JP2884746B2 - 非水電解液２次電池 - Google Patents

非水電解液２次電池

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、非水電解液２次電池、詳しくは小形、軽量
の新規な２次電池に関する。
従来の技術 近年、民生用電子機器のポータブル化、コードレス化
が急速に進んでいる。これにつれて駆動用電源を担う小
形、軽量で、かつ高エネルギー密度を有する２次電池へ
の要望も高まっている。このような観点から、非水系２
次電池、特にリチウム２次電池は、とりわけ高電圧、高
エネルギー密度を有する電池としてその期待は大きく、
開発が急がれている。
従来、リチウム２次電池の正極活物質には、二酸化マ
ンガン、五酸化バナジウム、二硫化チタンなどが用いら
れていた。これらの正極と、リチウム負極および有機電
解液とで電池を構成し、充放電を繰り返していた。とこ
ろが、一般に負極にリチウム金属を用いた２次電池では
充電時に生成するデンドライト状リチウムによる内部短
絡や活物質と電解液の副反応といった課題が２次電池化
への大きな障害となっている。更には、高率充放電特性
や過放電特性においても満足するものが見い出されてい
ない。また昨今、リチウム電池の安全性が厳しく指摘さ
れており、負極にリチウム金属あるいはリチウム合金を
用いた電池系においては安全性の確保が非常に困難な状
態にある。
一方、層状化合物のインターカレーション反応を利用
した新しいタイプの電極活物質が注目を集めており、古
くから黒鉛層間化合物が２次電池の電極材料として用い
られている。
特に、ClO4 -、PF6 -、BF4 -イオン等のアニオンを取り
こんだ黒鉛層間化合物は正極として用いられ、一方、Li
+、Na+等のカチオンを取りこんだ黒鉛層間化合物は負極
として考えられている。しかしカチオンを取りこんだ黒
鉛層間化合物は極めて不安定であり、天然黒鉛や人造黒
鉛を負極として用いた場合、通常は電池としての安定性
に欠けると共に容量も低い。更には電解液の分解を伴う
ために、リチウム負極の代替となり得るものではなかっ
た。
最近になって、各種炭化水素あるいは高分子材料を炭
素化して得られた疑黒鉛材料のカチオンドープ体が負極
として有効であり、利用率が比較的高く電池としての安
定性に優れることが見いだされた。そしてこれを用いた
小形、軽量の２次電池について盛んに研究が行われてい
る。
一方、炭素材料を負極に用いることに伴い、正極活物
質としては、より高電圧を有し、かつLiを含む化合物で
あるLiCoO2やLiMn2O4、あるいはこれらのCoおよびMnの
一部を他元素、例えばFe、Co、Ni、Mnなどで置換した複
合酸化物を用いることが提案されている。
発明が解決しようとする課題 前述のようなある程度の乱層構造を有した疑黒鉛材料
を負極材に用いた場合、リチウムの吸蔵および放出量を
求めたところ、100〜150mAh/g carbonの容量しか得られ
ず、また充放電に伴う炭素極の分極が大きくなる。
従って、例えばLiCoO2などの正極と組み合わせた場
合、満足のいく容量、電圧を得ることは困難である。一
方、高結晶性の黒鉛材料を負極材に用いた場合、充電時
に黒鉛電極表面で電解液の分解によるガス発生が起こ
り、リチウムのインターカレーション反応は進みにくい
ことが報告されている。しかしコークスの高温焼成体な
どは、ガス発生は伴うものの比較的高容量（200〜250mA
h/g）を与えることが見いだされている。しかしながら
充放電に伴い黒鉛のＣ軸方向の膨張および収縮が大きい
ために成形体が膨潤し、元の形状を維持できなくなる。
従って、サイクル特性に大きな問題があった。本発明
は、上記のような従来の問題を解消し、高電圧、高容量
を有し、サイクル特性に優れた非水電解液２次電池を提
供することを目的としている。
課題を解決するための手段 これらの課題を解決するため本発明は、負極に球状コ
ークスやメソカーボンマイクロビーズなど球状粒子から
なる黒鉛材料を選択し、正極にリチウム含有複合酸化物
