JP5871158B2 - Non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は非水系二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous secondary battery.
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池を包含する。また、本明細書において「活物質」は、二次電池において電荷担体となる化学種(例えば、リチウムイオン二次電池ではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および離脱)可能な物質をいう。また、「非水系二次電池」は、非水電解質(例えば、非水電解液)が電解質として用いられた二次電池をいう。 In the present specification, the “secondary battery” generally refers to a battery that can be repeatedly charged and includes so-called storage batteries such as lithium secondary batteries (typically lithium ion secondary batteries) and nickel metal hydride batteries. In the present specification, the “active material” refers to reversibly occlusion and release (typically insertion and removal) of a chemical species that serves as a charge carrier in a secondary battery (for example, lithium ions in a lithium ion secondary battery). A possible substance. Further, the “non-aqueous secondary battery” refers to a secondary battery in which a non-aqueous electrolyte (for example, a non-aqueous electrolyte) is used as an electrolyte.
非水系二次電池には、リチウムイオン二次電池が含まれる。特許4584351号には、高容量、低抵抗などの車載用途に適したリチウムイオン二次電池用の正極活物質が提案されている。すなわち、同特許には、リチウムイオン電池用正極活物質について、NMP(N−メチルピロリドン)に対する吸油量が、粉末100g当たり30mL以上50mL以下であり、スピネル構造又は層状構造を有するLiaFewNixMnyCozO2(1.0<{a/(w+x+y+z)}<1.3、0.8<(w+x+y+z)<1.1)で表され、かつFe,Ni,Mn,Coの成分の内、少なくとも3成分以上を含有することが提案されている。同公報では、正極活物質層を形成する際に、正極活物質を含む合剤を塗布するがその際の塗布性(塗布した後の接着性、密着性)を良好なものにできるとされる。 Non-aqueous secondary batteries include lithium ion secondary batteries. Japanese Patent No. 4585351 proposes a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery suitable for in-vehicle use such as high capacity and low resistance. That is, the patent discloses Li a Fe w Ni having a spinel structure or a layered structure in which the oil absorption amount with respect to NMP (N-methylpyrrolidone) is 30 mL or more and 50 mL or less per 100 g of the powder for the positive electrode active material for a lithium ion battery. x Mn y Co z O 2 (1.0 <{a / (w + x + y + z)} <1.3, 0.8 <(w + x + y + z) <1.1), and Fe, Ni, Mn, Co components Of these, it has been proposed to contain at least three components. According to the publication, when forming the positive electrode active material layer, a mixture containing the positive electrode active material is applied, but the applicability (adhesiveness and adhesion after application) can be improved. .
ところで、いわゆるハイブリッド車(HV)やプラグインハイブリッド車(PHV)や電気自動車(EV)では、加速時に高い出力が求められ、減速時には、回生エネルギで充電を行なう。このため、ハイレートで充放電が繰り返される。リチウムイオン二次電池は、このようなハイレートで充放電が繰り返される用途において、充放電サイクル後に抵抗が著しく上昇する場合がある。特に、低温環境においては、かかる充放電サイクル後の抵抗上昇が顕著になる。 By the way, so-called hybrid vehicles (HV), plug-in hybrid vehicles (PHV), and electric vehicles (EV) require a high output during acceleration, and are charged with regenerative energy during deceleration. For this reason, charge and discharge are repeated at a high rate. In applications where charging / discharging is repeated at such a high rate, the resistance of the lithium ion secondary battery may increase significantly after the charging / discharging cycle. In particular, in a low temperature environment, the increase in resistance after such charge / discharge cycles becomes significant.
特許4584351号には、正極活物質粒子の吸油量を工夫する発明が開示されている。本発明者の知見によれば、ハイレートで充放電が繰り返される用途においてリチウムイオン二次電池(非水系二次電池)の抵抗が上昇する現象は、活物質粒子の吸油量を工夫するのみでは改善しない。 Japanese Patent No. 4585351 discloses an invention for devising the oil absorption amount of the positive electrode active material particles. According to the knowledge of the present inventor, the phenomenon in which the resistance of a lithium ion secondary battery (non-aqueous secondary battery) increases in applications where charging and discharging are repeated at a high rate can be improved only by devising the oil absorption amount of the active material particles. do not do.
ここで、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、正極集電体と、正極集電体に保持された正極活物質層と、負極集電体と、負極集電体に保持された負極活物質層と、正極活物質層と負極活物質層との間に介在したセパレータとを備えている。ここで、正極活物質粒子のDBP吸油量を、正極活物質層の多孔度と正極活物質層の厚さとで除した値を「A」とする。また、負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量を、負極活物質層の多孔度と負極活物質層の厚さとで除した値を「B」とする。この非水系二次電池は、正極活物質層の値Aと負極活物質層の値Bとの比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である。 Here, the non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer held by the positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a negative electrode current collector. And a separator interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. Here, a value obtained by dividing the DBP oil absorption amount of the positive electrode active material particles by the porosity of the positive electrode active material layer and the thickness of the positive electrode active material layer is defined as “A”. Further, a value obtained by dividing the oil absorption amount of the linseed oil of the negative electrode active material particles by the porosity of the negative electrode active material layer and the thickness of the negative electrode active material layer is defined as “B”. In this non-aqueous secondary battery, the ratio A / B between the value A of the positive electrode active material layer and the value B of the negative electrode active material layer is 0.78 ≦ (A / B) ≦ 1.22.
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池によれば、上述したように正極活物質層の上記値Aと負極活物質層の上記値Bとの比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である。この非水系二次電池では、正極活物質層と負極活物質層とで電解質(電解液)の保持力の特性が概ねバランスよく調整されている。このため、ハイレートで充放電が繰り返される用途において、非水系二次電池の正極と負極において電解質(電解液)の出入りが激しく繰り返される場合でも、非水系二次電池の抵抗上昇を低く抑えることができる。 According to the non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention, as described above, the ratio A / B between the value A of the positive electrode active material layer and the value B of the negative electrode active material layer is 0.78 ≦ (A / B) ≦ 1.22. In this non-aqueous secondary battery, the retention characteristics of the electrolyte (electrolytic solution) are generally adjusted in a well-balanced manner between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. For this reason, in applications where charging and discharging are repeated at a high rate, even when the electrolyte (electrolyte) enters and exits repeatedly at the positive electrode and the negative electrode of the non-aqueous secondary battery, the increase in resistance of the non-aqueous secondary battery can be kept low. it can.
この場合、比A/Bは0.80≦(A/B)であってもよい。また、比A/Bは(A/B)≦1.20であってもよい。これにより、非水系二次電池の充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)は、より低く抑えられる。 In this case, the ratio A / B may be 0.80 ≦ (A / B). Further, the ratio A / B may be (A / B) ≦ 1.20. Thereby, the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle of the non-aqueous secondary battery can be suppressed to a lower level.
また、正極集電体と負極集電体とは、それぞれ帯状の部材であり、正極活物質層と負極活物質層とが互いに対向するように配置され、かつ、捲回されて捲回電極体を構成されていてもよい。また、当該捲回電極体を収容した電池ケースと、電池ケースに注入された電解液とを備えていてもよい。 The positive electrode current collector and the negative electrode current collector are band-shaped members, and are arranged so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other, and are wound and wound to form a wound electrode body. May be configured. Moreover, you may provide the battery case which accommodated the said winding electrode body, and the electrolyte solution inject | poured into the battery case.
捲回電極体では、特に、中央部分で電解質の量が少なくなる傾向があり、上述した充放電サイクル後の抵抗が上昇し易い。上述したように正極活物質層と負極活物質層とで比A/Bを所定の範囲内とすることによって、かかる捲回電極体の構造を有する場合において、充放電サイクル後の抵抗上昇を小さく抑えることができる。 In the wound electrode body, the amount of the electrolyte tends to decrease particularly in the central portion, and the resistance after the above-described charge / discharge cycle tends to increase. As described above, by setting the ratio A / B within the predetermined range between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, in the case of such a wound electrode body structure, the increase in resistance after the charge / discharge cycle is reduced. Can be suppressed.
また、この場合、捲回電極体は、捲回軸に直行する方向に沿って扁平に曲げられており、電池ケースは、扁平な収容空間を備えた角型のケースであり、かつ、捲回電極体が扁平に曲げられた状態で電池ケースに収容されていてもよい。すなわち、かかる扁平な核型の電池が構成される場合には、捲回電極体の中央部分で電解質の量が少なくなる傾向がある。このため、上述したように正極活物質層と負極活物質層とで比A/Bを所定の範囲内とすることが特に有効であり、かかる捲回電極体の構造を有する場合において、充放電サイクル後の抵抗上昇を小さく抑えることができる。 In this case, the wound electrode body is flatly bent along the direction orthogonal to the winding axis, and the battery case is a rectangular case having a flat housing space, and the wound case The electrode body may be accommodated in the battery case in a state where the electrode body is bent flat. That is, when such a flat nuclear battery is configured, the amount of electrolyte tends to be reduced in the central portion of the wound electrode body. Therefore, as described above, it is particularly effective to set the ratio A / B within a predetermined range between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. The increase in resistance after cycling can be kept small.
また、捲回電極体は、例えば、正極集電体の片側の長辺に沿って正極活物質層が形成されていない部分を有しており、かつ、負極集電体の片側の長辺に沿って負極活物質層が形成されていない部分を有していてもよい。この場合、正極活物質層と負極活物質層とが対向した部分の片側に、正極集電体のうち正極活物質層が形成されていない部分がはみ出ており、正極集電体のうち正極活物質層が形成されていない部分がはみ出た側とは反対側に、負極集電体のうち負極活物質層が形成されていない部分がはみ出ていてもよい。本発明にかかる非水系二次電池によれば、かかる捲回電極体が用いられる場合でも、充放電サイクル後の抵抗上昇を小さく抑えることができる。 Further, the wound electrode body has, for example, a portion where the positive electrode active material layer is not formed along the long side on one side of the positive electrode current collector, and on the long side on one side of the negative electrode current collector. There may be a portion along which the negative electrode active material layer is not formed. In this case, a portion of the positive electrode current collector where the positive electrode active material layer is not formed protrudes on one side of the portion where the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other. The portion of the negative electrode current collector where the negative electrode active material layer is not formed may protrude on the side opposite to the side where the portion where the material layer is not formed protrudes. According to the non-aqueous secondary battery according to the present invention, even when such a wound electrode body is used, an increase in resistance after the charge / discharge cycle can be suppressed to a low level.
