JPH09237638A - 非水系二次電池 - Google Patents
非水系二次電池Info
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- JPH09237638A JPH09237638A JP8326371A JP32637196A JPH09237638A JP H09237638 A JPH09237638 A JP H09237638A JP 8326371 A JP8326371 A JP 8326371A JP 32637196 A JP32637196 A JP 32637196A JP H09237638 A JPH09237638 A JP H09237638A
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Abstract
を負極活物質と、黒鉛材料を用いても充放電が停止しな
い有機電解液とを用いて、幅広い温度にて動作が可能な
高容量の非水系二次電池を得る。 【解決手段】 正極13と、表面に非晶質炭素を付着さ
せた黒鉛粒子を負極活物質とする負極11、セパレータ
ー12、負極集電板10、正極集電板14及び少なくと
もエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートを含
む有機電解液からなる非水系二次電池。
Description
する。さらに詳しくは、負極活物質の炭素材料に黒鉛粒
子の表面に非晶質炭素が付着した複合材料を用い、電解
液にエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートと
の混合液を用いた非水系二次電池に関する。
化、軽量化が目覚ましく進歩し、それらを駆動する二次
電池が非常に重要な部品となってきている。リチウム二
次電池は軽量かつ高エネルギー密度を有するため、携帯
機器の駆動用電源として有望視され、研究開発が活発に
進められている。しかし、リチウム金属を負極に用いた
場合、充放電サイクルを繰り返すと金属リチウム上にデ
ンドライトが生成、成長し内部短絡を引き起こすため、
二次電池化が困難であった。また、リチウム金属の代わ
りにリチウム・アルミニウム合金のようなリチウム合金
の使用が提案されているが、充放電サイクル、あるいは
深い充放電を行うと、合金の偏析などがおこるため十分
な特性は得られなかった。
ウムイオンの挿入脱離反応を利用した負極を用いた電池
が提案され、研究開発が進められ、実用化されてきてい
る。炭素材料を負極に用いたリチウム二次電池は、サイ
クル特性、安全性に優れている。しかし、炭素は黒鉛か
ら無定形炭素まで幅広い形態を有すると同時に、それら
の物性値、あるいは、炭素の六角網面が形成する微細組
織が電極の性能を大きく左右するため、種々の炭素材料
が提案されている。
報、特開昭62−90863号公報等に示される比較的
アモルファスな炭素を負極材料に用いるものや、特開昭
60−182670号公報、特開昭60−221964
号公報、特開平4−155776号公報、特開平4−1
15567号公報などに示される黒鉛系の炭素を負極材
料として用いるもの、特開平4−368778号公報、
特開平5−114421号公報、特開平5−12106
6号公報などのように表面処理した黒鉛系の炭素を用い
るもの、また、特開平4−280068号公報、特開平
4−342958号公報などのように、炭素の結晶性で
はなく、炭素の微細組織に着目したものなどがある。
容量が得られ、その充放電の電位が非常に平坦で、リチ
ウムの溶解析出の電位にも非常に近いため、電池を作製
をした場合に高容量かつ電位が平坦な電池が実現でき
る。
の材料はその結晶性の高さから電解液の分解を引き起こ
すため、特定の有機溶媒を使用したときのみ負極として
使用が可能となることが広く知られている。従って、黒
鉛材料を負極に用いようとした場合、電解液が限定され
るため、電池を作製した場合、電池の温度特性、サイク
ル特性等を電解液の選択によって改善することがかなり
制限される。
解に対する安定性、また、凝固点(−70℃)の低さか
ら、リチウム電池用の電解液として広く用いられている
有用な電解液であるが、プロピレンカーボネートを用い
ようとした場合、黒鉛による電解液の分解の挙動は顕著
であり、10%のプロピレンカーボネートを添加するだ
けで黒鉛では充放電ができないことが報告されている
(J.Electrochem.Soc.Voll42,No6,1746-1752(1995))。
78号公報等ににみられるような黒鉛粒子の表面を低結
晶性炭素で被覆した炭素材料が提案されている。これら
は電解液の分解を押え容量の増加、サイクル特性の改善
に対して有効な手段である。しかしながら、プロピレン
カーボネートは黒鉛の表面に対して非常に敏感であり、
プロピレンカーボネートを主体とする電解液を用いて電
池を作製した場合、製造工程の間の粒径をそろえるため
の粉砕、分級、電極作製のための混練、塗布の等の間に
表面を被覆した炭素が剥離したりした部分が存在する
と、そこで電解液の分解によるガス発生により電極を破
壊して、容量、サイクル特性の劣化を引き起こしたりす
るため、電池を作製した場合、十分に高容量の電池が得
られないなどの歩留まりが悪いという問題が生じてき
た。十分な被覆層を形成することにより上記問題はある
程度解決できるが、上述したような危険性を回避するた
めにはかなりの被覆層が必要とされる。しかし、この系
の材料は基本的には黒鉛材料が充放電容量を支配してい
るために、高結晶性の黒鉛に対する低結晶性の炭素材料
