DE112020006663T5 - Sekundärbatterie - Google Patents

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Takatoshi MUNAOKA
Masahiro Miyamoto
Tomomi Sakuma
Takuju HASHIMOTO
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

Eine Sekundärbatterie weist eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung auf. Die positive Elektrode weist ein Lithium-Nickel-Kompositoxid auf. Die negative Elektrode weist ein Lithium-Titan-Verbundoxid auf. Die Elektrolytlösung weist eine Dinitrilverbindung und einen Carboxylsäureester auf. Das Verhältnis der Kapazität pro Flächeneinheit der positiven Elektrode zur Kapazität pro Flächeneinheit der negativen Elektrode ist größer oder gleich 100% und kleiner oder gleich 120%. Das Verhältnis der Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung zur Anzahl der Mole des Carbonsäureesters ist größer oder gleich 1 % und kleiner oder gleich 4 %.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Technologie bezieht sich auf eine Sekundärbatterie.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Verschiedene Arten von elektronischen Geräten, die Mobiltelefone aufweisen, sind weit verbreitet. Diese weit verbreitete Nutzung hat die Entwicklung einer Sekundärbatterie als Energiequelle gefördert, die kleiner und leichter ist und eine höhere Energiedichte ermöglicht. Die Sekundärbatterie weist eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung auf. Für die Ausgestaltung der Sekundärbatterie gibt es verschiedene Möglichkeiten.
  • Insbesondere zur Verbesserung einer Eigenschaft, wie z. B. einer Tieftemperatur-Ausgangseigenschaft, beträgt eine Betriebsspannung einer negativen Elektrode 1,2 V oder mehr gegenüber einer Lithium-Referenzelektrode, und eine Elektrolytlösung weist einen Carbonsäureester wie Methylacetat auf (siehe z. B. PTLs 1 und 2). Um das Aufquellen einer Sekundärbatterie zu unterdrücken, weist eine negative Elektrode Spinell-Lithiumtitanat auf, und eine Elektrolytlösung weist Ethylacetat auf (siehe z. B. PTL 3). Zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften in einem weiten Temperaturbereich weist eine negative Elektrode Lithiumtitanat als Negativelektroden-Aktivmaterial auf, und eine Elektrolytlösung weist eine Isocyanatverbindung auf (siehe z.B. PTL 4). Zur Verringerung der Gasbildung bei hohen Temperaturen weist eine negative Elektrode ein Titanoxid auf, und eine Elektrolytlösung weist eine Dinitril-Verbindung auf (siehe z. B. PTL 5).
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
    • PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröfffentlichungsnr. 2010-205563
    • PTL 2: Internationale Veröffentlichungsnr. WO 2009/110490
    • PTL 3: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröfffentlichungsnr. 2013-229341
    • PTL 4: Internationale Veröffentlichungsnr. WO 2015/030190
    • PTL 5: Internationale Veröffentlichungsnr. WO 2015/033620
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Obwohl verschiedene Überlegungen zur Leistungsverbesserung einer Sekundärbatterie angestellt wurden, sind die Schwell- und Ladeeigenschaften sowie die Energiedichte noch nicht ausreichend, und es besteht noch Raum für Verbesserungen.
  • Die Technologie wurde im Hinblick auf ein solches Problem entwickelt, und es ist eine Aufagbe der Technologie, eine Sekundärbatterie bereitzustellen, die in der Lage ist, ein besseres Quellverhalten und ein besseres Ladeverhalten zu erzielen und gleichzeitig eine Energiedichte sicherzustellen.
  • Eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der Technologie weist eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung auf. Die positive Elektrode weist ein Lithium-Nickel-Kompositoxid auf. Die negative Elektrode weist ein Lithium-Titan-Kompositoxid auf. Die Elektrolytlösung weist eine Dinitril-Verbindung und einen Carboxylsäureester auf. Ein Verhältnis einer Kapazität pro Flächeneinheit der positiven Elektrode zur Kapazität pro Flächeneinheit der negativen Elektrode ist größer oder gleich 100% und kleiner oder gleich 120%. Ein Verhältnis der Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung zur Anzahl der Mole des Carbonsäureesters ist größer als oder gleich 1 % und kleiner als oder gleich 4 %.
  • Der oben beschriebene Begriff „Lithium-Nickel-Kompositoxid“ ist ein allgemeiner Begriff für ein Oxid, das Lithium und Nickel als Bestandteile aufweist. Der oben beschriebene Begriff „Lithium-Titan-Kompositoxid“ ist ein allgemeiner Begriff für ein Oxid, das Lithium und Titan als konstituierende Elemente aufweist. Genauere Angaben über das Lithium-Nickel-Kompositoxid und das Lithium-Titan-Kompositoxid werden später beschrieben.
  • Gemäß der Sekundärbatterie der Ausführungsform der Technologie weist die positive Elektrode das Lithium-Nickel-Kompositoxid auf, die negative Elektrode weist das Lithium-Titan-Kompositoxid auf, und die Elektrolytlösung weist die Dinitril-Verbindung und den Carbonsäureester auf. Außerdem liegt das Verhältnis zwischen der Kapazität der positiven Elektrode und der Kapazität der negativen Elektrode in dem oben beschriebenen Bereich, und das Verhältnis zwischen der Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung und der Anzahl der Mole des Carbonsäureesters liegt in dem oben beschriebenen Bereich. Auf diese Weise lassen sich ein hervorragendes Quellverhalten und ein hervorragendes Ladungsverhalten bei gleichzeitiger Sicherstellung der Energiedichte erzielen.
  • Es wird bemerkt, dass die Wirkungen der Technologie nicht notwendigerweise auf die oben beschriebenen beschränkt sind und eine Reihe von Wirkungen aufweisen können, die im Folgenden in Bezug auf die Technologie beschrieben werden.
  • Figurenliste
    • [1] 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung einer Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der Technologie.
    • [2] 2 ist eine Schnittansicht einer Ausgestaltung einer in 1 dargestellten Batterievorrichtung.
    • [3] 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung einer Sekundärbatterie gemäß der Modifikation 1.
    • [4] 4 ist eine Schnittansicht der Ausgestaltung einer in 3 dargestellten Batterievorrichtung.
    • [5] 5 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausgestaltung eines Anwendungsbeispiels der Sekundärbatterie darstellt.
  • Modi zur Ausführung der Erfindung
  • Einige Ausführungsformen der Technik werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben. Die Beschreibung erfolgt in der folgenden Reihenfolge.
    1. 1. Sekundärbatterie
      • 1-1. Ausgestaltung
      • 1-2. Funktionsweise
      • 1-3. Herstellungsverfahren
      • 1-4. Arbeitsweise und Auswirkungen
    2. 2. Modifikationen
    3. 3. Anwendungen der Sekundärbatterie
  • <1. Sekundärbatterie>
  • Es wird zunächst eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der Technik beschrieben.
  • Die hier zu beschreibende Sekundärbatterie ist eine Sekundärbatterie, die eine Batteriekapazität durch Insertion und Extraktion eines Elektrodenreaktanten erhält, und die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Elektrolytlösung aufweist, die ein flüssiger Elektrolyt ist. In der Sekundärbatterie ist die Ladekapazität der negativen Elektrode größer als die Entladekapazität der positiven Elektrode, um eine Ausfällung bzw. Präzipitation des Elektrodenreaktanten auf der Oberfläche der negativen Elektrode während des Ladens zu verhindern. Mit anderen Worten, eine elektrochemische Kapazität pro Flächeneinheit der negativen Elektrode ist größer als eine elektrochemische Kapazität pro Flächeneinheit der positiven Elektrode.
  • Obwohl die Art des Elektrodenreaktanten nicht besonders begrenzt ist, handelt es sich insbesondere um ein Leichtmetall wie ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall. Beispiele für Alkalimetalle schließen Lithium, Natrium und Kalium mit ein. Beispiele für Erdalkalimetalle schließen Beryllium, Magnesium und Calcium mit ein.
  • Im Folgenden werden Beispiele für den Fall angeführt, dass der Elektrodenreaktant Lithium ist. Eine Sekundärbatterie, die eine Batteriekapazität durch Insertion und Extraktion von Lithium erhält, ist eine so genannte Lithium-Ionen-Sekundärbatterie. In der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie wird Lithium in einem ionischen Zustand eingefügt bzw. eingelagert und extrahiert.
  • <1-1. Ausgestaltung>
  • 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Ausgestaltung der Sekundärbatterie. 2 zeigt eine Ausgestaltung eines Ausschnitts einer in 1 dargestellten Batterievorrichtung 10. Es wird bemerkt, dass 1 einen Zustand darstellt, in dem die Batterievorrichtung 10 und eine äußere Verpackungsfolie 20 voneinander getrennt sind, und 2 nur einen Abschnitt der Batterievorrichtung 10 darstellt.
  • Wie in 1 dargestellt, weist die Sekundärbatterie die Batterievorrichtung 10, die äußere Verpackungsfolie 20, eine Positivelektroden-Leitung 31 und eine Negativelektroden-Leitung 32 auf. Bei der hier beschriebenen Sekundärbatterie handelt es sich um eine Sekundärbatterie vom Laminatfolientyp. Die Sekundärbatterie vom Laminatfolientyp weist ein äußeres Verpackungselement mit Flexibilität oder Weichheit auf, d.h. die äußere Verpackungsfolie 20, um die Batterievorrichtung 10 aufzunehmen.
  • (Äußere Verpackungsfolie)
  • Die äußere Verpackungsfolie 20 ist ein einzelnes folienförmiges Element und kann in Richtung eines Pfeils R (einer punktförmigen Linie) gefaltet werden, wie in 1 dargestellt. Die äußere Verpackungsfolie 20 enthält die oben beschriebene Batterievorrichtung 10 und somit die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12 und eine Elektrolytlösung, die später beschrieben wird. Die äußere Verpackungsfolie 20 weist einen Vertiefungsabschnitt 20U auf, um die Batterievorrichtung 10 darin zu platzieren. Der Vertiefungsabschnitt 20U ist ein sogenannter Tiefziehabschnitt.
  • Konkret handelt es sich bei der äußeren Verpackungsfolie 20 um eine dreischichtige laminierte Folie, die eine Fusions-Bondingschicht, eine Metallschicht und eine Oberflächenschutzschicht aufweist, die in dieser Reihenfolge von einer Innenseite her gestapelt sind. In einem Zustand, in dem die äußere Verpackungsfolie 20 gefaltet ist, sind die einander entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Außenkanten der Fusions-Bondingschicht miteinander gebondet bzw. verbunden (Fusions-gebondet bzw. schmelzgeklebt). Dadurch weist die äußere Verpackungsfolie 20 eine beutelförmige bzw. Pouch-förmige Struktur auf, die es ermöglicht, die Batterievorrichtung 10 darin zu versiegeln. Die Fusions-Bondingschicht weist eine Polymerverbindung wie Polypropylen auf. Die Metallschicht weist ein Metallmaterial wie Aluminium auf. Die Oberflächenschutzschicht weist eine Polymerverbindung wie Nylon auf.
  • Es wird bemerkt, dass die äußere Verpackungsfolie 20 in ihrer Ausgestaltung oder der Anzahl der Schichten nicht besonders begrenzt ist und ein- oder zweischichtig sein kann oder vier oder mehr Schichten aufweisen kann. Mit anderen Worten, die äußere Verpackungsfolie 20 ist nicht auf eine laminierte Folie beschränkt und kann eine einschichtige Folie sein.
  • Eine Dichtungsfolie 21 ist zwischen der äußeren Verpackungsfolie 20 und der Positivelektroden-Leitung 31 angeordnet. Eine Dichtungsfolie 22 ist zwischen der äußeren Verpackungsfolie 20 und der Negativelektroden-Leitung 32 angeordnet. Die Dichtungsfolien 21 und 22 sind Elemente, die jeweils das Eindringen von z. B. Außenluft in die äußere Verpackungsfolie 20 verhindern. Die Dichtungsfolie 21 weist eine oder mehrere Polymerverbindungen, einschließlich Polyolefin, auf, die an der Positivelektroden-Leitung 31 haften. Die Dichtungsfolie 22 weist eine oder mehrere Polymerverbindungen, einschließlich Polyolefin, auf, die an der Positivelektroden-Leitung 32 haften. Beispiele für das Polyolefin schließen Polyethylen, Polypropylen, modifiziertes Polyethylen und modifiziertes Polypropylen mit ein. Es wird bemerkt, dass die Dichtungsfolie 21, die Dichtungsfolie 22 oder beide auch weggelassen werden können.
  • [Batterievorrichtung]
  • Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, befindet sich die Batterievorrichtung 10 im Inneren der äußeren Verpackungsfolie 20 und weist die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12, einen Separator 13 und die Elektrolytlösung (nicht dargestellt) auf. Die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12 und der Separator 13 sind jeweils mit der Elektrolytlösung imprägniert.
  • Bei der Batterievorrichtung 10 handelt es sich vorliegend um einen gestapelten Elektrodenkörper, d. h. um eine Struktur, in der die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 mit dem dazwischen liegenden Separator 13 gestapelt sind. Die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 sind somit einander gegenüberliegend bzw. entgegengesetzt angeordnet, wobei der Separator 13 dazwischen angeordnet ist.
  • Insbesondere sind die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 abwechselnd mit dem dazwischen angeordneten Separator 13 gestapelt. Die Batterievorrichtung 10 weist somit mehrere positive Elektroden 11, mehrere negative Elektroden 12 und mehrere Separatoren 13 auf. Die Anzahl der positiven Elektroden 11, der negativen Elektroden 12 und der Separatoren 13, die gestapelt werden, ist nicht besonders begrenzt und kann frei gewählt werden.
  • In der Batterievorrichtung 10 wird ein Verhältnis zwischen einer Kapazität der positiven Elektrode 11 und einer Kapazität der negativen Elektrode 12 optimiert. Insbesondere liegt ein Verhältnis (Kapazitätsverhältnis) R1 zwischen der Kapazität pro Flächeneinheit (mAh/cm2) der positiven Elektrode 11 und der Kapazität pro Flächeneinheit (mAh/cm2) der negativen Elektrode 12 in einem Bereich von 100 % bis 120 %, jeweils einschließlich. Ein Grund dafür ist, dass eine hohe Energiedichte erzielt werden kann. Das Kapazitätsverhältnis R1 wird berechnet durch R1 (%) = (Kapazität pro Flächeneinheit der positiven Elektrode 11/Kapazität pro Flächeneinheit der negativen Elektrode 12) × 100.
  • Bei der Bestimmung des Kapazitätsverhältnisses R1 werden jeweils eine Kapazität C1 der positiven Elektrode 11 und eine Kapazität C2 der negativen Elektrode 12 berechnet, woraufhin das Kapazitätsverhältnis R1 nach einem weiter unten beschriebenen Verfahren berechnet wird.
  • Zunächst wird die Sekundärbatterie zerlegt, um so die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 zu sammeln.
  • Danach wird eine Test-Sekundärbatterie vom Münztyp hergestellt, wobei die positive Elektrode 11 als Testelektrode und eine Lithium-Metallplatte als Gegenelektrode verwendet wird. Die positive Elektrode 11 weist ein Lithium-Nickel-Kompositoxid als Positivelektroden-Aktivmaterial auf, wie später noch beschrieben wird.
  • Danach wird die Test-Sekundärbatterie geladen und entladen, um so die Kapazität (mAh) der positiven Elektrode 11 zu messen. Wenn die Sekundärbatterie geladen wird, wird sie mit einem konstanten Strom von 0,1 C geladen, bis eine Spannung von 4,3 V erreicht ist, und danach wird sie mit einer konstanten Spannung von 4,3 V geladen, bis eine Gesamtladezeit von 15 Stunden erreicht ist. Wenn die Sekundärbatterie entladen wird, wird sie mit einem konstanten Strom von 0,1 C entladen, bis die Spannung 2,5 V erreicht. Es wird bemerkt, dass 0,1 C ein Stromwert ist, der dazu führt, dass eine Batteriekapazität (eine theoretische Kapazität) in 10 Stunden vollständig entladen wird.
  • Danach wird die Kapazität C1 pro Flächeneinheit (mAh/cm2) der positiven Elektrode 11 auf der Grundlage einer Fläche (cm2) der positiven Elektrode 11 berechnet. Die Kapazität C1 pro Flächeneinheit der positiven Elektrode 11 wird berechnet durch C1 = Kapazität der positiven Elektrode 11/Fläche der positiven Elektrode 11.
  • Danach wird eine Test-Sekundärbatterie vom Münztyp hergestellt, wobei die negative Elektrode 12 als Testelektrode und eine Lithium-Metallplatte als Gegenelektrode verwendet wird. Die negative Elektrode 12 weist ein Lithium-Titan-Kompositoxid als Negativelektroden-Aktivmaterial auf, wie später noch beschrieben wird.
