CN113169304B - 二次电池 - Google Patents

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Abstract

二次电池具备:正极,具备包含锂钴复合氧化物的正极活性物质层,该锂钴复合氧化物具有层状岩盐型的晶体结构;负极,具备包含石墨的负极活性物质层;以及电解液。在将闭路电压的上限值设为4.42V以上而进行了充放电时,在单位容量(mAh/g)与面积比率(%)的关系中,满足由168mAh/g≤单位容量(mAh/g)≤(‑0.28×面积比率(%)+178)mAh/g表示的条件。

Description

二次电池
技术领域
本技术涉及一种具备包含锂钴复合氧化物的正极和包含石墨的负极的二次电池。
背景技术
由于移动电话等多种电子设备正在普及,因此作为小型且轻量并且能够得到高能量密度的电源,正在进行二次电池的开发。该二次电池具备正极、负极以及电解液。
为了提高电池特性,对二次电池的结构进行了各种研究。具体而言,为了实现长寿命化,以换算成正极活性物质的每单位重量的容量而成为规定的容量的方式设定额定容量(例如,参照专利文献1。)。另外,为了抑制充放电时的膨胀,将正极的每单位面积的容量相对于负极的每单位面积的容量的比率设定为规定的比率(例如,参照专利文献2。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2001-217011号公报
专利文献2:日本特开2012-124026号公报
搭载有二次电池的电子设备日益高性能化以及多功能化。因此,电子设备的使用频率增加,并且电子设备的使用环境扩大。因此,二次电池的电池特性仍有改善的余地。
本技术是鉴于上述问题而提出的,其目的在于,提供一种能够得到优异的电池特性的二次电池。
发明内容
本技术的一个实施方式的二次电池具备:正极,具备包含锂钴复合氧化物的正极活性物质层,该锂钴复合氧化物由下述的式(1)表示,并且具有层状岩盐型的晶体结构;负极,具备包含石墨的负极活性物质层;以及电解液。在将闭路电压的上限值设为4.42V以上而进行了充放电时,在由下述的式(2)表示的单位容量(mAh/g)与由下述的式(3)表示的面积比率(%)的关系中,满足由下述的式(4)表示的条件。
LixCo1-yMyO2-zXz…(1)
(M为钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、锡(Sn)、钾(K)、钙(Ca)、锌(Zn)、镓(Ga)、锶(Sr)、钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钡(Ba)、镧(La)、钨(W)以及硼(B)中的至少一种。X为氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)以及硫(S)中的至少一种。x、y以及z满足0.8<x<1.2、0≤y<0.15以及0≤z<0.05。)
单位容量(mAh/g)=额定容量(mAh)/正极活性物质层的重量(g)…(2)
(额定容量是进行恒流充电直至闭路电压达到4.42V以上并且在4.42V以上的闭路电压下进行了恒压充电后,通过进行恒流放电而测定的容量。)
面积比率(%)=[1-(正极活性物质层的面积(cm2)/负极活性物质层的面积(cm2))]×100…(3)
168mAh/g≤单位容量(mAh/g)≤(-0.28×面积比率(%)+178)mAh/g…(4)
需要说明的是,关于分别示于式(2)~式(4)的一系列的参数(单位容量、额定容量、正极活性物质层的重量、面积比率、正极活性物质层的面积以及负极活性物质层的面积)各自的定义以及测定方法等,将在后面叙述。
根据本技术的二次电池,正极包含锂钴复合氧化物,负极包含石墨,在单位容量与面积比率的关系中满足上述的条件,因此能够得到优异的电池特性。
需要说明的是,本技术的效果不一定限定于在此说明的效果,也可以是与后述的本技术相关的一系列的效果中的任意的效果。
附图说明
图1是表示本技术的一个实施方式的二次电池的结构的立体图。
图2是表示图1所示的卷绕电极体的结构的剖视图。
图3是示意性地表示正极以及负极各自的结构的俯视图。
图4是表示单位容量与面积比率的相关关系的图。
图5是表示变形例1的二次电池的结构的剖视图。
图6是表示变形例2的二次电池的结构的剖视图。
具体实施方式
以下,参照附图对本技术的一个实施方式进行详细说明。需要说明的是,说明的顺序如下所述。
1.二次电池
1-1.结构
1-2.与单位容量相关的条件
1-3.动作
1-4.制造方法
1-5.作用以及效果
2.变形例
3.二次电池的用途
<1.二次电池>
首先,对本技术的一个实施方式的二次电池进行说明。
如后所述,在此说明的二次电池是基于锂离子的嵌入现象以及锂离子的脱嵌现象而得到电池容量的锂离子二次电池,具备正极13以及负极14(参照图2)。
在该二次电池中,为了防止在充电过程中锂金属在负极14的表面析出,负极14的每单位面积的电化学容量大于正极13的每单位面积的电化学容量。
另外,为了使后述的单位容量C(mAh/g)满足规定的条件,正极13中包含的正极活性物质的质量相对于负极14中包含的负极活性物质的质量足够多。
<1-1.结构>
图1表示二次电池的立体结构。图2表示图1所示的卷绕电极体10的截面结构。图3示意性地表示图1所示的正极13以及负极14各自的俯视结构。另外,在图1中,示出了卷绕电极体10以及外包装部件20相互分离的状态,并且在图2中仅放大了卷绕电极体10的一部分。
在该二次电池中,例如,如图1所示,在具有挠性(或柔软性)的膜状的外包装部件20的内部收纳有电池元件(卷绕电极体10),在该卷绕电极体10上连接有正极引线11以及负极引线12。即,在此说明的二次电池是所谓的层压膜型的二次电池。
[外包装部件]
如图1所示,外包装部件20例如为能够向箭头R的方向折叠的一张膜,在该外包装部件20例如设置有用于收纳卷绕电极体10的凹陷20U。由此,外包装部件20收纳卷绕电极体10,因此收纳后述的正极13、负极14以及电解液等。
该外包装部件20例如可以是包含高分子化合物的膜(高分子膜),也可以是薄的金属板(金属箔),也可以是高分子膜与金属箔相互层叠而成的层叠体(层压膜)。高分子膜可以是单层,也可以是多层。金属箔同样可以像这样是单层或多层。在层压膜中,例如也可以将高分子膜与金属箔交替地层叠。高分子膜以及金属箔各自的层叠数量能够任意地设定。
