JP2009259502A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非水電解液二次電池に係り、特に、活物質合剤がそれぞれ集電体に塗着された正負極板を備えた非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly, to a non-aqueous electrolyte secondary battery including positive and negative electrode plates each coated with an active material mixture on a current collector.
非水電解液二次電池は、VTRカメラやノート型パソコン、携帯電話等のポータブル機器用の電源として広く普及しており、電気自動車用や電力貯蔵用の大型電池の研究開発も進められている。非水電解液を代表するリチウムイオン二次電池では、通常、リチウムイオンを可逆に吸蔵、放出できるリチウム含有金属酸化物を含む活物質合剤を集電体に塗着した正極板と、炭素材料を含む活物質合剤を集電体に塗着した負極板とが、数種類のカーボネート系混合有機溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩を溶解した非水電解液に浸潤されている。活物質合剤を集電体に塗着させるために、活物質合剤には樹脂等の結着剤(バインダ)が配合されている。近年では、リチウムイオン二次電池の更なる高エネルギー密度、高入出力特性が求められている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries are widely used as power sources for portable devices such as VTR cameras, notebook computers, and mobile phones, and research and development of large batteries for electric vehicles and power storage are also underway. . In a lithium ion secondary battery representing a non-aqueous electrolyte, a positive electrode plate in which an active material mixture containing a lithium-containing metal oxide capable of reversibly occluding and releasing lithium ions is applied to a current collector, and a carbon material And a negative electrode plate coated with an active material mixture containing water infiltrated into a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in several types of carbonate-based mixed organic solvents Has been. In order to apply the active material mixture to the current collector, a binder (binder) such as a resin is blended in the active material mixture. In recent years, higher energy density and higher input / output characteristics of lithium ion secondary batteries have been demanded.
リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化を図るために活物質合剤の単位体積当たりの重量を増すと、活物質合剤中の空隙(空孔体積)が減少し、非水電解液の浸潤が十分に得られなくなる。特に大きな電流値での充放電では、活物質の重量から計算される容量より低い容量しか得られない場合が多い。一方、非水電解液の浸潤を十分に得るために活物質合剤の単位体積当たり重量を減じると、一定体積に充填できる活物質量が減少し、電池容量、エネルギー密度が低下する。これらの問題を解消するため、例えば、炭素材料で成形した負極板の厚み方向に嵩密度分布を持たせ、高嵩密度部分でエネルギー密度を稼ぎ、低嵩密度部分で入出力特性を補う技術が開示されている(特許文献1参照)。 When the weight per unit volume of the active material mixture is increased in order to increase the energy density of the lithium ion secondary battery, voids (hole volume) in the active material mixture decrease and the nonaqueous electrolyte infiltrates. Cannot be obtained sufficiently. In particular, in charge / discharge at a large current value, only a capacity lower than the capacity calculated from the weight of the active material is often obtained. On the other hand, if the weight per unit volume of the active material mixture is reduced in order to obtain sufficient infiltration of the non-aqueous electrolyte, the amount of active material that can be filled in a certain volume decreases, and the battery capacity and energy density decrease. In order to solve these problems, for example, there is a technology that has a bulk density distribution in the thickness direction of a negative electrode plate formed of a carbon material, gains energy density in a high bulk density portion, and supplements input / output characteristics in a low bulk density portion. It is disclosed (see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では、樹脂(バインダ)と炭素材料との含有量が異なるように、予めシート状に作製された複数枚の前駆体が準備される。これらの前駆体が厚み方向で対称な嵩密度分布となるように多重積層され、加熱圧縮成型されて負極板が作製される。このため、複雑な製造工程が必要となるうえ、コスト高となる。また、複数枚の前駆体を要するため、製造工程管理が難しくなる、という問題もある。
However, in the technique of
本発明は上記事案に鑑み、エネルギー密度および入出力特性の向上を図ることができる非水電解液二次電池を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery capable of improving energy density and input / output characteristics in view of the above-mentioned cases.
上記課題を解決するために、本発明は、活物質合剤がそれぞれ集電体に塗着された正負極板を備えた非水電解液二次電池において、前記正負極板の少なくとも一方は、前記活物質合剤の密度が面方向一側から他側へ向けてほぼ一定割合で変化する密度変化部分を有していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive and negative electrode plate in which an active material mixture is applied to a current collector, and at least one of the positive and negative electrode plates includes: The active material mixture has a density changing portion in which the density of the active material mixture changes from one side in the plane direction to the other side at a substantially constant rate.
