JP3060077B2 - 非水電解質二次電池及びその活物質の製造方法 - Google Patents
非水電解質二次電池及びその活物質の製造方法Info
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Description
ウムを吸蔵放出可能な物質を負極活物質及び/又は正極
活物質とし、リチウムイオン導電性の非水電解質を用い
る非水電解質二次電池に関するものであり、繰り返し充
放電が可能で、高容量かつ過充電過放電特性の優れた、
新規な負極活物質及び正極活物質に関するものである。
電解質電池は、高電圧、高エネルギー密度で、かつ自己
放電が小さく長期信頼性に優れる等々の利点により、一
次電池としてはメモリーバックアップ用、カメラ用等の
電源として既に広く用いられている。 しかしながら、
近年携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴
い、電源としての電池に対し大電流出力を要求する機器
が多種多ように出現し、経済性と機器の小型軽量化の観
点から、再充放電可能で、かつ高エネルギー密度の二次
電池が強く要望されている。このため、高エネルギー密
度を有する前記非水電解質電池の二次電池化を進める研
究開発が活発に行われ、一部実用化されているが、エネ
ルギー密度、充放電サイクル寿命、信頼性等々まだまだ
不十分である。 従来、この種の二次電池の正極を構成
する正極活物質としては、充放電反応の形態に依り下記
の3種のタイプのものが見い出されている。第1のタイ
プは、TiS2,MoS2,NbSe3 等の金属カルコゲ
ン化物や、MnO2,MoO3,V2O5 ,LiXCo
O2,LiX NiO2,LiXMn2O4 等の金属酸化物等
々のように、結晶の層間や格子位置又は格子間隙間にリ
チウムイオン(カチオン)のみがインターカレーショ
ン、デインターカレーション反応等に依り出入りするタ
イプ。第2のタイプは、ポリアニリン、ポリピロール、
ポリパラフェニレン等の導電性高分子のような、主とし
てアニオンのみが安定にドープ、脱ドープ反応に依り出
入りするタイプ。第3のタイプは、グラファイト層間化
合物やポリアセン等の導電性高分子等々のような、リチ
ウムカチオンとアニオンが共に出入り可能なタイプ(イ
ンターカレーション、デインターカレーション又はドー
プ、脱ドープ等)である。
物質としては、金属リチウムを単独で用いた場合が電極
電位が最も卑であるため、上記のような正極活物質を用
いた正極と組み合わせた電池としての出力電圧が最も高
く、エネルギー密度も高く好ましいが、充放電に伴い負
極上にデンドライトや不働体化合物が生成し、充放電に
よる劣化が大きく、サイクル寿命が短いという問題があ
った。この問題を解決するため、負極活物質として
(1)リチウムとAl,Zn,Sn,Pb,Bi,Cd
等の他金属との合金、(2)WO2,MoO2,Fe
2O3,TiS2 等の無機化合物やグラファイト、有機物
を焼成して得られる炭素質材料等々の結晶構造中にリチ
ウムイオンを吸蔵させた層間化合物あるいは挿入化合
物、(3)リチウムイオンをドープしたポリアセンやポ
リアセチレン等の導電性高分子等々のリチウムイオンを
吸蔵放出可能な物質を用いることが提案されている。
極活物質として上記のような金属リチウム以外のリチウ
ムイオンを吸蔵放出可能な物質を用いた負極と、前記の
ような正極活物質を用いた正極とを組合せて電池を構成
した場合には、これらの物質の電極電位が金属リチウム
の電極電位より貴であるため、電池の作動電圧が負極活
物質として金属リチウムを単独で用いた場合よりかなり
低下するという欠点がある。例えば、リチウムとAl,
Zn,Pb,Sn,Bi,Cd等の合金を用いる場合に
は0.2〜0.8V、炭素−リチウム層間化合物では0
〜1V、MoO2やWO2等のリチウムイオン挿入化合物
では0.5〜1.5V作動電圧が低下する。
となるため、体積当り及び重量当りの容量及びエネルギ
ー密度が著しく低下する。このため、充放電特性が優
れ、サイクル寿命が長く、かつ高電圧、高エネルギー密
