JP4300626B2 - 非水電解質電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質電池に関する。さらに詳しくは、低温特性及び保存性を向上させた非水電解質電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、カメラ一体型ビデオテープレコーダ、携帯電話、ラップトップコンピュータ等のポータブル電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。そして、これらの電子機器のポータブル電源として、電池、特に二次電池についてエネルギー密度を向上させるための研究開発が活発に進められている。
【0003】
非水電解質を用いた電池、中でも、リチウムイオン二次電池は、従来の水溶液系電解液二次電池である鉛電池、ニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため、期待度が大きくなってきており、市場も著しく成長している。電池の市場拡大に伴い、使用条件は多岐にわたり、特に近年、低温下での使用要求が急速に高くなってきた。また、ポータブル電子機器の使用条件の多様化につれ、電池の保存性に対する要求も高くなっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでの低温における非水電解質電池の性能は十分なものではなく、また保存特性も十分ではないため、改良技術が強く求められている。
【0005】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、低温特性及び保存特性を向上させた非水電解質電池を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の非水電解質電池は、負極活物質として炭素材料を含有する負極と、上記負極と対向して配され正極 活物質を含有する正極と、上記負極と上記正極との間に介在される非水電解質とを備え、上記負極は、粒子径が0.7μm以上、1.3μm以下であるLiを挿入及び/又は放出しない物質を、上記負極活物質に対して25重量%以上、40重量%以下の範囲で含有し、Liを挿入及び/又は放出しない物質は、Al 2 O 3 又はZrO 2 である。
【0007】
上述したような本発明に係る非水電解質電池では、負極活物質層中に含有された、粒子径が0.7μm以上、1.3μm以下であるLiを挿入及び/又は放出しない物質を負極活物質に対して25重量%以上、40重量%以下の範囲で含有し、Liを挿入及び/又は放出しない物質にAl 2 O 3 又はZrO 2 を用いることによって、電流通電により発生するジュール熱を吸熱するため、電池周囲が低温であっても、負極活物質の温度は低下しない。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0009】
図1は、本発明の非水電解質電池の一構成例を示す縦断面図である。この非水電解質電池1は、フィルム状の正極2と、フィルム状の負極3とが、セパレータ4を介して密着状態で巻回された巻層体が、電池缶5の内部に装填されてなる。
【0010】
上記正極2は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤を正極集電体上に塗布、乾燥することにより作製される。正極集電体には例えばアルミニウム箔等の金属箔が用いられる。
【0011】
正極活物質には、目的とする電池の種類に応じて金属酸化物、金属硫化物又は特定の高分子を用いることができる。例えば、リチウム二次電池を構成する場合、正極活物質としては、TiS2、MoS2、NbSe2、V2O5等の金属硫化物あるいは酸化物を使用することができる。
【0012】
また、正極活物質として、LiMxO2(式中、Mは一種以上の遷移金属を表し、xは電池の充放電状態によって異なり、通常0.05以上、1.10以下である。)を主体とするリチウム複合酸化物等を使用することができる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Mとしては、Co、Ni、Mn等が好ましい。これらのリチウム複合酸化物の具体例としてはLixCoO2、LixNiO2、LixNiyCo1−yO2、LixMn2O4(式中、x≒1、0<y<1である。)等を挙げることができる。
【0013】
上述したようなリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度的に優れた正極活物質となる。正極2には、これらの正極活物質の複数種をあわせて使用してもよい。
【0014】
また、上記正極合剤の結着剤としては、通常この種の電池の正極合剤に用いられている公知の結着剤を用いることができるほか、上記正極合剤に導電剤等、公知の添加剤を添加することができる。
【0015】
