JPH05299101A - 固体電解質及びそれを使用してなるリチウム電池 - Google Patents

固体電解質及びそれを使用してなるリチウム電池

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JPH05299101A
JPH05299101A JP4180349A JP18034992A JPH05299101A JP H05299101 A JPH05299101 A JP H05299101A JP 4180349 A JP4180349 A JP 4180349A JP 18034992 A JP18034992 A JP 18034992A JP H05299101 A JPH05299101 A JP H05299101A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】一般式(1)Li1+(4-n)x xTi2-x (PO
4 3 〔式中、Mは1価又は2価の陽イオン、Mが1価
の陽イオンのときn=1、Mが2価の陽イオンのときn
=2、xは0.1〜0.5である。〕で表される粒状電
解質(1)が焼結されてなる。 【効果】リチウムイオン導電性に優れているので、高率
放電特性に優れたリチウム電池を得ることが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質及びそれを
使用してなるリチウム電池に係わり、特に固体電解質の
イオン導電率の改良に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】最近、
リチウム電池の電解質として、セパレータに兼用する
ことができるため電池のエネルギー密度を高めることが
できる、オールソリッドステート化により液漏れのな
い、メンテナンスフリーの信頼性の高い電池が得られる
などの利点があることから、リチウムイオン導電性の固
体電解質が脚光を浴びている。
【0003】従来の固体電解質としては、たとえば一般
式Li1+y Aly Ti2-y (PO43 〔ただし、式
中、yは0.1〜1.9である。〕で表される粒状電解
質を焼結させてなるものが挙げられる。
【0004】しかしながら、上記した従来の固体電解質
においては、骨格金属たるTiの一部置換金属として3
価の陽イオンAl3+が使用されているため、リチウムイ
オンの伝導に寄与すべきLi+ の含有量が少ない。
【0005】また、固体電解質、とりわけ無機材料から
なる固体電解質は、粉末原料を焼結することにより作製
されているが、一般に、このような焼結法により得られ
た固体電解質は粒界の接触面積が小さいため、粒界抵抗
が大きくなる。
【0006】このように、従来のリチウム電池において
は、固体電解質として、Li+ の含有量が少なく、しか
も粒界抵抗が大きい、すなわちイオン導電率のあまり高
くない固体電解質を使用していたため、大きな放電電流
に耐え得る、すなわち高率放電特性に優れたリチウム電
池を得ることが困難であった。
【0007】本発明は、以上の事情に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところは、イオン導電率の高
い固体電解質及びそれを使用してなる高率放電特性に優
れたリチウム電池を提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項1記載の発明に係るリチウムイオン導電性の固
体電解質は、一般式(1)Li1+(4-n)x xTi
2-x (PO4 3 〔式中、Mは1価又は2価の陽イオ
ン、Mが1価の陽イオンのときn=1、Mが2価の陽イ
オンのときn=2、xは0.1〜0.5である。〕で表
される粒状電解質(1)が焼結されてなる。
【0009】上式中のMの具体例としては、1価の陽イ
オンとして、Na+ 、K+ 、Rb+、Cs+ 、Cu+
例示され、また2価の陽イオンとして、Mg2+、F
2+、Be2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Ra2+、Mn
2+、Co2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+が例示さ
れる。
【0010】請求項1記載の発明に係る固体電解質(以
下、「固体電解質(1)」と称する。)は、たとえば次
の方法により得られる。先ず、酸化チタン(TiO2
と、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アンモニ
ウム(NH4 )H2 PO4 と、1価又は2価の陽イオン
Mの酸化物(MO又はM2 O)とを、陽イオンMが2価
イオンの場合はモル比2−x:(1+2x)/2:3:
xで、また陽イオンMが1価イオンの場合はモル比2−
x:(1+3x)/2:3:x/2で混合し、加圧成型
してペレット状にした後、800〜1000°Cの温度
で2〜8時間焼成する。次いで、このようにして得た焼
