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JP3416180B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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JP3416180B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

Lithium secondary battery

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JP3416180B2
JP3416180B2 JP00357093A JP357093A JP3416180B2 JP 3416180 B2 JP3416180 B2 JP 3416180B2 JP 00357093 A JP00357093 A JP 00357093A JP 357093 A JP357093 A JP 357093A JP 3416180 B2 JP3416180 B2 JP 3416180B2
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negative electrode
secondary battery
separator
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  • Secondary Cells (AREA)
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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、過充電による弊害を防
止したリチウム二次電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium secondary battery which prevents harmful effects due to overcharge.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えばコイン形,ボタン形などの偏平形
リチウム二次電池は、放電時においてはリチウムイオン
が正極側に移行し、充電時においてはリチウムイオンが
負極側に移行するもので、その落差に応じて充分な容量
があり、サイクル特性も良好なため、コンピュータのメ
モリバックアップ用電源などとして好適である。
2. Description of the Related Art For example, in a flat type lithium secondary battery such as a coin type or a button type, lithium ions move to the positive electrode side during discharging, and lithium ions move to the negative electrode side during charging. Since it has a sufficient capacity according to the drop and has good cycle characteristics, it is suitable as a power source for memory backup of a computer.

【0003】この負極活物質として用いられる炭素質材
料には、充放電サイクル中での劣化が少なく秀れた耐久
性を示す材料が用いられ、例えばピッチコークス,天然
黒鉛,あるいはある種の有機高分子化合物を炭素化また
は黒鉛化した材料等が用いられている。
As the carbonaceous material used as the negative electrode active material, a material exhibiting excellent durability with little deterioration during charge / discharge cycles is used. For example, pitch coke, natural graphite, or some organic high-grade material. Materials in which a molecular compound is carbonized or graphitized are used.

【0004】この種の炭素質材料を用いた電池の負極
は、充電を行うとリチウムイオンが吸蔵されて卑な方向
に移行し、イオン形態でリチウムを蓄えるため、充電が
正常に行われていると、負極はリチウムの金属電位に達
することはないが、全体的あるいは部分的な過充電によ
って、次の問題が生ずる。
[0004] The negative electrode of a battery using this type of carbonaceous material is normally charged because when it is charged, lithium ions are occluded and move to the base direction and store lithium in an ionic form. Then, the negative electrode does not reach the metal potential of lithium, but the following problems occur due to total or partial overcharge.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】 全体的過充電の場合:一般にメモリバックアップ用電
源回路には充電器が組み込まれ、トリクル充電方式やフ
ローティング充電方式により、電池に設定された容量ま
で充電されると充電が停止するが、この充電器の突然の
故障により電池へ一時的に大電流が流れたり、電池が充
電終止電圧に達してもなお通電状態が続く場合がある。
In the case of overall overcharging: Generally, a charger is incorporated in a memory backup power supply circuit, and when the battery is charged to a capacity set by a trickle charging method or a floating charging method. Charging stops, but due to a sudden failure of this charger, a large current may temporarily flow to the battery, or even if the battery reaches the end-of-charge voltage, the energized state may continue.

【0006】このような過充電状態にある電池の負極電
位が金属リチウム電位よりも卑な状態に達すると、金属
リチウムが負極である炭素質材料上に析出する。ここで
の析出形態はデンドライト状であるため、電析リチウム
が多孔質のセパレータを貫通して内部短絡を起こし、そ
の後電池としての作動が不能となるほか、破裂,発火に
至る可能性があり、安全上問題である。
When the negative electrode potential of such an overcharged battery reaches a base state lower than the metallic lithium potential, metallic lithium is deposited on the negative electrode carbonaceous material. Since the deposition form here is dendrite-like, the electrodeposited lithium penetrates the porous separator and causes an internal short circuit, which then disables the operation of the battery and may lead to rupture and ignition. This is a safety issue.

【0007】部分的過充電の場合:仕様通りに電池を
使用していても、充放電サイクルを繰返すと主に炭素質
材料の周縁部で金属リチウムがデンドライト状に析出す
る場合がしばしばある。
In the case of partial overcharge: Even when the battery is used according to specifications, metallic lithium often deposits in the form of dendrite mainly in the peripheral portion of the carbonaceous material when the charge / discharge cycle is repeated.

【0008】これはエッジ効果として説明されるもの
で、充電時には電極の中心部よりも周縁部の方が溶液中
のイオン供給が円滑に行われるため電流が集中し易く、
見掛け上の電流密度が中心部より高くなるため、負極全
体の電位がリチウム金属電位に達していなくても負極の
周縁部の電位は部分的にリチウム金属電位よりも卑な状
態になるからである。このような場合においても、前記
と同様安全面での問題が生じる。
This is explained as the edge effect. During charging, the peripheral portion of the electrode is more smoothly supplied with ions in the solution than the central portion thereof, so that the current is likely to concentrate.
Since the apparent current density is higher than that in the central portion, even if the potential of the entire negative electrode does not reach the lithium metal potential, the potential of the peripheral portion of the negative electrode is partially baser than the lithium metal potential. . Even in such a case, the same safety problem occurs as described above.

