JP3971096B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はリチウム二次電池に関し、詳しくは、平板形状を有するリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年開発されてきている高エネルギー密度のリチウム二次電池は、そのエネルギー密度の高さ故に、電池の誤用や使用機器の故障等による発火、発煙等の危険性が高まっている。このような背景から、近年、リチウム二次電池そのものに安全性機能を付与した電池設計技術の開発が盛んに進められている。即ち、リチウム二次電池の安全性の確保は、より高エネルギー密度化された現在の電池設計において、必要不可欠な課題の一つとなっている。
【0003】
電池の安全性確保の中では、特に過充電に対する安全性確保が重要な課題の一つである。これは、リチウム二次電池を充電する際に何らかの原因で所定以上の電気が流れると電池が過充電状態となり、リチウムデンドライトの析出等によって内部短絡等が起こり、電池温度の上昇を伴って電池の発煙、発火等の事故に繋がる危険性が極めて高いためである。
【0004】
一般に、リチウム二次電池は、過充電状態になると、先ず電解液等の分解によりガスの発生が起こる。ガス発生が生じると、電池の破裂、漏液等に繋がるばかりでなく、この状態が続くことによって最終的に電池温度が上昇し、発煙、発火等の事故に繋がることさえもある。そのような観点から、これまでに過充電に対する種々の防止方法が提案されてきた。
【0005】
過充電防止策の具体的方法としては、電池の温度上昇によるセパレータの融解を利用したシャットダウンによる方法、電池外部に付属させた電子回路による制御方法、過充電時の電解液等の分解によって発生するガスを利用した安全弁による機械的電流遮断方法等が知られている。
しかしながら、セパレータによるシャットダウン方法は、過充電時の暴走反応が急激であるため、過充電保護として十分に機能させるのが困難なのが実情である。
【0006】
また、電子回路による制御方法や安全弁による機械的電流遮断方法は、電池の設計上電子回路や安全弁等の制御装置を搭載できない等設計上の制約があり、また、電池のコストが高くなる欠点がある。さらに、たとえこれらの制御装置が搭載できたとしても、回路の誤作動や充電器の誤用等による危険性や特に高電流充電等により急激な過充電暴走反応により電池遮断が遅れる危険性も考え併せると、必ずしもこれだけで充分な過充電保護策とは言えない。
【0007】
このような状況下、上記の過充電防止策の中では、近年、電池そのものに安全性機能を付与させようとする電池設計の流れから、有機物を電解液中に添加して過充電時の化学反応を利用する方法が注目され、そのための種々の添加剤が提案されている。
有機物添加剤を使用した過充電防止策の基本的な概念は、満充電時の正極電位より貴な電位に酸化電位を有する有機化合物を電解液に添加することにより、過充電状態で正極電位が上昇した際に有機添加剤の酸化反応を引き起こして過充電時の電池内暴走反応を抑制しようとするものである。
【0008】
従来提案されている方法は、添加剤の酸化生成物の物性により2つの方法に分類できる。1つ目の方法は、有機添加剤の酸化体が電解液に可溶で且つ酸化還元反応の可逆性が良いような有機添加剤を使用し、過充電状態で正負極間を添加剤が往復して過充電電流を消費する方法(レドックスシャトル法)である。一方、2つ目の方法は、過充電状態で添加剤の酸化重合による正極上の被膜の形成により電流遮断が起こると共にその際に生成する発生ガスを利用して確実に電池の安全弁を作動させる方法である(芳香族化合物酸化重合法)。後者の方法は、機械的電流遮断による方法と有機物添加剤の過充電時の重合反応による方法の組み合わせによる過充電防止法と言える。前者の方法は、特開平7−302614号公報、特開平9−17447号公報、特開平9−50822号公報、特開平9−231976号公報等に記載され、後者の方法は、特開平9−106835号公報、特開平9−171840号公報、特開平9−232001号公報等に記載されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレドックスシャトル法や芳香族化合物酸化重合法は、低電流の過充電に対しては発火、発煙等の弊害を防止する十分な機能を有する場合もあるが、一般に、高電流の過充電においては暴走反応が急激になるため、添加剤の化学反応による制御が間に合わず、過充電保護として機能しないことが多い。
【0010】
例えば、レッドクスシャトル法では、添加剤の酸化体の安定性が低く、特に過充電のような電池温度が上昇する場合に、添加剤が劣化してしまい、実際の過充電時にその防止機能を失う可能性がある。さらに、この方法では、過充電時のガス発生を抑制できない場合が多く、過充電時の電池の圧迫等による腐食ガスや有毒ガスの漏洩や電池の膨れによる使用装置の破損等の弊害が依然残されている。
【0011】
一方、芳香族化合物酸化重合法は、実際の作用機構としては、前記の安全弁による過充電制御と併用して、重合反応の際に生成する発生ガスを用いて確実に電池の安全弁を作動させることにあるとされている。即ち、この方法も、前記の機械的電流遮断装置との併用で初めて有効な方法であるため、前記の設計上の制約があるばかりでなく、過充電時に積極的にガスを発生させるため、これらの発生ガスによる使用機器の腐食や有機ガス等の有毒ガスの漏洩等の欠点が残されている。
【0012】
即ち、電池そのものに安全性機能を付与させようとする電池設計においては、従来、必ずガス発生という問題があり、その結果、電池の膨れという問題が生じる。特に、平板型の電池においては、厚さ方向に電池は膨れやすいため、ガス発生による問題は一層深刻である。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過充電時の電池の膨れを抑制させることにより、電池の過充電時の腐食性ガスや有毒性ガスの漏洩ならびに電池の膨れによる使用機器の破損を防止すると共に確実に且つ有効に電池の過充電に対する安全性を向上させた電池を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、過充電時の電池内暴走反応のトリガーは初期の電池の膨れにあり、これを最小限に食い止めるとその後の大量のガス発生を抑制することができ、電池の膨れによる使用機器の破損ならびに電池からの腐食性ガス、有毒性ガスの漏洩を防止できるばかりでなく電池温度上昇による電池の発煙、発火もまた防止できることを見出し、本発明を完成した。
【0014】
即ち、本発明の要旨は、下記に存する。
(1)正極及び負極を有する電池要素が外装材によって密閉されたリチウム二次電池であって、該電池要素は複数個の平板状の単位電池要素が厚さ方向に積層されてなり、各単位電池要素の正極の一部及び負極の一部が、単位電池要素間相互で束ねられて正極端子部及び負極端子部を構成し、正極端子部から負極端子部に亘る電池要素側面全体が絶縁材料で被覆・固着されてなり、かつ下記過充電試験によって電池外へガスが漏洩することなく、該試験直後の電池の厚み(A)が試験前の電池の厚みの190%以下であることを特徴とするリチウム二次電池。
過充電試験
電池電圧が3Vにある電池を、上限電圧を10Vとした範囲で、1.8Cの電流で200分間充電し続ける。ただし、1Cは、電池電圧2.7Vから4.2V定電圧で電流値が0になるまで充電して得られた容量を1時間で放電するための電流値である。
【0015】
(2)過充電試験直後の電池要素の総厚み(B)が試験前の電池要素の総厚みの190%以下である(1)に記載のリチウム二次電池。
(3)過充電試験直後の電池の厚み(A)と電池要素の総厚み(B)との差が2mm以下である(1)または(2)に記載のリチウム二次電池
【0016】
)フィルム状の外装材によって、その周縁部同士が接合されてなる接合片部と電池要素を被包している被包部とが形成されてなり、少なくとも一部の前記接合片部が前記被包部に沿うように折曲されてなる(1)乃至()のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
【0017】
)接合片部が被包部に固定されてなる()に記載のリチウム二次電池。
)外装材の厚みが0.2mm以下である(1)乃至()のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
)電池の厚みが2mm以上である(1)乃至()のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
【0018】
)電池の容量が100mAh以上である(1)乃至()のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
)外装材が合成樹脂層と金属層とが積層されたラミネートフィルムよりなる(1)乃至()のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
10)電解質が、非流動性電解質を有する(1)乃至()のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
【0019】
11)電解質が、LiPF6を含有してなる(1)乃至(10)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
12)正極が、コバルト酸リチウム及び/又はニッケル酸リチウムを含む(1)乃至(11)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明のリチウム二次電池は、過充電試験の結果電池外へガスが漏洩することなく、且つ該試験直後の電池の厚み(A;外装材の厚さや電池要素の厚さ、膨れによって生じることのある空隙による厚さを含む電池全体の厚さ)が試験前の電池の厚みの190%以下である。ここで、過充電試験は、電池電圧が3Vにある電池を、上限電圧を10Vとした範囲で、1.8Cの電流で200分間充電し続ける。ただし、1Cは、電池電圧2.7Vから4.2V定電圧で電流値が0になるまで充電して得られた容量(以下単に「電池容量」と称することがある)を1時間で放電するための電流値であり、従って、1.8Cは1Cの電流値の1.8倍の電流値となる。このような電池を用いれば、電池の過充電時の腐食性ガスや有毒性ガスの漏洩ならびに電池の膨れによる使用機器の破損を防止すると共に確実に且つ有効に電池の過充電に対する安全性を向上させた本質安全機能を有する電池が実現できる。また、このような、上記過充電試験による膨れが小さいリチウム二次電池は、より過酷な過充電条件下に晒した場合でもより安全であるという利点がある。
【0021】
ただし、上記過充電試験で全く膨れのないリチウム二次電池を得るのも現実的ではないので、通常、該試験直後の電池の厚み(A)は、試験前の電池の厚みの101%以上、好ましくは110%以上、さらに好ましくは120%以上である。このようなリチウム二次電池を得るためには、過充電時の初期のガス発生を抑制することが肝要である。換言すれば、前記過充電試験後の電池要素の膨れは、ガス発生そのものに由来する空隙の増加によるのではなく、電池要素そのものの膨れに由来させるのが肝要である。この点において、本発明のリチウム二次電池は、前記過充電試験後の電池要素の総厚み(B)を試験前の190%以下とする。ただし、この場合も、上記過充電試験で全く膨れのないリチウム二次電池を得るのも現実的ではないので、通常、該試験直後の電池要素の厚み(B)は、試験前の電池要素の厚みの101%以上、好ましくは110%以上、さらに好ましくは120%以上である。
【0022】
前記過充電試験前のリチウム二次電池全体の厚さは、通常5mm以下、好ましくは4.5mm以下、さらに好ましくは4mm以下である。このような薄型のリチウム二次電池に対して本発明の効果は特に大きい。ただし、あまりに薄い電池は、容量が小さすぎたり、製造が困難だったりすると共に、過充電による問題そのものが相対的に大きくないので、通常0.5mm以上、好ましくは1mm以上、さらに好ましくは2mm以上である。
【0023】
また、前記のように、前記過充電試験後の電池要素の膨れは、ガス発生そのものに由来する空隙の増加によるのではなく、電池要素そのものの膨れに由来させるのが肝要であるので、上記過充電試験終了後の電池全体の厚みと電池要素の総厚みとの差は、好ましくは1.5mm以下、さらに好ましくは1.2mm以下、さらに好ましくは1mm以下、最も好ましくは0.5mm以下とする。ただし、上記差が極端に小さいリチウム二次電池が現実的に得難いばかりでなく、外装材の厚みが存在するので、通常は0.01mm以上、好ましくは0.05mm以上とする。
【0024】
電池容量は、そのものがあまり大きくない場合には、過充電による問題そのものが緩和されるので、本発明においては、100mAh以上、特に200mAh以上とするのが効果が顕著である。ただし、あまり容量が大きい電池は現実的に得難いので、通常2000mAh以下とする。
電池要素を収納する外装材は、形状可変性を有するものが好ましい。その結果、種々の形状の電池を作成しやすいばかりでなく、真空状態下で外装材を封止した場合に、電池要素の電極間の貼り合わせを強化する機能を付与することができ、その結果、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる。外装材の厚さは、薄ければ薄いほど電池の体積エネルギー密度や重量エネルギー密度が大きくなるので好ましいばかりでなく、強度そのものが相対的に低いので本発明の効果が特に顕著となる。外装材の厚みは通常0.2mm以下、好ましくは0.15mm以下である。ただし、あまりに薄いのは強度不足が顕著になり、水分等も透過しやすくなるので、通常0.01mm以上、好ましくは0.02mm以上である。
【0025】
外装材の材料としては、アルミニウム、ニッケルメッキした鉄、銅等の金属、合成樹脂等を用いることができる。好ましくは、金属と合成樹脂とが積層されたラミネートフィルムが用いられる。このラミネートフィルムを用いることにより、ケース部材の薄膜化・軽量化が可能となり、電池全体としての容量を向上させることができる。
【0026】
ラミネートフィルムとしては、図12(A)に示すように、金属層40と合成樹脂層41が積層されたものを使用することができる。この金属層40は水分の浸入の防止あるいは形状保持性を維持させるもので、アルミニウム、鉄、銅、ニッケル、チタン、モリブデン、金等の単体金属やステンレス、ハステロイ等の合金又は酸化アルミニウム等の金属酸化物でもよい。特に加工性の優れたアルミニウムが好ましい。
【0027】
金属層40の形成は、金属箔、金属蒸着膜、金属スパッター等を用いて行うことができる。
合成樹脂層41は、ケース部材の保護あるいは電解質による侵触を防止したり、金属層と電池要素等との接触を防止したり、あるいは金属層の保護のために用いられるもので、本発明において合成樹脂は、弾性率、引張伸び率は制限されるものではない。従って本発明における合成樹脂は一般にエラストマーと称されるものも含むものとする。
【0028】
合成樹脂としては、熱可塑性プラスチック、熱可塑性エラストマー類、熱硬化性樹脂、プラスチックアロイが使われる。これらの樹脂にはフィラー等の充填材が混合されているものも含んでいる。
また、ラミネートフィルムは、図12(B)に示すように金属層40の外側面に外側保護層として機能するための合成樹脂層41を設けると共に、内側面に電解質による腐蝕や金属層と電池要素との接触を防止したり金属層を保護するための内側保護層として機能する合成樹脂層42を積層した三層構造体とすることができる。
【0029】
この場合、外側保護層に使用する樹脂は、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリオレフィン、アイオノマー、非晶性ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド等耐薬品性や機械的強度に優れた樹脂が望ましい。
内側保護層としては、耐薬品性の合成樹脂が用いられ、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリオレフィン、アイオノマー、エチレン−酢酸ビニル共重合体等を用いることができる。
【0030】
また、複合材は図13に示すように金属層40と保護層形成用合成樹脂層41、耐蝕層形成用合成樹脂層42間にそれぞれ接着材層43を設けることもできる。さらにまた、ケース部材同士を接着するために、複合材の最内面に溶着可能なポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂からなる接着層を設けることもできる。これらの金属、合成樹脂あるいは複合材を用いてケースが形成される。ケースの成形はフィルム状体の周囲を融着して形成してもよく、シート状体を真空成形、圧空成形、プレス成形等によって絞り成形してもよい。また、合成樹脂を射出成形することによって成形することもできる。射出成形によるときは、金属層はスパッタリング等によって形成されるのが通常である。
【0031】
外装材に凹部よりなる収容部を設けるには絞り加工等によって行うことができる。
外装材は、加工が容易である点でフィルム状をものを使用するのが好ましい。
前記過充電試験に対してふくれの少ないリチウム二次電池を得るためには、過充電の初期に電池が膨らもうとするのを抑えるような手段を設けることが肝要である。
【0032】
即ち、過充電時の電池の膨れは、主に、電極の歪み、電極(活物質)の膨張ならびに過充電時の電解液等の分解反応によるガス発生に起因する。これらの中で、過充電時の電極の歪み及び電池内でのガス発生は、理由は未だ詳らかではないが、過充電時に電極間に圧迫を加えると抑制できる。本発明では、電池の膨れを防止する具体的な手法として、過充電時に電極間に圧迫を加える手法を用いることが好ましい。ここで、この電極間への荷重は、通常の使用範囲では、電池の短絡等の弊害に繋がるため、過充電状態時にのみ強く電極間に圧迫が加わる方法が好ましい。通常、過充電時においては、電極の厚みは特に正極からのリチウムイオンの脱ドープが終了する充電深度付近から顕著に増加する。このような具体的な方法としては、例えば、電池要素を収納する外装材を、膨れを抑制するように強固に貼り合わせたり、特に膨れやすい、電流を取り出す部分近傍の電池要素の部分を固着したりする方法を挙げることができる。特に、前者の方法は、過充電時の外装材の変形を極力抑制することにより電極の膨張が最も著しい過充電状態時のみ電極が強く圧迫することができるので好ましい。
【0033】
また、熱収縮性高分子材料で外装材を被包する方法、高強度の外装材を使用する方法等も挙げられる。
さらに、これらの方法と、公知の過充電防止剤を使用した過充電防止策とを組み合わせることができる。その結果、過充電に対する安全性をより向上させることができる。
【0034】
例えば、有機添加剤としては、分子量が500以下であり満充電時の正極電位よりも貴な電位に可逆性酸化還元電位を有する、π電子軌道を有する有機化合物(特開平7−302614号公報)や;ハロゲン原子及びメトキシ基を有する芳香族化合物(特開平9−17447号公報);満充電時の電圧以上の電池電圧で重合する芳香族化合物(特開平9−106835号公報及び特開平9−171840号公報);及び、ナフタレン、アントラセン及びフェナンスレンから選ばれた少なくとも一種の芳香族炭化水素(特開平9−231976号公報及び特開平9−232001号公報)等を挙げることができる。
【0035】
好ましくは、過充電防止剤として、満充電時の正極電位より貴で且つ使用する電解液の酸化電位より卑な電位に酸化電位を有する有機化合物を電池中に存在させる。このような有機化合物としては、具体的には、置換アニソール類、アルキルベンゼン類、ジフェニルアルカン類、ビフェニル、ナフタレン、アントラセン、置換芳香族環を有するエステル類等が挙げられる。これらの中では、過充電時の酸化反応でガスが発生しない化合物が好適に用いられる。過充電時にガスが発生する化合物を用いる場合は、その発生量が極少量となる量のようにその存在量を制御するのが好ましい。
