JP2008041489A - Lithium ion electricity storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン蓄電素子に関し、とくに、アニオンの吸蔵・放出及び吸着・脱着が可能な正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と、リチウム塩を含む非水電解液を用いて、充放電の可逆動作を行わせるようにしたものに関する。 The present invention relates to a lithium ion storage element, and in particular, using a positive electrode capable of occluding / releasing and adsorbing / desorbing anions, a negative electrode capable of occluding / releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. The present invention relates to a device that performs a reversible operation of charge / discharge.
近年、電子機器は高性能化により、小型の機器でも取り扱うデータ量が飛躍的に増大しているが、これにともない、そのデータを停電から保護するため、小型の無停電電源装置の必要性が増している。 In recent years, the amount of data handled by electronic devices has increased dramatically due to the high performance of electronic devices. With this, there is a need for a small uninterruptible power supply to protect the data from power outages. It is increasing.
無停電電源装置は、従来から鉛蓄電池を用いるものが提供されているが、鉛蓄電池はエネルギー密度が低く、大容積のものしか実用化されていない。このため、鉛蓄電池を用いた無停電電源装置は大型の外付け用しか商品化されていない。 As the uninterruptible power supply, a device using a lead storage battery has been conventionally provided. However, the lead storage battery has a low energy density, and only a large-capacity power supply device has been put into practical use. For this reason, the uninterruptible power supply using a lead storage battery has been commercialized only for large external use.
機器への内蔵が可能な無停電電源装置は、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の登場によって商品化されるようになった。 Uninterruptible power supply units that can be built into devices have been commercialized due to the advent of high-energy density lithium-ion secondary batteries.
リチウムイオン二次電池は、コバルトなどの遷移金属とリチウムの複合酸化物(たとえば、コバルト酸リチウム)を用いた正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを用いて構成され、電解液を介して行われる正極と負極間でのリチウムイオンのやりとりによって充放電の可逆動作が行われる。 A lithium ion secondary battery is a positive electrode using a composite oxide of lithium and other transition metals such as cobalt (for example, lithium cobaltate), a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolysis containing a lithium salt. The reversible operation of charging / discharging is performed by the exchange of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, which is performed using an electrolyte solution.
しかし、上記リチウムイオン二次電池は充放電を繰り返すうちに特性が劣化して行く性質があって、充放電可能なサイクル数に制限があった。つまり、充放電サイクル特性が良くないという問題があった。これは、鉛蓄電池等を含む二次電池に共通する問題でもあるが、このことにより、この種の二次電池を利用した無停電電源システムでは、その二次電池の点検や交換等のメンテナンスを定期的に行う必要があった。 However, the lithium ion secondary battery has a property of deteriorating as charging and discharging are repeated, and the number of cycles that can be charged and discharged is limited. That is, there is a problem that the charge / discharge cycle characteristics are not good. This is also a problem common to secondary batteries including lead-acid batteries, etc., but this makes it possible to perform maintenance such as inspection and replacement of secondary batteries in an uninterruptible power supply system using this type of secondary battery. It was necessary to do it regularly.
また近年は、環境負荷の小さなクリーンエネルギーとして、風力発電や太陽電池などが注目されているが、これらから供給される電力は、風や日照などの自然条件に左右されて不安定なため、そのままでは電力としての利用価値が低い。 In recent years, wind power generation and solar cells have attracted attention as clean energy with a low environmental impact, but the power supplied from these is unstable due to natural conditions such as wind and sunshine, so it remains as it is. Then, the utility value as electric power is low.
この不安定な電力をいったん蓄え、いつでも必要に応じて放出させることができれば、同じエネルギー量でも利用価値の高い電力とすることができる。このためには、電力を随時放出可能に蓄えることができる蓄電手段が必要となる。 If this unstable electric power can be stored once and released at any time as needed, it is possible to obtain electric power with high utility value even with the same amount of energy. For this purpose, power storage means capable of storing electric power so that it can be released at any time is required.
この蓄電手段には、メンテナンス負担が大きい上記リチウムイオン二次電池ではなく、充放電サイクル特性が良好で定期的メンテナンスが不要な電気二重層キャパシタが適している。しかし、電気二重層キャパシタはキャパシタとしては非常に大きな容量を持つことができるが、充放電可能な電気容量は上記リチウムイオン二次電池に比べて、かなり見劣りする。 An electrical double layer capacitor that has good charge / discharge cycle characteristics and does not require periodic maintenance is suitable for the power storage means, not the lithium ion secondary battery that places a heavy maintenance burden. However, although an electric double layer capacitor can have a very large capacity as a capacitor, the electric capacity that can be charged and discharged is considerably inferior to the lithium ion secondary battery.
