JP2014007108A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を提供する。
【解決手段】二次電池は、電解液と、電解液に浸漬されて用いられる電極部材2とを具備し、電極部材2は、正極集電箔11の表面に形成された正極活物質層12を有する正極10と、負極集電箔21の表面に形成された負極活物質層22を有する負極20と、正極10と負極20との間に配置されたセパレータ30とが複数積層されて、セパレータ30を介して相対向する正極活物質層12と負極活物質層22とで電極対40を構成し、電極対40のそれぞれは、相対的に最も高出力且つ低容量の第1の特性を具備する活物質層からなる第1の領域13a、23aと、相対的に最も低出力且つ高容量の第2の特性を具備する活物質層からなる第2の領域13b、23bとを具備し、第1の領域と第2の領域との間の領域では出力及び容量の特性が第1の特性から第2の特性まで徐々に又は段階的に変化した特性を具備する活物質層を具備する。
【選択図】図3
【解決手段】二次電池は、電解液と、電解液に浸漬されて用いられる電極部材2とを具備し、電極部材2は、正極集電箔11の表面に形成された正極活物質層12を有する正極10と、負極集電箔21の表面に形成された負極活物質層22を有する負極20と、正極10と負極20との間に配置されたセパレータ30とが複数積層されて、セパレータ30を介して相対向する正極活物質層12と負極活物質層22とで電極対40を構成し、電極対40のそれぞれは、相対的に最も高出力且つ低容量の第1の特性を具備する活物質層からなる第1の領域13a、23aと、相対的に最も低出力且つ高容量の第2の特性を具備する活物質層からなる第2の領域13b、23bとを具備し、第1の領域と第2の領域との間の領域では出力及び容量の特性が第1の特性から第2の特性まで徐々に又は段階的に変化した特性を具備する活物質層を具備する。
【選択図】図3
Description
本発明は二次電池に関する。
従来、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等の電動車両に搭載されているモーター駆動用のバッテリとして、リチウムイオン二次電池等の二次電池が用いられている。電動車両に搭載される二次電池には、車両を登坂、加速及び低温駆動させるための大電流出力に応える優れた出力特性や、急速充電や回生時の大電流入力に応える優れた入力特性に加え、長時間駆動可能な高いエネルギー容量特性が求められる。
このような二次電池の入出力特性やエネルギー容量特性を向上させるために、正極板と負極板の抵抗比が所定範囲になるように電極材料を調整した二次電池や、スパイラル状に巻回した電極の曲率に基づき電極材料の塗布量を調整した二次電池が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
しかしながら、二次電池の入出力特性とエネルギー容量特性とは相反する関係にあるため、上述したような二次電池であっても、瞬時に大電流を出し入れできる優れた入出力特性や、長時間駆動可能な高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができないという問題がある。
そこで、本発明はこのような事情に鑑み、優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、電解液と、該電解液に浸漬されて用いられる電極部材とを具備する二次電池であって、前記電極部材は、正極集電箔の表面に形成された正極活物質層を有する正極と、負極集電箔の表面に形成された負極活物質層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとが積層されて、前記セパレータを介して相対向する前記正極活物質層と前記負極活物質層とで電極対を構成し、前記正極および負極のそれぞれは、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性を具備する活物質層からなる第1の領域と、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性を具備する活物質層からなる第2の領域とを具備し、当該第1の領域と第2の領域との間の領域では出力及び容量の特性が前記第1の特性から前記第2の特性まで徐々に又は段階的に変化した特性を具備する活物質層を具備することを特徴とする二次電池にある。
かかる本発明によれば、1つの電極部材の1つの電極対内に、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性を具備する第1の領域と、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性を具備する第2の領域と、これらの間の出力及び容量特性が変化する領域とを具備するので、これを電極として用いることにより、全体として、優れた入出力特性と高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
ここで、前記第1の領域の活物質層と、前記第2の領域の活物質層と、これらの間の領域の活物質層では、層の厚さ、塗工量及び層を形成する活物質の種類の少なくともいずれかが異なることにより、前記第1の特性及び前記第2の特性又はこれらの間の変化した特性に対応することが好ましい。
