JP2002198038A - Manufacturing method of metal doped carbonaceous thin- film negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary cell, metal doped carbonaceous thin-film negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary cell and nonaqueous electrolyte secondary cell using above - Google Patents
Manufacturing method of metal doped carbonaceous thin- film negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary cell, metal doped carbonaceous thin-film negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary cell and nonaqueous electrolyte secondary cell using aboveInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解液二次電
池に関し、特に金属ドープにより負極を改良した非水電
解液二次電池、該負極ならびに該負極の作製方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode improved by metal doping, the negative electrode, and a method of manufacturing the negative electrode.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、リチウムイオンを可逆的な電気化
学反応によって、吸蔵・放出する炭素材料負極を用いた
高エネルギー密度の非水電解液二次電池が実用化され、
各種のポータブル電子機器電源として広汎に使用されて
いる。これらの炭素材料としては、天然黒鉛の他、石油
ピッチ、コールタールピッチ、ニードルコークス、縮合
多環芳香族炭化水素化合物、メソフェーズカーボンマイ
クロビーズ、メソフェーズカーボンファイバーなどの易
黒鉛性炭素体を2500℃以上、好ましくは3000℃
以上の高温で熱処理した人造黒鉛系炭素が充放電サイク
ル特性、吸蔵リチウムイオンの有効利用率、放電電圧の
平坦性など点で優れており、好適に使用される。この中
でも特にメソフェーズカーボン材料は大電流での充放電
特性にも優れた特性を示すことから、最適な炭素負極材
料として知られている。しかしながら、これらの黒鉛構
造の発達した炭素材料では、第1ステージの黒鉛層間化
合物C6Liに相当する300〜370 mAh / gの放電
容量しか得られていない。また、3000℃近い熱処理
を必要とすることから、処理設備コスト、およびエネル
ギーコスト、生産性の点で工業的には不利な材料であっ
た。2. Description of the Related Art In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries with a high energy density using a carbon material negative electrode that occludes and releases lithium ions by a reversible electrochemical reaction have been put into practical use.
It is widely used as a power source for various portable electronic devices. As these carbon materials, in addition to natural graphite, petroleum pitch, coal tar pitch, needle coke, condensed polycyclic aromatic hydrocarbon compounds, mesophase carbon microbeads, mesophase carbon fibers, and other easily graphitic carbon materials are used at 2500 ° C or higher. , Preferably 3000 ° C
The artificial graphite-based carbon heat-treated at the above-mentioned high temperature is excellent in charge-discharge cycle characteristics, effective utilization rate of occluded lithium ions, flatness of discharge voltage, and the like, and is preferably used. Among them, the mesophase carbon material is known as an optimal carbon anode material because it exhibits excellent charge / discharge characteristics under a large current. However, these carbon materials having a developed graphite structure can only provide a discharge capacity of 300 to 370 mAh / g corresponding to the first-stage graphite intercalation compound C 6 Li. Further, since a heat treatment near 3000 ° C. is required, it is an industrially disadvantageous material in terms of processing equipment cost, energy cost, and productivity.
【0003】一方、上記の易黒鉛性炭素材料、もしくは
難黒鉛性炭素原料を1000〜2000℃の比較的低温
下で熱処理された非晶質に近い炭素材料の中には、37
0 mAh / g以上、最大700 mAh / g 近くの大容量を
発現する材料が見出されているが、容量は大きいもの
の、電気化学的な可逆性に劣り、吸蔵されたリチウムイ
オンの利用率が低いことが課題となっている。On the other hand, among the above graphitizable carbon materials or non-graphitizable carbon materials which have been heat-treated at a relatively low temperature of 1000 to 2000 ° C., there are 37 amorphous carbon materials.
Materials exhibiting a large capacity of 0 mAh / g or more and up to about 700 mAh / g have been found. However, although the capacity is large, the electrochemical reversibility is poor and the utilization rate of the stored lithium ions is low. Low is an issue.
【0004】この問題を解決するためカーボン中にカー
ボンより大きな容量を持つ異種元素を添加する方法が提
案されている。ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル
・ソサイエティー誌、第141巻、907頁には、カー
ボンのホウ素置換によって放電容量の増加とリチウムの
脱挿入電位が高電位側にシフトすることが報告されてい
る。また、電気化学および工業物理化学誌、第64巻、
917頁および同1181頁には、CVD法により窒素
添加したカーボンが優れた負極特性を示すと報告されて
いる。さらに、ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル
・ソサイエティー誌、第142巻、326頁には、カー
ボンの非晶質部分に珪素微粒子を添加したカーボンの負
極としての可逆容量が増加することが報告されている。
しかしながら、これらの材料では、充分な負極材料の改
善効果が得られていない。[0004] In order to solve this problem, a method has been proposed in which a different element having a larger capacity than carbon is added to carbon. Journal of Electrochemical Society, Vol. 141, p. 907 reports that the substitution of carbon for boron increases the discharge capacity and shifts the lithium insertion / extraction potential to the higher potential side. Also, Journal of Electrochemistry and Industrial Physical Chemistry, Vol. 64,
It is reported on pages 917 and 1181 that carbon doped with nitrogen by CVD exhibits excellent negative electrode properties. Further, Journal of Electrochemical Society, Vol. 142, p. 326 reports that the reversible capacity of carbon as a negative electrode in which silicon fine particles are added to an amorphous portion of carbon increases.
However, with these materials, a sufficient effect of improving the negative electrode material has not been obtained.
