非水电解液二次电池用负极材料、其制法及用其制的电池制造技术

一种非水电解液二次电池用负极材料，其特征在于，其中含有从咖啡豆、茶叶、甘蔗类、玉米类、果实类、谷物杆叶类、谷壳类中选择的至少一种碳质化物。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于非水电解液二次电池的负极材料。更具体地说，涉及一种能够对作为负极活性物质的轻金属离子，特别是锂离子进行掺杂及脱掺杂的碳质负极材料。另外还涉及其制造方法及使用该负极的非水电解液二次电池。
技术介绍
近年来随着电子技术的进步，开发了照相-体型的VTR、移动电话、lap-top型计算机等的小型便携式电子设备，作为用于这些电子设备的便携式电源，人们强烈要求开发一种小型而且重量轻以及高能量密度的二次电池。作为符合这些要求的二次电池，人们正期待一种能够产生理论上的高电压，而且具有高能量密度的，以锂、钠、铝等轻金属作为负极活性物质使用的非水电解液二次电池。其中，与作为水溶液体系电解液二次电池的镍/镉电池或铅蓄电池相比，一种通过非水体系电解液进行锂离子充放电的非水电解液二次电池能够实现高输出功率和高能量密度，因此人们正积极地对这类电池进行研究开发。可是，在这类非水电解液二次电池中，如果单独地以轻金属，例如锂金属直接作为负极材料使用，则在充电过程中容易在负极上析出树枝状的锂金属。由于在这些树枝状物尖端处的电流密度非常高而引起电解液分解等原因，导致了电池循环寿命的降低。另外，一旦树枝过度地生长，则很容易造成电池内部短路。另外，为了确保小型电子设备的工作时间或电源插件的寿命，人们强烈希望开发一种能够实现比现有技术更长循环寿命，更高能量密度的电池的负极材料。因此，为了防止树枝状的金属，例如锂金属的析出以及改善电池的循环充放电特性，有人提出将一种能够对作为负极活性物质的锂离子进行掺杂和脱掺杂的碳质材料用作非水电解液二次电池的负极材料(特开昭62-90863号公报)。在此情况下，可以认为锂离子是在碳质材料的石墨样层状结构的各层之间，按照理论上6个碳原子对1个锂原子的比例进行电化学掺杂和脱掺杂。作为这类碳质材料，从制造成本和循环充放电特性等观点考虑，现在主要是使用焦炭类(沥青焦、针形焦和石油焦等)或有机高分子化合物焙烧体(例如象在特开平4-308670号公报中记载的那样，由呋喃树脂、天然高分子物质等在适当的温度下焙烧而成的碳质化物)。在这些碳质材料中，以一种由天然高分子结晶纤维素焙烧而获得的碳质材料(特开平2-54866号公报)特别引人注目，因为这种碳质材料与合成高分子材料相比，其聚合度的不稳定状态较少，因此其焙烧物特性的不稳定状态也较少。与焦炭类相比，这些碳质材料具有较大的充电容量，从这一点考虑，它很有希望作为非水电解液二次电池的负极材料使用。另外，纤维素与由煤资源制造的合成高分子不同，它是一种具有再生产性的原料，从保护和改善地球环境的观点来看是比较理想的。然而，由结晶性纤维素得来的碳质材料虽然具有比较大的充电容量，但是以放电容量对充电容量之比来表示的充放电效率低下，这是其缺点。因此，在使用由结晶性纤维素得来的碳质材料作为负极材料来制造实用电池的情况下，所用正极活性物(例如锂过渡金属的氧化物等)的数量必须足以与负极的充电容量相平衡而不是与其放电容量相平衡，因此，相对于放电容量来说，必须使用具有很大过剩量的正极活性物质。因此，如果使用这种充放电效率低下的，由结晶性纤维素得来的碳质材料作为非水电解液二次电池的负极材料，则在限定体积和重量的条件下，从制造高能量密度电池的观点来看是不利的。另外，人们还要求实用诸如可再生的结晶性纤维素之类的植物性高分子物质作为非水电解液二次电池的负极用碳质材料的原料，以便进一步地将这些已用过的废弃物作为再生资源利用。另外，人们还要求，不仅限于由植物性高分子物质得来的碳质化物，而且以一般的碳质负极材料作为非水电解液二次电池的负极材料也能实现高的充放电容量。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种可以再生的，而且可以从工业废物获得的物质作为原料的负极材料，以及使用这种负极材料来制造非水电解液二次电池的负极，以便能够实现高的充放电容量和充放电效率。