JP2016157687A - 装置、二次電池、製造方法、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態では、図1乃至図4を用いて、本発明の一態様に係る二次電池用電極の製造方法および製造装置について説明する。
図4(A)は二次電池40の外装体11の斜視図である。図4(B)は正極とセパレータと負極を積層させた斜視図である。図4(C)は正極と負極を外装体の外側に引き出すためのリード電極16であり、封止層15を有している。図4(D)は二次電池40の斜視図である。図4(E)は図4(D)に示す二次電池40を鎖線A−Bで切断した断面の一例である。図4(F)は二次電池40の充電時の電流の流れを示す図である。
外装体11には可撓性基材からなるシートを用いる。シートには、積層体を用い、金属フィルムの一方の面または両方の面に接着層(ヒートシール層とも呼ぶ)を有するものを用いる。接着層には、ポリプロピレンやポリエチレンなどを含む熱融着性樹脂フィルムを用いる。本実施の形態では、シートとして、アルミニウム箔の表面にナイロン樹脂を有し、アルミニウム箔の裏面に耐酸性ポリプロピレン膜と、ポリプロピレン膜の積層が設けられている金属シートを用いる。図4(A)はこのシートをカットして中央部を折り曲げた状態を示している。
正極は正極集電体12と正極活物質層18とを少なくとも有する。また、負極は負極集電体14と負極活物質層19を少なくとも有する。図4(B)では、蓄電池用電極(正極または負極)を矩形のシート形状で示しているが、蓄電池用電極の形状はこれに限らず、任意の形状を適宜選択することができる。活物質層は集電体の一方の面にのみ形成されているが、活物質層は集電体の両面に形成されていてもよい。また、活物質層は集電体の表面全域に形成する必要はなく、電極タブと接続するための領域等の非塗布領域を適宜設ける。
正極集電体および負極集電体には、それぞれ、高い導電性を示す材料が利用できる。
正極に用いる集電体には、例えば、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、マンガン等の金属、およびこれらの合金(ステンレスなど)を用いることができるが、正極集電体として利用することで正極の充放電特性の可逆性が良好となる、アルミニウムを用いると好ましい。
負極に用いる集電体には、例えば、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、マンガン等の金属、およびこれらの合金(ステンレスなど)を用いることができるが、リチウムと合金を形成しない金属、例えば銅、または、ニッケルを用いると好ましい。
正極集電体および負極集電体は、それぞれ、炭素、ニッケル、またはチタン等で被覆してもよい。また、シリコン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどを添加して耐熱性を向上させてもよい。また、正極集電体および負極集電体は、箔状、シート状、板状、網状、円柱状、コイル状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状、多孔質状および不織布を包括する様々な形態等の形状を適宜用いることができる。さらに、活物質との密着性を上げるために正極集電体および負極集電体は表面に細かい凹凸を有していてもよい。また、正極集電体および負極集電体には、厚みが5μm以上30μm以下のものを用いるとよい。
正極または負極に用いる活物質は、リチウムイオン等のキャリアイオンを挿入することが可能で、なおかつ、脱離することが可能な材料であればよい。適当な手段により粉砕、造粒および分級することで、活物質の平均粒径や粒径分布を制御することが出来る。
正極活物質層18に用いる正極活物質としては、オリビン型の結晶構造、層状岩塩型の結晶構造、またはスピネル型の結晶構造を有する複合酸化物等がある。正極活物質として、例えばLiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、V2O5、Cr2O5、MnO2等の化合物を用いる。
また、負極活物質層19の負極活物質としては、リチウムの溶解・析出、またはリチウムイオンを挿入することが可能で、なおかつ脱離することが可能な材料を用いることができ、リチウム金属、炭素系材料、合金系材料等を用いることができる。
セパレータ13としては、絶縁体を用いることができ、例えば、セルロース(紙)や、空孔が設けられたポリプロピレンや空孔が設けられたポリエチレンを用いることができる。
電解液20は、電解質と溶媒からなり、キャリアイオンが移動可能な材料を用いる。
電解質としては、リチウムイオンを有する材料が好ましい。電解質の代表例としては、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等のリチウム塩がある。これらの電解質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせおよび比率で用いてもよい。
電解液の溶媒は、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。
二次電池の構成は、例えば、セパレータ13の厚さは約25μm、正極集電体12は約20μm以上約40μm以下、正極活物質層18は約100μm、負極活物質層19は約100μm、負極集電体14は約20μm以上約40μm以下である。
図1、図2は製造装置1000の模式図を示している。
二次電池に用いる電解液、および電解液1004は、それぞれ、電解質と溶媒からなり、キャリアイオンが移動可能な材料を用いる。
