JP2004303555A

JP2004303555A - リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JP2004303555A
Application number: JP2003094449A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sano; 篤史佐野; Kazuya Ogawa; 和也小川; Takeshi Iijima; 剛飯島; Satoru Maruyama; 哲丸山
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】−２０〜＋２５℃の作動温度範囲において優れた充放電特性を得ることができ、しかも、その充放電特性を長期にわたって維持でき、優れた信頼性を有するリチウムイオン二次電池を提供すること。
【解決手段】リチウムイオン二次電池１は、非水電解質溶液の溶媒の構成成分が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネートであり、溶媒中のプロピレンカーボネートの含有率Ｘ、エチレンカーボネートの含有率Ｙ、及び、ジエチルカーボネートの含有率Ｚが式（１）〜（４）で表される条件｛１０≦Ｘ≦６０…（１）、１≦Ｙ≦２０…（２）、３０≦Ｚ≦８５…（３）、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００…（４）｝を同時に満たし、非水電解質溶液中には、式（Ｉ）で表される化合物が４〜７質量％含まれている。なお、式（Ｉ）中、Ｒ^１〜Ｒ^６は、水素原子又は炭素数１〜３の炭化水素基のうちの何れかを示す。
【化１】

【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器、特に携帯用電子機器の発展は著しく、それに伴い高エネルギー密度を有する電池の開発が望まれている。このような電池として、リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が極めて高いなどの理由により携帯機器の電源として広く採用されている。リチウムイオン二次電池は、主として、カソード、アノード、セパレータ、非水電解質溶液から構成されており、各電池特性の更なる向上のための様々な検討がなされている。
【０００３】
例えば、溶媒にプロピレンカーボネートを用いた非水電解質溶液へスルトン化合物を添加することにより、電池特性の向上を図った電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、非水電解質溶液にプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートの混合溶媒を用い、更に、１，３−プロパンスルトンを添加することで、プロピレンカーボネートの負極表面での還元分解を防止した電池が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３７２４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３３９８５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１及び２に記載された従来のリチウムイオン二次電池においては、プロピレンカーボネートの分解反応の進行を充分に防止できておらず、特に低温（−２０〜＋２５℃）での充放電特性が充分に得られていないことを本発明者らは見出した。
【０００６】
しかも、上記従来のリチウムイオン二次電池では、上記のようにプロピレンカーボネートの分解が製造直後から生じており、電池の使用中又は保存中において、これらのケース内部でガスが発生し内圧が上昇する問題があった。また、ケースがフィルムから形成されている場合には、電池の使用中又は保存中にケースが膨れたり、さらには、ケースのシール部がはがれて液漏れが発生する場合があり、十分な信頼性が得られていなかった。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、特に−２０〜＋２５℃の作動温度範囲において優れた充放電特性を得ることができ、しかも、その充放電特性を長期にわたって維持でき、優れた信頼性を有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、非水電解質溶液の溶媒の成分組成を以下に示す条件を満たすように調節すると共に、この溶液に特定のスルトン化合物を含有させることが上記目的を達成するために極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池は、アノードと、カソードと、アノード及びカソードの間に配置された絶縁性のセパレータと、リチウム塩を含有する非水電解質溶液と、アノード、カソード、セパレータ、及び、非水電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、を有するリチウムイオン二次電池であって、非水電解質溶液に含まれる溶媒の構成成分が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネートであり、溶媒中のプロピレンカーボネートの含有率Ｘ［体積％］、エチレンカーボネートの含有率Ｙ［体積％］、及び、ジエチルカーボネートの含有率Ｚ［体積％］が下記式（１）〜（４）で表される条件を同時に満たしており、非水電解質溶液中には、下記一般式（Ｉ）で表される化合物が４〜７質量％含まれていることを特徴とする。
【００１０】
１０≦Ｘ≦６０ …（１）
１≦Ｙ≦２０ …（２）
