JP3908459B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオンを吸蔵離脱可能な正負極活物質および非水電解質を用いた非水電解質二次電池に関し、より詳しくは安全性を高めた非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話やノートパソコン等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しているが、このような状況にあって、軽量かつ高容量の非水電解質二次電池の利用が拡大している。
【０００３】
非水電解質二次電池は、正負極間でのリチウムの移動により充放電を行う電池であり、この種の電池には、一般にリチウムイオンを挿入離脱することができる炭素系材料（負極活物質）と、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等の遷移金属酸化物（正極活物質）と、リチウム塩を含む非水電解質が使用されている。このような構成の非水電解質二次電池は、適正な範囲で充放電が行われている限り優れた充放電特性を示す。
【０００４】
しかしながら、過剰充電された場合には、負極で吸蔵しきれないリチウムイオンが負極上で金属リチウムとして析出し、この析出物が針状（デンドライト）に発達し、遂にはセパレータを突き破って正極に達し内部短絡を引き起こす。そして、従来の非水電解質二次電池では、十分に成長したデンドライトが一気にセパレータを突き破るため、セパレータが大きく損傷されるともに、内部短絡により電池性能が害されるほどに電池温度が上昇する。
【０００５】
また、過充電により正極の電位が高まる結果（例えば５Ｖを越えて上昇する）、正極において電解液の分解が生じる。電解液の分解は、電解液不足とともに電池内圧の上昇を招き、これに上記電池温度が加わると電極活物質と電解液との急激な反応を招くことになる。
【０００６】
このため、従来の非水電解質二次電池においては、別途で作製した保護回路を組み込み、電池電圧が過度に上昇したときには電流を遮断する等して電池の安全性を担保している。しかし、保護回路の組み込みは、電池価格の上昇を招くとともに、電池の一層の小型・軽量化を図る上での障害になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、保護回路を別個に組み込むことなく、電池本来の機構を利用した手段でもって、電池の小型化、軽量化、低コスト化を図りつつ安全性を向上させることができる非水電解質二次電池の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は下記構成を採用する。
請求項１に記載の発明は、リチウムを挿入離脱可能な化合物を正極活物質とする正極と、リチウムを挿入離脱可能な材料を負極活物質とする負極と、非水電解質と、前記正負極の間に介装されたセパレータと、を有する非水電解質二次電池において、前記セパレータには、前記正負極間を直線状で結ぶ、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
過充電状態で負極の容量以上に正極からリチウムが放出された場合や、低温で負極の活性が低下している状態で充電を行った場合には、負極上にリチウムデンドライトが析出する。このリチウムデンドライトが発生した初期（デンドライトが十分に成長する前）に、リチウムデンドライトがセパレータを挿通して正負極間を結び通電すれば、短絡状態となってそれ以上充電反応が進行せず、且つリチウムデンドライトが細い状態であるので、電池電圧や温度上昇等による電池の安全性の低下を抑制することが可能である。
したがって、上記構成の如く、セパレータにリチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていれば、リチウムデンドライトが発生した初期に正負極間が通電され、電池の安全性の低下を抑制することが可能となる。
【００１０】
このように、貫通孔が前記正負極間を直線状で結んでいれば、リチウムデンドライトが円滑に成長することができるので、リチウムデンドライトのより発生初期において正負極問での通電が可能となって、電池の安全性が一層向上する。で、負極と外装缶の接触抵抗がより小さくなる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔は前記正負極間を最短で結ぶ構造であることを特徴とする。
上記構成であれば、リチウムデンドライトのより一層発生初期において正負極問での通電が可能となるので、電池の安全性がより一層向上する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が５μｍ以上であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が５μｍ以上であれば、リチウムデンドライトの横方向（基板と平行方向）への成長が大きい場合においても、正負極間を容易に結ぶことが可能となるからである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が１００μｍ以下であり、望ましくは７０μｍ以下であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が１００μｍ以下であると、通常の使用状態（過充電状態等でない状態）において、内部短絡を生じる可能性が減少し、貫通孔の直径が７０μｍ以下であると、通常の使用状態において、内部短絡を確実に防止できるからである。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が５０μｍ以下であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が５０μｍ以下であると、電池の温度上昇が発生した場合に、ポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータが溶解し、正負極間の通電を妨げるというシャットダウン機構が円滑に働くので、電池の安全性をより向上させることができるからである。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が３０μｍ以下であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が３０μｍ以下であると、自己放電による劣化を抑制できるので、高温保存時において、電池電圧の変化及び厚みの増加量が少なくなるからである。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６いずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の割合が１個／ｃｍ2 以上であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔が１個／ｃｍ2 以上の密度で存在すれば、負極上にランダムに発生したリチウムデンドライトによる通電を、より初期に発生させることが可能となり、且つ複数箇所で通電されるので、各通電箇所における負荷が減少し、安全性を一層向上させることができるからである。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７に記載の非水電解質二次電池において、前記セパレータと前記正負極活物質との間に電解質としてのゲル導電性ポリマーを有することを特徴とする。
二次電池では充放電サイクルを繰り返すことにより、極板からの活物質の剥落や、電解液の分解による堆積物が発生する。これがセパレータ上の貫通孔を塞いだ場合、リテウムデンドライトによる通電を阻害する。しかし、上記構成の如く、セパレータと活物質の問に導電性ポリマーが存在していれば、剥落物のセパレータ上への堆積等が発生しないため、充放電サイクルを繰り返した場合であっても電池作製初期と同レベルで、通電機構を維持することが可能となる。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、リチウムを挿入離脱可能な化合物を正極活物質とする正極と、リチウムを挿入離脱可能な材料を負極活物質とする負極と、非水電解質と、前記正負極の間に介装されたセパレータと、を有する非水電解質二次電池において、前記セパレータには、前記正負極間を直線状で結ぶ、直径が５μｍ以上の貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例と実験により説明する。