【0009】本発明者らは、前記のような全体的および
部分的過充電による弊害を除去するため種々の炭素質材
料について実験を繰返したところ、002面の面間隔d
002が3.75〜4.00(オングストローム)の炭
素質材料がリチウム金属電位より卑な方向に移行して
も、その表面で電析する金属リチウムの成長がないこと
を見出した。
The inventors of the present invention repeated experiments on various carbonaceous materials in order to eliminate the above-mentioned adverse effects due to overcharge and partial overcharge.
It has been found that even if a carbonaceous material having a 002 of 3.75 to 4.00 (angstrom) shifts to a base direction lower than the lithium metal potential, there is no growth of metal lithium electrodeposited on the surface.

【0010】本発明は以上の知見に基づきなされたもの
であって、その目的は、002面の面間隔d002が
3.75〜4.00(オングストローム)である炭素質
材料を負極の一部に用いることにより、全体的および部
分的な過充電による負極表面上への金属リチウムの析出
を防止し、これを原因とする内部短絡や発火,破裂を未
然に防止できるリチウム二次電池を提供するものであ
る。
The present invention has been made based on the above findings, and its object is to use a carbonaceous material having a 002 plane spacing d002 of 3.75 to 4.00 (angstrom) as a part of the negative electrode. Provided is a lithium secondary battery capable of preventing the deposition of metallic lithium on the surface of the negative electrode due to the total or partial overcharge by using it, and preventing internal short circuits, ignitions, and bursts caused by this. Is.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、リチウムのドープ,脱ドープが可能であ
り、かつリチウムを含んだ正極と、セパレータと、炭素
質材料からなる負極とを順次重ね合わせた構造を有し、
この要素に非水電解液を備えたリチウム二次電池におい
て、前記負極に、前記セパレータと接触する面にX線回
折による002面の面間隔d002が3.75〜4.0
0(オングストローム)の範囲にある炭素質材料を少な
くとも70重量%以上含む層(A)を設け、この層の厚
さが前記セパレータと鉛直方向における前記負極の全体
厚みに対して20〜50%を占有し、且つ前記全体厚み
の残りの割合に相当する部分が、002面の面間隔d0
02が3.72(オングストローム)以下の炭素質材料
からなる層(B)で構成され、前記層(A)と前記層
(B)とを前記セパレータと鉛直方向に圧着してなる
とを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a positive electrode which is capable of lithium doping and dedoping and which contains lithium, a separator, and a negative electrode made of a carbonaceous material. It has a structure that is sequentially stacked,
In a lithium secondary battery including a non-aqueous electrolyte solution in this element, the surface of the negative electrode, which is in contact with the separator, has a surface spacing d002 of 002 planes of 3.75 to 4.0 determined by X-ray diffraction.
A layer (A) containing at least 70 wt% of a carbonaceous material in the range of 0 (angstrom) is provided, and the thickness of this layer is 20 to 50% of the total thickness of the separator and the negative electrode in the vertical direction. Occupy and said overall thickness
The portion corresponding to the remaining ratio is the surface spacing d0 of the 002 surface.
02 is 3.72 (angstrom) or less carbonaceous material
A layer (B) consisting of
(B) is pressure-bonded to the separator in the vertical direction .

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】[0014]

【0015】以上の構成において、X線回折による00
2面の面間隔d002が3.75〜4.00(オングス
トローム)である炭素質材料をリチウム金属電位より
0.1V 以内で卑な方向に移行させても、その電気量が
2000mAh/g 以内であれば炭素質材料からなる負極の
表面で電析する金属リチウムの発達がないことが本発明
者らによって見出されている。d002の下限値を3.
75(オングストローム)としたのは、リチウムをドー
プした炭素質材料は、その層間距離,すなわち002面
の面間隔d002が3.72(オングストローム)にな
ることが知られており、この面間隔と同等かそれ以上の
層間距離とすることにより、電析したリチウムを吸収す
るかあるいは層内に電析させるものと推定されたからで
ある。実際、d002が3.75(オングストローム)
未満の炭素材料を用いて前記操作を行った場合、リチウ
ム金属が炭素極上に析出することを確認した。またd0
02の上限値を4.00(オングストローム)としたの
は、以下の理由によるものである。例えば、ある種の有
機高分子化合物を炭素化することによってこのような炭
素質材料を得る場合、炭素化温度を900℃以上にしな
ければ、酸素,窒素,水素,炭化水素ガスの発生が終わ
らないので、安定した炭化物としての再現性が得られ難
い。このために、炭素化温度を900℃として処理をし
た場合、得られた炭化物のd002の値は4.00(オ
ングストローム)以下となるからである。
In the above structure, 00 by X-ray diffraction
Even if a carbonaceous material with a surface spacing d002 between the two surfaces of 3.75 to 4.00 (angstrom) is transferred to the base direction within 0.1 V of the lithium metal potential, the quantity of electricity is within 2000 mAh / g. It has been found by the present inventors that if so, there is no development of metallic lithium electrodeposited on the surface of the negative electrode made of a carbonaceous material. Set the lower limit of d002 to 3.
It is known that the carbonaceous material doped with lithium has an interlayer distance, that is, an interplanar spacing d002 of 002 planes of 3.72 (angstrom), which is equivalent to this interplanar spacing. This is because it is presumed that by setting the interlayer distance to be equal to or more than that, the deposited lithium is absorbed or deposited in the layer. Actually, d002 is 3.75 (angstrom)
It was confirmed that lithium metal was deposited on the carbon electrode when the above-mentioned operation was performed using a carbon material of less than 1. Also d0
The upper limit of 02 is set to 4.00 (angstrom) for the following reason. For example, when such a carbonaceous material is obtained by carbonizing a certain kind of organic polymer compound, generation of oxygen, nitrogen, hydrogen and hydrocarbon gas is not completed unless the carbonization temperature is 900 ° C. or higher. Therefore, it is difficult to obtain stable reproducibility as a carbide. For this reason, when the treatment is carried out at a carbonization temperature of 900 ° C., the value of d002 of the obtained carbide becomes 4.00 (angstrom) or less.

