JP4161400B2 - Non-aqueous electrolyte lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents

Non-aqueous electrolyte lithium secondary battery and manufacturing method thereof Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電容量が高く製造のしやすい非水電解質リチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムおよびリチウム合金を負極活物質とするリチウム二次電池では負極が高容量密度であることを利点とするが金属リチウムの析出(デンドライト発生)による安全上の問題とこれが原因となるサイクル寿命の低下が実用上の障害となる。これを改善するため、負極にリチウムをイオン状態で可逆的にインターカレート(挿入及び放出)する材料として各種の炭素質材料や金属酸化物材料が開発され、同じくリチウムイオンの可逆的な挿入放出が可能なリチウム含有酸化物を正極活物質に組み合わせて、いわゆるロッキングチェア型のリチウムイオン二次電池が開発され、現在汎用の4V級二次電池として量産されている。
【0003】
しかしながら、負極に用いる炭素質材料や金属酸化物材料は、挿入されたリチウムが全量は放出されないという不可逆性を持つことが知られている。このため、不可逆性の低い材料の開発や予め少量のリチウムを挿入した材料の合成等が試みられている。また、国際公開番号WO96/27910号には金属リチウムの薄膜を短冊状に電極合剤上に貼り付けた電極を用いることが記載されている。しかしながらこの方法では、短冊状にリチウム箔を裁断したり貼り付けたりする工程上の負荷が大きいこと、リチウムを貼り付けた部分と貼り付けない部分とで、リチウムが電解液と接触して溶解し電極材料に吸蔵されるリチウムイオンの分布にばらつきが生じる等の問題点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は上述のような問題を解決した製造適性のある非水電解質リチウム二次電池の製造方法を提供することにある。本発明の他の課題は放電容量に優れた高容量型の非水電解質リチウム二次電池を提供することである。
【0005】
上記の課題は、各々が集電体の両面に合剤層を有する正極及び負極並びに非水電解質を含む非水電解質リチウム二次電池において、該正極及び負極の集電体その表裏面を連通する1つ又は複数の孔のある有孔集電体であり、かつ該有孔集電体上の負極の合剤層の巻回群の外側の片面の表面にリチウム金属箔が圧着され、かつ該有孔集電体の1つの孔の大きさが1×10 −7 cm 以上、1×10 −2 cm 以下であることを特徴とする非水電解質リチウム二次電池により解決するに至った。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい形態について列挙するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0007】
(1)各々が集電体の両面に合剤層を有する正極及び負極並びに非水電解質を含む非水電解質リチウム二次電池において、該正極及び負極の集電体の少なくとも一方がその表裏面を連通する1つ又は複数の孔のある有孔集電体であり、かつ該有孔集電体上の両面の合剤層のうちの少なくとも一層の表面にリチウム金属箔が圧着されていることを特徴とする非水電解質リチウム二次電池。
【0008】
(2)該有孔集電体の孔の開口率が0.1%以上、10%以下であることを特徴とする項1に記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0009】
(3)該有孔集電体の1つの孔の大きさが1×10-7cm2 以上、1×10-2cm2 以下であることを特徴とする項1または2に記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0010】
(4)該有孔集電体の孔が貫通孔であることを特徴とする項1から3のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0011】
(5)リチウム金属箔が圧着されているのが、有孔集電体上の合剤層の片面であることを特徴とする項1から4のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0012】
(6)圧着させたリチウム金属箔が、圧着したリチウム金属箔が存在する面の合剤層の表面の80%以上を被覆していることを特徴とする項1から5のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0013】
(7)該リチウム金属箔の厚みが60μm以下、かつ厚み変動率が平均厚みに対して20%以下であることを特徴とする項1から6のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0014】
(8)リチウム金属箔が圧着されている電極が負極であることを特徴とする項1から7のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0015】
(9)対向する正極を片面にしか有さない負極の部分の合剤塗布量が、対向する正極を両面に有する負極の部分の合剤塗布量のa倍(ここで、0.3<a<0.7)であるとき、該リチウムの圧着量は0.8×a〜1.1×a倍であることを特徴とする項8に記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0016】
(10)該負極が少なくとも1種の錫を含有する複合酸化物を含むことを特徴とする項1から9のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。
【0017】
(11)項1から10のいずれかに記載の電極とセパレーターを積層及び巻回して巻回電極群を作成した後、該巻回電極群を電池缶に挿入することを特徴とする非水電解質リチウム二次電池の製造方法。
【0018】
(12)該巻回電極群において、リチウム金属箔が圧着されているのが、負極の外側面であることを特徴とする項11に記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。
【0019】
(13)該巻回電極群の最内周及び最外周に合剤層を有する電極が負極であり、最内周及び最外周部分の負極は合剤層を片面にしか有さないことを特徴とする項11または12に記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。
【0020】
(14)該巻回電極群を電池缶に挿入した後、該電池缶に電解質の注入から、電池缶をかしめて封口するまでの工程を20℃以下で行うことを特徴とする項11から13のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。
【0021】
(15)該巻回電極群を電池缶に挿入、電解質を電池缶に注入、電池缶をかしめて封口した後、活性化前にエージングすることを特徴とする項11から14のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。
【0022】
(16)該活性化前のエージングが20℃以上、60℃以下の温度で、1日以上10日以下行うことを特徴とする項15に記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。
【0023】
以下、本発明について詳細に説明する。
本実施の形態の電池は、以下で詳述する集電体の両面に電極合剤を塗布してなる正極及び負極並びにセパレーターを、セパレーターが正負極を隔てるように配置して積層及び/又は巻回した電極群を、電池缶に挿入し、電解質を電池缶に注入した後封口し、適宜エージングを施して製作する。電池の形態としてはいわゆる角型、円筒型、シート状等のいずれであってもよい。
【0024】
図1は、巻回前の電極群の側面図である。
巻芯20は、例えば直径が3.5mmであり、シート状の2枚の絶縁性セパレータ21と22の一端近傍を折り返すように挟む。正極集電体23は、上面(内周面)に薄い正極合剤層44aが塗布され、下面(外周面)に厚い正極合剤層44bが塗布されており、先端CTの近傍の両面には正極合剤が塗布されていない。正極リード24は、正極集電体23の上の正極合剤が塗布されていない部分に接合されている。負極集電体26は、上面に薄い負極合剤層27aが塗布され、下面に厚い負極合剤層27bが塗布されており、先端CTの近傍の両面には負極合剤が塗布されていない。正極合剤層44aは、正極合剤層44bよりも巻回外側(図の右側)に長さL1だけずれ、負極合剤層27aは、負極合剤層44bよりも巻回外側に長さL1だけずれている。
【0025】
正極集電体23負極集電体26は、それぞれ多数の孔54a及び54bを有する。リチウム二次電池では、リチウムイオンが負極集電体26の孔54bを通って上面の負極合剤27aと下面の負極合剤27bとの間を自由に移動できる。正極35も同様に、孔54aを通って正極合剤44aと44bとの間をリチウムイオンが移動できる。集電体23及び26に孔54a及び54bを設けることにより、リチウムイオンが集電体23及び26を通過できるので、正極35及び負極36の電位ムラが少なくなり、電池の性能が向上する。集電体の孔54aおよび54bは、1つでも複数でもよいが、多数が好ましい。
【0026】
負極合剤27a、27bを活性化させるために、負極合剤27a、27bにLiを予備挿入する必要がある。そのため、下面(外周面)の負極合剤の表面にLi箔53を貼り付ける。その後、巻芯20を軸として電極を巻回し、巻回電極群を作成し、その巻回電極群を電池缶に挿入し、電極缶に電解質を注入し、電池缶を封口した後、エージングする。このエージング処理により、Li箔53は、下面の合剤27bに拡散し、さらに集電体の孔54bを通過して上面の負極合剤27aに拡散する。
【0027】
集電体26に孔がない場合には、下面の負極合剤27bにのみLi箔53が拡散し、上面の負極合剤27aにはLi箔が拡散しない。その場合には、下面の負極合剤27b上だけではなく、上面の負極合剤27a上にもLi箔を設ける必要がある。
【0028】
集電体26が孔54bを有する場合にも、両面の負極合剤27a、27b上にLi箔を設けてもよいが、量産するためには片面にのみLi箔を設ける方が工程コスト及び作業時間の点から有利である。Li箔は負極合剤27a及び27bの表面のいずれかに設けてもよい。ただし、外周面の負極合剤27b上に設けた方が、内周面の負極合剤27a上に設ける場合に比べ、エージング時にLi箔が溶けやすいので好ましい。
【0029】
なお、Li箔は、正極合剤の表面に設けてもよい。
集電体の材料としては、正極はアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金が好ましく、負極は銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金が好ましい。正極にはアルミニウム箔、負極には銅箔を用いるのが特に好ましい。
【0030】
集電体の形態は有孔の箔、エキスパンドメタルであってもよいし、特開昭59−18578号、同61−74268号等に記載の発泡金属、多孔質発泡金属、1〜20μm程度の金属繊維からなる金属繊維シートや金網であってもよい。
【0031】
上記の有孔集電体の孔は、開口率が0.1%以上、10%以下が好ましく、1%以上、10%以下が特に好ましい。有孔集電体の孔の大きさは1×10-7cm2 以上、1×10-2cm2 以下が好ましく、3×10-6cm2 以上、2×10-3cm2 以下が特に好ましい。
【0032】
孔は、リチウムイオンが透過(通過)できるように、集電体の表裏面を連通していることが必要である。連通する孔は、リチウムイオンが透過できる孔を意味し、直線状の貫通孔のみならず、迷路状につながった孔も含む。特に好ましいのは、リチウムイオンを短時間で集電体を透過できるようにするため、孔が集電体を貫通している場合である。
【0033】
正極集電体23は、巻芯20とセパレータ21の間に挟まれて巻回される。負極集電体26は、2枚のセパレータ21と22の間に挟まれて巻回される。正極集電体23の一部51は、負極集電体26の先端CTがセパレータ21を挟んで対向する正極集電体23の部分である。部分51において、正極集電体23の巻芯20側の面に正極リード24が接合されている。すなわち、正極集電体23上で正極リード24が接合されている部分は、セパレータ21を挟んで負極集電体26の先端CTの端部と対向する。
【0034】
正極リード24を正極集電体23に接合する際にバリが生じ、正極リード24に対向するセパレータ21が破損することがある。例えば、セパレータ21の厚さは1〜20μmであり、正極集電体23の厚さは2〜15μmである。その部分でセパレータ21が破損すると、正極集電体23と負極集電体26が短絡してしまう。そのような短絡を回避するため、以下の対策を行なう。
【0035】
負極集電体26の一部52は、正極リード24が接合された正極集電体23の部分にセパレータ21を挟んで対向する負極シート36の先端CTの周辺部分である。部分52の面(表面)を絶縁性材料30で被覆する。当該CTの周辺部の表面及び裏面を覆うように絶縁性材料を被覆してもよい。絶縁性材料30は、負極集電体26の露出部に設けることが好ましいが、負極集電体26の先端CTまで負極合剤を設けて負極合剤上に絶縁性材料を設けてもよい。絶縁性材料で被覆するには、樹脂を塗布したり、絶縁テープを貼り付ければよい。絶縁性材料は、粘着性絶縁テープが好ましい。
【0036】
絶縁性材料30で負極集電体26を被覆すれば、正極リード24のバリがセパレータ21を貫通しても絶縁性材料30によって保護される。正極リード24のバリと負極集電体26の接触を回避することができるので、正極35と負極36の短絡を防止できる。また、巻回時に負極集電体26にオレが生じても、オレの部分が絶縁性材料で保護されるので、内部短絡を防止することができる。
【0037】
正極シート35と負極シート36は、間にセパレータ21、22を挟んで、巻回機で巻回される。電極シートは、3段階に分けて徐々に厚くなるので、巻回しやすく、真円度の高い電極の巻回群を作成することができる。さらに、電極シートは、上面の電極合剤44a又は27aが下面の電極合剤44b又は27bよりも薄いので、巻回しやすく、真円度の高い巻回群を作成することができる。これにより、巻回時に電極シートが切断されたり、真円度の低い巻回群が作成されて、巻回群が電池缶に挿入できない不都合を防止できる。
【0038】
有孔集電体を有する電極は、有孔集電体の両面に形成される合剤層の少なくとも片側にリチウム金属箔が圧着されていることが好ましい。合剤層上のリチウム金属箔の被覆量は、圧着したリチウム金属が存在する側(面)の合剤層の表面の80%以上であることが好ましい。被覆しているリチウム金属箔の厚みは60μm以下、かつ厚み変動率が平均厚みに対して20%以下である場合が好ましい。特に好ましいのは、厚みが10〜40μmで厚み変動率が10%以下のリチウム金属箔である。
【0039】
リチウム金属箔が圧着されている電極は、負極である場合が好ましい。電極群が巻回電極群である場合には、リチウム金属箔を圧着する面は、負極の外側面であることが好ましい。積層電極群もしくは巻回電極群の最外周電極が負極である場合には、この負極の外周側合剤層は対向する正極を有さないため、外周層に圧着するリチウム金属箔の量を調節することが好ましい。対向する正極を片面にしか有さない負極部分の合剤塗布量が、対向する正極を両面に有する負極部分の合剤塗布量のa倍であるとき、該リチウムの圧着量は0.8×a倍〜1.1×a倍であり、ここで、aは、0.3<a<0.7の関係を満足する。より好ましいaは0.4<a<0.6である。
【0040】
図2は、最外周及び最内周に合剤を有する電極が負極である巻回電極群を示す。正極60pは、集電体61pの内側面に正極合剤62pを有し、外周面に正極合剤63pを有する。負極60nは、最外周及び最内周を除き、集電体61nの内側面に負極合剤62nを有し、外側面に負極合剤63nを有する。この巻回電極群は、合剤層を有するのは最外周が負極60nであり、最内周も負極60nである。
【0041】
最外周の負極60nは、内側には正極60pが対向しているが、外側には正極60pが対向していない。最外周の負極の集電体61nでは、正極60pが対向する内側面にのみ負極合剤62nを設け、正極60pが対向しない外側面には負極合剤を設けない。仮に、最外周の負極60nにおいても、集電体61nの両側に負極合剤を設けると、外側面の負極合剤が正極60pに対向していないため、そこから無駄なエネルギが放出されてしまい、電池のサイクル寿命が短くなってしまう。図2のように、最外周の負極60nにおいて、内側面にのみ負極合剤62nを設けることにより、充放電の効率を高め、サイクル寿命を長くすることができる。
【0042】
最内周の負極60nは、外側(電極群側)には正極60pの合剤層が対向しているが、内側(中心空洞側)には正極60pの合剤層が対向していない。最内周の負極60nでは、正極60pの合剤層が対向する外側面にのみ負極合剤63nを設け、正極60pの合剤層が対向しない内側面には負極合剤を設けない。上記と同じ理由により、電池のサイクル寿命を長くすることができる。
【0043】
上記のように、負極合剤にリチウムを予備挿入するために、負極の外側面の表面にリチウム箔を圧着することが好ましい。最内周及び最外周の負極部分PAは、片面にのみ負極合剤を有し、それ以外の負極部分(中央部の負極部分)PBは、両面に負極合剤を有する。最内周及び最外周の負極部分PAの負極合剤の量は、中央部の負極部分PBの負極合剤の量の約1/2である。上記の圧着するリチウム箔の量は、負極合剤の量に比例することが好ましい。したがって、最内周及び最外周の負極部分PAに圧着するリチウム箔の量は、中央部の負極部分PBに圧着するリチウム箔の量の約1/2にするのが好ましい。例えば、中央部の負極部分PBには所定の厚みリチウム箔を全面に圧着し、最内周及び最外周の負極部分PAには、同じ厚みのリチウム箔を選択的に配置(たとえば、点在)するか約1/2厚みの箔を貼り付ければよい。
【0044】
最外周の負極部分では、集電体61n上にリチウム箔を圧着する。集電体61nは孔を有するので、エージング処理により、その孔を通してリチウムが内側面の負極合剤62nに拡散する。同様に、中央部の負極部分PBでは、リチウムがまず外側面の負極合剤63nに拡散し、続いて集電体61nの孔を通って内側面の負極合剤62nに拡散する。
【0045】
巻回電極群の最内周及び最外周の電極が正極である場合には、最内周及び最外周部分の正極は合剤層を片面にしか有さない形態であることが好ましい。
【0046】
負極に圧着するリチウム箔の厚みは、負極へのリチウムの挿入量により決めることができる。リチウムの挿入は、リチウムを対極としたときに負極が0.01Vまで挿入することができるが、本実施例の形態においては、負極材料の有する不可逆容量を補償するためにリチウムを部分的に挿入する方法であり、リチウムを対極としたときに負極が0.3Vまで挿入する方法を用いる。
【0047】
リチウム金属箔としては、純度90重量%以上のものが好ましく、98重量%以上のものが特に好ましい。負極シート上のリチウムの重ね合せパターンとしてはシート全面に重ね合わせることが好ましいが、負極材料に予備挿入されたリチウムはエージングによって徐々に負極材料中に拡散するため、シート全面ではなくストライプ、枠状、円板状のいずれかの部分的重ね合わせであってもよい。ここで言う重ね合せとは、負極合剤層上に直接、または以下で説明する補助層を有するシート上にリチウム金属箔を圧着することを意味する。
【0048】
リチウムを主体とした金属箔の切断、貼り付け等のハンドリング雰囲気は露点−30℃以下−80℃以上のドライエアー又はアルゴンガス雰囲気下が好ましい。ドライエアーの場合は露点−40℃以下−80℃以上がさらに好ましい。また、ハンドリング時には炭酸ガスを併用してもよい。特にアルゴンガス雰囲気の場合は炭酸ガスを併用することが好ましい。
【0049】
図3は、シリンダ型電池の断面図である。電池の形状はシリンダ、角のいずれにも適用できる。巻芯をシリンダ形にすれば、シリンダ型電池を製造することができ、巻芯を角形にすれば、角型電池を製造することができる。電池は、セパレーター4と共に巻回した正極シート3と負極シート2を電池缶1に挿入し、電池缶1と負極シート2を電気的に接続し、電解液を注入し封口して形成する。端子キャップ13は正極端子を兼ね、ガスケット7を介して電池缶1の上部口に嵌合される。正極シート3は、正極リード8、溶接プレート15、防爆弁体9、電流遮断スイッチ10、正温度係数抵抗(以下、PTCという)リング11を介して端子キャップ13に電気的に接続される。
【0050】
封口体は、上から順に端子キャップ13、PTCリング11、電流遮断スイッチ10、防爆弁体9が重ねられ、ガスケット7に嵌入支持される。端子キャップ13は、電池の表面露出部分であり、防爆弁体9は電池内側である。絶縁カバー16は、防爆弁体9の上側の表面を覆う。電流遮断スイッチ10は、第一導通体10aと第二導通体10bと絶縁リング10cを有する。
【0051】
電極群は、正極シート3と負極シート2を、間にセパレータ4を挟んで巻回したものである。その電極群と防爆弁体9の間に、上部絶縁板6が配置される。上部絶縁板6は、電極群と封口体を絶縁すると共に、電極群と電池缶1を絶縁する。電極群と電池缶1の間に下部絶縁板5を配置し、電極群と電池缶1を絶縁する。
【0052】
PTCリング11は電池内温度が上昇すると抵抗が増大して電流を遮断する機能をもつ。電流遮断スイッチ10は、第一導通体10aと絶縁リング10cと第二導通体10bの積層構造体であり、第一導通体10aは防爆弁体9側に配置され貫通孔を有し、第二導通体10bはPTCリング11側すなわち端子キャップ13側に配置され貫通孔を有する構造である。第一導通体10aと第二導通体10bとは中央部で電気的に接続され、該第一導通体10aの該接続部の周囲に肉薄部を有している。防爆弁体9は、内圧上昇時に電極群側とは反対側へ変形できるもので、上記した第一導通体10aの中央接続部を押し上げることができるものであれば良い。電池内の異常反応により、内圧が上昇すると防爆弁体9が変形して電流遮断スイッチ10の第一導通体10aと第二導通体10bの接続部分を破断して電流を遮断し、さらに圧力が増加すると防爆弁体9の肉薄部が破壊して圧力を放出する。この時電流遮断スイッチ10を防爆弁体9の電極群側とは反対側に配置しているので、遮断部においてスパークが生じても、電解液蒸気への引火を原因とする電池の破裂が防止される。
