JP2001250561A - 水系電解質リチウムイオン電池 - Google Patents
水系電解質リチウムイオン電池Info
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- positive electrode
- negative electrode
- current collector
- aqueous electrolyte
- lithium ion
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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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- Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電池寿命を向上させた水系電解質リチウムイ
オン電池を提供する。 【解決手段】 水系電解質中に、正極集電体上に正極活
物質を担持させた正極と、負極集電体上にに負極活物質
を担持させた負極とを、両者間に介在する電解質透過性
のセパレータで非接触状態に配置したリチウムイオン電
池において、上記正極集電体および上記負極集電体の各
々が、有機電解質中での耐食性よりも水系電解質中での
耐食性の方が高い材料から成る。典型的には、上記正極
集電体を構成する材料がステンレス鋼または燐酸被膜処
理したアルミニウムであり、上記負極集電体を構成する
材料がステンレス鋼またはニッケルである。
オン電池を提供する。 【解決手段】 水系電解質中に、正極集電体上に正極活
物質を担持させた正極と、負極集電体上にに負極活物質
を担持させた負極とを、両者間に介在する電解質透過性
のセパレータで非接触状態に配置したリチウムイオン電
池において、上記正極集電体および上記負極集電体の各
々が、有機電解質中での耐食性よりも水系電解質中での
耐食性の方が高い材料から成る。典型的には、上記正極
集電体を構成する材料がステンレス鋼または燐酸被膜処
理したアルミニウムであり、上記負極集電体を構成する
材料がステンレス鋼またはニッケルである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水系電解質を用い
たリチウムイオン電池に関する。
たリチウムイオン電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】リチウムイオン電池は、既に普及してい
るニッケル・カドミウム電池（ニカド電池）等よりも、
単位体積当たりあるいは単位重量当たりのエネルギー密
度が格段に高い二次電池（再充電可能な電池）である。
そのため、ノートパソコンや携帯情報機器用の小型電
源、あるいは電気自動車駆動用の大型電源や可搬式の蓄
電システム等としての応用が期待されている。
るニッケル・カドミウム電池（ニカド電池）等よりも、
単位体積当たりあるいは単位重量当たりのエネルギー密
度が格段に高い二次電池（再充電可能な電池）である。
そのため、ノートパソコンや携帯情報機器用の小型電
源、あるいは電気自動車駆動用の大型電源や可搬式の蓄
電システム等としての応用が期待されている。
【０００３】しかし、従来のリチウムイオン電池は、下
記（１）（２）の問題があった。 （１）電解質に有機溶媒を用いているため、引火や爆発
あるいは人体への悪影響といった危険性がある。 （２）水分を完全に除去した環境下で製造しなくてはな
らないため特殊な製造設備を必要とする上、電池の使用
時にも爆発防止のために保護回路を設ける必要があるた
め、コストがかかる。
記（１）（２）の問題があった。 （１）電解質に有機溶媒を用いているため、引火や爆発
あるいは人体への悪影響といった危険性がある。 （２）水分を完全に除去した環境下で製造しなくてはな
らないため特殊な製造設備を必要とする上、電池の使用
時にも爆発防止のために保護回路を設ける必要があるた
め、コストがかかる。
【０００４】そこで近年、有機電解質に特有な上記の問
題を回避するために、例えば特表平９−５０８４９０号
公報に開示されているように、水系電解質を用いたリチ
ウムイオン電池が提案されている。しかし、水系電解質
を用いた場合、正極あるいは負極の材料が水系電解質に
よって腐食され、電池寿命（充電・放電サイクル数）が
短いという問題があった。
題を回避するために、例えば特表平９−５０８４９０号
公報に開示されているように、水系電解質を用いたリチ
ウムイオン電池が提案されている。しかし、水系電解質
を用いた場合、正極あるいは負極の材料が水系電解質に
よって腐食され、電池寿命（充電・放電サイクル数）が
