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JPH07282812A - Carbon negative electrode material for lithium secondary batteries - Google Patents

Carbon negative electrode material for lithium secondary batteries

Info

Publication number
JPH07282812A
JPH07282812A JP6093912A JP9391294A JPH07282812A JP H07282812 A JPH07282812 A JP H07282812A JP 6093912 A JP6093912 A JP 6093912A JP 9391294 A JP9391294 A JP 9391294A JP H07282812 A JPH07282812 A JP H07282812A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
lithium
powder
carbon fiber
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6093912A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kimihito Suzuki
公仁 鈴木
Takashi Iijima
孝 飯島
Koichiro Mukai
幸一郎 向井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp, Nippon Steel Chemical Co Ltd filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP6093912A priority Critical patent/JPH07282812A/en
Publication of JPH07282812A publication Critical patent/JPH07282812A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、放電容量が大きく、サイクル初期
の段階からの充放電効率が高く、且つサイクル特性に優
れたリチウム二次電池用負極材料としての炭素繊維粉砕
粉を提供する。 【構成】 ピッチを原料とした炭素繊維を粉砕したもの
で、その隣接する炭素網面層の規則的な積層配列状態と
なる確率を制御し(P1≧0.6、PABA≧0.3、P
ABC≧0.15)、さらに繊維粉砕時に機械的に導入さ
れる黒鉛結晶欠陥の度合いを制限する(アルゴンレーザ
ーを用いたラマン分光法における1360cm-1バンド
の1580cm-1バンドに対する強度比Rが0.4以
下)といったミクロな結晶構造因子を規定したものであ
るから、炭素材料中へのリチウムドープ量即ち放電容
量、リチウムの挿入・脱離の充放電効率、充放電の繰返
しに対するサイクル安定性の高い粉末状炭素材料を提供
することができる。
(57) [Summary] [Object] The present invention provides a crushed carbon fiber powder as a negative electrode material for a lithium secondary battery, which has a large discharge capacity, high charge-discharge efficiency from the initial stage of the cycle, and excellent cycle characteristics. provide. [Structure] Carbon fibers made from pitch as a raw material are crushed, and the probability that the adjacent carbon mesh surface layers are in a regular laminated arrangement state is controlled (P 1 ≧ 0.6, P ABA ≧ 0.3 , P
ABC ≧ 0.15), further limits the degree of the graphite crystal defects mechanically introduced during fiber crushed (intensity ratio R for 1580 cm -1 band of 1360 cm -1 band in the Raman spectroscopy using an argon laser is 0 .4 or less), the amount of lithium doped into the carbon material, that is, the discharge capacity, the charging / discharging efficiency of lithium insertion / desorption, and the cycle stability against repeated charging / discharging. It is possible to provide a high powdery carbon material.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、リチウムの挿入・脱離
反応を利用するリチウム二次電池用炭素負極材料であっ
て、その炭素質材料の形態が粉末状の電極材料に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon negative electrode material for lithium secondary batteries which utilizes an insertion / desorption reaction of lithium, and relates to an electrode material in which the form of the carbonaceous material is powder.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の電気・電子機器の小型化、軽量化
に伴い、二次電池に対する高エネルギー密度化の要求が
ますます強くなっている。この要求を満たす高エネルギ
ー密度二次電池としては、リチウム二次電池が注目さ
れ、その開発が急がれている。
2. Description of the Related Art With the recent miniaturization and weight reduction of electric and electronic devices, the demand for higher energy density of secondary batteries has been increasing. As a high energy density secondary battery satisfying this requirement, a lithium secondary battery has been attracting attention and its development is urgently needed.

【0003】このリチウム二次電池の開発における最大
の課題は、負極に用いるリチウム金属の充放電の繰り返
しに伴うサイクル劣化である。
The greatest problem in the development of this lithium secondary battery is cycle deterioration due to repeated charging and discharging of lithium metal used for the negative electrode.

【0004】この問題を解決するためにリチウム金属の
代替材料が種々検討されているが、その中で最も有力視
されているのが炭素材料である。
In order to solve this problem, various alternative materials for lithium metal have been studied, and the most promising among them is the carbon material.

【0005】リチウム二次電池の負極に炭素材料を用い
た系では、充電時に多量のリチウム塩を溶解させた電解
液中から炭素材料の炭素網面層の層間にリチウムが挿入
し、放電時には挿入されたリチウムがイオンとして放出
される、いわゆるインターカレーション―デインターカ
レーション(挿入―脱離)反応を利用する。
In a system using a carbon material for the negative electrode of a lithium secondary battery, lithium is inserted between the layers of the carbon mesh surface layer of the carbon material from the electrolytic solution in which a large amount of lithium salt is dissolved during charging, and lithium is inserted during discharging. The so-called intercalation-deintercalation (insertion-desorption) reaction in which the generated lithium is released as an ion is used.

【0006】そのため、高い電極性能を有する炭素負極
材料の開発のポイントは炭素材料の結晶構造であり、そ
の結晶構造の規則性から、難黒鉛化性炭素材料、易黒鉛
化性炭素材料の大きく二つの方向性で研究がなされてい
る。
Therefore, the point of development of the carbon negative electrode material having high electrode performance is the crystal structure of the carbon material. Due to the regularity of the crystal structure, there are two major types of non-graphitizable carbon materials and graphitizable carbon materials. Research is being done in one direction.

【0007】これまでの研究報告を概観すると、難黒鉛
化性材料は黒鉛構造が発達せず、炭素網面層の層間が理
想的な黒鉛構造と比較して非常に広いため、易黒鉛化性
材料と比較して層間へのリチウムの挿入反応が容易であ
り、且つ、その挿入量が大きいため高い放電容量が得ら
れるという報告(例えば、特開平2―66856号公
報、第60回電気化学大会2G08など)がある。
[0007] As an overview of the research reports so far, the graphitizable material does not develop a graphite structure, and the interlayer of the carbon net surface layer is much wider than the ideal graphite structure. It is reported that the intercalation reaction of lithium between layers is easier than that of the material, and the large intercalation amount provides a high discharge capacity (for example, JP-A-2-66856, 60th Electrochemical Convention). 2G08).

【0008】しかし、一方で、黒鉛結晶子が発達せず、
それらがランダムに配向しており、材料の内部でのリチ
ウムの拡散は遅いため、サイクル初期の段階でのリチウ
ムの挿入・脱離の効率が低く、且つ、充放電の繰り返し
に対する容量の低下が大きいという二次電池の電極材料
として致命的と思われる欠点も指摘されている(例え
ば、第34回電池討論会3A07)。
On the other hand, however, the graphite crystallite did not develop,
Since they are randomly oriented, and the diffusion of lithium inside the material is slow, the efficiency of lithium insertion / desorption at the early stage of the cycle is low, and the capacity is largely reduced with repeated charge / discharge. It has been pointed out that there is a defect that is fatal as an electrode material for secondary batteries (for example, the 34th battery discussion meeting 3A07).

【0009】また、難黒鉛化性材料はその結晶構造の特
徴から炭素原子のパッキング(充填)が密でないため、
真比重が小さく、電極体の体積当たりの放電容量は易黒
鉛化性材料と比較して小さくなってしまい、コンパクト
サイズのリチウム二次電池には適当でないと思われる。
Further, since the non-graphitizable material is not densely packed with carbon atoms due to its crystal structure,
The true specific gravity is small, and the discharge capacity per volume of the electrode body is smaller than that of the graphitizable material, which is not suitable for a compact lithium secondary battery.

【0010】一方、易黒鉛化性材料は黒鉛構造が発達す
るほどリチウムとの層間化合物を安定に形成しやすいた
め、多量のリチウムが炭素網面層の層間へ挿入され、放
電容量が大きくなることが報告されている(例えば、電
気化学及び工業物理化学,61(2),1383(19
93))。
On the other hand, in the graphitizable material, an intercalation compound with lithium is more likely to be stably formed as the graphite structure develops, so that a large amount of lithium is inserted between the layers of the carbon mesh surface layer, and the discharge capacity becomes large. Have been reported (eg, Electrochemistry and Industrial Physical Chemistry, 61 (2), 1383 (19).
93)).

【0011】最終的には黒鉛とリチウムとの理想的な黒
鉛層間化合物LiC6が形成され、この場合の放電容量
(372mAh/g)が一般に炭素負極材料の理論容量
(限界値)とされている。
Finally, an ideal graphite intercalation compound LiC 6 of graphite and lithium is formed, and the discharge capacity (372 mAh / g) in this case is generally regarded as the theoretical capacity (limit value) of the carbon negative electrode material. .

【0012】易黒鉛化性材料は一般に2000℃を越え
る超高温の温度領域での黒鉛化処理により、規則的な炭
素網面層の配列が長距離秩序を保った結晶構造となる。
[0012] The graphitizable material generally has a crystal structure in which the regular arrangement of the carbon network plane layers maintains a long-range order by the graphitization treatment in an ultrahigh temperature range exceeding 2000 ° C.

【0013】そのため、層間距離が小さいにもかかわら
ず材料内部でのリチウムの拡散係数が大きいという特徴
を有するという報告がある(例えば第34回電池討論会
3A08)。
Therefore, there is a report that it has a feature that the diffusion coefficient of lithium inside the material is large even if the interlayer distance is small (for example, 34th Battery Discussion Group 3A08).

【0014】加えて、炭素網面層へのリチウムの挿入・
脱離反応時の電極電位が難黒鉛化性材料では反応進行と
共に大きく変化するのに比べて、Li金属に非常に近い
電位(0.2〜0.1Vvs.Li/Li+)でほぼ反
応終了時まで維持されるため、正極材料と組み合わせた
場合の電池電圧が高く、高いエネルギー密度を得ること
ができるという特徴を有する。
In addition, insertion of lithium into the carbon mesh surface layer
Compared to the fact that the electrode potential during the desorption reaction changes greatly with the progress of the reaction in the non-graphitizable material, the potential is very close to that of Li metal (0.2 to 0.1 V vs. Li / Li +) and almost at the end of the reaction. Since this is maintained, the battery voltage when combined with the positive electrode material is high, and a high energy density can be obtained.

