JP2017091977A - リチウムイオン二次電池の充放電方法、電池モジュール、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
リチウムイオン二次電池の充放電方法、電池モジュール、及びリチウムイオン二次電池 Download PDFInfo
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Abstract
Description
まず、本発明の充放電方法で用いるリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極とがセパレータを介して交互に重畳される発電要素を主に備える。また、上記発電要素はケースに収納され、このケース内に電解液が充填される。なお、リチウムイオン二次電池は、正極電位を計測するための参照電極を備えてもよい。
正極は、集電層及び正極活物質層を有する。また、正極は集電層と正極活物質層との間に中間層を有していてもよい。
集電層は、導電性を有する層である。集電層の材質としては、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、導電性の高さとコストとのバランスからアルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金が好ましく、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。また、集電層の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極の集電層としてはアルミニウム箔が好ましい。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS−H−4000(2014年)に規定されるA1085P、A3003P等が例示できる。
中間層は、集電層の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで集電層と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダー、導電性粒子、及び非導電性無機粒子を含有する組成物により形成できる。なお、「導電性」とは、JIS−H−0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が107Ω・cm超であることを意味する。
正極活物質層は、正極活物質を含むいわゆる正極合材から形成される。また、正極活物質層を形成する正極合材は、必要に応じて導電剤、結着剤(バインダー)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。
上記導電剤としては、電池性能に悪影響を与えない導電性材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、天然又は人造の黒鉛、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、金属、導電性セラミックスなどが挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。
負極は、集電層及び負極活物質層を有する。また、負極は、正極と同様、集電層と負極活物質層との間に中間層を有していてもよい。この中間層は正極の中間層と同様の構成とすることができる。
集電層は、正極の集電層と同様の構成とすることができるが、材質としては、銅又は銅合金が好ましい。つまり、負極の集電層としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。
負極活物質層は、負極活物質を含むいわゆる負極合材から形成される。また、負極活物質層を形成する負極合材は、必要に応じて導電剤、結着剤(バインダー)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等の任意成分は、正極活物質層と同様のものを用いることができる。
セパレータの材質としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも多孔質樹脂フィルムが好ましい。多孔質樹脂フィルムの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましい。また、これらの樹脂とアラミドやポリイミド等の樹脂とを複合した多孔質樹脂フィルムを用いてもよい。
電解液としては、リチウムイオン二次電池に通常用いられる公知の電解液が使用でき、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状カーボネート、又は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)等の鎖状カーボネートを含有する溶媒に、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)等を溶解した溶液を用いることができる。
当該リチウムイオン二次電池の充放電方法は、上述のリチウムイオン二次電池を用い、このリチウムイオン二次電池を充電する工程と、上記リチウムイオン二次電池を放電する工程とを備え、放電工程において正極の下限電位をリチウム基準で3.7V以上とする。
当該電池モジュールは、上記リチウムイオン二次電池と、このリチウムイオン二次電池の充放電を制御する機構とを備え、上記制御機構が、正極の下限電位をリチウム基準で3.7V以上とするよう制御する。
アルミニウム箔の表面に、正極活物質としてのLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(タングステンを0.8質量%含む)、導電剤としてのアセチレンブラック、及び結着剤としてのPVDFを90:5:5の質量比で含む正極活物質層を積層し、正極を作製した。また、銅箔の表面に、負極活物質としての黒鉛、及び結着剤としてのPVDFを95:5の質量比で含む負極活物質層を積層し、負極を作製した。これらの正極及び負極をセパレータを介して巻回することで発電要素を作製した。この発電要素を電池ケースに挿入した後に、電池蓋をレーザー溶接で溶接した。電池蓋に設けた注液孔を介して、ECとEMCとを30:70の質量比で含む溶媒にLiPF6を1Mで溶解させた電解液を充填した。図1に示すような電池断面を有し、電池容量が700mAhである試験体1のリチウムイオン二次電池を製作した。
正極活物質をLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(ジルコニウムを0.5質量%含む)とした以外は、上記試験体1と同様の材料を用いて試験体2のリチウムイオン二次電池を製作した。
試験体1、2のリチウムイオン二次電池について、電池の充電電圧を4.15Vに設定して、45℃で500回の充放電サイクルを行うサイクル寿命試験を実施した。このサイクル寿命試験では、各電池の放電終止電圧をそれぞれ2.75V、3.40V、3.50Vおよび3.58Vに設定した。各放電終止電圧における正極の放電終止電位(正極の下限電位)は、それぞれ2.95V、3.60V、3.70Vおよび3.78Vとなる。放電時の正極の放電終止電位に対応する各電池の容量維持率(1サイクル目の放電容量に対して500サイクル目の放電容量)を計測した。この結果を表1に示す。
2 発電要素
3 正極
4 負極
5 セパレータ
6 電池ケース
7 電池蓋
8 注液栓
9 負極端子
Claims (5)
- 正極活物質を有する正極を備えるリチウムイオン二次電池の充放電方法であって、
上記正極活物質がタングステンを含有し、
上記正極の下限電位をリチウム基準で3.7V以上とすることを特徴とするリチウムイオン二次電池の充放電方法。 - 上記正極活物質におけるタングステンの含有率が0.05質量%以上3質量%以下である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の充放電方法。
- 上記正極活物質が層状構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物であり、
上記正極活物質がこのリチウム含有遷移金属酸化物の遷移金属としてニッケルを含む請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池の充放電方法。 - 正極活物質を有する正極を備えるリチウムイオン二次電池と、
このリチウムイオン二次電池の充放電を制御する機構と
を備える電池モジュールであって、
上記正極活物質がタングステンを含有し、
上記制御機構が、上記正極の下限電位をリチウム基準で3.7V以上とするよう制御することを特徴とする電池モジュール。 - 正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極とを備えるリチウムイオン二次電池であって、
上記正極活物質がタングステンを含有し、
上記負極活物質が黒鉛を含有し、
上記正極の最低到達電位がリチウム基準で3.7V以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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