JP2001052747A - リチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水系電解液を用い、起電力3V以上のリチウ
ム電池を提供する。 【解決手段】 電子伝導性を有さない、リチウムイオン
導電性の固体高分子電解質で電極の少なくとも表面を被
覆することにより、水系電解液を用いた3V以上の起電
力を発生させるリチウム二次電池を提供する。
ム電池を提供する。 【解決手段】 電子伝導性を有さない、リチウムイオン
導電性の固体高分子電解質で電極の少なくとも表面を被
覆することにより、水系電解液を用いた3V以上の起電
力を発生させるリチウム二次電池を提供する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水にリチウム塩を
溶解させた電解質を用いた、安全で、安価なリチウム二
次電池に関するものである。
溶解させた電解質を用いた、安全で、安価なリチウム二
次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、移動体通信機器、携帯電子機器の
主電源として利用されているリチウム二次電池は、起電
力が高く、高エネルギー密度である特長を有している。
これらリチウム二次電池に用いられる電解質は、有機溶
媒にヘキサフルオロリン酸リチウムやテトラフルオロホ
ウ酸リチウムを溶質として溶解したものが多く用いられ
ている。しかしながら、上記の電解質は溶媒に有機溶剤
を用いるために、電池の温度が急激に上昇していた。さ
らに、有機物の保管に際し、保管量・取扱い環境の整備
等の制限が多く、製造上多くの課題を有している。
主電源として利用されているリチウム二次電池は、起電
力が高く、高エネルギー密度である特長を有している。
これらリチウム二次電池に用いられる電解質は、有機溶
媒にヘキサフルオロリン酸リチウムやテトラフルオロホ
ウ酸リチウムを溶質として溶解したものが多く用いられ
ている。しかしながら、上記の電解質は溶媒に有機溶剤
を用いるために、電池の温度が急激に上昇していた。さ
らに、有機物の保管に際し、保管量・取扱い環境の整備
等の制限が多く、製造上多くの課題を有している。
【0003】また、近年ではLi3PO4−Li2S−S
iS2やLi3Nなどの無機固体電解質が知られるように
なった。しかし、これらの無機固体電解質は、良好な電
解質として機能するには、固体であるが故に液体電解質
では問題とならなかった粉砕、電極材料との混合、成形
性に課題を有する。
iS2やLi3Nなどの無機固体電解質が知られるように
なった。しかし、これらの無機固体電解質は、良好な電
解質として機能するには、固体であるが故に液体電解質
では問題とならなかった粉砕、電極材料との混合、成形
性に課題を有する。
【0004】これらの課題を解決する手段として、高分
子固体電解質の研究・開発が近年盛んになってきてい
る。
子固体電解質の研究・開発が近年盛んになってきてい
る。
【0005】この高分子固体電解質には、2つに大別で
きる。
きる。
【0006】1つは、近年、開発の盛んな、特開平4−
306560号公報、特開平7−82450号公報に開
示されているように高分子マトリックス中に電解液を保
持させたいわゆる”ゲル”高分子電解質、もう1つは、
ポリエチレンオキサイドにリチウム塩を溶解させたもの
が特開平10−204172号公報あるいは特開平11
−154416号公報に開示されている。電解液を含有
せず、高分子中をリチウムイオンが移動するいわゆる”
ドライ”高分子電解質である。
306560号公報、特開平7−82450号公報に開
示されているように高分子マトリックス中に電解液を保
持させたいわゆる”ゲル”高分子電解質、もう1つは、
ポリエチレンオキサイドにリチウム塩を溶解させたもの
が特開平10−204172号公報あるいは特開平11
−154416号公報に開示されている。電解液を含有
せず、高分子中をリチウムイオンが移動するいわゆる”
ドライ”高分子電解質である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】”ゲル”高分子電解質
は特開平4−306560号公報、特開平7−8245
0号公報に開示されているように、ポリアクリロニトリ
ルのような極性高分子と溶質を有機溶媒に溶解させた電
解液からなるものがある。これらの”ゲル”高分子電解
質を用いた場合の電池性能は、高分子を混合しない有機
電解液を用いた場合の電池性能よりも一般的に低下す
る。また、有機溶媒を用いる点も有機電解液と同様であ
ることから、上述の有機電解液を用いた電池の保管条件
等の課題は根本的には改善されない。
は特開平4−306560号公報、特開平7−8245
0号公報に開示されているように、ポリアクリロニトリ
ルのような極性高分子と溶質を有機溶媒に溶解させた電
解液からなるものがある。これらの”ゲル”高分子電解
質を用いた場合の電池性能は、高分子を混合しない有機
電解液を用いた場合の電池性能よりも一般的に低下す
る。また、有機溶媒を用いる点も有機電解液と同様であ
ることから、上述の有機電解液を用いた電池の保管条件
等の課題は根本的には改善されない。
【0008】一方、”ドライ”高分子電解質は古くから
検討されている、ポリエチレンオキサイドにリチウム塩
を溶解させたものや特開平10−204172号公報に
開示されているようにポリエーテル共重合体の架橋体を
高分子骨格にもち、溶質を溶解したものが例示できる。
しかしながら、これらの”ドライ”高分子電解質は可動
カチオン(たとえばリチウムイオン)の対アニオンが移
動する、すなわち対アニオンがポリマー鎖で固定化され
ていないために、電池内に適用した際に、これらアニオ
ンも移動する。そのために、カチオン輸率が低くなり、
すなわちカチオン伝導度も低くなり、物質移動が律速と
なって高率での充放電特性が不十分であるという課題を
有する。
検討されている、ポリエチレンオキサイドにリチウム塩
を溶解させたものや特開平10−204172号公報に
開示されているようにポリエーテル共重合体の架橋体を
高分子骨格にもち、溶質を溶解したものが例示できる。
