JP3722318B2

JP3722318B2 - 二次電池用電極およびその製造方法、並びに非水電解液二次電池

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Publication number: JP3722318B2
Application number: JP33235796A
Authority: JP
Inventors: 厚司岩瀬; 善次坂本; 望奥村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: JPH10172566A; US6087044A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素材料を電極活物質として用いた二次電池用電極およびその製造方法、並びにこのような構成の二次電池用電極を負極に用いた非水電解液二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高容量でかつ充放電サイクル特性に優れた二次電池を得るために、電極活物質として炭素材料からなる電極が用いられるようになってきている。そして、さらに高容量でかつ充放電サイクル特性に優れる二次電池とすることを目的として、さらに高電極容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れた二次電池用の電極が、炭素材料の観点から様々に検討されている。
【０００３】
例えば、特公平５−７８９０９号公報では、気相堆積法（ＣＶＤ）により、黒鉛結晶構造からなる高配向炭素よりもわずかに乱層構造と選択的配向性をもつ炭素材料を多孔質セラミック基板上に生成してなる電極が開示されている。この電極によって高容量でかつ充放電サイクル特性に優れる二次電池が得られるが、電極の製造において、ＣＶＤではこうした炭素材料を薄膜の形態でしか形成できないため、実用に適した量の炭素材料を得ることが困難である。
【０００４】
また、特開平５−９４８３８号公報では、特定の結晶性をもつ粒状ないし繊維状の炭素の核の表面にラマンスペクトル分析法による特定の測定値をもつ炭素質物の表層をＣＶＤにより形成し、これら核および表層の複層構造の炭素体よりなる炭素材料を用いた電極が開示されている。しかし、核が炭素質物で完全に覆われた炭素体を短時間でかつ収率良く得ることが難しいため、この電極を工業的に量産化することが困難である。
【０００５】
実際、本発明者は、ロータリーキルン、攪拌流動層を用いて粒状ないし繊維状の炭素の核を常に流動させて炭素質物の表層を形成することを試みたが、均一な厚さの炭素質物の表層を形成するためには数十時間の長時間を要することがわかった。また、炭素質物の表層の形成中に炭素体どうしが凝集してしまい、粒径の大きな凝集体が形成されることもわかった。
【０００６】
この凝集体を粉砕して粒径の小さな粒子の形態で電極活物質に利用する場合、粉砕時に炭素体が核の部分で割れたり、炭素質物が剥がれるなどして核が表出する。このように表出した核は、充放電中に電解液と反応してこの電解液を分解する。このような電解液の分解により、充放電の繰り返し寿命（充放電サイクル特性）が低下してしまう。
【０００７】
そこで時間短縮と炭素体の凝集防止のために、炭化水素ガスの流速を増やし、流動性を良くしてみたが、炭素体が飛散してしまいさらに収率が低下することもわかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、高電極容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れた二次電池用電極、およびこの二次電池用電極を容易にかつ大量に、また低コストで製造できる二次電池用電極の製造方法、並びに高容量でかつ充放電サイクル特性に優れた非水電解液二次電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体の一部表面もしくは全表面に低結晶または非晶質の炭素層を形成し、こうして得られた炭素材料を電極活物質として用いることにより、高電極容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れた二次電池用の電極が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１０】
即ち、本発明の二次電池用電極は、樹脂を電極形状に焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有することを特徴とする。
