JP5928800B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解質を備えた二次電池(非水電解質二次電池)に関する。詳しくは、オキサラト錯体化合物を含む該電池に関する。
リチウム二次電池その他の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べ小型、軽量かつエネルギー密度や出力密度が高いことから、民生用電子機器や車両駆動用の電源として好ましく用いられている。この種の電池は、典型的には正極と負極を備える電極体と非水電解質とが電池ケースに収容され構築される。なお、該電極(正極および負極)には、対応する正負の集電体上に、電荷担体(典型的にはリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出し得る活物質を主成分とする電極合材層(正極合材層および負極合材層)が、それぞれ備えられている。そして、実際に使用可能な状態に調整するため上記構築後の電池には所定の条件で充電処理が施される。
上記充電処理の際には、非水電解質の一部が負極にて還元分解され、負極活物質の表面に非水電解質由来の被膜が形成される。この被膜によってそれ以後の充放電に伴う非水電解質の還元分解が抑制されるため、電池の耐久性を向上させることができる。
また、かかる被膜をより安定的なものにするため、非水電解質の分解電位以下で分解して負極活物質の表面に被膜を形成し得る添加剤をあらかじめ電池内に添加しておく手法が広く知られている。例えば特許文献1には、オキサラトボレート型の化合物(例えば、リチウムビス(オキサラト)ボレート)を含む非水電解質二次電池の製造方法が開示されている。
特開2007−250288号公報
オキサラトボレート型の化合物を含む電池では、充電処理の際に先ず分解電位の低い該化合物が分解され、負極活物質の表面に安定性に優れた被膜を形成する。かかる被膜によって充放電に伴う非水電解質等の分解反応が好適に抑制され、電池の初期特性や耐久性(例えば、保存特性や充放電サイクル特性)を向上させることができる。しかし、その反面、負極活物質の表面が該被膜で覆われることにより充放電(電荷担体の吸蔵および放出)に伴う抵抗が増大し、他の電池性能(例えば、低温環境下における入出力特性)を低下させる場合がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、上記添加剤の効果が適切に発揮され、より高い電池性能を有する(例えば、耐久性と出力特性とが高いレベルで両立する)非水電解質二次電池の提供を目的とする。
本発明者らは、負極活物質表面に形成される被膜を適切な状態に制御することで、電池の内部抵抗を低減し、上記課題を解決することができると考えた。そこで、種々検討の結果、オキサラトボレート型化合物由来の被膜の厚み方向における偏在度(即ち、負極活物質表面に形成されたオキサラトボレート型化合物由来の被膜の全量Bに対する、負極活物質の最表面に存在するオキサラトボレート型化合物由来の被膜の量B)を調整することで、より高性能の非水電解質二次電池が得られることを見出し、本発明を完成させた。
本発明によれば、正極活物質を有する正極と負極活物質を有する負極とが対向してなる電極体と、非水電解質と、ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物(以下、「B−オキサラト化合物」という。)と、が電池ケース内に収容された非水電解質二次電池が提供される。そして、上記負極活物質の表面には上記オキサラト錯体化合物由来のホウ素(B)原子を含有する被膜が形成されており、上記負極活物質の表面において誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP‐AES:Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometry)に基づき測定されるホウ素(B)原子の量B(μg/cm)と、X線吸収微細構造解析(XAFS:X-ray Absorption Fine Structure)に基づき測定される3配位のホウ素(B)原子の強度Bと、の関係が、0.5≦B/B≦1.0である。
上記構成の電池では、負極活物質表面にオキサラト錯体化合物由来のホウ素(B)原子を含む被膜が形成されている。かかる被膜によって負極活物質と非水電解質との界面が安定化されているため、それ以降の充放電における非水電解質等の分解が好適に抑制される。このため、該電池は優れた耐久性を発揮することができる。加えて、負極活物質の表面に形成されたオキサラト錯体化合物由来のホウ素原子の比(B/B)が上記範囲にある場合、該被膜の抵抗が低減され、充放電に伴う電荷担体の移動が従来に比べスムーズに行われる。このため、該電池は優れた出力特性を発揮することができる。従って、ここに開示される非水電解質二次電池は、耐久性と出力特性とを高いレベルで両立させることができる。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物の添加量は、上記負極活物質に対して3μmol/g以上200μmol/g以下である。
上記添加量を満たす場合、負極活物質全体に所望の量の被膜が形成されるため、耐久性に優れた電池となり得る。また、該化合物の添加量を比較的低く抑えることで内部抵抗を低減することができ、出力特性に優れた電池となり得る。従って、かかる態様の電池では、B−オキサラト化合物による効果が適切に発揮され、本発明の適用効果をより高いレベルで発揮し得る。
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記オキサラト錯体化合物は、下記式(I)で表されるリチウムビス(オキサラト)ボレート(以下、「LiBOB」と略称する場合がある。)である。
LiBOBは、負極活物質表面に安定性に優れた被膜を形成し得る。従って、それ以後の充放電に伴う非水電解質の分解反応を好適に抑制することができ、本発明の適用効果をより高いレベルで発揮することができる。
Figure 0005928800
ここで開示される非水電解質二次電池の好適な一態様では、上記負極活物質は粒子状であり、該粒子状負極活物質のBET法に基づく比表面積は、1m/g以上10m/g以下である。
負極活物質の比表面積が上記範囲にある場合、緻密で導電性が高くエネルギー密度に優れた負極合材層を作製し得る。さらに、該負極合材層内に適度な空隙を保持することができるため、非水電解質(およびB−オキサラト化合物)が浸漬し易いものであり得る。よって、本発明の効果が好適に発揮され、耐久性と出力特性とをより一層高いレベルで両立させることができる。
また、本発明によれば、非水電解質二次電池を製造する方法が開示される。かかる製造方法は、正極活物質を有する正極と負極活物質を有する負極とが対向してなる電極体と、非水電解質と、ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物と、を電池ケース内に収容して電池を構築すること;および上記正極と上記負極の間の電圧が所定の値となるよう充電処理を行い、上記負極活物質の表面に上記オキサラト錯体化合物由来のホウ素(B)原子を含有する被膜を形成すること;を包含する。ここで、上記充電処理は充電レートを1.5C以上5C以下に設定する。
充電レートを5C以下とすることでB−オキサラト化合物が好適に分解され、負極活物質の表面に強固で緻密な被膜を形成することができる。また、充電レートを1.5C以上とすることで、従来に比べ抵抗の小さな被膜を形成することができる。このため、かかる製造方法によれば上記ホウ素原子の比(B/B)を好適な値に調節することができ、耐久性や出力特性に優れた電池を製造することができる。さらに、ここで開示される製造方法では充電処理という比較的簡便な処理のみで負極活物質上に好適な被膜を形成し得るため、生産性や効率の観点からも好ましい。なお、1Cとは理論容量より予測した電池容量(Ah)を1時間で充電できる電流値を意味し、例えば電池容量が24Ahの場合は1C=24Aである。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物の添加量を、上記負極活物質に対して3μmol/g以上200μmol/g以下に設定する。
B−オキサラト化合物を上記範囲で添加することにより、負極(負極活物質)に確実に被膜を形成することができ、高い耐久性を付与することができる。また、内部抵抗を低減することができ、出力特性に優れたものとし得る。従って、かかる製造方法によれば、本発明の適用効果をより高いレベルで発揮することができる。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記オキサラト錯体化合物として、少なくともリチウムビス(オキサラト)ボレートを用いる。
LiBOBを用いることによって、負極活物質表面により強固で安定性に優れた被膜を形成することができる。従って、それ以後の充放電に伴う非水電解質の分解反応を更に好適に抑制することができ、より性能の高い電池を製造することができる。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記負極活物質として、BET法に基づく比表面積が1m/g以上10m/g以下の粒子状のものを用いる。
