JP2597091B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はリチウム二次電池に係わり、さらに詳しく
はそ電解液の改良に関する。
〔従来の技術〕
従来、リチウム二次電池では、負極に金属リチウムを
単独で用いていたが、充放電サイクルの繰り返しによ
り、負極が劣化するという問題があった。これは充電時
にリチウムがデンドライト状(樹枝状)に析出し、この
デンドライト状に析出した電着リチウムが非常に活性で
電解液の成分と反応して負極のリチウム表面に不動態膜
を形成したり、あるいは上記デンドライト状リチウムが
充放電の繰り返しにより成長して、その根元から折れて
脱落し、充放電反応に利用できなくなるからである。ま
た充放電の繰り返しによって成長したデンドライト状リ
チウムが正極と負極とを隔離するセパレータを貫通し、
正極と接触して内部短絡を引き起こし、電池としての機
能を喪失させるという問題も発生した。
そのため、リチウム−アルミニウム合金を負極に用い
ることによって、負極の劣化を防止し、充放電サイクル
特性を向上させることが提案されている(例えば、米国
特許第4,002,492号明細書)。
上記のような負極にリチウム−アルミニウム合金を用
いる提案は、充電時に、リチウムとアルミニウムとの電
気化学的合金化反応を利用して、リチウムをアルミニウ
ム中に拡散させ、電着リチウムの電解液との反応やデン
ドライト成長を抑制して充放電サイクル特性を向上させ
ようとするものであるが、充電時におけるリチウムとア
ルミニウムとの電気化学的合金化反応が充分に速いとは
いえず、それのみによっては必ずしも満足し得るほどの
充放電サイクル特性の向上は得られなかった。
また、上記のように、リチウムとアルミニウムとを合
金化する場合は、リチウムにアルミニウムが合金化する
ぶん電圧面や電気容量面での低下が生じるという問題が
あり、そのため、そのような電圧面や電気容量面での低
下を招くことなく、充放電サイクル特性を向上させ得る
手段の出現が望まれている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この発明は、従来のリチウム二次電池が充電時の電着
リチウムと電解液との反応により充放電サイクル特性が
低下したり、あるいは電着リチウムのデンドライト成長
により内部短絡を発生していたという問題点を解決し、
充放電サイクル特性の優れたリチウム二次電池を提供す
ることを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、1,3−プロパンスルトンを全電解液溶媒と
してまたは全電解液溶媒中の9重量%以上用いることに
より、充放電サイクル特性を向上させたものである。
上記のように1,3−プロパンスルトンを全電解液溶媒
としてまたは全電解液溶媒中の9重量%以上用いたとき
に、1,3−プロパンスルトンが充放電サイクル特性を向
上させるのは、次のような理由によるものと考えられ
る。
すなわち、1,3−プロパンスルトンは、下記に示すよ
うな環境構造をしており、 この1,3−プロパンスルトンが充電時の負極表面に析出
する活性な電着リチウムと反応して開環し、リチウム表
面にイオン伝導性の保護被膜を形成することによるもの
と考えられる。
本発明において、電解液は上記1,3−プロパンスルト
ンに例えばLiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、Li
B(C6H5などの電解質を1種または2種以上溶解す
ることによって調製するか、あるいは1,3−プロパンス
ルトンと例えば1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキ
シエタン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネ
ート、γ−ブチロラクトン、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、ス
ルホランなどの有機溶媒の1種または2種以上とを混合
した混合溶媒に前記LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、L
iBF4、LiB(C6H5などの電解液の1種または2種以
上溶解することによって調製される。電解質の溶解量は
従来の電解液の場合と同様であり、一般に0.1〜3.0mol/
