JPH0883608A - リチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池Info
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- JPH0883608A JPH0883608A JP6218779A JP21877994A JPH0883608A JP H0883608 A JPH0883608 A JP H0883608A JP 6218779 A JP6218779 A JP 6218779A JP 21877994 A JP21877994 A JP 21877994A JP H0883608 A JPH0883608 A JP H0883608A
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Abstract
を含む負極、正極及び非水電解液を具備するリチウム二
次電池において、前記炭素質物が2種類の炭素質物の混
合物からなり、 (A)その1つが、黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭
素繊維粉末であって、平均繊維長10〜100μm 、平
均繊維径4〜15μm であり、X線回折法による(00
2)面の面間隔d002 が0.338nm未満である炭素質
物; (B)他の1つが、人造黒鉛または天然黒鉛からなるブ
ロック状、フレーク状または粒状の炭素粉末であり、そ
の粒度分布が15μm 以下の粒体が70体積%以上であ
るかおよび/または比表面積が3.0m2/g未満であり、
X線回折法による(002)面の面間隔d002 が0.3
38nm未満である炭素質物;前記炭素質物(A)と
(B)の配合重量比率が80〜95:20〜5であるリ
チウム二次電池。 【効果】 高容量で充放電効率、サイクル寿命、放電電
圧の平坦性などの電池特性が優れ、かつ安全性が高い。
Description
し、特に負極の利用率を改良したリチウム二次電池に関
する。
負極として、リチウムを吸蔵・放出する炭素質物、例え
ばコークス、樹脂焼成体、炭素繊維、熱分解気相炭素な
どを用いることによって、リチウムと非水電解液との反
応、さらにはデンドライト析出による負極特性の劣化を
改善することが提案されている。
主に炭素原子からなる六角網面層が積み重なった構造
(黒鉛構造)の部分において、層間にリチウムイオンが
出入りすることにより充放電が行われていると考えられ
ている。このため、リチウム二次電池の負極にはある程
度黒鉛構造の発達した炭素質物を用いる必要がある。
粉末化した炭素質物を非水電解液中で負極として用いる
と、非水電解液が分解し、その結果、電池の容量及び充
放電効率が低下する。特にハイレートでの容量、充放電
効果及び放電時の電圧の低下が著しい。また、充放電サ
イクルが進むにつれて炭素質物の結晶構造ないし微細構
造が崩れ、リチウムの吸蔵・放出性能が劣下し、サイク
ル寿命が低下するという問題点があった。
め、リチウムイオンが挿入される黒鉛結晶子のc軸方向
の面で電解液に露出する面積がより小さくなるため、ハ
イレートの充放電サイクルにおいては急激に容量が低下
するという問題がある。このため、カーボンブラックな
どの導電剤を添加して電池特性の改善が図られている
が、負極充填密度が低下する問題が生じる。その結果、
従来の黒鉛化物では高容量のリチウム二次電池を実現で
きなかった。さらに、黒鉛化度の高い炭素繊維において
も、粉末にすると非水電解液が分解し、巨大結晶の粉末
を用いたものと同様に、負極としての性能が大幅に低下
するなどの問題があった。
などの炭素質物では、溶媒の分解はある程度抑えられる
ものの、容量及び充電効率が低く、しかも充放電の過電
圧が大きいこと、電池の放電電圧の平坦性に欠けるこ
と、さらにはサイクル寿命が低いことなどの問題があっ
た。
リチウムが炭素中にイオンとなって取り込まれているた
め、金属リチウムよりも電解液との反応性が低く、異常
時に電池温度が上昇しても安全であると言われている。
しかしながら、負極に使用する炭素質物の比表面積が大
きいと、電解液と反応する面積が増え、安全性が低下す
る問題点もある。
の充放電評価においては、リチウムドープ量、ハイレー
ト特性など良好な結果が得られる。しかしながら、円筒
形電池の負極に用いるために、結着剤との混合塗液を負
極集電体上に塗工したものは、電極圧延時に集電体から
剥離しやすく高強度の負極電極は得られないことも、炭
素繊維を用いる負極作製上の問題点であった。
平2−82466号、特開平4−61747号、特開平
4−115458号、特開平4−184862号、特開
平4−190557号各公報等に開示されているよう
に、種々の炭素質物の黒鉛化度を制御し、最適な黒鉛構
造のパラメータについて提案されているが、十分な特性
を有する負極は得られていない。また、特開平4−79
170号、特開平4−82172号公報には負極として
用いる炭素繊維について開示されているが、それを粉末
化した炭素質物を用いた負極の性能には問題があった。
解決するためになされたもので、高容量で充放電効率、
サイクル寿命、放電電圧の平坦性などの電池特性が優
れ、かつ安全性の高いリチウム二次電池に関する。ま
た、炭素繊維を用いた際の上記剥離現象を回避するた
め、炭素繊維に炭素粉末を混合して用いることによっ
て、炭素繊維間の空隙を炭素粉末が補うため、負極電極
の高強度も達成するものである。
