CN102473913A - 锂一次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂一次电池，其具有正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜和非水电解液。正极含有氟化碳作为正极活性物质，负极含有锂金属作为负极活性物质。氟化碳含有未氟化的碳成分。进而氟化碳的(001)面的面间距为
Figure DDA0000129115620000011
而且氟化碳的(001)面的X射线衍射峰值相对于未氟化的碳成分的002)面的X射线衍射峰值之比为30～50。

Description

锂一次电池
技术领域
本发明涉及一种使用氟化碳作为正极活性物质的锂一次电池。
背景技术
在锂一次电池中，使用锂等轻金属作为负极活性物质，使用二氧化锰和氟化碳等作为正极活性物质。这样的锂一次电池具有其它的一次电池所没有的特长：如具有高电压和高能量密度，同时自放电少，而且具有非常长的储藏寿命等。因此，在很多的电子设备中得到应用。
其中，以氟化碳为正极活性物质、金属锂或其合金为负极活性物质的锂一次电池作为热以及化学上稳定、且长期保存特性优良的电池是为人所知的。氟化碳通过使碳素材料在200～700℃与氟气反应而调配，具有864mAh/g这样大的容量密度。以下，将这种锂一次电池称为CF锂一次电池。
CF锂一次电池由于在常温下具有优良的10年以上的长期保存特性，因而广泛地用作各种仪表的主电源和存储备份电源。但是，其低温放电特性比使用二氧化锰作为正极活性物质的锂一次电池差。
最近，在汽车和产业机器等中，迫切期望需要从高温区域到低温区域这样广泛的使用温度区域的用途。为了使CF锂一次电池扩展到这样的用途，重要的是改善低温放电特性。
在CF锂一次电池中，通过锂离子向层状的氟化碳层间的插入反应而进行放电。因此，为了改善低温放电特性，重要的是使锂离子容易进入层间或加快锂离子在层间内的扩散速度。于是，以为了提高低温放电特性而加快锂离子在层间内的扩散速度为目的，提出了在非水电解液中使用1，2-二甲氧基乙烷等低沸点溶剂的锂一次电池(例如，专利文献1)。
但是，如果使用这样的非水电解液，则在60℃以上的高温区域保存时，电池的内部阻抗增加。这起因于以下的现象。非水电解液特别是低沸点溶剂在正极表面发生分解。同时从正极生成氢氟酸。该氢氟酸与负极的锂反应，从而在负极表面上形成高阻抗覆盖膜即氟化锂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭58-12991号公报
发明内容
本发明涉及一种低温放电特性和高温保存特性两者均优良的锂一次电池。本发明的锂一次电池具有：含有氟化碳作为正极活性物质的正极，含有锂金属作为负极活性物质的负极，介于正极与负极之间的隔膜以及非水电解液。氟化碳含有未氟化的碳成分。且氟化碳的(001)面的面间距为
Figure BDA0000129115600000021
而且，氟化碳的(001)面的X射线衍射峰值相对于未氟化的碳成分的(002)面的X射线衍射峰值之比为30～50。其特征在于使用这样的氟化碳。
根据本发明，在低温下的放电特性优良，而且在高温保存时可以抑制非水电解液特别是低沸点溶剂的分解，还可以抑制电池的内部阻抗的上升。
附图说明
图1是本发明的实施方式的锂一次电池的半剖主视图。
具体实施方式
下面就本发明的实施方式进行说明。此外，以下所示的实施方式是使本发明具体化的一个例子，并不限定本发明的技术范围。
图1是本发明的实施方式的锂一次电池的示意剖面图。该锂一次电池具有正极1、负极2、介于正极1与负极2之间的隔膜3以及非水电解液(未图示)。正极1含有氟化碳作为活性物质。负极2含有锂金属作为活性物质。此外，图1表示圆筒形的锂一次电池，但本发明不限定于该电池形状，也可以适用于硬币形电池等。
正极1采用如下的方法进行制作。在混合氟化碳和导电剂后，通过添加粘结剂和水进行混炼，从而调配出正极合剂。作为导电剂，可以列举出人造石墨、天然石墨等石墨粉末，或混合了石墨粉末和乙炔黑等碳黑的材料。关于其配合量，只要是氟化碳的填充量较高、并且能够形成导电路径而降低正极中的电阻的量即可。特别地，导电剂相对于100重量份的氟化碳的配合量优选为5～15重量份。
将该正极合剂填充在金属板网(expand metal)、网、冲孔金属板等具有网格状或细孔的芯材中，从而制作出正极中间体。将该正极中间体进行压延后，剪裁为规定尺寸，剥离正极合剂的一部分，并将正极集电体焊接在该部分上。这样便制作出带状的正极1。
带状的负极2通过将引线5接合在金属锂、Li-Al、Li-Sn、Li-NiSi、Li-Pb等锂合金上而制作。
正极1、负极2通过与介于其间的隔膜3一起卷绕成螺旋状而构成电极组10。电极组10与非水电解液(未图示)一起收纳在壳体9中。作为非水电解液的有机溶剂，只要是在锂一次电池的非水电解液中通常使用的有机溶剂就没有特别的限定。也就是说，作为有机溶剂，可以使用γ-丁内酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、1，2-二甲氧基乙烷等。
作为构成非水电解液的支持电解质，能够使用氟硼酸锂、六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂、以及分子结构内具有亚胺键的双三氟甲磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)、双五氟乙磺酰亚胺锂(LiN(C2F5SO2)2)、三氟甲磺酰基九氟丁磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)(C4F9SO2))等。
在壳体9的开口部安设有封口板8。在封口板8上连接有与正极1的芯材连接的引线4。与负极2连接的引线5连接在壳体9上。另外，为了防止内部短路，在电极组10的上部和下部分别配置有上部绝缘板6和下部绝缘板7。
