DE102016103542A1 - Lithium-Ionen-Sekundärbatterie und diese verwendendes System - Google Patents

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Abstract

Vorgesehen ist eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, die ein Auffüllen bzw. Nachdosieren bzw. einen Nachschub von Lithiumionen innerhalb kurzer Zeit ermöglicht. Die hierin offenbarte Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist versehen mit einer gewickelten Elektrodenanordnung, in der eine lange bahnförmige positive Elektrode und eine lange bahnförmige negative Elektrode derart gewickelt sind, dass die negative Elektrode auf der Außenseite der positiven Elektrode positioniert ist; einer dritten Elektrode, die außerhalb der gewickelten Elektrodenanordnung vorgesehen ist und eine Li-Zufuhrquelle besitzt, die zum Zuführen von Lithiumion imstande ist; und einem porösen isolierenden Film, der zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung und der dritten Elektrode angeordnet ist und aus einem Material gebildet ist, das als ein Separator in einer Batterie verwendbar ist. In dieser Lithium-Ionen-Sekundärbatterie besitzt die dritte Elektrode einen Abschnitt, der über dem isolierenden Film einer äußeren Oberfläche der negativen Elektrode gegenüberliegt, die den äußersten Umfang der negativen Elektrode der gewickelten Elektrodenanordnung bildet, und besitzt einen Abschnitt, der über dem isolierenden Film einer Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegt, die mit dem Inneren der gewickelten Elektrodenanordnung in Verbindung steht und eine Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung entlang der Richtung der Wicklungsachse ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie und ein System, das diese Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendet.
  • Diese Anmeldung beansprucht Priorität basierend auf der am 31. März 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-074484 , deren gesamter Inhalt durch Verweis hierin mit einbezogen wird.
  • 2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
  • Lithium-Ionen-Sekundärbatterien sind leichter und besitzen höhere Energiedichten als herkömmliche Batterien bzw. Akkumulatoren und haben aus diesen Gründen in den letzten Jahren als Fahrzeugantriebsleistungsquellen und als sogenannte portable Leistungsquellen für Personal Computer, mobile Endgeräte und so fort Verwendung gefunden. Es steht zu erwarten, dass Lithium-Ionen-Sekundärbatterien in Zukunft insbesondere als Antriebsleistungsquellen hoher Ausgabeleistung für Fahrzeuge wie Elektrofahrzeuge (EV), Hybridfahrzeuge (HV) und Steckdosenhybridfahrzeuge (PHV) zunehmend Verbreitung finden werden.
  • Es ist jedoch bekannt, dass Lithium-Ionen-Sekundärbatterien einem Rückgang der Batteriekapazität unterliegen, wenn sie langfristig wiederholtem Laden/Entladen ausgesetzt sind. Eine Ursache für diesen Rückgang der Batteriekapazität ist der Verbrauch von Lithium aufgrund des Auftretens von Nebenreaktionen während des Ladens/Entladens und der resultierenden Abnahme des beweglichen Lithiumions.
  • Als Reaktion auf den Rückgang der Batteriekapazität, der aus diesem Grund erfolgt, wurden Techniken vorgeschlagen, bei denen die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie mit einer dritten Elektrode versehen wird, die als eine Lithiumionen-Zufuhrquelle fungiert. Konkret beschreibt die japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. H8-190934 die Anordnung einer dritten Elektrode in einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie durch Umwickeln des äußersten Umfangs der Elektrodengruppe mit einer Lithiumfolie, die als eine Lithiumionen-Zufuhrelektrode fungiert. Die japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2002-324585 beschreibt die Anordnung einer dritten Elektrode in einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, wobei eine flache plattenförmige dritte Elektrode, in der Lithiummetall an einer streifenförmigen Stromkollektorplatte angebracht ist, mit einer flachen Fläche der dritten Elektrode senkrecht zu der Wicklungsachse der gewickelten Elektrodenanordnung angeordnet ist. Wenn eine mit einer solchen dritten Elektrode versehene Batterie einen Rückgang ihrer Batteriekapazität aufweist, kann Lithiumion aus der dritten Elektrode freigesetzt werden, indem Strom zwischen die dritte Elektrode und die positive Elektrode oder negative Elektrode geführt wird. Infolgedessen kann das Lithiumion innerhalb der Batterie nachdosiert bzw. nachgefüllt bzw. nachgeschoben (replenished) werden und die Batteriekapazität kann zurückgewonnen werden.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Jedoch haben Untersuchungen des vorliegenden Erfinders bei den in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. H8-190934 und der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2002-324585 beschriebenen Techniken ein Problem dahingehend aufgezeigt, dass die Nachdosierung (replenishment) des Lithiumions viel Zeit in Anspruch nimmt. Es empfiehlt sich, dass die Bearbeitungszeit für die Kapazitätsrückgewinnung einer im Gebrauch befindlichen Lithium-Ionen-Sekundärbatterie so kurz wie möglich ist, und somit besteht ein Bedarf an einer originellen Innovation, die die Realisierung einer ausreichenden Kapazitätsrückgewinnung innerhalb kurzer Zeit ermöglicht.
  • Die vorliegende Erfindung wurde daher getätigt, um das bestehende, vorstehend bezeichnete Problem zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie mit einer dritten Elektrode, die als eine Lithiumionen-Zufuhrquelle fungieren kann, wobei diese Lithium-Ionen-Sekundärbatterie die Durchführung einer Nachdosierung von Lithiumionen innerhalb kurzer Zeit ermöglicht.
  • Die hierin offenbarte Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist versehen mit einer gewickelten Elektrodenanordnung, bei der eine lange bahnförmige positive Elektrode und eine lange bahnförmige negative Elektrode unter Verwendung einer zu der Längsrichtung orthogonalen Richtung als eine Wicklungsachse derart gewickelt sind, dass die negative Elektrode auf der Außenseite der positiven Elektrode positioniert ist; einer dritten Elektrode, die außerhalb der gewickelten Elektrodenanordnung angeordnet ist und eine Li-Zufuhrquelle besitzt, die zum Zuführen von Lithiumion imstande ist; und einem porösen isolierenden Film, der zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung und der dritten Elektrode angeordnet ist und aus einem Material gebildet ist, das als ein Separator in einer Batterie verwendbar ist.
  • Darüber hinaus besitzt in der hier offenbarten Lithium-Ionen-Sekundärbatterie die dritte Elektrode einen Abschnitt, der über dem isolierenden Film einer äußeren Oberfläche der negativen Elektrode gegenüberliegt, die den äußersten Umfang der negativen Elektrode der gewickelten Elektrodenanordnung bildet, und einen Abschnitt, der über dem isolierenden Film einer offenen Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegt, die mit dem Inneren der gewickelten Elektrodenanordnung in Verbindung steht und die eine Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung entlang der Richtung der Wicklungsachse ist.
  • Dieser Aufbau unterstützt und erleichtert die Bewegung von Lithiumion – das von der dritten Elektrode während eines Kapazitätsrückgewinnungsprozesses zugeführt wird, welcher durch einen leitenden Zustand zwischen der dritten Elektrode und einer Elektrode (typischerweise der positiven Elektrode) der gewickelten Elektrodenanordnung erfolgt – in die negative Elektrode, die sich am äußeren Umfang der gewickelten Elektrodenanordnung befindet, und aus der offenen Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung in das Innere der gewickelten Elektrodenanordnung. Folglich kann die hierin offenbarte Lithium-Ionen-Sekundärbatterie eine Nachdosierung mit einer angemessenen Menge Lithiumion innerhalb kurzer Zeit während des Kapazitätsrückgewinnungsprozesses realisieren.