３０≦Ｚ≦８５ …（３）
Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００ …（４）
【００１１】
【化２】

【００１２】
上記式（Ｉ）中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６は、それぞれ同一でも異なっていてもよく、水素原子又は炭素数１〜３の炭化水素基のうちの何れかを示し、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６が全て水素原子であることが好ましい。
【００１３】
本発明のリチウムイオン二次電池は、非水電解質溶液を上記の条件を満たす構成としたことにより、高レート放電特性及びサイクル特性等の比較的高い作動温度での充放電特性については従来の電池と同等或いはそれ以上の水準に維持しつつ、比較的低い作動温度（−２０〜＋２５℃）範囲での充放電特性を向上させることができる。さらに、非水電解質溶液に特定のスルトン化合物を所定量添加したことにより、各特性の更なる向上と共に充分に高い信頼性が得られる。
【００１４】
ここで、本発明において、アノード及びカソードとなる電極は、リチウムイオン（又は金属リチウム）が酸化還元種として関与する電子移動反応を可逆的に進行させることが可能な反応場となるものである。また、「電子移動反応を可逆的に進行させること」とは、搭載されるべき機器の電源又は補助電源として要求される電池寿命の範囲内で上記電子移動反応を可逆的に進行させることである。
【００１５】
そして、アノードに構成材料として含まれるアノード活物質及びカソードに構成材料として含まれるカソード活物質は、上記電子移動反応に寄与する物質を示す。アノード活物質及びカソード活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、又は、リチウムイオンの脱離及び挿入（インターカレーション）が可能な構造を有する炭素材料或いは金属酸化物であってもよい。また、アノード活物質及び／又はカソード活物質として導電性ポリマーのようなリチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン（例えば、ＣｌＯ_４ ⁻）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることの可能な物質を単独又は他の活物質とともに使用する構成としてもよい。
【００１６】
なお、説明の便宜上、本明細書において、「アノード活物質」という場合の「アノード」とは、電池の放電時の極性を基準とするもの（負極活物質）であり、「カソード活物質」という場合の「カソード」も、電池の放電時の極性を基準とするもの（正極活物質）である。アノード活物質及びカソード活物質の具体的な例示については後述する。
【００１７】
上記本発明のリチウムイオン二次電池は、上記ケースが可とう性を有するフィルム（以下、「フィルム」という）から形成されており、また、互いに対向する一対のフィルムを少なくとも用いて形成されていることが好ましく、このフィルムが非水電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層と、最内部の層の上方に配置される金属層とを少なくとも有する複合包装フィルムであることが好ましい。
【００１８】
このようにケースをフィルムから形成すると、リチウムイオン二次電池自体の形状を薄膜状とすることができる。そのため、本来の体積エネルギー密度を容易に向上させることができるとともに、リチウムイオン二次電池の設置されるべき設置空間の単位体積当たりのエネルギー密度（以下、「設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度」という）も容易に向上させることができる。
【００１９】
なお、リチウムイオン二次電池の「体積エネルギー密度」とは、本来、リチウムイオン二次電池の電極及びセパレータからなる発電に寄与する部分（後述の「素体」）の全体積又は容器を含む全体積に対する全出力エネルギーの割合で定義されるものである。これに対して、「設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度」とは、リチウムイオン二次電池の最大縦、最大横、最大厚さに基づいて求められる見かけ上の体積に対するリチウムイオン二次電池の全出力エネルギーの割合を意味する。実際に、リチウムイオン二次電池を小型電子機器に搭載する場合、上述した本来の体積エネルギー密度の向上とともに、設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度を向上させることが、小型電子機器内の限られたスペースをデッドスペースを充分に低減した状態で有効利用する観点から重要となる。
【００２０】
また、上記本発明のリチウムイオン二次電池においては、アノード及びカソードはそれぞれ板状の形状を呈しており、かつ、それぞれ電子伝導性の多孔体を構成材料として含んでおり、セパレータは板状の形状を呈しており、かつ、絶縁性の多孔体からなり、非水電解質溶液は少なくともその一部がアノード、カソード、及び、セパレータの内部に含有されていることが好ましい。かかる構成を採用することにより、設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度を更に向上させることが可能となる。なお、上記板状とは、平板状、湾曲している板状も含む。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明のリチウムイオン二次電池の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は本発明のリチウムイオン二次電池の好適な一実施形態を示す正面図である。また、図２は図１に示すリチウムイオン二次電池の内部をアノード１０の表面の法線方向からみた場合の展開図である。更に、図３は図１に示すリチウムイオン二次電池を図１のＸ１−Ｘ１線に沿って切断した場合の模式断面図である。また、図４は図１に示すリチウムイオン二次電池を図１のＸ２−Ｘ２線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。また、図５は図１に示すリチウムイオン二次電池を図１のＹ−Ｙ線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
