JP5951402B2 - 非水電解質二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。
近年、例えば電気自動車やハイブリッドカーなどにも非水電解質二次電池を用いる試みがなされている。このような用途においては、高出力であることに加えて、長寿命であることが強く要求される。
例えば特許文献１には、非水電解質二次電池の非水電解質にリチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）を添加することにより、非水電解質二次電池のサイクル寿命を改善できることが記載されている。
本発明者らは、鋭意研究した結果、非水電解質二次電池の非水電解質にＬｉＢＯＢを添加した場合、サイクル寿命は改善されるものの、外部からの衝撃による電池圧壊などの異常時に、電池内部が発熱しやすくなることを見出した。その結果、本発明を成すに至った。
本発明の主な目的は、上記のような異常時においても電池内部の発熱が抑制された非水電解質二次電池を提供することにある。
本発明に係る非水電解質二次電池は、電極体と、非水電解質と、容器と、配線材とを備える。電極体は、正極と、負極と、セパレータとを有する。負極は、正極と対向している。セパレータは、正極と負極との間に配されている。非水電解質は、リチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）を含む。容器は、電極体及び非水電解質を収納している。容器には、端子が設けられている。配線材は、端子と電極体とを接続している。配線材の横断面積が、１．５ｍｍ２以上である。
本発明によれば、外部からの衝撃による電池圧壊などの異常時においても電池内部が発熱しにくい非水電解質二次電池を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
図１に示される非水電解質二次電池１は、角形の非水電解質二次電池である。非水電解質二次電池１は、どのような用途にも使用可能であるが、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に好適に用いられる。非水電解質二次電池１の容量は、通常、５Ａｈ〜５０Ａｈである。
非水電解質二次電池１は、図１〜図４に示される容器１０と、図２〜図５に示される電極体２０とを有する。
図５に示されるように、電極体２０は、正極２１と、負極２２と、セパレータ２３とを有する。正極２１と負極２２とは対向している。正極２１と負極２２との間には、セパレータ２３が配されている。正極２１と負極２２とセパレータ２３とは、巻回された後に、プレスされて扁平形状とされている。すなわち、電極体２０は、正極２１、負極２２及びセパレータ２３の扁平状の巻回体によって構成されている。
正極２１は、正極集電体２１ａと、正極活物質層２１ｂとを有する。正極集電体２１ａは、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などにより構成することができる。正極集電体２１ａの厚みは、例えば、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であることが好ましく、０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であることがより好ましい。正極活物質層２１ｂは、正極集電体２１ａの少なくとも一方の表面上に設けられている。正極活物質層２１ｂは、正極活物質を含む。好ましく用いられる正極活物質としては、例えば、コバルト、ニッケル及びマンガンのうちの少なくとも一種を含むリチウム酸化物等が挙げられる。コバルト、ニッケル及びマンガンのうちの少なくとも一種を含むリチウム酸化物の具体例としては、例えば、リチウム含有ニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２、ｘ+ｙ+ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、またはこれらの酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換した化合物等のリチウム含有遷移金属複合酸化物等が挙げられる。なかでも、リチウム含有ニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２、ｘ+ｙ+ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）、またはこれらの酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換した化合物等のリチウム含有遷移金属複合酸化物が正極活物質としてより好ましく用いられる。正極活物質層２１ｂは、正極活物質に加え、例えば導電材やバインダーなどの他の成分を適宜含んでいてもよい。
負極２２は、負極集電体２２ａと、負極活物質層２２ｂとを有する。負極集電体２２ａは、例えば、銅や銅合金などにより構成することができる。負極集電体２２ａの厚みは、例えば、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であることが好ましく、０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であることがより好ましい。負極活物質層２２ｂは、負極集電体２２ａの少なくとも一方の表面上に設けられている。負極集電体２２ａは、負極活物質を含む。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出できるものであれば特に限定されない。好ましく用いられる負極活物質としては、例えば、炭素材料、リチウムと合金化する材料、酸化スズなどの金属酸化物などが挙げられる。