JP2007227221A - リチウム/二硫化鉄一次電池 - Google Patents

リチウム/二硫化鉄一次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】放電特性の低下が少なく、且つ保存時における開回路電圧の上昇を抑制できるリチウム/二硫化鉄一次電池を提供する。
【解決手段】リチウム/二硫化鉄一次電池は、二硫化鉄を正極活物質とする正極2と、リチウムを負極活物質とする負極3と、有機電解液とを備える。有機電解液は、遷移金属カチオンを含むものである。これにより、放電特性の低下が少なく、且つ保存時の開回路電圧の上昇を抑制できる。
【選択図】 図1

Description

この発明は、二硫化鉄を正極活物質とする正極と、リチウムを負極活物質とする負極と、有機溶媒を用いた電解液とを備えるリチウム/二硫化鉄一次電池に関する。
リチウム/二硫化鉄一次電池は、正極活物質の二硫化鉄が約894mAh/g、負極活物質のリチウムが約3863mAh/gと、非常に高い理論容量を示す正・負極材料から構成されており、高容量かつ軽量、負荷特性、低温特性といった電池特性の面からも、極めて優れた電池である。
さらに、リチウム/二硫化鉄一次電池は、初期の開回路電圧(OCV)が1.7V〜1.8V、平均放電電圧が1.3V〜1.6V付近であり、他の1.5V級一次電池、例えば水溶液を電解液に用いるマンガン電池、アルカリマンガン電池、酸化銀電池、空気電池、ニッケル/亜鉛電池と互換性を有する点からもその実用価値は高い。
しかしながら、この電池系は、製造直後に、開回路電圧が実用電圧よりも高い電位まで上昇してしまうという問題がある。そこで、製造後に予備放電を行うことによって、開回路電圧を実用電圧まで低下させる手法がとられるが、長期間保管している間に再び開回路電圧が上昇し、場合によっては2Vを超えるという特徴を有している。
開回路電圧が上昇した状態にあるリチウム/二硫化鉄一次電池を機器に使用した場合には、使用機器側の保護回路が作動してしまうために、電源が入らず使用不可能となる。つまり他の1.5V級一次電池との互換性が失われる問題が生じてしまう。
開回路電圧の上昇の一因としては、導電剤に吸着されている酸素の影響が考えられる。この影響を抑制するために、例えば特許文献1には、電解液中に添加したイソキサゾール誘導体、正極中に添加した還元剤によって、導電剤中の活性種を還元除去する方法が記載されている。
特開昭59−181464号公報
また、開回路電圧の上昇の他の原因としては、外部からの水分進入とそれに伴う電池構成成分との反応が影響と考えられる。この影響を抑制するため、例えば特許文献2には、進入水分を、電解液中に添加したフェノールまたはヒドロキノン誘導体と優先的に反応させる方法が記載されている。
特開平8−153521号公報
しかしながら、特許文献1および特許文献2に記載の添加剤を使用する方法では、開回路電圧の上昇を抑制できるものであるが、放電特性の低下が懸念される。
したがって、この発明の目的は、放電特性の低下が少なく、且つ保存時における開回路電圧の上昇を抑制できる、リチウム/二硫化鉄一次電池を提供することにある。
上述した課題を解決するために、この発明は、
二硫化鉄を正極活物質とする正極と、
リチウムを負極活物質とする負極と、
有機電解液とを備えたリチウム/二硫化鉄一次電池であって、
有機電解液は、遷移金属カチオンを含むものであること
を特徴とするリチウム/二硫化鉄一次電池である。
この発明では、有機電解液は、遷移金属カチオンを含むものであるので、放電特性の低下が少なく、且つ長期保存時の開回路電圧の上昇を抑制できる。Cuイオンを始めとするSnイオン、Znイオン、Niイオン、Agイオンの遷移金属カチオンは、Sと化合物を作りやすく、正極に取り込まれることで安定な無機被膜を形成しているものと考えられる。また、硫黄化合物を形成することで正極が異なる電位環境におかれることで、保存時の開回路電圧上昇の原因となる各種反応が、抑制されているものと考えられる。
この発明によれば、放電特性の低下が少なく、且つ保存時の開回路電圧の上昇を抑制できる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施形態によるリチウム/二硫化鉄一次電池を示す。図1に示す電池は、いわゆる円筒型と呼ばれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶1の内部に、渦巻型電極体を有している。渦巻型電極体は、正極活物質を有する帯状の正極2と、負極活物質を有する帯状の負極3とが、イオン透過性を有するセパレータ4を介して多数回巻回されてなる。
電池缶1は、例えばニッケルメッキが施された鉄により、構成されており、一端部が閉鎖され、他端部が開放されている。電池缶1の内部には、渦巻型電極体を挟み込むように、周面に対して垂直に一対の絶縁板5および絶縁板6がそれぞれ配置されている。
電池缶1の開放端部には、電池蓋7と、この電池蓋7の内側に設けられた安全弁8及び熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)9とが、封口ガスケット10を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶1の内部は、密閉されている。
電池蓋7は、例えば電池缶1と同様の材料により構成されている。安全弁8は、熱感抵抗素子9を介して電池蓋7と電気的に接続されており、内部短絡又は外部からの加熱等により電池の内圧が一定以上となった場合に電池蓋7と渦巻型電極体との電気的接続を切断する、いわゆる電流遮断機構を備えている。
熱感抵抗素子9は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものであり、例えば、チタン酸バリウム系半導体セラミックスにより構成されている。封口ガスケット10は、例えば絶縁材料により構成されており、表面には、例えばアスファルトが塗布されている。
渦巻型電極体の正極2には、アルミニウム等よりなる正極リード11が接続されており、負極3には、ニッケル等よりなる負極リード12が接続されている。正極リード11は、安全弁8に溶接されることにより電池蓋7と電気的に接続されている。負極リード12は、電池缶1に溶接され電気的に接続されている。
