JP4845245B2 - Lithium battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム電池に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、自己放電が少なく、長期保存に対応できるなどの特性を生かし、携帯電話やノートパソコンなどに広く用いられている。これらリチウムイオン電池は、正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)やマンガン酸リチウム(LiMn2O4)が一般的に用いられ、負極活物質には、コークスや炭素繊維などの炭素材料が用いられている。
【0003】
一般的にリチウムイオン電池は、前述の正極活物質や負極活物質とアセチレンブラックや黒鉛などの導電剤とポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの結着剤と共にアルミ箔もしくは銅箔に塗付され、ポリプロピレン製またはポリエチレン製もしくはそれらの組み合わせであるセパレータを介してスパイラル状に巻き取られて電槽缶内に挿入され、さらに有機系電解液を注入して封口された構造になっている。
【0004】
これら有機系電解液の構成要素は非プロトン性溶媒と電解質塩であり、非プロトン性溶媒としてはプロピレンカーボネート(PC)、ジメトキシエタン(DME)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)が単独あるいは混合された状態で用いられ、電解質塩としてはLiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2Nなどが用いられている。
【0005】
また、近年、携帯電話やノートパソコンなどの携帯用情報通信端末に代表される各種電子応用機器の薄型かつ小型化の要求に伴い、前述のような有機系電解液に代えて、ポリマー電解質を用いたリチウム電池が注目されている。
【0006】
ポリマー電解質は、ポリエチレンオキシド(PEO)やポリプロピレンオキシド(PPO)に代表されるドナー型の極性基を有する高分子と電解質塩との混合剤であり、電解質層を薄膜化することができてエネルギー密度の向上が期待される。あるいは、漏液、腐食の心配がなく、揮発性の非プロトン性溶媒を用いないため、爆発、発火の危険性が少ないなど、電池特性、安全性の向上が望める。
【0007】
しかしながら、前述のポリマー電解質は、有機系電解液と比較してイオン伝導度が低いという問題があり、ポリマー電解質に有機系電解液を混合したゲル電解質は、有機系電解液に匹敵するイオン伝導度を有することから、開発が盛んに行われている。
【0008】
このようなゲル電解質を用いた場合、固体電解質層と電極層の電気的な接触を理想的に保つことが困難であり、例えば特開平7−326383号公報では、高分子化合物に電解質塩と溶媒を混合してモノマー組成物を重合させたものを正極活物質層に積層してモノマー組成物の一部を正極活物質層に含浸させ、正極活物質層に含浸させたモノマー組成物と正極活物質の表面に積層したモノマー組成物を重合して正極活物質層に密着して高分子固体電解質を積層状態に作製することによって正極活物質層と高分子固体電解質とを十分に密着させることが提案されている。
【0009】
また、特開平8−111233号公報では、正極酸化物表面にポリエーテル、ポリチオエーテル、またはポリアクリレートの主鎖の両端または一端が化学結合した正極と固体電解質との界面の抵抗、および正極活物質粒子同士の界面抵抗を低減させることが提案されている。
【0010】
また、特開平8−315855号公報では、重合可能な官能基を有する有機化合物と有機溶媒とリチウム塩との混合物を両電極間に挟み、その後に重合を完結させることにより、電解質と電極との間における界面の生成を防止し、固体電解質と電極との剥離を防ぐことなどが提案されている。
【0011】
また、特開平3−37971号公報では、有機高分子固体電解質中にLiI、Li−β−Al2O3、Li3N、LiI−Al2O3などの無機固体電解質を分散させ、イオン伝導度を向上させると共に、柔軟性を有し、耐電圧のある信頼性の高い薄型電池が提案されている。
【0012】
また、特開平9−50816号公報では、溶質と電解質塩を混合させた高分子電解質中に、Li2CO3、CoCO3、NiCO3、MgCO3などの金属炭酸化物を分散させることにより、機械的性質、加工性が優れるとともに、負極との界面における化学的安定性の高い複合固体電解質が提案されている。
【0013】
しかしながら、これらの方法では依然として電解質のリチウムイオン伝導度が低く電流密度が小さくなってしまう問題があり、主たるリチウムイオン伝導体である有機溶媒およびリチウム塩を多く含ませる必要があった。
【0014】
さらには、固体電解質に無機化合物を用いた固体電解質電池の開発も進められている。例えば特開平8−148180号公報では、正極活物質として遷移金属酸化物および遷移金属硫化物からなる化合物を正極とし、Li2Sを含むリチウムイオン電導性のガラス固体電解質およびリチウムと合金化する金属を負極とする全固体リチウム電池で負極におけるデンドライドの発生や活物質の脱落がなく、充放電サイクル寿命に優れることが提案されている。ただし、この提案は、正極および固体電解質に硫化物系の化合物を含むため、水分との反応性に富むなどの問題がある。
【0015】
また、特開平5−299101号公報では、リチウムイオン電導性に優れるLi1+(4-n)MxTi2-x(PO4)3を焼結させたものを固体電解質に用いることによって高率放電特性に優れるリチウム電池を提案している。しかし、このように酸化物無機固体電解質を用いた全固体リチウム電池においても、従来の非水溶媒を電解液として用いた二次電池と比較して、エネルギー密度、放電電流密度に劣るなどの問題があり、実用化には至っていない。
【0016】
