JP2002334703A - リチウム電池 - Google Patents
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Abstract
池において、保存特性に優れたリチウム電池を得る。 【解決手段】 正極2として、ホウ素を0.1〜3重量
%添加した二酸化マンガンを用い、負極1として、アル
ミニウムを0.05〜2重量%添加したリチウム合金を
用いることを特徴としており、好ましくはホウ素を二酸
化マンガンに添加した後、350〜430℃の範囲内で
熱処理して調製された正極が用いられていることを特徴
としている。
Description
するものであり、特に正極に二酸化マンガンを用いたリ
チウム電池に関するものである。
ム電池は、極めて高い起電力を有する優れた特性を有す
るため、この特性が生かされる多くの用途に使用されて
いる。特に、正極に二酸化マンガンを使用したリチウム
電池は、高率放電特性、低温放電特性に優れ、カメラ
用、メモリーバックアップ用など種々の用途に使用され
ている。しかしながら、用途が拡大するにつれ、メータ
用などの用途において、さらに高い保存特性が要望され
るようになっている。
ウム電池では、正極に純水な二酸化マンガンや、ホウ素
を添加した二酸化マンガン(特開平11−339794
号公報など)が使用されている。しかしながら、これら
の従来のリチウム電池においては、保存中に二酸化マン
ガンが電解液中に溶解し、溶解した二酸化マンガンが負
極において析出するため、保存特性が十分ではないとい
う問題があった。
用いたリチウム電池において、保存特性に優れたリチウ
ム電池を提供することにある。
と、非水電解質とを備えるリチウム電池であり、正極と
して、ホウ素を0.1〜3重量%添加した二酸化マンガ
ンを用い、負極として、アルミニウムを0.05〜2重
量%添加したリチウム合金を用いることを特徴としてい
る。
にホウ素が0.1〜3重量%添加されているため、二酸
化マンガンの電解液への溶解を抑制することができる。
これは、二酸化マンガンの粒子の表面に、マンガン−ホ
ウ素複合酸化物の被膜が形成されるためであると考えら
れる。
ルミニウムを0.05〜2重量%添加したリチウム合金
を用いている。このようなリチウム合金を用いることに
より、正極から溶解した二酸化マンガンの負極での析出
が抑制される。これは、正極中のホウ素が一部電解液中
へ溶解し、負極上にリチウム−アルミニウム−ホウ素合
金の被膜が形成されるためであると考えられる。
おける作用が、相乗的に機能し、保存特性が飛躍的に改
善されるものと考えられる。本発明において、二酸化マ
ンガンへのホウ素の添加は、二酸化マンガンに、ホウ素
含有化合物を添加することにより行うことができる。ホ
ウ素含有化合物としては、ホウ酸(H3BO3)、酸化ホ
ウ素(B2O3)、メタホウ酸(HBO2)、次ホウ酸
(H4B2O4)、ホウ酸リチウム(Li3BO3)、メタ
ホウ酸リチウム(LiBO2)、次ホウ酸リチウム(L
i4B2O4)などのホウ酸含有化合物のリチウム塩など
が挙げられる。
化合物を二酸化マンガンに添加した後、350〜430
℃の範囲内で熱処理することが好ましい。また、本発明
においては、二酸化マンガンに、さらにリンが0.02
〜2重量%添加されていることが好ましい。すなわち、
ホウ素を0.1〜3重量%及びリンを0.02〜2重量
%添加した二酸化マンガンを用いることが好ましい。リ
ンをさらに添加することにより、保存特性をさらに向上
させることができる。これは、二酸化マンガン粒子の表
面に、マンガン−ホウ素−リン複合酸化物の被膜が生
じ、この被膜により、二酸化マンガンの溶解がさらに強
く抑制されるためと考えられる。
ウムを0.05〜2重量%添加したリチウム合金を用い
ている。アルミニウムを添加したリチウム合金は、例え
ば、溶融したリチウム金属に所定量のアルミニウムを添
加することにより製造することができる。
る溶媒としては、リチウム電池に用いられる溶媒であれ
ば特に限定されるものではなく、例えば、エチレンカー
ボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネ
ート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート
や、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メ
チルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートが挙げ
られる。好ましくは、環状カーボネートと鎖状カーボネ
ートとの混合溶媒や、上記環状カーボネートと、1,2
−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどの
エーテル系溶媒、またはγ−ブチロラクトン、スルホラ
ン、酢酸メチル等の鎖状エステル等との混合溶媒が用い
られる。
に用いられる溶質であれば特に限定されるものではな
く、例えば、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、
LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、Li
N(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)