（実施例）
実施例にかかる非水電解質二次電池を、次のようにして作製した。
【００２０】
〈正極の作製〉
炭酸リチウム（Ｌｉ2 ＣＯ3 ）と酸化コバルト（Ｃｏ3 Ｏ4 ）とを７００〜９００℃の温度で焼成して正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2 ）を作製した。このコバルト酸リチウムと、導電助剤としての黒鉛およびケッチェンブラックと、結着剤としてのフッ素樹脂とを、質量比で９０：３：２：５の割合で混合し、これをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解して活物質ベーストとした。
【００２１】
この活物質ペーストをドクターブレード法により厚み２０μｍのアルミ箔（金属芯体）の両面に均一に塗布した後、加熱した乾燥機中を通過させて、１００〜１５０℃の温度で真空乾燥することにより、ペースト作製時に必要であった有機溶媒を除去した。次いで、この極板を厚みが０．１７ｍｍになるようにロールプレス機により圧延して正極を作製した。
【００２２】
〈負極の作製〉
リチウムイオンを吸蔵・脱離することのできる天然黒鉛からなる負極活物質と、結着剤としてのフッ素樹脂とを、質量比で９５：５の割合で混合し、これをＮ−メチル−２−ピロリドンに溶解してペーストとした。このペーストをドクターブレード法により金属芯体としての銅箔（厚み２０μｍ）の両面に均一に塗布した後、加熱した乾燥機中を通過させて、１００〜１５０℃の温度で真空乾燥することにより、ペースト作製時に必要であった有機溶媒を除去した。次いで、この極板を厚みが０．１４ｍｍになるようにロールプレス機により圧延して負極を作製した。
【００２３】
〈セパレータの作製〉
粉末シリカ表面にエステルを吸着させたものと、ポリエチレン粉末とを混合し、溶融押出法により製膜を行って、厚さ２００μｍのシートを得た。次いで、得られたシートを、２０％の苛性ソーダ水溶液と有機溶媒に浸漬して、シリカ粉末とエステルとを抽出除去し、更に水洗乾燥した後、ＭＤ方向、ＴＤ方向に延伸して、厚さ２０μｍのポリエチレン製微多孔膜を得た。このポリエチレン製微多孔膜に対して、発振波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、及び１０μｍ孔径の細孔を有するステンレス製マスクを使用して、貫通孔を形成した。尚、このようにして形成された貫通孔の方向と、孔径と、密度とは、以下の通りである。
【００２４】
・貫通孔の方向：正負極間を最短で結ぶ方向〔図７（ａ）に示すように、負極表面に対する角度θ＝９０°〕
・貫通孔の孔径：１０μｍ
・貫通孔の密度：２個／ｃｍ2
【００２５】
〈電解液の調製〉
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比３：７となるように混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ6 （電解質塩）を１モル／リットル濃度に溶解した溶液を電解液とした。
【００２６】
〈電池ケースの作製〉
ポリエチレンテレフタレートフィルム、アルミニウムフィルム等が積層されたラミネートシートを用いて筒状の外装体を作製し、これを電池ケースとした。
【００２７】
〈電池の組み立て〉
図１〜３に基づいて電池の組み立方法を説明する。先ず正極５の芯体に正極集電タブ７を取付け、負極６の芯体に負極集電タブ８を取り付けた後、正負電極間に上記セパレータを介装し、巻取り機で渦巻き状に巻いた。この後、その最外周をテープで止め、偏平に押しつぶして板状渦巻電極体１とした。
【００２８】
板状渦巻電極体１を筒状のラミネート外装体３の収納空間２内に、正負集電タブ７・８が外側に突き出るようにして収納し、正負集電タブ７・８側の開口４ａを加熱溶着した。次いで、もう一方の開口から上記電解液を５ｍｌ注液した後、当該開口を同様に加熱溶着し封止（４ｂ）し、実施例１にかかる非水電解質二次電池を作製した。この電池の実容量は５００ｍＡｈである。なお、４ｃはラミネート材を筒状とするときの溶着部位を示す。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａと称する。
【００２９】
（比較例）
平均２μｍの微多孔を有する（この大きさでは、リチウムデンドライトを挿通することができない）ポリエチレン製微多孔膜をセパレータとして用いたこと以外は、上記実施例と同様にして比較例にかかる非水電解質二次電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘと称する。
【００３０】
（過充電試験）
上記本発明電池Ａ及び比較電池Ｘに対し、電流値５００ｍＡ（１Ｃ）で５時間の過充電を行った。そして、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図４に示し、また、電池の膨らみ程度と封止部の状態を調べたので、その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
図４及び表１に示すように、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されたセパレータを用いた本発明電池Ａは、充電深度が１５０％に到達した付近で電位は一定となり、また、電池の膨張が僅か（０．５８ｍｍ）であり、封止部の異常が認められなかった。これに対して、比較電池Ｘはリチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていない通常のポリエチレン製微多孔膜を用いているので、充電の進行に伴い電池電圧の上昇が発生した後、電圧低下が発生し、また、２３．５６ｍｍという大幅な膨張が認められ、更に、封止部に剥がれが認められた。なお、封止部の剥がれは電池の密閉性が害されたことを意味する。
【００３３】
この結果は次のように考えられる。比較電池Ｘでは、過充電の結果、正極電位が電解液の分解開始電位以上になったために、正極において電解液の分解が生じ、この時発生する分解ガスにより電池が膨張して、封止部が開口したものと考えられる。また、電池の変形により電池内部でショートが発生し、これにより電池電圧の上昇が発生した後、電池電圧が０Ｖまで低下したものと考えられる。
【００３４】
これに対して、本発明電池Ａでは、過充電の初期において、負極上に発生したリチウムデンドライトが貫通孔を通じて正極に到達して、内部短絡が生じ、これ以上の過充電が進まなかったために、正極電位の上昇は停止し、電解液の分解によるガス発生量が顕著に少なくなったものと考えられる。なお、過充電の初期に発生する析出物は微細であるので、これによる内部短絡であると、一気に過大な電流が流れることはない。よって、電池温度の上昇が少ない。
尚、上記のような効果は、内部圧力の変化に対して容易に変形の発生するアルミラミネート外装体を用いた電池において特に有用である。
【００３５】
（実験の部）
図４及び表１の結果から、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されているセパレータを用いると過充電に伴う電池内圧の上昇を抑制できることが確認できたので、以下では他の条件についての検討を行った。
【００３６】
〔実験１〕
実験１では、負極活物質の種類と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表２に示すように、負極活物質として、シリコン又は酸化スズを用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｂ１、Ｂ２）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図５に示す。尚、負極は単位面積当たりの容量がそれぞれ等しくなるよう理論容量から塗布厚みを決定し、そして、正負極容量比（負極容量／正極容量）が１．１となるよう調整した。
【００３７】
【表２】
【００３８】
