JPH05129019A - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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Publication number
JPH05129019A
JPH05129019A JP3318377A JP31837791A JPH05129019A JP H05129019 A JPH05129019 A JP H05129019A JP 3318377 A JP3318377 A JP 3318377A JP 31837791 A JP31837791 A JP 31837791A JP H05129019 A JPH05129019 A JP H05129019A
Authority
JP
Japan
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electrode material
positive electrode
lithium
operating voltage
negative electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP3318377A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsuharu Ikeda
克治 池田
Kazuya Hiratsuka
和也 平塚
Takeshi Morimoto
剛 森本
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AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP3318377A priority Critical patent/JPH05129019A/ja
Publication of JPH05129019A publication Critical patent/JPH05129019A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • 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

Landscapes

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

Abstract

(57)【要約】 【目的】高い作動電圧でエネルギー密度が高く、サイク
ル寿命を長くし得る二次電池を提供する。 【構成】リチウムまたはリチウムを含有する負極材と、
一般式Li2MeMn3O8(但し、MeはFe,Co,Ni,Cu,Znより選ば
れた1つ、または複数)で表される正極材を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高い作動電圧でエネル
ギー密度が高く、サイクル寿命を長くし得る二次電池に
係るものである。
【0002】
【従来の技術】近年、リチウムを負極材料として用いる
二次電池は高いエネルギー密度を持つものとして注目さ
れている。このようなリチウム二次電池の正極材として
は、例えばチタン、モリブデン、銅、ニオブ、バナジウ
ム、マンガン、クロム、ニッケル、コバルトなどの金属
の酸化物、硫化物、セレン化物などが提案されており、
中でも、サイクル特性に優れるスピネル系リチウムとニ
ッケルやコバルトの複合酸化物である LiCoO2, LiNiO2
などを用いる開発が進められている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年リ
チウム二次電池はサイクル寿命の改善や安全性の面か
ら、負極として化学的に活性な金属状態のリチウムを用
いずに、例えば炭素質材料にリチウムをインターカレー
ションにより吸蔵させたものを用いるといった、リチウ
ムをイオン化した状態で保持させる方策を取ったものが
多い。
【0004】しかしながら、この負極材の電位は従来用
いられていたリチウム金属電極より貴な電位であり、そ
のため正極、負極の組み合わせである電池としての作動
電圧は低くなってしまうという問題点があった。このた
め、サイクル特性に優れ、より高い作動電圧を出しうる
リチウム二次電池用の正極材が提供されることが望まし
い。そのようなものとして、例えば LiMn2O4で示される
スピネル含有複合酸化物が知られている。
【0005】しかしながら、LiMn2O4 は理論値に近い充
放電容量を得るのは難しく、またサイクル寿命も優れた
ものではなかった。
【0006】この原因のひとつとして、LiMn2O4 を合成
する際、LiとMnそれぞれの水酸化物や酸化物、炭酸塩な
どの出発物質を混合し、数百度で焼成することにより合
成する方法が一般的に用いられているが、この方法で安
定なLiMn2O4 のスピネル結晶骨格を得ることは難しいた
め、充放電を繰り返したときに結晶構造が壊れやすく、
良いサイクル特性が得られない。
【0007】また、他の原因として、LiMn2O4 が放電す
るときLiがLiMn2O4 格子中に入っていくが、この際LiMn
2O4 の電子伝導性が急激に低下してしまい、再び充電し
ていくとき、すなわちLiをLiMn2O4 格子中から引き抜く
反応のとき、電子伝導性が低下しているため電子の受渡
しがうまく行かず、LiのLiMn2O4 格子中からの引き抜き
が不完全なものとなるためと考えられる。
【0008】特に高率充電が要求される場合この傾向が
顕著となり、十分な充電ができないため作動電圧が低下
し、サイクル特性も急激に劣化してしまう欠点を有して
いる。
【0009】本発明は、高い作動電圧でエネルギー密度
が高く、かつサイクル寿命が長く、工業的にも容易に合
成可能な正極材を用いることにより、経済性の高い二次
電池を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成すべく、リチウム二次電池用正極材を種々検討した