また、正極2と負極3との間のセパレータ4には、非水電解質として、例えば非水電解液が含浸されている。セパレータ4は、正極2と負極3との間に配されることにより、正極2と負極3の物理的接触を防ぐ機能を有する。さらに、セパレータ4は、非水電解液を吸収することにより、孔中に非水電解液を保持し、放電時にリチウムイオンが通過できるものである。
[正極2]
正極2は、帯状の形状を有する正極集電体と、この正極集電体の両面に形成された正極合剤層とからなる。正極集電体は、例えばアルミニウム(Al)箔、ニッケル(Ni)箔、ステンレス(SUS)箔等の金属箔である。
正極合剤層は、例えば、正極活物質である二硫化鉄(FeS2)と、導電剤と、結着剤とからなる。正極活物質である二硫化鉄は、主に自然界に存在する黄鉄鉱(pyrite)を粉砕したものが用いられるが、化学合成、例えば、塩化第一鉄(FeCl2)を硫化水素(H2S)中にて焼成して得られる二硫化鉄なども使用可能である。
導電剤としては、正極活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はされず、例えば、グラファイト、カーボンブラックなどの炭素粉末を用いることができる。結着剤としては、公知の結着剤を用いることができ、例えばポリフッ化ビニル(PVF)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂を用いることができる。
[負極3]
負極3は、帯状の形状を有する金属箔からなる。この負極活物質でもある金属箔の材料としては、リチウム金属またはリチウムにアルミなどの合金元素を添加したリチウム合金などが挙げられる。
[電解液]
電解液としては、リチウム塩を電解質として、これを有機溶媒に溶解させた電解液が用いられる。この電解液は、遷移金属カチオンを含有するものである。これにより、リチウム/二硫化鉄一次電池の長期保存時における開回路電圧の上昇を抑制できる。
遷移金属カチオンとしては、例えば、Cuイオンを始めとするSnイオン、Znイオン、Niイオン、Agイオンを用いることができる。遷移金属カチオンは、例えば、遷移金属カチオンと対をなすアニオン種とからなる塩の形で電解液中に添加することにより、電解液に含有させることができる。塩としては、例えば、トリフレート塩、過塩素酸塩、ハロゲン塩等を挙げることができる。塩のなかでより好ましいのは、トリフレートアニオンが特に電池特性に大きく影響を与えるものではない点から、トリフレート塩である。トリフレート塩は、一般式としては、下記一般式Iで表される。
(式I)
Men+(CF3SO3n
(式I中、Men+は遷移金属カチオンを示す。nは遷移金属カチオンの価数を示す。)
電解液中の遷移金属カチオンの含有量は、開回路電圧の上昇を抑制する効果を十分に得ることができる点、放電性能の低下が少ない点から0.01mol/kg〜1.0mol/kgであることが好ましい。
有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、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、スルホラン、アセトニトリル、ジメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の、単独もしくは二種類以上の混合溶媒を用いることができる。
電解質には、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiC49SO3、LiAs6、LiI、LiBr、Li(CF3SO22N、Li(C25SO2)(CF3SO2)N、Li(C25SO22N等が使用可能である。
[セパレータ]
セパレータ4としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンといったポリオレフィン系の微多孔性フィルム等が使用可能である。
次に、この発明の一実施形態によるリチウム/二硫化鉄一次電池の製造方法について説明する。
まず、例えば、正極活物質、結着剤および導電剤を混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの溶剤に分散してペースト状の正極合剤スラリーとする。この正極合剤スラリーを正極集電体上に塗布して乾燥させた後、ローラプレス機などにより圧縮成型して正極合剤層を形成する。これにより、正極2が作製される。
次に、上述のようにして得られた帯状の正極2と、帯状の形状を有する負極3と、帯状の形状を有するセパレータ4とを、例えば正極2、セパレータ4、負極3、セパレータ4の順に積層し、長手方向に多数回巻回して、渦巻型電極体を作製する。
次に、底部に絶縁板5が予め挿入され、内側に例えばニッケルメッキが予め施された電池缶1に、渦巻型電極体を収納する。そして、渦巻型電極体の上面に絶縁板6を配設する。その後、負極3の集電をとるために、例えばニッケルからなる負極リード12の一端を負極3に取り付け、他端を電池缶1に溶接する。
これにより、電池缶1は負極3と導通をもつことになり、外部負極となる。また、正極2の集電をとるために、例えばアルミニウムからなる正極リード11の一端を正極2に取り付け、他端を安全弁8を介して電池蓋7と電気的に接続する。これにより、電池蓋7は正極2と導通をもつこととなり、外部正極となる。
そして、この電池缶1の中に、遷移金属カチオンを添加した電解液を注入した後に、アスファルトを塗布した封口ガスケット10を介して電池缶1をかしめる。これにより、電池蓋7が固定された円筒型のリチウム/二硫化鉄一次電池が作製される。
以下、実施例によりこの発明を具体的に説明するが、この発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
Figure 2007227221
表1は、実施例1〜実施例45および比較例1に関するものである。以下、表1を参照して、実施例1〜実施例45および比較例1について説明する。
<実施例1>
まず、正極活物質としての二硫化鉄95重量%と、導電剤としての炭素粉末1.0重量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン4重量%とを混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに十分に分散させて正極合剤スラリーとした。
