JPH10189045A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH10189045A
JPH10189045A JP9180395A JP18039597A JPH10189045A JP H10189045 A JPH10189045 A JP H10189045A JP 9180395 A JP9180395 A JP 9180395A JP 18039597 A JP18039597 A JP 18039597A JP H10189045 A JPH10189045 A JP H10189045A
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lithium secondary
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battery
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智一 吉田
Ryuji Oshita
竜司 大下
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正久 藤本
Toshiyuki Noma
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Koji Nishio
晃治 西尾
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Abstract

(57)【要約】 【構成】非水電解液の電解質塩が、LiPF6 、LiA
sF6 、LiSbF6 、LiBF4 、LiBiF4 、L
iAlF4 、LiGaF4 、LiInF4 及びLiCl
4 から選ばれた少なくとも一種のA電解質塩と、Li
N(Cn 2n+1SO2 2 〔式中、n=1、2、3又は
4〕及びLiC(Cm 2m+1SO2 3 〔式中、m=
1、2、3又は4〕から選ばれた少なくとも一種のB電
解質塩とからなる。 【効果】本発明電池は、充電状態での保存特性が良い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
に係わり、詳しくはこの種の二次電池の充電状態での保
存特性(以下、充電保存特性と記す)を改善することを
目的とした、非水電解液の電解質塩の改良に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】リチウ
ム二次電池の電池特性は、使用する非水電解液の種類に
大きく影響される。このため、従来、種々の電解質塩
(溶質)及び溶媒からなる非水電解液が提案されてい
る。例えば、特開平8−31452号公報では、電解質
塩として、溶媒に対する安定性が高く、充放電反応時に
分解しにくいLiN(CF3 SO2 2 (リチウムパー
フルオロメチルスルホニルイミド)を使用することによ
り、充放電サイクル寿命が向上することが報告されてい
る。
【0003】しかしながら、本発明者らが検討した結
果、LiN(CF3 SO2 2 を単独使用したリチウム
二次電池には、充電状態で保存した場合の自己放電が著
しいという課題があることが分かった。
【0004】したがって、本発明は、従来電池の上記の
課題を解決するべくなされたものであって、電解質塩と
してLiN(CF3 SO2 2 を単独使用した従来電池
に比べて充電保存特性が格段に良いリチウム二次電池を
提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係るリチウム二次電池(本発明電池)に
おいては、非水電解液の電解質塩として、LiPF6
LiAsF6 、LiSbF6 、LiBF4 、LiBiF
4 、LiAlF4 、LiGaF4 、LiInF4 及びL
iClO4 から選ばれた少なくとも一種のA電解質塩
と、LiN(Cn2n+1SO2 2 〔式中、n=1、
2、3又は4〕及びLiC(Cm 2m+1SO2 3 〔式
中、m=1、2、3又は4〕から選ばれた少なくとも一
種のB電解質塩とが併用される。
【0006】A電解質塩としてはLiPF6 が好まし
く、またB電解質塩としてはLiN(Cn 2n+1
2 2 〔式中、n=1、2、3又は4〕が好ましく、
中でもLiN(C2 5 SO2 2 が特に好ましい。
【0007】A電解質塩とB電解質塩のモル比は、1:
9〜9:1が好ましい。同モル比がこの範囲を外れる
と、充電保存特性が低下する。
【0008】本発明は、非水電解液の電解質塩の改良に
関する。それゆえ、電解質塩以外の他の電池材料につい
ては、リチウム二次電池用として従来公知の材料を使用
することができる。
【0009】正極活物質としては、MnO2 ;LiMn
2 4 、LiCoO2 、LiNiO2 、LiFeO2