の比率が増えることにより充放電容量が低下するが歩留
まり向上のためには容量低下という点を犠牲にする必要
があった。
として、ピッチなどの炭素前駆体と黒鉛を混合、焼成す
る方法があげられるが、この製造方法の場合、液相を経
由するため、どうしても低結晶性炭素で被覆した黒鉛同
士が凝集、溶着し、電極の厚みの制御等を行うためには
粉砕、分級という工程が必要となり、その工程において
黒鉛の活性な面が現れプロピレンカーボネートを分解す
るという問題があった。
く、鋭意研究を行った結果、黒鉛粒子の表面を低結晶性
炭素で被覆した黒鉛材料を負極に用いる場合に、電解液
にエチレンカーボネートを加えることにより電極の安定
性が増すことを見い出した。さらには、電解液にエチレ
ンカーボネートを加えた場合、黒鉛粒子の表面の一部を
ほんの少し低結晶性炭素で被覆するだけで、目的とする
電解液の分解を押える効果が顕著に現れ、また、従来必
要であると考えていた低結晶性炭素の被覆量をかなり減
らすことが可能となることを見い出した。
させた黒鉛粒子を負極活物質に使用すると共に、有機電
解液を用いた非水系二次電池において、有機電解液は少
なくともエチレンカーボネートと、プロピレンカーボネ
ートとを含むことを特徴とする。
よる(002)面の平均面間隔(d002)が0.33
5〜0.340nm、(002)面方向の結晶子厚み
(Lc)が10nm以上、(110)面方向の結晶子厚
み(La)が10nm以上である場合、また、黒鉛と付
着してい非晶質炭素の比率が重量比で20%以下である
場合、用いる黒鉛粒子のアルゴンレーザーラマンによ
る、1580cm-1に対する1360cm-1のピークの
強度比が0.4以下であり、非晶質炭素付着後の前記強
度比が0.4より大きい場合、エチレンカーボネートに
対するプロピレンカーボネートの比が体積比で0.1〜
0.9である場合、さらに好ましくは、体積比が0.4
〜0.9である場合に効果が顕著であり、より高容量か
つ高安定性の非水系二次電池が提供される。
料が炭化水素類の気相熱分解による堆積により形成され
た熱分解炭素であることを特徴とする。
(002)面の平均面間隔(d002)が0.335〜
0.340nm、(002)面方向の結晶子厚み(L
c)が10nm以上、(110)面方向の結晶子厚み
(La)が10nm以上、またアルゴンレーザーラマン
による1580cm-1付近のピーク強度比に対する13
60cm-1の付近ピークの強度比(以後R値と記す)が
0.4以下であることが好ましい。平均面間隔が0.3
40nmより大きい場合、或いはLc、Laが10nm
より小さい場合、或いはR値が0.4を越えるような場
合には黒鉛の結晶性が十分ではなく、表面非晶質黒鉛材
料を作製した際にリチウムの溶解析出に近い低い電位部
分(Liの電位基準で0〜300mV)の容量が十分で
はなくなり、好ましくない。
率、非晶質炭素/(黒鉛粒子+非晶質炭素)は0.2以
下、より好ましくは0.1以下であることが好ましい。
非晶質炭素の比率が0.2を越える場合、黒鉛粒子に由
来する低電位部分での容量が減少するために電池を作製
した場合に十分な容量を得ることが困難になる。
物性としては、広角X線回折法による(002)面の平
均面間隔(d002)が0.335〜0.340nm、
(002)面方向の結晶子厚み(Lc)が10nm以
上、(110)面方向の結晶子厚み(La)が10nm
以上、またアルゴンレーザーラマンによるR値が0.4
以上であることが好ましい。
質が反映され、ラマン分光法では材料の表面の物性が反
映される。つまり、上記物性値満たす材料は、バルクの
性質としては高結晶な材料であり、表面は低結晶性であ
ることを意味する。非晶質炭素を付着させた後の材料R
値が0.4より小さい場合には表面の結晶性が高いため
本願の構成の必須成分である電解液のプロピレンカーボ
ネートの分解を引き起こすため、特に初回の充放電効率
が悪くなり好ましくない。
例えば、天然黒鉛、キッシュグラファイト、石油コーク
スまたは、石炭ピッチコークス等の易黒鉛化性炭素から
得られる人造黒鉛、あるいは、膨張黒鉛などがある。ま
た、黒鉛質材料の形状としては、球状、鱗片状、繊維状
あるいは、それらの粉砕物のいずれであってもよいが、
球状、鱗片状あるいはそれらの粉砕物が好ましい。
としては、炭化水素類を気相で熱分解し黒鉛粒子表面に
直接堆積させる方法、あるいはピッチやタールなどの炭
素前駆体と混合し、黒鉛粒子の表面に炭素前駆体を付着
させ、焼成することにより黒鉛粒子の表面に非晶質炭素
を形成する方法、あるいは高分子材料を加熱、あるいは
適当な溶剤と混合することにより溶解させ、黒鉛粒子の
表面に高分子材料を付着させ焼成することにより黒鉛粒
子表面に非晶質炭素を形成させる方法などが挙げられ
る。このようにして得られた表面に非晶質炭素が付着し
た黒鉛粒子を、必要によって粉砕、分級などを行い、電
極材料とする。電極は、適宜結着材料等を混合し集電体
状に活物質層を形成する。結着剤としては、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系
ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレ
フィン系のポリマー、合成ゴム類等を用いることができ
る。この場合の結着剤の量としては、活物質100重量
部に対して、3重量部から50重量部の範囲が好まし
く、より好ましくは5重量部から20重量部、さらに好
ましくは5重量部から15重量部である。
密度が低下するため好ましくない。また、結着剤が少な
すぎると電極中の活物質を保持する能力が十分得られ
ず、電極の安定性が低下するため好ましくない。