【0053】
正極(あるいは負極)は、正極合剤(あるいは負極合剤)を集電体上に塗設、成形して作ることができる。正極合剤(あるいは負極合剤)には、正極活物質(あるいは負極材料)の他、導電剤、結着剤、分散剤、フィラー、イオン導電剤、圧力増強剤や各種添加剤を含むことができる。これらの電極は、円盤状、板状であってもよいが、柔軟性のあるシート状であると好ましい。
【0054】
以下に電極合剤に使用される材料について説明する。
正極活物質は、リチウム含有遷移金属酸化物が好ましい。リチウム含有遷移金属酸化物は、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Mo、Wから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が0.3乃至2.2の化合物である。
【0055】
より好ましくは、V、Cr、Mn、Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素とリチウムとを主として含有する酸化物であって、リチウムと遷移金属のモル比が0.3乃至2.2の化合物である。なお主として存在する遷移金属に対し30モルパーセント未満の範囲でAl、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなどを含有していても良い。
【0056】
さらに好ましいリチウム含有遷移金属酸化物は、Lix CoO2 、Lix NiO2 、Lix MnO2 、Lix Coa Ni1-a 2 、Lix Cob 1-b z 、Lix Cob Fe1-b 2 、Lix Mn24 、Lix Mnc Co2-c 4 、Lix Mnc Ni2-c 4 、Lix Mnc 2-c 4 、Lix Mnc Fe2-c 4 (ここでx=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.8〜0.98、c=1.6〜1.96、z=2.01〜2.3)である。
【0057】
最も好ましいリチウム含有遷移金属酸化物としては、Lix CoO2 、Lix NiO2 、Lix MnO2 、Lix Coa Ni1-a 2 、Lix Mn24 、Lix Cob 1-b z (x=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.9〜0.98、z=2.01〜2.3)が挙げられる。なお、xの値は充放電開始前の値であり、充放電により増減する。
【0058】
正極活物質は、リチウム化合物と遷移金属化合物を混合、焼成する方法や溶液反応により合成することができるが、特に焼成法が好ましい。
【0059】
焼成の為の詳細は、特開平6−60,867号の段落35、特開平7−14,579号等に記載されており、これらの方法を用いることができる。焼成によって得られた正極活物質は水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
【0060】
更に、遷移金属酸化物に化学的にリチウムイオンを挿入する方法としては、リチウム金属、リチウム合金やブチルリチウムと遷移金属酸化物とを反応させることにより合成する方法であっても良い。
【0061】
正極活物質の平均粒子サイズは特に限定されないが、0.1〜50μmが好ましい。0.5〜30μmの粒子の体積が95%以上であることが好ましい。粒径3μm以下の粒子群の占める体積が全体積の18%以下であり、かつ15μm以上25μm以下の粒子群の占める体積が、全体積の18%以下であることが更に好ましい。比表面積としては特に限定されないが、BET法で0.01〜50m2 /gが好ましく、特に0.2m2 /g〜1m2 /gが好ましい。また正極活物質5gを蒸留水100mlに溶かした時の上澄み液のpHとしては7以上12以下が好ましい。
【0062】
正極活物質を焼成によって得る場合、焼成温度としては500〜1500℃であることが好ましく、さらに好ましくは700〜1200℃であり、特に好ましくは750〜1000℃である。焼成時間としては4〜30時間が好ましく、さらに好ましくは6〜20時間であり、特に好ましくは6〜15時間である。
【0063】
負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵・放出できる化合物であればよい。このような負極材料の例としては金属リチウム、リチウム合金、炭素質化合物、無機酸化物、無機カルコゲン化合物、金属錯体、有機高分子化合物が挙げられる。これらは単独でも、組み合わせて用いてもよい。これらの負極材料の中で好ましいのは、炭素質材料、金属もしくは半金族元素の酸化物、カルコゲンである。
【0064】
負極材料の一つは、リチウムの吸蔵放出が可能な炭素質材料である。炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛、及びPAN系の樹脂やフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種の炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、平板状の黒鉛等を挙げることもできる。
【0065】
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−122066号公報、特開平2−66856号公報、同3−245473号公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。
【0066】
炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−290844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−84516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
【0067】
もう一つの負極材料である、金属もしくは半金属元素の酸化物、カルコゲン化合物は、周期律表13,14,15族原子と酸素若しくはカルコゲン族原子からなる化合物である。
【0068】
負極材料として周期律表1,2,13,14,15族原子から選ばれる三種以上の原子を含む主として非晶質カルコゲン化合物または非晶質酸化物が特に好ましく用いられる。ここで言う主として非晶質とはCuKα線を用いたX線回折法で2θ値で20°から40°に頂点を有するブロードな散乱帯を有する物であり、結晶性の回折線を有してもよい。
【0069】
好ましくは2θ値で40°以上70°以下に見られる結晶性の回折線の内最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の500倍以下であることが好ましく、さらに好ましくは100倍以下であり、特に好ましくは5倍以下であり、最も好ましくは 結晶性の回折線を有さないことである。
【0070】
上記のカルコゲン化合物、酸化物は、B,Al,Ga,In,Tl,Si,Ge,Sn,Pb,P,As,Sb,Biの中の2種以上の元素を主体とする複合カルコゲン化合物、複合酸化物がより好ましい。特に好ましいのは、B,Al,Si,Ge,Sn,Pの中の2種以上の元素を主体とする複合カルコゲン化合物もしくは酸化物である。これらの複合カルコゲン化合物、複合酸化物は、主として非晶質構造を修飾するために周期律表の1族から2族の元素から選ばれた少なくとも1種の元素を含む。
【0071】
上記の負極材料の中で、Snを主体とする非晶質の複合酸化物が好ましく、次の一般式(1)で表される。
【0072】
一般式(1) SnM3 c 4 d t
式中、M3 はAl,B,P、Si、Geの少なくとも1種を、M4 は周期律表第1族元素、第2族元素の少なくとも1種を表し、cは0.2以上、2以下の数、dは0.01以上、1以下の数で、0.2<c+d<2、tは1以上6以下の数を表す。
【0073】
非晶質複合酸化物は、焼成法、溶液法のいずれの方法も採用することができるが、焼成法がより好ましい。焼成法では、一般式(1)に記載された元素の酸化物あるいは化合物をよく混合した後、焼成して非晶質複合酸化物を得るのが好ましい。
【0074】
焼成条件としては、昇温速度として昇温速度毎分5℃以上200℃以下であることが好ましく、かつ焼成温度としては500℃以上1500℃以下であることが好ましく、かつ焼成時間としては1時間以上100時間以下であることが好ましい。且つ、降温速度としては毎分2℃以上107 ℃以下であることが好ましい。
【0075】
本明細書における昇温速度とは「焼成温度(℃表示)の50%」から「焼成温度(℃表示)の80%」に達するまでの温度上昇の平均速度であり、本明細書における降温速度とは「焼成温度(℃表示)の80%」から「焼成温度(℃表示)の50%」に達するまでの温度降下の平均速度である。
【0076】
降温は焼成炉中で冷却してもよくまた焼成炉外に取り出して、例えば水中に投入して冷却してもよい。またセラミックスプロセッシング(技報堂出版1987)217頁記載のgun法・Hammer−Anvil法・slap法・ガスアトマイズ法・プラズマスプレー法・遠心急冷法・melt drag法などの超急冷法を用いることもできる。またニューガラスハンドブック(丸善1991)172頁記載の単ローラー法、双ローラ法を用いて冷却してもよい。焼成中に溶融する材料の場合には、焼成中に原料を供給しつつ焼成物を連続的に取り出してもよい。焼成中に溶融する材料の場合には融液を攪拌することが好ましい。
【0077】
焼成ガス雰囲気は好ましくは酸素含有率が5体積%以下の雰囲気であり、さらに好ましくは不活性ガス雰囲気である。不活性ガスとしては例えば窒素、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、キセノン等が挙げられる。最も好ましい不活性ガスは純アルゴンである。
【0078】
負極材料の化合物の平均粒子サイズは0.1〜60μmが好ましい。寄り詳しくは、平均粒径が0.7〜25μmであり、かつ全体積の60%以上が0.5〜30μmであることが好ましい。また、負極材料の粒径1μm以下の粒子群の占める体積は全体積の30%以下であり、かつ粒径20μm以上の粒子群の占める体積が全体積の25%以下であることが好ましい。使用する材料の粒径は、負極の片面の合剤厚みを越えないものであることはいうまでもない。
【0079】
所定の粒子サイズにするには、良く知られた粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことが出来る。所望の粒径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式、湿式ともに用いることができる。 平均粒径とは一次粒子のメジアン径のことであり、レーザー回折式の粒度分布測定装置により測定される。
【0080】
また、負極材料の比表面積は、BET比表面積測定法での測定値が0.1〜5m2 /gであることが好ましい。
【0081】
負極材料の例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。
SnAl0.4 0.5 0.5 0.1 3.65、SnAl0.4 0.5 0.5 Na0.2 3.7 、SnAl0.4 0.3 0.5 Rb0.2 3.4 、SnAl0.4 0.5 0.5 Cs0.1 3.65、SnAl0.4 0.5 0.5 0.1 Ge0.053.85、SnAl0.4 0.5 0.5 0.1 Mg0.1 Ge0.023.83、 SnAl0.4 0.4 0.4 3.2 、SnAl0.3 0.5 0.2 2.7 、SnAl0.3 0.5 0.2 2.7 、SnAl0.4 0.5 0.3 Ba0.08Mg0.083.26、SnAl0.4 0.4 0.4 Ba0.083.28、SnAl0.4 0.5 0.5 3.6 、SnAl0.4 0.5 0.5 Mg0.1 3.7
【0082】
SnAl0.5 0.4 0.5 Mg0.1 0.2 3.65、SnB0.5 0.5 Li0.1 Mg0.1 0.2 3.05、SnB0.5 0.5 0.1 Mg0.1 0.2 3.05、SnB0.5 0.5 0.05Mg0.050.1 3.03、SnB0.5 0.5 0.05Mg0.1 0.2 3.03、SnAl0.4 0.5 0.5 Cs0.1 Mg0.1 0.2 3.65、SnB0.5 0.5 Cs0.05Mg0.050.1 3.03、SnB0.5 0.5 Mg0.1 0.1 3.05、SnB0.5 0.5 Mg0.1 0.2 3 、SnB0.5 0.5 Mg0.1 0.063.07、SnB0.5 0.5 Mg0.1 0.143.03、SnPBa0.083.58、SnPK0.1 3.55、SnPK0.05Mg0.053.58、SnPCs0.1 3.55、SnPBa0.080.083.54、SnPK0.1 Mg0.1 0.2 3.55、SnPK0.05Mg0.050.1 3.53、SnPCs0.1 Mg0.1 0.2 3.55、SnPCs0.05Mg0.050.1 3.53、Sn1.1 Al0.4 0.2 0.6 Ba0.080.083.54、Sn1.1 Al0.4 0.2 0.6 Li0.1 0.1 Ba0.1 0.1 3.65、Sn1.1 Al0.4 0.4 0.4 Ba0.083.34
【0083】
Sn1.1 Al0.4 PCs0.054.23、Sn1.1 Al0.4 PK0.054.23、Sn1.2 Al0.5 0.3 0.4 Cs0.2 3.5 、Sn1.2 Al0.4 0.2 0.6 Ba0.083.68、Sn1.2 Al0.4 0.2 0.6 Ba0.080.083.64、Sn1.2 Al0.4 0.2 0.6 Mg0.04Ba0.043.68、Sn1.2 Al0.4 0.3 0.5 Ba0.083.58、Sn1.3 Al0.3 0.3 0.4 Na0.2 3.3 、Sn1.3 Al0.2 0.4 0.4 Ca0.2 3.4 、Sn1.3 Al0.4 0.4 0.4 Ba0.2 3.6 、Sn1.4 Al0.4 PK0.2 4.6 、Sn1.4 Al0.2 Ba0.1 PK0.2 4.45、Sn1.4 Al0.2 Ba0.2 PK0.2 4.6 、Sn1.4 Al0.4 Ba0.2 PK0.2 Ba0.1 0.2 4.9 、Sn1.4 Al0.4 PK0.3 4.65、Sn1.5 Al0.2 PK0.2 4.4 、Sn1.5 Al0.4 PK0.1 4.65、Sn1.5 Al0.4 PCs0.054.63、Sn1.5 Al0.4 PCs0.05Mg0.1 0.2 4.63
【0084】
SnSi0.5 Al0.1 0.2 0.1 Ca0.4 3.1 、SnSi0.4 Al0.2 0.4 2.7 、SnSi0.5 Al0.2 0.1 0.1 Mg0.1 2.8 、SnSi0.6 Al0.2 0.2 2.8 、SnSi0.5 Al0.3 0.4 0.2 3.55、SnSi0.5 Al0.3 0.4 0.5 4.30、SnSi0.6 Al0.1 0.1 0.3 3.25、SnSi0.6 Al0.1 0.1 0.1 Ba0.2 2.95。SnSi0.6 Al0.1 0.1 0.1 Ca0.2 2.95、SnSi0.6 Al0.4 0.2 Mg0.1 3.2 、SnSi0.6 Al0.1 0.3 0.1 3.05、SnSi0.6 Al0.2 Mg0.2 2.7 、SnSi0.6 Al0.2 Ca0.2 2.7 、SnSi0.6 Al0.2 0.2 3 、SnSi0.6 0.2 0.2 3 、SnSi0.8 Al0.2 2.9 、SnSi0.8 Al0.3 0.2 0.2 3.85、SnSi0.8 0.2 2.9 、SnSi0.8 Ba0.2 2.8 、SnSi0.8 Mg0.2 2.8 、SnSi0.8 Ca0.2 2.8 、SnSi0.8 0.2 3.1
【0085】
Sn0.9 Mn0.3 0.4 0.4 Ca0.1 Rb0.1 2.95、Sn0.9 Fe0.3 0.4 0.4 Ca0.1 Rb0.1 2.95、Sn0.8 Pb0.2 Ca0.1 0.9 3.35、Sn0.3 Ge0.7 Ba0.1 0.93.35、Sn0.9 Mn0.1 Mg0.1 0.9 3.35、Sn0.2 Mn0.8 Mg0.1 0.9 3.35、Sn0.7 Pb0.3 Ca0.1 0.9 3.35、Sn0.2 Ge0.8 Ba0.1 0.9 3.35、SnSi0.8 0.2 2.9 、SnSi0.7 0.3 2.85、SnSi0.7 0.3 Al0.1 3.0 、SnSi0.5 0.3 Al0.1 Mg0.1 2.7 、Sn0.8 Si0.6 0.2 Al0.1 Li0.1 2.5 、Sn0.8 Si0.6 0.2 Al0.1 Cs0.1 2.65、Sn0.8 Si0.7 0.1 0.1 Al0.1 2.75、Sn0.8 Si0.5 0.3 0.2 Al0.1 2.9 、Sn0.8 Si0.7 0.1 0.1 Al0.1 Li0.052.78、Sn0.8 Si0.5 0.3 0.1 Al0.1 Li0.1 2.7 、Sn0.8 Si0.5 0.3 0.2 Al0.1 Cs0.1 2.95、Sn0.8 Si0.7 0.3 2.95、Sn0.8 Si0.7 0.3 Al0.1 3.1 、SnSi0.5 0.3 Zr0.1 2.65、Sn0.8 Si0.6 0.2 Zr0.1 2.7 、Sn0.8 Si0.6 0.2 0.1 Zr0.1 2.75
【0086】
上記焼成されて得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の重量差から算出できる。
【0087】
電極合剤に使用される導電剤は、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。具体例としては、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、石油コークス、石炭コークス、セルロース類、糖類、メソフェーズピッチ等の高温焼成体、気相成長黒鉛等の人工黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、アスファルトピッチ、コールタール、活性炭、メソフューズピッチ、ポリアセン等の炭素材料、金属繊維等の導電性繊維類、銅、ニッケル、アルミニウム、銀等の金属粉類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物等を挙げる事ができる。黒鉛では、アスペクト比が5以上の平板状のものを用いると好ましい。これらの中では、グラファイトやカーボンブラックが好ましく、粒子の大きさは、0.01μm以上、20μm以下が好ましく、0.02μm以上、10μm以下の粒子がより好ましい。これらは単独で用いても良いし、2種以上を併用してもよい。併用する場合は、アセチレンブラック等のカーボンブラック類と、1〜15μmの黒鉛粒子を併用すると好ましい。
【0088】
導電剤の電極合剤層への添加量は、負極材料または正極活物質に対し1〜50重量%であることが好ましく、特に2〜30重量%であることが好ましい。カーボンブラックやグラファイトでは、3〜20重量%であることが特に好ましい。
【0089】
電極合剤を保持するために結着剤を用いる。結着剤の例としては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマー等が挙げられる。好ましい結着剤としては、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、セルロース、ジアセチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、アルギン酸Na、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸Na、ポリビニルフェノール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシ(メタ)アクリレート、スチレンーマレイン酸共重合体等の水溶性ポリマー、ポリビニルクロリド、ポリテトラフルロロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ビニリデンフロライド−テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、ポリビニルアセタール樹脂、メチルメタアクリレート、2ーエチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステルを含有する(メタ)アクリル酸エステル共重合体、(メタ)アクリル酸エステル−アクリロニトリル共重合体、ビニルアセテート等のビニルエステルを含有するポリビニルエステル共重合体、スチレンーブタジエン共重合体、アクリロニトリルーブタジエン共重合体、ポリブタジエン、ネオプレンゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエステルポリウレタン樹脂、ポリエーテルポリウレタン樹脂、ポリカーボネートポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等のエマルジョン(ラテックス)あるいはサスペンジョンを挙げることが出来る。
【0090】
特にポリアクリル酸エステル系のラテックス、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンが挙げられる。これらの結着剤は、微小粉末を水に分散したものを用いるのが好ましく、分散液中の粒子の平均サイズが0.01〜5μmのものを用いるのがより好ましく、0.05〜1μmのものを用いるのが特に好ましい。
【0091】
これらの結着剤は単独または混合して用いることが出来る。結着剤の添加量が少ないと電極合剤の保持力・凝集力が弱い。多すぎると電極体積が増加し電極単位体積あるいは単位重量あたりの容量が減少する。このような理由で結着剤の添加量は1〜30重量%が好ましく、特に2〜10重量%が好ましい。
【0092】
充填剤は、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
【0093】
イオン導電剤は、無機及び有機の固体電解質として知られている物を用いることができ、詳細は電解液の項に記載されている。