接着，就作为正极活性物质的氟化碳进行详细的说明。本实施方式所使用的氟化碳含有未氟化的碳成分。氟化碳的(001)面的面间距(以下称为CF(001)面间距)为
Figure BDA0000129115600000031
而且氟化碳的(001)面(以下称为CF(001)面)的X射线衍射峰值相对于未氟化的碳成分的(002)面(以下称为C(002)面)的X射线衍射峰值之比为30～50。这样，通过控制对碳进行氟化时的反应进程，可以改善CF一次电池的低温放电特性和高温保存特性。
CF(001)面间距根据X射线衍射法测量。在CF(001)面间距小于
Figure BDA0000129115600000041
的情况下，由于锂离子变得难以在氟化碳的层间插入，因而低温下的放电特性较低。另外，在CF(001)面间距大于
Figure BDA0000129115600000042
的情况下，则非水电解液进入层间，从而非水电解液的分解变得容易发生。因此，高温保存特性降低。
如果进行氟化碳的X射线衍射，则在2θ＝12.5°附近出现CF(001)面的峰值。而且在2θ＝25.8°附近出现C(002)面的峰值。在这两个峰值之比CF(001)/C(002)的值小于30的情况下，则存在许多位于氟化碳表面的没有被氟化的碳，它们将引起非水电解液的分解。因此，高温保存特性降低。另外，在峰值比CF(001)/C(002)的值大于50的情况下，由于氟化碳中的没有被氟化的碳过少，因而正极合剂的导电性降低。因此，低温下的放电特性较低。
接着，就本实施方式的氟化碳的制造方法进行说明。氟化碳通过使作为起始原料的碳素材料与氟气体在200～700℃反应来制作。作为碳素材料，并没有特别的限定，可以使用石油焦炭、石墨、乙炔黑等。
如果氟化时的温度提高，则被氟化的碳的比例增大，峰值比CF(001)/C(002)的值增大。另外，如果氟化时的时间延长，则CF(001)面的面间距具有增大的倾向。因此，为了调配作为本实施方式所使用的正极活性物质的氟化碳，必须适当地控制氟化时的温度或时间。例如，在使用(002)面的面间距约为
Figure BDA0000129115600000043
的石油焦炭作为原料碳素材料的情况下，氟化时的温度优选为400℃～420℃，反应时间优选为30小时～70小时。
以下使用具体的实施例来说明本发明的效果。在氮气氛下的炉内，在(002)面的面间距大约为
Figure BDA0000129115600000044
的石油焦炭上，以每1kg石油焦炭为3升/分钟的流量流过含有18体积％氟气的氮气，同时逐渐使温度上升到410℃。保持该温度50小时，从而制作出氟化碳。所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000045
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为40。X射线衍射的测量条件如下所示。
装置：Spectris公司生产的X’Pert PRO
靶/单色仪：Cu/C
电压/电流：40kV/50mA
扫描模式：连续式
扫描范围：7-90°
步幅：0.02°
扫描速度：50s/步
狭缝宽度(DS/SS/RS)：1/2°/None/0.1mm
相对于100质量％的该氟化碳，混合作为导电剂的石墨10质量％以及作为粘结剂的聚四氟乙烯20质量％。在该混合物中添加纯水和表面活性剂而进行混炼，从而调配出湿润状态的正极合剂。使该湿润状态的正极合剂与厚度为0.1mm的不锈钢制金属板网一起通过进行匀速旋转的2个旋转辊之间。这样，在金属板网上填充有正极合剂，从而制作出正极中间体。干燥后，通过辊压机压延正极中间体。将压延后的正极中间体裁切为规定的尺寸(厚度0.30mm、宽度24mm、长度180mm)，并剥离一部分正极合剂，在露出的芯材上连接引线4，从而制作出正极1。
负极2使用锂金属板，将该金属板裁切为规定的尺寸(厚度0.20mm、宽度22mm、长度185mm)，并接合引线5。使聚丙烯制隔膜3介于这样制作的正极1和负极2之间，将其卷绕成螺旋状，从而制作出电极组10。在壳体9内插入电极组10后，将引线4与封口板8连接，将引线5与壳体9连接。
另一方面，在作为非水溶剂的γ-丁内酯和二甲氧基乙烷之比为6∶4的混合溶剂中，以1.0摩尔/升的浓度溶解作为电解质的氟硼酸锂，从而预先调配出非水电解液。将该非水电解液注入壳体9内。然后，用封口板8封上壳体9的开口部，从而制作出直径为17mm、高度为34.0mm的圆筒形CF锂一次电池。将该电池作为A。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为420℃、将反应时间设定为70小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池B。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000051
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为50。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为400℃、将反应时间设定为70小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池C。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000061
