JPH07109764B2 - 有機電解質電池 - Google Patents

有機電解質電池

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JPH07109764B2
JPH07109764B2 JP62284624A JP28462487A JPH07109764B2 JP H07109764 B2 JPH07109764 B2 JP H07109764B2 JP 62284624 A JP62284624 A JP 62284624A JP 28462487 A JP28462487 A JP 28462487A JP H07109764 B2 JPH07109764 B2 JP H07109764B2
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謙介 田原
秀夫 坂本
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セイコー電子工業株式会社
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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、リチウムを負極主活物質とし、三酸化ビスマ
スBi2O3を正極主活物質とする有機電解質電池の正極の
改良に関するものである。
〔発明の概要〕
本発明は、リチウムを主体とする負極と有機電解質電池
と三酸化ビスマスを主活物質とする正極とからなる有機
電解質電池において、正極として硫化鉛PbSを添加した
ものを用いることによって、この種の電池の経時劣化に
よる放電容量・放電電圧の低下や内部抵抗の増加等の保
存特性を改善し、長期信頼性の高い有機電解質電池を提
供するものである。
〔従来の技術〕
従来、この種の電池において、例えばボタン型電池を製
造する場合、正極は次のように作られていた。即ち、活
物質である三酸化ビスマスとグラファイトやカーボンブ
ラック等の炭素粉末又は金属粉末等々の導電剤及びフッ
素樹脂やポリスチレン等の樹脂結着剤を所定組成比で混
合し、次にこの正極合剤の所定量を成形機の金型中に充
填し、加圧成形することによってペレット状の正極成形
体とする。こうして得られた正極ペレットは、樹脂結着
剤の熱分解や導電剤の酸化が起こらない範囲の温度(高
々300℃以下)で減圧加熱乾燥されて十分脱水された
後、電池に組み込まれる。
また、このようにして作られた電池では、正極に吸着し
ている酸素や電解液中に溶存している酸素等により、通
常放電初期にBi2O3/Liの安定作動電圧約1.5〜1.9Vより
著しく高い3V前後の開路電圧を示すため、電池電圧約1.
5Vで作動するように設計された機器にそのまま用いる
と、誤動作や機器の破損を生じることがある。このた
め、この種の電池においては、必要に応じて電池組立
後、電池電気容量の数%〜十数%程度の予備放電を行
い、この高電圧部分を除去する方法が行われていた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、前述のようにして作られた電池を放置しておく
と、特に高温で保存しておくと、電池の内部抵抗の増
加、放電電圧、放電容量の低下等の経時劣化があり、電
子ウォッチ、電卓、ICメモリーバックアップ電源等のよ
うに数μA程度の小さな平均消費電流で長期間に渡って
使用する用途や非常用電源等のように長期の保存、待機
期間を必要とする用途に対しては、長期信頼性が不十分
であった。
又、前記の初期高電圧を除去するために行っている予備
放電によって、その分使用できる電池容量が低下すると
いう問題があった。
このような経時劣化の原因の全体は必ずしも明らかでは
ないが、主な原因は次のように考えられる。即ち、正極
の三酸化ビスマス、又は予備放電によって生成したビス
マスが有機電解質中へ溶解し、負極のリチウム表面に金
属ビスマスとして析出したり、有機電解質の分解生成物
が負極リチウムと反応する等により負極リチウム表面に
不動態皮膜を生成するため、内部抵抗の増加や放電容量
の低下を生じる。また、有機電解質の重合、変質も原因
と考えられる。実際、高温保存後劣化した電池を分解し
て見ると負極表面に黒点の析出物やカーキ色の反応生成
物が見られ、分析の結果、黒色の析出物は金属ビスマス
であった。又、電池の重量はほとんど減少していないに
もかかわらず、電池内に液体の有機電解質はほとんど見
られず、負極表面又は正極負極間にゼリー状に固まった
半透明な有機物に変質していた。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者等は、上記のような問題点を解決するために種
々検討した結果、正極として硫化鉛を添加したものを用
いることにより、この種の電池の経時劣化、特に高温保
存による劣化が著しく軽減されることを見出した。即
ち、本発明はリチウムを負極主活物質とし、三酸化ビス
マスを正極主活物質とする有機電解質電池の正極とし
て、硫化鉛PbSを添加したものを用いることを提起する
ものである。
正極への硫化鉛の添加効果は、後述の実施例で示すよう
に正極合剤重量の数重量%で十分な効果が得られる。一
方、硫化鉛自体もリチウムに対し平衡電位約1.80Vを有
し、正極活物質になり、電池反応をし得るが、容量密度
が三酸化ビスマスの0.345Ah/g又は3.07Ah/cm3に対し、
0.224Ah/g又は1.68Ah/cm3と重量当たりで約3分の2、
体積当たりで約2分の1と小さいため、硫化鉛の添加量
が大きいと正極容量が低下するため、硫化鉛の添加量は
正極合剤量の30重量%程度以下が好ましい。