成物を400メッシュパス程度の粒径に粉砕して粒状電
解質(1)とし、これを加圧成型してペレット状にした
後、1000〜1200°Cの温度で1〜3時間かけて
焼結する。
【0011】固体電解質(1)においては、Tiの一部
置換金属として1価又は2価の陽イオンMを使用してい
るので、Tiの一部置換金属として3価の陽イオンAl
3+を使用していた従来の固体電解質に比し、Li+ の含
有量が多くなり、より優れたリチウムイオン導電性が発
現されるのである。
【0012】上述の如く、請求項1記載の発明は、リチ
ウムイオンの伝導に関与するLi+の含有量を多くする
ことにより、リチウムイオン導電性の向上を図ったもの
である。しかし、粒界抵抗が大きいためにリチウムイオ
ン導電性が低くなるという焼結法により作製された固体
電解質に共通する問題は、この発明では未だ解消されて
いない。
【0013】請求項2記載の発明は、さらにこの問題を
も解消したものであり、同項記載の発明に係る固体電解
質(以下、「固体電解質(2)」と称する。)は、一般
式(1)Li1+(4-n)x xTi2-x (PO4 3 〔式
中、Mは1価又は2価の陽イオン、Mが1価の陽イオン
のときn=1、Mが2価の陽イオンのときn=2、xは
0.1〜0.5である。〕で表される粒状電解質(1)
と、それに比し粒径が小さく、且つ、融点が低い粒状電
解質(2)とからなる混合物が焼結されてなる。
【0014】このように混合焼結することにより、粒状
電解質(1)の各粒子の接触界面に、粒径の小さい粒状
電解質(2)の粒子が融着して、粒界の接触面積が増大
し、これにより粒界抵抗が小さくなるのである。
【0015】ここで、粒状電解質(2)の粒径が粒状電
解質(1)の粒径に比し小さく規制されるのは、粒状電
解質(2)を粒状電解質(1)の接触界面に充分に進入
させる必要があるからであり、また融点が低いものに規
制されるのは、融着を強固にして粒界の接触面積を増大
させる必要があるからである。
【0016】粒状電解質(2)の具体例としては、一般
式(2)Li1+(4-n)x xZr2-x(PO4 3 〔式
中、M、n及びxは上記した一般式(1)Li1+(4-n)x
xTi2-x (PO4 3 中のM、n及びxと同じもの
又は同じ値である。〕で表されるものが例示される。因
みに、Li1+(4-n)x xZr2-x (PO4 3 で表され
る粒状電解質(2)の融点は約750°Cであり、Li
1+(4-n)x xTi2-x (PO4 3 で表される粒状電解
質(1)の融点は約950°Cである。
【0017】固体電解質(2)は、たとえば次のように
して得られる。先ず、ジルコニア(ZrO2 )と、炭酸
リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アンモニウム(N
4 )H2 PO4 と、1価又は2価の陽イオンMの酸化
物(MO又はM2 O)とを、陽イオンMが2価イオンの
場合はモル比2−x:(1+2x)/2:3:xで、ま
た陽イオンMが1価イオンの場合はモル比2−x:(1
+3x)/2:3:x/2で混合し、加圧成型してペレ
ット状にした後、800〜1000°Cの温度で2〜8
時間焼成する。次いで、このようにして得た焼成物を5
00メッシュパス程度の粒径に粉砕して粒状電解質
(2)を得る。このようにして得た粒状電解質(2)を
先に述べた粒状電解質(1)と混合し、加圧成型してペ
レット状にした後、1000〜1200°Cの温度で1
〜3時間かけて焼結する。
【0018】粒状電解質(1)に対する粒状電解質
(2)の好適な混合割合は、陽イオンMの種類によって
異なる。後述する実施例に示すように、たとえば陽イオ
ンMがMg2+の場合は、粒状電解質(1)及び粒状電解
質(2)の総重量に対して粒状電解質(2)を10重量
%を越えない範囲で混合することが好ましく、陽イオン
MがFe2+の場合は、9.5重量%を越えない範囲で混
合することが好ましい。通常、陽イオンMの種類を問わ
ず、9.5重量%を越えない範囲で混合することが推奨
される。
【0019】請求項4記載の発明に係るリチウム電池
は、以上説明した本発明に係る固体電解質が使用されて
なるものである。それゆえ、優れた高率放電特性を発現
する。電解質以外の他の部材については特に制限され
ず、リチウム電池用として従来使用されている種々の材
料を使用することが可能である。
【0020】すなわち、正極材料(活物質)としては、
金属酸化物(MnO2 、改質MnO2 、重質化Mn
2 、MoO2 、CuO、Cr2 3 、CrO3 、V2
5 、LiCoO2 、LiNiO2 、NiOOHな
ど);金属硫化物(FeS、TiS2、又はMoS2
ど);金属セレン化物(TiSe2 など);Cr、M
n、Fe、Co及びNiよりなる群から選ばれた少なく
とも一種の金属とLiとの複合酸化物など、従来既知の
種々の材料を使用することができる。
【0021】本発明に係るリチウム電池の正極は、たと