程度にされる。また、電解液中におけるLiPF6などの
電解質を安定化させるために、例えばヘキサメチルホス
ホリックトリアミドなどの安定化剤を電解液に添加して
もよい。
本発明において、1,3−プロパンスルトンを電解液溶
媒の一部として用いる場合、つまり1,3−プロパンスル
トンを他の有機溶媒と併用して電解液を調製する場合、
1,3−プロパンスルトンが全電解液溶媒中の9重量%以
上になるようにする。これは1,3−プロパンスルトンの
量が9重量%より少なくなると、前述した充放電サイク
ル特性を向上させる効果が充分に発揮できなくなるから
である。
本発明において、負極にはリチウムまたはリチウム合
金が用いられる。リチウム合金としては、例えばリチウ
ム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、
リチウム−ガリウム合金、リチウム−インジウム合金、
リチウム−ガリウム−インジウム合金、リチウム−ビス
マス合金、さらにそれらのリチウム合金にさらに他の金
属を少量添加したリチウム合金が用いられる。本発明に
おいては、負極にリチウム合金を用いた場合でも、リチ
ウムを合金化することによる効果に加え、1,3−プロパ
ンスルトンを全電解液溶媒としてまたは全電解液溶媒中
の9重量%以上用いる効果が加わって充放電サイクル特
性が向上するが、本発明ではリチウムを単体で負極に用
いた場合にでも充放電サイクル特性の向上を達成でき、
この場合においては、リチウム合金を用いる場合のよう
な電圧面や電気容量面での低下が生じないので、本発明
の効果が最も実用性に富む形で発揮される。つまり、本
発明はリチウムを単体で負極に用いた場合においても充
放電サイクル特性を向上できることに特に大きな意義が
ある。
そして、正極活物質としては、例えば二硫化チタン
(TiS2)、二硫化モリブデン(MoS2)、三硫化モリブデ
ン(MoS3)、二硫化鉄(FeS2)、硫化ジルコニウム(Zr
S2)、二硫化ニオブ(NbS2)、三硫化リンニッケル(Ni
PS3)、バナジウムセレナイド(VSe2)などの遷移金属
のカルコゲン化合物が用いられる。特に二硫化チタンは
結晶構造が層状で、その内部でのリチウムイオンの拡散
定数が大きく、正極側における充放電反動がスムーズに
進行し、リチウムの可逆性が良好になることから好適に
用いられる。
〔実施例〕
つぎに実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明す
る。
実施例1 スルホラン10gにLiB(C6H5・3DME〔LiB(C6H54
1モルに対してDME(1,2−ジメトキシエタン)を3モル
付加したもの〕5gを溶解し、その中に1,3−プロパンス
ルトンを1.5g添加して電解液を調製した。この電解液に
おける電解液溶媒中の1,3−プロパンスルトンの量は9
重量%である。
正極には二硫化チタン粉末100重量部とポリテトラフ
ルオルエチレン粉末5重量部との混合物を厚さ0.2mmの
シート状に形成し、直径11.2mmの円形状に打ち抜いた円
板状成形合剤(理論電気量9mAh)を用い、負極には厚さ
0.1mmで、直径11.2mmの円形状のリチウムシート(理論
電気量20.7mAh)を用い、セパレータには微孔性ポリプ
ロピレンフイルムとポリプロピレン不織布を積重したも
のを用いて第1図に示す構造のリチウム二次電池を作製
した。
第1図において、1はリチウムよりなる負極であり、
2は前記二硫化チタンを活物質として用いた正極であ
る。3は微孔性ポリプロピレンフイルムとポリプロピレ
ン不織布とからなるセパレータで、微孔性ポリプロピレ
ンフイルムが負極1側に配置され、前述の電解液は、主
としてこのセパレータ3と正極2内に含浸して保持され
ている。4は正極缶で、厚さ0.15mmのステンレス鋼板で
形成されており、5は負極缶で、厚さ0.10mmのステンレ
ス鋼板で形成されている。そして、6はポリプロピレン
製のガスケットであり、正極缶4の開口端部の内方への
締め付けにより負極缶5の周縁部に圧接して、電池内部
を密閉構造にしており、この電池の全体の厚さは約1.0m
mである。
実施例2 1,3−プロパンスルトン10gにLiB(C6H5・3DME5g
を溶解して電解液を調製した。
この電解液を用いたほかは実施例1と同様の構成から
なるリチウム二次電池を作製した。
比較例1 1,3−プロパンスルトンを添加することをしなかった
ほかは、実施例1と同様の構成のリチウム二次電池を作
製した。
