JP4849291B2

JP4849291B2 - 二次電池

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Publication number: JP4849291B2
Application number: JP2001272392A
Authority: JP
Inventors: 博章谷崎; 篤雄小丸
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: JP2003086186A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽金属と合金を形成可能な金属元素または半金属元素の単体，合金および化合物からなる群のうちの少なくとも１種を含む負極活物質層を備えた二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化に伴い、高エネルギー密度を有する二次電池の開発が要求されている。この要求に応える電池としてはリチウム二次電池がある。しかし、リチウム二次電池では充電時にリチウム金属が負極上にデンドライト析出し、不活性化するため、サイクル寿命が短い。
【０００３】
そこで、このサイクル特性を改善するものとして、リチウムイオン二次電池が開発され、製品化されている。リチウムイオン二次電池では、負極にリチウム（Ｌｉ）のインターカレーション反応を利用した黒鉛材料、あるいは細孔中へのリチウムの吸蔵・離脱作用を応用した炭素質材料を用いているため、リチウム金属がデンドライト析出せず、長いサイクル寿命が得られている。また、黒鉛材料および炭素質材料は空気中で安定であるため、工業的に生産する上でもメリットが大きい。
【０００４】
しかし、負極に黒鉛材料を用いた場合、負極の容量には第１ステージ黒鉛層間化合物の組成Ｃ₆Ｌｉで規定される上限が存在する。また、負極に炭素質材料を用いた場合、黒鉛材料のような容量の上限はないが、微小な細孔構造を制御することは工業的に困難であり、しかも細孔を多くすると炭素質材料の比重が低下してしまい、単位体積当たりの負極容量を向上させることができない。更に、ある種の低温焼成炭素質材料では、１０００ｍＡｈ／ｇを越える負極放電容量を示すことが知られているが、対リチウム金属において０．８Ｖ以上の貴な電位で大きな容量を有する金属酸化物などを正極として電池を構成すると、放電電圧が低下してしまう。このような理由から、現状の炭素材料では、今後の電子機器の更なる使用時間の長時間化、あるいは電源の高エネルギー密度化に対応することは困難であると考えられる。そこで、よりリチウムを吸蔵・離脱する能力に優れた負極活物質の開発が進められている。
【０００５】
一方、より高容量を実現可能な負極活物質としては、例えば、ある種のリチウム金属が電気化学反応により可逆的に生成および分解することを応用した材料が研究されている。具体的には、古くからＬｉＡｌ合金が知られており、また、US-Patent Number 4950566にはＳｉ合金が報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら合金などの負極活物質は、容量劣化が大きく、充放電サイクル特性が悪化しやすいという問題があった。この劣化は、充放電に伴い負極活物質が大きく膨張収縮することにより集電体から剥離し、電子伝導性を確保できなくなることに起因すると考えられる。
【０００７】
なお、これまでにもこの劣化を防止するために、リチウムの吸蔵・離脱に伴う膨張収縮に関与しない元素で一部を置換した負極活物質が提案されている。例えば、特開平６−３２５７６５号公報にはＬｉＳｉ_aＯ_b（０≦ａ、０＜ｂ＜２）が、特開平７−２３０８００号公報にはＬｉ_cＳｉ_1-dＭ_dＯ_e（Ｍはアルカリ金属を除く金属もしくはケイ素を除く類金属を表し、０≦ｃ、０＜ｄ＜１、０＜ｅ＜２である）が、特開平７−２８８１３０号公報にはＬｉＡｇＴｅ系合金が、特開平１１−１０２７０５号公報には非金属元素と、炭素を除く４Ｂ族元素とを含む化合物が記載されている。しかし、これらの負極活物質を用いても未だ満足できる特性は得られてない。また、特許第３０１９４０２号公報には負極活物質としてカーボンを混合して用いることが記載されている。しかし、この方法は、サイクル寿命の改善には有効であるが、容量が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高い容量を保持しつつ、優れたサイクル特性を得ることができる二次電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による二次電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下であり、かつ引張試験による伸びが３％以上２０％以下であると共に、ビッカース硬さが１００ＨＶ以上３００ＨＶ以下である負極集電体と、軽金属と合金を形成可能な金属元素または半金属元素の単体，合金および化合物からなる群のうちの少なくとも１種を含む負極活物質層とを有するものである。
【００１０】
本発明による二次電池では、負極集電体の引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下であり、かつ引張試験による伸びが３％以上２０％以下であると共に、ビッカース硬さが１００ＨＶ以上３００ＨＶ以下であるので、負極活物質層が軽金属と合金を形成可能な金属元素または半金属元素の単体，合金および化合物からなる群のうちの少なくとも１種を含むようにしても、充放電に伴う負極活物質層の膨張収縮に対応して負極集電体が伸縮し、負極活物質層の剥離が防止される。また、取り扱いも容易となり、生産性が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、ここでは、電極反応に軽金属のうちのリチウム（Ｌｉ）を用いる場合について例示する。