負極3は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤を、負極集電体上に塗布、乾燥することにより作製される。負極集電体には、例えば銅箔等の金属箔が用いられる。
【0016】
リチウム電池を構成する場合、負極活物質としては、リチウム、リチウム合金、又はリチウムを挿入及び/又は放出できる材料を使用することが好ましい。リチウムを挿入及び/又は放出できる材料としては、例えば、難黒鉛化炭素系材料やグラファイト系材料等の炭素材料を使用することができる。
【0017】
負極活物質として具体的には、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭等の炭素材料を使用することができる。上記コークス類には、ピッチコークス、ニートルコークス、石油コークス等がある。また、上記有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したものを示す。
【0018】
また、上記負極合剤の結着剤としては、通常この種の電池の負極合剤に用いられている公知の結着剤を用いることができるほか、上記負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
【0019】
そして、本発明の非水電解質電池では、負極合剤中に、Liを挿入及び/又は放出しない化合物が含有されている。負極合剤中にLiを挿入及び/又は放出しない化合物を含有させることにより、低温での電池特性を向上することができる。その理由としては、当該化合物が、電流通電により発生するジュール熱を吸熱して、電池外への熱散逸が一時的に低減されるため、低温下においても、負極活物質の温度を電池周囲温度より一時的に実質的に高く保温することができるためと考えられる。
【0020】
ここで、ある化合物がLiを挿入及び/又は放出しないとは、以下の実験から判断される。
【0021】
化合物を85重量部と、グラファイトとしてロンザ社製KS6を10重量部と、ポリフッ化ビニリデンを5重量部とを混合し、この混合物を60mgを、直径16mmの円盤状に圧縮成型した後、120℃で12時間真空乾燥する。そして、Liを負極とし、上記化合物を含む成型物を正極として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの等容量混合溶媒に、LiPF6を1mol/%で溶解させた電解液を用いて、2016型コインセルを作製する。そして、この電池を0.5mAで0.05Vまで定電流放電し、Li挿入容量(mAh)を求め、これをAとする。
【0022】
同様に、KS6を95重量部と、ポリフッ化ビニリデンを5重量部との混合成型物60mgを正極として用いて電池を作製し、この電池を0.5mAで0.05Vまで定電流放電し、Li挿入容量(mAh)を求め、これをBとする。
【0023】
そして、A−(B×10/95)から算出される値を当該化合物のLi挿入容量とする。この値が0.5mAh以下であるときは、当該化合物はLiを挿入しないものとする。
【0024】
一方、化合物を85重量部と、グラファイトとしてロンザ社製KS6を10重量部と、ポリフッ化ビニリデンを5重量部との混合成型物を正極として用いて同様に作製された電池を、0.5mAで0.05Vまで定電流放電した後、4.5Vまで定電流充電してLi放出容量(mAh)を求め、これをA’とする。
【0025】
また、KS6を95重量部と、ポリフッ化ビニリデンを5重量部との混合成型物を正極として用いて同様に作製された電池を、0.5mAで0.05Vまで定電流放電した後、4.5Vまで定電流充電してLi放出容量(mAh)を求め、これをB’とする。
【0026】
そして、A’−(B’×10/95)から算出される値を当該化合物のLi放出容量とする。この値が0.5mAh以下であるときは、当該化合物はLiを放出しないものとする。
【0027】
上述したようなLiを挿入及び/又は放出しない化合物としては、Al 2 O 3 、ZrO 2 が挙げられる。なお、これらの他に、Liを挿入及び/又は放出しない化合物の参考例としては、例えば、Al,Si,Zr,Mg,Ca,Sr又は希土類元素のいずれか1つ以上の元素を含む酸化物が挙げられる。このようなLiを挿入及び/又は放出しない酸化物として具体的には、例えばSiO2 、Al2SiO5、Ca2SiO4等が挙げられる。
【0028】
上述した酸化物の中でも、当該酸化物中の全カチオンに対するAl、Zrの合計含有率が10原子%以上、100原子%以下の範囲であるものを用いることが特に好ましい。このような酸化物としてはAl2 O 3 、ZrO2が挙げられる。
【0029】
また、これらの酸化物の粒径は、0.7μm以上、1.3μm以下である。
【0030】
そして、Liを挿入及び/又は放出しない化合物は、負極活物質に対して25重量%以上、40重量%以下の割合で含有されている。Liを挿入及び/又は放出しない化合物が25重量%よりも少ないと、当該化合物がジュール熱を吸熱することによる負極活物質の保温効果が十分ではない。また、Liを挿入及び/又は放出しない化合物が40重量%よりも多いと、負極活物質のエネルギー密度が小さくなり、非水電解質電池1の容量が低下してしまう。Liを挿入及び/又は放出しない化合物を、負極合剤中の25重量%以上、40重量%以下とすることで、電池容量を低下させることなく、負極活物質の保温効果により、非水電解質電池1の低温特性を向上することができる。
