JP3722374B2 - 非水電解液電池 - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解液電池に関し、さらに詳しくは、高温雰囲気での使用に適した非水電解液電池に関する。
最近、タイヤ内部の圧力センサーなどのように１００℃を超す高温雰囲気で使用する機器の電源として使用できる電池が必要とされるようになってきた。そして、そのような用途には、リチウム一次電池やリチウムイオン二次電池などに代表される非水電解液電池が有力な候補として挙げられている。
このような用途の非水電解液電池としては、二酸化マンガンまたはフッ化黒鉛を正極活物質とし、負極にリチウムまたはリチウム合金を用いたリチウム一次電池や、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどを正極活物質とし、負極に炭素質材料を用いたリチウムイオン二次電池などが負荷特性や低温特性が優れていることから適していると考えられるが、これらの電池は、高温で放置したり、高温で使用すると、電解液の溶媒であるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの炭酸エステルと正極活物質とが反応して、ＣＯ2 などのガスが発生し、それによって電池が膨れ、使用機器を損傷させたり、電極材料と集電部分との接触が不充分になって電池特性が低下し、信頼性を損なうという問題があった。
特に、正極活物質として二酸化マンガンなどのマンガン含有酸化物を用いる場合に、正極活物質の触媒作用により、上記ガス発生の問題が顕著となり、１００℃を超える温度領域ではさらに問題となっている。また、約５０％以上の放電を行った電池を高温雰囲気中で使用したり、長期にわたって貯蔵すると、前記溶媒と正極活物質との反応のみならず、溶媒と負極リチウムとの反応によると推定される水素やメタンなどの炭化水素系のガスが急激に発生し、電池に膨れを生じさせることも判明した。
また、通常のコイン形一次電池の場合、電池の封口にあたって、主として、ポリプロピレン製のパッキング（このパッキングは「ガスケット」と表現される場合も多い）が用いられている。このポリプロピレンは、一般的な用途では充分に信頼性のあるパッキング材であり、しかも安価であるという利点を有するものの、１００℃を超える温度領域では、その融点に近づくため、軟化して充分な強度が得られず、高温対応電池のパッキング材としては適していなかった。
そこで、高温対応電池のパッキング材として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体やポリフェニレンサルファイドやポリエーテルエーテルケトンなどの融点が２４０℃以上の耐熱樹脂が検討されており、１００℃以上の高温雰囲気でも強度の低下がないものが最適と言われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１５３５００号公報（第１頁）
しかしながら、ポリプロピレン製のパッキングのように、従来から使用されているオレフィン系のパッキングであれば、電池内部で発生したガスが徐々にパッキングを透過して電池外部に逸散していき、電池内部の圧力増加が緩和されるが、上記のような耐熱樹脂で形成されたパッキングは、ガスの透過性が非常に小さいため、電池内部にガスが蓄積され、圧力の増加により電池に膨れが生じるという問題があった。当然、この耐熱用パッキングによる封口よりさらに密閉性が高いガラスハーメチックシールを採用した場合には、その膨れがより顕著になる。
上記のように、電池に膨れが生じると、使用機器に歪みを与えたり、電池内部で電極材料と集電部分との接触が不充分になって、電池特性が充分に発揮されなくなるという問題があった。
本発明は、上記のような従来技術における問題点を解決し、非水電解液電池が本来持つ負荷特性や低温特性が優れているなどの他の電池に比べて優れている点を生かしつつ、電池内部でのガス発生を減少させて電池の膨れを抑制し、高温雰囲気での使用に適した非水電解液電池を提供することを目的とする。
本発明は、二酸化マンガンを正極活物質とし、負極にリチウムまたはリチウム合金を用い、セパレータおよび非水電解液を用い、電池の封口が耐熱樹脂製のパッキングでなされているか、またはガラスハーメチックシールでなされている非水電解液電池において、前記非水電解液の溶媒として炭酸エステルとエーテルとの混合溶媒を用い、かつ非水電解液中に、１，３−プロパンスルトンまたは１，４−ブタンスルトンのうち少なくとも１種である環状スルトン誘導体を添加して非水電解液電池を構成することにより、前記課題を解決したものである。
本発明によれば、１００℃を超える高温雰囲気でも貯蔵特性が優れ、高温雰囲気での使用に適した非水電解液電池を提供することができる。
