JP2001223029A

JP2001223029A - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP2001223029A
Application number: JP2000031295A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takatsuka; 祐一高塚; Yoshimasa Koishikawa; 佳正小石川; Kenji Nakai; 賢治中井; Kensuke Hironaka; 健介弘中
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】大電流放電の場合にも出力低下を抑えること
ができる非水電解液二次電池を提供する。【解決手段】セパレータの空隙率を正極合剤の空隙率
及び負極合剤の空隙率よりも大きいか同じとする。正極
合剤の空隙率は２０％〜５０％、負極合剤の空隙率は２
０％〜５０％、セパレータの空隙率は２０％〜６０％が
好ましい。セパレータと電極との界面の空隙を浸潤する
電解液量はセパレータ側が多くなり、短時間の大電流放
電の場合でも、活物質からリチウムイオンが挿入・脱挿
入され、リチウムイオンを小さな界面抵抗でセパレータ
中の電解液に取り込むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非水電解液二次電池
に係り、特に、充放電によりリチウムイオンの放出・吸
蔵が可能な正極活物質を含む正極合剤を正極集電体に塗
着した正極と、放充電によりリチウムイオンの吸蔵・放
出が可能な負極活物質を含む負極合剤を負極集電体に塗
着した負極と、をセパレータを介して捲回した捲回群
が、有機溶媒にリチウム塩を溶解した非水電解液に浸潤
された非水電解液二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、非水電解液二次電池うち代表的な
電池として、民生用の小型リチウムイオン二次電池が広
く普及している。このリチウムイオン二次電池は、高エ
ネルギー密度であるメリットを活かして、主にＶＴＲカ
メラやノートパソコン、携帯電話等のポータブル機器の
電源に使用されている。

【０００３】一方、近年、環境問題が益々重要視される
ようになってきており、自動車産業界においては低公害
車の開発が進められ一部実用化に至っている。このよう
な低公害車には、動力源を完全に電池のみとした排出ガ
スのない電気自動車（ＥＶ）と、内燃機関エンジンと電
池との両方を併せ持ったハイブリッド電気自動車（ＨＥ
Ｖ）と、がある。

【０００４】ＥＶ及びＨＥＶ用の電源となる電池には、
高エネルギー密度、高出力特性が要求されるが、特にＨ
ＥＶ用途の電源では、短時間ではあるが、大きな電流で
の充放電が繰り返されるという今までにない電池特性が
ニーズとなってきている。これらＥＶ及びＨＥＶ用途に
適した電池として、リチウムイオン二次電池が注目され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
リチウムイオン二次電池では、小さな電流で放電した場
合には大きな出力を得ることができるが、大きな電流で
放電する場合には極端に出力が低下する、という不具合
があった。この原因として、理論的に明確に解明された
訳ではないが、急激な電子の流れに対して、リチウムイ
オンの移動が追従しないため、セパレータや電極内に大
きな濃度勾配を生じ、抵抗が増加することによって、出
力の低下が起こるものと推測される。

【０００６】本発明は上記事案に鑑み、大電流放電の場
合にも出力低下を抑えることができる非水電解液二次電
池を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、充放電によりリチウムイオンの放出・吸
蔵が可能な正極活物質を含む正極合剤を正極集電体に塗
着した正極と、放充電によりリチウムイオンの吸蔵・放
出が可能な負極活物質を含む負極合剤を負極集電体に塗
着した負極と、をセパレータを介して捲回した捲回群
が、有機溶媒にリチウム塩を溶解した非水電解液に浸潤
された非水電解液二次電池において、前記セパレータの
空隙率は前記正極合剤の空隙率及び前記負極合剤の空隙
率よりも大きいか同じであることを特徴とする。

【０００８】セパレータの空隙率が負極合剤の空隙率よ
り大きければ、セパレータと負極との界面の空隙を浸潤
する非水電解液量もセパレータ側の方が多くなるので、
短時間の大電流放電の場合でも、負極活物質からリチウ
ムイオンが脱挿入され、リチウムイオンを小さな界面抵
抗でセパレータ中の非水電解液に取り込むことができ
る。すなわち、界面での濃度勾配による抵抗の増加を抑
えることができる。また、正極においても、セパレータ
の空隙率が正極合剤の空隙率より大きければ、セパレー
タと正極との界面の空隙を浸潤する非水電解液量もセパ
レータ側の方が多くなるので、短時間の大電流放電の場
合でも、均一にリチウムイオンを正極活物質へ挿入する
ことができる。従って、本発明によれば、セパレータの
空隙率を正極合剤の空隙率及び負極合剤の空隙率よりも
大きいか同じとしたので、大電流放電時の出力低下を抑
えることができる。このとき、正極合剤の空隙率は２０
％〜５０％であり、負極合剤の空隙率は２０％〜５０％
であり、セパレータの空隙率は２０％〜６０％であるこ
とが望ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る非水電解液二
次電池をＥＶ搭載用円筒形リチウムイオン二次電池に適
用した実施の形態について説明する。

