JPH06338346A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH06338346A
JPH06338346A JP5126898A JP12689893A JPH06338346A JP H06338346 A JPH06338346 A JP H06338346A JP 5126898 A JP5126898 A JP 5126898A JP 12689893 A JP12689893 A JP 12689893A JP H06338346 A JPH06338346 A JP H06338346A
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JP
Japan
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lithium
solvent
furfural
secondary battery
electrolytic solution
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JP5126898A
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English (en)
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Kenichi Morigaki
健一 森垣
Shigeo Kobayashi
茂雄 小林
Takahiro Teraoka
孝浩 寺岡
Noriko Kabuto
紀子 兜
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • 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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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リチウム二次電池において、デンドライト状
リチウムの発生を抑制し、リチウム極の充放電効率を向
上させ、充放電サイクル特性の優れた電池を提供する。 【構成】 リチウム金属またはリチウム合金を活物質と
した負極と、二成分以上の混合溶媒と溶質とからなる有
機電解液と、金属酸化物、金属硫化物などを活物質とし
た正極で構成され、上記有機電解液の溶媒の一成分とし
てフルフラールまたは5−メチルフルフラールを溶媒全
体の1〜50体積%含有させる。あるいは、フルフラー
ルとγ−ブチロラクトンなどのラクトン類との混合溶媒
を用いるか、またはフルフラールと、炭酸プロピレンな
どの環状炭酸エステルとジメトキシエタンなどの鎖状エ
ーテルとからなる三成分系混合溶媒を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はリチウム二次電池に関す
るものであり、特に有機電解液の改良に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】有機電解液を用い、リチウム金属やリチ
ウム合金を負極活物質とするリチウム二次電池は、水溶
液系の二次電池に比べてエネルギー密度が高く、かつ低
温特性が優れていることから注目を集めている。
【0003】しかしながら、充電によって負極上に析出
した活性なリチウムが電解液の有機溶媒と反応するた
め、充電の電流効果が下がること、またこの反応により
絶縁層が形成されるために電気的接触が絶たれ電子伝導
性の無いリチウムが生成することにより、リチウム極の
充放電効率は悪いという問題点がある(R.Selim
and Bro,J.Electrochem.So
c,121,1457(1974)など)。
【0004】また、充電時、負極上にデンドライト状に
成長したりリチウムが、セパレータを貫通して電池の内
部短絡が発生することなどの問題点も有り、実用化に十
分なリチウム二次電池は得られていない。
【0005】従来、このようなリチウム極の問題点を解
決するために、リチウム負極に種々の合金、例えばLi
−Al合金を用いること(特開昭63−114062
号、63−285878号公報など)や、電解液に種々
の添加物、例えばフラン、2−メチルフラン等を用いる
こと(K.M.Abraham,J.S.Foos,a
ndJ.L.GoldmanJ.Electroche
m.Soc,131,2197(1984)、特開昭6
1−230276号公報)、あるいは電解液の溶媒とし
て不飽和結合を有する5員環以上の環状ラクトンを単独
または混合して用いること(特開平4−190574号
公報)などの提案がなされている。しかしいずれも十分
な改良には至っていない。このためこれら問題点である
充放電特性に大きな影響を与える電解液に注目し、さら
に特性の優れた電解液の開発が求められている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記構成において、充
電時にリチウム負極上にデンドライト状のリチウムが析
出し、セパレータを貫通して正極側に達し内部短絡が発
生する課題や、充電時にリチウム負極上に析出した活性
なリチウムが電解液の溶媒と反応するために充電の電流
効率が下がることや、この反応によって生じた絶縁性被
膜のために析出したリチウムが電気的に孤立し、次の放