  • In einem bevorzugten Aspekt der hierin offenbarten Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ferner mit einem elektrisch leitenden Batteriegehäuse versehen, das die gewickelte Elektrodenanordnung aufnimmt, und die dritte Elektrode ist in dem Batteriegehäuse aufgenommen, so dass sie mit dem Batteriegehäuse elektrisch leitend ist.
  • Dieser Aufbau ermöglicht lediglich anhand einer Verbindung durch einen externen Stromkreis zwischen dem Batteriegehäuse und der positiven Elektrode oder negativen Elektrode der gewickelten Elektrodenanordnung die einfache Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen diesen, und zwar ohne dass ein separater externer Verbindungsanschluss zu der dritten Elektrode vorgesehen sein muss. Folglich erleichtert die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie dieses Aspekts den Lithiumionennachdosierungsvorgang (Kapazitätsrückgewinnungsprozess).
  • In einem anderen bevorzugten Aspekt der hierin offenbarten Lithium-Ionen-Sekundärbatterie besitzt der isolierende Film eine Beutelform und die gewickelte Elektrodenanordnung ist in diesen beutelförmigen isolierenden Film eingesetzt. Dieser Aufbau ermöglicht die einfache Produktion einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, in der die gewickelte Elektrodenanordnung auf sichere und zuverlässige Weise von der dritten Elektrode isoliert ist.
  • In einem bevorzugten Aspekt der hierin offenbarten Lithium-Ionen-Sekundärbatterie besitzt die dritte Elektrode ein aktives Material als die Li-Zufuhrquelle, das gleich einem in der positiven Elektrode beinhalteten Positivelektroden-Aktivmaterial ist. Dieser Aufbau erfordert keine separate Herstellung eines Positivelektroden-Aktivmaterials und ist daher unter dem Gesichtspunkt der Produktion vorteilhaft.
  • In einem bevorzugten Aspekt der hierin offenbarten Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist die gewickelte Elektrodenanordnung in einer flachen Form mit zwei flachen Flächen zwischen den beiden Stirnflächen in der Richtung der Wicklungsachse ausgebildet, und der isolierende Film ist in einem Zustand enger Berührung mit den beiden flachen Flächen und Flächen der dritten Elektrode, die den flachen Flächen gegenüberliegen, angeordnet.
  • Bei diesem Aufbau ist der Abstand zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung und der dritten Elektrode typischerweise lediglich die Dicke dieses dünnen isolierenden Films, der die gleiche Dicke wie ein Separator besitzt. Infolgedessen erleichtert dieser Aufbau ferner die Bewegung des Lithiumions von der dritten Elektrode zum äußeren Umfang der gewickelten Elektrodenanordnung und unterstützt eine sogar noch schnellere Rückgewinnung der Batteriekapazität durch ein Nachdosieren von Lithiumionen.
  • Als einen Aspekt zum Lösen des vorstehend bezeichneten Problems sieht die vorliegende Erfindung auch ein Kapazitätsrückgewinnungssystem für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien vor, das die hierin offenbarte Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendet.
  • Und zwar enthält das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie gemäß irgendeinem der hierin offenbarten Aspekte, eine Überwachungsvorrichtung, die die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie überwacht, und einen Kapazitätsrückgewinnungsstromkreis, der die dritte Elektrode elektrisch mit der positiven Elektrode in der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verbindet. Das solchermaßen aufgebaute Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem ermöglicht – zum Beispiel dann, wenn die Batteriekapazität ein Niveau erreicht hat, das eine Nachdosierung erfordert, wie von der Überwachungsvorrichtung angezeigt – durch den vorgenannten Kapazitätsrückgewinnungsstromkreis eine schnelle Durchführung einer (die Batteriekapazität anhebenden) Nachdosierung von Lithiumionen in die gewickelte Elektrodenanordnung der hierin offenbarten Lithium-Ionen-Sekundärbatterie.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Darstellung, die das äußere Erscheinungsbild einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform schematisch zeigt;
  • 2 ist eine Darstellung des Querschnitts an der Linie II-II in 1;
  • 3 ist eine Darstellung, die den Aufbau der gewickelten Elektrodenanordnung einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform zeigt;
  • 4 ist eine perspektivische Darstellung, die die dritte Elektrode und den isolierenden Film, welche an der Außenseite der gewickelten Elektrodenanordnung einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform angeordnet sind, schematisch zeigt; und
  • 5 ist eine schematische Darstellung eines Batteriekapazitätsrückgewinnungssystems gemäß einer Ausführungsform.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den Figuren sind Elemente und Positionen, die die gleiche Funktion ausüben, mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, und erneute Beschreibungen wurden weggelassen oder vereinfacht. Die Abmessungsverhältnisse (Länge, Breite, Dicke und so fort) der einzelnen Figuren spiegeln nicht notwendigerweise die tatsächlichen Abmessungsverhältnisse wider. Überdies können Gegenstände, die zur Ausführung der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, in dieser Spezifikation jedoch nicht eigens beschrieben werden, für den einzelnen Fachmann basierend auf der herkömmlichen Technik in dem einschlägigen Gebiet als Gestaltungsfragen aufgefasst werden.
  • In dieser Spezifikation bezieht sich „Lithium-Ionen-Sekundärbatterie” auf eine Sekundärbatterie, bei der das Lithiumion als ein Elektrolytion verwendet wird und Laden und Entladen durch die Bewegung des Lithiumions zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode realisiert werden.
  • Darüber hinaus beziehen sich das „Positivelektroden-Aktivmaterial” und das „Negativelektroden-Aktivmaterial” in dieser Spezifikation auf aktive Materialien (das Positivelektroden-Aktivmaterial und das Negativelektroden-Aktivmaterial), die zur reversiblen Einlagerung und Extrahierung (typischerweise Interkalation und Deinterkalation) einer als Ladungsträger in der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie fungierenden chemischen Spezies (d. h. des Lithiumions) fähig sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Verwendung des Beispiels einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie – als eine Ausführungsform einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie – im Detail beschrieben, die eine Ausgestaltung besitzt, bei der eine flache gewickelte Elektrodenanordnung in einem rechteckigen Gehäuse aufgenommen ist. Dies sollte jedoch nicht so aufgefasst werden, dass die vorliegende Erfindung auf oder durch die Beschreibung dieser Ausführungsform beschränkt ist.
  • [Aufbau der gesamten Batterie]
  • 1 ist eine perspektivische Darstellung, die das äußere Erscheinungsbild einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform schematisch zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1 und zeigt das Innere der Batterie. 3 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer gewickelten Elektrodenanordnung 80 der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 zeigt.
  • Wie in 1 gezeigt, ist das Batteriegehäuse 30 der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein sogenanntes rechteckiges Gehäuse (typischerweise ein rechteckiges Parallelepiped), das an acht Stellen Ecken besitzt und zu einer Kastenform mit einem Innenraum, der der flachen gewickelten Elektrodenanordnung 80 entspricht, ausgebildet ist, siehe unten. Dieses Batteriegehäuse 30 ist mit einem Gehäusehauptkörper 32 und einem Deckel 34 versehen. Der Gehäusehauptkörper 32 ist ein flacher, kastenförmiger Behälter, der die Form eines rechteckigen Zylinders mit einem Boden besitzt und an einer Seite (der Oberseite) offen ist. Der Deckel 34 ist ein Element, das an der Öffnung (der Öffnung in der Oberseite) in dem Hauptgehäusekörper 32 angebracht ist und dadurch diese Öffnung verschließt.
  • Wie in 2 gezeigt, nimmt der Innenraum dieses Batteriegehäuses 30 die gewickelte Elektrodenanordnung 80 (s. 3) auf, die in einer zu ihrer Wicklungsachse orthogonalen Richtung abgeflacht wurde. Eine dritte Elektrode 10 und ein isolierender Film 20, siehe unten, sind zwischen dem Gehäusehauptkörper 32 und der gewickelten Elektrodenanordnung 80 angeordnet.
