JP2009187858A - 蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】蓄電デバイスの安全性を向上させる。
【解決手段】蓄電デバイス１０は正極１３および負極１４を有する。負極１４の負極集電体２３には負極合材層２４が塗工される。また、負極集電体２３には凸状に伸びる接合タブ２５が形成される。接合タブ２５の表面は金属が露出した状態である。この接合タブ２５は複数枚を重ねた状態で互いに接合される。そして、接合された接合タブ群２８の内側に入り込むように被覆剤が充填される。これにより、負極集電体２３が備える全ての接合タブ２５に対して被覆層３２が形成される。このように、接合タブ２５を被覆層３２で覆うことにより、金属面と電解液との接触を防止することができる。したがって、接合タブ２５からリチウムイオンが金属リチウムとして析出することを防止することが可能となる。延いては、蓄電デバイス１０の安全性を向上させることが可能となる。
【選択図】図３
【解決手段】蓄電デバイス１０は正極１３および負極１４を有する。負極１４の負極集電体２３には負極合材層２４が塗工される。また、負極集電体２３には凸状に伸びる接合タブ２５が形成される。接合タブ２５の表面は金属が露出した状態である。この接合タブ２５は複数枚を重ねた状態で互いに接合される。そして、接合された接合タブ群２８の内側に入り込むように被覆剤が充填される。これにより、負極集電体２３が備える全ての接合タブ２５に対して被覆層３２が形成される。このように、接合タブ２５を被覆層３２で覆うことにより、金属面と電解液との接触を防止することができる。したがって、接合タブ２５からリチウムイオンが金属リチウムとして析出することを防止することが可能となる。延いては、蓄電デバイス１０の安全性を向上させることが可能となる。
【選択図】図３
Description
本発明は、蓄電デバイスに関する技術であり、特に蓄電デバイスの安全性を高めるために適用して有効な技術に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等がある(たとえば、特許文献１参照)。これら蓄電デバイスは、セパレータを介して対向する正極と負極とを有している。この正極は、正極集電体とこれに塗工される正極合材層とにより構成されている。同様に、負極は、負極集電体とこれに塗工される負極合材層とにより構成されている。また、正極集電体には凸状に伸びる接合片が設けられ、この接合片に対して正極端子が溶接される。同様に、負極集電体には凸状に伸びる接合片が設けられ、この接合片に対して負極端子が溶接される。これらの接合片は金属材料が露出した状態で形成されている。さらに、蓄電デバイスの容器内には、リチウムイオンの移動経路を構成する電解液が注入される。この電解液は電極間のセパレータ内や電極の合材層内に浸透している。そして、正極合材層と負極合材層との間でリチウムイオンを移動させることにより、蓄電デバイスを充放電させることが可能となっている。
特開２００６−２８６９１９号公報
しかしながら、電解液は、セパレータ内や合材層内に浸透するだけでなく、セパレータや合材層の周囲にも存在している。すなわち、正極集電体や負極集電体の接合片に対しても電解液が接触した状態となっている。このような状態のもとで、蓄電デバイスを充放電させると、その充放電条件にもよるが接合片の金属面から金属リチウムが析出してしまうおそれがある。この金属リチウムの析出は、電極間の短絡を招いて蓄電デバイスの安全性を低下させる要因となっていた。
本発明の目的は、蓄電デバイスの安全性を向上させることにある。
本発明の蓄電デバイスは、正極集電体とこれに塗工される正極合材層とを備える正極と、負極集電体とこれに塗工される負極合材層とを備える負極とを有し、前記負極集電体の金属露出部に被覆層が形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記負極集電体は負極端子に接合される接合タブを備え、前記接合タブに前記被覆層が形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記被覆層は、前記接合タブの前記正極に対向する対向面に形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記接合タブは、前記負極合材層側の基端部と、前記負極端子側の先端部とを備え、前記被覆層は、前記接合タブの基端部に形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極と前記負極とが交互に積層される積層ユニットを有し、前記積層ユニットの端面に前記被覆層が形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極集電体および前記負極集電体に貫通孔が形成されることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方に接続され、前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方にイオンをドーピングするイオン供給源を有することを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記正極と前記負極とを短絡させたときの正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下であることを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、前記負極に含まれる負極活物質は、前記正極に含まれる正極活物質に比べて活物質の単位重量当たりの静電容量が３倍以上であり、かつ正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きいことを特徴とする。
