JP3322490B2 - リチウム一次電池 - Google Patents

リチウム一次電池

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JP3322490B2
JP3322490B2 JP27592394A JP27592394A JP3322490B2 JP 3322490 B2 JP3322490 B2 JP 3322490B2 JP 27592394 A JP27592394 A JP 27592394A JP 27592394 A JP27592394 A JP 27592394A JP 3322490 B2 JP3322490 B2 JP 3322490B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウム一次電池に係
わり、詳しくは、その低温放電特性を改善することを目
的とした正極活物質、非水電解液の溶媒及び溶質の改良
に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
リチウム一次電池の正極活物質として、二酸化マンガン
が使用されているが、二酸化マンガンは非水電解液との
濡れ性が良くないために、正極の有効反応面積が小さ
い。このため、従来のリチウム一次電池には、低温での
放電特性(低温放電特性)が良くないという問題があっ
た。
【0003】この問題を解決するべく鋭意研究した結
果、本発明者らは、非水電解液として特定の溶媒及び溶
質からなるものを使用し、且つ二酸化マンガンの表面を
所定の手段を用いて改質すれば、二酸化マンガンと非水
電解液との濡れ性の悪さが解消されることを見出した。
【0004】本発明は、かかる知見に基づきなされたも
のであって、その目的とするところは、低温放電特性に
優れたリチウム一次電池を提供するにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係るリチウム一次電池(本発明電池)は、正
極と、金属リチウム又はリチウム合金を活物質とする負
極と、溶質及び溶媒からなる非水電解液と、セパレータ
とを備えるリチウム一次電池において、前記正極が、二
酸化マンガンと水酸化リチウムとの混合物を150〜4
00°Cで焼成してなる、リチウムとマンガンとの総量
に基づいてリチウムを1〜15原子%含有する表面改質
二酸化マンガンを活物質とし、前記溶媒が、エチレンカ
ーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネ
ート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネ
ートよりなる群から選ばれた少なくとも1種の炭酸エス
テル20〜80体積%と、1,2−ジメトキシエタン8
0〜20体積%との混合溶媒であり、且つ前記溶質が、
トリフルオロメタンスルホン酸リチウムであることを特
徴とする。
【0006】二酸化マンガンとしては、電解二酸化マン
ガン及び化学二酸化マンガンのいずれも使用することが
できるが、化学二酸化マンガンは製法上不純物の混入が
多く、また高密度のものが得られにくいので、電解二酸
化マンガンを使用することが好ましい。
【0007】
【0008】二酸化マンガンと水酸化リチウムとの混合
物の焼成温度は150〜400°Cである。150°C
未満の場合は含有せる水分が充分に除去されないため、
一方400°Cを越えた場合は二酸化マンガンの結晶構
造が変化して失活するため、いずれの場合にも良好な低
温放電特性を発現するリチウム一次電池を得ることが困
難となる。
【0009】本発明における表面改質二酸化マンガンの
リチウム含有量は、リチウムとマンガンとの総量に基づ
いて1〜15原子%である。リチウム含有量が1原子%
未満の場合は二酸化マンガンの表面を充分に改質するこ
とが困難となるため、一方リチウム含有量が15原子%
を越えた場合は正極活物質たる二酸化マンガンの量が減
少するため、いずれの場合にも良好な低温放電特性を発
現するリチウム一次電池を得ることが困難となる。
【0010】本発明における非水電解液は、エチレンカ
ーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネ
ート、ジエチルカーボネート及びエチルメチルカーボネ
ートよりなる群から選ばれた少なくとも1種の炭酸エス
テル20〜80体積%と、1,2−ジメトキシエタン8
0〜20体積%とからなる混合溶媒に、トリフルオロメ
タンスルホン酸リチウム又はヘキサフルオロリン酸リチ
ウムを溶かしたものである。非水電解液の溶媒及び溶質
がこのように限定されるのは、たとえ正極活物質として
上記した表面改質二酸化マンガンを使用したとしても、
他の溶媒又は溶質を使用したのでは、良好な低温放電特
性を発現するリチウム一次電池を必ずしも得ることがで
きないからである。
【0011】
【作用】本発明電池においては、正極活物質として表面
改質二酸化マンガンが、また非水電解液として該表面改
質二酸化マンガンとの濡れ性に優れる非水電解液が、そ
れぞれ使用されているので、従来のリチウム一次電池に
比べて、充放電時の正極の有効反応面積が大きく、低温
放電特性に優れる。このように二酸化マンガンの表面改