【0036】
以下、正極と負極と非流動性電解質とを有する平板状の単位電池要素を厚さ方向に複数個積層してなる電池要素を、フィルム状の外装材によって密閉収納されたリチウム二次電池を例として、リチウム二次電池の具体的構成をさらに詳細に説明する。
図1は実施の形態に係る電池の分解斜視図、図2はこの電池の要部の断面図、図3は電池要素の概略的な斜視図、図4は電池の斜視図である。
【0037】
この電池は、電池要素1を外装材3の凹部に収容した後、電池要素1の端子部(タブ4a,4b)付近にエポキシ樹脂やアクリル樹脂等の絶縁材料5を注入し、その後外装材2を外装材3に被せ、真空封止により外装材2、3の周縁部2a、3aを接合したものである。
図1の通り、外装材2は平板状である。外装材3は方形箱状の凹部よりなる収容部3bと、この収容部3bの4周縁からフランジ状に外方に張り出す周縁部3aとを有した浅い無蓋箱状のものである。
【0038】
図3の通り、電池要素1は、複数の単位電池要素を厚さ方向に積層したものである。この単位電池要素からは、タブ4a又は4bが引き出されている。正極からの各タブ4a同士は束ねられて(即ち、相互に重ね合わされ)、正極リード21が接合されて正極端子部が形成されている。負極からのタブ4b同士も束ねられ、負極リード21が接合されて負極端子部が形成されている。
【0039】
外装材3の収容部3b内に電池要素1が収容され、絶縁材料5がタブ4a、4b近傍に注入され、正極端子部及び負極端子部近傍の電池要素側面が絶縁材料で被覆された後、外装材2が被せられる。電池要素1から延出した1対のリード21は、それぞれ外装材2、3の1辺部の周縁部2a、3a同士の合わせ面を通って外部に引き出される。その後、減圧(好ましくは真空)雰囲気下で外装材2、3の4周縁の周縁部2a、3a同士が熱圧着、超音波溶着などの手法によって気密に接合され、電池要素1が外装材2、3内に封入される。その後、絶縁材料5は加熱等によって硬化処理に供され、絶縁材料5が端子部近傍で完全に固着する。完全に固着する前に外装材は封止されているので、固着時に電池の形状が変化することはほとんどない。
【0040】
周縁部2a、3a同士が接合されることにより、接合片部4A、4F、4Gが形成される。この接合片部4A、4F、4Gは、電池要素1を被包している被包部4Bから外方に張り出している。そこで、この接合片部4A、4F、4Gを被包部4Bに沿うように折曲し、接着材や接着テープ(図示略)等によって被包部4Bの側面に留め付けられる(固定される)。
【0041】
上記の絶縁材料5としては、合成樹脂が好適であり、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などが例示されるが、中でもエポキシ樹脂又はアクリル樹脂が硬化時間が短いので好適である。特に、アクリル樹脂は、電池性能に悪影響を及ぼす可能性が低いので最も好ましい。絶縁材料は、未硬化の流動性のある状態で端子部近傍に供給され、硬化によって完全に端子部近傍で固着する。
【0042】
図1においては、絶縁材料は、正極端子部と負極端子部とのそれぞれ別個に供給されているが、本発明においては、過充電時の安全性をより高めるため、正極端子部から負極端子部に亘る電池要素の側面全体を被覆するのが好ましい。
図1では、外装材2、3が別体となっているが、本発明では、図5のように外装材2、3が一連一体となっていても良い。図5では、外装材3の一辺と外装材2の一辺とが連なり、外装材2が外装材3に対し屈曲可能に連なる蓋状となっている。この外装材2、3が連なる一辺から、収容部3bの凹部が形成されており、この一辺においては接合片部が形成されていない以外は接合片部と同一の構成のものとなる。
【0043】
この図5の場合でも、電池要素1を収容部3bに収容した後、電池要素1のタブ4a、4b付近に絶縁材料を注入する。
図1、5では、収容部3bを有した外装材3と平板状の外装材2とが示されているが、本発明では図6のように、それぞれ浅箱状の収容部6b、7bと、該収容部6b、7bの4周縁から張り出す周縁部6a、7aとを有した外装材6、7によって電池要素1を被包してもよい。図6では、外装材6、7が一連体となっているが、前記図1と同様にこれらは別体となっていてもよい。
【0044】
図1、5、6の構成においては、電池要素の収容部が予め形成されているため、電池要素をよりコンパクトに収容でき、また収容自体も容易である。
上記の説明においては、電池要素を収容部に収容した後、端子部近傍に絶縁材料が注入されているが、この場合、周縁部の合わせ面や電池要素と外装材との間に絶縁材料が付着・流入して周縁部の接合を阻害したり、設計通りの電池形状にならなかったりすることがある。そこで、電池要素の端子部近傍に絶縁材料を供給した後に電池要素を収容部に収容することによって、上記の問題点を回避することができる。特に、図6の場合は、電池要素を収容後に絶縁材料を供給しても電池要素の略上半分には絶縁材料は供給できないので、この製造方法は好ましい。一方、この方法においては、絶縁材料が供給された状態のハンドリングが容易でない電池要素を運搬し、外装材に配置する必要があるので製造時の取り扱いに注意を要する。この点においては前者の方法が好ましいと言える。
【0045】
本発明では、図7のように1枚の平たいシート状の外装材8を中央辺8aに沿って2ツ折り状に折り返して第1片8Aと第2片8Bとの2片を形成し、これら第1片8Aと第2片8Bとの間に電池要素1を介在させ、図8の如く、第1片8Aと第2片8Bの周縁部8b同士を接合して電池要素1を封入してもよい。
この場合も、電池要素1のタブ4a、4b付近に絶縁材料を付着させる前又は後に、外装材8の第1片8Aと第2片8Bとを重ね合わせて電池要素1を封入する。また、接合片部は被包部に沿って折曲され留め付けられる。
【0046】
このように構成された電池にあっては、接合片部を被包部に沿わせて折曲し、さらに接着剤や接着テープで固定しているため、この場合も過充電の初期における電池要素のふくれを有効に防止でき、また電池の側面の強度、剛性が高い。もちろん、折曲された接合片部が被包部から離反することも防止される。また、電池の側面の強度、剛性が高いので、側面に衝撃を受けた場合でも、活物質に剥れが生じることが防止される。
【0047】
また、端子部(タブ4a、4b)近傍に絶縁材料5が充填されているので、過充電の初期における電池要素のふくれを有効に防止でき、さらには短絡が防止される。
この端子部近傍の電池要素側面の被覆においては、特に、正極と負極との間にこれらよりも大きいスペーサを設け、このスペーサのはみ出し部同士を相互に固着するのが好ましい。
【0048】
即ち、電池要素にあっては、例えば図18に示されるように、スペーサ13が正極11及び負極13から若干はみ出させてはみ出し部13aを形成し、正極11と負極13との短絡を防止している。このはみ出し部13a同士を絶縁材料で固着することにより、電池要素が積層方向に拘束されるため、過充電時であっても電池要素の膨れが防止され、電池の熱暴走が防止される。無論、絶縁材料は、電池要素の側面全体に亘って供給することができ、また好ましい。
絶縁材料を注入するには、図17のように外装材3内に絶縁材料注入装置50のノズル51を挿入し、電池要素1の側端面に絶縁材料を注入するのが好ましい。
【0049】
この場合、図14、15、16に示すように、タブ4a又は4bを備えた側端面の両隅角部R1、R6と、各タブ4a、4bの付け根の両側R2、R3、R4、R5のように複数箇所に絶縁材料を注入するのが好ましい。注入された絶縁材料は、電池要素側面を毛細管現象等の作用によって正極端子部と負極端子部とを含む一辺全体に浸透する。この注入装置50は、複数(6本)のノズルを備え、絶縁材料を一度に複数注入することができる。
【0050】
また、図16の通り、タブ4a、4bの両サイドの付け根部分に絶縁材料を注入する場合、注入点(注入ノズル51の中心)はタブ4a又は4bから2mm以内とされるのが好ましい。このようにタブ4a、4bの両サイドの付け根に絶縁材料を注入した場合、この絶縁材料ははみ出し部13a同士を固着するだけでなく、前記図5の場合と同様に正極端子部及び負極端子部の少なくとも一部が絶縁材料5で覆われた構成も併せて得られる。
【0051】
以上の構成にあっては、フィルム状の外装材の貼り合わせによって形成された接合片部を電池要素を被包した被包部に沿って折曲したが、より好ましくは被包部の付け根から折曲する。この場合、接合片部は被包部の付け根で1回だけ折曲してもよく、また複数回折曲してもよい。複数回折曲する場合にあたっては、接合片部の先端縁が、該接合片部と被包部との間に介在させるように折曲するのが好ましい。これにより、接合片部の先端縁が外気から隔絶され、先端縁から水分や空気等の侵入を防止できる。
【0052】
接合片部を被包部に留め付けるために使用することができる接着剤としては、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤、ホットメルト系接着剤または合成ゴム系接着剤等が挙げられるが、硬化時間が短く、且つ、非水系電池の製造の際に用いられる露点の低い環境下においても容易に硬化するホットメルト系接着剤が好ましい。
【0053】
過充電時に電池内のガス発生を抑制するには、電極間に荷重がかかるようにするのが好ましいが、この電極間にかける単位面積当たりの荷重は、正極にコバルト酸リチウムを用いた場合、通常0.2kg/cm2以上、好ましくは0.4kg/cm2以上、さらに好ましくは、0.55kg/cm2以上である。
電池要素は、正極及び負極並びにスペーサを有する平板状の単位電池要素を厚さ方向に複数積層してなる平板積層型電池要素とすることができる。以下に単位電池要素の好適な構成について説明する。
【0054】
図9は、このリチウム二次電池要素の単位電池要素の好適な一例を示すものである。この単位電池要素は、正極集電体22及び正極活物質層23からなる正極、スペーサ(電解質層)24、並びに、負極活物質層25及び負極集電体26からなる負極を積層したものである。リチウムデンドライトの析出を抑制するため、負極は正極よりも大きくされる。また、短絡を防止するため、スペーサ24は正極及び負極よりも大きくされる。スペーサを正負極よりも大きくすることによって、前述のように、単位電池要素のスペーサーのはみ出し部相互を固着することができる。
この単位電池要素を複数個積層して電池要素とするのであるが、この積層に際しては、正極を上側とし負極を下側とした順姿勢(図9)の単位電池要素と、これとは逆に正極を下側とし負極を上側とした逆姿勢(図示略)の単位電池要素とを交互に積層する。即ち、積層方向に隣り合う単位電池要素は同極同士を(即ち、正極同士及び負極同士)が対面するように積層される。
【0055】
この単位電池要素の正極集電体22からは正極タブ4aが延設され、負極集電体26からは負極タブ4bが延設されている。
図9のように正極集電体と負極集電体との間に正極活物質層、スペーサ及び負極活物質層を積層した単位電池要素の代わりに、図10に示すように、正極集電体15a又は負極集電体15bを芯材としてその両面に正極活物質層11a又は負極活物質層12aを積層してなる正極11、負極12を準備し、この正極11と負極12とを図11の如くスペーサ(電解質層)13を介して交互に積層して単位電池要素としてもよい。この場合は、1対の正極11と負極12との組み合わせ(厳密には正極11の集電体15aの厚み方向の中心から負極12の集電体15bの厚み方向の中心まで)が単位電池要素に相当する。
【0056】
電極の平面形状は任意であり、四角形、円形、多角形等にすることができる。
図9、11の通り、集電体22、26又は15a、15bには、通常、リード結合用のタブ4a、4bが連設される。電極が四角形であるときは、通常図3に示すように電極の一辺のサイド近傍に正極集電体より突出するタブ4aを形成し、また、負極集電体のタブ4bは他サイド近傍に形成する。
【0057】
複数の単位電池要素を積層するのは、電池の高容量化を図る上で有効であるが、この際、単位電池要素それぞれからのタブ4aとタブ4bの夫々は、通常、厚さ方向に結合されて正極と負極の端子部が形成される。その結果、大容量の電池要素1を得ることが可能となる。
タブ4a、4bには、図2に示すように、薄片状の金属からなるリード21が結合される。その結果、リード21と電池要素の正極及び負極とが電気的に結合される。タブ4a同士、4b同士の結合及びタブ4a、4bとリード21との結合はスポット溶接等の抵抗溶接、超音波溶着あるいはレーザ溶接によって行うことができる。
【0058】
本発明においては、上記正極リードと負極リードの少なくとも一方のリード21好ましくは両方のリードとして、焼鈍金属を使用するのが好ましい。その結果、強度のみならず折れ曲げ耐久性に優れた電池とすることができる。
リードに使用する金属の種類としては、一般的にアルミや銅、ニッケルやSUSなどを用いることができる。正極のリードとして好ましい材料はアルミニウムである。また、負極のリードとして好ましい材質は銅である。
【0059】
リード21の厚さは、通常1μm以上、好ましくは10μm以上、更に好ましくは20μm以上、最も好ましくは40μm以上である。薄すぎると引張強度等リードの機械的強度が不十分になる傾向にある。また、リードの厚さは、通常1000μm以下、好ましくは500μm以下、さらに好ましくは100μm以下である。厚すぎると折り曲げ耐久性が悪化する傾向にあり、また、ケースによる電池要素の封止が困難になる傾向にある。リードに後述する焼鈍金属を使用することによる利点は、リードの厚さが厚いほど顕著である。
【0060】
リードの幅は通常1mm以上20mm以下、特に1mm以上10mm以下程度であり、リードの外部への露出長さは通常1mm以上50mm以下程度である。使用する電池要素は、前記のような平板状の単位電池要素を厚さ方向に積層してなる平板積層型電池であり、正極と負極との間にはスペーサを介在させ、これを正負極よりも大きくするのが好ましい。電池要素としては、リチウム二次電池使用する。以下、リチウム二次電池に使用する材料について説明する。
【0061】
正極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、SUS等各種の金属を使用することができるが、好ましくはアルミニウムである。集電体の厚さは、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、さらに好ましくは5μm以上であり、また、通常30μm以下、好ましくは25μm以下、さらに好ましくは20μm以下である。薄ければ薄いほど、体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度の観点から好ましいが、あまりに薄いのは強度等の点でハンドリングが困難になりやすい。集電体は、通常の金属箔のような板状や、パンチングメタルのようなメッシュ状であってよい。集電体の表面は、必要に応じて粗面化処理しておくことができる。
【0062】
リチウム二次電池の正極に用いことができる活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な化合物として無機化合物でも有機化合物でも使用できる。無機化合物としてはFe、Co、Ni、Mn、等の遷移金属の酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属硫化物等が挙げられる。具体的には、遷移金属酸化物としてMnO、V25、V613、TiO2等を例示でき、リチウムと遷移金属との複合酸化物としてニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム等を例示でき、遷移金属硫化物としてTiS2、FeS等を例示できる。有機化合物としては、例えばポリアニリン等の導電性ポリマー等が挙げられる。また、これらの任意の無機化合物、有機化合物を任意の量混合して正極活物質として用いる方法も好適に使用される。好ましくは、リチウムと遷移金属との複合酸化物、特に、マンガン、ニッケル及びコバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属酸化物とリチウムとを含有する複合酸化物である。中でも、コバルトとリチウムとを含む複合酸化物やニッケルとリチウムとを含む複合酸化物を使用した際は、過充電時にデンドライトが発生しやすいので、本発明の効果が特に顕著である。正極活物質の粒径は、レ−ト特性、サイクル特性等の電池特性が向上するため、通常1〜30μm、好ましくは1〜10μmである。
【0063】
負極集電体としては、銅、ニッケル、SUS等各種の金属を使用することができるが、好ましくは銅である。集電体の厚さは、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、さらに好ましくは5μm以上であり、また、通常30μm以下、好ましくは25μm以下、さらに好ましくは20μm以下である。薄ければ薄いほど、体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度の観点から好ましいが、あまりに薄いのは強度等の点でハンドリングが困難になりやすい。集電体は、通常の金属箔のような板状や、パンチングメタルのようなメッシュ状であってよい。集電体の表面は、必要に応じて粗面化処理しておくことができる。
【0064】
負極に使用できる活物質としては、リチウム金属の外、リチウムを吸蔵放出可能な各種の化合物を使用することができる。具体的には、リチウム金属;リチウム−アルミニウム合金、リチウム−ビスマス−カドミウム合金、リチウム−スズ−カドミウム合金等のリチウム合金;グラファイト、コークス等の炭素材料等を挙げることができる。また、珪素、スズ、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル等の酸化物や硫酸鉛を使用することもできる。リチウム金属やリチウム合金を用いると、充電の際にデンドライトが生成しやすく特に過充電時の安全性が低下する傾向にあるため、グラファイトやコークス等の炭素材料が好ましい。負極活物質の粒径は、初期効率、レ−ト特性、サイクル特性等の電池特性が向上するため、通常1〜50μm、好ましくは15〜30μmである。
【0065】
活物質層は、通常上記活物質の外、バインダーを含有する。使用するバインダーとしては、電解液等に対して安定である必要があり、耐候性、耐薬品性、耐熱性、難燃性等が望まれる。バインダーとしてはシリケート、ガラスのような無機化合物や、主として高分子からなる各種の樹脂が使用できる。樹脂としては例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリー1,1−ジメチルエチレンなどのアルカン系ポリマー;ポリブタジエン、ポリイソプレンなどの不飽和系ポリマー;ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドンなどの環を有するポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミドなどのアクリル誘導体系ポリマー;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニドなどのCN基含有ポリマー;ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコールなどのポリビニルアルコール系ポリマー;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン含有ポリマー;ポリアニリンなどの導電性ポリマーなどが使用できる。また上記のポリマーなどの混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などであっても使用できる。これらの樹脂の分子量は、好ましくは10000−3000000、さらに好ましくは100000−1000000である。低すぎると活物質層の強度が低下し、高すぎると粘度が高くなり電極の形成が困難になる傾向にある。
