JPH0381268B2 - - Google Patents

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JPH0381268B2
JPH0381268B2 JP61026012A JP2601286A JPH0381268B2 JP H0381268 B2 JPH0381268 B2 JP H0381268B2 JP 61026012 A JP61026012 A JP 61026012A JP 2601286 A JP2601286 A JP 2601286A JP H0381268 B2 JPH0381268 B2 JP H0381268B2
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JP
Japan
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electrode active
active material
lithium
positive electrode
tio
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Shigeto Okada
Hideaki Ootsuka
Takeshi Okada
Yoji Sakurai
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野] 本発明は、小型にして充放電用量の大きなリチ
ウム二次電池およびその製造方法に関するもので
ある。 [開示の概要] 本発明は、含水の(V2O5x(TiO2y (但しx+y=1,0≦y≦0.5) で与えられるゲル状複酸化物を正極活物質とし、
リチウムまたはリチウム合金を負極活物質とし、
正極活物質および負極活物質に対して化学的に安
定であり、かつリチウムイオンが正極活物質ある
いは負極活物質と電気化学反応をするための移動
をおこないうる物質を電解質物質とすることによ
り、充放電容量のロスの少ない小型高エネルギー
密度のリチウム電池を構成することができ、コイ
ン型電池など種々の分野に利用できる技術を開示
するものである。 なお、この概要はあくまでも本発明の技術内容
に迅速にアクセスするためにのみ供されるもので
あつて、本発明の技術的範囲および権利解釈に対
しては何の影響も及ぼさないものである。 [従来の技術] 従来から、リチウムを負極活物質として用いる
高エネルギー密度電池に関して多くの提案がなさ
れている。例えば、正極活物質として黒鉛およ
び、弗素のインターカレーシヨン化合物、負極活
物質としてリチウム合金をそれぞれ使用した電池
が知られている(たとえば、米国特許第3514337
号明細書参考)。さらにまた、弗化黒鉛を正極活
物質に用いたリチウム電池や、二酸化マンガンを
正極活物質として用いたリチウム電池が既に市販
されている。 しかし、これらの電池は一次電池であり、充電
できない欠点があつた。 リチウムを負極活物質として用いる二次電池に
ついては、正極活物質として、チタン、ハフニウ
ム、ニオビウム、タンタル、バナジウムの硫化
物、セレン化物、テルル化物を用いた電池(たと
えば、米国特許第4009052号明細書参考)、あるい
は酸化クロム、セレン化ニオビウム等を用いた電
池(J.Electrochem.Soc.,124(7),968and325,
(1977)等が提案されているが、これらの電池は
その電池特性および経済性が必ずしも充分である
とはいえなかつた。 また、非晶質物質を正極活物質に用いたリチウ
ム電池については、MoS2、MoS3、V2S5の場合
(J.Electroanal.Chem.,118,229(1981)や
LiV3O8の場合(J.Non−Crystalline Solids,44,
297(1981)等が提案されている。 しかし、いずれの提案も、大電流密度での放電
や充放電特性の点で問題があつた。 結晶質のV2O5を正極活物質として用いること
は、J.Electrochem.Soc.Meeting,Toronto,
May11−16,1975,No.27)で提案されている。
またV2O5にP2O5を加え、溶融後に急冷すること
により得られる非晶質物質については、特願昭59
−237778号に提案されている。 しかし、いずれにあつても、容量が小さく、充
放電特性も充分とはいえなかつた。 [発明が解決しようとする問題点] そこで、本発明の目的は、上記現状の問題点を
改良して、小型で充放電容量が大きく、優れた電
池特性をもつリチウム電池を提供することにあ
る。 本発明の他の目的は、上記現状の問題点を改良
して、小型で充放電容量が大きく、優れた電池特
性をもつリチウム電池を製造する方法を提供する
ことにある。 [問題点を解決するための手段] かかる目的を達成するために、本発明リチウム
電池では、正極活物質として、水を含んだ
(V2O5x(TiO2yによるゲル状複酸化物を用い
る。 本発明では、V2O5にTiO2を添加したゲル状複
酸化物を正極活物質として用いることにより、従
来のリチウム電池より充放電容量が大きく、サイ
クル性に優れたリチウム電池を構成できることを
確かめ、その認識の下に本発明を完成した。 すなわち、本発明は、含水の(V2O5x(TiO2
y(但しx+y=1,0≦y≦0.5)で与えられる
ゲル状複酸化物を正極活物質とし、リチウムまた
はリチウム合金を負極活物質とし、正極活物質お
よび負極活物質に対して化学的に安定であり、か
つリチウムイオンが正極活物質あるいは負極活物
質と電気化学反応をするための移動をおこないう
