JP4315126B2 - Method for producing carbonaceous negative electrode material for non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオンなどの軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な炭素質負極材料の製造方法、その製造方法により得られる炭素質負極材料及びそれを用いる非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a method for producing a carbonaceous negative electrode material capable of doping and dedoping light metal ions such as lithium ions, a carbonaceous negative electrode material obtained by the production method, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.
電子技術の進歩に伴い、カメラ一体型ＶＴＲ、携帯電話、ラップトップコンピューター等の小型のポータブル電子機器が開発され、これらに使用するためのポータブル電源として小型軽量で且つ高いエネルギー密度の二次電池の開発が強く要請されている。 With the advancement of electronic technology, small portable electronic devices such as camera-integrated VTRs, mobile phones, laptop computers, etc. have been developed, and small, lightweight and high energy density secondary batteries are used as portable power sources for these devices. Development is strongly requested.
このような要請に応える二次電池として、リチウム、ナトリウム、アルミニウムなどの軽金属のイオンを介在させてエネルギーを取り出す非水電解液二次電池が、ニッケル・カドミウム電池や鉛蓄電池等に比べて高エネルギー密度を達成できるという点から、近年、盛んに研究されている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries that extract energy through the intervention of light metal ions such as lithium, sodium, and aluminum are more energy efficient than nickel-cadmium batteries and lead-acid batteries. In recent years, it has been actively researched in terms of achieving density.
しかし、軽金属、例えば金属リチウムをそのまま非水電解液二次電池の負極として用いた場合、充電過程（金属リチウムの析出過程）において、金属リチウムが負極表面上に必ずしも均一に析出するのではなく、樹状に析出する場合がある。このような樹状の析出物（デンドライト）がいったん形成されはじめると、充放電の繰り返しにより徐々に成長し、最終的には正極に達して内部短絡を生じさせることも懸念される。 However, when a light metal, for example, metal lithium is used as it is as a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery, the metal lithium does not necessarily deposit uniformly on the negative electrode surface in the charging process (metal lithium deposition process) It may be deposited in a dendritic shape. Once such dendritic precipitates (dendrites) begin to form, there is also a concern that they gradually grow by repeated charge and discharge, eventually reaching the positive electrode and causing an internal short circuit.
そこで、そのような軽金属のデンドライトの形成を防止するために、非水電解液二次電池の負極として、軽金属をそのまま使用するのではなく、軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な材料中に軽金属イオンをドープしたものを使用することが提案されている。中でも、リチウムイオンに関しては、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な炭素質材料、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、難黒鉛化炭素材料等の層間にリチウムイオンをドープした負極を備えたリチウムイオン非水電解液二次電池が実用化されている。このような負極を使用する非水電解液二次電池においては、軽金属が金属状態で存在しないためにデンドライトの形成が抑制され、従って、その安全性と信頼性とが大きく向上する。 Therefore, in order to prevent the formation of such light metal dendrites, instead of using light metal as it is as a negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery, light metal ions can be doped into a material that can be doped or dedoped. It has been proposed to use those doped with. Among them, with respect to lithium ions, a lithium ion non-aqueous solution having a negative electrode doped with lithium ions between layers such as a carbonaceous material that can be doped / undoped with lithium ions, such as natural graphite, artificial graphite, and non-graphitizable carbon material. An electrolyte secondary battery has been put into practical use. In a non-aqueous electrolyte secondary battery using such a negative electrode, the formation of dendrites is suppressed because no light metal is present in the metal state, and thus its safety and reliability are greatly improved.
このように、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な炭素質材料を負極として使用することにより、非水電解液二次電池の安全性と信頼性とが大きく向上するが、特に難黒鉛化炭素材料を使用した非水電解液二次電池の場合には、充放電電流効率を向上させることにより更なる高エネルギー密度化（容量特性の向上）を達成することが望まれている。 Thus, the use of a carbonaceous material that can be doped / undoped with lithium ions as a negative electrode greatly improves the safety and reliability of the non-aqueous electrolyte secondary battery. In the case of a non-aqueous electrolyte secondary battery using a battery, it is desired to achieve higher energy density (improvement of capacity characteristics) by improving charge / discharge current efficiency.
また、一般に、非水電解液二次電池の場合、充放電サイクルの繰り返しに従って電池容量が低下（即ちサイクル特性が劣化）するが、特に炭素質材料として高結晶性の黒鉛系材料を使用した場合には、難黒鉛化炭素材料を使用した場合に比べサイクル特性が劣化しやすく、更なる改良が望まれている。 In general, in the case of a non-aqueous electrolyte secondary battery, the battery capacity decreases (that is, the cycle characteristics deteriorate) as the charge / discharge cycle is repeated. In particular, when a highly crystalline graphite material is used as the carbonaceous material. Therefore, the cycle characteristics are likely to deteriorate as compared with the case of using a non-graphitizable carbon material, and further improvement is desired.
本発明は、以上の従来の技術の課題を解決しようとするものであり、軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な炭素質材料からなる負極を備えた非水電解液二次電池に、高い容量特性あるいは良好なサイクル特性を実現できるようにすることを目的とする。 The present invention is intended to solve the above-described problems of the prior art, and has high capacity characteristics for a nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode made of a carbonaceous material that can be doped and dedoped with light metal ions. Alternatively, it is an object to realize good cycle characteristics.
本発明者は、軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な炭素質材料に、高真空下で加速した電子線を気体雰囲気中において照射することにより得られる材料から形成した負極が、非水電解液二次電池に高い容量特性あるいは良好なサイクル特性が付与できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventor has proposed that a negative electrode formed from a material obtained by irradiating a carbonaceous material that can be doped / undoped with light metal ions with an electron beam accelerated under a high vacuum in a gas atmosphere. It has been found that high capacity characteristics or good cycle characteristics can be imparted to secondary batteries, and the present invention has been completed.
即ち、本発明は、フルフリルアルコール樹脂を１０００〜１２００℃で焼成して得られる難黒鉛化材料に、高真空下で加速した電子線を気体雰囲気中において５ｋＧｙ以上１０００ｋＧｙ以下の照射線量で照射する非水電解液二次電池用負極材料の製造方法を提供する。
また、本発明は、セルロース系材料を１０００〜１２００℃で焼成して得られる難黒鉛化炭素材料に、高真空下で加速した電子線を気体雰囲気中において５ｋＧｙ以上１０００ｋＧｙ以下の照射線量で照射する非水電解液二次電池用負極材料の製造方法を提供する。
また、本発明は、フェノール樹脂を１０００〜１２００℃で焼成して得られる難黒鉛化炭素材料に、高真空下で加速した電子線を気体雰囲気中において５ｋＧｙ以上３０００ｋＧｙ以下の照射線量で照射する非水電解液二次電池用負極材料の製造方法を提供する。
That is, the present invention is the non-graphitizable material obtained by calcining a furfuryl alcohol resin at 1000 to 1200 ° C., the electron beam accelerated under high vacuum is irradiated with 1000kGy following dose than 5kGy in a gaseous atmosphere A method for producing a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.
Further, the present invention irradiates a non-graphitized carbon material obtained by baking a cellulose-based material at 1000 to 1200 ° C. with an electron beam accelerated under high vacuum at an irradiation dose of 5 kGy or more and 1000 kGy or less in a gas atmosphere. A method for producing a negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.
Further, the present invention provides a non-graphitizable carbon material obtained by firing a phenol resin at 1000 to 1200 ° C., which is irradiated with an electron beam accelerated under high vacuum at a dose of 5 kGy to 3000 kGy in a gas atmosphere. A method for producing a negative electrode material for a water electrolyte secondary battery is provided.
また、本発明は、その製造方法により得られる非水電解液二次電池用炭素質負極材料、並びにその炭素質負極材料を、軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な負極と正極と非水電解液とを備えた非水電解液二次電池における負極として使用した非水電解液二次電池を提供する。 The present invention also provides a carbonaceous negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery obtained by the production method, and a negative electrode, a positive electrode, and a nonaqueous electrolytic solution that can be doped and dedoped with light metal ions. And a non-aqueous electrolyte secondary battery used as a negative electrode in a non-aqueous electrolyte secondary battery.
本発明によれば、軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な炭素質材料からなる負極を備えた非水電解液二次電池に、高い容量特性あるいは良好なサイクル特性を付与することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a high capacity | capacitance characteristic or a favorable cycling characteristic can be provided to the nonaqueous electrolyte secondary battery provided with the negative electrode which consists of a carbonaceous material which can dope and dedope a light metal ion.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明の非水電解液二次電池用炭素質負極材料の製造方法においては、軽金属をドープ・脱ドープ可能な炭素質材料に高真空下で加速した電子線を気体雰囲気中において照射する。このようにして得られる炭素質負極材料からなる負極は、非水電解液二次電池に高い容量特性あるいは良好なサイクル特性を付与することができる。 In the method for producing a carbonaceous negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, a carbonaceous material that can be doped / undoped with a light metal is irradiated with an electron beam accelerated under high vacuum in a gas atmosphere. The negative electrode made of the carbonaceous negative electrode material thus obtained can impart high capacity characteristics or good cycle characteristics to the nonaqueous electrolyte secondary battery.