本発明では、正負極板の少なくとも一方が活物質合剤の密度が面方向一側から他側へ向けてほぼ一定割合で変化する密度変化部分を有するので、高密度の部分で活物質割合が大きくなりエネルギー密度を向上させることができると共に、低密度の部分で非水電解液の浸潤する空隙が確保され入出力特性を向上させることができる。 In the present invention, since at least one of the positive and negative electrode plates has a density changing portion in which the density of the active material mixture changes from one side in the plane direction to the other side at a substantially constant rate, the active material ratio is high in the high density portion. The energy density can be increased and the energy density can be improved. In addition, a void infiltrated with the nonaqueous electrolyte can be secured in the low density portion, and the input / output characteristics can be improved.
この場合において、正負極板の少なくとも一方の活物質合剤の密度が平均値に対して±15%の範囲で変化していることが好ましい。また、正負極板が捲回されており、正負極板の少なくとも一方が略捲回方向ないし捲回軸方向に密度変化部分を有するようにしてもよい。正負極板の少なくとも一方の活物質合剤の密度が正負極板の面方向一側から他側までほぼ一定割合で変化するようにしてもよい。このとき、正負極板の少なくとも一方を、活物質合剤の塗着厚さが面方向一側から他側までほぼ一定割合で変化するようにしてもよい。 In this case, it is preferable that the density of the active material mixture of at least one of the positive and negative electrode plates is changed within a range of ± 15% with respect to the average value. Further, the positive and negative electrode plates may be wound, and at least one of the positive and negative electrode plates may have a density changing portion in a substantially winding direction or a winding axis direction. The density of at least one active material mixture of the positive and negative electrode plates may change at a substantially constant rate from one side in the surface direction of the positive and negative electrode plates to the other side. At this time, at least one of the positive and negative electrode plates may change the coating thickness of the active material mixture at a substantially constant rate from one side in the surface direction to the other side.
本発明によれば、正負極板の少なくとも一方が活物質合剤の密度が面方向一側から他側へ向けてほぼ一定割合で変化する密度変化部分を有するので、高密度の部分で活物質割合が大きくなりエネルギー密度を向上させることができると共に、低密度の部分で非水電解液の浸潤する空隙が確保され入出力特性を向上させることができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, at least one of the positive and negative electrode plates has a density changing portion in which the density of the active material mixture changes from one side in the plane direction to the other side at a substantially constant rate. The ratio can be increased, the energy density can be improved, and the voids infiltrated with the non-aqueous electrolyte can be secured in the low density portion, and the input / output characteristics can be improved.
以下、図面を参照して、本発明を適用した円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。 Embodiments of a cylindrical lithium ion secondary battery to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
(構成)
