JPH08241732A - 有機電解液二次電池 - Google Patents

有機電解液二次電池

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JPH08241732A
JPH08241732A JP7068706A JP6870695A JPH08241732A JP H08241732 A JPH08241732 A JP H08241732A JP 7068706 A JP7068706 A JP 7068706A JP 6870695 A JP6870695 A JP 6870695A JP H08241732 A JPH08241732 A JP H08241732A
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lithium
solvent
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Hiroaki Yoshida
吉田  浩明
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Abstract

(57)【要約】 【目的】信頼性の高い有機電解液二次電池を提供する。 【構成】リチウムの吸蔵・放出が可能な炭素材料からな
る負極と、正極と、溶媒と溶質からなる有機電解液とを
備える電池において、前記溶媒にジオキシドチオフェン
と非環状スルホンとの混合物を用いることで、この種電
池の問題である充放電サイクルの進行にともなう放電容
量の低下を有効に抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子機器の駆動用電源
もしくはメモリ保持電源としての高エネルギー密度でか
つ高い信頼性を有するリチウム電池に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術とその課題】電子機器の急激なる小形軽量
化に伴い、その電源である電池に対して小形で軽量かつ
高エネルギー密度で、更に繰り返し充放電が可能な二次
電池の開発への要求が高まっている。これら要求を満た
す二次電池として、有機電解液二次電池が最も有望であ
る。
【0003】有機電解液二次電池の正極活物質には、二
硫化チタンをはじめとして、リチウムコバルト複合酸化
物、スピネル型リチウムマンガン酸化物、五酸化バナジ
ウムおよび三酸化モリブデンなどの種々のものが検討さ
れている。なかでも、リチウムコバルト複合酸化物(L
iCoO2)およびスピネル型リチウムマンガン酸化物
(LiMnO4)は、4V(Li/Li+)以上のきわ
めて貴な電位で充放電を行うため、これらを正極として
用いることで高い放電電圧を有する電池が実現できる。
【0004】有機電解液二次電池の負極活物質は、金属
リチウムをはじめとしてリチウムの吸蔵・放出が可能な
Li−Al合金や炭素材料など種々のものが検討されて
いるが、なかでも炭素材料は、安全性が高くかつサイク
ル寿命の長い電池が得られるという利点がある。
【0005】しかし、この種電池において、卑な電位を
有するリチウムを負極活物質とする一方、正極では貴な
電位を有する金属酸化物を用いるため、負極、正極それ
ぞれにおいて電解液が分解されやすい状況にある。従っ
て、電解液の選択において、これらの点を考慮した構成
とすることが必要不可欠であり、種々の電解液を用いる
ことが提案されている。
【0006】例えば、S−O結合を含有する溶媒を含有
する電解液(特開平4−152879号公報参照)や環
状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合電解液(特
開平4−171674号公報参照)などがあげられる。
【0007】一方、溶質としては、過塩素酸リチウム、
トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、六フッ化燐酸
リチウムなどが一般に用いられている。なかでも六フッ
化燐酸リチウムは、安全性が高くかつ溶解させた電解液
のイオン導電率が高いという理由から、近年盛んに用い
られるようになってきている。
【0008】しかしながら、S−O結合を含有する溶媒
であるジメチルサルファイト、ジメチルスルホン、ジメ
チルスルホキシドを、リチウムの吸蔵・放出が可能な炭
素材料を負極に用いた電池に使用したところ、全ての場
合において良好な充放電サイクル特性が得られなかっ
た。スルホランおよび3−メチルスルホランは、良好な
充放電サイクル特性を示すが、放電容量が小さくなっ
た。一方、環状カーボネートと非環状カーボネートとの
混合電解液は、室温下では良好なサイクル特性をしめす
ものの、高温下では劣化が大きくなるという問題が生じ
た。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、リチウムの吸
蔵・放出が可能な炭素材料からなる負極と、正極と、溶
