JP2021106171A - 二次電池用電極、二次電池、電池パック、および車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、高温耐久性に優れる二次電池用電極、二次電池、電池パック、および車両を提供することにある。【解決手段】本実施形態の二次電池用電極は、チタン含有酸化物を活物質として含む二次電池用電極であって、水銀圧入法により得られる前記電極の細孔径の測定範囲が0.003μm以上0.3μm以下の場合、前記電極の細孔のメディアン径が0.050μm以上0.1μm以下であり、かつ前記電極の細孔の表面積が4g/m2以上8m2/g以下である。【選択図】図1

Description

二次電池用電極、二次電池、電池パック、および車両に関する。
リチウムイオンを用いた非水電解質電池等の二次電池は、マイクロハイブリッド自動車やアイドリングストップシステム等の車載用途や定置用途への応用が進むにつれて、更なる高容量化、長寿命化、高出力化が期待されている。リチウムチタン複合酸化物は、充放電に伴う体積変化が小さいためサイクル特性に優れている。また、リチウムチタン複合酸化物のリチウム吸蔵放出反応は原理的にリチウム金属が析出し難いため、大電流での充放電を繰り返しても性能劣化が小さい。
リチウムイオンを用いた非水電解質電池を自動車等の車両のエンジンルームに搭載する場合、非水電解質電池につながる配線の簡素化し、車両内の空間を広げることができる。しかしながら、エンジンルームは80℃程度の高温環境であるため、非水電解質電池の電極活物質と電解液の副反応やバインダの膨潤・劣化等が起こってしまう。そのため、リチウムイオンを用いた非水電解質電池の出力が低下し、寿命が短くなってしまうことが課題である。
特開2005‐123183号公報 特開平9‐199179号公報
本発明が解決しようとする課題は、高温耐久性に優れる二次電池用電極、二次電池、電池パック、および車両を提供することにある。
本実施形態の二次電池用電極は、チタン含有酸化物を活物質として含む二次電池用電極であって、水銀圧入法により得られる前記電極の細孔径の測定範囲が0.003μm以上0.3μm以下の場合、前記電極の細孔のメディアン径が0.050μm以上0.100μm以下であり、かつ前記電極の細孔の表面積が4m/g以上8.00m/g以下である。
薄型非水電解質電池の断面模式図。 電池パックの分解斜視図。 電池パックの電気回路を示すブロック図。 車両の一例である自動車の模式図。 車両の一例である電気自動車の模式図。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
(第1実施形態)
二次電池として、非水電解質電池の一例を説明する。
図1の上図に非水電解質電池の断面模式図、図1の下図に図1の上図に示したA部分の拡大図を示す。
図1の上図から、扁平状の捲回電極群1は、外装部材2として2枚の樹脂層の間にアルミニウム箔を介在したラミネートフィルムからなる袋状外装部材2内に収納されている。図1の下図から、扁平状の捲回電極群1は、外側から負極3、セパレータ4、正極5、セパレータ4の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。
図1の下図から、最外殻の負極3は、負極集電体3aの内面側の片面に形成された負極活物質層3bで構成されている。最外殻以外の負極3は、負極集電体3aの両面に形成された負極活物質層3bで構成されている。
正極5は、正極集電体5aの両面に正極活物質層5bが形成されたもので構成されている。
負極端子6は、最外殻の負極3の負極集電体3aに接続されている。正極端子7は、正極5の正極集電体5aに接続されている。
負極端子6及び正極端子7は、袋状外装部材2の開口部から外部に延出されている。液状の非水電解質は、袋状外装部材2の開口部から注入される。袋状外装部材2の開口部を、負極端子6及び正極端子7が外部に延出した状態でヒートシールすることにより、捲回電極群1及び液状の非水電解質は完全密封される。
負極端子6は、例えば、リチウムイオン金属に対する電位が1V以上3V以下の範囲において、電気的安定性と導電性をもつ材料で作られる。負極端子6は、例えば、Al、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのうち1種類の元素を含むアルミニウム合金で作られる。負極端子6は、例えば、Al、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのうち複数種類の元素を含むアルミニウム合金で作られてもよい。負極端子6は、負極集電体3aとの接触抵抗を低減するために、負極集電体3aと同様の材料で作られることが好ましい。
正極端子7は、リチウムイオン金属に対する電位が3V以上4.5V以下の範囲において、電気的安定性と導電性をもつ材料で作られる。正極端子7は、Al、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのうち少なくとも1つの元素を含むアルミニウム合金で作られる。正極端子7は、Al、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのうち複数種類の元素を含むアルミニウム合金で作られる。正極端子7は、正極集電体5aとの接触抵抗を低減するために、正極集電体5aと同様の材料で作られることが好ましい。
以下、本実施形態の非水電解質電池に用いられる負極3、正極5、非水電解質、セパレータ4、外装部材2、正極端子7、および負極端子6について詳細に説明する。
(負極)
負極3は、負極集電体3a及び負極活物質層3bを含む。
負極集電体3aは、1.0Vよりも貴である電位の範囲において、電気化学的に安定であるアルミニウム箔若しくはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのうち1種類の元素を含むアルミニウム合金箔で形成されることが好ましい。負極集電体3aは、1.0Vよりも貴である電位の範囲において、電気化学的に安定であるアルミニウム箔若しくはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのうち1種類の元素を含むアルミニウム合金箔で形成されてもよい。
