JP3305707B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、非水電解液二次電池に関し、特に非水電解
液を改良した非水電解液二次電池に係わるものである。
(従来の技術) 近年、負極活物質としてリチウム、ナトリウム、アル
ミニウム等の軽金属を用いた非水電解液電池は高エネル
ギー密度電池として注目されており、正極活物質に二酸
化マンガン(MnO2)、フッ化炭素[(CF)]、塩化チ
オニル(SOCl2)等を用いた一次電池は既に電卓、時計
の電源やメモリのバックアップ電池として多用されてい
る。更に、近年、VTR、通信機器等の各種の電子機器の
小形、軽量化に伴い、それらの電源として高エネルギー
密度の二次電池の要求が高まり、軽金属を負極活物質と
する非水電解液二次電池の研究が活発に行われている。
非水電解液二次電池は、負極にリチウム、ナトリウ
ム、アルミニウム等の軽金属を用い、電解液として炭酸
プロピレン(PC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、γ
−ブチロラクトン(γ−BL)、テトラヒドロフラン(TH
F)などの非水溶媒中にLiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6
等の電解質を溶解したものから構成され、正極活物質と
しては主にTiS2、MoS2、V2O5、V6O13等のリチウムとの
間でトポケミカル反応する化合物が研究されている。
しかしながら、上述した二次電池は現在、未だ実用化
されていない。この主な理由は、充放電効率が低く、し
かも充放電回数(サイクル)寿命が短いためである。こ
の原因は、負極リチウムと電解液との反応によるリチウ
ムの劣化によるところが大きいと考えられている。即
ち、放電時にリチウムイオンとして電解液中に溶解した
リチウムは充電時に析出する際に溶媒と反応し、その表
面が一部不活性化される。このため、充放電を繰返して
いくと、デンドライト状(樹枝状)のリチウムが発生し
たり、小球状にに析出したりリチウムが集電体より脱離
するなどの現象が生じる。
このようなリチウムの劣化は、電解液を構成する電解
質と非水溶媒の組合わせにも大きな影響を受けるため、
その最適な組合わせが検討されている。例えば、非水溶
媒として種々の混合溶媒が検討され、中でもエチレンカ
ーボネートと2−メチルテトラヒドロフランの混合溶媒
はリチウムに対して安定な溶媒であることが知られてい
る。かかる混合溶媒に電解質であるLiAsF6を1.5モル/
溶解した非水電解液を用いることによって高いリチウ
ムの充放電効率が得られることがElectrochem.Acta,30,
1715(1985)で報告されている。しかしながら、LiAsF6
は毒性や安定性の点等で問題がある。このため、LiAsF6
と同程度のモル導電率が高い六フッ化リン酸リチウム
(LiPF6)を電解質として用いることが検討されてい
る。しかしながら、LiPF4は化学的安定性が劣るなどの
問題から、LiPF6を溶解した非水電解液では十分なリチ
ウムの充放電効率が得られないばかりか、貯蔵特性も劣
るという問題があった。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされた
もので、充放電サイクル寿命と長期の貯蔵特性の優れた
非水電解液二次電池を提供しようとするものである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、軽金属又はその合金を活物質とする負極
と、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物を活物質と
する正極と、エチレンカーボネートと2−メチルテトラ
ヒドロフランの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを0.
1モル/l以上、1モル/l未満の範囲で溶解したものを含
む非水電解液とを具備したことを特徴とする非水電解液
二次電池である。
上記負極の活物質である軽金属又はその合金として
は、例えばリチウム、アルミニウム、リチウム−アルミ
ニウム合金等を挙げることができる。
上記正極の活物質であるリチウムマンガン複合酸化物
としては、例えばLiMn2O4、(β−γ)MnO2・Li2MnO3
LiOHとMnO2の反応生成物等を挙げることができる。
上記エチレンカーボネートと2−メチルテトラヒドロ
フランの混合溶媒中のエチレンカーボネートの体積混合
比率は、40〜80%、より好ましくは50〜60%の範囲にす
ることが望ましい。この理由は、エチレンカーボネート
の割合を40%未満にすると負極のリチウムの分極の増大
と充放電効率の低下を招く恐れがある。
上記LiPF6の混合溶媒に対する割合を限定した理由
は、その量を0.1モル/未満にすると充放電時の負極
リチウムの分極と放電時の正極の分極が増大し、一方そ
の量が1.0モル/以上になると非水電解液の安定性が
低下してリチウムの充放電効率の低下を招く。より好ま
しいLiPF6の混合溶媒に対する割合は、0.2〜0.8モル/
の範囲である。
上記組成の電解液は、電池容器内に収容する前に予め
不溶性吸着材に接触させて処理するか、又は通電処理す
るか、或いはこれらの両方の処理を施すことが望まし
い。
上記不溶性吸着材による処理は、例えば前記電解液中
に活性アルミナや無機物のモレキュラーシーブ等の電解
液と反応しない不溶性吸着材を加えて撹拌した後、不溶
性吸着材を濾過等により分離する方法、前記不溶性吸着
