JPH11307122A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH11307122A
JPH11307122A JP10114972A JP11497298A JPH11307122A JP H11307122 A JPH11307122 A JP H11307122A JP 10114972 A JP10114972 A JP 10114972A JP 11497298 A JP11497298 A JP 11497298A JP H11307122 A JPH11307122 A JP H11307122A
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secondary battery
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Tokuo Inamasu
徳雄 稲益
Takeshi Cho
毅 趙
Kazuya Okabe
一弥 岡部
Toshiaki Kojima
敏明 小島
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Yuasa Corp
Yuasa Battery Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高容量、高エネルギー密度かつ安全性に優
れ、特に高温での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を目的とする。 【構成】 負極活物質と、マンガンを含有する正極活物
質からなるリチウム二次電池において、その非水電解質
に含まれる塩が、下記一般式(1) (R1 SO2 )(R2 SO2 )NLi ・・・・
一般式(1) からなることを特徴とするリチウム二次電池とすること
で、上記目的を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム二次電池に
係り、電位平坦性、高出力、高エネルギー密度かつ安全
性、サイクル特性に優れ、特に高温使用時に於けるサイ
クル寿命が優れたリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池の負極として、従来よ
りリチウム金属及びリチウム合金が用いられてきたが、
これらの電池は、樹枝状リチウムの析出(デンドライ
ト)による正負両極の短絡を発生しやすく、またサイク
ル寿命が短いためその劣化分を補償すべく電池容量の3
倍当量のリチウムが必要であり、エネルギー密度が低い
という欠点があった。最近ではこれらの問題点を解決す
るため炭素材料を負極に用いる研究が活発である。この
種の負極、特に黒鉛化の進んだグラファイトを用いる場
合、例えば正極にマンガン酸リチウムを用いると、電池
電圧がフラットなものになり、単電池使用の携帯機器に
用いる場合容量面で優位性がある。このマンガン酸リチ
ウムは、コバルト酸リチウムと同じ4Vを示す材料であ
り、しかもマンガンは資源的に豊富であり安価かつ安全
性に優れていることから、重要な正極活物質の一つであ
る。しかしながら、このマンガン酸リチウムを用いて高
温の充放電を行うと、サイクル劣化が大きくなることが
分かった。その原因の1つとして充電状態に於ける活物
質からのマンガンの電解液への溶出が挙げられる。つま
り、活物質からマンガンが溶け出すことにより、マンガ
ンの酸化還元による電子の授受ができなくなり、実質的
な理論容量の低下が考えられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述した如く、マンガ
ンを含有する正極活物質を用いた場合、高温でのサイク
ル劣化という問題がある。本発明は、この問題点を解決
するため、正極活物質を構成する主活物質にマンガンが
含まれるリチウム二次電池において、その非水電解質に
含まれる塩が、下記一般式(1) (R1 SO2 )(R2 SO2 )NLi ・・・・ 一般式(1) からなるイミド塩を用いることにより、高容量、高エネ
ルギー密度かつ安全性に優れ、特に高温での充放電サイ
クル特性の優れたリチウム二次電池を提供することを目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】正極活物質としてマンガ
ンが含まれるリチウム二次電池において、例えばスピネ
ル構造を有するマンガン酸リチウムの場合、4V付近に
平坦な電位を示すため、従来正極活物質に用いられてい
るコバルト酸リチウムとほぼ同等の材料として代用する
ことが可能である。マンガンはコバルトに比べると資源
的に豊富であるため安価であり、その上安全性の点でも
有利であることから、次世代の有望な活物質として一部
商品化も行われている。しかしながら、マンガン酸リチ
ウムは充電状態においてマンガンが電解液に溶出し、そ
の結果充放電容量が低下すると考えられている。この溶
出の原因として、電解液中に不純物として存在するフッ
酸の影響が考えられる。通常電解液に用いられる溶質は
LiPF6 やLiBF4 等の無機塩が用いられている。
この様な無機塩の場合、電池内部に混入した水や熱によ