【0031】
また、Liを挿入及び/又は放出しない化合物のより好ましい含有量は、負極活物質に対して25重量%である。Liを挿入及び/又は放出しない化合物の含有量を25重量%とすることで、負極活物質の保温効果をより高め、非水電解質電池1の低温特性をさらに向上することができる。
【0032】
非水電解液は、電解質を非水溶媒に溶解して調製される。
【0033】
電解質としては、通常この種の電池の電解液に用いられている公知の電解質を使用することができる。具体的には、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiAlCl4、LiSiF6等のリチウム塩を挙げることができる。その中でも特にLiPF6、LiBF4が酸化安定性の点から望ましい。
【0034】
このような電解質は、非水溶媒中に0.1mol/l〜5.0mol/lの濃度で溶解されていることが好ましい。さらに好ましくは、0.5mol/l〜3.0mol/lである。
【0035】
また、非水溶媒としては、従来より非水電解液に使用されている種々の非水溶媒を使用することができる。例えば、炭酸プロピレン、炭酸エチレン等の環状炭酸エステル、炭酸ジエチルや炭酸ジメチル等の鎖状炭酸エステル、プロピオン酸メチルや酪酸メチル等のカルボン酸エステル、γ−ブチロラクトン、スルホラン、2−メチルテトラヒドロフランやジメトキシエタン等のエーテル類等を使用することができる。これらの非水溶媒は単独で使用してもよく、複数種を混合して使用してもよい。その中でも特に、酸化安定性の点からは、炭酸エステルを用いることが好ましい。
【0036】
このような非水電解質電池1は、次のようにして製造される。
【0037】
正極2は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤を、正極集電体となる例えばアルミニウム箔等の金属箔上に均一に塗布、乾燥して正極活物質層を形成することにより作製される。上記正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記正極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
【0038】
負極3は、負極活物質となる炭素材料と、結着剤とを含有する負極合剤を、負極集電体となる例えば銅箔等の金属箔上に均一に塗布、乾燥して負極活物質層を形成することにより作製される。上記負極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
【0039】
そして、本発明の非水電解質電池では、負極合剤中に、Liを挿入及び/又は放出しない物質が含有されている。負極合剤中にLiを挿入放出しない物質を含有させることにより、低温での電池特性を向上することができる。このLiを挿入及び/又は放出しない化合物として具体的には、例えばAl2O3、SiO2、ZrO2、Al2SiO5、Ca2SiO4等の酸化物が挙げられる。その中でも、本発明において用いる酸化物は、Al 2 O 3 、ZrO 2 である。
【0040】
以上のようにして得られる正極2と、負極3とを、例えば微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータ4を介して密着させ、渦巻型に多数回巻回することにより巻層体が構成される。
【0041】
次に、その内側にニッケルメッキを施した鉄製の電池缶5の底部に絶縁板6を挿入し、さらに巻層体を収納する。そして負極の集電をとるために、例えばニッケルからなる負極リード7の一端を負極3に圧着させ、他端を電池缶5に溶接する。これにより、電池缶5は負極3と導通をもつこととなり、非水電解質電池1の外部負極となる。また、正極2の集電をとるために、例えばアルミニウムからなる正極リード8の一端を正極2に取り付け、他端を電流遮断用薄板9を介して電池蓋10と電気的に接続する。この電流遮断用薄板9は、電池内圧に応じて電流を遮断するものである。これにより、電池蓋10は正極2と導通をもつこととなり、非水電解質電池1の外部正極となる。
【0042】
次に、この電池缶5の中に非水電解液を注入する。この非水電解液は、電解質を非水溶媒に溶解させて調製される。
【0043】
次に、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケット11を介して電池缶5をかしめることにより電池蓋10が固定されて円筒型の非水電解質電池1が作製される。
【0044】
なお、この非水電解質電池1においては、図1に示すように、負極リード7及び正極リード8に接続するセンターピン12が設けられているとともに、電池内部の圧力が所定値よりも高くなったときに内部の気体を抜くための安全弁装置13及び電池内部の温度上昇を防止するためのPTC素子14が設けられている。