【００２３】
図１〜図５に示すように、リチウムイオン二次電池１は、主として、互いに対向する板状のアノード１０及び板状のカソード２０と、アノード１０とカソード２０との間に隣接して配置される板状のセパレータ４０と、非水電解質溶液と、これらを密閉した状態で収容するケース５０と、アノード１０に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース５０の外部に突出されるアノード用リード１２と、カソード２０に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース５０の外部に突出されるカソード用リード２２とから構成されている。ここで、「アノード」１０及び「カソード」２０は説明の便宜上、リチウムイオン二次電池１の放電時の極性を基準に決定したものである。従って、充電時には、「アノード１０」が「カソード」となり、「カソード２０」が「アノード」となる。
【００２４】
そして、リチウムイオン二次電池１は、先に述べた本発明の目的を達成するために、以下に説明する構成を有している。
【００２５】
以下に図１〜図９に基づいて本実施形態の各構成要素の詳細を説明する。
【００２６】
ケース５０は、互いに対向する一対のフィルム（第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２）を用いて形成されている。ここで、図２に示すように、本実施形態における第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２は連結している。すなわち、本実施形態におけるケース５０は、一枚の複合包装フィルムからなる矩形状のフィルムを、図２に示す折り曲げ線Ｘ３−Ｘ３において折り曲げ、矩形状のフィルムの対向する１組の縁部同士（図中の第１のフィルム５１の縁部５１Ｂ及び第２のフィルム５２の縁部５２Ｂ）を重ね合せて接着剤を用いるか又はヒートシールを行うことにより形成されている。
【００２７】
そして、第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２は、１枚の矩形状のフィルムを上述のように折り曲げた際にできる互いに対向する面を有する該フィルムの部分をそれぞれ示す。ここで、本明細書において、接合された後の第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２のそれぞれの縁部を「シール部」という。
【００２８】
これにより、折り曲げ線Ｘ３−Ｘ３の部分に第１のフィルム５１と第２のフィルム５２とを接合させるためのシール部を設ける必要がなくなるため、ケース５０におけるシール部をより低減することができる。その結果、リチウムイオン二次電池１の設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度をより向上させることができる。
【００２９】
そして、本実施形態の場合、図１及び図２に示すように、アノード１０に接続されたアノード用リード１２及びカソード用リード２２のそれぞれの一端が、上述の第１のフィルム５１の縁部５１Ｂと第２のフィルムの縁部５２Ｂとを接合したシール部から外部に突出するように配置されている。
【００３０】
また、第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２を構成するフィルムは先に述べたように、可とう性を有するフィルムである。フィルムは軽量であり薄膜化が容易なため、リチウムイオン二次電池自体の形状を薄膜状とすることができる。そのため、本来の体積エネルギー密度を容易に向上させることができるとともに、リチウムイオン二次電池の設置されるべき空間の体積を基準とする体積エネルギー密度も容易に向上させることができる。
【００３１】
このフィルムは可とう性を有するフィルムであれば特に限定されないが、ケースの充分な機械的強度と軽量性を確保しつつ、ケース外部からケース内部への水分や空気の侵入及びケース内部からケース外部への電解質成分の逸散を効果的に防止する観点から、非水電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層と、最内部の層の上方に配置される金属層とを少なくとも有する「複合包装フィルム」であることが好ましい。
【００３２】
第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２として使用可能な複合包装フィルムとしては、例えば、図６及び図７に示す構成の複合包装フィルムが挙げられる。図６に示す複合包装フィルム５３は、その内面Ｆ５３において非水電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層５０ａと、最内部の層５０ａのもう一方の面（外側の面）上に配置される金属層５０ｃとを有する。また、図７に示す複合包装フィルム５４は、図６に示す複合包装フィルム５３の金属層５０ｃの外側の面に更に合成樹脂製の最外部の層５０ｂが配置された構成を有する。