無機固体電解質のリチウムイオン伝導度が向上しても、電池としての特性が向上しない原因として、粒子−粒子間の界面抵抗、電極−固体電解質間の界面抵抗が考えられる。材料各々では、十分な特性を有していても、界面抵抗が高いために十分な特性が得られない。
【0017】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、電解質のリチウムイオン伝導度が低くて電流密度が小さく、例えばリチウムイオン伝導体である有機溶媒やリチウム塩を含ませる必要があるという従来の問題点を解消したリチウム電池を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明のリチウム電池では、一対の電極間に、リチウムを含む固体電解質層を介在させてなるリチウム電池であって、前記固体電解質層はリチウムイオン伝導性を有する酸化物系結晶化ガラスからなり、前記電極および前記固体電解質層が、電解質塩を含まない非プロトン性溶媒を含むことを特徴とするリチウム電池を提供する。
【0019】
上記リチウム電池では、前記電極が電極活物質と固体電解質とを含み、前記固体電解質層がこの固体電解質と同一材料から成ることが望ましい。
【0020】
上記リチウム電池では、前記固体電解質層がリチウムイオン伝導性を有する酸化物系結晶化ガラスから成ることが望ましい。
【0021】
上記リチウム電池では、前記非プロトン性溶媒が、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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートのうちのいずれか一種または複数種から成ることが望ましい。
【0022】
上記リチウム電池では、前記電極の活物質がLi1+xMn2-xO4(0≦x≦0.2)、LiMn2-yMeyO4(Me=Ni、Cr、Cu、Zn、0<y≦0.6)、Li4Ti5O12、およびLi4Mn5O12よりなる群から選択される少なくとも1種からなることが望ましい。
【0023】
従来の有機系電解液は、非プロトン性溶媒に電解質塩を溶解させることによって電解質にリチウムイオン電導性を付与するものであるが、本発明では、電解質塩を含まない非プロトン性溶媒を含ませるだけで電池特性が向上するものであり、従来にない伝導機構によってリチウムイオンが移動しているものと思われる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリチウム電池の実施形態について説明する。
図1は、本発明に係るリチウム電池の構成例を示す断面図である。図1において、1はパッケージ、2は一対の電極、2aは正極、2bは負極、3は固体電解質層、4は正極集電体、5は負極集電体である。
【0025】
パッケージ1は、気密性を保持できれば材質には限定されず、例えばアルミニウム製ラミネート材、ニッケル、アルミニウムなどの金属、あるいはシュリンクケースなどを用いることができる。
【0026】
正極集電体4または負極集電体5は、正極2aまたは負極2bの集電ために設けられ、例えばアルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)などの金属箔を用いることができる。
【0027】
正極2aは、正極活物質紛末からなり、必要に応じて固体電解質層と同一材料の固体電解質粉末が混合される。負極2bは、負極活物質粉末からなり、必要に応じて固体電解質層と同一材料の固体電解質紛末が混合される。正極または負極活物質と固体電解質粉末を混合する場合、電極内のリチウムイオン伝導度の向上が期待されるが、固体電解質粉末の混合量が過多になると、電池の充放電反応に寄与する正極もしくは負極活物質の体積当たりもしくは重量当たりの量が減少し、電池としてのエネルギー密度が低下する。したがって、電極における正極もしくは負極活物質の量は、40重量%以上であることが望ましい。また、この正極2aおよび負極2bには、必要に応じて導電剤と結着剤が添加される。
【0028】
この正極2aおよび負極2bに用いる電極活物質としては、例えば、リチウムマンガン複合酸化物、二酸化マンガン、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムバナジウム複合酸化物、リチウムチタン複合酸化物、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化タングステンなどとそれらの誘動体を用いることができる。上述の遷移金属酸化物のうち、特にLi1+xMn2-xO4(0≦x≦0.2)、LiMn2-yMeyO4(Me=Ni、Cr、Cu、Zn、0<y≦0.6 )、Li4Ti5O12、あるいはLi4Mn5O12よりなる群は、充放電中の活物質の体積変化が小さい結晶系がスピネル系の活物質であり、良好なサイクル特性を示すものである。ここで、正極活物質と負極活物質には明確な区別はなく、2種類の化合物の充放電電位を比較して貴な電位を示すものを正極に、卑な電位を示すものを負極にそれぞれ用いて任意の電圧の電池を構成することができる。
【0029】
固体電解質層3に用いる固体電解質粉末、正極2aもしくは負極2bに混合する固体電解質粉末としては、30LiI−41Li2O−29P2O5、40Li2O−35B2O5−25LiNbO3、25Li2O−25Al2O3−50SiO2、40Li2O−6Y2O3−54SiO2、あるいは65LiNbO2−35SiO2などの酸化物系非晶質固体電解質やLi1+xMxTi2-x(PO4)3(ここでMはAl、Sc、Y、La)、Li1+xTi2-x(PO4)3、Li0.5-3xR0.5+xTiO3(ここでRはLa、Pr、Nd、Sm)、Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12などの酸化物系結晶化ガラスが挙げられる。固体電解質粉末は、イオン伝導度の観点から、酸化物系結晶化ガラスであることが望ましい。
【0030】
