JP2004319287A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
Lithium ion secondary battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004319287A JP2004319287A JP2003112098A JP2003112098A JP2004319287A JP 2004319287 A JP2004319287 A JP 2004319287A JP 2003112098 A JP2003112098 A JP 2003112098A JP 2003112098 A JP2003112098 A JP 2003112098A JP 2004319287 A JP2004319287 A JP 2004319287A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lithium ion
- secondary battery
- ion secondary
- anode
- active material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
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、携帯用電話、ノート型パソコン、PDA(Personal Digital Assistants)などの小型電子機器は高性能化が目覚ましく進んでおり、その普及とともに年々消費電力が増加する傾向にある。これに伴い、このような電子機器に搭載される電源として高いエネルギー密度を有する電池の開発が望まれている。このような電池の一つとして、エネルギー密度が高いなどの理由によりリチウムイオン二次電池が携帯機器の電源として広く採用されている。
【0003】
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、電解質溶液(ゲル状の固体電解質、固体高分子電解質などもある)から構成されており、高電圧化、高エネルギー密度化等の電池特性の更なる向上や、小型化及び軽量化のための様々な検討がなされている。このように電池特性の向上を図る場合、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は他の電池に比較して非常に高いため、使用中或いは保存中の電池の安全性を十分に確保することも同時に重要となる。この安全性の確保は、電解質溶液として可燃性の非水電解質溶液(有機溶媒を含む電解質溶液)を使用する場合には特に重要となる。
【0004】
リチウムイオン二次電池の安全性の評価試験の中で規格化されたものとしては、米国UL(Underwriters Laboratories)規格の「UL1642」又は「UL2054」がある。
【0005】
電池特性の向上の観点からは電極反応に対する活性の高い電極を構成することが望ましいが、安全性の観点からは電極と電解質溶液の成分との反応、電解質溶液の成分間の反応等を抑制するような工夫を電極或いは電解質に施すことが望ましい。このように電池特性(容量、エネルギー密度、出力特性など)の向上と、電池の安全性の確保とは二律背反の関係にあり、所望の優れた電池特性と安全性とを兼ね備えたリチウムイオン二次電池を開発することは容易ではない。
【0006】
例えば、BET比表面積が0.5〜2.0m2/gである負極活物質層を有する負極を備えることにより、高度な安全性・信頼性を保ちつつ良好な放電特性を得ることを意図したリチウムイオン二次電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特許第3139390号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献1に記載の従来のリチウムイオン二次電池であっても、電池(特に、電解質溶液として非水電解質溶液を使用する構成の電池)の容量を1300〜5000mAhにすることを意図した場合には、上記安全性の評価試験規格「UL1642」の150℃加熱試験を確実にクリアすることが極めて困難であり、確実な安全性を得られなくなることを本発明者らは見出した。
【0009】
「UL1642」の150℃加熱試験を確実にクリアできない電池は、使用中又は保存中に電池内で異常な発熱反応が進行する等して電池内部の温度が上昇した場合に、内部でガスが発生し内圧が上昇して、液漏れや、発火等の問題が発生するおそれがある。特に、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場合には、ケースのシール部がはがれる等して上記の問題が発生し易くなる。
【0010】
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、容量を1300〜5000mAhとする場合であっても、UL1642規定の150℃加熱試験を確実にクリアすることのできる優れた安全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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、リチウムイオン二次電池の容量を特に1300〜5000mAhとする場合に、電池の構成を、UL1642規定の150℃加熱試験において電池のアノードとカソードとの間に短絡現象が観測され始める温度(以下、「短絡開始温度」という)が125℃以上となる構成とすることにより、UL1642規定の150℃加熱試験を確実にクリアすることができることを見出した。そして更に、本発明者らは、電池の構成を以下の条件を満たす構成とすることが上記目的達成の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。
【0012】
すなわち、本発明は、互いに対向するアノード活物質を含む多孔質のアノード活物質層を有した板状のアノード及びカソード活物質を含む多孔質のカソード活物質層を有した板状のカソードと、アノードとカソードとの間に配置されており、絶縁性を有する板状のセパレータと、リチウムイオンを含む電解質溶液と、アノード、カソード、セパレータ及び電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、を有しており、容量が1300〜5000mAhであり、アノード活物質は、BET比表面積が0.5〜1.5m2/gの電子伝導性の炭素材料であり、セパレータは、合成樹脂を構成材料として含んで形成されており、かつ、90℃における熱収縮率が0.1〜3%であること、を特徴とするリチウムイオン2次電池を提供する。
【0013】
上記本発明のリチウムイオン2次電池は、上記の構成のアノードと、上記範囲の熱収縮率を有するセパレータを有するため、UL1642規定の150℃加熱試験における短絡開始温度」を125℃以上とすることが容易かつ確実にできる。そのため、容量を1300〜5000mAhとする場合であっても、UL1642規定の150℃加熱試験を確実にクリアすることのできる優れた安全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。
【0014】
ここで、本発明において、「90℃における熱収縮率」とは、室温(25℃)にて所定面積(主面の部分の面積)S1に打ち抜くことにより得られるセパレータを90℃の温度条件の雰囲気中に1時間さらし、その後に得られるセパレータの熱収縮により減少した主面の面積S2を測定することにより算出される主面の面積の減少率(100×S2/S1)である。
【0015】
本発明において、90℃における熱収縮率が0.1%未満とすることは、セパレータの構成材料となる樹脂中にSiO2やAl2O3等のフィラーを混入して収縮率を抑制しても極めて困難である。また、「90℃における熱収縮率」が3%を超えると、150℃加熱試験時の短絡開始温度が125℃未満となり加熱試験をクリアできない。
【0016】
また、本発明者らは、上記範囲の熱収縮率を有していれば、融点が120℃以上であるセパレータ(好ましくは、融点が120〜180℃であるセパレータ)を使用することができることを見出した。このように本発明では、150℃加熱試験の温度よりも低い融点のセパレータを使用できるため、セパレータの構成材料の選択範囲をひろくすることができ、また、製造コストも容易に削減できるようになる。
【0017】
ここで、本発明において、容量が5000mAhを超えると、電池の構成要素(電極、電解質、セパレータ、ゲル状の合成樹脂層)の質量及び体積が大きくなり、これらを密封した状態で収容する充分な機械的強度を有するケースを構成することができなくなる。また、容量が1300mAh未満となると、搭載されるべき電子機器(特に小型電子機器)の電源として要求される充分な電力の供給ができなくなる。
【0018】
また、本発明において、アノード活物質(電子電導性の炭素材料)のBET比表面積が0.5m2/g未満であると、充分なアノードの電極反応速度を確保できず、搭載されるべき電子機器(特に小型電子機器)から要求される負荷要求の変動に応じた充分な電力の供給を速やかに行うことができなくなる。また、BET比表面積が1.5m2/gを超えると、電極の反応活性が高くなりすぎて、所望のアノードの電極反応以外に、例えば、電解質溶液成分の分解反応などの副反応が同時にかつ速やかに進行し易くなり、安全性を十分かつ確実に確保することができなくなる。
【0019】
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。
【0020】
