JP2004327305A - リチウム二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】リフローはんだ付け等の過酷な温度条件に晒されても電池の膨れや電池性能の低下を防止し得るリチウム二次電池の製造方法を提供する。
【解決手段】２００℃以上の温度に晒す第一工程と、前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで過放電する第二工程と、前記第二工程の後、充電する第三工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】２００℃以上の温度に晒す第一工程と、前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで過放電する第二工程と、前記第二工程の後、充電する第三工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池に関し、詳しくはリフローはんだ付け等の方法で機器に実装されたリチウム二次電池の膨れや電池性能の劣化を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池の電子機器への実装に際しては、一般に、生産効率を高めるためにリフローはんだ付け法が用いられているが、この方法によると短時間ではあるが、電池温度が２００〜２６０℃にまで達し、正極活物質と電解液との反応が促進されて、電解液の分解に起因するガスが多量に発生する。このため、リフローはんだ付け法によると、電池が膨れて電極と電極外部端子との密着性が低下したり、また電解液の分解生成物が正・負極表面に抵抗の高い被膜を形成したりすることにより、電池内の導電性が低下して、電池性能の低下を招くという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するため、正極活物質にホウ素化合物を添加する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２４１６８２号公報（第２−３頁）
【特許文献２】
特開平８−２１３０１６号公報（第２−３頁）
【０００５】
上記文献１に記載の技術によると、ホウ素がリチウムマンガン酸化物の結晶欠陥や閉空隙等の構造欠陥部を保護するので、構造欠陥部での界面反応を抑制することができ、充放電サイクル特性が向上するとされる。しかしながら、この技術により、電池温度が２００℃を超えるようなリフローはんだ付けにおける電池の膨れを十分に抑制しようとすると、ホウ素化合物の添加量を多くしなければならないが、ホウ素化合物の添加量を多くすると、ホウ素が活物質であるリチウムマンガン酸化物表面を覆うため、正極でのリチウムイオンの挿入脱離が阻害され、この結果として電池性能が大きく低下するという問題が生じる。
【０００６】
また、上記文献２の技術によると、ホウ素がリチウムマンガン酸化物と二酸化マンガンとの複合体中に固溶することにより、充放電サイクル特性や保存特性が向上するとされる。しかしながら、この技術によっても、電池を２００℃を超える高温に晒すような条件においては、ホウ素化合物の添加量を多くしなければならず、やはり文献１の場合と同様な問題が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、リフローはんだ付け等によって２００℃以上の高温に晒されたリチウム二次電池において、電池の膨張や電池性能の低下の少ない電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行ったところ、電池を高温に晒した場合、一旦電池を過放電し、しかる後に充電を行うと、放電容量が大幅に向上することを見いだした。本発明はこの知見に基づいて完成された。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一の態様の本発明は、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を活物質として含み、前記ホウ素含有リチウムマンガン酸化物中のホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが０．２以上２．０以下である正極と、負極と、前記正負極間に介在されたセパレータと、非水電解質と、を有する前駆体電池が充電されてなるリチウム二次電池の製造方法であって、前記前駆体電池を２００℃以上の温度に晒す第一工程と、前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで前記前駆体電池を過放電する第二工程と、前記第二工程の後、前記前駆体電池を充電する第三工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、リチウムマンガン酸化物に含まれるホウ素が正極と電解液との反応を抑制するように作用する。したがって、電池の膨れや、内部抵抗の増大による放電容量の低下を抑制できる。しかし、ホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが０．２未満であると十分に正極と電解液との反応を抑制することができない。他方、ホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが２．０より大きいと、充放電に寄与するマンガン量が少なくなりすぎるため電池容量が小さくなる。よって、前記ホウ素含有リチウムマンガン酸化物中のホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎは０．２以上２．０以下の範囲内に規制する必要がある。
【００１１】
また、２００℃以上の温度のリフロー炉に晒された後、２．０Ｖ未満にまで過放電することにより、正・負極表面に形成された電解液の分解生成物である被膜を電極から脱離させることができる。これにより電池の内部抵抗が低下し、またホウ素をリチウムマンガン酸化物から脱離させることができるので、電極でのリチウムイオンの挿入脱離がスムースに進行するようになり、電池性能の劣化が防止できる。ここで、過放電電圧レベルとしては、電池に負荷がかかっている状態において、１．５Ｖ以下であることがより好ましく、１．０Ｖ以下であることがさらに好ましく、０．５Ｖ以下であることが最も好ましい。
【００１２】
