JPH07296851A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH07296851A
JPH07296851A JP6110590A JP11059094A JPH07296851A JP H07296851 A JPH07296851 A JP H07296851A JP 6110590 A JP6110590 A JP 6110590A JP 11059094 A JP11059094 A JP 11059094A JP H07296851 A JPH07296851 A JP H07296851A
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JP
Japan
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lithium
negative electrode
battery
secondary battery
positive electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP6110590A
Other languages
English (en)
Inventor
Zenichiro Takehara
善一郎 竹原
Kiyoshi Kanemura
聖志 金村
Soji Shiraishi
壮志 白石
Masanao Terasaki
正直 寺崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Storage Battery Co Ltd
Original Assignee
Japan Storage Battery Co Ltd
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Publication date
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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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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】リチウムを負極に使用したリチウム二次電池の
充放電サイクル寿命を大きく改善し、エネルギー密度が
高いリチウム二次電池の長寿命化を可能とする。 【構成】リチウム金属を含む負極と、リチウムイオンを
離脱、吸収する正極と、非水電解液からなるリチウム二
次電池において、フッ化水素で表面処理した負極を使用
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウム二次電池の改
良に関するもので、フッ化水素で表面処理した負極を使
用することにより、金属リチウムを負極に用いて、充放
電サイクル寿命の長いリチウム二次電池を提供するもの
である。
【0002】
【従来の技術】近年の各種電子機器の小型化やポータブ
ル化により、小形軽量な高エネルギー密度二次電池の開
発が要望されている。また、大気汚染や二酸化炭素の増
加等の環境問題により、電気自動車の早期実用化が望ま
れており、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等
の特徴を有する優れた二次電池が望まれている。特に非
水電解液を使用した二次電池は、従来の水溶液電解液を
使用した電池の数倍のエネルギー密度を有することか
ら、その実用化が待たれている。
【0003】非水電解液二次電池の正極活物質には、二
硫化チタンをはじめとして、リチウムコバルト複合酸化
物、リチウムマンガン酸化物、五酸化バナジウム、硫化
モリブデン、酸化モリブデン等、種々のものが検討され
ている。
【0004】非水電解液は、非プロトン性の有機溶媒に
電解質となる金属塩を溶解させたものが用いられてい
る。例えば、リチウム塩に関しては、 LiClO4 、LiP
F6 、LiBF4 、 LiAsF6 、LiCF3 SO3 等をプロピレンカ
ーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネ
ート、ジメチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、
γ-ブチロラクトン、ジオキソラン、2-メチルテトラヒ
ドロフラン、スルホラン、ジメチルスルホン等の単独も
しくは混合溶媒に溶解させたものが使用されている。こ
れらの非水電解液は、正極と負極を分離する多孔質のセ
パレータに含浸して使用されるが、高分子量の樹脂を添
加して高粘性にしたり、ゲル化させて流動性をなくした
状態で使用されることもある。
【0005】非水電解液電池の負極活物質として、様々
な物質が検討されてきたが、高エネルギー密度が期待さ
れるものとして、リチウム系の負極が注目を浴びてい