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、ClO4 −)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。
【0021】
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。
【0022】
また、本発明では、電解質溶液には、溶媒として有機溶媒が含まれていることを特徴としていてもよい。特に本発明では、電解質溶液として有機溶媒を含む非水電解質溶液を使用する場合であっても、UL1642規定の150℃加熱試験を確実にクリアすることのできる優れた安全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。
【0023】
更に、本発明では、上記範囲の容量をより確実に確保し、かつ先に述べた本発明の効果をより確実に得る観点から、アノード活物質となる炭素材料は、黒鉛類似の層状結晶構造を有しており、X線回折法により求められる炭素材料の層間距離d002が0.335〜0.338nm以下であり、かつ、X線回折法により求められる炭素材料の結晶子の大きさLc002が30〜120nmであることが好ましい。
【0024】
また、本発明では、先に述べた本発明の効果をより確実に得る観点から、セパレータの融点が120〜180℃であることが好ましい。更にこの場合には、セパレータは、融点が130〜140℃のポリオレフィンを含む多孔質の膜を1以上有してなることが好ましい。
【0025】
ポリオレフィンを含む多孔質の膜からなるセパレータの場合、電池が異常な高温になると、当該セパレータの溶融により内部細孔が塞がれるため電流が流れにくくなり、異常反応の進行をより確実に抑制することができる。上記のセパレータのいわゆるシャットダウン機能をより確実に発揮させる観点から、このポリオレフィンを含む多孔質の膜は、ポリオレフィンからなる多孔質の膜であることがより好ましい。更に同様の観点から、この場合、上記ポリオレフィンは、ポリエチレン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種であることが好ましい。
【0026】
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)から形成されていることが好ましい。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
更にケースを可とう性を有するフィルムから形成する場合、上記ケースが、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い。これにより、密閉性の高いケースをより容易に製造することができる。
【0030】
更にこの場合、ケースの密閉性を向上させる観点から、フィルムが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。
【0031】
また、上記本発明のリチウムイオン二次電池においては、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。
【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。
【0032】
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。
【0033】
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、リチウムイオンを含む電解質溶液(本実施形態では非水電解質溶液)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。
【0034】
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。
【0035】
そして、リチウムイオン二次電池1は、容量が1300〜5000mAhであり、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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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50外部からケース50内部への水分や空気の侵入及びケース50内部からケース50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。
【0043】
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。
【0044】
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50aと、最内部の層50a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50bと、最内部の層50aと最外部の層50bとの間に配置される少なくとも1つの金属層50c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。
【0045】
最内部の層50a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。
【0046】
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。
【0047】
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50aと同様の構成材料を使用してよい。
【0048】
金属層50c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。
【0049】
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。
【0050】
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1のアノード10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1のカソード20の基本構成の一例を示す模式断面図である。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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、ClO4 −)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り、かつ、BET比表面積が0.5〜1.5m2/gの電子伝導性の炭素材料であれば特に限定されない。このような炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、低温度焼成炭素等の炭素材料が挙げられる。中でも、黒鉛類似の層状結晶構造を有する炭素材料であって、X線回折法により求められる炭素材料の層間距離d002が0.335〜0.338nm以下であり、かつ、X線回折法により求められる炭素材料の結晶子の大きさLc002が30〜120nmである炭素材料がより好ましい。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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
また、カソード20のカソード活物質含有層28は、カソード活物質を含む多孔質のカソード活物質層を有する層である。より詳しくは、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。
【0058】
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、ClO4 −)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(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzO2(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(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn又はFeを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等の複合金属酸化物が挙げられる。
【0059】
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。
【0060】
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の他端はケース50の外部に延びている。
【0061】
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、絶縁性の合成樹脂を構成材料として含んで形成されており、かつ、90℃における熱収縮率が0.1〜3%となるように形成されている。先に述べたように、UL1642規定の150℃加熱試験における短絡開始温度」を125℃以上とし、充分な電池の安全性をより確保する観点から、このセパレータ40の融点は120〜180℃であることが好ましい。更にこの場合には、このセパレータ40は、融点が130〜140℃のポリオレフィンを含む多孔質の膜を1以上有してなることが好ましい。
【0062】
