JP2004087209A

JP2004087209A - リチウム二次電池

Info

Publication number: JP2004087209A
Application number: JP2002244443A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Yoshida; 吉田　智一; Shiori Nakamizo; 中溝　紫織; Maruo Jinno; 神野　丸男
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】正極と、負極と、正極と負極とを分離させるセパレータと、非水電解質とを備えたリチウム二次電池において、負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いた場合に、充放電によって正極と負極との間に微少短絡が生じるのを抑制して充放電効率を向上させ、十分な充放電サイクル特性が得られるようにする。
【解決手段】正極１と、負極２と、正極と負極とを分離させるセパレータ３と、非水電解質とを備えたリチウム二次電池において、負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いると共に、セパレータとして、先端の曲率半径が０．５ｍｍの針を突き刺し速度２ｍｍ／ｓの条件で突き刺す突き刺し試験における突き刺し強度が３５０ｇより大きいものを用いた。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、正極と、負極と、正極と負極とを分離させるセパレータと、非水電解質とを備えたリチウム二次電池に係り、特に、その負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いた場合において、充放電によって正極と負極との間に微少短絡が生じるのを抑制して、充放電効率を向上させるようにした点に特徴を有するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高出力，高エネルギー密度の新型二次電池の１つとして、非水系溶媒にリチウム塩からなる溶質を溶解させた非水電解液を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うようにしたリチウム二次電池が利用されるようになった。
【０００３】
そして、このようなリチウム二次電池においては、その負極における負極活物質として、一般に、金属リチウムや、リチウムイオンの吸蔵，放出が可能な黒鉛，コークス，有機物焼成体等の炭素材料や、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｒｈ，Ｉｒ等のリチウムと合金化する材料が用いられていた。
【０００４】
ここで、負極における負極活物質に金属リチウムを用いた場合、充放電によって負極の表面にデンドライトが発生して、正極と負極との間に短絡が生じる等の問題があった。
【０００５】
また、負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いた場合、炭素材料を用いた場合に比べて高い電池容量が得られるようになるが、充放電によって負極が膨張，収縮し、特に、高い電池容量が得られるようにシリコンを用いた場合には、負極における膨張，収縮が大きくなり、正極と負極との間に微少短絡が生じて充放電効率が悪くなり、十分な充放電サイクル特性が得られなくなるという問題があった。
【０００６】
また、近年においては、このようなリチウム二次電池において、薄型で十分な容量が得られるようにするため、凹凸を有する負極集電体の表面に、上記のようなリチウムと合金化する材料からなる負極活物質の薄層を設けた負極を用いることが検討されるようになった。
【０００７】
ここで、このような負極を用いたリチウム二次電池を充放電させた場合、上記の負極活物質の薄層が膨張，収縮し、これにより負極活物質の薄層に割れが生じて、負極集電体の表面に負極活物質が柱状に分離された状態で存在するようになった。
【０００８】