る物質を電解質物質としたことを特徴とする。 ここで、ゲル状複酸化物(V2O5x(TiO2y
nH2Oにおいて、n=0.1以下では結晶化が生じ、
n=1.6以上では過剰の水分がLiと反応して電池
特性を低下させるので、n=0.1〜1.6とするのが
好ましい。 本発明製造方法では、V2O5のアルコキシドVO
(OR)3とTiO2のアルコキシドTi(OR)4をその組
成式(V2O5x(TiO2yにおいて、x+y=1,
0≦y≦0.5の範囲になるよう混合し、その後加
水分解し、もしくは、高温で溶融した(V2O5x
(TiO2yを水中に流し込み急冷することによつ
て、前記含水の(V2O5x(TiO2yによるゲル状
複酸化物を得る。 この正極活物質を用いて正極を形成するには、
この混合物質粉末またはこれとポリテトラフルオ
ロエチレンの如き結合剤粉末との混合物をニツケ
ル、ステンレス等の支持体状に圧着成形する。 あるいは、かかる混合物質粉末に導電性を付与
するためにアセチレンブラツクのような導電性粉
末を混合し、これに更にポリテトラフルオロエチ
レンのような結合剤粉末を所要に応じて加え、こ
の混合物を金属容器に入れ、あるいは前述の混合
物をニツケルやステンレス等の支持体状に圧着成
形する等の手段によつて正極を形成することがで
きる。 負極活物質としては、リチウムもしくはリチウ
ム合金を用いる。かかるリチウムもしくはリチウ
ム合金は、一般のリチウムの場合と同様に、シー
ト状に展延し、またはそのシートをニツケルやス
テンレス等の導電性網に圧着して負極として形成
することができる。 さらに、電解質としては、正極活物質および負
極活物質に対して化学的に安定であり、かつ、リ
チウムイオンが正極活物質と電気化学反応をする
ための移動を行い得る物質を用いる。たとえばプ
ロピレンカーボネート、2−メチルテトラヒドロ
フラン、ジオキソレン、テトラヒドロフラン、
1.2−ジメトキシエタン、エチレンカーボネート、
γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシド、ア
セトニトリル、ホルムアミド、ジメチルホルムア
ミド、ニトロメタン等の一種以上の非プロトン性
有機溶媒とLiClO4、LiAlCl4,LiBF4、LiCl、
LiPF6、LiAsF6等のリチウム塩との組合せまた
はリチウムイオンを伝導体とする固体電解質ある
いは溶融塩など、一般にリチウムを負極活物質と
して用いた電池で使用される既知の電解質を、本
発明においても電解質として用いることができ
る。 また、電池構成上、必要に応じて微孔性セパレ
ータを用いるときなどには、多孔質ポリプロピレ
ン等より成る薄膜を使用してもよい。 [作用] 正極活性物としての前述した二次元酸化物とし
ては、その組成式 (V2O5x(TiO2y(但し、x+y=1) において、0≦y≦0.5の範囲で混合した後、ゲ
ル化処理されたものが好適である。この範囲外の
組成を持つ正極活物質は優れた特性を呈すること
が困難となる。ゲルの作成方法は、VO
(OC2H53およびTi(OC2H54なるアルコキシド
を所定の割合で混合し、加水分解の後、あるいは
高温で溶融した(V2O5x(TiO2yを水中で急冷
した後、脱水のため乾燥する。熱分折によると、
ゲルの組成はV2O5の場合には、V2O5・1.6H2Oで
あり、300℃の過熱によりV2O5・0.1H2Oまで脱
水が進み、350℃で結晶化を起こした。結晶化温
度は、TiO2の含有率と共に増加し、(V2O50.5
(TiO20.5では380℃となる。第1図に一例として
(V2O50.75(TiO20.25のゲルとそれを約600℃で
熱処理して得た結晶材料のX線回折プロフアイル
を比較して示す。 上述のゲル状複酸化物が、従来の(V2O5x
(TiO2y(但し、x+y=1)やその非晶質物質
に比べて良好な電池特性を示す理由としては、ゾ
ルを得る過程で(V2O5x(TiO2yで高温で溶融
する際に、酸素が一部離脱して四価のバナジウム
を生じ、バナジウムの四価と五価のイオンの間で
起こるポーラロンのポツピングによつてその電子
伝導度が向上したためと考えられる。 本発明によれば、充放電容量のロスの少ない小
型高エネルギー密度のリチウム電池を構成するこ
とができ、本発明電池は、コイン型電池など種々
の分野に利用できる。 [実施例] 以下に図面を参照して、本発明を実施例により
詳細に説明する。 なお、本発明は、以下の実施例にのみ限定され
るものではない。以下の実施例において、電池の
作成および測定はすべてアルゴン雰囲気中で行つ
た。 実施例 1 第2図は、本発明によるリチウム電池の一具体
例であるコイン型電池の断面図である。図中、1
はステンレス製封口板、2はポリプロピレン製ガ
スケツト、3はステンレス製正極ケース、4はリ
チウム負極、5はポリプロピレン製セパレータ、
6は正極合剤ペレツトを示す。 まず、封口板1上に金属リチウム負極4を加圧
載置したものを、ガスケツト2の凹部に挿入し、
封口板1の開口部において、リチウム負極4の上
に、セパレータ5および正極合剤ペレツト6をこ
の順序に載置し、電解質としての1.5N−
LiAsF6/2−メチルテトラヒドロフラン(2Me
THF)を適量注入し含浸させた後に、正極ケー
ス3を被せてかしめることにより、直径23mm、厚
さ2mmのコイン型電池を作成した。 正極活物質は、VO(OC2H53とTi(OC2H54
をTiO2のモル%が0%から50%の範囲になるよ
うに混合し、加水分解の後に脱水のために80℃で
24時間乾燥することにより得た。あるいはまた、
高温で溶融した(V2O5x(TiO2yを水中に流し