これによれば、活物質層の厚さの違い、塗工量の違い又は活物質の種類の違いにより、前記第1の特性と前記第2の特性及びこれらの間の特性を発現することができる。このため、1つの電極対内に、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性を具備する第1の領域と、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性を具備する第2の領域と、これらの間の特性を有する領域とを具備する電極対とを具備するので、これを電極として用いることにより、全体として、優れた入出力特性と高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
ここで、前記正極及び前記負極は、それぞれ集電箔の両面に活物質層を具備し、前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、前記集電箔の両面のそれぞれに前記第1の特性に対応する活物質層から前記第2の特性に対応する活物質層まで徐々に又は段階的に変化した活物質層を具備することが好ましい。
これによれば、正極及び負極の少なくとも一方の集電箔の両面のそれぞれに入出力特性及び容量特性が領域によって異なる活物質層が形成されるので、1つの電極対内には、入出力特性及び容量特性の異なる活物質層が複数設けられる。このため、全体として、優れた入出力特性と高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
ここで、前記正極及び前記負極は、それぞれの前記集電箔の両面に前記第1の特性に対応する活物質層から前記第2の特性に対応する活物質層まで徐々に又は段階的に変化した活物質層を具備し、前記正極の前記第1の特性に対応する活物質層と前記負極の前記第1の特性に対応する活物質層とが、また、前記正極の前記第2の特性に対応する活物質層と前記負極の前記第2の特性に対応する活物質層とが相対向するように配置されていることが好ましい。
これによれば、同様の出力特性及び容量特性を有する活物質層同士が相対向し、これらの間で充放電反応が進むため、相対的に高出力且つ低容量と、相対的に低出力且つ高容量という相反する効果が得やすくなる。
ここで、前記正極及び前記負極の集電箔には複数の孔が形成されていることが好ましい。
これによれば、集電箔に孔を設けることで、充電及び放電後における活物質層の電位が異なる状態となった際に、リチウムイオンが集電箔の孔を介しても活物質層中を移動できるので、電位の緩和が促進される。
また、前記電極対が複数積層され又は巻回されて構成されていることが好ましい。
これによれば、電極対を複数積層して又は巻回することにより、活物質層のそれぞれの表面積を大きくすることができるので、入出力特性及びエネルギー容量特性をさらに高めることができる。
本発明の二次電池によれば、優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
本実施形態に係る二次電池は、ラミネート型リチウムイオン二次電池であり、例えば、電気自動車である電動車両の底部(フロア下)に搭載され、電動車両の走行用モーター等に電力を供給するものである。
本実施形態に係る二次電池は、ラミネート型リチウムイオン二次電池であり、例えば、電気自動車である電動車両の底部(フロア下)に搭載され、電動車両の走行用モーター等に電力を供給するものである。
本発明の実施形態1に係る二次電池及びそれに用いられる電極部材について、図1〜図3を用いて説明する。図1は、本実施形態に係るラミネート型リチウムイオン二次電池の斜視図であり、図2は、図1のX−X′線断面模式図であり、図3は、図2に示す二次電池用電極部材の一部拡大断面模式図である。
図1及び図2に示すように、ラミネート型リチウムイオン二次電池1は、電極部材2が収納された矩形平板状のラミネート外装体3と、該ラミネート外装体3の長手方向両側の短辺側から突出して設けられ、電極部材2から電力を取り出す正極端子4と負極端子5とから構成される。電極部材2は、複数の正極10と、複数の負極20とがセパレータ30を介して積層されたものであり、複数の正極10は正極端子4に、複数の負極20は、負極端子5に電気的に接続されている。また、電極部材2は、ラミネート外装体3内で電解液6に浸漬されている。
図3に示すように、電極部材2の正極10は、正極集電箔11の両面にそれぞれ正極活物質層が形成されたものであり、端子引き出し方向に沿って、層の厚さを薄い領域から厚い領域まで変化させた正極活物質層12が両面に形成されている。正極活物質層12は、一方面側では、端子引き出し側端部(図3右)が最も薄く、反対面側では端子引き出し側が最も厚くなっている。そして、最も薄い端部が相対的に最も高出力且つ低容量の第1の特性を有する第1の領域13aであり、最も厚い端部が最も低出力且つ高容量の第2の特性を有する第2の領域13bであり、間はこれらの間で特性が徐々に変化する第3の領域13cとなっている。