【００３３】
第１のフィルム５１及び第２のフィルム５２として使用可能な複合包装フィルムは、上述の最内部の層をはじめとする１以上の合成樹脂の層、金属箔などの金属層を備えた２以上の層を有する複合包装材であれば特に限定されないが、上記と同様の効果をより確実に得る観点から、図７に示した複合包装フィルム５４のように、最内部の層と、最内部の層から最も遠いケース５０の外表面の側に配置される合成樹脂製の最外部の層と、最内部の層と最外部の層との間に配置される少なくとも１つの金属層とを有する３層以上の層から構成されていることがより好ましい。
【００３４】
最内部の層は可とう性を有する層であり、その構成材料は上記の可とう性を発現させることが可能であり、かつ、使用される非水電解質溶液に対する化学的安定性（化学反応、溶解、膨潤が起こらない特性）、並びに、酸素及び水（空気中の水分）に対する化学的安定性を有している合成樹脂であれば特に限定されないが、更に酸素、水（空気中の水分）及び非水電解質溶液の成分に対する透過性の低い特性を有している材料が好ましい。例えば、エンジニアリングプラスチック、並びに、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン酸変成物、ポリプロピレン酸変成物、ポリエチレンアイオノマー、ポリプロピレンアイオノマー等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。
【００３５】
なお、「エンジニアリングプラスチック」とは、機械部品、電気部品、住宅用材等で使用されるような優れた力学特性と耐熱性、耐久性を有しているプラスチックを意味し、例えば、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシテトラメチレンオキシテレフタロイル（ポリブチレンテレフタレート）、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。
【００３６】
また、図７に示した複合包装フィルム５４のように、最内部の層５０ａ以外に、最外部の層５０ｂ等のような合成樹脂製の層を更に設ける場合、この合成樹脂製の層も、上記最内部の層と同様の構成材料を使用してよい。
【００３７】
金属層としては、酸素、水（空気中の水分）及び非水電解質溶液に対する耐腐食性を有する金属材料から形成されている層であることが好ましい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、クロム等からなる金属箔を使用してもよい。
【００３８】
また、ケース５０における全てのシール部のシール方法は、特に限定されないが、生産性の観点から、ヒートシール法であることが好ましい。
【００３９】
次に、アノード１０及びカソード２０について説明する。図８は図１に示すリチウムイオン二次電池のアノードの基本構成の一例を示す模式断面図である。また、図９は、図１に示すリチウムイオン二次電池のカソードの基本構成の一例を示す模式断面図である。
【００４０】
図８に示すようにアノード１０は、集電体１６と、該集電体１６上に形成されたアノード活物質含有層１８とからなる。また、図９に示すようにカソード２０は、集電体２６と、該集電体２６上に形成されたカソード活物質含有層２８とからなる。
【００４１】
集電体１６及び集電体２６は、アノード活物質含有層１８及びカソード活物質含有層２８への電荷の移動を充分に行うことができる良導体であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている集電体を使用することができる。例えば、集電体１６及び集電体２６としては、アルミニウム、銅などの金属箔が挙げられる。
【００４２】
また、アノード１０のアノード活物質含有層１８は、主として、アノード活物質と、導電助剤と、結着剤とから構成されている。
【００４３】
アノード活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入（インターカレーション）、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン（例えば、ＣｌＯ_４ ⁻）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知のアノード活物質を使用できる。このような活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛（難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等）等の炭素材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと化合することのできる金属、ＳｉＯ_２、ＳｎＯ_２等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）が挙げられる。中でも、炭素材料が好ましく、炭素材料の層間距離ｄ_００２が０．３３５〜０．３３８ｎｍであり、かつ、炭素材料の結晶子の大きさＬｃ_００２が３０〜１２０ｎｍであるものがより好ましい。このような条件を満たす炭素材料としては、人造黒鉛、ＭＣＦ（メソカーボンファイバ）等が挙げられる。なお、上記層間距離ｄ_００２及び結晶子の大きさＬｃ_００２は、Ｘ線回折法により求めることができる。
【００４４】
特に、アノード活物質として炭素材料を用いた場合、溶媒にプロピレンカーボネートを用いると、プロピレンカーボネートの分解量が多かったが、非水電解質溶液を本発明の構成とすることにより、プロピレンカーボネートの分解を充分に抑制することが可能となった。
