DE60215276T2

DE60215276T2 - Kohlenstofffaser, Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie und Lithiumsekundärbatterie

Info

Publication number: DE60215276T2
Application number: DE60215276T
Authority: DE
Inventors: Takashi Chiyoda Yanagisawa; Shunji Chiyoda Higaki
Original assignee: GSI Creos Corp
Current assignee: GSI Creos Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: EP1288351A2; JP2003073929A; US6881521B2; EP1288351A3; EP1288351B1; CN1266786C; DE60215276D1; CN1419305A; JP3930276B2; US20030044685A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlenstofffaser, ein Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie und eine Lithium-Sekundärbatterie.
Unter verschiedenen Arten von Sekundärbatterien wird eine Lithium-Sekundärbatterie als Stromversorgung verwendet, die für Informationskommunikationsausrüstungen wie tragbare Telefone und Notebook-Personal-Computer unentbehrlich ist, und die zur Verringerung der Größe und des Gewichts beweglicher Ausrüstung beiträgt.
Graphit oder Kohlenstofffasern werden als Elektrodenmaterial (Zusatz) für die Lithium-Sekundärbatterie verwendet, um die Elektrode mit Festigkeit, Leitfähigkeit und dergleichen zu versehen.
Ein Kathodenmaterial und ein Anodenmaterial für die Lithium-Sekundärbatterie weisen eine Schichtstruktur auf. Beim Aufladen werden Lithiumionen von der Kathode extrahiert und zwischen hexagonalen Kohlenstoffschichten der Anode interkaliert, wodurch eine Lithium-Interkalationsverbindung gebildet wird. Beim Entladen erfolgt eine Reaktion, bei der Lithiumionen von der Kohlenstoffanode zur Kathode bewegt werden.
Wie oben beschrieben, weist das Kohlenstoffelektrodenmaterial eine Funktion der Speicherung und Abgabe von Lithiumionen auf. Die Qualität dieser Speicherungs- und Abgabefunktionen beeinflusst stark die Eigenschaften der Batterie wie Lade- und Entladeeigenschaften.
Graphit, insbesondere anisotropes Graphit, weist eine typische Schichtstruktur auf und bildet Graphit-Interkalationsverbindungen (GICs), wenn verschiedene Arten von Atomen und Molekülen eingeführt werden. Wenn Lithiumionen zwischen Graphitschichten interkaliert werden, dehnt sich das Elektrodenmaterial (insbesondere Anodenmaterial) aufgrund einer Vergrößerung in dem Zwischenraum zwischen den Schichten aus. Wenn die Lade- und Entladezyklen in einem derartigen Zustand wiederholt werden, kann die Elektrode verformt werden, oder Lithiummetall kann abgeschieden werden, wodurch eine Verschlechterung der Kapazität oder innere Kurzschlüsse erzeugt werden. Wenn zudem der Zwischenraum zwischen den Schichten wiederholt expandiert und kontrahiert wird, kann die Graphit-Kristallstruktur beschädigt werden, wodurch die Zykluseigenschaften (Lebensdauer) nachteilig beeinflusst werden kann. Zusätzlich zeigt Graphit eine schlechtere Leitfähigkeit als das Elektrodenmaterial.
Als Kohlenstoffmaterial ist eine rohrförmige Kohlenstofffaser hergestellt unter Verwendung eines Gasphasenabscheidungsverfahrens bekannt. In dieser rohrförmigen Kohlenstofffaser ist eine Mehrzahl an konzentrischen hexagonalen Kohlenstoffschichten gestapelt. Für den Fall der Verwendung dieser Kohlenstofffaser als ein Anodenmaterial werden Lithiumionen nur von den Kanten der Faser interkaliert, wodurch ausreichend viele Lithium-Interkalationsverbindungen nicht gebildet werden. Deshalb kann aufgrund einer niedrigen elektrischen Energiedichte eine ausreichende Kapazität nicht erhalten werden. Da zudem die hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form konzentrischer Kreise vorliegen, werden die hexagonalen Kohlenstoffschichten durch Zwang expandiert, wenn Lithiumionen interkaliert werden. Dies bewirkt, dass Stress auftritt, wodurch die Kristallstruktur zerstört werden kann.
EP-A-1 122 344 offenbart eine Graphitnanofaser mit einer Fischgrätenstruktur mit ebenen Graphitlagen.
Die oben beschriebenen Probleme werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Kohlenstofffaser nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt. Die vorliegende Erfindung kann eine Kohlenstofffaser, die geeigneterweise für verschiedene Arten von Elektrodenmaterialien und dergleichen verwendet werden kann, ein Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie, die hinsichtlich der Lebensdauerleistung überragend ist und in der Lage ist, die Kapazität zu erhöhen, und eine Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen.
Um die obigen Probleme zu lösen, stellt ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Kohlenstofffaser mit einer koaxialen Stapelungsmorphologie aus kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten bereit, wobei jede der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten eine hexagonale Kohlenstoffschicht enthält.
Mit anderen Worten, diese Kohlenstofffaser weist eine gestapelte Tassenstruktur oder eine gestapelte Lampenschirmstruktur auf, bei der eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse ohne Boden gestapelt ist. Die koaxiale Stapelungsmorphologie der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten kann eine Form eines Hohlkerns ohne Verbrü ckung aufweisen. Entsprechend einer derartigen Struktur weist jede der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten ein großes Ringende an einem Ende und ein kleines Ringende an dem anderen Ende in einer axialen Richtung auf, wobei Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten an den großen Ringenden der äußeren Oberfläche und der kleinen Ringenden der inneren Oberfläche exponiert sind. Mit anderen Worten, die Kanten der geneigten hexagonalen Kohlenstoffschichten mit einer Fischgrätenstruktur sind in Schichten exponiert.