本発明の蓄電デバイスは、負極集電体の金属露出部に被覆層を有している。これにより、金属露出部に対する電解液の付着を防止することができ、負極集電体に対する金属の析出を防止することができる。したがって、蓄電デバイスの安全性を向上させることが可能となる。
図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイス１０を示す斜視図である。図２は図１のＡ−Ａ線に沿って蓄電デバイス１０の内部構造を概略的に示す断面図である。図１および図２に示すように、蓄電デバイス１０が備えるラミネートフィルム１１は外装容器を構成する。ラミネートフィルム１１内には電極積層ユニット１２が収容される。この電極積層ユニット１２は、交互に積層される正極１３と負極１４とにより構成される。正極１３と負極１４との間にはセパレータ１５が設けられる。また、電極積層ユニット１２の最外部には、リチウム極１６が負極１４に対向して配置される。負極１４とリチウム極１６との間にはセパレータ１５が設けられる。これら電極積層ユニット１２とリチウム極１６とにより三極積層ユニット(積層ユニット)１７が構成される。なお、ラミネートフィルム１１内には電解液が注入される。この電解液はリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒によって構成される。
図３は蓄電デバイス１０の内部構造を部分的に示す断面図である。図３に示すように、正極１３は多数の貫通孔２０ａを備えた正極集電体２０を有する。この正極集電体２０には正極合材層２１が塗工される。また、正極集電体２０には凸状に伸びる接合タブ２２が形成される。同様に、負極１４は多数の貫通孔２３ａを備えた負極集電体２３を有する。この負極集電体２３には負極合材層２４が塗工される。また、負極集電体２３には凸状に伸びる接合タブ２５が形成される。ここで、図４は、正極１３、負極１４およびセパレータ１５を示す分解斜視図である。図４に示すように、正極１３や負極１４の接合タブ２２，２５には合材層２１，２４が設けられていない。このため、接合タブ２２，２５の表面２２ａ，２５ａには集電体材料の金属が露出した状態となる。すなわち、接合タブ２５の表面２５ａは金属露出部となっている。
図２に示すように、正極１３と負極１４とを積層する際には、正極集電体２０の接合タブ２２と負極集電体２３の接合タブ２５とが、それぞれ反対側となるように配置される。そして、複数枚の正極集電体２０の接合タブ２２は重ねられた状態で互いに接合される。これらの接合タブ２２からなる接合タブ群２６には正極端子２７が接合される。同様に、複数枚の負極集電体２３の接合タブ２５は重ねられた状態で互いに接合される。これらの接合タブ２５からなる接合タブ群２８には負極端子２９が接合される。さらに、最外部の負極集電体２３にはリチウム極集電体３０が接合される。このリチウム極集電体３０にはリチウムイオン供給源３１が圧着される。このリチウムイオン供給源３１は負極１４や正極１３へのイオン供給源として機能する部材である。なお、リチウムイオン供給源３１としては金属リチウムを薄く延ばした金属リチウム箔が好適である。
また、負極集電体２３の接合タブ群２８には、ポリアミドイミド樹脂等の被覆剤が塗布される。ここで、図５は三極積層ユニット１７に対する被覆剤の塗布位置を示す説明図である。図５に矢印で示すように、接合タブ群２８の外側に被覆剤が塗布されるだけでなく、接合タブ群２８の内側にも入り込むように被覆剤が注入される。これにより、図２および図３に示すように、負極集電体２３が備える全ての接合タブ２５に対して被覆層３２が形成される。また、三極積層ユニット１７の一端面４０に対しても被覆層３２が形成されている。この被覆剤は、ポリアミドイミド樹脂等によって構成されている。したがって、被覆剤は、塗布時に要求される流動性を有する一方、塗布後には硬化して被覆状態を維持することが可能である。
また、正極１３の正極合材層２１には正極活物質として活性炭が含まれる。この活性炭は、リチウムイオンやアニオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングすることが可能である。また、負極１４の負極合材層２４には負極活物質としてポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)が含まれる。このＰＡＳは、リチウムイオンを可逆的にドーピング・脱ドーピングすることが可能である。さらに、負極１４とリチウム極１６とは電気的に接続されている。これにより、電解液の注入に伴ってリチウム極１６から負極１４にリチウムイオンがドーピングされる。これにより、負極電位を低下させることが可能となり、蓄電デバイス１０のセル電圧を拡大することが可能となる。したがって、蓄電デバイス１０のエネルギー密度を向上させることが可能となる。
また、正極集電体２０や負極集電体２３の貫通孔２０ａ，２３ａを通して、リチウムイオンを積層方向に移動させることが可能となる。これにより、全ての負極１４に対してスムーズにリチウムイオンをドーピングすることが可能となる。なお、本発明において、ドーピング(ドープ)とは、吸蔵、担持、吸着、挿入等を意味している。すなわち、ドープとは、正極活物質や負極活物質に対してリチウムイオン等が入る状態を意味している。また、脱ドーピング(脱ドープ)とは、放出、脱離等を意味している。すなわち、脱ドープとは、正極活物質や負極活物質からリチウムイオン等が出る状態を意味している。