比表面積が上記範囲にある負極活物質を用いることによって、エネルギー密度に優れた負極合材層を作製し得る。また該負極合材層内に適度な空隙を保持することができるため、非水電解質が浸漬し易く抵抗の低減された負極合材層を作製し得る。よって、かかる製造方法によれば、より一層高い電池性能を実現することができる。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記充電処理は、上記充電レートの範囲内で設定される所定の充電レートで一定時間充電する、第1充電処理;および上記第1充電工程よりも高い充電レートで一定時間充電する、第2充電処理;を包含する。
充電処理を2段階とすることで、負極活物質に最も近い領域に形成される被膜の形成条件と、負極活物質から離れた領域(負極活物質の最表面領域)に形成される被膜の形成条件とを各々好ましい値に設定することができる。即ち、第1充電処理では、充電レートをより低い値に設定することで負極活物質表面に緻密な(密度の高い)被膜を形成することができる。このため、該電池に高い耐久性を付与することができる。また、第2充電処理では、充電レートをより高い値に設定することで比較的密度の低い(疎な)被膜を形成することができる。このため、充放電に伴う電荷担体の移動が従来に比べてスムーズに行われるようになり、例えば低温環境下においても高い出力特性を発揮することができる。このため、より一層高いレベルで本願発明の効果を発揮することができる。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記第2充電処理の充電レートは、上記第1充電処理の充電レートの1.5倍以上3倍以下の値に設定する。
充電レートの差が上記範囲にある場合、より一層抵抗が低減され出力特性に優れた電池を製造し得る。したがって本願発明の適用効果をより一層高いレベルで発揮することができる。
また、本発明によると、ここで開示される非水電解質二次電池(単電池)を複数組み合わせた組電池が提供される。
単電池を複数個相互に(典型的には直列に)接続してなる組電池では、構成する単電池のなかで最も低い性能のものに全体の性能が左右され得る。ここで開示される非水電解質二次電池は、従来の電池に比べ耐久性や出力特性に優れるため、組電池として一層高い電池性能を発揮し得る。
さらに、本発明によると、上記組電池を駆動用電源として備える車両が提供される。
ここで開示される電池は各種用途向けとして利用可能であるが、従来に比べ電池抵抗が低減され電池性能(例えば、耐久性や低温環境下での出力特性)に優れていることを特徴とする。従って、広い温度環境下において高い耐久性や出力特性が要求される用途(例えば車両に搭載されるモーター駆動のための動力源(駆動用電源))で好適に使用され得る。
図1は、本発明の一実施形態に係る、非水電解質二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 図2は、図1の非水電解質二次電池のII−II線における断面構造を模式的に示す図である。 図3は、本発明の一実施形態に係る、非水電解質二次電池の捲回電極体の構成を示す模式図である。 図4は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池(単電池)を複数組み合わせた組電池を模式的に示す斜視図である。 図5は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を備えた車両(自動車)を示す側面図である。 図6は、被膜中のホウ素(B)原子の比(B/B)と低温出力特性(相対値)との関係を示すグラフである。
以下、ここで開示される非水電解質二次電池の好適な実施形態について説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。かかる構造の非水電解質二次電池は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。以下、リチウム二次電池である場合を典型例としてより詳しく説明する場合があるが、本発明の適用対象をかかる電池に限定する意図ではない。
本明細書において「非水電解質二次電池」とは、非水電解質(典型的には、非水溶媒中に支持塩を含む電解液)を備えた電池を言い、リチウム二次電池はその典型例である。また、「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動によって充放電が実現される二次電池をいう。一般にリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、リチウムイオンキャパシタ等と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。また、本明細書において「活物質」とは、正極側又は負極側において電荷担体となる化学種(リチウム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し得る物質(化合物)をいう。
まず、ここで開示される非水電解質二次電池の構成について説明する。該電池は、正極活物質を有する正極と負極活物質を有する負極とが対向してなる電極体と、非水電解質と、B−オキサラト化合物と、が電池ケース内に収容された構成である。なお、上記負極活物質の表面には上記B−オキサラト化合物由来のホウ素(B)を含有する被膜が形成されており、上記負極活物質の表面において誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP‐AES)に基づき測定される上記ホウ素の量B(μg/cm)と、X線吸収微細構造解析(XAFS)に基づき測定される上記3配位のホウ素の強度Bとの関係が、0.5≦B/B≦1.0(典型的には0.6≦B/B≦0.8)である。上記構成の電池では、負極活物質表面のホウ素(B)原子を含む被膜によって、それ以降の充放電における非水電解質等の分解が好適に抑制されるため優れた耐久性を発揮することができる。加えて、負極活物質表面のホウ素原子の比(B/B)を上記範囲とすることで、被膜の抵抗が低減されるため優れた出力特性を発揮することができる。従って、ここに開示される非水電解質二次電池は、耐久性と出力特性とを高いレベルで両立させることができる。
ここで、本願でBの値を測定するために用いたX線吸収微細構造解析(以下、「XAFS」という。)の手法について簡単に説明する。一般に、物質にX線を照射すると内殻電子の励起等に起因して照射したX線の一部が吸収される。XAFSではこれを利用して、測定対象に照射する前のX線強度(I)と測定対象を透過した後のX線強度(I)との比(I/I)を測定・解析することで、着目する原子の局所構造(例えば、該原子の価数、配位数、隣接する原子種)等の情報を得ることができる。換言すれば、かかる手法を用いることで、同種の原子であっても配位数や隣接する原子等が異なる状態にあるものを分離して定量することができる。例えば、3配位構造のホウ素(B)原子に由来するB−K端のピークは193eV〜194eVのエネルギー領域に、4配位構造のホウ素(B)原子に由来するB−K端のピークは197eV〜199eVのエネルギー領域に、其々ピークを有する。なお、この測定は入射するX線のエネルギーを少しずつ変化させながら行う必要があるため、X線を連続的に変化させることのできるシンクロトロン放射光施設のビームライン(BL)を利用することが好ましい。
本願発明において用いたB−オキサラト化合物は、例えば上記式(I)に示すように、中心原子としてのホウ素(B)にシュウ酸イオン等が配位した4配位構造である。しかし、負極活物質表面で分解されて被膜を形成すると、上記ホウ素(B)原子が4配位から3配位の構造となることが知られている。従って、XAFSの手法によれば被膜を形成しているホウ素(B)原子のみを区別して定量することができる。本願においては193eV〜194eVのエネルギーにピークを有する3配位のホウ素原子(B−K端)について測定を行い、得られたピーク強度からベースラインの値を差し引いて上記Bとする。なお、かかるベースラインは191eV〜192eVの範囲のスペクトルデータに基づき決定した。XAFSのX線進入深さは数十nmであることから、ここでは負極活物質の最表面から深さ数十nmの領域に存在する被膜中のホウ素(B)の量を測定することができる。具体的な測定装置や測定条件については、後述する実施例において詳しく述べる。
また、本願でBの値を測定するために用いた誘導結合プラズマ発光分光分析(以下、「ICP‐AES」という。)では、測定対象たるホウ素(B)原子を含む測定用試料(負極合材層)を酸溶媒中に溶解(溶出)させ、かかる溶液を分析する。これにより、負極(負極活物質)上に存在するホウ素(B)原子の総量を測定することができる。ここでは検出器としてAESを用いる手法を示すが、他の分析手法(例えば、MS(Mass Spectrometry))を用いることもできる。本願においては、ICP−AESで測定したホウ素(B)原子の含有量(μg)を測定用試料の面積(cm)で除すことにより得られる単位面積当たりのホウ素(B)原子の量(μg/cm)をBとする。
即ち、本願発明を特徴づけるB/Bとは、負極上(負極活物質上)に形成されたB−オキサラト化合物由来の被膜が、どの程度最表面に偏在しているか(ホウ素(B)原子含有被膜の偏在度)を示すものである。
