での容量の低下を回避した黒鉛化物を得ることができる。すなわち、従来の黒鉛より前記Laを短く、前記Lcを長くすることにより、リチウムイオンの挿入・脱離反応を円滑に行うことができ、前記層構造の問題点を克服することが可能となり、ハイレートの充放電条件で高容量を得ることができる。
【0060】
前記炭素質物は、その形状がブロック状、繊維状または球状を有する。ここで、ブロック状とは薄片状以外の粒状で、長径と短径の比(長径/短径)が5以下、より好ましくは2以下であることを意味する。前記繊維状とは、繊維長と繊維径の比(繊維長/繊維径)が0.5〜10の範囲で、繊維長さ方向に対して垂直な断面において結晶子の配向性が放射状、ラメラ状またはブルックステーラ型であることが好ましい。前記球状とは、長径と短径の比(長径/短径)が1〜2の範囲の球体で、結晶子の配向性がその断面において放射状、ラメラ状またはブルックステーラ型であることが好ましい。このようなブロック状、繊維状または球状を有する炭素質物は、前記c軸方向の露出面積を大きくすることができるため、ハイレートの充放電条件で高容量の二次電池を得ることが可能になる。特に、結晶子の配向が放射状、ラメラ状またはブルックステーラ型である繊維状または球状を有する炭素質物は、前記c軸方向の露出面積を一層大きくすることができ、リチウムイオンの挿入脱離反応を円滑に行うことが可能になる。
【0061】
前記炭素質物は、X線回折法により得られる(110)面の回折ピークによる黒鉛構造のa軸方向の結晶子の長さLaが20〜100nm、より好ましくは40〜80nmであることが望ましい。また、前記炭素質物の黒鉛構造におけるa軸面の形状は長方形であることが好ましい。
【0062】
前記Laが前記範囲内にある炭素質物は、黒鉛構造が適度に発達しており、かつ結晶子のa軸方向の長さが適度であるため、リチウムイオンが六角網面層の層間に拡散し易くなり、また、リチウムイオンの出入りするサイトが多くなり、リチウムイオンがより多く吸蔵・放出できる性質を示す。
【0063】
前記Laが100nmを越えた炭素質物は、巨大結晶となり、リチウムイオンが六角網面層の層間へ拡散し難くなり、リチウムイオンの吸蔵・放出量が確保し難くなる。また、その表面は、非水溶媒に対して活性であり、該溶媒が還元分解しやすくなる。一方、前記Laが20nm未満の炭素質物は黒鉛構造が未発達の炭素質物が炭素質物中に多く混在するため、リチウムイオンの六角網面層の層間への可逆的な吸蔵・放出が少ないものになる恐れがある。
【0064】
前記炭素質物は、X線回折法により得られるc軸方向の結晶子の大きさLcが15nm以上、より好ましくは25〜200nmであることが望ましい。このような範囲のLcを有する炭素質物は、黒鉛構造が適度に発達し、リチウムイオンが多く可逆的に吸蔵・放出される性質を示す。
【0065】
前記炭素質物を構成する黒鉛構造と乱層構造の比率の尺度としては、アルゴンレーザ(波長514.5nm)を光源として測定された炭素質物のラマンスペクトルがある。前記炭素質物について測定されるラマンスペクトルには、1360cm-1付近に現れる乱層構造に由来するピークと、1580cm-1付近に現れる黒鉛構造に由来するピークが存在する。そのピーク強度比、すなわち前記アルゴンレーザラマンスペクトル(波長514.5nm)における1580cm-1のピーク強度(R2)に対する1360cm-1のピーク強度(R1)の比(R1/R2)の値が、0.2以下の炭素質物を用いることが好ましい。
【0066】
前記炭素質物は、黒鉛化度を示す尺度である真密度が2.20g/cm3 以上であることが好ましい。
【0067】
前記炭素質物は、粒度分布が1〜100μmの範囲に90体積%以上が存在し、かつ平均粒径が1〜80μmであることが好ましい。また、N2 ガス吸着のBET法による比表面積が0.1〜10m2 /gであることが好ましい。このような粒度分布および比表面積を有する炭素質物は、負極の充填密度を向上できると同時に、非水溶媒に対し活性である黒鉛結晶構造の崩れた炭素質物または無定型炭素の含有を減少させ、非水溶媒の還元分解を抑えることができる。さらに、粒径が0.5μm以下の微粒子を粒度分布において5体積%以下含む炭素質物は黒鉛結晶構造の崩れた炭素質物あるいは無定型炭素をさらに減少させ、非水溶媒の還元分解を効果的に抑制することが可能になる。逆に、前記粒度分布およびN2 ガス吸着のBET法による比表面積が大きくなり過ぎると、無定型炭素質物の含有および黒鉛結晶構造の崩れた炭素質物の含有が多くなって溶媒の還元分解が起こり易くなり、その上負極の充填密度が低下する。
【0068】
炭素質物は、硫黄の含有量が1000ppm以下(0ppmを含む)であることが好ましい。このような硫黄の含有量の少ない炭素質物は、リチウムイオンの吸蔵・放出量を増加されると共に非水溶媒の還元分解が低減される。
【0069】
黒鉛構造がある程度発達した炭素質物においては、硫黄の含有量を1000ppm以下(0ppmを含む)の低い値にすると、黒鉛構造の欠陥が少なく、結果として黒鉛構造の崩れが生じにくく、その上リチウムイオンの吸蔵・放出量が増加するものと考えられる。このため、リチウム二次電池の容量、充放電効率、及びサイクル寿命を向上することができる。また、非水溶媒及びリチウムイオンと硫黄または硫黄化合物との反応による非水溶媒の分解および電極反応の阻害が低減されると考えられ、充放電効率、及びサイクル寿命を向上することができる。つまり、炭素質物中の硫黄とリチウムイオンが反応した場合、LiS−等の安定な基や、LiS等の化合物を作る。そのリチウムは可逆的な吸蔵・放出反応に寄与しなくなると考えられる。また、生じた化合物が六角網面層間の障害物となり、リチウムイオンの、スムーズな挿入を妨げると考えられる。これらの要因は、充放電効率及びサイクル寿命を低下させる。
【0070】
前記炭素質物中のその他の不純物として酸素、窒素、ケイ素、またはFe、Niなどの金属元素は、可能な限り少ないことが好ましい。具体的には、酸素の含有量は500ppm以下、窒素の含有量は、1000ppm以下、Fe、Niなどの金属元素はそれぞれ50ppm以下であることが好ましい。これらの不純物元素が前記範囲を越えると、炭素層間にあるリチウムイオンが不純物元素と反応して消費される恐れがある。ただし、アルミニウム、ホウ素、リン、カルシウム、スズなどが含有されることを許容する。
【0071】
前記炭素質物の製造方法の一例を次に説明する。
【0072】
まず、メソフェーズピッチを原料として溶融ブロー法により繊維長が200〜300μmの短繊維を紡糸した後、不融化して粉砕化できる程度に炭素化する。この時の不融化の条件は、後述する黒鉛化に大きく影響し、緩慢に不融化することが望ましい。前記炭素化の熱処理は、600〜2000℃、好ましくは800〜1500℃で行うことが望ましい。前記炭素化したメソフェーズピッチ系炭素繊維のX線回折法による(002)面の面間隔d002 は、0.344nm以上、より好ましくは0.357nm以上であることが望ましい。このような炭素繊維は、繊維長を短くするのに適した微細構造を有するため、粉砕に適している。これに対し、前記面間隔d002 が0.344nm未満の炭素繊維は粉砕されると、縦割れが生じて繊維長を短くすることが困難になる。つづいて、前記炭素化、粉砕処理を施した炭素繊維を2000℃以上、より好ましくは2500〜3200℃で黒鉛化することにより前述した炭素質物を製造する。この際、前記粉砕、焼成工程が極めて重要であり、粉砕時にボールミルやジェトミルなどを用いて適度な時間(20時間以内)粉砕することにより球状、ブロック状、繊維状としたものを黒鉛化することが必要である。さらに球状、ブロック状および繊維状の少なくとも2種の黒鉛化物を含む混合物でもよい。また、黒鉛化物の結晶構造に菱面体晶系を有する結晶が30%以上にならないようにする必要がある。これは、粉砕により六方晶系の黒鉛構造がくずれ、菱面体構造が形成されるためであるが、適度に粉砕することにより、0〜30体積%にすることが好ましい。この範囲を越えると電解液の分解が起るため負極性能が低下する。
【0073】
前記方法で製造される炭素質物の前記LaとLcの比および結晶構造は、粉砕条件(粉砕時間、雰囲気、粉砕力)を規定することによりコントロールすることができる。
【0074】
前記方法で炭素質物を製造する際には、得られる炭素質物の粒度分布、比表面積が前述した値になるようにすることが望ましい。
【0075】
前記炭素質物は、前述した方法により得られるものの他、例えば低硫黄の石油ピッチ、コールタールなどを原料として得られたコークス、メソフェーズ小球体またはバルクメソフェーズを2500〜3200℃で黒鉛化することにより得ることができる。
【0076】
なお、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d 002 が0.335〜0.336nmの範囲にあり、かつX線回折法による六方晶系の(101)回折ピークP 101 と(100)回折ピークP 100 のピーク強度比(P 101 /P 100 )が2.2を越える炭素質物は前記菱面体晶系と六方晶系の比率をX線回折法による(101)回折ピークの比が0.6以下で規定できる。このような比率の菱面体構造が存在する炭素質物は、負極充放電効率を高くすることが可能である。
【0077】
(4)炭素質物
この炭素質物は、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物と、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛化物とからなる。
【0078】
前記炭素質物は、(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す巨大な黒鉛結晶(a軸方向の厚さLaが40nm以上)有する黒鉛化物と(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛結晶の比較的小さい(Laが40nm以下)の黒鉛化物とからなっているため、急速充電においてもサイクル劣化が少なく高容量を維持することが可能となる。後者の黒鉛化物は、(002)回折ピークが0.3370〜0.3380nmの範囲に由来することが好ましい。
【0079】
(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す前記黒鉛化物からなる負極では、急速充電においてサイクル劣化が大きく容量も小さくなる。また(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nmの範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛化物からなる負極は容量が200〜280mAh/cm3 と前記黒鉛化物に比べて容量が小さい問題点を有している。
【0080】
このような問題点を改善するため、本発明の負極を構成する炭素質物は、前記特徴を有する2種の黒鉛化物を兼ね備えることにより、急速充電特性と容量が大幅に向上することが可能となった。これは、定電流での急速充電(2mA/cm2 以上)時には主に、(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛結晶にリチウムイオンが選択的に挿入される。この時のリチウムイオンの拡散速度は(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物に比べ非常に速いため急速充電が可能である。さらに急速充電が進行すると充電終了電圧に達し、その電圧で定電圧充電に切り替わる時は、主に、(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛結晶にリチウムイオンが選択的に緩やかな速度で挿入するようになる。このようなリチウムイオンの選択的な挿入反応により、急速充電が可能となり、かつ高容量を維持することができる。
【0081】
前記炭素質物としては、例えばX線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物と0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛化物とからなる多相黒鉛化物、または(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物と(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛化物の混合体を挙げることができる。
【0082】
前記多相黒鉛化物としては、例えばポリ塩化ビニリデン、フェノール樹脂、フルフラール樹脂、木炭、無煙炭、砂糖、ピッチなどを常圧または高圧下、1500〜3000℃の温度で不均一な黒鉛化を行って多相黒鉛化することにより得られる。このように黒鉛化を不均一に行うことにより、(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化の進んだ相と(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛化の低い相を共存したものを得ることができる。
【0083】
前記混合体の一方の成分である(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物としては、例えば黒鉛、2300〜3200℃で黒鉛化した異方性ピッチ系炭素繊維、球状カーボン、熱分解気相成長炭素体、コークスなどの粉末が挙げられる。前記黒鉛化物は、比表面積が2〜10m2 /gで、平均粒径が1〜30μmの範囲にある黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末、メソフェーズ小球体がより好ましい。
【0084】
前記混合体の他方の成分である(002)面の面間隔d002が0.3370nmを越え、0.340nm以下の範囲に由来する回折ピークを示す黒鉛化物としては、例えば低硫黄含有(2000ppm以下)、低窒素含有(1000pmm以下)のコークス、高純度異方性ピッチ系炭素繊維、球状カーボン、熱分解気相成長炭素体、樹脂焼成体などの粉末が挙げられる。前記黒鉛化物は、比表面積が1〜10m2 /gの範囲にある合成ピッチ(ナフタレンなど)を原料とする炭素繊維の粉末、高純度メソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末、メソフェーズ小球体、低硫黄含有のコークスがより好ましい。前記黒鉛化物は、いずれも前記原料を2300〜3000℃の範囲の温度で焼成することにより得られる。
【0085】
前記(002)面の面間隔d002が0.3370nm以下に由来する回折ピークを示す黒鉛化物の混合重量比率は、5〜30重量%にすることが好ましい。前記混合重量比率が30重量%を越えるとレート特性が低下する恐れがある。一方、前記混合重量比率を5重量%未満にすると電池容量が低下する恐れがある。
【0086】
前記(1)〜(4)で説明した炭素質物を含む負極6は、具体的には次のような方法により作製される。前記炭素質物に結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより前記正極を作製する。
【0087】
前記結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース (CMC)等を用いることができる。
【0088】
前記炭素質物および結着剤の配合割合は、炭素材90〜98重量%、結着剤2〜10重量%の範囲にすることが好ましい。特に、前記炭素質物は負極6を作製した状態で5〜20mg/cm2 の範囲することが好ましい。
【0089】
前記集電体としては、例えば銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を用いることができる。
【0090】
前記容器1内に収容される前記非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される。
【0091】
前記非水溶媒としては、リチウム二次電池の溶媒として公知の非水溶媒を用いることができ、特に限定はされないが、エチレンカーボネート(EC)と前記エチレンカーボネートより低融点であり且つドナー数が18以下である1種以上の非水溶媒(以下第2溶媒と称す)との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。このような非水溶媒は、前記負極を構成する黒鉛構造の発達した炭素質物に対して安定で、電解液の還元分解または酸化分解が起き難く、さらに導電性が高いという利点がある。
【0092】