負極活物質層3bは、負極活物質、導電剤、および結着剤を含む。負極活物質層3bは、負極集電体3aの片面若しくは両面に形成される。負極活物質、導電剤、及び結着剤の配合比は、負極活物質は70質量%以上96質量%以下、負極導電剤は2質量%以上28質量%以下、結着剤は2質量%以上28質量%以下の範囲であることが好ましい。導電剤が2質量%未満であると、負極活物質層3bの集電性能が低下し、非水電解質電池の大電流特性が低下する恐れがある。結着剤が2質量%未満であると、負極活物質層3bと負極集電体3aの結着性が低下し、サイクル特性が低下する恐れがある。非電解質電池の高容量化の観点から、導電剤及び結着剤は各々28質量%以下であることが好ましい。
負極活物質層3bの負極活物質には、チタン含有金属酸化物を用いる。
チタン含有酸化物の例に、リチウムチタン酸化物、チタン酸化物、ニオブチタン酸化物、ナトリウムニオブチタン酸化物等が含まれる。
リチウムチタン酸化物の例に、スピネル構造リチウムチタン酸化物(例えば一般式Li4/3+xTi5/3(xは0≦x≦1.1)、ラムスデライト構造のリチウムチタン酸化物(例えば、Li2+xTi(−1≦x≦3))、Li1+xTi(0≦x≦1)、Li1.1+xTi1.8(0≦x≦1)、Li1.07+xTi1.86(0≦x≦1)、Li2+aTi6−b14±c(AはNa,K,Mg,Ca,Srから選ばれる一種以上の元素、BはTi以外の金属元素、0≦a≦5、0≦b<6、0≦c≦0.6、0≦d≦3)で表されるリチウムチタン酸化物などが含まれる。
チタン酸化物の例に、単斜晶構造のチタン酸化物(例えば、充電前構造がTiO(B)、LiTiO(xは0≦x))、ルチル構造のチタン酸化物(例えば、充電前構造がTiO、LiTiO(xは0≦x))、アナターゼ構造のチタン酸化物(例えば、充電前構造がTiO、LiTiO(xは0≦x))が含まれる。
ニオブチタン酸化物の例に、LiTiMNb2±β7±σ(0≦a≦5、0≦b≦0.3、0≦β≦0.3、0≦σ≦0.3、MはFe,V,Mo及びTaよりなる群から選択される少なくとも1種の元素)で表されるものが含まれる。
ナトリウムニオブチタン酸化物の例に、一般式Li2+vNa2−wM1Ti6−y−zNbM214+δ(0≦v≦4、0<w<2、0≦x<2、0<y≦6、0≦z<3、−0.5≦δ≦0.5、M1はCs,K,Sr,Ba,Caより選択される少なくとも1つを含み、M2はZr,Sn,V,Ta,Mo,W,Fe,Co,Mn,Alより選択される少なくとも1つを含む)で表される斜方晶型Na含有ニオブチタン複合酸化物が含まれる。
水銀圧入法による負極活物質層3bに含まれる負極活物質の細孔分布測定において、細孔径の測定範囲を0.003μm以上0.3μm以下で測定した場合、負極活物質の細孔のメディアン径が0.050μm以上0.1μm以下であり、かつ負極活物質の細孔表面積が8m/g以下となる。さらに好ましくは、負極活物質の細孔のメディアン径は0.065μm以上0.1μm以下とする。
負極活物質層3bを非水電解質電池に用いた際に、負極活物質の細孔のメディアン径が小さすぎると、電解液中で負極活物質層3bのイオン導電性が低下する。また、負極活物質の細孔のメディアン径が大きすぎると、負極活物質層3bに含まれる負極活物質間での電子導電パスが分断される。そのため、負極活物質の細孔のメディアン径は、0.050μm以上0.1μm以下が好ましい。さらに好ましくは、0.065μm以上0.1μm以下が好ましい。
負極活物質層3bを非水電解質電池に用いた際に、負極活物質の細孔表面積が小さすぎると、負極活物質と電解液との間の反応面積が減少し非水電解質電池の出力特性が低下する。負極活物質の細孔表面積が大きすぎると、負極活物質の表面での副反応が増大し非水電解質電池の寿命特性が低下してしまう。そのため、負極活物質の細孔表面積は4m/g以上8.00m/g以下が好ましい。さらには、5m/g以上7m/g以下がより好ましい。
負極3は、例えば、次の方法により作製される。
負極活物質、導電剤および結着剤を溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを、負極集電体3aの片面または両面に塗布した。負極集電体3aに塗布したスリラーを70℃以上110℃以下で予備乾燥する。次に130℃以上で乾燥して、負極活物質層3bを形成する。その後、プレスを施すことで、負極3を作製する。なお、負極活物質、導電剤、および結着剤をペレット状に形成し、負極活物質層3bとして用いることもできる。
結着材としては、アクリル系結着材、または、スチレンブタジレンゴム(SBR)とカルボキシメチルセルロース(CMC)の混合物を用いることが好ましい。
アクリル系結着剤は、アクリル系ポリマーを含む。アクリル系ポリマーは、重合体または共重合体であってよい。或いは、アクリル系ポリマーは、重合体および共重合体の両方を含んでもよい。
アクリル系ポリマーを構成するモノマーの例には、アクリル基を有するモノマーおよびメタクリル基を有するモノマーが含まれる。アクリル基を有するモノマーは、典型的には 、アクリル酸またはアクリル酸エステルである。メタクリル基を有するモノマーは、典型的には、メタクリル酸またはメタクリル酸エステルである。
アクリル系ポリマーを構成するモノマーの例には、アクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸2‐エチルヘキシル、アクリル酸イソノニル、アクリル酸ヒドロキシエチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸グリシジル、アクリルニトリル、アクリルアミド、スチレン、およびアクリルアミドが含まれる。
このようなアクリル系結着剤を用いることにより、負極集電体3aと負極活物質層3bとの接着性が向上される。これにより、電極の強度を向上させることができる。