【0005】さらに、上述の炭素負極材料は通常粉末状
もしくは繊維状であり、電池用電極として用いるために
は適当なバインダーともに成形する必要がある。小型コ
イン型電池であれば、通常ペレット状、大電流用円筒型
電池であれば金属集電体箔状に塗膜としてバインダーと
ともに成形される。この際、通常バインダーはポリオレ
フィン、含フッ素ポリマー、ポリイミドなどの電気絶縁
性の有機ポリマーであるため、成形後の電極体内の電気
抵抗が上昇してしまい、大電流放電での電池の出力を阻
害する一因となっていた。また、長期の信頼性という点
においても、バインダー材料の電解液に対する膨潤もし
くは溶解現象や、電気化学的反応による劣化によって一
部の炭素材料の剥がれ、欠け、脱離等が長期間の使用に
よって進行し、電池の性能劣化を引き起こすという問題
があった。従って、このような電池活物質として有用な
炭素材料の特性を十分に引き出すような高性能負極なら
びにその作製方法が熱望されていた。Further, the above-mentioned carbon anode material is usually in the form of powder or fiber, and must be molded together with a suitable binder in order to be used as a battery electrode. In the case of a small coin-type battery, it is usually formed into a pellet shape, and in the case of a cylindrical battery for a large current, a metal current collector foil is formed as a coating film together with a binder. At this time, since the binder is usually an electrically insulating organic polymer such as a polyolefin, a fluorine-containing polymer, or a polyimide, the electric resistance in the electrode body after the molding increases, which hinders the output of the battery in a large current discharge. Had contributed. Also, in terms of long-term reliability, peeling, chipping, desorption, etc. of some carbon materials due to swelling or dissolving phenomena of the binder material in the electrolytic solution and deterioration due to electrochemical reaction have progressed over a long period of use. However, there is a problem that the performance of the battery is deteriorated. Therefore, a high-performance negative electrode and a method for producing the same, which sufficiently bring out the properties of a carbon material useful as a battery active material, have been eagerly desired.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明の第一の目的
は、電気抵抗の上昇を引き起こすバインダー樹脂を使用
することなく金属元素をドープした炭素質負極を形成す
る方法を提供することにある。本発明の第二の目的は、
可逆容量に優れ、充放電速度が速く、作動信頼性が高
い、充放電サイクル特性に優れかつ大容量を発現しうる
非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質負極材ならびに
それを用いた非水電解液二次電池を提供することにあ
る。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming a carbonaceous negative electrode doped with a metal element without using a binder resin which causes an increase in electric resistance. A second object of the present invention is to
A metal-doped carbonaceous negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery that has excellent reversible capacity, high charge / discharge speed, high operation reliability, excellent charge / discharge cycle characteristics and can exhibit large capacity, and a non-aqueous material using the same An object of the present invention is to provide a water electrolyte secondary battery.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために炭素材料のドーパントを添加した負極
の作製方法に力点を置いて検討を重ねた。その結果、
(1)不揮発性炭素含有化合物および金属化合物を有機
溶媒に溶解ないし分散してなる塗工液を、集電体上に塗
布・加熱処理して作製することを特徴とする非水電解液
二次電池用金属ドープ炭素質薄膜負極の作製方法、
(2)不揮発性炭素含有化合物および金属化合物を含む
が結着剤を含まない塗工液を使用することを特徴とする
(1)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質
薄膜負極の作製方法、(3)金属化合物の金属元素と金
属リチウムとの混合エンタルピーが負の値を有する金属
の金属化合物を使用することを特徴とする(1)乃至
(2)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質
薄膜負極の作製方法、(4)金属化合物の金属元素がマ
グネシウム、アルミニウム、珪素、カルシウム、銅、亜
鉛、ガリウム、ゲルマニウム、砒素、ストロンチウム、
ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、
錫、アンチモン、バリウム、イリジウム、白金、金、水
銀、タリウム、鉛、ビスマスから選ばれるものであるこ
とを特徴とする(3)に記載の非水電解液二次電池用金
属ドープ炭素質薄膜負極の作製方法、(5)易黒鉛性炭
素体がメソフェーズピッチカーボンであることを特徴と
する(1)乃至(4)に記載の非水電解液二次電池用金
属ドープ炭素質薄膜負極の作製方法、(6)有機溶媒が
ピリジン、キノリン、ピロリドン、ジメチルフォルムア
ミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォキシ
ド、シクロヘキサノンを含むことを特徴とする(1)乃
至(5)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素
質薄膜負極の作製方法、(7)加熱処理温度が500〜
2000℃の範囲であることを特徴とする(1)乃至
(6)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質
薄膜負極の作製方法、(8)加熱処理雰囲気が不活性雰
囲気であることを特徴とする(1)乃至(7)に記載の
非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質薄膜負極の作製
方法、(9)集電体上に結着剤を含まずにリチウムイオ
ンを電気化学的に吸蔵・放出し得る金属ドープした炭素
質膜を設けてなることを特徴とする非水電解液二次電池
用金属ドープ炭素質負極、(10)リチウムイオンを電
気化学的に吸蔵・放出し得る結着剤を含まない金属ドー
プした炭素質膜が不揮発性炭素含有化合物および金属化
合物を有機溶媒に溶解ないし分散してなる塗工液を、集
電体上に塗布・加熱処理して得られたものであることを
特徴とする(9)に記載の非水電解液二次電池用金属ド
ープ炭素質負極、(11)金属化合物の金属元素と金属
リチウムとの混合エンタルピーが負の値を有する金属元
素の金属化合物を使用することを特徴とする(9)乃至
(10)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素
質負極、(12)金属化合物の金属元素がマグネシウ
ム、アルミニウム、珪素、カルシウム、銅、亜鉛、ガリ
ウム、ゲルマニウム、砒素、ストロンチウム、ロジウ
ム、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、錫、ア
ンチモン、バリウム、イリジウム、白金、金、水銀、タ
リウム、鉛、ビスマスから選ばれるものであることを特
徴とする(11)に記載の非水電解液二次電池用金属ド
ープ炭素質負極、(13)不揮発性炭素含有化合物が易
黒鉛性炭素体であることを特徴とする(9)乃至(1
2)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質負
極、(14)易黒鉛性炭素体がメソフェーズピッチカー
ボンであることを特徴とする(13)に記載の非水電解
液二次電池用金属ドープ炭素質負極、(15)有機溶媒
がピリジン、キノリン、ピロリドン、ジメチルフォルム
アミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォキシ
ド、シクロヘキサノンを含むことを特徴とする(9)乃
至(14)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭
素質負極、(16)加熱処理温度が500〜2000℃
の範囲であることを特徴とする(9)乃至(15)に記
載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質負極、(1
7)加熱処理雰囲気が不活性雰囲気であることを特徴と
する(9)乃至(16)に記載の非水電解液二次電池用
金属ドープ炭素質負極、(18)不揮発性炭素含有化合
物を含むが結着剤を含まない有機溶媒を電子伝導性の箔
状集電帯上に塗布した後、焼成して得られることを特徴
とする(9)乃至(17)に記載の非水電解液二次電池
用金属ドープ炭素質負極、(19)不揮発性炭素含有化
合物を含むが結着剤を含まない有機溶媒を電子伝導性の
多孔体から成る集電体中に含浸塗布した後、焼成して得
られることを特徴とする(9)乃至(18)に記載の非
水電解液二次電池用金属ドープ炭素質負極、(20)集
電体がステンレスであることを特徴とする(9)乃至
(19)に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素
質負極、(21)正極と、集電体上に結着剤を含まずに
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得る金属ド
ープ炭素質膜を設けてなる負極と、非水溶液電解液とを
具備してなることを特徴とする非水電解液二次電池、
(22)結着剤を含まない金属ドープ炭素質膜を設けて
なる負極が、不揮発性炭素含有化合物および金属化合物
を有機溶媒に溶解ないし分散してなる塗工液を、集電体
上に塗布・加熱処理して得られたものであることを特徴
とする(21)に記載の非水電解液二次電池、(23)
金属化合物の金属元素と金属リチウムとの混合エンタル
ピーが負の値を有する金属元素の金属化合物を使用する
ことを特徴とする(21)乃至(22)に記載の非水電
解液二次電池、(24)金属化合物の金属元素がマグネ
シウム、アルミニウム、珪素、カルシウム、銅、亜鉛、
ガリウム、ゲルマニウム、砒素、ストロンチウム、ロジ
ウム、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、錫、
アンチモン、バリウム、イリジウム、白金、金、水銀、
タリウム、鉛、ビスマスから選ばれるものであることを
特徴とする(23)に記載の非水電解液二次電池、(2
5)有機溶媒がピリジン、キノリン、ピロリドン、ジメ
チルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチル
スルフォキシド、シクロヘキサノンを含むことを特徴と
する(21)乃至(24)に記載の非水電解液二次電
池、(26)加熱処理温度が500〜2000℃の範囲
であることを特徴とする(21)乃至(25)に記載の
非水電解液二次電池、(27)加熱処理雰囲気が不活性
雰囲気であることを特徴とする(21)乃至(26)に
記載の非水電解液二次電池、(28)不揮発性炭素含有
化合物を含む有機溶媒溶液を電子伝導性の箔状集電帯上
に塗布した後、焼成して得られた負極を用いることを特
徴とする(21)乃至(27)に記載の非水電解液二次
電池、(29)不揮発性炭素含有化合物を含む有機溶媒
を電子伝導性の多孔体から成る集電体中に含浸塗布した
後、焼成して得られた負極を用いることを特徴とする
(21)乃至(28)に記載の非水電解液二次電池、
(30)集電体がステンレスであることを特徴とする
(21)乃至(29)に記載の非水電解液二次電池、以