ンを吸蔵・放出する炭素質物からなる負極と、正極と、
非水電解液を具備したリチウム二次電池において、前記
炭素質物が2種類の炭素質物の混合物からなり、 (A)その1つが、黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭
素繊維粉末であって、平均繊維長10〜100μm 、平
均繊維径4〜15μm であり、X線回折法による(00
2)面の面間隔d002 が0.338nm未満である炭素質
物; (B)他の1つが、人造黒鉛または天然黒鉛からなるブ
ロック状、フレーク状または粒状の炭素粉末であり、そ
の粒度分布が15μm 以下の粒体が70体積%以上であ
るかおよび/または比表面積が3.0m2/g未満であり、
X線回折法による(002)面の面間隔d002 が0.3
38nm未満である炭素質物;前記炭素質物(A)と
(B)の配合重量比率が80〜95:20〜5である;
ことを特徴とするリチウム二次電池である。
を参照して説明する。負極端子を兼ねるステンレス製等
の外装缶1内には電極体2が収納されている。前記電極
体2は、正極3、セパレータ4及び負極5を渦巻状に捲
回した構成になっている。絶縁板6は、前記外装缶1の
底部に配置され、前記電極体2の前記正極3が前記負極
端子を兼ねる外装缶1と電気的に接触するのを防止して
いる。非水電解液は、前記外装缶1内に収納されてい
る。防爆機能及び正極端子を兼ねる封口蓋群7は、前記
外装缶1の上端開口部に絶縁ガスケット8を介してかし
め固定されている。
極体押え板10は、前記絶縁ガスケット8の下部付近に
位置する前記外装缶1部分に前記かしめ固定により形成
された環状の括れ部11と前記電極体2の上端部との間
に配置されている。前記ガス抜き孔9は前記電極体2の
巻芯空間部12と対向する前記電極押え板10部分に開
口されている。
(D)によって構成される。すなわち、これらは、
(A)前記電極体2と対向して配置された皿状の内部蓋
体13;(B)前記内部蓋体13上に可撓性薄板の弁膜
14を介し、前記内部蓋体13周縁を内側に折り曲げて
形成した環状部15により挟持された補強板16;
(C)前記内部蓋体13の環状部15上に配置された導
電性を有する保護板17;及び(D)前記内部蓋体13
の環状部15上に周縁部を当接して配置された帽子形の
外部蓋体18である。
保護板17及び前記外部蓋体18は、それぞれガス抜き
孔19、20、21、22が備えられている。前記弁膜
14は、金属層と合成樹脂層との複合部材から構成され
ている。正極タブ23は、一端が前記電極体2の正極3
に接続され、他端が前記封口蓋群7の前記内部蓋体13
の底面部に接続されている。
解ガスの流通経路になるが、電極体2の潰れを防止する
目的で、巻芯空間12の部分にステンレスなどの金属又
はプラスチックからなるパイプを配置してもよい。
蓋体18の間には、電池内部に大電流が流れたときに電
流を遮断する機能を有する大電流過熱保護素子(以下、
「PTC」と記す)を介在させてもよい。PTCは、例
えば過充電状態により大電流が流れるような場合に、電
池内部の急激な温度上昇に伴って、その抵抗も急激に増
大することにより遮断機能を発揮する。
結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗
布、乾燥して薄板状にすることにより作製される。
例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、
リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リ
チウムニッケル酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化
物などを挙げることができる。中でも、リチウムコバル
ト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(L
iNiO2)、リチウムマンガン複合酸化物(LiMn2
O4 、LiMnO2)は、高電圧が得られるため好まし
い。
ラック、カーボンブラック、黒鉛などを挙げることがで
きる。
ルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン
(PVDF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体
(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、
カルボキシメチルセルロース(CMC)等を挙げること
ができる。
する上での重量比は、この順に80〜95:13〜3:
7〜2、好ましくは85〜90:10〜7:5〜3の範
囲である。
箔、ステンレス箔、ニッケル箔、チタン箔等を用いるこ
とができる。
エステル、ナイロンなどの合成樹脂製不織布、ポリエチ
レン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム等
を用いることができる。
炭素質物粉末(A)は、メソフェーズピッチ系炭素質物
を主原料として溶融ブロー法により繊維長が200〜3
00μm の短繊維を紡糸した後、不融化して粉砕化でき
る程度に炭素化し粉砕する。この炭素化の熱処理は60
0〜2,000℃、好ましくは800〜1,500℃で
行う。前記炭素化したメソフェーズピッチ系炭素繊維の
X線回折法による(002)面の面間隔d002 は、0.
