JPH05325968A - 非水系リチウム二次電池 - Google Patents

非水系リチウム二次電池

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JPH05325968A
JPH05325968A JP4157384A JP15738492A JPH05325968A JP H05325968 A JPH05325968 A JP H05325968A JP 4157384 A JP4157384 A JP 4157384A JP 15738492 A JP15738492 A JP 15738492A JP H05325968 A JPH05325968 A JP H05325968A
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lithium
transition metal
charge
discharge
negative electrode
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JP4157384A
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Kimihito Suzuki
公仁 鈴木
Takashi Iijima
孝 飯島
Maki Sato
真樹 佐藤
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Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
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Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical Co Ltd
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 4Vを超える高い電極電位を有するリチウム
含有遷移金属酸化物に対し、その対極に最適な物質を選
別し組合わせることにより、特性の良好な非水系リチウ
ム二次電池を提供する。 【構成】 正極としてLiCoX Ni1-X 2 (O≦X
≦1)を、また、負極として炭素層面の格子面間隔(d
002 )が0.343nm以下であって、c軸方向の結晶
子の大きさ(Lc )が10nm以上のピッチ系炭素繊維
若しくはその粉砕粉を用いる非水系リチウム二次電池で
ある。 【効果】 リチウム含有遷移金属酸化物の有する4Vを
超える平坦で、かつ、高い作動電圧、高い充放電効率に
よる非常に優れた充放電サイクル特性を可能にするもの
で、電池内蔵型の携帯用電気・電子機器等の用途に有用
なものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特性の良好な非水電解
液系リチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、負極活物質としてリチウムを
用いた軽量で高エネルギー密度を有する電池に関して多
くの提案がなされている。その中でも、一次電池に関し
ては、正極活物質としてフッ化黒鉛あるいは二酸化マン
ガンを用いた電池系が既に上市され、現在様々な用途に
使用されている。しかるに、近年のエレクトロニクス分
野での急速な進歩により、電池内蔵型の携帯用電気・電
子機器が普及するに至り、現在では、再充電可能な二次
電池の必要性が急速に高まっている。
【0003】特に、リチウム二次電池では、それに用い
る正極活物質の如何により、充放電電圧、サイクル寿
命、エネルギー密度等の電池性能が大きく左右される。
そして、この正極活物質としては広範なものを用いるこ
とができ、その中でも特に無機化合物は、その化合物中
の結合が非常に強固であることや耐酸化性に優れてお
り、有機電解液と反応し難く、その構造中にリチウムの
拡散に適当な空隙を保有すること等から、大電流放電、
長サイクル寿命、低自己放電等の特性が期待できるた
め、活発に研究が行われている。そして、このような無
機化合物を用いた研究においては、一次元鎖状、二次元
層状、三次元チャンネル型構造といった、その化合物中
へのリチウムの拡散が有利な構造の化合物が検討されて
いる。
【0004】ところで、二次元層状化合物は、TiS2
で代表されるように、遷移金属硫化物S−M−S(M=