さらに、正極集電体のうち正極活物質層が形成されていない部分と、負極集電体のうち負極活物質層が形成されていない部分とは、それぞれ中間部分が纏められて電極端子が取り付けられていてもよい。かかる形態では、充放電サイクルにおいて捲回電極体の中央部分で、特に、電解質が少なくなり易く、充放電サイクル後に抵抗が上昇し易い。このため、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、かかる構造に記載された好適に用いられうる。 Further, the portion of the positive electrode current collector where the positive electrode active material layer is not formed and the portion of the negative electrode current collector where the negative electrode active material layer is not formed are gathered together, and an electrode terminal is attached. It may be done. In such a form, the electrolyte tends to decrease particularly in the central portion of the wound electrode body in the charge / discharge cycle, and the resistance tends to increase after the charge / discharge cycle. For this reason, the non-aqueous secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention can be used suitably described in this structure.
また、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、リチウムイオン二次電池として構成されうる。また、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、複数組み合わせて組電池を構成することができる。また、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池、又は、本発明の一実施形態に係る組電池は、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)を小さく抑えることができ、車両駆動用電池として特に好適である。 Moreover, the non-aqueous secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention can be comprised as a lithium ion secondary battery. Moreover, the non-aqueous secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention can comprise an assembled battery combining two or more. Further, the non-aqueous secondary battery according to one embodiment of the present invention or the assembled battery according to one embodiment of the present invention can suppress the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle, and can drive the vehicle. It is particularly suitable as a battery for use.
以下、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池を図面に基づいて説明する。ここではまず、リチウムイオン二次電池を例に挙げて非水系二次電池の一構造例を説明する。その後、かかる構造例を適宜に参照しつつ、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池を説明する。なお、同じ作用を奏する部材、部位には適宜に同じ符号を付している。また、各図面は模式的に描かれており、必ずしも実物を反映していない。各図面は、一例を示すのみであり、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。 Hereinafter, a non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, first, a structure example of a non-aqueous secondary battery will be described by taking a lithium ion secondary battery as an example. Then, the non-aqueous secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated, referring this structural example suitably. In addition, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the member and site | part which show | play the same effect | action. Each drawing is schematically drawn and does not necessarily reflect the real thing. Each drawing shows an example only and does not limit the present invention unless otherwise specified.
≪リチウムイオン二次電池100≫
図1は、リチウムイオン二次電池100を示している。このリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体200と電池ケース300とを備えている。図2は、捲回電極体200を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。
≪Lithium ion
FIG. 1 shows a lithium ion
捲回電極体200は、図2に示すように、正極シート220、負極シート240およびセパレータ262、264を有している。正極シート220、負極シート240およびセパレータ262、264は、それぞれ帯状のシート材である。
As shown in FIG. 2, the
≪正極シート220≫
正極シート220は、帯状の正極集電体221と正極活物質層223とを備えている。正極集電体221には、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。正極集電体221には、例えば、所定の幅を有し、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔を用いることができる。正極集電体221の幅方向片側の縁部に沿って未塗工部222が設定されている。図示例では、正極活物質層223は、図3に示すように、正極集電体221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電体221の両面に保持されている。正極活物質層223には、正極活物質が含まれている。正極活物質層223は、正極活物質を含む正極合剤を正極集電体221に塗工することによって形成されている。
≪
The
≪正極活物質層223および正極活物質粒子610≫
ここで、図4は、正極シート220の断面図である。なお、図4において、正極活物質層223の構造が明確になるように、正極活物質層223中の正極活物質粒子610と導電材620とバインダ630とを大きく模式的に表している。正極活物質層223には、図4に示すように、正極活物質粒子610と導電材620とバインダ630が含まれている。
<< Positive Electrode
Here, FIG. 4 is a cross-sectional view of the
正極活物質粒子610には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いることができる物質を使用することができる。正極活物質粒子610の例を挙げると、LiNiCoMnO2(リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物)、LiNiO2(ニッケル酸リチウム)、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiMn2O4(マンガン酸リチウム)、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)などのリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。ここで、LiMn2O4は、例えば、スピネル構造を有している。また、LiNiO2或いはLiCoO2は層状の岩塩構造を有している。また、LiFePO4は、例えば、オリビン構造を有している。オリビン構造のLiFePO4には、例えば、ナノメートルオーダーの粒子がある。また、オリビン構造のLiFePO4は、さらにカーボン膜で被覆することができる。
As the positive electrode
≪導電材620≫
導電材620としては、例えば、カーボン粉末、カーボンファイバーなどのカーボン材料が例示される。導電材620としては、このような導電材から選択される一種を単独で用いてもよく二種以上を併用してもよい。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、オイルファーネスブラック、黒鉛化カーボンブラック、カーボンブラック、黒鉛、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末などのカーボン粉末を用いることができる。
Examples of the
≪バインダ630≫
また、バインダ630は、正極活物質層223に含まれる正極活物質粒子610と導電材620の各粒子を結着させたり、これらの粒子と正極集電体221とを結着させたりする。かかるバインダ630としては、使用する溶媒に溶解または分散可能なポリマーを用いることができる。例えば、水性溶媒を用いた正極合剤組成物においては、セルロース系ポリマー(カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)など)、フッ素系樹脂(例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)など)、ゴム類(酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエン共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)など)などの水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水溶媒を用いた正極合剤組成物においては、ポリマー(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリアクリルニトリル(PAN)など)を好ましく採用することができる。
Further, the
≪増粘剤、溶媒≫
正極活物質層223は、例えば、上述した正極活物質粒子610と導電材620を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた正極合剤を作製し、正極集電体221に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、正極合剤の溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。上記バインダ630として例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極合剤の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
≪Thickener, solvent≫
The positive electrode
正極合剤全体に占める正極活物質の質量割合は、凡そ50wt%以上(典型的には50〜95wt%)であることが好ましく、通常は凡そ70〜95wt%(例えば75〜90wt%)であることがより好ましい。また、正極合剤全体に占める導電材の割合は、例えば凡そ2〜20wt%とすることができ、通常は凡そ2〜15wt%とすることが好ましい。バインダを使用する組成では、正極合剤全体に占めるバインダの割合を例えば凡そ1〜10wt%とすることができ、通常は凡そ2〜5wt%とすることが好ましい。 The mass ratio of the positive electrode active material in the total positive electrode mixture is preferably about 50 wt% or more (typically 50 to 95 wt%), and usually about 70 to 95 wt% (for example, 75 to 90 wt%). It is more preferable. Moreover, the ratio of the electrically conductive material to the whole positive electrode mixture can be, for example, about 2 to 20 wt%, and is usually preferably about 2 to 15 wt%. In the composition using the binder, the ratio of the binder to the whole positive electrode mixture can be, for example, about 1 to 10 wt%, and usually about 2 to 5 wt% is preferable.
≪負極シート240≫
負極シート240は、図2に示すように、帯状の負極集電体241と、負極活物質層243とを備えている。負極集電体241には、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この負極集電体241には、所定の幅を有し、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極集電体241の幅方向片側には、縁部に沿って未塗工部242が設定されている。負極活物質層243は、負極集電体241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電体241の両面に形成されている。負極活物質層243は、負極集電体241に保持され、少なくとも負極活物質が含まれている。負極活物質層243は、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体241に塗工されている。
<<
As illustrated in FIG. 2, the
≪負極活物質層243≫
図5は、リチウムイオン二次電池100の負極シート240の断面図である。負極活物質層243には、図5に示すように、負極活物質粒子710、増粘剤(図示省略)、バインダ730などが含まれている。図5では、負極活物質層243の構造が明確になるように、負極活物質層243中の負極活物質粒子710とバインダ730とを大きく模式的に表している。
<< Negative Electrode
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