そして、このようなリチウム二次電池をさらに充放電させると、柱状になった負極活物質が膨張，収縮して、正極と負極との間に微少短絡が生じやすくなり、さらに充放電効率が悪くなって、充放電サイクル特性がさらに低下するという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、正極と、負極と、正極と負極とを分離させるセパレータと、非水電解質とを備えたリチウム二次電池における上記のような問題を解決することを課題とするものであり、その負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いた場合において、充放電によって正極と負極との間に微少短絡が生じるのを抑制して充放電効率を向上させ、十分な充放電サイクル特性が得られるようにすることを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、上記のような課題を解決するため、正極と、負極と、正極と負極とを分離させるセパレータと、非水電解質とを備えたリチウム二次電池において、上記の負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いると共に、上記のセパレータとして、先端の曲率半径が０．５ｍｍの針を突き刺し速度２ｍｍ／ｓの条件で突き刺す突き刺し試験における突き刺し強度が３５０ｇより大きいものを用いるようにしたのである。
【００１１】
そして、この発明におけるリチウム二次電池のように、負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いた場合において、正極と負極とを分離させるセパレータに上記の突き刺し強度が３５０ｇより大きいものを用いると、充放電によって負極が膨張，収縮しても、このセパレータによって正極と負極との間に微少短絡が生じるのが抑制され、充放電効率が低下するのが防止されて、リチウム二次電池における充放電サイクル特性が向上する。
【００１２】
ここで、上記の突き刺し強度が３５０ｇより大きいセパレータを得るにあたり、一般に低融点材料を用いた場合には、強度は高くないがイオン伝導性に優れたセパレータが得られる一方、高融点材料を用いた場合には、強度が高いセパレータが得られるがセパレータにおけるイオン伝導性が悪くなるため、低融点材料と高融点材料とを組み合わせて使用することが好ましく、特に、低融点材料中に高融点材料を混合させたものを用いることが好ましい。
【００１３】
そして、上記の高融点材料としては、融点が５００℃以上のものを用いることが好ましく、例えば、融点が５００℃以上のアラミド系、ポリベンゾイミダゾール系、ポリベンゾビスオキサゾール系、ポリイミド系等の各種の合成樹脂を用いることができる。
【００１４】
ここで、このセパレータにおける上記の突き刺し強度が大きくなるほど、正極と負極との間に生じる微少短絡が確実に抑制されるようになるが、突き刺し強度が大きくなり過ぎると、セパレータにおけるイオン伝導性が悪くなって充放電効率が低下するため、上記の突き刺し強度が４００〜５００ｇの範囲になったセパレータを用いることが好ましい。
【００１５】
また、上記の負極活物質に使用するリチウムと合金化する材料としては、従来より一般に使用されている、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｒｈ，Ｉｒ等のリチウムと合金化する材料を用いることができ、特に、高い電池容量が得られるようにするためにはシリコンＳｉを用いることが好ましく、このようにシリコンを用いた場合においても、上記のようなセパレータを用いると、正極と負極との間に微少短絡が生じるのが抑制されるようになる。
【００１６】
また、薄型で十分な容量を持つリチウム二次電池が得られるようにするため、上記の負極として、凹凸のある負極集電体の表面に前記の負極活物質の薄層が形成されたものを用いることが好ましい。
【００１７】
ここで、このように凹凸のある負極集電体の表面に前記の負極活物質の薄層が形成された負極をリチウム二次電池に用い、このリチウム二次電池を充放電させると、負極活物質の薄層が膨張，収縮して、負極活物質の薄層に割れが生じ、負極集電体の表面に負極活物質が柱状に分離された状態で存在するようになる。そして、このリチウム二次電池をさらに充放電させると、上記のように柱状になった負極活物質が膨張，収縮するが、上記のようなセパレータを用いた場合には、この負極と正極との間における微少短絡も抑制されるようになる。
【００１８】
なお、この発明におけるリチウム二次電池は、上記のような負極活物質を用いた負極や、上記のようなセパレータを使用することを特徴とするものであり、リチウム二次電池を構成する他の正極や非水電解質については、従来のチウム二次電池において一般に使用されているものを用いることができる。
【００１９】
そして、その正極における正極活物質としては、例えば、リチウム含有マンガン酸化物、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有バナジウム酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有鉄酸化物、リチウム含有クロム酸化物、リチウム含有チタン酸化物等のリチウム含有遷移金属酸化物を使用することができる。
