負極活物質の材料と反応(易黒鉛化炭素)

負極活物質の材料と特徴(易黒鉛化炭素)

 

 

リチウムイオン電池で実用化や注目が集まっている負極活物質の種類と主な特徴を解説します。
 
このページでは、炭素系材料の中でも易黒鉛化炭素について解説します。
 
易黒鉛化炭素の特徴、合成方法

 

・易黒鉛化炭素は、熱処理温度を上げると黒鉛構造に近づく炭素のことです。難黒鉛化炭素は、熱処理温度を高くしても黒鉛構造には近づきません(こちらにて解説)。熱処理温度により構造が大きく変化するため、こちらのページでは一般的な熱処理温度である1000℃〜1200℃付近で熱処理した場合の易黒鉛化炭素の特徴を解説します。

 

 

 

 

イメージ図。

 

 

 

 

 

 

・熱処温度が低い易黒鉛化炭素は難黒鉛化炭素と構造が近く、結晶構造を有する部分と非晶質部から成ります。また、結晶部のグラフェン層間距離はおおよそ0.34nm以上であり、結晶子枚数は数枚〜数十枚程度です。一般的に使用される品の密度は1.8g〜2.0g/cm3程度です。

 

・結晶部が少なく、かつ結晶の層間距離も広いため、黒鉛のように膨張収縮が起こらず、サイクル特性が良好です。((((((((((((((((((((((((確認))))難黒鉛化との中間くらい??????

 

・反応サイトは黒鉛より多いため、電荷移動抵抗を小さく出来、入出力特性が良くなります。ただし、反応サイトが多い分、不可逆容量が大きくなります(黒鉛化により変動します)。。((((((((((((((((((((((((確認))))難黒鉛化との中間くらい??????

 

・また、黒鉛ではグラフェン層の層間へのLiイオンの脱挿入が行われていましたが、易黒鉛化炭素は難黒鉛化炭素同様に、結晶部のグラフェン層へのLiイオンの脱挿入に加えて、非晶質部(結晶子間の空隙)へ脱挿入されるため、全体としてみると黒鉛よりも脱挿入部位が大きくなります。そのため、単位質量当たりの理論的な容量は、黒鉛より大きくなる傾向にあります(熱処理や合成方法の関係で変動します)。ただし、不可逆容量も大きいため、実際の電池として組んだ場合の単位質量、単位体積当たりの容量は黒鉛より若干小さい場合が多いでしょう。

 

・黒鉛負極では、完全放電時から充電を始め、Liイオンが挿入されると同時に急激に電位が低下しLi/Li+電位に近づいていくことを解説しました(こちらにて解説)。これに対して難黒鉛化炭素や易黒鉛化炭素(適切に熱処理されたもの)では作動電位に傾斜がつき、下記イメージ図のような曲線となります。これは結晶構造を有する部分と部分と非晶質部分の両方を併せ持つため、外部からの何かしらの力が少しでも挿入が始まる部分と、外部からの何かしらの力が強くないと挿入が始まらない部分があるため、傾斜がつきます。

 

 

 

傾斜系のイメージ図

 

 

 

 

・上記のように作動電位に傾斜がつくため、システムでの電圧からのSOC検知が行いやすいメリットがあります(SOC-OCV曲線の説明はこちら)。

 

・また、非晶質部が多いため、黒鉛負極では使用できないPC電解液(ECよりも融点が低く、低温特性に優れる(こちらで詳細を解説)も使用できます。熱処理温度を上げ、黒鉛化度が増した場合はLiイオン挿入時にPCが先に分解されてしまうため、PCは使用できません。

 

 

難黒鉛化炭素の熱処理温度の関係

 

 

 

 


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