JP2009533833A

JP2009533833A - リチウムイオン蓄電池

Info

Publication number: JP2009533833A
Application number: JP2009505700A
Authority: JP
Inventors: ヤン，ジャンゾン; マオ，ヨンジ; アン，ピン; チェン，フイ; キ，ル
Original assignee: CITIC Guoan Mengguli New Energy Technology Co Ltd
Current assignee: CITIC Guoan Mengguli New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2009-09-17
Also published as: EP2015387A4; WO2007118358A1; EP2015387A1; US7704637B2; CN101438448A; US20090123833A1

Abstract

【課題】内部応力を緩和でき、電池の膨らみを防止できるリチウムイオン蓄電池を提供すること。
【解決手段】本発明のリチウムイオン蓄電池は、陰・陽極ユニットの間、または極ユニットとケースの内壁との間に非金属製のプレート状または棒状の多孔質弾性体（６）が入れられている。当該蓄電池は、充電・放電サイクルによるケースの膨張を有効的に防止できる。加工、操作が便利である。電池のサイクル寿命と安全性能を有効的に向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池に関するものであり、具体的に言えば、リチウムイオン蓄電池に関するものである。

従来のリチウムイオン蓄電池は、充電・放電において、陰・陽極ユニットともに結晶格子が変り、また両サイドの変化量が異なっている。充電の時には、Li+が陽極から脱出し、電解液に入る。その後、陰極につく。一方、放電の時には、ちょうど逆になる。この反応の仕組みでは、Li+のシフト距離が長くないことが求められる。したがって、仕切りシートの厚みは一定範囲内（約30μm）に確実にコントロールしなければならない。

従来の二次電池（鉛酸電池、カドミウム・ニッケル電池、亜鉛・水銀電池、水素ニッケル電池などを含む）に使われる仕切りシート（通常では150μm以上）よりずっと薄い。このような厚みの違いにより、電極の変形を吸収することにおいて、互いに著しい差異を持っている。従来の二次電池における仕切りシートは、電極表面に垂直方向における変形変位をある程度吸収でき、電池内部へのストレスを緩和できる。

一方、リチウムイオン蓄電池では、仕切りシートは、電極の体積変化による緩和力としては、ほぼ存在していない。電極体積の変化により仕切りシートを押さえ、電解液の分布状態が変更される。そして、電極全体が膨らみ、ケースに塑性変化を与える。最後に、それを不安定な状態に押し込んで、安全問題を起こすようになる。
このような状況は、大容量の動力電池にとって特に重要である。複数の単体電池が組み合わせて利用されるので、単体電池の膨らみは、電池ユニットのオリジナル幾何サイズにひどく影響を与えて、電池ユニットの安全性能までに影響してしまう。

本発明の目的は、上記された従来の技術における欠陥と不足を改善するために、内部応力を緩和でき、電池の膨らみを防止できるリチウムイオン蓄電池を設計し、電池の安全性能とサイクル寿命を向上することである。
本発明は、以下の技術手段により実現されたものである。

本発明は、リチウムイオン蓄電池であり、陽極（１）、陰極（２）および仕切り膜（３）からなる陰・陽極ユニット、電解液（４）ならびにケース（５）を備えている。陰・陽極ユニットの間、または陰・陽極ユニットとケースとの間に、ポリオレフィン系材料、好ましくはポリフッ化オレフィン系材料製の多孔質弾性体（６）を設けてある。当該弾性体はプレート状または棒状であり、その厚みが0.5-5.0mmであり、隙間率が10％-80％であることを特徴とする。

上記技術手段は、従来の技術に比べて、以下のようなメリットおよび効果を持っている。
a) 非金属製の弾性体を採用することで、蓄電池における内部応力を緩和し、電極の膨張、収縮による変位を吸収、リリースする。電池における電気化学体系に何も影響しない。電池が安全、且つ信頼できるものとなる。

b) 多孔質弾性体がある程度の電解液を貯蔵できるので、電池のサイクルおよび電池倍率の放電性能に極めて大きな改善役割を果たしている。
c) 設置場所に柔軟に対応でき、操作が簡単で、組み立てやすい。よって、リチウムイオン蓄電池の生産プロセスにおけるレイアウトに影響を及ぼさない。

