JP2775754B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
Non-aqueous electrolyte secondary batteryInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種小型電子機器の電源としての使用が期
待される充放電可能な非水電解液二次電池に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a chargeable / dischargeable non-aqueous electrolyte secondary battery expected to be used as a power source for various small electronic devices.
従来、負極活物質としてリチウムやリチウム合金等の
軽金属を使用し、電解液に非水電解液を使用した非水電
解液電池は、高エネルギー密度を有し、自己放電が少な
く、また保存性に優れていることから、電子腕時計,ペ
ースメーカー用電源,あるいはメモリーのバックアップ
用電源等として広く利用されている。Conventionally, a non-aqueous electrolyte battery using a light metal such as lithium or a lithium alloy as a negative electrode active material and using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte has a high energy density, low self-discharge, and low storage stability. Because of its superiority, it is widely used as a power supply for electronic wristwatches, pacemakers, or a memory backup power supply.
現在実用化されている非水電解液電池は一次電池であ
るが、近年、各種電子機器の電源として充放電可能な高
容量の非水電解液二次電池の開発に対する要望が高まっ
ている。Non-aqueous electrolyte batteries currently in practical use are primary batteries, but in recent years there has been an increasing demand for the development of high-capacity non-aqueous electrolyte secondary batteries that can be charged and discharged as a power source for various electronic devices.
一般に、非水電解液二次電池の負極活物質としては、
金属リチウム,リチウム合金(例えばリチウム−アルミ
ニウム合金)、リチウム・イオンをドーピングした導電
性高分子(例えばポリアセチレン,ポリピロール等),
さらにはリチウム・イオンをゲストとした層間化合物等
が用いられており、また電解液としては有機溶媒に電解
質を溶解した非水電解液が用いられている。Generally, as a negative electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery,
Metallic lithium, lithium alloy (eg, lithium-aluminum alloy), conductive polymer doped with lithium ion (eg, polyacetylene, polypyrrole, etc.),
Further, an interlayer compound or the like using lithium ions as a guest is used, and a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in an organic solvent is used as an electrolyte.
一方、正極活物質としてはこれまでに各種の材料が提
案されており、代表的なものとしては例えば特開昭50−
54836号公報に記載されるように、TiS2,MoS2,NbSe2,V2O
5等が挙げられる。On the other hand, various materials have been proposed as the positive electrode active material so far.
As described in 54836, TiS 2 , MoS 2 , NbSe 2 , V 2 O
5 and the like.
これらの材料を用いた非水電解液二次電池の放電過程
は、負極のリチウム・イオンが正極活物質の層間に吸蔵
(ドープ)されることによって進行し、充電過程は逆に
正極活物質の層間からリチウム・イオンが負極へ放出
(アンドープ)されることによって進行する。すなわ
ち、負極のリチウム・イオンが正極活物質の層間に出入
りする過程を通じて充放電が繰り返される。The discharge process of a non-aqueous electrolyte secondary battery using these materials proceeds as lithium ions of the negative electrode are occluded (doped) between the layers of the positive electrode active material. The process proceeds when lithium ions are released (undoped) from the interlayer to the negative electrode. That is, charging and discharging are repeated through the process in which lithium ions of the negative electrode enter and exit between the layers of the positive electrode active material.
しかしながら、上述の正極活物質においては充放電過
程を繰り返すうちにリチウム・イオンが次第に放出され
にくくなるため、放電容量が徐々に低下、サイクル寿命
が短くなるという欠点があった。また、これらの正極活
物質は高価であるため、大容量の電池を製造しようとす
るとコストが高くなり、現在の二次電池の主流となって
いるニッケル−カドミウム電池とも競合することができ
ない。However, in the above-described positive electrode active material, lithium ions gradually become difficult to be released during the repetition of the charging / discharging process, so that the discharge capacity gradually decreases and the cycle life is shortened. In addition, since these positive electrode active materials are expensive, manufacturing a large-capacity battery increases the cost and cannot compete with nickel-cadmium batteries, which are currently the mainstream of secondary batteries.
そこで、充放電サイクルにともなう放電容量の劣化が
少なく、サイクル寿命特性に優れ、さらに経済性にも優
れる正極活物質として、本願出願人は先に例えば特願昭
61−257479号明細書において、LiMn2O4を主体とする材
料を開示している。Therefore, as a positive electrode active material with less deterioration in discharge capacity due to charge / discharge cycles, excellent cycle life characteristics, and excellent economic efficiency, the applicant of the present application has previously described, for example,
61-257479 discloses a material mainly composed of LiMn 2 O 4 .