本発明において、非水電解液は、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状炭酸エステル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状炭酸エステルや、１，２−ジメトキシエタン、ジグライム（ジエチレングリコールジメチルエーテル）、トリグライム（トリエチレングリコールジメチルエーテル）、テトラグライム（テトラエチレングリコールジメチルエーテル）、メトキシエトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフランなどのエーテルより選ばれる１種の溶媒あるいは２種以上の混合溶媒に電解質を溶解させたものが用いられる。特に炭酸エステルとしては、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ブチレンなどの沸点が１２０℃以上の環状炭酸エステルが好ましく、また、エーテルとしてはジエトキシエタン、ジグライムなどの沸点が１２０℃以上の鎖状エーテルが好ましい。
上記非水電解液の溶媒として用いるエーテルは、分子量が大きくなると、凝固点が上昇し、粘性も増加するため、電池の低温特性上からは、ジメトキシエタンのように粘度が低く液状を保ち得る温度範囲が広い溶媒が好適であるが、それらの溶媒は沸点が低いため、１００℃を超える温度では電池内の圧力を高める原因となる。その結果、パッキングとして汎用のオレフィン系のものを用いた場合は、パッキングを介しての溶媒の散逸が多くなるし、耐熱樹脂を用いたパッキングでは、電池内部にガスが蓄積され、圧力の増加により電池に膨れが生じやすくなる。
これに対して、同じエーテルに属していても、ジエトキシエタンやジグライムのように沸点が高い溶媒を用いると、低温特性は低下する傾向があるものの、電池の内圧上昇を抑制し、高温貯蔵での電池の膨れを防止して貯蔵特性を向上させることができる。
上記炭酸エステルとエーテルとを混合して用いる場合、それらの混合比としては、体積比で炭酸エステル：エーテル＝３０：７０〜７０：３０が好ましい。また、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルを併用してもよい。
本発明において、非水電解液に添加する環状スルトン誘導体としては、例えば、１，３−プロパンスルトンや１，４−ブタンスルトンが好ましく、それらのうちの少なくとも１種を用いればよい。
環状スルトン誘導体の添加量は、それ自身（すなわち、添加する環状スルトン誘導体）も含めた全非水電解液（以下、非水電解液を簡略化して「電解液」と表現する場合がある）中で０．５〜５質量％とすることが好ましい。これは、環状スルトン誘導体の添加により、正極の表面に電解液の溶媒との反応を抑制できる被膜が形成され、電池内部でのガスの発生が減少して電池の膨れが抑制されるようになるが、０．５質量％以上になれば、その効果が充分に発現するようになるからである。また、環状スルトン誘導体の添加量が多くなると、電池の膨れを抑制する効果は増加するものの、内部抵抗が増加して、閉路電圧（ＣＣＶ）が低下し、それに伴って容量が低下しやすくなるため、その添加量を全電解液中で５質量％以下にすることが好ましい。特に環状スルトン誘導体の全電解液中での添加量が３質量％以下で放電特性が良好になる。
上記電解液に溶解させる電解質としては、例えば、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＡｓＦ6 、ＬｉＳｂＦ6 、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 、ＬｉＣ4 Ｆ9 ＳＯ3 などのＬｉＣn Ｆ2n+1ＳＯ3 （ｎ≧１）、ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 、ＬｉＣ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）3 、ＬｉＣＦ3 ＣＯ2 、ＬｉＢ10Ｃｌ10 、低級脂肪酸カルボン酸リチウム、ＬｉＡｌＣｌ4 、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウムなどが挙げられ、それらのうちの少なくとも１種が用いられるが、二酸化マンガンを正極活物質にする場合、その共存性から、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 、ＬｉＣ4 Ｆ9 ＳＯ3 などのＬｉＣn Ｆ2n+1ＳＯ3 （ｎ≧１）や、ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 、ＬｉＮ（Ｃ2 Ｆ5 ＳＯ2 ）2 などのリチウムイミド塩が好ましい。
電解液中における電解質の濃度は、特に限定されるものではないが、０．２〜２ｍｏｌ／ｌが好ましく、０．３〜１．５ｍｏｌ／ｌがより好ましい。