【００１２】
図１は本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１１の内部に、帯状の正極２１と負極２２とがセパレータ２３を介して巻回された巻回電極体２０を有している。電池缶１１は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶１１の内部には、巻回電極体２０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板１２，１３がそれぞれ配置されている。
【００１３】
電池缶１１の開放端部には、電池蓋１４と、この電池蓋１４の内側に設けられた安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）１６とが、ガスケット１７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１１の内部は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されている。安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板１５ａが反転して電池蓋１４と巻回電極体２０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子１６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものであり、例えば、チタン酸バリウム系半導体セラミックスにより構成されている。ガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
【００１４】
巻回電極体２０は、例えば、センターピン２４を中心に巻回されている。巻回電極体２０の正極２１にはアルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード２５が接続されており、負極２２にはニッケルなどよりなる負極リード２６が接続されている。正極リード２５は安全弁機構１５に溶接されることにより電池蓋１４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶１１に溶接され電気的に接続されている。
【００１５】
図２は図１に示した巻回電極体２０の一部を拡大して表すものである。正極２１は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体２１ａの両面に正極活物質層２１ｂが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体２１ａの片面のみに正極活物質層２１ｂを設けるようにしてもよい。正極集電体２１ａは、例えば、厚みが５μｍ〜５０μｍ程度であり、アルミニウム箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層２１ｂは、例えば、厚みが２０μｍであり、例えば、正極活物質と、必要に応じてカーボンブラックあるいはグラファイトなどの導電剤と、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含有して構成されている。なお、正極活物質層２１ｂの厚みは、正極活物質層２１ｂが正極集電体２１ａの両面に設けられている場合には、その合計の厚みである。
【００１６】
正極活物質としては、例えば、金属酸化物，金属硫化物あるいは特定の高分子材料などが好ましく、電池の使用目的に応じてそれらのいずれか１種または２種以上が選択される。
【００１７】
金属酸化物としては、Ｌｉ_xＭＯ₂を主体とするリチウム複合酸化物あるいはＶ₂Ｏ₅が挙げられる。特にリチウム複合酸化物は電圧を高くすることができ、エネルギー密度を高くすることができるので好ましい。なお、上記組成式において、Ｍは１種類以上の遷移金属、特にコバルト（Ｃｏ），ニッケルおよびマンガン（Ｍｎ）からなる群のうちの少なくとも１種が好ましい。ｘの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１０である。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ₂，ＬｉＮｉＯ₂，Ｌｉ_yＮｉ_zＣｏ_1-zＯ₂（ｙおよびｚは電池の充放電状態によって異なり通常、０＜ｙ＜１、０．７＜ｚ＜１．０２である）あるいはスピネル型構造を有するＬｉＭｎ₂Ｏ₄などが挙げられる。
【００１８】
金属硫化物としては、ＴｉＳ₂あるいはＭｏＳ₂などが挙げられ、高分子材料としては、ポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。また、これらの正極活物質の他にもＮｂＳｅ₂などを用いることができる。
【００１９】
負極２２は例えば、正極２１と同様に、対向する一対の面を有する負極集電体２２ａの両面に、負極活物質層２２ｂが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体２２ａの片面のみに負極活物質層２２ｂを設けるようにしてもよい。
【００２０】
