JP2000251886A - 非水電解質電池 - Google Patents

非水電解質電池

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JP2000251886A
JP2000251886A JP11046946A JP4694699A JP2000251886A JP 2000251886 A JP2000251886 A JP 2000251886A JP 11046946 A JP11046946 A JP 11046946A JP 4694699 A JP4694699 A JP 4694699A JP 2000251886 A JP2000251886 A JP 2000251886A
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潔 山浦
Atsuo Yamada
淳夫 山田
Kokuka Ri
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正極に用いられるリチウムマンガン酸化物の
容量を向上させる。 【解決手段】 遷移金属複合酸化物を含有する正極と、
リチウム金属、リチウム合金、又はリチウムをドープ、
脱ドープ可能な炭素材料を含有する負極と、非水電解質
とを備え、上記遷移金属複合酸化物は、LiMnO2
表される、リチウムとマンガンとの複合酸化物である。
そして、上記LiMnO2が、CuのKα線を用いて測
定されたX線回折スペクトルにおいて、20°<2θ<
30°の範囲に存在する最大積分強度の回折ピークI1
と、38°<2θ<40°の範囲に存在する最大積分強
度の回折ピークI2との積分強度比I1/I2が、0<I1
/I2<0.5の範囲である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極と、負極と、
上記正極と上記負極との間に介在される非水電解質とを
備えた非水電解質電池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、種々の電子機器の飛躍的進歩とと
もに、長時間便利に、かつ経済的に使用できる電池とし
て、再充電可能な二次電池の研究が進められている。代
表的な二次電池としては、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、
リチウム二次電池等が知られている。その中でも特に、
リチウム二次電池は、高出力、高エネルギー密度などの
利点を有する、優れた二次電池である。
【0003】このリチウム二次電池は、例えば、リチウ
ムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正極及
び負極と、正極と負極との間に配されるセパレータと、
非水電解液とから構成される。一般に、負極活物質とし
ては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムがドープ
された導電性高分子、炭素材料や金属酸化物等の層状化
合物が用いられている。
【0004】また、正極活物質には、金属酸化物、金属
硫化物、あるいはポリマーなどが用いられる。正極活物
質として具体的には、例えばTiS2、MoS2、NbS
2、V25などの非含リチウム化合物や、LiMO
2(M=Co,Ni,Mn,Fe等)のようなリチウム
含有複合酸化物が提案されている。
【0005】また、非水電解液としては、プロピレンカ
ーボネートのような非プロトン性有機溶媒にリチウム塩
を溶解させた溶液が用いられている。
【0006】さらに、セパレータとしては、ポリプロピ
レンなどのような高分子フィルムが用いられるが、リチ
ウムイオン伝導度とエネルギー密度の点から可能な限り
薄くしなければならない。実用性の点からは、セパレー
タの厚みは通常約50μm程度以下とするのが適当であ
る。
【0007】リチウム二次電池は高容量化が進みつつあ
るが、一方、コストダウンのための材料選定も行われて
いる。これまでに正極に用いられてきたコバルト酸化物
は高価なため、コバルト酸化物の代替材料として、比較
的安価なマンガン酸化物を正極に使用することが望まれ
ている。正極に用いられるマンガン酸化物としては、ス
ピネル型の構造を有するものが有名であるが、このスピ
ネル型マンガン酸化物の理論容量は150mAh/g程
度であり、LiCoO2の理論容量である274mAh
/gには及ばない。そこで、LiCoO2と同程度の理