【0066】
活物質100部に対するバインダーの配合量としては、好ましくは0.1−30部、さらに好ましくは1−20部である。バインダーの量が少なすぎると電極の強度が低下することがあり、多すぎるとイオン伝導度が低下する傾向にある。
活物質層中には必要に応じて導電材料、補強材など各種の機能を発現する粉体、充填材などを含有していても良い。導電材料としては、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限は無いが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末や、各種の金属のファイバー、箔などが挙げられる。炭素粉末導電性物質のDBP吸油量は120cc/100g以上が好ましく、特に150cc/100g以上が電解液を保持するという理由から好ましい。補強材としては各種の無機、有機の球状、繊維状フィラーなどが使用できる。
【0067】
電極は、活物質層を構成する材料を含有する塗料を集電体上に塗布・乾燥することによって製造することができる。また、その後、活物質層を圧密処理に供することもできる。塗料の組成や、乾燥条件、圧密条件等を制御することによって、活物質層中におけるバインダーの体積分率を制御することができる。
必要に応じて、活物質層と集電体との間の接着性を向上させるため、これらの間にアンダーコートプライマ層を設けることができる。
【0068】
アンダーコートプライマー層を用いる場合、その組成としてはカーボンブラック、グラファイト、金属粉体などの導電性粒子を添加した樹脂や、導電性の有機共役系樹脂を例示できる。好ましくは導電性粒子に、活物質としても機能しうるカーボンブラック、グラファイトを使用するとよい。また樹脂としても、活物質として機能しうるポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物などを用いると、容量を減少させないため好ましい。導電性粒子を添加した樹脂を主成分とする組成の場合、導電性粒子に対する樹脂の割合は、1−300重量%とすることが好ましい。低すぎると塗膜強度が低下して、電池使用時、工程上での剥離などが生じ好ましくない。高すぎると伝導度が低下して電池特性が低下する。特に好ましくは、5−100重量%の範囲とすることが好ましい。アンダーコートプライマー層の膜厚は、通常0.05〜10μm、好ましくは0.1〜1μmである。薄すぎると塗布が困難になり均一性が確保できなくなる。厚すぎると電池の体積容量を損なう。
【0069】
正極、負極内には通常イオン移動相が形成される。電極中におけるイオン移動相の占める割合は、高い方がイオン移動が容易になり、レイト特性上は好ましい一方で低い方が容量的には高くなる。好ましくは10〜50体積%である。イオン移動相の材料としては、後述する電解質層中の電解質と同様のものが使用できる。
正極活物質層及び負極活物質層の膜厚は容量的には厚い方が、レイト上は薄い方が好ましい。膜厚は通常20μm以上、好ましくは、30μm以上、さらに好ましくは50μm以上、最も好ましくは80μm以上である。正極及び負極膜厚は、通常200μm以下、好ましくは150μm以下である。
【0070】
正極と負極との間の電解質層には、電解質が存在する。電解質は、通常イオン移動相として電極中にも存在する。
リチウム二次電池に使用される電解質は、通常支持電解質であるリチウム塩を非水系溶媒に溶解してなる電解液を有する。
非水系溶媒としては、比較的高誘電率の溶媒が好適に用いられる。具体的にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの非環状カーボネート類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のグライム類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、スルフォラン等の硫黄化合物、アセトニトリル等のニトリル類等を挙げることができる。中でも、沸点が150℃以上、特に200℃以上の高沸点溶媒を使用するのが好ましい。このような高沸点溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等を挙げることができる。中でも高沸点溶媒としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンを使用するのが好ましい。
【0071】
以上の非水系溶媒は、複数種を併用することができる。前記高沸点溶媒を使用する場合、使用する非水系溶媒に対する前記高沸点溶媒の割合は、好ましくは60体積%以上、さらに好ましくは70体積%以上、さらに好ましくは80体積%以上、最も好ましくは90体積%以上とする。また、複数の溶媒を併用する場合の非水系溶媒全体としての沸点を200℃以上とするのが好ましい。高沸点溶媒を使用することによって、リチウム二次電池要素を形状可変性ケースに収納しても、高温下等での電池の形状変化(変形)を抑制することができる。なお、「沸点X℃以上」とは、圧力1atmのもとで室温からX℃まで加熱しても蒸気圧が1atmを越えないことを意味する。即ち、圧力1atmのもとで室温から200℃まで加熱した場合、常に蒸気圧が1atm以下であることを意味する。
【0072】
なお、非水系溶媒は、粘度が1mPa・s以上であることが好ましい。
電解質に使用する支持電解質であるリチウム塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiClO4、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、LiSO3CF2等を挙げることができる。これらのうちでは特にLiPF6及びLiClO4が好適である。LiPF6は、電池性能上最も好ましい一方で分解しやすい化合物であり、その結果過充電時にガスが発生しやすい化合物なので、本発明の効果が特に大きい。これら支持電解質の電解液における含有量は、通常0.5〜2.5mol/lである。
【0073】
電解質は、非流動性を有するものが好ましい。その結果、電池要素を形状可変性を有するケースに収納しても、電解液の液漏れ等が有効に防止できる。このような非流動性電解質としては、具体的には、完全固体型の電解質の外、ポリマーにより前記電解液を保持した、いわゆるポリマー電解質が挙げられる。ポリマー電解質は、通常上記非水電解液をポリマーによって保持することによってゲル状を呈する。ポリマーの電解液に対する濃度は、使用するポリマーの分子量にもよるが、通常0.1〜30重量%である。濃度が低すぎるとゲルを形成しにくくなり、電解液の保持性が低下して流動、液漏れの問題が生じることがある。また濃度が高すぎると粘度が高くなりすぎて工程上困難を生じるとともに、電解液の割合が低下してイオン伝導度が低下しレート特性などの電池特性が低下する傾向にある。電解質を保持するポリマーとしては、アルキレンオキシドユニットを有するアルキレンオキシド系高分子や、ポリフッ化ビニリデンやフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体のようなフッ素系高分子等、上記機能を有する各種のポリマーを挙げることができる。
【0074】
非流動性電解質を形成する方法としては、あらかじめポリマーを電解液に溶解させた電解質塗料を非流動化処理する方法や、電解液に重合性ゲル化剤を含有させた電解質塗料を架橋反応させる方法など必要に応じた材料・製法を採用することができる。
非流動性電解質の形成を、電解液に重合性ゲル化剤を含有させた塗料を架橋反応させる方法で行う場合には、紫外線硬化や熱硬化などの重合処理を施すことによって高分子を形成するモノマーを重合性ゲル化剤として電解液に添加することにより塗料を調製する。
【0075】
重合性ゲル化剤としては、例えばアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、アリル基等の不飽和二重結合を有するものが挙げられる。具体的には、例えば、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、エトキシエチルメタクリレート、メトキシエチルメタクリレート、エトキシエトキシエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルアクリレート、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、アリルアクリレート、アクリロニトリル、N−ビニルピロリドン、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリアルキレングリコールジアクリレート、ポリアルキレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパンアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールアルコキシレートテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンアルコキシレートテトラアクリレートなどが例示できる、これらは複数種を併用することができる。これらの中で特に好ましくはエチレンオキシド基を複数含有するジアクリレート、トリアクリレートである。電解液中における重合性ゲル化剤の含有量は特に制限されないが、好ましくは1重量%以上である。含有量が低いと高分子の形成効率が低下し、電解液を非流動化しにくくなる。他方、あまりに多すぎると未反応モノマーの残留や電解質塗料としての操作性が悪くなるので、通常30重量%以下とする。
【0076】
非流動性電解質を、あらかじめポリマーを含有した電解質塗料を非流動化する方法においては、ポリマーとして、高温で電解液に溶解し、常温でゲル状電解質を形成する高分子を使用するのが好ましい。即ち、高温で電解液に溶解したポリマーを常温にすることによってゲル状電解質とする。高温時の温度としては通常50〜200℃、好ましくは100〜160℃である。あまりにも低温で溶解するようであると、非流動化電解質の安定性が低下する。溶解温度が高すぎると、電解液成分、ポリマー等の分解を引き起こすことがあり得る。非流動化の方法としては、電解液を室温で放置することが好ましいが、強制冷却することもできる。使用できるポリマーとしては、例えば、ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドン等の環を有するポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミドなどのアクリル誘導体系ポリマー;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂;ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニド等のCN基含有ポリマー;ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等のポリビニルアルコール系ポリマー;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のハロゲン含有ポリマー等が挙げられる。これらの中、好ましくはポリメタクリル酸メチル、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、あるいはそれらの変性体を使用する。上記のポリマーの混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体等を使用することもできる。これらのポリマーの重量平均分子量は、好ましくは10,000〜5,000,000の範囲である。分子量が低いとゲルを形成しにくくなり、他方、あまり分子量が高いと粘度が高くなりすぎて取り扱いが難しくなる。
【0077】
電解質中には、必要に応じて、電池の性能向上のために各種の添加剤を添加することができる。このような機能を発現させる添加剤としては、特に限定はされないが、トリフルオロプロピレンカーボネート、1,6−ジオキサスピロ[4,4]ノナン−2,7−ジオン、12−クラウン−4−エーテル、ビニレンカーボネート、カテコールカーボネート、無水コハク酸などが挙げられる。
【0078】
前述のように電池中に過充電防止剤を含有させておくことができるが、これら過充電防止剤は、通常電解質中に存在する。
電解質層は、通常、多孔性シートからなるスペーサ中に電解質を含浸させてなる。
電解質層の厚みは、通常1〜200μm、好ましくは、5〜100μmである。
【0079】
多孔性シートとしては、具体的には厚さ通常1μm以上、好ましくは5μm以上、また通常200μm以下、好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下のものが使用される。空隙率は、通常10〜95%、好ましくは30〜85%程度である。多孔性シートの材料としては、ポリオレフィン又は水素原子の一部もしくは全部がフッ素置換されたポリオレフィンを使用することができる。具体的には、ポリオレフィン等の合成樹脂を用いて形成した微多孔性膜、不織布、織布等を用いることができる。また、粉体とバインダーとからなる薄膜を使用することができる。
【0080】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更し実施することができる。なお組成中の部は、重量部を示す。
正極製造例1
コバルト酸リチウム90部、アセチレンブラック5部、ポリフッ化ビニリデン5部及びN−メチル−2−ピロリドン80部を混練機により2時間混練し正極塗料1とした。
【0081】
次に、正極塗料1を20μm厚のアルミニウム集電体基材上に、エクストルージョン型のダイコーティングによって塗布、乾燥し、活物質がバインダーによって集電体上に結着された多孔質膜からなる活物質層を形成させた。ついで、ロールプレス(カレンダー)を用いて圧密後、切断し、正極1とした。
正極製造例2
コバルト酸リチウム90部の代わりに、コバルト酸リチウム45部及びニッケル酸リチウム45部を使用した正極塗料2を用いたこと以外、正極製造例1と同様にして、正極2を得た。
負極製造例
グラファイト(粒径15μm)90部、ポリフッ化ビニリデン10部及びN−メチル−2−ピロリドン100部を、混練機により2時間混練し負極塗料1とした。
【0082】
次に、負極塗料1を20μm厚の銅集電体基材上にエクストルージョン型のダイコーティングによって塗布、乾燥し、活物質がバインダーによって集電体上に結着された多孔質膜からなる活物質層を形成させた。ついで、ロールプレス(カレンダー)を用いて圧密後、切断し、負極1とした。
電解質塗料作成例1
1M濃度のLiPF6を含有する、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びフェニルエーテルの混合液(体積比率;エチレンカーボネート:プロピレンカーボネート:フェニルエーテル=7.3:7.3:1)925部、テトラエチレングルコールジアクリレート44部、ポリエチレンオキシドトリアクリレート22部、重合開始剤2部及び添加剤(無水コハク酸)9部を混合攪拌溶解し、電解質塗料1とした。
電解質塗料作成例2
エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びフェニルエーテルの混合比を、体積比で6.2:6.2:1としたこと以外電解質塗料製造例1と同様にして、電解質塗料2とした。
実施例1
正極1、負極1に電解質塗料1を塗布し、別に電解質塗料1に浸したポリエチレン製多孔質フィルムを間に挟んで積層した後、90℃で10分加熱することにより電解質を非流動化して、図9に示すような、正極、負極、及び非流動化性電解質を有する平板状の単位電池要素を作成した。
【0083】
得られた単位電池要素を積層後、正極同士ならびに負極同士の端子部を束ね、それぞれの端子部に電流を取り出すリードを接続した。その後、アルミニウム層の両面に樹脂層を有する厚さ約100μmのラミネートフィルムを対向成形した図5のような外装材に収容後、テトラエチレングルコールジアクリレート133部、ポリエチレンオキシドトリアクリレート67部、重合開始剤1部からなる絶縁材料を、図14〜図17のように正極端子部及び負極端子部付近に適量注入して、正極端子部から負極端子部に亘る電池要素側面全体を被覆した。ラミネートフィルムを真空シールで封入後、リードを取り出した辺を除く接合片部を被包部に沿うように折曲した。その後、電池を90℃で3分間加熱して、絶縁材料による端子部の固着を行った。折曲された接合片部は外装材被包部側面に市販のエポキシ系接着剤で接着して平板状電池Aを作成した。このように作成した電池の電池容量は650mAhであった。
【0084】
平板状電池Aに対して過充電試験を行なった。
即ち、0.65Aの定電流で、公称使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.9mm(電池要素の総厚みは3.7mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.17A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電後の電池の厚みは5.9mm(電池要素の総厚み5.7mm)であった。また、過充電時のガスの漏洩は全く観測されず、電池表面の最高温度は108℃であった。このような電池は、過充電後に電池に圧力を加えても外装材の破れによるガスの漏洩は観測されなかった。
【0085】
続いて、平板状電池Aを用いて、上限電圧を10Vに設定し、電池を放電状態から1.95Aの定電流で120分間或いは3Aの定電流で80分間充電し続けた結果、電池表面の最高温度はそれぞれ、136℃、165℃となり、過充電状態での電池の発煙、発火は観測されず、上記の電池は高電流下での過充電に耐えうる安全性の高い電池であることが判った。
実施例2
電解質塗料1の代わりに電解質塗料2を用いた以外は実施例1の平板状電池Aの製造と同様の方法で平板状電池Bを作成した。このように作成した電池の電池容量は650mAhであった。
【0086】
平板状電池Bを、0.65Aの定電流で、使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.7mm(電池要素の総厚みは3.5mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.17A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電後の電池の厚みは6.4mm(電池要素の総厚みは5.9mm)であった。また、過充電時のガスの漏洩は全く観測されず、電池表面の最高温度は107℃であった。このような電池は、過充電後に電池に圧力を加えても外装材の破れによるガスの漏洩は観測されなかった。
【0087】
続いて、平板状電池Bを用いて、上限電圧を10Vに設定し、電池を放電状態から1.95Aの定電流で120分間或いは3Aの定電流で80分間充電し続けた結果、電池表面の最高温度はそれぞれ、117℃、130℃であり、過充電状態での電池の発煙、発火は観測されず、上記の電池Bは高電流下での過充電に耐えうる安全性の高い電池であることが判った。
実施例3
正極1の代わりに正極2を用いたこと以外は実施例1と同様にして平板状電池Cを作成した。このように作成した電池の電池容量は700mAhであった。
【0088】
