JP2898056B2 - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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JP2898056B2
JP2898056B2 JP2093716A JP9371690A JP2898056B2 JP 2898056 B2 JP2898056 B2 JP 2898056B2 JP 2093716 A JP2093716 A JP 2093716A JP 9371690 A JP9371690 A JP 9371690A JP 2898056 B2 JP2898056 B2 JP 2898056B2
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利一 獅々倉
佳彦 村越
博 小沼
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    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエネルギー密度が高く、自己放電率が小さ
く、サイクル寿命が長い性能が良好な二次電池に関す
る。
〔従来の技術〕 アルカリ金属の一つであるリチウム金属を負極に用い
た二次電池の考え方は古くからあり、例えば、文献M.Hu
ghes,et al.,Journal of Power Sources.,12,p.83〜144
(1984)にその総説が載っている。その中で、リチウム
金属はあまりにも活性なため、溶媒と反応し、絶縁被膜
を形成し、さらにデンドライト成長を起こし、二次電池
用負極への適用の難しさが示されている。
よってアルカリ金属を負極に用いた、性能良好な二次
電池は、いまだ開発されておらず現存の鉛蓄電池やニッ
ケルカドミウム蓄電池に匹敵するものまで実用化された
ものはない。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来技術の項で述べたように、アルカリ金属を負極に
用いた電池は、いまだ充分に実用化されたとは言えな
い。このアルカリ金属負極が実用化されにくい最大原因
は、アルカリ金属と電解液との反応及びそれに由来する
デンドライト成長による短絡現象にある。
上記問題点を解決する方法として、アルカリ金属負極
をアルカリ金属合金に代える方法、またアルカリ金属表
面をイオン伝導性被膜で覆って、アルカリ金属が直接、
反応性溶媒等と接触しないようにする方法等が考えられ
るが、必ずしも充分でない。本発明が解決しようとする
課題は、これらの問題点を解決し、実用性の高い二次電
池を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
アルカリ金属合金負極を用いる場合の問題点として、
充放電を繰り返すと合金粒子そのものが微細化し期待し
たサイクル寿命が得られないことが挙げられる。
そのため本発明者らは、特願昭63−169384号等でアル
カリ金属合金と炭素材と結着材を複合化した負極を用い
る非水二次電池を提案した。このうち、結着材は、合金
微細化による電極崩壊を防止するために加えられたもの
である。また、炭素材は比表面積や空孔度を増大させ、
高電流での充放電特性を改善するために加えられてい
る。この複合体二次電池は特願昭63−169384号にあるよ
うに、確かに高性能を示す電池である。しかし、炭素材
を導入しているので、合金単独よりも電極嵩密度が小さ
くなり、電極体積当たりの電気容量密度に限界を生じ
る。本発明者らは、特に高束電流を必要としない用途に
はアルカリ金属合金単独を使用しても問題ないのではな
いかと考え、実行したところあまりに高嵩密度な合金で
は、電極全体が作用せず、かえって電気容量が上がらな
かった。そのため、アルカリ金属合金を粉砕し、その微
粒子を結着材とともに成型することを試みた。
しかし、一般に用いられるポリエチレンやポリプロピ
レンを結着材にしたのでは、その使用量が5%以上必要
となり、そのため結着材が電極反応の抵抗となりスムー
ズな電池反応ができなかった。また、5%未満の上記結
着材を用いたのでは充放電にともなうアルカリ金属合金
の体積、膨脹、収縮により次第に電極が崩壊し、可逆性
は改善されなかった。
本発明者らは、複合体負極に適した結着材としてすで
に特願昭63−169384号等にオレフィン系共重合体ゴムを
推薦していたが、今回炭素材を除いて、アルカリ金属合
金粉のみを結着する結着材としても0.3〜5.0重量%のオ
レフィン系共重合体ゴムを用いれば、電池反応の抵抗に
もならず、しかも強度的に良好な負極が得られることが
わかり、本発明に至った。
すなわち、本発明は正極と負極と非水電解液からなる
二次電池において、負極がアルカリ金属合金に結着材と
してオレフィン系共重合体ゴムを0.3〜5.0重量%添加し
たものであることを特徴とする二次電池に関するもので
ある。
本発明でいうオレフィン系共重合体ゴムとは、例えば
エチレン−プロピレンゴム(EPR)、エチレン−ブテン
ゴム(EBR)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPD
M)等が挙げられるが、その中で比較的少量でかつ結着
効果の大きいEPDMが良い。ここで言うEPDMとは合成ゴム
の一種で、エチレンとプロピレンの共重合体であり、第
三成分として、二重結合を持つ不飽和化合物を導入した
ものである。
本発明のオレフィン系共重合体ゴムの添加量について
は、制限がある。すなわち、多量に添加しすぎると、負
極全体の電気容量を下げてしまうばかりか、電極全体の
電気抵抗を高くし、電池反応の分極を大きくし、性能低
下の原因となる。従って、添加する量としては、0.3〜
5重量%にしなくてはならない。その中で好ましくは0.