電解質は、リチウムイオンを有する材料が好ましい。電解質の代表例としては、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等のリチウム塩がある。これらの電解質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の組み合わせおよび比率で用いてもよい。
電解液の溶媒は、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。
対極1003(第2の電極)としてはリチウム金属、あるいは白金を用いることができる。
犠牲電極1006(第1の電極)としては銅を用いることができる。犠牲電極1006には、集電体に用いることができる材料を用いることができる。例えば、チタン、ステンレス等を用いることができる。
被処理電極1005(第3の電極)を容器1001の電解液1004の中に入れる。被処理電極1005は片面または両面に活物質層を形成した集電体(シート状の電極)である。電解液1004に入れた被処理電極1005は保持手段(導電性を有する留め具など)に電気的に接続される。その保持手段は第1のコード1008で制御装置1010に電気的に接続される。
図2、図3を用いて二次電池の電極処理方法を示す。なお、本実施の形態ではリチウム金属電極の平衡電位(V vs.Li/Li+)を0とし、各端子の電位は、リチウム金属電極の平衡電位との電位差を示すものとする。
本実施の形態では、本発明の一態様を用いた蓄電装置の様々な形態について説明する。
図6(A)は、コイン型(単層偏平型)の蓄電池の外観図であり、図6(B)は、その断面図である。
図7に、蓄電装置の一例として、薄型の蓄電池について示す。図7は、薄型の蓄電池の一例を示す。薄型の蓄電池は、可撓性を有する構成とすれば、可撓性を有する部位を少なくとも一部有する電子機器に実装した場合に、当該電子機器の変形に合わせて蓄電池を曲げることができる。
図14に、図7とは異なる薄型蓄電池の例として、二次電池100aを示す。図14(A)は二次電池100aの斜視図、図14(B)は二次電池100aの上面図である。図14(C)は、図14(B)の一点破線D1−D2における断面図である。なお、図14(C)では図を明瞭にするため、正極111、負極115、セパレータ103、正極リード電極121、負極リード電極125、および封止層120を抜粋して示す。
図16に、図14と異なる薄型蓄電池の例として二次電池100bを示す。図16(A)は二次電池100bの斜視図、図16(B)は二次電池100bの上面図である。図16(C1)は第1の電極組立体130、図16(C2)は第2の電極組立体131の断面図である。図16(D)は、図16(B)の一点破線E1−E2における断面図である。なお、図16(D)では図を明瞭にするため、第1の電極組立体130、第2の電極組立体131およびセパレータ103を抜粋して示す。
また、蓄電システムの構造例について、図18、図19、図20を用いて説明する。ここで蓄電システムとは、例えば、蓄電装置を搭載した機器を指す。本実施の形態で説明する蓄電システムは、本発明の一態様を用いた蓄電池を有する。
本実施の形態では、本発明の一態様を用いた蓄電装置である、可撓性を有する蓄電池を電子機器に実装する例について説明する。
本実施の形態では、蓄電装置を搭載することのできる電子機器の一例を示す。
本実施の形態では、車両に蓄電装置を搭載する例を示す。
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した材料を含む電池セルと組み合わせて用いることができる電池制御ユニット(Battery Management Unit:BMU)、および該電池制御ユニットを構成する回路に適したトランジスタについて、図25乃至図31を参照して説明する。本実施の形態では、特に直列に接続された電池セルを有する蓄電装置の電池制御ユニットについて説明する。
A2 端子
B1 端子
B2 端子
C11 端子
C12 端子
C13 端子
C14 端子
C15 端子
S1 制御信号
S2 制御信号
S3 変圧信号
SW1 スイッチ
SW2 スイッチ
SW3 スイッチ
SW11 スイッチ
11 外装体
12 正極集電体
13 セパレータ
14 負極集電体
15 封止層
16 リード電極
17 熱圧着領域
18 正極活物質層
19 負極活物質層
20 電解液
40 二次電池
100a 二次電池
100b 二次電池
103 セパレータ
103a 領域
103b 領域
107 外装体
111 正極
111a 正極
115 負極
115a 負極
120 封止層
121 正極リード電極
125 負極リード電極
130 電極組立体
131 電極組立体
300 蓄電池
301 正極缶
302 負極缶
303 ガスケット
304 正極
305 正極集電体
306 正極活物質層
307 負極
308 負極集電体
309 負極活物質層
310 セパレータ
331 第1の領域
332 第2の領域
333 第3の領域
500 蓄電池
501 正極集電体
502 正極活物質層
503 正極
504 負極集電体
505 負極活物質層
506 負極
507 セパレータ
508 電解液
509 外装体
510 正極リード電極
511 負極リード電極
512 溶接領域
513 湾曲部
514 封止部
600 蓄電池
601 正極キャップ
602 電池缶
603 正極端子
604 正極
605 セパレータ
606 負極
607 負極端子
608 絶縁板
609 絶縁板
610 ガスケット
611 PTC素子
612 安全弁機構
900 回路基板
910 ラベル
911 端子
912 回路
913 蓄電池
914 アンテナ
915 アンテナ
916 層
917 層
918 アンテナ
919 端子
920 表示装置
921 センサ
922 端子
951 端子
952 端子
1000 製造装置