媒と溶質からなる有機電解液とを備える電池であって、
前記溶媒に少なくともジオキシドチオフェンと非環状ス
ルホンとの混合物を用いることで上記問題を解決するも
のである。
【0010】なお、高率放電性能に優れる電池を得るに
は、ジオキシドチオフェン化合物としてスルホランおよ
び3−メチル−スルホランを、非環状スルホンとしてジ
メチルスルホン、エチルメチルスルホンおよびジエチル
スルホンを用いるのが好ましい。
【0011】
【作用】前述した如く、この種電池では電解液の分解反
応が生じやすく、これが電池性能を劣化させる主因とな
っている。しかしながら、電解液にジオキシドチオフェ
ンと非環状スルホンとの混合溶媒を用いると、保存特性
に優れ、サイクル特性も良好な電池が得られることを見
出し、本発明を完成するに至った。この理由は明らかで
はないが下記の如く推察している。
【0012】ジメチルサルファイト、ジメチルスルホ
ン、ジメチルスルホキシドの分子は、スルホラン、3−
メチルスルホランなどの環状化合物の分子に比べ小さい
ため、充電時にリチウムイオンとともに負極炭素の層間
に取り込まれやすい。それによって負極炭素の層間距離
が押し上げられる。したがって、充放電によるリチウム
イオンの吸蔵・放出を繰り返すにつれて負極炭素の層構
造の破壊が進み、電池容量が低下したと考えられる。故
に、これら溶媒は、炭素材料を負極として用いた電池に
適用できなかった。一方、スルホランおよび3−メチル
スルホランなどの高粘度溶媒は、電解液のイオン導電率
が低いため単独で用いることは困難であった。ところ
が、ジオキシドチオフェンとジメチルスルホンに代表さ
れる非環状スルホンとを混合すると、ジオキシドチオフ
ェンが負極炭素表面にリチウムイオン導電性の保護皮膜
を形成し、非環状スルホン分子の負極炭素層間への取り
込みを抑制するため、充放電サイクルを繰り返しても負
極炭素の層構造の破壊が生じにくくなった。さらに、ス
ルホラン、3−メチルスルホランなどの単独溶媒を用い
た電解液に比べて、電解液の粘度が低下し、イオン導電
率が向上するため電池の分極が小さくなり電池容量が飛
躍的に大きくなることがわかった。
【0013】しかし、この保護皮膜による安定化効果
は、ジメチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジエチ
ルスルホンなどの非環状スルホンにおいてのみ見られる
特異的なもので、同じS−O結合を有するジメチルサル
ファイト、ジメチルスルホキシドでは、効果は見られな
かった。この理由は、明らかではないが、ジメチルサル
ファイト、ジメチルスルホキシドは、ジメチルスルホン
よりも小さい分子であるため、保護皮膜を通過しやす
く、負極炭素材料と反応しやすいことなどが考えられ
る。さらに、本発明の電解液は、従来の電解液である環
状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合電解液に比
べて、高温下での充放電サイクル特性が向上している。
これは、高温下での安定性に劣る鎖状カーボネートを含
有していないことに起因していると考えられる。
【0014】
【実施例】以下に、好適な実施例を用いて本発明を説明
するが、本発明の趣旨を越えない限り、以下の実施例に
限定されるものではない。
【0015】正極は、リチウムコバルト複合酸化物(L
iCoO2)と導電剤としてのカーボン粉末および結着
剤としてのフッ素樹脂粉末とを90:3:7の重量比で
十分混合したのち、加圧成型したものである。負極は、
黒鉛粉末と結着剤としてのフッ素樹脂粉末とを91:9
の重量比で十分混合したのち、加圧成型したものであ
る。
【0016】図1は、本発明の実施例電池の縦断面図で
ある。この図において1は、耐電解液性のステンレス鋼
板を打ち抜き加工した正極端子を兼ねるケース、2は1
と同様のステンレス鋼板を打ち抜き加工した負極端子を
兼ねる封口板であり、その内壁には負極3が当接されて
いる。5は有機電解液を含浸したポリプロピレンからな
るセパレーター、6は正極である。電池は、正極端子を
兼ねるケース1の開口端部を内方へかしめ、ガスケット
4を介して負極端子を兼ねる封口板2の外周を締め付け
ることにより密閉封口している。
【0017】有機電解液には、スルホランとジメチルス
ルホンとを体積比1:1で混合した有機溶媒に、六フッ
化燐酸リチウムを1モル/リットルの濃度で溶解したも
のを用いた。電池には、上記電解液を約150μl注液
した。
【0018】この電池寸法は直径20mm、高さ2mm
である。本発明電池を(A)とした。上記実施例におい
て、ジメチルスルホンの代わりにそれぞれエチルメチル
スルホンおよびジエチルスルホンを用いたことの他は本
実施例と同様の構成とした本発明の電池を(B)および
(C)とした。
【0019】さらに比較のために、エチレンカーボネー
トとジエチルカーボネートとの混合物(体積比1:1)
を用いたことの他は、本発明の電池と同様の構成とした
比較電池を(ア)とした。
