JP5570843B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、渦巻き状電極体と、円筒型の電池容器とを備えている。渦巻き状電極体は、負極と、正極と、セパレータとを有する。負極は、負極活物質層を有する。負極活物質層は、リチウムと合金化する負極活物質を含む。セパレータは、正極と負極との間に配置されている。渦巻き状電極体は、渦巻き状に巻回されている。電池容器には、渦巻き状電極体が収納されている。本発明に係るリチウムイオン二次電池は、付勢部を備えている。付勢部は、渦巻き状電極体の中心に、渦巻き状電極体と接するように設けられている。付勢部は、正極集電体を含み、正極活物質層を含まない。付勢部における巻き数は3以上である。付勢部は、縮径可能である。付勢部は、少なくとも縮径時に渦巻き状電極体を径方向外側に向かって付勢する。
図1は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池1の略図的横断面図である。なお、図1では、描画の便宜上、渦巻き状電極体の巻き数は実際よりも少なく描画している。また、断面のハッチングは省略している。また、各図において、描画の便宜上、渦巻き状電極体の半径方向に隣接する部分間に隙間が介在するように描画されている。しかしながら、実際には、渦巻き状電極体の半径方向に隣接する部分は、互いに接している。また、半径方向において、渦巻き状電極体と付勢部との間にも隙間が介在するように描画されている。しかしながら、実際には、渦巻き状電極体と付勢部とは、半径方向において接している。
(b)負極集電体21a、負極活物質層21b、21c及びセパレータ23
(c)負極集電体21a、負極活物質層21b、正極集電体22a及びセパレータ23
(d)負極集電体21a、負極活物質層21c、正極集電体22a及びセパレータ23
(e)負極活物質層21b、21c、正極集電体22a及びセパレータ23
(f)負極集電体21a、負極活物質層21b及びセパレータ23
(g)負極集電体21a、負極活物質層21c及びセパレータ23
(h)負極活物質層21b、21c及びセパレータ23
(i)負極集電体21a及び負極活物質層21b、21c
(j)負極集電体21a、正極集電体22a及びセパレータ23
(k)負極活物質層21b、正極集電体22a及びセパレータ23
(l)負極活物質層21c、正極集電体22a及びセパレータ23
(m)負極集電体21a及びセパレータ23
(n)負極活物質層21b及びセパレータ23
(o)負極活物質層21c及びセパレータ23
(p)正極集電体22a及びセパレータ23
(q)負極集電体21a及び負極活物質層21b
(r)負極集電体21a及び負極活物質層21c
(s)負極集電体21a
(t)正極集電体22a
(u)セパレータ23
(v)負極活物質層21b及び21c
(w)負極活物質層21b
(x)負極活物質層21c
本実施例1では、下記の要領で作製した負極と正極と非水電解液とを用いて円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。作製したリチウムイオン二次電池の直径は、12.8mmであり、高さは、37.7mmであった。
まず、負極活物質を以下の要領で作製した。すなわち、還元炉内に設置されたケイ素芯を800℃まで通電加熱した。その後、還元炉内に高純度のモノシランガスSiH4と水素ガスとを混合させたガスを供給することにより、ケイ素芯の表面に多結晶ケイ素を析出させ、多結晶ケイ素塊を作製した。この多結晶ケイ素塊を粉砕後、分級することにより、純度が99%の多結晶ケイ素粒子を作製した。本実施例では、この多結晶ケイ素粒子を負極活物質として用いた。なお、多結晶ケイ素粒子の結晶子サイズは、32nmであった。多結晶ケイ素粒子の平均粒子径は、10μmであった。結晶子サイズは、粉末X線回折によりケイ素の(111)面のピークの半値幅を求めてscherrerの式により算出した。平均粒子径はレーザー回折法により求めた。
まず、以下の要領にて、正極活物質を作製した。乳鉢を用いて、Li2CO3とCoCO3とを、LiとCoとのモル比が1:1になるように混合し、800℃の空気雰囲気中において24時間熱処理し、粉砕することにより、コバルト酸リチウム(LiCoO2)の粉末を作製した。コバルト酸リチウム粉末の平均粒子径は、11μmであった。コバルト酸リチウム粉末のBET比表面積は、0.37m2/gであった。
まず、4−フルオロエチレンカーボネート(FEC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを2:8の体積比で混合させた混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウムLiPF6を1.0mol/lの濃度になるように溶解させた。その後、この溶液に0.4重量%の二酸化炭素ガスを溶解させ、非水電解液を作製した。
上記作製の正極と負極とをセパレータを介在させて対向させ、外径4mmの巻芯に巻き取った後、巻芯を抜き取ることにより、渦巻き状電極体を作製した。渦巻き状電極体の作製にあたっては、まず負極とセパレータのみを1周巻き取り、その後、負極とセパレータと正極とを巻き取った。これにより、正極、負極及びセパレータからなる主部の内周部に、負極及びセパレータからなる付勢部を形成した。なお、セパレータとしては、厚さ20μmであるリチウムイオン透過性のポリエチレン製微多孔膜を用いた。セパレータの弾性率に厚みを乗じた値は、0.0005kN/mmであった。
次に、作製したリチウムイオン二次電池の評価を行った。まず、リチウムイオン二次電池を、45mAの電流で4時間定電流充電を行った。その後、180mAの電流で電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電を行った。さらにその後、4.2Vの電圧で電流値が45mAになるまで定電圧充電することにより初期充電を行った。そして、リチウムイオン二次電池の初期充電容量を求めた。
付勢部における巻き数を下記の表1に示す巻き数としたこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
負極集電体を、厚さ18μmの銅合金箔(Cu−Sn合金箔、組成;Cu:99.88重量%、Sn:0.12重量%)とし、付勢部における巻き数を下記の表1に示す巻き数としたこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
付勢部を正極集電体とセパレータとにより構成したこと、付勢部における巻き数を下記の表1に示す巻き数としたこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。具体的には、実施例9〜11では、正極を作製する際に、正極集電体の長手方向一方側端部を除いた部分の両面に正極活物質層を形成した。そして、電池の作製に際して、まず、正極集電体のみからなる正極の長手方向一方側端部とセパレータとを表1に示す巻き数だけ巻き取った。その後、正極と、負極とセパレータとを合わせて巻き取ることにより渦巻き状電極体を作製した。
付勢部を設けず、下記表1に示す負極集電体を使用したこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。