また、本発明者らは、樹脂を用いて電極形状に成形し、得られた成形体を焼成することにより樹脂が容易に炭化され、かつ炭素層形成ガスを含む雰囲気中で加熱することにより炭素多孔質体の少なくとも一部表面に低結晶または非晶質の炭素層が容易に形成されることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明の二次電池用電極の製造方法は、樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有する二次電池用電極の製造方法であって、該樹脂を用いて成形された成形体を焼成することにより該樹脂を炭化して炭素多孔質体とし、かつ炭素層形成ガスを含む雰囲気中で加熱し該炭素層形成ガスを熱分解して該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に低結晶または非晶質の炭素層を形成することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明者らは、非水電解液を具備する二次電池において、樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体と、この炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有する電極を負極に用いることにより、高容量でかつ充放電サイクル特性に優れた二次電池が得られることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１３】
即ち、本発明の非水電解液二次電池は、非水電解液を具備する二次電池であって、樹脂を電極形状に焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有する電極を負極に用いたことを特徴とする。なお、炭素多孔質体の少なくとも一部表面は、炭素多孔質体の最外面だけでなく、外気と連通する炭素多孔質体中の空隙の表面も含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の二次電池用電極およびその製造方法、並びに非水電解液二次電池の実施の形態を以下順に説明する。
（二次電池用電極）
本発明の二次電池用電極の形状、大きさについては特に限定されるものではなく、この二次電池用電極が使用される二次電池の形状、大きさに応じて任意に選択することができる。二次電池の形状としては、例えば、コイン型、ボタン型、円筒型、角型等の形状が挙げられる。その用途となる二次電池の種類は特に限定されるものでなく、非水電解液二次電池等の二次電池に利用でき、特にリチウムイオンによる負極反応が効果的に行われるためリチウム二次電池の負極に利用することが好ましい。以下、本発明の二次電池用電極の構成部分の形態についてそれぞれ説明する。
【００１５】
炭素多孔質体は樹脂を電極形状に焼成して得られるものである。樹脂を焼成すると樹脂が炭化されると同時に外気と連通した多数の孔が形成される。従って、この炭素多孔質体は多孔性の樹脂の炭化物である。その多孔性の度合いや比表面積は特に限定されるものではない。
この炭素多孔質体は、結晶性の炭素よりなる炭素粒子を分散保持することが望ましい。この炭素粒子により、さらに電極の導電性が向上し、かつ電極反応がより高効率で行われる。この炭素粒子としては、結晶性の高い黒鉛構造を有するものを用いることができ、天然黒鉛、黒鉛化炭素等から形成できる。その形状は特に限定されるものではなく任意に選択でき、球状、塊状、鱗片状、繊維状等のものを用いることができる。これらの炭素粒子は周知の方法により製造できる。
【００１６】
炭素粒子の粒径についても特に限定されるものではないが、その平均粒径が８〜１５μｍであることが望ましい。これにより、さらに高電極容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れた電極が得られる。このとき、粒径が小さすぎたり、比表面積が大きすぎると、この炭素粒子の表面を覆う炭素多孔体および低結晶性または非晶質の炭素層の量が多く必要となり、電極容量が低下する。反対に、粒径が大きすぎると、セパレ−タを貫通してショートを発生させる恐れがある。
【００１７】
比表面積を小さくして電解質の均一な吸蔵および放出を行わせ、より高電極容量をもつものとするためには、球状もしくは球状に近い形状の炭素粒子を用いることが好ましい。
また炭素粒子は、メソフェーズマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）からなることが望ましい。ＭＣＭＢは黒鉛結晶構造の結晶性の高い球状の炭素粒子であるため、前記の要望にかなう材料である。
【００１８】
樹脂は熱硬化性樹脂であることが望ましい。熱硬化性樹脂は加熱により硬化する性質をもつため、電極の形成において、焼成処理を行う前に加熱することにより、樹脂の部分を硬化させて電極の焼成処理を行うことができる。