負極集電体２２ａは、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下であることが好ましい。４００Ｎ／ｍｍ²以下であれば、充電時に後述する負極活物質が膨張しても、その膨張に追随して伸び、負極活物質層２２ｂの剥離を防止することができ、１５０Ｎ／ｍｍ²以上であれば、生産時の取り扱いが容易となるからである。特に、３５０Ｎ／ｍｍ²以下であれば負極活物質層２２ｂの剥離をより効率的に防止することができるので好ましく、１８０Ｎ／ｍｍ²以上、更には２００Ｎ／ｍｍ²以上であれば、生産時の取り扱いをより容易にすることができるので好ましい。
【００２１】
また、負極集電体２２ａの引張試験による伸びは３％以上２０％以下であることが好ましい。伸びが小さすぎると、充電による負極活物質の膨張に追随できず、逆に大きすぎると放電による負極活物質の収縮に追随できず、共に負極活物質層２２ｂが剥離し、サイクル寿命が短くなってしまうからである。負極集電体２２ａの伸びは５％以上、または１５％以上であればより好ましい。
【００２２】
なお、引張強さおよび伸びはＪＩＳＺ２２０１金属材料引張試験片に規定する１号試験片を使用し、ＪＩＳＺ２２４１に規定する金属材料引張試験方法により得られる。具体的には、全伸び法測定により、最大引張加重から算出し、伸びは破断伸び時まで測定する破断伸びとする。
【００２３】
更に、負極集電体２２ａのビッカース硬さは、１００ＨＶ以上３００ＨＶ以下であることが好ましい。１００ＨＶよりも小さいと、例えば後述する負極活物質層２２ｂの加圧成型時、あるいは正極２１および負極２２をセパレータ２３を介して巻回する際に、負極集電体２２ａが切れやすく、反対に３００ＨＶよりも大きいと、充放電時に負極活物質が膨張・収縮し、負極活物質層２２ｂが剥離したり、導電接触性が低下していまい、その結果電池性能が低下してしまうからである。なお、ビッカース硬さは、ＪＩＳＺ２２４４に規定するビッカース硬さ試験方法により得られる。
【００２４】
このような負極集電体２２ａは、例えば、銅（Ｃｕ）箔あるいはニッケル箔などの金属箔、または銅合金箔，ニッケル合金箔あるいはステンレス箔などの合金箔により構成される。これらの金属箔あるいは合金箔は、電子伝導性が高く重負荷特性に好影響を与えると共に、安価で容易に入手可能であるので好ましい。なお、これらの金属箔あるいは合金箔は、製法で分類すると圧延箔と電解箔とに分けられる。圧延箔は、例えば、原料である金属もしくは合金塊を圧延ローラーによって加圧しながらローラーの間を通して箔状に圧延することにより作製される。電解箔は、電解浴中に下部を浸漬したローラーを陰極とし、不溶性の陽極を対極として電流を通電し、陽極の電解液供給スリットから電解液を供給しながらローラーの表面に連続的に金属をメッキし、析出した金属をローラー表面から連続的に剥ぎ取ることにより作製される。
【００２５】
負極集電体２２ａとしては、電解箔が好ましい。電解箔は、伸びが一般に４％であるので、容易に伸びを上記範囲に調整することができるからである。これに対して、圧延箔は、伸びは一般に２％であるので、熱処理あるいは化学的な軟化処理を施ことにより伸びを上記範囲に調整する必要がある。なお、これら軟化処理は電池を充電する前であればいつでもよく、例えば、負極集電体２２ａに負極活物質層２２ｂを塗布した後に行ってもよく、電池組み立て後に行ってもよい。
【００２６】
負極集電体２２ａの厚みは、例えば８μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であればより好ましい。薄いほど容量は高くなるが、薄すぎると、生産時の取り扱いが困難となると共に集電抵抗の増加により電池の重負荷特性が悪化してしまうからである。負極集電体２２ａの厚みは、また、例えば、３０μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以下であればより好ましい。厚いと生産時の取り扱いは容易で集電抵抗も抵抗するが、厚すぎると容量が低下してしまうからである。
【００２７】
負極活物質層２２ｂは、負極活物質と、必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどの結着剤とを含んで構成されている。負極活物質としては、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体，合金または化合物が挙げられ、これらのうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。高い容量を得ることができるからである。なお、合金には２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とからなるものも含める。その組織には固溶体，共晶（共融混合物），金属間化合物あるいはそれらのうちの２種以上が共存するものがある。
【００２８】
リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ），ホウ素（Ｂ），ヒ素（Ａｓ），アルミニウム，ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），ケイ素（Ｓｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），スズ（Ｓｎ），鉛（Ｐｂ），アンチモン（Ｓｂ），ビスマス（Ｂｉ），カドミウム（Ｃｄ），銀（Ａｇ），亜鉛（Ｚｎ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ）およびイットリウム（Ｙ）が挙げられる。
