JP4086653B2 - Lithium battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負極に金属系活物質を用いたリチウム電池に関し、特にその初期放電特性の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムを吸蔵することのできる正極とリチウム金属またはリチウム合金からなる負極と非水電解液とを構成要素とするリチウム電池は、高起電力で大容量の電池として期待されている。しかし、リチウムは極めて反応性が高いことから、この種の電池の製造には、安全性の面および品質保持の面から特別な配慮を必要とし、特にリチウム金属は、高度に除湿されたドライルーム等の特別な施設内で取り扱う必要がある。このため、金属リチウムを用いると、電池容量を高めることができるものの製造コストが高くなるとともに、完成電池についても、針状金属リチウムの析出に起因する内部短絡が生じる等の課題を抱えている。
【0003】
他方、リチウム複合酸化物を正極活物質とし、炭素材料を負極活物質としたいわゆるリチウムイオン電池は、上記電池に比較し安全性に優れ、しかも非リチウム系電池に比較し4V程度と起電力が高く、エネルギー密度も大きいという特徴を有している。しかし、このようなリチウムイオン電池においても、未だ課題を抱えており、十分に電池性能を引き出し得ていない。この理由としては、充電時にリチウムの一部が炭素材料中に不可逆的に取り込まれ発電に寄与できなくなることや、リチウムの離脱により、リチウム複合酸化物の結晶構造が壊れる等が挙げられる。
【0004】
このような原因による電池容量の低下を防止する技術としては、下記特許文献1〜3が提案されている。例えば文献1では、正極中に、正極活物質よりも電位が低く、かつ容量密度が正極活物質よりも大きい逆ホタル石型の含リチウム化合物を含有させる技術が提案されている。この技術は、上記逆ホタル石型の含リチウム化合物を補助材として正極に添加し、炭素負極中に取り込まれるリチウムを補うことによって、電池容量を高めようとするものである。したがって、この技術では、正極活物質と補助材である逆ホタル石型の含リチウム化合物との配合量を適正にバランスさせる必要があり、それゆえ当然に補助材である逆ホタル石型の含リチウム化合物量が主材である正極活物質量を圧迫するほどに増えると、却って電池容量が縮小することになる。
【0005】
【特許文献1】
特開平6−342673号公報(第2頁)
【特許文献2】
特開平9−59023号公報(第2頁)
【特許文献3】
特開平9−147863号公報(第2頁)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来技術における課題を踏まえ、金属系負極活物質を用いたリチウム電池の初期充放電容量を向上させることを主な目的とし、更なる目的は、2〜3Vの電池電圧範囲内で好適に使用することのできる充放電可能なリチウム電池を提供することを目的とする。このような本発明にかかるリチウム電池は、電子機器用のメモリバックアップ電源として有用である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、逆ホタル石型の結晶構造を有するリチウム含有多価金属酸化物を正極活物質として含む正極と、リチウムを吸蔵することができ且つリチウムと合金化することのできる非リチウム金属を負極活物質として含む負極と、非水系電解質とを備える素電池を作製し、この素電極を初回充電して、正極由来のリチウムと、リチウムを吸蔵することのできる非リチウム金属とをリチウム合金化して完成電池となす構成を採用する(この構成を第 1 の態様とする)。
【0008】
逆ホタル石型の結晶構造を有するリチウム含有多価金属酸化物は、図2に示すように、非リチウムの金属原子が酸素を頂点とする四面体の中心に位置し(四面体サイト10)、結晶構造中のリチウムサイト9が実質的に三次元状に繋がっており、非リチウム金属原子に対するリチウム原子の原子比(5〜6)が非常に大きい。
【0009】
このような構造のリチウム含有多価金属酸化物は、2〜3Vの充放電電圧によって容易にリチウムを離脱・吸蔵する。また、この構造のリチウム含有多価金属酸化物は、リチウムの離脱・吸蔵による体積変動が小さく、結晶構造が安定している。したがって、充放電の繰り返しによる充放電特性の劣化が少ない。
【0010】
以上から、上記特性を有するリチウム含有多価金属酸化物を正極活物質とし、リチウムを吸蔵することができ且つリチウムと合金化することのできる非リチウム金属を負極活物質を負極活物質とし、非水電解質を有する素電池を初回充電してなるリチウム電池は、初期充放電特性に優れ、この電池は2〜3Vの充放電電流域で好適に使用することができる。
【0011】
上記課題を解決するための第2の態様の本発明は、リチウムを吸蔵放出することのできる正極活物質を有する正極と、リチウムを吸蔵することのできる金属系負極活物質を有する負極と、非水系電解質と、を含むリチウム電池において、前記正極活物質が、逆ホタル石型の結晶構造を有するリチウム含有多価金属酸化物を主成分とし、前記リチウム含有多価金属酸化物中に含有される、リチウム原子以外の金属原子の量をM1とし、前記正極と前記金属系負極とに含まれるリチウム原子の量をM2とするとき、M2/M1が数1で規定されるリチウム電池であることを特徴とする。
【0012】
[7.5−(非リチウム金属の酸化数)]≦ M2/M1 ≦[8.5−(非リチウム金属の酸化数)] ・・・(数1)
【0013】
この構成の技術的意義は、基本的には上記第1の態様の発明と同様であるが、この構成においては、前記リチウム含有多価金属酸化物中に含有される、リチウム原子以外の金属原子の量と、前記正極と前記金属系負極とに含まれるリチウム原子の量との比が一定範囲に規制されており、この意義は次の通りである。
【0014】
上記構成のリチウム電池には、電池組み立て後の初回充電が行われた充電済み電池と、電池組み立て後の初回充電が行われていない未充電状態の電池が含まれる。ここで、電池組み立て後の初回充電が行われていない未充電状態の電池である場合における前記金属系負極活物質は、リチウムを吸蔵または放出することのできる非リチウム単体金属、または非リチウム合金、またはリチウム合金を意味する。他方、上記構成のリチウム電池が、電池組み立て後の初回充電が行われた電池である場合における前記金属系負極活物質は、リチウム合金を意味している。なぜなら、初回充電前の状態が非リチウム単体金属または非リチウム合金であっても、これらの金属等は初回充放電により正極由来のリチウムと電気化学的に合金化するからである。
【0015】
ところで、逆ホタル石型の結晶構造を有するリチウム含有多価金属酸化物を正極活物質とし、リチウムを吸蔵することのできる非リチウム単体金属または非リチウム合金、またはリチウム合金を負極活物質とする構成において、充放電に寄与するリチウムが過不足なく存在する条件は、上記リチウム含有多価金属酸化物が離脱・吸蔵することのできるリチウム量となる。この条件は、リチウムが離脱していない状態の逆ホタル石型結晶構造のリチウム含有多価金属酸化物中の全リチウム量と同量のリチウムが正負極中に存在していれば満たされることになる。例えば電池充電中には、逆ホタル石型結晶構造のリチウム含有多価金属酸化物中のリチウムの一部が当該酸化物から離脱して負極に移動するので、当該酸化物中には負極に移動したリチウム量を除いただけのリチウム量が残っていることになり、放電時には当該酸化物は当然に負極に移動した量の全リチウムを受け入れることができるからである。
【0016】
このことからして、下記数4を満たせば、充放電に寄与するリチウムが過不足なく存在するという条件が満たされることになるが、この数4と上記数1の関連を説明する。
【0017】
逆ホタル石型のリチウム含有多価金属酸化物の典型例としては、Li5FeO4、Li6CoO4が挙げられるが、これらの化合物は、非リチウム金属1個に対して5〜6個のリチウムを持っている。この酸化物中のリチウムの個数は、非リチウム金属の酸化数と酸素原子の個数とによって決定される。例えば、Li5FeO4中のリチウムの個数(5個)は、以下の数2によって導かれる。なお、この酸化物における全体の酸化数は0であり、O原子は−2、Li原子は+1、Fe原子は+3である。
【0018】
リチウムの個数=[{(Feの酸化数:+3)×(Feの個数:1)}+{(Oの酸化数:−2)×(Oの個数:4)}]/{(リチウムの酸化数:+1)}×{−1} ・・・(数2)
【0019】
また、Li6CoO4中のリチウムの個数(6個)は、以下の数3によって導かれる。なお、この場合のMn原子の酸化数は+2である。
【0020】
リチウムの個数=[{(Coの酸化数:+2)×(Coの個数:1)}+{(Oの酸化数:−2)×(Oの個数:4)}]/{(リチウムの酸化数:+1)}×{−1} ・・・(数3)
【0021】
上記数2又は数3から、逆ホタル石型結晶構造のリチウム含有多価金属酸化物における、リチウム原子以外の金属原子の量をM1とし、リチウム原子の量をM2’とすると、原子比M2’/M1は数4で表すことができることが容易に理解される。
【0022】
M2’/M1 ={8−(非リチウム金属の酸化数)} ・・・(数4)
【0023】
ここで、上記のごとく、正極活物質であるリチウム含有多価金属酸化物中のリチウムは、充電時には負極側に移動し金属系負極活物質中に取り込まれ、放電時には、金属系負極活物質から離脱して正極側に移動し、逆ホタル石型のリチウム含有多価金属酸化物の結晶構造中に取り込まれる。したがって、電池内で直接発電に寄与しているリチウムの全てが、逆ホタル石型のリチウム含有多価金属酸化物由来のリチウムである場合、正極および負極内のリチウム総量は、電池組み立て当初において正極活物質として用いたリチウム含有多価金属酸化物に含まれるリチウム量と等価である。
【0024】
したがって、正極および負極内のリチウム原子の総量(M2)を測定するとともに、正極中のリチウム含有多価金属酸化物由来の非リチウム金属原子の量(M1)を測定することにより、上記数4と等価な原子比が求められることになり、このことは当該酸化物が逆ホタル石型結晶構造を有することを間接的に証明することでもある。