≪負極活物質粒子710≫
負極活物質粒子710としては、負極活物質として従来からリチウムイオン二次電池に用いられる材料の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が挙げられる。より具体的には、負極活物質は、例えば、天然黒鉛、非晶質の炭素材料でコートした天然黒鉛、黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、または、これらを組み合わせた炭素材料でもよい。なお、ここでは、負極活物質粒子710は、いわゆる鱗片状黒鉛が用いられた場合を図示しているが、負極活物質粒子710は、図示例に限定されない。
<< Negative Electrode
As the negative electrode
≪増粘剤、溶媒≫
負極活物質層243は、例えば、上述した負極活物質粒子710とバインダ730を溶媒にペースト状(スラリ状)に混ぜ合わせた負極合剤を作製し、負極集電体241に塗布し、乾燥させ、圧延することによって形成されている。この際、負極合剤の溶媒としては、水性溶媒および非水溶媒の何れも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。バインダ730には、上記正極活物質層223(図4参照)のバインダ630として例示したポリマー材料を用いることができる。また、上記正極活物質層223のバインダ630として例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極合剤の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
≪Thickener, solvent≫
The negative electrode
≪セパレータ262、264≫
セパレータ262、264は、図1または図2に示すように、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2および図3に示すように、負極活物質層243の幅b1は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極活物質層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
<<
The
なお、図1および図2に示す例では、セパレータ262、264は、シート状の部材で構成されている。セパレータ262、264は、正極活物質層223と負極活物質層243とを絶縁するとともに、電解質の移動を許容する部材であればよい。したがって、シート状の部材に限定されない。セパレータ262、264は、シート状の部材に代えて、例えば、正極活物質層223または負極活物質層243の表面に形成された絶縁性を有する粒子の層で構成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー)、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子)で構成してもよい。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
この捲回電極体200では、図2および図3に示すように、正極シート220と負極シート240とは、セパレータ262、264を介在させた状態で、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向するように重ねられている。より具体的には、捲回電極体200では、正極シート220と負極シート240とセパレータ262、264とは、正極シート220、セパレータ262、負極シート240、セパレータ264の順に重ねられている。
In this
また、この際、正極活物質層223と負極活物質層243とは、セパレータ262、264が介在した状態で対向している。そして、正極活物質層223と負極活物質層243とが対向した部分の片側に、正極集電体221のうち正極活物質層223が形成されていない部分(未塗工部222)がはみ出ている。当該未塗工部222がはみ出た側とは反対側には、負極集電体241のうち負極活物質層243が形成されていない部分(未塗工部242)がはみ出ている。また、正極シート220と負極シート240とセパレータ262、264とは、このように重ねられた状態で、正極シート220の幅方向に設定した捲回軸WLに沿って捲回されている。
At this time, the positive electrode
≪電池ケース300≫
また、この例では、電池ケース300は、図1に示すように、いわゆる角型の電池ケースであり、容器本体320と、蓋体340とを備えている。容器本体320は、有底四角筒状を有しており、一側面(上面)が開口した扁平な箱型の容器である。蓋体340は、当該容器本体320の開口(上面の開口)に取り付けられて当該開口を塞ぐ部材である。
In this example, as shown in FIG. 1, the
車載用の二次電池では、車両の燃費を向上させるため、重量エネルギ効率(単位重量当りの電池の容量)を向上させることが望まれる。この実施形態では、電池ケース300を構成する容器本体320と蓋体340は、アルミニウム、アルミニウム合金などの軽量金属が採用されている。これにより重量エネルギ効率を向上させることができる。
In a vehicle-mounted secondary battery, it is desired to improve the weight energy efficiency (battery capacity per unit weight) in order to improve the fuel efficiency of the vehicle. In this embodiment, the container
電池ケース300は、捲回電極体200を収容する空間として、扁平な矩形の内部空間を有している。また、図1に示すように、電池ケース300の扁平な内部空間は、捲回電極体200よりも横幅が少し広い。この実施形態では、電池ケース300は、有底四角筒状の容器本体320と、容器本体320の開口を塞ぐ蓋体340とを備えている。また、電池ケース300の蓋体340には、電極端子420、440が取り付けられている。電極端子420、440は、電池ケース300(蓋体340)を貫通して電池ケース300の外部に出ている。また、蓋体340には注液孔350と安全弁360とが設けられている。
The
捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに直交する一の方向において扁平に押し曲げられている。図2に示す例では、正極集電体221の未塗工部222と負極集電体241の未塗工部242は、それぞれセパレータ262、264の両側において、らせん状に露出している。図6に示すように、この実施形態では、未塗工部222、242の中間部分224、244を寄せ集め、電極端子420、440の先端部420a、440aに溶接している。この際、それぞれの材質の違いから、電極端子420と正極集電体221の溶接には、例えば、超音波溶接が用いられる。また、電極端子440と負極集電体241の溶接には、例えば、抵抗溶接が用いられる。ここで、図6は、捲回電極体200の未塗工部222(242)の中間部分224(244)と電極端子420(440)との溶接箇所を示す側面図であり、図1のVI−VI断面図である。
As shown in FIG. 2, the
捲回電極体200は、扁平に押し曲げられた状態で、蓋体340に固定された電極端子420、440に取り付けられる。かかる捲回電極体200は、図1に示すように、容器本体320の扁平な内部空間に収容される。容器本体320は、捲回電極体200が収容された後、蓋体340によって塞がれる。蓋体340と容器本体320の合わせ目322(図1参照)は、例えば、レーザ溶接によって溶接されて封止されている。このように、この例では、捲回電極体200は、蓋体340(電池ケース300)に固定された電極端子420、440によって、電池ケース300内に位置決めされている。
The
≪電解液≫
その後、蓋体340に設けられた注液孔350から電池ケース300内に電解液が注入される。電解液は、水を溶媒としていない、いわゆる非水電解液が用いられている。この例では、電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば、体積比1:1程度の混合溶媒)にLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた電解液が用いられている。その後、注液孔350に金属製の封止キャップ352を取り付けて(例えば溶接して)電池ケース300を封止する。なお、電解液は、ここで例示された電解液に限定されない。例えば、従来からリチウムイオン二次電池に用いられている非水電解液は適宜に使用することができる。
≪Electrolytic solution≫
Thereafter, an electrolytic solution is injected into the
≪空孔≫
ここで、正極活物質層223は、例えば、正極活物質粒子610と導電材620の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間225を有している(図4参照)。かかる正極活物質層223の微小な隙間には電解液(図示省略)が浸み込み得る。また、負極活物質層243は、例えば、負極活物質粒子710の粒子間などに、空洞とも称すべき微小な隙間245を有している(図5参照)。ここでは、かかる隙間225、245(空洞)を適宜に「空孔」と称する。また、捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに沿った両側において、未塗工部222、242が螺旋状に巻かれている。かかる捲回軸WLに沿った両側252、254において、未塗工部222、242の隙間から、電解液が浸み込みうる。このため、リチウムイオン二次電池100の内部では、正極活物質層223と負極活物質層243に電解液が浸み渡っている。
≪Hole≫
Here, the positive electrode
≪ガス抜け経路≫
また、この例では、当該電池ケース300の扁平な内部空間は、扁平に変形した捲回電極体200よりも少し広い。捲回電極体200の両側には、捲回電極体200と電池ケース300との間に隙間310、312が設けられている。当該隙間310、312は、ガス抜け経路になる。例えば、過充電が生じた場合などにおいて、リチウムイオン二次電池100の温度が異常に高くなると、電解液が分解されてガスが異常に発生する場合がある。この実施形態では、異常に発生したガスは、捲回電極体200の両側における捲回電極体200と電池ケース300との隙間310、312を通して安全弁360の方へ移動し、安全弁360から電池ケース300の外に排気される。
≪Gas escape route≫
In this example, the flat internal space of the
かかるリチウムイオン二次電池100では、正極集電体221と負極集電体241は、電池ケース300を貫通した電極端子420、440を通じて外部の装置に電気的に接続される。以下、充電時と放電時のリチウムイオン二次電池100の動作を説明する。
In the lithium ion
≪充電時の動作≫
図7は、かかるリチウムイオン二次電池100の充電時の状態を模式的に示している。充電時においては、図7に示すように、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、充電器290に接続される。充電器290の作用によって、充電時には、正極活物質層223中の正極活物質からリチウムイオン(Li)が電解液280に放出される。また、正極活物質層223からは電荷が放出される。放出された電荷は、導電材(図示省略)を通じて正極集電体221に送られ、さらに、充電器290を通じて負極シート240へ送られる。また、負極シート240では電荷が蓄えられるとともに、電解液280中のリチウムイオン(Li)が、負極活物質層243中の負極活物質に吸収され、かつ、貯蔵される。
≪Operation when charging≫
FIG. 7 schematically shows the state of the lithium ion
≪放電時の動作≫
図8は、かかるリチウムイオン二次電池100の放電時の状態を模式的に示している。放電時には、図8に示すように、負極シート240から正極シート220に電荷が送られるとともに、負極活物質層243に貯蔵されたリチウムイオンが、電解液280に放出される。また、正極では、正極活物質層223中の正極活物質に電解液280中のリチウムイオンが取り込まれる。
<< Operation during discharge >>
FIG. 8 schematically shows a state of the lithium ion
このようにリチウムイオン二次電池100の充放電において、電解液280を介して、正極活物質層223と負極活物質層243との間でリチウムイオンが行き来する。また、充電時においては、正極活物質から導電材を通じて正極集電体221に電荷が送られる。これに対して、放電時においては、正極集電体221から導電材を通じて正極活物質に電荷が戻される。
Thus, in charging / discharging of the lithium ion
充電時においては、リチウムイオンの移動および電子の移動がスムーズなほど、効率的で急速な充電が可能になると考えられる。放電時においては、リチウムイオンの移動および電子の移動がスムーズなほど、電池の抵抗が低下し、放電量が増加し、電池の出力が向上すると考えられる。 During charging, the smoother the movement of lithium ions and the movement of electrons, the more efficient and rapid charging is considered possible. At the time of discharging, it is considered that the smoother the movement of lithium ions and the movement of electrons, the lower the resistance of the battery, the amount of discharge, and the output of the battery.
≪他の電池形態≫
なお、上記はリチウムイオン二次電池の一例を示すものである。リチウムイオン二次電池は上記形態に限定されない。また、同様に金属箔に電極合剤が塗工された電極シートは、他にも種々の電池形態に用いられる。例えば、他の電池形態として、円筒型電池或いはラミネート型電池などが知られている。円筒型電池は、円筒型の電池ケースに捲回電極体を収容した電池である。また、ラミネート型電池は、正極シートと負極シートとをセパレータを介在させて積層した電池である。
≪Other battery types≫
The above shows an example of a lithium ion secondary battery. The lithium ion secondary battery is not limited to the above form. Similarly, an electrode sheet in which an electrode mixture is applied to a metal foil is used in various other battery forms. For example, as another battery type, a cylindrical battery or a laminate battery is known. A cylindrical battery is a battery in which a wound electrode body is accommodated in a cylindrical battery case. A laminate type battery is a battery in which a positive electrode sheet and a negative electrode sheet are stacked with a separator interposed therebetween.
