JPH08153541A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPH08153541A
JPH08153541A JP6293118A JP29311894A JPH08153541A JP H08153541 A JPH08153541 A JP H08153541A JP 6293118 A JP6293118 A JP 6293118A JP 29311894 A JP29311894 A JP 29311894A JP H08153541 A JPH08153541 A JP H08153541A
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negative electrode
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Masaharu Kamauchi
正治 鎌内
Yoshinori Takada
善典 高田
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Mitsubishi Cable Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 少なくともリチウムとニッケルを含有する複
合酸化物を正極活物質とする正極と、Li−Ag−Te
系合金よりなる負極を有するリチウム二次電池であっ
て、好ましくは該複合酸化物が、LiNiO2 である。 【効果】 本発明のリチウム二次電池は、充放電容量が
大きく高エネルギー密度を有し、また、充放電の繰り返
しによる劣化が少ないサイクル特性に優れるものであ
る。また、リチウム二次電池の平均放電電圧が3.6ボ
ルト程度であるので、既存の機器に組み込む電池として
好適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウム二次電池に関
し、特定の正極活物質よりなる正極と、特定のリチウム
合金よりなる負極とを組み合わせて用いたことを特徴と
する高容量タイプのサイクル特性に優れるリチウム二次
電池に関する。
【0002】
【従来の技術・発明が解決しようとする課題】一般に二
次電池に要求される性能として、エネルギー密度が大
きい、出力密度が大きい、自己放電率が小さい、
安価である、エネルギー効率が高い、サイクル寿命
が長い等が挙げられる。このような性能を有する二次電
池として、リチウムイオンの移動による電気エネルギー
を利用した非水電解質電池、所謂リチウム二次電池が、
高起電圧、高エネルギー密度を有するものとして知られ
ている。
【0003】リチウム二次電池において、その負極材料
として純金属リチウムを用いると、高エネルギー密度を
有する負極が得られる反面、充電時にデンドライトが成
長し易いという欠点がある。金属の電析は、一般に金属
イオンの電極面への物質移動(拡散)と電極における電
子の授受(電極反応)との2段階にて進行するが、純金
属リチウムの電析においては、電極反応が速く、電析は
電極面へのリチウムイオンの拡散により律速される。こ
のような物質移動に律速される電析においては、一般に
デンドライトが成長し易い。このデンドライトは、樹枝
状の結晶であり、一旦形成されると急速に成長し、セパ
レータを貫通して正極と短絡し、その結果、発火等の問
題が生じ安全性の点で好ましくなく、また、電池のサイ
クル寿命が著しく短くなり、サイクル特性が劣るように
なる。このようなデンドライトの問題のないリチウム二
次電池とするため、炭素材料にて作製した負極を用いた
リチウムイオン電池が製品化されているが、この構成の
リチウムイオン電池は、放電容量が小さいという欠点が
ある。
【0004】本発明の目的は、上記の如き欠点を解消
し、充放電容量が大きく高エネルギー密度を有するリチ
ウム二次電池を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、リチウム
二次電池の正極および負極の材料に着目して研究を重ね
た結果、正極活物質として少なくともリチウムとニッケ
ルを含有する複合酸化物を用い、負極の材料としてLi
−Ag−Te系合金を用いることを組み合わせることに
よって、上記欠点を解消できることを見出し本発明を完
成した。
【0006】即ち、本発明のリチウム二次電池は、少な
くともリチウムとニッケルを含有する複合酸化物を正極
活物質とする正極と、Li−Ag−Te系合金よりなる
負極を有するものであって、好ましくは該複合酸化物
に、LiNiO2 系の複合酸化物を用いたものである。
【0007】本発明で使用する正極活物質としては、少
なくともリチウムとニッケルを含有する複合酸化物より
なるものである。このような複合酸化物としては、公知
のものが使用でき、例えば以下に示す式で表される複合
酸化物が使用できる。ただし、下式中のMは、Co、F
e、Cr、V、Mn、P、Al、In、Sn、Ti、C
u、Ga、AgおよびZnからなる群から選ばれる金属
の一種または二種以上の混合物である。 (1)Lix Niy 2 (0<x≦1、0<y≦1)、 (2)LiNi1-p p 2 (0<p<1)、例えばL
iNi1-p Cop 2(0<p<1)。 (3)Lis NiMt 2 (0.1≦s≦1.2、0.
001≦t≦0.2)、例えばLiNiMt 2 (0.
