JP2023026188A - 二次電池、電池パック、及び車両 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態によれば、二次電池が提供される。二次電池は、扁平形状の捲回型構造を有する電極群と、電極群を収容し且つ角型容器を含む外装部材とを具備する。電極群は、正極と、チタン含有酸化物を含む負極とを含んでいる。電極群の捲回型構造は、正極と負極とを含む積層体が捲回されて成る。角型容器は、電極群の主面に沿う一対の主壁を有する。電極群を収容した外装部材の主壁と交差する方向への厚さをTPCとする。角型容器の肉厚をT1とする。そして、角型容器の外にある状態の電極群の厚さをTEGとする。これらの厚さは、1×(TPC-T1×2) < TEG ≦ 1.05×(TPC-T1×2)の関係を満たす。
負極は、負極集電体と、負極集電体上に設けられた負極活物質含有層とを含むことができる。負極活物質含有層は、負極集電体の片面又は両面に形成され得る。負極活物質含有層は、負極活物質と、任意に導電剤及び結着剤を含むことができる。
正極は、正極集電体と、正極集電体上に設けられた正極活物質含有層とを含むことができる。正極活物質含有層は、正極集電体の片面又は両面に形成され得る。正極活物質含有層は、正極活物質と、任意に導電剤及び結着剤を含むことができる。
電解質としては、例えば液状非水電解質又はゲル状非水電解質を用いることができる。液状非水電解質は、溶質としての電解質塩を有機溶媒に溶解することにより調製される。電解質塩の濃度は、0.5 mol/L以上2.5 mol/L以下であることが好ましい。
セパレータは、例えば、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate;PET)、セルロース、若しくはポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)を含む多孔質フィルム、又は合成樹脂製不織布から形成される。安全性の観点からは、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムを用いることが好ましい。これらの多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能なためである。
外装部材は、角型容器を含む。外装部材としては、例えば、金属製の角型容器を含む金属製容器を用いることができる。外装部材は、角型容器の開口に対する蓋、例えば、金属製の封口板を含み得る。
負極端子は、上述の負極活物質のLi吸蔵放出電位において電気化学的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成することができる。具体的には、負極端子の材料としては、銅、ニッケル、ステンレス若しくはアルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極端子の材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料からなることが好ましい。
正極端子は、リチウムの酸化還元電位に対し3V以上4.5V以下 の電位範囲(vs.Li/Li+)において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成することができる。正極端子の材料としては、アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
第1実施形態に係る二次電池は、例えば、次のとおり製造することができる。ここでは、電解質として液状電解質を用いた二次電池を製造する例を説明する。
以下、係る二次電池に関する各種測定方法を説明する。具体的には、二次電池の角型容器および電極群の寸法の測定方法、並びに電極活物質の測定方法を説明する。角型容器の寸法には、電極群を収容している角型容器の厚さTPC、第1主壁面における第1距離、第2主壁面における第2距離、及び角型容器の肉厚T1が含まれる。電極群の寸法には、角型容器の外にある状態の電極群の厚さTEGが含まれる。
電極群を収容した状態にある角型容器の厚さTPCは、次のとおり測定する。まず、二次電池を放電状態にする。ここでの放電状態とは、25℃の環境下で0.2C以下の電流値にて放電下限電圧まで定電流放電した状態を示す。
角型容器が有する一対の主壁のそれぞれにおける、第1主壁面の第1基準面から第1中央までの第1距離および第2主壁面の第2基準面から第2中央までの第2距離は、次のとおり測定する。
角型容器の肉厚T1は、次のとおり測定する。上述のとおり放電状態とした電池を、不活性雰囲気のグローブボックス、例えば、アルゴンガスで充填されたグローブボックス内に入れる。次に、グローブボックス内で電池を解体し、電極群を外装部材から取り出す。具体的には、グローブボックスの中で、念のため正極、負極をショートさせないよう注意を払いながら、角型容器と封口板とを溶接部分にて切り離す。封口板と共に電極群を引く抜く。
角型容器の外にある状態の電極群の厚さTEGは、次のとおり測定する。
下記のとおり測定することにより、電極に含まれている活物質の組成を求めることができる。
X線源:Cuターゲット
出力:45kV、200mA
ソーラスリット:入射及び受光共に5°
ステップ幅(2θ):0.02deg
スキャン速度:20deg/分
半導体検出器:D/teX Ultra 250
試料板ホルダー:平板ガラス試料板ホルダー(厚さ0.5mm)
測定範囲:5°≦2θ≦90°の範囲。
第2実施形態によると、電池パックが提供される。この電池パックは、第1実施形態に係る二次電池を具備している。この電池パックは、第1実施形態に係る二次電池を1つ具備してもよいし、第1実施形態に係る二次電池を複数具備していてもよい。複数の二次電池は、組電池を構成し得る。
第3実施形態によると、車両が提供される。この車両は、第2実施形態に係る電池パックを含む。
