JP3956384B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
"Lithium Batteries "(JEAN-PAUL GABANO編,ACADEMIC PRESS,1983,London,New York)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。ちなみに、図1に示した二次電池はいわゆるコイン型といわれるものである。この二次電池は、外装缶11内にスペーサ12を介して収容された円板状の正極13と、外装カップ14内に収容された円板状の負極15とを、セパレータ16を間に挟んで積層したものである。外装缶11および外装カップ14の内部は液状の電解質である電解液17により満たされており、外装缶11および外装カップ14の周縁部は絶縁ガスケット18を介してかしめられることにより密閉されている。
ちなみに、本実施の形態において、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料には、リチウムが析出・溶出することにより負極活物質として機能するリチウム金属およびリチウムアルミニウム合金などのリチウム合金を含まない。但し、この二次電池では、負極合剤層15aに負極活物質としてリチウム金属あるいはリチウム合金を含んでいてもよく、また、図示しないが、負極合剤層15aとは別に、リチウム金属あるいはリチウム合金よりなる金属層を負極15に有していてもよい。
上記第1の実施の形態では、いわゆるコイン型の二次電池を例に挙げて説明したが、本発明は、ボタン型、ペーパー型、またはスパイラル構造を内部に有する円筒型あるいは角型などの他の形状を有する二次電池についても同様に適用することができる。
上記第1の実施の形態では、液状の電解質である電解液を用いた二次電池について説明したが、電解液に代えて、固体状の電解質を用いるようにしてもよく、このように構成すれば第1の実施の形態と同等あるいはそれ以上の効果を得ることができる。固体状の電解質としては、例えば、高分子化合物に電解質塩が溶解された有機固体電解質や、または高分子化合物に電解液(すなわち非水溶媒および電解質塩)が分散あるいは保持されたゲル電解質などがある。
実施例1−1として、図1と同様のコイン型二次電池を下記のようにして作製した。なお、ここでは図1を参照し、図1に示した符号と同一の符号を用いて説明する。
実施例1−3〜実施例1−8として、開回路電圧として4.2Vとなるまで充電する際に負極15に析出するリチウム金属の析出容量と難黒鉛化炭素材料の充電容量能力との関係を表2に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池をそれぞれ作製した。その際、難黒鉛化炭素材料には実施例1−1と同様のものを用い、リチウム金属の析出容量をそれぞれ変化させることにより、リチウム金属の析出容量と難黒鉛化炭素材料の充電容量能力との関係が表2に示したようになるように正極13と負極15とのバランスを調整した。これらの二次電池についても、実施例1−1と同様にして一般充放電試験および急速充放電試験をそれぞれ行った。表2にそれらの結果を実施例1−1の結果と共にそれぞれ示す。
実施例1−9〜実施例1−14として、難黒鉛化炭素材料の放電容量能力を表3に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池をそれぞれ作製した。その際、1サイクル目の放電容量が実施例1−3とほぼ同等となるように、正極13と負極15とのバランスをそれぞれ調整した。また、難黒鉛化炭素材料の放電容量能力は実施例1−1と同様にしてそれぞれ求めた。これらの二次電池についても、実施例1−1と同様にして一般充放電試験および急速充放電試験をそれぞれ行った。表3にそれらの結果をそれぞれ示す。なお、表3には、実施例1−3,比較例1−1および比較例1−2の結果も合わせてそれぞれ示す。ちなみに、実施例1−3における難黒鉛化炭素材料の放電容量能力は、実施例1−1と同様に400mAh/gである。
実施例1−15〜実施例1−21として、負極合剤層15aの正極13との対向方向における厚さを表4に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1と同様にして二次電池をそれぞれ作製した。その際、難黒鉛化炭素材料の充電容量能力に対するリチウム金属の析出容量の比が実施例1−3とほぼ同等(すなわち、0.1)となるように、正極13と負極15とのバランスをそれぞれ調整した。これらの二次電池についても、実施例1−1と同様にして一般充放電試験および急速充放電試験をそれぞれ行った。表4にそれらの結果を実施例1−3の結果と共にそれぞれ示す。なお、実施例1−3における負極合剤層15aの厚さは、実施例1−1と同様に80μmである。
実施例1−22として、正極合剤を、リチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )90質量部と、黒鉛6質量部と、ポリフッ化ビニリデン3質量部と、炭酸リチウム(Li2 CO3 )1質量部とを混合して調整したことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。この二次電池についても、実施例1−1と同様にして一般充放電試験および急速充放電試験をそれぞれ行った。表5にそれらの結果を実施例1−1の結果と共にそれぞれ示す。
実施例1−23〜実施例1−27として、電解液17の非水溶媒または電解質塩を表6に示したように変化させたことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。なお、表6の非水溶媒の欄において、PCはプロピレンカーボネートを、DMCはジメチルカーボネートを、ECはエチレンカーボネートをそれぞれ表し、括弧の中の数字はそれらの混合比(体積%)を表している。これらの二次電池についても、実施例1−1と同様にして一般充放電試験および急速充放電試験をそれぞれ行った。表6にそれらの結果を実施例1−1の結果と共にそれぞれ示す。