In einer gewöhnlichen Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur ist eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse mit Boden gestapelt. Die Kohlenstofffaser gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist jedoch eine Hohlstruktur ohne Verbrückung und eine Länge von mehreren zehn Nanometern bis mehreren zehn Mikronen auf. Ein Elektrolyt kann in den Hohlbereich eingeleitet und darin belassen werden.
Wenn die koaxiale Stapelungsmorphologie der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten gasphasenabgeschieden ist, kann eine weite Fläche einer äußeren Oberfläche oder einer inneren Oberfläche mit einem abgeschiedenen Film einer Überschussmenge an pyrolytischem Kohlenstoff bedeckt werden. Zumindest ein Teil der Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten kann jedoch an den großen Ringenden auf der äußeren Oberflächenseite oder auf den kleinen Ringenden auf der inneren Oberflächenseite exponiert sein.
Die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten, die auf der äußeren Oberfläche oder der inneren Oberfläche der Kohlenstofffaser exponiert sind, weisen einen extrem hohen Aktivitätsgrad auf, zeigen eine gute Affinität zu verschiedenen Materialarten und sind überragend in der Haftung an Grundmateri alien, wie Harzen. Deshalb kann ein Verbundstoff erhalten werden, der hinsichtlich Zug- und Kompressionsfestigkeit überragt.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Teil oder der gesamte abgeschiedene Film, der während des Gasphasenabscheidungsverfahrens der Kohlenstofffaser auf der äußeren Oberfläche oder der inneren Oberfläche gebildet wurde, durch ein später durchzuführendes Verfahren entfernt werden. Da die abgeschiedenen Schichten auf einer Überschussmenge an unzureichend kristallisiertem amorphen Kohlenstoff gebildet sind, sind die Oberflächen der abgeschiedenen Schichten inaktiv.
In der Kohlenstofffaser gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine äußere Oberfläche der Kohlenstofffaser aus den in der axialen Richtung gestapelten großen Ringenden gebildet werden; und ein exponierter Teil der Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten kann eine Fläche von 2% oder mehr einer Fläche der äußeren Oberfläche und vorzugsweise 7% einer Fläche der äußeren Oberfläche aufweisen.
Die Positionen der großen Ringenden, die die äußere Oberfläche bilden, können unregelmäßig sein, und die äußere Oberfläche kann winzige Unregelmäßigkeiten von atomarer Größenordnung aufweisen.
Ähnlich kann eine innere Oberfläche der Kohlenstofffaser aus den in der axialen Richtung gestapelten kleinen Ringenden gebildet sein; und Positionen der kleinen Ringenden, die die innere Oberfläche bilden, können unregelmäßig sein, und die innere Oberfläche kann winzige Unregelmäßigkeiten von atomarer Größenordnung aufweisen. Diese Kohlenstofffaser kann eine Struktur aufweisen, bei der mehrere zehntausende bis mehrere hunderttausende an hexagonalen Kohlenstoffschichten gestapelt sind. Dennoch kann die Kohlenstofffaser so aufgeteilt werden, dass ein bis mehrere hunderte an hexagonalen Kohlenstofffasern gestapelt sind.
Diese Kohlenstofffaser wird bei einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 2500°C oder mehr nicht graphitiert. Dies wird aus der Tatsache verständlich, dass das D-Peaksignal (1360 cm^–1) des Ramanspektrums nach einer Hitzbehandlung bei einer hohen Temperatur von 2500°C oder mehr nicht verschwindet.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Kohlenstofffaser als ein Kathodenmaterial (Zusatz zu einer Elektrode) oder ein Anodenmaterial (Elektrodenmaterial oder Zusatz zu einer Elektrode) einer Lithium-Sekundärbatterie verwendet.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Lithium-Sekundärbatterie bereit, in der die obige Kohlenstofffaser als eine Kathode und/oder eine Anode verwendet wird.
Eine Lithium-Sekundärbatterie, die überragend ist hinsichtlich hoher Leistungseigenschaften, Lebensdauer, Leistungsfähigkeit, und Stabilität der Leistungsfähigkeit, und die eine Erhöhung der Kapazität ermöglicht, kann durch Verwendung der Kohlenstofffaser als Elektrodenmaterial für die Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
1 ist eine Kopie einer Transmissionselektronenmikrographie, die eine Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur zeigt, die unter Verwendung eines Gasphasenabscheidungsverfahrens hergestellt wurde.
2 ist eine Kopie einer vergrößerten Mikrographie von 1.
3 ist eine schematische Ansicht von 2.
4 ist eine Kopie einer Transmissionselektronenmikrographie, die eine Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur zeigt, die bei einer Temperatur von etwa 530°C für eine Stunde an Luft erhitzt wurde.
5 ist eine Kopie einer vergrößerten Mikrographie von 4.
6 ist eine Kopie einer weiter vergrößerten Mikrographie von 5.
7 ist eine schematische Ansicht von 6.
8 ist ein charakteristisches Diagramm, das das Ramanspektrum einer Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur (Probe Nr. 24PS) nach Erhitzen auf 500°C, 520°C, 530°C und 540°C für eine Stunde an Luft zeigt.
9 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Ramanspektren von Kohlenstofffaserproben Nr. 19PS und Nr. 24PS zeigt, bei denen Kanten von hexagonalen Kohlenstoffschichten durch die Hitzebehandlung exponiert werden.
10 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Ramanspektren der Kohlenstofffaserproben Nr. 19PS und Nr. 24PS zeigt, in denen die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten nach dem Erhitzen bei 3000°C exponiert werden.
11 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem Lithiumionen zwischen den hexagonalen Kohlenstoffschichten interkaliert sind.
12 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem Lithiumionen zwischen den hexagonalen Kohlenstoffschichten freigesetzt sind.
