JP3158412B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はリチウム二次電池の充放電サイクル寿命の改
良に関するものである。
〔発明の概要〕
本発明は、リチウムもしくはリチウム合金を負極活物
質として用い、LiMn2O4を正極活物質として用いたリチ
ウム二次電池において、電解液として、エチレンカーボ
ネートと一般式R1−OCH2CH2−O2R2(但しR1、R2
はCH3、C2H5、C3H7の中から選ばれるいずれかの炭化水
素基であり、R1とR2は同じでもよい)で表されるエーテ
ル化合物の混合溶媒にリチウム塩を溶解したものを用
い、その混合溶媒中のエチレンカーボネートの混合比を
25〜75容量%にすることによって、長時間率放電での充
放電サイクル寿命の大きい優れたリチウム二次電池を提
供しようとするものである。
〔従来の技術〕
リチウムを負極活物質として用いた電池は、小型で高
エネルギー密度を有する電池として着目されており、正
極剤にMnO2やCFx等を用いたリチウム一次電池は実用化
に至っている。そして近年は、従来の電池と比較して優
れた特性が期待できるリチウム二次電池の開発が強く望
まれている。ところが、リチウム電池を充放電可能な二
次電池とするためには、正極活物質や電池構成をはじめ
多くの改良すべき課題がある。
電解液の開発も重要な課題の一つである。リチウム一
次電池用電解液としてはリチウム塩をγブチロラクト
ン、プロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン
等の溶媒に溶解させたものが用いられ良好な特性を示し
ているが、リチウム二次電池用電解液に関しては、充放
電に伴う電池劣化が少ないこと、充放電効率が高いこ
と、リチウムとの反応性の低いこと、充電時間率依存性
が少ないこと等要求される特性が多く、未だ優れた電解
液が開発されていないのが現状である。
例えば、従来例としてLiPF6を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に溶解させた電
解液を用いたリチウム二次電池について、充放電サイク
ルの放電時間率を変えて充放電サイクル試験を行い、そ
のサイクル寿命を調べると、第2図に示すように、5時
間率以上の長時間率放電の繰り返しを行うと、リチウム
の劣化が著しく促進され、サイクル寿命が非常に短くな
るという欠点があることが判る。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、長時間率放電を繰り返す充放電サイ
クルに対しても充放電特性の劣化の少ない優れたリチウ
ム二次電池を提供することである。
[課題を解決するための手段] 本発明は、リチウムもしくはリチウム合金からなる帯
状の負極と、帯状の集電体の両面にLiMn2O4を含む正極
活物質を塗布してなる正極と、電解液とを備えたリチニ
ウム二次電池において、電解液としてエチレンカーボネ
ートと一般式 R1−OCH2CH2−O2R2 (式中、R1、R2はCH3、C2H5、C3H7の中から選ばれるい
ずれかの炭化水素基であり、R1とR2は同じでもよい)で
表されるエーテル化合物の混合溶媒にリチウム塩を溶解
したものを用い、前記混合溶媒中のエチレンカーボネー
トの混合比は25〜75容量%であることを特徴とするもの
である。
本発明に用いられる電解質は従来より公知のものがい
ずれも使用可能であり、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiB
(C6H5、LiCl、LiBr、LiCF3SO3、LiCF3O2等があ
る。
このようなリチウム塩を前記混合溶媒に0.5から1.5mo
l/溶解させて使用するのが望ましい。この範囲を外れ
ると充放電特性が著しく低下する。本発明のリチウム二
次電池の正極材料としては、LiMn2O4が使用可能であ
る。
〔作用〕
本発明者らの研究結果によれば、負極活物質としてリ
チウムを用い、正極活物質として遷移金属カルコゲン化
合物を用いたリチウム二次電池の電解液として、エチレ
ンカーボネートとジエチレングリコールジエチルエーテ
ルの混合溶媒にリチウム塩を溶かしたものを用い、混合
溶媒中のエチレンカーボネートの混合比率を25〜75容量
%とすることにより、5時間以上の長時間率放電を繰り
返しても、充放電サイクル寿命が短くならないリチウム
二次電池が得られる。また、前記のジエチレングリコー
ルジエチレンエーテル即ちC2H5−OCH2CH2−O2C2H