  • Ein Positivelektrodenanschluss 42 und ein Negativelektrodenanschluss 44 sind in dem Deckel 34 des Batteriegehäuses 30 angebracht. Der Positivelektrodenanschluss 42 und der Negativelektrodenanschluss 44 verlaufen beide durch das Batteriegehäuse 30 (den Deckel 34) und erstrecken sich nach außen aus dem Batteriegehäuse 30. Ein Sicherheitsventil 35 ist auch in dem Deckel 34 vorgesehen. Eine Einfüllöffnung (nicht gezeigt) zum Einfüllen von nicht-wässriger Elektrolytlösung während der Batteriefertigung ist neben dem Sicherheitsventil 35 vorgesehen. Eine Naht 32a zwischen dem Deckel 34 und dem Gehäusehauptkörper 32 wird beispielsweise durch Laserschweißen versiegelt.
  • [Elektrodenanordnung]
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, wird die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete gewickelte Elektrodenanordnung 80 durch Aufeinanderstapeln einer langen bahnförmigen positiven Elektrode (der Positivelektrodenbahn) 50, einer langen bahnförmigen negativen Elektrode (der Negativelektrodenbahn) 60 und zwei langen bahnförmigen Separatoren 70 und 72 und Wickeln bereitgestellt. Hier wird das Wickeln unter Verwendung der zu der Längsrichtung orthogonalen Richtung als die Wicklungsachse durchgeführt, so dass die negative Elektrode 60 auf der Außenseite der positiven Elektrode 50 positioniert ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Separator 70 der äußerste Umfang der gewickelten Elektrodenanordnung 80, doch kann durch Einstellen der Länge des Separators 70 die negative Elektrode 60 zum äußersten Umfang gemacht werden.
  • Wie in 3 gezeigt, besitzt die Positivelektrodenbahn 50 einen langen Positivelektroden-Stromkollektor 52 (Positivelektrodenkern). Darüber hinaus besitzt die Positivelektrodenbahn 50 sowohl einen von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereich (unbeschichteten Bereich) 53 als auch eine Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54. Der von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich 53 ist – in der Breitenrichtung (Richtung orthogonal zu der Längsrichtung) betrachtet – entlang der Kante an einer Seite des Positivelektroden-Stromkollektors 52 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 auf beiden Seiten des Positivelektroden-Stromkollektors 52 gebildet, sie kann jedoch auch nur auf einer Seite des Positivelektroden-Stromkollektors 52 gebildet sein.
  • Die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 ist eine Schicht, die ein Positivelektroden-Aktivmaterial enthält. Die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 kann typischerweise eine Ausgestaltung besitzen, bei der das Positivelektroden-Aktivmaterial durch Verwenden eines Bindemittels sowohl im Innern mit einem elektrisch leitenden Material zusammengehalten wird als auch an den Positivelektroden-Stromkollektor 52 gefügt wird. Eine solche Positivelektrodenbahn 50 kann typischerweise zum Beispiel durch Erstellen einer Positivelektrodenpaste (die Paste umfasst die als Schlämmen, Tinten und so fort bekannten Formen) durch Dispergieren des Positivelektroden-Aktivmaterials, eines elektrisch leitenden Materials und eines Bindemittels in einem geeigneten Lösungsmittel; Zuführen dieser Positivelektrodenpaste zu einer Oberfläche des Positivelektroden-Stromkollektors 52 mit Ausnahme des von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereichs 53; und Trocknen zum Entfernen des Lösungsmittels gefertigt werden. Ein elektrisch leitendes Element, das aus einem Metall mit hervorragender elektrischer Leitfähigkeit (zum Beispiel Aluminium, Nickel, Titan und Edelstahl) gebildet ist, kann geeigneter Weise als der Positivelektroden-Stromkollektor 52 verwendet werden. Hier wird eine Aluminiumfolie als der Positivelektroden-Stromkollektor 52 verwendet.
  • Eine lithiumhaltige Verbindung (zum Beispiel ein Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxid), das das Element Lithium sowie ein oder zwei oder mehr Übergangsmetallelemente enthält und das ein Material ist, das zur Einlagerung und Extrahierung des Lithiumions imstande ist, kann vorteilhafterweise als das Positivelektroden-Aktivmaterial verwendet werden. Bevorzugte Beispiele sind Lithium-Übergangsmetall-Oxide mit einer geschichteten Steinsalz- oder kristallinen Spinell-Struktur. Beispiele sind Lithium-Nickel-Verbundoxide (zum Beispiel LiNiO2), Lithium-Kobalt-Verbundoxide (zum Beispiel LiCoO2) und Lithium-Mangan-Verbundoxide (zum Beispiel LiMn2O4) sowie lithiierte ternäre Verbundoxide, wie etwa Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Verbundoxide (zum Beispiel LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2). Verbindungen vom Polyanion-Typ, repräsentiert durch die allgemeine Formel LiMPO4 oder LiMVO4, Li2MSiO4 (wobei M in den Formeln mindestens ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Co, Ni, Mn und Fe ist) oder dergleichen, können auch als das Positivelektroden-Aktivmaterial verwendet werden.
  • Das elektrisch leitende Material kann ein elektrisch leitendes Material sein wie bislang in Lithium-Ionen-Sekundärbatterien dieses Typs verwendet und kann beispielhaft durch Kohlenstoffpulver, z. B. Kohlenstoffruß und so fort, und durch Kohlenstoffmaterialien wie etwa Kohlenstofffasern und so fort angegeben werden.
  • Die gleichen Bindemittel wie in den positiven Elektroden gewöhnlicher Lithium-Ionen-Sekundärbatterien verwendet können gegebenenfalls als das Bindemittel verwendet werden. Wenn beispielsweise die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 durch Zuführen einer Paste gebildet wird und wenn eine nicht-wässrige Paste verwendet wird, kann ein Polymermaterial verwendet werden, das sich in organischem Lösungsmittel löst, z. B. ein Vinylhalogenidharz, wie etwa Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenchlorid (PVDC) und so fort, oder ein Polyalkylenoxid, wie etwa Polyethylenoxid (PEO) und so fort. Wenn eine wässrige Paste verwendet wird, ist die Verwendung eines wasserlöslichen Polymermaterials oder eines wasserdispergierbaren Polymermaterials, z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und so fort, bevorzugt.
  • Irgendein wässriges Lösungsmittel oder nicht-wässriges Lösungsmittel (organisches Lösungsmittel), das an die Eigenschaften des verwendeten Bindemittels angepasst ist, kann als das Lösungsmittel zum Dispergieren der Materialien, die die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 bilden, verwendet werden. Zum Beispiel kann Wasser oder ein Lösungsmittelgemisch, das zum größten Teil aus Wasser besteht, als das wässrige Lösungsmittel verwendet werden. Beispielsweise kann vorteilhafterweise N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) für das nicht-wässrige Lösungsmittel verwendet werden.
  • Wie in 3 gezeigt, besitzt die Negativelektrodenbahn 60 einen langen Negativelektroden-Stromkollektor 62 (Negativelektrodenkern). Darüber hinaus besitzt die Negativelektrodenbahn 60 sowohl einen von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereich (unbeschichteten Bereich) 63 als auch eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64. Der von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich 63 ist – in der Breitenrichtung betrachtet – entlang der Kante an einer Seite des Negativelektroden-Stromkollektors 62 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 auf beiden Seiten des Negativelektroden-Stromkollektors 62 gebildet, sie kann jedoch auch nur auf einer Seite des Negativelektroden-Stromkollektors 62 gebildet sein.
  • Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 ist eine Schicht, die ein Negativelektroden-Aktivmaterial enthält. Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 kann typischerweise eine Ausgestaltung besitzen, bei der das Negativelektroden-Aktivmaterial durch Verwenden eines Bindemittels sowohl im Innern zusammengehalten wird als auch an den Negativelektroden-Stromkollektor 62 gefügt wird. Eine solche Negativelektrodenbahn 60 kann zum Beispiel durch Vorbereiten einer Negativelektrodenpaste durch Dispergieren des Negativelektroden-Aktivmaterials und Bindemittels in einem geeigneten Lösungsmittel (zum Beispiel Wasser oder N-Methyl-2-pyrrolidon und vorzugsweise Wasser); Zuführen dieser Negativelektrodenpaste zu der Oberfläche des Negativelektroden-Stromkollektors 62; und Trocknen zum Entfernen des Lösungsmittels gefertigt werden. Ein elektrisch leitendes Element, das aus einem Metall mit hervorragender elektrischer Leitfähigkeit (zum Beispiel Kupfer, Nickel, Titan und Edelstahl) gebildet ist, wird geeigneterweise als der Negativelektroden-Stromkollektor 62 verwendet. Hier wird eine Kupferfolie als der Negativelektroden-Stromkollektor 62 verwendet.
  • Das Negativelektroden-Aktivmaterial unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, und die verschiedenen Materialien, die bekanntermaßen als das Negativelektroden-Aktivmaterial dieser Art von Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendbar sind, können entweder allein als einzige Auswahl oder als die Kombination (als ein Gemisch oder hergestellter Verbund) von zwei oder mehreren Auswahlmöglichkeiten verwendet werden. Bevorzugte Beispiele sind Kohlenstoffmaterialien wie Graphit, schlecht graphitierbarer Kohlenstoff (Hartkohlenstoff), leicht graphitierbarer Kohlenstoff (Weichkohlenstoff), Kohlenstoff-Nanoröhren und Strukturen, in denen die Vorstehenden kombiniert sind. Die Verwendung von amorphem kohlenstoffbeschichtetem Graphit als das Negativelektroden-Aktivmaterial kann eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie realisieren, die insbesondere eine hohe Kapazität, eine hohe Energiedichte und hervorragende Ein-/Ausgabekennwerte besitzt.
  • Die gleichen Bindemittel wie jene, die in den negativen Elektroden gewöhnlicher Lithium-Ionen-Sekundärbatterien verwendet können, können gegebenenfalls als das Bindemittel verwendet werden. Beispielsweise kann das gleiche Bindemittel wie in der Positivelektrodenbahn 50 verwendet werden.
  • Ein Verdickungsmittel kann je nach dem Verfahren zum Bilden der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 integriert werden. Dieses Verdickungsmittel kann das gleiche sein wie das zuvor beschriebene Bindemittel, und beispielsweise kann ein wasserlösliches oder wasserdispergierbares Polymer, wie etwa Methylcellulose (MC) oder Carboxymethylcellulose (CMC), verwendet werden.
  • Die Separatoren 70, 72 sind Elemente, die die Positivelektrodenbahn 50 von der Negativelektrodenbahn 60 trennen. Die Separatoren 70, 72 ermöglichen das Hindurchwandern des Lithiumions und sind so aufgebaut, dass sie die Fähigkeit besitzen, einen nicht-wässrigen Elektrolyten zu halten und eine Abschaltfunktion zu haben. Ein poröser Film oder ein Vliesstoff, der aus einem Harz hergestellt ist, z. B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und so fort, kann als die Separatoren 70, 72 verwendet werden.
  • Die Dicke der Separatoren 70, 72 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, doch ist ungefähr 5 μm bis 40 μm bevorzugt. Indem die Dicke der Separatoren 70, 72 in den angegebenen Bereich gebracht wird, wird für die Separatoren 70, 72 eine bessere Ionendurchlässigkeit erreicht und das Auftreten eines Filmbruchs wird erschwert.
  • Eine wärmebeständige Schicht (HRL) kann auf den Flächen der Separatoren 70, 72 angeordnet sein, die der negativen Elektrode gegenüberliegen.
  • Die gewickelte Elektrodenanordnung 80 kann durch Stapeln der Positivelektrodenbahn 50 mit der Negativelektrodenbahn 60 mit den zwischen der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 und der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 angeordneten Separatoren 70, 72; Wickeln in der Längsrichtung; und danach Abflachen in eine flache Form durch Pressen der erhaltenen Wicklung aus einer Seitenrichtung gefertigt werden.
  • In der gewickelten Elektrodenanordnung 80 stehen der von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich (unbeschichtete Bereich) 53 der Positivelektrodenbahn 50 und der von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich (unbeschichtete Bereich) 63 der Negativelektrodenbahn 60 an einander gegenüberliegenden Seiten – in der Breitenrichtung (d. h. der Richtung entlang der Wicklungsachse) der Separatoren 70, 72 betrachtet – über. Ein Positivelektroden-Stromkollektoranschluss 92 ist an dem von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereich 53 angebracht und mit dem vorgenannten Positivelektrodenanschluss 42 verbunden. Der Positivelektroden-Stromkollektoranschluss 92 ist zum Beispiel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich in diesem Beispiel der Positivelektroden-Stromkollektoranschluss 92 zum mittleren Bereich des von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereichs 53 der gewickelten Elektrodenanordnung 80. Die Spitze des Positivelektroden-Stromkollektoranschlusses 92 ist mit dem mittleren Bereich des von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereichs 53 verschweißt (beispielsweise durch Ultraschallschweißen). Darüber hinaus ist ein Negativelektroden-Stromkollektoranschluss 94 an dem von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereich 63 angebracht und mit dem vorgenannten Negativelektrodenanschluss 44 verbunden. Der Negativelektroden-Stromkollektoranschluss 94 ist beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Der Negativelektroden-Stromkollektoranschluss 94 erstreckt sich zu dem mittleren Bereich des von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereichs 63 der gewickelten Elektrodenanordnung 80. Die Spitze des Negativelektroden-Stromkollektoranschlusses 94 ist mit dem mittleren Bereich des von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freien Bereichs 63 verschweißt (beispielsweise durch Ultraschallschweißen).
  • Demgemäß sind die beiden Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung 80 – entlang der Richtung der Wicklungsachse betrachtet – eine Fläche 84a, die durch das Aufeinanderstapeln des freiliegenden Positivelektroden-Stromkollektors 52 zum Bilden eines Bündels gebildet wird, bzw. eine Fläche 84b, die durch das Aufeinanderstapeln des freiliegenden Negativelektroden-Stromkollektors 62 zum Bilden eines Bündels gebildet wird, und stellen somit offene Stirnflächen 84a, 84b dar, die mit dem Inneren der gewickelten Elektrodenanordnung 80 in Verbindung stehen. Darüber hinaus sind die beiden flachen Flächen 82 – entlang der Richtung der Wicklungsachse betrachtet – zwischen den beiden Stirnflächen 84a, 84b vorhanden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform und wie in 3 gezeigt, ist die Breite b1 der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 ein wenig größer als die Breite a1 der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54. Überdies sind die Breiten c1, c2 der Separatoren 70, 72 geringfügig größer als die Breite b1 der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 64 (c1, c2 > b1 > a1). Die Positivelektrodenbahn 50, die Negativelektrodenbahn 60 und die Separatoren 70, 72 sind in der Längsrichtung gleich und sind in der folgenden Reihenfolge aufeinandergestapelt: Positivelektrodenbahn 50, Separator 70, Negativelektrodenbahn 60, Separator 72. Überdies wird das Stapeln so durchgeführt, dass der von der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich (unbeschichtete Bereich) 53 der Positivelektrodenbahn 50 und der von der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht freie Bereich (unbeschichtete Bereich) 63 der Negativelektrodenbahn 60 an einander gegenüberliegenden Seiten – in der Breitenrichtung der Separatoren 70, 72 betrachtet – überstehen. Das gestapelte Bahnmaterial ist um die Wicklungsachse gewickelt, die in der Breitenrichtung ausgerichtet wurde.
