JP2001143690A - リチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
に析出するための対策として、多くの負極を必要とし、
電池の体積効率を悪化させ、負極と正極のサイズが異な
ることによる歩留まりの低下の問題あった。 【解決手段】 多孔質ポリマー箔によるセパレータ、正
極、および炭素を活物質とする負極とを具えるリチウム
二次電池において、前記負極表面上、あるいは前記セパ
レータの負極側表面上、あるいは活物質である炭素の粒
子表面上に無機固体電解質層を形成させる。
Description
のリチウム二次電池に関するものである。
次電池の実用化が進展している。その特徴とするところ
は、他の電池と比較して、単位体積あるいは単位重量当
りのエネルギー出力が高いことであり、移動体通信、ノ
ートパソコン、さらには電気自動車用電源として、実用
化、及び開発が進められている。
て、一般に炭素系材料が使用されている。これは、層状
構造の炭素の層間へのリチウムイオンのインターカレー
ション反応を利用することにより、リチウム金属を負極
とした場合に起こるリチウム金属のデンドライト成長の
問題を解決するものである。すなわち、充電時に負極に
供給されたリチウムイオンは、原子状態で炭素の層間に
取り込まれる為、デンドライト成長を起こすことはない
とするものである。
微粒の天然黒鉛、あるいはメソカーボンマイクロビーズ
(MCMB)を使用し、ポリフッ化ビニリデン(PVD
F)をバイダーとしてペースト状にして、集電体の銅箔
に塗布し、これを乾燥、プレスする方法が一般的であ
る。
ー箔によるセパレータには、通常ポリエチレンやポリプ
ロピレンが使用され、正極には、活物質のLiCo
O2、導電助剤、バインダーを混合したものが一般的で
ある。さらには、リチウムイオンを電極間で導電する有
機電解液には、支持塩のLiPF6を溶解させたエチレ
ンカボネート/エチルメチルカーボネート混合系(EC
−EMC)などがよく使用される。
を使用しても、リチウムイオンが炭素中にインターカレ
ートされずに、炭素粒子表面にリチウム金属が析出する
現象が起きることがある。この現象により、炭素製負極
上にリチウム金属のデンドライト成長が起き、正極との
短絡、ひいては爆発に至る発熱反応を引き起こす問題が
ある。
次の場合に観測される。第一に、負極の周辺部では、電
解液中のリチウムイオン濃度バランスの関係で、充電時
のリチウムイオンの供給量が多くなり、そのため、イン
ターカレートできる許容量以上にリチウムイオンが供給
される様になり、内部に収容しきれなくなったリチウム
がデンドライト金属として析出する。
質等により、結晶内部に充分にリチウムイオンを取り込
めなくなることや、さらには、過充電時に、通常の2倍
量のリチウムイオンが供給されることにより、インター
カレートしきれなくなったリチウムが、デンドライトと
して、負極表面に析出する様になる。
方法として、正極に含まれているリチウム量を上回る量
の負極を設ける対策がなされている。特に、負極の周辺
部にて発生するデンドライトを防止する目的で、負極を
正極より大きくし、たとえ負極周辺部でデンドラント成
長が起きても、デンドライト発生部と正極との距離をと
ることにより内部短絡を防止することがなされている。
としているため電池全体の体積効率を悪くし、また、負
極と正極のサイズが異なることに起因する生産上の歩留
まり低下も問題となる。加えて、充放電末期での、負極
表面全体へのリチウム金属の析出防止は難しいものとな
っている。
題について検討を進めた結果、次の発明に至った。第一
に、作製した負極の表面に無機固体電解質層の薄膜を形
成することにより、上述の技術課題が解決されることを
発見した。次に、同様の効果が、セパレータの負極側の
表面に無機固体電解質層の薄膜を形成することでも得ら
れることを見出した。
子の表面に、薄膜の無機固体電解質層を形成することに
より、炭素上のデンドライト成長が抑えられると同時
に、負極中に含浸させる有機電解液量も大幅に低減で
き、安全性の向上にも寄与することを究明した。
であることで、その効果は高められる。電極材料は多孔
質になっており、無機固体電解質が非晶質体であること
により、その電極材料の多数の微細孔を有する表面上に
緻密膜が形成しやすくなる。
硫化物を主成分とすることが良い。これは炭素粒子との
親和性が優れていることを新たに見出したことによる。
特に、リン酸成分、もしくはリン窒酸化物成分を含有さ
せることにより、この親和性はさらに改善される。
素含有量は、30原子%以上で65原子%以下であるこ
とが望ましい。30原子%未満ではイオン伝導度が低く
なり、高抵抗化する。また、無機固体電解質層とリチウ
ム金属層との密着性が低下する。一方、65原子%を越
える組成では、無機固体電解質層が多結晶化および多孔
質化して、緻密な無機固体電解質の連続膜の形成が困難
になる。その上、電子伝導性が発現し、電池を構成した
際に内部短絡を引き起こし、電池性能を低下させる。従
