JP2004335132A

JP2004335132A - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP2004335132A
Application number: JP2003125140A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Ozaki; 義幸尾崎; Kazuhiro Ota; 和宏太田; Junichi Yamaura; 純一山浦; Takafumi Fujii; ▲隆▼文藤井
Original assignee: Matsushita Battery Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: JP4435498B2

Abstract

【課題】大電流のパルス充放電を長期にわたり繰り返した場合においても、容量劣化および内部抵抗の増加を最小限に抑え、非水二次電解液二次電池のサイクル寿命を向上させる。
【解決手段】正極板と、非水電解液と、負極板とを備え、正極合剤層が、リチウム含有複合酸化物を含み、両面の正極合剤層の合計厚みが、４０μｍ以上１００μｍ以下であり、電池容量１Ａｈ当たりの正極板の電極面積が、５２０ｃｍ^２以上８００ｃｍ^２以下であり、負極合剤層が、リチウムを吸蔵・放出し得る易黒鉛化性炭素材料を含み、ＣｕＫα線を用いて測定される易黒鉛化性炭素材料の広角Ｘ線回折パターンにおいて、（１０１）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１０１）と、（１００）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１００）との比が、０＜Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）＜１．０を満たす非水電解液二次電池。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解液二次電池、特に大電流によるパルス充放電サイクル寿命特性に優れた非水電解液二次電池の負極の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池は、高い作動電圧と高エネルギー密度を有することから、携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカムコーダーなどのポータブル電子機器の駆動用電源として実用化され、急速な成長を遂げており、小型二次電池をリードする電池として、生産量は増え続けている。
非水電解液二次電池の正極活物質としては、４Ｖ級の高電圧を有するリチウム含有複合酸化物が用いられており、六方晶構造を有するＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、スピネル構造を有するＬｉＭｎ_２Ｏ_４が一般的である。なかでも作動電圧が高く、高エネルギー密度が得られるＬｉＣｏＯ_２が主流を占めている。負極には、リチウムイオンを吸蔵・放出し得る炭素材料が用いられており、放電電位がフラットで高容量密度である黒鉛材料が主流を占めている。
【０００３】
近年、電力貯蔵や電気自動車などに用いられる大容量で大型の非水電解液二次電池の開発も加速してきている。環境問題の打開策として、ニッケル水素電池を搭載したハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、既に量産ベースで市販されるまでに至っている。一方、ニッケル水素電池の代わりに非水電解液二次電池を搭載したＨＥＶの開発も進められており、一部実用化されている。
【０００４】
ＨＥＶ用途のように、高出力仕様の電池は、要求される性能が、小型民生用途のものとは大きく異なっている。瞬時にエンジンのパワーアシストや回生を行うには、かなりの高出力が非水電解液二次電池に求められる。従って、電池の高エネルギー密度化よりも、むしろ高出力化が優先されることから、電池の内部抵抗を極力小さくする必要がある。そこで、活物質や電解液の開発および選定のみならず、電極の集電構造の改良、部品抵抗の低減、電極の薄型長尺化による電極反応面積の増加などにより、大幅な高出力化が図られている。
【０００５】
用途や要求性能が異なることから、小型民生用途で一般的に用いられているＬｉＣｏＯ_２からなる正極活物質と、黒鉛からなる負極活物質との組み合わせは、大型の非水電解液二次電池においては、必ずしも主流であるとはいえない。ＬｉＣｏＯ_２以外のリチウム含有複合酸化物からなる正極活物質と、難黒鉛化性炭素材料のような低結晶性の炭素材料からなる負極活物質との組み合わせも有望視されている。
【０００６】
上述のように、高出力仕様の非水電解液二次電池においては、高出力化が技術開発において重要なポイントとなるが、長寿命化も重要である。また、高出力仕様の非水電解液二次電池においては、充放電サイクル条件も、一般の小型民生用途の電池とは大きく異なる。つまり、放電状態から満充電状態まで連続的に充放電が行われるのではなく、５０％〜６０％の充電状態を基点として、秒単位のパルス充放電が繰り返される。高出力仕様の非水電解液二次電池には、小電流から大電流まで様々な電流によるパルス充電およびパルス放電を繰り返す能力が必要とされる。
【０００７】