図1に示すように、本実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池20は、電池容器となるニッケルメッキを施された鉄製で有底円筒状の電池缶17を有している。電池缶17には、帯状の正極板1および負極板3が捲回された捲回群15が収容されている。すなわち、電池缶17の内径は捲回群15の直径より若干大きく設定されている。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, a cylindrical lithium ion
捲回群15は、正極板1および負極板3がポリエチレン製微多孔膜のセパレータ5を介して断面渦巻状に捲回されている。セパレータ5は、本例では、厚さが25μmに設定されている。捲回群15の上側には、一端を正極板1に固定されたアルミニウム製でリボン状の正極タブ端子12が導出されている。正極タブ端子12の他端は、捲回群15の上側に配置され正極外部端子となる円盤状の上蓋16の下面に超音波溶接で接合されている。一方、捲回群15の下側には、一端を負極板3に固定された銅製でリボン状の負極タブ端子13が導出されている。負極タブ端子13の他端は、電池缶17の内底面に抵抗溶接で接合されている。正極タブ端子12および負極タブ端子13は、それぞれ捲回群15の両端面から互いに反対側に導出されている。捲回群15の上下両側には、捲回群15の直径とほぼ同径で樹脂製の図示を省略した絶縁板がそれぞれ配されている。捲回群15の外周面全周には、図示しない絶縁被覆が施されている。
In the
電池缶17には、上端より若干缶底側にグルービングが施されている。上蓋16は、ポリプロピレン等の絶縁性の材質でグルービング部分に嵌合するように設計されたガスケット18を介して電池缶17の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池20の内部は密封されている。また、電池缶17内には、非水電解液が注液されている。非水電解液には、例えば、エチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等を混合した混合溶媒中に6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル(mol/l)の濃度で溶解させたものが使用されている。
The battery can 17 has a grooving slightly on the bottom side from the upper end. The
捲回群15を構成する正極板1は、正極集電体としてアルミニウム箔を有している。アルミニウム箔の厚さは本例では20μmに設定されている。アルミニウム箔の長手方向略中央部には、正極タブ端子12の一端が超音波溶接で接合されている。アルミニウム箔の両面には、正極合剤が塗着されており、正極合剤層2が形成されている。正極合剤には、正極活物質として化学式Li1+xM1−xO2(Mは1種または複数種の遷移金属元素、xは0<x<1の範囲を満たす実数)で表される金属酸化物(リチウム遷移金属複酸化物)粉末と、導電剤の炭素材料と、結着剤(バインダ)のポリフッ化ビニリデン樹脂(以下、PVDFと略記する。)と、が配合されている。本例では、金属酸化物粉末/炭素材料/PVDFの固形分比が85/10/5となるように調製されている。正極合剤層2は、捲回群15の中心側に位置する捲回始端から外周側に位置する捲回終端まで(捲回方向に)ほぼ一定割合で合剤密度が変化するように形成されている。換言すれば、図2のパターンAに示すように、正極合剤層2は、正極板1の長手方向の位置に対する合剤密度が捲回始端から捲回終端までほぼ一定の勾配で変化している。このため、正極板1の密度変化部分は捲回方向の全体にわたる。
The
正極合剤層2の合剤密度を変化させた正極板1は次のようにして作製されたものである。すなわち、正極合剤を、粘度調整溶媒のN−メチルピロリドン(以下、NMPと略記する。)に略均一に混練した正極合剤スラリを調製した。得られた正極合剤スラリを、電池1個分に必要な長さのアルミニウム箔に均一な厚み(単位面積当たりの合剤塗布量が同じ)となるように間欠塗布し、乾燥させてプレス前正極板を作製した。これを塗工パターンごとにロールプレスでプレス成型して合剤密度を変化させるが、このとき、ロールプレスのクリアランスや線圧を漸減または漸増させることで、捲回始端から捲回終端まで(捲回方向に)ほぼ一定割合で厚みを変化させた(厚み勾配を有する)正極板1(プレス後)を得た。合剤密度は、厚みの大きい部分で小さくなり、小さい部分で大きくなる。本例では、最も厚い部分の合剤密度が2.6g/cm3、最も薄い部分の合剤密度が3.0g/cm3となるように設計した。この場合、捲回方向に厚み勾配を有しているので、合剤密度の平均値(中央値)は最大値と最小値との中間である2.8g/cm3となる。従って、正極板1の合剤密度は、平均値に対しておよそ±7.1%の範囲で変化している。
The
一方、負極板3は、負極集電体として銅箔を有している。銅箔の厚さは本例では10μmに設定されている。銅箔の両面には、負極合剤が塗着されており、負極合剤層4が形成されている。負極合剤には、例えば、負極活物質の黒鉛と、導電剤のアセチレンブラックと、バインダのPVDFと、が配合されている。本例では、黒鉛/アセチレンブラック/PVDFの固形分重量比が90/5/5となるように調製されている。負極板3の捲回終端側には、負極タブ端子13が超音波溶接で接合されている。負極合剤層4は、正極板1における正極合剤層2と同様に、捲回群15の中心側に位置する捲回始端から外周側に位置する捲回終端までほぼ一定割合で合剤密度が変化するように形成されている。すなわち、負極合剤層4は、負極板3の長手方向の位置に対する合剤密度が捲回始端から捲回終端までほぼ一定の勾配で変化している(図2のパターンA参照)。このため、負極板3の密度変化部分は捲回方向の全体にわたる。
On the other hand, the
負極合剤層4の合剤密度を変化させた負極板3は次のようにして作製されたものである。すなわち、負極合剤を、NMPに略均一に混練した負極合剤スラリを調製した。得られた負極合剤スラリを、電池1個分に必要な長さの銅箔に単位面積当たりの合剤塗布量が同じとなるように間欠塗布し、乾燥させてプレス前負極板を作製した。これを、正極板1の作製と同様にして、捲回始端から捲回終端まで(捲回方向に)ほぼ一定割合で厚みが変化する負極板3(プレス後)を得た。合剤密度は、本例では、厚みの最も厚い部分が1.2g/cm3、最も薄い部分が1.5g/cm3となるように設計した。この場合、合剤密度の平均値は1.35g/cm3となり、負極板3の合剤密度は平均値に対しておよそ±11.1%の範囲で変化している。
