JP5032063B2 - 非水電解質電池、電池パックおよび自動車 - Google Patents
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Description
車に係わる。
は、高エネルギー密度電池として盛んに研究開発が進められている。
いる非水電解質電池が既に商用化されている。リチウム遷移金属複合酸化物は、遷移金属
としてCo、Mn、Ni等を用いるのが一般的である。
複合酸化物を負極活物質として用いた非水電解質電池が提案された。リチウムチタン複合
酸化物は、充放電に伴う体積変化が小さいため、充放電の可逆性に優れるという特徴を有
する。また、リチウムチタン複合酸化物を負極活物質に用いた電池では、原理的にリチウ
ム金属が析出することがないため、大電流での充電が可能になる。すなわち、急速充電が
可能となる。
ードにニッケルを用いることが一般的であった。しかし、上述したLi吸蔵・放出電位が高
い負極活物質を用いた電池では、負極の作用電位がアルミニウムの合金化電位(リチウム
と反応する電位)よりも貴であるため、負極集電体や負極リードに正極側と同じアルミニ
ウムを用いることが可能となる。このことは、電池の軽量化や低コスト化に繋がるため、
炭素質物を用いた従来の電池に対して大きなメリットとなる。このようなアルミニウムを
負極集電体に用いた電池は特許文献1で開示されている。
は、外部で短絡した場合の電池内部発熱が大きいことが分かってきた。この原因は以下の
通りである。
ッケル材の電気抵抗が、他の集電体やリード材のそれに比べて極端に大きい(20℃での電
気抵抗率は、アルミニウムが2.69×10-8Ωm、銅が1.673×10-8Ωmに対して、ニッケル
は6.844×10-8Ωm)ために、外部短絡で大電流(例えば数百〜千数百A以上)が流れた
場合に、負極リードであるニッケル材が抵抗発熱によって急激に発熱し、真っ先に溶断す
る。この結果、電池にこれ以上の電流が流れ続けることはなく、電池内部での発熱は抑止
され、電池は安全に電池機能を失ってくれる。
絡が生じても発熱量が小さく、リードが溶断する処まで至らない。さらに、両極の集電体
がアルミニウムであると、電気抵抗が低いゆえに、より大電流が流れ抵抗加熱が生じる。
集電体に生じた熱は、電極層へと直接的に伝わり、電池が熱暴走する恐れがあった。
安全装置を取り付けると、エネルギー密度が低下してしまい、好ましくなかった。
解質電池、電池パックおよび自動車を提供することを目的とする。
供できる。
態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、
各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際
の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変
更することができる。
第1の実施形態に係る非水電解質電池について図1を参照して説明する。図1は第1の
実施形態に係る非水電解質電池の別な例を模式的に示す部分切欠斜視図で、図2は図1の
A部の拡大断面図である。
れている。積層型電極群2は、図2に示すように、正極3と負極4とをその間にセパレー
タ5を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極3は複数枚存在し、それぞれが
正極集電体3aと、正極集電体3aの両面に担持された正極活物質含有層3bとを備える
。負極4は複数枚存在し、それぞれが負極集電体4aと、負極集電体4aの両面に担持さ
れた負極活物質含有層4bとを備える。それぞれの負極4の負極集電体4aは、一辺が正
極3から突出している。この突出した部分(以後、負極タブとする。)は負極集電体4a
の一部が延出して形成されている。負極タブは、帯状の負極リード6の一端に電気的に接
続されている。帯状の負極リード6の他端は、外装材8から外部に引き出されている。
る辺が負極4から突出している。この突出した部分(以後、正極タブとする。)は正極集
電体3aの一部が延出して形成されている。正極タブは、帯状の正極リード1の一端に電
気的に接続されている。帯状の正極リード7の他端は、外装材8の辺から外部に引き出さ
れている。正極リード7が外装材8から引き出されている方向は、負極リード6が外装材
8から引き出されている方向と反対向きである。なお、図2中、セパレータ5は点線で表
したが、これは便宜的なものであり、実際上のセパレータ5の断面を示すものではない。
される領域4a2と、負極層が形成されない領域である負極タブ4a1と、に分けられる
。負極タブ4a1は、負極層が形成される領域4a2の一辺の一部が延出されて形成され
る。
ド6の夫々は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成される。これは、負極活物
質のリチウム吸蔵・放出電位が0.4V(vs Li/Li+)より貴であることに起因する。
した理由により、電池内部の発熱が大きくなってしまっていた。発明者らは鋭意研究した
結果、このような電池の発熱挙動(熱分布)は、正極負極夫々における、電流が流れる方
向に垂直なリードの最小断面積と、電流が流れる方向に垂直なタブの総断面積と、の比率
で大きく変化することを見出した。