このとき、熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一種であることが望ましい。これらの熱硬化性樹脂では、焼成により残炭率の大きい炭化物が得られるため、炭素含量の大きい炭素多孔質体を形成することができる。
【００１９】
低結晶または非晶質の炭素層は、活物質の重量を１００重量％とすると、１〜１０重量％であることが望ましい。これにより、炭素多孔質体の表面を低結晶または非晶質の炭素層で十分に覆うことができる。
また、この低結晶または非晶質の炭素層は、アルゴンレーザーを用いたラマンスペクトル分析における１５８０〜１６２０ｃｍ^-1の範囲のピーク強度に対する１３５０〜１３７０ｃｍ^-1の範囲のピーク強度の比が０．４〜０．８であることが望ましい。これにより、さらに高電極容量でサイクル特性に優れた二次電池用電極が得られる。
【００２０】
さらに、この低結晶または非晶質の炭素層は、炭素層形成ガスから合成されたものであることが望ましい。炭素層形成ガスを熱分解することにより、容易に低結晶または非晶質の炭素層を形成することができる。
このとき、前記炭素層形成ガスは、炭化水素ガスおよびアルコールガスの少なくとも一種であることが望ましい。また、前記炭化水素は、脂肪族飽和炭化水素、脂肪族不飽和炭化水素および芳香族炭化水素の少なくとも一種であることが望ましい。このような炭化水素として具体的には、メタン、プロパン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンおよびペリレンの少なくとも一種であることが望ましい。これらの炭化水素は、揮発性が大きく容易にガスの状態となる。また、化学的にも比較的安定で、扱いの容易な物質でもある。
【００２１】
また、本発明の二次電池用電極では、活物質のみで構成することもできるが、活物質と集電体とを一体的に焼結させ、活物質と集電体とが一体となっている構成が望ましい。この集電体は、活物質での電極反応に伴う電子伝導を補うだけでなく、電極の機械的強度を向上させることもできる。
このとき、集電体は高導電率をもつものが好ましく、銅、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等からなるものを用いることができる。
（二次電池用電極の製造方法）
本発明の二次電池用電極の製造方法は、製造過程を大きく分けると、樹脂を用いて成形体を成形する過程と、この過程で得られた成形体を焼成し、かつ炭素層形成ガスを含む雰囲気中で加熱する熱処理過程と、の二つの過程からなり、これらの過程が連続して行われる。
【００２２】
樹脂を用いて成形体を成形する過程では、樹脂の状態は特に限定されるものではなく、成形方法等により選択することができ、固体状、ペースト状のものなどを用いることができる。
また、炭素多孔質体中に結晶性の炭素よりなる炭素粒子を分散保持させる場合、炭素粒子と樹脂とを含む配合物を調製し、得られた配合物を用いて電極形状の成形体を成形することができる。この配合物の調製における炭素粒子と樹脂との配合割合は、樹脂の焼成後の残炭率を考慮し、活物質全体の重量に対する炭素粒子の所定の重量の割合に応じて選択することができる。
【００２３】
調製方法としては、樹脂を有機溶媒等に溶解させ、これにより得られた溶液と炭素粒子とを配合し、これを混練してペースト状の混練物を調製することができる。ペースト状の混練物を調製することにより、成形体の成形が行いやすくなり、任意の形状の成形体を容易に成形することができる。
また、このペースト状の混練物を用い、これを集電体に塗布して電極を成形し、焼成する過程で配合物と集電体を一体的に焼結させることが望ましい。これにより、活物質と集電体とが一体となった電極を容易に形成することができる。
【００２４】
さらに、樹脂として熱硬化性樹脂を用い、樹脂を熱処理過程の前に加熱してこの熱硬化性樹脂を硬化させておくことが望ましい。これにより、熱処理過程において活物質となる部分が硬く固体状となって崩れにくくなり、熱処理を行いやすくなる。
このとき熱硬化性樹脂として、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一種を用いるとき、熱硬化性樹脂の配合割合を７〜４０重量％として配合物を調製することが好ましい。また、この熱硬化処理の加熱温度は１５０〜２８０℃であることが好ましい。
【００２５】
あるいは、以上の成形方法とは別に、固体状の樹脂を用いる場合、炭素粒子と樹脂粉末を配合し、プレス等により成形することができる。この成形に際し、ポリビニルブチラール等の結着剤を添加してもよい。
熱処理過程では、成形体を焼成することにより樹脂を炭化して炭素多孔質体とし、かつ炭素層形成ガスを含む雰囲気中で加熱することによりこの炭素層形成ガスを熱分解して炭素多孔質体の少なくとも一部表面に低結晶または非晶質の炭素層を形成する。
【００２６】