って、電解質層は非晶質体であることが好ましい。
分では、リン、ケイ素、ホウ素、アルミニウム、ゲルマ
ニウムおよびガリウムよりなる群から選ばれた1種類以
上の元素(以下、これらの元素を「添加元素」と称す
る)を含有し、かつイオウを含有していることが好適で
ある。無機固体電解質は非晶質体であることが有効であ
るが、「添加元素」は、イオウを介してネットワーク構
造を構成して、この非晶質骨格を形成することが可能で
あり、かつリチウムイオンが伝導するのに最適な大きさ
のサイトを供給することができる。また、「添加元素」
は、非晶質骨格の末端のイオウ原子を、正電荷であるリ
チウムイオンを捕捉するのに最適な強度の負電荷に帯電
させることができる。すなわち、この負電荷の末端イオ
ウ原子は、正電荷のリチウムイオンを適度に緩やかに捕
捉し、不必要に強固に固定することなく、リチウムイオ
ンの伝導を助ける働きをする。
含有成分としては、「添加元素」およびイオウに加えて
酸素および窒素の少なくとも一方が挙げられる。酸素又
は窒素の含有により、さらに高いリチウムイオン伝導性
を発揮することが可能となる。これは、酸素原子または
窒素原子が含有されることにより、形成される非晶質骨
格の隙間を広げる効果がもたらされ、リチウムイオンが
移動する妨げを軽減しているためと推定される。
を含有していることの効果として無機固体電解質層とリ
チウム金属との密着性の向上がある。無機固体電解質が
「添加元素」を含有することで、リチウム金属との親和
性を向上させる性能を有する。
導度としては、5×10-4S/cm以上あることが必要
である。これは、含浸する有機電解液のリチウムイオン
伝導度が10-3S/cm台にあり、5x10-4S/cm
未満の場合には、無機固体電解質薄膜中に不可避的に存
在するピンホールやクラック中の有機電解液の方に偏っ
てリチウムイオンが流れる様になり、無機固体電解質薄
膜のすきまよりデンドライト成長が起きる可能性が高く
なる。5×10-4S/cm以上あることにより、この様
な薄膜中のピンホールやクラックでのリチウム金属のデ
ンドライト成長は抑えられる。
いては実施例で示すが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではない。
B)の活物質、及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)
をバイダーとしてペースト状にして、集電体の厚さ10
μmの銅箔に塗布し、これを乾燥、プレスして、負極を
作製した。活物質層の厚みは、100μmであった。こ
の負極上に、RFマグネトロンスパッタ法により、Li
2S、P2S5、Li3PO4の混合物をターゲットにし
て、無機固体電解質層の薄膜を形成した。分析の結果、
固体電解質層は、組成がリチウム34原子%、リン14
原子%、イオウ51原子%、酸素1原子%からなる非晶
質であることが判明した。また、この薄膜の厚さは、1
μmであった。成膜後25mm径に切り出して、実験に
供した。ポリエチレンとポリプロピレンの混合物ででき
ている多孔質ポリマー箔によるセパレータを使用した。
正極には、活物質のLiCoO2、導電助剤、バインダ
ーを混合し、20μm厚のアルミニウム箔上に塗布、乾
燥させ、プレスしたものと使用した。この活物質層の厚
みは、80μmであった。これも25mm径に切り出し
て、実験に供した。有機電解液には、支持塩のLiPF
6を溶解させたエチレンカボネート/エチルメチルカー
ボネート混合系(EC−EMC)を使用した。
下、固体電解質層の薄膜を形成した負極、多孔質ポリマ
ー箔によるセパレータ、及び正極を、ステンレス製密封
容器中に重ねて設置し、さらに有機電解液を滴下して、
リチウム二次電池を作製した。充放電のサイクル実験
は、1.0mA/cm2の定電流条件で、充電4.2
V、放電3.0Vの間で行った。そのサイクル寿命試験
の結果、2000サイクル後においても、内部短絡は起
こさず、容量の低下も見られなかった。実験後、セルを
分解して、負極表面を観察したところ、リチウム金属の
析出は周辺部においても見られなかった。同様の効果
は、セパレータ、及び炭素粒子へのへの無機電解質薄膜
形成によっても達成された。
電解質層の薄膜は形成しないで、実験セルを組立て、同
じ条件で、充放電サイクル実験を行った。その結果、5
00サイクルを越えた時点から、内部短絡が原因と思わ
れる電圧の変動が見られ、1000サイクル以上では、
充放電容量の低下も見られた。実験後、セルを分解し
て、負極表面を観察したところ、リチウム金属の析出が
みられ、特に、周辺部で多く見られた。
金属負極よりのデンドライトの発生による短絡がなく、
安全性が高く、充放電サイクル特性に優れた安定性、安
全性の高いリチウム二次電池が得られる。
Claims (6)
- 【請求項1】 多孔質ポリマー箔によるセパレータ、正
極、および炭素を活物質とする負極とを具えるリチウム
二次電池において、前記負極表面上、あるいは前記セパ
レータの負極側表面上に無機固体電解質層が形成されて