導電剤としては、アセチレンブラック、黒鉛、ケッチェンブラック、RuO2、Sb2O3をドープしたSnO2、あるいはSnO2をドープしたIn2O3などが挙げられる。
【0031】
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリオレフィン類、ポリイミドなどが挙げられる。
【0032】
正極2a、負極2b、固体電解質3の形成方法としては、溶媒に分散させた前記結着剤中に各粉末を分散させてスラリー化した後、このスラリーを基材フィルム上に塗付乾燥させる。このとき、正極2a、負極2b、固体電解質3を各々成形して裁断した後に、熱圧着等で積層する方法、または正極2aもしくは負極2bを成形した後に乾燥し、その上に固体電解質3を成形して乾燥し、さらにその上に負極2bもしくは正極2aを成形する方法が挙げられる。また、粉末を金型に投入してプレス機で加圧成形する方法、もしくは造粒した粉末をロールプレスで加圧成形してシート状に成形する方法などもある。
【0033】
ここで、基材フィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、テトラフルオロエチレンなどの樹脂フィルム、アルミニウム、ステンレス、銅などの金属箔が使用可能である。
【0034】
正極2a−固体電解質3−負極2bに含ませる非プロトン性溶媒としては、溶媒の沸点、粘度などを考慮すれば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)のいずれか一種または複数種からなる溶媒が挙げられる。
【0035】
正極2a−固体電解質3−負極2bの積層体に非プロトン性溶媒を含ませる方法としては、積層体を非プロトン性溶媒中へディッピングする方法、非プロトン性溶媒を直接積層体に含浸する方法などが挙げられる。積層体に含ませる非プロトン性溶媒の量は特に限定されないが、積層体を形成する粉末を程よく濡らす必要があるため、1cm2当たり、0.1cc以上であることが望ましい。
【0036】
また、非プロトン性溶媒を含まない全固体電池では、リチウムイオンはバルクでの移動のみに頼っているが、本発明のリチウム電池では、粒子と粒子表面を濡らす非プロトン性溶媒との界面でイオンが移動しているものと推測される。
【0037】
本発明が適用されるリチウム電池は、一次電池であっても二次電池であってもよい。電池形状は円筒型、角型、ボタン型、コイン型および扁平型などに限定されるものではない。
【0038】
【実施例】
[実施例1]
水酸化リチウムと二酸化マンガンをLiとMnのモル比が1:2となるように混合し、この混合物を大気中の900℃で15時間加熱焼成することによってリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)を合成し、これを正極活物質とした。次に、水酸化リチウムと二酸化マンガンをLiとMnのモル比が4:5となるように混合し、この混合物を大気中の600℃で15時間加熱焼成することによってリチウムマンガン複合酸化物(Li4Mn5O12)を合成し、これを負極活物質とした。
【0039】
このLiMn2O4に、固体電解質粉末としてLi1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12を体積比で8:2の割合になるように混合し、この混合粉末に対してアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデン(PVdF)を重量比で82:8:10の割合になるように混合した。なお、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)はあらかじめN−メチルピロリドンに溶解させたものを用いた。さらに、この混合物にポリフッ化ビニリデン(PVdF)を12g添加して混合することによってスラリー化した。このスラリーをアルミニウム(Al)上にドクターブレード法で塗付した後に、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を乾燥してシート状に成形した。
【0040】
また、固体電解質紛末Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12にポリフッ化ビニリデン(PVdF)を重量比で9:1の割合になるように混合した。なお、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)は前述と同様に、あらかじめN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させたものを用いた。さらに、この混合物にN−メチルピロリドン(NMP)を約15g添加して混合することによってスラリー化した。このスラリーをドクターブレード法で前述の正極上に塗付して積層し、乾燥することにより、正極2aと固体電解質3の積層体を得た。
【0041】
さらに、Li4Mn5O12を正極活物質であるLiMn2O4と同様にスラリー化し、前記積層体の固体電解質側に塗付して積層して乾燥することによって、正極2a−固体電解質3−負極2bの積層体を得た。得られた積層体の厚みは約200μmであった。
【0042】
得られた積層体に対し、プロピレンカーボネート(PC)を含浸させて積層体の正極2aに正極集電体4を接合すると共に、同様に負極2bに負極集電体5を接合してパッケージ1のアルミ製ラミネートに装着した。アルミ製ラミネートは35mm×35mmのサイズに切断したものを2枚準備し、前記集電体を接合した積層体を挟み、アルミ製ラミネートの外周部を熱圧着することにより、図1に示した35mm×35mmの角型リチウム電池を組み立てた。
【0043】
[実施例2]
正極活物質および負極活物質の合成方法、正極2a−固体電解質3−負極2bの成形方法は、実施例1と同様に行った。得られた正極2a−固体電解質3−負極2bの厚みは、約220μmであった。得られた前記積層体に対し、プロピレンカーボネート(PC)と1,2−ジメトキシエタン(DME)の混合溶媒(PC:DME=1:1容積比)を含浸させ、以下、実施例と同様に角型リチウム電池を組み立てた。