  • Danach wird die Test-Sekundärbatterie geladen und entladen, um so die Kapazität (mAh) der negativen Elektrode 12 zu messen. Wenn die Sekundärbatterie geladen wird, wird sie mit einem konstanten Strom von 0,1 C geladen, bis eine Spannung von 2,7 V erreicht ist, und danach wird sie mit einer konstanten Spannung von 2,7 V geladen, bis die Gesamtladezeit 15 Stunden erreicht hat. Wenn die Sekundärbatterie entladen wird, wird sie mit einem konstanten Strom von 0,1 C entladen, bis die Batteriespannung 1,0 V erreicht.
  • Danach wird die Kapazität C2 pro Flächeneinheit (mAh/cm2) der negativen Elektrode 12 auf der Grundlage einer Fläche (cm2) der negativen Elektrode 12 berechnet. Die Kapazität C2 pro Flächeneinheit der negativen Elektrode 12 wird berechnet durch C2 = Kapazität der negativen Elektrode 12/Fläche der negativen Elektrode 12.
  • Schließlich wird das Kapazitätsverhältnis R1 auf der Grundlage der Kapazitäten C1 und C2 berechnet. Das Kapazitätsverhältnis R1 wird berechnet durch R1 = (Kapazität C1/Kapazität C2) × 100, wie oben beschrieben.
  • (Positive Elektrode)
  • Die positive Elektrode 11 weist einen Positivelektroden-Stromkollektor (bz. Stromableiter) 11A mit zwei entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Flächen und zwei Positivelektroden-Aktivmaterialschichten 11B auf, die auf den jeweiligen zwei entgegengesetzten/gegenüberliegenden Flächen des Positivelektroden-Stromkollektors 11A angeordnet sind, wie in 2 dargestellt. Es wird bemerkt, dass die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B auch nur auf einer der beiden gegenüberliegenden Flächen des Positivelektroden-Stromkollektors 11A angeordnet sein kann.
  • Der Positivelektroden-Stromkollektor 11A weist ein oder mehrere elektrisch leitende Materialien auf, die, ohne Einschränkung ein Metallmaterial einschließen. Beispiele für das Metallmaterial schließen Aluminium, Nickel und rostfreien Stahl mit ein. Die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B weist eines oder mehrere Positivelektroden-Aktivmaterialien auf, in die Lithium einbringbar ist und aus denen Lithium extrahierbar ist, und kann ferner beispielsweise ein Positivelektroden-Bindemittel bzw. Positivelektroden-Binder und ein Positivelektroden-Leitmittel aufweisen.
  • Vorliegend weist der Positivelektroden-Stromkollektor 11A einen vorstehenden Teil 11AT auf, auf dem die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B nicht vorgesehen ist, wie in 1 dargestellt. Dementsprechend weist die Batterievorrichtung 10 in einem Fall, in dem die Batterievorrichtung 10 mehrere positive Elektroden 11 (mehrere Positivelektroden-Stromkollektoren 11A) aufweist, mehrere hervorstehende Teile 11AT auf. Die mehreren vorstehenden Teile 11AT sind miteinander verbunden, um ein einziges Verbindungsteil 11Z mit einer Leitungsform zu bilden.
  • Das Positivelektroden-Aktivmaterial weist eine lithiumhaltige Verbindung auf, und insbesondere weist es ein oder mehrere Lithium-Nickel-Kompositoxide auf. Der Begriff „Lithium-Nickel-Kompositoxid“ ist ein Oberbegriff für ein Oxid, das Lithium und Nickel als konstituierende Elemente aufweist, wie oben beschrieben. Das Lithium-Nickel-Kompositoxid hat eine geschichtete Steinsalz-Kristallstruktur. Ein Grund, warum das Positivelektroden-Aktivmaterial das Lithium-Nickel-Kompositoxid aufweist, ist, dass eine hohe Energiedichte erzielt werden kann.
  • Das Lithium-Nickel-Kompositoxid ist in seiner Art oder Ausgestaltung nicht besonders beschränkt, solange das Oxid Lithium und Nickel als konstituierende Elemente aufweist. Insbesondere weist das Lithium-Nickel-Kompositoxid Lithium, Nickel und ein weiteres Element als konstituierende Elemente auf. Bei dem anderen Element handelt es sich um eines oder mehrere Elemente (außer Nickel), die zu den Gruppen 2 bis 15 des langperiodischen Periodensystems der Elemente gehören.
  • Genauer gesagt weist das Lithium-Nickel-Kompositoxid eine oder mehrere Verbindungen auf, die durch die nachstehende Formel (4) dargestellt werden. LixNi(1-y)M4yO2 (4) in welcher:
    • M4 mindestens eines der Elemente (außer Ni) ist, die zu den Gruppen 2 bis 15 des langperiodischen Periodensystems der Elemente gehören; x und y 0,8 ≤ x ≤ 1,2 und 0 ≤ y < 1,0 erfüllen; eine Zusammensetzung von Lithium je nach Lade- und Entladezustand unterschiedlich ist; und x ein Wert in einem vollständig entladenen Zustand ist.
  • Wie aus Formel (4) ersichtlich ist, wird der Nickelgehalt im Lithium-Nickel-Kompositoxid in Abhängigkeit vom Gehalt des anderen Elements (M4) bestimmt. Es wird bemerkt, dass das Lithium-Nickel-Kompositoxid das andere Element (M4) als ein konstituierendes Element aufweisen kann oder das andere Element (M4) auch nicht als ein konstituierendes Element aufweisen kann, wie aus einem Wertebereich ersichtlich ist, den y annehmen kann. In diesem Fall ist der Gehalt an Nickel im Lithium-Nickel-Kompositoxid nicht besonders begrenzt und kann frei gewählt werden, solange das Lithium-Nickel-Kompositoxid Nickel als Bestandteil aufweist.
  • Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Gehalt an Nickel im Lithium-Nickel-Kompositoxid ausreichend groß ist. Genauer gesagt ist ein Verhältnis (Molverhältnis) R3 von einer Anzahl von Molen Nickel zur Summe der Anzahl von Molen Nickel und einer Anzahl von Molen des anderen Elements (M4) bevorzugt 80% oder größer. Das Molverhältnis R3 wird berechnet durch R3 (%) = [Anzahl an Molen Nickel/(Anzahl an Molen Nickel + Anazhl an Mol des anderen Elements)] × 100.
  • Mit anderen Worten, das Lithium-Nickel-Kompositoxid weist bevorzugt eine oder mehrere der Verbindungen der nachstehenden Formel (5) auf. Ein Grund dafür ist, dass damit eine höhere Energiedichte erzielt werden kann. LixNi(1-y)M5yO2 (5) wobei:
    • M5 mindestens eines der Elemente (außer Ni) ist, die zu den Gruppen 2 bis 15 des langperiodischen Periodensystems der Elemente gehören; x und y 0,8 ≤ x ≤ 1,2 und 0 ≤ y ≤ 0,2 genügen bzw. erfüllen; die Zusammensetzung von Lithium je nach Lade- und Entladezustand unterschiedlich ist; und x ein Wert in einem vollständig entladenen Zustand ist.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung des molaren Verhältnisses R3 wird im Folgenden beschrieben.
  • Zunächst werden X g einer zu analysierenden Probe (Lithium-Nickel-Kompositoxid) genau abgewogen und anschließend in ein Becherglas mit einem Fassungsvermögen von 50 ml (= 50 cm3) gegeben. Eine genaue Einwaage (X g) der Probe kann frei gewählt werden. Danach wird ein Rührstab in das Becherglas gegeben und Salzsäure zur genauen Analyse mit einer Konzentration von 0,01 mol/ml (= 0,01 mol/cm3) mit einer Vollpipette in das Becherglas gegeben, worauf der Inhalt des Becherglases mit einem Rührer umgerührt wird.
  • Danach wird der gesamte Inhalt mit einer Einwegspritze extrahiert, woraufhin ein Extrakt mit einem 0,2-µm-Spritzenfilter filtriert wird. Danach werden 2,5 ml (= 2,5 cm3) des Filtrats mit einer Vollpipette aufgefangen, worauf das Filtrat mit Salzsäure der Konzentration 0,6 mol/l (= 0,6 mol/dm3) verdünnt wird. Danach werden 1,0 ml (= 1,0 cm3) des Filtrats mit einer Vollpipette gesammelt und das Filtrat in einen Messkolben mit einem Fassungsvermögen von 25 ml (= 25 cm3) gegeben, worauf das Filtrat mit Salzsäure einer Konzentration von 5,0 mol/l (= 5,0 mol/dm3) verdünnt wird.
  • Danach wird das Filtrat einer Elementaranalyse mittels Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) unterzogen, um so den Gehalt, d. h. die Anzahl der Mole bzw. Molzahl, jedes Bestandteils, wie z. B. Nickel, zu messen.
  • Schließlich wird das Molverhältnis R3 auf der Grundlage der Anzahl der Mole des Nickels und der Anzahl der Mole des anderen Elements (M4 oder M5) berechnet. Das molare Verhältnis R3 wird wie folgt berechnet: R3 (%) = [Anzahl der Mole Nickel/(Anzahl der Mole Nickel + Anzahl der Mole des anderen Elements)] × 100, wie oben beschrieben.
  • Spezifische Beispiele für das Lithium-Nickel-Kompositoxid schließen die folgenden ein: LiNiO2, LiNi0.70Co0.30O2, LiNi0.80Co0.15A0.05O2, LiNi0.82Co0.14Al0.04O2, LiNi0.50Co0.20Mn0.30O2, LiNi0.80Co0.10Al0.05Mn0.05O2, LiNi0.80Co0.20O2, LiNi0.82Co0.18O2, LiNi0.85Co0.15O2, und LiNi0.90Co0.10O2. Insbesondere schließen bevorzugte Beispiele LiNi0.80Co0.15Al0.05O2, LiNi0.80Co0.10Al0.05Mn0.05O2, LiNi0.80Co0.20O2, LiNi0.82Co0.18O2, LiNi0.85Co0.15O2, und LiNi0.90Co0.10O2 mit ein, in denen das molare Verhältnis R3 jeweils 80 % oder mehr beträgt.
  • Das Positivelektroden-Aktivmaterial kann ferner eines oder mehrere andere Positivelektroden-Aktivmaterialien, d. h. andere lithiumhaltige Verbindungen, aufweisen, solange das Positivelektroden-Aktivmaterial das oben beschriebene Lithium-Nickel-Kompositoxid aufweist.
  • Das andere Positivelektroden-Aktivmaterial ist in seiner Art nicht besonders begrenzt, und spezifische Beispiele dafür weisen eine Lithium-Übergangsmetallverbindung auf. Der Begriff „Lithium-Übergangsmetall-Verbindung“ ist ein Oberbegriff für eine Verbindung, die Lithium und ein oder mehrere Übergangsmetallelemente als konstituierende Elemente aufweist. Die Lithium-Übergangsmetall-Verbindung kann ferner ein oder mehrere andere Elemente aufweisen. Das andere Element ist in seiner Art nicht besonders begrenzt, solange es sich um ein anderes Element als das Übergangsmetallelement handelt. Insbesondere handelt es sich bei dem anderen Element um eines oder mehrere Elemente, die zu den Gruppen 2 bis 15 des langperiodischen Periodensystems der Elemente gehören. Es wird bemerkt, dass das oben beschriebene Lithium-Nickel-Kompositoxid von der hier beschriebenen Lithium-Übergangsmetall-Verbindung ausgeschlossen ist.
  • Die Lithium-Übergangsmetall-Verbindung ist in ihrer Art nicht besonders begrenzt, und spezifische Beispiele davon weisen ein Oxid, eine Phosphorsäure-Verbindung, eine Kieselsäure-Verbindung und eine Borsäure-Verbindung auf. Spezifische Beispiele des Oxids schließen LiCoO2, LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2, Li1.2Mn0.52Co0.175Ni0.1O2, Li1.15(Mn0.65Ni0.22Co0.13)O2 und LiMn2O4 mit ein. Spezifische Beispiele der Phosphorsäure-Verbindung schließen LiFePO4, LiMnPO4, LiFe0.5Mn0.5PO4, und LiFe0.3Mn0.7PO4 mit ein.
  • Das Positivelektroden-Bindemittel weist ein oder mehrere Materialien auf, die, ohne Einschränkung hierauf, einen synthetischen Kautschuk und eine Polymerverbindung mit einschließen. Beispiele für den synthetischen Kautschuk schließen einen Kautschuk auf Styrol-Butadien-Basis, einen Kautschuk auf Fluorbasis und Ethylen-Propylen-Dien mit ein. Beispiele für die Polymerverbindung schließen Polyvinylidendifluorid, Polyimid und Carboxymethylcellulose mit ein.
  • Das Positivelektroden-Leitmittel weist ein oder mehrere elektrisch leitende Materialien auf, die ohne Einschränkung heirauf, ein Kohlenstoffmaterial mit einschließen. Beispiele für das Kohlenstoffmaterial schließen Graphit, Ruß, Acetylenschwarz und Ketjenschwarz mit ein. Das elektrisch leitende Material kann z.B. ein Metall oder eine Polymerverbindung sein.
  • Ein Verfahren zur Bildung der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B ist nicht besonders beschränkt, und insbesondere werden ein oder mehrere Verfahren aus einem Beschichtungsverfahren und anderen Verfahren ausgewählt.
  • (Negative Elektrode)
  • Die negative Elektrode 12 ist der positiven Elektrode 11 mit dem dazwischen angeordneten Separator 13 entgegengesetzt bzw. liegt dieser gegenüber, wie in 2 dargestellt. Die negative Elektrode 12 weist einen Negativelektroden-Stromkollektor 12A mit zwei entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Flächen und zwei Negativelektroden-Aktivmaterialschichten 12B auf, die auf den jeweiligen zwei entgegengesetzten/gegenüberliegenden Flächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A angeordnet sind. Es wird bemerkt, dass die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B auch nur auf einer der beiden gegenüberliegenden Flächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A angeordnet sein kann.
  • Der Negativelektroden-Stromkollektor 12A weist ein oder mehrere elektrisch leitende Materialien auf, die, ohne Einschränkung hierauf, ein Metallmaterial mit einschließen. Beispiele für das Metallmaterial schließen Kupfer, Aluminium, Nickel und rostfreien Stahl mit ein. Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B weist eines oder mehrere Negativelektroden-Aktivmaterialien auf, in die Lithium eingebracht werden kann und aus denen Lithium extrahiert werden kann, und kann darüber hinaus z. B. ein Negativelektroden-Bindemittel bzw. Negativelektroden-Binder und ein Negativelektroden-Leitmittel aufweisen. Einzelheiten des Negativelektroden-Bindemittels und des Negativelektroden-Leitmittels sind ähnlich wie Einzelheiten des Positivelektroden-Bindemittels und des Positivelektroden-Leitmittels.
  • Vorliegend weist der Negativelektroden-Stromkollektor 12A einen vorspringenden Teil 12AT auf, auf dem die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B nicht vorgesehen ist, wie in 1 dargestellt. Der vorstehende Teil 12AT ist an einer Position angeordnet, die den vorstehenden Teil 11AT nicht überlappt. Dementsprechend weist die Batterievorrichtung 10 in einem Fall, in dem die Batterievorrichtung 10 mehrere negative Elektroden 12 (mehrere Negativelektroden-Stromkollektoren 12A) aufweist, mehrere vorspringende Teile 12AT auf. Die mehreren vorstehenden Teile 12AT sind miteinander verbunden, um ein einziges Verbindungsteil 12Z mit einer Leitungsform zu bilden.
  • Das Negativelektroden-Aktivmaterial weist eines oder mehrere von Lithium-Titan-Kompositoxiden auf. Der Begriff „Lithium-Titan-Kompositoxid“ ist ein allgemeiner Begriff für ein Oxid, das Lithium und Titan als konstituierende Elemente aufweist, wie oben beschrieben. Das Lithium-Titan-Kompositoxid hat eine Spinell-Kristallstruktur. Ein Grund, warum das Negativelektroden-Aktivmaterial das Lithium-Titan-Kompositoxid aufweist, ist, dass eine Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung in der negativen Elektrode 12 unterdrückt wird und somit auch die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung unterdrückt wird.
  • Das Lithium-Titan-Kompositoxid ist in seiner Art oder Ausgestaltung nicht besonders beschränkt, solange das Oxid Lithium und Titan als konstituierende Elemente aufweist. Insbesondere weist das Lithium-Titan-Kompositoxid Lithium, Titan und ein weiteres Element als konstituierende Elemente auf. Bei dem anderen Element handelt es sich um eines oder mehrere Elemente (außer Titan), die zu den Gruppen 2 bis 15 des langperiodischen Periodensystems der Elemente gehören. Es wird bemerkt, dass ein Oxid, das Nickel zusammen mit Lithium und Titan als konstituierende Elemente aufweist, als Lithium-Titan-Kompositoxid und nicht als Lithium-Nickel-Kompositoxid klassifiziert wird.