本专利技术的另一个目的是，不仅限于使用由特定原料得来的碳质化物，而且在使用一般的碳质负极材料来制造非水电解液二次电池的负极时，也能实现高的充放电容量。本专利技术人对此进行了深入的研究，结果发现，使用一种由作为工业废物的特定的植物性高分子物质焙烧而成的碳化物质制造的负极，可以在非水电解液二次电池中实现高的充放电容量。另外，本专利技术人还发现，与结晶性纤维素的碳质化物相比，这类由特定的植物性高分子物质焙烧成的碳质化材料含有非常高比例的金属元素、磷元素、硫元素等，因此，使用由含有这些元素的化合物与植物性高分子材料一起碳化而成的材料制得的负极，可以在非水电解液二次电池中实现高的充放电效率。另外，本专利技术人还发现，这种由特定植物性高分子物质焙烧成的碳质化材料，在X射线衍射图中的特定2θ衍射角范围内具有一个峰，这个峰是在由高纯度的结晶性纤维得来的碳质材料的情况下观察不到的，但是不仅限于由这种特定的植物性高分子物质焙烧成的碳质化材料，只要是具有这种峰的碳质材料，与没有该峰的碳质材料相比，都能在非水电解液二次电池中实现高的充放电容量。基于这些发现，从而完成了本专利技术。也就是说，本专利技术的非水电解液二次电池用负极材料的第1方案的特征在于，其中含有从咖啡豆、茶叶、甘蔗类、玉米类、果实类、谷物的杆叶类或稻壳类中选择的至少一种碳质化物。另外，本专利技术的非水电解液二次电池用负极材料的第2方案的特征在于，它由一种按元素换算合计含有0.2～20重量％的金属、磷和硫的植物性高分子物质得来的碳质材料构成。与该第2方案有关，将金属、磷及硫元素各自的含量独立地来考虑，提供了以下所示的负极材料。也就是说，作为本专利技术的第3方案，可以举出由一种按元素换算含有0.01～0.5重量％Na的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料；由一种按元素换算含有0.01～3重量％K的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料；由一种按元素换算含有0.05～20重量％Ca的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料； 由一种按元素换算含有0.005～1重量％Mg的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料；由一种按元素换算含有0.005～0.5重量％Al的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料；由一种按元素换算含有0.02～3重量％磷的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料；由一种按元素换算含有0.02～0.5重量％硫的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料；由一种按元素换算含有0.01～1重量％Si的植物性高分子物质得来的碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料。此处，可以将前面第2方案与第3方案的各条件独立地来考虑。也就是说，只要满足各元素的合计量，或者各元素单独的含量二者之中任一个条件即可。不言而喻，满足2个以上的条件当然是可以的。另外，本专利技术的非水电解液二次电池用负极材料的第4方案的特征在于，在由碳质材料构成的非水电解液二次电池用负极材料中，碳质材料在CuKαX射线衍射图的2θ衍射角30度～32度之间具有一个衍射峰。由上述第1～第4方案的负极材料构成的负极非常适用于非水电解液二次电池。特别是在具备一种由锂复合氧化物构成的正极与由一种能对作为负极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：山田心一郎，明石宽之，井本浩，东秀人，北村健一，足立百惠，佐佐木辉江，田中浩一，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：