【0044】
[比較例1]
従来のリチウムイオン電池の特性を確認する目的で以下の比較実験を行なった。
【0045】
正極活物質および負極活物質の合成方法は、実施例と同様に行った。また、正極および負極には、固体電解質粉末は混合せず、電極活物質、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の構成にし、その混合比は、重量比で82:8:10であった。正極、負極の作製法は、実施例と同様に行った。得られた正極および負極は、厚み約30μm、塗付重量約0.048gであった。
【0046】
得られた正極および負極にLiClO4を濃度1M/lとなるように溶解したプロピレンカーボネート(PC)とジメトキシエタン(DME)の混合溶媒(PC:DME=1:1容積比)を電解液として0.3ccづつ滴下して含浸させた。さらにセパレータとしてポリプロピレン製の不織布を選択し、これに前述と同じ混合溶媒を含浸させた。
【0047】
電解液を含浸させた正極および負極をセパレータを介して重ね合わせ、正極−電解質層−負極の積層体を形成した。
【0048】
以下、実施例1と同様に角型リチウム電池を組み立てた。
【0049】
[比較例2]
正極活物質および負極活物質の合成方法、正極−固体電解質−負極の成形方法は、実施例1と同様に行った。得られた正極−固体電解質−負極の厚みは、約180μmであった。さらに積層体の充填率の向上、および粉末の接触面積を向上させる目的でロール加圧を行なった。得られた前記積層体に対して非プロトン性溶媒の含浸は行なわず、実施例と同様に角型リチウム電池を組み立てた。
(評価)
かくして得られた評価用の角型リチウム電池を用いて、ポテンショスタットで酸化還元反応を確認した。図2に実施例1に係わる酸化還元反応の結果を示し、図3に実施例2に係わる酸化還元反応の結果を示し、図4に比較例1に係わる酸化還元反応の結果を示し、図5に比較例2に係わる酸化還元反応の結果を示す。測定条件は、電圧の掃引速度を10-1mV/secとし、電圧範囲は実施例1、実施例2および比較例1においては0〜1.5Vとし、比較例2においては、0〜5Vとした。
【0050】
その結果、実施例1、実施例2においては、酸化還元に伴う電流が得られ、電解質塩を含む有機系電解液を用いた比較例1とほぼ同等の電流値が得られていることも確認された。さらに、比較例1に対して電流値の低下も小さく、本発明によるリチウム電池によれば、サイクル特性も優れる可能性もある。また、比較例2の全固体電池と比較しても格段に優れていることがわかる。
【0051】
本発明のリチウム電池におけるリチウムイオンの伝導機構は、粒子表面と非プロピレン性溶媒の界面がリチウムイオンの伝導機構に起因しているものと推測される。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係るリチウム電池によれば、電極と固体電解質層が非プロトン性溶媒を含んでいることから、電解質塩を溶解した有機系電解液を用いたリチウムイオン電池と同等の電気化学特性が得られるとともに、従来にないリチウムイオンの伝導機構を示すとともに電解質塩を含んでいないために、過電圧による電解質塩の分解が起こらず、信頼性の高いリチウム電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるリチウム電池の一実施形態を示す断面図である。
【図2】本発明の実施例1に係わる酸化還元反応を示すグラフである。
【図3】本発明の実施例2に係わる酸化還元反応を示すグラフである。
【図4】比較例1に係わる酸化還元反応を示すグラフである。
【図5】比較例2に係わる酸化還元反応を示すグラフである。
【符号の説明】
1・・・・パッケージ、2・・・・一対の電極、2a・・・・正極、2b・・・・負極、3・・・・固体電解質層、4・・・・正極集電体、5・・・・負極集電体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium battery.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
Lithium ion batteries are widely used in mobile phones and notebook computers, taking advantage of their high energy density, low self-discharge, and compatibility with long-term storage. In these lithium ion batteries, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) are generally used as the positive electrode active material, and carbon materials such as coke and carbon fiber are used as the negative electrode active material. It has been.
[0003]
In general, a lithium ion battery includes an aluminum foil or a negative electrode active material, a conductive agent such as acetylene black or graphite, and a binder such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE). A structure that is coated on copper foil, spirally wound through a separator made of polypropylene, polyethylene, or a combination thereof, inserted into a battery case, and sealed by injecting an organic electrolyte. It has become.