  • Genauer gesagt schließt das Lithium-Titan-Kompositoxid eine oder mehrere Verbindungen mit ein, die durch die nachstehende Formel (1) dargestellt wird, eine Verbindung, die durch die nachstehende Formel (2) dargestellt wird, oder eine Verbindung, die durch die nachstehende Formel (3) dargestellt wird. M1 in Formel (1) ist ein Metallelement, das ein zweiwertiges Ion sein soll. M2 in Formel (2) ist ein Metallelement, bei dem es sich um ein dreiwertiges Ion handeln soll. M3 in Formel (3) ist ein Metallelement, das ein vierwertiges Ion sein soll. Ein Grund dafür ist, dass eine Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung in der negativen Elektrode 12 hinreichend unterdrückt wird und somit auch die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung hinreichend unterdrückt wird. Li[LixM1(1-3x)/2Ti(3+x)/2]O4 (1) in welcher:
    • M1 zumindest eines ist von Mg, Ca, Cu, Zn, oder Sr; und x erfüllt 0 ≤ x ≤ 1/3.
    Li[LiyM21-3yTi1+2y]O4 (2) in welcher:
    • M2 zumidnest eines ist von Al, Sc, Cr, Mn, Fe, Ga, oder Y; und y erfüllt 0 ≤ y ≤ 1/3.
    Li[Li1/3M3zTi(5/3)-z]O4 (3) in welcher:
    • M3 zumindest eines ist von V, Zr, oder Nb; und z erfüllt 0 ≤ z ≤ 2/3.
  • Wie aus einem Wertebereich ersichtlich ist, den x in Formel (1) annehmen kann, kann das Lithium-Titan-Kompositoxid, das durch Formel (1) dargestellt wird, das andere Element (M1) als ein konstituierendes Element aufweisen, oder es kann das andere Element (M1) auch nicht als konstituierendes Element aufweisen. Wie aus einem Wertebereich ersichtlich ist, den y in Formel (2) annehmen kann, kann das Lithium-Titan-Kompositoxid der Formel (2) das andere Element (M2) als Bestandteil aufweisen oder das andere Element (M2) auch nicht als Bestandteil aufweisen. Wie aus dem Wertebereich, den z in der Formel (3) annehmen kann, ersichtlich ist, kann das Lithium-Titan-Kompositoxid, das durch die Formel (3) dargestellt wird, das andere Element (M3) als ein konstituierendes Element aufweisen, oder es kann das andere Element (M3) auch nicht als konstituierendes Element aufweisen.
  • Spezifische Beispiele für das durch die Formel (1) dargestellte Lithium-Titan-Kompositoxid schließen Li3.75Ti4.875Mg0.375O12 mit ein. Spezifische Beispiele für das durch die Formel (2) dargestellte Lithium-Titan-Kompositoxid schließen LiCrTiO4 mit ein. Spezifische Beispiele für das durch die Formel (3) dargestellte Lithium-Titan-Kompositoxid schließen Li4Ti5O12 und Li4Ti4.95Nb0.05O12 mit ein.
  • Das Negativelektroden-Aktivmaterial kann ferner eines oder mehrere andere Negativelektroden-Aktivmaterialien aufweisen, solange das Negativelektroden-Aktivmaterial das oben beschriebene Lithium-Titan-Kompositoxid aufweist.
  • Das andere Negativelektroden-Aktivmaterial ist in seiner Art nicht besonders begrenzt, und spezifische Beispiele dafür schließen ein Kohlenstoffmaterial und ein Material auf Metallbasis mit ein. Beispiele für das Kohlenstoffmaterial schließen graphitisierbaren Kohlenstoff, nicht graphitisierbaren Kohlenstoff und Graphit mit ein. Beispiele für Graphit schließen Naturgraphit und künstlichen Graphit mit ein. Das Material auf Metallbasis ist ein Material, das ein oder mehrere Elemente unter den Metallelementen und den metalloiden Elementen mit einschließt, die jeweils in der Lage sind, eine Legierung mit Lithium zu bilden. Das Metallelement und das metalloide Element sind in ihrer Art nicht besonders begrenzt und schließen beispielsweise Silizium und Zinn mit ein. Bei dem Material auf Metallbasis kann es sich um eine einfache Substanz, eine Legierung, eine Verbindung, eine Mischung aus zwei oder mehreren davon oder um ein Material handeln, das zwei oder mehrere Phasen davon aufweist. Es wird bemerkt, dass das oben beschriebene Lithium-Titan-Kompositoxid von dem hier beschriebenen Material auf Metallbasis ausgeschlossen ist.
  • Spezifische Beispiele für das Material auf Metallbasis schließen SiB4, SiB6, Mg2Si, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2, SiC, Si3N4, Si2N2O, SiOv (0 < v ≤ 2), LiSiO, SnOw (0 < w ≤ 2), SnSiO3, LiSnO, und Mg2Sn mit ein. Es wird bemerkt, dass v von SiOv 0.2 < v < 1.4 erfüllen kann.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B ist nicht besonders begrenzt, und insbesondere werden ein oder mehrere Verfahren ausgewählt aus einem Beschichtungsverfahren, einem Dampfphasenverfahren, einem Flüssigphasenverfahren, einem thermischen Spritzverfahren und einem Brenn-(Sinter-)Verfahren.
  • Bei der Herstellung der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 ist es möglich, das Kapazitätsverhältnis R1 durch Änderung des Verhältnisses zwischen der Menge des Positivelektroden-Aktivmaterials und der Menge des Negativelektroden-Aktivmaterials einzustellen. Genauer gesagt ist es in einem Prozess der Herstellung der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 möglich, das Kapazitätsverhältnis R1 einzustellen, indem eine Dicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B geändert wird, während eine Dicke der Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B fixiert wird.
  • Die hier beschriebene „Dicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B“ ist die Gesamtdicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B. Dementsprechend ist in einem Fall, in dem die negative Elektrode 12 die beiden Negativelektroden-Aktivmaterialschichten 12B aufweist, weil die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B auf jeder der beiden entgegengesetzten/gegenüberliegenden Flächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A angeordnet ist, die Dicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B die Summe aus einer Dicke der einen der Negativelektroden-Aktivmaterialschichten 12B und einer Dicke der anderen der Negativelektroden-Aktivmaterialschichten 12B.
  • In diesem Fall liegt das Kapazitätsverhältnis R1, wie oben beschrieben, in einem Bereich von 100 % bis einschließlich 120 %. Somit wird, selbst wenn die Dicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B gering ist, eine Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung unterdrückt, was die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung unterdrückt, wie später beschrieben wird. Genauer gesagt, kann die Dicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B 130 µm oder weniger betragen.
  • (Separator)
  • Der Separator 13 ist ein isolierender poröser Film, der zwischen der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 angeordnet ist, wie in 2 dargestellt, und der Lithiumionen durchlässt, während er einen Kontakt zwischen der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 verhindert. Der Separator 13 weist eine oder mehrere Polymerverbindungen auf, die unter anderem Polytetrafluorethylen, Polypropylen und Polyethylen aufweisen.
  • (Elektrolytlösung)
  • Die Elektrolytlösung weist ein Lösemittel und ein Elektrolytsalz auf.
  • Das Lösemittel schließt eines oder mehrere nicht-wässrige Lösemittel (organische Lösemittel) mit ein. Eine Elektrolytlösung, die ein nicht-wässriges Lösemittel aufweist, ist eine sogenannte nicht-wässrige Elektrolytlösung. Konkret schließt das nicht-wässrige Lösemittel eine Dinitril-Verbindung und einen Carbonsäureester mit ein.
  • Die Dinitril-Verbindung ist eine Kettenverbindung, die an jedem Ende eine Nitrilgruppe (-CN) aufweist, also zwei Nitrilgruppen. Die Dinitril-Verbindung dient dazu, die Oxidationsbeständigkeit des Carbonsäureesters zu verbessern, indem sie in Kombination mit dem Carbonsäureester verwendet wird.
  • Obwohl die Art der Dinitril-Verbindung nicht besonders begrenzt ist, handelt es sich insbesondere um eine Verbindung, bei der zwei Nitrilgruppen über eine geradkettige Alkylengruppe aneinander gebunden sind. Spezifische Beispiele für eine Dinitril-Verbindung schließen Malononitril (Kohlenstoffzahl = 1), Succinonitril (Kohlenstoffzahl = 2), Glutaronitril (Kohlenstoffzahl = 3), Adiponitril (Kohlenstoffzahl = 4), Pimelonitril (Kohlenstoffzahl = 5) und Suberonitril (Kohlenstoffzahl = 6) mit ein. Die oben in Klammern angegebene Kohlenstoffzahl ist eine Kohlenstoffzahl der Alkylengruppe.
  • Insbesondere liegt die Kohlenstoffzahl der Alkylengruppe vorzugsweise in einem Bereich von jeweils einschließlich 2 bis 4. Dementsprechend ist die Dinitril-Verbindung bevorzugt eine oder mehrere von Succinonitril, Glutaronitril oder Adiponitril. Ein Grund dafür ist, dass z.B. die Löslichkeit und Kompatibilität der Dinitril-Verbindung verbessert wird und die Dinitril-Verbindung die Oxidationsbeständigkeit des Carbonsäureesters ausreichend verbessert.
  • Der Carbonsäureester ist ein geradkettiger gesättigter Fettsäureester. Spezifische Beispiele für den Carbonsäureester schließen Methylacetat, Ethylacetat, Methylpropionat, Ethylpropionat, Propylpropionat und Ethyltrimethylacetat mit ein.
  • Insbesondere ist der Carbonsäureester vorzugsweise Ethylpropionat, Propylpropionat oder beides. Ein Grund dafür ist, dass eine Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters beim Laden und Entladen ausreichend unterdrückt wird und somit auch die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters ausreichend unterdrückt wird.
  • Es wird bemerkt, dass ein Gehalt der Dinitril-Verbindung in dem Lösemittel so bemessen ist, dass er innerhalb eines vorbestimmten Bereichs in Bezug auf einen Gehalt des Carbonsäureesters in dem Lösemittel liegt. Insbesondere liegt das Verhältnis (Molverhältnis) R2 einer Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung und der Anzahl der Mole des Carbonsäureesters in einem Bereich von jeweils einschließlich 1 % bis 4%. Ein Grund dafür ist, dass der Gehalt der Dinitril-Verbindung in Bezug auf den Gehalt des Carbonsäureesters optimiert ist. So wird auch bei gemeinsamer Verwendung der Dinitril-Verbindung und des Carbonsäureesters eine Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters unterdrückt und damit auch die Gasbildung durch die Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters. Das Molverhältnis R2 wird berechnet durch R2 (%) = (Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung/Anzahl der Mole des Carbonsäureesters) × 100.
  • Obwohl nicht besonders begrenzt, liegt der Gehalt des Carbonsäureesters im Lösemittel vorzugsweise in einem Bereich von jeweils einschließlich 50 Gew.-% bis 90 Gew.-%. Ein Grund dafür ist, dass eine Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters beim Laden und Entladen ausreichend unterdrückt wird, und somit auch die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters ausreichend unterdrückt wird.
  • Das Lösemittel kann ferner eines oder mehrere andere nicht-wässrige Lösemittel aufweisen, solange das Lösemittel die oben beschriebene Dinitril-Verbindung und den Carbonsäureester aufweist.
  • Beispiele für das andere nicht-wässrige Lösemittel schließen Ester und Ether mit ein. Spezifischere Beispiele für das andere nicht-wässrige Lösemittel schließen eine Verbindung auf Kohlensäureester-Basis und eine Verbindung auf Lacton-Basis mit ein. Ein Grund dafür ist, dass sich die Dissoziationseigenschaft des Elektrolytsalzes verbessert und eine hohe Mobilität der Ionen erreicht wird.
  • Konkrete Beispiele für die Verbindung auf Basis eines Kohlensäureesters schließen einen zyklischen Kohlensäureester und einen Kettenkohlensäureester mit ein. Spezifische Beispiele für den zyklischen Kohlensäureester schließen Ethylencarbonat und Propylencarbonat mit ein. Spezifische Beispiele für den Ester der kettenförmigen Kohlensäure schließen Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Methylethylcarbonat mit ein.
  • Beispiele für eine Verbindung auf Lactonbasis schließen ein Lacton mit ein. Spezifische Beispiele für das Lacton schließen γ-Butyrolacton und γ-Valerolacton mit ein. Es wird bemerkt, dass Beispiele für andere Ether als die oben beschriebenen Verbindungen auf Lactonbasis 1,2-Dimethoxyethan, Tetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan und 1,4-Dioxan mit einschließen können.
  • Weitere Beispiele für das nicht-wässrige Lösemittel können einen ungesättigten zyklischen Kohlensäureester, einen halogenierten Kohlensäureester, einen Sulfonsäureester, einen Phosphorsäureester, ein Säureanhydrid, eine Mononitril-Verbindung und eine Isocyanatverbindung mit einschließen. Ein Grund dafür ist, dass sich die chemische Stabilität der Elektrolytlösung verbessert.
  • Spezifische Beispiele für den ungesättigten zyklischen Kohlensäureester schließen Vinylencarbonat (1,3-Dioxol-2-on), Vinylethylencarbonat (4-Vinyl-1,3-dioxolan-2-on) und Methylenethylencarbonat (4-Methylen-1,3-dioxolan-2-on) mit ein. Besondere Beispiele für halogenierte Kohlensäureester schließen Fluorethylencarbonat (4-Fluor-1,3-dioxolan-2-on) und Difluorethylencarbonat (4,5-Difluor-1,3-dioxolan-2-on) mit ein. Beispiele für Sulfonsäureester schließen 1,3-Propansulton und 1,3-Propensulton mit ein. Spezifische Beispiele für den Phosphorsäureester schließen Trimethylphosphat und Triethylphosphat mit ein.
  • Beispiele für das Säureanhydrid schließen ein zyklisches Dicarbonsäureanhydrid, ein zyklisches Disulfonsäureanhydrid und ein zyklisches Carbonsäuresulfonsäureanhydrid mit ein. Spezifische Beispiele für zyklische Dicarbonsäureanhydride schließen Bernsteinsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid und Maleinsäureanhydrid mit ein. Spezifische Beispiele für zyklische Disulfonsäureanhydride sclhießen 1,2-Ethandisulfonsäureanhydrid und 1,3-Propandisulfonsäureanhydrid mit ein. Spezifische Beispiele für zyklische Carbonsäuresulfonsäureanhydride schließen Sulfobenzoesäureanhydrid, Sulfopropionsäureanhydrid und Sulfobuttersäureanhydrid mit ein.
  • Die Mononitril-Verbindung ist eine Verbindung mit einer Nitrilgruppe. Spezifische Beispiele für die Mononitril-Verbindung schließen Acetonitril mit ein. Spezifische Beispiele für die Isocyanatverbindung schließen Hexamethylendiisocyanat mit ein.
  • Das Elektrolytsalz weist ein oder mehrere Leichtmetallsalze auf, die, ohne Einschränkung, ein Lithiumsalz mit einschließen. Beispiele für das Lithiumsalz schließen Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO2)2), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumtris(trifluormethansulfonyl)methid (LiC(CF3SO2)3), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2O4)), und Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C2O4)2) mit ein.
  • Obwohl nicht besonders begrenzt, liegt der Gehalt des Elektrolytsalzes insbesondere in einem Bereich von jeweils einschließlich 0,3 mol/kg bis 3,0 mol/kg, bezogen auf das Lösemittel. Ein Grund dafür ist, dass eine hohe ionische Leitfähigkeit erzielt werden kann.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung der Elektrolytlösung, das das Molverhältnis R2 und den Gehalt des Carbonsäureesters in dem oben beschriebenen Lösemittel aufweist, wird im Folgenden beschrieben.
  • Bei der Untersuchung der Zusammensetzung einer Komponente (des Lösemittels), die in der Elektrolytlösung enthalten ist, wird die Elektrolytlösung mit einem oder mehreren Verfahren analysiert, die, ohne Einschränkung hierauf, Gaschromatographie und Hochleistungs-Flüssiggaschromatographie mit einschließen. So wird zum Beispiel die Art des in der Elektrolytlösung vorhandenen Lösemittels bestimmt.
  • Bei der Untersuchung des Gehalts der Komponente (des Lösemittels), die in der Elektrolytlösung enthalten ist, wird zunächst die Sekundärbatterie zerlegt, um die Batterievorrichtung 10 zu entnehmen, woraufhin die Elektrolytlösung aus der Batterievorrichtung 10 entnommen wird. Die Elektrolytlösung wird in einem späteren Prozess als Referenzlösung verwendet. Danach wird die Batterievorrichtung 10, aus der die Elektrolytlösung nicht gesammelt wurde, für eine Eintauchzeit von 24 Stunden in ein organisches Lösemittel (Dimethylcarbonat) getaucht. Auf diese Weise wird die Elektrolytlösung, mit der die Batterievorrichtung 10 imprägniert ist, in das organische Lösemittel extrahiert. Auf diese Weise erhält man einen Extrakt der Elektrolytlösung. Schließlich wird der Extrakt aus der Elektrolytlösung gaschromatographisch analysiert. In diesem Fall wird die zuvor gesammelte Elektrolytlösung als Referenzlösung verwendet. Darüber hinaus wird die Peakfläche jeder Komponente (jedes in dem Extrakt der Elektrolytlösung enthaltenen Lösemittels) auf die Peakfläche von Propylencarbonat normiert, um so die Restmenge jeder Komponente zu bestimmen. Auf diese Weise wird der Gehalt des in der Elektrolytlösung vorhandenen Lösemittels identifiziert bzw. bestimmt.
