JPH08287915A - 非水二次電池 - Google Patents
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Abstract
く、第一サイクルの効率、製造適性が良好な非水二次電
池を提供する。 【構成】 リチウムを挿入、放出することのできる正
極、負極とリチウム塩を含む非水電解質を電池容器に収
納してなる非水二次電池に関し、該正極及び/叉は負極
が、少なくともアクリル酸またはメタアクリル酸エステ
ル、アクリロニトリル及び酸成分を有するビニルモノマ
ーからなる共重合体を含有する非水二次電池。
Description
ル特性、容量、第一サイクルの効率、製造適性が改良さ
れた非水二次電池に関するものである。
して高分子化合物を用いるのが通常である。フッ素系の
樹脂が従来から知られているが、電極膜を形成したとき
に導電性を阻害したり、集電体と電極膜間の密着が不足
したりして、改良が望まれている。このため、非フッ素
系の高分子化合物の開発が行われており、例えば、特開
昭63ー121257号公報にはアクリロニトリル系の
重合体が、特開平5ー225982号公報にはSBRな
どが、更に特開平1ー186557号公報にはポリエス
テル系の重合体が記載されているが、上記の問題点の解
決には十分でなく、更に電解液への溶出や膨潤などの問
題も派生する。これらの問題点を解決するために、特開
平6ー150906号公報には、非フッ素系の重合体の
水性分散体を用いることが提案されているが、改良効果
は十分でなく、サイクル性などの電池性能や製造適性上
の問題が大きかった。
しいサイクル特性を有し、容量が高く、かつ第一サイク
ルの効率と製造適性が改良された非水二次電池を提供す
ることである。
ムを挿入、放出することのできる正極及び負極とリチウ
ム塩を含む非水電解質を電池容器に収納してなる非水二
次電池に於いて、該正極及び/又は負極が、少なくとも
アクリル酸またはメタアクリル酸エステル、アクリロニ
トリル及び酸成分を有するビニルモノマーからなる共重
合体を含有することによって達成された。更に本発明の
好ましい態様は、 該共重合体を形成するアクリル酸又はメタアクリル酸
エステルが下記一般式(1)で表され、酸成分を有する
ビニルモノマーがアクリル酸、メタクリル酸又はマレイ
ン酸である非水電解質二次電池: 一般式(1)
のアルキル基、R2は水素原子またはメチル基を表す。 該共重合体を含有する電極が正極である非水電解質二
次電池。 該正極が該共重合体と少なくとも1種のフッ素樹脂と
カルボキシメチルセルロースとを含有する非水電解質二
次電池。 負極活物質がリチウムを挿入、放出する無機酸化物で
有り、該負極活物質に対する正極活物質のモル比が2.
0以上、12.0以下である非水二次電池。
酸又はメタアクリル酸エステル、アクリロニトリル及び
酸成分を有するビニルモノマーからなる共重合体であ
る。アクリル酸又はメタアクリル酸エステルは、上記一
般式(1)で表され、R1は炭素数3以上、16以下の
アルキル基を表し、R2は水素原子またはメチル基を表
す。アクリル酸又はメタアクリル酸エステルの例として
は、ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、
ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、オ
クチルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシル
メタクリレート、プロピルアクリレート、n−ブチルア
クリレート、イソブチルアクリレート、t−ブチルアク
リレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレー
ト、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2
−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、
デシルアクリレートなどであるが、好ましくはヘプチル
アクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキ
シルアクリレート、ノニルアクリレートであり、さらに
好ましくはノニルアクリレート、2−エチルヘキシルア
クリレートである。酸成分を有するビニルモノマーはア
クリル酸、メタアクリル酸、マレイン酸であり、好まし
くはアクリル酸、メタアクリル酸である。本発明の共重
合体の各成分の好ましい組成は、アクリル酸又はメタア
クリル酸エステル(成分Aと表す)が50モル%以上9
5%以下、アクリロニトリル(成分B)が3モル%以上
40モル%以下、酸成分を有するビニルモノマー(成分
C)が1モル%以上25モル%以下である。更に好まし
くはAが60モル%以上90%以下、Bが5モル%以上
30モル%以下、Cが3モル%以上20モル%以下であ
る。
C以外に他の繰り返し単位を含んでいても良い。他の繰
り返し単位とは、他のビニルモノマーに由来する繰り返
し単位であり、例えば、スチレン、αーメチルスチレ
ン、クロロスチレン、アクリルアミド、ビニルベンジル
アルコール、スチレンスルフィン酸塩、スチレンスルホ
ン酸塩などの単官能モノマーや、ジビニルベンゼン、エ
チレングリコールジメタクリレート、イソプロピレング
リコールジアクリレート、テトラメチレングリコールジ
メタクリレートなどの2官能モノマーをあげることが出
来る。本発明の共重合体は、ラテックス状であると好ま
しい。ラテックスを作る場合に、上記の2官能モノマー
を架橋剤として用いても良い。これらの架橋剤は15モ
ル%以下、好ましくは10モル%以下で用いることが出
来る。本発明の共重合体は水分散物として用いるのが好
ましく、その形態は、重合体を乳化分散したものであっ
ても、ラテックス状であってもよい。ラテックスは架橋
されていても、非架橋型であっても良い。本発明の共重
合体の重合方法は溶液重合、乳化重合、懸濁重合および
気相重合のいずれでもよく、その重合体の構造はランダ
ム型、グラフト型、あるいはブロック型のいずれであっ
ても良い。本発明の共重合体の水分散物はアニオン系、
ノニオン系などの界面活性剤を含むことができるが、こ
れらを併せて用いることが好ましい。これら界面活性剤
の使用量は共重合体の重量に対して、0.01%以上3
%以下、好ましくは0.1%以上2%以下、最も好まし
くは0.5%以上1.5%以下である。
示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。水
分散物中の固形分の含量は50重量%に調節した。 P−1:2−エチルヘキシルアクリレート、アクリル酸
