JP2003173814A - 固体バッファを備えた二次電池 - Google Patents

固体バッファを備えた二次電池

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JP2003173814A
JP2003173814A JP2001371763A JP2001371763A JP2003173814A JP 2003173814 A JP2003173814 A JP 2003173814A JP 2001371763 A JP2001371763 A JP 2001371763A JP 2001371763 A JP2001371763 A JP 2001371763A JP 2003173814 A JP2003173814 A JP 2003173814A
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solid buffer
battery
electrolytic solution
negative electrode
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Susumu Nomoto
進 野本
Masashi Shoji
昌史 庄司
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 電池内部に水分が混入した場合などでも、部
材の腐食が起きにくい、信頼性の高い二次電池を提供す
る。 【解決手段】 電池内部に、電解液のpHの変動を抑制
する固体バッファ11を配置することで、部材の腐食な
どによる電池特性の劣化の少ない、信頼性の高い二次電
池を提供することができる。固体バッファは、金属酸化
物および金属水酸化物から選ばれる少なくとも一方の化
合物を含み、正極、負極、セパレータおよび絶縁板から
選ばれるすくなくとも一方に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、信頼性の高い二次
電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】二次電池は、電気エネルギーを貯蔵可能
なデバイスであり、鉛電池、ニッケル水素電池などの水
溶液系電解液を用いたものと、リチウムイオン二次電池
などの有機系電解液を用いたものとに大きく分類され
る。有機系電解液として、エチレンカーボネート、エチ
ルメチルカーボネートなどの溶媒が広く用いられてい
る。一般に、水溶液系電解液に比べ、これら有機系電解
液の電気化学的電位窓の方が広いため、有機系電解液を
用いた二次電池の方が、耐電圧が高く、エネルギー密度
が大きいといえる。
【0003】しかし、有機系電解液を用いた二次電池の
場合、水分の混入が電池の特性に大きな影響を及ぼすと
いう問題がある。具体的には、初期開放電圧の低下、長
期充放電時の容量劣化などが引き起こされる可能性があ
る。有機系電解液を用いた二次電池には、通常、水の電
気分解が発生する電位よりも大きな充電電圧が印加され
るため、混入した水分が電気分解を起こし、局所的に酸
性もしくはアルカリ性の領域が発生したりする場合があ
る。こういった現象によって、電極や集電体などが劣化
し、結果、電池特性が低下すると考えられている。
【0004】さらに、リチウムイオン二次電池の場合、
電解質が混入した水分と反応して、フッ酸が発生し、集
電体を溶解させてしまうといった問題がある。例えば、
リチウムイオン二次電池に用いられる代表的な電解質で
あるLiPF6の場合、下記の化学式(1)に従ってフ
ッ酸が発生する。
【0005】 LiPF6+2H2O → H[PO22]+LiF+3HF (1)
【0006】これらの問題に対し、従来、二次電池製造
雰囲気の露点管理などを行うことにより、混入水分を抑
制するなどの対策がとられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、製造雰囲気の
露点管理には限界があり、製造工程の全てにわたって水
分の混入を防ぐのは困難である。また、製品に含まれる
水分を抑制したとしても、高温高湿度下において長期間
使用した際などに、外気から封止部分を経由して水分が
入り、上記したような問題が発生する場合もあった。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の二次電池は、正極および負極からなる一対
の電極と、前記一対の電極間に配置されたセパレータ
と、有機電解液とを含む二次電池であって、上記有機電
解液のpHの変動を抑制する固体バッファを有すること
を特徴としている。本発明の二次電池において、固体バ
ッファにより有機電解液のpHが安定化されるため、水
分の混入などに起因する腐食等が抑制され、結果、信頼
性を向上させた二次電池とすることができる。また、有
機電解液に溶存することなく電池内に存在可能である固
体バッファを用いることにより、バッファ自身が二次電
池の他の特性に影響を与えることを回避できる。
【0009】固体バッファは、有機電解液に接触した場
合も安定して存在するものであれば特に制限されない
が、金属酸化物および金属水酸化物から選ばれる少なく
とも一方の化合物を含むものが好ましい。また、固体バ
ッファとして、Be、Al、Sc、V、Cr、Fe、N
i、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Ag、Cd、In、
Te、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Gd、Dy、H