其中,优选为层压膜。这是因为,可以得到充分的密封性,并且也可以得到充分的耐久性。具体而言,外包装部件20例如为从内侧朝向外侧依次层叠有熔接层、金属层以及表面保护层的层压膜。在二次电池的制造工序中,例如在以熔接层彼此隔着卷绕电极体10相互对置的方式折叠外包装部件20之后,该熔接层中的外周缘部彼此相互熔接,因此该外包装部件20被密封。熔接层例如为包含聚丙烯等的高分子膜。金属层例如为包含铝等的金属箔。表面保护层例如为包含尼龙等的高分子膜。
另外,外包装部件20例如也可以是两张层压膜。在该情况下,例如,两张层压膜经由粘接剂等相互贴合。
为了防止外部空气侵入该外包装部件20的内部,在外包装部件20与正极引线11之间例如插入有密合膜31。该密合膜31例如包含聚丙烯等聚烯烃树脂。
在外包装部件20与负极引线12之间例如插入有起到与上述的密合膜31同样的作用的密合膜32。密合膜32的形成材料例如与密合膜31的形成材料相同。
[卷绕电极体]
例如如图1~图3所示,卷绕电极体10具备正极13、负极14以及隔膜15等。在该卷绕电极体10中,例如在隔着隔膜15将正极13以及负极14相互层叠之后,卷绕该正极13、负极14以及隔膜15。在该卷绕电极体10中例如浸渗有作为液状的电解质的电解液,因此该电解液例如分别浸渗于正极13、负极14以及隔膜15。需要说明的是,卷绕电极体10的表面也可以由保护带(未图示)保护。
需要说明的是,在二次电池的制造工序中,例如,如后所述,使用具有扁平形状的夹具,以在Y轴方向上延伸的卷绕轴J为中心,卷绕正极13、负极14以及隔膜15。由此,卷绕电极体10例如如图1所示,成型为反映了上述夹具的形状的扁平形状。
(正极)
例如如图2以及图3所示,正极13具备正极集电体13A和形成于该正极集电体13A上的正极活性物质层13B。该正极活性物质层13B例如可以仅形成于正极集电体13A的单面,也可以形成于正极集电体13A的两面。在图2中,例如,示出了正极活性物质层13B形成于正极集电体13A的两面的情况。
正极集电体13A例如包含铝等导电性材料。正极活性物质层13B包含能够嵌入锂离子并且能够脱嵌锂离子的正极材料中的任一种或两种以上作为正极活性物质。另外,正极活性物质层13B还可以包含正极粘结剂以及正极导电剂等其他材料。
例如如图3所示,该正极活性物质层13B未形成于正极集电体13A的整个表面,而是形成于该表面的一部分。在此,正极活性物质层13B例如形成于比正极集电体13A的外缘靠内侧的区域,具有由宽度W1(Y轴方向的尺寸)以及长度L1(X轴方向的尺寸)规定的面积S1。由此,在正极集电体13A的外缘与正极活性物质层13B之间设置有余白(未形成正极活性物质层13B的区域)。正极13在沿着长度L1的方向(X轴方向)上卷绕。在正极集电体13A的两面形成有正极活性物质层13B的情况下,在此说明的正极活性物质层13B的结构例如适用于在正极集电体13A的单面形成的一方的正极活性物质层13B,并且适用于在正极集电体13A的相反面形成的另一方的正极活性物质层13B。在图3中,对正极活性物质层13B标注淡阴影。
正极材料包含锂化合物,该锂化合物是含有锂作为构成元素的化合物的总称。这是因为可以得到高的能量密度。该锂化合物包含具有层状岩盐型的晶体结构的锂钴复合氧化物(以下,称为“层状岩盐型锂钴复合氧化物”。)。这是因为可以稳定地得到高的能量密度。该层状岩盐型锂钴复合氧化物是含有锂以及钴作为构成元素的复合氧化物的总称。因此,层状岩盐型锂钴复合氧化物还可以含有一种或两种以上的其他元素(锂以及钴以外的元素)。其他元素的种类没有特别限定,例如为长周期型周期表中的属于第2族~第15族的元素等。
具体而言,层状岩盐型锂钴复合氧化物包含由下述的式(1)表示的化合物中的任一种或两种以上。这是因为可以稳定地得到充分的能量密度。另外,锂的组成根据充放电状态而异。由式(1)表示的x的值是在从二次电池取出正极13之后,正极13放电直至电位达到3V(以锂金属为基准)的状态的值。
LixCo1-yMyO2-zXz…(1)
(M为钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、钠(Na)、镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、锡(Sn)、钾(K)、钙(Ca)、锌(Zn)、镓(Ga)、锶(Sr)、钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钡(Ba)、镧(La)、钨(W)以及硼(B)中的至少一种。X为氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)以及硫(S)中的至少一种。x、y以及z满足0.8<x<1.2、0≤y<0.15以及0≤z<0.05。)
根据式(1)可知,该层状岩盐型锂钴复合氧化物是钴系的锂复合氧化物。另外,层状岩盐型锂钴复合氧化物还可以含有第一追加元素(M)中的任一种或两种以上,也可以含有第二追加元素(X)中的任一种或两种以上。与第一追加元素(M)以及第二追加元素(X)分别相关的详细情况如上所述。
换言之,根据y可取的值的范围可知,层状岩盐型锂钴复合氧化物也可以不含有第一追加元素(M)。同样地,根据z可取的值的范围可知,层状岩盐型锂钴复合氧化物也可以不含有第二追加元素(X)。
层状岩盐型锂钴复合氧化物的种类只要是由式(1)表示的化合物,即没有特别限定。具体而言,层状岩盐型锂钴复合氧化物例如为LiCoO2、LiCo0.98Al0.02O2、LiCo0.98Mn0.02O2以及LiCo0.98Mg0.02O2等。
需要说明的是,正极材料例如可以在包含上述的锂化合物(层状岩盐型锂钴复合氧化物)的同时,包含其他锂化合物中的任一种或两种以上。其他锂化合物例如为其他锂复合氧化物以及锂磷酸化合物等。
其他锂复合氧化物是含有锂和一种或两种以上的其他元素作为构成元素的复合氧化物的总称,例如具有层状岩盐型以及尖晶石型等晶体结构。另外,相当于层状岩盐型锂钴复合氧化物的化合物从在此说明的其他锂复合氧化物中被排除。锂磷酸化合物是含有锂和一种或两种以上的其他元素作为构成元素的磷酸化合物的总称,例如具有橄榄石型等晶体结构。关于其他元素的详细情况如上所述。
具有层状岩盐型的晶体结构的其他锂复合氧化物例如为LiNiO2等。具有尖晶石型的晶体结构的其他锂复合氧化物例如为LiMn2O4等。具有橄榄石型的晶体结构的锂磷酸化合物例如为LiFePO4、LiMnPO4以及LiMn0.5Fe0.5PO4等。