【0025】
しかし、実用電池内にあっては、リチウム含有多価金属酸化物由来のリチウムは、充放電に従って正負極間を行き来する間に、その一部が系外に離脱する。また、原材料としてのリチウム含有多価金属酸化物は、逆ホタル石型構造でない不純物等を含む場合があり、化学量論比から若干ずれたものとなることがある。本発明者らの経験によると、このような変動幅はおおむね±0.5程度であった。そこで、この変動幅をとりこんで上記数4を書き替えると、上記数1のようになる。
【0026】
つまり、正極活物質が逆ホタル石型の結晶構造を有するリチウム含有多価金属酸化物を主成分とする電池において、上記数1の条件を満たす場合には、必要十分な幅を持って、充放電に寄与するリチウムが過不足なく存在するという条件が満たされる。よって、上記第2の態様の本発明によると、初期充放電特性に優れたリチウム電池が実現することになる。
【0027】
上記第2の態様の本発明は、更に、前記リチウム含有多価金属酸化物がLi6CoO4 、Li5FeO4、Li6MnO4からなる群より選ばれた1以上の化合物であり、前記金属系負極活物質が、リチウムと合金化することのできる非リチウム金属である、とする構成とすることができる。
【0028】
Li6CoO4 、Li5FeO4、Li6MnO4は、結晶構造が安定しており、しかもリチウムを円滑に吸蔵放出することができるので、これらの化合物を正極活物質として用い、リチウムと合金化することのできる非リチウム金属を負極活物質とする電池であると、電池に対して行う初回充電により非リチウム金属を容易にリチウム合金化させることができ、これにより簡便に初回放電容量が大きい実用電池が実現する。
【0029】
また、上記第2の態様の本発明は、更に、前記リチウム含有多価金属酸化物が、Li6CoO4、Li5FeO4、Li6MnO4からなる群より選ばれた1以上の化合物であり、
前記金属系負極活物質が、非リチウム金属と、前記リチウム含有多価金属酸化物に由来するリチウムとの合金である、とする構成とすることができる。
【0030】
この構成は、上記の説明における初回充電後の実用電池を記述したものである。既に説明したごとく、本発明では前記リチウム含有多価金属酸化物中に含有されるリチウム原子以外の金属原子の量M1と、前記正極と前記金属系負極とに含まれるリチウム原子の量M2とが、数1で規定されている。正負電極中のリチウム量をこのように規制すると、リチウム含有多価金属酸化物から引き抜かれるリチウム量を適正範囲に留め、かつ負極には過不足のないリチウム量を供給できる。したがって、初回充電により負極において好適に非リチウム金属とリチウムとの合金化が進む。それゆえ、この構成によると、初期充電容量が大きく、かつサイクル特性に優れた実用的なリチウム電池を簡便に実現することができる。
【0031】
[7.5−(非リチウム金属の酸化数)]≦ M2/M1 ≦[8.5−(非リチウム金属の酸化数)] ・・・(数1)
【0032】
また、上記課題を解決するための、本発明にかかるリチウム電池の製造方法は、正極活物質として、結晶構造が逆ホタル石型であるリチウム含有多価金属酸化物を有する正極を作製する正極作製工程と、リチウムを吸蔵することのできる非リチウム金属を有する負極を作製する負極作製工程と、前記正極と前記負極とをセパレータを介して対向させた電極体と、非水系電解質とを電池外装体内に収納し密閉する素電池組み立て工程と、電池組み立て後の素電池を充電することにより、前記リチウム含有多価金属酸化物由来のリチウムと、前記負極作製工程で作製した負極内の前記非リチウム金属とを負極内で合金化する合金化工程と、を備えることを特徴とする。
【0033】
この構成では、空気中の水分等と激しく反応するリチウム金属や反応性が高いリチウム合金を原材料として用いないので、ドライルーム等の特別な施設を使用することなく安全にリチウム電池を製造することができる。また、この構成では、密閉後の素電池に対し初回充電を行うことにより、負極活物質としてのリチウム合金を作製するが、電池内で電気化学的に負極活物質としてのリチウム合金を作製するこの方法であると、充放電反応を行うのに好都合な性状のリチウム合金負極を作製できる。既に説明したように、リチウム合金は、非リチウム金属やその他の公知の負極材料に比較し酸化還元電位が低いので、上記好都合な性状と相まって、この構成の製造方法であると、起電力の大きい高容量な電池を安全かつ低コストでもって製造できる。
【0034】
上記本発明にかかるリチウム電池の製造方法は、更に、前記リチウム含有多価金属酸化物が、Li6CoO4 、Li5FeO4、Li6MnO4からなる群より選ばれた1以上の化合物であり、前記非リチウム金属が、アルミニウムである、とする構成とすることができる。
【0035】
前記したように、Li6CoO4 、Li5FeO4、Li6MnO4は、結晶構造の安定性に優れ、リチウムを円滑に吸蔵放出することができる。他方、アルミニウムはリチウムと合金化させ易いとともに、イオン導電性を有し且つ合金と非水溶媒との反応を抑制する被膜を合金表面に形成することができるという特性を有する。したがって、これらの物質を組み合わせて電池を構成すると、初回放電容量が大きく、サイクル特性に優れたリチウム電池を生産性よく製造することができることになる。
【0036】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、扁平形のリチウム電池を例として、図面を用いて説明する。図1は、この電池の構成を示す断面図である。
【0037】
図1に示すように、この電池は、外観が扁平形状であって、電池外装缶(正極缶)5を有しており、この正極缶5内には、正極2と、負極1と、両極を離間するセパレータ3とから構成される電極体が収容されている。このセパレータ3には電解液が含浸されている。また、負極缶4と正極缶5と、電極体との間には、負極集電体6と正極集電体7とが介在している。そして、負極缶4と正極缶5との開口部は、リング形状の絶縁パッキング8を介したかしめ固定により封止されている。
【0038】
上記構造のリチウム電池を、以下のようにして作製した。
【0039】
〔正極の作製〕
酸化リチウム(Li2O)と酸化コバルト(CoO)とをモル比3:1で混合した後、窒素気流中にて700℃で12時間熱処理(焼成)し、正極活物質としてのLi6CoO4を調製した。
【0040】
前記Li6CoO4(粉末)と、導電剤としてのカーボンブラック(粉末)と、結着剤としてのフッ素樹脂(粉末)とを質量比84:15:1で混合し、正極合剤を調製した。この正極合剤を円盤状に鋳型成型し、真空中にて250℃で2時間乾燥して、直径2mm、厚さ0.6mm、質量5mgの正極を作製した。
【0041】
ここでは、正極活物質に、逆ホタル石型の結晶構造であるリチウム含有多価金属酸化物のみを用いているが、逆ホタル石型以外のリチウム含有金属酸化物を含めることもでき、この場合、逆ホタル石型結晶構造以外の物質の配合率を、全活物質に対して好ましくは25質量%以下とする。他の酸化物の配合率が増えすぎると逆ホタル石型のリチウム含有多価金属酸化物の好適な性質が希釈化されてしまうからである。
【0042】
〔負極の作製〕
アルミニウム箔を円盤状に打ち抜き、直径2mm、厚さ0.02mm、質量0.2mgの負極を作製した。
【0043】
〔非水電解液の作製〕
プロピレンカーボネート(PC)とジエチレングリコールジメチルエーテル(DDE)とを体積比10:90(1013hPa、25℃における体積比)で混合した溶媒に、非水系電解質としてのリチウムトリフルオロメタンスルホン酸イミド{LiN(CF3SO22}を1mol/lの割合で溶かし、非水電解液を作製した。
【0044】
〔電池体の作製〕
負極集電体6(ステンレス鋼板(SUS304))を貼付けた負極缶4と、正極集電体7(ステンレス鋼板(SUS304))を貼付けた正極缶5とを用意した。前記負極1をこの負極集電体6に載せ、さらに、この負極1上にポリフェニレンスルフィド(PPS)製の不織布からなるセパレータ3を載せた。このセパレータ3に前記電解液を注液した。その後、このセパレータ3上に前記正極2を載置させ、その上から正極缶5を被せた。さらに、正極缶5と負極缶4とを絶縁パッキング8を介してかしめ封口し、外径4mmで、厚み1.4mmのリチウム電池を作製した。
【0045】
この電池について、20μAの充電電流で3.0Vになるまで定電流充電するという条件で初回充電を行い、充電済みの実用電池を作製した。
【0046】
次に、上記実用電池を分解し、正極活物質と負極活物質とを採取し、正極活物質であるリチウム含有多価金属酸化物中に含有されるリチウム原子以外の金属原子の量M1と、リチウム含有多価金属酸化物中と負極活物質中のリチウム原子の量M2とを測定し、M2/M1を算出した。その結果、M2/M1=5.9であり、下記数1の条件を満たしていることが確認された。
【0047】
[7.5−(非リチウム金属の酸化数)]≦ M2/M1 ≦[8.5−(非リチウム金属の酸化数)] ・・・(数1)
【0048】
なお、各原子の量の測定は、セイコーインスツルメンツ社製(SPS1700HVR)の誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP:Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)を用いて行った。
【0049】
実施例および比較例に基づいて、さらに詳細に本発明の内容を説明する。なお、本発明が下記の実施例に限定されるものではないことは勿論である。
【0050】
(実施例1a)
実施例1aとしては、上記実施の形態に示す方法と同様の方法にて作製したリチウム電池を用いた。
【0051】
(実施例1b)
実施例1aの電池で用いたアルミニウムの負極に代えて、電気化学的に作製した厚み0.03mmのリチウム−アルミニウム合金(Li/Al=1/2)を直径2.0mmの円盤状に打ち抜いた負極を用いたこと以外は実施例1aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0052】
