JP3133308B2 - Manufacturing method of electrochemical cell - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は二次電気化学電池に関するものである。The present invention relates to a secondary electrochemical cell.
酸化マンガン(MnO2)電気化学電池の一次陰極物質と
して知られているが、限られた再充電容量を有するにす
ぎないと報告されている。本発明は、陰極物質としてMn
O2を含む電気化学電池を充電状態で組み立て、次いで放
電したとき、得られる電池が二次電池として機能できる
という知見に基づいている。Is known manganese oxide as a primary cathode material (MnO 2) electrochemical cells, it has been reported to have only recharge capacity is limited. The present invention provides Mn as a cathode material.
Based on the finding that when an electrochemical cell containing O 2 is assembled in a charged state and then discharged, the resulting battery can function as a secondary battery.
従って、本発明は、 (イ) 活性陽極物質としてアルカリ金属を含む陽極、
固体アルカリ金属イオン導電性電解質及び活性陰極物質
として酸化マンガン(IV)を含む陰極を有する固体電気
化学電池を組み立て、及び (ロ) 陰極物質を再充電し得る物質にその場で変換す
るような条件下で前記電池を放電する ことを特徴とする二次電気化学電池の製造方法を提供す
る。Accordingly, the present invention provides (a) an anode containing an alkali metal as an active anode material,
Assembling a solid electrochemical cell having a solid alkali metal ion conductive electrolyte and a cathode containing manganese (IV) oxide as the active cathode material; and (ii) conditions for in situ conversion of the cathode material to a rechargeable material. A method for manufacturing a secondary electrochemical cell, comprising discharging the battery below.
後述される本発明の具体例において、得られる電池
は、高温で再充電し次いで放電し得、かつ、1回目の放
電サイクルの後、容量の損失なしに繰り返し再充電及び
放電をし得ることが驚くべきことに見い出された。In embodiments of the present invention described below, the resulting battery can be recharged at high temperatures and then discharged, and can be repeatedly recharged and discharged without loss of capacity after the first discharge cycle. It was surprisingly found.
(イ)工程において、電池は、例えば、柔軟なサンド
イッチ構造を構成する陽極、電解質及び陰極からなるフ
ィルムのような積層の形態に製造される。この(イ)工
程は、例えば、柔軟な積層を所望の形状に積重ね、巻き
または折畳み、次いで柔軟なパッケージ又はケーシング
に収納し、電池を(ロ)工程において放電し得るように
端子が設けられる。In the step (a), the battery is manufactured in a laminated form such as a film composed of an anode, an electrolyte, and a cathode constituting a flexible sandwich structure. In the step (a), for example, the flexible laminate is stacked, wound or folded in a desired shape, and then housed in a flexible package or casing, and terminals are provided so that the battery can be discharged in the step (b).
(ロ)工程において、陰極物質を変換する条件は最も
好ましくは例えば100℃〜150℃の範囲内のような高温の
条件である。In the step (b), the conditions for converting the cathode material are most preferably high temperature conditions, for example, in the range of 100 ° C to 150 ° C.
以下、本発明において使用され、及び加工されて得ら
れる電池の構成部品を詳細に説明する。Hereinafter, the components of the battery used in the present invention and obtained by processing will be described in detail.
陽極 陽極は、例えば、リチウム(これは好適である)、ナ
トリウム又はカリウムのようなアルカリ金属そのまま、
あるいはそれらの合金や混合物のような形態(該形態は
電池を放電するとき、該形態から金属を電気化学的に放
出できるものである)で全体に構成することができる。
所望であれば、活性陽極物質を支持材料の下層構造とし
て担持させてもよい。Anode The anode may be, for example, an alkali metal such as lithium (which is preferred), sodium or potassium,
Alternatively, it can be constituted entirely in a form such as an alloy or a mixture thereof (the form is capable of electrochemically releasing a metal from the form when the battery is discharged).
If desired, the active anode material may be carried as an underlying structure of a support material.
電解質 電解質は、例えば、固体ポリマーとアルカリ金属塩と
のコンプレックスを含む固体ポリマー電解質であっても
よい。ここで、該ポリマーはアルカリ金属イオンとドナ
ー−アクセプター型の結合を形成し得、かつ、アルカリ
金属イオンを導電し得るものである。Electrolyte The electrolyte may be, for example, a solid polymer electrolyte comprising a complex of a solid polymer and an alkali metal salt. Here, the polymer can form a donor-acceptor type bond with an alkali metal ion and can conduct the alkali metal ion.