質により特定の非水電解液に対する濡れ性が向上する理
由については、本発明者らにおいても定かではないが、
表面改質により二酸化マンガンの粒子表面にリチウムが
生成付着し、このリチウムが二酸化マンガンの特定の非
水電解液に対する濡れ性の向上に貢献しているのではな
いかと考える。
【0012】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定され
るものではなく、その要旨を変更しない範囲において適
宜変更して実施することが可能なものである。
【0013】〔正極の作製〕正極活物質としての二酸化
マンガン粉末(粒径100μm以下)と、表1又は表2
中に示す種々のリチウム化合物(粒径100μm以下)
の粉末とを、マンガンとリチウムとの原子比が90:1
0となる比率で混合し、375°Cで2時間焼成して、
表面改質二酸化マンガン粉末を作製した。
【0014】
【表1】
【0015】
【表2】
【0016】次いで、これらの表面改質二酸化マンガン
粉末又は表面改質しなかった二酸化マンガン粉末と、導
電剤としてのカーボン(人造黒鉛)と、結着剤とを、重
量比80:10:10で混合し、成形して、円板状の正
極を作製した。
【0017】〔負極の作製〕リチウム金属板を打ち抜い
て円板状の負極を作製した。
【0018】〔非水電解液の調製〕表1又は表2に示す
混合溶媒及び溶質を使用して、種々の非水電解液を調製
した。溶質濃度は全て1モル/リットルとした。二成分
系の混合溶媒については、炭酸エステルと1,2−ジメ
トキシエタンとの体積比を、全て1:1とした。また、
三成分系の混合溶媒については、二種の炭酸エステルと
1,2−ジメトキシエタンとの混合比(体積%)を、全
て30:30:40とした。
【0019】表1及び表2中の略符号はそれぞれ下記の
溶媒を示す。 EC:エチレンカーボネート DME:1,2−ジメトキシエタン PC:プロピレンカーボネート BC:1,2−ブチレンカーボネート DMC:ジメチルカーボネート EMC:エチルメチルカーボネート DEC:ジエチルカーボネート γ−BL:γ−ブチロラクトン SL:スルホラン THF:テトラヒドロフラン DOS:1,3−ジオキソラン
【0020】〔リチウム一次電池の組立〕 上記の正極、負極及び非水電解液を使用して、扁平型の
リチウム一次電池(直径20mm、高さ2.5mm)A
1〜A14、B1〜B15を組み立てた。このうち、電
A1、A7〜A14が本発明電池であり、その他が比
較電池である。
【0021】〔放電容量〕−20°Cにて、各電池を5
kΩの定抵抗放電で終止電圧2Vで放電して、各電池の
低温での放電容量を求めた。結果を先の表1及び表2に
示す。
【0022】表1及び表2より、本発明電池A1、A7
〜A14は、比較電池A2、A3、A5、A6、B1〜
B15に比べて、−20°Cでの放電容量が大きく、低
温放電特性に優れていることが分かる。
【0023】〔表面改質二酸化マンガンのリチウム含有
率と低温放電特性の関係〕エチレンカーボネートと1,
2−ブチレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタン
との体積比30:30:40の混合溶媒にトリフルオロ
メタンスルホン酸リチウムを1モル/リットル溶かした
非水電解液を使用し、且つマンガンとリチウムとの総量
に基づくリチウム含有率が0.5原子%、1原子%、2
原子%、5原子%、8原子%、15原子%又は20原子
%の表面改質二酸化マンガンを正極活物質として使用し
たこと以外は先と同様にして、リチウム一次電池を組み
立てた。
【0024】次いで、これらの各電池を、先と同じ条件
で放電して、各電池の−20°Cでの放電容量を求め
た。結果を図1に示す。図1中には、本発明電池A11
の−20°Cでの放電容量(105mAh)も示してあ
る。
【0025】図1は、表面改質二酸化マンガンのリチウ
ム含有率と低温放電特性の関係を、縦軸に−20°Cで
の放電容量(mAh)を、また横軸にリチウム含有率
(原子%)をとって示したグラフである。図1より、低
温での放電容量の大きいリチウム一次電池を得るために
は、リチウム含有率1〜15原子%、好ましくは2〜8
原子%の表面改質二酸化マンガンを使用する必要がある
ことが分かる。
【0026】〔表面改質二酸化マンガンの焼成温度と低
温放電特性の関係〕エチレンカーボネートと1,2−ブ
チレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタンとの混
合比(体積%)30:30:40の混合溶媒にトリフル
オロメタンスルホン酸リチウムを1モル/リットル溶か
した非水電解液を使用し、且つ100°C、150°
C、200°C、300°C、400°C又は450°
Cで二酸化マンガンと水酸化リチウムとの混合物を焼成
して得た、マンガンとリチウムとの総量に基づくリチウ
ム含有率が10原子%の表面改質二酸化マンガンを正極
活物質として使用したこと以外は先と同様にして、リチ
ウム一次電池を組み立てた。
【0027】次いで、これらの各電池を、先と同じ条件
で放電して、各電池の−20°Cでの放電容量を求め
た。結果を図2に示す。図2中には、本発明電池A11
の−20°Cでの放電容量(105mAh)も示してあ