13 ist ein Diagramm, das Verteilungen der Länge der Kohlenstofffaser im zeitlichen Verlauf während des Mahlens durch Kugelmahlen zeigt.
14 ist eine Kopie einer Transmissionselektronenmikrographie, die einen Zustand zeigt, bei dem die Kohlenstofffaser in ein Kohlenstofffaserprodukt aufgeteilt ist, bei dem mehrere zehn hexagonale Kohlenstoffschichten, die wie Tassen ohne Boden geformt sind, gestapelt sind.
15 ist eine Ansicht, die eine Struktur einer knopfartigen Lithium-Sekundärbatterie zeigt.
16 ist eine Ansicht, die eine polymerartige Lithium-Sekundärbatterie zeigt.
17 ist eine Computergraphik, die eine koaxiale Stapelungsmorphologie von kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten zeigt, basierend auf einer strengen quantentheoretischen Berechnung.
18 ist eine Computergraphik, die eine hexagonale Kohlenstoffschicht zeigt, die eine Einheit der koaxialen Stapelungsmorphologie der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten ist, die in 17 gezeigt sind, basierend auf einer strengen quantentheoretischen Berechnung.
19 ist eine schematische Ansicht eines großen Ringendes und eines kleinen Ringendes, die eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche der koaxialen Stapelungsmorphologie aus kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten bildet.
20 ist eine schematische Ansicht eines abgeschiedenen Films aus pyrolytischem Kohlenstoff, der über einen breiten Bereich einer äußeren Oberfläche einer Kohlenstofffaser gebildet wurde.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist unten mit Bezug auf die Zeichnungen genau beschrieben.
Eine Kohlenstofffaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kohlenstofffaser, bei der eine große Anzahl an hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse ohne Boden gesta pelt sind (im Folgenden einfach "Kohlenstofffaser" oder "Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur" genannt).
Kohlenstofffasern weisen im Allgemeinen eine Struktur auf, bei der die hexagonalen Kohlenstoffschichten konzentrisch aufgewachsen sind, oder eine Struktur, bei der hexagonale Kohlenstoffschichten in der axialen Richtung aufgewachsen sind. Jedoch können die Kohlenstofffasern abhängig von den Gasphasenabscheidungsbedingungen wie Katalysator, Temperaturbereich und Flussrate eine Fischgrätenstruktur aufweisen, bei der die gestapelten hexagonalen Kohlenstoffschichten in Bezug auf die Faserachse um einen bestimmten Winkel geneigt sind.
In einer herkömmlichen Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur ist eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse mit einem Boden gestapelt. Die gasphasenabgeschiedene Kohlenstofffaser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jedoch eine Struktur auf, bei der eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse ohne Boden gestapelt sind (diese bodenlose Kohlenstofffaser wird im Folgenden "Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur" genannt).
Insbesondere weist diese Kohlenstofffaser 1 eine koaxiale Stapelungsmorphologie aus kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten auf, die durch eine Computergraphik in 17 dargestellt ist. Jede der röhrenartigen kegelstumpfförmigen Graphitschichten ist aus einer in 18 gezeigten hexagonalen Kohlenstoffschicht 10 gebildet. Obwohl die gegenwärtigen hexagonalen Kohlenstoffschichten dicht in einer axialen Richtung A gestapelt sind, sind sie zur Erleichterung der Darstellung in 17 locker gestapelt.
19 ist eine schematische Ansicht von 17. Jede der hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 weist ein großes Ringende 20 an einem Ende und ein kleines Ringende 22 an dem anderen Ende in der axialen Richtung auf. Die großen Ringenden 20 sind in der axialen Richtung A gestapelt, um eine äußere Oberfläche 30 der Kohlenstofffaser 1 zu bilden. Die kleinen Ringenden 22 sind in der axialen Richtung A gestapelt, um eine innere Oberfläche 32 der Kohlenstofffaser 1 zu bilden. Die Kohlenstofffaser 1 liegt somit in der Form eines Hohlkerns ohne Verbrückung vor und weist ein Mittelloch 14 auf.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der in 17 gezeigten Kohlenstofffaser 1 ist unten beschrieben.
Zunächst wird unten ein Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur beschrieben.
Es wurde ein herkömmlicher Reaktor vertikaler Art verwendet.
Benzol als ein Rohmaterial wurde einer Kammer des Reaktors unter Verwendung eines Wasserstoffstroms bei einer Flussrate von 0,3 l/h und einem Partialdruck gleich dem Dampfdruck bei etwa 20°C zugeführt. Ferrocen als ein Katalysator wurde bei 185°C verdampft und der Kammer mit einer Konzentration von etwa 3·10^–7 mol/s zugeführt. Die Reaktionstemperatur und die Reaktionsdauer betrugen etwa 1100°C und etwa 20 Minuten. Als ein Ergebnis wurde eine Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 100 nm erhalten. Eine hohle Kohlenstofffaser ohne Verbrückung bei einer Länge von mehreren zehn Nanometern bis mehreren zehn Mikronen, bei der eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse ohne Boden gestapelt sind, wird erhalten durch Einstellung der Flussrate des Rohmaterials und der Reaktionstemperatur (die abhängig von der Größe des Reaktors geändert werden). Die Länge der Kohlenstofffaser, bei der eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer bodenlosen Tasse gestapelt sind, kann durch Mahlen eingestellt werden, so dass eine bis mehrere hexagonale Kohlenstoffschichten in der Form einer bodenlosen Tasse gestapelt sind, wie später beschrieben wird.
Bevor die Bohrdotierung beschrieben wird, werden die Eigenschaften der so erhaltenen Kohlenstofffaser unten beschrieben.
