JP5464116B2 - リチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の製造方法に関する。
近年、ハイブリッド自動車やノート型パソコン、ビデオカムコーダなどのポータブル電子機器の駆動用電源として、リチウムイオン二次電池が利用されている。
特許文献1には、ジフルオロリン酸塩を含有する電解液を用いたリチウムイオン二次電池が提案されている。ジフルオロリン酸塩を含有する電解液を用いることで、低温放電特性(低温出力特性)などが良好になることが記載されている。
特開2006−143572号公報
ところで、ジフルオロリン酸塩を含有する電解液を用いたリチウムイオン二次電池は、例えば、以下のようにして製造する。まず、組み付け工程において、正極活物質及び負極活物質を有する電極体と、ジフルオロリン酸塩を含有する電解液とを、電池ケース内に収容した電池を作製する。次いで、初期充電工程において、組み付け工程を終えた電池を初期充電する。その後、エージング工程において、初期充電工程を終えた電池を、所定の温度で一定時間安置してエージングする。次に、第1自己放電工程において、エージング工程を終えた電池を、所定期間放置することにより自己放電させる。その後、容量測定工程において、自己放電工程を終えた電池の電池容量(その一部まはた全部)を測定する。次いで、内部抵抗測定工程において、容量測定工程を終えた電池の内部抵抗を測定する。
次に、電池列拘束工程において、内部抵抗測定工程を終えた電池を複数用意し、これらの電池を一列または複数列に列置して1または複数列の電池列にすると共に、この電池列を、その両端側から押圧治具で挟んで拘束状態にする。その後、第2自己放電工程において、拘束状態の電池列を放置することにより、電池列をなす各々の電池を自己放電させる。
第2自己放電工程では、電池列をなす各々の電池について、放置前後の電池電圧値を測定し、放置前後の電池電圧差に基づいて、各々の電池に内部短絡が生じているか否かを判断する。内部短絡が生じている電池では、内部短絡が生じていない電池(正常な電池)に比べて、放置による自己放電量が大きくなるので、電池電圧値が小さくなり、放置前後の電池電圧差も大きくなると考えられる。従って、放置前後の電池電圧差に基づいて、電池に内部短絡が生じているか否かを判断することが可能となる。
ところが、ジフルオロリン酸塩を含有する電解液を用いたリチウムイオン二次電池は、第2自己放電工程において放置を開始すると、その後、しばらくの間、電池電圧が上昇してゆく傾向にあった。例えば、放置開始後、約1週間も電池電圧が上昇し、その後、電池電圧値が低下してゆくことがあった。電池電圧値が上昇している間は、電池の自己放電特性が把握できない(内部短絡している電池としていない電池との判別ができない)ため、電池電圧値の上昇が終了するのを待って、その後、規定期間、拘束状態の電池列を放置して、電池に内部短絡が生じているか否かを判断する必要があった。
このように、ジフルオロリン酸塩を含有する電解液を用いたリチウムイオン二次電池を製造する場合、第2自己放電工程において、放置開始後しばらくの間、電池電圧が上昇することが原因で、工程期間が長くなることが課題となっていた。このため、第2自己放電工程において、放置開始後の電池電圧上昇期間をできる限り短縮することが求められていた。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、ジフルオロリン酸塩を含有する電解液を用いたリチウムイオン二次電池の製造方法において、上述の第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができるリチウムイオン二次電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、正極活物質及び負極活物質を有する電極体と、LiPF 2 2 を含有する電解液とを、電池ケース内に収容した電池を作製する組み付け工程と、上記組み付け工程を終えた上記電池を初期充電する初期充電工程と、上記初期充電工程を終えた上記電池を、所定の温度で一定時間安置してエージングするエージング工程と、上記エージング工程を終えた上記電池を、所定期間放置することにより自己放電させる第1自己放電工程と、上記自己放電工程を終えた上記電池の電池容量の一部または全部を測定する容量測定工程と、上記容量測定工程を終えた上記電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定工程と、上記内部抵抗測定工程を終えた上記電池を複数用意し、これらの電池を一列または複数列に列置して1または複数列の電池列にすると共に、上記電池列を、その両端側から押圧治具で挟んで拘束状態にする電池列拘束工程と、上記拘束状態の上記電池列を放置することにより、上記電池列をなす各々の上記電池を自己放電させる第2自己放電工程と、を備えるリチウムイオン二次電池の製造方法であって、上記第2自己放電工程は、上記電池列の放置を開始してから上記電池電圧値が上昇する場合は、上記電池電圧値の上昇期間が経過した後から規定期間、上記拘束状態の上記電池列を放置する一方、上記電池列の放置を開始してから上記電池電圧値が上昇することなく低下する場合は、上記電池列の放置を開始してから上記規定期間、上記拘束状態の上記電池列を放置して、上記電池列をなす上記電池を自己放電させる工程であり、上記組み付け工程では、下記の(1)〜(4)の全ての条件を満たす電池を作製するリチウムイオン二次電池の製造方法である。
(1)上記正極活物質は、LiXMO2(Mは、Niである、または、主成分であるNiの他にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mg,Ga,Zr,Siの少なくともいずれかを含むもの)であって、1.04≦X≦1.15を満たす。
(2)上記負極活物質の粒子のBET比表面積が、2.8〜5.2m2/gの範囲内である。
(3)上記負極活物質の粒子は、黒鉛と非晶質炭素とからなり、上記負極活物質の粒子における上記非晶質炭素の割合が、2.5〜7.1wt%の範囲内である。
(4)上記電解液中の上記LiPF 2 2 の濃度が、0.01〜0.076mol/Lの範囲内である。
上述のリチウムイオン二次電池の製造方法では、組み付け工程において、上記の(1)〜(4)の全ての条件を満たす電池を作製する。
具体的には、(1)正極活物質として、「LiXMO2(Mは、Niである、または、主成分であるNiの他にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mg,Ga,Zr,Siの少なくともいずれかを含むものである)であって、1.04≦X≦1.15を満たす」正極活物質を用いる。
本発明者が調査したところ、LiXMO2において、Xの値を大きくする(Mに対するLiのモル量を大きくする)にしたがって、上述の第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮できることが判明した。しかしながら、その一方で、Xの値を大きくするにしたがって、電池容量が低下する(比容量が小さくなる)ことが判明した。調査の結果、正極活物質として、1.04≦X≦1.15を満たすLiXMO2を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができ、且つ、十分な電池容量(比容量)を保持することができる。なお、比容量とは、正極活物質1g当たりの電気容量(mAh/g)である。
また、(2)負極活物質として、「負極活物質の粒子のBET比表面積が、2.8〜5.2m2/gの範囲内である」負極活物質を用いると良い。
本発明者が調査したところ、負極活物質の粒子のBET比表面積を大きくするにしたがって、上述の第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮できることが判明した。しかしながら、その一方で、負極活物質の粒子のBET比表面積を大きくするにしたがって、電池の高温耐久性が低下する(高温保存容量維持率が低下する)ことが判明した。調査の結果、負極活物質として、粒子のBET比表面積が2.8〜5.2m2/gの範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができ、且つ、電池の高温耐久性も良好にすることができる。なお、BET比表面積とは、BET法(例えば、N2ガス吸着法)により求められた比表面積である。
また、(3)負極活物質として、「負極活物質の粒子が黒鉛と非晶質炭素とからなり(例えば、黒鉛の表面を非晶質炭素で被覆したもの)、負極活物質の粒子における非晶質炭素の割合(非晶質炭素含有率)が、2.5〜7.1wt%の範囲内である」負極活物質を用いると良い。
本発明者が調査したところ、負極活物質の粒子における非晶質炭素の割合(含有率)を小さくするにしたがって、上述の第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮できることが判明した。但し、負極活物質の粒子における非晶質炭素の割合(含有率)を小さくし過ぎると、電池の低温特性(特に、低温時のハイレート充放電特性)が悪化する(低温パルス充放電による容量低下が大きくなる)ことが判明した。調査の結果、負極活物質として、「負極活物質の粒子が黒鉛と非晶質炭素とからなり、負極活物質の粒子における非晶質炭素の割合(含有率)が、2.5〜7.1wt%の範囲内である」負極活物質を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができ、且つ、電池の低温特性(特に、低温時のハイレート充放電特性)を良好にすることができる(低温パルス充放電による容量低下を小さくすることができる)。
また、(4)電解液として、「電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度が、0.01〜0.076mol/Lの範囲内である」電解液を用いると良い。