この樹脂を炭化して炭素多孔質体とする焼成雰囲気は特に限定されるものではないが、アルゴン、窒素等の不活性雰囲気、あるいは真空等の非酸化性雰囲気で焼成することが好ましい。このときの加熱温度も特に限定されるものではなく、樹脂が炭化する温度に応じて選択することができる。
また、炭素層形成ガスを含む雰囲気についても、炭素層形成ガスの種類は限定されるものではないが、炭化水素ガスおよびアルコールガスの少なくとも一種を含むことが望ましい。また、この炭化水素も特に限定されるものではなく、メタン、プロパン、アセチレン等の脂肪族飽和炭化水素、プロピレン等の脂肪族不飽和炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、ペリレン等の芳香族炭化水素等の炭化水素ガスを用いることができる。
【００２７】
また、この炭素層形成ガスを含む雰囲気に、窒素、アルゴン等の不活性ガスを混合させてもよい。このとき、炭化水素ガスの組成量も限定されるものではないが、この雰囲気全体を体積組成で１００％とすると、炭素層形成ガスを５〜３０％含むことが望ましい。これにより、炭素層形成ガスの熱分解量が増加し、炭素多孔質体の表面を十分覆うことのできる厚さの低結晶または非晶質の炭素層を形成することができる。
【００２８】
また、この炭素層形成ガスを含む雰囲気では、成形体の加熱温度は特に限定されるものではなく、使用する炭素層形成ガスの熱分解温度に応じて選択することができる。例えば、炭素層形成ガスとしてメタン、プロパン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンおよびペリレンの少なくとも一種を用いるときは、成形体を６００℃以上で加熱することが望ましい。これらの炭化水素ガスは、この加熱温度により炭素多孔質体の一部表面で熱分解し、低結晶または非晶質の炭素層を形成する。なお、集電体を用いて成形体を成形したときは、集電体の融点を超えない温度で加熱する必要がある。
【００２９】
さらに、上記炭素層形成ガスを含む雰囲気としては、炭化水素ガスおよびアルコールガスの少なくとも一種を含む雰囲気の他に、一酸化炭素等の浸炭性ガス等の雰囲気でもよい。
上記の熱処理過程は、炭素層形成ガスを含むキャリアガスを導入、排気できる構造をもつ加熱炉で行うことができる。このような加熱炉としては、例えば、真空浸炭炉やガス浸炭炉を用いることができる。このとき、キャリアガスの導入と排気を断続的に行うことにより、炭素多孔体中の外気と連通する空隙の表面にも十分な厚さの低結晶または非晶質の炭素層を形成することができる。
（非水電解液二次電池）
本発明の非水電解液二次電池は、樹脂を電極形状に焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有する電極を負極に用いたものである。
【００３０】
この非水電解液二次電池では、その種類について特に限定されるものではなく、用途に応じて選択することができる。特に、リチウム二次電池では、高い放電電圧が得られ、エネルギー密度の高い二次電池となるため好ましい形態である。このとき、正極として、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等のリチウム含有金属酸化物を正極材料（活物質）として有するものを用いることができる。
【００３１】
電池の形状についても特に限定されるものではなく、用途に応じて選択することができ、例えば、コイン型、ボタン型、円筒型、角型等の形状にすることができる。さらに、対極材料、セパレ−タなどの電池を構成する他の部材についても、特に制限することなく使用することができる。
この非水電解液は、有機溶媒に電解質（溶質）を溶かした電解液であり、高誘電率溶媒と電解質との混合物あるいは高誘電率溶媒と低粘度溶媒と電解質との混合物であることが望ましい。これにより、さらに高容量でサイクル特性に優れた非水電解液二次電池が得られる。
【００３２】
高誘電率溶媒としては、プロピレンカーボネイト（ＰＣ）、エチレンカーボネイト（ＥＣ）等やこれらの混合溶媒を用いることができる。また、低粘度溶媒には、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、ジメチルエーテル等の低粘性の有機溶媒を一種以上含むものを用いることができる。電解液に低粘度溶媒を含ませることにより、低温特性に優れた非水電解液二次電池となる。このとき、高誘電率溶媒と低粘度溶媒との混合溶媒は、溶媒全体に対して高誘電率溶媒が体積割合で４０〜６０％混合されたものであることが好ましい。高誘電率溶媒が６０％より大きいと粘度が高く、４０％より小さいと塩の解離が不十分となり、負荷特性が悪くなる。
【００３３】