材を充填したカラムに電解液を流通させる方法を採用し
得る。
上記通電処理は、例えば電解液中にリチウムからなる
電極を陽極として浸漬し、かつリチウム又はリチウム以
外の金属からなる電極を陰極として浸漬した後、これら
陽極及び陰極の間に定電流又は定電圧で連続波もしくは
パルスを印加して陰極上にリチウムを析出又は析出と溶
解を繰り返す方法を採用し得る。
(作 用) 本発明によれば、非水電解液はエチレンカーボネート
と2−メチルテトラヒドロフランの混合溶媒に六フッ化
リン酸リチウム(LiPF6)を0.1モル/以上1モル/
未満の範囲で溶解したものを用いること、正極活物質と
して二酸化マンガン又はリチウムマンガン複合酸化物を
用いるによって、負極リチウムと非水電解液の反応によ
るリチウムの劣化とデンドライ析出の影響を抑制して充
放電サイクル寿命と貯蔵特性の優れた非水電解液二次電
池を得ることができる。
即ち、電解質であるLiPF6の濃度を0.1モル/以上1
モル/未満の範囲にすることによって、LiPF6の熱分
解反応や不純物による分解反応が著しく緩和され、その
結果非水電解液の安定性が向上して貯蔵特性を改善でき
ると共に、リチウムの充放電効率の低下を抑制できる。
また、正極活物質として二酸化マンガン又はリチウムマ
ンガン複合酸化物を用いることにより充電時のリチウム
のデンドライ析出の影響を抑制できる。これは、二酸化
マンガン又はリチウムマンガン複合酸化物が充放電に伴
う体積変化が大きいため、負極リチウムは対向している
該正極の体積の増大により加圧された状態となり、リチ
ウムのデントライト析出が抑制され、リチウムの充放電
効率の低下が防止されることによるものと考えられる。
更に、二酸化マンガン又はリチウムマンガン複合酸化物
の起電力は約3.0Vであるため、充電時の非水電解液の分
解が起こり難くなり、サイクル寿命に良好な影響を与え
るものと考えられる。
また、前記組成の電解液を電池容器内に収容する前に
予め不溶性吸着材に接触させる処理、及び/又は通電処
理を施すことによって、負極リチウムと前記電解液との
反応による該リチウムの劣化を顕著に抑制でき、充放電
サイクル寿命、貯蔵性が極めて良好な非水電解液二次電
池を得ることができる。これは、前記処理により電解液
中の不純物が除去され、高純度の電解液が得られること
によるものと考えられる。
(実施例) 以下、本発明を円筒形非水電解液二次電池に適用した
例について第1図を参照して詳細に説明する。
実施例1−1 非水電解液二次電池1は、底部に絶縁体2が配置され
た有底円筒状のステンレス容器3を有する。この容器2
内には、電極群4が収納されている。この電極群4は、
正極5、セパレータ6及び負極7をこの順序で積層した
帯状物を該負極7が外側に位置するように渦巻き状に巻
回した構造になっている。前記正極5は、スピネル型マ
ンガン酸化物(LiMn2O4)粉末80重量%をアセチレンブ
ラック15重量%及びポリテトラフルオロエチレン粉末5
重量%と共に混合し、シート化し、エキスパンドメタル
集電体に圧着した形状になっている。前記セパレータ6
は、ポリプロピレン性多孔質フィルムから形成されてい
る。前記負極7は、帯状リチウム箔から形成されてい
る。
前記容器2内には、0.5モル/濃度の六フッ化リン
酸リチウム(LiPF6)をエチレンカーボネートと2−メ
チルテトラヒドロフランの混合溶媒(混合体積比率50:5
0)に溶解した組成の電解液が収容されている。前記電
極群4上には、中央部が開口された絶縁紙8が載置され
ている。更に、前記容器1の上部開口部には、絶縁封口
板8が該容器2へのかしめ加工等に液密に設けられてお
り、かつ該絶縁封口板9の中央には正極端子10が嵌合さ
れている。この正極端子10は、前記電極群4の正極5に
正極リード11を介して接続されている。なお、電極群4
の負極7は図示しない負極リードを介して負極端子であ
る前記容器2に接続されている。
実施例1−2 電解液として、0.2モル/濃度のLiPF6をエチレンカ
ーボネートと2−メチルテトラヒドロフランの混合溶媒
に溶解した組成のものを用いた以外、実施例1−1と同
構成の非水電解液二次電池を組み立てた。
実施例1−3 電解液として、0.1モル/濃度のLiPF6をエチレンカ
ーボネートと2−メチルテトラヒドロフランの混合溶媒
に溶解した組成のものを用いた以外、実施例1−1と同
構成の非水電解液二次電池を組み立てた。
実施例1−4 電解液として、0.8モル/濃度のLiPF6をエチレンカ
ーボネートと2−メチルテトラヒドロフランの混合溶媒
に溶解した組成のものを用いた以外、実施例1−1と同
構成の非水電解液二次電池を組み立てた。
比較例1−1 電解液として、1.0モル/濃度のLiPF6をエチレンカ
ーボネートと2−メチルテトラヒドロフランの混合溶媒
に溶解した組成のものを用いた以外、実施例1−1と同
構成の非水電解液二次電池を組み立てた。
比較例1−2 電解液として、1.5モル/の濃度のLiPF6をエチレン
カーボネートと2−メチルテトラヒドロフランの混合溶
媒に溶解した組成のものを用いた以外、実施例1−1と
同構成の非水電解液二次電池を組み立てた。
しかして、本実施例1−1〜1−4及び比較例1−
1、1−2の非水電解液二次電池について充電電流100m
A、放電電流100mAで充放電を繰り返し行い、放電容量が
350mAhになった時のサイクル数を調べた。その結果を第
2図に示した。
実施例2−1〜2−4 エチレンカーボネートと2−メチルテトラヒドロフラ
ンの混合溶媒(混合体積比率50:50)に0.5モル/、0.
