JPH0724219B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH0724219B2 JP61158501A JP15850186A JPH0724219B2 JP H0724219 B2 JPH0724219 B2 JP H0724219B2 JP 61158501 A JP61158501 A JP 61158501A JP 15850186 A JP15850186 A JP 15850186A JP H0724219 B2 JPH0724219 B2 JP H0724219B2
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耕三 梶田
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はリチウム二次電池に係わり、さらに詳しくは
その負極の改良に関する。
〔従来の技術〕
従来、リチウム二次電池では、負極に金属リチウムを単
独で用いていたが、充放電サイクルの繰り返しにより、
負極が劣化するという問題があった。これは充電時にリ
チウムがデンドライト状(樹枝状)に析出し、このデン
ドライト状リチウムが非常に活性で電解液と反応して充
放電反応に利用できなくなったり、あるいは上記デンド
ライト状リチウムが充放電の繰り返しにより成長して、
その根元から折れ脱落して充放電反応に利用できなくな
るからである。また、充放電の繰り返しによって成長し
たデンドライト状リチウムが正極と負極とを隔離するセ
パレータを貫通し、正極と接触して内部短絡を引き起こ
し、電池としての機能を喪失させるという問題も発生し
た。
そのため、リチウム−アルミニウム合金を負極に用いる
ことによって、負極の劣化を防止し、充放電サイクル特
性を向上させることが提案されている(例えば、米国特
許第4,002,492号明細書)。
上記のような負極にリチウム−アルミニウム合金を用い
る提案は、充電時に、リチウムとアルミニウムとの電気
化学的合金化反応を利用して、リチウムをアルミニウム
中に拡散させ、析出リチウムの電解液との反応やデンド
ライト成長を抑制しようとするものであるが、充電時に
おけるリチウムとアルミニウムとの電気化学的合金化反
応が充分に速いとはいえず、必ずしも満足し得るほどの
充放電サイクル特性の向上は得られなかった。
そのため、本発明者らは、アルミニウムやインジウムを
母材にし、これにチタン、ホウ素、鉛、ニッケル、鉄、
コバルトなどを少量添加することによって、結晶の微細
化を行い、粒界を多く存在させ、リチウムの粒界拡散に
より、充電時におけるリチウムの電気化学的合金化反応
を速めて、充放電サイクル特性を向上させ得ることを見
出し、それについて既に特許出願をしてきた(特願昭60
−159723〜159725号、特願昭60−259335号)。
上記のように、チタン、ホウ素、鉛、ニッケル、鉄、コ
バルトなどを少量アルミニウムと合金化しておくことに
よって、充電時のリチウムとアルミニウムとの電気化学
的合金化反応がアルミニウムを単独で用いる場合よりも
速くなり、活性な析出リチウムの状態でとどまる時間が
少なくなり、また析出リチウムのデンドライト成長が抑
制されて、充放電サイクル特性がアルミニウムを単独で
用いる場合に比べて大幅に向上する。
しかしながら、電池を使用する立場からは、電池がより
高い充放電サイクル特性を有することが望ましく、上記
のような先願技術による充放電サイクル特性の向上では
必ずしも満足できない面があった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この発明は前述した従来製品において生じていた析出リ
チウムの電解液との反応やデンドライト成長に基づく充
放電サイクル特性の低下を抑制し、かつ本出願人が先に
出願した先願技術によるよりもさらに充放電サイクル特
性を向上させたリチウム二次電池を提供することを目的
とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、結晶構造を持たない非晶質金属(Amorphous
metal)とリチウムを電気化学的に合金化させて負極に
用いることにより、充電時のリチウムとの電気化学的合
金化反応を、結晶構造を有するアルミニウムを単独で用
いる場合に比べてはもとより、アルミニウムを母材に
し、これにチタン、ホウ素、鉛、ニッケル、鉄、コバル
ト、クロムなどを少量添加して合金化させた結晶構造を
有するアルミニウム合金や、インジウムを母材にして鉛
を少量添加した結晶構造を有するインジウム合金を用い
る場合よりもさらに速くし、それによって、充放電サイ
クル特性を向上させたものである。
非晶質金属が充電時のリチウムとの電気化学的合金化速
度を速める理由は次のように考えられる。
すなわち、リチウム二次電池における負極としてリチウ
ム−アルミニウム合金を用いる場合、焼鈍した結晶粒子
の大きな軟質アルミニウムよりも、冷間圧延した結晶粒
子の小さい粒界の多い硬質アルミニウムを用いる方がリ
チウムの可逆性が優れており、充放電サイクル特性の良
好なリチウム二次電池が得られる。これについては本出
