JP2001243957A - リチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池Info
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Abstract
負極集電体1の上にリチウム金属が析出し、放電時に該
リチウム金属が溶解するリチウム二次電池において、リ
チウム金属のデンドライト状析出を抑制することがで
き、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池を得
る。 【解決手段】 負極集電体1のリチウム金属析出面が、
金属または合金から形成され、JIS B0601で定
義される十点平均粗さ(Rz)が10μm以下であるこ
とを特徴としている。
Description
に関するものである。
示す二次電池として、リチウム二次電池が実用化されて
いるが、さらなる高エネルギー密度化を目指して研究開
発が盛んに行われている。リチウム二次電池用負極とし
て、リチウム金属を用いると、最も高い理論容量3.8
6Ah/gを得ることができる。
るリチウム二次電池の場合、充放電に伴うリチウム金属
の溶解析出過程で、負極上でのリチウム金属のデンドラ
イトの生成や、リチウム金属と電解質との反応が起こる
ため、充放電効率が悪く、充放電サイクル特性に劣ると
いう問題があった。このような問題を解決するため、例
えば特開平7−142090号公報では、電解液に添加
剤を添加することが提案されているが、充放電効率の改
善及び充放電サイクル特性の改善は未だ不十分なもので
あった。
に負極の負極集電体上にリチウム金属を析出させ、放電
時にはこのリチウム金属を溶解させるタイプのリチウム
二次電池においても同様に解決すべき問題であった。
ウム二次電池において、リチウム金属のデンドライト状
析出を抑制することができ、充放電サイクル特性に優れ
たリチウム二次電池を提供することにある。
池は、正極と負極と非水電解質とを備え、充電時に負極
の負極集電体上にリチウム金属が析出し、放電時に該リ
チウム金属が溶解するリチウム二次電池であり、負極集
電体のリチウム金属が析出する表面(リチウム金属析出
面)は、金属または合金から形成され、JIS B06
01で定義される十点平均粗さ(Rz)が10μm以下
であることを特徴としている。
IS B0601に定義されており、具体的には、粗さ
曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、こ
の抜き取り部分の平均線から縦倍率の方向に測定した、
最も高い山頂から5番目までの山頂の標高(YP)の絶
対値の平均値と、最も低い谷底から5番目までの谷底の
標高(YV)の絶対値の平均値との和を求め、この値を
マイクロメートル(μm)で表したものである。
属析出面の十点平均粗さ(Rz)は10μm以下である
が、さらに好ましくは1μm以下である。十点平均粗さ
(Rz)をこのような範囲とすることにより、充電時に
おける負極集電体のリチウム金属析出面でのリチウム金
属の局所的な析出が起こりにくくなる。この結果、充電
時におけるリチウム金属のデンドライト状析出を抑制で
き、良好な充放電サイクル特性及び保存特性を得ること
ができる。
状析出が抑制される理由について詳細は明らかでない
が、負極集電体のリチウム金属が析出する表面が平滑で
あるため、充電初期の段階で負極集電体表面の電流分布
が均一化すること、及び負極集電体近傍の電解質のリチ
ウムイオンの濃度分布が均一化することにより、リチウ
ム金属が負極集電体の表面に均一に析出し易くなるため
であると考えられる。
属析出面は、金属または合金から形成されており、これ
らの金属または合金は、銅、ニッケル、または鉄を少な
くとも含むことが好ましい。このような負極集電体とし
ては、銅、ニッケル、または鉄からなる金属またはこれ
らを含む合金からなる金属板及び金属箔や、他の導電材
料の上にこれらの金属または合金を被覆した金属板及び
金属箔などが挙げられる。
媒は、リチウム二次電池に用いることができるものであ
れば特に限定されるものではないが、例えば、エチレン
カーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカー
ボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネー
ト、スルホラン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラ
ン、ジオキソランなどを挙げることができ、これらを単
独であるいは複数成分を混合して使用することができ
る。
質は、リチウム二次電池に用いることができる溶質であ
れば特に限定されるものではないが、例えば、LiPF
6 ,LiBF4 ,LiClO4 ,LiAsF6 ,LiN
(CF3SO2)2 ,LiN(C2F5SO2)2 ,LiN
(CF3SO2)(C4F9SO2),LiC(CF3SO2)3,
LiCF3(CF2)3SO3 などが挙げられ、これらを単
独あるいは複数成分を混合して使用することができる。
いはゲル状電解質として多く用いられているポリエチレ
ンオキシドを含む非水電解質を使用してもよい。本発明
において用いる正極としては、リチウム二次電池の正極
として用いることができるものであれば特に限定される
ものではないが、マンガン、コバルト、ニッケル、バナ
ジウム、またはニオブを少なくとも1種含む金属酸化物