とアクリロニトリルの共重合体の水分散物(共重合比8
0:5:15) P−2:ノニルアクリレート、アクリル酸、アクリロニ
トリルとスチレンの共重合体の水分散物(共重合比8
2:3:10:5) P−3:2−エチルヘキシルアクリレート、アクリル
酸、アクリロニトリルとジビニルベンゼンの共重合体の
水分散物(共重合比80:5:10:5) P−4:ブチルアクリレートとアクリル酸とアクリロニ
トリルの共重合体の水分散物(共重合比90:3:7) P−5:ブチルアクリレート、アクリル酸、アクリロニ
トリルとジビニルベンゼンの共重合体の水分散物(共重
合比80:5:10:5) P−6:2−エチルヘキシルアクリレート、マレイン酸
とアクリロニトリルの共重合体の水分散物(共重合比8
0:5:15) P−7:2−エチルヘキシルアクリレート、メタアクリ
ル酸とアクリロニトリルの共重合体の水分散物(共重合
比80:5:15) P−8:2−エチルヘキシルアクリレート、アクリル酸
とアクリロニトリルの共重合体の水分散物(共重合比6
0:15:25) P−9:2−エチルヘキシルアクリレート、アクリル酸
とアクリロニトリルの共重合体(共重合比80:5:1
5) P10:ブチルアクリレートとアクリル酸とアクリロニ
トリルの共重合体(共重合比90:3:7) P11:エチルアクリレート、アクリル酸とアクリロニ
トリルの共重合体の水分散物(共重合比80:5:1
5) P12:2−エチルヘキシルアクリレート、アクリル酸
とアクリロニトリルの共重合体の水分散物(共重合比5
0:20:30)
ることのできる他の結着剤には、でんぷん、ポリビニル
アルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシ
プロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセル
ロース、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、
テトラフルオロエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエ
ンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ス
チレンブタジエンゴム、ポリブタジエン、フッ素ゴム、
ポリエチレンオキシドなどの多糖類、熱可塑性樹脂、ゴ
ム弾性を有するポリマーなどが1種またはこれらの混合
物を挙げることが出来る。また、多糖類のようにリチウ
ムと反応するような官能基を含む化合物を用いるとき
は、例えば、イソシアネート基のような化合物を添加し
てその官能基を失活させることが好ましい。これらの結
着剤の中では、フッ素樹脂とカルボキシメチルセルロ−
スが特に好ましい。
素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTF
E)、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピ
レン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン/パ
ーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PF
A)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTF
E)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化
ビニル、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体
(ETFE樹脂)、エチレン/クロロトリフルオロエチ
レン共重合体(ECTFE)などをあげることが出来
る。
ボキシメチルセルロ−スは、その分子量としては20万
以上500万以下が好ましく、さらに好ましくは50万
以上200万以下である。そのエ−テル化度としては
0.5以上1.0以下が好ましく、さらに好ましくは
0.6以上0.8以下である。
フッ素樹脂、カルボキシメチルセルロ−ス、等)と併用
する場合、該共重合体の比率は30%以上、好ましくは
50%以上である。
電極合剤の1%以上、40重量%以下であり、2%以上
30重量%以下が好ましい。結着剤中に占める本発明の
共重合体の比率は、10重量%以上、好ましくは20重
量%以上90重量%以下、特に好ましくは30重量%以
上80重量%以下である。
リチウムイオンを挿入・放出できる遷移金属酸化物でも
良いが、特にリチウム含有遷移金属酸化物が好ましい。
遷移金属酸化物正極活物質としては、リチウム含有T
i、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、
Wを含む酸化物があげられる。またリチウム以外のアル
カリ金属(周期律表の第IA、第IIAの元素)、半金属
のAl、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Biな
どを混合してもよい。混合量は0〜10モル%が好まし
い。
含有遷移金属酸化物正極活物質としては、リチウム化合
物/遷移金属化合物の合計(ここで遷移金属とは、T
i、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mo、Wから
選ばれる少なくとも1種)のモル比が0.3〜2.2に
なるように混合して合成することが好ましい。
ム含有遷移金属酸化物正極活物質としては、リチウム化
合物/遷移金属化合物の合計(ここで遷移金属とは、
V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれる少なく
とも1種)のモル比が0.3〜2.2になるように混合
して合成することが好ましい。本発明で用いられるとく
に好ましいリチウム含有遷移金属酸化物正極活物質と
は、Lix MOz (ここでM=Co、Mn、Ni、V、
Feから選ばれる少なくとも1種を含む遷移金属)、x
=0.3〜1.2、z=1.4〜3)であることが好ま
しい。
ム含有金属酸化物正極活物質としては、LixCoO2、
LixNiO2、LixCoaNi1-aO2、LizCobV
1-bOz、LixCobFe1-bO2、LixMn2O4、Lix
MncCo2-cO4、LixMncNi2-cO4、LixMnc
V2-cOz、LixMncFe2-cO4、LixMn2O4とM
nO2の混合物、Li2xMnO3とMnO2の混合物、L
ixMn2O4、Li2xMnO3とMnO2の混合物(ここ
でx=0.6〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.