上記のアクリル系結着材は、PVDF等の結着材よりも、負極活物質の粒子表面で塊状になりにくく、粒子表面への被覆性が高い。そのため、負極活物質層3bの負極活物質の細孔径を一定に保ち、さらに負極活物質層3bの負極活物質の細孔表面積を小さくすることができる。
しかしながら、上記の結着材を含む負極のスラリーを高温で乾燥すると、スラリーに含まれる溶媒が急激に気化してしまう。これにより、スラリーの表面に結着材が偏在してしまう現象、つまり、マイグレーションが生じやすい。マイグレーションが生じると、負極活物質の細孔表面積が増加してしまう。そのため、マイグレーションを防ぐために、負極のスラリーを70℃以上110℃以下の低温で予備乾燥して溶媒を気化させる。予備乾燥の温度は好ましくは80℃以上1 00℃以下がよい。したがって、負極3の細孔の表面積を4m/g以上8.00m/g以下となる。
また、スリラーに含まれる溶媒が急激に気化してしまうのを防ぐため、溶媒は、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)や水を用いる。ただし、リチウムチタン酸化物とナトリウムリチウムチタン酸化物の場合、溶媒は水を用いず、N−メチル−2−ピロリドンを用いる。
負極活物質層3bをプレスする際のプレス線圧を変えることにより、負極3の電極密度は制御できる。負極3の負極電極密度は2.25g/cc以上2.70g/cc以下となるように、負極活物質層3bのプレスをした。これにより、負極活物質層3b内の負極活物質の粒子同士がより接触するようになる。そのため、負極3の細孔のメディアン径は0.050μm以上0.1μm以下となる。
非水電解質電池に含まれる負極活物質層の細孔のメディアン径と細孔表面積は、例えば、次の方法により測定する。
非水電解質電池を放電後、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で非水電解質電池を解体し負極を取り出す。負極をエチルメチルカーボネートで十分洗浄し、100℃に温度調節された真空乾燥機で減圧乾燥する。乾燥後、負極集電体と負極活物質層を含めて負極を1g程度切り出し、5cc容量のセルに移す。初期圧5kPaの条件で、水銀圧入法によって細孔分布を測定する。細孔のメディアン径と細孔表面積は、細孔径0.003μm以上0.3μm以下の範囲で算出する。
(正極)
正極5は、正極集電体5a及び正極活物質層5bを含む。
正極活物質層5bは、正極活物質、導電剤、及び結着剤を含む。正極活物質層5bは、正極集電体5aの片面若しくは両面に形成される。
正極活物質としては、酸化物、ポリマー等が挙げられる。
例えば、酸化物としては、Liを吸蔵した、二酸化マンガン(MnO)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、または例えばLiMnまたはLiMnOなどのリチウムマンガン複合酸化物、例えばLiNiOなどのリチウムニッケル複合酸化物、LiCoOなどのリチウムコバルト複合酸化物、例えばLiNi1−yCoなどのリチウムニッケルコバルト複合酸化物、例えばLiMnCo1−yなどのリチウムマンガンコバルト複合酸化物、LiMn2−yNiなどのスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、LiFePO、LiFe1−yMnPO、LiCoPOなどのオリピン構造を有するリチウムリン酸化物、硫酸鉄(Fe(SO)、例えばVなどのバナジウム酸化物等が挙げられる。
例えば、ポリマーとしては、ポリアニリンやポリピロール等の導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料等が挙げられる。その他に、イオウ(S)、フッ化カーボン等も使用できる。
好ましい正極活物質としては、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(LiMn)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LiNi1−yCo)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LiMn2−yNi)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LiMnCo1−y)、リチウムリン酸鉄(LiFePO)等が挙げられる。なお、上記の正極活物質の組成のx、yは0以上1以下の範囲であることが好ましい。
正極活物質層5b中の正極活物質とリチウム吸蔵物質の総量は80質量%以上95質量%以下で配合するのが好ましい。導電剤は3質量%以上18質量%以下で配合するのが好ましい。結着剤は2質量%以上17質量%以下で配合することが好ましい。
正極5の導電性を考えると、導電剤は3質量%以上の量にすることが好ましい。導電剤を18質量%以下の量にすると、高温下における導電剤表面での非水電解質の分解を低減できる。
結着剤は2質量%以上の量にすることで、正極活物質層5bと正極集電体5aとの結着性を十分に高めることができる。結着剤を17質量%以下の量にすることで、正極5中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させることができる。正極3中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させることで、正極3の内部抵抗を減少できる。
導電剤は、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブのような炭素質物である。導電材には炭素質物を単独で用いてもよいし、或いは複数の炭素質物を用いてもよい。
結着剤は、活物質、導電剤、及び集電体を結着させる。結着剤は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、及びフッ素系ゴム、アクリル樹脂、カルボキシメチルセルロースである。
