JP2007087801A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は充放電可能な二次電池に関するもので、特に大型のリチウムイオン二次電池に関するものである。 The present invention relates to a chargeable / dischargeable secondary battery, and more particularly to a large lithium ion secondary battery.
正極に金属酸化物、電解質には有機電解液、負極に黒鉛などの炭素材料を用いるリチウムイオン二次電池は、1991年に初めて製品化され、それ以来、そのエネルギー密度の高さから小型、軽量化が進むビデオカメラ、携帯電話、ノート型パソコン、ミニディスクなどの携帯用電子機器向けに急速に普及してきた。 A lithium ion secondary battery using a metal oxide for the positive electrode, an organic electrolyte for the electrolyte, and a carbon material such as graphite for the negative electrode was first commercialized in 1991. Since then, its high energy density makes it compact and lightweight. It has rapidly become popular for portable electronic devices such as video cameras, mobile phones, notebook computers, and minidiscs.
これら携帯用電子機器の電源であるリチウムイオン二次電池の多くは、電極活物質を含有する合材を有孔金属板や金属箔からなる集電体に塗布もしくは圧着した厚さ200〜300μmのフィルム状電極を、セパレータと共に捲回あるいは積層し、更に、この捲回あるいは積層したフィルム状電極を、円筒型や角型の外装材に封入したものである。これら電池の電極は薄いため、電極面積が大きくすることができ、高レート充放電を可能としている。 Many of the lithium ion secondary batteries that are power sources of these portable electronic devices have a thickness of 200 to 300 μm obtained by applying or pressing a composite material containing an electrode active material to a current collector made of a perforated metal plate or metal foil. A film-like electrode is wound or laminated together with a separator, and the wound or laminated film-like electrode is sealed in a cylindrical or square exterior material. Since the electrodes of these batteries are thin, the electrode area can be increased, and high rate charge / discharge is possible.
又、リチウムイオン二次電池の外装材としては、さらなる電池の薄型化・軽量化を達成するために、金属缶よりもラミネートフィルムの方が好適に用いられる。ラミネートフィルムは、アルミニウム箔等の金属箔の一方の面に熱溶融性樹脂フィルムによる被覆を施し、もう一方の面は樹脂フィルム被覆により絶縁化・保護したものが通常用いられる。 In addition, as an exterior material for a lithium ion secondary battery, a laminate film is preferably used rather than a metal can in order to achieve further reduction in thickness and weight of the battery. As the laminate film, one surface of a metal foil such as an aluminum foil is usually coated with a hot-melt resin film, and the other surface is insulated and protected by resin film coating.
又、リチウムイオン二次電池の電解質として、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート、或いは、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステルや、これら2種以上を混合した有機溶媒に、Li塩を溶解した非水電解液が使用されている。特に低温環境下におけるリチウムイオンの移動を円滑に行うために、環状カーボネートに鎖状カーボネートを混合して用いるのが一般的である。 As electrolytes for lithium ion secondary batteries, chain carbonates such as diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and dimethyl carbonate, cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate, or cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone Alternatively, a nonaqueous electrolytic solution in which a Li salt is dissolved in an organic solvent in which two or more of these are mixed is used. In particular, in order to smoothly move lithium ions in a low temperature environment, it is common to use a chain carbonate mixed with a cyclic carbonate.
このようなリチウムイオン二次電池のうち、角型電池は円筒型電池よりも、機器に実装した場合に空間が無駄なく利用でき、また、組電池として電源に利用することも容易である。又、この角型電池の場合、電池内部の体積に対する電極群の充填率を高くしようとすると、短冊形電極の積層構造の方が捲回構造よりも有利である。 Among such lithium ion secondary batteries, a square battery can be used more efficiently when mounted on a device than a cylindrical battery, and can also be easily used as a battery as a battery pack. In the case of this rectangular battery, the stacked structure of strip electrodes is more advantageous than the wound structure in order to increase the filling rate of the electrode group with respect to the volume inside the battery.
又、積層式の角型電池の場合、電気容量を高くすると、多数の正極と負極の位置を正確に合わせて積層する技術が必要となる。それに対して、電極の厚さを厚くすると、そのような多数の正極と負極の位置を合わせる必要はなくなるが、新たに、充放電中に電極活物質が脱落し、電池の容量が低下するなどの問題が生じる。そこで、そのような問題に対して、例えば、従来技術として、アルミニウム繊維からなる多孔質シートを正極の芯材に使用する技術(特許文献1参照)や、金属多孔体に負極活物質を保持させた電極の技術(特許文献2参照)などが提案されている。 In the case of a stacked type square battery, when the electric capacity is increased, a technique for stacking a plurality of positive electrodes and negative electrodes accurately aligned is required. On the other hand, when the thickness of the electrode is increased, there is no need to align the positions of such a large number of positive electrodes and negative electrodes, but the electrode active material falls off during charging / discharging, and the capacity of the battery decreases. Problem arises. Therefore, for such problems, for example, as a conventional technique, a technique of using a porous sheet made of aluminum fibers as a core material of a positive electrode (see Patent Document 1), or holding a negative electrode active material in a metal porous body An electrode technology (see Patent Document 2) has been proposed.
又、これまでに正極に用いられてきたコバルト(Co)を含むコバルト酸リチウム(LiCoO2)は、Coが鉄(Fe)やマンガン(Mn)と比較して埋蔵量が少なく、使用し続けるには問題がある。その問題に対して、近年、低環境負荷、超低コスト正極材料として、鉄を主成分とした正極材料が注目されている。例えば、従来技術として、オリビン型LiFePO4の活物質に、それより酸化還元電位の貴な導電性物質を混合することで正極の電子伝導性改善を図る技術(特許文献3参照)や、オリビン型LiFePO4の一部をフッ素で置換することにより正極活物質の電気抵抗を低減させ導電性を高める技術(特許文献4参照)などが提案されている。 In addition, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) containing cobalt (Co) that has been used for the positive electrode so far has less reserve than iron (Fe) and manganese (Mn), and is used continuously. Has a problem. In recent years, a positive electrode material containing iron as a main component has attracted attention as a low environmental load and ultra-low cost positive electrode material. For example, as a conventional technique, a technique for improving the electron conductivity of the positive electrode by mixing an active material of olivine type LiFePO 4 and a noble conductive material having a higher redox potential (see Patent Document 3), or an olivine type A technique has been proposed in which a part of LiFePO 4 is replaced with fluorine to reduce the electrical resistance of the positive electrode active material and increase the conductivity (see Patent Document 4).
又、上述したように、リチウムイオン二次電池は電解質として有機電解液が用いられている。このため、安全性に関しては、幾つもの対策が施されており、過酷な使用条件においても破裂や発火などの事故に至らないように設計されている。例えば、保護回路をつけることで、過充電、過放電による事故が回避されるように設計されており、また、電池の温度が上昇した場合の安全対策として、端子から電池内部への導電経路の一部に、温度がある値を越えると電気抵抗がほぼ無限大にまで大きくなるPTC(Positive Temperature Coefficient)素子を用いられている。 Further, as described above, an organic electrolyte is used as an electrolyte in the lithium ion secondary battery. For this reason, with regard to safety, several measures are taken, and it is designed not to cause an accident such as rupture or ignition even under severe use conditions. For example, it is designed to prevent accidents due to overcharge and overdischarge by attaching a protection circuit, and as a safety measure when the temperature of the battery rises, the conductive path from the terminal to the inside of the battery is In part, a PTC (Positive Temperature Coefficient) element is used in which the electrical resistance increases to almost infinite when the temperature exceeds a certain value.