そこで、電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池を折衷させたような構成を有するリチウムイオン蓄電素子が提案されている。この蓄電素子は、アニオンの吸蔵・放出が可能な正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と、リチウム塩を含む非水電解液を用いて構成される(特許文献1,2参照)。
Therefore, a lithium ion storage element having a configuration in which an electric double layer capacitor and a lithium ion secondary battery are compromised has been proposed. This power storage element is configured using a positive electrode capable of occluding and releasing anions, a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt (see
上記リチウムイオン二次電池では正極にリチウムを含む複合酸化物を用いていたが、リチウムイオン蓄電素子では正極に黒鉛や活性炭などの炭素材料を用いる。そして、その正極でのアニオンの吸蔵・放出と、負極でのリチウムイオンの吸蔵・放出とによって充放電の可逆動作が行われる。 In the lithium ion secondary battery, a composite oxide containing lithium is used for the positive electrode. In the lithium ion storage element, a carbon material such as graphite or activated carbon is used for the positive electrode. And the reversible operation of charging / discharging is performed by occlusion / release of the anion in the positive electrode and occlusion / release of lithium ion in the negative electrode.
このリチウムイオン蓄電素子は、上記リチウムイオン二次電池と上記電気二重層キャパシタがそれぞれに有する利点を兼ね備えたような性質を有する。すなわち、充放電サイクル特性は上記リチウムイオン二次電池よりも各段にすぐれ、充放電容量(充放電可能な電気容量)は上記電気二重層キャパシタよりも各段に大きい、といった利点がある。 This lithium ion storage element has such a property that the lithium ion secondary battery and the electric double layer capacitor have both advantages. That is, the charge / discharge cycle characteristics are superior to each stage as compared with the lithium ion secondary battery, and the charge / discharge capacity (capacity capable of being charged / discharged) is greater than each stage of the electric double layer capacitor.
このリチウムイオン蓄電素子は、高性能の二次電池としても好適に利用できるが、上記無停電電源システムに利用すれば、小型化および高性能化とともに、メンテナンスフリーの無停電電源システムを実現させることができる。 This lithium-ion storage element can be suitably used as a high-performance secondary battery, but if used in the uninterruptible power supply system, it is possible to realize a maintenance-free uninterruptible power supply system as well as downsizing and high performance. Can do.
上記リチウムイオン蓄電素子では、充放電の可逆プロセスを高効率に行わせるために、負極にあらかじめリチウムイオンを吸蔵させることが行われる。いわゆる予備吸蔵(プレドープ)を行う。 In the lithium ion storage element, in order to perform a charge / discharge reversible process with high efficiency, lithium ions are previously stored in the negative electrode. So-called pre-occlusion (pre-doping) is performed.
この予備吸蔵は、正極と負極とセパレータからなる電極体が電解液とともに収容された素子容器内にリチウム金属を設置し、これを負極と短絡させることによって行わせることができる。負極と短絡されたリチウム金属は非水電解液中にリチウムイオンとなって溶出し、負極に移動して吸蔵される。 This pre-occlusion can be performed by placing lithium metal in an element container in which an electrode body composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator is accommodated together with an electrolyte, and short-circuiting it with the negative electrode. The lithium metal short-circuited with the negative electrode elutes as lithium ions in the non-aqueous electrolyte, moves to the negative electrode, and is occluded.
この予備吸蔵を行わせるための構成手段として、従来は、負極集電体の一部にリチウム金属箔を付着させること、あるいはリチウム金属を負極缶の内底面に配置することなどが提案されている。
本発明者等は、スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成のリチウムイオン蓄電素子において、上述した予備吸蔵を行わせることを検討した。 The inventors have performed the above-described pre-occlusion in a lithium ion storage element having a configuration in which a cylindrical electrode body wound in a spiral shape is accommodated in a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte. It was considered to make it.
このタイプのリチウムイオン蓄電素子では、上記予備吸蔵を行わせる手段として、(1)負極集電体の一部にリチウム金属箔を付着させる構成と、(2)リチウム金属を負極缶の内底面に配置する構成が考えられる。 In this type of lithium ion storage element, as means for pre-occlusion, (1) a structure in which a lithium metal foil is attached to a part of the negative electrode current collector, and (2) lithium metal on the inner bottom surface of the negative electrode can A configuration to be arranged is conceivable.
(1)の場合、リチウム金属から非水電解液に溶出したリチウムイオンが、スパイラル状に巻回されたセパレータに沿って移動しながら拡散することになるため、リチウム金属に近いところと遠いところとで吸蔵状態にバラツキが生じてしまう。つまり、負極への吸蔵が均一に行われないという問題が生じる。 In the case of (1), lithium ions eluted from the lithium metal into the non-aqueous electrolyte diffuse while moving along the spirally wound separator. As a result, the storage state varies. That is, there arises a problem that the negative electrode is not uniformly occluded.
また、リチウム金属は集電体の表面に箔状に薄く展開されて付着させられるが、このような形態のリチウム金属は反応性が非常に強く、空気中のわずかな水分に触れるだけでも激しく反応してしまう。 Lithium metal is thinly spread and attached to the surface of the current collector in a foil shape, but this form of lithium metal is extremely reactive and reacts violently even by touching slight moisture in the air. Resulting in.