本発明の製造方法において、電子線の照射は、高真空下ではなく常温常圧の窒素やアルゴンなどの気体雰囲気下で行う。これにより、電子線を照射するために、炭素質材料の照射環境内圧力を減圧する必要がなくなり、製造上のリードタイムを大幅に短縮することができ、生産性を向上させることができる。 In the production method of the present invention, the electron beam irradiation is performed not in a high vacuum but in a gas atmosphere such as nitrogen or argon at normal temperature and pressure. Thereby, in order to irradiate an electron beam, it is not necessary to reduce the pressure in the irradiation environment of the carbonaceous material, the manufacturing lead time can be greatly shortened, and the productivity can be improved.
なお、気体雰囲気中の酸素濃度は、３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。これにより、酸素ラジカルの生成量を大きく抑制でき、非水電解液二次電池のサイクル特性等に悪影響を及ぼす含酸素官能基が炭素質負極材料の表面に生成しないようにすることができる。 The oxygen concentration in the gas atmosphere is preferably 300 ppm or less. As a result, the amount of oxygen radicals generated can be greatly suppressed, and oxygen-containing functional groups that adversely affect the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be prevented from being generated on the surface of the carbonaceous negative electrode material.
電子線を照射する対象となる炭素質材料としては、軽金属をドープ・脱ドープ可能なものであれば特に制限はないが、好ましいものとして黒鉛や難黒鉛化炭素材料を挙げることができる。 The carbonaceous material to be irradiated with the electron beam is not particularly limited as long as it can be doped / undoped with a light metal, but preferable examples include graphite and non-graphitizable carbon materials.
ここで、黒鉛としては、芳香族化合物の炭素前駆体化への過程で液晶状態を経て得られるメソフェーズカーボン小球体（ＭＣＭＢ）や、ピッチコークスなどを２６００℃以上で焼成して得られるものを挙げることができる。特に、メソフェーズカーボン小球体由来の黒鉛に電子線を照射した場合には、初期放電容量だけでなく、充放電サイクルを繰り返した後の放電容量を改善することができる。また、ピッチコークス由来の黒鉛に電子線を照射した場合には、充放電サイクルにおける容量保持率を向上させることができる。 Here, examples of graphite include mesophase carbon microspheres (MCMB) obtained through a liquid crystal state in the process of making an aromatic compound into a carbon precursor, and those obtained by firing pitch coke at 2600 ° C. or higher. be able to. In particular, when the graphite derived from mesophase carbon microspheres is irradiated with an electron beam, not only the initial discharge capacity but also the discharge capacity after repeating the charge / discharge cycle can be improved. Moreover, when the graphite derived from pitch coke is irradiated with an electron beam, the capacity retention rate in the charge / discharge cycle can be improved.
また、ラマンスペクトル特性と充放電容量との関係を考慮した場合、黒鉛としては、ラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ-1のピーク面積に対する１３５０ｃｍ-1のピーク面積の比率が電子線の照射により増加する特性を有するものを使用することが好ましい。これは、このようなラマンスペクトル特性を有する黒鉛に電子線を照射すると、充放電容量が増加し、結果的に負極特性を向上させることができるからである。このような黒鉛の具体例としては、前述したものと同様に、芳香族化合物の炭素前駆体化への過程で液晶状態を経て得られるメソフェーズカーボン小球体（ＭＣＭＢ）を２６００℃以上で焼成して得られるものやピッチコークスを２６００℃以上で焼成して得られるものを挙げることができる。 Also, when considering the relationship between the Raman spectral characteristics and charge-discharge capacity, the graphite has a characteristic that the ratio of the peak area of 1350 cm -1 to the peak area of 1580 cm -1 in the Raman spectrum is increased by the irradiation of an electron beam It is preferable to use one. This is because when the graphite having such a Raman spectral characteristic is irradiated with an electron beam, the charge / discharge capacity increases, and as a result, the negative electrode characteristic can be improved. As a specific example of such graphite, as described above, mesophase carbon microspheres (MCMB) obtained through a liquid crystal state in the process of making an aromatic compound into a carbon precursor are calcined at 2600 ° C. or higher. Examples thereof include those obtained and those obtained by firing pitch coke at 2600 ° C. or higher.
難黒鉛化炭素材料としては、２６００℃以上の高温で焼成を行ってもＸ線回折分析により観察される００２面の面間隔ｄが３．４オングストローム以下とならないような材料を好ましく使用することができる。例えば、フルフリルアルコール樹脂やフェノール樹脂、あるいはコーヒー豆やヤシガラなどのセルロース系材料等を１０００〜１２００℃で焼成して得られるものを挙げることができる。中でも、フルフリルアルコール樹脂やコーヒー豆などのセルロース系材料由来の難黒鉛化炭素材料の場合には、特に初期放電容量を増加させることができる。 As the non-graphitizable carbon material, it is preferable to use a material that does not have a surface spacing d of 002 plane of 3.4 angstroms or less observed by X-ray diffraction analysis even when firing at a high temperature of 2600 ° C. or higher. it can. For example, what is obtained by baking a furfuryl alcohol resin, a phenol resin, or cellulose materials, such as coffee beans and coconut husks, at 1000-1200 degreeC can be mentioned. Among these, in the case of non-graphitizable carbon materials derived from cellulosic materials such as furfuryl alcohol resin and coffee beans, the initial discharge capacity can be increased particularly.
なお、電子線の照射は、バインダー樹脂等と混合して負極の形状に成形する前の炭素質材料の粉末そのものに照射してもよく、バインダー樹脂と混合してペレット状の負極に成形した後でもよく、あるいはバインダー樹脂と溶媒とともに混合してペーストとしたものに照射してもよい。中でも、最終形態の負極に成形した後に照射することが好ましい。 The electron beam may be irradiated to the carbonaceous material powder itself before being mixed with a binder resin or the like to form a negative electrode shape, or after being mixed with a binder resin and formed into a pellet-shaped negative electrode. Alternatively, the paste may be irradiated with a binder resin and a solvent. Among these, it is preferable to irradiate after forming into the negative electrode of the final form.
図１に、本発明の製造方法に使用する電子線照射装置（例えば、ＣＢ２５０／１５／１８０Ｌ，岩崎電気社製）の概略説明図を示す。この電子線照射装置は、真空チャンバー１と、その中に設置されたターミナル２を有しており、ターミナル２内には、フィラメント３とリペラー４とグリッド５とが備えられている。また、真空チャンバー１の外部にはビームコレクター６が設けられている。真空チャンバー１の外壁の一部は、電子線を通過させて真空チャンバー１の外部へ飛び出させることのできる材料、例えばチタン箔７から形成されている。そのチタン箔７とビームコレクター６との間には、電子線を照射すべき試料（炭素質負極材料）８を搬送するためのコンベア９を備え、しかも内部を常温常圧の気体雰囲気に調整できるシールド管１０が設けられている。
In FIG. 1, the schematic explanatory drawing of the electron beam irradiation apparatus (For example, CB250 / 15 / 180L, Iwasaki Electric company make) used for the manufacturing method of this invention is shown. The electron beam irradiation apparatus has a
図１に示すような装置を用いて本発明の製造方法を実施する場合、まず、真空チャンバー１内の圧力を、通常１０-3〜１０-5Ｐａ（１０-5〜１０-7Ｔｏｒｒ）程度にまで減圧した後、フィラメント３から通常１００ｋＶ〜３００ｋＶで加速した熱電子をビームコレクター６に向かって照射する。すると、電子線の一部はチタン箔７を突き抜けてシールド管１０内に突入する。一方、電子線を照射すべき試料である炭素質負極材料８を、常温常圧の窒素ガスあるいはアルゴンガス雰囲気中で搬送する。すると、炭素質負極材料８は、チタン箔７を突き抜けた電子線で照射される。なお、炭素質負極材料８の表面を電子線で照射した後に、炭素質負極材料８を裏返してその裏面を同様に電子線で照射することが好ましい。
When carrying out the production method of the present invention using an apparatus as shown in FIG. 1, first, the pressure in the
電子線の照射線量（Ｅ）は、少な過ぎると発明の効果が得られないので少なくとも５ｋＧｙ以上、好ましくは１００ｋＧｙ以上であり、より好ましくは、電子線照射対象である炭素質材料の種類により異なるが、１０００ｋＧｙ以上である。ただし、電子線の照射量が、多すぎるとサイクル特性が低下する傾向があるので、３０００ｋＧｙ以下とすることがより好ましい。 The electron beam irradiation dose (E) is at least 5 kGy or more, preferably 100 kGy or more because the effect of the invention cannot be obtained if it is too small, but more preferably, it varies depending on the type of carbonaceous material to be irradiated with the electron beam. , 1000 kGy or more. However , since there exists a tendency for cycling characteristics to fall when there is too much irradiation amount of an electron beam, it is more preferable to set it as 3000 kGy or less.