8〜0.98、c=1.6〜1.96、z=2.01〜
5)をあげられる。
ム含有金属酸化物正極活物質としては、LixCoO2、
LixNiO2、LixCoaNi1-aO2、LixCobV
1-bOz、LixCobFe1-bO2、LixMn2O4、Lix
MncCo2-cO4、LixMncNi2-cO4、LixMnc
V2-cO4、LixMncFe2-cO4(ここでx=0.7〜
1.04、a=0.1〜0.9、b=0.8〜0.9
8、c=1.6〜1.96、z=2.01〜2.3)が
あげられる。
含有遷移金属酸化物正極活物質としては、LixCo
O2、LixNiO2、LixCoaNi1-aO2、LixMn
2O4、LixCobV1-bOz(ここでx=0.7〜1.0
4、a=0.1〜0.9、b=0.9〜0.98、z=
2.02〜2.3)があげられる。ここで、上記のx値
は、充放電開始前の値であり、充放電により増減する。
属酸化物に化学的にリチウムイオンを挿入する方法とし
ては、リチウム金属、リチウム合金やブチルリチウムと
遷移金属酸化物と反応させることにより合成する方法が
好ましい。
化合物を混合、焼成する方法や溶液反応により合成する
ことができるが、特に、焼成法が好ましい。本発明で用
いられる焼成温度は、本発明で用いられる混合された化
合物の一部が分解、溶融する温度であればよく、例えば
250〜2000℃が好ましく、特に350〜1500
℃が好ましい。本発明で用いられる焼成のガス雰囲気
は、特に限定しないが、正極活物質では空気中あるいは
酸素の割合が多いガス中(例えば、約30%以上)、負
極活物質では空気中あるいは酸素の割合が少ないガス
(例えば、約10%以下)あるいは不活性ガス(窒素ガ
ス、アルゴンガス)中が好ましい。
ズは特に限定されないが、0.1〜50μmが好まし
い。所定の粒子サイズにするには、良く知られた粉砕機
や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、振
動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回
気流型ジェットミルや篩などが用いられる。
料に対する正極活物質のモル比は2.0以上12.0以
下、好ましくは3.0以上11.0以下、更に好ましく
は5.0以上9.0以下の範囲である。
ル数(複数種の正極活物質が存在する場合はすべての種
類の正極活物質のモル数の総和)を負極活物質のモル数
(複数種の負極活物質が存在する場合はすべての種類の
負極活物質のモル数の総和)で割った値である。また、
本発明で言うモル数とは、正極活物質では1モルをLi
AvBw(ここでBはハロゲン原子もしくは酸素を含む
カルコゲン原子であり、AはLiでなく、Bに含まれな
い原子であり、複数種の原子であってもよい。v、wは
正の実数である。)と表した時の値であり、負極活物質
では1モルをLixCDy(ここでDはハロゲン原子も
しくは酸素を含むカルコゲン原子であり、CはLiでな
く、Dに含まれない原子であり、複数種の原子であって
も良い。x、yはCに含まれる原子のモル数の総和を1
とした時の値である。xは0または正の実数であり、y
は正の実数である。)と表した時の値である。
合計の1g当りの電解液量の範囲は、好ましくは0.0
5mlから0.5mlであり、より好ましくは0.1m
lから0.4ml、最も好ましくは0.15mlから
0.3mlである。
{(活物質、導電剤、結着剤、集電体などを含む体積、
さらに詳しくは、正極シートの幅×長さ×厚さと負極シ
ートの幅×長さ×厚さを合計したもの(厚さはノギスま
たはマイクロメーターで測定)}の該電池の体積に対す
る比は、好ましくは0.4以上0.7以下であり、より
好ましくは0.45以上0.65以下であり、最も好ま
しくは0.5以上0.6以下であり、かつ、該電池の正
極と負極の対向面積の該電池の体積に対する比の範囲
は、好ましくは15cm2 /ml以上50cm2 /ml以下であ
り、より好ましくは20cm2 /ml以上40cm2 /ml以下
であり、最も好ましくは25cm2 /ml以上30cm2 /ml
以下である。本発明における電池の体積とは、電池の内
容積ではなく、電池缶や電池内部の空隙を含む電池の全
体積である。さらに具体的には、電池が、例えば素電池
外径が13.8mm、素電池高さ(肩の高さ)が48.0
mmのAA型(電池体積7.2ml)とした場合、電極長さ
は、正極が好ましくは180mm以上330mm以下、より
好ましくは220mm以上290mm以下、最も好ましくは
240mm以上270mm以下である。負極が、好ましくは
200mm以上380mm以下、より好ましくは220mm以
上300mm以下、最も好ましくは250mm以上280mm
以下である。電極幅は正極が、好ましくは32mm以上4
5mm以下、より好ましくは35mm以上41mm以下、最も
好ましくは37mm以上39mm以下であり、負極が、好ま
しくは35mm以上46mm以下、より好ましくは38mm以
上44mm以下、最も好ましくは40mm以上42mm以下で
ある。電極厚みは正極が、好ましくは150μm 以上4
00μm 以下、より好ましくは200μm 以上300μ
m 以下、最も好ましくは230μm 以上270μm 以下
であり、負極が好ましくは60μm 以上200μm 以
下、より好ましくは90μm 以上180μm 以下、最も
好ましくは110μm 以上130μm 以下である。正極
と負極の対向面積は、好ましくは100cm2 以上400
cm2 以下であり、より好ましくは120cm2 以上300
cm2 以下であり、最も好ましくは150cm2 以上250
cm2 である。
極、セパレーターを捲回してできた略円柱体の断面の外
接円の直径である。電極体は最外周の巻き止めテープ、
外周付近のリードタブ等により断面円の直径が場所によ
って微妙に異なるが、電極体直径とは、これらのうち電
極挿入時および電池較正後、最も応力がかかりやすい部
分から外心までの距離である。また、外部分はセパレー
ターの端の一部がめくれて見掛けの外接円直径が増えて
いるような、実質的に応力のかからない突出部分は含ま
ない。また、該部分は電極体が比較的フレキシブルに変