このような安全対策が実施されても、外部からの要因(例えば釘が刺さった場合など)や、内部短絡によって、短絡箇所に電流が集中して流れ、抵抗発熱により発熱し、その熱によって電池の中の活物質や電解液の化学反応を引き起こす、いわゆる「熱暴走」が起こり、最終的に破裂、発火に至る可能性がある。その対策の一つとして、小型のリチウムイオン二次電池では、電池温度が上昇した場合に、セパレータが溶融して、セパレータの穴が塞がれ絶縁フィルムとなり電流を流れないようにする、いわゆる「シャットダウン機能」などの機能が備えられている。また、リチウムイオン二次電池の内圧が異常に上昇した場合に、電池が破裂しないよう、安全弁などが設けられている。 Even if such safety measures are implemented, current flows in a short-circuited location due to external factors (for example, when a nail is pierced) or an internal short circuit, and heat is generated by resistance heat generation. There is a possibility of so-called “thermal runaway” that causes a chemical reaction of the active material and electrolyte in the tubule, which may eventually lead to rupture and ignition. As one of the countermeasures, in a small lithium ion secondary battery, when the battery temperature rises, the separator melts, the hole of the separator is blocked and an insulating film is prevented from flowing current. Functions such as “shutdown function” are provided. In addition, a safety valve or the like is provided so that the battery does not burst when the internal pressure of the lithium ion secondary battery rises abnormally.
又、上述したように、リチウムイオン二次電池は外装材としてラミネートフィルムが用いられている。ラミネートフィルムを外装材に用いたリチウムイオン二次電池においては、その金属箔層を介した内部短絡が発生しうる。このようなリチウムイオン二次電池は一般的に、正極、負極、セパレータ、および非水電解液からなる電池要素を、電池要素よりも大きな前記アルミラミネートフィルム2枚を用いて熱溶融性樹脂層を内側にして挟み込んだのち、ラミネートフィルムの外周部どうしを重ね合わせて加熱し、熱溶融性樹脂同士の溶着により密封され組み立てられる。ラミネートフィルムを一部を開口状態とした袋状に加工しておき、電池要素を挿入したのち開口部を溶着して密封してもよい。 Further, as described above, a laminate film is used as a packaging material for the lithium ion secondary battery. In a lithium ion secondary battery using a laminate film as an exterior material, an internal short circuit may occur through the metal foil layer. Such a lithium ion secondary battery generally has a battery element composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte, and a heat-meltable resin layer formed by using two aluminum laminate films larger than the battery element. After being sandwiched inside, the outer peripheral portions of the laminate film are overlapped and heated, and sealed and assembled by welding of heat-meltable resins. The laminate film may be processed into a bag shape with a part opened, and after the battery element is inserted, the opening may be welded and sealed.
外部との電子の授受を行うためには、一端を正極および負極に電気的に接合したリード端子の他端を、ラミネートフィルム外周部の封止部を通して外部に延出させる必要がある。リード端子としては、集電体と同材質あるいは異なる材質よりなるリボン状の金属箔が用いられる。リード端子延出部においては、リード端子を挟み込むようにして、ラミネートフィルムの熱溶融性樹脂層どうしが加熱溶着され、密閉されている。ラミネートフィルムの金属箔層とリード端子は樹脂層によって絶縁されている。 In order to exchange electrons with the outside, it is necessary to extend the other end of the lead terminal whose one end is electrically joined to the positive electrode and the negative electrode through the sealing portion of the outer peripheral portion of the laminate film. As the lead terminal, a ribbon-like metal foil made of the same material as the current collector or a different material is used. In the lead terminal extending portion, the heat-meltable resin layers of the laminate film are heat-welded and sealed so as to sandwich the lead terminal. The metal foil layer and the lead terminal of the laminate film are insulated by the resin layer.
ところが、樹脂層が過剰に溶融してしまうと金属箔層が露出してリード端子と接触してしまい、この部分を介して正極と負極が短絡を起こすおそれがある。この問題に対し、特許文献5では、封止時の加熱温度よりも高い融点を有する絶縁フィルムの両面を上記加熱温度にて溶融するフィルムで被覆した構造の樹脂を、ラミネートフィルムとリード端子との間に介在させることが提案されている。これにより低融点層が溶融して延出部を封止し、かつ高融点層は溶融せず金属箔層とリード端子を確実に絶縁する。
However, if the resin layer is excessively melted, the metal foil layer is exposed and comes into contact with the lead terminal, and the positive electrode and the negative electrode may be short-circuited through this portion. With respect to this problem, in
あるいは、ラミネートフィルム端面においては金属箔層が露出しており、この部分はリード端子と接触しやすいため、内部短絡が発生してしまうおそれがある。この問題に対しては、ラミネートフィルムとリード端子との間に介在させる樹脂層の一部を、外装材の外側にはみ出させることが提案されている(特許文献6参照)。 Alternatively, the metal foil layer is exposed on the end face of the laminate film, and this portion is likely to come into contact with the lead terminal, so that an internal short circuit may occur. In order to solve this problem, it has been proposed that a part of the resin layer interposed between the laminate film and the lead terminal protrudes outside the exterior material (see Patent Document 6).
又、リチウムイオン二次電池は充放電におけるエネルギー効率(電力効率)が鉛蓄電池やニッケル水素に比べ高いため、電気自動車や電力貯蔵用途としても有望であり、中型、大型化への開発が積極的に推進されている。又、中型のリチウムイオン二次電池は電動アシスト付き自転車などの用途で、一部実用化されている。これら中型から大型電池への開発は、従来、小型電池の開発で得られた電池構造を踏襲することによって、推進されている。
特に大型の、ラミネートフィルムを外装材としたリチウムイオン電池においては、短絡が発生すると非常に大きな電流が流れて電池本体や周辺回路の過熱等が起こるおそれがあるため、比較的短絡が発生しやすいリード取り出し部には、より確実な対策を実施する必要がある。 In particular, in a large-sized lithium-ion battery using a laminate film as an exterior material, if a short circuit occurs, a very large current flows, which may cause overheating of the battery body and peripheral circuits. It is necessary to implement more reliable measures for the lead take-out part.
