JPH0719622B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JPH0719622B2
JPH0719622B2 JP4088072A JP8807292A JPH0719622B2 JP H0719622 B2 JPH0719622 B2 JP H0719622B2 JP 4088072 A JP4088072 A JP 4088072A JP 8807292 A JP8807292 A JP 8807292A JP H0719622 B2 JPH0719622 B2 JP H0719622B2
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JP
Japan
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lithium
battery
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positive electrode
electrode active
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比夏里 栄部
俊一 樋口
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工業技術院長
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    • 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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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

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に
関し、さらに詳しくは特定の鉄化合物を正極物質とする
非水電解液二次電池に関する。
【0002】本明細書において、“%”および“部”と
あるのは、それぞれ“重量%”および“重量部”を意味
するものとする。
【0003】
【従来の技術】近年エネルギー密度の高いリチウム二次
電池が注目されており、正極活物質としても種々の化合
物が提案され、且つその特性が調べられている。これま
でにも、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどの遷移金
属カルコゲン化物の層状化合物を正極活物質とするリチ
ウム二次電池が製品化されたことがあるが、広く使用さ
れるには至らなかった。これは、これらの物質を使用す
る電池の放電時の電位が低いので、エネルギー密度を向
上させ難い、これらの物質の資源埋蔵量が十分ではない
などの理由によるものである。
【0004】また、金属リチウムを負極に使用する場合
には、デンドライトの発生などにより、電池のサイクル
寿命が短いという問題がある。この問題を解決するため
に、負極材料として合金、炭素材料などが使用されるよ
うになってきている。これに伴って、正極側でも、高い
放電電位を有する物質を使用しなければ、電池全体のエ
ネルギー密度の向上が達成できないので、金属酸化物系
材料からなる正極活物質の開発が進められている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】リチウムを用いた二次
電池は、携帯用電子機器類の電源、環境問題を緩和する
ための手段である電気自動車などの分散型小型電池電力
貯蔵システム用の高性能電池などとして、期待されてい
る。この様な用途における実用的な電池として普及させ
るためには、(a)安全性に優れており、(b)使用す
る材料が豊富な資源埋蔵量を有していて、コストが低い
ことが不可欠であり、さらに(c)長いサイクル寿命も
求められる。
【0006】現在開発が進められている高い放電電位を
有するリチウムコバルト複合酸化物などを正極活物質と
して使用する場合には、電位が4ボルトを超える領域で
は、非水系の電解液中の溶媒の酸化分解が起こり得るた
め、過充電時に気体発生などによる電池の破裂などの危
険性がある。さらに、コバルト、リチウムなどの金属
は、コストが高く、資源量も豊富であるとはいい難い。
また、寿命の点でも、リチウムコバルトなどの複合酸化
物は、結晶性の物質であり、リチウムイオンの出入りに
伴う結晶の崩壊に起因する電池寿命の低下が起こると推
測される。
【0007】本発明者は、先にオキシ塩化鉄(FeOC
l)とアニリンとを反応させることにより得られるアニ
リン含有アモルファスFeOOHを正極活物質とし、4
フッ化ホウ素酸リチウム(以下LiBF4 という)を
1.0mol/dm3 の濃度で溶解させたプロピレンカーボネ
ートを電解液とする非水系電解液二次電池を開発した。
しかしながら、この電池は、比較的初期のサイクルから
容量の劣化が認められた。また、電解液の安定性も、サ
イクル寿命を左右する要因であり、電池の安全性にも関
連する。しかるに、上記の電解液は、溶質であるLiB
4 中のアニオンが不純物である水分に対し、分解を起
こしやすいなどの欠点を有していることが判明した。
【0008】従って、本発明は、アニリン含有アモルフ
ァスFeOOHを正極活物質とする非水電解液二次電池
の安全性を高め、サイクル寿命を改善することを主な目
的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の様な
非水系電解液二次電池についての技術の現状に鑑みてさ
らに研究を進めた結果、前記の(a)項乃至(c)項に
