JP3054435B2 - 非水系電解液電池 - Google Patents

非水系電解液電池

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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、正極と、リチウムを活物質とする負極と、
非水系電解液とを備えた非水系電解液電池に係かり、特
に非水系電解液の改良に関するものである。
(ロ)従来の技術 負極活物質としてリチウムを用いるリチウム電池は、
特に高エネルギ−密度を有するために注目されており、
活発な研究が行われている。
しかしながら、リチウムは非常に活性であるために電
解液との反応性が高く、また、この種電池の電圧は通常
3V以上と高いため電解液の分解が起こり易くなってい
る。その結果、正極や負極表面にリチウムと電解液成分
との重合物や分解生成物などが付着し、電池を長期保存
した場合に電池の内部インピ−ダンスが上昇し放電特性
が低下したり、二次電池の場合にはサイクル特性の劣化
を引き起こすなどの問題がある。従って、電解液と正極
あるいは負極との反応性を抑制することはこの種電池の
実用化において重要な課題となっている。
従来、この種電池の電解液に用いられる有機溶媒とし
ては1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラヒドロフラ
ン(THF)、1,3−ジオキソラン(DOXL)などの低粘度エ
−テル系溶媒や、プロピレンカ−ボネ−ト(PC)、エチ
レンカ−ボネ−ト(EC)、γ−ブチロラクトン(γ−B
L)などの環状エステルあるいは環状ラクトン等がある
が、上記のような問題を解決する目的で、例えば2−メ
チル−テトラヒドロフラン(2Me−THF)や4−メチル−
1,3−ジオキソラン(4Me−DOXL)などのように、エ−テ
ル系溶媒の一部を置換した誘導体などを用いることが提
案されている。
(ハ)発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述したような従来の方法でも十分に
有効な手段とは言い難く、電池の保存特性、サイクル特
性等が悪いという問題点があった。
本発明が解決しようとする課題は、この種電池の正極
あるいは負極と電解液との反応性を抑制し、電池の保存
特性や充放電サイクル特性を向上させるための電解液を
提案することである。
(ニ)課題を解決するための手段 本発明は、正極と、リチウムを活物質とする負極と、
非水系電解液とを備えた非水系電解液電池において、前
記非水電解液は、ピロリジン類またはピペリジン類及び
その誘導体から選択された少なくとも一種の飽和環状化
合物を含むことを特徴とする。
ここで、前記非水系電解液の溶質として、トリフルオ
ロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ヘキサフル
オロリン酸リチウム(LiPF6)、テトラフルオロホウ酸
リチウム(LiBF4)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiA
sF6)、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiSb
F6)よりなる群から選ばれたフッ素系ルイス酸リチウム
塩を用い、前記正極が、二酸化マンガン或はマンガンを
含む酸化物からなり、前記負極が、リチウム金属あるい
はリチウムの吸蔵・放出が可能な合金、酸化物、カ−ボ
ン材料などからなるものが望ましい。
(ホ)作用 前述したように、リチウムを負極に用いる非水系電解
液電池では高活性なリチウムと電解液との反応性および
高電圧となる正極との反応性が非常に高いため、電池の
保存特性や二次電池の場合の充放電サイクル特性の低下
を招くという問題がある。
しかし、本発明の特徴であるピロリジン類またはピペ
リジン類及びその誘導体から選択された少なくとも一種
の飽和環状化合物を溶媒として使用すると、そのような
電解液に関わる問題点が大きく改善され、保存等による
電池の内部インピーダンスの上昇が抑えられると共に、
二次電池の場合のサイクル特性も向上することが明かと
なった。
この理由を考察するに、分子内に酸素を含まず且つ窒
素と炭素を骨格原子とし、ピロリジン類またはピペリジ
ン類及びその誘導体から選択された少なくとも一種の飽
和環状化合物は、電気化学的に安定なため正極あるいは
負極による酸化・還元反応を受けにくいことによるもの
と思われる。即ち、ヘテロ原子として酸素原子の代わり
に窒素原子を用いると分子内の電子分布が均一化されて
電気化学的安定性が増し、さらに飽和化合物であること