【0016】また、このような炭素質材料を70重量%
以上含む層の厚さがセパレータと鉛直方向における負極
の全体厚みに対して20%以上と規定したのは、一般に
用いられているX線回折による002面の面間隔d00
2が3.72(オングストローム)を下回るリチウム吸
蔵放出可能な炭素負極との組合せにより、20%を下回
ると前述の電析リチウムの吸収効果が小さくなるためで
ある。
Further, 70% by weight of such a carbonaceous material is used.
The thickness of the above-mentioned layers is defined as 20% or more of the total thickness of the separator and the negative electrode in the vertical direction because the interplanar spacing d00 of the 002 plane by X-ray diffraction that is generally used.
This is because, when 2 is less than 20% by the combination with the carbon negative electrode capable of occluding and releasing lithium of less than 3.72 (angstrom), the absorption effect of the above-described electrodeposited lithium becomes small.

【0017】また上限を50%と規定したのは、50%
を上回ると電池容量が充分確保できず、この種の二次電
池としての良好な特性を得難くなるという理由による。
The upper limit of 50% is defined as 50%.
If the value exceeds the above, the battery capacity cannot be sufficiently secured, and it becomes difficult to obtain good characteristics as a secondary battery of this type.

【0018】X線回折による002面の面間隔d002
が3.75〜4.00(オングストローム)の炭素質材
料(以下炭素質材料Aと称する)は、一般に難黒鉛化性
樹脂を不活性ガスまたは窒素ガス雰囲気中で900〜2
000℃に加熱処理することによって得られる炭化物の
焼成粉末である。
The surface spacing d002 of the 002 plane by X-ray diffraction
Is 3.75 to 4.00 (angstrom), and a carbonaceous material (hereinafter referred to as carbonaceous material A) is generally a non-graphitizable resin in an inert gas or nitrogen gas atmosphere of 900 to 2
It is a fired powder of carbide obtained by heat treatment at 000 ° C.

【0019】この炭素質材料Aを得るための出発物質に
は各種有機系高分子化合物が含まれるが、例えばセルロ
ース,カプトンフィルム,ノーメックスフィルム,β−
シクロデキストリン,ポリフェニレンスルフィド繊維,
フェノール樹脂,サッカロース,ポリ塩化ビニリデン樹
脂などが掲げられる。
The starting materials for obtaining the carbonaceous material A include various organic polymer compounds, for example, cellulose, Kapton film, Nomex film, β-
Cyclodextrin, polyphenylene sulfide fiber,
Examples include phenolic resin, saccharose, polyvinylidene chloride resin, etc.

【0020】以上の炭素質材料Aと組み合わされる負極
炭素質材料(以下炭素質材料Bと称する)は、X線回折
による002面の面間隔d002が3.7(オングスト
ローム)以下で、Lcの大きな炭素質材料であって、既
存のリチウムの吸蔵・放出が可能なものであればどのよ
うなのでもよいが、多くの文献,特許公報などに例示さ
れているように、各種有機高分子化合物,炭素繊維,石
炭ピッチ,石油ピッチ,メソフェーズピッチ,炭素質球
晶,縮合性多環多核芳香族(COPNA樹脂)などを炭
素化,黒鉛化したもの、また得られた炭化物としてカー
ボンブラック,天然黒鉛,人造黒鉛などが挙げられる
が、用途に応じた電池特性を考慮し、それに適合した材
料を選定するのが望ましい。
In the negative electrode carbonaceous material (hereinafter referred to as carbonaceous material B) combined with the above carbonaceous material A, the interplanar spacing d002 of the 002 plane by X-ray diffraction is 3.7 (angstrom) or less, and the large Lc is large. Any carbonaceous material may be used as long as it is capable of absorbing and desorbing existing lithium, but various organic polymer compounds, carbon, etc. are exemplified as exemplified in many documents and patent publications. Carbonized and graphitized fibers, coal pitch, petroleum pitch, mesophase pitch, carbonaceous spherulites, polycyclic polynuclear aromatic polycondensates (COPNA resins), etc., and the obtained carbides are carbon black, natural graphite, man-made Although graphite and the like can be mentioned, it is desirable to select a material suitable for it in consideration of battery characteristics depending on the application.

【0021】正極材料としては、この種の電池に使用さ
れるものであればいかなるものであってもよいが、特に
充分な量のリチウムを含んだ材料を用いることが好まし
い。例えばLiMn2 4 や、一般式LiMO2 (ただ
し、MはCo,Niの内の少なくとも一種を表す。した
がって例えばLiCoO2 やLiCo0.8 Ni0.2 2
など)で表される複合金属酸化物やリチウムを含んだ層
間化合物が好適である。
As the positive electrode material, any material may be used as long as it is used in this type of battery, but it is particularly preferable to use a material containing a sufficient amount of lithium. For example, LiMn 2 O 4 and the general formula LiMO 2 (where M represents at least one of Co and Ni. Therefore, for example, LiCoO 2 and LiCo 0.8 Ni 0.2 O 2
And the like) are preferable.