極リードの最小断面積より小さい場合には、タブに近い電池内部は大きく発熱する。しか
しながら、逆の場合、すなわち、電流が流れる方向に垂直なタブの総断面積は、電流が流
れる方向に垂直なリードの最小断面積より大きい場合には、電池内部の発熱がリードの発
熱よりも小さくなることが分かった。
解など)を誘発し、電池の安全性を低下させる。一方、後者の場合は、電池内部の発熱よ
りもリードの発熱が顕著となり、リードが溶断して電池機能を安全に消失させることが可
能となった。
図4を参照して説明する。図4(a)は、図2の線Bで表される断面におけるタブの断面
を示した模式図である。なお、便宜上、タブの枚数は10枚とした。図4(b)は、図2
の線Cで表される断面におけるリードの断面積を示した模式図である。図4(a)に示す
ように、負極タブ4a1の厚さTtと幅Wtとを掛けることにより負極タブ4a1の断面
積を算出する。その後、負極タブ4a1の枚数と負極タブ4a1の断面積とを掛けること
により、負極タブの総断面積を算出する。一方、図4(b)に示すように、負極リード2
の断面積は、負極リード2の厚さTlと幅Wlとを掛けることにより算出する。なお、断
面積が最小であるか否かは、適宜何箇所か測定を行うことによって求める。また、寸法は
ノギスで測定した。
タブの総断面積より小さい。負極リードの最小断面積(SNL)と負極タブの総断面積(SNT
)の比率(SNT/SNL)が1.3以上10以下であることが好ましい。この比率が1.3より小さい
とタブの溶断が起こり難く、電池内部の温度上昇が顕著になる。10より大きいと、負極リ
ードの抵抗が大きくなりすぎて、電池性能(負荷特性)が低下してしまう。より好ましい
範囲は、1.5以上6以下である。
直な正極タブの総断面積より小さい。正極リードの最小断面積(SPL)と正極タブの総断
面積(SPT)の比率(SPT/SPL)が1.3以上10以下であることが好ましい。この比率が1.3よ
り小さいとタブの溶断が起こり難く、電池内部の温度上昇が顕著になる。10より大きいと
、正極リードの抵抗が大きくなりすぎて、電池性能(負荷特性)が低下してしまう。より
好ましい範囲は、1.5以上6以下である。
られる。すなわち、電池の内部抵抗が高く、外部短絡を行っても大電流が流れない場合に
は、このような効果は小さくなる。したがって、本発明の効果が有効に機能する電池の構
成としては、電池の内部抵抗が10mΩ以下であることが好ましい。このような電池は電極
層の厚さを60μm以下、電池容量を2Ah以上とすることで容易に達成できる。なお、ここ
で、集電体の両面に電極層を形成した場合、電極層の厚さとは、片面のみの厚さをいうも
のとする。
しい。これは以下の理由による。
め、電池の異状発熱が誘発され易い。すなわち、正極は負極に比して発熱耐性が低い。し
たがって、電池の発熱は正極側よりも負極側で優先的に生じる方が好ましい。負極側に抵
抗発熱を優先的に生じさせるためには、上述の構成を採ることが有効である。何故ならば
、正極リード、負極リード、正極タブ、負極タブの中で、電流の流れる断面積を比較した
場合において、負極リードが最も小さい断面積となり、同時に最も抵抗発熱が生じやすい
箇所となるからである。
現れる。スピネル構造やオリビン構造を有する正極活物質に比べて、構造安定性が低く、
熱分解温度が低いためである。
は、1.01以上3以下であることが好ましい。(SPL/SNL)が1.01より小さいと負極側を優先
的に発熱させる効果に乏しく、3を超えると、リードの強度バランスが不均等で、振動試
験など行った際に、負極リードに負担が掛かり、破壊してしまうためである。より好まし
い範囲は1.03以上2以下である。
が好ましい。ただし、この場合、負極リードが最も小さい断面積となる訳ではない。よっ
て、正極負極のリードの最小断面積を調整した方が効果は顕著である。
は、1.01以上3以下であることが好ましい。(SPT/SNT)が1.01より小さいと負極側を優先
的に発熱させる効果に乏しく、3を超えると、タブの強度バランスが不均等で、振動試験
など行った際に、負極タブに負担が掛かり、破壊してしまうためである。より好ましい範
囲は1.03以上2以下である。
て垂直方向の幅が略同一であることが好ましい。幅が小さい領域が存在すると、外部から
の振動などによる曲げなどの剪断応力が働いたときに、幅が小さい領域が核となって、リ
ード或いはタブが切れ易くなってしまう。アルミニウムもしくはアルミニウム合金箔は引
張には強いが、曲げ剪断が弱いためである。
幅方向の精度は±0.1mm位であり、実施例にて後述するタブ・リード幅から考えると±0.5
%となる。また、タブ・リードの厚みの精度は±0.1μm程度。実施例にて後述する集電体
(タブ)厚さ15μm厚さから考えると±0.67%程度となる。
て、材料を中心として詳細に説明する。
この負極は、負極集電体と、前記集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質、導電
剤および結着剤を含む負極活物質含有層とを有する。
属酸化物、金属硫化物、金属窒化物あるいは合金であることが望ましい。
4P0.6O3.1などのアモルファススズ酸化物、例えばSnSiO3などのスズ珪素酸化物、
例えばSiOなどの酸化珪素、例えばWO3などのタングステン酸化物などが挙げられる