結果、Li2MeMn3O8なる一般式で表される特定のスピネル
系リチウム含有複合酸化物を正極材として用いたときに
サイクル寿命が長く、高い作動電圧を有することを見い
だした。即ち、高い作動電圧と長いサイクル寿命を得る
ため、Li2MeMn3O8なる一般式のMeがFe,Co,Ni,Cu,Znより
選ばれる1つ、または複数より構成されるものであるこ
とを特徴とするものである。
【0011】Li2MeMn3O8なる一般式のMeをFe,Co,Ni,Cu,
Znより選ばれる1つ、または複数より構成されるものに
することにより安定なスピネル結晶骨格を形成するとと
もに、より高い作動電圧の発現とLi挿入時の電子伝導性
を確保することができるが、容易に安定なスピネル結晶
骨格を得るためには、好ましくはMeをFe,Ni より選ばれ
る1つ、または両者より構成されるもの、より好ましく
はMeをFeにすることが望ましい。
【0012】また、Li挿入時に、より高い電子伝導性を
得るためには、好ましくはMeをCu,Zn より選ばれる1
つ、または両者より構成されるもの、より好ましくはMe
をZnにすることが望ましい。また、より高い作動電圧の
発現のためには、好ましくはMeをNi,Co より選ばれる1
つ、または両者より構成されるもの、より好ましくはMe
をCoにすることが望ましい。
【0013】優れたサイクル特性と高い作動電圧とLi挿
入時の電子伝導性のすべてをバランスよく得るために
は、好ましくは一般式Li2MeMn3O8のMeの0.1 〜0.5 モル
をNiおよび/またはZnとし、残りのMeをFeとすることが
望ましく、より好ましくはMeのうち0.2 〜0.4 モルをNi
とし、0.3 〜0.1 モルをZnとし、残りのMeをFeとするこ
とが望ましい。
【0014】合成に際しては、出発物質として式Li2MeM
n3O8なる一般式を構成する金属元素の酸化物、水酸化
物、炭酸塩、または硝酸塩などを用いることができる。
また、出発物質の粒径はなるべく小さい方が望ましい。
これは焼成時に固相反応を行うため、出発物質の粒径が
小さいほうが反応が速やかに均一に進行するためであ
る。出発物質の平均粒径は、好ましくは30μm以下、よ
り好ましくは15μm以下とすることが望ましい。
【0015】また、合成に際しての焼成条件としては、
温度は 700〜950℃、好ましくは850 〜 900℃とするこ
とが望ましい。時間は15〜30時間、好ましくは20〜25時
間とすることが望ましい。
【0016】また、合成時の均一化をはかるため、焼成
初期から1〜4時間後、好ましくは2〜3時間後に一旦
焼成炉から取り出し、焼成物を粉砕撹拌し、再び焼成炉
に戻す工程を入れることが望ましい。
【0017】また、焼成終了時、焼成温度から降温して
いく時の降温速度が早すぎると安定なスピネル結晶骨格
が得られずサイクル特性に支障をきたすため、降温速度
はなるべく小さいほうが良い。焼成終了時の降温速度は
1時間あたり50℃〜 120℃、好ましくは、1時間あたり
80℃〜100 ℃とすることが望ましい。しかしながら、こ
れら上記の条件は特に限定されるものではない。
【0018】一方、負極材としては、例えばリチウム金
属またはリチウムを含有する負極材として、リチウム合
金、例えばLi-Al 合金、Pb,Bi,Sn等の低融点金属とLiと
の合金等リチウムを含有する有機導電性物質や有機物焼
成体などの層間化合物、正極材よりも卑な電位で作動す
るリチウムを含有する金属酸化物や硫化物やセレン化物
等を用いることができるがこれに限定されるものではな
い。
【0019】また、電解質には、リチウムイオンが移動
可能なものなら何でもよいが、固体電解質、例えば、ポ
リエチレンオキサイドにLiClO4を溶解させたものや無機
リチウム固体電解質を樹脂中に分散させたもの等やエス
テル類や、エーテル類の有機溶媒にリチウム塩を溶解さ
せた非水溶媒電解質、例えば、炭酸プロピレンとジメト
キシエタンの1:1の混合溶媒に1モルの過塩素酸リチ
ウムを溶解したもの等を用いることができる。
【0020】
【作用】本発明の Li2MeMn3O8 なる一般式のMeがFe,Ni,
Co,Cu,Znより選ばれる1つ、または複数より構成される
正極材は、合成された時点において放電状態であり、リ
チウムまたはリチウムを含有しうる負極材と組み合わせ
て充電し正極材中のLiを結晶格子中から引き抜くことに
より充電状態となる。この時の正極材側での反応は、次
式のごとく進行すると考えられる。
【0021】 Li2MeMn3O8→Li2-xMeMn3O8+xLi++xe- ・・(1) ここで、(1) 式の右項のLi+ は負極材側に移行する。こ
のように構成された電池は高い作動電圧でエネルギー密
度が高く、サイクル寿命が長いものとなる。
【0022】
【実施例】以下に実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
【0023】[実施例1]Li2CO3を0.2 モル、MnCO3
0.6 モル、Fe2O3 を0.1 モル秤量し、良く混合したもの
を酸化性雰囲気中において焼成炉で 900℃、2時間焼成
後、一旦取り出し、焼成物を粉砕混合し、再び酸化性雰
囲気中において焼成炉で 900℃、2時間焼成後、1時間
あたり 100℃の速度で 100℃になるまで降温し、焼成物
を取り出し乳鉢にて粉砕した。
【0024】このもののX線回折パターンは J.C.P.D.
S. インデックス No.40-945の回折パターンと非常に良
く一致し、組成はLi2FeMn3O8であった。この粉砕物85重
量部に導電剤としてケッチェンブラックを10重量部と、
結着剤としてエチレン−プロピレン共重合体樹脂5重量
部を加え、これをキシレンに溶解させてスラリーとし
た。このスラリーを厚さ30μmのアルミニウム箔に均一
に塗布した後、これを約80℃で乾燥させてからローラー
プレス機にて塗布厚が約 100μmになるまで圧延し、20
mm×20mmの大きさに切断したものを正極とした。