上記のB/B値に大きな影響を与え得る要因としては、例えばB−オキサラト化合物の添加量や充電処理における充電レートが挙げられる。例えば、B−オキサラト化合物の添加量が増えるのに比例して、Bの値は大きくなる。さらに、後述する実施例に示す通り、Bの値は充電処理(典型的には初回充電処理)における充電レートの影響を大きく受ける。
上記のB/B値を満たす限りにおいて、BおよびBの値は特に限定されないが、例えばBの値があまりに大きい場合は、内部抵抗が高くなり出力特性が悪化する虞がある。またBの値があまりに小さい場合は、耐久性が不足する虞がある。よって、0.01≦B≦0.5(例えば0.05≦B≦0.2)とすることが好ましい。また、Bの値は、0.01≦B≦0.1(典型的には0.03≦B≦0.05、例えば0.04≦B≦0.05)とすることができる。
かかる電池の製造は、例えば、(1)正極活物質を有する正極と負極活物質を有する負極とが対向してなる電極体と、非水電解質と、ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物と、を電池ケース内に収容して電池を構築すること、(2)上記正極と上記負極の間の電圧が所定の値となるよう充電処理を行い、上記負極活物質の表面に上記オキサラト錯体化合物由来のホウ素(B)原子を含有する被膜を形成すること、によって行うことができる。
以下、該電池の構成要素および作製方法について順に説明する。
ここで開示される非水電解質二次電池の正極は、正極集電体と、該正極集電体上に形成された少なくとも正極活物質を含む正極合材層と、を備えている。かかる正極を作製する方法は特に限定されないが、例えば正極活物質と導電材とバインダ(結着剤)等とを溶媒中で混合してスラリー状(ペースト状、インク状のものを包含する。以下、同様。)の組成物(以下、「正極合材スラリー」という。)を調製し、該スラリーを正極集電体上に付与して正極合材層(正極活物質層ともいう。)を形成することで作製し得る。
正極合材スラリーの調製には、例えば、ボールミル、ミキサー、ディスパー、ニーダ等の従来公知の種々の攪拌・混合装置を適宜用いることができる。該スラリーの固形分濃度(NV)は特に限定されないが、例えば50質量%〜75質量%(好ましくは55質量%〜65質量%、より好ましくは55質量%〜60質量%)とすることができる。また、正極合材層の形成は、例えば、スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター、グラビアコーター、ディップコーター等の従来公知の塗布装置を用いて、正極集電体上に正極合材スラリーを塗布することによって行うことができる。特に限定されるものではないが、正極集電体の単位面積当たりに設けられる正極合材層の質量(正極集電体の両面に正極合材層を有する構成では両面の合計質量)は、例えば10mg/cm〜30mg/cm程度とすることができる。上記製造方法では、正極合材スラリーを付与した後に、適当な乾燥手法で該正極合材スラリーに含まれる溶媒を除去する。かかる手法としては、自然乾燥、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線等による乾燥を単独または組み合わせて用いることができる。
そして、上記正極に適宜プレス処理を施すことによって、正極合材層の厚みや密度を調整することができる。該プレス処理には、例えば、ロールプレス法、平板プレス法等、従来公知の各種プレス方法を採用することができる。プレス処理後の正極合材層の厚みは、例えば20μm以上(典型的には50μm以上)であって、200μm以下(典型的には100μm以下)とすることができる。また、正極合材層の密度は特に限定されないが、例えば1.5g/cm以上(典型的には2.0g/cm以上)であって、4.5g/cm以下(典型的には4.2g/cm以下)とすることができる。上記範囲を満たす正極合材層は、高い電池性能(例えば、高いエネルギー密度や出力密度)を実現し得るため好ましい。
以下に、正極を構成する材料等について説明する。
正極集電体としては、導電性の良好な金属(例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性部材が好ましく用いられる。集電体の形状は構築される電池の形状等に応じて異なり得るため特に限定されないが、例えば棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。なお、後述する捲回電極体を備えた電池では、主に箔状体が用いられる。箔状集電体の厚みは特に限定されないが、電池の容量密度と集電体の強度との兼ね合いから5μm〜50μm(より好ましくは8μm〜30μm)程度のものを用いることができる。
正極活物質としては、従来から非水電解質二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、リチウムニッケル酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト酸化物(例えばLiCoO)、リチウムマンガン酸化物(例えばLiMn)等の、リチウム元素と少なくとも1種の遷移金属元素(好ましくはニッケル、コバルトおよびマンガンのうちの少なくとも1種)とを構成金属元素として含む酸化物(リチウム遷移金属酸化物);リン酸マンガンリチウム(LiMnPO)、リン酸鉄リチウム(LiFePO)等のリチウム元素と遷移金属元素とを構成金属元素として含むリン酸塩;等が挙げられる。なかでも、構成元素としてリチウム元素、ニッケル元素、コバルト元素およびマンガン元素を含む層状構造のリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3)を主成分とする正極活物質(典型的には、実質的にリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物からなる正極活物質)は、熱安定性に優れエネルギー密度も高いことから好ましく用いることができる。このようなリチウム遷移金属酸化物としては、例えば従来公知の方法で調製されるもの(典型的には粒子状)をそのまま使用することができる。
ここで、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物とは、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)を構成金属元素とする酸化物のほか、Li、Ni、Co、Mn以外に他の少なくとも一種の金属元素(Li、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を含む酸化物をも包含する意味である。かかる金属元素は、例えば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、鉄(Fe)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pb)、白金(Pt)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)のうちの一種または二種以上の元素であり得る。また、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、及びリチウムマンガン酸化物についても同様である。上記置換的な構成元素の量は、特に限定されないが、例えば、当該置換元素とNiとCoとMnとの合計100質量%に対し、0.05質量%以上(典型的には0.1質量%以上、例えば0.2質量%以上)であって、5質量%以下(典型的には3質量%以下、例えば2.5質量%以下)とすることができる。
また、例えば、一般式:xLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−x)LiMeO(前式中、Meは1種または2種以上の遷移金属であり、xは0<x≦1を満たす)で表されるような、いわゆる固溶型のリチウム過剰遷移金属酸化物を用いることもできる。
正極合材層全体に占める正極活物質の割合は特に限定されないが、50質量%以上(典型的には70質量%以上100質量%未満、例えば80質量%以上99質量%以下)であることが好ましい。
導電材としては、従来から非水電解質二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック等)、コークス、活性炭、黒鉛(天然黒鉛およびその改質体、人造黒鉛)、炭素繊維(PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維)、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン等の炭素材料から選択される、一種または二種以上であり得る。あるいは金属繊維(例えばAl繊維、ステンレス鋼(SUS)繊維等)、導電性金属粉末(例えばAg、Ni、Cu等の金属粉末)、金属酸化物(例えばZnO、SnO等)、金属で表面被覆した合成繊維等を用いてもよい。なかでも、比較的粒径が小さく比表面積が大きいカーボンブラック(典型的には、アセチレンブラック)を好ましく用いることができる。
正極合材層全体に占める導電材の割合は特に限定されないが、例えば0.1質量%以上15質量%以下(典型的には1質量%以上10質量%以下、例えば2質量%以上7質量%以下)とすることができる。