【0094】
圧力増強剤は、電池の内圧を上げる化合物であり、炭酸リチウム等の炭酸塩が代表例である。
【0095】
次に、正負電極の構成について説明する。正負電極は集電体の両面に電極合剤を塗布した形態であることが好ましい。この場合、片面あたりの層数は1層であっても2層以上から構成されていても良い。片面あたりの層の数が2以上である場合、正極活物質(もしくは負極材料)含有層が2層以上であっても良い。より好ましい構成は、正極活物質(もしくは負極材料)を含有する層と正極活物質(もしくは負極材料)を含有しない層から構成される場合である。
【0096】
正極活物質(もしくは負極材料)を含有しない層には、正極活物質(もしくは負極材料)を含有する層を保護するための保護層、分割された正極活物質(もしくは負極材料)含有層の間にある中間層、正極活物質(もしくは負極材料)含有層と集電体との間にある下塗り層等があり、本明細書においてはこれらを総称して補助層と言う。
【0097】
保護層は正負電極の両方または正負電極のいずれかにあることが好ましい。負極において、リチウムを電池内で負極材料に挿入する場合は負極は保護層を有する形態であることが望ましい。保護層は、少なくとも1層からなり、同種又は異種の複数層により構成されていても良い。また、集電体の両面の合剤層の内の片面にのみ保護層を有する形態であっても良い。これらの保護層は、水不溶性の粒子と結着剤等から構成される。結着剤は、前述の電極合剤を形成する際に用いられる結着剤を用いることが出来る。水不溶性の粒子としては、種々の導電性粒子、実質的に導電性を有さない有機及び無機の粒子を用いることができる。水不溶性粒子の水への溶解度は、100ppm以下、好ましくは不溶性のものが好ましい。
【0098】
保護層に含まれる粒子の割合は2.5重量%以上、96重量%以下が好ましく、5重量%以上、95重量%以下がより好ましく、10重量%以上、93重量%以下が特に好ましい。
【0099】
水不溶性の導電性粒子としては、金属、金属酸化物、金属繊維、炭素繊維、カーボンブラックや黒鉛等の炭素粒子を挙げることが出来る。これらの水不溶導電性粒子の中で、アルカリ金属特にリチウムとの反応性が低いものが好ましく、金属粉末、炭素粒子がより好ましい。粒子を構成する元素の20℃における電気抵抗率としては、5×109 Ω・m以下が好ましい。
【0100】
金属粉末としては、リチウムとの反応性が低い金属、即ちリチウム合金を作りにくい金属が好ましく、具体的には、銅、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、チタン、タングステン、タンタルが好ましい。これらの金属粉末の形は、針状、柱状、板状、塊状のいずれでもよく、最大径が0.02μm以上、20μm以下が好ましく、0.1μm以上、10μm以下がより好ましい。これらの金属粉末は、表面が過度に酸化されていないものが好ましく、酸化されているときには還元雰囲気で熱処理することが好ましい。
【0101】
炭素粒子としては、従来電極活物質が導電性でない場合に併用する導電材料として用いられる公知の炭素材料を用いることが出来る。具体的には電極合剤を作る際に用いられる導電剤が用いられる。
【0102】
実質的に導電性を持たない水不溶性粒子としては、テフロンの微粉末、SiC、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、フォルステライト、ステアタイトを挙げることが出来る。これらの粒子は、導電性粒子と併用してもよく、導電性粒子の0.01倍以上、10倍以下で使うと好ましい。
【0103】
正(負)の電極シートは正(負)極の合剤を集電体の上に塗布、乾燥、圧縮する事により作成する事ができる。
【0104】
合剤の調製は正極活物質(あるいは負極材料)および導電剤を混合し、結着剤(樹脂粉体のサスペンジョンまたはエマルジョン状のもの)、および分散媒を加えて混練混合し、引続いて、ミキサー、ホモジナイザー、ディゾルバー、プラネタリミキサー、ペイントシェイカー、サンドミル等の攪拌混合機、分散機で分散して行うことが出来る。分散媒としては水もしくは有機溶媒が用いられるが、水が好ましい。このほか、適宜充填剤、イオン導電剤、圧力増強剤等の添加剤を添加しても良い。分散液のpHは負極では5〜10、正極では7〜12が好ましい。
【0105】
塗布は種々の方法で行うことが出来るが、例えば、リバースロール法、ダイレクトロール法、ブレード法、ナイフ法、エクストルージョン法、スライド法、カーテン法、グラビア法、バー法、ディップ法及びスクイーズ法を挙げることが出来る。エクストルージョンダイを用いる方法、スライドコーターを用いる方法が特に好ましい。塗布は、0.1〜100m/分の速度で実施されることが好ましい。この際、合剤ペーストの液物性、乾燥性に合わせて、上記塗布方法を選定することにより、良好な塗布層の表面状態を得ることが出来る。電極層が複数の層である場合にはそれらの複数層を同時に塗布することが、均一な電極の製造、製造コスト等の観点から好ましい。その塗布層の厚み、長さや巾は、電池の大きさにより決められる。典型的な塗布層の厚みは乾燥後圧縮された状態で10〜1000μmである。
【0106】
塗布後の電極シートは、熱風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線及び低湿風の作用により乾燥、脱水される。これらの方法は単独あるいは組み合わせて用いることが出来る。乾燥温度は80〜350℃の範囲が好ましく、特に100〜260℃の範囲が好ましい。乾燥後の含水量は2000ppm以下が好ましく、500ppm以下がより好ましい。
【0107】
電極シートの圧縮は、一般に採用されているプレス方法を用いることが出来るが、特に金型プレス法やカレンダープレス法が好ましい。プレス圧は、特に限定されないが、10kg/cm2 〜3t/cm2 が好ましい。カレンダープレス法のプレス速度は、0.1〜50m/分が好ましい。プレス温度は、室温〜200℃が好ましい。
【0108】
セパレータは、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の薄膜であれば良く、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン、ガラス繊維、アルミナ繊維が用いられ、形態として、不織布、織布、微孔性フィルムが用いられる。特に、材質として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリプロピレンとポリエチレンの混合体、ポリプロピレンとテフロンの混合体、ポリエチレンとテフロンの混合体が好ましく、形態として微孔性フィルムであるものが好ましい。特に、孔径が0.01〜1μm、厚みが5〜50μmの微孔性フィルムが好ましい。これらの微孔性フィルムは単独の膜であっても、微孔の形状や密度等や材質等の性質の異なる2層以上からなる複合フィルムであっても良い。例えば、ポリエチレンフィルムとポリプロピレンフィルムを張り合わせた複合フィルムを挙げることができる。
【0109】
電解液は一般に支持塩と溶媒から構成される。リチウム二次電池における支持塩はリチウム塩が主として用いられる。
【0110】
リチウム塩としては、例えば、LiClO4 、LiBF4 、LiPF6 、LiCF3 CO2 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiB10Cl10、LiOSO2n 2n+1で表されるフルオロスルホン酸(nは6以下の正の整数)、LiN(SO2n 2n+1)(SO2m 2m+1)で表されるイミド塩(m,nはそれぞれ6以下の正の整数)、LiN(SO2p 2p+1)(SO2q 2q+1)(SO2r 2r+1)で表されるメチド塩(p,q,rはそれぞれ6以下の正の整数)、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiAlCl4 、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウムなどのLi塩を上げることが出来、これらの一種または二種以上を混合して使用することができる。なかでもLiBF4 及び/あるいはLiPF6 を溶解したものが好ましい。
【0111】
支持塩の濃度は、特に限定されないが、電解液1リットル当たり0.2〜3モルが好ましい。
【0112】
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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ギ酸メチル、酢酸メチル、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、ジオキサン、アセトニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトンなどの非プロトン性有機溶媒を挙げることができ、これらの一種または二種以上を混合して使用する。これらのなかでは、カーボネート系の溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートを混合して用いるのが特に好ましい。環状カーボネートとしてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが好ましい。また、非環状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートが好ましい。
【0113】
電解液としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネートあるいはジエチルカーボネートを適宜混合した電解液にLiCF3 SO3 、LiClO4 、LiBF4 および/またはLiPF6 を含む電解液が好ましい。特にプロピレンカーボネートもしくはエチレンカーボネートの少なくとも一方とジメチルカーボネートもしくはジエチルカーボネートの少なくとも一方の混合溶媒に、LiCF3 SO3 、LiClO4 、もしくはLiBF4 の中から選ばれた少なくとも一種の塩とLiPF6 を含む電解液が好ましい。これら電解液を電池内に添加する量は特に限定されず、正極材料や負極材料の量や電池のサイズに応じて用いることができる。
【0114】
また、電解液の他に次の様な固体電解質も併用することができる。
固体電解質としては、無機固体電解質と有機固体電解質に分けられる。
【0115】
無機固体電解質には、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩などがよく知られている。なかでも、Li3 N、LiI、Li5 NI2 、Li3 N−LiI−LiOH、Li4 SiO4 、Li4 SiO4 −LiI−LiOH、xLi3 PO4 −(1−x)Li4 SiO4 、Li2 SiS3 、硫化リン化合物などが有効である。
【0116】
有機固体電解質では、ポリエチレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体あるいは該誘導体を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液の混合物、リン酸エステルポリマー、非プロトン性極性溶媒を含有させた高分子マトリックス材料が有効である。さらに、ポリアクリロニトリルを電解液に添加する方法もある。また、無機と有機固体電解質を併用する方法も知られている。
【0117】
また、放電や充放電特性を改良する目的で、他の化合物を電解質に添加しても良い。例えば、ピリジン、ピロリン、ピロール、トリフェニルアミン、フェニルカルバゾール、トリエチルフォスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N−置換オキサゾリジノンとN, N’−置換イミダリジノン、エチレングリコールジアルキルエーテル、第四級アンモニウム塩、ポリエチレングリコール、ピロール、2−メトキシエタノール、AlCl3 、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリエチレンホスホルアミド、トリアルキルホスフィン、モルホリン、カルボニル基を持つアリール化合物、12−クラウンー4のようなクラウンエーテル類、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと4−アルキルモルホリン、二環性の三級アミン、オイル、四級ホスホニウム塩、三級スルホニウム塩などを挙げることができる。特に好ましいのはトリフェニルアミン、フェニルカルバゾールを単独もしくは組み合わせて用いた場合である。
【0118】
また、電解液を不燃性にするために含ハロゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化塩化エチレンを電解液に含ませることができる。また、高温保存に適性をもたせるために電解液に炭酸ガスを含ませることができる。
【0119】
電解液は、水分及び遊離酸分をできるだけ含有しないことが望ましい。このため、電解液の原料は充分な脱水と精製をしたものが好ましい。また、電解液の調整は、露点がマイナス30℃以下の乾燥空気中もしくは不活性ガス中が好ましい。電解液中の水分及び遊離酸分の量は、0.1〜500ppm、より好ましくは0.2〜100ppmである。
【0120】
電解液は、全量を1回で注入してもよいが、2回以上に分けて注入することが好ましい。2回以上に分けて注入する場合、それぞれの液は同じ組成でも、違う組成(例えば、非水溶媒あるいは非水溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を注入した後、前記溶媒より粘度の高い非水溶媒あるいは非水溶媒にリチウム塩を溶解した溶液を注入)でも良い。また、電解液の注入時間の短縮等のために、電池缶を減圧したり、電池缶に遠心力や超音波をかけることを行ってもよい。
【0121】
電池缶および電池蓋は材質としてニッケルメッキを施した鉄鋼板、ステンレス鋼板(SUS304、SUS304L,SUS304N、SUS316、SUS316L、SUS430、SUS444等)、ニッケルメッキを施したステンレス鋼板(同上)、アルミニウムまたはその合金、ニッケル、チタン、銅であり、形状として、真円形筒状、楕円形筒状、正方形筒状、長方形筒状である。特に、外装缶が負極端子を兼ねる場合は、ステンレス鋼板、ニッケルメッキを施した鉄鋼板が好ましく、外装缶が正極端子を兼ねる場合は、ステンレス鋼板、アルミニウムまたはその合金が好ましい。電池缶の形状はボタン、コイン、シート、シリンダー、角などのいずれでも良い。
【0122】
電池缶の内圧上昇の対策として封口板に安全弁を用いることができる。この他、電池缶やガスケット等の部材に切り込みをいれる方法も利用することが出来る。この他、従来から知られている種々の安全素子(例えば、過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、PTC素子等)を備えつけても良い。
【0123】
リード板には、電気伝導性をもつ金属(例えば、鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウム等)やそれらの合金を用いることが出来る。電池蓋、電池缶、電極シート、リード板の溶接法は、公知の方法(例、直流又は交流の電気溶接、レーザー溶接、超音波溶接)を用いることが出来る。封口用シール剤は、アスファルト等の従来から知られている化合物や混合物を用いることが出来る。
【0124】
ガスケットは、材質として、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ポリアミドであり、耐有機溶媒性及び低水分透過性から、オレフィン系ポリマーが好ましく、特にプロピレン主体のポリマーが好ましい。さらに、プロピレンとエチレンのブロック共重合ポリマーであることが好ましい。
【0125】
電池は、前述の電極群を電池缶に挿入、電解質を注入、電池缶をかしめて封口した後、活性化前にエージングする。電解質の注入から、電池缶をかしめて封口するまでの工程を20℃以下で行うことが好ましい。
【0126】
以上のようにして組み立てられた電池は、エージング処理を施すのが好ましい。エージング処理には、前処理、活性化処理及び後処理などがあり、これにより高い充放電容量とサイクル性に優れた電池を製造することができる。前処理は、電極内のリチウムの分布を均一化するための処理で、例えば、リチウムの溶解制御、リチウムの分布を均一にするための温度制御、揺動及び/または回転処理、充放電の任意の組み合わせが行われる。活性化前のエージングは20℃以上、60℃以下の温度で、1日以上10日以下行うのが好ましい。活性化処理は電池本体の負極に対してリチウムを挿入させるための処理で、電池の実使用充電時(たとえば、端子電圧4.0V〜4.2V)のリチウム挿入量の50〜120%(たとえば、端子電圧で3.5V〜4.4V)を挿入するように充電するのが好ましい。後処理は活性化処理を十分にさせるための処理であり、電池反応を均一にするための保存処理と、判定のための充放電処理当があり、任意に組み合わせることができる。
【0127】
電池は必要に応じて外装材で被覆される。外装材としては、熱収縮チューブ、粘着テープ、金属フィルム、紙、布、塗料、プラスチックケース等がある。また、外装の少なくとも一部に熱で変色する部分を設け、使用中の熱履歴がわかるようにしても良い。
【0128】
電池は必要に応じて複数本を直列及び/または並列に組み電池パックに収納される。電池パックには正温度係数抵抗体、温度ヒューズ、ヒューズ及び/または電流遮断素子等の安全素子の他、安全回路(各電池及び/または組電池全体の電圧、温度、電流等をモニターし、必要なら電流を遮断する機能を有す回路)を設けても良い。また電池パックには、組電池全体の正極及び負極端子以外に、各電池の正極及び負極端子、組電池全体及び各電池の温度検出端子、組電池全体の電流検出端子等を外部端子として設けることもできる。また電池パックには、電圧変換回路(DC−DCコンバータ等)を内蔵しても良い。また各電池の接続は、リード板を溶接することで固定しても良いし、ソケット等で容易に着脱できるように固定しても良い。さらには、電池パックに電池残存容量、充電の有無、使用回数等の表示機能を設けても良い。
【0129】
電池は様々な機器に使用される。特に、ビデオムービー、モニター内蔵携帯型ビデオデッキ、モニター内蔵ムービーカメラ、デジタルカメラ、コンパクトカメラ、一眼レフカメラ、レンズ付きフィルム、ノート型パソコン、ノート型ワープロ、電子手帳、携帯電話、コードレス電話、ヒゲソリ、電動工具、電動ミキサー、自動車等に使用されることが好ましい。
【0130】
【実施例】
以下に具体例をあげ、本発明をさらに詳しく説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0131】
[正極合剤ペーストの作成]
炭酸リチウムと四酸化三コバルトを3:2のモル比で混合したものをアルミナるつぼに入れ、空気中、毎分2℃の昇温速度で750℃に昇温し4時間仮焼した後、さらに毎分2℃の昇温速度で900℃に昇温しその温度で8時間焼成し解砕し、正極活物質であるLiCoO2 を生成した。LiCoO2 は、中心粒子サイズ5μmの粉末50gを100mlの水に分散した時の分散液の電導度が0.6mS/m、pHが10.1、窒素吸着法による比表面積が0.42m2 /gであった。LiCoO2 を200gとアセチレンブラック7gとを、ホモジナイザーで混合し、続いて結着剤として、濃度2重量%のカルボキシメチルセルロース水溶液を90gを加え混練混合し、さらに水を70gと2−エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロニトリルの共重合体の水分散物(固形分濃度50重量%)を6g加え、ホモジナイザーで攪拌混合し、正極合剤ペーストを作成した。
【0132】
[負極合剤ペーストの作成]
負極活物質としてSnSi0.5 0.3 0.2 Cs0.05Al0.2 3.28を200g、導電剤(人造黒鉛)40gをホモジナイザーで混合し、さらに結着剤として濃度2重量%のカルボキシメチルセルロース水溶液100g、ポリフッ化ビニリデン10gとを加え混合したものと水100g加えさらに混練混合し、負極合剤ペーストを作成した。
【0133】
[負極保護層ペーストの作成]
アルミナ85g、人造黒鉛9gを濃度2重量%のカルボキシメチルセルロース水溶液300gに加え、混練混合し作成した。
【0134】
[正極および負極電極シートの作成]
上記で作成した正極合剤ペーストをブレードコーターで厚さ20μmの有孔性アルミニウム箔集電体の両面に、片側当たりの正極活物質換算の塗布量約240g/m2 で塗布し、乾燥した後、ローラープレス機で圧縮後のシートの厚みが170μmになるように圧縮成型した。その後、所定の大きさに裁断し、帯状の正極シートを作成した。さらにドライボックス(露点;−50℃以下の乾燥空気)中で遠赤外線ヒーターにて加熱し、電極温度約210℃で充分脱水乾燥し、正極シートを作成した。
【0135】
同様に、18μmの銅箔集電体の両面に、負極合剤ペーストと負極保護層ペーストを塗布した。この時、負極合剤ペーストが集電体側に、負極保護層ペーストが最上層になるように塗布した。片側当たりの負極材料換算の塗布量は約80g/m2 、保護層の固形分塗布量が15g/m2 で、ローラープレス機での圧縮後のシートの厚みが110μmである負極シートを作成した。
【0136】
この負極シートの両面に、又は片面にリチウム金属(純度99.8%)箔を必要に応じて貼り付けた。
【0137】
[電解液調製]
アルゴン雰囲気で、200ccの細口のポリプロピレン容器に65.3gの炭酸ジエチルをいれ、これに液温が30℃を越えないように注意しながら、22.2gの炭酸エチレンを少量ずつ溶解した。次に、0.4gのLiBF4 ,12.1gのLiPF6 を液温が30℃を越えないように注意しながら、それぞれ順番に、上記ポリプロピレン容器に少量ずつ溶解した。得られた電解液は比重1.135で無色透明の液体であった。水分は18ppm(京都電子製 商品名MKC−210型カールフィシャー水分測定装置で測定)、遊離酸分は24ppm(ブロムチモールブルーを指示薬とし、0.1規定NaOH水溶液を用いて中和滴定して測定)であった。
【0138】
[シリンダー電池の作成]
