JP2007109512A

JP2007109512A - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP2007109512A
Application number: JP2005298948A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Seki; 関　　大介; Takashi Nakajima; 隆志中島
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した非水電解液二次電池において、エネルギー密度が高く、しかも内部抵抗が小さい低温での放電特性の優れた非水電解液二次電池を提供する。
【解決手段】正極電極１と負極電極２をセパレータ３，４を介して対向させて巻回した非水電解液二次電池において、正極電極１と負極電極２は集電体７，８の両面に形成された活物質を含む塗布層を有し、一方の面の塗布層１１，２１の厚みが他方の面の塗布層１２，２２の厚みと異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非水電解液二次電池に関し、特に集電体上に塗布層を形成した正極電極および負極電極の構造に関する。

携帯電子機器、情報機器、家電機器等、特に携帯可能な機器の使用に好適な小型で大容量のリチウムイオン電池等の非水電解液二次電池が用いられている。近年は、電池のエネルギー密度の向上に加えて、放電特性の向上が強く求められている。

従来、エネルギー密度を向上させるためには、電池内の正極電極や負極電極の集電体上に活物質を含む塗布層を厚く塗り、その後、塗布層を圧縮することにより活物質を含む塗布層の密度を向上させる手法がとられてきた。

しかしながら、放電特性の向上、高出力化のためには充分な低温および高率放電特性が要求され、正極電極と負極電極の電極間距離を狭くし、対向電極面積を広くし、内部抵抗を低減する必要があり、特許文献１には高出力化のために電極群の厚さを薄くした非水電解質二次電池が提案されており、放電特性の改善はされるがエネルギー密度の改善とは背反関係にある。

特開２００２−２３１３１２号公報

上記の状況にあって、本発明は、正極電極と負極電極をセパレータを介して巻回した非水電解液二次電池において、エネルギー密度が高く、しかも内部抵抗が小さい低温での放電特性の優れた非水電解液二次電池を提供することを課題とするものである。

従来の電極の設計では、正極電極、負極電極それぞれの電極は正極活物質と負極活物質の電極バランスから計算された塗布層をそれぞれ集電体の両面に同一の厚さになるように塗布していたのに対し、本発明者等は、塗布層を形成する際には片面毎に厚さを変えた非水電解液二次電池を開発したものである。

本発明の課題は、正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させて巻回した非水電解液二次電池において、前記正極電極と前記負極電極は集電体の両面に形成された活物質を含む塗布層を有し、前記正極電極および前記負極電極のいずれにおいても、前記集電体の一方の面の塗布層の厚みが他方の面の塗布層の厚みと異なり、前記セパレータを介して対向する面には厚い塗布層同士および薄い塗布層同士を配置した非水電解液二次電池によって解決することができる。

本発明の非水電解液二次電池によれば、集電体の一方の面の塗布層の厚さを他方の面の塗布層の厚さより薄くし、塗布層を薄くした面を設けたことにより、内部抵抗が小さくなり、放電特性が向上し、さらに低温での放電開始直後の電圧降下を抑制し、電子機器で使用される集積回路の最低動作電圧を確保することが出来る。また塗布層を厚くした面を設けたことにより高エネルギー密度を保つことができる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の非水電解液二次電池の実施の形態を説明する図である。図１（ａ）は内部構造を示す模式的な断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した巻回した正極電極、負極電極、セパレータの一部を拡大し正極電極、負極電極の集電体と塗布層およびセパレータの位置と厚さの関係を示した図である。

非水電解液二次電池は、正極集電体７の上に正極活物質を含む塗布層を形成した正極電極１と、負極集電体８の上に負極活物質を含む塗布層を形成した負極電極２を第一のセパレータ３と第二のセパレータ４を介して配置し巻回した後、電池缶９に挿入し、非水電解液を注入し、非水電解液二次電池としている。