そこで、この、従来技術によるリチウムイオン二次電池を作製するとともに、作製されたリチウムイオン二次電池の充放電試験を行った。まず、作製されたリチウムイオン二次電池について、以下に説明する。正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO2)を用い、導電材としてケッチェンブラックを20重量部、結着材(バインダー)としてポリフッ化ビニリデン(以下PVdF)を10重量部加え、溶剤にN−メチル−2−ピロリドン(以下NMP)を用い正極のペーストを作製した。このようにして得られたペーストを発泡状アルミ(サイズ:10cm×20.5cm、厚さ4mm、空隙率92%)に5mm×10cmの未充填部を残して10cm×20cmにわたり充填し、充分に乾燥した後、油圧プレスを用いてプレスし、厚さ3.0mmの電極を得た。この得られた電極の面積当たりの活物質重量は210mg/cm2で、正極の空隙率は55%であった。残しておいた未充填部に、厚さ100μmのアルミニウムリボンを溶接し、リード端子とした。尚、本明細書において「重量部」とは、正極活物質の重量に対する重量比を、%表示で表した値とする。
Then, while producing the lithium ion secondary battery by this prior art, the charging / discharging test of the produced lithium ion secondary battery was done. First, the produced lithium ion secondary battery will be described below. Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) was used as the positive electrode active material, 20 parts by weight of ketjen black as a conductive material, 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVdF) as a binder (binder), and N-methyl as a solvent. A positive electrode paste was prepared using -2-pyrrolidone (hereinafter referred to as NMP). The paste thus obtained was filled in foamed aluminum (size: 10 cm × 20.5 cm,
負極活物質には、中国産の天然黒鉛粉末(平均粒径15μm、d002=0.3357nm、BET比表面積3m2/g)と昭和電工株式会社製の気相法炭素繊維粉末(商品名:VGCF(登録商標))(平均粒径15μm、d002=0.3359nm、BET比表面積2m2/g)とを重量比50:50で混合した物を用い、バインダーとしてPVdFを12重量部加え、溶剤にNMPを用い負極のペーストを作製した。得られたペーストを集電体3bとして用いる銅の繊維による不織布(サイズ:10.2cm×20.7cm、厚さ2.5mm、空隙率88%)に5mm×10cmの未充填部を残して10.2cm×20.2cmにわたり充填し、充分乾燥した後、油圧プレスを用いてプレスし、厚さ1.5mmの電極を得た。このようにして得られた電極の面積当たりの活物質量は95mg/cm2で、負極の空隙率は50%であった。残しておいた未充填部に、厚さ100μmのニッケルリボンを溶接し、リード端子とした。尚、本明細書において「d002」とは、層状な結晶構造を有する黒鉛で、隣接する層と層の間隔((002)面間の間隔)とする。又、「BET比表面積」とは、単分子層吸着理論を多分子層に拡張したBET式を用いて求められた77Kにおいて窒素が吸着可能な孔隙の重量当たりの面積とする。
As the negative electrode active material, natural graphite powder made in China (average particle size 15 μm, d002 = 0.3357 nm, BET specific surface area 3 m 2 / g) and vapor grown carbon fiber powder (trade name: VGCF) manufactured by Showa Denko KK (Registered Trademark)) (average particle diameter 15 μm, d002 = 0.359 nm, BET specific surface area 2 m 2 / g) was mixed at a weight ratio of 50:50, and 12 parts by weight of PVdF was added as a binder to the solvent. A negative electrode paste was prepared using NMP. The obtained paste is used as a
又、正極と負極が直接接触してショートすることを防止するための両極を分離する部材であるセパレータとして、厚さ25μmのポリエチレン製の微多孔質膜を2枚使用し、得られた正極1枚を2枚の負極で挟み込んだときの正極−負極界面に配置し、積層した。この積層体を、熱溶融性樹脂層を内側にし、一辺を残して加熱融着した角型袋状のアルミラミネートフィルムに完全に挿入し、正極および負極のリード端子のみを開口部より外側に延出させた。 In addition, as a separator that is a member that separates both electrodes for preventing a short circuit due to direct contact between the positive electrode and the negative electrode, two positive microporous membranes made of polyethylene having a thickness of 25 μm were used. The sheets were placed and laminated at the positive electrode-negative electrode interface when sandwiched between two negative electrodes. This laminate was completely inserted into a square bag-shaped aluminum laminate film that was heat-sealed with the heat-meltable resin layer on the inside, leaving only one side, and only the positive and negative lead terminals were extended outward from the opening. I made it come out.
そして、非水電解液として、エチレンカーボネート(以下EC)とジメチルカーボネート(以下DMC)を体積比で1:1になるように混合した溶媒に、濃度が1.5mol/lになるようにホウフッ化リチウム(LiBF4)を溶解させたものを用いた。この非水電解液を、前記袋状外装材中に注入したのち、リード端子を挟み込むように開口部を熱溶着することにより、設計容量5Ahのリチウムイオン二次電池が作製される。 Then, as a non-aqueous electrolyte, borofluoride was added to a solvent in which ethylene carbonate (hereinafter EC) and dimethyl carbonate (hereinafter DMC) were mixed at a volume ratio of 1: 1 to a concentration of 1.5 mol / l. It was used by dissolving lithium (LiBF 4). After injecting this non-aqueous electrolyte into the bag-shaped exterior material, the opening is thermally welded so as to sandwich the lead terminal, thereby producing a lithium ion secondary battery having a design capacity of 5 Ah.
上述のようにして20個の電池を作製し、以下の条件にて充放電試験を行った。充電するときは、充電電流が1.5Aで電圧が4.2Vになるまで充電し、その後電圧4.2Vで15時間経過するか、又は、充電電流が0.1Aになると充電終了とする。又、放電するときは、放電電流が1.5Aで電圧が2.75Vになるまで放電する。 Twenty batteries were produced as described above, and a charge / discharge test was performed under the following conditions. When charging, charging is performed until the charging current is 1.5 A and the voltage is 4.2 V, and then 15 hours elapses at the voltage 4.2 V, or the charging is terminated when the charging current is 0.1 A. When discharging, the discharge is performed until the discharge current is 1.5A and the voltage is 2.75V.
こうして充電を開始しても電池電圧が上昇しない場合、電池内部で短絡が発生したものと考えられる。そこで、充電開始から15時間経過しても電池電圧が1.0Vに達しないものを、内部短絡発生電池として、その個数を数えた。その結果、図5に示すように、電池作製個数20個に対して13個もの電池が充電不良を起こしており、率にして実に65%の内部短絡発生が確認された。 If the battery voltage does not increase even when charging is started in this way, it is considered that a short circuit has occurred inside the battery. Therefore, the battery whose battery voltage did not reach 1.0 V even after 15 hours from the start of charging was counted as an internal short-circuiting battery. As a result, as shown in FIG. 5, as many as 13 batteries had defective charging with respect to 20 manufactured batteries, and it was confirmed that 65% internal short-circuiting was actually generated.
又、こうして充放電を実行した後、もう一度同様にして充電された満充電状態のリチウムイオン二次電池を、電池を横に寝かせた状態で、2.5mmφの釘を貫通させる釘刺し試験を実施した。その結果、図5に示すように、白煙が発生するなど、危険な状態を招くこととなり、安全上に問題がある。 In addition, after charging and discharging, a fully charged lithium ion secondary battery charged in the same manner once again was subjected to a nail penetration test that penetrates a 2.5 mmφ nail with the battery lying down sideways. did. As a result, as shown in FIG. 5, a dangerous state such as generation of white smoke is caused, which causes a safety problem.
このように、ラミネートフィルムを外装材として用い、従来の小型電池の構造を踏襲して、単に大型化を図られて作製された大型リチウムイオン二次電池では、上述した小型のリチウムイオン二次電池に適用されていた安全対策だけでは不十分である。 Thus, in the large-sized lithium ion secondary battery manufactured by simply enlarging the conventional small battery structure using the laminate film as an exterior material, the above-described small-sized lithium ion secondary battery is used. The safety measures that have been applied to are not sufficient.
又、ジメチルカーボネートのような鎖状カーボネートを電解液に使用すると、溶媒の蒸気圧が高くなり、高温環境下では大量のガスが発生する。このため、鎖状カーボネートを多く含むリチウムイオン二次電池では、外装体が膨れて変形する等の問題が生じる。更に、鎖状カーボネートを電解液に含む場合は、製造時における電池の過充電試験やサーマル試験を行った場合の発熱量が大きい。このため、充分な安全性を確保するために、過充電防止のための保護回路を設ける他、安全弁、電流遮断弁、PTC素子等の保護機構を複数併用する必要があり、電池の製造工程が複雑になり、更に、電池のエネルギー密度が低下するという課題が生じていた。この問題は、特に大型のリチウムイオン二次電池において顕著となる。 In addition, when a chain carbonate such as dimethyl carbonate is used for the electrolyte, the vapor pressure of the solvent increases, and a large amount of gas is generated in a high temperature environment. For this reason, in a lithium ion secondary battery containing a lot of chain carbonates, problems such as expansion and deformation of the outer package arise. Furthermore, when chain carbonate is included in the electrolytic solution, the amount of heat generated when a battery overcharge test or thermal test is performed during production is large. For this reason, in order to ensure sufficient safety, in addition to providing a protection circuit for preventing overcharge, it is necessary to use a plurality of protection mechanisms such as a safety valve, a current cutoff valve, a PTC element, etc. There is a problem that the battery becomes complicated and the energy density of the battery decreases. This problem is particularly noticeable in large-sized lithium ion secondary batteries.
