JPH0850923A - 非水電解液リチウム二次電池 - Google Patents

非水電解液リチウム二次電池

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JPH0850923A
JPH0850923A JP6183462A JP18346294A JPH0850923A JP H0850923 A JPH0850923 A JP H0850923A JP 6183462 A JP6183462 A JP 6183462A JP 18346294 A JP18346294 A JP 18346294A JP H0850923 A JPH0850923 A JP H0850923A
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JP
Japan
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carbonate
secondary battery
lithium secondary
aqueous electrolyte
ethyl methyl
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JP6183462A
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Taketsugu Yamamoto
武継 山本
Kenji Nakane
堅次 中根
Tomoari Sato
朋有 佐藤
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Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical Co Ltd
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Publication date
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Priority to CA002148860A priority patent/CA2148860A1/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【目的】負極炭素材料に黒鉛系の材料を用いたリチウム
二次電池において、室温での充放電の効率、大電流放電
特性およびサイクル特性を損なうことなく、低温放電特
性に優れたリチウム二次電池を提供する。 【構成】遷移金属を少なくとも1種含むリチウム複合酸
化物を活物質として含む正極と、黒鉛を主として含む炭
素材料を活物質として含む負極と、電解質として少なく
ともLiPF6 を有機溶媒に溶解した電解液と、セパレ
ーターとを備えた非水電解液リチウム二次電池におい
て、該有機溶媒がエチレンカーボネートとジメチルカー
ボネートとエチルメチルカーボネートとを含み、その組
成比率が、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネー
ト、エチルメチルカーボネートの総和に対するエチレン
カーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカ
ーボネートの割合をそれぞれx、y、z(単位体積%)
と表したとき、10≦x≦35、10≦y≦85かつ5
≦z≦80であることを特徴とする非水電解液リチウム
二次電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非水電解液を用いるリチ
ウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】α−NaFeO2 型構造を母体とする層
状リチウム複合酸化物またはスピネル型構造を母体とす
る遷移金属酸化物を活物質として含む正極と、リチウム
をドープ・脱ドープできる炭素材料を活物質として含む
負極を用いたリチウムイオン二次電池は、体積当たりと
重量当たりのエネルギー密度が高く、小型化・軽量化が
容易であり、かつ充放電サイクル性および安全性に優れ
ているため、携帯電話や携帯式ビデオカメラなどポータ
ブル電気機器用の二次電池または電気自動車用途の二次
電池として大きな注目を浴びている。
【0003】上記の電極活物質を用いる場合、正極活物
質、負極活物質ともに電気化学的にきわめて活性である
ため、これらの物質に対して電気化学的に安定な電解液
を用いる必要がある。このように高い耐酸化性、耐還元
性を持つ電解液用の非水溶媒としては、一般に非プロト
ン性の非水溶媒が適している。
【0004】リチウム電池の非水電解液用非プロトン性
溶媒としては、環状カーボネートと非環状カーボネート
との混合溶媒にリチウム塩を溶解させた電解液が提案さ
れている(特開平2−172162号公報、特開平2−
172163号公報、特開平4−171674号公
報)。
【0005】一方で、さらに電池の容量特性を改善する