エチレンカーボネートを単独含む非水電解液では、黒鉛化した炭素質物に対して還元分解され難い性質を持つ利点があるが、融点が高く(39℃〜40℃)粘度が高いため、導電率が小さく常温作動の二次電池では不向きである。エチレンカーボネートに混合する第2の溶媒は混合溶媒を前記エチレンカーボネートよりも粘度を小さくして導電性を向上させる。また、ドナー数が18以下の第2の溶媒(ただし、エチレンカーボネートのドナー数は16.4)を用いることにより前記エチレンカーボネートがリチウムイオンに選択的に溶媒和し易くなくなり、黒鉛構造の発達した炭素質物に対して前記第2の溶媒の還元反応が抑制されることが考えられる。また、前記第2の溶媒のドナー数を18以下にすることによって、酸化分解電位がリチウム電極に対して4V以上となり易く、高電圧なリチウム二次電池を実現できる利点も有している。
【0093】
前記第2種の溶媒としては、例えばジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレンまたは、酢酸メチル(MA)などが挙げられる。これらの第2の溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。特に、前記第2種の溶媒はドナー数が16.5以下であることがより好ましい。
【0094】
前記第2溶媒の粘度は、25℃において28mp以下であることが好ましい。前記混合溶媒中の前記エチレンカーボネートの配合量は、体積比率で10〜80%であることが好ましい。この範囲を逸脱すると、導電性の低下あるいは溶媒の分解がおき、充放電効率が低下する恐れがある。より好ましい前記エチレンカーボネートの配合量は体積比率で20〜75%である。非水溶媒中のエチレンカーボネートの配合量を20体積%以上に高めることによりエチレンカーボネートのリチウムイオンへの溶媒和が容易になるため、溶媒の分解抑制効果を向上することが可能になる。
【0095】
前記混合溶媒のより好ましい組成は、ECとDMC、ECとPCとDMC、ECとDEC、ECとPCとDEC、ECとγ−BLとDECの混合溶媒で、DMCまたはDECの体積比率は60%以下とすることが好ましい。このようにDECの比率を60%以下、より好ましくは35%以下にすることにより、混合溶媒の引火点を高くでき、安全性を向上することができる。ただし、粘度をさらに低下させる観点から、ジエトキシエタンなどのエーテル類を30体積%以下添加してもよい。
【0096】
前記混合溶媒(非水溶媒)中に存在する主な不純物としては、水分と、有機過酸化物(例えばグリコール類、アルコール類、カルボン酸類)などが挙げられる。前記各不純物は、黒鉛化物の表面に絶縁性の被膜を形成し、電極の界面抵抗を増大させるものと考えられる。したがって、サイクル寿命や容量の低下に影響を与える恐れがある。また高温(60℃以上)貯蔵時の自己放電も増大する恐れがある。このようなことから、非水溶媒を含む電解液においては前記不純物はできるだけ低減されることが好ましい。具体的には、水分は50ppm以下、有機過酸化物は1000ppm以下であることが好ましい。
【0097】
前記非水電解液に含まれる電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、ホウフッ化リチウム(LiBF4 )、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6 )、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3 SO2 2 ]などのリチウム塩(電解質)が挙げられる。中でもLiPE6 、LiBF4 、LiN(CF3 SO2 2 を用いるのが好ましい。特に、LiN(CF3 SO2 2 を用いると高温時(例えば60℃)での正極活物質との反応が少なく、高温時において優れた充放電サイクル特性を得ることができる。また、前記炭素質物に対して安定であり、サイクル寿命を向上できる利点を有する。
【0098】
前記電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.0モル/1とすることが望ましい。
【0099】
【実施例】
以下、本発明の実施例を前述した図1を参照して詳細に説明する。
【0100】
実施例1
まず、リチウムコバルト酸化物(Lix CoO2 (0.8≦x≦1))粉末91重量%をアセチレンブラック3.5重量%、グラファイト3.5重量%及びエチレンプロピレンジエンモノマ粉末2重量%とトルエンを加えて共に混合し、アルミニウム箔(30μm)集電体に塗布した後、プレスすることにより正極を作製した。
【0101】
また、低硫黄(含有量8000ppm以下)石油ピッチを原料としたコークスをアルゴン雰囲気下、1000℃で炭素化した後、平均粒径40μm、粒度1〜80μmで90体積%が存在するように、かつ粒径0.5μm以下の粒子を少なく(5%以下)なるように適度に粉砕した後、真空下で3000℃にて黒鉛化することにより炭素質物を製造した。
【0102】
得られた炭素質物は、平均粒径40μmの黒鉛化炭素粉末であり、粒度分布で1〜80μmに90体積%以上が存在し、粒径が0.5μm以下の粒子の粒度分布は0体積%であった。N2 ガス吸着BET法による比表面積は、3m2 /gであった。粉末の形状は、ブロック状であった。X線回折による強度比(P101 /P100 )の値は3.6であった。d002 は、0.3354nm、Lcは43nm、Laは43nmで、La/Lcは1であった。なお、X線回折による菱面体晶系と六方晶系の(101)回折ピーク強度の比は0.4であった。また炭素質物中の硫黄の含有量は、100ppm以下であった。その他、酸素の含有量は100ppm以下、窒素の含有は100ppm以下、Fe、Niは各々1ppmであった。
【0103】
次いで、前記炭素質物96.7重量%をスチレンブタジエンゴム2.2重量%とカルボキシメチルセルロース1.1重量%と共に混合し、これを集電体としての銅箔に塗布し、乾燥することにより負極を作製した。
【0104】
前記正極、ポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレ―タおよび前記負極をそれぞれこの順序で積層した後、前記負極が外側に位置するように渦巻き状に巻回して電極群を作製した。
【0105】
さらに、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )をエチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(混合体積比率40:30:30)に1.0モル/1溶解して非水電解液を調製した。
【0106】
前記電極群及び前記電解液をステンレス製の有底円筒状容器内にそれぞれ収納して前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0107】
実施例2
まず、石油ピッチから得られた異方性を有するバルクメソフェーズピッチをアルゴン雰囲気下、1000℃で炭素化した後、平均粒径15μm、粒度1〜80μmで90体積%が存在するように、かつ粒径0.5μm以下の粒子を少なく (5%以下)なるように適度に粉砕した。その後、真空下、3000℃の温度で熱処理して黒鉛化することにより炭素質物を製造した。
【0108】
得られた炭素質物は、平均粒径15μmの黒鉛化炭素粉末であり、粒度分布で1〜80μmに90体積%以上が存在し、粒径が0.5μm以下の粒子の分布は1体積%であった。またN2 ガス吸着BET法による比表面積7m2 /gであった。粉末の形状は、球状であった。X線回折による強度比(P101 /P100 )の値は2.6であった。d002 は0.3357nm、Lcは45nm、Laは58nmで、La/Lcは1.29であった。なお、菱面体晶系と六方晶系の(101)回折ピーク強度の比は0.5であった。また、炭素質物中の硫黄の含有量は100ppm以下であった。その他、酸素の含有量100ppm以下、窒素の含有量は100ppm以下、Fe、Niは各々1ppmであった。
【0109】
前記炭素質物を用いて実施例1と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0110】
実施例3
900℃で炭素化したメソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末Aは、平均繊維長30μm、平均繊維径7μm、N2 ガス吸着BET法による比表面積5m2 /g、硫黄含有率1600ppm、窒素含有率200ppm、Feは5ppm、Niは3ppmで、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.361nmに由来する回折ピークを示し、Lcは1.4nm、Laは3.9nmであった。
【0111】
3100℃で黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末Bは、平均繊維長40μm、平均繊維径12μm、N2 ガス吸着BET法による比表面積3.8m2 /g、硫黄含有率100ppm以下、窒素含有率100ppm以下で、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3365nmに由来する回折ピークを示し、Lcは37nm、Laは67nm、P101 /P100 は2.3であった。
【0112】
前記粉末Aと前記粉末Bを重量比で1:2に混合して得た炭素質物を前記炭素質物を用いて実施例1と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0113】
実施例4
1000℃で炭素化したメソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末Aは、平均繊維長30μm、平均繊維径7μm、N2 ガス吸着BET法による比表面積5m2 /g、硫黄含有率1500ppm、窒素含有率100ppm、Feは5ppm、Niは3ppmで、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.360nmに由来する回折ピークを示し、Lcは1.48nm、Laは3.4nmであった。
【0114】
コークスを3000℃黒鉛化した人造黒鉛の粉末Bは、平均粒径40μm、N2 ガス吸着BET法による比表面積3.3m2 /gで、硫黄含有率100ppm以下、窒素含有率100ppm以下、Fe、Niは各々1ppmで、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3354nmに由来する回折ピークを示し、Lcは45nm、Laは60nmであった。
【0115】
前記粉末Aと前記粉末Bを重量比で1:1に混合して得た炭素質物を用いて実施例1と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0116】
比較例1
天然黒鉛を平均粒径6μmまで粉砕することにより黒鉛粉末を得た。この黒鉛粉末は、粒度分布1〜80μmの粒径のものが85体積%が存在し、粒径が0.5μm以下の粒子の分布は10体積%であった。N2 ガス吸着BET法による比表面積は10m2 /gであった。X線回折による強度比(P101 /P100 )の値は、2.1であった。d002 は0.3357nm、Lcは33nm、Laは60nmであった。La/Lcは1.82である。なお、菱面体晶系と六方晶系の (101)回折ピーク強度の比は0.85であった。
【0117】
前記黒鉛粉末を用いて実施例1と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0118】
比較例2
前記実施例4の人造黒鉛の粉末Bのみを用いて実施例1と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0119】
比較例3
前記実施例3のメソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末Aのみを用いて実施例1と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0120】
得られた実施例1〜4および比較例1〜3のリチウム二次電池について、充電電流400mAで4.2Vまで3時間の充電をし、2.7Vまで1Aのハイレート電流で放電する充放電を繰り返し行い、各電池の放電容量とサイクル寿命をそれぞれ測定した。その結果を図2に示す。
【0121】
図2から明らかなように本実施例1〜4のリチウム二次電池では、比較例1〜3の電池に比べて、ハイレートの放電においても容量が高く、かつサイクル寿命が格段に向上されることがわかる。
【0122】
一方、電解液の電解質にLiN(CF3 SO2 2 を用いて同様な評価を行ったところ、サイクル寿命が実施例1〜4よりも長いことが確認された。
【0123】
実施例5
まず、リチウムコバルト酸化物(Lix CoO2 (0.8≦x≦1))粉末91重量%をアセチレンブラック3.5重量%、グラファイト3.5重量%及びエチレンプロピレンジエンモノマ粉末2重量%とトルエンを加えて共に混合し、アルミニウム箔(30μm)集電体に塗布した後、プレスすることにより正極を作製した。
【0124】
また、低硫黄(含有量8000ppm以下)石油ピッチを原料としたコークスをアルゴン雰囲気下、1000℃で炭素化した後、平均粒径20μm、粒度1〜80μmで90体積%が存在するように、かつ粒径0.5μm以下の粒子を少なく(5%以下)なるようにブロック状に粉砕した後、アルゴン雰囲気下で3000℃にて黒鉛化することにより炭素質物を製造した。
【0125】
得られた炭素質物は、平均粒径20μmのブロック状の黒鉛化炭素粉末であり、粒度分布で1〜80μmに90体積%以上が存在し、粒径が0.5μm以下の粒子の粒度分布は0体積%であった。N2 ガス吸着BET法による比表面積は、3m2 /gであった。粉末の形状は、粒状であった。X線回折による強度比(P101 /P100 )の値は3.6であった。d002 は、0.3354nm、Lcは43nm、Laは43nmで、La/Lcは1であった。なお、X線回折による菱面体晶系と六方晶系の(101)回折ピーク強度の比は0.4であった。また炭素質物中の硫黄の含有量は、100ppm以下であった。その他、酸素の含有量は100ppm以下、窒素の含有は100ppm以下、Fe、Niは各々1ppmであった。
【0126】
次いで、前記炭素質物96.7重量%をスチレンブタジエンゴム2.2重量%とカルボキシメチルセルロース1.1重量%と共に混合し、これを集電体としての銅箔に塗布し、乾燥することにより負極を作製した。
【0127】
前記正極、ポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレ―タおよび前記負極をそれぞれこの順序で積層した後、前記負極が外側に位置するように渦巻き状に巻回して電極群を作製した。
【0128】
さらに、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )をエチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(混合体積比率40:30:30)に1.0モル/1溶解して非水電解液を調製した。
【0129】
前記電極群及び前記電解液をステンレス製の有底円筒状容器内にそれぞれ収納して前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0130】
実施例6
まず、石油ピッチから得られた異方性を有するメソフェーズピッチを紡糸し、不融化して得られた炭素繊維をアルゴン雰囲気下、1000℃で炭素化した後、平均繊維径15μm、粒度1〜80μmで90体積%が存在するように、かつ粒径0.5μm以下の粒子を少なく(5%以下)なるように適度に粉砕した。その後、アルゴン雰囲気下、3100℃の温度で熱処理して黒鉛化することにより繊維状の炭素質物を製造した。前記炭素質物は、繊維の長さ方向に対して垂直な断面における配向性が放射状であった。
【0131】
得られた炭素質物は、平均繊維径15μmの黒鉛化炭素粉末であり、粒度分布で1〜80μmに90体積%以上が存在し、粒径が0.5μm以下の粒子の分布は1体積%であった。またN2 ガス吸着BET法による比表面積4m2 /gであった。粉末の形状は、長さと径の比(長さ/径)が3である繊維であった。X線回折による強度比(P101 /P100 )の値は2.6であった。d002 は0.3357nm、Lcは45nm、Laは58nmで、La/Lcは1.29であった。なお、菱面体晶系と六方晶系の(101)回折ピーク強度の比は0.5であった。また、炭素質物中の硫黄の含有量は100ppm以下であった。その他、酸素の含有量100ppm以下、窒素の含有量は100ppm以下、Fe、Niは各々1ppmであった。