なお、電子線照射対象である炭素質材料が、フルフリルアルコール樹脂又はセルロース系材料を１０００〜１２００℃で焼成した難黒鉛化炭素材料である場合には、放電容量の減少を抑制するために、電子線照射線量（Ｅ）が１０００ｋＧｙを超えないようにすることが好ましい。 In addition, in the case where the carbonaceous material that is an electron beam irradiation target is a non-graphitizable carbon material obtained by firing a furfuryl alcohol resin or a cellulose-based material at 1000 to 1200 ° C., in order to suppress a decrease in discharge capacity, It is preferable that the electron beam irradiation dose (E) does not exceed 1000 kGy.
ここで、電子線の照射線量（Ｅ）は、式（１） Here, the electron beam irradiation dose (E) is expressed by the equation (1).
（式中、ｎは電子線の照射回数であり、ｋは電子線照射装置の固有の定数（図１の装置の場合，ｋ＝１１０ｋＧｙ・ｍ／ｍＡ・分）であり、Ｉはフィラメント３とビームコレクター６との間に流れる電流値であり、そしてｖはコンベア９の速度である。）
で表される。
(Where n is the number of electron beam irradiations, k is a constant specific to the electron beam irradiation device (in the case of the device of FIG. 1, k = 110 kGy · m / mA · min), and I is the filament 3 (The value of current flowing between the
It is represented by
また、照射する電子線の加速電圧については、照射対象となる炭素質材料の種類、照射線量等により異なるが、加速電圧が高すぎると容量維持率が低下する傾向があるので、炭素質材料が黒鉛である場合には、好ましくは２００ｋＶ以下、より好ましくは１５０ｋＶ程度とする。また、炭素質材料が難黒鉛化炭素材料の場合には、２５０ｋＶ以下、好ましくは２００ｋＶ以下とする。 The acceleration voltage of the electron beam to be irradiated varies depending on the type of carbonaceous material to be irradiated, the irradiation dose, etc., but if the acceleration voltage is too high, the capacity retention rate tends to decrease. In the case of graphite, it is preferably 200 kV or less, more preferably about 150 kV. When the carbonaceous material is a non-graphitizable carbon material, it is 250 kV or less, preferably 200 kV or less.
上述の非水電解液二次電池用炭素質負極材料の製造方法により得られた負極材料は、常法に従って非水電解液二次電池の負極として使用することができる。この場合、炭素質負極材料には軽金属イオンをドープすることが必要となる。このような軽金属イオンとしては、電池出力やエネルギー密度の点でリチウムイオンが好ましい。 The negative electrode material obtained by the above-described method for producing a carbonaceous negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery can be used as a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to a conventional method. In this case, the carbonaceous negative electrode material needs to be doped with light metal ions. As such light metal ions, lithium ions are preferable in terms of battery output and energy density.
本発明の炭素質負極材料から負極の製造は、常法に従って行うことができる。例えば、炭素質負極材料とバインダー樹脂とを均一に混合し、種々の形状（例えば、ペレット形状）に圧縮成形したものに電子線を照射することにより負極を作製することができる。また、炭素質材料とバインダー樹脂とバインダー樹脂溶解用溶媒とを混合してぺーストとし、それを負極集電体（例えば、銅箔）に塗布し、乾燥したものに電子線を照射することにより巻き回し型電極体用の負極を作製することができる。 The production of the negative electrode from the carbonaceous negative electrode material of the present invention can be performed according to a conventional method. For example, a negative electrode can be produced by uniformly mixing a carbonaceous negative electrode material and a binder resin, and irradiating an electron beam onto those that have been compression molded into various shapes (for example, pellet shapes). Also, by mixing a carbonaceous material, a binder resin and a solvent for dissolving the binder resin into a paste, applying it to a negative electrode current collector (for example, copper foil), and irradiating the dried material with an electron beam A negative electrode for a wound electrode body can be produced.
この他、予め電子線を照射した炭素質負極材料とバインダー樹脂とを均一に混合し、種々の形状（ペレット形状、塗布型）にしたものを負極として使用することもできる。 In addition, it is also possible to use a carbonaceous negative electrode material preliminarily irradiated with an electron beam and a binder resin in various shapes (pellet shape, coating type) as a negative electrode.
ここで、非水電解液二次電池の負極を作製する際に使用するバインダー樹脂や溶媒としては、従来よりバインダー樹脂や溶媒として用いられてものを使用することができ、好ましくはポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などを使用することができる。 Here, as a binder resin and a solvent used when producing a negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery, those conventionally used as a binder resin and a solvent can be used, and preferably a polyvinylidene fluoride ( PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used.
また、バインダー樹脂溶解用溶剤としては、上述したようなフッ素系バインダー樹脂を溶解することのできる種々の極性溶媒を使用することができ、例えばジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン等を使用することができる、特に、フッ素系バインダー樹脂としてＰＶｄＦを使用した場合には、Ｎ−メチルピロリドンを好ましく使用することができる。 Further, as the binder resin dissolving solvent, various polar solvents capable of dissolving the fluorine-based binder resin as described above can be used, for example, dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, N-methylpyrrolidone, etc. In particular, when PVdF is used as the fluorine-based binder resin, N-methylpyrrolidone can be preferably used.
なお、炭素質材料とバインダー樹脂との混合割合については、負極の形状等に応じて適宜決定することができる。 The mixing ratio of the carbonaceous material and the binder resin can be appropriately determined according to the shape of the negative electrode.
以上説明した負極は、軽金属イオンをドープ・脱ドープ可能な負極である。従って、この負極に加えて正極と非水電解液とから非水電解液二次電池を構成することができる。 The negative electrode described above is a negative electrode capable of doping and dedoping light metal ions. Therefore, in addition to this negative electrode, a non-aqueous electrolyte secondary battery can be composed of the positive electrode and the non-aqueous electrolyte.
ここで、正極としては、目的とする電池の種類などに応じて、金属リチウムなどの軽金属そのものを正極として使用することができるが、金属酸化物、金属硫化物あるいはポリマーなどを活物質とするものを使用することもできる。例えば、非水電解液リチウムイオン二次電池を構成する場合には、正極活物質として、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＮｂＳｅ2、Ｖ2Ｏ5等のリチウムを含有しない金属硫化物や金属酸化物を使用することができる。特に式（ｉ） Here, as the positive electrode, a light metal itself such as metallic lithium can be used as the positive electrode depending on the type of the target battery, but the active material is a metal oxide, metal sulfide or polymer. Can also be used. For example, when a non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery is configured, a metal sulfide or metal oxide not containing lithium, such as TiS 2 , MoS 2 , NbSe 2 , V 2 O 5 , is used as the positive electrode active material. Can be used. In particular the formula (i)
（式中、Ｍは遷移金属、好ましくはＣｏ、Ｎｉ及びＭｎの少なくとも一種であり、ｘは０．０５≦x≦１．１０を満足させる数である。）
で表されるリチウム複合酸化物を好ましく使用することができる。ここで、式中xの値は、充放電状態により０．０５≦x≦１．１０の範囲内で変化する。このような式（ｉ）の化合物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＮｉyＣｏ(1-y)Ｏ2（ここで、０＜y＜１）を挙げることができる。また、遷移金属ＭがＭｎである場合、ＬｉxＭｎ2Ｏ4、ＬｉxＭｎＯ2のいずれも使用することができる。
(In the formula, M is a transition metal, preferably at least one of Co, Ni and Mn, and x is a number satisfying 0.05 ≦ x ≦ 1.10.)
The lithium composite oxide represented by can be preferably used. Here, the value of x in the formula varies within a range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Specific examples of such a compound of formula (i) include LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiNi y Co (1-y) O 2 (where 0 <y <1). Further, when the transition metal M is Mn, either Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 can be used.
