JP2000331715A - 非水系二次電池 - Google Patents

非水系二次電池

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JP2000331715A
JP2000331715A JP11137778A JP13777899A JP2000331715A JP 2000331715 A JP2000331715 A JP 2000331715A JP 11137778 A JP11137778 A JP 11137778A JP 13777899 A JP13777899 A JP 13777899A JP 2000331715 A JP2000331715 A JP 2000331715A
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battery
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mah
electrolyte
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JP11137778A
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Masaaki Sasayama
昌聡 笹山
Mutsuhiro Maruyama
睦弘 丸山
Takashi Namikata
尚 南方
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 保護回路などの保護機構を簡略化できる安全
性があり、ガス発生が少なく膨れにくいという特徴をも
ち、かつ充分に電極表面被膜のインピーダンスが低い電
池を得るものである。 【解決手段】 構成要素として少なくとも正極、リチウ
ム吸蔵能力を有する負極、セパレータ、溶媒及び溶質か
らなる非水電解液、外装体からなる電池であって、該溶
媒が、主成分としてγ−ブチロラクトンを含み、該溶質
が少なくとも2種の混合塩からなり、該電池内に炭酸ガ
スが導入されてなることを特徴とする非水系二次電池で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、有機溶媒を電解液
とした、安全性が高くて高容量の非水系二次電池に関す
る。
【0002】
【従来の技術】現在、パソコン、携帯電話、ビデオカメ
ラなど種々の携帯機器に用いる電源として高エネルギー
密度電池が開発されている。この電池として繰り返し充
放電可能なリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電
池、ニッケルカドミウム電池などが利用されている。特
にリチウムイオン二次電池は、リチウムの卑な酸化還元
電位を利用するためエネルギー密度が大きいことが特徴
であり、電池の小型軽量化が可能となることから活発に
開発が進められている。
【0003】リチウムイオン二次電池、リチウム電池な
どの非水系二次電池は、負極に炭素材料または、金属リ
チウムが用いられ、非水系電解液については、エチルメ
チルカーボネート、ジメチルカーボネートなどの鎖状カ
ーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボ
ネートなどの環状カーボネート、γ−ブチロラクトンな
どの環状エステルが用いられる。例えば、プロピレンカ
ーボネートとエチレンカーボネートとγ−ブチロラクト
ンの混合溶媒を用いた電解液が特開平4−14769号
公報に開示されている。これによればプロピレンカーボ
ネートとエチレンカーボネートの混合溶媒に比べて低温
での電解液の伝導度を上げ、低温特性の向上をはかると
いうものである。
【0004】しかしながら、これらに開示されたγ−ブ
チロラクトンを溶媒に添加した場合では、リチウム表面
あるいはリチウムをインターカレートした炭素材料(特
に黒鉛系炭素材料)の表面で溶媒のγ−ブチロラクトン
が継続的に分解し、負極表面にインピーダンスの高い被
膜を形成するため、電池の低温充電特性や急速充電特性
ひいては充放電サイクル特性が良くないという問題があ
った。そのため、一般にはγ−ブチロラクトンに代えて
鎖状カーボネートを用いて電解液の粘度を下げる方法が
とられている(特公平7−44042号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一方、非水電解液の溶
媒に鎖状カーボネートを用いた場合、高温充電保存時に
高酸化状態にある正極表面で、溶媒の鎖状カーボネート
が分解し、大量のガス発生により電池内圧が上昇して外
装体が膨れるという問題があった。また、鎖状カーボネ
ートは、電池の過充電試験やオーブン試験を行った場合
の反応熱が大きく、安全性が低いという問題があり、そ
のため過充電を防ぐ保護回路を用いるだけでなく、金属
缶の電池には安全弁、電流遮断弁、PTCなどの保護機
構を複数併用することによって電池の安全性を確保して
おり、非水系電池として複雑な構造となることが問題で
あった。
【0006】近年、電池の更なる高容量化が望まれてお
り、負極として特に容量の大きい黒鉛系炭素材料を活用
できる技術が重要となっており、この場合に電池の充放
電サイクル特性や低温充電特性、急速充電特性が良く、
高温充電保存時のガス発生が少なく且つ安全性を兼ね備
えることが要求されている。しかしながら未だ、すべて
の要求を満たす電池は未だ見出されていない。
【0007】そこで、本発明は、従来より発熱する反応
性が小さく保護回路などの保護機構を簡略化できる安全
性があり、ガス発生が少なく膨れにくいという特徴をも
ち、且つ充分に電極表面被膜のインピーダンスが低い電
池を得ることを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、高エネル
ギー密度の非水系二次電池を作製し、充放電サイクル試
験、高温保存試験、安全性試験を行い、電池の電解液の
構成、電池の作製条件を検討することにより、充放電サ
イクル特性、低温充電、急速充電に優れ、且つ高温保存
や過充電試験などにおいて発熱が小さく、ガス発生の少
ない安全性の高い非水系二次電池を完成した。
【0009】即ち、本発明は、 1)構成要素として少なくとも正極、リチウム吸蔵能力
を有する負極、セパレータ、溶媒及び溶質からなる非水
電解液、外装体からなる電池であって、該溶媒が、主成
分としてγ−ブチロラクトンを含み、該溶質が少なくと
も2種の混合塩からなり、該電池内に炭酸ガスが導入さ
れてなることを特徴とする非水系二次電池。 2)負極は主として炭素材料であり、該炭素材料が炭素
網面の面間隔d002が0.337nm未満の黒鉛質で
あることを特徴とする1)記載の非水系二次電池。 3)溶媒としてγ−ブチロラクトンを60体積%以上含
むことを特徴とする1)又は2)記載の非水系二次電
池。 4)混合塩は、テトラフルオロほう酸リチウムおよびヘ
キサフルオロ燐酸リチウムを含むことを特徴とする1)
〜3)のいずれかに記載の非水系二次電池。 5)セパレータが電解液およびポリマーマトリックスを
含む高分子固体電解質材料からなることを特徴とする
1)〜4)のいずれかに記載の非水系二次電池。 6)セパレータが多孔質材料からなることを特徴とする
1)〜4)のいずれかに記載の非水系二次電池。 7)外装体が金属と樹脂の積層体フィルムからなること
を特徴とする1)〜6)のいずれかに記載の非水系二次
電池。 8)外装体が方形状の金属缶からなることを特徴とする
1)〜6)のいずれかに記載の非水系二次電池。 である。
【0010】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
非水系二次電池は、電解液の溶媒主成分としてγ−ブチ
ロラクトンを含有すること、電解液溶質として混合塩を
含むこと、並びに炭酸ガスが導入されることは必須であ
る。これらの構成要素の組み合わせにおいて、従来の技
術で到達できなかった電池性能と安全性の両立を可能と
するものである。
【0011】本発明の電池の構成要素について順次説明
する。まず本発明の電池は、電解液の溶媒の主成分にγ
−ブチロラクトンを含むことが特徴である。γ−ブチロ
ラクトンは高沸点であるため安全性に優れ、高誘電率、
低粘度を兼ね備えた性質を有し、電解液溶媒として好ま
しい。本発明の電池における電解液溶媒全体に占めるγ
−ブチロラクトンの割合は、その下限として好ましくは
50体積%以上であり、さらに好ましくは60重量%以
上、最も好ましくは70重量%以上である。また、γ−
ブチロラクトンの割合の上限は100%である。電解液
の溶媒成分にγ−ブチロラクトンの含量が高いことは、
この電解液を用いた電池として、高容量、良好なサイク
ル特性だけでなく低温充放電、急速充放電などに優れた
電池特性を示すため好ましいものとなる。
【0012】γ−ブチロラクトン以外の有機溶媒とし
て、例えば、カーボネート類、エーテル類、ケトン類、