3、LiC(C2F5SO2)3、LiAsF6、LiCl
O4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12などが挙げら
れる。
さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら
限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲に
おいて適宜変更して実施することが可能なものである。
うに、ホウ酸(H3BO3)の粉末を二酸化マンガンの粉
末に添加して混合し、この混合物を空気中にて375℃
で20時間熱処理(焼成)し、粉砕して正極活物質とし
てのホウ酸含有二酸化マンガンを得た。
と、導電剤としてのカーボンブラック(粉末)と、結着
剤としてのフッ素樹脂(粉末)とを重量比率85:1
0:5の割合で混合して正極合剤を作製した。この正極
合剤を円盤状に鋳型成形し、真空中にて250℃で2時
間乾燥して、正極を作製した。
%添加したリチウム(Li−Al)合金を、円盤状に打
ち抜き、負極を作製した。
ト(PC)と、1,2−ジメトキシエタン(DME)と
の体積比率50:50の混合溶媒に、溶質としてのトリ
フルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)
を1モル/リットル溶かして、非水電解液を調製した。
及び非水電解液を使用して、扁平型のリチウム電池(電
池寸法:外径24mm、厚さ3mm)を作製した。な
お、セパレータとしては、ポリプロピレン製の微多孔膜
を使用し、これに非水電解液を含浸させた。
的断面図である。リチウム電池は、負極1、正極2、こ
れらの電極1及び2を互いに離間するセパレータ3、負
極缶4、正極缶5、負極集電体6、正極集電体7、及び
ポリプロピレン製の絶縁パッキング8などから構成され
ている。負極集電体6は、ステンレス鋼板(SUS30
4)から形成されており、正極集電体7は、ステンレス
鋼板(SUS316)から形成されている。
非水電解液を含浸したセパレータ3を介して対向してお
り、負極缶4及び正極缶5からなる電池ケース内に収納
されている。正極2は正極集電体7を介して正極缶5
に、また負極1は負極集電体6を介して負極缶4に接続
され、電池内部に生じた化学エネルギーを正極缶5及び
負極缶4の両端子から電気エネルギーとして外部へ取り
出し得る構造になっている。
mAhであり、保存する前の電池の内部抵抗は約15Ω
であった。以下の実施例及び比較例の電池においても、
放電容量は全て100mAhであり、内部抵抗は全て約
15Ωであった。
なるように酸化ホウ素(B2O3)を添加した二酸化マン
ガンを使用したこと以外は実施例1−1と同様にして、
本発明電池A2を組み立てた。
なるようにメタホウ酸(HBO2)を添加した二酸化マ
ンガンを使用したこと以外は実施例1−1と同様にし
て、本発明電池A3を組み立てた。
なるように次ホウ酸(H4B2O4)を添加した二酸化マ
ンガンを使用したこと以外は実施例1−1と同様にし
て、本発明電池A4を組み立てた。
なるようにメタホウ酸リチウム(LiBO2)を添加し
た二酸化マンガンを使用したこと以外は実施例1−1と
同様にして、本発明電池A5を組み立てた。
マンガンを使用したこと、及び、アルミニウムを含まな
いリチウム金属を使用したこと以外は実施例1−1と同
様にして、比較電池X1を組み立てた。
マンガンを使用したこと以外は実施例1−1と同様にし
て、比較電池X2を組み立てた。
リチウム金属を使用したこと以外は実施例1−1と同様
にして、比較電池X3を組み立てた。
した実施例及び比較例の各電池について、電池作製直後
に、25℃において、電流値10mAで2Vまで放電
し、保存前の放電容量を測定した。また、電池作製直後
の各電池を、70℃において3ヶ月保存後、25℃にお
いて、電流値10mAで2Vまで放電し、保存後の放電
容量を測定した。以下の式から、各電池の自己放電率を
求めた。
−保存後の放電容量)/(保存前の放電容量)〕×10
0 測定結果を表1に示す。
い二酸化マンガン、あるいはアルミニウムを含まないリ
チウム金属を用いた比較電池X1〜X3では、自己放電
率が2.5%以上であるのに対して、ホウ素を添加した
二酸化マンガン及びアルミニウムを添加したリチウム合
金を用いた本発明電池A1〜A5では、自己放電率が2
%以下であり、保存特性が向上していることがわかる。
ンガン−ホウ素複合酸化物が生じて二酸化マンガンの非
水電解液への溶解が抑制されるとともに、負極上に、リ
チウム−アルミニウム−ホウ素合金が生じ、正極から溶
解した二酸化マンガンの負極での析出が抑制されるため
であると考えられる。このような正極及び負極での作用
が相乗されることにより、本発明電池の保存特性が飛躍
的に向上するものと考えられる。
ウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを使用した
こと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池B1
を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを使用したこと以外は実施例1−1と同様にして、本
発明電池B2を組み立てた。
ようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを
使用したこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明
電池B3を組み立てた。
ようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを
使用したこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明
電池B4を組み立てた。
ようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを
使用したこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明
電池B5を組み立てた。
マンガンを使用したこと以外は実施例1−1と同様にし
て、比較電池Y1を組み立てた。
ようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを
使用したこと以外は実施例1−1と同様にして、比較電
池Y2を組み立てた。
した各電池について、実施例1と同様にして自己放電率
を求め、その結果を表2に示した。なお、本発明電池B
2は本発明電池A1と同様の電池であり、比較電池Y1
は比較電池X2と同様の電池である。
素を0.1〜3重量%添加した二酸化マンガン及びアル
ミニウムを添加したリチウム合金を用いた本発明電池B
1〜B5では、自己放電率が2%以下であり、良好な保
存特性を示している。
と、二酸化マンガン粒子の表面に、十分な量のマンガン
−ホウ素複合酸化物が生成しないため、二酸化マンガン
の電解液の溶解を十分に抑制することができないものと
思われる。また、ホウ素の添加量が3重量%を超える
と、二酸化マンガンの粒子の表面に、ホウ素含有量の多
すぎる、二酸化マンガンの溶解を抑制できないマンガン
−ホウ素複合酸化物が生成するものと思われる。
たリチウム合金を使用したこと以外は実施例1−1と同
様にして、本発明電池C1を組み立てた。
量%添加したリチウム合金を使用したこと以外は実施例
1−1と同様にして、本発明電池C2を組み立てた。
量%添加したリチウム合金を使用したこと以外は実施例
1−1と同様にして、本発明電池C3を組み立てた。
添加したリチウム合金を使用したこと以外は実施例1−
1と同様にして、本発明電池C4を組み立てた。
添加したリチウム合金を使用したこと以外は実施例1−
1と同様にして、本発明電池C5を組み立てた。
リチウム金属を使用したこと以外は実施例1−1と同様
にして、比較電池Z1を組み立てた。
添加したリチウム合金を使用したこと以外は実施例1−
1と同様にして、比較電池Z2を組み立てた。
した各電池について、実施例1と同様にして自己放電率
を測定し、その結果を表3に示した。なお、本発明電池
C3は本発明電池A1と同様の電池であり、比較電池Z
1は比較電池X3と同様の電池である。
た二酸化マンガンを正極として用い、かつアルミニウム
を0.05〜2重量%添加したリチウム合金を負極とし
て用いた本発明電池C1〜C5においては、自己放電率
が2%以下であり、良好な保存特性を示している。
と、負極の上に、十分な量のリチウム−アルミニウム−
ホウ素合金が生成しないため、正極から溶解した二酸化
マンガンの負極での析出が抑制されないと考えられる。
また、アルミニウムが2重量%を超えると、負極上に、
保存特性の悪い、アルミニウム含有量が多すぎるリチウ
ム−アルミニウム−ホウ素合金が生成すると考えられ
る。
ウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを、熱処理
をせずに使用したこと以外は実施例1−1と同様にし
て、本発明電池D1を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを、空気中にて300℃で20時間熱処理(焼成)し
たこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池D
2を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを、空気中にて350℃で20時間熱処理(焼成)し
たこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池D
3を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを、空気中にて375℃で20時間熱処理(焼成)し
たこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池D
4を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを、空気中にて400℃で20時間熱処理(焼成)し
たこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池D
5を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを、空気中にて430℃で20時間熱処理(焼成)し
たこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池D