。中でも、チタン含有金属複合酸化物が好ましい。
リチウムを含まないチタン系酸化物などを挙げることができる。リチウムチタン酸化物と
しては、例えばLi4+xTi5O12(xは0≦x≦3)やLi2+xTi3O7(xは0≦x≦
3)などが挙げられる。チタン系酸化物としては、TiO2、TiとP、V、Sn、Cu
、Ni及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有する金属複合酸
化物などが挙げられる。TiO2はアナターゼ型で熱処理温度が300〜500℃の低結晶性の
ものが好ましい。TiとP、V、Sn、Cu、Ni及びFeよりなる群から選択される少
なくとも1種類の元素を含有する金属複合酸化物としては、例えば、TiO2−P2O5、
TiO2−V2O5、TiO2−P2O5−SnO2、TiO2−P2O5−MeO(MeはCu、
Ni及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素)などを挙げることがで
きる。この金属複合酸化物は、結晶性が低く、結晶相とアモルファス相が共存もしくは、
アモルファス相単独で存在したミクロ構造であることが好ましい。このようなミクロ構造
であることによりサイクル性能が大幅に向上することができる。中でも、リチウムチタン
酸化物、TiとP、V、Sn、Cu、Ni及びFeよりなる群から選択される少なくとも
1種類の元素を含有する金属複合酸化物が好ましい。
硫化モリブデン、例えば、FeS、FeS2、LixFeS2などの硫化鉄などが挙げられ
る。
x<4,0<y<0.5)などが挙げられる。
積が3〜200m2/gの範囲であることが望ましい。これにより、負極の非水電解質と
の親和性をさらに高くすることができる。
より、負極と非水電解質との親和性に優れ、かつ高密度な負極を得ることができる。多孔
度のさらに好ましい範囲は、25〜40%である。
とが望ましい。より好ましい範囲は集電体の片面で10μm以上、35μm以下である。
集電体は、平均結晶粒子径が50μm以下であることが好ましい。これにより、集電体の
強度を飛躍的に増大することができるため、負極を高いプレス圧で高密度化することが可
能となり、電池容量を増大することができる。また、高温環境下(40℃以上)における
過放電長期サイクルでの負極集電体の溶解・腐食劣化を防ぐことができるため、負極イン
ピーダンスの上昇を抑制することができる。さらに、出力特性、急速充電、充放電サイク
ル特性も向上することができる。平均結晶粒子径のより好ましい範囲は30μm以下であ
り、さらに好ましい範囲は5μm以下である。
1mm×1mm内に存在する結晶粒子数nを求める。このnを用いてS=1x106/n
(μm2)から平均結晶粒子面積Sを求める。得られたSの値から下記(1)式により平
均結晶粒子径d(μm)を算出する。
前記平均結晶粒子径の範囲が50μm以下の範囲にあるアルミニウム箔またはアルミニ
ウム合金箔は、材料組成、不純物、加工条件、熱処理履歴ならび焼なましの加熱条件など
多くの因子に複雑に影響され、前記結晶粒子径(直径)は、製造工程の中で、前記諸因子
を有機的に組み合わせて調整される。
5μm以下である。アルミニウム箔の純度は99.99%以上が好ましい。アルミニウム
合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄
、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属は100ppm以下にすることが好ましい。
素繊維、黒鉛、アルミニウム粉末、TiO等を挙げることができる。より好ましくは、熱
処理温度が800℃〜2000℃の平均粒子径10μm以下のコークス、黒鉛、TiOの
粉末、平均繊維径1μm以下の炭素繊維が好ましい。前記炭素材料のN2吸着によるBE
T比表面積は10m2/g以上が好ましい。
ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジェンゴム、コアシェルバインダ
ーなどが挙げられる。
剤3〜18重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
この正極は、正極集電体と、前記集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質、導電
剤および結着剤を含む正極活物質含有層とを有する。
くとも一種類の金属元素を含有するリチウム金属化合物が使用される。
はLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバ
ルト複合酸化物(例えばLixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば
LixNi1-yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo
1-yO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2-yNiyO4、x
、yは0≦x≦1、0.4≦y≦1)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(Li
xFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixVPO4F、LixCoPO4など)、層状結
晶構造を有するリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物などが挙げられる。なお、
x,yは、特に記載がない限り、0〜1の範囲であることが好ましい。
化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコ
バルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガン
コバルト複合酸化物、リチウムリン酸鉄、層状結晶構造を有するリチウムニッケルコバル
トマンガン複合酸化物などを使用することが望ましい。
NibCocMndO2(但し、モル比a,b,c及びdは0≦a≦1.1、b+c+d=1
)で表されることが好ましい。モル比a,b,c及びdのより好ましい範囲は、0≦a≦
1.1、0.1≦b≦0.5、0≦c≦0.9、0.1≦d≦0.5である。
とが望ましい。より好ましい範囲は集電体の片面で10μm以上、35μm以下である。
ことができる。
ニリデン(PVdF)、フッ素系ゴムなどが挙げられる。
剤3〜19重量%、結着剤1〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
物をアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の集電体に塗布し、乾燥し、プレスを施す
ことにより作製される。
均結晶粒子径が50μm以下であることが好ましい。より好ましくは、平均結晶粒子径が
30μm以下である。さらに好ましくは5μm以下である。前記平均結晶粒子径の範囲が
50μm以下であることにより、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の強度が飛躍
的に増大することができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能となり、電池容
量を増大することができる。
ウム合金箔は、材料組成、不純物、加工条件、熱処理履歴ならび焼なましの加熱条件など
多くの因子に複雑に影響され、前記結晶粒子径(直径)は、製造工程の中で、前記諸因子
を有機的に組み合わせて調整される。
は15μm以下である。
合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム、セル
ロース製不織布などを挙げることができる。
非水電解質には、リチウム塩電解質を有機溶媒に溶解することにより調整される液状電
解質、前記液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状電解質、またはリチウム塩電解質
と高分子材料を複合化した固体電解質を使用することができる。高分子材料としては、例
えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチ
レンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。また、非水電解質には、揮発性がな
く不燃性のイオン性液体からなる常温溶融塩を含有させることもできる。
ッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒
素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)
、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]、Li
N(C2F5SO2)2,Li(CF3SO2)3C、LiB[(OCO)2]2などが挙げられ
る。使用する電解質の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。
り低温環境下においても高出力を取り出すことができる。リチウム塩濃度を1.5mol
/L未満にすると、大電流(ハイレート)で放電中に正極と非水電解質界面のリチウムイ
オン濃度が急激に低下するため、出力低下を招く恐れがある。一方、リチウム塩濃度が2
.5mol/Lを越えると、非水電解質の粘度が高くなるため、リチウムイオンの移動速
度が低下して出力低下に至る可能性がある。このため、リチウム塩濃度は、1.5mol
/L以上、2.5mol/L以下にすることが望ましい。さらに好ましい範囲は、2.2
mol/L以上、2.4mol/L以下である。
ート(EC)などの環状カーボネートや、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカ
ーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)などの鎖状カーボネートや
、ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)などの鎖状エーテルや、テ
トラヒドロフラン(THF)、ジオキソラン(DOX)などの環状エーテルや、γ−ブチ
ロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)などを挙げること
