JPH05283086A - 有機電解液電池 - Google Patents
有機電解液電池Info
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Abstract
らを含む化合物からなる負極を有する有機電解液電池に
おいて、低温特性の向上をはかる。 【構成】 有機電解液の電解質として(CF3 SO2 )
2 NLiなどのRfSO2 基(Rf=Fまたはフルオロ
アルキル基)を2個以上有する金属塩を用い、溶媒とし
て1,3−ジオキソランなどの環状エーテルとエチレン
カーボネートとを用い、正極活物質としてBET比表面
積15m2 /g以上の表面積の大きい金属酸化物(たと
えば二酸化マンガン)を用いる。
Description
り、さらに詳しくはその有機電解液(以下、電池の名称
を表現する以外は、単に「電解液」という)の改良に関
する。
れる有機電解液電池は、高電圧、長寿命、高エネルギー
密度であることから、年々その市場が拡大している。そ
して、その安全性向上のため、電解質として過塩素酸系
のLiClO4 に代えて、LiCF3 SO3 に代表され
るLiCn F2n+1SO3 系の有機リチウム塩が広く使用
されるようになってきた。しかし、LiCF3 SO3 な
どは従来使用のLiClO4 に比べて伝導度が低く、電
池特性も一般に低下する傾向にある。
代えて、(CF3 SO2 )2 NLi、(CF3 SO2 )
3 CLiなどを電解質として用いることが提案されてい
る〔L.A.Dominey,Fifth Inter
national Seminar on Lithi
um Battery Technology and
Applications,March4〜6,1
(1991)〕。
SO3 などに比べて伝導度がはるかに優れており、Li
CF3 SO3 に比べて約2倍以上の伝導度を有してい
る。通常、伝導度が高ければ、電池の低温特性も改善さ
れるものと期待されるが、本発明者らが検討したところ
では、LiCF3 SO3 /PC:DME電解液〔プロピ
レンカーボネート(PC)と1,2−ジメトキシエタン
(DME)との混合溶媒にLiCF3 SO3 を溶解させ
た電解液〕のLiCF3 SO3 に代えて、(CF3 SO
2 )2 NLiを使用しても、電池の低温特性は改善され
なかった。
に、(CF3 SO2 )2 NLiなどのRfSO2 基〔R
fはF(フッ素)またはフルオロアルキル基〕を2個以
上有する金属塩を用いた有機電解液電池が、高い伝導度
を有するにもかかわらず低温特性が改善できなかったと
いう問題点を解決し、低温特性の優れた有機電解液電池
を提供することを目的とする。
池の電解質としてRfSO2 基を2個以上有する金属塩
を使用し、溶媒として環状エーテルを使用することによ
って、電池の低温特性を改善し、上記目的を達成したも
のである。
説明すると次の通りである。
解液の伝導度を改善すべく溶媒組成の検討を行った。そ
の結果、PC:DME系で優れた伝導度が得られ、かつ
低温特性も最も優れていることがわかった。1,3−ジ
オキソランなどの使用も検討したが伝導度はかえって低
下した。また、エチレンカーボネートの添加も行った。
この場合、伝導度は向上するが、エチレンカーボネート
を加えすぎると低温で電解液が凝固しはじめるため、か
えって低温特性が低下し、少なくすると伝導度は少し高
くなるものの低温特性の向上には至らなかった。
め、CF3 SO2 基を2個有し、伝導度の向上効果が大
きい(CF3 SO2 )2 NLiを電解質として用いた電
解液の検討を考えた。
して用いることによって伝導度が向上する理由は、従来
使用のLiCF3 SO3 が次式のCF3 SO2 (O)L
iのようにLi(リチウム)に隣接したO原子(酸素原
子)にCF3 SO2 基が1個しか付いていないため、結
果的にこのO原子上の電子密度が高くなり、Li+ を放
出して電離しにくくなるのに対し、(CF3 SO2 )2
NLiは、Liに隣接するN原子(チッ素原子)にCF
3 SO2 基が2個付いていて電子を吸引するため、N原
子上の電子密度がより低くなり、その結果、電離しやす
くなって、伝導度が向上するものと考えられる。したが
って、CF3 SO2 基などの電子吸引性基をLiに隣接
する原子により多く付けることにより電解質の電離が促
進され、より高い伝導度が得られるものと期待される。
2 )2 NLiと従来使用のLiCF3 SO3 との伝導度
の比較を、LiCF3 SO3 で最も低温特性が優れてい
るPC:DME系で比較したところ、0.6MLiCF
3 SO3 /PC:DME(1:2)〔プロピレンカーボ
ネート(PC)と1,2−ジメトキシエタン(DME)
との容量比1:2の混合溶媒にLiCF3 SO3 を0.
