JP2002359003A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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JP2002359003A JP2001167280A JP2001167280A JP2002359003A JP 2002359003 A JP2002359003 A JP 2002359003A JP 2001167280 A JP2001167280 A JP 2001167280A JP 2001167280 A JP2001167280 A JP 2001167280A JP 2002359003 A JP2002359003 A JP 2002359003A
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carbonate
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copolymer
electrolyte secondary
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低温特性に優れた、巻回型発電要素を備えた非
水電解質二次電池を提供する。 【解決手段】正極と負極とをセパレータを介して巻回し
た発電要素と電解液とを備えた非水電解質二次電池にお
いて、前記正極は正極活物質と導電剤と結着剤とを含む
正極合材が集電体上に設けられ、前記正極の結着剤はフ
ッ素系高分子共重合体を含み、前記電解液の溶媒は環状
カーボネートと鎖状カーボネートを含み、電解液溶媒中
の環状カーボネート含有量を10〜40wt%とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子技術の進歩により携帯電話、
ノートパソコン、ビデオカメラ等の電子機器の高性能
化、小型化軽量化が進み、これら電子機器に使用できる
高エネルギー密度の電池を求める要求が非常に強くなっ
ている。このような要求を満たす代表的な電池は、リチ
ウムが負極活物質として用いられたリチウム二次電池で
ある。
【0003】リチウム二次電池は、例えば、リチウムイ
オンを吸蔵放出する炭素材料が集電体に保持されてなる
負極板、リチウムコバルト複合酸化物のようなリチウム
イオンを吸蔵放出するリチウム複合酸化物が集電体に保
持されてなる正極板、非プロトン性の有機溶媒にLiC
lO、LiPF等のリチウム塩が溶解された電解液
を保持するとともに負極板と正極板との間に介在されて
両極の短絡を防止するセパレータとからなっている。
【0004】そして、これら正極板及び負極板は、薄い
シートないし箔状に成形され、これらがセパレータを介
して順に、円筒形状、積層又は長円形状などに巻回され
て発電要素とされ、この発電要素が、ステンレス、ニッ
ケルメッキを施した鉄、又はアルミニウム製等の金属缶
または、ラミネートフィルムからなる電池容器に収納さ
れた後、電解液が注液され、密封されて電池として組み
立てられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】最近では、携帯電話が
様々な環境化で使用されるために、以前にも増して使用
温度に関する条件が厳しくなっている。とくに、その電
池として使用されているリチウムイオン電池は、電解液
に、電気伝導度に対して温度依存性の大きいカーボネー
ト系の溶媒に用いるために、その配合により、電池の低
温特性が左右されることとなる。
【0006】またその一方で、リチウムイオン電池の正
極板の結着剤にはポリフッ化ビニリデン、フッ素系高分
子共重合体などが用いられている。しかし、ポリフッ化
ビニリデンは一般的に結晶性が高く、樹脂としては硬い
部類に属する。ポリフッ化ビニリデンを結着剤に用いた
正極板は合材自体が硬くなるために、特に長円形状に巻
回した発電要素を作製する際に、その最内周部において
は、電極をほぼ180°に折り曲げることと同様の状態
となるために、正極板が切断することがあり、発電要素
を作製する上で不都合がある。
【0007】また、電池を高容量化するための手段とし
