JP3132671B2 - 非水電解液二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents

非水電解液二次電池用正極活物質の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非水電解液二次電池用正
極活物質の製造方法、さらに詳細には充放電可能な非晶
質バナジウム酸化物を活物質とする正極と、リチウムを
活物質とする負極と、非水電解液よりなる非水電解液二
次電池であって、特に前記正極活物質の製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術および問題点】五酸化バナジウム(V
25)を、リチウム二次電池の正極として用いること
は、古くから文献など(例えば、Electrochem. Soc. Me
eting, May 11-16, No.27,Tront (1975)、あるいは、電
気化学,48,432 (1980))により提案されているが、容
量が小さく、充放電寿命も十分とは言えなかった。
【0003】そこで、V25に、五酸化リン(P25
を5〜30モル%加え、溶融後急冷することによって得
られる非晶質V25が、充放電寿命に優れる正極活物質
として提案された(特願昭59−237778号)。し
かしこの正極活物質には、リチウムの不可逆サイトが存
在するため、例えば1.8Vから3.5Vの電圧規制で
充放電した場合には、第1回目の放電時に活物質中に取
り込まれたリチウムイオンの約40%が活物質中に残存
し、第2回目以降の充放電に利用されないという欠点が
あった(J. Power Sorce, 20, 3, (1987))。
【0004】この欠点を改良するため、V25、P
25、Li2Oの三元系からなる非晶質が提案され(特
願昭61−16715号)、不可逆リチウムを補償する
ことがなされたが、完全には補償できず、また、充放電
の結果非晶質V25にリチウムが残存してできるリチウ
ム含有非晶質V25(以後、非晶質Lix25と記述
する)とは異なる化合物のため、非晶質V25の優れた
特性が失われてしまう欠点があった。
【0005】一方、化学処理に用いられているリチウム
とナフタレンの化合物は、古くから知られている化合物
で(J. Am. Chem. Soc., 58, 2440 (1936))、リチウム
に対し、約0.5Vの起電力を有している。この化合物
により、活物質中にリチウムイオンが挿入されることは
例えば、P998A,US DOE Rep.,No.
LBL-24647、p−40(1987)で、Fe2
3やWO2にリチウムを挿入し負極活物質として用いてい
る例などあるが、電気化学的にリチウムを挿入した場合
に比べ容量が小さく、必ずしも良い方法とは考えられな
かった。また、同方法により合成されたリチウム含有正
極活物質も、非常に活性であるため取り扱いが難しく、
良好な特性は得られてはいないため、大量生産には向か
ないと考えられてきた。
【0006】また、化学的処理法には他に、ヨウ化リチ
ウムを用いる方法や、n−ブチルリチウムなどを用いる
方法が一般的に知られている。しかし、ヨウ化リチウム
を用いる場合、挿入できるリチウム量が少ないうえに、
反応生成物としてヨウ素が生成するため、反応後ヨウ素
を分離しなくてはならないという欠点がある。また、n
−ブチルリチウムの場合はそれ自身に毒性があり、かつ
沸点が低いため取り扱いが不便であるという欠点があ
る。
【0007】
【発明が解決しようとする問題点】以上述べてきたよう
に、非晶質V25を正極活物質に用いる非水電解液二次
電池においては、第1回目の放電で正極活物質中に挿入
されたリチウムの一部が正極中に残存してしまい、第2
回目以降の充放電に使用されないため、電池に充填した
リチウム量の損失があり、それに加えて、加圧効果によ
るリチウム析出形態の改善が行なわれないため、結果と
して十分な充放電寿命が得られないという欠点があっ
た。
【0008】
【問題を解決するための手段】本発明は、上述の問題点
に鑑みなされたものであり、第1回目の放電で正極活物
質中に挿入されたリチウムの一部が正極中に残存してし
まい、第2回目以降の充放電に使用されないため、電池
に充填したリチウム量の損失があり、それに加えて、加
圧効果によるリチウム析出形態の改善が行なわれないた
め、結果として十分な充放電寿命が得られない非晶質V
25にあらかじめリチウムを化学的に挿入することによ
り、この非可逆リチウムを補償した正極活物質を作製す
る方法を提供せんとするものである。
【0009】上記問題点を解決するため、本発明による
非水電解液二次電池用正極活物質の製造方法は、リチウ
ム金属と非晶質五酸化バナジウムを、ナフタレンを溶解
した非水溶液中で撹拌する化学処理工程を含むことを特
徴とする。前述したように、同方法により合成されたリ
チウム含有正極活物質は、一般に反応性が高いため取り
扱いが難しく、大量生産には向かないと考えられてき
た。しかし、正極活物質が非晶質V25の場合には、同
方法により作製した化合物が比較的安定に存在すること
を発見した。この1つの原因としては、挿入されたリチ
ウムイオンの拡散が遅い相が存在し、反応性が抑制され
るためであると考えられる。
【0010】さらに詳細に述べると、非晶質V25の粉
末とリチウム金属片とを、1×10-3mol/1〜0.