【0015】さらに、このような黒鉛構造の発達した材
料では、概して真比重が大きいため、電極体の体積当た
りの放電容量が大きく、電池のコンパクト化に適すると
いうメリットもある。
Further, since such a material having a developed graphite structure generally has a large true specific gravity, the discharge capacity per volume of the electrode body is large, which is advantageous in that the battery can be made compact.

【0016】理想的な黒鉛結晶構造を有する天然黒鉛及
び天然黒鉛に近い結晶構造を有する人造黒鉛等に着目し
た検討は古くから行なわれている(例えばJ.Elec
trochem.Soc.,117,222(197
0)、Carbon,13,337(1975)、特開
昭64―2258号公報など)が、これらの結晶構造は
炭素網面層が特定方向への優先配向をしているため、材
料中でのリチウムの拡散方向が限定され、しかもその拡
散距離が非常に長い。
Studies have been conducted for a long time focusing on natural graphite having an ideal graphite crystal structure and artificial graphite having a crystal structure close to that of natural graphite (for example, J. Elec).
trochem. Soc. , 117, 222 (197)
0), Carbon, 13, 337 (1975), Japanese Patent Laid-Open No. 64-2258, etc.), but since these carbon structures have a preferential orientation of a carbon net surface layer in a specific direction, The diffusion direction of lithium is limited, and the diffusion distance is very long.

【0017】従って非常に小さな充放電電流下において
のみ、高い放電容量を得ることが確認されている(例え
ば、Electrochimica Acta,38
(9),1179(1993))。
Therefore, it has been confirmed that a high discharge capacity can be obtained only under a very small charge / discharge current (for example, Electrochimica Acta, 38).
(9), 1179 (1993)).

【0018】しかしながら、実用的な見地からは電流密
度を高くできないために、その使用範囲に大きな制約を
受けるものと思われる。
However, from a practical point of view, the current density cannot be increased, so that the range of use is likely to be greatly restricted.

【0019】また、メソフェースピッチの光学的異方性
相が球状に生成した段階で採取して調製したメソカーボ
ンマイクロビーズに関しても、サイクル特性に問題があ
ると指摘されていた(例えば、第34回電池討論会3A
07)。
It was also pointed out that the mesocarbon microbeads prepared by collecting the optically anisotropic phase of mesophase pitch in a spherical form had a problem in cycle characteristics (for example, No. 34). 3rd round battery discussion meeting
07).

【0020】ピッチ系炭素繊維は易黒鉛化性材料の部類
に属し、超高温の温度領域での黒鉛化処理により天然黒
鉛に近い炭素網面層の層間距離となり、しかもリチウム
の拡散方向が繊維外周から内部へ向かっての多方向、且
つ、拡散距離が繊維外周から繊維軸までの高々10μm
程度と短かいため、この炭素繊維を粉砕した粉末は拡散
係数が他の易黒鉛化性材料と比較して大きく、重負荷に
強いことが期待される。
Pitch-based carbon fibers belong to the category of easily graphitizable materials, and the graphitization treatment in the ultra-high temperature region results in the interlayer distance of the carbon mesh surface layer close to that of natural graphite, and the diffusion direction of lithium is the fiber periphery. In multiple directions from the inside to the inside, and the diffusion distance is at most 10 μm from the fiber outer circumference to the fiber axis
Due to its shortness, the powder obtained by crushing this carbon fiber has a large diffusion coefficient compared to other graphitizable materials, and is expected to be strong against heavy loads.

【0021】また、この粉砕に関しては、例えば特開平
5―325967号公報にもあるように、炭素繊維の形
状を保持しつつ、ある程度のアスペクト比になるまで実
施することが、粉砕粉の成型及び繊維の電極性能を十分
に発揮させる上で重要であるものと思われる。
Further, regarding this pulverization, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-325967, it is necessary to carry out the pulverization of the pulverized powder while maintaining the shape of the carbon fiber until the aspect ratio reaches a certain level. It is considered to be important for fully exerting the electrode performance of the fiber.

【0022】従来、炭素繊維を粉砕した粉末に関して
は、用いる炭素繊維の黒鉛化過程は隣接するグラファイ
ト層の積層配列規則性が乱れた状態(乱層構造)から規
則的状態(黒鉛構造)への遷移過程であるにも関わら
ず、その炭素網面層の層間距離d002及びC軸方向の結
晶子の大きさLcという黒鉛結晶子のマクロな構造因子
の平均値により黒鉛化の程度を規定しているに過ぎなか
った。
Conventionally, regarding powders obtained by crushing carbon fibers, the graphitization process of the carbon fibers used changes from a state (turbulent layer structure) in which the stacking order regularity of adjacent graphite layers is disturbed to a regular state (graphite structure). Despite the transition process, the degree of graphitization is defined by the interlayer distance d 002 of the carbon network plane layer and the average value of the macroscopic structural factor of the graphite crystallite such as the crystallite size Lc in the C-axis direction. It was just that.

【0023】実際、リチウムはその炭素繊維におけるあ
る積層配列規則性を持ったグラファイト層へ拡散し、グ
ラファイト層の炭素原子との相互作用の結果、インター
カラント層において面内配列規則性を形成する。
In fact, lithium diffuses into the graphite layer of the carbon fiber having a certain stacking order, and as a result of interaction with the carbon atoms of the graphite layer, in-plane ordering is formed in the intercalant layer.

【0024】そのため、グラファイト層の積層配列規則
性といったミクロな構造因子はリチウムのグラファイト
層間での拡散及びインターカラント層内で形成する面内
配列規則性に大きな影響を与え、その結果高い電流密度
下での炭素繊維へのリチウムの充放電効率、充放電サイ
クル特性、及びリチウムのドープ量即ち放電容量等の電
極特性を低下させてしまう。
Therefore, the microscopic structural factors such as the stacking order regularity of the graphite layer have a great influence on the diffusion of lithium between the graphite layers and the in-plane ordering regularity formed in the intercalant layer, resulting in a high current density. In this case, the charging / discharging efficiency of lithium to the carbon fiber, the charging / discharging cycle characteristics, and the electrode characteristics such as the doping amount of lithium, that is, the discharge capacity are deteriorated.

【0025】しかしながら、隣接するグラファイト層の
積層配列規則性という観点からの検討は、これまで黒鉛
化処理を施したメソカーボンマイクロビーズに関する報
告(Proc.Electrochem.Soc.Sp
ring Meeting93―8,64(199
3))、ピッチコークスに関する報告(Electro
chimica Acta,38,9,1179(19
93))のみであり、炭素繊維に関する検討は全く成さ
れていなかった。
However, the investigation from the viewpoint of the stacking order regularity of the adjacent graphite layers has been reported so far on the graphitized mesocarbon microbeads (Proc. Electrochem. Soc. Sp.
ring Meeting93-8, 64 (199
3)), Report on pitch coke (Electro
chimica Acta, 38, 9, 1179 (19
93)) only, and no study on carbon fibers was made.

【0026】一方、炭素繊維を粉砕して得られた炭素粉
末は、粉砕することにより元の炭素繊維のグラファイト
層の積層配列規則性とは異なった構造欠陥が機械的に導
入されたり、あるいは結晶局部の構造が六方晶対称性か
らより低い対称性への移行あるいは消失といった現象を
引き起こす。
On the other hand, the carbon powder obtained by pulverizing the carbon fibers is mechanically introduced with a structural defect different from the stacking order regularity of the graphite layer of the original carbon fibers, or the carbon powder is crystallized. The local structure causes a phenomenon such as transition or disappearance from hexagonal symmetry to lower symmetry.

【0027】このグラファイト層の積層配列規則性への
構造欠陥の導入は、そのグラファイト層間へ挿入される
リチウムの拡散、及びインターカラント層における面内
配列規則性に影響し、リチウムの充放電効率及び充放電
サイクル特性を大きく低下させる要因となる。
The introduction of structural defects into the stacking order regularity of the graphite layer affects the diffusion of lithium inserted between the graphite layers and the in-plane ordering regularity in the intercalant layer, and the lithium charge / discharge efficiency and This is a factor that significantly deteriorates the charge / discharge cycle characteristics.

【0028】従って、炭素繊維本来の性能を引き出すた
めにはその結晶構造欠陥はできるだけ低減することが望
ましいが、こうした粉砕処理後の炭素粉末のグラファイ
ト層の積層配列規則性の程度はこれまで例えば樹脂焼成
物に関する報告(例えば特開昭63―114056号公
報、特開昭63―236259号公報など)及び炭化水
素ガスの熱分解炭素体に関する報告(例えば特開平5―
78909号公報)のみであり、炭素繊維の粉砕紛に関
する検討は全く成されておらず、炭素繊維粉砕紛におい
て炭素繊維自身が本来有する電極性能を十分に発揮させ
ていなかった。
Therefore, in order to bring out the original performance of the carbon fiber, it is desirable to reduce the crystal structure defects as much as possible. However, the degree of regularity of stacking arrangement of the graphite layer of the carbon powder after the crushing treatment has been, for example, resin. Reports on fired products (for example, JP-A-63-114056, JP-A-63-236259, etc.) and reports on pyrolytic carbon bodies of hydrocarbon gas (for example, JP-A-5-
No. 78909), no studies have been made on pulverized powder of carbon fiber, and the electrode performance originally possessed by the carbon fiber itself has not been sufficiently exhibited in the pulverized powder of carbon fiber.

