JP4759784B2 - Organic electrolyte battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器の主電源やメモリバックアップ用電源に使用する有機電解液電池に関し、発電要素及びハウジング部材に高温耐熱性を付与することにより高温保存時の信頼性を高めると共に、リフロー法を用いた自動ソルダリングによる基板実装を可能とした有機電解液電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に負極にリチウムもしくはその合金を用いた有機電解液電池は、エネルギー密度が高く、機器の小型化および軽量化が可能であることに加え、保存特性、耐漏液性等の信頼性に優れていることから、各種電子機器の主電源やメモリバックアップ用電源としてその需要は年々増加している。この種の電池においては充電ができない一次電池が主流であるが、充電可能な二次電池としては、負極にリチウムアルミニウム合金等を、正極に五酸化バナジウム、マンガン酸リチウムをそれぞれ組合せた電池が知られており、これらの発電要素を偏平形の電池容器に収納したコイン型の有機電解液電池が実用化されている。
【0003】
近年、コイン型の有機電解液電池は、小型ポータブル機器のメモリーバックアップ電源として好適に用いられており、特に最近では電池径が6mm以下に設定された電池の開発が盛んに行われている。このような電池の回路基板への実装は、電池及び回路基板が小型化されているために、手作業による実装方法を採用した場合には、工数の大幅な増加を招いてしまう。そこで、効率的な実装方法として、電池のリード端子をリフロー法による自動ソルダリングにより実装する試みがなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
リフロー法による回路基板への実装は、リフロー炉内部に電池を通過させることによって行われる。リフロー炉内部は短時間ではあるが、高温状態となり、特にピーク時において数十秒間程度は250℃もの超高温状態となる。このため、少なくとも電解液の溶媒の沸点は250℃以上である事が望ましい。
【0005】
しかし、有機電解液電池に主として用いられる有機溶媒であるプロピレンカーボネイト及びエチレンカーボネイトの沸点は、いずれも250℃以下である。このような有機電解液電池をリフロー炉の中を通過させた際に、電池内部の電解液は瞬間的に気化してしまう。このため、電池内部の圧力が急激に上昇し、破裂に至ることがある。
【0006】
また、溶媒はその粘度を低下させることで、リチウムイオンの移動度を高め、電池の放電反応をスムースに進行させる為に、ジエチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン等の定粘度溶媒を配合するのが一般的である。しかし、これらの溶媒は沸点が100℃前後と低いために、リフロー炉内部において、電解液の沸点を降下させ、急激な温度上昇に伴う圧力の上昇を助長することになる。
【0007】
一方、有機電解液の溶媒とされるリチウム塩には、過塩素酸リチウム、リチウム6フッ化リン等が用いられており、これらの熱分解温度はいずれも100℃前後である。リフロー炉の内部において250℃の高温下に一瞬でも曝せれらてしまうと、リチウム塩は熱分解し、その機能が失われ、正常な電池反応が行われなくなってしまう。
【0008】
さらに、有機電解液電池を構成する各部品に対する耐熱性も重要である。一般に、正極缶、負極缶を絶縁するガスケット、及び正極、負極を絶縁するセパレータには共に、ポリプロピレン製のものを用いられている。ポリプロピレンの熱軟化温度は100から120℃であり、ガスケット及びセパレータは、リフロー炉を通過する際に、熱軟化温度よりも大幅に高い温度に曝され、熱による損傷を受けてしまう。
【0009】
高温環境下で発生する電池の不具合に対して、電池の構成要素に対して耐熱性を付与した有機電解液電池が知られている。(特開平8−321287号公報に記載)。この有機電解液電池は、沸点が少なくとも170℃以上である有機溶媒に、溶質としてリチウム塩を溶解した有機電解液、沸点が170℃以上である多孔性の合成樹脂シートからなるセパレータ、連続使用温度が少なくとも150℃である熱可塑性合成樹脂をそれぞれ用いるものであり、その具体例として、γ−ブチルラクトンを主体とする溶媒に、ホウフッ化リチウムを溶質とした有機電解液を使用し、セパレータ及びガスケットにポフェニレンサルファイド等の樹脂を使用することが前記公報に開示されている。
【0010】
しかしながら、この有機電解液電池は、150℃を超える高温環境下での長期間の使用及び/または貯蔵を可能とする有機電解液電池を提供することを目的としており、さらに高温となる250℃程度の環境下における耐熱性を有しておらず、有機電解液の急激な気化、溶質の分解、ガスケット及びセパレータの損傷という従来例と同等の不具合が生じてしまう。
【0011】
このように有機電解液電池は、250℃に達するリフロー炉内における耐高温特性を備えておらず、自動ソルダリングに対応し、リフロー法を用いて回路基板に実装可能な有機電解液電池は未だ実用には至っていない。
【0012】
本発明は、以上の回路基板への実装時における諸条件を考慮して、発電要素および電池ハウジングに対して耐高温特性を付与することで、250℃程度の高温に曝された場合でも電池特性の悪化を招くことなく、これによりリフロー法を用いた実装が可能な有機電解液電池を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本明は、正極、負極、セパレータ及び有機電解液から構成される発電要素を正極缶、負極缶及びガスケットを備えたハウジング部材に収納した有機電解液電池であって、有機電解液が、5〜100%の体積分率で含まれるテトラグライムに、スルホラン、3−メチルスルホランの少なくともいずれか一方を混合した混合溶媒もしくはテトラグライム単独からなる有機溶媒と、ホウフッ化リチウムを主体とする溶質からなり、かつ前記ガスケットがポリフェニレンスルフィド、前記セパレータがポリフェニレンスルフィドまたはセルロースからなることを特徴とする。
【0014】
テトラグライムの沸点は、275℃であり、リフロー炉内部の温度よりも高い。従って、250℃近傍の温度領域において、テトラグライムは比較的高い蒸気圧を有するが、比較的安定な状態である。更に、溶質としてリチウム塩が溶解されているために、テトラグライムを主体とする本発明の有機電解液電池ではその沸点がモル沸点上昇によってテトラグライム単体での沸点に比べて更に高くなり、高温環境下における特性で有効に作用するものである。
【0015】
高温域における良好な特性に対して、テトラグライムを主成分とする溶媒を用いた有機電解液は、低温域においても良好な特性を有する。有機電解液電池に対する要求として、低温の環境下における放電特性の確保があげられる。一般的に沸点の高い溶媒は融点が高く、且つ粘度も大きい傾向がある。このために、低温領域における電解液の導電率が低く、例えば−20℃まで温度が低下すると、有機電解液中のリチウムイオンが有効に移動できなくなり、放電容量が殆ど得られないのが実状となる。これに対して、テトラグライムは275℃という高い沸点を示すにも拘わらず、融点が−30℃と低く、溶液として存在する温度範囲が約300℃と広いのが特徴である。テトラグライムを溶媒に用いることにより、有機電解液は−20℃の環境下におかれても導電率を維持することができる。さらに、放電反応時におけるリチウム塩の移動がスムースとなり、幅広い温度範囲、例えば−20℃から250℃の範囲で、所定容量の30%以上の放電容量を得ることが可能である。
【0016】
一方、本発明の上記テトラグライムを含む有機溶媒に溶解される溶質には、ホウフッ化リチウムを用いた。耐高温特性の付与を目的とした有機電解液に適用されるリチウム塩の特性としては、リチウム塩の熱分解温度と、電解液の導電率および正負極缶の材質に対する腐食性が低いことを考慮する必要がある。
【0017】
ホウフッ化リチウムの熱分解温度は200℃を大きく上回るために、250℃の温下に放置されても安定している。これに対して、従来の有機電解液電池に用いられている過塩素酸リチウム、及びリチウム6フッ化リン等は、熱分解温度が低く、リチウム塩としての機能を失ってしまう。このように、ホウフッ化リチウムを溶質として用いた有機電解液は、高温環境下でも円滑な電池反応の進行を可能にするものである。
【0018】
また、スルホン基を有するリチウム塩も非常に高い熱分解温度を有している。スルホン基を有するリチウム塩としては、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムやイミド結合を分子構造中に有するリチウムビスパーフルオロメチルスルホニルイミド、あるいはリチウムビスパーフルオロエチルスルホニルイミド等が上げられる。これらの溶質を用いた場合も、高温特性及び低温特性についてホウフッ化リチウムを用いた時と同等またはそれ以上の特性が得られる。
【0019】