上記課題を解決するための第二の態様の本発明は、スピネル型マンガン酸リチウムを活物質として含む正極と、負極と、前記正負極間に介在されたセパレータと、非水電解質と、を有する前駆体電池が充電されてなるリチウム二次電池の製造方法であって、前記前駆体電池を２００℃以上の温度に晒す第一工程と、前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで前記前駆体電池を過放電する第二工程と、前記第二工程の後、前記前駆体電池を充電する第三工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成であると、スピネル型マンガン酸リチウムの比表面積は上記リチウムマンガン酸化物よりも小さく、電解液と反応しにくいことから、ホウ素を添加しなくても十分に正極と電解液との反応を抑制することができる。また、上記第一の態様の本発明と同様、２００℃以上の温度に晒した後、２．０Ｖ未満になるまで過放電することによって、正・負極表面に形成された電解液の分解生成物からなる被膜が電極から脱離するので、内部抵抗を低減させ放電容量を向上させることができる。
【００１４】
上記第一の態様及び第二の態様の本発明において、負極がリチウム−アルミニウム合金である、とすることができる。
【００１５】
上記第一の態様及び第二の態様の製造方法においては、充電前に放電を行う必要があるので、負極にリチウムが含まれていることが必須条件となる。しかし、このリチウムが金属リチウムであると、その融点が１８３℃であるため、２００℃以上の温度に晒すと溶融して電池性能が劣化してしまう。よって、金属リチウムよりも融点の高いリチウム合金が好ましいが、リチウム−アルミニウム合金は融点が高く、放電特性に優れ、しかも安価であるので負極材料として好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、コイン型のリチウム二次電池を例として、説明する。図１は、この電池の全体構成を示す断面図である。
【００１７】
図１に示すように、電池外装缶（正極缶）１内には、正極２と、リチウム−アルミニウム合金を活物質とする負極３と、両極を離間するセパレータ４とから構成される電極体が収容されている。そして、このセパレータ４には、電解液が含浸されている。この電池は、正極缶２の開口部と電池封口缶（負極キャップ）６とが、リング形状の絶縁ガスケット５を介して、かしめ固定され封止されている。
【００１８】
このような本発明に係るリチウム二次電池の詳細を実施例によりさらに具体的に説明する。
【００１９】
（実施例１）
正極の作製
水酸化リチウムと、酸化ホウ素と、二酸化マンガンとを、Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比が５：３：１０となるように混合した後、空気中で３７５℃、２０時間焼成することにより、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物粉末を得た。このホウ素含有リチウムマンガン酸化物粉末９０質量部と、導電剤としてのカーボンブラック１０質量部と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）水溶液５質量部（ＰＴＦＥ１質量部）とを混合した。この混合物を加圧成形し、直径２ｍｍ、厚み０．６ｍｍの円板状の正極ペレットを得た。この正極ペレットを真空乾燥（２５０℃で２時間）してペレット中の水分を除き、正極２を作製した。
【００２０】
負極の作製
ステンレス板からなる負極キャップ６（厚み０．１２ｍｍ）の内表面に直径２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのリチウム−アルミニウム合金を固着し、負極３を作製した。
【００２１】
電解液の作製
プロピレンカーボネートと１，２−ジメトキシエタンとを体積比７０：３０で混合した混合溶媒に、溶質としてのＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２を１．０Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解し、電解液を作製した。
【００２２】
電池の作製
前記負極３上に、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）製の不織布からなるセパレータ４を載置させ、このセパレータ４に前記電解液を注液した。その後、セパレータ上に前記正極２を載置させ、さらにその上にステンレス製の正極缶１（厚み０．１５ｍｍ）を被せた。この正極缶１と前記負極キャップ６とを、ポリエーテルエーテルケトン製の絶縁ガスケット５を介してかしめ封口し、電池径（直径）４．８ｍｍで厚み１．４ｍｍの前駆体電池を作製した。その後、１８０℃以上に１８０秒、２００℃以上に１００秒、２２５℃以上に７０秒、電池の表面温度が最大で２６０℃となるように設定したリフロー炉内に前駆体電池を２回投入した後、２０μＡで０．０１Ｖまで過放電し、２０μＡで３．０Ｖまで充電して、実施例１に係るリチウム二次電池を作製した。なお、ＰＰＳおよびポリエーテルエーテルケトンは耐熱性の高い樹脂である（融点：ＰＰＳ、約２８０℃；ポリエーテルエーテルケトン、約３４０℃）。
【００２３】
（実施例２）
ホウ素含有リチウムマンガン酸化物のかわりに、炭酸リチウムと二酸化マンガンをＬｉ：Ｍｎ原子比が１：２になるように混合し、８００℃で１８時間焼成して得たスピネル型マンガン酸リチウムを用いて正極２を作製したこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００２４】
（比較例１）
２０μＡで２．０Ｖまで放電した後、２０μＡで３．０Ｖまで充電したこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００２５】
（比較例２）
２０μＡで２．０Ｖまで放電した後、２０μＡで３．０Ｖまで充電したこと以外は、上記実施例２と同様にして電池を作製した。
【００２６】
上記で作製した実施例１、２、比較例１、２について下記条件で放電容量を測定し、リフロー炉内を通過させた後の電池に対する初期放電レベルと、放電容量の関係を検討した。
【００２７】
放電容量の測定
上記実施例１、２の前駆体電池をリフロー炉に２回投入後、２０μＡで０．０１Ｖまで放電した場合の放電容量（放電容量は電池電圧が２．０Ｖになるまでの値である）と、その後２０μＡで３．０Ｖまで充電後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した放電容量とを測定した。
また、上記比較例１、２の前駆体電池をリフロー炉に２回投入後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した場合の放電容量と、その後２０μＡで３．０Ｖまで充電後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した放電容量とを測定した。