バインダとしては、従来から非水電解質二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、有機溶剤系のスラリー(分散媒の主成分が有機溶媒である溶剤系スラリー)を用いて正極合材層を形成する場合には、有機溶剤に分散または溶解するポリマー材料を好ましく採用し得る。かかるポリマー材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニリデン(PVdC)、ポリエチレンオキサイド等が挙げられる。あるいは、水系のスラリーを用いて正極合材層を形成する場合には、水に溶解または分散するポリマー材料を好ましく採用し得る。水に溶解する(水溶性の)ポリマー材料としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)等のアクリル系ポリマー;ポリウレタン等のウレタン系ポリマー;等が例示される。また、水に分散する(水分散性の)ポリマー材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のビニル系重合体;ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のエチレン系ポリマー;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)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等のゴム類;等が挙げられる。
正極合材層全体に占めるバインダの割合は特に限定されないが、例えば0.1質量%以上10質量%以下(好ましくは1質量%以上7質量%以下)とすることができる。
溶媒としては、上記スラリー形成に用いる材料を均一に分散または溶解し得る限りにおいて特に限定されないが、例えば従来から非水電解質二次電池の製造に用いられている溶媒のうち一種または二種以上を用いることができる。かかる溶媒は、有機溶剤と水系溶媒とに大別される。有機溶剤としては、例えば、アミド系溶剤、アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、エステル系溶剤、アミン系溶剤、エーテル系溶剤、ニトリル系溶剤、環状エーテル系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤等が挙げられる。より具体的には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、2−プロパノール、エタノール、メタノール、アセトン、メチルエチルケトン、プロペン酸メチル、シクロヘキサノン、酢酸メチル、酢酸エチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、アセトニトリル、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレンジメチルスルホキシド、ジクロロメタン、トリクロロメタン、ジクロロエタン等が挙げられ、典型的にはNMPを用いることができる。また、水系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒であることが好ましい。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、該水系溶媒の80質量%以上(より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上)が水である水系溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる水系溶媒(例えば水)が挙げられる。
また、ここで調製される正極合材スラリーには、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、各種添加剤(例えば、過充電時においてガスを発生させる無機化合物や、分散剤として機能し得る材料)等を添加することもできる。上記過充電時にガスを発生させ得る化合物としては炭酸塩(例えば、炭酸リチウム)やシュウ酸塩(例えば、シュウ酸リチウム)等が挙げられる。また、上記分散剤としては疎水性鎖と親水性基をもつ高分子化合物(例えばアルカリ塩、典型的にはナトリウム塩);硫酸塩、スルホン酸塩、リン酸塩等を有するアニオン性化合物;アミン等のカチオン性化合物;等が挙げられる。より具体的には、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ブチラール、ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリカルボン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ等が挙げられる。
次に、ここで開示される非水電解質二次電池の負極は、負極集電体と、該負極集電体上に形成された少なくとも負極活物質を含む負極合材層と、を備えている。かかる負極を作製する方法は特に限定されないが、例えば負極活物質とバインダ等とを適当な溶媒中で混合してスラリー状の組成物(以下、「負極合材スラリー」という。)を調製し、該スラリーを負極集電体上に付与して負極合材層(負極活物質層ともいう。)を形成することで作製し得る。負極合材スラリーの調製方法等は、上述した正極の場合と同様の手法であり得る。該スラリーの固形分濃度(NV)は特に限定されないが、例えば40質量%〜65質量%(好ましくは45質量%〜55質量%、より好ましくは45質量%〜50質量%)とすることができる。負極合材層の形成や乾燥方法についても上述した正極の場合と同様の手法であり得る。特に限定されるものではないが、負極集電体の単位面積当たりに設けられる負極合材層の質量(両面の合計質量)は、例えば5mg/cm〜30mg/cm程度とすることができる。
そして、上記負極に適宜プレス処理を施すことによって、負極合材層の厚みや密度を調整することができる。プレス処理後の負極合材層の厚みは、例えば20μm以上(典型的には50μm以上)であって、200μm以下(典型的には100μm以下)とすることができる。また、負極合材層の密度は特に限定されないが、例えば0.8g/cm以上(典型的には1.0g/cm以上)であって、1.6g/cm以下(典型的には1.5g/cm以下、例えば1.4g/cm以下)とすることができる。
以下に、負極を構成する材料等について説明する。
負極集電体としては、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性部材が好ましく用いられる。また、負極集電体の形状は正極集電体の形状と同様であり得る。
負極活物質としては、従来から非水電解質二次電池に用いられる物質の一種または二種以上の材料を特に限定することなく使用することができる。例えば、天然黒鉛(石墨)、石油または石炭系の材料から製造された人造黒鉛およびその改質体、ハードカーボン(難黒鉛化炭素)、ソフトカーボン(易黒鉛化炭素)、カーボンナノチューブ等の炭素材料;リチウムチタン複合酸化物、酸化鉄等の金属酸化物材料;スズ(Sn)、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、リチウム(Li)等の金属もしくはこれらの金属元素を主体とする金属合金からなる金属材料;等が挙げられる。なかでも、高いエネルギー密度が得られることから、黒鉛材料(グラファイト)を好ましく使用することができる。
負極合材層全体に占める負極活物質の割合は特に限定されないが、通常は凡そ50質量%以上とすることが適当であり、好ましくは90質量%以上99質量%以下(例えば95質量%以上99質量%以下)である。
ここで用いられる負極活物質は、典型的には粒子状である。該粒子の性状は特に限定されないが、例えば粒径は1μm以上30μm以下(典型的には5μm以上20μm以下)とすることができる。また、該粒子の比表面積は、例えば0.1m/g以上(典型的には1m/g以上、好ましくは2m/g以上)であって、20m/g以下(典型的には10m/g以下、好ましくは5m/g以下)とすることができる。負極活物質粒子の性状が上記範囲にある場合、緻密で導電性が高く、エネルギー密度に優れた負極合材層を作製し得る。また該負極合材層内に適度な空隙を保持することができるため、非水電解質(およびB−オキサラト化合物)が浸漬し易いものであり得る。よって、本発明の効果が好適に発揮され、より高い電池性能(例えば出力特性)を実現することができる。
なお、本明細書において「粒径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)を示す。また、本明細書において「比表面積」とは、BET法(例えばBET1点法)に基づく比表面積測定によって測定された値を言う。
バインダとしては、上記正極合材層用のバインダとして例示したポリマー材料から適当なものを選択することができる。具体的には、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が例示される。負極合材層全体に占めるバインダの割合は特に限定されないが、例えば1質量%以上10質量%以下(好ましくは2質量%以上5質量%以下)とすることができる。その他、既に上述した各種添加剤(例えば、分散剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC))や導電材等を適宜使用することもできる。