集電体はリチウム金属が付着された後、スパイラル状に巻回された電極体の作製工程や導体リードの接続工程など、長い工程の時間およびラインを経てから負極缶に装填されるが、それらの工程を経る間にリチウム金属が反応・劣化してしまう恐れが大きい。これを回避するためには、一連の工程全体を厳重な雰囲気管理下で行う必要が生じる。このため、生産性が大きく阻害されてしまうという問題が生じる。 The current collector is loaded into the negative electrode can after a long process time and line, such as a process for producing a spirally wound electrode body and a conductor lead connection process after lithium metal is attached. There is a high risk that lithium metal will react and deteriorate during this process. In order to avoid this, it is necessary to perform the entire series of processes under strict atmosphere control. For this reason, the problem that productivity will be inhibited greatly arises.
(2)の場合、リチウム金属を負極缶の内底面に配置するのは、すでに作製した電極体を負極缶に装填する直前の工程でよく、その配置工程後はそれほど時間を置くことなく、その場で非水電解液を注液して負極缶を気密封口することができる。したがって、リチウム金属の扱いは、上記(1)の場合よりも大幅に簡略化することができ、生産性の向上が可能になる。 In the case of (2), the lithium metal may be disposed on the inner bottom surface of the negative electrode can in the step immediately before loading the already produced electrode body into the negative electrode can. The negative electrode can can be hermetically sealed by injecting a non-aqueous electrolyte on site. Therefore, the handling of lithium metal can be greatly simplified as compared with the case (1), and productivity can be improved.
しかし、負極缶の内底面に配置したリチウム金属が非水電解液に溶出した後、その負極缶の内底面に空隙が生じる。このため、電極体が負極缶内で軸方向に動くのを許容してしまうような緩みが生じ、蓄電素子が落下等の衝撃を受けると、その空隙に電極体が落ち込み、さらにその電極体の端部が押し潰されて正極集電体が金属製の負極缶に接触する恐れが生じる。負極缶に正極集電体が接触すれば、内部短絡が生じて電池が使用不能になるとともに、ガス発生が生じて電池の破損や破裂の恐れが生じる。 However, after the lithium metal arranged on the inner bottom surface of the negative electrode can elutes into the non-aqueous electrolyte, voids are generated on the inner bottom surface of the negative electrode can. For this reason, loosening that allows the electrode body to move in the axial direction in the negative electrode can occurs, and when the storage element receives an impact such as dropping, the electrode body falls into the gap, and further, the electrode body The end portion is crushed and the positive electrode current collector may come into contact with the metal negative electrode can. If the positive electrode current collector comes into contact with the negative electrode can, an internal short circuit occurs, the battery becomes unusable, and gas is generated, which may cause damage or rupture of the battery.
上述のように、上記(1)(2)の手段には、反応性の高いリチウム金属を扱うことにともなう生産性の低下と、電極体の収容状態の不安定化による信頼性の低下という問題があった。 As described above, the above means (1) and (2) have the problem of a decrease in productivity due to handling highly reactive lithium metal and a decrease in reliability due to destabilization of the accommodation state of the electrode body. was there.
本発明は、以上のような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成を有するリチウムイオン蓄電素子にあって、その生産性を高めるとともに、製品の信頼性を高めることにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to form a cylindrical electrode body wound in a spiral shape into a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte. In the lithium ion storage element having the housed configuration, the productivity is increased and the reliability of the product is increased.
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。 Other objects and configurations of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。 The solution provided by the present invention is as follows.
(1)アニオンの吸蔵・放出が可能な正極と集電体とからなるシート状の正極部と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極と集電体とからなるシート状の負極部を、間にセパレータを介在させた状態でスパイラル状に巻回してなる筒状の電極体と、リチウム塩を溶解させた非水電解液と、上記電極体を上記非水電解液とともに同軸状に収容する有底筒状の金属製負極缶と、この負極缶の開口を気密封止する封口部とを備えたリチウムイオン蓄電素子であって、上記負極にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属と、厚み方向に抜ける開口部を有する電気絶縁性スペーサ部材を有し、上記リチウム金属を上記スペーサ部材とともに上記負極缶の内底部に配置し、そのリチウム金属を負極と短絡させたことを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(2)上記手段(1)において、上記リチウム金属は、上記スペーサ部材の開口部およびそのスペーサ部材と負極缶内底面の間に配置されていることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(3)上記手段(1)において、上記リチウム金属は、上記スペーサ部材の開口部およびそのスペーサ部材と上記電極体の間に配置されていることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(1) A sheet-like positive electrode portion comprising a positive electrode capable of occluding and releasing anions and a current collector, and a sheet-like negative electrode portion comprising a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions and a current collector, A cylindrical electrode body wound in a spiral shape with a separator interposed therebetween, a non-aqueous electrolyte solution in which lithium salt is dissolved, and the electrode body are coaxially accommodated together with the non-aqueous electrolyte solution A lithium ion storage element comprising a bottomed cylindrical metal negative electrode can and a sealing portion for hermetically sealing the opening of the negative electrode can, wherein the negative electrode preliminarily stores lithium ions, Lithium comprising an electrically insulating spacer member having an opening extending in the thickness direction, wherein the lithium metal is disposed on the inner bottom of the negative electrode can together with the spacer member, and the lithium metal is short-circuited with the negative electrode On the storage element.