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。
実施例1では、以下の手順で電極群および該電極群を備えた非水電解質電池を製造した。
負極活物質として、式TiNb2O7で表される組成を有する単斜晶型チタンニオブ複合酸化物の粒子を準備した。導電剤としてのアセチレンブラック(AB)と、結着剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とスチレンブタジェンゴム(SBR)とを準備した。これらを、負極活物質:AB:CMC:SBRの質量比が90:5:2.5:2.5となるように純水中で混合し、スラリーを得た。このスラリーを厚さが15μmであるアルミニウム箔からなる集電体の表裏両方の主面上に塗布し、塗膜を乾燥させた。かくして、集電体と、集電体の両面上に形成された負極活物質含有層とを含んだ複合体を得た。負極活物質含有層の片面当たりの塗布量は75g/m2とした。スリット装置によって負極の幅を調整し、負極塗工幅を90mm、電極が塗布されていないアルミニウム箔の幅を10mmとした。次いで、得られた複合体を負極活物質含有層の密度が2.55 g/cm3となるようにロールプレスに供した。次いで、この複合体を更に真空乾燥に供し、負極を得た。
正極活物質として、式LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物の粒子を準備した。また、導電剤としてのアセチレンブラック(AB)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを用意した。これらを、正極活物質:AB:PVdFの質量比が90:5:5となるように混合して混合物を得た。次に、得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒中に分散して、正極スラリーを調製した。このスラリーを、厚さが15μmであるアルミニウム箔からなる集電体の表裏両方の主面上に塗布し、塗膜を乾燥させた。かくして、集電体と、集電体の両面上に形成された正極活物質含有層とを含んだ複合体を得た。正極活物質含有層の片面当たりの塗布量は100g/m2とした。スリット装置によって正極の幅を調整し、正極塗工幅を90mm、電極が塗布されていないアルミニウム箔の幅を10mmとした。次いで、得られた複合体を正極活物質含有層の密度が3.05 g/cm3となるようにロールプレスに供した。次いで、この複合体を更に真空乾燥に供し、正極を得た。
厚さが15μmであるポリエチレン(PE)セパレータを用意した。次いで、用意したセパレータと上記負極と上記正極とを、負極、セパレータ、正極、及びセパレータの順で積層し、積層体を得た。次いで、この積層体を、負極の一部が最も外側に位置するように渦巻き状に捲回し、捲回体を得た。捲回体の捲き数は100とした。次いで、この捲回体をプレスした。捲回体のプレスは室温(25℃)において実施し、80kNの荷重を1分間かけることにより、プレスを行った。かくして、電極群を製造した。
以下の手順で非水電解質を調製した。先ず、プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)を体積比PC:DECが1:2となるように混合して、混合溶媒を得た。この混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウムLiPF6を1Mの濃度で溶解させ、液状非水電解質を得た。
肉厚(T1)1 mmのアルミニウム外装缶(角型容器)及びその蓋(封口板)を準備した。外装缶の蓋に、電極端子(正負極端子)及び電極リード(正負極リード)を組付けた。外装缶の蓋と電極端子と電極リードとが一体となった部材と、製造した電極群の集電箔を溶接した。電極群を外装缶へ挿入し、外装缶に蓋を溶接した後、組み上げた電池を80℃にて10時間、真空乾燥した。その後、注液口から電解液を注液した。注液後、注液口に蓋をし、溶接することで、外装缶を封止した。
組み立てた電池に対し、次のとおり充放電を実施した。外装缶の両側の主面に2 mm厚のポリテトラフルオロエチレン板(PTFE板)をそれぞれ設置し、各面にてさらに外側に7 mm厚のAl板を設置した。2枚のPTFE板間の幅が、電極群挿入前の外装缶の厚さと等しい値、22 mmとなるようにねじで止めた状態で充放電を行った。
実施例2では、初回充放電の際に、2枚のPTFE板間の幅が22.2 mmとなるようにした状態で充放電を行った以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例3では、初回充放電の際に、2枚のPTFE板間の幅が21.8 mmとなるようにした状態で充放電を行った以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例4では、初回充放電の際のPTFE板およびAl板の配置を次のとおり変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。外装缶の一方の主面に2 mm厚のPTFE板を2枚設置し、外装缶の他方の主面にはPTFE板は設置しなかった。各面にてさらに外側から7 mm厚のAl板を設置し、一方の主面にて外装缶と接しているPTFE板と他方の主面にて外装缶と接しているAl板間の幅が21.6mmとなるようにねじで止めた状態で充放電を行った。
