JP2013157283A - 二次電池の電極 - Google Patents
二次電池の電極 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013157283A JP2013157283A JP2012018953A JP2012018953A JP2013157283A JP 2013157283 A JP2013157283 A JP 2013157283A JP 2012018953 A JP2012018953 A JP 2012018953A JP 2012018953 A JP2012018953 A JP 2012018953A JP 2013157283 A JP2013157283 A JP 2013157283A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- secondary battery
- negative electrode
- positive electrode
- vicinity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 24
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 11
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 abstract description 12
- 238000003475 lamination Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 38
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 14
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 10
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 8
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 6
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 4
- 238000004049 embossing Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- 229910013733 LiCo Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910007857 Li-Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008367 Li-Pb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910011458 Li4/3 Ti5/3O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010586 LiFeO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013290 LiNiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008447 Li—Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006738 Li—Pb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002640 NiOOH Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910002064 alloy oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004760 aramid Substances 0.000 description 1
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006015 heat resistant resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 1
- 239000005001 laminate film Substances 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K trilithium;phosphate Chemical class [Li+].[Li+].[Li+].[O-]P([O-])([O-])=O TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/058—Construction or manufacture
- H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2220/00—Batteries for particular applications
- H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
- Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
- Y02T90/167—Systems integrating technologies related to power network operation and communication or information technologies for supporting the interoperability of electric or hybrid vehicles, i.e. smartgrids as interface for battery charging of electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
- Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
- Y04S30/00—Systems supporting specific end-user applications in the sector of transportation
- Y04S30/10—Systems supporting the interoperability of electric or hybrid vehicles