しかしながら、これらの”ドライ”高分子電解質は可動
カチオン(たとえばリチウムイオン)の対アニオンが移
動する、すなわち対アニオンがポリマー鎖で固定化され
ていないために、電池内に適用した際に、これらアニオ
ンも移動する。そのために、カチオン輸率が低くなり、
すなわちカチオン伝導度も低くなり、物質移動が律速と
なって高率での充放電特性が不十分であるという課題を
有する。
【0009】一方、1999年6月9日付新聞発表で
は、安全性に主眼を置いた電解液としてリチウム塩を溶
解させた水溶液を用いたリチウム二次電池も提案されて
いるが水は約1.3Vで電気分解し、酸素と水素を発生
するために水溶液を電解液として用いる場合は水が分解
しない1.2V以下の電池電圧のものしか実現できなか
った。
は、安全性に主眼を置いた電解液としてリチウム塩を溶
解させた水溶液を用いたリチウム二次電池も提案されて
いるが水は約1.3Vで電気分解し、酸素と水素を発生
するために水溶液を電解液として用いる場合は水が分解
しない1.2V以下の電池電圧のものしか実現できなか
った。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、水の電気分解
は水分子と電極との電子の授受の結果起こるものである
点に着目した。そして水溶液を電解液に用いた場合でも
電極表面における電極と水分子間の電子の授受を防ぎ、
水はリチウムイオンの輸送媒体の役割のみとし、リチウ
ムイオンのみが電極活物質に移動する構造を検討した。
その結果、電子伝導性を有さず、リチウムイオン導電性
のみを有する固体高分子電解質で少なくとも電極の表面
を被覆することにより、水溶液を電解液に用いても3V
以上の高起電力を発生させるリチウム二次電池を実現で
きるものである。
は水分子と電極との電子の授受の結果起こるものである
点に着目した。そして水溶液を電解液に用いた場合でも
電極表面における電極と水分子間の電子の授受を防ぎ、
水はリチウムイオンの輸送媒体の役割のみとし、リチウ
ムイオンのみが電極活物質に移動する構造を検討した。
その結果、電子伝導性を有さず、リチウムイオン導電性
のみを有する固体高分子電解質で少なくとも電極の表面
を被覆することにより、水溶液を電解液に用いても3V
以上の高起電力を発生させるリチウム二次電池を実現で
きるものである。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明の水溶液電解質に溶解され
るリチウム塩としてはビストリフルオロメタンスルホン
酸イミドリチウム((CF3SO2)2NLi)、ビスペン
タフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム((C2F5
SO2)2NLi)、ビス(1、2−ベンゼンジオレート
(2−)−O、O')ほう酸リチウム、ビス(2、3−
ナフタレンジオレート(2−)−O、O')ほう酸リチ
ウム、ビス(2、2'−ビフェニルジオレート(2−)
−O、O')ほう酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2
−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O、O’)ほう
酸リチウム、ヘキサフルオロリ酸リチウム(LiP
F6)、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiS
bF6)、ヘキサフルオロひ酸リチウム(LiAs
F6)、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、
過塩素酸リチウム(LiCIO4)、塩化リチウム(L
iCl)、臭化リチウム(LiBr)、水酸化リチウム
(LiOH)、硝酸リチウム(LiNO3)、硫酸リチ
ウム(Li2SO4)を用いることができる。
るリチウム塩としてはビストリフルオロメタンスルホン
酸イミドリチウム((CF3SO2)2NLi)、ビスペン
タフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム((C2F5
SO2)2NLi)、ビス(1、2−ベンゼンジオレート
(2−)−O、O')ほう酸リチウム、ビス(2、3−
ナフタレンジオレート(2−)−O、O')ほう酸リチ
ウム、ビス(2、2'−ビフェニルジオレート(2−)
−O、O')ほう酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2
−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O、O’)ほう
酸リチウム、ヘキサフルオロリ酸リチウム(LiP
F6)、ヘキサフルオロアンチモン酸リチウム(LiS
bF6)、ヘキサフルオロひ酸リチウム(LiAs
F6)、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)、
過塩素酸リチウム(LiCIO4)、塩化リチウム(L
iCl)、臭化リチウム(LiBr)、水酸化リチウム
(LiOH)、硝酸リチウム(LiNO3)、硫酸リチ
ウム(Li2SO4)を用いることができる。
【0012】本発明に用いられる固体高分子電解質とし
ては、非水溶性であって、かつ電子伝導性がなく、イオ
ン伝導性を有するものが用いられ、ポリエステル、ポリ
アミン、ポリスルフィド、ポリエーテル共重合体、ポリ
エーテル架橋体、ポリエーテル側鎖を有するくし型高分
子にリチウム塩を溶解せしめたイオン導電性高分子や、
高分子側鎖にリチウム塩を有する、すなわちポリアニオ
ン型高分子固体電解質型イオン伝導体、炭素−炭素二重
結合を有する化合物とリチウムシリルアミド化合物を混
合して得られるシリルアミド高分子固体電解質などが用
いられる。
ては、非水溶性であって、かつ電子伝導性がなく、イオ
ン伝導性を有するものが用いられ、ポリエステル、ポリ
アミン、ポリスルフィド、ポリエーテル共重合体、ポリ
エーテル架橋体、ポリエーテル側鎖を有するくし型高分
子にリチウム塩を溶解せしめたイオン導電性高分子や、
