JPH01131029A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH01131029A
JPH01131029A JP62286563A JP28656387A JPH01131029A JP H01131029 A JPH01131029 A JP H01131029A JP 62286563 A JP62286563 A JP 62286563A JP 28656387 A JP28656387 A JP 28656387A JP H01131029 A JPH01131029 A JP H01131029A
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重人 岡田
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大塚 秀昭
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準一 山木
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の産業上利用分野〕 本発明は、マンガン酸化物非晶質物質およびその製造方
法、さらに上記マンガン酸化物非晶質物質を使用した電
池に関するものである。
〔従来技術および問題点〕
リチウム等の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
へのインサージョンもしくはインターカレーシジン反応
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等の
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いえなかった。
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
、特願昭59−237778号および特願昭60−41
213号に提案されている。この物質は従来の結晶質五
酸化バナジウムに比べて優れたサイクル特性を示す材料
であったが、この非晶質物質はコストの点で問題があっ
た。一方、二酸化マンガンについては五酸化バナジウl
、に比べ、安価で安全な材料であるが、その融点が非常
に高く、また溶融過程で酸素が抜け、マンガンが還元さ
れてしまうため、従来の象、冷性では非晶質の二酸化マ
ンガンが得られないという問題があった。
本発明の目的は上記現状の問題点を改良して、小型で充
放電特性に優れた電池特性を持つリチウム電池を提供す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
かかる目的を達成するために、本発明によるマンガン酸
化物非晶質物質は、その組成が、−数式MnO2 −X
  (ただし、0≦x<0.5)で表されることを特徴
としている。
また、本発明によるマンガン酸化物非晶質物質の製造方
法は、組成が一般式Mn 02− X  (但し、0≦
x<0.5)で表されるマンガン酸化物をスパッタ法に
よって、非晶質化させることを特徴とするものである。
本発明は、さらに上記マンガン酸化物非晶質物質を使用
した電池に関するものであり、負極活物質と正極活物質
および電解質物質を有する電池において、前記正極活物
質は、その組成が一般式MnO2 −x  (但し、0
≦x<0.5)で表されるマンガン酸化物非晶質物質で
あることを特徴としている。
本発明によるマンガン酸化物非晶質物質は、充放電可逆
容量が大きく、サイクル性に優れた電池を製造できると
いう利点がある。
また、本発明によるマンガン酸化物非晶質物質の製造方
法によれば、従来の急冷法で製造できなかったマンガン
酸化物非晶質物質を容易にえることができるという利点
がある。
さらに上述のマンガン酸化物非晶質物質を正極活物質と
した電池によれば、充放電可逆容量が大きく、かつサイ
クル性が良好であるという利点がある。
本発明をさらに詳しく説明する。
本発明によるマンガン酸化物非晶質物質は、前述のよう
に、組成が一般式MnO□−X (但し、0≦x<0.
5)で表される非晶質物質であることを特徴としている
。上記Xが0.5の場合は、Mnz O+となり、後述
の実施例より明らかなように充放電効率が悪くなり、サ
イクル特性を低下する。さらに0.5を越えると、充放
電効率およびサイクル特性は順次悪化する傾向を示すか
らである。
本発明による上記マンガン酸化物非晶質物質の製造方法
は、その組成が一般式MnO□−X (但し、0≦x<
0.5)で表されるマンガン酸化物をスパッタし、非晶
質化することを特徴としている。