短いという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、電池寿命を
向上させた水系電解質リチウムイオン電池を提供するこ
とを目的とする。
向上させた水系電解質リチウムイオン電池を提供するこ
とを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の水系電解質リチウムイオン電池は、水系
電解質中に、正極集電体上に正極活物質を担持させた正
極と、負極集電体上にに負極活物質を担持させた負極と
を、両者間に介在する電解質透過性のセパレータで非接
触状態に配置したリチウムイオン電池において、上記正
極集電体および上記負極集電体の各々が、有機電解質中
での耐食性よりも水系電解質中での耐食性の方が高い材
料から成ることを特徴とする。
めに、本発明の水系電解質リチウムイオン電池は、水系
電解質中に、正極集電体上に正極活物質を担持させた正
極と、負極集電体上にに負極活物質を担持させた負極と
を、両者間に介在する電解質透過性のセパレータで非接
触状態に配置したリチウムイオン電池において、上記正
極集電体および上記負極集電体の各々が、有機電解質中
での耐食性よりも水系電解質中での耐食性の方が高い材
料から成ることを特徴とする。
【０００７】典型的には、上記正極集電体を構成する材
料がステンレス鋼または燐酸被膜処理したアルミニウム
であり、上記負極集電体を構成する材料がステンレス鋼
またはニッケルである。
料がステンレス鋼または燐酸被膜処理したアルミニウム
であり、上記負極集電体を構成する材料がステンレス鋼
またはニッケルである。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明による水系電解質リチウム
イオン電池の一実施形態を、比較的構造が簡単なボタン
電池を例にして説明する。もちろん本発明は、従来から
知られている種々の形態の二次電池に適用することがで
きる。図１に、本発明によるボタン電池型の水系電解質
リチウムイオン電池の断面図を示す。水系電解質リチウ
ムイオン電池１０は、正極缶１１と負極缶１２とをガス
ケット１３を介して接合した密閉容器として構成されて
おり、内部には水系電解質１４が満たされている。水系
電解質１４中に、正極集電体１５Ａ上に正極活物質１５
Ｂを担持させた正極１５と、負極集電体１６Ａ上に負極
活物質１６Ｂを担持させた負極１６とが、電解質透過性
のセパレータ１７を間に挟んで非接触状態に配置されて
いる。正極１５および負極１６はそれぞれ正極活物質１
５Ｂおよび負極活物質１６Ｂがセパレータ１７に対面す
る向きになっている。正極１５の集電体１５Ａはスペー
サ１８およびウェーブワッシャー１９を介して正極缶１
１と電気的に接続しており、負極１６の集電体１６Ａは
直接に負極缶１２と電気的に接続している。
イオン電池の一実施形態を、比較的構造が簡単なボタン
電池を例にして説明する。もちろん本発明は、従来から
知られている種々の形態の二次電池に適用することがで
きる。図１に、本発明によるボタン電池型の水系電解質
リチウムイオン電池の断面図を示す。水系電解質リチウ
ムイオン電池１０は、正極缶１１と負極缶１２とをガス
ケット１３を介して接合した密閉容器として構成されて
おり、内部には水系電解質１４が満たされている。水系
電解質１４中に、正極集電体１５Ａ上に正極活物質１５
Ｂを担持させた正極１５と、負極集電体１６Ａ上に負極
活物質１６Ｂを担持させた負極１６とが、電解質透過性
のセパレータ１７を間に挟んで非接触状態に配置されて
いる。正極１５および負極１６はそれぞれ正極活物質１
５Ｂおよび負極活物質１６Ｂがセパレータ１７に対面す
る向きになっている。正極１５の集電体１５Ａはスペー
サ１８およびウェーブワッシャー１９を介して正極缶１
１と電気的に接続しており、負極１６の集電体１６Ａは
直接に負極缶１２と電気的に接続している。
【０００９】スペーサ１８およびウェーブワッシャー１
９は金属等の導電性材料から成る。セパレータ１７は、
正極１５／負極１６間を絶縁すると同時に電解質を透過
する多孔質の絶縁材料から成り、コンデンサペーパ等を
用いることができる。従来の有機電解質リチウムイオン
電池では、正極１５および負極１６の集電体１５Ａおよ
び１６Ａは代表的にはアルミニウム製であり、例えばア
ルミニウム箔の形で用いられていた。
９は金属等の導電性材料から成る。セパレータ１７は、
正極１５／負極１６間を絶縁すると同時に電解質を透過
する多孔質の絶縁材料から成り、コンデンサペーパ等を
用いることができる。従来の有機電解質リチウムイオン
電池では、正極１５および負極１６の集電体１５Ａおよ
び１６Ａは代表的にはアルミニウム製であり、例えばア
ルミニウム箔の形で用いられていた。
【００１０】ところが、アルミニウムは有機電解質に対
