JP2009054475A - 非水電解液電池および電池パック - Google Patents

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Abstract

【課題】放電容量を損なうことなく、充放電サイクル特性を向上させることができる非水電解液電池および電池パックを提供することを目的とする。
【解決手段】正極と、
負極集電体と、該負極集電体の片面若しくは両面に担持された負極活物質含有層とを具備し、該負極活物質含有層中に炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種と、リチウムチタン複合酸化物を含有する負極と、
非水電解液と
を具備することを特徴とする非水電解液電池。
【選択図】図1

Description

本発明は、非水電解液電池および電池パックに関する。
リチウムイオンが負極と正極とを移動することにより充放電が行われる非水電解液電池は、高エネルギー密度電池として盛んに研究開発が進められている。
この非水電解液電池には、その用途により様々な特性が望まれる。例えば、デジタルカメラの電源用では約3C放電、ハイブリッド電気自動車等の車載用では約10C放電以上の使用が見込まれる。このため、これら用途の非水電解液電池には、特に大電流特性や、大電流で充放電を繰り返した際の優れた充放電サイクル寿命が望まれる。
現在、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質として炭素質物を用いる非水電解液電池が商用化されている。リチウム遷移金属複合酸化物は、遷移金属としてCo、Mn、Ni等を用いるのが一般的である。
近年、炭素質物に比してLi吸蔵放出電位が高いリチウムチタン複合酸化物を負極活物質として用いた非水電解液電池が提案されている。リチウムチタン複合酸化物は、充放電に伴う体積変化が少ないためサイクル特性に優れる。中でも、スピネル型チタン酸リチウムは特に有望である。
例えば、特許文献1には、正極にスピネル型リチウムマンガン酸化物を用い、負極にスピネル型リチウムチタン酸化物を用いた電池が開示されている。このような電池構成にすることで、過酷な充放電に耐え得る非水電解質二次電池を提供している。
特開平8−22841号公報
ところで、発明者らが鋭意研究した結果、負極活物質にリチウムチタン複合酸化物を用いた電池は貯蔵時の自己放電量が多いことがわかった。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、リチウムチタン複合酸化物の有する優れた充放電サイクル性能を損なうことなく、自己放電を抑制できる非水電解液電池および電池パックを提供することを目的とする。
本発明の第一の非水電解液電池は、正極と、
負極集電体と、該負極集電体の片面若しくは両面に担持された負極活物質含有層とを具備し、該負極活物質含有層中に、炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種と、リチウムチタン複合酸化物を含有する負極と、
非水電解液と
を具備することを特徴とする非水電解液電池である。
本発明の電池パックは、前記非水電解液電池の各電池が直列もしくは並列に電気的に接続されている組電池を具備することを特徴とするものである。
本発明によれば、充放電サイクル性能を損なうことなく、自己放電量が小さい非水電解液電池および電池パックを提供することができる。
負極活物質にリチウムチタン複合酸化物を用いた電池は貯蔵時の自己放電量が多い。これは、リチウムチタン複合酸化物が、負極表面に保護皮膜が形成され難い1.55V(vs.Li/Li)近傍で作用することが影響していると推察される。すなわち、リチウム作用電位が0.1V(vs.Li/Li)である炭素負極とは異なり、負極表面に自己放電を抑制する保護皮膜が形成され難いことが要因と考えられた。この自己放電は、負極導電材に炭素質物を用いると更に顕著となる。これは、リチウムチタン複合酸化物の作用電位である1.55V(vs.Li/Li)近傍では、導電剤である炭素質物の表面にも保護皮膜が形成され難く、保護皮膜を有さない炭素はリチウムチタン複合酸化物よりも格段に電解液との反応性が高いためと考えられた。
そこで、上述した目的を達成するために、本発明の実施形態では、負極に、負極活物質としてのリチウムチタン複合酸化物と、炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種を含有させる。炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種は、以降の文章中、第1の物質とも称す。リチウムチタン複合酸化物よりも卑な電位を有し、電気化学的に安定なこれらの第1の物質を添加することで、リチウムチタン複合酸化物の電位を卑な方向に牽引することができ、自己放電が抑制される。
このような負極は、電極作製段階において、例えば、粉末状の上記第1の物質を混合することで得られる。電極作成段階に混合する第1の物質は、充放電反応に寄与しないので、電極の体積変化を起こさず、サイクル寿命に影響を与えずに自己放電を抑制することが可能となる。
第1の物質の含有量は、集電体を除いた負極重量に対して1重量%以上とすることにより、より大きな自己放電抑制の効果が得られる。また、充分なエネルギー密度を確保するため、含有量の上限は20重量%以下とすることが好ましい。より好ましい範囲は、3〜10重量%である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
本発明の実施の形態に係る非水電解液電池の一例について、図1および図2を参照してその構造を説明する。図1に、本発明の実施の形態に係わる扁平型非水電解液二次電池の断面模式図を示す。図2は、図1のAで示した円で囲われた部分を詳細に表す部分断面模式図を示す。