【００４５】
導電助剤は特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ＩＴＯのような導電性酸化物が挙げられる。
【００４６】
結着剤は、上記のアノード活物質の粒子と導電助剤の粒子とを結着可能なものであれば特に限定されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂が挙げられる。また、この結着剤は、上記のアノード活物質の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、箔（集電体１６）への結着に対しても寄与している。
【００４７】
また、アノード活物質含有層１８には、電子伝導性の多孔体を含有させることが好ましく、電子伝導性の多孔体としては、例えば、原料炭（例えは、石油系重質油の流動接触分解装置のボトム油や減圧蒸留装置の残さ油を原料油とするディレードコーカーより製造された石油コークス等）を賦活処理することにより得られる炭素材料（例えば、活性炭）が挙げられる。
【００４８】
また、カソード２０のカソード活物質含有層２８は、アノード活物質含有層１８と同様に、主として、カソード活物質と、導電助剤と、結着剤とから構成されている。
【００４９】
カソード活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入（インターカレーション）、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン（例えば、ＣｌＯ_４ ⁻）とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、及び、一般式：ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ_２Ｏ_５）、オリビン型ＬｉＭＰＯ_４（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ又はＦｅを示す）、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）等の複合金属酸化物が挙げられる。
【００５０】
更に、カソード活物質含有層２８に含まれるカソード活物質以外の各構成要素は、アノード活物質含有層１８を構成するものと同様の物質を使用することができる。また、このカソード活物質含有層２８に含まれる結着剤も、上記のカソード活物質の粒子と導電助剤の粒子との結着のみならず、箔（集電体２６）への結着に対しても寄与している。また、カソード活物質含有層２８にも、電子伝導性の多孔体を含有させることが好ましい。
【００５１】
また、カソード２０の集電体２８は、例えばアルミニウムからなるカソード用リード２２の一端に電気的に接続され、カソード用リード２２の他端はケース５０の外部に延びている。一方、アノード１０の集電体１８も、例えば銅又はニッケルからなるアノード用リード１２の一端に電気的に接続され、アノード用リード１２の他端は封入袋１４の外部に延びている。
【００５２】
アノード１０とカソード２０との間に配置されるセパレータ４０は、絶縁性の多孔体から形成されていれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられているセパレータを使用することができる。例えば、絶縁性の多孔体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも１種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
【００５３】
非水電解質溶液３０はケース５０の内部空間に充填され、その一部は、アノード１０、カソード２０、及びセパレータ４０の内部に含有されている。非水電解質溶液３０は、リチウム塩を有機溶媒に溶解したものが使用される。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣｏＯ_２等が使用される。なお、非水電解質溶液３０は、ゲル状としてもよい。
【００５４】
また、有機溶媒は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネートから構成されており、溶媒中のプロピレンカーボネートの含有率Ｘ［体積％］、エチレンカーボネートの含有率Ｙ［体積％］、及び、ジエチルカーボネートの含有率Ｚ［体積％］が下記式（１）〜（４）で表される条件を同時に満たしている。
１０≦Ｘ≦６０ …（１）
１≦Ｙ≦２０ …（２）
３０≦Ｚ≦８５ …（３）
Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００ …（４）
【００５５】
上記含有率Ｘが、前記下限値未満の場合は、低温での充放電特性が不充分となり、他方、前記上限値を超えると、プロピレンカーボネートの分解が起こり、信頼性が不充分となる。また、含有率Ｙが、前記下限値未満の場合は、プロピレンカーボネートの分解が起こり、信頼性が不充分となり、他方、前記上限値を超えると、低温での充放電特性が不充分となる。また、含有率Ｚが、前記下限値未満の場合は、高レート放電特性及び低温での充放電特性が不充分となり、他方、前記上限値を超えると、放電容量が減少する。
【００５６】
更に、非水電解質溶液３０中には、上記非水電解質溶液の全質量を基準として、下記一般式（Ｉ）で表される化合物が４〜７質量％含まれている。この化合物の含有量が、前記下限値未満の場合は、プロピレンカーボネートの分解が起こり、信頼性が不充分となる。他方、前記上限値を超えると、高レート放電特性及び低温での充放電特性が不充分となる。