遷移金属)で表されるスラブがファンデル・ワールス力
により幾層にも重なったサンドイッチ構造を有する。そ
して、第三成分であるLiは、そのスラブ間のギャップ
へ電気化学的に挿入・脱離する。一方、遷移金属酸化物
の場合には、MO2 で表されるような酸化物は知られて
いない。しかし、リチウム層を対称としたリチウム含有
遷移金属酸化物LiMO2 (O−M−O…Li…O−M
−O)は存在する。また、この酸化物からのリチウムの
引き抜きは、ある組成領域までは可能であるが、その領
域を超えると遷移金属原子の遷移金属層からリチウム層
への置換現象が起こる。従って、リチウム二次電池の正
極活物質として使用することは充分可能であるが、自ず
とその可逆領域、ひいてはエネルギー容量が制限され
る。このようなデメリットは有するものの、O2-の2p
6 エネルギーバンドがS2-の3p6 より相当低いため、
その単極での回路電圧は4Vを超える高い電圧が得られ
るという大きなメリットがある。
【0005】このリチウム含有遷移金属酸化物の中で、
LiCoX Ni1-X 2 (O≦X≦1)が、最も高い単
極電位を有し、比較的高い電子伝導性と拡散係数とを有
することから、最近特に注目をあびているが、この酸化
物を正極活物質として使用して高電圧を引き出すために
は、そこに用いる電解質は勿論のこと、対極である負極
活物質の材料の選択が非常に重要となってくる。現在、
一部サンプル出荷されている電池系もあるが、負極側の
クーロン効率が低いことに起因して正極酸化物の大過剰
の仕込重量が必要となることや、負極炭素材料の作動電
圧により平坦な電位が得られないことや、二次電池とし
て最も重要な充放電サイクル特性に劣ること等の理由に
より、いまだに市場からの要求に応えるほどの性能に到
達していない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、正極活物質
として4Vを超える高い電極電位を有するリチウム含有
遷移金属酸化物を用いた場合、これまで検討されてきた
負極としての炭素材料では充放電効率が低かった。この
ことから、サイクル初期に正極活物質から放出されたリ
チウムが放電時に正極側へ完全には戻らず、このために
サイクルを繰り返すことにより、正極活物質において反
応に関与するリチウム組成領域が徐々に低組成側へシフ
トすることになる。しかし、ある組成領域を越えて充電
反応が進行すると、遷移金属層からの遷移金属原子のリ
チウム層への置換現象が進行し、これが活物質自体の構
造の崩壊、遂にはサイクル性能の劣化にまで発展してし
まうという問題があった。従って、負極としての炭素材
料に求められる条件の一つとして、高い充放電効率が挙
げられる。また、これまでの負極では、その単極電位が
リチウムのドーピング量と共に大きく変化してしまう。
そのため、正極と組み合わせた場合、リチウム含有遷移
金属酸化物の平坦な作動電圧が大きく損なわれてしまう
という問題があった。従って、負極としての炭素材料に
求められるもう一つの条件として、平坦な単極電位を有
することが挙げられる。
【0007】そこで、本発明者らは、負極活物質として
の炭素材料として、以下の2つの観点から選別を行っ
た。先ず、第一に、高いクーロン効率で充放電反応をス
ムーズに行わせるためには、結晶構造としてリチウムイ
オンをスムーズに挿入・脱離することのできる炭素層面
の面間隔を有すること、及び、その活物質中へのリチウ
ムの挿入・脱離が繰り返されてもその構造を安定に保持
するような柔軟性を有していることが非常に重要な因子
である。具体的には、比較的大きな黒鉛結晶子とそれを
取り巻く非晶質部分との集合体の複合構造を形成するも
のがリチウム二次電池のサイクル安定性に優れた材料で
あると考えられる。次に、負極である炭素材料が平坦な
単極電位を有するためには、ホストである炭素材料へリ
チウムが挿入された場合、その炭素層面間に存在するリ
チウムのサイトエネルギーが広い領域で一定となる、即
ち、黒鉛層間化合物のようなステージ構造を形成するこ
とが望まれる。従って、黒鉛結晶子の発達した構造をと
る炭素材料が平坦な単極電位を有する活物質であると考
えられる。
【0008】つまり、平坦な充放電作動電圧、高いクー
ロン効率で安定な充放電の繰り返しに最適な炭素繊維の
結晶構造に関する条件は、以下の二点である。すなわ
ち、一つは反応の場である黒鉛結晶子の発達した部分が
ある程度以上存在すること、もう一つは充放電反応で起