本発明は、このような問題を鑑みて、ラミネートフィルムを外装材として用い、特に電池容量が5Ah以上で、正極及び負極の1cm2当たりの電気容量が10mAh以上の大型リチウムイオン二次電池において、安全性に優れたリチウムイオン二次電池を提案することを目的としている。 In view of such a problem, the present invention uses a laminate film as an exterior material, particularly in a large-sized lithium ion secondary battery having a battery capacity of 5 Ah or more and an electric capacity per 1 cm 2 of a positive electrode and a negative electrode of 10 mAh or more. The purpose is to propose a lithium ion secondary battery with excellent safety.
上記目的を達成するために、本発明のリチウムイオン二次電池は、正極活物質を有する集電体を備えた正極と、負極活物質を有する集電体を備えた負極と、前記正極と前記負極とが物理的接触をして短絡することを防止するセパレータと、リチウム塩を含む非水電解液と、これらの電池要素を収納するための外装材となるラミネートフィルムを備えたリチウムイオン二次電池であって、電池容量が5Ah以上で、且つ、前記正極及び前記負極の1cm2当たりの電気容量が10mAh以上であるとともに、前記非水電解液に環状エステルが含まれており、正極および負極のリード端子を上記外装材から外側に取り出す際の、リード端子と外装材との接触部位に樹脂層を備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode including a current collector having a positive electrode active material, a negative electrode including a current collector having a negative electrode active material, the positive electrode, and the positive electrode. A lithium ion secondary provided with a separator that prevents a short circuit due to physical contact with the negative electrode, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and a laminate film serving as an exterior material for housing these battery elements The battery has a battery capacity of 5 Ah or more, an electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode and the negative electrode is 10 mAh or more, and the non-aqueous electrolyte contains a cyclic ester. When the lead terminal is taken out from the exterior material, a resin layer is provided at a contact portion between the lead terminal and the exterior material.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記正極活物質が鉄を主成分とした化合物であることを特徴とする。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, the positive electrode active material is a compound containing iron as a main component.
このようなリチウムイオン二次電池は、低環境負荷・超低コスト正極材料という特徴を持つ。そして、これまでに正極に用いられてきた通常用いられるコバルト(Co)を含むLiCoO2が、Coが鉄(Fe)やマンガン(Mn)と比較して埋蔵量が少ないために使用し続けるには問題がある、というようなことがない。 Such a lithium ion secondary battery is characterized by a low environmental load and ultra-low cost positive electrode material. In order to continue to use LiCoO 2 containing cobalt (Co) that has been used for the positive electrode so far, since Co has less reserve than iron (Fe) and manganese (Mn). There is no such thing as a problem.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記正極活物質がオリビン型LiFePO4であることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention is characterized in that the positive electrode active material is olivine type LiFePO 4 .
このようなリチウムイオン二次電池は、これまでに正極に用いられてきた通常用いられるLiCoO2などの正極材料のように温度上昇に伴い酸素が放出され、電解液が燃焼し激しく発熱することがない。 Such a lithium ion secondary battery, like a commonly used positive electrode material such as LiCoO 2 that has been used for the positive electrode so far, releases oxygen as the temperature rises, and the electrolyte solution burns and generates intense heat. Absent.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記非水電解液にγ−ブチロラクトンあるいはγ−バレロラクトンの少なくとも1種が含まれていることを特徴とする。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, the non-aqueous electrolyte contains at least one of γ-butyrolactone or γ-valerolactone.
このようなリチウムイオン二次電池は、鎖状カーボネートを電解液に含む場合のように溶媒の蒸気圧が高くなり、高温環境下において大量のガスが発生して外装体が膨れて変形する等の問題が防止される。更に、発熱量が大きいために、充分な安全性を確保するために電池の製造工程が複雑になる、電池のエネルギー密度が低下するという問題も防止される。 Such a lithium ion secondary battery has a high vapor pressure of the solvent as in the case where the chain carbonate is included in the electrolytic solution, and a large amount of gas is generated in a high temperature environment, and the outer body expands and deforms. Problems are prevented. Further, since the amount of heat generated is large, the problem that the battery manufacturing process is complicated in order to ensure sufficient safety and the energy density of the battery is reduced can be prevented.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記樹脂層が前記ラミネートフィルムの溶着温度以上の融点を持つ樹脂を、溶着温度以下の融点を持つ樹脂で挟み込み積層した構造であり、かつその一部が外装材よりも外側にはみ出ていることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery according to the present invention has a structure in which the resin layer is formed by sandwiching and laminating a resin having a melting point equal to or higher than the welding temperature of the laminate film with a resin having a melting point equal to or lower than the welding temperature. Is protruded outside the exterior material.
このようなリチウムイオン二次電池は、溶着温度以下の融点を持つ樹脂層が過剰に溶融してしまうことにより、あるいはラミネートフィルム端面において、露出した金属箔層とリード端子が接触してしまい、この部分を介して正極と負極が短絡を起こすことが防止される。 In such a lithium ion secondary battery, a resin layer having a melting point equal to or lower than the welding temperature is excessively melted, or the exposed metal foil layer and the lead terminal are in contact with each other on the end face of the laminate film. It is prevented that the positive electrode and the negative electrode are short-circuited through the portion.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記非水電解液に含まれている前記環状エステルの含有率が、体積分率で50%以上であることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention is characterized in that the content of the cyclic ester contained in the non-aqueous electrolyte is 50% or more in terms of volume fraction.
このようなリチウムイオン二次電池では、前記非水電解液における前記環状エステルの含有率が体積分率で50%より小さいために大型リチウムイオン二次電池の安全性が低下することが防止される。尚、前記非水電解液として、ゲル電解質などを用いても構わない。 In such a lithium ion secondary battery, since the content of the cyclic ester in the non-aqueous electrolyte is smaller than 50% in volume fraction, it is possible to prevent the safety of the large lithium ion secondary battery from being lowered. . A gel electrolyte or the like may be used as the non-aqueous electrolyte.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記正極及び前記負極の少なくとも一方の厚さが、1mm以上であることを特徴とする。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, the thickness of at least one of the positive electrode and the negative electrode is 1 mm or more.
このようなリチウムイオン二次電池では、前記正極及び前記負極の少なくとも一方の厚さが1mmより小さいために電極内部の空隙率が低くなり、又、前記正極活物質及び前記負極活物質の重量が減少し、積層枚数が増えてしまうことがない。 In such a lithium ion secondary battery, since the thickness of at least one of the positive electrode and the negative electrode is less than 1 mm, the porosity inside the electrode is low, and the weight of the positive electrode active material and the negative electrode active material is low. It does not decrease and the number of stacked layers does not increase.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記セパレータの空隙率が、90%以下であるとともに、前記セパレータの厚さが5μm以上であることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention is characterized in that the separator has a porosity of 90% or less and the separator has a thickness of 5 μm or more.