図3に示したようなシリンダー電池を作製した。正極シート3、微孔性ポリエチレンフィルム製セパレーター(宇部興産製、EF4500)4、負極シート2およびセパレーター4の順に積層し、これを渦巻き状に巻回した。この巻回体を負極端子を兼ねるニッケルメッキを施した鉄製の有底円筒型電池缶1に収納した後、電池缶内に上記電解液を注入し、正極端子を有する電池蓋13をガスケット7を介してかしめて円筒型電池を作成した。
【0139】
以上のような工程で作製した非水電解質リチウム二次電池の電位ムラを以下のような方法で測定した。
【0140】
〔電位ムラ測定方法〕
▲1▼ 測定する電池を4.1Vに充電する。
【0141】
▲2▼ 測定電池を分解し、正極シートと負極シートを別々にする。
【0142】
▲3▼ 東亜電波工業株式会社製インテリジェントレコーダーを電圧測定モードにし、負極測定時にはレンジを0−0.5Vに正極測定時にはレンジを4.0−4.5Vに設定し、片方の端子に導線を接続し、その先を負極シートのリード部分接続する。
【0143】
▲4▼ もう片方の端子にも導線を接続し、その先にみの虫クリップを取り付け、さらにその先端に金属リチウムの小片を取り付ける。
【0144】
▲5▼ 電極シートを平らに伸ばし、ポリエチレン等絶縁物の上に置き、その上にセパレータを電極シートがすべて覆いつくされるように置く。
【0145】
▲6▼ セパレータの上より電解液をスポイトで3ccほど垂らし万遍なく広げる。
【0146】
▲7▼ レコーダをスタートさせ、金属リチウム小片をセパレータ上に接触させつつ測定したい方向(長手方向、幅方向)に1mm/secほどのスピードでスキャンさせ、電位を測定する。
【0147】
(実施例1)
〔表1〕に示すサンプルNo.1〜12の12個の電池について上記の電位ムラ測定を行うと共に量産適性を調べ、その結果を〔表1〕に記した。
【0148】
【表1】

Figure 0004161400
【0149】
負極集電体(Cu箔)は、孔がないものより孔があるものの方が電位ムラが小さく好ましい。リチウムイオンは、負極集電体の孔を通り、負極の表面と裏面の間を自由に移動できるので、電位ムラが小さくなる。
【0150】
サンプルNo.1及び2は、Li片巾が4mmであり、Li片チップが10mmであるので、Li箔が負極合剤層の表面の40%(=4mm/10mm)を被覆している。サンプルNo.3及び4は、Li片巾が8mmであり、Li片チップが20mmであるので、Li箔が負極合剤層の表面の40%(=8mm/20mm)を被覆している。サンプルNo.5及び6は、Li片巾が8mmであり、Li片チップが10mmであるので、Li箔が負極合剤層の80%(=8mm/10mm)を被覆している。同様に、サンプルNo.7及び8は、Li箔が負極合剤層の80%(16mm/20mm)を被覆し、サンプルNo.9〜12は、Li箔が負極合剤層の100%を被覆している。Li箔が負極合剤層の80%以上を被覆しているものが、電位ムラが小さく、量産適性に優れている。
【0151】
Li箔の厚みは、サンプルNo.1〜8が45μmであり、サンプルNo.9〜12が36μmである。Li箔の厚み変動率は、サンプルNo.1〜10が15%であり、サンプルNo.11が5%であり、サンプルNo.12が25%である。Li箔の厚みが60μm以下、かつ厚み変動率が平均厚みに対して20%以下であるものが、好ましい。さらに、Li箔の厚みが10〜40μm、かつ厚み変動率が10%以下のものが、より好ましい。
【0152】
Li箔は、負極の両面に貼るよりも、片面に貼る方が量産適性に優れ、好ましい。
【0153】
(実施例2)
〔表2〕に示すサンプルNo.1〜8の8個の電池について上記の電位ムラ測定を行うと共に、負極をスリットする工程において発生する屑の量の度合いを調べた。サンプルNo.1〜8は、負極集電体(Cu箔)の孔の開口率及び孔の大きさが異なる。負極の片面の表面には、36μm厚のLi箔を全面に貼り付けた。
【0154】
【表2】
Figure 0004161400
【0155】
負極集電体(Cu箔)の孔の開口率が0.1%以上、10%以下であり、孔の大きさが1×10-7cm2 以上、1×10-2cm2 のものが、電位ムラが小さく、スリット工程時の屑の発生が少ないので好ましい。
【0156】
(実施例3)
以下のサンプルNo.1〜4の4個の電池を作成した。各電池の負極集電体(Cu箔)は孔を有し、その孔の開口率は5%であり、孔の大きさは0.001cm2 である。負極の片面には、原則として36μm厚のLi箔を全面に貼った。全ての電池は、巻回群の最外周がセパレータで覆われている。
【0157】
サンプルNo.1:負極は、表裏面とも同じ長さの負極合剤を塗設した。巻回した時に最外周は正極合剤層よりもさらに外側に負極合剤層があり、かつ最内周は正極合剤層よりもさらに内側に負極合剤層があるように巻いた。Li箔は、負極の外面のみに全面貼りした。
【0158】
サンプルNo.2:サンプルNo.1と同様に作った。ただし、図2に示すように、負極の最外周は内側にのみ負極合剤層を塗設し、負極の最内周は、外側にのみ負極合剤層を塗設し、かつその部分にはLi箔の貼り付け量を半分にした。すなわち、その部分には負極集電体上に4mm巾のLi片を8mmピッチで貼り付けた。
【0159】
サンプルNo.3:負極は、表裏面とも同じ長さの負極合剤を塗設した。巻回した時に最外周は負極合剤層よりもさらに外側に正極合剤層があり、かつ最内周は負極合剤層よりもさらに内側に正極合剤層があるように巻いた。正極のその最外周部分は、内面にのみ正極合剤層を塗設し、かつ正極の最内周部分は外面のみに正極合剤層を塗設した。Li箔は、負極の外面にのみ負極合剤層の全長に渡り全面貼りした。
【0160】
サンプルNo.4:サンプルNo.3と同様に作成した。ただし、Li箔は負極の内面にのみ全面貼りした。
【0161】
〔表3〕に示す活性化前のエージング条件により、サンプルNo.1〜4をエージング処理(前処理、活性活処理、後処理を含む)し、負極内にリチウムを拡散させた。〔表3〕に、その時に、Li箔が溶解せずに残った程度及びサイクル寿命を調べた結果を示す。サイクル寿命は、500サイクルの充放電後の容量維持率を表す。
【0162】
【表3】
Figure 0004161400
【0163】
サンプルNo.1よりもサンプルNo.2の方がサイクル寿命が長い。サンプルNo.1は、最外周の負極両面に負極合剤層が設けられている。その外側面の負極合剤層は、正極が対向していないので、その部分で無駄なエネルギが放出され、サイクル寿命が短くなる。サンプルNo.2は、正極が対向しない負極の部分には負極合剤層を設けないので、充放電の効率が高くなり、サイクル寿命が長くなる。その部分では、負極集電体の片面にのみ負極合剤層が設けられているので、両面に負極合剤層が設けられている部分に比べ、Li箔の量は半分でよい。負極集電体上のLi箔は、集電体の孔を通り、逆側の面の負極合剤層に拡散する。
【0164】
サンプルNo.3及び4を同条件でエージングした場合、サンプルNo.3よりもサンプルNo.4の方がLi箔の溶解残りが小さく、サイクル寿命が長い。すなわち、Li箔は、電極(好ましくは負極)の外面に貼るのが好ましい。
【0165】
サンプルNo.3において、活性化前のエージング条件は、50℃14日よりも50℃7日の方がサイクル寿命が長い。活性化前のエージング条件は、20℃以上、60℃以下の温度、1日以上10日以下の時間が好ましい。
【0166】
【発明の効果】
本発明によれば、有孔集電体の両面に合剤層を設けることにより、正極又は負極を形成する。有孔集電体の孔を通って、両面の合剤層の間をリチウムイオンが移動することができるので、電位ムラが小さく、電池の性能が向上する。
【0167】
また、有孔集電体を有する負極又は正極の少なくとも片面の表面にリチウム金属箔を圧着することにより、リチウムは集電体の孔を通って集電体の両面の合剤層に拡散可能である。必ずしも、負極又は正極の両面にリチウム金属箔を圧着する必要はない。リチウム合剤層に拡散させることにより、合剤層が活性化する。
【図面の簡単な説明】
【図1】巻回前の巻回電極群の断面図である。
【図2】巻回電極群の上面図である。
【図3】円筒型電池の断面図である。
【符号の説明】
1 電池缶
2 負極
3 正極
4 セパレータ
5 下部絶縁板
6 上部絶縁板
7 ガスケット
8 正極リード
9 防爆弁体
10 電流遮断スイッチ
10a 第一導通体
10b 第二導通体
10c 絶縁リング
11 PTCリング
13 端子キャップ
15 溶接プレート
16 絶縁カバー
20 巻芯
21、22 セパレータ
23 正極集電体
24 正極リード
26 負極集電体
27 負極合剤
30 絶縁性材料
35 正極シート
36 負極シート
53 リチウム箔
54a、54b 孔
60n 負極
60p 正極
61n 負極集電体
61p 正極集電体
62n 内側面の負極合剤
62p 内側面の正極合剤
63n 外側面の負極合剤
63p 外側面の正極合剤[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonaqueous electrolyte lithium secondary battery having a high discharge capacity and easy to manufacture.
[0002]
[Prior art]
Lithium secondary batteries that use lithium and lithium alloys as the negative electrode active material have the advantage that the negative electrode has a high capacity density, but there are safety issues due to the deposition of metallic lithium (dendritic generation) and the cycle life is reduced due to this. Is a practical obstacle. In order to improve this, various carbonaceous materials and metal oxide materials have been developed as materials for reversibly intercalating (inserting and releasing) lithium into the negative electrode in the ionic state, and also reversibly inserting and releasing lithium ions. A so-called rocking chair type lithium ion secondary battery has been developed by combining a lithium-containing oxide capable of being used with a positive electrode active material, and is currently mass-produced as a general-purpose 4V class secondary battery.
[0003]
However, it is known that carbonaceous materials and metal oxide materials used for the negative electrode have irreversibility that the entire amount of inserted lithium is not released. For this reason, development of a material with low irreversibility, synthesis | combination of the material which inserted a small amount of lithium previously, etc. are tried. In addition, International Publication No. WO96 / 27910 describes using an electrode in which a thin film of metallic lithium is pasted on an electrode mixture in a strip shape. However, with this method, the load on the process of cutting or pasting the lithium foil into strips is large, and the lithium is in contact with the electrolyte and dissolves in the part where the lithium is pasted and the part where it is not pasted. There are problems such as variations in the distribution of lithium ions occluded in the electrode material.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery that is suitable for production and solves the above-described problems. Another object of the present invention is to provide a high capacity non-aqueous electrolyte lithium secondary battery excellent in discharge capacity.
[0005]
  In the non-aqueous electrolyte lithium secondary battery including a positive electrode and a negative electrode each having a mixture layer on both sides of the current collector, and a non-aqueous electrolyte, the above-described problems are solved.ButA perforated current collector having one or more holes communicating with the front and back surfaces thereof, and on the perforated current collectorNegativeOf the mixture layerOne side outside the winding groupLithium metal foil is crimped on the surfaceAnd the size of one hole of the perforated current collector is 1 × 10 -7 cm 2 1 × 10 -2 cm 2 IsThis has been solved by a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Although the preferable form of this invention is enumerated below, this invention is not limited to these.
[0007]
(1) In a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery that includes a positive electrode and a negative electrode each having a mixture layer on both sides of the current collector and a non-aqueous electrolyte, at least one of the current collectors of the positive electrode and the negative electrode has its front and back surfaces It is a perforated current collector having one or a plurality of holes communicating with each other, and a lithium metal foil is pressure-bonded to at least one surface of a mixture layer on both sides of the perforated current collector A non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.
[0008]
(2) The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to item 1, wherein the aperture ratio of the holes of the perforated current collector is 0.1% or more and 10% or less.
[0009]
(3) The size of one hole of the perforated current collector is 1 × 10-7cm2 1 × 10-2cm2 Item 3. The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to Item 1 or 2, wherein:
[0010]
(4) The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to any one of (1) to (3), wherein the hole of the perforated current collector is a through hole.
[0011]
(5) The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to any one of items 1 to 4, wherein the lithium metal foil is pressure-bonded on one side of the mixture layer on the perforated current collector .
[0012]
(6) The pressed lithium metal foil covers 80% or more of the surface of the mixture layer on the surface where the pressed lithium metal foil is present. Non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.
[0013]
(7) The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to any one of Items 1 to 6, wherein the thickness of the lithium metal foil is 60 μm or less and the thickness variation rate is 20% or less with respect to the average thickness. .
[0014]
(8) The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to any one of Items 1 to 7, wherein the electrode to which the lithium metal foil is pressure-bonded is a negative electrode.
[0015]
(9) The mixture application amount of the negative electrode portion having the opposite positive electrode on only one side is a times the mixture application amount of the negative electrode portion having the opposite positive electrode on both surfaces (where 0.3 <a <0.7), The non-aqueous electrolyte lithium secondary battery according to Item 8, wherein the pressure-bonding amount of the lithium is 0.8 × a to 1.1 × a times.
[0016]
(10) The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to any one of (1) to (9), wherein the negative electrode includes a composite oxide containing at least one kind of tin.
[0017]
(11) A non-aqueous electrolyte comprising a wound electrode group formed by laminating and winding the electrode according to any one of Items 1 to 10 and a separator, and then inserting the wound electrode group into a battery can. A method for producing a lithium secondary battery.