る。特に非水電解液二次電池の負極として、リチウム金
属、リチウム合金、リチウムイオンを保持させた炭素等
が検討されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】リチウムは元素中で最
も卑な起電力を有する物質であり、電池の負極に使用す
る事により、高エネルギー密度電池が期待できるが、充
電時に負極表面にデンドライト状に析出することがあ
り、充放電サイクル寿命の長い二次電池を構成すること
は困難であった。デンドライト状リチウムは正極と接触
すると内部短絡の原因となり極めて危険なだけでなく、
充放電を繰り返すと負極表面上から脱落してしまい、充
放電に使用できない微粒子状のリチウムを発生させ、充
放電容量が減少した。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、リチウム金属
を含む負極と、リチウムイオンを離脱、吸収する正極
と、非水電解液からなるリチウム二次電池において、フ
ッ化水素で表面処理した負極を使用することにより、充
電反応におけるデンドライト状リチウムの析出を防止す
るものである。
【0008】
【作用】リチウム負極を充電すると、その表面にリチウ
ム金属が電析するが、デンドライト状に電析が起こるの
は、電極表面の状態が不均一であることが原因である。
リチウム金属は極めて活性が強く、不活性雰囲気におい
ても、雰囲気内の極微量の不純物と反応し、その表面
は、酸化リチウムLi2 O 、水酸化リチウムLiOH、炭酸リ
チウムLi2 CO3 等の皮膜で覆われている。市販のシート
状のリチウム金属はアルゴンガス等の不活性雰囲気にお
いて圧延されたものであり、不純物皮膜のないシート状
リチウムを入手する事は不可能である。充電時のデンド
ライト状リチウムの生成は、電極界面に存在するこの皮
膜が、不均一な状態で存在することが原因であった。
【0009】この不均一な皮膜をフッ化水素HFで除去
し、均一で安定な皮膜で電極を覆うことによってデンド
ライト状リチウムの析出を防止できることが判明した。
【0010】光電子分光法(XPS )で分析した結果、HF
で処理したリチウム表面は、既存皮膜が取り除かれ、す
べてLiF の皮膜で覆われていることがわかった。既存皮
膜は次のような酸塩基反応を受けたためと思われる。
【0011】 Li2 CO3 + 2HF → 2LiF + H2 CO3 LiOH + 2HF → LiF + H2 O Li2 O + 2HF → 2LiF + H2 O 既存皮膜を取り除き、LiF の皮膜で表面を被覆したリチ
ウムを用いて充放電反応を行うと、充電時に析出するリ
チウムは球状となり、従来のデンドライト状とは大きく
異なる形状を示した。また、充放電サイクル寿命は増加
し、短絡現象も生じにくくなった。電析リチウムの形態
について、走査型電子顕微鏡(SEM )によって観察し
た。
【0012】図3はHFで処理したリチウム上への電析形
態を示した電子顕微鏡写真である。1x10-4mol/dm3 濃度
のHFを溶解したプロピレンカーボネート溶液中に3 日間
浸漬して表面修飾したリチウムを使用した。図4は未処
理のリチウム上への電析形態を示した電子顕微鏡写真で
ある。いずれも1.0mol/ dm3 LiPF6 のプロピレンカーボ
ネート溶液中で、電流密度0.2mA/cm2 で80分間の条件で
電析させたものである。
【0013】未処理のリチウム表面は不均一な厚い混合
物の皮膜で覆われているために、充放電反応時に不均一
な反応がおこり、デンドライト状のリチウムが析出しや
すいものと思われる。リチウムの表面をHFで処理するこ
とにより、不均一な皮膜は均一な薄いLiF の皮膜に変化
し、リチウムの析出形態の変化が認められた。未処理の
リチウム表面から細く伸びたデンドライト状のリチウム
は正極と接触すると内部短絡の原因となるだけでなく、
放電時に表面から脱落し、放電容量減少の原因となっ
た。HFで処理したリチウム表面に球状に析出したリチウ
ムは、放電時に表面から均一に溶解するために、利用率
が高くなり、充放電サイクル寿命も増加した。
【0014】
【実施例】
[実施例1] 以下に、好適な実施例を用いて本発明を
説明する。
【0015】図1は直径20mm、高さ2mm のボタン型電池
の断面図である。1はステンレス鋼板を打ち抜き加工し
た正極端子をかねる電池ケース、2は同じくステンレス
鋼板を打ち抜き加工した負極端子をかねる封口板であ
る。3は正極であり、4は負極のリチウムである。5は
有機電解液を含侵したポリプロピレンの微孔膜からなる
セパレータである。6は電池内部を気密に密閉するポリ
プロピレンのガスケットである。
【0016】本発明実施電池の一例として、正極活物質
にスピネル型リチウムマンガン酸化物LiMn2 O4 を使用
した。LiMn2 O4 を82重量部に対して、ポリフッ化ビニ
リデン6.5 重量部、グラファイト11.5重量部を混合し、
溶剤としてN-メチル-2- ピロリドンを適量添加してよく
混練し、正極合剤ペーストを調製した。このペーストを
