JPS60167279A - 再充電可能な電気化学装置 - Google Patents

再充電可能な電気化学装置

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JPS60167279A
JPS60167279A JP59023128A JP2312884A JPS60167279A JP S60167279 A JPS60167279 A JP S60167279A JP 59023128 A JP59023128 A JP 59023128A JP 2312884 A JP2312884 A JP 2312884A JP S60167279 A JPS60167279 A JP S60167279A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、移動用直流電源、バックアップ用電源などに
用いる再充電可能な電気化学装置に関する。
従来例の構成とその問題点 従来、充電可能な二次電池としてはニッケルーカドミウ
ム電池、鉛蓄電池などがあり、さらにエレクトロニクス
機agのバックアップ用二次電源として、電気二重層を
利用したキャパシタなどかある。とくに近年では、バッ
クアップ用電源の市場が拡大されており、高信頼性、高
エネルギーのこの種再充電可能な電気化学装置が要望さ
れている。
一方、−次電池として有機電解液を用いたリチウム電池
が実用化されて久しいが、電圧が単セル 。
当たり3vという高エネルギーで、かつ面1漏液性、保
存特性にすぐれてお9、高エネルギー、高信頼性電池と
して市場に定着している。
このリチウム電池が充電可能となれば、軽薄短小化が進
むエレクトロニクス機器用の主電源ある′ハはバックア
ップ電源として最適となる。
これらのことを背景に、こ\数年間、リチウム金属を負
極とし、有機電解液を用いるリチウム二次電池の開発が
さかんに行われているっしかしながら、充放電サイクル
寿命が十分でなく、い1だ商品化されていないのが現状
である。
その原因は、負極のリチウム金属はそのもの単体では充
放電の再現性が十分でなく、リチウム極の表面に、リチ
ウムのゲントライトなとを生成し、長期の充放電サイク
ルに面寸えることができないことにある。また、正極に
おいても、すぐれた充放電ザイクル特性を示す活物質が
ない。
そこで、負極にリチウム金属を用い、正極に電気二重層
を利用した活性炭電極を用いる試みがある。
活性伏極は、非常に大きな有効表面積を有し、正分極に
より、活性炭表面の数への電解液層に、アニオンを吸着
させ、電気二重層として電気エネルギーをチャージさせ
ることができる。この電気二重層のアニオンの吸着、脱
着により、充放電が可能となるわけである。また、活性
炭自身は活物質でなく酸化還元反応をほとんど伴わない
ので、自己消耗することなく、安定した状態で充放電を
繰り返すことができるのである。ただし、活性炭であれ
ば何でもよいというわけではなく、活性炭の表面積や純
度、孔径などにより、電気容量や充放電サイクル寿命な
どの特性が異なり、適度な表面積と孔径及び純度のすぐ
れていることが必要な条件である。
一方、負極として用いるリチウム金属は、リチウムがイ
オンになったシ金属になったりする酸化還元反応である
が、放電によって電解液中に遊離したリチウムイオンは
、充電時に必ずしもリチウム金属となって戻らず、樹枝
状、泡状のリチウム極となってし貰い、そのために、セ
パレータ中にリチウム金属が析出して、正負極が帰路し
たり、リチウム金属が遊離したりし、充放電寿命が必ず
しも十分てなかった。
しかしながら、リチウム金属の放電深度を浅くすれば、
充電時のリチウム金属の戻りもよく、数百サイクルでも
可能となる。ただし、これたけでは、長期信頼性の観点
からみると、まだまだ十分とはいえない。そこで、その
改良策として適当な合金にリチウムを吸蔵させ、充放電
サイクル寿命を向上させることが試みられている。この
手法は非常に有効と思われるが、用い方にまだ解決すべ
き問題があり、そのために1サイクルの電気容量を十分
にだすことができなかった。
発明の目的 本発明は、以上のような従来の欠点を克服するもので、
負極を改良することにより、充放電の容量及びサイクル
ツr命を向上させることを目的とする。
発明の構成 本発明は、上記の目的を達成するため、充・放電により
リチウムを吸蔵・放出する機能を有する金属寸たは合金
とリチウムを張り合わせた負極を用いるものである。
前記の金属または合金としては、ヒスマス、鉛。
錫及びカドミウムよりなる群から選択される金属または
前記の群から選択される少なくとも二種の金属からなる
合金が好適である。特に、前記四種の金属からなる合金
は融点が100°C以下、と低く、柔らかく、理由は定
かではないがリチウムを吸蔵し易く、また、電気化学的