このようなリチウムイオン二次電池では、前記セパレータの空隙率が90%より高いために正極と負極が物理的な接触を起こしてしまい、リチウムイオン二次電池が内部短絡することが防止される。更に、前記セパレータの厚さが5μmより薄く、そのため、前記セパレータの機械的強度が不足し、前記リチウムイオン二次電池の内部短絡の原因となることも防止される。尚、前記セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどから成る不織布や微多孔質膜の中から選択可能であるが、前記セパレータがポリエステルから成る不織布である場合、前記不織布は前記微多孔質膜よりも前記環状エステルを含む前記非水電解液の浸透性が高く、より好適である。 In such a lithium ion secondary battery, since the porosity of the separator is higher than 90%, the positive electrode and the negative electrode are brought into physical contact, and the lithium ion secondary battery is prevented from being internally short-circuited. Furthermore, since the thickness of the separator is less than 5 μm, the mechanical strength of the separator is insufficient, and it is possible to prevent an internal short circuit of the lithium ion secondary battery. The separator can be selected from non-woven fabric and microporous membrane made of polyethylene, polypropylene, polyester, etc., but when the separator is non-woven fabric made of polyester, the non-woven fabric is more than the microporous membrane. The non-aqueous electrolyte containing the cyclic ester has a high permeability and is more suitable.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記集電体が、複数の空孔を備える三次元構造の金属多孔体であることを特徴とする。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, the current collector is a three-dimensional metal porous body having a plurality of holes.
このようなリチウムイオン二次電池では、前記電極を構成する前記集電体に複数の空孔を備える三次元構造の前記金属多孔体を用いると、当該リチウムイオン二次電極内部に熱伝導度の優れた金属が前記電極全体にわたり均一に存在することにより、前記電極内の放熱性を高めることが可能となる。このことにより、さらに安全性を高めることが可能となる。 In such a lithium ion secondary battery, when the metal porous body having a three-dimensional structure including a plurality of pores is used for the current collector that constitutes the electrode, the thermal conductivity of the lithium ion secondary electrode is increased. Since excellent metal is present uniformly over the entire electrode, it is possible to improve heat dissipation within the electrode. This makes it possible to further increase safety.
又、本発明のリチウムイオン二次電池は、前記集電体を構成する前記金属多孔体の空隙率が、50%以上98%以下であることを特徴とする。 The lithium ion secondary battery of the present invention is characterized in that the porosity of the metal porous body constituting the current collector is 50% or more and 98% or less.
このようなリチウムイオン二次電池では、前記集電体の空隙率が上述の範囲の値であれば、空隙率が低いために活物質が充分に充填できず、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度の低下を招くことが防止される。逆に、空隙率が高いために前記電極の強度が弱くなり、又、放熱の効果が充分に得られなくなることが防止される。 In such a lithium ion secondary battery, if the porosity of the current collector is in the above range, the active material cannot be sufficiently filled because the porosity is low, and the energy density of the lithium ion secondary battery Is prevented from incurring a decrease. On the contrary, since the porosity is high, the strength of the electrode is weakened, and it is possible to prevent a sufficient heat dissipation effect from being obtained.
本発明の構成によって、ラミネートフィルムを外装材に用いた大型リチウムイオン二次電池の安全性を向上させることが可能となる。 By the structure of this invention, it becomes possible to improve the safety | security of the large sized lithium ion secondary battery which used the laminate film for the exterior material.
すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池は、大型であるがゆえに短絡が発生すれば大電流が流れて電池本体や周辺回路の過熱を引き起こすことを確実に防止するために、ラミネートフィルムの金属箔層とリード端子間を確実に絶縁することを目的として、両者間に構造の樹脂層を介在させる。又、高誘電率と低粘度とを兼ね備えた性質を有し、耐酸化性に優れ、高沸点、低蒸気圧、高引火点である等の利点を有している環状エステルを非水電解液に使用する。さらに、低環境負荷・低コストを達成できる鉄を主成分とした正極材料、中でも高電位・高エネルギー密度と高い安全性・安定性という双方の要素を両立できるという特徴を持つオリビン型LiFePO4を用いる。これらのことで、従来の携帯機器用電源としてのリチウムイオン二次電池に比べて、大型で安全性に優れたリチウムイオン二次電池を提供できる。 That is, since the lithium ion secondary battery of the present invention is large in size, if a short circuit occurs, a large current flows to reliably prevent the battery main body and peripheral circuits from overheating. In order to ensure insulation between the layer and the lead terminal, a resin layer having a structure is interposed between them. In addition, non-aqueous electrolytes are cyclic esters that have the properties of high dielectric constant and low viscosity, excellent oxidation resistance, high boiling point, low vapor pressure, high flash point, etc. Used for. In addition, a positive electrode material based on iron that can achieve low environmental load and low cost, especially olivine-type LiFePO 4 with the characteristics that both high potential and high energy density and high safety and stability can be achieved at the same time. Use. By these things, compared with the lithium ion secondary battery as a conventional power supply for portable devices, the large sized lithium ion secondary battery excellent in safety can be provided.
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態のリチウムイオン二次電池の概略断面図である。当該リチウムイオン二次電池は、バインダー、導電材など(図示せず)が混合されてペースト状物質とされる正極活物質1及び負極活物質2と、スポンジ状などの三次元に連なった金属多孔体である集電体3a、3bと、又、正極側と負極側が直接接触して短絡しないように集電体3a、3bとの間に設けられるセパレータ4と、ホウフッ化リチウム(LiBF4)などの電解質塩(図示せず)が溶解した非水電解液5と、集電体3a、3b、セパレータ4及び非水電解液5を覆う外装材6と、を備える。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the lithium ion secondary battery of the present embodiment. The lithium ion secondary battery includes a positive electrode
このようなリチウムイオン二次電池において、集電体3aに正極活物質1が塗り込まれて正極が構成されるとともに、集電体3bに負極活物質2が塗り込まれて負極が構成される。本実施形態のリチウムイオン二次電池では、図1に示すように、セパレータ4を2枚使用し、正極1枚を2枚の負極で挟み込んだときの正極−負極界面に配置し、積層している。
In such a lithium ion secondary battery, the positive electrode
図2は、正極および負極の投影図である。正極および負極活物質充填時には、多孔質集電体の一部を未充填のまま残しておき、集電体3a、3bにリボン状の金属箔を溶接してリード端子7a、7bとする。
FIG. 2 is a projection view of the positive electrode and the negative electrode. When filling the positive electrode and the negative electrode active material, a part of the porous current collector is left unfilled, and a ribbon-shaped metal foil is welded to the
図3は、このリード端子の取り出し部を表している。外装材6は、アルミニウム箔6aの一方の面に熱溶融性樹脂フィルム6bによる被覆を施し、もう一方の面は樹脂フィルム被覆(図示せず)により絶縁化・保護したものが通常用いられる。角型袋状外装材の外周部において、熱溶融性樹脂フィルム6bを内側にし、リード端子7a、7bを挟み込むように加熱溶着して密封するのであるが、その際に、この溶着温度以上の融点を持つ樹脂フィルム8bを溶着温度以下の融点を持つ樹脂フィルム8aおよび8cで挟み込み積層した構造の樹脂層8を、外装材6の熱溶融性樹脂フィルム6bとリード端子7a、7bの間に介在させ、かつその一部を外装材よりも外側にはみ出させる。これにより、溶着温度以下の融点を持つ樹脂層が過剰に溶融してしまうことにより、あるいはラミネートフィルム端面において、露出したアルミニウム箔6aの層とリード端子7a、7bが確実に絶縁される。
FIG. 3 shows the lead terminal take-out portion. As the
セパレータ4が集電体3a、3bの間に設けられることで、正極側と負極側とが直接接触して、短絡することが防がれる。充電時にはリチウムイオンが正極側から抜け出し負極に移動し、放電時には逆に負極側からリチウムイオンが抜け出して正極側に戻ってくる。即ち、リチウムイオンの正極と負極との間の移動によって、充放電動作が行われる。
By providing the
図1〜3のように構成されるリチウムイオン二次電池の詳細について、以下に説明する。まず、このようなリチウムイオン二次電池を、家庭用分散型電源及び太陽光発電システムの蓄電システムのような大容量を必要とするシステムに用いるとき、大容量を得るには組電池とする必要がある。しかしながら、単電池として充放電容量の小さい小型のリチウムイオン二次電池を使用すると数百〜数千個の単電池が必要になり、蓄電システムのメンテナンスなどが大変煩雑になる。このため、リチウムイオン二次電池を、その充放電容量の大きい中、大型とし、好ましくは単電池としての充放電容量を、5Ah以上とする。 Details of the lithium ion secondary battery configured as shown in FIGS. 1 to 3 will be described below. First, when such a lithium ion secondary battery is used in a system that requires a large capacity, such as a household distributed power source and a power storage system of a photovoltaic power generation system, it is necessary to use an assembled battery to obtain a large capacity. There is. However, when a small lithium ion secondary battery having a small charge / discharge capacity is used as a single battery, hundreds to thousands of single cells are required, and maintenance of the power storage system becomes very complicated. For this reason, the lithium ion secondary battery is large in size and large in charge / discharge capacity, and preferably the charge / discharge capacity as a single battery is 5 Ah or more.