【００２９】
これらの合金あるいは化合物としては、例えば、化学式Ｍａ_sＭｂ_tＬｉ_u、あるいは化学式Ｍａ_pＭｃ_qＭｄ_rで表されるものが挙げられる。これら化学式において、Ｍａはリチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を表し、ＭｂはリチウムおよびＭａ以外の金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を表し、Ｍｃは非金属元素の少なくとも１種を表し、ＭｄはＭａ以外の金属元素および半金属元素素のうちの少なくとも１種を表す。また、ｓ、ｔ、ｕ、ｐ、ｑおよびｒの値はそれぞれｓ＞０、ｔ≧０、ｕ≧０、ｐ＞０、ｑ＞０、ｒ≧０である。
【００３０】
負極活物質としては、中でも４Ｂ族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素あるいはスズ、またはこれらの合金あるいは化合物である。より高い容量を得ることができるからである。また、リチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素からなる第１の元素群のうちの少なくとも１種と、この第１の元素以外の金属元素および半金属元素並びに非金属元素からなる第２の元素群のうちの少なくとも１種とを含む合金あるいは化合物も好ましい。優れたサイクル特性を得ることができるからである。なお、これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
【００３１】
このような合金あるいは化合物について具体的に例を挙げれば、ＳｉＢ₄，ＳｉＢ₆，Ｍｇ₂Ｓｉ，Ｍｇ₂Ｓｎ，Ｎｉ₂Ｓｉ，ＴｉＳｉ₂，ＭｏＳｉ₂，ＣｏＳｉ₂，ＮｉＳｉ₂，ＣａＳｉ₂，ＣｒＳｉ₂，Ｃｕ₅Ｓｉ，ＦｅＳｉ₂，ＭｎＳｉ₂，ＮｂＳｉ₂，ＴａＳｉ₂，ＶＳｉ₂，ＷＳｉ₂あるいはＺｎＳｉ₂などの化学式ＭｉＭｈ_j（Ｍｉはケイ素またはスズを表し、Ｍｈは１種以上の金属元素を表し、ｊ≧０である）で表される合金あるいは化合物、またはＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ，Ｇｅ₂Ｎ₂Ｏ，ＳｉＯ_v（０＜Ｖ≦２），ＳｎＯ_w（０＜Ｗ≦２），ＬｉＳｉＯあるいはＬｉＳｎＯなどがある。
【００３２】
なお、他の合金あるいは化合物としては、例えば、ＬｉＡｌ合金，ＬｉＡｌＭｅ合金（Ｍｅは２Ａ族元素，３Ｂ族元素，４Ｂ族元素および遷移金属元素からなる群のうちの少なくとも１種を表す），ＡｌＳｂ合金あるいはＣｕＭｇＳｂ合金が挙げられる。
【００３３】
このような合金あるいは化合物は、例えば、メカニカルアロイング法、または原料を混合して不活性雰囲気下あるいは還元性雰囲気下で加熱処理する方法により得られる。
【００３４】
負極活物質層２２ｂは、また、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体，合金または化合物に加えて、他の負極活物質を含んでいてもよい。他の負極活物質としては、リチウムを吸蔵および離脱することが可能な炭素材料，金属酸化物あるいは高分子材料などが挙げられる。なお、炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素，易黒鉛化性炭素，黒鉛，カーボンブラック，繊維状炭素あるいは熱分解性炭素などが挙げられる。また、金属酸化物としては酸化スズ（ＳｎＯ₂）などが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。
【００３５】
負極活物質層２２ｂの厚みは、例えば、２００μｍである。この厚みは、負極活物質層２２ｂが負極集電体２２ａの両面に設けられている場合には、その合計の厚みである。
【００３６】
セパレータ２３は、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
【００３７】
このセパレータ２３には液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を解離させるものである。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルおよびプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのうちのいずれか１種または２種以上が混合して用いられる。
【００３８】
リチウム塩としては、ＬｉＣｌＯ₄，ＬｉＡｓＦ₆，ＬｉＰＦ₆，ＬｉＢＦ₄，ＬｉＢ（Ｃ₆Ｈ₅）₄，ＬｉＣＨ₃ＳＯ₃，ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃，ＬｉＣｌおよびＬｉＢｒなどが挙げられ、これらのうちのいずれか１種または２種以上が混合して用いられる。
【００３９】
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００４０】
まず、例えば、リチウムを吸蔵・離脱することが可能な正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散してペースト状の正極合剤スラリーとする。この正極合剤スラリーを正極集電体２１ａに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ローラープレス機などにより圧縮成型して正極活物質層２１ｂを形成し、正極２１を作製する。
【００４１】