り分解し、フッ酸を生成することが知られている。つま
り、高温保存中に多量のフッ酸が生成することで、マン
ガンの溶出を促進していることが考えられる。
【0005】一方、溶質に炭素を含有している有機含フ
ッ素リチウム塩については水や熱による分解が少なく、
フッ酸を生成しにくいことが分かった。つまり、マンガ
ン酸リチウム等のマンガンが含まれる活物質に有機含フ
ッ素リチウム塩を用いることで、高温安定性が向上する
ことが期待される。
【0006】しかしながら、マンガン酸リチウムの様な
4V級の活物質を用いて有機含フッ素リチウム塩である
LiN(SO2 CF3 2 を溶質に使用する場合、集電
体に用いられているアルミニウム箔を溶解し電流がとれ
なくなることが分かった。つまり、従来より用いられて
いる4V級の活物質においてLiN(SO2 CF3 2
は、使用し難い塩であった。
【0007】ところが、LiN(SO2 2 5 2
LiN(SO2 CF3 )(SO2 4 9 )といったよ
うな上記以外の有機含フッ素リチウム塩を用いると4V
級の活物質を使用した場合においても集電体のアルミニ
ウム箔の溶解が認められず、充放電が可能なことが分か
った。つまり、この様な有機フッ素含有リチウム塩を用
いることで、マンガン酸リチウムの高温特性が改善され
ることを見い出した。本発明に用いる負極材料として
は、リチウムを吸蔵、放出できる物で有ればよい。但
し、炭素を負極に用いる電池の場合その効果は顕著であ
る。炭素材料としては、特にX線回折法による面間隔
(d002)が3. 354〜3. 369Åで、C軸方向
の結晶の大きさ(Lc)が200Å以上でのものが、高
容量が得られるため好ましい。
【0008】本発明に用いる炭素材料は、平均粒子サイ
ズ100μm以下であることが望ましい。所定の形状の
粉体を得るためには粉砕機や分級機が用いられる。例え
ば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊
星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミ
ル、旋回気流型ジェットミルや篩等が用いられる。粉砕
時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた
湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、特
に限定はなく、篩や風力分級機などが乾式、湿式ともに
必要に応じて用いられる。
【0009】本発明に併せて用いることができる負極材
料としては、リチウム金属、リチウム合金などや、カル
コゲン化合物、メチルリチウム等のリチウムを含有する
有機化合物等が挙げられる。また、リチウム金属やリチ
ウム合金、リチウムを含有する有機化合物を併用するこ
とによって、本発明に用いる炭素材料にあらかじめリチ
ウムを挿入することも可能である。
【0010】正極、負極の電極合剤として導電剤や結着
剤やフィラー等を添加することができる。導電剤として
は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であ
れば何でも良い。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒
鉛、土状黒鉛など)、人造黒鉛、カーボンブラック、ア
セチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイ
スカー、炭素繊維や金属(銅、ニッケル、アルミニウ
ム、銀、金など)粉、金属繊維、導電性セラミックス材
料等の導電性材料を1種またはそれらの混合物として含
ませることができる。これらの中で、アセチレンブラッ
クとケッチェンブラックの併用が望ましい。その添加量
は1〜50重量%が好ましく、特に2〜30重量%が好
ましい。
【0011】また、正極及び負極活物質粉体の少なくと
も表面層部分をカルシウム化合物以外の物で修飾するこ
とも可能である。例えば、金、銀、カーボン、ニッケ
ル、銅等の電子伝導性のよい物質や、炭酸リチウム、ホ
ウ素ガラス、固体電解質等のイオン伝導性のよい物質を
メッキ、焼結、メカノフュージョン、蒸着等の技術を応
用してコートすることが挙げられる。
【0012】結着剤としては、通常、テトラフルオロエ
チレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、エチレン−プロピレンジエンターポリマー
(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエ
ンゴム(SBR)、フッ素ゴム、カルボキシメチルセル
ロース等といった熱可塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリ
マー、多糖類等を1種または2種以上の混合物として用
いることができる。また、多糖類の様にリチウムと反応
する官能基を有する結着剤は、例えばメチル化するなど
してその官能基を失活させておくことが望ましい。その
添加量としては、1〜50重量%が好ましく、特に2〜
30重量%が好ましい。
【0013】フィラーとしては、電池性能に悪影響を及
ぼさない材料であれば何でも良い。通常、ポリプロピレ