【0132】
前記炭素質物を用いて実施例5と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例5と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0133】
実施例7
3000℃で黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末Aは、平均繊維長40μm、平均繊維径7μm、N2 ガス吸着BET法による比表面積3m2 /g、硫黄含有率1600ppm、窒素含有率200ppm、Feは5ppm、Niは3ppmで、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3375nmに由来する回折ピークを示し、Lcは30nm、Laは60nmであった。
【0134】
3100℃で黒鉛化し、粉砕することにより得られた石油コークスの粉末Bは、平均粒径6μm、N2 ガス吸着BET法による比表面積9m2 /gの薄片状粉末であり、硫黄含有率100ppm以下、窒素含有率100ppm以下で、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3358nmに由来する回折ピークを示し、Lcは60nm、Laは120nm、P101 /P100 は2.5であった。
【0135】
前記粉末Aと前記粉末Bを重量比で4:1に混合して得た炭素質物を用いて実施例5と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例5と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0136】
実施例8
3000℃で黒鉛したメソフェーズピッチ小球体は、平均粒径20μmで表面から1〜5μmの厚さの表面層が酸化除去されてラメラ層を露出したものである。また、前記メソフェーズピッチ小球体はN2 ガス吸着BET法による比表面積が5m2 /g、硫黄含有率が200ppm、窒素含有率が100ppm、Feは5ppm、Niは3ppmで、X線回折において黒鉛構造の(002)面の面間隔d002が0.3365nmに由来する回折ピークを示し、Lcは60nm、Laは100nm、X線回折による強度比(P101 /P100 )は2.3の球状の黒鉛化物である。
【0137】
前記黒鉛化物(炭素質物)を用いて実施例5と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例5と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0138】
比較例4
天然黒鉛を平均粒径6μmまで粉砕することにより薄片状の黒鉛粉末を得た。
この黒鉛粉末は、粒度分布1〜80μmの粒径のものが85体積%が存在し、粒径が0.5μm以下の粒子の分布は5体積%であった。N2 ガス吸着BET法による比表面積は10m2 /gであった。X線回折による強度比(P101 /P100 )の値は、3.6であった。d002 は0.3357nm、Lcは60nm、Laは120nmであった。La/Lcは1.82である。なお、菱面体晶系と六方晶系の(101)回折ピーク強度の比は0.85であった。
【0139】
前記黒鉛粉末を用いて実施例5と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例5と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0140】
比較例5
前記実施例7の黒鉛化した石油コークスの粉末Bのみを用いて実施例5と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例5と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0141】
比較例6
前記実施例7のメソフェーズピッチ系炭素繊維の粉末Aのみを用いて実施例5と同様な方法により負極を作製した。かかる負極を用いた以外、実施例5と同様で前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立てた。
【0142】
得られた実施例5〜8および比較例4〜6のリチウム二次電池について、充電電流400mAで4.2Vまで3時間の充電をし、2.7Vまで1Aのハイレート電流で放電する充放電を繰り返し行い、各電池の放電容量とサイクル寿命をそれぞれ測定した。その結果を図3に示す。
【0143】
図3から明らかなように本実施例5〜8のリチウム二次電池では、比較例4〜6の電池に比べて、ハイレートの放電においても容量が高く、かつサイクル寿命が格段に向上されることがわかる。
【0144】
一方、電解液の電解質にLiN(CF3 SO2 2 を用いて同様な評価を行ったところ、サイクル寿命が実施例5〜8よりも長いことが確認された。
【0145】
なお、前記実施例では円筒形リチウム二次電池に適用した例を説明したが、角形リチウム二次電池にも同様に適用できる。また、前記電池の容器内に収納される電極群は渦巻形に限らず、正極、セパレータおよび負極をこの順序で複数積層した形態にしてもよい。
【0146】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば高容量でサイクル寿命に優れ、さらに長期間の使用において高電圧を維持することが可能なリチウム二次電池及び負極材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる円筒形リチウム二次電池を示す部分断面図。
【図2】実施例1〜4および比較例1〜3のリチウム二次電池における充放電サイクルと放電容量との関係を示す特性図。
【図3】実施例5〜8および比較例4〜6のリチウム二次電池における充放電サイクルと放電容量との関係を示す特性図。
【符号の説明】
1…容器、
3…電極群、
4…正極、
6…負極、
8…封口板。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly to a lithium secondary battery and a negative electrode material having an improved negative electrode configuration.
[0002]
[Prior art]
In recent years, nonaqueous electrolyte batteries using lithium as a negative electrode active material have attracted attention as high energy density batteries, and manganese dioxide (MnO) has been used as a positive electrode active material.2), Fluorocarbon [(CF2)n], Thionyl chloride (SOCl2) Etc. have already been widely used as a power source for calculators, clocks and memory backup batteries.
[0003]
Furthermore, in recent years, with the reduction in size and weight of various electronic devices such as VTRs and communication devices, the demand for high energy density secondary batteries has increased, and research on lithium secondary batteries using lithium as a negative electrode active material has been made. Is being actively conducted.
[0004]
Lithium secondary batteries use lithium for the negative electrode, and in non-aqueous solvents such as propylene carbonate (PC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ-butyrolactone (γ-BL), and tetrahydrofuran (THF) as the electrolyte. LiClOFour, LiBFFour, LiAsF6A non-aqueous electrolyte or lithium ion conductive solid electrolyte in which a lithium salt such as a lithium salt is dissolved is used, and TiS is mainly used as a positive electrode active material.2, MoS2, V2OFive, V6O13, MnO2It has been studied to use a compound that has a topochemical reaction with lithium.
[0005]
However, the above-described lithium secondary battery has not yet been put into practical use. The main reason is that the charge / discharge efficiency is low and the number of times (cycle life) that can be charged / discharged is short. The cause of this is thought to be largely due to the deterioration of lithium due to the reaction between lithium in the negative electrode and the non-aqueous electrolyte. That is, lithium dissolved in the non-aqueous electrolyte as lithium ions during discharge reacts with the solvent when deposited during charging, and its surface is partially inactivated. For this reason, when charging and discharging are repeated, lithium is deposited in a dendritic shape (dendritic shape) or in a small spherical shape, and further, a phenomenon such that lithium is desorbed from the current collector occurs.
[0006]
For this reason, lithium and non-aqueous electrolysis can be obtained by using a carbonaceous material that occludes / releases lithium, such as coke, resin fired body, carbon fiber, pyrolytic vapor phase carbon, etc., as the negative electrode incorporated in the lithium secondary battery. It has been proposed to improve the deterioration of the negative electrode characteristics due to the reaction with the liquid and the dendrite precipitation.
[0007]
In the negative electrode containing the carbonaceous material, lithium ions enter and exit the portion between the layers in the structure (graphite structure) in which the hexagonal network layers mainly composed of carbon atoms are stacked among the carbonaceous materials. It is thought that charging / discharging is performed. For this reason, it is necessary to use a carbonaceous material having a graphite structure developed to some extent for the negative electrode of the lithium secondary battery. However, when a carbonaceous material obtained by pulverizing a graphitized giant crystal is used as a negative electrode in a non-aqueous electrolyte, the non-aqueous electrolyte is decomposed, resulting in a decrease in battery capacity and charge / discharge efficiency. In particular, when a battery is operated at a high current density, the capacity, charge / discharge efficiency, and voltage drop during discharge become significant. In addition, as the charge / discharge cycle progresses, the crystal structure or fine structure of the carbonaceous material collapses, and the ability to occlude and release lithium deteriorates, resulting in a problem that the cycle life is reduced.
[0008]
In addition, since the powder in the graphitized material is in the form of flakes, the surface of the graphite crystallite into which lithium ions are inserted becomes smaller in the area exposed to the electrolyte, so that it is abrupt in high-rate charge / discharge cycles. There is a problem that capacity decreases. For this reason, although improvement is made by adding carbon black or the like, there arises a problem that the negative electrode filling density is lowered. As a result, high capacity lithium secondary batteries could not be realized with conventional graphitized materials.
