JP3173425B2 - 有機電解質二次電池 - Google Patents

有機電解質二次電池

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JP3173425B2 JP13560897A JP13560897A JP3173425B2 JP 3173425 B2 JP3173425 B2 JP 3173425B2 JP 13560897 A JP13560897 A JP 13560897A JP 13560897 A JP13560897 A JP 13560897A JP 3173425 B2 JP3173425 B2 JP 3173425B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、各種小型電子機器
の電源として使用が期待される充放電可能な有機電解質
二次電池に関する。 【0002】 【従来の技術】陰極材としてリチウムを使用し電解液に
有機電解液を使用した,いわゆる有機電解質電池は、自
己放電が少なく,電圧が高く,保存性が極めて優れてお
り、特に5から10年という長期信頼性を有した電池と
して、電子時計や種々のメモリーバックアップ用電源等
として広く使用されている。 【0003】ところが、これら現在使用されている有機
電解質電池は、一次電池であり一度の使用でその寿命が
終わってしまい経済性の点で改善すべき点を残してい
る。 【0004】そこで、近年種々の電子機器の飛躍的進歩
とともに、長時間便利に且つ経済的に使用できる電源と
して再充電可能な有機電解質二次電池の出現が強く要望
されており、多くの研究が進められている。 【0005】一般に、有機電解質二次電池の陰極材とし
ては、金属リチウム,リチウム合金(例えばLi−Al
合金),リチウムイオンをドーピングした導電性高分子
(例えばポリアセチレンやポリピロール等)さらにはリ
チウムイオンを結晶中に混入した層間化合物等が用いら
れており、電解液としては有機電解液が用いられてい
る。 【0006】一方、陽極活物質としては各種の材料が研
究提案されており、代表的なものとしては例えば特開昭
50−54836号広報に記載されるようにTiS2
MoS2,NbSe2,V25等が挙げられる。 【0007】これらの材料を用いた電池の放電反応は陰
極のリチウムイオンが陽極活物質であるこれら材料の層
間にインターカーレーションすることによって進行し、
逆に充電する場合には上記材料の層間からリチウムイオ
ンが陰極へデインターカーレーションする。すなわち、
陰極のリチウムイオンが陽極活物質の層間に出入りする
反応を繰り返すことによって充放電を繰り返すことがで
きる。例えば、陽極活物質としてTiS2を使用した場
合には、充電及び放電反応は次式のようにして表され
る。 【0008】 【化1】 【0009】従来の陽極材料は上述のような反応によっ
て充放電は進行するが、二次電池として充放電反応を繰
り返していくと、次第に放電容量が減少していってしま
う欠点があった。これは放電によって陽極活物質中に進
入したリチウムイオンが次第に外に出にくくなり、充電
反応によっても陰極側に戻るものが少なくなることによ
る。すなわち陽極においてLixTiS2という形のまま
残ってしまうため、次の放電反応に関与するリチウムイ
オンの量が減少するためである。したがって充電を行っ
ても放電容量が減少しサイクル寿命特性が良好でない二
次電池となってしまっていた。 【0010】 【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
二次電池の陽極活物質として使用されていた材料では、
充電反応が思うように進行せず、充放電を繰り返し行う
に従い放電容量が減少し、サイクル寿命特性が優れず、
長期に亘る使用が不可能な二次電池であった。 【0011】そこで、本発明は上述の従来の実情に鑑み
て提案されたものであって、従来の陽極活物質に見られ
るリチウムイオンのデインターカーレーションの劣化の
少ない材料を使用し、充放電サイクルに伴う放電容量の
劣化が少なく、サイクル寿命特性に優れた有機電解質二
次電池を提供することを目的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】本発明者は、上述の目的
を達成するために陽極活物質としてリチウムイオンのデ
インターカーレーションの劣化の少ない材料を見つける
べく種々の検討を重ねた結果、スピネル型構造のLiM
n2O4が極めて良好な結果を示すとの知見を得ること
に至った。本発明に係る有機電解質二次電池は、かかる
知見に基づいて完成されたもので、リチウムを含む陰極
と、窒素雰囲気中で炭酸リチウムと二酸化マンガンとか
ら合成されたLiMn2O4を陽極活物質として含む陽
極と、有機電解液とからなるものである。 【0013】以上のように構成された本発明に係る有機
電解質二次電池は、陽極活物質として炭酸リチウムと二
酸化マンガンとから合成されたLiMn24を使用する
ことによって、放電反応により陽極に移動した陰極材の
リチウムイオンが充電による反応において良好にデイン
ターカーレーションすることが可能になった。 【0014】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る有機電解質二
次電池の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する
が、本発明がこれら実験例に限定されるものではないこ
とはいうまでもない。 【0015】本発明の有機電解質二次電池の陽極活物質
として用いられるLiMn24は、炭酸リチウム(LiCo
3)と二酸化マンガン(MnO2)を窒素雰囲気中で400℃
に加熱し反応させることによって得ることができるもの
である。 【0016】一方、陰極材料として使用されるリチウム
を含有する物質としては、金属リチウム,リチウム合金
(例えば、LiAl,LiPb,LiSn,LiBi,
LiCd等),リチウムイオンをドーピングした導電性
高分子(例えば、ポリアセチレンやポリピロール等),
リチウムイオンを結晶中に混入した層間化合物(例え
ば、TiS2,MoS2,等の層間にリチウムを含んだも
の)が使用可能である。 【0017】また、電解液にはリチウム塩を電解質と
し、これを有機溶剤に溶解した非水系の有機電解質が使