て、電極合剤層の空孔率を小さくすることがある。しか
し、ポリフッ化ビニリデンを結着剤に用いた正極板で
は、合剤層の空孔率を小さくすることにより、さらに正
極板が切断する可能性が高くなるために、電池を高容量
化するには好ましくない。
【0008】また、フッ素系高分子共重合体は、ポリフ
ッ化ビニリデンとくらべて結晶性が低いことから樹脂が
柔軟であり、ゴムに近い性質を持つものも存在する。そ
のために、ポリフッ化ビニリデンを結着剤に用いた正極
板とくらべて、正極板が切断する可能性は低くなる。ま
た、上記のように、電極合剤層の空孔率を小さくして
も、正極板が切断する可能性は低い。
【0009】しかし、フッ素系の共重合体は、ポリフッ
化ビニリデンとくらべて活物質表面を覆うように接着す
る性質があるために、活物質表面と電解液の界面での抵
抗を増大しやすくなる。そのために、高率放電特性およ
び低温放電特性に劣りやすい傾向がある。とくに、低温
放電特性については、電解液溶媒中にエチレンカーボネ
ートのような高粘度の溶媒を多く用いる場合において
は、その劣化が大きくなる傾向がある。
【0010】以上を鑑み、本願発明者らは、上記課題を
解決するために鋭意研究を重ねた結果、電極活物質を含
む塗液を金属箔である集電体上に塗工してなる正極板と
負極板とを、セパレータを介して巻回することによって
構成された発電要素を備えた非水電解質二次電池におい
て、正極活物質に特定の結着剤を用いること、さらに、
電解液溶媒の組成を限定することにより、優れた低温特
性も持ち合わせることを見いだし本願発明を成すに至っ
たものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、正極
と負極とをセパレータを介して巻回した発電要素と電解
液とを備えた非水電解質二次電池において、前記正極は
正極活物質と導電剤と結着剤とを含む正極合材が集電体
上に設けられ、前記正極の結着剤はフッ素系高分子共重
合体を含み、前記電解液の溶媒は環状カーボネートと鎖
状カーボネートを含み、電解液溶媒中の環状カーボネー
ト含有量が10〜40wt%であることを特徴とする。
【0012】請求項1の発明によれば、正極合材の結着
剤にフッ素系高分子共重合体を用いることによって、正
極合材を柔軟にすることができ、長円形状に巻回しても
極板が切断せずに発電要素が問題なく作製することがで
き、また、電解液溶媒に低粘度溶媒を用いることによ
り、低温特性に優れた非水電解質二次電池を得ることが
できる。
【0013】請求項2の発明は、上記非水電解質二次電
池において、フッ素系高分子共重合体が、フッ化ビニリ
デンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、フッ化
ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体、フ
ッ化ビニリデンとクロロトリフルオロエチレンとの共重
合体、及びフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレ
ンとテトラフルオロエチレンの共重合体から選ばれる少
なくとも1種であることを特徴とする。請求項2の発明
によれば、柔軟な正極合材を得ることが容易となる。
【0014】請求項3の発明は、上記非水電解質二次電
池において、環状カーボネートがエチレンカーボネート
であることを特徴とする。請求項3の発明によれば、エ
チレンカーボネートが耐酸化還元性やイオン溶媒和能力
に優れているため、優れた充放電特性を示す非水電解質
二次電池を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を詳細に
説明する。
【0016】リチウム二次電池のような非水電解質電池
を作製する際には、正極板及び負極板は、セパレータを
介して順に積層又は渦巻き状に巻回することにより発電
要素となる発電要素を作製する。特に、角型電池を作製
するためには、正極と負極及びセパレータを同時に長円
形状に巻回した発電要素を必要がある。
【0017】巻回する際に、その最内周部においては、
電極をほぼ180°に折り曲げることと同様の状態とな
り、この際に従来から用いられているポリフッ化ビニリ