ト、エチレンカーボネートを必須成分とするが、その他
に溶媒として、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボ
ネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等
のエステル類や、テトラヒドロフラン、2−メチルテト
ラヒドロフラン等の置換テトラヒドロフラン、ジオキソ
ラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキ
シエタン、メトキシエトキシエタン等のエーテル類、ジ
メチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、
アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチル等を加えるこ
とができる。
とエチレンカーボネート(EC)の体積比、PC/(P
C+EC)は、0.1〜0.9が好ましく、さらに好ま
しくは0.4〜0.9であることが好ましい。この範囲
の組成比を有する電解液と表面に非晶質炭素が付着した
黒鉛の組み合わせにより、電位が平坦かつ高容量で、ま
た低温特性の優れた電池を得ることが可能となる。
とが、電解液のイオン伝導度、低温特性の更なる改善が
図れるため好ましい。加える第三溶媒は、上記記載の電
解液のいずれであってもよいが、PC、ECより低粘度
のものを加えることが好ましく、なかでもジエチルカー
ボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボ
ネートが好ましく、さらに好ましくはメチルエチルカー
ボネートである。これら第三溶媒を加えた三成分の電解
液を用いる場合には、低粘度溶媒の組成は全溶媒に対し
て体積比、低粘度溶媒/全溶媒は0より大きく0.8以
下であることが好ましく、さらに好ましくは0.2〜
0.8であることが好ましい。
して体積比、EC/全溶媒は0.4以下であることが好
ましく、プロピレンカーボネートは溶媒に対して体積
比、PC/全溶媒は0.4以下であることが好ましい。
上記範囲を満たす組成比の電解液と表面に非晶質黒鉛が
付着した黒鉛を組み合わせることにより、高容量かつ低
温特性の優れた二次電池を得ることができる。
ホウフッ化リチウム、6フッ化燐酸リチウム、6フッ化
砒酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウ
ム、ハロゲン化リチウム、塩化アルミン酸リチウム等の
リチウム塩が挙げられ、これらの1種或いは2種以上を
混合して使用される。上記溶媒から選ばれた溶媒に、上
記電解質を溶解することによって電解液を調製する。電
解液を調製する際に使用する溶媒、電解質は、上記に掲
げたものに限定されない。
しては、例えばリチウムを含有した酸化物を正極活物質
として用いることができる。具体的な例としてはLiC
oO2 、LiNiO2 、LiFeO2 、LiMnO2
や、この系列のLixMyNzO2 (ここでMはFe、
Co、Ni、Mnのいずれかであり、Nは遷移金属、4
B族、あるいは5B族の金属を表す)、LiMn2O
4 、およびLiMn2−xNyO4 (ここでNは遷移金
属、4B族、あるいは5B族の金属を表す)、LiVO
2 等が挙げられ、これに導電材、結着材及び場合によっ
て、固体電解質等を混合して形成される。この混合比
は、活物質100重量部に対して、導電材を5〜50重
量部、結着材を1〜30重量部とすることができる。こ
の導電材には、カーボンブラック(アセチレンブラッ
ク、サーマルブラック、チャンネルブラック等)などの
炭素類や、グラファイト粉末、金属粉末等を用いること
ができるが、これに限定されるものではない。
ロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマ
ー、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン
系ポリマー、合成ゴム類などを用いることができるがこ
れに限定されるものではない。導電材が5重量部より少
ないとき、あるいは、結着材が30重量部より多いとき
は、電極の抵抗あるいは分極等が大きくなり放電容量が
小さくなるため実用的なリチウム二次電池が作製できな
い。導電材が50重量部より多い(混合する導電材の種
類により重量部は変わる)と電極内に含まれる活物質量
が減るため正極としての放電容量が小さくなる。結着材
は、1重量部より少ないと結着能力がなくなってしま
い、30重量部より多いと、導電材の場合と同様に、電
極内に含まれる活物質量が減り、さらに、上述のごと
く、電極の抵抗あるいは分極等が大きくなり放電容量が
小さくなるため実用的ではない。正極作製において、結
着性を上げるためにそれぞれの結着剤の融点前後の温度
で熱処理を行うことが好ましい。
ーとしては、電気絶縁性の合成樹脂繊維、ガラス繊維、
天然繊維などの不織布あるいは織布、アルミナなどの粉
末の成形体などが挙げられる。中でも合成樹脂のポリエ
チレン、ポリプロピレンなどの不織布が品質の安定性な
どの点から好ましい。これら合成樹脂の不織布では電池
が異常発熱した場合に、セパレーターが熱により溶解し
正極と負極の間を遮断する機能を付加したものもあり、
安全性の観点からこれらも好適に使用することができ
る。セパレーターの厚みは特に限定はないが、必要量の
電解液を保持することが可能で、かつ正極と負極との短
絡を防ぐ厚さがあればよく、通常0.01〜1mm程度
のものを用いることができ、好ましくは0.02〜0.