正極集電体5aは、アルミニウム箔、又は、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiのうち1種類の元素を含むアルミニウム合金箔であることが好ましい。正極集電体5aは、アルミニウム箔、又は、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiのうち複数種類の元素を含むアルミニウム合金箔であってもよい。非水電解質電池の充放電に伴う正極活物質の膨張と収縮を考慮すれば、表面を荒く加工した電解箔の正極集電対5aを用いることがより望ましい。
正極5は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを正極集電体5aに塗布し、乾燥し、その後、プレスを施すことにより作製される。正極5はまた正極活物質、導電剤及び結着剤をペレット状に形成して正極活物質層5bとし、これを正極集電体5a上に形成することにより作製されてもよい。
(電解質)
電解質としては、液状非水電解質又はゲル状非水電解質を用いる。液状非水電解質は、電解質を有機溶媒に溶解することで調製される。非水電解質の濃度は、0.5mol/l以上2.5mol/l以下であることが好ましい。ゲル状非水電解質は、液状電解質と高分子材料を複合化することで調製される。
電解質は、たとえば、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、及びビストリフルオロメチルスルホニルイミトリチウム[LiN(CFSO]などのリチウム塩が含まれる。電解質は、単独で又は2種類以上を組合せて用いる。電解質は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を含むことが好ましい。
有機溶媒は、たとえば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネートのような環状カーボネート;ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)のような鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、ジオキソラン(DOX)のような環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)、ジエトエタン(DEE)のような鎖状エーテル;γ‐ブチロラクトン(GBL)、α‐メチルγ‐ブチロラクトン(MBL)アセトニトリル(AN)、及び、スルホラン(SL)が含まれる。有機溶媒は、単独で又は2種類以上を組合せて用いる。
より好ましい有機溶媒としては、たとえば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、及びメチルエチルカーボネート(MEC)のうち2種以上を混合した混合溶媒、及び、γ‐ブチロラクトン(GBL)を含む混合溶媒である。このような混合溶媒を用いることによって、低温特性の優れた非水電解質電池を得ることができる。
高分子材料は、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びポリエチレンオキサイド(PEO)である。
また、非水電解質に代えて、リチウム塩を含む電解質からなる水溶液を用いても良いることもできる。
(セパレータ)
セパレータ4は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)のような材料から形成された多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を用いる。ポリエチレン又はポリプロピレンからなる多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるため、非水電解質電池の安全性向上の観点から好ましい。
(外装部材)
外装部材2は、ラミネートフィルム製の袋状容器、又は金属製容器を用いる。外装部材2の形状は、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、積層型等がある。なお、携帯用電子機器等に積載される小型電池、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池でも良い。
ラミネートフィルムは、樹脂フィルム間に金属層を介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂フィルムは、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、及びポリエチレンテレフタレート(PET)のような高分子材料を用いる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形される。ラミネートフィルムの厚さは0.2mm以下であることが好ましい。
金属製容器は、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成される。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、及びケイ素のような元素を含むことが好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属の含有量は100ppm以下にすることが好ましい。これにより、高温環境下において、金属製容器の長期信頼性および放熱性を飛躍的に向上させることが可能となる。金属製容器の厚さは0.5mm以下であることが好ましい。金属製容器の厚さは0.2mm以下であることがより好ましい。
(正極端子)
正極端子7は、リチウムイオン金属に対する電位が3.0V以上4.5V以下の範囲において電気的に安定である。正極端子7は、導電性を有する材料で形成される。正極端子7は、Al、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiのような元素を1種類または複数種類含むアルミニウム合金で形成される。正極端子7は、正極集電体5aとの接触抵抗を低減するために、正極集電体5aと同様の材料から形成されることが好ましい。
(負極端子)