しかしながら、このようなパルス充放電を長期にわたり繰り返した場合、電極活物質の充放電能力が低下し、容量劣化を引き起こし、電池の内部抵抗が増加する。その結果、例えばＨＥＶ用途では、パワーアシストや回生能力が不充分となり、実用的ではない。
【０００８】
なお、これまでに、非水電解液二次電池の負極において、小型民生用途で主流となっている黒鉛材料（特許文献１）、低結晶性である難黒鉛化性炭素材料（特許文献２）、黒鉛化度を制御した疑黒鉛材料（特許文献３）を用いることなどが提案されている。また、広角Ｘ線回折パターンにおいて、（１０１）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１０１）と、（１００）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１００）との比が、０．７≦Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）≦２．２を満たす炭素材料を用いることが提案されている（特許文献４）。ただし、この提案は、高出力仕様の非水電解液二次電池を想定したものではなく、負極および正極は、それぞれ１８０μｍおよび２７０μｍと厚く、電池容量１Ａｈ当たりの電極面積は１２５ｃｍ^２〜５００ｃｍ^２と小さいものである。
【０００９】
しかしながら、黒鉛材料の場合、六方晶層状構造がＣ軸方向に規則正しく配列されており、充電時には、黒鉛の層間にリチウムがインターカレートされ、層面間隔が押し広げられるため、黒鉛が膨張する。大電流パルス充電を繰り返す場合、リチウムのインターカレーション反応に伴うストレスは大きく、黒鉛の充電受け入れ性は、徐々に低下する。従って、黒鉛を負極に用いると、電池のサイクル劣化が大きくなる。
【００１０】
一方、難黒鉛化性炭素の充放電反応機構は、黒鉛の場合とは異なり、充電時に黒鉛の層間へのリチウムのインターカレートはほとんど起こらない。炭素材料の空隙にリチウムが挿入される反応が大半を占めており、充放電に伴う膨張・収縮といったストレスは少ない。しかしながら、難黒鉛化性炭素材料は、黒鉛材料に比べて導電性が低いことから、リチウムがデインターカレートする放電時の内部抵抗が大きくなる。この傾向は、特に大電流放電を繰り返す場合に顕著である。
【００１１】
また、疑黒鉛材料は、そのＬｃ値が６０ｎｍ以上１００ｎｍ未満であることから、比較的黒鉛化度の高い炭素材料である。従って、黒鉛を用いた場合とほぼ同様に、充電受け入れ性の低下が起こりやすい。
【００１２】
炭素材料の広角Ｘ線回折パターンにおけるＩ（１０１）／Ｉ（１００）比を制御する提案では、六方晶層状構造が発達した炭素材料が用いられている。この炭素材料は、単結晶に近い黒鉛構造を有する天然黒鉛に比べて、若干の層間のずれ、もしくはねじれを有する。Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）比は、０．８以上が好ましいと述べられており、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）比が１．０以上の場合に良好な特性が示されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開２０００−２６０４７９号
【特許文献２】
特開２０００−２００６２４号
【特許文献３】
特開２０００−２６０４８０号
【特許文献４】
特開平６−２７５３２１号
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、大電流のパルス充放電を長期にわたり繰り返した場合においても、容量劣化および内部抵抗の増加を最小限に抑えることによって、非水二次電解液二次電池のサイクル寿命を向上させることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、パルス充放電サイクル時の容量劣化および内部抵抗の増加は、主に負極板に含まれる炭素材料に起因することを見出し、リチウムのインターカレーション反応に伴うストレスを最小限に抑制するべく、炭素材料の種類および結晶性に関する検討を重ねた。そして、炭素材料の黒鉛化過程を厳密に制御すると同時に、電極設計を最適化した。
【００１６】
すなわち、本発明は、（ａ）正極芯材およびその両面に担持された正極合剤層からなる正極板と、（ｂ）非水電解液と、（ｃ）負極芯材およびその両面に担持された負極合剤層からなる負極板とを備えた非水電解液二次電池において、前記正極合剤層が、リチウム含有複合酸化物を含み、前記両面の正極合剤層の合計厚みが、４０μｍ以上１００μｍ以下であり、電池容量１Ａｈ当たりの前記正極板の電極面積が、５２０ｃｍ^２以上８００ｃｍ^２以下であり、前記負極合剤層が、リチウムを吸蔵・放出し得る易黒鉛化性炭素材料を含み、ＣｕＫα線を用いて測定される前記易黒鉛化性炭素材料の広角Ｘ線回折パターンにおいて、（１０１）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１０１）と、（１００）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１００）との比が、式（１）：
０＜Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）＜１．０
を満たす非水電解液二次電池に関する。
【００１７】
電池の満充電状態における負極板の容量密度は、１７０Ａｈ／ｋｇ以上２５０Ａｈ／ｋｇ以下であることが好ましい。