いることを特徴とするリチウム二次電池。 - 【請求項2】 多孔質ポリマー箔によるセパレータ、正
極、および炭素を活物質とする負極を具えるリチウム二
次電池において、活物質である炭素の粒子表面上に無機
固体電解質層が形成されていることを特徴とするリチウ
ム二次電池。 - 【請求項3】 無機固体電解質層が、非晶質体であるこ
とを特徴とする請求項1、あるいは請求項2に記載のリ
チウム二次電池。 - 【請求項4】 無機固体電解質層の25℃におけるリチ
ウムイオン伝導度が、5×10-4S/cm以上であるこ
とを特徴とする請求項3に記載のリチウム二次電池。 - 【請求項5】 無機固体電解質層が、次の成分を含有す
ることを特徴とする請求項3に記載のリチウム二次電
池。 A:30原子%以上65原子%以下のLi成分 B:リン、ケイ素、ホウ素、ゲルマニウムおよびガリウ
ムよりなる群から選ばれた一種類以上の元素 C:イオウ - 【請求項6】 さらに無機固体電解質層が酸素および窒
素の少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項
5に記載のリチウム二次電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32190999A JP2001143690A (ja) | 1999-11-12 | 1999-11-12 | リチウム二次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32190999A JP2001143690A (ja) | 1999-11-12 | 1999-11-12 | リチウム二次電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001143690A true JP2001143690A (ja) | 2001-05-25 |
Family
ID=18137766
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32190999A Pending JP2001143690A (ja) | 1999-11-12 | 1999-11-12 | リチウム二次電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001143690A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006179432A (ja) * | 2004-12-24 | 2006-07-06 | Hitachi Maxell Ltd | 非水電解液二次電池 |
JP2008091328A (ja) * | 2006-09-04 | 2008-04-17 | Sumitomo Electric Ind Ltd | リチウム二次電池およびその製造方法 |
EP2445050A1 (en) * | 2009-06-19 | 2012-04-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Electricity-generating element and nonaqueous-electrolyte battery using the same |
-
1999
- 1999-11-12 JP JP32190999A patent/JP2001143690A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006179432A (ja) * | 2004-12-24 | 2006-07-06 | Hitachi Maxell Ltd | 非水電解液二次電池 |
JP2008091328A (ja) * | 2006-09-04 | 2008-04-17 | Sumitomo Electric Ind Ltd | リチウム二次電池およびその製造方法 |
EP2445050A1 (en) * | 2009-06-19 | 2012-04-25 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Electricity-generating element and nonaqueous-electrolyte battery using the same |
EP2445050A4 (en) * | 2009-06-19 | 2013-09-04 | Sumitomo Electric Industries | ELECTRICITY PRODUCER ELEMENT AND NONAQUEOUS ELECTROLYTE BATTERY USING THE SAME |
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A521 | Written amendment |
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