上記リチウム−アルミニウム合金は、完全除湿条件下で、厚さ0.01mmのリチウム板と厚さ0.02mmのアルミニウム板を重ね合わせ合金化させる方法により作製した。
【0053】
(実施例2a)
実施例1aの電池で用いた正極活物質としてのLi6CoO4に代えて、酸化リチウム(Li2O)と酸化鉄(FeO)とをモル比5:2で混合した後、窒素気流中にて800℃で12時間熱処理(焼成)して調製したLi5FeO4を用いたこと以外は実施例1aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0054】
(実施例2b)
実施例2aの電池で用いたアルミニウムの負極に代えて、電気化学的に作製したリチウム−アルミニウム合金(Li/Al=1/2)を円盤状に打ち抜いた負極を用いたこと以外は実施例2aと同様にし、合金の作製方法については実施例1bと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0055】
(実施例3a)
実施例1aの電池で用いた正極活物質としてのLi6CoO4に代えて、酸化リチウム(Li2O)と酸化マンガン(MnO)とをモル比3:1で混合した後、窒素99%+水素1%の気流中気流中にて950℃で12時間熱処理(焼成)して調製したLi5FeO4を用いたこと以外は実施例1aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0056】
(実施例3b)
実施例3aの電池で用いた、アルミニウムの負極に代えて、電気化学的に作製したリチウム-アルミニウム合金を円盤状に打ち抜いた負極を用いたこと以外は実施例3aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0057】
(比較例1)
実施例1aの電池で用いたアルミニウムの金属負極に代えて、黒鉛粉末と結着剤としてのフッ素樹脂(粉末)とを質量比95:5で混合した負極合剤を、円盤状に鋳型成型し、真空中にて150℃で2時間乾燥して作製した負極を用いたこと以外は実施例1aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0058】
(比較例2)
実施例2aの電池で用いたアルミニウムの金属負極に代えて、黒鉛粉末と結着剤としてのフッ素樹脂(粉末)とを質量比95:5で混合した負極合剤を、円盤状に鋳型成型し、真空中にて150℃で2時間乾燥して作製した負極を用いたこと以外は実施例2aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0059】
(比較例3)
実施例3aの電池で用いたアルミニウムの金属負極に代えて、黒鉛粉末と結着剤としてのフッ素樹脂(粉末)とを質量比95:5で混合した負極合剤を、円盤状に鋳型成型し、真空中にて150℃で2時間乾燥して作製した負極を用いたこと以外は実施例3aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0060】
(比較例4)
実施例1aの電池で用いた、正極活物質としてのLi6CoO4に代えて、二酸化マンガン(MnO2)を空気中にて700℃で熱処理して得た三酸化二マンガン(Mn23)と水酸化リチウム(LiOH)とをモル比1:2で混合し、大気中にて700℃で4時間熱処理(焼成)して調製した酸化リチウム(Li2O)と酸化マンガン(MnO)とをモル比3:1で混合した後、窒素99%+水素1%の気流中気流中にて950℃で12時間熱処理(焼成)して調製したLiMnO2を用いたこと以外は実施例1aと同様にしてリチウム電池を作製した。
【0061】
電池の初期充放電容量と、正極活物質または電池組み立て時の負極材料との関係を調べるため、実施例1a〜3bおよび比較例1〜4の電池を用いて、以下の充放電特性試験を行った。
【0062】
〔充放電特性試験〕
各電池を、20μAの充電電流で3.0Vになるまで定電流充電し、その充電時間から初期充電容量を算出した。その後、20μAの放電電流で2.0Vになるまで定電流放電し、その放電時間から初期放電容量を算出した。
【0063】
さらに、初期充電容量と初期放電容量とから、以下の数5に従い各電池の初期充放電効率(%)を求めた。
【0064】
初期充放電効率(%)= [(初期放電容量)/(初期充電容量)]×100 ・・・(数5)
【0065】
この充放電特性試験の結果を下記表1に示す。
【0066】
【表1】

Figure 0004086653
【0067】
表1に示すように、負極材料として黒鉛(C)を用いた比較例1〜比較例3の電池では、初期放電効率がいずれも0%であった。これに対し、電池組み立て時の負極材料としてアルミニウム(Al)またはリチウム−アルミニウム合金(Li−Al)を用いた実施例1a〜実施例3bの電池では、30%〜60%の初期放電効率であった。
【0068】
また、表1に示すように、電池組み立て時の負極材料がアルミニウム(Al)である実施例1a、実施例2a、実施例3aの電池では、初期充放電効率が50%〜60%であった。これに対し、電池組み立て時における負極材料がリチウム−アルミニウム合金(Li−Al)である実施例1b、実施例2b、実施例3bの電池のそれは、30%〜40%であった。
【0069】
このことから、結晶構造が逆ホタル石型であるリチウム含有多価金属酸化物を正極活物質として用いた電池では、電池組み立て時の負極材料として、アルミニウム(Al)などの、リチウムを吸蔵できる非リチウム金属を使用することにより、特に優れた充放電特性が得られることがわかった。
【0070】
これに対し、一般的な正極活物質(LiMnO2)を用い、かつ電池組み立て時における負極材料をアルミニウムとした比較例4の電池では、初期充電容量が0.02mAhであり、初期充放電効率が0%であった。
【0071】
これらのことから、一般的な正極活物質(LiMnO2)を正極活物質とした場合においては、電池組み立て時の負極材料をアルミニウム(Al)とすると、顕著に低い初期充放電特性しか得られないことがわかった。
【0072】
さらに、結晶構造が逆ホタル石型であるリチウム含有多価金属酸化物である、Li6CoO4 、Li5FeO4、Li6MnO4からなる群では、電池組み立て時の負極材料がアルミニウム(Al)、リチウム−アルミニウム合金(Li−Al)のどちらであっても、Li6CoO4を含む正極活物質の使用により一層優れた充放電特性が得られることがわかった。
【0073】
なお、負極材料として黒鉛を用いた比較例1〜比較例3において、初期放電効率が0%となったのは、対極リチウム基準でのアルミニウムの電位が約0.3Vであるのに対し、黒鉛のそれは約0.15Vと低いため、電池電圧3Vでの充電であると、正極の充電深度が浅くなるためと考えられる。
【0074】
また、電池組み立て当初からリチウムアルミニウム合金を用いた実施例1b、実施例2b、実施例3bよりも、電池内でアルミニウムとリチウムとを合金化した実施例1a、実施例2a、実施例3aの方が高い初期充放電効率を示したのは、電池内で非リチウム金属の合金化を行うと、充放電に好都合な性状のリチウム合金が得られるが、電池外で金属板を重ね合わせる手段により合金化を行うと、表面に亀裂が生じる等して、電池内でのような好適な性状の合金が得られないためであると考えられる。
【0075】
(その他の事項)
本明細書でいう電池外装体とは、発電要素を密封する要素を意味しており、上記実施の形態においては負極缶4と正極缶5とがパッキング8を介在させて組み合わされたものが電池外装体に相当する。
【0076】
本明細書でいう金属系負極活物質とは、リチウムと合金化し得る非リチウム金属また非リチウム合金、またはリチウム合金を意味しており、リチウムと合金化し得る金属としては、アルミニウム(Al)、すず(Sn)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)、マグネシウム(Mg)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、シリコン(Si)、カドミウム(Cd)ビスマス(Bi)、バリウム(Ba)等が例示できる。
【0077】
本発明においては、電池組み立て部材としてリチウムと合金化し得る物質層とリチウムと合金化しない物質層とを含むクラッド材からなる負極缶(負極を兼ねる負極缶)を用いることができ、この方法によると、初期充放電特性に優れたリチウム電池を作業性よく製造することができる。ここで、リチウムと合金化しない物質層としては、例えばステンレス鋼、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、銅(Cu)、鉄(Fe)、銀(Ag)、金(Au)、タングステン(W)、白金(Pt)、モリブデン(Mo)等からなる層があげられる。
【0078】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、正極活物質として、結晶構造が逆ホタル石型であるリチウム含有多価金属酸化物を用い、負極活物質として金属系活物質用いるが、この構成であると、初期充放電容量の大きいリチウム電池、特に2〜3Vで好適に充放電することのできる電池容量の大きなリチウム電池を実現することができる。このような本発明にかかるリチウム電池は、例えばCMOSやS−RAM等の必要な保持電圧を単一の電池で賄えるので、電子機器用のメモリバックアップ電源として有用である。
【0079】
また、負極材料としてリチウム金属やリチウム合金を用いないで、リチウム合金を負極活物質とするリチウム電池を製造することのできる本発明製造方法によると、電池の製造作業を通常の環境下で行うことができ、しかも素電池に対して行う充電操作により好適なリチウム合金負極を作製できる。よって、本発明製造方法によると、初期放電容量が大きく、サイクル特性に優れたリチウム電池を低コストでもって提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一例である扁平形リチウム電池の矢状断面の模式図である。
【図2】本発明で用いるリチウム含有多価金属酸化物が有する逆ホタル石型結晶構造の模式図である。
【符号の説明】
1:負極