前記易黒鉛化性炭素材料のｃ軸方向の結晶子の厚みＬｃ（００４）は、２０ｎｍ以上６０ｎｍ未満であり、ａ軸方向の結晶子の厚みＬａ（１１０）が、Ｌｃ（００４）よりも小さい値であることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の非水電解液二次電池は、（ａ）正極芯材およびその両面に担持された正極合剤層からなる正極板と、（ｂ）非水電解液と、（ｃ）負極芯材およびその両面に担持された負極合剤層からなる負極板とを備えている。正極芯材、負極芯材および非水電解液には、公知のものを特に限定なく用いることができる。正極合剤層は、一般に、正極活物質、導電材および結着剤を含んでおり、負極合剤層は、一般に、負極活物質および結着剤を含んでいる。ここで、導電材や結着剤には、公知のものを特に限定なく用いることができる。
【００１９】
正極合剤層は、活物質として、リチウム含有複合酸化物を含んでいる。リチウム含有複合酸化物には、公知のものを特に限定なく用いることができるが、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、スピネル構造を有するＬｉＭｎ_２Ｏ_４などを例示することができる。また、サイクル寿命特性を向上させるために、複合酸化物に含まれる遷移金属の一部を、他の元素で置換することもできる。例えば、ＬｉＮｉＯ_２のＮｉ元素の一部をＣｏや他の元素（Ａｌ、Ｍｎなど）で置換した複合酸化物を好ましく用いることができる。また、正極製造時にはリチウムを含有しないが、その後のリチウムを含有させる処理によって、リチウム含有複合酸化物を形成する材料を用いることもできる。
【００２０】
正極芯材の両面に担持された２つの正極合剤層の合計厚みは、４０μｍ以上１００μｍ以下であり、電池容量１Ａｈ当たりの正極板の電極面積は、５２０ｃｍ^２以上８００ｃｍ^２以下である。ここで、電極面積とは、正確には、正極芯材に担持された正極合剤層の表面の片面あたりの面積を言う。また、厳密な面積ではなく、正極合剤層の表面が完全に平坦であると仮定した場合の面積を言う。それぞれ複数の正極板および負極板を具備する電池（例えば積層型電池）の場合には、正極合剤層の表面の片面あたりの面積に正極板の数を乗じた値が電極面積となる。
なお、正極板および負極板の電池容量１Ａｈ当たりの電極面積は、電極合剤層の厚みと連動して変化する。
【００２１】
電池の高出力化を図るためには、内部抵抗の削減が重要である。内部抵抗を削減するには、可能な限り電極反応面積を大きくすることが望ましい。また、電極芯材と電極合剤層の表面との距離を可能な限り短くする、つまり電極合剤層の厚みを小さくすることが望ましい。このような電極構成を採用した上で、後述の易黒鉛化性炭素材料を負極合剤層に用いることにより、大電流パルス充放電サイクル特性を満足することが可能となる。すなわち、大電流パルス充放電サイクル特性を満足するには、負極の黒鉛化度の制御と、好適な電極設計との組み合わせが重要となる。
【００２２】
正極合剤層の厚みが４０μｍ未満では、電極面積当たりの電流密度は小さくなるが、電極面積当たりに担持される活物質量が減少するため、活物質重量当たりの電流密度が大きくなる。結果として、正極合剤層の厚みが４０μｍ未満では、高出力仕様の電極に適さない。逆に、正極合剤層の厚みが１００μｍをこえると、電池の内部抵抗が大きくなると共に、負極板に用いる炭素材料の選定にかかわらず、大電流パルスでの充放電サイクルに適合しなくなる。正極合剤層の特に好ましい厚みは４０μｍ以上７０μｍ以下である。また、正極合剤層の厚みに合わせて、負極合剤層の厚みを６０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。
【００２３】
電池容量１Ａｈ当たりの正極板の電極面積が５２０ｃｍ^２未満では、高出力化を達成することが困難である。一方、電池容量１Ａｈ当たりの正極板の電極面積が８００ｃｍ^２をこえると、正極合剤層の厚みが、かなり薄くなることから、高出力仕様に適さない。また、極度に薄型長尺の電極を作製すると、電池の生産性が低下する。
【００２４】
負極合剤層は、リチウムを吸蔵・放出し得る易黒鉛化性炭素材料を含んでいる。易黒鉛化性炭素材料とは、黒鉛化過程の途上にある炭素材料であって、部分的に六方晶の規則的配列を有し、充電時にはリチウムをインターカレートした層間化合物を生成する。一方、コークスなどの乱層構造を有する炭素材料では、六方晶の規則的配列は認められず、リチウムのインターカレートによる層間化合物を生成することもない。このような乱層構造を有する炭素材料の場合、その空隙や乱層構造部分にリチウムが格納もしくは吸着される。
【００２５】
易黒鉛化性炭素材料の同定には、広角Ｘ線回折法が有効である。ＣｕＫα線を用いて炭素材料のＸ線回折パターンを測定すると、２θ＝４２°付近にピークが観測される。乱層構造炭素の場合、このピークは２次元の（１００）面に帰属され、非常にブロードである。黒鉛の層状構造の発達に伴い、２θ＝４２°とは別に、２θ＝４４°付近にもブロードなピークが観測されるようになる。このピークは（１０１）面に帰属される。（１０１）面に帰属されるピークの出現により、３次元的な黒鉛構造の発達が示唆される。また、２θ＝４２°付近のピークは、３次元構造を示唆する（１００）回折ピークとして観測されるようになる。
【００２６】