正极粘结剂例如包含合成橡胶以及高分子化合物等中的任一种或两种以上。合成橡胶例如为苯乙烯-丁二烯系橡胶等。高分子化合物例如为聚偏二氟乙烯以及聚酰亚胺等。
正极导电剂例如包含碳材料等导电性材料中的任一种或两种以上。该碳材料例如为石墨、炭黑、乙炔黑以及科琴黑等。另外,导电性材料也可以是金属材料以及导电性高分子等。
(负极)
例如如图2以及图3所示,负极14具备负极集电体14A和形成于该负极集电体14A上的负极活性物质层14B。该负极活性物质层14B例如可以仅形成于负极集电体14A的单面,也可以形成于负极集电体14A的两面。在图2中,例如,示出了负极活性物质层14B形成于负极集电体14A的两面的情况。
负极集电体14A例如包含铜等导电性材料。负极集电体14A的表面优选使用电解法等进行粗糙化。这是因为,利用锚定效应,负极活性物质层14B相对于负极集电体14A的密合性提高。
负极活性物质层14B包含能够嵌入锂离子并且能够脱嵌锂离子的负极材料中的任一种或两种以上作为负极活性物质。另外,负极活性物质层14B还可以包含负极粘结剂以及负极导电剂等其他材料。
例如如图3所示,该负极活性物质层14B未形成于负极集电体14A的整个表面,而是形成于该表面的一部分。在此,负极活性物质层14B例如形成于比负极集电体14A的外缘靠内侧的区域,具有由宽度W2(Y轴方向的尺寸)以及长度L2(X轴方向的尺寸)规定的面积S2。由此,在负极集电体14A的外缘与负极活性物质层14B之间设置有余白(未形成负极活性物质层14B的区域)。负极14在沿着长度L2的方向(X轴方向)上卷绕。在负极集电体14A的两面形成有负极活性物质层14B的情况下,在此说明的负极活性物质层14B的结构例如适用于在负极集电体14A的单面形成的一方的负极活性物质层14B,并且适用于在负极集电体14A的相反面形成的另一方的负极活性物质层14B。在图3中,对负极活性物质层14B标注浓阴影。
另外,宽度W2大于宽度W1,并且长度L2大于长度L1。因此,面积S2大于面积S1。这是为了在充电时从正极13(正极活性物质层13B)脱嵌的锂离子嵌入到负极14(负极活性物质层14B)时,抑制锂金属的析出。
负极材料包含碳材料,该碳材料主要是含有碳作为构成元素的材料的总称。这是因为,在碳材料中,在锂离子的嵌入时以及锂离子的脱嵌时晶体结构几乎不发生变化,因此可以稳定地得到高的能量密度。另外,这是因为,碳材料也作为负极导电剂发挥功能,因此负极活性物质层14B的导电性提高。
具体而言,负极材料包含石墨。石墨的种类没有特别限定,因此可以是人造石墨,也可以是天然石墨,也可以是两者。
在负极材料包含多个粒子状的石墨(多个石墨粒子)的情况下,该多个石墨粒子的平均粒径(中值粒径D50)没有特别限定,其中,优选为3.5μm~30μm,更优选为5μm~25μm。这是因为,可以抑制锂金属的析出,并且也可以抑制副反应的发生。详细而言,如果中值粒径D50小于3.5μm,则石墨粒子的表面积增加,因此在该石墨粒子的表面容易发生副反应,因此初次的充放电效率有可能降低。另一方面,如果中值粒径D50大于30μm,则作为电解液的移动路径的石墨粒子间的间隙(空孔)的分布变得不均匀,因此锂金属有可能析出。
在此,多个石墨粒子中的一部分或全部优选形成所谓的二次粒子。这是因为,可以抑制负极14(负极活性物质层14B)的取向,因此在充放电时负极活性物质层14B不易膨胀。相对于多个石墨粒子的重量,形成二次粒子的多个石墨粒子的重量所占的比例没有特别限定,其中,优选为20重量%~80重量%。这是因为,如果形成二次粒子的石墨粒子的比例相对变多,则由于一次粒子的平均粒径相对变小,粒子的总表面积过度增加,因此有可能发生电解液的分解反应,并且每单位重量的容量变小。
在使用X射线衍射法(XRD)分析石墨的情况下,根据源自(002)面的峰的位置求出的具有石墨晶体结构的石墨烯层的间距、即(002)面的面间距S优选为0.3355nm~0.3370nm,更优选为0.3356nm~0.3363nm。这是因为可以在确保电池容量的同时抑制电解液的分解反应。详细而言,如果面间距S大于0.3370nm,则石墨的石墨化不充分,因此有可能电池容量降低。另一方面,如果面间距S小于0.3355nm,则由于石墨的石墨化过度,石墨对于电解液的反应性变高,因此有可能发生该电解液的分解反应。
需要说明的是,负极材料例如可以在包含上述的碳材料(石墨)的同时,包含其他材料中的任一种或两种以上。其他材料例如为其他的碳材料以及金属系材料等。这是因为能量密度进一步增加。
其他碳材料例如为难石墨化碳等。这是因为可以稳定地得到高的能量密度。难石墨化碳的物性没有特别限定,其中,(002)面的面间距优选为0.37nm以上。这是因为可以得到充分的能量密度。
金属系材料是含有能够与锂形成合金的金属元素以及能够与锂形成合金的半金属元素中的任一种或两种以上作为构成元素的材料的总称。该金属系材料可以是单质,也可以是合金,也可以是化合物,也可以是它们中的两种以上的混合物,也可以是含有它们中的一种或两种以上的相的材料。
另外,在此说明的单质仅是指一般的单质,因此也可以含有微量的杂质。即,单质的纯度不一定限于100%。合金不仅可以是由两种以上的金属元素构成的材料,也可以是含有一种或两种以上的金属元素和一种或两种以上的半金属元素的材料。需要说明的是,合金也可以含有一种或两种以上的非金属元素。金属系材料的组织没有特别限定,例如为固溶体、共晶(共熔混合物)、金属间化合物以及它们中的两种以上的共存物等。
具体而言,金属元素以及半金属元素例如为镁、硼、铝、镓、铟、硅、锗、锡、铅、铋、镉、银、锌、铪、锆、钇、钯以及铂等。
其中,优选为含有硅作为构成元素的材料(以下,称为“含硅材料”。)。这是因为,锂离子的嵌入能力以及锂离子的脱嵌能力优异,因此可以得到显著高的能量密度。
硅的合金例如含有锡、镍、铜、铁、钴、锰、锌、铟、银、钛、锗、铋、锑以及铬等中的任一种或两种以上作为硅以外的构成元素。硅的化合物例如含有碳以及氧等中的任一种或两种以上作为硅以外的构成元素。需要说明的是,硅的化合物例如可以含有关于硅的合金而说明的一系列的构成元素中的任一种或两种以上作为硅以外的构成元素。
具体而言,含硅材料例如为SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O以及由下述的式(5)表示的氧化硅等。其中,优选为氧化硅。这是因为氧化硅以石墨比计具有比较大的每单位重量的容量以及每单位体积的容量。另外,这是因为,在含有氧的氧化硅中,由于在锂化之后通过氧-硅键以及锂-氧键使结构稳定化,因此粒子不易破裂。氧化硅的种类没有特别限定,例如为SiO等。