また、蓄電デバイス１０の高容量化を図る観点から、正極１３と負極１４とを短絡させた後の正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下となるように、負極１４に対するリチウムイオンのドープ量が設定される。このように、リチウムイオンのドープ量を設定することにより、正極電位が３Ｖ以下となる領域を使用することができる。すなわち、従来の電気二重層キャパシタを放電させたときには、正極電位が約３Ｖまで低下すると、負極電位が約３Ｖまで上昇することになっていた。したがって、従来の電気二重層キャパシタの放電は、正極電位が約３Ｖまで低下した時点で終了することになる。これに対し、蓄電デバイス１０は、負極１４に対するリチウムイオンのドープ量を調整することにより、正極電位が２Ｖ以下となる領域まで放電を継続させるようにしている。このように、正極電位が３Ｖ以下となる領域を使用することができ、蓄電デバイス１０の高容量化を達成することが可能となる。なお、正極電位が３Ｖより上の領域では、正極１３に対するアニオンのドープ・脱ドープによって電位が変化する。また、正極電位が３Ｖ以下の領域では、正極１３に対するリチウムイオンのドープ・脱ドープによって電位が変化する。
また、蓄電デバイス１０の高容量化を図る観点から、負極活物質の単位重量当たりの静電容量が、正極活物質の単位重量当たりの静電容量の３倍以上に設定される。このように、負極活物質の単位重量当たりの静電容量を正極活物質に比べて大きく設定したので、充放電時における負極電位の変化量が抑えられるため、正極１３の電位変化量を大きくすることができる。そして、蓄電デバイス１０においては、負極活物質の単位重量当たりの静電容量が大きいため、正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きくなるように、正極活物質の充填量を増加させる一方、負極活物質の充填量を減少させている。これにより、蓄電デバイス１０の大型化を抑制しながら、蓄電デバイス１０の静電容量およびセル容量を大きくすることが可能となる。
ところで、図２および図３に示すように、本発明の蓄電デバイス１０においては、負極集電体２３の接合タブ２５に被覆層３２が形成されている。これにより、負極集電体２３に対する金属リチウムの析出が防止される。従来の蓄電デバイスのように、負極集電体の接合タブの金属面が露出している場合には、接合タブの金属面に対して電解液が付着することになる。したがって、正極集電体から負極集電体に電子が移動する充電時には、負極集電体の接合タブの近傍に存在するリチウムイオンが、接合タブの金属面に金属リチウムとなって析出するおそれがある。特に、大電流による充放電を繰り返すほど析出の可能性は高くなる。このような金属リチウムの析出は蓄電デバイスの安全性を低下させる要因となっていた。
これに対し、本発明の蓄電デバイス１０においては、負極集電体２３が備える接合タブ２５の表面２５ａに被覆層３２が形成されている。したがって、金属面とリチウムイオンとの接触を防止することができ、金属リチウムの析出を防止することが可能となる。これにより、蓄電デバイス１０の安全性や品質を向上させることが可能となる。特に、蓄電デバイス１０は正極活物質として活性炭を採用しており、蓄電デバイス１０の高出力化が図られている。このように、大電流で充放電することが可能な蓄電デバイス１０であっても、負極集電体２３の接合タブ２５を被覆層３２によって覆うことにより、接合タブ２５に対する金属リチウムの析出が防止されるのである。なお、接合タブ群２８の外側に被覆剤を塗布しただけでは、接合タブ群２８の内側に電極側から電解液が浸透してしまうおそれがある。したがって、接合タブ群２８の外側に被覆剤を塗布するだけでなく、接合タブ群２８の内側に被覆剤を塗布することにより、電極側からの電解液の浸透を防止することが望ましい。
また、図２および図３に示すように、前述の説明では、接合タブ群２８に対して被覆剤を塗布することにより、リチウム極集電体３０に対しても被覆層３２を形成しているが、負極集電体２３の接合タブ２５だけに被覆層３２を形成しても良い。さらに、接合タブ群２８の外側と内側に対して被覆層３２を形成しているが、接合タブ群２８の内側だけに被覆層３２を形成した場合であっても、十分に金属リチウムの析出防止を図ることが可能である。
ここで、図６(Ａ)および(Ｂ)は、本発明の他の実施の形態である蓄電デバイス３３，３４の内部構造を示す部分断面図である。なお、図３に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図６(Ａ)に示すように、蓄電デバイス３３においては、接合タブ２５の表面全体に被覆層が形成されるのではなく、接合タブ２５の対向面(金属露出部)２５ｂに被覆層３５が形成されている。この接合タブ２５の対向面２５ｂは、正極１３に対向する面となっている。このため、接合タブ２５の対向面２５ｂは、充電時に正極１３から脱ドープされるリチウムイオンに対して接触し易い面となっている。このように、リチウムイオンに触れ易い接合タブ２５の対向面２５ｂに対して、重点的に被覆層３５を形成することにより、金属リチウムの析出を防止しながら被覆剤の使用量を低減することが可能となる。
次いで、図６(Ｂ)に示すように、蓄電デバイス３４においては、接合タブ２５の表面全体に被覆層が形成されるのではなく、接合タブ２５の基端部(金属露出部)２５ｃに被覆層３６が形成されている。凸状の接合タブ２５には、負極合材層２４側の基端部２５ｃと、負極端子２９側の先端部２５ｄとが設けられている。接合タブ２５の基端部２５ｃは、接合タブ２５の他の部位に比べて正極１３に近い部位である。このため、接合タブ２５の基端部２５ｃは、充電時に正極１３から脱ドープされるリチウムイオンに対して接触し易い部位となっている。このように、リチウムイオンに触れ易い接合タブ２５の基端部２５ｃに対して、重点的に被覆層３６を形成することにより、金属リチウムの析出を防止しながら被覆剤の使用量を低減することが可能となる。