上記正極および負極を積層し、電極体を作製する。かかる電極体の形状は特に限定されないが、例えば、図3に示すように、長尺状の正極集電体12上に所定の幅の正極合材層14が該集電体の長手方向に沿って形成されている長尺状の上記正極10と、長尺状の負極集電体22上に所定の幅の負極合材層24が該集電体の長手方向に沿って形成されている長尺状の上記負極20と、が積層され捲回されてなる捲回電極体80とすることができる。
ここで開示される非水電解質二次電池の典型的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在される。該セパレータとしては、従来から非水電解質二次電池に用いられるものと同様の各種多孔質シートを用いることができ、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔質樹脂シート(フィルム、不織布等)が挙げられる。かかる多孔質樹脂シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複数構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。なお、固体状の非水電解質を用いた二次電池(リチウムポリマー電池)では、上記非水電解質がセパレータを兼ねる構成としてもよい。
そして、図2に示すように、正極10と負極20とが対向してなる上記捲回電極体80と、(図示しない)非水電解質と、(図示しない)B−オキサラト化合物と、を電池ケース50内に収容し、非水電解質二次電池100が構築される。
電池ケースとしては、従来から非水電解質二次電池に用いられる材料や形状を用いることができる。該ケースの材質としては、例えば、アルミニウム、スチール等の金属材料;ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料;が挙げられる。なかでも、放熱性向上やエネルギー密度を高める目的から、比較的軽量な金属(例えば、アルミニウムやアルミニウム合金)を好ましく採用し得る。また、該ケースの形状(容器の外形)は特に限定されず、例えば、円形(円筒形、コイン形、ボタン形)、六面体形(直方体形、立方体形)、袋体形、およびそれらを加工し変形させた形状等であり得る。また、該ケースには電流遮断機構(電池の過充電時に、内圧の上昇に応じて電流を遮断し得る機構)等の安全機構を設けることもできる。
非水電解質としては、典型的には適当な非水溶媒に支持塩(典型的には、リチウム塩)を含有させた組成を有するが、液状の非水電解質にポリマーが添加され固体状(典型的には、いわゆるゲル状)となった非水電解質であってもよい。
非水溶媒としては、従来から非水電解質二次電池に用いられるもののうち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。典型的には、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒が挙げられる。より具体的には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。例えば、カーボネート類を主体とする非水溶媒は、充電処理において負極活物質表面に好適に被膜を形成し得るためここで開示される技術において好ましく用いることができる。なかでも、比誘電率の高いECや、標準酸化電位が高い(即ち、電位窓の広い)DMCやEMC等を用いることがより好ましい。例えば、非水溶媒として一種または二種以上のカーボネート類を含み、それらカーボネート類の合計体積が非水溶媒全体の体積の60体積%以上(より好ましくは75体積%以上、さらに好ましくは90体積%以上であり、実質的に100体積%であってもよい。)を占める非水溶媒を好ましく用いることができる。
支持塩としては、非水電解質二次電池の支持電解質として機能し得ることが知られている各種の材料を適宜採用することができる。例えばLiPF、LiBF、LiClO、LiN(SOCF、LiN(SO、LiCFSO、LiCSO、LiC(SOCF、LiClO等の各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができ、なかでもLiPFを好ましく用いることができる。支持塩の濃度は特に制限されないが、極端に低すぎると電解質に含まれる電荷担体(典型的にはリチウムイオン)の量が不足し、イオン伝導性が低下する傾向がある。またかかる濃度が極端に高すぎると、室温以下の温度域(例えば0℃〜30℃)において電解質の粘度が高くなり、イオン伝導性が低下する傾向がある。このため、該支持塩の濃度は例えば、0.1mol/L以上2mol/L以下(好ましくは、0.8mol/L以上1.5mol/L以下)とすることが好ましい。
B−オキサラト化合物は、典型的には上記非水電解質(あるいは上記非水電解質に用いた非水溶媒)に含有させた状態で電池ケース内に添加する。あるいは、電極(例えば負極)やセパレータ等の非水電解質以外の電池構成部材に直接添加(例えば塗布)することもできる。
B−オキサラト化合物としては、公知の方法により作製したもの、あるいは市販品の購入等により入手したものを特に限定せず一種または二種以上用いることができる。かかる化合物は、少なくとも一つのシュウ酸イオン(C 2−)がホウ素(B)に配位した構造部分を有しており、典型例としては、下記式(II)または(III)で表されるような化合物が挙げられる。B−オキサラト化合物は、典型的には上記非水電解質中に含有させる。
Figure 0005928800
Figure 0005928800
ここで、式(II)中のRおよびRは、ハロゲン原子(例えば、F、Cl、Br。好ましくはF)および炭素原子数1〜10(好ましくは1〜3)のパーフルオロアルキル基から、それぞれ独立して選択される。式(I)、(II)中のAは、無機カチオンおよび有機カチオンのいずれでもよい。無機カチオンの具体例としては、Li、Na、K等のアルカリ金属のカチオン;Be、Mg、Ca等のアルカリ土類金属のカチオン;その他、Ag、Zn、Cu、Co、Fe、Ni、Mn、Ti、Pb、Cr、V、Ru、Y、ランタノイド、アクチノイド等の金属のカチオン;プロトン;等が挙げられる。有機カチオンの具体例としては、テトラブチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン等のテトラアルキルアンモニウイオン;トリエチルメチルアンモニウムイオン、トリエチルアンモニウムイオン等のトリアルキルアンモニウムイオン;その他、ピリジニウムイオン、イミダゾリウムイオン、テトラエチルホスホニウムイオン、テトラメチルホスホニウムイオン、テトラフェニルホスホニウムイオン、トリフェニルスルホニウムイオン、トリエチルスルホニウムイオン;等が挙げられる。好ましいカチオンの例として、リチウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオンおよびプロトンが挙げられる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記B−オキサラト化合物として、式(III)で表される化合物を用いる。なかでも好ましい例として、式(I)で表されるリチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)が挙げられる。LiBOBは、負極活物質表面に強固で安定性に優れた被膜を形成し得る。従って、それ以後の充放電に伴う非水電解質の分解反応を好適に抑制することができ、本願発明の適用効果をより高いレベルで発揮することができる。
B−オキサラト化合物の好適な添加量は、例えば負極活物質の種類や性状(例えば、粒径や比表面積)、粒子構造、表面状態等によって異なり得る。一般的には、他の条件(活物質の種類や粒子構造等)が同様であれば、粒径が小さくおよび/または比表面積が大きくなるほど、好適なB−オキサラト化合物の添加量は増加する傾向にある。従って、かかる添加量は特に限定されないが、あまりに少ない場合は負極活物質表面に形成される被膜が薄くなり電池の耐久性(保存特性やサイクル特性)が低下する虞がある。一方、添加量があまりに多い場合は負極活物質表面に形成される被膜が厚くなり、充放電に伴う抵抗が増大する虞がある。このため、かかる添加量は負極活物質の単位質量当たりに対し、例えば1μmol/g以上(典型的には3μmol/g以上、例えば5μmol/g以上)であって、500μmol/g以下(典型的には200μmol/g以下、例えば100μmol/g以下)とすることが好ましい。上記添加量を満たす場合、負極活物質表面全体に所望の量の被膜を形成することができる。このためB−オキサラト化合物による効果が適切に発揮され、高い耐久性と出力特性とを高いレベルで両立させることができる。また非水電解質に対する添加量があまりに多い場合は、電池の通常使用温度域(例えば、−30℃〜0℃)において該化合物が析出したり、内部抵抗が高くなったりする虞がある。このため、非水電解質全量に対する添加量は例えば0.005mol/L以上(典型的には0.01mol/L以上)であって、0.1mol/L以下(典型的には0.05mol/L以下、例えば0.03mol/L以下)とすることが好ましい。添加量が上記範囲にある場合、本願発明の効果をより発揮することができ、より高い電池性能を実現し得る。