ポリオレフィンを含む多孔質の膜からなるセパレータ40の場合、リチウムイオン2次電池1が異常な高温になると、当該セパレータ40の溶融により内部細孔が塞がれるため電流が流れにくくなり、異常反応の進行をより確実に抑制することができる。
【0063】
上記のセパレータ40のいわゆるシャットダウン機能をより確実に発揮させる観点から、このポリオレフィンを含む多孔質の膜は、ポリオレフィンからなる多孔質の膜であることがより好ましい。更に同様の観点から、この場合、上記ポリオレフィンは、ポリエチレン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種であることが好ましい。
【0064】
より詳しくは、セパレータ40は、ポリエチレンからなる膜又はポリプロピレンからなる膜を1つ使用して形成されたものであってもよく、ポリエチレンからなる膜を複数積層した積層体からなるものであってもよく、ポリプロピレンからなる膜を複数積層した積層体からなるものであってもよく、1以上のポリエチレンからなる膜と1以上のポリプロピレンからなる膜を組み合わせて形成した積層体からなるものであってもよい。また、セパレータ40は、熱による変形を抑制するための延伸等の加工が施されていてもよい。また、セパレータ40の厚さは、安全性の確保と電池のコンパクト化を図る観点から10〜30μmであることが好ましい。
【0065】
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。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、LiBF4、LiPF6、LiClO4等が使用される。なお、電解質溶液30は、ゲル化剤を添加する等してゲル状としてもよい。
【0066】
また、有機溶媒は、公知のリチウムイオン2次電池に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、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等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
素体60(アノード10、ゲル状の合成樹脂層71、セパレータ40、ゲル状の合成樹脂層72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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
次に、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(好ましくは非接着状態)で配置し、素体60を完成する。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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、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。
【0080】
【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。
【0081】
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及び実施例2、並びに、比較例1〜比較例3のリチウムイオン二次電池を作製した。
【0082】
(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MCF(90質量部,比表面積:1.0m2・g−1)、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。
【0083】
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)O2(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。
【0084】
次に、非水電解質溶液を調製した。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3:7で混合したものを溶媒とし、溶質としてLiPF6をその体積モル濃度が2.0mol/Lとなるように添加することにより、非水電解質溶液を得た。
【0085】
次にポリエチレンを主成分とするセパレータ(旭化成社製,商品名:「S4823」,厚さ:23μm)を用意した。また、DSC(示差走査熱量測定法)による分析の結果、ポリエチレンを主成分とするセパレータ(旭化成社製,商品名:「S4823」)の融点は135℃であった。更に、このセパレータの90℃における熱収縮率は、2.5%(横:−1.5%,縦:−1%)であった。
【0086】
次に、アノード及びカソードの間に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、更に、80℃で熱プレスすることにより容量が2500mAhのリチウムイオン二次電池(縦:87mm、横:115mm、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。
【0087】
(実施例2)
表1に示すアノード活物質を有するアノード及び表2に示す組成の電解質溶液を用いて形成したこと以外は、実施例1と同様の手順及び条件でリチウムイオン二次電池を作製した。
【0088】
(比較例1〜3)
表1に示すアノード活物質を有するアノード及び表2に示す組成の電解質溶液を用いて形成したこと以外は、実施例1と同様の手順及び条件で比較例1〜5のリチウムイオン二次電池を作製した。
【0089】
なお、また、比較例1のセパレータにはポリエチレンを主成分とするセパレータ(旭化成社製,商品名:「H6022」)を用いた。また、DSC(示差走査熱量測定法)による分析の結果、ポリエチレンを主成分とするセパレータ(旭化成社製,商品名:「H6022」,厚さ:27μm)の融点は135℃であった。更に、更に、このセパレータの90℃における熱収縮率は、5.0%(横:−2.0%,縦:−3%)であった。
【0090】
また、比較例2のセパレータにはポリエチレンを主成分とするセパレータ(旭化成社製,商品名:「S6722」)を用いた。また、DSC(示差走査熱量測定法)による分析の結果、ポリエチレンを主成分とするセパレータ(旭化成社製,商品名:「S6722」,厚さ:20μm)の融点は135℃であった。更に、更に、このセパレータの90℃における熱収縮率は、5.6%(横:−2%,縦:−3.6%)であった。
【0091】
[UL1642規定の150℃加熱試験]
得られた実施例1及び実施例2並びに比較例1〜3のリチウムイオン二次電池のそれぞれについて、UL1642規定の150℃加熱試験を行い各々の安全性を評価した。UL1642規定の150℃加熱試験は、各電池(4.2Vでの充電を終了させた状態のもの)を恒温槽に入れ、昇温速度5℃/minで室温から150℃まで昇温し、150℃で1時間保持することにより行った。表1にその結果を示す。各電池のUL1642規定の150℃加熱試験における短絡開始温度も測定し、これについても表1にその結果を示す。
【0092】
なお、表1に示す150℃加熱試験の結果のうち、「2」は「試験中に電池が破裂又は発火しなかった」という評価結果を示し、「1」は「試験中に電池が破裂又は発火した」という評価結果を示す。
【0093】
【表1】
【0094】
【表2】
【0095】
表1に示した結果から明らかなように、実施例1及び実施例2のリチウムイオン二次電池は、UL1642規定の150℃加熱試験を確実にクリアすることのできる優れた安全性を有することが確認された。
【0096】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、容量を1300〜5000mAhとする場合であっても、UL1642規定の150℃加熱試験を確実にクリアすることのできる優れた安全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…アノード用リード線、14…絶縁体、20…カソード、22…カソード用リード線、24…絶縁体、30…電解質溶液、40…セパレータ、50…ケース、60…素体。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, the performance of electronic devices, particularly small electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and PDAs (Personal Digital Assistants), has been remarkably improved, and power consumption tends to increase year by year as the devices spread. Accordingly, development of a battery having a high energy density as a power supply mounted on such an electronic device is desired. As one of such batteries, a lithium ion secondary battery has been widely adopted as a power source for portable equipment because of its high energy density and the like.