【0029】[0029]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を鑑み、放電容量が大きく、サイクル初期の段階からの
充放電効率が高く、且つサイクル特性に優れたリチウム
二次電池用負極材料としての炭素繊維粉砕粉を提供する
ことを目的とするものである。
In view of the above problems, the present invention provides a negative electrode material for a lithium secondary battery, which has a large discharge capacity, high charge / discharge efficiency from the initial stage of the cycle, and excellent cycle characteristics. The purpose of the present invention is to provide a crushed carbon fiber powder.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ピッチを
原料とした炭素繊維を粉砕した粉末状炭素材料が、その
隣接する炭素網面の規則的な積層配列状態となる確率を
制御し、及び繊維粉砕時に機械的に導入される黒鉛結晶
欠陥の度合いを制限するといったミクロな結晶構造因子
を規定することにより、リチウム挿入量、初期充放電効
率、電極体の体積当たりの放電容量を高くすることが可
能になることを見いだした。本発明はかかる知見に基づ
いて完成されたものである。
The inventors of the present invention have controlled the probability that a powdery carbon material obtained by crushing carbon fibers made of pitch as a raw material has a regular laminated arrangement state of the adjacent carbon net surface. , And by defining a microscopic crystal structure factor that limits the degree of graphite crystal defects that are mechanically introduced during fiber crushing, the lithium insertion amount, the initial charge / discharge efficiency, and the discharge capacity per volume of the electrode body are increased. I found it possible to do. The present invention has been completed based on such findings.

【0031】即ち、本発明のリチウム二次電池用炭素負
極材料は、結晶子のC軸方向に隣接する2枚の網面が黒
鉛的配列をとる確率の指標であるP1値が0.6以上、
隣接する3枚の網面がABAの六方晶系としての規則的
配列を持つ確率PABA値が0.3以上、且つ、隣接する
3枚の網面がABCの菱面体晶系としての規則的配列を
持つ確率PABC値が0.15以上であることを特徴とす
るものである。
That is, the carbon negative electrode material for a lithium secondary battery of the present invention has a P 1 value of 0.6, which is an index of the probability that two mesh planes adjacent to each other in the C-axis direction of the crystallite have a graphite-like arrangement. that's all,
Probability that adjacent three mesh planes have a regular array of ABA as hexagonal system P ABA value is 0.3 or more, and three adjacent mesh planes are regular as rhombohedral system of ABC The probability P ABC of having an array is 0.15 or more.

【0032】さらに、アルゴンレーザーを用いたラマン
分光分析における1360cm-1バンドの1580cm
-1バンドに対する強度比(R=I1360/I1580)が0.
4以下であることを特徴とするものである。
Further, 1580 cm of 1360 cm -1 band in Raman spectroscopic analysis using an argon laser.
The intensity ratio (R = I 1360 / I 1580 ) to the −1 band is 0.
It is characterized by being 4 or less.

【0033】以下に本発明の炭素繊維粉体の規定に用い
た種々の物性値の表現方法、及び測定方法を示す。
The methods of expressing various physical properties used in the definition of the carbon fiber powder of the present invention and the measuring methods are shown below.

【0034】(1)X線回折法……P1、PABA、PABC CuKαをX線源、標準物質に高純度シリコンを使用
し、炭素材料に対し非対称(10)あるいは(11)回
折線ピークを測定し、それぞれのピーク図形における回
折線強度分布をフーリエ解析することにより、結晶子の
C軸方向に隣接する2枚の網面が黒鉛的配列をとる確率
の指標であるP1、図1に示すように第一層に対して第
二層が(2/3,1/3)だけ平行移動し、第三層がち
ょうど第一層に重なったABAB…の六方晶系に属する
構造、即ち結晶子のC軸方向に隣接する3枚の網面がA
BAの六方晶系としての規則的配列を持つ確率PABA
図2に示すように第一層に対して第二層が(2/3,1
/3)ずれ、第三層はさらに1/3,2/3)ずれて、
第四層がちょうど第一層に重なったABCABC…の菱
面体晶系に属する構造、即ち結晶子のC軸方向に隣接す
る3枚の網面がABCの菱面体晶系としての規則的配列
を持つ確率PABCを算出する。
(1) X-ray diffraction method: P 1 , P ABA , and P ABC CuKα are used as X-ray sources, high-purity silicon is used as a standard substance, and asymmetric with respect to a carbon material (10) or (11) diffraction line By measuring the peaks and Fourier-analyzing the diffraction line intensity distribution in each peak figure, P 1 which is an index of the probability that two mesh planes adjacent to each other in the C-axis direction of the crystallite have a graphite-like arrangement, As shown in 1, a structure in which the second layer is translated by (2/3, 1/3) with respect to the first layer, and the third layer exactly overlaps the first layer, belongs to the hexagonal system of ABAB ... That is, the three nets adjacent in the C-axis direction of the crystallite are A
Probability P ABA of having a regular arrangement as a hexagonal system of BA,
As shown in FIG. 2, the second layer is (2/3, 1
/ 3) shift, the third layer shifts further 1/3, 2/3),
The structure in which the fourth layer exactly overlaps with the first layer belongs to the rhombohedral system of ABCABC ... That is, the three nets adjacent to each other in the C-axis direction of the crystallite have a regular arrangement as the rhombohedral system of ABC. Probability P ABC is calculated.

【0035】Warrenらは炭素の二次元(hk)回
折の強度分布のフーリエ解析から黒鉛化度を求めうるこ
とを示した(J.Appl.Phys.,25,150
3(1954))。
Warren et al. Have shown that the degree of graphitization can be determined from Fourier analysis of the intensity distribution of the two-dimensional (hk) diffraction of carbon (J. Appl. Phys., 25, 150.
3 (1954)).

【0036】黒鉛化度の低い炭素材ではそのX線回折図
中に低角側で鋭く立ち上がり高角側でゆっくり減少する
ような極めて広がった二次元(hk)回折が観測され
る。
In a carbon material having a low degree of graphitization, extremely wide two-dimensional (hk) diffraction is observed in the X-ray diffraction pattern, which sharply rises on the low angle side and gradually decreases on the high angle side.

【0037】Warrenらによれば、炭素六方網面が
並行に並んだ平行層群中で各網面がその法線方向に無秩
序に回転している(乱層構造)ときにこのような回折が
認められ、一方、黒鉛化が始まって平行層群中の一部の
網面対が黒鉛的な関係に位置する(黒鉛構造)ようにな
ると二次元(hk)回折に変形が起こる。
According to Warren et al., Such diffraction occurs when each network plane is randomly rotated in the normal direction in a parallel layer group in which hexagonal carbon network planes are arranged in parallel (turbulent layer structure). On the other hand, when graphitization starts and some net plane pairs in the parallel layer group are positioned in a graphitic relationship (graphite structure), the two-dimensional (hk) diffraction is deformed.

【0038】その変形因子がフーリエ級数で表され、そ
のフーリエ級数An(hk)は(hk)回折の強度分布
から実測される量M (hk)により以下の式を用い
て求められる。
The deformation factor is represented by the Fourier series, and its
Fourier series ofn(Hk) is the intensity distribution of (hk) diffraction
M measured from (Hk) uses the following formula
Required.

【0039】[0039]

【数1】 [Equation 1]

【0040】このフーリエ級数An(hk)とP1値、P
ABA値、及び、PABC値とは
This Fourier series A n (hk) and P 1 value, P
What is ABA value and P ABC value?

【0041】[0041]

【数2】P1=−2A1(10)=A1(11)## EQU2 ## P 1 = -2A 1 (10) = A 1 (11)

【0042】[0042]

【数3】 PABA=1/3 {2A2(10)+A2(11)}## EQU00003 ## P ABA = 1/3 {2A 2 (10) + A 2 (11)}

【0043】[0043]

【数4】 PABC=2/3 {A2(11)−A2(10)}## EQU4 ## P ABC = 2/3 {A 2 (11) -A 2 (10)}

【0044】と関係づけることができるため、特に(1
0)及び(11)回折の強度分布より各P値が求められ
る。
Since it can be related to (1
Each P value is obtained from the intensity distributions of 0) and (11) diffraction.

【0045】(2)ラマン分光法……R=I1360/I
1580 黒鉛構造の有する9種の格子振動のうち網面内格子振動
に相当するE2g型振動に対応した1580cm-1近傍の
ラマンスペクトルと、欠陥等の結晶構造の乱れを反映し
た1360cm-1近傍のラマンスペクトルをアルゴンレ
ーザーを用いたラマン分光分析により測定する。
(2) Raman spectroscopy ... R = I 1360 / I
1580 Raman spectrum near 1580 cm -1 corresponding to E 2g type vibration corresponding to in-plane lattice vibration among the 9 types of lattice vibrations possessed by graphite structure, and 1360 cm -1 reflecting disorder of crystal structure such as defects Is measured by Raman spectroscopy using an argon laser.

【0046】それぞれのラマンスペクトルの強度値より
その強度比R=I1360/I1580を算出する。
The intensity ratio R = I 1360 / I 1580 is calculated from the intensity value of each Raman spectrum.

【0047】以下に本発明の具体的な内容について述べ
る。
The specific contents of the present invention will be described below.

【0048】本発明者らは、充放電の繰り返しに対する
サイクル安定性の高い炭素材料を種々検討した結果、炭
素材料の構造及び形状が非常に重要な因子であり、構造
については特に黒鉛構造の発達した易黒鉛化性炭素材料
であり、且つ、形状については繊維形状が最も最適であ
ることを見いだし、先に出願を行なった(特開平2―8
2466号公報)。
As a result of various studies on carbon materials having high cycle stability against repeated charging / discharging, the present inventors have found that the structure and shape of the carbon materials are very important factors. It was found that the above-mentioned graphitizable carbon material was the most suitable and the fiber shape was the most suitable, and the application was filed first (Japanese Patent Laid-Open No. 2-8).
2466).