負極端子6は、リチウムイオン金属に対する電位が1.0V以上3.0V以下の範囲において電気的に安定である。負極端子6は、導電性を有する材料で形成される。Al、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、およびSiのような元素を1種類または複数種類含むアルミニウム合金で形成される。負極端子6は、負極集電体3aとの接触抵抗を低減するために、負極集電体3aと同様の材料から形成される。
以上の実施形態によれば、高温耐久性に優れ、高出力かつ長寿命である非水電解質電池を提供することができる。
なお、本実施形態では、チタン含有金属酸化物を負極3の負極活物質に用いているが、チタン含有金属酸化物は正極5の正極活物質として用いることもできる。チタン含有金属酸化物を正極5の正極活物質として用いた場合、例えば、リチウム金属酸化物等のチタン含有金属酸化物よりも電位が低い材料を負極3の負極活物質として用いる。(第2実施形態)
電池パックについて、図面を参照して説明する。
図2に電池パックの分解斜視図を示す。
単電池8は非水電解質電池で構成される。
図2に示すように、複数の単電池8は、外部に延出した負極端子6及び正極端子7が同じ向きに揃えられるように積層される。複数の単電池8は、粘着テープ9で締結することで組電池10を構成している。
電池パックは、上述した単電池8を1個又は複数有する。複数の単電池8を含む場合、各単電池8は、電気的に直列、並列、または直列および並列を組み合わせて接続されて配置される。
電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、非水電解質電池8の充放電を制御するものである。或いは、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用することもできる。
また、電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、単電池8からの電流を外部に出力するため、及び単電池8に電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車の動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。
図3に図2の電池パックの電気回路のブロック図を示す。
図3に示すように、単電池8は電気的に直列に接続されている。
プリント配線基板11は、負極端子6及び正極端子7が延出する単電池8側面と対向して配置されている。プリント配線基板11には、図3に示すように、サーミスタ12、保護回路13、及び外部機器への通電用端子14が搭載されている。なお、組電池10と対向するプリント配線基板11の面には、組電池10の配線と不要な接続を回避するために、絶縁板(図示せず)が取り付けられている。
正極側リード15は、組電池10の最下層に位置する正極端子7に接続される。正極側リード15の先端は、プリント配線基板11の正極側コネクタ16に挿入されて電気的に接続されている。
負極側リード17は、組電池10の最上層に位置する負極端子6に接続される。負極側リード17の先端は、プリント配線基板11の負極側コネクタ18に挿入されて電気的に接続されている。これらの正極側コネクタ16、負極側コネクタ18は、プリント配線基板11に形成された配線19,20を通して、保護回路13に接続されている。
サーミスタ12は、単電池8の温度を検出する。サーミスタ12の検出信号は、保護回路13に送信される。
保護回路13は、単電池8の過充電、過放電、過電流等を検出した際に、保護回路13と外部機器への通電用端子14との間のプラス側配線21a及びマイナス側配線21bを遮断できる。
過充電等の検出は、個々の単電池8もしくは単電池8全体について行われる。個々の単電池8を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。正極電位もしくは負極電位を検出する場合、個々の単電池8中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図2及び図3の場合、単電池8それぞれに電圧検出のための配線25が接続され、配線25を通して検出信号が保護回路13に送信される。
正極端子7及び負極端子6が突出する側面を除く組電池10の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート22がそれぞれ配置されている。
組電池10は、各保護シート22及びプリント配線基板11と共に収納容器23内に収納される。すなわち、収納容器23の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の一方の内側面それぞれに保護シート22が配置される。収納容器23の短辺方向の他方の内側面にプリント配線基板11が配置される。
組電池10は、保護シート22及びプリント配線基板11で囲まれた空間内に位置する。蓋24は、収納容器23の上面に取り付けられている。
なお、組電池10の固定には粘着テープ9に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池10の両側面に保護シート22を配置する。組電池10の両側面に熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池10を結束させる。
電池容量を増大させるために、単電池8を並列に接続してもよい。又は単電池8の直列接続と単電池8の並列接続を組み合わせてもよい。電池パックを直列または並列に接続することもできる。
電池パックの用途は、大電流を取り出したときに優れたサイクル特性を示すものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等、鉄道用車両等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。