ニトリル類、アミド類、スルホン系化合物、エステル
類、芳香族炭化水素類などが挙げられる。また、これら
の溶媒の2種類以上を混合して用いることもできる。こ
れらのうちでもカーボネート類、エーテル類、ケトン
類、ニトリル類、エステル類などが好ましく、カーボネ
ート類がさらに好適に用いられる。
【0013】具体例としては、プロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジ
メトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテト
ラヒドロフラン、アニソール、1,4−ジオキサン、4
−メチル−2−ペンタノン、シクロヘキサノン、アセト
ニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、ジエチ
ルカーボネート、ジメチルホルムアミド、スルホラン、
蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢
酸プロピル、プロピオン酸エチルなどを挙げることがで
き、高温での安定性からプロピレンカーボネート、エチ
レンカーボネートが好適に用いられる。
【0014】例えば、電解液溶媒としてエチレンカーボ
ネートとγ−ブチロラクトンの混合溶媒を用いた場合、
γ−ブチロラクトンの割合が高いことは電解液の粘度低
下につながり、低温出力や急速充電等に好ましい。γ−
ブチロラクトン単独溶媒の電解液を用いた電池において
も良好な電池性能を示す。この電解液溶媒にγ−ブチロ
ラクトンを50体積%以上含有するとともに、電池外装
体内を炭酸ガスで充填することによって二次電池として
の繰り返し充放電出力が安定化(電池のサイクル性が向
上)するとともに急速充電特性や低温充電における容量
低下が抑制された電池を得ることができる。ただし、こ
の炭酸ガス導入の効果は、電解液溶媒に占めるγ−ブチ
ロラクトン含量によって変化する。10容積%未満とγ
−ブチロラクトンの含有率が低い電解液では、負極に黒
鉛材料を用いた場合、リチウムを吸蔵した黒鉛と電解液
の反応がリチウムのインターカレーション(充電反応)
に優先し、電流効率が低くなり、利用率も低下する。ま
た、50容積%未満では、炭酸ガスを導入した効果があ
まり見られない。60容積%以上では、炭酸ガスによる
サイクル性向上の効果が顕著にみられる。
【0015】炭酸ガスが導入されていない場合、リチウ
ムを吸蔵した負極と電解液の反応により形成された被膜
が安定でないため、充放電サイクルとともに電池の劣化
が生じる。これに対し、炭酸ガスが導入されてなる場
合、炭酸リチウムを主体とする被膜が生成し、かつこの
被膜が安定なため、負極活物質表面での電解液の継続的
分解を抑制することが可能となる。前記の効果を発現す
るために必要な炭酸ガスの量は、負極活物質の種類、量
ならびに表面積にも依存し、活物質表面を覆い、電解液
との反応を防止するに足ることが必要である。この炭酸
ガスは、気体として電池容器内に導入される場合以外
に、電解液溶媒中に予め溶存させるとか、あるいは電池
容器内で反応によって炭酸ガスを発生させるなど、様々
な導入方法が考えられ、同等の効果を発現する。また、
炭酸ガスとアルゴンガスなど、不活性な気体を混入する
ことは、電池の安全性を何ら妨げるものではない。
【0016】さらに、本発明の電池の電解液に用いられ
る溶質に混合塩を用いることが特徴である。ここで用い
られる塩は限定するものではないが、テトラフルオロほ
う酸リチウム、ヘキサフルオロ砒素酸リチウム、ヘキサ
フルオロ燐酸リチウム、過塩素酸リチウム、トリフルオ
ロメタンスルホン酸リチウム、ヨウ化リチウム等が用い
られる。また、これらの電解質を混合して用いることに
よって、電池の充放電サイクル性が良好な電池を得るこ
とができる。本発明の電解液溶質として、電池性能およ
び取り扱い上の安全性や毒性などの観点からテトラフル
オロほう酸リチウムとヘキサフルオロ燐酸リチウムの混
合塩が好ましい。
【0017】この混合塩の組成比(LiPF6/LiB
4)として、好ましくは1/20〜10/1であり、
さらに好ましくは1/10〜5/1の範囲である。ま
た、電解液における混合塩濃度の下限として0.1モル
/リットル以上であることが好ましく、さらに好ましく
は0.5モル/リットルである。この混合塩濃度の上限
は飽和溶解量であり、通常は5モル/リットル以下であ
り、好ましくは2モル/リットルである。但し混合塩の
場合、単独の飽和溶解量を越え、溶融塩状態の液体を形
成する場合があるので必ずしも混合塩濃度が限定される
ものでない。本発明の電池の電解液に混合塩の溶質を用
いることにより、電池のサイクル性が単独塩の溶質を用
いる場合に較べ向上させることができる。この原因はま
だ明らかでないが電極表面で一部の塩が分解され、これ
に伴って安定性やイオン透過性に優れた電極表面被膜が
生成するが、この効果が混合塩を用いる場合に顕著とな
り、特に負極のインピーダンスが低くなることによっ
て、充放電サイクルが安定に行えると考えられる。
【0018】さらに電解液の成分として、電極やセパレ
ータへの含浸を促進する目的でりん酸エステルなどの界
面活性剤を添加することができる。この例としてトリオ
クチルホスフェートを挙げることができる。また、電極
界面の被膜安定化などの目的で電解液にトルエン、ヒド
ロキノン、カテコール、レゾルシンなどの芳香族化合物
を添加することも可能である。
【0019】本発明に用いられるセパレータ材料として
は、電解液成分が膨潤可能なポリマーマトリックスを含
む高分子固体電解質材料および/または多孔質材料が利
用できる。多孔質材料の場合、空孔内に電解液を充填さ
せて用いることができる。これら多孔質材料に充填され
る電解液、高分子固体電解質に含有される電解液成分は
前記の組成の電解液であることが好ましい。本発明の電
池において、セパレータ部分のイオン伝導度として10
-6S/cm以上であることが好ましく、さらに好ましく
は10-4S/cm以上である。
【0020】多孔質材料の材質として、ポリオレフィ
ン、セルロース、ポリメタクリレート、ポリアクリロニ
トリル、ポリビニリデンフルオライド等ポリマー材料、
ガラス、アルミナ、シリカ、酸化チタン、酸化鉄などの
セラミックスを用いることができる。この形態として多
孔膜、不織布、焼結体、粉末スラリー塗布膜などが利用
できる。このうち、ポリオレフィンの多孔膜は、薄膜
性、高強度、加熱時イオン移動を閉塞する効果などによ
り現在リチウムイオン二次電池に最も多用されているが
本発明においても利用可能であり良好な電池性能と安全
性を発現する。
【0021】また、本発明に用いられる高分子固体電解
質は、特に限定されるものではなく、例えばポリアルキ
レングリコール類、ポリ(メタ)アクリレート類、ポリ
アクリロニトリル系重合体、ポリフッ化ビニリデン系重
合体、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン等に電解液
が含浸されたものを用いることができる。これらのう
ち、特にリチウムイオン電池として用いる場合にはイオ
ン伝導度が高いことからポリアクリロニトリル系固体電
解質、ポリフッ化ビニリデン系固体電解質が好ましく、
中でも、ポリフッ化ビニリデン系固体電解質は電気化学
的にも安定なため特に好ましい。ポリフッ化ビニリデン
系固体電解質とは、ビニリデンフルオライドを主成分と
し、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロビニルエ
ーテル、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロ
ピレンオキシド、フルオロエチレン等のコポリマーを含
む支持ポリマーに電解液を含浸して得られる固体電解質
を指す。これら支持ポリマーはバルク構造のみならず、
多孔質構造として独立泡、あるいは貫通孔を有していて
かまわない。さらに架橋構造を有していても差し支えな
い。
【0022】ここで加える電解液は前記有機溶媒と電解
質の混合物を用いることが可能である。また、ポリエチ
レンオキシド、ポリプロピレンオキシドなどの脂肪族ポ
リエーテル、ポリビニリデンフルオライド系重合体、ポ
リアクリロニトリル、脂肪族ポリエステル、脂肪族カー
ボネートなどのポリマーを上記有機溶媒に溶解させた混
合物を用いることもできる。
【0023】以上説明した電解質、有機溶媒が支持ポリ
マーに含浸、膨潤することによって高分子固体電解質を
作成できる。含浸工程は支持ポリマーを直接電解液に浸
漬してもよいし、電解液をアセトン、テトラヒドロフラ
ンなどの低沸点溶媒との混合溶液にして支持ポリマーに
含浸させ、後から低沸点の溶媒を揮発させてもよい。本
発明に用いられるリチウム吸蔵可能な負極活物質として
は、アルミニウム・リチウム合金、マグネシウム・アル
ミニウム・リチウム合金などの金属リチウム合金、Al
Sb、Mg2Ge、NiSi2などの金属間化合物、グラ
