JP2928620B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、非水電解液二次電池に関し、特に非水電解
液を改良した非水電解液二次電池に係わるものである。
(従来の技術) 近年、負極活物質としてリチウム、ナトリウム、アル
ミニウム等の軽金属を用いた非水電解液電池は高エネル
ギー密度電池として注目されており、正極活物質に二酸
化マンガン(MnO2)、フッ化炭素[(CF)]、塩化チ
オニル(SOCl2)等を用いた一次電池は既に電卓、時計
の電源やメモリのバックアップ電池として多用されてい
る。更に、近年、VTR、通信機器等の各種の電子機器の
小形、軽量化に伴い、それらの電源として高エネルギー
密度の二次電池の要求が高まり、軽金属を負極活物質と
する非水電解液二次電池の研究が活発に行われている。
非水電解液二次電池は、負極にリチウム、ナトリウ
ム、アルミニウム等の軽金属を用い、電解液として炭酸
プロピレン(PC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、γ
−ブチロラクトン(γ−BL)、テトラヒドロフラン(TH
F)などの非溶媒中にLiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6
の電解質を溶融したものから構成され、正極活物質とし
ては主にTiS2、MoS2、V2O5、V6O13等のリチウムとの間
でトポケミカル反応する化合物が研究されている。
しかしながら、上述した二次電池は現在、未だ実用化
されていない。この主な理由は、充放電効率が低く、し
かも充放電回数(サイクル)寿命が短いためである。こ
の原因は、負極リチウムと電解液との反応によるリチウ
ムの劣化によるところが大きいと考えられている。即
ち、放電時にリチウムイオンとして電解液中に溶解した
リチウムは充電時に析出する際に溶媒と反応し、その表
面が一部不活性化される。このため、充放電を繰返して
いくと、デンドライト状(樹枝状)のリチウムが発生し
たり、小球場に析出したりリチウムが集電体より脱離す
るなどの現象が生じる。
このようなことから、非水電解液二次電池に組込まれ
る負極としてリチウムを吸蔵・放出する炭素質物を用い
ることによって、リチウムと非水電解液との反応やデン
ドライト析出による負極劣化を改善することが提案され
ている。しかしながら、かかる電池ではリチウムの吸蔵
・放出量を十分に高められないことや、充放電サイクル
初期において充放電効率が80%以下と低く、リチウムが
完全に充放電反応に利用されず、電池容量の減少を招く
問題があった。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされ
たもので、充電サイクル初期から高容量で、サイクル寿
命の長い非水電解液二次電池を提供しようとするもので
ある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、容器内にリチウムを吸蔵・放出する炭素質
物を有する負極及びリチウム金属複合酸化物からなる正
極を収納すると共に非水電解液を収容した非水電解液二
次電池において、 前記炭素質物のリチウム吸蔵量の20〜150%のリチウ
ム金属を前記炭素質物に電気的に接触させて前記容器内
に収納したことを特徴とする非水電解液二次電池であ
る。
前記負極としては、集電体に前記炭素質物を形成した
ものが用いられる。前記炭素物としては、例えば黒鉛、
擬黒鉛構造を有する炭素繊維、活性炭、コークス、樹脂
焼成体等を挙げることができる。これら炭素質物は、黒
鉛構造と非晶質構造からなる。
前記負極とリチウム金属とを電気的に接触させる状態
としては、例えば該負極の終電体や前記炭素質物にリチ
ウムを着設する形態、負極端子を兼ねる容器内面に前記
リチウム金属を着設する形態を挙げることができる。特
に、負極の集電体にリチウム金属を着設する形態が望ま
しい。
前記リチウム金属の量を限定したのは、次のような理
由によるものである。前記リチウム金属の量を前記炭素
質物のリチウム吸蔵量の20%未満にすると充放電サイク
ル初期におけるリチウムの吸蔵放出の低効率化に伴うリ
チウムの損失分を補うことができなくなる。一方、前記
リチウム金属の量が前記炭素質物のリチウム吸蔵量の15
0%を越えると容器内に占めるリチウム金属の量が多く
なり、相対的に負極の炭素質物の充填量が少なくなるた
め、電池容量の低下とサイクル寿命の低下を招く。
前記正極を構成するリチウム金属複合酸化物として
は、例えばリチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバ
ルト酸化物、リチウムを含む非晶質五酸化バナジウム、
二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化モリブデン
等を挙げることができる。
前記非水電解液としては、例えばエチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネー、ブチレンカーボネート、γ
−ブチロラクトン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシ
エタン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジメト
キシプロパンから選ばれる少なくと1種以上からなる非
水溶媒にLiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6などの電解質を
溶解したもの等を挙げることができる。
本発明に係わる別の非水電解液二次電池は、容器と、 前記容器内に収納され、帯状の集電体にリチウムを吸
蔵・放出する炭素質物を有する層を形成した負極、帯状
セパレータおよび帯状の集電体にリチウム金属複合酸化
物を含む層を形成した正極をこの順序で積層した積層物
を渦巻状に巻回した電極群と、 前記容器内に収容された非水電解液と を具備し、 前記負極は、前記帯状の集電体に前記炭素質物を有す
る層が炭素質物含有層の未形成部を一部残すように形成
され、かつ前記集電体の炭素質物含有層の未形成部にリ
チウム金属を着設した構造を有することを特徴とするも
のである。
前記リチウム金属は、前記集電体の炭素質物含有層の
未形成部の前記炭素質物のリチウム吸蔵量の150%以下
になる量で着設することが好ましい。
(作用) 本発明によれば、リチウムを吸蔵・放出する炭素質物
を有する負極及びリチウムを含有するカルコゲン化合物
からなる正極を用い、前記炭素質物リチウム吸蔵量の20
〜150%のリチウム金属を前記炭素質物に電気的に接触
させて容器内に収納することによって、充放電サイクル
初期から安定して高容量化を図ることができ、サイクル
寿命の長い非水電解液二次電池を得ることができる。
即ち、前記負極の炭素質物にリチウムを最初に吸蔵
(充電)させた後、放電操作を行うと、非水電解液の溶
媒の分解反応などの副反応や吸蔵されたリチウムが完全
に放出せずに残留するために、吸蔵・放出の効率(充放
電効率)は80%程度以下となる。その結果、充放電反応
の利用できるリチウム量が減少して容量が低下する。但
し、充放電サイクルの繰り返しにより、負極の充放電効
率は100%近くまで高まる。
このようなことから、炭素質物のリチウム吸蔵量の20
〜150%のリチウム金属を前記炭素質物に電気的に接触
させて容器内に収納することによって、充放電サイクル
初期に損失するリチウム量を補給できるため、充電サイ
クル初期から安定して高容量化を図ることができ、サイ
クル寿命も向上できる。しかも、前記容器内に収納する
リチウム金属量の上限値を炭素質物のリチウム吸蔵量の
150%とすることによって、負極の炭素質物の容器内へ
の充填量の低下を抑制できるため、リチウム金属を容器
内に収納することに伴なう電池容量の低下を回避でき
る。
(実施例) 以下、本発明を円筒形非水電解液二次電池に適用した
例について第1図を参照して詳細に説明する。
実施例1 図中の1は、底部に絶縁体2が配置された有底円筒状
のステンレス容器である。この容器1内には、電極群3
が収納されている。この電極群3は、正極4、セパレー
タ5及び負極6をこの順序で積層した帯状物を該負極6
が外側に位置するように渦巻き状に巻回した構造になっ
ている。
前記正極4は、リチウムコバルト酸化物(LIxCoO2
粉末80重量%をアセチレンブラック15重量%及びポリテ
トラフルオロエチレン粉末5重量%と共に混合し、シー
ト化し、エキスパンドメタル集電体に圧着した形状にな
っている。前記セパレータ5は、ポリプロピレン性多孔
質フィルムから形成されている。前記負極6は、フェノ
ール樹脂粉末を窒素ガス中において1700℃で2時間焼成
して得られた炭素質物分粉末98重量%をエチレンプロピ
レン共重合体2重量%に混合し、これを集電体としての
ステンレス箔に10mg/cm2の量で塗布した帯状の電極であ
る。この負極は、リチウム吸蔵容量が400mAhである。ま
た、前記負極のステンレス箔の未塗布部分には240mAh
(該負極のリチウム吸蔵容量の60%に相当)のリチウム
金属箔が着設されている。
前記容器1内には、六フッ化リン酸リチウム(LiP