(2) In the above means (1), the lithium metal is disposed between the opening of the spacer member and between the spacer member and the bottom surface of the negative electrode can.
(3) In the above means (1), the lithium metal is disposed between the opening of the spacer member and between the spacer member and the electrode body.
(4)上記手段(1)〜(3)のいずれかにおいて、上記スペーサ部材および上記リチウム金属は上記電極体の中心孔に対応する位置に透孔を形成し、この透孔の内側にて、上記負極および上記リチウム金属に電気接続する導電リードが負極缶内底面に溶接接続されていることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。 (4) In any one of the means (1) to (3), the spacer member and the lithium metal form a through hole at a position corresponding to the center hole of the electrode body, and inside the through hole, A lithium ion storage element, wherein a conductive lead electrically connected to the negative electrode and the lithium metal is welded to a bottom surface of the negative electrode can.
また、本発明は、請求項に記載した以外の手段として、たとえば次のような手段も提供する。
(5)上記手段(1)〜(4)のいずれかにおいて、正極と負極の集電体がそれぞれ金属箔であることを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
(6)上記手段(1)〜(5)のいずれかにおいて、正極および負極がそれぞれ炭素材料を用いて構成されているとともに、正極は黒鉛質材料、負極は難黒鉛化炭素質材料を用いたことを特徴とするリチウムイオン蓄電素子。
The present invention also provides, for example, the following means other than those described in the claims.
(5) The lithium ion storage element according to any one of the above means (1) to (4), wherein each of the positive electrode and negative electrode current collectors is a metal foil.
(6) In any one of the above means (1) to (5), the positive electrode and the negative electrode are each made of a carbon material, the positive electrode is made of a graphite material, and the negative electrode is made of a non-graphitizable carbonaceous material. A lithium ion energy storage device characterized by the above.
スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成を有するリチウムイオン蓄電素子において、その生産性を高めるとともに、製品の信頼性を高めることができる。 In a lithium ion storage element having a configuration in which a cylindrical electrode body wound in a spiral shape is housed in a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte, the productivity is improved and the reliability of the product is improved. Can be increased.
上記以外の作用/効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。 Operations / effects other than those described above will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
図1は、本発明の技術が適用されたリチウムイオン蓄電素子の一実施形態を示す断面図である。同図に示すリチウムイオン蓄電素子は、リチウムイオン二次電池としても利用可能な蓄電素子であって、まず、スパイラル状に巻回された円筒状の電極体20を有底円筒状の金属製負極缶10に非水電解液(図示省略)とともに収容した構成を有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a lithium ion storage element to which the technology of the present invention is applied. The lithium ion storage element shown in the figure is a storage element that can also be used as a lithium ion secondary battery. First, a
同図において、負極缶10は電池缶に相当するものであって、ニッケルメッキ鋼板などの深絞りプレス等によって作製される。電極体20は、正極部21と負極部23がそれぞれシート状に形成されるとともに、両電極部21と23が間にセパレータ22を挟んでスパイラル状に巻回されることにより作製される。
In the figure, a negative electrode can 10 corresponds to a battery can and is manufactured by a deep drawing press such as a nickel-plated steel plate. The
正極部21は、アニオンの吸蔵・放出が可能な炭素材料を用いた正極211が、金属箔(Al)の集電体212の両面に塗布等により層状に付着されて、全体がシート状に形成されている。
The
負極部23は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極231が金属箔(Cu)の集電体232の両面に塗布等により層状に付着されて、全体がシート状に形成されている。
The
集電体212,232は非水電解液に対して不活性の良導体であれば、その形態はとくに限定されず、たとえば金属ネットなども使用可能であるが、電極体20の巻回密度や集電性能などを考慮した場合、金属箔の使用がとくに好ましい。また、材質については、正極集電体212がアルミニウム(Al)で、負極集電体232が銅(Cu)の組合せが好適である。