又、このとき、正極活物質1と集電体3aとで構成される正極、及び負極活物質2と集電体3bとで構成される負極において、1cm2当たりの電気容量が10mAh未満になると単電池当たりの積層枚数が十数枚〜数十枚となり、単電池製造の作業が煩雑になる。このため、正極、及び負極の1cm2当たりの電気容量は10mAh以上とする。このような容量値を持つリチウムイオン二次電池の構成について、以下に述べる。
At this time, when the electric capacity per cm 2 is less than 10 mAh in the positive electrode composed of the positive electrode
(正極及び負極)
まず、正極及び負極の厚さが1mmより小さくなると、電極内部の空隙率が低くなり、また、電極活物質の重量が減少してしまい積層枚数が増えてしまう。このため、本実施形態において、正極及び負極の厚さは、その活物質の密度や混合するバインダー、導電材の種類や、電極のプレス圧等にもよるが、1mm以上とする。
(Positive electrode and negative electrode)
First, when the thickness of the positive electrode and the negative electrode is smaller than 1 mm, the porosity inside the electrode is decreased, and the weight of the electrode active material is decreased, resulting in an increase in the number of laminated layers. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the positive electrode and the negative electrode is 1 mm or more, although it depends on the density of the active material, the binder to be mixed, the type of conductive material, the press pressure of the electrode, and the like.
又、本実施形態で使用される正極及び負極の厚さは、どちらか一方の電極を厚型電極とする場合には、正極を厚くすることが好ましい。これは、リチウムイオン二次電池では、負極がリチウム金属に近い電位で充放電するため、負極の分極が大きくなるとリチウムが析出する恐れがあるからである。また、正極を厚くすることにより、正極の両側に負極を配置する構造をとり、負極の分極を低減できるので、リチウム析出を回避することが可能となる。すなわち、厚型正極を、正極の約半分の容量をもつ負極で挟むという構造となる。 Further, regarding the thickness of the positive electrode and the negative electrode used in the present embodiment, it is preferable to increase the thickness of the positive electrode when either one of the electrodes is a thick electrode. This is because in a lithium ion secondary battery, the negative electrode is charged and discharged at a potential close to that of lithium metal, and therefore lithium may be deposited when the polarization of the negative electrode increases. Further, by increasing the thickness of the positive electrode, a structure in which the negative electrode is disposed on both sides of the positive electrode and the polarization of the negative electrode can be reduced, so that lithium deposition can be avoided. In other words, the thick positive electrode is sandwiched between the negative electrodes having about half the capacity of the positive electrode.
又、これまでに正極に用いられてきた通常用いられるLiCoO2などの正極材料は温度上昇に伴い、酸素が放出され、電解液が燃焼し激しく発熱する。又、コバルト(Co)を含むLiCoO2は、Coが鉄(Fe)やマンガン(Mn)と比較して埋蔵量が少なく、使用し続けるには問題がある。 Moreover, as for the positive electrode material such as LiCoO 2 which has been used for the positive electrode so far, the oxygen is released as the temperature rises, and the electrolyte solution burns to generate intense heat. Further, LiCoO 2 containing cobalt (Co) has a problem that it is difficult to keep using it because Co has less reserve than iron (Fe) and manganese (Mn).
それに対して、鉄を主成分とした正極材料は、低環境負荷・低コストであることから好ましい。中でも、オリビン型LiFePO4が注目されている。このLiFePO4は高電位・高エネルギー密度と高い安全性・安定性という双方の要素を両立できるという特徴がある。又、LiFePO4は全ての酸素が強固な共有結合によって燐と結合しているため、上述したLiCoO2などの他の正極材料のような発熱もなく、温度上昇による酸素放出が非常に起こりにくく、安全性の観点から好ましい。また、燐を含んでいるため、正極が発熱し、電解液が漏れた際にも、消炎作用も期待でき、好ましい。このため、本実施形態の正極は、鉄系正極材料、特にオリビン型LiFePO4を正極活物質1として用いるものとする。
On the other hand, a positive electrode material mainly composed of iron is preferable because of low environmental load and low cost. Of these, olivine-type LiFePO 4 has attracted attention. This LiFePO 4 is characterized by being able to satisfy both the high potential / high energy density and high safety / stability. In addition, since LiFePO 4 has all oxygen bonded to phosphorus by a strong covalent bond, it does not generate heat like other positive electrode materials such as LiCoO 2 described above, and oxygen release due to temperature rise is very unlikely to occur. It is preferable from the viewpoint of safety. Moreover, since it contains phosphorus, the positive electrode generates heat, and even when the electrolyte leaks, it can be expected to have an anti-flame effect, which is preferable. For this reason, the positive electrode of the present embodiment uses an iron-based positive electrode material, particularly olivine type LiFePO 4 as the positive electrode
このようにオリビン型LiFePO4を正極活物質1に用いたリチウムイオン二次電池は、その充電電圧が3.5V程度であり、3.8Vでほぼ充電が完了するため、電解液の分解を引き起こす電圧である略4.5Vまでには、余裕がある。尚、充電電圧が4.0V以上に達する正極材料を正極活物質1に用いた場合は、それ以上に充電電圧を上げると電解液の分解が起こりやすくなるため、好ましくない。
As described above, the lithium ion secondary battery using olivine-type LiFePO 4 as the positive electrode
又、大型電池における安全性は、その発熱挙動と放熱速度によって大きく左右される。大型リチウムイオン二次電池においては、その電池サイズが大きいため、内部に熱がたまりやすい。しかしながら、電極を構成する集電体3a、3bに金属の三次元構造体を用いると、リチウムイオン二次電極内部に熱伝導度の優れた金属が電極全体にわたり均一に存在することにより、電極内の放熱性を高めることが可能となる。このため、本実施形態において、集電体3a、3bに三次元に連なった金属多孔体を用いることとし、このことにより、さらに安全性を高めることが可能となる。
In addition, the safety of large batteries greatly depends on the heat generation behavior and the heat dissipation rate. In a large-sized lithium ion secondary battery, since the battery size is large, heat tends to accumulate inside. However, when a metal three-dimensional structure is used for the
更に、上述の金属多孔体の空隙率について、空隙率が低い場合、活物質が充分に充填できないため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度の低下を招く。又、空隙率が高い場合には、電極の強度が弱くなり、又、放熱の効果が充分に得られなくなる。このため、本実施形態において、金属多孔体の空隙率は50%以上98%以下とし、より好ましくは75%以上98%以下とする。 Furthermore, when the porosity of the metal porous body described above is low, the active material cannot be sufficiently filled, resulting in a decrease in the energy density of the lithium ion secondary battery. Further, when the porosity is high, the strength of the electrode becomes weak and the effect of heat dissipation cannot be obtained sufficiently. For this reason, in this embodiment, the porosity of a metal porous body shall be 50% or more and 98% or less, More preferably, you may be 75% or more and 98% or less.
