JP3580336B2 - Rechargeable battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電解液に非水電解液を用いる二次電池または電解質に高分子ゲル電解質を用いる二次電池に関するもので、さらに詳しく言えば、正極活物質としてLi1−X MO2 (MはCo,Ni,Fe,V,Mnから選択された少なくとも1種類の元素)を含む二次電池の安全性の向上に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電解液に非水電解液または電解質に高分子ゲル電解質を用いる二次電池には、正極活物質としてLi1−X CoO2 ,Li1−X NiO2 ,Li1−X Mn2 O4 などを用いたものがあり、特に、電解液に非水電解液を用い、出力電圧が約4Vの二次電池が高エネルギー密度のリチウムイオン電池として実用化されている。
【0003】
このようなリチウムイオン電池のような二次電池では、正極活物質として用いられるLi1−X CoO2 ,Li1−X NiO2 ,Li1−X Mn2 O4 などは酸化作用が強く、負極活物質として用いられる炭素などは還元作用が強く、非水電解液には可燃性の有機溶媒が用いられるため、過充電によってLi1−X のXが大きくなった場合にはその活性が高まって非水電解液との反応性が高まり、短絡等によって過大な電流が流れた場合には発熱を生じることが知られている。
【0004】
そのため、上記した従来のリチウムイオン電池のような二次電池では、充電時に充電電圧の上限を設定し、Li1−X のXが過大にならないようにしたり、二次電池に保護回路を付加して過充電や短絡等によって過大な電流が流れないようにしていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の二次電池では、安全性の向上のために付加した保護回路によってその重量効率が低下するという問題や、Li1−X のXが過大にならないようにしているため、本来の放電容量が確保できないという問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、正極活物質としてLi1-XMO2(MはCo,Ni,Fe,V,Mnから選択された少なくとも1種類の元素)を含む正極中に、ラジカル捕獲剤を含むことを特徴とする二次電池であり、これにより、充電によって正極活物質のLi1-XMO2中のMO2で表される過酸化物の表面に生成するラジカルを捕獲し、これを安定な物質に変化させることができるので、生成したラジカルが電解液と反応して発熱を生じるのを抑制することができる。
【0007】
また、本発明は、前記二次電池において、ラジカル捕獲剤は正極活物質の粒子表面に配されていることを特徴とするものであり、これにより、生成したラジカルを確実に捕獲することができる。
【0008】
また、本発明は、前記二次電池において、ラジカル捕獲剤は正極中の電解液に含まれていることを特徴とするものであり、これにより、生成したラジカルが電解液と反応して発熱を生じるのを抑制することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態に基づいて説明する。
【0010】
図1は本発明の実施の形態に係る二次電池の断面図で、円筒形のリチウムイオン電池の例である。
【0011】
図1において、1は正極で、正極活物質、導電剤および結着剤からなる混合粉末を電解液とともに混練したものからなる。2は負極で、負極活物質と結着剤との混合物を電解液とともに混練したものからなる。3はセパレータで、電解液を含有し、前記正極1と負極2との間に介在させて正極1、負極2とともにスパイラル状に巻回されている。このスパイラル状に巻回された極群は負極端子を兼ねた電槽4内に収納され、前記電槽4の開口端部にガスケット6を配して前記正極1と電気的に接続された蓋5によって密閉されている。なお、7は安全弁、8はPTC素子で、電池温度や内圧が異常に上昇するのを防止している。
【0012】
(本発明電池1)
表面にラジカル捕獲材としての三価塩化鉄が重量比で1%配された正極活物質としてのLiNiO2 粉末と、前記正極活物質に対する重量比が5%の導電剤としてのアセチレンブラックと、前記正極活物質に対する重量比が5%の結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとからなる混合粉末を、LiPF6 をエチレンカーボネイトとジメチルカーボネイトとの混合溶媒に溶解させた電解液で混練し、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗着した正極1、負極活物質としての炭素粒子と正極1に用いた結着剤との混合物を、前記電解液で混練し、銅箔からなる負極集電体の両面に塗着した負極2を用い、前記正極1と負極2との間に、微孔を有するポリエチレンフィルムからなるセパレータ3を介在させてスパイラル状に巻回して極群を形成し、電槽4に収納して蓋5によって密閉した本発明電池1を準備した。なお、前記LiNiO2 粉末に配されたラジカル捕獲材としての三価塩化鉄は、LiNiO2 粉末を三価塩化鉄のアセトン溶液に浸漬した後、乾燥することによって付着させたものである。
【0013】