338nm未満である。このようにして得られる炭素化繊
維を、ボールミルやジェットミルなどを用いて炭素繊維
が縦割れしにくく、かつ均一に粉砕する。粉砕して得ら
れる炭素繊維の平均繊維長は10〜100μm 、また平
均繊維径は4〜15μm の範囲とすることが好ましい。
これらの範囲を逸脱する場合は、後の黒鉛化処理によっ
て所望の平均繊維長及び平均繊維径の炭素繊維が得られ
ない。続いて、前記炭素化、粉砕処理を施した炭素繊維
を2,000℃以上、より好ましくは2,500〜3,
200℃で黒鉛化することにより、前述したメソフェー
ズピッチ系炭素繊維粉末(A)が得られる。このように
して得られるメソフェーズピッチ系炭素繊維の平均繊維
長は10〜100μm 、好ましくは30〜60μm の範
囲であり、平均繊維径は4〜10μm 、好ましくは6〜
8μm である。平均繊維長が10μm 未満の場合は粉砕
によって縦割れした繊維を含有し、平均繊維長が100
μm を越えると集電体への塗工ができないため好ましく
ない。また、平均繊維径が4μm 未満の場合は繊維の強
度が脆くなり、一方、平均炭素繊維径が10μm を越え
ると集電体への塗工ができないため好ましくない。
維粉末(A)を結着剤と混合した塗液を集電体に塗工し
たところ、電極圧延時に集電体から剥離しやすく、強度
の高い負極電極が得られない。そのため、ガラスセルに
よる単体での充放電評価結果では前記炭素繊維の特性よ
りやや劣るが炭素繊維間の空隙を補う目的で、下記の炭
素粉末との混合により圧延時に剥離しない強度の高い負
極を作製した。
天然黒鉛からなるブロック状、フレーク状または粒状の
形状の炭素質物であり、その粒度分布が15μm 以下の
粒体が70体積%以上であるかおよび/または比表面積
は3.0m2/g未満である。これら炭素粉末(B)のX線
回折法による(002)面の面間隔d002 は0.338
nm未満である。
を混合することにより、電極圧延時の剥離もなく、強度
の高い負極電極を得ることができる。これは炭素繊維粉
末(A)の空隙を炭素粉末(B)が埋め、接点が無くな
るため、集電体からの剥離がなくなるためである。炭素
繊維粉末(A)と炭素粉末(B)との配合重量比は80
〜95:20〜5、より好ましくは87〜93:13〜
7である。炭素粉末(B)の混合比が5重量%未満では
満足する電極強度が得られず、一方20重量%を越える
と電極性能が低下し、電池容量や放電レート特性に問題
がある。
(B)の混合物を含む負極5は、具体的には次のような
方法により作製される。前記メソフェーズピッチ系炭素
繊維粉末(A)及び人造黒鉛または天然黒鉛からなる炭
素粉末(B)に結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁
物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより前
記負極5を作製することができる。前記結着剤として
は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン−プロピ
レン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジ
エンゴム(SBR)、カルボキシルメチルセルロース等
を用いることができる。前記炭素質物および結着剤の配
合割合は、炭素質物90〜98重量%、結着剤2〜10
重量%の範囲にすることが好ましい。前記集電体として
は、例えば銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を用いる
ことができる。
液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製され
る。
ート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチ
ルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネー
ト(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−
ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(A
N)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレンなどが
挙げられる。
は、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化
リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(L
iBF4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(L
iCF3 SO3)などのリチウム塩(電解質)が挙げられ