図1に示すように、外装部材7には、扁平状の捲回電極群6が収納されている。捲回電極群6は、正極3と負極4をその間にセパレータ5を介在させて渦巻状に捲回された構造を有する。非水電解液は、捲回電極群6に保持されている。
図2に示すように、捲回電極群6の最外周には負極4が位置しており、この負極4の内周側にセパレータ5、正極3、セパレータ5、負極4、セパレータ5、正極3、セパレータ5というように正極3と負極4がセパレータ5を介して交互に積層されている。負極4は、負極集電体4aと、負極集電体4aに担持された負極活物質含有層4bとを備えるものである。負極4の最外周に位置する部分では、負極集電体4aの片面のみに負極活物質含有層4bが形成されている。正極3は、正極集電体3aと、正極集電体3aに担持された正極活物質含有層3bとを備えるものである。
図1に示すように、帯状の正極端子1は、捲回電極群6の外周端近傍の正極集電体3aに電気的に接続されている。一方、帯状の負極端子2は、捲回電極群6の外周端近傍の負極集電体4aに電気的に接続されている。正極端子1及び負極端子2の先端は、外装部材7の同じ辺から外部に引き出されている。
以下、負極、非水電解液、正極、セパレータ、外装部材、正極端子、負極端子について詳細に説明する。
1)負極
負極は、負極集電体と、負極集電体の片面若しくは両面に担持され、リチウムチタン複合酸化物、第1の物質(炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選択される少なくとも一種)、負極導電剤および結着剤を含む負極活物質含有層とを有する。この負極において、リチウムチタン複合酸化物と第1の物質は混合物の状態で存在する。リチウムチタン複合酸化物と第1の物質の存在は、X線回折のパターンを確認することにより確認することができる。また、リチウムチタン複合酸化物と第1の物質の各々が独立した粒子(空間的に離間した状態)であることは、負極表面、乃至は断面のSEM−EDX観察により確認することができる。負極活物質含有層中の第1の物質(炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムより選択される少なくとも一種)の含有量は負極活物質含有層を水洗することによって確認できる。これらの第1の物質は水溶性である一方、リチウムチタン複合酸化物は不溶性であるため、負極活物質含有層を取り出して水洗し、水洗前後の負極重量(負極集電体を除く)から、これらの含有量を知ることができる。
負極活物質として、リチウムチタン複合酸化物を用いる。リチウムチタン複合酸化物は、充放電時の構造変化が小さく充放電サイクル性能に優れた物質である。
このようなリチウムチタン複合酸化物としては、例えば、スピネル構造やラムステライド構造などを有するリチウムチタン酸化物や、構成要素の一部を異種元素で置換したリチウムチタン複合酸化物、などが挙げられる。スピネル構造を有するリチウムチタン酸化物としては、Li4+xTi12(0≦x≦3)などを挙げることができる。ラムステライド構造を有するリチウムチタン酸化物としては、Li2+yTi(0≦y≦3)などを挙げることができる。なお、酸素のモル比については、スピネル型Li4+xTi12(0≦x≦3)では12、ラムスデライト型Li2+yTi(0≦y≦3)では7と形式的に示しているが、酸素ノンストイキオメトリー等の影響によってこれらの値は変化しうる。
サイクル寿命の観点から、リチウムチタン複合酸化物は、スピネル構造を有するチタン酸リチウムであることが好ましい。中でも、スピネル型構造を有するLi4+xTi12(0≦x≦3)は初充放電効率に特に優れ、本実施形態によるサイクル特性の向上効果が良好に発揮されるため好ましい。
自己放電は、リチウムチタン複合酸化物の比表面積が大きくなるほど顕著となる。比表面積が大きくなることで、リチウム放出サイトが多くなるためである。従って、本発明は、比表面積が大きい負極活物質を用いた場合に特に有効であり、BET比表面積が10m/gを超えるような場合に際立った効果が得られる。また、比表面積を大きくするためには粒径を小さくする。従って、リチウムチタン複合酸化物の平均粒径は1μm以下とした場合に際立った効果が得られる。
リチウムチタン複合酸化物は、上述したように、平均粒径が1μm以下、かつN吸着によるBET法での比表面積が10m/g以上の範囲であることが望ましい。但し、リチウムチタン複合酸化物の平均粒径が小さ過ぎる、或いは比表面積が大き過ぎると、非水電解液の分布が負極側に偏り、正極での電解質の枯渇を招く恐れがあるため、平均粒径の下限値は0.001μm、比表面積の上限値は50m/gにすることが好ましい。
上述の自己放電を抑制するために、負極に炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種(第1の物質)を含有させる。第1の物質としては、電解液への溶解性が低く、リチウムチタン酸化物との反応性が低い、炭酸リチウム、フッ化リチウムが好ましい。また、第1の物質としては、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる1種としても良いし、2種以上としても良い。単独でフッ化リチウムを入れる場合は、充電量が少ない状態(低SOC)の負極抵抗が低下するという効果もある。2種以上を入れる場合は、フッ化リチウムと炭酸リチウムとを組み合わせた場合に上述した低SOCでの負極低抵が更に低抵抗化するという効果を得ることが出来る。
第1の物質の粉末の大きさは1〜30μmとすることが好ましい。1μm以上とすることにより、第1の物質近傍への電解液の偏りを抑制でき、活物質側の電解液の枯渇を抑制するという効果を得ることが出来る。また、30μm以下とすることにより、第1の物質が電極中に偏在することなく、安定した塗工が可能となるという効果を得ることが出来る。第1の物質の粉末の大きさは1〜10μmとすることがさらに好ましい。
負極の気孔率(集電体を除く)は、20〜50%の範囲にすることが望ましい。これにより、負極と非水電解液との親和性に優れ、かつ高密度な負極を得ることができる。気孔度の更に好ましい範囲は、25〜40%である。