ファイト、コークス、低温焼成高分子などの炭素系材
料、SnM系酸化物(MはSi、Ge、Pbを表
す。)、Si(1-y)M’yOz(M’はW、Sn、P
b、B等を表す。)の複合酸化物、酸化チタン、酸化鉄
などの金属酸化物のリチウム固溶体、Li7MnN4
Li3FeN2、Li(3-x)CoxN、Li(3-x)NiN、
Li(3-x)CuxN、Li3BN2、Li3AlN2、Li3
SiN3の窒化物などのセラミックス等が挙げられる。
実用上の観点から、炭素材料を用いることが好ましく、
炭素あたりのリチウム吸蔵量、電流効率の点からグラフ
ァイトを用いることが好ましい。ここにいうグラファイ
トとは、炭素網面の層が規則正しく積層されたグラファ
イト構造の発達した炭素材料であり、炭素網面の面間隔
d002が0.337nm未満である。人造黒鉛、天然
に産する黒鉛のいずれのものであっても良く、また、両
者を混合したものであってもよい。人造黒鉛は、石油ピ
ッチ、コールタールピッチ、熱分解炭素、ニードルコー
クス、縮合多環炭化水素などに代表される易黒鉛化物質
を一般に2500℃以上、より好ましくは2800℃以
上で熱処理することによって得られる。
【0024】本発明に用いられる正極活物質としては、
上記負極活物質に対して高い酸化電位を有する材料を用
いる。この例としては、Li1-X CoO2、Li1-XNi
2、Li1-XMn24、Li1-XMO2(0<x<1)、
MはCo、Ni、Mn、Feの混合体を表す。)、Li
2-yMn24(0<y<2)、結晶性Li1-x25、ア
モルファス状Li2ーy25(0<y<2)、Li1.2
ーx'Nb25(0<x’<1.2)などの酸化物、Li
1ーxTiS2、Li1ーxMoS2、Li3ーzNbSe3(0<
z<3)などの金属カルコゲナイド、ポリピロール、ポ
リチオフェン、ポリアニリン、ポリアセン誘導体、ポリ
アセチレン、ポリチエニレンビニレン、ポリアリレンビ
ニレン、ジチオール誘導体、ジスルフィド誘導体などの
有機化合物を挙げることができる。
【0025】正極および負極は上記の活物質材料を所定
の形状に成型加工して用いられる。この形態として連続
体または粉末材料のバインダー分散体のいずれも使用可
能である。前者の連続体の成型方法として、電解析出、
電解溶解、蒸着、スパッタリング、CVD、溶融加工、
焼結、圧縮などが用いられる。また、後者の場合は粉末
状の電極物質をバインダーとともに混合して成型する。
このバインダー材料として、ポリビニリデンフロライ
ド、ポリ(ヘキサフルオロプロピレン−ビニリデンフロ
ライド)共重合体などポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポ
リテトラフルオロエチレン、などのフッ素系ポリマー、
スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−アクリロニ
トリル共重合体、スチレン−アクリロニトリル−ブタジ
エン共重合体などの炭化水素系ポリマーなどが用いられ
る。
【0026】正極または負極から構成される電極に電気
抵抗の低い材料で集電体を設けることもできる。この集
電体として、負極には銅、ニッケル、ステンレス、炭素
などの材料、正極にはアルミ、ステンレス、炭素などの
材料が用いられる。この集電体の形状としてシート状、
メッシュ、エキスパンドメタル、パンチングメタル、不
織布、織布などが利用できる。
【0027】高分子固体電解質をセパレータ材料に用い
た場合の電池作製方法として、例えば、予め作製した高
分子固体電解質を正極と負極で挟み込み、加熱プレスし
て作成できる。このプレスには平板プレス、ロールラミ
ネーションなどの方法を用いることが可能である。ま
た、高分子固体電解質と電極のシートを積層、捲回して
ロール状構造を形成して作製することもできる。別の方
法として、高分子固体電解質の前駆体であるポリマーマ
トリックスの成形体と電極の積層体を形成した後、該積
層体に電解液を注入含浸して作製することもでき、加熱
によりポリマーマトリックスの電解液膨潤を促進した
り、電極との密着性を向上させることもできる。さらに
別の方法として、高分子固体電解質構成成分の電解液と
ポリマーの溶液を電極上に直接塗布後固化させて電極上
に高分子固体電解質を形成する方法を用いることもでき
る。
【0028】高分子固体電解質を正極と負極で挟み込み
加熱積層する際に、バインダーによって活物質が結着さ
れた構造をもつ電極上に高分子固体電解質支持ポリマー
を可塑化可能な有機溶媒を塗布することによって、電極
のバインダー面と固体電解質面の接合状態が改善し、電
池性能、特にサイクル性が向上する。バインダーによっ
て活物質が結着された構造をもつ電極上に塗布する有機
溶媒は、その高分子固体電解質を構成する支持ポリマー
を可塑化できるものが好ましく、前記の電解液の溶媒成
分を用いることが好ましい。
【0029】セパレータとして多孔質材料を用いる場合
の電池作製方法として、電極シートとセパレータを捲回
やスタックなどで積層した構造を形成し、この構造体に
電解液を注液含浸させて電池を作製することができる。
また、この注液を該構造体を外装体に装填後行うことも
できる。この外装体に電極・セパレータ積層構造体を装
填した後電解液を注入して含浸させる方法は、吸湿性の
高い電解液の取り扱い範囲が狭くできるので設備上簡便
となるため好ましい。
【0030】電池の形状はボタン型、コイン型、シート
型、円筒型、角型など、電池の用途に応じて適宜決めら
れ、前記の正極、負極、非水電解液とセパレータからな
る電池素子を外部と電気的に接続することが可能となる
構造を有した外装体で形成される。本発明の電池は、セ
パレータを介して電極を積層した構造体を外装体に装填
して封入されてなるが、外装体外部から電池内部の電極
への電流を注入、取り出しを行うために外装体外部に露
出した電極端子を設けることが必要である。電極の集電
体や電極面に導電接続された導電性端子を設置し、この
端子を外装体に封じ込めることによって電池内外の電流
移動が可能となる。この際、正極と負極の電極端子の短
絡を阻止する構造が用いられる。この端子材料として
銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属、炭素系材料
が用いられる。
【0031】本発明の電池の外装体の材質としては、金
属材料あるいは金属樹脂積層体フィルムが用いられる。
金属材料としては、例えば、ニッケルメッキを施した鉄
鋼板、ステンレス鋼板、ニッケルメッキを施したステン
レス鋼板、アルミニウムまたはその合金、ニッケル、チ
タン、銅などが挙げられる。電池の用途に応じて円形筒
状、方形筒状、薄型箱状などの形状が適宜決められる。
金属をこれら形状として加工した缶の形態で用いられ、
生産性、封止性の点で好ましい。また、外装体の封止方
法は、レーザー溶接、かしめ、電気溶接などの方法がと
られるが、特に上記に限定されるものではない。また、
この金属外装体に内圧上昇時のガス放出機能を有するラ
プチャー構造、電極端子の電流遮断機構、温度上昇にお
いて電流遮断機能を有するPTC(positive temperatu
re coeffieient)素子を併設しても良い。
【0032】金属と樹脂の積層体フィルムの構成とし
て、少なくとも最内層に熱可塑性樹脂層を有し、その外
側に1層または2層以上の絶縁樹脂層を有し、さらに該
熱可塑性樹脂層と最も外側の絶縁樹脂層との間に金属層
を有する構造である。熱可塑性樹脂層と金属層の間に更
に絶縁樹脂層を設けると、熱融着時の短絡防止ができる
ためより好ましい。
【0033】積層体フィルムの熱可塑性樹脂層として、
ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、
エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−アク
リル酸誘導体またはメタクリル酸誘導体共重合体、ポリ
フェニレンオキシドなどが用いられる。また、絶縁樹脂
層として、ポリイミド、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリ
アミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサル
ファイド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテ
レフタレートなどが用いられる。金属層としてはアルミ
ニウム、アルミニウム合金、銅、ニッケル、ステンレス
などが用いられるがアルミニウム、アルミニウム合金で
あることが加工性や低価格である点を考慮して好まし
い。
【0034】積層フィルムを作製する方法としては、ウ
ェットラミネーション、押し出しコーティング、共押し
出しラミネーション、ドライラミネーション等が挙げら
れるが、特にこれらに限定されるものではない。封止す
る方法としては、インパルスシール、ヒートシール、高
