JP2013131394A5

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Publication number: JP2013131394A5
Application number: JP2011280185A
Authority: JP
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2031-12-21

Description

近年、携帯電話機または携帯情報端末機器（ＰＤＡ）などの多様な電子機器が広く普及しており、その電子機器のさらなる小型化、軽量化および長寿命化が要望されている。これに伴い、電源として、電池、特に小型かつ軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。この二次電池は、最近では、電子機器などに着脱可能に搭載される電池パック、電気自動車などの電動車両、家庭用電力サーバなどの電力貯蔵システム、または電動ドリルなどの電動工具に代表される多様な他の用途への適用も検討されている。

図１は、二次電池の分解斜視構成を表しており、図２は、図１に示した巻回電極体３０のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を拡大している。

式（４）に示した他の不飽和環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン系化合物である。Ｒ１１およびＲ１２の種類は、水素基またはアルキル基であれば、特に限定されない。アルキル基は、例えば、メチル基またはエチル基などであり、そのアルキル基の炭素数は、１〜１２であることが好ましい。優れた溶解性および相溶性が得られるからである。炭酸ビニレン系化合物の具体例は、炭酸ビニレン（１，３−ジオキソール−２−オン）、炭酸メチルビニレン（４−メチル−１，３−ジオキソール−２−オン）、炭酸エチルビニレン（４−エチル−１，３−ジオキソール−２−オン）、４，５−ジメチル−１，３−ジオキソール−２−オン、または４，５−ジエチル−１，３−ジオキソール−２−オンなどである。なお、Ｒ１１およびＲ１２は、アルキル基のうちの少なくとも一部の水素基がハロゲン基により置換された基でもよい。この場合における炭酸ビニレン系化合物の具体例は、４−フルオロ−１，３−ジオキソール−２−オン、または４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソール−２−オンなどである。中でも、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手できると共に、高い効果が得られるからである。

さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。この酸無水物は、例えば、カルボン酸無水物、ジスルホン酸無水物、またはカルボン酸スルホン酸無水物などである。カルボン酸無水物は、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸または無水マレイン酸などである。ジスルホン酸無水物は、例えば、無水エタンジスルホン酸または無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸スルホン酸無水物は、例えば、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸または無水スルホ酪酸などである。溶媒中における酸無水物の含有量は、特に限定されないが、例えば、０．５重量％〜５重量％である。ただし、酸無水物の具体例は、上記した化合物に限られず、他の化合物でもよい。

第２手順では、正極３３に正極リード３１を取り付けると共に、負極３４に負極リード３２を取り付ける。続いて、セパレータ３５を介して正極３３および負極３４を積層してから巻回させて、巻回電極体３０の前駆体である巻回体を作製したのち、その最外周部に保護テープ３７を貼り付ける。続いて、２枚のフィルム状の外装部材４０の間に巻回体を挟み込んだのち、熱融着法などを用いて一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を接着させて、袋状の外装部材４０の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材４０の内部に注入したのち、熱融着法などを用いて外装部材４０を密封する。続いて、モノマーを熱重合させる。これにより、高分子化合物が形成されるため、ゲル状の電解質層３６が形成される。

スイッチ制御部６７は、電流測定部６４および電圧検出部６６から入力される信号に応じて、スイッチ部６３の動作を制御するものである。

このスイッチ制御部６７は、例えば、電池電圧が過充電検出電圧に到達した場合に、スイッチ部６３（充電制御スイッチ）を切断して、電源６２の電流経路に充電電流が流れないように制御するようになっている。これにより、電源６２では、放電用ダイオードを介して放電のみが可能になる。なお、スイッチ制御部６７は、例えば、充電時に大電流が流れた場合に、充電電流を遮断するようになっている。

また、スイッチ制御部６７は、例えば、電池電圧が過放電検出電圧に到達した場合に、スイッチ部６３（放電制御スイッチ）を切断して、電源６２の電流経路に放電電流が流れないように制御するようになっている。これにより、電源６２では、充電用ダイオードを介して充電のみが可能になる。なお、スイッチ制御部６７は、例えば、放電時に大電流が流れた場合に、放電電流を遮断するようになっている。

この電力貯蔵システムでは、例えば、外部電源である集中型電力系統９７からスマートメータ９２およびパワーハブ９３を介して電源９１に電力が蓄積されると共に、独立電源である自家発電機９５からパワーハブ９３を介して電源９１に電力が蓄積される。この電源９１に蓄積された電力は、制御部９０の指示に応じて、必要に応じて電気機器９４または電動車両９６に供給されるため、その電気機器９４が稼働可能になると共に、電動車両９６が充電可能になる。すなわち、電力貯蔵システムは、電源９１を用いて、家屋８９内における電力の蓄積および供給を可能にするシステムである。

制御部９９は、電動工具全体の動作（電源１００の使用状態を含む）を制御するものであり、例えば、ＣＰＵなどを含んでいる。電源１００は、１または２以上の二次電池（図示せず）を含んでいる。この制御部９９は、図示しない動作スイッチの操作に応じて、必要に応じて電源１００からドリル部１０１に電力を供給して可動させるようになっている。