6を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガ
ンを、空気中にて450℃で20時間熱処理(焼成)し
たこと以外は実施例1−1と同様にして、本発明電池D
7を組み立てた。
した各電池について、実施例1と同様にして自己放電率
を求め、結果を表4に示した。なお、本発明電池D4は
本発明電池A1と同様の電池である。
素を添加した二酸化マンガンの熱処理温度を350〜4
30℃の範囲内とした本発明電池D3〜D6においては
特に優れた保存特性が得られている。
ウ酸(H3BO3)を添加した二酸化マンガンを空気中に
て375℃で20時間熱処理(焼成)し、粉砕して正極
活物質としてのホウ素含有二酸化マンガンを使用し、実
施例1−1と同様にして、本発明電池E1を組み立て
た。
なるようにホウ酸(H3BO3)、及びリンが0.02重
量%となるようにリン酸リチウム(Li3PO4)を添加
した二酸化マンガンを、空気中にて375℃で20時間
熱処理(焼成)し、粉砕して正極活物質としてのホウ素
及びリン含有二酸化マンガンを使用したこと以外は実施
例1−1と同様にして、本発明電池E2を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)、及びリンが0.05重
量%となるようにリン酸リチウム(Li3PO4)を添加
した二酸化マンガンを、空気中にて375℃で20時間
熱処理(焼成)し、粉砕して正極活物質としてのホウ素
及びリン含有二酸化マンガンを使用したこと以外は実施
例1−1と同様にして、本発明電池E3を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)、及びリンが0.1重量
%となるようにリン酸リチウム(Li3PO4)を添加し
た二酸化マンガンを、空気中にて375℃で20時間熱
処理(焼成)し、粉砕して正極活物質としてのホウ素及
びリン含有二酸化マンガンを使用したこと以外は実施例
1−1と同様にして、本発明電池E4を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)、及びリンが0.5重量
%となるようにリン酸リチウム(Li3PO4)を添加し
た二酸化マンガンを、空気中にて375℃で20時間熱
処理(焼成)し、粉砕して正極活物質としてのホウ素及
びリン含有二酸化マンガンを使用したこと以外は実施例
1−1と同様にして、本発明電池E5を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)、及びリンが1重量%と
なるようにリン酸リチウム(Li3PO4)を添加した二
酸化マンガンを、空気中にて375℃で20時間熱処理
(焼成)し、粉砕して正極活物質としてのホウ素及びリ
ン含有二酸化マンガンを使用したこと以外は実施例1−
1と同様にして、本発明電池E6を組み立てた。
なるようにホウ酸(H3BO3)、及びリンが2重量%と
なるようにリン酸リチウム(Li3PO4)を添加した二
酸化マンガンを、空気中にて375℃で20時間熱処理
(焼成)し、粉砕して正極活物質としてのホウ素及びリ
ン含有二酸化マンガンを使用したこと以外は実施例1−
1と同様にして、本発明電池E7を組み立てた。
リチウム金属を使用したこと以外は実施例5−4と同様
にして、比較電池V1を組み立てた。
した各電池について、実施例1と同様にして自己放電率
を測定し、その結果を表5に示した。なお、本発明電池
E1は、本発明電池A1と同様の電池である。
素及びリンを添加した二酸化マンガンを正極に用いた電
池E2〜E7の自己放電率は、ホウ素のみを添加した二
酸化マンガンを正極として用いた本発明電池E1の自己
放電率よりさらに低くなっており、保存特性が向上して
いることがわかる。これは、二酸化マンガン粒子の表面
に、マンガン−ホウ素−リン複合酸化物が生成すること
によるものと考えられ、マンガン−ホウ素−リン複合酸
化物は、マンガン−ホウ素複合酸化物より二酸化マンガ
ンの溶解をさらに強く抑制するものと考えられる。
にリンを添加するためのリン含有化合物として、リン酸
リチウムを用いているが、リンを添加するためのリン含
有化合物としては、五酸化リンやその他の各種リン酸の
リチウム塩を用いてもよい。
を用いたリチウム電池において、保存特性に優れたリチ
ウム電池とすることができる。
電池を示す模式的断面図。
Claims (4)
- 【請求項1】 正極と、負極と、非水電解質とを備える
リチウム電池において、 前記正極として、ホウ素を0.1〜3重量%添加した二
酸化マンガンを用い、前記負極として、アルミニウムを
0.05〜2重量%添加したリチウム合金を用いること
を特徴とするリチウム電池。 - 【請求項2】 ホウ酸の添加により前記ホウ素が二酸化
マンガンに添加されていることを特徴とする請求項1に
記載のリチウム電池。 - 【請求項3】 ホウ素を二酸化マンガンに添加した後、
350〜430℃の範囲内で熱処理して正極が調製され
ていることを特徴とする請求項1または2に記載のリチ
ウム電池。 - 【請求項4】 前記正極の二酸化マンガンに、さらにリ
ンが0.02〜2重量%添加されていることを特徴とす
る請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム電池。
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