【0020】次に、温度60℃の恒温槽中にて、これら
の電池を2.0mAの定電流で、端子電圧が4.2Vに至
るまで充電して、つづいて、同じく2.0mAの定電流
で、端子電圧が2.7Vに達するまで放電する充放電サ
イクル寿命試験を300サイクルおこなった。各電池の
充放電サイクルの進行にともなう放電容量の変化を図2
に示す。
【0021】図2の結果から明らかなように、ジオキシ
ドチオフェンと非環状スルホンとの混合溶媒を用いた本
発明電池(A)、(B)および(C)は比較電池(ア)
に比べ充放電サイクルの進行にともなう放電容量の低下
が小さい。
【0022】なお、上記実施例では、ジオキシドチオフ
ェンとしてスルホランを用いる場合を説明したが、3−
メチルスルホランやスルホランと3−メチルスルホラン
との混合溶媒を用いることができる。
【0023】上記実施例では、ジオキシドチオフェンと
非環状スルホンとを体積比で1:1で混合した場合を説
明したが、特に限定されない。
【0024】これらの非環状スルホンのジオキシドチオ
フェンに対する添加量は、両者の合量に対して10〜6
0体積%が望ましい。なぜならば、非環状スルホンの含
有率が10体積%未満の場合は、凝固点の高いスルホラ
ンを用いる場合電解液が低温で凝固しやすくなり、一
方、誘電率の低いスルホン化合物の含有率が60体積%
を越えると電解液のイオン導電率が低下するためであ
る。
【0025】また、本発明で使用されるスルホン化合物
としては、例えばジメチルスルホン、エチルメチルスル
ホン、ジエチルスルホンなどの少なくとも1種以上を用
いることができるが、なかでもジメチルスルホンがイオ
ン導電率の点で、エチルメチルスルホンが低温性能の点
で最も望ましい。
【0026】さらに上記実施例において、正極活物質と
してリチウムコバルト複合酸化物を用いる場合を説明し
たが、特に限定されない。二硫化チタン、リチウムニッ
ケル複合酸化物(LiCoO2)をはじめとして二酸化
マンガン、スピネル型リチウムマンガン酸化物、(Li
MnO4)五酸化バナジウムおよび三酸化モリブデンな
どの種々のものを用いることができる。
【0027】本実施例では、有機溶媒にジオキシドチオ
フェンと非環状スルホン化合物との混合系を用いる場合
を説明したが、従来リチウム電池で用いられている有機
溶媒を第3成分として添加して用いることができる。例
えば、γ−ブチロラクトン、メチルフォルメートなどの
エステル溶媒、エチレンカーボネートなどの環状カーボ
ネート溶媒、1,2−ジメトキシエタン、テトラハイド
ロフランなどのエーテル溶媒、ジメチルカーボネート、
エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなど
の鎖状カーボネートなどがあげられる。
【0028】電解質としては、過塩素酸リチウム、六フ
ッ化砒酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、トリフル
オロメタンスルホン酸リチウム、フルオロ硫酸リチウム
などの1種以上を用いることができる。
【0029】なお、前記の実施例に係る電池はいずれも
コイン形電池であるが、円筒形、角形またはペーパー形
電池に本発明を適用しても同様の効果が得られる。
【0030】
【発明の効果】上述したごとく、リチウムの吸蔵・放出
が可能な炭素材料からなる負極と、正極と、溶媒と溶質
からなる有機電解液とを備える電池において、前記溶媒
にジオキシドチオフェンと非環状スルホンとの混合物を
用いることで、この種電池の問題である充放電サイクル
の進行にともなう放電容量の低下を有効に抑制できるも
のであり、その工業的価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】有機電解液二次電池の一例であるボタン電池の
内部構造を示した図である。
【図2】試験電池の充放電サイクルの進行にともなう放
電容量の変化を示した表である。
【符号の説明】
1 電池ケース 2 封口板 3 負極 4 ガスケット 5 セパレーター 6 正極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムの吸蔵・放出が可能な炭素材料か
    らなる負極と、正極と、溶媒と溶質からなる有機電解液
    とを備える電池であって、前記溶媒がジオキシドチオフ
    ェンと非環状スルホンとを含有していることを特徴とす
    る有機電解液二次電池。
  2. 【請求項2】ジオキシドチオフェンがスルホラン、3−
    メチルスルホランから選ばれる一種以上である請求項1
    記載の有機電解液二次電池。
  3. 【請求項3】非環状スルホンが、ジメチルスルホン、エ
    チルメチルスルホン、ジエチルスルホンから選ばれる1
    種以上である請求項1または2記載の有機電解液二次電
    池
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