JP2004220819A - 電解質、負極および電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｌｉの析出・溶解効率を向上させ、サイクル特性を向上させることができる電解質、負極および電池を提供する。
【解決手段】負極１２にＣｕなどよりなるＬｉを含まない金属板１２Ａを用い、Ｌｉ金属を析出させる。電解液１６にはカテコールなどの−ＯＸ基（ＸはＨあるいはアルカリ金属）を有する芳香族化合物を添加しておき、初回充電時に、Ｌｉ金属と共に、そのの表面に析出膜１２Ｃを析出させる。析出膜１２ＣによりＬｉのデンドライト成長が抑制され、またＬｉと電解液１６との反応が抑制される。
【選択図】 図２
【解決手段】負極１２にＣｕなどよりなるＬｉを含まない金属板１２Ａを用い、Ｌｉ金属を析出させる。電解液１６にはカテコールなどの−ＯＸ基（ＸはＨあるいはアルカリ金属）を有する芳香族化合物を添加しておき、初回充電時に、Ｌｉ金属と共に、そのの表面に析出膜１２Ｃを析出させる。析出膜１２ＣによりＬｉのデンドライト成長が抑制され、またＬｉと電解液１６との反応が抑制される。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極と共に電解質を備えた電池、並びにそれに用いる電解質および負極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話あるいはノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル機器の電源として小型で高エネルギー密度を有する二次電池の要求が高まっている。このような二次電池としては、負極にリチウム（Ｌｉ）と金属間化合物を形成する合金を用いたものや、または負極に金属リチウムを用い、リチウムの析出・溶解反応を利用したものなどがある。中でも、電池の組み立て時に負極に金属リチウムを用いず、銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）などよりなる予めリチウムの存在しないいわゆるリチウムフリー負極を用い、負極でリチウムを析出・溶解させるようにした二次電池の開発が望まれている。このような二次電池の実用化が可能となれば、負極を更に薄膜化することができ、エネルギー密度を一層向上させることができると共に、製造工程において活性の高い金属リチウムを取り扱う必要がなく、製造プロセスが簡便となり、更には、回路実装プロセスなどの電子機器との複合プロセスも可能となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５６２４５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０６６０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属リチウムの析出・溶解反応を伴うリチウム二次電池は古くから検討が行われているにも関わらず、充放電を繰り返した際の放電容量の劣化が大きく、実用化が難しいという問題があった。この容量劣化は、充放電に伴い、正負極間で移動するリチウムイオンに対応して負極の体積が容量分だけ大きく増減するので、負極の体積が大きく変化し、金属リチウム結晶の溶解反応および再結晶化反応が可逆的に進みづらくなってしまうことによるものである。しかも、負極の体積変化は高エネルギー密度を実現しようとするほど大きくなり、容量劣化もいっそう著しくなる。また、析出したリチウムが脱落したり、電解質と反応して消費されてしまうことも、容量劣化の原因と考えられる。これらの問題を解決するための１つの方法としては、電解液に添加剤を加えることが考えられる。
【０００５】
なお、従来の二次電池においても、特性を向上させるために電解液に添加剤を添加したものが多数なされている。例えば、サイクル特性を改善する目的で電解液にカテコールを添加したもの（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）がある。特許文献１には、負極にリチウム金属板を用い、電解液にカテコールを添加した金属リチウム二次電池が記載されており、特許文献２には、負極に炭素材料を用い、電解液にカテコールを添加したリチウムイオン二次電池が記載されている。しかし、特許文献１に記載の金属リチウム二次電池では、容量の劣化を十分に改善することは難しく、また、特許文献２に記載のリチウムイオン二次電は負極における反応が金属リチウム二次電池と全く異なっている。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる電解質、負極および電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による電解質は、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有するものである。
【０００８】
本発明による負極は、金属を析出させる析出基板であり、析出させる金属を含まない金属板と、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属板に金属を析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜とを有するものである。
【０００９】
本発明による第１の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、電解質は、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有するものである。
【００１０】
本発明による第２の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、金属を析出させる析出基板であり、析出させる金属を含まない金属板と、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属板に金属を析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜とを有するものである。
【００１１】
本発明による電解質では、析出物により副反応が防止され、特性が向上する。
【００１２】
本発明による負極では、析出膜により、金属のデンドライト成長が抑制される。また、析出した金属による副反応も抑制される。よって、容量劣化が防止されると共に、析出した金属の析出・溶解効率が向上する。
【００１３】
本発明による第１または第２の電池では、本発明の電解質または負極を用いているので、サイクル特性などの電池特性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１および図２は本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表すものであり、図１は組み立て時、すなわち第１回目（初回）充電前の構成を表し、図２は充電後の構成を表している。この二次電池はいわゆるコイン型といわれるものであり、外装カップ１１内に収容された円板状の負極１２と外装缶１３内に収容された負極１２の対極である円板状の正極１４とが、セパレータ１５を介して積層されたものである。外装カップ１１および外装缶１３の内部は、液状の電解質である電解液１６により満たされており、外装カップ１１および外装缶１３の周縁部は絶縁性のガスケット１７を介してかしめることにより密閉されている。外装カップ１１および外装缶１３は、例えば、ステンレスあるいはアルミニウム（Ａｌ）などの金属によりそれぞれ構成されている。