負極集電体は、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔であることが好ましい。負極集電体は、平均結晶粒径が50μm以下であることが好ましい。これにより、集電体の強度を飛躍的に増大させることができるが、負極を高いプレス圧で高密度化することが可能となり、電池容量を増大させることができる。また、高温環境下(40℃以上)における過放電サイクルでの負極集電体の溶解・腐食劣化を防ぐことができるため、負極インピーダンスの上昇を抑制することができる。さらに、出力特性、急速充電、充放電サイクル特性も向上させることができる。平均結晶粒径のより好ましい範囲は30μm以下であり、更に好ましい範囲は5μm以下である。
平均結晶粒径は次のようにして求められる。集電体表面の組織を光学顕微鏡で組織観察し、1mm×1mm内に損竿する結晶粒の数nを求める。このnを用いてS=1×10/n(μm)から平均結晶粒径面積Sを求める。得られたSの値から下記(1)式により、平均結晶粒径d(μm)を算出する。
d=2(S/π)1/2 (1)式
前記平均結晶粒径の範囲が50μm以下の範囲にあるアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔は、材料組織、不純物、加工条件、熱処理条件など複数の因子に複雑に影響され、前記結晶粒径は製造工程の中で、前記諸因子を組合せて調整される。
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の厚さは、20μm以下、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素、などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属は1%以下にすることが好ましい。
前記導電剤としては、例えば、炭素材料を用いることができる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛が挙げられ、その他、アルミニウム粉末などの金属粉末、TiOなどの導電性セラミックスを挙げることができる。より好ましくは、熱処理温度が800〜2000℃の平均粒子径10μm以下のコークス、黒鉛、TiOの粉末、平均粒子径1μm以下の炭素繊維が好ましい。前記炭素材料のN吸着によるBET比表面積は10m/g以上が好ましい。
前記結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、コアシェルバインダーなどが挙げられる。
負極活物質、負極導電剤及び結着剤の配合比については、負極活物質は70重量%以上96重量%以下、負極導電剤は2重量%以上28重量%以下、結着剤は2重量%以上28重量%以下の範囲にすることが好ましい。負極導電剤量が2重量%未満であると、負極活物質含有層の集電性能が低下し、非水電解液二次電池の大電流特性が低下する恐れがある。また、結着剤量が2重量%未満であると、負極活物質含有層と負極集電体の結着性が低下し、サイクル特性が低下する恐れがある。一方、高容量化の観点から、負極導電剤及び結着剤は各々28重量%以下であることが好ましい。
負極は、例えば、負極活物質、負極導電剤及び結着剤を汎用されている溶媒に懸濁することによりスラリーを作製し、このスラリーを、負極集電体に塗布し、乾燥し、負極活物質含有層を作製した後、プレスを施すことにより作製される。
2)非水電解液
非水電解液は、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状非水電解液、液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解液等が挙げられる。
非水電解液には、揮発性がなく、不燃性のイオン性液体からなる常温溶融塩を含有させることが好ましい。
電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミトリチウム[LiN(CFSO]等のリチウム塩が挙げられる。使用する電解質の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、LiPFが最も好ましい。
有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネート等の環状カーボネートや、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等の鎖状カーボネートや、テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、ジオキソラン(DOX)等の環状エーテルや、ジメトキシエタン(DME)、ジエトエタン(DEE)等の鎖状エーテルや、γ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)等の単独若しくは混合溶媒を挙げることができる。
高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。
好ましい有機溶媒として、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)およびγ−ブチロラクトン(GBL)からなる群のうち、2種以上を混合した混合溶媒が挙げられる。さらに好ましい有機溶媒として、γ−ブチロラクトン(GBL)が挙げられる。この理由は以下の通りである。
まず第一に、γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートは沸点や引火点が高く、熱安定性に優れるためである。
第二に、リチウムチタン複合酸化物は、1.5V(vs.Li/Li)近傍の電位域でリチウムイオンを吸蔵・放出する。しかしながら、この電位域では、非水電解液の還元分解が起こり難く、リチウムチタン複合酸化物表面に非水電解液の還元生成物である皮膜が形成され難い。このため、リチウム吸蔵状態、すなわち充電状態で保存すると、リチウムチタン複合酸化物に吸蔵されていたリチウムイオンが徐々に電解液中に拡散し、所謂自己放電が生じてしまう。自己放電は、電池の保管環境が高温になると顕著に表れる。