1 ist eine Kopie einer Transmissionselektronenmikrographie, die die Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur zeigt, die unter Verwendung des Gasphasenabscheidungsverfahrens hergestellt wurde. 2 ist eine Kopie einer vergrößerten Mikrographie von 1, und 3 ist eine schematische Ansicht von 2.
Wie aus diesen Figuren deutlich wird, wird eine abgeschiedene Schicht 12, in der eine Überschussmenge an amorphem Kohlenstoff abgeschieden ist, gebildet, um die geneigten hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 zu bedecken. Ein Bezugszeichen 14 bezeichnet das Mittelloch. Das Mittelloch 14 weist einen ausreichenden Raum zur Aufbewahrung eines Elektrolyten auf.
20 ist eine Ansicht, die einen schematischen Zustand zeigt, bei dem die abgeschiedenen Filme 12 über eine weite Fläche der äußeren Oberfläche 30 der Kohlenstofffaser 1 gebildet sind. Wie in 20 gezeigt, sind die hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 auf den großen Ringenden 20 in den Flächen exponiert, in denen die äußere Oberfläche der Kohlenstofffaser 1 nicht mit den abgeschiedenen Filmen 12 bedeckt ist. Diese Flächen weisen einen hohen Aktivitätsgrad auf. In der Fläche, in der die innere Oberfläche der Kohlenstofffaser 1 nicht mit den abgeschiedenen Filmen 12 bedeckt ist, sind die hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 auf den exponierten kleinen Ringenden 22 exponiert.
Die abgeschiedenen Schichten 12 werden oxidiert und pyrolysiert durch Erhitzen der Kohlenstofffaser, auf der die abgeschiedenen Schichten 12 bei einer Temperatur von 400°C oder mehr, vorzugsweise 500°C oder mehr, und noch bevorzugter von 520°C bis 530°C, für eine bis mehrere Stunden an Luft gebildet werden. Als ein Ergebnis werden die abgeschiedenen Schichten 12 beseitigt, wodurch die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten weiter freigelegt werden.
Die abgeschiedenen Schichten 12 können durch Waschen der Kohlenstofffaser mit überkritischem Wasser entfernt werden, wodurch die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten freigelegt werden.
Die abgeschiedenen Schichten 12 können durch Eintauchen der Kohlenstofffaser in Chlorwasserstoffsäure oder Schwefelsäure und Erhitzen der Kohlenstofffaser bei etwa 80°C während des Rührens unter Verwendung eines Rührers, entfernt werden.
4 ist eine Kopie einer Transmissionselektronenmikrographie der Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur, die bei einer Temperatur von etwa 530°C für eine Stunde an Luft erhitzt wurde. 5 ist eine vergrößerte Ansicht von 4, 6 ist eine weiter vergrößerte Ansicht von 5, und 7 ist eine schematische Ansicht von 6.
Wie aus 5 bis 7 klar wird, wird ein Teil der abgeschiedenen Schichten 12 durch Durchführen einer Hitzebehandlung oder dergleichen entfernt, wodurch die Kanten der hexagonalen Koh lenstoffschichten 10 weiter freigelegt werden. Die restlichen abgeschiedenen Schichten 12 werden als fast pyrolysiert und als lediglich an der Kohlenstofffaser anhaftend betrachtet. Die abgeschiedenen Schichten 12 können vollständig durch Kombinieren der Wärmebehandlung für mehrere Stunden und Waschen mit überkritischem Wasser entfernt werden.
Wie aus 4 klar wird, ist die Kohlenstofffaser 10, in der eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer Tasse ohne Boden gestapelt sind, über eine Länge von zumindest mehreren zehn Nanometern bis mehreren zehn Mikronen hohl.
Der Neigungswinkel der hexagonalen Kohlenstoffschichten in Bezug auf die Mittellinie beträgt etwa 25° bis 35°.
Wie aus 6 und 7 klar wird, sind die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 auf der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche in der Fläche unregelmäßig, in der die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 exponiert sind, wodurch winzige Unregelmäßigkeiten 16 von der Größenordnung von Nanometern (nm), insbesondere von atomarer Größenordnung, gebildet werden. Die Unregelmäßigkeiten 16 sind, wie in 2 gezeigt, vor dem Entfernen der abgeschiedenen Schichten 12 unklar. Dennoch erscheinen die Unregelmäßigkeiten 16 durch Entfernen der abgeschiedenen Schichten 12 durch die Hitzebehandlung.
Die exponierten Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 weisen einen extrem hohen Aktivitätsgrad auf und binden leicht an andere Atome. Die Gründe hierfür werden wie folgt in Betracht gezogen. Die Hitzebehandlung in Luft bewirkt, dass die abgeschiedenen Schichten 12 entfernt werden, und die Anzahl der funktionellen Gruppen, die Sauerstoff enthalten, wie eine phenolische Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe, chinonartige Carbonylgruppe und Laktongruppe werden auf den exponierten Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 erhöht. Diese Sauerstoff enthaltenden funktionellen Gruppen weisen eine hohe Hydrophilie und eine hohe Affinität zu verschiedenen Substanzarten auf.
Zusätzlich tragen die Hohlstruktur und die Unregelmäßigkeiten 16 zum Verankerungseffekt in hohem Maße bei.
Wenn eine Anode gebildet wird durch Befestigen einer großen Anzahl von Kohlenstofffasern unter Verwendung eines Harzbindemittels, Auftragen der Kohlenstofffasern auf Kupferfolie und Trocknen der Kohlenstofffasern, so zeigen die Kohlenstofffasern eine gute Haftung an das Bindemittel. Dies wird als Beitrag zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Elektrode angesehen.
8 zeigt die Ramanspektren einer Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur (Probe Nr. 24PS) nach Erhitzen bei 500°C, 530°C, 530°C und 540°C für eine Stunde an Luft.