周波シール等により対向する熱可塑性樹脂層を熱融着す
る方法などが挙げられるが、特にこれらに限定されるも
のではない。
【0035】また、外装体の端子取り出し部位におい
て、積層体の端を絶縁材料で覆うこと、または金属層の
一部欠損領域を設けることは、端子を折り曲げた場合の
金属層を通じての短絡を防止することが可能となり、電
池の安全性、信頼性を高める上で大きな効果がある。上
記のように製造される本発明の電池の製造工程におい
て、外装体内部に炭酸ガスが導入されることが特徴であ
り、電池性能、安全性に優れた性能を示す。この炭酸ガ
ス導入の方法について説明する。
【0036】金属樹脂積層体シートを外装体とする電池
では、例えば、この外装体にスタック状またはコイル状
の電極セパレータ積層体を装填後、減圧雰囲気に保持し
て脱気を行った後、雰囲気中に炭酸ガスを導入し所定の
圧力雰囲気とした状態で開口部を加熱シールすることに
よって電池を作製する。また、金属を外装体とする電池
では、例えば、外装体金属成形体に電極セパレータ積層
体を装填後、電解液注入口を有する蓋と電極端子を接
合、蓋を溶接し、減圧雰囲気で脱気した後炭酸ガス雰囲
気で電解液を注入、注入口を封止して電池を製造する。
【0037】また、注入する電解液に炭酸ガスを予め溶
解させることによって電解液の注液と同時に炭酸ガスを
電池内部に導入することができる。さらに、高分子固体
電解質をセパレータに用いる場合、電解液成分をポリマ
ーマトリックスに導入する工程で電解液中または電解液
を含む高分子固体電解質の状態で炭酸ガスを導入した材
料をセパレータに用いて電池を作製することによって炭
酸ガスを電池内に導入することができる。
【0038】これらの材料を外装体に用いて作製した本
発明の電池は、金属および金属樹脂積層体シートを外装
体とした場合、電池の高温保存において金属外装体や金
属樹脂積層シート外装体の内部のガス発生に伴う電池の
変形が極めて少なく、高温作動による機器の変形や破損
が防止できる等のため好ましい。また、本発明の電池は
安全性が極めて高いことから従来の電池で用いられた安
全機構を省略または簡略化することも可能であり、外装
体の構造簡略化につなげることも可能である。
【0039】以上のようにして本発明の電池を作製する
ことができる。本発明の電池は、電池性能および安全性
に優れることが特徴であり、これら性能、安全性と評価
方法について説明する。本発明の電池の特徴として、 1)充放電の繰り返しによる容量低下が少ない(充放電
サイクル性) 2)急速充電や低温充電による容量低下が少ない(充電
特性) 3)充電状態の高温保存でガス発生、容量低下が少ない
(高温保存特性) 4)過充電試験、充電状態の高温保存(オーブン)試験
で発熱、ガス発生が少ない(安全性) 5)急速放電出力、低温出力、パルス放電出力などで大
きい出力を示す(出力特性)に優れた性能を示す。
【0040】これら評価方法として、たとえば正極活物
質にコバルト酸リチウム、負極活物質にグラファイトを
用いたリチウムイオン二次電池の場合を以下に示す。 (充放電サイクル性)電池の正極および負極端子を充放
電器の正、負極電流電圧端子に接続し、下記の充電放電
条件で評価する。充電は定電流・定電圧(充電電圧4.
2V、電流1C、充電時間3時間、環境20℃)および
放電は定電流・電圧カットオフ(電流1C、カットオフ
電圧3.0V、環境20℃)で行う。この定電流の1C
は電池の容量を1時間で充電または放電する電流値であ
る。
【0041】充放電サイクル性は容量保持率として、サ
イクル経過後放電容量の初回(1サイクル)放電量に対
する百分率で表される。本発明の電池は前記の条件で1
00サイクル経過時の容量保持率が93%以上、300
サイクル経過時の容量保持率が80%以上を示す。な
お、本発明において電池容量(初期容量)は、0.5C
充電(0.5C定電流4.2V定電圧、充電時間5時
間、環境2℃)/0.5C放電(0.5C定電流放電カ
ットオフ3V、環境20℃)を3サイクル繰り返した3
回目の放電量として表す。この0.5C充電、0.5C
放電、環境温度20℃を充放電の標準条件とする。 (充電特性)通常の充電では正極から放出されたリチウ
ムイオンが負極に移動し負極活物質に吸蔵される。とこ
ろが急速充電において負極に吸蔵しきれなくなった場
合、リチウムが負極上で還元されて金属リチウムを析出
され、この析出金属リチウムの放電効率が低いため放電
容量低下を起こすことが問題となる。この傾向は充電環
境温度が低い場合特に顕著となる。この原因として、負
極界面および界面付近のリチウム移動しやすさが影響す
ると考えられる。
【0042】室温での急速充電条件として、定電流・定
電圧(電流1C、4.2V定電圧、充電時間3時間)、
環境20℃で行う。この条件は前記のサイクル性の充電
条件と同じであり、サイクル性試験で代用する。すなわ
ち1Cサイクルにおける容量保持率が高いことが急速充
電による容量低下が少ないことに対応する。低温充電
は、環境0℃、定電流・定電圧充電(電流0.5C、
4.2V定電位、充電時間5時間)、放電は定電流・電
圧カットオフ(電流0.5C、カットオフ電圧3V)で
行う。この低温充放電を5回行った後室温(20℃)で
充放電(充電:0.5C定電流、4.2V定電位、5時
間充電、放電:0.5C定電流、3Vカットオフ)を行
い、初期容量からの容量低下率で評価する。本発明の電
池では、この容量低下率が5%未満であり、実質的な劣
化はない。 (高温保存特性)標準条件の充放電(充電:0.5C定
電流、4.2V定電位、充電時間5時間、環境20℃、
放電:0.5C定電流、3Vカットオフ、環境20℃)
を行い電池保存前放電容量を求めた後、標準条件で充電
を行った後、高温状態で所定時間保存し、電池の厚さを
評価する。また、高温保存後、標準条件で放電(0.5
C定電流、3Vカットオフ、環境20℃)を行い放電容
量を求め、この保存後放電容量の保存前放電容量の比か
ら容量保持率(%)を求める。次いで、標準条件の充放
電(充電:0.5C定電流、4.2V定電流、充電時間
5時間、放電:0.5C定電流、3Vカットオフ、環境
温度20℃)を行い、この放電容量と保存前放電容量の
比から回復率を求める。本発明において、高温保存の条
件を90℃、4時間または85℃、24時間とする。
【0043】本発明の電池は、この高温保存において電
池の外装体の膨れ、変形が小さく、容量保持率、回復率
にも優れることが特徴である。本発明の典型的な結果と
して、容量550mAhの薄型電池(金属樹脂シートパ
ッケージ、厚さ3mm)、90℃、4時間保存条件で、
保存時変形は0.1mm以下、容量保持率は85%、回
復率95%である。なお、従来技術で多用される電解液
(メチルエチルカーボネート/エチレンカーボネート=
2、1MのLiPF6)を用いた電池では、この保存時
変形が3mm以上に達し、容量保持率、回復率ともに劣
る。 (過充電試験)過充電条件は、電池満充電後、定電流
(2C)、定電圧(12V)、充電時間3時間とする。
この充電時の電圧、電池表面温度、充電電流をモニター
しながら行う。この電圧、電流は充放電器により計測
し、表面温度は電池表面に熱電対をテープなどによって
固定して熱電対電圧により温度を計測する。
【0044】本発明の電池は上記過充電条件で破裂や発
火がなく、安全性に優れる。 (オーブン試験)やや過充電状態に充電(0.5C定電
流、4.3Vまたは4.4V定電圧充電、充電時間5時
間)した電池を熱風循環型オーブンに入れ、昇温速度1
0℃/分の速度で150℃まで昇温し、150℃の温度
で1時間保持する。なお、電池の電極端子間の電圧を電
圧計で、電池表面温度を過充電と同様の熱電対モニター
する。
【0045】本発明の電池は、これらの条件でも破裂お
よび発火がなく、高温保存時の膨れも小さいため極めて
安全性が高い。 (急速放電出力)標準条件で充電(0.5C定電流、
4.2V定電流、充電時間5時間、環境20℃)を行っ
た後、電流密度2C〜0.2Cで放電(カットオフ3
V、環境20℃)を行い、各電流密度の放電容量変化を
評価する。本発明では1C放電容量の0.2C放電容量
の容量比(1C容量/0.2C容量)を主に評価する。
【0046】本発明の電池の典型的な結果として、1C
放電出力98%(対0.2C放電出力)である。(低温
出力)標準条件で充電(0.5C定電流、4.2V定電
流、充電時間5時間、環境20℃)を行った後、低温庫
(温度0℃、または−20℃)に充放電器に接続したケ
ーブルに接続した電池を装填し、1時間保持した後、定
電流放電(0.5C定電流、3Vカットオフ)を行い放
電容量を求める。また、標準条件の充放電(0.5C定
電流、環境20℃)の放電容量との容量比(%)から低
温出力を評価する。
【0047】本発明の電池の典型的な結果として、0℃
出力90%、−20℃出力60%であり、低温出力特性
にも優れる。 (パルス放電出力)携帯電話の利用を想定した実用的な
出力評価であり、本発明において、パルス(2Aで0.
