JP2013191532A - リチウムイオン二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明にかかるリチウムイオン二次電池は、正極および負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、リチウムイオンを含み、前記正極および前記負極の間に充填された非水電解液と、前記非水電解液と接触するように配置された参照電極10と、を備え、前記参照電極10は、アルミニウムからなる母材(芯材11)と、リチウムアルミニウム合金を含む被覆層12とを有する。
【選択図】図1
Description
前記被覆層は、前記芯材から当該芯材の周囲に放射状に延び、前記リチウムアルミニウム合金よりもアルミニウムの比率が高い複数の突出部を有していてもよく、前記リチウムアルミニウム合金は、前記複数の突出部の間に配置されていてもよい。
前記芯材の断面積は前記参照電極の断面積の10%以上90%以下であってもよい。前記参照電極の断面の直径は0.2mm以下であってもよく、0.1mm以下であってもよい。
前記参照電極の厚みは、さらに前記正極合剤層又は前記負極合剤層のうち、最も薄い合剤層の20分の1以下であってもよい。前記被覆層は前記面状基材の一方の面の、少なくとも一部に配置され、前記面状基材の他方の面に絶縁層が形成されてもよく、前記面状基材は前記絶縁層上に成膜されたアルミニウム膜であってもよい。
前記参照電極の厚みが、さらに前記正極合剤層又は前記負極合剤層のうち、最も薄い合剤層の20分の1以下になるように、前記参照電極を形成してもよい。
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池は、正極および負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、リチウムイオンを含み、正極および負極の間に充填された非水電解液と、非水電解液と接触するように配置された参照電極と、を備える。
正極は正極活物質を有する。正極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)等を用いることができる。また、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2を任意の割合で混合して焼成した材料を用いてもよい。組成の一例としては、例えば、これらの材料を等しい割合で混合したLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2が挙げられる。
負極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えば、黒鉛(グラファイト)等からなる粉末状の炭素材料を用いることができる。そして、正極と同様に、負極活物質と、溶媒と、バインダーとを混練し、混練後の負極合剤を負極集電体に塗布して乾燥することによって負極を作製することができる。ここで、負極集電体として、例えば銅やニッケルあるいはそれらの合金を用いることができる。
非水電解液は、非水溶媒に支持塩が含有された組成物である。ここで、非水溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等からなる群から選択された一種または二種以上の材料を用いることができる。また、支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiI等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物(リチウム塩)を用いることができる。
セパレータには、絶縁性の多孔質膜を用いることができる。例えば、セパレータとしては、ポリエチレン膜、ポリオレフィン膜、およびポリ塩化ビニル膜等の多孔質ポリマー膜、又は、リチウムイオンもしくはイオン導電性ポリマー電解質膜を、単独、又は組み合わせて使用することができる。
図1は、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池が備える参照電極の長手方向における断面図である。図2は、図1に示す参照電極のII−IIにおける断面図である。
以下、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして説明する。図4は、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。図5は、図4に示すリチウムイオン二次電池のV−Vにおける断面図である。
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池の製造方法(特に、参照電極の製造方法)について、図6を用いて説明する。本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池を製造する場合は、まず正極(正極シート)21および負極(負極シート)22の間にセパレータ23_1、23_2を配置する。ここで、正極21は、正極集電体51と正極活物質52とを有する。負極22は、負極集電体54と負極活物質55とを有する。
図7は、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池が備える参照電極10の使用例を説明するための図である。図7に示す使用例では、参照電極10に対する負極22の電位を測定する場合を示している。すなわち、負極22の電位と参照電極10の電位との電位差を求めることで、参照電極10に対する負極22の電位を求めることができる。