上記のような特性に鑑みて、本発明者らは先にスルホン基を有するリチウム塩を溶質に用い、溶媒として、テトラグライムを主体とする溶媒からなる有機電解液を用いた高温電池を提案している(特願平10−345095号)。但し、このスルホン基を有するリチウム塩は非常に腐食性が高いといった問題点がある。また、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、リチウムビスパーフルオロメチルスルホニルイミドといったスルホン基を有するリチウム塩は、リチウムイオン二次電池の正極集電体に使用されているアルミニウムを容易に溶解させることから、リチウムイオン二次電池の溶質として採用されていない。一方、ホウフッ化リチウムやリチウム6フッ化リンは腐食性が低く、アルミニウムを溶解させないことからリチウムイオン二次電池の溶質に使用されている。
【0020】
スルホン基を有するリチウム塩を溶質とし、テトラグライムを主溶媒とした有機電解液を用い、リフロー炉を通過後に150℃で長期保存すると、正極缶を構成しているステンレスが腐食して、電解液中にステンレスが溶出する。この電解液中に溶出したステンレスが負極表面に析出し、電池の内部抵抗を上昇させ、電池の放電特性を劣化させる。また、この腐食反応が酷い場合には、電池内部でステンレスが正極と負極を短絡させ放電が進み、3V以上の電池電圧が0V近くまで落ちてしまったり、正極缶に穴があき、電解液がその穴を介して外部に出て、漏液に至ってしまう。
【0021】
一方、ホウフッ化リチウムを溶質とし、テトラグライムを主溶媒とした有機電解液を用い、リフロー炉を通過後に150℃で長期保存しても、ホウフッ化リチウムの腐食性が低いことによって、正極缶の腐食に起因する問題が発生せず、非常に優れた高温保存特性が得られる。
【0022】
なお、溶媒としては、テトラグライムを主成分とし、これに他の溶媒が混入される構成としても良いが、テトラグライムのみからなる単独溶媒を用いる構成が好ましい。このテトラグライム単独の溶媒からなる有機電解液を用いた電池は、放電特性に最も優れる。
【0023】
このように、テトラグライムを主体とする有機溶媒と、ホウフッ化リチウムを溶質とする有機溶媒を用いることにより、耐高温特性が飛躍的に向上する有機電解液二次電池を得ることが可能である。
【0025】
スルホラン、3−メチルスルホランを用いた有機電解液は、テトラグライムのみを用いた有機電解液に比べて、正極、負極に対する反応性が低く、電解液の分解によるガス発生反応が生じにくい点において優れている。
【0026】
本発明者らは、電解液に耐高温特性を付与することを目的として、3−メチルスルホラン、およびスルホランからなる混合有機溶媒と、スルホン基を有するリチウム塩を主体とする溶質から構成される有機電解液を用いた電池を提案した(特願平10−217266号)。この提案でも明らかにしているが、スルホランの沸点は約287℃、3−メチルスルホランの沸点は約275℃であるから、リフロー炉内部の温度より高く、リフロー炉通過時の高温雰囲気に対しても安定な特性を有している。一方、スルホラン、3メチルスルホランの凝固点は28℃、6℃である。これらの溶媒を有機電解液として使用する際には、溶質とするリチウム塩によって凝固点降下が生じせしめ、凝固温度を低温側に移動させることは可能であるが、−20℃以下の温度には対応することは困難である。さらに、低温温度域での導電率が低いために、これらの溶媒のみを使用した有機電解液電池は、大幅な放電特性の悪化を生じてしまう。
【0027】
しかしながら、この混合溶媒にテトラグライムを添加することによって、電解液の粘度低下、これに起因する正極での吸液性の向上により、低温特性の改善が認められる。特にテトラグライムを5%以上添加することにより、−20℃の放電でも25℃の放電容量の30%以上を維持することができ、低温温度域での放電特性の改善が可能となる。
【0028】
ここにおいて、スルホラン、3−メチルスルホランが添加された有機溶媒に占めるテトラグライムの体積分率は5〜90%の範囲が好ましく、特にテトラグライムの体積分率が90%を超えると自己放電率が急激に大きくなり、スルホラン、3−メチルスルホランの添加によって得られる効果、すなわち長期信頼性に影響を与えてしまう。尚、耐高温特性については、テトラグライムのみからなる有機溶媒と、またはテトラグライムに、スルホラン、3メチルスルホランを少なくとも一種以上混合した混合溶媒系の電解液との間に差は見られない。
【0030】
ガスケットは、正極缶と負極缶とを絶縁する絶縁パッキングとしての機能を併せ持っており、正極間の内周面に沿う形状に射出成型によって作成される。また、セパレータは、ポリフェニレンスルフィドからなる不織布によって形成されており、これに替えて、セルロースからなる紙セパレータを用いてもよい。
【0031】
本発明のセパレータおよびガスケットに用いられるポリフェニレンスルフィドは、耐熱性に加え、電解液に対する安定性から見いだされたものである。ポリフェニレンスルフィドは、200℃以上の熱軟化温度を有しており、ガラス繊維等のフィラーの添加により250℃程度の高温下においても熱変形することがない。このため、リフロー炉内部の高温環境下においてもガスケット及びセパレータとしてのそれぞれの機能を維持し続ける事が可能である。これは、セルロースについても同様のことが言える。
【0032】
また、ポリフェニレンスルフィド、セルロースは本発明に係わる有機電解液に用いられるスルホラン、3メチルスルホラン、テトラグライムの溶媒に対して溶解することなく、化学的に安定であるという特性を有する。この特性により、長期信頼性を得ることが可能となった。
【0033】
【実施例】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0034】
(第1の実施形態)
図1は本実施形態における有機電解液二次電池の断面図である。電池寸法は径6.8mm、厚み2.1mmである。図1において、正極缶1は正極端子を兼ねており、耐食性の優れたステンレス鋼からなる。負極缶2は負極端子を兼ねており、正極缶1と同じ材質のステンレス鋼からなる。ガスケット3は正極缶1と負極缶2を絶縁するものであり、ポリフェニレンスルフィドからなる。さらにガスケット3の表面には正極缶及び負極缶と接する面にはピッチが塗布されている。正極4は、活物質である五酸化バナジウムに導電剤としてカーボンブラックおよび結着剤としてフッ素樹脂粉末を混合し、直径4mm、厚さ1.2mmのペレット状に成型した後、250℃中で12時間乾燥したものである。負極5は、マンガン金属を5重量%含むアルミニウム−マンガン合金を直径4mm、厚さ0.3mmの円板状に打ち抜き、負極缶2の内側に圧接させている。また、リチウムと合金化するには、電池組み立て時にアルミニウム合金の表面にリチウム箔を圧着し、電解液の存在下でアルミニウム合金中にリチウムを吸蔵させて電気化学的にリチウム−アルミニウム合金を作り、これを負極として用いている。ポリフェニレンスルフィド製の不織布からなるセパレータ6を正極4と負極5との間に配した。
【0035】
有機電解液には、溶媒としてテトラグライムを用い、これにリチウム塩としてホウフッ化リチウムを1mol/lの比率にて溶解したものを使用した。これを、これを正極缶1、負極缶2及びガスケット3からなる電池容器へ15μlが充填されている。作成された電池を電池Aとする。
【0036】
電池Aにおける有機電解液に替えて、溶質のリチウム塩としてトリフルオロメタン酸リチウムを用い、これを溶媒であるテトラグライムに1mol/l比率にて溶解した有機電解液を使用し、他の構成は電池Aと同じとした電池Bを作成した。
【0037】
また、電池Aにおける有機電解液に替えて、溶媒にテトラグライムとスルホランをそれぞれ体積分率が65%と35%となるように混合した混合溶媒を用い、ホウフッ化リチウムを1mol/lの比率にて溶解した有機電解液を使用し、他の構成は電池Aと同じとした電池Cを作成した。
【0038】
同様に電池Aにおける有機電解液に替えて、溶媒にテトラグライム、スルホラン、3メチルスルホランをそれぞれ体積分率が65%、25%、10%となるように混合した混合溶媒を用い、ホウフッ化リチウムを1mol/lの比率にて溶解した有機電解液を使用し、他の構成は電池Aと同じとした電池Dを作成した。
【0039】
次に、電池Aにおけるポリフェニレンスルフィド製の不織布からなるセパレータに替えて、セルロースからなる紙製のセパレータを用い、その他の構成は電池Aと同じとした電池Eを作成した。
【0040】
一方、比較例として電池Aにおける有機電解液に替えて、プロピレンカーボネートからなる溶媒にホウフッ化リチウムからなる溶質を1mol/lに溶解し、他の構成は電池Aと同等とした比較品Fとする。
【0041】
さらに、電池Aにおける有機電解液に替えて、溶媒としてテトラグライムを用い、これにリチウム塩としてリチウム6フッ化リンを1mol/lの比率にて溶解した有機電解液を使用し、その他の構成は電池Aと同じである比較品Gを作成した。また、電池Aにおけるセパレータに替えて、ポリプロピレン製のセパレータを使用し、他の構成は電池Aと同じとした比較品Hを作成した。さらに、電池Aにおけるガスケットに替えて、ポリプロピレン製のガスケットを使用し、他の構成は電池Aと同じとした比較品Iとする。このようにして得られた電池A〜Eおよび比較品F〜Iの構成を、(表1)に示す。
