JPH06150929A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JPH06150929A
JPH06150929A JP4302002A JP30200292A JPH06150929A JP H06150929 A JPH06150929 A JP H06150929A JP 4302002 A JP4302002 A JP 4302002A JP 30200292 A JP30200292 A JP 30200292A JP H06150929 A JPH06150929 A JP H06150929A
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一広 岡村
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和典 原口
Shigeo Kobayashi
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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非水電解液を用いた二次電池であり、正極の
活物質に化学式LiNiO2で表わされる物質中のLi
をNaおよびKの少なくとも1種で一部置換した複合酸
化物を用いることで、サイクル特性に優れた電池を提供
する。 【構成】 化学式LixyNiO2(但し、MはNa,
Kの少なくとも1種)において、式中のxおよびyの値
が0<x+y≦1.0、かつ0<y≦0.3の条件を満
たす活物質を含む正極と、リチウム、リチウム合金また
はリチウムを挿入・抽出可能な炭素材料のいずれかを活
物質とする負極と、非水活物質とを用いて電池を構成し
た。このような正極を用いることで、サイクル特性の良
好な非水電解液二次電池を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非水電解液二次電池、
特にリチウム複合酸化物を正極活物質に用いた電池の改
良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器のポータブル化、コード
レス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として
小型・軽量で、高エネルギー密度を有し、充放電サイク
ル特性の優れた長寿命の二次電池への要望が高い。この
ような点で、非水電解液系二次電池、特にリチウム二次
電池はとりわけ高電圧・高エネルギー密度を有する電池
として期待が大きい。
【0003】上述の要望を満たすリチウム二次電池用の
正極活物質の開発を目的として、近年盛んに研究がなさ
れている。例えば、ニッケル化合物関連ではLiyNi
2-y 2(特開平2−40861号公報)やLi1-xNi
2(米国特許第4,302,518号明細書)などの
提案があり、他の遷移金属化合物の関連では更に多くの
開発事例が報告されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】リチウムニッケル化合
物Li1-xNiO2(但し0≦x<1)はリチウムに対し
て4V以上の高い電位を示すため、これを正極活物質と
して用いると高電圧・高エネルギー密度を有する非水電
解液二次電池を作成することが可能である。
【0005】しかしこれまでの技術では、充放電初期の
特性としては100mA/g以上の高い放電容量が得ら
れるものの、充放電サイクル数の増加に伴って放電容量
は著しく低下し、50サイクル目程度におけるそれは初
期容量に対して約65%にまで減少するため、充放電サ
イクル特性は劣って短いという課題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで本発明は上記の課
題を解決するために、一般式LixyNiO2(但し、
MはNa,Kのうちの少なくとも1種)で表わされ、式
中のxおよびyの値が0<x+y≦1.0、かつ0<y
≦0.3の条件を満たす活物質を含む正極を用いるもの
である。
【0007】この正極活物質を用いることにより、高電
圧・高エネルギー密度を有し、充放電サイクル特性の優
れた非水電解液二次電池を作成することが可能であるこ
とを見出したものである。
【0008】
【作用】LiNiO2は三方晶系R−3mの空間群に属
しており、六方晶系で表わした場合に、c軸方向に酸
素、ニッケル、リチウムの各原子からなる面が秩序正し
く積み重なった層状構造を形成している。見方を変えれ
ば、ニッケルと酸素は共有結合によりNiO2層を形成
しており、このNiO2層の間にリチウム原子が弱いフ
ァン・デル・ワールス力によって挟まれた形でLiNi
2を形成していると言われている。これゆえLiNi
2中のリチウムは電気化学的または化学的に抽出・挿
入することが可能で、その反応は可逆的であるため電極
活物質としての適用を可能としている。
【0009】しかしながら充電によりLiNiO2が電
気化学的に酸化され、高い電位においてリチウムのほと
んどが抽出された場合に生成するLi1-xNiO2(xが
殆ど1に近いもの)か、リチウムが全て抽出されたNi
2は化学的に不安定であり、先に述べた層状構造が維
持できず、反応の可逆性を失ってしまう。これがLiN
iO2正極の充放電サイクルによる容量劣化の原因の一
つと思われる。
【0010】本発明では、一般式LixyNiO2(但