5の替わりに、それと同系列の、一般式R1−OCH2CH2
−O2R2(但しR1、R2はCH3、C2H5、C3H7の中から選ば
れるいずれかの炭化水素基であり、R1とR2は同じでもよ
い)を用いても、同様のリチウム二次電池が得られる。
本発明の電池が良好な結果を示す明確な理由は不明で
あるが、前記電解液を用いることで、リチウムの析出形
態が樹脂状結晶から塊状に近いリチウム結晶になり、リ
チウムの電極からの剥離、脱離、脱落が少なくなること
と、リチウム塩の解離度が向上するため、リチウムイオ
ンの供給が速やかに行われリチウムの析出状態が良くな
るためと考えられる。
また、一般にリチウム二次電池用電解液の溶媒として
誘電率が高いものを用いることにより電解質塩の解離を
促進しリチウムの充放電効率が高まるとされている。エ
チレンカーボネートの誘電率は73.0と極めて高いが融点
が39℃と高く常温では固体である。これに例えばエチレ
ングリコールジエチルエーテルを混合することにより高
誘電率低融点の溶媒を得ることができるのである。この
溶液中エチレンカーボネートの比率が高いほどリチウム
の充放電効率は良くなる傾向にあるが、前記混合溶媒中
のエチレンカーボネートの比率が75容量%より高いと、
溶液の粘度が高く電解液として用いてもイオン移動度が
悪く電池の重負荷特性や低温特性が悪くなる。また、逆
に比率が25容量%より低いと誘電率も低くなりリチウム
の充放電効率が低下する。
〔実施例〕
第1図は本発明を実施例に適用したリチウム二次電池
の断面構造を示す模式図である。
以下、本発明のリチウム二次電池の実施例及び比較例
を第1図に従って説明する。
実施例1 まず、正極1は次のようにして作成した。
二酸化マンガン1モルと炭酸リチウム0.25モルを混合
し、450℃の空気中で1時間焼成してLiMn2O4を得て、こ
れを正極活物質として用い、このLiMn2O487重量部に導
電材としてグラファイト10重量部、結着剤としてポリフ
ッ化ビニリデン3重量部を加え、混合し、正極合剤とし
た。そして、この正極合剤を溶剤N−メチルピロリドン
に分散させてスラリー(ペースト状)にした。
次に、この正極合剤スラリーを、正極集電体としての
帯状のアルミニウム箔の両面に均一に塗布して、乾燥
し、その後にローラープレス機により圧縮成型して帯状
の正極1を作った。
負極2は銅箔を負極集電体とし、これに金属リチウム
を圧着することによって作成した。
次に前記正極1及び前記負極2を用い、さらにセパレ
ーター3を一対用いて、これらを互いに積層させてか
ら、多数回巻回することによって、渦巻型の巻回体を作
った。
この巻回体をニッケルめっきを施した鉄製電池缶5に
収納した。そして正極1の集電を行うために、アルミニ
ウム製の正極リードを正極1に取り付け、これを正極1
から導出して、電池蓋7に溶接した。また負極2の集電
を行うために、ニッケル製の負極リードを負極2に取り
付け、これを負極2から導出して、電池缶5に溶接し
た。この電池缶5の中に、エチレンカーボネート50容量
%、ジエチレングリコールジエチルエーテル50容量%か
らなる混合溶媒中にLiPF6を1mol/溶かして得た電解液
を注入した。
次に、巻回体の上下面に対向するように、電池缶5内
に絶縁板4を配設した。また、この電池缶5と電池蓋7
を絶縁封口ガスケット6を介してかしめて、電池蓋7を
封口した。以上のようにして、直径13.8mm、高さ42mmの
円筒型リチウム二次電池Aを作成した。
比較例1 比較のためにリチウム一次電池に用いられている溶媒
を使用したリチウム二次電池を作成した。電解液として
プロピレンカーボネート50容量%、1,2−ジメトキシエ
タン50容量%からなる混合溶媒中にLiPF6を1mol/溶か
して得たものを用い、その他は実施例1と同様にしてリ
チウム二次電池Bを作成した。
実施例1及び比較例1で示した電池を充電電流75mAで
上限電圧3.9Vとして9時間定電流充電を行い、次に11Ω
で終止電圧2.0Vまで放電を行う9時間率放電2時間率放
電サイクル試験と充電電流75mAで上限電圧3.9Vとして9
時間定電流充電を行い、次に50Ωで終止電圧2.0Vまで放
電を行う9時間率充電10時間率放電サイクル試験の2種
類の試験を行った。そしていずれも放電容量が10サイク
ルめの放電容量の50%にまで劣化したところをサイクル
寿命とし、この結果を第1表に示す。
このように、9時間率充電2時間率放電サイクル試験
の場合は、本発明の電池Aも、従来のリチウム一次電池
に用いられている溶媒を用いた比較例の電池Bも、同等
なサイクル寿命を示すが、9時間率充電10時間率放電サ