【0042】
【表1】
【0043】
(第2の実施形態)
第2の実施形態として、テトラグライムおよびスルホランの混合割合を種々変化させた溶媒を使用し、これらの溶媒に溶質としてホウフッ化リチウムを1mol/lの比率にて溶解した有機電解液を作成し、これらの有機電解液を用い。実施例1と同様に図1に示す構成を有する電池L、M、N、P、Qおよび比較品J、Kを作成した。なお、正極は五酸化バナジウム、負極にはリチウムーアルミニウム合金とし、ガスケット及びセパレータはポリフェニレンスルフィドを使用した。これらの電池の有機電解液におけるテトラグライムとスルホランとの混合比率を(表2)に示す。
【0044】
【表2】
【0045】
(第3の実施形態)
第3の実施形態として、テトラグライムとスルホランの体積分率が30%、70%であり、これらの溶媒に溶質としてホウフッ化リチウムそれぞれ1mol/lの比率にて溶解させて有機電解液を作成した。この有機電解液を用いて実施例1と同様に図1に示す構成を有する電池Rを50個作成した。なお、正極は五酸化バナジウム、負極にはリチウムーアルミニウム合金とし、ガスケット及びセパレータはポリフェニレンスルフィドを使用した。
【0046】
また、電池Rにおける電解液の溶質に替えてトリフルオロメタンスルホン酸リチウムを用い、これを溶媒であるテトラグライムとスルホランの体積分率が30%、70%の混合溶媒に1mol/lの比率にてホウフッ化リチウムを溶解させた有機電解液を使用し、他の構成は電池Rと同じとした電池Sを50個作成した。
【0047】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【0048】
(実施例1)
実施例1では、上記実施形態にて作成された電池A〜E及び比較品F〜Iについての評価を実施した。
【0049】
まず(表1)に示す電池のそれぞれについて、初期の内部抵抗(交流法1kHz)を確認した後、100kΩの負荷を接続し放電容量の測定を行った。放電容量は本実施例における有機電解液電池の理論容量を100とし、それに対する比率により求めた。さらに、得られた電池A〜Eおよび比較品F〜Iのそれぞれについて、充放電サイクル試験も行った。試験条件は、0.1mAの定電流により、電池電圧が3.35Vと2.5Vとの間にて充放電を繰り返し、充放電可能な回数を求めた。
【0050】
併せて、高周波加熱式リフロー炉の内部を通過させるリフロー通過試験を実施し、電池A〜Eおよび比較品F〜Iに対する耐高温特性を検討した。リフロー炉の温度プロファイルは、余熱工程として180℃を2分間、次に、加熱工程として180℃→245℃→180℃を30秒間で通過し、その後、室温に至るまで自然冷却した。電池が充分に冷却された後、外観による目視検査及び電圧検査を行い、問題の生じなかった電池については、内部抵抗を再測定した後、上記と同様の温度プロファイルにてリフロー炉を通過させ、検査、測定を行なった。これを3回繰り返した後、初期の状態と比較して劣化の程度を確認した。(表3)に結果を示す。
【0051】
【表3】
【0052】
(表3)より電池Aの放電容量は理論値の90%であり、リフロー通過試験も3回まで異常はみられず、また、通過後の内部抵抗値も初期状態とほとんど変化はみられないことから、リフロー通過による熱ダメージはみられず良好な結果が得られた。次に、リチウム塩としてトリフロオロメタン酸リチウムを用いた電池Bは、初期の内部抵抗値が電池Aに比べて高い。しかし、電池Aと同様に、リフロー通過試験3回まで異常はみられず、電気特性的にも良好な結果が得られた。また、電池Cは、スルホランが35%の比率で混合された混合溶媒を用いた為に、電解液粘度の上昇を招き、初期の内部抵抗は高い。しかし、放電容量及び充放電サイクルにおいて電池Aに比べて良好な結果が得られ、リフロー通過試験3回でも異常はみられなかった。また、スルホラン及び3メチルスルホランを加えた電池Dは、電気特性は電池電気特性においては更に向上した。
【0053】
一方、電池Eは、セルロースからなる紙製のセパレータを用いた為に、初期の内部抵抗値において電池Aより高い値となったが、他の結果については同様に良好な結果が得られた。
【0054】
これらの結果に対して、比較品Fでは、リフロー炉通過中に溶媒として使用したプロピレンカーボネイトが沸騰し、これに起因する内圧上昇に伴う破裂が発生した。また、比較品Gでは、リチウム塩として使用したリチウム6フッ化リンがリフロー炉通過中に熱分解し、電解液の抵抗が上昇した。これは結果的に内部抵抗の増大となり、電池としての電気特性が破壊された事を示している。
【0055】
また、比較品Hは、セパレータの収縮が認められ、内部ショートが発生した。これは、セパレータとして用いたポリプロピレンが、リフロー炉を通過する際に溶融温度を超える温度に曝された為に、セパレータの溶融、収縮が発生し、正極と負極が接触したことによる。また、比較品Iでは、ポリプロピレンを用いたガスケットから液漏れが認められた。これは、比較品Hと同様の現象により、にガスケットが溶融、収縮し、この部位より液漏れが生じたものである。
【0056】
充放電サイクル数については、溶媒の種類にほとんど関係無く、リチウム塩にホウフッ化リチウムを用いた電解液において、約80回以上の充放電が可能であった。
【0057】
以上より、本実施例における電池A〜Eは、放電性能、充放電サイクル性能、リフロー時における耐高温性能のいずれにおいても優れた結果を見出すことができた。これは、電解液の溶媒主成分であるテトラグライムの耐熱性とリチウム塩であるホウフッ化リチウムの耐熱性、優れた導電性及びリチウムアルミニウム合金負極に対する安定性によるものであり、更に、電池構成部品とガスケットにポリフェニレンスルフィドPPS製を用い、かつ、セパレータにポリフェニレンスルフィドPPS製の不織布を用いリフロー時の耐熱性を得ることが可能になったことによるものである。
【0058】
(実施例2)
実施例2として、第2の実施形態にて作成した電池L、M、N、P、Qおよび比較品J、Kについて高周波加熱式リフロー炉の内部を通過させるリフロー通過試験を実施し、耐高温特性を検討した。試験方法は、実施例1と同様の温度プロファイルにて、リフロー炉を2回通過させて実施した。試験後、目視により、破裂、漏液の発生を確認したが、電池L、M、N、P、Qおよび比較品J、Kのいずれの電池についても漏液および破裂等は認められなかった。
【0059】
さらに、リフロ−炉通過試験を実施した後の電池を用いて、−20℃で300kΩの抵抗に接続し、放電試験を実施した。また、同様にリフロ−炉通過試験で使用した電池を用いて、60℃の恒温槽中で40日間放置した後、常温で51kΩの抵抗に接続して放電試験を実施した。これら放電試験によって得られた放電容量の測定をもとにして、実施例1と同様に理論容量に対する比率を求め、これを表4に示す。さらにまた、リフロ−炉通過試験の保存初期時における放電容量と、保存後の放電容量から自己放電率を求め、(表4)に示す。
【0060】
【表4】
【0061】
(表4)より、比較品Jは溶媒としてスルホランのみを用いており、−20℃の環境下ではほとんど放電しない。これは、電解液自体が凝固したことによるものと考えられる。一方、テトラグライムを含有する比較品Kおよび電池L、M、N、P、Qについては、溶媒に占めるテトラグライムの比率の増加に伴い、低温環境下における放電容量は増加した。特に、テトラグライム単体を溶媒に用いた電池Qがこの環境下における放電容量の面で最も良好な結果を得ることができる。これらのことから、スルホランのみからなる溶媒を用いた場合には−20℃で電解液が凝固してしまうが、溶媒にテトラグライムを含有させることにより、電解液が凝固せず、低温環境下で放電することを可能にする。この時、電解液自体の導電性を向上させる効果も考えられる。
【0062】
一方、自己放電率の面から判断すれば、スルホランのみを用いた比較品Jが好ましい。テトラグライムのみからなる溶媒を用いた電池Qでは、自己放電率が30%以上という高い値を示した。この自己放電率の増加は、溶媒に占めるテトラグライムの体積分率が90%を境に差が見られ、テトラグライムの割合が高い電池PおよびQでは自己放電率が急激に悪化している。一方、テトラグライムの体積分率が90%以下の比較品J、Kおよび電池L、M、Nでは、スルホランの占める割合が高いほど自己放電率が減少している。特にスルホラン単体を溶媒として用いた比較品Jについては自己放電率が4%という低い値を示し、長期保存信頼性に優れている。したがって、スルホランを主体とする溶媒を用いた電池はテトラグライムを主体とする電池に比較して、自己放電率が小さいといえる。
【0063】
有機電解液電池に求められる電池性能として、低温環境下における放電特性と長期信頼性の点から判断すると、テトラグライムを単体として用いた溶媒にくらべて、スルホラン、3メチルスルホランと混合することが好ましい。特に、スルホラン、3メチルスルホランを含有し、溶媒に占めるテトラグライムの比率が90%以下に設定された溶媒は、電池性能の面から好ましい。
【0064】