一方、負極20は、負極集電箔21の両面にそれぞれ負極活物質層が形成されたものであり、正極10と同様に、端子引き出し方向に沿って、層の厚さを薄い領域から厚い領域まで変化させた負極活物質層22が両面に形成されている。負極活物質層22は、一方面側では、端子引き出し側端部(図3左)が最も薄く、反対面側では端子引き出し側が最も厚くなっている。そして、最も薄い端部が相対的に最も高出力且つ低容量の第1の特性を有する第1の領域23aであり、最も厚い端部が最も低出力且つ高容量の第2の特性を有する第2の領域23bであり、間はこれらの間で特性が徐々に変化する第3の領域23cとなっている。
これら正極10と負極20とは、間にセパレータ30を挟んで交互に積層され、正極10の正極活物質層12と負極20の負極活物質層22とがセパレータ30を介して対向し、正極活物質層12の第1の領域13aと、負極活物質層22の第1の領域23aとが、また、正極活物質層12の第2の領域13bと、負極活物質層22の第2の領域23bとが相対向するように配置されている。
ここで、セパレータ30を介して正極活物質層12と負極活物質層22とが対向した電極対40のうち、正極活物質層12の第1の領域13aと負極活物質層22の第1の領域23aとが対向した領域は、相対的に最も高出力且つ低容量の第1の特性を具備する領域であり、セパレータ30を介して正極活物質層12の第2の領域13bと負極活物質層22の第2の領域23bとが対向した領域は相対的に最も低出力且つ高容量の第2の特性を具備する領域である。また、セパレータ30を介して正極活物質層12の第3の領域13cと負極活物質層22の第3の領域23cとが対向した領域は、これら第1の特性から第2の特性まで特性が徐々に変化する領域である。
本実施形態では、相対的に厚さが徐々に異なる活物質層、すなわち、相対的に薄い第1の領域13a、23aから相対的に厚い第2の領域13b、23bまで厚さが徐々に変化する正極活物質層12と負極活物質層22とからなる電極対40を具備する電極部材2とすることにより、第1の領域13a、23a及びこれらに近い領域で発揮される第1の特性(第1の特性に近い特性も含む)と、第2の領域13b、23b及びこれらに近い領域で発揮される第2の特性(第2の特性に近い特性も含む)の、相反する2つの電池特性を具備する二次電池としている。
ここで、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性とは、この場合、第2の特性と比較して入出力特性が高く且つエネルギー容量特性が低いという意味であり、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性とは、第1の特性と比較して入出力特性が低く且つエネルギー容量特性が高いという意味である。
このような第1の特性と第2の特性を図4を参照しながら説明する。図4は、二次電池の出力する時間と出力する電流値との関係を示すものである。なお、図4中のAは、相対的に薄い活物質層により構成された第1の領域13a、23a及びこの近傍の領域の充電状態に対応し、図4中のBは、相対的に厚い活物質層により構成された第2の領域13b、23b及びこの近傍の領域の充電状態に対応する。
図4に示すように、相対的に薄い正極活物質層12と相対的に薄い負極活物質層22とからなる第1の領域13a、23a及びこの近傍の部分では(以下、領域Aとする)、正極活物質層12及び負極活物質層22が薄い分、活物質層の内部抵抗が小さくなるため、大電流の入出力が可能だが、全体の活物質量が小さいので持続時間(容量)は小さくなる。一方、相対的に厚い正極活物質層12と相対的に厚い負極活物質層22とからなる第2の領域13b、23b及びこの近傍の部分(以下、領域Bとする)は、活物質層が厚いので第1の領域13a、23aと比較して内部抵抗が大きくなり、第1の領域13a、23aほど大電流は流せないが、活物質層が厚い分、エネルギー容量は高いため、より大きな容量を得ることができる。本実施形態では、前者を第1の特性、後者を第2の特性としている。
ここで、第1の領域13aの正極活物質層12と第1の領域23aの負極活物質層22とからなる領域Aについてさらに説明する。リチウムイオン二次電池の充電や放電は、正極と負極間をリチウムイオンが移動(拡散)することで進行するため、リチウムイオンの移動する距離が短い、即ち、活物質層の厚さが薄い方が内部抵抗を下げることができ、入出力特性が向上するが、一方、容量は低下する。すなわち、第1の領域13aの正極活物質層12と第1の領域23aの負極活物質層22とからなる領域は、大電流の入出力に対して応答性が速く、迅速に電位変化する優れた入出力特性を有するが、低容量であり、高出力且つ低容量の第1の特性を具備することになる。
一方、第2の領域13bの正極活物質層12と第2の領域23bの負極活物質層22とからなる領域Bについて説明する。リチウムイオン二次電池のエネルギー容量を向上させるためには、活物質層のエネルギー密度を高くすることが必要であり、このためには、例えば、負極活物質層の厚さを厚くすればよいが、逆にリチウムイオンの移動距離が大きくなるので、入出力特性については不利となる。このため、第2の領域13bの正極活物質層12と、第2の領域23bの負極活物質層22とからなる領域は、長時間駆動可能な高いエネルギー容量特性を有するが、低入出力特性となり、低出力且つ高容量の第2の特性を具備することになる。
