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JP2701586B2 - 非水電解質二次電池用負極 - Google Patents

非水電解質二次電池用負極

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Publication number
JP2701586B2
JP2701586B2 JP3127321A JP12732191A JP2701586B2 JP 2701586 B2 JP2701586 B2 JP 2701586B2 JP 3127321 A JP3127321 A JP 3127321A JP 12732191 A JP12732191 A JP 12732191A JP 2701586 B2 JP2701586 B2 JP 2701586B2
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JP
Japan
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negative electrode
binder
aqueous electrolyte
electrolyte secondary
conductive agent
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正樹 長谷川
修二 伊藤
靖彦 美藤
▲吉▼徳 豊口
祐之 村井
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Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • 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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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非水電解質二次電池用
負極に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム,リチウム合金またはリチウム
化合物を負極とする非水電解質二次電池は、高電圧で高
エネルギー密度が期待され、多くの研究が行われてい
る。
【0003】これまで非水電解質二次電池の正極活物質
には、LiCoO2,V25,Cr25,MnO2,Ti
2,MoS2などの遷移金属の酸化物およびカルコゲン
化合物が知られており、これらは層状もしくはトンネル
構造を有し、リチウムイオンが出入りできる結晶構造を
持つ。一方、負極活物質としては金属リチウムが多く検
討されてきた。しかしながら充電時にリチウム表面に樹
枝状にリチウムを析出し、充放電率の低下もしくは正極
と接して内部短絡を生じるという問題点を有していた。
このような問題点を解決する手段として、リチウムの樹
枝状成長を抑制し、リチウムを吸蔵,放出することので
きるアルミニウムやアルミニウム合金などのリチウムを
吸蔵,放出することのできる金属または合金の板もしく
は粉末を負極活物質に用いる検討がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらアルミニ
ウムもしくはアルミニウム合金などのリチウムを吸蔵,
放出することのできる金属または合金の板を負極活物質
として用いた場合、深い充放電を繰り返すと活物質の微
細化が起こって電極が崩れてしまい充分な充放電サイク
ル特性が得られない。また、前記金属または合金の粉末
を負極活物質として用いる場合は結着剤を添加し負極を
形成する方法も検討されている。正極で頻繁に使用され
ているフッ素樹脂も検討されたが、充電時に電解液の分
解を促進してしまった。このため負極用結着剤としてポ
リエチレンなどのポリオレフィン系の結着剤が用いられ
ている。しかしながらこの場合においてもリチウムの吸
蔵,放出に伴う電極の膨張,収縮の結果、活物質保持の
不良や集電不良が生じ充分なサイクル特性が得られない
という欠点を有している。本発明はこのような問題を解
決するもので、充放電サイクル特性に優れた非水電解質
二次電池用負極を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明の非水電解質二次電池用負極は、リチウムを吸
蔵,放出することのできる金属粉末もしくは合金粉末を
活物質とし、結着剤として塩化ビニル−酢酸ビニル共重
合樹脂を用いるもので、前記負極中に導電剤として繊維
状黒鉛を用いる。
【0006】結着剤である塩化ビニル−酢酸ビニル共重
合樹脂としては、塩化ビニル含有量が95%から60%
であることが好ましい。
【0007】
【作用】この構成により本発明の非水電解質二次電池用
負極は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金などの
リチウムを吸蔵,放出することのできる金属または合金
の粉末を活物質の結着剤として、結着性に富む塩化ビニ
ル−酢酸ビニル共重合樹脂を用いることで、充放電を繰
り返しても電極中の活物質が保持され、さらに、導電剤
として繊維状黒鉛を添加することにより、電極の膨張時
においても充分な集電が得られることとなる。その結
果、比較的少ない充放電サイクル数で充放電容量が低下
することがなくなり、安定した電池特性を有する非水電
解質二次電池用負極を構成することが可能となる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例の非水電解質二次電池
用負極を図面を基にして詳細に説明するが、これら実施
例に限定されるものではない。
【0009】(実施例1)本実施例においては、アルミ
ニウム粉末を負極活物質に、結着剤に塩化ビニル樹脂を
用いたものならびに塩化ビニルの含有量が85モル%,
65モル%の塩化ビニルと酢酸ビニルの共重合樹脂を用
い、さらに導電剤として繊維径が0.1μmから0.3
μm、繊維径と繊維長さの比率が1:75(アスペクト