高分子側鎖にリチウム塩を有する、すなわちポリアニオ
ン型高分子固体電解質型イオン伝導体、炭素−炭素二重
結合を有する化合物とリチウムシリルアミド化合物を混
合して得られるシリルアミド高分子固体電解質などが用
いられる。
【0013】ポリエステル、ポリアミン、ポリスルフィ
ド、ポリエーテル共重合体、ポリエーテル架橋体、ポリ
エーテル側鎖を有するくし型高分子に溶解させるリチウ
ム塩としてはビストリフルオロメタンスルホン酸イミド
リチウム((CF3SO2)2NLi)、ビスペンタフルオ
ロエタンスルホン酸イミドリチウム(C2F5SO2) 2N
Li)、ビス(1、2−ベンゼンジオレート(2−)−
O、O’)ほう酸リチウム、ビス(2、3−ナフタレン
ジオレート(2−)−O、O’)ほう酸リチウム、ビス
(2、2−ビフェニルジオレート(2−)−O、O’)
ほう酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−
1−ベンゼンスルホル酸−O、O’)ほう酸リチウム、
ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、ヘキサ
フルオロアンチモン酸リチウム(LiSbF6)、ヘキ
サフルオロひ酸リチウム(LiASF6)、テトラフルオ
ロホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム
(LiClO4)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リ
チウム(LiBr)、水酸化リチウム(LiOH)、硝
酸リチウム(LiNO3)、硫酸リチウム(Li2S
O 4)を用いることができる。
ド、ポリエーテル共重合体、ポリエーテル架橋体、ポリ
エーテル側鎖を有するくし型高分子に溶解させるリチウ
ム塩としてはビストリフルオロメタンスルホン酸イミド
リチウム((CF3SO2)2NLi)、ビスペンタフルオ
ロエタンスルホン酸イミドリチウム(C2F5SO2) 2N
Li)、ビス(1、2−ベンゼンジオレート(2−)−
O、O’)ほう酸リチウム、ビス(2、3−ナフタレン
ジオレート(2−)−O、O’)ほう酸リチウム、ビス
(2、2−ビフェニルジオレート(2−)−O、O’)
ほう酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−
1−ベンゼンスルホル酸−O、O’)ほう酸リチウム、
ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、ヘキサ
フルオロアンチモン酸リチウム(LiSbF6)、ヘキ
サフルオロひ酸リチウム(LiASF6)、テトラフルオ
ロホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム
(LiClO4)、塩化リチウム(LiCl)、臭化リ
チウム(LiBr)、水酸化リチウム(LiOH)、硝
酸リチウム(LiNO3)、硫酸リチウム(Li2S
O 4)を用いることができる。
【0014】本発明に用いられるリチウムシリルアミド
化合物としてはリチウムビス(トリメチルシリル)アミ
ド、リチウムビス(トリエチルシリル)アミドが用いら
れる。
化合物としてはリチウムビス(トリメチルシリル)アミ
ド、リチウムビス(トリエチルシリル)アミドが用いら
れる。
【0015】また、炭素−炭素二重結合を有する化合物
としては、メタクリロニトリル、アクリロニトリル、ア
クリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、ビ
ニルプロピオン酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチ
ル、アクリル酸ノルマルプロピル、アクリル酸イソプロ
ピル、アクリル酸ノルマルブチル、メタクリル酸メチ
ル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ヒドロキシルエ
チル、蟻酸ビニル、酢酸ビニル、ブタジエン、ビニレン
カーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニル
エチレンカーボネート等が挙げられるが、その他炭素−
炭素二重結合を有する化合物であれば重合は可能であ
る。
としては、メタクリロニトリル、アクリロニトリル、ア
クリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、ビ
ニルプロピオン酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチ
ル、アクリル酸ノルマルプロピル、アクリル酸イソプロ
ピル、アクリル酸ノルマルブチル、メタクリル酸メチ
ル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ヒドロキシルエ
チル、蟻酸ビニル、酢酸ビニル、ブタジエン、ビニレン
カーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニル
エチレンカーボネート等が挙げられるが、その他炭素−
炭素二重結合を有する化合物であれば重合は可能であ
る。
【0016】正極及び負極は、例えば、リチウムイオン
を電気化学かつ可逆的に挿入・放出できる正極活物質や
負極材料、導電剤、結着剤および本発明の高分子固体電
解質を含む合剤層を集電体の表面に塗着し、さらに合剤
層表面を上記固体高分子層で被覆して作製されたもので
ある。
を電気化学かつ可逆的に挿入・放出できる正極活物質や
負極材料、導電剤、結着剤および本発明の高分子固体電
解質を含む合剤層を集電体の表面に塗着し、さらに合剤
層表面を上記固体高分子層で被覆して作製されたもので
ある。
【0017】本発明に用いられる負極材料は金属リチウ
ム、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料
を使用して構成する。リチウムをドープ・脱ドープする
ことが可能な材料としては、熱分解炭素類、コークス類
(ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス
等、)、グラファイト類、ガラス類状炭素類、有機高分
子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当
な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭素
等の炭素材料やポリアセチレン、ポリピロール、ポリア
セン等のポリマー、Li4/3Ti5/3O4、TiS2等のリ
チウム含有遷移金属酸化物あるいは遷移金属硫化物が挙
げられる。中でも、炭素材料が適しており、例えば、
(002)面の面間隔が0.340nm以下であるような
炭素材料、すなわちグラファイトを用いる場合、電池の
エネルギー密度が向上する。また、これらの負極材料を
混合して用いることもできる。
ム、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料
を使用して構成する。リチウムをドープ・脱ドープする
ことが可能な材料としては、熱分解炭素類、コークス類
(ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス
等、)、グラファイト類、ガラス類状炭素類、有機高分
子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当
な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性炭素
等の炭素材料やポリアセチレン、ポリピロール、ポリア
セン等のポリマー、Li4/3Ti5/3O4、TiS2等のリ
チウム含有遷移金属酸化物あるいは遷移金属硫化物が挙
げられる。中でも、炭素材料が適しており、例えば、
(002)面の面間隔が0.340nm以下であるような
炭素材料、すなわちグラファイトを用いる場合、電池の
エネルギー密度が向上する。また、これらの負極材料を
混合して用いることもできる。
【0018】本発明に用いられる負極用導電剤は、電子
伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗
片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセ
チレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラ
ック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマル
ブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、金属繊維
などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニッケル等
の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導
電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませる
ことができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、ア
セチレンブラック、炭素繊維が特に好ましい。導電剤の
添加量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好ま
しく、特に1〜30重量%が好ましい。また、本発明の
負極材料中炭素等はそれ自身電子伝導性を有するため、
導電剤を添加しなくても電池として機能させることは可
能である。
伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒鉛(鱗
片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類、アセ
チレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラ
ック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマル
ブラック等のカ−ボンブラック類、炭素繊維、金属繊維
などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニッケル等
の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導
電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませる
ことができる。これらの導電剤のなかで、人造黒鉛、ア
セチレンブラック、炭素繊維が特に好ましい。導電剤の
添加量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好ま
しく、特に1〜30重量%が好ましい。また、本発明の
負極材料中炭素等はそれ自身電子伝導性を有するため、
導電剤を添加しなくても電池として機能させることは可
能である。
【0019】本発明に用いられる負極用集電体として
は、構成された電池において化学変化を起こさない電子
伝導体であれば何でもよい。例えば、材料としてステン
レス鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂など
の他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル
あるいはチタンを処理させたものなどが用いられる。特
に、銅あるいは銅合金が好ましい。これらの材料の表面
を酸化して用いることもできる。また、表面処理により
集電体表面に凹凸を付けてもよい。形状は、フォイルの
他、フィルム、シート、ネット、パンチングされたも
の、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが
用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜500
μmのものが用いられる。
は、構成された電池において化学変化を起こさない電子