なお、前述の説明では、正極１３と負極１４とを積層した後に、接合タブ群２８に対して被覆剤を塗布するようにしているが、この塗布方法に限られることはない。例えば、負極集電体２３が作製された段階や、負極１４が作製された段階において、個々の接合タブ２５に被覆剤を塗布することにより、接合タブ２５の該当箇所に被覆層３２，３５，３６を形成しても良い。この場合には、それぞれの接合タブ２５に被覆層３２，３５，３６を形成した後に、これらの接合タブ２５を接合して接合タブ群２８が形成されることになる。
また、図５に示したように、前述の説明では、負極集電体２３の接合タブ２５に対して被覆剤を塗布するとともに、三極積層ユニット１７の一端面４０に対して被覆剤を塗布するようにしている。しかしながら、負極集電体２３の接合タブ２５に被覆剤を塗布するだけでなく、三極積層ユニット１７の他の部位に対して被覆剤を塗布するようにしても良い。
ここで、図７は三極積層ユニット１７に対する被覆剤の他の塗布位置を示す説明図である。図７に矢印Ａで示すように、正極集電体２０の接合タブ群２６側の端面４１に被覆剤を塗布するようにしても良い。また、図７に矢印Ｂ，Ｃで示すように、三極積層ユニット１７の側面を構成する端面４２，４３に対して被覆剤を塗布するようにしても良い。このように、三極積層ユニット１７の端面４０〜４３に被覆層３２を形成することにより、金属リチウムの析出をより確実に防止することが可能となる。図３に示すように、金属露出部である負極端面１４ａには負極集電体２３の金属面が露出する構造となっている。したがって、負極端面１４ａに電解液が付着している場合には、この負極端面１４ａから金属リチウムが析出するおそれがある。ここで、三極積層ユニット１７の端面４０〜４３に被覆剤を塗布することにより、負極端面１４ａに被覆層３２を形成することが可能となる。これにより、金属面と電解液との接触を回避して金属リチウムの析出を防止することができるのである。
また、正極集電体２０や負極集電体２３には多数の貫通孔２０ａ，２３ａが形成されている。このため、三極積層ユニット１７の端面４０〜４３に対して被覆剤を塗布した場合であっても、三極積層ユニット１７内に電解液を十分に浸透させることができる。したがって、金属リチウムの析出を防止しつつ、蓄電デバイス１０の機能を十分に発揮させることが可能となる。さらに、三極積層ユニット１７の端面４０〜４３に対して被覆剤を塗布することにより、蓄電デバイス１０の製造作業を簡単にすることも可能となる。すなわち、従来の蓄電デバイスにおいては、正極と負極とを交互に積層させて三極積層ユニットを作製した後に、粘着テープ等を用いて三極積層ユニットをまとめる必要があった。しかしながら、本発明の蓄電デバイス１０においては、三極積層ユニット１７の端面４０〜４３に塗布された被覆剤が硬化することから、硬化した被覆層３２によって三極積層ユニット１７の積層状態を保持することができるのである。これにより、三極積層ユニット１７を粘着テープ等でまとめる作業を省くことも可能となる。
なお、前述の説明では、三極積層ユニット１７の端面４０〜４３に対して被覆剤を塗布する旨を説明したが、三極積層ユニット１７からリチウム極１６を除いた電極積層ユニット(積層ユニット)１２の端面に対して被覆剤を塗布しても良い。また、個々の負極１４の接合タブ２５に対して被覆剤を塗布した後に、これらの負極１４を用いて電極積層ユニット１２や三極積層ユニット１７を作製しても良い。これらの方法によって被覆剤を塗布した場合であっても、前述したように金属リチウムの析出を防止することが可能である。
以下、前述した蓄電デバイスの構成要素について下記の順に詳細に説明する。［Ａ］正極、［Ｂ］負極、［Ｃ］正極集電体および負極集電体、［Ｄ］被覆剤、［Ｅ］リチウム極、［Ｆ］セパレータ、［Ｇ］電解液、［Ｈ］外装容器。
［Ａ］正極
正極は、正極集電体とこれに一体となる正極合材層とを有している。正極合材層に含まれる正極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。例えば、活性炭、遷移金属酸化物、導電性高分子、ポリアセン系物質等を用いることが可能である。
正極は、正極集電体とこれに一体となる正極合材層とを有している。正極合材層に含まれる正極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。例えば、活性炭、遷移金属酸化物、導電性高分子、ポリアセン系物質等を用いることが可能である。
例えば、活性炭は、アルカリ賦活処理され、かつ比表面積６００ｍ２／ｇ以上を有する活性炭粒子から形成することが好ましい。活性炭の原料としては、フェノール樹脂、石油ピッチ、石油コークス、ヤシガラ、石炭系コークス等が使用される。フェノール樹脂や石炭系コークスは比表面積を高くできるという理由から好適である。これらの活性炭のアルカリ賦活処理に使用されるアルカリ活性化剤は、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの金属イオンの塩類または水酸化物が好ましい。中でも、水酸化カリウムが好適である。アルカリ賦活の方法は、例えば、炭化物と活性剤を混合した後、不活性ガス気流中で加熱することにより行う方法が挙げられる。また、活性炭の原材料に予め活性化剤を担持させた後加熱して、炭化および賦活の工程を行う方法が挙げられる。さらに、炭化物を水蒸気などのガス賦活法で賦活した後、アルカリ活性化剤で表面処理する方法も挙げられる。このようなアルカリ賦活処理が施された活性炭は、ボールミル等の既知の粉砕機を用いて粉砕される。活性炭の粒度としては、一般的に使用される広い範囲のものを使用することが可能である。例えば、Ｄ５０が２μｍ以上であり、好ましくは２〜５０μｍ、特に２〜２０μｍが最も好ましい。また、平均細孔径が好ましくは１０ｎｍ以下であり、比表面積が好ましくは６００〜３０００ｍ２／ｇである活性炭が好適である。中でも、８００ｍ２／ｇ以上、特には１３００〜２５００ｍ２／ｇであるのが好適である。