し、MはNa,Kのうちの少なくとも1種)で表わさ
れ、LiNiO2のリチウムの一部をナトリウムおよび
またはカリウムで置換した構造を有する物質を正極活物
質に適用して課題を解決したものである。
【0011】この物質の作用は次のように推察される。
リチウム抽出・挿入時のLixyNiO2中におけるリ
チウム、ナトリウム、カリウムの移動の速さを示す化学
拡散係数の大きさは、リチウム>ナトリウム>カリウム
の順に小さくなる。Stoklosaら(Solid
State Ionics,18&19(1986)9
74)によればナトリウムの化学拡散係数はリチウムの
それに較べて10分の1程度も小さい。このことよりL
xyNiO2(但し、MはNa,Kの少なくとも1
種)を充電して中のリチウムがほとんど抽出されてもナ
トリウムおよびカリウムは物質中にとどまって物質の層
状構造を維持しており、放電時に再びリチウムの挿入が
可能となって反応の可逆性を持続させているものと考え
られる。
【0012】また、リチウム、ナトリウム、カリウムの
イオン半径はリチウム<ナトリウム<カリウムの順に大
きい。このことにより、層状構造のNiO2層間にリチ
ウムより大きなナトリウムイオンおよびカリウムイオン
が位置して層間を押し広げ、リチウムイオンの拡散を促
進して、充放電に伴うリチウムイオンの抽出・挿入を円
滑にしていることも考えられる。
【0013】
【実施例】以下、図面と共に本発明の実施例を説明す
る。なお実施例においては試験の便宜上、電池として円
筒形電池を作成して評価を行った。
【0014】化学式LixyNiO2(但し、MはN
a,Kの少なくとも1種)において、式中のxおよびy
の値が0<x+y≦1.0、かつ0<y≦0.3の条件
を満たす活物質の合成方法について説明する。
【0015】合成材料のなかでニッケル化合物について
はNi(OH)2,NiCO3およびNiOのうちのいず
れかを使用し、リチウム化合物についてはLiNO3
Li2CO3,Li2OおよびLiOHのうちのいずれか
を使用し、ナトリウム化合物についてはNaNO3,N
2CO3,Na2O,NaOHのうちのいずれかを使用
し、カリウム化合物についてはKNO3,K2CO3,K2
O,KOHのうちのいずれかを使用して、これらの合成
材料のどの組合わせを用いても合成が可能であることを
確認している。従ってここで説明する合成材料は便宜
上、Ni(OH)2,LiNO3,NaNO3,KNO3
用いた場合についてのみ示す。
【0016】合成に当たってはリチウム化合物、ニッケ
ル化合物、ナトリウム化合物、カリウム化合物の所定量
を混合して燃焼ボートに入れ、電気炉中で焼成を行っ
た。焼成は酸素雰囲気で、1次焼成温度600℃で12
時間、2次焼成温度750℃で12時間の条件で行っ
た。生成物の組成を化学分析で決定した後に粉砕して極
板の調製に供した。
【0017】試験用円筒形電池の作成方法と構成の概要
を以下に示す。正極合剤は活物質、アセチレンブラッ
ク、グラファイトおよびフッ素系樹脂結着材をそれぞれ
100:4:4:7の重量比で混合したもので、これを
極性有機系練液を用いてペーストとし、アルミニウム箔
の両面に塗布し、乾燥・圧延処理をして正極板を調製し
た。
【0018】一方、負極板はコークスを焼成して得られ
た炭素材、フッ素系樹脂結着材をそれぞれ100:10
の重量比で混合し、これをカルボキシメチルセルロース
の水溶液で練合してペーストとし、銅箔の両面に塗布
し、乾燥・圧延処理をして調製した。電解液は、炭酸プ
ロピレン、炭酸エチレンの等体積混合溶媒に、支持電解
質として過塩素酸リチウムを1モル/lの割合で溶解し
て調製した。
【0019】帯状の正・負極の両極板にリードを付け、
ポリプロピレン製セパレータをはさんで全体を渦巻状に
巻いた。これをステンレス鋼製電池ケースに収納したの
ち所定量の電解液を注入し、封口板その他の構成部品を
装着して電池を構成した。こうして作成した円筒形電池
の縦断面図を図1に示した。ここで、5の正極リードは
2の封口板に接続され、6の負極リードは電池ケース1
の底部に接続されており、3のパッキングは気密性を保
つとともに、正極端子である封口板と負極端子をなす電
池ケースとを絶縁する機能をもつ。7の絶縁リングは、
正・負極板が電池内部で電池ケースと封口板に接触して
短絡することを防いでいる。
【0020】図2は、化学式LixyNiO2(但し、
MはNa,Kの少なくとも1種)で式中のxおよびyの
値が0<x+y≦1.0で、yの値の違い(y=0,
0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)による充放
電試験(充放電電流100mA定電流、電圧3.0〜
4.5V)での初期放電容量の違いを示している。
【0021】但し、電極の作動原理からxの値は充放電
過程に応じて変化している。図2からわかるように、y
の値の増加に伴って初期放電容量は減少している。また
Mがナトリウムの場合とカリウムの場合による差は少な
い。この現象はyの値の増加に伴って反応に関わるリチ
ウムの量が減少したための放電容量の減少であるものと
考えられる。この結果からyが0.3以上の場合は初期
放電容量が著しく減少し、電極活物質として不適当であ
ることがわかる。
【0022】図3は、化学式LixyNiO2(但し、
MはNa,Kの少なくとも1種)で式中のxおよびyの
値が0<x+y≦1.0で、yの値が0,0.1,0.