こる黒鉛結晶子の膨張・収縮を弾性的に吸収する非晶質
部分が存在することである。これを結晶構造のパラメー
ターで表すと、黒鉛の場合の格子面間隔(d002 )は
0.335nより大きく、黒鉛の場合のc軸方向の結晶
子の大きさ(Lc )は1μmより小さいことに相当す
る。そして、本発明者らは、種々の炭素材料に関して鋭
意研究した結果、その結晶構造のパラメーターとして
(d002 )≦0.343nm、(Lc )≧10nmが最
適領域であることを見出した。
【0009】このような観点から、本発明者らは、高い
作動電圧を有するリチウム含有遷移金属酸化物の性能を
充分に発揮させることのできる負極活物質に関して鋭意
研究した結果、炭素層面の面間隔が黒鉛のものに近く、
かつ、その中に適当な乱層構造を保有するような適度な
黒鉛化度をもつピッチ系炭素繊維を負極活物質として使
用することにより、正極活物質の性能を有効に引き出す
ことが可能になることを見出し、これに基づいて本発明
を完成した。従って、本発明の目的は、4Vを超える高
い単極電位を有するリチウム含有遷移金属酸化物に対し
て、その対極である負極活物質として最適な物質を選別
し組み合わせることにより、深い放電深度でも充放電効
率が高く、充電・放電を繰り返しても放電容量の低減が
非常に小さく、かつ、安全性に優れた非水系リチウム二
次電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、正
極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物LiCoX
Ni1-X 2 (O≦X≦1)を使用し、負極活物質とし
て炭素層面の格子面間隔(d002 )が0.343nm以
下であって、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が10
nm以上であるピッチ系炭素繊維若しくはその粉砕粉を
使用する非水系リチウム二次電池である。このような構
成とすることにより、高電圧を損なわず、しかも、深い
放電深度における充放電反応に関して優れたサイクル安
定性を発現することが可能となるものである。
【0011】以下、本発明の具体的な内容について説明
する。本発明で用いるリチウム含有遷移金属酸化物Li
CoX Ni1-X 2 (O≦X≦1)は、リチウムコバル
ト酸化物LiCoO2 のコバルトの一部又は全部をニッ
ケルで置換したものである。この置換により、リチウム
コバルト酸化物におけるリチウムの挿入・脱離の可逆領
域を変え、更には作動電圧を若干低く抑えることによ
り、使用できる電解質の選択の幅を増やす。また、充放
電に伴う格子定数の変化を抑えることにより、充放電サ
イクル特性を更に向上させるという狙いがある。
【0012】また、このリチウム含有遷移金属酸化物
は、様々な手法で合成することが可能である。例えば、
従来の報告〔Mat. Res. Bull., 15, 783 (1980) 〕と同
様に、リチウム、コバルト及びニッケルの各酸化物と炭
酸塩とを出発原料とし、空気中あるいは酸素気流中での
高温固体反応により合成することができる。また、正極
体として使用する活物質は、X線回折測定により単相で
あることが確認されたものであればよく、単相の活物質
が得られるのであれば、合成方法に関しては何らこの方
法に限定されるものではない。
【0013】このようにして合成されたリチウム含有遷
移金属酸化物粉末を正極体として電池に適用する場合に
は、以下の方法が適用される。例えば、第一の方法とし
ては、化合物粉末にバインダー粉末と導電性を賦与する
ための粉末とを乾式混合することにより得る方法であ
る。そして、第二の方法としては、化合物粉末にバイン
ダーと導電性を賦与するための粉末とを加え、更に水、
アルコールあるいは分散剤等の液体を添加した後、湿式
混合してスラリーを得、これをリード線を取り付けた金
属板等の集電体上に塗布し、乾燥する方法である。ま
た、このような正極体の作成に関しては、リチウム含有
遷移金属酸化物粉末の有する正極活物質としての性能を
十分に利用することのできる方法であれば、何ら上記の
方法に限定されるものではない。
【0014】本発明者らは、正極としてのリチウム含有
遷移金属酸化物と負極としての種々の炭素材料との組み
合わせに関して鋭意研究した結果、比較的大きな黒鉛結
晶子とそれを取り巻く非晶質部分との集合体の複合構造