このようなリチウム複合酸化物は、例えばリチウム及び遷移金属Ｍのそれぞれの塩、例えば、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等を原料として製造することができる。例えば、所望の組成に応じてリチウム塩原料及び遷移金属Ｍ塩原料をそれぞれ計量し、十分に混合した後に酸素存在雰囲気下６００℃〜１０００℃の温度範囲で加熱焼成することにより製造することができる。この場合、各成分の混合方法は、特に限定されるものでなく、粉体状の塩類をそのまま乾式の状態で混合してもよく、あるいは粉体状の塩類を水に溶解して水溶液の状態で混合してもよい。 Such a lithium composite oxide can be produced using, for example, respective salts of lithium and transition metal M, such as carbonates, nitrates, sulfates, oxides, hydroxides, halides, and the like. For example, the lithium salt raw material and the transition metal M salt raw material can be weighed according to the desired composition, mixed thoroughly, and then heated and fired in a temperature range of 600 ° C. to 1000 ° C. in an oxygen-existing atmosphere. . In this case, the mixing method of each component is not particularly limited, and the powdered salts may be mixed in a dry state as they are, or the powdered salts are dissolved in water to form an aqueous solution. May be mixed.
なお、このような正極活物質から正極を作製する場合、正極活物質の粉末と公知のバインダー樹脂（例えばＰＶｄＦ）と導電材（例えば、グラファイト）とを用いて常法に従って作製することができる。 In addition, when producing a positive electrode from such a positive electrode active material, it can produce in accordance with a conventional method using the powder of a positive electrode active material, well-known binder resin (for example, PVdF), and electrically conductive material (for example, graphite).
また、非水電解液としては、従来よりリチウムイオン非水電解液二次電池等の非水電解液二次電池において用いられている非水電解液と同様のものを使用することができる。 Moreover, as a non-aqueous electrolyte, the thing similar to the non-aqueous electrolyte conventionally used in non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, can be used.
ここで、非水電解液において使用する非水溶媒としては、例えば高誘電率溶媒である炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン等の環状炭酸エステルや、低粘度溶媒である１，２−ジメトキシエタン、２−メチルテトラヒドロフラン、炭酸ジメチル、炭酸メチルエチル、炭酸ジエチル等を挙げることができる。中でも、炭酸エチレンもしくは炭酸プロピレンと炭酸ジメチルもしくは炭酸ジエチルとの混合溶媒を好ましく使用することができる。その他にも、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、スルホラン、３−メチルスルホラン、ｔ−ブチルエーテル、イソブチルエーテル、１，２−エトキシメトキシエタン、酢酸エステル、プロピオン酸エステル、メチルジグライム、メチルテトラグライム、エチルグライム、エチルジグライム等を使用することができる。 Here, examples of the non-aqueous solvent used in the non-aqueous electrolyte include cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, and γ-butyrolactone, which are high dielectric constant solvents, and 1, 2, which are low viscosity solvents. -Dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate and the like can be mentioned. Among these, a mixed solvent of ethylene carbonate or propylene carbonate and dimethyl carbonate or diethyl carbonate can be preferably used. In addition, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, sulfolane, 3-methylsulfolane, t-butyl ether, isobutyl ether, 1,2-ethoxymethoxyethane, acetate ester, propionate ester, methyl diglyme, methyl tetraglyme, ethyl Glyme, ethyl diglyme, etc. can be used.
また、以上のような非水溶媒に溶解させる支持電解質としては、従来の非水電解液二次電池において用いられているものを使用することができ、例えばリチウム塩電解質としては、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ3ＳＯ3Ｌｉ、ＣＦ3ＳＯ3Ｌｉ等を挙げることができる。これらは単独でも２種類以上を混合しても用いることができる。 Further, as the supporting electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent as described above, those used in the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery can be used. For example, as the lithium salt electrolyte, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiCl, LiBr, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
なお、非水電解液二次電池の他の構成、例えばセパレータ、電池缶、あるいは電池形状等についても従来の非水電解液二次電池と同様とすることができる。 Other configurations of the non-aqueous electrolyte secondary battery, such as a separator, a battery can, or a battery shape, can be the same as those of the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery.
また、非水電解液二次電池の製造についても、負極を本発明の非水電解液二次電池用炭素質負極材料から形成する以外は従来のリチウムイオン非水電解液二次電池の場合と同様に製造することができる。 In addition, regarding the production of the non-aqueous electrolyte secondary battery, in addition to the case of the conventional lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, except that the negative electrode is formed from the carbonaceous negative electrode material for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention. It can be manufactured similarly.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.
実施例１及び比較例１
（負極の作製）
メソフェーズカーボン小球体を２８００℃で焼成することにより得られた人造黒鉛９０重量部とＰＶｄＦ１０重量部とを、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）中で十分に混合分散した後、減圧雰囲気下で溶剤（ＤＭＦ）を揮発させた。得られた乾固物を粉砕し、１００μｍ以内に分級した。この分級した乾固物を３５ｍｇ計量し、面積２ｃｍ2のステンレス製の集電体に４ｔ／ｃｍ2の圧力で圧着することにより、厚さ約０．２ｍｍのペレット状の負極を得た。
Example 1 and Comparative Example 1
(Preparation of negative electrode)
After 90 parts by weight of artificial graphite obtained by firing mesophase carbon spherules at 2800 ° C. and 10 parts by weight of PVdF are sufficiently mixed and dispersed in dimethylformamide (DMF), a solvent (DMF) is added under a reduced pressure atmosphere. Volatilized. The obtained dried product was pulverized and classified within 100 μm. The classification was dried matter was 35mg weighed, by crimping at a pressure of stainless steel current collector to 4t / cm 2 of
次に、得られたペレット状の負極の両面に対し、図１に示すような電子線照射装置（ＣＢ２５０／１５／１８０Ｌ，岩崎電気社製）を用いて表１に示す条件で電子線を照射して負極を得た。 Next, the both sides of the obtained pellet-shaped negative electrode are irradiated with an electron beam under the conditions shown in Table 1 using an electron beam irradiation apparatus (CB250 / 15 / 180L, manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.) as shown in FIG. Thus, a negative electrode was obtained.
なお、電子線の侵入深さは、比重が１．４〜２．３の炭素質材料などの場合には表面から０．１ｍｍである。本実施例においては、負極の厚さが０．２ｍｍであり、両面に照射しているので、負極のほぼ全域に電子線が侵入したものと考えられる。 The penetration depth of the electron beam is 0.1 mm from the surface in the case of a carbonaceous material having a specific gravity of 1.4 to 2.3. In this example, the thickness of the negative electrode is 0.2 mm, and both surfaces are irradiated, so it is considered that the electron beam penetrated almost the entire area of the negative electrode.
（非水電解液二次電池の作製）
このようにして得られた負極と対極として金属リチウムとを使用し、更に非水電解液として炭酸エチレンと炭酸ジメチルとの１：１（容量）混合溶媒中にＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｌで溶解させたものを使用してコイン型の実施例１のテストセルを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
Lithium 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in a 1: 1 (capacity) mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate as a non-aqueous electrolyte solution, using metallic lithium as a negative electrode and a counter electrode thus obtained. A coin-shaped test cell of Example 1 was manufactured using the above.
なお、電子線を照射しない以外は実施例１と同様に比較例１のテストセルを作製した。 In addition, the test cell of the comparative example 1 was produced similarly to Example 1 except not irradiating an electron beam.
（評価）
得られたテストセルに対し、０．５ｍＡ（電流密度０．２７ｍＡ／ｃｍ2）の定電流で充放電を行った（定電流充放電）。
(Evaluation)
The obtained test cell was charged / discharged at a constant current of 0.5 mA (current density 0.27 mA / cm 2 ) (constant current charging / discharging).
なお、炭素質電極への充電は（テストセルにおいては放電に相当する）は、分極を考慮し、対極の金属リチウムに対する炭素質負極の閉回路電圧（ＣＣＶ）が−２０ｍＶとなった時点で終了させた。また、炭素質負極の放電（テストセルにおいては充電に相当する）は、同じくＣＣＶが２．５Ｖを上回った時点で終了させた。容量に関しては、充放電ともに、通電した電気量を負極内の炭素重量で除して得られる数値を充放電容量とした。 The charging to the carbonaceous electrode (corresponding to discharging in the test cell) is terminated when the closed circuit voltage (CCV) of the carbonaceous negative electrode with respect to the metallic lithium as the counter electrode becomes −20 mV in consideration of polarization. I let you. The discharge of the carbonaceous negative electrode (corresponding to charging in the test cell) was also terminated when CCV exceeded 2.5V. Regarding the capacity, in both charge and discharge, a numerical value obtained by dividing the amount of electricity supplied by the carbon weight in the negative electrode was defined as the charge and discharge capacity.