図５から明らかなように、本発明電池Ａ及び本発明電池Ｂ１、Ｂ２においては、全て、充電深度１５０％付近から電池電圧が平坦になる様子が観測された。これは正負極容量比が一定であるため、正極の充電深度が等しい状態で全ての負極上でリチウムデンドライトの析出が発生するためであると考えられる。尚、平坦になる電池電圧が各電池で異なっているのは、満充電状態での負極の電位が異なるためであるものと考えられる。
また、ここでは詳細に示さないが、正極活物質としてコバルト酸リチウムに変えてニッケル酸リチウム、或いはマンガン酸リチウムを用いた場合にも同様の結果が得られることを実験により確認している。
【００３９】
〔実験２〕
実験２では、貫通孔の作製方法と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表３に示すように、貫通孔の作製方法として、電気処理法又は針での機械法を用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｃ１、Ｃ２）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図６に示す。尚、電気処理法は、グロー放電法又は大気圧低温プラズマ処理法等によって行われるが、本実験では大気圧低温プラズマ処理法により実験した。
【００４０】
【表３】
【００４１】
図６から明らかなように、本発明電池Ａ及び本発明電池Ｃ１、Ｃ２においては、全て、充電深度１５０％付近から電池電圧が４．６〜４．７Ｖで一定となり、試験終了後の電池についても変形はほとんど発生していなかったことが認められた。このことから、孔の作製方法には関係なく、セパレータにリチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていれば、リチウムデンドライトによる通電が発生することが判明した。
尚、ここでは詳細に示さないが、同様の孔を有するポリエチレンテレフタレート製不織布をセパレータとして用いた場合にも同様の結果が得らることを実験により確認した。
【００４２】
〔実験３〕
実験３では、貫通孔の方向と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表４に示すように、貫通孔の方向を、負極表面に対する角度θ＝６０°、４５°、３０°としたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｄ１〜Ｄ３）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図８に示す。
【００４３】
【表４】
【００４４】
図８から明らかなように、本発明電池Ａでは充電深度１５０％付近から電池電圧が４．６〜４．７Ｖで平坦になることが認められた。これに対し、本発明電池Ｄ１〜Ｄ３では電池電圧の平坦化の開始する充電深度が１６０％、１７５％、１８５％と徐々に深くなっていき、平坦化した電池電圧も約０．１Ｖずつ上昇していくことが認められた。これは、セパレータ上の貫通孔の角度が、正負極問を最短で結ぶ方向に対して増加していくことにより、貫通孔の長さが増加していくため、リチウムデンドライトが正負極問を結ぶには一層成長する必要が生じ、より充電が進行した状態に到達するまでデンドライトによる通電が発生しないことによるものと考えられる。
【００４５】
〔実験４〕
実験４では、貫通孔の孔径と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表５に示すように、貫通孔の孔径を、３μｍ、５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｅ１〜Ｅ７）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図９に示す。尚、貫通孔の孔径は、ＫｒＦエキシマレーザでの処理時にステンレス製マスクの孔径を変えることにより変化させた。
【００４６】
【表５】
【００４７】
図９から明らかなように、貫通孔の孔径が５μｍ以上の本発明電池Ａ、Ｅ２〜Ｅ７では、充電深度１５０％付近から電池電圧の平坦化が生じ、電池電圧も４．５〜４．７Ｖでほぼ一定の値を示した。これに対し、貫通孔の孔径が３μｍの本発明電池Ｅ１では、充電の進行に伴い電池電圧は上昇し、約２２０％の充電深度において充電電源の上限値である１２Ｖに到達したことが認められた。
【００４８】
これは、過充電状態で負極上に析出するリチウムデンドライトがセパレータを通じて正極に到達する場合、ある程度の直径を有する針状結晶として成長する。したがって、貫通孔の孔径が小さ過ぎると（５μｍ未満になると）、リチウムデンドライトはセパレータ中へ成長していくことが困難となることがあるため、正負極間での通電を発生させることができない場合がある。この結果、過充電反応がある程度進行して、正極電位の上昇が発生する。一方、貫通孔の孔径が大きくなると（５μｍ以上になると）、貫通孔の大きさに関わらず、貫通孔の存在により金属リチウムによる内部導通が円滑に発生するものと考えられる。
尚、通常の微多孔膜を使用した比較電池Ｘでは、電圧上昇によるガス発生が引き起こす電池の変形によりショートが発生することが認められた。
【００４９】
〔実験５〕
実験５では、貫通孔の孔径と不良率との関係を調べた。具体的には、表６に示すように、貫通孔の孔径を、５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍ、２００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｆ１〜Ｆ７）を作製した。そして、耐電圧特性における不良率を調べたので、その結果を表６及び図１０に示す。尚、電池の個数は、各電池５００個である。
【００５０】
【表６】
【００５１】
表６及び図１０から明らかなように、貫通孔の孔径が７０μｍ以下の本発明電池Ｆ１〜Ｆ５、Ａ１では不良が全く発生せず、また、貫通孔の孔径が１００μｍの本発明電池Ｆ６では若干の不良が発生したが、実用上問題のないレベルであったのに対して、貫通孔の孔径が２００μｍの本発明電池Ｆ７では想当数の不良が発生し、実用上、若干問題があるレベルであった。
【００５２】
そこで、このような不良が発生する原因を調べたところ、貫通孔の孔径が大きな電池では、セパレータの機械的強度が大きく低下するため、巻き取り体（電極体）作製時に加わるテンションによりセパレータに部分破断が発生し、電池内部でショートが発生するということを、不良発生電池を分解することにより確認できた。
【００５３】
〔実験６〕
実験６では、高温保存時における時間と内部抵抗との関係を調べた。具体的には、表７に示すように、貫通孔の孔径を、５μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｇ１〜Ｇ５）を作製した。そして、各電池を電池電圧を４．２Ｖ満充電状態にした後、１５０℃まで加熱し、その後１５０℃で保存した場合の時間と内部抵抗との関係を調べたので、その結果を図１１に示す。
【００５４】
【表７】
【００５５】
図１１から明らかなように、貫通孔の孔径が５０μｍ以下の本発明電池Ｇ１〜Ｇ３では、加熱開始後、約１時間経過した時点で急激に内部抵抗が増加したのに対して、貫通孔の孔径が７０μｍ以上の本発明電池Ｇ４、Ｇ５では、加熱による温度上昇に伴う内部抵抗の増加は穏やかであり、約１３０ｍΩで一定値となることが認められた。
【００５６】
ここで、電池の温度上昇が発生した場合、ポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータが溶解し、正負極間の通電を妨げるというシャットダウン機構はセパレータに求められる重要な機能である。貫通孔の孔径が小さい場合には、溶解した周囲のポリエチレンが貫通孔を塞ぐことが可能である。しかし、所定値以上の孔径（５０μｍを越える孔径）を有する貫通孔が存在する場合には、溶解した周囲のポリエチレンが貫通孔を塞ぐことができず、加熱によるシャットダウンを起こすことが物理的に不可能になる。このため、外部短絡による急激な温度上昇発生時などにおいて、通常微多孔部分はシャットダウンが発生するが、貫通孔部分では貫通孔が存在したままの状態であることにより、完全にシャットダウンを起こすものと比べて、電池の安全性が低下するおそれがあるという問題を生じる。
【００５７】
〔実験７〕