次いで、例えば、リチウムを吸蔵・離脱することが可能な負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶剤に分散してペースト状の負極合剤スラリーとする。この負極合剤スラリーを負極集電体２２ａに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ローラープレス機などにより圧縮成型して負極活物質層２２ｂを形成し、負極２２を作製する。
【００４２】
続いて、正極集電体２１ａに正極リード２５を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体２２ａに負極リード２６を溶接などにより取り付ける。そののち、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を介して巻回し、正極リード２５の先端部を安全弁機構１５に溶接すると共に、負極リード２６の先端部を電池缶１１に溶接して、巻回した正極２１および負極２２を一対の絶縁板１２，１３で挟み電池缶１１の内部に収納する。正極２１および負極２２を電池缶１１の内部に収納したのち、電解液を電池缶１１の内部に注入し、セパレータ２３に含浸させる。そののち、電池缶１１の開口端部に電池蓋１４，安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をガスケット１７を介してかしめることにより固定する。これにより、図１に示した二次電池が形成される。
【００４３】
この二次電池は次のように作用する。
【００４４】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極２１からリチウムイオンが離脱し、セパレータ２３に含浸された電解液を介して負極２２に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極２２からリチウムイオンが離脱し、セパレータ２３に含浸された電解液を介して正極２１に吸蔵される。ここでは、負極集電体２２ａの引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下であり、かつ引張試験による伸びが３％以上２０％以下であるので、充放電に伴う負極活物質層２２ｂの膨張収縮に対応して負極集電体２２ａが伸縮し、負極活物質層２２ｂの剥離が防止される。また、取り扱いも容易となり生産性が向上する。
【００４５】
このように本実施の形態によれば、負極集電体２２ａの引張強さを１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下、かつ引張試験による伸びを３％以上２０％以下とするようにしたので、負極活物質層２２ｂの膨張収縮に対応して負極集電体２２ａが伸縮することができる。よって、負極活物質層２２ｂが膨張収縮が大きい材料、例えば、リチウムと合金を形成可能な金属元素または半金属元素の単体，合金および化合物からなる群のうちの少なくとも１種を含んでいても、負極活物質層２２ｂの剥離を防止することができる。従って、高い容量を得ることができると共にサイクル寿命を長くすることができる。
【００４６】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【００４７】
実験例１〜７として、図１および図２に示した二次電池と同様の円筒型二次電池を下記のようにして作製した。ここでは、図１および図２を参照し、同一の符号を用いて説明する。
【００４８】
まず、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ₃）とを、Ｌｉ₂ＣＯ₃：ＣｏＣＯ₃＝０．５：１（モル比）の割合で混合し、空気中において９００℃で５時間焼成して、正極活物質であるリチウム・コバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物９１質量部と、導電剤であるグラファイト６質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して正極合剤を調整した。続いて、この正極合剤を溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み２０μｍの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体２１ａの両面に均一に塗布して乾燥させ、圧縮成型して正極活物質層２１ｂを形成したのち、幅５５ｍｍの短冊状に切断して正極２１を作製した。そののち、正極集電体２１ａの一端にアルミニウム製の正極リード２５を取り付けた。
【００４９】
また、ケイ素粉末２０ｇと銅粉末８０ｇとを混合し、この混合物を石英ボートに入れ、アルゴンガス雰囲気中で１０００℃に加熱したのち室温まで放冷し、負極活物質であるＣｕＳｉ合金の塊を得た。次いで、得られたＣｕＳｉ合金の塊をアルゴンガス雰囲気中でボールミルにて粉砕し、粉末状とした。この粉末を走査型電子顕微鏡（ Scanning Electron Microscope ; ＳＥＭ）により観察したところ、その平均粒径は約１０μｍであった。
【００５０】