次に、従来技術を用いて参照電極を構成した場合と、上記で説明した方法を用いて参照電極10を構成した場合との比較例について説明する。図8は、参照電極を使用している時間と参照電極の電位との関係を示すグラフである。図8に示す比較例1の参照電極は、リチウムアルミニウム合金の量が不足している参照電極、つまり主としてアルミニウムで構成されている参照電極である。比較例1の参照電極を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影した断面写真を、図9(a)に示す。図9(a)に示すように、比較例1の参照電極のほとんどはアルミニウム111で構成されている。
第2の実施の形態の説明に際して、第1の実施の形態と同等の要素については重複する説明を省略する。
<正極>
正極合剤を正極集電体に塗布して乾燥することによって所定の厚さを有する正極合剤層を形成する。正極合剤層の厚さは、例えば、両面合計で50〜65μmとすることができる。
負極合剤を負極集電体に塗布して乾燥することによって所定の厚さを有する負極合剤層を形成する。負極合剤層の厚さは、例えば、両面合計で60〜70μmとすることができる。
正極及び負極間には、後述する所定の厚みを有する参照電極を配置することになる。図11及び12に、第2の実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池が備える参照電極60が表されている。参照電極60は、シート状又は板状の電極である。参照電極60は少なくとも片方の面に電極面を備える。図12では図中の上方に電極面を備える。電極面は非水電解液と接するので、電位を測定することができる。また、参照電極60の母材として、面状基材61が表されている。
本実施の形態に係る面状基材61はアルミニウムからなっているため電気抵抗は十分に低く、参照電極60は長期的に安定した性能を発揮する。
絶縁層63の材料としては、例えば、ポリイミド、パラキシリレン樹脂を初めとする熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、ポリイミドを用いることが特に好ましい。
また、上記支持材(不図示)ごと絶縁層63で覆ってもよく、上記支持材(不図示)の一部が絶縁層により覆われていなくともよい。図12中、絶縁層63は面状基材61の下方の面を覆うように形成される。また、図12中、絶縁層63は面状基材61の上方の面の電極面が形成されていない部分を覆うように形成される。
上記の効果は面状基材61を薄膜で構成した場合に特に顕著に表れる。つまり、面状基材61を薄膜で構成した場合は、面状基材61の強度は低くなる。しかし、面状基材61を強度が高い絶縁層63上に形成することで、面状基材61が破損することを抑制することができる。
リチウムイオン二次電池に参照電極60を設けることで、リチウムイオン二次電池の充放電状態や電極の劣化状態を、正極と負極とで分離してモニタすることができる。また、参照電極を用いて測定した正極電位や負極電位に応じて電池の充電を制御することで、急速充電時における電極の劣化を制御することができる。このため、電池の安定性と耐久性とを確保できる。
配置する。また、参照電極60が配置される部位において、参照電極60、正極シート21及び負極シート22が平面であれば、これらが平行になるように参照電極60を配置する。参照電極60、正極シート21及び負極シート22が曲面であれば、正極シート21と負極シート22との間の平均距離が最も小さくなるように配置する。かかる構成とすることで、参照電極60の配置による合剤層やセパレータ間の密着性の低下を抑制できる。
図11〜13を参照しつつ、参照電極60を有するリチウムイオン二次電池2の製造方法について、第1の実施形態と異なるところを中心に説明する。参照電極60は、参照電極10のアルミニウム線11に代えて、先端部の電極面となる部分以外が絶縁層63に被覆された、アルミニウムからなる面状基材61(面状のアルミニウム材)を母材として形成する。
以上で説明した第2の実施の形態にかかる発明により、安定性と耐久性を備えた参照電極を有するリチウムイオン二次電池およびリチウムイオン二次電池の製造方法を提供することができる。
リチウムイオン二次電池100は以下のとおり製造した。まず、図14及び15に示すように、一部が突出している、凸型の20μm厚のポリイミド樹脂シート169(上述の絶縁層63の一部)の上に、2μm厚のアルミニウム膜161(上述の面状基材61)を成膜した。ポリイミド樹脂シート169の突出していない広い部分は、電池ケース本体と捲回電極体との間に設けられる絶縁フィルムとなるよう、電池ケースの内面の大きさに合わせて成形した。
今回の実施例では、電池性能とのバランスを勘案して、正極シート121は60μmの正極合剤層を有するものとした。また、負極シート122は65μmの負極合剤層を有するものとした。
このように重ね合わせた積層体を捲回し、得られた捲回体を側面方向から押しつぶして扁平状の捲回電極体120を作製した。さらに図に示すように参照電極160の第1リード部174を箱状に折り曲げて、アルミニウム製の電池ケース本体141と捲回電極体120との間の絶縁フィルムとした。
参照電極の完成によりリチウムイオン二次電池100を完成した。