05mm程度である。
の平坦性に優れた黒鉛材料を用い、かつ低温特性に優れ
た電池を作製することができる。本発明の組み合わせを
採用することにより従来プロピレンカーボネートの分解
を引き起こすと思われていた活性点をすべて低結晶性の
炭素で被覆する必要はなくなり、低結晶性の炭素に対す
る黒鉛の比率を上げることができ、より高容量の電池が
得ることが可能となる。
せた後に、粉砕等の工程によりある程度黒鉛の新しい面
が露出しても本願の負極材料と電解液の組み合わせを採
用することにより、電解液の分解は顕著ではなく、黒鉛
粒子の表面に低結晶性の炭素が付着した複合材料の製造
方法の自由度があがる。
覆しているものにとっても、歩留まりの向上という観点
から有用であるが、黒鉛表面に付着している非晶質炭素
の被覆率が100%未満である場合にこの組み合わせの
効果は顕著である。
に説明する。尚、X線広角回折法による結晶子の大きさ
(Lc、La)を測定する方法は、公知の方法、例えば
“炭素材料実験技術1、p55〜63、炭素材料学会編
(科学技術社)”や特開昭61−111907号公報に
記載された方法によって行うことができる。また、結晶
子の大きさを求める形状因子Kは0.9を用いた。ま
た、粒径はレーザー回析式粒度分布計を用いて測定を行
い、粒度分布においてピークを持つ粒径として求めた。
さらに炭素の表面物性として、514.5nmのアルゴ
ンレーザーを用いたラマン分光測定により観察される二
本のピークより、R値を1360cm-1/1580cm
-1のピーク強度比として求めた。
然黒鉛(鱗片状、粒径11μm、d002は0.337
nm、Lc27nm、Laは17nm、R値は0.1
5、比表面積8m2/g)を用い、以下の方法により黒
鉛粒子表面に気相成長炭素を堆積させた。
100mgを置き、アルゴン供給ライン1、およびプロ
パン供給ライン2により、それぞれアルゴンガスとプロ
パンガスとを供給し、ニードル弁3、4を操作すること
により原料ガスの濃度を0.13mol%とした。原料
ガスの供給速度は0.64cm/min、プロパンの供
給量は0.03mol/hとした。その後、加熱炉7に
より試料台上の黒鉛の粉末を800℃に加熱しガス導入
口8より供給されるプロパンを熱分解することにより黒
鉛粒子表面に炭素を堆積させた。堆積時間は3時間で、
このときの重量増加は6mgであった。重量比による非
晶質炭素/(熱分解炭素+非晶質炭素)は0.06であ
った。堆積後の炭素粒子の物性を測定した結果、粒径は
13μm、d002=0.337nm、Lc=27n
m、La=17nmであり、R値は0.52であった。
10重量部のポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−
ピロリドンに溶解し、そこへ得られた炭素粉末を加えス
ラリー状にし、20ミクロンの銅箔状に塗布した。60
℃にて1時間乾燥した後、150℃にて減圧乾燥し溶媒
のN−メチル−2−ピロリドンを除去し、乾燥後集電タ
ブをとりつけ、評価用の電極とした。評価用の電極は1
50℃にて5時間減圧乾燥を行ない、アルゴンのグロー
ブボックス中で電極評価を行なった。評価は3極法を用
い、対極および参照極に金属リチウムを用いた。電解液
は、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートと
ジエチルカーボネート三種の混合溶媒に1mol/dm
3の過塩素酸リチウムを溶解したものを用い、プロピレ
ンカーボネートとエチレンカーボネートを加えた体積量
と、ジエチルカーボネートの体積量とが1:1となるよ
うにし、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネー
トとの比は、表1に示す組成にて充放電試験を行った。
充放電試験時の電流値は、30mA/gであり、充放電
の電位範囲は0Vから1.5Vで行った。結果を表1お
よび図2に示す。
すマダガスカル産の天然黒鉛をそのまま用いた以外は実
施例1と同様の条件により、評価用電極を作製し、電極
評価を行った。結果を表1および図2に示す。
光法では表面の物性が反映される。つまり今回のX線、
ラマン分光の結果により、バルクとしては高結晶性を保
っており、表面は低結晶性の炭素にて覆われていること
がわかる。さらに表1、および図2が示すように、表面
に非晶質炭素が付着した黒鉛材料を負極に用い、電解液
にエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混
合溶媒を用いることにより、高い充放電容量が得られ、
特にエチレンカーボネートが体積比で(PC/(PC+
EC))が0.5以下の領域では、この効果が顕著であ
ることがわかる。
させ、堆積時間をコントロールすることにより表2に示