度の二次電池を得るためには、リチウムに対する電極電
位が低く(卑な)、かつ可逆的にリチウムイオンを吸蔵
放出できる量の大きい負極活物質が必要である。
イプは、一般にエネルギー密度は大きいが、過充電や過
放電すると結晶の崩壊や不可逆物質の生成等による劣化
が大きいという欠点がある。又、第2、第3のタイプで
は、逆に容量及びエネルギー密度が小さいという欠点が
ある。このため、過充電特性及び過放電特性が優れ、か
つ高容量、高エネルギー密度の二次電池を得るためには
過充電過放電に依る結晶の崩壊や不可逆物質の生成が無
く、かつ可逆的にリチウムイオンを吸蔵放出できる量の
より大きい正極活物質が必要である。
問題点を解決するため、この種の電池の負極と正極の少
なくとも一方の電極の活物質として、ケイ素Siと炭素
Cの直接結合を有する有機ケイ素化合物の熱処理物又は
該熱処理物にリチウムを吸蔵させたものから成る新規な
リチウムイオン吸蔵放出可能物質を用いることを提起す
るものである。
として用いられる有機ケイ素化合物の熱処理物は次のよ
うにして製造することができる。出発原料となる有機ケ
イ素化合物としては、有機化合物中の炭素の一部をケイ
素で置換した形式のケイ素と炭素の直接結合を有する化
合物であれば良いが、更にケイ素と酸素の直接結合をも
有する化合物がより好ましい。具体的には、シラン誘導
体(RmSinH2n+2-m)、シレン誘導体、ハロゲンシラ
ン誘導体(RnSiX4-n )、シラノール誘導体(RnS
i(OH)2)、アルコキシシラン誘導体(RnSi(O
R´)4-n)、シロキサン誘導体等及びこれらの重合体
等々があげられる。但し、置換基R及びR´としてはメ
チル基、エチル基等のアルキル基、フェニル基、トリル
基、キシリル基、ナフチル基等のアリール基、脂環式炭
化水素基等々の全ての炭化水素基、トリフルオロプロピ
ル基等のフルオロアルキル基、複素環式化合物から導か
れる有機基等々の任意の有機基が可能であり、Xは塩
素、フッ素、臭素、ヨウ素等のハロゲン原子、m及びn
は整数である。
00゜Cの温度で加熱処理して得られる生成物を用い
る。加熱温度と雰囲気に付いての制限は、この加熱処理
により有機ケイ素化合物が完全に熱分解もしくは酸化さ
れ炭素が炭化水素ガスやCO2ガス等として全て散逸
し、酸化ケイ素(SiO2等)だけが熱処理残留物とし
て生成することの無い範囲、即ち、ケイ素と炭素を主体
とし、好ましくは更に酸素を含み、それらの原子が直接
結合し網状構造または3次元構造の化合物を生成する範
囲に限定される。従って、不活性雰囲気中または真空中
では100〜3000゜C、より好ましくは300〜2
500゜C、大気中または酸素を有する雰囲気中では1
00〜900゜C、より好ましくは200〜700゜C
の温度が好適である。このような加熱処理により、有機
ケイ素化合物は重合、宿重合、架橋及び/または熱分解
し、ケイ素と炭素またはケイ素と炭素及び酸素を主体と
し、それらの原子が直接相互に結合した網状構造または
3次元網目構造の化合物を生成する。 上述の有機ケイ
素化合物の中で、ケイ素に結合した有機基の側鎖を有す
る有機シロキサンの重合体であるシリコーン(ポリオル
ガノシロキサン)は、ケイ素と炭素及びケイ素と酸素と
の直接結合を骨格とした安定な高分子化合物であり、本
発明の出発原料としてとくに好ましいものである。
次のようにして行うことができる。即ち、(1)該熱処
理物とリチウムメタルとを両電極としてリチウムイオン
導電性の非水電解質に接して対向し、適当な電流で放電
もしくは通電し電気化学的にリチウムイオンを吸蔵させ
る方法。(2)該熱処理物又は該熱処理物と導電剤及び
結着剤等との混合合剤を所定形状に成形し、これにリチ
ウムを圧着して積層電極としたものを電極として電池に
組み込む。電池内でこの積層電極が電解質に触れること
により自己放電し電気化学的にリチウムが吸蔵される方
法。(3)該熱処理物を一方の電極の活物質とし、もう
一方の電極にリチウムを含有する活物質を用いた電池を
構成する。電池として使用中に充放電を行うことにより