ができる。これらの有機溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができ
る。中でも、PC、EC、DEC及びGBLよりなる群から選択される少なくとも一種類
を含有するものが好ましい。これにより、二次電池の出力特性もしくは充放電サイクル寿
命を向上することができる。十分な特性向上を図るためには、PC、EC、DEC及びG
BLよりなる群から二種以上を選択することが望ましい。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポ
リフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げるこ
とができる。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレンからなる多孔質フィルムは、一定
温度において溶融し、電流を遮断することが可能であり、安全性向上の観点から好ましい
。
外装材としては、肉厚0.2mm以下のラミネートフィルムが挙げられる。
る。軽量化のために、金属層はアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。
樹脂層は、金属層を補強するためのものであり、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン
(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子を用いることが
できる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行うことにより成形する。
負極リードは、リチウムイオン金属に対する電位が0.4〜3.0Vの範囲における電気的安
定性と導電性とを備える材料を用いる。具体的には、アルミニウム若しくはMg、Ti、Zn、
Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。負極タブとの溶接抵抗を
小さくするために、軟質で低融点のアルミニウムであることが好ましい。
正極リードは、リチウムイオン金属に対する電位が3.0〜5.0V以下の範囲における電気
的安定性と導電性とを備える材料を用いる。具体的には、アルミニウム若しくはMg、Ti、
Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極タブとの溶接抵
抗を小さくするために、軟質で低融点のアルミニウムであることが好ましい。
本発明の第2の実施形態に係る電池パックは、第1の実施形態に係る非水電解質電池を
単電池として複数備える。複数の単電池は電気的に直列もしくは並列に接続されており、
組電池を構成している。
さらに好ましい範囲は3Ah以上、40Ah以下である。さらに、ハイブリッド自動車用
では、3Ah以上、15Ah以下の定格容量が好ましく、電気自動車用やUPS用では、
15Ah以上、40Ah以下の定格容量が好ましい。ここで、定格容量とは、0.2Cレ
ートで放電した時の容量を意味する。
のより好ましい範囲は、5個以上、200個以下である。さらに、ハイブリッド自動車用
や電気自動車用では、5個以上、200個以下が好ましく、UPS用では、5個以上、1
000個以下が好ましい。また、車載用では、高電圧を得るために単電池を直列に接続す
ることが望ましい。
ており、直方体状を為す積層体20、つまり組電池が形成されている。各単電池11は、
上述したように、正極および負極夫々に接続された正極端子13および負極端子14が外
装材の外部に引き出されている。正極端子13および負極端子14が突出する側面に対し
ては、プリント配線基板12が配置される。
極端子14は負極側配線17を介して、負極側コネクタ18に電気的に接続される。正極
側および負極側コネクタ16、18は、夫々、プリント配線基板12に搭載された相手方
コネクタに接続される。
、正極端子13および負極端子14が突出する側面以外の三側面には、ゴムもしくは樹脂
からなる保護シート21が配置される。正極端子13および負極端子14が突出する側面
とプリント配線基板12との間には、ゴムもしくは樹脂からなるブロック状の保護ブロッ
ク22が配置される。
と共に収納容器23に収納される。収納容器23の上面には、蓋24が取り付けられる。
外部機器への通電用の端子27が搭載されている。
6に送信される。
端子27との間の配線28a,28bを遮断できる。所定の条件とは、例えば、サーミス
タ25の検出温度が所定温度以上になったとき、単電池11の過充電、過放電、過電流等
を検知したとき等である。この検知方法は、個々の単電池11もしくは単電池全体につい
て行われる。個々の単電池11を検知する場合、電池電圧を検知してもよいし、正極電位
もしくは負極電位を検知してもよい。後者の場合、個々の単電池11中に参照極として用
いるリチウム電極が挿入される。図6の場合、保護回路26は、電池電圧監視回路部を備
えている。単電池11それぞれが配線29を通して電池電圧監視回路部と接続されている
。このような構成によると、単電池11それぞれの電池電圧を保護回路26により検出す
ることが可能である。
面に保護シート21を配置させ、熱収縮チューブを周回させた後、該熱収縮チューブを熱