o、Er、Tm、LuおよびPbから選ばれる少なくと
も1つの元素の化合物(酸化物および/または水酸化
物)を含むことが好ましい。
【0010】上記の二次電池において、固体バッファ
が、正極、負極、セパレータおよび絶縁板から選ばれる
少なくとも一方に配置されていることが好ましい。
【0011】また、固体バッファが、粉末状であること
が好ましい。
【0012】以上の効果は、二次電池がリチウムイオン
二次電池である場合に、特に有効となる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明における好適な実施
形態を、図面を参照しながら説明する。
【0014】図1は、本実施の形態における二次電池の
例を示す断面図である。
【0015】図1に示すように、本実施の形態における
二次電池は、正極1と負極3との対を、セパレータ5を
間に介在させて渦巻状に捲回し、有底筒状のケース8の
中に収めた構造をしている。負極3に連接する負極リー
ド4は、下部絶縁板7を介してケース8と電気的に接続
されており、正極1に連接する正極リード2は、上部絶
縁板6を介して封口板10の内部端子に電気的に接続さ
れている。電池内部に有機電解液が注入された後、封口
板10とケース8とを絶縁ガスケット9を介してかしめ
封口してあるため、電池外部に有機電解液が漏出できな
い構造となっている。また、セパレータ5には有機電解
液が含浸しており、結果、セパレータ5を挟む正極1と
負極3との間でイオン担体の移動が行われ、二次電池と
して放電および充電を行うことができることになる。
【0016】本実施の形態における二次電池では、ケー
ス8の内部に、さらに、固体バッファ11が封入されて
いることが最大の特徴となっている。ここで固体バッフ
ァとは、電解液のpHの変化を抑制するように作用する
ものをいう。
【0017】固体バッファは、水分の混入などによる電
解液のpH変化を抑制することができ、電解液に溶出す
るなどして電池の特性を低下させるものでなければ特に
限定されないが、なかでも、金属酸化物および金属水酸
化物から選ばれる少なくとも一方の化合物を含むことが
好ましい。
【0018】固体バッファの具体例として、例えば、酸
化イットリウム(Y23)が挙げられる。酸化イットリ
ウムの場合、下記の化学式(2)に従った反応により、
電解液のpHの変動を抑制することができる。
【0019】 Y23+6H+ → 2Y3++3H2O (2)
【0020】固体バッファとしては、上記イットリウム
の酸化物に加え、例えば、Be、Al、Sc、V、C
r、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Zr、Ag、C
d、In、Te、La、Ce、Pr、Nd、Pm、G
d、Dy、Ho、Er、Tm、LuおよびPbから選ば
れる少なくとも1つの元素の酸化物、水酸化物を含むこ
とが好ましい。
【0021】これら上記の化合物は、電解液のpHが低
くなるほど溶解度が高くなり、pHの変動を押さえ、一
定に保持しようとする特性を有している。
【0022】また、上記の化合物は、電解液のpHが高
くなった場合にも、酸化アルミニウムおよび水酸化アル
ミニウムを例とした、下記の化学式(3)および(4)
に従った反応などにより、電解液のpHの変動を抑制す
ることができる。
【0023】 Al23+2OH- → 2AlO2 -+H2O (3)
【0024】 Al(OH)3+OH- → AlO2 -+2H2O (4)
【0025】なお、ここに列挙していない材料であって
も、上記と同様の作用を有する化合物であって、本発明
の目的を達成できる限り、固体バッファとして使用する
ことができる。
【0026】固体バッファの形態としては、特に制限は
ないが、なかでも粉末状の形態など、表面積が大きい状
態での電池内への配置が好ましい。表面積が大きいほ
ど、電解液のpH変動を早く回復できるからである。
【0027】また、固体バッファの平均粒径は、0.1
μm〜20μm程度が好ましい。これら好適な範囲にお
いて、電池構成材料中に分散配置させることが容易であ
り、電解液中に分散することなく、有効な表面積を確保
できる。
【0028】固体バッファは、ケース内の、電解液と接
触可能な部位であれば、どこにでも配置することがで
き、その配置方法にも制限はない。具体的には、正極、
負極、セパレータおよび絶縁板から選ばれる少なくとも
1つの部材に配置させることが好ましい。また、なかで
もセパレータへの配置が特に好ましい。それは正極およ
び負極での電気化学的反応への影響を考慮する必要がな
く、独立して配置できるからである。さらに、ガスケッ
トやケースへの配置も行うことができ、この場合は上記
した問題に加え、酸による液漏れ、ケースの穴あきなど
の問題にも有効である。
【0029】固体バッファの配置方法には、特に制限は
なく、例えば、予め必要な形態に作製した固体バッファ
を用いることができる。
【0030】その他、固体バッファを構成する元素を含
む溶液を用いて固体バッファを配置させることができ
る。その方法の1つの例を以下に示す。
【0031】まず、固体バッファを構成する元素を含む
溶液を、電極、セパレータなどの、二次電池を構成す
る、固体バッファを配置させたい部材の表面に接触させ
る。次いでこの部材を、乾燥させる(場合によっては加
熱を併用)ことにより、上記元素の酸化物および/また
は水酸化物を上記部材の表面に析出させればよい。この
場合、溶液として、固体バッファとする化合物自体の溶
液を用いても構わない。しかし、一般的に用いられる、