- Y04S30/12—Remote or cooperative charging
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Cell Separators (AREA)
Abstract
【課題】固定された電極積層体構造を採用するリチウムイオン二次電池における、正極または負極上に発生する応力を低減した二次電池の電極を提供する。
【解決手段】本発明に係る二次電池の電極は、正極10とセパレータ30と負極20とを交互に積層した積層電極体101と、積層電極体を積層方向に固定する固定部40と、を有し、セパレータと対向する正極および/または負極の剛性が固定部の近傍部よりも遠傍部の方が低いことを特徴とする。
【選択図】図3
【解決手段】本発明に係る二次電池の電極は、正極10とセパレータ30と負極20とを交互に積層した積層電極体101と、積層電極体を積層方向に固定する固定部40と、を有し、セパレータと対向する正極および/または負極の剛性が固定部の近傍部よりも遠傍部の方が低いことを特徴とする。
【選択図】図3
Description
本発明は、電気自動車等に使用される二次電池の電極に関する。
電気自動車等に使用される二次電池は、集電体の両面に正極又は負極の活物質が塗布されて形成された正極又は負極を、セパレータを挟んで積層させた積層電極体を構成しているものが多い。このような積層式の二次電池は外部からの振動によって電極体に積層のズレが生じやすいため、積層電極体を積層方向に固定する技術が研究されている。例えば下記特許文献1では電極反応に利用される活性領域から逸脱した領域に積層電極体を固定するための貫通部を設ける技術が開示されている。
しかし、電極は充放電によるリチウムの挿入・脱離反応に伴い、活物質層は膨張・収縮を繰り返す。そのため、上記特許文献1のように積層電極体において正極と負極とを積層方向に固定してしまうと、当該固定部を起点として正極活物質層や負極活物質層の表面は膨張・収縮し、応力による歪が発生する。活物質層に発生する応力が高くなれば、電極層の崩落や剥がれが起こり、これによって二次電池の内部短絡が発生するおそれがある。電極層の崩落等は電池の寿命を短くさせるおそれをも有する。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、固定された積層電極体構造を採用するリチウムイオン二次電池における、正極または負極上に発生する応力を低減した二次電池の電極を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明は、正極、セパレータ、及び負極を交互に積層した積層電極体と、積層電極体を積層方向に固定する固定部とを有している。そして、正極および/または負極の剛性が固定部の近傍部より遠傍部の方が低いことを特徴としている。
本発明に係る二次電池の電極によれば、充放電反応等により固定部を起点として生じる積層電極体の膨張・収縮による変形は、固定部から離れる程大きくなるため、正極または負極の剛性を固定部から離れる程低く構成している。そのため、二次電池の充放電によって生じる固定部から遠傍部の変形が近傍部に比べて許容され、正極または負極に発生する応力を低減させることができる。
このように正極又は負極の表面に発生する応力を低減させることによって電極層の崩落、剥がれを抑制でき、さらに二次電池の内部短絡を抑制し、電池の寿命を向上させることができる。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
図1は積層型二次電池を示す断面図、図2は本実施形態に係る正極又は負極を示す平面図、図3は図2の3−3線に沿う断面図である。
図1〜図3を参照して、二次電池100は、正極10とセパレータ30と負極20とを交互に積層した積層電極体101と、積層電極体101を積層方向に固定する固定部40と、を有し、セパレータ30と対向する正極10および/または負極20の剛性は固定部40の近傍部よりも遠傍部の方が低く構成されている。
本実施形態において正極10および/または負極20の剛性は、正極10および/または負極20の表面の表面粗度を固定部40の近傍部より遠傍部の方を大きくすることによって調整している。表面粗度の調整は正極10および/または負極20の表面に溝部50を設けることによって調整している。なお、図2及び図3では正極10の表面を図示しているが、固定部40や溝部50に関する記載は負極20に対しても同様に適用される。
二次電池100はラミネートフィルム等で形成される外装材70の内部に封止されている。これによって二次電池100に加わる衝撃が緩和され、二次電池100からの液漏れが防止される。また、正極10は、図1及び図3に示すように、正極集電体11の表面に正極活物質12及び被覆層60を塗布することによって構成される。同様に負極20は負極集電体21の表面に負極活物質22及び被覆層60を塗布することによって構成される。以下、詳述する。
正極集電体11及び負極集電体21を構成する集電体は、導電性材料から構成され、その一方の面または両面に活物質層が配置される。集電体を構成する材料に特に制限はなく、例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された導電性を有する樹脂が採用されうる。導電性高分子材料には例えばポリアニリン、ポリプロール等が挙げられ、非導電性の高分子材料としては例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等が挙げられる。
導電性フィラーには導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属及び導電性カーボン等が挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni,Ti、Al等からなる群から選択される少なくとも1種の金属若しくはこれらの金属を含む合金又は金属酸化物を含むことが好ましい。導電性カーボンとしては、特に制限はないが、アセチレンブラックやカーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ等から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
正極活物質層12を形成する正極活物質は、放電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時にリチウムイオンを放出する組成を有する。好ましい一例としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物であるリチウム−遷移金属複合酸化物が挙げられる。