収縮させて積層体20を結束させる。
せるためには並列に接続しても良い。無論、組み上がった電池パックを直列、並列に接続
することもできる。
しい。具体的には、二輪〜四輪のハイブリッド電気自動車、二輪〜四輪の電気自動車、ア
シスト自転車等の車載用や電子機器の非常用、充電式掃除機が挙げられる。特に、車載用
が好適である。
第3の実施形態に係る自動車は、第2の実施形態に係る電池パックを備える。ここでい
う自動車としては、二輪〜四輪のハイブリッド電気自動車、二輪〜四輪の電気自動車、ア
シスト自転車などが挙げられる。
リッドタイプの自動車を示している。自動車の駆動力には、その走行条件に応じ、広範囲
な回転数及びトルクの動力源が必要となる。一般的に内燃機関は理想的なエネルギー効率
を示すトルク・回転数が限られているため、それ以外の運転条件ではエネルギー効率が低
下する。ハイブリッドタイプの自動車は、内燃機関を最適条件で稼動させて発電すると共
に、車輪を高効率な電動機にて駆動することによって、あるいは内燃機関と電動機の動力
を合わせて駆動したりすることによって、自動車全体のエネルギー効率を向上できるとい
う特徴を有する。また、減速時に車両のもつ運動エネルギーを電力として回生することに
よって、通常の内燃機関単独走行の自動車に比較して、単位燃料当りの走行距離を飛躍的
に増大させることができる。
することができる。
されている。内燃機関51の動力を一旦すべて発電機52で電力に変換し、この電力をイ
ンバータ53を通じて電池パック54に蓄える。電池パック54には本発明の第4の実施
形態に係る電池パックが使用される。電池パック54の電力はインバータ53を通じて電
動機55に供給され、電動機55により車輪56が駆動する。電気自動車に発電機が複合
されたようなシステムである。内燃機関は高効率な条件で運転でき、電力回生も可能であ
る。その反面、車輪の駆動は電動機のみによって行われるため、高出力な電動機が必要と
なる。また、電池パックも比較的大容量のものが必要となる。電池パックの定格容量は、
5〜50Ahの範囲にすることが望ましい。より好ましい範囲は10〜20Ahである。
ここで、定格容量とは、0.2Cレートで放電した時の容量を意味する。
いる。付番58は、発電機を兼ねた電動機を示す。内燃機関51は主に車輪56を駆動し
、場合によりその動力の一部を発電機58で電力に変換し、その電力で電池パック54が
充電される。負荷が重くなる発進や加速時には電動機58により駆動力を補助する。通常
の自動車がベースになっており、内燃機関51の負荷変動を少なくして高効率化を図り、
電力回生なども合わせて行うシステムである。車輪56の駆動は主に内燃機関51によっ
て行うため、電動機58の出力は必要な補助の割合によって任意に決定することができる
。比較的小さな電動機58及び電池パック54を用いてもシステムを構成することができ
る。電池パックの定格容量は、1〜20Ahの範囲にすることができる。より好ましい範
囲は5〜10Ahである。
されている。シリーズとパラレルの両方を組み合わせた方式である。動力分割機構60は
、内燃機関51の出力を、発電用と車輪駆動用とに分割する。パラレル方式よりもきめ細
かくエンジンの負荷制御を行い、エネルギー効率を高めることができる。
囲は5〜10Ahである。
圧は、200〜600Vの範囲にすることが望ましい。
での使用に特に適している。
にくい場所に配置されるのが好ましい。例えば図10に示すようなセダンタイプの自動車
では、後部座席61後方のトランクルーム62内などに配置することができる。また、座
席61の下や後ろに配置することができる。電池重量が大きい場合には、車両全体を低重
心化するため、座席の下や床下などに配置するのが好ましい。
たエネルギーで走行する。よって、電気自動車は、他の発電設備などを用いて高効率に発
電された電気エネルギーを利用することが可能である。また、減速時には自動車の運動エ
ネルギーを電力として回生できるため、走行時のエネルギー効率を高くすることができる
。電気自動車は二酸化炭素その他の排気ガスを全く排出しないため、クリーンな自動車で
ある。その反面、走行時の動力はすべて電動機であるため、高出力の電動機が必要である
。一般には一回の走行に必要なすべてのエネルギーを一度の充電で電池パックに蓄えて走
行する必要があるため、非常に大きな容量の電池が必要である。電池パックの定格容量は
、100〜500Ahの範囲にすることが望ましい。より好ましい範囲は200〜400
Ahである。
るなど、低い位置に、かつ車両の重心から大きく離れない位置に配置することが好ましい
。1回の走行に相当する大きな電力量を短時間のうちに充電するためには、大容量の充電
器と充電ケーブルが必要である。このため、電気自動車は、それらを接続する充電コネク
タを備えることが望ましい。充電コネクタには、電気接点による通常のコネクタを用いる
ことができるが、電磁結合による非接触式の充電コネクタを用いても良い。
リッド自動車と同様に、内燃機関64、電動機65、電池パック54を備えたエネルギー
効率の高いハイブリッドバイクを構成することができる。内燃機関64は主に車輪66を
駆動し、場合によりその動力の一部で電池パック54が充電される。負荷が重くなる発進
や加速時には電動機65により駆動力を補助する。車輪66の駆動は主に内燃機関64に