非水電解液中に含まれる電解質としては、電池の種類に応じて選択することができる。例えば、リチウム二次電池とする場合、電解質としては、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃等のＬｉ塩を用いることができるが、特にＬｉＰＦ₆は導電率が高く好ましい。また、このＬｉ塩を含む電解液では、Ｌｉ塩を０．５〜１．５モル／リットル程度溶かしたものが好ましい。
【００３４】
【作用】
本発明の二次電池用電極では、高効率でかつ高密度な電極反応が長期に渡って行われるため、従来の電極よりもさらに電極容量が大きく、かつサイクル特性に優れる。特に、非水電解液を具備する二次電池に用いた場合において、この作用が顕著に働く。これは、以下の理由によると考えられる。
【００３５】
▲１▼樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体と、低結晶または非晶質の炭素層と、から構成されるため、導電性に優れ、かつそれぞれの構成部が活物質として機能し、電極反応が高効率で行われる。また、炭素多孔質体が強固であるため、電極強度が大きく、長期に渡って形状が保持される。
▲２▼炭素多孔質体中に外気と連通した空隙が多数存在するため、炭素多孔質体の最外面だけでなく、この空隙中にも電解液が侵入して空隙面でも電極反応が行われる。この結果、体積当たりの反応面積が増加し、高密度な電極反応が行われる。
【００３６】
▲３▼炭素粒子および炭素多孔質体は電解液等による腐食がなく、化学的に安定している上、低結晶または非晶質の炭素層によりさらに表面が化学的に安定するため、高効率でかつ高密度な電極反応を長期に渡って行うことができる。
▲４▼炭素多孔質体が結晶性の炭素よりなる炭素粒子を分散保持する場合、炭素粒子の表面が炭素多孔質体で覆われているため、炭素粒子と電解液との接触部分が少ない。その上、炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層が、炭素粒子の炭素多孔質体で覆いきれなかった表出部分を覆っており、炭素粒子の表面が炭素多孔質体と低結晶または非晶質の炭素層とで二重に覆われている。このため、炭素粒子と電解液との接触が生じにくくなり、充放電において電解液の分解が起こりにくくなる。
【００３７】
次に、本発明の二次電池用電極の製造では、上記の優れた作用をもつ二次電池用電極が、容易にかつ大量に、また抵コストで製造できる。これは、以下の理由による。
▲１▼樹脂は周知の樹脂材料を用いることができ、容易にかつ大量に、また低コストで調達することができる。また、炭素多孔質体に結晶性の炭素よりなる炭素粒子を分散保持させるとき、樹脂は炭素粒子のバインダとしての働きもし、成形体の成形を容易にするだけでなく、バインダとして導電性を阻害する物質を使用する必要がなくなり、電極容量をさらに向上することができる。
【００３８】
(2)成形体の熱処理過程では、非酸化性の雰囲気や炭素層形成ガスを含む雰囲気は簡便な設備を用いて容易に用意することができ、また、簡便な加熱装置を用いて成形体を加熱できるため、容易に熱処理することができる。また、これらの雰囲気の容量を大きくしたり、加熱装置を大きくしたりすることは容易に可能で、一度に大量の成形体を容易に熱処理することができる。このため、容易にかつ大量に、また抵コストで成形体を焼成することができる。
【００３９】
また、本発明の非水電解液二次電池では、前記作用をもつ電極を負極に用いているため、高容量が得られ、また充放電を多数回繰り返してもこの高容量が維持される。このため、高容量で、かつ極めて優れたサイクル特性が得られる。
【００４０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例の二次電池用電極は、その拡大一部断面を図１に模式的に示すように、結晶性の炭素よりなる炭素粒子１と、この炭素粒子１を分散保持し、樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体２と、この炭素多孔質体２の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層３と、からなる活物質４を有し、活物質４が集電体５の表面上に形成された形態をもつ。この二次電池用電極は以下の工程に従って製造した。
【００４１】
先ず、炭素粒子１としてＭＣＭＢを用い、樹脂としてフェノール樹脂を用いて炭素粒子と樹脂とを含む配合物を調製した。このとき、ＭＣＭＢとフェノール樹脂とを９：１の重量比の割合で配合し、有機溶剤としてｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を用いることによりこの配合物を混練し、ペースト状の混練物を得た。なお、ＭＣＭＢとしては大阪ガス製人造黒鉛ＭＣＭＢを使用し、またフェノール樹脂としてはレゾールタイプのものを使用した。
【００４２】