を形成するピッチ系炭素繊維を負極として選択した場合
に、リチウム含有遷移金属酸化物の有する高くて平坦な
作動電圧を有効に引き出し、かつ、高い充放電効率に起
因した長サイクル寿命といった優れた性能を発揮させる
ことが可能になった。この複合構造を形成する結晶構造
パラメーターのある範囲内でのピッチ系炭素繊維が、リ
チウム含有遷移金属酸化物との間での良好な組み合わせ
性能を発揮することを可能にした。
【0015】以上のような、負極活物質として良好な特
性を示すピッチ系炭素繊維の構造を物性値で表現する
と、結晶構造のパラメーターとしてX線回折法による格
子面間隔(d002 )が0.343nm以下であり、か
つ、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc )が10nm以上
である。また、本発明の中で使用したピッチ系炭素繊維
は、リチウムを装入・脱離するのに適した結晶構造を有
しているものであり、この炭素繊維の粉砕粉についても
元の炭素繊維の結晶構造を破壊しないように粉砕するこ
とが重要となる。即ち、この炭素繊維の黒鉛結晶構造を
有するような性状であれば、それが繊維状であっても粉
状であっても、また、電極の形状や成形方法に関して
も、何ら制限されるものではない。
【0016】電解液としては、特に限定されるものでは
ないが、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカ
ーボネート、ジメチルカーボネート、1,1−ジメトキ
シエタン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエト
キシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソ
ラン、メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテ
ル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、
クロロニトリル、プロピオニトリル、ホウ酸トリメチ
ル、ケイ酸テトラメチル、ニトロメタン、ジメチルホル
ムアミド、N−メチルピロリドン、酢酸エチル、トリメ
チルオルトホルメート、ニトロベンゼン、塩化ベンゾイ
ル、臭化ベンゾイル、テトラヒドロチオフェン、ジメチ
ルスルホキシド、3−メチル−2−オキサゾリドン、エ
チレングリコール、サルファイト、ジメチルサルファイ
ト等の単独若しくは2種類以上の混合溶媒が使用でき
る。
【0017】支持電解質についても、従来より公知のも
のが何れも使用することができ、例えば、LiCl
4 、LiBF4 、LiAsF6 、LiPF6 、LiB
(C6 5 4 、LiCl、LiBr、LiCF3 SO
3 、LiCH3 SO3 等の1種又は2種以上を混合した
ものが使用可能である。しかし、支持電解質として用い
るリチウム塩に要求されるのは、基本的には電解質溶液
中での電気化学的安定性であることから、これを満足す
るものであれば、特に上記のリチウム塩に限定されるも
のではない。また、電解質溶液の濃度は、溶媒、支持電
解質の物性及び電極材に依存するが、おおむね0.1〜
2.0モル/リットルの範囲が望ましい。
【0018】
【作用】本発明の組み合わせ電池は、その充電時には、
炭素繊維内にリチウムを挿入させることになる。その際
に、リチウムは、溶媒との溶媒和イオンがホストである
炭素繊維の表面で溶媒から脱離し、ホストの炭素層面間
に入り込むという反応が進行する。この炭素層面間に存
在するリチウムのサイトエネルギーの安定性、及び、挿
入された後のリチウムの炭素層面間での拡散を考慮する
と、ホストの結晶構造は黒鉛結晶子の発達したものが望
まれる。また、リチウムの挿入により、黒鉛結晶子を構
成する炭素層面間は拡大し、それと共に黒鉛結晶子が膨
張することになるが、この膨張は結晶子を取り巻く非晶
質部分が吸収する。一方、放電時には、炭素繊維に取り
込まれたリチウムが電解液中に放出され、炭素層面間の
収縮、ひいては黒鉛結晶子の収縮が生じるが、この場合
にも黒鉛結晶子の周りの非晶質部分がその収縮を弾性的
に吸収し、結晶子を元の状態に戻す働きをする。従っ
て、充電・放電のどちらの場合にも、リチウムの挿入・
脱離反応に対応した黒鉛結晶子の膨張・収縮を黒鉛結晶
子の周囲の非晶質部分が吸収することにより、炭素繊維
のマクロな構造破壊を起こすことなく充放電反応が円滑