形して断面が略円になったり、略長円になったりする場
合、略円となった場合の外接円の直径の実質的最大値を
言う。さらに具体的には、該電池の電極体直径と電池缶
内径との差が、好ましくは30μm 以上300μm 以
下、より好ましくは100μm 以上250μm 以下、最
も好ましくは150μm 以上200μm 以下である。
機酸化物は、遷移金属酸化物、半金属酸化物から選ばれ
る。遷移金属酸化物としてV、Ti、Fe、Mn、C
o、Ni、Znの単独、あるいは、それらの組合せから
選ばれる。例えば、Fe2O3、Co2O3、WO2、W
O3、MoO2、MoO3のリチウム含有遷移金属酸化物
が好ましい。それらの中でも、LieMfOg(ここでM
=V、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Znから選ばれ
る少なくとも1種、e=0.1〜3、f=1あるいは
2、g=1〜5.5)が好ましい。
こでq=0.1〜2.5、p=0〜1、r=1.3〜
4.5)が特に好ましい。
る酸化物が選ばれる。 例えば、Al、Si、Sn、G
e、Pb、Sb、Biの単独あるいは、それらの組合せ
からなる酸化物が選ばれる。例えば、Al2O3、SiO
2、GeO、GeO2、SnO、SnO2、SnSiO3、
PbO、PbO2、Pb2O3、Pb2O4、Pb3O4、S
b2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、Bi2O4、B
i2O5、Li2SiO3、Li4Si2O7、Li2Si
3O7、Li2Si2O5、Li8SiO6、Li6Si2O7、
Li2GeO3、Li4GeO4、Li8GeO6、Li2S
nO3、Li8SnO 6、Li2PbO3、Li4PbO4、
LiBiO2、Li3BiO4、Li5BiO5、LiSb
O4、Li4MgSn2O7、Li2MgSn2O5などを含
む酸化物などが好ましい。また無機カルコゲナイドとし
ては、上記無機酸化物で示された金属、半金属を用いた
硫化物が選ばれる。例えば、TiS2、GeS、Ge
S2、SnS、SnS2、PbS、PbS2、Sb2S3、
Sb2S5、SnSiS3などを含む硫化物が好ましい。
それらの中でもSnO、SnO2、GeO、GeO2、S
nSiO3、LiSnO3を含む化合物が好ましい。
安全性、高サイクル性の効果を与えるので好ましい。
含ませることができる。例えば、遷移金属(周期律表の
第4、第5および第6周期の元素で第IIIA族から第
IB族に属する元素)や周期律表第IIIB族の元素、
アルカリ金属(周期律表のIA、第IIAの元素)や
P、Cl、Br、I、Fを含ませることができる。
る各種化合物(例えば、Sb、In、Nbの化合物)の
ドーパント、また同族元素としてSiを含んでもよい。
添加する化合物の量は0〜20モル%が好ましい。
は、Sn化合物、例えば、塩化第二錫、臭化第二錫、硫
酸第二錫、硝酸第二錫の水溶液と水酸化アルカリ、例え
ば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウ
ム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ア
ンモニウムとなどの水溶液を混合して水酸化第二錫を沈
殿させ、それを洗浄、分離する。その水酸化第二錫をほ
ぼ乾燥させてから、空気中、酸素が多いガス中あるい
は、酸素が少ないガス中で250〜2000℃にて、焼
成する。または水酸化第二錫のまま焼成し、その後洗浄
することができる。一次粒子の平均サイズは、走査型電
子顕微鏡による測定で0.01μm〜1μmが好まし
い。とくに0.02μm〜0.2μmが好ましい。二次
粒子の平均サイズでは、0.1〜60μmが好ましい。
同様に、SnOでは、塩化第一錫、臭化第一錫、硫酸第
一錫、硝酸第一錫の水溶液と水酸化アルカリ、例えば、
水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、
水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アンモ
ニウムとなどの水溶液を混合し、煮沸する。また、蓚酸
第一錫を酸素が少ないガス中で、250〜1000℃に
て焼成する。その平均粒子サイズは0.1〜60μmが
好ましい。その他の酸化物は、SnO2やSnOと同じ
く、よく知られた方法で合成することができる。その好
ましい物性は前記のSnOと同じである。所定の粒子サ
イズにするには、良く知られた粉砕機や分級機が用いら
れる。例えば、乳鉢、ボールミル、振動ボールミル、衛
星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミ
ルや篩などが用いられる。
化学的に挿入することにより得ることができる。例え
ば、リチウム金属、リチウム合金やブチルリチウムなど
と反応させる方法や電気化学的にリチウムを挿入するこ
とが好ましい。本発明では、酸化物に電気化学的にリチ
ウムを挿入することが特に好ましい。電気化学的にリチ
ウムイオンを挿入する方法として、正極活物質として目
的の酸化物(本発明で言う負極活物質前駆体のこと)、
負極活物質として、リチウム金属、リチウム塩を含む非
水電解質からなる酸化還元系(例えば開放系(電解)ま
たは密閉系(電池))を放電することにより得ることが
できる。また、別の実施態様例として、正極活物質とし
てリチウム含有遷移金属酸化物、負極活物質として、負
極活物質、リチウム塩を含む非水電解質からなる酸化還
元系(例えば開放系(電解)または密閉系(電池))を
充電することにより得る方法が最も好ましい。
化物1g当たり0.04A〜1Aの電流を流すことが好
ましい。これより低い電流でリチウムを挿入しようとす
ると、驚くべきことに、可逆性の低い化合物になってい
ることを見つけた。この電流は特に第1サイクルの初
期、特に第1サイクルの必要容量のはじめから約30%
以内において、流すことが好ましい。例えば、Li−A
l(80ー20重量%)に対し約0.6V以下になるま
でその電流以上を流し続けることが好ましい。それ以降
は高い電流でも低い電流でもかまわない。更に、前駆体