5 bis 7 zeigen, dass die abgeschiedenen Schichten 12 durch die Hitzebehandlung entfernt werden. Wie aus den in 8 gezeigten Ramanspektren klar wird, zeigt die Anwesenheit des D-Peaksignals (1360 cm^–1), dass diese Probe eine Kohlenstofffaser ist und keine graphitierte Struktur aufweist.
Insbesondere wird angenommen, dass die Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur eine turbostratische Struktur aufweist, in der die Kohlenstoffschichten angeordnet sind.
Diese Kohlenstofffaser weist eine turbostratische Struktur auf, in der die hexagonalen Kohlenstoffschichten parallel gestapelt sind, aber in der horizontalen Richtung verschoben oder verdreht sind. Deshalb weist die Kohlenstofffaser keine kristallographische Regelmäßigkeit auf.
Das Merkmal dieser turbostratischen Struktur ist, dass eine Interkalation von anderen Atomen oder dergleichen selten auftritt. Dennoch erlaubt die Struktur eine Interkalation von Atomen mit einer Größe eines Lithiumions.
9 zeigt die Ramanspektren von Kohlenstofffaserproben Nr. 19PS und Nr. 24PS, in denen die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten durch die obige Hitzebehandlung exponiert werden.
10 zeigt die Ramanspektren der Kohlenstofffaserproben Nr. 19PS und Nr. 24PS, erhitzt bei 3000°C (übliche Graphitierungsbehandlung), nachdem die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten exponiert wurden.
Wie in 10 gezeigt, verschwindet das D-Peaksignal selbst dann nicht, wenn die Kohlenstofffaser in der die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten exponiert sind, der Graphitierungsbehandlung unterzogen wird. Dies bedeutet, dass die Kohlenstofffaser durch die Graphitierungsbehandlung nicht graphitiert wird.
Eine Beugungslinie erschien bei der 112-Ebene in der Röntgenbeugung (nicht gezeigt) nicht. Dies zeigt ebenfalls, dass die Kohlenstofffaser nicht graphitiert wurde.
Es wird angenommen, dass die Kohlenstofffaser durch die Graphitierungsbehandlung nicht graphitiert wurde, da die abge schiedenen Schichten 12, die leicht graphitiert werden, entfernt wurden. Dies zeigt auch, dass die verbleibenden Abschnitte der Fischgrätenstruktur nicht graphitiert werden.
Die resultierende Kohlenstofffaser, bei der die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten exponiert sind, wird als ein Elektrodenmaterial (Zusatz zu einer Elektrode) einer Lithium-Sekundärbatterie verwendet.
Das Elektrodenmaterial (Kohlenstofffaser) der vorliegenden Erfindung ist hohl ohne eine Verbrückung über eine Länge von mehreren zehn Nanometern bis mehreren zehn Mikronen, in denen eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 in der Form einer bodenlosen Tasse gestapelt sind. Deshalb weist das Elektrodenmaterial Eigenschaften auf, durch die das Elektrodenmaterial expandiert und sich in der longitudinalen Richtung zusammenzieht. Wenn Lithiumionen 40 zwischen den hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 von der äußeren Oberflächenseite und der inneren Oberflächenseite interkaliert werden, expandiert die Kohlenstofffaser in der longitudinalen Richtung aufgrund einer Zunahme in den Zwischenräumen zwischen den hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 (11). Andererseits, wenn die Lithiumionen 40 von den Zwischenräumen zwischen den hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 deinterkaliert werden, zieht sich die Kohlenstofffaser in der longitudinalen Richtung aufgrund einer Abnahme in den Zwischenräumen zwischen den hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 zusammen (12).
Die Bedeutung hiervon ist wie folgt. Stress, der durch eine wiederholte Interkalation und Deinterkalation der Lithiumionen 40 erzeugt wird, wird durch Expansion und Kontraktion der Kohlenstofffaser absorbiert. Die Lithiumionen 40 werden nicht nur von der äußeren Oberfläche interkaliert oder deinterkaliert, sondern auch von der inneren Oberfläche der Kohlenstofffaser.
Deshalb wird fast kein physikalischer Stress auf die Kohlenstofffaser ausgeübt, wodurch die Kristallstruktur nicht zerstört wird. Dies verbessert und stabilisiert hohe Leistungsmerkmale und die Lebensdauerleistung der Batterie.
Für den Fall der Verwendung von Graphit als das Anodenmaterial, neigt die Kristallstruktur dazu, zerstört zu werden, da Graphit durch Interkalation von Lithiumionen aufgrund der Interkalation von Lithiumionen expandiert, aber kaum zu dem Originalzustand zurückkehrt. Für den Fall der Verwendung einer rohrförmigen Kohlenstofffaser in der konzentrische hexagonale Kohlenstoffschichten als Anodenmaterial gestapelt sind, wird eine große Menge an Stress wiederholt ausgeübt, da Lithiumionen durch Zwang von den Kanten des Rohrs interkaliert werden.
In dem Elektrodenmaterial (Kohlenstofffaser) der vorliegenden Ausführungsform weisen die Kanten der bodenlosen tassenförmigen hexagonalen Kohlenstoffschichten, die auf den inneren und äußeren Oberflächen der Faser exponiert sind, einen extrem hohen Aktivitätsgrad auf. Die Lithiumionen 40 werden leicht auf diesen hochaktiven Kanten adsorbiert. Deshalb kann das Elektrodenmaterial eine große Anzahl an Lithiumionen 40 speichern, wodurch die Kapazität der Batterie erhöht werden kann. Zudem können, da ein Elektrolyt in dem Mittelloch 14 der Kohlenstofffaser eingeleitet und gehalten wird, eine große Anzahl an Lithiumionen 40 auf den Kanten gespeichert werden, die innerhalb der Faser exponiert sind, und die Kapazität der Batterie kann erhöht werden.