以下、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池としてのリチウムイオン二次電池を説明する。なお、ここで、上述したリチウムイオン二次電池100と同じ作用を奏する部材または部位には、適宜に同じ符号を用い、必要に応じて上述したリチウムイオン二次電池100の図を参照して説明する。
Hereinafter, a lithium ion secondary battery as a non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described. Here, the same reference numerals are used as appropriate for members or parts having the same functions as those of the above-described lithium ion
上述したようなリチウムイオン二次電池100は、例えば、ハイブリッド車(プラグインハイブリッド車を含む)や電気自動車などにおいて、駆動輪を駆動させる電動モータの電源(車両駆動用電池)として用いられうる。かかる用途においては、加速時には高出力での放電することが求められ、減速時において回生されるエネルギを急速に充電することが求められる。リチウムイオン二次電池は、かかるハイレートで充放電が繰り返される用途において、抵抗が上昇する傾向が見られ、かかる抵抗上昇は小さく抑えたい。本発明者は、正極と負極でリチウムイオンの入出力の差が大きいことが、ハイレートで充放電が繰り返される用途において抵抗を大きく上昇させる原因の1つになると考えている。
The lithium ion
上述したリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、正極活物質粒子610を含む正極活物質層223が正極集電体221に形成されている。また、負極活物質粒子710を含む負極活物質層243が負極集電体241に形成されている。そして、正極活物質層223と負極活物質層243とがセパレータ262、264を介して対向している。この場合、正極活物質層223と負極活物質層243とは、それぞれ空孔225、245を有しており、電解液が含浸している。本発明者は、正極と負極でリチウムイオンの入出力の差が大きいのは、それぞれ活物質層223、243が含浸した電解液を保持する力(活物質層223、243の単位体積当りの電解液の保持力)のバランスが大きく関係すると考えている。
In the lithium ion
すなわち、正極活物質層223と負極活物質層243は、図4および図5に示すように、それぞれ単位体積当りに電解液を多く含んでいるほど、電池反応においてリチウムイオンが欠乏することがない。このため、正極活物質層223と負極活物質層243のリチウムイオンの入出力の特性は、単位体積当りに電解液を多く含んでいるほど良くなると考えられる。
That is, as the positive electrode
本発明者の知見によれば、活物質層223、243に含まれる活物質粒子610、710の吸油量が高いほど、活物質層223、243は多くの電解液を保持できる。また、活物質層223、243の多孔度が高いほど、電解液の動きが速くなるため、活物質層223、243は電解液を放出し易い傾向がある。さらに活物質層223、243が厚いほど、活物質層223、243の側面において電解液が出ていく面積が大きくなり、活物質層223、243は電解液を放出し易い傾向がある。
According to the knowledge of the present inventors, the higher the oil absorption amount of the
本発明者は、このような知見を基に、正極活物質粒子610の吸油量を、正極活物質層223の多孔度と正極活物質層223の厚さとで除した値Aと、負極活物質粒子710の吸油量を、負極活物質層243の多孔度と負極活物質層243の厚さとで除した値Bと、さらに、これらの比A/Bに着目した。
A=(正極活物質粒子610の吸油量)/{(正極活物質層223の多孔度)×(正極活物質層223の厚さ)};
B=(負極活物質粒子710の吸油量)/{(負極活物質層243の多孔度)×(負極活物質層243の厚さ)};
Based on such knowledge, the present inventor has obtained a value A obtained by dividing the oil absorption amount of the positive electrode
A = (Oil absorption amount of positive electrode active material particles 610) / {(Porosity of positive electrode active material layer 223) × (Thickness of positive electrode active material layer 223)};
B = (Oil absorption amount of negative electrode active material particles 710) / {(Porosity of negative electrode active material layer 243) × (Thickness of negative electrode active material layer 243)};
上記値Aが大きいほど、正極活物質層223は電解液を多く保持できる。また、上記値Bが大きいほど、負極活物質層243は電解液を多く保持できる。本発明者は、かかる値Aと値Bの比である比A/Bが所定の範囲内にあることによって、それぞれ活物質層223、243が含浸した電解液を保持する力(活物質層223、243の単位体積当りの電解液の保持力)のバランスが良くなり、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)を小さく抑えることができると考えた。以下、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池として、リチウムイオン二次電池100Aを説明する。
As the value A is larger, the positive electrode
≪リチウムイオン二次電池100A≫
図9は、ここで提案される非水系二次電池としてリチウムイオン二次電池100Aを示している。図10は、捲回電極体200Aを示す図である。図11は、捲回電極体200Aの正極シート220Aと負極シート240Aとの積層構造を示す断面図である。さらに、図12は、かかるリチウムイオン二次電池100Aの正極活物質層223Aの構造を模式的に示す断面図である。また、図13は、かかるリチウムイオン二次電池100Aの負極活物質層243Aの構造を模式的に示す断面図である。
≪Lithium ion
FIG. 9 shows a lithium ion
このリチウムイオン二次電池100Aは、図9から図11に示すように、正極集電体221Aと、正極活物質層223Aと、負極集電体241Aと、負極活物質層243Aとを備えている。正極活物質層223Aは、図12に示すように、正極集電体221Aに保持され、正極活物質粒子610Aを含んでいる。負極活物質層243Aは、図13に示すように、負極集電体241Aに保持され、負極活物質粒子710Aを含んでいる。正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとは、図10および図11に示すように、セパレータ262、264が介在した状態で対向している。
As shown in FIGS. 9 to 11, the lithium ion
この実施形態では、正極活物質粒子610AのDBP吸油量を、正極活物質層223Aの多孔度と正極活物質層223Aの厚さとで除した値Aと、負極活物質粒子710Aの亜麻仁油の吸油量を、負極活物質層243Aの多孔度と負極活物質層243Aの厚さとで除した値Bとの比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である。かかる正極活物質層223Aと負極活物質層243Aは、上記比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22であるから電解液の保持力のバランスがよい。このため、ハイレートで充放電が繰り返される用途においても、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aのどちらも電解液が保たれる。このため、ハイレートで充放電が繰り返される用途において抵抗上昇を小さく抑えることができる。
In this embodiment, a value A obtained by dividing the DBP oil absorption amount of the positive electrode
≪DBP吸油量≫
ここで、DBP吸油量は、JIS K6217−4「ゴム用カーボンブラック‐基本特性‐第4部:DBP吸油量の求め方」に準拠して求める。ここでは、試薬液体としてDBP(ジブチルフタレート)を用い、検査対象粉末(正極活物質610の二次粒子の粉末)に定速度ビュレットで滴定し、粘度特性の変化をトルク検出器によって測定する。そして、発生した最大トルクの70%のトルクに対応する、検査対象粉末の単位重量当りの試薬液体の添加量をDBP吸油量(mL/100g)とする。DBP吸油量の測定器としては、例えば、株式会社あさひ総研の吸油量測定装置S410を使用するとよい。ここでは、正極活物質粒子610Aの吸油量を評価するのに、かかるDBP吸油量(mL/100g)を用いた。正極活物質粒子610AのDBP吸油量(mL/100g)の測定は60gの活物質を測定器にセットして行なった。
≪DBP oil absorption≫
Here, the DBP oil absorption is determined in accordance with JIS K6217-4 “Carbon black for rubber—Basic characteristics—Part 4: Determination of DBP oil absorption”. Here, DBP (dibutyl phthalate) is used as a reagent liquid, titrated to a powder to be inspected (secondary particle powder of the positive electrode active material 610) with a constant speed burette, and a change in viscosity characteristics is measured by a torque detector. Then, the addition amount of the reagent liquid per unit weight of the inspection target powder corresponding to the torque of 70% of the generated maximum torque is defined as DBP oil absorption (mL / 100 g). As a DBP oil absorption measuring instrument, for example, Asahi Research Institute, Ltd. oil absorption measuring device S410 may be used. Here, the DBP oil absorption (mL / 100 g) was used to evaluate the oil absorption of the positive electrode
≪亜麻仁油の吸油量≫
ここで、亜麻仁油の吸油量(mL/100g)は、JIS K6217−4「ゴム用カーボンブラック‐基本特性‐第4部:DBP吸油量の求め方」に準拠して求める。ここでは、試薬液体としてDBP(ジブチルフタレート)に変えて亜麻仁油を用い、検査対象粉末に定速度ビュレットで滴定し、粘度特性の変化をトルク検出器によって測定する。そして、発生した最大トルクの70%のトルクに対応する、検査対象粉末の単位重量当りの試薬液体の添加量を亜麻仁油の吸油量とする。亜麻仁油の吸油量の測定器としては、例えば、株式会社あさひ総研の吸油量測定装置S410を使用するとよい。ここでは、負極活物質粒子710Aの吸油量を評価するのに、かかる亜麻仁油の吸油量(mL/100g)を用いた。負極活物質粒子710Aの亜麻仁油の吸油量(mL/100g)の測定は60gの活物質を測定器にセットして行なった。
≪Absorbent amount of linseed oil≫
Here, the oil absorption amount (mL / 100 g) of linseed oil is determined in accordance with JIS K6217-4 “Carbon black for rubber—Basic characteristics—Part 4: Determination of DBP oil absorption”. Here, linseed oil is used in place of DBP (dibutyl phthalate) as a reagent liquid, titration is performed on a powder to be inspected with a constant speed burette, and a change in viscosity characteristics is measured by a torque detector. Then, the amount of the reagent liquid added per unit weight of the powder to be inspected that corresponds to a torque of 70% of the generated maximum torque is defined as the oil absorption amount of the linseed oil. As a measuring device for the oil absorption amount of linseed oil, for example, an oil absorption amount measuring device S410 of Asahi Research Institute, Ltd. may be used. Here, in order to evaluate the oil absorption amount of the negative electrode
≪正極活物質層223Aおよび負極活物質層243Aの多孔度≫
ここで「多孔度」は、正極活物質層223Aや負極活物質層243Aにおける空孔の割合である。
<< Porosity of Positive Electrode
Here, “porosity” is the ratio of pores in the positive electrode
≪多孔度の測定方法≫
多孔度の測定方法は、例えば、図12に示すように、正極活物質層223Aの見かけの体積から正極活物質層223Aの実体積を引き、正極活物質層223Aの空孔の容積を算出する。そして、正極活物質層223Aの空孔の容積を、正極活物質層223Aの見かけの体積で除した値を多孔度とする。
