JP3231813B2 - 有機電解液電池 - Google Patents

有機電解液電池

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吉野  彰
克彦 井上
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はサイクル性,保存特性,
安全性に優れた新規な二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、従来の酸−鉛電池、ニッケル/カ
ドミウム電池に変わる小型,軽量二次電池として、種々
の非水系二次電池が提案されている。中でも、例えば特
開昭62−90,863号公報,特開昭63−121,
260号公報,特開平3−49,155号公報等におい
て開示されている正極にLi,Coを主成分とする複合
金属酸化物を用い、負極に炭素質材料を用いる新しい二
次電池系が注目されている。従来かかる非水系二次電池
として提案されているのは負極活物質として、金属L
i、もしくはLi合金を用いるものであった。かかる金
属Li等を負極に用いた二次電池は、小型,軽量という
観点からは満足されるものの、デンドライト析出に基
く、サイクル性,保存特性等の性能上の問題、又、同じ
くデンドライト析出によるセパレーターの突き破りから
内部短絡を引き起こすという寿命の問題、更には金属L
iの活性な化学反応性に基く安全上の問題、等実用化へ
の大きな障害を有していた。これに対し、前記の負極活
物質に炭素質材料を用いる新しい電池系は、このような
デンドライト析出を起こすことなく、優れたサイクル
性,保存特性を有すると共に、金属Liのような活性な
化学反応性を有していないことから、安全性が非常に優
れているという特徴を有しているものである。
【0003】特に、正極活物質としてLi,Coを主成
分とする複合金属酸化物と組合せた場合、高電圧,高容
量の電池ができるものとして期待されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、かかるL
i,Coを主成分とする複合金属酸化物を正極活物質と
し、炭素質材料を負極活物質として用いた有機電解液電
池は、高電圧,高容量,高出力といった電池特性として
優れた面を多く有しているが、過酷条件、例えば60
℃,85℃といった高温下でのサイクル特性、あるいは
高温下での長期保存において電池容量等の低下等の性能
劣化が見られるという欠点を有している。これらの性質
は通常使用条件にて用いる限りは特には問題にならない
が、種々の環境条件下で用いられる実使用条件を考えた
場合解決すべき課題である。
【0005】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明者等は、
かかる高温下での安定性を改良する為に種々の要因を検
討した結果、Li,Coを主成分とする複合金属酸化物
に含有する残存アルカリに起因することを見出し、この
残存アルカリ量を一定の範囲以下とすることにより高温
下での安定性が改良されることを見出した。
【0006】本発明の有機電解液電池は、かかる知見に
基いて完成されたもので、炭酸リチウムと四三酸化コバ
ルトを焼成してなるLi,Coを主成分とする複合金属
酸化物を正極活物質とし、炭素質材料を負極活物質とす
る有機電解液電池において、該正極活物質に含有される
残存アルカリが0.15重量%以下であることを特徴と
するものである。
【0007】本発明でいうLi,Coを主成分とする複
合金属酸化物とは、層状構造を有し電気化学的にLiイ
オンがインターカレート,ディインターカレートし得る
化合物であり、少なくともCoを金属成分の中で50重
量%以上含むものである。特に限定されないが、かかる
複合金属酸化物の一例を示せば、例えば特開昭55−1
36,131号公報で開示されるLiCoO2 ,特開昭
62−90,863号公報で開示されている一般式Li
x Coyz2 (但し、NはAl,In,Snの群か
ら選ばれた少なくとも一種を表わしx,y,zは各々
0.05≦x≦1.10,0.85≦y≦1.00,
0.001≦z≦0.10の数を表わす。)、又、特開
平3−49,155号公報で開示されるLix Niy
(1-y)2(但し、0<x≦1,0≦y<0.50)
等が挙げられる。
【0008】かかる化合物を得るには、炭酸リチウムと
四三酸化コバルトと、更に要すれば、他金属化合物との
焼成反応により容易に得られるものである。
【0009】これらの複合酸化物は何れも正極活物質と
して、高電圧,高容量という他の活物質には見られない
優れた特性を有している。特に前記一般式Lix Coy
z2 (但し、NはAl,In,Snの群から選ばれ
た少なくとも一種を表わし、x,y,zは各々0.05
≦x≦1.10,0.85≦y≦1.00,0.001
≦z≦0.10の数を表わす。)は特にサイクル性等の
特性に優れており本発明で好ましく用いられる複合酸化
物である。
【0010】又、本発明でいう炭素質材料とは、特に限
定されるものではないが、その一例を示せば特開昭58
−35,881号公報に記載の高表面積炭素材料、又特
開昭58−209,864号公報に記載のフェノール系
樹脂等の焼成炭化物、又特開昭61−111,907号
公報に記載の縮合多環炭化水素系化合物の焼成炭化物等
が挙げられる。中でも特開昭62−90,863号公報
で開示されるBET法比表面積A(m2 /g)が0.1
<A<100の範囲でX線回折における結晶厚みLc
(Å)と真密度ρ(g/cm3 )の値が下記条件1.7
0<ρ<2.18かつ10<Lc<120ρ−189を
満たす範囲にある炭素質材料は高容量かつ優れたサイク
ル特性を有しており、本発明において特に好ましく用い
られる。
【0011】本発明においてLi,Coを主成分とする
複合金属酸化物を正極活物質として用いるに際し、それ
に含有される残存アルカリ量は電池特性に大きな影響を
及ぼす。前述の如く該複合金属酸化物はリチウム化合物
とコバルト等の金属化合物との焼成反応により得られる
が、リチウム化合物とコバルト等の金属化合物との反応
は必ずしも等モルで進行するとは限らず、リチウム化合
物が未反応で残った場合には、酸化リチウム,水酸化リ
チウム等がアルカリ性化合物として残存しているものと
思われる。
【0012】本発明者等は前述の如くLi,Coを主成
分とする複合金属酸化物を正極活物質を用いた時に見ら
れる高温条件下での性能低下要因を検討の結果、かかる
残存アルカリ量と性能低下とが密接な関連のあることを
見出した。即ち、高温条件下での性能低下を抑制する為
には、後述の測定法で定義される残存アルカリ量は0.