にリチウムをイオン化遊離することも容易である。この
合金にリチウムを吸蔵させることによって合金格子中に
入り込んでいくのであるが、充放電した場合にもリチウ
ム金属単体の場合のように金属表面にリチウムか堆積す
ることはなく、しかも合金中にリチウムが入り込むにし
たがって、充放電にあづかるリチウム合金上てリチウム
の樹枝や固まりを形成することはないので、充放電サイ
クル寿命を飛躍的に向上させることができる。
たたし、この合金たけでは充放電にあづかるリチウムの
吸蔵てきる量が小さい。その理由は、リチウムを多く吸
蔵すると合金がもろくなり、極端には粉状になってしま
うからである。
そこで、合金とリチウムを張り合わせることにより、負
極容量を増大させ、しかも長期充放電サイクルに亘って
安定化させることに成功したつこれは、理由は定かでは
ないが、合金とリチウムを張り合わせることにより、合
金中のリチウムが放電中にイオン化して減少する分、張
り合わせたリチウムよシソチウムを補う作用をするため
と考えられる。
また、合金のみの場合、充放電をくり返すことにより、
わずかずつではあるが硬化が進み微粉化され、その結果
、封口板などの負極支持体との密着性が徐々に劣化し、
やがては、充放電サイクル寿命特性に悪影響をきだすこ
とがあった。
ところが、合金にリチウムを張り合わせた状態では、合
金が充放電によって多少硬化や微粉化が進んだとしても
、張り合わせたリチウム金属が柔らかく、結着性がよい
ので、合金がリチウム金属にしっかりと保持され、リチ
ウム金属を介して封口板との密着性も保持される。した
がって、充放電特性になんら悪影響を及ぼすことなく、
電気容量を向上させることができる。
前記の合金は、一般的には低融点合金と知られ、半田な
どに応用される。その代表例としてはビスマス:鉛:錫
:カドミウムの重量比が60:24:12:14の組成
の合金があり、これはウッド合金として知られている。
本発明ではこのウッド合金に近い組成のものは最適であ
るが、必ずしもこれに限られるものではなく、上記の組
成の中のとれか単一金属あるいは二種類以上の金属から
なる合金でも十分効果を発揮する。
正極に用いる活性炭としては、電気ニ重層をより多く形
成し易いように、適度な孔径を有し、かつ表面積の大き
いこと、及び純度にすぐれ、電導性及び成形性にすぐれ
ることなどが必要な条件である。通常の活性炭粒子でも
よいが、表面積が最高でもBET法で150o yn2
/g以下で必ずしも犬きくばなく、そのために電気容量
はあ寸り向上させることができない。さらに通常の木炭
やヤシガラ炭、あるいは石油系炭素材から得られる活性
炭中には、不純物金属や、賦活工程などに混入するクロ
ルイオンなどが残存し、それらが充放電時に触媒作用を
して電解液を分解し、充放電サイクル寿命を低下させる
原因ともなるので十分とはいえない。好ましくは活性炭
素繊維を用いる方法がよい。一般的に活性炭繊維は、レ
ーヨン・ポリアクリロニトリルなどの樹脂繊維を賦活処
理して得られるものであるが、その中でもノボラック型
フェノール樹脂より得たものは、とくに表面積が太き(
1500m2/!gから2500 m2/g i テ可
能である。また、金属分も少なく、賦活工程においても
水蒸気賦活により、クロルイオンなどのアニオンがほと
んど入らず高純度である。しかも繊維状であるのでバイ
ンダーを用いずに、織布、不織布などの布状、クロス状
にすることが可能である。
さらに、ノボラック型フェノール樹脂から得たものは、
繊維強度がもっとも強く、耐熱性にすぐれ、しかも布状
にした場合の密度が均一である。
これらのことから、活性炭粒子でもよいが活性炭素繊維
の方が電気容量がさらに大きく、しかも電解液が分解さ
れにくく、充放電サイクル寿命が向上する。もちろん、
ノボラック型フェノール樹脂から得た活性炭繊維はこれ
らの中でもっとも大きな効果を発揮する。
なお、電解液としては、ポロピレンカーボネート、γ−
ブチロラクトン、1.2−ジメトキシエタンなどの単独
せたは混合液を溶媒とし、LiClO4。
LiBF4 、 LiAdCd4. LiPF6 i 
トノIJ チウム塩の単独もしくは混合物を溶質として
溶かしたものを用いることができる。
実施例の説明 以下、実施例によって本発明をさらに詳しく説明する。
実施例1 ビスマス、鉛、錫、カドミウムの重量比が52:30:
10:8の組成の合金を厚さ50 p 772のシート
状に圧延し、これを後述の電解液と同じ組成の電解液中
に浸漬し、リチウム極を対極として電解還元し、リチウ
ムを前記合金に吸蔵させ、リチウム吸蔵合金とする。リ
チウムの吸蔵量は合金に対し約10重量%とした。次に
、この合金と厚さo、1mmのリチウムシートとを ド
ライエアーの雰囲気で圧着し、直径14.○ mmの大
きさに打ち抜いた。これを負極とする。
一方、ノボラック型フェノール樹脂を加工して厚さ0.