[0003]
A lithium ion secondary battery is mainly composed of a cathode, an anode, a separator, and an electrolyte solution (including a gel-like solid electrolyte and a solid polymer electrolyte), and has battery characteristics such as higher voltage and higher energy density. Various studies have been made to further improve the size and to reduce the size and weight. In order to improve the battery characteristics in this way, the energy density of the lithium ion secondary battery is very high compared to other batteries, so it is also necessary to ensure sufficient safety of the battery during use or storage. It becomes important. This safety is particularly important when a flammable non-aqueous electrolyte solution (an electrolyte solution containing an organic solvent) is used as the electrolyte solution.
[0004]
As standardized in the safety evaluation test of the lithium ion secondary battery, there is "UL1642" or "UL2054" of the United States UL (Underwriters Laboratories) standard.
[0005]
From the viewpoint of improving the battery characteristics, it is desirable to configure an electrode having a high activity against the electrode reaction, but from the viewpoint of safety, the reaction between the electrode and the components of the electrolyte solution, the reaction between the components of the electrolyte solution, and the like are suppressed. It is desirable to apply such a contrivance to the electrode or the electrolyte. As described above, the improvement of battery characteristics (capacity, energy density, output characteristics, etc.) and the securing of battery safety are in a trade-off relationship, and a lithium ion secondary battery having desired excellent battery characteristics and safety is provided. Developing batteries is not easy.
[0006]
For example, by providing a negative electrode having a negative electrode active material layer having a BET specific surface area of 0.5 to 2.0 m 2 / g, it was intended to obtain good discharge characteristics while maintaining high safety and reliability. Lithium ion secondary batteries have been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
Patent No. 3139390 [0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the conventional lithium ion secondary battery described in
[0009]
Batteries that cannot reliably pass the “UL1642” 150 ° C heating test generate gas inside when the temperature inside the battery rises due to abnormal heat generation in the battery during use or storage. Then, the internal pressure rises, and problems such as liquid leakage and ignition may occur. In particular, when the case is formed from a flexible film, the above problem is likely to occur because the seal portion of the case is peeled off.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the related art, and has an excellent safety that can reliably clear the 150 ° C. heating test specified in UL1642 even when the capacity is set to 1300 to 5000 mAh. It is an object of the present invention to provide a lithium ion secondary battery having a property.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, when the capacity of the lithium ion secondary battery is particularly set to 1300 to 5000 mAh, the battery configuration is changed to a battery temperature in a 150 ° C. heating test specified in UL1642. The temperature at which a short-circuit phenomenon starts to be observed between the anode and the cathode (hereinafter referred to as “short-circuit start temperature”) of 125 ° C. or higher ensures that the 150 ° C. heating test specified in UL1642 is reliably cleared. I can do it. Further, the present inventors have found that it is extremely effective to achieve the above object by making the structure of the battery satisfy the following conditions, and have reached the present invention.
[0012]
That is, the present invention provides a plate-shaped cathode having a porous anode active material layer including a porous anode active material layer including an anode active material facing each other, and a plate-shaped cathode including a porous cathode active material layer including a cathode active material. It is disposed between the anode and the cathode, and has a plate-shaped separator having an insulating property, an electrolyte solution containing lithium ions, and a case accommodating the anode, the cathode, the separator, and the electrolyte solution in a sealed state. The anode active material is an electron conductive carbon material having a BET specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g, and the separator is made of synthetic resin as a constituent material. A lithium ion secondary battery characterized in that it is formed so as to have a heat shrinkage at 90 ° C. of 0.1 to 3%.
[0013]
Since the lithium ion secondary battery of the present invention has the anode having the above configuration and a separator having a heat shrinkage in the above range, the short-circuit initiation temperature in the 150 ° C. heating test specified in UL1642 should be 125 ° C. or more. Can be easily and reliably performed. Therefore, even when the capacity is set to 1300 to 5000 mAh, a lithium ion secondary battery having excellent safety which can surely pass the 150 ° C. heating test specified in UL1642 can be provided.
[0014]
Here, in the present invention, “thermal shrinkage at 90 ° C.” refers to a separator obtained by punching a predetermined area (area of the main surface) S1 at room temperature (25 ° C.) under a temperature condition of 90 ° C. It is a reduction rate (100 × S2 / S1) of the area of the main surface calculated by measuring the area S2 of the main surface that has been exposed to the atmosphere for 1 hour and then reduced by the thermal shrinkage of the separator obtained thereafter.
[0015]
In the present invention, the fact that the heat shrinkage at 90 ° C. is less than 0.1% is achieved by mixing a filler such as SiO 2 or Al 2 O 3 into a resin as a constituent material of the separator to suppress the shrinkage. Is also very difficult. If the “heat shrinkage at 90 ° C.” exceeds 3%, the short-circuit start temperature during the 150 ° C. heating test is less than 125 ° C., and the heating test cannot be cleared.
[0016]
In addition, the inventors have determined that a separator having a melting point of 120 ° C. or higher (preferably, a separator having a melting point of 120 to 180 ° C.) can be used as long as the separator has a heat shrinkage in the above range. I found it. As described above, in the present invention, since a separator having a melting point lower than the temperature of the 150 ° C. heat test can be used, the selection range of the constituent materials of the separator can be widened, and the manufacturing cost can be easily reduced. .
[0017]
Here, in the present invention, when the capacity exceeds 5000 mAh, the mass and volume of the components (electrodes, electrolytes, separators, and gel-like synthetic resin layers) of the battery become large, and these are sufficient to accommodate these in a sealed state. A case having mechanical strength cannot be formed. On the other hand, when the capacity is less than 1300 mAh, it becomes impossible to supply a sufficient power required as a power source of an electronic device (especially a small electronic device) to be mounted.