の酸化物1g当たり0.06A〜0.8Aの電流を流す
ことが好ましい。
が、例えばLi−Al(80ー20重量%)に対し、
0.05Vになるまで挿入することが好ましい。さら
に、0.1Vまで挿入することが好ましく、特に、0.
15Vまで挿入することが好ましい。このときの、リチ
ウム挿入の当量は3〜10当量になっており、この当量
に合わせて正極活物質との使用量比率を決める。この当
量に基づいた使用量比率に、0.5〜2倍の係数をかけ
て用いることが好ましい。リチウム供給源が正極活物質
以外では(例えば、リチウム金属や合金、ブチルリチウ
ムなど)、負極活物質のリチウム放出当量に合わせて正
極活物質の使用量を決める。このときも、この当量に基
づいた使用量比率に、0.5〜2倍の係数をかけて用い
ることが好ましい。
場合、「リチウムを挿入してもそれぞれの金属(リチウ
ムとの合金)まで還元されていない」ことを発見した。
それは、(1)透過型電子顕微鏡観察による金属の析出
(とくに、デンドライトの析出)がないこと、(2)金
属を介したリチウム挿入/放出の電位が酸化物のそれと
異なっていること、また、(3)SnOでは、リチウム
挿入に対する放出の損失は約1当量であったので、金属
錫が発生する場合の2当量損失とは一致しないことなど
から、推論できる。酸化物の電位は、現在用いられてい
る焼成炭素質化合物のそれと類似しており、焼成炭素質
化合物と同じく、単なるイオン結合でもなく、また単な
る金属結合でもない状態になっているものと推測され
る。従って、本発明が従来のリチウム合金とは明らかに
異なる発明であるといえる。
が、リチウムを挿入していくと結晶性が低下して、非晶
質性に変わっていく。従って、負極活物質として可逆的
に酸化還元している構造は非晶質性が高い化合物と推定
される。従って、本発明の酸化物は結晶構造でも、非晶
質構造でもまたそれらの混合した構造でもよい。
物質としては、リチウム金属、リチウム合金(Al、A
l−Mn、Al−Mg、Al−Sn、Al−In、Al
−Cdなどやリチウムイオンまたはリチウム金属を吸蔵
・放出できる焼成炭素質化合物があげられる。上記リチ
ウム金属やリチウム合金の併用目的は、リチウムを電池
内で挿入させるためのものであり、電池反応として、リ
チウム金属などの溶解・析出反応を利用するものではな
い。
導電剤やフィラーなどを添加することができる。導電剤
は、構成された電池において、化学変化を起こさない電
子伝導性材料であれば何でもよい。通常、天然黒鉛(鱗
状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カ−
ボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラッ
ク、炭素繊維や金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀
など)粉、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体など
の導電性材料を1種またはこれらの混合物として含ませ
ることができる。黒鉛とアセチレンブラックの併用がと
くに好ましく、これにニッケル粉を添加しても良い。ニ
ッケル粉では多孔質のニッケル粉が特に好ましい。その
添加量は、特に限定されないが、合剤総量の1〜50重
量%が好ましく、特に2〜30重量%が好ましい。カー
ボンや黒鉛では、2〜20重量%が特に好ましい。ま
た、SnO2にSbをドープさせたように、活物質の前
駆体に電子導電性を持たせた場合には、上記導電剤を減
らすことができる。例えば、0〜10重量%の添加が好
ましい。
学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いるこ
とができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなど
のオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用
いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、合
剤総量の20重量%以下が好ましい。
レンカ−ボネ−ト、エチレンカ−ボネ−ト、ブチレンカ
ーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネ
ート、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタ
ン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラ
ン、ジメチルスルフォキシド、1,3−ジオキソラン、
ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、
アセトニトリル、ニトロメタン、蟻酸メチル、酢酸メチ
ル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸
トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導
体、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、
プロピレンカ−ボネ−ト誘導体、テトラヒドロフラン誘
導体、ジエチルエ−テル、1,3−プロパンサルトンな
どの非プロトン性有機溶媒の少なくとも1種以上を混合
した溶媒とその溶媒に溶けるリチウム塩、例えば、Li
ClO4、LiBF6、LiPF6、LiCF3SO3、L
iCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10C
l10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiAlC
l4、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチ
ウム、四フェニルホウ酸リチウムなどの1種以上の塩か
ら構成されている。なかでも、プロピレンカ−ボネ−ト