8ffffiのシート状とした後、約10o O’Cで
賦活処理をし、比表面積的2000 m27g 、細孔
半径10〜5oへの活性炭素繊維を得た。このシ極とす
る。
これらの正、負極を用い第1図に示すようなコイン型の
電気化学素子を作った。その大きさは直径20mm、厚
さ16mmである。
次に、この素子の組み立て方法を説明するつまず、ポリ
プロピレンからなる絶縁封口リング1を負極端子を兼ね
たステンレス鋼製封口板2と組み合わせ、その開口部を
上側に静置する。そして、封口板2の中に前記のリチウ
ムシー1〜3と合金4とを張り合わせた負極をリチウム
シ−1−が封口板に内接するように圧着するっ 次に、ポリプロピレンからなる皿状セパレータ5を入れ
て前述した電解液を/llE液する。その後アルミニウ
ムの集電体6を片面に被着した正極7をニッケルを含ま
ないステンレス鋼からなる正極ケース8の中央部に載置
し、スポット溶接した後、前述の電解液を注液する。こ
の正極ケース内に前述の組立てた封口板を嵌合し、ケー
ス開口部を内方にかしめて封口する。
このようにして得られた素子をAとする。
実施例2 リチウムを約10重量%吸蔵させた実施例1と同じ合金
シートを第2図のように、直径0.lff1mのニッケ
ル線からなる60メソシユのネット9を介して厚さ0・
1 mmのリチウムシート4を圧着した。こうして得ら
れた負極を用いて実施例1と同様に構成した素子をBと
する。
実施例3 第3図に示すように、Q、11f1mのニッケル線から
なる60メソシユのネット10を直径14.0ff7+
1に打ち抜き、封口板2の内面にスポット溶接し、実施
例2で用いた負極をリチウム3がニッケルネット10に
くい込むように圧着する。これを用い、他は実施例1と
同じようにして素子Cを作った。
実施例4 第4図に示すように、合金にあらかじめ凹凸処理をし、
これに厚さ50μmのリチウムシートを圧着した。この
負極を用い実施例1と同じようにして素子りを作った。
比較例 実施例1で用いたリチウムを約10重量%吸蔵させたリ
チウム合金だけを負極として用い、ニッケルネットをス
ポット溶接した封口板に圧着し、他は実施例1と同様に
して素子Eを作った。
これらの素子について、○−3772A の定電流で1
時間充電し、1時間放電する操作を繰り返して、150
0サイクル及び3000サイクルの充電後、0、177
1Aで放電し、2Vt:での放電時間を測定した。この
結果を次表に示す。
(単位二時間) 表から明らかなように、本発明によるものは1500サ
イクル後、3000サイクル後共比較例Eにまさってい
る。Eは1600サイクル後における放電時間が9,0
時間と短い上に、 3000サイクル後にはさらに低下
している力S1本発明のものは劣化度も小さく、とくに
集電ニソケルネ・ノドを圧着しているBICがとくによ
い。
なお、実施例においては、合金を均一なシートとしたが
、必ずしもこれに限られることはなく、ネット、打ち抜
き板など多孔性の一ソートを用いた場合も同じ効果があ
った。
1だ、電解液としてLiBF4を1モル/e 添カロし
にプロピレンカーボネートを用いた力5、IJ、l+ず
しもこれに限られるものではなく、溶媒として、γ−ブ
チロラクトン、1,2−ンメ1〜キ・ンエ〃ン、メチル
カーボネート、テトラノhイドロフラン、ジオキソラン
などの単独もしくは混合液、溶質とし1Lic404.
 LiA5(J4 f7;どを用いることカーできる。
さらに、本発明はコイン型のみならず、ボタン型9円筒
型9箱型などにも同様な効果カー期イ寺できる。
発明の効果 以上のように、本発明により再充電可能な電気化学装置
の充放電サイクル寿命及び電気容量をさらに向上させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例における電気化学素子の縦断面
図、第2図、第3図及び第4図は負極の構成例を示す縦
断面図である。 2・・・・・・封口板、3・・・・・・リチウム、4・
・・・・・合金、6・・・・・・セパレータ、6・・・
・・・正極、8・・・・・・正極ケース、9・10・・
・・・・集電体。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第1

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)充・放電によりリチウムを吸蔵・放出する金属ま
    たは合金とリチウムとを張り合わせた負極。 活性炭からなる正極、及び非水電解液から構成した再充
    電可能な電気化学装置。
  2. (2)前記負極の金属が、ビスマス、錫、鉛及びカドミ
    ウムよりなる群から選択したものである特許請求の範囲
    第1項記載の再充電可能な電気化学装置。
  3. (3)前記負極の合金が、ビスマス、錫、鉛及びカドミ
    ウムよりなる群から選択した少なくも二種の金属の合金
    である特許請求の範囲第1項記戦の再充電可能な電気化
    学装置。
JP59023128A 1984-02-09 1984-02-09 再充電可能な電気化学装置 Granted JPS60167279A (ja)

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