ここで、リフロー炉に２回投入したのは、両面実装基板において、表裏面で２回のはんだ付けを行うことを考慮に入れたものである。
【００２８】
上記各試験結果を下記表１に示すとともに、初回放電時の放電容量と、放電後３．０Ｖまで充電した後、２．０Ｖまで放電を行った放電曲線を図２〜６に示した。
【００２９】
【表１】
【００３０】
上記表１及び図２〜６から、初回放電時に２．０Ｖまで放電を行ったのみの比較例１や比較例２がほとんど容量に変化がなかったことに比べて、初回放電時に０．０１Ｖまで過放電を行った実施例１は容量が約２倍、実施例２は約１．４倍に増加していることがわかる。
【００３１】
このことは、次のように考えられる。リチウムマンガン酸化物作製時にホウ素を含有させて正極にホウ素を含む被膜を形成させること、さらには電池を２００℃を超えるリフロー炉を通すことによって、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物や、比表面積の小さいスピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質として用いた場合においても、正極活物質と電解液とが反応して、正・負極に抵抗の高い被膜が形成される。この被膜は比較例１、２で行った通常レベルの放電（２．０Ｖまでの放電）によっては極板からほとんど脱離しないため、電池の内部抵抗が高い状態となり、放電容量が小さくなる。また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を用いた比較例１においては、充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物をコーティングしているホウ素が、リチウムマンガン酸化物から脱離しないので、電解液と充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物との接触性が悪くなり、さらに放電容量が小さくなる。
【００３２】
他方、リフロー後の電池を過放電領域（０．０１Ｖ）にまで放電を行った実施例１、２では、過放電によって上記抵抗の高い被膜が極板から脱離し、また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を用いた実施例１においては、充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物を被覆しているホウ素を含む被膜が、リチウムマンガン酸化物から脱離するため、電解液と充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物との接触性が向上する。
この結果、比較例１よりも実施例１の方が、比較例２よりも実施例２の方が高い放電容量となる。
【００３３】
また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を用いた実施例１の方が、スピネル型マンガン酸リチウムを用いた実施例２よりも、容量増加の割合が大きい。
【００３４】
これは、ホウ素含有マンガン酸化物においては、正極のホウ素含有被膜と負極の被膜の両方が脱離するが、スピネル型マンガン酸リチウムにおいてはホウ素含有被膜がないので、主に負極の被膜のみの脱離の効果であるためと考えられる。
【００３５】
次に、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物に添加されるホウ素量が、電池性能に与える影響について検討するため、実施例３、４、比較例３、４に係る電池を作製した。
【００３６】
（実施例３）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：２：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００３７】
（実施例４）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：２０：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００３８】
（比較例３）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：０．１：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００３９】
（比較例４）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：１：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００４０】
上記で作製した実施例１、３、４、比較例３、４の電池を用いて以下の試験を行った。
【００４１】
リフローによる電池性能の変化試験
リフロー炉内に投入する前の前駆体電池と、リフロー炉に投入し、放電した後、充電を行ったリチウム二次電池との、電池全高の変化、電池内部抵抗（１ｋＨｚの交流内部抵抗値〈ＩＲ〉）の変化を調べた。
【００４２】
放電容量の測定
リフロー炉に２回投入後、２０μＡで０．０１Ｖまで放電した場合の放電容量（容量は電池電圧が２．０Ｖになるまでの量である）と、その後２０μＡで３．０Ｖまで充電後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した放電容量とを測定した。
【００４３】
上記各試験の結果を下記表２及び図２、３に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
上記表２から、ホウ素とマンガンとのモル比（Ｂ／Ｍｎ）が大きくなればなるほど、リフローによる電池の膨れが小さくなるとともに、内部抵抗の増加量が低下する傾向があることがわかる。このことは、ホウ素の添加によってリチウムマンガン酸化物と電解液との反応が抑制されたことによると考えられる。
【００４６】
また、表２及び図２、３から、過放電時の放電容量、及び過放電後の放電容量はホウ素の添加量が０．３である実施例１が最も大きく、これよりもホウ素の添加量が少ない比較例３、４、実施例３や、これよりもホウ素の添加量が多い実施例４よりも高くなっていることがわかる。このことは、ホウ素の量が少なすぎると、電池が高温になった時に十分に正極と電解液との反応を抑制することができず、多すぎると放電に寄与するリチウムマンガン酸化物の量が少なくなるため放電容量が低下したためと考えられる。
【００４７】