電池パックを搭載した自動車等の車両において、電池パックは、例えば、自動車の動力の回生エネルギーを回収するものである。車両の例としては、例えば、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、及び、アシスト自転車及び電車が挙げられる。
図4に第2の実施形態に係る一例の電池パックを具備した一例の自動車を示す。
図4に示す自動車41は、車体前方のエンジンルーム内に、第2の実施形態に係る一例の電池パック42を搭載している。自動車における電池パックの搭載位置は、エンジンルームに限られない。例えば、電池パックは、自動車の車体後方又は座席の下に搭載することもできる。
また、図5に第2の実施形態に係る一例の電池パックを具備した車両300を示す。
図5は、第2の実施形態に係る一例の電池パックを具備した車両の構成を概略的に示した図である。図5に示した車両300は、電気自動車である。
図5に示す車両300は、車両用電源301と、車両用電源301の上位制御手段である車両ECU(ECU:Electric Control Unit)380と、外部端子370と、インバータ340と、駆動モータ345とを備えている。
車両300は、車両用電源301を、例えばエンジンルーム、自動車の車体後方又は座席の下に搭載している。しかしながら、図5では、車両300への非水電解質電池の搭載箇所は概略的に示している。
車両用電源301は、複数(例えば3つ)の電池パック312a、312b及び312cと、電池管理装置(BMU:Battery Management Unit)311と、通信バス310と、を備えている。
3つの電池パック312a、312b及び312cは、電気的に直列に接続されている。電池パック312aは、組電池314aと組電池監視装置(VTM:Voltage Temperature Monitoring)313aと、を備えている。電池パック312bは、組電池314bと組電池監視装置313bと、を備えている。電池パック312cは、組電池314cと組電池監視装置313cと、を備えている。電池パック312a、312b、及び312cは、それぞれ独立して取り離すことが可能であり、別の電池パックと交換することができる。
組電池314a〜314cのそれぞれは、直列に接続された複数の非水電解質電池を備えている。各非水電解質電池は、第2の実施形態の非水電解質電池の作製手順と同様の作製手順で作製した電池である。組電池314a〜314cは、それぞれ、正極端子316及び負極端子317を通じて充放電を行う。
電池管理装置311は、車両用電源301の保全に関する情報を集めるために、車両用電源301に含まれる組電池314a〜314cの非水電解質電池の電圧、温度などの情報を組電池監視装置313a〜313cとの間で通信を行い収集する。
電池管理装置311と組電池監視装置313a〜313cとの間には、通信バス310が接続されている。通信バス310は、1組の通信線を複数のノード(電池管理装置と1つ以上の組電池監視装置と)で共有するように構成されている。通信バス310は、例えばCAN(Control Area Network)規格に基づいて構成された通信バスである。
組電池監視装置313a〜313cは、電池管理装置311からの通信による指令に基づいて、組電池314a〜314cを構成する個々の非水電解質電池の電圧及び温度を計測する。ただし、温度は1つの組電池につき数箇所だけで測定することができ、全ての非水電解質電池の温度を測定しなくてもよい。
車両用電源301は、正極端子と負極端子との接続を入り切りするための電磁接触器(例えば図5に示すスイッチ装置333)を有することもできる。スイッチ装置333は、組電池314a〜314cへの充電が行われるときにオンするプリチャージスイッチ(図示せず)、電池出力が負荷へ供給されるときにオンするメインスイッチ(図示せず)を含む。プリチャージスイッチおよびメインスイッチは、スイッチ素子の近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオンおよびオフされるリレー回路(図示せず)を備える。
インバータ340は、入力した直流電圧をモータ駆動用の3相の交流(AC)の高電圧に変換する。インバータ340は、後述する電池管理装置311あるいは車両全体動作を制御するための車両ECU380からの制御信号に基づいて、出力電圧が制御される。インバータ340の3相の出力端子は、駆動モータ345の各3相の入力端子に接続されている。
駆動モータ345は、インバータ340から供給される電力により回転し、その回転を例えば差動ギアユニットを介して車軸および駆動輪Wに伝達する。
また、図示はしていないが、車両300は、車両300を制動した際に駆動モータ345を回転させ、運動エネルギーを電気エネルギーとしての回生エネルギーに変換する回生ブレーキ機構を備えている。回生ブレーキ機構で回収した回生エネルギーは、インバータ340に入力され、直流電流に変換される。直流電流は、車両用電源301に入力される。
車両用電源301の負極端子317には、接続ラインL1の一方の端子が接続されている。接続ラインL1は、電池管理装置311内の電流検出部(図示せず)を介してインバータ340の負極入力端子に接続されている。
車両用電源301の正極端子316には、接続ラインL2の一方の端子が、スイッチ装置333を介して接続されている。接続ラインL2の他方の端子は、インバータ340の正極入力端子に接続されている。
外部端子370は、後述する電池管理装置311に接続されている。外部端子370は、例えば、外部電源に接続することができる。
車両ECU380は、運転者などの操作入力に応答して電池管理装置311を他の装置と協調制御して、車両全体の管理を行なう。電池管理装置311と車両ECU380との間で、通信線により、車両用電源301の残容量等の車両用電源301の保全に関するデータ転送が行われる。
以上説明した第2の実施形態によれば、第1の実施形態の非水電解質電池を含むため、安全性に優れ、且つ高温環境下でも充放電サイクル寿命が優れた電池パックを提供することができる。
以下に実施例を説明するが、本発明の主旨を超えない限り、本発明は以下に掲載される実施例に限定されるものでない。
