JPS62219476A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JPS62219476A
JPS62219476A JP61063019A JP6301986A JPS62219476A JP S62219476 A JPS62219476 A JP S62219476A JP 61063019 A JP61063019 A JP 61063019A JP 6301986 A JP6301986 A JP 6301986A JP S62219476 A JPS62219476 A JP S62219476A
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JP
Japan
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lithium
secondary battery
electrolyte
lithium secondary
electrode active
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JP61063019A
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English (en)
Inventor
Shinichi Tobishima
真一 鳶島
Masayasu Arakawa
正泰 荒川
Toshiro Hirai
敏郎 平井
Junichi Yamaki
準一 山木
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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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
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はリチウム二次電池、さらに詳細には良好な電解
液を有するリチウム二次電池に関するものである。
〔発明の背景〕
リチウム電池は標準単極電位が高く、標準水素電極基準
で−3,03Vであり還元力が極めて強く、また原子量
が6.941と小さいため、重量あたりの容量密度は3
.86Ah/gと大きい。このためリチウムを負極活物
質として用いる電池(以下リチウム電池と称する)は小
型・高エネルギ密度を有する電池として研究されており
、すでに二酸化マンガン、フッ化黒鉛などを正極活物質
として用いる電池が市販されている。しかし、これらの
市販のリチウム電池は一次電池であり、実用に供する充
放電可能なリチウム二次電池は実現されていないのが現
状である。リチウム電池が高エネルギ密度という放電特
性の利点を生かしながら、充電も可能となれば、従来の
電池系に比較して、極めて特性が優れた電池が実現する
ことになり、携帯用電子機器などの産業界に与える効果
は高い。
リチウム電池を二次化するためには、正極活物質の選択
、電池構成法など、多くの解決すべき問題がある。特に
、電解液の選択は重要な課題であり、二次電池用電解液
には、リチウムの充放電効率が高いことが要求される。
リチウムの充放電効率の高い電解液としては、LiCl
04 2−メチルテトラヒドロフラン系電解液が提案さ
れている(米国特許第4086403号明細書参照)が
、その特性は必ずしも充分であるといいえず、さらに特
性の良好なリチウム二次電池用電解液が求められている
〔発明の概要〕
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり
、その目的はリチウムの充放電特性の優れたリチウム二
次電池を提供することにある。
したがって本発明によるリチウム二次電池は、負極活物
質はリチウムあるいはリチウムイオンを放電可能にする
リチウム合金であり、正極活物質はリチウムイオンと電
気化学的に可逆反応を行う物質であり、電解液はリチウ
ム塩を有機溶媒に溶解させたものであるリチウム二次電
池において、前記電解液の有機溶媒は下記の式(1)に
示す一般構造式を有する1、3−ジオキソランの誘導体
よす選択された一種以上であり、前記電解液の含水量が
100 ppm以下、水以外の不純物が11000pp
以下であることを特徴としている。
R1−C11−0 (ただし、R1−R3の少なくとも一つは炭素数は1〜
4のアルキル基であり、他は水素である)本発明によれ
ば、リチウム二次電池の電解液として、1.3−ジオキ
ソラン誘導体の一種以上を用いるとともに、水および水
以外の不純物量を制御することを最も主要な要旨とし、
これによって高い導電率と充放電効率を有するリチウム
二次電池を実現するものである。
〔発明の詳細な説明〕
本発明を更に詳しく説明する。
リチウム二次電池は、負極活物質がリチウムあるいはリ
チウムイオンを放電可能にするリチウム合金であり、正
極活物質がリチウムイオンと電気化学的に可逆反応を行
う物質であり、電解液かりチウム塩を有機溶媒に溶解さ
せた電池であるが、本発明のよれば、リチウム塩を有機
溶媒に溶解した電解液の有機溶媒として、式(1)に示
す一般構造を有する1、3−ジオキソランの誘導体の一
種以上を用いている。
R,−C■□0 (ただし、R1へR3の少なくとも一つは炭素数は1〜
4のアルキル基であり、他は水素である)上述のよう【
1.3−ジオキソランは上記式(1)の一般式構造式を
有するものである。
この式(1)において、前記R,〜R3は、炭素数が1
〜4のアルキル基および水素より選択された一種以上で
あるが、R、−123のうち、少なくとも一つは、上記
炭素数が1〜4のアルキル基である。
このアルキル基の炭素数が5以上であると、導電率が低
くなり、また粘度が向上して電解液として好ましくなく
なると考えられるからである。
具体的な1.3−ジオキソランの誘導体としては、たと
えば、2−メチル−1,3−ジオキソラン、4−メチル
−1,3−ジオキソラン、2.4−ジメチル−1,3−
ジオキソラン、2−エチル−1,3−ジオキソラン、4
−エチル−1,3−ジオキソラン、2゜4−ジエチル−
1,3−ジオキソラン、2−メチル−4−エチル−1,
3−ジオキソランなどの一種以上であることができる。
リチウム二次電池に用いる電解液のLi充放電効率を上
昇させるためには、Liから溶媒への電子移動反応性が
低い溶媒を選択することや、溶媒系中のLi塩が解離し
やすく、かつLビイオン移動性が大きいことが必要であ
ると考えられる。従来1.3−ジオキソランは、リチウ
ム電池用電解液溶媒としてよく知られていたが、非常に
酸化されやすく、このため高分子化しやすいという実用
上の問題があったOそこで、1.3−ジオキソランに大
きな置換基であるアルキル基を導入し、1,3−ジオキ
ソランの高分子化を防ぐとともに、単結合を通してのア
ルキル基の電子誘起効果により、反応性を抑制すること
が予想される。このためLiの充放電効率が高く、安定
な電解液を提供できる。
1.3−ジオキソラン誘導体の一種以上に溶解されるリ
チウム塩は、本発明において基本的に限定されるもので
はない。たとえばLiAsF e 、LiClO4、L
i5bF 6 、LiPF6 、Li^]C14、Li
CF3 SO3、LiCF3CO2などの一種以上を有
効に用いることができる。
このようなリチウム塩は、前記混合溶媒に0.5〜2.