イクル試験の場合は、本発明の電池Aは従来のリチウム
一次電池に用いられている電解液を使用した比較例の電
池Bに比べ、非常に良好な特性を示している。
次に、エチレンカーボネートとジエチレングリコール
ジエチルエーテルの混合比を変えて電解液を調整し電池
を作成した。
実施例2 電解液としてエチレンカーボネート25容量%、ジエチ
レングリコールジエチルエーテル75容量%からなる混合
溶媒中にliPF6を1mol/溶かして得たものを用い、その
他は実施例1と同様にしてリチウム二次電池Cを作成し
た。
実施例3 電解液としてエチレンカーボネート75容量%、ジエチ
レングリコールジエチルエーテル25容量%からなる混合
溶媒中にLiPF6を1mol/溶かして得たものを用い、その
他は実施例1と同様にしてリチウム二次電池Dを作成し
た。
比較例2 電解液としてジエチレングリコールジエチルエーテル
100容量%からなる溶媒中にLiPF6を1mol/溶かして得
たものを用い、その他は実施例1と同様にしてリチウム
二次電池Eを作成した。
比較例3 電解液としてエチレンカーボネート100容量%からな
る溶媒中にLiPF6を1mol/溶かして得たものを用い、そ
の他は実施例1と同様にしてリチウム二次電池Fを作成
した。
実施例2と3及び比較例2と3の電池についても充電
電流75mAで上限電圧3.9Vとして9時間定電流充電を行
い、次に11Ωで終止電圧2.0Vまで放電を行う9時間率充
電2時間率放電サイクル試験と充電電流75mAで上限電圧
3.9Vとして9時間定電流充電を行い、次に50Ωで終止電
圧2.0Vまで放電を行う9時間率充電10時間率放電サイク
ル試験の2種類の試験を行った。そしていずれも放電容
量が10サイクルめの放電容量の50%にまで劣化したとこ
ろをサイクル寿命とし、この結果を第2表に示す。
第1表及び第2表から、5時間率以上の長時間率放電
を繰り返す充放電サイクル試験を行うと、リチウム二次
電池の電解液の溶液としてエチレンカーボネート単独や
ジエチレングリコールジエチルエーテル単独を用いた電
池Eと電池Fはサイクル寿命が短いが、電解液の溶媒と
してエチレンカーボネートの混合比を25容量%以上75容
量%以下に調整したエチレンカーボネートとジエチレン
グリコールジエチルエーテルの混合溶媒を用いた電池
A、C、Dは、100サイクル以上のサイクル寿命を示す
のがわかる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、長時間率放電を繰り返しても劣化の
少ない充放電サイクル特性の優れたリチウム二次電池を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に適用したリチウム二次電池の
断面構造を示す模式図、第2図はLiPF6をプロピレンカ
ーボネートと1,2−ジメトキシエタンの混合溶媒に溶か
した電解液を用いた従来技術によるリチウム二次電池に
ついて測定されたサイクル寿命の放電時間率依存性を示
す。 第1図中に用いた符号において 1……正極 2……負極 3……セパレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/40 H01M 4/02 H01M 4/58

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムもしくはリチウム合金からなる帯
    状の負極と、帯状の集電体の両面にLiMn2O4を含む正極
    活物質を塗布してなる正極と、電解液とを備えたリチウ
    ム二次電池において、 電解液としてエチレンカーボネートと一般式 R1−OCH2CH2−O2R2 (式中、R1、R2はCH3、C2H5、C3H7の中から選ばれるい
    ずれかの炭化水素基であり、R1とR2は同じでもよい)で
    表されるエーテル化合物の混合溶媒にリチウム塩を溶解
    したものを用い、前記混合溶媒中のエチレンカーボネー
    トの混合比は25〜75容量%であることを特徴とするリチ
    ウム二次電池。
  2. 【請求項2】上記正極と負極とがセパレータを介して巻
    回されてなる渦巻型の巻回体を備えてなることを特徴と
    する請求項1記載のリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】前記集電体が金属箔からなることを特徴と
    する請求項2記載のリチウム二次電池。
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