また、ＬｉＢＦ4 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＡｓＦ6 およびＬｉＳｂＦ6 よりなる群から選ばれる少なくとも１種のリチウム塩からなるリチウム塩Ａと、前記ＬｉＢＦ4 、ＬｉＰＦ6 、ＬｉＡｓＦ6 およびＬｉＳｂＦ6 以外のリチウム塩からなるリチウム塩Ｂとを併用することにより、放電が進行した電池においても、前記添加剤の効果が発現しやすくなり、そのような放電が進行した電池を貯蔵したときでもガス発生を充分に抑制することができる。上記のようにリチウム塩Ａとリチウム塩Ｂとを併用する場合、リチウム塩Ａの全電解質中での割合を２モル％以上とすることが好ましい。ただし、リチウム塩Ａは、電池内に存在する微量の水分による分解を受けやすいため、リチウム塩Ａの全電解質中での割合は２０モル％以下にすることが好ましい。
電池の特性を総合的に判断すれば、リチウム塩Ａとしては、ＬｉＢＦ4 またはＬｉＰＦ6 が好ましく、また、リチウム塩Ｂとしては、ＬｉＣｌＯ4 、ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 、ＬｉＣ4 Ｆ9 ＳＯ3 、ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 およびＬｉＮ（Ｃ2 Ｆ5 ＳＯ2 ）2 によりなる群から選ばれる少なくとも１種が好ましい。
また、上記電解液には、例えば、無水メリト酸、無水マロン酸、無水マレイン酸、無水酪酸、無水プロピオン酸、無水プルビン酸、無水フタロン酸、無水フタル酸、無水ピロメリト酸、無水乳酸、無水ナフタル酸、無水トルイル酸、無水チオ安息香酸、無水ジフェン酸、無水シトラコン酸、無水ジグリコールアミド酸、無水酢酸、無水琥珀酸、無水桂皮酸、無水グルタン酸、無水グルタコン酸、無水吉草酸、無水イタコン酸、無水イソ酪酸、無水イソ吉草酸、無水安息香酸などの酸無水物を添加すると、環状スルトン誘導体の添加量を少なくしても、ガス発生を効果的に抑制することができる。その結果、環状スルトン誘導体の添加による負荷特性の低下を低減することができる。
上記酸無水物の添加量は、環状スルトン誘導体の場合と同様に、それ自身（すなわち、添加する酸無水物）も含めた全電解液中で０．５〜５質量％とすることが好ましい。また、良好な放電特性を得るためには、酸無水物の全電解液中での添加量も３質量％以下とすることが好ましい。
本発明において、非水電解液は、通常、液状のまま用いるが、ポリマーなどでゲル化してゲル状で用いてもよい。
本発明の非水電解液電池において、正極活物質としては、二酸化マンガンを用いるが、この二酸化マンガンは電解液との反応性が高いので、本発明の効果が顕著に発現する。正極の作製にあたっては、通常、その正極活物質としての二酸化マンガンに加えて、導電助剤およびバインダーが用いられる。上記導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、鱗片状黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素などが用いられ、バインダーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンラバーなどが用いられる。
そして、正極の作製にあたっては、二酸化マンガンと導電助剤とバインダーとを混合して調製した正極合剤を加圧成形するか、または上記正極合剤を水または有機溶剤に分散させて正極合剤含有ぺーストを調製し（この場合、バインダーはあらかじめ水または溶剤に溶解または分散させておき、それを正極活物質などと混合して正極合剤含有ペーストを調製してもよい）、その正極合剤含有ぺーストを金属箔、エキスパンドメタル、平織り金網などからなる集電体に塗布し、乾燥した後、加圧成形することによって作製される。ただし、正極の作製方法は、上記例示の方法のみに限られることなく、他の方法によってもよい。
負極は、リチウム（金属リチウム）またはリチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−ビスマス、リチウム−インジウム、リチウム−ガリウム、リチウム−インジウム−ガリウムなどのリチウム合金で構成されるが、それらのリチウムやリチウム合金を金属箔、金属網などからなる集電体に圧着して負極としてもよい。また、リチウムとリチウム合金とを併用して負極を構成してもよい。
セパレータとしては、微孔性樹脂フィルム、樹脂不織布のいずれも用いることができる。その材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのポリオレフィンのほか、耐熱用として、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などが挙げられる。また、上記材質の微孔性フィルムと不織布とを複数積層するか、あるいは微孔性フィルム同士や不織布同士を複数積層することによって構成される複層構造のセパレータを用いることにより、高温環境下で使用する場合の信頼性をより高めることができる。