  • [Dritte Elektrode]
  • Die dritte Elektrode 10 befindet sich außerhalb der gewickelten Elektrodenanordnung 80. Unter diesen Umständen und wie in 4 gezeigt, besitzt die dritte Elektrode 10 Abschnitte, die der äußeren Oberfläche der negativen Elektrode 60 gegenüberliegen, die den äußersten Umfang der negativen Elektrode 60 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 bildet, und besitzt Abschnitte, die den offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegen, die die Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung 80 entlang der Richtung der Wicklungsachse sind. In der vorliegenden Ausführungsform und wie in 4 gezeigt, ist die dritte Elektrode 10 konkret zu einer streifenförmigen Bahn ausgebildet und ist am Außenumfang der gewickelten Elektrodenanordnung 80 positioniert, so dass sie den beiden flachen Flächen 82 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 gegenüberliegt, die die äußeren Oberflächen der negativen Elektrode 60 sind, welche den äußersten Umfang der negativen Elektrode 60 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 bildet, und so dass sie den offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegt. Die dritte Elektrode 10 braucht nicht der gesamten Fläche ohne Ausnahme einer flachen Fläche 82 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 gegenüberzuliegen und kann nur einem Teil gegenüberliegen. Darüber hinaus braucht die dritte Elektrode 10 nicht der gesamten Oberfläche der offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberzuliegen und kann nur einem Teil gegenüberliegen. Zum Beispiel kann sie von den offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung, die – entlang der Richtung der Wicklungsachse betrachtet – an den beiden Enden vorhanden sind, nur einer der offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegen (beispielsweise der offenen Stirnfläche 84a auf der Seite, auf der der Positivelektroden-Stromkollektor 52 freiliegt).
  • Die dritte Elektrode 10 besitzt eine Li-Zufuhrquelle, die zum Zuführen von Lithiumion imstande ist. Diese Li-Zufuhrquelle kann beispielhaft durch Lithiummetall angegeben werden, doch sind für die Li-Zufuhrquelle jene oben beschriebenen Stoffe, die als das Positivelektroden-Aktivmaterial verwendbar sind, stärker bevorzugt. Demgemäß ist eine vorteilhafte Ausgestaltung für die dritte Elektrode ein Aufbau mit einer Aktivmaterialschicht, die ein Positivelektroden-Aktivmaterial (nachstehend auch als die „Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode” bezeichnet) auf einer Oberfläche (d. h. der Oberfläche, die der gewickelten Elektrodenanordnung 80 gegenüberliegt) eines aus einer dünnen Metallplatte, z. B. Aluminiumfolie, gebildeten Substrats enthält. Beispielsweise kann die Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode den gleichen Aufbau haben wie die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 der gewickelten Elektrodenanordnung 80. Das heißt, sie kann unter Verwendung des gleichen Positivelektroden-Aktivmaterials, elektrisch leitenden Materials und Bindemittels gebildet werden, das für die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 verwendet wird. Das Positivelektroden-Aktivmaterial und so fort, welche für die Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode verwendet werden, können gleich oder verschieden sein von jenen in der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54, sind jedoch vorzugsweise die gleichen wie jene in der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54. Die Verwendung des gleichen Positivelektroden-Aktivmaterials in der Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode wie in der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54 ist im Hinblick auf die Produktion vorteilhaft, da dann keine separate Herstellung eines Positivelektroden-Aktivmaterials notwendig ist.
  • Eine dritte Elektrode 10 mit einer solchen Ausgestaltung kann das gleiche Metallsubstrat (typischerweise eine Aluminiumfolie) verwenden wie für den Positivelektroden-Stromkollektor 52. Darüber hinaus kann das Verfahren zum Bilden der Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode das gleiche sein wie für die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 54. Es genügt, die Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode nur auf einer Seite der Stromkollektorbahn zu bilden, und dann wird die Seite der Stromkollektorbahn, auf der die Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode angeordnet ist, auf der Seite der gewickelten Elektrodenanordnung 80 platziert.
  • Die dritte Elektrode 10 kann durch Anordnen der Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode auf der Oberfläche des Batteriegehäuses 30 gebildet werden. Beispielsweise kann das folgende Verfahren durchgeführt werden, um die Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode auf der Oberfläche des Batteriegehäuses 30 zu platzieren. Zuerst wird eine Positivelektrodenpaste – die durch Dispergieren eines Positivelektroden-Aktivmaterials, elektrisch leitenden Materials und Bindemittels in einem geeigneten Lösungsmittel erstellt wird – in das Batteriegehäuse 30 gefüllt. Das Batteriegehäuse 30 wird dann etwa 30 Minuten lang in eine Warmbadvorrichtung bei etwa 60°C gegeben, gefolgt von der Ausgabe der Positivelektrodenpaste aus dem Batteriegehäuse 30. Die Aktivmaterialschicht der dritten Elektrode wird dann auf der Oberfläche des Batteriegehäuses 30 gebildet, indem das Batteriegehäuse 30 in einen Trockner eingebracht und etwa 10 Minuten lang bei etwa 120°C getrocknet wird.
  • In 4 ist eine einzige Bahn der dritten Elektrode 10 außen an den flachen Flächen 82 und den offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung 80 angeordnet; jedoch muss die gewickelte Elektrodenanordnung 80 nicht notwendigerweise von einer einzigen Bahn der dritten Elektrode 10 umgeben sein. Beispielsweise können vier Bahnen der dritten Elektrode, die den beiden flachen Flächen 82 bzw. den offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung 80 gegenüberliegen, an der Außenseite der gewickelten Elektrodenanordnung 80 angeordnet sein. In diesem Fall können die vier Bahnen der dritten Elektrode in Berührung miteinander, die gewickelte Elektrodenanordnung 80 umgebend (d. h. die Außenumfangsfläche der gewickelten Elektrodenanordnung 80 einfassend), angeordnet sein oder können getrennt voneinander außerhalb der gewickelten Elektrodenanordnung 80 angeordnet sein.
  • [Isolierender Film]
  • Ein isolierender Film 20, der die gewickelte Elektrodenanordnung 80 von der dritten Elektrode 10 trennt, ist zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung 80 und der dritten Elektrode 10 platziert. Dieser isolierende Film 20 verhindert einen direkten Kontakt zwischen der dritten Elektrode 10 und der gewickelten Elektrodenanordnung 80, welche das Leistungserzeugungselement ist, und kann dadurch eine Isolierung zwischen der Elektrodenanordnung 80 und der dritten Elektrode 10 sichern. Sofern er die Elektrodenanordnung 80 von der dritten Elektrode 10 trennen kann, unterliegt die Form des isolierenden Films 20 keinen besonderen Einschränkungen; jedoch besitzt der isolierende Film 20 in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 2 bis 4 gezeigt, eine Beutelform (insbesondere die Form eines Beutels, der mit einem Boden versehen ist und eine Öffnung am oberen Ende (der Seite des Deckels 34) besitzt), und die gewickelte Elektrodenanordnung 80 ist in den beutelförmigen isolierenden Film 20 eingesetzt. Die Verwendung einer Beutelform für den isolierenden Film 20 ermöglicht ein sicheres Isolieren der gewickelten Elektrodenanordnung 80 von der dritten Elektrode 10, während auch eine Isolierung zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung 80 und dem Batteriegehäuse 30 erreicht wird.