上記した本発明電池1では、ラジカル捕獲材としての三価塩化鉄が重量比で1%配されたLiNiO2 粉末を正極活物質として用いたが、重量比が0.5%以下であるとラジカルを捕獲する効果が低下し、5%以上であるとイオンの移動を阻害するので、重量比で0.5〜5%配するのがよい。また、導電剤としてのアセチレンブラックは重量比で5%配したが重量比で1〜10%であればよく、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンは重量比で5%配したが重量比で2〜10%であればよい。また、三価塩化鉄はアセトンに溶解させたがアセトン以外にメチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタンに溶解させてもよい。
【0014】
(本発明電池2)
前記本発明電池1の正極活物質の表面にラジカル捕獲材としての三価塩化鉄を配する代わりに、ラジカル捕獲材としてのα,α’−ジフェニル−β−ピクリルヒドラジルを、正極1に含まれる電解液の混合溶媒に溶解させ、正極活物質に対する重量比が1%になるようにした以外は本発明電池1と同じである本発明電池2を準備した。
【0015】
(従来電池)
ラジカル捕獲材を、正極活物質の表面に配さないこと以外は前記本発明電池1と同じである従来電池を準備した。
【0016】
(評価試験1)
上記した本発明電池1,2および従来電池を、端子電圧が4.3Vになるまで0.5Cで定電流充電し、その後4.3Vの定電圧充電した後、短絡させたところ、本発明電池1,2はいずれも内圧上昇が生じず、安全弁の作動が認められなかったのに対し、従来電池は内圧上昇によって安全弁が作動したことが認められた。
【0017】
(評価試験2)
次に、上記した本発明電池1,2および従来電池について、端子電圧が4.3Vになるまで0.5Cで定電流充電し、その後4.0Vの定電圧充電したものと、4.3Vの定電圧充電したものとを準備し、それぞれを0.5Cで終止電圧が2.7Vまで定電流放電させて放電容量を比較したところ、本発明電池1,2では4.0Vの定電圧充電したものはいずれも510mAhであり、4.3Vの定電圧充電したものは本発明電池1が560mAh、本発明電池2が550mAhで、いずれも安全弁が作動せずに充放電できたのに対し、従来電池では4.0Vの定電圧充電したものは490mAhであり、4.3Vの定電圧充電したものは560mAhであったが、4.3Vの定電圧充電したものは充電末期に安全弁が作動したことが認められた。
【0018】
(評価試験3)
次に、評価試験2で準備した本発明電池1,2および従来電池を、200℃のホットプレート上で加熱して変化を調査したところ、4.3Vの定電圧充電した従来電池は安全弁が作動したことが認められたが、これ以外の電池には変化は認められなかった。
【0019】
上記した、評価試験1〜3から、従来電池では、放電容量の低下を犠牲にして4.0Vの定電圧充電にした場合には安全性に問題がないと考えられるが、放電容量の低下を犠牲にせずに4.3Vの定電圧充電にした場合には安全性に問題が生じることがわかった。これに対し、本発明電池1,2では、放電容量を大きくするために4.3Vの定電圧充電にしても安全性に問題が生じないことがわかった。
【0020】
上記した実施の形態では、本発明電池1のようにラジカル捕獲剤を正極活物質の粒子表面に配したり、本発明電池2のようにラジカル捕獲剤を正極中の電解液に含ませることが有効であるが、正極活物質の粒子表面に配するとともに正極中の電解液に含ませてもよく、正極活物質の粒子表面に配する場合は正極活物質をあらかじめラジカル捕獲剤の溶液に浸漬するのがよく、電解液に含ませる場合はラジカル捕獲剤を電解液の調製時に溶媒中に溶解させるのがよい。
【0021】
また、ラジカル捕獲剤としては、本発明電池1のような三価塩化鉄や本発明電池2のようなα,α’−ジフェニル−β−ピクリルヒドラジル以外に、テトラエチル−p−フェニレンジアミン、ハイドロキノン、キノン、t−ブチルカテコ−ル、クロルアニル、ジメチルカルバミン酸等が使用できる。
【0022】
また、上記した実施の形態では、電解液に非水電解液を用いた二次電池について説明したが、電解質にポリメチルメタアクリレートやポリアクリロニトリルと電解液とからなる高分子ゲル電解質を用いる二次電池であっても正極活物質の粒子表面にラジカル捕獲剤を配することによって同様の効果が得られる。
【0023】
【発明の効果】
上記した如く、本発明に係る二次電池は放電容量を低下させずに安全性を向上させることができるので、リチウムイオン電池のような二次電池における放電容量の増大と安全性の向上に寄与するところが大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明本発明の実施の形態に係る二次電池の断面図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電槽
5 蓋
6 ガスケット
7 安全弁
8 PTC素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a secondary battery using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte or a secondary battery using a polymer gel electrolyte as an electrolyte. More specifically, the present invention relates to a Li 1-X MO 2 (M is Co , Ni, Fe, V, and Mn).