[0018]
In the present invention, if the BET specific surface area of the anode active material (electron conductive carbon material) is less than 0.5 m 2 / g, a sufficient electrode reaction speed of the anode cannot be secured, and the electron to be mounted Sufficient power supply cannot be performed promptly in response to fluctuations in load demands required from devices (especially small electronic devices). On the other hand, when the BET specific surface area exceeds 1.5 m 2 / g, the reaction activity of the electrode becomes too high, and besides the desired anode electrode reaction, for example, side reactions such as decomposition reaction of the electrolyte solution component occur simultaneously and It becomes easy to proceed quickly, and it is no longer possible to ensure sufficient and reliable safety.
[0019]
Here, in the present invention, the electrodes serving as the anode and the cathode serve as a reaction field capable of reversibly proceeding an electron transfer reaction in which lithium ions (or metallic lithium) participate as redox species. Further, "promoting the electron transfer reaction reversibly" means that the electron transfer reaction proceeds reversibly within a range of a battery life required as a power supply or an auxiliary power supply of a device to be mounted. .
[0020]
The anode active material contained in the anode as a constituent material and the cathode active material contained in the cathode as a constituent material represent substances that contribute to the electron transfer reaction. The anode active material and the cathode active material may be a carbon material or a metal oxide having a structure capable of inserting and extracting lithium ions or desorbing and inserting (intercalating) lithium ions. In addition, it is possible to reversibly perform doping and undoping of a lithium ion such as a conductive polymer and a counter anion of the lithium ion (for example, ClO 4 − ) as an anode active material and / or a cathode active material. The structure may be such that the substance is used alone or together with another active material.
[0021]
For convenience of description, in this specification, the “anode” in the case of “anode active material” refers to a material based on the polarity at the time of battery discharge (negative electrode active material), and is referred to as “cathode active material”. The "cathode" in this case is also based on the polarity at the time of discharging the battery (positive electrode active material). Specific examples of the anode active material and the cathode active material will be described later.
[0022]
In the present invention, the electrolyte solution may include an organic solvent as a solvent. In particular, in the present invention, even when a non-aqueous electrolyte solution containing an organic solvent is used as the electrolyte solution, a lithium ion secondary battery having excellent safety that can reliably pass the 150 ° C. heating test specified in UL1642. A battery can be provided.
[0023]
Further, in the present invention, from the viewpoint of more securely securing the capacity in the above range, and more reliably obtaining the effects of the present invention described above, the carbon material serving as the anode active material has a layered crystal structure similar to graphite. And the interlayer distance d 002 of the carbon material determined by the X-ray diffraction method is 0.335 to 0.338 nm or less, and the crystallite size Lc 002 of the carbon material determined by the X-ray diffraction method Is preferably 30 to 120 nm.
[0024]
In the present invention, the melting point of the separator is preferably 120 to 180 ° C from the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention described above. Further, in this case, the separator preferably has one or more porous films containing a polyolefin having a melting point of 130 to 140 ° C.
[0025]
In the case of a separator made of a porous membrane containing polyolefin, when the battery is at an abnormally high temperature, the internal pores are blocked by melting of the separator, so that it becomes difficult for current to flow, and the progress of the abnormal reaction is more reliably suppressed. be able to. From the viewpoint of more reliably exerting the so-called shutdown function of the separator, the porous film containing polyolefin is more preferably a porous film made of polyolefin. Further, from a similar viewpoint, in this case, the polyolefin is preferably at least one selected from the group consisting of polyethylene and polypropylene.
[0026]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, the case is preferably formed of a flexible film (hereinafter, referred to as a “film”).
[0027]
When the case is formed from a film in this manner, the shape of the lithium ion secondary battery itself can be made thin. Therefore, the original volume energy density can be easily improved, and the energy density per unit volume of the installation space where the lithium ion secondary battery is to be installed (hereinafter referred to as “the volume of the space to be installed, The volume energy density) can be easily improved.
[0028]
Note that the “volume energy density” of a lithium ion secondary battery is essentially the total volume of a portion (“element body” to be described later) composed of an electrode and a separator of the lithium ion secondary battery and contributing to power generation or a whole including a container. It is defined as the ratio of the total output energy to the product. On the other hand, the “volume energy density based on the volume of the space to be installed” is defined as the lithium with respect to the apparent volume calculated based on the maximum length, maximum width, and maximum thickness of the lithium ion secondary battery. It means the ratio of the total output energy of the ion secondary battery. Actually, when a lithium ion secondary battery is mounted on a small electronic device, it is necessary to improve the volume energy density based on the volume of the space to be installed together with the improvement of the original volume energy density described above. This is important from the viewpoint of effectively utilizing the limited space in the device while the dead space is sufficiently reduced.
[0029]
When the case is formed from a flexible film, the case is preferably formed using at least a pair of films opposed to each other. Thereby, a case with high airtightness can be manufactured more easily.
[0030]
Further, in this case, from the viewpoint of improving the tightness of the case, a composite packaging film having at least an innermost layer made of a synthetic resin in which the film comes into contact with the electrolyte solution and a metal layer disposed above the innermost layer. It is preferable that
[0031]
In the lithium ion secondary battery of the present invention, it is preferable that at least a part of the electrolyte solution is contained in the anode, the cathode, and the inside of the separator. By adopting such a configuration, the volume energy density based on the volume of the space to be installed can be further improved.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the lithium ion secondary battery of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference characters, without redundant description.