6mol/l(M)溶解させたもの〕の伝導度は−20
℃で3.3mS/cm、30℃で6.1mS/cmであ
るのに対し、0.6M(CF3 SO2 )2 NLi/P
C:DME(1:2)〔プロピレンカーボネートと1,
2−ジメトキシエタンとの容量比1:2の混合溶媒に
(CF3 SO2 )2 NLiを0.6mol/l溶解させ
たもの〕では−20℃で5.6mS/cm、30℃で1
3.8mS/cmであり、約2倍程度伝導度が高くなっ
ていた。
電解液を用いて図1に示すような筒形リチウム電池を作
製し、実際に低温でのパルス放電特性を調べたところ、
意外にも低温特性は改善されず、放電初期に電池の放電
電圧が落ち込む、いわゆるディレイ現象まで現れた。そ
のため、さらに溶媒の組合せ、組成比の影響を検討した
ところ、意外なことに、LiCF3 SO3 では伝導度の
向上や低温特性の向上に効果のなかった1,3−ジオキ
ソランなどの環状エーテルが低温特性を向上させ、また
エチレンカーボネートを添加するとさらに低温特性が向
上することが判明し、本発明を完成するに至ったのであ
る。
2 基を2個以上有する金属塩を用いるが、このRfはF
またはフルオロアルキル基であり、上記金属塩中に含ま
れる金属としては、たとえばLi、Na、Cs、Ca、
Mg、Al、B、P、Ga、Si、As、Sbなどが挙
げられる。ただし、リチウムやリチウム化合物を負極に
用いる場合には、上記金属塩中の金属としてはLi(リ
チウム)が最も適している。
の代表例としては、たとえば(CF3 SO2 )2 NL
i、(CF3 SO2 )3 CLiなどが挙げられる。これ
らの金属塩においては、Liなどの金属と隣接する原子
がRfSO2 基を有する電子吸引性の大きな置換基2個
以上と結合していることが、電解液の伝導度向上に関し
て非常に重要である。
を電解質として用いる時の濃度としては、通常1M(m
ol/l)程度で伝導度が最大となるが、低温での特性
を重視するならば、0.2〜0.8M、特に0.4〜
0.6Mが好ましい。濃度を0.4M以上にすると、従
来の溶媒組成、たとえばPC:DME系を用いても低温
特性は向上するが、濃度が高くなると低温でのディレイ
が大きくなり、放電初期の電圧が電池使用機器の作動電
圧以下に低下して、電池使用機器の作動が遅れるおそれ
がある。
状エーテルを用いるのが必須条件であり、この環状エー
テルとしては、たとえば1,3−ジオキソラン、テトラ
ヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリ
オキサン、それらの誘導体などが挙げられるが、なかで
も1,3−ジオキソランが好ましい。この環状エーテル
の使用量としては全溶媒中において半分以上にするのが
好ましく、より好ましくは60〜90容量%、さらに好
ましくは65〜80容量%である。つまり、この環状エ
ーテルは低温特性の向上に寄与するが、多くなりすぎる
と貯蔵性を低下させるおそれがあるので、上記のように
その使用量の上限を考慮しつつ使用するのが好ましい。
と、さらに低温特性が向上する。ただし、エチレンカー
ボネートの比率は半分以下にするのが好ましく、より好
ましくは10〜40容量%、さらに好ましくは20〜3
5容量%である。すなわち、このエチレンカーボネート
は特定範囲内の使用では低温特性の向上に寄与するが、
多くなりすぎると電解液が低温で凝固しはじめ、かえっ
て低温特性を低下させることになるので、上記のように
その添加量の上限を考慮しつつ使用するのが好ましい。
ネート以外にも、たとえばプロピレンカーボネート、ブ
チレンカーボネート、ジエチレンカーボネート、ジメチ
ルカーボネート、ビニレンカーボネートなどのカーボネ
ート類、γ−ブチロラクトンなどのエステル類、1,2
−ジメトキシエタン、ジグライムなどの鎖状エーテル
類、さらにはスルホラン、ジクロロメタン、リン酸トリ
メチル、ニトリル類、アミド類などを適宜使用すること
