JPH08124597A - 固体電解質二次電池 - Google Patents

固体電解質二次電池

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JPH08124597A
JPH08124597A JP6287323A JP28732394A JPH08124597A JP H08124597 A JPH08124597 A JP H08124597A JP 6287323 A JP6287323 A JP 6287323A JP 28732394 A JP28732394 A JP 28732394A JP H08124597 A JPH08124597 A JP H08124597A
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JP
Japan
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solid electrolyte
lithium
negative electrode
thin film
battery
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Application number
JP6287323A
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English (en)
Inventor
Maruo Jinno
丸男 神野
Mikiya Yamazaki
幹也 山崎
Mitsuzo Nogami
光造 野上
Koji Nishio
晃治 西尾
Toshihiko Saito
俊彦 斎藤
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric 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

Abstract

(57)【要約】 【構成】正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出するこ
とが可能な炭素材料を電極材料とする負極と、高分子固
体電解質とを備えた固体電解質二次電池であって、前記
負極の表面にリチウムイオン透過性の炭素薄膜が形成さ
れている。 【効果】負極と高分子固体電解質との界面の接合性が良
いので、充放電特性及び充放電サイクル特性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウムイオンを吸蔵
及び放出することが可能な炭素材料を電極材料とする負
極を備えた固体電解質二次電池に係わり、詳しくは、充
放電特性及び充放電サイクル特性に優れた固体電解質二
次電池を提供することを目的とした、負極と固体電解質
との接合性(密着性)の改良に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
液体電解質に代えて固体電解質を使用した固体電解質二
次電池が、液洩れの心配が無く、ポジションフリーであ
ることから、注目されている。
【0003】しかしながら、固体電解質の導電率は液体
電解質のそれに比べて格段低い。また、固体電解質は、
電極、とりわけ負極との接合性が良くないために、両者
の界面の抵抗が大きく、しかも充放電サイクルを繰り返
すとこの界面に不純物が次第に蓄積して、この抵抗がさ
らに大きくなる。
【0004】最近、固体電解質の導電率については、ゲ
ル化などによりかなり改善されてきているが、固体電解
質と負極との接合性については、未だ有効な改善策が見
出されていない。
【0005】このため、従来の炭素材料を負極材料とす
る固体電解質二次電池は、充放電特性、とりわけ大電流
での充放電特性、及び充放電サイクル特性が液体電解質
を使用したこの種の二次電池に比べてかなり劣ってお
り、このことが固体電解質二次電池の実用化を図る上で
の大きなネックになっていた。
【0006】本発明は、以上の事情に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところは、充放電特性及び充
放電サイクル特性に優れた固体電解質二次電池を提供す
るにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る固体電解質二次電池(以下、「本発明電
池」と称する。)は、正極と、リチウムイオンを吸蔵及
び放出することが可能な炭素材料を電極材料とする負極
と、高分子固体電解質とを備えた固体電解質二次電池で
あって、前記負極の表面にリチウムイオン透過性の炭素
薄膜が形成されてなる。
【0008】本発明電池の正極は、リチウムイオンを繰
り返し吸蔵及び放出することが可能なものであれば特に
限定されない。かかる正極に使用する活物質としては、
リチウム含有マンガン酸化物(LiMnO2 、LiMn
2 4 など);リチウム含有ニッケル酸化物(LiNi
2 など);リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO
2 など);マンガン、ニッケル及びコバルトの遷移金属
を少なくとも2種含有するリチウム含有遷移金属複合酸
化物(Li2 NiCoO4 など)が例示される。
【0009】負極の電極材料として使用するリチウムイ
オンを吸蔵及び放出することが可能な炭素材料として
は、黒鉛、コークス、有機物焼成体などの結晶質な炭素
が好適なものとして挙げられ、容量が大きい点で黒鉛が
特に好ましい。
【0010】負極の表面に形成する炭素薄膜は、特に限