ここで開示される技術における非水電解質は、本発明の効果を大きく損なわない限度で、上述した非水電解質、B−オキサラト化合物以外の成分を含有することもできる。かかる任意成分の一例として、例えばB−オキサラト化合物以外の被膜形成材料(例えば、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC))や、過充電時においてガスを発生させる化合物(例えば、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB))、分散剤または増粘剤として機能し得る材料等の各種添加剤が挙げられる。
そして、上記構築後の電池には、典型的には所定の条件で充電処理が施される。この充電処理によってB−オキサラト化合物が分解され、負極活物質の表面に被膜が形成される。かかる被膜により負極(負極活物質)表面と非水電解質との界面が安定化されるため、非水電解質成分の更なる分解を防ぐことができ、電池の耐久性を向上することができる。
充電処理における正負極端子間の電圧(典型的には最高到達電圧)は、例えば使用する電極材料(活物質)や非水電解質等によっても異なるが、少なくとも負極の電位がB−オキサラト化合物の分解され得る電位(還元電位(vs.Li/Li))よりも低くなるよう設定する必要がある。また、かかる電圧が高すぎると非水電解質の分解反応を促進する等電池性能に悪影響及ぼす虞があるため、該電池の上限電圧を大きく上回らない電圧に設定することが好ましい。したがって、例えば上限電圧を4.1Vとする電池では、充電電圧を2V以上4.1V以下(典型的には3.5V以上4.1V以下)とすることができる。
電圧を調整する際は、例えば充電開始から正負極端子間電圧が所定値に到達するまで1.5C以上(典型的には1.5C以上10C以下、例えば1.5C以上5C以下)の定電流で充電する、定電流充電(CC充電)により行うことができる。あるいは、充電開始から正負極端子間電圧が所定値に到達するまで1.5C以上(典型的には1.5C以上10C以下、例えば1.5C以上5C以下)の定電流で充電し、さらに定電圧で所定時間充電する、定電流定電圧充電(CCCV充電)により行ってもよい。充電レートを1.5C以上とすることで従来に比べ抵抗の小さな被膜を形成することができる。また、充電レートを5C以下とすることでB−オキサラト化合物を好適に分解し得、負極活物質の表面に強固で緻密な被膜を安定的に形成することができる。このため、かかる製造方法によれば、上記ホウ素原子の比(B/B)を好適な値に調節することができ、耐久性や出力特性に優れた電池を製造することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記充電処理は、上記充電レートの範囲内で設定される所定の充電レートで一定時間充電する第1充電処理;および、上記第1充電処理よりも高い充電レートで所定の電圧まで充電する第2充電処理;を包含する。
充電処理を2段階とすることで、負極活物質に最も近い領域に形成される被膜の形成条件と負極活物質から離れた領域(負極活物質の最表面領域)に形成される被膜の形成条件とを各々好ましい値に設定することができる。即ち、第1充電処理では充電レートをより低い値に設定することで負極活物質表面に緻密な(密度の高い)被膜を形成することができる。このため、該電池に高い耐久性を付与することができる。また、第2充電処理では充電レートをより高い値に設定することで比較的密度の低い(疎な)被膜を形成することができる。このため、充放電に伴う電荷担体の移動が従来に比べスムーズに行われるようになり、例えば低温環境下においても高い出力特性を発揮することができる。このため、より一層高いレベルで本願発明の効果を発揮することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記第2充電処理の充電レートは、上記第1充電処理の充電レートの1.5倍以上3倍以下の値に設定する。充電レートの差が上記範囲にある場合、より一層抵抗が低減され出力特性に優れた電池を製造し得る。したがって本願発明の適用効果をより一層高いレベルで発揮することができる。
上記充電処理は一回でもよく、例えば二回以上の充放電操作を繰り返し行うこともできる。さらに、電池性能に大きな悪影響を与えない範囲内で、その他の操作(例えば、拘束等による圧力の負荷や超音波の照射)を併用することもできる。
ここで開示される非水電解質二次電池は、少なくとも電池構築直後にB−オキサラト化合物が電池ケース内に含まれていればよく、その後B−オキサラト化合物の一部または全部が変質(電離、分解等)していてもよい。上述の通り、電池構築直後に含まれる大部分のB−オキサラト化合物は充電処理によって負極活物質の表面で還元分解され、該負極活物質上にホウ素(B)原子を含む被膜を形成し得る。従って、本発明においては電池の構築から時間の経った電池(例えば、充電処理後の電池)において、必ずしもB−オキサラト化合物そのものが残存していることを要しない。
特に限定することを意図したものではないが、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成として、扁平に捲回された電極体(捲回電極体)と、非水電解質と、を扁平な直方体形(角形)の容器に収容した形態の非水電解質二次電池(単電池)を例とし、図1〜3にその概略構成を示す。以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は、実際の寸法関係を反映するものではない。
図1は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池100の外形を模式的に示す斜視図である。また図2は、上記図1に示した非水電解質二次電池のII−II線に沿う断面構造を模式的に示す図である。
図1および図2に示すように、本実施形態に係る非水電解質二次電池100は、捲回電極体80と、電池ケース(外容器)50とを備える。この電池ケース50は、上端が開放された扁平な直方体形状(角形)の電池ケース本体52と、その開口部を塞ぐ蓋体54とを備える。電池ケース50の上面(即ち蓋体54)には、捲回電極体80の正極シートと電気的に接続する正極端子70および該電極体の負極シートと電気的に接続する負極端子72が設けられている。また、蓋体54には、電池ケース内部で発生したガスをケースの外部に排出するための安全弁55が備えられている。
電池ケース50の内部には、長尺状の正極シート10と長尺状の負極シート20とが長尺状のセパレータシート40Aと40Bを介して扁平に捲回された形態の電極体(捲回電極体)80が、図示しない非水電解質とともに収容される。また、正極シート10は、その長手方向に沿う一方の端部において、正極合材層14が設けられておらず(あるいは除去されて)、正極集電体12が露出するよう形成されている。同様に、捲回される負極シート20は、その長手方向に沿う一方の端部において、負極合材層24が設けられておらず(あるいは除去されて)、負極集電体22が露出するように形成されている。そして、正極集電体12の該露出端部に正極集電板が、負極集電体22の該露出端部には負極集電板がそれぞれ付設され、上記正極端子70および上記負極端子72とそれぞれ電気的に接続されている。
図3は、捲回電極体80を組み立てる前段階における長尺状のシート構造(電極シート)を模式的に示す図である。長尺状の正極集電体12の片面または両面(典型的には両面)に長手方向に沿って正極合材層14が形成された正極シート10と、長尺状の負極集電体22の片面または両面(典型的には両面)に長手方向に沿って負極合材層24が形成された負極シート20とを、長尺状のセパレータシート40Aと40Bとともに重ね合わせて長尺方向に捲回し、捲回電極体を作製する。かかる捲回電極体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状の捲回電極体80が得られる。
図4は、非水電解質二次電池(単電池)100が直列および/または並列に接続されてなる組電池200の一例を示す。ここで開示される電池(単電池)は従来の電池に比べエネルギー密度や出力密度が高いことを特徴とする。従って、これら単電池を複数個相互に(典型的には直列に)接続してなる組電池では、一層高い電池性能を発揮し得る。図4に示す形態では、組電池200は複数個(典型的には10個以上、好ましくは10〜30個程度、例えば20個)の非水電解質二次電池(単電池)100を、それぞれの正極端子70および負極端子72が交互に配置されるように一つずつ反転させつつ、電池ケース50の幅広な面が対向する方向(積層方向)に配列されている。そして、当該配列された単電池100の間には所定形状の冷却板110が挟み込まれている。この冷却板110は、使用時に各単電池100内で発生する熱を効率よく放散させるための放熱部材として機能するものであって、好ましくは単電池100の間に冷却用流体(典型的には空気)を導入可能な形状(例えば、長方形状の冷却板の一辺から垂直に延びて対向する辺に至る複数の平行な溝が表面に設けられた形状)を有する。熱伝導性の良い金属製もしくは軽量で硬質なポリプロピレンその他の合成樹脂製の冷却板が好適である。