Die Kohlenstofffaser mit der so erhaltenen Fischgrätenstruktur ist eine kurze Faser mit einer Länge von mehreren zehn Mikronen, in der mehrere zehntausend bis mehrere hunderttausend von bodenlosen tassenförmigen, insbesondere kegelstumpfförmigen röhrenartigen hexagonalen Kohlenstoffschichten gestapelt sind.
Diese kurze Faser ist aufgrund eines hohen Molekulargewichts (Länge) unlöslich.
Das Kohlenstofffaserprodukt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird erhalten durch Aufspalten der obigen kurzen Faser in Stücke, in denen eine bis mehrere hunderte an hexagonalen Kohlenstoffschichten gestapelt sind. Das Kohlenstofffaserprodukt wird unlöslich, wenn das Molekulargewicht durch Verringern der Anzahl an gestapelten Schichten reduziert wird, insbesondere wenn die Anzahl an hexagonalen Kohlenstoffschichten 1 ist.
Die kurze Faser kann durch Zugabe einer geeigneten Menge an Wasser oder Lösungsmittel und langsames Mahlen der kurzen Faser unter Verwendung von Mörser und Stößel aufgespalten werden.
Insbesondere kann die kurze Faser (in der die abgeschiedenen Lagen 12 gebildet werden können, oder Teile oder sämtliche der abgeschiedenen Schichten 12 entfernt werden können) in einen Mörser eingebracht und unter Verwendung eines Stößels langsam mechanisch gemahlen werden.
Die Kohlenstofffaser, in der eine bis mehrere hunderte an hexagonalen Kohlenstofffasern gestapelt sind, kann durch experimentelles Bestimmen der Behandlungszeit in einem Mörser erhalten werden.
Da die zyklischen hexagonalen Kohlenstoffschichten eine vergleichsweise hohe Festigkeit aufweisen, und aneinander nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte gebunden sind, werden die zyklischen hexagonalen Kohlenstoffschichten getrennt, ohne zwischen den Schichten, in denen die Bindung vergleichsweise schwach ist, zermalmt zu werden.
Es ist bevorzugt, die kurze Faser unter Verwendung eines Mörsers und Stößels in flüssigem Stickstoff zu mahlen. Wasser in Luft wird absorbiert, wenn flüssiger Stickstoff verdampft wird und zu Eis wird. Deshalb kann die kurze Faser zwischen den obigen Einheitsfaserschichten abgetrennt werden, während mechanischer Stress durch Mahlen der kurzen Faser zusammen mit Eis unter Verwendung eines Mörsers und eines Stößels reduziert wird.
Die Kohlenstofffaser kann durch Kugelmahlen in industriellen Maßstab gemahlem werden.
Ein Beispiel des Einstellens der Länge der Kohlenstofffaser durch Kugelmahlen ist unten beschrieben.
Eine Kugelmühle, hergestellt von Kabushikigaisha Asahi Rika Seisakujo, wurde verwendet.
Kugeln wurden verwendet, die aus Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 5 mm gefertigt wurden. 1 g der obigen Kohlenstofffaser, 200 g an Aluminiumoxidbällen, und 50 Kubikzentimeter an destilliertem Wasser wurden in eine Zelle eingebracht, und bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 350 U/min. behandelt. Von der Kohlenstofffaser wurden Proben gezogen, wenn 1, 3, 5, 10 und 24 Stunden verstrichen waren.
13 zeigt Verteilungen der Länge der Kohlenstofffaser, gemessen unter Verwendung eines Laserteilchengrößenverteilungsanalysators bei jeder Probenentnahme.
Wie aus 13 deutlich wird, nimmt die Faserlänge mit dem Verstreichen des Mahlzeitraums ab. Insbesondere nimmt die Faserlänge schnell auf 10 μm oder weniger ab, nachdem 10 Stunden verstrichen sind. Dies zeigt deutlich, dass die Faserlänge weiter verringert wurde. Der Grund, warum das Maximum bei etwa 1 μm erscheint, wird darin gesehen, dass die Länge fast dem Durchmesser entspricht, wodurch der Durchmesser als die Länge gezählt wird.
14 ist eine Kopie einer Transmissionselektronenmikrographie einer sehr interessanten Kohlenstofffaser, bei der die Länge in einem Zustand eingestellt wird, in dem mehrere zehn bodenlose tassenförmige hexagonale Kohlenstoffschichten gestapelt sind. Die Kohlenstofffaser weist eine Hohlform ohne Verbrückung auf. Die Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten sind auf der äußeren Oberflächenseite und der inneren Oberflächenseite des Hohlbereichs exponiert. Die Länge der Kohlenstofffaser kann durch Wechsel der Kugelmahlbedingungen oder dergleichen eingestellt werden.
Die in 14 gezeigte Kohlenstofffaser liegt in der Form eines Rohres mit einer Länge und einem Durchmesser von etwa 60 nm vor, das eine dünne Wandung und einen großen Hohlbereich aufweist.
Die Kohlenstofffaser wird als ein Ergebnis des Fallens von der bodenlosen tassenförmigen hexagonalen Kohlenstoffschicht aufgespalten. Deshalb wird die Form der hexagonalen Kohlenstoffschicht nicht verändert.
Für den Fall, wo ein herkömmlicher konzentrischer Kohlenstofffaser-Nanotubus gemahlen wird, kann ein Aufbrechen des Tubus Risse auf der äußeren Oberfläche in der axialen Richtung oder feine Splitter verursachen. Zudem kann ein Zustand auftreten, bei dem der Kern abgelöst wird. Deshalb ist es schwierig, die Länge einzustellen.
