JP2011082033A - 非水系電解液二次電池モジュール - Google Patents
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Abstract
数十Vの電圧が印加されるような過充電状態に至っても短絡、爆発を防止しうる安全性の高い非水系電解液二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】
リチウムを吸蔵・放出することが可能な正極及び負極と、セパレータと、非水系溶媒に電解質を溶解してなる非水系電解液とを備える非水系電解液二次電池および/または非水
系電解液二次電池から構成される電池モジュールにおいて、該電池モジュールが満充電を行うのに20V以上の電圧を必要とするものであり、かつ該非水系電解液が以下の(1)及び(2)の要件を満たすものであることを特徴とする非水系電解液二次電池モジュール。
(1)主電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(以下「LiPF6」)を含有し、かつその電解液中の濃度が0.5モル/リットル以上、2モル/リットル以下である。
(2)非水電解液が、副電解質として更に、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、フルオロリン酸リチウム類、カルボン酸リチウム類、スルホン酸リチウム類、リチウムイミド類、リチウムオキサラトボレート類、リチウムオキサラトフォスフェート類及びリチウムメチド類からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含有し、全副電解質の電解液中の濃度が0.01モル/リットル以上、0.3モル/リットル以下である。
【選択図】なし
Description
とは困難である。
また、過充電防止剤として使用される化合物はその目的上、電気化学的、化学的に活性な物質が多く電解液中に多量に加えると電池の通常の使用条件においても反応を起こすことがあり電池の抵抗の増加や容量の低下を引き起こす原因となる。一方で添加量を少なくすると大電流が流れるEV用あるいはHEV用リチウム二次電池においては過充電時に消費可能な電流量が小さくなり充分な効果をあげることが困難となる。
特許文献2には、正極集電体に不働態皮膜を形成することを目的に副電解質として含酸素リチウム塩を添加する技術が開示されている。しかしながら含酸素リチウム塩を非水電解液に加えると電池使用時に副反応が進行し不可逆容量が大きくなっていくため集電体の保護には有効でも電池の特性として満足なものを得ることは困難であった。また特許文献2にはフッ素を含むアニオンのリチウム塩が正極集電体表面に不働態皮膜を形成することが開示されているがその適正な組み合わせや濃度については充分に検討されておらず、高容量、高出力を持つ自動車用途などの電池の過充電への対策としては不充分なものであった。
いる。しかしながらその効果は正極活物質層表面とBF4-アニオンの相互作用の利用に
よる高温保存、サイクル劣化および低温出力特性の改善、単電池による上限電圧はせいぜい5〜6V程度での評価への言及に留まり、正極集電体への作用や過充電に対する効果、20Vを超えるような高い電圧状態については何ら検討が成されておらず耐過充電特性の改善技術としては不充分なものであった。
上記したように、EV用あるいはHEV用の電池モジュールにおいては数十Vの電圧下で反応して過充電反応を抑制するような新技術が求められているが、これを満足する技術は未だ見出されていない。
1.リチウムを吸蔵・放出することが可能な正極及び負極と、セパレータと、非水系溶媒に電解質を溶解してなる非水系電解液とを備える非水系電解液二次電池から形成される電池モジュールにおいて、該電池モジュールが満充電を行うのに20V以上の電圧を必要とするものであり、かつ該非水系電解液が以下の(1)及び(2)の要件を満たすものであることを特徴とする非水系電解液二次電池モジュール。
(1)主電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(以下「LiPF6」)を含有し、かつその電解液中の濃度が0.5モル/リットル以上、2モル/リットル以下である。
(2)非水電解液が、副電解質として更に、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、フルオロリン酸リチウム類、カルボン酸リチウム類、スルホン酸リチウム類、リチウムイミド類、リチウムオキサラトボレート類、リチウムオキサラトフォスフェート類及びリチウムメチド類からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含有し、全副電解質の電解液中の濃度が0.01モル/リットル以上、0.3モル/リットル以下である。
本発明の電池モジュールは、リチウムを吸蔵・放出することが可能な正極及び負極と、セパレータと、非水系溶媒に電解質を溶解してなる非水系電解液とを備える非水系電解液二次電池から形成される電池モジュールであって、満充電を行うのに20V以上の電圧を必要とするものである。
ここで満充電とは、電池モジュールを構成する個々の非水系電解液二次電池が設定された上限電圧まで充電されることをいう。その設定値は電池の製造者によって異なるが通常は3.6V乃至5.0Vである。電池モジュールの満充電電圧は電池モジュールを構成する非水系電解液二次電池の上限電圧にその個数を掛けたものと定義される。
20V以上の電圧を必要とするものである場合に顕著に発現され、50V以上の場合に更に顕著に発現される。上限の電圧は、通常200V以下、好ましくは80V以下である。
具体的な電池モジュールの態様としては、上記の非水系電解液二次電池が直列に複数個、下限が通常、5個以上、好ましくは 12個以上であり、上限が通常、50個以下、好ましくは 20個以下、連結されたものが対象とされる。
本発明においては、かつ該非水系電解液が以下の(1)及び(2)の要件を満たすものであることが必要である。