2:正極
3:セパレータ
4:負極缶
5:正極缶
6:負極集電体
7:正極集電体
8:絶縁パッキング
9:リチウムサイト
10:四面体サイト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium battery using a metal-based active material for a negative electrode, and more particularly to improvement of its initial discharge characteristics.
[0002]
[Prior art]
A lithium battery including a positive electrode capable of occluding lithium, a negative electrode made of lithium metal or a lithium alloy, and a non-aqueous electrolyte is expected as a battery having a high electromotive force and a large capacity. However, since lithium is extremely reactive, the manufacture of this type of battery requires special considerations in terms of safety and quality, especially lithium metal in dry rooms that are highly dehumidified. It is necessary to handle in special facilities such as. For this reason, when metallic lithium is used, although the battery capacity can be increased, the manufacturing cost is increased, and the finished battery also has problems such as an internal short circuit caused by acicular metallic lithium deposition.
[0003]
On the other hand, a so-called lithium ion battery using a lithium composite oxide as a positive electrode active material and a carbon material as a negative electrode active material is superior in safety to the above battery and has an electromotive force of about 4 V compared to a non-lithium battery. It is characterized by high energy density. However, even such a lithium ion battery still has problems, and battery performance cannot be sufficiently obtained. This is because a part of lithium is irreversibly taken into the carbon material at the time of charging and cannot contribute to power generation, or the crystal structure of the lithium composite oxide is broken by the detachment of lithium.
[0004]
The following Patent Documents 1 to 3 have been proposed as techniques for preventing a decrease in battery capacity due to such a cause. For example, Document 1 proposes a technique in which an inverted fluorite-type lithium-containing compound having a lower potential than the positive electrode active material and a capacity density higher than that of the positive electrode active material is contained in the positive electrode. This technique is intended to increase the battery capacity by adding the above-mentioned reverse fluorite-type lithium-containing compound to the positive electrode as an auxiliary material and supplementing lithium taken into the carbon negative electrode. Therefore, in this technique, it is necessary to properly balance the blending amount of the positive electrode active material and the auxiliary fluorite-type lithium-containing compound as an auxiliary material. Therefore, naturally, the reverse fluorite-type lithium-containing compound as an auxiliary material is required. If the amount of the compound increases so as to press the amount of the positive electrode active material, which is the main material, the battery capacity is reduced.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-342673 (2nd page)
[Patent Document 2]
JP-A-9-59023 (2nd page)
[Patent Document 3]
JP-A-9-147863 (2nd page)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is based on the above-described problems in the prior art and mainly aims to improve the initial charge / discharge capacity of a lithium battery using a metal-based negative electrode active material. A further object is to provide a battery of 2 to 3V. An object of the present invention is to provide a chargeable / dischargeable lithium battery that can be suitably used within a voltage range. Such a lithium battery according to the present invention is useful as a memory backup power source for electronic devices.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  To solve the above problemsIn addition,The present invention includes a positive electrode containing a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure as a positive electrode active material;A unit cell comprising a negative electrode containing a non-lithium metal that can occlude lithium and can be alloyed with lithium as a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte is fabricated, and this unit electrode is charged for the first time to form a positive electrode Adopting a configuration in which lithium is derived from lithium and non-lithium metal that can occlude lithium to form a finished battery (this configuration is 1 Embodiment).