このような非水電解液二次電池では、非水電解液の電
気伝導度が低いため、大電流に耐える電池とするために
は電極面積をできるだけ大きくして電池の内部抵抗を低
くすることが必要である。たとえば正極集電体について
は、従来より電池内で耐蝕性が比較的優れていることや
安価であること等の理由から、ニッケル,鉄,ステンレ
ス鋼,チタン,アルミニウム等が使用されている。特に
アルミニウムは高電圧時の耐蝕性や電気伝導度に優れ、
軽量で大面積の箔が容易に入手できることから有利であ
り、たとえば特開昭60−263157号公報には厚さ1〜100
μmのアルミニウム箔を正極集電体として使用した非水
系二次電池が開示されている。In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, the electric conductivity of the non-aqueous electrolyte is low. Therefore, in order to endure a battery with a large current, it is necessary to reduce the internal resistance of the battery by increasing the electrode area as much as possible. is necessary. For example, as the positive electrode current collector, nickel, iron, stainless steel, titanium, aluminum, and the like have been conventionally used because of relatively excellent corrosion resistance in the battery and low cost. In particular, aluminum has excellent corrosion resistance and electrical conductivity at high voltage,
This is advantageous because a lightweight and large-area foil can be easily obtained. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
A non-aqueous secondary battery using a μm aluminum foil as a positive electrode current collector is disclosed.
ところで、このようにリチウムを負極活物質とし、Li
Mn2O4を主体とする材料を正極活物質とする非水電解液
二次電池の負極には、十分な寿命を確保するために通常
は正極容量の2〜3倍以上の容量を有する過剰量のリチ
ウムが使用されている。このため、この非水電解液二次
電池を正極容量以上に強制的に放電させ続けると、ドー
ピングにより層間に収容し切れなくなったリチウムが正
極表面に析出し、セパレーターを貫通して負極と短絡
し、発火する虞れがある。特に、円筒形の外装缶内に負
極と正極がセパレーターを介して巻き取られて収納され
ている円筒型電池においては、限られた容積内で電極活
物質の占める割合を増やして高容量化を図る観点から、
薄い集電体上に多量の正極活物質を形成したりセパレー
ターを薄型化することが近年行われており、上述のよう
な事故の防止が不可欠の課題となっている。By the way, lithium is used as a negative electrode active material,
A negative electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery using a material mainly composed of Mn 2 O 4 as a positive electrode active material usually has an excess having a capacity of two to three times or more of a positive electrode capacity in order to secure a sufficient life. Amount of lithium is used. For this reason, if this non-aqueous electrolyte secondary battery is continuously forcibly discharged to a capacity equal to or greater than the positive electrode capacity, lithium that cannot be accommodated between the layers due to doping precipitates on the positive electrode surface, penetrates through the separator, and short-circuits with the negative electrode. There is a risk of fire. In particular, in a cylindrical battery in which a negative electrode and a positive electrode are wound and housed in a cylindrical outer can via a separator, the proportion of the electrode active material in a limited volume is increased to increase the capacity. From the point of view,
In recent years, formation of a large amount of a positive electrode active material on a thin current collector and reduction in thickness of a separator have been performed, and prevention of the above-described accident has become an essential issue.
そこで本発明は、上述の問題を解決し、安全性が高
く、かつ高容量,高寿命の非水電解液二次電池を提供す
ることを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high safety, high capacity, and long life.
本発明者らは上述の目的を達成するために検討を重ね
た結果、正極集電体の材料としてアルミニウムを使用
し、かつこの厚さを過剰量のリチウムを合金化するに十
分な厚さとし、この上に適正量の正極活物質を形成する
と安全性の高い電池が得られることを見出し、本発明に
到ったものである。The present inventors have conducted studies to achieve the above object, and as a result, using aluminum as the material of the positive electrode current collector, and making this thickness enough to alloy an excessive amount of lithium, The inventors have found that a battery with high safety can be obtained by forming an appropriate amount of the positive electrode active material thereon, and have reached the present invention.
すなわち本発明にかかる非水電解液二次電池は、正極
容量に対して過剰量のリチウムよりなる負極と、LiMn2O
4を主体とする正極活物質層がアルミニウム集電体の両
面に形成されてなる正極とが非水電解液と共に外装缶内
に収納されてなる非水電解液二次電池であって、上記ア
ルミニウム集電体の厚さT(μm)が次式(I) T≧3.442(3862B−1.6A) …(I) 〔ただし、式中Aは放電終止電圧を2.0Vとして2時間率
放電を行った際の正極の単位面積当たり放電容量(mAH/
cm2)、Bは負極の単位面積当たりリチウム重量(g/c
m2)を表す。〕で表され、かつ上記アルミニウム集電体
上の両面に形成される正極活物質層の合計の厚さC(μ
m)が次式(II)および式(III) 10≦T<30のとき C≦2T+120 …(II) 30≦T≦40のとき C≦−2T+240 …(III) で表されることを特徴とするものである。That is, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, a negative electrode comprising an excess amount of lithium with respect to the positive electrode capacity, LiMn 2 O
A non-aqueous electrolyte secondary battery in which a positive electrode in which a positive electrode active material layer mainly composed of 4 is formed on both surfaces of an aluminum current collector and a non-aqueous electrolyte is housed in an outer can together with the non-aqueous electrolyte, The thickness T (μm) of the current collector is expressed by the following formula (I) T ≧ 3.442 (3862B-1.6A) (I) [However, in the formula, A was discharged at a discharge end voltage of 2.0 V for 2 hours. Discharge capacity per unit area of the positive electrode (mAH /
cm 2 ), B is the lithium weight per unit area of the negative electrode (g / c
m 2 ). ] And the total thickness C (μ) of the positive electrode active material layers formed on both surfaces on the aluminum current collector.
m) is represented by the following formula (II) and formula (III) when 10 ≦ T <30: C ≦ 2T + 120 (II) When 30 ≦ T ≦ 40, C ≦ −2T + 240 (III) Is what you do.