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为30。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为420℃、将反应时间设定为30小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池D。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为50。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为400℃、将反应时间设定为30小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池E。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000063
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为30。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为420℃、将反应时间设定为20小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池F。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000064
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为50。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为400℃、将反应时间设定为90小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池G。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000065
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为30。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为430℃、将反应时间设定为70小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池H。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为60。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为390℃、将反应时间设定为30小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池I。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为20。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为430℃、将反应时间设定为10小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池J。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000068
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为50。
接着，除将石油焦炭的氟化温度设定为390℃、将反应时间设定为110小时以外，与电池A同样地调配氟化碳，使用该氟化碳，与电池A同样地制作电池K。此外，所得到的氟化碳的CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000071
另外，通过X射线衍射得到的峰值比CF(001)/C(002)为30。
对于如以上那样制作的电池A～K，在-10℃下，以100mA的电流放电1秒钟，测量了放电中的最低电压。另外，在85℃的恒温槽中保存1个月，测量了保存后的内部阻抗。试验结果表示在(表1)中。此外，内部阻抗是通以1kHz、0.1mA的正弦波交流电而测得的值。
表1
在电池F和电池J中，低温放电特性较低。可以认为其原因在于：氟化碳的层间狭小，从而在氟化碳的层间难以插入锂离子。另外，在电池H中，低温放电特性也较低。可以认为其原因在于：由于处于氟化碳表面的没有被氟化的碳较少，因而正极合剂的导电性得以降低。
在电池G和电池K中，尽管低温放电特性良好，但保存后的内部阻抗增加。可以认为其原因在于：由于氟化碳的层间过宽，多余的电解液得以进入，从而容易发生电解液分解。在电池I中，尽管低温放电特性良好，但在85℃下保存1个月后，内部阻抗也上升。可以认为其原因在于：存在许多处于氟化碳表面的没有被氟化的碳，它们引起电解液的分解。
与此相对照，电池A～电池E的低温放电性能优良，在85℃下保存1个月后的内部阻抗也较低。由此可知：在正极活性物质使用CF(001)面间距为
Figure BDA0000129115600000081
峰值比CF(001)/C(002)为30～50的氟化碳的CF锂一次电池中，低温放电特性和高温保存特性两者都很优良。
产业上的可利用性
根据本发明的锂一次电池，其低温放电特性和高温保存特性两者都很优良。因此，可以应用于在从高温区域到低温区域的广泛的温度区域中使用的汽车、产业机器等的用途。
符号说明
1  正极
2  负极
3  隔膜
4，5  引线
6  上部绝缘板
7  下部绝缘板
8  封口板
9  壳体
10 电极组

Claims (1)

1.一种锂一次电池，其具有：
含有氟化碳作为正极活性物质的正极，
含有锂金属作为负极活性物质的负极，
介于正极与负极之间的隔膜，以及
非水电解液；
其中，所述氟化碳含有未氟化的碳成分；且所述氟化碳的(001)面的面间距为
Figure FDA0000129115590000011
而且所述氟化碳的(001)面的X射线衍射峰值相对于所述未氟化的碳成分的002)面的X射线衍射峰值之比为30～50。
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