上記配列させた単電池100および冷却板110の両端には、一対のエンドプレート(拘束板)120が配置されている。また、上記冷却板110とエンドプレート120との間には、長さ調整手段としてのシート状スペーサ部材150を一枚又は複数枚挟み込んでいてもよい。上記配列された単電池100、冷却板110およびスペーサ部材150は、両エンドプレートの間を架橋するように取り付けられた締め付け用の拘束バンド130によって、該積層方向に所定の拘束圧が加わるように拘束されている。より詳しくは、拘束バンド130の端部をビス155によりエンドプレート120に締付且つ固定することによって、上記単電池等は、その配列方向に所定の拘束圧が加わるように拘束されている。これにより、各単電池100の電池ケース50の内部に収容されている捲回電極体80にも拘束圧がかかる。そして、隣接する単電池100間において、一方の正極端子70と他方の負極端子72とが、接続部材(バスバー)140によって電気的に接続されている。このように各単電池100を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池200が構築されている。
ここで開示される電池は各種用途に利用可能であるが、B−オキサラト化合物添加の効果が好適に発揮され、従来に比べ電池性能(例えば、耐久性や低温環境下での出力特性)が優れていることを特徴とする。従って、広い温度環境下において高い耐久性や出力特性が要求される用途(例えば、図5に示すような車両1に搭載される駆動用電源)で好適に用いることができる。車両1の種類は特に限定されないが、例えばプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)、電気トラック、原動機付自転車、電動アシスト自転車、電動車いす、電気鉄道等が挙げられる。なお、ここでは単電池100が直列および/または並列に複数個接続されてなる組電池200を用いたが、勿論、単電池100を単独で使用することも可能である。
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。
[非水電解質二次電池の構築]
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、これら材料の質量比率がLNCM:AB:PVdF=90:8:2となるよう混練機に投入し、固形分濃度(NV)が50質量%となるようにN−メチルピロリドン(NMP)で粘度を調製しながら混練し、正極活物質スラリーを調製した。このスラリーを、厚み15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に目付量が(片面あたり)11mg/cmとなるように塗布して、乾燥後にプレスすることによって正極集電体上に正極合材層を有する正極シート(厚み65μm、電極密度2.8g/cm)を作製した。
次に、負極活物質として、粒径:5μm、比表面積:3m/gの性状を有する天然黒鉛を用意した。かかる天然黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、分散剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量比がC:SBR:CMC=98:1:1となるよう混練機に投入し、固形分濃度(NV)が45質量%となるようにイオン交換水で粘度を調製しながら混練し、負極活物質スラリーを調製した。このスラリーを、厚み10μmの長尺状銅箔(負極集電体)の両面に目付量が(片面あたり)7.5mg/cmとなるように塗布して、乾燥後にプレスすることによって負極集電体上に負極合材層を有する負極シート(厚み78μm、電極密度1.4g/cm)を作製した。
上記で作製した正極シートと負極シートとを、2枚のセパレータシート(ここでは、ポリエチレン(PE)の両面にポリプロピレン(PP)が積層された三層構造であって、厚み20μm、孔径0.09μm、気孔率48体積%のものを用いた。)とともに捲回し、扁平形状に成形して電極体を作製した。そして、電池ケースの蓋体に正極端子および負極端子を取り付け、これらの端子を電極体端部において露出した正極集電体および負極集電体にそれぞれ溶接した。このようにして蓋体と連結された電極体を、該電池ケースの開口部からその内部に収容し、開口部と蓋体を溶接した。次に、蓋体に設けられた電解液注入孔から非水電解質(ここでは、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EC:DMC:EMC=1:1:1の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1mol/Lの濃度で溶解させた非水電解質を用いた。)と、リチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)と、を注入した。なお、上記LiBOBの添加は、用いた負極活物質の質量に対して、31μmol/gとなるよう(非水電解質に対しては、0.015mol/Lの濃度となるよう)行った。
[充電処理]
<例1〜10>
上記構築した電池について、表1に示す条件で1つの例につき3セルずつ、異なるパターンで充電処理を行った。即ち、例1〜6では、該当欄に示す充電レート(電流値)で正負端子間の電圧が4.1Vに到達するまで定電流充電(CC充電)を行った後、電流値が0.02Cになるまで定電圧充電(CV充電)を行った。また、例7〜10では、(1)に示す条件でCC充電を行った後、(2)に示す条件CCCV充電を行った。即ち、(1)に示す充電レートで所定の時間CC充電を行った後、例1〜6と同様に(2)に示す条件でCCCV充電を行った。
Figure 0005928800
そして各例の電池を解体して負極を取り出し、B−オキサラト化合物の分布状況についてXAFSおよびICP−AESで分析を行った。また、残りの電池を用いて、高温保存特性および低温出力特性(ここでは低温短時間出力特性)を評価した。
[B−オキサラト化合物の分布状況の評価]
<ICP−AES>
上記測定後の各電池から負極を取り出し、先ず、非水電解質として用いた非水溶媒(EC:DMC:EMC=1:1:1の体積比で含む混合溶媒)で2〜3回軽く洗浄した。そして、この負極を任意の大きさに打ち抜いてICP−AES分析用の測定用試料を得た。該測定用試料を酸溶媒中(ここでは硫酸を用いた。)に加熱溶解させ、かかる溶液をICP−AESで分析することによって、ホウ素(B)原子の含有量(μg)を測定した。そして、得られた値を測定用試料の面積(cm)で除すことにより、単位面積当たりのホウ素(B)原子の量B(μg/cm)を算出した。結果を表2の該当欄に示す。
<XAFS>
水分による試料の変質を抑制するため、露点が−80℃以下に制御されたグローブボックス中で各電池の解体作業を行い、負極を取り出した。そして、グローブボックス中で大気非解放試料搬送装置に移し、該負極が大気に触れないように保った状態で測定装置(BL)に導入した。かかる負極について、以下の条件で3配位のホウ素(B)原子のX線吸収スペクトル(凡そ193eV〜194eV)を測定した。得られたX線吸収スペクトルにおいて、ピーク値からベースライン値を差し引いて、ピーク強度Bを求めた。結果を表2の該当欄に示す。
測定装置:佐賀県立九州シンクロトロン光研究センター BL−12
測定吸収端:B−K端(190eV〜210eV)
使用ミラー :M22(180eV〜550eV)
スリット :S1;10μm、S2;10μm
また、XAFSの測定結果Bと、ICP−AESの測定結果Bと、の比(B/B)を、併せて表2および図6に示す。
表2に示されるように、充電レートを一定とした例1〜6のなかでは、充電レートを2Cとした場合(例4の場合)にB/Bが最も大きな値を示した。即ち、充電レートが高くなるにつれてB/Bの値は徐々に大きくなっていき、2Cとした時に最大となった。そして、かかる値を超えると逆にB/Bの値が小さくなっていった。また、充電レートを途中で上昇させた例9では、充電レートを一定とした例4〜6に比べB/Bの値が大きくなった。かかる結果は、充電処理の条件(例えば、充電方式や充電レート)によって負極活物質表面に形成される被膜の状態(典型的にはB値)が大きく異なることを示している。
なお、従来技術では充電処理(初回充電処理)の際のレートを比較的低い値に設定することが技術常識であった。かかる値は0.1C〜1Cであって、例えば上述の従来技術1では1Cに設定されている。このように充電処理は1Cを上回る充電レートでは行われていなかった。これは、かかる充電処理の目的が負極活物質表面に被膜を形成することにあるためである。即ち、形成される被膜を強固で緻密なものとするためには、低い充電レートでゆっくりと被膜を形成させることが必要であると考えられていたためである。従って従来技術におけるB/Bの値は高くても0.4であり、これ以上にはなり得ない。また、充電処理条件の調整によりB/Bを制御し、電池抵抗を低減しようという思想もない。ここに示す結果は、従来技術と本発明との大きな差異を表すものといえる。
Figure 0005928800
[(高温)保存特性の評価]
例1〜10の各電池について、25℃で3サイクルの充放電(ここでは、4Aの電流で4.1Vまで定電流で充電する操作と、4Aの電流で3.0Vまで定電流で放電する操作を3回繰り返す充放電)を行い、3サイクル目の放電容量を各電池の初期容量(即ち、充電深度(SOC:State of Charge)が100%の状態)と定めた。その後、各電池をSOCが80%になるよう充電操作を行って電圧を調整し、かかる電池を60℃の高温環境下において720時間(凡そ30日間)保存した。高温保存後の電池について、再び上述した初期容量測定と同様の条件で充放電を行い、高温保存後の放電容量を求めた。そして、高温保存後の放電容量を例1の結果で標準化した値(%)を、表2の該当箇所に示す。