【００２０】
また、上記の非水電解質としては、非水系溶媒にリチウム塩からなる溶質を溶解させた非水電解液や、このような非水電解液をポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル等のポリマーに含浸させたゲル状高分子電解質を用いることができる。
【００２１】
そして、上記の非水電解液に用いる非水系溶媒としても、従来より使用されている公知のものを用いることができ、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、ビニレンカーボネート、シクロペンタノン、スルホラン、ジメチルスルホラン、３−メチル−１，３−オキサゾリジン−２−オン、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ブチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル等の溶媒を１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。
【００２２】
また、上記の溶質としても、従来より使用されている公知のものを用いることができ、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＮ（Ｃ_ｍＦ_２ｍ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋１ＳＯ_２）（式中、ｍ，ｎは１〜４の何れかの整数である。）、ＬｉＣ（Ｃ_ｌＦ_２ｌ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_２ｍ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋１ＳＯ_２）（式中、ｌ，ｍ，ｎは１〜４の何れかの整数である。）等のリチウム塩を使用することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、この発明に係るリチウム二次電池について実施例を挙げて具体的に説明すると共に、この発明の実施例のリチウム二次電池においては、充放電効率が低下するのが抑制されて、充放電サイクル特性が向上することを、比較例を挙げて明らかにする。なお、この発明におけるリチウム二次電池は下記の実施例に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜様々な変更を行って実施できるものである。
【００２４】
（実施例１）
実施例１においては、下記のようにして作製した正極と負極と非水電解液とセパレータとを用い、図１に示すようなＡＡサイズの円筒型で定格容量が１．０Ａｈになったリチウム二次電池を作製した。
【００２５】
［正極の作製］
正極を作製するにあたっては、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２粉末を用い、このＬｉＣｏＯ_２粉末と、導電剤である炭素粉末と、結着剤であるポリフッ化ビニリデンのＮ−メチル−２−ピロリドン溶液とを混合させ、上記のＬｉＣｏＯ_２粉末と炭素粉末とポリフッ化ビニリデンとが９０：５：５の重量比になったスラリーを調製し、このスラリーを厚みが２０μｍのアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布し、これを真空乾燥させて正極を作製した。
【００２６】
［負極の作製］
負極を作製するにあたっては、負極集電体として、厚みが１７μｍになった表面に凹凸を有する電解銅箔を使用し、高周波スパッタリング法によりこの電解銅箔の両面に、それぞれ厚みが約５μｍになったシリコンからなる負極活物質の薄層を形成して負極を作製した。なお、上記の高周波スパッタリングは、スパッタガス（Ａｒ）流量：１００ｓｃｃｍ，基板温度：室温（加熱なし），反応圧力：１．０×１０^−３Ｔｏｒｒ，高周波電力：２００Ｗの条件で行った。また、上記のように形成したシリコンの薄層をＸＲＤにより解析したところ、非晶質になっていた。
【００２７】
［非水電解液の作製］
非水電解液を作製するにあたっては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを１：１の体積比で混合させた混合溶媒にＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／ｌの割合で溶解させて非水電解液を作製した。
【００２８】
［セパレータの作製］