該熱処理物にリチウムが吸蔵される方法。
熱処理物にリチウムを吸蔵させたものを負極及び/また
は正極の活物質として用いる。本発明に依る有機ケイ素
化合物の熱処理物または該熱処理物にリチウムを吸蔵さ
せたものを活物質とする電極は、これを正負両極の活物
質として用いて二次電池を構成することができるし、
又、これを正極または負極の何れか一方の電極として用
い、前述のリチウムもしくはリチウムイオンを吸蔵放出
可能な各種の他の負極活物質又は正極活物質を用いた電
極をもう一方の電極として組み合わせて用いることもで
きる。特に、本発明の有機ケイ素化合物の熱処理物また
は該熱処理物にリチウムを吸蔵させたものを活物質とす
る電極は、金属リチウムに対する電極電位が1V以下の
卑な領域の充放電容量が大きいことから、これを負極と
して用い、前述の金属酸化物や金属カルコゲン化物等々
のような金属リチウムに対する電極電位が2V以上の高
電位の活物質を用いた正極と組み合わせることにより高
電圧高エネルギー密度でかつ大電流充放電特性に優れ、
過充電過放電による劣化の小さい二次電池が得られるの
で、特に好ましい。
ン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、
ブチレンカーボネート、1、2−ジメトキシエタン、テ
トラヒドロフラン、ジオキソラン、ジメチルフォルムア
ミド等の有機溶媒の単独又は混合溶媒に支持電解質とし
てLiClO4,LiPF6,LiBF4,LiCF3SO
3等のリチウムイオン解離性塩を溶解した有機電解液、
ポリエチレンオキシドやポリフォスファゼン架橋体等の
高分子に前記リチウム塩を固溶させた高分子固体電解質
あるいはLi3N,LiI等の無機固体電解質等々のリ
チウムイオン導電性の非水電解質であれば良い。
熱処理物にリチウムを吸蔵させたものを活物質とする電
極は、非水電解質中に於て金属リチウムに対し少なくと
も0〜3Vの電極電位の範囲で安定に繰り返しリチウム
を吸蔵放出(インターカレーション、デインターカレー
ションまたはドープ、脱ドープ等)することができ、こ
のような電極反応により繰り返し充放電可能な二次電池
の負極及び/または正極として用いることができる。特
にリチウム基準極に対し0〜1Vの卑な電位領域におい
て、安定にリチウムイオンを吸蔵放出し繰り返し充放電
できる高容量領域を有する。又、従来この種の電池の電
極として用いられてきたグラファイト等の炭素質材料に
比べ可逆的にリチウムイオンを吸蔵放出できる量即ち充
放電容量が著しく大きく、かつ充放電の分極が小さいた
め、大電流での充放電が可能であり、更に過充電過放電
による分解や結晶崩壊等の劣化が殆ど見られず、極めて
安定でサイクル寿命の長い電池を得ることができる。
由は必ずしも明らかではないが、次のように推定され
る。即ち、本発明による新規な活物質である有機ケイ素
化合物の熱処理物は、ケイ素と炭素又はケイ素と炭素及
び酸素を主体とし、それらの原子が直接相互に結合して
網状構造又は3次元網目構造を形成しており、この構造
中でのリチウムイオンの移動度が高く、且つ、リチウム
イオンを吸蔵できるサイトが非常に多いためリチウムイ
オンの吸蔵放出が容易である為と推定される。
明する。
質二次電池の電極活物質の性能評価に用いたテストセル
の一例を示すコイン型電池の断面図である。図におい
て、1は対極端子を兼ねる対極ケースであり、外側片面
をNiメッキしたステンレス鋼製の板を絞り加工したも
のである。2はステンレス鋼製のネットから成る対極集
電体であり対極ケース1にスポット溶接されている。対
極3は、所定厚みのアルミニウム板を直径15mmに打
ち抜き、対極集電体2に固着し、その上に所定厚みのリ
チウムフォイルを直径14mmに打ち抜いたものを圧着
したものである。7は外側片面をNiメッキしたステン
レス鋼製の作用極ケースであり、作用極端子を兼ねてい
る。5は後述の本発明に依る活物質又は従来法に依る比
較活物質を用いて構成された作用極であり、ステンレス
鋼製のネットからなる作用極集電体6と一体に加圧成形
されている。4はポリプロピレンの多孔質フィルムから