ここで、非水電解液二次電池の安全性を向上させ、か
つ高容量と高寿命を実現するためには、上記アルミニウ
ム集電体の厚さとその上に形成される正極活物質層の厚
さが適正に選ばれていなければならない。Here, in order to improve the safety of the nonaqueous electrolyte secondary battery, and to realize a high capacity and a long life, the thickness of the aluminum current collector and the thickness of the positive electrode active material layer formed thereon are required. Must be properly selected.
まずアルミニウム集電体の厚さについて論じると、高
容量を達成する観点からは十分に薄くかつ大面積に形成
されていることが必要である。しかし、余り薄いと電池
の製造工程における巻込み作業時に該アルミニウム集電
体が強度不足により破断して短絡を招く等の不都合が生
じる。また、過剰量のリチウムを合金化させる観点から
は、逆にアルミニウム集電体がある程度の厚みを有して
いることが必要である。しかし、アルミニウム集電体が
余り厚いと、外装缶の限られた容積内では巻込み回数を
少なくせざるを得ず、したがって電極面積を大きくする
ことができないので非水電解液に起因する内部抵抗が高
くなり、出力を増大させることができない。First, when discussing the thickness of the aluminum current collector, from the viewpoint of achieving high capacity, it is necessary that the aluminum current collector be formed sufficiently thin and have a large area. However, when the aluminum current collector is too thin, the aluminum current collector breaks due to insufficient strength at the time of a winding operation in a battery manufacturing process, resulting in a disadvantage such as a short circuit. On the other hand, from the viewpoint of alloying an excessive amount of lithium, it is necessary that the aluminum current collector has a certain thickness. However, if the aluminum current collector is too thick, the number of windings must be reduced within the limited volume of the outer can, and therefore the electrode area cannot be increased. And the output cannot be increased.
本発明者らは、このように相反する条件を満足するア
ルミニウム集電体の厚さを決定するために2時間率放電
による実験を行った結果、正極活物質中にドープ可能な
リチウムの最大量によって規定される放電容量は、通常
の電池の放電終止電圧2.0Vを達成するのに必要な放電容
量の1.6倍であることを見出した。いま、放電終止電圧
を2.0Vとして2時間率放電を行った際の正極の単位面積
当たり放電容量(mAH/cm2)をA、負極の単位面積当た
りリチウム重量(g/cm2)をBとすると、上記非水電解
液二次電池において過剰リチウムをすべてアルミニウム
集電体と合金化するのに必要なアルミニウム集電体の厚
さT(μm)は次式(I)により求められる。The present inventors conducted an experiment using a two-hour rate discharge to determine the thickness of the aluminum current collector satisfying the contradictory conditions. As a result, the maximum amount of lithium that can be doped into the positive electrode active material was determined. Was found to be 1.6 times the discharge capacity required to achieve a normal battery end-of-discharge voltage of 2.0V. Now, the discharge capacity per unit area of the positive electrode (mAH / cm 2 ) and the weight of lithium per unit area of the negative electrode (g / cm 2 ) when discharging at a 2-hour rate with a discharge end voltage of 2.0 V are denoted by B. Then, the thickness T (μm) of the aluminum current collector required for alloying all the excess lithium with the aluminum current collector in the nonaqueous electrolyte secondary battery is obtained by the following equation (I).
T≧3.442(3862B−1.6A) …(I) 式中、右辺の3862Bは単位面積当たりのリチウムの放
電容量を示し、したがって(3862B−1.6A)の項は電極
の単位面積当たりの過剰リチウムの放電容量を示す。T ≧ 3.442 (3862B-1.6A) (I) In the formula, 3862B on the right side indicates the discharge capacity of lithium per unit area. Therefore, the term (3862B-1.6A) indicates the excess lithium per unit area of the electrode. Shows the discharge capacity.
一方、正極活物質層の厚さについて論ずると、高容量
化を達成するためにはアルミニウム集電体上にある程度
厚く形成される必要がある。しかし、余り厚くすると電
池の製造工程における巻込み作業時にアルミニウム集電
体から剥離する虞れがあるので、該アルミニウム集電体
の厚さに応じて適宜設定しなければならない。本発明者
らは、アルミニウム集電体の厚さT(μm)、および該
アルミニウム集電体上の両面に形成される正極活物質の
合計の厚さC(μm)を色々と変化させて実験を行った
結果、次式(II),(III)で表される条件を満足する
ときに正極活物質層の剥離が起こらないことを見出し
た。On the other hand, when discussing the thickness of the positive electrode active material layer, it is necessary that the positive electrode active material layer be formed to be somewhat thick on the aluminum current collector in order to achieve high capacity. However, if the thickness is too large, there is a risk of peeling off from the aluminum current collector during the winding operation in the battery manufacturing process. Therefore, the thickness must be appropriately set according to the thickness of the aluminum current collector. The present inventors experimented by varying the thickness T (μm) of the aluminum current collector and the total thickness C (μm) of the positive electrode active materials formed on both surfaces on the aluminum current collector. As a result, it was found that peeling of the positive electrode active material layer did not occur when the conditions represented by the following formulas (II) and (III) were satisfied.