に進行する。
【0019】
【実施例】以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明
を具体的に説明する。
【0020】実施例1 炭酸リチウムと炭酸コバルトとをモル比1:1の割合で
混合し、空気存在下にこれらの原料粉を高温固体反応
(900℃、24hrs)させ、正極材料としてニッケ
ル成分を全く含まないリチウムコバルト酸化物(LiC
oO2 )を合成した。この化合物粉末にバインダーとし
てポリテトラフルオロエチレン5重量%と導電剤である
ケッチェンブラック5重量%とを混合し、混練し、次い
で約0.1mmの厚さのシート状に成形した。次に、こ
れを10mm×3mmの大きさに打ち抜き、ニッケル網
の間に挟み込み、その網の周囲をスポット溶接して正極
体を作成した。
【0021】負極活物質としては、直径約10.0μm
のピッチ系炭素繊維を使用した。この炭素繊維のX線回
折法による黒鉛化度の指標は、d002 =0.339nm
であって、Lc =28nmであった。この炭素繊維を長
さ20〜30mmで重量10mgとし、直径0.1mm
のニッケル線で束ねて負極体とした。
【0022】電解液としては、エチレンカーボネートと
γ−ブチロラクトンの体積比1:1混合溶媒中に支持電
解質として1M濃度となるようにLiClO4 を溶解し
たものを使用した。
【0023】測定には、金属リチウムシートの小片をニ
ッケル線に接続したものを参照極として使用した三極方
式を採用し、各電極を電解液で満たしたガラスビーカー
中に浸漬して電池セルを組み立てた。このような電池セ
ルの組立は、全てアルゴンガス雰囲気下のドライボック
ス中で行い、このセルをリード線の取り付けた密閉ガラ
ス容器の中に挿入し、その容器内をアルゴンガスで満た
した後、密閉して外に取り出した。
【0024】測定は、ガルバノスタットを用いた定電流
充放電により、充電・放電共に炭素繊維10mgに対し
て0.3mAとなるとうな条件で充放電サイクルをさせ
て行った。その充放電電位範囲は、炭素繊維とリチウム
含有遷移金属酸化物との2極間の電圧で制御し、充電終
止電圧を4.1Vに、また、放電終止電圧を3.8Vに
設定した。また充電・放電の間には20分の解放状態を
設けた。測定の結果、この組み合わせ電池セルでは、リ
チウム含有遷移金属酸化物特有の平坦な電圧はそのまま
で、充電・放電を500回程度繰り返しても容量の低減
がほとんど認められず、図1の曲線Aに見られるように
非常に良好な充放電サイクル特性を示した。また、この
電池セルの初期充放電効率は約92.5%と非常に高い
ものであった。
【0025】実施例2 炭酸リチウム、炭酸コバルト及び炭酸ニッケルの原料を
用い、定比に秤量して混合し、空気存在下にこれらの原
料粉を高温固体反応(900℃、24hrs)により反
応させ、リチウムコバルト酸化物の中のコバルトの一部
がニッケルで置換されたLiCo0.8 Ni0.2 2 を合
成した。この化合物粉末を使用し、実施例1と同様にし
て正極体を作成した。負極活物質としては、直径約8.
5μmのピッチ系炭素繊維を使用した。この炭素繊維の
X線回折法による黒鉛化度の指標は、d002 =0.34
0nmであって、Lc =20nmであった。この炭素繊
維を長さ20〜30mmで重量10mgとし、直径0.
1mmのニッケル線で束ねて負極体とした。
【0026】以下、電解液の調製、電池セルの組立及び
測定条件は全て実施例1と同様の手法に従った。この組
み合わせ電池の充放電サイクル特性は、図1における曲
線Bの様な結果となり、充電・放電を500回程度繰り
返しても容量の低減がほとんど認められず、非常に良好
な充放電サイクル特性を示した。このセルの初期充放電
効率は約91.8%であった。
【0027】実施例3 炭酸リチウム、炭酸コバルト及び炭酸ニッケルの原料を
用い、定比に秤量して混合し、空気存在下にこれらの原
料粉を高温固体反応(900℃、24hrs)により反
応させ、リチウムコバルト酸化物の中のコバルトの一部
がニッケルで置換されたLiCo0.6 Ni0.4 2 を合
成した。この化合物粉末を使用し、実施例1と同様にし
て正極体を作成した。負極活物質としては、直径約7.
2μmのピッチ系炭素繊維を使用した。この炭素繊維の
X線回折法による黒鉛化度の指標は、d002 =0.34
2nmであって、Lc =15nmであった。この炭素繊
維を長さ20〜30mmで重量10mgとし、直径0.