[0002]
[Prior art]
A secondary battery using a non-aqueous electrolyte as the electrolyte or a polymer gel electrolyte as the electrolyte includes Li 1-X CoO 2 , Li 1-X NiO 2 , and Li 1-X Mn 2 O 4 as the positive electrode active material. In particular, a secondary battery using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte and having an output voltage of about 4 V has been put into practical use as a high energy density lithium ion battery.
[0003]
In a secondary battery such as a lithium ion battery, Li 1-X CoO 2 , Li 1-X NiO 2 , and Li 1-X Mn 2 O 4 used as a positive electrode active material have a strong oxidizing action, and Since carbon or the like used as an active material has a strong reducing action, and a flammable organic solvent is used for the non-aqueous electrolyte, the activity increases when X of Li 1-X increases due to overcharging. It is known that the reactivity with the non-aqueous electrolyte increases, and heat is generated when an excessive current flows due to a short circuit or the like.
[0004]
Therefore, in a secondary battery such as the above-mentioned conventional lithium ion battery, the upper limit of the charging voltage is set at the time of charging so that X of Li 1-X does not become excessive, or a protection circuit is added to the secondary battery. This prevents excessive current from flowing due to overcharging or short circuit.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional secondary battery, the weight efficiency is reduced by the protection circuit added for improving the safety, and the X of Li 1-X is prevented from becoming excessive. There was a problem that the capacity could not be secured.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention provides a method for preparing a positive electrode containing Li 1-X MO 2 (M is at least one element selected from Co, Ni, Fe, V, and Mn) as a positive electrode active material. A secondary battery comprising a capture agent, which captures radicals generated on the surface of a peroxide represented by MO 2 in Li 1-X MO 2 of a positive electrode active material by charging. Since this can be changed to a stable substance, it is possible to suppress the generated radicals from reacting with the electrolytic solution to generate heat.
[0007]
Also, the present invention provides the secondary battery, the radical scavenger is characterized in that it is arranged on the particle surface of the positive electrode active material, thereby, it is possible to reliably capture the generated radical .
[0008]
Also, the present invention provides the secondary battery, the radical scavenger is characterized in that contained in the electrolytic solution in the positive electrode, thereby, the generated radicals with heat by the reaction with the electrolyte solution This can be suppressed.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments.
[0010]
FIG. 1 is a sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention, which is an example of a cylindrical lithium ion battery.
[0011]
In FIG. 1,
[0012]
(
LiNiO 2 powder as a positive electrode active material having 1% by weight of trivalent iron chloride as a radical scavenger disposed on the surface thereof; acetylene black as a conductive agent having a weight ratio of 5% to the positive electrode active material; A mixed powder composed of polyvinylidene fluoride as a binder having a weight ratio of 5% with respect to the positive electrode active material is kneaded with an electrolytic solution obtained by dissolving LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. A negative electrode current collector made of a copper foil is prepared by kneading a mixture of carbon particles as a negative electrode active material and a binder used for the
[0013]
In the above-described
[0014]
(Invention Battery 2)
Instead of disposing trivalent iron chloride as a radical scavenger on the surface of the positive electrode active material of the
[0015]
(Conventional battery)
A conventional battery was prepared which was the same as the
[0016]
(Evaluation test 1)
The above-described
[0017]
(Evaluation test 2)
Next, the above-described
[0018]
(Evaluation test 3)
Next, the
[0019]
From the
[0020]
In the embodiment described above, the radical scavenger may be disposed on the surface of the particles of the positive electrode active material as in the
[0021]
Examples of the radical scavenger include tetraethyl-p-phenylenediamine, in addition to trivalent iron chloride such as
[0022]
Further, in the above-described embodiment, a secondary battery using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte has been described. However, a secondary battery using a polymer gel electrolyte composed of polymethyl methacrylate or polyacrylonitrile and an electrolyte as an electrolyte is described. Even in a battery, the same effect can be obtained by disposing a radical scavenger on the particle surface of the positive electrode active material.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, the secondary battery according to the present invention can improve safety without lowering the discharge capacity, and thus contributes to an increase in discharge capacity and an improvement in safety in a secondary battery such as a lithium ion battery. The big thing is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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