The shape of the
正極211は充電時に電解液中のアニオンを吸蔵し、放電時にそれを放出する。負極231は充電時に電解液中のリチウムイオン(カチオン)を吸蔵し、放電時にそれを放出する。このアニオンとリチウムイオンの可逆的な吸蔵・放出により、充放電の可逆動作が行われるようになっている。
The
正極211および負極231の材料としては炭素材料が適し、とくに、正極211は黒鉛質材料、負極231は難黒鉛化炭素質材料がそれぞれ好適である。
As the material of the
上記電極体20は負極缶10内に非水電解液とともに同軸状に収容されている。負極缶10は封口部30にて気密封止されている。その封口部30は、正極端子板31、隔壁導電板33、固定導電板34、および電気絶縁性の樹脂製封口ガスケット38などを用いて構成されている。
The
正極端子板31は皿状またはハット状の金属部品であって、その内側には先鋭突起部32が一体に形成されている。隔壁導電板33は円盤状の金属部品であって、正極端子板31と固定導電板34の間に介在して両者31,34間を電気接続するとともに、両者31,34間を気密隔離する。
The positive
固定導電板34は皿状の金属部品であって、上記電極体20の正極集電体212に導電リード35を介して電気接続するとともに、その周縁部が正極端子板31と固定導電板34の周縁部を包み込んだ状態で内方に折り返されている。これにより、正極端子板31、隔壁導電板33、固定導電板34は互いに導電状態で集合・一体化されている。
The fixed
封口ガスケット38は、固定導電板34の周縁部と負極缶10の開口部との間に介在するとともに、その負極缶10に形成したビード部12とかしめ加工部11の間に被圧縮状態で挟持されることにより、負極缶10内を気密封止している。
The sealing
上述した封口部30には、正極端子板31と隔壁導電板33とによって安全弁が形成されている。すなわち、隔壁導電板33は負極缶10内の圧力(内圧)を受けるようになっているが、その内圧が負極缶10内でのガス発生によって異常上昇すると、隔壁導電板33が正極端子板31側へ押圧・変形させられる。この変形がある程度以上になると、隔壁導電板33の中央部が上記先鋭突起部32に突き当たって破裂することにより内圧が解放され、負極缶10の破裂が防止される。
A safety valve is formed by the positive
負極缶10の内底面には、上記負極231にリチウムイオンを予備吸蔵させるためのリチウム金属41が、電気絶縁性のスペーサ部材50とともに配置されている。
On the inner bottom surface of the negative electrode can 10, a lithium metal 41 for preliminarily storing lithium ions in the negative electrode 231 is disposed together with an electrically insulating
スペーサ部材50は、図2にその平面図を示すように、厚み方向に所定の間隙を保持するための部材であって、厚み方向に抜ける開口部51が分散形成されている。このスペーサ部材50の形状は、たとえば同図の(a)(b)(c)に示すように、種々の態様が可能である。
As shown in the plan view of FIG. 2, the
図2において、(a)に示すスペーサ部材50は、中央に透孔52を形成する環状ボス部53を有し、このボス部53から所定の厚みを有する枝板部54が放射状に張り出している。そして、各枝板部54の間に扇状の開口部51が形成されている。
(b)に示すスペーサ部材50は、(a)の各枝板部54の先端部間を環状部55で連結した形状を有し、板枝部54と環状部55とで囲まれた扇状部分が開口部51となっている。
(c)に示すスペーサ部材50は、中央に透孔52を形成する環状ボス部53と、多数の小透孔56を分布形成した円盤部57とを有し、各透孔56がそれぞれ開口部51を形成している。
In FIG. 2, the
The
The
図1に示した実施形態では、予備吸蔵用のリチウム金属41が、上記スペーサ部材50の開口部51およびそのスペーサ部材50と負極缶10内底面の間に配置されている。負極缶10は導電リード42によって負極集電体232と電気接続されている。
In the embodiment shown in FIG. 1, the pre-occlusion lithium metal 41 is disposed between the opening 51 of the
導電リード42は帯状またはリボン状の金属薄板からなり、負極缶10との電気接続が低抵抗で確実に行われるようにするために、その負極缶10の内底面中央部に抵抗溶接されている。 The conductive lead 42 is made of a strip-like or ribbon-like thin metal plate, and is resistance-welded to the central portion of the inner bottom surface of the negative electrode can 10 in order to ensure electrical connection with the negative electrode can 10 with low resistance. .
リチウム金属41は、その導電リード42が溶接された負極缶10の内底面にスペーサ部材50とともに配置されることにより、負極231と短絡状態になっている。
The lithium metal 41 is placed in a short circuit state with the negative electrode 231 by being disposed together with the
負極缶10に同軸状に収容された電極体20には、軸方向に抜ける中心孔25が形成されている。上記スペーサ部材50の透孔52は、その中心孔25に位置対応するように設けられている。リチウム金属41はそのスペーサ部材50の透孔52の内側を除いた部分に配置されている。この透孔52の内側の負極缶10内底面にて上記導電リード42が溶接されている。
A
このような構成により、導電リード42の溶接は、リチウム金属41をスペーサ部材50とともに負極缶10の内底面に設置し、さらに電極体20を負極缶10内に収容した後で、電極体20の中心孔25に棒状の溶接電極を挿入することにより、円滑に行うことができる。この後、非水電解液の注入と負極缶10の封口が行われる。
With such a configuration, the conductive lead 42 is welded by placing the lithium metal 41 together with the
負極231と短絡状態で設置されたリチウム金属41は、非水電解液に電解溶出してリチウムイオンとなる。このリチウムイオンは負極231へ移動して吸蔵される。 The lithium metal 41 installed in a short circuit state with the negative electrode 231 is electrolytically eluted into the nonaqueous electrolytic solution to become lithium ions. The lithium ions move to the negative electrode 231 and are occluded.