本発明の非水電解液電池は、上記正極、負極、非水電解液およびセパレータを主要構成要素とし、それらを金属缶やラミネートフィルムなどからなる電池容器内に収容し、その電池容器を密閉することによって構成される。パッキングを用いて金属缶などの封止を行う場合、そのパッキングの材質としては、高温雰囲気での使用に適するように、耐熱樹脂を用いるが、その耐熱樹脂としては、例えは、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＥＥ）、ポリスルフォン（ＰＳＦ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの融点が２４０℃を超える耐熱樹脂が好ましい。
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。
実施例１
以下に示すようにして、正極の作製と非水電解液の調製を行い、それらと負極などを用いて非水電解液電池を作製した。
まず、正極は、正極活物質としての二酸化マンガンと導電助剤としてのカーボンブラックとバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレンとを９０：５：５の質量比率で混合して調製した正極合剤を加圧成形することによって作製した。
非水電解液としては、プロピレンカーボネートと１，２−ジメトキシエタンとの体積比１：１の混合溶媒にＬｉＣｌＯ4 を０．５ｍｏｌ／ｌ溶解させたものに、１，３−プロパンスルトンを非水電解液中での含有量がそれぞれ１．０質量％となるように添加したものを用いた。この非水電解液における１，３−プロパンスルトンの添加量や電解質としてのＬｉＣｌＯ4の濃度を後記の表１に示す。
負極にはリチウム箔を用い、セパレータには微孔性ポリプロピレンフィルムとポリプロピレン不織布との積層体を用い、パッキングにはポリフェニレンサルファイド製のものを用い、それらと前記の正極と非水電解液とを用いて、図１に示す構造で厚さ５ｍｍ、直径２４ｍｍのコイン形非水電解液電池を作製した。
ここで、図１に示す電池について説明すると、正極１はステンレス鋼製の正極缶４内に収容され、その上にセパレータ３を介して負極２が配置されている。負極２は前記のようにリチウム箔で構成され、ステンレス鋼製の負極缶５の内面に圧着されている。そして、その電池内部には非水電解液が０．５ｍｌ注入され、正極缶４の開口部は、正極缶４の開口端部の内方への締め付けにより、負極缶５の周縁部に配設したポリフェニレンサルファイド製で環状のパッキング６を押圧して負極缶５の周縁部と正極缶４の開口端部の内周面とに圧接させて封口されている。
実施例２
表１に示すように、１，３−プロパンスルトンの添加量を４．０質量％に変えた以外は、実施例１と同様に非水電解液電池を作製した。
比較例１
表１に示すように、１，３−プロパンスルトンを添加しなかった以外は、実施例１と同様に非水電解液電池を作製した。
Figure 0003722374
上記実施例１〜２および比較例１の電池について、１２０℃で３５０時間貯蔵した後の、低温での負荷特性、電池の膨れおよび容量保持率を調べた。なお、低温での負荷特性、電池の膨れおよび容量保持率の測定方法は次に示す通りである。
低温での負荷特性：
電池を１２０℃の環境下で３５０時間貯蔵した後、−４０℃の環境下で２ｍＡの電流値で放電させ、放電開始から５秒後のＣＣＶ（閉路電圧）を測定した。その結果を表２に示す。
電池の膨れ：
電池を１２０℃の環境下で３５０時間貯蔵し、次いで２０℃まで放冷させてから電池の厚さを測定し、あらかじめ貯蔵前に測定しておいた電池の厚さを差し引いた値を電池の膨れとした。その結果を表２に示す。
容量保持率：
まず、高温での貯蔵前の電池について、１ｋΩの放電抵抗を接続して、２０℃の環境下で終止電圧２．０Ｖまで放電させたときの放電容量を測定した。次いで、実施例１〜２および比較例１の電池であって、上記貯蔵前の放電容量の測定に使用したものとは別の電池を１２０℃で３５０時間貯蔵した後、２０℃まで放冷させ、前記貯蔵前と同様の条件で放電を行って放電容量を測定し、その貯蔵後の放電容量の貯蔵前の放電容量に対する割合を容量保持率として求めた。その結果を表２に示す。
Figure 0003722374
表２に示す結果から明らかなように、環状スルトン誘導体に属する１，３−プロパンスルトンを非水電解液に１．０〜４．０質量％の範囲で添加した実施例１〜２の電池は、１，３−プロパンスルトンを添加していない比較例１の電池に比べて、ＣＣＶ（閉路電圧）が高く、高温貯蔵による電池の膨れが少なく、かつ容量保持率が高く、低温での負荷特性の低下が少なく、かつ高温雰囲気での使用に適した電池であることを示していた。
実施例３