[0009]
In addition, graphitized carbon fibers also have problems such as non-aqueous electrolyte decomposition when powdered, and the performance as a negative electrode is significantly reduced, as in the case of using giant crystal powder. Was.
[0010]
On the other hand, in the case of carbonized materials such as coke and carbon fiber with low graphitization degree, the decomposition of the solvent can be suppressed to some extent, but the capacity and charge / discharge efficiency are low, and the charge / discharge overvoltage is large, and the discharge voltage flatness of the battery Are low, and the cycle life is low.
[0011]
Conventionally, they are disclosed in JP-A-62-268058, JP-A-2-82466, JP-A-4-61747, JP-A-4-115458, JP-A-4-184862, JP-A-4-190557, and the like. As described above, the optimum graphitic structure parameters have been proposed by controlling the graphitization degree of various carbonized materials and graphitized materials, but a negative electrode having sufficient characteristics has not been obtained. Moreover, although carbon fiber used as a negative electrode is disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 4-79170 and Unexamined-Japanese-Patent No. 4-82172, the performance of the negative electrode using the carbonaceous material which powdered it has a problem.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery and a negative electrode material having a high capacity and excellent battery characteristics such as charge / discharge efficiency, cycle life, flatness of discharge voltage, and rapid charge / discharge cycle.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  A lithium secondary battery according to the present invention is a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing a carbonaceous material that occludes / releases lithium ions, and a non-aqueous electrolyte.
  The carbonaceous material has an interval d between (002) planes of a graphite structure by X-ray diffraction.002Is 0.335 to 0.336The ratio of the rhombohedral (101) diffraction peak by the X-ray diffraction method to the hexagonal (101) diffraction peak by the X-ray diffraction method is 0.6 or less.And (101) diffraction peak P of hexagonal system by X-ray diffraction method 101 And (100) diffraction peak P 100 Peak intensity ratio (P 101 / P 100 ) Exceeds 2.2It is characterized by this.
[0014]
  The negative electrode material according to the present invention has an interplanar spacing d of (002) plane of graphite structure by X-ray diffraction method.002Is 0.335 to 0.336The ratio of the rhombohedral (101) diffraction peak by the X-ray diffraction method to the hexagonal (101) diffraction peak by the X-ray diffraction method is 0.6 or less.And (101) diffraction peak P of hexagonal system by X-ray diffraction method 101 And (100) diffraction peak P 100 Peak intensity ratio (P 101 / P 100 ) Exceeds 2.2It is characterized by containing a carbonaceous material.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a lithium secondary battery (for example, a cylindrical lithium secondary battery) according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0016]
The bottomed cylindrical container 1 has an insulator 2 disposed at the bottom. The electrode group 3 is accommodated in the container 1. The electrode group 3 has a structure in which a belt-like material in which a positive electrode 4, a separator 5, and a negative electrode 6 are laminated in this order is wound in a spiral shape so that the negative electrode 6 is located outside.
[0017]
An electrolytic solution is accommodated in the container 1. The insulating paper 7 having a central opening is placed above the electrode group 3 in the container 1. The insulating sealing plate 8 is disposed in the upper opening of the container 1, and the sealing plate 8 is liquid-tightly fixed to the container 1 by caulking the vicinity of the upper opening inward. The positive terminal 9 is fitted in the center of the insulating sealing plate 8. One end of the positive electrode lead 10 is connected to the positive electrode 4, and the other end is connected to the positive electrode terminal 9. The negative electrode 6 is connected to the container 1 serving as a negative electrode terminal through a negative electrode lead (not shown).
[0018]
The container 1 is made of, for example, stainless steel.
[0019]
The positive electrode 4 is produced by suspending a conductive agent and a binder in an appropriate solvent in a positive electrode active material, and applying the suspension to a current collector and drying to form a thin plate.
[0020]
Examples of the positive electrode active material include various oxides such as manganese dioxide, lithium manganese composite oxide, lithium-containing nickel oxide, lithium-containing cobalt compound, lithium-containing nickel cobalt oxide, vanadium oxide containing lithium, and disulfide. Examples thereof include chalcogen compounds such as titanium and molybdenum disulfide. Among them, lithium cobalt oxide (LiCoO2), Lithium nickel oxide (LiNiO)2), Lithium manganese oxide (LiMn)2OFourLiMnO2) Is preferable because a high voltage can be obtained.
[0021]
Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
[0022]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDE), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR).
[0023]
The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% by weight of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
[0024]
As the current collector, for example, aluminum foil, stainless steel foil, nickel foil or the like can be used.
[0025]
As the separator 5, for example, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyethylene porous film, a polypropylene porous film, or the like can be used.
[0026]
The negative electrode 6 includes a carbonaceous material described in the following (1) to (4). However, La, d for determining carbonaceous material002, Lc and intensity ratio (P101/ P100) Measurement and definition are as follows.
[0027]
(A) All data measured by the X-ray diffraction method used CuKα as an X-ray source and high-purity silicon as a standard substance. La, d002, Lc was determined from the position of each diffraction peak and the half-value width. As the calculation method, the half-width half-point method was used.
[0028]
(B) The crystallite length La in the a-axis direction and the crystallite length Lc in the c-axis direction are values when K, which is the shape factor of Scherrer's formula, is 0.89.
[0029]
(C) (101) diffraction peak P by X-ray diffraction method101And (100) diffraction peak P100Intensity ratio (P101/ P100) Is obtained from the height ratio of these peaks.
[0030]
(1) Carbonaceous material
This carbonaceous material has an interplanar spacing d of the (002) plane of the graphite structure by X-ray diffraction.002Is in the range of 0.335 to 0.336 nm and the (101) diffraction peak P101And (100) diffraction peak P100Peak intensity ratio (P101/ P100) Exceeds 2.2, and the ratio (La / Lc) of the crystallite length La in the a-axis direction to the crystallite length Lc in the c-axis direction is less than 1.5.
[0031]
The carbonaceous material is obtained by an X-ray diffraction method and has an average surface spacing d of (002) planes.002Is 0.335 to 0.336 nm. In such a carbonaceous material, the number of sites into which lithium ions can be inserted increases, and the capacity increases. However, in the carbonaceous material having an average surface spacing that deviates from the above range, the capacity is lowered, and the flatness of the voltage when the battery is discharged is lowered.
[0032]
The intensity ratio (P101/ P100) Exceeds 2.2, the graphite structure is very developed. Such a graphite structure has few misalignments, twists, and angles between stacked hexagonal mesh layers. Since this has the characteristics of conventional natural graphite, it causes a decrease in capacity under high-rate charge / discharge conditions. Therefore, by setting the ratio (La / Lc) of the crystallite length La in the a-axis direction to the crystallite length Lc in the C-axis direction by the X-ray diffraction method to be less than 1.5, the high-rate A graphitized product avoiding a decrease in capacity under charge / discharge conditions could be obtained. That is, by making the La shorter and the Lc longer than the conventional graphite, the lithium ion insertion / desorption reaction can be carried out smoothly, and the problems of the layer structure can be overcome. A high capacity can be obtained under the following charge / discharge conditions.
[0033]
The carbonaceous material desirably has a crystallite length La in the a-axis direction of a graphite structure of 20 to 100 nm, more preferably 40 to 80 nm, based on a diffraction peak of (110) plane obtained by X-axis diffraction. Moreover, it is preferable that the shape of the a-axis surface in the graphite structure of the carbonaceous material is a rectangle.
[0034]
The carbonaceous material in which La is in the above range has a moderately developed graphite structure and an appropriate length of the crystallite in the a-axis direction, so that lithium ions diffuse between the layers of the hexagonal network layer. In addition, the number of sites where lithium ions enter and exit increases, and the lithium ion can be occluded and released.
[0035]
The carbonaceous material whose La exceeds 100 nm becomes a giant crystal, and it becomes difficult for lithium ions to diffuse between the layers of the hexagonal network layer, so that it is difficult to ensure the amount of occlusion / release of lithium ions. Moreover, the surface is active with respect to a nonaqueous solvent, and this solvent becomes easy to carry out reductive decomposition. On the other hand, since the carbonaceous material with La less than 20 nm contains a large amount of carbonaceous material with an undeveloped graphite structure in the carbonaceous material, reversible occlusion / release of lithium ions between hexagonal network layers is small. There is a fear.
[0036]
The carbonaceous material desirably has a c-axis direction crystallite size Lc of 15 nm or more, more preferably 20 to 100 nm, obtained by X-ray diffraction. A carbonaceous material having Lc in such a range has a property that a graphite structure is moderately developed and a large amount of lithium ions are reversibly occluded / released.
[0037]
As a measure of the ratio of the graphite structure and the disordered layer structure constituting the carbonaceous material, there is a Raman spectrum of the carbonaceous material measured using an argon laser (wavelength 514.5 nm) as a light source. The Raman spectrum measured for the carbonaceous material is 1360 cm.-1A peak derived from the turbulent structure that appears in the vicinity, and 1580 cm-1There is a peak derived from the graphite structure that appears in the vicinity. The peak intensity ratio, that is, 1580 cm in the argon laser Raman spectrum (wavelength 514.5 nm).-11360cm against the peak intensity (R2)-1It is preferable to use a carbonaceous material having a peak intensity (R1) ratio (R1 / R2) value of 0.2 or less.
[0038]
The carbonaceous material has a true density of 2.20 g / cm, which is a measure of the degree of graphitization.ThreeThe above is preferable.
[0039]
It is preferable that 90% by volume or more of the carbonaceous material has a particle size distribution of 1 to 100 μm and an average particle size of 1 to 80 μm. N2Specific surface area of 0.1-40m by BET method of gas adsorption2/ G is preferable. The carbonaceous material having such a particle size distribution and specific surface area can improve the packing density of the negative electrode, and at the same time reduce the content of carbonaceous material or amorphous carbon having a broken graphite crystal structure that is active against non-aqueous solvents, Reductive decomposition of the nonaqueous solvent can be suppressed. Further, a carbonaceous material containing particles having a particle size of 0.5 μm or less in a particle size distribution of 5% by volume or less further reduces carbonaceous material having a collapsed graphite crystal structure or amorphous carbon, and effectively reduces reductive decomposition of a non-aqueous solvent. It becomes possible to suppress. Conversely, the particle size distribution and N2If the specific surface area by the BET method of gas adsorption becomes too large, the content of amorphous carbonaceous material and the content of carbonaceous material with a broken graphite crystal structure will increase, and the reductive decomposition of the solvent will easily occur. Decreases.
[0040]
The carbonaceous material preferably has a sulfur content of 1000 ppm or less (including 0 ppm). Such a carbonaceous material having a low sulfur content increases the amount of occlusion / release of lithium ions and reduces the reductive decomposition of the nonaqueous solvent.
[0041]
In a carbonaceous material having a graphite structure developed to some extent, if the sulfur content is set to a low value of 1000 ppm or less (including 0 ppm), there are few defects in the graphite structure, and as a result, the graphite structure is less likely to collapse. It is thought that the amount of occlusion / release increases. For this reason, the capacity | capacitance, charging / discharging efficiency, and cycle life of a lithium secondary battery can be improved. Moreover, it is thought that decomposition | disassembly of the nonaqueous solvent and reaction of an electrode reaction by reaction with a nonaqueous solvent and lithium ion, and sulfur or a sulfur compound are reduced, and it can improve charging / discharging efficiency and cycle life. That is, when sulfur in the carbonaceous material reacts with lithium ions, a stable group such as LiS- or a compound such as LiS is produced. The lithium is thought not to contribute to the reversible storage / release reaction. In addition, it is considered that the resulting compound becomes an obstacle between the hexagonal network layers, preventing the smooth insertion of lithium ions. These factors reduce charge / discharge efficiency and cycle life.
[0042]
As other impurities in the carbonaceous material, oxygen, nitrogen, silicon, or metal elements such as Fe and Ni are preferably as few as possible. Specifically, the oxygen content is preferably 500 ppm or less, the nitrogen content is 1000 ppm or less, and the metal elements such as Fe and Ni are each preferably 50 ppm or less. If these impurity elements exceed the above range, lithium ions between the carbon layers may be consumed by reacting with the impurity elements. However, aluminum, boron, phosphorus, calcium, tin, etc. are allowed to be contained.