しては十分な耐食性を持つが、電極と電解質との電気化
学反応環境下において水系電解質によって容易に腐食さ
れてしまい、電池寿命（充電・放電サイクル数）が低下
してしまう。これに対して本発明では、集電体１５Ａお
よび１６Ａとして、有機電解質中での耐食性よりも水系
電解質中での耐食性の方が高い材料を用いたので、集電
体の腐食が効果的に防止され、電池寿命が向上する。
しては十分な耐食性を持つが、電極と電解質との電気化
学反応環境下において水系電解質によって容易に腐食さ
れてしまい、電池寿命（充電・放電サイクル数）が低下
してしまう。これに対して本発明では、集電体１５Ａお
よび１６Ａとして、有機電解質中での耐食性よりも水系
電解質中での耐食性の方が高い材料を用いたので、集電
体の腐食が効果的に防止され、電池寿命が向上する。
【００１１】上記のような材料として、本発明者は種々
の実験を行った結果、正極集電体の材料としてステンレ
ス鋼および燐酸被膜処理を施したアルミニウムが適して
おり、負極集電体の材料としてステンレス鋼およびニッ
ケルが適していることを見出した。以下、実施例により
本発明による効果を具体的に説明する。
の実験を行った結果、正極集電体の材料としてステンレ
ス鋼および燐酸被膜処理を施したアルミニウムが適して
おり、負極集電体の材料としてステンレス鋼およびニッ
ケルが適していることを見出した。以下、実施例により
本発明による効果を具体的に説明する。
【００１２】
【実施例】本発明により、正極集電体をステンレス鋼
（ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）箔または燐酸被膜処理したア
ルミニウム箔で作製し、負極集電体をステンレス鋼（Ｊ
ＩＳＳＵＳ３０４）箔またはニッケル箔で作製した。ま
ず、上記材料の箔に下記の手順により活物質を担持させ
た。
（ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）箔または燐酸被膜処理したア
ルミニウム箔で作製し、負極集電体をステンレス鋼（Ｊ
ＩＳＳＵＳ３０４）箔またはニッケル箔で作製した。ま
ず、上記材料の箔に下記の手順により活物質を担持させ
た。
【００１３】 ＜各極の活物質配合量＞ 〔正極〕 〔負極〕 ＬｉＣｏＯ2 ２１．６ｇ Ｖ6 Ｏ13 ３３．７５ｇ ＮＧ １．２ｇ ＮＧ １．８７５ｇ ＣＢ １．２ｇ ＣＢ １．８７５ｇ ＫＦポリマー １０ｇ ＫＦポリマー １２．５ｇ （必要に応じてＮＭＰ添加） （必要に応じてＮＭＰ添加） （注）上記各略号の具体的内容（および役割）は下記のとおりである。
【００１４】ＮＧ：天然黒鉛（役割：導電化材） ＣＢ：人造黒鉛（役割：導電化材） ＫＦポリマー：（商品名）（役割：結着材） ＮＭＰ：ｎ−メチルピロリドン（役割：溶媒） 上記正極用および負極用の活物質成分を混合し、前記い
ずれかの箔材料上にドクターブレードにより均一に塗布
した後、大気中にて８０℃で乾燥する。これを、必要な
集電箔の形にプレスにて打ち抜いた後、プレスにて１〜
２ｔで加圧する。その後、大気中にて１７５℃×１時間
のベーキングを行った後、室温まで放冷して集電箔を得
た。
ずれかの箔材料上にドクターブレードにより均一に塗布
した後、大気中にて８０℃で乾燥する。これを、必要な
集電箔の形にプレスにて打ち抜いた後、プレスにて１〜
２ｔで加圧する。その後、大気中にて１７５℃×１時間
のベーキングを行った後、室温まで放冷して集電箔を得
た。
【００１５】また、比較のために、正極集電体としてア
ルミニウム箔および高純度アルミニウム箔、負極集電体
として燐酸被膜処理したアルミニウム箔および高純度ア
ルミニウム箔（同上）を用い、上記と同様に活物質を担
持させた。図１に示したようなボタン型水系電解質リチ
ウムイオン電池に、上記の各箔を集電体として組み込
み、充電・放電サイクルを２回行って、時間−電圧曲線
の再現性を比較した。水系電解質としては、Ｌｉ2 ＳＯ
4 の１mol/l 水溶液を用い、駆動電位幅は０．５〜１．
５Ｖとした。
ルミニウム箔および高純度アルミニウム箔、負極集電体
として燐酸被膜処理したアルミニウム箔および高純度ア
ルミニウム箔（同上）を用い、上記と同様に活物質を担
持させた。図１に示したようなボタン型水系電解質リチ
ウムイオン電池に、上記の各箔を集電体として組み込
み、充電・放電サイクルを２回行って、時間−電圧曲線
の再現性を比較した。水系電解質としては、Ｌｉ2 ＳＯ
4 の１mol/l 水溶液を用い、駆動電位幅は０．５〜１．
５Ｖとした。
【００１６】図２は、負極の集電体にステンレス鋼箔を
用い、正極の集電体にステンレス鋼箔（本発明例）、燐
酸被膜処理したアルミニウム箔（本発明例）、未処理の
アルミニウム箔（比較例）、未処理の高純度アルミニウ