1mol/1のナフタレン溶液中で撹拌し、非晶質V2
5中にリチウムイオンを挿入させる。
【0011】この場合、ナフタレンは触媒として働き、
非晶質V25やリチウムと反応することはないが、ナフ
タレン濃度が小さ過ぎる場合は反応に長時間を要し、場
合によっては反応が起こらないことがある。また、ナフ
タレン濃度が大き過ぎる場合には、反応熱による溶液の
突沸などが起こり危険であると共に、溶媒との反応が副
反応として起こりやすくなるため好ましくない。ナフタ
レンを溶解する溶媒には、テトラヒドロフラン、ジメト
キシエタン、ジエチルエーテル、石油エーテルなどのエ
ーテル類が望ましいが、ナフタレンを溶解することがで
き、かつ反応に対し安定な溶媒であれば、これに限定さ
れることはない。
【0012】リチウムの挿入量は、少ない場合には顕著
な効果が現われず、挿入量が多すぎる場合には、反応性
が高くなり大気中の酸素や、水分と容易に反応し特性が
劣化するので、0.1〜2.0Li/V25が望まし
い。しかし、不活性ガス中で操作する場合には2.0L
i/V25以上のリチウム量を挿入することが可能であ
る。
【0013】
【作用】上記方法により作製した非晶質Lix25
正極活物質に用いると、非晶質V25で見られる第1回
目の充放電後の残存リチウム量を補償でき、かつ上記非
晶質Lix25は電池の充放電で生成する物質と同じ
ものであるため、非晶質V25の優れた特性を犠牲にす
ることなく、充放電寿命に優れた非水電解液二次電池を
得ることができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳述する。
【0015】
【実施例1】表1に化学処理の実施例をまとめる。溶媒
には、テトラヒドロフラン(1−1,1−3,1−4,
1−6)およびジメトキシエタン(1−2,1−5)を
用いた。リチウムを挿入しない場合のOCVは、約3.
8Vであり、リチウムを挿入することにより、OCVが
低下していることがわかる。
【0016】
【表1】
【0017】図1は、本発明の一実施例として、上記非
晶質Lix25を用いて作製した偏平型非水電解液二
次電池の半断面図である。1はリチウム金属よりなる負
極であり、負極ケース2に熔接した負極集電体3に圧着
されている。4は正極であり、上記非晶質Lix25
を70重量%、導電材としてのアセチレンブラックを2
5重量%、および結着材としてのポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE)を5重量%加えた混合物を加圧成型
したものである。正極は正極ケース5に熔接した正極集
電体6に圧接されている。7はポリプロピレン多孔質膜
よりなるセパレータ、8は絶縁パッキングである。電解
液としては、炭酸エチレンと2−メチルテトラヒドロフ
ランの等体積混合溶媒に、六フッ化ヒ酸リチウム(Li
AsF6)を1mol/1溶解させたものを用いた。
【0018】
【比較例1】実施例番号1−1,1−2,1−4,1−
5の非晶質Lix25について、充放電寿命特性を化
学処理しない非晶質V25と比較した。図2はこれらの
充放電寿命特性であり、横軸がサイクル回数、縦軸が電
池の比容量を現している。充放電条件はそれぞれ放電電
流密度が3mA/cm2、充電電流密度が0.5mA/
cm2である。図から、化学処理を行なうことにより、
充放電寿命が大幅に向上することがわかる。
【0019】
【実施例2】電解液として、炭酸エチレンと炭酸プロピ
レンの等体積混合溶媒にLiAsF6を1mol/1溶
解したものを用いた。
【0020】
【比較例2】実施例番号1−1,1−2,1−4,1−
5の非晶質Lix25について、充放電寿命特性を化
学処理しない非晶質V25と比較した(図3)。
【0021】
【実施例3】電解液として、炭酸エチレンと炭酸プロピ
レンの等体積混合溶媒にLiPF6を1mol/1溶解
したものを用いた。
【0022】
【比較例3】実施例番号1−1,1−2,1−4,1−
5の非晶質Lix25について、充放電寿命特性を化
学処理しない非晶質V25と比較した(図4)。
【0023】
【発明の効果】上述したように、リチウムを活物質とす
る負極と、非水電解液を用いるリチウム二次電池におい
て、本発明の製造方法による化学的処理によりリチウム
を挿入した非晶質五酸化バナジウムを正極活物質とする
ことにより、その充放電サイクル寿命を改善することが
でき、その工業的価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法により製造された非晶質Li
x25を用いて作製した偏平型非水電解液二次電池の
半断面図。
【図2】実施例番号1−1,1−2,1−4,1−5の
非晶質Lix25について、化学処理しない非晶質V2
5と比較した充放電寿命特性を示す図。
【図3】実施例番号1−1,1−2,1−4,1−5の
非晶質Lix25について、化学処理しない非晶質V2
5と比較した充放電寿命特性を示す図。
【図4】実施例番号1−1,1−2,1−4,1−5の
非晶質Lix25について、化学処理しない非晶質V2
5と比較した充放電寿命特性を示す図。
【符号の説明】
1 負極 2 負極ケース 3 負極集電体 4 正極 5 正極ケース 6 正極集電体 7 セパレータ 8 絶縁パッキング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 敏郎 カナダ国 ブリティッシュ・コロンビア 州 バーナビィー マールトルストリー ト 3958 アドバンスト・エナージ・テ クノロジーズ インコーポレーテッド内 (72)発明者 桜井 庸司 カナダ国 ブリティッシュ・コロンビア 州 バーナビィー マールトルストリー ト 3958 アドバンスト・エナージ・テ クノロジーズ インコーポレーテッド内 (56)参考文献 特開 平4−363874(JP,A) 特開 平1−128355(JP,A) 特開 平2−12769(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/02 - 4/04 H01M 4/48 - 4/58 H01M 10/40

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウム金属と非晶質五酸化バナジウム
    を、ナフタレンを溶解した非水溶液中で撹拌する化学処
    理工程を含むことを特徴とする非水電解液二次電池用正
    極活物質の製造方法。
  2. 【請求項2】前記化学処理により挿入されるリチウム量
    が、五酸化バナジウム1モルに対し、0.1〜2.0モ
    ル(0.1〜2.0Li/V25)であることを特徴と
    する請求項1記載の非水電解液二次電池用正極活物質の
    製造方法。
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