【００１６】
負極１２は、例えば、リチウムを含まない金属板１２Ａを有している。金属板１２Ａは、充電時に軽金属である金属リチウムを析出させる析出基板としての機能と共に、集電体としての機能も兼ね備えている。金属板１２Ａを構成する材料としては、銅，ニッケル，チタン（Ｔｉ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），それらのうちの少なくとも１種を含む合金、あるいはステンレスなどのリチウムとの反応性が低い金属材料が好ましい。リチウムとの反応性が高く容易に合金化する金属を用いると、充放電に伴い体積が膨張収縮し、金属板１２Ａの破壊が起こってしまうからである。
【００１７】
なお、金属板１２Ａの正極１４と対向する側には、充電時に、図２に示したように、金属リチウム層１２Ｂおよび析出膜１２Ｃがこの順で形成されるようになっている。金属リチウム層１２Ｂは、金属リチウムにより構成されており、組み立て時には存在せず、また放電時には溶解するものである。すなわち、この二次電池では、負極活物質としてリチウムを用いており、負極１２の容量は、リチウムの析出および溶解による容量成分により表される。
【００１８】
析出膜１２Ｃは、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液１６中で、金属板１２Ａに金属リチウム層１２Ｂを形成する際に、金属リチウム層１２Ｂの表面に形成された析出物により構成されている。以下、上述の芳香族化合物を−ＯＸ基を有する芳香族化合物と言う。Ｘは水素あるいはアルカリ金属を意味し、本実施の形態では水素あるいはリチウムが好ましい。析出膜１２Ｃは金属板１２Ａと共に負極１２を構成するが、電解液１６と共に電解質も構成し、例えば電解液１６を吸収して膨潤し、または析出膜１２Ｃの微細孔を介してリチウムイオンを通過させるようになっている。また、析出膜１２Ｃは電池の組み立て時には存在しないが、初回充電後は除去されず、金属板１２Ａの上に残存する。
【００１９】
なお、−ＯＸ基を有する芳香族化合物としては、例えば、水素原子が結合可能な芳香環の位置のうち、２個に水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基からなる群のうちの少なくとも１種が結合し、他には水素原子および炭素数１〜１０のアルキル基からなる群のうちの少なくとも１種が結合したものが好ましい。なお、芳香環とは、ベンゼン環あるいはその縮合環だけでなく、ピリジル基などの芳香族性を有する複素環基も指す。このような芳香族化合物としては、具体的には、化１に示したカテコール、化２に示した３−メチルカテコール、化３に示した２，３−ジヒドロキシナフタレン、化４に示した２，３−ジヒドロキシピリジン、化５に示した化合物、化６に示したヒドロキノン、化７に示した１，４−ジヒドロキシナフタレン、化８に示した２，５−ジメチルヒドロキノン、あるいは、化９に示したレソルシノールなどが挙げられる。−ＯＸ基を有する芳香族化合物としては、他にも、フェノール、化１０に示したピロガロール、あるいは、化１１に示したフロログルシノールも好ましい。なお、−ＯＸ基を有する芳香族化合物は、１種類を単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。
【００２０】
【化１】
【００２１】
【化２】
【００２２】
【化３】
【００２３】
【化４】
【００２４】
【化５】
【００２５】
【化６】
【００２６】
【化７】
【００２７】
【化８】
【００２８】
【化９】
【００２９】
【化１０】
【００３０】
【化１１】
【００３１】
正極１４は、正極集電体１４Ａと正極活物質層１４Ｂとが積層された構造を有している。正極集電体１４Ａは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層１４Ｂは、例えば、正極活物質と、カーボンブラックあるいはグラファイトなどの導電剤と、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含有して構成されている。また、正極活物質層１４Ｂは、例えば正極集電体１４Ａに成膜された正極活物質の薄膜により構成されていてもよい。但し、正極活物質層１４Ｂの面密度は０．３ｍＡｈ／ｃｍ２ 以上であることが好ましい。これよりも小さいと、高エネルギー密度という金属リチウム二次電池の利点が得られないからである。
【００３２】
正極活物質としては、例えば、リチウム遷移金属酸化物あるいはリチウム含有リン酸化合物などのリチウム含有化合物が好ましい。この二次電池は組み立て時に負極１２に金属リチウムが存在しないので、正極活物質としてはリチウムを含むものが好ましく、中でも、リチウム遷移金属複合酸化物およびリチウム含有リン酸化合物は高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。
【００３３】
リチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば化学式Ｌｉｘ ＭＯ２ で表されるものが挙げられる。式中、Ｍは１種類以上の遷移金属元素を表し、特にコバルト（Ｃｏ），ニッケル、およびマンガン（Ｍｎ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。ｘの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１２である。このようなリチウム遷移金属酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ２ ，ＬｉＮｉＯ２ ，Ｌｉｙ Ｎｉｚ Ｃｏ１−ｚ Ｏ２ （ｙおよびｚは電池の充放電状態によって異なり通常、０＜ｙ＜１、０．７＜ｚ＜１．０２である。）あるいはスピネル型構造を有するＬｉＭｎ２ Ｏ４ などが挙げられる。また、リチウム含有リン酸化合物としては、例えば、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４ ）が挙げられる。
【００３４】
セパレータ１５は、負極１２と正極１４とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ１５は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これらの２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
【００３５】
