JP2008258055A - 二次電池、及び車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の二次電池100では、正極160が、正極集電板161と、この正極集電板161上に積層され、正極原料粉末165及び正極バインダ166を含む複数の正極合材層を備えている。この複数の正極合材層のうち最も正極集電板161側に位置する最内側正極合材層(第1正極合材層163)にかかる正極バインダ166の含有率(wt%)を、他の正極合材層(第2正極合材層164)に比べて高くし、且つ、4wt%以上7wt%以下としている。
【選択図】図5
Description
このように、炭素材料の比表面積が2m2/g以下の炭素材料を下層に含有させることで、炭素材料の表面に吸着されるバインダを抑制することができる。これにより、炭素材料と集電体との接着に有効なバインダを十分に存在させることができるので、集電体と炭素材料との密着性に優れた負極板を提供できると記載されている。さらに、上層に、比表面積の大きな高放電容量の炭素材料を含む負極合材層を積層することで、高放電容量の負極板を得ることができると記載されている。
これに対し、特許文献1及び特許文献2で提案されている二次電池用電極を用いることで、二次電池の放電容量を高めることはできるが、出力特性やサイクル寿命特性を高めることができなかった。特に、電気自動車やハイブリッド自動車など車両の電源として要求されている出力特性やサイクル寿命特性は高く、これを満足させることはできなかった。
一方、正極合材層中の正極バインダを少なくし過ぎると、正極合材層と正極集電板との結着力が低くなり、長期の使用に伴い、正極合材層が正極集電板から剥離してしまう虞がある。
最内側正極合材層の正極バインダの含有率を4wt%以上とすることで、正極合材層と正極集電板とを強固に結着することができ、長期間繰り返し使用しても、正極合材層と正極集電板との結合を維持することができる。これにより、サイクル寿命特性が良好となる。
なお、正極原料粉末としては、例えば、正極活物質や導電材などを挙げることができる。
最内側負極合材層の負極バインダの含有率を3wt%以上とすることで、負極合材層と負極集電板とを強固に結着することができ、長期間繰り返し使用しても、負極合材層と負極集電板との結合を維持することができる。これにより、サイクル寿命特性が良好となる。特に、最内側正極合材層の正極バインダの含有率を4wt%以上とし、且つ、最内側負極合材層の負極バインダの含有率を3wt%以上とした二次電池では、より一層、サイクル寿命特性が良好となる。
なお、負極原料粉末としては、例えば、負極活物質や水素吸蔵合金や導電材などを挙げることができる。
本発明をリチウムイオン二次電池に適用することで、適切に、出力特性が良好で、且つサイクル寿命特性が良好なリチウムイオン二次電池を得ることができる。
なお、二次電池を搭載した車両としては、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車のほか、バイク、フォークリフト、電動車いす、電動アシスト自転車、電動スクータ、鉄道車両等を挙げることができる。
次に、本発明の第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態にかかる車両1は、図1に示すように、車体2、エンジン3、フロントモータ4、リヤモータ5、ケーブル7及びバッテリパック6を有し、エンジン3、フロントモータ4及びリヤモータ5との併用で駆動するハイブリッドカーである。具体的には、この車両1は、バッテリパック6をフロントモータ4及びリヤモータ5の駆動用電源として、公知の手段によりエンジン3、フロントモータ4及びリヤモータ5を用いて走行できるように構成されている。
なお、本実施形態1では、正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2 を用い、導電材としてアセチレンブラックを用いている。後述する実施形態2,3においても同様である。
また、本実施形態では、正極合材層162の厚みT2を、50μm以下(詳細には、30μm程度)と極めて薄くしている。さらには、第1正極合材層163の厚みT1を、正極合材層162全体の厚みT2の1/10以上1/2以下としている。
負極合材層172は、負極原料粉末175(負極活物質)と、負極バインダ176(SBR,CMC)とにより構成されている。このように、本実施形態では、負極170は、正極160と異なり、一層(1種類)の負極合材層からなる負極合材層172を備えている。なお、負極合材層172の厚みU2は、50μm以下(詳細には、30μm程度)と極めて薄くしている。
なお、本実施形態1では、負極活物質として、黒鉛を用いている。後述する実施形態2,3においても同様である。
(正極の製作)
