JPH02278657A - リチウム二次電池とその製造法 - Google Patents

リチウム二次電池とその製造法

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JPH02278657A
JPH02278657A JP1100956A JP10095689A JPH02278657A JP H02278657 A JPH02278657 A JP H02278657A JP 1100956 A JP1100956 A JP 1100956A JP 10095689 A JP10095689 A JP 10095689A JP H02278657 A JPH02278657 A JP H02278657A
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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】 (1)産業上の利用分野 本発明は、エネルギー密度が高く、自己放電率が小さく
、サイクル寿命が長い等、性能が良好な二次電池に関す
る。
(2)従来の技術 ]バルト酸化物をリチウム(Li)二次電池の正極に用
いることは、K、 Mizushjmaら、 Mat、
 Rcs。
Bull、 Vol、1.5. p、783.1980
等で報告されている。
しかし、これらコバルト酸化物は、リチウム二次電池に
用いる場合、リチウム・コバルト酸化物として製造され
たものを用いているため、γ型のものが得られず、サイ
クル寿命、エネルギー密度ともに良好な性能のものは得
られていない。
一方、J、 MOLENDAらは、5olid 5ta
te tonics12 (1984)等で、ナトリウ
ム塩と、CO3O4からγ型のコバルト酸化物を製造し
、Na負極を用いた非水二次電池に応用している。
(3)発明が解決しようとする問題点 コバルト酸化物の結晶構造は種々のものがあり、例えば
α型、β型、γ型等であり、そのいずれの構造のものを
二次電池の正極に用いるかにより、電極性能が大きく異
なる。
また、コバルト酸化物をリチウム二次電池の正極に適用
する場合、従来は、Li塩とCo塩から製造されたもの
を用いていた為、α型のものしか得られず、高容量、長
サイクル寿命のものが得られていない。
(4)問題点を解決するための手段 本発明者らは、電極性能を向上する正極材料を得るべく
、コバルト酸化物の構造、製造方法等について、鋭意研
究を行なった結果、Na塩とCo3O4の混合物から製
造したナトリウム・コバルト酸化物で、特に結晶構造と
してγ型、すなわちNaまたはCoの原子1個と酸素原
子6ケで、NaまたはCo原子をはさんで、酸素原子の
配位が3角プリズム型を示す構造のものが、リチウム二
次電池の正極材料として優れていることを見出し本発明
に到達した。
上記構造のナトリウム・コバルト酸化物を製造する方法
としては、特に制限はないが、例えばナトリウム塩、ナ
トリウム酸化物またはナトリウム過酸化物と、コバルト
酸化物とをよく混合し、湿度の低い状態で、乾燥空気ま
たは乾燥酸素雰囲気下でゆっくり焼成して反応する方法
が好ましい。
しかし、上記焼成温度が600℃以下では、γ構造とす
ることが困難である。γ型構造を有するナトリウム・コ
バルト酸化物を得るには、700℃以上の温度で焼成す
ることが必要である。また焼成時間は合成量、作業性等
により異なるが10時間以上が適当である。上記焼成す
る場合の昇温速度、冷却速度は特に制限はないがγ型構
造のものを効率よく製造するには、急速昇温、急速冷却
を避け、1℃/分乃至lO℃/分の範囲で昇温冷却する
のが好ましい。
ナトリウム・コバルト酸化物中のNaとCoの原子比は
、焼成前の混合原料中のNaとCoの原子比によって決
定される。Na/Co原子比が、0.65未満のものを
用いると未反応物として、電極活性のないコバルト酸化
物が生成物中に残存し、電極活性を低下させてしまう。
またNa/Co原子比を0,65以上にすれば、未反応
のコバルト酸化物残存がなくなるが0.90を越えると
、Na化合物の原料が残存したり、結晶構造が大きく変
化し、優れた電極材料が得られない。
したがってNa/Co原子比を0.65以上0.90以
下に抑える必要があるが、これは結晶学的に安定なγ型
構造を得る範囲と略一致する。特に高電気容量密度を維
持し、回連性のある電極とするには、0.70〜0,8
5の範囲が好適である。
この理由は定かではないがナトリウム・コバルト酸化物
中に電気、化学的に放出されにくいナトリウムイオンを
配位させておくことで充放電に伴う結晶構造体の形状変
化をやわらげ、高電位になるまで酸化させても電極の破
壊、すなわち構造劣化が起こりにくいためであると推察
する。
本発明の電極をLi系二次電池の正極に用いた場合の電
極反応は(1)式に従うと考えられる。
(但しX及びyは1以下の正数である。)可逆性のある
N a   Co OZ中のx+yの範yH+y 囲は0.5〜0.1であり、(1)式をその最大値で示
すと、 ・・・・・・・・・ (2) と(2)式のようになる。