電解液１６は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、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、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、アニソール、酢酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【００３６】
リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４ ，ＬｉＡｓＦ６ ，ＬｉＰＦ６ ，ＬｉＢＦ４ ，ＬｉＢ（Ｃ６ Ｈ５ ）４ ，ＬｉＣＨ３ ＳＯ３ ，ＬｉＣＦ３ ＳＯ３ ，ＬｉＣｌあるいはＬｉＢｒが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【００３７】
この電解液１６は、また、初回充電前には、−ＯＸ基を有する芳香族化合物を含んでいる。初回充電後にも、この−ＯＸ基を有する芳香族化合物を含んでいてもよいが、含んでいる必要はない。
【００３８】
なお、電解液１６に代えて、保持体に電解液を保持させた電解質を用いてもよい。保持体としては、高分子化合物、無機伝導体、またはこれらの両方を用いることができる。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン，ポリエチレンオキサイド，ポリプロピレンオキサイド，ポリアクリロニトリルあるいはポリメタクリロニトリル、またはこれらを繰り返し単位に含むものが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を用いてもよい。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。無機伝導体としては、例えば、フッ化リチウム（ＬｉＦ），塩化リチウム（ＬｉＣｌ），臭化リチウム（ＬｉＢｒ），ヨウ化リチウム（ＬｉＩ），窒化リチウム（Ｌｉ３ Ｎ），リン酸リチウム（Ｌｉ３ ＰＯ４ ），ケイ酸リチウム（Ｌｉ４ ＳｉＯ４ ），硫化リチウム（Ｌｉ２ Ｓ），リン化リチウム（Ｌｉ３ Ｐ），炭酸リチウム（Ｌｉ２ ＣＯ３ ）あるいは硫酸リチウム（Ｌｉ２ ＳＯ４ ）および窒化ホスホリルリチウム（ＬｉＰＯＮ）が挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を用いてもよい。なお、このような電解質を用いる場合には、セパレータ１５を除去してもよい。
【００３９】
このような構成を有する二次電池は、例えば次のようにして製造することができる。
【００４０】
まず、金属板１２Ａとして金属箔あるいは合金箔を用意する。また、例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、正極集電体１４Ａに塗布して正極活物質層１４Ｂを形成し、正極１４を作製する。もしくは、正極集電体１４Ａに、スパッタリング法，真空蒸着法，ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ；化学気相成長）法，レーザーアブレーション法あるいはイオンプレーティング法などの乾式薄膜プロセスにより、正極活物質層１４Ｂを成膜し、正極１４を作製する。
【００４１】
次いで、溶媒に、リチウム塩と、−ＯＸ基を有する芳香族化合物とを添加し、電解液１６を作製する。続いて、例えば、セパレータ１５に電解液１６を含浸させ、このセパレータ１５を介して負極１２と正極１４を積層して外装カップ１１と外装缶１３との中に入れ、それらをかしめる。これにより、図１に示した二次電池が完成する。
【００４２】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極１４からリチウムイオンが離脱し、電解液１６を介して、図２に示したように、金属板１２Ａの表面に金属リチウムとなって析出し、金属リチウム層１２Ｂを形成する。その際、組み立て時に電解液１６に添加した芳香族化合物が、金属リチウム層１２Ｂ上に析出膜１２Ｃを形成する。一方、放電を行うと、例えば、金属リチウム層１２Ｂから金属リチウムがリチウムイオンとなって溶出し、電解液１６および析出膜１２Ｃを介して正極１４に吸蔵される。よって、析出膜１２Ｃにより、金属リチウムがデンドライト成長することが防止されると共に、金属リチウム層１２Ｂと電解液１６との反応が防止される。
【００４３】
このように本実施の形態では、−ＯＸ基を有する芳香族化合物を含む電解液１６中で、金属板１２Ａに金属リチウム層１２Ｂを形成する際に形成された析出物よりなる析出膜１２Ｃを有するようにしたので、金属リチウムのデンドライト析出を抑制することができ、ショートの危険性を小さくすると共に、金属リチウムの脱落を防止することができる。更に、金属リチウム層１２Ｂと電解液１６との反応を抑制することができる。従って、容量劣化を防止することができると共に、金属リチウムの析出・溶解効率を向上させることができる。その結果、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる。
【００４４】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について、図１および図２を参照して詳細に説明する。
【００４５】
まず、厚み１０μｍの銅箔を直径１６ｍｍの円形に打ち抜き金属板１２Ａを作製した。また、正極１４を次のようにして作製した。まず、炭酸リチウム（Ｌｉ２ ＣＯ３ ）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ３ ）とを０．５：１のモル比で混合し、この混合物を空気中において９００℃で５時間焼成し、正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２ ）を作製した。次いで、コバルト酸リチウム９１質量部と、導電剤であるグラファイト６質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して正極合剤を調整し、更にこの正極合剤を分散媒であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。次いで、この正極合剤スラリーを厚み２０μｍのアルミニウム箔よりなる正極集電体１４Ａに塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型し、正極活物質層１４Ｂを形成し、これを直径１５ｍｍの円形に打ち抜いた。
【００４６】
更に、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとを４：１の質量比で混合した溶媒に、リチウム塩であるＬｉＰＦ６ および化２に示した３−メチルカテコールを添加して電解液１６を作製した。ＬｉＰＦ６ の添加量は、溶媒に対して１ｍｏｌ／ｄｍ３ とし、３−メチルカテコールの添加量は電解液１６において１質量％となるようにした。
【００４７】
次いで、外装カップ１１に負極１２およびポリプロピレン製の多孔質膜よりなるセパレータ１５をこの順で置き、この上から電解液１６を注入し、正極１４を入れた外装缶１３を被せてかしめ、図１に示したコイン型の二次電池を作製した。
【００４８】