リチウムイオンの供給源であるリチウム金属41は、負極缶10の内底面に配置されていて、電極体20の巻回端面に対向している。このため、そのリチウム金属41から溶出したリチウムイオンは、その巻回端面からセパレータ22を経由して負極231の各部へ移動し、吸蔵される。つまり、リチウムイオンは、距離の長い電極体20の巻回方向に沿ってではなく、距離の短い幅方向に沿って移動し、吸蔵される。これにより、負極231へのリチウムイオンの吸蔵を均一かつ円滑に行わせることができる。
The lithium metal 41 that is a supply source of lithium ions is disposed on the inner bottom surface of the negative electrode can 10 and faces the winding end surface of the
この実施形態では、リチウム金属41がセパレータ部材50の開口部51およびそのスペーサ部材50と負極缶10内底面の間に配置されている。つまり、リチウム金属41の一部は、電極体20に対してスペーサ部材50の下側に隠れた状態にある。しかし、その部分のリチウム金属41から溶出したリチウムイオンも、スペーサ部材50の開口部51を通り抜けて電極体20へ円滑に移動することができる。
In this embodiment, the lithium metal 41 is disposed between the opening 51 of the
リチウム金属41が非水電解液に溶出した跡には空隙が残るが、この空隙にスペーサ部材50が介在することにより、電極体20の巻回端面と負極缶10の内底面の間には一定の絶縁間隙が確保される。仮に、落下等の衝撃で電極体20の端部が押し潰されるようなことがあっても、正極集電体212が負極缶10に接触することは回避される。これにより、内部短絡による動作不良やガス発生を防止することができる。
A space remains in the trace where the lithium metal 41 is eluted in the non-aqueous electrolyte, but the
以上のように、上述したリチウムイオン蓄電素子では、リチウム金属が反応・劣化しやすい状態に置かれる工程期間および工程ラインを短くして生産性を向上させることが可能である。また、負極231へのリチウムイオンの予備吸蔵を円滑かつ均一に行わせることができる。さらに、内部短絡の発生原因を排除して信頼性を高めることができる。 As described above, in the above-described lithium ion storage element, it is possible to improve productivity by shortening a process period and a process line in which lithium metal is easily reacted and deteriorated. In addition, the pre-occlusion of lithium ions into the negative electrode 231 can be performed smoothly and uniformly. Furthermore, it is possible to improve the reliability by eliminating the cause of internal short circuit.
図3は、本発明に係るリチウムイオン蓄電素子の別の実施形態を示す断面図である。上述した実施形態との相違点に着目して説明すると、同図に示すリチウムイオン蓄電素子は、予備吸蔵用のリチウム金属41が、スペーサ部材50の開口部51およびそのスペーサ部材50と電極体20の間に配置されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the lithium ion storage element according to the present invention. The lithium ion storage element shown in the figure will be described by paying attention to differences from the above-described embodiment. The lithium metal 41 for pre-occlusion includes the
この構成では、リチウム金属10と電極体20の間にスペーサ部材50が介在せず、リチウム金属10の上面がすべて電極体20の端面に対向することにより、リチウムイオンの予備吸蔵をさらに円滑かつ迅速に行わせることができる。
In this configuration, the
<<実施例>>
(1)電池作製
正極の作製:正極材料である黒鉛粉末(TIMCAL製 SFG44)と結着剤であるカルボキシメチルセルロースを96:4の重量比で混合し、イオン交換水を加えてペースト状の合剤を調製した。この合剤を、集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布した。これに乾燥および圧延操作を行った後、幅54mmに切断して帯状のシート電極を作製した。
<< Example >>
(1) Battery production Production of positive electrode: Graphite powder (SFG44 made by TIMCAL) as positive electrode material and carboxymethyl cellulose as binder are mixed at a weight ratio of 96: 4, and ion-exchanged water is added to form a paste mixture Was prepared. This mixture was applied to both surfaces of a 20 μm thick aluminum foil serving as a current collector. This was dried and rolled, and then cut to a width of 54 mm to produce a strip-shaped sheet electrode.
このシート電極に形成された合剤の一部をシートの長手方向に対して垂直に掻き取ることによりアルミニウム箔の一部を露出させ、この露出部にアルミニウム製導電リード板を超音波溶接によって取り付けた。 A part of the mixture formed on the sheet electrode is scraped perpendicularly to the longitudinal direction of the sheet to expose a part of the aluminum foil, and an aluminum conductive lead plate is attached to the exposed part by ultrasonic welding. It was.