なるセパレータであり、電解液が含浸されている。8は
ポリプロピレンを主体とするガスケットであり、対極ケ
ース1と作用極ケース7の間に介在し、対極と作用極と
の間の電気的絶縁性を保つと同時に、作用極ケース開口
縁が内側に折り曲げられカシメられることに依って、電
池内容物を密封、封止している。電解質はプロピレンカ
ーボネートと1,2−ジメトキシエタンの体積比1:1
混合溶媒に過塩素酸リチウムLiClO4 を1モル/l
溶解したものを用いた。電池の大きさは、外径20m
m、厚さ1.6mmであった。
素原子に結合したメチル基とフェニル基等の有機基を有
する有機ケイ素化合物重合体であるポリメチルフェニル
シロキサンをキシレンで希釈した溶液(東芝シリコーン
社製シリコーンワニスTSR117)を大気中100゜
Cで5時間加熱乾燥した。次に、この乾燥物を窒素ガス
気流中700゜Cで8時間熱処理し、冷却後、粒径53
μm以下に粉砕整粒した。得られた熱処理物を本発明に
依る活物質aとし、これに導電剤としてグラファイト
を、結着剤として架橋型アクリル酸樹脂等を重量比3
0:65:5の割合で混合して作用極合剤とし、次にこ
の作用極合剤をステンレス鋼製のネットからなる作用極
集電対6と共に2ton/cm2 で直径15mm厚さ
0.5mmのペレットに加圧成形した後、100℃で1
0時間減圧加熱乾燥したものを作用極とした。
質aの代わりに、炭素を含まないケイ素だけの酸化物で
ある二酸化ケイ素SiO2 (活物質b)及びケイ素を含
まず炭素のみから成る上記の導電剤に用いたと同じグラ
ファイト(活物質c)を活物質として用いた他は、上記
の本発明の作用極の場合と同様にして、同様な電極(比
較用作用極)を作成した。
1週間放置エージングされた後、後述の充放電試験が行
われた。このエージングによって、対極のリチウム−ア
ルミニウム積層電極は電池内で非水電解液に触れること
により十分合金化が進行し、リチウムフォイルは実質的
に全てLi−Al合金となるため、電池電圧は、対極と
して金属リチウムを単独で用いた場合に比べて約0.4
V低下した値となって安定した。
れぞれの使用した作用極の活物質a,b,cに対応し、
電池A,B,Cと略記する。これらの電池A,B及びC
を0.4mAの定電流で、充電(作用極にリチウムイオ
ンが吸蔵される電池反応をする電流方向)の終止電圧−
0.4V、放電(作用極からリチウムイオンが放出され
る電池反応をする電流方向)の終止電圧2.5Vの条件
で充放電サイクルを行ったときの3サイクル目の充電特
性を図2に、放電特性を図3に示した。又、サイクル特
性を図4に示した。尚、充放電サイクルは充電からスタ
ートした。図2〜4から明らかなように、本発明による
電池Aは比較電池B及びCに比べ、充放電容量が著しく
大きく、充放電の可逆領域が著しく拡大することが分か
る。又、充放電の繰り返しによる放電容量の低下(サイ
クル劣化)が著しく小さい。更に、全充放電領域に渡っ
て充電と放電の作動電圧の差が著しく小さくなってお
り、電池の分極(内部抵抗)が著しく小さく、大電流充
放電が容易なことが分かる。これは、上述のように本発
明に依る電池Aの作用極の活物質である有機ケイ素化合
物の熱処理物に於いては、ケイ素と炭素が共存し、それ
らの原子が直接相互に結合した網状構造又は3次元網目
構造を有することによりリチウムイオンの移動度が高
く、かつリチウムイオンを吸蔵できるサイトが多いため
と推定される。
ポリメチルフェニルシロキサンの乾燥物を大気中200
゜Cで5時間熱処理した後、粒径53μm以下に粉砕整
粒して活物質dを作製した。このようにして得られた有
機ケイ素化合物の熱処理物を作用極の活物質として用い
た以外は、すべて実施例1と同様にして同様な電池Dを
作製した。
実施例1と同様な充放電サイクル試験を行った。この時
の結果を実施例1と同様に、図2〜4に併記して示し
た。図から明かなように、本実施例の電池Dは、実施例
1の本発明に依る電池Aと同様に優れた充放電特性を有
することが判る。又、本発明に依る電池A及びDの活物
質a及びdはLi−Al合金電極に対して1.0〜2.