本実施例に対する比較例１として、組み立て時に電解液に３−メチルカテコールを添加しなかったことを除き、他は本実施例と同様にして二次電池を作製した。また、本実施例に対する比較例２として、金属板１２Ａとして銅箔の代わりに直径１６ｍｍ、厚み１ｍｍの金属リチウム箔を用いたことを除き、他は実施例と同様にして二次電池を作製した。
【００４９】
作製した実施例および比較例１，２の二次電池について、充放電試験を行い、容量維持率を求めた。その際、充電は１ｍＡ／ｃｍ２ の定電流密度で電池容量が５ｍＡｈとなるまで行い、放電は１ｍＡ／ｃｍ２ の定電流密度で電池電圧が３Ｖに達するまで行った。容量維持率は初期放電容量に対する１５サイクル目の放電容量の比率として算出した。得られた結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１から分かるように、実施例によれば比較例１，２よりも高い容量維持率が得られた。
【００５２】
また、得られた実施例および比較例１，２の二次電池について、上述の条件で充電を行った後、解体し、負極１２を観察した。その結果、実施例では、析出膜１２Ｃの存在が確認されたのに対して、比較例１，２では、デンドライトが密集した金属リチウム層が確認されたのみで、析出膜の存在は確認されなかった。図３に実施例のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）写真を示し、図４に代表して比較例２のＳＥＭ写真を示す。更に、得られた実施例および比較例２の二次電池について上述の条件で１サイクル充放電を行った後、解体し、電解液１６をプロトン核磁気共鳴吸収法（ １Ｈ−ＮＭＲ）により分析した。その結果、表１に示したように、実施例および比較例２の両方とも、電解液１６中に３−メチルカテコールの存在は認められなかった。すなわち、実施例では、金属リチウムが析出する充電時に３−メチルカテコールにより析出膜１２Ｃが形成されるのに対して、比較例２では、充電前に３−メチルカテコールと負極の金属リチウムとが反応してしまい、金属リチウムが析出する充電時には電解液中に３−メチルカテコールが存在しなくなってしまうので、析出膜が形成されないものと考えられる。
【００５３】
すなわち、３−メチルカテコールを含む電解液１６中で、リチウムを含まない金属板１２Ａに金属リチウム層１２Ｂを形成する際に形成された析出膜１２Ｃを有するようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
【００５４】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電解液１６に−ＯＸ基を有する芳香族化合物を添加し、電池内において析出膜１２Ｃを形成するようにしたが、金属板に析出膜を形成したのち、電池を組み立ててもよい。その場合、析出膜が形成された金属板を用いてもよく、析出膜のみを用いてもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態および実施例では、負極１２と正極１４とを積層した単層型の二次電池について説明したが、負極と正極とを積層し、巻回した巻回型の二次電池、あるいは負極と正極とを複数積層した積層型の二次電池についても同様に適用することができる。
【００５６】
更に、上記実施の形態および実施例では、コイン型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、円筒型、ボタン型、角型あるいはラミネートフィルムなどの外装部材を用いた他の形状を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。
【００５７】
加えて、上記実施の形態および実施例では、負極活物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの他のアルカリ金属、またはマグネシウムあるいはカルシウムなどのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、金属板，正極活物質あるいは電解質塩などは、その軽金属に応じて選択される。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１あるいは請求項２に記載の電解質、または請求項６あるいは請求項７に記載の電池によれば、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有するようにしたので、析出物により副反応を防止することができ、サイクル特性などの電池特性が向上する。
【００５９】
また、請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の負極、または請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電池によれば、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜を有するようにしたので、金属のデンドライト析出を抑制することができ、ショートの危険性を小さくすると共に、析出した金属の脱落を防止することができる。更に、析出した金属による副反応を抑制することができる。従って、容量劣化を防止することができると共に、析出した金属の析出・溶解効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る二次電池の組み立て時の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した二次電池の充電後の構成を表す断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る初回充電後のＳＥＭ写真である。
【図４】比較例に係る初回充電後のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１１…外装カップ、１２…負極、１２Ａ…金属板、１２Ｂ…金属リチウム層、１２Ｃ…析出膜、１３…外装缶、１４…正極、１４Ａ…正極集電体、１４Ｂ…正極活物質層、１５…セパレータ、１６…電解液、１７…ガスケット