実施例1−28として、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料に黒鉛を用いると共に、電解液17にエチレンカーボネート50体積%とジメチルカーボネート50体積%とを混合した非水溶媒にLiPF6 を1mol/dm3 溶解させたものを用いたことを除き、実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。なお、黒鉛には、ロンザ社製のKS−75((002)面の格子面間隔が0.3358nm)を用いた。この二次電池についても、実施例1−1と同様にして一般充放電試験および急速充放電試験をそれぞれ行った。表7にそれらの結果を実施例1−1および比較例1−1の結果と共にそれぞれ示す。
表7から分かるように、実施例1−28についても実施例1−1と同等の結果が得られた。すなわち、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料として黒鉛を用いても同様の効果を得られることが分かった。なお、ここでは詳細に説明しないが、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料として、実施例1−1および実施例1−28以外のものを用いても、同様の結果を得ることができる。
実施例1−29として、電解液17に代えて、ゲル電解質を用いた二次電池を作製した。まず、正極13および負極15を実施例1−1と同様にしてそれぞれ形成したのち、負極合剤層15aおよび正極合剤層13aの表面にゲル電解質をそれぞれ形成した。その際、ゲル電解質は、エチレンカーボネート50体積%とプロピレンカーボネート50体積%とを混合した非水溶媒にLiPF6 を1mol/dm3 溶解した電解液を調整したのち、この電解液30質量部と、高分子化合物であるポリビニリデンフルオライドとポリヘキサフルオロプロピレンとのブロック共重合体10質量部と、ジメチルカーボネート60質量部とを混合した混合溶液を負極合剤層15aおよび正極合剤層13aの表面に均一に塗布し、常温で8時間放置してジメチルカーボネートを気化し除去することにより形成した。次いで、ゲル電解質が形成された側を向き合わせて正極13と負極15とを圧着し、電池缶11の内部に収納して実施例1−1と同様にして二次電池を作製した。
実施例2−1〜実施例2−4として、図2と同様の円筒型二次電池を下記のようにして作製した。なお、ここでは図2を参照し、図2に示した符号と同一の符号を用いて説明する。
実施例2−5〜実施例2−11として、電解液の非水溶媒を表10に示したように変化させ、電解液におけるLiPF6 の濃度を1.6mol/dm3 とし、かつ正極31の総厚さおよび負極32の総厚さを共に165μmとしたことを除き、実施例2−1と同様にして二次電池を作製した。これらの二次電池についても、実施例2−1と同様にして放電容量および放電容量維持率をそれぞれ求めた。表10にそれらの結果をそれぞれ示す。
実施例2−12〜実施例2−16として、電解液の非水溶媒を表11に示したように変化させ、電解液におけるLiPF6 の濃度を1.6mol/dm3 とし、かつ正極31の総厚さおよび負極32の総厚さを共に165μmとしたことを除き、実施例2−1と同様にして二次電池を作製した。なお、実施例2−12〜実施例2−16は、電解液に2,4−ジフルオロアニソール(DFA)を含ませたものである。これらの二次電池についても、実施例2−1と同様にして放電容量および放電容量維持率をそれぞれ求めた。表11にそれらの結果をそれぞれ示す。
実施例2−17〜実施例2−21として、電解液の非水溶媒を表12に示したように変化させ、電解液におけるLiPF6 の濃度を1.6mol/dm3 とし、かつ正極31の総厚さおよび負極32の総厚さを共に165μmとしたことを除き、実施例2−1と同様にして二次電池を作製した。なお、実施例2−17〜実施例2−21は、電解液にビニレンカーボネート(VC)を含ませたものである。これらの二次電池についても、実施例2−1と同様にして放電容量および放電容量維持率をそれぞれ求めた。表12にそれらの結果をそれぞれ示す。
実施例2−22〜実施例2−24として、電解液の非水溶媒を表13に示したように変化させ、電解液におけるLiPF6 の濃度を1.6mol/dm3 とし、かつ正極31の総厚さおよび負極32の総厚さを共に165μmとしたことを除き、実施例2−1と同様にして二次電池を作製した。なお、実施例2−22〜実施例2−23は、電解液に2,4−ジフルオロアニソール(DFA)およびビニレンカーボネート(VC)を含ませたものである。これらの二次電池についても、実施例2−1と同様にして放電容量および放電容量維持率をそれぞれ求めた。表13にそれらの結果をそれぞれ示す。
実施例2−25および実施例2−26として、リチウムを吸蔵・離脱可能な負極材料に、充電容量能力が450mAh/gの難黒鉛化性炭素材料と、充電容量能力が512mAh/dm3 の人造黒鉛とを、7:3の質量比で混合した炭素材料を用い、実施例2−1と同様にして二次電池を作製した。その際、電解液の非水溶媒は表14に示したように変化させ、電解液におけるLiPF6 の濃度は1.6mol/dm3 とし、正極31の総厚さおよび負極32の総厚さを共に165μmとした。これらの二次電池についても、実施例2−1と同様にして放電容量および放電容量維持率をそれぞれ求めた。表14にそれらの結果をそれぞれ示す。
Claims (27)
- 負極および正極と共に電解質を備えた二次電池であって、
前記負極は軽金属をイオン状態で吸蔵および離脱することが可能な負極材料を含み、
前記軽金属をイオン状態で吸蔵および離脱する際に得られる前記負極の容量は前記正極の容量よりも小さく、