上記実施例1〜2の電池および比較例1の電池を放電
電流、充電電流とも100μAで、放電終止電圧1.5V、充
電終止電圧2.7Vで充放電し、充放電サイクル数の増加に
伴う放電容量の変化を調べ、その結果を第2図に示し
た。
また、上記実施例1〜2の電池および比較例1の電池
を45℃に保った雰囲気中で貯蔵し、貯蔵に伴う内部抵抗
増加を調べ、その結果を第3図に示した。
第2図に示すように、1,3−プロパンスルトンを全電
解液溶媒中の9重量%用いた実施例1の電池や1,3−プ
ロパンスルトンを電解液溶媒のほぼ全体として用いた実
施例2の電池は、1,3−プロパンスルトンを用いること
なく、スルホランと1,2−ジメトキシエタン〔LiB(C
6H5に付加した1,2−ジメトキシエタン〕とを電解液
溶媒として用いた比較例1の電池に比べて、充放電サイ
クルの開始時を除き、各サイクル当たりの放電容量が大
きく、1,3−プロパンスルトンを用いた効果が明らかに
された。
また、第3図に示すように1,3−プロパンスルトンを
用いた実施例1〜2の電池は、1,3−プロパンスルトン
を用いていない比較例1の電池に比べて、内部抵抗増加
が少なかった。これは1,3−プロパンスルトンの使用に
より、リチウム表面にイオン伝導性の有用な保護膜が生
成し、電着リチウムと電解液との反応による不動態膜の
生成が防止されたためであると考えられる。そして、そ
の結果、第2図に示すように大幅な充放電サイクル特性
の向上が達成されたものと考えられる。
実施例3 4−メチル−1,3−ジオキソランと1,2−ジメトキシエ
タンとヘキサメチルホスホリックトリアミド容量比60:3
5:5の混合溶媒にLiPF6を1.0mol/溶解し、このもの10g
に1,3−プロパンスルトン2gを溶解して電解液を調製し
た。この電解液における電解液溶媒中の1,3−プロパン
スルトンの量は約17重量%である。
上記電解液を用いたほかは実施例1と同様の構成から
なるリチウム二次電池を作製した。
比較例2 1,3−プロパンスルトンを添加することをしなかった
ほかは、実施例3と同様の構成からなるリチウム二次電
池を作製した。
上記実施例3の電池および比較例2の電池について、
前記実施例1の電池と同様の条件下で充放電を繰り返
し、充放電サイクル数の増加に伴う放電容量の変化を調
べ、その結果を第4図に示した。
また、上記実施例3の電池および比較例2の電池につ
いて前記実施例1の電池と同様に内部抵抗増加を調べ、
その結果を第5図に示した。
第4図に示すように、1,3−プロパンスルトンを用い
た実施例3の電池は、1,3−プロパンスルトンを用いて
いない比較例2の電池に比べて、各サイクル当たりの放
電容量が大きく、1,3−プロパンスルトンを用いた効果
が明らかにされた。また、第5図に示すように、1,3−
プロパンスルトンを用いた実施例3の電池は、1,3−プ
ロパンスルトンを用いていない比較例2の電池に比べ
て、内部抵抗増加が少なかった。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明では、1,3−プロパンス
ルトンを全電解液溶媒としてまたは全電解液溶媒中の9
重量%以上用いることにより、リチウム二次電池の充放
電サイクル特性を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るリチウム二次電池の一例を示す断
面図である。第2図は実施例1〜2の電池と比較例1の
電池の充放電サイクル数の増加に伴う放電容量の変化を
示す図で、第3図は実施例1〜2の電池と比較例1の電
池の貯蔵に伴う内部抵抗増加量の変化を示す図である。
第4図は実施例3の電池と比較例2の電池の充放電サイ
クル数の増加に伴う放電容量の変化を示す図であり、第
5図は実施例3の電池と比較例2の電池の貯蔵に伴う内
部抵抗増加量の変化を示す図である。 1……負極、2……正極、3……セパレータ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムまたはリチウム合金を用いた負
    極、リチウムイオン伝導性有機電解液および遷移金属化
    合物を正極活物質として用いた正極を備えてなるリチウ
    ム二次電池において、1,3−プロパンスルトンを全電解
    液溶媒としてまたは全電解液溶媒中の9重量%以上用い
    たことを特徴とするリチウム二次電池。
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