  • Bei der Untersuchung des Gehalts des Carbonsäureesters im Lösemittel wird der Gehalt des Carbonsäureesters auf der Grundlage des Gehalts des Lösemittels berechnet, das in der oben beschriebenen Elektrolytlösung enthalten ist. Der Gehalt an Carbonsäureester wird wie folgt berechnet: Gehalt an Carbonsäureester (Gew.-%) = (Gewicht des Carbonsäureesters/Gewicht des Lösemittels) × 100. Das „Gewicht des Lösemittels“ ist die Summe der Gewichte aller in der Elektrolytlösung enthaltenen Lösemittel.
  • Bei der Untersuchung des molaren Verhältnisses R3 werden die Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung und die Anzahl der Mole des Carbonsäureesters anhand des Gehalts des in der oben beschriebenen Elektrolytlösung vorhandenen Lösemittels (der Dinitril-Verbindung und des Carbonsäureesters) bestimmt, woraufhin das molare Verhältnis R3 anhand der Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung und der Anzahl der Mole des Carbonsäureesters berechnet wird.
  • (Positivelektroden-Leitung und Negativelektroden-Leitung)
  • Die Positivelektroden-Leitung 31 ist ein Positivelektroden-Anschluss, der mit der positiven Elektrode 11 (dem Positivelektroden-Stromkollektor 11A) gekoppelt ist und ein oder mehrere elektrisch leitende Materialien aufweist, einschließlich, ohne Einschränkung, Aluminium. Die Positivelektroden-Leitung 31 ist mit dem Verbindungsteil 11Z gekoppelt und somit über das Verbindungsteil 11Z elektrisch mit den mehreren positiven Elektroden 11 verbunden. Die Form der Positivelektroden-Leitung 31 ist nicht besonders begrenzt, und insbesondere werden eine oder mehrere Formen aus einer dünnen Plattenform, einer Gitterform und anderen Formen ausgewählt.
  • Die Negativelektroden-Leitung 32 ist ein Negativelektroden-Anschluss, der mit der negativen Elektrode 12 (dem Negativelektroden-Stromkollektor 12A) gekoppelt ist, und weist eines oder mehrere elektrisch leitende Materialien auf, darunter ohne Einschränkung Kupfer, Nickel und rostfreien Stahl. Die Negativelektroden-Leitung 32 32 ist mit dem Verbindungsteil 12Z gekoppelt und somit über das Verbindungsteil 12Z elektrisch mit den mehreren negativen Elektroden 12 verbunden. Details der Form der Negativelektroden-Leitung 32 32 sind ähnlich wie die Form der oben beschriebenen Positivelektroden-Leitung 31.
  • Vorliegend sind, wie in 1 dargestellt, die Positivelektroden-Leitung 31 und die Negativelektroden-Leitung 32 in jeweils gemeinsamen Richtungen vom Inneren zum Äußeren der äußeren Verpackungsfolie 20 herausgeführt. Es wird bemerkt, dass die Positivelektroden-Leitung 31 und die Negativelektroden-Leitung 32 auch in jeweils unterschiedlichen Richtungen herausgeführt werden können.
  • <1-2. Funktionsweise>
  • Wenn die Sekundärbatterie geladen wird, wird Lithium aus der positiven Elektrode 11 extrahiert und das extrahierte Lithium wird über die Elektrolytlösung in die negative Elektrode 12 eingebracht bzw. eingelagert. Wenn die Sekundärbatterie entladen wird, wird Lithium aus der negativen Elektrode 12 extrahiert und das extrahierte Lithium über die Elektrolytlösung in die positive Elektrode 11 eingebracht. Wenn die Batterie geladen und entladen wird, wird das Lithium in einem ionischen Zustand eingelagert und extrahiert.
  • <1-3. Herstellungsverfahren>
  • Bei der Herstellung der Sekundärbatterie werden in einem nachfolgend beschriebenen Verfahren die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 hergestellt und die Elektrolytlösung vorbereitet, woraufhin die Sekundärbatterie unter Verwendung der positiven Elektrode 11, der negativen Elektrode 12 und der Elektrolytlösung hergestellt wird. Im Folgenden wird gegebenenfalls auf die 1 und 2 verwiesen, die bereits beschrieben worden sind.
  • [Herstellung der positiven Elektrode]
  • Zunächst wird das Positivelektroden-Aktivmaterial, das das Lithium-Nickel-Kompositoxid aufweist, beispielsweise mit dem Positivelektroden-Bindemittel und dem Positivelektroden-Leitmittel gemischt, um so eine Positivelektroden-Mischung zu erhalten. Danach wird die Positivelektroden-Mischung in ein Lösemittel, wie z. B. ein organisches Lösemittel, gegeben, um so ein Positivelektroden-Mischungs-Slurry herzustellen. Schließlich wird das Positivelektroden-Mischungs-Slurry auf jede der beiden entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Oberflächen des Positivelektroden-Stromkollektors 11A, mit Ausnahme des vorstehenden Teils 11AT, aufgetragen, um so die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B zu bilden. Danach kann die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B z. B. mit Hilfe einer Walzenpressmaschine formgepresst werden. In diesem Fall kann die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B erhitzt werden. Die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B kann mehrfach formgepresst werden. Die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B wird so auf jeder der beiden entgegengesetzten/gegenüberliegenden Oberflächen des Positivelektroden-Stromkollektors 11A gebildet. Auf diese Weise wird die positive Elektrode 11 hergestellt.
  • [Herstellung der negativen Elektrode]
  • Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B wird auf jeder der beiden entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Flächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A durch ein Verfahren gebildet, das im Wesentlichen dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren der positiven Elektrode 11 entspricht. Insbesondere wird das Negativelektroden-Aktivmaterial, das das Lithium-Titan-Kompositoxid aufweist, beispielsweise mit dem Negativelektroden-Bindemittel bzw. -Binder und dem Negativelektroden-Leitmittel gemischt, um eine Negativelektroden-Mischung zu erhalten. Danach wird die Negativelektroden-Mischung in ein Lösemittel, z. B. ein organisches Lösemittel, gegeben, um so ein pastöse Negativelektroden-Mischungs-Slurry herzustellen. Danach wird die Negativelektroden-Mischungs-Slurry auf jede der beiden entgegengesetzten Oberflächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A, mit Ausnahme des vorstehenden Teils 12AT, aufgetragen, um so die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B zu bilden. Danach kann die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B unter Druck geformt werden. Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B wird somit auf jeder der beiden entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Oberflächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A gebildet. Auf diese Weise wird die negative Elektrode 12 hergestellt.
  • Es wird bemerkt, dass bei der Herstellung der negativen Elektrode 12 die Dicke der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B so eingestellt wird, dass das Kapazitätsverhältnis R1 in einen Bereich von jeweils einschließlich 100 % bis 120 % fällt.
  • [Herstellung der Elektrolytlösung]
  • Eine Komponente wie das Elektrolytsalz wird in das Lösemittel gegeben, das den Carbonsäureester aufweist, woraufhin ein weiteres Lösemittel (die Dinitril-Verbindung) zu dem Lösemittel hinzugefügt wird. Die Komponente wie das Elektrolytsalz wird dadurch in dem Lösemittel dispergiert oder gelöst. Auf diese Weise wird die Elektrolytlösung hergestellt.
  • Es wird bemerkt, dass bei der Herstellung der Elektrolytlösung die jeweiligen Zugabemengen der Dinitril-Verbindung und des Carbonsäureesters so eingestellt werden, dass das molare Verhältnis R2 in einem Bereich von 1 % bis 4 %, jeweils einschließlich, liegt.
  • [Zusammenbau der Sekundärbatterie]
  • Zunächst werden die positive Elektrode 11, die den vorstehenden Teil 11AT aufweist, und die negative Elektrode 12, die den vorstehenden Teil 12AT aufweist, abwechselnd mit dem dazwischen liegenden Separator 13 gestapelt, um so einen gestapelten Körper herzustellen. Der Stapelkörper hat eine ähnliche Ausgestaltung wie die Batterievorrichtung 10, mit der Ausnahme, dass die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12 und der Separator 13 jeweils nicht mit der Elektrolytlösung imprägniert sind.
  • Danach werden die mehrfach vorstehenden Teile 11AT durch ein Verfahren wie ein Schweißverfahren miteinander verbunden, um das Verbindungsteil 11Z zu bilden, und die mehrfach vorstehenden Teile 12AT werden durch ein Verfahren wie ein Schweißverfahren miteinander verbunden, um das Verbindungsteil 12Z zu bilden. Danach wird die Positivelektroden-Leitung 31 mit dem Verbindungsteil 11Z durch ein Verfahren wie ein Schweißverfahren gekoppelt, und die Negativelektroden-Leitung 32 wird mit dem Verbindungsteil 12Z durch ein Verfahren wie ein Schweißverfahren gekoppelt.
  • Danach wird der gestapelte Körper innerhalb des Vertiefungsabschnitts 20U gelegt, woraufhin die äußere Verpackungsfolie 20 (Fusions-Bondingschicht/Metallschicht/Oberflächenschutzschicht) gefaltet wird, um dadurch zu bewirken, dass Abschnitte der äußeren Verpackungsfolie 20 einander entgegengesetzt sind bzw. gegenüberliegen. Danach werden die Außenränder zweier einander entgegengesetzter/gegenüberliegenden Seiten der äußeren Verpackungsfolie 20 (die Fusions-Bondingschicht) durch ein Verfahren wie ein thermisches Schmelzklebeverfahren miteinander verbunden, um dadurch den gestapelten Körper in der beutelförmigen äußeren Verpackungsfolie 20 aufzunehmen.
  • Schließlich wird die Elektrolytlösung in die beutelförmige äußere Verpackungsfolie 20 eingespritzt, woraufhin die Außenränder der verbleibenden einen Seite der äußeren Verpackungsfolie 20 (die Fusions-Bondingschicht) durch ein Verfahren wie ein thermisches Schmelzklebeverfahren miteinander verklebt werden. In diesem Fall ist die Dichtungsfolie 21 zwischen der äußeren Verpackungsfolie 20 und der Positivelektroden-Leitung 31 und die Dichtungsfolie 22 zwischen der äußeren Verpackungsfolie 20 und der Negativelektroden-Leitung 32 eingefügt. Der gestapelte Körper wird dadurch mit der Elektrolytlösung imprägniert. Auf diese Weise wird die Batterievorrichtung 10 in Form eines gestapelten Elektrodenkörpers hergestellt. Auf diese Weise wird die Vorrichtung 10 in der beutelförmigen äußeren Verpackungsfolie 20 versiegelt. Damit ist die Sekundärbatterie zusammengebaut.
  • [Stabilisierungsprozess]
  • Die montierte Sekundärbatterie wird geladen und entladen. Verschiedene Bedingungen, die, ohne Einschränkung hierauf, eine Umgebungstemperatur, die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge (d.h. die Anzahl der Zyklen) und die Lade- und Entladebedingungen aufweisen, können frei eingestellt werden. Dadurch bildet sich ein Film auf der Oberfläche z. B. der negativen Elektrode 12. Dadurch kann die Sekundärbatterie in einen elektrochemisch stabilen Zustand versetzt werden. Damit ist die Sekundärbatterie unter Verwendung der äußeren Verpackungsfolie 20, d.h. die Sekundärbatterie vom Laminatfolientyp, fertiggestellt.
  • <1-4. Arbeitsweise und Wirkungen>
  • Gemäß der Sekundärbatterie weist die positive Elektrode 11 das Lithium-Nickel-Kompositoxid auf, die negative Elektrode 12 weist das Lithium-Titan-Kompositoxid auf, und die Elektrolytlösung weist die Dinitril-Verbindung und den Carbonsäureester auf. Darüber hinaus liegt das Kapazitätsverhältnis R1, bezogen auf die Kapazität der positiven Elektrode 11 und die Kapazität der negativen Elektrode 12, in einem Bereich von jeweils einschließlich 100 % bis 120 %, und das Molverhältnis R2, bezogen auf die Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung und die Anzahl der Mole des Carbonsäureesters, liegt in einem Bereich von jeweils einschließlich 1 % bis 4 %.
  • Da die Elektrolytlösung sowohl die Dinitril-Verbindung als auch den Carbonsäureester aufweist, verbessert die Dinitril-Verbindung in diesem Fall erstens die Oxidations-Reduktions-Beständigkeit des Carbonsäureesters. Dadurch wird ein potenzielles Fenster auf der Oxidationsseite stark vergrößert, verglichen mit einem Fall, in dem die Elektrolytlösung nur den Carbonsäureester aufweist, ohne die Dinitril-Verbindung aufzuweisen. Somit wird, selbst dann, wenn das Lithium-Nickel-Kompositoxid mit einer hohen Eigenschaft dahingehend, die Elektrolytlösung zu oxidieren, als Positivelektroden-Aktivmaterial verwendet wird, eine Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung (insbesondere des Carbonsäureesters) beim Laden und Entladen unterdrückt, was die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung in der Positivelektrode 11 unterdrückt.
  • Zweitens wird aufgrund der Unterdrückung der Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung in der positiven Elektrode 11, selbst wenn das Lithium-Titan-Kompositoxid als Negativelektroden-Aktivmaterial verwendet wird, die Bildung eines Nebenprodukts mit hoher Reduzierbarkeit aufgrund der Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung in der positiven Elektrode 11 unterdrückt. Somit wird eine Reduktionsreaktion des Nebenprodukts in der negativen Elektrode 12 unterdrückt, was die Gasbildung aufgrund der Reduktionsreaktion des Nebenprodukts unterdrückt.
  • Drittens koordiniert die Dinitril-Verbindung selektiv an Titan im Lithium-Titan-Kompositoxid in einem Ausmaß, dass die Bewegung von Lithiumionen (eine Li/Li+-Ladungstransferreaktion) an einer Grenzfläche zwischen der negativen Elektrode 12 (dem Lithium-Titan-Kompositoxid) und der Elektrolytlösung nicht gehemmt wird, weil das Molverhältnis R2 innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt. Somit dient die Dinitril-Verbindung als Schutzfilm, der eine Reduktionsreaktion der Elektrolytlösung bei einem Potential von 1,5 V oder weniger gegenüber einer Lithium-Referenzelektrode unterdrückt. Dadurch wird die Gasbildung aufgrund der Reduktionsreaktion der Elektrolytlösung unterdrückt, selbst wenn das Kapazitätsverhältnis R1 100 % oder mehr beträgt.
  • Viertens kann die negative Elektrode 12 aufgrund der als Schutzfilm dienenden Dinitril-Verbindung eine geringe Dicke aufweisen. Dadurch wird eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung der Elektrolytlösung innerhalb der negativen Elektrode 12 erreicht, selbst wenn diese mit hohen Strömen aufgeladen wird, was das Einbringen von Lithium-Ionen in die negative Elektrode 12 und deren Extraktion aus ihr erleichtert.
  • Wenn die positive Elektrode 11 das Lithium-Nickel-Kompositoxid aufweist und die negative Elektrode 12 das Lithium-Titan-Kompositoxid aufweist, wird eine hohe Energiedichte erreicht, da das Kapazitätsverhältnis R1 innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, und die Lithium-Ionen-Eintrittsleistung wird verbessert, während das Aufquellen der Sekundärbatterie unterdrückt wird, da das Molverhältnis R2 innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt. Dies ermöglicht ein besseres Quellverhalten und ein besseres Ladeverhalten bei gleichzeitiger Sicherung der Energiedichte.
  • Insbesondere kann das Lithium-Nickel-Kompositoxid Lithium, Nickel und ein anderes Element als Bestandteile aufweisen, und das Molverhältnis R3 kann 80% oder mehr betragen. Dadurch kann eine höhere Energiedichte erreicht werden. Dementsprechend ist es möglich, höhere Wirkungen zu erzielen.
  • Das Lithium-Titan-Kompositoxid kann eine oder mehrere von der durch die Formel (1) dargestellten Verbindung, der durch die Formel (2) dargestellten Verbindung oder der durch die Formel (3) dargestellte Verbindung aufweisen. Dadurch wird die Quellung der Sekundärbatterie ausreichend unterdrückt. Dementsprechend ist es möglich, höhere Wirkungen zu erzielen.
  • Die Dinitril-Verbindung kann, ohne Einschränkung hierauf, Succinonitril mit einschließen, und der Carbonsäureester kann, ohne Einschränkung hierauf, Ethylpropionat mit einschließen. Dadurch wird die Quellung der Sekundärbatterie ausreichend unterdrückt. Dementsprechend ist es möglich, höhere Wirkungen zu erzielen. In diesem Fall wird insbesondere auch bei Verwendung von Ethylpropionat, das aufgrund einer Zersetzungsreaktion leichter Gas erzeugt als Propylpropionat und gleichzeitig eine höhere ionische Leitfähigkeit als Propylpropionat aufweist, die Gasbildung z. B. durch Succinonitril unterdrückt. Dadurch kann sowohl eine Verbesserung der Lithium-Ionen-Eintrittsleistung als auch eine Unterdrückung der Quellung der Sekundärbatterie erreicht werden.