SiOv…(5)
(v满足0.5≤v≤1.5。)
关于负极粘结剂的详细情况例如与关于正极粘结剂的详细情况相同。关于负极导电剂的详细情况例如与关于正极导电剂的详细情况相同。另外,负极粘结剂例如可以是水系(水溶性)的高分子化合物。该水溶性的高分子化合物例如为羧甲基纤维素及其金属盐等。
(隔膜)
隔膜15介于正极13与负极14之间,使该正极13以及负极14相互分离。该隔膜15例如包含合成树脂以及陶瓷等多孔膜,也可以为两种以上的多孔膜相互层叠而成的层叠膜。合成树脂例如为聚乙烯等。
(电解液)
电解液例如包含溶剂以及电解质盐。另外,溶剂的种类可以仅为一种,也可以为两种以上,并且电解质盐的种类可以仅为一种,也可以为两种以上。
溶剂例如包含非水溶剂(有机溶剂)等中的任一种或两种以上。包含非水溶剂的电解液是所谓的非水电解液。
非水溶剂的种类没有特别限定,例如为环状碳酸酯、链状碳酸酯、内酯、链状羧酸酯以及腈(单腈)化合物等。这是因为可以确保容量特性、循环特性以及保存特性等。
环状碳酸酯例如为碳酸亚乙酯以及碳酸亚丙酯等。链状碳酸酯例如为碳酸二甲酯以及碳酸二乙酯等。内酯例如为γ-丁内酯以及γ-戊内酯等。链状羧酸酯例如为乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯以及丙酸丙酯等。腈化合物例如为乙腈、甲氧基乙腈以及3-甲氧基丙腈等。
另外,非水溶剂例如可以是不饱和环状碳酸酯、卤代碳酸酯、磺酸酯、酸酐、二氰基化合物(二腈化合物)、二异氰酸酯化合物以及磷酸酯等。这是因为上述的容量特性等中的任一种或两种以上进一步提高。
不饱和环状碳酸酯例如为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯以及碳酸亚甲基亚乙酯等。卤代碳酸酯可以为环状,也可以为链状。该卤代碳酸酯例如为4-氟-1,3-二氧戊环-2-酮、4,5-二氟-1,3-二氧戊环-2-酮以及碳酸氟甲基甲酯等。磺酸酯例如为1,3-丙烷磺内酯以及1,3-丙烯磺内酯等。酸酐例如为琥珀酸酐、戊二酸酐、马来酸酐、乙烷二磺酸、丙烷二磺酸酐、磺基苯甲酸酐、磺基丙酸酐以及磺基丁酸酐等。二腈化合物例如为丁二腈、戊二腈、己二腈以及邻苯二甲腈等。二异氰酸酯化合物例如为六亚甲基二异氰酸酯等。磷酸酯例如为磷酸三甲酯以及磷酸三乙酯等。
电解质盐例如包含锂盐等中的任一种或两种以上。另外,电解质盐还可以包含锂盐以外的轻金属盐中的任一种或两种以上。锂盐的种类没有特别限定,例如为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)、氟磷酸锂(Li2PFO3)、二氟磷酸锂(LiPF2O2)以及双(草酸)硼酸锂(LiC4BO8)等。这是因为可以确保容量特性、循环特性以及保存特性等。
电解质盐的含量没有特别限定,例如相对于溶剂为0.3mol/kg以上且3.0mol/kg以下。
[正极引线以及负极引线]
正极引线11与正极13连接,并且从外包装部件20的内部向外部导出。该正极引线11例如包含铝等导电性材料,该正极引线11的形状例如为薄板状以及网眼状等。
负极引线12与负极14连接,并且从外包装部件20的内部向外部导出。负极引线12的导出方向例如与正极引线11的导出方向相同。该负极引线12例如包含镍等导电性材料,该负极引线12的形状例如与正极引线11的形状相同。
<1-2.与单位容量相关的条件>
图4表示单位容量C(mAh/g)与面积比率R(%)的相关关系。在图4中,对后述的下限直线L1与上限直线L2之间的区域P标注阴影。以下说明的电位是以锂金属为参比电极而测定的开路电位,即是以锂金属为基准的电位。
为了提高二次电池的能量密度,考虑在充电时提高电池电压(闭路电压)的上限值,即充电电压(或充电终止电压)。如果提高充电电压,则在充电终止时正极13的电位变高,因此该电位的使用范围,即在充电时的正极13中使用的电位区域被拉高。
一般而言,在使用了层状岩盐型锂钴复合氧化物作为正极活性物质的情况下,存在伴随相变(O3/H1-3转变)的电位恒定区域。如果使充电电压增大,则在充电末期正极13的电位也增大,因此正极13的电位到达电位恒定区域的区域内。由此,正极13的容量电位曲线(横轴为容量(mAh)以及纵轴为电位(V))具有上述的正极电位恒定区域。该正极电位变化区域是即使在正极13中容量变化,电位也几乎不变化的区域。
在使用了层状岩盐型锂钴复合氧化物的二次电池中,如果以正极13的电位到达伴随相变的电位恒定区域的区域内、或者正极13的电位通过伴随相变的电位恒定区域的方式进行充放电,则比较容易产生容量损失,并且也比较容易产生气体。特别是,如果充电电压为4.42V以上,则正极13的电位容易到达伴随相变的电位恒定区域P2、或者正极13的电位容易通过伴随相变的电位恒定区域P2。这样的倾向当在高温环境中使用以及保存二次电池时变得比较强。
另一方面,在使用了石墨作为负极活性物质的情况下,如果增大充电电压,则在该石墨中,进行层间化合物阶段1与层间化合物阶段2的两相共存反应。由此,负极14的容量电位曲线具有负极电位恒定区域。该负极电位恒定区域是即使由于两相共存反应而容量变化,电位也几乎不变化的区域。负极电位恒定区域中的负极14的电位约为90mV~100mV。
在此,为了抑制在充电终止时锂金属在负极14析出,如果以在负极电位恒定区域中完成充电的方式设定负极14的电位,则在该充电终止时正极13的电位变高。由此,正极13的电位容易到达伴随相变的电位恒定区域的区域内、或者容易通过伴随相变的电位恒定区域。由于充电电压越高正极13的电位也越高,因此这样的倾向变强。
因此,为了使得即使提高充电电压,正极13的电位也不易到达伴随相变的电位恒定区域的区域内、或者正极13的电位也不易通过伴随相变的电位恒定区域,如图4所示,在与面积比率R的关系中,单位容量C满足以下的条件。
具体而言,在将充电电压设为4.42V以上而对二次电池进行了充放电时,由下述的式(2)表示的单位容量C(mAh/g)在与由下述的式(3)表示的面积比率R(%)的关系中,满足由下述的式(4)表示的条件(以下,称为“适当条件”。)。其中,单位容量C的值是将小数点后第一位的值进行四舍五入而得到的值。面积比率R的值是将小数点后第二位的值进行四舍五入而得到的值。(-0.28×面积比率R+178)的值是将小数点后第一位的值进行四舍五入而得到的值。
单位容量C(mAh/g)=额定容量A(mAh)/正极活性物质层13B的重量M(g)…(2)