このような第1の特性及び第2の特性の両方を具備する二次電池とするためには、厚さが徐々に異なる正極活物質層12及び負極活物質層22を設けるようにすればよく、本実施形態では、正極集電箔11及び負極集電箔21の両面に端子引き出し方向に沿って厚さが徐々に変化する正極活物質層12及び負極活物質層22を設け、第1の特性及び第2の特性並びにこれらの間の特性を兼ね備えるようにしている。
本実施形態では、負極活物質層22の第1の領域23aの厚さが1〜10μmの場合、第2の領域23bの負極活物質層22の厚さは10〜100μmが好ましく、第1の領域23aの負極活物質層22の厚さが10〜50μmの場合、第2の領域23bの負極活物質層の厚さが50〜200μmであるのが好ましい。
また、厚さの異なる負極活物質層22には、それぞれの領域に対応するリチウム移動量を具備する正極活物質層が必要であり、本実施形態では、厚さが変化する正極活物質層12を対応させている。具体的には、第1の領域23aに対向させて相対的に厚さの薄い第1の領域13aの正極活物質層12を設け、第2の領域23bに対向させて相対的に厚さの厚い第2の領域13bの正極活物質層12を設けるようにしている。すなわち、正極活物質層12の第1の領域13aと負極活物質層22の第1の領域23aとの間、正極活物質層12の第2の領域13bと負極活物質層22の第2の領域23bとの間にセパレータ30を介して、充電時及び放電時におけるリチウムイオンの一方の活物質層から他方の活物質層への移動を対等にし、電位変化を安定させ、二次電池の制御を容易にし、二次電池の信頼性を高めている。
以上説明したように、本実施形態に係る電極部材2は、1つの電極対40の内に徐々に異なる厚さの活物質層を形成することにより、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性を具備する第1の領域13a、23aと、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性を具備する第2の領域13b、23bと、これらの間の特性を有する領域13c、23cとが形成される。これを電極として用いることにより、全体として優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
ここで、第1の特性を有する正極活物質層12及び第2の特性を有する正極活物質層12を形成する正極活物質としては、例えば層状構造型の金属酸化物、スピネル型の金属酸化物及び金属化合物、リン酸塩型の金属酸化物などが挙げられる。層状構造型の金属酸化物としては、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、三元系複合酸化物(LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2)が挙げられる。リチウムニッケル系複合酸化物としては、好ましくはニッケル酸リチウム(LiNiO2)が挙げられる。リチウムコバルト系複合酸化物としては、好ましくはコバルト酸リチウム(LiCoO2)が挙げられる。スピネル型の金属酸化物としては、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のリチウムマンガン系複合酸化物が挙げられる。リン酸塩型の金属酸化物としては、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)等が挙げられる。本実施形態では、正極活物質として、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2を用いているが、本発明に適用可能な正極活物質はこれに限定されず、また例示した正極活物質に限定されるものでもなく、正極における電池反応を生じるものであれば他にも用いることができる。
また、第1の特性を有する負極活物質層22及び第2の特性を有する負極活物質層22を形成する負極活物質としては、通常用いられる活物質、例えば黒鉛、ソフトカーボン又はハードカーボン等の非晶質炭素材料を挙げることができる。また、黒鉛は人造黒鉛であっても天然黒鉛であっても良い。また、金属リチウム、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物等を挙げることができる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物やケイ素酸化物などの不可逆性容量をもつものが挙げられる。本実施形態では、負極の活物質としては黒鉛を用いているが、本発明に適用可能な負極活物質はこれに限定されず、また例示した負極活物質に限定されるものでもなく、負極における電池反応を生じるものであれば他にも用いることができる。
なお、正極活物質層及び負極活物質層を形成する場合、正極活物質又は負極活物質に、それぞれさらにバインダーが含有されていてもよく、例えばポリフッ化ビニリデンを用いることができる。なお、正極活物質層又は負極活物質層にはアセチレンブラック等の導電性向上剤が含まれていてもよい。
また、電解液6は、通常用いられる溶媒、例えば環状炭酸エステルであるエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートと、また、鎖状炭酸エステルであるジメチルカーボネートやエチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートとの混合溶液に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1リットル当たり1モル濃度程度溶解した有機電解液が挙げられる。