また、スピネル型マンガン酸リチウムを用いた実施例２に対して上記と同様の試験を行ったところ、ホウ素を添加しなくても内部抵抗の上昇が２０２Ω、電池の膨れが０．０２ｍｍと、ホウ素をＢ／Ｍｎで０．３〜２．０添加している実施例１、４の１７８〜２３２Ω、０．０１〜０．０２ｍｍと同程度に抑制できていることが確認された。このことは、スピネル型マンガン酸リチウムの比表面積がホウ素含有リチウムマンガン酸化物よりも小さく、電解液と正極活物質との反応性が低いためと考えられる。
【００４８】
〔その他の事項〕
上記実施例では電解液に用いる非水溶媒として、プロピレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタンを用いたが、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の他の環状カーボネートや、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類を用いることもできる。また、これらの混合物を添加してもよい。ただし、２００℃以上に晒される電池であるため、沸点が２００℃未満の溶媒を用いる場合、溶媒の揮発によって電池が膨れるおそれがある。したがって、低沸点の溶媒の量を少なくすることが好ましい。
【００４９】
また、負極活物質としてはリチウム−アルミニウム合金を用いたが、これに限定されることはなく、リチウム−シリコン合金の他のリチウム合金を用いてもよい。また、これらの合金に他の金属を微量含む合金であってもよい。
【００５０】
また、上記実施例では正極に含ませるホウ素として酸化ホウ素を用いたが、ホウ酸、ホウ酸リチウム、メタホウ酸、メタホウ酸リチウム、次ホウ酸等を用いてもよい。また、これらの混合物であってもよい。ただし、ホウ酸リチウム、メタホウ酸リチウム等のリチウム含有ホウ素化合物を用いる場合には、生成されるホウ素含有リチウムマンガン酸化物のリチウム量とホウ素量とのバランスをとるために、リチウムを含まないホウ素化合物、またはホウ素を含まないリチウム化合物を混合することが必要である。
【００５１】
また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を作製する際に用いるリチウムとしては、水酸化リチウム以外に、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酸化リチウム、またはこれらの混合物等を用いてもよい。また、スピネル型マンガン酸リチウムの作製においても同様に、上記リチウム化合物を用いることができる。
【００５２】
また、電解質塩としては、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２以外にＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等を用いることができる。またこれらの混合物であってもよい。中でも、熱安定性に優れることから、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２が好ましい。
【００５３】
上記実施例では、電池外装缶の開口部を封止するために、ガスケットを用いたカシメ封止法を用いたが、この方法以外にもレーザー照射による封止方法、樹脂からなる封止部材を熱溶着する方法等を用いてもよい。
【００５４】
また、ガスケット材、セパレータ材としては、２００℃以上の条件に晒されるため、耐熱性の高い樹脂（融点が２００℃以上の樹脂）を用いることが好ましい。このような耐熱性樹脂の具体例としては、上記ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン以外に、ポリエーテルケトン、ポリブチレンテレフタレート、セルロース等の耐熱性樹脂、または、樹脂素材にガラス繊維等のフィラーを添加してさらに耐熱温度を向上させた樹脂等が例示できる。
【００５５】
また、上記実施例ではコイン型の電池を作製したが、円筒形、角型等の他の形状の電池にも適用できる。
【００５６】
また、上記実施例においては、リフローはんだ付けにおける温度上昇を前提として本発明の意義を説明したが、本発明の作用効果はリフローはんだ付けに限られるものではなく、２００℃以上の高温条件に晒される過程を不可避とする電池使用態様においてその効果を発揮する。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を正極活物質とする第一の態様の本発明によると、リフローはんだ付け等により電池温度が上昇した場合において正極活物質と電解液とが反応して生じる被膜や、正極活物質に添加されているホウ素による緻密な被膜を取り除くことができるので、リフローはんだ付け等による必要的電池温度の上昇に起因する電池性能の劣化を防止することができる。
【００５８】
また、正極活物質としてスピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質とする第ニの態様の本発明によると、リフローはんだ付け等により電池温度が上昇した場合において、電解液の分解生成物からなる被膜が形成された場合であってもこの被膜を電極活物質表面から離脱させることができるので、リフローはんだ付け等による必要的電池温度の上昇に起因する電池性能の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコイン型リチウム二次電池を模式的に示す断面図である。
【図２】実施例１、３、４及び比較例３、４に係る前駆体電池を０．０１Ｖまで過放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【図３】実施例１、３、４及び比較例３、４に係る電池の放電曲線を示すグラフである。
【図４】実施例２に係る前駆体電池を０．０１Ｖまで過放電した際及び実施例２に係る電池を２．０Ｖまで放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【図５】比較例１に係る前駆体電池を２．０Ｖまで放電した際及び比較例１に係る電池を２．０Ｖまで放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【図６】比較例２係る前駆体電池を２．０Ｖまで放電した際及び比較例１に係る電池を２．０Ｖまで放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 電池外装缶（正極缶）
２ 正極
３ 負極
４ セパレータ
５ 絶縁ガスケット