本発明においては、ＣｕＫα線を用いて測定される易黒鉛化性炭素材料の広角Ｘ線回折パターンにおいて、（１０１）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１０１）と、（１００）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１００）との比が、式（１）：
０＜Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）＜１．０
を満たす必要がある。
【００２７】
（１０１）面に帰属されるピークが認められない場合、つまりＩ（１０１）／Ｉ（１００）＝０では、黒鉛構造は認められないに等しい。このような炭素材料を用いると、負極板の導電性が低くなり、特に大電流パルス放電時の導電性の不足が顕著となる。一方、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値が１．０以上の場合、炭素材料は、黒鉛化過程の途上にあるというより、むしろ黒鉛の状態に近く、大電流パルス充電サイクル時の充電受け入れ性が低下しやすい。Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値のより好ましい範囲は、０．８以下であり、特に好ましくは０．７未満である。また、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値は、０．５以上がより好ましく、特に好ましくは０．６以上である。
【００２８】
一般に、黒鉛化度を表す尺度としては、（００２）面の面間隔（ｄ００２）の値を用いることが多い。しかしながら、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値が１．０未満の範囲では、（ｄ００２）の値は、いずれも約０．３４０ｎｍ程度であり、判別が困難である。
【００２９】
本発明で用いる易黒鉛化性炭素材料は、黒鉛化過程の途上にあるため、黒鉛の層状構造が十分に発達しておらず、インターカレートされ得るリチウム量は黒鉛に比べ少なくなる。また、難黒鉛化性炭素のように空隙部分に格納されるリチウム量もほとんど存在しない。易黒鉛化性炭素材料が可逆的に充放電し得る容量密度は限られている。
【００３０】
従って、満充電時における負極板の容量密度が２５０Ａｈ／ｋｇをこえると、負極板の可逆容量密度をこえる可能性があり、充放電サイクルを経過すると、負極板の表面に金属リチウムが析出するなどの不具合を生じる可能性がある。一方、満充電時における負極板の容量密度が１７０Ａｈ／ｋｇ未満では、電池容量が極度に低下すると共に、電池電圧も低下してしまう。以上を鑑みると、電池の満充電時における負極板の容量密度は、１７０Ａｈ／ｋｇ以上２５０Ａｈ／ｋｇ以下、さらには２００Ａｈ／ｋｇ以上２３０Ａｈ／ｋｇ以下とすることが好ましい。なお、負極板の容量密度は、電池容量を、正極と対向し得る負極合剤層部分に含まれる炭素材料の重量で除することによって算出される。
【００３１】
炭素材料は、その黒鉛化過程において、ｃ軸方向の結晶子Ｌｃの発達から始まり、ある程度Ｌｃが成長した段階で、ａ軸方向の結晶子Ｌａも成長を始める。その後、黒鉛化が進むと、Ｌａの方がＬｃよりも大きな値となるのが一般的である。
本発明で用いる易黒鉛化性炭素材料のｃ軸方向の結晶子の厚みＬｃ（００４）は、２０ｎｍ以上６０ｎｍ未満であることが好ましい。Ｌｃ（００４）が２０ｎｍ未満では、黒鉛構造の発達が不十分であり、本発明の効果が得られない。一方、Ｌｃ（００４）が６０ｎｍ以上では、黒鉛構造が発達しすぎていることから、充電受け入れ性が低下する。
【００３２】
また、ａ軸方向の結晶子の厚みＬａ（１１０）が、Ｌｃ（００４）よりも小さい値であることが好ましい。Ｌａ（１１０）が、Ｌｃ（００４）以上に大きくなると、やはり黒鉛構造が発達しすぎていることから、充電受け入れ性が低下する。
【００３３】
ここで、ＬｃおよびＬａは、いずれもＸ線回折パターンに観測されるピークの半価幅の関数で表すことができる。一般に学振法として知られている方法が汎用的である。この方法では、高純度ケイ素粉末を内部標準物質として炭素粉末に混合し、混合物のＸ線回折パターンを測定する。得られた回折パターンにおいて認められる炭素とケイ素の両者のピークの半価幅の値から、結晶子の厚みを算出することができる。Ｌｃについては、（００４）面に帰属されるピークから求め、Ｌａについては、（１１０）面に帰属されるピークから求めることが望ましい。
【００３４】
易黒鉛化性炭素材料の前駆体には、上記のような物性を有する炭素材料を与え得る原料を、特に限定なく用いることができる。また、原料を易黒鉛化性炭素材料に変化させる方法も、特に限定されるものではない。
易黒鉛化性炭素材料は、例えば、異方性ピッチを原料とするコークス類やメソフェーズ小球体を、熱処理することにより得ることができる。また、メソフェーズピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維などを易黒鉛化性炭素材料として用いることも可能である。なかでも球状もしくは塊状粒子で、粒子端面に結晶子が露出しやすい炭素材料や、放射状の構造を有する炭素繊維などが高出力を得る上で好ましい。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
（イ）正極板
正極活物質には、組成式ＬｉＮｉ_０．７Ｃｏ_０．２Ａｌ_０．１Ｏ_２で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。この複合酸化物は、以下の要領で調製した。