ム箔（比較例）のいずれかを用いた場合の結果である。
比較例については、正極集電体にアルミニウム箔（未処
理）を用いた場合には（図中○プロット）、２サイクル
目の終端が３．５ｈであり、高純度アルミニウム箔（未
処理）を用いた場合にも（図中×プロット）、同等の結
果であった。
用い、正極の集電体にステンレス鋼箔（本発明例）、燐
酸被膜処理したアルミニウム箔（本発明例）、未処理の
アルミニウム箔（比較例）、未処理の高純度アルミニウ
ム箔（比較例）のいずれかを用いた場合の結果である。
比較例については、正極集電体にアルミニウム箔（未処
理）を用いた場合には（図中○プロット）、２サイクル
目の終端が３．５ｈであり、高純度アルミニウム箔（未
処理）を用いた場合にも（図中×プロット）、同等の結
果であった。
【００１７】これに対して、正極集電体として本発明に
より燐酸被膜処理したアルミニウム箔を用いた場合には
（図中□プロット）、２サイクル目の終端が４ｈと長く
なっている。更に、正極集電体としてステンレス鋼（Ｊ
ＩＳ ＳＵＳ３０４）箔を用いた場合には（図中◆プロ
ット）、２サイクル目の終端が４．７ｈにまで長くなっ
ていることが分かる。
より燐酸被膜処理したアルミニウム箔を用いた場合には
（図中□プロット）、２サイクル目の終端が４ｈと長く
なっている。更に、正極集電体としてステンレス鋼（Ｊ
ＩＳ ＳＵＳ３０４）箔を用いた場合には（図中◆プロ
ット）、２サイクル目の終端が４．７ｈにまで長くなっ
ていることが分かる。
【００１８】図３は、正極の集電体にステンレス鋼箔を
用い、負極の集電体にステンレス鋼箔（本発明例）、ニ
ッケル箔（本発明例）、燐酸被膜処理したアルミニウム
箔（比較例）、未処理の高純度アルミニウム箔（比較
例）のいずれかを用いた場合の結果である。負極集電体
に燐酸被膜処理したアルミニウム箔を用いた場合には
（図中□プロット）、２サイクル目の終端が２．７ｈで
あり、高純度アルミニウム箔を用いた場合には（図中×
プロット）２サイクル目の終端が３．５ｈであった。
用い、負極の集電体にステンレス鋼箔（本発明例）、ニ
ッケル箔（本発明例）、燐酸被膜処理したアルミニウム
箔（比較例）、未処理の高純度アルミニウム箔（比較
例）のいずれかを用いた場合の結果である。負極集電体
に燐酸被膜処理したアルミニウム箔を用いた場合には
（図中□プロット）、２サイクル目の終端が２．７ｈで
あり、高純度アルミニウム箔を用いた場合には（図中×
プロット）２サイクル目の終端が３．５ｈであった。
【００１９】これに対して、負極集電体として本発明に
よりステンレス鋼箔またはニッケル箔を用いた場合には
（それぞれ図中◆プロットおよび○プロット）、いずれ
も２サイクル目の終端が４．７ｈにまで長くなってい
る。水系電解質としては、もちろん上記実施例で説明し
た以外のものも適用可能であり、基本的には水と反応し
て酸化被膜等を形成しない安定な物質であることが好ま
しいが、実際の電池設計に際して正極材料および負極材
料に対する腐食性について試行実験により適宜決定する
ことができる。
よりステンレス鋼箔またはニッケル箔を用いた場合には
（それぞれ図中◆プロットおよび○プロット）、いずれ
も２サイクル目の終端が４．７ｈにまで長くなってい
る。水系電解質としては、もちろん上記実施例で説明し
た以外のものも適用可能であり、基本的には水と反応し
て酸化被膜等を形成しない安定な物質であることが好ま
しいが、実際の電池設計に際して正極材料および負極材
料に対する腐食性について試行実験により適宜決定する
ことができる。
【００２０】集電体材料も、もちろん上記実施例で説明
した以外のものも適用可能であり、基本的には箔として
安定な構造材料であること、活物質の密着性が高いこと
が好ましい。一般には、実施例で説明した以外に、銅等
も適用の可能性があるが、実際の電池設計に際して試行
実験により適宜決定することができる。正極活物質およ
び負極活物質についても、もちろん実施例で説明した以
外のものも適用可能である。
した以外のものも適用可能であり、基本的には箔として
安定な構造材料であること、活物質の密着性が高いこと
が好ましい。一般には、実施例で説明した以外に、銅等
も適用の可能性があるが、実際の電池設計に際して試行
実験により適宜決定することができる。正極活物質およ
び負極活物質についても、もちろん実施例で説明した以
外のものも適用可能である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により正極
集電体および負極集電体にそれぞれ、有機電解質中の耐
食性よりも水系電解質中の耐食性の方が高い材料を適切
に選択して用いることにより、寿命（充電・放電サイク
ル数）の向上した水系電解質リチウムイオン電池が提供
される。
集電体および負極集電体にそれぞれ、有機電解質中の耐