【0022】非水電解液は、有機溶媒と電解質とを適宜
組合せて調製されるが、これら溶媒および電解質もこの
種の電池に用いられるものであればいずれも使用可能で
ある。
The non-aqueous electrolytic solution is prepared by appropriately combining an organic solvent and an electrolyte, and any of these solvents and electrolytes can be used as long as they are used in this type of battery.

【0023】有機溶媒としては、プロピレンカーボネー
ト,エチレンカーボネート,1,2−ジメトキシエタ
ン,1,2−ジエトキシエタン,γ−ブチロラクトン,
テトラヒドロフラン,2−メチルテトラヒドロフラン,
1,3−ジオキソラン,4−メチル−1,3−ジオキソ
ラン,ジエチルエーテル,スルホラン等がある。
As the organic solvent, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone,
Tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran,
1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane and the like.

【0024】電解質としては、LiClO4 ,LiAs
6 ,LiBF4 ,LiPF6 ,LiCF3 SO3 ,L
iCl等がある。
As the electrolyte, LiClO 4 , LiAs
F 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , L
iCl and the like.

【0025】以上の正極,負極,電解液,およびセパレ
ータを組合せることによって、本発明に係るリチウム二
次電池が得られる。電池形態は炭素質材料A,Bからな
るペレットを重ね合わせた偏平形の他に、スパイラル形
を採用することも可能である。
By combining the above positive electrode, negative electrode, electrolytic solution and separator, the lithium secondary battery according to the present invention can be obtained. In addition to the flat type in which pellets made of the carbonaceous materials A and B are stacked, a spiral type can be adopted as the battery type.

【0026】[0026]

【作用】前述したように、リチウムがドープされた炭素
質材料は、その層間距離、すなわちX線回折による00
2面の面間隔d002が3.72(オングストローム)
になることが知られている。
As described above, the lithium-doped carbonaceous material has an interlayer distance, that is, 00 by X-ray diffraction.
The surface spacing d002 between the two surfaces is 3.72 (angstrom)
Is known to become.

【0027】したがって、002面の面間隔d002が
3.7(オングストローム)以下の炭素質材料Bにリチ
ウムがドープされると、層間距離が拡大し、ドープされ
たリチウムは層間に強く挟まれた状態となっていると考
えられる。
Therefore, when lithium is doped into the carbonaceous material B having a surface spacing d002 of the 002 plane of 3.7 (angstrom) or less, the interlayer distance is expanded, and the doped lithium is strongly sandwiched between the layers. It is thought that it has become.

【0028】一方、002面の面間隔d002が3.7
5(オングストローム)以上の炭素質材料A中にリチウ
ムがドープされた場合には、層間距離は変化せず、リチ
ウムは炭素質材料Bにドープされた場合ほど層間に強く
挾持されていないため、比較的層内でのリチウムの移動
は円滑に行われると考えられる。
On the other hand, the surface spacing d002 of the 002 surface is 3.7.
When lithium is doped into the carbonaceous material A having a thickness of 5 (angstrom) or more, the interlayer distance does not change, and lithium is not strongly sandwiched between the layers as compared with the case where the carbonaceous material B is doped. It is considered that the movement of lithium in the target layer is carried out smoothly.

【0029】これら二種の炭素質材料A,Bがリチウム
塩を含む非水電解液中でリチウム金属電位よりも卑な状
態になった場合、炭素質材料Bでは層内でのリチウムの
拡散が遅く直ちにリチウムが析出してしまうのに対し、
炭素質材料Aでは層内でのリチウムの拡散速度が速く、
リチウムが電析しても直ちに層内に吸収されるか、また
は炭素質材料Bの場合よりも広い層間距離を有する層間
でのリチウムの電析が可能であるため、炭素質材料の表
面では金属リチウムの電析が発達しないと考えられる。
When these two kinds of carbonaceous materials A and B become baser than the lithium metal potential in the non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, the carbonaceous material B causes diffusion of lithium in the layer. Lithium will be deposited immediately afterwards, while
In the carbonaceous material A, the diffusion rate of lithium in the layer is high,
When lithium is electrodeposited, it is immediately absorbed in the layer, or lithium can be electrodeposited between layers having a wider interlayer distance than in the case of the carbonaceous material B. It is considered that the lithium electrodeposition does not develop.

【0030】また炭素質材料Aは、黒鉛のような層構造
の発達がなく、それぞれの長さが数オングストローム〜
数10オングストロームのリボン状の炭素が複雑に絡み
合って、無秩序な構造をしているものと推定されてい
る。このような複雑な三次元的構造を有するために多数
の細孔が存在し、電析したリチウムはこのような細孔に
毛管凝縮のような状態で吸蔵されるか、あるいは複数の
炭素原子と化合物、または高分子化合物を形成すると考
えられる。
The carbonaceous material A does not have a layered structure like graphite and has a length of several angstroms.
It is presumed that ribbon carbon of several tens of angstroms is intricately entangled with each other to form a disordered structure. Due to such a complicated three-dimensional structure, a large number of pores are present, and the electrodeposited lithium is occluded in such pores in a state like capillary condensation, or with a plurality of carbon atoms. It is believed to form a compound, or a polymeric compound.