る。これらリチウム塩の非水溶媒に対する溶解量は、
0.5〜1.5mol/L とすることが望ましい。
詳細に説明する。
≦1〕)粉末91重量部を、アセチレンブラック3.5
重量部、グラファイト3.5重量部及びエチレンプロピ
レンジエンモノマー粉末2重量部とともにトルエンを溶
媒として混合し、アルミニウム箔(30μm)集電体に塗
布した後、プレス加工により、正極を作製した。
繊維長200〜300μm 、繊維径9〜17μm の短繊
維に紡糸した。得られた短繊維を900℃で炭素化、粉
砕後、3,000℃で焼成して、平均繊維長40μm 、
平均繊維径7μm のメソフェーズピッチ系炭素繊維粉末
(A)を得た。この炭素繊維粉末は、N2 ガス吸着BE
T法による比表面積4m2/g、X線回折法による(00
2)面の面間隔d002 0.3364nmであった。得られ
た炭素繊維粉末(A)に、比表面積1.5m2/gの人造黒
鉛粉末と比表面積8.6m2/gで15μm 以下の粒子が9
2.2体積%のブロック状人造黒鉛粉末(いずれもd
002 が0.3365nm)の混合炭素粉末(B)を、9
0:10の重量比で添加混合し、炭素質物混合物を得
た。次いでこの混合物に、スチレンブタジエンゴム及び
カルボキシメチルセルロースを、この順で96:2.
5:1.5の重量比で添加混合し、これを銅箔集電体上
に塗布し、乾燥して負極を作製した。
レン多孔質フィルムのセパレーターを介在させ、これを
捲回して電極体とし、電解液とともにステンレス製の有
底円筒状容器内にそれぞれ収納して前述した図1に示す
円筒形リチウム二次電池を組み立てた。なお、電解液
は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)をエチレンカ
ーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)
の混合溶媒(混合体積率50:50)に1.0mol/L 溶
解して調製した。
いて、充電電流0.5Aで最大電圧4.2V まで5時間
充電し、0.7Aの電流で2.7V までの放電を3サイ
クル行った後、上記条件で充電した電池をオーブン中に
て常温から5℃/minで昇温し、165℃で5時間保持
し、弁作動を生じた電池の個数を調べた。その結果を表
1に示す。ここで、弁作動試験とは、上記条件で電池を
保持した際に、電池封口体に位置する弁膜が破裂するこ
とにより電池内部圧力の上昇を確認する試験をいう。
(B)を80:20の重量比で混合し負極を作製した。
かかる負極を用いた以外、実施例1と同様に前述した図
1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立て弁作動試験
を行った。結果を同じく表1に示す。
いて実施例1と同様の方法により負極を作製した。かか
る負極を用いた以外、実施例1と同様に前述した図1に
示す円筒形リチウム二次電池を組み立て弁作動試験を行
った。結果を同じく表1に示す。
いて実施例2と同様の方法により負極を作製した。かか
る負極を用いた以外、実施例2と同様に前述した図1に
示す円筒形リチウム二次電池を組み立て弁作動試験を行
った。結果を同じく表1に示す。
(B)との配合比を70:30の重量比で混合し負極を
作製した。かかる負極を用いた以外、実施例1と同様に
前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み立て
弁作動試験を行った。結果を同じく表1に示す。
砕後、3,000℃で焼成して、平均繊維長40μm 、
平均繊維径7μm 、N2 ガス吸着BET法による比表面
積4m2/g、X線回折法による(002)面の面間隔d
002 が0.3364nmのメソフェーズピッチ系炭素繊維
粉末(A)と、15μm 以下の粒子が92.2体積%で
d002 が0.3365nm、比表面積8.6m2/gのブロッ
ク状人造黒鉛粉末(B)を、90:10重量比で添加混
合し、炭素質物混合物を得た。次いでこの混合物に、ス
チレンブタジエンゴムおよびカルボキシメチルセルロー
スを、この順で96:2.5:1.5の重量比で添加混
合し、これを銅箔集電体上に塗布し、乾燥して負極を作
製した。かかる負極を用いた以外は、実施例1と同様に
して前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池を組み
立てた。
鉛粉末(B)を用いて、実施例3と同様の方法により負
極を作製した。かかる負極を用いた以外は、実施例1と
同様にして前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池
を組み立てた。
鉛粉末(B)を用いて、実施例3と同様の方法により負
極を作製した。かかる負極を用いた以外は、実施例1と
同様にして前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池