このように上記組成のマンガン酸化物をスパックによっ
て非晶質化することによって、従来急冷法で達成できな
かった本発明によるマンガン酸化物非晶質を容易に製造
できる。
上述のスパッタリングを行う時の条件は、後述の実施例
より明らかなように、基板温度50°C以下、スパッタ
パワー200W以下、トータルガス圧6X10−2To
rr以上、酸素分圧30%以上であるのがよいことが明
らかになった。
本発明はまた、上記マンガン酸化物非晶質物質を使用し
た電池に関するものである。
本発明による電池に使用される負極活物質は、特に限定
されるものではなく、前記マンガン酸化物非晶質物質を
正極活物質として使用できるものであれば、基本的にい
かなるものでもよい。たとえばリチウムあるいはリチウ
ム合金を使用したリチウム電池として構成することもで
きる。
また、本発明による電池において、電解質物質も特に限
定されるものではなく、前記マンガン酸化物非晶質物質
を正極活物質として使用できる電解質物質であれば基本
的にいかなるものでもよい。
たとえば固体電解質を使用し、固体電解質電池としても
よい。
本発明による電池によれば、正極活物質として、スパッ
タ法により作製されたマンガン酸化物非晶質物質を用い
る。
本発明では、スパッタ法により作製されたマンガン酸化
物非晶質物質を正極活物質として用いることにより、従
来の二酸化マンガンを用いたリチウム電池よりも充放電
可逆容量が大きく、サイクル性に優れた電池を構成でき
ることを確かめ、その認識の下に本発明を完成した。
すなわち、たとえばリチウム電池として構成したときに
は、スパッタ法で得られるマンガン酸化物非晶質物質を
正極活物質とし、リチウムまたはリチウム合金を負極活
物質とし、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
活物質あるいは負極活物質と電気化学反応をするための
移動を行いうる物質を電解質物質としたことを特徴とす
る。
従来正極活物質として用いられていた二酸化マンガンに
は、α、β、T1δ、ε、η等のい(つかの多形が存在
しているが、いずれも放電に伴う結晶構造の損傷が激し
く、可逆な容量に制限があり、そのサイクル性はよくな
かった。本発明によればマンガン酸化物をスパッタ法に
よって非晶質化することにより、構造破壊に伴うサイク
ル容量低下を防ぐことができ、従来の結晶質二酸化マン
ガンよりも優れた正極特性を示す。
以下、実施例によって本発明の方法を具体的に説明する
が、本発明の範囲は以下の実施例により何等制限されな
い。
〔実施例1〕 本実施例においては、正極活物質としてのマンガン酸化
物非晶質物質は、二酸化マンガンをターゲットとし、第
1表に示すNo、 1からNo、 7まで7種の条件で
作製した。ここで、非晶質化はX線回折により確認した
。No、 1からNo、 7までのX線回折図形を第1
図に示す。
第1図かられかるように、非晶質体を得るためには、基
板温度50゛C以下、スパッタパワー200W以下、ト
ータルガス圧6X10−2Torr以上、酸素分圧30
%以上というスパッタ条件が好適であることがわかった
。また基板水冷を止め基板温度を上げる(250°C,
150°C)と結晶化と共に酸素の抜けが起こり、7−
MnO7と同程度のMnz O+のピークの混入が起こ
った(No、 4、N。
5)が、より酸素過剰の50%酸素分圧下では酸素の抜
けが抑えられT−MnO□の単相が得られた(No、 
7 )。一方、逆に酸素分圧30%でトータルガス圧を
〃に落とすと酸素の抜けは激しくなり、Mnz o、の
ピークが主になる(No、6)。
次に非晶質化した薄膜試料がMnO,であることをIR
スペクトルによって確認した。No、 1からNo、 
7までのIRスペクトルを第2図に示す。No、 6は
第1図のX線回折によって既にMng 03と同定され
ているが、IRスペクトル上からもその吸収ピークはM
 n z O3の文献値(J、Electrochem
Soc、、 114  (1967) 944)と一致
する。一方、γ−MnO□のrRスペクトルは文献上に
ないが、No、 1、No、 2のIRスペクトルは第
1図のX線回折において既にγ−MnO2と同定されて
いるNo、 3、No、 7のIRスペクトルと一致し
ていることがらNo、1、No、 2の非晶質薄膜は近
距離秩序的には7−MnO2であることが確認された。
〔実施例2〕 実施例1により得られた薄膜正極を用いて、第3図に示
すようなコイン型電池(直径23価、厚さ2mm)を作
製した。このコイン型電池は、例えばステンレススチー
ル基板1に成長させた正極1膜2をセパレータ3(ポリ
プロピレン製マイクロポーラス・セパレータ)を介して