【0031】したがって、以上の炭素質材料A,Bを用
いることにより、負極の表面で電析する金属リチウムの
成長を抑制でき、デンドライト状の金属リチウム析出物
による内部短絡を防止できると同時に、一般の炭素負極
と同様な作用により充放電を行える。
Therefore, by using the above carbonaceous materials A and B, it is possible to suppress the growth of metallic lithium deposited on the surface of the negative electrode, prevent internal short circuit due to dendrite-like metallic lithium deposits, and at the same time, generally Charging and discharging can be performed by the same action as that of the carbon negative electrode.

【0032】[0032]

【実施例】以下、本発明の好適実施例につき添付図面を
参照して詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施
例のみに限定されるものではない。なお、実施例に先立
ち種々の炭素質材料の基本的な性状を調査するために、
予備的な《実験1》〜《実験3》を行った。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following examples. In order to investigate the basic properties of various carbonaceous materials prior to the examples,
Preliminary << Experiment 1 >> to << Experiment 3 >> were performed.

【0033】《実験1》 セルロース,ポリイミド樹脂,フェノール樹脂,β−シ
クロデキストリンを各々窒素気流中で、昇温速度を20
0℃/時間、降温速度を100℃/時間と設定して、5
50℃,4時間、および1000℃,2時間の加熱処理
によって炭化させた。これらの炭化物に対してX線広角
回折の測定を行い、学振法に準じて002面の面間隔d
002の値およびLcの値を算出した。これら得られた
炭素質材料Aの物性値を表1に示す。
<Experiment 1> Cellulose, polyimide resin, phenol resin, β-cyclodextrin were each heated in a nitrogen stream at a heating rate of 20.
Set 0 ° C / hour and cooling rate to 100 ° C / hour, and
Carbonization was performed by heat treatment at 50 ° C. for 4 hours and 1000 ° C. for 2 hours. Wide-angle X-ray diffraction measurement was performed on these carbides, and the interplanar spacing d of 002 planes was measured according to the Gakshin method.
The value of 002 and the value of Lc were calculated. Table 1 shows the physical property values of the obtained carbonaceous materials A.

【0034】また、従来リチウム二次電池用負極活物質
として使用されているピッチコークス,天然黒鉛(中国
産燐片状、純度99.99%)についても同様な操作を
行い、d002,Lcの値を算出した。これら炭素質材
料Bの物性値も表1中に同時に示す。
Further, the same operation was performed on pitch coke and natural graphite (scaly flakes produced in China, purity 99.99%), which have been conventionally used as negative electrode active materials for lithium secondary batteries, and the value of d002, Lc was obtained. Was calculated. Physical properties of these carbonaceous materials B are also shown in Table 1 at the same time.

【0035】[0035]

【表1】 《実験2》 《実験1》で得られた炭素質材料Aと炭素質材料Bとに
対して、非水電解液中、0.39mAの定電流(電流密度
0.5mA/cm 2 に相当)で50時間(1950mAh/g に
相当)リチウムのドープを行った。このときの実験装置
の構成を図1に示す。
[Table 1] << Experiment 2 >> A constant current of 0.39 mA (corresponding to a current density of 0.5 mA / cm 2 ) in the non-aqueous electrolyte for the carbonaceous materials A and B obtained in << Experiment 1 >>. The lithium was doped for 50 hours (corresponding to 1950 mAh / g). The structure of the experimental apparatus at this time is shown in FIG.

【0036】まず各々の炭素質材料A,Bの96重量部
に対して、粘着剤としてのポリテトラフルオロエチレン
(以下PTFEと称する)4重量部を混練し、造粒し
た。この炭素質合剤15mgを秤量し、直径10mmのペレ
ット状に形成した後ニッケルワイヤのついたステンレス
ネット(直径14mm)にこのペレットを圧着し、ビーカ
セル1の作用極2(炭素質材料A,炭素質材料Bからな
る材料極)とした。
First, 4 parts by weight of polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) as an adhesive was kneaded with 96 parts by weight of each of the carbonaceous materials A and B, and granulated. 15 mg of this carbonaceous material is weighed and formed into a pellet having a diameter of 10 mm, and then the pellet is pressure-bonded to a stainless steel net (diameter 14 mm) with a nickel wire, and the working electrode 2 (carbonaceous material A, carbon Material electrode composed of quality material B).

【0037】対極4、作用極5はいずれもリチウム金属
をニッケルワイヤに固着させたものを使用した。また、
非水電解液6として過塩素酸リチウム1Mをエチレンカ
ーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(体積
比1:1)に溶解させたものを用い、これを前記ビーカ
セル1に注液して作用極5の電位の変化を測定した。測
定結果を図2,図3に示す。
Both the counter electrode 4 and the working electrode 5 were made by fixing lithium metal to a nickel wire. Also,
As the non-aqueous electrolyte solution 6, a solution prepared by dissolving 1M of lithium perchlorate in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (volume ratio 1: 1) was used, and the solution was poured into the beaker cell 1 to prepare a working electrode 5. The change in potential was measured. The measurement results are shown in FIGS.