あるいはエチレンカボートと1,2−ジメトキシエタン
および/あるいはジエチルカーボネートの混合液にLi
CF3SO3、LiClO4、LiBF4および/あるいは
LiPF6を含む電解質が好ましい。特に、少なくとも
エチレンカーボネートとLiPF6を含むことが好まし
い。
に限定されないが、正極活物質や負極活物質の量や電池
のサイズによって必要量用いることができる。溶媒の体
積比率は、特に限定されないが、プロピレンカ−ボネ−
トあるいはエチレンカボートあるいはブチレンカーボネ
ート対1,2−ジメトキシエタンおよび/あるいはジエ
チルカーボネートの混合液の場合、0.4/0.6〜
0.6/0.4(エチレンカーボネートとブチレンカー
ボネートを両用するときの混合比率は0.4/0.6〜
0.6/0.4、また1,2−ジメトキシエタンとジエ
チルカーボネートを両用するときの混合比率は0.4/
0.6〜0.6/0.4)が好ましい。支持電解質の濃
度は、特に限定されないが、電解液1リットル当たり
0.2〜3モルが好ましい。
用いることができる。固体電解質としては、無機固体電
解質と有機固体電解質に分けられる。無機固体電解質に
は、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがよく
知られている。なかでも、Li3N、LiI、Li5NI
2、Li3N−LiI−LiOH、LiSiO4、LiS
iO4−LiI−LiOH、xLi3PO4−(1−x)
Li4SiO4、Li2SiS3、硫化リン化合物などが有
効である。有機固体電解質では、ポリエチレンオキサイ
ド誘導体か該誘導体を含むポリマ−、ポリプロピレンオ
キサイド誘導体か該誘導体を含むポリマ−、イオン解離
基を含むポリマ−、イオン解離基を含むポリマ−と上記
非プロトン性電解液の混合物、リン酸エステルポリマ−
が有効である。さらに、ポリアクリロニトリルを電解液
に添加する方法もある。また、無機と有機固体電解質を
併用する方法も知られている。
度を持ち、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の薄膜が用
いられる。耐有機溶剤性と疎水性からポリプレピレンな
どのオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維あるいは
ポリエチレンなどからつくられたシートや不織布が用い
られる。セパレーターの孔径は、一般に電池用として用
いられる範囲の、例えば、0.01〜10μmが用いら
れる。セパレターの厚みは、一般に電池用の範囲の、例
えば、5〜300μmが用いられる。
で、以下で示す化合物を電解質に添加することが知られ
ている。例えば、ピリジン、トリエチルフォスファイ
ト、トリエタノ−ルアミン、環状エ−テル、エチレンジ
アミン、n−グライム、ヘキサリン酸トリアミド、ニト
ロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N−置換
オキサゾリジノンとN,N’−置換イミダゾリジノン、
エチレングリコ−ルジアルキルエ−テル、四級アンモニ
ウム塩、ポリエチレングリコ−ル、ピロ−ル、2−メト
キシエタノ−ル、AlCl3、導電性ポリマ−電極活物
質のモノマ−、トリエチレンホスホルアミド、トリアル
キルホスフィン、モルフォリン、カルボニル基を持つア
リ−ル化合物、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと
4−アルキルモルフォリン、二環性の三級アミン、オイ
ル、四級ホスホニウム塩、三級スルホニウム塩などが挙
げられる。
ゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化塩化エチレンを
電解液に含ませることができる。また、高温保存に適性
をもたせるために電解液に炭酸ガスを含ませることがで
きる。
は電解質を含ませることができる。例えば、前記イオン
導電性ポリマ−やニトロメタン、電解液を含ませる方法
が知られている。
できる。例えば、金属酸化物の表面をエステル化剤によ
り処理したり、キレ−ト化剤で処理、導電性高分子、ポ
リエチレンオキサイドなどにより処理することが挙げら
れる。また、負極活物質の表面を改質することもでき
る。例えば、イオン導電性ポリマ−やポリアセチレン層
を設ける、あるいはLiClなどにより処理することが
挙げられる。
電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば
何でもよい。例えば、正極には、材料としてステンレス
鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素などの
他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、
ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの、負極に
は、材料としてステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、
アルミニウム、焼成炭素などの他に、銅やステンレス鋼
の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理
させたもの)、Al−Cd合金などが用いられる。これ
らの材料の表面を酸化することも用いられる。形状は、
フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされ
たもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体な
どが用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜5
00μmのものが用いられる。
リンダ−、角などいずれにも適用できる。電池の形状が
コインやボタンのときは、正極活物質や負極活物質の合
剤はペレットの形状に圧縮されて主に用いられる。その
ペレットの厚みや直径は電池の大きさにより決められ
る。また、電池の形状がシ−ト、シリンダ−、角のと
き、正極活物質や負極活物質の合剤は、集電体の上にコ