(1)主電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(以下「LiPF6」)を含有し、かつその電解液中の濃度が0.5モル/リットル以上、2モル/リットル以下である。
(2)非水電解液が、副電解質として更に、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、フルオロリン酸リチウム類、カルボン酸リチウム類、スルホン酸リチウム類、リチウムイミド類、リチウムオキサラトボレート類、リチウムオキサラトフォスフェート類及びリチウムメチド類からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含有し、全副電解質の電解液中の濃度が0.01モル/リットル以上0.3モル/リットル以下である。
フルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム等のフルオロリン酸リチウム類;
ギ酸リチウム、酢酸リチウム、モノフルオロ酢酸リチウム、ジフルオロ酢酸リチウム、トリフルオロ酢酸リチウム等のカルボン酸リチウム塩類;
フルオロスルホン酸リチウム、メタンスルホン酸リチウム、モノフルオロメタンスルホン酸リチウム、ジフルオロメタンスルホン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム等のスルホン酸リチウム塩類;
LiN(FCO2)2、LiN(FCO)(FSO2)、LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、リチウム環状1,2−パーフルオロエタンジスルホニルイミド、リチウム環状1,3−パーフルオロプロパンジスルホニルイミド、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等のリチウムイミド塩類;
LiC(FSO2)3、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3等の
リチウムメチド類;
リチウムジフルオロオキサラトボレート等のリチウムオキサラトボレート塩類;
リチウムテトラフルオロオキサラトフォスフェート、リチウムジフルオロオキサラトフォスフェート等のリチウムオキサラトフォスフェート塩類;
その他、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2F5)2、LiPF4(CF3SO2)2、LiPF4(C2F5SO2)2、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(CF3SO2)2、LiBF2(C2F5SO2)2等の含フッ素有機リチウム塩類;
等が挙げられる。
フルオロメタンスルホニル)イミドリチウム、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イ
ミドリチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム等が挙げられ、テトラフルオロホウ酸リチウム(以下「LiBF4」)及び/またはビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム(以下「LiFSI」)であると、Al集電体表面に作用しやすいという点で好ましい。
くは0.015モル/リット以上であり、上限が、0.3モル/リット以下、より好ましくは0.2モル/リットル以下である。全副電解質の合計濃度が0.01モル/リットル未満であると過充電に対する効果が発現しにくい傾向があり、全副電解質の合計濃度が0.3モル/リットルを越えると電池容量の低下など、電池性能が阻害される傾向がある。
例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等のアルキレンカーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のジアルキルカーボネート(ジアルキルカーボネートのアルキル基は、炭素数1〜4のアルキル基が好ましい);テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル;ジメトキシエタン、ジメトキシメタン等の鎖状エーテル;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状カルボン酸エステル;酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の鎖状カルボン酸エステルなどが挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
これらの中でもエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等のアルキレンカーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のジアルキルカーボネート(ジアルキルカーボネートのアルキル基は、炭素数1〜4のアルキル基が好ましい)、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状カルボン酸エステルが粘度が低く、Li塩を溶解した際に高い導電率を示すためAl金属表面に不働態を形成するのに有利となる点で好ましく用いられる。
よび4,5−ジフルオロ−4,5−ジメチルエチレンカーボネートよりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物が、高イオン伝導性を与え、かつ好適に界面保護被膜を形成する点でより好ましい。
ロリン酸塩などのリン酸塩;ヘプタン、オクタン、シクロヘプタン等の炭化水素化合物などが挙げられる。非水系電解液がこれらの助剤を含有する場合、その非水系電解液中の濃度は通常0.1乃至5重量%である。
本発明の非水系電解液二次電池に使用される正極は、通常、正極活物質とバインダーを含有する活物質層を集電体上に形成させたものである。