伝導体であれば何でもよい。例えば、材料としてステン
レス鋼、ニッケル、銅、チタン、炭素、導電性樹脂など
の他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル
あるいはチタンを処理させたものなどが用いられる。特
に、銅あるいは銅合金が好ましい。これらの材料の表面
を酸化して用いることもできる。また、表面処理により
集電体表面に凹凸を付けてもよい。形状は、フォイルの
他、フィルム、シート、ネット、パンチングされたも
の、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが
用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜500
μmのものが用いられる。
【0020】本発明に用いられる正極材料には、リチウ
ム含有または非含有の化合物を用いることができる。例
えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、L
ixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi
1-yMyOz、LixMn2O4、LixMn2-yMyO4(M=
Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、C
u、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくと
も一種)、(ここでx=0〜1.2、y=0〜0.9、
z=2.0〜2.3)があげられる。ここで、上記のx
値は、充放電開始前の値であり、充放電により増減す
る。ただし、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化
物およびそのリチウム化合物、ニオブ酸化物およびその
リチウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系ポリマ
ー、シェブレル相化合物等の他の正極活物質を用いるこ
とも可能である。また、複数の異なった正極活物質を混
合して用いることも可能である。正極活物質粒子の平均
粒径は、特に限定はされないが、1〜30μmであるこ
とが好ましい。
ム含有または非含有の化合物を用いることができる。例
えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、L
ixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi
1-yMyOz、LixMn2O4、LixMn2-yMyO4(M=
Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、C
u、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bのうち少なくと
も一種)、(ここでx=0〜1.2、y=0〜0.9、
z=2.0〜2.3)があげられる。ここで、上記のx
値は、充放電開始前の値であり、充放電により増減す
る。ただし、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化
物およびそのリチウム化合物、ニオブ酸化物およびその
リチウム化合物、有機導電性物質を用いた共役系ポリマ
ー、シェブレル相化合物等の他の正極活物質を用いるこ
とも可能である。また、複数の異なった正極活物質を混
合して用いることも可能である。正極活物質粒子の平均
粒径は、特に限定はされないが、1〜30μmであるこ
とが好ましい。
【0021】本発明で使用される正極用導電剤は、用い
る正極材料の充放電電位において、化学変化を起こさな
い電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒
鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト
類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャン
ネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、
サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、
金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニ
ッケル、アルミニウム、銀等の金属粉末類、酸化亜鉛、
チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタ
ンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導
体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物
として含ませることができる。これらの導電剤のなか
で、人造黒鉛、アセチレンブラック、ニッケル粉末が特
に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、
1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ま
しい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が
特に好ましい。
る正極材料の充放電電位において、化学変化を起こさな
い電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、天然黒
鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト
類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャン
ネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、
サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、
金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニ
ッケル、アルミニウム、銀等の金属粉末類、酸化亜鉛、
チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタ
ンなどの導電性金属酸化物あるいはポリフェニレン誘導
体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物
として含ませることができる。これらの導電剤のなか
で、人造黒鉛、アセチレンブラック、ニッケル粉末が特
に好ましい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、
1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ま
しい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が
特に好ましい。
【0022】本発明に用いられる正極用集電体として
は、用いる正極材料の充放電電位において化学変化を起
こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、材料
としてステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素、導
電性樹脂などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表
面にカーボン、あるいはチタンを処理させたものが用い
られる。特に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金
が好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いること
もできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付
けてもよい。形状は、フォイルの他、フィルム、シー
ト、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発
泡体、繊維群、不織布体の成形体などが用いられる。厚
みは、特に限定されないが、1〜500μmのものが用
いられる。
は、用いる正極材料の充放電電位において化学変化を起
こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、材料
としてステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素、導
電性樹脂などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表
面にカーボン、あるいはチタンを処理させたものが用い
られる。特に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金
が好ましい。これらの材料の表面を酸化して用いること
もできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付
けてもよい。形状は、フォイルの他、フィルム、シー
ト、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発
泡体、繊維群、不織布体の成形体などが用いられる。厚
みは、特に限定されないが、1〜500μmのものが用
いられる。
【0023】電極合剤には、導電剤や結着剤の他、フィ
ラー、分散剤、イオン導伝剤、圧力増強剤及びその他の
各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成さ
れた電池において、化学変化を起こさない繊維状材料で
あれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラ
ス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は
特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
ラー、分散剤、イオン導伝剤、圧力増強剤及びその他の
各種添加剤を用いることができる。フィラーは、構成さ
れた電池において、化学変化を起こさない繊維状材料で
あれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレ
ン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラ
ス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は
特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
【0024】本発明における負極板と正極板の構成は、
少なくとも正極合剤面の対向面に負極合剤面が存在して
いることが好ましい。
少なくとも正極合剤面の対向面に負極合剤面が存在して
いることが好ましい。
【0025】電池の形状のコイン型、ボタン型、シート
型、積層型、円筒型、偏平型、角型、電気自動車等に用
いる大型のものなどいずれにも適用でき、有機溶媒を用
いないため、電池のケースはポリプロピレン、ABS、
ポリエチレン、エポキシ等樹脂製のものを用いることが
可能で、これら樹脂製電池ケースを用いた場合には、電
池の軽量化といった好ましい効果も得られる。
型、積層型、円筒型、偏平型、角型、電気自動車等に用
いる大型のものなどいずれにも適用でき、有機溶媒を用
いないため、電池のケースはポリプロピレン、ABS、
ポリエチレン、エポキシ等樹脂製のものを用いることが
可能で、これら樹脂製電池ケースを用いた場合には、電
池の軽量化といった好ましい効果も得られる。
【0026】また、本発明の水溶液電解質リチウム二次
電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力
貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気
自動車等に用いることができるが、特にこれらに限定さ
れるわけではない。
電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力
貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気
自動車等に用いることができるが、特にこれらに限定さ
れるわけではない。
【0027】
【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳しく説
明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。
明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。
【0028】負極板は、人造黒鉛粉末75重量%に対
し、導電剤である炭素粉末20重量%と結着剤のポリフ
ッ化ビニリデン樹脂5重量%を混合し、これらを脱水N
−メチルピロリジノンに分散させてスラリーを作製し、
銅箔からなる負極集電体上に塗布し、乾燥後、圧延して
作製した。
し、導電剤である炭素粉末20重量%と結着剤のポリフ
ッ化ビニリデン樹脂5重量%を混合し、これらを脱水N
−メチルピロリジノンに分散させてスラリーを作製し、
銅箔からなる負極集電体上に塗布し、乾燥後、圧延して
作製した。
【0029】一方、正極板は、コバルト酸リチウム粉末
85重量%に対し、導電剤の炭素粉末10重量%と結着
剤のポリフッ化ビニリデン樹脂5重量%を混合し、これ
らを脱水N−メチルピロリジノンに分散させてスラリー
を作製し、アルミ箔からなる正極集電体上に塗布し、乾
燥後、圧延して作製した。電池の容量は正極活物質重量
から求められる理論容量として120mAhとなるよう
に設計した。
85重量%に対し、導電剤の炭素粉末10重量%と結着
剤のポリフッ化ビニリデン樹脂5重量%を混合し、これ
らを脱水N−メチルピロリジノンに分散させてスラリー
を作製し、アルミ箔からなる正極集電体上に塗布し、乾
燥後、圧延して作製した。電池の容量は正極活物質重量
から求められる理論容量として120mAhとなるよう
に設計した。
【0030】また、アクリル酸エチル(分子量:10
0.117)2.002gとリチウムビス(トリメチル
シリル)アミド(分子量:167.330)3.346
6gを乾燥雰囲気(露点−30℃以下)の下で30分
間、攪拌、混合し、イオン導電性の高分子固体電解質液
を得た。
0.117)2.002gとリチウムビス(トリメチル
シリル)アミド(分子量:167.330)3.346
6gを乾燥雰囲気(露点−30℃以下)の下で30分
間、攪拌、混合し、イオン導電性の高分子固体電解質液
を得た。
【0031】次いで、上記イオン導電性高分子固体電解
質液を先に得られた正極板及び負極板の表面にドクター
ブレード法で塗布した後、乾燥気流中で重合させた。
質液を先に得られた正極板及び負極板の表面にドクター
ブレード法で塗布した後、乾燥気流中で重合させた。
【0032】このようにして得られた、イオン導電性の
高分子固体電解質により被覆した電極をポリエチレン製
セパレータを介して対峙させ、アルミラミネートパック
中に挿入した。
高分子固体電解質により被覆した電極をポリエチレン製
セパレータを介して対峙させ、アルミラミネートパック
中に挿入した。
【0033】アルミラミネートパック中にビストリペン
タフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム1.25M
水溶液を注入し、アルミラミネートパックを熱封着し、
本願発明のリチウム二次電池を作製した。
タフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム1.25M
水溶液を注入し、アルミラミネートパックを熱封着し、
本願発明のリチウム二次電池を作製した。
【0034】得られたリチウム二次電池を充放電電流1
2mA(0.1C)、充電終止電圧4.1V、放電終止
電圧3.0Vで充放電試験を実施した。その際の充放電
曲線を図1に示す。図1に示したように、12mAの充
放電電流で理論容量どおり約120mAhの充放電容量
が得られることがわかった。
2mA(0.1C)、充電終止電圧4.1V、放電終止
電圧3.0Vで充放電試験を実施した。その際の充放電
曲線を図1に示す。図1に示したように、12mAの充
放電電流で理論容量どおり約120mAhの充放電容量
が得られることがわかった。
【0035】(実施例2)イオン伝導性の高分子固体電
解質として(化1)に示したポリエステル高分子にテト
ラフルオロホウ酸リチウムに溶解したものを用い、1.
5Mテトラフルオロホウ酸リチウム水溶液を電解質とし
てもちいた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電
池を作製した。
解質として(化1)に示したポリエステル高分子にテト
ラフルオロホウ酸リチウムに溶解したものを用い、1.
5Mテトラフルオロホウ酸リチウム水溶液を電解質とし
てもちいた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電
池を作製した。
【0036】
【化1】
【0037】得られたリチウム二次電池を実施例1と同
様に充放電電流12mA(0.1C)、充電終止電圧
4.1V、放電終止電圧3.0Vで充放電試験を実施し
たところ12mAの充放電電流で理論容量どおり約12
0mAhの充放電容量が得られることがわかった。
様に充放電電流12mA(0.1C)、充電終止電圧
4.1V、放電終止電圧3.0Vで充放電試験を実施し
たところ12mAの充放電電流で理論容量どおり約12
0mAhの充放電容量が得られることがわかった。
【0038】本発明の実施例では、イオン導電性の高分
子固体電解質として、アクリル酸エチル−リチウムビス
(トリメチルシリル)アミド、およびポリエステル高分