表2に示されるように、例1〜10の全てで容量維持率が100%に保たれ、良好な保存特性を示していた。即ち、ここで示した実施例の範囲内においては、充電処理の条件やB/Bの値による保存特性の差異は認められなかった。従って、例1〜10の全ての充電処理条件でLIBOBが好適に分解され、負極活物質表面に安定な被膜を形成し得たため、その後の非水電解質等の分解が抑制されたと考えられる。
[(低温)出力特性の評価]
例1〜10の電池について、先ず25℃の環境下でCCCV充電を行い、SOCが30%になるよう調整した。そして、かかる充電状態の電池を−30℃に設定された恒温槽内に該電池を5時間以上静置した後、40W、60W、80Wおよび100Wの定電力(CP:Constant Power)で放電させ、各放電電力において放電開始から電池電圧が2.5V(放電カット電圧)に低下するまでの時間(放電秒数)を測定した。その放電秒数を放電電力(W)に対してプロットし、放電秒数が2秒となる電力値(即ち、−30℃においてSOC30%の状態から2秒間で2.5Vまで放電する出力)を求め、これを当該電池の低温(2秒)出力(低温短時間出力)とした。かかる2秒出力の値を例1の結果で標準化した結果(%)を、表2の該当箇所および図6に示す。
表2に示されるように、充電レートを一定とした例1〜6のなかでは、充電レートを2Cとした場合(例4の場合)に出力特性が最も高い値を示した。即ち、充電レートが高くなるにつれて出力特性は徐々に大きくなっていき、2Cとした時に最大となった。そして、かかる値を超えると出力特性はやや低下傾向となった。また、例1〜10の全ての中では、充電レートを途中で上昇させた例9において出力特性が最も高く、即ち最も出力特性に優れた電池となった。かかる結果は、充電処理条件(例えば、充電方式や充電レート)によって該電池の出力特性が大きく異なることを示している。
例1〜10の結果について、図6にB/B(横軸)と低温出力特性(縦軸)との関係を示す。図6に示す通り、B/Bの値が小さいほど低温出力特性は高い(良好な)結果が得られた。より詳細には、充電レートを一定とした例1〜6の電池のなかでは、充電処理の充電レートを1.5C以上とした場合(例3〜例5の場合、即ち0.55≦B/B≦0.63の場合)に、例1の場合と比較して低温特性を10%程度向上し得ることが分かった。また、全体では充電レートを途中で上昇させた例9の場合に最も低温出力特性が高く、例1の場合と比較して低温特性を15%程度向上し得ることが分かった。従って、0.5≦B/B(実施例では、0.5≦B/B≦0.7)とすることで、低温環境下においても出力特性に優れた電池とし得ることが示された。
上記結果から、充電処理条件と被膜形成との関係は、以下のように考えられる。即ち、
充電処理の初期段階においては、充電前に負極近傍(典型的には負極合材層内)に存在していたLiBOBが負極で還元分解され、負極活物質の表面に安定な被膜を形成し得る。かかる被膜によって負極活物質と非水電解質との界面が安定化されるため、電池の耐久性を向上させることができる。従って、充電初期段階においては、比較的緩やかなレートで充電処理を行うことによって、負極活物質表面により緻密な(密度の高い)被膜を形成することができると考えられる。
また、上記還元分解反応によって負極近傍のLiBOBが消費されると、物質平衡によって充電前に正極やセパレータ近傍に存在していたLiBOBが負極側へ拡散してくる。そして、充電処理の初期段階を過ぎると、拡散してきたLiBOBや該LiBOBよりも還元電位の高い非水溶媒、電池ケース内に混入した微量の水分等が分解され、上記緻密な被膜の上に、いわゆる混合被膜を形成する。従って、かかる混合被膜の形成においては、充電レートを上記より高い値に設定することで比較的密度の低い(疎な)、即ち抵抗の低減された被膜を形成し得ると考えられる。よって、ここで開示される電池では充放電に伴う電荷移動がスムーズに行われ、低温環境下においても高い出力特性を発揮することができたものと考えられる。
上述の通り、ここで開示される技術によれば保存特性と出力特性とをより高いレベルで両立することができることが示された。
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
ここで開示される電池はB−オキサラト化合物添加の効果が好適に発揮され、従来に比べ高い電池性能(例えば、耐久性や低温環境下での出力特性)を備えていることを特徴とする。従って、広い温度環境下において高い耐久性や出力特性が要求される用途で好適に用いることができる。かかる用途としては、例えば、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)、電気トラック、原動機付自転車、電動アシスト自転車、電動車いす、電気鉄道等の車両に搭載されるモーター用の動力源(駆動用電源)を挙げることができる。
1 自動車(車両)
10 正極シート(正極)
12 正極集電体
14 正極合材層
20 負極シート(負極)
22 負極集電体
24 負極合材層
40A、40B セパレータシート(セパレータ)
50 電池ケース
52 ケース本体
54 蓋体
70 正極端子
72 負極端子
80 捲回電極体
100 非水電解質二次電池
110 冷却板
120 エンドプレート
130 拘束バンド
140 接続部材
150 スペーサ部材
155 ビス
200 組電池

Claims (12)

  1. 正極活物質を有する正極と負極活物質を有する負極とが対向してなる電極体と、
    非水電解質と、
    ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物と、
    が電池ケース内に収容された非水電解質二次電池であって、
    前記負極活物質の表面には、前記オキサラト錯体化合物由来のホウ素(B)原子を含有する被膜が形成されており、
    前記負極活物質の表面において、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP‐AES)に基づき測定されるホウ素(B)原子の量B(μg/cm)と、X線吸収微細構造解析(XAFS)に基づき測定される3配位のホウ素(B)原子の強度Bと、の関係が、0.5≦B/B≦1.0であることを特徴とする、非水電解質二次電池。
  2. 前記ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物の添加量は、前記負極活物質に対して3μmol/g以上200μmol/g以下である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
  3. 前記ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物は、リチウムビス(オキサラト)ボレートである、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
  4. 前記負極活物質は粒子状であり、該粒子状負極活物質のBET法に基づく比表面積は、1m/g以上10m/g以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
  5. 非水電解質二次電池を製造する方法であって:
    正極活物質を有する正極と負極活物質を有する負極とが対向してなる電極体と、非水電解質と、ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物と、を電池ケース内に収容して電池を構築すること;および
    前記正極と前記負極の間の電圧が所定の値となるよう充電処理を行い、前記負極活物質の表面に前記オキサラト錯体化合物由来のホウ素(B)原子を含有する被膜を形成すること;
    を包含し、
    ここで、前記充電処理は、充電レートを1.5C以上5C以下に設定する、非水電解質二次電池の製造方法。
  6. 前記ホウ素(B)原子を有するオキサラト錯体化合物の添加量を、前記負極活物質に対して3μmol/g以上200μmol/g以下に設定する、請求項5に記載の製造方法。
  7. 前記オキサラト錯体化合物として、少なくともリチウムビス(オキサラト)ボレートを用いる、請求項5または6に記載の製造方法。
  8. 前記負極活物質として、BET法に基づく比表面積が1m/g以上10m/g以下の粒子状のものを用いる、請求項5から7のいずれか一項に記載の製造方法。
  9. 前記充電処理は、
    前記充電レートの範囲内で設定される所定の充電レートで一定時間充電する、第1充電処理;および
    前記第1充電処理よりも高い充電レートで所定の電圧まで充電する、第2充電処理;
    を包含する、請求項5から8のいずれか一項に記載の製造方法。
  10. 前記第2充電処理の充電レートは、前記第1充電処理の充電レートの1.5倍以上3倍以下の値に設定する、請求項9に記載の製造方法。
  11. 請求項1から4のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池を複数個組み合わせた組電池。
  12. 請求項11に記載の組電池を駆動用電源として備える車両。
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