10≦T<30のとき C≦2T+120 …(II) 30≦T≦40のとき C≦−2T+240 …(III) 上記式(II)および式(III)で表される範囲は第2
図のように図示することができる。この図において、縦
軸はアルミニウム集電体の厚さT(μm)、横軸はアル
ミニウム集電体の両面に形成される正極活物質層の合計
の厚さC(μm)を表す。この条件はアルミニウム集電
体の厚さが10〜40μmであることが前提となっている
が、10μm未満では機械的強度が不足し、また40μmよ
り厚いと電池内部に占めるアルミニウム集電体の体積が
相対的に大きくなり過ぎて電池容量が低下し、実用的で
なくなるからである。When 10 ≦ T <30 C ≦ 2T + 120 (II) When 30 ≦ T ≦ 40 C ≦ −2T + 240 (III) The range represented by the above formulas (II) and (III) is the second
It can be illustrated as shown. In this figure, the vertical axis represents the thickness T (μm) of the aluminum current collector, and the horizontal axis represents the total thickness C (μm) of the positive electrode active material layers formed on both surfaces of the aluminum current collector. These conditions are based on the assumption that the thickness of the aluminum current collector is 10 to 40 μm. If the thickness is less than 10 μm, the mechanical strength is insufficient. If the thickness is more than 40 μm, the volume of the aluminum current collector occupying the inside of the battery is reduced. Is relatively large, the battery capacity is reduced, and it is not practical.
このように、本発明にかかる非水電解液二次電池にお
いては、上述のようにアルミニウム集電体の厚さが選ば
れていることによって電池容量を低下させない範囲で正
極の大面積化が図られている。しかし、大面積化に伴っ
て集電体自身およびこれに接続される正極リードや安全
弁の抵抗の無視できない場合が生じる。そこで、上記正
極リードや安全弁も集電体と同様に電気抵抗率の低いア
ルミニウムで作成し、これらを超音波溶接により相互に
接続すると、一層の電池容量の向上が可能となる。As described above, in the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the thickness of the aluminum current collector is selected as described above, so that the area of the positive electrode can be increased as long as the battery capacity is not reduced. Have been. However, with the increase in the area, the resistance of the current collector itself, the positive electrode lead connected thereto, and the safety valve may not be ignored. Therefore, when the positive electrode lead and the safety valve are made of aluminum having a low electric resistivity similarly to the current collector and they are connected to each other by ultrasonic welding, the battery capacity can be further improved.
なお上記条件は、円筒形以外の形状を有する非水電解
液二次電池にも適用できる。The above conditions can be applied to a non-aqueous electrolyte secondary battery having a shape other than the cylindrical shape.
実際の電池の製造工程において正極活物質層をアルミ
ニウム集電体上に上述のような厚さに形成するには、正
極活物質を導電剤や結合剤と共に混練してアルミニウム
集電体上に加圧成形するか、あるいは導電剤や結合剤と
共に適当な溶媒に分散させて塗布する等の方法が採られ
る。このときの導電剤としては、グラファイト,アセチ
レンブラック,金属粉等が使用され、また結合剤として
はポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリアクリロ
ニトリル等が使用される。In order to form the positive electrode active material layer on the aluminum current collector as described above in the actual battery manufacturing process, the positive electrode active material is kneaded together with a conductive agent and a binder, and is added onto the aluminum current collector. For example, a method of pressure molding or a method of dispersing in a suitable solvent together with a conductive agent or a binder and applying the dispersion may be employed. At this time, graphite, acetylene black, metal powder and the like are used as the conductive agent, and polyvinylidene fluoride, polyethylene, polyacrylonitrile and the like are used as the binder.
このようにして作成された正極は、セパレーターを介
してリチウム箔からなる負極と共に巻込まれ、非水電解
液中に浸漬されて外装缶に収容される。このときの非水
電解液は特に限定されるものではなく、従来公知の有機
溶媒と電解質を適宜組み合わせたものが使用できる。The positive electrode thus produced is wound together with a negative electrode made of lithium foil via a separator, immersed in a non-aqueous electrolyte, and accommodated in an outer can. The non-aqueous electrolyte at this time is not particularly limited, and a conventionally known organic solvent and an electrolyte appropriately combined can be used.
上記有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネー
ト、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、
1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラ
ヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−
ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン,ジエ
チルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセト
ニトリル、プロピオニトリル、アニソール等が挙げられ
る。Examples of the organic solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane,
1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-
Examples include dioxolan, 4-methyl-1,3-dioxolan, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile, anisole and the like.
また上記電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、L
iBF4、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、CH3SO3Li、CF3SO3L
i等を単独または混合して使用することができる。Further, as the electrolyte, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , L
iBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCl, LiBr, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 L
i and the like can be used alone or in combination.
