[发明专利]锂离子二次电池负极用无定形碳材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电池负极用无定形碳材料及其 制造方法。

背景技术

锂离子二次电池与现有的二次电池即镍镉电池、镍氢电池、 铅蓄电池相比，由于能量密度高，因此期待在混合动力车、电 动汽车中的应用。为了提高二次电池的性能，对于作为构成电 极的活性物质而使用的碳材料，迄今为止进行了各种研究(例 如参照专利文献1、2)。

作为锂离子二次电池的负极材料使用的碳材料通常大致分 为石墨系和无定形系。石墨系碳材料与无定形系碳材料相比较， 具有每单位体积的能量密度较高的优点。因此，在小型但需要 很大充电放电容量的移动电话、笔记本电脑用的锂离子二次电 池中，作为负极材料通常使用石墨系碳材料。石墨具有碳原子 的六角形网面很规则地层叠而成的结构，充放电时在六角形网 面的边缘部进行锂离子的插入脱离反应。

专利文献1：日本专利第3056519号公报

专利文献2：日本特公平4-24831号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，使用石墨系碳材料作为锂离子二次电池的负极材料 时，虽然如上所述那样能够提高每单位体积的能量密度，但在 混合动力车等汽车领域中应用时，在充放电速度方面还有改善 的余地。认为其主要原因是：由于石墨的结晶性高，因而溶剂 和锂离子向结晶内部的扩散没有充分有效地进行。

另一方面，无定形系碳材料的六角形网面的层叠不规则、 或不具有网面结构。因此，若将其作为锂离子二次电池的负极 材料使用，则由于锂的插入脱离反应在碳颗粒的整个表面进行， 因此能够实现优异的输入输出特性。然而，负极材料中使用无 定形系碳材料的锂离子二次电池，具有不仅不可逆容量大、而 且每单位体积的能量密度低的缺点。不可逆容量大的主要原因 被认为是起因于非结晶系碳材料结构的不规则性，每单位体积 的能量密度低的主要原因被认为是由于无定形系碳材料的比重 小。

本发明是鉴于这样的实际情况而进行的，目的在于提供一 种对于高水平地实现锂离子二次电池的优异的输入输出特性和 每单位体积的高能量密度这两方面有用的无定形碳材料及其制 造方法。

用于解决问题的方案

使用无定形材料作为锂离子二次电池用负极材料时，与使 用石墨系材料时相比，一直认为难以兼顾高放电容量和低不可 逆容量。然而，本发明人等对由石油焦等易石墨化碳构成的无 定形碳材料进行了广泛的研究，结果发现，被分类为无定形材 料的、具有同程度的真密度的易石墨化碳中，存在具有能够高 水平地实现高放电容量及优异的输入输出特性这两方面的优异 的特性的易石墨化碳、和并非这样的易石墨化碳。

然而，无定形材料由于结晶未发达，因此即使运用X射线 衍射等技术，也难以获得用于区分具有优异特性的易石墨化碳、 和不具有优异特性的易石墨化碳的信息。因此，本发明人等将 各种易石墨化碳在3000℃的温度下进行石墨化处理，并对所得 到的石墨材料进行分析。其结果发现，石墨化处理后的真密度 达到规定值以上的易石墨化碳的组、与具有优异特性的组一致， 从而完成了本发明。

即，本发明的锂离子二次电池负极用无定形碳材料的特征 在于，其真密度为1.800～2.165g/cm³，且若在惰性气体气氛下、 3000℃的温度下实施石墨化处理，则真密度变为2.255g/cm³以 上。

根据本发明的无定形碳材料，通过使用其作为负极材料， 能够高水平地实现锂离子二次电池的优异的输入输出特性和每 单位体积的高能量密度这两方面。

进而，本发明人等发现，存在能够高水平地实现高放电容 量和低不可逆容量这两方面、且具有非常优异的充电特性的易 石墨化碳的组。该组具有如下特征：(1)石墨化处理后的微晶 尺寸(Lc和La)大、(2)石墨化处理后的晶面间距(d₀₀₂)小， 等，与石墨化性非常高的组一致。即认为，通过3000℃温度下 的石墨化处理而石墨结晶发达的易石墨化碳，在结晶未发达的 阶段具有不会阻碍结晶发达的微小的间隙，该间隙使溶剂和锂 易于扩散，有助于高充电特性。因此，本发明的无定形碳材料 优选具备以下特征。