【0049】これは、黒鉛構造が発達することは、リチ
ウムが炭素材料内部へ挿入されて安定な黒鉛層間化合物
を形成する際の炭素材料中でのリチウムの拡散に必須で
あり、一方、形状については、リチウムの挿入・脱離に
伴って炭素網面間隔が膨張・収縮するが、繊維形状であ
れば材料のマクロな構造破壊を避けることができ、充放
電を多数回繰り返しても構造を安定に保持したまま電池
反応に関与することができるためと推察される。
This is because the development of the graphite structure is essential for the diffusion of lithium in the carbon material when lithium is inserted into the carbon material to form a stable graphite intercalation compound, while the shape is The carbon mesh surface spacing expands and contracts as lithium is inserted and released, but if it is a fiber shape, macroscopic structural destruction of the material can be avoided, and the structure is stable even if charging and discharging are repeated many times. It is presumed that it is possible to be involved in the battery reaction while being held at.

【0050】この場合の構造はその規則的積層配列状態
である黒鉛結晶子における炭素網面層の層間距離d及び
C軸方向の結晶子の大きさLcというマクロな結晶構造
因子にしか着目していない。
In the structure in this case, attention is paid only to the macroscopic crystal structure factor such as the interlayer distance d of the carbon network plane layer and the size Lc of the crystallite in the C-axis direction in the graphite crystallite in the regular laminated arrangement state. Absent.

【0051】しかし、電極反応としては炭素材料の炭素
網面層の層間にリチウムが挿入・脱離する反応であるた
め、その網面層の積層配列規則性といったよりミクロな
結晶構造因子が重要である。
However, since the electrode reaction is a reaction in which lithium is inserted / desorbed between the layers of the carbon network layer of the carbon material, a microscopic crystal structure factor such as the stacking order regularity of the network layer is important. is there.

【0052】この観点から種々の積層配列規則性を有す
る炭素繊維を用いて検討した結果、積み重なり状態はで
きるだけ規則的であるのが望ましいことが判明した。
From this point of view, as a result of studying using carbon fibers having various laminated arrangement regularities, it was found that it is desirable that the stacked state is as regular as possible.

【0053】即ち、その積み重なり状態を規定する指標
であるP1、PABA、PABCがそれぞれ0.6以上、0.
3以上、0.15以上である炭素繊維を粉砕した炭素粉
末が高い放電容量、高い充放電効率、且つ、高いサイク
ル安定性を有する。
That is, P 1 , P ABA , and P ABC , which are the indexes for defining the stacking state, are 0.6 or more, 0.
The carbon powder obtained by pulverizing the carbon fibers of 3 or more and 0.15 or more has high discharge capacity, high charge / discharge efficiency, and high cycle stability.

【0054】積み重なり状態の各指標は1が理想的な規
則的配列を持つ黒鉛構造の状態を表し、0に近づくほど
積み重なり状態が乱れた状態を表す。
In each index of the stacking state, 1 represents the state of a graphite structure having an ideal regular arrangement, and the closer to 0, the more the stacked state is disturbed.

【0055】易黒鉛化性炭素材料を黒鉛化した場合、P
1が0.6近傍で黒鉛構造の発達度合いのしきい値が存
在するような結果が報告されている(炭素,47,14
(1966))。
When the graphitizable carbon material is graphitized, P
It has been reported that there is a threshold for the degree of graphite structure development when 1 is around 0.6 (carbon, 47, 14
(1966)).

【0056】P1が0.6を超える領域では、ABCA
BC…の菱面体晶系積層配列構造からABAB…の六方
晶系積層配列構造への相転移が起こり、PABAが0.3
以上、PABCが0.15以上となり、炭素網面層の層間
へのリチウムの挿入、及びリチウムとの間での黒鉛層間
化合物の形成に適した黒鉛構造になるものと思われる。
In the region where P 1 exceeds 0.6, ABCA
A phase transition from the rhombohedral stacking structure of BC ... to the hexagonal stacking structure of ABAB ... occurs, and P ABA is 0.3.
As described above, it is considered that P ABC becomes 0.15 or more, and the graphite structure is suitable for the insertion of lithium between the layers of the carbon network plane layer and the formation of the graphite intercalation compound with lithium.

【0057】一方、P1が0.6未満、PABAが0.3未
満、PABCが0.15未満である炭素材料では、黒鉛構
造が十分に発達していないため、リチウムがその未発達
な黒鉛構造の層間へ挿入する反応は円滑に進行せず、ま
た層間へ挿入されたリチウムとの間で黒鉛層間化合物を
安定に形成できない。従って、炭素材料中へのリチウム
のドープ量、即ち放電容量を大きくすることができな
い。
On the other hand, in a carbon material in which P 1 is less than 0.6, P ABA is less than 0.3, and P ABC is less than 0.15, the graphite structure is not sufficiently developed, so that lithium is not yet developed. The reaction of inserting the graphite structure between the layers does not proceed smoothly, and a graphite intercalation compound cannot be stably formed with lithium inserted between the layers. Therefore, the amount of lithium doped into the carbon material, that is, the discharge capacity cannot be increased.

【0058】また、その未発達な黒鉛構造の層間でのリ
チウムの拡散は容易でないため、挿入されたリチウムが
効率良く脱離できず、充放電効率の低下、さらにはサイ
クル特性の低下といった結果となってしまう。
Further, since diffusion of lithium between the layers of the undeveloped graphite structure is not easy, the inserted lithium cannot be efficiently desorbed, resulting in a decrease in charge / discharge efficiency and a decrease in cycle characteristics. turn into.

【0059】一方、本発明にある炭素粉末はピッチ系炭
素繊維を粉砕して成る粉末であり、この粉砕工程によ
り、元々の炭素繊維のグラファイト層の積層配列規則性
に欠陥が機械的に導入されたり、結晶の一部に対称性の
崩れた部分が生じる。
On the other hand, the carbon powder according to the present invention is a powder obtained by crushing pitch-based carbon fiber, and by this crushing process, defects are mechanically introduced into the regular arrangement of graphite layers of the original carbon fiber. Or, a part where the symmetry is broken occurs in a part of the crystal.

【0060】従来は、炭素粉末の平均粒度、及び形状、
即ちアスペクト比のみで規定していたが、そのような炭
素粉末のマクロな形状因子のみでは不十分であり、炭素
粉末における結晶欠陥及び結晶の積層配列規則性を規定
するための指標であるR値を考慮することが必須であ
る。
Conventionally, the average particle size and shape of carbon powder,
That is, although it was defined only by the aspect ratio, such macroscopic shape factor of the carbon powder is not sufficient, and the R value which is an index for defining the crystal defects in the carbon powder and the stacking arrangement regularity of the crystals. It is essential to consider.

【0061】この観点から、種々の粉砕条件により炭素
繊維粉末への結晶欠陥を導入した炭素繊維粉砕炭素粉末
を調製し検討した結果、R値が0.4以下である炭素繊
維粉末において高い電極性能を得ることを見いだした。
From this point of view, as a result of preparing and examining carbon fiber ground carbon powder in which crystal defects are introduced into carbon fiber powder under various grinding conditions, as a result, high electrode performance is obtained in carbon fiber powder having R value of 0.4 or less. Found to get.

【0062】隣接する炭素網面層の積層配列規則性の指
標R値は0が理想的黒鉛結晶の状態を表し、1に近づく
ほど乱層構造結晶に近い。
Regarding the index R value of the stacking order regularity of the adjacent carbon network plane layers, 0 represents the state of an ideal graphite crystal, and the closer it is to 1, the closer it is to the disordered layer structure crystal.

【0063】通常、ピッチ系炭素繊維は不活性雰囲気
下、2600℃を超える黒鉛化処理を行なうことによ
り、繊維表面の炭素網面に導入されていた官能基が除去
されること、及び繊維自身の積層配列規則性の結晶欠陥
等が修復作用を受けることにより、R値が0.4以下の
積層配列の規則的な黒鉛結晶を有する。
Usually, the pitch-based carbon fiber is subjected to a graphitization treatment at a temperature of over 2600 ° C. in an inert atmosphere to remove the functional groups introduced into the carbon mesh surface of the fiber surface, and the fiber itself. Due to the repairing effect of the crystal defects having a regular stacking arrangement, it has a regular graphite crystal having a stacking arrangement with an R value of 0.4 or less.

【0064】この炭素繊維を粉砕して調製された炭素粉
末において、R値が0.4を超える粉末では、粉砕工程
により黒鉛結晶に多くの欠陥が導入されるため、そのよ
うな乱れたグラファイト層間へのリチウムの挿入―脱離
反応は効率良く進行せず、充放電サイクル初期段階での
電流効率が低下してしまう。また、リチウムのドープ
量、即ち放電容量も小さくなってしまう。
In the carbon powder prepared by crushing this carbon fiber, if the R value exceeds 0.4, many defects will be introduced into the graphite crystal due to the crushing process. The lithium insertion-elimination reaction does not proceed efficiently, and the current efficiency at the initial stage of the charge / discharge cycle decreases. Further, the doping amount of lithium, that is, the discharge capacity also becomes small.

【0065】本発明に用いたピッチ系炭素繊維は、リチ
ウム二次電池用炭素負極材料として最適な黒鉛構造(グ
ラファイト層の積層配列規則性)を有するものである。
The pitch-based carbon fiber used in the present invention has a graphite structure (regular arrangement regularity of graphite layers) most suitable as a carbon negative electrode material for lithium secondary batteries.

【0066】ピッチ系炭素繊維の原料である紡糸用ピッ
チについては、焼成によって黒鉛結晶性が発達しやすい
もの、いわゆる黒鉛化のしやすい(易黒鉛化性)ことが
本質的に重要であり、特にその原料を制限するものでは
ないが、例示すれば、石油ピッチ、アスファルトピッ
チ、コールタールピッチ、原油分解ピッチ、石油スラッ
ジピッチ、高分子重合体の熱分解により得られるピッチ
等を挙げることができ、また、これらのピッチに水添処
理等を施したものでもよい。
Regarding the pitch for spinning, which is a raw material of pitch-based carbon fiber, it is essentially important that graphite crystallinity is easily developed by firing, that is, so-called graphitization is easy (graphability). Although the raw material is not limited, examples include petroleum pitch, asphalt pitch, coal tar pitch, crude oil cracking pitch, petroleum sludge pitch, pitch obtained by thermal decomposition of a high molecular polymer, and the like. Also, those pitches may be subjected to hydrogenation treatment or the like.