6msec、0.15Aで4msec)の電流を交互に
流すシークエンスを組み、放電(最低電圧3V到達まで
放電)を行い、放電容量を求める。また、放電時環境温
度を−20℃、0℃、20℃、45℃と変化させて出力
の温度特性(20℃出力に対する容量比%)を評価す
る。
【0048】本発明の550mAh容量電池の典型的結
果として、−20℃出力15%、0℃出力90%、45
℃出力100%であり、パルス放電の温度特性にも優れ
る。
【0049】
【発明の実施の形態】以下、本発明をより明確にするた
めに実施例により説明するが、勿論、本発明はこの実施
例に限定されるものではない。電池の構成要素である正
極、負極、セパレータ、金属樹脂積層体外装体、金属外
装体を以下に説明する。 (正極)平均粒径3.5ミクロンのコバルト酸リチウム
を活物質として、活物質とフィラーとしてアセチレンブ
ラック、バインダー樹脂としてフッ素ゴム(旭化成工業
(株)製ミラフロン)を混合し、トルエン溶媒に均一分
散したスラリーを調整し、15ミクロンのアルミニウム
箔上に均一塗布して乾燥、プレスし、乾燥膜厚85ミク
ロンの塗膜(固形分組成:活物質(93.3重量%)、
フィラー(4.7重量%)、バインダー(2.0重量
%)が272g/m2の目付で塗布される)を作製し
た。 (負極)平均粒径約10ミクロンのグラファイト(ペト
カ社製MCF)を活物質として、鱗片状グラファイト
(ロンザ社製、SFG−6)を混合し、バインダーとし
てスチレンブタジエンラテックス(大日本インキ製、D
S−614)とカルボキシメチルセルロース(ダイセル
製、DN800H)を用いて水系のスラリーを調整し、
12ミクロンの銅箔上に均一塗布して乾燥、プレスし、
乾燥膜厚87ミクロンの塗膜(固形分組成:活物質(8
7.3重量%)、鱗片状グラファイト(9.7重量
%)、バインダーとしてスチレンブタジエンラテックス
(2.0重量%)、カルボキシメチルセルロース(1重
量%)が112g/m2の目付で塗布される)を作製し
た。 (高分子固体電解質)ポリ(フッ化ビニリデン−ヘキサ
フルオロプロピレン)共重合体(ヘキサフルオロプロピ
レン含量3重量%、エルフアトケム社製カイナール28
50)のバルクシート(厚み50ミクロン)に電子線照
射(照射量10Mrad)を行い架橋処理した後、フロ
ン(HFC−134a)を7重量部含浸後、加熱延伸処
理して発泡体シート(発泡倍率5倍、厚み70ミクロ
ン)を作製した。得られた発泡体に電解液を加熱含浸し
て高分子固体電解質を作製した。 (ポリオレフィンセパレータ)ポリエチレン微多孔膜
(旭化成工業(株)製、ハイポア6022)を用いた。 (金属樹脂積層体外装体)アルミニウム箔(厚み20ミ
クロン、日本製箔製)の片面にポリイミドシート(厚み
25ミクロン、カプトン、東レデュポン社製)およびア
ルミ箔の反対面にポリフェニレンスルフィド(厚み25
ミクロン、東レ(株)製)をエポキシ接着材により積層
し、ポリフェニレンスルフィド面に結晶性ポリプロピレ
ン(厚さ40ミクロン、太閤(株)製)を加熱積層して
金属・樹脂積層体シートを作製した。該シートを所定形
状に裁断後ポリプロピレン面を合わせて熱融着して袋状
の外装体を作製し、これに電極セパレータ積層体を封入
して電池を作製した。 (金属外装体)アルミニウムを深絞り加工により方形状
に加工して金属缶、および切削加工した蓋部(中心にハ
ーメチックシールされた電極端子、電解液注液口を設け
た)を用いた。
【0050】
【実施例1】γ−ブチロラクトンにLiBF4とLiP
6混合電解質を溶解した電解液(LiBF4/LiPF
6=10/3(モル比)、Li塩濃度1.5モル/リッ
トル)を調整し、前記のポリフッ化ビニリデン共重合体
樹脂の発泡体シートに電解液を含浸(温度60℃で5時
間含浸)して高分子固体電解質シート(幅55mm、長
さ220mmの短冊)を作製した。
【0051】正極および負極を幅60mm、長さ210
mmに切断し、長さ方向に沿って片側10mmで電極活
物質層を剥離して集電体を露出させた電極短冊を作製し
た。次いで、剥離した集電体部分を20mm幅を残して
60mmピッチで切断(切断部40mm幅)した。該短
冊の表面に該電解液を均一塗布(正極20g/m2、負
極35g/m2)した後、高分子固体電解質の両面を正
極および負極で重ねた積層体を加熱ロールラミネータで
加熱して電極セパレータ積層体を作製した。なお電極の
配置は活物質層が対向する構造で、正極と負極集電体は
み出し部分が片側に交互に出た構造として作製した。
【0052】該積層体を幅30mmで長さ方向にカッタ
ーナイフで切断して6組のユニットを作製した。同様に
してさらに6組みのユニットを作製し、銅集電体面が対
向する(同時にアルミ集電体面も対向する)ように12
枚のユニットを重ね合わせ、集電体はみ出し部分を電極
端子(負極および負極集電体に幅10mmの銅箔および
アルミ箔)とともに超音波溶接で接合した。
【0053】外装体として前記の金属樹脂積層シートを
内寸幅35mm、長さ70mmの筒状に加工して、超音
波溶接した電極積層体を装填した後、パックシーラーを
用いて減圧、炭酸ガス導入(圧力740mmHg)を行
い加熱シールして電池を作製した。この工程を繰り返
し、数個の電池を作製した。該電池を充放電(充電:定
電流60mA、4.2V定電圧、20時間充電、放電:
定電流120mA、3.0Vカットオフ、充放電環境2
0℃)した結果、放電量603mAh、平均電圧3.7
V、充放電効率91%であった。次いで、前記の標準条
件(充電:0.5C定電流(300mA)・4.2V定
電圧、放電:0.5C定電流、カットオフ3.0V、環
境20℃)で3サイクルの充放電を行った結果、初期容
量は607mAhであった。
【0054】次いで、該電池を1Cの電流密度(600
mA)で充放電サイクルを繰り返した(環境温度20
℃)。この結果100サイクルの容量保持率は97%、
300サイクルの容量保持率87%であった。また、別
に作製した電池(初期容量603mAh、平均電圧3.