下記表1に、後述する、実施例1〜14および比較例1〜14における、負極活物質、バインダ、細孔表面積、細孔径のメディアン径、80℃リサイクル寿命、および25℃出力密度をまとめる。
以下に実施例を説明する。
(実施例1)
<負極の作製>
負極活物質として、スピネル型構造を有するチタン酸リチウム(LiTi12)を90質量%用いた。導電剤としてグラファイトを7質量%、結着剤としてアクリルバインダを3質量%用いた。これらと、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を混合しスラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる負極集電体3aの両面に塗布し、80℃で予備乾燥した後、130℃で乾燥した。これをプレスすることにより負極を得た。電極密度は2.25g/ccとした。
<正極の作製>
正極活物質として、リチウムニッケル複合酸化物(LiNi0.34Co0.33Mn0.33)を用いた。この正極活物質の表面に、アセチレンブラック及びアクリルバインダを分散させた水溶液を噴射し、転動流動法によって表面が炭素被覆された正極活物質造粒体を得た。正極活物質造粒体90質量%に対して、導電剤としてアセチレンブラックを3質量%、グラファイトを3質量%、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を4質量%用いた。これらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて混合しスラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体3aの両面に塗布し、乾燥した後にプレスすることにより正極を得た。
<電極群の作製>
セパレータ4として、厚さ25μmのセルロース製の不織布を用いた。 正極、セパレータ、負極、セパレータをこの順で積層し積層体を得た。次いで、この積層体を渦巻き状に捲回した。これを80℃で加熱プレスして偏平状の電極群を作製した。ナイロン層/アルミニウム層/ポリエチレン層の3層構造を有し、厚さが0.1mmであるラミネートフィルムからなるパックに電極群を収納した。これを80℃で16時間、真空中で乾燥した。
<液状非水電解質の調製>
プロピレンカーボネート(PC)及びジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(体積比率1:2)に、電解質としてLiPF­­を1mol/L溶解し非水電解液を得た。電極群を収納したラミネートフィルムのパック内に非水電解液を注入した後、パックをヒートシールにより完全密閉した。これにより非水電解質電池が得られた。
(実施例2)
負極電極密度を2.30g/ccとし、その他は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例3)
負極電極密度を2.45g/ccとし、その他は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例4)
負極スラリーの仮乾燥温度を100℃とし、その他は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例5)
負極電極密度を2.55g/ccとし、その他は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例6)
負極電極密度を2.60g/ccとし、その他は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例7)
負極活物質として、ブロンズ型チタン酸化物TiO(B)を用いた。電極密度は2.30g/ccとした。その他の方法は実施例1と同様である。
(実施例8)
負極電極密度を2.50g/ccとし、その他は実施例7と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例9)
負極活物質として、ニオブチタン酸化物NbTiOを用いた。電極密度は2.40g/ccとした。その他の方法は実施例1と同様である。
(実施例10)
負極電極密度を2.70g/ccとし、その他は実施例9と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例11)
負極活物質として、リチウムナトリウムチタン酸化物LiNaTi14を用いた。電極密度は2.30g/ccとした。その他の方法は実施例1と同様である。
(実施例12)
負極電極密度を2.50g/ccとし、その他は実施例11と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例13)
負極のバインダとしてスチレンブタジレンゴム(SBR)を及びカルボキシメチルセルロース(CMC)を用い、電極密度は2.30g/ccとした。それ以外は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(実施例14)
負極電極密度を2.50g/ccとし、その他は実施例13と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例1)
負極電極密度を2.20g/ccとし、その他は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例2)
負極スラリーを乾燥させる際に仮乾燥を行わず、130℃で乾燥させた。それ以外は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例3)
負極のバインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用い、電極密度は2.20g/ccとした。それ以外は実施例1と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例4)
負極電極密度を2.30g/ccとし、そのほかは比較例3と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例5)