  • Der isolierende Film 20 ist aus einem Material gebildet, das als ein Separator in einer Batterie verwendet werden kann, so dass die Permeation des Lithiumions ermöglicht wird. Er ist konkret aus einem porösen Film oder Vliesstoff gebildet, der aus einem Harz wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyester, Cellulose, Polyamid und so fort hergestellt ist. Von diesen ist ein poröser Film aus einem Polyolefinharz, wie etwa PE oder PP, bevorzugt. Der isolierende Film 20 kann eine einschichtige Struktur sein, die aus einem einzigen porösen Film oder Vliesstoff aufgebaut ist, oder kann eine Struktur sein, in der zwei oder mehr poröse Filme oder Vliesstoffe, die unterschiedliche Materialien oder Eigenschaften (zum Beispiel mittlere Dicke oder Porigkeit) besitzen, aufeinandergestapelt sind (zum Beispiel eine dreischichtige Struktur, in der eine PP-Schicht auf beide Seiten einer PE-Schicht laminiert ist). Das Material des isolierenden Films 20 kann das gleiche oder ein anderes sein als jenes der Separatoren 70, 72.
  • Die Dicke des isolierenden Films 20 kann die gleiche sein wie die Dicke der Separatoren 70, 72 und beträgt vorzugsweise etwa 5 μm bis 40 μm (beispielsweise 10 μm bis 30 μm und typischerweise 15 μm bis 25 μm). Die Dicke des isolierenden Films 20 kann die gleiche oder eine andere sein als jene der Separatoren 70, 72.
  • Bei der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die dritte Elektrode 10 durch unter anderem einen externen Stromkreis, der kein Strukturelement der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 ist, mit der positiven Elektrode 50 (Positivelektrodenanschluss 42) oder der negativen Elektrode 60 (Negativelektrodenanschluss 44) elektrisch verbunden sein. Um die elektrische Verbindung zu ermöglichen, kann an der dritten Elektrode 10 ein Anschluss, der außerhalb des Batteriegehäuses verläuft (ein Anschluss zur Verbindung mit dem externen Stromkreis), vorgesehen sein, doch ist in der vorliegenden Ausführungsform das Batteriegehäuse 30 elektrisch leitend und die dritte Elektrode 10 ist in dem Batteriegehäuse 30 aufgenommen, so dass sie mit dem Batteriegehäuse 30 elektrisch leitend ist. Konkret ist die dritte Elektrode 10 innerhalb des Batteriegehäuses 30 in Berührung mit der Innenwand des Batteriegehäuses 30 angeordnet. Ein solcher Aufbau ermöglicht es, die elektrische Anbindung des externen Stromkreises auf einfache Weise nur durch eine Verbindung des Batteriegehäuses 30 mit der positiven Elektrode 50 (Positivelektrodenanschluss 42) oder der negativen Elektrode 60 (Negativelektrodenanschluss 44) herzustellen, und erleichtert somit die Ausführung des Prozesses der Nachdosierung des Lithiumions in der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 (Kapazitätsrückgewinnungsprozess), siehe unten.
  • Das Material des Batteriegehäuses 30 ist vorzugsweise ein Metallmaterial wie etwa Aluminium, Edelstahl, vernickelter Stahl und so fort, und das Batteriegehäuse 30 (konkret der Hauptkörper 32 und der Deckel 34) ist bevorzugter aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Wenn an der dritten Elektrode 10 ein Anschluss angeordnet wird, kann auch ein aus einem Harz hergestelltes Batteriegehäuse 30 verwendet werden.
  • Eine Elektrolytlösung (nicht gezeigt) wird in das Innere des Batteriegehäuses 30 gefüllt. Eine nicht-wässrige Elektrolytlösung, die ein nicht-wässriges Lösungsmittel und ein in dem Lösungsmittel lösliches Lithiumsalz (Trägerelektrolyt) enthält, kann vorzugsweise als die Elektrolytlösung verwendet werden. Ein aprotisches Lösungsmittel, wie etwa Carbonate, Ester, Ether, Nitrile, Sulfone, Laktone und so fort, kann als dieses nichtwässrige Lösungsmittel verwendet werden.
  • Dieser Trägerelektrolyt kann einer oder mehrere sein, ausgewählt aus den verschiedenen Lithiumsalzen, die bekanntermaßen imstande sind, als Trägerelektrolyten in den Elektrolytlösungen in Lithium-Ionen-Sekundärbatterien zu fungieren, z. B. LiPF6. Die Konzentration des Trägerelektrolyten (Trägersalzes) unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, und sie kann beispielsweise die gleiche sein wie in den Elektrolytlösungen, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Sekundärbatterien verwendet werden. Typischerweise ist die Verwendung einer nicht-wässrigen Elektrolytlösung, die den Trägerelektrolyten in einer Konzentration von ungefähr 0,1 mol/1 bis 5 mol/l enthält, bevorzugt.
  • Mit dem Ziel der weiteren Verbesserung der Eigenschaften der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 kann die nicht-wässrige Elektrolytlösung ferner ein Additiv, wie etwa einen Filmbildner, ein Überladungsadditiv, Tensid, Dispergiermittel, Verdickungsmittel und so fort, enthalten.
  • Die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 kann erstellt werden, indem wie oben beschrieben vorgegangen wird. Bei wiederholtem Laden/Entladen kann die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 der vorliegenden Ausführungsform genau wie eine gewöhnliche Lithium-Ionen-Sekundärbatterie einem Rückgang der beweglichen Lithiumionen und einem Rückgang der Batteriekapazität unterliegen. Jedoch ist die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 der vorliegenden Ausführungsform mit der dritten Elektrode 10 versehen, die imstande ist, in solchen Fällen Lithiumion zuzuführen. Wenn somit die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 tatsächlich einem Rückgang unterliegt – und typischerweise nachdem die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 auf einen vollständig geladenen Zustand gebracht wurde (zum Beispiel einen Zustand, in dem die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 auf einen SOC von 100% oder annähernd auf dieses Niveau geladen wurde) – kann das Lithiumion in die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 nachdosiert werden, indem die Freisetzung des Lithiumions aus der dritten Elektrode 10 durch Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der dritten Elektrode 10 und der positiven Elektrode 50 (Positivelektrodenanschluss 42) oder negativen Elektrode 60 (Negativelektrodenanschluss 44) bewirkt wird. Das heißt, die Kapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 kann zurückgewonnen werden. Die Freisetzung von Lithiumionen wird unter Verwendung der Potentialdifferenz zwischen der dritten Elektrode 10 und der gewickelten Elektrodenanordnung 80 als die Antriebskraft erreicht. Da die Potentialdifferenz die Antriebskraft ist, kann das Nachdosieren von Lithiumionen an der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 ohne die Verwendung einer externen Leistungsquelle durchgeführt werden. Die positive Elektrode 50 (Positivelektrodenanschluss 42) ist in dem Lithiumionennachdosierprozess vorzugsweise mit der dritten Elektrode 10 elektrisch verbunden, da dies eine gleichmäßigere Zufuhr des Lithiumions zu der gewickelten Elektrodenanordnung 80 ermöglicht.
  • Da die dritte Elektrode 10 den flachen Flächen 82 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 gegenüberliegt, wird die Migration des Lithiumions zu der negativen Elektrode, die sich am Außenumfang der gewickelten Elektrodenanordnung 80 befindet, während der Kapazitätsrückgewinnung der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erleichtert. Insbesondere wird sodann, da die dritte Elektrode 10 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 über dem isolierenden Film 20 gegenüberliegt, die Migration des Lithiumions zu der negativen Elektrode erleichtert. Darüber hinaus wird auch die Migration des Lithiumions in das Innere der gewickelten Elektrodenanordnung 80 erleichtert, da die dritte Elektrode 10 den offenen Stirnflächen 84a, 84b der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegt, welche mit dem Inneren der gewickelten Elektrodenanordnung 80 in Verbindung stehen. Demgemäß wird aufgrund der Anordnung der dritten Elektrode 10 in der vorliegenden Ausführungsform die Migration des Lithiumions zum Außenumfang und in das Innere der gewickelten Elektrodenanordnung 80 erleichtert, und demzufolge kann das Nachdosieren von Lithiumionen in kürzerer Zeit durchgeführt werden als bislang.