関して、以下のことを見出した。
【0010】(a)項に関して;オキシ塩化鉄(FeO
Cl)とアニリンとを反応させることにより得られるア
ニリン含有アモルファスFeOOHを正極活物質として
用いると、複合酸化物よりも、電池の電位がやや低くな
ること、および残存する有機物質の作用により、過充電
時の緩衝作用を発揮することから、安全性に優れている
ことを見出した。
【0011】(b)項に関して;鉄は、地球上に多量に
存在する元素であり、低コストで容易に入手することが
できる。従って、将来予測される電気自動車の大量普及
時にも、アニリン含有アモルファスFeOOH製造用の
十分な量の原料が入手可能である。
【0012】(c)項に関して;また、LiBF4 に比
して安定性の高いトリフルオロメタンスルホン酸リチウ
ムをエチレンカーボネートとエーテル系溶媒との混合比
(体積比)2:1〜1:2の混合溶媒に1.0〜1.5
mol/dm3 の濃度で溶解させた溶液を電解液として使用
し、アニリン含有アモルファスFeOOHを正極活物質
として使用する場合には、サイクル寿命の向上と安全性
の改善とを期待し得ることを見出した。
【0013】本発明は、これらの知見に基いて完成され
たものである。
【0014】すなわち、本発明は、下記非水電解液二次
電池を提供するものである:下記(A)項に示す方法に
より合成し且つ下記(B)項に示す特性を備えた鉄化合
物を含む正極活物質とリチウムホスト化合物からなる負
極活物質とを電池活物質として使用し、エチレンカーボ
ネートとエーテル系溶媒との混合比(体積比)の2:1
〜1:2混合溶媒にトリフルオロメタンスルホン酸リチ
ウムを1.0〜1.5mol/dm3 の濃度で溶解させた溶液
を有機電解液として使用することを特徴とする非水電解
液二次電池: (A)オキシ塩化鉄(FeOCl)とアニリンとを4:
1のモル比で混合し、水中25〜35℃で攪拌する; (B)粉末としての密度が約2.3g/cm3 であり、Cu
Kα線を用いたX線回折において、2θ=14°、27
°および44°にγ−FeOOHに類似のピークを有す
る、有機物質が残存した結晶化度の低い物質。
【0015】本発明で正極活物質として使用する鉄化合
物は、オキシ塩化鉄(FeOCl)とアニリンとを4:
1のモル比で混合し、水中25〜35℃で攪拌すること
により製造される。この鉄化合物は、粉末としての密度
が約2.3g/cm3 であり、CuKα線を用いたX線回折
において、2θ=14°、27°および44°にγ−F
eOOHに類似のピークを有する、有機物質が残存した
結晶化度の低い物質である。この鉄化合物は、元来アモ
ルファス状であるので、使用時の構造変化による影響は
ほとんどない。この様な鉄化合物(アニリン含有アモル
ファスFeOOH、以下a−FeOOH(An)とい
う)に適量の導電剤(例えばアセチレンブラック、カー
ボンブラックなど)、粘結剤(例えばポリテトラフルオ
ロエチレン(PTFE)パウダー、ポリエチレンパウダ
ーなど)などを配合し、成形して、正極合剤とする。
【0016】本発明において負極活物質として使用する
リチウムホスト化合物は、ピッチ系、石油コークス系の
原料を800〜2800℃程度の範囲内の適当な温度で
熱処理して炭化または黒鉛化させた炭素材料、リチウム
と合金化する金属或いは合金などである。負極活物質の
製造方法は、特に限定されるものではないが、下記の様
な方法が例示される。 (a)粉末状で得られる炭素材料を使用する場合には、
適量の粘結剤などを配合し、成形した後、電池に用いる
と同様の電解液中で適当な電流密度(例えば、0.3〜
5mA・cm-2程度)で金属リチウムを対極として、例え
ば、電気量から算出した組成がC6 Liに近くなり、リ
チウム金属に対する電位が20mV以内となるまで、電
気化学的にリチウムを挿入して、負極活物質を製造す
る。 (b)金属または合金などで粉末以外の形態で得られる
材料については、適当な形状に打ち抜き加工し、材料自
体がリチウムを含む場合には、そのまま負極活物質とす
る。 (c)上記(b)において、材料がリチウムを含まない
場合には、やはり打ち抜いた材料を上記(a)における
と同様に処理して、負極活物質を製造する。
【0017】本発明における電解液としては、特にトリ
フルオロメタンスルホン酸リチウムをエチレンカーボネ
ート(EC)とエーテル系溶媒との2:1〜1:2(体積
比)の混合溶媒に1.0〜1.5mol/dm3 の濃度で溶解
させた溶液を使用する。エーテル系溶媒としては、2−
メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、1,
2−ジメトキシエタンなどが例示される。ECとエーテル
系溶媒との混合比が、上記の混合割合以外となる場合に
は、導電率が低下する。また、溶液中のトリフルオロメ
タンスルホン酸リチウムの濃度が上記の範囲外となる場
合にも、導電率が低下する。
【0018】
【発明の効果】特定の正極活物質と電解液とを組合わせ
て使用する本発明によれば、下記のような効果が達成さ
れる。 (1)放電容量の3倍以上の過充電が行なわれたとして
も、正極活物質中の残存有機物質の酸化と考えられる平
坦部が4.2〜4.5ボルト付近にあるので、電解液の
分解電位に達せず、電解液の分解に伴う電池の破裂の危
険性はない。 (2)鉄1モル当たりの放電容量を大きくとれるので、
リチウムコバルト複合酸化物に比して放電電位が低いに
もかかわらず、低率放電時の分極曲線から算出すれば、
正極活物質のみについて約1Wh・g -1と高い重量エネル
ギー密度を持つ二次電池が得られる。 (3)サイクル寿命の向上が達成される。 (4)したがって、本発明によれば、実用性に優れた非
水電解液二次電池が得られる。
【0019】