このペースト状の混練物を、パターン打ち抜きされた銅箔からなる集電体５の両面の所定部分に塗布した。この塗布物を、乾燥後、ホットプレスにより０．３ｔ／ｃｍ²、１５０℃で１５秒間加圧し、フェノール樹脂を硬化させて成形体を成形した。続いて、この成形体をブランキングにより方形の電極形状に加工するとともに、これに電極リードをもたせ、方形の電極形状をもつ成形体とした。図２に、このとき得られた成形体の一部拡大断面図を示す。この時点の成形体では、炭素粒子１は樹脂中に分散保持された形態となっている。
【００４３】
次に、炉内を減圧できるとともに６００℃以上に昇温できる真空浸炭炉を用意し、先に得られた成形体をこの真空浸炭炉内に設置した。図３に、真空浸炭炉の中に設置されている成形体の様子を示す。
成形体を図３に示した状態で、炉内雰囲気の減圧を始め、１００Ｐａ以下の圧力となったら炉内雰囲気の昇温を始めて室温から７２５℃に昇温し、この炉内温度を０．５時間保持した。なお、この炉内雰囲気が昇温している間にも減圧を続け、また昇温には０．５時間を要した。このとき、成形体は高温の炉内雰囲気より加熱され、樹脂が炭化して炭素多孔体が形成される。
【００４４】
続いて、７２５℃の炉内温度を保持しながら、炭素層形成ガスとしてプロパンガスを用い、プロパンガスと窒素ガスとを１：４の体積比の割合で混合したキャリアガスをこの炉内に導入し、炉内雰囲気を３０ｋＰａの圧力とした。その後、キャリアガスの導入を止め、排気することで炉内雰囲気を５ｋＰａの圧力とする。
７２５℃での加熱中にキャリアガスの導入と排気とを周期的に行い、４時間保持することにより、プロパンガスが熱分解して炭素多孔質体の表面に低結晶または非晶質の炭素層が形成された。このときの焼成処理時間に対する加熱温度とプロパンガスの炉内雰囲気の圧力変化を示すグラフを図４に示す。
【００４５】
以上の製造工程を経ることにより、図１に示される一部拡大断面をもつ二次電池用電極が形成された。これら一連の製造工程を図５に示されるフローチャートにまとめた。
この二次電池用電極を負極に用い、図６に示される角型の非水電解液二次電池を作製した。この非水電解液二次電池は、電極でリチウムイオンの均一な吸蔵および放出を行うことができるリチウム二次電池であり、負極１０、正極１２これらの間に位置するセパレータ１４、電解液１６、およびこれらを保持する電池ケース１８とからなる。
【００４６】
この正極１２は、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂と、導電剤としての人造黒鉛と、集電体としてのアルミニウム箔からなる。この正極の作製では、結着剤としてＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用い、ＮＭＰ（Ｎーメチルー２ーピロリドン）を溶媒として、ＬｉＣｏＯ₂と人造黒鉛とを含むスラリーを調整し、このスラリーを集電体の両面にドクターブレード法にて塗布し、８０℃で乾燥し、正極１２を形成した。
【００４７】
セパレータ１４としては、厚さ２５μｍの多孔質ポリエチレン膜を用いた。また、電解液１６としては、１モル／リットルのＬｉＰＦ6 の溶質と、体積割合でＰＣ２５％、ＥＣ２５％、ＤＥＣ５０％の混合溶媒と、からなる非水電解液を用いた。ケース１８は負極１０の電極リードとつながっているが、正極１２とは正極端子の部分で絶縁シール材を介して絶縁されている。正極端子の絶縁シール材は、電解液の漏れを防止するとともに外気を遮断することができる。さらに、このケース１８には安全弁があり、ケース内部でガスが発生した場合、この発生ガスを安全弁から逃がすことができるなど安全性に優れるものである。
（比較例１）
実施例１と同様にして方形の成形体を成形し、これを熱処理せずに二次電池用電極とした。この二次電池用電極を負極として用い、実施例１と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
（比較例２）
実施例１と同様にして方形の成形体を成形し、得られた成形体を実施例１と同様にして非酸化性の雰囲気で焼成したが、続く炭素層形成ガスを含む雰囲気での加熱を行わずに二次電池用電極とした。この二次電池用電極を負極として用い、実施例１と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
（実施例２）
炭素粒子１としてアモルファスカーボン（ＭＧＣ；三菱ガス化学製）を使用し、フェノール樹脂とＮＭＰとを用いてペースト状の混練物を調製し、この混練物を用いて成形体を成形する他は、実施例１と同様にして二次電池用電極を形成した。この二次電池用電極を負極として用い、実施例１と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
（比較例３）