本発明者が調査したところ、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を低くするにしたがって、上述の第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮できることが判明した。一方、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を低くし過ぎると、電池内部抵抗(特に、低温環境下の内部抵抗)が大きくなることが判明した。調査の結果、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を、0.01〜0.076mol/Lの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができ、且つ、低温環境下の電池内部抵抗も小さくすることができる。
さらに、上記のリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記(1)の条件について、1.09≦X≦1.15を満たすLiXMO2 とするリチウムイオン二次電池の製造方法とすると良い。
正極活物質として、1.09≦X≦1.15を満たすLiXMO2を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、より一層短縮する(上昇期間をほぼ0にする)ことができる。換言すれば、正極活物質として、1.09≦X≦1.15を満たすLiXMO2を用いることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
さらに、上記いずれかのリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記(2)の条件について、前記負極活物質の粒子のBET比表面積を、4.0〜5.2m2/gの範囲内とするリチウムイオン二次電池の製造方法とすると良い。
前述の(2)の条件について、負極活物質の粒子のBET比表面積を、4.0〜5.2m2/gの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、0にすることができる。換言すれば、前述の(2)の条件について、負極活物質の粒子のBET比表面積の範囲を、4.0〜5.2m2/gとすることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、電池電圧が速やかに低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
さらに、上記いずれかのリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記(3)の条件について、前記負極活物質の粒子における前記非晶質炭素の割合を、2.5〜4.6wt%の範囲内とするリチウムイオン二次電池の製造方法とすると良い。
前述の(3)の条件について、負極活物質の粒子における非晶質炭素の割合(非晶質炭素含有率)を、2.5〜4.6wt%の範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、0にすることができる。換言すれば、前述の(3)の条件について、負極活物質粒子における非晶質炭素の割合を、2.5〜4.6wt%の範囲内とすることで、第2自己放電工程において放置を開始すると、電池電圧が速やかに低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
さらに、上記いずれかのリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記(4)の条件について、前記電解液中の前記LiPF 2 2 の濃度を、0.01〜0.015mol/Lの範囲内とするリチウムイオン二次電池の製造方法とすると良い。
前述の(4)の条件について、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を、0.01〜0.015mol/Lの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、極めて短くすることができる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
さらに、上記いずれかのリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記組み付け工程の後、前記初期充電工程の前に、上記組み付け工程を終えた前記電池を、押圧治具で挟んで拘束状態にする電池拘束工程を備え、前記内部抵抗測定工程の後、前記電池列拘束工程の前に、上記電池拘束工程において行った上記電池の拘束を解除する拘束解除工程を備え、前記初期充電工程、前記エージング工程、前記第1自己放電工程、前記容量測定工程、及び上記内部抵抗測定工程では、いずれも、前記電池は上記拘束状態であるリチウムイオン二次電池の製造方法とすると良い。
上述の製造方法では、電池を押圧治具で挟んで拘束状態として、初期充電工程、エージング工程、第1自己放電工程、容量測定工程、及び内部抵抗測定工程を行う。電池を押圧治具で挟んで拘束状態とすることで、電極体を圧縮して、正極板と負極板との間の距離のムラを小さくする(均一にする)ことができる。このため、上記の各工程において、電池反応(充電反応、放電反応)のムラを小さくすることができるので好ましい。
実施形態の製造方法によって製造されるリチウムイオン二次電池の斜視図である。 同リチウムイオン二次電池の正極板の斜視図である。 同リチウムイオン二次電池の負極板の斜視図である。 同負極板の拡大断面図であり、図3のA−A断面図に相当する。 実施形態にかかるリチウムイオン二次電池の製造方法の流れを示すフローチャートである。 電池拘束工程において、組み付け工程を終えた電池を押圧治具で挟んで拘束状態にした状態を示す斜視図である。 電池列拘束工程において、電池列をその両端側から押圧治具で挟んで拘束状態にした状態を示す図である。 第2自己放電工程と同一条件で電池列を放置したときの放置期間と電池電圧の変化量(内部短絡していない正常な電池と内部短絡している電池)との関係を示すグラフである。 正極活物質(LiXMO2)のXの値と第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。 負極活物質のBET比表面積の値と第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。 負極活物質の非晶質炭素含有率と第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。 電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度と第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。 正極と負極(対向部)の容量比と、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。 負極板の金属酸化物絶縁層の厚みと第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。 正極板の炭素層の厚みと第2自己放電工程における電池電圧上昇期間との関係を示すグラフである。
まず、本実施形態の製造方法によって製造されるリチウムイオン二次電池100について説明する。
リチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、電極体110と、これを収容する電池ケース180とを備える。電極体110は、正極板130、負極板120、及びセパレータ150を備えている。セパレータ150は、ポリエチレンからなり、正極板130と負極板120との間に介在して、これらを離間させている。このセパレータ150には、リチウムイオンを有する電解液160を含浸させている。
電池ケース180は、アルミニウムからなり、直方体形状をなしている。この電池ケース180は、電池ケース本体181と封口蓋182を有する。このうち、電池ケース本体181は、有底矩形箱形状をなしている。なお、電池ケース本体181と電極体110との間には、樹脂からなり、箱状に折り曲げた絶縁フィルム(図示しない)が介在させてある。この電池ケース180は、互いに背向する一対の幅広側面180b,180cを有している。幅広側面180bは、図1において正面側を向く面であり、幅広側面180cは、図1において裏側を向く面(幅広側面180bの裏側に位置する面)である。
また、封口蓋182は、矩形板状であり、電池ケース本体181の開口を閉塞して、この電池ケース本体181に溶接されている。この封口蓋182には、矩形板状の安全弁197が封着されている。
また、電極体110の正極板130には、クランク状に屈曲した板状の正極集電部材191が溶接されている(図1参照)。さらに、負極板120には、クランク状に屈曲した板状の負極集電部材192が溶接されている。正極集電部材191及び負極集電部材192のうち、それぞれの先端に位置する正極端子部191A及び負極端子部192Aは、封口蓋182を貫通して蓋表面182Aから突出している。なお、正極端子部191Aと封口蓋182との間、及び、負極端子部192Aと封口蓋182との間には、それぞれ、電気絶縁性の樹脂からなる絶縁部材195を介在させている。
また、電解液160は、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とジメチルカーボネート(DMC)とを、体積比で3:4:3に調整した混合有機溶媒に、溶質としてLiPF6を添加し、さらに、ジフルオロリン酸塩を添加した非水電解液である。なお、電解液160中のLiPF6の濃度は、1mol/Lとしている。
電極体110は、帯状の正極板130及び負極板120が、帯状のセパレータ150を介して扁平形状に捲回されてなる捲回型である(図1参照)。詳細には、長手方向DAに延びる帯状の正極板130、負極板120、及びセパレータ150を、長手方向DAに捲回して、捲回型の電極体110を形成している(図1〜図4参照)。なお、この電極体110では、セパレータ150を介して、正極板130の正極活物質層131と負極板120の負極活物質層121とが対向している(図4参照)。