上が、前記の課題を解決することを見いだし、本発明の
完成に至った。Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have studied with emphasis on a method of manufacturing a negative electrode to which a dopant of a carbon material is added. as a result,
(1) A non-aqueous electrolyte secondary characterized by being prepared by applying and heating a coating solution obtained by dissolving or dispersing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound in an organic solvent on a current collector. Method for producing metal-doped carbon thin film negative electrode for battery,
(2) The metal-doped carbon thin film for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to (1), wherein a coating liquid containing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound but not containing a binder is used. (3) The non-aqueous method according to (1) or (2), wherein (3) a metal compound of a metal having a negative enthalpy of mixing a metal element of the metal compound and metal lithium has a negative value. A method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for an electrolyte secondary battery, (4) the metal element of the metal compound is magnesium, aluminum, silicon, calcium, copper, zinc, gallium, germanium, arsenic, strontium,
Rhodium, palladium, silver, cadmium, indium,
The metal-doped carbon thin film negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to (3), which is selected from tin, antimony, barium, iridium, platinum, gold, mercury, thallium, lead, and bismuth. (5) The method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to (1) to (4), wherein the graphitizable carbon body is mesophase pitch carbon. And (6) the nonaqueous electrolyte secondary battery according to (1) to (5), wherein the organic solvent includes pyridine, quinoline, pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and cyclohexanone. Method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for use, (7) a heat treatment temperature of 500 to
The method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (1) to (6), wherein the temperature is in the range of 2000 ° C .; The method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (1) to (7), (9) lithium containing no binder on the current collector A metal-doped carbonaceous negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising a metal-doped carbonaceous film capable of electrochemically storing and releasing ions, (10) electrochemically converting lithium ions A coating liquid comprising a non-volatile carbon-containing compound and a metal compound dissolved or dispersed in an organic solvent in a metal-doped carbonaceous film that does not contain a binder that can be occluded / released is coated on a current collector and heated. To (9), which is obtained by A metal-doped carbonaceous negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery as described in (11), characterized by using a metal compound of a metal element having a negative enthalpy of mixing the metal element and the metal lithium of the metal compound. (9) The metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to (10), (12) the metal element of the metal compound is magnesium, aluminum, silicon, calcium, copper, zinc, gallium, germanium, arsenic , Strontium, rhodium, palladium, silver, cadmium, indium, tin, antimony, barium, iridium, platinum, gold, mercury, thallium, lead, and bismuth. (13) The metal-doped carbonaceous negative electrode for an aqueous electrolyte secondary battery, wherein (13) the nonvolatile carbon-containing compound is a graphitizable carbon. To (1
The metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to 2), (14) the nonaqueous electrolyte secondary battery according to (13), wherein the graphitizable carbon is mesophase pitch carbon. (15) The metal-doped carbonaceous negative electrode for a battery, (15) wherein the organic solvent contains pyridine, quinoline, pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and cyclohexanone. Metal-doped carbonaceous negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, (16) heat treatment temperature of 500 to 2000 ° C
The metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of (9) to (15), wherein
7) The metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of (9) to (16), wherein the heat treatment atmosphere is an inert atmosphere, and (18) a nonvolatile carbon-containing compound. Is obtained by applying an organic solvent not containing a binder onto an electron-conductive foil-like current collector and then sintering the same. (9) to (17) A metal-doped carbonaceous negative electrode for a secondary battery, (19) an organic solvent containing a nonvolatile carbon-containing compound but not containing a binder is impregnated and applied to a current collector made of an electron-conductive porous body, and then fired. (9) to (18), wherein the metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to (9) to (18), and (20) the current collector is stainless steel. (19) a metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to (19), And a negative electrode provided with a metal-doped carbonaceous film capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions without a binder on a current collector, and a non-aqueous electrolyte. Characteristic non-aqueous electrolyte secondary battery,
(22) A negative electrode provided with a metal-doped carbonaceous film containing no binder is coated on a current collector with a coating solution obtained by dissolving or dispersing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound in an organic solvent. -The nonaqueous electrolyte secondary battery according to (21), which is obtained by heat treatment, (23)
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (21) to (22), wherein a metal compound of a metal element having a negative enthalpy of mixing of the metal element and the metal lithium of the metal compound has a negative value. 24) The metal element of the metal compound is magnesium, aluminum, silicon, calcium, copper, zinc,
Gallium, germanium, arsenic, strontium, rhodium, palladium, silver, cadmium, indium, tin,
Antimony, barium, iridium, platinum, gold, mercury,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to (23), wherein the secondary battery is selected from thallium, lead, and bismuth.