また、低温環境下における放電特性に比べて、長期信頼性に重点が置かれる電池、例えば常温環境下での使用が前提された各種機器のメモリーバックアップを主たる用途とする電池では、溶媒に占めるテトラグライムの比率が5〜60%の範囲とするのが好ましい。尚、本実施例ではテトラグライムにスルホランを添加した溶媒について説明したが、テトラグライムに3メチルスルホランを添加することによっても、低温環境下での放電特性と低自己放電率を両立した電池が得られた。
【0065】
(実施例3)
実施例3として、電池R、電池Sに対して高周波加熱式リフロー炉の内部を通過させるリフロー通過試験を実施し、耐高温特性を検討した。この試験方法は、実施例1と同様の温度プロファイルにて、リフロー炉を2回通過させた。試験後、目視により、破裂、漏液の発生を確認したが、電池R、Sのいずれの電池についても漏液および破裂等は認められなかった。
【0066】
さらに、リフロー炉通過試験実施後の電池を150℃の恒温槽中に30日間にわたって保存し、その内部抵抗変化を追跡した。内部抵抗は、150℃の槽から取り出して数時間室温中で放置した後に、交流1KHZで測定したものである。その150℃保存時の内部抵抗変化を(表5)に示す。(表5)に示した内部抵抗値は電池R及びSの50個の平均値である。加えて、電池電圧が1V以下まで低下した電池の発生率を(表5)に示す。
【0067】
【表5】
【0068】
(表5)の結果から、溶質としてトリフルオロメタンスルホン酸リチウムを用いた電池Sは、150℃で10日放置した際に電池の内部抵抗が1000Ω以上になったの対し、ホウフッ化リチウムを溶質に用いた電池Rは初期とほとんど差がない内部抵抗の値を示した。加えて、電池Sは保存日数が増えるに伴い電池電圧が1V以下まで低下した電池が増加し、30日目には全数となった。一方、電池Rでは1V以下に電池電圧がなることは全く起らなかった。電池電圧が1V以下に低下した電池Kを分解したところ、負極のリチウムアルミ合金表面にが黒色化した部分が点在した。また、セパレータにも黒色化した部分が見られた。この、黒色部を蛍光エックス線により分析した結果、黒色部は正極缶の材質であるステンレスであることが判明した。正極と接する正極缶内面のステンレスが腐食し、溶解したものが負極のリチウムアルミ合金上に析出して、電池の内部抵抗が上昇した。そのステンレスの腐食反応がさらに進行することにより、ステンレスが正極および負極を電池内部で短絡させてしまうことにより、初期に3V以上であった電池電圧が1V以下に低下した。保存後の電池Rを分解した場合には、正極缶のステンレスの腐食は起っていなかった。内部抵抗上昇の要因は電解液と負極のリチウムアルミ合金との反応により生成した有機被膜によると考えられる。
【0069】
ホウフッ化リチウムを溶質に用いることにより150℃で高温保存した場合にも非常に優れた特性が得られた。
【0070】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、有機電解液にテトラグライムを主体とした溶媒、もしくはテトラグライムと、スルホラン、3メチルスルホランの中から少なくとも一種以上を組み合わせた混合溶媒と溶質としてホウフッ化リチウムを用いることにより、リフロー法を用いた基板実装に耐える耐高温特性を備えると共に、低温環境下での放電特性、150℃での高温連続保存特性に優れた有機電解液を提供することができ、その工業的価値は大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施例における有機電解液電池の構成を示す断面図
【符号の説明】
1 正極缶
2 負極缶
3 ガスケット
4 正極
5 負極
6 セパレータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic electrolyte battery used for a main power source of an electronic device or a memory backup power source, and enhances reliability at high temperature storage by imparting high temperature heat resistance to a power generation element and a housing member, and a reflow method. The present invention relates to an organic electrolyte battery that can be mounted on a substrate by automatic soldering.
[0002]
[Prior art]
In general, an organic electrolyte battery using lithium or an alloy thereof as a negative electrode has high energy density, can be reduced in size and weight, and has excellent reliability such as storage characteristics and leakage resistance. Therefore, the demand for the main power source of various electronic devices and the power source for memory backup is increasing year by year. In this type of battery, primary batteries that cannot be recharged are the mainstream. However, as rechargeable secondary batteries, a battery in which a lithium aluminum alloy or the like is combined with the negative electrode and vanadium pentoxide or lithium manganate is combined with the positive electrode is known. A coin-type organic electrolyte battery in which these power generation elements are housed in a flat battery container has been put into practical use.
[0003]
In recent years, a coin-type organic electrolyte battery has been suitably used as a memory backup power source for small portable devices, and recently, a battery having a battery diameter of 6 mm or less has been actively developed. The mounting of such a battery on a circuit board results in a significant increase in man-hours when a manual mounting method is employed because the battery and the circuit board are miniaturized. Therefore, as an efficient mounting method, attempts have been made to mount battery lead terminals by automatic soldering using a reflow method.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Mounting on a circuit board by the reflow method is performed by passing a battery through a reflow furnace. Although the inside of the reflow furnace is in a short time, it is in a high temperature state, and particularly at a peak time, it is in an extremely high temperature state of 250 ° C. for about several tens of seconds. For this reason, it is desirable that at least the boiling point of the solvent of the electrolytic solution is 250 ° C. or higher.