願人の出願に係わる特願昭60−50170号明細書に詳記す
る通りである。この理由は、充電時、リチウムがアルミ
ニウム板の表面に電着して電気化学的に合金化する場
合、まずリチウムが粒界よりアルミニウム板中に進入
し、その粒界からアルミニウム結晶中に拡散していくか
らであると考えられる。したがって、粒界が多く、結晶
粒子の小さいものほどリチウムの可逆性が優れており、
充放電サイクル特性が向上すると考えられる。事実、ア
ルミニウムにホウ素、チタン、ニッケルなどを少量添加
したものは粒界がより多く存在し、アルミニウム結晶は
より微細化し、前述した先願に開示されるように、充放
電サイクル特性が向上する。このように結晶粒子が小さ
いほど、リチウムの可逆性が良くなり、充放電サイクル
特性が向上する。そして、結晶構造を持たない非晶質金
属では、上記結晶粒子の小さいものほど、リチウムとの
合金化がより速くなるということのさらに発展したもの
に相当し、結晶構造がないため結晶粒子中への拡散工程
を要さないので、充電時のリチウムの電気化学的合金化
反応がより速くなり、それによって充放電サイクル特性
がより一層向上する。そして、非晶質金属は、リチウム
との合金化に際して、電気化学的に合金化させるので、
リチウムとの合金化によってその非晶質状態を失うこと
もなく、また、充放電の繰り返しによっても、その非晶
質状態を失うことがない。
本発明において、非晶質金属はリチウムと電気化学的に
合金化できるものであることが必要であるが、このよう
な非晶質金属としては、例えばアルミニウム(Al)、イ
ンジウム(In)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)、ホ
ウ素(B)、ケイ素(Si)、鉛(Pb)、錫(Sn)、亜鉛
(Zn)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)などの金属ま
たはそれらの金属を母材にした合金の非晶質状態のもの
があげられる。これら非晶質金属は、一般に真空蒸着
法、イオンプレーティング法、メッキ法、液体急冷法な
どによってつくられる。
リチウムと上記非晶質金属との合金化は、電気化学的合
金化によって行われるが、この電気化学的合金化は電池
内で行うこともできるし、また電池外で行うこともでき
る。
そして、これら非晶質金属と合金化させるリチウムの
量、いわゆるリチウムの仕込み量は、電池の用途に応じ
て種々に変えられるが、特にリチウム合金中リチウムが
20〜48原子%(atomic%)の範囲になるようにするのが
好ましい。
本発明の電池において、リチウムイオン伝導性有機非水
電解液としては、例えば1,2−ジメトキシエタン、1,2−
ジエトキシエタン、エチレンカーボネート、プロピレン
カーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラ
ン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラ
ンなどの単独または2種以上の混合溶媒に、例えばLiCl
O4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiB(C6H5)4などの
電解質を1種または2種以上溶解したものが用いられ
る。また、上記電解液中におけるLiPF6などの電解質を
安定化させるために、例えばヘキサメチルホスホリック
トリアミドなどの安定化剤を電解液中に加えておくこと
も好ましく採用される。
そして、正極を構成する正極活物質としては、例えば二
硫化チタン(TiS2)、二硫化モリブデン(MoS2)、三硫
化モリブデン(MoS3)、二硫化鉄(FeS2)、硫化ジルコ
ニウム(ZrS2)、二硫化ニオブ(NbS2)、三硫化リンニ
ッケル(NiPS3)、バナジウムセレナイド(VSe2)など
の遷移金属のカルコゲン化合物が用いられる。特に二硫
化チタンは結晶構造が層状で、その内部でのリチウムイ
オンの拡散定数が大きく、正極側における充放電反応が
スムーズに進行し、リチウムの可逆性が良好なことから
好用される。
〔実施例〕
つぎに実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例1 厚さ0.1mm、直径7.8mmのリチウム板2枚と、厚さ0.3m
m、直径7.8mmの非晶質アルミニウム板とを負極材料に用
い、後に第2図に基づいて説明するように、負極缶内に
一方のリチウム板、非晶質アルミニウム板、他方のリチ
ウム板の順に配置し、以後、常法に準じて電池組立を行
い、電解液の存在下でリチウムと非晶質アルミニウムと
を電気化学的に合金化して負極とし、リチウム二次電池
を作製した。なお、用いられた非晶質アルミニウムは液
体急冷法によって得られたものである。また、以後の実
施例における非晶質金属も同様に液体急冷法によって得
られたものである。
上記負極を有する電池を第1図に示す。図中、1はステ
ンレス鋼製で表面にニッケルメッキを施した負極缶で、
2は負極缶1の内面にスポット溶接したステンレス鋼網
よりなる負極集電体である。3は負極で、この負極3は