用される。 【0018】ここで、有機溶剤としては、1,2−ジメ
トキシエタン,1,2−ジエトキシエタン,γ−ブチロ
ラクトン,テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒド
ロフラン,1,3−ジオキソラン,4−メチル−1,3
−ジオキソラン等の単独または2種以上の混合溶媒が使
用できる。 【0019】電解質としては、LiClO4,LiAs
6,LiPF6,LiBF4,LiB(C654,の1
種または2種以上を混合したものが使用可能である。 【0020】 【実施例】以下、本発明を適用して実際に作製した比較
例、実施例について説明する。 【0021】比較例 先ず、陽極活物質としてTiS2もしくはMoS2を使用
したLi/TiS2もしくはLi/MoS2有機電解質二
次電池のサイクル特性を調べた。その結果を図1に示
す。図1によると陽極活物質としてTiS2もしくはM
oS2を使用した有機電解質二次電池は、約10回程度
の充放電サイクルを繰り返しただけで電池の放電容量が
急激に減少し、有機電解質二次電池が初期に有していた
放電容量の半分程度の容量しか放電しなくなってしまっ
た。さらにその後、充放電サイクルを繰り返すに従い放
電容量は減少していくことがわかった。 【0022】実施例 以下に示す手順に従って図2に示すボタン型電池を作製
した。 【0023】市販の電解二酸化マンガン87gと炭酸リ
チウム26gを乳鉢にて充分混合した後、この混合物を
アルミナボード上で窒素ガス中,400℃で10時間の
熱処理を行った。冷却後、得られた生成物をX線分析し
たところ、図3に示すようなX線回析チャートを得た。
これをASTMカードにおいて化学式LiMn24で示
される物質と比較したところ、LiMn24に示すX線
回析チャートと完全に一致した。したがって、上記操作
によって生成された物質はLiMn24である。 【0024】次に、上述のようにして得られたLiMn
2488.9重量部に9.3重量部のグラファイトを加
え、さらにバインダーとして1.8重量部のポリテトラ
フルオロエチレンを加え3トン/cm2の圧力で直径1
5.5mm,厚さ0.3mmのペレットを形成した。こ
れをさらに300℃で5時間真空乾燥して陽極ペレット
(5)とした。 【0025】一方、厚さ0.3mmのアルミ箔を直径1
5.5mmに打ち抜き、陰極罐(2)にスポット溶接
し、その上に厚さ0.3mmのリチウム箔を直径15m
mに打ち抜いたものを圧着し陰極ペレット(1)として
陰極を作製した。 【0026】次に、上記陰極上にプロピレンの不織布を
セパレータ(3)として重ね、1モル/lのLiClO
4を溶解したプロピレンカーボネートを電解液として加
えるとともにプラスチック製のガスケット(4)をはめ
こみ、既に作製してある陽極ペレット(5)を上記セパ
レータ(3)上に重ね、陽極罐(6)を被せた後、開口
部を密封するようにしてカシメてシールし外径20.0
mm、厚み1.6mmの有機電解質二次電池を作製し
た。この電池をサンプル電池Aとした。 【0027】以上のようにして作製したサンプル電池A
を1kΩの抵抗を介して放電試験を行ったところ、図4
に示す放電極線が得られた。 【0028】この放電によって得られた容量は、下記の
反応式でえられる容量と極めて良く一致した。 【0029】Li++LiMn24 → 2LiMnO2 続いて、放電が終了したサンプル電池Aを2mAの電流
で上限電圧3.1Vに設定し充電を行った。その結果を
図5に示す。この図5によると充電電圧が極めて平坦で
あることがわかるが、これは次式で示される充電反応に
おけるリチウムイオンのデインターカーレーションが極
めてスムーズに進化したことを意味するものと考えられ
る。 【0030】2LiMnO2 → LiMn24+Li+ 上述に示すような充放電特性を示すサンプル電池Aを用
いて充放電を繰り返し行い。サンプル電池の充放電のサ
イクル特性を調べたところ、図6に示すように、充放電
のサイクルによる放電容量の劣化は全く見られず、非常
に優れた二次電池が得られたことがわかった。 【0031】 【発明の効果】上述の説明から明らかなように、有機電
解質二次電池の陽極活物質として炭酸リチウムと二酸化
マンガンとから合成されたLiMn24を用いることに
よって、放電反応により陽極に移動したリチウムイオン
を充電による反応において良好にデインターカーレーシ
ョンさせることが可能となり、該有機電解質二次電池の
充放電のサイクル寿命特性を大幅に向上することが可能
である。 【0032】したがって、充放電サイクルに伴う電池容
量の劣化が少なく、サイクル寿命特性に優れた有機電解
質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】陽極剤としてTiS2,MoS2を用いた有機電
解質二次電池の充放電サイクル特性を示す特性図であ
る。 【図2】本発明に係る有機電解質二次電池の構成例を示
す概略断面図である。 【図3】電解二酸化マンガンと炭酸リチウムとから合成
されたLiMn24のX線回折結果を示す特性図であ
る。 【図4】本発明を適用した有機電解質二次電池の放電特
性を示す特性図である。 【図5】本発明を適用した有機電解質二次電池の充電特
性を示す特性図である。 【図6】本発明を適用した有機電解質二次電池の充放電
サイクル特性を示す特性図である。 【符号の簡単な説明】 1 陰極ペレット、2 陰極罐、3 セパレータ、4
ガスケット、5 陽極ペレット、6 陽極罐
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/50 - 4/58

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.リチウムを含む陰極と、窒素雰囲気中で 炭酸リチウムと二酸化マンガンとから合
    成されたLiMn2O4を陽極活物質として含む陽極
    と、 有機電解液とからなる有機電解質二次電池。
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Mat.Res.Bull.18[4](1983),pp.461−472(米国)

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