[0005]
However, the boiling points of propylene carbonate and ethylene carbonate, which are organic solvents mainly used in organic electrolyte batteries, are 250 ° C. or less. When such an organic electrolyte battery is passed through a reflow furnace, the electrolyte inside the battery is instantaneously vaporized. For this reason, the internal pressure of the battery suddenly rises and may burst.
[0006]
In addition, the solvent reduces the viscosity of the solvent to increase the mobility of lithium ions and smoothly advance the discharge reaction of the battery, such as diethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, etc. In general, a constant viscosity solvent is added. However, since these solvents have a low boiling point of around 100 ° C., the boiling point of the electrolytic solution is lowered inside the reflow furnace, and the increase in pressure accompanying a rapid temperature increase is promoted.
[0007]
On the other hand, lithium perchlorate, lithium phosphorous hexafluoride, and the like are used as the lithium salt used as the solvent of the organic electrolyte, and the thermal decomposition temperatures thereof are all around 100 ° C. If the reflow furnace is exposed to a high temperature of 250 ° C. for a moment, the lithium salt is thermally decomposed, its function is lost, and a normal battery reaction is not performed.
[0008]
Furthermore, the heat resistance with respect to each component constituting the organic electrolyte battery is also important. In general, the positive electrode can, the gasket for insulating the negative electrode can, and the separator for insulating the positive electrode and the negative electrode are both made of polypropylene. The heat softening temperature of polypropylene is 100 to 120 ° C., and the gasket and the separator are exposed to a temperature significantly higher than the heat softening temperature when passing through the reflow furnace, and are damaged by heat.
[0009]
An organic electrolyte battery in which heat resistance is imparted to the constituent elements of the battery is known for the problem of the battery that occurs in a high temperature environment. (Described in JP-A-8-32287). This organic electrolyte battery includes an organic electrolyte obtained by dissolving a lithium salt as a solute in an organic solvent having a boiling point of at least 170 ° C., a separator made of a porous synthetic resin sheet having a boiling point of 170 ° C. or more, continuous use temperature As a specific example, a thermoplastic synthetic resin having a temperature of at least 150 ° C. is used, and as a specific example, an organic electrolyte containing lithium borofluoride as a solute is used as a solvent mainly composed of γ-butyllactone, and a separator and a gasket It is disclosed in the above-mentioned publication that a resin such as polyphenylene sulfide is used.
[0010]
However, this organic electrolyte battery is intended to provide an organic electrolyte battery that can be used and / or stored for a long period of time in a high-temperature environment exceeding 150 ° C. It does not have heat resistance under the above environment, and the same problems as conventional examples such as rapid vaporization of organic electrolyte, decomposition of solute, and damage of gasket and separator occur.
[0011]
As described above, the organic electrolyte battery does not have the high temperature resistance in the reflow furnace reaching 250 ° C., corresponds to the automatic soldering, and the organic electrolyte battery that can be mounted on the circuit board by using the reflow method is still not yet available. Not practical.
[0012]
In consideration of various conditions at the time of mounting on the circuit board, the present invention provides battery characteristics even when exposed to a high temperature of about 250 ° C. by imparting high temperature resistance to the power generation element and the battery housing. Accordingly, an object of the present invention is to provide an organic electrolyte battery that can be mounted using a reflow method without causing deterioration of the above.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above objective, Departure Ming is an organic electrolyte battery in which a power generation element composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator and an organic electrolyte is housed in a housing member having a positive electrode can, a negative electrode can and a gasket, An organic solvent composed of a mixed solvent obtained by mixing at least one of sulfolane and 3-methylsulfolane with tetraglyme contained in a volume fraction of 5 to 100% or tetraglyme alone; From solutes mainly composed of lithium borofluoride And the gasket is made of polyphenylene sulfide and the separator is made of polyphenylene sulfide or cellulose. It is characterized by that.
[0014]
The boiling point of tetraglyme is 275 ° C., which is higher than the temperature inside the reflow furnace. Therefore, in the temperature range near 250 ° C., tetraglyme has a relatively high vapor pressure, but is in a relatively stable state. Furthermore, since the lithium salt is dissolved as a solute, the boiling point of the organic electrolyte battery of the present invention mainly composed of tetraglyme is higher than the boiling point of tetraglyme alone due to an increase in the molar boiling point, resulting in a high temperature environment. It works effectively with the following characteristics.
[0015]
In contrast to good characteristics in a high temperature range, an organic electrolyte using a solvent mainly composed of tetraglyme has good characteristics even in a low temperature range. As a requirement for the organic electrolyte battery, securing of discharge characteristics in a low temperature environment can be mentioned. In general, a solvent having a high boiling point tends to have a high melting point and a high viscosity. For this reason, the electrical conductivity of the electrolytic solution in the low temperature region is low. For example, when the temperature is lowered to −20 ° C., lithium ions in the organic electrolytic solution cannot move effectively, and the discharge capacity is hardly obtained. Become. In contrast, tetraglyme is characterized by a low melting point of −30 ° C. and a wide temperature range of about 300 ° C., although it has a high boiling point of 275 ° C. By using tetraglyme as a solvent, the organic electrolyte can maintain electrical conductivity even in an environment of −20 ° C. Furthermore, the lithium salt moves smoothly during the discharge reaction, and a discharge capacity of 30% or more of the predetermined capacity can be obtained in a wide temperature range, for example, in the range of −20 ° C. to 250 ° C.
[0016]
On the other hand, lithium borofluoride was used as a solute dissolved in the organic solvent containing the tetraglyme of the present invention. The characteristics of lithium salts applied to organic electrolytes for the purpose of imparting high-temperature resistance include the thermal decomposition temperature of lithium salts, the conductivity of the electrolyte, and the low corrosiveness to the materials of the positive and negative electrode cans. There is a need to.
[0017]
Since the thermal decomposition temperature of lithium borofluoride greatly exceeds 200 ° C., it is stable even when left at a temperature of 250 ° C. In contrast, lithium perchlorate, lithium hexafluoride, and the like used in conventional organic electrolyte batteries have low thermal decomposition temperatures and lose their function as lithium salts. As described above, the organic electrolyte using lithium borofluoride as a solute enables a smooth battery reaction to proceed even in a high temperature environment.
[0018]
Moreover, the lithium salt which has a sulfone group also has a very high thermal decomposition temperature. Examples of the lithium salt having a sulfone group include lithium trifluoromethanesulfonate, lithium bisperfluoromethylsulfonylimide having an imide bond in the molecular structure, or lithium bisperfluoroethylsulfonylimide. Even when these solutes are used, the high-temperature characteristics and the low-temperature characteristics are equivalent to or higher than those obtained when lithium borofluoride is used.
[0019]
In view of the above characteristics, the present inventors previously proposed a high-temperature battery using a lithium salt having a sulfone group as a solute, and using an organic electrolyte composed of a solvent mainly composed of tetraglyme as a solvent. (Japanese Patent Application No. 10-345095). However, the lithium salt having a sulfone group has a problem that it is very corrosive. In addition, lithium salts having a sulfone group such as lithium trifluoromethanesulfonate and lithium bisperfluoromethylsulfonylimide easily dissolve the aluminum used in the positive electrode current collector of the lithium ion secondary battery. It is not adopted as a solute for secondary batteries. On the other hand, lithium borofluoride and phosphorus hexafluoride have low corrosivity and do not dissolve aluminum, and are used as solutes for lithium ion secondary batteries.
[0020]
When using an organic electrolyte containing a lithium salt having a sulfone group as a solute and tetraglyme as a main solvent and stored at 150 ° C. for a long time after passing through a reflow furnace, the stainless steel constituting the positive electrode can be corroded, and the electrolyte Stainless steel elutes inside. The stainless steel eluted in the electrolyte solution is deposited on the negative electrode surface, increasing the internal resistance of the battery and degrading the discharge characteristics of the battery. Also, if this corrosion reaction is severe, stainless steel will short-circuit the positive and negative electrodes inside the battery and the discharge will proceed, the battery voltage of 3V or more will drop to near 0V, the positive electrode can will have a hole, and the electrolyte will It goes out through the hole and leaks.