次に、正極合剤スラリーを正極集電体の両面に塗布し、温度120℃で2時間乾燥させてN−メチル−2−ピロリドンを揮発させた後、一定圧力で圧縮成型して帯状の正極2を作製した。なお、正極集電体としては、厚さ20μmの帯状のアルミニウム箔を用いた。
次に、以上のようにして作製された帯状の正極2と、厚さ150μmの金属リチウム負極3とを、正極2、セパレータ4、負極3、セパレータ4の順に積層してから多数回巻回し、外径9mmの渦巻型電極体を作製した。
以上のようにして得られた渦巻型電極体をニッケルメッキを施した鉄製電池缶1に収納した。そして、渦巻型電極体の上下両面に絶縁板5と絶縁板6を配設し、アルミニウム製の正極リード11を正極集電体から導出して電池蓋7に、ニッケル製の負極リード12を負極集電体から導出して電池缶1に溶接した。
次に、1、3−ジオキシラン(DOL)と、1、2−ジメトキシエタン(DME)が体積比で2:1の混合溶媒に対して、ヨウ化リチウム(LiI)1.0mol/kgおよび0.005mol/kgの遷移金属カチオン(Cuイオン)をトリフレート塩の形で添加し、溶解させて調整した電解液を電池缶1に注入した。なお、金属トリフレート塩の添加量は、ICPによって電解液中の全溶媒に対する濃度mol/kgで規定される。
次に、アスファルトが表面に塗布された絶縁封口ガスケット10を介して電池缶1をかしめることにより、電流遮断機構を有する安全弁8、熱感抵抗素子9および電池蓋7を固定して電池内の気密性を保持させた。以上により、直径約10mm、高さ約44mmの円筒型のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例2〜実施例9>
表1に示す量のCuイオンをトリフレート塩の形で添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜実施例9のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例10〜実施例18>
表1に示す量のSnイオンをトリフレート塩の形で添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例10〜実施例18のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例19〜実施例27>
表1に示す量のZnイオンをトリフレート塩の形で添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例19〜実施例27のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例28〜実施例36>
表1に示す量のNiイオンをトリフレート塩の形で添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例28〜実施例36のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例37〜実施例45>
表1に示す量のAgイオンをトリフレート塩の形で添加した以外は、実施例1と同様にして、実施例37〜実施例45のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例1>
遷移金属カチオンを添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
評価
作製した実施例1〜実施例45および比較例1のリチウム/二硫化鉄一電池を予備放電により電池容量の10%程度を放電させた後、室温(20℃)で1000時間保存し、この保存後の電池の開回路電圧を測定した。測定結果を表1に示す。
表1に示すように、遷移金属カチオンを用いることで開回路電圧上昇が大幅に抑制できることがわかる。ただし、その効果は、1.0mol/kgで飽和した。
また、表1に、実施例1〜実施例45のリチウム/二硫化鉄一次電池の10Ω放電0.9V終止の放電時間比(比較例1を1.00として算出)を示す。表1に示すように、添加量が1.0mol/kgを超えると放電性能の低下が顕著である。よって、添加量は1mol/kg以下が好ましい。
さらに、1,3−ジオキソラン(DOL)に加え、その他溶媒プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)と、LiCF3SO3やLiClO4、LiPF6、Li(CF3SO32Nとの組み合わせに対する遷移金属の追加添加(0.5mol/kg)を検討するため、実施例46〜実施例80および比較例2〜比較例8のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。下記表2は、実施例46〜実施例80および比較例2〜比較例8に関するものである。以下、表2を参照しながら実施例46〜実施例80および比較例2〜比較例8について説明する。
Figure 2007227221
<実施例46〜実施例50>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、LiCF3SO3を用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例46〜実施例50のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例2>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例46〜実施例50と同様にして、比較例2のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例51〜実施例55>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、LiClO4を用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例51〜実施例55のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例3>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例51〜実施例55と同様にして、比較例3のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例56〜実施例60>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