また、前述のようにこの種の電池は放電初期に高電圧を
示すため、従来必要に応じて電池組立後予備放電する方
法がとられていた。本発明の硫化鉛を添加した正極を用
いた場合にも、従来の硫化鉛を添加しない正極を用いた
場合とほぼ同レベルの初期高電圧を示すため、この初期
高電圧が問題となる用途に対しては、予備放電により初
期高電圧を除去することが好ましい。但し、正極に硫化
鉛を添加した場合には、添加しない場合に比べ、放電に
よってより速く短時間で安定作動電圧に達するため、初
期高電圧の及ぼす電池使用機器への悪影響はより少な
く、又、予備放電量を少なくできる。必要な予備放電量
は、硫化鉛の添加量や導電剤、結着剤の量や種類等の正
極組成及び電池使用機器の要求仕様によって異なるが、
予備放電後の保存による開路電圧の再上昇速度は正極容
量の10%程度の予備放電電気量でほぼ飽和し、それ以上
予備放電してもあまり変わらず、一方、予備放電量を増
やすとその分使用できる電池容量が低下するため、予備
放電量は正極容量の10%以下が良い。
〔作用〕
三酸化ビスマスを活物質とする正極に硫化鉛を添加した
ものを用いた本発明電池の保存特性、特に高温保存特性
が著しく改善される理由は必ずしも明らかではないが、
前述の従来電池の劣化原因に照らして次のように推定さ
れる。
即ち、従来の硫化鉛を添加していない正極を用いた電池
では、保存により正極から三酸化ビスマス又はビスマス
が溶解し、負極に金属ビスマスが析出し、負極を不動態
化していたが、本発明の硫化鉛を添加した正極を用いた
電池においては、保存後の電池を分解してみると、負極
リチウムにビスマスの析出はほとんど見られず、代わり
に少量の鉛の析出が見られたことから、硫化鉛の添加に
よって結果として三酸化ビスマス又はビスマスの有機電
解液への溶解が抑制されることが主原因と考えられる。
また、同時に有機電解液の分解や重合等の変質も軽減さ
れるものと推定される。
〔実施例〕
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
第1図は本発明の一例を示すボタン型電池の断面図であ
る。図において1は負極端子を兼ねる負極缶であり、SU
SにNiメッキした板を絞り加工したものである。負極2
は、厚さ1.4mmのリチウムシートを直径6.2mmに打ち抜い
て上記負極缶内面に圧着したものである。6はNiめっき
したSUS製の正極缶であり、正極端子を兼ねている。こ
の正極缶内に、後述の本発明に係る正極5が充填され、
その上にマイクロポーラスなポリプロピレンフィルムか
らなるセパレータ4が載置されている。3は正極と負極
間に電解液を保持する含浸材であり、ポリプロピレンを
主要素とする不織布からなる。7はポリプロピレンを主
体とするガスケットであり、負極缶1と正極缶6の間に
介在し、正極と負極の電気的絶縁性を保つと同時に、正
極缶開口縁が内側に折り曲げられ、カシメられることに
よって、電位内容物を密封、封止している。電解液は、
ブチレンカーボネートとエチレンカーボネート及び1,2
−ジメトキシエタンの体積比45:5:50混合溶媒に過塩素
酸リチウムを1モル/溶解したものを用いた。電池の
大きさは、外形9.5mm、総厚3.0mmであった。
正極5は次のようにして作製した。市販の純度99.99%
の三酸化ビスマス粉末を大気中、電気炉で900℃で5時
間溶融熱処理し、冷却後、粒径100μm以下に粉砕整粒
したものを活物質とした。正極に添加する硫化鉛は純度
99.99%の粉末を粒径50μm以下に整粒したものを用い
た。このように準備した原料を用い、三酸化ビスマスと
硫化鉛と炭素導電剤(グラファイト又はカーボンブラッ
ク等)及びポリテトラフロロエチレンからなる結着剤と
を、重量比90.7:5:4:0.3の割合で混合し、断面L字状の
SUS製正極保持リング8と共にペレット状に加圧成形し
た後、100℃で十分減圧加熱乾燥し、正極(a)を作製
した。また、比較例として、従来通り硫化鉛を添加せ
ず、三酸化ビスマスと炭素導電剤及びポリテトラフロロ
エチレンからなる結着剤とを重量比95.7:4:0.3の割合で
混合した他は、上記(a)と全く同様にして正極(b)
を作製した。正極合剤重量は0.27gであった。
このようにして電池を組み立てた後、5mAの定電流で正
極理論容量の5%相当分の予備放電を行った後、1週間
室温で放置したものを評価試験サンプルとして、次の評
価試験を行った。
第1表に、このようにして作製した2種類の電池を80℃
の高温下で50日間保存した後と保存する前の内部抵抗と
−10℃でのパルス閉路電圧及び放電容量の比較結果を示
した、内部抵抗の測定は交流1kHz、1mAで行い、放電容
量は7.5kΩで定抵抗放電しカットオフ電圧1.2Vまでの放
電容量を測定したものである。パルス閉路電圧は電池を
−10℃に冷却した後、2kΩの負荷で、パルス幅7.8mS、
周期1Sのパルス放電をした時の最低電圧である。
また、第2図にこれら2種の電池の24℃における7.5kΩ
定抵抗放電特性を示した。図においてaは本実施例の電
池(a)のbは硫化鉛を添加しない正極を用いた比較用
の従来電池(b)の80℃で50日保存後の放電特性であ
る。cは電池(a)の80℃保存前の放電特性である。従
来電池(b)の80℃保存前の放電特性は、放電初期の高
電圧部分が電池(a)に比べて少し高くかつ長時間続い
た他は、ほとんど電池(a)と同じであった。
第1表から分かるように、80℃保存前では電池(a)と
従来電池(b)の差は実用上ほとんどないレベルである
が、80℃で50日保存した後では、従来電池(b)では内
部抵抗が353オームと保存前の8.6倍に増加し、このため
開路電圧が上昇したにもかかわらずパルス閉路電圧を0.