従って、最大の利用範囲で作動させるためには、充電状
態のナトリウム・コバルト酸化物のNa/Coの原子比
が0.5である必要がある。
一方、先に述べたように、γ構造のナトリウム・コバル
ト酸化物を得る為には、Na/Co原子比は0.65以
上0.90以下でなければならない。
従って、0.65以上0.90以下のNa/Co原子比
で製造したナトリウム・コバルト酸化物を電池に組み込
む前に、予めNa/Co原子比が0.5となるように酸
化しておく方が望ましい。
予め、ナトリウム・コバルト酸化物を酸化する方法に特
に制限はないが、例えば適当な酸化剤で化学的に酸化す
る方法、電気化学的に酸化する方法等が挙げられる。
本発明の正極活物質を電極として用いるには、上記ナト
リウム・コバルト酸化物が電気伝導性であるので、その
まま加圧成型したものを用いても良いが、電極の比表面
積及び空孔率をある程度保つために、カーボンブラック
等を添加し、さらに電極強度を向上させるために結着剤
を添加した方がよい場合が多い。
本発明の二次電池に用いられる負極としては、特に制限
はないか、例えば(j)Li金属、(ii)Li金属合
金、(iii)Li金属もしくはLi金属合金と電導性
高分子もしくはカーボンブラックとの複合体が挙げられ
る。
Li金属合金としては、Li/A、Q合金、Li/Hg
合金、Lj/Sn合金、Li/Pb合金及びこれら合金
に用いられたLi金属を含む3種以上の金属の合金等が
挙げられる。
Li金属もしくはLi金属合金と電導性高分子もしくは
、電導性高分子との複合体とは、Li金属またはLi金
属合金と電導性高分子もしくはカーボンブラックの均一
な混合物、積層体及び基体となる成分を他の成分で修飾
した修飾体を意味する。
本発明の二次電池の電解液の支持電解質は、Li塩であ
る。
支持電解質の代表的なアニオン成分としてtよ、5OC
FBF   及びBH3(但し、Rは3   3 ′ 
   4 。
炭素数が1〜10のアルキル基またはアリール基)等が
挙げられる。
支持電解質としてのLi塩の具体例とじては、LiPF
   LiSbF6.LiCfl04、。
4 ′ L i A s F a 、 CF a S Oa L
 l 、 L t B F 4 。
L i B (Bu)   L i B (EL)2(
Bu)2などを4 ″ 挙げることができるが、必ずしもこれらに限定されるも
のではない。これらのLi塩は一種類または二種類以上
を混合して使用してもよい。
本発明の二次電池の電解液の溶媒として単独または混合
して用いられる有機溶媒としてはラクトン系溶媒例えば
γ−ブチルラクトン、カーボネート系溶媒例えばプロピ
レンカーボネート、エチレンカーボネイト、エーテル系
溶媒、■、2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン
などが挙げられる。
本発明においては、必要ならばポリエチレン、ポリプロ
ピレンのごとき合成樹脂製の多孔質膜や天然繊維紙を隔
膜として用いても一向に差し支えない。
本発明の二次電池の形状としては特に制限はなく、ボタ
ン型、コイン型、薄いプレート型、或いはシリンドリカ
ル型等のいずれも作製することができる。
(5)実施例 以下、この発明をコイン型二次電池に応用した実施例に
ついて説明する。
実施例l Na2O2とCo3O4をNa2O2/Co3O4分子
量比1.26 (Na / Co原子比で0.84)の
割合でよく混合し、これをベレット状に成型して、乾燥
酸素下で1分間に4℃の割合で740℃まで昇温し、7
40℃で24時間焼成した。次いで、自然冷却させ、室
温となった焼成品を乳鉢でよく砕き、細かくしたのち、
ナトリウム・コバルト酸化物100重量部に対し、カー
ボンブラックを3重量部、結着剤としてEPDM(エチ
レンプロピレンゴム)を2重量部加え、よく混合した後
ニッケル金網製集電体を内包する形で直径15mmにな
るようプレス成型した。
この正極を、対極にLi金属箔、電解液にlll1oΩ
/ΩのL t A s F 6のプロピレンカーボネー
ト溶液を用いて、第1図に示すテフロン製テストセルを
組み立て、1mAの電流値で4.lVまで充電した。
上記方法で、予め充電した正極、及び15關φに打抜い
たLi金属箔を負極に用いて、電解液には、 1.0I
IloiJ /1)のプロピレンカーボネートとエチレ
ンカーボネート(体積比1:1)の混合溶媒にL iA
 s F sを溶解したものを用い、第2図に示すコイ
ン型(規格: 201B)の電池を組み立てた。
図中、5aは正極、9はニッケル製金網、10はポリプ
ロピレン製不織布、11はポリプロピレン製マイクロポ
ーラスフィルム、12は絶縁バッキング、3bは負極で
ある。
この電池を2.5vから4.1■の範囲内で一定電流2
.5m Aで充放電の繰り返しを行ない放電容量、サイ
クル寿命及び100サイクル目の充電終了後に40℃で
10日間放置した場合の自己放電率を調べた。
その結果各サイクルの放電容量は、最大17.0mAh
(これは、Co1原子当り0,40電気当量に相当する
)を示し、サイクル寿命は、205回、また自己放電率
は5,3%であった。
実施例 2 負極に、リチウムと鉛の合金(Li/Pb原子比3.5