次に、図5(a)〜(c)に、本実施形態の二次電池の充電状態(以下「SOC」と言う。)を示す図を示す。なお、図5中のAは、相対的に薄い活物質層により構成された第1の領域13a、23a及びこの近傍の部分である領域Aの充電状態に対応し、図5中のBは、相対的に厚い活物質層により構成された第2の領域13b、23b及びこの近傍の部分である領域Bの充電状態に対応する。
図5(a)は、充電が開始された時の電圧を示す図である。充電が開始された時は、相対的に薄い負極活物質層22を具備する領域Aの方が内部抵抗が小さいため、電圧は急速に上昇し、これに伴い充電も急速に進行する。一方、相対的に厚い負極活物質層22を具備する領域Bは、領域Aと比べて内部抵抗が大きいため、充電は緩やかに進行していく。すなわち、充電は、正極活物質層から脱離したリチウムイオンが電解液を通り、セパレータを介して負極活物質層に移動することにより進行する。このため、リチウムイオンの移動距離が短い、即ち、相対的に薄い負極活物質層22を具備する領域Aの方が充電が速く進行し、相対的に厚い負極活物質層22を具備する領域Bの方は遅く進行する。
図5(b)は、充電が終了し、相対的に薄い負極活物質層22を具備する領域Aと相対的に厚い負極活物質層22を具備する領域Bの電位状態が緩和される時の電圧を示す図である。充電が終了した時は、領域AのSOCが高く、領域BのSOCは低い。これは、上記の充電速度の相違から、相対的に薄い領域Aでは、充電量が許容範囲内で最大に満たされたからであり、相対的に厚い領域Bでは、同時間で充電量が許容範囲を下回っているからである。この充電量の差(電位差)を緩和するために、リチウムイオンは領域Aから領域Bへ電解液を介して又は活物質層内を移動し、平衡状態へと移行していく。
図5(c)は、緩和が終了した時の電圧を示す図である。緩和が終了すると、相対的に薄い負極活物質層22を具備する領域Aと相対的に厚い負極活物質層22を具備する領域Bの電圧は同一となる。
このように、相対的に薄い第1の領域13a、23aに対応する領域Aでは、充電、特に急速充電のような大電流入力に対する応答性が速いので、入力特性に優れるが、厚さが薄い分、充電量がすぐに満たされてしまい、エネルギー容量特性は低くなる。一方、相対的に厚い第2の領域13b、23bに対応する領域Bでは、充電に対する応答性は遅いが、厚い分、高いエネルギー容量を確保することができる。なお、図5では、充電に対する第1の領域13a、23aである領域Aと第2の領域13b、23bである領域Bの入力特性及びエネルギー容量特性について説明したが、放電に対しても同様の出力特性及びエネルギー容量特性であることは言うまでもない。
したがって、1つの電極部材2内に、異なる厚さの活物質層からなる領域を設けることにより、入出力特性に優れた部分及び高いエネルギー容量特性を有する部分とが共存することになる。これを電極として用いることにより、全体として優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
なお、上述した実施形態では、集電箔の両面に活物質層を設けて正極又は負極を形成したが、集電箔の片面のみに活物質層を設けた正極及び負極を用いて上述した電極部材を構成することもできる。また、上述した例では、正極活物質層と負極活物質層の厚さを徐々に変化させたが、段階的に厚さを変えて段階的に特性を変化させても同様な効果を奏することは言うまでもない。
(実施形態2)
本実施形態は、実施形態1の電極部材の変形例であり、図6に示すように、全面に複数の貫通孔50を具備する正極集電箔11A及び負極集電箔21Aを用いて、実施形態1と同様な活物質層を設けた正極及び負極とした以外は、実施形態1と同様なものである。
本実施形態は、実施形態1の電極部材の変形例であり、図6に示すように、全面に複数の貫通孔50を具備する正極集電箔11A及び負極集電箔21Aを用いて、実施形態1と同様な活物質層を設けた正極及び負極とした以外は、実施形態1と同様なものである。
このような正極集電箔11A及び負極集電箔21Aを用いるのは、上述した図5(b)の電位状態の緩和を促進するためである。すなわち、電位状態の緩和の際に、例えば、リチウムイオンは負極集電箔21Aの両側の負極活物質層22の間で貫通孔50を介しても移動するようになり、平衡状態への移行が促進される。
なお、貫通孔50の形成位置は図示のものに限定されず、例えば、貫通孔50の形成密度を場所によって変更してもよく、例えば、各集電箔の短手方向の中央部が短手方向の端部よりも密となるようにしてもよい。また、貫通孔50の形状についても円形状に限定されず、例えば略矩形状であってもよい。
(実施形態3)
本発明の実施形態3について、図7を用いて説明する。実施形態3は、二次電池用電極部材の構成の変形例であり、実施形態1と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本発明の実施形態3について、図7を用いて説明する。実施形態3は、二次電池用電極部材の構成の変形例であり、実施形態1と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