実験７では、貫通孔の孔径と電圧変化及び厚み増加との関係を調べた。具体的には、表８に示すように、貫通孔の孔径を、５μｍ、３０μｍ、５０μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｈ１〜Ｈ３）を作製した。そして、各電池を放電状態で６０℃の恒温槽中に２０日間保存し、このときの電池電圧の変化及び電池厚みの増加量を調べたので、その結果を表８に示す。
【００５８】
【表８】
【００５９】
表８から明らかなように、貫通孔の孔径が３０μｍ以下の本発明電池Ａ、Ｈ１、Ｈ２では、電池電圧の変化及び電池厚みの増加量において、比較電池Ｘと遜色なく、貫通孔の存在による劣化の進行は認められないのに対して、貫通孔の孔径が５０μｍの本発明電池Ｈ３では、電池電圧の変化及び電池厚みの増加量とも、比較電池Ｘに比べて著しく増加していることが認められる。
【００６０】
これにより、貫通孔の孔径の増加により、保存時の自己放電による劣化は大きくなる傾向があることが分かるが、貫通孔の孔径が３０μｍ以下の範囲では実用上問題となるような劣化は発生しないのに対して、貫通孔の孔径が３０μｍを越えると実用上問題となるような劣化を発生することが分かる。
尚、このような実験結果となる理由の詳細については現段階では判明していないが、貫通孔を通じた電解液中でのリチウムイオンの電気泳動発生の容易性の差異や、極板から剥離した活物質の影響ではないかと推測される。
【００６１】
〔実験８〕
実験８では、貫通孔の密度と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表９に示すように、貫通孔の密度を、０．５個／ｃｍ2 、１個／ｃｍ2 、１．５個／ｃｍ2 、４個／ｃｍ2 としたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｊ１〜Ｊ４）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図１２に示す。尚、貫通孔は全て均一に分散される構造である。
【００６２】
【表９】
【００６３】
図１２から明らかなように、本発明電池Ａ、Ｊ２〜Ｊ４では、電池電圧の平坦化が観測されたが、貫通孔の密度が増加するにつれて平坦化の開始する充電深度は浅くなり、電池電圧もより低くなっていった。これに対して、本発明電池Ｊ１では、充電の進行につれて電池電圧は上昇し、充電深度２３０％付近で充電電源の上限値である１２Ｖに到達したことが認められた。これは、過充電状態で負極上に発生するリチウムデンドライトは、析出初期において負極表面に均一に発生するのではなく、反応活性な部位において選択的に析出を開始する。この析出したデンドライトとセパレータに形成された貫通孔とが対応している場合には、デンドライトはセパレータを通じて正極に到達することが可能となる。そして、このデンドライトの析出と貫通孔とが対応するには、１個／ｃｍ2 以上の密度で貫通孔か存在しているのが望ましく、１個／ｃｍ2 未満の密度であれば、析出初期のデンドライトが正極に到達することができず、電池電位が上昇するものと考えられる。
尚、通常の微多孔膜を使用した比較電池Ｘでは、電池電圧上昇によるガス発生が引き起こす電池の変形によりショートが発生することが認められた。
【００６４】
〔実験９〕
実験９では、電解液を用いた電池及びゲルポリマーを用いた電池と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表１０に示すように、電解質としてポリエチレンオキシド系ゲルポリマーを用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｋ）を作製した。そして、この電池について、室温での充放電サイクルを５００サイクル実施した後、及び作製後サイクルを行っていない状態で、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図１３に示す。尚、ポリエチレンオキシド系ゲルポリマーは、実施例１と同様の電解液とモノマーとを、体積比で１２：１の割合で保持したものを用いた。
【００６５】
【表１０】
【００６６】
図１３から明らかなように、ゲルポリマーを使用した本発明電池Ｋでは、５００サイクル実施した後及び作製後サイクルを行っていない状態に係わらず、充電深度２００％付近で電池電圧の平坦化が発生し、且つ平坦化した電池電圧も４．７Ｖ付近であった。これに対して、電解液を用いた本発明電池Ａでは、作製後サイクルを行っていない状態では充電深度１５０％付近から電池電圧の平坦化が発生し、且つ平坦化した電池電圧も４．７Ｖ付近であったのに対して、５００サイクル実施した後では充電深度１４０％付近で電池電圧の平坦化が発生し、且つ平坦化した電池電圧も４．９Ｖと上昇していることが認められた。
【００６７】
そこで、サイクル前後の電池を解体したところ、電解液を単独で用いた本発明電池Ａでは、充放電サイクルにより発生する電解液の分解による堆積物や、剥落した活物質がセパレータ上に堆積している様子が確認された。これに対して、ゲルポリマーを用いた本発明電池Ｋでは、分解による生成物や剥落した活物質はゲルポリマーによって保持されており、セパレータ上に堆積している様子はほとんど観測されなかった。
【００６８】
本発明電池Ａの如く、セパレータ上に堆積物等が付着した場合には、貫通孔を塞いでしまう。このため過充電状態で負極上に発生したリチウムデンドライトが正極に到達するためには、通常以上に成長する必要が生じる。この成長に必要な充電が進行するためには、電池電圧が平坦化する充電深度は深くなり、電池電圧も充電反応が進行するために上昇する。これに対して、本発明電池Ｋの如く、セパレータ上に堆積物等が付着しない場合には、貫通孔を塞いでしまうことがないので、上記の不都合が回避される。この結果、上記のような実験結果となったものと考えられる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、内部短絡を積極的に利用して過充電を防止する本発明によると、特別な部材を用いることなくして、自己完結的に過充電に起因する電池温度の上昇や、電池内でのガス発生を抑制することができる。よって、本発明によると、信頼性、安全性に優れた非水電解質二次電池を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１にかかる板状渦巻電極体を示す図である。
【図２】実施例１にかかるラミネート外装体を示す断面図である。
【図３】実施例１にかかる非水電解質二次電池の正面図である。
【図４】本発明電池Ａ及び比較電池Ｘにおける過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図５】実験１における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図６】実験２における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図７】本発明電池Ａ及び本発明電池Ｄ１〜Ｄ３における、貫通孔の方向を模式的に示す説明図である。
【図８】実験３における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図９】実験４における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図１０】実験５における孔径と不良率との関係を示すグラフである。
【図１１】実験６における時間と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図１２】実験８における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図１３】実験９における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオンを吸蔵離脱可能な正負極活物質および非水電解質を用いた非水電解質二次電池に関し、より詳しくは安全性を高めた非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話やノートパソコン等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しているが、このような状況にあって、軽量かつ高容量の非水電解質二次電池の利用が拡大している。
【０００３】
