JP3005688B2 - リチウム電池 - Google Patents

リチウム電池

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JP3005688B2 JP63311908A JP31190888A JP3005688B2 JP 3005688 B2 JP3005688 B2 JP 3005688B2 JP 63311908 A JP63311908 A JP 63311908A JP 31190888 A JP31190888 A JP 31190888A JP 3005688 B2 JP3005688 B2 JP 3005688B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は充放電可能なリチウム電池に関し、特に大き
な充放電容量を与える物質を正極活物質としたリチウム
電池に関するものである。
[従来の技術] 近年の電子機器の急速な発展に伴い、それに内蔵され
る電池も小型、軽量でしかも高エネルギ密度を有するも
のが、要求されるようになった。このような背景の下
で、負極活物質としてリチウムを用いる電池は、リチウ
ムが亜鉛など一般の電池に用いられる活物質に比べ、還
元作用が強く起電力の大きい電池が作られること、重量
基準の電気化学当量が水素に次いで小さく、活物質の単
位重量当たり取り出しうる電気量が大きいことの2つの
理由から、期待されている。
リチウムは水と激しく反応するので、電解質に水溶液
を用いることはできない。リチウムを負極活物質に用い
る電池では、非プロトン性の有機または無機の溶媒にリ
チウム塩を溶解させた溶液、リチウム塩を含む溶融塩、
またはリチウムイオン導電性固体を電解質に用いなくて
はならない。
リチウムをはじめとするアルカリ金属およびその合金
を負極活物質とする非水電解液電池は、負極金属イオン
の正極活物質へのインサーションもしくはインターカレ
ーション反応によって、その大放電容量と充電可逆性を
両立させている。従来から、リチウムを負極活物質とし
て用いる二次電池としては、二酸化マンガンや五酸化バ
ナジウムなどのトンネル状もしくは層状の結晶質酸化物
を正極に用いた電池が提案されているが、充放電サイク
ルに伴う構造劣化が激しくその充放電特性は充分とは言
えなかった。
さらにまた、五酸化バナジウムに五酸化リンを加え、
溶融後急冷することにより得られる非晶質物質について
は、特開昭61−116758号公報および特開昭61−200667号
公報に提案されているが、この物質には (1)溶融急冷による非晶質化工程のコストが大きい。
(2)初期開放電位が3.7V以上あり電解液を分解してし
まう。
(3)初期充放電サイクル時に生じる正極内のLi残留現
象によりセル内圧力が低下する等の問題点があった。
[発明が解決しようとする課題] そこで、本発明の目的は、上述した問題点を解消し、
廉価で充放電特性に優れた電池特性を有するリチウム電
池を提供することにある。
[課題を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明は、V2O
5に、添加剤として、P2O5、TeO2、GeO2、Sb2O3、Bi
2O3、SiO2、NbO2、Ag2O、PbO、SnO2、MoO2、MoO3、W
O3、CuO、BaO、TiO2およびB2O3よりなる群から選択した
少なくとも1種の酸化物を加え、混合溶融後徐冷して得
られる結晶質複合酸化物を正極活物質として含み、リチ
ウムまたはリチウム合金を負極活物質として含み、正極
活物質および、負極活物質に対して化学的に安定であ
り、かつリチウムイオンが正極活物質あるいは負極活物
質と電気化学反応をするための移動を行い得る物質を電
解質物質としたことを特徴とする。
この正極活物質を用いて正極を形成するには、上述し
た酸化物を混合溶融後、徐冷して得られる結晶質複合酸
化物(以下、混合溶融物という)の粉末とポリテトラフ
ルオロエチレンのような結着剤粉末との混合物をニッケ
ル、ステンレス鋼等の支持体上に圧着成形するか、ある
いは、このような混合物質粉末に導電性を付与するため
アセチレンブラックのような導電性粉末を混合し、これ
にさらにポリテトラフルオロエチレンのような結着剤粉
末を所望に応じて加え、この混合物を金属容器に入れ、
あるいは前述の混合物をニッケル、ステンレス鋼等の支
持体に圧着成形する等の手段によって形成する。
負極物質であるリチウムは一般のリチウム電池のそれ