【実施例】以下に実施例および比較例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。 実施例1 エチレンカーボネート(以下ECという)と2−メチル
テトラヒドロフラン(以下2−MeTHFという)との
体積比1:1の混合溶媒にトリフルオロメタンスルホン
酸リチウムを1.0mol/dm3 の濃度で溶解させて、電解
液とした。
【0020】a−FeOOH(An)、導電剤としての
アセチレンブラックおよび粘結剤としてのPTFEを重
量比85:10:5の割合で混練し、2ton /cm2 の圧
力で直径16mmのペレット状にプレス成形し、正極合剤
とした。
【0021】適当な温度で熱処理したピッチ系炭素材料
に重量比で3%のPTFEを混練し、2ton /cm2 の圧
力で直径16mmのペレット状にプレス成形した後、金属
リチウムを対極として、上記の電解液中電流密度1mA・
cm-2で、電気量から算出した組成がC6 Liに近くな
り、リチウム金属に対する電位が20mV以内になるま
で、電気化学的にリチウムを挿入し、負極活物質を得
た。この際、正極の放電容量に対して負極容量が大過剰
となるように、負極活物質の重量を定めた。
【0022】上記のようにして得られた正極合剤および
負極活物質を多孔質ポリプロピレン膜からなるセパレー
タを介して配置し、ケース底部に集電体を備えた電池ケ
ースに電解液とともに充填し、正極容量規制で鉄1モル
と考えた場合に36.5mAhの容量を有するコイン型電
池(CR2016)を試作した。
【0023】上記で得られた電池について室温で電流値
1mA、2〜4.2V の負荷で充放電を行なった。長期の
サイクル試験の結果を図1および図2に実線で示す。
【0024】利用率は、36.5mAh を100%として
求めた。
【0025】クーロン効率は、当該サイクルにおける放
電容量と充電容量との比を取り、求めた。
【0026】また、上記で得られた電池について室温で
電流値1μA 、2〜4.2V の低負荷で充放電を行なっ
た。5サイクル目の結果を図3に実線で示す。
【0027】この結果から、低負荷の条件では88mAh
と高い容量が得られ、正極活物質のみについての重量エ
ネルギー密度は、1.3Wh・g -1であることが明らかと
なった。 比較例1 LiBF4 を1.0mol/dm3 の濃度で溶解させたプロピ
レンカーボネート(以下PCという)を電解液として使
用する以外は実施例1と同様にして、電池を製造した。
【0028】得られた電池について室温で電流値1mA、
2〜4.2V の負荷で充放電を行なった。長期のサイク
ル試験の結果を図1および図2に破線で示す。
【0029】また、上記で得られた電池について室温で
電流値1μA 、2〜4.2V の低負荷で充放電を行なっ
た。5サイクル目の結果を図3に破線で示す。実施例および比較例についての考察 比較例による電池の場合には、充放電開始直後から実施
例による電池に比して利用率が低く、また100サイク
ル経過の時点での利用率(90%)も実施例の場合(9
5%)に比して、劣っている。その後のサイクルにおい
ても、実施例による電池の方が比較例による電池に比し
て、約10%上回っている。
【0030】クーロン効率についても、実施例の電池で
は200サイクルまで100%を維持しており、長期の
サイクル特性が改善されていることが明らかである。
【0031】また、低負荷状態での充放電でも、実施例
による電池は、比較例による電池の1.3倍の放電容量
を示している。
【0032】これらは、安定性の高い電解質であるトリ
フルオロメタンスルホン酸リチウムと、PCに比して安
定で且つ低粘度であるECと2−MeTHFとの特定混
合比の混合溶媒との組合わせによる電解液に、a−Fe
OOH(An)を組合わせることにより、達成される効
果である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1および比較例1で得られた電池の長期
のサイクル試験の結果(利用率)を示すグラフである。
【図2】実施例1および比較例1で得られた電池の長期
のサイクル試験の結果(クーロン効率)を示すグラフで
ある。
【図3】実施例1および比較例1で得られた電池につい
て、室温で電流値1μA 、2〜4.2V の低負荷で充放
電を行なった場合の5サイクル目の結果を示すグラフで
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記(A)項に示す方法により合成し且つ
    下記(B)項に示す特性を備えた鉄化合物を含む正極物
    質とリチウムホスト化合物からなる負極物質とを電池活
    物質として使用し、エチレンカーボネートとエーテル系
    溶媒との混合比(体積比)の2:1〜1:2混合溶媒に
    トリフルオロメタンスルホン酸リチウムを1.0〜1.
    5mol/dm3 の濃度で溶解させた溶液を有機電解液として
    使用することを特徴とする非水電解液二次電池: (A)オキシ塩化鉄(FeOCl)とアニリンとを4:
    1のモル比で混合し、水中25〜35℃で攪拌する; (B)粉末としての密度が約2.3g/cm3 であり、Cu
    Kα線を用いたX線回折において、2θ=14°、27
    °および44°にγ−FeOOHに類似のピークを有す
    る、有機物質が残存した結晶化度の低い物質。
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JP4923324B2 (ja) * 2001-02-01 2012-04-25 株式会社Gsユアサ 非水電解質二次電池及びその製造方法

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