得られた初期充放電サイクルにおける充放電容量の結果を、各照射線量毎に表２に示す。また、１０サイクルまでの充放電サイクルにおける充放電容量の結果を図２に示す。 The results of charge / discharge capacity in the obtained initial charge / discharge cycle are shown in Table 2 for each irradiation dose. Moreover, the result of the charging / discharging capacity | capacitance in the charging / discharging cycle to 10 cycles is shown in FIG.
表２から、照射線量を１００ｋＧｙ以上とすると、比較例１（従来例）に対し初期放電容量を１０〜２０ｍＡ／ｇ程度高いレベルに向上させたことがわかる。また、照射線量が１００ｋＧｙから１０００ｋＧｙに増加するにつれて初期放電容量が増加することもわかる。 From Table 2, it can be seen that when the irradiation dose is 100 kGy or more, the initial discharge capacity is improved to a level about 10 to 20 mA / g higher than that of Comparative Example 1 (conventional example). It can also be seen that the initial discharge capacity increases as the irradiation dose increases from 100 kGy to 1000 kGy.
また、図２から、少なくとも１０回の充放電サイクルにおいて、充放電容量を比較例１に対し１０〜２０ｍＡ／ｇ程度高いレベルに保持しつづけていることがわかる。 Further, FIG. 2 shows that the charge / discharge capacity is maintained at a level higher by about 10 to 20 mA / g than Comparative Example 1 in at least 10 charge / discharge cycles.
従って、メソフェーズカーボン小球体を焼成して得られる人造黒鉛に電子線を照射して得られる炭素質負極材料を負極として用いることにより、非水電解液二次電池の充放電特性を改善できることがわかる。 Therefore, it can be seen that the charge / discharge characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be improved by using, as a negative electrode, a carbonaceous negative electrode material obtained by irradiating an artificial graphite obtained by firing mesophase carbon microspheres with an electron beam. .
実施例２及び比較例２
メソフェーズカーボン小球体を２８００℃で焼成することにより得られた人造黒鉛に代えて、ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得られた人造黒鉛を使用し、電子線の照射線量を１００ｋＧｙのみとする以外は実施例１と同様にして実施例２のテストセルを作製した。また、電子線を照射しない以外は実施例２と同様に比較例２のテストセルを作製した。
Example 2 and Comparative Example 2
Instead of artificial graphite obtained by firing mesophase carbon microspheres at 2800 ° C., artificial graphite obtained by firing pitch coke at 2800 ° C. is used, and the electron beam irradiation dose is limited to 100 kGy. A test cell of Example 2 was made in the same manner as Example 1 except for the above. Moreover, the test cell of the comparative example 2 was produced similarly to Example 2 except not irradiating an electron beam.
得られたテストセルについて実施例１と同様に初期充放電容量を測定した。その結果を表３に示す。また、充放電サイクルに対する容量維持率（初期放電容量を１００％とする）を図３に示す。 The initial charge / discharge capacity of the obtained test cell was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3. In addition, FIG. 3 shows the capacity retention ratio (initial discharge capacity is 100%) with respect to the charge / discharge cycle.
なお、実施例１及び比較例１のテストセルの充放電サイクルに対する容量維持率を併せて図３に示す。 In addition, the capacity | capacitance maintenance factor with respect to the charging / discharging cycle of the test cell of Example 1 and Comparative Example 1 is shown in FIG.
表３から、実施例２のテストセルは比較例２のテストセルに対し、初期放電容量に関する優位性は存在しないが、図３に示すように、充放電サイクルに対する容量維持率（サイクル特性）が比較例２のテストセルに比べ優れていることがわかる。しかも、実施例１のテストセルよりも各段に優れた容量維持率を示していることがわかる。 From Table 3, the test cell of Example 2 has no superiority with respect to the initial discharge capacity over the test cell of Comparative Example 2, but as shown in FIG. It can be seen that it is superior to the test cell of Comparative Example 2. Moreover, it can be seen that the capacity retention rate is superior to each stage than the test cell of Example 1.
従って、ピッチコークスを焼成して得られる人造黒鉛に電子線を照射して得られる炭素質負極材料を負極として用いることにより、非水電解液二次電池のサイクル特性を改善できることがわかる。 Therefore, it can be seen that the cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be improved by using as a negative electrode a carbonaceous negative electrode material obtained by irradiating an artificial graphite obtained by firing pitch coke with an electron beam.
実施例３及び比較例３
メソフェーズカーボン小球体を２８００℃で焼成することにより得られた人造黒鉛に代えて、フリフリルアルコール樹脂を１１００℃で焼成することにより得られた難黒鉛化炭素材料を使用し、更に非水電解液として炭酸プロピレンと炭酸ジメチルとの１：１（容量）混合溶媒中にＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｌで溶解させたものを使用し、電子線の照射線量を１００ｋＧｙとする以外は実施例１と同様にして実施例３のテストセルを作製した。また、電子線を照射しない以外は実施例３と同様に比較例３のテストセルを作製した。
Example 3 and Comparative Example 3
Instead of artificial graphite obtained by firing mesophase carbon spherules at 2800 ° C., a non-graphitized carbon material obtained by firing furfuryl alcohol resin at 1100 ° C. is used. As in Example 1, except that LiPF 6 dissolved in a 1: 1 (volume) mixed solvent of propylene carbonate and dimethyl carbonate was used at 1 mol / l, and the irradiation dose of the electron beam was set to 100 kGy. Thus, a test cell of Example 3 was produced. Moreover, the test cell of the comparative example 3 was produced similarly to Example 3 except not irradiating an electron beam.
得られたテストセルについて、１ｍＡ（電流密度０．５３ｍＡ／ｃｍ2）の定電流で以下に示すように充放電を行い、充放電容量を見積もった。その結果を表４に示す。 The obtained test cell was charged / discharged at a constant current of 1 mA (current density 0.53 mA / cm 2 ) as shown below, and the charge / discharge capacity was estimated. The results are shown in Table 4.
なお、以下のようにして見積もられた充放電（負極）容量は、平衡電位を基準としているので、難黒鉛化炭素材料固有の特性を反映したものとなる。 In addition, since the charge / discharge (negative electrode) capacity estimated as follows is based on the equilibrium potential, it reflects the characteristics unique to the non-graphitizable carbon material.
充電： １時間の通電（充電）と２時間の休止とを繰り返し、各休止時の休止時間のマイナス０．５乗に対して電圧を図（図示せず）にプロットし、無限時間に外掃することにより平衡電位を見積もった（断続充放電法）。 Charging: Repeated energization (charging) for 1 hour and rest for 2 hours, plots the voltage in the figure (not shown) against the minus 0.5 power of the rest time at each rest, and sweeps out infinite time Thus, the equilibrium potential was estimated (intermittent charge / discharge method).
なお、充電は平衡電位がリチウムに対し３ｍＶとなった時点で終了させた。 The charging was terminated when the equilibrium potential reached 3 mV with respect to lithium.
放電： １時間の通電（充電）と２時間の休止とを繰り返し、各通電状態でテストセル電圧が１．５Ｖを下回った時点で放電を終了させた。容量に関しては、充放電ともに、通電した電気量を負極内の炭素重量で除して得られる数値を充放電容量とした。 Discharge: 1 hour of energization (charging) and 2 hours of rest were repeated, and the discharge was terminated when the test cell voltage fell below 1.5 V in each energized state. Regarding the capacity, in both charge and discharge, a numerical value obtained by dividing the amount of electricity supplied by the carbon weight in the negative electrode was defined as the charge and discharge capacity.
表４から、実施例３のテストセルは比較例３のテストセルに比べ、充電容量及び放電容量を、それぞれ約１０ｍＡ／ｇ程度高いレベルに向上させたことがわかる。 From Table 4, it can be seen that the test cell of Example 3 improved the charge capacity and the discharge capacity to a level about 10 mA / g higher than the test cell of Comparative Example 3, respectively.
従って、フルフリルアルコール樹脂を焼成して得られる難黒鉛化炭素材料に電子線を照射して得られる炭素質負極材料を負極として用いることにより、非水電解液二次電池の充放電特性を改善できることがわかる。 Therefore, improving the charge / discharge characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries by using as a negative electrode a carbonaceous negative electrode material obtained by irradiating a non-graphitizable carbon material obtained by firing a furfuryl alcohol resin with an electron beam. I understand that I can do it.
実施例４及び比較例４
フリフリルアルコール樹脂由来の難黒鉛化炭素材料に代えて、セルロース系炭素質材料として廃コーヒー豆を焼成して得られる難黒鉛化炭素材料を使用すること以外は、実施例３又は比較例３と同様にしてそれぞれ実施例４又は比較例４のテストセルを作製した。
Example 4 and Comparative Example 4
Example 3 or Comparative Example 3 except that a non-graphitizable carbon material obtained by baking waste coffee beans as a cellulosic carbonaceous material is used instead of the non-graphitizable carbon material derived from the furfuryl alcohol resin. Similarly, test cells of Example 4 and Comparative Example 4 were produced.