まず、96〜93wt%の正極原料粉末165と、4〜7wt%の正極バインダ166(PVDF)とを混合し、これに有機溶剤(NMP)を加えて撹拌して、第1正極ペーストを作製した。次いで、この第1正極ペーストを、正極集電板161(アルミニウム箔)の表面161b上に塗布し、乾燥させた。このようにして、正極集電板161の表面161b上に、第1正極合材層163を形成した。
96wt%の負極原料粉末175(負極活物質)と、4wt%の負極バインダ176(SBR,CMC)とを混合し、これに水を加えて撹拌して、負極ペーストを作製した。次いで、この負極ペーストを、負極集電板(銅箔)の表面上に塗布し、乾燥させた。このようにして、負極集電板の表面上に負極合材層を形成した。その後、負極合材層をプレス加工により押圧成形し、負極合材層の厚みを30μm程度にした。このようにして、正極160と異なり、負極合材層を一層のみ備える負極170を得た。
次いで、正極160、負極170、及びセパレータ180を積層しつつ、これらを捲回して扁平捲回型の電極体150を形成した。なお、正極160、負極170、及びセパレータ180を積層する際には、電極体150の一端部から、正極160のうち正極合材を塗工していない未塗工部が突出するように、正極160を配置しておく。さらには、負極170のうち負極合材を塗工していない未塗工部が、正極160の未塗工部とは反対側から突出するように、負極170を配置しておく。これにより、正極接続部160b及び負極接続部170bを有する電極体150(図4参照)が形成される。
第1正極合材層163の正極バインダ166の含有率(wt%)のみを異ならせた、4種類のリチウムイオン二次電池100(実施例1〜4)を製造した。具体的には、第1正極合材層163の正極バインダ166の含有率(wt%)を、4wt%(実施例1)、5wt%(実施例2)、6wt%(実施例3)、7wt%(実施例4)と異ならせている。
実施形態のリチウムイオン二次電池100と比較して、第1正極合材層の正極バインダ166の含有率(wt%)のみを異ならせた、4種類のリチウムイオン二次電池(比較例1〜4)を製造した。具体的には、第1正極合材層の正極バインダ166の含有率(wt%)を、2wt%(比較例1)、3wt%(比較例2)、8wt%(比較例3)、10wt%(比較例4)と異ならせている。
次に、実施例1〜4及び比較例1〜4にかかるリチウムイオン二次電池について、充放電試験を行った。
具体的には、それぞれのリチウムイオン二次電池について、25℃の常温環境下において、2C(1.4A)の電流で、満充電状態になるまで充電し、その後、完全放電状態になるまで放電する充放電サイクルを、500サイクル行った。
次に、正極合材層162全体の厚みT2に対する第1正極合材層163の厚みT1の比率(=T1/T2)のみを異ならせた、4種類のリチウムイオン二次電池100(実施例5〜8)を製造した。具体的には、T1/T2の値を、1/10(実施例5)、1/6(実施例6)、1/3(実施例7)、1/2(実施例8)と異ならせている。なお、第1正極合材層163(最内側正極合材層)の正極バインダ166の含有率は、いずれの二次電池においても6wt%としている。
実施形態のリチウムイオン二次電池100と比較して、正極合材層全体の厚みT2に対する第1正極合材層の厚みT1の比率(=T1/T2)のみを異ならせた、2種類のリチウムイオン二次電池(比較例5,6)を製造した。具体的には、T1/T2の値を、1/30(比較例5)、2/3(比較例6)と異ならせている。なお、第1正極合材層(最内側正極合材層)の正極バインダ166の含有率は、実施例と同様に、いずれの二次電池においても6wt%としている。
次に、実施例5〜8及び比較例5,6にかかるリチウムイオン二次電池について、前述の実施例1〜4と同様に、25℃の常温環境下において充放電試験を行った。この充放電試験の1サイクル目における、それぞれの二次電池の出力(初期の出力)を、図9に○印で示す。さらに、それぞれの二次電池の500サイクル目における出力(サイクル試験後の出力)を、図9に△印で示す。
次に、本発明の第2の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態2は、実施形態1と比較して、リチウムイオン二次電池の電極(正極及び負極)のみが異なり、その他の部分については同等である。従って、ここでは、実施形態1と異なる部分について説明し、その他の部分については、説明を省略または簡略化する。
負極合材層272は、実施形態1の負極合材層172と異なり、負極集電板271の表面271b上に積層されてなる、第1負極合材層273(最内側負極合材層)及び第2負極合材層274(最外側負極合材層)により構成されている。具体的には、負極合材層272は、負極集電板271側に位置する第1負極合材層273と、負極集電板271の厚み方向外側に位置する第2負極合材層274とにより構成されている。第1負極合材層273及び第2負極合材層274は、いずれも、実施形態1と同様に、負極原料粉末175(負極活物質)と、負極バインダ176(SBR,CMC)とにより構成されている。