デンでは正極板の合材自体が硬くなり、巻回したときに
正極板が切断しやすいために発電要素を作製する上で不
都合がある。また、電池を高容量化するために、電極合
剤層の空孔率を小さくすると、さらにその傾向が大きく
なる。
【0018】本発明のように正極の結着剤にフッ素系高
分子共重合体を用いることによって、正極板の合材を柔
軟にすることができるために長円形状に巻回しても極板
が切断せずに発電要素が問題なく作製することができ
る。
【0019】しかし、結着剤にフッ素系高分子共重合体
を用いた場合には、先にも述べた通り、結着剤が活物質
表面を覆うように接着して活物質表面と電解液との界面
の抵抗が増大する。そのために、電解液の溶媒に環状カ
ーボネートであるエチレンカーボネートを多く用いる
と、電解液の粘度が大きくなるために、低温特性が劣り
やすい傾向にある。
【0020】また、その一方で、イオン溶媒和能力が高
くイオンのキャリアーとしての役割を果たす、エチレン
カーボネートの量が少なすぎると、電解液自体の伝導度
が低下するために、通常の環境下に用いた場合において
も電池の特性を大きく低下させることとなり望ましくな
い。
【0021】これらのことから、電解液溶媒としては、
環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合物を含む溶
媒を用い、電解液溶媒中の環状カーボネート含有量が1
0〜40wt%の範囲とするものである。
【0022】また、本発明において用いられるフッ素系
高分子共重合体としては、フッ化ビニリデン(VDF)
とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体、
フッ化ビニリデン(VDF)とテトラフルオロエチレン
(TFE)との共重合体、フッ化ビニリデン(VDF)
とクロロトリフルオロエチレン(CTFE)との共重合
体、及びフッ化ビニリデン(VDF)とヘキサフルオロ
プロピレン(HFP)とテトラフルオロエチレン(TF
E)の共重合体などがあり、これらの種々の共重合体か
ら少なくとも1種を用いることができる。また、これら
のフッ素系高分子共重合体の数平均分子量は、25万〜
60万のものを用いることが望ましい。
【0023】また、上記の発明において用いられる環状
カーボネートとしては、エチレンカーボネート(E
C)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカー
ボネート(BC)など、もしくはこれらの混合物を用い
ることができる。その中でも、耐酸化還元性、あるいは
イオン溶媒和能力などから、エチレンカーボネート(E
C)を用いることが望ましい。
【0024】さらに、上記の発明において用いられる鎖
状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート(DM
C)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチル
カーボネート(MEC)、エチルブチルカーボネート
(EBC)など、もしくはこれらの混合物を用いことが
できる。
【0025】正極活物質としては、リチウムイオンを可
逆的に吸蔵放出できるものであればよい。その中でも組
成式LiMO、Li(ただしM は一種
類以上の遷移金属、0≦x≦1、0≦y≦2 )で表さ
れる複合酸化物が望ましく、その具体例としてはLiC
oO、LiNiO、LiCoNi1−x、L
iMn等がある。また、その他のトンネル構造ま
たは層状構造の金属カルコゲン化物または金属酸化物を
用いることができる。その具体例としては、MnO
FeO、V、V13、TiO、TiS
等が挙げられる。また、有機化合物としては、例えばポ
リアニリン等の導電性ポリマー等が挙げられる。さら
に、無機化合物、有機化合物を問わず、上記各種活物質
を混合して用いてもよい。
【0026】さらに正極板については、正極活物質とカ
ーボンブラックなどの導電助剤と結着剤とN−メチルピ
ロリドンなどの溶剤を加えてペースト状に調製した後、
アルミニウム箔などの集電体に塗布、乾燥させた後に電
極合材をプレスで圧縮成型する方法などで作製される。
【0027】さらに、負極材料たる化合物としては、A