(正極活物質層223Aの多孔度)=
(正極活物質層223Aの空孔の容積)/(正極活物質層223Aの見かけの体積);
(正極活物質層223Aの空孔の容積)=
(正極活物質層223Aの見かけの体積)−(正極活物質層223Aの実体積);
≪Measurement method of porosity≫
For example, as shown in FIG. 12, the porosity measurement method subtracts the actual volume of the positive electrode
(Porosity of positive electrode
(Volume volume of positive electrode
(Volume volume of positive electrode
(Apparent volume of positive electrode
ここで、正極活物質層223Aの多孔度は、例えば、正極シート220Aを所定の面積を切り取って測定するとよい。この場合、正極活物質層223Aの見かけの体積は、切り取った正極シート220Aの面積と、正極活物質層223Aの厚さとの積により求められる。また、正極活物質層223Aの厚さは、正極シート220Aの厚さha1から、正極集電体221Aの厚さha2を引くことによって求められる。なお、正極活物質層223Aの厚さは、例えば、両面の正極活物質層223Aの厚さLa1、La2の和として求めてもよい(La1+La2)。なお、正極集電体の正極活物質層が片面のみに形成されている場合には、正極活物質層の厚さは単に片面に形成された正極活物質層の厚さとなる。
(正極活物質層223Aの見かけの体積)=
(正極シート220Aの面積)×(正極活物質層223Aの厚さ);
(正極活物質層223Aの厚さ(La1+La2))=
(正極シート220Aの厚さha1)−(正極集電体221Aの厚さha2);
Here, the porosity of the positive electrode
(Apparent volume of positive electrode
(Area of
(Thickness of positive electrode
(Thickness ha1 of
ここでは、正極活物質層223Aの構成材料、および、構成材料の配合比(質量比)が既知であるとする。この場合、「正極活物質層223Aの実体積」は、切り取った正極シート220Aの重量から正極集電体221Aの重量を引き、正極活物質層223Aの重量を得る。次に、正極活物質層223Aの構成材料の配合比(質量比)から、各構成材料の重量を導く。さらに、各構成材料の重量をそれぞれ構成材料の比重で割り、各構成材料の体積を得る。これにより、正極活物質層223Aの実体積を得ることができる。
(正極活物質層223Aの実体積)=各構成材料の体積の総和;
Here, it is assumed that the constituent material of the positive electrode
(Actual volume of positive electrode
負極活物質層243Aについても、負極活物質層243Aの構成材料、および、構成材料の配合比(質量比)が既知である場合には、同様の方法によって算出することができる。
The negative electrode
すなわち、負極活物質層243Aの多孔度は、例えば、図13に示すように、負極活物質層243Aの空孔の容積を、負極活物質層243Aの見かけの体積で除した値で求められる。また、負極活物質層243Aの空孔の容積は、負極活物質層243Aの見かけの体積を、負極活物質層243Aの実体積で引いた値で求められる。
(負極活物質層243Aの多孔度)=
(負極活物質層243Aの空孔の容積)/(負極活物質層243Aの見かけの体積);
(負極活物質層243Aの空孔の容積)=
(負極活物質層243Aの見かけの体積)−(負極活物質層243Aの実体積);
(負極活物質層243Aの実体積)=各構成材料の体積の総和;
That is, the porosity of the negative electrode
(Porosity of negative electrode
(Volume volume of negative electrode
(Volume volume of negative electrode
(Apparent volume of negative electrode
(Actual volume of negative electrode
ここで、負極活物質層243Aの多孔度は、例えば、負極シート240Aを所定の面積を切り取って測定するとよい。この場合、負極活物質層243Aの見かけの体積は、切り取った負極シート240Aの面積と、負極活物質層243Aの厚さとの積により求められる。また、負極活物質層243Aの厚さは、負極シート240Aの厚さhb1から、負極集電体241Aの厚さhb2を引くことによって求められる。なお、負極活物質層243Aの厚さは、例えば、両面の負極活物質層243Aの厚さLb1、Lb2の和として求めてもよい(Lb1+Lb2)。なお、負極集電体の負極活物質層が片面のみに形成されている場合には、負極活物質層の厚さは単に片面に形成された負極活物質層の厚さとなる。
(負極活物質層243Aの見かけの体積)=
(負極シート240Aの面積)×(負極活物質層243Aの厚さ);
(負極活物質層243Aの厚さ(Lb1+Lb2))=
(負極シート240Aの厚さhb1)−(負極集電体241Aの厚さhb2);
Here, the porosity of the negative electrode
(Apparent volume of negative electrode
(Area of
(Thickness of negative electrode
(Thickness hb1 of
≪多孔度の他の測定方法(1)≫
正極活物質層223Aの内部に形成された空孔225の容積や負極活物質層243Aの内部に形成された空孔245の容積は、例えば、水銀ポロシメータ(mercury porosimeter)を用いることによって測定することができる。なお、この測定方法において、「空孔」は、外部に開かれた空孔を意味している。正極活物質層223Aや負極活物質層243A内の閉じられた空間は、この方法では「空孔」に含まれない。水銀ポロシメータは、水銀圧入法より多孔体の細孔分布を測定する装置である。水銀ポロシメータには、例えば、株式会社島津製作所製のオートポアIII9410を用いることができる。この水銀ポロシメータを用いた場合、例えば、4psi〜60,000psiにて測定することによって、50μm〜0.003μmの細孔範囲に相当する空孔の容積分布を把握することができる。
≪Other measurement methods for porosity (1) ≫
The volume of the
例えば、正極シート220から複数のサンプルを切り取る。次に、当該サンプルについて、水銀ポロシメータを用いて正極活物質層223Aに含まれる空孔225の容積を測る。水銀ポロシメータは、水銀圧入法よって多孔体の細孔分布を測定する装置である。水銀圧入法では、まず、正極シート220のサンプルは真空引きされた状態で水銀に浸けられる。この状態で、水銀にかけられる圧力が高くなると、水銀はより小さい空間へと徐々に浸入していく。このため、正極活物質層223Aに浸入した水銀の量と水銀にかけられる圧力との関係に基づいて、正極活物質層223A中の空孔225の大きさとその容積分布を求めることができる。かかる水銀圧入法によって、正極活物質層223Aに含まれる空孔225の容積Vbを求めることができる。負極活物質層243Aに含まれる空孔245の容積Vdについても、同様に水銀圧入法によって測定することができる。
For example, a plurality of samples are cut from the
≪多孔度の他の測定方法(2)≫
なお、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aの構成材料、および、構成材料の配合比(質量比)が不明である場合には、多孔度は、さらに以下の方法によって近似できる。
≪Other measurement methods for porosity (2) ≫
When the constituent materials of the positive electrode
例えば、活物質層の断面サンプルは、断面SEM画像によって得ることができる。断面SEM画像は、電子顕微鏡によって得られる断面写真である。例えば、CP処理(Cross Section Polisher処理)にて正極シート220の任意の断面を得る。電子顕微鏡としては、例えば、株式会社日立ハイテクノロジーズ(Hitachi High-Technologies Corporation)製の走査型電子顕微鏡(FE-SEM) HITACHI S-4500を用いることができる。かかる正極活物質層223Aの断面SEM画像によれば、色調や濃淡の違いに基づいて、正極活物質層223Aの構成物質の断面や正極活物質層223Aの内部に形成された空孔225を判別することができる。かかる判別は、画像処理技術によって行なうとよい。
For example, a cross-sectional sample of the active material layer can be obtained by a cross-sectional SEM image. A cross-sectional SEM image is a cross-sectional photograph obtained by an electron microscope. For example, an arbitrary cross section of the
正極活物質層223Aの多孔度は、例えば、正極活物質層223Aの断面サンプルにおいて、正極活物質層223Aの単位断面積当たりに含まれる空孔225Aが占める面積(Sb)と、正極活物質層223Aの見かけの断面積(Sa)との比(Sb/Sa)によって近似できる。この場合、正極活物質層223Aの複数の断面サンプルから比(Sb/Sa)を求めるとよい。さらに、かかる比(Sb/Sa)は、例えば、断面SEM画像において、正極活物質層223Aの空孔225と判別された領域に含まれる画素数(Db)と、正極活物質層223Aの領域の画素数(Da)との比(Db/Da)で近似される。
The porosity of the positive electrode
この場合、正極活物質層223Aの断面サンプルが多くなればなるほど、上記の比(Sb/Sa)は多孔度を正確に近似できるようになる。この場合、例えば、正極シート220の任意の一方向に沿って、当該一方向に直交する複数の断面から断面サンプルをとるとよい。ここでは、正極活物質層223Aの多孔度の測定方法を説明したが、負極活物質層243Aの多孔度についても、同様に、断面SEM画像に基づいて測定することができる。
In this case, as the cross-sectional sample of the positive electrode
≪比A/B≫
上述したように、正極活物質粒子610AのDBP吸油量を、正極活物質層223Aの多孔度と正極活物質層223Aの厚さとで除した値Aは、正極活物質層223Aにおける電解液の保持力の特性を示している。負極活物質粒子710Aの亜麻仁油の吸油量を、負極活物質層243Aの多孔度と負極活物質層243Aの厚さとで除した値Bは、負極活物質層243Aにおける電解液の保持力の特性を示している。そして、比A/Bは、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aにおいて電解液の保持力のバランスを示している。本発明者は、比A/Bが1.00に近いほど、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aにおいて電解液の保持力のバランスが良いと推察している。
≪Ratio A / B≫
As described above, the value A obtained by dividing the DBP oil absorption amount of the positive electrode
このリチウムイオン二次電池100Aは、上記比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である。このため、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aにおいて電解液の保持力のバランスが良い。本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100Aによれば、特にハイレートで充放電が繰り返される用途においても抵抗上昇が小さく抑えられる傾向がある。
In the lithium ion
≪捲回電極体200A≫
この実施形態では、図9に示すように、正極集電体221Aと負極集電体241Aとは、それぞれ帯状の部材であり、捲回されて捲回電極体200Aを構成している。捲回電極体200Aは、電池ケース300Aに収容されており、電池ケース300Aには、電解液(図示省略)が注入されている。
≪
In this embodiment, as shown in FIG. 9, the positive electrode
かかる捲回電極体200Aの構造では、さらに捲回電極体200Aの中央部分で電解液が少なくなる傾向がある。特に、ハイレートで充放電が繰り返される用途においては、充放電に伴って正極活物質層223Aと、負極活物質層243Aが膨張と収縮を繰り返す。正極活物質層223Aと負極活物質層243Aが膨張と収縮を繰り返すことによって、捲回電極体200Aは、内部の電解液を押し出すポンプのように作用する。このため、特に捲回電極体200Aの中央部分において電解液が少なくなる傾向がある。
In the structure of the
本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとに関し、上記比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である。この場合、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとで電解液の保持力の特性が概ね調整されている。このため捲回電極体200Aの中央部分において電解液が少なくなった場合でも、当該中央部分において、電解液が、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aの何れか一方に大きく偏ることない。換言すれば、当該中央部分では、電解液は少なくなるが、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとの間で偏ることがない。このため、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aは、電解液が欠乏する部分がほとんどなく、必要量が満遍なく確保し易い。このため捲回電極体200Aの中央部分において電解液が少なくなった場合でも、当該中央部分を効率よく機能させることができ、リチウムイオン二次電池100A(非水系二次電池)の抵抗上昇を小さく抑えることができる。
The non-aqueous secondary battery according to an embodiment of the present invention relates to the positive electrode