正極板130は、図2に示すように、長手方向DAに延びる帯状で、アルミニウム箔からなる正極集電板138と、この正極集電板138の両主面上に、それぞれ長手方向DAに延びる帯状に配置された2つの正極活物質層131,131とを有している。正極活物質層131は、正極活物質137と、アセチレンブラックからなる導電材と、PEO(ポリエチレンオキサイド)と、CMC(カルボキシメチルセルロース)とを、重量比88:10:1:1の割合で含んでいる。
なお、正極活物質137として、LiXMO2(Mは、Niである、または、主成分であるNiの他にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mg,Ga,Zr,Siの少なくともいずれかを含むもの)を用いている。また、正極集電板138をなすアルミニウム箔の両面には、炭素層139が設けられている。炭素層139は、アセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを重量比3:7の割合で含んでいる。
また、負極板120は、図3に示すように、長手方向DAに延びる帯状で銅箔からなる負極集電板128と、この負極集電板128の両主面128F,128F上に、それぞれ長手方向DAに延びる帯状に配置された2つの負極活物質層121,121とを有している。負極活物質層121は、負極活物質127とSBR(スチレンブタジエンゴム)とCMCと(カルボキシメチルセルロース)を、重量比98:1:1の割合で含んでいる。
なお、負極活物質127として、負極活物質の粒子が黒鉛と非晶質炭素とからなるもの(例えば、黒鉛の表面を非晶質炭素で被覆したもの)を用いている。また、負極活物質層121の表面には、金属酸化物絶縁層129が設けられている。金属酸化物絶縁層129は、酸化アルミニウム(アルミナ)とポリフッ化ビニリデンとを重量比95:5の割合で含んでいる。
負極活物質層121は、図3及び図4(図3のA−A断面図)に示すように、セパレータ150を介して正極活物質層131と対向する対向部122と、セパレータ150を介して対向する正極活物質層131が存在しない非対向部123とからなる。具体的には、負極活物質層121は、正極活物質層131に比べて大きな面積を有しており、非対向部123が対向部122の周囲に位置する形態となっている。なお、負極活物質層121における非対向部123と対向部122との境界の位置は、負極板120、セパレータ150及び正極板130を捲回して電極体110を形成したときに決まる。また、図4では、参考として、電極体110を形成したときの正極板130及びセパレータ150の位置を、二点鎖線で示している。
次に、本実施形態にかかるリチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。
図5に示すように、ステップS1(組み付け工程)において、電池ケース180内に電極体110と電解液160と収容した電池を作製する。具体的には、まず、正極活物質137とアセチレンブラックとPEO(ポリエチレンオキサイド)とCMC(カルボキシメチルセルロース)とを、重量比88:10:1:1の割合で混合し、これに水(溶媒)を混合して、正極スラリを作製した。次いで、この正極スラリを、アルミニウム箔からなる正極集電板138(表面に炭素層139を備えている)の表面に塗布し、乾燥させた後、プレス加工を施した。これにより、正極板130を得た。
なお、正極集電板138をなすアルミニウム箔の表面には、予め、炭素層139を形成している。この炭素層139は、アセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを重量比3:7の割合で含んでいる。アルミニウム箔の表面に炭素層139を設けておくことで、正極スラリを塗布したとき、正極スラリ(アルカリ性となる)と正極集電板138を構成するアルミニウム箔との接触を防止することができる。これにより、正極集電板138を構成するアルミニウム箔の腐食を防止することができる。
なお、炭素層139の厚みは、1〜5μmとするのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。
また、正極活物質137として、LiXMO2(Mは、Niである、または、主成分であるNiの他にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mg,Ga,Zr,Siの少なくともいずれかを含むもの)を用いている。
なお、正極活物質137として、1.04≦X≦1.15の関係を満たすLiXMO2 を用いるのが好ましい。換言すれば、LiとMとのモル比(Liのモル量/Mのモル量)の値が、1.04以上1.15以下の範囲内であるLiXMO2 を用いるのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。
また、負極活物質127とSBR(スチレンブタジエンゴム)とCMCと(カルボキシメチルセルロース)とを、98:1:1(重量比)の割合で水中で混合して、負極スラリを作製した。次いで、この負極スラリを、銅箔からなる負極集電板128の両主面128F上に塗布し、乾燥させた後、プレス加工を施した。これにより、負極板120を得た。
なお、負極活物質127として、負極活物質の粒子が黒鉛と非晶質炭素とからなるもの(黒鉛の表面を非晶質炭素で被覆したもの)を用いている。この負極活物質127は、例えば、次のようにして作製することができる。球状に成形した黒鉛とピッチ(石油ピッチ)とを混合し、これを焼成する。この焼成により、ピッチ(石油ピッチ)が非晶質炭素となる。その後、この焼成体を粉砕することで、負極活物質127(黒鉛の表面を非晶質炭素で被覆したもの)を得ることができる。
なお、負極活物質127として、非晶質炭素の割合(非晶質炭素含有率)が、2.5〜7.1wt%の範囲内である負極活物質を用いるのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。
また、負極活物質127として、負極活物質粒子のBET比表面積が、2.8〜5.2m2/gの範囲内である負極活物質を用いるのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。なお、本実施形態では、BET比表面積の値として、公知のBET法(詳細には、N2ガス吸着法)により求められた比表面積の値を採用している。
また、負極活物質層121の表面には、金属酸化物絶縁層129を形成している。具体的には、酸化アルミニウム(アルミナ)とポリフッ化ビニリデンとを重量比95:5の割合で混合し、これに溶媒を混合してペーストにする。このペーストを負極活物質層121の表面に塗布し、乾燥させることで、金属酸化物絶縁層129を形成することができる。
なお、金属酸化物絶縁層129の厚みは、2〜8μmとするのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。
また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)は、1.4〜1.9の範囲内とするのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。なお、正極容量と負極容量との容量比(正極容量に対する負極容量の割合)は、正極活物質層131と負極活物質層121の対向部122との容量比である。この容量比は、負極活物質層121(対向部122)の厚み(すなわち、負極スラリの塗布量)を調整することで、1.4〜1.9の範囲内で調整することができる。
その後、負極板120と正極板130との間に、セパレータ150を介在させて捲回し、電極体110を形成する。なお、負極板120の負極活物質層121における対向部122に、セパレータ150を介して正極板130の正極活物質層131が対向するように、セパレータ150、負極板120、セパレータ150、正極板130の順に重ねて捲回する(図4参照)。
その後、負極板120(負極集電板128)に負極集電部材192を溶接し、正極板130(正極集電板138)に正極集電部材191を溶接する。次いで、負極集電部材192及び正極集電部材191を溶接した電極体110を、電池ケース本体181内に挿入した後、電解液160を注入する。その後、封口蓋182で電池ケース本体181の開口を閉塞した状態で、封口蓋182と電池ケース本体181とを溶接し、リチウムイオン二次電池の組み付けを完了する。
なお、電解液160は、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とジメチルカーボネート(DMC)とを、体積比で3:4:3に調整した混合有機溶媒に、溶質としてLiPF6を添加し、さらに、ジフルオロリン酸塩を添加した非水電解液である。なお、電解液160中のLiPF6の濃度は、1mol/Lとしている。
また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度は、0.01〜0.076mol/Lの範囲内とするのが好ましい。後述するように、第2自己放電工程(ステップS10)に要する期間を短縮することができるからである。なお、本実施形態では、ジフルオロリン酸塩として、LiPF22を用いている。
次いで、ステップS2(電池拘束工程)に進み(図5参照)、上述の組み付け工程(ステップS1)において作製されたリチウムイオン二次電池100を、押圧治具30,40で挟んで拘束状態にする(図6参照)。具体的には、図6に示すように、電池ケース180の幅広側面180b,180cを押圧治具30,40で押圧するように、押圧治具30,40でリチウムイオン二次電池100を挟んで、リチウムイオン二次電池100を拘束状態にする。詳細には、電池ケース180の幅広側面180b側に配置した押圧治具30と、幅広側面180c側に配置した押圧治具40とを、円柱状のロッド51とナット53とを用いて締結することで、押圧治具30,40でリチウムイオン二次電池100を挟み、電池ケース180の幅広側面180b,180cを押圧治具30,40で押圧する。これにより、電池ケース180に対し、所定の荷重(例えば、400〜800kgf)をかけた状態にする。
なお、押圧治具30は、図7に示すように、金属製の押圧本体部35と、樹脂製の密着押圧プレート36とを有している。押圧治具40は、金属製の押圧本体部45と樹脂製の密着押圧プレート46とを有している。密着押圧プレート36,46は、断面が櫛歯形状をなしている(図7参照)。