このような電解質は当業者に公知であり、例えばヨー
ロッパ特許公開第0013199号(米国特許第4303748号に対
応する)及び英国特許公開第2139410号(米国特許第454
7440号に対応する)に記載されている。具体例として
は、例えばポリ(エチレンオキシド)(以下、単に「PE
O」と言う)及びポリ(プロピレンオキシド)のような
プラスチック高分子物質と、アルカリ金属塩(好ましく
はリチウム塩であり、該アルカリ金属塩のアニオンは例
えば、I-,Br-,ClO4 -,SCN-又はF3CSO3 -である)とのコン
プレックスが挙げられる。Such electrolytes are known to those skilled in the art and are described, for example, in European Patent Publication No. 0013199 (corresponding to US Pat. No. 4,303,748) and British Patent Publication No. 2139410 (US Pat.
(Corresponding to No. 7440). As a specific example, for example, poly (ethylene oxide) (hereinafter simply referred to as “PE
Say O ") and a plastic polymer material such as poly (propylene oxide), alkali metal salts (preferably lithium salt, the anion of the alkali metal salts, for example, I -, Br -, ClO 4 -, SCN - or F 3 CSO 3 - a is) complex and the like with.
陰極 (イ)工程において電池の陰極に用いるMnO2は市販の
一次電池に用いる蓄電池用グレードのMnO2である。好ま
しくは、陰極はMnO2、そのままで電解質として用いられ
るような固体アルカリ金属イオン導電性ポリマーで電解
質物質及び、所望される場合には、グラファイトのよう
な導電性媒体を含む複合構造として構築される。Cathode MnO 2 used for the cathode of the battery in the step (a) is MnO 2 of a grade for a storage battery used for a commercial primary battery. Preferably, when the cathode is MnO 2, the electrolyte material and a solid alkali metal ion conducting polymer such as that used as the electrolyte as it is, desired, it is constructed as a composite structure including a conductive medium, such as graphite .
(ロ)工程において例えばリチウムのようなアルカリ
金属が入ることによってMnO2の構造が再変換されスピネ
ル型化合物ΜMn2O4(式中、Μはアルカリ金属である)
を生成し、このスピネル型化合物が電池に二次電池とし
ての特徴を与えると考えられる。事実、LiMn2O4を二次
電池の陰極として使用することが知られている(例えば
英国特許公開第2122412号、同第2196785号及びヨーロッ
パ特許公開第0279235号を参照のこと)。しかし、上記
のいずれもLiMn2O4をその場で電気化学的に製造するこ
とを記載していない。In the step (b), the structure of MnO 2 is reconverted by the entry of an alkali metal such as lithium, for example, and the spinel compound {Mn 2 O 4 (wherein, Μ is an alkali metal)
It is considered that this spinel-type compound gives the battery the characteristics as a secondary battery. In fact, it is known to use LiMn 2 O 4 as the cathode of a secondary battery (see, for example, GB-A-2122412, GB-A-2196785 and EP-A-0279235). However, none of the above describes producing LiMn 2 O 4 electrochemically in situ.
以下、本発明を実施例により詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
実施例 (イ)電池の構成部品及び電池の複合陰極の組立 蓄電池用グレードのMnO2を170℃で14時間、10-2トル
(C.10-2torr)の分圧下で乾燥した。MnO2(22.62g)、
ケッチェンブラックカーボン(Ketjenblack Carbon)
(1.10g)、アセトン(120ml)及びスパン80(Span80)
潤滑剤の3滴を、4個の大きなアルミナボール及び16個
の小さなアルミナボールを含む250mlポットにおいて、
2.5時間ボールミル磨砕した。PEO(3.00g、ユニオンカ
ーバイド社製、分子量4,000,000)をポットに加え、更
に10分間ボールミル磨砕を続けた。次いで、LiClO4(1.