得られたテストセルについて、実施例３と同様に充放電を行い、充放電容量を測定した。その結果を表５に示す。 About the obtained test cell, charging / discharging was performed similarly to Example 3, and charging / discharging capacity | capacitance was measured. The results are shown in Table 5.
表５から、実施例４のテストセルは、比較例４のテストセルに比べ、その充電容量が約９％向上し、その放電容量が約１６％向上したことがわかる。しかも容量ロスが約２０％も低減したことがわかる。 From Table 5, it can be seen that the test cell of Example 4 improved its charge capacity by about 9% and its discharge capacity by about 16% compared to the test cell of Comparative Example 4. Moreover, it can be seen that the capacity loss is reduced by about 20%.
従って、廃コーヒー豆を焼成して得られる難黒鉛化炭素材料に電子線を照射して得られる炭素質負極材料を負極として用いることにより、非水電解液二次電池の充放電特性を改善できることがわかる。 Therefore, it is possible to improve the charge / discharge characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery by using, as a negative electrode, a carbonaceous negative electrode material obtained by irradiating a non-graphitizable carbon material obtained by firing waste coffee beans with an electron beam. I understand.
実施例５
（負極の作製）
ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得られた人造黒鉛９０重量部とＰＶｄＦ１０重量部とを、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）中で十分に混合分散した後、減圧雰囲気下で溶剤（ＤＭＦ）を揮発させた。得られた乾固物を粉砕し、１００μｍ以内に分級した。この分級した乾固物を３５ｍｇ計量し、面積２ｃｍ2のステンレス製の集電体に４ｔ／ｃｍ2の圧力で圧着することにより、厚さ約０．２ｍｍのペレット状の負極を得た。
Example 5
(Preparation of negative electrode)
90 parts by weight of artificial graphite obtained by firing pitch coke at 2800 ° C. and 10 parts by weight of PVdF are sufficiently mixed and dispersed in dimethylformamide (DMF), and then the solvent (DMF) is volatilized under a reduced pressure atmosphere. It was. The obtained dried product was pulverized and classified within 100 μm. The classification was dried matter was 35mg weighed, by crimping at a pressure of stainless steel current collector to 4t / cm 2 of
次に、得られたペレット状の負極の両面に対し、図１に示すような電子線照射装置（ＣＢ２５０／１５／１８０Ｌ，岩崎電気社製）を用いて表６に示す条件で電子線を照射して負極を得た。 Next, the both sides of the obtained pellet-like negative electrode are irradiated with an electron beam under the conditions shown in Table 6 using an electron beam irradiation apparatus (CB250 / 15 / 180L, manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd.) as shown in FIG. Thus, a negative electrode was obtained.
なお、電子線の侵入深さは、比重が１．４〜２．３の炭素質材料などの場合には表面から０．１ｍｍである。本実施例においては、負極の厚さが０．２ｍｍであり、両面に照射しているので、負極のほぼ全域に電子線が侵入したものと考えられる。 The penetration depth of the electron beam is 0.1 mm from the surface in the case of a carbonaceous material having a specific gravity of 1.4 to 2.3. In this example, the thickness of the negative electrode is 0.2 mm, and both surfaces are irradiated, so it is considered that the electron beam penetrated almost the entire area of the negative electrode.
なお、負極のラマンスペクトル特性を調べるために、ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得た人造黒鉛に代えて、鱗片状黒鉛（ＫＳ−１５、ロンザ社製）を使用する以外は、実施例５と同様に参考例の負極を作製した。 In addition, in order to investigate the Raman spectrum characteristic of a negative electrode, it replaces with the artificial graphite obtained by baking pitch coke at 2800 degreeC, and uses scale-like graphite (KS-15, Lonza company make) except using. In the same manner as in Example 5, a negative electrode of a reference example was produced.
（アルゴンレーザーラマン分光測定）
得られた実施例５及び参考例のそれぞれの負極について、アルゴンレーザー光（５１４．５ｎｍ）を利用するラマン分光測定装置（Ｔ６４０００、ＪｏｖｉｎＹｖｏｎ社製）を使用してラマン分光測定を行った。得られたスペクトルをそれぞれ図４及び図５に示す。
(Argon laser Raman spectroscopy)
About each of the obtained negative electrode of Example 5 and the reference example, Raman spectroscopic measurement was performed using the Raman spectroscopic measurement apparatus (T64000, the product made by JovinYvon) using an argon laser beam (514.5 nm). The obtained spectra are shown in FIGS. 4 and 5, respectively.
これらの図から、実施例５及び参考例の負極は、ともに１５８０ｃｍ-1付近に黒鉛構造に由来するピークと１３５０ｃｍ-1付近に炭素の乱層構造に由来するピークとを有していることがわかる。また、電子線照射による両ピークのピーク強度の相対的な比率の変化が、実施例５と参考例と間では異なることがわかる。
図６に、実施例５及び参考例の負極のラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ-1のピーク面積に対する１３５０ｃｍ-1のピーク面積の比率と、電子線照射線量との間の関係図を示す。図６から、実施例５の場合には、この比率が電子線照射によって大きくなり、照射線量が多くなるとこの比率の増加の度合いは更に大きくなることがわかる。一方、参考例の場合には、この比率が電子線照射によって小さくなり、照射線量が多くなるとこの比率の減少の度合いは更に大きくなることがわかる。
From these figures, the negative electrode of Example 5 and Reference Example, to have a peak derived from a turbostratic carbon in the vicinity of the peak and 1350 cm -1 derived from both the graphite structure in the vicinity of 1580 cm -1 Recognize. Moreover, it turns out that the change of the relative ratio of the peak intensity of both peaks by electron beam irradiation differs between Example 5 and a reference example.
Figure 6 shows the ratio of the peak area of 1350 cm -1 to the peak area of 1580 cm -1 in the Raman spectrum of the negative electrode of Example 5 and Reference Examples, the relationship diagram between the electron beam irradiation dose. FIG. 6 shows that in the case of Example 5, this ratio is increased by electron beam irradiation, and the degree of increase of this ratio is further increased as the irradiation dose is increased. On the other hand, in the case of the reference example, this ratio is reduced by electron beam irradiation, and it is understood that the degree of reduction of this ratio is further increased as the irradiation dose is increased.
（非水電解液二次電池の作製）
このようにして得られた負極と対極として金属リチウムとを使用し、更に非水電解液として炭酸エチレンと炭酸ジメチルとの１：１（容量）混合溶媒中にＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｌで溶解させたものを使用してコイン型の実施例５及び参考例のテストセルを作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery)
Lithium 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / l in a 1: 1 (capacity) mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate as a non-aqueous electrolyte solution, using metallic lithium as a negative electrode and a counter electrode thus obtained. The coin-shaped test cell of Example 5 and the reference example were produced using the sample.
（評価）
得られたテストセルに対し、実施例１の場合と同様に、０．５ｍＡ（電流密度０．２７ｍＡ／ｃｍ2）の定電流で充放電を行った（定電流充放電）。
(Evaluation)
The obtained test cell was charged / discharged at a constant current of 0.5 mA (current density 0.27 mA / cm 2 ) as in Example 1 (constant current charging / discharging).
実施例５及び参考例のテストセルにおいて得られた初期充放電サイクルにおける充放電容量の結果を、各照射線量毎にそれぞれ表７及び表８に示す。 The results of charge / discharge capacity in the initial charge / discharge cycle obtained in the test cells of Example 5 and Reference Example are shown in Table 7 and Table 8 for each irradiation dose, respectively.
また、１０サイクルまでの充放電サイクルにおける充放電容量に関し、実施例５のテストセルの結果を図７に示し、参考例のテストセルの結果を図８に示す。 Moreover, regarding the charge / discharge capacity in up to 10 charge / discharge cycles, the result of the test cell of Example 5 is shown in FIG. 7, and the result of the test cell of the reference example is shown in FIG.
表７から、実施例５のテストセルの場合には照射線量を１００ｋＧｙ以上とすると、未照射の場合に比べて初期放電容量を１０〜２０ｍＡ／ｇ程度高いレベルに向上させたことがわかる。更に、照射線量が１００ｋＧｙから１０００ｋＧｙに増加するにつれて初期放電容量が増加することもわかる。 From Table 7, it can be seen that, in the case of the test cell of Example 5, when the irradiation dose was 100 kGy or more, the initial discharge capacity was improved to a level higher by about 10 to 20 mA / g than in the case of no irradiation. It can also be seen that the initial discharge capacity increases as the irradiation dose increases from 100 kGy to 1000 kGy.