次に、ステップS3(初期充電工程)に進み(図5参照)、押圧治具30,40で拘束した状態(図6に示す状態)のリチウムイオン二次電池100を初期充電する。この初期充電により、リチウムイオン二次電池100を活性化させることができる。また、負極活物質127の表面にSEI(被膜)を形成することができる。
次いで、ステップS4(エージング工程)に進み、初期充電(ステップS3の処理)を終えた拘束状態(図6に示す状態)のリチウムイオン二次電池100を、所定の温度(例えば、50℃)で、一定時間(例えば、15時間)安置してエージングする。
ところで、組み付け工程(ステップS1)において、電極体110内に金属粉(Cu粉など)などが誤って混入してしまうことがある。このような電池では、エージング工程において、金属粉由来のデンドライトが発生し、内部短絡が生じる(セパレータ150によって電気的に絶縁されている正極板130と負極板120とが、デンドライトを通じて電気的に接続する)ことがある。このため、後述するステップS5(第1自己放電工程)において、内部短絡が生じた電池を検出し、出荷しないようにしている(不良品として取り除く)。
ステップS5(第1自己放電工程)では、エージング(ステップS4の処理)を終えた拘束状態(図6に示す状態)のリチウムイオン二次電池100を、25℃の温度環境下で、所定期間(例えば、5日間)放置することにより自己放電させる。但し、ステップS5(第1自己放電工程)では、リチウムイオン二次電池100を放置する前の電池電圧値V10と、リチウムイオン二次電池100を5日間放置した後の電池電圧値V11とを測定し、その電池電圧差ΔV1(=V10−V11)を算出する。
内部短絡が生じている電池では、内部短絡が生じていない電池(正常な電池)に比べて、放置による自己放電量が大きくなるので、電池電圧値が小さくなり、放置前後の電池電圧差ΔV1も大きくなる。従って、放置前後の電池電圧差ΔV1に基づいて、電池に内部短絡が生じているか否かを判断することできる。そこで、ステップS5(第1自己放電工程)では、電池電圧差ΔV1が所定の閾値T1以上であるか否かによって、リチウムイオン二次電池100に内部短絡が生じているか否かを判定する。内部短絡が生じていると判定された電池は、不良品として取り除かれる(例えば、廃棄される)。なお、閾値T1は、例えば、予め、内部短絡が生じている電池と生じていない電池とについて、それぞれの電池電圧差ΔV1を調査しておき、両電池の電池電圧差ΔV1の間の値とすれば良い。
次に、ステップS6(容量測定工程)に進み、ステップS5において内部短絡が生じていない(正常である)と判定されたリチウムイオン二次電池100について、電池容量の一部を測定する。具体的には、例えば、リチウムイオン二次電池100を放電させて、電池電圧値が4.0V(SOC90%)から3.55V(SOC30%)にまで低下する間の放電電気量Q1(電池容量の一部)を測定する。放電電気量Q1が許容範囲から外れている電池は、不良品として取り除かれる(例えば、廃棄される)。
なお、電池容量は、電池100をSOC100%からSOC0%にまで放電させたときの放電電気量である。従って、放電電気量Q1は、電池100の電池容量の一部(電池容量の60%に相当する)である。
また、ステップS6(容量測定工程)でも、リチウムイオン二次電池100は、押圧治具30,40で拘束した状態(図6に示す状態)のままである。
また、SOCは、State Of Charge(充電状態、充電率)の略である。
次いで、ステップS7(内部抵抗測定工程)に進み、容量測定工程(ステップS6)を終えた拘束状態(図6に示す状態)のリチウムイオン二次電池100について、その内部抵抗(IV抵抗)を測定する。具体的には、リチウムイオン二次電池100を充電して、その電池電圧値を3.6V(SOC40%)にする。その後、このリチウムイオン二次電池100を、20Aの定電流で4秒間だけ放電させ、放電終了時(終了した瞬間)の電池電圧値Vbを測定する。次いで、放電により変化した電池電圧変化量ΔV(=3.6−Vb)を電流値20Aで除した値(=ΔV/20)を、IV抵抗値(内部抵抗値)として取得する。IV抵抗値が許容範囲から外れている電池は、不良品として取り除かれる(例えば、廃棄される)。
その後、ステップS8(拘束解除工程)に進み、内部抵抗測定工程(ステップS7)を終えたリチウムイオン二次電池100の拘束状態を解除する。具体的には、リチウムイオン二次電池100を挟んで押圧していた押圧治具30,40を取り外す。
次に、ステップS9(電池列拘束工程)において、拘束解除工程(ステップS9)を終えたリチウムイオン二次電池100を複数用意し、これらの電池をまとめて拘束状態にする。具体的には、まず、拘束解除工程(ステップS8)を終えたリチウムイオン二次電池100を複数(例えば、20個)用意する。その後、例えば、図7に示すように、これらのリチウムイオン二次電池100を一列に列置して、電池列200にする。さらに、電池列200を、その両端側(図7において左右端側)から押圧治具30,40で挟んで拘束状態にする。なお、図7に示す例では、列置方向に隣り合う電池100について、電池ケース180の幅広側面180b,180cを反対方向に向けて一列に列置して、電池列200にしている。
詳細には、列置方向(図7において左右方向)に隣り合うリチウムイオン二次電池100の間に密着押圧プレート36を配置し、電池列200の一端(図7において右端)に位置する電池ケース180の幅広側面180c側(図7において右端)に押圧治具30を配置し、電池列200の他端(図7において左端)に位置する電池ケース180の幅広側面180c側(図7において左端)に押圧治具40を配置する。この状態で、押圧治具30と押圧治具40とを、円柱状のロッド52及びナット53とを用いて締結することで、押圧治具30,40で電池列200を挟み、電池列を構成する各電池100の電池ケース180の幅広側面180b,180cを押圧治具30,40で押圧する。これにより、電池列200に対し、所定の荷重(電池拘束工程より大きな荷重、例えば2000〜3000kgf)をかけた状態にする。
なお、上記の例では、電池列を1列にした場合について説明したが、電池列は複数列(例えば、10個の電池を1列に並べた電池列を2列とする)であっても良い。従って、複数列の電池列をまとめて拘束状態にするようにしても良い。
ところで、ステップS9(電池列拘束工程)において電池列200を拘束状態にすると、電池列200を構成する各々のリチウムイオン二次電池100の電極体110に大きな圧縮力がかかり、各々の電極体110が圧縮される。もし、電極体110内に金属異物が混入している場合(例えば、組み付け工程において誤って電極体110内に金属異物が混入し、その金属異物が未だ残っている場合)には、上述のように電極体110が圧縮されることで、金属異物がセパレータ150を貫通して、内部短絡が生じる(セパレータ150によって電気的に絶縁されている正極板130と負極板120とが、金属異物を通じて電気的に接続する)ことがある。このため、後述するステップS10(第2自己放電工程)において、内部短絡が生じた電池を検出し、出荷しないようにしている(不良品として取り除く)。
ステップS10(第2自己放電工程)では、拘束状態(図7に示す状態)の電池列200を、25℃の温度環境下で放置することにより、電池列200をなす各々のリチウムイオン二次電池100を自己放電させる。さらに、ステップS10(第2自己放電工程)では、自己放電させたときの各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧の変化に基づいて、各々のリチウムイオン二次電池100について、内部短絡しているか否かを判定する。
但し、ステップS10(第2自己放電工程)では、電池列200の放置を開始してから各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値が上昇する場合は、電池電圧値の上昇期間が経過した後から規定期間(例えば3日間)、拘束状態の電池列200を放置する。一方、電池列200の放置を開始してから各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値が上昇することなく低下する場合は、電池列200の放置を開始してから上記規定期間(例えば3日間)、拘束状態の電池列200を放置する。
さらに、ステップS10(第2自己放電工程)では、電池列200を上記規定期間(例えば3日間)放置する直前の各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値V20と、電池列200を上記規定期間(例えば3日間)放置した直後の電池電圧値V21とを測定し、その電池電圧差ΔV2(=V20−V21)を算出する。
内部短絡が生じている電池では、内部短絡が生じていない電池(正常な電池)に比べて、放置による自己放電量が大きくなるので、電池電圧値が小さくなり、上記規定期間の放置前後の電池電圧差ΔV2も大きくなる。従って、電池電圧差ΔV2に基づいて、電池に内部短絡が生じているか否かを判断することできる。そこで、ステップS10(第2自己放電工程)では、電池列200を構成する各々のリチウムイオン二次電池100について、電池電圧差ΔV2が所定の閾値T2以上であるか否かによって、内部短絡が生じているか否かを判定する。内部短絡が生じていると判定された電池は、不良品として取り除かれる(例えば、廃棄される)。なお、閾値T2は、例えば、予め、内部短絡が生じている電池と生じていない電池とについて、それぞれの電池電圧差ΔV2を調査しておき、両電池の電池電圧差ΔV2の間の値とすれば良い。
このように、自己放電により確実に電池電圧値が低下する規定期間(例えば3日間)、電池列200をなす各々のリチウムイオン二次電池100を放置して、この規定期間前後の各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧差ΔV2に基づいて、各々のリチウムイオン二次電池100について内部短絡しているか否かを判定することで、適切な内部短絡判定を行うことができる。