F6)をエチレンカーボネートとプロピレンカーボネート
と1,2−ジメトキシエタンの混合溶媒(混合体積比率3:
3:2)に1.0モル/l溶解した組成の電解液が収容されてい
る。前記電極群3上には、中央部が開口された絶縁紙7
が載置されている。更に、前記容器1の上部開口部に
は、絶縁封口板8が該容器1へのかしめ加工等に液密に
設けられており、かつ該絶縁封口板8の中央には正極端
子9が嵌合されている。この正極端子9は、前記電極群
3の正極4に正極リード10を介して接続されている。な
お、電極群3の負極6は図示しない負極リードを介して
負極端子である前記容器1に接続されている。
実施例2 負極のステンレス箔の未塗布部分に80mAh(該負極の
リチウム吸蔵容量の20%に相当)のリチウム金属箔を着
設した以外、実施例1と同構成の非水電解液二次電池を
組み立てた。
実施例3 負極のステンレス箔の未塗布部分に600mAh(該負極の
リチウム吸蔵容量の150%に相当)のリチウム金属箔を
着設した以外、実施例1と同構成の非水電解液二次電池
を組み立てた。
比較例1 負極のステンレス箔の未塗布部分にリチウム金属箔を
着設しない以外、実施例1と同構成の非水電解液二次電
池を組み立てた。
比較例2 負極のステンレス箔の未塗布部分に、900mAh(該負極
のリチウム吸蔵容量の225%に相当)のリチウム金属箔
を着設した以外、実施例1と同構成の非水電解液二次電
池を組み立てた。
しかして、本実施例1〜3及び比較例1、2の非水電
解液二次電池について充電電流50mAで4.2Vまで充電し、
50mAの電流で放電する充放電を繰り返し行い、各電池の
放電容量とサイクル寿命を測定した。その結果を第2図
に示す。
第2図から明らかなように本実施例1〜3の非水電解
液二次電池では、比較例1、2の電池に比べて充放電の
サイクル初期の充放電容量が増大し、かつ充放電のサイ
クル進行に伴う容量減少も少ないことがわかる。特に、
実施例1の電池は充放電サイクル初期から高容量で、し
かも容量の低下もなく安定した充放電サイクル特性を示
すことがわかる。
[発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば充放電サイクルル
初期から高容量で充放電サイクル寿命の長い非水電解液
二次電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例1における円筒型非水電解液二
次電池を示す断面図、第2図は本実施例1〜3及び比較
例1、2の非水電解液二次電池の放電容量と充放電サイ
クル数との関係を示す特性図である。 1……ステンレス容器、3……電極群、4……正極、5
……セパレータ、6……負極、8……封口板、9……正
極端子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能勢 博義 東京都品川区南品川3丁目4番10号 東 芝電池株式会社内 (72)発明者 稲田 圀昭 東京都品川区南品川3丁目4番10号 東 芝電池株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 10/36 - 10/40 H01M 4/00 - 4/36 H01M 4/58

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】容器内にリチウムを吸蔵・放出する炭素質
    物を有する負極およびリチウム金属複合酸化物を有する
    正極を収納すると共に非水電解液を収容した非水電解液
    二次電池において、 前記炭素質物は、前記炭素質物のリチウム吸蔵量の20〜
    150%のリチウム金属を前記炭素質物に電気的に接触さ
    せて前記容器内に収納したことを特徴とする非水電解液
    二次電池。
  2. 【請求項2】容器と、 前記容器内に収納され、帯状の集電体にリチウムを吸蔵
    ・放出する炭素質物を有する層を形成した負極、帯状セ
    パレータおよび帯状の集電体にリチウム金属複合酸化物
    を含む層を形成した正極をこの順序で積層した積層物を
    渦巻状に巻回した電極群と、 前記容器内に収容された非水電解液と を具備し、 前記負極は、前記帯状の集電体に前記炭素質物を有する
    層が炭素質物含有層の未形成部を一部残すように形成さ
    れ、かつ前記集電体の炭素質物含有層の未形成部にリチ
    ウム金属を着設した構造を有することを特徴とする非水
    電解液二次電池。
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