開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において前記負極に前記軽金属が析出していることを特徴とする二次電池。 - 前記軽金属にはリチウム(Li)が含まれていることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 開回路電圧が0V以上4.2V以下の範囲内の一部において前記負極にリチウムが析出していることを特徴とする請求項2記載の二次電池。
- 前記負極材料を、完全充電状態において、7 Li多核種核磁気共鳴分光法により測定すると、リチウムイオンに帰属されるピークと、リチウム金属に帰属されるピークとが得られることを特徴とする請求項2記載の二次電池。
- 前記負極材料を、完全放電状態において、7 Li多核種核磁気共鳴分光法により測定すると、完全充電状態において測定されるリチウム金属に帰属されるピークが消失していることを特徴とする請求項4記載の二次電池。
- 前記軽金属は、前記負極材料に析出することを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 開回路電圧が過充電電圧になる前の最大電圧時において前記負極に析出する前記軽金属の最大析出容量は、前記負極材料の充電容量能力の0.05倍以上3.0倍以下であることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記負極材料の放電容量能力は、150mAh/g以上であることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記負極は、前記負極材料を含有する負極合剤層を有すると共に、この負極合剤層の厚さは10μm以上300μm以下であることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記負極は、前記負極材料を負極活物質において50質量%以上含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記負極は、前記負極材料として炭素材料を含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記正極は、前記軽金属を含有する酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記正極は、炭酸金属塩を含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記炭酸金属塩は、炭酸リチウムであることを特徴とする請求項13記載の二次電池。
- 前記電解質は、エチレンカーボネートおよびプロピレンカーボネートのうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記電解質は非水溶媒を含んでおり、この非水溶媒においてプロピレンカーボネートを30質量%未満の濃度範囲で含有することを特徴とする請求項15記載の二次電池。
- 前記電解質はエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとを含んでおり、プロピレンカーボネートに対するエチレンカーボネートの混合質量比(エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート)は0.5以上であることを特徴とする請求項15記載の二次電池。
- 前記電解質は、鎖状炭酸エステル、2,4−ジフルオロアニソールおよびビニレンカーボネートからなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記電解質は非水溶媒を含んでおり、この非水溶媒において2,4−ジフルオロアニソールを15質量%以下の濃度範囲で含有することを特徴とする請求項18記載の二次電池。
- 前記電解質は非水溶媒を含んでおり、この非水溶媒においてビニレンカーボネートを15質量%以下の濃度範囲で含有することを特徴とする請求項18記載の二次電池。
- 前記電解質は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートを含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記電解質は、LiPF6 を含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 前記電解質は、固体状であることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
- 負極および正極と共に電解質を備えた二次電池であって、
前記負極は軽金属をイオン状態で吸蔵および離脱することが可能な負極材料を含み、
前記軽金属をイオン状態で吸蔵および離脱する際に得られる前記負極の容量は前記正極の容量よりも小さく、
前記負極の容量は、前記軽金属をイオン状態で吸蔵および離脱する際に得られる容量成分と、前記軽金属が析出および溶解する際に得られる容量成分とを含み、かつ、それらの和で表されることを特徴とする二次電池。 - 前記軽金属にはリチウム(Li)が含まれていることを特徴とする請求項24記載の二次電池。
- 前記負極材料を、完全充電状態において、7 Li多核種核磁気共鳴分光法により測定すると、リチウムイオンに帰属されるピークと、リチウム金属に帰属されるピークとが得られることを特徴とする請求項25記載の二次電池。
- 前記負極材料を、完全放電状態において、7 Li多核種核磁気共鳴分光法により測定すると、完全充電状態において測定されるリチウム金属に帰属されるピークが消失していることを特徴とする請求項26記載の二次電池。
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