LiTiO2 等の、Liと一種の遷移金属との複合酸化
物;及びLiと複数種の遷移金属との複合酸化物が例示
される。Liと複数の遷移金属との複合酸化物として
は、Liと、Co、Ni、Mn及びFeよりなる群から
選ばれた二種以上の遷移金属との複合酸化物が例示され
る。
【0010】負極材料としては、金属リチウム;リチウ
ム−アルミニウム合金、リチウム−鉛合金、リチウム−
錫合金等のリチウム合金;黒鉛、コークス、有機物焼成
体等の炭素材料;SnO2 、SnO、TiO2 、Nb2
3 等の電位が正極活物質に比べて卑な金属酸化物が例
示される。負極材料として炭素材料を使用する場合は、
充電保存特性が良いリチウム二次電池を得る上で、格子
面(002)面の面間隔(d002 )が3.37Å以下
で、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が200Å以上
の炭素材料を使用することが好ましい。
【0011】また、非水電解液の溶媒としては、エチレ
ンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(P
C)、ビニレンカーボネート(VC)、ブチレンカーボ
ネート(BC)等の環状炭酸エステルや、これらとジメ
チルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート
(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、
1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエト
キシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EM
E)等の低沸点溶媒との混合溶媒が例示される。なかで
も、本発明で規定する電解質塩との相性が良く、充電保
存特性を向上させる上で特に好ましい溶媒としては、一
種又は二種以上の環状炭酸エステルと一種又は二種以上
の鎖状炭酸エステルとの体積比1:4〜4:1の混合溶
媒が挙げられる。
【0012】本発明電池は、充電状態で保存した場合の
保存特性が良い。この理由は、電解質塩(A電解質塩及
びB電解質塩)と電極(正極及び負極)との反応によ
り、電極の表面に充電状態でも安定に存在するフッ素含
有被膜が形成され、このフッ素含有被膜が、充電状態で
保存中の電極と非水電解液とが、非水電解液の溶媒の分
解を伴って反応(自己放電)するのを抑制するためと推
察される。
【0013】本発明は、MnO2 、LiMn2 4 、L
iNi0.8 Co0.1 Mn0.1 2 、Li2 CoNi0.8
Mn0.2 4 、LiNi0.5 Co0.3 Mn0.1 Fe0.1
2等のマンガン含有酸化物を正極活物質の一部又は全
部として使用したリチウム二次電池に適用して特に有用
である。フッ素含有被膜の形成により、充電状態で保存
したときの溶媒の分解、すなわち非水電解液の劣化が抑
制されるのみならず、マンガンの非水電解液への溶出も
抑制されるからである。
【0014】
【実施例】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で適宜変更して実施す
ることが可能なものである。なお、マンガン含有酸化物
を正極活物質として使用したリチウム二次電池には、充
電状態における溶媒の分解に因る放電容量の減少という
活物質の種類に殆ど関係しない共通の問題の外に、マン
ガンの溶出に因る放電容量の減少という特有の問題があ
るので、この実施例では、正極にマンガンが含まれない
電池と正極にマンガンが含まれる電池とに分けて実験を
行った。すなわち、実験1〜5は、前者についての実験
であり、実験6〜9は、後者についての実験である。
【0015】(実験1)この実験では、LiCoO2
正極活物質とするリチウム二次電池について、電解質塩
の種類と充電保存特性の関係を調べた。
【0016】〔正極の作製〕LiCoO2 粉末90重量
部と、人造黒鉛粉末5重量部と、ポリフッ化ビニリデン
5重量部のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液
とを混合してスラリーを調製し、このスラリーをアルミ
ニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布して活
物質層を形成した後、150°Cで2時間真空乾燥し
て、正極を作製した。
【0017】〔負極の作製〕天然黒鉛95重量部と、ポ
リフッ化ビニリデン5重量部のNMP溶液とを混合しス
ラリーを調製し、このスラリーを銅箔の両面にドクター
ブレード法により塗布して炭素層を形成した後、150
°Cで2時間真空乾燥して、負極を作製した。
【0018】〔非水電解液の調製〕エチレンカーボネー
トとジエチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒
に、LiPF6 を0.5モル/リットル及び表1に示す
B電解質塩を0.5モル/リットル溶かして8種の非水
電解液を調製した。また、同じ混合溶媒に、表1に示す
A電解質塩を0.5モル/リットル及びLiN(C2
5 SO2 2 を0.5モル/リットル溶かして7種の非
水電解液を調製した。さらに、同じ混合溶媒に、LiN
(CF3 SO2 2 又はLiPF6 を1モル/リットル
を1モル/リットル溶かして、2種の非水電解液を調製
した。
【0019】
【表1】
【0020】〔リチウム二次電池の作製〕上記の正極、
負極及び非水電解液を用いて、AAサイズのリチウム二
次電池(電池寸法:直径14mm;高さ50mm)、す
なわち本発明電池A1〜A15及び比較電池B1,B2
を作製した。なお、いずれの電池もセパレータにポリプ
ロピレン製の微多孔膜を用いた。
【0021】〈充電保存特性試験〉各電池を、室温(2
5°C)にて、200mAで4.2Vまで定電流充電し
た後、200mAで2.75Vまで定電流放電して、そ
れぞれの電池の保存前の放電容量C1を求めた。次い
で、同じ電池を、25°Cにて、200mAで4.2V
まで定電流充電し、60°Cで20日間保存したのち取
り出して、電池温度を室温に戻した後、200mAで
2.75Vまで定電流放電して、それぞれの電池の保存
後の放電容量C2を求めた。保存前の放電容量C1及び
保存後の放電容量C2から、保存後の容量残存率を下式
に基づき算出した。結果を先の表1に示す。
【0022】 容量残存率(%)=(C2/C1)×100
【0023】表1より、本発明電池A1〜A15は、L
iN(CF3 SO2 2 又はLiPF6 をそれぞれ単独
使用した比較電池B1,B2に比べて、保存後の容量残
存率が高く、充電保存特性が良いことが分かる。また、
本発明電池A1〜A15のうち、本発明電池A2の充電
保存特性が特に良いことから、電解質塩としてはLiP
6 とLiN(C2 5 SO2 2 とを併用することが
最も好ましいことが分かる。
【0024】(実験2)この実験では、LiCoO2
正極活物質とするリチウム二次電池について、A電解質
塩とB電解質塩の好適なモル比を調べた。
【0025】エチレンカーボネートとジエチルカーボネ
ートとの体積比1:1の混合溶媒に、表2に示すLiP
6 とLiN(C2 5 SO2 2 との種々のモル比の
混合物を1モル/リットル溶かして非水電解液を調製
し、これらの非水電解液を使用したこと以外は実験1と
同様にして本発明電池A16〜A23を作製し、次いで
実験1と同じ条件の充電保存特性試験を行った。結果を
表2に示す。なお、表2には、本発明電池A2及び比較
電池B1,B2の結果も表1より転記して示してある。
【0026】
【表2】
【0027】表2に示すように、本発明電池A2及びA
17〜A22の充電保存特性が特に良い。この事実か
ら、LiPF6 とLiN(C2 5 SO2 2 とのモル
比が1:9〜9:1の電解質塩を使用することが好まし
いことが分かる。なお、LiPF6 以外のA電解質塩及
びLiN(C2 5 SO2 2 以外のB電解質塩を使用
する場合も、両電解質塩のモル比を1:9〜9:1とす
ることが好ましいことを別途確認した。
【0028】(実験3)この実験では、LiCoO2
正極活物質とするリチウム二次電池について、溶媒の種
類と充電保存特性の関係を調べた。
【0029】表3に示す種々の混合溶媒(混合体積比は
いずれも1:1)に、LiPF6 とLiN(C2 5
2 2 とのモル比1:1の混合物を1モル/リットル
溶かして非水電解液を調製し、これらの非水電解液を使
用したこと以外は実験1と同様にして本発明電池A24
〜A27を作製し、次いで実験1と同じ条件の充電保存
特性試験を行った。結果を表3に示す。なお、表3に
は、本発明電池A2の結果も表1より転記して示してあ
る。
【0030】
【表3】
【0031】表3に示すように、本発明電池A2,A2
4,A25の充電保存特性が特に良い。この事実から、
環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとの混合溶媒を使
用することが好ましいことが分かる。なお、両者の混合
体積比については、1:4〜4:1が好ましいことを別
途確認した。
【0032】(実験4)この実験では、正極活物質の種
類(LiCoO2 、LiNiO2 、LiFeO 2 又はL
iTiO2 )と充電保存特性の関係を調べた。
【0033】表4に示すLiNiO2 、LiFeO2
はLiTiO2 を正極活物質として使用したこと以外は
実験1と同様にして、本発明電池A28〜A30を作製
し、次いで実験1と同じ条件の充電保存特性試験を行っ