  • Das Lösemittel der Elektrolytlösung kann den Carbonsäureester aufweisen, und der Gehalt des Carbonsäureesters in dem Lösemittel kann in einem Bereich von jeweils einschließlich 50 Gew.-% bis 90 Gew.-% liegen. Dadurch wird eine Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters beim Laden und Entladen ausreichend unterdrückt, und somit wird auch die Gasbildung aufgrund der Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters ausreichend unterdrückt. Mit anderen Worten, selbst wenn eine große Menge des Carbonsäureesters (mit einem Gehalt in einem Bereich von jeweils einschließlich 50 Gew.-% bis 90 Gew.-% in dem Lösemittel) verwendet wird, wird die Gaserzeugung aufgrund der Zersetzungsreaktion des Carbonsäureesters durch die Dinitril-Verbindung ausgeführt, was verhindert, dass die Sekundärbatterie leicht anschwillt. Dadurch wird die Quellung der Sekundärbatterie ausreichend unterdrückt. Dementsprechend ist es möglich, eine höhere Wirkung zu erzielen.
  • In der Batterievorrichtung 10 können die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 abwechselnd gestapelt werden, wobei der Separator 13 dazwischen liegt. So wird bei der Herstellung der Vorrichtung 10 die Elektrolytlösung dem Stapelkörper aus vier Richtungen zugeführt. Dies erleichtert die Imprägnierung des Stapelkörpers mit der Elektrolytlösung, selbst wenn die Viskosität der Elektrolytlösung aufgrund der kombinierten Verwendung der Dinitril-Verbindung und des Carbonsäureesters zunimmt. Die Batterievorrichtung 10 verbessert somit die Rückhaltefähigkeit der Elektrolytlösung, was zu einer weiteren Verbesserung der Ladeleistung führt. Dementsprechend ist es möglich, höhere Wirkungen zu erzielen. In diesem Fall verkürzt sich in einem Herstellungsprozess der Sekundärbatterie eine Elektrolytlösungs-Injektionszeit für den Stapelkörper, wodurch auch in der Herstellung höhere Wirkungen erzielt werden können.
  • Die Sekundärbatterie kann die äußere Verpackungsfolie 20 mit Flexibilität aufweisen, und die Batterievorrichtung 10 (die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12 und die Elektrolytlösung) kann innerhalb der äußeren Verpackungsfolie 20 enthalten sein. Dadurch wird wirksam verhindert, dass die Sekundärbatterie leicht aufquillt, selbst wenn die äußere Verpackungsfolie 20 verwendet wird, die leicht ein spürbares Aufquellen verursacht. Dementsprechend ist es möglich, höhere Wirkungen zu erzielen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der äußeren Verpackungsfolie 20 eine weitere Erhöhung der Energiedichte und auch eine Kostenreduzierung der Sekundärbatterie.
  • Die Sekundärbatterie kann eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie aufweisen. Dadurch ist es möglich, durch Insertion und Extraktion von Lithium eine ausreichende Batteriekapazität stabil zu erhalten. Dementsprechend ist es möglich, höhere Wirkungen zu erzielen.
  • <2. Modifikationen>
  • Als nächstes werden Modifikationen der oben beschriebenen Sekundärbatterie beschrieben. Die Ausgestaltung der Sekundärbatterie ist in geeigneter Weise modifizierbar, wie im Folgenden beschrieben. Es wird bemerkt, dass zwei oder mehr der folgenden Modifikationen kombiniert werden können.
  • [Modifikation 1]
  • Die Batterievorrichtung 10, die den gestapelten Elektrodenkörper darstellt, wird in den 1 und 2 verwendet. Jedoch kann eine Batterievorrichtung 40, die ein gewickelter Elektrodenkörper ist, anstelle der Batterievorrichtung 10, die der gestapelte Elektrodenkörper ist, verwendet werden, wie in 3, die 1 entspricht, und 4, die 2 entspricht, dargestellt.
  • Die in den 3 und 4 dargestellte Sekundärbatterie vom Laminatfolientyps hat eine ähnliche Konfiguration wie die in den 1 und 2 dargestellte Batterie vom Laminatfolientyps auf, mit der Ausnahme, dass die Batterievorrichtung 40 (eine positive Elektrode 41, eine negative Elektrode 42 und ein Separator 43), eine Positivelektroden-Leitung 51 und eine Negativelektroden-Leitung 52 anstelle der Batterievorrichtung 10 (die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12 und der Separator 13), der Positivelektroden-Leitung 31 und der Negativelektroden-Leitung 32 vorhanden sind.
  • Die positive Elektrode 41, die negative Elektrode 42, der Separator 43, die Positivelektroden-Leitung 51 und die Negativelektroden-Leitung 52 haben eine ähnliche Ausgestaltung wie die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12, der Separator 13, die Positivelektroden-Leitung 31 bzw. die Negativelektroden-Leitung 32, mit Ausnahme der folgenden Punkte.
  • In der Batterievorrichtung 40 sind die positive Elektrode 41 und die negative Elektrode 42 so gewickelt, dass der Separator 43 dazwischen liegt. Genauer gesagt sind die positive Elektrode 41 und die negative Elektrode 42 mit dem dazwischen angeordneten Separator 43 gestapelt, und der Stapel aus der positiven Elektrode 41, der negativen Elektrode 42 und dem Separator 43 ist um eine Wickelachse gewickelt. Die Wickelachse ist eine virtuelle Achse, die sich in Richtung der Y-Achse erstreckt. Dementsprechend sind die positive Elektrode 41 und die negative Elektrode 42 einander entgegengesetzt bzw. liegen gegenüber, wobei der Separator 43 dazwischen angeordnet ist.
  • Die positive Elektrode 41 weist einen Positivelektroden-Stromkollektor 41A und eine Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 41B auf, und die negative Elektrode 42 weist einen Negativelektroden-Stromkollektor 42A und eine Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 42B auf. Die positive Elektrode 41, die negative Elektrode 42 und der Separator 43 sind jeweils mit der Elektrolytlösung imprägniert.
  • Vorliegend hat die Batterievorrichtung 40 eine längliche dreidimensionale Form. Mit anderen Worten, ein Abschnitt der Batterievorrichtung 40, der die Wickelachse kreuzt, d.h. ein Abschnitt der Batterievorrichtung 40 entlang einer XZ-Ebene, hat eine längliche Form, die durch eine Hauptachse und eine Nebenachse definiert ist, und insbesondere eine längliche, allgemein elliptische Form. Die Hauptachse ist eine virtuelle Achse, die sich in Richtung der X-Achse erstreckt und eine relativ große Länge aufweist. Die Nebenachse ist eine virtuelle Achse, die sich in einer Z-Achsen-Richtung erstreckt, die die X-Achsen-Richtung kreuzt, und eine relativ kleine Länge hat.
  • Die Positivelektroden-Leitung 51 ist mit der positiven Elektrode 11 (dem Positivelektroden-Stromkollektor 11A) gekoppelt, und die Negativelektroden-Leitung 52 ist mit der negativen Elektrode 12 (dem Negativelektroden-Stromkollektor 12A) gekoppelt. Hier ist die Anzahl der Positivelektroden-Leitungen 51 gleich eins, und die Anzahl der Negativelektroden- Leitungen 52 ist gleich eins.
  • Es wird bemerkt, dass die Anzahl der Positivelektroden-Leitungen 51 nicht besonders begrenzt ist und zwei oder mehr betragen kann. Insbesondere, wenn die Anzahl der Positivelektroden-Leitungen 51 zwei oder mehr ist, nimmt der elektrische Widerstand der Sekundärbatterie ab. Was hier in Bezug auf die Anzahl der Positivelektroden-Leitungen 51 beschrieben wird, gilt auch für die Anzahl der Negativelektroden-Leitungen 52. Dementsprechend kann die Anzahl der Negativelektroden-Leitungen 52 zwei oder mehr betragen, ohne auf eine beschränkt zu sein.
  • Das in den 3 und 4 dargestellte Herstellungsverfahren für die Sekundärbatterie des Laminatfolientyps entspricht im Wesentlichen dem in den 1 und 2 dargestellten Verfahren zur Herstellung der Sekundärbatterie des Laminatfolientyps, mit der Ausnahme, dass die Batterievorrichtung 40 anstelle der Batterievorrichtung 10 hergestellt wird und dass die Positivelektroden-Leitung 51 und die Negativelektroden-Leitung 52 anstelle der Positivelektroden-Leitung 31 und der Negativelektroden-Leitung 32 verwendet werden.
  • Bei der Herstellung der Batterievorrichtung 40 wird zunächst die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 41B auf jeder der beiden Seiten des Positivelektroden-Stromkollektors 41A gebildet, um dadurch die positive Elektrode 41 herzustellen, und die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 42B wird auf jeder der beiden Seiten des Negativelektroden-Stromkollektors 42A gebildet, um dadurch die negative Elektrode 42 herzustellen. Danach wird die Positivelektroden-Leitung 51 mit der positiven Elektrode 41 (dem Positivelektroden-Stromkollektor 41A) durch ein Verfahren wie ein Schweißverfahren gekoppelt, und die Negativelektroden-Leitung 52 wird mit der negativen Elektrode 42 (dem Negativelektroden-Stromkollektor 42A) durch ein Verfahren wie ein Schweißverfahren gekoppelt.
  • Danach werden die positive Elektrode 41 und die negative Elektrode 42 aufeinander gestapelt, wobei der Separator 43 dazwischen angeordnet wird, woraufhin der Stapel aus der positiven Elektrode 41, der negativen Elektrode 42 und dem Separator 43 gewickelt wird, um dadurch einen gewickelten Körper herzustellen. Der gewickelte Körper hat eine ähnliche Ausgestaltung wie die Batterievorrichtung 40, mit der Ausnahme, dass die positive Elektrode 41, die negative Elektrode 42 und der Separator 43 nicht mit der Elektrolytlösung imprägniert sind. Danach wird der gewickelte Körper beispielsweise mit Hilfe einer Pressmaschine gepresst, um den gewickelten Körper in eine längliche Form zu bringen.
  • Schließlich wird die Elektrolytlösung in die beutelförmige äußere Verpackungsfolie 20, die den gewickelten Körper enthält, eingespritzt, woraufhin die äußere Verpackungsfolie 20 versiegelt wird. Der gewickelte Körper wird dadurch mit der Elektrolytlösung imprägniert. Auf diese Weise wird die Batterievorrichtung 40 hergestellt.
  • In der Batterievorrichtung 40 weist die positive Elektrode 41 das Lithium-Nickel-Kompositoxid auf, die negative Elektrode 42 das Lithium-Titan-Kompositoxid, die Elektrolytlösung weist die Dinitril-Verbindung und den Carbonsäureester auf, das Kapazitätsverhältnis R1 liegt in einem Bereich von jeweils einschließlich 100% bis 120%, und das Molverhältnis R2 liegt in einem Bereich von jeweils einschließlich 1% bis 4%. Somit ist es auch in einem Fall, in dem die Batterievorrichtung 40 verwendet wird, möglich, ähnliche Wirkungen zu erzielen wie in einem Fall, in dem die Batterievorrichtung 10 verwendet wird.
  • Um die Herstellungszeit der Sekundärbatterie (die Zeit für die Injektion der Elektrolytlösung) zu verkürzen, ist es vorzuziehen, die Batterievorrichtung 10 in Form eines gestapelten Elektrodenkörpers zu verwenden und nicht die Batterievorrichtung 40 in Form eines gewickelten Elektrodenkörpers. Ein Grund hierfür ist, dass in einem Verfahren zur Herstellung der Batterievorrichtung 40, die ein gewickelter Elektrodenkörper ist, die Elektrolytlösung dem gewickelten Körper aus zwei Richtungen (einige Richtungen um den gewickelten Körper herum) zugeführt wird, während in dem Verfahren zur Herstellung der Batterievorrichtung 10, die ein gestapelte Elektrodenkörper ist, die Elektrolytlösung dem gestapelten Körper aus vier Richtungen (alle Richtungen um den gestapelten Körper herum) zugeführt wird. Somit verbessert sich im Falle der Verwendung der Batterievorrichtung 10 die Geschwindigkeit der Imprägnierung mit der Elektrolytlösung, was die für den Prozess der Herstellung der Sekundärbatterie benötigte Zeit im Vergleich zu dem Fall der Verwendung der Batterievorrichtung 40 verkürzt.
  • [Modifikation 2]
  • Obwohl hier nicht speziell dargestellt, ist das äußere Verpackungselement, das zum Beispiel die positive Elektrode 11, die negative Elektrode 12 und die Elektrolytlösung enthält, in seiner Art nicht besonders begrenzt. Dementsprechend kann zum Beispiel ein Metallbehälter, der ein äußeres Verpackungselement mit Steifigkeit ist, anstelle der äußeren Verpackungsfolie 20, die das äußere Verpackungselement mit Flexibilität ist, verwendet werden. Auch in diesem Fall sind ähnliche Wirkungen erzielbar.
  • Es wird bemerkt, dass ein äußeres Verpackungselement wie ein Metallbehälter mit Steifigkeit die Eigenschaft hat, sich - im Gegensatz zu der äußeren Verpackungsfolie 20 mit Flexibilität - von Natur aus nicht leicht zu verformen. Daher wird in einem Fall, in dem das äußere Verpackungselement, wie der Metallbehälter, verwendet wird, die Sekundärbatterie inhärent aus daran gehindert, leicht aufzuquellen. Dies kann ein spürbares Aufquellen der Sekundärbatterie im Vergleich zu dem Fall, in dem die äußere Verpackungsfolie 20 verwendet wird, verhindern.
  • [Modifikation 3]
  • Der Separator 13, der eine poröse Folie ist, wird verwendet. Obwohl hier nicht speziell dargestellt, kann anstelle des Separators 13, bei dem es sich um einen porösen Film handelt, auch ein Separator vom gestapelten Typ verwendet werden, der eine Schicht aus einer Polymerverbindung aufweist.
  • Insbesondere weist der Separator vom gestapelten Typ die poröse Folie mit zwei gegenüberliegenden Flächen und eine Schicht mit einer Polymerverbindung auf, die auf einer oder jeder der beiden gegenüberliegenden Flächen der porösen Folie angeordnet ist. Ein Grund dafür ist, dass die Haftung des Separators an jeder der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 verbessert wird, um das Auftreten einer Fehlausrichtung der Batterievorrichtung 10 zu unterdrücken. Dies trägt dazu bei, dass die Sekundärbatterie auch dann nicht so leicht aufquillt, wenn beispielsweise eine Zersetzungsreaktion der Elektrolytlösung auftritt. Die Schicht mit einer Polymerverbindung weist eine Polymerverbindung wie Polyvinylidendifluorid auf, die eine höhere physikalische Festigkeit aufweist und elektrochemisch stabil ist.
  • Es wird bemerkt, dass der poröse Film oder die Schicht mit einer Polymerverbindung, oder beide jeweils eine oder mehrere Arten von isolierenden Partikeln aufweisen können. Ein Grund dafür ist, dass solche isolierenden Partikel Wärme ableiten, wenn die Sekundärbatterie Wärme erzeugt, wodurch die Sicherheit oder die Wärmebeständigkeit der Sekundärbatterie verbessert wird. Beispiele für die isolierenden Partikel schließen anorganische Partikel und Harzpartikel mit ein. Spezielle Beispiele für anorganische Partikel schließen Partikel aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Böhmit, Siliziumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid und Zirkoniumoxid mit ein. Spezifische Beispiele für die Harzpartikel schließen Partikel aus Acrylharz und Styrolharz mit ein.
  • Bei der Herstellung des Separators vom gestapelten Typ wird eine Vorläuferlösung hergestellt, die, ohne Einschränkung hierauf, die Polymerverbindung und ein organisches Lösemittel aufweist, und anschließend wird die Vorläuferlösung auf eine oder jede der beiden entgegengesetzten Flächen des porösen Films aufgetragen. In einem anderen Beispiel kann die poröse Folie in die Vorläuferlösung eingetaucht werden. In diesem Fall können der Vorläuferlösung nach Bedarf isolierende Partikel zugesetzt werden.
  • Ähnliche Effekte lassen sich auch erzielen, wenn der Separator vom gestapelten Typ verwendet wird, da Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 beweglich sind. Obwohl hier auf eine genauere Beschreibung verzichtet wird, ist es unnötig zu erwähnen, dass der Separator vom gestapelten Typ, der eine Schicht mit einer Polymerverbindung aufweist, anstelle des Separators 43, der ein poröser Film ist, verwendet werden kann.
  • [Modifikation 4]
  • Es wird eine Elektrolytlösung verwendet, die ein flüssiger Elektrolyt ist. Anstelle der Elektrolytlösung kann jedoch auch eine Schicht aus einem Gelelektrolyt verwendet werden, obwohl dies hier nicht speziell dargestellt ist.