なお、ステップS10(第2自己放電工程)においてリチウムイオン二次電池100の電池電圧値が上昇するか否か、電池電圧値が上昇する場合の電池電圧上昇期間の長さ、及び、内部短絡の有無を適切に判定できる規定期間の長さは、予め、放置試験により把握しておく。具体的には、ステップS10(第2自己放電工程)と同一条件で、内部短絡が生じている電池100と生じていない電池100とを含む電池列200を放置し、放置期間中、各々の電池100の電池電圧値を測定する。この測定結果(後述する図8参照)に基づいて、ステップS10(第2自己放電工程)における上記規定期間の放置を開始する時(電池電圧値V20を測定する時)、内部短絡の有無を適切に判別できる所定期間の長さ、上記規定期間の放置を終了する時(電池電圧値V21を測定する時)、閾値T2の値を、予め決定しておく。なお、これらの値を決定する方法については、後に、図8を用いて具体的に説明する。
ステップS10(第2自己放電工程)において、電池列200を構成する電池100のいずれについても内部短絡が発生していないと判定された場合、上記拘束状態のまま、組電池300(図7参照)として出荷される。組電池300は、図7に示すように、電池列200を、その両端側(図7において左右端側)から押圧治具30,40で挟んで拘束状態にしたものである。
一方、ステップS10(第2自己放電工程)において、電池列200を構成する電池100のいずれかに内部短絡が発生していると判定された場合は、一旦拘束状態を解除して、内部短絡している電池100を取り除く。そして、ステップS10(第2自己放電工程)を終えた他の電池列200から、内部短絡していないと判定された電池100を取り出し、この電池100を、上記内部短絡している電池100に代えて配置する。このようにして、内部短絡が発生していないと判定された電池100のみで電池列200を構成し、その後、ステップS9(電池列拘束工程)と同様にしてこの電池列200を拘束状態にして、組電池300(図7参照)として出荷する。
本実施形態の電池100は、組電池300として(組電池300の状態で)使用される。この組電池300は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用電源として使用される。
(実施例1)
本実施例1では、次のようにして、リチウムイオン二次電池100を製造する。
まず、ステップS1(組み付け工程)において、前述のようにして、電池ケース180内に電極体110と電解液160と収容した電池を作製する。
なお、本実施例1では、正極板130の炭素層139の厚みを、2μmとする。
また、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用いる。すなわち、正極活物質137として、Li1.08MO2 を用いている。詳細には、正極活物質137として、Li1.08Ni0.8Co0.15Al0.052 を用いる。このように、本実施例1では、Li1.08MO2 の「M」が、主成分であるNiの他にCoとAlを含むものを、正極活物質137として用いる。
また、負極活物質127として、非晶質炭素の割合(非晶質炭素含有率)が6wt%であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用いる。
また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを、4μmとする。
また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を、1.5とする。
また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を、0.038mol/Lとする。
次いで、前述のように、ステップS2〜S9の処理を行った。なお、本実施例1では、ステップS4(エージング工程)において、リチウムイオン二次電池100を、50℃の環境温度下で15時間安置して、エージングを行う。
その後、前述のように、ステップS10(第2自己放電工程)の処理を行う。
但し、本実施例1の電池(上述のようにして組み付け工程において作製した電池)は、後述するように、その電池電圧値が、電池列200の放置を開始してから2日間近く(最大で2日間)上昇することがわかっている。このため、本実施例1のステップS10(第2自己放電工程)では、電池列200の放置を開始してから2日後に、各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値V20を測定し、その後、規定期間、電池列200を放置して、規定期間経過した時に、各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値V21を測定する。
その後、各々のリチウムイオン二次電池100について、電池電圧値V20と電池電圧値V21との差分値である電池電圧差ΔV2(=V20−V21)を算出し、電池電圧差ΔV2が閾値T2以上であるか否かを判定する。電池電圧差ΔV2が閾値T2以上であるリチウムイオン二次電池100は、内部短絡が生じていると判定する。一方、電池電圧差ΔV2が閾値T2未満であるリチウムイオン二次電池100については、内部短絡が生じていないと判定する。
なお、本実施例1では、上記「規定期間」を3日間としている。後述するように、放置試験の結果から、電池列200の放置を開始してから2日間経過した後、さらに3日間放置することで、電池電圧差ΔV2に基づいて、適切に、内部短絡の有無を判別できることを把握しているからである。また、閾値T2は、例えば、0.5mVとすれば良い。後述するように、放置試験の結果から、内部短絡が生じていない電池100では、ΔV2の値が約0.3mVとなり、内部短絡が生じている電池100では、ΔV2の値が約0.8mVとなることがわかっている。従って、閾値T2をこれらの値の間の値とすることで、適切に、内部短絡の有無を判別できる。
(放置試験)
ここで、実施例1のステップS10(第2自己放電工程)における各条件を決定するために行った放置試験の結果を、図8に示す。具体的には、実施例1の条件で、ステップS1〜S9までの処理を行い、内部短絡が生じている電池100と内部短絡が生じていない電池100とを複数用意した。その後、ステップS10(第2自己放電工程)と同一条件で、内部短絡が生じている電池100と生じていない電池100とを含む電池列200を、11日間放置し、放置期間中、各々の電池100の電池電圧値を測定した。図8には、これらの測定結果のうち、2つの電池100(内部短絡が生じている電池100と内部短絡が生じていない電池100)の測定結果を、放置開始時点の電池電圧値を基準にして、その変化量を示している。
なお、図8では、内部短絡が生じていない電池100の電池電圧変化量を○印で示し、内部短絡が生じている電池100の電池電圧変化量を△印で示している。なお、内部短絡が生じているか否かは、11日間の放置試験が終了した後、各々の電池100を分解して確認している。
図8に示すように、2つの電池100の電池電圧値は、電池列200の放置を開始してから2日間近く上昇している。他の電池100についても、ほぼ同様であり、放置開始からの電圧上昇期間は、最長でも2日間であることがわかった。
さらに、電圧上昇期間(2日間)が経過した後、内部短絡が生じている電池100は、内部短絡が生じていない電池100に比べて、電池電圧値が大きく低下してゆくことがわかる。そして、電圧上昇期間(2日間)の経過後、さらに3日間放置することで、内部短絡が生じている電池100と内部短絡が生じていない電池100とでは、電圧上昇期間(2日間)経過時からの電池電圧変化量に、大きな差が生じることがわかる。
具体的には、内部短絡が生じていない電池100では、電圧上昇期間(2日間)が経過したときの電池電圧値と、その後さらに3日間放置したときの電池電圧値との差分値である電池電圧差ΔV2が、約0.3mVとなった。一方、内部短絡が生じている電池100では、電池電圧差ΔV2が約0.8mVとなり、内部短絡が生じていない電池100に比べて、かなり大きな値となった。電池電圧差ΔV2にこれだけ大きな差が生じれば、電池電圧差ΔV2に基づいて、適切に、内部短絡の有無を判別できる。従って、実施例1の第2自己放電工程)における「規定期間」を、3日間に設定することにした。
従って、実施例1のステップS10(第2自己放電工程)では、電池列200の放置を開始してから2日後に、各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値V20を測定し、その後、3日間(規定期間)、電池列200を放置するようにして、その3日間(規定期間)が経過した時に、各々のリチウムイオン二次電池100の電池電圧値V21を測定することにした。
以上より、実施例1の製造方法によれば、ステップS10(第2自己放電工程)において、放置開始後の電池電圧上昇期間を2日以内(最大で2日間)と短くすることができるので、第2自己放電工程全体の期間を5日間と短くすることができる。その理由は、組み付け工程において、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用い、また、負極活物質127として、非晶質炭素の割合(含有率)が6wt%であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを4μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.5とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.038mol/Lとするからである。
(LiXMO2 における好ましいXの値)
次に、組み付け工程で用いる正極活物質137(LiXMO2 )について、好ましいXの値(LiとMとのモル比)を調査した。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、正極活物質137(LiXMO2 )については、Xの値のみが異なる11種類の正極活物質を用意し、正極活物質137(LiXMO2 )についてXの値のみが異なる電池100を、11種類用意した(図9参照)。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、Xの値と電池電圧上昇期間との関係として、図9に○印で示す。