論容量を有する、LiMnO2で表される複合酸化物が
盛んに研究されている。
【0008】LiMnO2で表される複合酸化物として
は、合成時の温度により、高温型LiMnO2(R.Hopp
e,G.Brachtel and M.Jansen(Z.Anorg.Allg.Chemie,41
7,1(1975))と、低温型LiMnO2(T.Ohzuku,A.Ued
a,and T.Hirai(Chem.Express.7,193(1992))とが報
告されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高温型
LiMnO2、低温型LiMnO2とも理論容量は300
mAh/g程度であるものの、これらのLiMnO2
合物を実際の非水電解質電池に用いる場合には、電解質
が安定して存在する電位領域の制約を受けるため、実際
の容量は理論容量よりも小さいものとなる。
【0010】例えば、実際の非水電解質電池における充
電容量は、高温型LiMnO2が150mAh/g程
度、低温型LiMnO2が230mAh/g程度とされ
ている。このように、高温型LiMnO2は容量が小さ
く、電池特性を満足することはできない。一方、低温型
LiMnO2はLiCoO2と同等の高い容量を有する
が、低温型LiMnO2は合成法が複雑であり、原料も
高価なため、低温型LiMnO2は大量生産に向かず、
製造過程の点から問題を残す。
【0011】このような状況の下、比較的簡単に合成で
きる高温型LiMnO2の実容量を向上させることが望
まれている。
【0012】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、正極に用いられるリチウムマンガ
ン酸化物の容量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。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の非水電解質電池
は、遷移金属複合酸化物を含有する正極と、上記正極と
対向して配され、リチウム金属、リチウム合金、又はリ
チウムをドープ、脱ドープ可能な炭素材料を含有する負
極と、上記正極と上記負極との間に介在される非水電解
質とを備え、上記遷移金属複合酸化物は、LiMnO2
で表される、リチウムとマンガンとの複合酸化物であ
る。そして、本発明の非水電解質電池は、上記LiMn
2が、CuのKα線を用いて測定されたX線回折スペ
クトルにおいて、20°<2θ<30°の範囲に存在す
る最大積分強度の回折ピークI1と、38°<2θ<4
0°の範囲に存在する最大積分強度の回折ピークI2
の積分強度比I1/I2が、0<I1/I2<0.5の範囲
であることを特徴とする。
【0014】上述したような本発明に係る非水電解質電
池では、正極に含有されるLiMnO2が、X線回折ス
ペクトルにおいて、I1/I2が0<I1/I2<0.5の
範囲となされているので、当該LiMnO2がその結晶
構造において特定の原子乱れを有するものとなり、リチ
ウムイオンを安定に放出して大容量を有することができ
る。
【0015】
【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。
【0016】本発明の非水電解質電池の一構成例を図1
に示す。この非水電解液電池1は、負極2と、負極2を
収容する負極缶3と、正極4と、正極4を収容する正極
缶5と、正極4と負極2との間に配されたセパレータ6
と、絶縁ガスケット7とを備え、負極缶3及び正極缶5
内に非水電解液が充填されてなる。
【0017】負極2は、負極活物質となる例えば金属リ
チウム箔からなる。また、負極活物質として、リチウム
をドープ、脱ドープ可能な炭素材料を用いる場合には、
負極2は、負極集電体上に、上記負極活物質を含有する
負極活物質層が形成されてなる。
【0018】負極缶3は、負極2を収容するものであ
り、また、非水電解液電池1の外部負極となる。
【0019】正極4は、正極集電体上に、正極活物質を
含有する正極活物質層が形成されてなる。この非水電解
液電池1では、正極活物質としてリチウムマンガン酸化
物を用いる。
【0020】R.Hoppeの文献に記載されている高
温型LiMnO2は、反応原料を不活性ガス(又は難反
応性ガス)中で加熱後、同雰囲気中で徐々に冷却する方
法により合成されていた。加熱後、徐冷することにより
得られた高温型LiMnO2は斜方晶構造を有し、空間
群Pmnmを持つ高結晶性化合物である。
【0021】これに対し、反応原料を大気中で加熱後、