よって行うため、電動機65の出力は必要な補助の割合によって任意に決定することがで
きる。比較的小さな電動機65及び電池パック54を用いてもシステムを構成することが
できる。電池パックの定格容量は、1〜20Ahの範囲にすることができる。より好まし
い範囲は3〜10Ahである。
て充電された電池パック54に蓄えられたエネルギーで走行する。走行時の動力はすべて
電動機65であるため、高出力の電動機65が必要である。一般には一回の走行に必要な
すべてのエネルギーを一度の充電で電池パックに蓄えて走行する必要があるため、比較的
大きな容量の電池が必要である。電池パックの定格容量は、10〜50Ahの範囲にする
ことが望ましい。より好ましい範囲は15〜30Ahである。
機の筐体70内に第2の実施形態に係る電池パックが収容されている。また、充電式掃除
機は、置き台兼用の充電器71を備えている。電池パックの定格容量は、2〜10Ahの
範囲にすることが望ましい。より好ましい範囲は2〜4Ahである。また、電池パックの
公称電圧は、40〜80Vの範囲にすることが望ましい。
される実施例に限定されるものでない。
<正極の作製>
まず、正極活物質として平均粒径3.4μmのリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末90
重量%、導電剤として、アセチレンブラック5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVd
F)5重量%をN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーとし、このス
ラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布、乾燥した後、プレス
することにより電極密度が3.3g/cm3、正極層厚さLPが23μmの正極を作製した。
次に、負極活物質として平均粒径0.8μmのスピネル構造を有するリチウムチタン複合
酸化物(Li4Ti5O12)粉末90重量%、導電剤として1200℃で焼成したコークス(d002 = 0.
3465、平均粒径3μm)5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%をN−メチ
ルピロリドン(NMP)加えて混合してスラリーとし、このスラリーを厚さ15μmのアル
ミニウム箔からなる集電体の両面に塗布、乾燥した後、プレスすることにより電極密度が
2.2g/cm3、負極層厚さLNが29μmの負極を作製した。
上記正極、負極を図3に示す形状に加工した後、負極を厚さ25μmのポリエチレン製多
孔質フィルムからなる袋状セパレータに挿入し、正極、負極、夫々20枚を互い違いに積層
させて電極群を作製した。このとき両極のタブ部は逆向きになるようにした。その後、両
極のタブ部を束ね、アルミニウム製のリードで溶接して、両極のリードが外装材から延出
するように電極群を厚さ105μmのラミネートフィルムからなるパックに収納し、80℃で1
6時間の真空乾燥を行って、電解液の注液工程に供した。
、負極とも200μmとした。
正極集電体、及び負極集電体には、合金番号1N30を原料とする厚さ15μmのアルミニウ
ム箔を用いた。アルミニウムの純度は99.3%であった。
正極リード、及び負極リードには、合金番号1080を原料とする厚さ200μmのアルミニ
ウムリボンを用いた。アルミニウムの純度は99.8%であった。
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(GBL)の混合溶媒(体積比率
1:2)に、電解質としてのLiBF4を1.5mol/L溶解することにより液状非水電解質を調製し
た。
をヒートシールにより完全密閉し、80×120×5mmの容量2Ahの非水電解質二次電池を完成
させた。作製した電池の抵抗(25℃環境下での1kHz交流インピーダンス)は、半充電(S
OC50%)で5mΩであった。
負極の厚さを任意の20箇所で測定し、その平均値を求めた。集電体の両面から負極活
物質含有層を引き剥がした後、集電体の表面をアセトンで洗浄し、集電体の厚さを任意の
20箇所で測定し、その平均値を求めた。平均負極厚さから平均集電体厚さを差し引き、
得られた値に1/2を掛け合わせたものを負極活物質含有層の厚さLNとした。
物質含有層を引き剥がした後、集電体の表面をアセトンで洗浄し、集電体の厚さを任意の
20箇所で測定し、その平均値を求めた。平均正極厚さから平均集電体厚さを差し引き、
得られた値に1/2を掛け合わせたものを正極活物質含有層の厚さLPとした。
正極タブ、負極タブ、正極リード、及び負極リードの厚さを表1に記載した厚さとした
以外は、実施例1と同様の手順で非水電解質二次電池を完成させた。
負極活物質に平均粒径が6μmの黒鉛粒子、負極集電体に厚さ15μmの銅箔、そして負極
リードに厚さ200μmの銅製リードを用いること以外は実施例1と同様の手順で非水電解
質二次電池を完成させた。
外部短絡を生じさせた。そのときの電池表面温度を測定し、表2に纏めた。電池表面の測
温は、電池中心部に熱電対を貼り付けて行った。表2中、「>150℃」と記載したものは
電極群の発熱によって、電池が異状発熱を示したことを示している。