  • In der Batterievorrichtung 10, die die Elektrolytschicht aufweist, sind die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 abwechselnd übereinander angeordnet, wobei der Separator 13 und die Elektrolytschicht dazwischen liegen. Die Elektrolytschicht ist zwischen der positiven Elektrode 11 und dem Separator 13 sowie zwischen der negativen Elektrode 12 und dem Separator 13 angeordnet.
  • Die Elektrolytschicht weist insbesondere eine Polymerverbindung zusammen mit der Elektrolytlösung auf. Die Elektrolytlösung wird von der Polymerverbindung in der Elektrolytschicht gehalten. Ein Grund dafür ist, dass ein Auslaufen der Elektrolytlösung verhindert wird. Die Ausgestaltung der Elektrolytlösung ist wie oben beschrieben. Die Polymerverbindung weist z.B. Polyvinylidendifluorid auf. Bei der Bildung der Elektrolytschicht wird eine Vorläuferlösung hergestellt, die, ohne Einschränkung hierauf, die Elektrolytlösung, die Polymerverbindung und ein organisches Lösemittel aufweist, und anschließend wird die Vorläuferlösung auf eine oder beide Seiten der positiven Elektrode 11 und eine oder beide Seiten der negativen Elektrode 12 aufgetragen.
  • Ähnliche Effekte lassen sich auch bei Verwendung der Elektrolytschicht erzielen, da die Lithiumionen über die Elektrolytschicht zwischen der positiven Elektrode 11 und der negativen Elektrode 12 beweglich sind. Obwohl hier auf eine genauere Beschreibung verzichtet wird, kann die Elektrolytschicht natürlich auch anstelle der Batterievorrichtung 10 auf die Batterievorrichtung 40 aufgebracht werden.
  • <3. Anwendungen der Sekundärbatterie>
  • Nachfolgend wird auf Anwendungen (Anwendungsbeispiele) der oben beschriebenen Sekundärbatterie eingegangen.
  • Die Anwendungen der Sekundärbatterie sind nicht besonders begrenzt, solange es sich beispielsweise um Maschinen, Geräte, Instrumente, Apparate oder Systeme (z.B. eine Baugruppe aus einer Vielzahl von Geräten) handelt, in denen die Sekundärbatterie hauptsächlich als Antriebsenergiequelle, als elektrische Energiespeicherquelle zur Akkumulation von elektrischer Energie oder als eine andere Quelle verwendet wird. Die als Energiequelle verwendete Sekundärbatterie kann als Hauptenergiequelle oder als Hilfsenergiequelle dienen. Die Hauptenergiequelle wird bevorzugt verwendet, unabhängig vom Vorhandensein einer anderen Energiequelle. Die Hilfsenergiequelle kann anstelle der Hauptenergiequelle verwendet werden oder bei Bedarf von der Hauptenergiequelle geschaltet werden. In einem Fall, in dem die Sekundärbatterie als Hilfsenergiequelle verwendet wird, ist die Art der Hauptenergiequelle nicht auf die Sekundärbatterie beschränkt.
  • Spzieifische Beispiele für Anwendungen der Sekundärbatterie schließen ein: elektronische Geräte einschließlich tragbarer elektronischer Geräte, tragbare Haushaltsgeräte des täglichen Lebens, Geräte für die Datenspeicherung, Elektrowerkzeuge, Batteriepacks, die als abnehmbare Energiequellen z. B. in Laptops eingebaut werden können, medizinische elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge und elektrische Energiespeichersysteme. Beispiele für elektronische Geräte schließen Videokameras, digitale Standbildkameras, Mobiltelefone, Laptop-PCs, schnurlose Telefone, Kopfhörer, tragbare Radios, tragbare Fernsehgeräte und tragbare Informationsanschlüsse mit ein. Beispiele für tragbare Haushaltsgeräte schließen elektrische Rasierapparate mit ein. Die Geräte zur Datenspeicherung schließen z. B. Reserveenergiequellen und Speicherkarten mit ein. Beispiele für Elektrowerkzeuge schließen elektrische Bohrmaschinen und elektrische Sägen mit ein. Beispiele für medizinische elektronische Geräte schließen Herzschrittmacher und Hörgeräte mit ein. Beispiele für Elektrofahrzeuge schließen Elektroautos mit ein, einschließlich Hybridautos. Beispiele für elektrische Energiespeichersysteme schließen Hausbatteriesysteme zur Akkumulation von elektrischer Energie für Notfälle mit ein. In diesen Anwendungen kann eine Sekundärbatterie oder eine Vielzahl an Sekundärbatterien eingesetzt werden.
  • Insbesondere wird der Batteriepack effektiv für relativ große Geräte usw. eingesetzt, die ein Elektrofahrzeug, ein elektrisches Energiespeichersystem und ein Elektrowerkzeug mit einschließen. Der Batteriepack kann eine einzelne Batterie aufweisen oder eine zusammengesetzte Batterie, wie später noch beschrieben wird. Das Elektrofahrzeug ist ein Fahrzeug, das unter Verwendung der Sekundärbatterie als Antriebsenergiequelle betrieben wird (fährt), und kann ein Automobil sein, das zusätzlich mit einer anderen Antriebsquelle als der Sekundärbatterie, wie oben beschrieben, ausgestattet ist, wie z. B. ein Hybridfahrzeug. Das elektrische Energiespeichersystem ist ein System, das die Sekundärbatterie als elektrische Energiespeicherquelle verwendet. Ein elektrisches Energiespeichersystem für den Hausgebrauch akkumuliert elektrische Energie in der Sekundärbatterie, die eine elektrische Energiespeicherquelle ist, und die akkumulierte elektrische Energie kann so zum Beispiel für den Betrieb von Haushaltsgeräten genutzt werden.
  • Eines der Beispiele für die Anwendung der Sekundärbatterie wird nun genauer beschrieben. Die Ausgestaltung des nachfolgend beschriebenen Anwendungsbeispiels ist lediglich beispielhaft und kann entsprechend modifiziert werden.
  • 5 zeigt eine Ausgestaltung eines Batteriepacks im Blockschaltbild. Bei dem hier beschriebenen Batteriepack handelt es sich um einen einfachen Batteriepack (ein sogenanntes Softpack), der eine Sekundärbatterie aufweist und z.B. an einem elektronischen Gerät, wie einem Smartphone, angebracht werden soll.
  • Wie in 5 dargestellt, weist der Batteriepack eine elektrische Energiequelle 61 und eine Leiterplatte 62 auf. Die Leiterplatte 62 ist mit der elektrischen Energiequelle 61 gekoppelt und weist einen Positivelektroden-Anschluss 63, einen Negativelektroden-Anschluss 64 und ein Temperaturerfassungs-Anschluss 65 (ein sogenanntes T-Terminal) auf.
  • Die elektrische Energiequelle 61 schließt eine Sekundärbatterie mit ein. Die Sekundärbatterie hat eine Positivelektroden-Leitung, die mit dem Positivelektroden-Anschluss 63 gekoppelt ist, und eine Negativelektroden-Leitung, die mit dem Negativelektroden-Anschluss 64 gekoppelt ist. Die elektrische Energiequelle 61 ist über den Positivelektroden-Anschluss 63 und den Negativelektroden-Anschluss 64 nach außen koppelbar und somit über den Positivelektroden-Anschluss 63 und den Negativelektroden-Anschluss 64 aufladbar und entladbar. Die Leiterplatte 62 weist ein Steuergerät bzw. Controller 66, einen Schalter 67, eine wärmeempfindliche Widerstandsvorrichtung (eine Positive-Temperatur-Koeffizient- (PTC) Vorrichtung) 68 und einen Temperaturerfasser bzw. -detektor 69 auf. Die PTC-Vorrichtung 68 kann jedoch auch weggelassen werden.
  • Das Steuergerät 66 weist beispielsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und einen Speicher auf und steuert den gesamten Vorgang des Batteriepacks. Das Steuergerät 66 erkennt und steuert einen Betriebszustand der elektrischen Energiequelle 61 auf einer bedarfsgerechten Basis.
  • Erreicht eine Spannung der elektrischen Energiequelle 61 (der Sekundärbatterie) eine Überladungs-Erfassungsspannung oder eine Überentladungs-Erfassungsspannung, schaltet das Steuergerät 66 den Schalter 67 aus. Dadurch wird verhindert, dass ein Ladestrom in einen Strompfad der elektrischen Energiequelle 61 fließt. Wenn beim Laden oder Entladen ein großer Strom fließt, schaltet das Steuergerät 66 außerdem den Schalter 67 aus, um den Ladestrom zu sperren. Die Überladungs-Erfassungsspannung und die Überentladungs-Erfassungsspannung sind nicht besonders begrenzt. Beispielsweise beträgt die Überladungs-Erfassungsspannung 4,2 V ± 0,05 V und die Überentladungs-Erfassungsspannung 2,4 V ± 0,1 V.
  • Der Schalter 67 weist z. B. einen Ladesteuerschalter, einen Entladesteuerschalter, eine Ladediode und eine Entladediode auf. Der Schalter 67 führt gemäß einer Anweisung des Steuergeräts 66 das Umschalten zwischen Koppeln und Entkoppeln zwischen der elektrischen Energiequelle 61 und externen Geräten aus. Der Schalter 67 weist z. B. einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit einem Metalloxid-Halbleiter auf. Die Erkennung bzw. Erfassung der Lade- und Entladeströme erfolgt auf der Grundlage eines Einschaltwiderstands („ON-resistance“) des Schalters 67.
  • Der Temperaturerfasser 69 weist eine Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur auf, wie z. B. einen Thermistor. Der Temperaturerfasser 69 misst eine Temperatur der elektrischen Energiequelle 61 mit Hilfe des Temperaturerfassungs-Anschlusses 65 und gibt ein Ergebnis der Temperaturmessung an das Steuergerät 66 aus. Das von dem Temperaturerfasser 69 erhaltende Ergebnis der Temperaturmessung wird beispielsweise in einem Fall verwendet, in dem das Steuergerät 66 eine Lade-/Entladesteuerung ausführt, wenn eine anormale Wärmeerzeugung vorliegt, oder in einem Fall, in dem das Steuergerät 66 einen Korrekturprozess bei der Berechnung einer verbleibenden Kapazität ausführt.
  • Beispiele
  • Im Folgenden werden Beispiele für die Technologie beschrieben.
  • (Versuchsbeispiele 1 bis 52)
  • Es wurden Sekundärbatterien hergestellt, die anschließend auf ihre Leistungsfähigkeit hin untersucht wurden, wie nachstehend beschrieben.
  • [Herstellung der Sekundärbatterie]
  • Die in den 1 und 2 dargestellten Sekundärbatterien vom Schichtfolientyp wurden nach dem folgenden Verfahren hergestellt.
  • (Herstellung der positiven Elektrode)
  • Zunächst wurden 98 Masseteile des Positivelektroden-Aktivmaterials (LiNi0.82Co0.14A10.04O2 (LNCAO) welches das Lithium-Nickel-Kompositoxid ist) mit 1 Masseteil des Positivelektroden-Bindemittels (Polyvinylidendifluorid) und 1 Masseteil des Positivelektroden-Leitmittels (Ruß) gemischt, um dadurch eine Positivelektroden-Mischung zu erhalten. Danach wurde die Positivelektroden-Mischung in ein organisches Lösemittel (N-Methyl-2-Pyrrolidon) gegeben und das organische Lösemittel gerührt, um ein pastöses Positivelektroden-Mischungs-Slurry herzustellen. Danach wurde das Positivelektroden-Mischungs-Slurry mit Hilfe eines Beschichtungsgeräts auf jede der beiden entgegengesetzten Flächen des Positivelektroden-Stromkollektors 11A (eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 12 µm), mit Ausnahme des vorstehenden Teils 11AT, aufgetragen, woraufhin das aufgetragene Positivelektroden-Mischungs-Slurry getrocknet wurde, um so die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B zu bilden. Schließlich wurde die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B mit Hilfe einer Walzenpressmaschine formgepresst. Die Positivelektroden-Aktivmaterialschicht 11B wurde so auf jeder der beiden entgegengesetzten Flächen des Positivelektroden-Stromkollektors 11A aufgebracht. Auf diese Weise wurde die positive Elektrode 11 hergestellt.
  • Insbesondere wurden bei der Herstellung der positiven Elektrode 11 eine Vielzahl von Arten von Lithium-Nickel-Kompositoxiden verwendet, die sich im Nickelgehalt voneinander unterscheiden, wie in den Tabellen 1 bis 4 angegeben, um dadurch das Molverhältnis R3 bezogen auf die Anzahl der Mole von Nickel zu variieren.
  • (Herstellung der negativen Elektrode)
  • Zunächst wurden 98 Masseteile des Negativelektroden-Aktivmaterials (Li4Ti5O12 (LTO) welches das Lithium-Titan-Kompositoxid ist) mit 1 Masseteil des Bindemittels für die negative Elektrode (Polyvinylidendifluorid) und 1 Masseteil des Leitungsmittels für die negative Elektrode (Ruß) gemischt, um so eine Negativelektroden-Mischung zu erhalten. Danach wurde die Negativelektroden-Mischung in ein organisches Lösemittel (N-Methyl-2-Pyrrolidon) gegeben, woraufhin das organische Lösemittel gerührt wurde, um ein pastöses Negativelektroden-Mischungs-Slurry herzustellen. Danach wurde das Negativelektroden-Mischungs-Slurry mit Hilfe eines Beschichtungsgeräts auf jede der beiden entgegengesetzten Flächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A (eine Kupferfolie mit einer Dicke von 15 µm), mit Ausnahme des vorstehenden Teils 12AT, aufgetragen, woraufhin das aufgetragene Negativelektroden-Mischungs-Slurry getrocknet wurde, um so die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B zu bilden. Schließlich wurde die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B mit Hilfe einer Walzenpressmaschine formgepresst. Die Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B wurde so auf jeder der beiden entgegengesetzten Flächen des Negativelektroden-Stromkollektors 12A aufgebracht. Auf diese Weise wurde die negative Elektrode 12 hergestellt.
  • Insbesondere wurde bei der Herstellung der negativen Elektrode 12 die Dicke (µm) der Negativelektroden-Aktivmaterialschicht 12B in Abhängigkeit von einer Anwendung des Negativelektroden-Mischungs-Slurry, wie in den Tabellen 1 bis 4 angegeben, verändert, um dadurch das Kapazitätsverhältnis R1 bezogen auf die Kapazität der positiven Elektrode 11 und die Kapazität der negativen Elektrode 12 zu verändern.
  • Zum Vergleich wurde die negative Elektrode 12 nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass als Negativelektroden-Aktivmaterial anstelle des Lithium-Titan-Kompositoxids ein Kohlenstoffmaterial (Graphit) verwendet wurde. Ein Verfahren zur Bestimmung des Kapazitätsverhältnisses R1 in dem Fall, in dem das Kohlenstoffmaterial als Negativelektroden-Aktivmaterial verwendet wurde, war ähnlich dem Verfahren zur Bestimmung des Kapazitätsverhältnisses R1 in dem Fall, in dem das Lithium-Titan-Kompositoxid als Negativelektroden-Aktivmaterial verwendet wurde, mit der Ausnahme, dass eine obere Grenzspannung zum Zeitpunkt des Ladens auf 0 V und eine untere Grenzspannung zum Zeitpunkt des Entladens auf 1,5 V in einem Fall des Ladens und Entladens der Test-Sekundärbatterie geändert wurde, um die Kapazität der negativen Elektrode 12 zu bestimmen.
  • (Herstellung des Elektrolyten)
  • Zunächst wurde das Lösemittel hergestellt. Als Lösemittel wurde ein Gemisch aus Propylencarbonat, das ein zyklischer Kohlensäureester ist, und dem Carbonsäureester verwendet. Die Art des Carbonsäureesters und der Gehalt (Gew.-%) des Carbonsäureesters im Lösemittel waren in den Tabellen 1 bis 4 angegeben.
  • Als Carbonsäureester wurden Methylpropionat (MtPr), Ethylpropionat (EtPr), Propylpropionat (PrPr), Methylacetat (MtAc), und Ethylacetat (EtAc) verwendet.
  • Danach wurde das Elektrolytsalz (LiPF6, ein Lithiumsalz) zu dem Lösemittel gegeben und das Lösemittel gerührt. In diesem Fall wurde der Gehalt des Elektrolytsalzes in Bezug auf das Lösemittel auf 1 mol/kg eingestellt.
  • Schließlich werden dem Lösemittel, das das Elektrolytsalz aufweist, die Dinitril-Verbindung, ein weiteres Lösemittel (Vinylencarbonat, das ein ungesättigter zyklischer Kohlensäureester ist) und ein weiteres Elektrolytsalz (LiBF4, das ein Lithiumsalz ist) zugegeben, woraufhin das Lösemittel, das das Elektrolytsalz aufweist, gerührt wurde.
  • Als Dinitril-Verbindung wurden Malononitril (MN), Succinonitril (SN), Glutaronitril (GN), Adiponitril (AN), Pimelonitril (PN) und Suberonitril (SBN) verwendet.