100 メッシュのアルミニウム網に均一に塗布し、温度25
0 ℃で熱処理したのち、直径16mmの円板に打ち抜いて正
極とした。この電極の放電容量は15mAh である。
【0017】負極として、1x10-4mol/dm3 濃度のHFを溶
解したプロピレンカーボネート溶液中に3 日間浸漬して
表面修飾した厚さ0.3mm のリチウムを16mmの円板に打ち
抜いたものを使用した。電解液として、1.0mol/dm3
LiPF6 を溶解したプロピレンカーボネート溶液を150 μ
l セパレータに含侵させて使用した。本発明実施電池を
Aとする。
【0018】比較例として、HFで処理しないリチウムを
負極に使用して、従来例の電池Bを構成した。負極以外
は本発明実施例電池と同一構成である。
【0019】次に、これらの電池を2.0mA の定電流で、
端子電圧が4.5 Vに至るまで充電して、同じく2.0mA の
定電流で、端子電圧が3Vに達するまで放電する充放電サ
イクル寿命試験をおこなった。
【0020】図2に充放電サイクル試験の結果を示し
た。負極のリチウムをHFで処理した本発明実施電池Aは
処理しない従来電池の2倍以上のサイクル寿命を示し
た。
【0021】負極のリチウムは取扱い上の問題より各種
金属との合金としたものを用いてもよい。リチウムは他
金属との合金とすることにより、機械的強度や加工性を
改善することができるが、その表面はリチウムとしての
活性を保っており、不均一な皮膜を生じ易い。リチウム
合金の不均一皮膜もHFで処理することにより均一なフッ
化物の皮膜に変換でき、本発明の効果を得ることができ
る。
【0022】上記実施例では正極活物質としてスピネル
型リチウムマンガン酸化物を用いる場合を説明したが、
リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウム
ニッケル複合酸化物( Lix NiO2 ) 、二硫化チタンをは
じめとして二酸化マンガン、五酸化バナジウムおよび三
酸化モリブデンなど、充放電反応においてリチウムイオ
ンを離脱、吸収することのできる種々のものを用いるこ
とができる。
【0023】また、非水電解液も基本的に限定されるも
のではない。たとえば、六フッ化砒酸リチウム、四フッ
化ホウ酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチ
ウム等のリチウム塩を種々の溶媒に溶解したものや、ポ
リマー電解質等リチウムイオン電導性の液体や固体を用
いることができる。したがって、本発明で述べた非水電
解液とは液状の電解液だけでなく固体電解質も含むもの
である。
【0024】なお、前記の実施例に係る電池はコイン形
電池であるが、円筒形、角形またはペーパー形電池に本
発明を適用しても同様の効果が得られる。
【0025】
【発明の効果】本発明は、リチウムを負極に使用したリ
チウム二次電池の充放電サイクル寿命を大きく改善する
ものであり、高エネルギー密度であるリチウム二次電池
の長寿命化を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例電池であるボタン型電池の内
部構造を示した断面図。
【図2】本発明実施電池および従来電池の充放電サイク
ル試験による放電容量の変化を示した図。
【図3】HFで処理したリチウム表面への電析リチウムの
粒子構造を示した図(電子顕微鏡写真)。
【図4】従来の未処理のリチウム表面への電析リチウム
の粒子構造を示した図(電子顕微鏡写真)。
【符号の説明】
1 電池ケース 2 封口板 3 正極 4 負極 5 セパレーター 6 ガスケット A 本発に係る明電池 B 従来電池
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000004282 日本電池株式会社 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町 1番地 (72)発明者 竹原 善一郎 京都市西京区大枝西新林町6−10−14 (72)発明者 金村 聖志 大阪府三島郡島本町若山台2丁目1番15号 棟306号室 (72)発明者 白石 壮志 京都市左京区二条通り川端東入る新車屋町 259メゾンフジ401号 (72)発明者 寺崎 正直 京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町1番地 日本電池株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウム金属を含む負極と、充放電反応に
    おいてリチウムイオンを離脱,吸収する正極と、リチウ
    ムイオン電導性の電解質を備えたリチウム二次電池にお
    いて、負極はフッ化水素で表面処理されたものであるこ
    とを特徴とするリチウム二次電池。
JP6110590A 1994-04-25 1994-04-25 リチウム二次電池 Pending JPH07296851A (ja)

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