えば上記した正極材料をアセチレンブラック、カーボン
ブラック等の導電剤及びポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVd
F)等の結着剤と混練して正極合剤とした後、この正極
合剤を集電体としてのアルミニウムやステンレス製の箔
やラス板に圧延して、50〜250°C程度の温度で2
時間程度真空下で加熱処理することにより作製される。
【0022】負極材料についても、リチウム金属、リチ
ウムを吸蔵放出可能な物質(炭素材料、リチウム合金な
ど)など、従来既知の種々の負極材料を、常法に従い使
用することができる。
【0023】
【作用】本発明に係るリチウム電池においては、Li+
の含有量の多い粒状電解質からなる固体電解質が使用さ
れているので、Li+ の含有量の少ない粒状電解質から
なる固体電解質が使用されていた従来のリチウム電池に
比し、固体電解質中でのリチウムイオンの伝導率が高く
なる。
【0024】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定され
るものではなく、その要旨を変更しない範囲において適
宜変更して実施することが可能なものである。
【0025】(実施例1) 〔正極の作製〕二酸化マンガン(MnO2 )を、導電剤
としてのアセチレンブラック及び結着剤としてのフッ素
樹脂と、重量比85:10:5の比率で混練して正極合
剤を得た。次いで、この正極合剤を集電体としてのステ
ンレス製の網目状円板に圧延し、250°Cで2時間真
空下で加熱処理して正極を作製した。
【0026】〔負極の作製〕鋳造成型によりリチウム金
属からなる円板状の負極を作製した。
【0027】〔固体電解質の作製〕酸化チタン(TiO
2 )と、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アン
モニウム(NH4 )H2 PO4 と、酸化マグネシウム
(MgO)とを、モル比1.8:0.7:3:0.2で
メノウ乳鉢中で混合し、加圧成型してペレット状にした
後、900°Cの温度で4時間焼成した。次いで、得ら
れた焼成物をメノウ乳鉢中で粉砕して、Li1.4 Mg
0.2 Ti1.8 (PO4 3 で表される400メッシュパ
スの粒状電解質Aを得た。また、上記製法において、酸
化チタン(TiO2 )に代えてジルコニア(ZrO2
を使用したこと以外は同様にして焼成物を得た後、得ら
れた焼成物をメノウ乳鉢中で粉砕して、Li1.4 Mg
0.2 Zr1.8 (PO4 3 で表される500メッシュパ
スの粒状電解質Bを得た。次いで、これら2種の粒状電
解質A及びBを、A:Bの重量比100:0、97:
3、95:5、93:7、91:9、90:10、8
9:11でメノウ乳鉢中で混合し、得られた混合物を加
圧成型してペレット状にした後、1000°Cの温度で
2時間かけて焼結して7種の固体電解質を得た。
【0028】〔リチウム電池の作製〕上記正負両極、7
種の固体電解質の他、負極缶などを使用して、固体電解
質の異なる扁平型リチウム電池BA1〜BA7(電池番
号の数字の大きいものほど粒状電解質Bの使用量が多い
固体電解質を使用した電池である。)を作製した。な
お、電池の寸法は、いずれも直径25mm、厚み3mm
である。
【0029】図1は作製した電池BA1の断面図であり
(電池BA2〜BA7も同様)、同図に示す電池BA1
は、正極1、負極2、固体電解質3(正負両極を離隔す
るためのセパレータを兼ねる)、正極缶4、負極缶5、
正極集電体6、負極集電体7及びポリプロピレン製の絶
縁パッキング8などからなる。正極1及び負極2は、固
体電解質3を介して対向して正負両極缶4、5が形成す
る電池ケース内に収容されており、正極1は正極集電体
6を介して正極缶4に、また負極2は負極集電体7を介
して負極缶5に接続され、電池BA1内部で生じた化学
エネルギーを正極缶4及び負極缶5の両端子から電気エ
ネルギーとして外部へ取り出し得るようになっている。
【0030】これらの電池BA1〜BA7のそれぞれに
ついて、20°Cにおけるイオン導電率(コール・コー
ル・プロットの合計値より算出した。)を求めた。結果
を、図2に△でプロットして示す。
【0031】図2は、縦軸にイオン導電率σ(s・cm
-1)の常用対数を、また横軸に粒状電解質A及び粒状電
解質Bの総重量に対する粒状電解質Bの重量%をとって
表したグラフである。同図より、粒状電解質Bを10重
量%以下の範囲で混合して得た固体電解質を使用した電
池(BA2〜BA6)が、粒状電解質Aのみを使用して
得た固体電解質を使用した電池(BA1)に比べ、イオ
ン導電率が高いことが分かる。
【0032】(実施例2)酸化マグネシウム(MgO)
0.2モル部に代えて酸化鉄(FeO)を同じモル部数
使用したこと以外は実施例1と同様にして、2種の粒状
電解質、すなわちLi1.4 Fe0.2 Ti1.8 (PO4
3 で表される400メッシュパスの粒状電解質C及びL
1.4 Fe0.2 Zr1.8 (PO4 3 で表される500