[0008]
As shown in FIG. 2, the lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure is located at the center of a tetrahedron having a non-lithium metal atom as an apex (tetrahedral site 10), Lithium sites 9 in the crystal structure are substantially three-dimensionally connected, and the atomic ratio of lithium atoms to non-lithium metal atoms (5 to 6) is very large.
[0009]
The lithium-containing polyvalent metal oxide having such a structure easily releases and occludes lithium with a charge / discharge voltage of 2 to 3V. In addition, the lithium-containing polyvalent metal oxide having this structure has a small volume variation due to lithium desorption / occlusion and a stable crystal structure. Therefore, there is little deterioration of the charge / discharge characteristics due to repeated charge / discharge.
[0010]
  From the above, a lithium-containing polyvalent metal oxide having the above characteristics as a positive electrode active material,Non-lithium metal negative electrode active material that can occlude lithium and can be alloyed with lithiumAs a negative electrode active material, non-aqueous electrolyteThe lithium battery formed by first charging a unit cell havingExcellent initial charge / discharge characteristicsAndThis battery can be suitably used in the charge / discharge current region of 2 to 3V.The
[0011]
The second aspect of the present invention for solving the above problems includes a positive electrode having a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium, a negative electrode having a metal negative electrode active material capable of occluding lithium, In the lithium battery including an aqueous electrolyte, the positive electrode active material is mainly composed of a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure, and is contained in the lithium-containing polyvalent metal oxide. When the amount of metal atoms other than lithium atoms is M1, and the amount of lithium atoms contained in the positive electrode and the metal-based negative electrode is M2, the lithium battery is such that M2 / M1 is defined by Equation 1. Features.
[0012]
[7.5- (non-lithium metal oxidation number)] ≦ M2 / M1 ≦ [8.5 (non-lithium metal oxidation number)] (Equation 1)
[0013]
The technical significance of this configuration is basically the same as that of the first aspect of the invention, except that in this configuration, metal atoms other than lithium atoms contained in the lithium-containing polyvalent metal oxide are included. And the ratio of the amount of lithium atoms contained in the positive electrode and the metal-based negative electrode is regulated within a certain range, and the significance thereof is as follows.
[0014]
The lithium battery having the above configuration includes a charged battery that has been charged for the first time after battery assembly and an uncharged battery that has not been charged for the first time after battery assembly. Here, the metal-based negative electrode active material in the case of an uncharged battery in which initial charging after battery assembly is not performed is a non-lithium simple metal capable of occluding or releasing lithium, or a non-lithium alloy, Or means a lithium alloy. On the other hand, the metal-based negative electrode active material in the case where the lithium battery having the above-described configuration is a battery that has been charged for the first time after battery assembly means a lithium alloy. This is because even if the state before the first charge is a non-lithium elemental metal or a non-lithium alloy, these metals and the like are electrochemically alloyed with lithium derived from the positive electrode by the first charge / discharge.
[0015]
Incidentally, a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure is used as a positive electrode active material, and a non-lithium simple metal or non-lithium alloy capable of occluding lithium or a lithium alloy as a negative electrode active material In the above, the condition that the lithium contributing to charging / discharging exists without excess or deficiency is the amount of lithium that the lithium-containing polyvalent metal oxide can desorb and occlude. This condition is satisfied if the same amount of lithium as the total amount of lithium in the lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure in a state where lithium is not detached is present in the positive and negative electrodes. Become. For example, during battery charging, a part of lithium in the lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure is detached from the oxide and moves to the negative electrode, and thus moves to the negative electrode in the oxide. This is because the amount of lithium remaining except for the amount of lithium remaining remains, and the oxide can naturally accept the amount of all lithium transferred to the negative electrode during discharge.
[0016]
From this, if the following formula 4 is satisfied, the condition that lithium that contributes to charge / discharge exists without excess or deficiency is satisfied. The relationship between this formula 4 and the above formula 1 will be described.
[0017]
A typical example of a reverse fluorite-type lithium-containing polyvalent metal oxide is LiFiveFeOFour, Li6CoOFourThese compounds have 5-6 lithiums per non-lithium metal. The number of lithium in the oxide is determined by the oxidation number of the non-lithium metal and the number of oxygen atoms. For example, LiFiveFeOFourThe number (5) of lithium inside is derived by the following formula 2. The total oxidation number in this oxide is 0, the O atom is -2, the Li atom is +1, and the Fe atom is +3.
[0018]
Number of lithium = [{(Fe oxidation number: +3) × (Fe number: 1)} + {(O oxidation number: −2) × (O number: 4)}] / {(lithium oxidation) Number: +1)} × {−1} (Expression 2)
[0019]
Li6CoOFourThe number (6) of lithium in the lead is derived by the following formula (3). In this case, the oxidation number of Mn atoms is +2.
[0020]
Number of lithium = [{(Co oxidation number: +2) × (Co number: 1)} + {(O oxidation number: −2) × (O number: 4)}] / {(lithium oxidation Number: +1)} × {−1} (Expression 3)
[0021]
From the above formula 2 or formula 3, when the amount of metal atoms other than lithium atoms in the lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure is M1, and the amount of lithium atoms is M2 ′, the atomic ratio M2 ′ It is easily understood that / M1 can be expressed by the following equation (4).
[0022]
M2 '/ M1 = {8- (oxidation number of non-lithium metal)} (Expression 4)
[0023]
Here, as described above, lithium in the lithium-containing polyvalent metal oxide that is the positive electrode active material moves to the negative electrode side during charging and is taken into the metal negative electrode active material, and from the metal negative electrode active material during discharge. It separates and moves to the positive electrode side, and is taken into the crystal structure of the reverse fluorite-type lithium-containing polyvalent metal oxide. Therefore, when all of the lithium that directly contributes to power generation in the battery is lithium derived from the reverse fluorite-type lithium-containing polyvalent metal oxide, the total amount of lithium in the positive electrode and the negative electrode is positive at the beginning of battery assembly. This is equivalent to the amount of lithium contained in the lithium-containing polyvalent metal oxide used as the active material.
[0024]
Therefore, by measuring the total amount of lithium atoms (M2) in the positive electrode and the negative electrode and measuring the amount (M1) of non-lithium metal atoms derived from the lithium-containing polyvalent metal oxide in the positive electrode, Equivalent atomic ratios will be sought, which also indirectly proves that the oxide has an inverted fluorite-type crystal structure.
[0025]
However, in a practical battery, a part of lithium derived from a lithium-containing polyvalent metal oxide is detached from the system while going back and forth between positive and negative electrodes according to charge and discharge. Further, the lithium-containing polyvalent metal oxide as a raw material may contain impurities that are not inverted fluorite-type structures, and may be slightly deviated from the stoichiometric ratio. According to the experience of the present inventors, such a fluctuation range is about ± 0.5. Therefore, if the above equation 4 is rewritten by incorporating this fluctuation range, the above equation 1 is obtained.
[0026]
That is, when the positive electrode active material has a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure as a main component and satisfies the above-mentioned formula 1, the battery has a necessary and sufficient width. The condition that the lithium that contributes to the discharge exists without excess or deficiency is satisfied. Therefore, according to the second aspect of the present invention, a lithium battery excellent in initial charge / discharge characteristics is realized.
