JP2020095835A - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
この種の非水電解液二次電池は、一般的に、上記捲回電極体の内部に非水電解液が保持されており、該非水電解液に含まれる電荷担体(例えばリチウムイオン)が、正極活物質を含む正極活物質層と負極活物質を含む負極活物質層との間を行き来することによって、充電および放電が行われる。負極活物質層に着目すると、充電時には負極活物質層中に電荷担体が吸蔵され、放電時には充電時に吸蔵された電荷担体が負極活物質層中から非水電解液中に放出される。
活物質の膨張収縮に伴って、捲回電極体の内部にあった非水電解液が該捲回電極体の外部に押し出される場合がある。また、扁平形状の捲回電極体の場合、上記R部に膨張収縮の応力が集中しやすい。本発明者らは、とりわけ当該部位から非水電解液が排出されやすく、また、ここに非水電解液が保持されにくい場合があることを突き止めた。
扁平形状の捲回電極体の外部に排出された非水電解液は、例えば該捲回電極体の構成部材等から、再び該捲回電極体の内部に含浸(浸透)しなければ該捲回電極体内部の電池反応に電荷担体を供給できず、これに起因して電池容量が低下するおそれがある。これは電池抵抗を上昇させ、電池性能を低下させる原因になり得るため、好ましくない。
そこで、本発明は、上述した扁平形状の捲回電極体を備えた非水電解液二次電池に関する課題を解決するべく創出されたものであり、ハイレートで充放電を繰り返した場合であっても扁平形状の捲回電極体からの非水電解液の排出を抑制し、かつ該捲回電極体に非水電解液の浸透性を付与し、非水電解液の排出にともなう電池性能の劣化を防止し得る非水電解液二次電池の提供を目的とする。
ここに開示される非水電解液二次電池では、上記捲回電極体は扁平形状であり、上記捲回軸と直交する横断面において、長手方向の両端部であって、外表面が曲面からなる2つのR部と、両R部に挟まれている長手方向の中央部分であって2つの表面を有するF部と、を有する。
そして、上記捲回電極体の上記横断面において、中心から最も離れた上記2つのR部それぞれの外表面上にある外側湾曲頂点P,P’を結ぶ直線P−P’を扁平中央線Lと規定したとき、上記捲回電極体の上記横断面において、上記扁平中央線Lに沿って、上記2つのR部において最も内側となる正極または負極の内側頂点V,V’を結ぶ直線V−V’の長さをF部長辺長さAとし、一方の上記内側頂点Vと、該頂点Vに近い方の上記外側湾曲頂点Pまでの厚みV−PをR部中心厚みDとすると、A/(A+D)が、0.64以上0.92以下である。
また、上記正極活物質層の多孔度が10vol%以上50vol%以下である。
「電極体」とは、正極、負極、および正負極間にセパレータとして機能し得る多孔質絶縁層を含む電池の主体を成す構造体をいう。「正極活物質」または「負極活物質」は、電荷担体となる化学種(例えば、リチウムイオン二次電池においてはリチウムイオン、ナトリウムイオン二次電池においてはナトリウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出可能な化合物(正極活物質または負極活物質)をいう。
電池ケース30は、上端が開放された扁平な直方体形状の電池ケース本体32と、その開口部を塞ぐ蓋体34とを備える。電池ケース30の上面(すなわち蓋体34)には、捲回電極体の正極と電気的に接続する外部接続用の正極端子42、および捲回電極体の負極と電気的に接続する負極端子44が設けられている。蓋体34にはまた、従来のリチウムイオン二次電池の電池ケースと同様に、電池ケース30の内部で発生したガスを電池ケース30の外部に排出するための安全弁36が備えられている。
電池ケース30の材質としては、アルミニウム等の金属材料、ポリイミド樹脂等の樹脂材料が挙げられる。ケースの形状(容器の外形)は、例えば円形(円筒形、コイン形、ボタン形)、六面体形(直方体形、立方体形)、袋体形、およびそれらを加工し変形させた形状等であってもよい。
捲回電極体20の捲回軸方向における中央部分には、捲回コア部分(すなわち、正極50の正極活物質層54と、負極60の負極活物質層64と、セパレータ70とが密に積層された部分)が形成されている。また、捲回電極体20の捲回軸方向の両端部では、正極50における正極活物質層非形成部52aおよび負極60における負極活物質層非形成部62aが、それぞれ捲回コア部分から外方にはみ出ている。かかる正極活物質層非形成部52aおよび負極活物質層非形成部62aには、正極集電板および負極集電板がそれぞれ付設され、正極端子42(図1参照)および負極端子44(図1参照)とそれぞれ電気的に接続される。
また、上記横断面において、扁平中央線Lに沿って、2つのR部22a,22bにおいて最も内側となる正極または負極の内側頂点V,V’を結ぶ直線V−V’の長さをF部の長辺長さAとする。さらに、一方の内側頂点Vと、該頂点Vに近い方の外側湾曲頂点Pまでの厚みV−P(内側頂点V’と、該頂点V’に近い方の外側湾曲頂点P’までの厚みV’−P’でもよい)をR部中心厚みDとする。このとき、好ましくは、(A+D)に対するAの比(割合)、即ちA/(A+D)が、0.64以上0.92以下(例えば0.88以上0.92以下)となるように設定する。
正極活物質層54に含まれる正極活物質としては、好適例として、層状系のリチウム含有遷移金属酸化物が挙げられる。例えば、構成元素として少なくともLi,Ni,CoおよびMnを含む層状構造(典型的には、六方晶系に属する層状岩塩型構造)のリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えば、LiNi0.38Co0.32Mn0.3O2)が好ましい。
正極活物質層54の多孔度(多孔率、空孔率)は、例えば10〜50vol%(例えば20〜40vol%)であることが好ましい。正極活物質層54がこのような性状を満たすことにより、正極活物質層54内に適度な空隙を保つことができ、非水電解液を十分に浸透させることができる。なお、本明細書において「多孔度」とは、水銀ポロシメータの測定によって得られた全細孔容積(cm3)を活物質層の見かけの体積(cm3)で除して100を掛けた値をいう。
