负极碳素物质及其制备方法和利用该碳素物质的非水溶液电解质型二次电池技术

本发明专利技术的负极碳素物质适用于制造非水溶液电解质二次电池。负极碳素物质呈烧结碳体形状，该烧结碳体通过烧结作为碳前体的中间相碳制得，烧结碳体具有１．５０至１．８０ｇ／ｍｌ的实际比重。本发明专利技术还涉及制造该负极碳素物质和用该负极碳素物质的非水溶液电解质二次电池的方法。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用作非水溶液电解质二次电池的负极活性材料的负极碳素物质，制造负极碳素物质的方法和用负极碳素物质作为负极活性材料的非水溶液电解质二次电池。近来随着象摄像机、盒式录音机或类似小型便携装置的广泛传播应用，用可重复使用的二次电池替代易处理的原电池的需求日益增加。多数现有二次电池是用碱性电解质的镍-镉型电池。然而，这种镍-隔型电池有约1.2V的低放电电压，难以提高电池的能量密度。另外，镍-镉电池存在着自放电率每一个月为20％的问题。为克服上述问题，试图用非水溶液作为电解质和用象锂的轻金属作为负极，这样可提供电压为3V或更高、高能量密度和低放电率的非水溶液电解质二次电池。然而，因此二次电池的问题在于在充/放电循环时，用作负极的锂或类似金属形成枝晶形状，以致于与正极接触，因而，电池内部出现短路。这导致电池短寿命并且难以应用。结果，试图提供用锂或其它金属构成的合金作为负极的非水溶液电解质二次电池。然而，这种情况下，当充/放电循环时，合金分裂成小颗粒，这导致电池短寿命并且难以应用。在这种情况下，已提出一种用象焦炭的碳素物质作为负极活性材料的非水溶液电解质二次电池。相对于负极材料，这种非水溶液电解质二次电池不存在上述问题并且甚至在重复充/放电循环时有很长的寿命。然而，当负极活性材料与同本专利申请同时申请的象LixMo2(其中M是至少一种过渡金属和X是一个不小于0.05但不大于1.10的数)的正极活性材料一同使用时，可获得一个电池寿命提高并且有预期的高能量密度的非水溶液电解质二次电池。然而，与金属锂或类似物用作负极活性材料的电池相比，用碳素物质作为负极活性材料的非水溶液电解质二次电池仍然存在能量密度不足的问题；虽然后者在循环寿命或安全方面优于前者。克服这些问题的措施之一包括一个提高存储密度的方法。然而，此方法仅能提供一有限的能量密度。本专利技术的一个目的是提供一个适用于非水溶液电解质二次电池的负极活性材料的新型负极碳素物质并且具有高容量。本专利技术另一目的是提供制造适用于非水溶液电解质二次电池的负极活性材料的负极碳素物质的方法。本专利技术的另一目的是提供有优良循环寿命、安全性和高能量密度的非水溶液电解质二次电池。本专利技术第一方面是提供一个呈烧结碳体状态的负极碳素物质，它是由烧结作为碳前体的中间相碳制成，该烧结碳体有1.50至1.80g/ml的实际比重。本专利技术的第二方面是提供一个制造负极碳素物质的方法，其中中间相碳用途碳前体，包括对中间相碳进行氧化处理，以及在温度高于氧化处理温度的惰性气氛或真空状态中热处理中间相碳步骤，因而，碳素物具有1.50至1.80g/ml的实际比重。本专利技术的第三方面是提供一个包括呈烧结碳体状态的负极碳素物质的非水溶液电解质二次电池，该烧结碳体由烧结作为碳前体的中间相碳制成，该烧结碳体具有1.50至1.80g/ml的实际比重。如上所述，在本专利技术中一种特定的碳素物质用作前体并且把氧化处理作为前处理。然后在惰性气氛或真空状态中热处理已前处理过的碳素物质得到烧结碳体，从而能获得具有极高容量的负极碳素物质。也就是说，根据本专利技术首先对作为碳前体的中间相碳进行氧化处理，然后在温度高于氧化处理温度的惰性气氛或真空状态中进行热处理，从而可获得实际比重为1.50至1.80g/ml，(002)晶面间距为3.37至3.70A并且适用于负极活性材料的碳素物质。上述中间相碳可包含一单一物质，它由单独的中间相沥青、安全碳化的中间相沥青、部分碳化的中间相沥青或象中间相沥青和碳的混合物质的含中间相沥青的碳组成。为获得能直接用于电池负极、呈烧结碳体状态的最终负极碳素物质，希望作为碳前体的中间相碳具有20％或更低的体积膨胀系数。在烧结碳体磨碎的情况下，中间相碳的体积膨胀系数不限制于一特定范围。