ン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、アエロジ
ル、ゼオライト、ガラス、炭素等が用いられる。フィラ
ーの添加量は0〜30重量%が好ましい。
【0014】電極活物質の集電体としては、構成された
電池において悪影響を及ぼさない電子伝導体であれば何
でもよい。例えば、正極用集電体としては、アルミニウ
ム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、焼成炭素、導電
性高分子、導電性ガラス等の他に、接着性、導電性、耐
酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅等の表面をカー
ボン、ニッケル、チタンや銀等で処理したものを用いる
ことができる。負極用集電体としては、銅、ステンレス
鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、導電
性高分子、導電性ガラス、Al−Cd合金等の他に、接
着性、導電性、耐酸化性向上の目的で、銅等の表面をカ
ーボン、ニッケル、チタンや銀等で処理したものを用い
ることができる。これらの材料については表面を酸化処
理することも可能である。これらの形状については、フ
ォイル状の他、フィルム状、シート状、ネット状、パン
チ又はエキスパンドされた物、ラス体、多孔質体、発泡
体、繊維群の形成体等が用いられる。厚みは特に限定は
ないが、1〜500μmのものが用いられる。
【0015】本発明に用いられるマンガンが含まれる正
極活物質としては、MnO2 ,Lix Mn2 4 ,Li
y [Mn2-x x 4 ],LiMnO2 ,Li4 Mn5
12,Lix Ni1-y Mny 2 ,Lix Cr1-y Mn
y 2 等の金属酸化物が有効であり、特に4V級以上の
活物質である一般式(2) Liy [Mn2-x x ]O4 ・・・・ 一般式(2) で示されるリチウム含有マンガン酸化物が有効である。
ここで、一般式(2)中のMは、マンガンと置換しうる
元素で有れば特に限定されない。好ましくはアルカリ金
属、アルカリ土類金属、遷移金属が好ましく、最も好ま
しくは、少なくともLi、Ca、Fe、Ni、Cr、C
o、Tb、In、Mgで示される1種類以上の元素であ
る。一般式(2)中の異種元素置換量を示すx値につい
ては置換できる最大量まで有効であるが、好ましくは放
電容量の点から0≦x≦1である。一般式(2)中のリ
チウム量を示すy値についてはリチウムを可逆的に利用
しうる最大量が有効であるが、好ましくは放電容量の点
から0≦y≦2である。
【0016】セパレーターとしては、イオンの透過度が
優れ、機械的強度のある絶縁性薄膜を用いることができ
る。耐有機溶剤性と疎水性からポリプロピレンやポリエ
チレンといったオレフィン系のポリマー、ガラス繊維、
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等
からつくられたシート、微孔膜、不織布、布が用いられ
る。セパレーターの孔径は、一般に電池に用いられる範
囲のものであり、例えば0.01〜10μmである。ま
た、その厚みについても同様で、一般に電池に用いられ
る範囲のものであり、例えば5〜300μmである。
【0017】また、電解質としては、例えば有機電解
液、高分子固体電解質、無機固体電解質、溶融塩等を用
いることができ、この中でも有機電解液を用いることが
好ましい。この有機電解液の有機溶媒として、プロピレ
ンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカー
ボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネー
ト、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等
のエステル類や、テトラヒドロフラン、2−メチルテト
ラヒドロフラン等の置換テトラヒドロフラン、ジオキソ
ラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキ
シエタン、メトキシエトキシエタン等のエーテル類、ジ
メチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、
アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチル、N−メチル
ピロリドン、ジメチルフォルムアミド等が挙げられ、こ
れらを単独又は混合溶媒として用いることができる。
【0018】また、支持電解質塩としては、一般式
(1) (R1 SO2 )(R2 SO2 )NLi ・・・・ 一般式(1) で示される塩が望ましい。例えば、LiN(CF3 SO
2 2 ,LiN(CF2ClSO2 2 ,LiN(CF
2 BrSO2 2 ,LiN(CF2 ISO2 2,Li
N(C2 5 SO2 2 ,LiN(C3 7
2 2 ,LiN(C4 9 SO2 2 ,LiN(CF
3 SO2 )(C2 5 SO2 ),LiN(CF3
2 )(C3 7 SO2 ),LiN(CF3 SO2
(C4 9 SO2 ),LiN(C2 5 SO2 )(C3