を用いることによって、4V近い高電圧と高容量を有し、
サイクル特性を向上させたものである。
一般に、化学的に黒鉛層間にインターカレートされ得
るリチウムの量は、炭素６原子に対しリチウム１原子が
挿入された第１ステージの黒鉛層間化合物C6Liが上限で
あると報告されており、その場合活物質は372mAh/gの容
量を持つことになる。上述のような疑黒鉛材料を用いた
場合、黒鉛の層状構造が未発達であるためにインターカ
レートされ得るリチウム量は少なく、また充放電反応は
金属リチウムに対して貴な電位（1.0V付近）で進行する
ために負極材料として適するものではなかった。
そこで本発明者らはより結晶化の進んだ黒鉛材料を負
極材として選択し、その形状を検討することにより上述
の問題点を解決した。その結果、負極黒鉛材には球状粒
子からなる黒鉛材料が好ましく、フリュードコークス、
ギルソナイトコークスなどの球状コークスあるいはピッ
チの炭素化過程で生じるメソフェーズ小球体を原料とし
たメソカーボンマイクロビーズが使用できることがわか
った。これらはいずれもその黒鉛化度が重要な因子であ
り、002面の面間隔（d002）が、3.42Å以下がよく、更
に好ましくは3.40Å以下である。おおむね3,43Å以上の
疑黒鉛質の状態では他の疑黒鉛材料の場合と同様に容量
が少なく、炭素極の分極が大きくなる。
一方、正極にはリチウムイオンを含む化合物であるLi
CoO2やLiMn2O4更には両者のCoあるいはMnの一部を他の
元素、例えばCo,Mn,Fe,Ni,などで置換した複合酸化物が
使用できる。上記複合酸化物は、例えばリチウムやコバ
ルトの炭酸塩あるいは酸化物を原料として、目的組成に
応じて混合、焼成することによって容易に得ることがで
きる。勿論他の原料を用いた場合においても同様に合成
できる。通常焼成温度は650℃〜1200℃の間で設定され
る。
電解液、セパレータについては特に限定されるもので
はなく従来より公知のものが何れも使用できる。
作用 本発明による球状粒子からなる炭素材はいずれも高温
で熱処理を施すことにより容易に黒鉛化するが元の球形
の形状は維持しており、若干のクラックがみられる程度
である。この球状であることが、黒鉛のＣ軸方向の膨張
および収縮に対して柔軟であり、初期に若干のガス発生
は生じるものの可逆的にリチウムのインターカレーショ
ンおよびデインターカレーションを行うことができる。
またこれらの反応は金属リチウムに対して0.05〜0.20V
と非常に卑な電位で進行するために、高容量、高電圧を
有し、サイクル特性に優れた２次電池を得ることが可能
となる。
実施例 以下、実施例により本発明を詳しく述べる。
第１図に本実施例で用いた円筒形電池の縦断面図を示
す。図において１は耐有機電解液性ステンレス鋼板を加
工した電池ケース、２は安全弁を設けた封口板、３は絶
縁パッキングを示す。４は極板群であり、正極および負
極がセパレータを介して複数回巻回されて収納されてい
る。そして上記正極からは正極リード５が引出されて封
口板２に接続され、負極からは負極リード６が引出され
て電池ケース底部１に接続されている。７は絶縁リング
で極板群の上下部にそれぞれ設けられている。以下正、
負極板、電解液等について詳しく説明する。
正極はLi2CO3とCoCO3とを混合し、900℃で10時間焼成
し合成したLiCoO2の粉末100重量部に、アセチレンブラ
ック３重量部、グラファイト４重量部、フッ素樹脂系結
着剤７重量部を混合し、カルボキシメチルセルロース水
溶液に懸濁させてペースト状にした。このペーストを厚
さ0.03mmのアルミ箔の両面に塗着し、乾燥後圧延して厚
さ0.19mm、幅40mm、長さ250mmの極板とした。合剤重量
は5gであった。
負極は2800℃の熱処理を施したフリュードコークス
（d002＝3.38Å）100重量部に、フッ素樹脂系結着剤10
重量部を混合し、カルボキシメチルセルロース水溶液に
懸濁させてペースト状にした。そしてこのペーストを厚
さ0.02mmの銅箔の両面に塗着し、乾燥後厚延して厚さ0.