食性よりも水系電解質中の耐食性の方が高い材料を適切
に選択して用いることにより、寿命（充電・放電サイク
ル数）の向上した水系電解質リチウムイオン電池が提供
される。
【図１】図１は、本発明を適用する一実施形態としての
ボタン型リチウムイオン電池の内部構造を示す断面図で
ある。
ボタン型リチウムイオン電池の内部構造を示す断面図で
ある。
【図２】図２は、本発明による材料で正極集電体を構成
した場合の電圧−時間曲線を、比較例と対比して示すグ
ラフである。
した場合の電圧−時間曲線を、比較例と対比して示すグ
ラフである。
【図３】図３は、本発明による材料で負極集電体を構成
した場合の電圧−時間曲線を、比較例と対比して示すグ
ラフである。
した場合の電圧−時間曲線を、比較例と対比して示すグ
ラフである。
１０…ボタン電池型の水系電解質リチウムイオン電池 １１…正極缶 １２…負極缶 １３…ガスケット １４…水系電解質 １５…正極 １５Ａ…正極集電体 １５Ｂ…正極活物質 １６…負極 １６Ａ…負極集電体 １６Ｂ…負極活物質 １７…電解質透過性のセパレータ １８…スペーサ １９…ウェーブワッシャー
Claims (2)
- 【請求項１】 水系電解質中に、正極集電体上に正極活
物質を担持させた正極と、負極集電体上にに負極活物質
を担持させた負極とを、両者間に介在する電解質透過性
のセパレータで非接触状態に配置したリチウムイオン電
池において、 上記正極集電体および上記負極集電体の各々が、有機電
解質中での耐食性よりも水系電解質中での耐食性の方が
高い材料から成ることを特徴とする水系電解質リチウム
イオン電池。 - 【請求項２】 請求項１において、上記正極集電体を構
成する材料がステンレス鋼または燐酸被膜処理したアル
ミニウムであり、上記負極集電体を構成する材料がステ
ンレス鋼またはニッケルであることを特徴とする水系電
解質リチウムイオン電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000065733A JP2001250561A (ja) | 2000-03-06 | 2000-03-06 | 水系電解質リチウムイオン電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000065733A JP2001250561A (ja) | 2000-03-06 | 2000-03-06 | 水系電解質リチウムイオン電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001250561A true JP2001250561A (ja) | 2001-09-14 |
Family
ID=18585212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000065733A Pending JP2001250561A (ja) | 2000-03-06 | 2000-03-06 | 水系電解質リチウムイオン電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001250561A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005251586A (ja) * | 2004-03-04 | 2005-09-15 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水系電解液リチウム二次電池 |
| JP2007172985A (ja) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水系リチウム二次電池 |
-
2000
- 2000-03-06 JP JP2000065733A patent/JP2001250561A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005251586A (ja) * | 2004-03-04 | 2005-09-15 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水系電解液リチウム二次電池 |
| JP4595352B2 (ja) * | 2004-03-04 | 2010-12-08 | 株式会社豊田中央研究所 | 水系電解液リチウム二次電池 |
| JP2007172985A (ja) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 水系リチウム二次電池 |
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