5) The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of (21) to (24), wherein the organic solvent includes pyridine, quinoline, pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and cyclohexanone. 26) The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (21) to (25), wherein the heat treatment temperature is in the range of 500 to 2000 ° C., (27) the heat treatment atmosphere is an inert atmosphere. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of (21) to (26), wherein (28) an organic solvent solution containing a nonvolatile carbon-containing compound is applied on an electron-conductive foil-like current collector. A nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of (21) to (27), wherein the negative electrode obtained by firing is used; porous After impregnation applied in the current collector made of a non-aqueous electrolyte secondary battery according to, characterized by using a negative electrode obtained by firing (21) through (28),
(30) The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of (21) to (29), wherein the current collector is made of stainless steel. Reached.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】本発明の不揮発性炭素含有化合物
としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピ
ッチや乾留液化油などの石炭系重質油や、常圧残油、減
圧残油等の直流系重質油、原油、ナフサなどの熱分解時
に副生するエチレンタール等分解系重質油等の石油系重
質油が挙げられる。さらにアセナフチレン、デカシクレ
ン、アントラセンなどの芳香族炭化水素、フェナジンや
アクリジンなどのN環化合物、チオフェンなどのS環化
合物、30MPa以上の加圧が必要となるがアダマンタ
ンなどの脂環、ビフェニルやテルフェニルなどのポリフ
ェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコールなど
の高分子があげられる。また、セルロースや糖類などの
天然高分子、ポリフェニレンサイルファイド、ポリフェ
ニレンオキシド等の熱可塑性樹脂、フルフリルアルコー
ル樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹
脂等の熱硬化性樹脂なども挙げることができる。とりわ
け、易黒鉛性炭素体はかかる不揮発性炭素含有化合物と
して好適に使用される。また、メソフェーズピッチカー
ボンは不揮発性炭素含有化合物として最も好適に使用さ
れる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The non-volatile carbon-containing compound of the present invention includes coal-based heavy oil such as coal tar pitch from soft pitch to hard pitch, dry distillation liquefied oil, etc .; Heavy oil such as ethylene tar and other heavy oils which are by-produced during thermal cracking of crude oil, naphtha and the like. Further, aromatic hydrocarbons such as acenaphthylene, decacyclene, and anthracene; N-ring compounds such as phenazine and acridine; S-ring compounds such as thiophene; alicyclic rings such as adamantane, biphenyl and terphenyl; Polymers such as polyphenylene, polyvinyl chloride and polyvinyl alcohol. Further, natural polymers such as cellulose and saccharides, thermoplastic resins such as polyphenylene sulfide, and polyphenylene oxide, and thermosetting resins such as furfuryl alcohol resin, phenol-formaldehyde resin, and imide resin can also be used. In particular, an easily graphitizable carbon body is suitably used as such a non-volatile carbon-containing compound. Mesophase pitch carbon is most preferably used as a non-volatile carbon-containing compound.
【0009】炭素材料に金属をドープするために使用す
る金属化合物としては、金属塩、有機金属化合物、金属
錯体などがあげられ用いられる。金属塩の例としては、
塩化カルシウム、ヨウ化錫に代表されるハロゲン化金
属、硝酸銀、硝酸ストロンチウムに代表される硝酸塩金
属、硫酸銅、硫酸ニッケルに代表される硫酸塩金属を初
めとする金属塩化合物が挙げられ使用される。有機金属
化合物としては、置換、未置換のアルキル基、置換、未
置換のアリール基、置換、未置換のアルコキシ基等を有
する金属化合物が使用できる。金属錯体としては、金属
フタロシアニン、金属ポルフィリンを初めとする有機金
属錯体や、フェロシアン化カリウム、プルシアンブルー
に代表される無機金属錯体があげられる。このような金
属化合物は、上記の不揮発性炭素含有化合物とともに下
記の処理を行うことで、目的とする金属ドープした炭素
質負極を形成する。このとき、金属がどのような形態で
炭素質膜中に存在するかは明確でないが、脱挿入する金
属イオンと相互作用を持つことができる状態にあると考
えられる。The metal compound used for doping the carbon material with a metal includes metal salts, organometallic compounds, metal complexes and the like. Examples of metal salts include:
Metal salt compounds such as calcium chloride, metal halide represented by tin iodide, silver nitrate represented by silver nitrate, strontium nitrate, and sulfate metal represented by copper sulfate and nickel sulfate are used. . As the organic metal compound, a metal compound having a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted alkoxy group, or the like can be used. Examples of the metal complex include an organic metal complex such as a metal phthalocyanine and a metal porphyrin, and an inorganic metal complex represented by potassium ferrocyanide and Prussian blue. Such a metal compound forms the target metal-doped carbonaceous negative electrode by performing the following treatment together with the above-mentioned nonvolatile carbon-containing compound. At this time, it is not clear what form the metal is in the carbonaceous film, but it is considered that the metal can interact with the metal ion to be inserted and removed.
【0010】炭素質負極にドープする金属は、リチウム
との混合エンタルピーが負の値を有するものであると良
好な結果が得られる。この理由は定かでないが、負極に
挿入されるリチウムイオンと固溶体を形成するのでない
かと推測される。金属同士の混合エンタルピーは、例え
ば、カルファド誌、第31巻、51頁に記載の数値をも
とに考えることができる。このような金属元素の中で
も、とりわけマグネシウム、アルミニウム、珪素、カル
シウム、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、砒素、ス
トロンチウム、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウ
ム、インジウム、錫、アンチモン、バリウム、イリジウ
ム、白金、金、水銀、タリウム、鉛、ビスマスから選ば
れるものが良好な結果を与える。Good results can be obtained when the metal doped into the carbonaceous negative electrode has a negative enthalpy of mixing with lithium. The reason for this is not clear, but is presumed to form a solid solution with lithium ions inserted into the negative electrode. The enthalpy of mixing between metals can be considered, for example, based on numerical values described in Calfado Magazine, Vol. 31, p. Among such metal elements, magnesium, aluminum, silicon, calcium, copper, zinc, gallium, germanium, arsenic, strontium, rhodium, palladium, silver, cadmium, indium, tin, antimony, barium, iridium, platinum, gold , Mercury, thallium, lead and bismuth give good results.
【0011】以上の各材料は真空蒸気吸着法、スパッタ
リング法、化学蒸気堆積(CVD)法等の真空薄膜作製
法にて集電体上に製膜しても良いし、有機溶媒に溶解な
いしは分散させて塗工液を作製し、これを集電体上に塗
布・加熱処理することで目的とする金属ドープしたカー
ボン薄膜電極を作製してもよい。ただし、工業的に云う
なら、後者の方法が大量生産に好適であることはあえて
言及するまでもない。The above materials may be formed on a current collector by a vacuum thin film forming method such as a vacuum vapor adsorption method, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or may be dissolved or dispersed in an organic solvent. Then, a coating liquid may be prepared, and the resulting coating liquid may be coated on a current collector and subjected to a heat treatment to prepare a target metal-doped carbon thin film electrode. However, it is needless to mention that the latter method is suitable for mass production in industrial terms.
【0012】有機溶媒には公知のものが全て使えるが、
特にピリジン、キノリン、ピロリドン、ジメチルフォル
ムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォキ
シド、シクロヘキサノンを少なくとも含む有機溶媒を使
用すると前記の不揮発性炭素含有化合物を好適に溶解な
いしは分散した塗工液が作製できる。これらの有機溶媒
と併用しても良い有機溶媒としては、メタノール、エタ
ノールに代表されるアルコール類、アセトン、2−ブタ
ノンに代表されるケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルに
代表されるエステル類、ジエチルエーテル、テトラヒド
ロフラン、ジオキサンに代表されるエーテル類、トリエ
チルアミン、エチレンジアミンに代表されるアミン類な
どが挙げられ使用される。Although all known organic solvents can be used,
In particular, when an organic solvent containing at least pyridine, quinoline, pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and cyclohexanone is used, a coating liquid in which the above-mentioned nonvolatile carbon-containing compound is suitably dissolved or dispersed can be prepared. Organic solvents that may be used in combination with these organic solvents include alcohols represented by methanol, ethanol, ketones represented by acetone, 2-butanone, esters represented by ethyl acetate, butyl acetate, and diethyl. Ethers such as ether, tetrahydrofuran and dioxane, amines such as triethylamine and ethylenediamine, and the like are used.