1001 容器
1002 セパレータ
1003 対極
1004 電解液
1005 被処理電極
1006 犠牲電極
1007 膜
1008 第1のコード
1009 第2のコード
1010 制御装置
1011 加熱手段
1012 第3のコード
1013 撹拌手段
1020 制御装置
1300 蓄電装置
1301 端子対
1302 端子対
1303 切り替え制御回路
1304 切り替え回路
1305 切り替え回路
1306 変圧制御回路
1307 変圧回路
1308 電池部
1309 電池セル
1310 トランジスタ
1311 バス
1312 バス
1313 トランジスタ
1314 電流制御スイッチ
1315 バス
1316 バス
1317 スイッチ対
1318 スイッチ対
1321 トランジスタ対
1322 トランジスタ
1323 トランジスタ
1324 バス
1325 バス
1331 トランジスタ対
1332 トランジスタ
1333 トランジスタ
1334 バス
1335 バス
1341 電池制御ユニット
1351 絶縁型DC−DCコンバータ
1352 スイッチ部
1353 トランス部
1700 曲面
1701 平面
1702 曲線
1703 曲率半径
1704 曲率中心
1800 曲率中心
1801 フィルム
1802 曲率半径
1803 フィルム
1804 曲率半径
7100 携帯表示装置
7101 筐体
7102 表示部
7103 操作ボタン
7104 蓄電装置
7200 携帯情報端末
7201 筐体
7202 表示部
7203 バンド
7204 バックル
7205 操作ボタン
7206 入出力端子
7207 アイコン
7300 表示装置
7304 表示部
7400 携帯電話機
7401 筐体
7402 表示部
7403 操作ボタン
7404 外部接続ポート
7405 スピーカ
7406 マイク
7407 蓄電装置
7408 リード電極
7409 集電体
8000 表示装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカ部
8004 蓄電装置
8021 充電装置
8022 ケーブル
8100 照明装置
8101 筐体
8102 光源
8103 蓄電装置
8104 天井
8105 側壁
8106 床
8107 窓
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 蓄電装置
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 蓄電装置
8400 自動車
8401 ヘッドライト
8500 自動車
9600 タブレット型端末
9625 スイッチ
9626 スイッチ
9627 電源スイッチ
9628 操作スイッチ
9629 留め具
9630 筐体
9630a 筐体
9630b 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 蓄電体
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
9640 可動部
Claims (8)
- 容器、第1の電極、第2の電極、第3の電極、電解液、および制御手段を有し、
前記電解液は、前記容器に入っており、
前記電解液は、リチウム、およびリチウム以外のアルカリ金属を有し、
前記第1の電極、前記第2の電極、および前記第3の電極は、前記電解液中にそれぞれ離間して位置し、
前記制御手段は、前記第1の電極、前記第2の電極、および前記第3の電極に、電位を与える機能を有することを特徴とする装置。 - 容器に電解液を溜め、第1乃至第3の電極を前記電解液中に浸漬し、前記第1の電極に電位を付与する第1の工程と、
第2の電極と第3の電極に電位を付与して電気化学反応を生じさせる第2の工程と、を有し、
前記電解液はリチウム、およびリチウム以外のアルカリ金属を有し、
前記第1の工程で前記第1の電極に付与する電位は、リチウムの平衡電位以上、かつ、前記リチウム以外のアルカリ金属の平衡電位未満の電位であることを特徴とする電極の製造方法。 - 請求項2において、リチウム以外のアルカリ金属はNaまたはKの少なくとも一方を含むことを特徴とする電極の製造方法。
- 請求項2または3において、
前記第1の電極は、リチウム以外のアルカリ金属を有し、
前記第2の電極は、リチウム金属を有する電極の製造方法。 - 請求項2乃至4のいずれか一において、
前記第1の工程では、前記第1の電極の表面に、前記リチウム以外のアルカリ金属が析出し、
前記第2の工程では、前記第1の電極の表面に析出した前記リチウム以外のアルカリ金属と、不純物と、が反応する、電極の製造方法。 - 正極活物質層を有する第1の電極と、負極活物質層を有する第2の電極と、を形成する、第1の工程と、
容器内の第1の電解液中に前記第1の電極または前記第2の電極と、第3の電極と、第4の電極と、を入れて、前記第3の電極に電位を付与する、第2の工程と、
前記第1の電解液中の前記第1の電極または前記第2の電極と、前記第4の電極と、に電位を付与して電気化学反応を生じさせる、第3の工程と、
前記第1の電極または前記第2の電極を前記第1の電解液から取り出し、乾燥させる、第4の工程と、
開口部を有する外装体で囲まれた領域に、前記第1の電極および前記第2の電極を重ねて収納する、第5の工程と、
前記外装体で囲まれた領域に、第2の電解液を収納し、前記外装体の開口部を塞ぐ、第6の工程を有する、二次電池の作製方法。 - 請求項1に記載の装置を用いて作製された電極を有する二次電池。
- 請求項7の二次電池と、
アンテナ、操作スイッチ、マイク、または、スピーカと、
を有する電子機器。
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