メッシュパスの粒状電解質Dを得た。次いで、これら2
種の粒状電解質C及びDを、メノウ乳鉢中で実施例1と
同じ7種類の重量比で混合し、加圧成型してペレット状
にした後、1000°Cの温度で2時間かけて焼結して
7種の固体電解質を得た。これらの固体電解質を使用し
たこと以外は実施例1と同様にして、電池BA8〜BA
14を作製した。これらの電池BA8〜BA14のそれ
ぞれについて、実施例1と同様に、イオン導電率を求め
た。結果を、先の図2に○でプロットして示す。同図よ
り、粒状電解質Dを9.5重量%以下の範囲で混合して
得た固体電解質を使用した電池(BA9〜BA12)
が、粒状電解質Cのみを使用して得た固体電解質を使用
した電池(BA8)に比べ、イオン導電率が高いことが
分かる。
【0033】(実施例3)酸化チタン(TiO2 )と、
炭酸リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アンモニウム
(NH4 )H2 PO4 と、酸化マグネシウム(MgO)
とを、メノウ乳鉢中でモル比2−x:(1+2x)/
2:3:x(x=0.1、0.2、0.3、0.4、
0.5)で混合し、加圧成型してペレット状にした後、
900°Cの温度で4時間焼成し、得られた焼成物をメ
ノウ乳鉢中で粉砕して、Li1+2xMgxTi2-x (PO
4 3 で表される400メッシュパスの5種の粒状電解
質を得た。また、上記製法において、酸化チタン(Ti
2 )に代えてジルコニア(ZrO2 )を使用したこと
以外は同様にして、Li1+2xMgx Zr2-x (PO4
3で表される500メッシュパスの5種の粒状電解質を
得た。次いで、上記各製法により得たx値の同じ粒状電
解質同士を、重量比93:7の比率でメノウ乳鉢中で混
合し、加圧成型してペレット状にした後、1000°C
の温度で2時間かけて焼結して5種の固体電解質を得
た。これらの固体電解質を使用したこと以外は実施例1
と同様にして、電池BA15〜BA19を作製した。こ
れらの電池BA15〜BA19のそれぞれについて、実
施例1と同様に、イオン導電率を求めた。結果を、図3
に△でプロットして示す。同図より、x値が0.15〜
0.45の範囲、特に0.2前後のものが、最も高いイ
オン導電率を示すことが分かる。
【0034】(実施例4)酸化チタン(TiO2 )と、
炭酸リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アンモニウム
(NH4 )H2 PO4 と、酸化鉄(FeO)とを、メノ
ウ乳鉢中でモル比2−x:(1+2x)/2:3:x
(x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)で混
合し、加圧成型してペレット状にした後、900°Cの
温度で4時間焼成し、得られた焼成物をメノウ乳鉢中で
粉砕して、Li1+2xFex Ti2-x (PO4 3 で表さ
れる400メッシュパスの5種の粒状電解質を得た。ま
た、上記製法において、酸化チタン(TiO2 )に代え
てジルコニア(ZrO2 )を使用したこと以外は同様に
して、Li1+2xFex Zr2-x (PO4 3で表される
500メッシュパスの5種の粒状電解質を得た。次い
で、上記各製法により得たx値の同じ粒状電解質同士
を、重量比95:5の比率でメノウ乳鉢中で混合し、加
圧成型してペレット状にした後、1000°Cの温度で
2時間かけて焼結して5種の固体電解質を得た。これら
の固体電解質を使用したこと以外は実施例1と同様にし
て、電池BA20〜BA24を作製した。電池BA20
〜BA24のそれぞれについて、実施例1と同様に、イ
オン導電率を求めた。結果を、先の図3に○でプロット
して示す。同図より、x値が0.15〜0.45の範
囲、特に0.2前後のものが、最も高いイオン導電率を
示すことが分かる。
【0035】(実施例5)酸化チタン(TiO2 )と、
炭酸リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アンモニウム
(NH4 )H2 PO4 と、酸化マグネシウム(MgO)
とを、メノウ乳鉢中でモル比2−x:(1+2x)/
2:3:x(x=0.1、0.2、0.3、0.4、
0.5)で混合し、加圧成型してペレット状にした後、
900°Cの温度で2時間焼成し、得られた焼成物をメ
ノウ乳鉢中で粉砕して、400メッシュパスの粒径の5
種の粒状電解質を得た。次いで、これらの粒状電解質を
それぞれ加圧成型してペレット状にした後、1000°
Cの温度で2時間かけて焼結して、Li1+2xMgx Ti
2-x (PO4 3 で表されるx値の異なる5種の固体電
解質を得た。これらの固体電解質を使用したこと以外は
実施例1と同様にして、電池BA25〜BA29を作製
した。電池BA25〜BA29のそれぞれについて、実
施例1と同様に、イオン導電率を求めた。結果を、先の
図3に●でプロットして示す。同図より、xの値が0.