5〜3重量%である。
本発明に用いられるアルカリ金属合金としては、ナト
リウム合金とリチウム合金等が挙げられるが、ナトリウ
ム合金の中ではナトリウムと鉛または錫の合金、リチウ
ム合金の中ではリチウムとアルミニウムまたは鉛または
錫のいずれか一種以上の金属との合金が好ましい。
本発明の電池に用いる正極としては、特に制限はない
が、負極と適度の電位差を有し、可逆的に電荷を出し入
れできる電気容量密度が高いものが良い。例えば、無機
酸化物、カルコゲナイド、導電性高分子、炭素材料等を
挙げることができる。さらに具体例を挙げればナトリウ
ム・コバルト酸化物、ナトリウム・マンガン酸化物、リ
チウム・マンガン酸化物、酸化バナジウム、酸化クロ
ム、ポリアニリン、ポリピロール、黒鉛、活性炭等を挙
げることができる。
次に本発明の電池に用いることができる電解液につい
て説明する。電解液は、アルカリ金属塩電解質を有機溶
媒に溶解したものを用いるのが好ましく、水溶液系は用
いることはできない。
電解質の具体例としてはNaPF6やNaBF4、NaCF3SO3、Na
AsF6、NaSiF6、LiPF6、LiSbF6、KPF6、LiBF4、LiAsF6
を挙げることができるが、有機溶媒への溶解度が比較的
高く、電気化学的及び化学的に安定な電解質としてNaPF
6及びLiPF6を推薦することができる。
一方、有機溶媒としては、本発明の電池の負極の活性
を損わないものが良く、例えば、エーテル類、カーボネ
ート類、エステル類、スルホラン類、ラクトン類等が挙
げられ、これら非水溶媒の代表例としては、テトラヒド
ロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオ
キサン、1,2−ジメトキシエタン、ダイグライム、トリ
エチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレン
グリコールジメチルエーテル、4−メチル−2−ペンタ
ノン、1,2−ジクロロエタン、γ−ブチロラクトン、バ
レロラクトン、ジメトキシエタン、メチルフォルメー
ト、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、
ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチ
ルチオホルムアミド、リン酸エチル、リン酸メチル、ク
ロロベンゼン、スルホラン、3−メチルスルホラン等が
あげられる。これらの溶媒は二種以上混合して用いても
よい。
また、上記電解質や、溶媒を必ずしも用いる必要がな
いが、その他、電気伝導度を上げる目的や、電解液の安
定性向上や副反応防止用として他の添加剤を添加するこ
とは、本発明を実施するに当り、何ら障害となるもので
はない。
次に実施例をもって、本発明の二次電池について説明
する。但し、本発明は実施例に限定されるものではな
い。
〔実施例〕
実施例1 (負極の製造) アルゴン雰囲気下で、負極活物質として溶融法により
得たNaとPbの原子比が2.3:1.0の合金を粉砕し、150μm
以下の微粒子にした。
次いで、この合金に対して1重量%のEPDMをキシレン
に溶解した溶液を調製し、合金に加え乳鉢内で念入りに
混合した。
次いで、この混合物を減圧下で乾燥してキシレンを除
去し、高速回転ミキサーで再度粉砕した。この混合物の
所定量を採取し、ニッケル製エキスパンドメタルを集電
体として包含する形で40mm×230mmの長方形の電極をプ
レス法にて成型した。
(正極の製造) Na2CO3とCo3O4を酸素雰囲気下820℃、50時間加熱反応
させ、Na0.7CoO2なるナトリウム・コバルト酸化物を合
成した。このNa0.7CoO2とケッチェンブラックとテトラ
フルオロエチレン(重量比96:1:3)をキシレン中で混合
し、ステンレススチール製エキスパンドメタルを集電体
にして、負極と同様の方法で40mm×190mmの長方形の電
極を成型した。
(電池実験) 上記正極及び負極をアルゴン雰囲気のグローブボック
ス内で、セパレーターとして、ポリプロピレン製マイク
ロポーラスフィルム(ポリプラスチック社)をはさんで
捲回し、電解液に1モル/lになるようにNaPF6を1,2−ジ
メトキシエタンとテトラグライム(9:1)の混合溶媒に
溶かした溶液を用い、単3型電池を組み立てた。尚、電
池シールはレーザー溶接法を用いた。
この電池の組立直後の電圧は2.5Vであった。この電池
を室温で100mAの電流で放電し、電池電圧が1.7Vになっ
たところで放電を停止し、開回路にて30分間のレスト時
間をおいて、次いで50mAの電流で充電し、電池電圧が3.