また、正極合材層の高容量化を図るために、正極活物質として五酸化バナジウム(Ｖ２Ｏ５)やコバルト酸リチウム(ＬｉＣｏＯ２)を用いるようにしても良い。この他にも、ＬｉＸＣｏＯ２、ＬｉＸＮｉＯ２、ＬｉＸＭｎＯ２、ＬｉＸＦｅＯ２等のＬｉＸＭＹＯＺ(ｘ，ｙ，ｚは正の数、Ｍは金属、２種以上の金属でもよい)の一般式で表されうるリチウム含有金属酸化物、あるいはコバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ニッケル等の遷移金属酸化物または硫化物を用いることも可能である。特に、高電圧を求める場合には、金属リチウムに対して４Ｖ以上の電位を有するリチウム含有酸化物を用いることが好ましい。例えば、リチウム含有コバルト酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、あるいはリチウム含有コバルト−ニッケル複合酸化物が特に好適である。
前述した活性炭等の正極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成される。この正極活物質をバインダーと混合してスラリーが形成される。そして、正極活物質を含有するスラリーを正極集電体に塗工して乾燥させることにより、正極集電体上に正極合材層が形成される。なお、正極活物質と混合されるバインダーとしては、例えばＳＢＲ等のゴム系バインダーやポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また、正極合材層に対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。
［Ｂ］負極
負極は、負極集電体とこれに一体となる負極合材層とを有している。負極合材層に含まれる負極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。例えば、グラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等を用いることが可能である。グラファイト(黒鉛)やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)は高容量化を図ることができるため負極活物質として好ましい。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は、高容量化を図ることができるため負極活物質として好適である。このＰＡＳはポリアセン系骨格構造を有する。このＰＡＳの水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)は０．０５以上、０．５０以下の範囲内であることが好ましい。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．５０を超える場合には、芳香族系多環構造が充分に発達していないことから、リチウムイオンのドープ・脱ドープがスムーズに行われず、蓄電デバイスの充放電効率が低下するおそれがある。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．０５未満の場合には、蓄電デバイスの容量が低下するおそれがある。
負極は、負極集電体とこれに一体となる負極合材層とを有している。負極合材層に含まれる負極活物質としては、イオンを可逆的にドープ・脱ドープできるものであれば特に限定されることはない。例えば、グラファイト、種々の炭素材料、ポリアセン系物質、錫酸化物、珪素酸化物等を用いることが可能である。グラファイト(黒鉛)やハードカーボン(難黒鉛化性炭素)は高容量化を図ることができるため負極活物質として好ましい。また、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であるポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)は、高容量化を図ることができるため負極活物質として好適である。このＰＡＳはポリアセン系骨格構造を有する。このＰＡＳの水素原子／炭素原子の原子数比(Ｈ／Ｃ)は０．０５以上、０．５０以下の範囲内であることが好ましい。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．５０を超える場合には、芳香族系多環構造が充分に発達していないことから、リチウムイオンのドープ・脱ドープがスムーズに行われず、蓄電デバイスの充放電効率が低下するおそれがある。ＰＡＳのＨ／Ｃが０．０５未満の場合には、蓄電デバイスの容量が低下するおそれがある。
前述したＰＡＳ等の負極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成される。この負極活物質をバインダーと混合してスラリーが形成される。そして、負極活物質を含有するスラリーを、負極集電体に塗工して乾燥させることにより、負極集電体上に負極合材層が形成される。なお、負極活物質と混合されるバインダーとしては、例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等の熱可塑性樹脂、スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)等のゴム系バインダーを用いることができる。これらの中でもフッ素系バインダーを用いることが好ましい。このフッ素系バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体、エチレン−４フッ化エチレン共重合体、プロピレン−４フッ化エチレン共重合体等が挙げられる。また、負極合材層に対して、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性材料を適宜加えるようにしても良い。