7 SO2 ),LiN(C2 5 SO2 )(C4 9
2 ),LiN(C3 7 SO2 )(C4 9
2 ),LiN(CF2 HSO2 2 ,LiN(CFH
2 SO2 2 ,LiN(CH3 SO2 2 ,LiN(C
2 4 HSO2 2 ,LiN(C2 3 2
2 2 ,LiN(C2 23 SO2 2 ,LiN
(C2 FH4 SO2 2 ,LiN(C2 5
2 2,LiN(C2 2 SO2 2 等の有機リチウ
ム塩が挙げられる。さらに、一般式(1)中のR1 、R
2 がCn 2n+1で表され、nは1から4までの数であ
り、R1 =R2 又はR1 ≠R2 である有機含フッ素リチ
ウム塩が好ましい。これらの中でもイオン伝導度が良好
なR1 、R2 がR1 =R2 =C2 5 あるいはR1 、R
2 がR1 =C4 9 、R2 =CF3 で示される有機含フ
ッ素リチウム塩が最も好ましい。
【0019】一方、高分子固体電解質として用いる場合
は、上記のような支持電解質塩をポリエチレンオキシド
やその架橋体、ポリフォスファゼンやその架橋体等とい
ったポリマーの中に溶かし込んだものを用いることがで
きる。さらに、Li3 N,LiI等の無機固体電解質も
使用可能である。つまり、リチウムイオン導伝性の非水
電解質であればよい。
【0020】さらに、上記のような塩を用いることによ
り、負極の炭素材料においても容量の増大が確認され
た。このことについて理由は定かでないものの、以下の
ように考察される。前述のように、電池内部において、
電池の充放電に関与しない種々の不純物を含んでいるこ
とが多い。例えばLiPF6 を電解質に用いる場合、塩
そのものが不純物を持ち込んだり、電池内部や溶媒中に
含まれる極微量の水や熱によって分解し、HF(フッ
酸)を生じることが考えられる。リチウム吸蔵の際に炭
素材料表面では、電解液と炭素材料の間に炭酸リチウム
のようなイオン伝導性の高い被膜を形成するが、この被
膜形成時あるいは形成後にフッ酸の様な酸が存在する
と、イオン伝導性の低いハロゲン化リチウムを生じる。
炭素材料と電解液の界面に生じたハロゲン化リチウム
は、リチウムの吸蔵放出を妨げ、その結果負極の容量特
性を低減する原因の一つと考えられる。そこで、上記の
ようなフッ酸を生成し難い塩を用いることにより炭素材
料と電解液の界面にフッ化リチウムが生成し難いため、
界面抵抗の増大が抑えられ容量増加につながったと考え
られる。
【0021】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。
【0022】(実施例1)マンガンを含有する正極活物
質としてLi[Mn1.9 Li0.1 ]O4 を、負極活物質
としてリチウムを吸蔵放出可能な人造黒鉛(粒径6μ
m)を用い、次のようにして図1に示すコイン型リチウ
ム二次電池を試作した。まず、負極活物質とポリテトラ
フルオロエチレン粉末とを重量比95:5で混合し、ト
ルエンを加えて十分混練した。これをローラープレスに
より厚さ0.1mmのシート状に成形した。次にこれを
直径16mmの円形に打ち抜き、減圧下200℃で15
時間乾燥して負極2を得た。負極2は負極集電体7の付
いた負極缶5に圧着して用いた。
【0023】次に正極活物質とアセチレンブラック及び
ポリテトラフルオロエチレン粉末とを重量比85:1
0:5で混合し、トルエンを加えて十分混練した。これ
をローラープレスにより厚み0.8mmのシート状に成
形した。次にこれを直径16mmの円形に打ち抜き、減
圧下150℃で15時間乾燥し正極1を得た。正極1は
正極集電体6の付いた正極缶4に圧着して用いた。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の混合溶剤に電解質としてLiN(SO2
3 )(SO2 4 9 )を1mol/l溶解した電解
液を用い、セパレータ3にはポリプロピレン製微多孔膜
を用いた。上記正極、負極、電解液及びセパレーターを
用いて直径20mm、厚さ1.6mmのコイン型リチウ
ム電池を作製した。この電池を電池Aとする。
【0024】(比較例)電解質としてLiN(SO2
3 )(SO2 4 9 )の代わりにLiPF6 を用
い、それ以外は実施例2と同様にして電池を作製した。
得られた電池を比較電池とする。
【0025】(実施例2)電解質としてLiN(SO2
CF3 )(SO2 4 9 )の代わりにLiN(SO2
CF3 2 を用い、それ以外は実施例1と同様にして電
池を作製した。得られた電池を電池Bとする。
【0026】(実施例3)電解質としてLiN(SO2
CF3 )(SO2 4 9 )の代わりにLiN(SO2
2 5 2 を用い、それ以外は実施例1と同様にして
電池を作製した。得られた電池を電池Cとする。
【0027】これらの電池A、B、C、比較電池を用い
て充放電試験を行なった。充放電速度は充電カット電圧
を4.1V、放電カット電圧を2.7Vとし、1mAの
定電流充放電を行った。試験温度は、室温と40℃で行
った。得られた5サイクル目の放電容量の結果を表1に
示した。また、サイクル寿命として放電容量が初期の6
0%に低下した時点のサイクル数を測定した。
【0028】
【表1】
【0029】主活物質にマンガンが含まれその非水電解