001≦t≦0.2)。 (4)Liu Ni1-v v 2 (0.1≦u≦1.2、
0.001≦v≦0.2)、例えばLiNi1-v v
2 (0.001≦v≦0.2)。 等が挙げられる。
【0008】上記複合酸化物としては、例えばLiNi
2 、LiNi0.5 Co0.5 2 、LiNi0.75Co
0.252 、LiNi0.25Co0.752 、LiNi0.995
Fe0. 005 2 、LiNi0.99Cr0.012 、LiNi
0.950.052 、LiNi0.92Mn0.082 、LiNi
0.95Sn0.052 、LiNi0.99Ti0.012 、LiN
0.95Cu0.052 、LiNiP0.052 、LiNiA
0.082 、LiNiIn0.005 2 、LiNiGa
0.005 2 、LiNiAg0.1 2 、LiNiZn 0.15
2 等が例示される。
【0009】上記複合酸化物は、例えば所定量の炭酸リ
チウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム等のリチウム塩や
リチウム酸化物と、炭酸ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸
ニッケル、オキシ水酸化ニッケル等のニッケル塩や酸化
ニッケル、あるいは必要に応じてコバルト、鉄、クロ
ム、バナジウム、マンガン、リン、アルミニウム、イン
ジウム、スズ、チタン、銅、ガリウム、銀および亜鉛か
らなる群から選ばれる金属の炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、
酸化物等の一種または二種以上を加えて、600〜90
0℃、好ましくは650〜800℃で加熱焼成して得ら
れる。なお、上記複合酸化物の調製には、上記リチウ
ム、ニッケルおよびその他の金属の塩や酸化物の他に、
水酸化物やハロゲン化合物などを使用することができ
る。
【0010】本発明のリチウム二次電池の正極は、例え
ば上記正極活物質粉末とポリテトラフルオロエチレン、
ポリエチレン等の結着剤粉末との混合物を、必要に応じ
てアセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の
導電性粉末を加えて正極合剤を調製し、キャスティング
成形、圧縮成形、ロール成形等の任意の方法で適当な形
状および大きさに成形される。上記方法によって、リチ
ウムイオンが出入りできる層状またはトンネル構造を有
する結晶構造を有する正極が形成される。なお、正極活
物質と結着剤および/または導電剤の配合割合は、一般
的な配合割合であればよく、例えば正極活物質に対し
て、結着剤が1〜10重量%、導電剤が3〜15重量%
程度配合される。
【0011】一方、本発明のリチウム二次電池の負極の
材料としては、モル比でLiを100としたとき、L
i:Ag:Te=100:0.5〜25:1〜40を反
応させて合金化したLi−Ag−Te系合金を用いる。
【0012】上記合金組成において、Agはリチウムと
反応してリチウム合金を形成し、充放電時にリチウムを
吸収・放出する機能を奏する。また、Teは上記Agと
安定な金属間化合物Aga Teb を形成し、また、リチ
ウムと金属間化合物Li2 Teを形成する。これらの金
属間化合物は、負極合金の結晶粒を著しく微細化する作
用を示す。この作用により結晶粒界の面積が著しく増加
するが、結晶粒界でのリチウムの拡散速度は粒内に比べ
て数十倍以上にも達するようになる。このため、リチウ
ム電析がリチウムの拡散により律速されるということが
緩和され、デンドライトの成長が抑制される。またこれ
により、リチウムが効率よく吸収・放出されるようにな
る。
【0013】また、これらの金属間化合物は、結晶粒界
に集積して立体的な殻を構成する。上記金属間化合物A
a Teb およびLi2 Teのうち、Aga Teb は殻
の強度を保持する骨材またはLi2 Teの結着剤として
機能する。一方、Li2 Te中でのリチウムの拡散速度
は著しく速く、Li2 Teはリチウムの高速拡散路とし
て機能し、電池の充放電にともなうLiの吸収・放出
は、上記殻を通じて進行することになる。また、上記殻
はAgの拡散バリヤとしても機能し、これにより放電時
にAgが電極より脱落することが防止される。さらに、
Li2 Teの電極電位は、リチウムと同等であり、した
がって、電池起電力が純金属リチウムを用いたものと同
等となる。
【0014】上記合金組成において、Agのモル比が
0.5未満であると、結晶粒微細化効果が不十分とな
り、また、金属間化合物により構成される殻の強度が低
下する傾向がある。一方、Agのモル比が25を越える
と、例えばシート形状に加工することが困難となり、ま
た、電極電位が上昇して電池起電力が低下する傾向があ
る。また、上記組成において、Teのモル比が1未満で
あると、デンドライトが十分に抑制されず、また、結晶