第2図に示すように一方のリチウム板3a、非晶質金属板
(本実施例では、非晶質アルミニウム板)3bおよび他方
のリチウム板3cを上記負極缶1内に配置して、電解液の
存在下で合金化することにより形成したものである。4
は微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータ、
5はポリプロピレン不織布からなる電解液吸収体であ
る。6は二硫化チタンを活物質とし、ポリテトラフルオ
ロエチレンをバインダーとして加圧成形した正極で、厚
さ0.5mm、直径7.0mmの円板状をしており、その一方の面
にはステンレス鋼網からなる正極集電体7が配設されて
いる。8はステンレス鋼製で表面にニッケルメッキを施
した正極缶で、9はポリプロピレン製のガスケットであ
る。そして、この電池には、4−メチル−1,3−ジオキ
ソラン60容量%、1,2−ジメトキシエタン34.8容量%お
よびヘキサメチルホスホリックトリアミド5.2容量%か
らなる混合溶媒にLiPF6を1.0mol/l溶解した有機非水電
解液が使用されている。この電池の負極中のリチウムの
組成は約38原子%で、負極理論電気量は約20mAhであ
り、正極の理論電気量は約8mAhである。上記電解液にお
けるヘキサメチルホスホリックトリアミドはLiPF6を安
定化させるための安定剤である。
比較例1 実施例1における非晶質アルミニウム板に代えて、市販
の硬質アルミニウム板を用いたほかは実施例1と同様の
構成からなるリチウム二次電池を作製した。
実施例2 実施例1における非晶質アルミニウム板に代えて、非晶
質インジウム板を用いたほかは実施例1と同様の構成か
らなるリチウム二次電池を作製した。
比較例2 実施例1における非晶質インジウム板に代えて、結晶構
造を持つ市販のインジウム板を用いたほかは実施例2と
同様の構成からなるリチウム二次電池を作製した。
実施例3 実施例1における非晶質アルミニウム板に代えて、非晶
質のビスマス−鉛−錫合金板(組成:ビスマス50重量
%、鉛32重量%、錫18重量%)を用いたほかは実施例1
と同様の構成からなるリチウム二次電池を作製した。
比較例3 実施例3における非晶質ビスマス−鉛−錫合金に代え
て、結晶構造を持つ通常のビスマス−鉛−錫合金板(組
成は上記実施例3の非晶質合金板と同じ)を用いたほか
は実施例3と同様の構成からなるリチウム二次電池を作
製した。
実施例4 実施例1における非晶質アルミニウム板に代えて、非晶
質のアルミニウム−チタン合金板(組成:アルミニウム
99重量%、チタン1重量%)を用いたほかは実施例1と
同様の構成からなるリチウム二次電池を作製した。
比較例4 実施例4における非晶質アルミニウム−チタン合金板に
代えて、結晶構造を持つ通常のアルミニウム−チタン合
金板(組成は上記実施例4の非晶質合金板と同じ)を用
いたほかは実施例4と同様の構成からなるリチウム二次
電池を作製した。
上記実施例1〜4の電池と比較例1〜4の電池を0.5mAh
の定電流で2mAhの充放電を1.5〜2.5Vの電圧範囲でサイ
クルさせた際の1.5V終止で見た2mAh放電可能なサイクル
数を調べ、その結果を第1表に示した。
第1表に示すように、実施例1〜4の電池はそれぞれ対
応する比較例の電池に比べて、2mAh放電可能な充放電サ
イクル数が多く、充放電サイクル特性が優れていた。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明では、非晶質金属をリチウ
ムと電気化学的に合金化させて負極に用いることによ
り、充放電サイクル特性の優れたリチウム二次電池を提
供することができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るリチウム二次電池の一例を示す断
面図であり、第2図は第1図に示す電池の負極材料とし
て用いられたリチウムと非晶質金属とが合金化する前の
状態を示す断面図である。 3…負極、3a、3c…リチウム板、3b…非晶質金属板、6
…正極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極、リチウムイオン伝導性有機非水電解
    液および負極を備えてなるリチウム二次電池において、
    負極にリチウムと非晶質金属とを電気化学的に合金化し
    たリチウム合金を用いたことを特徴とするリチウム二次
    電池。
  2. 【請求項2】非晶質金属がアルミニウム、インジウム、
    ガリウム、ビスマス、ホウ素、ケイ素、鉛、錫、亜鉛、
    銀、金、白金またはこれらの金属を母材にした合金の非
    晶質体である特許請求の範囲第1項記載のリチウム二次
    電池。
  3. 【請求項3】負極に用いるリチウム合金のリチウムの仕
    込み量が20〜48原子%である特許請求の範囲第1項また
    は第2項記載のリチウム二次電池。
  4. 【請求項4】正極活物質が二硫化チタンである特許請求
    の範囲第1項、第2項または第3項記載のリチウム二次
    電池。
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