02mm、幅40mm、長さ260mmの極板とした。合剤重量は2.5
gであった。
そして正、負極板それぞれにリードを取りつけ、厚さ
0.025mm、幅46mm、長さ700mmのポリプロピレン製のセパ
レータを介して巻回し、直径13.8mm、高さ50mmの電池ケ
ース内に収納した。電解液には炭酸プロピレンと炭酸エ
チレンの等容積混合溶媒に、過塩素酸リチウムを１モル
/lの割合で溶解したものを用いた。
そしてこの電池を封口する前に充放電操作を行い、発
生したガスを真空下で充分に脱気した後封口し、実施例
の電池とした。
比較例１ 負極に1200℃で熱処理を施したフリュードコークス
（d002＝3.55Å）を用いた以外は全く実施例の電池と同
一条件で構成を行い、比較例１の電池とした。
比較例２ 負極に2800℃で熱処理を施したニードルコークス（d0
02＝3.37Å）を用いた以外は全く実施例の電池と同一条
件で構成を行い、比較例２の電池とした。
比較例３ 負極にリン状の天然黒鉛（d002＝3.36Å）を用いた以
外は全く実施例の電池と同一条件で構成を行い、比較例
３の電池とした。
上述の実施例の電池および比較例の電池を充放電電流
100mA、充電終止電圧4.1V、放電終止電圧3.0Vの条件下
で定電流充放電試験を行った。その10サイクル目の充放
電曲線の比較を第２図に、サイクル特性の比較を第３図
に示した。なお比較例３の電池は封口する前に充放電を
行ったにもかかわらず、その後の充電時に内圧の上昇に
伴って安全弁が作動し、電解液の漏液に至った。このた
め以後の使用は不可能となり試験を中断した。
第２図より明らかなように、黒鉛化の発達した負極材
を用いた実施例の電池および比較例２の電池は450〜500
mAhの容量を有し、放電時の平均電圧が3.7Vと高い。一
方、黒鉛化していない負極材を用いた比較例１の電池で
は容量が350mAhと少なく、充放電曲線の傾斜が大きく平
均放電電圧も3.5Vと低くなってしまう。また第３図から
明らかなように、実施例の電池ではサイクル平坦性が良
好であり、500サイクル以上の充放電が可能である。一
方、ニードルコークスを用いた比較例２の電池は、サイ
クルに伴う劣化が著しく、50サイクルで初期容量の半分
以下になってしまった。この電池を100サイクル終了時
に分解し、負極板を観察した結果、合剤の膨潤、はがれ
が目立った。一方、フリュードコークスを用いた実施例
の電池を500サイクル終了時に分解したところ、負極板
には目立った変化は認められなかった。第４図に本実施
例で用いたフリュードコークスの走査型電子顕微鏡写真
を示す。なおギルソナイトコークス、メソカーボンヌイ
クロビーズもこれに準じた球状の粒子から構成されてい
る。
本実施例ではフリュードコークスを負極材に用いた
が、ギルソナイトコークス、メソカーボンマイクロビー
ズを用いた場合でも、更にはこれらの混合物を用いた場
合も同様の効果が得られた。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、負極に易黒鉛性の球
状粒子からなる黒鉛質材料を用い、リチウム含有複合酸
化物からなる正極と組み合わせる本発明による非水電解
液２次電池は、高電圧、高容量を有し、サイクル特性に
優れた非水電解液２次電池を提供することができるとい
う効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例における円筒形電池の縦断面
図、第２図は10サイクル目の充放電曲線の比較を示す
図、第３図はサイクル特性の比較を示す図、第４図は球
状粒子からなる黒鉛材の粒子構造を示す走査型電子顕微
鏡写真である。 １……電池ケース、２……封口板、３……絶縁パッキン
グ、４……極板群、５……正極リード、６……負極リー
ド、７……絶縁リング、８……電池ケース、９……リチ
ウム金属、10……電解液。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 4/00 - 4/04 H01M 4/36 - 4/62 H01M 10/36 - 10/40

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】リチウム含有複合酸化物からなる正極と、
    非水電解液と、再充電可能な負極とを備えた非水電解液
    ２次電池において； 前記負極は易黒鉛化性の球状粒子からなる黒鉛質材料で
    あることを特徴とする非水電解液２次電池。
  2. 【請求項２】上記黒鉛質材料は、フリュードコークス、
    ギルソナイトコークスなどの球状コークス、あるいはピ
    ッチの炭素化過程で生じるメソフェーズ小球体を原料と
    したメソカーボンマイクロビーズから選ばれる少なくと
    も１つであり、これらに熱処理を施すことによって黒鉛
    化したものである特許請求の範囲第１項記載の非水電解
    液２次電池。
  3. 【請求項３】上記黒鉛質材料は、Ｘ線広角回折法による
    002面の面間隔（d002）が、3.42Å以下である特許請求
    の範囲第１項または第２項記載の非水電解液２次電池。
  4. 【請求項４】上記正極は、LiCoO2、LiMn2O4、あるいは
    これらのCoおよびMnの一部を他元素で置換した複合酸化
    物の中から選ばれる少なくとも１つである特許請求の範
    囲第１項記載の非水電解液２次電池。
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