具体的には、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、LiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMn2O4などのLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2などのLi・Fe系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが使用できる。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル特性に優れ、低コストな材料である。そのため、これらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することが可能である。
この他、正極活物質としては、LiFePO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなど、を用いることもできる。上記正極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
負極活物質層22を形成する負極活物質は、放電時にリチウムイオンを放出し、充電時にリチウムイオンを吸蔵できる組成を有する。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、負極活物質の例としては、SiやSnなどの金属、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Li、または天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどの炭素材料などが好ましく挙げられる。
このうち、リチウムと合金化する元素を用いることにより、従来の炭素系材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量および優れた出力特性の電池を得ることが可能となる。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。上記のリチウムと合金化する元素としては、以下に制限されることはないが、具体的には、Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等が挙げられる。
活物質層と集電体との接合方法は特に制限なく、従来の方法を適宜採用することができる。例えば、活物質層と集電体の間に接着剤を塗布して張り合わせることによって接合してもよいし、ホットプレスによって熱融着することによって接合してもよい。
セパレータ30は、二次電池の充放電反応によりリチウムイオン等が移動可能なように、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる粒子径の微細な多孔膜から構成される。
上述した正極活物質層12、これに隣接する負極活物質層22、及び被覆層60はセパレータ30を介して対向し、正極活物質層12、被覆層60、セパレータ30、被覆層60、負極活物質層22の順に積層されている。
これによって隣接する正極活物質層12、被覆層60、セパレータ30、被覆層60、及び負極活物質層22は1つの単電池層80を構成する。したがって、本実施形態のリチウムイオン電池は、単電池層80が複数積層されることで電気的に並列接続されている構成を有する。
また、単電池層80の外周には隣接する正極集電体と負極集電体との間を絶縁するためのシール部が設けられていてもよい。積層電極体101の両最外層に位置する正極集電体11にはいずれも片面のみに正極活物質層12が配置されている。なお、図1の正極及び負極の配置を逆にして最外層の負極集電体21の片面のみに負極活物質層22が配置されるように構成してもよい。
正極集電体11又は負極集電体21には、正極10又は負極20と導通される正極集電板13又は負極集電板23がそれぞれ取り付けられる。正極集電板13及び負極集電板23は、外装材70の端部に挟まれ、外装材70の外部に導出されるように配設されている。正極集電板13又は負極集電板23は、必要に応じて正極端子リードおよび負極端子リードを介して、正極集電体11又は負極集電体21に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。
ただし、正極集電体11が延長されて正極集電板13とされ、外装材70から導出されていてもよい。同様に、負極集電体21が延長されて負極集電板23とされ、同様に外装材70から導出されるように配設してもよい。
被覆層60は、図1及び図3に示すように、正極10及び負極20におけるセパレータ30と対向する表面に設けられ、セパレータ30より融点の高い材料によって構成されている。被覆層60を設けることによって、例えばセパレータ30を形成するポリエチレンが140度付近でメルトダウンした場合でも、被覆層60はセパレータ30よりも融点が高いため、正極10と負極20との間に介在できる。これによって、二次電池100の内部短絡を防止することができる。被覆層60の材料は、特に限定されないが、例えばポリイミドや芳香族ポリアミド等の耐熱性樹脂が用いられる。
固定部40は、図2に示すように、正極10又は負極20の平面における、電極反応に利用される活性領域から逸脱した領域に形成されている。図2、図3では矩形状の正極10,負極20の4箇所に固定部40を設け、説明の便宜上、集電体11,21は省略し、表面に被覆層60が位置し、その下に活物質層12,22が位置するように図示している。固定部40の上記4箇所は、例えば図2における右上と左下、及び左上と右下の対角線の交点が正極10又は負極20の表面の幾何的な中心を通るように配置している。固定部40は単電池層80の単位ではなく、積層電極体101をまとめて固定している。固定部40は、特に限定されないが、本実施形態においてはクリップによって構成している。
本実施形態に係る積層電極体101は、上述した正極10、負極20及びセパレータ30が10個〜24個未満積層されている。図2における正極10又は負極20の平面のアスペクト比は1:1〜1:4の間であることが望ましい。
溝部50は、固定部40が正極10,負極20の4箇所に設けられている場合には、図2に示す固定部40の対角線で切断した断面において、被覆層60に略矩形状に複数形成されている。本実施形態において固定部40の近傍部は、図3における固定部近傍の右側周辺及び左側周辺部分が該当し、遠傍部は固定部40から近傍部よりもさらに離間した図3における中央部分が該当する。
