JP2019186056A - リチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

【課題】巻回電極群の巻回方向の終端において、負極板の歪みを抑制すること。【解決手段】リチウムイオン電池は巻回電極群を含む。巻回電極群は正極板１０、負極板２０および隔離材３０を含む。巻回電極群は、正極板１０および負極板２０が渦巻状に巻回されることにより形成されている。隔離材３０は正極板１０と負極板２０との間に介在している。巻回電極群は第１領域および第２領域を含む。第１領域では負極板２０の両面が正極板１０と対向している。第２領域では負極板２０の片面のみが正極板１０と対向している。巻回電極群の巻回方向の終端に第２領域が配置されている。第１領域において巻回電極群は第１容量比を有している。第２領域において巻回電極群は第２容量比を有している。第２容量比は第１容量比よりも大きい。【選択図】図３

Description

本開示はリチウムイオン電池に関する。

特開２０１５−１９１８７９号公報（特許文献１）は巻回電極群を含むリチウムイオン電池を開示している。

特開２０１５−１９１８７９号公報

巻回電極群は、正極板および負極板が渦巻状に巻回されることにより形成される。正極板および負極板の各々は内周面および外周面を有する。内周面は巻回軸に対して内周側の面を示す。外周面は巻回軸に対して外周側の面を示す。

巻回電極群の大部分において、負極板の内周面および外周面の両面が正極板と対向している。しかし巻回電極群の巻回方向の終端では、負極板の外周面に対向する正極板が無い。したがって巻回方向の終端では、負極板の内周面（片面）のみが正極板と対向していることになる。

負極板は充電により膨張する。巻回方向の終端では、負極板の片面のみで膨張が起こる。負極板の片面のみが正極板と対向しているためである。巻回方向の終端では、負極板の片面のみで膨張が起こるため、負極板に歪みが生じやすいと考えられる。負極板に歪みが生じることにより、リチウムイオン電池の性能劣化が促進される可能性がある。例えば負極板が反ることにより、電極間距離が不均一になると考えられる。これにより電極反応も不均一となり、容量劣化等が促進される可能性がある。

本開示の目的は、巻回電極群の巻回方向の終端において、負極板の歪みを抑制することである。

以下本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により特許請求の範囲が限定されるべきではない。

〔１〕リチウムイオン電池は巻回電極群を含む。巻回電極群は正極板、負極板および隔離材を含む。巻回電極群は、正極板および負極板が渦巻状に巻回されることにより形成されている。隔離材は正極板と負極板との間に介在している。巻回電極群は第１領域および第２領域を含む。第１領域では負極板の両面が正極板と対向している。第２領域では負極板の片面のみが正極板と対向している。巻回電極群の巻回方向の終端に第２領域が配置されている。第１領域において巻回電極群は第１容量比を有している。第２領域において巻回電極群は第２容量比を有している。第１容量比および第２容量比の各々は、正極板の単位面積あたりの容量に対する負極板の単位面積あたりの容量の比である。第２容量比は第１容量比よりも大きい。

本開示のリチウムイオン電池では、巻回電極群に第１領域および第２領域が形成されている。第２領域は巻回方向の終端に配置されている。第１領域は第２領域以外の領域である。第１領域では、巻回電極群が第１容量比（＝負極容量／正極容量）を有している。第２領域では、巻回電極群が第２容量比を有している。第２容量比は第１容量比よりも大きい。すなわち本開示のリチウムイオン電池では、巻回電極群の巻回方向の終端（第２領域）において、容量比が局所的に大きくなっている。そのため第１領域における負極板の充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）に比して、第２領域における負極板のＳＯＣは相対的に低くなると考えられる。したがって第２領域においては、負極板の膨張が局所的に小さくなると考えられる。これにより負極板の歪みが抑制されると考えられる。

〔２〕正極板は正極活物質層を含んでいてもよい。第１領域において正極活物質層は第１正極目付量を有している。第２領域において正極活物質層は第２正極目付量を有している。第２正極目付量は第１正極目付量よりも少なくてもよい。