Da die Kohlenstofffaser durch Einstellen der Länge zu einem winzigen Teilchen wird, wird die Dispersionsfähigkeit in dem Bindemittel erhöht. Dies erhöht die Anhaftung an das Bindemittel, wodurch die Lebensdauer der Elektrode erhöht wird.
Da die Kanten der bodenlosen tassenförmigen hexagonalen Kohlenstoffschichten weiter exponiert werden, werden Lithiumionen auf diesen hochaktiven Kanten leicht adsorbiert. Deshalb wird eine große Anzahl an Lithiumionen 40 gespeichert, wodurch die Kapazität der Batterie weiter erhöht werden kann. Zudem wird ein Elektrolyt leicht in das Mittelloch 14 der Kohlenstofffaser eingeleitet und darin gehalten. Dies unterstützt die Fähigkeit eine große Menge an Lithiumionen auf den innerhalb der Faser exponierten Kanten zu speichern, wodurch die Kapazität der Batterie weiter erhöht werden kann.
Die Kohlenstofffaser mit einer Fischgrätenstruktur ist oben beschrieben.
Die Kohlenstofffaser gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Kohlenstofffaser, in der die obige Kohlenstofffaser mit Boratomen dotiert ist (ein Teil der Kohlenstoffatome der hexagonalen Kohlenstoffschichten ist mit Boratomen ersetzt).
Ein Ersetzen (Dotieren) mit Boratomen wird erreicht durch Vermischen der Kohlenstofffaser mit Boroxid (B₂O₃) oder Borpulver, so dass der Borgehalt beispielsweise 5 Gew.-% beträgt, und Unterwerfen der Mischung einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 2500°C oder mehr für etwa 10 Minuten in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, wie in einem Graphitwiderstandsofen oder in Argon. Diese Behandlung ermöglicht ein Ersetzen mit 1 bis 10 Atom-% an Boratomen.
Der interatomare Abstand zwischen dem Boratom und dem Kohlenstoffatom wird als ein Ergebnis der Substitution der Boratome an Stelle der Kohlenstoffatome der hexagonalen Kohlenstoffschichten erhöht. Als Ergebnis werden konische Vorsprünge mit weiter Grundfläche mit einem Boratom an der Spitze auf den glatten hexagonalen Kohlenstoffschichten gebildet.
Diese Vorsprünge werden auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche der bodenlosen tassenförmigen hexagonalen Kohlenstoffschichten gebildet. Dies bewirkt, dass die hexagonalen Kohlenstoffschichten in eine Zick-Zack-Form verkompliziert werden, wodurch die tassenförmigen Schichten kaum abgetrennt werden. Als Ergebnis wird die Kohlenstofffaser verstärkt.
Wie oben beschrieben, weist die Kohlenstofffaser der vorliegenden Ausführungsform, in der die hexagonalen Kohlenstoffschichten in der Form einer bodenlosen Tasse gestapelt sind, Eigenschaften auf, durch die die hexagonalen Kohlenstoffschichten einfach abgetrennt werden, so dass die Faserlänge eingestellt werden kann. Jedoch ist es bevorzugt, dass die hexagonalen Kohlenstofflagen nicht abgetrennt werden, nachdem die Faserlänge eingestellt ist.
In dieser Hinsicht erhöht ein Ersetzen mit Boratomen die physikalische Zwischenschichtfestigkeit, wodurch die hexagonalen Kohlenstoffschichten kaum abgetrennt werden. Dies erhöht die Festigkeit, so dass die Lebensdauer einer Lithium-Sekundärbatterie erhöht werden kann.
Zudem werden, da die Vorsprünge auf den hexagonalen Kohlenstoffschichten durch Ersatz mit den Boratomen gebildet werden, leitende Pfade für Lithiumionen zwischen den Schichten gebildet. Dies erlaubt den Lithiumionen leicht zwischen den Schichten interkaliert oder deinterkaliert zu werden, wodurch die Kapazität weiter erhöht werden kann.
Eine Anode der Lithium-Sekundärbatterie wird durch Auftragen des Elektrodenmaterials gebildet, das unter Verwendung eines Bindemittels an eine Elektrodenfolie wie eine Kupferfolie, und Aushärten des Bindemittels befestigt ist. Ein Epoxidharz, Teflon(Markenname)harz, oder dergleichen kann als das Bindemittel verwendet werden. Der Bindemittelgehalt von etwa 5 Gew.-% wird ausreichen. Für den Fall der Bildung der Anode, kann Graphit als wesentliches Material verwendet werden, und das obige Elektrodenmaterial kann hierzu als ein Zusatz hinzugefügt werden.
Eine Kathode wird gebildet durch Auftragen des Elektrodenmaterials und eines Lithium enthaltenden Oxids, das unter Verwendung des Bindemittels an eine Elektrodenfolie, wie eine Aluminiumfolie, und aushärtendes Bindemittels befestigt ist. Als das Lithium enthaltende Oxid können Oxide wie LiCoO₂, LiMn₂O₄ oder LiNiO₂ verwendet werden.
Für den Fall der Verwendung der Kohlenstofffaser als ein Zusatz zu der Elektrode, wird die Kohlenstofffaser in einer Menge von 1 Gew.-% oder mehr hinzugefügt.
Als Elektrolyt können ein herkömmlicher flüssiger oder gelierter Elektrolyt, wie ein flüssiger Elektrolyt, der Propylencarbonat als ein Lösungsmittel und Lithiumperchlorat als Lösestoff enthält, oder ein gelierter Polymerelektrolyt, der durch Zugeben einer kleinen Menge eines organischen Polymers zu dem flüssigen Elektrolyten hergestellt wird, verwendet werden.