電に用いられないことによりリチウム極の充放電効率が
低下するという課題を有していた。
【0007】本発明は充電時のリチウム負極上のデンド
ライト発生を抑制し、リチウム極の充放電効率が良いリ
チウム二次電池用電解液を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、リチウム金属またはリチウム合金を活物質
とする負極と、セパレータを介して負極と対向する金属
酸化物あるいは金属硫化物などを活物質とする正極と、
二成分以上の混合溶媒と溶質とからなる有機電解液とで
構成されるリチウム二次電池において、上記電解液の溶
媒の一成分としてフルフラールまたは5−メチルフルフ
ラールを溶媒全体の1〜50体積%含有しているもので
ある。
【0009】
【作用】フルフラールまたは5−メチルフルフラールを
γ−ブチロラクトン、炭酸プロピレン、ジメトキシエタ
ンなどの有機溶媒と混合して電解液の溶媒として用いる
ことにより、ラクトン系、炭酸エステル系などの従来の
溶媒だけの場合と異なったリチウムと電解液の界面が形
成されると考えられる。
【0010】フルフラールまたは5−メチルフルフラー
ルはフランの誘導体の一種ではあるが、アルデヒド基を
有するプロトン性溶媒であり、リチウムとの反応が予想
されること、また酸素や酸化物質により酸化され、分解
・重合等が発生しやすいことなどから単独で用いるのは
好ましくない。しかし、他の溶媒と組合せて用いること
により、リチウムの充放電効率を向上することができ
る。この理由は明確ではないが、フルフラールの存在に
よりリチウム極と電解液界面の状態が変化し、リチウム
の反応を適度に制御して充電時に析出する活性なデンド
ライト状のリチウムの成長を抑制する、あるいは、フル
フラールが析出したリチウムと反応して形成された有機
薄膜層が保護膜として機能し、リチウムと溶媒との連続
的な反応を阻害することにより、リチウム極の充放電効
率を改善するものと考えられる。いずれの作用の場合に
も共存溶媒種の影響が大きいこと、溶媒の配合比率の影
響が大きいことは考えられる。
【0011】
【実施例】
(実施例1)以下本発明の実施例について、図を参照し
ながら説明する。
【0012】図1は本発明の実施例に用いた直径20m
m、高さ1.6mmのコイン形電池の断面図である。図に
おいて1はステンレス鋼製ケース、2はステンレス鋼製
封口板、3は負極活物質の金属リチウムで封口板の内面
に圧着されている。4はプロピレン製セパレータであ
る。5は正極活物質の二酸化マンガンと導電材のカーボ
ンブラックと結着剤のフッ素樹脂を重量比で80:1
0:10に混合し、直径14.5mm、高さ0.8mmのペ
レット状に成型したものである。6はポリプロピレン製
ガスケットである。
【0013】上記コイン形の電池で、電解液としてγ−
ブチロラクトン(γ−BL)とジメトキシエタン(DM
E)とフルフラールを体積比で50:30:20の比率
で混合した混合溶媒に、電解質として過塩素酸リチウム
(LiClO4)を1モル/lの濃度に溶解したものを
用い本発明の電池Aを作製した。
【0014】(実施例2)電解液の混合溶媒としてγ−
ブチロラクトン(γ−BL)とジメトキシエタン(DM
E)とフルフラールを体積比50:49:1の配合比で
混合したものを用いたこと以外は電池Aと同一の構成と
した本発明の電池Bを作製した。
【0015】(実施例3)電解液の混合溶媒としてγ−
ブチロラクトン(γ−BL)とフルフラールを体積比5
0:50の配合比で混合したものを用いたこと以外は電
池Aと同一の構成とした本発明の電池Cを作製した。
【0016】(実施例4)電解液の混合溶媒として炭酸
プロピレン(PC)とジメトキシエタン(DME)とフ
ルフラールを体積比50:30:20の配合比で混合し
たものを用いたこと以外は電池Aと同一の構成とした本
発明の電池Dを作製した。
【0017】(実施例5)電解液の混合溶媒として炭酸
プロピレン(PC)とテトラハイドロフラン(THF)
とフルフラールを体積比50:30:20の配合比で混
合したものを用いたこと以外は電池Aと同一の構成とし
た本発明の電池Eを作製した。
【0018】(従来例)従来例として電解液の混合溶媒
として炭酸プロピレン(PC)とジメトキシエタン(D
ME)を体積比50:50で混合したものを用いたこと
以外は電池Aと同一の構成とした従来の電池Fを作製し
た。
【0019】上記本発明の電池A〜Fと従来の電池Gを
環境温度20℃、充電電流1.0mA、放電電流1.0
mA(放電終止電圧2.0V)の定電流で充放電サイク
ル試験を行った。図2に充放電サイクル数と放電容量の
関係を示す。
【0020】図2から明らかなように、フルフラールを
混合した本発明の電池A〜Eはいずれも、充放電サイク
ルによる放電容量の劣化が小さくなっており、従来の電
池Fよりも改良されていること、すなわち、リチウム極
の充放電効率が向上していることが判る。
【0021】フルフラールを混合することによって、リ
チウム極の充放電効率が向上する理由は明確ではない
が、フルフラールがリチウムの反応を適度に制御して充
電時に析出する活性なデンドライト状のリチウムの成長
を抑制するため、あるいはリチウムと電解液が反応して
形成されるリチウムと電解液の界面の薄膜の状態、ある
いはリチウムの表面状態が従来のものと異なっているた
めと考えられる。
【0022】また、図2の本発明の電池A〜Cと従来の
電池Fから明らかなように、フルフラールを混合するこ
とによるリチウム極の充放電効率を向上させる効果は、