18V低下し、かつ放電容量も保存前の約81%にまで低下
している。一方、本実施例の電池(a)では、80℃保存
後の内部抵抗の上昇はわずかであり、パルス閉路電圧も
開路電圧の上昇にともなって、むしろ保存前より高くな
っており、放電容量は保存前の容量の97%を維持してお
り、非常に劣化が小さい、これらの様子は第2図からよ
り一層明らかに判別できる。従来電池(b)では80℃保
存後の放電寿命が短いだけでなく、内部抵抗の増加によ
り作動電圧の低下が顕著であり、特に放電初期に高電圧
部分に続いて作動電圧の落ち込みがあり劣化が著しい。
これに対し、本発明電池(a)では80℃保存後も放電初
期の作動電圧の落ち込みが殆どなく、作動電圧はほぼ保
存前と同じレベルであり、放電寿命の低下も極わずかで
ある。
尚、本実施例では正極への硫化鉛の添加量として5重量
%の場合のみを示したが、0.1重量%の添加でも保存特
性が明らかに改善されることが確認されており、硫化鉛
の添加量は実施例に限定されず、より少量でも良い。但
し、硫化鉛の添加量が5重量%以下では硫化鉛を含めた
正極充填容量に実質的な差はほとんどないが、電池製造
時の正極合剤の組成分布や秤量等のバラツキを考慮する
と1重量%以上の添加が好ましい。実際、第1表から分
かるように硫化鉛を5%添加した電池(a)の放電容量
は硫化鉛を添加していない電池(b)とほぼ同じであ
り、実質的な差はない。また、逆に硫化鉛の添加量を30
重量%以上にすると前述のように硫化鉛の容量が三酸化
ビスマスの容量より著しく小さいための正極容量の低下
が顕著になる(30重量%添加で約15%の容量減)ため、
硫化鉛の添加量は30重量%以下が好ましいが、電池の放
電容量よりも、内部抵抗やパルス閉路電圧等の経時的な
安定性をより重要視される用途等においては、30重量%
以上の硫化鉛を添加することも可能である。
また、有機電解質についても、実施例に限定されず、例
えばプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、テ
トラヒドロフラン、ジオキソラン等々の非プロトン性の
有機溶媒の単独又は混合溶媒中にLiBF4,LiPF6,LiCF3SO3
等のLi+イオン解離性塩を溶解したものであればよい。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明はBi2O3/Li系有機電解質電
池の正極として硫化鉛を添加したものを用いることによ
って、この種電池の保存中、特に高温保存中に発生する
三酸化ビスマス又はビスマスの有機電解質への溶解や有
機電解質の分解、重合等の変質などを抑制し、その結
果、保存による電池の内部抵抗の増加、放電電圧、放電
容量の低下などの経時劣化を著しく軽減する等々の優れ
た効果を実現したものである。即ち、本発明によればこ
の種電池の長期信頼性を著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明において実施した電池の一例を示す断面
図、第2図は高温保存前後の7.5kΩ定抵抗放電特性の比
較図である。 1……負極缶 2……負極リチウム 3……含浸材 4……セパレータ 5……正極 6……正極缶 7……ガスケット 8……正極保持リング

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムを主体とする負極と、有機電解質
    と、三酸化ビスマスBi2O3を主活物質とする正極とから
    少なくともなり、前記正極として硫化鉛PbSを添加した
    ものを用いたことを特徴とする有機電解質電池。
  2. 【請求項2】前記の正極に添加する硫化鉛の添加量が、
    正極合剤重量に対し30重量%以下であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の有機電解質電池。
  3. 【請求項3】電池組立後、正極容量の10%以下の電気容
    量まで予備放電したことを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の有機電解質電池。
JP62284624A 1987-11-11 1987-11-11 有機電解質電池 Expired - Lifetime JPH07109764B2 (ja)

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