[0004]
The components of these organic electrolytes are an aprotic solvent and an electrolyte salt. Examples of the aprotic solvent include propylene carbonate (PC), dimethoxyethane (DME), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl. Carbonate (DEC) is used alone or in a mixed state, and LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, etc. are used as the electrolyte salt. Yes.
[0005]
In recent years, polymer electrolytes have been used in place of organic electrolytes as described above in response to demands for thin and small electronic devices such as portable information communication terminals such as mobile phones and laptop computers. Lithium batteries that have been attracting attention.
[0006]
The polymer electrolyte is a mixture of a polymer having a donor-type polar group, such as polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO), and an electrolyte salt, and the energy density can be reduced by making the electrolyte layer thinner. Improvement is expected. Alternatively, there is no concern about leakage or corrosion, and since no volatile aprotic solvent is used, the battery characteristics and safety can be improved, such as low risk of explosion and ignition.
[0007]
However, the above-mentioned polymer electrolyte has a problem that the ionic conductivity is lower than that of the organic electrolyte, and the gel electrolyte obtained by mixing the organic electrolyte with the polymer electrolyte has an ionic conductivity comparable to the organic electrolyte. Therefore, development is actively conducted.
[0008]
When such a gel electrolyte is used, it is difficult to ideally maintain the electrical contact between the solid electrolyte layer and the electrode layer. For example, in JP-A-7-326383, an electrolyte salt and a solvent are used as a polymer compound. The monomer composition is mixed and polymerized to form a positive electrode active material layer, and a portion of the monomer composition is impregnated into the positive electrode active material layer, and the positive electrode active material layer is impregnated with the monomer composition and the positive electrode active material. The positive electrode active material layer and the polymer solid electrolyte can be sufficiently adhered by polymerizing the monomer composition laminated on the surface of the material and closely adhering to the positive electrode active material layer to produce a polymer solid electrolyte in a laminated state. Proposed.