続いて、このＣｕＳｉ合金８０質量部と、負極活物質および導電剤である、鱗片状黒鉛１０質量部およびアセチレンブラック２質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン８質量部とを混合して負極合剤を調整したのち、この負極合剤を溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとした。そののち、負極集電体２２ａとして厚み１０μｍの帯状の電解銅箔またはベリリウム銅箔を用意した。その際、実験例１〜７で表１に示したように箔の種類を変化させると共に、実験例２〜７については、真空中で表１に示した条件で加熱処理を行い、引張強さおよび伸びを変化させた。次いで、負極集電体２２ａの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させ、圧縮成型して負極活物質層２２ｂを形成したのち、幅５６ｍｍの短冊状に切断して負極２２を作製した。そののち、負極集電体２２ａの一端にニッケル製の負極リード２６を取り付けた。
【００５１】
【表１】

【００５２】
正極２１および負極２２をそれぞれ作製したのち、厚み２５μｍの微多孔性ポリエチレンフィルムよりなるセパレータ２３を用意し、負極２２，セパレータ２３，正極２１，セパレータ２３の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回し、粘着テープで固定し、外径１８ｍｍの巻回電極体２０を作製した。
【００５３】
巻回電極体２０を作製したのち、巻回電極体２０を一対の絶縁板１２，１３で挟み、負極リード２６を電池缶１１に溶接すると共に、正極リード２５を安全弁機構１５に溶接して、巻回電極体２０をニッケルめっきした鉄製の電池缶１１の内部に収納した。そののち、電池缶１１の内部に電解液を減圧方式により注入した。電解液には、エチレンカーボネート５０体積％とジメチルカーボネート５０体積％とを混合した溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１．５ｍｏｌ／ｄｍ³の濃度で溶解させたものを用いた。
【００５４】
電池缶１１の内部に電解液を注入したのち、表面にアスファルトを塗布したガスケット１７を介して電池蓋１４を電池缶１１にかしめることにより、実験例１〜７について直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒型二次電池を得た。
【００５５】
得られた実験例１〜７に係る二次電池の一部について、解体し、負極集電体２２ａから負極活物質層２２ｂをはがしたのち、島津製作所製オートグラフＡＧＳ−５０Ｂを用いて実施の形態で説明した方法により引張強さおよび伸びの測定を行った。なお、試験片としては幅５６ｍｍの負極２２をそのまま用いた。
【００５６】
また、実験例１〜７に係る二次電池を用いて２０℃の環境下で充放電を行い、放電容量維持率を求めた。その際、充電は１Ａの定電流で電池電圧が４．２Ｖに達するまで行ったのち、４．２Ｖの定電圧で充電時間の総計が４時間に達するまで行い、放電は１Ａの定電流で電池電圧が２．５Ｖに達するまで行った。放電容量維持率は、１サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の比率、すなわち（１００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００として算出した。得られた結果を表１に示す。なお、１サイクル目の放電容量はいずれもほぼ同じであった。
【００５７】
更に、実験例１〜７に係る二次電池を用いて不良率を調べた。その際、初充電直後の開回路電圧と、初充電後２４時間放置したあとの開回路電圧との差が０．１Ｖ以上の場合に、内部短絡が起こっているものとし、不良と判断した。測定数は各実験例とも１００個とし、１００個に対する不良数の百分率を求めた。
【００５８】
また、本実験例に対する比較例１〜５として、負極集電体２２ａとして圧延銅箔，ベリリウム銅箔または銅スズ合金箔を用意し、箔の種類、加熱温度および加熱時間を表１に示したように変化させたことを除き、他は本実験例と同様にして二次電池を作製した。比較例１〜５の二次電池についても、本実験例と同様にして、引張強さ，伸び，放電容量維持率および不良率を求めた。表１にそれらの結果を合わせて示す。なお、１サイクル目の放電容量はいずれも比較例１〜５でほぼ同じであった。
【００５９】
表１から分かるように、引張強さが４００Ｎ／ｍｍ²以下で伸びが３％以上の負極集電体２２ａを用いた本実験例では、放電容量維持率が６０％以上と高い値が得られた。これに対して、伸びが３％未満の比較例１，３および引張強さが４００Ｎ／ｍｍ²よりも大きい比較例２では、放電容量維持率が６０％未満と低い値しか得ることができなかった。すなわち、引張強さが４００Ｎ／ｍｍ²以下で、伸びが３％以上の負極集電体２２ａを用いるようにすれば、サイクル寿命を長くすることができることが分かった。
【００６０】
また、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上の負極集電体２２ａを用いた本実験例では不良率が１０％未満と低い値が得られたのに対して、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²未満の負極集電体を用いた比較例４，５では１０％以上と高い値しか得られなかった。すなわち、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上の負極集電体２２ａを用いるようにすれば、優れた生産性を得られることが分かった。
【００６１】
更に、実験例１〜７の結果から、伸びが大きくなると放電容量維持率が悪くなる傾向が見られ、伸びを２０％以下とすれば、放電容量維持率を６０％以上と高くできることが分かった。
【００６２】