2モル/、0.1モル/及び0.8モル/濃度のLiPF6
溶解した組成の電解液を用いた以外、実施例1−1と同
構成の4種の非水電解液二次電池を組み立てた後30℃で
1年間放置した。
比較例2−1、2−2 エチレンカーボネートと2−メチルテトラヒドロフラ
ンの混合溶媒(混合体積比率50:50)に1.0モル/及び
1.5モル/濃度のLiPF6を溶解した組成の電解液を用い
た以外、実施例1−1と同構成の2種の非水電解液二次
電池を組み立てた後、30℃で1年間放置した。
しかして、本実施例2−1〜2−4及び比較例2−
1、2−2の非水電解液二次電池について充電電流100m
A、放電電流100mAで充電を繰り返し行い、放電容量が35
0mAhになった時のサイクル数を調べた。その結果を第2
図に併記した。
実施例3−1〜3−4 エチレンカーボネートと2−メチルテトラヒドロフラ
ンの混合溶媒(混合体積比率50:50)に0.5モル/、0.
2モル/、0.1モル/及び0.8モル/濃度のLiPF6
溶解した組成の4種の電解液を用意し、これを容器内に
収容する前に予め活性アルミナに接触させる処理及び通
電処理を施した。即ち、前記電解液100m中に活性アル
ミナ10gを入れ、前記電解液を12時間以上間欠的に攪拌
した後、活性アルミナを濾別して活性アルミナの接触処
理を施した。つづいて、面積約8cm2のリチウム板からな
る陽極と陰極とを前記電解液中に配置し、電流密度0.5m
A/cm2の電流を10時間以上流して通電処理を施した。更
に、前記活性アルミナの接触処理と通電処理とを再度行
った。このような処理を施した各電解液を用いて前記実
施例1−1と同構成の4種の非水電解液二次電池を組み
立てた。
比較例3−1、3−2 エチレンカーボネートと2−メチルテトラヒドロフラ
ンの混合溶媒(混合体積比率50:50)に1.0モル/及び
1.5モル/濃度のLiPF6を溶解した組成の電解液を実施
例3−1と同様に活性アルミナの接触処理と通電処理を
施したものを用いた以外、実施例1−1と同構成の2種
の非水電解液二次電池を組み立てた。
しかして、本実施例3−1〜3−4及び比較例3−
1、3−2の非水電解液二次電池について充電電流100m
A、放電電流100mAで充放電を繰り返し行い、放電容量が
350mAhになった時のサイクル数を調べた。その結果を第
2図に併記した。
第2図から明らかなように本実施例1−1〜1−4の
非水電解液二次電池では、比較例1−1、1−2の電池
に比べてサイクル寿命が著しく長く、また本実施例2−
1〜2−4の非水電解液二次電池では比較例2−1、2
−2の電池に比べて1年間放置後も高いサイクル寿命を
有し、貯蔵特性が優れていることがわかる。更に、実施
例1−1〜1−4と同組成で活性アルミナの接触処理と
通電処理を施した電解液を収容した本実施例3−1〜3
−4の非水電解液二次電池では、比較例3−1、3−2
の電池に比べてサイクル寿命がより一層長くなることが
わかる。
[発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば高い充放電サイク
ル寿命を有すると共に貯蔵特性に優れた非水電解液二次
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1における円筒型非水電解液二
次電池を示す断面図、第2図は本実施例1−1〜1−
4、2−1〜3−1〜3−4及び比較例1−1、1−
2、2−1、2−2、3−1、3−2の非水電解液二次
電池の充放電サイクル数を示す特性図である。 1……非水電解液二次電池、2……ステンレス容器、4
……電極群、5……正極、6……セパレータ、7……負
極、9……封口板、10……正極端子。
フロントページの続き (72)発明者 大崎 隆久 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 栗栖 憲仁 東京都品川区南品川3丁目4番10号 東 芝電池株式会社内 (72)発明者 稲田 圀昭 東京都品川区南品川3丁目4番10号 東 芝電池株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−105375(JP,A) 特開 昭63−114064(JP,A) 特開 昭63−187569(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】軽金属又はその合金を活物質とする負極
    と、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物を活物質と
    する正極と、エチレンカーボネートと2−メチルテトラ
    ヒドロフランの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを0.
    1モル/l以上、1モル/l未満の範囲で溶解したものを含
    む非水電解液とを具備したことを特徴とする非水電解液
    二次電池。
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