溝部50は固定部40の近傍部よりも遠傍部の方が大きく構成され、図3では固定部40が位置する右端部及び左端部よりも中央部分の表面粗度を大きくすることによって剛性を調整している。また、本実施形態においては、二次電池の積層方向から見た際に、図2に示すように溝部50を略真円状に複数形成することによって、正極10、負極20の表面粗度および剛性を調整している。溝部50は例えばエンボス加工や型抜き加工によって形成することができる。溝部50の性状を表す表面粗度の指標は、特に制限されないが、例えば算術平均粗さ(Ra)を用いることができる。なお、溝部50の形状の測定方法としては、特に限定されないが、例えば断面SEMや探針状の粗さ計、またはレーザー変位計等によって行うことができる。
溝部50による表面粗度の調整は、例えば図3に示すように、溝部50の深さdを固定部40の近傍部よりも遠傍部を深くすることによって行うことができる。また、図3における溝部50の間隔gについては、固定部40の近傍部よりも遠傍部を狭くするように構成することができる。
上述のように、積層電極体101を図2に示す正極10,負極20の4箇所の端部で固定すると、正極10又は負極20の中心付近は固定されていない状態となる。このような状態で電池の充放電反応によってリチウムイオンの挿入・脱離が生じ、正極10又は負極20に膨張・収縮現象が起こると、固定部40によって固定されていない中央部分には応力が発生し、集中する。正極10又は負極20の表面に応力集中部位が生じれば、電極の崩落等を引き起こすおそれがある。
これに対し本実施形態では、上記膨張・収縮により発生する応力に対して、活物質層12,22に隣接する被覆層60の表面に溝部50を設けている。固定部40から離れた遠傍部に応力が発生し、集中した場合、溝部50が設けられることによって固定部40から遠傍部は近傍部に比べて低剛性となる。固定部40から遠傍部を近傍部に比べて低剛性とすることによって、遠傍部の変形が近傍部に比べて許容され、発生する応力を低減させることができる。
また、被覆層60の表面に溝部50を過度に形成すれば、二次電池の製造工程において被覆層60の表面に接触する生産設備と磨耗を生じさせることによって、生産設備の耐用年数を短くするおそれがある。本実施形態では溝部50を固定部40の遠傍部のみにおいて大きくするよう調整しているため、設備に与える影響を最小限に抑えることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る二次電池の電極は、積層電極体101が固定部40によって固定されている状態において、正極10又は負極20の剛性を固定部40の近傍部より遠傍部の方が低くなるように構成している。
そのため、外力が入力された場合でも固定部40から比較的遠い遠傍部は剛性が低く構成されているため、近傍部に比べて大きな変形が許容され、発生する応力を低減でき、電極の崩落、剥がれを抑制することができる。また、電極の崩落等が抑制できることによって内部短絡を防止し、二次電池の寿命を向上させることができる。
また、正極10および/または負極20の剛性は、セパレータ30と対向する正極10および/または負極20の表面の表面粗度を固定部40の近傍部より遠傍部の方を大きくするように構成している。そのため、エンボス加工等によって容易に表面粗度を調整して、正極10および/または負極20の表面に発生する応力を低減させることができる。
また、表面粗度は溝部50を設けることによって調整しているため、上記と同様にエンボス加工等で容易に正極10および/または負極20の表面に発生する応力を低減させることができる。
また、溝部50の深さは、固定部40の近傍部よりも遠傍部の方を深くしており、電極の周辺を固定した状態で発生する変形モードに対応させている。従って、発生する応力を適切に低減することができる。
また、溝部50の間隔は、固定部40の近傍部から遠傍部に向かうほど間隔を狭く構成したため、比較的変形し易い遠傍部において溝部50の間隔を狭くすることによって、電極に発生する変形に合わせて応力を低減させることができる。
また、固定部40は、電極反応に利用される活性領域から逸脱する領域に設けられているため、固定部40を設けても電池容量の低下を防止することができる。
また、負極20に使用される活物質は合金から構成されているため、応力の発生を防止しつつ、容量及びエネルギー密度に優れた二次電池を提供することができる。
また、被覆層60は、セパレータ30よりも融点の高い多孔膜の部材から構成しているため、セパレータ30が充放電反応により収縮しても被覆層60は収縮せずに正極10と負極20との間に介在でき、高温時の内部短絡を抑制することができる。
本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲において種々の変更が可能である。
図4は、本実施形態に係る二次電池の電極の変形例を示す断面図であり、図5から図8は本実施形態に係る二次電池の電極の変形例を示す平面図である。
溝部50は被覆層60の表面に設けられる実施形態について説明したが、これに限定されない。正極または負極の表面には被覆層が形成されていないものも存在するため、正極活物質層または負極活物質層の表面に溝部を設けるように構成してもよい。
また、正極10および/または負極20の剛性を溝部50によって調整する実施形態について説明したが、これに限定されない。剛性の調整は溝部以外にも、図4に示すように斜面を形成することによって調整してもよい。電極の表面に斜面を形成し、固定部の近傍部から離れる程斜面の深さを深くすることによって、近傍部より遠傍部の変形が許容され、正極等の表面に発生する応力を低減させることができる。
また、溝部50は固定部40の近傍部から遠傍部に向かうほど溝部の間隔gを狭く形成する実施形態について説明したが、これ以外にも図3に示す溝部50の幅wを固定部の近傍部から遠傍部に向かうほど広くするように調整してもよい。
また、溝部50を二次電池の積層方向から見た形状は、図2に示すように真円状に形成された実施形態について説明したが、これに限定されない。溝部50の形状は固定部40の近傍部から離れれば離れる程、被覆層または活物質層の膨張・収縮によって被覆層または活物質層の変形が相対的に大きくなることに鑑みてなされたものである。
従って、溝部50の形状は固定部40から離れる程、溝部50が深くなったり、間隔が狭くなったりすればよい。そのため、溝部は、例えば図5、図6、図7に示すように凹状の散点形状や、ストライプ状、または正極10又は負極20の四方の端部から中心に向かって形成されてもよい。なお、図7における溝部50は、図7における垂直方向又は水平方向の3−3線に沿って切断した断面が図3に示すように形成される。