3Vに達したところで充電を終了し、30分間のレスト後ま
た放電を行ない以降レスト時間を入れながら充放電を繰
り返した。
その結果、この電池の最大放電容量は770mAhで放電平
均電圧は2.8Vであった。
80回、充放電を繰り返したところ、充放電の電流効率
は100%で、放電容量は750mAhであり、高エネルギーで
サイクル性能の良好な二次電池であった。
比較例1 実施例1の負極の代わりに、Na2.5Pb合金粒子だけを
プレス成型した負極を用いた以外は、実施例1と同様の
方法で電池実験を行なった。
その結果、この電池の最大放電容量は、760mAhであっ
たが、40回の充放電後に、400mAhまで放電容量が低下し
た。
実施例2 実施例1と全く同様の電池を組み立て、室温で充放電
を5回繰り返した後、40℃、20日間の自己放電試験を行
なったところ、自己放電率は8.3%で、その後の充放電
では完全に元の容量に復帰した。
実施例3〜5、比較例2、3 実施例1で用いた負極の組成を、表1のごとくにかえ
た以外は実施例1と全く同様の方法で電池実験を行な
い、その結果、最大放電容量、80回の充放電後の電流効
率、放電容量は表1のごとくになった。
比較例4 実施例1の負極に用いたEPDMの代わりに、ポリエチレ
ンを同組成添加した負極を用いた以外は実施例1と全く
同様の方法で電池実験を行なった。
尚、ポリエチレンを添加した負極の作り方は以下の様
に行なった。
実施例1と同じナトリウム鉛合金とポリエチレンパウ
ダー(昭和電工(株)製)を高速回転ミキサーで重量比
が99:1となる様に混合した。
この混合物の所定量を採取し、ニッケル製エキスパン
ドメタルを集電体として包含する形で、40mm×230mmの
長方形の電極を加熱(約100℃)プレス法にて成型し
た。
電池実験の結果、この電池の最大放電容量は580mAhで
あったが、20回の充放電後に300mAhまで放電容量が低下
した。
実施例6 実施例1で用いた正極をV6O13(ジャーナル・オブ・
エレクトロケミカル・ソサエティー2053頁、1981年の方
法に従って合成)とケッチェンブラックとテトラフルオ
ロエチレンの混合物(重量比90:5:5)に、また、電解液
を1モル/lのNaBF4の1,2−ジメトキシエタン溶液にかえ
た以外は実施例1と全く同様の方法で電池実験を行なっ
た。尚、充電、放電のカット電圧はそれぞれ2.9V、1.8V
とした。
その結果、この電池の最大放電容量は600mAhで放電平
均電圧は2.4Vであった。
80回、充放電を繰り返したところ、充放電の電流効率
は100%で放電容量は580mAhであり、エネルギー的には
実施例1にやや劣るが、サイクル性能の良好な二次電池
であった。
実施例7 負極をLi3.5Pb合金(溶融法で製造後、150μm以下に
粉砕)とEPDMの混合体(重量比99:1)を、正極をLiOH・
MnO2酸化物(サンヨー・テクニカル・レビュー VOL20.
NO.3. 11月1988年、69頁の方法で製造)とケッチェンブ
ラックとテトラフルオロエチレンの混合物(重量比90:
5:5)に、また電解液を1モル/lのLiPF6の2−メチル−
テトラヒドロフラン溶液にして実施例1と同様の単3型
電池を組み立て、実施例1と全く同様の方法で電池実験
を行なった。
尚、充電、放電のカット電圧はそれぞれ3.4V、1.8Vと
した。その結果、この電池の最大放電容量は680mAhで放
電平均電圧は2.7Vであった。
80回、充放電を繰り返したところ、充放電の電流効率
は100%で放電容量は630mAhであった。
実施例8 負極をLi−Al合金(溶融法で製造後、150μm以下に
粉砕)とEPDMの混合体(重量比99:1)にかえた以外は、
実施例7と全く同様の方法で電池実験を行なった。
その結果、この電池の最大放電容量は670mAhで放電平
均電圧は2.6Vであった。
80回、充放電を繰り返したところ、充放電の電流効率
は100%で放電容量は625mAhであった。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明の二次電池はエネルギー密
度が高く、可逆性が良く、自己放電率も低い等、多くの
優れた性能を有するので、これを電源とする分野に寄与
することが極めて大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小沼 博 東京都大田区多摩川2―24―25 昭和電 工株式会社総合技術研究所内 (72)発明者 亀山 むつみ 東京都大田区多摩川2―24―25 昭和電 工株式会社総合技術研究所内 (72)発明者 新津 一郎 東京都大田区多摩川2―24―25 昭和電 工株式会社総合技術研究所内 (56)参考文献 特開 平2−30069(JP,A) 特開 平1−248469(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/62 H01M 4/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と負極と非水電解液からなる二次電池
    において、負極が微粒子状のリチウム合金に結着剤とし
    てオレフィン系共重合体ゴムを0.3〜5.0重量%添加した
    ものであって他の導電材料を含まないことを特徴とする
    二次電池。
  2. 【請求項2】リチウム合金が、リチウムとアルミニウム
    または鉛または錫のいずれか一種以上の金属との合金で
    ある特許請求項の範囲第1項記載の二次電池。
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