ここで、γ−ブチロラクトンは、鎖状カーボネートや環状カーボネートに比べて、還元されやすい。具体的には、γ−ブチロラクトン>>>エチレンカーボネート>プロピレンカーボネート>>ジメチルカーボネート>メチルエチルカーボネート>ジエチルカーボネートの順に還元されやすい。なお、>の数が多いほど、溶媒間の反応性に差があることを示している。
そのため、γ−ブチロラクトンを電解液中に含有させると、リチウムチタン複合酸化物の作動電位域においても、リチウムチタン複合酸化物の表面に良好な皮膜が形成できる。この結果、自己放電を抑制し、非水電解液電池の高温貯蔵特性を向上できる。
上述の混合溶媒についても、類似のことが言える。
また、還元され易い常温溶融塩においても、同様の効果が得られる。さらに、常温溶融塩の場合、酸化もされ易いため、正極に作用して、自己放電の抑制やサイクル寿命を向上させる効果がある。
より良質な保護皮膜を形成するためには、γ−ブチロラクトンの含有量を有機溶媒に対し40体積%以上95体積%以下とすることが好ましい。
液状非水電解液は、例えば、電解質を0.5mol/L以上2.5mol/L以下の濃度で有機溶媒に溶解することにより、調製される。
次いで、常温溶融塩を含む非水電解液について説明する。
常温溶融塩とは、常温において、少なくとも一部が液状を呈する塩を言い、常温とは電源が通常作動すると想定される温度範囲を言う。電源が通常作動すると想定される温度範囲とは、上限が120℃程度、場合によっては60℃程度であり、下限は−40℃程度、場合によっては−20℃程度である。中でも、−20℃以上60℃以下の範囲が適している。
リチウムイオンを含有した常温溶融塩には、リチウムイオンと有機物カチオンとアニオンから構成されるイオン性融体を使用することが望ましい。また、このイオン性融体は、室温以下でも液状であることが好ましい。
前記有機物カチオンとしては、以下の化1に示す骨格を有するアルキルイミダゾリウムイオン、四級アンモニウムイオンが挙げられる。
Figure 2009054475
前記アルキルイミダソリウムイオンとしては、ジアルキルイミダゾリウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、テトラアルキルイミダゾリウムイオンなどが好ましい。ジアルキルイミダゾリウムイオンとしては1−メチル−3−エチルイミダゾリウムイオン(MEI)、トリアルキルイミダゾリウムイオンとしては、1,2−ジエチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン(DMPI)、テトラアルキルイミダゾリウムイオンとして、1,2−ジエチル−3,4(5)−ジメチルイミダゾリウムイオンが好ましい。
前記四級アンモニムイオンとしては、テトラアルキルアモニウムイオンや環状アンモニウムイオンなどが好ましい。テトラアルキルアモニウムイオンとしてはジメチルエチルメトキシアンモニウムイオン、ジメチルエチルメトキシメチルアンモニウムイオン、ジメチルエチルエトキシエチルアンモニウムイオン、トリメチルプロピルアンモニウムイオンが好ましい。
上記アルキルイミダゾリウムイオンまたは四級アンモニウムイオン(特にテトラアルキルアンモニウムイオン)を用いることにより、融点を100℃以下、より好ましくは20℃以下にすることができる。さらに負極との反応性を低くすることができる。
前記リチウムイオンの濃度は、20mol%以下であることが好ましい。より好ましい範囲は、1〜10mol%の範囲である。前記範囲にすることにより、20℃以下の低温においても液状の常温溶融塩を容易に形成できる。また常温以下でも粘度を低くすることができ、イオン伝導度を高くすることができる。
前記アニオンとしては、BF 、PF 、AsF 、ClO 、CFSO 、CFCOO、CHCOO、CO 2−、N(CFSO 、N(CSO 、(CFSOなどから選ばれる一種以上のアニオンと共存することが好ましい。複数のアニオンを共存することにより、融点が20℃以下の常温溶融塩を容易に形成できる。より好ましくは融点が0℃以下の常温溶融塩にすることができる。より好ましいアニオンとしては、BF 、CFSO 、CFCOO、CHCOO、CO 2−、N(CFSO 、N(CSO 、(CFSOが挙げられる。これらのアニオンによって0℃以下の常温溶融塩の形成がより容易になる。
3)正極
正極は、正極集電体と、正極集電体の片面若しくは両面に担持され、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を含む正極活物質含有層とを有する。
正極活物質としては、酸化物、硫化物、ポリマー等が挙げられる。
例えば、酸化物としては、Liを吸蔵した二酸化マンガン(MnO)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、及び、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMnまたはLiMnO)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1−yCo)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiMnCo1−y)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LiMn2−yNi)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(LiFePO、LiFe1−yMnPO、LiCoPO等)、硫酸鉄(Fe(SO)、バナジウム酸化物(例えばV)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等が挙げられる。