さらに、この実施形態では、捲回電極体200Aは、捲回軸WLに直行する方向に沿って扁平に曲げられている。電池ケース300Aは、扁平な収容空間を備えた角型のケースである。捲回電極体200Aは、扁平に曲げられた状態で、電池ケース300Aに収容されている。この場合、特に、捲回電極体200Aの平らな部位は、電池ケース300Aによって拘束される。このため、捲回電極体200Aの中央部において保持される電解液が少なくなる傾向が強い。
Furthermore, in this embodiment, the
このように捲回電極体200Aを扁平に曲げられた状態で電池ケース300Aに収容する構造では中央部において保持される電解液が少なくなりやすい。これに対して、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、上述したように正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとで電解液の保持力の特性が概ねバランスよく調整されている。この場合、ハイレートで充放電が繰り返された場合でも、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとの間で電解液が大きく偏らない。このため、捲回電極体200Aの中央部分において電解液が少なくなった場合でも、当該中央部分を効率よく機能させることができ、リチウムイオン二次電池100A(非水系二次電池)の抵抗上昇を小さく抑えることができる。したがって、本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、捲回電極体200Aを扁平に曲げられた状態で電池ケース300Aに収容する構造に特に好適である。
As described above, in the structure in which the
さらに、この実施形態では、捲回電極体200Aは、図10に示すように、正極集電体221Aの片側の長辺に沿って正極活物質層223Aが形成されていない部分を有している。また、負極集電体241Aの片側の長辺に沿って負極活物質層243Aが形成されていない部分を有している。正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとが対向した部分の片側に、正極集電体221Aのうち正極活物質層223Aが形成されていない部分がはみ出ており、正極集電体221Aのうち正極活物質層223Aが形成されていない部分がはみ出た側とは反対側に、負極集電体241Aのうち負極活物質層243Aが形成されていない部分がはみ出ている。この場合、捲回電極体200Aの捲回軸WLに沿った両側は、捲回電極体200Aにとって電解液の入り口になる。
Furthermore, in this embodiment, the
さらに、この実施形態では、正極集電体221Aのうち正極活物質層223Aが形成されていない部分と、負極集電体241Aのうち負極活物質層243Aが形成されていない部分とは、それぞれ中間部分が纏められて電極端子が取り付けられている。この場合、捲回軸WLに沿った両側において、捲回電極体200Aの中間部分が纏められているので、捲回電極体200Aにとって電解液の入り口が狭くなっている。
Further, in this embodiment, a portion of the positive electrode
上述したように、ハイレートで充放電が繰り返される用途では、捲回電極体200Aは、捲回電極体200Aから電解液が押し出されるポンプのように作用する。この場合、捲回電極体200Aから押し出された電解液が、捲回電極体200Aに戻りにくい。このため、特に活物質層223、243の中央部分において電解液が少なくなる傾向が高く、充放電サイクル後に抵抗が特に上昇し易い。本発明の一実施形態に係る非水系二次電池は、充放電サイクル後に抵抗上昇を小さく抑えることができ、かかる構造に対しても特に好適である。
As described above, in applications where charging and discharging are repeated at a high rate, wound
≪評価用セル≫
ここで、本発明者は、上記比A/Bが異なる評価用セルを用意し、ハイレートで充放電が繰り返される充放電サイクル後の抵抗上昇率を評価する試験を行なった。詳しくは、ここで用意された評価用セルは、正極活物質粒子610AのDBP吸油量(mL/100g)、正極活物質層223Aの多孔度、正極活物質層223Aの厚さ、負極活物質粒子710AのDBP吸油量(mL/100g)、負極活物質層243Aの多孔度および負極活物質層243Aの厚さがそれぞれ異なっている。本発明者は、かかる評価用セルを基に、上記比A/Bと、抵抗上昇率(%)との関係を調べた。
≪Evaluation cell≫
Here, this inventor prepared the cell for evaluation from which said ratio A / B differs, and performed the test which evaluates the resistance increase rate after the charging / discharging cycle in which charging / discharging is repeated at a high rate. Specifically, the evaluation cell prepared here includes the DBP oil absorption amount (mL / 100 g) of the positive electrode
ここで、評価用セルは、いわゆる18650型の電池(図示省略)で構成した。なお、ここでは、評価用セルとして、18650型の電池を例示しているが、他のサイズの円筒型電池、角型やラミネート型などの他の形状の電池においても、上記比A/Bと、抵抗上昇率(%)との関係は、同じような傾向が得られうる。 Here, the evaluation cell was constituted by a so-called 18650 type battery (not shown). Here, the 18650 type battery is illustrated as the evaluation cell, but the ratio A / B is also applicable to other types of cylindrical batteries, batteries of other shapes such as a square type and a laminate type. A similar tendency can be obtained in relation to the rate of increase in resistance (%).
≪評価用セルの正極≫
正極における正極活物質層を形成するのに正極合剤を調製した。ここで、正極合剤は、正極活物質として三元系のリチウム遷移金属酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、導電材としてアセチレンブラック(AB)、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)をそれぞれ用いた。ここでは、正極活物質と、導電材と、バインダの質量比を、正極活物質:導電材:バインダ=91:6:3とした。これら正極活物質と、導電材と、バインダとを、NMPと混合することによって正極合剤を調製した。次いで、正極合剤を正極集電体に塗布して乾燥させた。ここでは、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚さ15μm)を用いた。正極活物質層は、正極集電体の両面に形成した。正極シートは、正極集電体への正極合剤の塗布量や、乾燥後、ローラプレス機にて圧延する際の圧延量などを調整することによって、正極活物質層の多孔度や正極活物質層の厚さを調整した。
≪Evaluation cell positive electrode≫
A positive electrode mixture was prepared to form a positive electrode active material layer in the positive electrode. Here, the positive electrode mixture includes a ternary lithium transition metal oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) as a positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyfluoride as a binder. Vinylidene chloride (PVDF) was used. Here, the mass ratio of the positive electrode active material, the conductive material, and the binder was positive electrode active material: conductive material: binder = 91: 6: 3. A positive electrode mixture was prepared by mixing these positive electrode active materials, a conductive material, and a binder with NMP. Next, the positive electrode mixture was applied to the positive electrode current collector and dried. Here, an aluminum foil (
≪評価用セルの負極≫
ここではまず、負極合剤は、負極活物質粒子としては、グラファイト(例えば、少なくとも一部が非晶質炭素膜で覆われた天然黒鉛の粒子)を用いた。また、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を用い、バインダとしてスチレン・ブタジエンゴム(SBR)を用いた。ここで、負極活物質粒子と、増粘剤(CMC)と、バインダ(SBR)の質量比を、負極活物質粒子:CMC:SBR=98:1:1とした。これら負極活物質粒子と、CMCと、SBRとを、イオン交換水と混合することによって負極合剤を調製した。次いで、負極合剤を負極集電体に塗布して乾燥させた。ここでは、負極集電体としての銅箔(厚さ10μm)を用いた。また、負極活物質層は、負極集電体の両面に形成した。負極シートは、負極集電体への負極合剤の塗布量や、乾燥後、ローラプレス機にて圧延する際の圧延量などを調整することによって、負極活物質層の多孔度や負極活物質層の厚さを調整した。
≪Negative electrode of evaluation cell≫
Here, first, graphite (for example, natural graphite particles at least partially covered with an amorphous carbon film) was used as the negative electrode active material particles in the negative electrode mixture. Further, carboxymethylcellulose (CMC) was used as a thickener, and styrene-butadiene rubber (SBR) was used as a binder. Here, the mass ratio of the negative electrode active material particles, the thickener (CMC), and the binder (SBR) was negative electrode active material particles: CMC: SBR = 98: 1: 1. A negative electrode mixture was prepared by mixing these negative electrode active material particles, CMC, and SBR with ion-exchanged water. Next, the negative electrode mixture was applied to the negative electrode current collector and dried. Here, a copper foil (
ここでは、各評価用セルについて、正極活物質粒子のDBP吸油量(mL/100g)、負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量(mL/100g)を測定した。さらに、作成された正極シートと負極シートからサンプルを取り、正極活物質層の多孔度、正極活物質層の厚さ、負極活物質層の多孔度および負極活物質層の厚さをそれぞれ測定した。 Here, for each evaluation cell, the DBP oil absorption amount (mL / 100 g) of the positive electrode active material particles and the oil absorption amount (mL / 100 g) of linseed oil of the negative electrode active material particles were measured. Furthermore, samples were taken from the prepared positive electrode sheet and negative electrode sheet, and the porosity of the positive electrode active material layer, the thickness of the positive electrode active material layer, the porosity of the negative electrode active material layer, and the thickness of the negative electrode active material layer were measured. .
≪評価用セルのセパレータ≫
セパレータとしては、ポリプロピレン(PP)と、ポリエチレン(PE)の三層構造(PP/PE/PP)の多孔質シートからなるセパレータを用いた。ここでは、ポリプロピレン(PP)とポリエチレン(PE)の質量比を、PP:PE:PP=3:4:3とした。
≪Evaluator cell separator≫
As the separator, a separator made of a porous sheet having a three-layer structure (PP / PE / PP) of polypropylene (PP) and polyethylene (PE) was used. Here, the mass ratio of polypropylene (PP) and polyethylene (PE) was PP: PE: PP = 3: 4: 3.