【００１０】（電池の製造）まず、本実施形態のリチウ
ムイオン二次電池の製造手順について、正極、負極、電
池の組立、電解液の順に詳述する。

【００１１】＜正極＞正極活物質としてのマンガン酸リ
チウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）に、導電剤として正極活物質
８０重量部に対して１０重量部の鱗片状黒鉛とバインダ
としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を１０重量部
添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドンを
添加、混練したスラリを、厚さ２０μｍの正極集電体と
してのアルミニウム箔の両面にロール・ツー・ロールに
よる転写で塗布することで、アルミニウム箔集電体の両
面に均一な正極合剤層を形成した。正極合剤を乾燥させ
た後、所定圧でプレスすることにより、正極合剤の空隙
率を２０％〜５０％とした。なお、正極合剤の空隙率
は、プレス圧を変えることにより調整することができ
る。

【００１２】＜負極＞負極活物質としての非晶質炭素粉
末９０重量部に対し、バインダとしてポリフッ化ビニリ
デンを負極活物質に対し１０重量部添加し、これに分散
溶媒としてＮ−メチルピロリドンを添加、混練したスラ
リを、厚さ１０μｍの負極集電体としての圧延銅箔の両
面にロール・ツー・ロールによる転写で塗布すること
で、銅箔集電体の両面に均一な負極合剤層を形成した。
負極合剤を乾燥させた後、所定圧でプレスすることによ
り、負極合剤の空隙率を２０％〜５０％とした。なお、
負極合剤の空隙率も、プレス圧を変えることにより調整
することができる。

【００１３】＜電池の組立＞作製した正極と負極とを、
厚さが４０μｍのポリエチレン製微孔膜からなるセパレ
ータを介して渦巻き状に捲回して電極群を作製する。セ
パレータの空隙率は、上述した正極合剤の空隙率及び負
極合剤の空隙率より大きいか又は同じ２０％〜６０％の
ものを用いた。この電極群を円筒形の有底電池容器に挿
入し外部端子と接続した後、非水電解液を所定量注液し
て、有底電池容器の上部開口に配置される上蓋をかしめ
封口することにより設計容量３Ａｈの円筒形リチウムイ
オン二次電池を組み立てた。

【００１４】＜電解液＞上述した非水電解液には、エス
テル系有機溶媒であるエチレンカーボネート（ＥＣ）と
ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との混合溶液中に電解
質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モ
ル／リットル溶解したものを用いた。

【００１５】（実施例）次に、本実施形態に従って、正
極合剤の空隙率（以下、正極空隙率という。）、負極合
剤の空隙率（以下、負極空隙率という。）及びセパレー
タの空隙率（以下、セパレータ空隙率という。）を種々
変更して作製した実施例の電池について説明する。な
お、実施例の電池と比較のために作製した比較例の電池
についても併記する。

【００１６】＜実施例１、２、比較例１＞下表１に示す
ように、実施例１、実施例２及び比較例１では、正極空
隙率を３０％、負極空隙率を３０％とした。セパレータ
空隙率を、実施例１では４０％、実施例２では３０％、
比較例１では２５％として電極群を作製し、電池を組み
立てた。

【００１７】

【表１】

【００１８】＜実施例３〜５、比較例２＞表１に示すよ
うに、実施例３〜実施例５及び比較例２では、正極空隙
率を４０％、負極空隙率を４０％とした。セパレータ空
隙率を、実施例３では６０％、実施例４では５０％、実
施例５では４０％、比較例１では３０％として電極群を
作製し、電池を組み立てた。

【００１９】＜実施例６、７、比較例３＞表１に示すよ
うに、実施例６、実施例７及び比較例３では、正極空隙
率を２０％、負極空隙率を２０％とした。セパレータ空
隙率を、実施例６では３０％、実施例７では２０％、比
較例３では１５％として電極群を作製し、電池を組み立
てた。

【００２０】＜実施例８、９、比較例４＞表１に示すよ
うに、実施例８、実施例９及び比較例４では、正極空隙
率を５０％、負極空隙率を５０％とした。セパレータ空
隙率を、実施例８では６０％、実施例９では５０％、比
較例４では４０％として電極群を作製し、電池を組み立
てた。

【００２１】（試験）次に、組み立てた複数の実施例及
び比較例の各電池について、周囲温度２５°Ｃ、４．１
Ｖの定電圧で満充電とした後、下記の通り、電圧を測定
して出力を算出した。

【００２２】＜電圧測定及び出力算出＞（１）電圧測定：４．１Ｖの満充電状態から電流値１０
Ａ、２０Ａ、９０Ａでそれぞれ５秒間放電し、５秒目の
電池電圧を測定した。測定雰囲気は２５±２°Ｃとし
た。（２）出力算出：測定した電池電圧を電池値に対してプ
ロットした直線が３．０Ｖに到達した電流値（Ｉａ）と
の積を出力（（Ｗ）＝Ｉａ×３．０）として算出した。