す重量比(非晶質炭素/(黒鉛粒子+非晶質炭素))の
炭素材料を得た。得られた炭素材料について実施例1と
同様の操作により電極を作製し電極評価を行った。なお
この場合の電解液には、プロピレンカーボネートと、エ
チレンカーボネートと、ジエチルカーボネートとの体積
比が1:1:2の電解液を用いた。
低い炭素材料(コークス焼成炭、粒径は18μm、d0
02=0.342nm、Lc=3nm、La=2nm、
R値1.1、比表面積=15m2/g)を用いた以外は
実施例1と同様の条件にて炭素表面に熱分解炭素を堆積
させた。重量比による非晶質炭素/(黒鉛粒子+非晶質
炭素)は0.15であった。また堆積後の物性値は、粒
径は21μm、d002=0.342nm、Lc=3n
m、La=2nm、R値1.2、比表面積=8m2/g
であった。このようにして得られた炭素材料を活物質と
し、実施例1と同様の操作により電極を作製し、電解液
に体積比にてプロピレンカーボネート:エチレンカーボ
ネート:ジエチルカーボネート=1:1:2のの混合溶
媒に1mol/dm3の過塩素酸リチウムを溶解したも
の(実施例1のPC/(PC+EC)=0.5と同じ電
解液)を用いて、実施例1と同様の評価を行った。
素が表面に付着している黒鉛材料を不活性雰囲気下25
00℃にて10時間焼成した。得られた炭素材料の物性
値を測定した結果、粒径は13μm、d002=0.3
37nm、Lc=27nm、La=17nmであり、R
値は0.33であった。このようにして得られた炭素材
料を活物質とし、実施例1と同様の操作により電解を作
製し、電解液に体積比にてプロピレンカーボネート:エ
チレンカーボネート:ジエチルカーボネート=1:1:
2の混合溶媒に1mol/dm3の過塩素酸リチウムを
溶解したもの(実施例1のPC/(PC+EC)=0.
5と同じ電解液)を用いて、実施例1と同様の評価を行
った。
プロピレンカーボネートと、ジエチルカーボネートとの
体積比が1:1の電解液を用いて評価した。
なように、重量比、非晶質性炭素/(黒鉛粒子+非晶質
炭素)を0.2以下にすることにより重量あたりの放電
容量を270mAh/g以上にすることができる。また
比較例3の結果より核材料に低結晶性の炭素材料を用い
た場合には十分な容量が得られず、また比較例4の結果
より、黒鉛粒子の表面に熱分解炭素が付着していても、
高温による熱処理等によって表面に付着した炭素の結晶
性が上がるとプロピレンカーボネートの分解を引き起こ
し、初回の効率が黒鉛同様大きく下がってしまうことが
わかる。さらに比較例5の結果が示すように炭素の表面
を十分に被覆していないためにプロピレンカーボネート
と、ジエチルカーボネートとの体積比が1:1の電解液
にて充放電不可能な電極においても、プロピレンカーボ
ネートと、エチレンカーボネートと、ジエチルカーボネ
ートとの体積比が1:1:2の電解液では十分な容量が
得られ、炭素材料と電解液の組み合わせにより高容量が
実現することがわかる。
末(KS25、球状、粒径18μm、d002は0.3
36nm、Lcは15nm、Laは12nm、比表面積
7.6m2/g、R値=0.36)を出発原料とした以
外は実施例1と同様の条件にて黒鉛粒子表面に熱分解炭
素を堆積させた。重量比による非晶質炭素/(黒鉛粒子
+非晶質炭素)は0.12であった。また得られた材料
について物性値を測定した結果、粒径19μm、d00
2は0.336nm、Lcは15nm、Laは12n
m、比表面積4.2m2/g、R値は0.69であっ
た。このようにして得られた負極活物質を結着材のPV
DFの量を活物質に対して15重量部とした以外は実施
例1と同様の方法により電極を作製し電極の評価を行っ
た。電解液にはPC:ECの比は1:1とし、全溶媒に
対する第三溶媒(この場合はジエチルカーボネート)の
体積比を変え、表3に示す組成にて充放電試験ならびに
低温特性の評価を行った。なお充放電試験は実施例1と
同様に行い、低温特性の結果は25℃で充放電を行った
際の放電容量と−20℃で充放電を行った際の放電容量
の比にて表した。結果を表3に示す。なお25℃におい
て放電容量の小さい電極については低温特性の評価は省
略した。
人造黒鉛粉末(KS25、鱗片状、粒径14μm、d0
02は0.336nm、Lcは22nm、Laは15n
m、R値=0.2、比表面積10.3m2/g)をその
まま用いた以外は実施例10と同様に電極作製、電極評
価をおこなった。結果を表3に示す。なお25℃におい
て放電容量の小さい電極については低温特性の評価は省
略した。
晶質炭素が付着した黒鉛材料を負極に用い、かつ電解液
にエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートと、
第三溶媒として低粘度溶媒を体積比にて0より多く0.