[0021]
On the other hand, by using an organic electrolytic solution containing lithium borofluoride as a solute and tetraglyme as a main solvent and being stored at 150 ° C. for a long time after passing through a reflow furnace, the corrosiveness of lithium borofluoride is low. No problems due to corrosion occur, and very high temperature storage characteristics can be obtained.
[0022]
In addition, as a solvent, although the structure which has a tetraglyme as a main component and another solvent may be mixed in this, the structure using the single solvent which consists only of tetraglyme is preferable. A battery using an organic electrolyte composed of a solvent of tetraglyme alone has the best discharge characteristics.
[0023]
As described above, by using an organic solvent mainly composed of tetraglyme and an organic solvent having lithium borofluoride as a solute, it is possible to obtain an organic electrolyte secondary battery in which the high temperature resistance is dramatically improved. .
[0025]
Organic electrolytes using sulfolane and 3-methylsulfolane are superior in that they are less reactive to the positive electrode and negative electrode than organic electrolytes using only tetraglyme and are less likely to cause gas generation reactions due to decomposition of the electrolyte. ing.
[0026]
For the purpose of imparting high temperature resistance characteristics to an electrolytic solution, the inventors of the present invention comprise an organic solvent composed of a mixed organic solvent composed of 3-methylsulfolane and sulfolane and a solute mainly composed of a lithium salt having a sulfone group. A battery using an electrolytic solution was proposed (Japanese Patent Application No. 10-217266). This proposal also reveals that the boiling point of sulfolane is about 287 ° C. and the boiling point of 3-methylsulfolane is about 275 ° C., which is higher than the temperature inside the reflow furnace and even in a high temperature atmosphere when passing through the reflow furnace. It has stable characteristics. On the other hand, the freezing points of sulfolane and 3methylsulfolane are 28 ° C. and 6 ° C., respectively. When these solvents are used as organic electrolytes, the freezing point can be lowered by the lithium salt as a solute, and the solidification temperature can be moved to the low temperature side. It is difficult to do. Furthermore, since the electrical conductivity in a low temperature range is low, an organic electrolyte battery using only these solvents causes a significant deterioration in discharge characteristics.
[0027]
However, by adding tetraglyme to this mixed solvent, an improvement in the low-temperature characteristics is recognized due to a decrease in the viscosity of the electrolytic solution and an improvement in the liquid absorbency at the positive electrode resulting therefrom. In particular, by adding 5% or more of tetraglyme, 30% or more of the discharge capacity at 25 ° C. can be maintained even at −20 ° C. discharge, and the discharge characteristics in the low temperature range can be improved.
[0028]
Here, the volume fraction of tetraglyme in the organic solvent to which sulfolane or 3-methylsulfolane is added is preferably in the range of 5 to 90%. In particular, when the volume fraction of tetraglyme exceeds 90%, the self-discharge rate is increased. It increases rapidly and affects the effect obtained by the addition of sulfolane and 3-methylsulfolane, that is, long-term reliability. As for the high temperature resistance, there is no difference between an organic solvent composed only of tetraglyme or a mixed solvent type electrolyte obtained by mixing at least one kind of sulfolane and 3 methylsulfolane with tetraglyme.
[0030]
The gasket also has a function as an insulating packing that insulates the positive electrode can and the negative electrode can, and is formed by injection molding into a shape along the inner peripheral surface between the positive electrodes. Moreover, the separator is formed of a nonwoven fabric made of polyphenylene sulfide, and instead of this, a paper separator made of cellulose may be used.
[0031]
The polyphenylene sulfide used in the separator and gasket of the present invention has been found from the stability to the electrolytic solution in addition to the heat resistance. Polyphenylene sulfide has a heat softening temperature of 200 ° C. or higher, and is not thermally deformed even at a high temperature of about 250 ° C. by the addition of a filler such as glass fiber. For this reason, each function as a gasket and a separator can be maintained even in a high temperature environment inside the reflow furnace. The same can be said for cellulose.
[0032]
In addition, polyphenylene sulfide and cellulose have a characteristic that they are chemically stable without being dissolved in the solvent of sulfolane, 3methylsulfolane, or tetraglyme used in the organic electrolyte solution according to the present invention. This characteristic makes it possible to obtain long-term reliability.
[0033]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0034]
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an organic electrolyte secondary battery in the present embodiment. The battery dimensions are 6.8 mm in diameter and 2.1 mm in thickness. In FIG. 1, the positive electrode can 1 also serves as a positive electrode terminal and is made of stainless steel having excellent corrosion resistance. The negative electrode can 2 also serves as a negative electrode terminal and is made of stainless steel made of the same material as the positive electrode can 1. The gasket 3 insulates the positive electrode can 1 and the negative electrode can 2 and is made of polyphenylene sulfide. Further, a pitch is applied to the surface of the gasket 3 on the surface in contact with the positive electrode can and the negative electrode can. The positive electrode 4 is obtained by mixing vanadium pentoxide, which is an active material, with carbon black as a conductive agent and fluororesin powder as a binder, and forming into a pellet shape having a diameter of 4 mm and a thickness of 1.2 mm. Time dried. The negative electrode 5 is formed by punching an aluminum-manganese alloy containing 5 wt% manganese metal into a disk shape having a diameter of 4 mm and a thickness of 0.3 mm and press-contacting the inside of the negative electrode can 2. In addition, to form an alloy with lithium, a lithium foil is pressure-bonded to the surface of the aluminum alloy at the time of battery assembly, and lithium is occluded in the aluminum alloy in the presence of an electrolytic solution to make a lithium-aluminum alloy electrochemically. This is used as the negative electrode. A separator 6 made of polyphenylene sulfide non-woven fabric was disposed between the positive electrode 4 and the negative electrode 5.
[0035]
In the organic electrolyte, tetraglyme was used as a solvent, and lithium borofluoride dissolved as a lithium salt at a ratio of 1 mol / l was used. 15 μl of this is filled in a battery container composed of a positive electrode can 1, a negative electrode can 2 and a gasket 3. The created battery is referred to as battery A.
[0036]
In place of the organic electrolyte in battery A, lithium trifluoromethanoate was used as the solute lithium salt, and the organic electrolyte was dissolved in tetraglyme as a solvent at a ratio of 1 mol / l. A battery B, the same as A, was created.
[0037]
Moreover, it replaced with the organic electrolyte solution in the battery A, and used the mixed solvent which mixed the tetraglyme and the sulfolane so that the volume fraction might be 65% and 35%, respectively, and lithium borofluoride was made into the ratio of 1 mol / l. A battery C having the same configuration as that of the battery A was prepared using the dissolved organic electrolyte.
[0038]
Similarly, in place of the organic electrolyte solution in battery A, a mixed solvent in which tetraglyme, sulfolane, and 3 methylsulfolane were mixed so that the volume fractions were 65%, 25%, and 10%, respectively, was used, and lithium borofluoride was used. A battery D having the same structure as that of the battery A was prepared using an organic electrolytic solution in which is dissolved at a ratio of 1 mol / l.
[0039]
Next, instead of the separator made of non-woven fabric made of polyphenylene sulfide in the battery A, a paper separator made of cellulose was used, and a battery E having the same configuration as that of the battery A was prepared.
[0040]
On the other hand, as a comparative example, instead of the organic electrolyte solution in battery A, a solute composed of lithium borofluoride is dissolved at 1 mol / l in a solvent composed of propylene carbonate, and the other configuration is a comparative product F equivalent to battery A. .
[0041]
Furthermore, instead of the organic electrolyte in battery A, tetraglyme is used as a solvent, and an organic electrolyte obtained by dissolving lithium hexafluoride as a lithium salt at a ratio of 1 mol / l is used. Comparative product G, which is the same as battery A, was prepared. Moreover, it replaced with the separator in the battery A, the separator made from a polypropylene was used, and the comparative product H which made the other structure the same as the battery A was created. Further, a gasket made of polypropylene is used instead of the gasket in the battery A, and the other configuration is the comparative product I which is the same as the battery A. The structures of the batteries A to E and the comparative products F to I thus obtained are shown in (Table 1).