7V)を低温充電(環境温度0℃、充電:0.5C定電
流、4.2V定電圧、充電時間5時間、放電:0.5C
定電流、カットオフ3.0V)で5回行い、次いで標準
条件(室温20℃、充電:0.5C定電流、4.2V定
電圧、5時間充電、放電:0.5C定電流、3.0Vカ
ットオフ)を行った結果、放電容量は603mAhであ
り低温充電による劣化は認められなかった。
【0055】この電池を0.5Cで定電流定電圧充電
(4.2V)充電後、0.2C定電流放電(カットオフ
3.0V)、次いで0.5C定電流定電位充電(4.2
V)1C定電流放電(カットオフ3.0V)の放電容量
比より1C放電出力を求めた結果、98%であった。次
いで、放電条件としてパルス電流放電で−20℃、0
℃、20℃、45℃出力を求めた結果、20℃放電量は
590mAh、−20℃の出力は18%(対20℃放電
量)、0℃出力は92%、45℃出力は102%であっ
た。
【0056】さらに、この電池を標準条件(室温20
℃)で充電した後、90℃の温度に保持された恒温槽で
4時間保持した。次いで、室温標準条件で放電、充電、
放電により求めた容量保持率は92%、容量回復率97
%であった。なお90℃保存中に電池の膨れは認められ
ず、試験後の電池厚さの変化は0.1mm未満であっ
た。
【0057】別の電池(初期容量604mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った。過充電条件
は、定電流2C(1.2A)、12V定電圧、充電時間
3時間で行った。この結果、電池の破裂および発火は認
められず、電池表面の最高温度112℃であった。さら
に別に作製した電池(初期容量602mAh、平均電圧
3.7V)を0.5Cの定電流で4.4V充電した後、
オーブンで150℃に1時間加熱した。電池の表面温度
の観測から若干の発熱(最高温度155℃)が観測され
たが、電池の破裂および発火は起こらなかった。
【0058】
【実施例2】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し電解液として、γ−ブチロラクトン50体積%、エチ
レンカーボネート50体積%の溶媒成分に電解質として
LiBF4とLiPF6の混合塩(LiBF4/LiPF6
=10/3(モル比))を1.5モル/リットルの濃度
で溶解した溶液を用いた。電極、セパレータ、外装体、
炭酸ガス封止など実施例1と同様にして行った。
【0059】該電池を実施例1と同様に充放電した結
果、放電量596mAh、平均電圧3.7V、充放電効
率90%、初期容量は597mAhであった。次いで、
該電池を1Cで充放電サイクルを繰り返した(20℃)
結果、100サイクルの容量保持率は95%、300サ
イクルの容量保持率82%であった。また、別に作製し
た電池(初期容量598mAh、平均電圧3.7V)を
低温充放電した後求めた放電容量は595mAhであり
低温充電による劣化は認められなかった。
【0060】この電池の1C放電出力は98%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は59
0mAh、−20℃の出力は10%(対20℃放電
量)、0℃出力は90%、45℃出力は103%であっ
た。さらに、この電池を充電後、90℃で4時間保持後
の容量保持率は93%、容量回復率98%であった。な
お90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電
池厚さの変化は0.1mm未満であった。
【0061】別の電池(初期容量597mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度10
5℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量59
7mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電後、15
0℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度158
℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こらな
かった。
【0062】
【実施例3】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し、電解液として、γ−ブチロラクトン67体積%、エ
チレンカーボネート33体積%の溶媒成分に電解質とし
てLiBF4とLiPF6の混合塩(LiBF4/LiP
6=10/3(モル比))を1.5モル/リットルの
濃度で溶解した溶液を用いた。電極、セパレータ、外装
体、炭酸ガス封止など実施例1と同様にして行った。
【0063】該電池を実施例1と同様の条件で充放電し
た結果、放電量596mAh、平均電圧3.7V、充放
電効率90%、初期容量は598mAhであった。次い
で、該電池を1Cで充放電サイクルを繰り返した(20
℃)結果、100サイクルの容量保持率は96%、30
0サイクルの容量保持率84%であった。また、別に作
製した電池(初期容量599mAh、平均電圧3.7
V)を低温充放電を行った結果、放電容量は600mA
hであり低温充電による劣化は認められなかった。
【0064】この電池の1C放電出力は98%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は60
1mAh、−20℃の出力は15%(対20℃放電
量)、0℃出力は90%、45℃出力は103%であっ
た。さらに、この電池を充電後、90℃で4時間保持し
た結果、容量保持率は92%、容量回復率97%であっ
た。なお90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験
後の電池厚さの変化は0.1mm未満であった。
【0065】別の電池(初期容量600mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度10
7℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量59
8mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電後、15
0℃で1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度15
7℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こら
なかった。
【0066】
【実施例4】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し電解液として、γ−ブチロラクトンに電解質としてL
iBF4とLiPF6の混合塩(LiBF4/LiPF6
1/1(モル比))を1.5モル/リットルの濃度で溶
解した溶液を用いた。電極、セパレータ、外装体、炭酸
ガス封止など実施例1と同様にして行った。
【0067】該電池を実施例1と同様の条件で充放電し
た結果、放電量602mAh、平均電圧3.7V、充放
電効率89%、初期容量は605mAhであった。次い
で、該電池を1Cで充放電サイクル(20℃)した結
果、100サイクルの容量保持率は93%、300サイ
クルの容量保持率83%であった。また、別に作製した
電池(初期容量599mAh、平均電圧3.7V)を低
温充放電後の、放電容量は598mAhであり低温充電
による劣化は認められなかった。
【0068】この電池の1C放電出力は98%であっ
た。次いで、パルス電流放電の結果、20℃放電量は5
90mAh、−20℃の出力は13%(対20℃放電
量)、0℃出力は89%、45℃出力は107%であっ
た。さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後の
容量保持率は88%、容量回復率95%であった。なお
90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電池
厚さの変化は0.1mm未満であった。
【0069】別の電池(初期容量598mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度12
1℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量60
0mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電後、15
0℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度155
℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こらな
かった。
【0070】
【実施例5】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し電解液として、γ−ブチロラクトン50体積%、エチ
レンカーボネート50体積%の溶媒成分に電解質として
LiBF4とLiPF6の混合塩(LiBF4/LiPF6
=1/1(モル比))を1.5モル/リットルの濃度で
溶解した溶液を用いた。電極、セパレータ、外装体、炭
酸ガス封止など実施例1と同様にして行った。
【0071】該電池を実施例1と同様の条件で充放電し
た結果、放電量595mAh、平均電圧3.7V、充放
電効率89%、初期容量は594mAhであった。次い
で、1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結果
100サイクルの容量保持率は93%、300サイクル
の容量保持率84%であった。また、別に作製した電池
(初期容量596mAh、平均電圧3.7V)を低温充
放電後の放電容量は594mAhであり低温充電による
劣化は認められなかった。
【0072】この電池の1C放電出力は97%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は59
2mAh、−20℃の出力は9%(対20℃放電量)、
0℃出力は89%、45℃出力は 106%であった。
さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後の容量
保持率は91%、容量回復率98%であった。なお90
℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電池厚さ
の変化は0.1mm未満であった。
【0073】別の電池(初期容量595mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度12
0℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量59
6mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電した後、
150℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度1
57℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こ
らなかった。
【0074】
【実施例6】実施例1と同様の活物質で作製した電極
(両面部分塗工電極、電極厚は実施例1とほぼ同じ)を
用い、セパレータとしてポリエチレン微多孔膜(旭化成
工業(株)製、P6022)とともに捲回した電極積層
体コイル(エーテイーバッテリー社製、LGQ6330
48の電極捲回コイル)を作製し、これを深絞りアルミ
ニウム缶に装填、蓋をレーザー溶接した金属缶セルを準
備した。この金属缶の電解液注入口から電解液を注入、