一方、リード線117の直径を、正極合剤層及び負極合剤層のいずれの厚みよりも小さいものとした場合、合剤層やセパレータ間の密着は保たれるが、機械的な強度が低く、断線する恐れがある。
これは以下の通り説明される。すなわち正極合剤層又は負極合剤層の厚みよりも小さい参照電極を組み込んだ場合、正負極間の隙間が大きく生じないため電解液移動が活発になることを抑制できる。一方で、該厚みよりも大きい参照電極を組み込んだ場合は、正負極間に生じた隙間のため電解液移動が活発になり反応分布が発生する。このため、電気抵抗の増大速度に差が生じたと考えられる。
11 芯材(アルミニウム線)
12 被覆層
13 絶縁層
14 リチウムアルミニウム合金
15 突出部
21 負極シート
22 負極シート
23 セパレータ
27 非水電解液
51 負極集電体
52 負極活物質(負極合剤層)
54 負極集電体
55 負極活物質(負極合剤層)
60 参照電極
61 面状基材
62 被覆層
63 絶縁層
Claims (15)
- 正極および負極と、
前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、
リチウムイオンを含み、前記正極および前記負極の間に充填された非水電解液と、
前記非水電解液と接触するように配置された参照電極と、を備え、
前記参照電極は、アルミニウムからなる母材と、リチウムアルミニウム合金を含む被覆層とを有する、
リチウムイオン二次電池。 - 前記母材はアルミニウムからなる芯材であり、
前記被覆層は当該芯材の周囲に配置されている、
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池 - 前記被覆層は、前記芯材から当該芯材の周囲に放射状に延び、前記リチウムアルミニウム合金よりもアルミニウムの比率が高い複数の突出部を有し、
前記リチウムアルミニウム合金は、前記複数の突出部の間に配置されている、
請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記芯材の断面積は前記参照電極の断面積の10%以上90%以下である、請求項2又は3に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記参照電極の断面の直径は0.2mm以下である、請求項2乃至4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記参照電極の断面の直径は0.1mm以下である、請求項2乃至4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記母材はアルミニウムからなる面状基材であり、
前記被覆層は前記面状基材の少なくとも一方の面の、少なくとも一部に配置され、
前記参照電極の厚みは、前記正極の正極合剤層及び前記負極の負極合剤層より小さい、
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記参照電極の厚みは、前記正極合剤層又は前記負極合剤層のうち、最も薄い合剤層の20分の1以下である、請求項7に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記被覆層は前記面状基材の一方の面の、少なくとも一部に配置され、
前記面状基材の他方の面に絶縁層が配置され、
前記面状基材は前記絶縁層の上に成膜されたアルミニウム膜である、
請求項7又は8に記載のリチウムイオン二次電池。 - 正極および負極の間にセパレータを配置し、
前記正極および前記負極の間にリチウムイオンを含む非水電解液を充填し、
前記非水電解液と接触するようにアルミニウム材を配置し、
前記アルミニウム材と前記正極との間または前記アルミニウム材と前記負極との間に電流を流して前記アルミニウム材の表面にリチウムアルミニウム合金を含む被覆層を形成することで参照電極を形成する、
リチウムイオン二次電池の製造方法。 - 前記アルミニウム材はアルミニウム線である、請求項10に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 前記参照電極を形成する際、前記アルミニウム線を回転させる、請求項11に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 前記参照電極を形成する際、前記アルミニウム線の前記リチウムアルミニウム合金が形成されていない芯材の断面積が、前記参照電極の断面積の10%以上90%以下となるように形成する、請求項11または12に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 前記アルミニウム材は面状であり、
前記被覆層は、前記アルミニウム材の表面の少なくとも片方の面の、少なくとも一部に形成し、
前記参照電極の厚みが、前記正極の正極合剤層及び前記負極の負極合剤層より小さくなるように前記参照電極を形成する、
請求項10に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。 - 前記参照電極の厚みが、前記正極合剤層又は前記負極合剤層のうち、最も薄い合剤層の20分の1以下になるように、前記参照電極を形成する、
請求項14に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
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