The
(電池組立)
リチウムイオン二次電池20の組立では、まず、作製した正極板1、負極板3をセパレータ5を介して中空状の軸芯の周囲に捲回し捲回群15を作製する。このとき、正極合剤層2と負極合剤層4とが合剤密度の大きな部分同士が対向し、かつ、正極タブ端子12と負極タブ端子13とが互いに反対方向に導出されるように捲回する。作製した捲回群15を、電池缶17に負極タブ端子13を缶底側に向けて挿入する。軸芯の中空部分(捲回機軸芯に装着するための空間)に溶接棒を挿入し、負極タブ端子13の導出端部を電池缶17の内底面に抵抗溶接する。正極タブ端子12の導出端部を上蓋16の下面に溶接した後、電池缶17の上部のグルービング部分にガスケット18を装着した状態で、捲回群15や電池缶17等の電池内部の付着水分を除くために60℃で20時間の真空乾燥を施した。真空乾燥後、電池缶17内に非水電解液を注液する。非水電解液の注液は、水分の再付着を防ぐためにアルゴン置換されたグローブボックス中などで行う。非水電解液注液後、上蓋16を電池缶17の上部にカシメ固定することで、リチウムイオン二次電池20の組立を完成させる。
(Battery assembly)
In assembling the lithium ion
(作用等)
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20の作用等について説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the lithium ion
本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、正極板1、負極板3ともに、正極合剤層2、負極合剤層4が捲回始端から捲回終端まで(捲回方向に)ほぼ一定割合で合剤密度が変化するように形成されている。合剤密度の大きな部分では、正極合剤層2に占める正極活物質の割合(活物質割合)、負極合剤層4に占める負極活物質の割合がいずれも大きくなるので、リチウムイオン二次電池20のエネルギー密度を向上させることができる。一方、合剤密度の小さな部分では、正極合剤層2、負極合剤層4のいずれも非水電解液の浸潤する空隙が確保されるので、リチウムイオン二次電池20の入出力特性を向上させることができる。従って、高エネルギー密度と高入出力特性との両立を図ることができる。
In the lithium ion
また、合剤密度を大きくしすぎると、正極合剤層2、負極合剤層4の空隙(空孔体積)が減少し、非水電解液の浸潤が十分に得られなくなるため、却って出力低下を招く。反対に、合剤密度を小さくしすぎると、活物質割合が減少するため、却って電池容量やエネルギー密度の低下を招く。本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、活物質合剤の密度が正極板1、負極板3ともに平均値に対して±15%の範囲で変化するように調整されている。このため、合剤密度の大きな部分でも非水電解液の浸潤を確保し、合剤密度の小さな部分でも活物質割合を確保することができる。これにより、エネルギー密度と入出力特性とを同時に向上させることができる。
Further, if the mixture density is increased too much, voids (pore volume) of the positive
更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、活物質合剤を集電体に塗着させた後、ロールプレスのクリアランスや線圧を連続的に変化させることにより合剤密度を変化させた正極板1、負極板3が作製され電池組立に用いられる。このため、従来一般的なリチウムイオン二次電池の製造に用いられる工程や材料を使用することができる。これにより、新たな工程や材料を導入することなく、高エネルギー密度と高入出力特性の両立を図ることができる。
Furthermore, in the lithium ion
また更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、合剤密度が捲回方向にそってほぼ一定割合で変化する密度勾配を有しており、捲回軸に平行な方向(捲回方向と交差する方向)ではほぼ同じ合剤密度に形成されている。このため、捲回軸と平行な方向では正極板1、負極板3の厚みがほぼ同じとなり、巻きズレや、セパレータ5と正極板1、負極板3との間に不均一な隙間が生じることなく捲回群15を得ることができる。これにより、大電流充放電時にも電流集中等を抑制することができ、発熱による短絡等を回避して安全性を確保することができる。
Furthermore, in the lithium ion
なお、本実施形態では、正極合剤層2、負極合剤層4がいずれも捲回方向にほぼ一定割合で合剤密度を変化させる例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、図2に示すように、合剤密度がパターンAのごとく一定割合で変化させることに代えて、パターンB、パターンC、パターンDのごとく変化させるようにしてもよい。すなわち、パターンBでは、合剤密度を、捲回始端側および捲回終端側で一定割合で増加させ、中央部で一定とする。パターンCでは、捲回終端側における合剤密度の増加割合を、捲回始端側および中央部における合剤密度の増加割合より大きくする。また、パターンDでは、合剤密度を、捲回始端側で一定割合で増加させ、中央部で一定とし、捲回終端側で一定割合で減少させる。また、合剤密度の変化を捲回始端側と捲回終端側とで反対、すなわち、捲回始端側から捲回終端側まで一定割合で減少するようにしてもよいことはもちろんである。
In the present embodiment, the positive