[0043]
Next, an example of a method for producing the carbonaceous material will be described.
[0044]
First, a short fiber having a fiber length of 200 to 300 μm is spun using a mesophase pitch as a raw material by a melt blow method, and then carbonized to such an extent that it can be infusibilized and pulverized. The carbonization heat treatment is desirably performed at 600 to 2000 ° C., preferably 800 to 1500 ° C. Surface spacing d of (002) plane of carbonized mesophase pitch carbon fiber by X-ray diffraction method002Is preferably 0.344 nm or more, more preferably 0.357 nm or more. Such a carbon fiber is suitable for pulverization because it has a fine structure suitable for shortening the fiber length. In contrast, the surface spacing d002When carbon fibers having a diameter of less than 0.344 nm are pulverized, vertical cracks occur and it is difficult to shorten the fiber length. Next, the carbonaceous material described above is produced by graphitizing the carbonized and pulverized carbon fibers at 2000 ° C. or higher, more preferably 2500 to 3200 ° C. At this time, the pulverization and firing steps are extremely important, and a spherical, granular, block, or cylindrical shape is graphitized by pulverizing for an appropriate time (within 20 hours) using a ball mill or a jet mill at the time of pulverization. It is preferable to do. Moreover, it is necessary to prevent the crystal having a rhombohedral system in the crystal structure of the graphitized product from exceeding 30%. This is because the hexagonal graphite structure is broken and a rhombohedral structure is formed by pulverization, but it is preferably 0 to 30% by volume by appropriate pulverization. If this range is exceeded, decomposition of the electrolyte solution occurs, so the negative electrode performance decreases.
[0045]
The ratio of La to Lc and the crystal structure of the carbonaceous material produced by the above method can be controlled by defining the grinding conditions (grinding time, atmosphere, grinding power).
[0046]
When producing a carbonaceous material by the above-described method, it is desirable that the particle size distribution and specific surface area of the obtained carbonaceous material have the values described above.
[0047]
The carbonaceous material can be obtained by graphitizing coke or bulk mesophase obtained using, for example, low-sulfur petroleum pitch, coal tar and the like at 2500 to 3200 ° C. in addition to those obtained by the above-described method.
[0048]
  In addition,Interplanar spacing d of (002) plane of graphite structure by X-ray diffraction method 002 Is in the range of 0.335 to 0.336 nm, and (101) diffraction peak P of hexagonal system by X-ray diffraction method 101 And (100) diffraction peak P 100 Peak intensity ratio (P 101 / P 100 ) Exceeds 2.2The carbonaceous material can be defined such that the ratio of the rhombohedral system to the hexagonal system is such that the ratio of the (101) diffraction peak by the X-ray diffraction method is 0.6 or less. A carbonaceous material having a rhombohedral structure in such a ratio can increase the negative electrode charge / discharge efficiency.
[0049]
(2) Carbonaceous material
This carbonaceous material has an interplanar spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction.002Is a diffraction peak derived from 0.340 nm or less and the surface spacing d002Is a powder in which a diffraction peak derived from the range of 0.344 to 0.370 nm appears.
[0050]
The carbonaceous material has a (002) plane spacing d.002Between the graphitized material having a huge graphite crystal (having a thickness La in the a-axis direction of 20 nm or more) and a (002) plane distance d.002Is made of a small carbonized graphite crystal (Lc of 6 nm or less) showing a diffraction peak derived from the range of 0.344 to 0.370 nm, so that high capacity can be maintained with little cycle deterioration even in rapid charging. It becomes possible. The latter (002) diffraction peak is more preferably a carbonized product derived from the range of 0.356 to 0.370 nm.
[0051]
Conventionally, (002) plane spacing d002In the negative electrode made of the graphitized material exhibiting a diffraction peak derived from the range of 0.340 nm or less, the cycle deterioration is large and the capacity is small during rapid charging. Also, the (002) plane spacing d002The carbonaceous material exhibiting a diffraction peak derived from the range of 0.344 to 0.370 nm has a true density of 1.70 to 2.15 / cm.ThreeTherefore, the capacity per unit volume of the negative electrode (mAh / cm) is smaller than that of the graphitized material.Three) Has the problem of becoming smaller.
[0052]
In order to improve such problems, the carbonaceous material constituting the negative electrode of the present invention has both the graphitized material and the carbonized material having the characteristics described above, so that the rapid charge characteristics and capacity can be greatly improved. It became. This is a fast charge at a constant current (2 mA / cm2Above) Sometimes the (002) plane spacing d002Is selectively inserted into a graphite crystal exhibiting a diffraction peak derived from the range of 0.344 to 0.370 nm. At this time, the diffusion rate of lithium ions is the distance d of the (002) plane.002Is very fast compared to graphitized material showing a diffraction peak derived from 0.340 nm or less, and thus can be rapidly charged. Further, when the quick charge progresses, the charge end voltage is reached, and when switching to the constant voltage charge at that voltage, the surface spacing d of the (002) plane is mainly used.002Lithium ions are selectively inserted into a graphite crystal exhibiting a diffraction peak derived from 0.340 nm or less at a moderate rate. Such a selective insertion reaction of lithium ions enables rapid charging and maintains a high capacity.
[0053]
As the carbonaceous material, for example, the spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction.002Is a multiphase graphitized product in which a diffraction peak derived from 0.340 nm or less and a diffraction peak derived from the range of 0.344 to 0.370 nm appear, or the (002) plane spacing d002Between the graphitized material showing a diffraction peak derived from 0.340 nm or less and the (002) plane spacing d002Can be a mixture of carbonized compounds showing a diffraction peak derived from the range of 0.344 nm to 0.370 nm.
[0054]
Examples of the multi-phase graphitized material include poly-vinylidene chloride, phenol resin, furfural resin, charcoal, anthracite, sugar, pitch, etc., by performing non-uniform graphitization at a temperature of 1500 to 3000 ° C. under normal pressure or high pressure. It is obtained by phase graphitization. By performing graphitization in a non-uniform manner in this way, the surface spacing d of the (002) planes.002Between the graphitized phase showing a diffraction peak derived from 0.340 nm or less and the (002) plane spacing d002Can be obtained by coexisting with a low graphitized phase exhibiting a diffraction peak derived from 0.344 nm to 0.370 nm.
[0055]
Examples of the graphitized material as one component of the mixture include powders such as graphite, anisotropic pitch-based carbon fiber, spherical carbon, pyrolytic vapor-grown carbon, and coke. The graphitized material has a specific surface area of 0.5 to 10 m.2More preferred are graphite, mesophase pitch-based carbon fiber powder, and mesophase microspheres in the range of / g.
[0056]
Examples of the carbonized material as the other component of the mixture include low sulfur content (2000 ppm or less), low nitrogen content (1000 ppm or less) coke, high-purity anisotropic pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and pyrolysis gas phase. Examples thereof include powders such as a grown carbon body and a fired resin body. The carbonized product has a specific surface area of 2 to 30 m.2More preferred are carbon fiber powder, high-purity mesophase pitch-based carbon fiber powder, mesophase microspheres, and low-sulfur-containing coke using synthetic pitches (such as naphthalene) in the range of / g. Since any of the carbonized products has a firing temperature in the range of 600 to 1200 ° C., it is important to reduce impurities such as sulfur and transition metals (iron, nickel) in the carbonized product. For this reason, it is necessary to select a material having a small amount of the impurities in the raw material petroleum pitch, mesophase pitch, and coal tar.
[0057]
(3) Carbonaceous material
This carbonaceous material is a graphitized material mainly composed of a block shape, a fiber shape, or a spherical shape, and has an interval d between (002) planes of the graphite structure by X-ray diffraction.002Is in the range of 0.335 to 0.337 nm and the (101) diffraction peak P101And (100) diffraction peak P100Peak intensity ratio (P101/ P100) Has a property exceeding 2.2.
[0058]
The carbonaceous material is obtained by an X-ray diffraction method and has an average surface spacing d of (002) planes.002Is 0.335 to 0.337 nm. In such a carbonaceous material, the number of sites into which lithium ions can be inserted increases, and the capacity increases. However, in the carbonaceous material having an average surface spacing that deviates from the above range, the capacity is lowered, and the flatness of the voltage when the battery is discharged is lowered.
[0059]
The intensity ratio (P101/ P100) Exceeds 2.2, the graphite structure is very developed. Such a graphite structure has few misalignments, twists, and angles between stacked hexagonal mesh layers. Since this has the characteristics of conventional natural graphite, there is a risk that the capacity will decrease under high-rate charge / discharge conditions. Therefore, the ratio (La / Lc) of the crystallite length La in the a-axis direction to the crystallite length Lc in the C-axis direction by the X-ray diffraction method is preferably less than 1.5. By defining La / Lc in this way, it is possible to obtain a graphitized product that avoids a decrease in capacity under the high-rate charge / discharge conditions. That is, by making the La shorter and the Lc longer than the conventional graphite, the lithium ion insertion / desorption reaction can be carried out smoothly, and the problems of the layer structure can be overcome. A high capacity can be obtained under the following charge / discharge conditions.
[0060]
The carbonaceous material has a block shape, a fiber shape, or a spherical shape. Here, the block shape means particles other than flakes, and the ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) is 5 or less, more preferably 2 or less. The fiber shape has a ratio of fiber length to fiber diameter (fiber length / fiber diameter) in the range of 0.5 to 10, and the orientation of crystallites is radial in the cross section perpendicular to the fiber length direction. Preferably, it is in the form of a strip or Brook Stellar. The spherical shape is a sphere having a major axis / minor axis ratio (major axis / minor axis) in the range of 1 to 2, and the orientation of the crystallites is preferably radial, lamellar, or Brooke Stellar in its cross section. Such a carbonaceous material having a block shape, a fiber shape, or a spherical shape can increase the exposed area in the c-axis direction, so that a high-capacity secondary battery can be obtained under high-rate charge / discharge conditions. . In particular, a carbonaceous material having a fibrous or spherical shape in which the orientation of crystallites is radial, lamellar, or Brook Stellar type can further increase the exposed area in the c-axis direction, and can perform lithium ion insertion / desorption reaction. It becomes possible to perform smoothly.
[0061]
In the carbonaceous material, the length La of the crystallite in the a-axis direction of the graphite structure by the diffraction peak of the (110) plane obtained by the X-ray diffraction method is 20 to 100 nm, more preferably 40 to 80 nm. Moreover, it is preferable that the shape of the a-axis surface in the graphite structure of the carbonaceous material is a rectangle.
[0062]
The carbonaceous material in which La is in the above range has a moderately developed graphite structure and an appropriate length of the crystallite in the a-axis direction, so that lithium ions diffuse between the layers of the hexagonal network layer. In addition, the number of sites where lithium ions enter and exit increases, and the lithium ion can be occluded and released.
[0063]
The carbonaceous material whose La exceeds 100 nm becomes a giant crystal, and it becomes difficult for lithium ions to diffuse between the layers of the hexagonal network layer, so that it is difficult to ensure the amount of occlusion / release of lithium ions. Moreover, the surface is active with respect to a nonaqueous solvent, and this solvent becomes easy to carry out reductive decomposition. On the other hand, since the carbonaceous material with La less than 20 nm contains a large amount of carbonaceous material with an undeveloped graphite structure in the carbonaceous material, reversible occlusion / release of lithium ions between hexagonal network layers is small. There is a fear.
[0064]
The carbonaceous material desirably has a crystallite size Lc in the c-axis direction obtained by X-ray diffraction of 15 nm or more, more preferably 25 to 200 nm. A carbonaceous material having Lc in such a range has a property that a graphite structure is moderately developed and a large amount of lithium ions are reversibly occluded / released.