8以下加えることにより高い充放電容量、充放電効率が
得られることが明らかである。さらに低温特性を考慮に
入れると第三溶媒が全溶媒に対して体積比で0.2〜
0.8の範囲にて含まれることがさらに好ましいことが
明らかである。
人造黒鉛粉末(KS−25、鱗片状、粒径14μm、d
002は0.336nm、Lcは22nm、Laは15
nm、、R値は0.2、比表面積1.5m2/g)を用
い、ピッチと混合し、得られたものを、窒素雰囲気下3
00℃にて2時間、その後昇温し1000℃にて3時間
焼成した。電気炉から取り出したところ、焼成した物が
固まっていたため、乳鉢にて軽く粉砕を行い活物質粉末
を得た。得られた活物質粉末の物性値を測定した結果、
粒径18μm、d002は0.336nm、Lcは22
nm、Laは15nm、比表面積3.8m2/g、R値
は0.75であった。その粉末を用いて、焼成したもの
が、固まっていたため乳鉢にて粉砕し、ふるいにより粒
径をそろえ、その粉末を用い実施例1と同様の操作によ
り電極を作製し、電極評価を行った。このときの電解液
としては、プロピレンカーボネートと、エチレンカーボ
ネートと、エチルメチルカーボネートとの体積比1:
1:2の混合溶媒に1mol/dm3の過塩素酸リチウ
ムを溶解したものを用いた。
じ電極を用い、電解液溶媒として、プロピレンカーボネ
ートとエチルメチルカーボネートの1:1の混合溶媒を
用いた以外は実施例6と同様の電極評価を行った。結果
を表4に示す。
うに、液相炭素化を経由するような方法により、表面に
低結晶性炭素を被覆しようとした場合、作製条件によっ
ては粒子同士が凝集、溶着することがあり、焼成物を粉
砕する必要がある。そのような粉砕工程を経た場合、黒
鉛の新しい面が一部露出するため、プロピレンカーボネ
ートの分解を引き起こし充放電が不可能であるが、エチ
レンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶媒
を用いた場合には高容量が得られることがわかる。また
比較例1の結果を考えあわせると、従来の未処理の黒鉛
材料を用いた場合には実用的ではないと思われる組成比
の電解液であっても、表面に低結晶性の炭素材料が付着
した黒鉛を用いた場合には高容量が得られることが明ら
かであり、炭素材料と電解液の組み合わせにより本願の
特性が引き出せることがわかる。
1で得られた材料を用い同様に電極を作製し、表5に示
す組成比の電解液により電極評価を行った。この際の電
解質塩は1mol/lのLiClO4である。電極評価
は実施例12と同様に充放電試験、低温特性の評価をお
こなった。結果を表5に示す。
人造黒鉛粉末(KS25、鱗片状、粒径14μm、d0
02は0.336nm、Lcは22nm、Laは15n
m、R値=0.2、比表面積10.3m2/g)をその
まま用いた以外は実施例12と同様に電極作製、電極評
価をおこなった。結果を表4に示す。
ECの量が体積比で0.4以下の組成比において低温特
性の優れた結果が得られることがわかる。PC/(PC
+EC)は0.8〜0.4の範囲が表面非晶質黒鉛との
組み合わせにおいて効果が顕著であり、従来の黒鉛とこ
れら液の組み合わせでは容量、効率ともに満足する値が
得られず、低温特性が優れた液組成の領域では電池とし
た場合に容量を満足することはできないことがわかる。
またPCの量としては全溶媒に対して体積比にて0.4
以下とするのが初回の充放電効率の点から好ましいこと
がわかる。
について表面非晶質黒鉛と混合電解液の組み合わせの方
が低温特性が優れており、単なる液の伝導度の差による
結果ではなく、これら液と表面非晶質黒鉛を組み合わせ
ることにより低温特性の優れた電池系が実現できる事が
わかる。これは電解液と負極活物質との界面において、
結晶性の高い黒鉛へリチウムが挿入する場合と、一旦表
面にある非晶質の炭素材料を介してリチウムが挿入する
場合の反応機構の差によるものではないかと考えられ
る。
連産天然黒鉛(鱗片状、粒径13μm、d002は0.