セパレータを作製するにあたっては、低融点材料として融点が１３０℃のポリエチレンを用いる一方、高融点材料として融点が６００℃のパラ系ポリアミドを用いた。
【００２９】
そして、上記のポリエチレンの表面に、上記のパラ系ポリアミドをポリエチレンに対して５ｗｔ％の割合になるように被覆させ、ポリエチレンの表面にパラ系ポリアミドが積層された微多孔膜からなるセパレータを得た。なお、このセパレータに対して、ハンディー圧縮試験器（カトーテック社製：ＫＥＳ−Ｇ５）を使用し、先端の曲率半径が０．５ｍｍの針を用い、突き刺し速度２ｍｍ／ｓの条件で突き刺し試験を行い、このセパレータにおける突き刺し強度を測定した結果、その突き刺し強度は５２０ｇであった。
【００３０】
［電池の作製］
電池を作製するにあたっては、図１に示すように、上記のようにして作製した正極１と負極２との間に上記のセパレータ３を介在させ、これらをスパイラル状に巻いて電池缶４内に収容させた後、この電池缶４内に上記の非水電解液を注液して封口し、正極１を正極リード５を介して正極蓋６に接続させると共に、負極２を負極リード７を介して電池缶４に接続させ、電池缶４と正極蓋６とを絶縁パッキン８により電気的に分離させた。
【００３１】
（実施例２）
実施例２においては、上記の実施例１におけるセパレータの作製において、融点が１３０℃の上記のポリエチレンに対して融点が６００℃の上記のパラ系ポリアミドを５ｗｔ％混合させて、ポリエチレンにパラ系ポリアミドが混合された微多孔膜からなるセパレータを得た。なお、このセパレータについて、上記の実施例１の場合と同様にして突き刺し強度を測定した結果、その突き刺し強度は４２０ｇであった。
【００３２】
そして、上記のセパレータを使用する以外は、上記の実施例１の場合と同様にして、実施例２のリチウム二次電池を作製した。
【００３３】
（実施例３）
実施例３においては、上記の実施例１におけるセパレータの作製において、融点が１３０℃の上記のポリエチレンに対して、融点が６００℃の上記のパラ系ポリアミドと、融点が１７０℃のポリプロピレンとをそれぞれ５ｗｔ％混合させて、ポリエチレンにパラ系ポリアミドとポリプロピレンとが混合された微多孔膜からなるセパレータを得た。なお、このセパレータについて、上記の実施例１の場合と同様にして突き刺し強度を測定した結果、その突き刺し強度は４１０ｇであった。
【００３４】
そして、上記のセパレータを使用する以外は、上記の実施例１の場合と同様にして、実施例３のリチウム二次電池を作製した。
【００３５】
（比較例１）
比較例１においては、上記の実施例１におけるセパレータの作製において、融点が１３０℃の上記のポリエチレンだけを使用し、このポリエチレンだけで構成された微多孔膜からなるセパレータを得た。なお、このセパレータについて、上記の実施例１の場合と同様にして突き刺し強度を測定した結果、その突き刺し強度は３５０ｇであった。
【００３６】
そして、上記のセパレータを使用する以外は、上記の実施例１の場合と同様にして、比較例１のリチウム二次電池を作製した。
【００３７】
次に、上記のようにして作製した実施例１〜３及び比較例１の各リチウム二次電池を用い、それぞれ２５℃の温度条件下において、１０００ｍＡの定電流で４．２Ｖまで充電させた後、さらに４．２Ｖの定電圧に保持して電流が２５ｍＡになるまで定電圧充電させ、その後、１０００ｍＡの定電流で２．７５Ｖまで放電させて１サイクル目の充放電を行い、その後、１サイクル目の場合と同様にして２サイクル目の充電を行い、２サイクル目の充電容量Ｑａを求めた後、１サイクル目の場合と同様にして２サイクル目の放電を行い、２サイクル目の放電容量Ｑｂを求め、下記の式により２サイクル目の充放電効率（％）を算出し、その結果を下記の表１に示した。
【００３８】
充放電効率（％）＝（Ｑｂ／Ｑａ）×１００
【００３９】
【表１】

【００４０】
この結果から明らかなように、負極における負極活物質にリチウムと合金化するシリコンを用いた場合において、上記の突き刺し強度が３５０ｇを越えるセパレータを用いた実施例１〜３の各リチウム二次電池は、突き刺し強度が３５０ｇになったセパレータを用いた比較例１のリチウム二次電池に比べて２サイクル目の充放電効率が大きく向上しており、充放電を繰り返して行った場合においても放電容量が低下するのが抑制され、充放電サイクル特性が向上する。
【００４１】
また、上記の実施例１〜３のリチウム二次電池を比較した場合、ポリエチレンをアラミドで被覆したセパレータを用いた実施例１のリチウム二次電池に比べて、ポリエチレンにパラ系アラミド等を混合させたセパレータを用いた実施例２，３のリチウム二次電池の方が、２サイクル目の充放電効率が高くなっており、充放電サイクル特性がさらに向上する。
【００４２】
（実施例２．１〜２．５）