【0013】上記の不揮発性炭素含有化合物および金属
化合物を上記の有機溶媒と混合撹拌、あるいは分散する
ことで目的とする塗工液を得ることができる。両者を混
合する際には、加熱撹拌しても良いし、あるいはボール
ミル、アトライター、遊星ミルに代表される分散装置を
用いて混合分散しても良い。The desired coating liquid can be obtained by mixing, stirring or dispersing the above-mentioned nonvolatile carbon-containing compound and metal compound with the above-mentioned organic solvent. When mixing both, heating and stirring may be performed, or mixing and dispersion may be performed using a dispersing device represented by a ball mill, an attritor, and a planetary mill.
【0014】塗工液は、好ましくは、分散粒子を含まな
い溶液が好適な膜を得るに最適であるが、分散粒子を含
む場合でも溶解成分があれば製膜した際に粒子間を溶解
成分に基づく炭素質が補うことで均一な膜が得られる。
分散液から分散粒子を取り除く方法としては、濾過、遠
心分離をはじめとする公知の手段が使用できる。また、
ソックスレー抽出をはじめとする材料から溶媒に可溶な
成分を抽出する手段も有用かつ効果的である。The coating liquid is preferably a solution containing no dispersed particles, and is most suitable for obtaining a suitable film. However, even if the coating solution contains dispersed particles, if there is a dissolved component, the dissolution component is formed between the particles when the film is formed. A uniform film can be obtained by supplementing the carbonaceous material based on.
As a method for removing the dispersed particles from the dispersion, known means such as filtration and centrifugation can be used. Also,
Means for extracting a component soluble in a solvent from a material such as Soxhlet extraction is also useful and effective.
【0015】このようにして準備された塗工液は、ブレ
ードコート、ワイヤーバーコート、スピンコート、スプ
レーコート、浸漬塗工、ビードコートをはじめとする公
知の塗工手段を用いて集電体上に塗布することができ
る。また、加熱した集電体と塗工液を含むノズル間に電
界を印加して製膜と加熱処理を同時に行うエレクトロス
タティックスプレーディポジション(ESD)法は、好
ましく使用される。The coating liquid thus prepared is applied to the current collector using a known coating means such as blade coating, wire bar coating, spin coating, spray coating, dip coating, or bead coating. Can be applied. An electrostatic spray deposition (ESD) method in which an electric field is applied between a heated current collector and a nozzle containing a coating liquid to simultaneously perform film formation and heat treatment is preferably used.
【0016】集電体上に塗布された液は加熱処理される
ことで、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得
る金属ドープ炭素質膜を形成する。このときの加熱処理
温度は、500〜2000℃の範囲であると良好な結果
が得られ、700〜1200℃の範囲であると更に良好
な結果が得られる。加熱処理の際は、空気雰囲気下でも
差し支えないが、窒素、アルゴン、ヘリウム等に代表さ
れる不活性ガス雰囲気で加熱処理を施すと更に良好な結
果を得ることができる。The liquid applied on the current collector is heated to form a metal-doped carbonaceous film capable of electrochemically absorbing and releasing lithium ions. Good results are obtained when the heat treatment temperature at this time is in the range of 500 to 2000 ° C, and even better results are obtained when the temperature is in the range of 700 to 1200 ° C. The heat treatment may be performed in an air atmosphere, but better results can be obtained by performing the heat treatment in an inert gas atmosphere represented by nitrogen, argon, helium, or the like.
【0017】集電体は、電子伝導性を有する材質であれ
ば公知のものが全て使用できるが、とりわけ非腐食性の
材質が好ましい。このような材質としては、導電性カー
ボン、金、白金、ステンレス等が挙げられるが、ステン
レスが好適に使用される。集電体の形状は、箔状あるい
は多孔質体が実用的である。As the current collector, any known materials having electron conductivity can be used, but non-corrosive materials are particularly preferable. Examples of such a material include conductive carbon, gold, platinum, and stainless steel, and stainless steel is preferably used. The shape of the current collector is practically a foil or a porous body.
【0018】このようにして作製される金属ドープ負極
と以下に説明する電解液、正極板を、その他の電池構成
要素であるセパレータ、ガスケット、集電体、封口板、
セルケース等と組み合わせてリチウムイオン二次電池を
構成する。作製可能な電池は筒型、角型、コイン型等特
に限定されるものではないが、基本的にはセル床板上に
集電体と負極材料を乗せ、その上に電解液とセパレータ
を、さらに負極と対向するように正極を乗せ、ガスケッ
ト、封口板と共にかしめて二次電池とする。The thus prepared metal-doped negative electrode, the electrolyte solution described below, and the positive electrode plate are combined with other battery components such as a separator, a gasket, a current collector, a sealing plate,
A lithium ion secondary battery is configured in combination with a cell case and the like. The battery that can be manufactured is not particularly limited, such as a cylindrical type, a square type, a coin type, but basically, a current collector and a negative electrode material are placed on a cell floor plate, and an electrolyte and a separator are further placed thereon. A positive electrode is placed so as to face the negative electrode, and caulked together with a gasket and a sealing plate to form a secondary battery.
【0019】電解液用に使用できる非水溶媒としては、
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、ジメチルカーボネート、エチルメチ
ルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、γ−ブチ
ロラクトン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロフラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン、スルホラン、1,
3−ジオキソラン等の有機溶媒の単独、または二種類以
上を混合したものを用いることができる。Non-aqueous solvents that can be used for the electrolyte include:
Propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, sulfolane, 1,
A single organic solvent such as 3-dioxolane or a mixture of two or more organic solvents can be used.
【0020】これらの溶媒に0.5〜2.0M程度のL
iClO4 ,LiPF6 ,LiBF 4 ,LiCF3SO3
,LiAsF6 等の電解質を溶解して電解液とする。
また、リチウムイオン等のアルカリ金属カチオンの導電
体である高分子固体電解質を、用いることもできる。正
極体の材料は、特に限定されないが、リチウムイオンな
どのアルカリ金属カチオンを充放電時に吸蔵、放出でき
る金属カルコゲン化合物からなることが好ましい。その
様な金属カルコゲン化合物としては、バナジウムの酸化
物、バナジウムの硫化物、モリブデンの酸化物、モリブ
デンの硫化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化物、チ
タンの酸化物、チタンの硫化物及びこれらの複合酸化
物、複合硫化物等が挙げられる。好ましくは、Cr
3O8, V2O5,V5O13, VO2, Cr2O5, MnO2, T
iO2, MoV2O8, TiS2, V2 S5, MoS2, Mo
S3, VS2, Cr0.25V0.75S2, Cr0.5V0.5 S2 等
である。また、LiMY2 (Mは、Co,Ni等の遷移
金属YはO,S等のカルコゲン化合物),LiM2Y4
(MはMn,YはO),WO3 等の酸化物、CuS,F
e0.25V0.75S2, Na0.1CrS2 等の硫化物、NiP
S3, FePS3 等のリン、硫黄化合物、VSe2, Nb
Se3 等のセレン化合物等を用いることもできる。これ
らを以下に記す結着剤と混合して集電体の上に塗布して
正極とする。In these solvents, L of about 0.5 to 2.0 M is added.
iCLOFour , LiPF6 , LiBF Four , LiCFThreeSOThree
, LiAsF6 Are dissolved to form an electrolyte.