粒微細化効果が不十分となる傾向がある。一方、Teの
モル比が40を越えると、例えばシート形状に加工する
ことが困難となり、また、電極電位が上昇して電池起電
力が低下する傾向がある。
【0015】上記負極用合金は、LiとAgとTeとを
合金化して得られるものであるが、この合金化には、こ
れらの金属を不活性雰囲気中で加熱、溶融して反応させ
る方法や、これらの金属を蒸発させ、他の金属表面上で
凝固させる物理蒸着により反応させる方法等の従来既知
の方法が使用できる。上記溶融法による合金化の加熱、
溶融においては、Liの融点以上の温度で行うようにす
ると、反応が速やかに進行するため好ましい。上記蒸着
法としては、イオンビームスパッタ等の各種スパッタ、
電子ビーム蒸着、各種イオンプレーティング、CVD法
等があるが、上記のような非平衡相の合金を製造する場
合には、イオンプレーティング、スパッタ等の、原子ま
たはイオンを基板方向に加速して蒸着させる方法による
ことが好ましい。
【0016】本発明のリチウム二次電池の負極は、上記
Li−Ag−Te系合金を、例えば通常の方法でシート
状、薄膜状等の形状に形成することにより得られる。上
記負極材料をシート状に形成する場合は、圧延、熱間押
出等の方法により、通常、厚さ数μm〜数百μmに成形
する。なお、このシート状負極は、Niシート、Cuシ
ート等のシート状集電体に、圧着,ロール圧延により接
合させて使用される。また、シート状負極は、集電体テ
ープ上に上記負極材料を溶融メッキすることによって得
ることができる。
【0017】本発明のリチウム二次電池には、電解質が
使用される。電解質としては、通常非水有機電解質が使
用される。非水有機電解質としては、従来非水系電池用
として使用されている種々の電解質塩を非水有機溶媒に
溶解してなる電解液や固体電解質が使用できる。上記非
水有機電解質が電解液の場合、上記電解質塩として、例
えばLiAsF6 、LiBF4 、LiPF6 、LiAl
Cl4 、LiClO4、Li(CF3 SO2 2 N等が
使用でき、この電解質塩を、例えば1,2−ジメトキシ
エタン、2−メチルテトラヒドロフラン、エチレンカー
ボネート、3−メチル−2−オキサゾリジノン、ジメチ
ルスルホキシド、プロピレンカーボネート、スルホラ
ン、エチレングリコールスルファイト、γ−ブチロラク
トン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミ
ド、ジメチルスルファイト、ニトロメタン、N−メチル
ピロジリノン、ギ酸メチル、テトラヒドロフラン、2−
メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、2
−メチルテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジメ
チルカーボネート、ジエチルカーボネート等およびこれ
らの混合物よりなる非水有機溶媒に溶解させて、通常、
濃度0.1〜3モル/リットル程度に調製した電解液が
使用される。この電解液は、通常、多孔性ポリマーやガ
ラスフィルタのようなセパレータに含浸あるいは充填さ
せて使用される。
【0018】非水有機電解質が固体電解質の場合、上記
電解質塩は、ポリエチレンオキシド、ポリホスファゼ
ン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド等やこれ
らの誘導体、混合物、複合体等に混合されて使用され
る。この固体電解質は、負極と正極とのセパレータを兼
ねる。
【0019】上記の正極、負極および非水有機電解質
を、例えば図1に示すように構成することによって、コ
イン型のリチウム二次電池が得られる。なお、電池ケー
ス等の正極および負極以外の構造材料については、従来
公知の各種材料が使用でき、特に制限はない。
【0020】
【作用】上記構成のリチウム二次電池によれば、少なく
ともリチウムとニッケルを含有する複合酸化物よりなる
正極活物質から形成した正極を有するので、正極はα−
NaFeO2 型結晶構造を有し、従来高容量のものとし
て知られているリチウムとコバルトとの複合酸化物(L
iCoO2 )と同様に、充放電によりリチウムイオンが
可逆的に放出、吸蔵を繰り返すことが可能であり、高容
量となる。
【0021】また、負極にLi−Ag−Te系合金から
なる固溶体型の合金を用いているので、充放電時にLi
を吸収・放出する機能を果たし、充放電時のLiの拡散
が促進される。また、Teは、Agと安定な金属間化合
物Aga Teb を形成し、また、Liと金属間化合物L
2 Teを形成するので、結晶粒界の面積が著しく増加
し、結晶粒界でのLiの拡散速度が粒内に比して数十倍
以上にも達し、リチウム電析がリチウムの拡散により律
速されることが緩和され、リチウムが効率よく吸収・放
出されるようになって、デンドライトによる内部短絡の
発生が抑制される。
【0022】また、これらの金属間化合物は、結晶粒界