また、合剤密度を捲回方向に変化させることに代えて、捲回軸方向に変化させるようにしてもよい。合剤密度を複数の方向、例えば、捲回方向および捲回軸方向の両方向で変化させてもよく、この場合には正負極板間の隙間等が実用上問題のないレベルに収まるように設計することで上述した効果を得ることができることはいうまでもない。 Further, the mixture density may be changed in the winding axis direction instead of changing in the winding direction. The mixture density may be changed in a plurality of directions, for example, both the winding direction and the winding axis direction, and in this case, the gap between the positive and negative electrode plates is designed to be within a level where there is no practical problem. Needless to say, the above-described effects can be obtained.
更に、本実施形態では、合剤密度を捲回始端から捲回終端までの全体にわたって変化させる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。合剤密度をほぼ一定割合で変化させる部分を有していればよく、合剤密度の大きな部分と小さな部分とが形成されていればよい。また、本実施形態では、正極合剤層2、負極合剤層4のいずれも合剤密度を変化させる例を示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、少なくとも正極板、負極板の一方が合剤密度を変化させた部分を有していればよい。
Furthermore, in this embodiment, although the example which changes the mixture density over the whole from the winding start end to the winding end end was shown, this invention is not limited to this. It is only necessary to have a portion that changes the mixture density at a substantially constant rate, and it is sufficient that a portion with a large mixture density and a portion with a small mixture density are formed. In the present embodiment, both the positive
また更に、本実施形態では、アルミニウム箔、銅箔にそれぞれの合剤スラリを均一な厚みとなるように間欠塗布し乾燥させた後、ロールプレスのクリアランスや線圧を変化させることで、正極合剤層2、負極合剤層4の厚みを変化させて合剤密度を変化させる例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、単位面積あたりの合剤重量を変化(漸増または漸減)させることで塗布量がほぼ一定割合で変化するようにし、これを厚みが均一となるようにプレス(圧延)加工することで合剤密度を変化させてもよい。このようにしても合剤密度が一定割合で変化する部分を有する正負極板を作製することができる。この方法では、合剤塗工時と圧延時との両方で塗工クリアランスやプレス線圧を変化させる機構を組み込む必要があることから、作製方法としては煩雑となるが、正負極板の厚みをほぼ一定にすることができるので、捲回以降の工程での取扱いを容易にすることができる。
Furthermore, in this embodiment, each mixture slurry is intermittently applied to an aluminum foil and a copper foil so as to have a uniform thickness and dried, and then the roll press clearance and linear pressure are changed to change the positive electrode composite. Although the example which changes the mixture density by changing the thickness of the
更にまた、本実施形態では、正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物、負極活物質として黒鉛をそれぞれ例示したが、本発明はこれらに限定されるものではない。通常、リチウムイオン二次電池に使用される正極活物質、負極活物質を用いてもよい。また、正極合剤、負極合剤に配合する導電剤や結着剤についても制限はなく、配合割合に制限のないことはもちろんである。非水電解液についても特に制限されるものではない。 Furthermore, in this embodiment, lithium transition metal double oxide was exemplified as the positive electrode active material and graphite was exemplified as the negative electrode active material, but the present invention is not limited to these. Usually, you may use the positive electrode active material and negative electrode active material which are used for a lithium ion secondary battery. Moreover, there is no restriction | limiting also about the electrically conductive agent and binder mix | blended with a positive mix, and a negative mix, and, of course, there is no restriction | limiting in a mixture ratio. The non-aqueous electrolyte is not particularly limited.