这种情况下，有更大体积膨胀系数的中间相碳能用于获得负极碳素物质。在用这种负极活性材料的非水溶液电解质二次电池中，最好用由LixMO2表示的复合氧化物作为正极活性材料，其中M表示至少一种过渡金属并且X是不小于0.5但不大于1.10的一个数。当结合附图和阅读以下的详细说明时，本专利技术的目的、特点和优点将变得更为清楚。附图说明图1是表示本专利技术非水溶液电解质二次电池的横截面示意图。本专利技术的负极碳素物质可由作为碳前体的中间相碳制成。对中间相碳进行氧化处理，然后进行热处理，其中碳是在温度高于前面的氧化处理温度的惰性气氛或真空状态中进行热处理的，结果，可获得具有1.50至1.80g/ml实际比重的碳素物质。用作碳前体的中间相碳可呈单一物质形态，它由单独的中间相沥青、完全碳化的中间相沥青、部分碳化的中间相沥青、含中间相沥青的碳例如中间相沥青和碳的混合物组成。为提高中间相的生长，可通过在特定温度和特定气氛下煅烧原材料制作中间相碳。用于中间相碳的适当原材料例子可包括石油沥青、粘结剂沥青、或类似物质。而且，象呋喃、并三苯、苊或类似的低分子量有机化合物适合用作中间相碳的原材料。在负极碳素物的制造中，首先对上述中间相碳进行氧化处理，然后进行热处理，其中中间相碳是在象氮气的惰性气氛或真空状态中进行热处理的。在象空气的氧化气氛或存在无机或有机酸、臭氧、或象高锰酸钾、氯化铝或类似物中进行氧化处理。而且，氧化和热处理是在任意温度条件下进行。然而，在惰性气氛或真空中完成热处理的温度必须高于前面氧化处理的温度。实际上，热处理可在800℃或更高温度下完成，同时氧化处理在比热处理温度低100℃或更多的温度下完成。进行这样氧化处理的负极碳素物质有极高容量。我们可认为这是由于氧化处理削弱了碳素物质的碳-碳键，以致于增加了能够吸收或搀入锂的位置数量，碳素物质的实际比重减小。顺便说来，所制备负极碳素物质必须有1.50至1.80g/ml的实际比重，最好为1.55至1.79g/ml。通过控制(002)晶面间距在3.7A(石墨)至3.70可获得碳素物质的如此实际比重。负极碳素物质可以以烧结体的形式制造。最好把这样的烧结体直接用于负极。然而，可磨碎碳素物质，然后与粘结剂混合，为电极制备原始混合物。例如，把电极原始混合物涂在带状电流集电器上形成负极层，负极层与正极层和隔离器交替排列。然后卷起叠层体形成圆筒形电极体。另一方面，正极由含LixMO2的活性材料制备，这里M是至少一种过渡金属，最好从Co、Ni和Fe组中选出至少一种元素，X是不小于0.05但不大于1.10的数。此活性材料可包括象LiCoO2，LiNiO2或LiNiYCo(1-Y)O2的复合氧化物，这里X是不小于0.05但不大于1.10的数，Y是大于0但小于1的数。正极也可由LiMn2O4制备。例如根据目标正极的组成，通过以适当比率混合锂、钴、镍的碳酸盐制得上述复合氧化物，然后在温度范围600℃至1000℃的含氧气氛中烧结混合物。同时，原始材料不局限于碳酸盐，也可用这些金属的氢氧化物和氧化物作为正极的原始材料。本专利技术可用任何已知电解质溶液，通过溶解电解质在有机溶剂中制备。适当的有机溶剂例子可包括象碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、γ-丁丙酯或类似物的酯，象乙醚、四氢呋喃、代四氢呋喃、di-ox、orane、吡喃或其衍生物、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷或类似物的醚，象3-甲基-2-噁唑烷二酮(3-methyl-2-oxazolidinone)或类似本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种呈烧结碳体形状的负极碳素物质，该烧结碳体通过烧结作为碳前体的中间相碳制得，所说的烧结碳体具有１．５０至１．８０ｇ／ｍｌ的实际比重。２．如权利要求１的负极碳素物质，其特征在于所说碳素物质具有３．３７至３．７０的（００２）晶面间距。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：山平隆幸，竹内由明，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]