[0018]
(12) The method for producing a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery according to item 11, wherein in the wound electrode group, the lithium metal foil is pressure-bonded on the outer surface of the negative electrode.
[0019]
(13) The electrode having the mixture layer on the innermost circumference and the outermost circumference of the wound electrode group is a negative electrode, and the negative electrode in the innermost circumference and the outermost circumference portion has the mixture layer only on one side. Item 13. The method for producing a nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to Item 11 or 12.
[0020]
(14) The steps 11 to 13 are characterized in that, after the wound electrode group is inserted into the battery can, the steps from injection of the electrolyte into the battery can until the battery can is crimped and sealed are performed at 20 ° C. or less. The manufacturing method of the nonaqueous electrolyte lithium secondary battery in any one of.
[0021]
(15) The wound electrode group is inserted into a battery can, an electrolyte is injected into the battery can, the battery can is crimped and sealed, and then aged before activation. Of manufacturing a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery.
[0022]
(16) The method for producing a nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to item 15, wherein the aging before activation is performed at a temperature of 20 ° C. or more and 60 ° C. or less for 1 day or more and 10 days or less.
[0023]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The battery according to the present embodiment has a positive electrode, a negative electrode, and a separator formed by applying an electrode mixture on both surfaces of a current collector, which will be described in detail below. The rotated electrode group is inserted into a battery can, and an electrolyte is injected into the battery can, then sealed, and appropriately aged to produce. The form of the battery may be any of a so-called square shape, cylindrical shape, and sheet shape.
[0024]
FIG. 1 is a side view of an electrode group before winding.
The core 20 has a diameter of, for example, 3.5 mm, and is sandwiched so that the vicinity of one end of the two sheet-like insulating separators 21 and 22 is folded. The positive electrode current collector 23 has a thin positive electrode mixture layer 44a applied to the upper surface (inner peripheral surface) and a thick positive electrode mixture layer 44b applied to the lower surface (outer peripheral surface). The positive electrode mixture is not applied. The positive electrode lead 24 is bonded to a portion on the positive electrode current collector 23 where the positive electrode mixture is not applied. In the negative electrode current collector 26, a thin negative electrode mixture layer 27a is applied to the upper surface, and a thick negative electrode mixture layer 27b is applied to the lower surface, and the negative electrode mixture is not applied to both surfaces near the tip CT. The positive electrode mixture layer 44a is displaced from the positive electrode mixture layer 44b by a length L1 outside the winding (right side in the figure), and the negative electrode mixture layer 27a is a length L1 outside the winding from the negative electrode mixture layer 44b. It is only shifted.
[0025]
The positive electrode current collector 23 and the negative electrode current collector 26 have a large number of holes 54a and 54b, respectively. In the lithium secondary battery, lithium ions can freely move between the negative electrode mixture 27 a on the upper surface and the negative electrode mixture 27 b on the lower surface through the holes 54 b of the negative electrode current collector 26. Similarly, in the positive electrode 35, lithium ions can move between the positive electrode mixture 44a and 44b through the hole 54a. By providing the holes 54a and 54b in the current collectors 23 and 26, lithium ions can pass through the current collectors 23 and 26, so that the potential unevenness of the positive electrode 35 and the negative electrode 36 is reduced, and the performance of the battery is improved. The current collector holes 54a and 54b may be one or plural, but many are preferable.
[0026]
In order to activate the negative electrode mixture 27a, 27b, it is necessary to preliminarily insert Li into the negative electrode mixture 27a, 27b. Therefore, the Li foil 53 is attached to the surface of the negative electrode mixture on the lower surface (outer peripheral surface). Thereafter, the electrode is wound around the winding core 20 to create a wound electrode group, the wound electrode group is inserted into the battery can, the electrolyte is injected into the electrode can, the battery can is sealed, and then aged. . By this aging treatment, the Li foil 53 diffuses into the mixture 27b on the lower surface, and further passes through the holes 54b of the current collector and diffuses into the negative electrode mixture 27a on the upper surface.
[0027]
When there is no hole in the current collector 26, the Li foil 53 diffuses only in the negative electrode mixture 27b on the lower surface, and the Li foil does not diffuse in the negative electrode mixture 27a on the upper surface. In that case, it is necessary to provide Li foil not only on the negative electrode mixture 27b on the lower surface but also on the negative electrode mixture 27a on the upper surface.
[0028]
Even when the current collector 26 has holes 54b, Li foil may be provided on the negative electrode mixtures 27a and 27b on both sides. However, for mass production, it is more costly and work to provide Li foil only on one side. It is advantageous in terms of time. The Li foil may be provided on one of the surfaces of the negative electrode mixture 27a and 27b. However, it is preferable to provide the negative electrode mixture 27b on the outer peripheral surface because the Li foil is easily melted during aging as compared with the case of providing the negative electrode mixture 27a on the inner peripheral surface.
[0029]
The Li foil may be provided on the surface of the positive electrode mixture.
As a material for the current collector, the positive electrode is preferably aluminum, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof, and the negative electrode is preferably copper, stainless steel, nickel, titanium, or an alloy thereof. It is particularly preferable to use an aluminum foil for the positive electrode and a copper foil for the negative electrode.
[0030]
The shape of the current collector may be a perforated foil or an expanded metal, or a foamed metal, a porous foamed metal, or about 1 to 20 μm described in JP-A-59-18578, 61-74268, etc. It may be a metal fiber sheet made of metal fiber or a wire mesh.
[0031]
The aperture of the perforated current collector has an opening ratio of preferably 0.1% to 10%, particularly preferably 1% to 10%. The hole size of the perforated current collector is 1 × 10-7cm2 1 × 10-2cm2 The following is preferred: 3 × 10-6cm2 2 × 10-3cm2 The following are particularly preferred:
[0032]
It is necessary that the holes communicate with the front and back surfaces of the current collector so that lithium ions can permeate (pass). The communicating hole means a hole through which lithium ions can pass, and includes not only a straight through hole but also a hole connected in a maze shape. Particularly preferred is the case where the holes penetrate the current collector so that lithium ions can pass through the current collector in a short time.
[0033]
The positive electrode current collector 23 is wound between the core 20 and the separator 21. The negative electrode current collector 26 is wound between the two separators 21 and 22. A part 51 of the positive electrode current collector 23 is a part of the positive electrode current collector 23 where the tip CT of the negative electrode current collector 26 faces with the separator 21 in between. In the portion 51, the positive electrode lead 24 is bonded to the surface of the positive electrode current collector 23 on the core 20 side. That is, the portion of the positive electrode current collector 23 where the positive electrode lead 24 is bonded faces the end portion of the tip CT of the negative electrode current collector 26 with the separator 21 in between.
[0034]
When the positive electrode lead 24 is joined to the positive electrode current collector 23, burrs are generated, and the separator 21 facing the positive electrode lead 24 may be damaged. For example, the thickness of the separator 21 is 1 to 20 μm, and the thickness of the positive electrode current collector 23 is 2 to 15 μm. If the separator 21 is damaged at that portion, the positive electrode current collector 23 and the negative electrode current collector 26 are short-circuited. In order to avoid such a short circuit, the following measures are taken.
[0035]
A part 52 of the negative electrode current collector 26 is a peripheral portion of the tip CT of the negative electrode sheet 36 facing the portion of the positive electrode current collector 23 to which the positive electrode lead 24 is bonded with the separator 21 interposed therebetween. The surface (surface) of the portion 52 is covered with the insulating material 30. You may coat | cover an insulating material so that the surface and back surface of the peripheral part of the said CT may be covered. The insulating material 30 is preferably provided on the exposed portion of the negative electrode current collector 26, but the negative electrode mixture may be provided up to the tip CT of the negative electrode current collector 26 and the insulating material may be provided on the negative electrode mixture. In order to cover with an insulating material, a resin may be applied or an insulating tape may be attached. The insulating material is preferably an adhesive insulating tape.
[0036]
If the negative electrode current collector 26 is covered with the insulating material 30, even if the burr of the positive electrode lead 24 penetrates the separator 21, it is protected by the insulating material 30. Since the contact between the burr of the positive electrode lead 24 and the negative electrode current collector 26 can be avoided, a short circuit between the positive electrode 35 and the negative electrode 36 can be prevented. Further, even if creases occur in the negative electrode current collector 26 during winding, the ole portion is protected by the insulating material, so that an internal short circuit can be prevented.
[0037]
The positive electrode sheet 35 and the negative electrode sheet 36 are wound by a winding machine with the separators 21 and 22 interposed therebetween. Since the electrode sheet is gradually thickened in three stages, it is easy to wind and an electrode winding group with high roundness can be created. Furthermore, since the electrode mixture 44a or 27a on the upper surface is thinner than the electrode mixture 44b or 27b on the lower surface of the electrode sheet, it is easy to wind and a winding group with high roundness can be created. Thereby, the electrode sheet is cut at the time of winding, or a winding group with low roundness is created, and the inconvenience that the winding group cannot be inserted into the battery can can be prevented.
[0038]
In the electrode having a perforated current collector, a lithium metal foil is preferably pressure-bonded to at least one side of a mixture layer formed on both surfaces of the perforated current collector. The coating amount of the lithium metal foil on the mixture layer is preferably 80% or more of the surface of the mixture layer on the side (surface) where the pressed lithium metal is present. The thickness of the covering lithium metal foil is preferably 60 μm or less and the thickness variation rate is 20% or less with respect to the average thickness. Particularly preferred is a lithium metal foil having a thickness of 10 to 40 μm and a thickness fluctuation rate of 10% or less.
[0039]
The electrode to which the lithium metal foil is pressure bonded is preferably a negative electrode. When the electrode group is a wound electrode group, the surface to which the lithium metal foil is crimped is preferably the outer surface of the negative electrode. When the outermost peripheral electrode of the laminated electrode group or the wound electrode group is a negative electrode, the outer peripheral side mixture layer of this negative electrode does not have an opposing positive electrode, so the amount of lithium metal foil to be crimped to the outer peripheral layer is adjusted. It is preferable to do. When the amount of the mixture applied to the negative electrode portion having the opposite positive electrode only on one side is a times the amount of the mixture applied to the negative electrode portion having the opposite positive electrode on both sides, the pressure bonding amount of the lithium is 0.8 × a times to 1.1 × a times, where a satisfies the relationship of 0.3 <a <0.7. More preferable a is 0.4 <a <0.6.
[0040]
FIG. 2 shows a wound electrode group in which an electrode having a mixture on the outermost periphery and innermost periphery is a negative electrode. The positive electrode 60p has a positive electrode mixture 62p on the inner surface of the current collector 61p and a positive electrode mixture 63p on the outer peripheral surface. The negative electrode 60n has a negative electrode mixture 62n on the inner surface of the current collector 61n, and a negative electrode mixture 63n on the outer surface, except for the outermost periphery and the innermost periphery. In this wound electrode group, the outermost periphery is the negative electrode 60n and the innermost periphery is also the negative electrode 60n.
[0041]
In the outermost negative electrode 60n, the positive electrode 60p is opposed to the inner side, but the positive electrode 60p is not opposed to the outer side. In the outermost negative electrode current collector 61n, the negative electrode mixture 62n is provided only on the inner surface facing the positive electrode 60p, and the negative electrode mixture is not provided on the outer surface where the positive electrode 60p is not opposed. Even in the outermost negative electrode 60n, if a negative electrode mixture is provided on both sides of the current collector 61n, the negative electrode mixture on the outer surface is not opposed to the positive electrode 60p, and wasteful energy is released therefrom. The cycle life of the battery will be shortened. As shown in FIG. 2, in the outermost negative electrode 60n, by providing the negative electrode mixture 62n only on the inner surface, the charge / discharge efficiency can be improved and the cycle life can be extended.
[0042]
In the innermost negative electrode 60n, the mixture layer of the positive electrode 60p is opposed to the outer side (electrode group side), but the mixture layer of the positive electrode 60p is not opposed to the inner side (center cavity side). In the innermost negative electrode 60n, the negative electrode mixture 63n is provided only on the outer surface where the mixture layer of the positive electrode 60p faces, and the negative electrode mixture is not provided on the inner surface where the mixture layer of the positive electrode 60p does not face. For the same reason as described above, the cycle life of the battery can be extended.
[0043]
As described above, in order to preliminarily insert lithium into the negative electrode mixture, it is preferable to press-bond lithium foil to the outer surface of the negative electrode. The innermost and outermost negative electrode parts PA have a negative electrode mixture only on one side, and the other negative electrode part (the negative electrode part in the central part) PB has a negative electrode mixture on both sides. The amount of the negative electrode mixture in the innermost and outermost negative electrode portion PA is about ½ of the amount of the negative electrode mixture in the negative electrode portion PB in the center. The amount of the lithium foil to be pressure-bonded is preferably proportional to the amount of the negative electrode mixture. Therefore, it is preferable that the amount of the lithium foil to be crimped to the innermost and outermost negative electrode portions PA is about ½ of the amount of the lithium foil to be crimped to the central negative electrode portion PB. For example, a lithium foil having a predetermined thickness is pressure-bonded to the entire negative electrode portion PB at the center, and lithium foils having the same thickness are selectively disposed on the innermost and outermost negative electrode portions PA (for example, dotted). Or a foil having a thickness of about ½ may be applied.
[0044]
In the outermost negative electrode portion, a lithium foil is pressure-bonded onto the current collector 61n. Since the current collector 61n has holes, lithium diffuses into the negative electrode mixture 62n on the inner surface through the holes due to the aging treatment. Similarly, in the negative electrode portion PB in the central portion, lithium first diffuses into the negative electrode mixture 63n on the outer surface, and then diffuses into the negative electrode mixture 62n on the inner surface through the holes of the current collector 61n.
[0045]
When the innermost and outermost electrodes of the wound electrode group are positive electrodes, the innermost and outermost positive electrodes preferably have a mixture layer only on one side.
[0046]
The thickness of the lithium foil to be bonded to the negative electrode can be determined by the amount of lithium inserted into the negative electrode. When lithium is used as the counter electrode, the negative electrode can be inserted up to 0.01 V. However, in this embodiment, lithium is partially inserted to compensate for the irreversible capacity of the negative electrode material. And a method in which the negative electrode is inserted up to 0.3 V when lithium is used as a counter electrode is used.
[0047]
The lithium metal foil preferably has a purity of 90% by weight or more, particularly preferably 98% by weight or more. As the overlapping pattern of lithium on the negative electrode sheet, it is preferable to superimpose on the entire surface of the sheet, but since lithium preliminarily inserted into the negative electrode material gradually diffuses into the negative electrode material by aging, it is not a full sheet, but a stripe, frame shape Any of the disk-like partial overlaps may be used. The term “overlay” as used herein means that the lithium metal foil is pressure-bonded directly on the negative electrode mixture layer or on a sheet having an auxiliary layer described below.
[0048]
The handling atmosphere such as cutting and sticking of the metal foil mainly composed of lithium is preferably a dry air or argon gas atmosphere having a dew point of −30 ° C. or lower and −80 ° C. or higher. In the case of dry air, a dew point of −40 ° C. or lower and −80 ° C. or higher is more preferable. Carbon dioxide gas may be used in combination during handling. Particularly in the case of an argon gas atmosphere, it is preferable to use carbon dioxide in combination.
[0049]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a cylinder type battery. The battery shape can be applied to both cylinders and corners. A cylindrical battery can be manufactured by making the winding core into a cylinder shape, and a rectangular battery can be manufactured by making the winding core into a square shape. The battery is formed by inserting the positive electrode sheet 3 and the negative electrode sheet 2 wound together with the separator 4 into the battery can 1, electrically connecting the battery can 1 and the negative electrode sheet 2, and injecting and sealing the electrolyte. The terminal cap 13 also serves as a positive electrode terminal and is fitted into the upper opening of the battery can 1 via the gasket 7. The positive electrode sheet 3 is electrically connected to the terminal cap 13 via a positive electrode lead 8, a welding plate 15, an explosion-proof valve body 9, a current cutoff switch 10, and a positive temperature coefficient resistance (hereinafter referred to as PTC) ring 11.
[0050]
In the sealing body, the terminal cap 13, the PTC ring 11, the current cutoff switch 10, and the explosion-proof valve body 9 are stacked in order from the top, and are fitted and supported by the gasket 7. The terminal cap 13 is a surface exposed portion of the battery, and the explosion-proof valve body 9 is inside the battery. The insulating cover 16 covers the upper surface of the explosion-proof valve body 9. The current cutoff switch 10 includes a first conductive body 10a, a second conductive body 10b, and an insulating ring 10c.
[0051]
The electrode group is obtained by winding the positive electrode sheet 3 and the negative electrode sheet 2 with the separator 4 interposed therebetween. The upper insulating plate 6 is disposed between the electrode group and the explosion-proof valve body 9. The upper insulating plate 6 insulates the electrode group and the sealing body, and insulates the electrode group and the battery can 1. A lower insulating plate 5 is disposed between the electrode group and the battery can 1 to insulate the electrode group from the battery can 1.
[0052]
The PTC ring 11 has a function of cutting off current by increasing resistance when the temperature inside the battery rises. The current cutoff switch 10 is a laminated structure of a first conducting body 10a, an insulating ring 10c, and a second conducting body 10b. The first conducting body 10a is disposed on the explosion-proof valve body 9 side and has a through hole. The conductive body 10b is arranged on the PTC ring 11 side, that is, the terminal cap 13 side, and has a structure having a through hole. The first conductor 10a and the second conductor 10b are electrically connected at the center, and have a thin portion around the connection portion of the first conductor 10a. The explosion-proof valve body 9 can be deformed to the side opposite to the electrode group side when the internal pressure is increased, and may be anything that can push up the central connection portion of the first conductive body 10a. When the internal pressure rises due to an abnormal reaction in the battery, the explosion-proof valve body 9 is deformed to break the connecting portion between the first conducting body 10a and the second conducting body 10b of the current cutoff switch 10 to cut off the current. If it increases, the thin part of the explosion-proof valve body 9 is destroyed and the pressure is released. At this time, since the current cut-off switch 10 is arranged on the side opposite to the electrode group side of the explosion-proof valve body 9, even if a spark occurs in the cut-off portion, the battery is prevented from rupture due to ignition of the electrolyte vapor. Is done.