[0032]
FIG. 1 is a front view showing a preferred embodiment of the lithium ion secondary battery of the present invention. FIG. 2 is a developed view when the inside of the lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 is viewed from the normal direction of the surface of the
[0033]
As shown in FIGS. 1 to 5, the lithium ion
[0034]
Here, the “anode” 10 and the “cathode” 20 are determined based on the polarity at the time of discharging of the lithium ion
[0035]
The lithium ion
[0036]
Hereinafter, details of each component of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
This eliminates the need to provide a seal portion for joining the
[0040]
In the case of the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, one end of each of the
[0041]
As described above, the films constituting the
[0042]
This film is not particularly limited as long as it is a flexible film. However, while ensuring sufficient mechanical strength and lightness of the case, moisture and air can enter the inside of the
[0043]
As a composite packaging film that can be used as the
[0044]
The composite packaging film that can be used as the
[0045]
The
[0046]
In addition, "engineering plastic" means a plastic having excellent mechanical properties, heat resistance, and durability as used in mechanical parts, electric parts, housing materials, and the like.For example, polyacetal, polyamide, Examples include polycarbonate, polyoxytetramethyleneoxyterephthaloyl (polybutylene terephthalate), polyethylene terephthalate, polyimide, and polyphenylene sulfide.
[0047]
Further, in the case where a layer made of a synthetic resin such as the
[0048]
The
[0049]
The method of sealing all the seal portions in the
[0050]
Next, the
[0051]
As shown in FIG. 8, the
[0052]
The
[0053]
Further, the anode active material containing layer 18 of the
[0054]
The anode active material absorbs and releases lithium ions, desorbs and inserts (intercalates) lithium ions, or performs doping and undoping of lithium ions and a counter anion of the lithium ions (for example, ClO 4 − ). The material is not particularly limited as long as it is an electron conductive carbon material that can be reversibly advanced and has a BET specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g. Examples of such a carbon material include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, and low-temperature fired carbon. Among them, a carbon material having a layered crystal structure similar to graphite, the interlayer distance d 002 of the carbon material determined by the X-ray diffraction method is 0.335 to 0.338 nm or less, and determined by the X-ray diffraction method. More preferably, the carbon material has a crystallite size Lc 002 of 30 to 120 nm. Examples of the carbon material satisfying such conditions include artificial graphite and MCF (mesocarbon fiber).
[0055]
The conductive assistant is not particularly limited, and a known conductive assistant can be used. For example, carbon blacks, carbon materials, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel, iron, etc., a mixture of carbon materials and metal fine powders, and conductive oxides such as ITO can be used.
[0056]
The binder is not particularly limited as long as the binder can bind the particles of the anode active material and the particles of the conductive assistant. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoro Fluororesins such as ethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and polyvinyl fluoride (PVF). Further, this binder contributes not only to the binding between the particles of the anode active material and the particles of the conductive auxiliary agent, but also to the binding to the foil (current collector 16).
[0057]
The cathode active
[0058]
The cathode active material absorbs and releases lithium ions, desorbs and inserts (intercalates) lithium ions, or performs doping and dedoping of lithium ions with counter anions of the lithium ions (for example, ClO 4 − ). There is no particular limitation as long as it can reversibly proceed, and a known electrode active material can be used. For example, it is represented by lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and a general formula: LiNi x Co y Mn z O 2 (x + y + z = 1). Composite of metal oxide, lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine type LiMPO 4 (where M represents Co, Ni, Mn or Fe), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), etc. Metal oxides.
[0059]
Further, for each component other than the cathode active material contained in the cathode active
[0060]
The
[0061]
The
[0062]
In the case of the
[0063]
From the viewpoint of more reliably exerting the so-called shutdown function of the
[0064]
More specifically, the
[0065]
The
[0066]
Further, as the organic solvent, a solvent used in a known lithium ion secondary battery can be used. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate and the like are preferable. These may be used alone, or two or more kinds may be used by mixing at an arbitrary ratio.
[0067]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the portion of the
[0068]
Although the configuration of the
[0069]
Next, a method for manufacturing the above-described
[0070]
The method for producing the element body 60 (a laminate in which the
[0071]
When preparing the
[0072]
Next, the electrode-forming coating liquid is applied on the surface of the current collector, dried, and rolled to form an active material-containing layer on the current collector, and the production of the
[0073]
The
[0074]
Next, the
[0075]
Next, an example of a method for manufacturing the
[0076]
For example, a film to be a synthetic resin layer constituting the composite packaging film, and a metal foil made of aluminum or the like are prepared. The metal foil can be prepared, for example, by rolling a metal material.
[0077]
Next, a composite packaging film (multilayer film) is formed by bonding a metal foil via an adhesive onto a film to be a layer made of a synthetic resin so as to preferably have the above-described configuration of a plurality of layers. Is prepared. Then, the composite packaging film is cut into a predetermined size, and one rectangular film is prepared.
[0078]
Next, as described above with reference to FIG. 2, one film is bent, and the sealing
[0079]
Then, the
[0080]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[0081]
The lithium ion secondary batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 having the same configuration as the lithium ion
[0082]
(Example 1)
First, an anode was produced. In the production of the anode, first, MCF (90 parts by mass, specific surface area: 1.0 m 2 · g −1 ) as an anode active material, carbon black (2 parts by mass) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride as a binder (PVDF) (8 parts by mass) was mixed and dispersed in a solvent N-methyl-pyrrolidone (NMP) to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to an electrolytic copper foil as a current collector by a doctor blade method, and dried at 110 ° C. Rolling was performed after drying to obtain an anode.
[0083]
Next, a cathode was produced. In the production of the cathode, LiNi (x = 1/3) Co (y = 1/3) Mn (z = 1/3) O 2 (x + y + z = 1) (90 parts by mass) as the positive electrode active material Carbon black (6 parts by mass) as an auxiliary and PVDF (4 parts by mass) as a binder were mixed and dispersed in NMP to obtain a slurry. The obtained slurry was applied to an aluminum foil as a current collector, dried, and rolled to obtain a cathode.