[0042]
[Table 1]
[0043]
(Second Embodiment)
As a second embodiment, by using a solvent in which the mixing ratio of tetraglyme and sulfolane is variously changed, an organic electrolyte solution in which lithium borofluoride is dissolved as a solute in these solvents at a ratio of 1 mol / l is prepared. Using these organic electrolytes. A battery having the configuration shown in FIG. 1 as in Example 1. L, M, N, P, Q and comparative products J, K It was created. The positive electrode was vanadium pentoxide, the negative electrode was a lithium-aluminum alloy, and the gasket and separator were polyphenylene sulfide. The mixing ratio of tetraglyme and sulfolane in the organic electrolyte solution of these batteries is shown in (Table 2).
[0044]
[Table 2]
[0045]
(Third embodiment)
As a third embodiment, the volume fractions of tetraglyme and sulfolane are 30% and 70%, respectively, and dissolved in these solvents as a solute at a ratio of 1 mol / l each of lithium borofluoride to prepare an organic electrolyte. . Using this organic electrolytic solution, 50 batteries R having the configuration shown in FIG. The positive electrode was vanadium pentoxide, the negative electrode was a lithium-aluminum alloy, and the gasket and separator were polyphenylene sulfide.
[0046]
Further, lithium trifluoromethanesulfonate was used instead of the electrolyte solute in the battery R, and this was used in a solvent mixture of tetraglyme and sulfolane at a ratio of 1 mol / l to a mixed solvent of 30% and 70%. Using an organic electrolytic solution in which lithium borofluoride was dissolved, 50 batteries S having the same configuration as the battery R were prepared.
[0047]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0048]
Example 1
In Example 1, evaluation was performed on the batteries A to E and the comparative products F to I created in the above embodiment.
[0049]
First, for each of the batteries shown in Table 1, the initial internal resistance (AC method 1 kHz) was confirmed, and then a load of 100 kΩ was connected to measure the discharge capacity. The discharge capacity was determined by the ratio of the theoretical capacity of the organic electrolyte battery in this example to 100. Furthermore, a charge / discharge cycle test was also performed for each of the obtained batteries A to E and comparative products F to I. The test conditions were such that the battery voltage was repeatedly charged and discharged at a constant current of 0.1 mA between 3.35 V and 2.5 V, and the number of times that charging / discharging was possible was determined.
[0050]
At the same time, a reflow passage test for passing through the inside of the high-frequency heating type reflow furnace was performed, and the high temperature resistance characteristics for the batteries A to E and the comparative products F to I were examined. As for the temperature profile of the reflow furnace, 180 ° C. was passed for 2 minutes as the preheating step, and then 180 ° C. → 245 ° C. → 180 ° C. was passed for 30 seconds as the heating step, and then naturally cooled to room temperature. After the battery is sufficiently cooled, a visual inspection and a voltage inspection are performed according to the appearance, and for a battery that does not cause a problem, after the internal resistance is measured again, the battery is passed through a reflow furnace with the same temperature profile as described above. Inspection and measurement were performed. After repeating this three times, the degree of deterioration was confirmed in comparison with the initial state. The results are shown in (Table 3).
[0051]
[Table 3]
[0052]
(Table 3) shows that the discharge capacity of battery A is 90% of the theoretical value, the reflow passage test shows no abnormality up to three times, and the internal resistance value after passage hardly changes from the initial state. Therefore, no thermal damage due to reflow was observed, and good results were obtained. Next, the battery B using lithium trifluoromethaneate as the lithium salt has an initial internal resistance value higher than that of the battery A. However, like the battery A, no abnormality was observed up to three reflow passage tests, and good results were obtained in terms of electrical characteristics. Further, since the battery C uses a mixed solvent in which sulfolane is mixed at a ratio of 35%, the viscosity of the electrolytic solution is increased and the initial internal resistance is high. However, in the discharge capacity and charge / discharge cycle, better results were obtained than in the battery A, and no abnormality was observed even after three reflow passage tests. In addition, the battery D to which sulfolane and 3-methylsulfolane were added further improved the electric characteristics in the battery electric characteristics.
[0053]
On the other hand, since the battery E used a paper separator made of cellulose, the initial internal resistance value was higher than that of the battery A, but good results were obtained for other results as well.
[0054]
In contrast to these results, in comparative product F, propylene carbonate used as a solvent boiled while passing through the reflow furnace, and bursting occurred due to an increase in internal pressure due to this. In Comparative Product G, lithium phosphorus hexafluoride used as the lithium salt was thermally decomposed while passing through the reflow furnace, and the resistance of the electrolyte increased. This results in an increase in internal resistance, indicating that the electrical characteristics of the battery have been destroyed.
[0055]
Further, in Comparative product H, shrinkage of the separator was observed, and an internal short circuit occurred. This is because the polypropylene used as the separator was exposed to a temperature exceeding the melting temperature when passing through the reflow furnace, so that the separator melted and contracted, and the positive electrode and the negative electrode contacted each other. Further, in Comparative Product I, liquid leakage was observed from a gasket using polypropylene. This is because the gasket melted and contracted due to the same phenomenon as that of the comparative product H, and liquid leakage occurred from this portion.
[0056]
Regarding the number of charge / discharge cycles, the electrolyte solution using lithium borofluoride as the lithium salt was able to be charged and discharged about 80 times or more regardless of the type of solvent.
[0057]
From the above, the batteries A to E in this example were able to find excellent results in any of the discharge performance, charge / discharge cycle performance, and high-temperature resistance during reflow. This is due to the heat resistance of tetraglyme, which is the solvent main component of the electrolytic solution, the heat resistance of lithium borofluoride, which is the lithium salt, excellent conductivity, and stability against the lithium aluminum alloy negative electrode, and further, battery components This is because the use of polyphenylene sulfide PPS for the gasket and the non-woven fabric made of polyphenylene sulfide PPS for the separator makes it possible to obtain heat resistance during reflow.
[0058]
(Example 2)
As Example 2, the battery created in the second embodiment L, M, N, P, Q and comparative products J, K We conducted a reflow passage test that passed through the inside of a high-frequency heating reflow furnace and examined the high temperature resistance. The test method was carried out by passing the reflow furnace twice with the same temperature profile as in Example 1. After the test, the occurrence of rupture and leakage was confirmed visually. L, M, N, P, Q and comparative products J, K No leakage or rupture was observed for any of the batteries.
[0059]
Furthermore, using the battery after performing the reflow furnace passing test, it was connected to a resistance of 300 kΩ at −20 ° C., and a discharge test was performed. Similarly, using the battery used in the reflow furnace passage test, the battery was left in a constant temperature bath at 60 ° C. for 40 days, and then connected to a resistance of 51 kΩ at room temperature to conduct a discharge test. Based on the measurement of the discharge capacity obtained by these discharge tests, the ratio to the theoretical capacity was obtained in the same manner as in Example 1, and this is shown in Table 4. Furthermore, the self-discharge rate is determined from the discharge capacity at the initial storage of the reflow furnace passage test and the discharge capacity after storage, and is shown in (Table 4).
[0060]
[Table 4]
[0061]
From (Table 4), Comparison product J uses only sulfolane as a solvent, and hardly discharges in an environment of −20 ° C. This is considered to be due to the solidification of the electrolytic solution itself. On the other hand, containing tetraglyme Comparative product K and batteries L, M, N, P, Q With regard to, the discharge capacity in a low temperature environment increased with an increase in the proportion of tetraglyme in the solvent. In particular, the battery Q using tetraglyme alone as a solvent can obtain the best results in terms of discharge capacity under this environment. From these facts, when a solvent composed only of sulfolane is used, the electrolytic solution is solidified at −20 ° C. However, by adding tetraglyme to the solvent, the electrolytic solution is not solidified, and in a low temperature environment. Allows to discharge. At this time, the effect of improving the electroconductivity of electrolyte solution itself is also considered.