［Ｃ］正極集電体および負極集電体
正極集電体および負極集電体としては、表裏面を貫く貫通孔を備えているものが好適である。例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等を挙げることができる。貫通孔の形状や個数等については、特に限定されることはない。アニオンやリチウムイオンの移動を阻害しないものであれば適宜設定することが可能である。また、正極集電体および負極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタに提案されている種々の材料を用いることが可能である。例えば、正極集電体の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。負極集電体の材料として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。
正極集電体および負極集電体としては、表裏面を貫く貫通孔を備えているものが好適である。例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等を挙げることができる。貫通孔の形状や個数等については、特に限定されることはない。アニオンやリチウムイオンの移動を阻害しないものであれば適宜設定することが可能である。また、正極集電体および負極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタに提案されている種々の材料を用いることが可能である。例えば、正極集電体の材料として、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いることができる。負極集電体の材料として、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。
［Ｄ］被覆剤
被覆剤としては、リチウムイオンの移動を遮断することが可能な樹脂材料やゴム材料が用いられる。また、被覆剤としては、電解液、負極集電体、正極集電体、負極活物質、正極活物質等に対して耐久性を有することが必要である。さらに、被覆剤としては、負極集電体や正極集電体の金属面に対して良好な接着性を有することが必要である。さらに、被覆剤としては、負極集電体や正極集電体に対して塗布する際に流動性を有するものが好ましい。また、被覆剤は、溶剤に溶かして使用しても良いが、ホットメルト樹脂のように熱により融解させて塗布しても良い。例えば、被覆剤として、ポリアミドイミド樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ブチル系ゴム等を用いることが可能である。
被覆剤としては、リチウムイオンの移動を遮断することが可能な樹脂材料やゴム材料が用いられる。また、被覆剤としては、電解液、負極集電体、正極集電体、負極活物質、正極活物質等に対して耐久性を有することが必要である。さらに、被覆剤としては、負極集電体や正極集電体の金属面に対して良好な接着性を有することが必要である。さらに、被覆剤としては、負極集電体や正極集電体に対して塗布する際に流動性を有するものが好ましい。また、被覆剤は、溶剤に溶かして使用しても良いが、ホットメルト樹脂のように熱により融解させて塗布しても良い。例えば、被覆剤として、ポリアミドイミド樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ブチル系ゴム等を用いることが可能である。
［Ｅ］リチウム極
リチウム極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタの集電体として提案されている種々の材料を用いることが可能である。これらの材料としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、リチウム極集電体として、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等の表裏面を貫く貫通孔を備えているものを使用しても良い。また、リチウム極集電体に貼り付けられるリチウムイオン供給源の材料としては、リチウムイオンを放出することが可能な材料であれば良く、金属リチウムの他にリチウム−アルミニウム合金等を用いても良い。
リチウム極集電体の材料としては、一般に電池やキャパシタの集電体として提案されている種々の材料を用いることが可能である。これらの材料としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いることができる。また、リチウム極集電体として、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔、網、発泡体等の表裏面を貫く貫通孔を備えているものを使用しても良い。また、リチウム極集電体に貼り付けられるリチウムイオン供給源の材料としては、リチウムイオンを放出することが可能な材料であれば良く、金属リチウムの他にリチウム−アルミニウム合金等を用いても良い。
［Ｆ］セパレータ
セパレータとしては、電解液、正極活物質、負極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する電子伝導性のない多孔質体等を用いることができる。通常は、紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータの厚みは、電解液の保持量やセパレータの強度等を勘案して適宜設定することができる。なお、セパレータの厚みは、蓄電デバイスの内部抵抗を小さくするために薄い方が好ましい。