上述した三次元構造体を集電体3a、3bとして用いた電極は、三次元的に熱伝導度の高い金属が配置されているので、電極内の温度を均一に保つことが可能となり、大型リチウムイオン二次電池の場合に問題となってくる局所的な温度上昇などに起因するサイクル劣化を抑えることが可能となる。又、本実施形態で使用される電極は、活物質間の導電性の向上、放熱性の向上のために、正極活物質1又は負極活物質2中に金属繊維を分散させても構わない。金属繊維の長さは、集電体3a、3bとして用いる三次元構造体の空隙のサイズと同等程度の長さがあることが好ましい。
Since the electrodes using the above-described three-dimensional structure as the
尚、「三次元に連なった金属多孔体」とはスポンジ状の金属構造体、金属繊維による不織布、金属粉末を焼結したもの、金属箔をハニカム構造に成型したものなどを指す。又、これら集電体3a、3bそれぞれに用いられる金属多孔体の素材は特に限定されないが、正極用となる集電体3aに使用する素材にはアルミニウム、チタニウム、ステンレススチール等が耐酸化性が高いため好ましく、又、負極用となる集電体3bに使用する素材には銅、ニッケル、鉄、ステンレススチール等がリチウムと合金化しにくく、電気伝導性が高いので好ましい。
The “three-dimensional metal porous body” refers to a sponge-like metal structure, a nonwoven fabric made of metal fibers, a sintered metal powder, a metal foil molded into a honeycomb structure, and the like. Moreover, the material of the metal porous body used for each of these
(リード端子)
外部に電流を取り出すためのリード端子7a、7bは、集電体と同材質のものを用いることが多いが、異なる材質でもかまわない。厚みは、必要な機械的強度と、密閉性との兼ね合いから30μm以上100μm以下が適切である。
(Lead terminal)
The
(非水電解液)
環状エステルは高誘電率と低粘度とを兼ね備えた性質を有し、しかも、耐酸化性に優れ、高沸点、低蒸気圧、高引火点であるなどの利点がある。このため、非水電解液に使用した場合、高温で保存した場合や過充電した場合の発熱量が少なく、更にガスの発生量も少なく、従来の小型リチウムイオン二次電池に比べて非常に高い安全性を要求される大型リチウムイオン二次電池の電解液用溶媒として好適である。このため、本実施形態で使用される非水電解液5には、環状エステルが含まれているものとする。この環状エステルとして、γ−ブチロラクトン(以下GBL)、γ−バレロラクトン等が挙げられ、これらの1種以上を混合して用いても構わない。
(Non-aqueous electrolyte)
Cyclic esters have the properties of having both a high dielectric constant and low viscosity, and are excellent in oxidation resistance, high boiling point, low vapor pressure, and high flash point. For this reason, when used in non-aqueous electrolytes, the amount of heat generated when stored at high temperatures or overcharged is small, and the amount of gas generated is also small, which is very high compared to conventional small lithium ion secondary batteries. It is suitable as a solvent for an electrolytic solution of a large lithium ion secondary battery that requires safety. For this reason, it is assumed that the nonaqueous
又、この非水電解液5において、GBLに混合して使用できる溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類と、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類、γ−バレロラクトン等のラクトン類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のフラン類、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジオキサン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチル等が挙げられ、これらの1種以上を混合して用いても構わない。特に、PC、EC及びブチレンカーボネート等の環状カーボネート類が高沸点溶媒であるので好ましい。
In the
又、非水電解液5における環状エステルの含有率に関して、環状エステルの含有率が体積分率で50%より少なくなると、大型リチウムイオン二次電池の安全性が低下してしまうため、本実施形態のリチウムイオン二次電池の非水電解液5において、非水電解液用溶媒におけるGBLの含有率は体積分率を50%以上とする。尚、非水電解液5として、上記溶媒により構成される電解液をポリマーマトリックス中に保持したゲル電解質などを用いても構わない。
In addition, regarding the content of the cyclic ester in the
又、この非水電解液5内に溶解される電解質塩として、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、トリフルオロ酢酸リチウム(LiCF3COO)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミド(LiN(CF3SO2)2)等のリチウム塩が挙げられ、これらの1種以上を混合して用いても構わない。
As electrolyte salts dissolved in the
(セパレータ)
本実施形態で使用されるセパレータ4は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどから成る不織布や微多孔質膜の中から選択可能であるが、当該セパレータ4がポリエステルから成る不織布である場合、この不織布は微多孔質膜よりもGBLを含む非水電解液5の浸透性が高く、より好適である。
(Separator)
The
又、上述のセパレータ4について、空隙率が90%より高いと、正極と負極が物理的な接触を起こしてしまい、リチウムイオン二次電池の内部短絡の原因となる。又、セパレータ4の厚さが5μmより薄くなるとセパレータ4の機械的強度が不足し、リチウムイオン二次電池の内部短絡の原因とる。このため、本実施形態において、セパレータ4の空隙率を90%以下とし、又、セパレータ4の厚さを5μm以上とする。
Further, when the porosity of the
(外装材)
又、本実施形態で使用されるリチウムイオン二次電池の外装材6は、従来は鉄、ステンレススチール、アルミニウムなどから成る缶が用いられてきたが、より軽量化、薄型化を達成するためにはラミネートフィルムがより好適に用いられる。ラミネートフィルムは、アルミニウム箔6aの一方の面に変性ポリオレフィン系フィルム等の熱溶融性樹脂フィルム6bによる被覆を施し、もう一方の面はナイロン、ポリエステルフィルム等の被覆により絶縁化・保護したものが通常用いられる。各層の厚みは、必要な強度を保ちつつ、加工性や薄型・軽量化という目的を考慮すれば数十μm程度が適切である。外装材6の形状は、大型リチウムイオン二次電池は組電池として使用する機会が多いので、角型または薄型であるのが好ましい。
(Exterior material)
In addition, as the
(樹脂層)
本実施形態で使用される、外装材6とリード端子7a、7bとの間に介在させる構造の樹脂層8は、内層であるポリエチレンテレフタレート、ナイロン等の樹脂フィルム8bの両面を、変性ポリオレフィン系フィルム等の比較的融点の低いフィルム8a、8cで被覆したものである。この両面への被覆が、それぞれ異なる材質のフィルムでも構わない。また、内層およびその両面の被覆層は、それぞれ複数の層から構成されていても構わない。低融点層は外装材−リード端子界面の接合に寄与し、一方でもし低融点層が過剰に溶融しても外装材6のアルミニウム箔6aの層とリード端子7a、7b間は内層の樹脂フィルム8bにより確実に絶縁される。
(Resin layer)
The resin layer 8 having a structure interposed between the
以下に、本実施形態により作製したリチウムイオン二次電池の実施例1及び実施例1における評価結果について説明する。 Below, the evaluation result in Example 1 and Example 1 of the lithium ion secondary battery produced by this embodiment is demonstrated.