l、Si、Pb、Sn、Zn、Cd等とリチウムとの合
金、LiFe、WO、MoO、SiO、Cu
O等の金属酸化物、グラファイト、カーボン等の炭素質
材料、Li(LiN)等の窒化リチウム、もしくは
金属リチウム、又はこれらの混合物を用いてもよい。
【0028】また、有機溶媒に溶解するリチウム塩とし
ては、LiPF、LiClO、LiBF、LiA
sF、LiCFCO、 LiCF(C
、LiCF(CF5)、LiCFSO
、LiN(SOCF、LiN(SOCF
CF、LiN(COCFおよびLiN(C
OCF CFなどの塩もしくはこれらの混合物で
もよい。
【0029】また、本発明に係る非水電解質電池の隔離
体(セパレータ)としては、織布、不織布、合成樹脂微
多孔膜等を用いることが出来、特に、合成樹脂微多孔膜
が好適に用いることができる。中でもポリエチレン及び
ポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微
多孔膜等のポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強
度、膜抵抗等の面で好適に用いられる。
【0030】また、高分子固体電解質として有孔性高分
子固体電解質膜を使用する等して高分子固体電解質にさ
らに電解液を含有させても良い。この場合、ゲル状の高
分子固体電解質を用いる場合には、ゲルを構成する電解
液と、細孔中等に含有されている電解液とは異なってい
てもよい。また、合成樹脂微多孔膜と高分子固体電解質
等を組み合わせて使用してもよい また、本発明は二次電池に限定されるものではなく、負
極活物質として金属リチウム、正極活物質としてマンガ
ン酸化物、フッ化カーボンまたは塩化チオニルなどを用
いた一次電池であってもよい。
【0031】
【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて説明するが、本発明は本実施例により何ら限定され
るものではなく、その主旨を変更しない範囲において適
宜変更して実施することが可能である。
【0032】
【実施例】[実施例1〜4]実施例1〜4の角形非水電
解質二次電池の概略断面を図1に示す。図1において、
1は角形非水電解質二次電池、2は扁平巻状発電要素、
3は正極、4は負極、5はセパレータ、6は電池ケー
ス、7は電池蓋、8は安全弁、9は正極端子、10は正
極リード線である。
【0033】本発明の角形非水電解質二次電池1は、ア
ルミ集電体に正極合材を塗布してなる正極3と、銅集電
体に負極合材を塗布してなる負極4とがセパレータ5を
介して巻回された扁平巻状発電要素2と、非水電解液と
を電池ケース6に収納してなる、幅30mm、高さ48
mm、厚み5mmのものである。
【0034】電池ケース6には、安全弁8を設けた電池
蓋7がレーザー溶接によって取り付けられ、正極端子9
は正極リード10を介して正極3と接続され、負極4は
電池ケース6の内壁と接触により電気的に接続されてい
る。
【0035】正極板は、正極活物質であるLiCoO
を92wt%、結着剤を4wt%、導電剤であるアセチ
レンブラックを4wt%とを混合してなる正極合材に、
N−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製した
後、これを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体両面に
塗布、乾燥させた後に電極合材の空孔率がそれぞれ25
%となるように、ロールプレスで圧縮成型することによ
り極板を作製した。
【0036】負極板は、グラファイト(黒鉛)92wt
%と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVD
F))8重量%とを混合してなる負極合材に、N−メチ
ルピロリドンを加えてペースト状に調製した後、これを
厚さ15μmの銅箔集電体両面に塗布、乾燥した後に、
ロールプレスで180μmになるように圧縮成型するこ
とにより製作した。
【0037】セパレータには、ポリエチレン微多孔膜を
用い、また、電解液には、溶媒組成がエチレンカーボネ
ート(EC):メチルエチルカーボネート(MEC)=