【0038】図2,図3より、検討した全ての炭素質材
料は、リチウム金属電位より卑な電位で電解されている
が、セルロース,ポリイミド樹脂,フェノール樹脂,β
−シクロデキストリンの各々の炭素質材料Aの電極上に
は金属リチウムが析出しないことを確認した。これに対
し、天然黒鉛,ピッチコークスからなる炭素質材料Bの
電極上にはそれぞれ13時間後,10時間後付近からモ
ス状,デンドライト状の金属リチウムが斑模様状に析出
し始めたのを確認した。
2 and 3, all the carbonaceous materials examined were electrolyzed at a potential lower than the lithium metal potential, but cellulose, polyimide resin, phenol resin, β
-It was confirmed that metallic lithium did not deposit on the electrodes of each carbonaceous material A of cyclodextrin. On the other hand, it was confirmed that moss-like and dendrite-like metallic lithium began to deposit on the electrode of the carbonaceous material B composed of natural graphite and pitch coke after 13 hours and 10 hours, respectively. did.

【0039】《実験3》 ピッチコークス,天然黒鉛の各々の炭素質材料Bに対し
て、セルロース,ポリイミド樹脂,フェノール樹脂,β
−シクロデキストリンの各々の炭化物からなる炭素質材
料Aを50重量%,60重量%,70重量%,80重量
%,100重量%の割合で混合し、《実験2》と同様な
方法によって炭素質材料極を作製した。この電極を用
い、《実験2》と同様の装置により同様な操作を行って
非水電解液中で電流密度0.5mA/cm 2 の定電流で50
時間、リチウムのドープを行った。50時間後作用極を
セルから取出し、その表面状態を確認した。その結果を
表2に示す。
[Experiment 3] Cellulose, polyimide resin, phenol resin, β for each carbonaceous material B of pitch coke and natural graphite
-Carbonaceous material A composed of each carbide of cyclodextrin is mixed at a ratio of 50% by weight, 60% by weight, 70% by weight, 80% by weight and 100% by weight, and the carbonaceous material is prepared by the same method as << Experiment 2 >>. Material poles were made. Using this electrode, the same operation as in <Experiment 2> was performed, and a constant current of 0.5 mA / cm 2 was applied in a non-aqueous electrolyte at a constant current of 50.
Doping with lithium was performed for a time. After 50 hours, the working electrode was taken out from the cell and the surface condition was confirmed. The results are shown in Table 2.

【0040】[0040]

【表2】 ピッチコークス,天然黒鉛のいずれもセルロース,ポリ
イミド樹脂,フェノール樹脂,β−シクロデキストリン
の各々の炭素質材料Aが炭素質材料Bに70重量%以上
含まれていれば金属リチウムの電析は認められなかっ
た。したがって、少なくとも70重量%以上の本発明に
よる炭素質材料Aが含まれていないと金属リチウム析出
物の成長抑制効果が得られないことが判明した。
[Table 2] In both pitch coke and natural graphite, if carbonaceous material B contains 70% by weight or more of each carbonaceous material A of cellulose, polyimide resin, phenol resin, β-cyclodextrin, electrodeposition of metallic lithium is recognized. There wasn't. Therefore, it was found that the effect of suppressing the growth of metallic lithium precipitates cannot be obtained unless at least 70% by weight or more of the carbonaceous material A according to the present invention is included.

【0041】《実施例1》 以上の炭素質材料A,Bを用いて、以下に示すようにC
R2016偏平形電池を作製した。
Example 1 Using the above carbonaceous materials A and B, C as shown below was used.
An R2016 flat battery was manufactured.

【0042】まず炭素質材料A(セルロース炭化物)の
炭素質材料B(ピッチコークス)に対する配合比が各々
0,40,60,70,80,100%の混合物96重
量部に対して結着剤としてのPTFE4重量部を加えて
混練,造粒後、直径15mmの成形型に入れ3t/cm2 の圧
力で成形し、所定厚みの円板状負極を作製した。
First, as a binder, 96 parts by weight of a mixture of carbonaceous material A (cellulose carbide) and carbonaceous material B (pitch coke) were 0, 40, 60, 70, 80 and 100%, respectively. 4 parts by weight of PTFE were added, kneaded and granulated, and then put into a mold having a diameter of 15 mm and molded at a pressure of 3 t / cm 2 , to prepare a disk-shaped negative electrode having a predetermined thickness.

【0043】これらの円板状負極の厚み寸法はいずれも
0.47mmで一定となるようにし、それを構成するピッ
チコークス(炭素質材料B)単体の厚み寸法と炭素質材
料A,Bの混合物の成形後の厚み寸法との比率を5,1
0,20,40,50,60,80,100%と変化さ
せるようにした。
The thickness of each of the disk-shaped negative electrodes was 0.47 mm and was constant, and the thickness of the pitch coke (carbonaceous material B) alone and the mixture of the carbonaceous materials A and B, which compose the same, were made. The ratio to the thickness dimension after molding is 5,1
It was changed to 0, 20, 40, 50, 60, 80, 100%.