15重量%以下でなければならない。好ましくは0.1
重量%以下、更に好ましくは0.05重量%以下であ
る。
【0013】かかる残存アルカリ量を本発明で限定され
る範囲以下に減少させるには種々の方法を用いることが
できる。例えば、焼成反応時間を延ばすこと、焼成反応
温度を上げること等である。これらは何れも焼成反応終
了後、残存アルカリリチウム化合物が昇華飛散すること
により減少しているものと推察される。
【0014】焼成反応温度を上げることは有効な方法で
はあるが、上げ過ぎると複合酸化物そのものの分解が始
まることとなり好ましくなく、1,150℃以下の温度
範囲に、とどめるべきである。
【0015】又、他法として該複合酸化物を水等のアル
カリ可溶性溶剤で洗浄する方法も有効である。
【0016】何れの方法を採用するにせよ、残存アルカ
リ量を本発明で限定される範囲内に抑えることにより、
高温下での電池特性が著しく改良される。
【0017】本発明の非水系二次電池を組立てる場合の
基本構成要素として、前記本発明の活物質を用いた電
極、更にはセパレーター、非水電解液が挙げられる。セ
パレーターとしては特に限定されないが、織布,不織
布,ガラス織布,合成樹脂微多孔膜等が挙げられるが、
薄膜、大面積電極を用いる場合には、例えば特開昭58
−59072号に開示される合成樹脂微多孔膜、特にポ
リオレフィン系微多孔膜が、厚み、強度、膜抵抗の面で
好ましい。
【0018】非水電解液の電解質としては特に限定され
ないが、一例を示せば、LiClO4 ,LiBF4 ,L
iAsF6 ,CF3 SO3 Li,LiPF6 ,LiI,
LiAlCl4 ,NaClO4 ,NaBF4 ,NaI,
(n−Bu)4+ ClO4,(n−Bu)4+ BF4
,KPF6 等が挙げられる。又、用いられる電解液の
有機溶媒としては、例えばエーテル類、ケトン類、ラク
トン類、ニトリル類、アミン類、アミド類、硫黄化合
物、塩素化炭化水素類、エステル類、カーボネート類、
ニトロ化合物、リン酸エステル系化合物、スルホラン系
化合物等を用いることができるが、これらのうちでもエ
ーテル類、ケトン類、ニトリル類、塩素化炭化水素類、
カーボネート類、スルホラン系化合物が好ましい。更に
好ましくは環状カーボネート類である。
【0019】これらの代表例としては、テトラヒドロフ
ラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキ
サン、アニソール、モノグライム、アセトニトリル、プ
ロピオニトリル、4−メチル−2−ペンタノン、ブチロ
ニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、1,2−
ジクロロエタン、γ−ブチロラクトン、ジメトキシエタ
ン、メチルフォルメイト、プロピレンカーボネート、エ
チレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチル
ホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルチオホ
ルムアミド、スルホラン、3−メチル−スルホラン、リ
ン酸トリメチル、リン酸トリエチルおよびこれらの混合
溶媒等をあげることができるが、必ずしもこれらに限定
されるものではない。
【0020】更に要すれば、集電体、端子、絶縁板等の
部品を用いて電池が構成される。又、電池の構造として
は、特に限定されるものではないが、正極、負極、更に
要すればセパレーターを単層又は複層としたペーパー型
電池、積層型電池、又は正極、負極、更に要すればセパ
レーターをロール状に巻いた円筒状電池等の形態が一例
として挙げられる。
【0021】
【実施例】以下実施例、比較例により本発明を更に詳し
く説明する。
【0022】残存アルカリ量の測定 乾燥した試料約10gを精秤し(Wg)100mlのビ
ーカーに入れ、50mlの精製水を注ぎ、ビーカー内を
窒素で置換した後1時間磁気撹拌子にて撹拌する。30
分放置後、上澄み液30mlをサンプリングし、フェノ
ールフタレインを指示薬として1/20N−H2 SO4
で滴定する。下式により残存アルカリ量を算出する。
【0023】
【数1】 実施例1 炭酸リチウムと四三酸化コバルトと酸化第2スズをリチ
ウムとコバルトとスズの原子比が1.08:0.92:
0.02の比率になるように混合し、910℃で1時間
焼成した。この焼成物を粉砕し、粉末状態のまま105