また、本実施形態では、円筒型リチウムイオン二次電池20を例示したが、本発明は電池形状や電池の内部構造に制限されるものではない。例えば、角型の電池形状としてもよく、正負極外部端子が電池蓋を貫通し電池容器内で軸芯を介して正負極外部端子が押し合っている内部構造としてもよい。また、本発明は、リチウムイオン二次電池以外に、非水電解液を用いる二次電池においてその有用性を否定するものではない。
In the present embodiment, the cylindrical lithium ion
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池20の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例についても併記する。
Next, examples of the lithium ion
(実施例1)
実施例1では、捲回始端から捲回終端までほぼ一定割合で合剤密度を変化させた正極板1、負極板3を用いてリチウムイオン二次電池20を作製した。正極合剤層2の合剤密度は、最も小さな部分で2.6g/cm3、最も大きな部分で3.0g/cm3となるように設計した。負極合剤層4の合剤密度は、最も小さな部分で1.2g/cm3、最も大きな部分で1.5g/cm3となるように設計した。
(Example 1)
In Example 1, the lithium ion
(比較例1、比較例2)
比較例1、比較例2では、正極合剤層、負極合剤層ともに、略均一な厚みの正負極板を用いる以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。比較例1では、正極合剤層、負極合剤層の厚みを、実施例1の正極合剤層2、負極合剤層4で最も厚みが小さい部分の厚みにそれぞれ設定した。すなわち、比較例1では、正極合剤層の合剤密度が3.0g/cm3、負極合剤層の合剤密度が1.5g/cm3である。比較例2では、正極合剤層、負極合剤層の厚みを、実施例1の正極合剤層2、負極合剤層4で最も厚みが大きい部分の厚みにそれぞれ設定した。すなわち、比較例2では、正極合剤層の合剤密度が2.6g/cm3、負極合剤層の合剤密度が1.2g/cm3である。
(Comparative Example 1 and Comparative Example 2)
In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, a lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that positive and negative electrode plates having a substantially uniform thickness were used for both the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer. In Comparative Example 1, the thicknesses of the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer were set to the thicknesses of the smallest portions of the positive
(評価)
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、放電率依存特性を評価した。すなわち、各リチウムイオン二次電池を室温(25℃)で4.2Vまで充電した後、5時間率(0.2C)、1時間率(1C)、1/3時間率(3C)、1/5時間率(5C)の各時間率で3Vを終止電圧として放電したときの放電容量を測定した。
(Evaluation)
The discharge rate dependent characteristics were evaluated for the lithium ion secondary batteries of the examples and comparative examples. That is, after charging each lithium ion secondary battery to 4.2 V at room temperature (25 ° C.), 5 hour rate (0.2 C), 1 hour rate (1 C), 1/3 hour rate (3 C), 1 / The discharge capacity was measured when 3V was discharged as the final voltage at each time rate of 5 hours (5C).
図3に示すように、5時間率での放電容量は、実施例1が6.7Ah、比較例1が7.1Ah、比較例2が6.3Ahを示した。同じ活物質塗工量において正負極ともに合剤密度の平均値が最も高いものが比較例1、最も低いものが比較例2、その中間が実施例1となるため、正負極の厚みの関係から捲回群径が同じとなるように電池設計するとエネルギー密度は高い順に比較例1、実施例1、比較例2となることから、この結果は妥当である。一方、1/5時間率の高い放電率においては正負極の合剤密度が低い方が非水電解液の浸潤に優れるので、放電容量が高くなる。従って、放電率を高くすることによる放電容量の低下率は低い順に比較例2、実施例1、比較例1となった。このような連続放電では合剤密度の影響がほぼ線形に現れるので合剤密度の平均値の順に従って序列が現れた。 As shown in FIG. 3, the discharge capacity at a 5-hour rate was 6.7 Ah in Example 1, 7.1 Ah in Comparative Example 1, and 6.3 Ah in Comparative Example 2. In the same active material coating amount, both the positive and negative electrodes have the highest mixture density in Comparative Example 1, the lowest one in Comparative Example 2, and the middle in Example 1. Therefore, from the relationship between the positive and negative electrode thicknesses. If the batteries are designed to have the same wound group diameter, the energy density becomes Comparative Example 1, Example 1, and Comparative Example 2 in descending order, so this result is reasonable. On the other hand, at a discharge rate with a high 1/5 hour rate, the lower the mixture density of the positive and negative electrodes, the better the infiltration of the non-aqueous electrolyte, and the higher the discharge capacity. Therefore, the decrease rate of the discharge capacity by increasing the discharge rate was Comparative Example 2, Example 1, and Comparative Example 1 in ascending order. In such a continuous discharge, the influence of the mixture density appears almost linearly, so that an order appears in the order of the average value of the mixture density.