[0009]
JP-A-8-111233 discloses a resistance at the interface between a positive electrode and a solid electrolyte in which both ends or one end of a main chain of polyether, polythioether, or polyacrylate are chemically bonded to the surface of the positive electrode oxide, and a positive electrode active material. It has been proposed to reduce the interfacial resistance between particles.
[0010]
In JP-A-8-315855, a mixture of an organic compound having a polymerizable functional group, an organic solvent, and a lithium salt is sandwiched between both electrodes, and then the polymerization is completed, whereby the electrolyte and the electrode are separated. It has been proposed to prevent the formation of an interface between them and to prevent separation between the solid electrolyte and the electrode.
[0011]
In JP-A-3-37971, an inorganic solid electrolyte such as LiI, Li-β-Al 2 O 3 , Li 3 N, LiI-Al 2 O 3 is dispersed in an organic polymer solid electrolyte, and ion conduction is performed. A highly reliable thin battery with improved flexibility and withstand voltage has been proposed.
[0012]
In JP-A-9-50816, a metal carbonate such as Li 2 CO 3 , CoCO 3 , NiCO 3 , and MgCO 3 is dispersed in a polymer electrolyte in which a solute and an electrolyte salt are mixed. A composite solid electrolyte having excellent chemical properties and workability and high chemical stability at the interface with the negative electrode has been proposed.
[0013]
However, these methods still have a problem that the lithium ion conductivity of the electrolyte is low and the current density becomes small, and it is necessary to contain a large amount of an organic solvent and a lithium salt, which are main lithium ion conductors.
[0014]
Furthermore, development of a solid electrolyte battery using an inorganic compound as the solid electrolyte is also underway. For example, in JP-A-8-148180, a compound comprising a transition metal oxide and a transition metal sulfide as a positive electrode active material as a positive electrode, a lithium ion conductive glass solid electrolyte containing Li 2 S, and a metal alloyed with lithium It has been proposed that an all-solid-state lithium battery having a negative electrode does not generate dendrites in the negative electrode or drop off the active material, and has an excellent charge / discharge cycle life. However, this proposal has problems such as high reactivity with moisture because the positive electrode and the solid electrolyte contain sulfide compounds.
[0015]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-299101 discloses that a sintered body of Li 1+ (4-n) M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 excellent in lithium ion conductivity is used as a solid electrolyte. We have proposed lithium batteries with excellent rate discharge characteristics. However, even in such an all solid lithium battery using an oxide inorganic solid electrolyte, there are problems such as inferior energy density and discharge current density as compared with a secondary battery using a conventional nonaqueous solvent as an electrolyte. Have not been put to practical use.
[0016]
Even if the lithium ion conductivity of the inorganic solid electrolyte is improved, the interfacial resistance between the particles and the electrode and the interfacial resistance between the electrodes and the solid electrolyte can be considered as the reasons why the characteristics as a battery are not improved. Even if each material has sufficient characteristics, sufficient characteristics cannot be obtained due to high interface resistance.
[0017]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the electrolyte has a low lithium ion conductivity and a low current density. For example, it is necessary to include an organic solvent or a lithium salt which is a lithium ion conductor. An object of the present invention is to provide a lithium battery that solves the conventional problem of the existence of a battery.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the lithium battery of the invention according to claim 1 is a lithium battery in which a solid electrolyte layer containing lithium is interposed between a pair of electrodes, and the solid electrolyte layer has lithium ion conductivity. an oxide-based crystallized glass having sex, the electrode and the solid electrolyte layer, a lithium battery, wherein the aprotic solvent containing no electrolytic salt including it.
[0019]
In the lithium battery, it is preferable that the electrode includes an electrode active material and a solid electrolyte, and the solid electrolyte layer is made of the same material as the solid electrolyte.
[0020]
In the lithium battery, it is preferable that the solid electrolyte layer is made of an oxide-based crystallized glass having lithium ion conductivity.
[0021]
In the lithium battery, the aprotic solvent is preferably composed of one or more of propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate.
[0022]
In the lithium battery, the active material of the electrode is Li 1 + x Mn 2−x O 4 (0 ≦ x ≦ 0.2), LiMn 2−y Me y O 4 (Me = Ni, Cr, Cu, Zn, 0 <y ≦ 0.6), Li 4 Ti 5 O 12 , and at least one selected from the group consisting of Li 4 Mn 5 O 12 is desirable.