実施例２．１〜２．５においては、上記の実施例２におけるセパレータの作製において、融点が１３０℃のポリエチレンに対して混合させる融点が６００℃のパラ系ポリアミドの割合を変更し、パラ系ポリアミドの割合を、実施例２．１では０．５ｗｔ％、実施例２．２では１ｗｔ％、実施例２．３では１０ｗｔ％、実施例２．４では２０ｗｔ％、実施例２．５では３０ｗｔ％にして各セパレータを作製した。
【００４３】
また、上記のようにして作製した各セパレータについて、上記の実施例１の場合と同様にして突き刺し強度を測定した結果、突き刺し強度が、実施例２．１のセパレータでは３８０ｇ、実施例２．２のセパレータでは４００ｇ、実施例２．３のセパレータでは４７０ｇ、実施例２．４のセパレータでは５００ｇ、実施例２．５のセパレータでは５５０ｇになっており、何れも突き刺し強度が３５０ｇより大きいという本発明の条件を満たしていた。
【００４４】
そして、上記の各セパレータを使用する以外は、上記の実施例１の場合と同様にして、実施例２．１〜２．５の各リチウム二次電池を作製した。
【００４５】
次いで、このように作製した実施例２．１〜２．５の各リチウム二次電池についても、上記の実施例１〜３及び比較例１の各リチウム二次電池の場合と同様にして、２サイクル目の充電容量Ｑａと、２サイクル目の放電容量Ｑｂとを求めると共に、２サイクル目の充放電効率（％）を算出し、その結果を、上記の実施例２及び比較例１のリチウム二次電池と合わせて下記の表２に示した。
【００４６】
【表２】

【００４７】
この結果から明らかなように、突き刺し強度が３５０ｇより大きいセパレータを使用した実施例２．１〜２．５の各リチウム二次電池も、上記の実施例２のリチウム二次電池と同様に、突き刺し強度が３５０ｇになったセパレータを用いた比較例１のリチウム二次電池に比べて、２サイクル目の充放電効率が大きく向上しており、充放電を繰り返して行った場合においても放電容量が低下するのが抑制されて充放電サイクル特性が向上する。
【００４８】
また、上記の実施例２及び実施例２．１〜２．５のリチウム二次電池を比較した場合、ポリエチレンに対してパラ系アラミドを１〜２０ｗｔ％の範囲で混合させ、突き刺し強度が４００〜５００ｇの範囲になったセパレータを用いた実施例２及び実施例２．２〜２．４のリチウム二次電池においては、２サイクル目の充放電効率がさらに向上しており、充放電サイクル特性がさらによくなる。
【００４９】
なお、上記の実施例及び比較例においては、負極活物質に用いるリチウムと合金化する材料として、シリコンＳｉを用いた場合を示しただけであるが、リチウムと合金化する他の材料を負極活物質に用いた場合においても同様の結果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明におけるリチウム二次電池においては、負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いた場合において、正極と負極とを分離させるセパレータに、上記の突き刺し強度が３５０ｇより大きいものを用いるようにしたため、充放電によって負極が膨張，収縮しても、このセパレータによって正極と負極との間に微少短絡が生じるのが抑制され、充放電効率が低下するのが防止されて、充放電サイクル特性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例及び比較例において作製したリチウム二次電池の概略説明図である。
【符号の説明】
１　正極
２　負極
３　セパレータ
４　電池缶
５　正極リード
６　正極蓋
７　負極リード
８　絶縁パッキン

Claims

正極と、負極と、正極と負極とを分離させるセパレータと、非水電解質とを備えたリチウム二次電池において、上記の負極における負極活物質にリチウムと合金化する材料を用いると共に、上記のセパレータとして、先端の曲率半径が０．５ｍｍの針を突き刺し速度２ｍｍ／ｓの条件で突き刺す突き刺し試験における突き刺し強度が３５０ｇより大きいものを用いたことを特徴とするリチウム二次電池。
請求項１に記載したリチウム二次電池において、前記のセパレータが、低融点材料中に高融点材料が混合された構造であることを特徴とするリチウム二次電池。
請求項１又は２に記載したリチウム二次電池において、前記のセパレータにおける突き刺し強度が４００〜５００ｇの範囲であることを特徴とするリチウム二次電池。
請求項１〜３の何れか１項に記載したリチウム二次電池において、前記負極として、凹凸のある負極集電体の表面に前記の負極活物質の薄層が形成されたものを用いたことを特徴とするリチウム二次電池。
請求項１〜４の何れか１項に記載したリチウム二次電池において、前記の負極活物質としてシリコンを使用したことを特徴とするリチウム二次電池。