2,0.3のときの充放電試験(充放電電流100mA
定電流、電圧3.0〜4.5V)で50サイクル目まで
の放電容量の変化を示している。
【0023】図3からわかるように、y=0の場合は充
放電サイクルによって容量が急激に減少しているが、y
=0.1,0.2,0.3の場合は充放電サイクルによ
る容量の減少は少なく、y=0の場合と較べて初期容量
は劣るもののサイクル途中で逆転している。このことか
らナトリウムおよびカリウムの添加によって充放電サイ
クル特性が改善されることがわかる。またMがナトリウ
ムの場合よりもカリウムの場合の方がその効果が大き
く、最も良い特性を示したものはカリウムをモル分率で
0.1添加したものである。
【0024】図4は、化学式LixyNiO2(但し、
MはNa,Kの少なくとも1種)で式中のxおよびyの
値が0<x+y≦1.0で、yの値が0.1でこれを占
めるナトリウムとカリウムとの比率を変えたときの充放
電試験(充放電電流100mA定電流、電圧3.0〜
4.5V)で50サイクル目の放電容量の違いを示して
いる。
【0025】図4からわかるようにカリウムのモル分率
が高まるにつれて50サイクル目の放電容量は増大して
おり、ナトリウムとカリウムを混在させてもサイクル特
性改善の効果はみられるが、むしろカリウムのみの方が
より効果が大きい。
【0026】またこれらの活物質ではLiNiO2に較
べて放電維持電圧がやや高くなり、若干のハイレート放
電特性の改善も認められるが、その詳細は現在、検討中
である。
【0027】
【発明の効果】以上から明らかなように、本発明によれ
ば正極活物質として化学式LixyNiO2(但し、M
はNa,Kの少なくとも1種)において、式中のxおよ
びyの値が0<x+y≦1.0、かつ0<y≦0.3の
条件を満たすものを用いることにより、サイクル特性に
優れた非水電解液二次電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における円筒形電池の縦断面図
【図2】LixyNiO2(但し、MはNa,Kの少な
くとも1種)で、yの値の違いによる初期放電容量の違
いを示す図
【図3】LixyNiO2(但し、MはNa,Kの少な
くとも1種)で、yの値の違いによる充放電サイクル特
性の違いを示す図
【図4】Lix0.1NiO2(但し、MはNa,Kの少
なくとも1種)で、Mに占めるKとNaの比率の違いに
よる充放電50サイクル目の放電容量の違いを示す図
【符号の説明】
1 電池ケース 2 封口板 3 絶縁パッキング 4 極板群 5 正極リード 6 負極リード 7 絶縁リング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 茂雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式LixyNiO2(但し、MはN
    a,Kのうちの少なくとも1種)で表わされ、式中のx
    およびyの値が0<x+y≦1.0、かつ0<y≦0.
    3の条件を満たす活物質を含んだ正極と、リチウム、リ
    チウム合金またはリチウムを挿入・抽出可能な炭素材料
    のいずれかを活物質とする負極と、非水電解液とから構
    成した非水電解液二次電池。
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