[0084]
Next, a non-aqueous electrolyte solution was prepared. A mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) at a volume ratio of 3: 7 is used as a solvent, and LiPF 6 is added as a solute so that the molar concentration thereof is 2.0 mol / L. An aqueous electrolyte solution was obtained.
[0085]
Next, a separator containing polyethylene as a main component (trade name: “S4823”, manufactured by Asahi Kasei Corporation, thickness: 23 μm) was prepared. Further, as a result of analysis by DSC (differential scanning calorimetry), the melting point of the separator containing polyethylene as a main component (trade name: “S4823”, manufactured by Asahi Kasei Corporation) was 135 ° C. Further, the heat shrinkage at 90 ° C. of this separator was 2.5% (horizontal: −1.5%, vertical: −1%).
[0086]
Next, a laminate (element body) was obtained by laminating the separator between the anode and the cathode. The obtained laminate is placed in an aluminum laminator pack, a non-aqueous electrolyte solution is injected into the aluminum laminator pack, vacuum sealed, and hot-pressed at 80 ° C. to make the lithium-ion secondary battery having a capacity of 2500 mAh (vertical). : 87 mm, width: 115 mm, thickness 3 mm). The film of the aluminum laminator pack is composed of a synthetic resin innermost layer (a layer made of modified polypropylene), a metal layer made of aluminum foil, and a layer made of polyamide, which are sequentially laminated in this order in contact with the nonaqueous electrolyte solution. The obtained laminate was used. Then, two composite packaging films were laminated and the edges thereof were heat-sealed.
[0087]
(Example 2)
A lithium ion secondary battery was manufactured in the same procedure and under the same conditions as in Example 1 except that the anode was formed using the anode having the anode active material shown in Table 1 and the electrolyte solution having the composition shown in Table 2.
[0088]
(Comparative Examples 1 to 3)
Except for using the anode having the anode active material shown in Table 1 and the electrolyte solution having the composition shown in Table 2, the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 5 were manufactured in the same procedure and under the same conditions as in Example 1. Produced.
[0089]
In addition, as the separator of Comparative Example 1, a separator containing polyethylene as a main component (trade name: “H6022”, manufactured by Asahi Kasei Corporation) was used. Further, as a result of analysis by DSC (differential scanning calorimetry), the melting point of a separator containing polyethylene as a main component (trade name: “H6022”, manufactured by Asahi Kasei Corporation, thickness: 27 μm) was 135 ° C. Furthermore, the heat shrinkage at 90 ° C. of this separator was 5.0% (horizontal: −2.0%, vertical: −3%).
[0090]
As the separator of Comparative Example 2, a separator containing polyethylene as a main component (trade name: “S6722”, manufactured by Asahi Kasei Corporation) was used. Further, as a result of analysis by DSC (differential scanning calorimetry), the melting point of the separator containing polyethylene as a main component (trade name: “S6722”, manufactured by Asahi Kasei Corporation; thickness: 20 μm) was 135 ° C. Further, the heat shrinkage of this separator at 90 ° C. was 5.6% (horizontal: −2%, vertical: −3.6%).
[0091]
[UL1642 specified 150 ° C heating test]
Each of the obtained lithium ion secondary batteries of Example 1 and Example 2 and Comparative Examples 1 to 3 was subjected to a UL1642 standard 150 ° C. heating test to evaluate the safety of each. In the heating test at 150 ° C. specified in UL1642, each battery (in a state where the charging at 4.2 V has been completed) is placed in a thermostat, and the temperature is raised from room temperature to 150 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. C. for 1 hour. Table 1 shows the results. The short-circuit initiation temperature of each battery in a 150 ° C. heating test defined by UL1642 was also measured, and the results are shown in Table 1.
[0092]
In addition, among the results of the 150 ° C. heating test shown in Table 1, “2” indicates the evaluation result that “the battery did not rupture or ignite during the test”, and “1” indicates that the battery ruptured or failed during the test. It fired ".
[0093]
[Table 1]
[0094]
[Table 2]
[0095]
As is clear from the results shown in Table 1, the lithium ion secondary batteries of Examples 1 and 2 have excellent safety that can reliably pass the 150 ° C. heating test specified in UL1642. confirmed.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when the capacity is set to 1300 to 5000 mAh, a lithium ion secondary battery having excellent safety that can surely pass the 150 ° C. heating test specified in UL1642 is surely cleared. A battery can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing a preferred embodiment of a lithium ion secondary battery of the present invention.
FIG. 2 is a developed view when the inside of the lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 is viewed from the normal direction of the surface of the
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the lithium-ion secondary battery shown in FIG. 1 taken along line X1-X1 in FIG.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a main part when the lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 is cut along the line X2-X2 in FIG.
5 is a schematic cross-sectional view showing a main part when the lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 is cut along the line YY in FIG.
6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a film serving as a constituent material of the case of the lithium ion secondary battery shown in FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing another example of the basic structure of the film serving as the constituent material of the case of the lithium ion secondary battery shown in FIG.
8 is a schematic sectional view showing an example of a basic configuration of an anode of the lithium ion secondary battery shown in FIG.