【００２３】（試験結果及び評価）下表２に、実施例１
の電池の出力を１００としたときの各電池の出力算出結
果（出力比）を示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】表１及び表２に示すように、正極空隙率及
び負極空隙率よりセパレータ空隙率の大きいか又は同じ
実施例１〜９の各電池は、いずれも、正極空隙率及び負
極空隙率よりセパレータ空隙率の小さい比較例１〜４の
電池より出力比が高い。特に、セパレータ空隙率が正極
空隙率及び負極空隙率より小さいと、極端に出力が低下
することが分かる。

【００２６】また、正極／負極空隙率が２０％となる
と、合剤を浸潤する非水電解液量が少なくなるので、セ
パレータ空隙率が正極／負極空隙率より大きくても、出
力が低下する傾向にある。逆に、正極／負極空隙率が５
０％を超えると、電極（正極／負極）自体の導電性が低
下するので、セパレータ空隙率が正極／負極空隙率より
大きくても、出力が低下する傾向を示す。従って、正極
／負極空隙率は２０％〜５０％の範囲にあることが好ま
しい。また、上述したように、セパレータ空隙率は、正
極／負極空隙率より大きいか又は同じとすることにより
出力の低下を抑えることができるので、正極／負極空隙
率が２０％〜５０％の範囲をとるときに、下限について
は２０％が好ましく、上限については、各実施例でも示
したように、６０％とすることが好ましい。

【００２７】なお、以上の実施例では、説明を簡単にす
るために正極／負極空隙率を同じとしたが、正極空隙率
より負極空隙率が大きい場合や負極空隙率が正極空隙率
より大きい場合でも、セパレータ空隙率より小さい場合
には、上述した効果と同様の効果があることが確認され
いる。

【００２８】また、本実施形態では、正極活物質として
マンガン酸リチウムを例示したが、リチウムイオンを挿
入・脱離（脱挿入）可能なＣｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｆ
ｅ、Ｎｂ等の遷移金属酸化物を使用してもよく、更に、
これらの遷移金属複合酸化物を使用してもよい。更にま
た、結晶中のリチウムや金属イオンの位置にＭｇ、Ｃ
ｒ、Ｆｅ等の金属元素と置換又はドープした材料を使用
するようにしてもよい。

【００２９】更に、本実施形態では、バインダにＰＶＤ
Ｆを例示したが、他に、テフロン、ポリエチレン、ポリ
スチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴ
ム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセ
ルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、
アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、
フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体又は
これらの混合体を使用してもよい。

【００３０】また、本実施形態では、負極活物質に非晶
質炭素を例示したが、リチウムイオンを挿入・脱離可能
な黒鉛その他の材料を使用してもよい。

【００３１】更に、本実施形態では、セパレータにポリ
エチレン製微孔膜を例示したが、リチウムイオンの通過
可能な微孔を形成したポリオレフィン系樹脂その他の材
料を使用してもよい。

【００３２】そして、本発明は、本実施形態に例示した
正極／負極集電体やセパレータの厚さ、電池の設計容
量、電池用途、円筒形、三角形、四角形又は多角形等の
形状には制限されず、上述した特許請求の範囲において
種々の態様を採ることが可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セパレータの空隙率を正極合剤の空隙率及び負極合剤の
空隙率よりも大きいか同じとしたので、大電流放電時の
出力低下を抑えることができる、という効果を得ること
ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中井賢治東京都中央区日本橋本町二丁目８番７号新神戸電機株式会社内 (72)発明者弘中健介東京都中央区日本橋本町二丁目８番７号新神戸電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H021 CC08 EE04 HH02 5H029 AJ06 AK03 AL07 AM03 AM05 AM07 BJ02 BJ14 DJ04 DJ13 DJ14 EJ12 HJ09 5H050 AA12 BA17 CA09 CB09 DA19 FA05 FA13 HA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充放電によりリチウムイオンの放出・吸
蔵が可能な正極活物質を含む正極合剤を正極集電体に塗
着した正極と、放充電によりリチウムイオンの吸蔵・放
出が可能な負極活物質を含む負極合剤を負極集電体に塗
着した負極と、をセパレータを介して捲回した捲回群
が、有機溶媒にリチウム塩を溶解した非水電解液に浸潤
された非水電解液二次電池において、前記セパレータの
空隙率は前記正極合剤の空隙率及び前記負極合剤の空隙
率よりも大きいか同じであることを特徴とする非水電解
液二次電池。
【請求項２】前記正極合剤の空隙率は２０％〜５０％
であり、前記負極合剤の空隙率は２０％〜５０％であ
り、前記セパレータの空隙率は２０％〜６０％であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の非水電解液二次電池。