  • Der isolierende Film 20 ist hier vorzugsweise in einem Zustand enger Berührung mit den beiden flachen Flächen 82 der gewickelten Elektrodenanordnung 80 und jenen Flächen der dritten Elektrode 10, die diesen flachen Flächen 82 gegenüberliegen, angeordnet. Bei einer solchen Anordnung ist der Abstand zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung 80 und der dritten Elektrode 10 nur die Dicke des dünnen isolierenden Films 20, der die gleiche Dicke besitzt wie ein Separator, und demzufolge kann das Lithiumion einfach von der dritten Elektrode 10 zum Außenumfang der gewickelten Elektrodenanordnung 80 migrieren, und die Rückgewinnung der Batteriekapazität durch das Nachdosieren von Lithiumionen kann sogar noch schneller vonstattengehen.
  • Die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Ein Beispiel einer vorteilhaften Anwendung ist eine Antriebsleistungsquelle, die in einem Fahrzeug wie einem Elektrofahrzeug (EV), Hybridfahrzeug (HV), Steckdosenhybridfahrzeug (PHV) und so fort montiert ist.
  • Die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 kann auch in Form eines Batterie-Packs verwendet werden, in dem typischerweise eine Mehrzahl davon in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
  • In einem anderen Aspekt, und wie in 5 beispielhaft dargestellt, ist hierin auch ein Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem 200 offenbart, das mit der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100, einer Überwachungsvorrichtung 110 (zum Beispiel einem Spannungsmessgerät und/oder Strommessgerät), welche die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 überwacht, und einem Kapazitätsrückgewinnungsstromkreis 120, welcher die dritte Elektrode 10 mit der positiven Elektrode 50 in der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 elektrisch verbindet, versehen ist.
  • Die Überwachungsvorrichtung 110 in dem hierin offenbarten Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem 200 überwacht die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 unter Verwendung eines Spannungsmessgeräts oder Strommessgeräts. Der Kapazitätsrückgewinnungsstromkreis 120 wird abgeschaltet, wenn die Batteriekapazität größer oder gleich einem Sollwert ist. Unterschreitet die Batteriekapazität jedoch den Sollwert, so wird die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 auf einen vollständig geladenen Zustand gebracht (SOC = 100%); der Kapazitätsrückgewinnungsstromkreis 120 wird anschließend angeschlossen; und das Lithiumion wird aus der dritten Elektrode 10 der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 nachdosiert und die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 wird dadurch zurückgewonnen. Wenn die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie 100 abgenommen hat, wird durch das Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem 200 innerhalb kurzer Zeit eine Nachdosierung des Lithiumions durchgeführt.
  • Neben den in 5 gezeigten Strukturelementen kann das hierin offenbarte Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem 200 verschiedene andere Elemente zum Durchführen des Batteriekapazitätsrückgewinnungsprozesses enthalten (zum Beispiel einen Steuerabschnitt, der den Ausführungsmodus (Stromwert und so fort) des Batteriekapazitätsrückgewinnungsprozesses steuert); da derartige Strukturen jedoch gleich jenen in einem herkömmlichen Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem sein können, wird auf eine detailliertere Erläuterung verzichtet.
  • Mehrere Beispiele, die die vorliegende Erfindung betreffen, werden nachfolgend beschrieben, doch sollte dies nicht so aufgefasst werden, dass die vorliegende Erfindung auf oder durch die Angaben in den Beispielen beschränkt ist.
  • [Fertigung einer Sekundärbatterie]
  • Eine Schlämme zum Bilden der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht wurde durch Vermischen/Verkneten von LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 als das Positivelektroden-Aktivmaterial, Acetylenruß als das elektrisch leitende Material und PVDF als das Bindemittel in NMP in einem Massenverhältnis von 93/4/3 erstellt. Diese Schlämme wurde auf beide Seiten einer Aluminiumfolie (Positivelektroden-Stromkollektor) aufgetragen, gefolgt von Trocknen und dann einem Pressvorgang, um eine positive Elektrode mit einer Positivelektroden-Aktivmaterialschicht auf einem Positivelektroden-Stromkollektor zu fertigen.
  • Dann wurde eine Schlämme zum Bilden der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht durch Vermischen/Verkneten von Graphit als das Negativelektroden-Aktivmaterial, SBR als das Bindemittel und CMC als das Verdickungsmittel in deionisiertem Wasser in einem Massenverhältnis von 98/1/1 erstellt. Diese Schlämme wurde auf beide Seiten einer Kupferfolie (Negativelektroden-Stromkollektor) aufgetragen, gefolgt von Trocknen und dann Walzenpressung, um eine negative Elektrode mit einer Negativelektroden-Aktivmaterialschicht auf einem Negativelektroden-Stromkollektor zu fertigen.
  • Auch zwei Separatoren aus porösem PE-Film wurden erstellt.
  • Positive Elektrode, Separator, negative Elektrode und Separator wurden in der angegebenen Reihenfolge aufeinandergestapelt, und dieser Stapel wurde gewickelt und gepresst, um eine flache gewickelte Elektrodenanordnung zu bereiten. Das Wickeln wurde derart durchgeführt, dass die negative Elektrode auf der Außenseite der positiven Elektrode positioniert ist.
  • Unter Verwendung des gleichen porösen PE-Films wie jenem, der für die Separatoren verwendet wurde, wurde ein beutelförmiger isolierender Film erstellt, der einen Boden besaß und an der Oberseite offen war.
  • Leiteranschlüsse wurden an die positive Elektrode bzw. die negative Elektrode der Elektrodenanordnung angeschweißt, gefolgt von Einbringen in den beutelförmigen isolierenden Film.
  • Eine Schlämme zum Bilden einer Positivelektroden-Aktivmaterialschicht wurde durch Vermischen/Verkneten des Positivelektroden-Aktivmaterials LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 als die Li-Zufuhrquelle, Acetylenruß als das elektrisch leitende Material und PVDF als das Bindemittel in NMP in einem Massenverhältnis von 93/4/3 erstellt. Diese Schlämme wurde auf eine Seite einer dünnen, streifenförmigen Aluminiumbahn aufgetragen, gefolgt von Trocknen und dann einem Pressvorgang, um eine dritte Elektrode zu fertigen.
  • Bei Batterie Nr. 1 wurde diese streifenförmige dritte Elektrode auf die Außenseite des die gewickelte Elektrodenanordnung aufnehmenden isolierenden Films gewickelt (so angeordnet, dass sie die Außenseite einfasste), und diese wurde dann in ein Batteriegehäuse eingebracht. Wie in 4 gezeigt, wurde durch dieses Vorgehen die dritte Elektrode bei Batterie Nr. 1 veranlasst, über dem zwischengeordneten isolierenden Film sowohl den flachen Flächen der gewickelten Elektrodenanordnung als auch den offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberzuliegen.
  • Bei Batterie Nr. 2 wurde die vorgenannte streifenförmige dritte Elektrode in der Längsrichtung geschnitten, und abgeschnittene Stücke davon wurden nur an den beiden schmalen Flächen derjenigen Seiten des isolierenden Films, die die gewickelte Elektrodenanordnung aufnahmen, angeordnet und angehaftet, und diese wurde in ein Batteriegehäuse eingebracht. Durch dieses Vorgehen wurden bei Batterie Nr. 2 die kurzen abgeschnittenen Stücke veranlasst, über dem zwischengeordneten isolierenden Film nur den offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberzuliegen.