また、各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、入出力特性を評価した。すなわち、各リチウムイオン二次電池を室温(25℃)で定格容量の10%〜90%となるように容量規制で充電した後、各充電状態(SOC)において1時間率(1C)、1/3時間率(3C)、1/5時間率(5C)で10秒間放電し(10秒間の放電の後には1時間率で同じ電気量を充電してSOCがずれないように補正した。)、このときの10秒目電圧を測定した。10秒目電圧を放電電流値に対してプロットし、この近似直線を放電終止電圧に外挿したときの交点における電流と電圧との積をその電池の出力値とした。同様に、各SOCにおいて1時間率(1C)、1/3時間率(3C)、1/5時間率(5C)で10秒間充電し、このときの10秒目電圧を測定した。10秒目電圧を放電電流値に対してプロットし、この近似直線を充電終止電圧に外挿したときの交点における電流と電圧との積をその電池の入力値とした。求めた出力値、入力値を電池重量で除した値をそれぞれ出力密度、入力密度とし、SOCに対してプロットした。 The input / output characteristics of the lithium ion secondary batteries of the examples and comparative examples were evaluated. That is, after charging each lithium ion secondary battery with capacity regulation so that it becomes 10% to 90% of the rated capacity at room temperature (25 ° C.), 1 hour rate (1C), 1 / It was discharged for 10 seconds at a 3 hour rate (3C) and a 1/5 hour rate (5C) (after discharging for 10 seconds, the same amount of electricity was charged at an hour rate to correct the SOC so that it does not shift). The voltage at 10 seconds at this time was measured. The voltage at the 10th second was plotted against the discharge current value, and the product of the current and voltage at the intersection when this approximate line was extrapolated to the discharge end voltage was taken as the output value of the battery. Similarly, each SOC was charged at 1 hour rate (1C), 1/3 hour rate (3C), and 1/5 hour rate (5C) for 10 seconds, and the voltage at 10 seconds at this time was measured. The voltage at 10 seconds was plotted against the discharge current value, and the product of the current and voltage at the intersection when this approximate line was extrapolated to the end-of-charge voltage was taken as the input value of the battery. Values obtained by dividing the obtained output value and input value by the weight of the battery were taken as output density and input density, respectively, and plotted against the SOC.
図4に示すように、入出力密度は、おおよそ上述した放電率依存特性と同様に、合剤密度の平均値の小さな比較例2が最も優れており、ついで実施例1、比較例1となった。ところが、実施例1の入出力特性は比較例2により近い性能を示した。これは、この計測方法のように大電流値で短時間の放電が求められる場合には、非水電解液の浸潤が十分得られている正負極板の低密度部分が優先的に放電または充電に寄与するためと考えられる。以上説明した放電率依存特性および入出力特性の評価結果から、実施例1のような合剤密度の変化する部分を有する正負極板を用いることで低負荷時の電気容量を確保しながら、短時間であれば高負荷にも対応できる電池とすることができることが判明した。 As shown in FIG. 4, as for the input / output density, the comparative example 2 having a small average value of the mixture density is the most excellent, as in the discharge rate dependence characteristics described above, and then the examples 1 and 1 are obtained. It was. However, the input / output characteristics of Example 1 were close to those of Comparative Example 2. This is because when the discharge is required for a short time with a large current value as in this measurement method, the low-density part of the positive and negative electrode plates where the nonaqueous electrolyte is sufficiently infiltrated is preferentially discharged or charged. It is thought that it contributes to. From the evaluation results of the discharge rate dependency characteristics and the input / output characteristics described above, while using the positive and negative electrode plates having the portion where the mixture density changes as in Example 1, the electric capacity at the time of low load is secured, while the short It has been found that a battery capable of handling a high load can be obtained with time.
本発明はエネルギー密度および入出力特性の向上を図ることができる非水電解液二次電池を提供するため、非水電解液二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY Since the present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery capable of improving energy density and input / output characteristics, it contributes to the manufacture and sale of non-aqueous electrolyte secondary batteries. Have
1 正極板
2 正極合剤層
3 負極板
4 負極合剤層
15 捲回群
20 円筒型リチウムイオン二次電池(非水電解液二次電池)
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