６ 電池封口缶（負極キャップ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池に関し、詳しくはリフローはんだ付け等の方法で機器に実装されたリチウム二次電池の膨れや電池性能の劣化を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池の電子機器への実装に際しては、一般に、生産効率を高めるためにリフローはんだ付け法が用いられているが、この方法によると短時間ではあるが、電池温度が２００〜２６０℃にまで達し、正極活物質と電解液との反応が促進されて、電解液の分解に起因するガスが多量に発生する。このため、リフローはんだ付け法によると、電池が膨れて電極と電極外部端子との密着性が低下したり、また電解液の分解生成物が正・負極表面に抵抗の高い被膜を形成したりすることにより、電池内の導電性が低下して、電池性能の低下を招くという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するため、正極活物質にホウ素化合物を添加する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２４１６８２号公報（第２−３頁）
【特許文献２】
特開平８−２１３０１６号公報（第２−３頁）
【０００５】
上記文献１に記載の技術によると、ホウ素がリチウムマンガン酸化物の結晶欠陥や閉空隙等の構造欠陥部を保護するので、構造欠陥部での界面反応を抑制することができ、充放電サイクル特性が向上するとされる。しかしながら、この技術により、電池温度が２００℃を超えるようなリフローはんだ付けにおける電池の膨れを十分に抑制しようとすると、ホウ素化合物の添加量を多くしなければならないが、ホウ素化合物の添加量を多くすると、ホウ素が活物質であるリチウムマンガン酸化物表面を覆うため、正極でのリチウムイオンの挿入脱離が阻害され、この結果として電池性能が大きく低下するという問題が生じる。
【０００６】
また、上記文献２の技術によると、ホウ素がリチウムマンガン酸化物と二酸化マンガンとの複合体中に固溶することにより、充放電サイクル特性や保存特性が向上するとされる。しかしながら、この技術によっても、電池を２００℃を超える高温に晒すような条件においては、ホウ素化合物の添加量を多くしなければならず、やはり文献１の場合と同様な問題が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、リフローはんだ付け等によって２００℃以上の高温に晒されたリチウム二次電池において、電池の膨張や電池性能の低下の少ない電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行ったところ、電池を高温に晒した場合、一旦電池を過放電し、しかる後に充電を行うと、放電容量が大幅に向上することを見いだした。本発明はこの知見に基づいて完成された。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一の態様の本発明は、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を活物質として含み、前記ホウ素含有リチウムマンガン酸化物中のホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが０．２以上２．０以下である正極と、負極と、前記正負極間に介在されたセパレータと、非水電解質と、を有する前駆体電池が充電されてなるリチウム二次電池の製造方法であって、前記前駆体電池を２００℃以上の温度に晒す第一工程と、前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで前記前駆体電池を過放電する第二工程と、前記第二工程の後、前記前駆体電池を充電する第三工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、リチウムマンガン酸化物に含まれるホウ素が正極と電解液との反応を抑制するように作用する。したがって、電池の膨れや、内部抵抗の増大による放電容量の低下を抑制できる。しかし、ホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが０．２未満であると十分に正極と電解液との反応を抑制することができない。他方、ホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが２．０より大きいと、充放電に寄与するマンガン量が少なくなりすぎるため電池容量が小さくなる。よって、前記ホウ素含有リチウムマンガン酸化物中のホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎは０．２以上２．０以下の範囲内に規制する必要がある。
【００１１】
また、２００℃以上の温度のリフロー炉に晒された後、２．０Ｖ未満にまで過放電することにより、正・負極表面に形成された電解液の分解生成物である被膜を電極から脱離させることができる。これにより電池の内部抵抗が低下し、またホウ素をリチウムマンガン酸化物から脱離させることができるので、電極でのリチウムイオンの挿入脱離がスムースに進行するようになり、電池性能の劣化が防止できる。ここで、過放電電圧レベルとしては、電池に負荷がかかっている状態において、１．５Ｖ以下であることがより好ましく、１．０Ｖ以下であることがさらに好ましく、０．５Ｖ以下であることが最も好ましい。
【００１２】
上記課題を解決するための第二の態様の本発明は、スピネル型マンガン酸リチウムを活物質として含む正極と、負極と、前記正負極間に介在されたセパレータと、非水電解質と、を有する前駆体電池が充電されてなるリチウム二次電池の製造方法であって、前記前駆体電池を２００℃以上の温度に晒す第一工程と、前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで前記前駆体電池を過放電する第二工程と、前記第二工程の後、前記前駆体電池を充電する第三工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成であると、スピネル型マンガン酸リチウムの比表面積は上記リチウムマンガン酸化物よりも小さく、電解液と反応しにくいことから、ホウ素を添加しなくても十分に正極と電解液との反応を抑制することができる。また、上記第一の態様の本発明と同様、２００℃以上の温度に晒した後、２．０Ｖ未満になるまで過放電することによって、正・負極表面に形成された電解液の分解生成物からなる被膜が電極から脱離するので、内部抵抗を低減させ放電容量を向上させることができる。
【００１４】
上記第一の態様及び第二の態様の本発明において、負極がリチウム−アルミニウム合金である、とすることができる。
【００１５】