炭酸ガス雰囲気で1時間保持して炭酸ガスを缶内に充填
したのち注入口を封止した。ここで電解液として、γ−
ブチロラクトンにLiBF4とLiPF6混合電解質を溶
解した電解液(LiBF4/LiPF6=10/3(モル
比)、Li塩濃度1.5モル/リットル)を用い、缶へ
の電解液注入量は3.1gであった。
【0075】該電池を実施例1と同様にして充放電試験
を行った。但し、1C電流密度は640mAとした。こ
の結果、初回放電量648mAh、平均電圧3.7V、
充放電効率89%、初期容量は645mAhであった。
次いで、1C充放電サイクルを繰り返した(20℃)結
果100サイクルの容量保持率は94%、300サイク
ルの容量保持率82%であった。
【0076】また、別に作製した電池(初期容量645
mAh、平均電圧3.7V)を低温充放電後の室温充放
電による放電容量は646mAhであり低温充電による
劣化は認められなかった。この電池の1C放電出力を求
めた結果、96%であった。次いで、パルス電流放電に
よる20℃放電量は622mAh、−20℃の出力は2
0%(対20℃放電量)、0℃出力は88%、45℃出
力は 106%であった。
【0077】さらに、この電池を充電後、90℃4時間
保持後の容量保持率は88%、容量回復率96%であっ
た。なお90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験
後の電池厚さの変化は0.1mm未満であった。別の電
池(初期容量644mAh、平均電圧3.7V)を用い
て過充電試験を行った結果、電池の破裂および発火は認
められず、電池表面の最高温度135℃であった。
【0078】さらに別に作製した電池(初期容量646
mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電した後、1
50℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度16
0℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こら
なかった。
【0079】
【実施例7】実施例6で用いた金属缶に装填、蓋が封止
された金属缶セルを準備し、この金属缶の電解液注入口
から電解液を注入、炭酸ガス雰囲気で1時間保持して炭
酸ガスを缶内に充填したのち注入口を封止した。ここで
電解液として、γ−ブチロラクトンにLiBF4とLi
PF6混合電解質を溶解した電解液(LiBF4/LiP
6=1/1(モル比)、Li塩濃度1.5モル/リッ
トル)を用い、缶への電解液注入量は3.15gであっ
た。
【0080】該電池を実施例6と同様にして充放電した
結果、放電量640mAh、平均電圧3.7V、充放電
効率88%、初期容量は646mAhであった。次い
で、1Cで充放電サイクルを繰り返した(20℃)結
果、100サイクルの容量保持率は93%、300サイ
クルの容量保持率81%であった。また、別に作製した
電池(初期容量639mAh、平均電圧3.7V)を低
温充放電後の室温充放電による放電容量は637mAh
であり低温充電による劣化は認められなかった。
【0081】この電池の1C放電出力は97%であっ
た。次いで、パルス電流放電の結果、20℃放電量は6
24mAh、−20℃の出力は19%(対20℃放電
量)、0℃出力は89%、45℃出力は 105%であ
った。さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後
の容量保持率は88%、容量回復率96%であった。な
お90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電
池厚さの変化は0.1mm未満であった。
【0082】別の電池(初期容量638mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度13
1℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量63
9mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電した後、
150℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度1
59℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こ
らなかった。
【0083】
【実施例8】実施例6で作製した電極タブが設置された
電極・セパレータ捲回コイルを準備した。このコイルの
電極タブの正極端子および負極端子にアルミニウムシー
ト、銅シート(実施例1と同様の材料)を超音波溶接し
た。外装体として実施例1で用いた金属樹脂積層体シー
トを内寸幅35mm、長さ600mmの筒状に加工し
て、コイルを装填した後、電解液を注入、パックシーラ
ーを用いて減圧、炭酸ガス導入(圧力740mmHg)
を行い加熱シールして電池を作製した。この工程を繰り
返し、数個の電池を作製した。
【0084】ここで電解液として、γ−ブチロラクトン
にLiBF4とLiPF6混合電解質を溶解した電解液
(LiBF4/LiPF6=10/3(モル比)、Li塩
濃度1.5モル/リットル)を用い、缶への電解液注入
量は3.1gであった。該電池を実施例6と同様に充放
電した結果、初回放電量647mAh、平均電圧3.7
V、充放電効率89%、初期容量は644mAhであっ
た。
【0085】次いで、1Cで充放電サイクルを繰り返し
た(20℃)結果、100サイクルの容量保持率は92
%、300サイクルの容量保持率83%であった。ま
た、別に作製した電池(初期容量645mAh、平均電
圧3.7V)を低温充放電後の放電容量は643mAh
であり低温充電による劣化は認められなかった。
【0086】この電池の1C放電出力は98%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は63
5mAh、−20℃の出力は21%(対20℃放電
量)、0℃出力は92%、45℃出力は 104%であ
った。さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後
の容量保持率は87%、容量回復率95%であった。な
お90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電
池厚さの変化は0.1mm未満であった。
【0087】別の電池(初期容量642mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度13
9℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量64
3mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電後、15
0℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度158
℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こらな
かった。
【0088】
【実施例9】実施例6で作製した電極タブが設置された
電極・セパレータ捲回コイルを準備した。このコイルの
電極タブの正極端子および負極端子にアルミニウムシー
ト、銅シート(実施例1と同様の材料)を超音波溶接し
た。外装体として実施例1で用いた金属樹脂積層体シー
トを内寸幅35mm、長さ600mmの筒状に加工し
て、コイルを装填した後、電解液を注入、パックシーラ
ーを用いて減圧、炭酸ガス導入(圧力740mmHg)
を行い加熱シールして電池を作製した。この工程を繰り
返し、数個の電池を作製した。
【0089】ここで電解液として、溶媒にγ−ブチロラ
クトン/エチレンカーボネート混合溶媒(γ−ブチロラ
クトン67体積%/エチレンカーボネート33体積%)
にLiBF4とLiPF6混合電解質を溶解した電解液
(LiBF4/LiPF6=10/3(モル比)、Li塩
濃度1.5モル/リットル)を用い、缶への電解液注入
量は3.15gであった。
【0090】該電池を実施例6と同様に充放電した結
果、放電量645mAh、平均電圧3.7V、充放電効
率90%、初期容量は647mAhであった。次いで、
1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結果、1
00サイクルの容量保持率は95%、300サイクルの
容量保持率86%であった。また、別に作製した電池
(初期容量641mAh、平均電圧3.7V)を低温充
放電後、室温充放電による放電容量は644mAhであ
り低温充電による劣化は認められなかった。
【0091】この電池の1C放電出力は98%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は63
4mAh、−20℃の出力は22%(対20℃放電
量)、0℃出力は90%、45℃出力は105%であっ
た。さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後の
容量保持率は86%、容量回復率93%であった。なお
90℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電池
厚さの変化は0.1mm未満であった。
【0092】別の電池(初期容量644mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、電池の
破裂および発火は認められず、電池表面の最高温度12
1℃であった。さらに別に作製した電池(初期容量64
5mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電後、15
0℃1時間加熱した結果、若干の発熱(最高温度157
℃)が観測されたが、電池の破裂および発火は起こらな
かった。
【0093】
【比較例1】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し、外装体封口における炭酸ガス導入は行わず、減圧の
ままヒートシールして封止して作製した電池を数個作製
した。該電池を実施例1と同様に充放電した結果、放電
量595mAh、平均電圧3.7V、充放電効率88
%、初期容量は588mAhであった。
【0094】次いで、1Cで充放電サイクルを繰り返し
た(20℃)結果、100サイクルの容量保持率は54
%、300サイクルの容量保持率22%であった。ま
た、別に作製した電池(初期容量585mAh、平均電
圧3.7V)を低温充放電後、室温充放電による放電容
量は385mAhであり、低温充電により容量低下が認
められた。
【0095】この電池の1C放電出力は81%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は18
0mAh、−20℃の出力は1%(対20℃放電量)、
0℃出力は55%、45℃出力は112%であった。こ
の状態で、放電容量が初期容量より大幅に低下したため
これ以降の試験を中止した。
【0096】
【比較例2】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し電解液として、γ−ブチロラクトンにLiPF6を溶
解した電解液(Li塩濃度1.5モル/リットル)を調
整し、前記のポリフッ化ビニリデン共重合体樹脂の発泡
体シートの電解液含浸条件は実施例1と同様(温度60
℃で5時間含浸)にして高分子固体電解質シートを作製
し、実施例1と同様の操作で電池を作製した。なお封止
時に炭酸ガスを電池内に導入した。
【0097】該電池を実施例1と同様に充放電した結
果、放電量585mAh、平均電圧3.7V、充放電効
率87%、初期容量は571mAhであった。次いで、