定されないが、膜の平坦性に優れるとともに、リチウム
イオンの透過性に優れる非晶質な炭素(アモルファスな
炭素)からなる薄膜が好ましい。この理由は、結晶質な
炭素からなる薄膜は表面の平坦性にやや劣るので、非晶
質な炭素に比べて高分子固体電解質との接合性が良くな
いとともに、充放電時に結晶質な炭素の層間にリチウム
がインターカレートして蓄積され、炭素薄膜の表面にリ
チウムが電析してデンドライトが生じる虞れがあるから
である。
【0011】非晶質な炭素で炭素薄膜を形成する場合の
炭素薄膜の好適な膜厚は0.25〜1.0μmである。
炭素薄膜の膜厚がこの範囲を外れると、後記する実施例
にみるように、充放電サイクル特性が悪くなる。
【0012】上記高分子固体電解質(Polymer Electrol
yte)の代表的なものとしては、ポリエチレンオキシド
(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリ
エチレンイミン(PEI)等の高分子化合物に、トリフ
ルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3
3 )、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiP
6 )、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiB
4 )、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiS
bF6 )、ヘキサフルオロヒ酸リチウム(LiAs
6 )等のフッ素含有ルイス酸のリチウム塩又は過塩素
酸リチウム(LiClO4 )を混合したものが挙げられ
るが、特にこれらに限定されない。
【0013】上記高分子固体電解質に、プロピレンカー
ボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクト
ン、ジメチルカーボネート、ジメチルスルホキシド、ア
セトニトリル等の非プロトン性の溶媒を含浸させて、ゲ
ル化してもよい。ゲル化により高分子固体電解質の導電
率を高めることができる。
【0014】
【作用】炭素材料を電極材料とする表面に凹凸を有する
負極の該表面にリチウムイオン透過性の炭素薄膜が形成
されて該表面が平坦化されているので、負極と高分子固
体電解質との接合性乃至密着性が向上し、両者の界面の
抵抗が小さくなる(充放電特性の向上)。また、両者の
界面に不純物(抵抗体)が生成しにくくなるため、充放
電を繰り返しても両者の界面の抵抗が増大しにくくなる
(充放電サイクル特性の向上)。
【0015】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるも
のではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変
更して実施することが可能なものである。
【0016】(実施例) 〔正極の作製〕正極活物質としてのコバルト酸リチウム
(LiCoO2 )粉末と、導電剤としての炭素粉末と、
結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、重量比8
5:10:5で混合し、得られた混合物をドクターブレ
ード法にて正極集電体(フェライト系ステンレス鋼)に
塗布した後、150°Cで2時間乾燥して厚さ約90μ
m、直径10mmの円形フィルム状の正極を作製した。
【0017】〔負極の作製〕黒鉛粉末(平均粒径:10
μm)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、
重量比95:5で混合し、得られた混合物をドクターブ
レード法にて負極集電体(フェライト系ステンレス鋼)
に塗布した後、150°Cで2時間乾燥して厚さ約70
μm、直径10mmの円形フィルム状の負極を作製し
た。
【0018】次いで、下記の表1に示す条件でスパッタ
リングを行って、負極の表面に非晶質な炭素からなる膜
厚1.0μmの炭素薄膜を形成した。
【0019】
【表1】
【0020】〔高分子固体電解質の作製〕エチレンカー
ボネート400mlとジメチルカーボネート600ml
との混合溶媒1000mlにLiClO4 を1モル溶か
した溶液3重量部に、ポリエチレンオキシド1重量部を
浸漬して、厚さ約100μm、直径10mmの円形フィ
ルム状の高分子固体電解質(ゲル状固体電解質)を作製
した。
【0021】〔電池の作製〕上記の正極、負極及び高分
子固体電解質を使用して扁平型の本発明電池A(固体電
解質二次電池)を組み立てた(電池寸法:厚さ1.6m
m、直径20mm)。
【0022】図1は、組み立てた本発明電池Aを模式的
に示す断面図であり、図示の本発明電池Aは、正極1、
負極2、これら両電極1,2を互いに離間する高分子固
体電解質3、正極缶4、負極缶5、正極集電体6、負極
集電体7及びポリプロピレン製の絶縁パッキング8など
からなる。
【0023】正極1及び負極2は、高分子固体電解質3
を介して対向して正負両極缶4,5が形成する電池ケー
ス内に収納されており、正極1は正極集電体6を介して
正極缶4に、また負極2は負極集電体7を介して負極缶
5に接続され、電池内部に生じた化学エネルギーを正極
缶4及び負極缶5の両端子から電気エネルギーとして外
部へ取り出し得るようになっている。
【0024】(比較例)負極の表面に炭素薄膜を形成し
なかったこと以外は実施例と同様にして、比較電池Bを
組み立てた。
【0025】〈アレニウスプロット〉本発明電池A及び