正極活物質としては、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物材料などのリチウムを吸蔵及び放出可能な材料が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、複数種を併用してもよい。
正極活物質層には、その他、増粘剤等の通常の活物質層の添加剤を含有させることができる。
正極は、前述の正極活物質とバインダーと導電剤、必要に応じて添加されるその他の添加剤とを溶媒でスラリー化したものを集電体に塗布して乾燥することにより形成することができる。
このようにして形成される正極活物質層の厚さは、通常10乃至200μm程度である。なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、活物質の充填密度を上げるために、ローラープレス等により圧密化するのが好ましい。
本発明の非水系電解液二次電池に使用される負極は、通常、負極活物質とバインダーを含有する活物質層を集電体上に形成させたものである。
負極活物質としては様々な熱分解条件での有機物の熱分解物や人造黒鉛、天然黒鉛等のリチウムを吸蔵及び放出可能な炭素質材料;酸化錫、酸化珪素等のリチウムを吸蔵及び放出可能な金属酸化物材料;リチウム金属;種々のリチウム合金などを用いることができる。これらの負極活物質は、1種を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよい。
負極は、前述の負極活物質とバインダーと導電剤、必要に応じて添加されるその他の添加剤とを溶媒でスラリー化したものを集電体に塗布して乾燥することにより形成することができる。
このようにして形成される負極活物質層の厚さは、通常10乃至200μm程度である。なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、活物質の充填密度を上げるために、ローラープレス等により圧密化するのが好ましい。
本発明で用いられる微多孔膜セパレータは、正負両極間を電子的に絶縁する所定の機械的強度を有し、イオン透過度が大きくければ特に限定されることはなく、公知の方法で得られる高分子多孔質フィルムや不織布、紙等が好適に用いられる。またセパレータが正極と接する側は耐酸化性、負極と接する側は耐還元性を兼ね備えるものであればさらに好ましく、このような要求を満たすためにはセパレータを構成する材料としてオレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が好適に用いられる。またセパレータ表面に結着剤を用いて無機物層をセパレータ表面に形成する方法も好適に用いられる。無機物としてはアルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が好適に用いられる。
本発明の非水系電解液二次電池の用途は特に限定されず、従来公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ等の小型機器が挙げられるが特に電気自動車、ハイブリッド自動車等の大型機器への用途が好適である。
<非水系電解液の調製>
乾燥アルゴン雰囲気下、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比で3/7で混合した溶媒に、Li塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を0
.02モル/リットルの割合となるように溶解したものを非水系電解液とした。
正極活物質としてLiNi[1/3]Mn[1/3]Co[1/3]O2を用い、LiNi[1/3]Mn[1/3]Co[1/3]O2 90重量部にアセチレンブラック5重量部及びポリフッ化ビニリデン(呉羽化学社製商品名「KF−1000」)5重量部を加えて混合し、混合物をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリー状とした。得られたスラリーを正極集電体である厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布して乾燥後、プレス機により厚さ81μmに圧延したものを活物質層のサイズとして幅100mm、長さ100mm、及び幅30mmの未塗工部を有する形状に切り出して正極とした。正極活物質層の密度は2.35g/cm3であった。
負極活物質として天然黒鉛粉末を用い、天然黒鉛粉末98重量部に、増粘剤、バインダーとしてそれぞれ、カルボキシメチルセルロースナトリウムの水溶液( カルボキシメチ
ルセルロースナトリウムの濃度1重量% )100重量部、及び、スチレン・ブタジエン
ゴムの水性ディスパージョン( スチレン・ブタジエンゴムの濃度50重量% )2重量部を加えて混合してスラリー化した。得られたスラリーを厚さ10μm の圧延銅箔の両面
に塗布して乾燥後、プレス機で厚さ75μm に圧延したものを、活物質層のサイズとし
て幅104mm、長さ 104mm、及び幅30mmの未塗工部を有する形状に切り出し
、負極とした。このときの負極の活物質の密度は1.35g/cm3であった。
厚み25μmの市販の三層セパレータ(ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン)を使用した。
正極32枚と負極33枚を交互となるように配置し、各電極の間に上述のセパレータを挟んで積層した。この際、正極活物質面が負極活物質面内から外れないよう対面させた。この正極と負極それぞれについての未塗工部同士を束ねスポット溶接して集電タブを作製し、電極群としたものをアルミニウム製の電池缶( 外寸:120×110×10mm )
に封入した。電池缶としては蓋部分に正極及び負極の集電端子、圧力放出弁、非水系電
解液の注入口を備えた電池缶を用いた。集電タブと集電端子はスポット溶接により接続した。その後、電極群を装填した電池缶に非水系電解液を20mL注入して、電極に充分浸透させ、注入口を密閉し電池を作製した。これを電池Aとする。正極31枚と負極32枚を積層した以外は電池Aと同様にして電池を作成した。これを電池Bとする。