(额定容量A是对二次电池进行恒流充电直至电池电压(闭路电压)达到4.42V以上并且在4.42V的电池电压(闭路电压)下对二次电池进行了恒压充电之后,通过对该二次电池进行恒流放电而测定的容量。)
面积比率R(%)=[1-(正极活性物质层13B的面积S1(cm2)/负极活性物质层14B的面积S2(cm2))]×100…(3)
168mAh/g≤单位容量C(mAh/g)≤(-0.28×面积比率R(%)+178)mAh/g…(4)
即,在将充电电压设为4.42V以上而对二次电池进行了充放电时,在与面积比率R的关系中,单位容量C满足适当条件。该充电电压只要为4.42V以上,即没有特别限定。具体而言,在设定三种充电电压的情况下,该充电电压例如为4.42V、4.45V以及4.48V。在该情况下,在将充电电压设为4.42V的情况下,单位容量C满足上述的条件,在将充电电压设为4.45V的情况下,单位容量C满足上述的条件,在将充电电压设为4.48V的情况下,单位容量C满足上述的条件。
在与面积比率R的关系中单位容量C满足适当条件是因为,如上所述,在充电终止时,不易到达伴随相变的电位恒定区域的区域内,或者不易通过伴随相变的电位恒定区域。由此,即使为了提高能量密度而提高充电电压,也不易产生容量损失,并且也不易产生气体。在该情况下,特别是即使在高温环境中使用以及保存二次电池,正极13的电位也不易到达伴随相变的电位恒定区域的区域内,或者正极13的电位不易通过伴随相变的电位恒定区域。
在图4中,下限直线L1表示与上述的单位容量C的适当条件相关的下限值(=168mAh/g),并且上限直线L2表示与上述的单位容量C的适当条件相关的上限值((-0.28×面积比率R+178)mAh/g)。即,当单位容量C=y以及面积比率R=x时,上限直线L2是由y=-0.28x+178表示的直线。因此,在图4中,在与面积比率R的关系中,单位容量C满足适当条件的范围是下限直线L1与上限直线L2之间的区域P。
在此,与单位容量C、额定容量A、重量M、面积比率R以及面积S1、S2分别相关的详细情况(定义以及测定方法)例如如下所述。
额定容量A是通过在以下的充放电条件下使二次电池充放电而测定的容量(放电容量)。
在将充电电压设为4.42V的情况下,测定在常温环境中(温度=25±2℃)使二次电池充放电时的放电容量,将该放电容量设为额定容量A。在充电时,以0.5C的电流进行恒流充电直到电池电压达到4.42V,然后在该4.42V的电池电压下进行恒压充电直至电流达到0.025C。在放电时,以0.2C的电流进行恒流放电直至电池电压达到3.0V。需要说明的是,0.5C、0.025C以及0.2C是将电池容量(理论容量)分别以2小时、40小时以及5小时放完电的电流值。
在此,关于电池容量,当在二次电池的主体、粘贴在二次电池上的标签以及二次电池的附属文件(例如,使用说明书等)等中记载有电池容量的值的情况下,可以将该值认定为电池容量。在没有这些关于电池容量的记载的情况下,基于二次电池的型号等来确认提交给认证机构的电池容量的值,由此将该值认定为电池容量。
另外,在为了求出额定容量A而使用刚完成后的二次电池的情况下,例如在测定放电容量之前,为了使二次电池的状态稳定化,即为了在负极14等的表面形成SEI膜,预先使该二次电池充放电。充放电条件如上所述。
需要说明的是,在将充电电压设为4.45V的情况下,除了将该充电电压从4.42V变更为4.45V以外,在同样的步骤中测定放电容量,由此将该放电容量设为额定容量A。在将充电电压设为4.48V的情况下,除了将该充电电压从4.42V变更为4.48V以外,在同样的步骤中测定放电容量,由此将该放电容量设为额定容量A。
在求出重量M的情况下,首先,通过将二次电池解体而将正极13回收后,测定该正极13的重量。接着,从正极集电体13A上除去正极活性物质层13B后,测定该正极集电体13A的重量。在该情况下,可以根据需要使用有机溶剂等将正极活性物质层13B(负极粘结剂等)溶解除去。最后,通过从正极13的重量中减去正极集电体13A的重量,计算出正极活性物质层13B的重量M。
如上所述,面积S1是正极活性物质层13B相对于正极集电体13A的表面的形成面积。在求出该面积S1的情况下,首先,在常温环境中(温度=25±2℃)使二次电池放电。在该情况下,以0.2C的电流进行恒流放电直至电池电压达到3.0V。接着,通过将二次电池解体,回收正极13。最后,如图3所示,通过分别测定宽度W1以及长度L1来计算面积S1(=宽度W1×长度L1)。为了求出面积S1(宽度W1以及长度L1)而预先使二次电池放电是为了减少面积S1的计算误差,该计算误差是由于充电状态的二次电池中的正极13收缩而引起的。因此,面积S1是所谓的正极活性物质层13B的有效面积。需要说明的是,在正极活性物质层13B上重叠有保护带等其他部件的情况下,从面积S1中排除在该正极活性物质层13B上其他部件重叠的区域的面积。
如上所述,面积S2是负极活性物质层14B相对于负极集电体14A的表面的形成面积。求出该面积S2的步骤除了使用负极14(负极集电体14A以及负极活性物质层14B)测定宽度W2以及长度L2之后计算面积S2(=宽度W2×长度L2)以外,与求出面积S1的步骤相同。为了求出面积S2(宽度W2以及长度L2)而预先使二次电池放电是为了减少面积S2的计算误差,该计算误差是由于充电状态的二次电池中的负极14膨胀而引起的。因此,面积S2是所谓的负极活性物质层14B的有效面积。
在求出面积比率R的情况下,通过上述的步骤分别计算出面积S1、S2后,基于式(3)计算面积比率R。在求出单位容量C的情况下,通过上述的步骤,测定额定容量A并且计算出重量M后,基于式(2)计算单位容量C。
<1-3.动作>
该二次电池例如如下所示进行动作。在充电时,锂离子从正极13脱嵌,并且该锂离子经由电解液嵌入负极14。另外,在放电时,锂离子从负极14脱嵌,并且该锂离子经由电解液嵌入正极13。
<1-4.制造方法>
在制造该二次电池的情况下,例如,如以下说明的那样,在制作了正极13以及负极14之后,使用该正极13以及负极14来组装二次电池。
[正极的制作]
首先,通过将包含层状岩盐型锂钴复合氧化物的正极活性物质和根据需要的正极粘结剂以及正极导电剂等混合,制成正极合剂。接着,通过在有机溶剂等溶剂中使正极合剂分散或溶解,制备糊状的正极合剂浆料。最后,在正极集电体13A的两面涂布正极合剂浆料之后,使该正极合剂浆料干燥,由此形成正极活性物质层13B。之后,也可以使用辊压机等对正极活性物质层13B进行压缩成型。在该情况下,可以加热正极活性物质层13B,也可以重复多次压缩成型。
[负极的制作]