例えば第２領域において、正極活物質層の目付量が局所的に少ないことにより、第２容量比が第１容量比よりも大きくなり得る。

〔３〕負極板は負極活物質層を含んでいてもよい。第１領域において負極活物質層は第１負極目付量を有している。第２領域において負極活物質層は第２負極目付量を有している。第２負極目付量は第１負極目付量よりも多くてもよい。

例えば第２領域において、負極活物質層の目付量が局所的に多いことにより、第２容量比が第１容量比よりも大きくなり得る。

図１は本実施形態の巻回電極群を示す第１概略図である。 図２は本実施形態の巻回電極群を示す第２概略図である。 図３は巻回方向の終端を示す断面概略図である。 図４は負極活物質層のＳＯＣと応力との関係の一例を示すグラフである。

以下本開示の実施形態（本明細書では「本実施形態」と略記され得る）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。

＜リチウムイオン電池＞
本実施形態のリチウムイオン電池は巻回電極群を少なくとも含む。リチウムイオン電池において巻回電極群は例えば所定のケースに収納されている。ケースは例えば金属製の容器等であってもよい。ケースは例えばアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。

図１は本実施形態の巻回電極群を示す第１概略図である。
図１には巻回前の状態が示されている。巻回電極群１００は正極板１０、負極板２０および隔離材３０を含む。正極板１０、負極板２０および隔離材３０の各々は帯状である。巻回電極群１００は正極板１０および負極板２０が渦巻状に巻回されることにより形成される。隔離材３０は正極板１０と負極板２０との間に介在している。

巻回電極群１００は第１領域１０１および第２領域１０２を含む。第２領域１０２は巻回方向の終端に配置されている。第２領域１０２は巻回電極群１００の最外周の少なくとも一部を形成する。最外周の全部が第２領域１０２であってもよい。巻回後、第１領域１０１では負極板２０の両面が正極板１０と対向することになる。巻回後、第２領域１０２では負極板２０の片面のみが正極板１０と対向することになる。

本実施形態では第１領域１０１と第２領域１０２とで容量比が異なる。すなわち第１領域１０１において巻回電極群１００は第１容量比を有している。第２領域１０２において巻回電極群１００は第２容量比を有している。第２容量比は第１容量比よりも大きい。これにより巻回方向の終端において負極板２０の歪みが抑制されると考えられる。

図２は本実施形態の巻回電極群を示す第２概略図である。
図２には巻回後の状態が示されている。本実施形態の巻回電極群１００は扁平状の外形を有している。巻回電極群１００は例えば円筒状に巻回された後、扁平状に成形されていてもよい。巻回電極群１００は例えば当初より扁平状に巻回されていてもよい。巻回方向の終端において、例えば粘着テープ４０により、隔離材３０等が固定されている。

図３は巻回方向の終端を示す断面概略図である。
図３中の正極板１０、負極板２０および隔離材３０は第２領域１０２（図１）に含まれている。正極板１０は正極集電体１１および正極活物質層１２を含む。正極活物質層１２は正極集電体１１の両面に形成されている。

負極板２０は負極集電体２１および負極活物質層２２を含む。負極活物質層２２は負極集電体２１の両面に形成されている。第２領域１０２においては負極板２０の片面のみが正極板１０と対向している。すなわち内周側の負極活物質層２２は正極活物質層１２と対向している。外周側の負極活物質層２２は正極活物質層１２と対向していない。負極活物質層２２は充電により膨張し、放電により収縮すると考えられる。内周側の負極活物質層２２のみで体積変化が起こることにより、負極板２０に歪みが生じると考えられる。

図４は負極活物質層のＳＯＣと応力との関係の一例を示すグラフである。
図４の負極活物質層２２は珪素の薄層である。負極活物質層２２（すなわち負極活物質）のＳＯＣが高くなる程、応力が大きくなる。すなわち歪みが大きくなると考えられる。