例えば、ポリマーとしては、ポリアニリンやポリピロール等の導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料等が挙げられる。その他に、イオウ(S)、フッ化カーボン等も使用できる。
高い正極電圧が得られる正極活物質としては、リチウムマンガン複合酸化物(LiMn)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LiNi1−yCo)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LiMn2−yNi)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LiMnCo1−y)、リチウムリン酸鉄(LiFePO)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等が挙げられる。なお、x、yは0〜1の範囲であることが好ましい。
前記リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物としては、LiNiCoMn(但し、モル比a,b,c及びdは0≦a≦1.1、0.1≦b≦0.5、0≦c≦0.9、0.1≦d≦0.5)を挙げることができる。
サイクル特性の観点から、前述した負極には正極活物質としてリチウム及びニッケルを含有する酸化物を組み合わせることが好ましく、中でも、熱安定性の観点から、組成式LiNiCoMn(0≦a≦1.1、0.1≦b≦0.5、0≦c≦0.9、0.1≦d≦0.5)で表される酸化物が好ましい。
更に、前述した負極に対して、正極活物質にスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物を適用することによって、電池の高電圧化も可能にできる。あるいは、正極活物質にオリビン構造を有するリチウムリン複合酸化物(例えば、LiFePO、LiFe1−xMnPO、LiVPOF、LiCoPOなど、0≦x≦1、0≦y≦1)を含めることによって、熱安定性に優れた非水電解液電池を実現することができる。
中でも、常温溶融塩を含む非水電解液を用いる際には、リチウムリン酸鉄、LiVPOF、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物を用いることが、サイクル寿命の観点から好ましい。これは、上記正極活物質と常温溶融塩との反応性が少なくなるためである。
正極活物質の1次粒子径は、100nm以上1μm以下であると好ましい。100nm以上であると、工業生産上扱いやすい。1μm以下であると、リチウムイオンの固体内拡散をスムーズに進行させることができる。
正極活物質の比表面積は、0.1m/g以上10m/g以下であることが好ましい。0.1m/g以上であると、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトを十分に確保できる。10m/g以下であると、工業生産上扱いやすく、良好な充放電サイクル性能を確保できる。
集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑えるための正極導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素質物を挙げることができる。
正極活物質と正極導電剤を結着させるための結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム等が挙げられる。
正極活物質、正極導電剤及び結着剤の配合比については、正極活物質は80重量%以上95重量%以下、正極導電剤は3重量%以上18重量%以下、結着剤は2重量%以上17重量%以下の範囲にすることが好ましい。正極導電剤については、3重量%以上であることにより上述した効果を発揮することができ、18重量%以下であることにより、高温保存下での正極導電剤表面での非水電解液の分解を低減することができる。結着剤については、2重量%以上であることにより十分な電極強度が得られ、17重量%以下であることにより、電極の絶縁体の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。
前記正極集電体は、アルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましく、負極集電体と同様にその平均結晶粒径は50μm以下であることが好ましい。より好ましくは、30μm以下である。更に好ましくは5μm以下である。前記平均結晶粒径が50μm以下であることにより、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の強度を飛躍的に増大させることができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。
前記平均結晶粒径の範囲が50μm以下の範囲にあるアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔は、材料組織、不純物、加工条件、熱処理履歴、ならびに焼鈍条件など複数の因子に複雑に影響され、前記結晶粒径は製造工程の中で、前記諸因子を組合せて調整される。
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の厚さは、20μm以下、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素、などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属は1%以下にすることが好ましい。