図１に示すように、この発明の一実施形態に係るリチウムイオン蓄電池は、陽極（陽極の活性材料が、LiCoO₂、LiCo_ｘNi_1-xO₂、LiCo_xNi_yMn_1-x-yO₂、LiMn₂O₄のうちの一つ、またはその混合物である。ここに、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、且つ０＜ｘ＋ｙ＜１であるが、それだけに限らない。）（１）、陰極（陰極の活性材料が、人工石墨、もしくは改良、複合の天然石墨またはその混合物であるが、それだけに限らない。）（２）、および仕切り膜（３）からなる陰・陽極ユニット、電解液（１mol/L LiPF₆/EC+EMC+DECであるが、それだけに限らない。）ならびにケース（５）を備えている。陰・陽極ユニットの間に非金属製の多孔質弾性体（６）を設けてある。例えば、ポリオレフィン系材料、好ましくはポリフッ化オレフィン系プラスチックで作られる。当該弾性体（６）は、プレート状または棒状であり、電極の構造に応じて他の形状を採用してもよい。またその厚みが0.5-5.0mmであり、隙間率が10％-80％である。当該弾性体（６）は、極プレートの間に取り付けても良い。これは巻き取った電池における極ユニットまたは極プレートが重なって出来上がった電極ユニットに適用できる。当該弾性体（６）は、蓄電池における内部応力を緩和し、電極の膨張、収縮による変位を吸収、リリースできる。そして、電極の局部に過剰な充電・放電が生じないようにする。微小な孔が電解液の貯蔵に多くの空間を提供していることで、電池のサイクル寿命を向上している。電池の塑性変化を避けられる。これにより、電池が安全、且つ信頼できるものとなる。電池の化学（リチウムイオン蓄電池の電解液におけるエステル類溶剤と有機リチウム塩類に惰性を呈している）と電気化学性能に何も影響を与えない。
実施例１
電動自転車用187286（厚み18mm、幅72mm、高さ86mm）電池を試作した。そのイメージを図１に示す。極ユニットの外側に厚みが1.0mmで、隙間率が45％であるポリフッ化ビニリデンゴムをライニングして、接着テープで極ユニットと弾性体をまとめて縛る。そして、ケースに入れ、レーザー溶接、液体注入、初期充填、封入、活性化（電池を充電・放電することで電池を活性化にする）、老化と分類（電池容量の分類を行う）などの一連の工程で電池サンプルを作り、サンプル１とした。

電池を周囲温度35±3℃の元で、一定時間、電流で充電・放電サイクルを行った。詳細な測定手順は以下の通りである。
１）１０分間放置する。
２）8.0Aの安定化電流で充電する。時間制限値：７０分間、電圧制限値：4.20V
３）安定化電圧で充電する。電圧制限値：4.20V、時間制限値：６０分間、電流を400ｍAまでとする。

４）１０分間放置する。
５）8.0Aの安定化電流で放電する。時間制限値：７０分間、電圧制限値：3.00V

上記１）〜５）の手順を５００回繰り返す。

弾性体を取り付けていない電池（比較サンプル）を、同じプロセスで同時に作った。また、上記と同じ測定手順で充電・放電サイクルを行った。さらに電池を同じく５００回サイクル測定を行った。関連測定データを表１に示す。

表１によれば、弾性体を有するサンプル１は、５００回のサイクルを行うことにより、容量の保持率が75.4％になった。電池の厚みは18.22mmとなり、初期の厚み18.0mmに対して、わずか1.2％しか変化していない。
一方、比較サンプルは、５００回のサイクルを行うことにより、容量の保持率が69.5％になり、電池の厚みが19.98mmまで増えた。その変化率は11.0％であり、サンプル１の９倍になっていることが分かった。

実施例２
電動自転車用187286（厚み18mm、幅72mm、高さ86mm）電池を試作した。そのイメージを図１に示す。極ユニットの外側に厚みが1.0mmで、隙間率が55％であるポリエチレンプラスチックをライニングして、接着テープで極ユニットと弾性体をまとめて縛る。そして、ケースに入れ、レーザー溶接、液体注入、初期充填、封入、活性化（電池を充電・放電することで電池を活性化にする）、老化と分類（電池容量の分類を行う）などの一連の工程で電池サンプルを作り、サンプル2とした。

測定環境と測定手順は実施例１と同じである。
弾性体を取り付けていない電池（比較サンプル）は、同じプロセスで同時に作った。そして、実施例１と同じく充電・放電サイクルを行った。また、電池の５００回サイクル測定を行った。関連測定データを表２に示す。
表２によれば、弾性体を有するサンプル２は、５００回のサイクルを行うことにより、容量の保持率が75.１％になった。電池の厚みは18.24mmとなり、初期の厚み18.0mmに対して、わずか1.3％しか変化しなかった。

一方、比較サンプルは、５００回のサイクルを行うことにより、容量の保持率が69.9％になり、電池の厚みが19.92mmまで増えた。その変化率は11.0％であり、サンプル２の８倍になっていることが分かった。

本発明におけるリチウムイオン蓄電池の構造イメージ図である。

Claims

リチウムイオン蓄電池であって、陽極（１）、陰極（２）および仕切り膜（３）からなる陰・陽極ユニット、電解液（４）ならびにケース（５）を備え、
陰・陽極ユニットの間、または陰・陽極ユニットとケースとの間に非金属製の多孔質弾性体（６）を設けてあることを特徴とする、リチウムイオン蓄電池。
上記非金属製多孔質弾性体（６）の材料がポリオレフィン系材料である、請求項１に記載のリチウムイオン蓄電池。
上記非金属製多孔質弾性体（６）の材料がポリフッ化オレフィン系材料である、請求項２に記載のリチウムイオン蓄電池。
上記ポリオレフィン系材料がポリエチレンである、請求項２に記載のリチウムイオン蓄電池。
上記ポリフッ化オレフィン系材料がポリフッ化ビニリデン（PVDF）である、請求項３に記載のリチウムイオン蓄電池。
上記弾性体（６）の厚みが0.5-5.0mmであり、隙間率が10％-80％である、請求項1に記載のリチウムイオン蓄電池。
上記弾性体（６）がプレート状または棒状である、請求項１に記載のリチウムイオン蓄電池。