さらに固定部40が4隅だけでなく、中央部分にも設けられている場合には、図8に示すように中央の固定部40と正極10又は負極20の右半分、及び中央の固定部40と正極10又は負極20の左半分によって囲まれた楕円形状の溝部50を形成するように構成してもよい。固定部40の配置に合わせて、積層方向から見た溝部50の形状を変化させることによって、固定部40の配置によって変化する電極の変形モードに合わせて応力を低減させることができる。
このように固定部40は、積層電極体101を固定できれば固定部40の対角線の交点が幾何的な中心を通っていなくてもよく、また固定箇所は4箇所に限定されず、3箇所や2箇所であってもよい。
また、固定部40はクリップによって構成される実施形態について説明したがこれに限定されない。上記以外にも固定部は正極10又は負極20の電極反応に利用される活性領域から逸脱した領域に貫通孔を形成してネジによって固定するように構成してもよい。また、固定部はクリップにネジが通され、ネジの送り量によって積層電極体を挟持する幅を調節するように構成してもよい。
また、リチウムイオン二次電池を例に挙げた実施形態について説明したが、これに限定されず、本発明はリチウムイオン二次電池以外の二次電池にも適用可能である。また、二次電池は積層型である実施形態について説明したが、バイポーラ型の二次電池に適用することも可能である。
(実施例)
次に本実施形態に係る二次電池の電極を用いて二次電池の充放電特性試験を行ったので説明する。
次に本実施形態に係る二次電池の電極を用いて二次電池の充放電特性試験を行ったので説明する。
本試験では、以下の電池を用いて25℃の恒温状態、定電流定電圧方式(CCCV)において4.2Vまで1Cで充電し、定電流方式(CC)で2.5Vまで1Cで放電し、これを1サイクルとして500サイクル行った。そして、容量維持率と内部短絡が起きているか確認を行った。サンプル数は各実施例及び比較例共に10である。ここでCとは時間率を示し、1Cは電池の全容量を1時間で充電又は放電するだけの電流量を表す。例えば、0.5Cの電流量は、2時間(=1/0.5時間)で電池の全容量が充電又は放電されることを表す。
本試験では以下の表1に示すように、実施例1及び比較例1として正極にLiCo2、負極にグラファイトを用い、実施例2及び比較例2として正極にLiCo2、負極にSiOを用いた。
正極板及び負極板は1辺が200mmの方形状のものを用いた。積層数は10セルである。実施例1,2の負極板の表面には、枚葉のエンボスプレス成型機でプレスを施し、図2及び図3のような同心円状の溝を成形した。同心円状の溝は端部のRa(算術平均粗さ)が2μm、及び中心部のRaが6μmとなるように成形した。実験結果を表2に示す。
表2の結果より、実施例1と比較例1とでは、実施例1の容量維持率が高くなっており、電池のサイクル特性が向上していることが確認できた。また、実施例2と比較例2とを比較すると、膨張・収縮の大きいSiOを使用した場合には、容量維持率の大幅改善だけでなく、サイクル評価中の内部短絡抑制にも効果があることが確認できた。
この検証として短絡の起きた比較例2と実施例2における評価後の電池を解体して電極を確認したところ、比較例2においては充放電に伴う膨張・収縮により、電極に皺が発生し、局部的に短絡している様子が確認された。一方、実施例2において皺の発生は確認されなかった。
このように本実施例に係る二次電池の電極を用いれば、二次電池の寿命を向上させ、内部短絡を抑制できることが確認できた。
10 正極、
11 正極集電体、
12 正極活物質層、
13 正極集電板、
20 負極、
21 負極集電体、
22 負極活物質層、
23 負極集電板、
30 セパレータ、
40 固定部、
50 溝部、
60 被覆層、
70 外装材、
80 単電池層、
100 二次電池、
101 積層電極体。
11 正極集電体、
12 正極活物質層、
13 正極集電板、
20 負極、
21 負極集電体、
22 負極活物質層、
23 負極集電板、
30 セパレータ、
40 固定部、
50 溝部、
60 被覆層、
70 外装材、
80 単電池層、
100 二次電池、
101 積層電極体。
Claims (10)
- 正極とセパレータと負極とを交互に積層した積層電極体と、
前記積層電極体を積層方向に固定する固定部と、
を有し、
前記セパレータと対向する前記正極および/または前記負極の剛性は前記固定部の近傍部よりも遠傍部の方が低いことを特徴とする二次電池の電極。 - 前記正極および/または負極の剛性は、前記セパレータと対向する前記正極および/または前記負極の表面の表面粗度を前記固定部の近傍部より遠傍部の方を大きくすることによって調整することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の電極。
- 前記表面粗度は、前記正極および/または前記負極の表面に溝部を設けることによって調整していることを特徴とする請求項1または2に記載の二次電池の電極。
- 前記溝部の深さは、前記固定部の近傍部よりも遠傍部の方を深くすることを特徴とする請求項3に記載の二次電池の電極。
- 前記溝部の間隔は、前記固定部の近傍部から遠傍部に向かうにつれて狭くすることを特徴とする請求項3または4に記載の二次電池の電極。
- 前記溝部は、前記積層電極体の積層方向から見た際に楕円形状に形成されることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の二次電池の電極。
- 前記正極および/または負極の剛性は、前記固定部の近傍部から遠傍部に向かうにつれて深くなる斜面を形成することによって調整することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の電極。
- 前記固定部は、電極反応の際に利用される活性領域から逸脱する領域に設けられることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の二次電池の電極。
- 前記負極に使用される活物質は合金よりなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の二次電池の電極。
- 前記正極又は前記負極における前記セパレータと対向する表面には、前記正極又は前記負極を被覆する被覆層が設けられ、前記被覆層は前記セパレータよりも融点の高い多孔膜の部材からなることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の二次電池の電極。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012018953A JP2013157283A (ja) | 2012-01-31 | 2012-01-31 | 二次電池の電極 |