ために電池活物質自体の検討も広く行なわれており、特
に負極の炭素材料の場合、単位重量あたりの充放電容量
が大きく、充放電中の平均電位が低くエネルギー密度が
大きいという点で、黒鉛系材料が優れた材料であること
が指摘されている(特開昭57−208079号公報、
特開平5−13088号公報)。しかしながら、負極の
炭素材料として黒鉛系材料を用いた場合、従来のプロピ
レンカーボネート、ブチレンカーボネート等を用いた電
解液(特開平2−10666号公報、特開平4−184
872号公報)では負極で分解するため、負極材料に黒
鉛系炭素材料を用いた場合に初期および保存後の放電特
性のいずれにも優れ、かつ、サイクル特性にも優れた非
水系電解液であり、さらに常温下大電流放電特性および
低温放電特性のいずれにも優れるものとして、エチレン
カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボ
ネートの3成分の混合溶媒を含有する電解液が提案され
た(特開平5−13088号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されていた組成の電解液を検討した結果、−20℃で
の電導度から期待される放電容量より低い放電容量しか
得られず、低温放電特性が十分でないことがわかった。
本発明の目的は、負極炭素材料に黒鉛系の材料を用いた
リチウム二次電池において、室温での充放電の効率、大
電流放電特性およびサイクル特性を損なうことなく、低
温放電特性に優れたリチウム二次電池を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】このような事情をみて、
本発明者らは鋭意検討を行った結果、電解液の有機溶媒
であるエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、
エチルメチルカーボネートの3成分が特定の組成範囲内
にあるときに、前記課題を解決できることを見いだし、
本発明を完成するに至った。
【0008】すなわち、本発明は、次に記す発明であ
る。 (1)遷移金属を少なくとも1種含むリチウム複合酸化
物を活物質として含む正極と、黒鉛を主として含む炭素
材料を活物質として含む負極と、電解質として少なくと
もLiPF6 を有機溶媒に溶解した電解液と、セパレー
ターとを備えた非水電解液リチウム二次電池において、
該有機溶媒がエチレンカーボネートとジメチルカーボネ
ートとエチルメチルカーボネートとを含み、その組成比
率が、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、
エチルメチルカーボネートの総和に対するエチレンカー
ボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボ
ネートの割合をそれぞれx、y、z(単位体積%)と表
したとき、10≦x≦35、10≦y≦85かつ5≦z
≦80であることを特徴とする非水電解液リチウム二次
電池。
【0009】(2)電解液中のLiPF6 の濃度範囲が
0.5〜1.5モル/リットルであることを特徴とする
(1)記載の非水電解液リチウム二次電池。
【0010】次に、本発明を詳細に説明する。本発明の
非水電解液リチウム二次電池は、遷移金属を少なくとも
一つ含むリチウム複合酸化物を活物質として含む正極
と、黒鉛を主として含む炭素材料を活物質として含む負
極と、電解質として少なくともLiPF6 を有機溶媒に
溶解した電解液と、セパレーターとを備える。本発明の
非水電解液リチウム二次電池において、電解液に用いる
有機溶媒は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネ
ートとエチルメチルカーボネートとを含み、その組成比
率が、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、
エチルメチルカーボネートの総和に対するエチレンカー
ボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボ
ネートの割合をそれぞれx、y、z(単位体積%)と表
したとき、10≦x≦35、10≦y≦85かつ5≦z
≦80であることを特徴とする。該割合は好ましくは1
5≦x≦35、15≦y≦70、10≦z≦70であ
り、さらに好ましくは20≦x≦35、20≦y≦6
0、10≦z≦60である。
【0011】電解液に用いる有機溶媒として、エチレン
カーボネートの体積分率が10体積%未満の場合は、サ
イクル毎の放電容量劣化が大きいため好ましくない。サ
イクル毎の放電容量劣化が大きくなる原因については未
だ明らかではないが、エチレンカーボネートが電極表面
での不可逆的な電気化学的反応を抑制する作用があると
考えられる。また、エチレンカーボネートが35体積%
を越える場合は、ジメチルカーボネート、エチルメチル
カーボネートの混合比率に関わらず低温(−20℃)で
の放電容量が著しく悪くなるので好ましくない。この原