ＮｉＳＯ_４水溶液に、所定比率のＣｏおよびＡｌの硫酸塩を加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液を撹拌しながら水酸化ナトリウムを溶解したアルカリ水溶液をゆっくりと滴下し、溶液を中和することによって、３元系水酸化物Ｎｉ_０．７Ｃｏ_０．２Ａｌ_０．１（ＯＨ）_２の沈殿を共沈法により生成させた。この沈殿物を、ろ過、水洗し、８０℃で乾燥した。得られた水酸化物は、平均粒径約１０μｍであった。
【００３６】
次いで、得られた水酸化物に、Ｎｉ、ＣｏおよびＡｌの合計原子数とＬｉの原子数が等量になるように、水酸化リチウム１水和物を加え、乾燥空気中８００℃で１０時間の熱処理を行うことにより、目的とするＬｉＮｉ_０．７Ｃｏ_０．２Ａｌ_０．１Ｏ_２を得た。粉末Ｘ線回折法によれば、得られたリチウムニッケル複合酸化物は、単一相の六方晶層状構造であった。また、リチウムニッケル複合酸化物には、ＣｏおよびＡｌが固溶していることを確認した。このリチウムニッケル複合酸化物を粉砕し、分級して、正極活物質として用いた。
【００３７】
正極活物質１００重量部に、導電材としてアセチレンブラックを３重量部加え、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を溶解した溶液を加えて、混合し、正極合剤ペーストを得た。用いたＰＶｄＦ量は、正極活物質１００重量部あたり、４重量部とした。次いで、正極合剤ペーストを、正極芯材であるアルミニウム箔の両面に塗工し、乾燥後、圧延して、厚み０．０７５ｍｍ、正極合剤層幅４１ｍｍ、長さ２８００ｍｍの正極板とした。正極芯材の両面の正極合剤層の合計厚みは５５μｍであり、正極板の電極面積は１１４８ｃｍ^２であった。
【００３８】
（ロ）負極板
異方性ピッチの熱処理過程で生成した塊状のコークスに、アルゴン雰囲気下で１９００℃で熱処理を施すことにより、目的とする平均粒径約１０μｍの易黒鉛化性炭素材料を得た。粉末Ｘ線回折法により得られた（００２）面の面間隔（ｄ００２）は、０．３４０ｎｍであった。また、Ｌｃ（００４）は３０ｎｍ、Ｌａ（１１０）は２５ｎｍであった。（ｄ００２）、Ｌｃ（００４）およびＬａ（１１０）は、高純度ケイ素粉末を内部標準物質とする学振法として知られている方法により算出した。
【００３９】
ＣｕＫα線を用いて測定された易黒鉛化性炭素材料の広角Ｘ線回折パターンにおいて、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値は、０．６５であった。このピーク強度比は、十分にバックグラウンドを除去した後に求めた。
ここで得られた、２θが４０°〜５０°の範囲におけるＸ線回折パターンを図１（ａ）に示す。４２°付近に（１００）面に帰属されるピークが認められ、４４°付近に（１０１）面に帰属されるピークが僅かながら認められる。
【００４０】
易黒鉛化性炭素材料１００重量部に、ＮＭＰに結着剤としてＰＶｄＦを溶解した溶液を加えて、混合し、負極合剤ペーストを得た。用いたＰＶｄＦ量は、易黒鉛化性炭素材料１００重量部あたり、８重量部とした。次いで、負極合剤ペーストを、負極芯材である銅箔の両面に塗工し、乾燥後、圧延して、厚み０．１１ｍｍ、負極合剤層幅４６ｍｍ、長さ２９１０ｍｍの負極板とした。負極芯材の両面の負極合剤層の合計厚みは９５μｍであった。
【００４１】
（ハ）電池の組み立て
正極板と負極板とを、厚み０．０２７ｍｍ、幅５０ｍｍのポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータを介して、渦巻状に捲回し、円筒形の極板群を構成した。この極板群を、直径３２ｍｍ、高さ６１．５ｍｍの電池ケースに収納した。ここでは、満充電状態における負極板の容量密度が２００Ａｈ／ｋｇとなるように、電池の容量を設計した。
非水電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを３：４：３の体積比で混合した溶媒に、溶質として１モル／Ｌの六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を溶解したものを用いた。
非水電解液を注液して電極群に含浸させた後、電池ケースを封口し、実施例１の電池を完成した。
【００４２】
《比較例１》
原料である等方性ピッチに熱処理を施して、難黒鉛化性炭素を得た。負極板において、易黒鉛化性炭素材料の変わりに、前記難黒鉛化性炭素を用いたこと以外、実施例１の電池と同じ条件で電池を作製し、比較例１の電池とした。なお、粉末Ｘ線回折法により得られた（００２）面の面間隔（ｄ００２）は、０．３７０ｎｍであった。難黒鉛化性炭素は、乱層構造を有することから、Ｌｃ（００４）およびＬａ（１１０）の測定は不可能であった。
ＣｕＫα線を用いて測定された難黒鉛化性炭素の広角Ｘ線回折パターンにおいては、４２°〜４４°付近にかけてブロードな回折像が見られるのみであり、完全に乱層構造であった。ここで得られた、２θが４０°〜５０°の範囲におけるＸ線回折パターンを図１（ｂ）に示す。
【００４３】
《比較例２》
塊状コークスに、アルゴン雰囲気下で２８００℃で熱処理を施し、黒鉛化した炭素材料を得た。この黒鉛化した炭素材料を用いたこと以外、実施例１の電池と同じ条件で電池を作製し、比較例２の電池とした。なお、粉末Ｘ線回折法により得られた（００２）面の面間隔（ｄ００２）は、０．３３５ｎｍであり、Ｌｃ（００４）は１００ｎｍ、Ｌａ（１１０）は１５０ｎｍ以上であった。