KR1020130009822A KR101476523B1 (ko) | 2012-01-31 | 2013-01-29 | 2차 전지의 전극 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012018953A JP2013157283A (ja) | 2012-01-31 | 2012-01-31 | 二次電池の電極 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013157283A true JP2013157283A (ja) | 2013-08-15 |
Family
ID=49052238
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012018953A Withdrawn JP2013157283A (ja) | 2012-01-31 | 2012-01-31 | 二次電池の電極 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013157283A (ja) |
KR (1) | KR101476523B1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015133178A (ja) * | 2014-01-09 | 2015-07-23 | 日産自動車株式会社 | 電極、および電極を有する電池 |
WO2018163294A1 (ja) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | 日産自動車株式会社 | 二次電池 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4875808B2 (ja) * | 2001-08-07 | 2012-02-15 | パナソニック株式会社 | 積層型二次電池 |
KR100648697B1 (ko) * | 2005-03-11 | 2006-11-23 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차 전지 모듈 |
JP2008159385A (ja) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Hitachi Maxell Ltd | リチウム二次電池 |
JP2012009333A (ja) * | 2010-06-25 | 2012-01-12 | Panasonic Corp | 非水電解質二次電池およびその製造方法 |
-
2012
- 2012-01-31 JP JP2012018953A patent/JP2013157283A/ja not_active Withdrawn
-
2013
- 2013-01-29 KR KR1020130009822A patent/KR101476523B1/ko active IP Right Grant
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015133178A (ja) * | 2014-01-09 | 2015-07-23 | 日産自動車株式会社 | 電極、および電極を有する電池 |
WO2018163294A1 (ja) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | 日産自動車株式会社 | 二次電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20130088787A (ko) | 2013-08-08 |
KR101476523B1 (ko) | 2014-12-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8968910B2 (en) | Lithium secondary battery having multi-directional lead-tab structure | |
KR20210082455A (ko) | 탭리스 전극을 구비한 전지 | |
JP5510546B2 (ja) | 双極型電池 | |
US11121439B2 (en) | Secondary battery | |
JP2017168462A (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
JP5520017B2 (ja) | ラミネートフィルム外装体を有する蓄電素子 | |
KR101245283B1 (ko) | 다수의 출력 특성을 가진 전기 화학 소자 | |
JP2010160983A (ja) | 非水電解液二次電池およびその電極 | |
JP2005276486A (ja) | 積層型電池、組電池および車両 | |
JP2010016043A (ja) | 蓄電デバイス | |
US20150125732A1 (en) | Positive electrode for non-aqueous electrolyte battery and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
JP2017168270A (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
JP2016207614A (ja) | 固体電池 | |
JP2009211949A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
JP7437786B2 (ja) | 電池 | |
CN113316859A (zh) | 层叠电池 | |
JP5198134B2 (ja) | 円筒形電池の製造方法 | |
KR101387137B1 (ko) | 전극 조립체 및 이를 포함하는 이차 전지 | |
JP2012069283A (ja) | 積層型電池の製造方法および積層型電池用セパレータ | |
JP2014086388A (ja) | 組電池及びその製造方法 | |
JP5376036B2 (ja) | 非水電解質二次電池 | |
TW201817066A (zh) | 鋰離子二次電池及其製造方法 | |
JP2013157283A (ja) | 二次電池の電極 | |
JP5206657B2 (ja) | 積層式極群を備えた電池 | |
JP2009009858A (ja) | リチウムイオン二次電池用電極 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20141126 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20150603 |