充放電サイクルを経ていない新たな電池に対して、25℃で電圧範囲4.1〜3.0V
、電流値0.2C(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1
C とする、以下同様)にて5サイクル初期充放電を行った。続いて同じく25℃ 環境下で以下の手順で過充電試験を行った。10個の電池からなる電池モジュールの中に容量が他よりも低い電池が1個混在する不良電池モジュールにおいて上述の電池が不良電池である場合を想定して、電池が満充電状態(各電池の開放端電圧4.1V、想定される電池モジュールの開放端電圧は41V)から電流値5Cで定電流充電を行い、その挙動を観測した。充電には電池モジュールを満充電できる性能を持つ充電器を用いた。過充電試験の結果を表1に示す。
ここで、「弁作動」は、ガス排出弁が作動し非水系電解液成分が放出される現象を表し、「破裂」は、電池容器が猛烈な勢いで破れ,内容物が強制的に放出される現象を表す。過充電試験の結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を0.1モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成して過充電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を0.2モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成して過充電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム(LiFSI)を
0.1モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成し
て過充電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットルとなるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成し
て過充電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.2モル/リットルとなるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成し
て過充電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を0.005
モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成して過充
電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を0.8モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成して過充電評価を行った。結果を表1に示す。
電池モジュール内の単電池に対して10V以上の電圧が印加されないよう安全装置を付けた以外は、実施例1と同様に電池を作成して過充電評価を行った。結果を表1に示す。10V以上の電圧が印加されない場合、電池は内部短絡、熱暴走を発生しない。よって10Vより大きい電圧が印加する能力を持たない充電器を使用する限りでは、同様の電池においては過充電による危険は生じない。
電池モジュール内の単電池に対して10V以上の電圧が印加されないよう安全装置を付け、非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、テトラフルオロホウ酸リチウム(LiBF4)を0.02
モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成して過充
電評価を行った。結果を表1に示す。
非水系電解液にLi塩として十分に乾燥したヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットル、リチウムビスオキサラートボレート(LiBOB)を0.1
モル/リットルの割合となるように溶解した以外は実施例1と同様に電池を作成して過充
電評価を行った。結果を表1に示す。ガンマブチルラクトン(GBL)溶媒にLiBOBを1M溶解したときの電気伝導率Sは5.0 mS/cmであった。
Claims (3)
- リチウムを吸蔵・放出することが可能な正極及び負極と、セパレータと、非水系溶媒に電解質を溶解してなる非水系電解液とを備える非水系電解液二次電池および/または非水
系電解液二次電池から構成される電池モジュールにおいて、該電池モジュールが満充電を行うのに20V以上の電圧を必要とするものであり、かつ該非水系電解液が以下の(1)及び(2)の要件を満たすものであることを特徴とする非水系電解液二次電池モジュール。
(1)主電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(以下「LiPF6」)を含有し、かつその電解液中の濃度が0.5モル/リットル以上、2モル/リットル以下である。
(2)非水電解液が、副電解質として更に、ホウ酸リチウム、リン酸リチウム、フルオロリン酸リチウム類、カルボン酸リチウム類、スルホン酸リチウム類、リチウムイミド類、リチウムオキサラトボレート類、リチウムオキサラトフォスフェート類及びリチウムメチド類からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含有し、全副電解質の電解液中の濃度が0.01モル/リットル以上、0.3モル/リットル以下である。 - 電池モジュールが、非水系電解液二次電池を直列に5個以上直列に連結してなるものであり、充電器は20V以上の電圧を発生する能力がある、請求項1に記載の非水系電解液二次電池モジュール。
- 副電解質が、テトラフルオロホウ酸リチウム及び/またはビス(フルオロスルホニル)イミドリチウムである、請求項1または2に記載の非水系電解液二次電池モジュール。
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