急冷することにより得られた高温型LiMnO2は、上
記の高温型LiMnO2と同じように斜方晶構造を有す
るが、高温時の原子の乱れをそのまま凍結し、上記の従
来のLiMnO2に比べて乱れた構造となる。そして、
この乱れた構造を有するLiMnO2は、従来のLiM
nO2よりも大容量を有する酸化物となる。
【0022】具体的には、LiMnO2を加熱後、急冷
する過程で、特定の結晶面に原子乱れ配置が生じ、対応
するX線回折ピークの強度低下を伴う。
【0023】詳しくは、LiMnO2の構造に原子乱れ
配置が生じると、CuのKα線(λ=1.5405 )
を用いて測定されたX線回折スペクトルにおいて、20
°<2θ<30°に存在する最大積分強度の回折ピーク
をI1とし、38°<2θ<40°に存在する最大積分
強度の回折ピークをI2としたとき、I1とI2との積分
強度比I1/I2が低下していく。
【0024】そして、LiMnO2の結晶構造が、I1
2<0.5となるような乱れを有するときに、当該L
iMnO2は安定性よくリチウムを放出することができ
る。そして、このLiMnO2を正極活物質に用いるこ
とで、非水電解液電池1の容量を増大させることができ
る。
【0025】ただし、I1/I2=0の場合は、I2≠0
であるから必然的にI1=0となる。I1=0の場合、L
iMnO2の構造は、電池活物質として機能する斜方晶
構造ではなく、むしろ岩塩型立方晶構造になる。岩塩型
構造のLiMnO2は電池容量が極めて少なく、電池活
物質としては有用でない。従って、I1/I2=0の場合
は含まれず、0<I1/I2<0.5となる。
【0026】このように、X線回折スペクトルにおいて
0<I1/I2<0.5となるような結晶構造の乱れを有
するLiMnO2を正極活物質に用いることで、大容量
を有する非水電解液電池1を得ることができる。
【0027】そして、上述したようなLiMnO2は、
反応原料を大気中900℃〜1000℃で加熱した後、
急冷することにより合成される。合成温度が上記の範囲
から外れたり、加熱後に徐冷されると、上述したような
0<I1/I2<0.5を満たすLiMnO2は得られな
い。
【0028】なお、上述したLiMnO2には、その等
価な結晶構造が維持されている限り、Li,Mn,O以
外の異種元素が含まれていても構わない。例えば、Mn
と固溶性のよいNi、Co、B、Li等がMn元素の一
部と置換されていてもよい。
【0029】正極活物質層に含有される結合剤として
は、この種の非水電解液電池の正極活物質層の結合剤と
して通常用いられている公知の樹脂材料等を用いること
ができる。
【0030】正極缶5は、正極4を収容するものであ
り、また、非水電解液電池1の外部正極となる。
【0031】セパレータ6は、正極4と、負極2とを離
間させるものであり、この種の非水電解液電池のセパレ
ータとして通常用いられている公知の材料を用いること
ができ、例えばポリプロピレンなどの高分子フィルムが
用いられる。
【0032】絶縁ガスケット7は、負極缶3に組み込ま
れ一体化されている。この絶縁ガスケット7は、負極缶
3及び正極缶5内に充填された非水電解液の漏出を防止
するためのものである。
【0033】非水電解液は、この種の非水電解液電池の
電解液として通常用いられている公知の電解液を用いる
ことができ、例えば、プロピレンカーボネートやジメチ
ルカーボネートのような非プロトン性非水溶媒にリチウ
ム塩を溶解させた溶液が用いられる。
【0034】上述したような本実施の形態に係る非水電
解液電池1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。
【0035】なお、上述した実施の形態では、非水電解
質電池として、非水電解液を用いた非水電解液電池1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、非水電解質として、固体電解質や、膨潤溶媒
を含有するゲル状の固体電解質を用いた場合にも適用可
能である。また、本発明は、一次電池についても二次電
池についても適用可能である。
【0036】
【実施例】本発明に係る非水電解液電池を作製し、その
特性を評価した。
【0037】〈実施例1〉まず、次のようにして、正極
活物質となる、一般式LiMnO2で表されるリチウム
マンガン酸化物を合成した。
【0038】上記リチウムマンガン酸化物を合成するに
は、まず、マンガン原料としてMnCO3、リチウム原
料としてLi2CO3を用い、モル比でLi/Mn=1.