実施例２と同様にして方形の成形体を成形し、得られた成形体を実施例１と同様にして非酸化性の雰囲気で焼成したが、続く炭素層形成ガスを含む雰囲気での加熱を行わずに二次電池用電極とした。この二次電池用電極を負極として用い、実施例１と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
（初期容量および充放電サイクル特性の比較）
実施例１および実施例２、並びに比較例１〜３で得られた非水電解液二次電池を用いて室温で初期容量を測定した。この初期容量の測定では、電極面積当たりの放電電流を２６０ｍＡとし、４．２Ｖから３．０Ｖの間で定電流放電することにより行った。このとき得られた初期容量の測定結果を図７に示す。
【００４８】
図７より、実施例１で得られた非水電解液二次電池は、１３５９ｍＡｈと、比較例１および比較例２で得られたものとそれぞれ比べて１２．５〜２８．５％高い初期容量をもつことがわかる。
また、実施例２で得られた非水電解液二次電池は、比較例３で得られたものに比べて１３．６％高い初期容量をもつことがわかる。
【００４９】
次に、実施例１並びに比較例２で得られた非水電解液二次電池を用い、電極面積当たりの電流を４００ｍＡとして３．０〜４．２Ｖの間で充放電サイクル試験を行った。この充放電サイクル試験では、充放電サイクルを５００回繰り返し、サイクル毎での容量を測定した。このとき得られたサイクル毎での容量の測定結果を図８に示す。
【００５０】
図８より、実施例１で得られた非水電解液二次電池は、比較例２で得られたものに比べ、充放電を５００サイクル繰り返しても高い容量を維持し、充放電サイクル特性に優れることがわかる。
以上、初期容量および充放電サイクル特性の比較により、樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体の少なくとも一部表面に低結晶または非晶質の炭素層を形成することにより、高電極容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れた二次電池用電極が得られ、また、二次電池の容量が高くなり、かつ充放電サイクル特性がより向上することが明らかとなった。また、このような二次電池用電極を用いることにより、高容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れる非水電解液二次電池が得られることもわかった。
（実施例３）
実施例１と同様にして炭素粒子と樹脂のペースト状の混練物を調製し、この混練物を用いてコイン状の成形体を成形する他は、実施例１と同様にしてコイン状の二次電池用電極を形成した。この二次電池用電極を負極として用い、図９に示されるコイン型の非水電解液二次電池を作製した。この非水電解液二次電池は、電極でリチウムイオンの均一な吸蔵および放出を行うことができるリチウム二次電池であり、負極２０、正極２２、これらの電極間に位置するセパレータ２４、非水電解液２６、およびこれらを保持する負極缶２８および正極缶３０、並びにこれらを気密的にシールするとともに絶縁するガスケット３２とからなる。
【００５１】
この正極２２は、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ₂と導電剤としての人造黒鉛とからなる。セパレータ２４としては多孔質ポリエチレン膜を用いた。また、非水電解液２６としては、１モル／リットルのＬｉＰＦ₆の溶質と、体積割合でＰＣ２５％、ＥＣ２５％、ＤＥＣ５０％の混合溶媒と、からなる電解液を用いた。この非水電解液二次電池においても、図示しないが、実施例１で得られた非水電解液二次電池と同様、高い初期容量、および優れた充放電サイクル特性が得られた。
【００５２】
【効果】
本発明の二次電池用電極により、高容量でかつ充放電サイクル特性に優れた二次電池が得られる。
また、本発明の二次電池用電極の製造方法により、前記効果をもつ二次電池用電極が容易にかつ大量に、また抵コストで製造できるため、高容量をもち、かつ充放電サイクル特性に優れた二次電池を、より容易にかつ大量に、また抵コストで製造できるようになる。
【００５３】
本発明の非水電解液二次電池は、高容量でかつ極めて充放電サイクル特性に優れた二次電池であるため、高エネルギー密度が要求されかつ充放電サイクルの繰り返し回数の多い二次電池、例えば携帯用電気機器、電気自動車等のバッテリーとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は、実施例１で形成された二次電池用電極の一部拡大断面を模式的に示す図である。
【図２】この図は、実施例１で成形された成形体の一部拡大断面を模式的に示す図である。
【図３】この図は、実施例１において、成形された成形体が真空浸炭炉の中に設置されている様子を示す図である。
【図４】この図は、焼成処理時間に対する加熱温度および炉内雰囲気の圧力変化を示すグラフである。