≪評価用セルの組み立て≫
上記で作製した負極と、正極と、セパレータとを用いて、試験用の18650型セル(リチウムイオン二次電池)を構築した。ここでは、セパレータを介在させた状態で、正極シートと負極シートとを積層して捲回した捲回電極体を作製した。そして、捲回電極体を円筒型の電池ケースに収容し、非水電解液を注液して封口し、評価用セルを構築した。ここで、非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを、所定の体積比(EC:DMC:EMC=3:4:3)で混合溶媒に、リチウム塩としての1mol/LのLiPF6を溶解させた電解液を用いた。
≪Assembly of evaluation cell≫
A test 18650 type cell (lithium ion secondary battery) was constructed using the negative electrode produced above, the positive electrode, and the separator. Here, a wound electrode body was produced by laminating and winding a positive electrode sheet and a negative electrode sheet with a separator interposed therebetween. And the winding electrode body was accommodated in the cylindrical battery case, the nonaqueous electrolyte solution was poured and sealed, and the cell for evaluation was constructed. Here, as the non-aqueous electrolyte, ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) are in a predetermined volume ratio (EC: DMC: EMC = 3: 4: 3). Then, an electrolyte solution in which 1 mol / L LiPF 6 as a lithium salt was dissolved in a mixed solvent was used.
これにより、上記比A/Bが異なる評価用セルを得る。なお、各評価用セルは上記比A/Bが異なる点を除き、概ね同じ構成とした。ここでは、かかる評価用セルについて、所定のコンディショニングを施した後で、−15℃の低温環境において充放電サイクル後の抵抗増加率を評価した。 As a result, evaluation cells having different ratios A / B are obtained. Each evaluation cell has substantially the same configuration except that the ratio A / B is different. Here, about the cell for this evaluation, after giving predetermined conditioning, the resistance increase rate after a charging / discharging cycle was evaluated in a low temperature environment of -15 degreeC.
≪コンディショニング≫
ここでコンディショニングは、次の手順1、2によって行なわれる。
手順1:1Cの定電流充電にて4.1Vに到達した後、5分間休止する。
手順2:手順1の後、定電圧充電にて1.5時間充電し、5分間休止する。
かかるコンディショニングでは、初期充電によって所要の反応が生じてガスが発生する。また、負極活物質層などに所要の被膜形成が形成される。
<< conditioning >>
Here, conditioning is performed by the following
Procedure 1: After reaching 4.1 V with a constant current charge of 1 C, pause for 5 minutes.
Procedure 2: After
In such conditioning, a required reaction occurs due to initial charging, and gas is generated. Moreover, a required film formation is formed on the negative electrode active material layer or the like.
≪定格容量の測定≫
上記コンディショニングの後、評価用セルについて定格容量が測定される。定格容量の測定は、次の手順1〜3によって測定されている。なお、ここでは温度による影響を一定にするため、定格容量は25℃の温度環境において測定されている。
手順1:1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間休止する。
手順2:1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10秒間休止する。
手順3:0.5Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間停止する。
ここで、手順3における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を「定格容量」とする。
≪Measurement of rated capacity≫
After the conditioning, the rated capacity is measured for the evaluation cell. The rated capacity is measured by the following
Procedure 1: After reaching 3.0V by constant current discharge of 1C, discharge by constant voltage discharge for 2 hours, and then rest for 10 seconds.
Procedure 2: After reaching 4.1 V by constant current charging at 1 C, charge for 2.5 hours by constant voltage charging, and then rest for 10 seconds.
Procedure 3: After reaching 3.0 V by constant current discharge of 0.5 C, discharge at constant voltage discharge for 2 hours, and then stop for 10 seconds.
Here, the discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge to the constant voltage discharge in the
≪SOC調整≫
SOC調整は、次の1、2の手順によって調整される。ここで、SOC調整は、上記コンディショニング工程および定格容量の測定の後に行なうとよい。また、ここでは、温度による影響を一定にするため、25℃の温度環境下でSOC調整を行なっている。
手順1:3Vから1Cの定電流で充電し、定格容量の凡そ60%の充電状態(SOC60%)にする。
手順2:手順1の後、2.5時間、定電圧充電する。
これにより、評価用セルは、所定の充電状態に調整することができる。なお、ここでは、SOCを60%に調整する場合を記載しているが、手順1で充電状態を変更することによって、任意の充電状態に調整できる。例えば、SOC90%に調整する場合には、手順1において、評価用セルを定格容量の90%の充電状態(SOC90%)にするとよい。
≪SOC adjustment≫
The SOC adjustment is performed by the following
Procedure 1: Charging at a constant current of 3V to 1C to obtain a charged state (
Procedure 2: After
Thereby, the cell for evaluation can be adjusted to a predetermined charge state. In addition, although the case where SOC is adjusted to 60% is described here, it can be adjusted to an arbitrary charged state by changing the charged state in
次に、かかる評価用セルについて、所定の充放電サイクル後の抵抗上昇率を評価した。ここでは、評価用セルについて、上記コンディショニング後、25℃の温度環境においてIV抵抗を測定し、これを「初期抵抗」とする。次に、−15℃の温度環境において、所定の充放電サイクルを実施し、初期抵抗と同様に25℃の温度環境においてIV抵抗を測定し、これを「サイクル後抵抗」とする。「充放電サイクル後の抵抗上昇率」は、「サイクル後抵抗」が「初期抵抗」に比べてどの程度上昇したかを評価する評価値であり、「サイクル後抵抗」/「初期抵抗」で求められる値である。 Next, the rate of increase in resistance after a predetermined charge / discharge cycle was evaluated for the evaluation cell. Here, for the evaluation cell, after the conditioning, the IV resistance is measured in a temperature environment of 25 ° C., and this is defined as “initial resistance”. Next, a predetermined charge / discharge cycle is performed in a temperature environment of −15 ° C., and the IV resistance is measured in a temperature environment of 25 ° C. in the same manner as the initial resistance, and this is defined as “post-cycle resistance”. “Resistance increase after charge / discharge cycle” is an evaluation value that evaluates how much “post-cycle resistance” has increased compared to “initial resistance”, and is obtained by “post-cycle resistance” / “initial resistance”. Value.
≪充放電サイクル≫
ここでは、まず評価用セルをSOC60%に調整する。そして、充放電サイクルは、30Cの定電流で10秒間の放電、10分間の休止、5Cの定電流で1分間(60秒)の充電、10分間の休止を1サイクルとしている。ここでは、充放電サイクルは、かかる1サイクルを500サイクルごとに評価用セルをSOC60%に調整しつつ、1500サイクル行なう。
≪Charge / discharge cycle≫
Here, the evaluation cell is first adjusted to
≪IV抵抗測定≫
ここで、充放電サイクル前の初期抵抗と、充放電サイクル後のサイクル後抵抗を測定する。抵抗は、IV抵抗で評価した。かかるIV抵抗の測定は、25℃の温度環境で、それぞれ評価用セルをSOC60%に調整する。そして、10分間休止させた後で、評価用セルを30Cの定電流で10秒間放電した(CC放電)。ここで、放電時の下限電圧は、3.0Vとした。この際、V=IRの傾き(R=V/I)をIV抵抗とした。
≪IV resistance measurement≫
Here, the initial resistance before the charge / discharge cycle and the post-cycle resistance after the charge / discharge cycle are measured. Resistance was evaluated by IV resistance. In the measurement of the IV resistance, each evaluation cell is adjusted to
ここで、上記比A/Bと抵抗上昇率(%)との関係を図14および表1に示す。 Here, the relationship between the ratio A / B and the resistance increase rate (%) is shown in FIG.
また、図14は、各サンプル1〜18の評価用セルについて、上述した比A/Bと、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)との関係を示している。ここで、比A/Bは、棒グラフで示し、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)は、「◆」でプロットしている。
FIG. 14 shows the relationship between the above-described ratio A / B and the resistance increase rate (%) after the charge / discharge cycle for the evaluation cells of
ここで、図14および表1に示すように、上記比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である場合には、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)が110%未満に収められている(例えば、サンプル1,2,4,7,8,10,12,13,16,17)。これに対して、比A/Bが、0.78>(A/B)である場合、または、(A/B)>1.22である場合には、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)が110%以上となる傾向が高い。
Here, as shown in FIG. 14 and Table 1, when the ratio A / B is 0.78 ≦ (A / B) ≦ 1.22, the rate of increase in resistance after the charge / discharge cycle (%) Is less than 110% (for example,
さらに、上記比A/Bが、0.80≦(A/B)、さらには(A/B)≦1.20である場合には、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)をより確実に低く抑えられる。さらに、サンプル1やサンプル10に示されているように、上記比A/Bが1.00に近くなればなるほど、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)が低く抑えられる傾向にある。このため、より好ましくは0.85≦(A/B)、さらに好ましくは0.90≦(A/B)であるとよい。また、より好ましくは(A/B)≦1.15、さらに好ましくは(A/B)≦1.10であるとよい。これにより、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)を格段に低く抑えられる。
Furthermore, when the ratio A / B is 0.80 ≦ (A / B), and further (A / B) ≦ 1.20, the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle is more reliable. Can be kept low. Further, as shown in
さらに、表1で示すように、サンプル1〜9では、正極活物質粒子のDBP吸油量が30(mL/100g)、負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量が41(mL/100g)である。また、サンプル10〜18では、正極活物質粒子のDBP吸油量が40(mL/100g)、負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量が55(mL/100g)である。
Furthermore, as shown in Table 1, in
そこで、サンプル1〜9について、比A/Bと充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)との関係を図15に示す。また、サンプル10〜18について、比A/Bと充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)との関係を図16に示す。図15、16に示すように、比A/Bと充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)とには、一定の相関関係が認められ、比A/Bが1.00に近い領域において、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)が低く抑えられる。特に、比A/Bが凡そ0.78よりも小さくなると、また比A/Bが凡そ1.22よりも大きくなると、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)が顕著に高くなる傾向がある。 Therefore, the relationship between the ratio A / B and the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle is shown in FIG. 16 shows the relationship between the ratio A / B and the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle. As shown in FIGS. 15 and 16, there is a certain correlation between the ratio A / B and the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle. In the region where the ratio A / B is close to 1.00, The rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle can be kept low. In particular, when the ratio A / B is smaller than about 0.78 and when the ratio A / B is larger than about 1.22, the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle tends to be significantly higher. .