21g)及びアセトニトリル(120ml)を加え、混合物を1
時間ボールミル磨砕した。EXAMPLES (A) Assembly of Battery Components and Composite Cathode of Battery Battery-grade MnO 2 was dried at 170 ° C. for 14 hours under a partial pressure of 10 −2 torr (C.10 −2 torr). MnO 2 (22.62g),
Ketjenblack Carbon
(1.10g), acetone (120ml) and Span80
In a 250 ml pot containing 4 large alumina balls and 16 small alumina balls,
Ball milled for 2.5 hours. PEO (3.00 g, manufactured by Union Carbide, molecular weight 4,000,000) was added to the pot, and ball milling was continued for another 10 minutes. Then, LiClO 4 (1.
21 g) and acetonitrile (120 ml) are added, and the mixture is diluted with 1
Ball milled for hours.
この混合物を、電流コレクターとして機能するニッケ
ル箔上に0.5mmの刃を用いてドクターブレード溶液流延
により流延した。得られた複合陰極は厚さが43マイクロ
メーターであり、Mno2の308mA h g-1に基づいて約1.0mA
h cm-2の容量を有していた。複合陰極における電解質
の粗成はPEO12:LiClO4であった。The mixture was cast by doctor blade solution casting using a 0.5 mm blade on a nickel foil functioning as a current collector. The resulting composite cathode is 43 micrometers thick, about 1.0 mA based on 308 mA hg -1 of Mno 2.
hcm- 2 . The composition of the electrolyte in the composite cathode was PEO 12 : LiClO 4 .
上記調製を、通常の大気条件下で開放された実験室内
で行った。複合陰極を乾燥室(温度:20℃、露点:−30
℃)に移し、最終乾燥を数日間行い、電池に加工した
(後述の記載を参照)。The above preparations were performed in an open laboratory under normal atmospheric conditions. Dry the composite cathode in a drying room (temperature: 20 ° C, dew point: -30
° C), the final drying was performed for several days, and processed into a battery (see the description below).
電解質 1時間ボールミル磨砕したLiClO4(1.21g)とアセト
ニトリル(120ml)の混合物を、0.5mmの刃を用いて、ド
クターブレード溶液流延することにより、電池の電解質
として使用するポリマー電解質を調製した。即ち、この
混合物をシリコーンリリースペーパー上に流延し、PEO
12:LiClO4の組成の電解質を得た。電解質の調製とその
移動は複合陰極について述べた条件と同様の条件で行っ
た。Electrolyte A mixture of LiClO 4 (1.21 g) and acetonitrile (120 ml) ball-milled for one hour was cast with a doctor blade solution using a 0.5 mm blade to prepare a polymer electrolyte to be used as an electrolyte for the battery. . That is, the mixture was cast on a silicone release paper,
12 : An electrolyte having a composition of LiClO 4 was obtained. The preparation and transfer of the electrolyte were performed under the same conditions as those described for the composite cathode.
陽極 1枚のリチウム箔(エクス リスコ(ex Lithco),4
0.0cm2、150マイクロメーター)を、陽極の電流コレク
ターとして作用する小サイズの1枚のニッケル箔に巻い
た。Anode One piece of lithium foil (ex Lithco, 4
0.0 cm 2 , 150 micrometers) was wrapped around a small piece of nickel foil that served as the anode current collector.
電池 薄刃を用いて、1枚の前記乾燥した複合陰極(9cm×6
cm;54cm2)を切断した。この陰極の重量を測定した後、
巻き、巻く前と巻いた後の厚さを測定した。6枚の等し
い面積を有する前記電解質の層(14マイクロメーター)
を陰極上に設置し、この部品を高温、真空下で積層し
た。前記陽極をこの電解質の上に設置し、この電池全体
を高温で真空積層した。起こり得るショートを回避する
ため、電池の縁を高温絶縁テープを用いて絶縁し、標準
包装材料を用いて電池を真空包装した。Battery Using a thin blade, one piece of the dried composite cathode (9 cm × 6
cm; 54 cm 2 ). After measuring the weight of this cathode,
The thickness before and after winding was measured. 6 layers of said electrolyte with equal area (14 micrometers)
Was placed on the cathode, and the components were laminated under high temperature and vacuum. The anode was placed on the electrolyte and the entire cell was vacuum laminated at high temperature. To avoid possible short circuits, the edges of the cells were insulated using high temperature insulating tape and the cells were vacuum packaged using standard packaging materials.
(ロ)電池の放電 電池を120℃のオーブンに入れ、電池サイクルリグに
接続し定電流を用いてC/10の速度で放電した。(B) Discharge of Battery The battery was placed in an oven at 120 ° C., connected to a battery cycle rig, and discharged at a rate of C / 10 using a constant current.