【0045】
上述した実施の形態では、二次電池を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一次電池についても適用可能である。また、本発明の電池は、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。
【0046】
また、上述した実施の形態では、非水溶媒に電解質が溶解されてなる非水電解液を用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明は、マトリクス高分子中に電解質が分散されてなる固体電解質を用いた電池や、膨潤溶媒を含有するゲル状の固体電解質を用いた電池についても適用可能である。
【0047】
【実施例】
上述したような非水電解液電池を作製し、その特性を評価した。
【0048】
〈例1〉
まず、負極を以下のようにして作製した。
【0049】
まず、出発原料に石油ピッチを用い、不活性ガス気流中1000℃で焼成し、ガラス状炭素に近い性質の難黒鉛化炭素材料を得た。この難黒鉛化炭素材料についてX線回折測定を行ったところ、(002)面の面間隔は3.76オングストロームであり、また、真比重は1.58g/cm3であった。
【0050】
次に、得られた難黒鉛化炭素材料を粉砕し、平均粒径10μmの炭素材料粉末とした。この炭素材料粉末を100重量部と、結着剤を11重量部と、平均粒径0.7μmのα−Al2O3を20重量部とを混合して負極合剤を調製した。ここで、結着剤にはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた。
【0051】
次に、負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリーとした。そして、このスラリーを負極集電体である厚さ10μmの帯状の銅箔の両面に均一に塗布、乾燥して負極活物質層を形成した後、ロールプレス機で圧縮成型し、負極を作製した。
【0052】
次に、正極を以下のように作製した。
【0053】
まず、炭酸リチウムと炭酸コバルトとを0.5mol対1molの比率で混合し、空気中900℃で5時間焼成して正極活物質となるLiCoO2を得た。
【0054】
次に、得られたLiCoO2を91重量部と、導電剤を6重量部と、結着剤を3重量部とを混合して正極合剤を調製した。ここで、導電剤にはグラファイトを用い、結着剤にはポリフッ化ビニリデンを用いた。
【0055】
次に、正極合剤を、N−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリーとした。そして、このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布、乾燥して正極活物質層を形成した後、ロールプレス機で圧縮成形することにより正極を作製した。
【0056】
以上のようにして得られた正極と、負極とを、厚さ25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータを介して密着させ、渦巻型に多数回巻回することにより巻層体を作製した。
【0057】
次に、その内側にニッケルメッキを施した鉄製の電池缶の底部に絶縁板を挿入し、さらに巻層体を収納した。そして負極の集電をとるために、ニッケル製の負極リードの一端を負極に圧着させ、他端を電池缶に溶接した。また、正極の集電をとるために、アルミニウム製の正極リードの一端を正極に取り付け、他端を電流遮断用薄板を介して電池蓋と電気的に接続した。この電流遮断用薄板は、電池内圧に応じて電流を遮断するものである。
【0058】
そして、この電池缶の中に非水電解液を注入した。この非水電解液は、炭酸プロピレンを50容量%と、炭酸ジメチルを50容量%との混合溶媒中に、電解質LiPF6を1.0mol/lの濃度で溶解させて調製した。
【0059】
最後に、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケットを介して電池缶をかしめることにより電池蓋を固定して、直径が約18mm、高さが約65mmの円筒型の非水電解質電池を作製した。
【0060】
〈例2〜例18〉
負極合剤の組成を後掲する表1に示すようにしたこと以外は、例1と同様にして非水電解液電池を作製した。なお、これら例2〜例18の電池の電極単位面積当たりの炭素量は、例1と同一とした。
【0061】
〈例13〉
非水電解液の溶媒として、炭酸エチレンを50容量%と炭酸ジエチルを50容量%の混合溶媒を使用し、負極の構成材料として難黒鉛化炭素材料に代えてグラファイト(ロンザ社製、KS−75:(002)面の面間隔=0.3358nm)を使用したこと以外は例2と同様にして非水電解液電池を作製した。
【0062】
〈例18〉