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極と共に電解質を備えた電池、並びにそれに用いる電解質および負極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話あるいはノート型パーソナルコンピュータなどのポータブル機器の電源として小型で高エネルギー密度を有する二次電池の要求が高まっている。このような二次電池としては、負極にリチウム（Ｌｉ）と金属間化合物を形成する合金を用いたものや、または負極に金属リチウムを用い、リチウムの析出・溶解反応を利用したものなどがある。中でも、電池の組み立て時に負極に金属リチウムを用いず、銅（Ｃｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）などよりなる予めリチウムの存在しないいわゆるリチウムフリー負極を用い、負極でリチウムを析出・溶解させるようにした二次電池の開発が望まれている。このような二次電池の実用化が可能となれば、負極を更に薄膜化することができ、エネルギー密度を一層向上させることができると共に、製造工程において活性の高い金属リチウムを取り扱う必要がなく、製造プロセスが簡便となり、更には、回路実装プロセスなどの電子機器との複合プロセスも可能となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５６２４５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０６６０１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属リチウムの析出・溶解反応を伴うリチウム二次電池は古くから検討が行われているにも関わらず、充放電を繰り返した際の放電容量の劣化が大きく、実用化が難しいという問題があった。この容量劣化は、充放電に伴い、正負極間で移動するリチウムイオンに対応して負極の体積が容量分だけ大きく増減するので、負極の体積が大きく変化し、金属リチウム結晶の溶解反応および再結晶化反応が可逆的に進みづらくなってしまうことによるものである。しかも、負極の体積変化は高エネルギー密度を実現しようとするほど大きくなり、容量劣化もいっそう著しくなる。また、析出したリチウムが脱落したり、電解質と反応して消費されてしまうことも、容量劣化の原因と考えられる。これらの問題を解決するための１つの方法としては、電解液に添加剤を加えることが考えられる。
【０００５】
なお、従来の二次電池においても、特性を向上させるために電解液に添加剤を添加したものが多数なされている。例えば、サイクル特性を改善する目的で電解液にカテコールを添加したもの（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）がある。特許文献１には、負極にリチウム金属板を用い、電解液にカテコールを添加した金属リチウム二次電池が記載されており、特許文献２には、負極に炭素材料を用い、電解液にカテコールを添加したリチウムイオン二次電池が記載されている。しかし、特許文献１に記載の金属リチウム二次電池では、容量の劣化を十分に改善することは難しく、また、特許文献２に記載のリチウムイオン二次電は負極における反応が金属リチウム二次電池と全く異なっている。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる電解質、負極および電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による電解質は、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有するものである。
【０００８】
本発明による負極は、金属を析出させる析出基板であり、析出させる金属を含まない金属板と、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属板に金属を析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜とを有するものである。
【０００９】
本発明による第１の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、電解質は、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有するものである。
【００１０】
本発明による第２の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、金属を析出させる析出基板であり、析出させる金属を含まない金属板と、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属板に金属を析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜とを有するものである。
【００１１】
本発明による電解質では、析出物により副反応が防止され、特性が向上する。
【００１２】
本発明による負極では、析出膜により、金属のデンドライト成長が抑制される。また、析出した金属による副反応も抑制される。よって、容量劣化が防止されると共に、析出した金属の析出・溶解効率が向上する。
【００１３】
本発明による第１または第２の電池では、本発明の電解質または負極を用いているので、サイクル特性などの電池特性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１および図２は本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表すものであり、図１は組み立て時、すなわち第１回目（初回）充電前の構成を表し、図２は充電後の構成を表している。この二次電池はいわゆるコイン型といわれるものであり、外装カップ１１内に収容された円板状の負極１２と外装缶１３内に収容された負極１２の対極である円板状の正極１４とが、セパレータ１５を介して積層されたものである。外装カップ１１および外装缶１３の内部は、液状の電解質である電解液１６により満たされており、外装カップ１１および外装缶１３の周縁部は絶縁性のガスケット１７を介してかしめることにより密閉されている。外装カップ１１および外装缶１３は、例えば、ステンレスあるいはアルミニウム（Ａｌ）などの金属によりそれぞれ構成されている。
【００１６】
負極１２は、例えば、リチウムを含まない金属板１２Ａを有している。金属板１２Ａは、充電時に軽金属である金属リチウムを析出させる析出基板としての機能と共に、集電体としての機能も兼ね備えている。金属板１２Ａを構成する材料としては、銅，ニッケル，チタン（Ｔｉ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ），それらのうちの少なくとも１種を含む合金、あるいはステンレスなどのリチウムとの反応性が低い金属材料が好ましい。リチウムとの反応性が高く容易に合金化する金属を用いると、充放電に伴い体積が膨張収縮し、金属板１２Ａの破壊が起こってしまうからである。
【００１７】
なお、金属板１２Ａの正極１４と対向する側には、充電時に、図２に示したように、金属リチウム層１２Ｂおよび析出膜１２Ｃがこの順で形成されるようになっている。金属リチウム層１２Ｂは、金属リチウムにより構成されており、組み立て時には存在せず、また放電時には溶解するものである。すなわち、この二次電池では、負極活物質としてリチウムを用いており、負極１２の容量は、リチウムの析出および溶解による容量成分により表される。
【００１８】
析出膜１２Ｃは、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液１６中で、金属板１２Ａに金属リチウム層１２Ｂを形成する際に、金属リチウム層１２Ｂの表面に形成された析出物により構成されている。以下、上述の芳香族化合物を−ＯＸ基を有する芳香族化合物と言う。Ｘは水素あるいはアルカリ金属を意味し、本実施の形態では水素あるいはリチウムが好ましい。析出膜１２Ｃは金属板１２Ａと共に負極１２を構成するが、電解液１６と共に電解質も構成し、例えば電解液１６を吸収して膨潤し、または析出膜１２Ｃの微細孔を介してリチウムイオンを通過させるようになっている。また、析出膜１２Ｃは電池の組み立て時には存在しないが、初回充電後は除去されず、金属板１２Ａの上に残存する。