[0062]
On the other hand, in terms of self-discharge rate, only sulfolane was used. Comparison product J is preferred. In Battery Q using a solvent consisting only of tetraglyme, the self-discharge rate was as high as 30% or more. This increase in the self-discharge rate shows a difference when the volume fraction of tetraglyme in the solvent reaches 90%, and the self-discharge rate deteriorates rapidly in the batteries P and Q having a high tetraglyme ratio. On the other hand, the volume fraction of tetraglyme is 90% or less Comparative products J, K and batteries L, M, N Then, the higher the proportion of sulfolane, the lower the self-discharge rate. In particular, sulfolane alone was used as a solvent. Comparison product J has a low self-discharge rate of 4% and is excellent in long-term storage reliability. Therefore, it can be said that a battery using a solvent mainly containing sulfolane has a lower self-discharge rate than a battery mainly containing tetraglyme.
[0063]
As battery performance required for an organic electrolyte battery, it is preferable to mix with sulfolane and 3 methylsulfolane, compared to a solvent using tetraglyme as a simple substance, judging from discharge characteristics in a low temperature environment and long-term reliability. . In particular, a solvent containing sulfolane and 3 methylsulfolane and having a tetraglyme ratio in the solvent set to 90% or less is preferable from the viewpoint of battery performance.
[0064]
In addition, batteries that place an emphasis on long-term reliability compared to discharge characteristics in a low-temperature environment, such as batteries mainly used for memory backup of various devices that are presumed to be used in a room-temperature environment, occupy tetra. The glyme ratio is preferably in the range of 5 to 60%. In addition, although the present Example demonstrated the solvent which added the sulfolane to the tetraglyme, the battery which was compatible with the discharge characteristic in a low temperature environment and a low self-discharge rate is obtained also by adding 3 methyl sulfolane to a tetraglyme. It was.
[0065]
(Example 3)
As Example 3, a reflow passage test in which the inside of the high-frequency heating type reflow furnace was passed through the battery R and the battery S was performed, and the high temperature resistance characteristics were examined. In this test method, the reflow furnace was passed twice with the same temperature profile as in Example 1. After the test, the occurrence of rupture and leakage was confirmed visually, but no leakage or rupture was observed for any of the batteries R and S.
[0066]
Further, the battery after the reflow furnace passage test was stored in a thermostatic bath at 150 ° C. for 30 days, and the change in internal resistance was followed. The internal resistance was measured at an alternating current of 1 KHZ after being taken out from a bath at 150 ° C. and allowed to stand at room temperature for several hours. The change in internal resistance when stored at 150 ° C. is shown in (Table 5). The internal resistance values shown in (Table 5) are average values of 50 batteries R and S. In addition, the occurrence rate of the battery whose battery voltage is reduced to 1 V or less is shown in (Table 5).
[0067]
[Table 5]
[0068]
From the results of (Table 5), the battery S using lithium trifluoromethanesulfonate as the solute had a battery internal resistance of 1000Ω or more when left at 150 ° C. for 10 days, whereas lithium borofluoride was used as the solute. The battery R used exhibited an internal resistance value that was not significantly different from the initial value. In addition, the number of batteries whose battery voltage dropped to 1 V or less increased as the number of storage days increased, and the number of batteries S reached the total on the 30th day. On the other hand, in the battery R, the battery voltage never became 1 V or less. When the battery K whose battery voltage dropped to 1 V or lower was disassembled, blackened portions were scattered on the surface of the lithium aluminum alloy of the negative electrode. Moreover, the blackened part was seen also in the separator. As a result of analyzing the black portion by fluorescent X-ray, it was found that the black portion is stainless steel which is a material of the positive electrode can. The stainless steel on the inner surface of the positive electrode can in contact with the positive electrode was corroded, and the dissolved one was deposited on the lithium aluminum alloy of the negative electrode, increasing the internal resistance of the battery. As the corrosion reaction of the stainless steel further progresses, the stainless steel causes the positive electrode and the negative electrode to be short-circuited inside the battery, so that the battery voltage, which was initially 3 V or higher, decreased to 1 V or lower. When the battery R after storage was disassembled, the stainless steel of the positive electrode can was not corroded. The cause of the increase in internal resistance is thought to be due to the organic coating produced by the reaction between the electrolyte and the lithium aluminum alloy of the negative electrode.
[0069]
By using lithium borofluoride as a solute, very excellent characteristics were obtained even when stored at 150 ° C. at a high temperature.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a solvent mainly composed of tetraglyme in an organic electrolyte solution, or a mixed solvent of tetraglyme and at least one of sulfolane and 3methylsulfolane and lithium borofluoride as a solute. By using this, it is possible to provide an organic electrolyte that has high temperature resistance that can withstand substrate mounting using the reflow method, and that is excellent in discharge characteristics under a low temperature environment and high temperature continuous storage characteristics at 150 ° C., Its industrial value is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an organic electrolyte battery in this example
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode can
2 Negative electrode can
3 Gasket
4 Positive electrode
5 Negative electrode
6 Separator

Claims (1)

正極、負極、セパレータ及び有機電解液から構成される発電要素を、正極缶、負極缶、ガスケットを備えたハウジング部材に収納した有機電解液電池であって、前記有機電解液が、5〜100%の体積分率で含まれるテトラグライムに、スルホラン、3−メチルスルホランの少なくともいずれか一方を混合した混合溶媒もしくはテトラグライム単独からなる有機溶媒と、ホウフッ化リチウムを主体とする溶質とからなり、かつ前記ガスケットがポリフェニレンスルフィド、前記セパレータがポリフェニレンスルフィドまたはセルロースからなることを特徴とする有機電解液電池。An organic electrolyte battery in which a power generation element composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an organic electrolyte is housed in a housing member having a positive electrode can, a negative electrode can, and a gasket, wherein the organic electrolyte is 5 to 100% in tetraglyme contained in the volume fraction, Ri Do sulfolane, 3-methylsulfonyl an organic solvent comprising a mixed solvent or tetraglyme alone was mixed at least one of the run, a solute composed mainly of lithium borofluoride, and wherein said gasket is polyphenylene sulfide, organic electrolyte battery in which the separator and wherein Rukoto a polyphenylene sulfide, or cellulose.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4668540B2 (en) * 2003-02-28 2011-04-13 Fdk株式会社 Heat-resistant lithium battery
CA2719405A1 (en) 2008-04-28 2009-11-05 Asahi Glass Company, Limited Nonaqueous electrolyte for secondary cell, and secondary cell
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0616420B2 (en) * 1986-03-20 1994-03-02 日本電信電話株式会社 Lithium secondary battery
US4753859A (en) * 1987-10-13 1988-06-28 American Telephone And Telegraph Company, At&T Laboratories Nonaqueous cell
JP2934449B2 (en) * 1989-03-23 1999-08-16 株式会社リコー Rechargeable battery
US5154992A (en) * 1990-08-10 1992-10-13 Medtronic, Inc. Electrolyte for lithium-manganese oxide cells and the like
US5656392A (en) * 1995-03-20 1997-08-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Organic electrolyte batteries
JPH09223517A (en) * 1996-02-14 1997-08-26 Fuji Photo Film Co Ltd Nonaqueous electrolyte secondary battery
JPH10233231A (en) * 1996-12-18 1998-09-02 Sony Corp Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP3188853B2 (en) * 1997-04-01 2001-07-16 セイコーインスツルメンツ株式会社 Non-aqueous electrolyte secondary battery
US5807645A (en) * 1997-06-18 1998-09-15 Wilson Greatbatch Ltd. Discharge promoter mixture for reducing cell swelling in alkali metal electrochemical cells
JP2000048859A (en) * 1998-07-31 2000-02-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Organic electrolyte battery
JP2000040525A (en) * 1998-07-23 2000-02-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Organic electrolyte secondary battery
JP2000243454A (en) * 1998-12-24 2000-09-08 Seiko Instruments Inc Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP3703667B2 (en) * 1998-12-24 2005-10-05 株式会社エスアイアイ・マイクロパーツ Nonaqueous electrolyte secondary battery

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