平板状電池を、0.7Aの定電流で、使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.90mm(電池要素の総厚みは3.7mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.26A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電後の電池の厚みは6.9mm(電池要素の総厚みは6.4mm)であった。また、過充電時のガスの漏洩は全く観測されず、電池表面の最高温度は117℃であった。このような電池は、過充電後に電池に圧力を加えても外装材の破れによるガスの漏洩は観測されなかった。
実施例4
シール部(接合片部)の折曲のみで被包部への固着を行わなかったこと以外は実施例3と同様にして平板状電池Dを作成した。このように作成した電池の電池容量は700mAhであった。
【0089】
平板状電池Dを、0.7Aの定電流で、使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.9mm(電池要素の総厚みは3.7mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.26A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電後の電池の厚みは7.3mm(電池要素の総厚みは6.8mm)であった。また、過充電時のガスの漏洩は全く観測されず、電池表面の最高温度は123℃であった。このような電池は、過充電後に電池に圧力を加えても外装材の破れによるガスの漏洩は観測されなかった。
比較例1
端子部の固着及びシール部の被包部への接着を行わなかったこと以外実施例1と同様にして平板状電池Eを作成した。このように作成した電池の電池容量は650mAhであった。
【0090】
得られた平板状電池Eを、0.65Aの定電流で、公称使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.9mm(電池要素の総厚みは3.7mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.17A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電中に電池は膨れ、72分後に発煙し、過充電時のガスの漏洩が観測された。その際の、電池表面の最高温度は140℃であった。
【0091】
また、平板状電池Eを用いて、上限電圧を10Vに設定し、電池を放電状態から1.95Aの定電流で充電し続けた結果、38分後に電池は発火した。
比較例2
電解質塗料1の代わりに電解質塗料2を用いた以外は比較例1と同様にして平板状電池Fを作成した。このように作成した電池の電池容量は650mAhであった。
【0092】
得られた平板状電池Fを、0.65Aの定電流で、使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.9mm(電池要素の総厚みは3.7mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.26A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電後の電池の厚みは17.1mm(電池要素の総厚みは6.3mm)であった。また、電池表面の最高温度は92℃であり、過充電時のガスの漏洩は観測されなかったが、このような電池は、過充電後の電池を手で押しつぶすと外装材が破れガスの漏洩が観測された。
比較例3
正極1の代わりに正極2を用いた以外は比較例1と同様にして平板状電池Gを作成した。このように作成した電池の電池容量は700mAhであった。
【0093】
得られた平板状電池Gを、0.70Aの定電流で、使用電圧間の充放電を3サイクル行った。放電状態の電池の厚みは3.8mm(電池要素の総厚みは3.6mm)であった。次に上限電圧を10Vに設定し、電池を3V状態から1.8C(1.26A)の定電流で200分間充電し続けた結果、過充電後の電池の厚みは15.0mm(電池要素の総厚みは6.5mm)であった。また、電池表面の最高温度は115℃であり、過充電時のガスの漏洩は観測されなかったが、このような電池は、過充電後の電池を手で押しつぶすと外装材が破れガスの漏洩が観測された。
【0094】
【発明の効果】
本発明によれば、リチウム二次電池の、特に過充電時の安全性にかかわる固有の問題を解明し、過充電時の電池の膨れを抑制することにより、過充電時の使用機器の損傷ならびに発生ガスによる使用機器の腐食や有機ガス等の有毒ガスの漏洩を防止すると共に電池の安全性を向上させたリチウム二次電池を提供することができる。従って、本質安全機能を有するリチウム二次電池が実現し、他の過充電対策を施さなくても安全なリチウム二次電池とすることができる。また、他の過充電対策と併用することによってより安全なリチウム二次電池とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係る電池の分解斜視図である。
【図2】実施の形態に係る電池の要部の断面図である。
【図3】実施の形態に係る電池の電池要素を示す斜視図である。
【図4】実施の形態に係る電池の斜視図である。
【図5】別の実施の形態に係る電池の製造途中の斜視図である。
【図6】さらに別の実施の形態に係る電池の製造途中の斜視図である。
【図7】さらに異なる実施の形態に係る電池の製造途中の斜視図である。
【図8】図7の実施の製作途中の平面図である。
【図9】単位電池要素の模式的な断面図である。
【図10】正極又は負極の模式的な断面図である。
【図11】電池要素の模式的な断面図である。
【図12】(A),(B)図はそれぞれ外装材を構成する複合材の一例を示す縦断面図である。
【図13】外装材を構成する複合材の他の例を示す縦断面図である
【図14】別の実施の形態に係る電池の製造途中の斜視図である。
【図15】図14の状態を模式的に示す平面図である。
【図16】図15の要部の拡大図である。
【図17】絶縁材料の注入状態を示す断面図である。
【図18】電池要素のタブ部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
1 電池要素
2、3、6、7、8 外装材
4a、4b タブ
4A、4F 接合片部
4B、4G 被包部
5 絶縁材料
11 正極
11a 正極活物質
12 負極
12b 負極活物質
13 非流動性電解質層
15a 正極集電体
15b 負極集電体
21 リード
22 正極集電体
23 正極活物質
24 スペーサ(電解質層)
25 負極活物質
26 負極集電体
40 金属層
41、42 合成樹脂層
43 接着剤層
50 注入装置
51 ノズル
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly to a lithium secondary battery having a flat plate shape.
[0002]
[Prior art]
A high energy density lithium secondary battery that has been developed in recent years has a high risk of ignition, smoke, etc. due to misuse of the battery or failure of equipment used due to its high energy density. Against this background, in recent years, development of battery design technology in which a safety function is added to the lithium secondary battery itself has been actively promoted. That is, ensuring the safety of lithium secondary batteries is one of the indispensable issues in current battery designs with higher energy density.
[0003]
In ensuring the safety of batteries, ensuring safety especially against overcharging is one of the important issues. This is because when a certain amount of electricity flows for some reason when charging a lithium secondary battery, the battery becomes overcharged, an internal short circuit occurs due to precipitation of lithium dendrite, etc., and the battery temperature rises. This is because there is an extremely high risk of causing accidents such as smoke and fire.
[0004]
In general, when a lithium secondary battery is overcharged, gas is first generated due to decomposition of an electrolytic solution or the like. When gas is generated, not only does the battery rupture, leakage, etc., but this state continues, the battery temperature eventually rises and may even lead to accidents such as smoke and fire. From such a viewpoint, various methods for preventing overcharge have been proposed.
[0005]
Specific methods for preventing overcharge are generated by a shutdown method using melting of the separator due to battery temperature rise, a control method using an electronic circuit attached to the outside of the battery, and decomposition of the electrolyte during overcharge. A mechanical current interruption method using a safety valve using gas is known.
However, the shutdown method using a separator has a rapid runaway reaction at the time of overcharge, and it is actually difficult to sufficiently function as overcharge protection.
[0006]
In addition, the control method using an electronic circuit and the mechanical current interruption method using a safety valve have design limitations such as the fact that a control device such as an electronic circuit or a safety valve cannot be installed due to the design of the battery, and also has the disadvantage of increasing the cost of the battery. is there. Furthermore, even if these control devices can be installed, there is a risk of malfunction due to malfunction of the circuit, misuse of the charger, etc., and risk of delay of battery shutdown due to sudden overcharge runaway reaction due to high current charging etc. And this is not always an adequate overcharge protection measure.
[0007]
Under such circumstances, in the above overcharge prevention measures, in recent years, from the trend of battery design to give a safety function to the battery itself, an organic substance is added to the electrolyte and the chemicals at the time of overcharge are added. A method utilizing a reaction has attracted attention, and various additives have been proposed.
The basic concept of overcharge prevention measures using organic additives is to add an organic compound having an oxidation potential that is nobler than the positive electrode potential at full charge to the electrolyte so that the positive electrode potential is increased in an overcharged state. When it rises, it causes an oxidation reaction of the organic additive to suppress the runaway reaction in the battery during overcharge.
[0008]
Conventionally proposed methods can be classified into two methods depending on the physical properties of the oxidation product of the additive. The first method uses an organic additive in which the oxidant of the organic additive is soluble in the electrolyte and has good reversibility of the oxidation-reduction reaction, and the additive reciprocates between the positive and negative electrodes in an overcharged state. Thus, the overcharge current is consumed (redox shuttle method). On the other hand, in the second method, current interruption occurs due to the formation of a film on the positive electrode by oxidative polymerization of the additive in an overcharged state, and the generated gas generated at that time is used to reliably operate the safety valve of the battery. (Aromatic compound oxidative polymerization method). The latter method can be said to be an overcharge prevention method by a combination of a method using a mechanical current interruption and a method using a polymerization reaction during overcharging of an organic additive. The former method is described in JP-A-7-302614, JP-A-9-17447, JP-A-9-50822, JP-A-9-231976, and the like. No. 106835, JP-A-9-171840, JP-A-9-23001, and the like.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional redox shuttle method and aromatic compound oxidative polymerization method may have sufficient functions to prevent adverse effects such as ignition and smoke for low current overcharge. Since the runaway reaction becomes rapid, control by the chemical reaction of the additive is not in time and often does not function as overcharge protection.
[0010]
For example, the Redox shuttle method has low stability of the oxidant of the additive, especially when the battery temperature rises, such as overcharge, and the additive is deteriorated. There is a possibility of losing. Furthermore, this method often cannot suppress the generation of gas during overcharge, and problems such as leakage of corrosive gas and toxic gas due to battery pressure during overcharge and damage to the equipment used due to battery swelling still remain. Has been.