さらに、上記セパレーターとしては従来公知の絶縁物
質が使用でき、例示すればポリプロピレン、ポリテトラ
フルオロエチレン、ポリエチレン、ポリアセタール等で
ある。Further, a conventionally known insulating material can be used as the separator, and examples thereof include polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene, and polyacetal.
上述のような非水電解液二次電池において、正極活物
質であるLiMn2O4の層間に吸蔵されきれなくなった過剰
のリチウムがアルミニウム集電体と合金化する機構はお
およそ次のように考えられている。合金化の初期では、
リチウム−アルミニウム合金は(α+β)相を示し、そ
の電位はリチウムに対して約0.3V低い。しかし、リチウ
ムの含量が次第に増加して合金組成中で52原子%を越え
るとβ相が現れる。このβ相中ではリチウムの拡散速度
が大幅に低下し、電位もリチウムの電位に近づく。この
ような電気化学的事実から、リチウム−アルミニウム合
金中のリチウムの含量が52原子%を越えると表面にリチ
ウムが析出し始めることが示唆される。In the non-aqueous electrolyte secondary battery as described above, the mechanism by which excess lithium that cannot be occluded between the layers of the positive electrode active material LiMn 2 O 4 alloys with the aluminum current collector is roughly considered as follows. Have been. In the early stages of alloying,
Lithium-aluminum alloys exhibit an (α + β) phase, whose potential is about 0.3 V lower than lithium. However, when the lithium content gradually increases and exceeds 52 atomic% in the alloy composition, a β phase appears. In this β phase, the diffusion rate of lithium is greatly reduced, and the potential approaches the potential of lithium. From such electrochemical facts, it is suggested that when the lithium content in the lithium-aluminum alloy exceeds 52 atomic%, lithium starts to precipitate on the surface.
本発明においては、実験的に導かれた前述の式(I)
により、過剰のリチウムを合金化するために必要なアル
ミニウム集電体の厚さを決定することができる。この結
果にしたがって非水電解液二次電池を製造すれば、正極
の表面におけるリチウムの析出を防止することができ、
短絡や発火等の事故を防止することが可能となる。In the present invention, the aforementioned formula (I) derived experimentally is used.
Thus, the thickness of the aluminum current collector required to alloy excess lithium can be determined. If a non-aqueous electrolyte secondary battery is manufactured according to this result, precipitation of lithium on the surface of the positive electrode can be prevented,
It is possible to prevent accidents such as short circuit and fire.
また本発明においては、アルミニウム集電体表面への
正極活物質層の厚さが該アルミニウム集電体の厚さに応
じて式(II),(III)により与えられる。この結果に
したがって非水電解液二次電池を製造すれば、電極の巻
込み作業時においても正極活物質層の剥離が起こらな
い。In the present invention, the thickness of the positive electrode active material layer on the surface of the aluminum current collector is given by the formulas (II) and (III) according to the thickness of the aluminum current collector. If a non-aqueous electrolyte secondary battery is manufactured according to this result, peeling of the positive electrode active material layer does not occur even when the electrode is wound.
このように、本発明を適用することにより高容量で安
全性および信頼性の高い非水電解液二次電池を提供する
ことが可能となる。Thus, by applying the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with high capacity, high safety and high reliability.
以下、本発明をいわゆる防爆型非水電解液二次電池に
適用した実施例を実験結果にもとづいて説明する。Hereinafter, examples in which the present invention is applied to a so-called explosion-proof nonaqueous electrolyte secondary battery will be described based on experimental results.
まず、防爆発型非水電解液二次電池の構成について、
第1図を参照しながら説明する。First, regarding the configuration of the explosion-proof non-aqueous electrolyte secondary battery,
This will be described with reference to FIG.
この電池は、外装缶(1)内に負極(2)および正極
(3)がセパレーター(4)を介して巻込まれたものを
発電体として収納している。なお、上記発電体の最外周
は負極(2)となされて上記外装缶(1)の内周面と接
触しており、また上記セパレーター(4)には非水電解
液が含浸されている。なお上記正極(3)からは正極リ
ード(3a)が後述する安全弁との接続を図るために設け
られている。上記発電体の上部には絶縁板(5)が設け
られている。この絶縁板(5)の中心部には、上記正極
リード(3a)を挿通するための小孔(図示せず。)が穿
設されている。また、この絶縁板(5)の上方には、外
装缶(1)の内側周部に嵌装されたガスケット(6)を
介して保持された円板状の安全弁(7)が設けられ、こ
の安全弁(7)の上部にはこの電池の正極端子となる蓋
体(8)が配設されている。なお、上記安全弁(7)と
蓋体(8)は互いに周部において接触して配設され、上
記正極(2)と上記蓋体(8)とは正極リード(3a)お
よび安全弁(7)を介して接続されている。また、上記
安全弁(7)を上面には、中心部から放射状に溝部(7
a)が形成され、上記外装缶(1)内の圧力が上昇した
場合に該溝部(7a)が裂けて内部のガスがガス挿通孔
(8a)を通って外部に逃げるようになされている。In this battery, a battery in which a negative electrode (2) and a positive electrode (3) are wound via a separator (4) in an outer can (1) is housed as a power generator. In addition, the outermost periphery of the power generator serves as a negative electrode (2) and is in contact with the inner peripheral surface of the outer can (1), and the separator (4) is impregnated with a non-aqueous electrolyte. From the positive electrode (3), a positive electrode lead (3a) is provided for connection with a safety valve described later. An insulating plate (5) is provided above the power generator. A small hole (not shown) through which the positive electrode lead (3a) is inserted is formed in the center of the insulating plate (5). Above the insulating plate (5), there is provided a disc-shaped safety valve (7) held via a gasket (6) fitted on the inner peripheral portion of the outer can (1). A cover (8) serving as a positive electrode terminal of the battery is disposed above the safety valve (7). The safety valve (7) and the lid (8) are disposed in contact with each other at the peripheral portion, and the positive electrode (2) and the lid (8) are connected to the positive electrode lead (3a) and the safety valve (7). Connected through. In addition, the safety valve (7) has a groove (7
a) is formed, and when the pressure in the outer can (1) rises, the groove (7a) is torn and the gas inside escapes to the outside through the gas insertion hole (8a).