上記第一の態様及び第二の態様の製造方法においては、充電前に放電を行う必要があるので、負極にリチウムが含まれていることが必須条件となる。しかし、このリチウムが金属リチウムであると、その融点が１８３℃であるため、２００℃以上の温度に晒すと溶融して電池性能が劣化してしまう。よって、金属リチウムよりも融点の高いリチウム合金が好ましいが、リチウム−アルミニウム合金は融点が高く、放電特性に優れ、しかも安価であるので負極材料として好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、コイン型のリチウム二次電池を例として、説明する。図１は、この電池の全体構成を示す断面図である。
【００１７】
図１に示すように、電池外装缶（正極缶）１内には、正極２と、リチウム−アルミニウム合金を活物質とする負極３と、両極を離間するセパレータ４とから構成される電極体が収容されている。そして、このセパレータ４には、電解液が含浸されている。この電池は、正極缶２の開口部と電池封口缶（負極キャップ）６とが、リング形状の絶縁ガスケット５を介して、かしめ固定され封止されている。
【００１８】
このような本発明に係るリチウム二次電池の詳細を実施例によりさらに具体的に説明する。
【００１９】
（実施例１）
正極の作製
水酸化リチウムと、酸化ホウ素と、二酸化マンガンとを、Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比が５：３：１０となるように混合した後、空気中で３７５℃、２０時間焼成することにより、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物粉末を得た。このホウ素含有リチウムマンガン酸化物粉末９０質量部と、導電剤としてのカーボンブラック１０質量部と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）水溶液５質量部（ＰＴＦＥ１質量部）とを混合した。この混合物を加圧成形し、直径２ｍｍ、厚み０．６ｍｍの円板状の正極ペレットを得た。この正極ペレットを真空乾燥（２５０℃で２時間）してペレット中の水分を除き、正極２を作製した。
【００２０】
負極の作製
ステンレス板からなる負極キャップ６（厚み０．１２ｍｍ）の内表面に直径２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのリチウム−アルミニウム合金を固着し、負極３を作製した。
【００２１】
電解液の作製
プロピレンカーボネートと１，２−ジメトキシエタンとを体積比７０：３０で混合した混合溶媒に、溶質としてのＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２を１．０Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解し、電解液を作製した。
【００２２】
電池の作製
前記負極３上に、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）製の不織布からなるセパレータ４を載置させ、このセパレータ４に前記電解液を注液した。その後、セパレータ上に前記正極２を載置させ、さらにその上にステンレス製の正極缶１（厚み０．１５ｍｍ）を被せた。この正極缶１と前記負極キャップ６とを、ポリエーテルエーテルケトン製の絶縁ガスケット５を介してかしめ封口し、電池径（直径）４．８ｍｍで厚み１．４ｍｍの前駆体電池を作製した。その後、１８０℃以上に１８０秒、２００℃以上に１００秒、２２５℃以上に７０秒、電池の表面温度が最大で２６０℃となるように設定したリフロー炉内に前駆体電池を２回投入した後、２０μＡで０．０１Ｖまで過放電し、２０μＡで３．０Ｖまで充電して、実施例１に係るリチウム二次電池を作製した。なお、ＰＰＳおよびポリエーテルエーテルケトンは耐熱性の高い樹脂である（融点：ＰＰＳ、約２８０℃；ポリエーテルエーテルケトン、約３４０℃）。
【００２３】
（実施例２）
ホウ素含有リチウムマンガン酸化物のかわりに、炭酸リチウムと二酸化マンガンをＬｉ：Ｍｎ原子比が１：２になるように混合し、８００℃で１８時間焼成して得たスピネル型マンガン酸リチウムを用いて正極２を作製したこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００２４】
（比較例１）
２０μＡで２．０Ｖまで放電した後、２０μＡで３．０Ｖまで充電したこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００２５】
（比較例２）
２０μＡで２．０Ｖまで放電した後、２０μＡで３．０Ｖまで充電したこと以外は、上記実施例２と同様にして電池を作製した。
【００２６】
上記で作製した実施例１、２、比較例１、２について下記条件で放電容量を測定し、リフロー炉内を通過させた後の電池に対する初期放電レベルと、放電容量の関係を検討した。
【００２７】
放電容量の測定
上記実施例１、２の前駆体電池をリフロー炉に２回投入後、２０μＡで０．０１Ｖまで放電した場合の放電容量（放電容量は電池電圧が２．０Ｖになるまでの値である）と、その後２０μＡで３．０Ｖまで充電後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した放電容量とを測定した。
また、上記比較例１、２の前駆体電池をリフロー炉に２回投入後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した場合の放電容量と、その後２０μＡで３．０Ｖまで充電後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した放電容量とを測定した。
ここで、リフロー炉に２回投入したのは、両面実装基板において、表裏面で２回のはんだ付けを行うことを考慮に入れたものである。
【００２８】
上記各試験結果を下記表１に示すとともに、初回放電時の放電容量と、放電後３．０Ｖまで充電した後、２．０Ｖまで放電を行った放電曲線を図２〜６に示した。
【００２９】
【表１】
上記表１及び図２〜６から、初回放電時に２．０Ｖまで放電を行ったのみの比較例１や比較例２がほとんど容量に変化がなかったことに比べて、初回放電時に０．０１Ｖまで過放電を行った実施例１は容量が約２倍、実施例２は約１．４倍に増加していることがわかる。
【００３１】