【００１９】
なお、−ＯＸ基を有する芳香族化合物としては、例えば、水素原子が結合可能な芳香環の位置のうち、２個に水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基からなる群のうちの少なくとも１種が結合し、他には水素原子および炭素数１〜１０のアルキル基からなる群のうちの少なくとも１種が結合したものが好ましい。なお、芳香環とは、ベンゼン環あるいはその縮合環だけでなく、ピリジル基などの芳香族性を有する複素環基も指す。このような芳香族化合物としては、具体的には、化１に示したカテコール、化２に示した３−メチルカテコール、化３に示した２，３−ジヒドロキシナフタレン、化４に示した２，３−ジヒドロキシピリジン、化５に示した化合物、化６に示したヒドロキノン、化７に示した１，４−ジヒドロキシナフタレン、化８に示した２，５−ジメチルヒドロキノン、あるいは、化９に示したレソルシノールなどが挙げられる。−ＯＸ基を有する芳香族化合物としては、他にも、フェノール、化１０に示したピロガロール、あるいは、化１１に示したフロログルシノールも好ましい。なお、−ＯＸ基を有する芳香族化合物は、１種類を単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。
【００２０】
【化１】
【化２】
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
【化７】
【化８】
【化９】
【化１０】
【化１１】
正極１４は、正極集電体１４Ａと正極活物質層１４Ｂとが積層された構造を有している。正極集電体１４Ａは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層１４Ｂは、例えば、正極活物質と、カーボンブラックあるいはグラファイトなどの導電剤と、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含有して構成されている。また、正極活物質層１４Ｂは、例えば正極集電体１４Ａに成膜された正極活物質の薄膜により構成されていてもよい。但し、正極活物質層１４Ｂの面密度は０．３ｍＡｈ／ｃｍ２ 以上であることが好ましい。これよりも小さいと、高エネルギー密度という金属リチウム二次電池の利点が得られないからである。
【００３２】
正極活物質としては、例えば、リチウム遷移金属酸化物あるいはリチウム含有リン酸化合物などのリチウム含有化合物が好ましい。この二次電池は組み立て時に負極１２に金属リチウムが存在しないので、正極活物質としてはリチウムを含むものが好ましく、中でも、リチウム遷移金属複合酸化物およびリチウム含有リン酸化合物は高いエネルギー密度を得ることができるので好ましい。
【００３３】
リチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば化学式Ｌｉｘ ＭＯ２ で表されるものが挙げられる。式中、Ｍは１種類以上の遷移金属元素を表し、特にコバルト（Ｃｏ），ニッケル、およびマンガン（Ｍｎ）からなる群のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。ｘの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１２である。このようなリチウム遷移金属酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ２ ，ＬｉＮｉＯ２ ，Ｌｉｙ Ｎｉｚ Ｃｏ１−ｚ Ｏ２ （ｙおよびｚは電池の充放電状態によって異なり通常、０＜ｙ＜１、０．７＜ｚ＜１．０２である。）あるいはスピネル型構造を有するＬｉＭｎ２ Ｏ４ などが挙げられる。また、リチウム含有リン酸化合物としては、例えば、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４ ）が挙げられる。
【００３４】
セパレータ１５は、負極１２と正極１４とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ１５は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これらの２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
【００３５】
電解液１６は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、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、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、アニソール、酢酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【００３６】
リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４ ，ＬｉＡｓＦ６ ，ＬｉＰＦ６ ，ＬｉＢＦ４ ，ＬｉＢ（Ｃ６ Ｈ５ ）４ ，ＬｉＣＨ３ ＳＯ３ ，ＬｉＣＦ３ ＳＯ３ ，ＬｉＣｌあるいはＬｉＢｒが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。
【００３７】
この電解液１６は、また、初回充電前には、−ＯＸ基を有する芳香族化合物を含んでいる。初回充電後にも、この−ＯＸ基を有する芳香族化合物を含んでいてもよいが、含んでいる必要はない。
【００３８】
なお、電解液１６に代えて、保持体に電解液を保持させた電解質を用いてもよい。保持体としては、高分子化合物、無機伝導体、またはこれらの両方を用いることができる。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン，ポリエチレンオキサイド，ポリプロピレンオキサイド，ポリアクリロニトリルあるいはポリメタクリロニトリル、またはこれらを繰り返し単位に含むものが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を用いてもよい。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。無機伝導体としては、例えば、フッ化リチウム（ＬｉＦ），塩化リチウム（ＬｉＣｌ），臭化リチウム（ＬｉＢｒ），ヨウ化リチウム（ＬｉＩ），窒化リチウム（Ｌｉ３ Ｎ），リン酸リチウム（Ｌｉ３ ＰＯ４ ），ケイ酸リチウム（Ｌｉ４ ＳｉＯ４ ），硫化リチウム（Ｌｉ２ Ｓ），リン化リチウム（Ｌｉ３ Ｐ），炭酸リチウム（Ｌｉ２ ＣＯ３ ）あるいは硫酸リチウム（Ｌｉ２ ＳＯ４ ）および窒化ホスホリルリチウム（ＬｉＰＯＮ）が挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を用いてもよい。なお、このような電解質を用いる場合には、セパレータ１５を除去してもよい。