[0027]
In the second aspect of the present invention, the lithium-containing polyvalent metal oxide further comprises Li6CoOFour , LiFiveFeOFour, Li6MnOFourThe metal-based negative electrode active material is a non-lithium metal that can be alloyed with lithium.
[0028]
Li6CoOFour , LiFiveFeOFour, Li6MnOFourHas a stable crystal structure and can smoothly occlude and release lithium. Therefore, these compounds are used as a positive electrode active material, and a non-lithium metal that can be alloyed with lithium is used as a negative electrode active material. In the case of a battery, the non-lithium metal can be easily made into a lithium alloy by the initial charge performed on the battery, and thereby a practical battery having a large initial discharge capacity can be realized easily.
[0029]
  In the second aspect of the present invention, the lithium-containing polyvalent metal oxide further comprises Li6CoOFour, LiFiveFeOFour, Li6MnOFourOne or more compounds selected from the group consisting of:
  The metal-based negative electrode active material isAn alloy of non-lithium metal and lithium derived from the lithium-containing polyvalent metal oxide,It can be set as the structure.
[0030]
This configuration describes the practical battery after the initial charge in the above description. As described above, in the present invention, the amount M1 of metal atoms other than lithium atoms contained in the lithium-containing polyvalent metal oxide and the amount M2 of lithium atoms contained in the positive electrode and the metal-based negative electrode are as follows. , Is defined by equation (1). When the amount of lithium in the positive and negative electrodes is regulated in this way, the amount of lithium extracted from the lithium-containing polyvalent metal oxide can be kept within an appropriate range, and a sufficient amount of lithium can be supplied to the negative electrode. Therefore, alloying of a non-lithium metal and lithium suitably proceeds in the negative electrode by the first charge. Therefore, according to this configuration, a practical lithium battery having a large initial charge capacity and excellent cycle characteristics can be easily realized.
[0031]
[7.5- (non-lithium metal oxidation number)] ≦ M2 / M1 ≦ [8.5 (non-lithium metal oxidation number)] (Equation 1)
[0032]
  Moreover, the manufacturing method of the lithium battery concerning this invention for solving the said subject is positive electrode preparation which produces the positive electrode which has a lithium containing polyvalent metal oxide whose crystal structure is a reverse fluorite type as a positive electrode active material. A battery exterior body comprising: a process; a negative electrode preparation process for preparing a negative electrode having a non-lithium metal capable of occluding lithium; an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other with a separator interposed therebetween; A cell assembly process to be housed and sealed,ElementaryBy charging the unit cell after battery assembly, lithium derived from the lithium-containing polyvalent metal oxide and, Produced in the negative electrode production processIn the negative electrodeSaidAnd an alloying step of alloying non-lithium metal in the negative electrode.
[0033]
In this configuration, lithium metal that reacts violently with moisture in the air or highly reactive lithium alloy is not used as a raw material, so it is possible to manufacture a lithium battery safely without using a special facility such as a dry room. it can. Further, in this configuration, by first charging the sealed unit cell, a lithium alloy as a negative electrode active material is produced. In this battery, a lithium alloy as a negative electrode active material is produced electrochemically in the battery. If it is a method, the lithium alloy negative electrode of the property convenient for performing charging / discharging reaction can be produced. As already explained, since the lithium alloy has a lower oxidation-reduction potential than non-lithium metals and other known negative electrode materials, in combination with the above-mentioned advantageous properties, the manufacturing method of this configuration has a large electromotive force. High capacity batteries can be manufactured safely and at low cost.
[0034]
In the method for producing a lithium battery according to the present invention, the lithium-containing polyvalent metal oxide further comprises Li6CoOFour , LiFiveFeOFour, Li6MnOFourIt can be set as the structure which is 1 or more compounds chosen from the group which consists of, and the said non-lithium metal is aluminum.
[0035]
As mentioned above, Li6CoOFour , LiFiveFeOFour, Li6MnOFourHas excellent crystal structure stability and can smoothly occlude and release lithium. On the other hand, aluminum has the characteristics that it can be easily alloyed with lithium and can form a film on the alloy surface that has ionic conductivity and suppresses the reaction between the alloy and the nonaqueous solvent. Therefore, when a battery is constituted by combining these substances, a lithium battery having a large initial discharge capacity and excellent cycle characteristics can be manufactured with high productivity.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a flat lithium battery as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of this battery.
[0037]
As shown in FIG. 1, this battery has a flat outer appearance and has a battery outer can (positive electrode can) 5, and in the positive electrode can 5, a positive electrode 2, a negative electrode 1, and both electrodes The electrode body comprised from the separator 3 which spaces apart is accommodated. The separator 3 is impregnated with an electrolytic solution. A negative electrode current collector 6 and a positive electrode current collector 7 are interposed between the negative electrode can 4, the positive electrode can 5, and the electrode body. The openings of the negative electrode can 4 and the positive electrode can 5 are sealed by caulking and fixing via a ring-shaped insulating packing 8.
[0038]
A lithium battery having the above structure was produced as follows.
[0039]
[Production of positive electrode]
Lithium oxide (Li2O) and cobalt oxide (CoO) were mixed at a molar ratio of 3: 1 and then heat-treated (fired) at 700 ° C. for 12 hours in a nitrogen stream to obtain Li as a positive electrode active material.6CoOFourWas prepared.
[0040]
Li6CoOFour(Powder), carbon black (powder) as a conductive agent, and fluororesin (powder) as a binder were mixed at a mass ratio of 84: 15: 1 to prepare a positive electrode mixture. This positive electrode mixture was cast into a disk shape and dried in vacuum at 250 ° C. for 2 hours to produce a positive electrode having a diameter of 2 mm, a thickness of 0.6 mm, and a mass of 5 mg.
[0041]
Here, only the lithium-containing polyvalent metal oxide having a reverse fluorite-type crystal structure is used as the positive electrode active material, but lithium-containing metal oxides other than the reverse fluorite-type can also be included. The compounding ratio of substances other than the inverted fluorite-type crystal structure is preferably 25% by mass or less based on the total active material. This is because if the compounding ratio of the other oxides is increased too much, suitable properties of the reverse fluorite-type lithium-containing polyvalent metal oxide are diluted.
[0042]
(Production of negative electrode)
An aluminum foil was punched into a disk shape to produce a negative electrode having a diameter of 2 mm, a thickness of 0.02 mm, and a mass of 0.2 mg.
[0043]
[Preparation of non-aqueous electrolyte]
In a solvent in which propylene carbonate (PC) and diethylene glycol dimethyl ether (DDE) were mixed at a volume ratio of 10:90 (1013 hPa, volume ratio at 25 ° C.), lithium trifluoromethanesulfonate imide {LiN (CFThreeSO2)2} Was dissolved at a rate of 1 mol / l to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0044]
[Production of battery body]
A negative electrode can 4 with a negative electrode current collector 6 (stainless steel plate (SUS304)) and a positive electrode can 5 with a positive electrode current collector 7 (stainless steel plate (SUS304)) were prepared. The negative electrode 1 was placed on the negative electrode current collector 6, and a separator 3 made of a non-woven fabric made of polyphenylene sulfide (PPS) was placed on the negative electrode 1. The electrolytic solution was poured into the separator 3. Thereafter, the positive electrode 2 was placed on the separator 3, and the positive electrode can 5 was covered thereon. Further, the positive electrode can 5 and the negative electrode can 4 were caulked and sealed through an insulating packing 8 to produce a lithium battery having an outer diameter of 4 mm and a thickness of 1.4 mm.
[0045]
This battery was charged for the first time under the condition of constant current charging until it reached 3.0 V with a charging current of 20 μA, to produce a charged practical battery.