非水電解質二次電池は、正負極間でのリチウムの移動により充放電を行う電池であり、この種の電池には、一般にリチウムイオンを挿入離脱することができる炭素系材料（負極活物質）と、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等の遷移金属酸化物（正極活物質）と、リチウム塩を含む非水電解質が使用されている。このような構成の非水電解質二次電池は、適正な範囲で充放電が行われている限り優れた充放電特性を示す。
【０００４】
しかしながら、過剰充電された場合には、負極で吸蔵しきれないリチウムイオンが負極上で金属リチウムとして析出し、この析出物が針状（デンドライト）に発達し、遂にはセパレータを突き破って正極に達し内部短絡を引き起こす。そして、従来の非水電解質二次電池では、十分に成長したデンドライトが一気にセパレータを突き破るため、セパレータが大きく損傷されるともに、内部短絡により電池性能が害されるほどに電池温度が上昇する。
【０００５】
また、過充電により正極の電位が高まる結果（例えば５Ｖを越えて上昇する）、正極において電解液の分解が生じる。電解液の分解は、電解液不足とともに電池内圧の上昇を招き、これに上記電池温度が加わると電極活物質と電解液との急激な反応を招くことになる。
【０００６】
このため、従来の非水電解質二次電池においては、別途で作製した保護回路を組み込み、電池電圧が過度に上昇したときには電流を遮断する等して電池の安全性を担保している。しかし、保護回路の組み込みは、電池価格の上昇を招くとともに、電池の一層の小型・軽量化を図る上での障害になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、保護回路を別個に組み込むことなく、電池本来の機構を利用した手段でもって、電池の小型化、軽量化、低コスト化を図りつつ安全性を向上させることができる非水電解質二次電池の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は下記構成を採用する。
請求項１に記載の発明は、リチウムを挿入離脱可能な化合物を正極活物質とする正極と、リチウムを挿入離脱可能な材料を負極活物質とする負極と、非水電解質と、前記正負極の間に介装されたセパレータと、を有する非水電解質二次電池において、前記セパレータには、前記正負極間を直線状で結ぶ、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
過充電状態で負極の容量以上に正極からリチウムが放出された場合や、低温で負極の活性が低下している状態で充電を行った場合には、負極上にリチウムデンドライトが析出する。このリチウムデンドライトが発生した初期（デンドライトが十分に成長する前）に、リチウムデンドライトがセパレータを挿通して正負極間を結び通電すれば、短絡状態となってそれ以上充電反応が進行せず、且つリチウムデンドライトが細い状態であるので、電池電圧や温度上昇等による電池の安全性の低下を抑制することが可能である。
したがって、上記構成の如く、セパレータにリチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていれば、リチウムデンドライトが発生した初期に正負極間が通電され、電池の安全性の低下を抑制することが可能となる。
【００１０】
このように、貫通孔が前記正負極間を直線状で結んでいれば、リチウムデンドライトが円滑に成長することができるので、リチウムデンドライトのより発生初期において正負極問での通電が可能となって、電池の安全性が一層向上する。で、負極と外装缶の接触抵抗がより小さくなる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔は前記正負極間を最短で結ぶ構造であることを特徴とする。
上記構成であれば、リチウムデンドライトのより一層発生初期において正負極問での通電が可能となるので、電池の安全性がより一層向上する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が５μｍ以上であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が５μｍ以上であれば、リチウムデンドライトの横方向（基板と平行方向）への成長が大きい場合においても、正負極間を容易に結ぶことが可能となるからである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が１００μｍ以下であり、望ましくは７０μｍ以下であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が１００μｍ以下であると、通常の使用状態（過充電状態等でない状態）において、内部短絡を生じる可能性が減少し、貫通孔の直径が７０μｍ以下であると、通常の使用状態において、内部短絡を確実に防止できるからである。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が５０μｍ以下であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が５０μｍ以下であると、電池の温度上昇が発生した場合に、ポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータが溶解し、正負極間の通電を妨げるというシャットダウン機構が円滑に働くので、電池の安全性をより向上させることができるからである。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の直径が３０μｍ以下であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔の直径が３０μｍ以下であると、自己放電による劣化を抑制できるので、高温保存時において、電池電圧の変化及び厚みの増加量が少なくなるからである。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６いずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、前記貫通孔の割合が１個／ｃｍ2 以上であることを特徴とする。
このように規制するのは、貫通孔が１個／ｃｍ2 以上の密度で存在すれば、負極上にランダムに発生したリチウムデンドライトによる通電を、より初期に発生させることが可能となり、且つ複数箇所で通電されるので、各通電箇所における負荷が減少し、安全性を一層向上させることができるからである。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７に記載の非水電解質二次電池において、前記セパレータと前記正負極活物質との間に電解質としてのゲル導電性ポリマーを有することを特徴とする。
二次電池では充放電サイクルを繰り返すことにより、極板からの活物質の剥落や、電解液の分解による堆積物が発生する。これがセパレータ上の貫通孔を塞いだ場合、リテウムデンドライトによる通電を阻害する。しかし、上記構成の如く、セパレータと活物質の問に導電性ポリマーが存在していれば、剥落物のセパレータ上への堆積等が発生しないため、充放電サイクルを繰り返した場合であっても電池作製初期と同レベルで、通電機構を維持することが可能となる。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、リチウムを挿入離脱可能な化合物を正極活物質とする正極と、リチウムを挿入離脱可能な材料を負極活物質とする負極と、非水電解質と、前記正負極の間に介装されたセパレータと、を有する非水電解質二次電池において、前記セパレータには、前記正負極間を直線状で結ぶ、直径が５μｍ以上の貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例と実験により説明する。
（実施例）
実施例にかかる非水電解質二次電池を、次のようにして作製した。
【００２０】
〈正極の作製〉
炭酸リチウム（Ｌｉ2 ＣＯ3 ）と酸化コバルト（Ｃｏ3 Ｏ4 ）とを７００〜９００℃の温度で焼成して正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2 ）を作製した。このコバルト酸リチウムと、導電助剤としての黒鉛およびケッチェンブラックと、結着剤としてのフッ素樹脂とを、質量比で９０：３：２：５の割合で混合し、これをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に溶解して活物質ベーストとした。