正極は、例えば、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁することによりスラリーを作製し、このスラリーを、正極集電体に塗布し、乾燥し、正極活物質含有層を作製した後、プレスを施すことにより作製される。その他、正極活物質、正極導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、正極活物質含有層として用いても良い。
4)セパレータ
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレンからなる多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であり、安全性向上の観点から好ましい。
5)外装部材
外装部材としては、肉厚0.2mm以下のラミネートフィルムや、肉厚0.5mm以下の金属製容器が挙げられる。金属製容器の肉厚は、0.2mm以下であるとより好ましい。
形状としては、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、積層型等が挙げられる。なお、無論、携帯用電子機器等に積載される小型電池の他、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池でも良い。
ラミネートフィルムは、金属層と金属層を被覆する樹脂層とからなる多層フィルムである。軽量化のために、金属層はアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、金属層を補強するためのものであり、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行うことにより成形する。
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等が挙げられる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属は1%以下にすることが好ましい。これにより、高温環境下での長期信頼性、放熱性を飛躍的に向上させることが可能となる。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属缶は、平均結晶粒径が50μm以下であることが好ましい。より好ましくは30μm以下である。更に好ましくは5μm以下である。前記平均結晶粒径を50μm以下とすることによって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属缶の強度を飛躍的に増大させることができ、より缶の薄肉化が可能になる。その結果、軽量かつ高出力で長期信頼性に優れた車載に適切な電池を実現することができる。
6)負極端子
負極端子は、リチウムイオン金属に対する電位が0.3V以上3V以下の範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料を用いる。具体的には、アルミニウム若しくはMg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料が好ましい。
7)正極端子
正極端子は、リチウムイオン金属に対する電位が3V以上5V以下の範囲における電気的安定性と導電性とを備える材料を用いる。具体的には、アルミニウム若しくはMg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料が好ましい。
本発明の実施形態に係る非水電解液電池は、前述した図1及び図2に示す構成のものに限らず、例えば、図3及び図4に示す構成にすることができる。図3は本発明の実施形態に係る別の扁平型非水電解液二次電池を模式的に示す部分切欠斜視図で、図4は図3のB部の拡大断面図である。
図3に示すように、ラミネートフィルム製の外装部材8内には、積層型電極群9が収納されている。積層型電極群9は、図4に示すように、正極3と負極4とをその間にセパレータ5を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極3は複数枚存在し、それぞれが正極集電体3aと、正極集電体3aの両面に担持された正極活物質含有層3bとを備える。負極4は複数枚存在し、それぞれが負極集電体4aと、負極集電体4aの両面に担持された負極活物質含有層4bとを備える。それぞれの負極4の負極集電体4aは、一辺が正極3から突出している。正極3から突出した負極集電体4aは、帯状の負極端子2に電気的に接続されている。帯状の負極端子2の先端は、外装部材8から外部に引き出されている。また、ここでは図示しないが、正極3の正極集電体3aは、負極集電体4aの突出辺と反対側に位置する辺が負極4から突出している。負極4から突出した正極集電体3aは、帯状の正極端子1に電気的に接続されている。帯状の正極端子1の先端は、負極端子2とは反対側に位置し、外装部材8の辺から外部に引き出されている。
本発明の実施の形態に係る電池パックは、本発明の実施の形態に係る電池単体を複数有する。各々の電池単体は電気的に直列もしくは並列に配置され、組電池を為している。
本発明の実施の形態に係る電池単体は組電池化に適しており、本発明の実施の形態に係る電池パックは、サイクル特性に優れる。電池単体には、図1または図3に示す扁平型電池を使用することができる。
図5の電池パックにおける扁平型非水電解液電池から構成される複数の単電池21は、外部に延出した負極端子2および正極端子1が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ22で締結することにより組電池23を構成している。これらの単電池21は、図6に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
プリント配線基板24は、負極端子2および正極端子1が延出する単電池21側面と対向して配置されている。プリント配線基板24には、図6に示すようにサーミスタ25、保護回路26および外部機器への通電用端子27が搭載されている。なお、組電池23と対向する保護回路基板24の面には組電池23の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。