付勢部を設けないと共に、渦巻き状電極体の中心にセンターピンを挿入し、下記表1に示す負極集電体を使用したこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。なお、センターピンとしては、外径4mm、厚さ0.5mm、長さ36mmのSUS製の円柱棒を用いた。
実施例12では、付勢部20aを、負極集電体21aと、正極集電体22aと、セパレータ23とにより構成したこと以外は、上記実施例2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。結果を、下記の表2に示す。なお、本実施例では、図11に示すように、負極タブ25を渦巻き状電極体20の外側端部に接合し、正極タブ24を付勢部20aの最内周部分の内側表面に接合した。
実施例13では、図12に示すように、正極タブ24を付勢部の2周目部分の内側表面に接合したこと以外は、上記実施例12と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。結果を、下記の表2に示す。
実施例14では、図13に示すように、正極タブ24を付勢部の3周目部分の内側表面に接合したこと以外は、上記実施例12と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。結果を、下記の表2に示す。
実施例15では、図14に示すように、正極タブ24を渦巻き状電極体20の内側表面に接合したこと以外は、上記実施例12と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製し、評価を行った。結果を、下記の表2に示す。
10…電池容器
10a…収納空間
19…非水電解液
20…渦巻き状電極体
20a…付勢部
20b…主部
21…負極
21a…負極集電体
21b、21c…負極活物質層
22…正極
22a…正極集電体
22b、22c…正極活物質層
23…セパレータ
24…正極タブ
25…負極タブ
40a、40b…平板
Claims (17)
- 正極集電体と、前記正極集電体上に設けられている正極活物質層とを備える正極と、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられている負極活物質層とを備える負極と、前記正極と前記負極との間に配置されているセパレータとを有し、渦巻き状に巻回されている渦巻き状電極体と、
前記渦巻き状電極体を収納している円筒型の電池容器とを備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記負極活物質層はリチウムと合金化する負極活物質を含み、
前記渦巻き状電極体の中心に、前記渦巻き状電極体と接するように設けられている付勢部を備え、
前記付勢部は、前記負極集電体を含み、
前記付勢部は、前記正極集電体及び正極活物質層を含まず、
前記付勢部における巻き数が1以上であり、
前記付勢部は、縮径可能であり、かつ、少なくとも縮径時に前記渦巻き状電極体を径方向外側に向かって付勢するリチウムイオン二次電池。 - 正極集電体と、前記正極集電体上に設けられている正極活物質層とを備える正極と、負極集電体と、前記負極集電体上に設けられている負極活物質層とを備える負極と、前記正極と前記負極との間に配置されているセパレータとを有し、渦巻き状に巻回されている渦巻き状電極体と、
前記渦巻き状電極体を収納している円筒型の電池容器とを備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記負極活物質層はリチウムと合金化する負極活物質を含み、
前記渦巻き状電極体の中心に、前記渦巻き状電極体と接するように設けられている付勢部を備え、
前記付勢部は、前記正極集電体を含み、
前記付勢部は、前記正極活物質層を含まず、
前記付勢部における巻き数が3以上であり、
前記付勢部は、縮径可能であり、かつ、少なくとも縮径時に前記渦巻き状電極体を径方向外側に向かって付勢するリチウムイオン二次電池。 - 前記負極活物質は、リチウムと合金化したときの体積が、リチウムと合金化していないときの体積の1.2倍以上である請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部は、前記負極集電体を含まない、請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部は、前記セパレータを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部に含まれる正極集電体及び前記負極集電体のうちの一方の弾性率に厚みを乗じて得られる値は、他方の弾性率に厚みを乗じて得られる値よりも大きい請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記渦巻き状電極体の内側には、柱状のセンターピンが設けられていない請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部に対して前記付勢部の径方向に応力が加えられたときの弾性係数(k)を前記付勢部の中心軸の延びる方向に沿った長さ(L)で除算して得られる前記付勢部の強度パラメータ(k/L)が、0.05[(N/mm)/mm]以上である請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部の強度パラメータ(k/L)が、0.08[(N/mm)/mm]以上である請求項8に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部における巻き数が3以上である請求項1及び請求項3〜9のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部の弾性率に前記付勢部の厚みを乗じて得られる値が1.49kN/mm以上である請求項10に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部における巻き数が5以上である請求項10または11に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記付勢部の弾性率に前記付勢部の厚みを乗じて得られる値が0.84kN/mm以上である請求項12に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記正極集電体は、AlまたはAlを主成分として含むAl合金からなる請求項1〜13のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極集電体は、CuまたはCuを主成分として含むCu合金からなる請求項1〜14のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極活物質は、ケイ素またはケイ素を主成分として含むケイ素合金である請求項1〜15のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電池容器は、金属製である請求項1〜16のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
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