比75)の繊維状黒鉛を用いて構成した負極について説
明する。
【0010】負極は、300メッシュパスのアルミニウ
ム粉末と導電剤としての繊維状黒鉛と結着剤を重量比で
45:45:10ならびに47.5:47.5:5の割
合で混合し負極合剤を得た。この負極合剤0.1gを直
径17.5mmに2トン/cm2でプレス成型し負極とし
た。正極活物質にはLiCoO2を用い、正極はLiC
oO2と導電剤であるアセチレンブラックと結着剤であ
るポリ4フッ化エチレン樹脂を重量比で7:2:1の割
合で混合し、得られた正極合剤0.2gを直径17.5
mmに2トン/cm2でプレス成型することで作製した。図
1において、成型した正極1をケース2に置く。正極1
の上にセパレータ3としての多孔性ポリプロピレンフィ
ルムを置いた。負極4を、ポリプロピレン製ガスケット
5を付けた封口板6に圧着した。非水電解質として、1
モル/lの過塩素酸リチウムを溶解したプロピレンカー
ボネート溶媒を用い、これをセパレータ3上および負極
4上に加えた。その後ケース2の上縁部をかしめて電池
を封口した。なお従来例として、導電剤として繊維状黒
鉛ではなくアセチレンブラックを添加し形成した負極を
用いた電池も上記と同様の方法で作製した。
【0011】以上、負極結着剤、および導電剤の異なる
12種類の電池の充放電サイクル特性の比較を行った。
なお本実施例では、負極の充放電サイクル試験を行うた
め、正極によるサイクル劣化を除外できるだけの充分な
正極容量をもつ条件で電池を構成している。充放電サイ
クル試験は、充放電電流0.5mA,電圧範囲4.0Vか
ら3.0Vの間で定電流充放電することで行った。
【0012】(表1)に初期放電容量ならびに初期放電
容量に対する50サイクル目の放電容量の容量維持率を
示す。サンプル数nはそれぞれ50個とした。
【0013】
【表1】
【0014】(表1)に示すように、導電剤としてアセ
チレンブラックを添加した負極を用いた従来例の電池
は、50サイクル後の放電容量維持率が75%から80
%程度まで低下する。一方、導電剤として繊維状黒鉛を
含む負極を用いた本実施例の電池は、塩化ビニル−酢酸
ビニル共重合樹脂を結着剤に用いた場合には、いずれも
従来例の電池と比較し放電容量が大きく向上し、また5
0サイクル後の放電容量維持率が85%以上とサイクル
特性も向上している。結着剤量が5重量%ならびに10
重量%の塩化ビニル樹脂単独を負極結着剤に用いた電池
の初期放電容量は、塩化ビニル−酢酸ビニル共重樹脂を
用いた電池に比べ若干大きいものの、50サイクル目の
放電容量維持率は5重量%のものが66%、10重量%
のものが69%まで低下する。二次電池においては、放
電容量ならびに容量維持率が大きい電極が望まれること
から、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂を結着剤と
し、導電剤として繊維状黒鉛を用いた負極が優れた特性
を有している。これら実施例の負極を用いた電池の放電
容量の向上は、導電剤としてアセチレンブラックを添加
した場合には集電がまだ不十分であったものが、導電剤
としての繊維状黒鉛を添加することによって充分な集電
が得られるようになったためと考えられる。
【0015】さらに、アスペクト比の異なる繊維状黒鉛
を導電剤として添加することを試みた。導電剤としてア
スペクト比20の繊維状黒鉛を、結着剤として塩化ビニ
ル含有量が85%の塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂
を用い、前記と同様の方法で活物質,導電剤,結着剤の
重量比が45:45:10である負極を用いた電池を作
製したところ、50サイクル目での容量維持率は84%
と若干の効果がみられた。また、アスペクト比150の
繊維状黒鉛を用いた場合には、50サイクル目での容量
維持率は89%と(表1)のアスペクト比75の場合と
ほぼ同様の効果が得られた。以上のことより、アスペク
ト比20以上の繊維状黒鉛を用いることが好ましいと考
えられる。
【0016】以上のように、アルミニウム粉末を負極活
物質として、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂を負極
結着剤として用いる電池において、導電剤として繊維状
黒鉛を用いることにより、充放電サイクル特性に優れた
非水電解質二次電池を作製できることを確認した。
【0017】なお、実施例では、金属粉末としてアルミ
ニウムを用いた場合について説明したが、同様にリチウ
ムを吸蔵,放出しリチウムと合金形成することのできる
スズ,鉛,インジウム,ビスマス粉末を用いた場合にお
いても、ほぼ同様の効果が得られることを確認した。
【0018】(実施例2)本実施例においては、96%
Al−6%Niで表わされる組成のアルミニウム合金粉
末を負極活物質に、結着剤に塩化ビニル樹脂を用いたも
のならびに塩化ビニルの含有量が85モル%,65モル
%の塩化ビニルと酢酸ビニルの共重合樹脂を用い、さら
に導電剤として繊維径が0.1μmから0.3μm、繊
維径と繊維長さの比率が1:75(アスペクト比75)
の繊維状黒鉛を用いて構成した負極について説明する。
【0019】負極は、300メッシュパスの96%Al
−6%Niアルミニウム合金粉末と導電剤としての繊維
状黒鉛と結着剤を重量比で45:45:10ならびに4
7.5:47.5:5:5の割合で混合し負極合剤を得
た。この負極合剤0.1gを直径17.5mmに2トン/
cm2でプレス成型し負極とした。正極活物質にはLiC
oO2を用い、実施例1と同様の条件で正極を作製し
た。電池の製造も、実施例1と同様の条件で行った。な
お従来例として、導電剤として繊維状黒鉛ではなくアセ
チレンブラックを添加し形成した負極を用いた電池も上
記と同様の方法で作製した。
【0020】以上、負極結着剤の異なる12種類の電池
の充放電サイクル特性の比較を行った。なお本実施例で
も実施例1と同様、負極の充放電サイクル試験を行うた
め、正極による充放電サイクル劣化を除外できるだけの
充分な正極容量をもつ条件で電池を構成している。充放
電サイクル試験は、充放電電流0.5mA,電圧範囲4.