[0011]
On the other hand, in the aromatic compound oxidative polymerization method, as an actual mechanism of action, in combination with the overcharge control by the safety valve, the safety valve of the battery is reliably operated using the generated gas generated during the polymerization reaction. It is said that there is. That is, since this method is also effective for the first time in combination with the mechanical current interrupting device, not only is there a restriction on the design described above, but also gas is actively generated during overcharge. Deficiencies such as corrosion of equipment used due to the generated gas and leakage of toxic gases such as organic gas remain.
[0012]
That is, in the battery design that attempts to give a safety function to the battery itself, there has always been a problem of gas generation, resulting in a problem of battery swelling. In particular, in a flat type battery, since the battery tends to swell in the thickness direction, the problem due to gas generation is more serious.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress leakage of corrosive gas and toxic gas at the time of overcharging of the battery and swelling of the battery by suppressing the swelling of the battery at the time of overcharging. It is an object of the present invention to provide a battery that prevents damage to equipment used due to the above and improves safety against overcharging of the battery reliably and effectively.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have found that the trigger of the runaway reaction in the battery at the time of overcharging is in the initial swelling of the battery. In addition to being able to suppress gas generation and prevent damage to equipment used due to battery swelling and leakage of corrosive and toxic gases from the battery, it is also possible to prevent smoke and ignition of the battery due to battery temperature rise. The headline and the present invention were completed.
[0014]
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A lithium secondary battery in which a battery element having a positive electrode and a negative electrode is sealed with an exterior materialThe battery element is formed by laminating a plurality of flat unit battery elements in the thickness direction, and a part of the positive electrode and a part of the negative electrode of each unit battery element are bundled between the unit battery elements. The positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion, the entire battery element side surface from the positive electrode terminal portion to the negative electrode terminal portion is covered and fixed with an insulating material, andIn the following overcharge test, gas does not leak out of the battery, and the battery thickness (A) immediately after the test is equal to the battery thickness before the test.190% Lithium secondary battery.
  Overcharge test
  The battery having a battery voltage of 3V is continuously charged with a current of 1.8C for 200 minutes within a range where the upper limit voltage is 10V. However, 1C is a current value for discharging the capacity obtained by charging the battery voltage from 2.7V to 4.2V constant voltage until the current value becomes 0 in one hour.
[0015]
(2) The total thickness (B) of the battery element immediately after the overcharge test is equal to the total thickness of the battery element before the test.190%The lithium secondary battery as described in (1) below.
(3) The lithium secondary battery according to (1) or (2), wherein the difference between the battery thickness (A) immediately after the overcharge test and the total thickness (B) of the battery elements is 2 mm or less..
[0016]
(4) A film-shaped exterior material forms a joining piece part formed by joining the peripheral parts of the film and an encapsulating part that encapsulates the battery element, and at least a part of the joining piece part is formed in the covered part. (1) to () bent along the packet part3). The lithium secondary battery according to any one of
[0017]
(5) The joining piece is fixed to the enveloping part (4Lithium secondary battery according to (1).
(6) The thickness of the exterior material is 0.2 mm or less (1) to (5). The lithium secondary battery according to any one of
(7) The thickness of the battery is 2 mm or more (1) to (6). The lithium secondary battery according to any one of
[0018]
(8) The battery capacity is 100 mAh or more (1) to (7). The lithium secondary battery according to any one of
(9(1) to (1) to (1) to (1) to (1) are made of a laminate film in which a synthetic resin layer and a metal layer are laminated8). The lithium secondary battery according to any one of
(10) The electrolyte has a non-flowable electrolyte (1) to (9). The lithium secondary battery according to any one of
[0019]
(11) The electrolyte is LiPF6Comprising (1) to (10). The lithium secondary battery according to any one of
(12) The positive electrode contains lithium cobalt oxide and / or lithium nickelate (1) to (11). The lithium secondary battery according to any one of
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As a result of the overcharge test, the lithium secondary battery of the present invention does not leak gas to the outside of the battery, and is caused by the thickness of the battery immediately after the test (A; the thickness of the exterior material, the thickness of the battery element, or swelling) The thickness of the entire battery, including the thickness due to voids with1 of90% or less. Here, in the overcharge test, a battery having a battery voltage of 3V is continuously charged with a current of 1.8C for 200 minutes within a range where the upper limit voltage is 10V. However, 1C discharges the capacity obtained by charging the battery voltage from 2.7 V to 4.2 V at a constant voltage until the current value becomes 0 (hereinafter sometimes simply referred to as “battery capacity”) in 1 hour. Therefore, 1.8C is 1.8 times the current value of 1C. By using such a battery, leakage of corrosive gas and toxic gas when the battery is overcharged and damage to the equipment used due to battery bulge are prevented, and the safety against battery overcharge is improved reliably and effectively. A battery having an intrinsically safe function can be realized. In addition, such a lithium secondary battery having a small swelling due to the overcharge test has an advantage that it is safer even when exposed to more severe overcharge conditions.
[0021]
However, since it is not realistic to obtain a lithium secondary battery that does not swell at all in the overcharge test, the battery thickness (A) immediately after the test is usually 101% or more of the battery thickness before the test, Preferably it is 110% or more, More preferably, it is 120% or more. In order to obtain such a lithium secondary battery, it is important to suppress the initial gas generation during overcharge. In other words, it is important that the swelling of the battery element after the overcharge test is not caused by an increase in the gap due to the gas generation itself, but is caused by the swelling of the battery element itself. In this regard, the lithium secondary battery according to the present invention has a total thickness (B) of the battery element after the overcharge test before the test.1 of90% or less. However, in this case as well, it is not realistic to obtain a lithium secondary battery that does not swell at all in the overcharge test. Therefore, the thickness (B) of the battery element immediately after the test is usually the same as that of the battery element before the test. It is 101% or more of the thickness, preferably 110% or more, more preferably 120% or more.
[0022]
The total thickness of the lithium secondary battery before the overcharge test is usually 5 mm or less, preferably 4.5 mm or less, more preferably 4 mm or less. The effect of the present invention is particularly great for such a thin lithium secondary battery. However, a battery that is too thin may have a capacity that is too small or difficult to manufacture, and the problems due to overcharging are not relatively large. Therefore, it is usually 0.5 mm or more, preferably 1 mm or more, more preferably 2 mm or more. It is.
[0023]
In addition, as described above, the swelling of the battery element after the overcharge test is not caused by an increase in the gap due to the gas generation itself, but is caused by the swelling of the battery element itself. The difference between the thickness of the whole battery after the end of the charging test and the total thickness of the battery elements is preferably 1.5 mm or less, more preferably 1.2 mm or less, further preferably 1 mm or less, and most preferably 0.5 mm or less. . However, not only is it difficult to actually obtain a lithium secondary battery with the above difference being extremely small, but the thickness of the exterior material is present, so that the thickness is usually 0.01 mm or more, preferably 0.05 mm or more.
[0024]
When the battery capacity is not so large, the problem due to overcharging is alleviated. Therefore, in the present invention, it is remarkable that the battery capacity is set to 100 mAh or more, particularly 200 mAh or more. However, since it is difficult to actually obtain a battery with a very large capacity, it is usually set to 2000 mAh or less.
The exterior material that stores the battery element preferably has shape variability. As a result, not only is it easy to create batteries of various shapes, but when the exterior material is sealed under vacuum, it can be given a function to strengthen the bonding between the electrodes of the battery element, and as a result Battery characteristics such as cycle characteristics can be improved. As the thickness of the exterior material is thinner, the volume energy density and the weight energy density of the battery are increased, which is not only preferable, but the strength itself is relatively low, so the effect of the present invention is particularly remarkable. The thickness of the exterior material is usually 0.2 mm or less, preferably 0.15 mm or less. However, if the thickness is too thin, the strength is insufficient and moisture and the like are easily transmitted. Therefore, the thickness is usually 0.01 mm or more, preferably 0.02 mm or more.
[0025]
As the material of the exterior material, aluminum, nickel-plated iron, copper or other metal, synthetic resin, or the like can be used. Preferably, a laminate film in which a metal and a synthetic resin are laminated is used. By using this laminate film, the case member can be made thinner and lighter, and the capacity of the entire battery can be improved.
[0026]
As the laminate film, as shown in FIG. 12A, a laminate of a metal layer 40 and a synthetic resin layer 41 can be used. The metal layer 40 prevents moisture from entering or maintains shape retention, and is made of a single metal such as aluminum, iron, copper, nickel, titanium, molybdenum, or gold, an alloy such as stainless steel or hastelloy, or a metal such as aluminum oxide. It may be an oxide. In particular, aluminum having excellent workability is preferable.
[0027]
The metal layer 40 can be formed using a metal foil, a metal vapor deposition film, a metal sputtering, or the like.
The synthetic resin layer 41 is used for protecting the case member or preventing the contact with the electrolyte, preventing contact between the metal layer and the battery element, etc., or protecting the metal layer. The elastic modulus and tensile elongation of the resin are not limited. Therefore, the synthetic resin in the present invention includes what is generally called an elastomer.
[0028]
As the synthetic resin, thermoplastic plastics, thermoplastic elastomers, thermosetting resins, and plastic alloys are used. These resins include those in which fillers such as fillers are mixed.
In addition, as shown in FIG. 12B, the laminate film is provided with a synthetic resin layer 41 for functioning as an outer protective layer on the outer surface of the metal layer 40, and corrosion and metal layers on the inner surface and the battery element on the inner surface. A three-layer structure in which a synthetic resin layer 42 that functions as an inner protective layer for preventing contact with the metal layer and protecting the metal layer can be obtained.
[0029]
In this case, the resin used for the outer protective layer is preferably a resin excellent in chemical resistance and mechanical strength, such as polyethylene, polypropylene, modified polyolefin, ionomer, amorphous polyolefin, polyethylene terephthalate, and polyamide.
As the inner protective layer, a chemical-resistant synthetic resin is used. For example, polyethylene, polypropylene, modified polyolefin, ionomer, ethylene-vinyl acetate copolymer, and the like can be used.
[0030]
Further, as shown in FIG. 13, the composite material can also be provided with an adhesive layer 43 between the metal layer 40, the protective layer forming synthetic resin layer 41, and the corrosion resistant layer forming synthetic resin layer 42. Furthermore, in order to adhere the case members to each other, an adhesive layer made of a resin such as polyethylene or polypropylene that can be welded to the innermost surface of the composite material can be provided. A case is formed using these metals, synthetic resins, or composite materials. The case may be formed by fusing the periphery of a film-like body, or the sheet-like body may be drawn by vacuum forming, pressure forming, press forming or the like. It can also be formed by injection molding a synthetic resin. In the case of injection molding, the metal layer is usually formed by sputtering or the like.
[0031]
Providing the housing portion formed of a recess in the exterior material can be performed by drawing or the like.
As the exterior material, it is preferable to use a film-like material because it is easy to process.
In order to obtain a lithium secondary battery with less blistering with respect to the overcharge test, it is important to provide means for preventing the battery from expanding at the initial stage of overcharge.
[0032]
That is, the swelling of the battery at the time of overcharging is mainly caused by the generation of gas due to the distortion of the electrode, the expansion of the electrode (active material) and the decomposition reaction of the electrolytic solution at the time of overcharging. Among these, the distortion of the electrode at the time of overcharge and the gas generation in the battery are not yet clear, but can be suppressed by applying pressure between the electrodes at the time of overcharge. In the present invention, it is preferable to use a method of applying pressure between the electrodes during overcharging as a specific method of preventing battery swelling. Here, since the load between the electrodes leads to harmful effects such as a short circuit of the battery in a normal use range, a method in which pressure is strongly applied between the electrodes only in an overcharged state is preferable. Usually, at the time of overcharge, the thickness of the electrode remarkably increases especially from the vicinity of the charging depth at which the dedoping of lithium ions from the positive electrode is completed. Specific examples of such a method include, for example, firmly attaching an exterior material that houses the battery element so as to suppress swelling, or fixing a portion of the battery element in the vicinity of a portion from which current is easily extracted, which is particularly easily swollen. Can be mentioned. In particular, the former method is preferable because the electrode can be strongly pressed only in the overcharged state where the expansion of the electrode is most remarkable by suppressing the deformation of the exterior material during overcharging as much as possible.
[0033]
In addition, a method of encapsulating a packaging material with a heat-shrinkable polymer material, a method of using a high-strength packaging material, and the like are also included.
Furthermore, these methods can be combined with an overcharge prevention measure using a known overcharge inhibitor. As a result, safety against overcharging can be further improved.
[0034]
For example, as an organic additive, an organic compound having a π electron orbit having a molecular weight of 500 or less and having a reversible oxidation-reduction potential at a potential nobler than the positive electrode potential at the time of full charge (JP-A-7-302614) Aromatic compounds having a halogen atom and a methoxy group (Japanese Patent Laid-Open No. 9-17447); Aromatic compounds that polymerize at a battery voltage equal to or higher than the voltage at full charge (Japanese Patent Laid-Open No. 9-106835 and Japanese Patent Laid-Open No. 171840); and at least one aromatic hydrocarbon selected from naphthalene, anthracene and phenanthrene (Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-231976 and 9-23001).
[0035]
Preferably, as the overcharge preventing agent, an organic compound having an oxidation potential that is nobler than the positive electrode potential during full charge and lower than the oxidation potential of the electrolyte used is present in the battery. Specific examples of such an organic compound include substituted anisoles, alkylbenzenes, diphenylalkanes, biphenyl, naphthalene, anthracene, esters having a substituted aromatic ring, and the like. In these, the compound which does not generate | occur | produce gas by the oxidation reaction at the time of overcharge is used suitably. When using a compound that generates a gas during overcharge, it is preferable to control its abundance such that the amount generated is extremely small.
[0036]
Hereinafter, a lithium secondary battery in which a battery element formed by laminating a plurality of flat unit battery elements each having a positive electrode, a negative electrode, and a non-fluidic electrolyte in the thickness direction is hermetically sealed by a film-like packaging material is taken as an example. The specific configuration of the lithium secondary battery will be described in more detail.
FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery according to an embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the battery, FIG. 3 is a schematic perspective view of a battery element, and FIG. 4 is a perspective view of the battery.
[0037]
In this battery, after the battery element 1 is accommodated in the recess of the exterior material 3, an insulating material 5 such as epoxy resin or acrylic resin is injected in the vicinity of the terminal portions (tabs 4 a and 4 b) of the battery element 1, and then the exterior material 2. Is covered with the exterior material 3, and the peripheral portions 2a and 3a of the exterior materials 2 and 3 are joined by vacuum sealing.
As shown in FIG. 1, the exterior material 2 has a flat plate shape. The outer packaging material 3 is a shallow, open box-like box having a housing portion 3b formed of a rectangular box-shaped concave portion and a peripheral edge portion 3a projecting outwardly in a flange shape from the four peripheral edges of the housing portion 3b.