上述のような構成の非水電解液二次電池を、以下の工
程により作成した。A non-aqueous electrolyte secondary battery having the above-described configuration was prepared by the following steps.
まず、市販の二酸化マンガン86.9g(1モル)と炭酸
リチウム18.5g(0.25モル)を乳鉢で十分に混合し、ア
ルミナボート上で空気中、450℃にて1時間焼成し、正
極活物質となるLiMn2O4を調製した。First, 86.9 g (1 mol) of commercially available manganese dioxide and 18.5 g (0.25 mol) of lithium carbonate are sufficiently mixed in a mortar, and calcined at 450 ° C. for 1 hour in air on an alumina boat to become a positive electrode active material. LiMn 2 O 4 was prepared.
次に、このLiMn2O4を使用し、以下の組成にしたがっ
て湿式混合により正極活物質ペーストを調製した。Next, using this LiMn 2 O 4 , a positive electrode active material paste was prepared by wet mixing according to the following composition.
LiMn2O4(正極活物質) 87重量部 グラファイト(導電剤) 10重量部 ポリフッ化ビニリデン(結合剤) 3重量部 N−メチル−2−ピロリドン(分散剤) 適量 上述のような正極活物質ペーストを使用して、以下、
アルミニウム集電体の厚さおよび正極活物質層の厚さに
ついて実験的に検討した結果を説明する。LiMn 2 O 4 (Positive electrode active material) 87 parts by weight Graphite (conductive agent) 10 parts by weight Polyvinylidene fluoride (binder) 3 parts by weight N-methyl-2-pyrrolidone (dispersant) Proper amount Positive electrode active material paste as described above Using
The results of an experimental study of the thickness of the aluminum current collector and the thickness of the positive electrode active material layer will be described.
実験例1 本実験例は、アルミニウム集電体上の両面に形成され
る正極活物質層の合計の厚さ(以下、両面塗布厚さと称
する。)Cを一定として、アルミニウム集電体の厚さT
を変化させた時の円筒型リチウム電池の発火の有無を調
べたものである。Experimental Example 1 In this experimental example, the total thickness of the positive electrode active material layers formed on both surfaces of the aluminum current collector (hereinafter, referred to as both-side coating thickness) C is fixed, and the thickness of the aluminum current collector is set. T
It is an examination of whether or not the cylindrical lithium battery ignites when the value is changed.
まず、厚さ30μmおよび40μmのアルミニウム集電体
上に上記正極活物質ペーストを片面80μm、すなわち両
面で160μmの厚さとなるように均一に塗布して正極を
作成した。First, the positive electrode active material paste was uniformly applied to 30 μm and 40 μm thick aluminum current collectors to a thickness of 80 μm on one side, that is, 160 μm on both sides to form a positive electrode.
次に上記の各正極をポリプロピレンからなるセパレー
ターを介して厚さ80μmのリチウム箔と共にロール状に
巻込み、ニッケルめっきを施した鉄製の外装缶(内径1
3.5mm)に入れ、1モル/の濃度でLiPF6を溶解した炭
酸プロピレン溶液を含浸させて封入し、第1図に示すよ
うな外径13.8mm,高さ42mmの円筒型リチウム電池Lおよ
び円筒型リチウム電池Mを作成した。Next, each of the above positive electrodes was wound in a roll shape with a lithium foil having a thickness of 80 μm via a separator made of polypropylene, and was plated with nickel and was made of iron.
3.5 mm) and impregnated with a propylene carbonate solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / ml, and sealed therein. As shown in FIG. 1, a cylindrical lithium battery L having an outer diameter of 13.8 mm and a height of 42 mm and a cylindrical lithium battery L A lithium battery M was prepared.
このような円筒型リチウム電池では、前述の式(I)
中、A=5.86(mAH/cm2),B=0.0043(g/cm2)とおくこ
とができ、計算されるアルミニウム集電体の厚さTは25
μm以上となる。したがって、上記の各円筒型リチウム
電池はいずれもこの条件を満足するものである。In such a cylindrical lithium battery, the above formula (I)
Where A = 5.86 (mAH / cm 2 ), B = 0.0043 (g / cm 2 ), and the calculated thickness T of the aluminum current collector is 25.