336nm、Lcは21nm、Laは16nm、R値=
0.18、比表面積11.8m2/g)を出発原料とし
た以外は実施例1と同様の条件にて黒鉛粒子表面に気相
成長炭素を堆積させた。重量比、非晶質炭素/(黒鉛粒
子+非晶質炭素)は0.08であった。また得られた材
料について物性値を測定した結果、粒径18μm、d0
02は0.336nm、Lcは22nm、Laは15n
m、比表面積4.8m2/g、R値=0.42であっ
た。このようにして得られた負極活物質を用い、結着材
の量を活物質にたいして18重量部にしたこと以外は実
施例1と同様の方法により電極を作製し、実施例9と同
様の電極評価を行った。電解液にはPC:ECの比が
1:1の電解液、およびPC:ECの比は1:1とし、
全溶媒に対する第三溶媒の量を0.5とし、第三溶媒の
種類をジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカー
ボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EM
C)とした。結果を表6に示す。
合溶媒を用いることにより低温特性の優れた結果が得ら
れるが、さらに第三溶媒を加えることにより、放電容
量、充放電効率、低温特性が向上することが明らかであ
る。また実施例14〜16の比較により第三溶媒として
エチルメチルカーボネートを選ぶことにより高い放電容
量、充放電効率、低温特性が得られることが明らかであ
る。
導電材、結着材とを混合することにより作製される。こ
の場合導電材にはカーボンラックや黒鉛などの炭素材料
あるいは金属粉末、金属ウールなどの金属材料などが適
宜使用される。結着材は粉末のまま混合することもでき
るが、より分散性を高め結着性を向上するために溶液に
分散させたものや、溶解したものを混合する場合もあ
る。またそのように溶液に分散、あるいは溶解したもの
を用いた場合には、真空処理あるいは熱処理などの手段
によって取り除く必要がある。さらに結着剤の種類によ
っては融点付近の温度で熱処理することによりさらに結
着性を高めることも可能である。
をもちい、導電材としてのアセチレンブラックを10重
量部、および結着剤としてポリテトラフルオロエチレン
粉末を10重量部混合したものを15φのペッレットに
成形したものを用いた。この電極の厚みは0.8mmで
あった。
ジエチルカーボネートの1:1混合溶媒に1mol/d
m3のLiPF6を溶解したものを用い、セパレーターに
はポリプロピレンの不織布を用いた。
作製した後、電極を15φに打ち抜き(厚み0.5m
m)、図5に示されるコイン型電池(20mmφ、厚み
20mm)を作製した。電解液には、プロピレンカーボ
ネート:エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート
の1:1:2の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6
を溶解したものをもちい、セパレーターにはポリプロピ
レンの不織布を用いた。また電池の構成としては正極を
過剰に入れ、負極の容量にて規制されるようにした。得
られた電池について、1mAの定電流、充放電の電位範
囲2.7〜4、1Vにて充放電試験を行い種々の温度に
て容量を測定し、得られた電池について容量の温度依存
性をみた。結果を表7に示す。
カーボネート:プロピレンカーボネート:エチルメチル
カーボネートの体積比1:1:2の混合溶媒を用いた以
外は実施例17と同様に電池を作製し評価を行った。結
果を表7に示す。
トと、ジエチルカーボネートとの体積比が1:1の混合
溶媒を用いた以外は実施例6と同様の条件により電池を
作製し評価を行った。結果を表7に示す。
ように、電解液溶媒に、エチレンカーボネート:ジエチ
ルカーボネートの1:1の混合溶媒を用いた場合は−4
0℃では測定不能であったが、プロピレンカーボネート
と、エチレンカーボネートと、ジエチルカーボネートと
の体積比1:1:2の混合溶媒を用いた場合、−40℃
という低温においても電池の作動が可能であり、幅広い
温度範囲にて作動する電池が作成可能であることがわか
る。
トを使用することによりさらに低温特性の優れた電池が
得られることがわかる。
6に用いた旧ソ連産天然黒鉛を用い、堆積時間を6時間
とした以外は実施例1と同様の条件にて黒鉛粒子の表面
を熱分解炭素にて被覆した。重量比による非晶質炭素/
(非晶質炭素+黒鉛粒子)は0.11であった。得られ
た炭素材料の物性値を測定した結果、粒径は16μm、
d002=0.336nm、Lc=21nm、La=1
7nmであり、R値は0.82であった。本材料を用い
て実施例1と同様に電極を作製し、電解液としてプロピ
レンカーボネート:ジエチルカーボネート=1:1混合
溶媒に1mol/dm3の過塩素酸リチウムを溶解した
ものを用いた以外は実施例1と同様に電極の評価を行っ
た結果、放電容量295mAh/g、初回の充放電効率
75.6%であり、ECを含まない電解液においても十
分な容量が得られることを確認した。この材料を用いて
電池を作製するために、得られた炭素材料の粒径をそろ
えたのち、活物質100重量部に対して結着材のPVD
Fを8重量部加えN−メチル−2−ピロリドンを加え混
練機にて混練し、負極の合材ペーストを得た。このよう
にして得られたペーストをドクターブレード装置にて1
8μmの銅箔状に塗布し、乾燥後、ローラープレスによ
りプレスし、負極の電極を得た。得られた電極を15φ
に打ち抜き、実施例17と同様に電池を20個作製し、
実施例16と同様の充放電条件により電池の充放電試験