込んで急冷した後に、乾燥させて脱水してもよ
い。 作成した正極活物質を、混合粉砕機を用いて約
70分間にわたつて粉砕したのち、アセチレンブラ
ツクABおよびテトラフルオロエチレンと重量比
で70:25:5の割合で混合した。その混合物をロ
ール成型して厚み0.6mmとしたものをポンチで打
ち抜いて、正極合剤ペレツト6を得た。 以上のようにして作成したリチウム電池を用い
て、0.5mA/cm2の電流密度で定電流放電した結果
を第1表に示す。
【表】 第1表に示すように、単純放電容量に関しては
(V2O50.75(TiO20.25のゲルが最も高い容量を示
す。また、第1表のうちから代表例として、
(V2O50.75(TiO20.25のゲル試料の放電曲線を同
じく結晶質および非晶質試料と比較して第3図に
示す。ここで、H2Oの分子数はTiO2モル分率に
かかわらずn=1.2であつた。なおn=0.1以下で
は結晶化が生じ、n=1.6以上では過剰の水分が
Liと反応して電池特性を低下させるので、n=
0.1〜1.6とするのが好ましいことが確かめられ
た。 実施例 2 実施例1と同様にして作成したリチウム電池を
用いて、0.5mA/cm2の定電流密度で、2V〜3.5V
間の電圧規制充放電試験を行つた。5回目のサイ
クルにおける放電容量を種々のゲル試料の場合に
ついて第2表に示す。
【表】 また、第2表のうちから代表例として、
(V2O50.75(TiO20.25およびV2O5単独のゲル試
料(いずれにおいても、n=1.2とした)を正極
活物質としたときのサイクル特性を第4図に示
す。単純放電のみならず、サイクル容量に関して
も(V2O50.75(TiO20.25は最も良い特性を示す。
また、V2O5単独に関しても、ゲル化したものの
方がサイクル容量の安定性に優れ、結晶質や非晶
質のV2O5よりも長いサイクル寿命が可能である。 [発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、充放電
量のロスの少ない小型高エネルギー密度のリチウ
ム電池を構成することができ、本発明電池は、コ
イン型電池など種々の分野に利用できるという利
点を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明における正極活物質のX線回折
図形を示す線図、第2図は本発明の一実施例であ
るコイン型電池の構成例を示す断面図、第3図は
本発明の一実施例における電池の放電特性を示す
特性図、第4図は本発明の一実施例における電池
の充放電特性を示す特性図である。 1……ステンレス製封口板、2……ポリプロピ
レン製ガスケツト、3……ステンレス製正極ケー
ス、4……リチウム負極、5……ポリプロピレン
製セパレータ、6……正極合剤ペレツト。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 含水の(V2O5x(TiO2y (但しx+y=1,0≦y≦0.5) で与えられるゲル状複酸化物を正極活物質とし、
    リチウムまたはリチウム合金を負極活物質とし、
    前記正極活物質および前記負極活物質に対して化
    学的に安定であり、かつリチウムイオンが前記正
    極活物質あるいは前記負極活物質と電気化学反応
    をするための移動をおこないうる物質を電解質物
    質としたことを特徴とするリチウム電池。 2 含水の(V2O5x(TiO2y (但しx+y=1,0≦y≦0.5) で与えられるゲル状複酸化物を正極活物質とし、
    リチウムまたはリチウム合金を負極活物質とし、
    前記正極活物質および前記負極活物質に対して化
    学的に安定であり、かつリチウムイオンが前記正
    極活物質あるいは前記負極活物質と電気化学反応
    をするための移動をおこないうる物質を電解質物
    質としたリチウム電池を製造するにあたり、 V2O5のアルコキシドVO(OR)3とTiO2のアル
    コキシドTi(OR)4をその組成比(V2O5x
    (TiO2yにおいて、x+y=1,0≦y≦0.5の範
    囲になるよう混合し、その後加水分解し、もしく
    は、高温で溶融した(V2O5x(TiO2yを水中に
    流し込み急冷することによつて、前記含水の
    (V2O5x(TiO2yによるゲル状複酸化物を得るこ
    とを特徴とするリチウム電池の製造方法。
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GB9216393D0 (en) * 1992-08-01 1992-09-16 Atomic Energy Authority Uk Electrochemical cell
GB2269265B (en) * 1992-08-01 1995-10-11 Atomic Energy Authority Uk Electrochemical cell
US7964044B1 (en) 2003-10-29 2011-06-21 Birchwood Laboratories, Inc. Ferrous metal magnetite coating processes and reagents
US7144599B2 (en) 2004-07-15 2006-12-05 Birchwood Laboratories, Inc. Hybrid metal oxide/organometallic conversion coating for ferrous metals

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