た。なお、非水電解液としては、エチレンカーボネート
とジエチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒
に、LiPF6 を0.5モル/リットル及びLiN(C
2 5 SO2 2 を0.5モル/リットル溶かしたもの
を使用した。結果を表4に示す。なお、表4には、本発
明電池A2(正極活物質:LiCoO2 )の結果も表1
より転記して示してある。
【0034】
【表4】
【0035】表4より、本発明によれば、正極活物質の
種類に殆ど関係なく、充電保存特性が良いリチウム二次
電池が得られることが分かる。
【0036】(実験5)この実験では、LiCoO2
正極活物質とするリチウム二次電池について、電解質塩
の種類と充放電サイクル特性の関係を調べた。
【0037】本発明電池A2及び比較電池B1,B2に
ついて、室温にて、200mAで4.2Vまで定電流充
電した後、200mAで2.75Vまで定電流放電する
工程を1サイクルとする充放電サイクル試験を行った。
結果を図1に示す。図1は、各電池の充放電サイクル特
性を、縦軸に放電容量(mAh)、横軸に充放電サイク
ル(回)をとって、示したグラフである。
【0038】図1より、本発明電池A2は、比較電池B
1,B2に比べて、充放電サイクル特性に優れることが
分かる。
【0039】(実験6)この実験では、マンガン含有酸
化物を正極活物質とするリチウム二次電池について、電
解質塩の種類と充電保存特性の関係を調べた。
【0040】〔正極の作製〕LiMn2 4 粉末又はL
iMn2 4 とLiCoO2 との混合粉末(両者の重量
比は1:1)90重量部と、人造黒鉛粉末5重量部と、
ポリフッ化ビニリデン5重量部のN−メチル−2−ピロ
リドン(NMP)溶液とを混合してスラリーを調製し、
このスラリーをアルミニウム箔の両面にドクターブレー
ド法により塗布して活物質層を形成した後、150°C
で2時間真空乾燥して、2種の正極を作製した。
【0041】〔負極の作製〕天然黒鉛(d002 =3.3
5Å;Lc>1000Å)95重量部と、ポリフッ化ビ
ニリデン5重量部のNMP溶液とを混合してスラリーを
調製し、このスラリーを銅箔の両面にドクターブレード
法により塗布して炭素層を形成した後、150°Cで2
時間真空乾燥して、負極を作製した。
【0042】〔非水電解液の調製〕エチレンカーボネー
トとジエチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒
に、表5に示す電解質塩(混合電解質塩の混合モル比は
全て1:1)を1モル/リットル溶かして非水電解液を
調製した。
【0043】
【表5】
【0044】〔リチウム二次電池の作製〕上記の正極、
負極及び非水電解液を用いて、AAサイズのリチウム二
次電池(電池寸法:直径14mm;高さ50mm)、す
なわち本発明電池A31〜A46及び比較電池B3,B
4を作製した。本発明電池A31〜A46及び比較電池
B3では、LiMn2 4 を、比較電池B4では、Li
Mn2 4 及びLiCoO2 の混合物(両者の重量比は
1:1)を、それぞれ正極活物質として使用した。
【0045】〔充電保存特性試験〕各電池について、実
験1と同じ条件の充電保存特性試験を行った。結果を先
の表5に示す。
【0046】表5に示すように、本発明電池A31〜A
46は、比較電池B3,B4に比べて、充電保存特性が
良い。正極及び負極の表面に充電状態でも安定に存在す
るフッ素含有被膜が形成され、このフッ素含有被膜が電
極と非水電解液との反応、及び、正極活物質に含まれる
マンガンの溶出を抑制したためと考えられる。また、本
発明電池A39〜A46は、本発明電池A31〜A38
に比べて充電保存特性が良い。この事実から、A電解質
塩としては、LiPF6 、LiAsF6 、LiSb
6 、LiBF4 、LiBiF4 、LiAlF4 、Li
GaF4 又はLiInF4 を使用することが好ましいこ
とが分かる。
【0047】(実験7)この実験では、LiMn2 4
を正極活物質とするリチウム二次電池について、A電解
質塩とB電解質塩の好適なモル比を調べた。
【0048】エチレンカーボネートとジエチルカーボネ
ートとの体積比1:1の混合溶媒に、表6に示すLiP
6 とLiN(C2 5 SO2 2 との種々のモル比の
混合物を1モル/リットル溶かして非水電解液を調製
し、これらの各非水電解液を使用したこと以外は本発明
電池A39の作製と同様にして本発明電池A47〜A5
2及び比較電池B5,B6を作製し、次いで実験1と同
じ条件の充電保存特性試験を行った。結果を表6に示
す。なお、表6には、本発明電池A39の結果も表5よ
り転記して示してある。
【0049】
【表6】
【0050】表6に示すように、本発明電池A39,A
48〜A51の充電保存特性が特に良い。この事実か