フルフラールを1〜50体積%の範囲で混合することが
好ましい。
【0023】また、図2の本発明の電池A,DおよびE
を比較すると、フルフラールの混合比は同一であるが、
充放電サイクルによる放電容量の劣化は異なっており、
共存させる溶媒の影響も大きいことが判る。γ−ブチロ
ラクトンを用いた本発明の電池Aが最も効果が有り、炭
酸プロピレンを用いた電池D,Eより充放電サイクルに
よる放電容量の劣化は小さく、良好である。また同じ炭
酸プロピレンを用いた電池でもジメトキシエタンを共存
させた電池Dのほうが良好である。
【0024】次に、上記本発明の電池A,DおよびEと
従来の電池Fを上記と同一の条件で充放電試験を20サ
イクル行い、さらに、充電状態で60℃で20日間保存
した後、20℃、1.0mAの定電流で2.0Vまで放
電し、高温保存による容量劣化を保存前と比較した。
【0025】(表1)にその結果を示す。
【0026】
【表1】
【0027】(表1)より本発明の電池Aのフルフラー
ルにγ−ブチロラクトンとジメトキシエタンの組合せの
場合には、従来の電池Fと比較して高温保存時の放電容
量の劣化は大きい。しかし、従来の電池Fの炭酸プロピ
レンとジメトキシエタンの組合せにフルフラールを加え
た組合せの電池Dでは、高温保存時の放電容量の劣化を
従来の電池より改良することができる。このようなフル
フラールと共存させる溶媒による変化は、リチウムと電
解液が反応して形成される有機薄膜層の違いによるもの
と考えられる。
【0028】なお本実施例ではフルフラールを用いた場
合のみ示したが、5−メチルフルフラールを用いた場合
でも同様の効果が得られる。同様に、本実施例ではラク
トン類としてγ−ブチロラクトンを用いたが、γ−バレ
ロラクトン、δ−バレロラクトンなどを用いることも可
能である。また、本実施例の炭酸プロピレンとジメトキ
シエタンの組合せを炭酸エチレンとメトキシエトキシエ
タンなどの他の環状炭酸エステルを鎖状エーテルの組合
せにすることも可能である。また、イオン伝導度、粘
度、低温特性等の改良のために添加する第3の溶媒とし
て本実施例で用いたジメトキシエタン以外に2−メチル
テトラハイドロフランなど他の低粘度、低沸点溶媒を用
いてもよい。また、電解質として本実施例では過塩素酸
リチウム(LiClO4)を用いたが、トリフロロメタ
ンスルホン酸リチウム(LiCF3SO4)などを用いて
もよい。
【0029】さらに、Li−Alなどの合金を正極活物
質とし、LiCoO2やMoS2などを正極活物質として
用いることも可能である。
【0030】
【発明の効果】以上のように、本発明のリチウム二次電
池では、有機電解液の溶媒の一成分としてフルフラール
または5−メチルフルフラールを1〜50体積%含有さ
せることにより、リチウム極の充放電効率を向上させ、
充放電サイクル特性の優れたリチウム二次電池を得るこ
とができるものである。
【0031】さらに、共存させる溶媒としてラクトン類
を選択することによりさらに充放電効率を向上させるこ
とができる。また、共存させる溶媒として環状炭酸エス
テルと鎖状エーテルを組合せることにより保存特性も改
良することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に用いた電池の断面図
【図2】本発明の電池と従来の電池の充放電サイクル特
性図
【符号の説明】
1 ケース 2 封口板 3 負極 4 セパレータ 5 正極 6 ガスケット
フロントページの続き (72)発明者 兜 紀子 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 (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リチウム金属またはリチウム合金を活物
    質とする負極と、二成分以上の混合溶媒と溶質とからな
    る有機電解液と、金属酸化物あるいは金属硫化物などを
    活物質とする正極とで構成されるリチウム二次電池にお
    いて、上記電解液の溶媒の一成分としてフルフラールま
    たは5−メチルフルフラールを溶媒全体の1〜50体積
    %含有しているリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】 電解液は、その溶媒成分として少なくと
    もフルフラールまたは5−メチルフルフラールを溶媒全
    体の1〜50体積%、およびγ−ブチロラクトン、γ−
    バレロラクトン、δ−バレロラクトンなどのラクトン類
    を30〜70体積%含有している請求項1記載のリチウ
    ム二次電池。
  3. 【請求項3】 リチウム金属またはリチウム合金を活物
    質とする負極と、セパレータを介して上記負極と対向す
    る金属酸化物などを活物質とする正極と、溶媒と溶質か
    らなる有機電解液とで構成されるリチウム二次電池にお
    いて、上記電解液の溶媒成分がフルフラールまたは5−
    メチルフルフラールと、炭酸エチレンまたは炭酸プロピ
    レンなどの環状炭酸エステルと、ジメトキシエタンなど
    の鎖状エーテルとの三成分からなる混合溶媒であるリチ
    ウム二次電池。
JP5126898A 1993-05-28 1993-05-28 リチウム二次電池 Pending JPH06338346A (ja)

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