[0046]
Next, the practical battery is disassembled, the positive electrode active material and the negative electrode active material are collected, and the amount M1 of metal atoms other than lithium atoms contained in the lithium-containing polyvalent metal oxide that is the positive electrode active material; The amount M2 of lithium atoms in the lithium-containing polyvalent metal oxide and the negative electrode active material was measured, and M2 / M1 was calculated. As a result, M2 / M1 = 5.9, and it was confirmed that the following condition 1 was satisfied.
[0047]
[7.5- (non-lithium metal oxidation number)] ≦ M2 / M1 ≦ [8.5 (non-lithium metal oxidation number)] (Equation 1)
[0048]
The amount of each atom was measured using an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP: Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer) manufactured by Seiko Instruments Inc. (SPS1700HVR).
[0049]
The contents of the present invention will be described in more detail based on examples and comparative examples. Of course, the present invention is not limited to the following examples.
[0050]
Example 1a
As Example 1a, a lithium battery manufactured by a method similar to the method described in the above embodiment was used.
[0051]
(Example 1b)
Instead of the aluminum negative electrode used in the battery of Example 1a, an electrochemically produced lithium-aluminum alloy (Li / Al = 1/2) having a thickness of 0.03 mm was punched into a disk shape having a diameter of 2.0 mm. A lithium battery was produced in the same manner as in Example 1a except that the negative electrode was used.
[0052]
The lithium-aluminum alloy was produced by a method of superposing and alloying a lithium plate having a thickness of 0.01 mm and an aluminum plate having a thickness of 0.02 mm under completely dehumidified conditions.
[0053]
Example 2a
Li as the positive electrode active material used in the battery of Example 1a6CoOFourInstead of lithium oxide (Li2Li) prepared by mixing O) and iron oxide (FeO) at a molar ratio of 5: 2 and then heat-treating (baking) at 800 ° C. for 12 hours in a nitrogen stream.FiveFeOFourA lithium battery was produced in the same manner as in Example 1a except that was used.
[0054]
(Example 2b)
Example 2a was used except that instead of the aluminum negative electrode used in the battery of Example 2a, a negative electrode obtained by punching an electrochemically produced lithium-aluminum alloy (Li / Al = 1/2) into a disk shape was used. In the same manner as in Example 1, a lithium battery was produced in the same manner as in Example 1b.
[0055]
Example 3a
Li as the positive electrode active material used in the battery of Example 1a6CoOFourInstead of lithium oxide (Li2Li) prepared by mixing O) and manganese oxide (MnO) at a molar ratio of 3: 1 and then heat-treating (baking) at 950 ° C. for 12 hours in an air current of 99% nitrogen + 1% hydrogen.FiveFeOFourA lithium battery was produced in the same manner as in Example 1a except that was used.
[0056]
(Example 3b)
A lithium battery was produced in the same manner as in Example 3a, except that an anode produced by punching an electrochemically produced lithium-aluminum alloy into a disk shape was used instead of the aluminum anode used in the battery of Example 3a. did.
[0057]
(Comparative Example 1)
Instead of the aluminum metal negative electrode used in the battery of Example 1a, a negative electrode mixture prepared by mixing graphite powder and a fluororesin (powder) as a binder at a mass ratio of 95: 5 was molded into a disk shape. A lithium battery was produced in the same manner as in Example 1a, except that a negative electrode produced by drying at 150 ° C. for 2 hours in a vacuum was used.
[0058]
(Comparative Example 2)
Instead of the aluminum metal negative electrode used in the battery of Example 2a, a negative electrode mixture in which graphite powder and a fluororesin (powder) as a binder were mixed at a mass ratio of 95: 5 was molded into a disk shape. A lithium battery was produced in the same manner as in Example 2a, except that a negative electrode produced by drying at 150 ° C. for 2 hours in a vacuum was used.
[0059]
(Comparative Example 3)
Instead of the aluminum metal negative electrode used in the battery of Example 3a, a negative electrode mixture in which graphite powder and a fluororesin (powder) as a binder were mixed at a mass ratio of 95: 5 was molded into a disk shape. A lithium battery was produced in the same manner as in Example 3a, except that a negative electrode produced by drying at 150 ° C. for 2 hours in a vacuum was used.
[0060]
(Comparative Example 4)
Li as the positive electrode active material used in the battery of Example 1a6CoOFourInstead of manganese dioxide (MnO2) Manganese trioxide (Mn) obtained by heat treatment in air at 700 ° C.2OThree) And lithium hydroxide (LiOH) in a molar ratio of 1: 2 and prepared by heat treatment (firing) at 700 ° C. for 4 hours in the atmosphere.2LiMnO prepared by mixing O) and manganese oxide (MnO) at a molar ratio of 3: 1 and then heat-treating (baking) at 950 ° C. for 12 hours in a stream of nitrogen 99% + hydrogen 1%.2A lithium battery was produced in the same manner as in Example 1a except that was used.
[0061]
In order to investigate the relationship between the initial charge / discharge capacity of the battery and the positive electrode active material or the negative electrode material at the time of battery assembly, the following charge / discharge characteristic tests were performed using the batteries of Examples 1a to 3b and Comparative Examples 1 to 4. It was.
[0062]
[Charge / discharge characteristics test]
Each battery was charged with a constant current at a charging current of 20 μA until reaching 3.0 V, and the initial charge capacity was calculated from the charging time. Then, constant current discharge was performed until the voltage reached 2.0 V with a discharge current of 20 μA, and the initial discharge capacity was calculated from the discharge time.
[0063]
Furthermore, from the initial charge capacity and the initial discharge capacity, the initial charge / discharge efficiency (%) of each battery was determined according to the following formula 5.
[0064]
Initial charge / discharge efficiency (%) = [(initial discharge capacity) / (initial charge capacity)] × 100 (Equation 5)
[0065]
The results of this charge / discharge characteristic test are shown in Table 1 below.
[0066]
[Table 1]
Figure 0004086653
[0067]
As shown in Table 1, in the batteries of Comparative Examples 1 to 3 using graphite (C) as the negative electrode material, the initial discharge efficiency was 0%. In contrast, the batteries of Examples 1a to 3b using aluminum (Al) or lithium-aluminum alloy (Li-Al) as the negative electrode material during battery assembly had an initial discharge efficiency of 30% to 60%. It was.
[0068]
Moreover, as shown in Table 1, in the batteries of Example 1a, Example 2a, and Example 3a in which the negative electrode material at the time of battery assembly was aluminum (Al), the initial charge / discharge efficiency was 50% to 60%. . On the other hand, those of the batteries of Example 1b, Example 2b, and Example 3b in which the negative electrode material at the time of battery assembly was a lithium-aluminum alloy (Li-Al) was 30% to 40%.
[0069]
Therefore, in a battery using a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure as a positive electrode active material, it is possible to occlude lithium, such as aluminum (Al), as a negative electrode material during battery assembly. It has been found that particularly excellent charge / discharge characteristics can be obtained by using lithium metal.
[0070]
In contrast, a general positive electrode active material (LiMnO2In the battery of Comparative Example 4 in which the negative electrode material at the time of battery assembly was aluminum, the initial charge capacity was 0.02 mAh, and the initial charge / discharge efficiency was 0%.
[0071]
From these, a general positive electrode active material (LiMnO2) Was used as the positive electrode active material, it was found that if the negative electrode material at the time of battery assembly was aluminum (Al), only significantly low initial charge / discharge characteristics were obtained.
[0072]
Furthermore, Li is a lithium-containing polyvalent metal oxide whose crystal structure is an inverted fluorite type,6CoOFour , LiFiveFeOFour, Li6MnOFourIn the group consisting of Li, the negative electrode material during battery assembly is either aluminum (Al) or lithium-aluminum alloy (Li-Al).6CoOFourIt has been found that a more excellent charge / discharge characteristic can be obtained by using a positive electrode active material containing.