[0053]
The positive electrode (or negative electrode) can be prepared by coating and molding a positive electrode mixture (or negative electrode mixture) on a current collector. The positive electrode mixture (or negative electrode mixture) includes a positive electrode active material (or negative electrode material), a conductive agent, a binder, a dispersant, a filler, an ionic conductive agent, a pressure enhancer, and various additives. it can. These electrodes may be disk-shaped or plate-shaped, but are preferably in the form of a flexible sheet.
[0054]
The material used for an electrode mixture is demonstrated below.
The positive electrode active material is preferably a lithium-containing transition metal oxide. The lithium-containing transition metal oxide is an oxide mainly containing at least one transition metal element selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, and W and lithium, This is a compound having a transition metal molar ratio of 0.3 to 2.2.
[0055]
More preferably, the oxide mainly contains at least one transition metal element selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni and lithium, and the molar ratio of lithium to transition metal is 0.3 to 0.3. It is the compound of 2.2. In addition, Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Si, P, B, or the like may be contained within a range of less than 30 mole percent with respect to the transition metal present mainly.
[0056]
More preferred lithium-containing transition metal oxides are LixCoO2 , LixNiO2 , LixMnO2 , LixCoaNi1-aO2 , LixCobV1-bOz, LixCobFe1-bO2 , LixMn2 OFour , LixMncCo2-cOFour , LixMncNi2-cOFour , LixMncV2-cOFour , LixMncFe2-cOFour (Where x = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.8 to 0.98, c = 1.6 to 1.96, z = 2.1-2. .3).
[0057]
The most preferred lithium-containing transition metal oxide is LixCoO2 , LixNiO2 , LixMnO2 , LixCoaNi1-aO2 , LixMn2 OFour , LixCobV1-bOz(X = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.9 to 0.98, z = 2.01 to 2.3). In addition, the value of x is a value before the start of charging / discharging, and increases / decreases by charging / discharging.
[0058]
The positive electrode active material can be synthesized by a method in which a lithium compound and a transition metal compound are mixed and fired, or by a solution reaction, and the firing method is particularly preferable.
[0059]
Details for firing are described in paragraph 35 of JP-A-6-60,867, JP-A-7-14,579, and the like, and these methods can be used. The positive electrode active material obtained by firing may be used after being washed with water, an acidic aqueous solution, an alkaline aqueous solution, or an organic solvent.
[0060]
Furthermore, as a method of chemically inserting lithium ions into the transition metal oxide, a method of synthesis by reacting lithium metal, a lithium alloy or butyl lithium with a transition metal oxide may be used.
[0061]
Although the average particle size of a positive electrode active material is not specifically limited, 0.1-50 micrometers is preferable. The volume of particles of 0.5 to 30 μm is preferably 95% or more. More preferably, the volume occupied by a particle group having a particle size of 3 μm or less is 18% or less of the total volume, and the volume occupied by a particle group of 15 μm or more and 25 μm or less is 18% or less of the total volume. Although it does not specifically limit as a specific surface area, it is 0.01-50m in BET method2/ G is preferred, especially 0.2 m2 / G-1m2 / G is preferred. The pH of the supernatant when 5 g of the positive electrode active material is dissolved in 100 ml of distilled water is preferably 7 or more and 12 or less.
[0062]
When the positive electrode active material is obtained by firing, the firing temperature is preferably 500 to 1500 ° C, more preferably 700 to 1200 ° C, and particularly preferably 750 to 1000 ° C. The firing time is preferably 4 to 30 hours, more preferably 6 to 20 hours, and particularly preferably 6 to 15 hours.
[0063]
The negative electrode material may be any compound that can occlude and release lithium ions. Examples of such negative electrode materials include metallic lithium, lithium alloys, carbonaceous compounds, inorganic oxides, inorganic chalcogen compounds, metal complexes, and organic polymer compounds. These may be used alone or in combination. Among these negative electrode materials, carbonaceous materials, metal or metalloid oxides, and chalcogens are preferable.
[0064]
One of the negative electrode materials is a carbonaceous material capable of occluding and releasing lithium. The carbonaceous material is a material substantially made of carbon. Examples thereof include carbonaceous materials obtained by baking various synthetic resins such as artificial pitches such as petroleum pitch, natural graphite, and vapor-grown graphite, and PAN-based resins and furfuryl alcohol resins. Further, various carbon fibers such as PAN-based carbon fiber, cellulose-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, dehydrated PVA-based carbon fiber, lignin carbon fiber, glassy carbon fiber, activated carbon fiber, and mesophase Examples thereof include microspheres, graphite whiskers, and flat graphite.
[0065]
These carbonaceous materials can be divided into non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials depending on the degree of graphitization. Further, the carbonaceous material preferably has the surface spacing, density, and crystallite size described in JP-A-62-122066, JP-A-2-66856, and JP-A-3-245473.
[0066]
The carbonaceous material does not need to be a single material, and a mixture of natural graphite and artificial graphite described in JP-A-5-290844, graphite having a coating layer described in JP-A-6-84516, or the like is used. You can also.
[0067]
Another negative electrode material, an oxide or chalcogen compound of a metal or metalloid element, is a compound composed of periodic groups 13, 14, and 15 atoms and oxygen or chalcogen group atoms.
[0068]
As the negative electrode material, an amorphous chalcogen compound or an amorphous oxide mainly containing three or more kinds of atoms selected from Group 1, 2, 13, 14, and 15 atoms of the periodic table is particularly preferably used. The term “amorphous” as used herein refers to an X-ray diffraction method using CuKα rays, which has a broad scattering band having an apex from 20 ° to 40 ° as a 2θ value, and has a crystalline diffraction line. Also good.
[0069]
Preferably, the strongest intensity of the crystalline diffraction lines seen at 2θ values of 40 ° or more and 70 ° or less is 500 of diffraction line intensities at the apexes of broad scattering bands seen at 20 ° or more and 40 ° or less of 2θ values. It is preferably not more than twice, more preferably not more than 100 times, particularly preferably not more than 5 times, and most preferably not having a crystalline diffraction line.
[0070]
The above chalcogen compound and oxide are composite chalcogen compounds mainly composed of two or more elements of B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, P, As, Sb, and Bi, A composite oxide is more preferable. Particularly preferred are complex chalcogen compounds or oxides mainly composed of two or more elements of B, Al, Si, Ge, Sn, and P. These composite chalcogen compounds and composite oxides mainly contain at least one element selected from elements of Groups 1 to 2 of the periodic table in order to modify the amorphous structure.
[0071]
Among the above negative electrode materials, an amorphous composite oxide mainly composed of Sn is preferable, and is represented by the following general formula (1).
[0072]
General formula (1) SnMThree cMFour dOt
Where MThree Is at least one of Al, B, P, Si, Ge, and MFour Represents at least one of group 1 element and group 2 element in the periodic table, c is a number of 0.2 or more and 2 or less, d is a number of 0.01 or more and 1 or less, and 0.2 <c + d <2, t represents a number from 1 to 6.
[0073]
As the amorphous composite oxide, either a firing method or a solution method can be adopted, but the firing method is more preferable. In the firing method, it is preferable to obtain an amorphous composite oxide by thoroughly mixing oxides or compounds of the elements described in the general formula (1) and then firing.
[0074]
As firing conditions, the temperature rise rate is preferably 5 ° C. or more and 200 ° C. or less per minute, the firing temperature is preferably 500 ° C. or more and 1500 ° C. or less, and the firing time is 1 hour. It is preferable that it is 100 hours or less. In addition, the cooling rate is 2 ° C. or more per minute and 107 It is preferable that it is below ℃.
[0075]
The rate of temperature increase in this specification is the average rate of temperature rise from “50% of the firing temperature (indicated in ° C.)” to “80% of temperature in the displayed (° C.)”. Is the average rate of temperature drop from reaching “80% of the firing temperature (indicated in degrees Celsius)” to “50% of firing temperature (indicated in degrees Celsius)”.
[0076]
The temperature drop may be cooled in a firing furnace or taken out of the firing furnace and may be cooled, for example, in water. In addition, a super rapid cooling method such as a gun method, a Hammer-Anvil method, a slap method, a gas atomization method, a plasma spray method, a centrifugal quenching method, or a melt drag method described on page 217 of ceramics processing (Gihodo Publishing 1987) can also be used. Moreover, you may cool using the single roller method and the double roller method of New Glass Handbook (Maruzen 1991) p.172. In the case of a material that melts during firing, the fired product may be continuously taken out while supplying raw materials during firing. In the case of a material that melts during firing, it is preferable to stir the melt.
[0077]
The firing gas atmosphere is preferably an atmosphere having an oxygen content of 5% by volume or less, and more preferably an inert gas atmosphere. Examples of the inert gas include nitrogen, argon, helium, krypton, and xenon. The most preferred inert gas is pure argon.
[0078]
The average particle size of the compound of the negative electrode material is preferably 0.1 to 60 μm. More specifically, it is preferable that the average particle diameter is 0.7 to 25 μm, and 60% or more of the total volume is 0.5 to 30 μm. The volume occupied by the particle group having a particle size of 1 μm or less of the negative electrode material is preferably 30% or less of the total volume, and the volume occupied by the particle group having a particle size of 20 μm or more is preferably 25% or less of the total volume. Needless to say, the particle size of the material used does not exceed the thickness of the mixture on one side of the negative electrode.
[0079]
To obtain a predetermined particle size, a well-known pulverizer or classifier is used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a satellite ball mill, a planetary ball mill, a swirling air flow type jet mill, a sieve, or the like is used. When pulverizing, wet pulverization in the presence of water or an organic solvent such as methanol can be performed as necessary. In order to obtain a desired particle size, classification is preferably performed. The classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier, or the like can be used as necessary. Classification can be used both dry and wet. The average particle diameter is a median diameter of primary particles, and is measured by a laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.
[0080]
The specific surface area of the negative electrode material is 0.1 to 5 m as measured by the BET specific surface area measurement method.2/ G is preferable.
[0081]
Examples of the negative electrode material are shown below, but are not limited thereto.
SnAl0.4B0.5P0.5K0.1O3.65, SnAl0.4B0.5P0.5Na0.2O3.7, SnAl0.4B0.3P0.5Rb0.2O3.4, SnAl0.4B0.5P0.5Cs0.1O3.65, SnAl0.4B0.5P0.5K0.1Ge0.05O3.85, SnAl0.4B0.5P0.5K0.1Mg0.1Ge0.02O3.83,SnAl0.4B0.4P0.4O3.2, SnAl0.3B0.5P0.2O2.7, SnAl0.3B0.5P0.2O2.7, SnAl0.4B0.5P0.3Ba0.08Mg0.08O3.26, SnAl0.4B0.4P0.4Ba0.08O3.28, SnAl0.4B0.5P0.5O3.6, SnAl0.4B0.5P0.5Mg0.1O3.7,
[0082]
SnAl0.5B0.4P0.5Mg0.1F0.2O3.65, SnB0.5P0.5Li0.1Mg0.1F0.2O3.05, SnB0.5P0.5K0.1Mg0.1F0.2O3.05, SnB0.5P0.5K0.05Mg0.05F0.1O3.03, SnB0.5P0.5K0.05Mg0.1F0.2O3.03, SnAl0.4B0.5P0.5Cs0.1Mg0.1F0.2O3.65, SnB0.5P0.5Cs0.05Mg0.05F0.1O3.03, SnB0.5P0.5Mg0.1F0.1O3.05, SnB0.5P0.5Mg0.1F0.2OThree , SnB0.5P0.5Mg0.1F0.06O3.07, SnB0.5P0.5Mg0.1F0.14O3.03, SnPBa0.08O3.58, SnPK0.1O3.55, SnPK0.05Mg0.05O3.58, SnPCs0.1O3.55, SnPBa0.08F0.08O3.54, SnPK0.1Mg0.1F0.2O3.55, SnPK0.05Mg0.05F0.1O3.53, SnPCs0.1Mg0.1F0.2O3.55, SnPCs0.05Mg0.05F0.1O3.53, Sn1.1Al0.4B0.2P0.6Ba0.08F0.08O3.54, Sn1.1Al0.4B0.2P0.6Li0.1K0.1Ba0.1F0.1O3.65, Sn1.1Al0.4B0.4P0.4Ba0.08O3.34,
[0083]
Sn1.1Al0.4PCs0.05O4.23, Sn1.1Al0.4PK0.05O4.23, Sn1.2Al0.5B0.3P0.4Cs0.2O3.5, Sn1.2Al0.4B0.2P0.6Ba0.08O3.68, Sn1.2Al0.4B0.2P0.6Ba0.08F0.08O3.64, Sn1.2Al0.4B0.2P0.6Mg0.04Ba0.04O3.68, Sn1.2Al0.4B0.3P0.5Ba0.08O3.58, Sn1.3Al0.3B0.3P0.4Na0.2O3.3 , Sn1.3Al0.2B0.4P0.4Ca0.2O3.4, Sn1.3Al0.4B0.4P0.4Ba0.2O3.6, Sn1.4Al0.4PK0.2O4.6, Sn1.4Al0.2Ba0.1PK0.2O4.45, Sn1.4Al0.2Ba0.2PK0.2O4.6, Sn1.4Al0.4Ba0.2PK0.2Ba0.1F0.2O4.9, Sn1.4Al0.4PK0.3O4.65, Sn1.5Al0.2PK0.2O4.4, Sn1.5Al0.4PK0.1O4.65, Sn1.5Al0.4PCs0.05O4.63, Sn1.5Al0.4PCs0.05Mg0.1F0.2O4.63,
[0084]
SnSi0.5Al0.1B0.2P0.1Ca0.4O3.1, SnSi0.4Al0.2B0.4O2.7, SnSi0.5Al0.2B0.1P0.1Mg0.1O2.8, SnSi0.6Al0.2B0.2O2.8, SnSi0.5Al0.3B0.4P0.2O3.55, SnSi0.5Al0.3B0.4P0.5O4.30, SnSi0.6Al0.1B0.1P0.3O3.25, SnSi0.6Al0.1B0.1P0.1Ba0.2O2.95. SnSi0.6Al0.1B0.1P0.1Ca0.2O2.95, SnSi0.6Al0.4B0.2Mg0.1O3.2, SnSi0.6Al0.1B0.3P0.1O3.05, SnSi0.6Al0.2Mg0.2O2.7, SnSi0.6Al0.2Ca0.2O2.7, SnSi0.6Al0.2P0.2OThree , SnSi0.6B0.2P0.2OThree , SnSi0.8Al0.2O2.9, SnSi0.8Al0.3B0.2P0.2O3.85, SnSi0.8B0.2O2.9, SnSi0.8Ba0.2O2.8, SnSi0.8Mg0.2O2.8, SnSi0.8Ca0.2O2.8, SnSi0.8P0.2O3.1,
[0085]
Sn0.9Mn0.3B0.4P0.4Ca0.1Rb0.1O2.95, Sn0.9Fe0.3B0.4P0.4Ca0.1Rb0.1O2.95, Sn0.8Pb0.2Ca0.1P0.9O3.35, Sn0.3Ge0.7Ba0.1P0.9 O3.35, Sn0.9Mn0.1Mg0.1P0.9O3.35, Sn0.2Mn0.8Mg0.1P0.9O3.35, Sn0.7Pb0.3Ca0.1P0.9O3.35, Sn0.2Ge0.8Ba0.1P0.9O3.35, SnSi0.8B0.2O2.9, SnSi0.7B0.3O2.85, SnSi0.7B0.3Al0.1O3.0, SnSi0.5B0.3Al0.1Mg0.1O2.7, Sn0.8Si0.6B0.2Al0.1Li0.1O2.5, Sn0.8Si0.6B0.2Al0.1Cs0.1O2.65, Sn0.8Si0.7B0.1P0.1Al0.1O2.75, Sn0.8Si0.5B0.3P0.2Al0.1O2.9, Sn0.8Si0.7B0.1P0.1Al0.1Li0.05O2.78, Sn0.8Si0.5B0.3P0.1Al0.1Li0.1O2.7, Sn0.8Si0.5B0.3P0.2Al0.1Cs0.1O2.95, Sn0.8Si0.7P0.3O2.95, Sn0.8Si0.7P0.3Al0.1O3.1, SnSi0.5B0.3Zr0.1O2.65, Sn0.8Si0.6P0.2Zr0.1O2.7, Sn0.8Si0.6B0.2P0.1Zr0.1O2.75
[0086]
The chemical formula of the compound obtained by firing can be calculated from the weight difference between the powders before and after firing as an inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopic analysis method as a measurement method.
[0087]
The conductive agent used for the electrode mixture may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Specific examples include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, high-temperature fired bodies such as petroleum coke, coal coke, celluloses, saccharides and mesophase pitch, and graphite such as artificial graphite such as vapor-grown graphite. , Carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, channel black, lamp black, thermal black, etc., carbon materials such as asphalt pitch, coal tar, activated carbon, mesofuse pitch, polyacene, conductivity of metal fibers, etc. Examples thereof include fibers, metal powders such as copper, nickel, aluminum and silver, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, and conductive metal oxides such as titanium oxide. It is preferable to use a graphite plate having an aspect ratio of 5 or more. Among these, graphite and carbon black are preferable, and the size of the particles is preferably 0.01 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 0.02 μm or more and 10 μm or less. These may be used alone or in combination of two or more. When using together, it is preferable to use together carbon blacks, such as acetylene black, and a 1-15 micrometers graphite particle.
[0088]
The amount of the conductive agent added to the electrode mixture layer is preferably 1 to 50% by weight, particularly 2 to 30% by weight, based on the negative electrode material or the positive electrode active material. In the case of carbon black or graphite, the content is particularly preferably 3 to 20% by weight.