[0038]
As shown in FIG. 3, the battery element 1 is formed by laminating a plurality of unit battery elements in the thickness direction. The tab 4a or 4b is pulled out from the unit battery element. The tabs 4a from the positive electrode are bundled (that is, overlapped with each other), and the positive electrode lead 21 is joined to form the positive electrode terminal portion. The tabs 4b from the negative electrode are also bundled together, and the negative electrode lead 21 is joined to form a negative electrode terminal portion.
[0039]
After the battery element 1 is accommodated in the accommodating portion 3b of the exterior material 3, the insulating material 5 is injected in the vicinity of the tabs 4a and 4b, and the battery element side surfaces in the vicinity of the positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion are covered with the insulating material, The exterior material 2 is covered. The pair of leads 21 extending from the battery element 1 are drawn out through the mating surfaces of the peripheral edges 2a and 3a on one side of the exterior materials 2 and 3, respectively. Thereafter, the peripheral edges 2a, 3a of the four peripheral edges of the outer packaging materials 2, 3 are hermetically joined by a technique such as thermocompression bonding or ultrasonic welding in a reduced pressure (preferably vacuum) atmosphere. 3 is enclosed. Thereafter, the insulating material 5 is subjected to a curing process by heating or the like, and the insulating material 5 is completely fixed in the vicinity of the terminal portion. Since the exterior material is sealed before being completely fixed, the shape of the battery hardly changes at the time of fixing.
[0040]
Joining piece parts 4A, 4F, and 4G are formed by joining peripheral parts 2a and 3a. The joining piece portions 4A, 4F, and 4G project outward from the encapsulating portion 4B that encapsulates the battery element 1. Therefore, the joining piece portions 4A, 4F, and 4G are bent along the enveloping portion 4B and fastened (fixed) to the side surface of the encapsulating portion 4B with an adhesive, an adhesive tape (not shown), or the like. .
[0041]
As said insulating material 5, a synthetic resin is suitable and an epoxy resin, an acrylic resin, a silicone resin etc. are illustrated, but an epoxy resin or an acrylic resin is especially suitable because the curing time is short. In particular, an acrylic resin is most preferable because it has a low possibility of adversely affecting battery performance. The insulating material is supplied to the vicinity of the terminal portion in an uncured and fluid state, and is completely fixed in the vicinity of the terminal portion by curing.
[0042]
In FIG. 1, the insulating material is separately supplied to the positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion. However, in the present invention, in order to further improve safety during overcharge, the positive electrode terminal portion to the negative electrode terminal portion. It is preferred to cover the entire side of the battery element.
In FIG. 1, the exterior materials 2 and 3 are separate bodies. However, in the present invention, the exterior materials 2 and 3 may be integrated as a series as shown in FIG. 5. In FIG. 5, one side of the exterior material 3 and one side of the exterior material 2 are connected, and the exterior material 2 has a lid shape that is connected to the exterior material 3 so as to be bendable. A concave portion of the accommodating portion 3b is formed from one side where the exterior materials 2 and 3 are continuous, and the same configuration as the joining piece portion is provided except that the joining piece portion is not formed on this one side.
[0043]
Also in the case of FIG. 5, after the battery element 1 is accommodated in the accommodating portion 3b, an insulating material is injected in the vicinity of the tabs 4a and 4b of the battery element 1.
In FIGS. 1 and 5, the exterior material 3 having the accommodating portion 3 b and the flat exterior material 2 are shown. However, in the present invention, as shown in FIG. 6, the shallow box-like accommodating portions 6 b and 7 b and Alternatively, the battery element 1 may be encapsulated by the exterior members 6 and 7 having the peripheral portions 6a and 7a protruding from the four peripheral edges of the housing portions 6b and 7b. In FIG. 6, the exterior materials 6 and 7 are a series of bodies, but these may be separate bodies as in FIG.
[0044]
In the configurations of FIGS. 1, 5, and 6, since the battery element housing portion is formed in advance, the battery element can be housed more compactly, and the housing itself is easy.
In the above description, after the battery element is accommodated in the accommodating portion, the insulating material is injected in the vicinity of the terminal portion. In this case, the insulating material is provided between the mating surface of the peripheral portion or between the battery element and the exterior material. Adhesion and inflow may interfere with the joining of the peripheral part, or the battery shape may not be as designed. Therefore, the above problem can be avoided by accommodating the battery element in the accommodating portion after supplying the insulating material in the vicinity of the terminal portion of the battery element. In particular, in the case of FIG. 6, even if the insulating material is supplied after the battery element is accommodated, the insulating material cannot be supplied to the substantially upper half of the battery element, so this manufacturing method is preferable. On the other hand, in this method, since it is necessary to transport a battery element that is not easy to handle in a state where an insulating material is supplied and arrange it on an exterior material, care must be taken during manufacture. In this respect, it can be said that the former method is preferable.
[0045]
In the present invention, as shown in FIG. 7, one flat sheet-shaped exterior material 8 is folded back into two along the central side 8a to form two pieces, a first piece 8A and a second piece 8B, The battery element 1 is interposed between the first piece 8A and the second piece 8B, and the battery element 1 is sealed by joining the peripheral portions 8b of the first piece 8A and the second piece 8B as shown in FIG. May be.
Also in this case, before or after the insulating material is attached to the vicinity of the tabs 4a, 4b of the battery element 1, the battery element 1 is enclosed by overlapping the first piece 8A and the second piece 8B of the outer packaging material 8. Further, the joining piece portion is bent and fastened along the enveloping portion.
[0046]
In the battery configured in this way, the joining piece portion is bent along the encapsulated portion, and further fixed with an adhesive or an adhesive tape. Can be effectively prevented, and the strength and rigidity of the side of the battery are high. Of course, the bent joining piece part is also prevented from separating from the encapsulating part. In addition, since the strength and rigidity of the side surface of the battery are high, it is possible to prevent the active material from peeling even when the side surface receives an impact.
[0047]
Further, since the insulating material 5 is filled in the vicinity of the terminal portions (tabs 4a and 4b), the battery element can be effectively prevented from being swollen at the initial stage of overcharging, and further, a short circuit is prevented.
In covering the side surface of the battery element in the vicinity of the terminal portion, it is particularly preferable to provide a larger spacer between the positive electrode and the negative electrode, and to stick the protruding portions of the spacer to each other.
[0048]
That is, in the battery element, for example, as shown in FIG. 18, the spacer 13 slightly protrudes from the positive electrode 11 and the negative electrode 13 to form a protruding portion 13 a to prevent a short circuit between the positive electrode 11 and the negative electrode 13. Yes. By fixing the protruding portions 13a to each other with an insulating material, the battery elements are constrained in the stacking direction. Therefore, even when overcharged, the battery elements are prevented from swelling and thermal runaway of the battery is prevented. Of course, the insulating material can be supplied over the entire side of the battery element and is preferred.
In order to inject the insulating material, it is preferable to insert the nozzle 51 of the insulating material injection device 50 into the exterior material 3 as shown in FIG. 17 and inject the insulating material into the side end face of the battery element 1.
[0049]
In this case, as shown in FIGS. 14, 15 and 16, both corners R of the side end face provided with the tab 4a or 4b.1, R6And both sides R of the base of each tab 4a, 4b2, RThree, RFour, RFiveThus, it is preferable to inject an insulating material into a plurality of locations. The injected insulating material penetrates the entire side including the positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion through the action of capillarity or the like on the side surface of the battery element. The injection device 50 includes a plurality (six nozzles) of nozzles and can inject a plurality of insulating materials at a time.
[0050]
In addition, as shown in FIG. 16, when an insulating material is injected into the base portions on both sides of the tabs 4a and 4b, the injection point (center of the injection nozzle 51) is preferably within 2 mm from the tab 4a or 4b. Thus, when the insulating material is injected into the bases on both sides of the tabs 4a and 4b, the insulating material not only fixes the protruding portions 13a to each other, but also the positive terminal portion and the negative terminal portion as in the case of FIG. A configuration in which at least a part of is covered with the insulating material 5 is also obtained.
[0051]
In the above configuration, the joining piece portion formed by bonding the film-like exterior material is bent along the encapsulating portion encapsulating the battery element, more preferably from the root of the encapsulating portion. Bend it. In this case, the joining piece part may be bent only once at the base of the enveloping part, or may be bent multiple times. When bending multiple times, it is preferable that the leading edge of the joint piece is bent so as to be interposed between the joint piece and the encapsulating part. Thereby, the front-end edge of a joining piece part is isolated from external air, and penetration | invasion of a water | moisture content, air, etc. can be prevented from a front-end edge.
[0052]
Examples of the adhesive that can be used to fasten the joining piece part to the encapsulated part include an epoxy adhesive, an acrylic adhesive, a urethane adhesive, a hot melt adhesive, or a synthetic rubber adhesive. Although it is mentioned, the hot-melt-type adhesive which hardens | cures easily in the environment with a short curing time and the low dew point used at the time of manufacture of a non-aqueous battery is preferable.
[0053]
In order to suppress gas generation in the battery during overcharge, it is preferable to apply a load between the electrodes, but the load per unit area applied between the electrodes is, when lithium cobaltate is used for the positive electrode, Usually 0.2kg / cm2Or more, preferably 0.4 kg / cm2More preferably, 0.55 kg / cm2That's it.
The battery element can be a flat plate type battery element formed by laminating a plurality of flat unit battery elements having a positive electrode, a negative electrode, and a spacer in the thickness direction. Hereinafter, a preferred configuration of the unit battery element will be described.
[0054]
FIG. 9 shows a preferred example of the unit battery element of the lithium secondary battery element. This unit battery element is formed by laminating a positive electrode composed of a positive electrode current collector 22 and a positive electrode active material layer 23, a spacer (electrolyte layer) 24, and a negative electrode composed of a negative electrode active material layer 25 and a negative electrode current collector 26. . In order to suppress precipitation of lithium dendrite, the negative electrode is made larger than the positive electrode. In order to prevent short circuit, the spacer 24 is made larger than the positive electrode and the negative electrode. By making the spacer larger than the positive and negative electrodes, as described above, the protruding portions of the spacers of the unit battery element can be fixed.
A plurality of unit battery elements are stacked to form a battery element. In this stacking, unit battery elements in a normal posture (FIG. 9) with the positive electrode on the upper side and the negative electrode on the lower side are opposite to this. Unit battery elements in a reverse posture (not shown) with the positive electrode on the lower side and the negative electrode on the upper side are alternately stacked. That is, the unit cell elements adjacent in the stacking direction are stacked so that the same polarity faces each other (that is, the positive electrodes and the negative electrodes) face each other.
[0055]
A positive electrode tab 4 a extends from the positive electrode current collector 22 of the unit battery element, and a negative electrode tab 4 b extends from the negative electrode current collector 26.
As shown in FIG. 10, instead of a unit battery element in which a positive electrode active material layer, a spacer, and a negative electrode active material layer are laminated between a positive electrode current collector and a negative electrode current collector as shown in FIG. A positive electrode 11 and a negative electrode 12 are prepared by laminating a positive electrode active material layer 11a or a negative electrode active material layer 12a on both sides of a 15a or negative electrode current collector 15b as a core material. As described above, the battery cells may be alternately stacked via the spacers (electrolyte layers) 13 to form unit battery elements. In this case, a combination of a pair of positive electrode 11 and negative electrode 12 (strictly speaking, from the center in the thickness direction of current collector 15a of positive electrode 11 to the center in the thickness direction of current collector 15b of negative electrode 12) is a unit cell element. It corresponds to.
[0056]
The planar shape of the electrode is arbitrary, and can be a square, a circle, a polygon, or the like.
As shown in FIGS. 9 and 11, the current collectors 22, 26 or 15a, 15b are usually provided with lead coupling tabs 4a, 4b. When the electrode is square, a tab 4a protruding from the positive electrode current collector is formed near the side of one side of the electrode, as shown in FIG. 3, and the tab 4b of the negative electrode current collector is formed near the other side. To do.
[0057]
Laminating a plurality of unit cell elements is effective in increasing the capacity of the battery. At this time, the tab 4a and the tab 4b from each unit cell element are usually coupled in the thickness direction. Thus, terminal portions of the positive electrode and the negative electrode are formed. As a result, a large capacity battery element 1 can be obtained.
As shown in FIG. 2, a lead 21 made of a flaky metal is coupled to the tabs 4a and 4b. As a result, the lead 21 and the positive electrode and negative electrode of the battery element are electrically coupled. The coupling between the tabs 4a and 4b and the coupling between the tabs 4a and 4b and the lead 21 can be performed by resistance welding such as spot welding, ultrasonic welding, or laser welding.
[0058]
In the present invention, it is preferable to use an annealed metal as at least one of the positive electrode lead and the negative electrode lead 21, preferably both. As a result, a battery excellent in not only strength but also bending durability can be obtained.
Generally, aluminum, copper, nickel, SUS, or the like can be used as the type of metal used for the lead. A preferred material for the positive electrode lead is aluminum. A preferred material for the negative electrode lead is copper.
[0059]
The thickness of the lead 21 is usually 1 μm or more, preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, and most preferably 40 μm or more. If it is too thin, the mechanical strength of the lead such as tensile strength tends to be insufficient. The lead thickness is usually 1000 μm or less, preferably 500 μm or less, and more preferably 100 μm or less. If it is too thick, the bending durability tends to deteriorate, and the battery element tends to be difficult to seal with the case. The advantage of using an annealed metal to be described later for the lead is more conspicuous as the lead is thicker.
[0060]
The width of the lead is usually 1 mm or more and 20 mm or less, particularly about 1 mm or more and 10 mm or less, and the exposed length of the lead to the outside is usually about 1 mm or more and 50 mm or less. The battery element to be used is a flat plate type battery in which the flat unit battery elements as described above are stacked in the thickness direction.TheIt is preferable that a spacer is interposed between the positive electrode and the negative electrode, which is larger than the positive and negative electrodes.. ElectricLithium secondary battery as a pond elementInuse. Hereinafter, materials used for the lithium secondary battery will be described.
[0061]
As the positive electrode current collector, various metals such as aluminum, nickel, and SUS can be used, and aluminum is preferable. The thickness of the current collector is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and usually 30 μm or less, preferably 25 μm or less, more preferably 20 μm or less. The thinner the thickness, the better from the viewpoint of volume energy density and weight energy density. However, too thin is likely to be difficult to handle in terms of strength and the like. The current collector may have a plate shape such as a normal metal foil or a mesh shape such as punching metal. The surface of the current collector can be roughened as necessary.
[0062]
As an active material that can be used for a positive electrode of a lithium secondary battery, an inorganic compound or an organic compound can be used as a compound capable of occluding and releasing lithium ions. Examples of inorganic compounds include oxides of transition metals such as Fe, Co, Ni, and Mn, composite oxides of lithium and transition metals, and transition metal sulfides. Specifically, MnO, V as the transition metal oxide2OFive, V6O13TiO2Examples of the composite oxide of lithium and transition metal include lithium nickelate, lithium cobaltate, and lithium manganate, and TiS as the transition metal sulfide.2And FeS. Examples of the organic compound include conductive polymers such as polyaniline. Moreover, the method of mixing arbitrary amounts of these arbitrary inorganic compounds and organic compounds, and using as a positive electrode active material is also used suitably. Preferably, it is a complex oxide containing lithium and a transition metal, in particular, a complex oxide containing at least one transition metal oxide selected from the group consisting of manganese, nickel and cobalt and lithium. In particular, when a composite oxide containing cobalt and lithium or a composite oxide containing nickel and lithium is used, dendrites are likely to be generated during overcharge, and the effect of the present invention is particularly remarkable. The particle size of the positive electrode active material is usually 1 to 30 μm, preferably 1 to 10 μm, because battery characteristics such as the rate characteristics and cycle characteristics are improved.