また、ＣｕＫα線を用いて測定された広角Ｘ線回折パターンにおいて、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値は、１．９８と大きく、黒鉛の六方晶構造が３次元状に発達していることが示された。ここで得られた、２θが４０°〜５０°の範囲におけるＸ線回折パターンを図１（ｃ）に示す。
【００４４】
実施例１、比較例１および比較例２の電池の充放電を、それぞれ２５℃環境下において、４００ｍＡの定電流、充電上限電圧４．２Ｖ、放電下限電圧２．５Ｖの条件下で、３サイクル繰り返した。容量は、いずれの電池も１．８Ａｈ〜２．０Ａｈの範囲内であった。これらの電池の直流内部抵抗（ＤＣ−ＩＲ）を測定するために、以下の手順に従い電流―電圧特性試験を行った。
【００４５】
まず、２５℃環境下において、各電池を６０％の充電状態（ＳＯＣ）となるように定電流で充電した。
次いで、図２に示されるような放電パルスと充電パルスを繰り返し、各放電パルス印可後の１０秒目の電圧を測定し、電流値に対してプロットした。
次いで、図３に示されるように、各プロットに最小二乗法を適用して、近似直線を求め、近似直線の傾きの値を、直流内部抵抗（ＤＣ−ＩＲ）とした。
実施例１の電池のＤＣ−ＩＲは１０．８ｍΩであった。
その後、ＤＣ−ＩＲ測定後の電池について、以下の２種類のパルスサイクル寿命特性試験を行った。
【００４６】
（１）高負荷充電パルスサイクル寿命特性試験
図４に示されるように、最大４Ｃの放電パルスを含むＡパターンを９回繰り返した後に、最大１２Ｃの充電パルスを含むＢパターンを３回繰り返すことにより、電池のＳＯＣが理論上４５％〜６０％で変化するように制御した。この１サイクル３９０秒間のパルス波形に従い、４０℃環境下においてサイクル試験を実施した。
【００４７】
（２）高負荷放電パルスサイクル寿命特性試験
図５に示されるように、最大１２Ｃの放電パルスを含むＢパターンを３回繰り返した後に、最大４Ｃの充電パルスを含むＡパターンを９回繰り返すことにより、電池のＳＯＣが理論上４５％〜６０％で変化するように制御した。この１サイクル３９０秒間のパルス波形に従い、４０℃環境下においてサイクル試験を実施した。
【００４８】
実施例１、比較例１および比較例２の電池を、それぞれ１セルずつ用い、上記２種類のパルスサイクル寿命特性試験を実施した。３０００サイクル経過毎に、電池を２５℃環境下に戻し、充放電容量の測定と、ＤＣ−ＩＲの測定を行った。サイクルに伴う容量維持率（初期値に対する容量の割合）とＤＣ−ＩＲ増加率（初期値に対する増加割合）の関係を図６および図７に示した。
【００４９】
図６は、高負荷充電パルスサイクル寿命特性を示している。
実施例１（Ｅｘ．１）の電池は、３００００サイクル経過後においても容量劣化は少なく、ＤＣ−ＩＲ増加率も１０％程度であり、高出力が維持されている。比較例１（Ｃｏｍ．Ｅｘ．１）の電池についても容量維持率は高く、ＤＣ−ＩＲ増加率も１５％程度と比較的小さく抑えられている。一方、比較例２（Ｃｏｍ．Ｅｘ．２）の電池では、サイクルに伴う容量劣化が顕著であり、ＤＣ−ＩＲ増加率も大きく、出力低下が著しい。これは、負極板に黒鉛化度の高い炭素材料を用いていることから、高負荷の充電パルスに対する充電受け入れ性が不十分であることに起因するものと考えられる。
【００５０】
図７は、高負荷放電パルスサイクル寿命特性を示している。
実施例１の電池は、高負荷充電パルスサイクル寿命特性と同様に、良好なサイクル特性を示している。しかしながら、比較例１の電池では、高負荷充電パルスサイクル寿命特性の結果とは異なり、容量劣化が大きく、特にＤＣ−ＩＲの増加、つまり出力低下が著しい。これは、負極板に難黒鉛化性炭素材料を用いていることから、負極板の導電性が低く、高負荷な放電パルスに十分には対応できないことに起因するものと考えられる。一方、黒鉛化度の高い炭素材料を用いた比較例２の電池では、負極板が高導電性を有することから、高負荷な放電パルスに対する追従性が良好であり、サイクル特性も比較的良好である。
【００５１】
これらの結果から、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）が０．６５である易黒鉛化性炭素材料を用いた実施例１の電池は、高負荷な充電パルスと、放電パルスの双方に対する耐性が強いことがわかる。従って、本発明の電池を、例えばＨＥＶ用として用いた場合、あらゆる走行モードに対応して、優れたサイクル寿命が得られることがわかる。
【００５２】
一方、難黒鉛化性炭素材料を用いた比較例１の電池、および黒鉛化度の高い炭素材料を用いた比較例２の電池の場合、パルスの負荷パターンによっては、大きな劣化を引き起こすことから、例えばＨＥＶ用としては、十分な特性を得ることは困難である。
【００５３】
《実施例２》
正極活物質には、組成式ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。この複合酸化物は、以下の要領で調製した。
ＮｉＳＯ_４水溶液に、所定比率のＣｏおよびＭｎの硫酸塩を加え、飽和水溶液を調製した。この飽和水溶液を攪拌しながら水酸化ナトリウムを溶解したアルカリ水溶液をゆっくりと滴下し、溶液を中和することによって、３元系水酸化物Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１（ＯＨ）_２の沈殿を共沈法により生成させた。この沈殿物を、ろ過、水洗し、８０℃で乾燥した。