【００５７】
【化３】

【００５８】
式（Ｉ）中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６は、それぞれ同一でも異なっていてもよく、水素原子又は炭素数１〜３の炭化水素基（アルキル基、アルケニル基、アルキニル基が好ましく、アルキル基がより好ましい。）のうちの何れかを示す。また、上記一般式（Ｉ）で表される化合物としては、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６が全て水素原子である１，３−プロパンスルトンであることが特に好ましい。
【００５９】
更に、図１及び図２に示すように、第１のフィルム５１の縁部５１Ｂ及び第２のフィルム５２の縁部５２Ｂからなる封入袋のシール部に接触するアノード用リード１２の部分には、アノード用リード１２と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体１４が被覆されている。更に、第１のフィルム５１の縁部５１Ｂ及び第２のフィルム５２の縁部５２Ｂからなる封入袋のシール部に接触するカソード用リード２２の部分には、カソード用リード２２と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体２４が被覆されている。
【００６０】
これら絶縁体１４及び絶縁体２４の構成は特に限定されないが、例えば、それぞれ合成樹脂から形成されていてもよい。なお、アノード用リード１２及びカソード用リード２２のそれぞれに対する複合包装フィルム中の金属層の接触が充分に防止可能であれば、これら絶縁体１４及び絶縁体２４は配置しない構成としてもよい。
【００６１】
つぎに、上述したケース５０及びリチウムイオン二次電池１の作製方法について説明する。
【００６２】
素体６０（アノード１０、セパレータ４０及びカソード２０がこの順で順次積層された積層体）の製造方法は、特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池の製造に採用されている公知の方法を用いることができる。
【００６３】
アノード１０及びカソード２０を作製する場合、先ず、上述した各構成成分を混合し、結着剤が溶解可能な溶媒に分散させ、電極形成用塗布液（スラリー等）を作製する。溶媒としては、結着剤が溶解可能であり、導電助剤を分散可能であれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを用いることができる。
【００６４】
次に、上記電極形成用塗布液を集電体表面上に塗布し、乾燥させ、圧延することにより集電体上に活物質含有層を形成し、アノード１０及びカソード２０の作製を完了する。ここで、電極形成用塗布液を集電体の表面に塗布する際の手法は特に限定されるものではなく、集電体の材質や形状等に応じて適宜決定すればよい。例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
【００６５】
作製したアノード１０及びカソード２０のそれぞれに対して、アノード用リード１２及びカソード用リード２２をそれぞれ電気的に接続する。そのアノード１０とカソード２０との間にセパレータ４０を接触した状態（非接着状態）で配置し、素体６０を完成する。
【００６６】
次に、ケース５０の作製方法の一例について説明する。まず、第１のフィルム及び第２のフィルムを先に述べた複合包装フィルムから構成する場合には、ドライラミネーション法、ウエットラミネーション法、ホットメルトラミネーション法、エクストルージョンラミネ−ション法等の既知の製法を用いて作製する。
【００６７】
例えば、複合包装フィルムを構成する合成樹脂製の層となるフィルム、アルミニウム等からなる金属箔を用意する。金属箔は、例えば金属材料を圧延加工することにより用意することができる。
【００６８】
次に、好ましくは先に述べた複数の層の構成となるように、合成樹脂製の層となるフィルムの上に接着剤を介して金属箔を貼り合わせる等して複合包装フィルム（多層フィルム）を作製する。そして、複合包装フィルムを所定の大きさに切断し、矩形状のフィルムを１枚用意する。
【００６９】
次に、先に図２を参照して説明したように、１枚のフィルムを折り曲げて、第１のフィルム５１のシール部５１Ｂ（縁部５１Ｂ）と第２のフィルムのシール部５２Ｂ（縁部５２Ｂ）を、例えば、シール機を用いて所定の加熱条件で所望のシール幅だけヒートシールする。このとき、素体６０をケース５０中に導入するための開口部を確保するために、一部のヒートシールを行わない部分を設けておく。これにより開口部を有した状態のケース５０が得られる。
【００７０】
そして、開口部を有した状態のケース５０の内部に、アノード用リード１２及びカソード用リード２２が電気的に接続された素体６０を挿入する。そして、非水電解質溶液３０を注入する。続いて、アノード用リード１２、カソード用リード２２の一部をそれぞれケース５０内に挿入した状態で、シール機を用いて、ケース５０の開口部をシールする。このようにしてケース５０及びリチウムイオン二次電池１の作製が完了する。なお、本発明のリチウムイオン二次電池は、このような形状のものに限定されず、円筒形等の形状でもよい。
【００７１】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。
【００７２】
以下に示す手順により図１に示したリチウムイオン二次電池１と同様の構成を有する実施例１〜実施例９、比較例１〜比較例８のリチウムイオン二次電池を作製した。
【００７３】
（実施例１）