ができる。ただし、これらのカーボネート類やエステル
類を使用する場合は、それらとエチレンカーボネートと
を併せた量が上記エチレンカーボネートに関して記載し
た使用量の範囲内で使用することが好ましく、また鎖状
エーテル類を使用する場合も、それらと環状エーテルを
併せた量が上記環状エーテルに関して記載した使用量の
範囲内で使用することが好ましい。
二酸化マンガン、五酸化マンガン、クロム酸化物、リチ
ウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物などの正
極活物質またはこれらの正極活物質にカーボンブラッ
ク、黒鉛などの導電助剤やポリテトラフルオロエチレン
などの結着材などを適宜添加した正極合剤を、ステンレ
ス鋼、アルミニウムなどの集電材料と共に成形して成形
体に仕上げたものが用いられる。
質は表面積の大きいものを用いることが好ましい。たと
えば、二酸化マンガンを例にとると、熱処理前の表面積
が40m2 /g程度(熱処理後のBET比表面積では1
0m2 /g程度)の従来からリチウム電池に汎用されて
いる二酸化マンガンより、BET比表面積15m2 /g
以上、より好ましくはBET比表面積20m2 /g以
上、さらに好ましくはBET比表面積30m2 /g以上
の二酸化マンガンを使用することによって、より低温特
性が優れた電池が得られる。なお、二酸化マンガンのB
ET比表面積はいずれも熱処理後の二酸化マンガンにつ
いてのものである。
DME系の電解液を用いる場合でも、BET比表面積1
5m2 /g以上の二酸化マンガンを使用すれば低温特性
は向上するが、その反面、放電初期の電圧の落ちこみ、
いわゆるディレイ現象が大きくなってしまう。しかし、
本発明における電解液系では、そのような表面積の大き
い正極活物質を用いても、ディレイ現象が大きくなるこ
とがなく、優れた正極活物質の能力をより有効に発揮さ
せることができる。
ムなどのアルカリ金属、カルシウムなどのアルカリ土類
金属またはそれらの金属を含む化合物が使用される。な
かでも、リチウムまたはリチウムを含む化合物が最も適
している。
的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例によっ
て限定されるものではない。
部と粒子径150μm以上のカーボンブラック5重量部
と平均粒子径0.3μmのポリテトラフルオロエチレン
5重量部とからなる正極合剤を水とアルコールによって
ペースト状にした後、厚さ0.4mm、幅30mm、長
さ200mmのシート状に成形したシート状正極を作製
し、250℃で9時間乾燥した後、乾燥雰囲気中で室温
まで冷却した。
の微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータで
包み、これに厚さ0.18mm、幅30mm、長さ19
0mmのリチウムからなるシート状負極を重ね、渦巻状
に巻回して、渦巻状電極体とした後、有底円筒状の電池
ケース内に装填し、リード体のスポット溶接などを行っ
た。
(CF3 SO2 )2 NLi/EC:Diox(1:2)
〔エチレンカーボネート(EC)と1,3−ジオキソラ
ン(Diox)との容量比1:2の混合溶媒に(CF3
SO2 )2 NLiを0.6mol/l溶解したもの〕を
電解液として2cc注入し、電池ケースの開口部を封口
し、安定化処理を行って、図1に示す構造の筒形有機電
解液電池を作製した。
前記の二酸化マンガンを正極活物質とする正極合剤を成
形した正極であり、その成形にあたってはステンレス鋼
製網が集電作用を兼ねた芯材として使用されているが、
この図1では繁雑化を避けるため、ステンレス鋼製網は
図示していない。2はリチウムからなる負極であり、こ
の負極2の作製にあたってもステンレス鋼製網が集電作
用を兼ねた支持体として使用されているが、この図1で
は繁雑化を避けるため、ステンレス鋼製網は図示してい