比較電池Bの充電状態(負極にC6 Liが生成した状
態)におけるアレニウスプロットを図2に示す。図2
は、縦軸に導電率ρ(S/cm)の常用対数(log
ρ)を、また横軸に1000/T(T:絶対温度)をと
って示したものである。図2に示すように、負極の表面
に炭素薄膜を形成した本発明電池Aは、負極の表面に炭
素薄膜を形成しなかった比較電池Bに比べて、測定温度
にかかわらず導電率が総じて高い。これは、炭素薄膜の
形成により、負極と高分子固体電解質との界面の抵抗が
減少したためと考えられる。
【0026】〈各電池の充放電特性〉本発明電池A及び
比較電池Bを、温度25°Cにて、電流密度500μA
/cm2 で4.20Vまで充電した後、電流密度500
μA/cm2 で2.50Vまで放電して、各電池の充放
電特性を調べた。結果を図3に示す。
【0027】図3は、各電池の充放電特性を、縦軸に電
池電圧(V)を、また横軸に充放電容量(mAh/cm
2 )をとって示したグラフである。図3より、本発明電
池Aは比較電池Bに比べて、充放電特性に優れているこ
とが分かる。
【0028】〈各電池の充放電サイクル特性〉本発明電
池A及び比較電池Bについて、温度25°Cにて、電流
密度500μA/cm2 で4.20Vまで充電した後、
電流密度500μA/cm2 で2.50Vまで放電する
工程を1サイクルとする充放電サイクル試験を行い、各
電池の充放電サイクル特性を調べた。結果を図4に示
す。
【0029】図4は、各電池の充放電サイクル特性を、
縦軸に放電容量(mAh/cm2 )を、また横軸にサイ
クル数(回)をとって示したグラフである。図4より、
本発明電池Aは、比較電池Bに比べて、充放電サイクル
特性に優れていることが分かる。
【0030】〈炭素薄膜の膜厚と充放電サイクル特性の
関係〉負極の表面に形成する炭素薄膜の膜厚を、0.2
5μm、0.5μm、0.75μm、1.25μm又は
1.5μmとしたこと以外は実施例と同様にして、固体
電解質二次電池を作製した。
【0031】次いで、先と同じ条件の充放電サイクル試
験を行って、各電池の初期容量に対する50サイクル目
の容量維持率(%)を求めた。結果を図5に示す。な
お、図5には、本発明電池A(炭素薄膜の膜厚:1.0
μm)及び比較電池B(炭素薄膜の膜厚:0μm)の5
0サイクル目の容量維持率も示してある。
【0032】図5は、負極の表面に形成する炭素薄膜の
膜厚と充放電サイクル特性の関係を、縦軸に容量維持率
(%)を、また横軸に炭素薄膜の膜厚(μm)をとって
示したグラフである。容量維持率が80%以下になった
時点でもって一般に劣化電池と判断されることを考慮す
れば、図5より、炭素薄膜の膜厚は、0.25〜1.0
μmの範囲とすることが好ましいことが分かる。
【0033】上記実施例では、炭素薄膜をスパッタリン
グにより形成したが、化学蒸着法(CVD)等の他の方
法により形成することももとより可能である。
【0034】
【発明の効果】本発明電池は、負極と高分子固体電解質
との界面の接合性が良いので、充放電特性及び充放電サ
イクル特性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で組み立てた扁平型の本発明電池(固体
電解質二次電池)の断面図である。
【図2】実施例で組み立てた本発明電池及び比較電池の
アレニウスプロットである。
【図3】実施例で組み立てた本発明電池及び比較電池の
充放電特性を示したグラフである。
【図4】実施例で組み立てた本発明電池及び比較電池の
充放電サイクル特性を示したグラフである。
【図5】負極の表面に形成する炭素薄膜の膜厚と充放電
サイクル特性の関係を示したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 斎藤 俊彦 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出す
    ることが可能な炭素材料を電極材料とする負極と、高分
    子固体電解質とを備えた固体電解質二次電池であって、
    前記負極の表面にリチウムイオン透過性の炭素薄膜が形
    成されていることを特徴とする固体電解質二次電池。
  2. 【請求項2】前記炭素薄膜が非晶質な炭素からなる薄膜
    である請求項1記載の固体電解質二次電池。
  3. 【請求項3】前記非晶質な炭素からなる薄膜の膜厚が
    0.25〜1.0μmである請求項2記載の固体電解質
    二次電池。
  4. 【請求項4】前記高分子固体電解質が、ポリエチレンオ
    キシド、ポリプロピレンオキシド又はポリエチレンイミ
    ンに、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ヘキサ
    フルオロリン酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウ
    ム、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム及びヘキサフ
    ルオロヒ酸リチウムから選ばれたフッ素含有ルイス酸の
    リチウム塩、又は、過塩素酸リチウムを混合したもので
    ある請求項1〜3のいずれかに記載の固体電解質二次電
    池。
  5. 【請求項5】前記高分子固体電解質が非プロトン性の溶
    媒を含有するゲル状固体電解質である請求項1〜3のい
    ずれかに記載の固体電解質二次電池。
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