因については未だ明らかではないが、電池のように直流
電流を流す場合には電極近傍でのイオンの濃度不均一が
生じやすく、濃度分極の影響が相対的に大きくなったた
めと考えられる。
【0012】電解液に用いる有機溶媒として、ジメチル
カーボネートの体積分率が10体積%未満の場合は、サ
イクル特性が悪化するため好ましくない。また、ジメチ
ルカーボネートが85体積%を越える場合は、低温で電
解液が凝固し放電できなくなるため好ましくない。
【0013】電解液に用いる有機溶媒として、エチルメ
チルカーボネートの体積分率が5体積%未満の場合は、
−20℃での放電容量が小さいため好ましくない。これ
はエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート両者と
も凝固点が34℃、0℃と高いため、溶質を1モル/リ
ットル程度溶解しても電解液が凝固するためと考えられ
る。また、エチルメチルカーボネートが80体積%を越
える場合は、サイクル特性が悪化するため好ましくな
い。
【0014】該有機溶媒中のジメチルカーボネート、エ
チルメチルカーボネートの総和に対するジメチルカーボ
ネートの割合をwと表したとき、低温放電容量および大
電流放電容量の点で、0.15<w<4であることが好
ましい。
【0015】本発明の非水電解液リチウム二次電池にお
ける正極は、活物質として遷移金属を少なくとも一種含
むリチウム複合酸化物を用いる。具体的には該正極とし
て、該リチウム複合酸化物の活物質粉末、補助導電剤粉
末、これら粉末同士を決着するためのバインダーなどと
を均一に混合した後加圧成形するか、または溶媒等を用
いてペースト化し集電体上に塗布乾燥後プレスするなど
して、集電体シートに固着した構成のものが挙げられ
る。
【0016】該正極における、遷移金属を少なくとも一
種含むリチウム複合酸化物としては、バナジウム、マン
ガン、鉄、コバルト、ニッケル等の遷移金属を少なくと
も一種含むリチウム複合酸化物が挙げられる。中でも好
ましくは、平均放電電位が高いという点で、コバルト、
ニッケル等のα−NaFeO2 型構造を母体とする層状
リチウム複合酸化物、またはマンガン等のスピネル型構
造を母体とするリチウム複合酸化物が挙げられる。中で
も好ましくはサイクル特性が優れているという点で、リ
チウム・ニッケル複合酸化物を主体とする層状リチウム
複合酸化物が好ましい。
【0017】該正極に用いる補助導電材粉末としては、
導電効果があり、使用する非水電解液に対する耐性や、
正極での電気化学反応に対する耐性を有するものであれ
ばよく、例えば黒鉛粉末、カーボンブラック、コークス
粉末、導電性高分子などが挙げられる。該補助導電材の
量は、使用する活物質粉末100重量部に対して1〜2
0重量部程度とすることが好ましい。
【0018】本発明の非水電解液リチウム二次電池にお
ける負極は、活物質として黒鉛を主として含む炭素材料
を用いる。該炭素材料中の黒鉛の割合は、70重量%以
上が好ましく、90重量%以上がさらに好ましい。黒鉛
以外の炭素材料としては、カーボンブラック、コークス
などが挙げられる。本発明における負極として、具体的
には黒鉛を主として含む炭素材料粉末と、さらにこれら
粉末同士を決着するためのバインダーなどとを均一に混
合した後、加圧成形するか、または溶媒等を用いてペー
スト化し集電体上に塗布乾燥後プレスするなどして、集
電体シートに固着した構成のものが挙げられる。
【0019】該黒鉛として天然黒鉛や人造黒鉛が挙げら
れる。該黒鉛として、具体的には、X線回折における格
子面間隔(d002 )が3.37Å以下であり、真比重が
2.23以上のものが好ましい。さらに好ましくはX線
回折における格子面間隔(d 002 )が3.36Å以下で
あり、真比重が2.24以上のものである。ここで格子
面間隔(d002 )とは、X線としてCuKα線を用い、
高純度シリコンを標準物質とするX線回折法[大谷杉
郎、炭素繊維、733〜742頁(1986)近代編集
社]によって測定された値のことを意味する。
【0020】本発明において用いる黒鉛の灰分は好まし
くは0.5重量%以下、より好ましくは0.1重量%以
下である。天然黒鉛の場合は産地によっても異なるが、
含有する灰分が数重量%以上と大きいため、好ましくは
2500℃以上、さらに好ましくは2800℃以上の高
温度で処理して、灰分を好ましくは0.5重量%以下、
より好ましくは0.1重量%以下にしたものがよい。こ
こで灰分はJISM8812による値を意味する。
【0021】本発明において用いる人造黒鉛は、例えば
鱗片状黒鉛(SEC社製、商品名SGP5、SGP1
5、SGO5、SGX5;LONZA社製、商品名SF
G6、SFG15、KS6、KS15)、球状黒鉛(大
阪ガス社製、商品名MCMB6−28、MCMB20−
28)、繊維状黒鉛(大阪ガス社製、商品名SG24
1、F500)などが例示できる。本発明において用い
る黒鉛系炭素材料の粒度は特に制限されないが、平均粒
径が1〜50μm程度のものが好ましい。さらに好まし
