JP6902743B2 - リチウム二次電池 - Google Patents
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Description
正極と、
負極集電体及び負極活物質を有する負極と、
前記正極および負極に接している電解液と、
を備え、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体の上に配置された正極活物質層とを有し、
前記負極は、充電時にリチウムと合金を形成する材料を含み、
前記電解液は、リチウムイオンおよびそのカウンターアニオンを含有し、
前記電解液は、フェナントレン、ビフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン及びベンジルからなる群より選ばれる少なくとも1つの物質を0.00625mol/L以上0.05mol/L以下で含有し、
前記電解液は、環状エーテル、グライム及びスルフォランからなる群より選ばれる少なくとも1つを溶媒として含む、
リチウム二次電池を提供する。
アルミニウム、シリコン、スズなどの材料をリチウム二次電池の負極活物質として使用すると、これらの材料は、充電時に電気化学的にリチウムと合金を形成する。本明細書において、リチウムと合金を形成するこれらの材料を「合金化材料(alloying material)」とも称する。
本開示の一態様にかかるリチウム二次電池は、以下の構成を有している。
充電時にリチウムと合金を形成する負極活物質を含む負極と、
前記正極及び前記負極に接している電解液と、を備え、
前記電解液は、リチウムイオンおよびそのカウンターアニオンを含有し、
前記電解液は、フェナントレン、ビフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン及びベンジルからなる群より選ばれる少なくとも1種の物質を0.00625mol/L以上0.05mol/L以下で含有し、
前記電解液は、環状エーテル、グライム及びスルフォランからなる群より選ばれる少なくとも1つを溶媒として含む。
図1は、本開示の一実施形態に係るリチウム二次電池の断面を示している。リチウム二次電池10は、正極20、負極30及び電解液50を備えている。電解液50は、溶媒及び負極メディエータを含み、正極20及び負極30に接している。電解液50の溶媒に負極メディエータが溶解している。負極30は、負極集電体31及び負極活物質32を有する。負極30における負極活物質32の酸化還元反応は、負極メディエータを介して進行する。
まず、充電反応が説明される。
電圧の印加により、正極20では、正極活物質の酸化反応が起こる。すなわち、正極活物質から、リチウムイオンが放出される。これにより、正極20からリチウム二次電池10の外部に電子が放出される。
発生したリチウムイオン(Li+)の一部は、セパレータ40を通じて、負極30に向かって移動する。
電圧の印加により、負極集電体31にリチウム二次電池10の外部から電子が供給される。これにより、負極集電体31の上では、負極メディエータの還元反応が起こる。
還元された負極メディエータは、負極活物質32により酸化される。すなわち、負極活物質32は、負極メディエータによって還元される。これにより、負極活物質32はリチウムと反応して、LiAlとなる。
以上のように、負極メディエータは、トータル反応で見ると変化していない。
次に、満充電からの放電反応が説明される。
リチウム二次電池10の放電により、正極20にリチウム二次電池10の外部から電子が供給される。これにより、正極20では、正極活物質の還元反応が起こる。
なお、リチウムイオン(Li+)の一部は、セパレータ40を通じて、正極20に向かって移動する。
リチウム二次電池10の放電により、負極集電体31の上では、負極メディエータの酸化反応が起こる。これにより、負極集電体31からリチウム二次電池10の外部に電子が放出される。
酸化された負極メディエータは、負極活物質32により還元される。すなわち、負極活物質32は、負極メディエータによって酸化される。これにより、負極活物質32はリチウムを放出する。
以上のように、負極メディエータは、トータル反応で見ると変化していない。
本開示を実施例に基づき、具体的に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
2×2cmの銅箔70をポリプロピレン製微多孔性セパレータ71で包んだものの全体を多量のリチウム金属箔72で包んだ。次いで、銅箔とリチウム金属にタブ75,76を取り付け電極群とした。その後、これをラミネート外装73の中に収納し0.1mol/Lでビフェニルを溶かしたエーテル溶液74を注液した後、ラミネート外装73の開口部を熱融着して密閉し、図2に示す電位測定用セルを作製した。
正極活物質として8mAh相当のLiFePO4、負極活物質として2mAh相当のAl箔、負極集電体として租面化銅箔、電解液としてリチウム塩及びビフェニルを含む2メチルテトラヒドロフラン溶液を準備した。これらを用いて、図1に示すリチウム二次電池を作製した。正極は微多孔膜からなるセパレータで包んだ。リチウム塩としてLiPF6を用いた。電解液におけるLiPF6の濃度は1mol/Lであった。電解液におけるビフェニルの濃度を0.00625mol/L、0.0125mol/L、0.025mol/L又は0.05mol/Lに調整し、4つのリチウム二次電池を得た。