水などの溶媒に対して直接溶解させるのが難しい化合物
の場合は、まず、比較的溶解しやすい前駆体(例えば、
硝酸塩など)の溶液を用い、空気中など、酸素を含む雰
囲気において加熱することにより、部材の表面で上記前
駆体を、目的とする金属酸化物などに変化させればよ
い。
【0032】これらの方法により固体バッファを電池の
部材に配置させておけば、以降、従来と同様の組み立て
工程により、固体バッファを有する二次電池を得ること
ができる。また、上記のように、固体バッファを構成す
る元素を含む溶液に接触させた部材を乾燥させる方法を
用いれば、固体バッファを部材の表面に均一に配置させ
ることができる。
【0033】本発明における二次電池としては、有機電
解液を用いたものであれば特に制限はなく、図1に示す
例に限定されるものではない。有機電解液を用いた二次
電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池、金属
リチウム二次電池、電気化学キャパシタなどが挙げられ
る。また、それぞれの電池に用いる電極、セパレータな
どの各部材は、従来から用いられてきたものを使用する
ことができる。
【0034】ただし、リチウムイオン二次電池の負極に
一般的に用いられている比表面積の大きい炭素材料な
ど、水分を吸着しやすい部材を使用する場合や、正極お
よび負極の結着材として水系の材料を使用する場合など
においては、残存水分を可能な限り減少させるために、
部材を低露点雰囲気で十分に乾燥した後に組み立てる必
要がある。
【0035】また、電解質として、水分と反応して強酸
が発生するLiPF6などを用いた二次電池に対して本
発明の効果は顕著であるが、微量水分などの影響により
電解液の一部または全体がpH変動を受ける系を持つ二
次電池全般に対して、本発明は有効である。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
固体バッファを設けることにより、信頼性の高い二次電
池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における二次電池の例を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
1 正極 2 正極リード 3 負極 4 負極リード 5 セパレータ 6 上部絶縁板 7 下部絶縁板 8 ケース 9 ガスケット 10 封口板 11 固体バッファ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H028 AA06 BB03 EE00 EE05 FF05 HH03 5H029 AJ04 AJ07 AM02 CJ23 DJ04 DJ08 DJ16 EJ05 5H050 AA09 AA13 BA17 DA02 DA03 DA09 EA12 FA17 GA23

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極および負極からなる一対の電極と、
    前記一対の電極間に配置されたセパレータと、有機電解
    液とを含む二次電池であって、 前記有機電解液のpHの変動を抑制する固体バッファを
    有することを特徴とする二次電池。
  2. 【請求項2】 固体バッファが、金属酸化物および金属
    水酸化物から選ばれる少なくとも一方の化合物を含むこ
    とを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
  3. 【請求項3】 固体バッファが、Be、Al、Sc、
    V、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、
    Ag、Cd、In、Te、La、Ce、Pr、Nd、P
    m、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、LuおよびPbか
    ら選ばれる少なくとも1つの元素の化合物を含むことを
    特徴とする請求項1または2に記載の二次電池。
  4. 【請求項4】 固体バッファが、正極、負極、セパレー
    タおよび絶縁板から選ばれる少なくとも一方に配置され
    ていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に
    記載の二次電池。
  5. 【請求項5】 固体バッファが、粉末状であることを特
    徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の二次電
    池。
  6. 【請求項6】 リチウムイオン二次電池であることを特
    徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の二次電
    池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006526878A (ja) * 2003-07-30 2006-11-24 エルジー・ケム・リミテッド 高温保存特性が向上したリチウムイオン電池
US8507130B2 (en) 2007-07-11 2013-08-13 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Water based lithium secondary battery

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