実施形態1では、正極集電箔11の両面に厚さが徐々に変化する正極活物質層12を設ける際に、相対的に厚さの薄い第1の領域13aと相対的に厚さの厚い第2の領域13bとを相対向させて設け、また、負極集電箔21の両側に厚さが徐々に変化する負極活物質層22を設ける際に、相対的に厚さの薄い第1の領域23aと相対的に厚さの厚い第2の領域23bとを相対向させて設けた。しかしながら、本実施形態では、正極集電箔11の両面に厚さが徐々に変化する正極活物質層12を、相対的に厚さの薄い第1の領域13a同士が相対向し、相対的に厚い第2の領域13b同士が相対向し、これらの間で特性が徐々に変化する第3の領域13c同士がそれぞれ相対向するように設けて正極10Aとした。また、負極集電箔21の両側に、厚さが徐々に変化する負極活物質層22を、相対的に厚さの薄い第1の領域23a同士が相対向し、相対的に厚さの厚い第2の領域23b同士が相対向し、これらの間で特性が徐々に変化する第3の領域23c同士がそれぞれ相対向するように設けて負極20Aとした。そして、正極活物質層12の第1の領域13aと負極活物質層22の第1の領域23aとをセパレータ30を介して対向させ、正極活物質層12の第2の領域13bと負極活物質層22の第2の領域23bとをセパレータ30を介して対向させて複数層積層したので、多層に積層する全体としては断面扇形又はドーナツ型となる。
かかる電極部材2Aでも、上述した実施形態と同様な作用効果を奏することは明らかである。
(実施形態4)
本発明の実施形態4について、図8を用いて説明する。実施形態4は、二次電池用電極部材の構成の変形例であり、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本発明の実施形態4について、図8を用いて説明する。実施形態4は、二次電池用電極部材の構成の変形例であり、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
上述した実施形態では、正極活物質層12の第1の領域13aと負極活物質層22の第1の領域23aとをセパレータ30を介して対向させ、正極活物質層12の第2の領域13bと負極活物質層22の第2の領域23bとをセパレータ30を介して対向させたが、本実施形態では、正極活物質層12の第1の領域13aと負極活物質層22の第2の領域23bとをセパレータ30を介して対向させ、正極活物質層12の第2の領域13bと負極活物質層22の第1の領域23aとをセパレータ30を介して対向させ、これらの間で特性が徐々に変化する正極活物質層12の第3の領域13cと負極活物質層22の第3の領域23cとをセパレータ30を介して対向させて電極部材2Bとしている。
なお、実施形態3と同様な正極10A及び負極20Aを用いたが、実施形態1の正極10及び負極20を用いて、正極活物質層12の第1の領域13aと第2の領域13bを、それぞれセパレータ30を介して負極活物質層22の第2の領域23bと第1の領域23aに対向させるように配置すれば同様の効果を奏することができる。
本実施形態の電極部材2Bでは、上述した実施形態と比較すると、第1の特性と第2の特性をそれぞれ具備する領域を顕著には発現し難いが、従来技術と比較すると、異なる厚さの活物質層からなる領域を設けることにより、入出力特性に優れた部分及び高いエネルギー容量特性を有する部分とが共存することになり、全体として、優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
また、上述した実施形態では、正極及び負極の活物質層の厚さをそれぞれ変化させたが、一方のみ、例えば、負極の活物質層を上述した実施形態と同様に変化させ、正極は均一な厚さの活物質層としてもよい。この場合にも、実施形態1〜3ほど顕著ではないにしても、同様に、出力特性に優れた部分と高いエネルギー容量特性を有する部分とが共存することになり、全体として、優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
(実施形態5)
本発明の実施形態5について、図9を用いて説明する。実施形態5は、電極部材の構成の変形例であり、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本発明の実施形態5について、図9を用いて説明する。実施形態5は、電極部材の構成の変形例であり、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
上述した実施形態では、正極活物質層12及び負極活物質層22は、領域で厚さを変化させることにより、特性の異なる領域を形成したが、本実施形態では、活物質層を形成する正極活物質及び負極活物質の種類を異なるものとすることにより、相対的に特性が異なる領域を設けたものである。