負極電極密度を2.45g/ccとし、その他は比較例3と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例6)
負極電極密度を2.70g/ccとし、その他は比較例3と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例7)
負極電極密度を2.20g/ccとし、その他は実施例7と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例8)
負極スラリーを乾燥させる際に仮乾燥を行わず、130℃で乾燥させた。それ以外は実施例7と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例9)
負極電極密度を2.30g/ccとし、その他は実施例9と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例10)
負極スラリーを乾燥させる際に仮乾燥を行わず、130℃で乾燥させた。それ以外は実施例9と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例11)
負極電極密度を2.20g/ccとし、その他は実施例11と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例12)
負極スラリーを乾燥させる際に仮乾燥を行わず、130℃で乾燥させた。それ以外は実施例11と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例13)
負極電極密度を2.20g/ccとし、その他は実施例13と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
(比較例14)
負極スラリーを乾燥させる際に仮乾燥を行わず、130℃で乾燥させた。それ以外は実施例13と同様の方法で非水電解質電池を作製した。
Figure 2021106171
表1から、実施例1〜14は、比較例1〜14と比べて、80℃の環境下におけるサイクル寿命が向上していることがわかる。したがって、実施例1〜14では、自動車等のエンジンルームのような高温環境下であっても、電極活物質と電解液の副反応やバインダの劣化を抑え、高寿命である非水電解質電池を実現することができた。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1 捲回電極群
2 外装部材
3 負極
3a 負極集電体
3b 負極活物質層
4 セパレータ
5 正極
5a 正極集電体
5b 正極活物質層
6 負極端子
7 正極端子
8 単電池
9 粘着テープ
10 組電池
11 プリント配線基板
12 サーミスタ
13 保護回路
14 通電用端子
15 正極側リード
16 正極側コネクタ
17 負極側リード
18 負極側コネクタ
19 配線
20 配線
21a プラス側配線
21b マイナス側配線
22 保護シート
23 収納容器
24 蓋
25 配線
41 自動車
42 電池パック
300 車両
301 車両用電源
310 通信バス
311 電池管理装置
312a、312b、313c 電池パック
313a、313b、313c 組電池監視装置
314a、314b、314c 組電池
333 スイッチ装置
340 インバータ
345 駆動モータ
380 車両ECU
370 外部端子

Claims (12)

  1. チタン含有酸化物を活物質として含む二次電池用電極であって、
    水銀圧入法により得られる前記電極の細孔径の測定範囲が0.003μm以上0.3μm以下の場合、前記電極の細孔のメディアン径が0.050μm以上0.100μm以下であり、かつ前記電極の細孔の表面積が4m/g以上8.00m/g以下である二次電池用電極。
  2. 前記二次電池用電極は、結着材としてアクリル系結着剤を含む請求項1記載の二次電池用電極。
  3. 前記二次電池用電極は、結着材としてスチレンブタジレンゴムとカルボキシメチルセルロースの混合物を含む請求項1記載の二次電池用電極。
  4. 前記チタン含有酸化物は、スピネル型チタン酸リチウム、単斜晶系β型チタン複合酸化物、アナターゼ型チタン複合酸化物、ラムスデライド型チタン酸リチウム、リチウムチタンナトリウム酸化物、およびニオブ含有チタン酸化物である請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の二次電池用電極。
  5. 前記活物質の細孔のメディアン径が0.065μm以上0.100μm以下である請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の二次電池用電極。
  6. 前記活物質の細孔の表面積が5m/g以上7m/g以下である請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の二次電池用電極。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の二次電池用電極を正極または負極として用いた二次電池。
  8. 請求項7に記載の二次電池を備える電池パック。
  9. 通電用の外部端子と、 保護回路とをさらに含む請求項8に記載の電池パック。
  10. 複数の前記二次電池を具備し、前記二次電池が、直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて電気的に接続されている、請求項8または9に記載の電池パック。
  11. 請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の電池パックを搭載した車両。
  12. 前記電池パックは、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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