μm or more. Therefore, each of the above cylindrical lithium batteries satisfies this condition.
一方比較のために、アルミニウム集電体の厚さを20μ
mとした円筒型リチウム電池Nも同様に作成した。On the other hand, for comparison, the thickness of the aluminum
Similarly, a cylindrical lithium battery N having a length of m was prepared.
なお、これらの各円筒型リチウム電池における正極活
物質層の厚さは、前述の式(II)および式(III)を満
足し、したがってアルミニウム集電体から剥離する虞れ
はないものである。In addition, the thickness of the positive electrode active material layer in each of these cylindrical lithium batteries satisfies the above-mentioned formulas (II) and (III), and therefore, there is no fear of peeling off from the aluminum current collector.
これらの各電池について電流密度1mA/cm2にて定電流
強制放電を行い、発火の有無を調べた結果を第1表に示
す。Table 1 shows the results of conducting a constant current forced discharge at a current density of 1 mA / cm 2 for each of these batteries and examining the presence or absence of ignition.
第1表から明らかなように、アルミニウム集電体の厚
さTが30μmあるいは40μmの時には発火が起こらなか
ったが、20μmでは発火が起きた。この発火は、アルミ
ニウムの量が不足していたために過剰なリチウムを完全
に合金化させることができず、正極の表面にリチウムが
析出して引き起こされたものである。 As is clear from Table 1, no ignition occurred when the thickness T of the aluminum current collector was 30 μm or 40 μm, but ignition occurred when the thickness T was 20 μm. This ignition was caused by the fact that excess lithium could not be completely alloyed due to an insufficient amount of aluminum, and lithium was deposited on the surface of the positive electrode.
実験例2 本実験例は、アルミニウム集電体の厚さTと正極活物
質の両面塗布厚さCを種々に変化させて、該アルミニウ
ム集電体上における該正極活物質層の剥離の有無を調べ
たものである。Experimental Example 2 In this experimental example, the thickness T of the aluminum current collector and the coating thickness C of both surfaces of the positive electrode active material were variously changed to determine whether or not the positive electrode active material layer was peeled off on the aluminum current collector. It has been examined.
まず、正極活物質ペーストを上述の実験例1と同様に
作成し、第2表に示すように厚さ5〜40μmのアルミニ
ウム集電体の両面に厚さ100〜200μmとなるように均一
に塗布して正極を作成した。First, a positive electrode active material paste was prepared in the same manner as in Experimental Example 1 and uniformly applied to both surfaces of an aluminum current collector having a thickness of 5 to 40 μm to a thickness of 100 to 200 μm as shown in Table 2. Thus, a positive electrode was prepared.
次に、上記の各正極をポリプロピレンからなるセパレ
ーターを介して厚さ80μmのリチウム箔と共に4mm径の
巻き芯にロール状に巻込み、正極の破断および正極活物
質層の剥離の発生状況を調べた。Next, each of the above positive electrodes was wound in a roll shape around a 4 mm diameter winding core together with a lithium foil having a thickness of 80 μm via a separator made of polypropylene, and the occurrence of breakage of the positive electrode and peeling of the positive electrode active material layer was examined. .
なお比較のために、アルミニウム集電体の厚さTを本
発明における好適な範囲より大きい50μmとした場合に
ついても同様に検討した。For comparison, the case where the thickness T of the aluminum current collector was set to 50 μm, which is larger than the preferable range in the present invention, was also examined.
これらの結果を第2表に示す。表中、○印は正極の破
断および正極活物質層の剥離のいずれも発生しない場
合、×印は少なくともそのいずれかが発生する場合を示
す。Table 2 shows the results. In the table, the mark “○” indicates that neither the breaking of the positive electrode nor the peeling of the positive electrode active material layer occurs, and the mark “X” indicates that at least one of them occurs.
本実験によると、まずアルミニウム集電体の厚さTが
5μmの場合は、該アルミニウム集電体自身の強度が不
足しているためにいかなる正極活物質の両面塗布厚さC
においても正極の破断が発生していた。アルミニウム集
電体の厚さTが10〜50μmの場合には、正極の破断ある
いは正極活物質層の剥離は正極活物質の両面塗布厚さC
に依存する。アルミニウム集電体の厚さTが50μmの場
合には、正極活物質の両面塗布厚さCが140μm以下で
あれば上述のような物理的な不都合は生じないが、電池
容量を低下させるので実用的な厚さとは言えない。 According to this experiment, first, when the thickness T of the aluminum current collector is 5 μm, the strength of the aluminum current collector itself is insufficient, so that the coating thickness C on both sides of the positive electrode active material is not sufficient.
Also, the positive electrode was broken. In the case where the thickness T of the aluminum current collector is 10 to 50 μm, the breaking of the positive electrode or the peeling of the positive electrode active material layer is caused by the coating thickness C on both sides of the positive electrode active material
Depends on. When the thickness T of the aluminum current collector is 50 μm, the physical inconvenience as described above does not occur if the thickness C of both surfaces of the positive electrode active material is 140 μm or less. It cannot be said that it is a typical thickness.