また、上述の11種類の電池100について、それぞれ、電池容量を測定した。具体的には、各々の電池100について、25℃の温度環境下で、SOC100%(電池電圧値4.1V)の状態からSOC0%(電池電圧値3.0V)の状態に至るまで、2Aの定電流で放電(CCCV放電)を行い、このときの放電電気量を電池容量として取得した。この電池容量に基づいて、各々の電池100について、比容量(正極活物質1g当たりの電気容量)を算出した。その結果を、LiXMO2 のXの値と比容量との関係として、図9に△印で示す。
図9からわかるように、LiXMO2において、Xの値を大きくするにしたがって、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。しかしながら、Xの値を大きくするにしたがって、比容量が小さくなる。比容量が小さくなる過ぎるのは、電池の特性として好ましくない。以上の結果より、正極活物質137として、1.04≦X≦1.15の関係を満たすLiXMO2を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短くする(2.5日以内にする)ことができ、且つ、十分な比容量を得ることができるといえる。
特に、1.09≦X≦1.15の関係を満たすLiXMO2を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、より一層短縮する(電圧上昇期間をほぼ0にする)ことができる。換言すれば、1.09≦X≦1.15の関係を満たすLiXMO2を用いることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
例えば、組み付け工程において、正極活物質137として、Xの値が1.10であるLiXMO2 を用い、また、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、また、負極活物質127として、非晶質炭素の割合(含有率)が6wt%であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを4μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.5とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.038mol/Lとすることで、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間を0(なし)にすることができる。これにより、第2自己放電期間を3日間(規定期間のみ)にすることができる。
一方、正極活物質137として、1.04≦X≦1.08の関係を満たすLiXMO2を用いることで、特に、比容量を大きくすることができる。これにより、出力特性に優れた電池100を得ることができる。
(負極活物質のBET比表面積の好ましい値)
次に、組み付け工程で用いる負極活物質127について、BET比表面積の好ましい値を調査した。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、負極活物質127については、BET比表面積の値のみが異なる13種類の負極活物質を用意し、負極活物質127のBET比表面積の値のみが異なる電池100を、13種類用意した(図10参照)。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、BET比表面積と電池電圧上昇期間との関係として、図10に○印で示す。
また、上述の13種類の電池100について、それぞれ、高温保存試験を行い、この高温保存試験前後の電池容量に基づいて、容量維持率を算出した。具体的には、各々の電池100をSOC80%にした状態で、60℃の温度環境下で(60℃の恒温槽内に配置して)、30日間放置(保存)した。この保存試験前後に、各々の電池100について電池容量を測定し、保存試験前の電池容量Q1に対する保存試験後の電池容量Q2の割合(Q2/Q1)×100(%)を、容量維持率として算出した。その結果を、BET比表面積と容量維持率との関係として、図10に△印で示す。
図10からわかるように、負極活物質127の粒子のBET比表面積を大きくするにしたがって、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。しかしながら、負極活物質127の粒子のBET比表面積を大きくするにしたがって、電池の高温耐久性が低下する(容量維持率が低下する)。高温耐久性が低下し過ぎるのは、電池の特性として好ましくない。以上の結果より、負極活物質127として、粒子のBET比表面積が2.8〜5.2m2/gの範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮する(3日以内にする)ことができ、且つ、電池の高温耐久性も良好にすることができるといえる。
特に、BET比表面積が4.0〜5.2m2/gの範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、より一層短縮する(電圧上昇期間を0にする)ことができる。換言すれば、BET比表面積が4.0〜5.2m2/gの範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
例えば、組み付け工程において、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用い、また、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、また、負極活物質127として、非晶質炭素の割合(含有率)が6wt%であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が4.0〜5.2m2/gの範囲内である負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを4μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.5とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.038mol/Lとすることで、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間を0(なし)にすることができる。これにより、第2自己放電期間を3日間(規定期間のみ)にすることができる。
一方、負極活物質127として、BET比表面積が2.8m2/g以上4.0m2/g未満の範囲内である負極活物質を用いることで、特に、容量維持率を高めることができる(図10参照)。これにより、高温耐久性に優れた電池100を得ることができる。
(負極活物質の非晶質炭素含有率の好ましい値)
次に、組み付け工程で用いる負極活物質127について、非晶質炭素含有率の好ましい値を調査した。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、負極活物質127については、非晶質炭素含有率の値のみが異なる12種類の負極活物質を用意し、負極活物質127の非晶質炭素含有率の値のみが異なる電池100を、12種類作製した(図11参照)。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、非晶質炭素含有率と電池電圧上昇期間との関係として、図11に○印で示す。
また、上述の12種類の電池100について、それぞれ、低温環境下で、パルス充放電サイクル試験を行い、このサイクル試験前後の電池容量に基づいて、容量低下率を算出した。具体的には、各々の電池100をSOC60%にした状態で、0℃の温度環境下で(0℃の恒温槽内に配置して)、パルス充放電を1200サイクル行った。なお、パルス充放電の1サイクルは、100Aの定電流で10秒間充電を行い、その後、10Aの定電流で100秒間放電を行うサイクルとしている。
このサイクル試験前後に、各々の電池100について電池容量を測定し、容量低下率を算出した。なお、サイクル試験前の電池容量をQ1、サイクル試験後の電池容量をQ2としたとき、容量低下率=((Q1−Q2)/Q1)×100(%)として算出する。この結果を、非晶質炭素含有率と容量低下率との関係として、図11に△印で示す。
図11からわかるように、負極活物質127の粒子における非晶質炭素の割合(非晶質炭素含有率)を小さくするにしたがって、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。但し、負極活物質127の粒子における非晶質炭素の割合(非晶質炭素含有率)を小さくし過ぎると、電池の低温特性が悪化する(低温パルス充放電サイクル試験による容量低下が大きくなる)。低温特性が悪化するのは、電池の特性として好ましくない。以上の結果より、負極活物質127として、非晶質炭素含有率が2.5〜7.1wt%の範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮する(2.5日以内にする)ことができ、且つ、電池の低温特性を良好にすることができるといえる。
特に、非晶質炭素含有率が2.5〜4.6wt%の範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、より一層短縮する(電圧上昇期間を0にする)ことができる。換言すれば、非晶質炭素含有率が2.5〜4.6wt%の範囲内である負極活物質を用いることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。しかも、電池の低温特性も特に良好となる。
例えば、組み付け工程において、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用い、また、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、また、負極活物質127として、非晶質炭素含有率が2.5〜4.6wt%の範囲内であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを4μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.5とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.038mol/Lとすることで、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間を0(なし)にすることができる。これにより、第2自己放電期間を3日間(規定期間のみ)にすることができる。