などを用いることができる。
説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を変更しない範囲において、適宜変更
して実施することが可能なものである。
二次電池を作製した。図1は、作製したコイン型リチウ
ム二次電池を示す模式的断面図である。
は、非水電解質を含浸したポリエチレンからなるセパレ
ータ6を介して対向しており、負極缶2及び正極缶3か
らなる電池ケース内に収納されている。負極缶2及び正
極缶3はステンレス鋼から形成されている。正極5は、
アルミニウムからなる正極集電体4を介して正極缶3に
接続され、負極集電体1は負極缶2に接続され、電池内
部に生じた化学エネルギーを正極缶3及び負極缶2の両
端子から電気エネルギーとして外部へ取り出し得るよう
になっている。負極缶2と正極缶3との間には、電池内
部を密閉するためのポリプロピレンからなる絶縁パッキ
ング7が設けられている。
解質中のリチウムイオンが還元されて、負極集電体1の
表面上にリチウム金属が析出する。このリチウム金属
は、放電時に酸化され、リチウムイオンとして再び非水
電解質中に溶解される。本発明のリチウム二次電池にお
いては、このように負極集電体1上に析出するリチウム
金属が負極活物質となる。
m、厚み1mmの、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄
(Fe)、ステンレス鋼(SUS304)の各金属板の
表面を所定の表面粗さ(十点平均粗さ:Rz)になるよ
うに加工したものを用いた。表面粗さ1μm及び0.1
μmのものについては、各金属板の一方の表面をエメリ
ー紙及びダイヤモンドスラリーを用いて研磨処理し、所
定の表面粗さとした。また、表面粗さが5μm及び10
μmのものについては、各金属板の一方の表面をエメリ
ー紙により研磨処理し、所定の表面粗さとした。
質とした正極を用いた。具体的には、正極活物質として
のLiCoO2 と、導電剤としての人造黒鉛と、結着剤
としてのポリフッ化ビニリデンとを90:5:5の重量
比で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドン(NM
P)を加えることによりスラリー化させ、このスラリー
を正極集電体4の片面にドクターブレード法により塗布
し、150℃で2時間真空乾燥し、これを直径18m
m、厚み0.1mmに加工したものを用いた。
ネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを
体積比1:1の割合で混合させた混合溶媒にLiPF6
を1.0mol/kgの割合で溶解させたものを使用し
た。
属板の一方の表面をエメリー紙により表面粗さが40μ
mとなるように研磨処理したものを用いる以外は、上記
実施例と同様にしてコイン型リチウム二次電池を作製し
た。
製した実施例及び比較例の各電池について、充放電試験
を行い、20サイクル目の各電池の充放電効率を求め
た。その結果を表1に示す。なお、本測定においては、
充放電電流を1.0mA、充電終止容量を4.0mA
h、放電終止電圧を2.75Vとし、20サイクル目の
充電容量と放電容量を測定して、下記の式から20サイ
クル目の充放電効率を求めた。
100
明に従う実施例の各電池は、比較例の電池に比べ、高い
充放電効率を示している。このことから、負極集電体の
リチウム金属析出面の十点平均粗さ(Rz)を10μm
以下とすることにより、充放電サイクル特性が顕著に向
上することがわかる。また、十点平均粗さ(Rz)を1
μm以下とすることにより、さらに充放電サイクル特性
が向上することがわかる。
に、負極集電体として、リチウム金属析出面が銅から形
成されるものを用いることにより、充放電サイクル特性
をより大きく向上できることがわかる。
用いたが、重量当たり及び体積当たりの電池容量を大き
くするためには可能な限り薄い負極集電体を用いること
が望ましい。また、本実施例のような、負極缶を用いる
コイン型電池の場合には、負極缶を負極集電体として用
いることも可能である。
のコイン型電池以外にも適用することができ、円筒型電
池やその他各種の形状の電池に適用することができる。
体のリチウム金属析出面の十点平均粗さ(Rz)が10
μm以下であるので、充電時のリチウム金属の局所的な
析出を抑制することができ、充放電サイクル特性を向上
させることができる。
リチウム二次電池を示す模式的断面図。
Claims (3)
- 【請求項1】 正極と負極と非水電解質とを備え、充電
時に前記負極の負極集電体上にリチウム金属が析出し、
放電時に該リチウム金属が溶解するリチウム二次電池で
あって、 前記負極集電体のリチウム金属析出面は、金属または合
金から形成され、JIS B0601で定義される十点
平均粗さ(Rz)が10μm以下であることを特徴とす
るリチウム二次電池。 - 【請求項2】 前記十点平均粗さ(Rz)が1μm以下
であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次
電池。 - 【請求項3】 前記リチウム金属析出面の金属または合
金が、銅、ニッケル、または鉄を少なくとも含むことを
特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電
池。
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