1mmのニッケル線で束ねて負極体とした。
【0028】以下、電解液の調製、電池セルの組立及び
測定条件は全て実施例1と同様の手法に従った。この組
み合わせ電池の充放電サイクル特性は、図1における曲
線Cの様な結果となり、充電・放電を500回程度繰り
返しても容量の低減がほとんど認められず、非常に良好
な充放電サイクル特性を示した。このセルの初期充放電
効率は約90.5%であった。
【0029】実施例4 炭酸リチウム、炭酸コバルト及び炭酸ニッケルの原料を
用い、定比に秤量して混合し、空気存在下にこれらの原
料粉を高温固体反応(900℃、24hrs)により反
応させ、リチウムコバルト酸化物の中のコバルトの一部
がニッケルで置換されたLiCo0.4 Ni0.6 2 を合
成した。この化合物粉末を使用し、実施例1と同様にし
て正極体を作成した。負極活物質としては、直径約6.
4μmのピッチ系炭素繊維を使用した。この炭素繊維の
X線回折法による黒鉛化度の指標は、d002 =0.34
3nmであって、Lc =11nmであった。この炭素繊
維を長さ20〜30mmで重量10mgとし、直径0.
1mmのニッケル線で束ねて負極体とした。
【0030】以下、電解液の調製、電池セルの組立及び
測定条件は全て実施例1と同様の手法に従った。この組
み合わせ電池の充放電サイクル特性は、図1における曲
線Dの様な結果となり、充電・放電を500回程度繰り
返しても容量の低減があまり認められず、非常に良好な
充放電サイクル特性を示した。このセルの初期充放電効
率は約90.1%であった。
【0031】実施例5 酸化リチウム(Li2 2 )と酸化ニッケル(NiO)
とを原料として用い、定比に秤量して混合し、酸素ガス
気流中でこれらの原料粉を高温固体反応(850℃、4
8hrs)により反応させ、リチウムニッケル酸化物L
iNiO2 を合成した。この化合物粉末を使用し、実施
例1と同様にして正極体を作成した。負極活物質として
は、ピッチ系炭素繊維を使用し、乳鉢を用いて繊維軸方
向の割れが起こらないような条件下で、繊維の長さが1
mm以下になるまで粉砕した粉砕粉を使用した。この炭
素繊維粉砕粉のX線回折法による黒鉛化度の指標は、d
002 =0.337nmであって、Lc =78nmであっ
た。この粉砕粉にバインダーであるポリテトラフルオロ
エチレンを5重量%の割合で混合し、混練して約0.1
mmの厚さのシート上に成形し、これを負極体とした。
【0032】以下、電解液の調製、電池セルの組立及び
測定条件は全て実施例1と同様の手法に従った。この組
み合わせ電池の充放電サイクル特性は、図1における曲
線Eの様な結果となり、充電・放電を500回程度繰り
返しても容量の低減があまり認められず、非常に良好な
充放電サイクル特性を示した。このセルの初期充放電効
率は約89.6%であった。
【0033】比較例 正極については、実施例1と同様にして得られた正極体
を用いた。負極については、フェノール樹脂を焼成して
得られた有機物焼成体を原料として用いた。この有機物
焼成体のX線回折法による黒鉛化度の指標は、d002
0.363nmであって、Lc =1.2nmであった。
この焼成体を乳鉢等でよく粉砕して粒径<100μmの
焼成体粉末とし、この焼成体粉末にバインダーとしてポ
リテトラフルオロエチレンを5重量%の割合で混合し、
混練して約0.1mmの厚さのシート状に成形し、これ
を10.5mgの重量に打ち抜き、ニッケル網の間に挟
み込み、その網の周囲をスポット溶接して負極体を作成
した。
【0034】以下、電解液の調製、電池セルの組立及び
測定条件は全て実施例1と同様の手法に従った。この組
み合わせ電池の充放電サイクル特性は、図1における曲
線Fの様な結果となり、サイクル開始後サイクル進行と
共に放電容量の急激な低下が見られた。また、この有機
物焼成体は単極の充放電曲線が平坦でなく、充放電容量
と共に大きく電位が変化してしまうため、組み合わせ電
池にした場合にはリチウム含有遷移金属酸化物特有の平
坦な電圧が得られない。また、この電池セルの初期充放
電効率は約42%であった。
【0035】
【発明の効果】本発明の非水系リチウム二次電池は、リ
チウム含有遷移金属酸化物の有する4Vを超える平坦で
かつ高い作動電圧と、高い充放電効率による充放電の繰
り返しに対する放電容量の高い安定性とを達成するもの
であり、電池内蔵型の携帯用電気・電子機器等の用途に
極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、実施例1〜4及び比較例で得られた
リチウム含有遷移金属酸化物正極と種々の負極との組み
合わせ電池における充放電サイクル試験の結果を示す充
放電サイクル回数と充放電容量との関係を示すグラフ図