このことは、次のように考えられる。リチウムマンガン酸化物作製時にホウ素を含有させて正極にホウ素を含む被膜を形成させること、さらには電池を２００℃を超えるリフロー炉を通すことによって、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物や、比表面積の小さいスピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質として用いた場合においても、正極活物質と電解液とが反応して、正・負極に抵抗の高い被膜が形成される。この被膜は比較例１、２で行った通常レベルの放電（２．０Ｖまでの放電）によっては極板からほとんど脱離しないため、電池の内部抵抗が高い状態となり、放電容量が小さくなる。また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を用いた比較例１においては、充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物をコーティングしているホウ素が、リチウムマンガン酸化物から脱離しないので、電解液と充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物との接触性が悪くなり、さらに放電容量が小さくなる。
【００３２】
他方、リフロー後の電池を過放電領域（０．０１Ｖ）にまで放電を行った実施例１、２では、過放電によって上記抵抗の高い被膜が極板から脱離し、また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を用いた実施例１においては、充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物を被覆しているホウ素を含む被膜が、リチウムマンガン酸化物から脱離するため、電解液と充放電に寄与するリチウムマンガン酸化物との接触性が向上する。
この結果、比較例１よりも実施例１の方が、比較例２よりも実施例２の方が高い放電容量となる。
【００３３】
また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を用いた実施例１の方が、スピネル型マンガン酸リチウムを用いた実施例２よりも、容量増加の割合が大きい。
【００３４】
これは、ホウ素含有マンガン酸化物においては、正極のホウ素含有被膜と負極の被膜の両方が脱離するが、スピネル型マンガン酸リチウムにおいてはホウ素含有被膜がないので、主に負極の被膜のみの脱離の効果であるためと考えられる。
【００３５】
次に、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物に添加されるホウ素量が、電池性能に与える影響について検討するため、実施例３、４、比較例３、４に係る電池を作製した。
【００３６】
（実施例３）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：２：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００３７】
（実施例４）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：２０：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００３８】
（比較例３）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：０．１：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００３９】
（比較例４）
Ｌｉ：Ｂ：Ｍｎのモル比を５：１：１０としたこと以外は、上記実施例１と同様にして電池を作製した。
【００４０】
上記で作製した実施例１、３、４、比較例３、４の電池を用いて以下の試験を行った。
【００４１】
リフローによる電池性能の変化試験
リフロー炉内に投入する前の前駆体電池と、リフロー炉に投入し、放電した後、充電を行ったリチウム二次電池との、電池全高の変化、電池内部抵抗（１ｋＨｚの交流内部抵抗値〈ＩＲ〉）の変化を調べた。
【００４２】
放電容量の測定
リフロー炉に２回投入後、２０μＡで０．０１Ｖまで放電した場合の放電容量（容量は電池電圧が２．０Ｖになるまでの量である）と、その後２０μＡで３．０Ｖまで充電後、２０μＡで２．０Ｖまで放電した放電容量とを測定した。
【００４３】
上記各試験の結果を下記表２及び図２、３に示す。
【００４４】
【表２】
上記表２から、ホウ素とマンガンとのモル比（Ｂ／Ｍｎ）が大きくなればなるほど、リフローによる電池の膨れが小さくなるとともに、内部抵抗の増加量が低下する傾向があることがわかる。このことは、ホウ素の添加によってリチウムマンガン酸化物と電解液との反応が抑制されたことによると考えられる。
【００４６】
また、表２及び図２、３から、過放電時の放電容量、及び過放電後の放電容量はホウ素の添加量が０．３である実施例１が最も大きく、これよりもホウ素の添加量が少ない比較例３、４、実施例３や、これよりもホウ素の添加量が多い実施例４よりも高くなっていることがわかる。このことは、ホウ素の量が少なすぎると、電池が高温になった時に十分に正極と電解液との反応を抑制することができず、多すぎると放電に寄与するリチウムマンガン酸化物の量が少なくなるため放電容量が低下したためと考えられる。
【００４７】
また、スピネル型マンガン酸リチウムを用いた実施例２に対して上記と同様の試験を行ったところ、ホウ素を添加しなくても内部抵抗の上昇が２０２Ω、電池の膨れが０．０２ｍｍと、ホウ素をＢ／Ｍｎで０．３〜２．０添加している実施例１、４の１７８〜２３２Ω、０．０１〜０．０２ｍｍと同程度に抑制できていることが確認された。このことは、スピネル型マンガン酸リチウムの比表面積がホウ素含有リチウムマンガン酸化物よりも小さく、電解液と正極活物質との反応性が低いためと考えられる。
【００４８】
〔その他の事項〕
上記実施例では電解液に用いる非水溶媒として、プロピレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタンを用いたが、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の他の環状カーボネートや、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類を用いることもできる。また、これらの混合物を添加してもよい。ただし、２００℃以上に晒される電池であるため、沸点が２００℃未満の溶媒を用いる場合、溶媒の揮発によって電池が膨れるおそれがある。したがって、低沸点の溶媒の量を少なくすることが好ましい。
【００４９】
また、負極活物質としてはリチウム−アルミニウム合金を用いたが、これに限定されることはなく、リチウム−シリコン合金の他のリチウム合金を用いてもよい。また、これらの合金に他の金属を微量含む合金であってもよい。
【００５０】
