JP2018163893A - 二次電池、電池パック及び車両 - Google Patents
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Abstract
Description
第1の実施形態によれば、正極と、負極と、セパレータと、第1の電解質と、第2の電解質とを含む二次電池が提供される。セパレータは、少なくとも正極及び負極の間に配置される。セパレータは、アルカリ金属イオン伝導性の固体電解質を含む。第1の電解質は、少なくとも正極中に存在する。また、第1の電解質は第1のアルカリ金属塩及び第1の水系溶媒を含む。第2の電解質は、少なくとも負極中に存在する。第2の電解質は、第2のアルカリ金属塩及び第2の水系溶媒を含む。
第1の電解質は、少なくとも正極中に存在する。第1の電解質は、例えば、第1のアルカリ金属塩と、第1のアルカリ金属塩が溶解される第1の水系溶媒とを含む水系溶液である。第1の電解質は、正極に加え、負極あるいはセパレータのうち少なくとも一方にも存在し得る。
第2の電解質は、少なくとも負極中に存在する。第2の電解質は、例えば、第2のアルカリ金属塩と、第2のアルカリ金属塩が溶解される第2の水系溶媒とを含む水系溶液である。第2の電解質は、負極に加え、正極及びセパレータのうちの少なくとも一方にも存在し得る。
第1の電解質及び第2の電解質は、それぞれ、溶質となる塩1molに対し、溶媒量(例えば水系溶媒中の水量)が1mol以上であることが好ましい。さらに好ましい形態は、溶質となる塩1molに対する溶媒量が3.5mol以上である。
この負極は、負極集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質、必要に応じて導電剤および結着剤を含む負極活物質含有層とを有する。
(1)式において、W1は、第1の元素含有粒子の重量で、W2は、負極活物質粒子の重量である。チタン含有酸化物粒子の表面が被覆物で被覆されている場合、W2は、チタン含有酸化物粒子と被覆物の合計重量である。
この正極は、正極集電体と、前記集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質と、必要に応じて導電剤および結着剤を含む正極活物質含有層とを有する。
セパレータは、アルカリ金属イオン伝導性の固体電解質を含む。アルカリ金属イオンは、例えば、Li+、Na+またはK+である。Li+、Na+及びK+のうち、二種類以上のカチオンに対するイオン伝導性を有していても良い。
正極、負極及び第1,第2の電解質が収容される容器には、金属製容器や、ラミネートフィルム製容器、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂容器を使用することができる。
第2の実施形態によれば、二次電池を単位セルとする組電池を提供することができる。二次電池には、第1の実施形態の二次電池を用いることができる。
第3の実施形態によれば、第1の実施形態の二次電池を少なくとも一つと、二次電池の充放電を制御するための回路部とを含む電池パックを提供することができる。複数の二次電池は、電気的に直列、並列、又は直列および並列を組み合わせて接続されることができる。複数の二次電池から組電池を形成する場合、第2の実施形態の組電池を使用することができる。
第4の実施形態によれば、第1の実施形態に係る二次電池、第2の実施形態に係る組電池あるいは第3の実施形態に係る電池パックを含む車両が提供される。
(実施例1)
正極活物質に、平均二次粒子径5μmのスピネル構造のリチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)を用いた。これに、導電剤として繊維径0.1μmの気相成長の炭素繊維を3重量%、導電剤として黒鉛粉末を5重量%、結着剤として5重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をそれぞれ配合して水に分散してスラリーを調製した。導電剤及び結着剤の混合割合は、正極活物質、導電剤及び結着剤の合計を100重量%とした場合の値である。得られたスラリーを厚さ10μmのニッケル箔の両面に塗布し、乾燥し、プレス工程を経て、ニッケル箔の両面に正極活物質含有層を形成し、電極密度2.2g/cm3の正極を作製した。各正極活物質含有層の厚さは43μmであった。
(実施例2)
平均粒子直径が1μmのLi1.3Al0.3Zr1.7(PO4)3粉末をPTFE含有分散溶液と混合して、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とPTFEとが重量比率92:8の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例3〜9)
表3に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
(実施例10)
平均粒子直径が1μmのLi1.3Al0.3Zr1.7(PO4)3粉末をPTFE含有分散溶液と混合して、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とPTFEとが重量比率97:3の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例11)
セパレータとして、厚さ30μmのLi1.4Al0.4Ge0.2Ti1.4(PO4)3板を用いた。Li1.4Al0.4Ge0.2Ti1.4(PO4)3は、リチウムイオン伝導性の固体電解質である。このセパレータを用いると共に、表3に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
(実施例12)
平均粒子直径が1μmのLi1.4Al0.4Ge0.2Ti1.4(PO4)3粉末をPTFE含有分散溶液と混合して、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とPTFEとが重量比率97:3の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例13)
表3に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
(実施例14〜18)
表1に示す正極活物質及び負極活物質と、表3に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
(実施例19)
セパレータとして、厚さ30μmのLi6SrLa2Ta2O12板を用いた。Li6SrLa2Ta2O12は、ガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性の固体電解質である。このセパレータを用いると共に、表3に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
(実施例20)