【００５４】
次いで、得られた水酸化物に、Ｎｉ、ＣｏおよびＭｎの合計原子数とＬｉの原子数とが等量になるように、水酸化リチウム１水和物を加え、乾燥空気中８５０℃で１０時間の熱処理を行うことにより、目的とするＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２を得た。粉末Ｘ線回折法によれば、得られたリチウムニッケル複合酸化物は、単一相の六方晶層状構造であった。また、リチウムニッケル複合酸化物には、ＣｏおよびＭｎが固溶していることを確認した。このリチウムニッケル複合酸化物を粉砕し、分級して、正極活物質として用いた。
この正極活物質を用いたこと以外、実施例１の電池と同じ条件で正極板を作製した。
【００５５】
負極板に用いる炭素材料として、表１に示すような黒鉛化度の異なる９種類の材料を準備した。これらの炭素材料を用いたこと以外、実施例１の電池と同じ条件で、負極板を作製した。また、実施例１の電池と同じ条件で、それぞれ電池Ａ〜電池Ｉを作製した。負極板に用いた炭素材料の物性値を表１に示す。
【００５６】
【表１】

【００５７】
電池Ａ〜電池Ｉに対し、実施例１と同様の高負荷充電パルスサイクル寿命試験および高負荷放電パルスサイクル寿命試験を実施した。各電池の３００００サイクル後の容量維持率ならびにＤＣ−ＩＲ増加率を表２に示す。
【００５８】
【表２】

【００５９】
表２より電池Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇが双方のパルスサイクル寿命特性において良好であり、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値が０．９５以下の範囲にある炭素材料を負極に使用した場合に、パルスサイクル寿命特性の向上が認められる。
電池Ａの負極板に用いた炭素材料には、（１０１）面に帰属されるピークが認められなかった。このことから、電池Ａの炭素材料には、黒鉛層状構造が形成されておらず、導電性が低いと考えられる。従って、特に高負荷放電パルスサイクル寿命特性劣化が顕著である。一方、比較的黒鉛化度の高い電池Ｈおよび電池Ｉでは、充電受け入れ性が悪くなり、高負荷充電パルス寿命特性を満足できない傾向にある。表１、２より、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値は、１．０未満であることを要し、０．８以下であることが好ましく、０．７以下であることが特に好ましいことがわかる。
【００６０】
電池Ｄは、Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）値が０．７３であるが、高負荷充電パルスサイクル寿命特性がやや劣る結果となった。電池Ｄに用いた炭素材料では、Ｌｃ（００４）よりもＬａ（１１０）の方が大きな値となっていることから、ａ軸方向の結晶子の発達が進み過ぎて、充電受け入れ性が劣ったものと考えられる。従って、負極板に用いる炭素材料は、Ｌｃ（００４）よりもＬａ（１１０）の方が小さい値であることが望まれる。
【００６１】
《実施例３》
正極活物質には、実施例１と同様のＬｉＮｉ_０．７Ｃｏ_０．２Ａｌ_０．１Ｏ_２を用い、負極板の炭素材料にも、実施例１と同様の、塊状コークスを１９００℃で熱処理して得られた易黒鉛化性炭素（Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）＝０．６５）を用いた。
ただし、表３に示すように、正極板において、合剤層厚み（正極芯材の両面に担持されている正極合剤層の合計厚み）、合剤密度および極板長さを変化させた。
正極板を上記のように変更するとともに、負極板の厚さと長さを正極板に対応させて変更したこと以外、実施例１と同様の条件で、電池Ｊ〜電池Ｐを作製した。
ここでは、いずれの電池も、満充電状態の負極容量密度が１９０Ａｈ／ｋｇ〜２１０Ａｈ／ｋｇの範囲内に収まるように設計した。
【００６２】
【表３】

【００６３】
電池Ｊ〜電池Ｐに対し、実施例１と同様の高負荷充電パルスサイクル寿命試験を実施した。各電池の３００００サイクル後の容量維持率ならびにＤＣ−ＩＲ増加率を表４に示す。
【００６４】
【表４】

【００６５】
表４より、電池Ｋ、Ｌ、ＭおよびＮが、良好なパルス寿命特性を示すことがわかる。この結果から、正極板の両面に担持されている正極合剤層の合計厚みは、４０μｍ〜１００μｍの範囲である必要があり、そのときの電池容量１Ａｈ当たりの正極板の電極面積は５２０ｃｍ^２〜８００ｃｍ^２の範囲内である必要があることがわかる。
【００６６】
電池Ｎと電池Ｏの正極板の合剤層厚みおよび長さは同一であるが、電池Ｎの正極板は、合剤密度が小さく設計されている。そのため、電池Ｎの電池容量は小さくなり、電池容量当たりの正極板の電極面積は、電池Ｏに比べて電池Ｎの方が大きくなっている。電池容量当たりの正極板の電極面積が小さい電池Ｏでは、良好なパルスサイクル寿命特性が得られていない。従って、電池容量を考慮すると、正極板の合剤層厚みは４０μｍ〜７０μｍの範囲がより好ましいと言える。
【００６７】
《実施例４》
正極板には、実施例１と同様のＬｉＮｉ_０．７Ｃｏ_０．２Ａｌ_０．１Ｏ_２を用い、負極板の炭素材料にも、実施例１と同様の、塊状コークスを１９００℃で熱処理して得られた易黒鉛化性炭素（Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）＝０．６５）を用いた。