[0063]
As the negative electrode current collector, various metals such as copper, nickel, and SUS can be used, and copper is preferable. The thickness of the current collector is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and usually 30 μm or less, preferably 25 μm or less, more preferably 20 μm or less. The thinner the thickness, the better from the viewpoint of volume energy density and weight energy density. However, too thin is likely to be difficult to handle in terms of strength and the like. The current collector may have a plate shape such as a normal metal foil or a mesh shape such as punching metal. The surface of the current collector can be roughened as necessary.
[0064]
As the active material that can be used for the negative electrode, various compounds that can occlude and release lithium can be used in addition to lithium metal. Specific examples include lithium metal; lithium alloys such as lithium-aluminum alloy, lithium-bismuth-cadmium alloy, and lithium-tin-cadmium alloy; and carbon materials such as graphite and coke. In addition, oxides such as silicon, tin, zinc, manganese, iron, nickel, and lead sulfate can also be used. When lithium metal or a lithium alloy is used, dendrites are likely to be generated during charging, and the safety during overcharging tends to decrease. Carbon materials such as graphite and coke are preferred. The particle size of the negative electrode active material is usually 1 to 50 μm, preferably 15 to 30 μm, because battery characteristics such as initial efficiency, rate characteristics, and cycle characteristics are improved.
[0065]
The active material layer usually contains a binder in addition to the active material. The binder to be used needs to be stable with respect to the electrolytic solution and the like, and weather resistance, chemical resistance, heat resistance, flame retardancy and the like are desired. As the binder, inorganic compounds such as silicate and glass, and various resins mainly composed of polymers can be used. Examples of the resin include alkane polymers such as polyethylene, polypropylene and poly-1,1-dimethylethylene; unsaturated polymers such as polybutadiene and polyisoprene; polystyrene, polymethylstyrene, polyvinylpyridine, poly-N-vinylpyrrolidone and the like. Polymer having a ring; acrylic derivative polymer such as polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyacrylamide; polyvinyl fluoride Fluorine resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene; CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide; Polyvinyl acetate and polyvinyl alcohol Alkenyl alcohol-based polymers; polyvinyl chloride, halogen-containing polymers such as polyvinylidene chloride; and conductive polymers such as polyaniline can be used. Further, a mixture such as the above-mentioned polymer, a modified product, a derivative, a random copolymer, an alternating copolymer, a graft copolymer, a block copolymer, and the like can be used. The molecular weight of these resins is preferably 10,000 to 3,000,000, more preferably 100,000 to 1,000,000. If it is too low, the strength of the active material layer will decrease, and if it is too high, the viscosity will increase and it will be difficult to form an electrode.
[0066]
As a compounding quantity of the binder with respect to 100 parts of active materials, Preferably it is 0.1-30 parts, More preferably, it is 1-20 parts. If the amount of the binder is too small, the strength of the electrode may decrease, and if it is too large, the ionic conductivity tends to decrease.
The active material layer may contain powders, fillers, and the like that exhibit various functions such as a conductive material and a reinforcing material, if necessary. The conductive material is not particularly limited as long as it is capable of imparting conductivity by mixing an appropriate amount of the above active material. Usually, carbon powder such as acetylene black, carbon black, graphite, and various metal fibers and foils are used. Etc. The DBP oil absorption amount of the carbon powder conductive material is preferably 120 cc / 100 g or more, and more preferably 150 cc / 100 g or more because the electrolyte solution is retained. As the reinforcing material, various inorganic, organic spherical and fibrous fillers can be used.
[0067]
The electrode can be manufactured by applying and drying a paint containing the material constituting the active material layer on the current collector. Thereafter, the active material layer can be subjected to a consolidation treatment. The volume fraction of the binder in the active material layer can be controlled by controlling the composition of the paint, the drying conditions, the compaction conditions, and the like.
In order to improve the adhesion between the active material layer and the current collector, an undercoat primer layer can be provided between them as necessary.
[0068]
When the undercoat primer layer is used, examples of the composition include a resin to which conductive particles such as carbon black, graphite, and metal powder are added, and a conductive organic conjugated resin. Preferably, carbon black or graphite that can also function as an active material is used for the conductive particles. As the resin, polyaniline, polypyrrole, polyacene, a disulfide compound, a polysulfide compound, or the like that can function as an active material is preferably used because the capacity is not reduced. In the case of a composition mainly composed of a resin to which conductive particles are added, the ratio of the resin to the conductive particles is preferably 1 to 300% by weight. If it is too low, the strength of the coating film is lowered, and when the battery is used, peeling on the process occurs, which is not preferable. If it is too high, the conductivity is lowered and the battery characteristics are lowered. Most preferably, it is 5-100 weight%. The film thickness of the undercoat primer layer is usually 0.05 to 10 μm, preferably 0.1 to 1 μm. If it is too thin, coating becomes difficult and uniformity cannot be ensured. If it is too thick, the volume capacity of the battery is impaired.
[0069]
An ion mobile phase is usually formed in the positive electrode and the negative electrode. The higher the proportion of the ion mobile phase in the electrode, the easier the ion movement, and this is preferable in terms of rate characteristics, while the lower one is higher in capacity. Preferably it is 10-50 volume%. As the material of the ion mobile phase, the same materials as those in the electrolyte layer described later can be used.
The positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are preferably thicker in terms of capacity and thinner on the rate. The film thickness is usually 20 μm or more, preferably 30 μm or more, more preferably 50 μm or more, and most preferably 80 μm or more. The film thickness of the positive electrode and the negative electrode is usually 200 μm or less, preferably 150 μm or less.
[0070]
An electrolyte is present in the electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode. The electrolyte is usually also present in the electrode as an ion mobile phase.
An electrolyte used for a lithium secondary battery usually has an electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt, which is a supporting electrolyte, in a non-aqueous solvent.
As the non-aqueous solvent, a solvent having a relatively high dielectric constant is preferably used. Specifically, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, acyclic carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, glymes such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, γ-butyllactone, etc. Lactones, sulfur compounds such as sulfolane, nitriles such as acetonitrile, and the like. Among them, it is preferable to use a high boiling point solvent having a boiling point of 150 ° C. or higher, particularly 200 ° C. or higher. Examples of such a high boiling point solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, and γ-butyrolactone. Among them, it is preferable to use propylene carbonate, ethylene carbonate, or γ-butyrolactone as a high boiling point solvent.
[0071]
The above non-aqueous solvent can use multiple types together. When the high boiling point solvent is used, the ratio of the high boiling point solvent to the non-aqueous solvent used is preferably 60% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, more preferably 80% by volume or more, and most preferably 90%. Volume% or more. Moreover, it is preferable that the boiling point as the whole non-aqueous solvent when using several solvent together shall be 200 degreeC or more. By using the high boiling point solvent, even if the lithium secondary battery element is housed in the shape-variable case, the shape change (deformation) of the battery at a high temperature or the like can be suppressed. “Boiling point X ° C. or higher” means that the vapor pressure does not exceed 1 atm even when heated from room temperature to X ° C. under a pressure of 1 atm. That is, when heated from room temperature to 200 ° C. under a pressure of 1 atm, it means that the vapor pressure is always 1 atm or less.
[0072]
The non-aqueous solvent preferably has a viscosity of 1 mPa · s or more.
The lithium salt that is the supporting electrolyte used for the electrolyte is LiPF.6, LiAsF6, LiSbF6, LiBFFourLiClOFour, LiI, LiBr, LiCl, LiAlCl, LiHF2, LiSCN, LiSOThreeCF2Etc. Of these, LiPF in particular6And LiClOFourIs preferred. LiPF6Is a compound that is most preferable in terms of battery performance but easily decomposes, and as a result, a compound that easily generates gas during overcharge, and thus the effect of the present invention is particularly great. The content of these supporting electrolytes in the electrolytic solution is usually 0.5 to 2.5 mol / l.
[0073]
The electrolyte preferably has non-fluidity. As a result, even when the battery element is housed in a case having shape variability, leakage of the electrolyte can be effectively prevented. Specific examples of such a non-flowable electrolyte include a so-called polymer electrolyte in which the electrolyte solution is held by a polymer in addition to a completely solid electrolyte. The polymer electrolyte usually exhibits a gel state by holding the non-aqueous electrolyte with a polymer. The concentration of the polymer with respect to the electrolytic solution is usually 0.1 to 30% by weight, although it depends on the molecular weight of the polymer used. If the concentration is too low, it is difficult to form a gel, and the retention of the electrolytic solution is lowered, which may cause problems of flow and liquid leakage. On the other hand, when the concentration is too high, the viscosity becomes too high, resulting in difficulty in the process, and the ratio of the electrolytic solution is lowered, the ionic conductivity is lowered, and the battery characteristics such as the rate characteristics tend to be lowered. Various polymers having the above functions, such as an alkylene oxide polymer having an alkylene oxide unit and a fluorine polymer such as polyvinylidene fluoride or a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, can be used as a polymer for holding an electrolyte. Can be mentioned.
[0074]
As a method of forming a non-fluidic electrolyte, a method of non-fluidizing an electrolyte paint in which a polymer is previously dissolved in an electrolyte solution, or a method of cross-linking an electrolyte paint containing a polymerizable gelling agent in the electrolyte solution It is possible to adopt materials and manufacturing methods as needed.
When the non-fluidic electrolyte is formed by a method in which a coating containing a polymerizable gelling agent in the electrolytic solution is subjected to a crosslinking reaction, a polymer is formed by performing a polymerization treatment such as ultraviolet curing or heat curing. A paint is prepared by adding a monomer as a polymerizable gelling agent to the electrolyte.
[0075]
Examples of the polymerizable gelling agent include those having an unsaturated double bond such as acryloyl group, methacryloyl group, vinyl group and allyl group. Specifically, for example, acrylic acid, methyl acrylate, ethyl acrylate, ethoxyethyl acrylate, methoxyethyl acrylate, ethoxyethoxyethyl acrylate, polyethylene glycol monoacrylate, ethoxyethyl methacrylate, methoxyethyl methacrylate, ethoxyethoxyethyl methacrylate, polyethylene Glycol monomethacrylate, N, N-diethylaminoethyl acrylate, N, N-dimethylaminoethyl acrylate, glycidyl acrylate, allyl acrylate, acrylonitrile, N-vinylpyrrolidone, diethylene glycol diacrylate, triethylene glycol diacrylate, tetraethylene glycol diacrylate, Polyethylene glycol diacrylate, diety Glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, tetraethylene glycol dimethacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, polyalkylene glycol diacrylate, polyalkylene glycol dimethacrylate, trimethylolpropane alkoxylate triacrylate, pentaerythritol alkoxylate triacrylate, penta Examples include erythritol alkoxylate tetraacrylate, ditrimethylolpropane alkoxylate tetraacrylate, and the like, and these can be used in combination. Of these, diacrylates and triacrylates containing a plurality of ethylene oxide groups are particularly preferred. The content of the polymerizable gelling agent in the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably 1% by weight or more. When the content is low, the formation efficiency of the polymer is lowered, and it is difficult to make the electrolyte non-fluid. On the other hand, if it is too much, residual unreacted monomer and operability as an electrolyte coating are deteriorated.
[0076]
In the method of making a non-fluidic electrolyte non-fluidized with an electrolyte coating containing a polymer in advance, it is preferable to use a polymer that dissolves in an electrolytic solution at high temperature and forms a gel electrolyte at normal temperature. That is, the polymer dissolved in the electrolyte at high temperature is brought to room temperature to obtain a gel electrolyte. As temperature at the time of high temperature, it is 50-200 degreeC normally, Preferably it is 100-160 degreeC. If it seems to dissolve at too low a temperature, the stability of the non-fluidized electrolyte is reduced. If the melting temperature is too high, decomposition of the electrolyte component, polymer, etc. may be caused. As a non-fluidization method, it is preferable to leave the electrolytic solution at room temperature, but forced cooling can also be performed. Examples of polymers that can be used include polymers having rings such as polyvinyl pyridine and poly-N-vinyl pyrrolidone; polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, poly Acrylic derivative polymers such as acrylic acid, polymethacrylic acid and polyacrylamide; Fluorine resins such as polyvinyl fluoride and polyvinylidene fluoride; CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide; polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, etc. Polyvinyl alcohol polymers such as: halogen-containing polymers such as polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride. Of these, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyethylene oxide, or modified products thereof are preferably used. Mixtures, modified products, derivatives, random copolymers, alternating copolymers, graft copolymers, block copolymers, and the like of the above polymers can also be used. The weight average molecular weight of these polymers is preferably in the range of 10,000 to 5,000,000. If the molecular weight is low, it is difficult to form a gel. On the other hand, if the molecular weight is too high, the viscosity becomes too high and handling becomes difficult.
[0077]
Various additives can be added to the electrolyte as needed to improve battery performance. Although it does not specifically limit as an additive which expresses such a function, Trifluoropropylene carbonate, 1,6-dioxaspiro [4,4] nonane-2,7-dione, 12-crown-4-ether, vinylene Examples thereof include carbonate, catechol carbonate, and succinic anhydride.
[0078]
As described above, an overcharge inhibitor can be contained in the battery, but these overcharge inhibitors are usually present in the electrolyte.
The electrolyte layer is usually formed by impregnating an electrolyte in a spacer made of a porous sheet.
The thickness of the electrolyte layer is usually 1 to 200 μm, preferably 5 to 100 μm.
[0079]
Specifically, a porous sheet having a thickness of usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, and usually 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less is used. The porosity is usually 10 to 95%, preferably about 30 to 85%. As a material for the porous sheet, polyolefin or polyolefin in which a part or all of hydrogen atoms are fluorine-substituted can be used. Specifically, a microporous film, a nonwoven fabric, a woven fabric or the like formed using a synthetic resin such as polyolefin can be used. Moreover, the thin film which consists of powder and a binder can be used.
[0080]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited at all by the following Example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement. In addition, the part in a composition shows a weight part.
Positive electrode production example 1
90 parts of lithium cobaltate, 5 parts of acetylene black, 5 parts of polyvinylidene fluoride and 80 parts of N-methyl-2-pyrrolidone were kneaded with a kneader for 2 hours to obtain a positive electrode paint 1.
[0081]
Next, the positive electrode paint 1 is applied to an aluminum current collector base material having a thickness of 20 μm by an extrusion type die coating and dried, and consists of a porous film in which the active material is bound on the current collector by a binder. An active material layer was formed. Subsequently, after compacting using a roll press (calendar), it was cut into the positive electrode 1.
  Positive electrode production example 2
  A positive electrode 2 was obtained in the same manner as the positive electrode production example 1 except that the positive electrode paint 2 using 45 parts of lithium cobaltate and 45 parts of lithium nickelate was used instead of 90 parts of lithium cobaltate.