(ハ)放電した電池のテスト C/10の速度で定電流により3.25Vの上限電圧まで電池
を充電した。電池は大量に充電され、2回目の放電サイ
クルに理論放電容量の約60%を放電することができた。
同じ条件下でその後のサイクルを行ったところ、次の20
回のサイクルにわたって放電損失はわずかであることが
わかった。第1図は、電池の4回目の放電−充電サイク
ルを示す。第2図は、初回のフォーミング(forming)
放電の後、それに続く20回のサイクルにわたっての容量
にわずかの減少があるか又は全く減少がなかったことを
示している。本テストは120℃で行った。(C) Test of discharged battery The battery was charged to a maximum voltage of 3.25 V at a constant current at a rate of C / 10. The battery was heavily charged and was able to discharge about 60% of the theoretical discharge capacity in the second discharge cycle.
When the subsequent cycle was performed under the same conditions, the next 20
The discharge loss was found to be small over the number of cycles. FIG. 1 shows a fourth discharge-charge cycle of the battery. Figure 2 shows the first forming
After discharge, there is a slight or no decrease in capacity over the next 20 cycles. This test was performed at 120 ° C.
第1図は本発明の方法によって製造された電池の4回目
の放電−充電の理論容量%に対する電池電圧のグラフで
ある。 第2図は本発明の方法により製造された電池のサイクル
数に対する理論容量%のグラフである。FIG. 1 is a graph of battery voltage versus theoretical capacity% of the fourth discharge-charge of a battery manufactured by the method of the present invention. FIG. 2 is a graph of the theoretical capacity% with respect to the cycle number of the battery manufactured by the method of the present invention.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レイモンド ジョン ポーウェル 英国 オックスフォードシャー OX11 0RA ハーウェル ラボラトリー ビルディング 329 ユナイテッド キ ングドム アトミック エナーヂイ オ ーソリティ パテンツ ブランチ 内 (56)参考文献 特開 昭62−108456(JP,A) 特開 平2−82450(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Raymond John Powell Oxfordshire OX110RA Harwell Laboratory Building 329 United Kingdom Atomic Energy Conservation Patents Branch (56) References JP-A-62-108456 (JP, A) JP-A-2-82450 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 10/40
Claims (4)
含む陽極、アルカリ金属イオンを導電し得る固体電解質
及び活性陰極物質として酸化マンガン(IV)を含む陰極
を有する固体電気化学電池を組立てる工程、及び (ロ)100〜150℃の範囲の温度に上昇させた条件下で前
記電池を放電して、前記陰極物質を、スピネル型化合物
MMn2O4(Mはアルカリ金属である)を含む再充電し得る
陰極物質にその場で変換する工程 を含む、二次電気化学電池の製造方法。(1) assembling a solid electrochemical cell having an anode containing an alkali metal as an active anode material, a solid electrolyte capable of conducting alkali metal ions, and a cathode containing manganese (IV) oxide as an active cathode material; And (b) discharging the battery under the condition where the temperature is raised to a temperature in the range of 100 to 150 ° C., and converting the cathode material into a spinel compound
MMn 2 O 4 (M is an alkali metal) comprising the step of converting in situ the cathode material capable of recharging includes a method for manufacturing a rechargeable electrochemical cell.
(1)記載の方法。2. The method of claim 1, further comprising the step of recharging the battery.
とのコンプレックスを含み、該ポリマーが、アルカリ金
属イオンとドナー−アクセプター型の結合を形成するこ
とができ、かつ、アルカリ金属イオンを導電し得る請求
項(1)又は(2)に記載の方法。3. An electrolyte comprising a complex of a solid polymer and an alkali metal salt, said polymer being capable of forming a donor-acceptor type bond with the alkali metal ion and being capable of conducting the alkali metal ion. The method according to claim (1) or (2).
金属イオンを導電し得る固体ポリマー電解質物質を含む
複合構造物として構築する、請求項(1)〜(3)の何
れか1項に記載の方法。4. The cathode according to claim 1, wherein the cathode is constructed as a composite structure containing manganese (IV) oxide and a solid polymer electrolyte substance capable of conducting alkali metal ions. the method of.
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- 1990-01-12 JP JP02006090A patent/JP3133308B2/en not_active Expired - Fee Related
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