負極の作製:負極材料である難黒鉛化炭素材料(呉羽化学製 PIC)と結着剤であるポリフッ化ビニリデン樹脂を80:20の重量比で混合し、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンを加えてペースト状の合剤を調製した。この合剤を、集電体となる厚さ14μmの銅箔の両面に塗布した。これに乾燥および圧延操作を行った後、幅56mmに切断して帯状のシート電極を作製した。 Production of negative electrode: A non-graphitizable carbon material (PIC manufactured by Kureha Chemical), which is a negative electrode material, and a polyvinylidene fluoride resin, which is a binder, are mixed at a weight ratio of 80:20, and N-methyl-2-pyrrolidone is used as a solvent. In addition, a paste-like mixture was prepared. This mixture was applied to both sides of a 14 μm thick copper foil serving as a current collector. This was dried and rolled, and then cut to a width of 56 mm to produce a strip-shaped sheet electrode.
このシート電極に形成された合剤の一部をシートの長手方向に対して垂直に掻き取ることにより銅箔の一部を露出させ、この露出部にニッケル製導電リード板を抵抗溶接によって取り付けた。 A portion of the copper foil was exposed by scraping a part of the mixture formed on the sheet electrode perpendicularly to the longitudinal direction of the sheet, and a nickel conductive lead plate was attached to the exposed portion by resistance welding. .
電極体の作製:作製した負極と正極のシート電極を、間にポリエチレン製セパレータを介在させてスパイラル状に巻回し、円筒状の電極体を作製した。 Production of electrode body: The produced negative electrode sheet and positive electrode sheet electrode were spirally wound with a polyethylene separator interposed therebetween to produce a cylindrical electrode body.
リチウム金属の配置:次に、有底円筒状の金属製負極缶の内底部に、0.04gのドーナッツ型に打ち抜かれたリチウム金属箔をポリプロピレン製スペーサ部材とともに配置した。 Arrangement of lithium metal: Next, 0.04 g of a lithium metal foil punched out in a donut shape was arranged together with a polypropylene spacer member on the inner bottom of a cylindrical negative electrode can with a bottom.
この後、電極体を負極缶に挿入するが、この挿入の際に、負極の集電体に接続されている導電リード板をリチウム金属箔と負極缶内底面の間に差し入れる。そして、電極体の中心孔から棒状の溶接電極を挿入し、負極缶内底面の中央部に上記リード板を抵抗溶接した。 Thereafter, the electrode body is inserted into the negative electrode can. At the time of this insertion, the conductive lead plate connected to the negative electrode current collector is inserted between the lithium metal foil and the bottom surface of the negative electrode can. Then, a rod-shaped welding electrode was inserted from the center hole of the electrode body, and the lead plate was resistance welded to the central portion of the bottom surface of the negative electrode can.
(実施例)
上述したリチウムイオン蓄電素子を、リチウム金属箔とスペーサ部材の位置関係およびスペーサ部材の形状別に、次の4通りの実施例(1〜4)で作製した。
実施例1:リチウム金属箔とスペーサ部材を図1に示したように配置し、スペーサ部材は図2の(a)に示した形状のものを使用。
実施例2:リチウム金属箔とスペーサ部材を図1に示したように配置し、スペーサ部材は図2の(b)に示した形状のものを使用。
実施例3:リチウム金属箔とスペーサ部材を図3に示したように配置し、スペーサ部材は図2の(a)に示した形状のものを使用。
実施例4:リチウム金属箔とスペーサ部材を図3に示したように配置し、スペーサ部材は図2の(b)に示した形状のものを使用。
(Example)
The above-described lithium ion storage element was produced in the following four examples (1 to 4) according to the positional relationship between the lithium metal foil and the spacer member and the shape of the spacer member.
Example 1 Lithium metal foil and a spacer member are arranged as shown in FIG. 1, and the spacer member having the shape shown in FIG.
Example 2: A lithium metal foil and a spacer member are arranged as shown in FIG. 1, and the spacer member having the shape shown in FIG. 2 (b) is used.
Example 3 Lithium metal foil and a spacer member are arranged as shown in FIG. 3, and the spacer member has the shape shown in FIG.
Example 4 Lithium metal foil and a spacer member are arranged as shown in FIG. 3, and the spacer member has the shape shown in FIG.
(比較例)
また、上述したリチウムイオン蓄電素子を次の2種類の比較例1,2で作製した。
比較例1:リチウム金属箔の上にスペーサ部材を配置するとともに、スペーサ部材には開口部を有しないもの使用。
比較例2:リチウム金属箔を配置しないで蓄電素子を作製。
(Comparative example)
Moreover, the lithium ion electrical storage element mentioned above was produced in the following two types of comparative examples 1 and 2.
Comparative Example 1: A spacer member is disposed on a lithium metal foil, and the spacer member does not have an opening.