[0089]
A binder is used to hold the electrode mixture. Examples of the binder include polysaccharides, thermoplastic resins, and polymers having rubber elasticity. Preferred binders include starch, carboxymethyl cellulose, cellulose, diacetyl cellulose, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, sodium alginate, polyacrylic acid, polyacrylic acid Na, polyvinyl phenol, polyvinyl methyl ether, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone. Water-soluble polymers such as polyacrylamide, polyhydroxy (meth) acrylate, styrene-maleic acid copolymer, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene furo Ride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene (Meth) acrylic acid ester copolymers containing (meth) acrylic acid esters such as ethylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, polyvinyl acetal resin, methyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, (meth) acrylic Acid ester-acrylonitrile copolymer, polyvinyl ester copolymer containing vinyl ester such as vinyl acetate, styrene-butadiene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer, polybutadiene, neoprene rubber, fluoro rubber, polyethylene oxide, polyester polyurethane Resin, polyether polyurethane resin, polycarbonate polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, epoxy resin emulsion (latex) or suspension It can be cited.
[0090]
In particular, polyacrylate ester latex, carboxymethyl cellulose, polytetrafluoroethylene, and polyvinylidene fluoride are exemplified. These binders are preferably those in which fine powder is dispersed in water, more preferably those having an average particle size in the dispersion of 0.01 to 5 μm, and 0.05 to 1 μm. It is particularly preferable to use one.
[0091]
These binders can be used alone or in combination. When the amount of the binder added is small, the holding power and cohesion of the electrode mixture is weak. If the amount is too large, the electrode volume increases and the capacity per electrode unit volume or unit weight decreases. For this reason, the addition amount of the binder is preferably 1 to 30% by weight, and particularly preferably 2 to 10% by weight.
[0092]
Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable.
[0093]
As the ionic conductive agent, those known as inorganic and organic solid electrolytes can be used, and details are described in the section of the electrolytic solution.
[0094]
A pressure enhancer is a compound that increases the internal pressure of a battery, and carbonates such as lithium carbonate are typical examples.
[0095]
Next, the configuration of the positive and negative electrodes will be described. The positive and negative electrodes are preferably in a form in which an electrode mixture is applied to both sides of the current collector. In this case, the number of layers per side may be one or may be composed of two or more layers. When the number of layers per side is 2 or more, the positive electrode active material (or negative electrode material) -containing layer may be 2 or more. A more preferable configuration is a case where the layer is composed of a layer containing a positive electrode active material (or negative electrode material) and a layer not containing a positive electrode active material (or negative electrode material).
[0096]
The layer that does not contain the positive electrode active material (or negative electrode material) includes a protective layer for protecting the layer containing the positive electrode active material (or negative electrode material) and a layer containing the divided positive electrode active material (or negative electrode material). And an undercoat layer between the positive electrode active material (or negative electrode material) -containing layer and the current collector. These are collectively referred to as an auxiliary layer in this specification.
[0097]
The protective layer is preferably on both the positive and negative electrodes or on the positive and negative electrodes. In the negative electrode, when lithium is inserted into the negative electrode material in the battery, the negative electrode preferably has a protective layer. The protective layer is composed of at least one layer, and may be composed of a plurality of layers of the same type or different types. Moreover, the form which has a protective layer only in the single side | surface of the mixture layers of both surfaces of a collector may be sufficient. These protective layers are composed of water-insoluble particles and a binder. The binder used when forming the above-mentioned electrode mixture can be used as the binder. As the water-insoluble particles, various conductive particles and organic and inorganic particles having substantially no conductivity can be used. The solubility of water-insoluble particles in water is 100 ppm or less, preferably insoluble.
[0098]
The proportion of particles contained in the protective layer is preferably 2.5% by weight or more and 96% by weight or less, more preferably 5% by weight or more and 95% by weight or less, and particularly preferably 10% by weight or more and 93% by weight or less.
[0099]
Examples of water-insoluble conductive particles include carbon particles such as metals, metal oxides, metal fibers, carbon fibers, carbon black, and graphite. Among these water-insoluble conductive particles, those having low reactivity with alkali metals, particularly lithium, are preferable, and metal powders and carbon particles are more preferable. The electrical resistivity at 20 ° C. of the elements constituting the particles is 5 × 109 Ω · m or less is preferable.
[0100]
The metal powder is preferably a metal having low reactivity with lithium, that is, a metal that is difficult to form a lithium alloy. Specifically, copper, nickel, iron, chromium, molybdenum, titanium, tungsten, and tantalum are preferable. The shape of these metal powders may be any of acicular, columnar, plate-like, and massive, and the maximum diameter is preferably 0.02 μm or more and 20 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. These metal powders are preferably those whose surfaces are not excessively oxidized, and when oxidized, heat treatment is preferably performed in a reducing atmosphere.
[0101]
As the carbon particles, a known carbon material used as a conductive material used in combination when the electrode active material is not conductive can be used. Specifically, a conductive agent used for making an electrode mixture is used.
[0102]
Examples of the water-insoluble particles having substantially no conductivity include fine powder of Teflon, SiC, aluminum nitride, alumina, zirconia, magnesia, mullite, forsterite, and steatite. These particles may be used in combination with conductive particles, and are preferably used in an amount of 0.01 to 10 times that of the conductive particles.
[0103]
The positive (negative) electrode sheet can be prepared by applying a positive (negative) electrode mixture onto a current collector, drying, and compressing.
[0104]
The mixture is prepared by mixing a positive electrode active material (or negative electrode material) and a conductive agent, adding a binder (suspension or emulsion of resin powder) and a dispersion medium, kneading and mixing, It can be carried out by dispersing with a mixer / disperser such as a mixer, homogenizer, dissolver, planetary mixer, paint shaker or sand mill. As the dispersion medium, water or an organic solvent is used, but water is preferable. In addition, additives such as a filler, an ionic conductive agent, and a pressure enhancer may be added as appropriate. The pH of the dispersion is preferably 5 to 10 for the negative electrode and 7 to 12 for the positive electrode.
[0105]
Application can be performed by various methods, for example, reverse roll method, direct roll method, blade method, knife method, extrusion method, slide method, curtain method, gravure method, bar method, dip method and squeeze method. I can list them. A method using an extrusion die and a method using a slide coater are particularly preferred. The application is preferably performed at a speed of 0.1 to 100 m / min. Under the present circumstances, the surface state of a favorable coating layer can be obtained by selecting the said application | coating method according to the liquid physical property of a mixture paste, and drying property. When the electrode layer is a plurality of layers, it is preferable to apply the plurality of layers at the same time from the viewpoint of uniform electrode production, production cost, and the like. The thickness, length and width of the coating layer are determined by the size of the battery. The thickness of a typical coating layer is 10 to 1000 μm in a compressed state after drying.
[0106]
The electrode sheet after application is dried and dehydrated by the action of hot air, vacuum, infrared rays, far infrared rays, electron beams and low-humidity air. These methods can be used alone or in combination. The drying temperature is preferably in the range of 80 to 350 ° C, particularly preferably in the range of 100 to 260 ° C. The water content after drying is preferably 2000 ppm or less, and more preferably 500 ppm or less.
[0107]
For the compression of the electrode sheet, a generally employed pressing method can be used, but a die pressing method and a calendar pressing method are particularly preferable. The press pressure is not particularly limited, but is 10 kg / cm.2~ 3t / cm2Is preferred. The press speed of the calendar press method is preferably 0.1 to 50 m / min. The pressing temperature is preferably room temperature to 200 ° C.
[0108]
The separator has only to have a high ion permeability, a predetermined mechanical strength, and an insulating thin film. The material is olefin polymer, fluorine polymer, cellulose polymer, polyimide, nylon, glass fiber, alumina fiber. And non-woven fabric, woven fabric, and microporous film are used as forms. In particular, the material is preferably polypropylene, polyethylene, a mixture of polypropylene and polyethylene, a mixture of polypropylene and Teflon, or a mixture of polyethylene and Teflon, and the form is preferably a microporous film. In particular, a microporous film having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm is preferable. These microporous films may be a single film or a composite film composed of two or more layers having different properties such as the shape, density, and material of the micropores. For example, the composite film which bonded the polyethylene film and the polypropylene film can be mentioned.
[0109]
The electrolytic solution is generally composed of a supporting salt and a solvent. Lithium salt is mainly used as the supporting salt in the lithium secondary battery.
[0110]
Examples of the lithium salt include LiClO.Four , LiBFFour , LiPF6 , LiCFThree CO2 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiBTenClTen, LiOSO2 CnF2n + 1(N is a positive integer of 6 or less), LiN (SO2 CnF2n + 1) (SO2 CmF2m + 1) (Wherein m and n are each a positive integer of 6 or less), LiN (SO2 CpF2p + 1) (SO2 CqF2q + 1) (SO2 CrF2r + 1) (Wherein p, q, and r are each a positive integer of 6 or less), lower aliphatic lithium carboxylate, LiAlClFour Li salts such as LiCl, LiBr, LiI, chloroborane lithium and lithium tetraphenylborate can be raised, and these can be used alone or in combination. Above all, LiBFFour And / or LiPF6 What melt | dissolved is preferable.
[0111]
The concentration of the supporting salt is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 3 mol per liter of the electrolytic solution.
[0112]
Examples of the solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, methyl formate, methyl acetate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, dioxane, acetonitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran List aprotic organic solvents such as derivatives, ethyl ether, and 1,3-propane sultone. Can be, mixed and used alone or in combination. Among these, carbonate-based solvents are preferable, and it is particularly preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and an acyclic carbonate. As the cyclic carbonate, ethylene carbonate and propylene carbonate are preferable. Moreover, as an acyclic carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate are preferable.
[0113]
As an electrolytic solution, LiCF is added to an electrolytic solution in which ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate or diethyl carbonate is appropriately mixed.Three SOThree LiClOFour , LiBFFour And / or LiPF6 An electrolytic solution containing is preferable. In particular, in a mixed solvent of at least one of propylene carbonate or ethylene carbonate and at least one of dimethyl carbonate or diethyl carbonate, LiCFThree SOThree LiClOFour Or LiBFFour At least one salt selected from the group consisting of LiPF and LiPF6 An electrolytic solution containing is preferable. The amount of the electrolyte added to the battery is not particularly limited, and can be used depending on the amount of the positive electrode material or the negative electrode material or the size of the battery.
[0114]
In addition to the electrolytic solution, the following solid electrolyte can be used in combination.
The solid electrolyte is classified into an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte.
[0115]
Well-known inorganic solid electrolytes include Li nitrides, halides, oxyacid salts, and the like. Among them, LiThree N, LiI, LiFive NI2 , LiThree N-LiI-LiOH, LiFour SiOFour , LiFour SiOFour -LiI-LiOH, xLiThree POFour -(1-x) LiFour SiOFour , Li2 SiSThree In addition, phosphorus sulfide compounds are effective.
[0116]
In the organic solid electrolyte, a polyethylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polypropylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polymer containing an ion dissociation group, a mixture of a polymer containing an ion dissociation group and the above aprotic electrolyte, phosphoric acid A polymer matrix material containing an ester polymer and an aprotic polar solvent is effective. Furthermore, there is a method of adding polyacrylonitrile to the electrolytic solution. A method of using an inorganic and organic solid electrolyte in combination is also known.
[0117]
Further, other compounds may be added to the electrolyte for the purpose of improving discharge and charge / discharge characteristics. For example, pyridine, pyrroline, pyrrole, triphenylamine, phenylcarbazole, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinoneimine dye, N-substituted oxazolidinone and N , N′-substituted imidazolidinone, ethylene glycol dialkyl ether, quaternary ammonium salt, polyethylene glycol, pyrrole, 2-methoxyethanol, AlClThree, Conductive polymer electrode active material monomers, triethylene phosphoramide, trialkylphosphine, morpholine, aryl compounds having a carbonyl group, crown ethers such as 12-crown-4, hexamethylphosphoric triamide and 4-alkyl Examples thereof include morpholine, bicyclic tertiary amine, oil, quaternary phosphonium salt, tertiary sulfonium salt and the like. Particularly preferred is a case where triphenylamine and phenylcarbazole are used alone or in combination.
[0118]
In order to make the electrolyte nonflammable, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride chloride can be contained in the electrolyte. In addition, carbon dioxide gas can be included in the electrolyte in order to make it suitable for high-temperature storage.
[0119]
It is desirable that the electrolytic solution contains as little water and free acid as possible. For this reason, the raw material of the electrolytic solution is preferably one that has been sufficiently dehydrated and purified. The electrolyte solution is preferably adjusted in dry air or an inert gas with a dew point of minus 30 ° C. or less. The amount of water and free acid content in the electrolyte is 0.1 to 500 ppm, more preferably 0.2 to 100 ppm.
[0120]
The entire amount of the electrolytic solution may be injected once, but it is preferable to inject it in two or more times. When injecting in two or more times, each solution may have the same composition but a different composition (for example, a non-aqueous solvent or a non-aqueous solvent having a higher viscosity than the solvent after injecting a solution in which a lithium salt is dissolved in the non-aqueous solvent). Or a solution in which a lithium salt is dissolved in a solvent or a non-aqueous solvent may be injected). In order to shorten the time for injecting the electrolyte, etc., the battery can may be decompressed, or centrifugal force or ultrasonic waves may be applied to the battery can.
[0121]
Battery can and battery cover are made of nickel-plated steel plate, stainless steel plate (SUS304, SUS304L, SUS304N, SUS316, SUS316L, SUS430, SUS444, etc.), nickel-plated stainless steel plate (same as above), aluminum or an alloy thereof Nickel, titanium, and copper, and the shapes are a perfect circular cylinder, an elliptical cylinder, a square cylinder, and a rectangular cylinder. In particular, when the outer can also serves as the negative electrode terminal, a stainless steel plate and a nickel-plated steel plate are preferable, and when the outer can also serves as the positive electrode terminal, a stainless steel plate, aluminum, or an alloy thereof is preferable. The shape of the battery can may be any of buttons, coins, sheets, cylinders, and corners.
[0122]
A safety valve can be used for the sealing plate as a countermeasure against an increase in the internal pressure of the battery can. In addition, a method of cutting a member such as a battery can or a gasket can be used. In addition, various conventionally known safety elements (for example, fuses, bimetals, PTC elements, etc. as overcurrent prevention elements) may be provided.
[0123]
For the lead plate, a metal having electrical conductivity (for example, iron, nickel, titanium, chromium, molybdenum, copper, aluminum, or the like) or an alloy thereof can be used. As a welding method for the battery lid, battery can, electrode sheet, and lead plate, a known method (eg, direct current or alternating current electric welding, laser welding, ultrasonic welding) can be used. As the sealing agent for sealing, a conventionally known compound or mixture such as asphalt can be used.
[0124]
The gasket is made of an olefin-based polymer, a fluorine-based polymer, a cellulose-based polymer, a polyimide, or a polyamide, and is preferably an olefin-based polymer, particularly a propylene-based polymer, from the viewpoint of organic solvent resistance and low moisture permeability. Furthermore, a block copolymer of propylene and ethylene is preferable.
[0125]
The battery is aged before activation after the electrode group is inserted into the battery can, the electrolyte is injected, the battery can is crimped and sealed. It is preferable to perform the process from injection of the electrolyte to caulking and sealing the battery can at 20 ° C. or lower.
[0126]
The battery assembled as described above is preferably subjected to an aging treatment. The aging treatment includes pre-treatment, activation treatment, post-treatment, and the like, whereby a battery with high charge / discharge capacity and excellent cycleability can be produced. The pretreatment is a treatment for homogenizing the distribution of lithium in the electrode. For example, control of lithium dissolution, temperature control to make the lithium distribution uniform, oscillation and / or rotation treatment, optional charging / discharging A combination is made. The aging before activation is preferably performed at a temperature of 20 ° C. or more and 60 ° C. or less for 1 day or more and 10 days or less. The activation process is a process for inserting lithium into the negative electrode of the battery body, and 50 to 120% (for example, lithium insertion amount at the time of actual use charging of the battery (for example, terminal voltage 4.0 V to 4.2 V) (for example, The terminal voltage is preferably 3.5V to 4.4V). The post-processing is processing for sufficient activation processing, and includes storage processing for uniform battery reaction and charge / discharge processing for determination, which can be arbitrarily combined.
[0127]
The battery is covered with an exterior material as necessary. Examples of the exterior material include a heat-shrinkable tube, an adhesive tape, a metal film, paper, cloth, paint, and a plastic case. Further, at least a part of the exterior may be provided with a portion that changes color by heat so that the heat history during use can be known.
[0128]
A plurality of batteries are assembled in series and / or in parallel as required, and stored in a battery pack. In addition to safety elements such as positive temperature coefficient resistors, temperature fuses, fuses and / or current interrupting elements, the battery pack also requires safety circuits (monitoring the voltage, temperature, current, etc. of each battery and / or the entire battery pack) In this case, a circuit having a function of interrupting current may be provided. In addition to the positive and negative terminals of the entire assembled battery, the battery pack should be provided with the positive and negative terminals of each battery, the entire assembled battery, the temperature detection terminal of each battery, the current detection terminal of the entire assembled battery, etc. as external terminals. You can also. The battery pack may incorporate a voltage conversion circuit (such as a DC-DC converter). The connection of each battery may be fixed by welding a lead plate, or may be fixed so that it can be easily attached and detached with a socket or the like. Further, the battery pack may be provided with display functions such as the remaining battery capacity, the presence / absence of charging, and the number of uses.
[0129]
Batteries are used in various devices. In particular, video movies, portable video decks with built-in monitors, movie cameras with built-in monitors, digital cameras, compact cameras, single-lens reflex cameras, film with lenses, notebook computers, notebook-type word processors, electronic notebooks, mobile phones, cordless phones, whiskers, It is preferably used for electric tools, electric mixers, automobiles and the like.
[0130]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the examples unless it exceeds the gist of the invention.