また、図７から、少なくとも１０回の充放電サイクルにおいて、電子線未照射の場合に比べて放電容量を１０〜２０ｍＡ／ｇ程度高いレベルに保持しつづけていることがわかる。 Moreover, FIG. 7 shows that in at least 10 charge / discharge cycles, the discharge capacity is maintained at a level higher by about 10 to 20 mA / g than in the case of no electron beam irradiation.
一方、表８から、参考例のテストセルの場合には電子線を照射すると、未照射の場合に比べて初期放電容量が向上せず、特に電子線照射線量を１０００ｋＧｙとした場合には、逆に放電容量が減少することがわかる。 On the other hand, from Table 8, in the case of the test cell of the reference example, when the electron beam is irradiated, the initial discharge capacity is not improved as compared with the case of non-irradiation, and particularly when the electron beam irradiation dose is 1000 kGy. It can be seen that the discharge capacity decreases.
また、図８から、少なくとも１０回の充放電サイクルにおいて、放電容量の向上は観察されず、特に電子線照射線量を１０００ｋＧｙとした場合には、低い放電容量のまま推移していることがわかる。 Further, FIG. 8 shows that no improvement in discharge capacity is observed in at least 10 charge / discharge cycles, and particularly when the electron beam irradiation dose is 1000 kGy, the discharge capacity remains low.
従って、実施例５及び参考例の結果から、ピッチコークスを焼成して得られる粒状黒鉛に電子線を照射して得られる炭素質材料を負極として用いることにより、非水電解液二次電池の充放電特性を改善できることがわかる。 Therefore, from the results of Example 5 and the reference example, the use of the carbonaceous material obtained by irradiating the granular graphite obtained by firing pitch coke with an electron beam as the negative electrode enables the charging of the nonaqueous electrolyte secondary battery. It can be seen that the discharge characteristics can be improved.
次に、本実施例において、ピッチコークスを焼成して得られた粒状黒鉛に照射する電子線の加速電圧を変えたときの容量維持率のサイクル特性についての実験結果を示す。なお、実験に供した粒状黒鉛のペレットは、前述と同様に作成し、表９示す条件で電子線を照射して負極を作成した。 Next, in this example, experimental results on the cycle characteristics of the capacity retention rate when the acceleration voltage of the electron beam irradiated to the granular graphite obtained by firing pitch coke is changed will be shown. The pellets of granular graphite used for the experiment were prepared in the same manner as described above, and a negative electrode was prepared by irradiation with an electron beam under the conditions shown in Table 9.
なお、電子線の侵入深さは、加速電圧が高くなるほど深くなるので、この実験においても負極ペレットの両面に電子線を照射していれば、負極のほぼ全域に電子線は侵入していると考えられる。 In addition, since the penetration depth of the electron beam becomes deeper as the acceleration voltage becomes higher, in this experiment as well, if the electron beam is irradiated on both sides of the negative electrode pellet, the electron beam penetrates almost the entire area of the negative electrode. Conceivable.
このようにして得られた負極を用いて、前述と同様にコイン型テストセルを作製し、０．５ｍＡの定電流で充放電を行った。１０サイクルまでの容量維持率の結果を図９に示す。 Using the negative electrode thus obtained, a coin-type test cell was prepared in the same manner as described above, and charged and discharged at a constant current of 0.5 mA. The results of the capacity maintenance rate up to 10 cycles are shown in FIG.
図９から、加速電圧が１５０ｋＶの場合の方が、２００ｋＶ及び２５０ｋＶの場合よりも容量維持率が高いことわかる。従って、ピッチコークスを焼成して得られる粒状黒鉛を含む負極を利用する非水電解液二次電池の特性を改善するために、負極材料に対して照射する電子線の適切な加速電圧は、２００ｋＶ又は２５０ｋＶよりも１５０ｋＶであることがわかる。 From FIG. 9, it can be seen that the capacity retention rate is higher when the acceleration voltage is 150 kV than when the acceleration voltage is 200 kV and 250 kV. Therefore, in order to improve the characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode containing granular graphite obtained by firing pitch coke, an appropriate acceleration voltage of the electron beam irradiated to the negative electrode material is 200 kV. Or it turns out that it is 150 kV rather than 250 kV.
実施例６
ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得られた粒状黒鉛に代えて、メソフェーズカーボン小球体を２８００℃で焼成することにより得られた粒状黒鉛を使用する以外は、実施例５と同様にして実施例６の負極を作製し、更にテストセルを作製した。
Example 6
The same procedure as in Example 5 was performed except that granular graphite obtained by firing mesophase carbon microspheres at 2800 ° C. was used instead of granular graphite obtained by firing pitch coke at 2800 ° C. A negative electrode of Example 6 was produced, and a test cell was further produced.
（アルゴンレーザーラマン分光測定）
得られた実施例６の負極について、実施例５の場合と同様に、ラマン分光測定を行った。図１０に、実施例６の負極のラマンスペクトルにおける１５８０ｃｍ-1のピーク面積に対する１３５０ｃｍ-1のピーク面積の比率と、電子線照射線量との間の関係図を示す。図１０から、実施例６の場合には、この比率が電子線照射によって大きくなり、照射線量が多くなるとこの比率の増加の度合いは更に大きくなることがわかる。
(Argon laser Raman spectroscopy)
The obtained negative electrode of Example 6 was subjected to Raman spectroscopic measurement in the same manner as in Example 5. Figure 10 shows the ratio of the peak area of 1350 cm -1 to the peak area of 1580 cm -1 in the Raman spectrum of the negative electrode of Example 6, the relationship diagram between the electron beam irradiation dose. FIG. 10 shows that in the case of Example 6, this ratio is increased by electron beam irradiation, and the degree of increase in this ratio is further increased as the irradiation dose is increased.
（評価）
得られたテストセルに対し、実施例５の場合と同様に、０．５ｍＡ（電流密度０．２７ｍＡ／ｃｍ2）の定電流で充放電を行った（定電流充放電）。
(Evaluation)
The obtained test cell was charged / discharged at a constant current of 0.5 mA (current density 0.27 mA / cm 2 ) as in Example 5 (constant current charging / discharging).
実施例６のテストセルにおいて得られた初期充放電サイクルにおける充放電容量の結果を、各照射線量毎に表１０に示す。 The results of the charge / discharge capacity in the initial charge / discharge cycle obtained in the test cell of Example 6 are shown in Table 10 for each irradiation dose.
また、１０サイクルまでの充放電サイクルにおける充放電容量に関し、実施例６のテストセルの結果を図１１に示す。 Moreover, the result of the test cell of Example 6 is shown in FIG. 11 regarding the charging / discharging capacity | capacitance in the charging / discharging cycle to 10 cycles.
なお、実施例６の場合には、実施例５の場合の照射線量条件に加えて、照射線量を３００ｋＧｙ(式（１）中、Ｉ＝１０ｍＡ、ｖ＝１１ｍ／ｍｉｎ、ｎ＝３)としたときの結果も併せて表１０並びに図１１に示す。 In addition, in the case of Example 6, in addition to the irradiation dose condition in the case of Example 5, the irradiation dose was set to 300 kGy (in formula (1), I = 10 mA, v = 11 m / min, n = 3). The results are also shown in Table 10 and FIG.
表１０から、実施例６のテストセルの場合、電子線未照射の負極を使用したテストセルに対し、初期放電容量に関する優位性が存在していることがわかる。また、図１１から、少なくとも１０サイクルまでの充放電サイクルにおける放電容量についても優位性を維持しながら推移していることがわかる。 From Table 10, in the case of the test cell of Example 6, it can be seen that there is an advantage regarding the initial discharge capacity over the test cell using the negative electrode not irradiated with the electron beam. Further, FIG. 11 shows that the discharge capacity in the charge / discharge cycle up to at least 10 cycles also changes while maintaining the superiority.
従って、メソフェーズカーボン小球体を焼成して得られる粒状黒鉛に電子線を照射して得られる炭素質負極材料を負極として用いることにより、非水電解液二次電池のサイクル特性を改善できることがわかる。 Therefore, it can be seen that the cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be improved by using as a negative electrode a carbonaceous negative electrode material obtained by irradiating granular graphite obtained by firing mesophase carbon microspheres with an electron beam.
次に、本実施例において、メソフェーズカーボン小球体を焼成して得られた粒状黒鉛に照射する電子線の加速電圧を変えたときの容量維持率のサイクル特性についての実験結果を示す。なお、実験に供した粒状黒鉛のペレットは、前述と同様に作成し、実施例５の場合と同様に表９示す条件で電子線を照射して負極を作成した。 Next, in the present Example, the experimental result about the cycle characteristic of a capacity | capacitance maintenance factor when changing the acceleration voltage of the electron beam irradiated to the granular graphite obtained by baking a mesophase carbon microsphere is shown. The pellets of granular graphite used in the experiment were prepared in the same manner as described above, and the negative electrode was prepared by irradiating with an electron beam under the conditions shown in Table 9 as in Example 5.