【0044】図4に示すように、これら2枚の負極1
0,12を電気的な接続を良好とするために、直径14
mmのステンレスネット14を介して順次重ね合わせ、こ
れを負極端子板16の内底部に設けた直径14mmのステ
ンレスネット18に5t/cm2 の圧力で圧着した。そして
その上にプロピレン製不織布20,マイクロポーラスフ
ィルム22を重ね合わせたセパレータを配置し、電解液
を注液の上、正極合剤24をチタンエキスパンドメタル
26を介して配置した正極缶28を封口ガスケット30
を介して負極端子板16に組み付け、カシメ付けること
により図5に示す断面形状のCR2016偏平形電池を
完成させた。
As shown in FIG. 4, these two negative electrodes 1
In order to make 0, 12 good electrical connection, diameter 14
The stainless steel nets 14 having a diameter of 14 mm were sequentially superposed on each other, and the stainless steel nets 18 having a diameter of 14 mm provided on the inner bottom of the negative electrode terminal plate 16 were pressure-bonded at a pressure of 5 t / cm 2 . Then, a separator in which a propylene non-woven fabric 20 and a microporous film 22 are superposed is arranged thereon, an electrolytic solution is poured, and a positive electrode can 28 in which a positive electrode mixture 24 is arranged via a titanium expanded metal 26 is provided as a sealing gasket. Thirty
The CR2016 flat battery having the cross-sectional shape shown in FIG.

【0045】なお、正極合剤24としては、活物質のL
iCoO2 に対し酸化コバルト(CoO)と炭酸リチウ
ム(Li2 CO3 )をモル比で2:1で混合し、空気中
で900℃,9時間加熱したものを使用した。このLi
CoO2 の80重量部に対して、PTFE樹脂10重量
部,導電剤としてのアセチレンブラック10重量部を加
えて混練,造粒後、直径15mmの成形型に入れ、3t/cm
2 の圧力で成形し、熱さ0.48mmの円板状電極とし
た。これを正極缶28の内底部に設けた直径14mmのチ
タンエキスパンドメタル26に圧着したものを用いた。
As the positive electrode mixture 24, L of the active material was used.
Cobalt oxide (CoO) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) were mixed in a molar ratio of 2: 1 to iCoO 2 and heated in air at 900 ° C. for 9 hours. This Li
To 80 parts by weight of CoO 2 , 10 parts by weight of PTFE resin and 10 parts by weight of acetylene black as a conductive agent were added, kneaded and granulated, and then put in a mold having a diameter of 15 mm, 3 t / cm
It was molded under a pressure of 2 to obtain a disk-shaped electrode having a heat of 0.48 mm. This was used by being pressure bonded to a titanium expanded metal 26 having a diameter of 14 mm provided on the inner bottom of a positive electrode can 28.

【0046】非水電解液としては、エチレンカーボネー
ト−ジエチルカーボネート混合溶液(体積比で1:1)
に1mol/l のLiClO4 を溶解させたものを使用し
た。
As the non-aqueous electrolyte, an ethylene carbonate-diethyl carbonate mixed solution (volume ratio 1: 1) is used.
It was used as LiClO 4 was dissolved in 1 mol / l to.

【0047】電池は、炭素質材料A(セルロース炭化
物)の炭素質材料B(ピッチコークス)に対する配合
比、および炭素質材料B単体の厚み寸法と炭素質材料
A,Bの混合物の成形後の厚み寸法との比率との各々の
組合せに対して2個ずつ作製した。
In the battery, the compounding ratio of the carbonaceous material A (cellulose carbide) to the carbonaceous material B (pitch coke), the thickness dimension of the carbonaceous material B alone, and the thickness of the mixture of the carbonaceous materials A and B after molding. Two were made for each combination of size and ratio.

【0048】この電池を組み立てた後、上限カットオフ
電圧を4.2V 、下限カットオフ電圧を2.8V とし、
1mAの定電流で充放電サイクル試験を100サイクルま
で行った。100サイクル後の容量を表3に示す。
After assembling this battery, the upper cutoff voltage was set to 4.2V and the lower cutoff voltage was set to 2.8V.
A charge / discharge cycle test was performed up to 100 cycles at a constant current of 1 mA. The capacity after 100 cycles is shown in Table 3.

【0049】次に、100サイクルの充放電が終わった
これら各仕様の電池それぞれ2個の内1個を、1mAで6
0時間充電し、内部短絡の有無を確認した。その結果を
同じく表3に示す。
Next, one out of two batteries of each of these specifications which had been charged / discharged for 100 cycles was charged at 6 mA at 1 mA.
It was charged for 0 hours, and the presence or absence of an internal short circuit was confirmed. The results are also shown in Table 3.

【0050】[0050]

【表3】 これらの電池を試験後分解したところ、内部短絡の原因
は電析した金属リチウムの発達によるものであることを
確認した。また、上記内部短絡有無確認試験を行わなか
った電池についても分解したところ、表3中の×印で示
した仕様の電池では、負極とセパレータとが接する負極
表面の外周部に、モス状のリチウムが析出しているのを
確認した。
[Table 3] When these batteries were disassembled after the test, it was confirmed that the cause of the internal short circuit was due to the development of electrodeposited metallic lithium. Further, when a battery which was not subjected to the internal short circuit presence / absence confirmation test was also disassembled, it was found that, in the battery having the specifications indicated by X in Table 3, moss-like lithium was formed on the outer peripheral portion of the negative electrode surface where the negative electrode and the separator contacted each other. Was confirmed to have been deposited.