  • Bei Batterie Nr. 3 wurde die vorgenannte streifenförmige dritte Elektrode in der Längsrichtung geschnitten, und abgeschnittene Stücke davon wurden nur an den beiden breiten Flächen derjenigen Seiten des isolierenden Films angehaftet, die die gewickelte Elektrodenanordnung aufnahmen, und diese wurde in ein Batteriegehäuse eingebracht. Durch dieses Vorgehen wurde bei Batterie Nr. 3 die dritte Elektrode veranlasst, über dem zwischengeordneten isolierenden Film nur den flachen Flächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberzuliegen.
  • Für jede der Batterien betrug die Batteriekapazität 5 Ah, und eine Li-Zufuhrquelle (in diesem Fall ein Positivelektroden-Aktivmaterial) mit 1 Ah als die nutzbare Kapazität wurde für die dritte Elektrode erstellt.
  • Eine nicht-wässrige Elektrolytlösung wurde erstellt, in der LiPF6 als das Trägersalz in einer Konzentration von 1,1 mol/l in einem Lösungsmittelgemisch gelöst war, das EC, DMC und EMC in einem Volumenverhältnis von 30/40/30 enthielt. Diese nichtwässrige Elektrolytlösung wurde in das Batteriegehäuse gefüllt, um die Lithium-Ionen-Sekundärbatterien Nr. 1 bis Nr. 3 zu erhalten.
  • [Beurteilung der Kapazitätsrückgewinnungszeit]
  • Jede der Lithium-Ionen-Sekundärbatterien Nr. 1 bis Nr. 3 wurde zuerst auf einen vollständig geladenen Zustand (SOC = 100%) gebracht. Dann wurde für jede der Lithium-Ionen-Sekundärbatterien unter Verwendung einer mit einem Strommessgerät versehenen Anschlussleitung ein leitender Zustand zwischen dem Positivelektrodenanschluss und dem Batteriegehäuse hergestellt. Während der Strom durch das Strommessgerät gemessen wurde, wurde die Zeit gemessen, die für den Durchgang einer Strommenge in Höhe von 10% der Batteriekapazität benötigt wurde. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 1 angegeben. Hier weist eine kürzere Stromdurchgangszeit auf eine kürzere zur Rückgewinnung der Batteriekapazität erforderliche Zeit hin. Tabelle 1.
    Batterie Nr. Stromdurchgangszeit
    1 21 Minuten
    2 mindestens 10 Tage
    3 44 Minuten
  • Wie aus Tabelle 1 entnehmbar ist, war die zur Rückgewinnung der Batteriekapazität erforderliche Stromdurchgangszeit für die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie Nr. 1 am kürzesten, bei der die dritte Elektrode sowohl den flachen Flächen der gewickelten Elektrodenanordnung als auch den offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberlag. Die Stromdurchgangszeit war mit mindestens 10 Tagen ziemlich lang bei der Lithium-Ionen-Batterie Nr. 2, bei der die dritte Elektrode nur den offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberlag. Es wird angenommen, dass dies an Folgendem liegt: Da von den flachen Flächen der gewickelten Elektrodenanordnung keine Lithiumionenzufuhr erfolgte und da der Abstand zwischen der dritten Elektrode und den offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung in der Größenordnung von Millimeter lag, war der Ionenwiderstand in der Elektrolytlösung hoch und dadurch wurde die Zufuhr des Lithiumions behindert.
  • Dagegen besaß die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie Nr. 3, bei der die dritte Elektrode nur den flachen Flächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberlag, eine Stromdurchgangszeit, die viel kürzer war als die Stromdurchgangszeit bei der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie Nr. 2, jedoch länger als die Stromdurchgangszeit bei der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie Nr. 1. Es wird angenommen, dass dies an Folgendem liegt: Da die dritte Elektrode der gewickelten Elektrodenanordnung näherlag als bei der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie Nr. 2, war somit die Zufuhr des Lithiumions zu der gewickelten Elektrodenanordnung einfacher; da jedoch die dritte Elektrode nicht den offenen Stirnflächen der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberlag, war die Zufuhr des Lithiumions in das Innere der gewickelten Elektrodenanordnung, die für eine Kapazitätsrückgewinnung wichtig ist, nicht sehr bedeutend.
  • Zwar wurden konkrete Beispiele der vorliegenden Erfindung vorstehend im Detail beschrieben, doch sind diese nichts weiter als Beispiele und schränken nicht die Ansprüche ein. Die in den Ansprüchen beschriebene Technik beinhaltet verschiedene Modifikationen und Änderungen der oben exemplarisch angegebenen konkreten Beispiele. Beispielsweise wurde die gewickelte Elektrodenanordnung anhand des Falls einer flachen gewickelten Elektrodenanordnung beschrieben, doch kann auch eine zylindrische gewickelte Elektrodenanordnung verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • JP 2002-324585 [0005, 0006]

Claims (6)

  1. Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, umfassend: eine gewickelte Elektrodenanordnung, bei der eine lange bahnförmige positive Elektrode und eine lange bahnförmige negative Elektrode unter Verwendung einer zu der Längsrichtung orthogonalen Richtung als eine Wicklungsachse derart gewickelt sind, dass die negative Elektrode auf der Außenseite der positiven Elektrode positioniert ist; eine dritte Elektrode, die außerhalb der gewickelten Elektrodenanordnung angeordnet ist und eine Li-Zufuhrquelle besitzt, die zum Zuführen von Lithiumion imstande ist; und einen porösen isolierenden Film, der zwischen der gewickelten Elektrodenanordnung und der dritten Elektrode angeordnet ist und aus einem Material gebildet ist, das als ein Separator in einer Batterie verwendbar ist, wobei die dritte Elektrode einen Abschnitt besitzt, der über dem isolierenden Film einer äußeren Oberfläche der negativen Elektrode gegenüberliegt, die den äußersten Umfang der negativen Elektrode der gewickelten Elektrodenanordnung bildet, und einen Abschnitt besitzt, der über dem isolierenden Film einer offenen Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung gegenüberliegt, die mit dem Inneren der gewickelten Elektrodenanordnung in Verbindung steht und eine Stirnfläche der gewickelten Elektrodenanordnung entlang der Richtung der Wicklungsachse ist.
  2. Lithium-Ionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, ferner umfassend ein elektrisch leitendes Batteriegehäuse, das die gewickelte Elektrodenanordnung aufnimmt, wobei die dritte Elektrode so in dem Batteriegehäuse aufgenommen ist, dass sie mit dem Batteriegehäuse elektrisch leitend ist.
  3. Lithium-Ionen-Sekundärbatterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei der isolierende Film eine Beutelform besitzt und die gewickelte Elektrodenanordnung in diesen beutelförmigen isolierenden Film eingesetzt ist.
  4. Lithium-Ionen-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dritte Elektrode ein aktives Material als die Li-Zufuhrquelle besitzt, das gleich einem in der positiven Elektrode beinhalteten Positivelektroden-Aktivmaterial ist.
  5. Lithium-Ionen-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gewickelte Elektrodenanordnung in einer flachen Form mit zwei flachen Flächen zwischen zwei Stirnflächen in der Richtung der Wicklungsachse ausgebildet ist und der isolierende Film in einem Zustand enger Berührung mit den beiden flachen Flächen und Flächen der dritten Elektrode, die den flachen Flächen gegenüberliegen, angeordnet ist.
  6. Batteriekapazitätsrückgewinnungssystem, umfassend: die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5; eine Überwachungsvorrichtung, die die Batteriekapazität der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie überwacht; und einen Kapazitätsrückgewinnungsstromkreis, der die dritte Elektrode mit der positiven Elektrode in der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie elektrisch verbindet.
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