【００３９】
このような構成を有する二次電池は、例えば次のようにして製造することができる。
【００４０】
まず、金属板１２Ａとして金属箔あるいは合金箔を用意する。また、例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを混合して正極合剤を調製し、正極集電体１４Ａに塗布して正極活物質層１４Ｂを形成し、正極１４を作製する。もしくは、正極集電体１４Ａに、スパッタリング法，真空蒸着法，ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ；化学気相成長）法，レーザーアブレーション法あるいはイオンプレーティング法などの乾式薄膜プロセスにより、正極活物質層１４Ｂを成膜し、正極１４を作製する。
【００４１】
次いで、溶媒に、リチウム塩と、−ＯＸ基を有する芳香族化合物とを添加し、電解液１６を作製する。続いて、例えば、セパレータ１５に電解液１６を含浸させ、このセパレータ１５を介して負極１２と正極１４を積層して外装カップ１１と外装缶１３との中に入れ、それらをかしめる。これにより、図１に示した二次電池が完成する。
【００４２】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極１４からリチウムイオンが離脱し、電解液１６を介して、図２に示したように、金属板１２Ａの表面に金属リチウムとなって析出し、金属リチウム層１２Ｂを形成する。その際、組み立て時に電解液１６に添加した芳香族化合物が、金属リチウム層１２Ｂ上に析出膜１２Ｃを形成する。一方、放電を行うと、例えば、金属リチウム層１２Ｂから金属リチウムがリチウムイオンとなって溶出し、電解液１６および析出膜１２Ｃを介して正極１４に吸蔵される。よって、析出膜１２Ｃにより、金属リチウムがデンドライト成長することが防止されると共に、金属リチウム層１２Ｂと電解液１６との反応が防止される。
【００４３】
このように本実施の形態では、−ＯＸ基を有する芳香族化合物を含む電解液１６中で、金属板１２Ａに金属リチウム層１２Ｂを形成する際に形成された析出物よりなる析出膜１２Ｃを有するようにしたので、金属リチウムのデンドライト析出を抑制することができ、ショートの危険性を小さくすると共に、金属リチウムの脱落を防止することができる。更に、金属リチウム層１２Ｂと電解液１６との反応を抑制することができる。従って、容量劣化を防止することができると共に、金属リチウムの析出・溶解効率を向上させることができる。その結果、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる。
【００４４】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について、図１および図２を参照して詳細に説明する。
【００４５】
まず、厚み１０μｍの銅箔を直径１６ｍｍの円形に打ち抜き金属板１２Ａを作製した。また、正極１４を次のようにして作製した。まず、炭酸リチウム（Ｌｉ２ ＣＯ３ ）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ３ ）とを０．５：１のモル比で混合し、この混合物を空気中において９００℃で５時間焼成し、正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２ ）を作製した。次いで、コバルト酸リチウム９１質量部と、導電剤であるグラファイト６質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して正極合剤を調整し、更にこの正極合剤を分散媒であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。次いで、この正極合剤スラリーを厚み２０μｍのアルミニウム箔よりなる正極集電体１４Ａに塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型し、正極活物質層１４Ｂを形成し、これを直径１５ｍｍの円形に打ち抜いた。
【００４６】
更に、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとを４：１の質量比で混合した溶媒に、リチウム塩であるＬｉＰＦ６ および化２に示した３−メチルカテコールを添加して電解液１６を作製した。ＬｉＰＦ６ の添加量は、溶媒に対して１ｍｏｌ／ｄｍ３ とし、３−メチルカテコールの添加量は電解液１６において１質量％となるようにした。
【００４７】
次いで、外装カップ１１に負極１２およびポリプロピレン製の多孔質膜よりなるセパレータ１５をこの順で置き、この上から電解液１６を注入し、正極１４を入れた外装缶１３を被せてかしめ、図１に示したコイン型の二次電池を作製した。
【００４８】
本実施例に対する比較例１として、組み立て時に電解液に３−メチルカテコールを添加しなかったことを除き、他は本実施例と同様にして二次電池を作製した。また、本実施例に対する比較例２として、金属板１２Ａとして銅箔の代わりに直径１６ｍｍ、厚み１ｍｍの金属リチウム箔を用いたことを除き、他は実施例と同様にして二次電池を作製した。
【００４９】
作製した実施例および比較例１，２の二次電池について、充放電試験を行い、容量維持率を求めた。その際、充電は１ｍＡ／ｃｍ２ の定電流密度で電池容量が５ｍＡｈとなるまで行い、放電は１ｍＡ／ｃｍ２ の定電流密度で電池電圧が３Ｖに達するまで行った。容量維持率は初期放電容量に対する１５サイクル目の放電容量の比率として算出した。得られた結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
表１から分かるように、実施例によれば比較例１，２よりも高い容量維持率が得られた。
【００５２】
また、得られた実施例および比較例１，２の二次電池について、上述の条件で充電を行った後、解体し、負極１２を観察した。その結果、実施例では、析出膜１２Ｃの存在が確認されたのに対して、比較例１，２では、デンドライトが密集した金属リチウム層が確認されたのみで、析出膜の存在は確認されなかった。図３に実施例のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）写真を示し、図４に代表して比較例２のＳＥＭ写真を示す。更に、得られた実施例および比較例２の二次電池について上述の条件で１サイクル充放電を行った後、解体し、電解液１６をプロトン核磁気共鳴吸収法（ １Ｈ−ＮＭＲ）により分析した。その結果、表１に示したように、実施例および比較例２の両方とも、電解液１６中に３−メチルカテコールの存在は認められなかった。すなわち、実施例では、金属リチウムが析出する充電時に３−メチルカテコールにより析出膜１２Ｃが形成されるのに対して、比較例２では、充電前に３−メチルカテコールと負極の金属リチウムとが反応してしまい、金属リチウムが析出する充電時には電解液中に３−メチルカテコールが存在しなくなってしまうので、析出膜が形成されないものと考えられる。
【００５３】
すなわち、３−メチルカテコールを含む電解液１６中で、リチウムを含まない金属板１２Ａに金属リチウム層１２Ｂを形成する際に形成された析出膜１２Ｃを有するようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