通过与上述的正极13的制作步骤同样的步骤,在负极集电体14A的两面形成负极活性物质层14B。具体而言,通过将包含石墨的负极活性物质和根据需要的负极粘结剂以及负极导电剂等混合,制成负极合剂之后,在有机溶剂或水性溶剂等中使负极合剂分散或溶解,由此制备糊状的负极合剂浆料。接着,在负极集电体14A的两面涂布负极合剂浆料之后,使该负极合剂浆料干燥,由此形成负极活性物质层14B。在该情况下,使负极活性物质层14B的面积S2大于正极活性物质层13B的面积S1。之后,也可以对负极活性物质层14B进行压缩成型。
需要说明的是,在制作正极13以及负极14的情况下,通过以正极活性物质的质量足够多的方式调整正极活性物质与负极活性物质的混合比(正极活性物质的质量与负极活性物质的质量的关系),使得在与面积比率R的关系中单位容量C满足适当条件。
[二次电池的组装]
首先,使用焊接法等使正极引线11与正极13(正极集电体13A)连接,并且使用焊接法等使负极引线12与负极14(负极集电体14A)连接。接着,在隔着隔膜15使正极13以及负极14相互层叠之后,卷绕该正极13、负极14以及隔膜15,由此形成卷绕体。在该情况下,使用具有扁平形状的夹具(未图示),以卷绕轴J为中心卷绕正极13、负极14以及隔膜15,由此,如图1所示,使卷绕体成为扁平形状。
接着,在以夹着卷绕电极体10的方式折叠外包装部件20之后,通过使用热熔接法等使外包装部件20中的除了一边的外周缘部以外的剩余的外周缘部彼此相互粘接,从而将卷绕体收纳于袋状的外包装部件20的内部。最后,在袋状的外包装部件20的内部注入电解液之后,使用热熔接法等将外包装部件20密封。在该情况下,在外包装部件20与正极引线11之间插入密合膜31,并且在外包装部件20与负极引线12之间插入密合膜32。由此,在卷绕体中浸渗电解液,因此形成卷绕电极体10。由此,在外包装部件20的内部收纳卷绕电极体10,从而完成二次电池。
<1-5.作用以及效果>
根据该二次电池,在正极13包含正极活性物质(层状岩盐型锂钴复合氧化物)并且负极14包含负极活性物质(石墨)的情况下,在与面积比率R的关系中,单位容量C满足适当条件。在该情况下,如上所述,与在与面积比率R的关系中单位容量C未满足适当条件的情况相比,即使增大充电电压,正极13的电位E也不易到达伴随相变的电位恒定区域P2,或者正极13的电位E不易通过伴随相变的电位恒定区域P2。因此,不易产生容量损失,并且也不易产生气体,因此能够得到优异的电池特性。
特别是,如果多个石墨粒子的中值粒径D50为3.5μm~30μm,则可以抑制锂金属的析出,并且也可以抑制副反应的发生,因此能够得到更高的效果。另外,如果石墨的(002)面的面间距S为0.3355nm~0.3370nm,则可以在确保电池容量的同时抑制电解液的分解反应,因此能够得到更高的效果。
在此,为了抑制由于正极13的电位变高而该正极13的电位E容易到达伴随相变的电位恒定区域P2、或者正极13的电位E容易通过伴随相变的电位恒定区域P2的情况,例如考虑增大正极13的面积密度相对于负极14的面积密度的比(面积密度比)。然而,在仅增大面积密度比的情况下,如果二次电池的尺寸(面积比率R)变大,则在充电时锂离子从正极活性物质层13B向负极活性物质层14B的剩余区域(不与正极活性物质层13B对置的区域)移动。由此,在负极14中充电时的容量损失量增加,并且在正极13中充电时的容量变大,因此在充电终止时正极13的电位变高。因此,根据二次电池的尺寸,依然是正极13的电位E容易到达伴随相变的电位恒定区域P2、或者正极13的电位E容易通过伴随相变的电位恒定区域P2,因此电池特性容易降低。当然,这样的倾向在充电电压变高时变强。
与此相对,在本实施方式的二次电池中,在与面积比率R的关系中,单位容量C满足适当条件。由此,与仅增大面积密度比的情况不同,在充电电压以及二次电池的尺寸的关系中,单位容量C被优化,因此不依赖于该充电电压以及二次电池的尺寸,正极13的电位E不易到达伴随相变的电位恒定区域P2,或者正极13的电位E不易通过伴随相变的电位恒定区域P2。因此,即使变更充电电压以及二次电池的尺寸,电池特性也不易降低。
<2.变形例>
关于上述的二次电池的结构,如以下说明的那样,能够适当地进行变更。需要说明的是,以下说明的一系列的变形例也可以相互组合。
[变形例1]
图5表示变形例1的二次电池(卷绕电极体10)的截面结构,与图2对应。例如,如图5所示,隔膜15可以包含基材层15A和形成在该基材层15A上的高分子化合物层15B。该高分子化合物层15B可以仅形成于基材层15A的单面,也可以形成于基材层15A的两面。在图5中,例如,示出了高分子化合物层15B形成于基材层15A的两面的情况。
基材层15A例如为上述的多孔膜。高分子化合物层15B例如包含聚偏二氟乙烯等高分子化合物。这是因为物理强度优异,并且电化学稳定。需要说明的是,高分子化合物层例如可以包含多个无机粒子等多个绝缘性粒子。这是因为可以提高安全性。无机粒子的种类没有特别限定,例如为氧化铝以及氮化铝等。
在制作隔膜15的情况下,例如,通过制备包含高分子化合物以及有机溶剂等的前体溶液,在基材层15A的两面涂布前体溶液之后,使该前体溶液干燥,由此形成高分子化合物层15B。
在该情况下,通过在与面积比率R的关系中单位容量C满足适当条件,也能够得到同样的效果。在该情况下,特别是,隔膜15相对于正极13的密合性提高,并且隔膜15相对于负极14的密合性提高,因此卷绕电极体10不易变形。由此,可以抑制电解液的分解反应,并且也可以抑制浸渗于基材层15A的电解液的漏液,因此能够得到更高的效果。
[变形例2]
图6表示变形例2的二次电池(卷绕电极体10)的截面结构,与图2对应。例如,如图6所示,卷绕电极体10也可以具备作为凝胶状的电解质的电解质层16来代替作为液状电解质的电解液。
在该卷绕电极体10中,例如,如图6所示,在隔着隔膜15以及电解质层16将正极13以及负极14相互层叠之后,卷绕该正极13、负极14、隔膜15以及电解质层16。电解质层16例如介于正极13与隔膜15之间,并且介于负极14与隔膜15之间。另外,电解质层16也可以仅介于正极13与隔膜15之间以及负极14与隔膜15之间中的任一方。
电解质层16在包含电解液的同时包含高分子化合物。如上所述,在此说明的电解质层16为凝胶状的电解质,因此在该电解质层16中,电解液由高分子化合物保持。电解液的结构如上所述。另外,在作为凝胶状的电解质的电解质层16中,电解液中包含的溶剂是一个广泛的概念,不仅包含液状的材料,还包含具有能够解离电解质盐的离子传导性的材料。由此,具有离子传导性的高分子化合物也包含在溶剂中。高分子化合物例如包含均聚物以及共聚物中的一种或两种。均聚物例如为聚偏二氟乙烯等,并且共聚物例如为偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物等。