も電池中心部の温度上昇が100℃未満に収まったが、比較例1、2の電池は実施例1と同
じ電極材料(活物質)を用いても電池中心部の温度上昇は150℃を超えた。従って、本実
施の形態の非水電解質二次電池は、安全性に優れることが解る。
度上昇が150℃を超えた。負極活物質が黒鉛であり、負極タブ、及び負極リードが銅であ
る従来のリチウムイオン電池の場合には本発明の効果が得られないことが解る。
って、正極リードの最小断面積は、負極リードの最小断面積より大きいと、安全性が高ま
ることがわかる。
って、正極タブの総断面積は、前記負極タブの総断面積より大きいと、安全性が高まるこ
とがわかる。
って、実測は難しいが、電池外部温度が80℃の場合、電池内部温度は90℃以上になってい
ると思われる。
し始める。セパレータの収縮が起こると、電池の内部ショートを誘発し、電池の熱暴走に
到る可能性が高い。このため、セパレータの軟化・収縮温度に至るかどうかが、安全性試
験においては重要になる。
かの差となり、安全性試験では大きな差といえる。
に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階で
はその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態
に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる
。
…負極、4a…負極集電体、4a1…負極タブ、4a2…負極層が形成される領域、4b
…負極活物質含有層、5…セパレータ、6…負極リード、7…正極リード、11…単電池
、12…プリント配線基板、13…正極端子、14…負極端子、15…正極側配線、16
…正極側コネクタ、17…負極側配線、18…負極側コネクタ、19…粘着テープ、20
…電池積層体、21…保護シート、22…保護ブロック、23…収納容器、24…蓋、2
5…サーミスタ、26…保護回路、27…通電用端子、28a,28b,29…配線、5
0,57,59…ハイブリッド自動車、51,64…内燃機関、52…発電機、53…イ
ンバータ、54…電池パック、55,65…電動機、56,66…車輪、58…発電機を
兼ねた電動機、60…動力分割機構、61…後部座席、62…トランクルーム、63…ハ
イブリッドバイク、67…電動バイク、70…筐体、71…置き台を兼ねた充電器。
Claims (8)
- 外装材と、
前記外装材内に充填された非水電解質と、
前記外装材内に収納された正極層と、
前記正極層に坦持され、アルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成された正極集電体と、
前記正極集電体の一部が延出した正極タブと、
一端が前記正極タブに接続され、他端が前記外装材の外に延出した、アルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成された正極リードと、
前記外装材内に収納され、リチウム吸蔵・放出電位が0.4V(vs Li/Li+)より貴である負極活物質を含む負極層と、
前記負極層に坦持され、アルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成された負極集電体と、
前記負極集電体の一部が延出した負極タブと、
一端が前記負極タブに接続され、他端が前記外装材の外に延出した、アルミニウムもしくはアルミニウム合金で形成された負極リードと、
を具備し、
電流が流れる方向に垂直な前記正極タブの総断面積は、電流が流れる方向に垂直な前記正極リードの最小断面積より大きく、
電流が流れる方向に垂直な前記負極タブの総断面積は、電流が流れる方向に垂直な前記負極リードの最小断面積より大きく、
前記正極リードの最小断面積は、前記負極リードの最小断面積より大きい
ことを特徴とする非水電解質電池。 - 前記正極タブの総断面積は、前記負極タブの総断面積より大きいことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
- 25℃環境下での1kHz交流インピーダンスが10mΩ以下であることを特徴とする請求項1乃至2のいずれか1項に記載の非水電解質電池。
- 前記負極活物質は、リチウムチタン酸化物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の非水電解質電池。
- 前記負極活物質が、スピネル型構造を有するリチウムチタン複合酸化物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の非水電解質電池。
- 前記非水電解質は、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
ネートおよびγ-ブチロラクトンからなる群のうち2種以上を混合した溶媒を含むことを
特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の非水電解質電池。 - 請求項1乃至6のいずれか1項記載の非水電解質電池の組電池を具備することを特徴と
する電池パック。 - 請求項7記載の電池パックを搭載したことを特徴とする自動車。
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