に集積して立体的な殻を構成するので、Aga Te
b は、殻の強度を保持する骨材またはLi2 Teの結着
剤として機能し、Li2 Teはリチウムの高速拡散路と
して機能して、Li2 Te中でのリチウムの拡散速度は
著しく速くなる。このため、電池の充放電にともなうリ
チウムの吸収・放出が、上記殻を通じて進行することに
なり、該殻が上記金属間化合物で構成されているため、
デンドライトの成長が抑制される。
【0023】本発明のリチウム二次電池は、上記したよ
うに、高容量である少なくともリチウムとニッケルを含
有する複合酸化物を正極活物質とする正極と、デンドラ
イトの成長が抑制されるLi−Ag−Te系合金からな
る負極とを組合せて用いているので、充放電容量が大き
く高エネルギー密度を有しかつ充放電の繰り返しによる
劣化の少ないサイクル特性に優れるリチウム二次電池と
なる。
【0024】
【実施例】以下に実施例を示し、本発明をより具体的に
説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって何
ら限定されるものではない。
【0025】実施例1 (正極活物質の調製)硝酸リチウム(LiNO3 )と水
酸化ニッケル(Ni(OH)2 )を、Li/Ni(モル
比)が1/1となるようにアルミナ製るつぼに秤取し混
合した。ついで、これを電気炉にて700℃×24時
間、酸素気流中で焼成した。得られた焼成物質を、粉末
X線回析法により測定した結果、JCPDSカードN
o.9−63と一致し、空間群R
【0026】
【外1】
【0027】mのLiNiO2 と同定された。さらにこ
のLiNiO2 を星遊型ボールミルによって粉砕し、粒
径を20μm以下に調整した正極活物質の調製した。
【0028】(正極の作製)上記正極活物質90重量
部、導電剤としてアセチレンブラック7重量部、結着剤
としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)3重量部、溶
媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)97重
量部を十分に混合してペースト状とした。これを、厚さ
20μm、幅39.5mmのアルミニウムシートの一方の
面にコーティングし、200℃の電気炉により乾燥し
て、連続的にシート状の電極を作製した。さらに、反対
の面にも上記ペースト状のものをコーティングし、同様
に乾燥させて全体の厚さを400μmとした。得られた
シート状の電極は、長さ400mmにカットして、圧延機
により厚さ200μmとした。さらに、一方面から長さ
20mmのコーティング層を剥離してこれにリード線を溶
接した後、真空乾燥機により120℃×3時間の乾燥を
行い、正極シートを作製した。
【0029】(負極の作製)幅41mm、厚さ10μmの
銅テープの全面に、厚さ0.5μmのAgメッキ層を、
ついで厚さ2μmのNiメッキ層をそれぞれ電気メッキ
にて付設した後、Li−Ag−Te系合金の溶融メッキ
を行い、厚さ20μmのLiAgTe系合金層を付設し
た。なお、上記Li−Ag−Te系合金としては、各成
分をモル比でLi:Ag:Te=90:10:0.1に
配合したものを用いた。また、溶融メッキは、上記モル
比に配合した原料を、ステンレス製容器に秤取し、アル
ゴン雰囲気中250℃で溶解した後、絞り式膜厚調整活
具を用いて行った。上記で得られた原料テープを長さ4
20mmに切り取り、負極テープとした。
【0030】(電池の作製)上記負極テープ、厚さ25
μmのポリプロピレン製の微孔膜よりなるセパレータお
よび上記正極シートを用いて、図1の模式図に示す単3
型の円筒形リチウム二次電池Dを作製した。このリチウ
ム二次電池Dは、つぎのようにして作製した。セパレー
タ3、負極テープ1、セパレータ3、正極シート2をこ
の順序に重ね合わせ、正極シート2が内側になるように
渦巻状に捲回して、スパイラル体を得た。このスパイラ
ル体を、単3形電池サイズのニッケルメッキしたFe製
電池ケース5に装填した。その際、負極テープ1中のア
ルミニウムおよびニッケルメッキを施した銅テープより
なる負極集電体4aに接続されたリード線8aを上記電
池ケース5の内底面に、一方、正極シート2中のアルミ
ニウムシートよりなる正極集電体4bに接続されたリー
ド線8bを上記電池ケース5の正極キャップ6にそれぞ
れ溶接した。ついで、この電池ケース5内に電解液3ml
を注入した後、電池ケース5に正極キャップ6を被せ
て、ガスケット7で封止してかしめた。なお、電解液と
しては、1モルのLiPF6 を、エチレンカーボネート
とジエチルカーボネートの1:1(体積比)混合液に溶
解した液を用いた。
【0031】上記単3型のリチウム二次電池Dは、内部
で生じた化学エネルギーを、正極キャップ6および電池
ケース5の底面部の両端子から電気エネルギーとして外
部へ取り出し得るようになっている。
【0032】比較例1 実施例1において、下記の正極および負極を使用する以