在形成电解质层16的情况下,例如,通过制备包含电解液、高分子化合物以及有机溶剂等的前体溶液,分别在正极13以及负极14上涂布前体溶液之后,使该前体溶液干燥。
在该情况下,通过在与面积比率R的关系中单位容量C满足适当条件,也能够得到同样的效果。在该情况下,特别是,由于可以抑制电解液的漏液,因此能够得到更高的效果。
<3.二次电池的用途>
二次电池的用途只要是能够将该二次电池作为驱动用的电源以及电力积蓄用的电力储存源等利用的机械、设备、器具、装置以及系统(多个设备等的集合体)等,即没有特别限定。作为电源使用的二次电池可以是主电源,也可以是辅助电源。主电源是优先使用的电源,与有无其他电源无关。辅助电源可以是代替主电源而使用的电源,也可以是根据需要从主电源切换的电源。在使用二次电池作为辅助电源的情况下,主电源的种类不限于二次电池。
具体而言,二次电池的用途例如如下所述。摄像机、数字静态照相机、移动电话、笔记本电脑、无绳电话、立体声耳机、便携式收音机、便携式电视机以及便携式信息终端等电子设备(包括便携式电子设备。)。电动剃须刀等便携式生活器具。备用电源以及存储卡等存储用装置。电钻以及电锯等电动工具。作为可装卸的电源搭载于笔记本电脑等的电池组。起搏器以及助听器等医用电子设备。电动汽车(包括混合动力汽车。)等电动车辆。防备紧急情况等而预先蓄积电力的家用电池系统等电力储存系统。当然,二次电池的用途也可以是上述的用途以外的其他用途。
实施例
对本技术的实施例进行说明。
(实验例1-1~1-54)
如以下说明的那样,在制作了图1以及图2所示的层压膜型的二次电池(锂离子二次电池)之后,评价了该二次电池的电池特性。
[二次电池的制作]
在制作正极13的情况下,首先,将91质量份的正极活性物质(层状岩盐型锂钴复合氧化物即钴酸锂(LiCoO2))、3质量份的正极粘结剂(聚偏二氟乙烯)和6质量份的正极导电剂(石墨)混合,由此制成正极合剂。接着,在有机溶剂(N-甲基-2-吡咯烷酮)中投入正极合剂之后,通过搅拌该有机溶剂,制备了糊状的正极合剂浆料。接着,使用涂布装置在正极集电体13A(带状的铝箔,厚度=12μm)的两面涂布正极合剂浆料之后,使该正极合剂浆料干燥,由此形成了正极活性物质层13B(宽度W1以及长度L1)。最后,使用辊压机对正极活性物质层13B进行压缩成型。
在制作负极14的情况下,首先,将97质量份的负极活性物质(人造石墨,中值粒径D50=10μm,(002)面的面间距S=0.3360μm)和1.5质量份的负极粘结剂(羧甲基纤维素钠)混合,由此制成负极合剂前体。接着,在水性溶剂(去离子水)中投入负极合剂前体之后,向该水性溶剂中投入以固体成分计为1.5质量份的负极粘结剂(苯乙烯-丁二烯橡胶分散液),由此制备了糊状的负极合剂浆料。接着,使用涂布装置在负极集电体14A(带状的铜箔,厚度=15μm)的两面涂布负极合剂浆料之后,使该负极合剂浆料干燥,由此形成了负极活性物质层14B(宽度W2以及长度L2)。最后,使用辊压机对负极活性物质层14B进行了压缩成型。
在此,在制作正极13以及负极14的情况下,通过分别调整正极活性物质层13B的面积S1(cm2)以及负极活性物质层14B的面积S2(cm2),使面积比率R(%)变化。另外,通过调整正极活性物质的量,使额定容量A(mAh)变化,并且分别调整正极活性物质层13B的重量M(g)以及额定容量A(mAh),由此使单位容量C(mAh/g)变化。需要说明的是,充电电压Ec(V)和基于面积比率R计算出的单位容量C的适当条件的上限值(=(-0.28×R+178)mAh/g)如表1~表4所示。
在制备电解液的情况下,在向溶剂(碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯以及碳酸二乙酯)中加入电解质盐(六氟磷酸锂)之后,搅拌了该溶剂。在该情况下,将溶剂的混合比(重量比)设为碳酸亚乙酯∶碳酸亚丙酯∶碳酸二乙酯=15∶15∶70,并且将电解质盐的含量相对于溶剂设为1.2mol/kg。
在组装二次电池的情况下,首先,在正极集电体13A上焊接铝制的正极引线11,并且在负极集电体14A上焊接了铜制的负极引线12。接着,隔着隔膜15(微多孔性聚乙烯膜,厚度=15μm)使正极13以及负极14相互层叠,由此得到层叠体。接着,在将层叠体卷绕之后,在该层叠体的表面粘贴保护带,由此得到卷绕体。
接着,以夹着卷绕体的方式折叠外包装部件20之后,将该外包装部件20中的两边的外周缘部彼此相互热熔接。作为外包装部件20,使用了依次层叠有表面保护层(尼龙膜,厚度=25μm)、金属层(铝箔,厚度=40μm)和熔接层(聚丙烯膜,厚度=30μm)的铝层压膜。在该情况下,在外包装部件20与正极引线11之间插入密合膜31(聚丙烯膜,厚度=5μm),并且在外包装部件20与负极引线12之间插入了密合膜32(聚丙烯膜,厚度=5μm)。
最后,在向外包装部件20的内部注入电解液之后,在减压环境中将外包装部件20中的剩余的一边的外周缘部彼此热熔接。由此,由于在卷绕体中浸渗有电解液,因此形成卷绕电极体10,并且将该卷绕电极体10封入外包装部件20的内部。由此,完成了层压膜型的二次电池。
[电池特性的评价]
对二次电池的电池特性进行了评价,得到表1~表4所示的结果。在此,作为电池特性调查了高温循环特性。
在调查高温循环特性的情况下,在组装二次电池之后,首先,为了使该二次电池的状态稳定化,在常温环境中(温度=25±2℃)使二次电池进行1个循环充放电。在充电时,以0.2C的电流进行恒流充电直至电池电压达到表1~表4所示的充电电压Ec后,在该电池电压下进行恒压充电直至电流达到0.05C。在放电时,以0.2C的电流进行恒流放电直至电压达到3.00V。需要说明的是,0.05C是指将电池容量(理论容量)以20小时放完电的电流值。
接着,在高温环境中(温度=45℃)下使二次电池充放电,由此测定了第2个循环的放电容量。在充电时,以1C的电流进行恒流充电直至电池电压达到4.45V后,在该4.45V的电池电压下进行恒压充电直至电流达到0.05C。在放电时,以1C的电流进行恒流放电直至电压达到3.00V。需要说明的是,1C是指将电池容量(理论容量)以1小时放完电的电流值。