(電解液中のジフルオロリン酸塩濃度の好ましい値)
次に、組み付け工程で用いる電解液160について、電解液中のジフルオロリン酸塩濃度の好ましい値を調査した。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、電解液については、ジフルオロリン酸塩濃度のみが異なる9種類の電解液を用意し、電解液中のジフルオロリン酸塩濃度のみが異なる電池100を、9種類作製した(。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、ジフルオロリン酸塩濃度と電池電圧上昇期間との関係として、図12に○印で示す。なお、ジフルオロリン酸塩として、LiPF22を用いている。
また、上述の9種類の電池100について、それぞれ、内部抵抗(IV抵抗)を測定した。具体的には、各々の電池100を充電(または放電)して、各々の電池電圧値を3.6V(SOC40%)にする。その後、各々の電池100について、−40℃の低温環境下で、40Aの定電流で2秒間だけ放電させ、放電終了時(終了した瞬間)の電池電圧値Vbを測定する。次いで、放電により変化した電池電圧変化量ΔV(=3.6−Vb)を電流値40Aで除した値(=ΔV/40)を、IV抵抗値(内部抵抗値)として取得した。これらの結果を、電解液中のジフルオロリン酸塩濃度と電池の内部抵抗(IV抵抗)との関係として、図12に△印で示す。
図12からわかるように、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を低くするにしたがって、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。しかしながら、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を低くし過ぎると、電池の内部抵抗(特に、低温環境下の内部抵抗)が大きくなる。内部抵抗が大きい電池は好ましくない。以上の結果より、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を、0.01〜0.076mol/Lの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮する(2.5日以内にする)ことができ、且つ、低温環境下の電池内部抵抗も小さくすることができるといえる。
特に、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を、0.01〜0.015mol/Lの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、極めて短くする(電圧上昇期間を0にする)ことができる。換言すれば、ジフルオロリン酸塩の濃度が0.01〜0.015mol/Lの電解液160を用いることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
例えば、組み付け工程において、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用い、また、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、また、負極活物質127として、非晶質炭素含有率が6wt%の範囲内であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを4μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.5とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.01〜0.015mol/Lとすることで、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間を0(なし)にすることができる。これにより、第2自己放電期間を3日間(規定期間のみ)にすることができる。
一方、電解液中のジフルオロリン酸塩の濃度を、0.018〜0.076mol/Lの範囲内とすることで、特に、電池の内部抵抗(特に、低温環境下での内部抵抗)を小さくすることができる(図12の△印を参照)。これにより、出力特性(特に、低温環境下での出力特性)に優れた電池100を得ることができる。
(正負極容量比の好ましい値)
次に、組み付け工程で用いる正極板130と負極板120とについて、好ましい容量比(負極容量/正極容量)の値を調査した。なお、この容量比(正極容量に対する負極容量の割合)は、正極活物質層131と負極活物質層121の対向部122との容量比である。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、負極板については、負極活物質層(対向部)の厚み(すなわち、負極スラリの塗布量)のみが異なる8種類の負極板を用意した。これにより、負極容量のみが異なる8種類の負極板を用意した。そして、これらの負極板を用いて、正負極容量比(負極容量/正極容量)のみが異なる8種類の電池100を作製した。なお、8種類の電池100では、同等の正極板を用いている。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、正負極容量比と電池電圧上昇期間との関係として、図13に○印で示す。
また、上述の8種類の電池100について、それぞれ、電池容量を測定した。具体的には、各々の電池100について、25℃の温度環境下で、SOC100%(電池電圧値4.1V)の状態からSOC0%(電池電圧値3.0V)の状態に至るまで、2Aの定電流で放電(CCCV放電)を行い、このときの放電電気量を電池容量として取得した。この結果を、正負極容量比と電池容量との関係として、図13に△印で示す。
図13からわかるように、正負極容量比(負極容量/正極容量)を大きくするにしたがって、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。しかしながら、正負極容量比(負極容量/正極容量)を大きくするにしたがって、電池容量が小さくなる。電池容量が小さくなるのは好ましくない。以上の結果より、正負極容量比(負極容量/正極容量)を、1.4〜1.9の範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮する(2.5日以内にする)ことができ、且つ、十分な電池容量を確保することができるといえる。
特に、正負極容量比(負極容量/正極容量)を、1.7〜1.9の範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、極めて短くする(1日以内にする)ことができる。換言すれば、正負極容量比(負極容量/正極容量)を1.7〜1.9の範囲内とすることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
例えば、組み付け工程において、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用い、また、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、また、負極活物質127として、非晶質炭素含有率が6wt%の範囲内であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを4μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.7〜1.9とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.038mol/Lとすることで、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間を1日以内にすることができる。これにより、第2自己放電期間を4日以内にすることができる。
一方、正負極容量比(負極容量/正極容量)を、1.4〜1.6の範囲内とすることで、特に、電池容量の低下を抑制することができる(図13の△印を参照)。これにより、電池容量の大きな電池100を得ることができる。
(負極板の金属酸化物絶縁層の好ましい厚み)
次に、組み付け工程で用いる負極板の金属酸化物絶縁層129について、好ましい厚みを調査した。なお、金属酸化物絶縁層129は、酸化アルミニウム(アルミナ)とポリフッ化ビニリデンとを重量比95:5の割合で含んでいる。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、負極板120については、金属酸化物絶縁層129の厚みのみが異なる8種類の負極板を用意した。これらの負極板を用いて、金属酸化物絶縁層129の厚みのみが異なる8種類の電池100を作製した。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、金属酸化物絶縁層の厚みと電池電圧上昇期間との関係として、図14に○印で示す。
また、上述の8種類の電池100について、それぞれ、内部抵抗(IV抵抗)を測定した。具体的には、各々の電池100を充電して、各々の電池電圧値を3.6V(SOC40%)にする。その後、各々の電池100について、−30℃の低温環境下で、40Aの定電流で2秒間だけ放電させ、放電終了時(終了した瞬間)の電池電圧値Vbを測定する。次いで、放電により変化した電池電圧変化量ΔV(=3.6−Vb)を電流値40Aで除した値(=ΔV/40)を、IV抵抗値(内部抵抗値)として取得した。これらの結果を、金属酸化物絶縁層の厚みと電池の内部抵抗(IV抵抗)との関係として、図14に△印で示す。
