JPH0534780B2 - - Google Patents

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JPH0534780B2
JPH0534780B2 JP59219642A JP21964284A JPH0534780B2 JP H0534780 B2 JPH0534780 B2 JP H0534780B2 JP 59219642 A JP59219642 A JP 59219642A JP 21964284 A JP21964284 A JP 21964284A JP H0534780 B2 JPH0534780 B2 JP H0534780B2
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solid electrolyte
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Tadashi Tonomura
Satoshi Sekido
Teruhisa Kanbara
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DODENSEI MUKI KAGOBUTSU GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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DODENSEI MUKI KAGOBUTSU GIJUTSU KENKYU KUMIAI
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/581Chalcogenides or intercalation compounds thereof
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、常温で高イオン導電性を有する固体
電解質を用いた、オールソリツド・ステイトの固
体電解質二次電池に関する。
従来の技術 常温でイオン導電性を有する固体電解質を用い
た電池は、電池のオールソリツド・ステイト化が
可能なことから、液もれがなく、保存中の自己放
電のきわめて少ない高信頼性の電池となる。この
ような高信頼性の電池を、電気回路素子の小形化
が特徴であるマイクロエレクトロニクス分野の電
源とするには、当然のことながら小型化が要求さ
れる。小形化すればするほど電池の容量は小さく
なるが、ここで、1回の放電で寿命が尽きてしま
い電池の頻繁な取換が必要とされる一次電池よ
り、充電によりくり返し使用の出来る小型二次電
池が有用となつてくる。
二次電池を構成する際必要となる要件は、正極
材料および負極材料が、電池の充・放電に際して
可逆的な電気化学反応を行う能力を有することで
ある。
Cu+イオン導電性固体電解質を用いた固体電解
質二次電池用の可逆性正極として、A、Bottini
らがJ.Elecroanal.Chem.、96巻、165ページ
(1979年)に述べている二硫化チタン(TiS2)に
代表される層状結晶構造を有した金属カルコゲン
化物がある。この金属カルコゲン化物は、電池放
電に際しては、負極で遊離した金属イオン、例え
ばCu+イオン,Ag+イオンあるいはLi+イオン等
のアルカリ金属イオンをS−S層間に吸蔵し、充
電に際してはこれらイオンを放出することで可逆
的に反応する。TiS2等の層状結晶構造を有した
金属カルコゲンン化物がアルカリ金属イオンを吸
蔵し得ることは、Advances in Physics.Vol.18、
No.74(1969年)にJ.A.WILSONらにより示されて
おり、この文献はTiS2等の金属カルコゲン化物
を二次電池の正極に使用できることを示唆するも
のである。TiS2等の金属カルコゲン化物を二次
電池の正極へ利用した例は、西独公開特許
DT2150401B2公報(公開日1973年4月21日)に
示されており、負極にリチウムを用い、電解質と
して液体の有機電解質を用いている。
さらに、米国特許USP4009052号明細書、(出
願日1973年9月10日)には、負極に、a族、
b族、a族、b族、a族、a族の金属を
用い、正極にTiS2等の金属カルコゲン化合物を
用いる二次電池が提案されており、実施例とし
て、先に示した西独特許同様、負極にリチウムを
用い、液体の有機電解質を用いる二次電池が示さ
れている。
以上、TiS2が二次電池の正極材料として有用
なことは古くから知られている。
発明が解決しようとする問題点 TiS2を二次電池の正極材料として用いる際、
留意すべき点は、TiS2がどの程度まで可逆的に
負極からの金属イオンを出し入れ出来るかという
ことである。負極からの金属イオンをM+として、