先ず、アノードを作製した。アノードの作製においては、先ず、アノード活物質として人造黒鉛（９０質量部）、導電助剤としてカーボンブラック（２質量部）、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（８質量部）を混合し、溶剤のＮ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーをドクターブレード法により集電体である電解銅箔に塗布し、１１０℃で乾燥させた。乾燥後に圧延を行い、アノードを得た。
【００７４】
次に、カソードを作製した。カソードの作製においても、先ず、正極活物質としてＬｉＮｉ_{（ｘ＝１／３）}Ｃｏ_{（ｙ＝１／３）}Ｍｎ_{（ｚ＝１／３）}Ｏ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）（９０質量部）、導電助剤としてカーボンブラック（６質量部）、結着剤としてＰＶＤＦ（４質量部）を混合し、ＮＭＰ中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを集電体であるアルミニウム箔に塗布して乾燥させ、圧延を行い、カソードを得た。
【００７５】
次に、非水電解質溶液を調製した。プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を体積比１０：５：８５で混合したものを溶媒とし、ＬｉＰＦ_６を１．５ｍｏｌｄｍ^−３の割合で溶質として添加した。更に、溶媒と溶質とを混合した溶液に対して、５質量％となるように１，３−プロパンスルトン（ＰＳ）を添加することにより、非水電解質溶液を得た。
【００７６】
得られたアノード及びカソードの間にポリエチレンからなるセパレータを挟んで積層し積層体（素体）を得た。得られた積層体をアルミラミネーターパックに入れ、このアルミラミネーターパックに非水電解質溶液を注入した後に真空シールし、リチウムイオン二次電池（縦：１１５ｍｍ、横：８７ｍｍ、厚さ：３ｍｍ）を作製した。なお、アルミラミネーターパックのフィルムには、非水電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層（変性ポリプロピレンからなる層）、アルミニウム箔からなる金属層、ポリアミドからなる層がこの順で順次積層された積層体を使用した。そして、この複合包装フィルムを２枚重ね合せてその縁部をヒートシールして作製した。
【００７７】
（実施例２〜９及び比較例１〜８）
非水電解質溶液の溶媒に用いるＰＣ、ＥＣ及びＤＥＣの体積比、並びにＰＳの添加量を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にして実施例２〜９及び比較例１〜８のリチウムイオン二次電池を作製した。
【００７８】
【表１】

【００７９】
得られた実施例１〜９及び比較例１〜８のリチウムイオン二次電池を用いて、各電池特性を評価した。なお、実施例７〜９及び比較例６〜８に関しては、信頼性のみを評価した。
【００８０】
（初期充放電特性）
リチウムイオン二次電池作製後、２５℃で初回の充電を行い、その直後に放電を行った。その際の充電容量と放電容量との比率により初期充放電特性を評価した。なお、充電は０．２Ｃ（５００ｍＡ）で４．２Ｖまで定電流定電圧充電を行い、放電は０．２Ｃで２．５Ｖまで定電流放電を行った。得られた結果を表２に示すが、結果が７０％を超える電池を、初期充放電特性が実用的に充分なものと評価した。
【００８１】
（高レート放電特性）
２５℃、２Ｃ（５０００ｍＡ）で定電流放電を行った場合の放電容量（Ａ_２Ｃ）と、０．５Ｃ（１２５０ｍＡ）で定電流放電を行った場合の放電容量（Ａ_０．５Ｃ）との比率により高レート放電特性を評価した。得られた結果を表２に示すが、結果が５０％を超える電池を、高レート放電特性が実用的に充分なものと評価した。
【００８２】
（低温充放電特性）
２５℃、１Ｃ（２５００ｍＡ）で４．２Ｖまで定電流定電圧充電を行った後に、−２０℃で３時間保持しカットオフ２．５Ｖの１Ｃ放電を行い、−２０℃放電容量（Ａ_−２０℃）と２５℃放電容量（Ａ_２５℃）との比率で低温充放電特性（以下「低温特性」という）（Ａ_−２０℃／Ａ_２５℃）を評価した。更に、−１０℃で保持した後に上記と同様に放電した場合の放電容量（Ａ_−１０℃）、０℃で保持した後に上記と同様に放電した場合の放電容量（Ａ_０℃）と２５℃放電容量（Ａ_２５℃）との比率により、低温特性（Ａ_−１０℃／Ａ_２５℃）及び低温特性（Ａ_０℃／Ａ_２５℃）を評価した。得られた結果を表２に示すが、低温特性（Ａ_−２０℃／Ａ_２５℃）が１５％を超え、低温特性（Ａ_−１０℃／Ａ_２５℃）が２５％を超える電池を、低温特性が実用的に充分なものと評価した。
【００８３】
なお、実施例６は、初期充放電特性、高レート放電特性が充分であり、低温特性も実用的に充分であることが推測できたことから、低温特性の評価は行わなかった。また、比較例４及び５は、初期充放電特性、高レート放電特性が不充分であることから実用的なものではなく、低温特性も不充分であることが推測できたことから、低温特性の評価は行わなかった。
【００８４】
（信頼性）
また、リチウムイオン二次電池を９０℃で４時間放置し、放置前と放置後の厚みを比較した（９０℃保存時の膨れ）。得られた結果を表３に示す。なお、表３に示し「信頼性」と表記したデータは、各電池の放置前の厚み（Ｆ_１）に対する、放置後の厚み（Ｆ_２）の増加分（Ｆ_２−Ｆ_１）を相対値｛（Ｆ_２−Ｆ_１）／Ｆ_１｝（％）として示したものである。また、結果が９％未満の電池を、信頼性が実用的に充分なものと評価した。なお、実施例１〜６の電池のデータは記載しなかったが、厚みの増加はほとんどなく、優れた信頼性を有するものであることを確認した。