ない。3は微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパ
レータであり、4は上記の電解液である。
この電池ケース5は負極端子を兼ねている。電池ケース
5の底部にはポリテトラフロオロエチレンシートからな
る絶縁体6が設置され、電池ケース5の内周部にもポリ
テトラフルオロエチレンシートからなる絶縁体7が設置
されていて、前記正極1、負極2およびセパレータ3か
らなる渦巻状電極体や、電解液4などは、この電池ケー
ス5内に収容されている。
封口板8の中央部にはガス通気孔8aが設けられてい
る。9はポリプロピレン製の環状パッキング、10はチ
タン製の可撓性薄板で、11は環状のポリプロピレン製
の熱変形部材である。
することにより、可撓性薄板10の破壊圧力を変える作
用をする。
端子板であり、この端子板12には切刃12aとガス排
出孔12bとが設けられていて、電池内部にガスが発生
して、電池の内部圧力が上昇し、その内圧上昇によって
可撓性薄板10が変形したときに上記切刃12aによっ
て可撓性薄板10を破壊し、電池内部のガスを上記ガス
排出孔12bから電池外部に排出して、電池の破裂が防
止できるように設計されている。
であり、このリード体14は正極1と封口板8とを電気
的に接続しており、端子板12は封口板8との接触によ
り正極端子として作用する。また、15は負極2と電池
ケース5とを電気的に接続するリード体である。
積の小さい二酸化マンガンを用いた以外は、実施例1と
同様にして筒形有機電解液電池を作製した。
C:Diox(1:2)を用いた以外は、実施例1と同
様にして筒形有機電解液電池を作製した。
C:DME(1:2)を用いた以外は、実施例1と同様
にして筒形有機電解液電池を作製した。
マンガンを用いた以外は、比較例1と同様にして筒形有
機電解液電池を作製した。
C:DME(1:2)を用いた以外は、比較例2と同様
にして筒形有機電解液電池を作製した。
(1:2)を用いた以外は、比較例2と同様にして筒形
有機電解液電池を作製した。
よび比較例1〜4の電池を−20℃、1.2A×3s
on+7s offの条件でパルス放電した時の各パル
スにおける最低電圧を測定した。各電池のパルス放電回
数と各パルスにおける最低電圧との関係をそれぞれ図2
〜図8に示す。ただし、図2〜図8においては、各パル
スにおける最低電圧を単に電圧として縦軸に表示する。
と各パルスにおける最低電圧との関係を示しているが、
図2に示すように、実施例1の電池では、放電初期のデ
ィレイ(電圧の落ちこみ)が認められず、1.3V(こ
の1.3Vはこの種電池を使用した機器の最低作動電圧
である)以上を保ち得るパルス放電回数が711回であ
り、これらは後述する比較例の電池の特性、特に比較例
4の電池の特性との対比から明らかになるように、優れ
た低温特性を示すものである。
4の電池の低温特性を図8を参照しつつ説明する。
T比表面積10m2 /gの二酸化マンガンを用い、電解
液として0.6MLiCF3 SO3 /PC:DME
(1:2)を用いた従来構成の電池であるが、この比較
例4の電池は、図8に示すように、1.3V以上を保ち
得るパルス放電回数が248回である。
質のLiCF3 SO3 を(CF3 SO2 )2 NLiに変
えた比較例2の電池では、図6に示すように、1.3V
以上を保ち得るパルス放電回数が236回と低下してお
り、しかも放電初期にディレイ現象が認められる。
0.3Mに下げた比較例3の電池では、図7に示すよう
に、放電初期のディレイ現象は少ないものの、1.3V
を保ち得るパルス放電回数は172回とさらに低下し
た。
て0.6M(CF3 SO2 )2 NLi/EC:Diox
(1:2)を用いたものであるが、図2に示すように、
放電初期のディレイ現象を生じることもなく、1.3V
以上を保ち得るパルス放電回数が351回と、比較例2
〜4の電池に比べて約100回以上多く、低温特性の向
上が認められた。
T比表面積30m2 /gの二酸化マンガンを用いている