以下、非水電解液二次電池の一例としてリチウムイオン電池の実施の形態について説明する。正極電極１は次のように作製する。帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体７に、Ｌｉ_xＭＯ₂（ただしＭは、少なくとも１種の遷移金属を表す）である複合酸化物、例えば、Ｌｉ_xＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎＯ₃、Ｌｉ_xＮｉ_yＣｏ_(1-y)Ｏ₂などの正極活物質を、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とを分散混練した調製した正極塗料を塗布装置によって塗布した後、直ちに乾燥し巻き取る。また、片面の塗布が終了した後に、正極集電体７の反対面の所定の部分に同様に正極塗料を塗布して正極集電体７の両面に塗布層を形成した正極電極１を作製する。

負極電極２は、帯状の銅箔等からなる負極集電体８の表面に、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な、熱分解炭素類、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスなどのコークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、フェノール樹脂、フラン樹脂などを焼成した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭などの炭素質材料、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性高分子材料等の負極活物質をカーボンブラックなどの導電性物質、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の結着剤をＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤とを分散混練した調製した負極塗料を塗布装置によって塗布し、片面の塗布が終わったものは乾燥後に反対面も所定の部分が塗布し、負極集電体８の両面に塗布層を形成した負極電極２を作製する。

このようにして得られた正極電極１、負極電極２は、それぞれの塗布層を所定の厚みに圧縮した後に、裁断装置によって正極電極１、負極電極２を所定の形状に裁断し、それぞれ正極タブ５、負極タブ６を接合した後に、第一のセパレータ３と第二のセパレータ４を介して正極電極１および負極電極２の先端部を所定の位置に合わせて積層したものを巻回して電池要素を作製した後に、電池缶９に収納して非水電解液を注入した後に、外部接続端子、電池内圧の上昇によって圧力を開放する安全弁、電池温度の上昇により電気抵抗の増大で電流を遮断するＰＴＣ素子等を備えた蓋体を取り付けて封口するか、あるいは巻回体を可撓性材料からなる外装材によって封口することによってリチウムイオン電池を製造している。

ここで、正極電極１、負極電極２のそれぞれの塗布層の形成は、片面ずつ正極塗料、負極塗料を塗布して行うため、厚さについては片面ずつ調整することとなり、一方の面と他方の面の塗布層の厚さを変えることは、片面塗布を行う塗布装置を用いる場合は可能となる。また、正極電極１、負極電極２とセパレータを積層、巻回する際には、セパレータを介して塗布層の厚みが厚いもの同士、また薄いもの同士を対向させることにより正極と負極の活物質のバランスを保つことが必要となる。

アルミニウム箔からなる正極集電体７に正極活物質としてＬｉＸＣｏＯ₂、導電性物質としてカーボンブラック結着剤としてのＰＶＤＦを溶剤としてＮＭＰを用いて塗布装置で塗布した後、塗布層を圧縮した。その際、一方の面の塗布層１１の厚みＡと他方の面の塗布層１２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を１．０５（許容範囲±２％）になるように調整した。

次に、銅箔からなる負極集電体８に負極活物質としてグラファイト、導電性物質としてカーボンブラック結着剤としてＰＶＤＦを溶剤としてのＮＭＰを用いて塗布装置で塗布した後、塗布層を圧縮した。その際、一方の面の塗布層２１の厚みＡと他方の面の塗布層２２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を１．０５（許容範囲±２％）になるように調整した。その後、正極電極１、負極電極２をそれぞれ所定の寸法に裁断し、それぞれ塗布層の厚みが厚いもの同士がセパレータを介して対向するように、すなわち第一のセパレータ３を介して正極の厚い方の一方の面の塗布層１１と負極の厚い方の一方の面の塗布層を、また第二のセパレータ４を介して正極の薄いほうの他方の面の塗布層１２と負極の薄いほうの他方の面の塗布層２２を対向するようにして、積層巻回し角型電池缶９に収納し電解液を注入し角型のリチウムイオン電池を作製した。