0モル/6(M)添加するのがよい。この範囲を逸脱す
ると、導電率が低下するのみならず、リチウムの充放電
効率も著しく低下する虞があるからである。
このような電解液の含水量は、後述の実施例1および第
1表より明らかなように少ない程良好な充放電効率を示
すことが明らかになった。すなわち、本発明による1、
3−ジオキソラン誘導体の一種以上を用いる場合、含水
量は100 ppm以下、好ましくは30ppm以下で
あるのがよい。含水量が100 ppmを超えると、充
放電効率が著しく低下するからである。
また、同様に後述の実施例1および第1表より明らかな
ように、水以外の不純物の含有量も少ない方が良好な充
放電効率が得られる。すなわち、前記水以外の不純物含
有量は11000pp以下、好ましくは700 ppn
+以下である。前記不純物の含有量が11000ppを
超えると、充放電効率を著しく損なうからである。
このような電解液に対し、溶質の溶解度を向上させるた
めなどの理由より、全電解液量に対する体積混合比が5
0%未満(すなわち上記混合溶媒の体積混合比は50%
以上)の添加剤を使用することができる。このような添
加剤としては、たとえばヘキサメチルリン酸トリアミド
、N、N、N’、N’ −テトラメチルエチレンジアミ
ン、ジグライム、トリゲタイム、テトラグライム、1.
2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチ
ルテロラヒドロフラン、テトラヒドロビラン、1.2−
ジェトキシエタンなどより選択された一種以上の化合物
を用いることができる。このような添加剤が50%以上
であると、添加剤が主成分になってしまい、1.3−ジ
オキソラン誘導体が電解液として、充分な効果を発揮で
きなくなる虞がある。
本発明によるリチウム二次電池に用いる負極活物質は基
本的に限定されるものではなく、従来のリチウム電池に
用いられている負極活物質、すなわちリチウムあるいは
リチウムイオンを放電可能にするリチウム合金を用いる
ことができる。
また、同様に本発明において用いられる正極活物質も基
本的に限定されず、従来のリチウム二次電池に用いられ
ている正極活物質、すなわちリチウムイオンと電気化学
的に可逆反応を行う物質であることができる。
このような正極活物質のうち、本発明におけるリチウム
二次電池においては、■205などのバナジウム酸化物
を主成分とする非晶質材料、たとえばv205単独、■
205にP 205 、TeO$1、・5bsT03 
、Big 03、Ge02 、B S! 03、MoO
a、WO3、TiOslなどの一種以上を添加した材料
が特に好ましいが、上述のようにこれに限定されるもの
ではなく、無機あるいは有機の正極活物質が有効に用い
られる。
前述のり205などを主成分とし、P2O5などを添加
した非晶質材料は、V、O,と混合する成分、たとえば
Psisを混合後、溶融急冷することによりえることが
できる。
以下実施例について説明する。
実施例1 1.5 M LiAsF s  2−メチル−1,3−
ジオキソラン中の不純物をコントロールした電解液を作
製して、以下に述べるような方法によってリチウムの充
放電効率を測定した。
充放電効率(Ea)は作用極に白金極を対極にリチウム
を、参照電極としてリチウムを用いた電池を組み、以下
のように測定した。測定は、まず、0.5mA/adの
定電流で80分間、白金極上にリチウムを析出させた後
(2,4C/cd) 、この析出させたリチウムの一部
(0,6C/J)をLi0イオンとして放電し、再びさ
らに0.6C/−の容量で放電するサイクル試験を繰り
返した。
充放電効率(Ha)は、白金極の電位の変化より求め、
見掛は上100%の効率を示すサイクル数をnとすると
、下記の式(I)より、前記Eaを求めることができる
第1表において、電解液1および電解液2を比較すると
、電解液の含水量がすくない程、充放電効率の値は高く
なることがわかる。また、第1表の電解液3と電解液4
を比較すると、水以外の不純物の含有量が少なくなると
充放電効率の値は高くなることがわかった。
この第1表より水およびその他の不純物を除去すること
によって、充放電効率は大幅に向上することが明らかに
なった。これによれば、電解液の含水量は、100 p
pm以下、好ましくは30ppm以下で、水以外の不純
物が1000pp−以下、好ましくは700 ppm以
下であるときには、特に高い充放電効率が得られること
がわかった。
以下に示す実施例においては、特に断らないときには、
上記電解液4に極めて近い組成のものが電解液として使
用している。
第1表 (1,5M LiAsF s  MeDOL中でのLi
負極充放電効率)電解液  不純物 ppm  充放電
効率 1 /1−E(%)   E :充放電 水  その他       効率を100で除した値 電解液1  90 2000   88.9   9.