[0065]
As a measure of the ratio of the graphite structure and the disordered layer structure constituting the carbonaceous material, there is a Raman spectrum of the carbonaceous material measured using an argon laser (wavelength 514.5 nm) as a light source. The Raman spectrum measured for the carbonaceous material is 1360 cm.-1A peak derived from the turbulent structure that appears in the vicinity, and 1580 cm-1There is a peak derived from the graphite structure that appears in the vicinity. The peak intensity ratio, that is, 1580 cm in the argon laser Raman spectrum (wavelength 514.5 nm).-11360cm against the peak intensity (R2)-1It is preferable to use a carbonaceous material having a peak intensity (R1) ratio (R1 / R2) value of 0.2 or less.
[0066]
The carbonaceous material has a true density of 2.20 g / cm, which is a measure of the degree of graphitization.ThreeThe above is preferable.
[0067]
It is preferable that 90% by volume or more of the carbonaceous material has a particle size distribution of 1 to 100 μm and an average particle size of 1 to 80 μm. N2Specific surface area by gas adsorption BET method is 0.1-10m2/ G is preferable. The carbonaceous material having such a particle size distribution and specific surface area can improve the packing density of the negative electrode, and at the same time reduce the content of carbonaceous material or amorphous carbon having a broken graphite crystal structure that is active against non-aqueous solvents, Reductive decomposition of the nonaqueous solvent can be suppressed. Further, a carbonaceous material containing particles having a particle size of 0.5 μm or less in a particle size distribution of 5% by volume or less further reduces carbonaceous material having a collapsed graphite crystal structure or amorphous carbon, and effectively reduces reductive decomposition of a non-aqueous solvent. It becomes possible to suppress. Conversely, the particle size distribution and N2If the specific surface area by the BET method of gas adsorption becomes too large, the content of amorphous carbonaceous material and the content of carbonaceous material with a broken graphite crystal structure will increase, and the reductive decomposition of the solvent will easily occur. Decreases.
[0068]
The carbonaceous material preferably has a sulfur content of 1000 ppm or less (including 0 ppm). Such a carbonaceous material having a low sulfur content increases the amount of occlusion / release of lithium ions and reduces the reductive decomposition of the nonaqueous solvent.
[0069]
In a carbonaceous material having a graphite structure developed to some extent, if the sulfur content is set to a low value of 1000 ppm or less (including 0 ppm), there are few defects in the graphite structure, and as a result, the graphite structure is less likely to collapse. It is thought that the amount of occlusion / release increases. For this reason, the capacity | capacitance, charging / discharging efficiency, and cycle life of a lithium secondary battery can be improved. Moreover, it is thought that decomposition | disassembly of the nonaqueous solvent and reaction of an electrode reaction by reaction with a nonaqueous solvent and lithium ion, and sulfur or a sulfur compound are reduced, and it can improve charging / discharging efficiency and cycle life. That is, when sulfur in the carbonaceous material reacts with lithium ions, a stable group such as LiS- or a compound such as LiS is produced. The lithium is thought not to contribute to the reversible storage / release reaction. In addition, it is considered that the resulting compound becomes an obstacle between the hexagonal network layers, preventing the smooth insertion of lithium ions. These factors reduce charge / discharge efficiency and cycle life.
[0070]
As other impurities in the carbonaceous material, oxygen, nitrogen, silicon, or metal elements such as Fe and Ni are preferably as few as possible. Specifically, the oxygen content is preferably 500 ppm or less, the nitrogen content is 1000 ppm or less, and the metal elements such as Fe and Ni are each preferably 50 ppm or less. If these impurity elements exceed the above range, lithium ions between the carbon layers may be consumed by reacting with the impurity elements. However, aluminum, boron, phosphorus, calcium, tin, etc. are allowed to be contained.
[0071]
Next, an example of a method for producing the carbonaceous material will be described.
[0072]
First, a short fiber having a fiber length of 200 to 300 μm is spun using a mesophase pitch as a raw material by a melt blow method, and then carbonized to such an extent that it can be infusibilized and pulverized. The conditions for infusibilization at this time greatly affect graphitization, which will be described later, and it is desirable to insolubilize slowly. The carbonization heat treatment is desirably performed at 600 to 2000 ° C, preferably 800 to 1500 ° C. Surface spacing d of (002) plane of carbonized mesophase pitch carbon fiber by X-ray diffraction method002Is preferably 0.344 nm or more, more preferably 0.357 nm or more. Such a carbon fiber is suitable for pulverization because it has a fine structure suitable for shortening the fiber length. In contrast, the surface spacing d002When carbon fibers having a diameter of less than 0.344 nm are pulverized, vertical cracks occur and it is difficult to shorten the fiber length. Next, the carbonaceous material described above is produced by graphitizing the carbonized and pulverized carbon fibers at 2000 ° C. or higher, more preferably 2500 to 3200 ° C. At this time, the pulverization and firing steps are extremely important, and the spheres, blocks, and fibers are graphitized by pulverizing for an appropriate time (within 20 hours) using a ball mill or a jet mill at the time of pulverization. is required. Further, it may be a mixture containing at least two kinds of graphitized materials, spherical, block-shaped and fibrous. Moreover, it is necessary to prevent the crystal having a rhombohedral system in the crystal structure of the graphitized product from exceeding 30%. This is because the hexagonal graphite structure is broken and a rhombohedral structure is formed by pulverization, but it is preferably 0 to 30% by volume by appropriate pulverization. If this range is exceeded, decomposition of the electrolyte solution occurs, so the negative electrode performance decreases.
[0073]
The ratio of La to Lc and the crystal structure of the carbonaceous material produced by the above method can be controlled by defining the grinding conditions (grinding time, atmosphere, grinding power).
[0074]
When producing a carbonaceous material by the above-described method, it is desirable that the particle size distribution and specific surface area of the obtained carbonaceous material have the values described above.
[0075]
The carbonaceous material is obtained by graphitizing coke, mesophase spherules, or bulk mesophase obtained using, for example, low sulfur petroleum pitch, coal tar, etc., at 2500 to 3200 ° C. in addition to those obtained by the above-described method. be able to.
[0076]
  In addition,Interplanar spacing d of (002) plane of graphite structure by X-ray diffraction method 002 Is in the range of 0.335 to 0.336 nm, and (101) diffraction peak P of hexagonal system by X-ray diffraction method 101 And (100) diffraction peak P 100 Peak intensity ratio (P 101 / P 100 ) Exceeds 2.2The carbonaceous material can be defined such that the ratio of the rhombohedral system to the hexagonal system is such that the ratio of the (101) diffraction peak by the X-ray diffraction method is 0.6 or less. A carbonaceous material having a rhombohedral structure in such a ratio can increase the negative electrode charge / discharge efficiency.
[0077]
(4) Carbonaceous material
This carbonaceous material has an interplanar spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction.002Between the graphitized material showing a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less and the (002) plane spacing d of the graphite structure in X-ray diffraction002Is graphitized which shows a diffraction peak derived from a range exceeding 0.3370 nm and not exceeding 0.340 nm.
[0078]
The carbonaceous material has a (002) plane spacing d.002Between the graphitized material having a huge graphite crystal (thickness La in the a-axis direction of 40 nm or more) and a (002) plane distance d002Is composed of a relatively small graphitized crystal (La is 40 nm or less) showing a diffraction peak derived from the range exceeding 0.3370 nm and 0.340 nm or less, so that there is little cycle deterioration even in rapid charging. A high capacity can be maintained. The latter graphitized material preferably has a (002) diffraction peak in the range of 0.3370 to 0.3380 nm.
[0079]
(002) surface spacing d002In the negative electrode made of the graphitized material showing a diffraction peak derived from the range of 0.3370 nm or less, the cycle deterioration is large and the capacity is also small in rapid charging. Also, the (002) plane spacing d002Has a capacity of 200 to 280 mAh / cm. The negative electrode made of graphitized material showing a diffraction peak exceeding 0.3370 nm and having a diffraction peak derived from the range of 0.340 nm.ThreeAnd has a problem that the capacity is smaller than that of the graphitized material.
[0080]
In order to improve such problems, the carbonaceous material constituting the negative electrode of the present invention has two types of graphitized materials having the above-mentioned characteristics, so that quick charge characteristics and capacity can be greatly improved. It was. This is a fast charge at a constant current (2 mA / cm2Above) Sometimes the (002) plane spacing d002Lithium ions are selectively inserted into a graphite crystal that exhibits a diffraction peak derived from a range exceeding 0.3370 nm and not exceeding 0.340 nm. At this time, the diffusion rate of lithium ions is the distance d of the (002) plane.002Is very fast compared to the graphitized material showing a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less, and thus can be rapidly charged. Further, when the quick charge progresses, the charge end voltage is reached, and when switching to the constant voltage charge at that voltage, the surface spacing d of the (002) plane is mainly used.002Lithium ions are selectively inserted into the graphite crystal exhibiting a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less at a moderate rate. Such a selective insertion reaction of lithium ions enables rapid charging and maintains a high capacity.
[0081]
As the carbonaceous material, for example, the spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction.002Is a multiphase graphitized material comprising a graphitized material having a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less and a graphitized material having a diffraction peak exceeding 0.3370 nm and derived from a range of 0.340 nm or less, or (002) plane Surface spacing d002Between the graphitized material showing a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less and the (002) plane spacing d002May include a mixture of graphitized materials exhibiting a diffraction peak derived from a range exceeding 0.3370 nm and not exceeding 0.340 nm.
[0082]
Examples of the multi-phase graphitized material include poly-vinylidene chloride, phenol resin, furfural resin, charcoal, anthracite, sugar, pitch, etc., by performing non-uniform graphitization at a temperature of 1500 to 3000 ° C. under normal pressure or high pressure. It is obtained by phase graphitization. By performing graphitization in a non-uniform manner in this way, the surface spacing d of the (002) planes.002Is a graphitized phase exhibiting a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less and the (002) plane spacing d002Having a low graphitization phase exhibiting a diffraction peak derived from the range of more than 0.3370 nm and 0.340 nm or less can be obtained.
[0083]
The surface spacing d of the (002) plane which is one component of the mixture.002Examples of graphitized materials having a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less include graphite, anisotropic pitch-based carbon fiber graphitized at 2300 to 3200 ° C., spherical carbon, pyrolytic vapor-grown carbon body, coke, etc. A powder is mentioned. The graphitized material has a specific surface area of 2 to 10 m.2/ G, graphite having an average particle diameter in the range of 1 to 30 μm, mesophase pitch-based carbon fiber powder, and mesophase microspheres are more preferable.
[0084]
Spacing d of (002) plane, which is the other component of the mixture002Graphitized products exhibiting diffraction peaks exceeding 0.3370 nm and not exceeding 0.340 nm include, for example, low sulfur content (2000 ppm or less), low nitrogen content (1000 ppm or less) coke, high purity anisotropic pitch Examples thereof include powders such as carbon fiber, spherical carbon, pyrolytic vapor growth carbon body, and resin fired body. The graphitized material has a specific surface area of 1 to 10 m.2More preferred are carbon fiber powder, high-purity mesophase pitch-based carbon fiber powder, mesophase microspheres, and low-sulfur-containing coke using synthetic pitches (such as naphthalene) in the range of / g. Any of the graphitized materials can be obtained by firing the raw materials at a temperature in the range of 2300 to 3000 ° C.
[0085]
The distance (d) between the (002) planes002Is preferably 5 to 30% by weight of the graphitized material showing a diffraction peak derived from 0.3370 nm or less. If the mixing weight ratio exceeds 30% by weight, the rate characteristics may deteriorate. On the other hand, if the mixing weight ratio is less than 5% by weight, the battery capacity may be reduced.
[0086]
The negative electrode 6 containing the carbonaceous material described in the above (1) to (4) is specifically produced by the following method. A binder is suspended in the carbonaceous material in a suitable solvent, and the suspension is applied to a current collector and dried to form a thin plate, thereby producing the positive electrode.
[0087]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC), and the like. Can be used.
[0088]
The blending ratio of the carbonaceous material and the binder is preferably in the range of 90 to 98% by weight of the carbon material and 2 to 10% by weight of the binder. In particular, the carbonaceous material is 5 to 20 mg / cm in a state where the negative electrode 6 is produced.2It is preferable to be in the range.
[0089]
As the current collector, for example, copper foil, stainless steel foil, nickel foil or the like can be used.