20:80(体積比)の混合溶媒にLiPFを1mo
l/l溶解させた電解液を用いて、初期放電容量の設計
値が600mAhの電池を作製した。
【0038】実施例1〜4では、結着剤としてつぎの共
重合体を使用した。実施例1では、フッ化ビニリデン
(VDF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)とテ
トラフルオロエチレン(TFE)の共重合体(VDFと
HFPとTFEのモノマー重量比が78:10:12)
を用いた。実施例2では、フッ化ビニリデン(VDF)
とヘキサフルオロプロピレン(HFP)の共重合体(V
DFとHFPのモノマー重量比が93:7)を用いた。
実施例3では、フッ化ビニリデン(VDF)とクロロト
リフルオロエチレン(CTFE)の共重合体(VDFと
CTFEのモノマー重量比が93:7)を用いた。実施
例4では、フッ化ビニリデン(VDF)とテトラフルオ
ロエチレン(TFE)の共重合体(VDFとTFEのモ
ノマー重量比が93:7)を用いた。
【0039】[実施例5〜12]実施例5〜12では、
電解液溶媒の組成以外は実施例1と同様の、角形非水電
解質二次電池を作製した。
【0040】電解液溶媒の組成はつきのものを使用し
た。実施例5では、エチレンカーボネート(EC):メ
チルエチルカーボネート(MEC)(体積比10:9
0)を用いた。実施例6では、エチレンカーボネート
(EC):メチルエチルカーボネート(MEC)(体積
比30:70)を用いた。実施例7では、エチレンカー
ボネート:メチルエカーボネート(MEC)(体積比4
0:60)を用いた。実施例8では、エチレンカーボネ
ート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)(体積
比20:80)を用いた。実施例9では、エチレンカー
ボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)
(体積比20:80)を用いた。実施例10では、エチ
レンカーボネート(EC):メチルエチルカーボネート
(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)(体積比
20:40:40)を用いた。実施例11では、エチレ
ンカーボネート(EC):メチルエチルカーボネート
(MEC):ジメチルカーボネート(DMC)(体積比
20:40:40)を用いた。実施例12では、エチレ
ンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DM
C):ジエチルカーボネート(DEC)(体積比20:
40:40)を用いた。
【0041】[比較例1]上記実施例1において、正極
の結着剤をポリフッ化ビニリデン(PVDF)とした以
外は実施例1と同様にして、比較例1の角形非水電解質
二次電池を作製した。
【0042】[比較例2〜5]比較例2〜5では、電解
液溶媒の組成以外は実施例1と同様の、角形非水電解質
二次電池を作製した。
【0043】電解液溶媒の組成はつきのものを使用し
た。比較例2では、エチレンカーボネート(EC):メ
チルエチルカーボネート(MEC)(体積比5:95)
を用いた。比較例3では、エチレンカーボネート(E
C):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチル
カーボネート(DEC)(体積比6:47:47)を用
いた。比較例4では、エチレンカーボネート(EC):
メチルエチルカーボネート(MEC)(体積比50:5
0)を用いた。比較例5では、エチレンカーボネート
(EC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジメ
チルカーボネート(DMC)(体積比50:25:2
5)を用いた。
【0044】以上のようにして、実施例1〜12、比較
例1〜5について、20個ずつ電池を作製した。これら
の角形非水電解質二次電池について、初期放電容量と、
低温放電容量を測定した。初期放電容量とは、室温下に
おいて、600mA定電流で4.20Vまで、さらに
4.20Vの定電圧で、合計2.5時間の定電流定電圧
充電をおこなった後、600mA定電流で終止電圧2.