0電解液2  120 1200   90.5   
10.5実施例2 電解液として1.5 M LiAsF a  2−メチ
ル−1゜3−ジオキソランおよび1.511 LiAs
F e  2−メチルテトラヒドロフランを用いて実施
例1と同様にしてLiの充放電効率を測定した。1.5
 M LiAsF e−2−メチルテトラヒドロフラン
は、前述のようにLiの充放電効率が極めて高いことが
知られている電解液であり、ここでは本発明の効果を示
すための比較例として検討した。
結果を第2表に示す。2−メチル−1,3−ジオキソラ
ンを用いた場合は、2−メチルテトラヒドロフランより
高いLiの充放電効率を示すことが分かった。
第2表 し [ ン、MeTHF  : 2−メチルテトラヒドロフラン
実施例3 電解液として、1.5 M LiAsF s  2−メ
チル−1,3−ジオキソランを用いて、正極には、活物
質として95mo I%V t Os  5 mol 
%P、Qsの組成よりなる非晶質v905を70重量%
、導電剤としてアセチレンブラックを25重量%、バイ
ンダとしてテフロン5重量%の混合比で作製した正極合
剤ペレット(16mmφ)を用い、負極としては金属リ
チウム(16mmφ、90mAh )を用い、さらにセ
パレータとして微孔性ポリプロピレンシートを用いて、
コイン型リチウム電池(23a+mφ、厚さ2II11
)を製造した。
室温中、充電電流1s+A/(j、放電電流3mA/c
d、2〜3.5vの電圧範囲で充放電試験を行ない、電
解液の充放電特性を評価した。
結果を第1図に示す。この第1図より明らかなように、
2−メチル−1,3−ジオキソラン系は2−メチルテト
ラヒドロフラン系に比較して、各サイクル毎の放電容量
が大きく、良好なサイクル特性を示すことがわかった。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によるリチウム二次電池によ
れば、充放電容量が大きく、かつ優れたサイクル寿命を
示す小型で、高エネルギ密度電池であり、種々の分野で
広く利用できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は2〜3.5 Vの範囲テLi/V t Os 
 Pgos電池の充放電試験を行った際の電池の容量と
充放電サイクル数の関係を示した図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)負極活物質はリチウムあるいはリチウムイオンを
    放電可能にするリチウム合金であり、正極活物質はリチ
    ウムイオンと電気化学的に可逆反応を行う物質であり、
    電解液はリチウム塩を有機溶媒に溶解させたものである
    リチウム二次電池において、前記電解液の有機溶媒は下
    記の式(1)に示す一般構造式を有する1、3−ジオキ
    ソランの誘導体であり、前記電解液の含水量が100p
    pm以下、水以外の不純物が1000ppm以下である
    ことを特徴とするリチウム二次電池。 ▲数式、化学式、表等があります▼ (ただし、R_1〜R_3の少なくとも一つは、炭素数
    が1〜4のアルキル基であり、他は水素である)
  2. (2)前記電解液は、LiAsF_6、LiClO_4
    、LiBF_4、LiPF_6、LiAlCl_4、L
    iCF_3SO_3、LiCF_3CO_2およびLi
    SbF_6より成る群より選択された一種以上のリチウ
    ム塩を0.5〜2.0モル/l溶解したものであること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項によるリチウム二次
    電池。
  3. (3)前記正極活物質はV_2O_5単独又はV_2O
    _5にP_2O_5、TeO_2、Sb_2O_3、B
    i_2O_3、GeO_2、B_2O_3、MoO_3
    、WO_3、TiO_2の一種以上を添加した非晶質材
    料であることを特徴とする特許請求の範囲第1項または
    第2項によるリチウム二次電池。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001038319A1 (de) * 1999-11-24 2001-05-31 Solvay Fluor Und Derivate Gmbh Dioxolone und ihre verwendung als elektrolyte

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JPS6020477A (ja) * 1983-07-15 1985-02-01 Hitachi Maxell Ltd 有機電解質電池
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