ート、乾燥、圧縮されて、主に用いられる。そのコート
厚み、長さや巾は、電池の大きさにより決められるが、
コートの厚みは、ドライ後の圧縮された状態で、1〜2
000μmが特に好ましい。
ては、一般に採用されている方法を利用することができ
る。特に、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び
低湿風を単独あるいは組み合わせて用いることが好まし
い。温度は80〜350℃の範囲が好ましく、特に10
0〜250℃の範囲が好ましい。含水量は、電池全体で
2000ppm以下が好ましく、正極合剤、負極合剤や
電解質ではそれぞれ500ppm以下にすることがサイ
クル性の点で好ましい。ペレットやシートのプレス法
は、一般に採用されている方法を用いることができる
が、特に金型プレス法やカレンダープレス法が好まし
い。プレス圧は、特に限定されないが、0.2〜3t/
cm2 が好ましい。カレンダープレス法のプレス速度は、
0.1〜50m/分が好ましい。プレス温度は、室温〜
200℃が好ましい。
缶に挿入し、缶とシートを電気的に接続し、電解液を注
入し、封口板を用いて電池缶を形成する。このとき、安
全弁を封口板として用いることができる。安全弁の他、
従来から知られている種々の安全素子を備えつけても良
い。例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメ
タル、PTC素子などが用いられる。また、安全弁のほ
かに電池缶の内圧上昇の対策として、電池缶に切込を入
れる方法、ガスケット亀裂方法あるいは封口板亀裂方法
を利用することができる。また、充電機に過充電や過放
電対策を組み込んだ回路を具備させても良い。缶やリー
ド板は、電気伝導性をもつ金属や合金を用いることがで
きる。例えば、鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブ
デン、銅、アルミニウムなどの金属あるいはそれらの合
金が用いられる。キャップ、缶、シート、リード板の溶
接法は、公知の方法(例、直流又は交流の電気溶接、レ
ーザー溶接、超音波溶接)を用いることができる。封口
用シール剤は、アスファルトなどの従来から知られてい
る化合物や混合物を用いることができる。
定されないが、例えば、電子機器に搭載する場合、カラ
ーノートパソコン、白黒ノートパソコン、ペン入力パソ
コン、ポケット(パームトップ)パソコン、ノート型ワ
ープロ、ポケットワープロ、電子ブックプレーヤー、携
帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディ
ーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリ
ンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶
テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニ
ディスク、電気シェーバー、電子翻訳機、自動車電話、
トランシーバー、電動工具、電子手帳、電卓、メモリー
カード、テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電
源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用と
して、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、
ゲーム機器、ロードコンディショナー、アイロン、時
計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補
聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍
需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電
池と組み合わせることもできる。
説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明は実施
例に限定されるものではない。
の作り方について説明する。正極シートC−1は次のよ
うにして作った。正極活物質としてLiCoO2(市販
品)を100重量部アセチレンブラックを4重量部の割
合で混合し、結着剤として本発明の共重合体の水分散物
(P−1、固形分濃度50%)6重量部、さらに水を加
えて混練して得られたスラリーを厚さ30μmのアルニ
ミウム箔(支持体)集電体の両面に塗布した。該塗布物
を乾燥後、カレンダープレス機により圧縮成型して帯状
の正極シートC−1を作成した。
た。負極材料としてSnSiO3を84重量部、導電剤
としてアセチレンブラック3重量部とグラファイト8重
量部の割合で混合し、さらに結着剤としてポリフッ化ビ
ニリデン4重量部およびカルボキシメチルセルロース1
重量部を加え、水を媒体として混練してスラリーを得
た。該スラリーを厚さ18μmの銅箔の両面に、ドクタ
ーブレードコーターをもちいて塗布し、乾燥後カレンダ
ープレス機により圧縮成型して帯状の負極シートA−1
を作成した。
リード板をスポット溶接した後、露点−40度以下の乾
燥空気中で150度で、負極シートは4時間、正極シー
トは2時間熱処理した。作成した正極シート、微孔性ポ
リプロピレンフィルム製セパレーター(セルガード24
00)、負極シート、およびセパレーターの順で積層
し、これを渦巻状に巻回した。この時、正極活物質の負
極活物質に対するモル比は7になるようにした。
めっきを施した鉄製の有底円筒型電池缶に収納した。そ
の後、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネートを
体積比1対4で混合した液に1mol/lのLiPF6
を溶解した電解液を電池缶に注入した。正極端子を有す
る電池蓋をガスケットを介してかしめて円筒型電池を作
成した。なお正極端子は正極シートと、電池缶は負極シ
ートと予めリード端子により接続した。この電池をD−
1とする。図1に円筒型電池の断面を示した。