接着,在相同环境中使二次电池进行500个循环充放电,由此测定了第502个循环的放电容量。充放电条件除了将充电时的电流以及放电时的电流分别变更为0.7C以外,与第2个循环的充放电条件相同。需要说明的是,0.7C是指将电池容量(理论容量)以10/7小时放完电的电流值。
最后,计算出高温维持率(%)=(第502个循环的放电容量/第2个循环的放电容量)×100。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[考察]
如表1~表4所示,在正极13包含正极活性物质(层状岩盐型锂钴复合氧化物)并且负极14包含负极活性物质(石墨)的情况下,如果将充电电压Ec提高至4.42V以上,则高温维持率根据单位容量C而变动。
具体而言,在单位容量C满足了适当条件(168≤C≤(-0.28×R+178))的情况下(实验例1-2~1-5等),与单位容量C未满足适当条件的情况(实验例1-1、1-6等)相比,高温维持率增加。更具体而言,在单位容量C满足适当条件的情况下,得到高达80%的高温维持率。在该情况下,即使在将充电电压Ec设定为任意值(=4.42V、4.45V或4.48V)的情况下,也得到同样的倾向。
(实验例2-1~2-6)
如表5所示,变更了负极14的结构(负极活性物质(人造石墨)的中值粒径D50(μm)),并且重新评价了低温循环特性,除此以外,在通过同样的步骤制作了二次电池之后,调查了该二次电池的电池特性。
在调查低温循环特性的情况下,通过上述的步骤使二次电池的状态稳定化之后,在常温环境中(温度=23℃)使二次电池进行1个循环充放电,由此测定了第2个循环的放电容量。接着,在低温环境中(温度=0℃)使二次电池进行100个循环充放电,由此测定了第102个循环的放电容量。最后,计算出低温维持率(%)=(第102个循环的放电容量/第2个循环的放电容量)×100。充放电条件除了将充电时的电流变更为0.5C并且将放电时的电流变更为0.5C以外,与调查了容量维持特性的情况相同。
[表5]
表5充电电压Ec=4.45V,面积比率R=3.2%,单位容量C=175mAh/g
在中值粒径D50在适当的范围内(=3.5μm~30μm)的情况下(实验例1-4、2-2~2-5),与中值粒径D50在适当的范围外的情况(实验例2-1、2-6)相比,可以得到高的高温维持率,并且也可以得到高的低温维持率。特别是,如果中值粒径D50为5μm~20μm(实验例1-4、2-3、2-4),则可以得到更高的高温维持率,并且也可以得到更高的低温维持率。
(实验例3-1~3-5)
如表6所示,变更了负极14的结构(负极活性物质(人造石墨)的(002)面的面间距S(nm)),并且重新评价了常温循环特性,除此以外,在通过同样的步骤制作了二次电池之后,调查了该二次电池的电池特性。
[表6]
表6充电电压Ec=4.45V,面积比率R=3.2%,单位容量C=175mAh/g
在调查常温循环特性的情况下,除了将环境温度从高温(45℃)变更为常温(25℃)以外,经过与调查高温循环特性的情况相同的步骤,由此计算出常温维持率(%)=(第502个循环的放电容量/第2个循环的放电容量)×100。
在面间距S在适当的范围内(=0.3355nm~0.3370nm)的情况下(实验例1-4、3-1~3-4),与面间距S在适当的范围外的情况(实验例3-5)相比,可以得到高的高温维持率,并且也可以得到高的常温维持率。特别是,如果面间距S为0.3356nm~0.3363nm(实验例1-4、3-2、3-3),则可以得到更高的高温维持率,并且也可以得到更高的常温维持率。
[总结]
根据表1~表6所示的结果可知,在正极13包含正极活性物质(层状岩盐型锂钴复合氧化物)并且负极14包含负极活性物质(石墨)的情况下,如果在与面积比率R的关系中单位容量C满足适当条件(168≤C≤(-0.28×R+178)),则高温循环特性得到改善。因此在二次电池中可以得到优异的电池特性。
以上,虽然列举一个实施方式以及实施例对本技术进行了说明,但该本技术的方式并不限定于在一个实施方式以及实施例中说明的方式,因此能够进行各种变形。
具体而言,对层压膜型的二次电池进行了说明,但不限于此,例如,也可以是圆筒型的二次电池、方型的二次电池以及硬币型的二次电池等其他二次电池。另外,对二次电池中使用的电池元件具有卷绕结构的情况进行了说明,但不限于此,例如,电池元件也可以具有层叠结构等其他结构。
本说明书中记载的效果仅是例示,因此本技术的效果并不限定于本说明书中记载的效果。因此,可以得到关于本技术的其他效果。

Claims (3)

1.一种二次电池,具备:
正极,具备包含锂钴复合氧化物的正极活性物质层,所述锂钴复合氧化物由下述的式(1)表示,并且具有层状岩盐型的晶体结构;
负极,具备包含石墨的负极活性物质层;以及
电解液,
在将闭路电压的上限值设为4.42V以上而进行了充放电时,在由下述的式(2)表示的单位容量与由下述的式(3)表示的面积比率的关系中,满足由下述的式(4)表示的条件,
LixCo1-yMyO2-zXz…(1)
式中,M为钛Ti、钒V、铬Cr、锰Mn、铁Fe、镍Ni、铜Cu、钠Na、镁Mg、铝Al、硅Si、锡Sn、钾K、钙Ca、锌Zn、镓Ga、锶Sr、钇Y、锆Zr、铌Nb、钼Mo、钡Ba、镧La、钨W以及硼B中的至少一种,X为氟F、氯Cl、溴Br、碘I以及硫S中的至少一种,x、y以及z满足0.8<x<1.2、0≤y<0.15以及0≤z<0.05,
单位容量=额定容量/正极活性物质层的重量…(2)
式中,额定容量是进行恒流充电直至闭路电压达到4.42V以上并且在4.42V以上的闭路电压下进行了恒压充电后,通过进行恒流放电而测定的容量,
面积比率=[1-(正极活性物质层的面积/负极活性物质层的面积)]×100…(3)
168mAh/g≤单位容量≤(-0.28×面积比率+178)mAh/g…(4)
单位容量的单位为mAh/g,面积比率以%计,额定容量的单位为mAh,正极活性物质层的重量的单位为g,正极活性物质层的面积和负极活性物质层的面积的单位为cm2
2.根据权利要求1所述的二次电池,其中,
所述石墨为多个粒子状,
所述多个粒子状的石墨的中值粒径D50为3.5μm以上且30μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池,其中,
所述石墨的(002)面的面间距为0.3355nm以上且0.3370nm以下。
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