セパレータとしては、電解液、正極活物質、負極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する電子伝導性のない多孔質体等を用いることができる。通常は、紙(セルロース)、ガラス繊維、ポリエチレンあるいはポリプロピレン等からなる布、不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータの厚みは、電解液の保持量やセパレータの強度等を勘案して適宜設定することができる。なお、セパレータの厚みは、蓄電デバイスの内部抵抗を小さくするために薄い方が好ましい。
［Ｇ］電解液
電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさないという点、リチウムイオンが安定に存在できるという点から、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒としては、例えば、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、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を単独あるいは混合した溶媒が挙げられる。また、リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬＩＮ(Ｃ２Ｆ５ＳＯ２)２等が挙げられる。また、電解液中の電解質濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、少なくとも０．１モル／Ｌ以上とすることが好ましい。更には、０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内とすることが好ましい。
電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさないという点、リチウムイオンが安定に存在できるという点から、リチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒を用いることが好ましい。非プロトン性有機溶媒としては、例えば、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、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン、スルホラン等を単独あるいは混合した溶媒が挙げられる。また、リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬＩＮ(Ｃ２Ｆ５ＳＯ２)２等が挙げられる。また、電解液中の電解質濃度は、電解液による内部抵抗を小さくするため、少なくとも０．１モル／Ｌ以上とすることが好ましい。更には、０．５〜１．５モル／Ｌの範囲内とすることが好ましい。
また、有機溶媒に代えてイオン性液体(イオン液体)を用いても良い。イオン性液体は各種カチオン種とアニオン種の組み合わせが提案されている。カチオン種としては、例えば、ＮメチルＮプロピルピペリジニウム(ＰＰ１３)、１エチル３メチルイミダゾリウム(ＥＭＩ)、ジエチルメチル２メトキシエチルアンモニウム(ＤＥＭＥ)等が挙げられる。また、アニオン種としては、ビス(フルオロスルフォニル)イミド(ＦＳＩ)、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(ＴＦＳＩ)、ＰＦ６ −、ＢＦ４ −等が挙げられる。
［Ｈ］外装容器
外装容器としては、一般に電池に用いられている種々の材質を用いることができる。例えば、鉄やアルミニウム等の金属材料を使用しても良い。また、樹脂等のフィルム材料を使用しても良い。また、外装容器の形状についても特に限定されることはない。円筒型や角型など用途に応じて適宜選択することが可能である。蓄電デバイスの小型化や軽量化の観点からは、アルミニウムのラミネートフィルムを用いたフィルム型の外装容器を用いることが好ましい。一般的には、外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等の接着層を有した３層ラミネートフィルムが用いられる。
外装容器としては、一般に電池に用いられている種々の材質を用いることができる。例えば、鉄やアルミニウム等の金属材料を使用しても良い。また、樹脂等のフィルム材料を使用しても良い。また、外装容器の形状についても特に限定されることはない。円筒型や角型など用途に応じて適宜選択することが可能である。蓄電デバイスの小型化や軽量化の観点からは、アルミニウムのラミネートフィルムを用いたフィルム型の外装容器を用いることが好ましい。一般的には、外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等の接着層を有した３層ラミネートフィルムが用いられる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、貫通孔を持たない正極集電体や負極集電体を備える蓄電デバイスに対して、本発明を有効に適用することが可能である。また、リチウム極を持たない蓄電デバイスに対して、本発明を有効に適用することが可能である。さらに、前述した積層型の蓄電デバイスだけでなく、捲回型の蓄電デバイスに対して、本発明を有効に適用することも可能である。
なお、前述の説明では、負極に対してリチウムイオンを予めドープしているが、リチウムイオンを予めドープする箇所としては負極に限られることはない。例えば、リチウム極と正極とを接続することにより、正極に対してリチウムイオンをドープするようにしても良い。また、正極と負極とのそれぞれに対してリチウム極を設けたり、ドープ中に正極と負極とを短絡させたりすることにより、正極と負極との双方に対してリチウムイオンをドープしても良い。