  • So wurden die Dinitril-Verbindung, das andere Lösemittel und das andere Elektrolytsalz jeweils in dem Lösemittel, das das Elektrolytsalz aufweist, gelöst oder dispergiert. Auf diese Weise wurde die Elektrolytlösung hergestellt. In diesem Fall wurde der Gehalt an dem anderen Lösemittel in der Elektrolytlösung auf 0,5 Gew.-% und der Gehalt an dem anderen Elektrolytsalz in der Elektrolytlösung auf 1 Gew.-% festgelegt.
  • Insbesondere wurde bei der Herstellung der Elektrolytlösung die Zugabemenge der Dinitril-Verbindung, wie in den Tabellen 1 bis 4 angegeben, verändert, um dadurch das molare Verhältnis R2 bezogen auf die Anzahl der Mole des Carbonsäureesters und die Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung zu variieren.
  • Zum Vergleich wurde die Elektrolytlösung nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass anstelle des Carbonsäureesters ein Kettenkohlensäureester verwendet wurde. Als Kettenkohlensäureester wurden Diethylcarbonat (DEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) verwendet. In Tabelle 4 ist der Einfachheit halber der Kettenkohlensäureester (DEC und EMC) in der Spalte „Carbonsäureester“ angegeben. Es wird bemerkt, dass vor DEC und EMC jeweils ein Sternchen (*) steht, um klarzustellen, dass DEC und EMC nicht der Carbonsäureester sind.
  • Darüber hinaus wurde die Elektrolytlösung zu Vergleichszwecken nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Dinitril-Verbindung nicht verwendet wurde.
  • (Zusammenbau der Sekundärbatterie)
  • Zunächst wurden die positive Elektrode 11 und die negative Elektrode 12 abwechselnd mit dem dazwischen liegenden Separator 13 (eine feinporige Polyethylenfolie mit einer Dicke von 15 µm) gestapelt, um so den gestapelten Körper herzustellen.
  • Danach wurden die mehrfachen vorstehenden Teile 11AT miteinander verschweißt, um das Verbindungsteil 11Z zu bilden, und die mehrfachen vorstehenden Teile 12AT wurden miteinander verschweißt, um das Verbindungsteil 12Z zu bilden. Danach wurde die Positivelektroden-Leitung 31, die Aluminium aufweist, mit dem Verbindungsteil 11Z verschweißt, und die Negativelektroden-Leitung 32, die Kupfer aufweist, wurde mit dem Verbindungsteil 12Z verschweißt.
  • Danach wurde der gestapelte Körper innerhalb des Vertiefungsabschnitts 20U der äußeren Verpackungsfolie 20 platziert. Als äußere Verpackungsfolie 20 wurde eine laminierte Folie verwendet, in der eine Fusions-Bondingschicht (eine Polypropylenfolie mit einer Dicke von 30 µm), eine Metallschicht (eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 40 µm) und eine Oberflächenschutzschicht (eine Nylonfolie mit einer Dicke von 25 µm) in dieser Reihenfolge gestapelt wurden. In den Tabellen 1 bis 4 gibt die Angabe „laminiert“ in der Spalte „äußeres Verpackungselement“ das Indiz für die Verwendung der äußeren Verpackungsfolie 20 (die laminierte Folie) als äußeres Verpackungselement an. Danach wurde die äußere Verpackungsfolie 20 so gefaltet, dass sie den gestapelten Körper einschließt und die Fusions-Bondingschicht auf der Innenseite aufweist, woraufhin die Außenräünder von zwei Seiten der äußeren Verpackungsfolie 20 (die Bondschicht) thermisch miteinander verschmolzen wurden, so dass der gestapelte Körper in der beutelförmigen äußeren Verpackungsfolie 20 eingeschlossen werden konnte.
  • Schließlich wurde die Elektrolytlösung in die beutelförmige äußere Verpackungsfolie 20 eingespritzt, und danach wurden die Außenränder der verbleibenden einen Seite der äußeren Verpackungsfolie 20 (die Fusions-Bondingschicht) in einer Umgebung mit reduziertem Druck thermisch miteinander Fusions-gebondet. In diesem Fall wurde die Dichtungsfolie 21 (eine Polypropylenfolie mit einer Dicke von 5 µm) zwischen der äußeren Verpackungsfolie 20 und der Positivelektroden-Leitung 31 und die Dichtungsfolie 22 (eine Polypropylenfolie mit einer Dicke von 5 µm) zwischen der äußeren Verpackungsfolie 20 und der Negativelektroden-Leitung 32 eingelegt. Der gestapelte Körper wurde dabei mit der Elektrolytlösung imprägniert. Auf diese Weise wurde die Batterievorrichtung 10 hergestellt. In den Tabellen 1 bis 4 gibt die Angabe „gestapelt“ in der Spalte „Batterievorrichtung (Vorrichtungsstruktur)“ an, dass die Batterievorrichtung 10, bei der es sich um den gestapelten Elektrodenkörper handelt, verwendet wurde.
  • Auf diese Weise wurde die Vorrichtung 10 in die äußere Verpackungsfolie 20 eingeschweißt, und die Sekundärbatterie wurde so zusammengesetzt.
  • (Stabilisierungsprozess)
  • Die Sekundärbatterie wurde für einen Zyklus in einer Umgebungstemperatur (bei einer Temperatur von 25°C) geladen und entladen. Wenn die Sekundärbatterie geladen wurde, wurde sie mit einem konstanten Strom von 0,01 C geladen, bis eine Spannung von 2,7 V erreicht war. Wenn die Sekundärbatterie entladen wurde, wurde sie mit einem konstanten Strom von 0,2 C entladen. Es wird bemerkt, dass 0,01 C ein Stromwert ist, der eine vollständige Entladung der Batteriekapazität (der theoretischen Kapazität) in 100 Stunden bewirkt, und 0,2 C ist ein Stromwert, der eine vollständige Entladung der Batteriekapazität in 5 Stunden bewirkt.
  • Infolgedessen wurde beispielsweise auf der Fläche der negativen Elektrode 12 ein Film gebildet, um den Zustand der Sekundärbatterie zu stabilisieren. Auf diese Weise wurde die Sekundärbatterie des Laminatfolientyps, die die äußere Verpackungsfolie 20 mit Flexibilität aufweist, fertiggestellt.
  • [Herstellung von anderen Sekundärbatterien]
  • Andere Sekundärbatterien wurden ebenfalls nach dem folgenden Verfahren hergestellt.
  • (Änderung der Vorrichtungsstruktur der Batterievorrichtung)
  • Die in den 3 und 4 dargestellten Sekundärbatterien des Laminatfolientyps wurden durch ein ähnliches Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Batterievorrichtung 40, die der gewickelte Elektrodenkörper ist, anstelle der Batterievorrichtung 10, die der gestapelte Elektrodenkörper ist, verwendet wurde und dass die Positivelektroden-Leitung 51 und die Negativelektroden-Leitung 52 anstelle der Positivelektroden-Leitung 31 und der Negativelektroden-Leitung 32 verwendet wurden.
  • Die Batterievorrichtung 40 wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Zunächst wurde die Positivelektroden-Leitung 51, die Aluminium aufweist, an die positive Elektrode 41 (den Positivelektroden-Stromkollektor 41A) geschweißt, und die Negativelektroden-Leitung 52, die Kupfer aufweist, wurde an die negative Elektrode 42 (den Negativelektroden-Stromkollektor 42A) geschweißt. Danach wurden die positive Elektrode 41 und die negative Elektrode 42 aufeinander gestapelt, wobei der Separator 43 (ein feinporöser Polyethylenfilm mit einer Dicke von 15 µm) dazwischen angeordnet wurde, woraufhin der Stapel aus der positiven Elektrode 41, der negativen Elektrode 42 und dem Separator 43 gewickelt wurde, um dadurch den gewickelten Körper herzustellen. Danach wurde der gewickelte Körper mit Hilfe einer Pressmaschine gepresst und dadurch in eine längliche Form gebracht. Schließlich wurde die Elektrolytlösung in die beutelförmige äußere Verpackungsfolie 20, die den gewickelten Körper enthält, eingespritzt, um den gewickelten Körper mit der Elektrolytlösung zu imprägnieren. In den Tabellen 1 bis 4 gibt die Angabe „gewickelt“ in der Spalte „Batterievorrichtung (Vorrichtungsstruktur)“ die Verwendung der Batterievorrichtung 40 an, die den gewickelten Elektrodenkörper darstellt.
  • (Änderung des äußeren Verpackungselements)
  • Darüber hinaus wurden Sekundärbatterien eines prismatischen Typs nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Metallbehälter mit Steifigkeit als äußeres Verpackungselement anstelle der äußeren Verpackungsfolie 20 mit Flexibilität verwendet wurde. In den Tabellen 1 bis 4 gibt die Angabe „Metall“ in der Spalte „äußeres Verpackungselement“ die Verwendung des Metallbehälters als äußeres Verpackungselement an. Der Metallbehälter hat eine längliche dreidimensionale Form, die im Wesentlichen der in 1 dargestellten äußeren Verpackungsfolie 20 entspricht. Der Metallbehälter hatte eine Wandstärke von 0,15 mm.
  • Die Sekundärbatterie wurde nach dem folgenden Verfahren zusammengesetzt bzw. montiert. Zunächst wurde der längliche gewickelte Körper ins Innere eines Behälterelements gelegt, das rostfreien Stahl aufweist und die dreidimensionale Form eines länglichen rechteckigen Prismas hat, bei dem ein Ende offen und ein anderes Ende geschlossen ist. Danach wurde die Elektrolytlösung in das Behälterelement injiziert, um den gewickelten Körper mit der Elektrolytlösung zu imprägnieren. Der gewickelte Körper wurde dadurch mit der Elektrolytlösung imprägniert. Auf diese Weise wurde die Batterievorrichtung 40 hergestellt. Schließlich wurde eine Abdeckelement, das rostfreien Stahl aufweist, an das eine Ende des Behälterelements geschweißt. Auf diese Weise wurde die Batterievorrichtung 40 in dem Metallbehälter versiegelt, der das Behälterelement und das Abdeckelement aufweist.
  • [Auswertung der Leistungsfähigkeit]
  • Die Auswertung der Leistungsfähigkeit (Quelleigenschaft, Ladungseigenschaft und Energieeigenschaft) der Sekundärbatterien ergab die in den Tabellen 1 bis 4 dargestellten Ergebnisse. Das Verfahren zur Auswertung der einzelnen Eigenschaften wurde im Folgenden beschrieben.
  • (Quelleigenschaft)
  • Zunächst wurde eine Dicke (eine Dicke vor der Lagerung) der Sekundärbatterie in einer Umgebungstemperaturumgebung gemessen. Danach wurde die Sekundärbatterie aufgeladen und die Sekundärbatterie im aufgeladenen Zustand in einer Hochtemperaturumgebung (bei einer Temperatur von 60°C) für eine Lagerzeit von 1 Monat gelagert, woraufhin die Dicke (eine Dicke nach der Lagerung) der Sekundärbatterie in derselben Umgebung erneut gemessen wurde. Wenn die Sekundärbatterie geladen wurde, wurde sie mit einem konstanten Strom von 0,01 C geladen, bis eine Spannung von 2,7 V erreicht war. Abschließend wurde die Quellrate (%) = [(Dicke nach der Lagerung - Dicke vor der Lagerung)/Dicke vor der Lagerung] × 100 berechnet.
  • Es wird bemerkt, dass in einem Fall, in dem die Dicke der Sekundärbatterie nach der Lagerung nur geringfügig zunahm, weil der Metallbehälter als äußeres Verpackungselement verwendet wurde, eine Volumenänderung der Sekundärbatterie nach dem archimedischen Verfahren gemessen wurde, woraufhin die Dicke der Sekundärbatterie nach der Lagerung auf der Grundlage eines Messergebnisses der Volumenänderung berechnet wurde.
  • (Ladungseigenschaft)
  • Zunächst wurde die Sekundärbatterie bei Umgebungstemperatur geladen und entladen, um so die Batteriekapazität zu messen. Beim Laden wurde die Sekundärbatterie mit einem konstanten Strom von 0,5 C geladen, bis eine Spannung eine obere Grenzspannung erreichte. Die obere Spannungsgrenze wurde bei Verwendung von Lithium-Titan-Kompositoxid als Negativelektroden-Aktivmaterial auf 2,7 V und bei Verwendung von Kohlenstoffmaterial als Negativelektroden-Aktivmaterial auf 4,2 V festgelegt. Wenn die Sekundärbatterie entladen wurde, wurde sie mit einem konstanten Strom von 0,2 C entladen, bis die Spannung eine untere Spannungsgrenze erreichte. Die untere Spannungsgrenze wurde auf 1,0 V bei Verwendung des Lithium-Titan-Kompositoxids als Negativelektroden-Aktivmaterial und auf 2,5 V bei Verwendung des Kohlenstoffmaterials als Negativelektroden-Aktivmaterial festgelegt. Es wird bemerkt, dass 0,5 C ein Stromwert ist, der eine vollständige Entladung der Batteriekapazität in 2 Stunden bewirkt.
  • Danach wurde die Sekundärbatterie in der gleichen Umgebung geladen, um die Ladekapazität zu messen. Wenn die Sekundärbatterie geladen wurde, wurde sie mit einem konstanten Strom von 6 C geladen, bis die Spannung die obere Spannungsgrenze erreichte. Genauere Angaben zur oberen Spannungsgrenze wurden oben beschrieben. Es wird bemerkt, dass 6 C ein Stromwert ist, der eine vollständige Entladung der Batteriekapazität in 1/6 Stunden bewirkt.
  • Schließlich wurde der Ladezustand (%) = (Ladekapazität/Batteriekapazität) × 100 berechnet. Der Ladezustand gibt die Ladekapazität in Prozent an, wenn die Batteriekapazität als 100 % betrachtet wird.
  • (Kapazitätseigenschaft)
  • Zunächst wurde die Sekundärbatterie bei Umgebungstemperatur geladen und entladen, um so eine durchschnittliche Entladespannung zusammen mit der Batteriekapazität zu messen. Die Lade- und Entladebedingungen waren ähnlich wie bei der Messung der Batteriekapazität in dem Fall, in dem die Ladeeigenschaft untersucht wurde. Anschließend wurde auf der Grundlage der Batteriekapazität und der durchschnittlichen Entladespannung eine elektrische Energie (Wh) berechnet. Schließlich wurde eine Energiedichte pro Gewichtseinheit (E-Dichte, Wh/kg) auf der Grundlage einer Masse (kg) der Sekundärbatterie berechnet.
  • (Stand der Injektion)
  • Um den Stand der Injektion der Elektrolytlösung bei der Herstellung der Sekundärbatterie zu untersuchen, wurde die Zeit gemessen, die benötigt wurde, um den gestapelten Körper und den gewickelten Körper mit der Elektrolytlösung zu imprägnieren. In diesem Fall wurde nach der Injektion der Elektrolytlösung die Zeit (Injektionszeit (min)) gemessen, die benötigt wird, bis die Dicke der Sekundärbatterie infolge der Imprägnierung mit der Elektrolytlösung eine konstante Dicke erreicht.