In addition, the conductivity of alkali metal cations such as lithium ions
A solid polymer electrolyte which is a body can also be used. Correct
The material of the polar body is not particularly limited.
Which alkali metal cations can be stored and released during charge and discharge
It is preferable that the metal chalcogen compound be composed of a metal chalcogen compound. That
Oxidation of vanadium as a similar metal chalcogen compound
Material, vanadium sulfide, molybdenum oxide, molybdenum
Den sulfide, manganese oxide, chromium oxide, titanium
Oxide of tan, sulfide of titanium and their complex oxidation
And complex sulfides. Preferably, Cr
ThreeO8, VTwoOFive, VFiveO13, VOTwo, CrTwoOFive, MnOTwo, T
iOTwo, MoVTwoO8, TiSTwo, VTwo SFive, MoSTwo, Mo
SThree, VSTwo, Cr0.25V0.75STwo, Cr0.5V0.5 STwo etc
It is. Also, LiMYTwo (M is the transition of Co, Ni, etc.
Metal Y is a chalcogen compound such as O or S), LiMTwoYFour
(M is Mn, Y is O), WOThree Oxides such as CuS, F
e0.25V0.75STwo, Na0.1CrSTwo Such as sulfide, NiP
SThree, FePSThree Such as phosphorus, sulfur compounds, VSeTwo, Nb
SeThree And the like can also be used. this
These are mixed with the binder described below and applied on the current collector.
The positive electrode is used.
【0021】上記の目的で使用できる結着剤としては、
溶媒に対して安定な、ポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セル
ロース等の樹脂系高分子、スチレン・ブタジエンゴム、
イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレ
ンゴム等のゴム状高分子、スチレン・ブタジエン・スチ
レンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・イ
ソプレン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物
等の熱可塑性エラストマー状高分子、シンジオタクチッ
ク12−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合
体、プロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共
重合体等の軟質樹脂状高分子、ポリフッ化ビニリデン、
ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチ
レン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子、アルカリ
金属イオン、特にリチウムイオンのイオン伝導性を有す
る高分子組成物が挙げられる。Examples of the binder that can be used for the above purpose include:
Solvent-stable, polyethylene, polypropylene,
Polyethylene terephthalate, aromatic polyamide, resin-based polymers such as cellulose, styrene-butadiene rubber,
Rubbery polymers such as isoprene rubber, butadiene rubber, and ethylene / propylene rubber, styrene / butadiene / styrene block copolymers, their hydrogenated products, styrene / isoprene / styrene block copolymers, and their thermoplasticity such as their hydrogenated products Elastomeric polymers, soft resinous polymers such as syndiotactic 12-polybutadiene, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin (2 to 12 carbon atoms) copolymer, polyvinylidene fluoride,
Fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene and polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers; and polymer compositions having ion conductivity of alkali metal ions, particularly lithium ions, may be mentioned.
【0022】上記のイオン伝導性を有する高分子として
は、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等
のポリエーテル系高分子化合物、ポリエーテル化合物の
架橋体高分子、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスフ
ァゼン、ポリシロキサン、ポリビニルピロリドン、ポリ
ビニリデンカーボネート、ポリアクリロニトリル等の高
分子化合物に、リチウム塩、またはリチウムを主体とす
るアルカリ金属塩を複合させた系、あるいはこれに炭酸
プロピレン、炭酸エチレン、γ−ブチロラクトン等の高
い誘電率を有する有機化合物を配合した系を用いること
ができる。この様な、イオン伝導性高分子組成物の室温
におけるイオン導電率は、好ましくは10-5S/cm以
上、さらに好ましくは10-3S/cm以上である。Examples of the polymers having ion conductivity include polyether polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, crosslinked polymers of polyether compounds, polyepichlorohydrin, polyphosphazene, polysiloxane, polyvinylpyrrolidone, and the like. Polyvinylidene carbonate, a system in which a lithium salt, or a lithium-based alkali metal salt is composited with a polymer compound such as polyacrylonitrile, or a high dielectric constant such as propylene carbonate, ethylene carbonate, and γ-butyrolactone A system containing an organic compound can be used. The ionic conductivity of such an ion-conductive polymer composition at room temperature is preferably 10 -5 S / cm or more, and more preferably 10 -3 S / cm or more.
【0023】電解液を保持するセパレータは、一般的に
保液性に優れた材料であり、例えば、ポリオレフィン系
樹脂の不織布や多孔性フィルムなどを使用して、上記電
解液を含浸させることで機能を発現する。The separator for holding the electrolyte is generally a material having excellent liquid retention properties. For example, the separator is impregnated with the above electrolyte using a nonwoven fabric or a porous film of a polyolefin resin. Is expressed.
【0024】[0024]
【実施例】次に実施例により本発明を詳細に説明する
が、実施例は本発明を詳しく説明するためのものであ
り、本発明がこれらの実施例によってなんらの制約も受
けないことは断るまでもない。なお、ここに云う部は全
て重量部である。Next, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the examples are for describing the present invention in detail, and it is refused that the present invention is not limited by these examples. Not even. All parts mentioned here are parts by weight.
【0025】(実施例−1)メソフェーズピッチカーボ
ン(株式会社ペトカ製)5部を乳鉢でよく粉砕してから
ソックスレー抽出用円筒濾紙に入れ、抽出溶媒にキノリ
ン30部を用いてのべ30時間ソックスレー抽出装置に
より抽出を行った。抽出液を取り出してヨウ化錫1部を
加えてよく撹拌した。この液体をフルオロポアフィルタ
ーを用いて濾過した後、シリンジに入れESD(エレク
トロスタティックスプレーディポジション)法により1
000℃に加熱したステンレス箔上に噴霧した。このと
きのシリンジ−ステンレス間の直流印加電圧は12k
V、窒素ガス中で製膜を行った。このようにして得られ
た錫をドープしたカーボン薄膜の厚さは、35μmであ
った。(Example-1) 5 parts of mesophase pitch carbon (manufactured by Petka Co., Ltd.) were pulverized well in a mortar and then placed in a soxhlet extraction thimble filter paper. Extraction was performed by an extraction device. The extract was taken out, 1 part of tin iodide was added, and the mixture was stirred well. This liquid was filtered using a fluoropore filter, and then placed in a syringe, followed by ESD (electrostatic spray deposition).