【0025】一方、負極としては、厚さ 300μmの金属
リチウム箔を25mm×25mmの大きさに切断し、端部にニッ
ケルリードを圧着したものを作成した。図1のように、
負極1と正極3の塗布面を対向させ、その間にセパレー
タとして、厚さ25μmのポリプロピレン製のマイクロポ
ーラスフィルム2を介在させ十分な電解質の存在するビ
ーカーセルで、正極端子5、負極端子4に充放電電源を
接続し、25℃のアルゴン雰囲気中で充放電試験を行っ
た。
【0026】電解質として1mol/l のLiClO4を溶解した
体積比1:1の炭酸プロピレンとジメトキシエタンの混
合溶媒を用いた。充放電条件は定電流で1mA/cm2の電流
密度で行い、充電電圧は4.5 Vまで、放電電圧は2.5 V
までの電位規制で行った。
【0027】充放電5サイクル目の放電カーブを図2に
示す。また 5,10,25,50 サイクル時の平均作動電圧を表
1に、5サイクル目を初期値としたときの放電容量維持
率を表2に示す。
【0028】[実施例2]実施例1でFe2O3 をCo2O3
したこと以外はすべて実施例1と同様に行った。このも
のの組成はLi2CoMn3O8であった。 5,10,25,50サイクル
時の平均作動電圧を表1に、5サイクル目を初期値とし
たときの放電容量維持率を表2に示す。
【0029】[実施例3]実施例1でFe2O3 をZnO にし
たこと以外はすべて実施例1と同様に行った。このもの
の組成はLi2CoMn3O8であった。 5,10,25,50 サイクル時
の平均作動電圧を表1に、5サイクル目を初期値とした
ときの放電容量維持率を表2に示す。
【0030】[実施例4]実施例1でFe2O3 を0.1 モル
としていたところを、Fe2O3 を0.07モル、NiO を0.04モ
ル、ZnO を0.02モルとし、それ以外はすべて実施例1と
同様に行った。このものの組成はLi2Fe0.7Ni0.2Zn0.1Mn
3O8 であった。充放電5サイクル目の放電カーブを図2
に示す。また、5,10,25,50サイクル時の平均作動電圧を
表1に、5サイクル目を初期値としたときの放電容量維
持率を表2に示す。
【0031】[比較例1]Li2CO3を0.2 モル、MnO2を0.
8 モル秤量し、良く混合したものを酸化性雰囲気中にお
いて焼成炉で 800℃、20時間焼成後、焼成物を取り出し
乳鉢にて粉砕した。このものの組成はLiMn2O4 であっ
た。この粉砕物を用いたこと以外はすべて実施例1と同
様に行い、また、測定も同様に行い、その結果は図2お
よび表1、表2の通りであった。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
【発明の効果】これらの実施例ならびに比較例の結果か
ら明らかなように、本発明を適用した二次電池では、高
い作動電圧が発現でき、またサイクル特性も従来に比較
して優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した実施例及び、比較例で使用し
た試験用電池の断面図
【図2】本発明を適用した実施例1、4および比較例の
25サイクル目の放電曲線を示す特性図
【符号の説明】
1 負極 2 マイクロポーラスフィルム 3 正極 4 負極端子 5 陽極端子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式Li2MeMn3O8(但し、MeはFe,Co,Ni,C
    u,Znより選ばれた1つ、または複数)で表される正極材
    を用いたことを特徴とする二次電池。
  2. 【請求項2】正極材が一般式 Li2MeMn3O8 であり、Meが
    Feを主成分とし、Meの0.1 〜0.5 モルがNiおよび/また
    はZnである請求項1の二次電池。
JP3318377A 1991-11-06 1991-11-06 二次電池 Withdrawn JPH05129019A (ja)

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JP3318377A JPH05129019A (ja) 1991-11-06 1991-11-06 二次電池

Applications Claiming Priority (1)

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JP3318377A JPH05129019A (ja) 1991-11-06 1991-11-06 二次電池

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ID=18098470

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JP3318377A Withdrawn JPH05129019A (ja) 1991-11-06 1991-11-06 二次電池

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5506077A (en) * 1993-06-14 1996-04-09 Koksbang; Rene Manganese oxide cathode active material

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5506077A (en) * 1993-06-14 1996-04-09 Koksbang; Rene Manganese oxide cathode active material

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Legal Events

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A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 19990204