中でも、実験例１〜４では、放電容量維持率が７０％と優れた結果が得られ、実験例１〜３では、不良率が５％以下と更に優れた結果が得られた。すなわち、引張強さを１８０Ｎ／ｍｍ²以上３５０Ｎ／ｍｍ²以下、伸びを５％以上１５％以下とすれば、サイクル特性をより改善することができ、引張強さを２００Ｎ／ｍｍ²以上とすれば、不良率を低下させることができることが分かった。
【００６３】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、負極集電体２２ａを構成する金属箔あるいは合金箔の材料および作製方法について具体的に例を挙げて説明したが、負極集電体２２ａには他の材料よりなる金属箔あるいは合金箔を用いてもよく、他の作製方法により得られた金属箔あるいは合金箔を用いてもよい。
【００６４】
また、上記実施の形態および実施例では、溶媒に液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。
【００６５】
なお、ゲル状の電解質には電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子化合物を用いることができる。そのような高分子化合物としては、例えば、ポリビニリデンフルオロライドあるいはビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。
【００６６】
固体電解質には、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた有機固体電解質、またはイオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質を用いることができる。このとき、高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または分子中に共重合させて用いることができる。また、無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはヨウ化リチウムなどを用いることができる。
【００６７】
更に、上記実施の形態および実施例においては、巻回構造を有する円筒型の二次電池について説明したが、本発明は、巻回構造を有する楕円型あるいは多角形型の二次電池、または正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、いわゆるコイン型，ボタン型あるいはカード型などの二次電池についても適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。
【００６８】
加えて、上記実施の形態および実施例では、電極反応にリチウムを用いる場合を説明したが、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの他のアルカリ金属，またはマグネシウムあるいはカルシウム（Ｃａ）などのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その場合、負極活物質には、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体，合金または化合物に代えて、その軽金属と合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体，合金または化合物が用いられると共に、正極活物質および電解質塩についても、その軽金属に応じた物質が用いられる。他は上記実施の形態と同様に構成することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載の二次電池によれば、負極集電体の引張強さを１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下、かつ引張試験による伸びを３％以上２０％以下とすると共に、ビッカース硬さを１００ＨＶ以上３００ＨＶ以下とするようにしたので、充放電に伴う負極活物質の膨張収縮に対応して負極集電体が伸縮することができる。よって、負極活物質として膨張収縮が大きい材料、例えば、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体，合金または化合物を用いても、負極活物質の剥離を防止することができる。従って、高い容量を得ることができると共に、サイクル寿命を長くすることができる。また、取り扱いも容易となり、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した二次電池における巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。
【符号の説明】
１１…電池缶、１２，１３…絶縁板、１４…電池蓋、１５…安全弁機構、１６…熱感抵抗素子、１７…ガスケット、２０…巻回電極体、２１…正極、２１ａ…正極集電体、２１ｂ…正極活物質層、２２…負極、２２ａ…負極集電体、２２ｂ…負極活物質層、２３…セパレータ、２４…センターピン、２５…正極リード、２６…負極リード

Claims

正極および負極と共に電解質を備え、
前記負極は、引張強さが１５０Ｎ／ｍｍ²以上４００Ｎ／ｍｍ²以下であり、かつ引張試験による伸びが３％以上２０％以下であると共に、ビッカース硬さが１００ＨＶ以上３００ＨＶ以下である負極集電体と、軽金属と合金を形成可能な金属元素または半金属元素の単体，合金および化合物からなる群のうちの少なくとも１種を含む負極活物質層と
を有する、二次電池。
前記負極集電体は金属箔あるいは合金箔よりなる、請求項１記載の二次電池。
前記負極集電体は電解箔よりなる、請求項２記載の二次電池。