図9は、本実施形態に係る電極部材の一部拡大断面模式図である。同図に示すように、正極10Bは、正極集電箔11の両面に正極活物質層12Aを設けたものである。正極活物質層12Aは、活物質層を形成する正極活物質の種類を異なるものとして、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性を有する第1の正極活物質で形成した第1の正極活物質層14aと、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性を有する第2の正極活物質で形成した第2の正極活物質層14bと、これらの第1の正極活物質と第2の正極活物質とを混合して形成した、中間的な第3の特性を有する第3の正極活物質層14cとからなるようにした。このような正極10Bと同様に負極も領域によって異なる特性を有するものとし、これらをセパレータを介して積層することにより、上述した実施形態と同様に、入出力特性に優れた部分及び高いエネルギー容量特性を有する部分とが共存することになり、全体として、優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
ここで、上述した第1の特性及び第2の特性を有する活物質の一例を示す。例えば、高出力且つ低容量の第1の特性を具備する活物質は、電子伝導性の高い活物質を適用する。すなわち、リチウムイオン二次電池の入出力特性を向上させるためには、例えば、活物質層の内部抵抗を下げればよいが、電子伝導性が高ければ、充電時及び放電時における活物質の表面及び活物質間での電子の伝導が迅速に進行し、活物質層の内部抵抗を下げることができる。そして、このような活物質層は高い入出力特性を維持することができる。
一方、低出力且つ高容量の第2の特性を具備する活物質については、高いエネルギー容量を備えた活物質を適用する。リチウムイオン二次電池のエネルギー容量を向上させるためには、活物質自体のエネルギー密度(容量)を高くすることが必要だからである。
ここで、高出力且つ低容量の第1の特性を有する活物質と、低出力且つ高容量の第2の特性を有する活物質について、正極活物質を例示して説明する。
高出力特性を有するか否かは、各種活物質の種類及びその粒子径や添加される導電助剤量により判断できる。
一方、高容量特性(低出力特性)を有するか否かは、例えば、活物質の理論容量に基づき判断することができる。LiCoO2の理論容量は274mAh/g、LiNiO2の理論容量は274mAh/g、LiMn2O4の理論容量は148mAh/g、LiFePO4の理論容量は170mAh/gである。よって、ここではLiCoO2及びLiNiO2は、LiMn2O4及びLiFePO4と比較して相対的に高容量の特性を有するものと判断でき、LiFePO4は、LiMn2O4と比較して相対的に高容量の特性を有するものと判断できる。
このように、活物質の種類及びその粒子径や添加される導電助剤量や理論容量、好ましくは実容量の値を相対的に比較することにより、高出力且つ低容量の第1の特性を有する活物質と低出力且つ高容量の第2の特性を有する活物質との組み合わせを選択することができる。本実施形態では、第1の特性を有し、第1の正極活物質層14aを形成する正極活物質としては、相対的に高出力低容量のLiMn2O4を用い、第2の特性を有し、第2の正極活物質層14bを形成する正極活物質としては、相対的に低出力で高容量のLiFePO4を用い、第3の特性を有する第3の正極活物質層14cを形成する正極活物質としては、これらの混合物を用いた。
勿論、活物質層の入出力特性や実容量の値は、活物質の粒子サイズを変えたり、導電材料を添加したり、表面処理を施したり、結晶構造やバルク改質等を行うことにより変動する値であるため、これらを同時に変更することにより、第1〜第3の正極活物質層14a、14b、14cの入出力特性及び容量特性を変更するようにしてもよい。
また、このような活物質の改質により、極めて優れた高出力且つ低容量の第1の特性を有する活物質と、これと相反する低出力且つ極めて優れた高容量の第2の特性を有する活物質を形成することは可能であり、これらを組み合わせた電極部材を用いれば、さらに優れた入出力特性及び高いエネルギー容量特性を同時に兼ね備えた二次電池を実現することができる。
なお、第1及び第2の特性を有する負極活物質層22を形成する負極活物質としては、実施形態1に例示した活物質から適宜選択して、厚さを変更して設ければよいが、上述した正極活物質と同様に、活物質の特性を検討して第1の特性に対応する負極活物質と第2の特性に対応する負極活物質とを異なるようにしてもよく、活物質の種類と同時に厚さを変更するようにしてもよい。
(実施形態6)
本発明の実施形態6について、図10を用いて説明する。実施形態6は、電極部材の構成の変形例である。
本発明の実施形態6について、図10を用いて説明する。実施形態6は、電極部材の構成の変形例である。
実施形態5では、種類の異なる活物質を用いて、正極活物質層12Aを相対的に特性が異なる3つの領域に分けたが、例えば、上述した実施形態5で用いた第1の正極活物質と第2の正極活物質との混合比を端子引き出し方向に沿って徐々に変化させることにより同様な効果を奏することができる。
図10は、正極10Cの正極集電箔11の両面に形成した正極活物質層12B内の第1の正極活物質15及び第2の正極活物質16の濃度分布を示したものである。すなわち、正極活物質層12Bは、活物質層を形成する正極活物質として、第1の特性を有する第1の正極活物質15と、第2の特性を有する第2の正極活物質16とを混合して形成したものであるが、端子引き出し方向に沿って、第1の正極活物質15及び第2の正極活物質16の混合比を徐々に変化させることにより形成したものである。