5V(金属リチウムに対して約1.4〜2.9Vに対応
する)の貴な電位領域と同様、もしくはそれ以上に、−
0.4〜+0.6V(金属リチウムに対して約0〜1V
に対応する)の卑な電位領域の充放電容量が大きいこと
から、非水電解質二次電池の正極活物質として用いられ
るのみならず、負極活物質としても優れていることが判
る。特に、本実施例2の活物質dは卑な電位領域での充
放電容量がより大きく、かつより卑な電位を有してお
り、負極活物質として特に優れている。
ム−アルミニウム合金の場合のみを示したが、本発明は
実施例に限定されず、前述のように、金属リチウム、リ
チウムとZn,Sn,Pb,Bi等の他金属との合金、
炭素やMoO2,WO2,Fe 2O3等のリチウム挿入化合
物、ポリアセチレン,ポリピロール,ポリアセン等のリ
チウムイオンをドープ可能な導電性高分子等々のリチウ
ムを吸蔵放出可能な物質を活物質とする負極や、TiS
2,MoS2,NbSe3等の金属カルコゲン化物、Mn
O2,MoO3,V2O5,LiXCoO2,LiX Ni
O2,LiXMn2O4等の金属酸化物、ポリアニリン、ポ
リピロール、ポリパラフェニレン、ポリアセン等の導電
性高分子、グラファイト層間化合物等々のようなリチウ
ムカチオン及び/またはアニオンを吸蔵放出可能な物質
を活物質とする正極を対極として本発明に依る電極と組
合わせて用いることができることは言うまでもない。
解質二次電池の負極と正極の少なくとも一方の電極の活
物質として、ケイ素と炭素の直接結合を有する有機ケイ
素化合物の熱処理物又は該熱処理物にリチウムを吸蔵さ
せたものから成る新規な活物質を用いたものであり、充
放電により可逆的にリチウムイオンを吸蔵放出できる量
即ち充放電容量が著しく大きく、かつ充放電の分極が小
さいため、大電流での充放電が可能であり、更に過充電
過放電による分解や結晶崩壊等の劣化が殆ど見られず、
極めて安定でサイクル寿命の長い電池を得ることができ
る。又、特に、本発明による該活物質を負極活物質とし
て用いた場合には、高電圧かつ高エネルギー密度の電池
を得ることができる等々優れた効果を有する。
した説明図である。
充電特性の比較を示した説明図である。
放電特性の比較を示した説明図である。
比較を示した説明図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 負極と正極とリチウムイオン導電性の非
水電解質とから少なくとも成る非水電解質二次電池にお
いて、負極の活物質が、有機ケイ素化合物を100℃か
ら3000℃の熱処理により得られたケイ素と炭素また
はケイ素と炭素および酸素を有するケイ素化合物である
ことを特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項2】 負極と正極とリチウムイオン導電性の非
水電解質とから少なくとも成る非水電解質二次電池にお
いて、負極の活物質が、有機ケイ素化合物を100℃か
ら3000℃で熱処理して得られたケイ素と炭素または
ケイ素と炭素および酸素を有するケイ素化合物にリチウ
ムを吸蔵させたものであることを特徴とする非水電解質
二次電池。 - 【請求項3】 該負極が該ケイ素化合物と炭素質材料と
樹脂結着剤とから少なくとも成ることを特徴とする請求
項1または2記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項4】 該有機ケイ素化合物がシリコーン(ポリ
オルガノシロキサン)であることを特徴とする請求項1
または2記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項5】 該有機ケイ素化合物がシラン誘導体(R
n Si n H 2n+2-m )、シレン誘導体、ハロゲンシラン誘導
体(RnSiX4−n)、シラノール誘導体(R n Si
(OH) 2 )、アルコキシシラン誘導体(R n Si(O
R) 4-n )、シロキサン誘導体等及びこれらの重合体、
但し、置換基R及びR'は任意の有機基が可能であり、
Xはハロゲン原子、m及びnは整数であることを特徴と
する請求項1または2記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項6】 負極と正極とリチウムイオン導電性の非
水電解質とから少なくとも成る非水電解質二次電池にお
いて、負極の活物質が、シリコーン(ポリオルガノシロ
キサン)を100℃から3000℃で熱処理して得られ
た、ケイ素と炭素またはケイ素と炭素および酸素を有す
るケイ素化合物であることを特徴とする非水電解質二次
電池。 - 【請求項7】 負極と正極とリチウムイオン導電性の非
水電解質とから少なくとも成る非水電解質二次電池にお
いて、負極の活物質が、シリコーン(ポリオルガノシロ
キサン)を100℃から3000℃で熱処理して得られ
た、ケイ素と 炭素またはケイ素と炭素および酸素を有す
るケイ素化合物にリチウムを吸蔵させたものであること
を特徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項8】 ケイ素化合物を大気中で乾燥する工程
と、乾燥した前記ケイ素化合物を大気中100℃から9
00℃で時間熱処理する工程と、得られた熱処理物を粉
砕整粒し導電剤および結着剤を混合し、集電体と共に加
圧成形する工程と、減圧加熱乾燥する工程とを有するこ
とを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3309416A JP3060077B2 (ja) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | 非水電解質二次電池及びその活物質の製造方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP3309416A JP3060077B2 (ja) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | 非水電解質二次電池及びその活物質の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH05144474A JPH05144474A (ja) | 1993-06-11 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP3309416A Expired - Lifetime JP3060077B2 (ja) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | 非水電解質二次電池及びその活物質の製造方法 |
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JP (1) | JP3060077B2 (ja) |
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