9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a cathode of the lithium ion secondary battery shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記アノードと前記カソードとの間に配置されており、絶縁性を有する板状のセパレータと、
リチウムイオンを含む電解質溶液と、
前記アノード、前記カソード、前記セパレータ及び前記電解質溶液を密閉した状態で収容するケースと、
を有しており、
容量が1300〜5000mAhであり、
前記アノード活物質は、BET比表面積が0.5〜1.5m2/gの電子伝導性の炭素材料であり、
前記セパレータは、合成樹脂を構成材料として含んで形成されており、かつ、90℃における熱収縮率が0.1〜3%であること、
を特徴とするリチウムイオン2次電池。A plate-like cathode having a porous anode active material layer including a porous anode active material layer including an anode active material opposed to each other, and a porous cathode active material layer including a cathode active material;
A plate-shaped separator that is disposed between the anode and the cathode and has an insulating property,
An electrolyte solution containing lithium ions,
A case for housing the anode, the cathode, the separator and the electrolyte solution in a sealed state,
Has,
Capacity is 1300-5000 mAh,
The anode active material is an electron conductive carbon material having a BET specific surface area of 0.5 to 1.5 m 2 / g,
The separator is formed including a synthetic resin as a constituent material, and has a heat shrinkage at 90 ° C. of 0.1 to 3%;
A lithium ion secondary battery characterized by the above-mentioned.
X線回折法により求められる前記炭素材料の層間距離d002が0.335〜0.338nm以下であり、かつ、
X線回折法により求められる前記炭素材料の結晶子の大きさLc002が30〜120nmであること、
を特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムイオン2次電池。The carbon material serving as the anode active material has a layered crystal structure similar to graphite,
An interlayer distance d 002 of the carbon material determined by an X-ray diffraction method is 0.335 to 0.338 nm or less, and
The crystallite size Lc 002 of the carbon material determined by X-ray diffraction is 30 to 120 nm,
The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003112098A JP2004319287A (en) | 2003-04-16 | 2003-04-16 | Lithium ion secondary battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003112098A JP2004319287A (en) | 2003-04-16 | 2003-04-16 | Lithium ion secondary battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004319287A true JP2004319287A (en) | 2004-11-11 |
Family
ID=33472456
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003112098A Pending JP2004319287A (en) | 2003-04-16 | 2003-04-16 | Lithium ion secondary battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004319287A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110546797A (en) * | 2017-04-28 | 2019-12-06 | 株式会社杰士汤浅国际 | Lead-acid battery |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10116604A (en) * | 1996-10-15 | 1998-05-06 | Nec Corp | Nonaqueous electrolyte secondary battery negative electrode and nonaqueous electrolyte secondary battery using it |
JPH11106534A (en) * | 1997-10-02 | 1999-04-20 | Nitto Denko Corp | Production of polyolefin porous membrane |
JP2000048794A (en) * | 1998-07-31 | 2000-02-18 | Nitto Denko Corp | Separator for cell, and non-aqueous electrolyte cell using it |
JP2000348703A (en) * | 1999-06-01 | 2000-12-15 | Ube Ind Ltd | Separator for battery and lithium battery using same |
JP2001135356A (en) * | 1999-11-05 | 2001-05-18 | Japan Storage Battery Co Ltd | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
JP2003103624A (en) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Tonen Chem Corp | Polyolefin microporous film and method for manufacturing the same |
-
2003
- 2003-04-16 JP JP2003112098A patent/JP2004319287A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10116604A (en) * | 1996-10-15 | 1998-05-06 | Nec Corp | Nonaqueous electrolyte secondary battery negative electrode and nonaqueous electrolyte secondary battery using it |
JPH11106534A (en) * | 1997-10-02 | 1999-04-20 | Nitto Denko Corp | Production of polyolefin porous membrane |
JP2000048794A (en) * | 1998-07-31 | 2000-02-18 | Nitto Denko Corp | Separator for cell, and non-aqueous electrolyte cell using it |
JP2000348703A (en) * | 1999-06-01 | 2000-12-15 | Ube Ind Ltd | Separator for battery and lithium battery using same |
JP2001135356A (en) * | 1999-11-05 | 2001-05-18 | Japan Storage Battery Co Ltd | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
JP2003103624A (en) * | 2001-09-28 | 2003-04-09 | Tonen Chem Corp | Polyolefin microporous film and method for manufacturing the same |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110546797A (en) * | 2017-04-28 | 2019-12-06 | 株式会社杰士汤浅国际 | Lead-acid battery |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8247100B2 (en) | Electrochemical device | |
JP4665931B2 (en) | Anode and lithium ion secondary battery | |
JP4665930B2 (en) | Anode and lithium ion secondary battery | |
US8088515B2 (en) | Electrode and lithium-ion secondary battery | |
JP4336372B2 (en) | Composite particle for electrode, method for producing the same, and electrochemical device | |
JP4109184B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP4283598B2 (en) | Non-aqueous electrolyte solution and lithium ion secondary battery | |
KR102103378B1 (en) | Battery Cell Comprising Electrode Lead Having Gas Adsorbent | |
JP2011175847A (en) | Outer package for electrochemical device, and electrochemical device | |
JP2005243455A (en) | Electrochemical device | |
JP4316951B2 (en) | Electrode and lithium ion secondary battery | |
JP5298815B2 (en) | Lithium ion secondary battery manufacturing method, electrolytic solution, and lithium ion secondary battery | |
JP5109441B2 (en) | Lithium ion secondary battery manufacturing method and lithium ion secondary battery | |
JP7003775B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP2008235252A (en) | Active substance particles for electrode, electrode, electrochemical device, and manufacturing method of electrode | |
JP6178183B2 (en) | Nonaqueous electrolyte battery, assembled battery and storage battery device | |
JP2005011762A (en) | Lithium ion secondary cell | |
JP4109168B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP4609353B2 (en) | Charging system | |
JP3795894B2 (en) | Power supply, charging device and charging system | |
JP4128100B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP2006269438A (en) | Lithium-ion secondary battery | |
JP2004319287A (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP4609352B2 (en) | Power supply | |
JP2011175848A (en) | Outer package for electrochemical device, and electrochemical device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050325 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20050729 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20050816 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050913 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051114 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051114 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060509 |