0Vから3.0Vの間で定電流充放電することで行っ
た。
【0021】(表2)に初期放電容量ならびに初期放電
容量に対する50サイクル目の放電容量の容量維持率を
示す。
【0022】
【表2】
【0023】(表2)に示すように、導電剤としてアセ
チレンブラックを添加した負極を用いた従来例の電池
は、50サイクル後の放電容量維持率が60%程度まで
低下する。一方、導電剤として繊維状黒鉛を含む負極を
用いた本実施例の電池は、塩化ビニル−酢酸ビニル共重
合樹脂を用いた場合は、いずれも従来例の電池と比較し
放電容量が大きく向上し、また50サイクル後の放電容
量維持率が85%以上と充放電サイクル特性も向上して
いる。結着剤量が5重量%ならびに10重量%のポリ塩
化ビニル樹脂単独を負極結着剤に用いた電池の初期放電
容量は塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂を用いた電池
に比べて若干大きいものの、50サイクル目の放電容量
維持率は5重量%のものが67%、10重量%のものが
71%まで低下する。二次電池においては、放電容量な
らびに容量維持率が大きい電極が望まれることから、塩
化ビニルと酢酸ビニルの共重合樹脂を結着剤とし、導電
剤として繊維状黒鉛を用いた負極が優れた特性を有して
いる。実施例の負極を用いた電池の大幅な放電容量の向
上は、導電剤としてアセチレンブラックを添加した場合
には集電がまだ不十分であったものが、導電剤としての
繊維状黒鉛を添加することによって充分な集電が得られ
るようになったためと考えられる。
【0024】さらに、アスペクト比の異なる繊維状黒鉛
を導電剤として添加することを試みた。導電剤としてア
スペクト比20の繊維状黒鉛を、結着剤として塩化ビニ
ル含有量が85%の塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂
を用い、前記と同様の方法で活物質,導電剤,結着剤が
重量比で45:45:10である負極を用いて電池を作
製したところ、50サイクル目での容量維持率は85%
で若干の効果がみられた。また、アスペクト比150の
繊維状黒鉛を用いた場合には、50サイクル目での容量
維持率は90%と(表1)のアスペクト比75の場合
と、ほぼ同様の効果が得られた。以上のことより、アス
ペクト比20以上の繊維状黒鉛を用いることが好ましい
と考えられる。
【0025】以上のように、アルミニウム合金粉末を負
極活物質として、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂を
負極結着剤として用いる電池において、導電剤として繊
維状黒鉛を用いることにより、充放電サイクル特性に優
れた非水電解質二次電池を作製できることを確認した。
【0026】なお本実施例では、合金粉末として94%
Al−6%Niで表わされるアルミニウム合金を用いた
場合について説明したが、同様にリチウムを吸蔵,放出
することのできる他のアルミニウム合金や、ウッド合金
等のアルミニウム以外の金属を主成分とする合金粉末を
用いた場合においても、ほぼ同様の効果が得られること
を確認した。
【0027】以上の実施例では、正極活物質としてLi
CoO2を用いた場合について説明したが、V25,C
25,MnO2,TiS2,MoS2などの遷移金属の
酸化物およびカルコゲン化合物を用いた場合において
も、ほぼ同様の効果が得られる。ただし、この場合には
負極活物質は予めリチウムを吸収した充電状態としてお
く必要がある。
【0028】
【発明の効果】以上の実施例の説明で明らかなように本
発明の非水電解質二次電池用負極によれば、リチウムを
吸蔵,放出することのできる金属粉末もしくは合金粉末
を活物質とし、結着剤として塩化ビニル−酢酸ビニル共
重合樹脂を用いることにより、前記負極中に導電剤とし
て繊維状黒鉛を用いることで、優れた充放電サイクル特
性を有する非水電解質二次電池用負極を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の非水電解質二次電池用負極を
用いた電池の縦断面図
【符号の説明】
1 正極 2 ケース 3 セパレータ 4 負極 5 ガスケット 6 封口板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊口 ▲吉▼徳 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 村井 祐之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−294060(JP,A) 特開 平4−286875(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムを吸蔵,放出することのできる金
    属粉末もしくは合金粉末を活物質とし、結着剤として塩
    化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂を用いる非水電解質二
    次電池の負極において、前記負極中に導電剤として繊維
    状黒鉛を用いた非水電解質二次電池用負極。
  2. 【請求項2】結着剤である塩化ビニル−酢酸ビニル共重
    合樹脂の塩化ビニルの含有量が95モル%から60モル
    %である請求項1記載の非水電解質二次電池用負極。
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KR100615161B1 (ko) * 1999-11-11 2006-08-25 삼성에스디아이 주식회사 리튬 2차 전지의 전극 집전체 표면처리 조성물

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