、リチウム負極4と積層させ、封口板5(または負極ケ
ース)および正極ケース6で形成される空間内に収納す
る。
封口板5と正極ケース6とは嵌合する開口周縁部におい
てガスケット7(ポリプロピレン製)で満たされ、密封
されるようになっている。ステンレス基板1と正極ケー
ス6との間にはコイン型電池の厚み調整用のステンレス
スチール製ディスク・スペーサ−8が挿入されており、
これに正極がスポット溶接されている。電解液9として
は2−メチルテトラヒドロフランとエチレンカーボネー
ト1:1混合溶媒にL iA s F 6を溶解させた
1、5規定溶液を用いた。
以上のようにして作製したリチウム電池を用い、10μ
A/cJの電流密度で16Vと3.5■の間で電圧規制
充放電サイクル試験により比較した結果を第4図に示す
。マンガン4価の結晶質7−M n 07(No、 7
 )はマンガン3価の結晶質Mnz O:+  (N。
6)よりも大きなサイクル容量を示しているが、今回新
たに得られた非晶質二酸化マンガン(No、2)はこれ
らの結晶材料を大きく凌くサイクル特性を多数回にわた
って維持できることがわかる。
〔実施例3〕 ステンレススチール基板上に、実施例1と同様に高周波
スパンタ法により、非晶質二酸化マンガン薄膜を形成し
、これを正極とし、次に高周波スバッタ法により固体電
解質として L L 0−V20.−3 i O□薄膜を形成し、さ
らにその上に真空蒸着法によりLid膜を形成すること
により全固体リチうム電池を作製した。正極、固体電解
質、負極の膜厚はそれぞれ1μm、1μm、4μmであ
る。また、固体電解質薄膜の導電率は室温で10−’S
/mである。この薄膜型固体電池の充放電試験の結果を
第5図に示す。
充放電試験は、10μA/cJの電流値で1.0−3.
0■の電圧範囲に規制して行った。放電容量は1サイク
ル目は45μA h /caなのに対し、2ザイクル目
は30μAh/clf1.3ザイクル目は28μAh/
cJと減少するが、3サイクル目以後はほとんど容量低
下なく100サイクル以上にわたって安定したサイクル
が可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、従来の急冷法で
は得ることのできなかったマンガン酸化物非晶質物質を
得るこができ、これを正極とじて用いることにより、充
放電可逆容量が大きく、サイクル性に優れた電池を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の製造方法により得られたマンガン酸化
物非晶質体および比較例のX線回折図形、第2図は本発
明の製造方法により得られたマンガン酸化物非晶質体お
よび比較例のIRスペクトル、第3図は本発明の一実施
例であるコイン型電池の特性測定用セル断面概略図、第
4図は本発明の製造方法により得られた正極薄膜を用い
た非水電解液コイン電池のサイクル特性を比較して示す
特性図、第5図は本発明の製造方法により得られた正極
薄膜を用いた固体電解質電池のサイクル特性を示す特性
図、ここで各曲線に付した数字は充放電の繰り返し数を
示す。 1・・・ステンレススチール基L 2・・・正極スパッ
タ薄膜、3・・・セパレータ、4・・・す負極、5・・
・封口板、6・・・正極ケース、7・・・ガスケット、
8・・・ディスク・スペーサー、9・・・電解液。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)その組成が、一般式MnO_2_−_x(ただし
    、0≦x<0.5)で表されることを特徴とするマンガ
    ン酸化物非晶質物質。
  2. (2)その組成が一般式MnO_2_−_x(但し、0
    ≦x<0.5)で表されるマンガン酸化物をスパッタ法
    によって、非晶質化させることを特徴とするマンガン酸
    化物非晶質物質。
  3. (3)負極活物質と正極活物質および電解質物質を有す
    る電池において、前記正極活物質は、その組成が一般式
    MnO_2_−_x(但し、0≦x<0.5)で表され
    るマンガン酸化物非晶質物質であることを特徴とする電
    池。
  4. (4)前記負極活物質はリチウムあるいはリチウム合金
    であることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の電
    池。
  5. (5)前記電解質物質は固体電解質であることを特徴と
    する特許請求の範囲第3項または第4項記載の電池。
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