[0090]
The nonaqueous electrolytic solution accommodated in the container 1 is prepared by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent.
[0091]
As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent can be used as a solvent for a lithium secondary battery, and is not particularly limited. However, ethylene carbonate (EC) has a lower melting point than ethylene carbonate and has 18 donors. It is preferable to use a nonaqueous solvent mainly composed of a mixed solvent of one or more of the following nonaqueous solvents (hereinafter referred to as a second solvent). Such a non-aqueous solvent is advantageous in that it is stable with respect to a carbonaceous material having a developed graphite structure that constitutes the negative electrode, reductive decomposition or oxidative decomposition of the electrolytic solution does not easily occur, and has high conductivity.
[0092]
Non-aqueous electrolyte containing ethylene carbonate alone has the advantage that it is difficult to be reduced and decomposed with respect to graphitized carbonaceous material, but has a high melting point (39 ° C. to 40 ° C.) and a high viscosity, so the conductivity is small. It is not suitable for secondary batteries operating at room temperature. The second solvent mixed with ethylene carbonate improves the conductivity by making the mixed solvent less viscous than the ethylene carbonate. Further, by using a second solvent having a donor number of 18 or less (provided that the number of donors of ethylene carbonate is 16.4), the ethylene carbonate is not easily selectively solvated to lithium ions, and a graphite structure has been developed. It is considered that the reduction reaction of the second solvent is suppressed with respect to the carbonaceous material. Further, by setting the number of donors of the second solvent to 18 or less, the oxidative decomposition potential easily becomes 4 V or more with respect to the lithium electrode, and there is an advantage that a high voltage lithium secondary battery can be realized.
[0093]
Examples of the second type solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), toluene, Xylene, methyl acetate (MA), etc. are mentioned. These second solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more. In particular, the second type solvent preferably has a donor number of 16.5 or less.
[0094]
The viscosity of the second solvent is preferably 28 mp or less at 25 ° C. The blending amount of the ethylene carbonate in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume ratio. If it deviates from this range, there is a possibility that the conductivity is lowered or the solvent is decomposed, and the charge / discharge efficiency is lowered. The blending amount of the ethylene carbonate is more preferably 20 to 75% by volume ratio. Since the solvation of ethylene carbonate into lithium ions is facilitated by increasing the blending amount of ethylene carbonate in the non-aqueous solvent to 20% by volume or more, the effect of suppressing the decomposition of the solvent can be improved.
[0095]
A more preferable composition of the mixed solvent is EC / DMC, EC / PC / DMC, EC / DEC, EC / PC / DEC, EC / γ-BL / DEC mixed solvent, and the volume ratio of DMC or DEC is 60%. The following is preferable. Thus, by setting the ratio of DEC to 60% or less, more preferably 35% or less, the flash point of the mixed solvent can be increased, and safety can be improved. However, from the viewpoint of further reducing the viscosity, an ether such as diethoxyethane may be added in an amount of 30% by volume or less.
[0096]
Examples of main impurities present in the mixed solvent (non-aqueous solvent) include moisture and organic peroxides (for example, glycols, alcohols, carboxylic acids). Each of the impurities is considered to form an insulating film on the surface of the graphitized material and increase the interfacial resistance of the electrode. Therefore, the cycle life and capacity may be affected. In addition, self-discharge during storage at high temperatures (60 ° C. or higher) may increase. For this reason, it is preferable that the impurities be reduced as much as possible in the electrolyte solution containing the non-aqueous solvent. Specifically, the moisture is preferably 50 ppm or less and the organic peroxide is preferably 1000 ppm or less.
[0097]
Examples of the electrolyte contained in the non-aqueous electrolyte include lithium perchlorate (LiClO).Four), Lithium hexafluorophosphate (LiPF)6), Lithium borofluoride (LiBF)Four), Lithium hexafluoroarsenide (LiAsF)6), Lithium trifluorometasulfonate (LiCF)ThreeSOThree), Bistrifluoromethylsulfonylimide lithium [LiN (CFThreeSO2)2] Lithium salt (electrolyte). Among them, LiPE6, LiBFFour, LiN (CFThreeSO2)2Is preferably used. In particular, LiN (CFThreeSO2)2When there is used, there is little reaction with the positive electrode active material at high temperatures (for example, 60 ° C.), and excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained at high temperatures. Moreover, it has the advantage that it is stable with respect to the carbonaceous material and can improve the cycle life.
[0098]
The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2.0 mol / 1.
[0099]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0100]
Example 1
First, lithium cobalt oxide (LixCoO2(0.8 ≦ x ≦ 1)) 91% by weight of powder, 3.5% by weight of acetylene black, 3.5% by weight of graphite and 2% by weight of ethylene propylene diene monomer powder and toluene were mixed together, and aluminum foil ( 30 [mu] m) After applying to a current collector, the positive electrode was produced by pressing.
[0101]
Moreover, after carbonizing coke made from low sulfur (content 8000 ppm or less) petroleum pitch as a raw material at 1000 ° C. in an argon atmosphere, an average particle size of 40 μm, a particle size of 1 to 80 μm, and 90% by volume are present, and A carbonaceous material was produced by appropriately pulverizing particles having a particle size of 0.5 μm or less so as to be small (5% or less) and then graphitizing at 3000 ° C. under vacuum.
[0102]
The obtained carbonaceous material is graphitized carbon powder having an average particle size of 40 μm, and 90% by volume or more exists in 1 to 80 μm in particle size distribution, and the particle size distribution of particles having a particle size of 0.5 μm or less is 0% by volume. Met. N2Specific surface area by gas adsorption BET method is 3m2/ G. The shape of the powder was a block shape. Intensity ratio by X-ray diffraction (P101/ P100) Was 3.6. d002Was 0.3354 nm, Lc was 43 nm, La was 43 nm, and La / Lc was 1. The ratio of rhombohedral and hexagonal (101) diffraction peak intensities by X-ray diffraction was 0.4. The sulfur content in the carbonaceous material was 100 ppm or less. In addition, the oxygen content was 100 ppm or less, the nitrogen content was 100 ppm or less, and Fe and Ni were each 1 ppm.
[0103]
Next, 96.7% by weight of the carbonaceous material was mixed with 2.2% by weight of styrene butadiene rubber and 1.1% by weight of carboxymethyl cellulose, and this was applied to a copper foil as a current collector and dried to form a negative electrode. Produced.
[0104]
The positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film, and the negative electrode were laminated in this order, and then wound in a spiral shape so that the negative electrode was located on the outer side, thereby producing an electrode group.
[0105]
Furthermore, lithium hexafluorophosphate (LiPF6) Was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and diethyl carbonate (DEC) (mixed volume ratio 40:30:30) at 1.0 mol / 1 to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0106]
The electrode group and the electrolyte solution were respectively housed in a bottomed cylindrical container made of stainless steel, and the above-described cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled.
[0107]
Example 2
First, after anisotropy bulk mesophase pitch obtained from petroleum pitch was carbonized at 1000 ° C. in an argon atmosphere, the average particle size was 15 μm, the particle size was 1 to 80 μm, and 90% by volume was present. The particles were moderately pulverized so that the number of particles having a diameter of 0.5 μm or less was small (5% or less). Then, the carbonaceous material was manufactured by heat-processing at 3000 degreeC under vacuum, and graphitizing.
[0108]
The obtained carbonaceous material is graphitized carbon powder having an average particle size of 15 μm, and 90% by volume or more exists in 1 to 80 μm in particle size distribution, and the distribution of particles having a particle size of 0.5 μm or less is 1% by volume. there were. N2Specific surface area by gas adsorption BET method 7m2/ G. The shape of the powder was spherical. Intensity ratio by X-ray diffraction (P101/ P100) Was 2.6. d0020.3357 nm, Lc was 45 nm, La was 58 nm, and La / Lc was 1.29. The ratio of rhombohedral and hexagonal (101) diffraction peak intensities was 0.5. Further, the sulfur content in the carbonaceous material was 100 ppm or less. In addition, the oxygen content was 100 ppm or less, the nitrogen content was 100 ppm or less, and Fe and Ni were each 1 ppm.
[0109]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 using the carbonaceous material. The cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.
[0110]
Example 3
Mesophase pitch carbon fiber powder A carbonized at 900 ° C. has an average fiber length of 30 μm, an average fiber diameter of 7 μm, N2Specific surface area by gas adsorption BET method 5m2/ G, Sulfur content 1600 ppm, Nitrogen content 200 ppm, Fe 5 ppm, Ni 3 ppm, X-ray diffraction, (002) plane spacing d of the graphite structure002Showed a diffraction peak derived from 0.361 nm, Lc was 1.4 nm, and La was 3.9 nm.
[0111]
Mesophase pitch-based carbon fiber powder B graphitized at 3100 ° C. has an average fiber length of 40 μm, an average fiber diameter of 12 μm, N2Specific surface area by gas adsorption BET method 3.8m2/ G, a sulfur content of 100 ppm or less, a nitrogen content of 100 ppm or less, and an interplanar spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction002Shows a diffraction peak derived from 0.3365 nm, Lc is 37 nm, La is 67 nm, P101/ P100Was 2.3.
[0112]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 by using a carbonaceous material obtained by mixing the powder A and the powder B at a weight ratio of 1: 2. The cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.
[0113]
Example 4
Mesophase pitch carbon fiber powder A carbonized at 1000 ° C. has an average fiber length of 30 μm, an average fiber diameter of 7 μm, N2Specific surface area by gas adsorption BET method 5m2/ G, sulfur content 1500 ppm, nitrogen content 100 ppm, Fe 5 ppm, Ni 3 ppm, the spacing d of (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction002Showed a diffraction peak derived from 0.360 nm, Lc was 1.48 nm, and La was 3.4 nm.
[0114]
Artificial graphite powder B obtained by graphitizing coke at 3000 ° C. has an average particle size of 40 μm, N2Specific surface area by gas adsorption BET method 3.3m2/ G, the sulfur content is 100 ppm or less, the nitrogen content is 100 ppm or less, Fe and Ni are each 1 ppm, and the surface spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction002Showed a diffraction peak derived from 0.3354 nm, Lc was 45 nm, and La was 60 nm.
[0115]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 using a carbonaceous material obtained by mixing the powder A and the powder B at a weight ratio of 1: 1. The cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.
[0116]
Comparative Example 1
Natural graphite was pulverized to an average particle size of 6 μm to obtain graphite powder. In this graphite powder, 85% by volume of particles having a particle size distribution of 1 to 80 μm were present, and the distribution of particles having a particle size of 0.5 μm or less was 10% by volume. N2Specific surface area by gas adsorption BET method is 10m2/ G. Intensity ratio by X-ray diffraction (P101/ P100) Was 2.1. d0020.3357 nm, Lc was 33 nm, and La was 60 nm. La / Lc is 1.82. The ratio of rhombohedral and hexagonal (101) diffraction peak intensities was 0.85.
[0117]
A negative electrode was produced by the same method as in Example 1 using the graphite powder. The cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.
[0118]
Comparative Example 2
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 using only the artificial graphite powder B of Example 4. The cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.
[0119]
Comparative Example 3
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 using only the mesophase pitch-based carbon fiber powder A of Example 3. The cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 1 except that this negative electrode was used.
[0120]
The obtained lithium secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were charged and discharged at a charging current of 400 mA for 3 hours up to 4.2 V and discharged at a high rate current of 1 A up to 2.7 V. Repeatedly, the discharge capacity and cycle life of each battery were measured. The result is shown in FIG.
[0121]
As can be seen from FIG. 2, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 4 have a higher capacity and a significantly improved cycle life even at high rate discharge than the batteries of Comparative Examples 1 to 3. I understand.
[0122]
On the other hand, LiN (CFThreeSO2)2When the same evaluation was performed using, it was confirmed that the cycle life was longer than those of Examples 1 to 4.