このため、かかる非水系二次電池では、正極活物質粒子のDBP吸油量を、正極活物質層の多孔度と正極活物質層の厚さとで除した値Aと、負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量を、負極活物質層の多孔度と負極活物質層の厚さとで除した値Bとの比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22であるとよい。また、より好ましくは比A/Bが、0.80≦(A/B)≦1.20であるとよい。これにより、充放電サイクル後の抵抗上昇率(%)が低く抑えられる非水系二次電池を提供することができる。 Therefore, in such a non-aqueous secondary battery, the value A obtained by dividing the DBP oil absorption amount of the positive electrode active material particles by the porosity of the positive electrode active material layer and the thickness of the positive electrode active material layer, and the linseed oil of the negative electrode active material particles The ratio A / B of the value B obtained by dividing the oil absorption amount by the porosity of the negative electrode active material layer and the thickness of the negative electrode active material layer is preferably 0.78 ≦ (A / B) ≦ 1.22. . More preferably, the ratio A / B is 0.80 ≦ (A / B) ≦ 1.20. Thereby, the non-aqueous secondary battery in which the rate of increase in resistance (%) after the charge / discharge cycle can be kept low can be provided.
ここでは、評価用セルとして18650型の電池を例示している。本発明者の研究によれば、上述した値Aは正極活物質層について電解液の保持力の特性に相関し、上述した値Bは負極活物質層について電解液の保持力の特性に相関している。そして、比A/Bは、正極活物質層と負極活物質層とで電解液の保持力の特性のバランスを示している。リチウムイオン二次電池100Aは、かかる比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である。このため、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとで電解液の保持力の特性が概ねバランスよく調整されている。このため、正極活物質層223Aと負極活物質層243Aとで電解液の出入りがスムーズである。
Here, a 18650 type battery is illustrated as an evaluation cell. According to the inventor's research, the above-described value A correlates with the retention property of the electrolyte for the positive electrode active material layer, and the above-described value B correlates with the retention property of the electrolyte for the negative electrode active material layer. ing. And ratio A / B has shown the balance of the characteristic of the holding power of electrolyte solution with a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer. In the lithium ion
かかる傾向は、上述した18650型の評価用セルに限定されず、他のサイズの円筒型電池、角型やラミネート型などの他の形状の電池においても、同じような傾向が得られうる。したがって、18650型の評価用セルに限定されず、広く他のサイズの円筒型電池、角型やラミネート型などの他の形状の電池において、リチウムイオン二次電池100A(非水系二次電池)は、上述した比A/Bが0.78≦(A/B)≦1.22であるとよい。
Such a tendency is not limited to the 18650-type evaluation cell described above, and the same tendency can be obtained in other types of cylindrical batteries, batteries of other shapes such as a square type and a laminate type. Therefore, the lithium ion
以上、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明したが、本発明に係る非水系二次電池は、特に言及されない限りにおいて、上述したリチウムイオン二次電池に限定されない。 The lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention has been described above, but the non-aqueous secondary battery according to the present invention is not limited to the above-described lithium ion secondary battery unless otherwise specified.
ここで開示される非水系二次電池は、特に、低温環境における抵抗上昇率を低く抑えることができる。特にハイレートでの充放電が繰り返される用途、例えば、ハイブリッド車(プラグインハイブリッド車を含む)や電気自動車などにおいて、駆動輪を電動モータで駆動させる車両駆動用電池として好適である。かかる車両駆動用電池の用途においては、加速時には、高出力で放電することが求められ、減速時には回生されるエネルギを急速に充電することが求められる。ここで開示される非水系二次電池は、かかるハイレートで充放電が繰り返される用途において抵抗上昇を低く抑えることができる。したがって、図17に示されるように、かかる非水系二次電池10(当該非水系二次電池10を複数個直列に接続して形成される組電池の形態であり得る。)を電源(車両駆動用電池)として備える車両1000(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車)を提供することができる。
The non-aqueous secondary battery disclosed here can keep the rate of increase in resistance particularly low in a low temperature environment. In particular, in applications where charging and discharging at high rates are repeated, for example, in hybrid vehicles (including plug-in hybrid vehicles) and electric vehicles, it is suitable as a vehicle driving battery in which driving wheels are driven by an electric motor. In the use of such a vehicle driving battery, it is required to discharge at a high output during acceleration, and to rapidly charge the regenerated energy during deceleration. The non-aqueous secondary battery disclosed herein can suppress a rise in resistance to a low level in applications where charging and discharging are repeated at such a high rate. Therefore, as shown in FIG. 17, the non-aqueous secondary battery 10 (which may be in the form of an assembled battery formed by connecting a plurality of non-aqueous
100、100A リチウムイオン二次電池(非水系二次電池)
200、200A 捲回電極体
220、220A 正極シート
221、221A 正極集電体
222、222A 未塗工部
223、223A 正極活物質層
224 中間部分
225、225A 空孔
240、240A 負極シート
241、241A 負極集電体
242、242A 未塗工部
243、243A 負極活物質層
244 中間部分
245、245A 空孔
262、264 セパレータ
280 電解液
290 充電器
300、300A 電池ケース
310 隙間
320 容器本体
340 蓋体
350 注液孔
352 封止キャップ
360 安全弁
420 電極端子
440 電極端子
610、610A 正極活物質粒子
620、620A 導電材
630、630A バインダ
710、710A 負極活物質粒子
730、730A バインダ
1000 車両
La1、La2 正極活物質層の厚さ
Lb1、Lb2 負極活物質層の厚さ
ha1 正極シートの厚さ
ha2 正極集電体の厚さ
hb1 負極シートの厚さ
hb2 負極集電体の厚さ
WL 捲回軸
100, 100A Lithium ion secondary battery (non-aqueous secondary battery)
200, 200A
Claims (10)
前記正極集電体に保持された正極活物質層と、
負極集電体と、
前記負極集電体に保持された負極活物質層と、
前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に介在したセパレータと、
を備え、
前記正極活物質層は、正極活物質粒子を含み、
前記正極活物質粒子がリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物であって、
前記正極活物質粒子のDBP吸油量が30(ml/100g)以上40(ml/100g)以下であって、
前記正極活物質層の多孔度が0.26以上0.40以下であって、
前記正極活物質層の厚さが47(μm)以上120(μm)以下であって、
前記負極活物質層は、負極活物質粒子を含み、
前記負極活物質粒子がグラファイトであって、
前記負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量が41(ml/100g)以上55(ml/100g)以下であって、
前記負極活物質層の多孔度が0.310以上0.450以下であって、
前記負極活物質層の厚さが56(μm)以上145(μm)以下であり、かつ、
前記正極活物質粒子のDBP吸油量(mL/100g)を、前記正極活物質層の多孔度と前記正極活物質層の厚さ(μm)とで除した値Aと、前記負極活物質粒子の亜麻仁油の吸油量(mL/100g)を、前記負極活物質層の多孔度と前記負極活物質層の厚さ(μm)とで除した値Bとの比A/Bが、0.78≦(A/B)≦1.22である、非水系二次電池。 A positive electrode current collector;
A positive electrode active material layer held by the positive electrode current collector;
A negative electrode current collector;
A negative electrode active material layer held by the negative electrode current collector;
A separator interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer;
With
The positive electrode active material layer includes positive electrode active material particles,
The positive electrode active material particles are lithium nickel cobalt manganese composite oxide,
The positive electrode active material particles have a DBP oil absorption of 30 (ml / 100 g) to 40 (ml / 100 g),
The positive electrode active material layer has a porosity of 0.26 to 0.40,
The positive electrode active material layer has a thickness of 47 (μm) to 120 (μm),
The negative electrode active material layer includes negative electrode active material particles,
The negative electrode active material particles are graphite,
The negative electrode active material particles have an oil absorption of linseed oil of 41 (ml / 100 g) to 55 (ml / 100 g),
The negative electrode active material layer has a porosity of 0.310 to 0.450,
The negative electrode active material layer has a thickness of 56 (μm) to 145 (μm), and
A value A obtained by dividing the DBP oil absorption (mL / 100 g) of the positive electrode active material particles by the porosity of the positive electrode active material layer and the thickness (μm) of the positive electrode active material layer; The ratio A / B of the value B obtained by dividing the oil absorption amount of linseed oil (mL / 100 g) by the porosity of the negative electrode active material layer and the thickness (μm) of the negative electrode active material layer is 0.78 ≦ A nonaqueous secondary battery in which (A / B) ≦ 1.22.
当該捲回電極体を収容した電池ケースと、
前記電池ケースに注入された電解液と
を備えた、請求項1から3までの何れか一項に記載された非水系二次電池。 Each of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is a band-shaped member, and is disposed so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other, and is wound and wound. The electrode body,
A battery case containing the wound electrode body;
The nonaqueous secondary battery according to any one of claims 1 to 3, further comprising an electrolytic solution injected into the battery case.
前記電池ケースは、扁平な収容空間を備えた角型のケースであり、
前記捲回電極体は、前記扁平に曲げられた状態で、前記電池ケースに収容されている、請求項4に記載された非水系二次電池。 The wound electrode body is bent flat along a direction perpendicular to the winding axis,
The battery case is a square case having a flat accommodation space,
The non-aqueous secondary battery according to claim 4, wherein the wound electrode body is housed in the battery case in a state of being bent flat.
前記正極集電体の片側の長辺に沿って前記正極活物質層が形成されていない部分を有しており、
前記負極集電体の片側の長辺に沿って前記負極活物質層が形成されていない部分を有しており、
前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向した部分の片側に、前記正極集電体のうち前記正極活物質層が形成されていない部分がはみ出ており、前記正極集電体のうち前記正極活物質層が形成されていない部分がはみ出た側とは反対側に、前記負極集電体のうち前記負極活物質層が形成されていない部分がはみ出ている、請求項4または5に記載された非水系二次電池。 The wound electrode body is:
A portion where the positive electrode active material layer is not formed along the long side of one side of the positive electrode current collector;
The negative electrode active material layer has a portion where the negative electrode active material layer is not formed along the long side of one side of the negative electrode current collector,
A portion of the positive electrode current collector where the positive electrode active material layer is not formed protrudes on one side of a portion where the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other, and among the positive electrode current collector, The portion of the negative electrode current collector where the negative electrode active material layer is not formed protrudes on the side opposite to the side where the portion where the positive electrode active material layer is not formed protrudes. The non-aqueous secondary battery described.
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