【００２１】
この活物質ペーストをドクターブレード法により厚み２０μｍのアルミ箔（金属芯体）の両面に均一に塗布した後、加熱した乾燥機中を通過させて、１００〜１５０℃の温度で真空乾燥することにより、ペースト作製時に必要であった有機溶媒を除去した。次いで、この極板を厚みが０．１７ｍｍになるようにロールプレス機により圧延して正極を作製した。
【００２２】
〈負極の作製〉
リチウムイオンを吸蔵・脱離することのできる天然黒鉛からなる負極活物質と、結着剤としてのフッ素樹脂とを、質量比で９５：５の割合で混合し、これをＮ−メチル−２−ピロリドンに溶解してペーストとした。このペーストをドクターブレード法により金属芯体としての銅箔（厚み２０μｍ）の両面に均一に塗布した後、加熱した乾燥機中を通過させて、１００〜１５０℃の温度で真空乾燥することにより、ペースト作製時に必要であった有機溶媒を除去した。次いで、この極板を厚みが０．１４ｍｍになるようにロールプレス機により圧延して負極を作製した。
【００２３】
〈セパレータの作製〉
粉末シリカ表面にエステルを吸着させたものと、ポリエチレン粉末とを混合し、溶融押出法により製膜を行って、厚さ２００μｍのシートを得た。次いで、得られたシートを、２０％の苛性ソーダ水溶液と有機溶媒に浸漬して、シリカ粉末とエステルとを抽出除去し、更に水洗乾燥した後、ＭＤ方向、ＴＤ方向に延伸して、厚さ２０μｍのポリエチレン製微多孔膜を得た。このポリエチレン製微多孔膜に対して、発振波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、及び１０μｍ孔径の細孔を有するステンレス製マスクを使用して、貫通孔を形成した。尚、このようにして形成された貫通孔の方向と、孔径と、密度とは、以下の通りである。
【００２４】
・貫通孔の方向：正負極間を最短で結ぶ方向〔図７（ａ）に示すように、負極表面に対する角度θ＝９０°〕
・貫通孔の孔径：１０μｍ
・貫通孔の密度：２個／ｃｍ2
【００２５】
〈電解液の調製〉
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比３：７となるように混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ6 （電解質塩）を１モル／リットル濃度に溶解した溶液を電解液とした。
【００２６】
〈電池ケースの作製〉
ポリエチレンテレフタレートフィルム、アルミニウムフィルム等が積層されたラミネートシートを用いて筒状の外装体を作製し、これを電池ケースとした。
【００２７】
〈電池の組み立て〉
図１〜３に基づいて電池の組み立方法を説明する。先ず正極５の芯体に正極集電タブ７を取付け、負極６の芯体に負極集電タブ８を取り付けた後、正負電極間に上記セパレータを介装し、巻取り機で渦巻き状に巻いた。この後、その最外周をテープで止め、偏平に押しつぶして板状渦巻電極体１とした。
【００２８】
板状渦巻電極体１を筒状のラミネート外装体３の収納空間２内に、正負集電タブ７・８が外側に突き出るようにして収納し、正負集電タブ７・８側の開口４ａを加熱溶着した。次いで、もう一方の開口から上記電解液を５ｍｌ注液した後、当該開口を同様に加熱溶着し封止（４ｂ）し、実施例１にかかる非水電解質二次電池を作製した。この電池の実容量は５００ｍＡｈである。なお、４ｃはラミネート材を筒状とするときの溶着部位を示す。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａと称する。
【００２９】
（比較例）
平均２μｍの微多孔を有する（この大きさでは、リチウムデンドライトを挿通することができない）ポリエチレン製微多孔膜をセパレータとして用いたこと以外は、上記実施例と同様にして比較例にかかる非水電解質二次電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘと称する。
【００３０】
（過充電試験）
上記本発明電池Ａ及び比較電池Ｘに対し、電流値５００ｍＡ（１Ｃ）で５時間の過充電を行った。そして、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図４に示し、また、電池の膨らみ程度と封止部の状態を調べたので、その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
図４及び表１に示すように、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されたセパレータを用いた本発明電池Ａは、充電深度が１５０％に到達した付近で電位は一定となり、また、電池の膨張が僅か（０．５８ｍｍ）であり、封止部の異常が認められなかった。これに対して、比較電池Ｘはリチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていない通常のポリエチレン製微多孔膜を用いているので、充電の進行に伴い電池電圧の上昇が発生した後、電圧低下が発生し、また、２３．５６ｍｍという大幅な膨張が認められ、更に、封止部に剥がれが認められた。なお、封止部の剥がれは電池の密閉性が害されたことを意味する。
【００３３】
この結果は次のように考えられる。比較電池Ｘでは、過充電の結果、正極電位が電解液の分解開始電位以上になったために、正極において電解液の分解が生じ、この時発生する分解ガスにより電池が膨張して、封止部が開口したものと考えられる。また、電池の変形により電池内部でショートが発生し、これにより電池電圧の上昇が発生した後、電池電圧が０Ｖまで低下したものと考えられる。
【００３４】
これに対して、本発明電池Ａでは、過充電の初期において、負極上に発生したリチウムデンドライトが貫通孔を通じて正極に到達して、内部短絡が生じ、これ以上の過充電が進まなかったために、正極電位の上昇は停止し、電解液の分解によるガス発生量が顕著に少なくなったものと考えられる。なお、過充電の初期に発生する析出物は微細であるので、これによる内部短絡であると、一気に過大な電流が流れることはない。よって、電池温度の上昇が少ない。
尚、上記のような効果は、内部圧力の変化に対して容易に変形の発生するアルミラミネート外装体を用いた電池において特に有用である。
【００３５】
（実験の部）
図４及び表１の結果から、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されているセパレータを用いると過充電に伴う電池内圧の上昇を抑制できることが確認できたので、以下では他の条件についての検討を行った。
【００３６】
〔実験１〕
実験１では、負極活物質の種類と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表２に示すように、負極活物質として、シリコン又は酸化スズを用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｂ１、Ｂ２）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図５に示す。尚、負極は単位面積当たりの容量がそれぞれ等しくなるよう理論容量から塗布厚みを決定し、そして、正負極容量比（負極容量／正極容量）が１．１となるよう調整した。
【００３７】
【表２】
図５から明らかなように、本発明電池Ａ及び本発明電池Ｂ１、Ｂ２においては、全て、充電深度１５０％付近から電池電圧が平坦になる様子が観測された。これは正負極容量比が一定であるため、正極の充電深度が等しい状態で全ての負極上でリチウムデンドライトの析出が発生するためであると考えられる。尚、平坦になる電池電圧が各電池で異なっているのは、満充電状態での負極の電位が異なるためであるものと考えられる。
また、ここでは詳細に示さないが、正極活物質としてコバルト酸リチウムに変えてニッケル酸リチウム、或いはマンガン酸リチウムを用いた場合にも同様の結果が得られることを実験により確認している。
【００３９】
〔実験２〕