このようにして得られた負極を用いて、前述と同様にコイン型テストセルを作製し、０．５ｍＡの定電流で充放電を行った。１０サイクルまでの容量維持率の結果を図１２に示す。 Using the negative electrode thus obtained, a coin-type test cell was prepared in the same manner as described above, and charged and discharged at a constant current of 0.5 mA. The result of the capacity maintenance rate up to 10 cycles is shown in FIG.
図１２から、加速電圧が１５０ｋＶの場合の方が、２００ｋＶ及び２５０ｋＶの場合よりも容量維持率が高いことわかる。従って、メソフェーズカーボン小球体を焼成して得られる粒状黒鉛を含む負極を利用する非水電解液二次電池の特性を改善するために、負極材料に対して照射する電子線の適切な加速電圧は、２００ｋＶ又は２５０ｋＶよりも１５０ｋＶであることがわかる。 From FIG. 12, it can be seen that the capacity retention rate is higher when the acceleration voltage is 150 kV than when the acceleration voltage is 200 kV and 250 kV. Therefore, in order to improve the characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode containing granular graphite obtained by firing mesophase carbon microspheres, the appropriate acceleration voltage of the electron beam irradiated to the negative electrode material is It can be seen that it is 150 kV than 200 kV or 250 kV.
実施例７〜９
ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得られた粒状黒鉛に代えて、フェノール樹脂を１１００℃で焼成することにより得られた難黒鉛化炭素材料を使用する以外は、実施例５と同様にして実施例７の負極を作製し、更にテストセルを作製した。
Examples 7-9
It replaced with the granular graphite obtained by baking pitch coke at 2800 degreeC, it carried out similarly to Example 5 except using the non-graphitizable carbon material obtained by baking a phenol resin at 1100 degreeC. A negative electrode of Example 7 was produced, and a test cell was further produced.
また、ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得られた粒状黒鉛に代えて、フルフリルアルコール樹脂を１１００℃で焼成することにより得られた難黒鉛化炭素材料を使用し、更に非水電解液として炭酸プロピレンと炭酸ジメチルとの１：１（容量）混合溶媒中にＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／ｌで溶解させたものを使用する以外は、実施例５と同様にして実施例８の負極を作製し、更にテストセルを作製した。 Moreover, it replaces with the granular graphite obtained by baking pitch coke at 2800 degreeC, uses the non-graphitizable carbon material obtained by baking a furfuryl alcohol resin at 1100 degreeC, and also nonaqueous electrolyte solution A negative electrode of Example 8 was prepared in the same manner as in Example 5 except that LiPF 6 dissolved in 1 mol / l of a 1: 1 (volume) mixed solvent of propylene carbonate and dimethyl carbonate was used. Further, a test cell was produced.
また、ピッチコークスを２８００℃で焼成することにより得られた粒状黒鉛に代えて、セルロース系炭素質材料として廃コーヒー豆を１１００℃で焼成して得られた難黒鉛化炭素材料を使用する以外は、実施例５と同様にして実施例９の負極を作製し、更にテストセルを作製した。 Moreover, it replaces with the granular graphite obtained by baking pitch coke at 2800 degreeC, and uses the non-graphitizable carbon material obtained by baking waste coffee beans at 1100 degreeC as a cellulosic carbonaceous material. The negative electrode of Example 9 was produced in the same manner as in Example 5, and a test cell was further produced.
得られた実施例７〜９のそれぞれのテストセルについて、実施例３の場合と同様に、１ｍＡ（電流密度０．５３ｍＡ／ｃｍ2）の定電流で充放電を行い、放電容量を求めた。その結果を図１３に示す。 For each of the obtained test cells of Examples 7 to 9, charge and discharge were performed at a constant current of 1 mA (current density 0.53 mA / cm 2 ) in the same manner as in Example 3 to determine the discharge capacity. The result is shown in FIG.
図１３から、実施例７〜９のテストセルの場合、それぞれ対応する電子線未照射の負極を用いたテストセルに比べて放電容量が高いレベルに向上していることがわかる。 From FIG. 13, it can be seen that in the case of the test cells of Examples 7 to 9, the discharge capacity is improved to a higher level than the corresponding test cell using the negative electrode not irradiated with the electron beam.
なお、実施例８及び９の場合、電子線照射線量が１００ｋＧｙのときに放電容量がピークを示し、電子線照射線量が１０００ｋＧｙになると放電容量がわずかに低下する傾向がある。従って、これらの実施例８及び９の場合には、電子線照射線量を好ましくは１０００ｋＧｙ以下、より好ましくは１００ｋＧｙ程度にすることが望ましことがわかる。 In Examples 8 and 9, the discharge capacity shows a peak when the electron beam irradiation dose is 100 kGy, and the discharge capacity tends to decrease slightly when the electron beam irradiation dose reaches 1000 kGy. Therefore, it can be seen that in these Examples 8 and 9, it is desirable to set the electron beam irradiation dose to preferably 1000 kGy or less, more preferably about 100 kGy.
以上のように、フェノール樹脂、フルフリルアルコール樹脂、又はセルロース系炭素質材料として廃コーヒー豆を焼成して得られる難黒鉛化炭素材料に電子線を照射して得られる炭素質材料を負極として用いることにより、非水二次電解液二次電池の充放電特性を改善することができる。 As described above, a carbonaceous material obtained by irradiating a non-graphitizable carbon material obtained by baking waste coffee beans as a phenolic resin, a furfuryl alcohol resin, or a cellulosic carbonaceous material with an electron beam is used as a negative electrode. Thus, the charge / discharge characteristics of the non-aqueous secondary electrolyte secondary battery can be improved.
次に、本実施例９において、セルロース系炭素質材料を焼成して得られた難黒鉛化炭素材料に照射する電子線の加速電圧を変えたときの放電容量特性についての実験結果を示す。なお、実験に供した難黒鉛化炭素材料のペレットは、前述と同様に作成し、表１１に示す条件で電子線を照射して負極を作成した。 Next, in the present Example 9, the experimental result about the discharge capacity characteristic when changing the acceleration voltage of the electron beam irradiated to the non-graphitizable carbon material obtained by baking a cellulosic carbonaceous material is shown. In addition, the pellet of the non-graphitizable carbon material used for the experiment was prepared in the same manner as described above, and a negative electrode was prepared by irradiation with an electron beam under the conditions shown in Table 11.
このようにして得られた負極を用いて、前述と同様にコイン型テストセルを作製し、実施例３の場合と同様に、１ｍＡ（電流密度０．５３ｍＡ／ｃｍ2）の定電流で充放電を行い、放電容量を求めた。その結果を図１４に示す。 Using the negative electrode thus obtained, a coin-type test cell was produced in the same manner as described above, and charge / discharge was performed at a constant current of 1 mA (current density 0.53 mA / cm 2 ) as in Example 3. The discharge capacity was determined. The result is shown in FIG.
図１４から、１５０ｋＶ、２００ｋＶ又は２５０ｋＶの加速電圧で電子線を照射した場合、いずれの場合にも未照射の場合に比べて放電容量が向上していることがわかる。中でも２００ｋＶ近辺にピークが存在することがわかる。従って、セルロース系炭素質材料を焼成して得られる難黒鉛化炭素材料を負極に用いた場合、非水電解液二次電池の特性を改善するためには、電子線の加速電圧を、好ましくは２５０ｋＶ以下、より好ましくは２００ｋＶ近辺とすればよいことがわかる。 From FIG. 14, it can be seen that when the electron beam is irradiated at an acceleration voltage of 150 kV, 200 kV, or 250 kV, the discharge capacity is improved in all cases as compared with the case of no irradiation. It can be seen that a peak exists in the vicinity of 200 kV. Therefore, when a non-graphitizable carbon material obtained by firing a cellulosic carbonaceous material is used for the negative electrode, in order to improve the characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery, the acceleration voltage of the electron beam is preferably It can be seen that it may be 250 kV or less, more preferably around 200 kV.
１ 真空チャンバー， ２ ターミナル， ３ フィラメント， ４ リペラー， ５ グリッド，６ ビームコレクター， ７ チタン箔， ８ 炭素質負極材料，９ コンベア， １０ シールド管 1 vacuum chamber, 2 terminal, 3 filament, 4 repeller, 5 grid, 6 beam collector, 7 titanium foil, 8 carbonaceous negative electrode material, 9 conveyor, 10 shield tube
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