ら、LiPF6 とLiN(C2 5 SO2 2 とのモル
比が1:9〜9:1の電解質塩を使用することが好まし
いことが分かる。なお、LiPF6 以外のA電解質塩及
びLiN(C2 5 SO2 2 以外のB電解質塩を使用
する場合も、両電解質塩のモル比を1:9〜9:1とす
ることが好ましいことを別途確認した。
【0051】(実験8)この実験では、LiMn2 4
を正極活物質とするリチウム二次電池について、溶媒の
種類と充電保存特性の関係を調べた。
【0052】表7に示す種々の混合溶媒(混合体積比は
いずれも1:1)に、LiPF6 とLiN(C2 5
2 2 とのモル比1:1の混合物を1モル/リットル
溶かして非水電解液を調製し、これらの非水電解液を使
用したこと以外は本発明電池A39の作製と同様にして
本発明電池A53〜A56を作製し、これらの電池につ
いて実験1と同じ条件の充電保存特性試験を行った。結
果を表7に示す。なお、表7には、本発明電池A39の
結果も表5より転記して示してある。
【0053】
【表7】
【0054】表7に示すように、本発明電池A39,A
53〜A55の充電保存特性が特に良い。この事実か
ら、混合溶媒を使用する場合は、環状炭酸エステルと鎖
状炭酸エステルとの混合溶媒を使用することが好ましい
ことが分かる。なお、二種の炭酸エステルの混合体積比
は、1:4〜4:1が好ましいことを別途確認した。
【0055】(実験9)この実験では、LiMn2 4
を正極活物質とするリチウム二次電池について、負極材
料の種類と充電保存特性の関係を調べた。
【0056】負極材料として、天然黒鉛に代えて、人造
黒鉛(d002 =3.37Å、Lc=200Å)又はコー
クス(d002 =3.38Å、Lc=20Å)を用いたこ
と以外は本発明電池A39の作製と同様にして本発明電
池A57,A58を作製し、次いで実験1と同じ条件の
充電保存特性試験を行った。結果を表8に示す。なお、
表8には、本発明電池A39の結果も表5より転記して
示してある。
【0057】
【表8】
【0058】表8より、充電保存特性の良いリチウム二
次電池を得る上で、炭素材料としては、コークスよりも
黒鉛を用いる方が好ましいことが分かる。なお、黒鉛と
しては、格子面(002)面の面間隔(d002 )が3.
37Å以下で、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が2
00Å以上のものが好ましいことを、別途確認した。
【0059】
【発明の効果】本発明電池は、非水電解液の電解質塩と
して特定の電解質塩を使用しているので、充電保存特性
が良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明電池及び比較電池の充放電サイクル特性
を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能間 俊之 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 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

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】非水電解液の電解質塩が、LiPF6 、L
    iAsF6 、LiSbF6 、LiBF4 、LiBi
    4 、LiAlF4 、LiGaF4 、LiInF4 及び
    LiClO4 から選ばれた少なくとも一種のA電解質塩
    と、LiN(Cn 2n+1SO2 2 〔式中、n=1、
    2、3又は4〕及びLiC(Cm 2m+1SO2 3 〔式
    中、m=1、2、3又は4〕から選ばれた少なくとも一
    種のB電解質塩とからなることを特徴とするリチウム二
    次電池。
  2. 【請求項2】非水電解液の電解質塩が、LiPF6 とL
    iN(C2 5 SO2 2 とからなる請求項1記載のリ
    チウム二次電池。
  3. 【請求項3】A電解質塩とB電解質塩のモル比が、1:
    9〜9:1である請求項1記載のリチウム二次電池。
  4. 【請求項4】非水電解液の溶媒が、環状炭酸エステルと
    鎖状炭酸エステルとの体積比4:1〜1:4の混合溶媒
    である請求項1記載のリチウム二次電池。
  5. 【請求項5】正極活物質の一部又は全部がマンガン含有
    酸化物である請求項1記載のリチウム二次電池。
  6. 【請求項6】負極材料が、格子面(002)面の面間隔
    (d002 )が3.37Å以下で、且つc軸方向の結晶子
    の大きさ(Lc)が200Å以上の炭素材料である請求
    項1記載のリチウム二次電池。
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