【００８５】
【表２】

【００８６】
【表３】

【００８７】
表２に示した結果から明らかなように、実施例１〜６のリチウムイオン二次電池は、初期充放電特性、高レート放電特性に優れており、更に、低温（−２０℃〜２５℃）での充放電特性も優れていることが確認された。また、実施例１〜６の電池は、信頼性も優れていることが確認された。また、表３に示した結果から明らかなように、実施例７〜９の電池は信頼性に優れており、他の特性も実用的に充分なものであった。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、−２０〜＋２５℃の作動温度範囲において優れた充放電特性を得ることができ、しかも、その充放電特性を長期にわたって維持でき、優れた信頼性を有するリチウムイオン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】本発明のリチウムイオン二次電池の好適な一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１に示すリチウムイオン二次電池の内部をアノード１０の表面の法線方向からみた場合の展開図である。
【図３】図１に示すリチウムイオン二次電池を図１のＸ１−Ｘ１線に沿って切断した場合の模式断面図である。
【図４】図１に示すリチウムイオン二次電池を図１のＸ２−Ｘ２線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
【図５】図１に示すリチウムイオン二次電池を図１のＹ−Ｙ線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
【図６】図１に示すリチウムイオン二次電池のケースの構成材料となるフィルムの基本構成の一例を示す模式断面図である。
【図７】図１に示すリチウムイオン二次電池のケースの構成材料となるフィルムの基本構成の別の一例を示す模式断面図である。
【図８】図１に示すリチウムイオン二次電池のアノードの基本構成の一例を示す模式断面図である。
【図９】図１に示すリチウムイオン二次電池のカソードの基本構成の一例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１…リチウムイオン二次電池、１０…アノード、１２…アノード用リード、１４…絶縁体、２０…カソード、２２…カソード用リード、２４…絶縁体、３０…非水電解質溶液、４０…セパレータ、５０…ケース、６０…素体。

Claims

アノードと、
カソードと、
前記アノード及び前記カソードの間に配置された絶縁性のセパレータと、
リチウム塩を含有する非水電解質溶液と、
前記アノード、前記カソード、前記セパレータ、及び、前記非水電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、
を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記非水電解質溶液に含まれる溶媒の構成成分が、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネートであり、
前記溶媒中の前記プロピレンカーボネートの含有率Ｘ［体積％］、前記エチレンカーボネートの含有率Ｙ［体積％］、及び、前記ジエチルカーボネートの含有率Ｚ［体積％］が下記式（１）〜（４）で表される条件を同時に満たしており、
前記非水電解質溶液中には、下記一般式（Ｉ）で表される化合物が４〜７質量％含まれていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
１０≦Ｘ≦６０ …（１）
１≦Ｙ≦２０ …（２）
３０≦Ｚ≦８５ …（３）
Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００ …（４）

［式（Ｉ）中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６は、それぞれ同一でも異なっていてもよく、水素原子又は炭素数１〜３の炭化水素基のうちの何れかを示す。］
前記ケースが、可とう性を有するフィルムから形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
前記ケースが、互いに対向する一対の前記フィルムを少なくとも用いて形成されていること、を特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン二次電池。
前記フィルムが、前記非水電解質溶液に接触する合成樹脂製の最内部の層と、前記最内部の層の上方に配置される金属層とを少なくとも有する複合包装フィルムであること、を特徴とする請求項１〜３のうちの何れか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
前記アノード及び前記カソードは、それぞれ板状の形状を呈しており、かつ、それぞれ電子伝導性の多孔体を構成材料として含んでおり、
前記セパレータは、板状の形状を呈しており、かつ、絶縁性の多孔体からなり、
前記非水電解質溶液は、少なくともその一部が前記アノード、前記カソード、及び、前記セパレータの内部に含有されていること、を特徴とする請求項１〜４のうちの何れか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
前記一般式（Ｉ）で表される化合物におけるＲ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６が水素原子であること、を特徴とする請求項１〜５のうちの何れか１項に記載のリチウムイオン二次電池。