である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年7月16日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0004
【補正方法】変更
【補正内容】
【0004】ところで、二次元層状化合物は、TiS
で代表されるように、遷移金属硫化物S−M−S(M=
遷移金属)で表されるスラブがファンデル・ワールス力
により幾層にも重なったサンドイッチ構造を有する。そ
して、第三成分であるLiは、そのスラブ間のギャップ
可逆的に挿入・脱離する。一方、遷移金属酸化物の場
合には、MOで表されるような酸化物は知られていな
い。しかし、リチウム層を対称としたリチウム含有遷移
金属酸化物LiMO(O−M−O…Li…O−M−
O)は存在する。また、この酸化物からのリチウムの引
き抜きは、ある組成領域までは可能であるが、その領域
を超えると遷移金属原子の遷移金属層からリチウム層へ
の置換現象が起こる。従って、リチウム二次電池の正極
活物質として使用することは充分可能であるが、自ずと
その可逆領域、ひいてはエネルギー容量が制限される。
このようなデメリットは有するものの、O2−の2p
エネルギーバンドがS2−の3pより相当低いため、
その単極での回路電圧は4Vを超える高い電圧が得られ
るという大きなメリットがある。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0005
【補正方法】変更
【補正内容】
【0005】このリチウム含有遷移金属酸化物の中で、
LiCoNi1−x(O≦X≦1)が、最も高い
単極電位を有し、比較的高い電子伝導性と拡散係数とを
有することから、最近特に注目を浴びているが、この酸
化物を正極活物質として使用して高電圧を引き出すため
には、そこに用いる電解質は勿論のこと、対極である負
極活物質の材料の選択が非常に重要となってくる。現
在、一部サンプル出荷されている電池系もあるが、負極
側のクーロン効率が低いことに起因して正極酸化物の大
過剰の仕込重量が必要となることや、負極炭素材料の作
動電圧により平坦な電位が得られないことや、二次電池
として最も重要な充放電サイクル特性に劣ること等の理
由により、いまだに市場からの要求に応えるほどの性能
に到達していない。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】つまり、平坦な充放電作動電圧、高いクー
ロン効率で安定な充放電の繰り返しに最適な炭素繊維の
結晶構造に関する条件は、以下の二点である。すなわ
ち、一つは反応の場である黒鉛結晶子の発達した部分が
ある程度以上存在すること、もう一つは充放電反応で起
こる黒鉛結晶子の膨張・収縮を弾性的に吸収する非晶質
部分が存在することである。これを結晶構造のパラメー
ターで表すと、黒鉛の場合の格子面間隔(d002)は
0.335nmより大きく、黒鉛の場合のc軸方向の結
晶子の大きさ(L)は1μmより小さいことに相当す
る。そして、本発明者らは、種々の炭素材料に関して鋭
意研究した結果、その結晶構造のパラメーターとして
(d002)≦0.343nm、(L)≧10nmが
最適領域であることを見出した。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】このような観点から、本発明者らは、高い
作動電圧を有するリチウム含有遷移金属酸化物の性能を
充分に発揮させることのできる負極活物質に関して鋭意
研究した結果、炭素層面の面間隔が黒鉛のものに近く、
且つ、その中に適当な乱層構造を保有するような適度な
黒鉛化度をもつピッチ系炭素繊維を負極活物質として使
用することにより、正極活物質の性能を有効に引き出す
ことが可能になることを見出し、これに基づいて本発明
を完成した。従って、本発明の目的は、4Vを超える高
い単極電位を有するリチウム含有遷移金属酸化物に対し
て、その対極である負極活物質として最適な物質を選別
し組み合わせることにより、深い放電深度でも充放電効
率が高く、充電・放電を繰り返しても放電容量の低減が
非常に小さく、かつ、安全性に優れた非水系リチウム二
次電池を提供することにある。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】以下、本発明の具体的な内容について説明
する。本発明で用いるリチウム含有遷移金属酸化物Li
CoNi1−x(O≦X≦1)は、リチウムコバ
ルト酸化物LiCoOのコバルトの一部又は全部をニ
ッケルで置換したものである。この置換により、リチウ
ムコバルト酸化物におけるリチウムの挿入・脱離の可逆