１０ 蓄電デバイス
１２ 電極積層ユニット(積層ユニット)
１３ 正極
１４ 負極
１４ａ 負極端面(金属露出部)
１７ 三極積層ユニット(積層ユニット)
２０ 正極集電体
２０ａ 貫通孔
２１ 正極合材層
２３ 負極集電体
２３ａ 貫通孔
２４ 負極合材層
２５ 接合タブ
２５ａ 表面(金属露出部)
２５ｂ 対向面(金属露出部)
２５ｃ 基端部(金属露出部)
２５ｄ 先端部
２７ 正極端子
２９ 負極端子
３１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
３２ 被覆層
３３ 蓄電デバイス
３４ 蓄電デバイス
３５ 被覆層
３６ 被覆層
４０〜４３ 端面
１２ 電極積層ユニット(積層ユニット)
１３ 正極
１４ 負極
１４ａ 負極端面(金属露出部)
１７ 三極積層ユニット(積層ユニット)
２０ 正極集電体
２０ａ 貫通孔
２１ 正極合材層
２３ 負極集電体
２３ａ 貫通孔
２４ 負極合材層
２５ 接合タブ
２５ａ 表面(金属露出部)
２５ｂ 対向面(金属露出部)
２５ｃ 基端部(金属露出部)
２５ｄ 先端部
２７ 正極端子
２９ 負極端子
３１ リチウムイオン供給源(イオン供給源)
３２ 被覆層
３３ 蓄電デバイス
３４ 蓄電デバイス
３５ 被覆層
３６ 被覆層
４０〜４３ 端面
Claims (9)
- 正極集電体とこれに塗工される正極合材層とを備える正極と、
負極集電体とこれに塗工される負極合材層とを備える負極とを有し、
前記負極集電体の金属露出部に被覆層が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項１記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極集電体は負極端子に接合される接合タブを備え、
前記接合タブに前記被覆層が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項２記載の蓄電デバイスにおいて、
前記被覆層は、前記接合タブの前記正極に対向する対向面に形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項２または３記載の蓄電デバイスにおいて、
前記接合タブは、前記負極合材層側の基端部と、前記負極端子側の先端部とを備え、
前記被覆層は、前記接合タブの基端部に形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記正極と前記負極とが交互に積層される積層ユニットを有し、
前記積層ユニットの端面に前記被覆層が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記正極集電体および前記負極集電体に貫通孔が形成されることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方に接続され、前記正極と前記負極との少なくともいずれか一方にイオンをドーピングするイオン供給源を有することを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記正極と前記負極とを短絡させたときの正極電位が２．０Ｖ(対Ｌｉ／Ｌｉ＋)以下であることを特徴とする蓄電デバイス。 - 請求項１〜８のいずれか１項に記載の蓄電デバイスにおいて、
前記負極に含まれる負極活物質は、前記正極に含まれる正極活物質に比べて活物質の単位重量当たりの静電容量が３倍以上であり、かつ正極活物質重量が負極活物質重量よりも大きいことを特徴とする蓄電デバイス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008028533A JP2009187858A (ja) | 2008-02-08 | 2008-02-08 | 蓄電デバイス |
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| JP2008028533A JP2009187858A (ja) | 2008-02-08 | 2008-02-08 | 蓄電デバイス |
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|---|---|
| JP2009187858A true JP2009187858A (ja) | 2009-08-20 |
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|---|---|---|---|
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| JP (1) | JP2009187858A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2015060787A (ja) * | 2013-09-20 | 2015-03-30 | 三菱自動車工業株式会社 | 二次電池 |
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-
2008
- 2008-02-08 JP JP2008028533A patent/JP2009187858A/ja active Pending
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| JP7016234B2 (ja) | 2017-09-29 | 2022-02-04 | 三洋化成工業株式会社 | リチウムイオン電池 |
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