正極電極１、負極電極２とも一方の面の塗布層１１、２１の厚みＡと他方の面の塗布層１２、２２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を１．１０（許容範囲±２％）になるように調整した以外は、実施例１と同様にリチウムイオン電池を作製した。

正極電極１、負極電極２とも一方の面の塗布層１１、２１の厚みＡと他方の面の塗布層１２、２２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を１．５０（許容範囲±２％）になるように調整した以外は実施例１と同様にリチウムイオン電池を作製した。

正極電極１、負極電極２とも一方の面の塗布層１１、２１の厚みＡと他方の面の塗布層１２、２２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を２．００（許容範囲±２％）になるように調整した以外は実施例１と同様にリチウムイオン電池を作製した。

比較例

正極電極１、負極電極２とも一方の面の塗布層１１、２１の厚みＡと他方の面の塗布層１２、２２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を１．００（許容範囲±２％）になるように調整した以外は実施例１と同様にリチウムイオン電池を作製した。

正極電極１、負極電極２とも一方の面の塗布層１１、２１の厚みＡと他方の面の塗布層１２、２２の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）を３．００（許容範囲±２％）になるように調整した以外は実施例１と同様にリチウムイオン電池を作製した。

実施例１〜４、比較例１〜２について２０℃での放電容量（測定条件としては充電は２０℃において定電圧定電流充電方式で８００ｍＡの定電流で充電し、電圧が４．２Ｖに到達したら４．２Ｖの定電圧充電に切替え、充電時間はトータルで１５０分とする。これを充電：４．２Ｖ−８００ｍＡ−１５０分＠２０℃ のように表す。放電は２０℃において１６０ｍＡの定電流で電圧が３．０Ｖになるまで放電する。これを、放電：１６０ｍＡ−３．０Ｖ＠２０℃のように表す。）−２０℃での放電容量（条件としては、充電：４．２Ｖ−８００ｍＡ−１５０分＠２０℃、放電：８００ｍＡ−３．０Ｖ＠−２０℃）、−２０℃で放電開始直後の出力電圧、２０℃で容量測定開始前の電池の内部抵抗を測定した結果を表１に示す。また、２０℃での放電容量と−２０℃での放電容量をまとめたグラフを図３に示す。

表１および図２に示すように、一方の面の塗布層の厚みＡと他方の面の塗布層の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が１．００の従来の比較例１に比べ−２０℃での放電容量は、１．０５以上１．５０以下で増加しており、また−２０℃での放電開始直後の電圧は、１．０５以上２．００まで、さらに内部抵抗に関しては１．０５以上３．００まで従来の比較例１と比べ改善されていることが確認できた。

本発明の非水電解液二次電池の実施の形態の説明図。図１（ａ）は内部構造を示す図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を拡大した図。本発明の角型リチウムイオン電池の２０℃、−２０℃の放電容量を表す説明図。

符号の説明

１正極電極
２負極電極
３第一のセパレータ
４第二のセパレータ
５正極タブ
６負極タブ
７正極集電体
８負極集電体
９電池缶
１１（正極電極）一方の面の塗布層
１２（正極電極）他方の面の塗布層
２１（負極電極）一方の面の塗布層
２２（負極電極）他方の面の塗布層

Claims

正極電極と負極電極をセパレータを介して対向させて巻回した非水電解液二次電池において、前記正極電極と前記負極電極は集電体の両面に形成された活物質を含む塗布層を有し、前記正極電極および前記負極電極のいずれにおいても、前記集電体の一方の面の塗布層の厚みが他方の面の塗布層の厚みと異なり、前記セパレータを介して対向する面には厚い塗布層同士および薄い塗布層同士を配置したことを特徴とする非水電解液二次電池。
前記一方の面の塗布層の厚みＡと前記他方の面の塗布層の厚みＢとの比（Ａ／Ｂ）が前記正極電極および前記負極電極でほぼ等しく、１．０５以上２．００以下［１．０５≦（Ａ／Ｂ）≦２．００］であることを特徴とする請求項１記載の非水電解液二次電池。