    [Tabelle 1] Tabelle 1
    Versuchsbeispiel Äußeres Verpackungselement Batterievorrichtung Positive Elektrode Negative Elektrode R1 (%) Elektrolytlösung Quellrate (%) Ladezustand (%) E Dichte (Wh/kg) Injektions -zeit (min)
    Vorrichtungsstruktur PositivElektroden -AktivMaterial R3 (%) NegativElektroden -AktivMaterial Dicke (µm) DinitrilVerbindung Carbonsäure ester R2 (%) Gehalt (Gew.-%)
    1 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 1.5 95.5 100 34
    2 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 2 75 1.3 95.3 100 35
    3 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 3 75 1.4 94.2 100 35
    4 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 4 75 1.7 93.8 100 36
    5 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 130 100 SN PrPr 1 75 1.6 92.9 101 37
    6 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 110 120 SN PrPr 1 75 1.8 95.5 98 37
    7 Laminiert gestapelt LNCAO 50 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 1.7 93.8 85 38
    8 Laminiert gestapelt LNCAO 60 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 1.6 94.5 90 36
    9 Laminiert gestapelt LNCAO 80 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 1.6 94.9 97 34
    10 Laminiert gestapelt LNCAO 86 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 1.9 93.8 102 34
    11 Laminiert gestapelt LNCAO 93 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 2.9 92.1 104 32
    12 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 MN PrPr 1 75 2.0 94.2 100 33
    13 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 GN PrPr 1 75 1.9 95.1 100 34
    14 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 AN PrPr 1 75 1.8 94.8 100 34
    15 Laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 PN PrPr 1 75 2.4 94.3 100 34
    [Tabelle 2] Tabelle 2
    Versuchsbeispiel Äußeres Verpackungselement Batterievorrichtung Positive Elektrode Negative Elektrode R1 (%) Electrolytlösung Quell -rate (%) Ladezustand (%) E Dichte (Wh/kg) Injektions -zeit (min)
    Vorrichungsstruktur PositivElektroden -AktivMaterial R3 (%) NegativElektroden -AktivMaterial Dicke (µm) DinitrilVerbindung Carbonsäure -ester R2 (%) Gehalt (Gew.-%)
    16 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SBN PrPr 1 75 2.2 94.6 100 35
    17 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN MtPr 1 75 3.5 95.1 100 28
    18 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN EtPr 1 75 2.1 95.5 100 30
    19 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN MtAc 1 75 3.4 94.7 100 28
    20 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN EtAc 1 75 2.8 94.9 100 30
    21 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 1 50 1.1 92.9 100 40
    22 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 1 90 2.1 95.8 100 30
    23 laminiert gewickelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 1.6 85.4 99 78
    24 Metall gewickelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 1 75 0.2 85.9 87 85
    [Tabelle 3] Tabelle 3
    Versuchsbeispiel äußeres Verpackungselement Batterievorrichtung Positive Elektrode Negative Elektrode R1 (%) Elektrolytlösung Quellrate (%) Ladezustand (%) E Dichte (Wh/kg) Injektions zeit (min)
    Vorrichtungsstruktur PositivElektroden -AktivMaterial R3 (%) NegativElektroden -AktivMaterial Dicke (µm) Dinitril-Verbindung Carbonsäure -ester R2 (%) Gehalt (Gew.-%)
    25 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - PrPr 0 75 12.8 93.2 100 30
    26 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 5 75 1.7 89.8 100 36
    27 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN PrPr 10 75 1.6 80.5 99 38
    28 laminiert gestapelt LNCAO 50 LTO 145 90 - PrPr 0 75 8.8 88.5 100 35
    29 laminiert gestapelt LNCAO 60 LTO 130 100 - PrPr 0 75 10.5 93.1 101 32
    30 laminiert gestapelt LNCAO 80 LTO 110 120 - PrPr 0 75 14.3 93.7 98 30
    31 laminiert gestapelt LNCAO 86 LTO 100 130 - PrPr 0 75 14.8 93.2 94 28
    32 laminiert gestapelt LNCAO 93 LTO 145 90 SN PrPr 1 75 1.7 88.8 100 38
    33 laminiert gestapelt LNCAO 93 LTO 100 130 SN PrPr 1 75 2.0 93.9 94 35
    34 laminiert gestapelt LNCAO 50 LTO 120 110 - PrPr 0 75 8.9 93.8 85 35
    35 laminiert gestapelt LNCAO 60 LTO 120 110 - PrPr 0 75 9.8 94.0 90 34
    36 laminiert gestapelt LNCAO 80 LTO 120 110 - PrPr 0 75 12.5 94.1 97 30
    37 laminiert gestapelt LNCAO 86 LTO 120 110 - PrPr 0 75 16.6 87.7 102 30
    38 laminiert gestapelt LNCAO 93 LTO 120 110 - PrPr 0 75 21.0 82.2 104 28
    [Tabelle 4] Tabelle 4
    Versuchsbeispiel äußeres Verpackungs element Batterievorrichtung Positive Elektrode Negative Elektrode R1 (%) Elektrolytlösung Swelling rate (%) Ladezustand (%) E Dichte (Wh/kg) Injektions -zeit (min)
    Vorrichtungsstruktur PositivElektroden -AktivMaterial R3 (%) NegativElektroden -AktivMaterial Dicke (µm) Dinitril-Verbindung Carbonsäure -ester R2 (%) Content (Gew.-%)
    39 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - MtPr 0 75 13.9 93.9 100 26
    40 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - EtPr 0 75 12.9 93.8 100 28
    41 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - MtAc 0 75 14.5 94.2 100 26
    42 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - EtAc 0 75 13.8 94.1 100 28
    43 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - *DEC 0 75 13.5 93.8 100 35
    44 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - *EMC 0 75 14.2 93.9 100 30
    45 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN *DEC 1 75 9.6 92.9 100 38
    46 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 SN *EMC 1 75 10.1 93.5 100 34
    47 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - PrPr 0 50 10.1 90.5 100 40
    48 laminiert gestapelt LNCAO 82 LTO 120 110 - PrPr 0 90 20.1 93.9 100 30
    49 laminiert gewickelt LNCAO 82 LTO 120 110 - PrPr 0 75 12.7 82.8 99 65
    50 Metall gewickelt LNCAO 82 LTO 120 110 - PrPr 0 75 7.0 85.8 87 80
    51 laminiert gestapelt LNCAO 82 Graphit 120 110 - PrPr 0 75 5.2 84.3 200 35
    52 laminiert gestapelt LNCAO 82 Graphit 120 110 SN PrPr 1 75 4.8 84.2 200 38
  • [Diskussion]
  • Wie in den Tabellen 1 bis 4 angegeben, variiert in der Sekundärbatterie, in welcher die positive Elektrode 11 das Lithium-Nickel-Kompositoxid aufwies, die negative Elektrode 12 das Lithium-Titan-Kompositoxid aufwies und die Elektrolytlösung den Carbonsäureester aufwies, jede der Quelleigenschaften, der Ladeeigenschaften und der Energieeigenschaften in Abhängigkeit vom Kapazitätsverhältnis R1 und dem Molverhältnis R2.
  • Insbesondere in einem Fall, in dem die beiden Bedingungen, dass das Kapazitätsverhältnis R1 in einem Bereich von 100 % bis 120 % (beide einschließlich) und das Molverhältnis R2 in einem Bereich von 1 % bis 4 % (beide einschließlich) liegt, gleichzeitig erfüllt waren (Versuchsbeispiele 1 bis 24), verringerte sich die Quellrate signifikant und der Ladezustand erhöhte sich signifikant, während die Energiedichte pro Gewichtseinheit gesichert war, im Vergleich zu einem Fall, in dem die beiden Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt waren (Versuchsbeispiele 25 bis 50).
  • Insbesondere wurden in dem Fall, in dem die beiden oben beschriebenen Bedingungen gleichzeitig erfüllt waren, die folgenden Tendenzen erhalten.
  • Erstens stieg in einem Fall, in dem das Molverhältnis R3 80 % oder mehr betrug (Versuchsbeispiele 1 und 9 bis 11), die Energiedichte pro Gewichtseinheit weiter an, während sowohl die Quellrate als auch der Ladezustand im Vergleich zu einem Fall, in dem das Molverhältnis R3 weniger als 80 % betrug, im Wesentlichen beibehalten wurde (Versuchsbeispiele 7 und 8).
  • Zweitens: In einem Fall, in dem die Dinitril-Verbindung beispielsweise Succinonitril war (Versuchsbeispiele 1, 13 und 14), nahm die Quellrate weiter ab und der Ladezustand weiter zu, während die Energiedichte pro Gewichtseinheit beibehalten wurde, verglichen mit einem Fall, in dem die Dinitril-Verbindung beispielsweise Malononitril war (Versuchsbeispiele 12, 15 und 16).
  • Drittens: In einem Fall, in dem der Carbonsäureester z.B. Ethylpropionat war (Versuchsbeispiele 1 und 18), nahm die Quellrate weiter ab und der Ladezustand weiter zu, während die Energiedichte pro Gewichtseinheit beibehalten wurde, verglichen mit einem Fall, in dem der Carbonsäureester z.B. Methylpropionat war (Versuchsbeispiele 17, 19 und 20).
  • Viertens, wenn der Gehalt des Carbonsäureesters im Lösemittel in einem Bereich von jeweils einschließlich 50 Gew.-% bis 90 Gew.-% lag (Versuchsbeispiele 1, 21 und 22), verringerte sich die Quellrate ausreichend und der Ladezustand erhöhte sich ausreichend, während eine ausreichende Energiedichte pro Gewichtseinheit erhalten wurde.
  • Fünftens wurde in einem Fall, in dem als Batterievorrichtung 10 ein gestapelter Elektrodenkörper verwendet wurde (Versuchsbeispiel 1), die Injektionszeit stark verkürzt, verglichen mit einem Fall, in dem als Batterievorrichtung 40 ein gewickelter Elektrodenkörper verwendet wurde (Versuchsbeispiel 23). Somit hat sich im ersten Fall die Quellrate weiter verringert, der Ladezustand weiter erhöht und die Energiedichte pro Gewichtseinheit ebenfalls weiter erhöht, verglichen mit dem zweiten Fall.
  • Sechstens: In einem Fall, in dem der Metallbehälter mit Steifigkeit als äußeres Verpackungselement verwendet wurde (Versuchsbeispiel 24), änderte sich die Quellrate kaum, selbst wenn die beiden oben beschriebenen Bedingungen gleichzeitig erfüllt waren. Im Gegensatz dazu änderte sich in einem Fall, in dem die äußere Verpackungsfolie 20 mit Flexibilität als äußeres Verpackungselement verwendet wurde (Versuchsbeispiel 1), die Quellrate als Ergebnis der gleichzeitigen Erfüllung der beiden Bedingungen, aber die Quellrate wurde ausreichend unterdrückt.
  • Darüber hinaus wurden die folgenden Tendenzen auch in dem Fall erhalten, in dem die beiden oben beschriebenen Bedingungen gleichzeitig erfüllt waren.
  • In einem Fall, in dem das Lösemittel den Kettenkohlensäureester aufwies (Versuchsbeispiele 43 bis 46), wurde eine ausreichende Energiedichte pro Gewichtseinheit erreicht und der Ladezustand ausreichend erhöht, aber die Quellrate stark erhöht. In diesem Fall nahm die Quellgeschwindigkeit insbesondere auch dann nicht ausreichend ab, wenn die beiden oben beschriebenen Bedingungen gleichzeitig erfüllt waren.
  • Im Gegensatz dazu nahm in dem Fall, in dem das Lösemittel den Carbonsäureester aufwies (Versuchsbeispiele 1 und 25), der Ladezustand zu und die Quellrate ab, während die Energiedichte pro Gewichtseinheit im Vergleich zu dem Fall, in dem das Lösemittel den Kettenkohlensäureester aufwies, beibehalten wurde. Insbesondere in diesem Fall nahm die Quellgeschwindigkeit stark ab, wenn beide Bedingungen erfüllt waren.
  • Darüber hinaus wurde in einem Fall, in dem das Kohlenstoffmaterial als Negativelektroden-Aktivmaterial verwendet wurde (Versuchsbeispiele 51 und 52), die Energiedichte pro Gewichtseinheit deutlich erhöht, aber die Quellrate nahm zu und der Ladezustand nahm ab. In diesem Fall verringerte sich insbesondere die Quellrate kaum, selbst wenn die beiden oben beschriebenen Bedingungen gleichzeitig erfüllt waren.
  • Im Gegensatz dazu nahm in einem Fall, in dem das Lithium-Titan-Kompositoxid als Negativelektroden-Aktivmaterial verwendet wurde (Versuchsbeispiele 1 und 25), die Energiedichte pro Gewichtseinheit ab, aber die Quellrate nahm ab und der Ladungszustand nahm zu, verglichen mit dem Fall, in dem das Kohlenstoffmaterial als Negativelektroden-Aktivmaterial verwendet wurde. In diesem Fall wurde insbesondere eine ausreichende Energiedichte pro Gewichtseinheit erreicht, und die Quellrate nahm stark ab, wenn die beiden Bedingungen erfüllt waren.
  • [Schlussfolgerung]
  • Wenn die positive Elektrode 11 das Lithium-Nickel-Kompositoxid aufweist, die negative Elektrode 12 das Lithium-Titan-Kompositoxid aufweist, die Elektrolytlösung die Dinitril-Verbindung und den Carbonsäureester aufweist, das Kapazitätsverhältnis R1 in einem Bereich von jeweils einschließlich 100 % bis 120 % liegt und das Molverhältnis R2 in einem Bereich von jeweils einschließlich 1 % bis 4 % liegt, wurden sämtliche der Eigenschaften Quelleigenschaft, die Ladeeigenschaft und die Energieeigenschaft insgesamt verbessert, basierend auf den in den Tabellen 1 bis 4 dargestellten Ergebnissen. Dementsprechend wurden in der Sekundärbatterie ein besseres Quellverhalten und ein besseres Ladeverhalten erzielt, während die Energiedichte gesichert wurde.
  • Obwohl die Technologie oben unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen und Beispiele beschrieben wurde, ist die Ausgestaltung der Technologie nicht auf diejenigen beschränkt, die unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen und Beispiele oben beschrieben wurden, und ist daher auf vielfältige Weise modifizierbar.
  • Obwohl insbesondere der Fall beschrieben wurde, in dem die Sekundärbatterie eine Batteriestruktur vom Laminatfolientyp oder vom prismatischen Typ aufweist, ist die Batteriestruktur nicht besonders begrenzt. Alternativ kann die Batteriestruktur der Sekundärbatterie von jedem anderen Typ sein, wie z.B. ein zylindrischer Typ, ein Münzzellen- oder ein Knopfzellentyp.
  • Obwohl der Fall beschrieben wurde, dass die Vorrichtungsstruktur der Batterievorrichtung vom gestapelten Typ (der gestapelte Elektrodenkörper) oder vom gewickelten Typ (der gewickelte Elektrodenkörper) ist, ist die Vorrichtungsstruktur der Batterievorrichtung nicht auf eine bestimmte Struktur beschränkt. Alternativ kann die Batterievorrichtung eine Vorrichtungsstruktur jedes anderen Typs aufweisen, wie z. B. einen zickzackgefalteten Typ, bei dem die Elektroden (die positive Elektrode und die negative Elektrode) zickzackförmig gefaltet sind.
  • Obwohl der Fall beschrieben wurde, dass der Elektrodenreaktant Lithium ist, ist der Elektrodenreaktant nicht besonders eingeschränkt. Insbesondere kann der Elektrodenreaktant ein anderes Alkalimetall wie Natrium oder Kalium oder ein Erdalkalimetall wie Beryllium, Magnesium oder Calcium sein, wie oben beschrieben. Darüber hinaus kann der Elektrodenreaktant ein anderes Leichtmetall wie Aluminium sein.
  • Die hier beschriebenen Wirkungen sind lediglich Beispiele, und die Wirkungen der Technologie sind daher nicht auf die hier beschriebenen beschränkt. Dementsprechend kann die Technologie auch jede andere Wirkung erzielen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2009/110490 [0003]
    • WO 2015/030190 [0003]
    • WO 2015/033620 [0003]

Claims (8)

  1. Sekundärbatterie, aufweisend: eine positive Elektrode, die ein Lithium-Nickel-Kompositoxid aufweist; eine negative Elektrode, die ein Lithium-Titan-Kompositoxid aufweist; und eine Elektrolytlösung, die eine Dinitril-Verbindung und einen Carbonsäureester aufweist, wobei ein Verhältnis einer Kapazität pro Flächeneinheit der positiven Elektrode zu einer Kapazität pro Flächeneinheit der negativen Elektrode größer als oder gleich 100 Prozent und kleiner als oder gleich 120 Prozent ist, und das Verhältnis der Anzahl der Mole der Dinitril-Verbindung zur Anzahl der Mole des Carbonsäureesters größer als oder gleich 1 Prozent und kleiner als oder gleich 4 Prozent ist.
  2. Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Lithium-Nickel-Kompositoxid Lithium, Nickel und ein anderes Element als konstituierende Elemente aufweist, wobei das andere Element mindestens eines der Elemente ist, die zu den Gruppen 2 bis 15 des langperiodischen Periodensystems der Elemente gehören, mit Ausnahme von Nickel, und das Verhältnis einer Anzahl von Molen des Nickels zu einer Summe aus der Anzahl von Molen des Nickels und einer Anzahl von Molen des anderen Elements 80 Prozent oder mehr beträgt.
  3. Sekundärbatterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lithium-Titan-Kompositoxid mindestens eine der folgenden Verbindungen aufweist: eine Verbindung der nachstehenden Formel (1), eine Verbindung der nachstehenden Formel (2) oder eine Verbindung der nachstehenden Formel (3), Li[LixM1(1-3x)/2Ti(3+x)/2]O4 (1) in welcher M1 zumindest eines ist von Mg, Ca, Cu, Zn, or Sr, und x 0 ≤ x ≤ 1/3 erfüllt Li[LiyM21-3yTi1+2y]O4 (2) in welcher M2 zumindest eines ist von Al, Sc, Cr, Mn, Fe, Ga, or Y, und y 0 ≤ y ≤ 1/3 erfüllt, Li[Li1/3M3zTi(5/3)-z]O4 (3) in welcher M3 zumindest eines ist von V, Zr, or Nb, und z 0 ≤ z ≤ 2/3 erfüllt.
  4. Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dinitril-Verbindung mindestens eines von Succinonitril, Glutaronitril oder Adiponitril aufweist, und der Carboxylsäureester Ethylpropionat, Propylpropionat oder beide aufweist.
  5. Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrolytlösung ein Lösemittel aufweist, das Lösemittel den Carbonsäureester aufweist, und der Gehalt des Carbonsäureesters in dem Lösemittel größer als oder gleich 50 Gew.-% und kleiner als oder gleich 90 Gew.-% ist.
  6. Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend einen Separator, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode abwechselnd mit dem dazwischen angeordneten Separator gestapelt sind.
  7. Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend ein äußeres Verpackungselement mit Flexibilität, das die positive Elektrode, die negative Elektrode und die Elektrolytlösung enthält.
  8. Sekundärbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sekundärbatterie eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie aufweist.
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