本実施形態では、第1の特性を有する第1の正極活物質15の混合比を端子引き出し側端部(図10右)で最も高くし、反対側の端部(図10左)では、第2の特性を有する第2の正極活物質16の混合比を最も高くした。これにより、正極活物質層12Bは、端子引き出し側端部では第1の特性が強い領域17a、反対側の端部では第2の特性が強い領域17b、中央部ではその中間の領域17cを有することになる。
このように、第1と第2の特性を有する正極活物質の混合比を徐々に変化させることにより、特性が徐々に変化した活物質層を形成することができ、上述した実施形態と同様な効果を奏することができる。なお、このような正極10Cと同様に負極も異なる特性を有する負極活物質の混合比を徐々に変化させることにより、同様の領域を形成することができ、同様な効果を奏することは言うまでもない。
(他の実施形態)
上述した実施形態では、正極及び負極が厚さ方向に積層された積層型の電極を例示したが、長尺の正極及び負極を巻回した巻回型の電極としてもよい。
上述した実施形態では、正極及び負極が厚さ方向に積層された積層型の電極を例示したが、長尺の正極及び負極を巻回した巻回型の電極としてもよい。
また、上述した実施形態では、リチウムイオン二次電池用電極部材を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、電解質にゲル状のポリマーを利用したリチウムポリマー二次電池にも適用することができる。また、携帯電話やノート型パソコン等の小型ポータブル電子機器に搭載されるニッケルカドミニウム電池やニッケル水素電池等のアルカリ二次電池にも適用することができる。
また、本実施形態に係る二次電池の容器、形状は、ラミネート型又は缶型であるが、これに限定されない。例えばコイン型、円筒型、ボタン型、シート型、角型等であってもよい。また、これらの二次電池は、複数個を直列に接続したものでもよいし、並列に接続したものでもよい。
1 ラミネート型リチウムイオン二次電池
2 電極部材
3 ラミネート外装体
4 正極端子
5 負極端子
6 電解液
10 正極
11 正極集電箔
12 正極活物質層
13a〜13c 第1〜第3の領域
20 負極
21 負極集電箔
22 負極活物質層
23a〜23c 第1〜第3の領域
30 セパレータ
40 電極対
50 貫通孔
2 電極部材
3 ラミネート外装体
4 正極端子
5 負極端子
6 電解液
10 正極
11 正極集電箔
12 正極活物質層
13a〜13c 第1〜第3の領域
20 負極
21 負極集電箔
22 負極活物質層
23a〜23c 第1〜第3の領域
30 セパレータ
40 電極対
50 貫通孔
Claims (6)
- 電解液と、該電解液に浸漬されて用いられる電極部材とを具備する二次電池であって、
前記電極部材は、正極集電箔の表面に形成された正極活物質層を有する正極と、負極集電箔の表面に形成された負極活物質層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとが積層されて、前記セパレータを介して相対向する前記正極活物質層と前記負極活物質層とで電極対を構成し、
前記正極および前記負極のそれぞれは、相対的に高出力且つ低容量の第1の特性を具備する活物質層からなる第1の領域と、相対的に低出力且つ高容量の第2の特性を具備する活物質層からなる第2の領域とを具備し、当該第1の領域と第2の領域との間の領域では出力及び容量の特性が前記第1の特性から前記第2の特性まで徐々に又は段階的に変化した特性を具備する活物質層を具備することを特徴とする二次電池。 - 前記第1の領域の活物質層と、前記第2の領域の活物質層と、これらの間の領域の活物質層では、層の厚さ、塗工量及び層を形成する活物質の種類の少なくともいずれかが異なることにより、前記第1の特性及び前記第2の特性又はこれらの間の変化した特性に対応することを特徴とする請求項1に記載の二次電池。
- 前記正極及び前記負極は、それぞれ集電箔の両面に活物質層を具備し、前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、前記集電箔の両面のそれぞれに前記第1の特性に対応する活物質層から前記第2の特性に対応する活物質層まで徐々に又は段階的に変化した活物質層を具備することを特徴とする請求項1又は2に記載の二次電池。
- 前記正極及び前記負極は、それぞれの前記集電箔の両面に前記第1の特性に対応する活物質層から前記第2の特性に対応する活物質層まで徐々に又は段階的に変化した活物質層を具備し、
前記正極の前記第1の特性に対応する活物質層と前記負極の前記第1の特性に対応する活物質層とが、また、前記正極の前記第2の特性に対応する活物質層と前記負極の前記第2の特性に対応する活物質層とが相対向するように配置されていることを特徴とする請求項3に記載の二次電池。 - 前記正極及び前記負極の集電箔には複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項3又は4に記載の二次電池。
- 前記電極対が複数積層され又は巻回されて構成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の二次電池。
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2012
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