Eine Lithium-Sekundärbatterie wird durch Anbringen von Leitungen an die Anode und die Kathode, Wickeln der Anode und der Kathode um eine isolierende Trenneinheit, die aus einem dazwischen angeordneten porösen Film gebildet wird, Einbringen der Anode und der Kathode in ein Gehäuse und deren Verschließen durch Eintauchen in einen Elektrolyten gebildet.
15 ist eine Ansicht, die eine knopfartige Lithium-Sekundärbatterie zeigt.
Eine obere Abdeckung 21, eine Kathode 22, ein Glasfilter 23, eine Anode (Anodenmaterial + PTFE) 24, ein Packungsring 25, eine untere Abdeckung 26 und ein Elektrolyt 27 sind dargestellt.
16 ist eine Ansicht, die eine polymerartige Lithium-Sekundärbatterie zeigt.
Ein Elektrodenfilm 28, eine Anode 29, ein Polymerelektrolyt 30 und ein Elektrodenfilm 32 sind dargestellt.
Wie oben beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform die hohle Kohlenstofffaser ohne Verbrückung über eine Länge von mehreren zehn Nanometern bis mehreren zehn Mikronen, in der eine Anzahl von hexagonalen Kohlenstoffschichten 10 in der Form einer bodenlosen Tasse gestapelt sind, als Elektrodenmaterial verwendet. Deshalb ist die Kohlenstofffaser stark genug, um Stress wie Stauchen, Zug und Verdrehen aufgrund ihrer Flexibilität standzuhalten, wodurch die Kohlenstofffaser hinsichtlich der Verstärkungswirkung auf die Elektroden im Vergleich mit einer herkömmlichen röhrenartigen Kohlenstofffaser überragt. Zudem überragt die Kohlenstofffaser hinsichtlich der Leitfähigkeit als Elektrodenmaterial.
Insbesondere für den Fall der Verwendung des Elektrodenmaterials für die Anode, werden eine hervorragende Speicher- und Abgabefähigkeit der Lithiumionen und eine hohe Energiedichte erreicht. Dies führt zu einer bemerkenswerten Erhöhung der Kapazität. Zudem wird, da diese Kohlenstofffaser Elastizität aufweist und entsprechend der Interkalation oder Deinterkalation von Lithiumionen expandiert oder sich zusammenzieht, Stress absorbiert und die Kristallstruktur selbst dann nicht zerstört, wenn Ladung und Entladung wiederholt werden. Die Schichten werden durch den Ersatz mit den Boratomen kaum getrennt. Deshalb überragt die Elektrode hinsichtlich der Lebensdauerleistung.
Die Kohlenstofffaser kann für verschiedene Arten von Anwendungen wie als Anodenmaterial für Primär- und Sekundär-Lithiumbatterien, und Glieder von Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolytmembran), Katalysatorträger, Trenneinheit und dergleichen) verwendet werden.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie, die hinsichtlich Leistungseigenschaften, Lebensdauerleistung und Leistungsstabilität überragt, eine Erhöhung der Kapazität ermöglicht und hinsichtlich Leitfähigkeit und Elektrodenverstärkung überragt, sowie eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt werden.

Claims

Kohlenstofffaser für ein Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie, wobei die Kohlenstofffaser eine koaxiale Stapelungsmorphologie aus kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten aufweist, wobei die koaxiale Stapelungsmorphologie der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten die Form eines Hohlkegels ohne Verbrückung aufweist, wobei jede der kegelstumpfförmigen röhrenartigen Graphitschichten eine hexagonale Kohlenstoffschicht enthält und ein großes Ringende an einem Ende und ein kleines Ringende an dem anderen Ende in einer axialen Richtung aufweist, wobei zumindest ein Teil der Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten an den großen Ringenden exponiert ist, und wobei ein Teil der Kohlenstoffatome der hexagonalen Kohlenstoffschichten mit Boratomen ersetzt ist, so dass an den Spitzen Vorsprünge mit den Boratomen gebildet sind.
Kohlenstofffaser nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten an den kleinen Ringenden exponiert ist.
Kohlenstofffaser nach Anspruch 2, wobei die koaxiale Stapelungsmorphologie der kegelstumpfförmigen röhrenförmigen Graphitschichten durch Gasphasenabscheidung erzeugt wurde; und wobei zumindest ein Teil eines während der Gasphasenabscheidung gebildeten Abscheidungsfilms von den großen und kleinen Ringenden entfernt ist.
Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine äußere Oberfläche der Kohlenstofffaser aus den in der axialen Richtung gestapelten großen Ringenden gebildet ist; und wobei der exponierte Teil der Kanten der hexagonalen Kohlenstoffschichten eine Fläche aufweist, die gleich oder größer als 2 Prozent einer Fläche der äußeren Oberfläche ist.
Kohlenstofffaser nach Anspruch 4, wobei Positionen der großen Ringenden, die die äußere Oberfläche bilden, unregelmäßig sind, und die äußere Oberfläche eine winzige Unregelmäßigkeit auf atomarer Größenordnung aufweist.
Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine innere Oberfläche der Kohlenstofffaser aus den in der axialen Richtung gestapelten kleinen Ringenden gebildet ist; und wobei Positionen der kleinen Ringenden, die die innere Oberfläche bilden, unregelmäßig sind und die innere Oberfläche eine winzige Unregelmäßigkeit auf atomarer Größenordnung aufweist.
Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine bis mehrere Hundert der hexagonalen Kohlenstoffschichten gestapelt sind.
Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 2500°C oder höher keine Graphitierung des Kohlenstofffaserproduktes liefert.
Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 2500°C oder höher kein Verschwinden des D-Peaksignals (1360 cm^–1) in dem Raman-Spektrum liefert.
Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie mit der Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Lithium-Sekundärbatterie mit der Kohlenstofffaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als ein Elektrodenmaterial.