正極側リード28は、組電池23の最下層に位置する正極端子1に接続され、その先端はプリント配線基板24の正極側コネクタ29に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード30は、組電池23の最上層に位置する負極端子2に接続され、その先端はプリント配線基板24の負極側コネクタ31に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ29,31は、プリント配線基板24に形成された配線32,33を通して保護回路26に接続されている。
サーミスタ25は、単電池21の温度を検出し、その検出信号は保護回路26に送信される。保護回路26は、所定の条件で保護回路26と外部機器への通電用端子27との間のプラス側配線34aおよびマイナス側配線34bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ25の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池21の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは単電池21全体について行われる。個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図5および図6の場合、単電池21それぞれに電圧検出のための配線35を接続し、これら配線35を通して検出信号が保護回路26に送信される。
正極端子1および負極端子2が突出する側面を除く組電池23の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート36がそれぞれ配置されている。
組電池23は、各保護シート36およびプリント配線基板24と共に収納容器37内に収納される。すなわち、収納容器37の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート36が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板24が配置される。組電池23は、保護シート36およびプリント配線基板24で囲まれた空間内に位置する。蓋38は、収納容器37の上面に取り付けられている。
なお、組電池23の固定には粘着テープ22に代えて、熱収縮チューブを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮チューブを周回させた後、熱収縮チューブを熱収縮させて組電池を結束させる。
図5、図6では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。組み上がった電池パックを直列、並列に接続することもできる。
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。
電池パックの用途としては、大電流特性でのサイクル特性が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。
なお、非水電解液としてプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)およびγ−ブチロラクトン(GBL)からなる群のうち、少なくとも2種以上を混合した混合溶媒、あるいはγ−ブチロラクトン(GBL)を含んだ場合、高温特性が望まれる用途が好ましい。具体的には、上述の車載用が挙げられる。

[実施例]
以下に実施例を説明するが、本発明の主旨を超えない限り、本発明は以下に掲載される実施例に限定されるものでない。
(実施例1)
<正極の作製>
まず、正極活物質としてリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)粉末90重量%、導電剤として、アセチレンブラック5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%をN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し後、乾燥し、プレスすることにより電極密度が3.2g/cmの正極を作製した。
<負極の作製>
負極活物質として、平均粒径が0.8μm、N吸着によるBET比表面積が10m/g、Li吸蔵電位が1.55V(vs.Li/Li+)であるスピネル型チタン酸リチウム(LiTi12)粉末と、平均粒径が3μm、N吸着によるBET比表面積が1.4m/gのフッ化リチウム粉末を用意した。
負極活物質85重量%、フッ化リチウム5重量%、導電剤として、1300℃で焼成したコークス(d002=0.3465、平均粒径8.2μm、BET比表面積11.2m/g)5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%をN−メチルピロリドン(NMP)加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔(純度99.3%、平均結晶粒径10μm)からなる集電体の両面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度が2.4g/cmの負極を作製した。
<電極群の作製>
正極、厚さ25μmのポリエチレン製の多孔質フィルムからなるセパレータ、負極、セパレータの順番に積層した後、渦巻き状に捲回した。これを90℃で加熱プレスすることにより、幅が30mmで、厚さが3.0mmの偏平状電極群を作製した。得られた電極群を、厚さが40μmのアルミニウム箔とアルミニウム箔の両面に形成されたポリプロピレン層とから構成された厚さが0.1mmのラミネートフィルムからなるパックに収納し、80℃で24時間真空乾燥を施した。