正極活物質1にオリビン型LiFePO4を用い、導電材としてアセチレンブラックを20重量部、バインダーとしてPVdFを10重量部加え、溶剤にNMPを用い正極のペーストを作製する。得られたペーストを集電体3aとして用いる発泡状アルミ(サイズ:10cm×20.5cm、厚さ4mm、空隙率92%)に5mm×10cmの未充填部を残して10cm×20cmにわたり充填し、充分に乾燥した後、油圧プレスを用いてプレスし、厚さ3.0mmの電極を得る。このようにして得られた電極の面積当たりの活物質重量は210mg/cm2で、正極の空隙率は55%であった。残しておいた未充填部に、厚さ100μmのアルミニウムリボンを溶接し、リード端子7aとする。
An olivine type LiFePO 4 is used for the positive electrode
負極活物質2には、中国産の天然黒鉛粉末(平均粒径15μm、d002=0.3357nm、BET比表面積3m2/g)と昭和電工株式会社製の気相法炭素繊維粉末(商品名:VGCF(登録商標))(平均粒径15μm、d002=0.3359nm、BET比表面積2m2/g)とを重量比50:50で混合した物を用い、バインダーとしてPVdFを12重量部加え、溶剤にNMPを用い負極のペーストを作製する。得られたペーストを集電体3bとして用いる銅の繊維による不織布(サイズ:10.2cm×20.7cm、厚さ2.5mm、空隙率88%)に5mm×10cmの未充填部を残して10.2cm×20.2cmにわたり充填し、充分乾燥した後、油圧プレスを用いてプレスし、厚さ1.5mmの電極を得る。このようにして得られた電極の面積当たりの活物質量は95mg/cm2で、負極の空隙率は50%であった。残しておいた未充填部に、厚さ100μmのアルミニウムリボンを溶接し、リード端子7bとした。
The negative electrode
又、セパレータ4として厚さ25μmのポリエステル製の不織布を2枚使用し、得られた正極1枚を2枚の負極で挟み込んだときの正極−負極界面に配置し、積層した。この積層体を、熱溶融性樹脂6bの層を内側にし、一辺を残して外周部を加熱融着した角型袋状の外装材(アルミラミネートフィルム)6に完全に挿入し、正極および負極のリード端子7a、7bのみを開口部より外側に延出させた。このリード端子7a、7bの、外装材の溶着部位と対向する部位の両面に、厚さ40μmの変性ポリプロピレンフィルム(融点約140℃)−厚さ50μmのポリエチレンテレフタラートフィルム(融点約260℃)−前出ポリプロピレンフィルムの順で、外装材6の外側に2mmはみ出すように樹脂フィルムを配置したのち、開口部を加熱溶着し、樹脂層8を形成した。
Further, two polyester nonwoven fabrics having a thickness of 25 μm were used as the
なお、非水電解液5は、GBLとECを体積比で7:3になるように混合した溶媒に、濃度が1.5mol/lになるようにLiBF4を溶解したものを封入した。このようにして本実施例による設計容量5Ahのリチウムイオン二次電池を作製し、試験した。尚、この試験及び試験結果については、後述する。
The
実施例1のようにして20個の電池を作製し、以下の条件にて充放電試験を行った。充電するときは、充電電流が1.5Aで電圧が3.8Vになるまで充電し、その後電圧3.8Vで15時間経過するか、又は、充電電流が0.1Aになると充電終了とする。これらの電池を放電電流が1.5Aで電圧が2.25Vになるまで放電する。 Twenty batteries were produced as in Example 1, and a charge / discharge test was performed under the following conditions. When charging, charging is performed until the charging current is 1.5 A and the voltage is 3.8 V, and then 15 hours elapses at the voltage 3.8 V, or the charging is terminated when the charging current is 0.1 A. These batteries are discharged until the discharge current is 1.5 A and the voltage is 2.25V.
こうして充電を開始しても電池電圧が上昇しない場合、電池内部で短絡が発生したものと考えられる。そこで、充電開始から15時間経過しても電池電圧が1.0Vに達しないものを、内部短絡発生電池として、その個数を数えた。 If the battery voltage does not increase even when charging is started in this way, it is considered that a short circuit has occurred inside the battery. Therefore, the battery whose battery voltage did not reach 1.0 V even after 15 hours from the start of charging was counted as an internal short-circuiting battery.
又、こうして充放電を実行した後、もう一度同様にして充電された満充電状態のリチウムイオン二次電池を、横に寝かせた状態で、2.5mmφの釘を貫通させる釘刺し試験を実施した。その結果を図4に示す。 In addition, after charging and discharging in this manner, a fully charged lithium ion secondary battery charged in the same manner once again was laid sideways, and a nail penetration test was conducted to penetrate a 2.5 mmφ nail. The result is shown in FIG.
図4と図5により本発明と従来技術とを比較すると、外装材(ラミネートフィルム)6とリード端子7a、7b間に構造の樹脂層を介在させた実施例1のリチウムイオン二次電池は、作成直後の内部短絡発生を非常に効果的に抑制できている(内部短絡発生率0%)。又、非水電解液5にGBLを使用し、さらに正極活物質1にオリビン型LiFePO4を用いた本発明のリチウムイオン二次電池は、釘刺し試験を実施しても、白煙などが発生せず、内部で異常な発熱や非水電解液5に用いられている有機溶媒の揮発による電池の膨張を起こすこともなく、従来技術によるリチウムイオン二次電池より、安全上、改善されている。もちろん短絡発生率の減少も、安全性の向上につながる。
Comparing the present invention and the prior art with reference to FIGS. 4 and 5, the lithium ion secondary battery of Example 1 in which a resin layer having a structure is interposed between the exterior material (laminate film) 6 and the
1 正極活物質
2 負極活物質
3a 正極用集電体
3b 負極用集電体
4 セパレータ
5 非水電解液
6 外装材(ラミネートフィルム)
6a アルミニウム箔
6b 熱溶融性樹脂フィルム
7a 正極用リード端子
7b 負極用リード端子
8 樹脂層
8a,8c 溶着温度以下の融点を持つ樹脂フィルム
8b 溶着温度以上の融点を持つ樹脂フィルム
DESCRIPTION OF
Claims (10)
電池容量が5Ah以上で、且つ、前記正極及び前記負極の1cm2当たりの電気容量が10mAh以上であるとともに、前記非水電解液に環状エステルが含まれており、正極および負極のリード端子を上記外装材から外側に取り出す際の、リード端子と外装材との接触部位に樹脂層を備えていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A positive electrode having a current collector having a positive electrode active material, a negative electrode having a current collector having a negative electrode active material, a separator for preventing the positive electrode and the negative electrode from being short-circuited due to physical contact; A lithium ion secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and a laminate film serving as an exterior material for housing these battery elements,
The battery capacity is 5 Ah or more, the electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode and the negative electrode is 10 mAh or more, and the non-aqueous electrolyte contains a cyclic ester. A lithium ion secondary battery comprising a resin layer at a contact portion between a lead terminal and an exterior material when taken out from the exterior material.
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