【0067】ここで、ピッチの易黒鉛化性を示す指標と
しては、例えば光学的異方性相、いわゆるメソフェース
を用いることができ、本発明で使用する原料ピッチとし
ては、このメソフェースの体積含有率が70%以上、好
ましくは80%以上、より好ましくは90%以上である
ものが望ましい。
Here, as an index showing the graphitization property of pitch, for example, an optically anisotropic phase, so-called mesophase can be used, and as the raw material pitch used in the present invention, the volume content of this mesophase is Is 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more.

【0068】また、本発明で用いるピッチ系炭素繊維に
ついては、好ましくはその繊維径が20μm以下、より
好ましくは15μm以下であるのがよい。
The pitch-based carbon fiber used in the present invention preferably has a fiber diameter of 20 μm or less, more preferably 15 μm or less.

【0069】炭素材料の単位重量当たりの放電容量を高
めるためには、電極である繊維の表面に到達したリチウ
ム原子が繊維内部にまで拡散することが重要であるが、
繊維径が20μmを超える炭素繊維では、リチウムが繊
維内を拡散する距離が大きく、繊維中心部まで一様に拡
散することが困難となり、繊維当たりのリチウムを取り
込む量が少なくなる結果、放電容量が小さくなってしま
う。
In order to increase the discharge capacity per unit weight of the carbon material, it is important that the lithium atoms reaching the surface of the fiber as the electrode diffuse into the inside of the fiber.
With carbon fibers having a fiber diameter of more than 20 μm, the distance that lithium diffuses in the fiber is large, and it becomes difficult to uniformly diffuse to the center of the fiber. As a result, the amount of lithium taken in per fiber decreases, resulting in a discharge capacity It gets smaller.

【0070】また、繊維径が大きいと反応に関与する表
面積が小さくなるため、リチウムの挿入反応可能な領域
が制約され、その結果放電容量が小さくなってしまう。
Further, when the fiber diameter is large, the surface area involved in the reaction becomes small, so that the region where lithium insertion reaction is possible is restricted, and as a result, the discharge capacity becomes small.

【0071】以上のような炭素繊維の粉砕方法は、繊維
の円柱状形態を維持し、長さ方向に剪断することが理想
的であり、且つ、ラマンスペクトルでのR値が0.4以
下であることを満たす方法、装置であれば何らこれを制
限するものではないが、例えば、摩擦粉砕型のボールミ
ル、衝撃圧縮粉砕型の振動ディスクミル、振動ボールミ
ル、ジェットミル、剪断粉砕型のカッティングミル等を
使用することができる。
In the carbon fiber crushing method as described above, it is ideal to maintain the cylindrical shape of the fiber and shear it in the lengthwise direction, and when the R value in the Raman spectrum is 0.4 or less. There is no limitation to this as long as it is a method and a device that meet certain requirements. For example, friction milling type ball mill, impact compression milling type vibrating disk mill, vibrating ball mill, jet mill, shearing milling type cutting mill, etc. Can be used.

【0072】このようにして粉砕した炭素繊維粉末の形
状は、平均粒度(Mieの散乱理論による光散乱法を用
いた粒度分布測定結果における重量平均値)5μm以上
20μm以下、アスペクト比50以下にすることで、バ
インダーを用いて成型した際の充放電サイクル特性を高
めることができる。
The carbon fiber powder thus pulverized has an average particle size (weight average value in particle size distribution measurement results using a light scattering method according to Mie's scattering theory) of 5 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of 50 or less. As a result, the charge / discharge cycle characteristics when molded using the binder can be improved.

【0073】平均粒度が20μmを超えると、リチウム
が炭素繊維内部まで挿入することが困難となり、炭素繊
維の利用率が低下する。
If the average particle size exceeds 20 μm, it becomes difficult to insert lithium into the inside of the carbon fiber, and the utilization factor of the carbon fiber decreases.

【0074】5μm未満では、ほとんどが繊維の形状が
崩壊した粉末状のものから構成されるため、繊維自身の
特性を引き出すことができない。
If the particle size is less than 5 μm, most of the fibers are composed of powdery material in which the shape of the fibers has collapsed, and the characteristics of the fibers themselves cannot be obtained.

【0075】また、アスペクト比が50を超える繊維が
あると、成型性が低く、また充放電の繰り返しに対する
サイクル特性が低下する。
Further, if there are fibers having an aspect ratio of more than 50, the moldability is low and the cycle characteristics with respect to repeated charging / discharging are deteriorated.

【0076】また、本発明で用いるピッチ系炭素繊維の
粉砕品の熱処理に関しては、通常2600℃以上、好ま
しくは2800℃以上、より好ましくは3000℃以上
の熱処理温度で黒鉛化して得られた黒鉛化度の高い黒鉛
化性炭素粉末である。
Regarding the heat treatment of the pulverized pitch-based carbon fiber used in the present invention, graphitization obtained by graphitizing at a heat treatment temperature of usually 2600 ° C. or higher, preferably 2800 ° C. or higher, more preferably 3000 ° C. or higher. It is a highly graphitizable carbon powder.

【0077】熱処理温度が2600℃未満であると、繊
維自身の黒鉛構造が十分に発達せず、その繊維を粉砕し
た炭素粉末内部でのリチウムの拡散が遅くなってしまう
ため、大電流下での放電容量が小さく、且つ、充放電サ
イクル初期の段階での電流効率が低くなってしまう。
When the heat treatment temperature is lower than 2600 ° C., the graphite structure of the fiber itself does not sufficiently develop, and the diffusion of lithium inside the carbon powder obtained by crushing the fiber is delayed, so that the high temperature current is not increased. The discharge capacity is small and the current efficiency is low at the initial stage of the charge / discharge cycle.

【0078】また、炭素粉末中へのリチウムのドープ
量、即ち放電容量が小さくなってしまう。
Further, the doping amount of lithium into the carbon powder, that is, the discharge capacity becomes small.

【0079】本発明が提供する炭素繊維粉末の成型に関
しては、リチウム電池に用いる粉末状電池活物質に対
し、通常用いられる方法で成型することが可能であり、
炭素繊維粉末の性能を十分に引き出し、且つ、粉末に対
する賦型性が高く、化学的、電気化学的に安定であれば
何らこれに制限されるものではないが、例示すれば、炭
素繊維粉末にポリテトラフルオロエチレン等フッ素系樹
脂粉末をバインダーにしてイソプロピルアルコール等を
添加後、乾式混合、混練する方法がある。
Regarding the molding of the carbon fiber powder provided by the present invention, it is possible to mold the powdery battery active material used in a lithium battery by a method commonly used,
As long as the performance of the carbon fiber powder is sufficiently drawn out, the moldability to the powder is high, and it is chemically and electrochemically stable, the carbon fiber powder is not limited thereto. There is a method in which fluorinated resin powder such as polytetrafluoroethylene is used as a binder and isopropyl alcohol or the like is added, followed by dry mixing and kneading.

【0080】また、炭素繊維粉末にポリエチレン、ポリ
ビニルアルコール等の樹脂粉末を添加した後、乾式混合
物を金型に挿入し、ホットプレスにより成型する方法も
ある。
There is also a method in which resin powder such as polyethylene or polyvinyl alcohol is added to carbon fiber powder, and then the dry mixture is inserted into a mold and molded by hot pressing.

【0081】さらに、炭素繊維粉末にポリフッ化ビニリ
デン等のフッ素系樹脂粉末あるいはカルボキシメチルセ
ルロース等の水溶性粘結剤をバインダーにして、N―メ
チルピロリドン、ジメチルホルムアミドあるいは水、ア
ルコール等の溶媒を用いて混合することによりスラリー
を作成し、集電体上に塗布、乾燥することにより成型す
ることができる。
Further, a carbon fiber powder is used with a fluororesin powder such as polyvinylidene fluoride or a water-soluble binder such as carboxymethyl cellulose as a binder, and N-methylpyrrolidone, dimethylformamide or a solvent such as water or alcohol is used. A slurry can be prepared by mixing, coated on a current collector, and dried to form a slurry.

【0082】本発明の炭素材料は、正極活物質と有機溶
媒系電解質と適宜に組み合わせて用いることができる
が、これらの有機溶媒系電解質や正極活物質は、リチウ
ム二次電池に通常用いることのできるものであれば、特
にこれを制限するものではない。
The carbon material of the present invention can be used in an appropriate combination with a positive electrode active material and an organic solvent-based electrolyte. These organic solvent-based electrolytes and positive electrode active materials are usually used in lithium secondary batteries. If it is possible, it is not particularly limited.

【0083】正極活物質としては、例えば、リチウム含
有遷移金属酸化物LiM(1)xO2(式中Xは0≦X
≦1の範囲の数値であり、式中M(1)は遷移金属を表
しCo,Ni,Mn,Cr,Ti,V,Fe,Zn,A
l,In,Snの少なくとも一種類からなる)或いはL
iM(2)2―yO4(式中Yは0≦Y≦1の範囲の数
値であり、式中M(1),M(2)は遷移金属を表しC
o,Ni,Mn,Cr,Ti,V,Fe,Zn,Al,
In,Snの少なくとも一種類からなる)、遷移金属カ
ルコゲン化物、バナジウム酸化物(V2O5,V6O1
3,V2O4,V3O8,etc)及びそのLi化合
物、一般式MxMo6S8―y(式中Xは0≦X≦4、
Yは0≦Y≦1の範囲の数値であり、式中Mは遷移金属
をはじめとする金属を表す)で表されるシェブレル相化
合物、或いは活性炭、活性炭素繊維等を用いることがで
きる。
Examples of the positive electrode active material include lithium-containing transition metal oxide LiM (1) xO2 (where X is 0 ≦ X
It is a numerical value in the range of ≦ 1, where M (1) represents a transition metal, Co, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, A
l, In, or Sn) or L
iM (2) 2-yO4 (Y in the formula is a numerical value in the range of 0 ≦ Y ≦ 1, where M (1) and M (2) represent a transition metal and C
o, Ni, Mn, Cr, Ti, V, Fe, Zn, Al,
At least one of In and Sn), transition metal chalcogenide, vanadium oxide (V2O5, V6O1)
3, V2O4, V3O8, etc) and its Li compound, the general formula MxMo6S8-y (where X is 0 ≦ X ≦ 4,
Y is a numerical value in the range of 0 ≦ Y ≦ 1, and in the formula, M represents a Chevrel phase compound represented by a metal such as a transition metal, activated carbon, activated carbon fiber or the like can be used.