子−テトラフルオロホウ酸リチウムからなる高分子固体
電解質を示したが、他の非水溶性のイオン導電性高分子
固体電解質を用いることも可能であり、また、その組成
比も任意とすることができ、本実施例に限定されるもの
ではない。
子固体電解質として、アクリル酸エチル−リチウムビス
(トリメチルシリル)アミド、およびポリエステル高分
子−テトラフルオロホウ酸リチウムからなる高分子固体
電解質を示したが、他の非水溶性のイオン導電性高分子
固体電解質を用いることも可能であり、また、その組成
比も任意とすることができ、本実施例に限定されるもの
ではない。
【0039】また、本実施例では、正極活物質としてコ
バルト酸リチウム、負極活物質として人造黒鉛を用いて
説明したが、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウ
ム、二硫化チタン等他の正極活物質と、天然黒鉛、ふっ
化黒鉛、金属リチウム、リチウム合金、アルミニウム、
インジウム、チタン酸リチウム等他の負極活物質とを組
み合わせることも可能であり、その組合せは本実施例に
限定されるものではない。
バルト酸リチウム、負極活物質として人造黒鉛を用いて
説明したが、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウ
ム、二硫化チタン等他の正極活物質と、天然黒鉛、ふっ
化黒鉛、金属リチウム、リチウム合金、アルミニウム、
インジウム、チタン酸リチウム等他の負極活物質とを組
み合わせることも可能であり、その組合せは本実施例に
限定されるものではない。
【0040】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、非水溶性
であって、電子伝導性を有さない、リチウムイオン導電
性の固体高分子電解質で電極の少なくとも表面を被覆す
ることにより、水系電解液を用いた3V以上の起電力を
発生させるリチウム二次電池を提供することができる。
であって、電子伝導性を有さない、リチウムイオン導電
性の固体高分子電解質で電極の少なくとも表面を被覆す
ることにより、水系電解液を用いた3V以上の起電力を
発生させるリチウム二次電池を提供することができる。
【0041】また、イオン伝導性固体高分子電解質を電
極の表面修飾のみに用い、バルクのイオン伝導は有機電
解液よりもイオン伝導度が1〜2桁高い水溶液電解液を
用いることにより、高率充放電が可能なリチウム二次電
池を得ることができる。
極の表面修飾のみに用い、バルクのイオン伝導は有機電
解液よりもイオン伝導度が1〜2桁高い水溶液電解液を
用いることにより、高率充放電が可能なリチウム二次電
池を得ることができる。
【図1】本発明の1実施の形態によるリチウム二次電池
を示す図
を示す図
【図2】本発明の1実施例によるリチウム二次電池の充
放電曲線を示す図
放電曲線を示す図
1 アルミラミネートパック 2 負極リード 3 正極リード 4 正極板 5 正極集電体 6 負極板 7 負極集電体 8 セパレータ 9 イオン導電性高分子固体電解質
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中西 真二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 上田 敦史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 越名 秀 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H014 AA02 CC01 EE02 EE05 EE08 EE10 HH01 5H029 AK01 AK02 AK03 AK05 AK16 AL03 AL04 AL06 AL07 AL12 AL16 AM00 AM07 AM16 BJ02 BJ03 BJ04 BJ06 HJ02
Claims (6)
- 【請求項1】 非水溶性で、かつ、イオン伝導性の高分
子固体電解質で被覆した、リチウムの吸蔵・放出が可能
な材料を具備する正極および負極と水に溶質を溶解した
水溶液電解質を具備するリチウム二次電池。 - 【請求項2】 高分子固体電解質がポリエステル、ポリ
アミン、ポリスルフィド、ポリエーテル共重合体、ポリ
エーテル架橋体、ポリエーテル側鎖を有するくし型高分
子からなる群から選ばれる1種以上にリチウム塩を溶解
せしめたイオン導電性高分子である請求項1記載のリチ
ウム二次電池。 - 【請求項3】 高分子固体電解質が高分子側鎖にリチウ
ム塩を有するイオン伝導体である請求項1記載のリチウ
ム二次電池。 - 【請求項4】 高分子固体電解質が炭素−炭素二重結合
を有する化合物とリチウムシリルアミド化合物との混合
物である請求項1記載のリチウム二次電池。 - 【請求項5】 正極がLixCoO2、LixNiO2、L
ixMnO2、LixCoyNi1-yO2、、LixCoyM
1-yOz、LixNi1-yMyOz、LixMn2O4、LixM
n2-yMyO4(M=Na、Mg、Sc、Y、Mn、F
e、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、S
b、Bのうち少なくとも一種)、(x=0〜1.2、y
=0〜0.9、z=2.0〜2.3)からなる郡より選
ばれる少なくとも1つを含む請求項1記載のリチウム二
次電池。 - 【請求項6】 負極が金属リチウム、リチウムをドープ
・脱ドープすることが可能な熱分解炭素類、コークス
類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合
物焼成体、炭素繊維、活性炭素、ポリアセチレン、ポリ
ピロール、ポリアセン等のポリマー、Li4/3Ti5/3O
4、TiS2等のリチウム含有遷移金属酸化物あるいは遷
移金属硫化物よりなる群から選ばれる少なくとも1つを
含むことを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電
池。
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