[0123]
Example 5
First, lithium cobalt oxide (LixCoO2(0.8 ≦ x ≦ 1)) 91% by weight of powder, 3.5% by weight of acetylene black, 3.5% by weight of graphite and 2% by weight of ethylene propylene diene monomer powder and toluene were mixed together, and aluminum foil ( 30 [mu] m) After applying to a current collector, the positive electrode was produced by pressing.
[0124]
Moreover, after carbonizing coke made from low sulfur (content 8000 ppm or less) petroleum pitch as a raw material at 1000 ° C. in an argon atmosphere, an average particle size of 20 μm, a particle size of 1 to 80 μm, and 90% by volume are present, and A carbonaceous material was produced by pulverizing into blocks so that the number of particles having a particle size of 0.5 μm or less was reduced (5% or less) and then graphitizing at 3000 ° C. in an argon atmosphere.
[0125]
The obtained carbonaceous material is a block-shaped graphitized carbon powder having an average particle size of 20 μm, and 90% by volume or more exists in 1 to 80 μm in particle size distribution, and the particle size distribution of particles having a particle size of 0.5 μm or less is It was 0% by volume. N2Specific surface area by gas adsorption BET method is 3m2/ G. The shape of the powder was granular. Intensity ratio by X-ray diffraction (P101/ P100) Was 3.6. d002Was 0.3354 nm, Lc was 43 nm, La was 43 nm, and La / Lc was 1. The ratio of rhombohedral and hexagonal (101) diffraction peak intensities by X-ray diffraction was 0.4. The sulfur content in the carbonaceous material was 100 ppm or less. In addition, the oxygen content was 100 ppm or less, the nitrogen content was 100 ppm or less, and Fe and Ni were each 1 ppm.
[0126]
Next, 96.7% by weight of the carbonaceous material was mixed with 2.2% by weight of styrene butadiene rubber and 1.1% by weight of carboxymethyl cellulose, and this was applied to a copper foil as a current collector and dried to form a negative electrode. Produced.
[0127]
The positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film, and the negative electrode were laminated in this order, and then wound in a spiral shape so that the negative electrode was located on the outer side, thereby producing an electrode group.
[0128]
Furthermore, lithium hexafluorophosphate (LiPF6) Was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and diethyl carbonate (DEC) (mixed volume ratio 40:30:30) at 1.0 mol / 1 to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0129]
The electrode group and the electrolyte solution were respectively housed in a bottomed cylindrical container made of stainless steel, and the above-described cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled.
[0130]
Example 6
First, an anisotropic mesophase pitch obtained from petroleum pitch is spun and carbon fiber obtained by infusibilization is carbonized at 1000 ° C. in an argon atmosphere, and then an average fiber diameter of 15 μm and a particle size of 1 to 80 μm. Was appropriately pulverized so that 90% by volume was present and particles having a particle size of 0.5 μm or less were reduced (5% or less). Thereafter, a fibrous carbonaceous material was produced by graphitizing by heat treatment at a temperature of 3100 ° C. in an argon atmosphere. The carbonaceous material had a radial orientation in a cross section perpendicular to the fiber length direction.
[0131]
The obtained carbonaceous material is graphitized carbon powder having an average fiber diameter of 15 μm, and 90% by volume or more exists in 1 to 80 μm in particle size distribution, and the distribution of particles having a particle diameter of 0.5 μm or less is 1% by volume. there were. N2Specific surface area 4m by gas adsorption BET method2/ G. The shape of the powder was a fiber having a length to diameter ratio (length / diameter) of 3. Intensity ratio by X-ray diffraction (P101/ P100) Was 2.6. d0020.3357 nm, Lc was 45 nm, La was 58 nm, and La / Lc was 1.29. The ratio of rhombohedral and hexagonal (101) diffraction peak intensities was 0.5. Further, the sulfur content in the carbonaceous material was 100 ppm or less. In addition, the oxygen content was 100 ppm or less, the nitrogen content was 100 ppm or less, and Fe and Ni were each 1 ppm.
[0132]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 5 using the carbonaceous material. A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 5 except that this negative electrode was used.
[0133]
Example 7
The mesophase pitch carbon fiber powder A graphitized at 3000 ° C. has an average fiber length of 40 μm, an average fiber diameter of 7 μm, N2Specific surface area by gas adsorption BET method 3m2/ G, Sulfur content 1600 ppm, Nitrogen content 200 ppm, Fe 5 ppm, Ni 3 ppm, X-ray diffraction, (002) plane spacing d of the graphite structure002Showed a diffraction peak derived from 0.3375 nm, Lc was 30 nm, and La was 60 nm.
[0134]
Petroleum coke powder B obtained by graphitization at 3100 ° C. and pulverization has an average particle size of 6 μm, N2Specific surface area of 9m by gas adsorption BET method2/ G of flaky powder, having a sulfur content of 100 ppm or less and a nitrogen content of 100 ppm or less, and an interplanar spacing d of the (002) plane of the graphite structure in X-ray diffraction002Shows a diffraction peak derived from 0.3358 nm, Lc is 60 nm, La is 120 nm, P101/ P100Was 2.5.
[0135]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 5 using a carbonaceous material obtained by mixing the powder A and the powder B at a weight ratio of 4: 1. A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 5 except that this negative electrode was used.
[0136]
Example 8
The mesophase pitch microspheres graphitized at 3000 ° C. are obtained by oxidizing and removing a surface layer having an average particle diameter of 20 μm and a thickness of 1 to 5 μm from the surface to expose a lamellar layer. The mesophase pitch spherule is N2Specific surface area by gas adsorption BET method is 5m2/ G, the sulfur content is 200 ppm, the nitrogen content is 100 ppm, Fe is 5 ppm, Ni is 3 ppm, and the distance d between the (002) planes of the graphite structure in X-ray diffraction002Shows a diffraction peak derived from 0.3365 nm, Lc is 60 nm, La is 100 nm, intensity ratio (P101/ P100) Is a 2.3 spherical graphitized product.
[0137]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 5 using the graphitized product (carbonaceous material). A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 5 except that this negative electrode was used.
[0138]
Comparative Example 4
Natural graphite was pulverized to an average particle size of 6 μm to obtain flaky graphite powder.
The graphite powder had a particle size distribution of 1 to 80 μm and 85% by volume, and the distribution of particles having a particle size of 0.5 μm or less was 5% by volume. N2Specific surface area by gas adsorption BET method is 10m2/ G. Intensity ratio by X-ray diffraction (P101/ P100) Was 3.6. d0020.3357 nm, Lc was 60 nm, and La was 120 nm. La / Lc is 1.82. The ratio of rhombohedral and hexagonal (101) diffraction peak intensities was 0.85.
[0139]
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 5 using the graphite powder. A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 5 except that this negative electrode was used.
[0140]
Comparative Example 5
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 5 using only the graphitized petroleum coke powder B of Example 7. A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 5 except that this negative electrode was used.
[0141]
Comparative Example 6
A negative electrode was prepared in the same manner as in Example 5 using only the mesophase pitch carbon fiber powder A of Example 7. A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 1 was assembled in the same manner as in Example 5 except that this negative electrode was used.
[0142]
For the obtained lithium secondary batteries of Examples 5 to 8 and Comparative Examples 4 to 6, charging and discharging were performed at a charging current of 400 mA for 3 hours up to 4.2 V and discharged at a high rate current of 1 A up to 2.7 V. Repeatedly, the discharge capacity and cycle life of each battery were measured. The result is shown in FIG.
[0143]
As is clear from FIG. 3, the lithium secondary batteries of Examples 5 to 8 have a higher capacity and a significantly improved cycle life even at high rate discharge than the batteries of Comparative Examples 4 to 6. I understand.
[0144]
On the other hand, LiN (CFThreeSO2)2When the same evaluation was performed using, it was confirmed that the cycle life was longer than that of Examples 5 to 8.
[0145]
In addition, although the example applied to the cylindrical lithium secondary battery has been described in the above embodiment, the present invention can be similarly applied to a prismatic lithium secondary battery. The electrode group housed in the battery container is not limited to the spiral shape, and a plurality of positive electrodes, separators, and negative electrodes may be stacked in this order.
[0146]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a lithium secondary battery and a negative electrode material that have a high capacity, an excellent cycle life, and can maintain a high voltage over a long period of use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a cylindrical lithium secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a charge / discharge cycle and a discharge capacity in the lithium secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between charge / discharge cycles and discharge capacities in lithium secondary batteries of Examples 5 to 8 and Comparative Examples 4 to 6.
[Explanation of symbols]
1 ... container,
3 ... Electrode group,
4 ... positive electrode,
6 ... negative electrode,
8 ... Sealing plate.

Claims (7)

正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物を含む負極と、非水電解液とを具備したリチウム二次電池において、
前記炭素質物は、X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d002 が0.335〜0.33nmの範囲にあり、X線回折法による六方晶系の(101)回折ピークに対するX線回折法による菱面体晶系の(101)回折ピークの比率が0.6以下で、かつX線回折法による六方晶系の(101)回折ピークP 101 と(100)回折ピークP 100 のピーク強度比(P 101 /P 100 )が2.2を越えることを特徴とするリチウム二次電池。
In a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing a carbonaceous material that occludes / releases lithium ions, and a non-aqueous electrolyte,
The carbonaceous material is located face spacing d 002 of (002) plane of the graphite structure by X-ray diffraction method in the range of 0.335-0.33 6 nm, (101) of the hexagonal by X-ray diffraction diffraction The ratio of the rhombohedral (101) diffraction peak to the peak by the X-ray diffraction method is 0.6 or less , and the hexagonal (101) diffraction peak P 101 and the (100) diffraction peak P by the X-ray diffraction method. A lithium secondary battery characterized in that a peak intensity ratio of 100 (P 101 / P 100 ) exceeds 2.2 .
前記炭素質物は、ブロック状、繊維状または球状の形状を主体とする黒鉛化物であることを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the carbonaceous material is a graphitized material mainly having a block shape, a fiber shape, or a spherical shape . 前記炭素質物は、a軸方向の結晶子の長さLaとc軸方向の結晶子の長さLcの比(La/Lc)が1.5未満であることを特徴とする請求項1または2記載のリチウム二次電池。The carbonaceous material, according to claim 1 or 2, wherein the ratio of the length Lc of the a-axis length in the direction of the crystallite La and the c-axis direction of the crystallite (La / Lc) is less than 1.5 The lithium secondary battery as described. 前記炭素質物の硫黄の含有量は、1000ppm以下(0ppmを含む)であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbonaceous material has a sulfur content of 1000 ppm or less (including 0 ppm). 前記炭素質物は、酸素の含有量が500ppm以下で、窒素の含有量が1000ppm以下で、Feの含有量が50ppm以下で、かつNiの含有量が50ppm以下であることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載のリチウム二次電池。The carbonaceous material has an oxygen content of 500 ppm or less, a nitrogen content of 1000 ppm or less, an Fe content of 50 ppm or less, and a Ni content of 50 ppm or less. The lithium secondary battery of any one of -4. 前記炭素質物は、アルミニウム、ホウ素、リン、カルシウムあるいはスズを含むことを特徴とする請求項1〜5いずれか1項記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the carbonaceous material contains aluminum, boron, phosphorus, calcium, or tin. X線回折法による黒鉛構造の(002)面の面間隔d002 が0.335〜0.33nmの範囲にあり、X線回折法による六方晶系の(101)回折ピークに対するX線回折法による菱面体晶系の(101)回折ピークの比率が0.6以下で、かつX線回折法による六方晶系の(101)回折ピークP 101 と(100)回折ピークP 100 のピーク強度比(P 101 /P 100 )が2.2を越える炭素質物を含有することを特徴とする負極材料。X-ray diffraction of the (002) plane spacing d 002 of the graphite structure by X-ray diffraction method is in the range of 0.335 to 0.33 6 nm, and the hexagonal (101) diffraction peak by X-ray diffraction method. The ratio of the rhombohedral (101) diffraction peak obtained by the method is 0.6 or less , and the peak intensity ratio between the hexagonal (101) diffraction peak P 101 and the (100) diffraction peak P 100 obtained by the X-ray diffraction method A negative electrode material characterized by containing a carbonaceous material in which (P 101 / P 100 ) exceeds 2.2 .
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