表３に示すように、プロピレンカーボネートとジエトキシエタンとの体積比１：１の混合溶媒にＬｉＣｌＯ4 を０．５ｍｏｌ／ｌ溶解させ、さらに１，３−プロパンスルトンを２質量％添加した非水電解液を用い、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体製のパッキングを用いた以外は、実施例１と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、表３には、パッキングの材質についても示すが、スペース上の関係で、上記テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体をＰＦＡで示す。
実施例４
表３に示すように、ジエトキシエタンに代えてジグライムを用いた以外は、実施例３と同様にして非水電解液電池を作製した。
比較例２
表３に示すように、ポリプロピレン製のパッキングを用いた以外は、実施例３と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、表３には、パッキングの材質についても示すが、スペース上の関係で、上記ポリプロピレンをＰＰで示す。
比較例３
表３に示すように、１，３−プロパンスルトンを添加しなかった以外は、実施例３と同様にして非水電解液電池を作製した。
Figure 0003722374
上記実施例３〜４および比較例２〜３の電池について、１２０℃で２００時間貯蔵した後の、室温での負荷特性、電池の膨れおよび容量保持率を調べた。なお、室温での負荷特性、電池の膨れおよび容量保持率の測定方法は次に示す通りである。
室温での負荷特性：
電池を１２０℃の環境下で２００時間貯蔵した後、室温下で電池に２００Ωの放電抵抗を接続して放電させ、放電開始から５秒後のＣＣＶ（閉路電圧）を測定した。その結果を表４に示す。
電池の膨れ：
電池を１２０℃の環境下で２００時間貯蔵し、次いで２０℃まで放冷させてから電池の厚さを測定し、あらかじめ貯蔵前に測定しておいた電池の厚さを差し引いた値の電池の膨れとした。その結果を表４に示す。
容量保持率：
まず、高温での貯蔵前の電池について、３．９Ωの放電抵抗を接続して、２０℃の環境下で終止電圧２．０Ｖまで放電させたときの放電容量を測定した。次いで、同種の電池であって上記貯蔵前の放電容量の測定に使用したものとは別の電池を１２０℃で２００時間貯蔵した後、２０℃まで放冷させ、前記貯蔵前の場合と同様の条件で放電を行って放電容量を測定し、貯蔵前の放電容量に対する割合を容量保持率として求めた。その結果を表４に示す。
Figure 0003722374
表４に示す結果から明らかなように、非水電解液の溶媒としてジエトキシエタンやジグライムのような沸点が１２０℃以上のエーテルを含有させ、１，３−プロパンスルトン誘導体を電解液に添加し、かつ耐熱樹脂製のパッキングにより封口を行った実施例３〜４の電池は、ＣＣＶが高く、高温貯蔵による電池の膨れが少なく、かつ容量保持率が高く、負荷特性の低下が少なく、かつ高温雰囲気での使用に適した電池であることを示していた。
これに対して、パッキングをポリプロピレン製のものに変えた比較例２の電池では、高温貯蔵による電池の膨れが大きくなり、ＣＣＶが大幅に低下し、容量保持率も低い値となった。これは、電池の封口性能が低下したため、非水電解液の溶媒の電池外への散逸や電池内への水分の侵入が生じたことによるものと考えられる。
さらに、環状スルトン誘導体を添加しなかった比較例３の電池では、電池の膨れが大きくなるとともに、ＣＣＶの低下が顕著になり、満足できる貯蔵特性が得られなかった。
本発明に係る非水電解液電池の一例を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 正極缶
５ 負極缶
６ パッキング

Claims (4)

  1. 二酸化マンガンを正極活物質とし、負極にリチウムまたはリチウム合金を用い、セパレータおよび非水電解液を用い、かつ耐熱樹脂製のパッキングまたはガラスハーメチックシールにより封口がなされてなる非水電解液電池であって、前記非水電解液の溶媒として炭酸エステルとエーテルとの混合溶媒を用い、かつ非水電解液に環状スルトン誘導体が添加されており、
    前記環状スルトン誘導体が、１，３−プロパンスルトンまたは１，４−ブタンスルトンのうち少なくとも１種であることを特徴とする非水電解液電池。
  2. 非水電解液の溶媒として、炭酸プロピレンや炭酸エチレンなどの沸点が１２０℃以上の炭酸エステルとジエトキシエタンやジグライムなどの沸点が１２０℃以上のエーテルとの混合溶媒を用いた請求項１記載の非水電解液電池。
  3. 耐熱樹脂製のパッキングの融点が２４０℃を超える請求項１または２記載の非水電解液電池。
  4. 非水電解液に前記環状スルトン誘導体が０．５〜５質量％添加されている請求項１〜３のいずれかに記載の非水電解液電池。
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