非水電解液の溶媒として、炭酸エチレンを50容量%と炭酸ジエチルを50容量%の混合溶媒を使用し、負極の構成材料として難黒鉛化炭素材料に代えてグラファイト(ロンザ社製、KS−75:(002)面の面間隔=0.3358nm)を使用したこと以外は例14と同様にして非水電解液電池を作製した。
【0063】
例1〜例18で作製された非水電解液電池の、負極合剤の組成を表1に示す。なお、例2〜例4、例6、例13は、本発明の適用した実施例に相当するものである。他の例は、本発明の参考例に相当するものである。
【0064】
【表1】
【0065】
以上のようにして作製された例1〜例18の電池について、容量特性、低温特性、保存特性を次のように評価した。
【0066】
容量特性としては、各電池に対し、23℃、1Aの定電流定電圧充電を上限4.2Vまで3時間行い、次に700mAの定電流放電を終止電圧2.5Vまで行い初期放電容量を決定した。
【0067】
保存特性としては、各電池に対し、23℃、1Aの定電流定電圧充電を上限4.2Vまで3時間行い、60℃にて4週間保存した。次に、23℃にて700mAの定電流放電を終止電圧2.5Vまで行い、23℃にて上記条件にて1回充放電を行い保存容量を求め、初期容量を100とした場合の保存容量維持率(%)を求めた。
【0068】
低温特性としては、23℃、1Aの定電流定電圧充電を上限4.2Vまで3時間行った後、−20℃にて2時間放置した。その後、700mAの定電流放電を終止電圧2.5Vまで行い、23℃での放電容量を100とした場合の低温容量維持率(%)を求めた。
【0069】
例1〜例18の電池について行った、容量特性、低温特性、保存特性の結果を表2に示す。
【0070】
【表2】
【0071】
表2から明らかなように、本発明を適用した、負極活物質層中に、Liを挿入及び/又は放出しない化合物に、Al 2 O 3 又はZrO 2 を用い、この化合物を25重量%以上、40重量%以下の割合で添加した例2〜例4、例6、例13の電池では、初期容量も大きく、放電容量維持率も高く、非常に優れた結果となった。また、保存性も問題なかった。
【0072】
一方、負極活物質層中に、Liを挿入及び/又は放出しない化合物を添加しなかった例14及び例18では、初期容量は大きいものの、放電容量維持率、特に低温下での容量維持率が大きいことがわかる。
【0073】
また、Liを挿入及び/又は放出する、すなわち、Liと反応することが知られている酸化物を添加した例16の電池では、初期容量が小さく、容量低下も大きいという結果が得られた。
【0074】
また、負極活物質層中に、Liを挿入及び/又は放出しない化合物を添加しても、その割合が25重量%よりも少ないか、又は40重量%よりも多く添加した例15又は例17では、容量低下を十分に抑えることができなかった。また、Liを挿入及び/又は放出しない化合物の含有量が25重量%よりも少ない例1では、低温容量維持率の低下を十分に抑えることができなかった。また、Liを挿入及び/又は放出しない化合物にAl 2 O 3 又はZrO 2 を用いていない例5、例7〜例12では、低温容量維持率の低下を十分に抑えることができなかった。
【0075】
従って、負極活物質層中に、粒子径が0.7μm以上、1.3μm以下であるLiを挿入及び/又は放出しない化合物に、Al 2 O 3 又はZrO 2 を用い、この化合物を25重量%以上、40重量%以下の割合で含有させることで、良好な容量特性、保存特性が得られ、特に、低温特性が向上することがわかった。
【0076】
また、例13と例18とを比較して明らかなように、負極材料が黒鉛系であっても同様な効果が得られることがわかった。
【0077】
【発明の効果】
本発明では、粒子径が0.7μm以上、1.3μm以下であるLiを挿入及び/又は放出しない化合物を負極活物質層中に25重量%以上、40重量%以下の範囲で含有させ、Liを挿入及び/又は放出しない物質に、Al 2 O 3 又はZrO 2 を用いることで、当該化合物の保温効果により、電池外部が低温であっても負極活物質層の温度が低下せず、良好な特性を維持できる、優れた非水電解液電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る非水電解液電池の一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 非水電解液電池、2 正極、3 負極、4 セパレータ、5 電池缶、10 電池蓋
Claims (1)
- 負極活物質として炭素材料を含有する負極と、
上記負極と対向して配され、正極活物質を含有する正極と、
上記負極と上記正極との間に介在される非水電解質とを備え、
上記負極は、粒子径が0.7μm以上、1.3μm以下であるLiを挿入及び/又は放出しない物質を、上記負極活物質に対して25重量%以上、40重量%以下の範囲で含有し、
上記Liを挿入及び/又は放出しない物質は、Al 2 O 3 又はZrO 2 である非水電解質電池。
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