)を15mmφに加圧成型したもの、電解液に1 、5
moΩ/ρのプロピレンカーボネートとエチレンカーボ
ネート及び1,2−ジメトキシエタン(体積比1 : 
1 : 2)の混合溶媒にLiPF6を溶解したものを
用いた以外は、実施例1と同様にコインセルを組み立て
た。
この電池を2.lVから4.0Vの範囲内で作動させた
以外は実施例1と同様の方法で電池性能を調べ、その結
果最大放電容量はlG、2mAh (Co 1原子当り
0,39電気当量に相当する。)を示し、サイクル寿命
は250回、また自己放電率は8,3%であった。
実施例 3 実施例1と同様の正極を用い、一方負極は、リチウムと
鉛の合金(Li/Pb原子比で2.7)を乳鉢でよく砕
いたもの100重量部にカーボンブラフ210重量部、
結着剤としてEPDM(エチレンプロピレンゴム)微粉
末2.5重量部をキシレンに溶解したものを添加混合し
、キシレンを減圧下で除去した後、上記混合物がニッケ
ル金網製集電体を内包する形で直径15mmになるよう
にプレス成型して得た。
また電解液には、1.5モル/ρ濃度になるようL h
 P F eを2−メチル−テトラヒドロフランに溶解
したものを用い、実施例1と同様のコインセルを組み立
てた。この電池を2.1Vから3,8vの範囲内で作動
させた以外は実施例1と同様の方法で電池性能を調べた
その結果、最大放電容量は15.0mAh (Co 1
原子当り0.36電気当量に相当する)を示し、サイク
ル寿命は243回、自己放電率は、6.7%であった。
比較例 I Na/Coの原子比を0.50に変えた以外は実施1 
] 例1と全く同様な方法で正極を製造し、また負極及び電
解液は実施例で用いたものと同様のものを使用し、コイ
ン型電池を組み立てた。なお焼成後の正極活物質をX線
回折及び元素分析を行なったところγ型製造のナトリウ
ム・コバルト酸化物の他に約20%程の未反応のCo3
O4が残っていた。
この電池を実施例1と同様な方法で電池性能を調べたと
ころ、最大放電容量は12.0m A hで、サイクル
寿命は140回、また自己放電率は、6,3%であった
比較例 2 Na/Coの原子比を1.00に変えた以外は実施例1
と全く同様にコイン型電池を組み立て電池性能を調べた
その結果、最大放電容量は、14.3m A hでサイ
クル寿命は103回、また自己放電率は73%であった
比較例 3 Li  Co  とCo CO3をモル比]:2で乳鉢
中でよく混合した後、乾燥空気中で焼成温度900℃で
24時間焼成することにより得たLiC002を正極に
用いた以外は実施例1と同様にコインセルを組み立て、
電池性能を調べた。
その結果、最大放電容量は16.0m A hであった
が、充放電の繰返し毎の容量低下が大きく、サイクル寿
命は75回であった。
(6)発明の効果 以」二述べたように、本発明の二次電池はエルネギ−密
度が高く、サイクル寿命が長く、しかも自己放電率が小
さい等、優れた性能を有し、ボタン型、コイン型等、種
々な形状の電池を作製することができるので、この業界
に寄与することが極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は正極を予め酸化するのに用いたテフロン製試験
セルの縦断面図である。第2図は実施例において、電池
性能を調べるのに使用したコイン型二次電池の縦断面図
である。 1・・・負極用白金リード線 2・・・負極用白金網集電体 1 ゛( 3・・・負 極      3b・・・負 極4・多孔
性ポリプロピレン製隔膜 5・・正極     5a・・正極 6・・・正極用白金網集電体 7・・・正極用白金リード線 8・・・ポリテトラフルオロエチレン製容器9・・・ニ
ッケル製金網 lO・・・ポリプロピレン製不織布 11−=ポリプロピレン製マイクロポーラスフィ12・
・・絶縁パッキング ルム

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)正極と負極と非水電解液とからなるリチウム二次
    電池であって、正極にナトリウム・コバルト酸化物を用
    いることを特徴とするリチウム二次電池。
  2. (2)正極のナトリウム・コバルト酸化物に結晶構造が
    、γ型のものを70%以上含む請求項1記載のリチウム
    二次電池。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1251574A3 (en) * 2001-04-17 2006-11-02 SANYO ELECTRIC Co., Ltd. Nickel electrode for alkaline storage battery and alkaline storage battery

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61245474A (ja) * 1985-04-19 1986-10-31 アライド・コ−ポレ−シヨン 新規な電池

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