る。
【0028】図2は、表面改質二酸化マンガン作製時の
焼成温度と低温放電特性の関係を、縦軸に−20°Cで
の放電容量(mAh)を、また横軸に焼成温度(°C)
をとって示したグラフである。図2より、低温での放電
容量の大きいリチウム一次電池を得るためには、150
〜400°Cで焼成して得た表面改質二酸化マンガンを
使用する必要があることが分かる。
【0029】〔炭酸エステルと1,2−ジメトキシエタ
ンとの混合比と低温放電特性の関係〕エチレンカーボネ
ートと1,2−ジメトキシエタンとの体積比90:1
0、80:20、50:50、20:80又は10:9
0の混合溶媒にトリフルオロメタンスルホン酸リチウム
を1モル/リットル溶かした非水電解液を使用し、且つ
375°Cで二酸化マンガンと水酸化リチウムとの混合
物を焼成して得た、マンガンとリチウムとの総量に基づ
くリチウム含有率が10原子%の表面改質二酸化マンガ
ンを正極活物質として使用したこと以外は先と同様にし
て、リチウム一次電池を組み立てた。
【0030】次いで、これらの各電池を、先と同じ条件
で放電して、各電池の−20°Cでの放電容量を求め
た。結果を図3に示す。
【0031】図3は、エチレンカーボネートと1,2−
ジメトキシエタンとの混合比と低温放電特性の関係を、
縦軸に−20°Cでの放電容量(mAh)を、また横軸
にエチレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタンと
の混合比をとって示したグラフである。図3より、低温
での放電容量の大きい低温放電特性に優れたリチウム一
次電池を得るためには、エチレンカーボネートと1,2
−ジメトキシエタンとの混合比を20:80〜80:2
0の範囲とする必要があることが分かる。なお、他の炭
酸エステルについても、同じ混合比の範囲において優れ
た低温放電特性を有するリチウム一次電池が得られるこ
とを確認した。
【0032】上記実施例では、本発明を扁平型のリチウ
ム一次電池に適用する場合について説明したが、電池の
形状に特に制限はなく、本発明は、円筒型、角型など、
種々の形状のリチウム一次電池に適用し得るものであ
る。
【0033】
【発明の効果】本発明電池は、正極の非水電解液に対す
る濡れ性が良いので、正極の有効反応面積が大きく、低
温放電特性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】表面改質二酸化マンガンのリチウム含有率と低
温放電特性の関係を示すグラフである。
【図2】表面改質二酸化マンガン作製時の焼成温度と低
温放電特性の関係を示すグラフである。
【図3】エチレンカーボネート(炭酸エステル)と1,
2−ジメトキシエタンとの混合比と低温放電特性の関係
を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 斎藤 俊彦 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−306542(JP,A) 特開 平2−262246(JP,A) 特開 平2−15568(JP,A) 特開 平1−281679(JP,A) 特開 平2−253560(JP,A) 特開 昭57−49164(JP,A) 特開 昭63−114065(JP,A) 特開 平3−43968(JP,A) 特開 平2−220357(JP,A) 特開 昭62−290058(JP,A) 特開 平1−272051(JP,A) 特開 昭63−114064(JP,A) 特開 平3−233872(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 6/16 H01M 4/06 H01M 4/50 H01M 10/40

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と、金属リチウム又はリチウム合金を
    活物質とする負極と、溶質及び溶媒からなる非水電解液
    と、セパレータとを備えるリチウム一次電池において、
    前記正極が、二酸化マンガンと水酸化リチウムとの混合
    物を150〜400°Cで焼成してなる、リチウムとマ
    ンガンとの総量に基づいてリチウムを1〜15原子%含
    有する表面改質二酸化マンガンを活物質とし、前記溶媒
    が、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジ
    メチルカーボネート、ジエチルカーボネート及びエチル
    メチルカーボネートよりなる群から選ばれた少なくとも
    1種の炭酸エステル20〜80体積%と、1,2−ジメ
    トキシエタン80〜20体積%との混合溶媒であり、且
    つ前記溶質が、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム
    であることを特徴とするリチウム一次電池。
  2. 【請求項2】前記表面改質二酸化マンガンが、リチウム
    とマンガンとの総量に基づいてリチウムを2〜8原子%
    含有する請求項1記載のリチウム一次電池。
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