[0023]
Conventional organic electrolytes provide electrolytes with lithium ion conductivity by dissolving an electrolyte salt in an aprotic solvent. In the present invention, an aprotic solvent not containing an electrolyte salt is included. It is considered that the battery characteristics are improved only by this, and the lithium ions are moved by an unprecedented conduction mechanism.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the lithium battery of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a lithium battery according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a package, 2 is a pair of electrodes, 2a is a positive electrode, 2b is a negative electrode, 3 is a solid electrolyte layer, 4 is a positive electrode current collector, and 5 is a negative electrode current collector.
[0025]
The package 1 is not limited to a material as long as airtightness can be maintained. For example, a laminate material made of aluminum, a metal such as nickel or aluminum, or a shrink case can be used.
[0026]
The positive electrode
[0027]
The
[0028]
Examples of the electrode active material used for the
[0029]
The solid electrolyte powder used in the
[0030]
Examples of the conductive agent include acetylene black, graphite, ketjen black, RuO 2 , SnO 2 doped with Sb 2 O 3 , or In 2 O 3 doped with SnO 2 .
[0031]
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyolefins, and polyimide.
[0032]
As a method for forming the
[0033]
Here, as a base film, metal foils, such as resin films, such as a polyethylene terephthalate, a polypropylene, polyethylene, tetrafluoroethylene, aluminum, stainless steel, copper, can be used, for example.
[0034]
As the aprotic solvent to be included in the
[0035]
Examples of the method of including the aprotic solvent in the laminate of the
[0036]
In an all-solid battery that does not contain an aprotic solvent, lithium ions rely only on bulk movement, but in the lithium battery of the present invention, ions are present at the interface between the particles and the aprotic solvent that wets the particle surface. Is presumed to have moved.
[0037]
The lithium battery to which the present invention is applied may be a primary battery or a secondary battery. The battery shape is not limited to a cylindrical shape, a square shape, a button shape, a coin shape, a flat shape, or the like.
[0038]
【Example】
[Example 1]
Lithium hydroxide and manganese dioxide are mixed so that the molar ratio of Li and Mn is 1: 2, and this mixture is heated and fired at 900 ° C. in the atmosphere for 15 hours to obtain a lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) Was synthesized as a positive electrode active material. Next, lithium hydroxide and manganese dioxide are mixed so that the molar ratio of Li and Mn is 4: 5, and this mixture is heated and fired at 600 ° C. in the atmosphere for 15 hours to obtain a lithium manganese composite oxide (Li 4 Mn 5 O 12 ) was synthesized and used as a negative electrode active material.
[0039]
This LiMn 2 O 4 was mixed with Li 1 + x + y Al x Ti 2 -x Si y P 3 -yO 12 as a solid electrolyte powder in a volume ratio of 8: 2, and this mixed powder Acetylene black and polyvinylidene fluoride (PVdF) were mixed at a weight ratio of 82: 8: 10. Polyvinylidene fluoride (PVdF) used was previously dissolved in N-methylpyrrolidone. Further, 12 g of polyvinylidene fluoride (PVdF) was added to this mixture and mixed to make a slurry. After applying this slurry onto aluminum (Al) by a doctor blade method, polyvinylidene fluoride (PVdF) was dried and formed into a sheet.
[0040]
Further, the solid electrolyte紛末 Li 1 + x + y Al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 polyvinylidene fluoride (PVdF) in a weight ratio of 9 were mixed so that the ratio of 1. Polyvinylidene fluoride (PVdF) was previously dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP) as described above. Further, about 15 g of N-methylpyrrolidone (NMP) was added to this mixture and mixed to make a slurry. This slurry was applied onto the above positive electrode by the doctor blade method, laminated, and dried to obtain a laminate of the
[0041]
Further, Li 4 Mn 5 O 12 is slurried in the same manner as LiMn 2 O 4 as the positive electrode active material, applied to the solid electrolyte side of the laminate, laminated and dried, so that the
[0042]
The obtained laminate is impregnated with propylene carbonate (PC) to join the positive electrode
[0043]
[Example 2]
The method for synthesizing the positive electrode active material and the negative electrode active material and the method for forming the
[0044]
[Comparative Example 1]
The following comparative experiment was conducted for the purpose of confirming the characteristics of a conventional lithium ion battery.