図14からわかるように、負極板の金属酸化物絶縁層の厚みを厚くしたほうが、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。しかしながら、金属酸化物絶縁層の厚みを厚くするほど、電池の内部抵抗(特に、低温環境下の内部抵抗)が大きくなる。内部抵抗が大きい電池は好ましくない。以上の結果より、負極板の金属酸化物絶縁層の厚みを、2〜8μmの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮する(2日以内にする)ことができ、且つ、低温環境下の電池内部抵抗も小さくすることができるといえる。
特に、金属酸化物絶縁層の厚みを、7.5〜8μmの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を、極めて短くする(電圧上昇期間を1.5日以内にする)ことができる。換言すれば、金属酸化物絶縁層の厚みを7.5〜8μmの範囲内とすることで、第2自己放電工程において放置を開始した後、速やかに電池電圧が低下するようになる。これにより、第2自己放電工程にかかる期間を極めて短くすることができる。
例えば、組み付け工程において、正極活物質137として、Xの値が1.08であるLiXMO2 を用い、また、正極板130の炭素層139の厚みを2μmとし、また、負極活物質127として、非晶質炭素含有率が6wt%の範囲内であり、且つ、負極活物質粒子のBET比表面積が3.3m2/gである負極活物質を用い、また、負極板120の金属酸化物絶縁層129の厚みを7.5〜8μmとし、また、正極容量と負極容量との容量比(負極容量/正極容量)を1.5とし、また、電解液160中のジフルオロリン酸塩の濃度を0.038mol/Lとすることで、第2自己放電工程における電池電圧上昇期間を1.5日以内にすることができる。
一方、金属酸化物絶縁層の厚みを、2〜7μmの範囲内とすることで、特に、電池の内部抵抗(特に、低温環境下での内部抵抗)を小さくすることができる(図14の△印を参照)。これにより、出力特性(特に、低温環境下での出力特性)に優れた電池100を得ることができる。
(正極板の炭素層の好ましい厚み)
次に、組み付け工程で用いる正極板の炭素層139について、好ましい厚みを調査した。なお、炭素層139は、アセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンとを重量比3:7の割合で含んでいる。
具体的には、まず、実施例1のステップS1〜S9と同様にして、電池100を作製した。但し、正極板130については、炭素層139の厚みのみが異なる8種類の正極板を用意した。これらの正極板を用いて、炭素層139の厚みのみが異なる8種類の電池100を作製した。その後、前述の放置試験(第2自己放電工程と同様な放置)を行い、各々の電池100について、放置開始からの電池電圧上昇期間を調査した。その結果を、炭素層の厚みと電池電圧上昇期間との関係として、図15に○印で示す。
また、上述の8種類の電池100について、それぞれ、内部抵抗(IV抵抗)を測定した。具体的には、各々の電池100を充電して、各々の電池電圧値を3.6V(SOC40%)にする。その後、各々の電池100について、25℃の温度環境下で、40Aの定電流で2秒間だけ放電させ、放電終了時(終了した瞬間)の電池電圧値Vbを測定する。次いで、放電により変化した電池電圧変化量ΔV(=3.6−Vb)を電流値40Aで除した値(=ΔV/40)を、IV抵抗値(内部抵抗値)として取得した。これらの結果を、炭素層の厚みと電池の内部抵抗(IV抵抗)との関係として、図15に△印で示す。
図15からわかるように、正極板の炭素層の厚みを厚くしたほうが、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮することができる。しかしながら、金属酸化物絶縁層の厚みを厚くし過ぎると、電池の内部抵抗が大きくなる。内部抵抗が大きい電池は好ましくない。以上の結果より、正極板の炭素層の厚みを、1〜5μmの範囲内とすることで、第2自己放電工程における放置開始後の電池電圧上昇期間を短縮する(2日以内にする)ことができ、且つ、電池内部抵抗も小さくすることができるといえる。
特に、金属酸化物絶縁層の厚みを、1〜3μmの範囲内とすることで、電池内部抵抗を特に小さくすることができる。これにより、出力特性に優れた電池100を得ることができる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、ステップS2(電池拘束工程)及びステップS8(拘束解除工程)を設けたが、これらの工程を設けることなく、リチウムイオン二次電池を製造するようにしても良い。すなわち、組み付け工程(ステップS1)において作製されたリチウムイオン二次電池100を押圧治具30,40で挟んで拘束状態にすることなく、ステップS3〜S7の処理を行うようにしても良い。
また、ステップS6(容量測定工程)では、電池100について、電池容量の一部(60%)を測定したが、電池容量の全部を測定するようにしても良い。具体的には、まず、リチウムイオン二次電池100を充電してSOC100%(電池電圧値が4.1V)の状態にし、その後、電池100を放電させて、電池電圧値が4.1V(SOC100%)から3.0V(SOC0%)にまで低下する間の放電電気量(これが電池容量に相当する)を測定する。この放電電気量(電池容量)が許容範囲から外れている電池は、不良品として取り除かれる(例えば、廃棄される)。
30,40 押圧治具
100 リチウムイオン二次電池(電池)
110 電極体
120 負極板
121 負極活物質層
122 対向部
127 負極活物質
128 負極集電板
130 正極板
131 正極活物質層
137 正極活物質
138 正極集電板
150 セパレータ
160 電解液
180 電池ケース
200 電池列

Claims (6)

  1. 正極活物質及び負極活物質を有する電極体と、LiPF 2 2 を含有する電解液とを、電池ケース内に収容した電池を作製する組み付け工程と、
    上記組み付け工程を終えた上記電池を初期充電する初期充電工程と、
    上記初期充電工程を終えた上記電池を、所定の温度で一定時間安置してエージングするエージング工程と、
    上記エージング工程を終えた上記電池を、所定期間放置することにより自己放電させる第1自己放電工程と、
    上記自己放電工程を終えた上記電池の電池容量の一部または全部を測定する容量測定工程と、
    上記容量測定工程を終えた上記電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定工程と、
    上記内部抵抗測定工程を終えた上記電池を複数用意し、これらの電池を一列または複数列に列置して1または複数列の電池列にすると共に、上記電池列を、その両端側から押圧治具で挟んで拘束状態にする電池列拘束工程と、
    上記拘束状態の上記電池列を放置することにより、上記電池列をなす各々の上記電池を自己放電させる第2自己放電工程と、を備える
    リチウムイオン二次電池の製造方法であって、
    上記第2自己放電工程は、
    上記電池列の放置を開始してから上記電池電圧値が上昇する場合は、上記電池電圧値の上昇期間が経過した後から規定期間、上記拘束状態の上記電池列を放置する一方
    上記電池列の放置を開始してから上記電池電圧値が上昇することなく低下する場合は、上記電池列の放置を開始してから上記規定期間、上記拘束状態の上記電池列を放置して、
    上記電池列をなす上記電池を自己放電させる工程であり、
    上記組み付け工程では、下記の(1)〜(4)の全ての条件を満たす電池を作製する
    リチウムイオン二次電池の製造方法。
    (1)上記正極活物質は、LiXMO2(Mは、Niである、または、主成分であるNiの他にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mg,Ga,Zr,Siの少なくともいずれかを含むもの)であって、1.04≦X≦1.15を満たす。
    (2)上記負極活物質の粒子のBET比表面積が、2.8〜5.2m2/gの範囲内である。
    (3)上記負極活物質の粒子は、黒鉛と非晶質炭素とからなり、上記負極活物質の粒子における上記非晶質炭素の割合が、2.5〜7.1wt%の範囲内である。
    (4)上記電解液中の上記LiPF 2 2 の濃度が、0.01〜0.076mol/Lの範囲内である。
  2. 請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
    前記(1)の条件について、1.09≦X≦1.15を満たすLiXMO2 とする
    リチウムイオン二次電池の製造方法。
  3. 請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
    前記(2)の条件について、前記負極活物質の粒子のBET比表面積を、4.0〜5.2m2/gの範囲内とする
    リチウムイオン二次電池の製造方法。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
    前記(3)の条件について、前記負極活物質の粒子における前記非晶質炭素の割合を、2.5〜4.6wt%の範囲内とする
    リチウムイオン二次電池の製造方法。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
    前記(4)の条件について、前記電解液中の前記LiPF 2 2 の濃度を、0.01〜0.015mol/Lの範囲内とする
    リチウムイオン二次電池の製造方法。
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
    前記組み付け工程の後、前記初期充電工程の前に、上記組み付け工程を終えた前記電池を、押圧治具で挟んで拘束状態にする電池拘束工程を備え、
    前記内部抵抗測定工程の後、前記電池列拘束工程の前に、上記電池拘束工程において行った上記電池の拘束を解除する拘束解除工程を備え、
    前記初期充電工程、前記エージング工程、前記第1自己放電工程、前記容量測定工程、及び上記内部抵抗測定工程では、いずれも、前記電池は上記拘束状態である
    リチウムイオン二次電池の製造方法。
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