【0084】有機溶媒系電解質における有機溶媒として
は、特に制限されるものではないが、例えば、プロピレ
ンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカー
ボネート、ジエチルカーボネート、1、1―及び1、2
―ジメトキシエタン、1、2―ジエトキシエタン、γ―
ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2―メチルテト
ラヒドロフラン、1、3―ジオキソラン、4―メチル―
1、3―ジオキソラン、アニソール、ジエチルエーテ
ル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、
クロロニトリル、プロピオニトリル、ホウ酸トリメチ
ル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホル
ムアミド、N―メチルピロリドン、酢酸エチル、トリメ
チルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベンゾイ
ル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、ジメチ
ルスルホキシド、3―メチル―2―オキサゾリドン、エ
チレングリコール、サルファイト、ジメチルサルファイ
ト等の単独もしくは2種類以上の混合溶媒が使用でき
る。
The organic solvent in the organic solvent-based electrolyte is not particularly limited, but for example, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 1, 1- and 1, 2
-Dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-
Butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-
1,3-dioxolane, anisole, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile,
Chloronitrile, propionitrile, trimethyl borate, tetramethyl silicate, nitromethane, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, ethyl acetate, trimethyl orthoformate, nitrobenzene, benzoyl chloride, benzoyl bromide, tetrahydrothiophene, dimethyl sulfoxide, 3 -Methyl-2-oxazolidone, ethylene glycol, sulfite, dimethyl sulfite and the like can be used alone or in combination of two or more kinds.

【0085】電解質としては、従来より公知のものを何
れも使用することができ、例えば、LiClO4,Li
BF4,LiPF6,LiAsF6,LiB(C6H
5),LiCl,LiBr,LiCF3SO3,LiC
H3SO3等の一種または二種以上の混合物を挙げるこ
とができる。
Any known electrolyte can be used as the electrolyte, for example, LiClO4, Li
BF4, LiPF6, LiAsF6, LiB (C6H
5), LiCl, LiBr, LiCF3SO3, LiC
Examples thereof include H3SO3 and the like, or a mixture of two or more kinds.

【0086】[0086]

【作用】本発明のリチウム二次電池は、負極材料として
隣接する炭素網面層の積層配列規則性を規定したピッチ
系炭素繊維粉砕粉は、リチウムの挿入・脱離に伴って炭
素網面層の層間隔が膨張・収縮するが、繊維自身の炭素
網面層の積み重なり状態が規則的であるために、炭素網
面層への円滑なリチウムの挿入・脱離が可能となり、こ
れによって充放電サイクル初期段階の電流効率が向上
し、充放電の繰り返しに対するサイクル安定性が向上す
るものである。
In the lithium secondary battery of the present invention, the pitch-based carbon fiber pulverized powder, which defines the regular arrangement of the carbon net surface layers adjacent to each other as the negative electrode material, is the carbon net surface layer as lithium is inserted and removed. Although the spacing between the layers of the carbon expands and contracts, the stacking state of the carbon network layer of the fiber itself is regular, which allows smooth insertion and removal of lithium from the carbon network layer, which results in charge and discharge. The current efficiency at the initial stage of the cycle is improved, and the cycle stability against repeated charging / discharging is improved.

【0087】また、炭素繊維を粉砕して調製される粉末
に対して粉砕により機械的に導入された結晶欠陥、対称
性の低下等をラマンスペクトルのR値で規定する範囲で
の粉砕を行なうことにより、放電容量、即ち、リチウム
のドープ量を向上させることが可能となり、炭素繊維の
有する優れた電極性能を十分に引き出すことができる。
Further, the powder prepared by crushing carbon fibers should be crushed within a range defined by the R value of the Raman spectrum for crystal defects mechanically introduced by crushing, reduction in symmetry, etc. Thereby, the discharge capacity, that is, the amount of lithium doped can be improved, and the excellent electrode performance of the carbon fiber can be sufficiently brought out.

【0088】[0088]

【実施例】【Example】

【0089】[0089]

【実施例1】メソフェース含有量が90%(体積分率)
のコールタールピッチを原料とした炭素繊維(紡糸後の
繊維径13μm)を毎分10℃の昇温速度で昇温し、2
000℃で一時間保持することで炭化した一連の炭素繊
維を、振動ディスクミルを用いた以下の各条件下で粉砕
した。
Example 1 Mesophase content is 90% (volume fraction)
The carbon fiber (fiber diameter after spinning 13 μm) using the coal tar pitch as a raw material was heated at a heating rate of 10 ° C./min, and 2
A series of carbon fibers carbonized by holding at 000 ° C. for 1 hour were crushed under the following conditions using a vibrating disk mill.

【0090】粉砕後の炭素繊維は、再度、毎分10℃の
速度で昇温し、3000℃で一時間黒鉛化処理を施し
た。
The crushed carbon fiber was again heated at a rate of 10 ° C./min and graphitized at 3000 ° C. for 1 hour.

【0091】得られた炭素繊維粉末の積層配列規則性の
指標、粉末の結晶欠陥の指標、及び形状は表1の通りで
ある。尚、黒鉛化後の炭素繊維の繊維径は、約10μm
であった。
Table 1 shows the index of the stacking order regularity of the obtained carbon fiber powder, the index of the crystal defect of the powder, and the shape. The fiber diameter of the carbon fiber after graphitization is about 10 μm.
Met.

【0092】[0092]

【表1】 [Table 1]

【0093】このようにして調製した炭素繊維粉末に、
バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン粉末を5
重量%加え、イソプロピルアルコールを用いて混練し、
約0.1mm厚の電極シートを作成し、約10.53m
gに切り出し(炭素材料に換算して10mg)、集電体
であるNiメッシュに圧着することにより負極電極を作
成した。
To the carbon fiber powder thus prepared,
Polytetrafluoroethylene powder 5 as a binder
Add% by weight, knead with isopropyl alcohol,
Create an electrode sheet with a thickness of about 0.1 mm, about 10.53 m
A negative electrode was prepared by cutting out into g (10 mg in terms of carbon material) and pressing it onto a Ni mesh that is a current collector.

【0094】上記成型電極の単極での電極特性を評価す
るために、対極、参照極にリチウム金属を用いた通称三
極式セルを用いた。電解液には、エチレンカーボネート
とジエチルカーボネートの混合溶媒(体積比で1:1混
合)にLiPF6を1mol/lの割合で溶解したもの
を用いた。
In order to evaluate the electrode characteristics of the above-mentioned molded electrode with a single electrode, a so-called three-electrode cell using lithium metal for the counter electrode and the reference electrode was used. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (volume ratio of 1: 1) at a ratio of 1 mol / l was used.

【0095】また、充放電試験に際しては、電位規制の
下、充電、放電共に定電流(0.5mA/cm2)で行
なった。電位範囲は0Vから1.0V(リチウム金属基
準)とした。その電極特性の結果を表2に示す。
In the charge / discharge test, both charging and discharging were carried out at a constant current (0.5 mA / cm 2 ) under the potential regulation. The potential range was 0V to 1.0V (based on lithium metal). The results of the electrode characteristics are shown in Table 2.

【0096】炭素材への初期のリチウムドープにおい
て、0.8V近傍の電位平坦部分(プラトー)は観測さ
れず、初期充放電効率は非常に高く、5サイクル目以降
ほぼ100%で安定に推移した。
In the initial lithium doping of the carbon material, a flat potential portion (plateau) near 0.8 V was not observed, and the initial charge / discharge efficiency was very high and remained stable at almost 100% after the fifth cycle. .

【0097】また、放電容量も高く、充放電サイクルに
伴う容量低下は小さく、優れた電極性能であった。
Also, the discharge capacity was high, the capacity decrease with charge / discharge cycles was small, and the electrode performance was excellent.

【0098】[0098]

【表2】 [Table 2]

【0099】[0099]

【実施例2】メソフェース含有量が90%(体積分率)
のコールタールピッチを原料とした炭素繊維(紡糸後の
繊維径10μm)を毎分10℃の昇温速度で昇温し、2
000℃で一時間保持することで炭化した一連の炭素繊
維を、振動ボールミルで一分間粉砕した。
Example 2 Mesophase content is 90% (volume fraction)
The carbon fiber (fiber diameter after spinning 10 μm) made from the coal tar pitch of No. 2 was heated at a heating rate of 10 ° C./min, and
A series of carbon fibers carbonized by holding at 000 ° C. for 1 hour were crushed by a vibrating ball mill for 1 minute.

【0100】粉砕後の炭素繊維は、再度、毎分10℃の
速度で昇温し、2600、2800、3000、320
0℃で一時間黒鉛化処理を施した。
The carbon fiber after pulverization was heated again at a rate of 10 ° C./min, and heated to 2600, 2800, 3000, 320.
Graphitization treatment was performed at 0 ° C. for 1 hour.

【0101】得られた炭素繊維粉末の積層配列規則性の
指標、粉末の結晶欠陥の指標、及び形状は表3の通りで
ある。尚、黒鉛化後の炭素繊維の繊維径は、約7μmで
あった。
Table 3 shows the index of the stacking order regularity of the obtained carbon fiber powder, the index of the crystal defect of the powder, and the shape. The fiber diameter of the carbon fiber after graphitization was about 7 μm.