00±0.1となるように、それぞれの化合物を秤量
し、メノウ乳鉢で不純物が混入しないように十分混合し
た。
【0039】次に、上記の混合粉末を、15mm径、5
mm厚の円柱状ペレットに成型し、その後、このペレッ
トを10℃/分の昇温温度で1000℃まで加熱し、保
持した。保持時間は、リチウムとマンガンとを完全に反
応させて単相化させるために12時間とした。その後、
ペレットを常温の大気中で速やかに冷却、乾燥すること
により、黒褐色の粉末状のリチウムマンガン酸化物を得
た。
【0040】次に、得られたリチウムマンガン酸化物を
正極活物質として用い、正極を作製した。正極を作製す
るには、まず、正極活物質として、上述のようにして得
られたリチウムマンガン酸化物を80重量%と、導電剤
としてグラファイトを15重量%とを、バインダーとし
てポリフッ化ビニリデンを用いて混練して、ペースト状
の正極合剤を得た。ここで、上記グラファイトには、ロ
ンザ社製のKS−15(平均粒径5μm〜20μm)を
用いた。また、上記ポリフッ化ビニリデンには、アルド
リッチ社製の#1300を用いた。
【0041】次に、上記のようにして得られた正極合剤
を、正極集電体となるアルミニウムメッシュ上に塗布し
た。そして、正極合剤が塗布されたアルミニウムメッシ
ュを、乾燥アルゴン気流中100℃で1時間乾燥し、乾
燥後、上記アルミニウムメッシュを所定の大きさの円板
状に打ち抜くことにより、ペレット状の正極を作製し
た。ここで、ペレット状の正極1個当たりに、正極活物
質は60mg担持されている。
【0042】また、リチウム金属を、上記正極と略同径
の円板状に打ち抜くことにより負極とした。
【0043】次に、プロピレンカーボネートとジメチル
カーボネートとの当容量混合溶媒に、LiPF6を1M
の濃度で溶解させて、非水電解液を調製した。
【0044】最後に、以上のようにして得られた正極を
正極缶に収容し、負極を負極缶に収容し、正極と負極と
の間にセパレータを配した。正極缶及び負極缶内に非水
電解液を注入し、正極缶と負極缶とをかしめて固定する
ことにより、2025型のコイン型非水電解液電池を作
製した。なお、以上の工程は全て乾燥雰囲気下で行っ
た。
【0045】〈実施例2〉リチウムマンガン酸化物を合
成する際の加熱温度を900℃としたこと以外は、実施
例1と同様にしてリチウムマンガン酸化物を合成し、非
水電解液電池を作製した。
【0046】〈比較例1〉R.Hoppe,G.Brachtel and M.J
ansen(Z.Anorg.Alleg.Chemie,417,1(1975))に記載
されている方法によってリチウムマンガン酸化物を合成
し、それ以外は実施例1と同様にして非水電解液電池を
作製した。
【0047】〈比較例2〉リチウムマンガン酸化物を合
成する際に、加熱後に冷却速度10℃/分で除冷したこ
と以外は、実施例1と同様にしてリチウムマンガン酸化
物を合成し、非水電解液電池を作製した。
【0048】〈比較例3〉リチウムマンガン酸化物を合
成する際の加熱温度を1050℃としたこと以外は、実
施例1と同様にしてリチウムマンガン酸化物を合成し、
非水電解液電池を作製した。
【0049】〈比較例4〉リチウムマンガン酸化物を合
成する際の加熱温度を890℃としたこと以外は、実施
例1と同様にしてリチウムマンガン酸化物を合成し、非
水電解液電池を作製した。
【0050】そして、上述のようにして合成されたリチ
ウムマンガン酸化物について、CuのKα線(λ=1.
5405 )を用いたX線回折により、その結晶構造を
評価した。その結果を図2〜図7に示す。ここで、図2
は、実施例1で得られたリチウムマンガン酸化物のX線
回折スペクトルである。また、図3は、実施例2で得ら
れたリチウムマンガン酸化物のX線回折スペクトルであ
る。また、図4は、比較例1で得られたリチウムマンガ
ン酸化物のX線回折スペクトルである。また、図5は、
比較例2で得られたリチウムマンガン酸化物のX線回折
スペクトルである。また、図6は、比較例3で得られた
リチウムマンガン酸化物のX線回折スペクトルである。
また、図7は、比較例4で得られたリチウムマンガン酸
化物のX線回折スペクトルである。
【0051】そして、得られたX線回折スペクトルか
ら、20°<2θ<30°に存在する最大積分強度の回
折ピークI1と、38°<2θ<40°に存在する最大
積分強度の回折ピークI2との積分極度を算出し、I1
2との積分強度比I1/I2を求めた。その結果を表1
に示す。
【0052】
【表1】
【0053】表1から明らかなように、実施例1及び実
施例2で得られたリチウムマンガン酸化物では、I1
2が0<I1/I2<0.5の範囲となされている。一
方、比較例1〜比較例4で得られたリチウムマンガン酸
化物では、I1/I2がいずれも0.5よりも大きくなっ
ている。
【0054】つぎに、上述のようにして作製された電池