M+イオンをS−Sの層間に吸蔵したTiS2は化学
式でMxTiS2と表わされるが、このxの値がどの
程度まで、可逆的に金属イオンM+を出し入れ可
能かということである。当然のことながら、この
xの限界値が大きいほど高容量の正極材料にな
る。このxの限界値はM+がLi+の場合、J.Chem
Phys.、64(1976)3670によれば、x=0.8、M+
Ag+の場合、Solid State Ionics8(1983)115によ
ればx=0.7と示されている。
Cu+について本発明者らが検討したところで
は、x0.15という結果を得ている。CuxTiS2
X線回析によれば、x:0〜0.15では、CuxTiS2
は、TiS2の層状結晶構造を保持しているが、x
0.2では立方晶の構造をとることがわかるが、
この結晶構造の変化は、電気化学的にCu+を出し
入れする場合にもみられ、二次電池の正極として
CuxTiS2を可逆的に使うことのできるxの範囲を
決定しているものと考えることができる。ちなみ
に、CuxTiS2のx値の違いによる結晶構造の変化
は、A.Bottiniら、J.Electroanal Chem.96(1979)
165、によつても本発明者らが検討した結果と同
様の結果が示されている。
第1図の曲線bは、Cu+イオン導電性固体電解
質としてRbCu4I1.5Cl3.5を用い、Cuを主体とする
負極と、TiS2正極とで構成され、第2図で示し
た断面の構造を有した直径7mmの固体電解質二次
電池を、20℃、100μAの一定電流値で放電した際
の電池電圧の変化を、x値を横軸に示したもので
ある。この曲線bからわかるように、x:0〜
0.15の範囲では、電池電圧はx値の増加に伴い単
調な減少を示し、これは、正極材料であるTiS2
が単一の結晶相を保持し、この結晶相内でのCu+
イオンの活量が、放電の進行とともに、すなわち
xの増加と共に連続的に増大していることを示し
ている。x0.2では、ほぼ平坦な電池電圧を示
し、これは、Cu+イオンの増加が電池電圧に影響
を及ぼさないことから、正極材料の結晶相が二相
存在することを示している。第3図の曲線bは、
このような従来の固体電解質二次電池をxの値が
0〜0.213の間で20℃、100μAで充・放電をくり
返した際の、各サイクルの放電末の電池電圧と充
放電サイクル数との関係を示したもので、サイク
ル数の増大とともに電池電圧は低くなり約40サイ
クル程度しか使えない。これは、xが0.2を越え
るくり返し充・放電では、TiS2の層状結晶構造
が可逆性の劣る立方晶構造に徐々に変化していく
ことが主な原因であると考えられる。
問題点を解決するための手段 本発明は、Cuを主体とする負極と、Cu+イオン
導電性固体電解質と、正極材料として、TiS2
Tiの一部をインジウムIn、で置換したTiS2同様
の層状結晶構造を有した新規な化合物、Ti1-yIny
S2+1.5y(y:0.01〜0.2)、とで構成される、x値が
0.2を越えても良好な充・放電サイクル特性を発
揮する固体電解質二次電池を提供する。
作 用 本発明に従う新規な正極材料であるTi1-yIny
S2+1.5yは、TiS2のTi4+(イオン半径0.60Å)を
In3+(イオン半径0.81Å)で一部置き換えること
により、Cu+のS−S層間への出し入れに伴う結
晶のゆがみを軽減し、Cu+のS−S層間への吸蔵
可能量を結晶構造的にあるいは静電的に増加さ
せ、xが0.15を越えても層状結晶構造を保持する
ことができるため、この層状結晶構造を有した新
規な化合物Ti1-yInyS2+1.5yを正極材料とするCu+
イオン導電性固体電解質を用いた固体電解質二次
電池は、xが0.2を越える範囲でも従来に較べ比
較的良好な充.放電特性を与えることができる。
実施例 実施例 1 第1図の曲線aは、Cu+イオン導電性固体電解
質としてRbCu4I1.5Cl3.5を用い、Cuを主体とする
負極と、Ti0.95In0.05S2.08正極とで構成される直径
7mmの第2図で示した断面の構造を有した固体電
解質二次電池を、20℃、100μAの一定電流値で放
電した際の電池電圧の変化を、x値を横軸に示し
たものである。この曲線aからわかるように、x
の増加すなわち放電の進行に伴い電池電圧は単調
な減少を示し、この減少はxが0.20付近まで続
き、0.20を越えると平坦部が現れる。また、x:
0〜0.20間の電池電圧の減少のし方は、従来の
TiS2を正極する電池の放電特性を示す曲線bよ
りもゆるやかである。すなわち、Ti1-yInyS2+1.5y
(y:0.01〜0.20)は、xが0.20付近まで単一の層
状結晶構造を保持できるとともに、電池電圧がb
よりaの方が高いことからCu+イオンの出し入れ
も、従来のTiS2に較べると、よりスムーズに行