ので、図5に示すように、1.3V以上を保ち得るパル
ス放電回数は580回と増加しているが、放電初期に大
きなディレイ現象が生じ、実用性を欠いている。
示すように、放電初期のディレイ現象もなく、また1.
3V以上を保ち得るパルス放電回数が711回であっ
て、従来電池に相当する比較例4の電池に比べてはもと
より、他の比較例の電池に比べても低温特性が顕著に向
上している。また、この実施例1の電池は、正極活物質
としてBET比表面積10m2 /gの二酸化マンガンを
用いた実施例2の電池より、1.3V以上を保ち得るパ
ルス放電回数がはるかに多く、BET比表面積30m2
/gという表面積が大きい二酸化マンガンを正極活物質
として用いた特徴を顕著に発揮している。
に、放電初期のディレイ現象もなく、1.3V以上を保
ち得るパルス放電回数が614回と多く、優れた低温特
性を有していた。
質としてRfSO2 基を2個以上有する金属塩を用い、
かつ溶媒として環状エーテルを使用することによって、
低温特性が優れた有機電解液電池を提供することができ
た。また、表面積の大きな正極活物質を用いることによ
って、低温特性をさらに向上させた有機電解液電池も提
供できるようになった。
示す断面図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
ルス放電回数と各パルスにおける最低電圧との関係を示
す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 アルカリ金属、アルカリ土類金属または
これらを含む化合物からなる負極と、正極と、有機電解
液を有する有機電解液電池において、上記有機電解液の
電解質としてRfSO2 基(Rf=Fまたはフルオロア
ルキル基)を2個以上有する金属塩を用い、溶媒として
環状エーテルを含むことを特徴とする有機電解液電池。 - 【請求項2】RfSO2 基を2個以上有する金属塩が
(CF3 SO2 )2 NLiであることを特徴とする請求
項1記載の有機電解液電池。 - 【請求項3】溶媒としてエチレンカーボネートを含むこ
とを特徴とする請求項1記載の有機電解液電池。 - 【請求項4】 BET比表面積15m2 /g以上の金属
酸化物を正極活物質として用いたことを特徴とする請求
項1記載の有機電解液電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10880592A JP3288068B2 (ja) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | 有機電解液電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10880592A JP3288068B2 (ja) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | 有機電解液電池 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05283086A true JPH05283086A (ja) | 1993-10-29 |
| JP3288068B2 JP3288068B2 (ja) | 2002-06-04 |
Family
ID=14493934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10880592A Expired - Fee Related JP3288068B2 (ja) | 1992-03-31 | 1992-03-31 | 有機電解液電池 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3288068B2 (ja) |
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