15〜0.45の範囲、特に0.2前後のものが、最も
高いイオン導電率を示すことが分かる。
【0036】(比較例)酸化チタン(TiO2 )と、炭
酸リチウム(Li2 CO3 )と、リン酸アンモニウム
(NH4 )H2 PO4 と、酸化アルミニウム(Al2
3 )とを、メノウ乳鉢中でモル比2−x:(1+x)/
2:3:x/2(x=0.1、0.2、0.3、0.
4、0.5)で混合し、加圧成型してペレット状にした
後、900°Cの温度で2時間焼成し、得られた焼成物
をメノウ鉢中で粉砕して、400メッシュパスの粒径の
5種の粒状電解質を得た。次いで、これらの粒状電解質
を加圧成型してペレット状にした後、1000°Cの温
度で2時間かけて焼結して、Li1+x Alx Ti
2-x (PO4 3 で表されるx値の異なる5種の固体電
解質を得た。これらの固体電解質を使用したこと以外は
実施例1と同様にして、比較電池BC1〜BC5を作製
した。比較電池BC1〜BC5のそれぞれについて、実
施例1と同様に、イオン導電率を求めた。結果を、先の
図3に□でプロットして示す。図3より、x値が同じ固
体電解質を使用した本発明電池と比較電池を比較した場
合、本発明電池は比較電池に比し、イオン導電率が高い
ことが分かる。また、x値が0.17〜0.4程度にお
いては、x値の如何によらず本発明電池の方が比較電池
に比し優れていることが分かる。
【0037】図4は、実施例3で作製した電池BA16
及び比較例で作製した比較電池BC3の20°Cにおけ
る各高率放電特性を、縦軸に電池電圧(V)を、横軸に
放電電流密度(mA/cm2 )をとって示したグラフで
ある。同図より、電池BA16は比較電池BC3に比し
高率放電特性に優れていることが分かる。
【0038】叙上の実施例では本発明を扁平型電池に適
用する場合の具体例について説明したが、電池の形状に
特に制限はなく、本発明は円筒型、角型など、種々の形
状のリチウム電池に適用し得るものである。
【0039】
【発明の効果】本発明に係る固体電解質は、リチウムイ
オン導電性に優れているので、高率放電特性に優れたリ
チウム電池を得ることを可能にするなど、本発明は優れ
た特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】扁平型電池の断面図である。
【図2】2種の粒状電解質の重量混合比率とイオン導電
率との関係を示すグラフである。
【図3】x値とイオン導電率との関係を示すグラフであ
る。
【図4】高率放電特性図である。
【符号の説明】
BA1 電池 1 正極 2 負極 3 固体電解質 4 正極缶 5 負極缶 6 正極集電体 7 負極集電体

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式(1)Li1+(4-n)x xTi
    2-x (PO4 3 〔式中、Mは1価又は2価の陽イオ
    ン、Mが1価の陽イオンのときn=1、Mが2価の陽イ
    オンのときn=2、xは0.1〜0.5である。〕で表
    される粒状電解質(1)が焼結されてなるリチウムイオ
    ン導電性の固体電解質。
  2. 【請求項2】一般式(1)Li1+(4-n)x xTi
    2-x (PO4 3 〔式中、Mは1価又は2価の陽イオ
    ン、Mが1価の陽イオンのときn=1、Mが2価の陽イ
    オンのときn=2、xは0.1〜0.5である。〕で表
    される粒状電解質(1)と、それに比し粒径が小さく、
    且つ、融点が低い粒状電解質(2)とからなる混合物を
    焼結してなるリチウムイオン導電性の固体電解質。
  3. 【請求項3】前記粒状電解質(2)が一般式(2)Li
    1+(4-n)x xZr2-x (PO4 3〔式中、M、n及び
    xはそれぞれ前記一般式(1)中のM、n及びxと同じ
    もの又は値である。〕で表される請求項2記載のリチウ
    ムイオン導電性の固体電解質。
  4. 【請求項4】請求項1〜3のいずれかに記載の固体電解
    質を使用してなるリチウム電池。
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