外はすべて実施例1と同様にして、単3型のリチウム二
次電池を作製した。 (正極の作製)実施例1と同様にして、正極シートを作
製した。ただし、長さを300mmとした。 (負極の作製)天然黒鉛93重量部、結着剤としてPV
DF7重量部、溶媒としてNMP93重量部を十分に混
合してペースト状としたのち、実施例1の正極シートの
作製と同様にして、厚さ180μm、幅41mm、長さ3
00mmのシート状負極を作製した。ただし、アルミニウ
ムシートの集電体にかえて厚さ10μmの銅シートを用
いた。
【0033】(電池の評価)上記実施例1および比較例
1で得られた各電池の、充放電試験を繰り返し行ったと
ころ、図2に示すグラフ結果が得られた。このグラフか
ら明らかなように、実施例1は、負極に炭素材料を用い
た比較例1に比べて高容量である。また、図示していな
いが、このときの平均放電電圧は、実施例1では3.6
ボルト、比較例1では3.5ボルトであり、実施例1の
電池の方が、放電電圧が高かった。なお、上記充放電試
験において、充電は、500mAの電流で、4.2ボルト
を上限とした定電圧方式を採用し3時間行った。一方、
放電は、100mAの電流で、下限電圧2.75ボルトに
なるまで放電し、それぞれの電池の容量を求めることを
50サイクル行った。また、上記充放電試験を50サイ
クル行った後、実施例1の電池を解体して負極における
デンドライトの発生状態を観察したが、デンドライトは
全く発生していなかった。
【0034】実施例2〜17 実施例1において、正極の作製に表1に示す正極活物質
を用いた以外はすべて実施例1と同様にして、電池を作
製した。なお、実施例5〜17で用いた正極活物質は、
実施例1の正極活物質と比べて焼成後の粉砕において、
粉砕が容易であり、正極の作製において大幅な時間短縮
が可能であった。
【0035】
【表1】
【0036】上記実施例1〜17および比較例1の電池
の放電特性を図3に示した。なお、実施例1〜17の放
電特性は、それらの曲線をまとめて示した。
【0037】比較例2 実施例1において、負極に純金属リチウムを使用する以
外はすべて実施例1と同様にして、単3型の円筒形リチ
ウム二次電池を作製した。この電池の充放電を50サイ
クル繰り返した後、電池を解体して負極を観察したとこ
ろ、デンドライトが発生していた。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
図2から明らかなように、実施例1の電池の放電容量
は、50サイクルの繰り返し充放電によっても、その放
電容量はほとんど変化せず、また、その放電容量は、比
較例の電池に比べて約40%向上したものであった。ま
た、図3から明らかなように、実施例の各電池の平均放
電電圧は、約3.6ボルト程度であるので、既存の機器
に組み込むことが可能であった。このように、本発明の
リチウム二次電池は、充放電容量が大きく高エネルギー
密度を有し、また、充放電の繰り返しによる劣化の少な
いサイクル特性に優れるものであって、既存の機器にも
組み込める二次電池として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す単3型の円筒形リチウ
ム二次電池の断面図である。
【図2】本発明の実施例1および比較例1で得られた各
電池の、充放電試験におけるサイクル数と放電容量の関
係を示す図である。
【図3】実施例1〜20および比較例1で得られた電池
の放電特性曲線図である。
【符号の説明】
1 負極テープ 2 正極シート 3 セパレータ 4a 負極集電体 4b 正極集電体 5 電池ケース 6 正極キャップ 7 ガスケット 8a 負極リード 8b 正極リード D リチウム二次電池

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともリチウムとニッケルを含有す
    る複合酸化物を正極活物質とする正極と、Li−Ag−
    Te系合金よりなる負極を有するリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】 複合酸化物が、LiNiO2 である請求
    項1記載のリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】 複合酸化物が、リチウムとニッケルに加
    えて、コバルト、鉄、クロム、バナジウム、マンガン、
    リン、アルミニウム、インジウム、スズ、チタン、銅、
    ガリウム、銀および亜鉛からなる群から選ばれる少なく
    とも一種の金属を含有する複合酸化物である請求項1記
    載のリチウム二次電池。
  4. 【請求項4】 非水有機電解質を有する請求項1〜3の
    いずれかに記載のリチウム二次電池。
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