領域を変え、さらには作動電圧を若干低く抑えることに
より、使用できる電解質の選択の幅を増やす。また、充
放電に伴う格子定数の変化を抑えることにより、充放電
サイクル特性を更に向上させるという狙いがある。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0015
【補正方法】変更
【補正内容】
【0015】以上のような、負極活物質として良好な特
性を示すピッチ系炭素繊維の構造を物性値で表現する
と、結晶構造のパラメーターとしてX線回折法による格
子面間隔(d002)が0.343nm以下であり、か
つ、c軸方向の結晶子の大きさ(L)が10nm以上
である。また、本発明の中で使用したピッチ系炭素繊維
は、リチウムを挿入・脱離するのに適した結晶構造を有
しているものであり、この炭素繊維の粉砕粉についても
元の炭素繊維の結晶構造を破壊しないように粉砕するこ
とが重要となる。即ち、この炭素繊維の黒鉛結晶構造を
有するような性状であれば、それが繊維状であっても粉
状であっても、また、電極の形状や成形方法に関して
も、何ら制限されるものではない。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0018
【補正方法】変更
【補正内容】
【0018】
【作用】本発明の組み合わせ電池は、その充電時には、
炭素繊維内にリチウムを挿入させることになる。その際
に、リチウムは、溶媒との溶媒和イオンがホストである
炭素繊維の表面で溶媒から脱離し、ホストの炭素層面間
に入り込むという反応が進行する。この炭素層面内に存
在するリチウムのサイトエネルギーの安定性、及び、挿
入された後のリチウムの炭素層面間での拡散を考慮する
と、ホストの結晶構造は黒鉛結晶子の発達したものが望
まれる。また、リチウムの挿入により、黒鉛結晶子を構
成する炭素層面間は拡大し、それと共に黒鉛結晶子が膨
張することになるが、この膨張は結晶子を取り巻く非晶
質部分が吸収する。一方、放電時には、炭素繊維に取り
込まれたリチウムが電解液中に放出され、炭素層面間の
収縮、ひいては黒鉛結晶子の収縮が生じるが、この場合
にも黒鉛結晶子の周りの非晶質部分がその収縮を弾性的
に吸収し、結晶子を元の状態に戻す働きをする。従っ
て、充電・放電のどちらの場合にも、リチウムの挿入・
脱離反応に対応した黒鉛結晶子の膨張・収縮を黒鉛結晶
子の周囲の非晶質部分が吸収することにより、炭素繊維
のマクロな構造破壊を起こすことなく充放電反応が円滑
に進行する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 真樹 神奈川県川崎市中原区井田1618番地、新日 本製鐵株式会社先端技術研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極活物質としてリチウム含有遷移金属
    酸化物LiCoX Ni1-X 2 (O≦X≦1)を使用
    し、負極活物質として炭素層面の格子面間隔(d002
    が0.343nm以下であって、c軸方向の結晶子の大
    きさ(Lc )が10nm以上であるピッチ系炭素繊維若
    しくはその粉砕粉を使用することを特徴とする非水系リ
    チウム二次電池。
JP4157384A 1992-05-26 1992-05-26 非水系リチウム二次電池 Pending JPH05325968A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997043794A1 (fr) * 1996-05-10 1997-11-20 Institute Of Physics, Chinese Academy Of Sciences Procede de preparation de materiaux positifs pour piles secondaires au lithium au moyen d'energie micro-ondes
US6596439B1 (en) 2000-04-26 2003-07-22 Quallion Llc Lithium ion battery capable of being discharged to zero volts
US7177691B2 (en) 1999-07-30 2007-02-13 Advanced Bionics Corporation Implantable pulse generators using rechargeable zero-volt technology lithium-ion batteries

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