Comparative Example 2: A storage element was produced without arranging a lithium metal foil.
(2)評価。 (2) Evaluation.
まず、実施例1〜4および比較例1について、7日間放置した後のリチウム金属の溶出状態を調べたところ、実施例1〜4のものはリチウム金属の溶け残りが認められなかったが、比較例1のものはリチウム金属が溶け残っていた。 First, for Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, the elution state of lithium metal after being left for 7 days was examined. In Examples 1 to 4, no undissolved lithium metal was observed. In Example 1, lithium metal remained undissolved.
次に、実施例1〜4および比較例1,2について、室温にて容量確認を行った後に、60℃の恒温槽内で浮動充電試験を行った。試験は、恒温槽に入れてから5時間放置した後、所定電圧にて浮動充電を開始した。浮動充電を500時間行った後、恒温槽から取り出し、室温にて放電容量の測定を行うとともに外観の検査を行った。この結果を表1に示す。 Next, about Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2, after performing capacity | capacitance confirmation at room temperature, the floating charge test was done in a 60 degreeC thermostat. The test was allowed to stand for 5 hours after being placed in a thermostatic bath, and then started floating charging at a predetermined voltage. After performing floating charging for 500 hours, the battery was taken out from the thermostat, and the discharge capacity was measured at room temperature and the appearance was inspected. The results are shown in Table 1.
表1の結果のとおり、予備吸蔵用のリチウム金属を配置して作製した実施例1〜4と比較例1の蓄電素子は、浮動充電後も放電容量に大きな劣化はなかった。しかし、詳細に比較すると、実施例1〜4のものと比較例1との間には有意の差が認められた。これは、リチウムイオンの予備吸蔵量が関係していると考えられる。 As shown in the results of Table 1, the storage elements of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 manufactured by arranging the lithium metal for pre-occlusion did not have a large deterioration in discharge capacity even after floating charge. However, when compared in detail, a significant difference was observed between Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. This is considered to be related to the preocclusion amount of lithium ions.
外観については、実施例1〜4と比較例1では変形が認められなかった。しかし、比較例1ではリチウム金属の溶け残りがあった。溶け残ったリチウム金属は、何らかの原因で水分が侵入した場合に、激しく反応してガス発生の原因となるので、素子の安全性や信頼性の低下原因となる。 As for the appearance, no deformation was observed in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. However, in Comparative Example 1, there was undissolved lithium metal. The undissolved lithium metal reacts violently and causes gas generation when moisture invades for some reason, which causes a reduction in the safety and reliability of the device.
比較例2では、素子の外観に変形が認められた。これは内部でガス発生が生じたことを意味する。また、比較例2では、初期放電容量そのものが低く、浮動充電後の放電容量はさらに大幅に低くなっているが、これらは、リチウムイオンの予備吸蔵を行わなかったことが関係していると考えられる。 In Comparative Example 2, deformation was recognized in the appearance of the element. This means that gas generation has occurred inside. Further, in Comparative Example 2, the initial discharge capacity itself is low, and the discharge capacity after floating charge is much lower. However, these are considered to be related to the fact that no pre-occlusion of lithium ions was performed. It is done.
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、本発明は、円筒型以外の角型など、種々の筒形形状の蓄電素子に適用可能である。 As described above, the present invention has been described based on the typical embodiments. However, the present invention can have various modes other than those described above. For example, the present invention can be applied to power storage elements having various cylindrical shapes such as a square shape other than the cylindrical shape.
スパイラル状に巻回された筒状の電極体を有底筒状の金属製負極缶に非水電解液とともに収容した構成を有するリチウムイオン蓄電素子において、その生産性を高めるとともに、製品の信頼性を高めることができる。 In a lithium ion storage element having a configuration in which a cylindrical electrode body wound in a spiral shape is housed in a bottomed cylindrical metal negative electrode can together with a non-aqueous electrolyte, the productivity is improved and the reliability of the product is improved. Can be increased.
10 負極缶
11 かしめ加工部 12 ビード部
20 電極体 21 正極部
211 正極 212 正極集電体
22 セパレータ 23 負極部
231 負極 232 負極集電体
25 中心孔 30 封口部
31 正極端子板 32 先鋭突起部
33 隔壁導電板 34 固定導電板
35 導電リード(正極) 38 封口ガスケット
41 リチウム金属 42 導電リード(負極)
50 スペーサ部材 51 開口部
52 透孔 53 環状ボス部
54 枝板部 55 環状部
56 小透孔 57 円盤部
DESCRIPTION OF
50
Claims (4)
4. The spacer member and the lithium metal according to claim 1, wherein the spacer member and the lithium metal form a through hole at a position corresponding to the center hole of the electrode body, and the negative electrode and the lithium metal are formed inside the through hole. A lithium ion storage element, wherein a conductive lead to be electrically connected is welded to the bottom surface of the negative electrode can.
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