<液状非水電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(GBL)が体積比率(EC:GBL)1:2で混合された混合溶媒に、電解質としてのLiBFを1.5mol/L溶解することにより液状非水電解液を調製した。上記非水電解液の20℃の粘度は7.1cpであった。
電極群を収納したラミネートフィルムパック内に液状非水電解液を注入した後、パックをヒートシールにより完全密閉し、図1に示す構造を有し、幅が35mmで、厚さが3.2mm、かつ高さが65mmの非水電解液二次電池を作製した。
得られた電池を2.4V充電状態(充電量約65%)とし、60℃環境で1ヶ月貯蔵し、貯蔵後の残存容量を測定した。貯蔵後容量/貯蔵前容量を残存率として表1に示す。
(実施例2〜7、比較例1)
負極活物質とフッ化リチウムの添加量を表1記載の値とする以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例8)
フッ化リチウムの代わりに硫化リチウムを用い、その添加量を表1記載の値とする以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例9)
フッ化リチウムの代わりに炭酸リチウムを用い、その添加量を表1記載の値とする以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例10)
フッ化リチウムの代わりに燐化リチウムを用い、その添加量を表1記載の値とする以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例11)
正極活物質にリチウムコバルト酸化物(LiCoO)を用いる以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例12)
正極活物質にリチウムリン酸鉄(LiFePO)を用いる以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例13)
非水電解液に、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)が体積比率(EC:DEC)1:2で混合された混合溶媒に、電解質としてのLiPFを1mol/L溶解したものを用いる以外は、実施例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。上記非水電解液の20℃の粘度は1.9cpであった。
(実施例14、比較例2)
負極活物質に平均粒径が0.8μm、N吸着によるBET比表面積が10m/g、Li吸蔵電位が1〜2V(vs.Li/Li)であるLiTiを用いる以外は、実施例1、比較例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
(実施例15、比較例3)
負極活物質に平均粒径が0.2μm、N吸着によるBET比表面積が48m/g、Li吸蔵電位が1〜2V(vs.Li/Li)の範囲であるTiOを用いること以外は、実施例1、比較例1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
Figure 2009054475
表1から分かるように、本発明の負極、すなわち炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムを混在させた負極を用いた場合に、自己放電量が少なくなることが分かる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。
本発明の実施の形態に係わる扁平型非水電解液二次電池の断面模式図。 図1のAで示した円で囲われた部分を詳細に表す部分断面模式図。 本発明の実施の形態に係わる別の扁平型非水電解液二次電池を模式的に示した部分切欠斜視図。 図3のB部の拡大断面図。 本発明の実施形態に係る電池パックの分解斜視図。 図5の電池パックの電気回路を示すブロック図。
符号の説明
1…正極端子、2…負極端子、3…正極、3a…正極集電体、3b…正極活物質含有層、4…負極、4a…負極集電体、4b…負極活物質含有層、5…セパレータ、6…渦巻電極群、7…容器、8…外装部材、9…積層型電極群、21…電池単体、22…粘着テープ、23…組電池、24…プリント配線基板、25…サーミスタ、26…保護回路、27…端子、28…正極側リード、29…正極側コネクタ、30…負極側リード、31…負極側コネクタ、32…配線、33…配線、34a…プラス側配線、34b…マイナス側配線、35…配線、36…保護シート、37…収納容器、38…蓋。

Claims (7)

  1. 正極と、
    負極集電体と、該負極集電体の片面若しくは両面に担持された負極活物質含有層とを具備し、該負極活物質含有層中に炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種と、リチウムチタン複合酸化物を含有する負極と、
    非水電解液と
    を具備することを特徴とする非水電解液電池。
  2. 前記炭酸リチウム、硫化リチウム、燐化リチウム、フッ化リチウムから選ばれる少なくとも1種が、前記負極活物質層重量に対して、1〜20重量%の割合で含有され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。
  3. 前記リチウムチタン複合酸化物がスピネル構造を有することを特徴とする請求項1記載の非水電解液電池。
  4. 前記負極活物質含有層が、導電剤および結着剤を含むことを特徴とする請求項1記載の非水電解液電池。
  5. 前記導電剤は、炭素質物であることを特徴とする請求項4記載の非水電解液電池。
  6. 請求項1記載の非水電解液電池を複数備え、各電池が直列もしくは並列に電気的に接続されていることを特徴とする電池パック。
  7. 前記非水電解液電池の電圧を検知する保護回路をさらに備えることを特徴とする請求項6記載の電池パック。
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