P−2からP12を用いて正極シートC−2からC12
を作った。但し、P−9,P10を用いた正極シートC
−9,C10は、以下のようにして作った。正極シート
C−9は、正極活物質としてLiCoO2(市販品)を
100重量部アセチレンブラックを4重量部の割合で混
合し、結着剤P−9のトルエン溶液(固形分濃度5%)
60重量部を加え、さらにトルエンを加えて混練して得
られたスラリーを厚さ30μmのアルミニウム箔(支持
体)集電体の両面に塗布した。該塗布物を乾燥後、カレ
ンダープレス機により圧縮成型して帯状の正極シートC
−9を作成した。同様な方法で正極シートC10をつく
った。比較用の結着剤T13からT16を準備し、正極
シートC−1と同様にしてC13からC16を作った。 T13:アクリル酸とアクリロニトリルの共重合体の水
分散物(共重合比15:85) T14:2ーエチルヘキシルアクリレートとアクリロニ
トリルの共重合体の水分散物(共重合比80:20) T15:2ーエチルヘキシルアクリレートとブタジエン
の共重合体の水分散物(共重合比80:20) T−16:PVDFの水分散物
いる以外は電池D−1と全く同様にして電池D−2から
D16を作った。これらの電池を用いて、サイクル性、
相対放電容量、第一サイクルの効率、密着性を求めた。
この結果を表1に示した。尚、充放電条件は、4.1か
ら2.7V,1mA/Cm2とした。サイクル性は、第2
回目放電容量の90%容量になったときのサイクル数、
相対放電容量は電池D−1の2回目の放電容量を100
とした時の相対値、第一サイクルの充放電効率は%で表
した。密着性は、正極シートに粘着テープを貼り、一定
速度で引き剥がし、剥離しなかった部分の面積の比率で
表した。
重合体を用いた電池はサイクル性、相対放電容量、集電
体との密着性に優れることがわかる。更に本発明の共重
合体の中でも、P−1とP−9,P−4とP10を比較
することにより、本発明の共重合体は、水性分散物とし
て使用すると有利であることがわかる。更にP−4とP
11の比較から、アクリレートのR1は炭素数が3以上
が有利であることがわかる。又、P−1,P−8,P−
12の比較からアクリレートは60%以上が有利である
こともわかる。
活物質の負極活物質に対するモル比を表2に示す様に変
更して、実施例1と同様なサイクル性の試験を行った。
表2に結果を示した。これらからわかるように、本発明
の正極と、正極活物質の負極活物質に対するモル比の範
囲で試験した試料が優れたサイクル性を示すことがわか
った。
実施例1と同様にして電池を作成し、この電池を用いて
サイクル性と密着性の試験を行った。尚、フッ素樹脂と
してはPVDFの水分散物を用い、他にカルボキシメチ
ルセルロース(CMC)を用いた。使用量は固形分重量
で換算した。結果を表3に示した。本発明の共重合体に
これらの結着剤剤を併用するとサイクル性と密着性がさ
らに改良される事がわかった。
同様にして電池を作成し、実施例1と同様な評価を行
い、ほぼ実施例1と同様な結果を得た。更に正極活物質
LiMn2O4でも同様な結果が得られた。このことか
ら、本発明の効果は正極活物質の種類にはよらないこと
がわかった。
の変わりに、本発明の共重合体を同重量用いる以外は実
施例1と同様にして負極シートA−1からA16を作っ
た。これらのシートを用いて、実施例1と同様にして負
極合剤と銅箔間の密着を評価し、表1の密着性の欄とほ
ぼ同様の結果を得た。従って、本発明の結着剤剤の効果
は負極に於いても発現する事がわかる。
例1と同様にして負極シートA−2を作った。また実施
例1の負極材料をLiCoVO4(CoOとV2O5と無
水酢酸リチウムを混合し、空気中に於て900度で3時
間焼成して合成、ジェットミルにて粉砕)に変更した以
外は実施例1と同様にして負極シートA−3を作った。
更に実施例1の負極材料をSnSi0.625Al0.125B
0.375P0.25O2.8に変更した以外は実施例1と同様にし
て負極シートA−4を作った。これらの負極シートと実
施例1の正極シートC−1からC16を組み合わせ、実
施例1と同様な実験をしたところほぼ実施例1と同様な
結果を得た。この結果から、本発明の効果は、負極の構
成には依存しない事がわかった。
ことのできる正極、負極と、リチウム塩を含む非水電解
質を電池容器に収納してなる非水二次電池に関し、該正
極及び/叉は負極が、少なくともアクリル酸またはメタ
アクリル酸エステル、アクリロニトリル及び酸成分を有
するビニルモノマーからなる共重合体を含有する非水二
次電池により、良好な充放電サイクル特性と、高い容量
を有し、製造適性のある電池を得ることが出来る。
ものである。
Claims (5)
- 【請求項1】 リチウムを挿入、放出することのできる
正極及び負極とリチウム塩を含む非水電解質を電池容器
に収納してなる非水二次電池に於いて、該正極及び/又
は負極が、少なくともアクリル酸又はメタアクリル酸エ
ステル、アクリロニトリル及び酸成分を有するビニルモ
ノマーからなる共重合体を含有することを特徴とする非
水電解質二次電池。 - 【請求項2】 請求項1の共重合体を形成するアクリル
酸又はメタアクリル酸エステルが下記一般式(1)で表
され、酸成分を有するビニルモノマーがアクリル酸、メ
タクリル酸又はマレイン酸であることを特徴とする請求
項1に記載の非水電解質二次電池: 一般式(1) 【化1】 ここでR1は炭素数が3以上、16以下のアルキル基、
R2は水素原子またはメチル基を表す。 - 【請求項3】 請求項1の共重合体を含有する電極が正
極であることを特徴とする請求項1、2に記載の非水電
解質二次電池。 - 【請求項4】 請求項3の正極が該共重合体と少なくと
も1種のフッ素樹脂とカルボキシメチルセルロースを含
有することを特徴とする請求項3に記載の非水電解質二
次電池。 - 【請求項5】 負極活物質がリチウムを挿入、放出する
無機酸化物で有り、該負極活物質に対する正極活物質の
モル比が2.0以上、12.0以下であることを特徴と
する請求項2から4に記載の非水二次電池。
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