本実施形態では第１容量比よりも第２容量比が大きい。そのため巻回方向の終端では、負極活物質層２２のＳＯＣが局所的に低くなると考えられる。これにより巻回方向の終端における負極板２０の歪みが抑制されると考えられる。

容量比（すなわち第１容量比および第２容量比の各々）は、正極板１０の単位面積あたりの容量に対する負極板２０の単位面積あたりの容量の比である。正極板１０の単位面積あたりの容量、および負極板２０の単位面積あたりの容量は、正極活物質層１２と負極活物質層２２とが互いに対向している部分における値である。巻回方向の終端においては、外周側の正極活物質層１２と、内周側の負極活物質層２２とにおいて、単位面積あたりの容量が計算される。

正極板１０の単位面積あたりの容量は、正極活物質層１２の目付量（単位：ｇ／ｃｍ²）と、正極活物質層１２における正極活物質の質量比率（単位：質量％）と、正極活物質の比容量（単位：ｍＡｈ／ｇ）との積である。負極板２０の単位面積あたりの容量は、負極活物質層２２の目付量（単位：ｇ／ｃｍ²）と、負極活物質層２２における負極活物質の質量比率（単位：質量％）と、負極活物質の比容量（単位：ｍＡｈ／ｇ）との積である。

《正極板》
正極板１０は正極集電体１１および正極活物質層１２を含む。正極活物質層１２は正極集電体１１の表面に形成されている。例えば巻回方向の終端において、第２容量比が第１容量比よりも大きくなるように、正極活物質層１２の目付量を局所的に減少させてもよい。すなわち第１領域１０１において正極活物質層１２が第１正極目付量を有しており、第２領域１０２において正極活物質層１２が第２正極目付量を有しており、かつ第２正極目付量は第１正極目付量よりも少なくてもよい。

正極活物質層１２は例えば正極スラリーが正極集電体１１の表面に塗布され、乾燥されることにより形成され得る。例えばダイコータにおいて、所定間隔でスロットダイと正極集電体１１（被塗布物）とのギャップを変化させることにより、目付量を変化させてもよい。ギャップが小さい程、正極活物質層１２の目付量が少なくなると考えられる。例えばダイコータにおいて、所定間隔で正極集電体１１の搬送速度を変化させることにより、目付量を変化させてもよい。搬送速度（塗布速度）が速い程、正極活物質層１２の目付量が少なくなると考えられる。

正極集電体１１は例えばアルミニウム箔等であってもよい。正極活物質層１２は正極活物質を少なくとも含む。正極活物質は特に限定されるべきではない。正極活物質は例えばニッケルコバルトマンガン酸リチウム（例えばＬｉＮｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ｍｎ_1/3Ｏ₂等）であってもよい。正極活物質層１２は導電材およびバインダをさらに含んでいてもよい。導電材は例えばカーボンブラック等であってもよい。バインダは例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等であってもよい。

《負極板》
負極板２０は負極集電体２１および負極活物質層２２を含む。負極活物質層２２は負極集電体２１の表面に形成されている。例えば巻回方向の終端において、第２容量比が第１容量比よりも大きくなるように、負極活物質層２２の目付量を局所的に増加させてもよい。すなわち第１領域１０１において負極活物質層２２が第１負極目付量を有しており、第２領域１０２において負極活物質層２２が第２負極目付量を有しており、かつ第２負極目付量は第１負極目付量よりも多くてもよい。

負極活物質層２２は例えば負極スラリーが負極集電体２１の表面に塗布され、乾燥されることにより形成され得る。例えばダイコータにおいて、所定間隔でスロットダイと負極集電体２１とのギャップを変化させることにより、目付量を変化させてもよい。ギャップが大きい程、負極活物質層２２の目付量が多くなると考えられる。例えばダイコータにおいて、所定間隔で負極集電体２１の搬送速度を変化させることにより、目付量を変化させてもよい。搬送速度が遅い程、負極活物質層２２の目付量が多くなると考えられる。