サイクル特性を調べる場合には、電池状態を安定化させるために常温環境中（２３℃）で二次電池を１サイクル充放電させたのち、同環境中で二次電池をさらに１サイクル充放電させて放電容量を測定した。続いて、高温環境中（４０℃）でサイクル数の合計が１００サイクルに到達するまで充放電を繰り返して放電容量を測定した。この結果から、サイクル維持率（％）＝（１００サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００を算出した。充電時には、０．２Ｃの電流で上限電圧４．２Ｖまで定電流充電し、さらに定電圧で電流が０．０５Ｃに到達するまで定電圧充電した。放電時には、０．２Ｃの電流で終止電圧２．５Ｖに到達するまで定電流放電した。なお、「０．２Ｃ」および「０．０５Ｃ」とは、それぞれ電池容量（理論容量）を５時間および２０時間で放電しきる電流値である。

負荷特性を調べる場合には、サイクル特性を調べた場合と同様の手順により電池状態を安定化した二次電池を用いて、常温環境中（２３℃）で二次電池を１サイクル充放電させて放電容量を測定した。続いて、低温環境中（−１０℃）でサイクル数の合計が１００サイクルに到達するまで充放電を繰り返して放電容量を測定した。この結果から、負荷維持率（％）＝（１００サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００を算出した。充電時の条件は、高温サイクル特性を調べた場合と同様であると共に、放電時には、１Ｃの電流で終止電圧２．５Ｖに到達するまで定電流放電した。なお、「１Ｃ」とは、電池容量を１時間で放電しきる電流値である。

なお、本技術は以下のような構成を取ることも可能である。
（１）
正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
二次電池。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）
（２）
前記ハロゲン基はフッ素基、塩素基、臭素基またはヨウ素基であり、
前記１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基は炭素数＝１〜１２のアルキル基、炭素数＝２〜１２のアルケニル基、炭素数＝２〜１２のアルキニル基、炭素数＝６〜１８のアリール基、炭素数＝３〜１８のシクロアルキル基、炭素数＝１〜１２のアルコキシ基、それらのうちの２つ以上が結合された基、またそれらの少なくとも一部の水素基がハロゲン基により置換された基である、
上記（１）に記載の二次電池。
（３）
前記不飽和環状炭酸エステルは下記の式（２）または式（３）で表される、
上記（１）または（２）に記載の二次電池。
（Ｒ５〜Ｒ１０は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ５およびＲ６は互いに結合されていてもよいし、Ｒ７〜Ｒ１０のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。）
（４）
前記不飽和環状炭酸エステルは下記の式（１−１）〜式（１−５６）で表される、
上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の二次電池。
（５）
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は０．０１重量％〜１０重量％である、
上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の二次電池。
（６）
リチウムイオン二次電池である、
上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の二次電池。
（７）
上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池の使用状態を制御する制御部と、
その制御部の指示に応じて前記二次電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と
を備えた、電池パック。
（８）
上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
その駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の使用状態を制御する制御部と
を備えた、電動車両。
（９）
上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池から電力を供給される１または２以上の電気機器と、
前記二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備えた、電力貯蔵システム。
（１０）
上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池から電力を供給される可動部と
を備えた、電動工具。
（１１）
上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の二次電池を電力供給源として備えた、電子機器。

Claims

正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
二次電池。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）
前記ハロゲン基はフッ素基、塩素基、臭素基またはヨウ素基であり、
前記１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基は炭素数＝１〜１２のアルキル基、炭素数＝２〜１２のアルケニル基、炭素数＝２〜１２のアルキニル基、炭素数＝６〜１８のアリール基、炭素数＝３〜１８のシクロアルキル基、炭素数＝１〜１２のアルコキシ基、それらのうちの２つ以上が結合された基、またそれらの少なくとも一部の水素基がハロゲン基により置換された基である、
請求項１記載の二次電池。
前記不飽和環状炭酸エステルは下記の式（２）または式（３）で表される、
請求項１または請求項２に記載の二次電池。
（Ｒ５〜Ｒ１０は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ５およびＲ６は互いに結合されていてもよいし、Ｒ７〜Ｒ１０のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。）
前記不飽和環状炭酸エステルは下記の式（１−１）〜式（１−５６）で表される、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の二次電池。
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は０．０１重量％〜１０重量％である、
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。
リチウムイオン二次電池である、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の二次電池。
二次電池と、
その二次電池の使用状態を制御する制御部と、
その制御部の指示に応じて前記二次電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と
を備え、
前記二次電池は、正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
電池パック。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）
二次電池と、
その二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
その駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の使用状態を制御する制御部と
を備え、
前記二次電池は、正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
電動車両。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）
二次電池と、
その二次電池から電力を供給される１または２以上の電気機器と、
前記二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備え、
前記二次電池は、正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
電力貯蔵システム。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）
二次電池と、
その二次電池から電力を供給される可動部と
を備え、
前記二次電池は、正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
電動工具。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）
二次電池を電力供給源として備え、
前記二次電池は、正極および負極と共にゲル状の電解質を備え、
前記ゲル状の電解質は、電解液および高分子化合物を含み、
前記電解液は、下記の式（１）で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
電子機器。
（Ｘはｍ個の＞Ｃ＝ＣＲ１−Ｒ２とｎ個の＞ＣＲ３Ｒ４とが任意の順に結合された２価の基である。Ｒ１〜Ｒ４は水素基、ハロゲン基、１価の炭化水素基、１価のハロゲン化炭化水素基、１価の酸素含有炭化水素基または１価のハロゲン化酸素含有炭化水素基であり、Ｒ１〜Ｒ４のうちの任意の２つ以上は互いに結合されていてもよい。ｍおよびｎはｍ≧１およびｎ≧０を満たす。）