平均粒子直径が1μmのLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3粉末を粒状のPCTFEと混合して、溶媒である水中に分散させ、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とPCTFEとが重量比率97:3の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例21)
平均粒子直径が1μmのLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3粉末とエチレンテトラフルオロエチレンコポリマーの粉末とを混合し、これを溶媒である水中に分散させ、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とエチレンテトラフルオロエチレンコポリマーとが重量比率97:3の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例22)
平均粒子直径が1μmのLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3粉末とPETの粉末とを混合し、これを溶媒である水中に分散させ、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とPETとが重量比率97:3の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例23)
平均粒子直径が1μmのLi1.3Al0.3Zr1.7(PO4)3粉末をPTFE含有分散溶液と混合して、キャステイング、乾燥、350℃で高温プレスすることで厚さ20μmの複合膜を作製した。複合膜は、リチウムイオン伝導性の固体電解質とPTFEとが重量比率97:3の比率で混合した組成を有するものであった。
(実施例24)
表4に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
(比較例1〜5)
セパレータとして厚さが20μmのポリプロピレン多孔質フィルムを用い、表4に示す第1の電解質及び第2の電解質を用いること以外は、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
正極と、
負極と、
少なくとも前記正極及び前記負極の間に配置され、アルカリ金属イオン伝導性の固体電解質を含むセパレータと、
少なくとも前記正極中に存在し、第1のアルカリ金属塩及び第1の水系溶媒を含む第1の電解質と、
少なくとも前記負極中に存在し、第2のアルカリ金属塩及び第2の水系溶媒を含む第2の電解質とを含む、二次電池。
[2]
前記第2の電解質のpH値は、前記第1の電解質のpH値より高い、[1]に記載の二次電池。
[3]
前記第2の電解質のアルカリ金属イオンの濃度は、前記第1の電解質のアルカリ金属イオン濃度以上の値である、[1]または[2]のいずれかに記載の二次電池。
[4]
前記第2の電解質の前記第2のアルカリ金属塩の陰イオンは、Cl−、OH−、[(FSO2)2N]−及び[(CF3SO2)2N]−よりなる群から選ばれる一種又は二種以上のイオンを含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の二次電池。
[5]
前記第1の電解質の前記第1のアルカリ金属塩の陰イオンは、Cl−、NO3 −、CO3 2−、及びSO4 2−よりなる群から選ばれる一種又は二種以上のイオンを含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の二次電池。
[6]
前記負極は、アルカリ金属イオンを吸蔵放出するチタン含有酸化物を含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の二次電池。
[7]
前記セパレータは、前記固体電解質と高分子材料との複合体を含む、[1]〜[6]のいずれかに記載の二次電池。
[8]
[1]〜[7]のいずれかに記載の二次電池を含む電池パック。
[9]
前記二次電池を複数含み、前記複数の二次電池が直列、並列、又は直列と並列の組合せで電気的に接続されている、[8]に記載の電池パック。
[10]
保護回路及び通電用の外部端子をさらに含む、[8]又は[9]に記載の電池パック。[11]
[8]〜[10]のいずれかに記載の電池パックを含む、車両。
[12]
前記電池パックが、前記車両の動力の回生エネルギーを回収するものである、[11]に記載の車両。
Claims (12)
- 正極と、
負極と、
少なくとも前記正極及び前記負極の間に配置され、アルカリ金属イオン伝導性の固体電解質を含むセパレータと、
少なくとも前記正極中に存在し、第1のアルカリ金属塩及び第1の水系溶媒を含む第1の電解質と、
少なくとも前記負極中に存在し、第2のアルカリ金属塩及び第2の水系溶媒を含む第2の電解質とを含む、二次電池。 - 前記第2の電解質のpH値は、前記第1の電解質のpH値より高い、請求項1に記載の二次電池。
- 前記第2の電解質のアルカリ金属イオンの濃度は、前記第1の電解質のアルカリ金属イオン濃度以上の値である、請求項1または2のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記第2の電解質の前記第2のアルカリ金属塩の陰イオンは、Cl−、OH−、[(FSO2)2N]−及び[(CF3SO2)2N]−よりなる群から選ばれる一種又は二種以上のイオンを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記第1の電解質の前記第1のアルカリ金属塩の陰イオンは、Cl−、NO3 −、CO3 2−、及びSO4 2−よりなる群から選ばれる一種又は二種以上のイオンを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記負極は、アルカリ金属イオンを吸蔵放出するチタン含有酸化物を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の二次電池。
- 前記セパレータは、前記固体電解質と高分子材料との複合体を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の二次電池。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の二次電池を含む電池パック。
- 前記二次電池を複数含み、前記複数の二次電池が直列、並列、又は直列と並列の組合せで電気的に接続されている、請求項8に記載の電池パック。
- 保護回路及び通電用の外部端子をさらに含む、請求項8又は9に記載の電池パック。
- 請求項8〜10のいずれか1項に記載の電池パックを含む、車両。
- 前記電池パックが、前記車両の動力の回生エネルギーを回収するものである、請求項11に記載の車両。
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