について、充放電試験を行い、その特性を評価した。
【0055】充放電試験を行うには、まず、それぞれの
電池に対して、電流密度0.1mA/セルで、開回路電
圧が4.5±0.05Vに達するまで(対リチウム電
位)初期充電を行った。次に、充電された各電池を、閉
回路電圧が1.5Vに達するまで放電させた。放電電流
密度は実験中常に0.1mA/セルに固定した。
【0056】実施例1及び実施例2、比較例1〜比較例
4の非水電解液電池についての、放電容量と電池電圧
(対リチウム電位)との関係を図8に示す。
【0057】また、実施例1及び実施例2、比較例1〜
比較例4の非水電解液電池について、リチウムマンガン
酸化物のI1/I2の値と、放電容量との関係を図9に示
す。
【0058】図8及び図9から明らかなように、0<I
1/I2<0.5を満たすリチウムマンガン酸化物を用い
た実施例1及び実施例2の非水電解液電池では、I1
2が0.5よりも大きいリチウムマンガン酸化物を用
いた比較例1〜比較例4の非水電解液電池に比べて非常
に高い容量を有していることがわかる。
【0059】以上の結果から、X線回折スペクトルにお
いて0<I1/I2<0.5となるような乱れを有するL
iMnO2を正極活物質に用いることで、非水電解液電
池の容量を増大することができることがわかった。
【0060】そして、X線回折スペクトルにおいて0<
1/I2<0.5となるような乱れを有するLiMnO
2は、合成時に大気中で900℃〜1000℃で加熱し
た後、急冷することにより得られることがわかった。合
成時の加熱温度が、上記の範囲より高くても、また、低
くても、X線回折スペクトルにおいて0<I1/I2
0.5となるような乱れを有するLiMnO2は得られ
ない。
【0061】
【発明の効果】本発明では、正極活物質として、結晶構
造に特定の乱れを有するリチウムマンガン酸化物を用い
ることで、容量の大きな非水電解質電池を実現すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非水電解質電池の一構成例を示す断面
図である。
【図2】実施例1で作製したリチウムマンガン酸化物に
ついてのX線回折スペクトルを示す図である。
【図3】実施例2で作製したリチウムマンガン酸化物に
ついてのX線回折スペクトルを示す図である。
【図4】比較例1で作製したリチウムマンガン酸化物に
ついてのX線回折スペクトルを示す図である。
【図5】比較例2で作製したリチウムマンガン酸化物に
ついてのX線回折スペクトルを示す図である。
【図6】比較例3で作製したリチウムマンガン酸化物に
ついてのX線回折スペクトルを示す図である。
【図7】比較例4で作製したリチウムマンガン酸化物に
ついてのX線回折スペクトルを示す図である。
【図8】実施例及び比較例の電池について放電容量と電
位との関係を示す図である。
【図9】実施例及び比較例の電池についてI1/I2と放
電容量との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 非水電解液電池、 2 負極、 3 負極缶、 4
正極、 5 正極缶、 6 セパレータ、 7 絶縁
ガスケット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李 国華 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 4G048 AA04 AB01 AC06 AD03 AD06 AE03 5H003 AA02 BA01 BB05 BC01 BC06 BD00 BD01 BD03

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 遷移金属複合酸化物を含有する正極と、 上記正極と対向して配され、リチウム金属、リチウム合
    金、又はリチウムをドープ、脱ドープ可能な炭素材料を
    含有する負極と、 上記正極と上記負極との間に介在される非水電解質とを
    備え、 上記遷移金属複合酸化物は、LiMnO2で表されるリ
    チウムとマンガンとの複合酸化物であり、 当該LiMnO2は、CuのKα線を用いて測定された
    X線回折スペクトルにおいて、20°<2θ<30°の
    範囲に存在する最大積分強度の回折ピークI1と、38
    °<2θ<40°の範囲に存在する最大積分強度の回折
    ピークI2との積分強度比I1/I2が、0<I1/I2
    0.5の範囲であることを特徴とする非水電解質電池。
  2. 【請求項2】 上記LiMnO2は、反応原料を900
    ℃〜1000℃で加熱した後、急冷することにより合成
    されたものであることを特徴とする請求項1記載の非水
    電解質電池。
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