さらに、本実施形態では、第2負極合材層273の厚みU1を、負極合材層272全体の厚みU2の1/20以上1/2以下としている。
次に、負極270の製作方法について説明する。
まず、97〜94wt%の負極原料粉末175(負極活物質)と、3〜6wt%の負極バインダ176(SBR,CMC)とを混合し、これに水を加えて撹拌して、第1負極ペーストを作製した。次いで、この第1負極ペーストを、負極集電板271(銅箔)の表面271b上に塗布し、乾燥させた。このようにして、負極集電板271の表面271b上に、第1負極合材層273を形成した。
第1負極合材層273の負極バインダ176の含有率(wt%)のみを異ならせた、5種類のリチウムイオン二次電池200(実施例9〜13)を製造した。具体的には、第1負極合材層273の負極バインダ176の含有率(wt%)を、3wt%(実施例9)、3.5wt%(実施例10)、4wt%(実施例11)、5wt%(実施例12)、6wt%(実施例13)と異ならせている。
実施形態のリチウムイオン二次電池200と比較して、第1負極合材層の負極バインダ176の含有率(wt%)のみを異ならせた、3種類のリチウムイオン二次電池(比較例7〜9)を製造した。具体的には、第1負極合材層の負極バインダ176の含有率(wt%)を、2wt%(比較例7)、2.5wt%(比較例8)、8wt%(比較例9)と異ならせている。
次に、実施例9〜13及び比較例7〜9にかかるリチウムイオン二次電池について、充放電試験を行った。具体的には、それぞれのリチウムイオン二次電池について、−30℃の低温環境下において、2C(1.4A)の電流で、満充電状態になるまで充電し、その後、完全放電状態になるまで放電する充放電サイクルを、500サイクル行った。
次に、負極合材層272全体の厚みU2に対する第1負極合材層273の厚みU1の比率(=U1/U2)のみを異ならせた、5種類のリチウムイオン二次電池200(実施例14〜18)を製造した。具体的には、U1/U2の値を、1/20(実施例14)、1/10(実施例15)、1/5(実施例16)、1/3(実施例17)、1/2(実施例18)と異ならせている。なお、第1負極合材層273(最内側負極合材層)の負極バインダ176の含有率は、いずれの二次電池においても4wt%としている。
実施形態のリチウムイオン二次電池200と比較して、負極合材層全体の厚みU2に対する第1負極合材層の厚みU1の比率(=U1/U2)のみを異ならせた、2種類のリチウムイオン二次電池(比較例10,11)を製造した。具体的には、U1/U2の値を、1/30(比較例10)、2/3(比較例11)と異ならせている。なお、第1負極合材層(最内側負極合材層)の負極バインダ176の含有率は、実施例と同様に、いずれの二次電池においても4wt%としている。
次に、実施例14〜18及び比較例10,11にかかるリチウムイオン二次電池について、前述の実施例9〜13と同様に、低温環境下(−30℃)において充放電試験を行った。この充放電試験の1サイクル目における、それぞれの二次電池の出力(初期の出力)を、図14に○印で示す。さらに、それぞれの二次電池の500サイクル目における出力(サイクル試験後の出力)を、図14に△印で示す。
次に、本発明の第3の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態3は、実施形態1と比較して、リチウムイオン二次電池のみが異なり、その他の部分については同等である。具体的には、本実施形態3のリチウムイオン二次電池300は、図15に示すように、実施形態1のリチウムイオン二次電池100と比較して、電極体150に代えて電極体350を備えている点のみが異なっている。この電極体350は、実施形態1の電極体150と比較して、負極170に代えて、実施形態2にかかる負極270(図12参照)を有している点のみが異なっている。
正極バインダ166の含有率を6wt%とした第1正極合材層163と、正極バインダ166の含有率を2wt%とした第2正極合材層164とを積層して、正極160を作製した。さらに、負極バインダ176の含有率を4wt%とした第1負極合材層273と、負極バインダ176の含有率を2wt%とした第2負極合材層274とを積層して、負極270を作製した。次いで、この正極160及び負極270を用いて、実施例19にかかるリチウムイオン二次電池300を製造した。
次に、実施例19にかかるリチウムイオン二次電池300について、前述の実施例1〜4と同様に、25℃の常温環境下で充放電試験を行った。この充放電試験の1サイクル目における、リチウムイオン二次電池300の出力(初期の出力)を、図16に白抜きの棒グラフで示す。さらに、500サイクル目における出力(サイクル試験後の出力)を、図16にハッチングした棒グラフ示す。