、LiPF6を用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例56〜実施例60のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例4>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例56〜実施例60と同様にして、比較例4のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例61〜実施例65>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、Li(CF3SO32Nを用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例61〜実施例65のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例5>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例61〜実施例65と同様にして、比較例5のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例66〜実施例70>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、LiCF3SO3を用いた。1,3−ジオキソラン(DOL)の代わりに、プロピレンカーボネート(PC)を用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例66〜実施例70のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例6>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例66〜実施例70と同様にして、比較例6のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例71〜実施例75>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、LiClO4を用いた。1,3−ジオキソラン(DOL)の代わりに、プロピレンカーボネート(PC)を用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例71〜実施例75のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例7>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例71〜実施例75と同様にして、比較例7のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<実施例76〜実施例80>
ヨウ化リチウム(LiI)の代わりに、LiPF6を用いた。1,3−ジオキソラン(DOL)の代わりに、エチレンカーボネート(EC)を用いた。表2に示す遷移金属カチオンをトリフレート塩の形で表2に示す量添加した。この他は、実施例1と同様にして、実施例76〜実施例80のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
<比較例8>
遷移金属カチオンを添加しなかった以外は、実施例76〜実施例80と同様にして、比較例8のリチウム/二硫化鉄一次電池を作製した。
評価
作製した実施例46〜実施例80および比較例2〜比較例8のリチウム/二硫化鉄一電池を予備放電により電池容量の10%程度を放電させた後、室温(20℃)で1000時間保存し、この保存後の電池の開回路電圧を測定した。測定結果を表2に示す。
表2に示すように、LiCF3SO3やLiClO4、LiPF6、Li(CF3SO32Nを使用した場合および他溶媒との組み合わせにおいても、DOL−LiI系と同様、遷移金属カチオンを添加することで開回路電圧の上昇が大幅に抑制されることがわかる。
この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
例えば、実施例では、トリフレート塩の形での金属イオン添加を検討したが、金属イオンと対をなすアニオン種はこれに限定されるものではない。
また、実施例には、単4形のリチウム/二硫化鉄一次電池を用いたが、この発明は、正極活物質として、酸化二銅、硫化鉄、鉄複合酸化物、三酸化ビスマス等を用い、負極としては、リチウムに加え、ナトリウム等のアルカリ金属やそれらの金属を用いた場合も適用可能である。また、電池形状も筒型に加えボタン型、コイン型、角型などにも適用可能である。
この発明の一実施形態によるリチウム/二硫化鉄一次電池の構造を示す断面側面図である。
符号の説明
1・・・電池缶
2・・・正極
3・・・負極
4・・・セパレータ
5・・・絶縁板
6・・・絶縁板
7・・・電池蓋
8・・・安全弁
9・・・熱感抵抗素子
10・・・封口ガスケット
11・・・正極リード
12・・・負極リード

Claims (4)

  1. 二硫化鉄を正極活物質とする正極と、
    リチウムを負極活物質とする負極と、
    有機電解液とを備えたリチウム/二硫化鉄一次電池であって、
    上記有機電解液は、遷移金属カチオンを含むものであること
    を特徴とするリチウム/二硫化鉄一次電池。
  2. 請求項1において、
    上記遷移金属カチオンは、Cuイオン、Snイオン、Znイオン、Niイオン、Agイオンよりなる群から選ばれたものであること
    を特徴とするリチウム/二硫化鉄一次電池。
  3. 請求項1において、
    上記遷移金属カチオンは、上記有機電解液溶媒において0.01mol/kg〜1.0mol/kgであること
    を特徴とするリチウム/二硫化鉄一次電池。
  4. 請求項1において、
    上記有機電解液は、上記遷移金属カチオンを下記一般式Iで表された塩の形で含むものであること
    を特徴とするリチウム/二硫化鉄一次電池。
    (式I)
    Men+(CF3SO3n
    (式I中、Men+は遷移金属カチオンを示す。nは遷移金属カチオンの価数を示す。)
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