[0131]
[Creation of positive electrode mixture paste]
A mixture of lithium carbonate and tricobalt tetroxide in a molar ratio of 3: 2 was placed in an alumina crucible, heated to 750 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute in air, and calcined for 4 hours. The temperature was raised to 900 ° C. at a temperature rising rate of 2 ° C. per minute, calcined at that temperature for 8 hours, pulverized, and LiCoO as the positive electrode active material2Was generated. LiCoO2Has a conductivity of 0.6 mS / m, a pH of 10.1, and a specific surface area by a nitrogen adsorption method of 0.42 m when 50 g of a powder having a center particle size of 5 μm is dispersed in 100 ml of water.2/ G. LiCoO2200 g of acetylene black and 7 g of acetylene black were mixed with a homogenizer, 90 g of carboxymethyl cellulose aqueous solution having a concentration of 2% by weight was added and kneaded and mixed, and 70 g of water, 2-ethylhexyl acrylate and acrylic acid were mixed. 6 g of an aqueous dispersion of acrylonitrile copolymer (solid concentration 50% by weight) was added and stirred and mixed with a homogenizer to prepare a positive electrode mixture paste.
[0132]
[Create negative electrode mixture paste]
SnSi as negative electrode active material0.5B0.3P0.2Cs0.05Al0.2O3.28200 g and a conductive agent (artificial graphite) 40 g are mixed with a homogenizer, and further 100 g of water and 100 g of water are added and kneaded and mixed with 100 g of polyvinylidene fluoride and 100 g of 2% by weight carboxymethylcellulose aqueous solution as a binder. A negative electrode mixture paste was prepared.
[0133]
[Create negative electrode protective layer paste]
85 g of alumina and 9 g of artificial graphite were added to 300 g of an aqueous carboxymethyl cellulose solution having a concentration of 2% by weight and kneaded and prepared.
[0134]
[Creation of positive and negative electrode sheets]
The positive electrode mixture paste prepared above was applied on both sides of a porous aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm with a blade coater to a coating amount of about 240 g / m in terms of positive electrode active material per side.2After being applied and dried, it was compression molded by a roller press so that the thickness of the compressed sheet was 170 μm. Then, it cut | judged to the predetermined | prescribed magnitude | size and created the strip | belt-shaped positive electrode sheet. Furthermore, it heated with the far-infrared heater in the dry box (dew point: -50 degrees C or less dry air), fully dehydrated and dried at the electrode temperature of about 210 degrees C, and produced the positive electrode sheet.
[0135]
Similarly, a negative electrode mixture paste and a negative electrode protective layer paste were applied to both surfaces of an 18 μm copper foil current collector. At this time, the negative electrode mixture paste was applied to the current collector side so that the negative electrode protective layer paste was the uppermost layer. The coating amount in terms of negative electrode material per side is about 80 g / m2The solid content of the protective layer is 15 g / m2Thus, a negative electrode sheet having a thickness of 110 μm after compression with a roller press was prepared.
[0136]
Lithium metal (purity 99.8%) foil was affixed on both sides of this negative electrode sheet or on one side as needed.
[0137]
[Electrolyte preparation]
In an argon atmosphere, 65.3 g of diethyl carbonate was placed in a 200 cc narrow-necked polypropylene container, and 22.2 g of ethylene carbonate was dissolved little by little while taking care not to exceed a liquid temperature of 30 ° C. Next, 0.4 g of LiBFFour, 12.1 g LiPF6The solution was dissolved in a small amount in the polypropylene container in order, taking care that the liquid temperature did not exceed 30 ° C. The obtained electrolyte was a colorless and transparent liquid with a specific gravity of 1.135. Moisture was 18 ppm (measured with a trade name MKC-210, Karl Fischer moisture measuring device, manufactured by Kyoto Electronics), free acid content was 24 ppm (measured by neutralization titration with 0.1 N NaOH aqueous solution using bromthymol blue as an indicator) )Met.
[0138]
[Create cylinder battery]
A cylinder battery as shown in FIG. 3 was produced. A positive electrode sheet 3, a microporous polyethylene film separator (manufactured by Ube Industries, EF4500) 4, a negative electrode sheet 2 and a separator 4 were laminated in this order, and this was wound in a spiral shape. The wound body is housed in an iron-bottomed cylindrical battery can 1 having a nickel plating which also serves as a negative electrode terminal, and then the electrolyte is poured into the battery can, and the battery lid 13 having the positive terminal is attached to the gasket 7. The cylindrical battery was made by caulking.
[0139]
The potential unevenness of the non-aqueous electrolyte lithium secondary battery produced through the above steps was measured by the following method.
[0140]
[Measurement method of potential unevenness]
(1) Charge the battery to be measured to 4.1V.
[0141]
(2) Disassemble the measurement battery and separate the positive electrode sheet and the negative electrode sheet.
[0142]
(3) Set the intelligent recorder manufactured by Toa Denpa Kogyo Co., Ltd. to voltage measurement mode, set the range to 0-0.5V for negative electrode measurement, and set the range to 4.0-4.5V for positive electrode measurement, and connect the lead wire to one terminal. Connect to the lead part of the negative electrode sheet.
[0143]
(4) Connect the lead wire to the other terminal, attach a worm clip to the tip, and attach a small piece of metallic lithium to the tip.
[0144]
(5) The electrode sheet is stretched flat and placed on an insulating material such as polyethylene, and a separator is placed thereon so that the electrode sheet is completely covered.
[0145]
(6) Drip the electrolyte over the separator with a dropper about 3cc and spread it evenly.
[0146]
(7) Start the recorder, scan the metal lithium piece on the separator in the direction (longitudinal direction, width direction) to be measured at a speed of about 1 mm / sec, and measure the potential.
[0147]
Example 1
Sample No. shown in [Table 1] The twelve batteries 1 to 12 were subjected to the above-described potential unevenness measurement and examined for mass production suitability, and the results are shown in [Table 1].
[0148]
[Table 1]
Figure 0004161400
[0149]
A negative electrode current collector (Cu foil) having a hole is more preferable than a non-hole having a small potential unevenness. Lithium ions can freely move between the front and back surfaces of the negative electrode through the holes of the negative electrode current collector, so that the potential unevenness is reduced.
[0150]
Sample No. In 1 and 2, since the Li piece width is 4 mm and the Li piece chip is 10 mm, the Li foil covers 40% (= 4 mm / 10 mm) of the surface of the negative electrode mixture layer. Sample No. In Nos. 3 and 4, since the Li piece width is 8 mm and the Li piece chip is 20 mm, the Li foil covers 40% (= 8 mm / 20 mm) of the surface of the negative electrode mixture layer. Sample No. In Nos. 5 and 6, since the Li piece width is 8 mm and the Li piece chip is 10 mm, the Li foil covers 80% (= 8 mm / 10 mm) of the negative electrode mixture layer. Similarly, sample no. In Nos. 7 and 8, the Li foil covered 80% (16 mm / 20 mm) of the negative electrode mixture layer. In Nos. 9 to 12, the Li foil covers 100% of the negative electrode mixture layer. A Li foil covering 80% or more of the negative electrode mixture layer has small potential unevenness and excellent mass production suitability.
[0151]
The thickness of the Li foil is the same as that of sample no. 1-8 are 45 micrometers, sample No. 9-12 is 36 micrometers. The thickness fluctuation rate of the Li foil is the sample No. 1 to 10 is 15%. 11 is 5%, and sample no. 12 is 25%. It is preferable that the thickness of the Li foil is 60 μm or less and the thickness variation rate is 20% or less with respect to the average thickness. Furthermore, it is more preferable that the Li foil has a thickness of 10 to 40 μm and a thickness variation rate of 10% or less.
[0152]
The Li foil is more preferable for mass production than being applied to both sides of the negative electrode.
[0153]
(Example 2)
Sample No. shown in [Table 2] The above-described potential unevenness measurement was performed on eight batteries 1 to 8, and the degree of waste generated in the process of slitting the negative electrode was examined. Sample No. 1-8 differ in the aperture ratio and the hole size of the holes of the negative electrode current collector (Cu foil). On one surface of the negative electrode, a 36 μm thick Li foil was attached to the entire surface.
[0154]
[Table 2]
Figure 0004161400
[0155]
The aperture ratio of the holes of the negative electrode current collector (Cu foil) is 0.1% or more and 10% or less, and the size of the holes is 1 × 10-7cm21 × 10-2cm2Is preferable because the potential unevenness is small and the generation of dust during the slitting process is small.
[0156]
(Example 3)
Sample No. below Four batteries 1 to 4 were prepared. The negative electrode current collector (Cu foil) of each battery has holes, the opening ratio of the holes is 5%, and the hole size is 0.001 cm.2It is. In principle, a 36 μm-thick Li foil was applied to the entire surface of one side of the negative electrode. In all the batteries, the outermost periphery of the winding group is covered with a separator.
[0157]
Sample No. 1: For the negative electrode, a negative electrode mixture having the same length was applied to both the front and back surfaces. When wound, the outermost periphery was wound such that the negative electrode mixture layer was further outside than the positive electrode mixture layer, and the innermost periphery was wound so that the negative electrode mixture layer was further inside than the positive electrode mixture layer. The Li foil was stuck on the entire outer surface of the negative electrode only.
[0158]
Sample No. 2: Sample No. Made in the same way as 1. However, as shown in FIG. 2, the outermost periphery of the negative electrode is coated with a negative electrode mixture layer only on the inner side, and the innermost periphery of the negative electrode is coated with a negative electrode mixture layer only on the outer side, The amount of Li foil applied was halved. That is, 4 mm wide Li pieces were attached to the negative electrode current collector at an 8 mm pitch.
[0159]
Sample No. 3: The negative electrode was coated with a negative electrode mixture having the same length on both the front and back surfaces. When wound, the outermost periphery was wound such that the positive electrode mixture layer was further outside than the negative electrode mixture layer, and the innermost periphery was wound so that the positive electrode mixture layer was further inside than the negative electrode mixture layer. The outermost peripheral portion of the positive electrode was coated with a positive electrode mixture layer only on the inner surface, and the innermost peripheral portion of the positive electrode was coated with a positive electrode mixture layer only on the outer surface. The Li foil was affixed over the entire length of the negative electrode mixture layer only on the outer surface of the negative electrode.
[0160]
Sample No. 4: Sample No. Created in the same way as 3. However, the Li foil was stuck on the entire inner surface of the negative electrode only.
[0161]
According to the aging conditions before activation shown in [Table 3], sample no. 1 to 4 were subjected to aging treatment (including pretreatment, active activation treatment and post-treatment), and lithium was diffused into the negative electrode. [Table 3] shows the results of examining the extent to which the Li foil remained undissolved at that time and the cycle life. The cycle life represents a capacity retention rate after 500 cycles of charge / discharge.
[0162]
[Table 3]
Figure 0004161400
[0163]
Sample No. Sample no. 2 has a longer cycle life. Sample No. 1 is provided with a negative electrode mixture layer on both surfaces of the outermost negative electrode. Since the negative electrode mixture layer on the outer surface does not face the positive electrode, useless energy is released at that portion, and the cycle life is shortened. Sample No. In No. 2, since the negative electrode mixture layer is not provided in the negative electrode portion where the positive electrode is not opposed, the charge / discharge efficiency is increased and the cycle life is increased. In that portion, since the negative electrode mixture layer is provided only on one side of the negative electrode current collector, the amount of Li foil may be half that of the portion in which the negative electrode mixture layer is provided on both sides. The Li foil on the negative electrode current collector passes through the holes of the current collector and diffuses into the negative electrode mixture layer on the opposite side.
[0164]
Sample No. When aging 3 and 4 under the same conditions, sample no. Sample No. 3 No. 4 has a smaller dissolution residue of the Li foil and a longer cycle life. That is, the Li foil is preferably attached to the outer surface of the electrode (preferably the negative electrode).
[0165]
Sample No. 3, the cycle life is longer at 7 days at 50 ° C. than 14 days at 50 ° C. as the aging condition before activation. The aging conditions before activation are preferably a temperature of 20 ° C. or more and 60 ° C. or less and a time of 1 day or more and 10 days or less.
[0166]
【The invention's effect】
According to this invention, a positive electrode or a negative electrode is formed by providing a mixture layer on both surfaces of a perforated current collector. Since lithium ions can move between the mixture layers on both sides through the holes of the perforated current collector, the potential unevenness is small and the performance of the battery is improved.
[0167]
In addition, by pressing a lithium metal foil on the surface of at least one surface of a negative electrode or positive electrode having a perforated current collector, lithium can diffuse into the mixture layer on both surfaces of the current collector through the holes of the current collector. is there. It is not always necessary to press the lithium metal foil on both sides of the negative electrode or the positive electrode. The mixture layer is activated by diffusing into the lithium mixture layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a wound electrode group before winding.
FIG. 2 is a top view of a wound electrode group.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a cylindrical battery.
[Explanation of symbols]
1 Battery can
2 Negative electrode
3 Positive electrode
4 Separator
5 Lower insulation plate
6 Upper insulation plate
7 Gasket
8 Positive lead
9 Explosion-proof valve body
10 Current cut-off switch
10a First conductor
10b Second conductor
10c Insulation ring
11 PTC ring
13 Terminal cap
15 Welding plate
16 Insulation cover
20 core
21, 22 Separator
23 Positive current collector
24 Positive lead
26 Negative electrode current collector
27 Negative electrode mix
30 Insulating material
35 Positive electrode sheet
36 Negative electrode sheet
53 Lithium foil
54a, 54b hole
60n negative electrode
60p positive electrode
61n negative electrode current collector
61p positive electrode current collector
62n Negative electrode mixture on the inner surface
62p Positive electrode mixture on the inner surface
63n Negative electrode mixture on outer surface
63p Positive electrode mixture on the outer surface

Claims (12)

各々が集電体の両面に合剤層を有する正極及び負極並びに非水電解質を含む非水電解質リチウム二次電池において、該正極及び負極の集電体その表裏面を連通する1つ又は複数の孔のある有孔集電体であり、かつ該有孔集電体上の負極の合剤層の巻回群の外側の片面の表面にリチウム金属箔が圧着され、かつ該有孔集電体の1つの孔の大きさが1×10 −7 cm 以上、1×10 −2 cm 以下であることを特徴とする非水電解質リチウム二次電池。Each in a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode and a nonaqueous electrolyte having a mixture layer on both sides of the current collector, one or more current collector of the positive electrode and the negative electrode communicates the front and back surfaces A lithium metal foil is bonded to the surface of the outer surface of the wound group of the negative electrode mixture layer on the perforated current collector, and the perforated current collector A nonaqueous electrolyte lithium secondary battery, wherein the size of one hole of the body is 1 × 10 −7 cm 2 or more and 1 × 10 −2 cm 2 or less . 該有孔集電体の孔の開口率が0.1%以上、10%以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質リチウム二次電池。  2. The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 1, wherein the aperture ratio of the holes of the perforated current collector is 0.1% or more and 10% or less. 圧着させたリチウム金属箔が、圧着したリチウム金属箔が存在する面の合剤層の表面の80%以上を被覆していることを特徴とする請求項1又は2記載の非水電解質リチウム二次電池。  3. The nonaqueous electrolyte lithium secondary according to claim 1, wherein the pressed lithium metal foil covers 80% or more of the surface of the mixture layer on the surface where the pressed lithium metal foil is present. battery. 該リチウム金属箔の厚みが60μm以下、かつ厚み変動率が平均厚みに対して20%以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。  4. The nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium metal foil has a thickness of 60 μm or less and a thickness variation rate of 20% or less with respect to the average thickness. 対向する正極を片面にしか有さない負極の部分の合剤塗布量が、対向する正極を両面に有する負極の部分の合剤塗布量のa倍(ここで、0.3<a<0.7)であるとき、該リチウムの圧着量は0.8×a〜1.1×a倍であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。  The mixture coating amount of the negative electrode portion having the opposing positive electrode only on one side is a times the mixture coating amount of the negative electrode portion having the opposing positive electrode on both sides (where 0.3 <a <0. The non-aqueous electrolyte lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressure bonding amount of lithium is 0.8 x a to 1.1 x a times. 該負極が少なくとも1種の錫を含有する複合酸化物を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池。  The non-aqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode includes a composite oxide containing at least one kind of tin. 請求項1から6のいずれかに記載の電極とセパレーターを積層及び巻回して巻回電極群を作成した後、該巻回電極群を電池缶に挿入することを特徴とする非水電解質リチウム二次電池の製造方法。  A wound electrode group is formed by laminating and winding the electrode according to any one of claims 1 to 6 and a separator, and then the wound electrode group is inserted into a battery can. A method for manufacturing a secondary battery. 該巻回電極群において、リチウム金属箔が圧着されているのが、負極の外側面であることを特徴とする請求項7に記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。  8. The method for producing a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 7, wherein in the wound electrode group, the lithium metal foil is crimped to the outer surface of the negative electrode. 該巻回電極群の最内周及び最外周に合剤層を有する電極が負極であり、最内周及び最外周部分の負極は合剤層を片面にしか有さないことを特徴とする請求項7又は8記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。  The electrode having a mixture layer on the innermost circumference and the outermost circumference of the wound electrode group is a negative electrode, and the negative electrode in the innermost circumference and the outermost circumference part has the mixture layer only on one side. Item 9. The method for producing a nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to Item 7 or 8. 該巻回電極群を電池缶に挿入した後、該電池缶に電解質の注入から、電池缶をかしめて封口するまでの工程を20℃以下で行うことを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。  10. The method according to claim 7, wherein the steps from the injection of the electrolyte into the battery can and the caulking of the battery can after being inserted into the battery can are performed at 20 ° C. or less. A method for producing a nonaqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 1. 該巻回電極群を電池缶に挿入、電解質を電池缶に注入、電池缶をかしめて封口した後、活性化前にエージングすることを特徴とする請求項7から10のいずれかに記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。  The non-winding electrode according to any one of claims 7 to 10, wherein the wound electrode group is inserted into a battery can, an electrolyte is injected into the battery can, the battery can is crimped and sealed, and then aged before activation. A method for producing a water electrolyte lithium secondary battery. 該活性化前のエージングが20℃以上、60℃以下の温度で、1日以上10日以下行うことを特徴とする請求項11記載の非水電解質リチウム二次電池の製造方法。  12. The method for producing a non-aqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 11, wherein the aging before activation is performed at a temperature of 20 ° C. or more and 60 ° C. or less for 1 day or more and 10 days or less.
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