【0051】表3から明らかなように、本発明範囲に含
まれる炭素質材料Aを含む層が厚ければ、金属リチウム
の析出を抑制する効果が充分得られる。しかし、炭素質
材料Aを含む層が厚すぎると電池容量が減少するため、
各々の層の厚みの比は20〜50%の範囲に限定するこ
とが好ましい。
As is clear from Table 3, if the layer containing the carbonaceous material A included in the scope of the present invention is thick, the effect of suppressing the precipitation of metallic lithium can be sufficiently obtained. However, when the layer containing the carbonaceous material A is too thick, the battery capacity decreases,
The thickness ratio of each layer is preferably limited to the range of 20 to 50%.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上実施例によって詳細に説明したよう
に、本発明に係るリチウム二次電池は、負極の構成材料
として、前記セパレータと接触する面にX線回折による
002面の面間隔d002が3.75〜4.00(オン
グストローム)の範囲にある炭素質材料を少なくとも7
0重量%以上含む層を設けることによって、全体的また
は部分的な過充電時に負極上での電析リチウムの成長を
抑制し、過充電時における電析リチウムのデンドライト
状の成長による電池の内部短絡やこれを原因とする発
火,破裂などを未然に防止することができ、この種の二
次電池の安全性を向上させることができる。
As described above in detail with reference to the embodiments, the lithium secondary battery according to the present invention has, as the constituent material of the negative electrode, the surface spacing d002 of the 002 surface by X-ray diffraction on the surface in contact with the separator. At least 7 carbonaceous materials in the range of 3.75 to 4.00 (angstroms).
By providing a layer containing 0% by weight or more, growth of electrodeposited lithium on the negative electrode is suppressed during total or partial overcharge, and dendrite-like growth of electrodeposited lithium during overcharge causes internal short circuit of the battery. It is possible to prevent fire, burst, and the like caused by the above, and to improve the safety of this type of secondary battery.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】電位測定装置の概略を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a potential measuring device.

【図2】炭素質材料極Aの電位の経時変化を示すグラフ
である。
FIG. 2 is a graph showing changes with time of the potential of the carbonaceous material electrode A.

【図3】炭素質材料極Bの電位と経時変化を示すグラフ
である。
FIG. 3 is a graph showing the potential of the carbonaceous material electrode B and changes over time.

【図4】炭素質材料A,Bを用いたCR2016偏平形
電池の分解斜視図である。
FIG. 4 is an exploded perspective view of a CR2016 flat battery using carbonaceous materials A and B.

【図5】同組立状態を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the same assembled state.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,12 負極 14 ステンレスネット 16 負極端子板 20,22 セパレータ 24 正極合剤 28 正極缶 10,12 Negative electrode 14 stainless steel net 16 Negative electrode terminal plate 20,22 separator 24 Positive electrode mixture 28 Positive electrode can

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 吉郎 東京都港区新橋5丁目36番11号 富士電 気化学株式会社内 (72)発明者 名倉 秀哲 東京都港区新橋5丁目36番11号 富士電 気化学株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−137010(JP,A) 特開 平5−121066(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/58 H01M 4/02 H01M 10/40 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yoshiro Harada 5-36-11 Shimbashi, Minato-ku, Tokyo Inside Fuji Denki Kagaku Co., Ltd. (72) Hidenori Nagura 5-36-11 Shinbashi, Minato-ku, Tokyo Within Fuji Denki Kagaku Co., Ltd. (56) Reference JP-A-3-137010 (JP, A) JP-A-5-121066 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 4/58 H01M 4/02 H01M 10/40

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 リチウムのドープ,脱ドープが可能であ
り、かつリチウムを含んだ正極と、セパレータと、炭素
質材料からなる負極とを順次重ね合わせた構造を有し、
この要素に非水電解液を備えたリチウム二次電池におい
て: 前記負極に、前記セパレータと接触する面にX線回折に
よる002面の面間隔d002が3.75〜4.00
(オングストローム)の範囲にある炭素質材料を少なく
とも70重量%以上含む層(A)を設け、この層の厚さ
が前記セパレータと鉛直方向における前記負極の全体厚
みに対して20〜50%を占有し、且つ前記全体厚みの
残りの割合に相当する部分が、002面の面間隔d00
2が3.72(オングストローム)以下の炭素質材料か
らなる層(B)で構成され、前記層(A)と前記層
(B)とを前記セパレータと鉛直方向に圧着してなる
とを特徴とするリチウム二次電池。
1. A structure having a structure in which a positive electrode containing lithium, which can be doped and dedoped with lithium, a separator, and a negative electrode made of a carbonaceous material are sequentially stacked,
In a lithium secondary battery including a non-aqueous electrolyte solution in this element: a surface of the negative electrode, which is in contact with the separator, has a surface spacing d002 of 002 planes of 3.75 to 4.00 by X-ray diffraction.
A layer (A) containing at least 70% by weight or more of carbonaceous material in the range of (angstrom) is provided, and the thickness of this layer occupies 20 to 50% of the total thickness of the separator and the negative electrode in the vertical direction. And the total thickness
The portion corresponding to the remaining ratio is the surface spacing d00 of the 002 surface.
2 is a carbonaceous material of 3.72 (angstrom) or less
Which is composed of a layer (B) consisting of
A lithium secondary battery characterized in that (B) is pressure-bonded to the separator in the vertical direction .
【請求項2】 前記層(A)と前記層(B)との圧着面
に金属ネットを介在させたことを特徴とする請求項1に
記載のリチウム二次電池。
2. A pressure-bonded surface between the layer (A) and the layer (B)
The lithium secondary battery according to claim 1 , wherein a metal net is interposed in the lithium secondary battery.
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