75Vまで放電を行った時の放電容量を意味する。
【0045】低温放電容量とは、初期放電容量の測定が
終わった電池を、室温下において、600mA定電流で
4.20Vまで、さらに4.20Vの定電圧で、合計
2.5時間の定電流定電圧充電をおこなった後、0℃に
て3時間放置し、その後、0℃において、600mA定
電流で終止電圧2.75Vまで放電を行った時の放電容
量を意味する。さらに、初期放電容量(室温)に対する
低温放電容量(0℃)の比(%)を求め、これを放電容
量比とし、この放電容量比で低温放電特性を評価した。
【0046】実施例1〜12および比較例1〜5の角形
非水電解質二次電池の初期容量、低温放電容量および放
電容量比の結果を表1〜4に示す。なお、表1〜4の値
は、各電池20個についての測定値の平均値を示した。
【0047】
【表1】
【0048】
【表2】
【0049】
【表3】
【0050】
【表4】
【0051】表1〜4の結果から、以下のようなことが
明らかとなった。
【0052】実施例1〜12の電池は、初期放電容量が
いずれも595〜604mAhと、600mAhの設計
値通りであり、さらに低温放電容量はいずれも90%以
上であり、低温での放電容量は室温に対して大きな低下
はなかった。
【0053】比較例1の電池は、放電容量の設計値が6
00mAhであるにもかかわらず、初期放電容量は56
0mAhしか得られなかった。比較例1の電池を解体す
ると、巻回して発電要素を作製したときに、最内周から
はじめの正極板の曲率部が切断していることがわかっ
た。切断した部分は充放電に関与することがないから、
その分だけ放電容量が低下したものと考えられる。
【0054】また、比較例2と比較例3の電池も、放電
容量の設計値が600mAhであるにもかかわらず、初
期放電容量は、比較例2の電池では570mAh、比較
例3の電池では565mAhしか得られなかった。これ
は、イオン溶媒和能力がありイオンのキャリアーとして
の役割を果たすエチレンカーボネートの電解液中の含有
量が、体積比で6%以下であったため、電解液自体の伝
導度が低下したために、電池の放電特性を低下したもの
と考えられる。
【0055】また、比較例4と比較例5の電池は、初期
放電容量はほぼ設計値通りにでているが、低温放電容量
が大きく低下した。これは、高粘度であるエチレンカー
ボネートの電解液中の含有量が、体積比で50%も用い
たことにより、電解液自体の粘度が上昇したことによ
り、特に低温における電解液の伝導度が低下し、低温放
電特性が低下したものと考えられる。特に、結着剤にフ
ッ素系高分子共重合体を用いた場合には、結着剤が活物
質表面を覆うように接着するために、活物質表面と電解
液との界面の抵抗が増大するために、電解液の溶媒にエ
チレンカーボネートのような高粘度の溶媒を多く用いる
と、特に低温特性が劣りやすいと考えられる。
【0056】
【発明の効果】本発明は、巻回型発電要素と電解液とを
備えた非水電解質二次電池において、正極の結着剤はフ
ッ素系高分子共重合体を含み、電解液の溶媒は環状カー
ボネートと鎖状カーボネートを含み、電解液溶媒中の環
状カーボネート含有量を10〜40wt%の範囲となる
ようにしたものである。
【0057】本発明においては、フッ素系共重合体を正
極の結着剤に用いることにより、正極合材が柔軟にな
り、長円形状に巻回しても極板が切断することなく発電
要素が作製できる。
【0058】さらに、電解液の溶媒に環状カーボネート
と鎖状の混合物を特定の組成で用いることで、結着剤が
活物質表面を覆うように接着した場合においても、活物
質表面と電解液との界面の抵抗の増大を抑制することが
でき、優れた低温特性を備えた非水電解質二次電池を得
ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の角形非水電解質二次電池の概略断面を
示す図。
【符号の説明】
1 角形非水電解質二次電池 2 扁平巻状発電要素 3 正極 4 負極 5 セパレータ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と負極とをセパレータを介して巻回
    した発電要素と電解液とを備えた非水電解質二次電池に
    おいて、前記正極は正極活物質と導電剤と結着剤とを含
    む正極合材が集電体上に設けられ、前記正極の結着剤は
    フッ素系高分子共重合体を含み、前記電解液の溶媒は環
    状カーボネートと鎖状カーボネートを含み、電解液溶媒
    中の環状カーボネート含有量が10〜40wt%である
    ことを特徴とする非水電解質二次電池。
  2. 【請求項2】 フッ素系高分子共重合体が、フッ化ビニ
    リデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、フッ
    化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体、
    フッ化ビニリデンとクロロトリフルオロエチレンとの共
    重合体、及びフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピ
    レンとテトラフルオロエチレンの共重合体から選ばれる
    少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の
    非水電解質二次電池。
  3. 【請求項3】 環状カーボネートがエチレンカーボネー
    トであることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二
    次電池。
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