【００５４】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電解液１６に−ＯＸ基を有する芳香族化合物を添加し、電池内において析出膜１２Ｃを形成するようにしたが、金属板に析出膜を形成したのち、電池を組み立ててもよい。その場合、析出膜が形成された金属板を用いてもよく、析出膜のみを用いてもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態および実施例では、負極１２と正極１４とを積層した単層型の二次電池について説明したが、負極と正極とを積層し、巻回した巻回型の二次電池、あるいは負極と正極とを複数積層した積層型の二次電池についても同様に適用することができる。
【００５６】
更に、上記実施の形態および実施例では、コイン型の二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、円筒型、ボタン型、角型あるいはラミネートフィルムなどの外装部材を用いた他の形状を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。
【００５７】
加えて、上記実施の形態および実施例では、負極活物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの他のアルカリ金属、またはマグネシウムあるいはカルシウムなどのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、金属板，正極活物質あるいは電解質塩などは、その軽金属に応じて選択される。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１あるいは請求項２に記載の電解質、または請求項６あるいは請求項７に記載の電池によれば、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有するようにしたので、析出物により副反応を防止することができ、サイクル特性などの電池特性が向上する。
【００５９】
また、請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の負極、または請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電池によれば、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜を有するようにしたので、金属のデンドライト析出を抑制することができ、ショートの危険性を小さくすると共に、析出した金属の脱落を防止することができる。更に、析出した金属による副反応を抑制することができる。従って、容量劣化を防止することができると共に、析出した金属の析出・溶解効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る二次電池の組み立て時の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した二次電池の充電後の構成を表す断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る初回充電後のＳＥＭ写真である。
【図４】比較例に係る初回充電後のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１１…外装カップ、１２…負極、１２Ａ…金属板、１２Ｂ…金属リチウム層、１２Ｃ…析出膜、１３…外装缶、１４…正極、１４Ａ…正極集電体、１４Ｂ…正極活物質層、１５…セパレータ、１６…電解液、１７…ガスケット
Claims (10)
- 水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有することを特徴とする電解質。
- 前記芳香族化合物は、水素原子が結合可能な芳香環の位置のうち、２個に水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基からなる群のうちの少なくとも１種が結合し、他には水素原子および炭素数１〜１０のアルキル基からなる群のうちの少なくとも１種が結合したものを含むことを特徴とする請求項１記載の電解質。
- 金属を析出させる析出基板であり、析出させる金属を含まない金属板と、
水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、前記金属板に前記金属を析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜と
を有することを特徴とする負極。 - 前記芳香族化合物は、水素原子が結合可能な芳香環の位置のうち、２個に水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基からなる群のうちの少なくとも１種が結合し、他には水素原子および炭素数１〜１０のアルキル基からなる群のうちの少なくとも１種が結合したものを含むことを特徴とする請求項３記載の負極。
- 前記析出させる金属はリチウム（Ｌｉ）であることを特徴とする請求項３記載の負極。
- 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記電解質は、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、金属を、この金属を含まない金属板に析出させる際に形成された析出物を有することを特徴とする電池。 - 前記芳香族化合物は、水素原子が結合可能な芳香環の位置のうち、２個に水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基からなる群のうちの少なくとも１種が結合し、他には水素原子および炭素数１〜１０のアルキル基からなる群のうちの少なくとも１種が結合したものを含むことを特徴とする請求項６記載の電池。
- 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記負極は、金属を析出させる析出基板であり、析出させる金属を含まない金属板と、水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基のうちの少なくとも１種を有する芳香族化合物を含む電解液中で、前記金属板に前記金属を析出させる際に形成された析出物よりなる析出膜とを有することを特徴とする電池。 - 前記芳香族化合物は、水素原子が結合可能な芳香環の位置のうち、２個に水酸基および水酸基の水素がアルカリ金属で置換された基からなる群のうちの少なくとも１種が結合し、他には水素原子および炭素数１〜１０のアルキル基からなる群のうちの少なくとも１種が結合したものを含むことを特徴とする請求項８記載の電池。
- 前記析出させる金属はリチウム（Ｌｉ）であることを特徴とする請求項８記載の電池。
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