液が下記一般式(1) (R1 SO2 )(R2 SO2 )NLi ・・・・ 一般式(1) で示される電解質を用いた電池A、Cは、比較電池に比
べて初期の放電容量は変わらなかったが、40℃でのサ
イクル寿命が良くなることが分かる。つまり、高温にお
いても塩の分解が少なく、これによってフッ酸の生成が
抑制されるため、正極活物質中のマンガンの溶出が抑え
られることによりサイクル寿命が向上したと考えられ
る。また、20℃でのサイクル特性も優れていることが
分かった。これは、LiPF6 の様な無機塩に比べて、
フッ酸の生成が少ない一般式(1)で示される塩を用い
ることにより、炭素表面に生成する表面被膜において、
フッ酸の存在下で生成する抵抗の高いフッ化リチウムで
はなく、フッ素の関与しない比較的抵抗の低い炭酸リチ
ウムや酸化リチウムといったような成分で構成されてい
ることが考えられる。
【0030】一方、一般式(1)で示される塩のうちL
iN(SO2 CF3 2 を用いた電池Bにおいては初期
の充放電は可能であっったが、5サイクル目において
は、ほとんど容量が得られなかった。その後サイクルを
行わずに、この電池を解体してみると、集電体に用いた
アルミ箔の溶解が確認された。つまり、今回正極に用い
た4V級の活物質であるLi[Mn1.9 Li0.1 ]O4
の場合、この塩を用いると充放電反応のほかにアルミ集
電体を溶解する反応が進行し、集電がとれなくなること
により容量が低下したものと考えられる。
【0031】上記実施例においては、マンガンが含まれ
る正極活物質としてLi[Mn1.9Li0.1 ]O4 を、
負極活物質として人造黒鉛を、一般式(1)の塩の例と
してLiN(SO2 CF3 )(SO2 4 9 )、Li
N(SO2 CF3 2 、LiN(SO2 2 5 2
ついて挙げたが、同様の効果が他の一般式(1)で示さ
れる塩についても確認された。なお、本発明は上記実施
例に記載された活物質の出発原料、製造方法、正極、負
極、電解質、セパレータ及び電池形状などに限定される
ものではない。
【0032】
【発明の効果】本発明は上述の如く構成されているの
で、高温に於けるサイクル劣化が少なく、さらに室温に
於けるサイクル特性も向上する。また、その処理が簡単
であることから、リチウム二次電池の優れた改質の方法
であり、その結果得られるリチウム二次電池は、高容
量、高エネルギー密度かつ安全で、優れた充放電サイク
ル特性を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係るコイン型リチウム二次電
池の断面図である。
【符号の説明】
1 正極 2 負極 3 セパレータ 4 正極缶 5 負極缶 6 正極集電体 7 負極集電体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小島 敏明 大阪府高槻市城西町6番6号 株式会社ユ アサコーポレーション内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負極活物質と、マンガンを含有する正極
    活物質からなるリチウム二次電池において、その非水電
    解質に含まれる塩が、下記一般式(1) (R1 SO2 )(R2 SO2 )NLi ・・・・ 一般式(1) 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】 前記塩が、前記一般式(1)中のR1 、
    R2 がCn 2n+1で表され、nは1から4までの数であ
    り、R1 =R2 又はR1 ≠R2 である有機含フッ素リチ
    ウム塩であることを特徴とする請求項1記載のリチウム
    二次電池。
  3. 【請求項3】 前記負極活物質の主構成物質がリチウム
    を吸蔵、放出可能な炭素材料であり、前記正極活物質の
    主構成物質がスピネル構造を有するリチウム含有マンガ
    ン酸化物であることを特徴とする請求項1記載のリチウ
    ム二次電池。
  4. 【請求項4】 前記正極活物質の主構成物質が、下記一
    般式(2) Liy [Mn2-x x ]O4 ・・・・ 一般式(2) (但し、一般式(2)中のMは少なくともLi、Ca、
    Fe、Ni、Cr、Co、Tb、In、Mgで示される
    1種類以上の元素であり、xは0≦x≦1である)で示
    されるスピネル構造を有するリチウム含有マンガン酸化
    物であることを特徴とする請求項1記載のリチウム二次
    電池。
  5. 【請求項5】 前記塩の一般式(1)中のR1 、R2
    が、R1 =R2 =CF3以外の塩であることを特徴とす
    る請求項1記載のリチウム二次電池。
  6. 【請求項6】 前記塩の一般式(1)中のR1 、R2
    が、R1 =R2 =C2 5 であることを特徴とする請求
    項1記載のリチウム二次電池。
  7. 【請求項7】 前記塩の一般式(1)中のR1 、R2
    が、R1 =C4 9 、R2 =CF3 であることを特徴と
    する請求項1記載のリチウム二次電池。
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