0℃で10時間再焼成した。
【0024】再焼成前の残存アルカリは1.8%であっ
たが再焼成後は0.08%であった。
【0025】このLi,Co複合酸化物100重量部と
グラファイト2.5重量部、アセチレンブラック2.5
重量部を混合した後、フッ素ゴム2重量部を酢酸エチル
/エチルセロソルブの1:1(重量比)混合溶剤60重
量部に溶解させた液を混合しスラリー状塗工液を得た。
【0026】ドクターブレードコーターヘッドを有する
塗工機を用い巾600mm厚さ15μのAl箔の両面に
上記塗工液を塗布した。両面塗工後の塗工厚は290μ
であった。
【0027】ニードルコークス粉砕品100重量部とフ
ッ素ゴム5重量部を酢酸エチル/エチルセロソルブの
1:1(重量比)混合溶剤90重量部に溶解させた液を
混合しスラリー状塗工液を得た。
【0028】ドクターブレードコーターヘッドを有する
塗工機を用い巾600mm厚さ10μのCu箔の両面に
上記塗工液を塗布した。両面塗工後の塗工厚は350μ
であった。
【0029】前記2種類の塗工品をカレンダーロールに
てプレス後、両者共にスリッターを用い41mm巾にス
リットした。Li1.03Co0.92Sn0.022 塗工品を正
極とし、ニードルコークス塗工品を負極とし、セパレー
ターとしてポリエチレン製微多孔膜(ハイポア4030
U旭化成社製)を用い、捲回機により外径14.9mm
のコイル状に捲回した。この捲回コイルを外径16mm
の電池缶に入れた後、プロピレンカーボネート/エチレ
ンカーボネート/γ−ブチロラクトンの1:1:2(重
量比)の混合溶剤にLiBF4 を1M濃度に溶かしたも
のを電解液として含浸した後封口し、図1に示す高さ5
0mmのAサイズの電池缶を試作した。
【0030】この電池を4.2V定電圧で充電後60℃
で14日間放置した。放置後の容量低下は2.1%であ
り過電圧は変化していなかった。
【0031】実施例2 炭酸リチウムと四三酸化コバルトと酸化第2スズをリチ
ウムとコバルトとスズの原子比が1.15:0.95:
0.02の比率になるように混合し930℃で1時間焼
成した。この焼成物100重量部に対し水500重量部
を加えpHが9.0で一定になるように1/10N−H
Clを連続的に滴下していった。最終的に滴下しなくて
もpHが9.0になる点で操作を終了し、濾過洗浄し乾
燥した。このものの残存アルカリは0.05%であっ
た。
【0032】このものを用い実施例1と同じ操作を行い
Aサイズの電池を試作した。
【0033】この電池を4.2V定電圧で充電後60℃
で14日間放置した。放置後の容量低下は1.1%であ
り過電圧は変化していなかった。
【0034】実施例3〜5,比較例1〜2 実施例1において再焼成条件を表1に示す条件に変えた
以外は全く同じ操作を行った。
【0035】結果を表1に併せて示す。
【0036】
【表1】 実施例6〜7,比較例3,4 実施例2において、pH設定値を表2に示す条件に変え
た以外は全く同じ操作を行った。結果を併せて表2に示
す。
【0037】
【表2】
【0038】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、L
i,Co複合酸化物を正極活物質に用い、炭素質材料を
負極活物質に用いる有機電解液電池において、正極活物
質の残存アルカリ量を0.15%以下にすることによ
り、高温での保存特性が著しく改良される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電池の半裁断面図
【符号の説明】
1 正極 2 セパレーター 3 負極 4 絶縁板 5 負極リード 6 正極リード 7 ガスケット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/02 - 4/04 H01M 4/58 H01M 10/40

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭酸リチウムと四三酸化コバルトを焼成
    してなるLi,Coを主成分とする複合金属酸化物を正
    極活物質とし、炭素質材料を負極活物質とする有機電解
    液電池において、該正極活物質に含有される残存アルカ
    リが0.15重量%以下であることを特徴とする有機電
    解液電池。
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