実験２では、貫通孔の作製方法と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表３に示すように、貫通孔の作製方法として、電気処理法又は針での機械法を用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｃ１、Ｃ２）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図６に示す。尚、電気処理法は、グロー放電法又は大気圧低温プラズマ処理法等によって行われるが、本実験では大気圧低温プラズマ処理法により実験した。
【００４０】
【表３】
図６から明らかなように、本発明電池Ａ及び本発明電池Ｃ１、Ｃ２においては、全て、充電深度１５０％付近から電池電圧が４．６〜４．７Ｖで一定となり、試験終了後の電池についても変形はほとんど発生していなかったことが認められた。このことから、孔の作製方法には関係なく、セパレータにリチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていれば、リチウムデンドライトによる通電が発生することが判明した。
尚、ここでは詳細に示さないが、同様の孔を有するポリエチレンテレフタレート製不織布をセパレータとして用いた場合にも同様の結果が得らることを実験により確認した。
【００４２】
〔実験３〕
実験３では、貫通孔の方向と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表４に示すように、貫通孔の方向を、負極表面に対する角度θ＝６０°、４５°、３０°としたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｄ１〜Ｄ３）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図８に示す。
【００４３】
【表４】
図８から明らかなように、本発明電池Ａでは充電深度１５０％付近から電池電圧が４．６〜４．７Ｖで平坦になることが認められた。これに対し、本発明電池Ｄ１〜Ｄ３では電池電圧の平坦化の開始する充電深度が１６０％、１７５％、１８５％と徐々に深くなっていき、平坦化した電池電圧も約０．１Ｖずつ上昇していくことが認められた。これは、セパレータ上の貫通孔の角度が、正負極問を最短で結ぶ方向に対して増加していくことにより、貫通孔の長さが増加していくため、リチウムデンドライトが正負極問を結ぶには一層成長する必要が生じ、より充電が進行した状態に到達するまでデンドライトによる通電が発生しないことによるものと考えられる。
【００４５】
〔実験４〕
実験４では、貫通孔の孔径と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表５に示すように、貫通孔の孔径を、３μｍ、５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｅ１〜Ｅ７）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図９に示す。尚、貫通孔の孔径は、ＫｒＦエキシマレーザでの処理時にステンレス製マスクの孔径を変えることにより変化させた。
【００４６】
【表５】
図９から明らかなように、貫通孔の孔径が５μｍ以上の本発明電池Ａ、Ｅ２〜Ｅ７では、充電深度１５０％付近から電池電圧の平坦化が生じ、電池電圧も４．５〜４．７Ｖでほぼ一定の値を示した。これに対し、貫通孔の孔径が３μｍの本発明電池Ｅ１では、充電の進行に伴い電池電圧は上昇し、約２２０％の充電深度において充電電源の上限値である１２Ｖに到達したことが認められた。
【００４８】
これは、過充電状態で負極上に析出するリチウムデンドライトがセパレータを通じて正極に到達する場合、ある程度の直径を有する針状結晶として成長する。したがって、貫通孔の孔径が小さ過ぎると（５μｍ未満になると）、リチウムデンドライトはセパレータ中へ成長していくことが困難となることがあるため、正負極間での通電を発生させることができない場合がある。この結果、過充電反応がある程度進行して、正極電位の上昇が発生する。一方、貫通孔の孔径が大きくなると（５μｍ以上になると）、貫通孔の大きさに関わらず、貫通孔の存在により金属リチウムによる内部導通が円滑に発生するものと考えられる。
尚、通常の微多孔膜を使用した比較電池Ｘでは、電圧上昇によるガス発生が引き起こす電池の変形によりショートが発生することが認められた。
【００４９】
〔実験５〕
実験５では、貫通孔の孔径と不良率との関係を調べた。具体的には、表６に示すように、貫通孔の孔径を、５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍ、２００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｆ１〜Ｆ７）を作製した。そして、耐電圧特性における不良率を調べたので、その結果を表６及び図１０に示す。尚、電池の個数は、各電池５００個である。
【００５０】
【表６】
表６及び図１０から明らかなように、貫通孔の孔径が７０μｍ以下の本発明電池Ｆ１〜Ｆ５、Ａ１では不良が全く発生せず、また、貫通孔の孔径が１００μｍの本発明電池Ｆ６では若干の不良が発生したが、実用上問題のないレベルであったのに対して、貫通孔の孔径が２００μｍの本発明電池Ｆ７では想当数の不良が発生し、実用上、若干問題があるレベルであった。
【００５２】
そこで、このような不良が発生する原因を調べたところ、貫通孔の孔径が大きな電池では、セパレータの機械的強度が大きく低下するため、巻き取り体（電極体）作製時に加わるテンションによりセパレータに部分破断が発生し、電池内部でショートが発生するということを、不良発生電池を分解することにより確認できた。
【００５３】
〔実験６〕
実験６では、高温保存時における時間と内部抵抗との関係を調べた。具体的には、表７に示すように、貫通孔の孔径を、５μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｇ１〜Ｇ５）を作製した。そして、各電池を電池電圧を４．２Ｖ満充電状態にした後、１５０℃まで加熱し、その後１５０℃で保存した場合の時間と内部抵抗との関係を調べたので、その結果を図１１に示す。
【００５４】
【表７】
図１１から明らかなように、貫通孔の孔径が５０μｍ以下の本発明電池Ｇ１〜Ｇ３では、加熱開始後、約１時間経過した時点で急激に内部抵抗が増加したのに対して、貫通孔の孔径が７０μｍ以上の本発明電池Ｇ４、Ｇ５では、加熱による温度上昇に伴う内部抵抗の増加は穏やかであり、約１３０ｍΩで一定値となることが認められた。
【００５６】
ここで、電池の温度上昇が発生した場合、ポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータが溶解し、正負極間の通電を妨げるというシャットダウン機構はセパレータに求められる重要な機能である。貫通孔の孔径が小さい場合には、溶解した周囲のポリエチレンが貫通孔を塞ぐことが可能である。しかし、所定値以上の孔径（５０μｍを越える孔径）を有する貫通孔が存在する場合には、溶解した周囲のポリエチレンが貫通孔を塞ぐことができず、加熱によるシャットダウンを起こすことが物理的に不可能になる。このため、外部短絡による急激な温度上昇発生時などにおいて、通常微多孔部分はシャットダウンが発生するが、貫通孔部分では貫通孔が存在したままの状態であることにより、完全にシャットダウンを起こすものと比べて、電池の安全性が低下するおそれがあるという問題を生じる。
【００５７】
〔実験７〕
実験７では、貫通孔の孔径と電圧変化及び厚み増加との関係を調べた。具体的には、表８に示すように、貫通孔の孔径を、５μｍ、３０μｍ、５０μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｈ１〜Ｈ３）を作製した。そして、各電池を放電状態で６０℃の恒温槽中に２０日間保存し、このときの電池電圧の変化及び電池厚みの増加量を調べたので、その結果を表８に示す。
【００５８】
【表８】
表８から明らかなように、貫通孔の孔径が３０μｍ以下の本発明電池Ａ、Ｈ１、Ｈ２では、電池電圧の変化及び電池厚みの増加量において、比較電池Ｘと遜色なく、貫通孔の存在による劣化の進行は認められないのに対して、貫通孔の孔径が５０μｍの本発明電池Ｈ３では、電池電圧の変化及び電池厚みの増加量とも、比較電池Ｘに比べて著しく増加していることが認められる。
【００６０】
これにより、貫通孔の孔径の増加により、保存時の自己放電による劣化は大きくなる傾向があることが分かるが、貫通孔の孔径が３０μｍ以下の範囲では実用上問題となるような劣化は発生しないのに対して、貫通孔の孔径が３０μｍを越えると実用上問題となるような劣化を発生することが分かる。