1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結果、1
00サイクルの容量保持率は90%、300サイクルの
容量保持率66%であった。また、別に作製した電池
(初期容量574mAh、平均電圧3.7V)を低温充
放電後の室温充放電による放電容量は551mAhであ
り低温充電により容量劣化が認められた。
【0098】この電池の1C放電出力は97%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は52
0mAh、−20℃の出力は5%(対20℃放電量)、
0℃出力は85%、45℃出力は 110%であった。
さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後の容量
保持率は78%、容量回復率88%であった。なお90
℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電池厚さ
の変化は0.1mm未満であった。
【0099】
【比較例3】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し電解液として、γ−ブチロラクトンにLiBF4を溶
解した電解液(Li塩濃度1.5モル/リットル)を用
いた。ポリフッ化ビニリデン共重合体樹脂の発泡体シー
トの電解液含浸条件は実施例1と同様(温度60℃で5
時間含浸)にして高分子固体電解質シートを作製し、実
施例1と同様の操作で電池を作製した。なお封入におい
て真空引きを行い減圧状態で電池を封止した。
【0100】該電池を実施例1と同様にして充放電した
結果、放電量590mAh、平均電圧3.7V、充放電
効率88%、初期容量は559mAhであった。次い
で、1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結
果、100サイクルの容量保持率は85%、300サイ
クルの容量保持率51%であった。また、別に作製した
電池(初期容量558mAh、平均電圧3.7V)を低
温充放電後の室温充放電による、放電容量は407mA
hであり低温充電による容量劣化が認めらた。
【0101】この電池の1C放電出力は93%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は38
6mAh、−20℃の出力は2%(対20℃放電量)、
0℃出力は75%、45℃出力は 105%であった。
さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後の容量
保持率は78%、容量回復率91%であった。なお90
℃保存中に電池の膨れは認められず、試験後の電池厚さ
の変化は0.1mm未満であった。
【0102】
【比較例4】実施例1と同様にして電池を作製した。但
し電解液として、γ−ブチロラクトン33体積%、エチ
レンカーボネート67体積%の溶媒成分に電解質として
LiBF4とLiPF6の混合塩(LiBF4/LiPF6
=10/3(モル比))を1.5モル/リットルの濃度
で溶解した溶液を用いた。電極、セパレータ、外装体、
炭酸ガス封止など実施例1と同様にして行った。
【0103】該電池を実施例1と同様に充放電した結
果、放電量585mAh、平均電圧3.7V、充放電効
率90%、初期容量は510mAhであった。次いで、
1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結果10
0サイクルの容量保持率は85%、300サイクルの容
量保持率52%であった。また、別に作製した電池(初
期容量510mAh、平均電圧3.7V)を低温充放電
後の室温充放電による放電容量は214mAhであっ
た。
【0104】また、別の電池(初期容量520mAh)
の1C放電出力は89%であった。次いで、パルス電流
放電による20℃放電量は454mAh、−20℃では
ほとんど出力が出ず(2%対20℃放電量)、0℃出力
は75%、45℃出力は113%であった。さらに、こ
の電池を充電後、90℃4時間保持後の容量保持率は7
8%、容量回復率89%であった。なお90℃保存中に
電池の膨れは認められず、試験後の電池厚さの変化は
0.1mm未満であった。
【0105】
【比較例5】実施例6と同様にして、金属缶に封入され
た電池を用い、電解液としてエチレンカーボネートとメ
チルエチルカーボネートの混合溶媒(エチレンカーボネ
ート33体積%、メチルエチルカーボネート67体積
%)にLiPF6を1モル/リットルで溶解した溶液を
用いた。この電解液を金属缶に注入し、封入して電池を
作製した。ただし、ここで炭酸ガスは導入していない。
【0106】該電池を実施例6と同様の条件で充放電し
た結果、放電量640mAh、平均電圧3.7V、充放
電効率90%、初期容量は640mAhであった。次い
で、1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結果
100サイクルの容量保持率は94%、300サイクル
の容量保持率80%であった。また、別に作製した電池
(初期容量635mAh、平均電圧3.7V)を低温充
放電後の室温充放電による放電容量は632mAhであ
り低温充電による劣化は認められなかった。
【0107】この電池の1C放電出力は97%であっ
た。次いで、パルス電流放電による20℃放電量は62
8mAh、−20℃の出力は21%(対20℃放電
量)、0℃出力は90%、45℃出力は108%であっ
た。さらに、この電池を充電後、90℃4時間保持後の
容量保持率は85%、容量回復率89%であった。な
お、試験後の電池が膨れ、厚さが2mm増加した。
【0108】別の電池(初期容量636mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、充電後
30分を経過した後、表面温度が上昇し、缶の蓋のラプ
チャーが開き内部よりガスが放出した。なお最高温度は
200℃以上であった。さらに別に作製した電池(初期
容量634mAh、平均電圧3.7V)を4.4V充電
後、150℃で1時間加熱した。この結果、電池表面温
度150℃到達前に、内部より急激なガス噴出が起こ
り、発火した。
【0109】
【比較例6】実施例8と同様にして電極セパレータ積層
コイルを金属樹脂積層シートを袋状にした外装体に装填
し電池を作製した。ただし、電解液として、エチレンカ
ーボネートとメチルエチルカーボネートの混合溶媒(エ
チレンカーボネート33体積%、メチルエチルカーボネ
ート67体積%)にLiPF6を1モル/リットルで溶
解した溶液を用いた。この電解液を金属缶に注入し、封
入して電池を作製した。ただし、ここで炭酸ガスは導入
していない。
【0110】該電池を実施例6と同様に充放電した結
果、放電量639mAh、平均電圧3.7V、充放電効
率90%、初期容量は638mAhであった。次いで、
1Cの充放電サイクルを繰り返した(20℃)結果10
0サイクルの容量保持率は93%、300サイクルの容
量保持率82%であった。また、別に作製した電池(初
期容量639mAh、平均電圧3.7V)を低温充放電
後室温充放電による放電容量は630mAhであり低温
充電による劣化は認められなかった。
【0111】この電池を0.5Cの1C放電出力は98
%であった。次いで、パルス電流放電による20℃放電
量は620mAh、−20℃の出力は17%(対20℃
放電量)、0℃出力は89%、45℃出力は107%で
あった。さらに、この電池を充電後、90℃で4時間保
持後の容量保持率は82%、容量回復率87%であっ
た。なお、試験後の電池が膨れ、厚さが4mm増加し
た。
【0112】別の電池(初期容量637mAh、平均電
圧3.7V)を用いて過充電試験を行った結果、充電後
30分を経過した後、表面温度が上昇し、外装体の封止
部分が破れ、内部より急激にガスを放出した。なお最高
温度は200℃以上であった。さらに別に作製した電池
(初期容量635mAh、平均電圧3.7V)を4.4
V充電後、150℃で1時間加熱した結果、150℃到
達前に、内部より急激なガス噴出が起こり、発火した。
【0113】前記の実施例および比較例で得られた代表
的な結果を、高分子固体電解質をセパレータとする電池
および多孔質ポリエチレンをセパレータとする電池それ
ぞれに関し、以下の表1および2にまとめた。
【0114】
【表1】
【0115】
【表2】
【0116】ここで、各表の性能は次のものである。 サイクル性:300サイクル経過の容量保持率(%) 低温充電劣化:0℃、0.5C充放電5サイクル後の室
温充放電の容量低下 1C放電出力:1C放電出力/0.2C放電容量(%) 低温パルス放電出力:−20℃パルス放電容量/20℃
パルス放電容量(%) 電池の膨れ:充電状態で90℃、4時間保持後の電池の
膨れの有無
【0117】
【発明の効果】本発明は、電極表面にインピーダンスが
小さくて安定な被膜を形成すること等によって、充放電
サイクル特性、充電特性(急速充電や低温充電による容
量低下が少ない)が優れると共に、発熱する反応性が小
さいことによって、高温保存特性(ガス発生や容量低下
が少ない)、安全性(耐過充電、耐オーブン試験)が優
れた非水系二次電池を提供する。
フロントページの続き Fターム(参考) 5H021 AA06 CC08 EE01 5H029 AJ12 AK03 AL06 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 AM16 DJ02 DJ04 DJ09 HJ02 HJ13

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 構成要素として少なくとも正極、リチウ
    ム吸蔵能力を有する負極、セパレータ、溶媒及び溶質か
    らなる非水電解液、外装体からなる電池であって、該溶
    媒が、主成分としてγ−ブチロラクトンを含み、該溶質
    が少なくとも2種の混合塩からなり、該電池内に炭酸ガ
    スが導入されてなることを特徴とする非水系二次電池。
  2. 【請求項2】 負極は主として炭素材料であり、該炭素
    材料が炭素網面の面間隔d002が0.337nm未満
    の黒鉛質であることを特徴とする請求項1記載の非水系
    二次電池。
  3. 【請求項3】 溶媒としてγ−ブチロラクトンを60体
    積%以上含むことを特徴とする請求項1又は2記載の非
    水系二次電池。
  4. 【請求項4】 混合塩は、テトラフルオロほう酸リチウ
    ムおよびヘキサフルオロ燐酸リチウムを含むことを特徴
    とする請求項1〜3のいずれかに記載の非水系二次電
    池。
  5. 【請求項5】 セパレータが電解液およびポリマーマト
    リックスを含む高分子固体電解質材料からなることを特
    徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水系二次電
    池。
  6. 【請求項6】 セパレータが多孔質材料からなることを
    特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水系二次
    電池。
  7. 【請求項7】 外装体が金属と樹脂の積層体フィルムか
    らなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載
    の非水系二次電池。
  8. 【請求項8】 外装体が方形状の金属缶からなることを
    特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の非水系二次
    電池。
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