を組み立てた。
鉛粉末(B)を用いて、実施例3と同様の方法により負
極を作製した。かかる負極を用いた以外は、実施例1と
同様にして前述した図1に示す円筒形リチウム二次電池
を組み立てた。
(B)を80:20の重量比で混合した炭素質物を用い
た以外は、実施例1と同様にして前述した図1に示す円
筒形リチウム二次電池を組み立てた。
(B)を70:30の重量比で混合した炭素質物を用い
た以外は、実施例1と同様にして前述した図1に示す円
筒形リチウム二次電池を組み立てた。
(B)を60:40の重量比で混合した炭素質物を用い
た以外は、実施例1と同様にして前述した図1に示す円
筒形リチウム二次電池を組み立てた。
のリチウム二次電池について、充電電流0.5Aで4.
2Vまで3時間充電し、2.7Vまで1Aのハイレート
電流で放電を行い、各電池の放電容量を測定し、実施例
3の放電容量を100%とした時の放電容量比の結果を
表2に、また、同じ充放電条件での各電池の充放電サイ
クル特性を図2に示す。
例3および4のリチウム二次電池は、比較例4および5
に比べて、ハイレート特性が良好で、かつ、高い充放電
寿命が得られることがわかる。これは前記人造黒鉛粉末
(B)の粒度分布の違いにより前記炭素繊維との密着性
が向上したためと考えられる。また実施例3〜5のリチ
ウム二次電池も比較例6および7に比べてハイレート特
性、充放電サイクル特性が良好であることがわかる。こ
れは前記炭素繊維粉末(A)と前記炭素粉末との混合比
の違いにより、両炭素質物間の空隙が減少し、前記炭素
繊維の特性が最大限に生かされたためと考えられる。な
お、炭素繊維粉末(A)と混合する炭素質物としては、
天然黒鉛粉末(B)を用いた場合でも同様の結果が得ら
れた。
サイクル寿命、放電電圧の平坦性などの電池特性が優
れ、かつ安全性の高いリチウム二次電池を提供すること
ができる。
る。
電池の充放電サイクル数と放電容量維持率との関係を示
すグラフである。
Claims (1)
- 【請求項1】 リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質
物からなる負極と、正極と、非水電解液を具備したリチ
ウム二次電池において、前記炭素質物が2種類の炭素質
物の混合物からなり、 (A)その1つが、黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭
素繊維粉末であって、平均繊維長10〜100μm 、平
均繊維径4〜15μm であり、X線回折法による(00
2)面の面間隔d002 が0.338nm未満である炭素質
物; (B)他の1つが、人造黒鉛または天然黒鉛からなるブ
ロック状、フレーク状または粒状の炭素粉末であり、そ
の粒度分布が15μm 以下の粒体が70体積%以上であ
るかおよび/または比表面積が3.0m2/g未満であり、
X線回折法による(002)面の面間隔d002 が0.3
38nm未満である炭素質物;前記炭素質物(A)と
(B)の配合重量比率が80〜95:20〜5である;
ことを特徴とするリチウム二次電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21877994A JP3641648B2 (ja) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | リチウム二次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21877994A JP3641648B2 (ja) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | リチウム二次電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0883608A true JPH0883608A (ja) | 1996-03-26 |
JP3641648B2 JP3641648B2 (ja) | 2005-04-27 |
Family
ID=16725251
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21877994A Expired - Fee Related JP3641648B2 (ja) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | リチウム二次電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3641648B2 (ja) |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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