  Negative electrode production example
  90 parts of graphite (particle size 15 μm), 10 parts of polyvinylidene fluoride andN-100 parts of methyl-2-pyrrolidone was kneaded with a kneader for 2 hours to obtain a negative electrode paint 1.
[0082]
Next, the negative electrode paint 1 is coated on a 20 μm thick copper current collector substrate by extrusion die coating and dried, and an active material comprising a porous film in which the active material is bound on the current collector by a binder. A material layer was formed. Subsequently, after compaction using a roll press (calendar), it was cut to obtain a negative electrode 1.
Electrolytic paint preparation example 1
1M LiPF6925 parts of a mixed liquid of ethylene carbonate, propylene carbonate and phenyl ether (volume ratio; ethylene carbonate: propylene carbonate: phenyl ether = 7.3: 7.3: 1), 44 parts of tetraethylene glycol diacrylate, 22 parts of polyethylene oxide triacrylate, 2 parts of a polymerization initiator, and 9 parts of an additive (succinic anhydride) were mixed and dissolved under stirring to obtain an electrolyte coating 1.
Electrolytic paint preparation example 2
An electrolyte paint 2 was prepared in the same manner as in the electrolyte paint production example 1 except that the mixing ratio of ethylene carbonate, propylene carbonate and phenyl ether was 6.2: 6.2: 1 by volume.
Example 1
After applying the electrolyte coating 1 to the positive electrode 1 and the negative electrode 1 and laminating the polyethylene porous film soaked in the electrolyte coating 1 between them, the electrolyte is made non-fluidized by heating at 90 ° C. for 10 minutes, A flat unit cell element having a positive electrode, a negative electrode, and a non-fluidizing electrolyte as shown in FIG. 9 was prepared.
[0083]
After stacking the obtained unit battery elements, the terminal portions of the positive electrodes and the negative electrodes were bundled, and leads for taking out current were connected to the respective terminal portions. Then, after accommodating a laminate film having a resin layer on both sides of the aluminum layer and having a thickness of about 100 μm in a facing material as shown in FIG. 5, 133 parts of tetraethylene glycol diacrylate, 67 parts of polyethylene oxide triacrylate, polymerization An appropriate amount of an insulating material composed of 1 part of an initiator was injected in the vicinity of the positive electrode terminal part and the negative electrode terminal part as shown in FIGS. 14 to 17 to cover the entire battery element side surface from the positive electrode terminal part to the negative electrode terminal part. After the laminate film was sealed with a vacuum seal, the joining piece part excluding the side from which the lead was taken out was bent along the encapsulated part. Thereafter, the battery was heated at 90 ° C. for 3 minutes to fix the terminal portion with an insulating material. The bent joining piece part was adhered to the side surface of the exterior material encapsulating part with a commercially available epoxy adhesive to prepare a flat battery A. The battery capacity of the battery thus prepared was 650 mAh.
[0084]
An overcharge test was performed on the flat battery A.
That is, charging and discharging between nominal operating voltages were performed for 3 cycles at a constant current of 0.65A. The thickness of the discharged battery was 3.9 mm (the total thickness of the battery elements was 3.7 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from a 3 V state at a constant current of 1.8 C (1.17 A) for 200 minutes. As a result, the thickness of the battery after overcharging was 5.9 mm (of the battery element The total thickness was 5.7 mm. Further, no gas leakage during overcharging was observed, and the maximum temperature on the battery surface was 108 ° C. In such a battery, no gas leakage due to tearing of the exterior material was observed even when pressure was applied to the battery after overcharging.
[0085]
Subsequently, using the flat battery A, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from the discharged state at a constant current of 1.95 A for 120 minutes or at a constant current of 3 A for 80 minutes. The maximum temperatures are 136 ° C. and 165 ° C., respectively, and no smoke or ignition of the battery in an overcharged state is observed, and the above battery is a highly safe battery that can withstand overcharge under a high current. understood.
Example 2
A flat battery B was prepared in the same manner as in the production of the flat battery A of Example 1 except that the electrolyte paint 2 was used instead of the electrolyte paint 1. The battery capacity of the battery thus prepared was 650 mAh.
[0086]
The flat battery B was charged and discharged between operating voltages at a constant current of 0.65 A for 3 cycles. The thickness of the discharged battery was 3.7 mm (the total thickness of the battery elements was 3.5 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from a 3 V state at a constant current of 1.8 C (1.17 A) for 200 minutes. As a result, the thickness of the battery after overcharging was 6.4 mm (battery element The total thickness was 5.9 mm). Further, no gas leakage at the time of overcharging was observed, and the maximum temperature on the battery surface was 107 ° C. In such a battery, no gas leakage due to tearing of the exterior material was observed even when pressure was applied to the battery after overcharging.
[0087]
Subsequently, using the flat battery B, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from the discharged state at a constant current of 1.95 A for 120 minutes or at a constant current of 3 A for 80 minutes. The maximum temperatures are 117 ° C. and 130 ° C., respectively, and no smoke or ignition of the battery in the overcharged state is observed, and the battery B is a highly safe battery that can withstand overcharge under a high current. I found out.
Example 3
A flat battery C was prepared in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode 2 was used instead of the positive electrode 1. The battery capacity of the battery thus prepared was 700 mAh.
[0088]
Flat batteryCThe battery was charged and discharged between operating voltages at a constant current of 0.7 A for 3 cycles. The thickness of the discharged battery was 3.90 mm (the total thickness of the battery elements was 3.7 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10 V and the battery was continuously charged from a 3 V state with a constant current of 1.8 C (1.26 A) for 200 minutes. As a result, the thickness of the battery after overcharging was 6.9 mm (of the battery element The total thickness was 6.4 mm). Further, no gas leakage during overcharging was observed, and the maximum temperature on the battery surface was 117 ° C. In such a battery, no gas leakage due to tearing of the exterior material was observed even when pressure was applied to the battery after overcharging.
  Example 4
  A flat battery D was prepared in the same manner as in Example 3 except that the sealing part (joining piece part) was not bent and the fixing to the enveloping part was not performed. The battery capacity of the battery thus prepared was 700 mAh.
[0089]
The flat battery D was charged and discharged between operating voltages at a constant current of 0.7 A for 3 cycles. The thickness of the discharged battery was 3.9 mm (the total thickness of the battery elements was 3.7 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from a 3 V state at a constant current of 1.8 C (1.26 A) for 200 minutes. As a result, the thickness of the battery after overcharging was 7.3 mm (of the battery element The total thickness was 6.8 mm). Further, no gas leakage at the time of overcharging was observed, and the maximum temperature on the battery surface was 123 ° C. In such a battery, no gas leakage due to tearing of the exterior material was observed even when pressure was applied to the battery after overcharging.
Comparative Example 1
A flat battery E was produced in the same manner as in Example 1 except that the terminal part was not fixed and the seal part was not adhered to the encapsulated part. The battery capacity of the battery thus prepared was 650 mAh.
[0090]
The obtained flat battery E was charged and discharged between nominal operating voltages at a constant current of 0.65 A for 3 cycles. The thickness of the discharged battery was 3.9 mm (the total thickness of the battery elements was 3.7 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from a 3 V state at a constant current of 1.8 C (1.17 A) for 200 minutes. As a result, the battery swelled during overcharging and smoked after 72 minutes. Gas leakage during charging was observed. At that time, the maximum temperature of the battery surface was 140 ° C.
[0091]
Moreover, as a result of using the flat battery E and setting the upper limit voltage to 10 V and continuing to charge the battery at a constant current of 1.95 A from the discharged state, the battery ignited after 38 minutes.
Comparative Example 2
A flat battery F was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the electrolyte paint 2 was used instead of the electrolyte paint 1. The battery capacity of the battery thus prepared was 650 mAh.
[0092]
The obtained flat battery F was charged and discharged between operating voltages at a constant current of 0.65 A for 3 cycles. The thickness of the discharged battery was 3.9 mm (the total thickness of the battery elements was 3.7 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10 V, and the battery was continuously charged from a 3 V state at a constant current of 1.8 C (1.26 A) for 200 minutes. As a result, the thickness of the battery after overcharging was 17.1 mm (battery element The total thickness was 6.3 mm). The maximum temperature on the surface of the battery was 92 ° C., and no gas leakage during overcharging was observed. However, when such a battery was crushed by hand with an overcharged battery, the exterior material was broken and gas leakage occurred. Was observed.
Comparative Example 3
A flat battery G was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the positive electrode 2 was used instead of the positive electrode 1. The battery capacity of the battery thus prepared was 700 mAh.
[0093]
The obtained flat battery G was charged and discharged between operating voltages at a constant current of 0.70 A for 3 cycles. The thickness of the discharged battery was 3.8 mm (the total thickness of the battery elements was 3.6 mm). Next, the upper limit voltage was set to 10V, and as a result of continuously charging the battery from the 3V state at a constant current of 1.8C (1.26A) for 200 minutes, the thickness of the battery after overcharging was 15.0 mm (battery element The total thickness was 6.5 mm). The maximum temperature on the surface of the battery was 115 ° C., and no gas leakage during overcharging was observed. However, when such a battery was crushed by hand with an overcharged battery, the exterior material was broken and gas leakage occurred. Was observed.
[0094]
【The invention's effect】
According to the present invention, elucidation of a problem inherent to lithium secondary batteries, particularly safety during overcharge, and suppressing swelling of the battery during overcharge, damage of equipment used during overcharge and It is possible to provide a lithium secondary battery that prevents corrosion of used equipment due to the generated gas and leakage of toxic gases such as organic gas and improves the safety of the battery. Therefore, a lithium secondary battery having an intrinsic safety function is realized, and a safe lithium secondary battery can be obtained without taking other measures against overcharge. Moreover, it can be set as a safer lithium secondary battery by using together with another countermeasure against overcharge.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the battery according to the embodiment.
FIG. 3 is a perspective view showing a battery element of the battery according to the embodiment.
FIG. 4 is a perspective view of a battery according to an embodiment.
FIG. 5 is a perspective view in the middle of manufacturing a battery according to another embodiment.
FIG. 6 is a perspective view in the middle of manufacturing a battery according to still another embodiment.
FIG. 7 is a perspective view in the middle of manufacturing a battery according to another embodiment.
FIG. 8 is a plan view in the middle of production of the implementation of FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a unit battery element.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a positive electrode or a negative electrode.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a battery element.
FIGS. 12A and 12B are longitudinal sectional views showing an example of a composite material constituting an exterior material.
FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing another example of a composite material constituting an exterior material.
FIG. 14 is a perspective view in the middle of manufacturing a battery according to another embodiment.
15 is a plan view schematically showing the state of FIG.
16 is an enlarged view of a main part of FIG.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an injection state of an insulating material.
FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view of a tab portion of a battery element.
[Explanation of symbols]
1 Battery element
2, 3, 6, 7, 8 Exterior material
4a, 4b tab
4A, 4F Joint piece
4B, 4G encapsulation
5 Insulation material
11 Positive electrode
11a Cathode active material
12 Negative electrode
12b Negative electrode active material
13 Non-fluidic electrolyte layer
15a Positive electrode current collector
15b Negative electrode current collector
21 Lead
22 Positive current collector
23 Cathode active material
24 Spacer (electrolyte layer)
25 Negative electrode active material
26 Negative electrode current collector
40 metal layers
41, 42 Synthetic resin layer
43 Adhesive layer
50 Infusion device
51 nozzles

Claims (12)

正極及び負極を有する電池要素が外装材によって密閉されたリチウム二次電池であって、該電池要素は複数個の平板状の単位電池要素が厚さ方向に積層されてなり、各単位電池要素の正極の一部及び負極の一部が、単位電池要素間相互で束ねられて正極端子部及び負極端子部を構成し、正極端子部から負極端子部に亘る電池要素側面全体が絶縁材料で被覆・固着されてなり、かつ下記過充電試験によって電池外へガスが漏洩することなく、該試験直後の電池の厚み(A)が試験前の電池の厚みの190%以下であることを特徴とするリチウム二次電池。
過充電試験
電池電圧が3Vにある電池を、上限電圧を10Vとした範囲で、1.8Cの電流で200分間充電し続ける。ただし、1Cは、電池電圧2.7Vから4.2V定電圧で電流値が0になるまで充電して得られた容量を1時間で放電するための電流値である。
A battery element having a positive electrode and a negative electrode is a lithium secondary battery sealed with an exterior material , and the battery element is formed by laminating a plurality of flat unit battery elements in the thickness direction. Part of the positive electrode and part of the negative electrode are bundled together between the unit battery elements to form the positive electrode terminal part and the negative electrode terminal part, and the entire battery element side surface from the positive electrode terminal part to the negative electrode terminal part is covered with an insulating material. secured to it with and without gas leaking into the battery out by the following overcharge test, the lithium, wherein the thickness of the battery after the test (a) is less than 190% of the thickness of the battery before the test Secondary battery.
Overcharge test A battery having a battery voltage of 3V is continuously charged with a current of 1.8C for 200 minutes in a range where the upper limit voltage is 10V. However, 1C is a current value for discharging the capacity obtained by charging the battery voltage from 2.7 V to a 4.2 V constant voltage until the current value becomes 0 in one hour.
過充電試験直後の電池要素の総厚み(B)が試験前の電池要素の総厚みの190%以下である請求項1に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the total thickness (B) of the battery element immediately after the overcharge test is 190 % or less of the total thickness of the battery element before the test. 過充電試験直後の電池の厚み(A)と電池要素の総厚み(B)との差が2mm以下である請求項1または2に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the difference between the battery thickness (A) immediately after the overcharge test and the total thickness (B) of the battery elements is 2 mm or less. フィルム状の外装材によって、その周縁部同士が接合されてなる接合片部と電池要素を被包している被包部とが形成されてなり、少なくとも一部の前記接合片部が前記被包部に沿うように折曲されてなる請求項1乃至3のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。 A film-shaped exterior material forms a joining piece formed by joining the peripheral edges of the film and an enveloping part encapsulating the battery element, and at least a part of the joining piece is encapsulated. The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium secondary battery is bent along the portion. 接合片部が被包部に固定されてなる請求項に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 4 , wherein the joining piece is fixed to the enveloping part. 外装材の厚みが0.2mm以下である請求項1乃至のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5 , wherein a thickness of the exterior material is 0.2 mm or less. 電池の厚みが2mm以上である請求項1乃至のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 6 the thickness of the battery is 2mm or more. 電池の容量が100mAh以上である請求項1乃至のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 7 capacity of the battery is not less than 100 mAh. 外装材が合成樹脂層と金属層とが積層されたラミネートフィルムよりなる請求項1乃至のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8 , wherein the exterior material is a laminate film in which a synthetic resin layer and a metal layer are laminated. 電解質が、非流動性電解質を有する請求項1乃至のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to the electrolyte, any one of claims 1 to 9 having a non-flowable electrolyte. 電解質が、LiPF6を含有してなる請求項1乃至10のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to the electrolyte, any one of claims 1 to 10 comprising a LiPF 6. 正極が、コバルト酸リチウム及び/又はニッケル酸リチウムを含む請求項1乃至11のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 11 , wherein the positive electrode contains lithium cobaltate and / or lithium nickelate.
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