も電気化学的安定性の増大に寄与しているものと考えら
れる。
上記のような理由によりこの種電池の保存特性、サイ
クル特性などが大きく向上するものと考えられる。
(ヘ)実施例 以下に、本発明非水形電解液電池の実施例について図
面に基づき詳述する。
(実施例1:非水系電解液一次電池) 第1図に、本発明電池の一実施例としての扁平型非水
系電解液一次電池の半断面図を示す。
リチウム金属からなる負極1は負極集電体2の内面に
圧着されており、この負極集電体2はフェライト系ステ
ンレス鋼(SUS430)からなる断面略コ字状の負極缶3の
内底面に固着されている。
上記負極缶3の周端はポリプロピレン製の絶縁パッキ
ング4の内部に固定されており、絶縁パッキング4の外
周にはステンレスからなり上記負極缶3とは反対方向に
断面略コ字状をなす正極缶5が固定されている。この正
極缶5の内底面には正極集電体6が固定されており、こ
の正極集電体6の内面には正極7が固定されている。こ
の正極7と前記負極1との間には、本発明の骨子とする
電解液が含浸されたセパレ−タ8が介挿されている。
ところで、前記正極7は、350〜430℃の温度範囲で熱
処理した二酸化マンガンを活物質として用い、この二酸
化マンガンと、導電剤としてのカ−ボン粉末と、結着剤
としてのフッ素樹脂粉末とを85:10:5の重量比で混合す
る。
次に、この混合物を加圧成形した後、250〜350℃で熱
処理して作成した。
一方、前記負極は2はリチウム圧延板を所定寸法に打
ち抜くことにより作製した。そして、電解液としてプロ
ピレンカ−ボネ−トと分子内に酸素を含まず且つ窒素と
炭素を骨格原子とする飽和環状化合物としてのN−メチ
ルピロリジンの混合溶媒(体積比で5:5)に、溶質とし
てトリフルオロメタンスルホン酸リチウムを1モル/
の割合で溶解したものを用いた。これを用いて、外径2
0.0mm、厚み2.5mmの本発明電池(A)を作製した。ま
た、比較例として、N−メチルピロリジンの代わりに1,
2−ジメトキシエタンを使用して同様の電池を作製し、
これを比較電池(X)とした。
第2図に、本発明電池(A)及び比較電池(X)の初
期の放電特性を、また第3図に、これらを60℃恒温槽中
にて3カ月保存した後の放電特性を示す。尚、これらの
放電はいずれも300Ωの定抵抗放電で行った。初期の放
電特性では本発明電池(A)と比較電池(X)は共に10
時間放電を持続する。とろが保存後では本発明電池
(A)が9.6時間であるのに対し、比較電池(X)では
9時間と0.6時間の差が生じる。これより明らかなよう
に、本発明電池は保存後の容易劣化が少なく、保存特性
に優れていることが分かる。また、このときの保存前後
での電池の内部インピ−ダンスを測定した結果、表1に
示す通り、本発明電池は保存によるインピ−ダンスの増
加が小さいことが分かる。
表1.保存前後の電池の内部インピ−ダンスの変化 (実施例2:非水系電解液二次電池) 第1図に示したものと同様の構造を持つ二次電池を作
製した。但し、負極にはリチウム金属の代わりにリチウ
ム−アルミニウム合金を使用し、正極活物質には予めリ
チウムを含有させたマンガン酸化物と、導電剤としての
アセチレン・ブラックと、結着剤としてのフッ素樹脂と
を85:10:5の重量比で混合して使用した。
また電解液としては実施例1の(A)と同様のものを
使用して、外径24.0mm、厚み3.0mmの本発明電池(B)
を作製した。また、比較例としては実施例1の(X)と
同様のものを用い、これを比較電池(Y)とした。
第4図に、本発明電池(B)と比較電池(Y)の充放
電サイクル特性を示す。充放電条件は、充放電電流を共
に2mAで4時間とし、放電時間内に1.5Vに達した電池を
寿命とした。本発明電池(B)では294サイクル目に1.5
Vに達するが、比較電池(Y)ではもっと早く270サイク
ル目で1.5Vに達する。これより明白なるように本発明電
池B(B)は比較電池(Y)に比べサイクル寿命が増加
し、サイクル特性が向上していることがうかがえる。
(実施例3:非水系電解液二次電池) エチレンカ−ボネ−トと、分子内に酸素を含まず且つ
窒素と炭素を骨格原子とした飽和環状化合物としてのN
−メチルピペリジンとの混合溶媒(体積比で5:5)に、
溶質としてヘキサフルオロリン酸リチウムを1モル/
の割合で溶解したものを電解液に用いた以外は実施例2
と同様の電池を作製しこれを本発明電池(C)とした。
また、比較例としてN−メチルピペリジンの代わりに2
−メチル−テトラヒドロフランを用いた以外は(C)と
同様の電池を作製し、比較電池(Z)とした。
第5図に、本発明電池(C)及び比較電池(Z)の充
放電サイクル特性を示す。充放電条件は実施例2と同様
である。本発明電池(C)では276サイクル目で1.5Vに