くは、2〜20μmである。
【0022】本発明における黒鉛以外の炭素材料として
は、カーボンブラックやコークス、さらにはカーボンブ
ラックを約1500〜3000℃の温度で熱処理するこ
とにより得られる、いわゆる擬黒鉛性カーボンブラック
などが挙げられる。
【0023】前記の正極や負極に用いるバインダーとし
ては、結着効果があり、使用する非水電解液に対する耐
性や、正極や負極での電気化学反応に対する耐性を有す
るものであればよく、例えばポリテトラフルオロエチレ
ン(以下、PTFEということがある。)、ポリフッ化
ビニリデン(以下、PVdFということがある。)等の
フッ素樹脂やポリエチレン、ポロプロピレンなどが挙げ
られる。該バインダーの量は、使用する活物質粉末10
0重量部に対して1〜20重量部程度とすることが好ま
しい。
【0024】前記の正極や負極に用いる集電体として
は、使用する非水電解液に対する耐性や、正極や負極で
の電気化学反応に対する耐性を有するものであればよ
く、例えば、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、銅、ア
ルミニウムなどが挙げられる。該集電体の厚みは、電池
としての体積エネルギー密度が上がるという点で、強度
が保たれる限り薄いほど好ましく、5〜100μm程度
が好ましい。該正極の集電体として、薄膜に加工しやす
く、安価であるという点でアルミニウム箔が好ましい。
該負極の集電体として、リチウムと合金を作りにくく、
かつ薄膜に加工しやすいと言う点で銅箔が好ましい。
【0025】本発明の非水電解液リチウム二次電池にお
いて、セパレーターとしては、両極の接触を防止し絶縁
性を持ち、かつ非水電解液を保持し、リチウムイオンが
透過できる機能を有し、使用する非水電解液に対する耐
性や、正極や負極での電気化学反応に対する耐性を有す
るものであればよく、例えばフッ素系樹脂、ポリエチレ
ン、ポリプロピレンなどオレフィン系樹脂、ナイロンな
どの不織布、織布が例示できる。該セパレーターの厚み
は電池としての体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗
が小さくなると言う点で機械的な強度が保たれる限り薄
いほどよく、10〜200μm程度が好ましい。
【0026】
【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるもの
ではない。 (I)試験に供したリチウム二次電池の仕様 正極として、硝酸リチウムと炭酸ニッケルを混合し酸素
気流中において700℃で15時間焼成して得られたニ
ッケル酸リチウム粉末と、人造黒鉛粉末と、ポリフッ化
ビニリデン(呉羽化学社製)を重量比で87:10:3
とした混合粉末を、2−メチルピロリドン溶液に分散さ
せてスラリーとし、アルミ箔上に塗布後真空乾燥し、プ
レスして作製したシート状電極を1.5cm×2.0c
mの大きさに切り出したものを用いた。上記ニッケル酸
リチウム粉末のX線回折測定を行ったところ、α−Na
FeO2 型構造を有することが確認された。
【0027】負極として、3000℃で処理したマダガ
スカル産の鱗片状天然黒鉛粉末と、3800℃で処理し
たカーボンブラック(東海カーボン社製)と、ポリフッ
化ビニリデン(呉羽化学社製)を重量比で86:4:1
0とした混合粉末を2−メチルピロリドン溶液に分散さ
せてスラリーとし、銅箔上に塗布後乾燥し、プレスして
作製したシート状電極を1.5cm×2cmの大きさに
切り出したものを用いた。セパレーターとしてはポリプ
ロピレン多孔質フィルム(ダイセル化学社製、商品名セ
ルガード#2240)を用いた。
【0028】(II)充放電試験 (1)充電:充電は常に20℃で充電最大電圧Vmax =
4.1V、6mA、3時間の定電流定電圧充電を実施し
た。 (2)放電 (i)常温放電試験:20℃において、カットオフ電圧
2.75V、1.2mAの定電流で放電試験を実施し
た。これは0.2Cの放電条件に相当する。 (ii)低温放電試験:−20℃において、カットオフ
電圧2.75V、1.2mAの定電流で放電試験を実施
した。これは0.2Cの放電条件に相当する。 (iii)大電流放電試験:20℃において、カットオ
フ電圧2.75V、6mAの定電流で放電試験を実施し
た。これは1C放電条件に相当する。 (3)サイクル試験 試験は室温(25℃)でおこなった。充電は20℃で充
電最大電圧Vmax =4.1V、6mA、3時間の定電流
定電圧充電を行い、0.5時間の休止の後、放電は、カ
ットオフ電圧2.75V、1.2mAの定電流で放電試
験を行ない、再び0.5時間休止した。これは1C充
電、0.2C放電に相当する。この充放電サイクルを2
0回繰り返した。1回目の放電容量に対する20回目の
容量の割合を容量保持率として示す。
【0029】実施例1 電解液として、表1および表2に示す組成のエチレンカ
ーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DM