を行った。すべての電池が正常に動作し、20サイクル
後の電池を観察した結果、電池の膨れは観察されなかっ
た。また最も高い容量を示した電池について、−20℃
での容量を確認し、低温特性を調べた結果、容量比−2
0℃/25℃は0.980であった。
ネート:ジエチルカーボネート=1:1混合溶媒に1m
ol/dm3のLiPF6を溶解したものを用いた以外は
実施例19と同様にして電池を20個作製した。実施例
19と同じく充放電試験を行った結果、2個の電池が充
電ができず、また正常に作動した電池の内、3個の電池
に膨れが観察された。最も高い容量を示した電池につい
て、−20℃での容量を確認し、低温特性を調べた結
果、容量比−20℃/25℃は0.983であった。
が優先して起こり、充放電ができないプロピレンカーボ
ネート:ジエチルカーボネート=1:1の混合溶媒にお
いても充放電が可能なことが確認された材料で合っても
実際に電池を作製した場合には、エチレンカーボネート
が含まれる電解液としたほうが、電池の歩留まりが向上
することがわかる。これは、粒子をそろえる、或いは混
練、塗工、プレスの電池作製の際に表面を被覆していた
炭素が剥離するなどの理由により黒鉛の新しい活性面が
露出し、プロピレンカーボネートの分解を引き起こした
ためであると考えられる。また低温特性についても実施
例19と比較例10の間には差はなく、実用上問題が無
いことが確認できた。
位の平坦性に優れた黒鉛材料を用い、かつ低温特性に優
れた電池を作製することができる。本発明の組み合わせ
を採用することにより従来プロピレンカーボネートの分
解を引き起こすと思われていた活性点をすべて低結晶性
の炭素で被覆する必要はなくなり、低結晶性の炭素に炭
素に対する黒鉛の比率を上げることができ、より高容量
の電池が得ることが可能となる。
せた後に、粉砕等の工程によりある程度黒鉛の新しい面
が露出しても本願の負極材料と電解液の組み合わせを採
用することにより、電解液の分解は顕著ではなくなるた
め、黒鉛粒子の表面に低結晶性の炭素が付着した複合材
料の製造方法の自由度があがる。
覆しているものにとっも、歩留まりの向上という観点か
ら有用であるが、黒鉛表面に付着している非晶質炭素の
被覆率が100%未満である場合にこの組み合わせの効
果は顕著である。
る。
量、および充放電効率を示す図である。
る。
Claims (11)
- 【請求項1】 表面に非晶質炭素を付着させた黒鉛粒子
を負極活物質に使用すると共に、有機電解液を用いた非
水系二次電池において、 上記有機電解液は少なくともエチレンカーボネートと、
プロピレンカーボネートとを含むことを特徴とする非水
系二次電池。 - 【請求項2】 上記黒鉛粒子が、X線広角回折法による
(002)面の平均面間隔(d002)が0.335〜
0.340nm、(002)面方向の結晶子厚み(L
c)が10nm以上、(110)面方向の結晶子厚み
(La)が10nm以上であることを特徴とする請求項
1記載の非水系二次電池。 - 【請求項3】 上記黒鉛粒子のアルゴンレーザーラマン
による、1580cm-1に対する1360cm-1のピー
クの強度比が0.4以下であり、上記非晶質炭素付着後
の上記強度比が0.4より大きいことを特徴とする請求
項1又は2記載の非水系二次電池。 - 【請求項4】 上記黒鉛粒子に対する前記黒鉛粒子の表
面に付着している上記非晶質炭素の比率、非晶質炭素/
(黒鉛粒子+非晶質炭素)が、重量比で20%以下であ
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非
水系二次電池。 - 【請求項5】 上記エチレンカーボネート(EC)に対
する上記プロピレンカーボネート(PC)の比PC/
(PC+EC)が、体積比で0.1〜0.9であること
を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水系二
次電池。 - 【請求項6】 上記エチレンカーボネート(EC)に対
する上記プロピレンカーボネート(PC)の比PC/
(PC+EC)が、体積比で0.4〜0.9であること
を特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水系二
次電池。 - 【請求項7】 上記電解液溶媒はエチレンカーボネート
とプロピレンカーボネートと低粘度の第三溶媒からな
り、低粘度の第三溶媒を全溶媒に対して体積比で0.2
〜0.8含有することを特徴とする請求項1〜6のいず
れかに記載の非水系二次電池。 - 【請求項8】 電解液溶媒に第三溶媒を含みかつエチレ
ンカーボネートが全溶媒に対して体積比で0.4以下で
あることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の
非水系二次電池。 - 【請求項9】 上記エチレンカーボネートに対する上記
プロピレンカーボネートの比が、体積比で0.4〜0.
8であり、プロピレンカーボネートの量が全溶媒に対し
て体積比で0.4以下であることを特徴とする請求項1
〜8のいずれかに記載の非水系二次電池。 - 【請求項10】 上記第三溶媒がエチルメチルカーボネ
ートであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに
記載の非水系二次電池。 - 【請求項11】 上記黒鉛粒子の表面に付着している非
晶質炭素材料が、炭化水素類の気相熱分解による堆積に
より形成されたことを特徴とする請求項1〜10のいず
れかに記載の非水系二次電池。
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