と同様にシート状として、またはそのシートをニッケ
ル、ステンレス鋼等の導電体網に圧着して負極として形
成する。
また負極活物質としては、リチウム以外にはリチウム
合金が使用できる。
電解質溶媒には、強い酸化還元雰囲気で安定で、誘電
率が大きく粘度が小さく広い温度範囲で液体であるもの
が選ばれる。誘電率が大きいとイオンの溶媒和作用が強
く、リチウム塩の溶解度が大きく、しかもイオンへの解
離を促進する。粘度が小さいとイオンの易動度が大とな
る。すなわち誘電率か大で粘度が小の液体は高いイオン
導電性電解質を作ることができる。このような点から、
ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、エ
チレンカーボネート、メチルホルメート、ジメチルスル
ホキシド、プロピレンカーバイド、アセトニトリル、ブ
チロラクトン、ジメチルフォルムアミドが電解質溶媒と
して選ばれる。
溶解させるリチウム塩には陰イオンが溶媒和しやす
く、溶媒に対し溶解度が高い点と難酸化還元性の点よ
り、LiClO,LiBF4,LiPF6,LiAlCl4,LiClO4などイオン半径
の大きい安定なルイス酸を含む塩が選ばれる。
両極活物質の接触を避けしかも電解質を保持させるた
めの、適度の機械的強度をもつ多孔の薄い絶縁体をセパ
レータに用いる。耐有機溶媒性で、しかも耐有機溶媒に
対するぬれのよい材料として、ポリプロピレンなどの不
織布が一般に用いられる。
[作 用] 本発明によれば、従来のリチウム電池より充放電が大
きく、サイクル性に優れたリチウム電池を構成すること
ができる。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例をより詳細に説
明する。なお各実施例において電池の作製および測定は
アルゴン雰囲気下のアイスボックス中で行なった。
実施例1 第1図は本発明による電池の一具体例であるコイン型
電池の断面図である。図中1はステンレス製封口板、2
はポリプロピレン製ガスケット、3はステンレス製正極
ケース、4はリチウム負極、5はポリプロピレン製微孔
製セパレータ、6は正極合剤ペレットを示す。
正極活物質には、V2O5をネットワークフォーマーであ
るP2O5と共に95:5のモル組成で混合し、白金るつぼ内で
800内で溶融後徐冷して得られた結晶質複合酸化物を用
いた。得られたV2O5+P2O5の混合溶融物を導電剤(アセ
チレンブラック粉末)、結着剤(ポリテトラフルオロエ
チレン)と共に、70:25:5の重量比で混合の上、ロール
成形し、正極合剤ペレット6(厚さ0.5mm、直径17mm、2
00mg/Cell)とした。まず、封口板1上に金属リチウム
負極4を加圧配置したものをガスケット2の凹部に挿入
し、金属リチウム負極4の上にセパレータ5、正極合剤
ペレット6をこの順序に配置し、電解液としてエチレン
カーボネイトと2−メチルテトラヒドロフランの等容積
混合溶媒にLiAsF6を溶解させた1.5規定溶液をそれぞれ
適量注入して含浸させた後に、正極ケース3をかぶせて
かしめることにより、厚さ2mm、直径23mmのコイン型電
池を作製した。
このようにして作製した電池の0.5mA/cm2放電電流密
度での1サイクル目、50サイクル目の充放電プロファイ
ルをそれぞれ第2図、第3図に実線で示す。図中、比較
のためにV2O5結晶質材料の充放電プロファイルを破線
で、仕込み組成(V2O50.95(P2O50.05の急冷非晶質
材料を点線でそれぞれ示している。実線の仕込み組成
(V2O50.95(P2O50.05の混合溶融物は放電初期では
明確なX線反射ピークを持つ結晶質で、1サイクル目の
放電プロファイル上にも3.2V付近に明確なステップが認
められるが、50サイクル目では3.2V付近の放電ステップ
が消滅し、非晶質材料と極めて類似した単調減少プロフ
ァイルに変化していく。
V2O5結晶質材料ではV2O5分子当り1原子Li(140Ah/K
g)を越える深さの充放電が続くとV…Oのウィークボ
ンドの破壊が生じ、サイクル容量の急激な低下が起こる
が、(V2O50.95(P2O50.05の混合溶融物では結晶質
であるにもかかわらず充放電を繰り返すうちにネットワ
ークフォーマーであるP2O5の存在により非晶質化が進行
し、V…Oのウィークボンドの破壊を防いでいると考え
られる。さらにこの非晶質化過程で正極活物質の容積が
増加し、これに伴って電池内部の圧力が高まることがLi
の析出形態改善に効果的であると思われ、V2O5結晶質材