また、実施例19にかかるリチウムイオン二次電池300について、前述の実施例9〜13と同様に、−30℃の低温環境下で充放電試験を行った。この充放電試験の1サイクル目における、リチウムイオン二次電池300の出力(初期の出力)を、図17に白抜きの棒グラフで示す。さらに、500サイクル目における出力(サイクル試験後の出力)を、図17にハッチングした棒グラフ示す。
例えば、実施形態1〜3では、車両1の電源としてリチウムイオン二次電池100〜300を例示したが、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素蓄電池など、他の二次電池を用いるようにしても良い。すなわち、本発明は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素蓄電池など、他の二次電池にも適用することができる。
6 バッテリパック
10 電池モジュール
100,200,300 リチウムイオン二次電池
160,260 正極
161,261 正極集電板
162,262 正極合材層
163 第1正極合材層(最内側正極合材層)
164 第2正極合材層(最外側正極合材層)
165 正極原料粉末
166 正極バインダ
170,270 負極
171,271 負極集電板
172,272 負極合材層
175 負極原料粉末
176 負極バインダ
273 第1負極合材層(最内側負極合材層)
274 第2負極合材層(最外側負極合材層)
Claims (14)
- 正極及び負極を備える二次電池であって、
上記正極は、
正極集電板と、
上記正極集電板上に積層され、正極原料粉末及び正極バインダを含む複数の正極合材層であって、
上記複数の正極合材層のうち最も上記正極集電板側に位置する最内側正極合材層にかかる上記正極バインダの含有率(wt%)を、
他の正極合材層に比べて高くし、且つ、
4wt%以上7wt%以下としてなる
正極合材層と、を有する
二次電池。 - 請求項1に記載の二次電池であって、
前記最内側正極合材層の厚みが、積層された前記正極合材層全体の厚みの1/10以上1/2以下である
二次電池。 - 請求項1または請求項2のいずれか一項に記載の二次電池であって、
積層された前記正極合材層全体の厚みが、50μm以下である
二次電池。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の二次電池であって、
前記複数の正極合材層のうち、最も外側に位置する最外側正極合材層は、前記正極バインダの含有率を2wt%以下としてなる
二次電池。 - 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の二次電池であって、
前記負極は、
負極集電板と、
上記負極集電板上に積層され、負極原料粉末及び負極バインダを含む複数の負極合材層であって、
上記複数の負極合材層のうち最も上記負極集電板側に位置する最内側負極合材層にかかる上記負極バインダの含有率(wt%)を、
他の負極合材層に比べて高くし、且つ、
3wt%以上6wt%以下としてなる
負極合材層と、を有する
二次電池。 - 請求項5に記載の二次電池であって、
前記最内側負極合材層の厚みが、積層された前記負極合材層全体の厚みの1/20以上1/2以下である
二次電池。 - 請求項5または請求項6に記載の二次電池であって、
積層された前記負極合材層全体の厚みが、50μm以下である
二次電池。 - 請求項5〜請求項7のいずれか一項に記載の二次電池であって、
前記複数の負極合材層のうち、最も外側に位置する最外側負極合材層は、前記負極バインダの含有率を2wt%以下としてなる
二次電池。 - 正極及び負極を備える二次電池であって、
上記負極は、
負極集電板と、
上記負極集電板上に積層され、負極原料粉末及び負極バインダを含む複数の負極合材層であって、
上記複数の負極合材層のうち最も上記負極集電板側に位置する最内側負極合材層にかかる上記負極バインダの含有率(wt%)を、
他の負極合材層に比べて高くし、且つ、
3wt%以上6wt%以下としてなる
負極合材層と、を有する
二次電池。 - 請求項9に記載の二次電池であって、
前記最内側負極合材層の厚みが、積層された前記負極合材層全体の厚みの1/20以上1/2以下である
二次電池。 - 請求項9または請求項10に記載の二次電池であって、
積層された前記負極合材層全体の厚みが、50μm以下である
二次電池。 - 請求項9〜請求項11のいずれか一項に記載の二次電池であって、
前記複数の負極合材層のうち、最も外側に位置する最外側負極合材層は、前記負極バインダの含有率を2wt%以下としてなる
二次電池。 - 請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の二次電池であって、
上記二次電池は、リチウムイオン二次電池である
二次電池。 - 請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載の二次電池を搭載してなる車両。
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