なわれる。第3図の曲線aは本発明に従う電池
を、xの値が0〜0213の間で20℃、100μAで充・
放電をくり返した際の、各サイクルの放電末の電
池電圧と充・放電サイクル数との関係を示したも
ので、100サイクルを越える良好なサイクル特性
を与える。
本発明の新規な正極材料であるTi1-yInyS2+1.5y
は、金属Ti粉末、金属In粉末、を所定の割合で
混合したものあるいは、TiとInの合金粉末を収
納した石英ガラス容器に、イオウ蒸気を徐々に送
り込み800℃で加熱反応することで得ることがで
きるし、あるいは、より簡単な方法としては、
TiS2粉末とIn2S3粉末とを所定の割合で混合し、
約7mmφのペレツト状に約3トンの圧力で成形し
たものを、石英ガラス管に0.1Torr以下に真空封
入し、800℃で約72時間加熱反応することでも得
ることができる。このようにして得られるTi1-y
InyS2+1.5yは、yが0.2以下では、単一相として得
られ、0.2を越えるとIn2S3相が分離し、これに伴
つて電池正極としての特性は、極端に悪くなる。
実施例 2 y値が、0.01、0.02、0.05、0.10、0.20、0.30、
0.50であるTi1-yInyS2+1.5yを合成しこれらを正極
材料とする直径7mmの固体電解質二次電池を構成
した。
正極(粉末):Ti1-yIyS2+1.5y+RbCu4I1.5Cl3.5(重
量比2:3) ……0.06gr 固体電解質(粉末):RbCu4I1.5Cl3.5……0.05gr 負極(粉末):Cu+Cu1.59S+RbCu4I1.5Cl3.5(重量
比6:4:4) ……0.10gr 上記正極粉末と固体電解質粉末と負極粉末とを
層状に三層に約3トンの圧力でプレスし電池ペル
ツトとし、次に、正極および負極側に導電性カー
ボンフイルムより成る集電体と、電極リードとを
接着した後、電池全体を熱硬化性エポキシ樹脂で
被覆することで電池を作つた。第2図はこのよう
にして作つた固体電解質二次電池の断面図を示し
ており、1は正極層、2は固体電解質層、3は負
極層、4は集電体、5は電極リード、6は樹脂パ
ツケージである。
第4図は、このようにして作つた電池を、20
℃、100μAの定電流値でxの範囲が0〜0.213で
充放電を行つた際の各サイクルの放電末期の電池
電圧と充・放電サイクル数との関係を示したもの
で、本発明に従い、Inをy値として0.01、0.02、
0.05、0.10、0.20含んだTi1-yInyS2+1.5yを正極とし
た電池は、すぐれたサイクル特性を与えることが
わかる。
なお、本発明の実施例において、Cu+イオン導
電性固体電解質としてRbCu4I1.53.5を用いた
が、他のCu+イオン導電性固体電解質、例えば、
RbCu4I1.25Cl3.75、Rb0.75K0.25Cu4I1.5Cl3.5、CuBr
にヘキサメチレンテトラミン等の第4級アンモニ
ウム塩を添加した固体電解質を用いても本発明と
同様の効果が得られることはいうまでもない。さ
らに、Cuを主体とする負極として、Cu+Cu1.59
+Cu+イオン導電性固体電解質より成る混合物の
他に、Cu+Cu+イオン導電性固体電解質より成る
混合物、Cu5Mo6S8+Cu+イオン導電性固体電解
質より成る混合物を用いても本発明と同様の効果
が得られることはいうまでもない。
発明の効果 本発明に従い、正極材料としてTi1-yInyS2+1.5y
(y:0.01〜0.2)を有し、Cuを主体とする負極
と、Cu+イオン導電性固体電解質とで構成される
固体電解質二次電池は、分極の小さいすなわち電
池放電の電池電圧の低下のゆるやかな充・放電サ
イクル特性の優れた電池を与える。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例の電池の放電時の
電圧の変化を示す図、第2図は、固体電解質二次
電池の断面の構造を示す図、第3図は、電池の
充・放電サイクル特性を示す図、第4図は、電池
の充・放電サイクル特性を示す図である。 a……本発明の一実施例の電池、b……従来の
一実施例の電池、1……正極層、2……固体電解
質層、3……負極層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 金属銅を主体とする負極と、Cu+イオン導電
    性固体電解質と、Ti1-yInyS2+1.5yで表される硫化
    物(ただし、y:0.01〜0.2)を主体とする正極
    より構成されることを特徴とする固体電解質二次
    電池。
JP59219642A 1984-10-19 1984-10-19 固体電解質二次電池 Granted JPS6199271A (ja)

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