実施例5では、初回充放電の際に、一方の主面にて外装缶と接しているPTFE板と他方の主面にて外装缶と接しているAl板間の幅が22mmとなるようにねじで止めた状態で充放電を行った以外、実施例4と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例6では、初回充放電の際に、PTFE板が外装缶と接している主面側のPTFE板の枚数を1枚に変更した以外、実施例5と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例7では、正極活物質を式LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物の粒子に変更し、正極活物質含有層の片面当たりの塗布量を98g/m2に変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例8では、正極活物質を式LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物の粒子に変更し、正極活物質含有層の片面当たりの塗布量を96g/m2に変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例9では、負極活物質を、式TiNb1.95Ta0.05O7で表される組成を有する単斜晶型チタンニオブ複合酸化物の粒子に変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例10では、負極活物質を、式TiNb1.95W0.05O7で表される組成を有する単斜晶型チタンニオブ複合酸化物の粒子に変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例11では、負極活物質を、式TiNb1.95Mo0.05O7で表される組成を有する単斜晶型チタンニオブ複合酸化物の粒子に変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例12では、正極活物質を式LiMn0.8Fe0.2PO4で表されるリチウムマンガン鉄複合リン酸化合物の粒子に変更し、正極活物質含有層の片面当たりの塗布量を110g/m2に変更し、正極活物質含有層の密度を2.05 g/cm3とした以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例13では、正極活物質を式LiNi0.5Mn1.5O4で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子に変更し、正極活物質含有層の片面当たりの塗布量を130g/m2に変更し、正極活物質含有層の密度を2.6 g/cm3とし、初回充電時の充電電圧を3.5Vに変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
比較例1では、初回充放電の際、PTFE板およびAl板にてねじで外装缶を止めずに充放電をした以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
比較例2では、初回充電時の充電電圧を3.8Vに変更した以外、実施例1と同様の手順で非水電解質電池を製造した。
実施例1-13及び比較例1-2にて製造した各電池について、サイクル寿命性能を評価した。具体的には、次のとおり充放電サイクル試験を行って、放電容量維持率を測定した。
Claims (12)
- 正極と、チタン含有酸化物を含む負極とを含み、前記正極と前記負極とを含む積層体が捲回されて成る扁平形状の捲回型構造を有する電極群と、
前記電極群を収容し、且つ前記電極群の主面に沿う一対の主壁を有する角型容器を含む外装部材と
を具備し、
前記電極群を収容した前記角型容器の前記主壁と交差する方向への厚さTPCと、前記角型容器の肉厚T1と、前記角型容器の外にある状態の前記電極群の厚さTEGとは、1×(TPC-T1×2) < TEG ≦ 1.05×(TPC-T1×2)の関係を満たす、二次電池。 - 前記角型容器の一対の前記主壁は、前記角型容器の外側を向いている第1主壁面と第2主壁面とを含み、前記第1主壁面の第1中央と前記第1主壁面の第1基準面との間の第1距離が-0.6mm以上0.2mm以下の範囲内にあり、前記第2主壁面の第2中央と前記第2主壁面の第2基準面との間の第2距離が-0.6mm以上0.2mm以下の範囲内にある、請求項1に記載の二次電池。
- 前記負極はアルミニウムを含む負極集電体と前記負極集電体上に設けられ前記チタン含有酸化物を含む負極活物質含有層とを含み、前記チタン含有酸化物はチタンニオブ複合酸化物を含む、請求項1又は2に記載の二次電池。
- 前記チタンニオブ複合酸化物は、一般式LiaTi1-xM1xNb2-yM2yO7-δで表される化合物を含み、0≦a<5、0≦x<1、0≦y<1、-0.3≦δ≦0.3、及び元素M1及び元素M2は、それぞれ、Mg、Fe、Ni、Co、W、Ta及びMoからなる群より選択される少なくとも1つであり、且つ、前記元素M1及び前記元素M2は互いに同じ又は異なる、請求項3に記載の二次電池。
- 前記正極は、アルミニウムを含む正極集電体と、前記正極集電体上に設けられ、且つリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、リチウムリン酸化物、及びリチウムニッケルマンガン複合酸化物から成る群より選択される1以上を含む正極活物質含有層とを含む、請求項1から4の何れか1項に記載の二次電池。
- 前記角型容器は、アルミニウム製金属缶またはアルミニウム合金製缶から成る、請求項1から5の何れか1項に記載の二次電池。
- 前記角型容器の肉厚T1は、0.1mm以上1mm以下である、請求項1から6の何れか1項に記載の二次電池。
- 請求項1から7の何れか1項に記載の二次電池を具備する、電池パック。
- 通電用の外部端子と、
保護回路と
を更に具備する請求項8に記載の電池パック。 - 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又は9に記載の電池パック。 - 請求項8から10の何れか1項に記載の電池パックを具備する車両。
- 前記車両の運動エネルギーを回生エネルギーに変換する機構を含む請求項11に記載の車両。
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