Sprayed on stainless steel foil heated to 000 ° C. The DC voltage applied between the syringe and stainless steel at this time was 12 k.
V. A film was formed in a nitrogen gas. The thickness of the tin-doped carbon thin film thus obtained was 35 μm.
【0026】かくして得られた電極(負極)に対し、電
解液を含浸させたポリプロピレン製セパレータをはさ
み、リチウム金属電極に対向させたセルを作製し、充放
電試験を行った。電解液には、エチレンカーボネートと
プロピレンカーボネートを重量比1:1の比率で混合し
た溶媒に過塩素酸リチウムを1mol/Lの割合で溶解
させたものを用いた。The thus obtained electrode (negative electrode) was sandwiched with a polypropylene separator impregnated with an electrolytic solution to prepare a cell facing the lithium metal electrode, and a charge / discharge test was performed. As the electrolytic solution, a solution in which lithium perchlorate was dissolved at a ratio of 1 mol / L in a solvent in which ethylene carbonate and propylene carbonate were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used.
【0027】充放電試験は、定電流充放電法によって行
った。電流密度0.1mA/cm2で極間電位差が0V
になるまでドープを行い、ついで極間電位差1.5Vに
なるまで脱ドープを行った。繰り返し5サイクルの充放
電を行い、ドープ容量、脱ドープ容量を測定した。測定
結果を表1に示す。The charge / discharge test was performed by a constant current charge / discharge method. Current density of 0.1 mA / cm 2 and potential difference between electrodes is 0 V
, And then undoped until the potential difference between the electrodes reached 1.5 V. The charge and discharge were repeated 5 cycles, and the doping capacity and the undoping capacity were measured. Table 1 shows the measurement results.
【0028】(比較例−1)乳鉢で粉砕したメソフェー
ズピッチカーボン(株式会社ペトカ製)1部を、ジメチ
ルフォルムアミドと2−ブタノンを重量比で1:1の比
率で混合した溶媒10部とともに遊星ミルを使用して3
時間分散処理した。このようにして、メソフェーズピッ
チカーボンの分散液を得た。塗工液に含まれる微粒子の
大きさは、平均粒径0.25μmであることが粒度分布
測定により明らかになった。ポリフッ化ビニリデン(P
VdF)1部をこの分散液に加え溶解したものを攪拌
し、スラリー状塗工液を得た。このスラリーをニッケル
箔上にスピンコートし、80℃で予備乾燥を行った。さ
らに加圧、圧着させたのち、110℃で真空乾燥して電
極(負極)とした。このようにして得られたカーボン薄
膜の厚さは、31μmであった。この負極を用いて実施
例−1と同様にセルを作製した後、実施例−1と全く同
様にして試験を行った。この結果を表1に示す。(Comparative Example 1) One part of mesophase pitch carbon (manufactured by Petka Corporation) ground in a mortar was mixed with 10 parts of a solvent obtained by mixing dimethylformamide and 2-butanone at a weight ratio of 1: 1. 3 using a mill
Time-dispersed. Thus, a dispersion of mesophase pitch carbon was obtained. The size of the fine particles contained in the coating liquid was found to be an average particle size of 0.25 μm by particle size distribution measurement. Polyvinylidene fluoride (P
VdF) 1 part of this dispersion was added to and dissolved, and the resulting mixture was stirred to obtain a slurry-like coating liquid. This slurry was spin-coated on a nickel foil and pre-dried at 80 ° C. After further pressurizing and pressing, vacuum drying was performed at 110 ° C. to form an electrode (negative electrode). The thickness of the carbon thin film thus obtained was 31 μm. After producing a cell in the same manner as in Example 1 using this negative electrode, a test was performed in exactly the same manner as in Example 1. Table 1 shows the results.
【0029】(実施例−2)乳鉢で粉砕したメソフェー
ズピッチカーボン(株式会社ペトカ製)1部を、キノリ
ンとシクロヘキサノンを重量比で1:1の比率で混合し
た溶媒10部とともに遊星ミルを使用して3時間分散処
理した。このようにして、メソフェーズピッチカーボン
が部分溶解した分散液を得た。分散液に含まれる微粒子
の大きさは、0.2μm以下であることが粒度分布測定
により明らかになった。この分散液に0.2部のトリク
ロロイソプロピルシランを加えてよく撹拌した。この分
散塗工液をニッケル箔上にスピンコートし、100℃で
予備乾燥を行った。さらに窒素ガス雰囲気下、1000
℃で加熱焼成して電極(負極)とした。このようにして
得られたカーボン薄膜の厚さは、30μmであった。こ
の負極を用いて実施例−1と同様にセルを作製した後、
実施例−1と同様にして試験を行った。この結果を表1
に示す。Example 2 A planetary mill was used together with 1 part of mesophase pitch carbon (made by Petka Corporation) ground in a mortar and 10 parts of a solvent in which quinoline and cyclohexanone were mixed at a weight ratio of 1: 1. For 3 hours. In this way, a dispersion in which the mesophase pitch carbon was partially dissolved was obtained. Particle size distribution measurement revealed that the size of the fine particles contained in the dispersion was 0.2 μm or less. To this dispersion was added 0.2 parts of trichloroisopropylsilane, and the mixture was thoroughly stirred. This dispersion coating solution was spin-coated on a nickel foil and preliminarily dried at 100 ° C. Further, under a nitrogen gas atmosphere, 1000
Heating and sintering at ℃ resulted in an electrode (negative electrode). The thickness of the carbon thin film thus obtained was 30 μm. After producing a cell in the same manner as in Example 1 using this negative electrode,
The test was performed in the same manner as in Example-1. Table 1 shows the results.
Shown in
【0030】(比較例−2)比較例−1において、メソ
フェーズピッチカーボンの代わりに高温焼成カーボン
(三菱瓦斯化学:2800℃)を用いて、実施例−1と
同様にして試験を行った。この結果を表1に示す。Comparative Example 2 A test was performed in the same manner as in Example 1 except that high-temperature calcined carbon (Mitsubishi Gas Chemical: 2800 ° C.) was used instead of mesophase pitch carbon. Table 1 shows the results.
【0031】(実施例−3)実施例−1において、金属
化合物として使用したヨウ化錫の代わりにヨウ化アルミ
ニウムを用いた以外は、実施例−1と同様にして試験を
行った。結果を表1に示す。Example 3 A test was performed in the same manner as in Example 1 except that aluminum iodide was used instead of tin iodide used as a metal compound. Table 1 shows the results.
【0032】(実施例−4)実施例−1において、金属
化合物として使用したヨウ化錫の代わりに硝酸ニッケル
を用いた以外は、実施例−1と同様にして試験を行っ
た。結果を表1に示す。Example 4 A test was conducted in the same manner as in Example 1 except that nickel nitrate was used in place of tin iodide used as a metal compound. Table 1 shows the results.