[0045]
The synthesis method of the positive electrode active material and the negative electrode active material was performed in the same manner as in the examples. Further, the solid electrolyte powder was not mixed in the positive electrode and the negative electrode, but an electrode active material, acetylene black, and polyvinylidene fluoride (PVdF) were used, and the mixing ratio was 82: 8: 10 by weight. The positive electrode and negative electrode were produced in the same manner as in the examples. The obtained positive electrode and negative electrode had a thickness of about 30 μm and a coating weight of about 0.048 g.
[0046]
A mixed solvent (PC: DME = 1: 1 volume ratio) of propylene carbonate (PC) and dimethoxyethane (DME) in which LiClO 4 was dissolved in the resulting positive electrode and negative electrode to a concentration of 1 M / l was used as an electrolyte solution. . 3 cc was dropped and impregnated. Further, a polypropylene non-woven fabric was selected as the separator, and this was impregnated with the same mixed solvent as described above.
[0047]
The positive electrode and the negative electrode impregnated with the electrolytic solution were superposed through a separator to form a positive electrode-electrolyte layer-negative electrode laminate.
[0048]
Thereafter, a rectangular lithium battery was assembled in the same manner as in Example 1.
[0049]
[Comparative Example 2]
The method for synthesizing the positive electrode active material and the negative electrode active material and the method for forming the positive electrode-solid electrolyte-negative electrode were performed in the same manner as in Example 1. The thickness of the obtained positive electrode-solid electrolyte-negative electrode was about 180 μm. Furthermore, roll pressurization was performed for the purpose of improving the filling rate of the laminate and improving the contact area of the powder. The obtained laminate was not impregnated with an aprotic solvent, and a prismatic lithium battery was assembled in the same manner as in the example.
(Evaluation)
Using the evaluation prismatic lithium battery thus obtained, a redox reaction was confirmed with a potentiostat. FIG. 2 shows the results of the redox reaction according to Example 1, FIG. 3 shows the results of the redox reaction according to Example 2, FIG. 4 shows the results of the redox reaction according to Comparative Example 1, and FIG. The result of the oxidation-reduction reaction concerning the comparative example 2 is shown. The measurement conditions were a voltage sweep rate of 10 -1 mV / sec, a voltage range of 0 to 1.5 V in Example 1, Example 2 and Comparative Example 1, and 0 to 5 V in Comparative Example 2. did.
[0050]
As a result, in Example 1 and Example 2, it was confirmed that a current associated with redox was obtained and a current value almost equivalent to that of Comparative Example 1 using an organic electrolyte containing an electrolyte salt was obtained. It was done. Furthermore, the decrease in current value is smaller than that of Comparative Example 1, and the lithium battery according to the present invention may have excellent cycle characteristics. In addition, it can be seen that even when compared with the all-solid-state battery of Comparative Example 2, it is markedly superior.
[0051]
The lithium ion conduction mechanism in the lithium battery of the present invention is presumed to be caused by the lithium ion conduction mechanism at the interface between the particle surface and the non-propylene solvent.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the lithium battery according to claim 1, since the electrode and the solid electrolyte layer contain the aprotic solvent, the lithium battery is equivalent to the lithium ion battery using the organic electrolyte solution in which the electrolyte salt is dissolved. In addition to the conventional lithium ion conduction mechanism and the absence of electrolyte salt, the electrolyte salt is not decomposed by overvoltage, and a highly reliable lithium battery is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a lithium battery according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Example 2 of the present invention.
4 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 1. FIG.
5 is a graph showing an oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Package, 2 ... Pair of electrodes, 2a ... Positive electrode, 2b ... Negative electrode, 3 ... Solid electrolyte layer, 4 ... Current collector for positive electrode, 5 .... Negative electrode current collector
Claims (4)
前記固体電解質層はリチウムイオン伝導性を有する酸化物系結晶化ガラスからなり、
前記電極および前記固体電解質層が、電解質塩を含まない非プロトン性溶媒を含むことを特徴とするリチウム電池。A lithium battery in which a solid electrolyte layer containing lithium is interposed between a pair of electrodes,
The solid electrolyte layer is made of an oxide-based crystallized glass having lithium ion conductivity,
Lithium batteries the electrode and the solid electrolyte layer, characterized in including that the aprotic solvent containing no electrolytic salt.
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