【0102】[0102]

【表3】 [Table 3]

【0103】このようにして調製した炭素繊維粉末に、
バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン粉末を5
重量%加え、イソプロピルアルコールを用いて混練し、
約0.1mm厚の電極シートを作成し、約10.53m
gに切り出し(炭素材料に換算して10mg)、集電体
であるNiメッシュに圧着することにより負極電極を作
成した。
To the carbon fiber powder thus prepared,
Polytetrafluoroethylene powder 5 as a binder
Add% by weight, knead with isopropyl alcohol,
Create an electrode sheet with a thickness of about 0.1 mm, about 10.53 m
A negative electrode was prepared by cutting out into g (10 mg in terms of carbon material) and pressing it onto a Ni mesh that is a current collector.

【0104】電極性能測定に関しては、電解液にエチレ
ンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(体
積比で1:1混合)にLiBF4を1mol/lの割合
で溶解したものを用いた以外は実施例1に準じて行な
い、その結果を表4に示す。
The electrode performance was measured in the same manner as in Example 1 except that LiBF4 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (1: 1 by volume) at a ratio of 1 mol / l as the electrolytic solution. The results are shown in Table 4.

【0105】炭素材ヘの初期のリチウムドープにおい
て、0.8V近傍の電位平坦部分(プラトー)は観測さ
れず、非常に高い充放電効率となり、3サイクル目には
ほぼ100%となりその後も100%で安定に推移し
た。
In the initial lithium doping of the carbon material, a flat potential portion (plateau) near 0.8 V was not observed, and the charging / discharging efficiency was very high, and it was almost 100% in the third cycle and 100% thereafter. Remained stable at.

【0106】また、放電容量も高く、充放電サイクルに
伴う容量低下は非常に小さく、優れた電極性能であっ
た。
Further, the discharge capacity was high, and the decrease in capacity with charge / discharge cycles was very small, and the electrode performance was excellent.

【0107】[0107]

【表4】 [Table 4]

【0108】[0108]

【実施例3】メソフェース含有量が90%(体積分率)
のコールタールピッチを原料とした炭素繊維(紡糸後の
繊維径13μm)を毎分10℃の昇温速度で昇温し、1
800℃で一時間保持することで炭化した一連の炭素繊
維を、ジェットミルで粉砕した。
Example 3 Mesophase content is 90% (volume fraction)
The carbon fiber (fiber diameter after spinning 13 μm) made from the coal tar pitch of No. 1 was heated at a heating rate of 10 ° C. per minute to
A series of carbon fibers carbonized by holding at 800 ° C. for 1 hour were crushed with a jet mill.

【0109】粉砕後の炭素繊維は、再度、毎分10℃の
速度で昇温し、3200℃で一時間黒鉛化処理を施し
た。
The carbon fiber after pulverization was again heated at a rate of 10 ° C./min and graphitized at 3200 ° C. for 1 hour.

【0110】得られた炭素繊維粉末の積層配列規則性の
指標、粉末の結晶欠陥の指標、及び形状は表5の通りで
ある。尚、黒鉛化後の炭素繊維の繊維径は、約10μm
であった。
Table 5 shows the index of the stacking order regularity of the obtained carbon fiber powder, the index of the crystal defect of the powder, and the shape. The fiber diameter of the carbon fiber after graphitization is about 10 μm.
Met.

【0111】[0111]

【表5】 [Table 5]

【0112】このようにして調製した炭素繊維粉末に、
バインダーとしてポリフッ化ビニリデン粉末を5重量%
加え、N―メチルピロリドンを用いて混合してスラリー
を作成し、約20μm厚のCu箔の上に約0.1mm厚
になるように均一に塗布、乾燥することにより電極シー
トを作成した。
To the carbon fiber powder thus prepared,
5% by weight of polyvinylidene fluoride powder as a binder
In addition, N-methylpyrrolidone was mixed to prepare a slurry, which was uniformly applied onto a Cu foil having a thickness of about 20 μm to a thickness of about 0.1 mm and dried to prepare an electrode sheet.

【0113】このシートから、直径約16mmφの円形
に切り出すことにより負極電極を作成した。
From this sheet, a negative electrode was prepared by cutting it out into a circle having a diameter of about 16 mmφ.

【0114】一方、正極は、炭酸リチウムと炭酸コバル
トから調製したLiCoO2を用い、この粉末にポリフ
ッ化ビニリデン粉末を5重量%、ケッチェンブラックを
5重量%加え、N―メチルピロリドンを用いて混合して
スラリーを調製し、Al箔の上に均一に塗布、乾燥する
ことにより電極シートを作成した。このシートから直径
約16mmφの円形に切り出すことにより正極電極を作
成した。
On the other hand, for the positive electrode, LiCoO 2 prepared from lithium carbonate and cobalt carbonate was used. To this powder, 5% by weight of polyvinylidene fluoride powder and 5% by weight of Ketjen black were added and mixed with N-methylpyrrolidone. To prepare a slurry, which was uniformly applied onto an Al foil and dried to prepare an electrode sheet. A positive electrode was prepared by cutting a circular piece having a diameter of about 16 mmφ from this sheet.

【0115】以上の正極電極、負極電極を用い、電解液
としてエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの
混合溶媒(体積比1:1混合)にLiClO4を1モル
/リットルの濃度で溶解したものを用い、セパレーター
にポリプロピレンの不織布を用いて、簡易型コイン形状
電池を作成して充放電試験を行なった。その試験結果を
表6に示す。
Using the positive electrode and the negative electrode described above, LiClO 4 dissolved at a concentration of 1 mol / liter in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (volume ratio of 1: 1) was used as an electrolytic solution. A simple coin-shaped battery was prepared using a polypropylene non-woven fabric, and a charge / discharge test was conducted. The test results are shown in Table 6.

【0116】コイン形状電池の初期の充放電サイクルに
おいて、非常に高い充放電効率となり、5サイクル目に
はほぼ100%となりその後も100%で推移した。
In the initial charge / discharge cycle of the coin-shaped battery, the charge / discharge efficiency was very high, and it was almost 100% in the fifth cycle, and remained 100% thereafter.

【0117】また、炭素材料の重量あたりの放電容量も
高く、充放電サイクルに伴う容量低下は非常に小さく、
優れた電極性能であった。
Also, the discharge capacity per weight of the carbon material is high, and the decrease in capacity with charge / discharge cycles is very small.
The electrode performance was excellent.

【0118】[0118]

【表6】 [Table 6]

【0119】[0119]

【比較例1】PAN系炭素繊維(東レ社製、M46B)
をメチルエチルケトン中に浸漬後、超音波振動をかける
ことにより、表面処理剤を洗浄後、振動ディスクミルで
粉砕した。
[Comparative Example 1] PAN-based carbon fiber (M46B manufactured by Toray Industries, Inc.)
Was immersed in methyl ethyl ketone, and the surface treatment agent was washed by applying ultrasonic vibration, and then pulverized by a vibrating disk mill.

【0120】得られた炭素繊維粉末の積層配列規則性の
指標、粉末の結晶欠陥の指標、及び形状は表7の通りで
ある。尚、黒鉛化後の炭素繊維の繊維径は、約7μmで
あった。
Table 7 shows the index of the stacking order regularity of the obtained carbon fiber powder, the index of the crystal defect of the powder, and the shape. The fiber diameter of the carbon fiber after graphitization was about 7 μm.

【0121】[0121]

【表7】 [Table 7]

【0122】このようにして調製した炭素繊維粉末を成
型する際には、実施例1と同様の手法を用いた。また、
充放電試験も実施例1に準じて行ない、その結果を表8
に示す。
When molding the carbon fiber powder thus prepared, the same method as in Example 1 was used. Also,
The charge / discharge test was also performed according to Example 1, and the results are shown in Table 8.
Shown in.

【0123】炭素粉末への初期のリチウムドープにおい
て、0.9V〜0.6Vの長い電位平坦部分(プラト
ー)が観測されたことに加えて、リチウムドープ後の開
路状態までの電圧差が大きく材料中でのリチウムの拡散
が容易に進行しないため、充放電効率が非常に低い数値
となった。
In the initial lithium doping of the carbon powder, a long potential flat portion (plateau) of 0.9 V to 0.6 V was observed, and in addition, the voltage difference up to the open circuit state after lithium doping was large. Since the diffusion of lithium inside did not proceed easily, the charge / discharge efficiency was a very low value.

【0124】また、この充放電反応は10サイクル目以
降にようやくほぼ100%に到達し、その後は100%
で推移した。しかし、放電容量は低く、充放電サイクル
に伴う容量低下も大きかった。
The charge-discharge reaction finally reached almost 100% after the 10th cycle, and then reached 100%.
Remained the same. However, the discharge capacity was low, and the capacity decreased with charge / discharge cycles.

【0125】[0125]

【表8】 [Table 8]

【0126】[0126]

【比較例2】実施例1と同一の炭素繊維(紡糸後の繊維
径13μm)を実施例1と同様に炭化した炭素繊維を、
ピンミルで粉砕した。粉砕後の炭素繊維は、再度、毎分
10℃の速度で昇温し、3000℃で一時間熱処理を施
した。
Comparative Example 2 The same carbon fiber as in Example 1 (fiber diameter after spinning 13 μm) was carbonized in the same manner as in Example 1,
It was crushed with a pin mill. The crushed carbon fiber was again heated at a rate of 10 ° C./min and heat-treated at 3000 ° C. for 1 hour.

【0127】得られた炭素繊維粉末の積層配列規則性の
指標、粉末の結晶欠陥の指標、及び形状は表9の通りで
ある。尚、黒鉛化後の炭素繊維の繊維径は、約10μm
であった。
Table 9 shows the index of the stacking order regularity of the obtained carbon fiber powder, the index of the crystal defect of the powder, and the shape. The fiber diameter of the carbon fiber after graphitization is about 10 μm.
Met.