C)、エチルメチルカーボネート(EMC)混合溶媒の
いずれも電解質としてLiPF6 を1モル/リットルと
なるように調製したもの用い、上記のようにして得た正
極、負極をセパレーターを介して対向させ、ステンレス
製の容器に収納し、電池A1〜A11を作製した。得ら
れた電池の放電容量は約6mAhであった。作製した電
池の電解液組成比と、各種放電条件での放電容量を表1
および表2に示した。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】比較例1 電解液として、表3および表4に示す組成比を持つエチ
レンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(D
MC)、エチルメチルカーボネート(EMC)混合溶媒
を調製し、そのいずれも電解質としてLiPF6 を1モ
ル/リットルとなるように調製したもの用いた他は実施
例1と同様にして電池R1〜R12を作製した。充放電
試験は実施例1と同様に行ない、作製した電池の電解液
組成比と、放電容量とを表3および表4に示す。
【0033】
【表3】
【0034】
【表4】
【0035】比較例2 電解液としてエチレンカーボネート(EC):ジメチル
カーボネート(DMC):エチルメチルカーボネート
(EMC)=30:67:3(体積%)の混合溶媒を調
製し、電解質としてLiPF6 を1モル/リットルとな
るように調製した。この電解液は−20℃で凝固したの
で、二次電池用電解液として不適切であった。
【0036】本発明品である電池A1〜A11は、エチ
レンカーボネートの組成比xが40体積%以上の電池R
1〜R6と比較して、特に低温での放電容量に格段に優
れることがわかる。本発明品である電池A1〜A11
は、エチレンカーボネートを含有しない電池R9〜R1
2と比較して、サイクル特性の点で優れることがわか
る。本発明品である電池A1〜A11は、ジメチルカー
ボネートの含有量が5体積%未満の電池R7、R8と比
較してサイクル特性に優れることがわかる。
【0037】実施例2 電解液として、エチレンカーボネート(EC):ジメチ
ルカーボネート(DMC):エチルメチルカーボネート
(EMC)=30:35:35(体積%)の混合溶媒を
調製し、電解質としてLiPF6 を1モル/リットルと
なるように調製したものを用いた以外は実施例1と同様
にして電池B1を作製した。充電試験は実施例1と同様
に行ない、−20℃〜80℃の使用温度範囲での放電特
性を測定した。結果を表5に示す。
【0038】
【表5】 −20℃〜80℃という広い温度範囲で動作することが
示された。
【0039】
【発明の効果】本発明の非水電解液リチウム二次電池
は、負極炭素材料に黒鉛系の材料を用いたリチウム二次
電池でありながら、室温での充放電の効率、大きなエネ
ルギー密度、サイクル特性といった好ましい特性を損な
うことなく、−20℃という低温でも大きな放電容量を
維持し、かつ1C以上の大電流放電時にも放電容量の極
端な低下がもたらされない。さらには80℃という高温
でも動作するため、野外などで使用する携帯電子機器ま
たは電気自動車等の輸送機器用途として工業的価値が大
きい。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】遷移金属を少なくとも1種含むリチウム複
    合酸化物を活物質として含む正極と、黒鉛を主として含
    む炭素材料を活物質として含む負極と、電解質として少
    なくともLiPF6 を有機溶媒に溶解した電解液と、セ
    パレーターとを備えた非水電解液リチウム二次電池にお
    いて、該有機溶媒がエチレンカーボネートとジメチルカ
    ーボネートとエチルメチルカーボネートとを含み、その
    組成比率が、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネ
    ート、エチルメチルカーボネートの総和に対するエチレ
    ンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチル
    カーボネートの割合をそれぞれx、y、z(単位体積
    %)と表したとき、10≦x≦35、10≦y≦85か
    つ5≦z≦80であることを特徴とする非水電解液リチ
    ウム二次電池。
  2. 【請求項2】電解液中のLiPF6 の濃度範囲が0.5
    〜1.5モル/リットルであることを特徴とする請求項
    1記載の非水電解液リチウム二次電池。
JP6183462A 1994-05-10 1994-08-04 非水電解液リチウム二次電池 Pending JPH0850923A (ja)

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TW084104412A TW284922B (ja) 1994-05-10 1995-05-03
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