また、上記実施例では正極に含ませるホウ素として酸化ホウ素を用いたが、ホウ酸、ホウ酸リチウム、メタホウ酸、メタホウ酸リチウム、次ホウ酸等を用いてもよい。また、これらの混合物であってもよい。ただし、ホウ酸リチウム、メタホウ酸リチウム等のリチウム含有ホウ素化合物を用いる場合には、生成されるホウ素含有リチウムマンガン酸化物のリチウム量とホウ素量とのバランスをとるために、リチウムを含まないホウ素化合物、またはホウ素を含まないリチウム化合物を混合することが必要である。
【００５１】
また、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を作製する際に用いるリチウムとしては、水酸化リチウム以外に、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酸化リチウム、またはこれらの混合物等を用いてもよい。また、スピネル型マンガン酸リチウムの作製においても同様に、上記リチウム化合物を用いることができる。
【００５２】
また、電解質塩としては、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２以外にＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４等を用いることができる。またこれらの混合物であってもよい。中でも、熱安定性に優れることから、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２が好ましい。
【００５３】
上記実施例では、電池外装缶の開口部を封止するために、ガスケットを用いたカシメ封止法を用いたが、この方法以外にもレーザー照射による封止方法、樹脂からなる封止部材を熱溶着する方法等を用いてもよい。
【００５４】
また、ガスケット材、セパレータ材としては、２００℃以上の条件に晒されるため、耐熱性の高い樹脂（融点が２００℃以上の樹脂）を用いることが好ましい。このような耐熱性樹脂の具体例としては、上記ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン以外に、ポリエーテルケトン、ポリブチレンテレフタレート、セルロース等の耐熱性樹脂、または、樹脂素材にガラス繊維等のフィラーを添加してさらに耐熱温度を向上させた樹脂等が例示できる。
【００５５】
また、上記実施例ではコイン型の電池を作製したが、円筒形、角型等の他の形状の電池にも適用できる。
【００５６】
また、上記実施例においては、リフローはんだ付けにおける温度上昇を前提として本発明の意義を説明したが、本発明の作用効果はリフローはんだ付けに限られるものではなく、２００℃以上の高温条件に晒される過程を不可避とする電池使用態様においてその効果を発揮する。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を正極活物質とする第一の態様の本発明によると、リフローはんだ付け等により電池温度が上昇した場合において正極活物質と電解液とが反応して生じる被膜や、正極活物質に添加されているホウ素による緻密な被膜を取り除くことができるので、リフローはんだ付け等による必要的電池温度の上昇に起因する電池性能の劣化を防止することができる。
【００５８】
また、正極活物質としてスピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質とする第ニの態様の本発明によると、リフローはんだ付け等により電池温度が上昇した場合において、電解液の分解生成物からなる被膜が形成された場合であってもこの被膜を電極活物質表面から離脱させることができるので、リフローはんだ付け等による必要的電池温度の上昇に起因する電池性能の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコイン型リチウム二次電池を模式的に示す断面図である。
【図２】実施例１、３、４及び比較例３、４に係る前駆体電池を０．０１Ｖまで過放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【図３】実施例１、３、４及び比較例３、４に係る電池の放電曲線を示すグラフである。
【図４】実施例２に係る前駆体電池を０．０１Ｖまで過放電した際及び実施例２に係る電池を２．０Ｖまで放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【図５】比較例１に係る前駆体電池を２．０Ｖまで放電した際及び比較例１に係る電池を２．０Ｖまで放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【図６】比較例２係る前駆体電池を２．０Ｖまで放電した際及び比較例１に係る電池を２．０Ｖまで放電した際の放電曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 電池外装缶（正極缶）
２ 正極
３ 負極
４ セパレータ
５ 絶縁ガスケット
６ 電池封口缶（負極キャップ）
Claims (3)
- ホウ素含有リチウムマンガン酸化物を活物質として含み、前記ホウ素含有リチウムマンガン酸化物中のホウ素とマンガンのモル比Ｂ／Ｍｎが０．２以上２．０以下である正極と、
負極と、
前記正負極間に介在されたセパレータと、
非水電解質と、
を有する前駆体電池が充放電されてなるリチウム二次電池の製造方法であって、
前記前駆体電池を２００℃以上の温度に晒す第一工程と、
前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで前記前駆体電池を過放電する第二工程と、
前記第二工程の後、前記前駆体電池を充電する第三工程と、
を備えることを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。 - スピネル型マンガン酸リチウムを活物質として含む正極と、
負極と、
前記正負極間に介在されたセパレータと、
非水電解質と、
を有する前駆体電池が充放電されてなるリチウム二次電池の製造方法であって、
前記前駆体電池を２００℃以上の温度に晒す第一工程と、
前記第一工程の後、電圧が２．０Ｖ未満になるまで前記前駆体電池を過放電する第二工程と、
前記第二工程の後、前記前駆体電池を充電する第三工程と、
を備えることを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。 - 請求項１または２に記載のリチウム電池の製造方法において、
前記負極はリチウム−アルミニウム合金である、
ことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
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