したがって、本発明において好適なアルミニウム集電
体の厚さTは10〜40μmであり、それに応じた好適な正
極活物質の両面塗布厚さCは第2図中、斜線で示される
範囲となる。Therefore, in the present invention, the preferable thickness T of the aluminum current collector is 10 to 40 μm, and the suitable thickness C of the double-sided coating of the positive electrode active material is in the range indicated by oblique lines in FIG.
以上の説明からも明らかなように、本発明にかかる非
水電解液二次電池においては、アルミニウム集電体の厚
さが負極に使用されるリチウムの量に応じて適正に選ば
れている。したがって、強制放電を起った際にも過剰リ
チウムの析出に起因する発火が起こらず、非水電解液二
次電池の安全性が向上される。また、上記アルミニウム
集電体の上に形成される正極活物質層の厚さも該アルミ
ニウム集電体の厚さに応じて適正に選ばれているため、
製造工程における破断や正極活物質層の剥離が発生せ
ず、高容量で信頼性の高い非水電解液二次電池の提供が
可能となる。As is clear from the above description, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the thickness of the aluminum current collector is appropriately selected according to the amount of lithium used for the negative electrode. Therefore, even when forced discharge occurs, ignition due to precipitation of excess lithium does not occur, and the safety of the nonaqueous electrolyte secondary battery is improved. Further, since the thickness of the positive electrode active material layer formed on the aluminum current collector is also appropriately selected according to the thickness of the aluminum current collector,
It is possible to provide a high-capacity and highly reliable nonaqueous electrolyte secondary battery without causing breakage or peeling of the positive electrode active material layer in the manufacturing process.
第1図は本発明を適用した非水電解質二次電池の断面図
である。第2図は本発明において限定されるアルミニウ
ム集電体の厚さTと正極活物質の両面塗布厚さCとの関
係を示す説明図である。 1……外装缶 2……負極 3……正極 3a……正極リード 4……セパレーター 7……安全弁FIG. 1 is a sectional view of a non-aqueous electrolyte secondary battery to which the present invention is applied. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the thickness T of the aluminum current collector limited in the present invention and the thickness C of coating on both sides of the positive electrode active material. 1 ... outer can 2 ... negative electrode 3 ... positive electrode 3a ... positive electrode lead 4 ... separator 7 ... safety valve
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 影山 雅之 福島県郡山市日和田町高倉字下杉下1― 1 株式会社ソニー・エナジー・テック 郡山工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/02 H01M 10/40──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masayuki Kageyama 1-1, Shimosugishita, Takakura, Hiwada-cho, Koriyama-shi, Fukushima Prefecture 1-1 Sony Energy Tech Koriyama Plant (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 H01M 4/02 H01M 10/40
Claims (1)
る負極と、LiMn2O4を主体とする正極活物質層がアルミ
ニウム集電体の両面に形成されてなる正極とが非水電解
液と共に外装缶内に収納されてなる非水電解液二次電池
において、上記アルミニウム集電体の厚さT(μm)が
次式(I) T≧3.442(3862B−1.6A) …(I) 〔ただし、式中Aは放電終止電圧を2.0Vとして2時間率
放電を行った際の正極の単位面積当たり放電容量(mAH/
cm2)、Bは負極の単位面積当たりリチウム重量(g/c
m2)を表す。〕で表され、かつ上記アルミニウム集電体
上の両面に形成される正極活物質層の合計の厚さC(μ
m)が次式(II)および式(III) 10≦T<30のとき C≦2T+120 …(II) 30≦T≦40のとき C≦−2T+240 …(III) で表されることを特徴とする非水電解液二次電池。1. A non-aqueous electrolyte comprising a negative electrode comprising an excessive amount of lithium with respect to the positive electrode capacity and a positive electrode comprising a positive electrode active material layer mainly composed of LiMn 2 O 4 formed on both sides of an aluminum current collector. And the thickness T (μm) of the aluminum current collector is represented by the following formula (I) T ≧ 3.442 (3862B-1.6A) (I) [ Where A is the discharge capacity per unit area of the positive electrode (mAH /
cm 2 ), B is the lithium weight per unit area of the negative electrode (g / c
m 2 ). ] And the total thickness C (μ) of the positive electrode active material layers formed on both surfaces on the aluminum current collector.
m) is represented by the following formula (II) and formula (III) when 10 ≦ T <30: C ≦ 2T + 120 (II) When 30 ≦ T ≦ 40, C ≦ −2T + 240 (III) Non-aqueous electrolyte secondary battery.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63133923A JP2775754B2 (en) | 1988-05-31 | 1988-05-31 | Non-aqueous electrolyte secondary battery |
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---|---|
JPH01304659A JPH01304659A (en) | 1989-12-08 |
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ID=15116247
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JP5050379B2 (en) * | 2006-03-24 | 2012-10-17 | ソニー株式会社 | Secondary battery |
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1988
- 1988-05-31 JP JP63133923A patent/JP2775754B2/en not_active Expired - Lifetime
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