【0128】[0128]

【表9】 [Table 9]

【0129】このようにして調製した炭素繊維粉末に、
バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン粉末を5
重量%加え、イソプロピルアルコールを用いて混練し、
約0.1mm厚の電極シートを作成したが、一部粒度の
粗い繊維状粉体が混在しているためバインダーと粉体と
の接触が悪く、成型物の表面が一部毛羽立った全体とし
て結着状態の悪いシートとなった。
To the carbon fiber powder thus prepared,
Polytetrafluoroethylene powder 5 as a binder
Add% by weight, knead with isopropyl alcohol,
An electrode sheet with a thickness of about 0.1 mm was prepared, but since the fibrous powder with a coarse particle size was mixed in, the contact between the binder and the powder was poor, and the surface of the molded product was partly fluffed and formed as a whole. The seat was worn poorly.

【0130】このシートより約10.53mg分を切り
出し(炭素材料に換算して10mg)、集電体であるN
iメッシュに圧着することにより負極電極を作成した。
About 10.53 mg portion was cut out from this sheet (10 mg in terms of carbon material) to obtain N as a current collector.
A negative electrode was prepared by pressure bonding to the i mesh.

【0131】電極性能測定に関しては、電解液にエチレ
ンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒(体
積比で1:1混合)にLiClO4を1mol/lの割
合で溶解したものを用いた以外は実施例1に準じて行な
い、その結果を表10に示す。
The electrode performance was measured in the same manner as in Example 1 except that LiClO4 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (volume ratio of 1: 1) at a ratio of 1 mol / l as the electrolytic solution. The results are shown in Table 10.

【0132】炭素材料への初期のリチウムドープにおい
て、0.8V近傍の電位平坦部分(プラトー)はほとん
ど観測されなかったため、充放電効率が高い数値とな
り、3サイクル目以降ほぼ100%で安定に推移した。
In the initial lithium doping of the carbon material, almost no potential flat portion (plateau) near 0.8 V was observed, so that the charge / discharge efficiency became a high value and remained stable at almost 100% after the third cycle. did.

【0133】しかし、充放電初期の放電容量は高かった
ものの、充放電サイクルに伴い容量は著しく低下し、電
極シートの成型状態、炭素粉末の結着状態を大きく反映
する結果となった。
However, although the discharge capacity at the initial stage of charge / discharge was high, the capacity was remarkably reduced with the charge / discharge cycle, and the result was that the molding state of the electrode sheet and the binding state of the carbon powder were largely reflected.

【0134】[0134]

【表10】 [Table 10]

【0135】[0135]

【比較例3】実施例1と同一の炭素繊維(紡糸後の繊維
径13μm)を実施例1と同様に炭化した炭素繊維を、
振動ボールミルで一時間粉砕した。粉砕後の炭素繊維
は、再度、毎分10℃の速度で昇温し、3000℃で一
時間熱処理を施した。
Comparative Example 3 Carbon fiber obtained by carbonizing the same carbon fiber as in Example 1 (fiber diameter after spinning 13 μm) in the same manner as in Example 1 was used.
It was crushed for one hour with a vibrating ball mill. The crushed carbon fiber was again heated at a rate of 10 ° C./min and heat-treated at 3000 ° C. for 1 hour.

【0136】得られた炭素繊維粉末の積層配列規則性の
指標、粉末の結晶欠陥の指標、及び形状は表11の通り
であり、長時間の粉砕により炭素粉末に相当大きな結晶
欠陥が導入されているのがわかる。尚、黒鉛化後の炭素
繊維の繊維径は、約10μmであった。
The index of the stacking order regularity of the obtained carbon fiber powder, the index of the crystal defect of the powder, and the shape are as shown in Table 11, and a considerably large crystal defect was introduced into the carbon powder by pulverization for a long time. I can see that The fiber diameter of the carbon fiber after graphitization was about 10 μm.

【0137】[0137]

【表11】 [Table 11]

【0138】このようにして調製した炭素繊維粉末を用
い実施例3と同様にして負極電極シートを作成した。
Using the carbon fiber powder thus prepared, a negative electrode sheet was prepared in the same manner as in Example 3.

【0139】このシートから、約10.53mg分(炭
素材料に換算して10mg)を切り出すことにより負極
電極を作成した。電極性能測定に関しては、実施例1に
準じて行ない、その結果を表12に示す。
From this sheet, a negative electrode was prepared by cutting out approximately 10.53 mg (10 mg in terms of carbon material). The electrode performance was measured according to Example 1, and the results are shown in Table 12.

【0140】炭素材料への初期のリチウムドープにおい
て、0.8V近傍の電位平坦部分(プラトー)は観測さ
れなかったが、リチウムドープ後の開路状態までの電圧
差が大きく材料中でのリチウムの拡散が容易に進行しな
いため、充放電効率が非常に低い数値となった。
In the initial lithium doping of the carbon material, a potential flat portion (plateau) near 0.8 V was not observed, but the voltage difference up to the open circuit state after lithium doping was large, and the lithium diffusion in the material was large. However, the charging / discharging efficiency was very low.

【0141】また、この充放電反応は10サイクル目以
降にようやくほぼ100%に到達し、その後は100%
で推移した。
The charge / discharge reaction finally reached almost 100% after the 10th cycle, and then reached 100%.
Remained the same.

【0142】放電容量はサイクル初期では比較的高かっ
たものの、充放電サイクルに伴い著しく低下し、炭素繊
維の過剰な粉砕により炭素粉末に導入された多くの結晶
欠陥を大きく反映する結果となった。
Although the discharge capacity was relatively high at the beginning of the cycle, it significantly decreased with the charge / discharge cycle, resulting in a large reflection of many crystal defects introduced into the carbon powder due to excessive pulverization of the carbon fiber.

【0143】[0143]

【表12】 [Table 12]

【0144】[0144]

【発明の効果】以上の説明からも明白なように、本発明
のリチウム二次電池用炭素負極材料は、ピッチを原料と
した炭素繊維を粉砕したもので、その隣接する炭素網面
層の規則的な積層配列状態となる確率を制御し、さらに
繊維粉砕時に機械的に導入される黒鉛結晶欠陥の度合い
を制限するといったミクロな結晶構造因子を規定したも
のであるから、炭素材料中へのリチウムのドープ量即ち
放電容量、リチウムの挿入―脱離の充放電効率、及び充
放電の繰り返しに対するサイクル安定性の高い粉末状炭
素材料を提供することができる。
As is apparent from the above description, the carbon negative electrode material for a lithium secondary battery of the present invention is obtained by crushing carbon fibers using pitch as a raw material, and the rule of the adjacent carbon net surface layer. It regulates the probability of a typical stacked arrangement state, and further regulates the microscopic crystal structure factor that limits the degree of graphite crystal defects that are mechanically introduced during fiber crushing. It is possible to provide a powdery carbon material having a high doping amount, that is, a discharge capacity, a charging / discharging efficiency of lithium insertion / desorption, and a high cycle stability against repeated charging / discharging.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】結晶子のC軸方向に隣接する3枚の網面がAB
Aの六方晶系としての規則的配列を持つ状態を示す説明
図であり、図中、六方晶系の単位格子を太線で示した。
Figure 1: Three nets adjacent to the crystallite in the C-axis direction are AB
It is explanatory drawing which shows the state which has a regular arrangement | sequence as a hexagonal system, and the unit cell of a hexagonal system was shown by the thick line in the figure.

【図2】結晶子のC軸方向に隣接する3枚の網面がAB
Cの菱面体晶系としての規則的配列を持つ状態を示す説
明図であり、図中、菱面体晶系の単位格子を太線で、六
方晶系としたときの単位格子を二重線で示した。
[Fig. 2] Three nets adjacent to the crystallite in the C-axis direction are AB.
It is explanatory drawing which shows the state which has the regular arrangement | sequence as a rhombohedral system of C, and the unit cell of a rhombohedral system is shown with a thick line in the figure, and the unit cell when it is a hexagonal system is shown with a double line. It was

フロントページの続き (72)発明者 向井 幸一郎 川崎市中原区井田1618番地 新日本製鐵株 式会社先端技術研究所内Front Page Continuation (72) Inventor Koichiro Mukai 1618 Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City Nippon Steel Corp. Advanced Technology Research Laboratories

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 繊維径20μm以下のピッチ系炭素繊維
を粉砕してなるアスペクト比50以下の炭素繊維粉末で
あって、炭素網平面の積み重なり状態における、隣接す
る2枚の網面が黒鉛的配列をとる確率の指標であるP1
値が0.6以上、隣接する3枚の網面がABAの六方晶
系としての規則的配列を持つ確率PABA値が0.3以
上、且つ、隣接する3枚の網面がABCの菱面体晶系と
しての規則的配列を持つ確率PABC値が0.15以上で
あることを特徴とするリチウム二次電池用炭素負極材
料。
1. A carbon fiber powder having an aspect ratio of 50 or less, which is obtained by crushing pitch-based carbon fibers having a fiber diameter of 20 μm or less, wherein two adjacent net surfaces in a stacked state of carbon net planes have a graphite arrangement. P 1 which is an index of the probability of taking
The value is 0.6 or more, the probability that three adjacent net planes have a regular arrangement of ABA as a hexagonal system is P ABA value is 0.3 or more, and the three adjacent net planes are ABC rhombuses. A carbon negative electrode material for a lithium secondary battery, which has a probability P ABC value of 0.15 or more having a regular array as a tetrahedron system.
【請求項2】 アルゴンレーザーを用いたラマン分光法
において、1360cm-1バンドの1580cm-1バン
ドに対する強度比(R=I1360/I1580)が0.4以下
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
池用炭素負極材料。
2. A Raman spectroscopy using an argon laser, claims strength ratio 1580 cm -1 band of 1360 cm -1 band (R = I 1360 / I 1580 ) is equal to or less than 0.4 1. A carbon negative electrode material for lithium secondary batteries according to 1.
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