負極集電体２１は例えば銅箔等であってもよい。負極活物質層２２は負極活物質を少なくとも含む。負極活物質は特に限定されるべきではない。負極活物質は例えば黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、錫基合金、ゲルマニウム基合金、鉛基合金等であってもよい。

本実施形態は、充放電に伴う体積変化率が大きい負極活物質に対して特に有効であると考えられる。体積変化率が大きい負極活物質としては、例えば珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、錫基合金等が考えられる。なお前述の正極活物質の体積変化率が無視できない程度に大きい場合は、正極活物質の体積変化率も考慮され、第２容量比が設定され得る。

負極活物質層２２は実質的に負極活物質のみからなっていてもよい。例えば負極集電体２１の表面に珪素が蒸着されることにより、負極活物質層２２が形成されていてもよい。負極活物質層２２は導電材およびバインダをさらに含んでいてもよい。導電材は例えばカーボンブラック等であってもよい。バインダは例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等であってもよい。

《隔離材》
隔離材３０は正極板１０と負極板２０との間に介在している。隔離材３０は電気絶縁性である。かつ隔離材３０はリチウムイオン伝導体である。隔離材３０は、例えば電気絶縁性の多孔質膜と、電解液とからなっていてもよい。多孔質膜は例えばポリオレフィン製の多孔質膜等であってもよい。電解液は溶媒およびリチウム塩を少なくとも含む。溶媒は例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）等の混合溶媒であってもよい。リチウム塩は例えばＬｉＰＦ₆等であってもよい。

隔離材３０は例えばゲルポリマー電解質であってもよい。すなわち本実施形態のリチウムイオン電池はポリマー電池であってもよい。ゲルポリマー電解質は、高分子膜に電解液が浸透し、高分子膜が膨潤することにより形成され得る。高分子膜は例えばフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）膜等であってもよい。

隔離材３０は例えば固体電解質であってもよい。すなわち本実施形態のリチウムイオン電池は全固体電池であってもよい。固体電解質は例えば酸化物系固体電解質であってもよい。固体電解質は例えば硫化物系固体電解質であってもよい。

本開示の実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１０ 正極板、１１ 正極集電体、１２ 正極活物質層、２０ 負極板、２１ 負極集電体、２２ 負極活物質層、３０ 隔離材、４０ 粘着テープ、１００ 巻回電極群、１０１ 第１領域、１０２ 第２領域。

Claims (3)

1. 巻回電極群を含み、
   前記巻回電極群は正極板、負極板および隔離材を含み、
   前記巻回電極群は、前記正極板および前記負極板が渦巻状に巻回されることにより形成されており、
   前記隔離材は前記正極板と前記負極板との間に介在しており、
   前記巻回電極群は第１領域および第２領域を含み、
   前記第１領域では前記負極板の両面が前記正極板と対向しており、
   前記第２領域では前記負極板の片面のみが前記正極板と対向しており、
   前記巻回電極群の巻回方向の終端に前記第２領域が配置されており、
   前記第１領域において前記巻回電極群は第１容量比を有しており、
   前記第２領域において前記巻回電極群は第２容量比を有しており、
   前記第１容量比および前記第２容量比の各々は、前記正極板の単位面積あたりの容量に対する前記負極板の単位面積あたりの容量の比であり、
   前記第２容量比は前記第１容量比よりも大きい、
   リチウムイオン電池。
2. 前記正極板は正極活物質層を含み、
   前記第１領域において前記正極活物質層は第１正極目付量を有しており、
   前記第２領域において前記正極活物質層は第２正極目付量を有しており、
   前記第２正極目付量は前記第１正極目付量よりも少ない、
   請求項１に記載のリチウムイオン電池。
3. 前記負極板は負極活物質層を含み、
   前記第１領域において前記負極活物質層は第１負極目付量を有しており、
   前記第２領域において前記負極活物質層は第２負極目付量を有しており、
   前記第２負極目付量は前記第１負極目付量よりも多い、
   請求項１または請求項２に記載のリチウムイオン電池。

Images