達するが、比較電池(Z)ではそれより少ない261サイ
クル目で1.5Vに達する。これより明白なるように、本発
明電池(C)は比較電池(Z)に比べサイクル寿命が増
加し、サイクル特性が向上していることが分かる。
以上本発明電池の実施例につき述べたが、本発明の効
果は上述した物質以外でも、分子内に酸素を含まずかつ
窒素と炭素を骨格原子とする飽和環状化合物であれば同
様の効果が得られ、特にピロリジン類またはピペリジン
類およびその誘導体は構造的にも安定で効果が高い。ま
た、本実施例で示したように本発明の溶媒を他の溶媒と
混合して用いても良く、その場合には概ね5%(体積
比)以上の混合比であれば大きな効果が得られ、また、
単独溶媒で用いても効果は同様に得られると思われる。
(ト)発明の効果 上述した如く、正極と、リチウムを活物質する負極
と、非水系電解液とを備えた非水系電解液電池におい
て、前記非水系電解液に、ピロリジン類またはピペリジ
ン類及びその誘導体から選択された少なくとも一種の飽
和環状化合物を少なくとも1種含むものを使用すること
により、この種電池の保存特性及び充放電サイクル特性
を向上し得るものであり、その工業的価値は極めて大で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明電池の一実施例である扁平型の非水系電
解液一次電池および二次電池の半断面図、第2及び第3
図は一次電池の場合の保存前後の放電特性を示す図、第
4図及び第5図は二次電池の場合の充放電サイクル特性
を示す図である。 (1)……負極、(2)……負極集電体、 (3)……負極缶、(4)……絶縁パッキング、 (5)……正極缶、(6)……正極集電体、 (7)……正極、(8)……セパレ−タ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大下 竜司 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 古川 修弘 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−171110(JP,A) 特開 昭64−47012(JP,A) 特開 昭64−47014(JP,A) 特開 平2−260374(JP,A) 特開 昭62−217578(JP,A) 古谷敏昭他、「リチウム二次電池の負 極特性に及ぼすピリジン添加の影響」、 第31回電池討論会要旨集、平成2年11月 12日発行、第269〜270頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 6/14 - 6/16 H01M 10/40

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と、リチウムを活物質とする負極と、
    非水系電解液とを備えた非水系電解液電池において、 前記非水電解液は、ピロリジン類またはピペリジン類及
    びその誘導体から選択された少なくとも一種の飽和環状
    化合物を含むことを特徴とする非水系電解液電池。
  2. 【請求項2】前記非水系電解液の溶質として、トリフル
    オロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ヘキサフ
    ルオロリン酸リチウム(LiPF6)、テトラフルオロホウ
    酸リチウム(LiBF4)、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(L
    iAsF6)、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiSbF
    6)よりなる群から選ばれたフッ素系ルイス酸リチウム
    塩を用いることを特徴とする上記請求項1記載の非水系
    電解液電池。
  3. 【請求項3】前記正極が、二酸化マンガン或いはマンガ
    ンを含む酸化物からなることを特徴とする上記請求項1
    又は2記載の非水系電解液電池。
  4. 【請求項4】前記負極が、リチウム金属或いはリチウム
    の吸蔵・放出が可能な合金、酸化物、カ−ボン材料から
    なることを特徴とする上記請求項1又は2又は3記載の
    非水系電解液電池。
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古谷敏昭他、「リチウム二次電池の負極特性に及ぼすピリジン添加の影響」、第31回電池討論会要旨集、平成2年11月12日発行、第269〜270頁

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