[0073]
In Comparative Examples 1 to 3 using graphite as the negative electrode material, the initial discharge efficiency was 0% because the potential of aluminum on the basis of the counter lithium was about 0.3 V, whereas graphite Since it is as low as about 0.15 V, it is considered that the charging depth of the positive electrode becomes shallow when charging at a battery voltage of 3 V.
[0074]
In addition, Examples 1a, 2a, and 3a in which aluminum and lithium are alloyed in the battery are used in comparison with Examples 1b, 2b, and 3b that use a lithium aluminum alloy from the beginning of battery assembly. However, the high initial charge / discharge efficiency was achieved by alloying non-lithium metal in the battery to obtain a lithium alloy with favorable properties for charge / discharge. This is considered to be because an alloy having a suitable property as in a battery cannot be obtained due to cracking on the surface.
[0075]
(Other matters)
The battery exterior body in the present specification means an element that seals the power generation element, and in the above embodiment, a battery in which the negative electrode can 4 and the positive electrode can 5 are combined with the packing 8 interposed therebetween. Corresponds to the exterior body.
[0076]
The metal-based negative electrode active material in the present specification means a non-lithium metal that can be alloyed with lithium, a non-lithium alloy, or a lithium alloy. Examples of the metal that can be alloyed with lithium include aluminum (Al), tin. (Sn), indium (In), zinc (Zn), lead (Pb), gallium (Ga), magnesium (Mg), potassium (K), sodium (Na), calcium (Ca), strontium (Sr), silicon (Si), cadmium (Cd) bismuth (Bi), barium (Ba), etc. can be illustrated.
[0077]
In the present invention, a negative electrode can made of a clad material including a material layer that can be alloyed with lithium and a material layer that is not alloyed with lithium can be used as a battery assembly member. A lithium battery excellent in initial charge / discharge characteristics can be manufactured with good workability. Here, as the material layer not alloyed with lithium, for example, stainless steel, titanium (Ti), nickel (Ni), chromium (Cr), copper (Cu), iron (Fe), silver (Ag), gold (Au ), Tungsten (W), platinum (Pt), molybdenum (Mo), and the like.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite type crystal structure is used as the positive electrode active material, and a metal-based active material is used as the negative electrode active material. Thus, a lithium battery having a large initial charge / discharge capacity, particularly a lithium battery having a large battery capacity capable of being suitably charged / discharged at 2 to 3 V can be realized. Such a lithium battery according to the present invention can be used as a memory backup power source for electronic equipment because a single battery can provide a necessary holding voltage such as CMOS or S-RAM.
[0079]
Moreover, according to the manufacturing method of the present invention, which can manufacture a lithium battery using a lithium alloy as a negative electrode active material without using lithium metal or a lithium alloy as a negative electrode material, the battery manufacturing operation is performed under a normal environment. In addition, a suitable lithium alloy negative electrode can be produced by a charging operation performed on the unit cell. Therefore, according to the production method of the present invention, a lithium battery having a large initial discharge capacity and excellent cycle characteristics can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a sagittal cross section of a flat lithium battery as an example of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of an inverted fluorite-type crystal structure possessed by a lithium-containing polyvalent metal oxide used in the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Negative electrode
2: Positive electrode
3: Separator
4: Negative electrode can
5: Positive electrode can
6: Negative electrode current collector
7: Positive electrode current collector
8: Insulation packing
9: Lithium site
10: Tetrahedral site

Claims (5)

リチウムを吸蔵放出することのできる正極活物質を有する正極と、リチウムを吸蔵することのできる金属系負極活物質を有する負極と、非水系電解質と、を含むリチウム電池において、In a lithium battery comprising a positive electrode having a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium, a negative electrode having a metal negative electrode active material capable of occluding lithium, and a non-aqueous electrolyte,
前記正極活物質が、逆ホタル石型の結晶構造を有するリチウム含有多価金属酸化物を主成分とし、  The positive electrode active material is mainly composed of a lithium-containing polyvalent metal oxide having an inverted fluorite-type crystal structure,
前記リチウム含有多価金属酸化物中に含有される、リチウム原子以外の金属原子の量をM1とし、前記正極と前記金属系負極とに含まれるリチウム原子の量をM2とするとき、M2/M1が数1で規定される、  When the amount of metal atoms other than lithium atoms contained in the lithium-containing polyvalent metal oxide is M1, and the amount of lithium atoms contained in the positive electrode and the metal-based negative electrode is M2, M2 / M1 Is defined by Equation 1,
ことを特徴とするリチウム電池。  The lithium battery characterized by the above-mentioned.
[数1]  [Equation 1]
[[ 7.5−(非リチウム金属の酸化数)≦M2/M1≦8.5−(非リチウム金属の酸化数)7.5- (non-lithium metal oxidation number) ≦ M2 / M1 ≦ 8.5- (non-lithium metal oxidation number) ] ] ・・・(数1)... (Equation 1)
前記リチウム含有多価金属酸化物が、LiThe lithium-containing polyvalent metal oxide is Li 66 CoOCoO 4Four 、Li, Li 5Five FeOFeO 4Four 、Li, Li 66 MnOMnO 4Four からなる群より選ばれた1以上の化合物であり、One or more compounds selected from the group consisting of:
前記金属系負極活物質が、リチウムと合金化することのできる非リチウム金属である  The metal-based negative electrode active material is a non-lithium metal that can be alloyed with lithium.
ことを特徴とする請求項1記載のリチウム電池。  The lithium battery according to claim 1.
前記リチウム含有多価金属酸化物が、LiThe lithium-containing polyvalent metal oxide is Li 66 CoOCoO 4Four 、Li, Li 5Five FeOFeO 4Four 、Li, Li 66 MnOMnO 4Four からなる群より選ばれた1以上の化合物であり、One or more compounds selected from the group consisting of:
前記金属系負極活物質が、非リチウム金属と、前記リチウム含有多価金属酸化物に由来するリチウムとの合金である、  The metal-based negative electrode active material is an alloy of non-lithium metal and lithium derived from the lithium-containing polyvalent metal oxide,
ことを特徴とする請求項1記載のリチウム電池。  The lithium battery according to claim 1.
正極活物質として、結晶構造が逆ホタル石型であるリチウム含有多価金属酸化物を有する正極を作製する正極作製工程と、As a positive electrode active material, a positive electrode preparation step of preparing a positive electrode having a lithium-containing polyvalent metal oxide having a crystal structure of an inverted fluorite type,
リチウムを吸蔵することのできる非リチウム金属を有する負極を作製する負極作製工程と、  A negative electrode manufacturing step of manufacturing a negative electrode having a non-lithium metal capable of occluding lithium;
前記正極と前記負極とをセパレータを介して対向させた電極体と、非水系電解質とを電池外装体内に収納し密閉する素電池組み立て工程と、  A unit cell assembly step of housing and sealing an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are opposed to each other via a separator, and a non-aqueous electrolyte in a battery exterior body;
素電池組み立て後の素電池を充電することにより、前記リチウム含有多価金属酸化物由来のリチウムと、前記負極作製工程で作製した負極内の前記非リチウム金属とを負極内で合金化する合金化工程と、  Alloying in which the lithium-containing polyvalent metal oxide-derived lithium and the non-lithium metal in the negative electrode prepared in the negative electrode preparation step are alloyed in the negative electrode by charging the unit cell after assembly. Process,
を備えることを特徴とするリチウム電池の製造方法。  A method for producing a lithium battery, comprising:
前記リチウム含有多価金属酸化物が、LiThe lithium-containing polyvalent metal oxide is Li 66 CoOCoO 4Four 、Li, Li 5Five FeOFeO 4Four 、Li, Li 66 MnOMnO 4Four からなる群より選ばれた1以上の化合物であり、One or more compounds selected from the group consisting of:
前記非リチウム金属が、アルミニウムである、  The non-lithium metal is aluminum;
ことを特徴とする請求項4記載のリチウム電池の製造方法。  The method for producing a lithium battery according to claim 4.
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