導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック(AB)、気相成長炭素、ケッチェンブラックなどが挙げられる。正極活物質層54全体に占める導電助剤の割合は、おおよそ0.5質量%以上(典型的には、1質量%以上)とすることが適当であり、通常はおおよそ20質量%以下(典型的には、18質量%以下)であることが好ましい。
また、バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ブチルゴム(BR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(ABR)等が挙げられる。正極活物質層54全体に占めるバインダの割合は、おおよそ0.1質量%以上(典型的には、0.5質量%以上)とすることが適当であり、通常はおおよそ5.0質量%以下(典型的には、3.0質量%以下)であることが好ましい。
非水溶媒としては、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)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、およびエチルメチルカーボネート(EMC)等のうちの1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
支持塩としては、例えばLiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム化合物(リチウム塩)の1種または2種以上を用いることができる。特に好ましくは、LiPF6を用いる。
<試験例1:リチウムイオン二次電池の構築>
正極活物質粉末として、LiNi0.38Co0.32Mn0.30O2(LNCM)を用意した。かかるLNCMと、導電材としてABと、バインダとしてPVdFとを、LNCM:AB:PVdF=90.4:8.1:1.5の重量比となるように混練機に投入し、N−メチルピロリドン(NMP)中で混練して、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、アルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布し、乾燥後にプレスすることによって、正極を作製した。なお、水銀ポロシメータで測定した本実施例のサンプル1〜14に係る正極活物質層の多孔度(vol%)は、表1に示されている。
負極活物質粉末として天然黒鉛を用意した。かかる天然黒鉛と、バインダとしてSBRと、増粘剤としてCMCとを、天然黒鉛:SBR:CMC=98:1:1の重量比となるように混練機に投入し、イオン交換水中で混練して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、銅箔(負極集電体)の両面に塗布し、乾燥後にプレスすることによって、負極を作製した。
次に、得られた捲回電極体を電池ケースの内部に収容し、電池ケースの開口部から非水電解液を注入した。非水電解液としては、ECとDMCとEMCとLiPF6とを、EC:DMC:EMC:LiPF6=30:28:28:14の重量比で含む混合液を用いた。そして、該開口部を封止し、評価試験用リチウムイオン二次電池(即ち、サンプル1〜14)を得た。
例1〜例14に係るリチウムイオン二次電池について、コンディショニング処理後、25℃の環境下、各評価試験用電池のSOC(state of charge)を80%に調整し、200Aで10秒間充電した後で放電する、ハイレートでの矩形波充放電を500サイクル実施した。そして、かかる充放電サイクル試験前におけるIV抵抗(電池の初期抵抗)と充放電サイクル試験後におけるIV抵抗から抵抗上昇率を算出した。ここで、抵抗上昇率は、「充放電サイクル試験後のIV抵抗/充放電サイクル試験前のIV抵抗」により求めた。
当該試験結果を、表1および図4に示す。ここで、図4中、各評価試験用電池の抵抗上昇率は括弧内に示されており、この数値が1であるものは、抵抗の上昇がなかったことを表している。
以上の結果から、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、ハイレートサイクル特性(即ち、良好な電池性能の維持)に優れた特徴を有する。
22a(b) R部
24 F部
30 電池ケース
32 電池ケース本体
34 蓋体
36 安全弁
42 正極端子
44 負極端子
50 正極(正極シート)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部
54 正極活物質層
60 負極(負極シート)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部
64 負極活物質層
70 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
P,P’ 外側湾曲頂点
V,V’ 内側頂点
L 扁平中央線
A F部の長辺長さ
D R部中心厚み
Claims (1)
- 正極活物質を含む正極活物質層を有する長尺なシート状の正極と、負極活物質を含む負極活物質層を有する長尺なシート状の負極が、長尺なシート状のセパレータを介在させつつ重ね合わされ捲回軸の周りに捲回された捲回電極体と、
非水電解液と
を備える非水電解液二次電池であって、
前記捲回電極体は扁平形状であり、前記捲回軸と直交する横断面において、
長手方向の両端部であって、外表面が曲面からなる2つのR部と、
両R部に挟まれている長手方向の中央部分であって2つの表面を有するF部と、
を有するものであり、
前記捲回電極体の前記横断面において、中心から最も離れた前記2つのR部それぞれの外表面上にある外側湾曲頂点P,P’を結ぶ直線P−P’を扁平中央線Lと規定したとき、
前記捲回電極体の前記横断面において、前記扁平中央線Lに沿って、前記2つのR部において最も内側となる正極または負極の内側頂点V,V’を結ぶ直線V−V’の長さをF部長辺長さAとし、一方の前記内側頂点Vと、該頂点Vに近い方の前記外側湾曲頂点Pまでの厚みV−PをR部中心厚みDとしたとき、
A/(A+D)が、0.64以上0.92以下であり、
ここで、前記正極活物質層の多孔度が10vol%以上50vol%以下である、非水電解液二次電池。
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