【0033】(実施例−5)実施例−2において、金属
化合物として使用したトリクロロイソプロピルシランの
代わりにヨウ化亜鉛を用いた以外は、実施例−2と同様
にして試験を行った。結果を表1に示す。Example 5 A test was performed in the same manner as in Example 2 except that zinc iodide was used in place of trichloroisopropylsilane used as the metal compound. Table 1 shows the results.
【0034】(実施例−6)実施例−2において、金属
化合物として使用したトリクロロイソプロピルシランの
代わりに硝酸コバルトを用いた以外は、実施例−2と同
様にして試験を行った。結果を表1に示す。Example 6 A test was performed in the same manner as in Example 2 except that cobalt nitrate was used in place of trichloroisopropylsilane used as the metal compound. Table 1 shows the results.
【0035】[0035]
【表1】 (*):金属元素をドープせず。[Table 1] (*): No metal element was doped.
【0036】[0036]
【発明の効果】本発明によれば、バインダー樹脂を使用
することなく不揮発性炭素含有化合物と金属化合物か
ら、金属元素をドープした炭素質負極を形成することが
可能となる。また、本発明により作製される金属元素を
ドープした炭素質負極を使用することにより、可逆容量
に優れ、充放電速度が速く、作動信頼性が高い、充放電
サイクル特性に優れかつ大容量を発現しうる非水電解液
二次電池用金属ドープ炭素質負極材を用いた非水電解液
二次電池が提供される。According to the present invention, a carbonaceous negative electrode doped with a metal element can be formed from a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound without using a binder resin. In addition, by using the carbonaceous negative electrode doped with a metal element prepared according to the present invention, the reversible capacity is excellent, the charge / discharge speed is fast, the operation reliability is high, the charge / discharge cycle characteristics are excellent, and the large capacity is developed. A non-aqueous electrolyte secondary battery using a metal-doped carbonaceous negative electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H029 AJ02 AJ03 AJ05 AJ14 AK02 AK03 AK05 AM03 AM04 CJ02 CJ22 DJ11 5H050 AA02 AA07 AA08 AA19 BA17 CA02 CA03 CA04 CA07 CA09 CA11 CB07 DA03 DA04 FA18 GA02 GA10 GA22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H029 AJ02 AJ03 AJ05 AJ14 AK02 AK03 AK05 AM03 AM04 CJ02 CJ22 DJ11 5H050 AA02 AA07 AA08 AA19 BA17 CA02 CA03 CA04 CA07 CA09 CA11 CB07 DA03 DA04 FA18 GA02 GA10 GA22
Claims (9)
物を有機溶媒に溶解ないし分散してなる塗工液を、集電
体上に塗布・加熱処理して作製することを特徴とする非
水電解液二次電池用金属ドープ炭素質薄膜負極の作製方
法。1. A non-aqueous electrolyte solution prepared by applying and heating a coating solution obtained by dissolving or dispersing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound in an organic solvent on a current collector. A method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for a secondary battery.
物を含むが結着剤を含まない塗工液を使用することを特
徴とする請求項1に記載の非水電解液二次電池用金属ド
ープ炭素質薄膜負極の作製方法。2. The metal-doped carbon for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a coating liquid containing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound but not containing a binder is used. Method for producing a porous thin film negative electrode.
の混合エンタルピーが負の値を有する金属元素の金属化
合物を使用することを特徴とする請求項1乃至2に記載
の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質薄膜負極の作
製方法。3. The non-aqueous electrolyte secondary according to claim 1, wherein a metal enthalpy of mixing the metal element of the metal compound and the metal lithium has a negative value. A method for producing a metal-doped carbon thin film negative electrode for a battery.
オンを電気化学的に吸蔵・放出し得る金属ドープした炭
素質膜を設けてなることを特徴とする非水電解液二次電
池用金属ドープ炭素質負極。4. A non-aqueous electrolyte secondary comprising a current collector and a metal-doped carbonaceous film capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions without a binder. Metal-doped carbonaceous negative electrode for batteries.
出し得る結着剤を含まない金属ドープした炭素質膜が不
揮発性炭素含有化合物および金属化合物を有機溶媒に溶
解ないし分散してなる塗工液を、集電体上に塗布・加熱
処理して得られたものであることを特徴とする請求項4
に記載の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質負極。5. A coating comprising a binder-free metal-doped carbonaceous film capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions by dissolving or dispersing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound in an organic solvent. 5. A liquid obtained by applying and heating a liquid on a current collector.
5. The metal-doped carbonaceous negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to 4.
の混合エンタルピーが負の値を有する金属元素の金属化
合物を使用することを特徴とする請求項4乃至5に記載
の非水電解液二次電池用金属ドープ炭素質負極。6. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, wherein a metal compound of a metal element having a negative enthalpy of mixing the metal element of the metal compound and the metal lithium has a negative value. Metal-doped carbonaceous negative electrode for batteries.
チウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得る金属ドー
プ炭素質膜を設けてなる負極と、非水溶液電解液とを具
備してなることを特徴とする非水電解液二次電池。7. A non-aqueous electrolyte comprising a positive electrode, a negative electrode having a metal-doped carbonaceous film capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions on a current collector without a binder, and a non-aqueous electrolyte. A non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising:
設けてなる負極が、不揮発性炭素含有化合物および金属
化合物を有機溶媒に溶解ないし分散してなる塗工液を、
集電体上に塗布・加熱処理して得られたものであること
を特徴とする請求項7に記載の非水電解液二次電池。8. A coating solution obtained by dissolving or dispersing a nonvolatile carbon-containing compound and a metal compound in an organic solvent, wherein the negative electrode provided with a metal-doped carbonaceous film containing no binder is provided.
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 7, which is obtained by applying and heating on a current collector.
の混合エンタルピーが負の値を有する金属元素の金属化
合物を使用することを特徴とする請求項7乃至8に記載
の非水電解液二次電池。9. The non-aqueous electrolyte secondary according to claim 7, wherein a metal compound of a metal element having a negative enthalpy of mixing the metal element and the metal lithium of the metal compound is used. battery.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101272081B1 (en) | 2011-06-09 | 2013-06-07 | 한국과학기술연구원 | Electrode Coated with Metal Doped Carbon Film |
| US9190664B2 (en) | 2011-07-15 | 2015-11-17 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Cathode active material composition, cathode prepared by using the same, and lithium battery including the cathode |
| CN113745512A (en) * | 2020-05-29 | 2021-12-03 | 财团法人工业技术研究院 | Lithium ion battery, electrode of lithium ion battery and electrode material |
| CN114180537A (en) * | 2021-11-18 | 2022-03-15 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | Preparation method of nitrogen-doped carbon-coated lithium ion battery cathode material |
-
2000
- 2000-12-25 JP JP2000392514A patent/JP2002198038A/en active Pending
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| CN114180537A (en) * | 2021-11-18 | 2022-03-15 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | Preparation method of nitrogen-doped carbon-coated lithium ion battery cathode material |
| CN114180537B (en) * | 2021-11-18 | 2023-05-30 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | Preparation method of nitrogen-doped carbon-coated negative electrode material for lithium ion battery |
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