尚、このような実験結果となる理由の詳細については現段階では判明していないが、貫通孔を通じた電解液中でのリチウムイオンの電気泳動発生の容易性の差異や、極板から剥離した活物質の影響ではないかと推測される。
【００６１】
〔実験８〕
実験８では、貫通孔の密度と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表９に示すように、貫通孔の密度を、０．５個／ｃｍ2 、１個／ｃｍ2 、１．５個／ｃｍ2 、４個／ｃｍ2 としたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｊ１〜Ｊ４）を作製した。そして、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図１２に示す。尚、貫通孔は全て均一に分散される構造である。
【００６２】
【表９】
図１２から明らかなように、本発明電池Ａ、Ｊ２〜Ｊ４では、電池電圧の平坦化が観測されたが、貫通孔の密度が増加するにつれて平坦化の開始する充電深度は浅くなり、電池電圧もより低くなっていった。これに対して、本発明電池Ｊ１では、充電の進行につれて電池電圧は上昇し、充電深度２３０％付近で充電電源の上限値である１２Ｖに到達したことが認められた。これは、過充電状態で負極上に発生するリチウムデンドライトは、析出初期において負極表面に均一に発生するのではなく、反応活性な部位において選択的に析出を開始する。この析出したデンドライトとセパレータに形成された貫通孔とが対応している場合には、デンドライトはセパレータを通じて正極に到達することが可能となる。そして、このデンドライトの析出と貫通孔とが対応するには、１個／ｃｍ2 以上の密度で貫通孔か存在しているのが望ましく、１個／ｃｍ2 未満の密度であれば、析出初期のデンドライトが正極に到達することができず、電池電位が上昇するものと考えられる。
尚、通常の微多孔膜を使用した比較電池Ｘでは、電池電圧上昇によるガス発生が引き起こす電池の変形によりショートが発生することが認められた。
【００６４】
〔実験９〕
実験９では、電解液を用いた電池及びゲルポリマーを用いた電池と過充電特性との関係を調べた。具体的には、表１０に示すように、電解質としてポリエチレンオキシド系ゲルポリマーを用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池（本発明電池Ｋ）を作製した。そして、この電池について、室温での充放電サイクルを５００サイクル実施した後、及び作製後サイクルを行っていない状態で、実施例１と同様な過充電試験を行い、過充電量と電池電圧との関係を調べたので、その結果を図１３に示す。尚、ポリエチレンオキシド系ゲルポリマーは、実施例１と同様の電解液とモノマーとを、体積比で１２：１の割合で保持したものを用いた。
【００６５】
【表１０】
図１３から明らかなように、ゲルポリマーを使用した本発明電池Ｋでは、５００サイクル実施した後及び作製後サイクルを行っていない状態に係わらず、充電深度２００％付近で電池電圧の平坦化が発生し、且つ平坦化した電池電圧も４．７Ｖ付近であった。これに対して、電解液を用いた本発明電池Ａでは、作製後サイクルを行っていない状態では充電深度１５０％付近から電池電圧の平坦化が発生し、且つ平坦化した電池電圧も４．７Ｖ付近であったのに対して、５００サイクル実施した後では充電深度１４０％付近で電池電圧の平坦化が発生し、且つ平坦化した電池電圧も４．９Ｖと上昇していることが認められた。
【００６７】
そこで、サイクル前後の電池を解体したところ、電解液を単独で用いた本発明電池Ａでは、充放電サイクルにより発生する電解液の分解による堆積物や、剥落した活物質がセパレータ上に堆積している様子が確認された。これに対して、ゲルポリマーを用いた本発明電池Ｋでは、分解による生成物や剥落した活物質はゲルポリマーによって保持されており、セパレータ上に堆積している様子はほとんど観測されなかった。
【００６８】
本発明電池Ａの如く、セパレータ上に堆積物等が付着した場合には、貫通孔を塞いでしまう。このため過充電状態で負極上に発生したリチウムデンドライトが正極に到達するためには、通常以上に成長する必要が生じる。この成長に必要な充電が進行するためには、電池電圧が平坦化する充電深度は深くなり、電池電圧も充電反応が進行するために上昇する。これに対して、本発明電池Ｋの如く、セパレータ上に堆積物等が付着しない場合には、貫通孔を塞いでしまうことがないので、上記の不都合が回避される。この結果、上記のような実験結果となったものと考えられる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、内部短絡を積極的に利用して過充電を防止する本発明によると、特別な部材を用いることなくして、自己完結的に過充電に起因する電池温度の上昇や、電池内でのガス発生を抑制することができる。よって、本発明によると、信頼性、安全性に優れた非水電解質二次電池を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１にかかる板状渦巻電極体を示す図である。
【図２】実施例１にかかるラミネート外装体を示す断面図である。
【図３】実施例１にかかる非水電解質二次電池の正面図である。
【図４】本発明電池Ａ及び比較電池Ｘにおける過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図５】実験１における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図６】実験２における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図７】本発明電池Ａ及び本発明電池Ｄ１〜Ｄ３における、貫通孔の方向を模式的に示す説明図である。
【図８】実験３における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図９】実験４における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図１０】実験５における孔径と不良率との関係を示すグラフである。
【図１１】実験６における時間と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図１２】実験８における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
【図１３】実験９における過充電量と電池電圧との関係を示すグラフである。
Claims (8)
- リチウムを挿入離脱可能な化合物を正極活物質とする正極と、リチウムを挿入離脱可能な材料を負極活物質とする負極と、非水電解質と、前記正負極の間に介装されたセパレータと、を有する非水電解質二次電池において、
前記セパレータには、前記正負極間を直線状で結ぶ、リチウムデンドライトを挿通するための貫通孔が形成されていることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 前記貫通孔は前記正負極間を最短で結ぶ構造である、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
- 前記貫通孔の直径が５μｍ以上である、請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
- 前記貫通孔の直径が１００μｍ以下である請求項４に記載の非水電解質二次電池。
- 前記貫通孔の直径が５０μｍ以下である、請求項４に記載の非水電解質二次電池。
- 前記貫通孔の直径が３０μｍ以下である、請求項５に記載の非水電解質二次電池。
- 前記貫通孔の割合が１個／ｃｍ2 以上である、請求項１ないし６いずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記セパレータと前記正負極活物質との間に電解質としてのゲル導電性ポリマーを有する、請求項１ないし７いずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
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