料のみならず、(V2O50.95(P2O50.05急冷非晶質材
料よりもサイクル寿命が優れていることがわかる。
実施例2 電解液としてエチレンカーボネイトと2−メチルテト
ラヒドロフランの等容積混合溶液にLiPF6を溶融させた
1.5規定溶液を用い、それ以外は実施例1と同様にして
(V2O5)と(V2O51-X(P2O5(X:0.1、0.2、0.3、
0.4)の5種の混合溶融物のコイン型リチウム電池を作
製した。この5種のコイン型電池について、0.5mA/cm2
の充放電電流密度で各々2〜3.5Vの電圧規制充放電試験
を行った。第1表に各々の50サイクル目のサイクル容量
を示す。この表から明かなようにネットワークフォーマ
ーであるP2O5の添加量は0<X≦0.3のものが好適でサ
イクル容量の安定性に優れていることがわかる。
実施例3 V2O5にP2O5、TeO2、GeO2、Sb2O3、Bi2O3、SiO2、Nb
O2、Ag2O、PbO、SnO2、MoO2、MoO3、WO3、CuO、BaO、Ti
O2およびB2O3のうち1種の酸化物をV2O5の割合が90モル
%となるように秤量し、実施例1と同様にして正極電池
を作製した。混合溶融物のコイン型リチウム電池を作製
した。この18種のコイン型電池について、0.5mA/cm2
充放電電流密度で各々2〜3.5Vの電圧規制充放電試験を
行った。第2表に各々の50サイクル目のサイクル容量を
示す。この表から明らかなように添加剤としてはP2O5
ものが好適でサイクル容量の安定性に優れていることが
わかる。
実施例4 TeO2、GeO2、Sb2O3、Bi2O3、SiO2、NbO2、Ag2O、Pb
O、SnO2、MoO2、MoO3、WO3、CuO、BaO、TiO2およびB2O3
のうち1種の酸化物を第2種添加剤としてV2O5の割合が
90モル%、P2O5が5モル%となるように秤量し、実施例
1と同様にして正極電池を作製した。この17種のコイン
型電池について、0.5mA/cm2の充放電電流密度で各々2
〜3.5Vの電圧規制充放電試験を行った。第3表に各々の
50サイクル目のサイクル容量を示す。この表から明かな
ように添加剤としてはP2O5のものが好適でサイクル容量
の安定性に優れていることがわかる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、可逆容量の大
きな小型高エネルギ密度のリチウム電池を構成すること
ができ、本発明の電池はコイン型電池など種々の分野に
利用できるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるコイン型電池の構成例
を示す断面図、 第2図は本発明の一実施例における電池の1サイクル目
の充放電特性を示す特性図、 第3図は本発明の一実施例における電池の50サイクル目
の充放電特性を示す特性図である。 1……ステンレス製封口板、 2……ポリプロピレン製ガスケット、 3……ステンレス製正極ケース、 4……リチウム負極、 5……ポリプロピレン製セパレータ、 6……正極合剤ペレット。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−116756(JP,A) 特開 昭61−116757(JP,A) 特開 昭61−116758(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/48 - 4/58 H01M 10/40

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】V2O5に、添加剤として、P2O5、TeO2、Ge
    O2、Sb2O3、Bi2O3、SiO2、NbO2、Ag2O、PbO、SnO2、MoO
    2、MoO3、WO3、CuO、BaO、TiO2、およびB2O3よりなる群
    から選択した少なくとも1種の酸化物を加え、混合溶融
    後徐冷して得られる結晶質複合酸化物を正極活物質とし
    て含み、リチウムまたはリチウム合金を負極活物質とし
    て含み、前記正極活物質および、前記負極活物質に対し
    て化学的に安定であり、かつリチウムイオンが前記正極
    活物質あるいは前記負極活物質と電気化学反応をするた
    めの移動を行い得る物質を電解質物質としたことを特徴
    とするリチウム電池。
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