ただし、正極板の合剤密度および合剤層厚みを一定とする一方で、負極板の厚みを変化させることによって、満充電時の負極容量密度を変化させた。
満充電時における負極容量密度を表５に示すように変化させたこと以外、実施例１と同様の条件で、電池Ｑ〜電池Ｖを作製した。
電池Ｑ〜電池Ｖに対して、実施例１と同様の高負荷充電パルスサイクル寿命試験を実施した。各電池の３００００サイクル後の容量維持率ならびにＤＣ−ＩＲ増加率を表５に示す。
【００６８】
【表５】

【００６９】
表５において、電池Ｒ〜電池Ｕまでは、比較的良好なパルスサイクル寿命特性を示しており、満充電時の負極容量密度を１７０Ａｈ／ｋｇ以上２５０Ａｈ／ｋｇ以下に設計することが好ましいことがわかる。一方、満充電時の負極容量密度を２７０Ａｈ／ｋｇとした電池Ｖでは、容量劣化およびＤＣ−ＩＲ増加率が共に著しく大きくなる結果となった。これは、満充電時の負極容量密度が、負極板の炭素材料が可逆的に充放電し得る容量密度をこえたことにより、高負荷充電時の充電受け入れ性が不十分となることに起因すると考えられる。
【００７０】
一方、満充電時の負極容量密度が１５０Ａｈ／ｋｇという低負荷設計の電池Ｑでは、充電時に黒鉛層間にほとんどリチウムがインターカレートされておらず、不可逆な反応領域での充放電反応のみが進行することから、負極側の劣化が顕著となるものと考えられる。
これらの結果から、負極板に用いる炭素材料の物性値を規制するだけでなく、電池設計を好適化することが重要であることがわかる。また、炭素材料の物性値と電池設計の組み合わせを最適化することにより、サイクル寿命の優れた電池が得られることがわかる。
【００７１】
なお、上記実施例および比較例では、正極活物質としてリチウムニッケル複合酸化物を用いたが、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物など、どのようなリチウム含有複合酸化物でも使用可能であり、正極製造時にはリチウムを含有しないが、その後のリチウムを含有させる処理によって、リチウム含有複合酸化物を形成する材料を用いることもできる。
【００７２】
また、上記実施例および比較例では、非水電解液の溶媒に、ＥＣ、ＤＭＣおよびＥＭＣの混合溶媒を使用したが、ジエチルカーボネート、ブチレンカーボネート、メチルプロピオネートなど、従来より公知のどのような溶媒を用いてもよい。４Ｖ級の耐酸化還元電位を有する溶媒であれば、どのような溶媒でも、単独あるいは混合溶媒として使用可能である。また、溶質についても、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４など、従来より公知のどのような溶質でも使用可能である。
【００７３】
上記実施例および比較例では、捲回型の円筒形電池を用いて説明したが、電池形状は、角形でも薄型でもよく、また、積層型でも捲回型でも同様の効果が得られると考えられる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、大電流のパルス充放電を長期にわたり繰り返した場合においても、容量劣化および内部抵抗の増加を最小限に抑えることが可能であり、サイクル寿命に優れた非水二次電解液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】実施例１、比較例１および比較例２の負極板に用いられている炭素材料のＸ線回折パターンである。
【図２】電流―電圧特性試験において繰り返されるパルスのパターンを示す図である。
【図３】電池の直流内部抵抗の算出方法を示す図である。
【図４】高負荷充電パルスサイクル寿命特性試験におけるパルスのパターンを示す図である。
【図５】高負荷放電パルスサイクル寿命特性試験におけるパルスのパターンを示す図である。
【図６】実施例１、比較例１および比較例２の電池の高負荷充電パルスサイクル寿命特性を示す図である。
【図７】実施例１、比較例１および比較例２の電池の高負荷放電パルスサイクル寿命特性を示す図である。

Claims

（ａ）正極芯材およびその両面に担持された正極合剤層からなる正極板と、（ｂ）非水電解液と、（ｃ）負極芯材およびその両面に担持された負極合剤層からなる負極板とを備えた非水電解液二次電池において、
前記正極合剤層が、リチウム含有複合酸化物を含み、前記両面の正極合剤層の合計厚みが、４０μｍ以上１００μｍ以下であり、電池容量１Ａｈ当たりの前記正極板の電極面積が、５２０ｃｍ^２以上８００ｃｍ^２以下であり、
前記負極合剤層が、リチウムを吸蔵・放出し得る易黒鉛化性炭素材料を含み、ＣｕＫα線を用いて測定される前記易黒鉛化性炭素材料の広角Ｘ線回折パターンにおいて、（１０１）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１０１）と、（１００）面に帰属されるピークの強度Ｉ（１００）との比が、式（１）：
０＜Ｉ（１０１）／Ｉ（１００）＜１．０
を満たす非水電解液二次電池。
電池の満充電状態における負極板の容量密度が１７０Ａｈ／ｋｇ以上２５０Ａｈ／ｋｇ以下である請求項１記載の非水電解液二次電池。
前記易黒鉛化性炭素材料のｃ軸方向の結晶子の厚みＬｃ（００４）が、２０ｎｍ以上６０ｎｍ未満であり、ａ軸方向の結晶子の厚みＬａ（１１０）が、Ｌｃ（００４）よりも小さい値である請求項１または２記載の非水電解液二次電池。