【図５】この図は、実施例１の一連の製造工程をまとめたフローチャートである。
【図６】この図は、実施例１で作製した非水電解液二次電池の構成を概略的に示す電池の要部断面図である。
【図７】この図は、実施例１および実施例２、並びに比較例１〜３で得られた非水電解液二次電池の初期容量をそれぞれ示す棒グラフである。
【図８】この図は、実施例１並びに比較例１で得られた非水電解液二次電池の充放電サイクルにおける容量の変化を示すグラフである。
【図９】この図は、実施例３で作製した非水電解液二次電池の構成を概略的に示す電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１：炭素粒子２：炭素多孔質体３：低結晶または非晶質の炭素層４：活物質５：集電体

Claims

樹脂を電極形状に焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有することを特徴とする二次電池用電極。
前記炭素多孔質体は結晶性の炭素よりなる炭素粒子を分散保持する請求項１に記載の二次電池用電極。
前記炭素粒子の平均粒径は、８〜１５μｍである請求項２に記載の二次電池用電極。
前記炭素粒子は、メソフェーズマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）からなる請求項２に記載の二次電池用電極。
前記樹脂は熱硬化性樹脂である請求項１に記載の二次電池用電極。
前記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂の少なくとも一種である請求項５に記載の二次電池用電極。
前記低結晶または非晶質の炭素層は、前記活物質の重量を１００重量％とすると、１〜１０重量％である請求項１に記載の二次電池用電極。
前記低結晶または非晶質の炭素層は、アルゴンレーザーを用いたラマンスペクトル分析における１５８０〜１６２０ｃｍ^-1の範囲のピーク強度に対する１３５０〜１３７０ｃｍ^-1の範囲のピーク強度の比が０．４〜０．８である請求項１記載の二次電池用電極。
前記低結晶または非晶質の炭素層は、炭素層形成ガスから合成されたものである請求項１に記載の二次電池用電極。
前記炭素層形成ガスは、炭化水素ガスおよびアルコールガスの少なくとも一種である請求項９に記載の二次電池用電極。
前記炭化水素は、脂肪族飽和炭化水素、脂肪族不飽和炭化水素および芳香族炭化水素の少なくとも一種である請求項１０に記載の二次電池用電極。
前記炭化水素は、メタン、プロパン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンおよびペリレンの少なくとも一種である請求項１１に記載の二次電池用電極。
前記活物質が集電体と一体となっている請求項１に記載の二次電池用電極。
樹脂を焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有する二次電池用電極の製造方法であって、
該樹脂を用いて成形された成形体を焼成することにより該樹脂を炭化して炭素多孔質体とし、かつ炭素層形成ガスを含む雰囲気中で加熱し該炭素層形成ガスを熱分解して該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に低結晶または非晶質の炭素層を形成することを特徴とする二次電池用電極の製造方法。
前記樹脂として熱硬化性樹脂を用い、加熱により該熱硬化性樹脂を硬化させた電極を成形する請求項１４に記載の二次電池用電極の製造方法。
前記炭素層形成ガスは、炭化水素ガスおよびアルコールガスの少なくとも一種を含む請求項１４に記載の二次電池用電極の製造方法。
前記炭化水素としてメタン、プロパン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンおよびペリレンの少なくとも一種を用い、該成形体を６００℃以上で加熱する請求項１６に記載の二次電池用電極の製造方法。
前記炭素層形成ガスを含む雰囲気は、雰囲気全体を体積組成で１００％とすると、該炭素層形成ガスを５〜３０％含む請求項１４に記載の二次電池用電極の製造方法。
前記樹脂はペースト状の混練物に調製され、該混練物を集電体に塗布して電極を成形し、該混練物と該集電体を一体的に焼結させる請求項１４に記載の二次電池用電極の製造方法。
非水電解液を具備する二次電池であって、
結晶性の炭素よりなる炭素粒子と、該炭素粒子を分散保持し、樹脂を電極形状に焼成して得られる炭素多孔質体と、該炭素多孔質体の少なくとも一部表面に形成された低結晶または非晶質の炭素層と、からなる活物質を有する電極を負極に用いたことを特徴とする非水電解液二次電池。
前記非水電解液は、高誘電率溶媒と電解質との混合物あるいは該高誘電率溶媒と低粘度溶媒と該電解質との混合物である請求項２０に記載の非水電解液二次電池。