正極活物質として3.9mAh相当のLiFePO4、負極活物質として0.75mAh相当のSi(Cu箔上にスパッタ法にて堆積させたSi)、負極集電体として租面化銅箔、電解液としてリチウム塩及びビフェニルを含む2メチルテトラヒドロフラン溶液を準備した。ビフェニルを含む2メチルテトラヒドロフラン溶液は溶媒和電子形成能を有する物質として作用する。これらを用いて、リチウム二次電池を作製した。正極は微多孔膜からなるセパレータで包んだ。リチウム塩としてLiPF6を用いた。電解液におけるLiPF6の濃度は1mol/Lであった。電解液におけるビフェニルの濃度を0.0015625mol/L、0.00625mol/L、0.0125mol/L、0.025mol/Lに調整したリチウム二次電池を得た。
正極活物質として7.8mAh相当のLiFePO4、負極活物質として1.5mAh相当のSi(Cu箔上にスパッタ法にて堆積させたSi)を準備し、その他の条件は実施例4と同じとした。電解液におけるビフェニルの濃度を0.00625mol/L、0.0125mol/Lに調整し、リチウム二次電池を得た。
正極活物質として7.2mAh相当のLiFePO4、負極活物質として2mAh相当のZn箔を準備し、その他の条件は実施例4と同じとした。電解液におけるビフェニルの濃度を0.00625mol/Lに調整したリチウム二次電池を得た。
電解液にビフェニルが含まれていないこと、及び、負極集電体として負極活物質に兼用のアルミニウム箔を用いたことを除き、実施例2と同じ方法でリチウム二次電池を作製した。比較例のリチウム二次電池は、充電可能であったが、放電は不可能であった。負極のアルミニウムが微粉化して電子を集めることが困難になったことが原因であると考えられる。
電解液にビフェニルが含まれていないこと、及び、負極集電体として負極活物質兼用のSiウェハーを用いたことを除き、実施例2と同じ方法でリチウム二次電池を作製した。比較例のリチウム二次電池は、充電可能であったが、放電は不可能であった。負極のSiウェハーが微粉化して電子を集めることが困難になったことが原因であると考えられる。
電解液にビフェニルが含まれていないこと、及び、負極集電体として負極活物質兼用のZn箔を用いたことを除き、実施例2と同じ方法でリチウム二次電池を作製した。比較例のリチウム二次電池は、充電可能であったが、放電は不可能であった。負極のZn箔が微粉化して電子を集めることが困難になったことが原因であると考えられる。
20 正極
21 正極集電体
22 正極活物質層
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質
40 セパレータ
50 電解液
60 容器
Claims (7)
- 正極と、
負極集電体及び負極活物質を有する負極と、
前記正極および負極に接している電解液と、
を備え、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体の上に配置された正極活物質層とを有し、
前記負極活物質は、充電時にリチウムと合金を形成する材料を含み、
前記電解液は、リチウムイオンおよびそのカウンターアニオンを含有し、
前記電解液は、フェナントレン、ビフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン及びベンジルからなる群より選ばれる少なくとも1つの物質を0.00625mol/L以上0.05mol/L以下で含有し、
前記電解液は、環状エーテル、グライム及びスルフォランからなる群より選ばれる少なくとも1つを溶媒として含み、
充電時において、前記電解液の電位が前記負極活物質の平衡電位より卑であり、
放電時において、前記電解液の電位がリチウムと前記負極活物質との前記合金の平衡電位より貴である、
リチウム二次電池。 - 前記環状エーテルは、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン及び4−メチル−1,3−ジオキソランからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む、請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記グライムは、モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、及びポリエチレングリコールジメチルエーテルからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む、請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記スルフォランが、3−メチルスルフォランを含む、請求項1に記載のリチウム二次電池。
- 前記負極活物質がAl、Zn、Si、Sn、Ge、Cd、及びBiからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む、請求項1から3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
- 前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータをさらに備えた、請求項1から5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
- 前記セパレータは、リチウムイオン及び前記物質の通過を許容する材料で構成されている、請求項6に記載のリチウム二次電池。
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