炭素材料の具体例としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維（ＭＣＦ）、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、コークス、ハードカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。リチウムと合金化する材料としては、例えば、ケイ素、ゲルマニウム、スズ及びアルミニウムからなる群から選ばれた１種以上の金属、またはケイ素、ゲルマニウム、スズ及びアルミニウムからなる群から選ばれた１種以上の金属を含む合金からなるものが挙げられる。なかでも、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維（ＭＣＦ）が負極活物質として好ましく用いられる。負極活物質層２２ｂは、負極活物質に加え、例えば導電材やバインダーなどの他の成分を適宜含んでいてもよい。
セパレータは、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂からなる多孔質シートなどにより構成することができる。
電極体２０は、容器１０内に収納されている。容器１０内には、非水電解質も収納されている。非水電解質は、溶質として、リチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）を含む。非水電解質におけるＬｉＢＯＢの含有量は０．０５ｍｏｌ／Ｌ〜０．２０ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、０．１０ｍｏｌ／Ｌ〜０．１８ ｍｏｌ／Ｌであることがより好ましい。なお、ＬｉＢＯＢの好ましい含有量の範囲は、組立後かつ初回充電前の非水電解質二次電池中の非水電解質を基準としたものである。このような基準を設けたのは、ＬｉＢＯＢを含む非水電解質二次電池を充電すると、その含有量が徐々に低下してしまうためである。
非水電解質は、溶質として、ＬｉＢＯＢに加え、例えば、ＬｉＸＦｙ（式中、Ｘは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂ、Ｂｉ、Ａｌ、ＧａまたはＩｎであり、ＸがＰ、ＡｓまたはＳｂのときｙは６であり、ＸがＢ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｇａ、またはＩｎのときｙは４である）、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドＬｉＮ（ＣｍＦ２ｍ＋１ＳＯ２）（ＣｎＦ２ｎ＋１ＳＯ２）（式中、ｍ及びｎはそれぞれ独立して１〜４の整数である）、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドＬｉＣ（ＣｐＦ２ｐ＋１ＳＯ２）（ＣｑＦ２ｑ＋１ＳＯ２）（ＣｒＦ２ｒ＋１ＳＯ２）（式中、ｐ、ｑ及びｒはそれぞれ独立して１〜４の整数である）、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣｌＯ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０、及びＬｉ２Ｂ１２Ｃｌ１２などが挙げられる。溶質としては、これらの中でも、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）３などのうちの少なくとも一種を含んでいてもよい。非水電解質は、溶媒として、例えば、環状カーボネート、鎖状カーボネートまたは環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒などを含んでいてもよい。環状カーボネートの具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどが挙げられる。鎖状カーボネートの具体例としては、例えば、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどが挙げられる。
容器１０は、容器本体１１と、封口板１２とを有する。容器本体１１は、一方側の端部が閉口された矩形管状に設けられている。容器本体１１は、開口を有する。この開口は、封口板１２により塞がれている。これにより、直方体状の内部空間が区画形成されている。この内部空間に電極体２０及び非水電解質が収容されている。
封口板１２には、正極端子１３と、負極端子１４とが取り付けられている。正極端子１３及び負極端子１４のそれぞれと、封口板１２とは図示しない絶縁材によって電気的に絶縁されている。
図２及び図４に示されるように、正極端子１３は、正極配線材１５によって、正極２１の正極集電体２１ａと電気的に接続されている。正極配線材１５は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などにより構成することができる。図２及び図３に示されるように、負極端子１４は、負極配線材１６によって、負極２２の負極集電体２２ａと電気的に接続されている。負極配線材１６は、例えば、銅や銅合金などにより構成することができる。
正極配線材１５と、負極配線材１６とは、例えば、図６に示す配線材１７によって構成することができる。配線材１７は、少なくとも一つの第１の部分１７ａと、第２の部分１７ｂとを有する。第１の部分１７ａは、溶接などにより、正極集電体２１ａまたは負極集電体２２ａにより接合されることで、正極２１または負極２２に電気的に接続されている。本実施形態では、第１の部分１７ａが２つ設けられており、これら２つの第１の部分１７ａによって電極体２０が挟持されている。
第１の部分１７ａは、第２の部分１７ｂに電気的に接続されている。第２の部分１７ｂは、電極体２０よりも封口板１２側に配されている。この第２の部分１７ｂが、正極端子１３または負極端子１４に電気的に接続されている。具体的には、正極配線材１５を構成している配線材１７の第２の部分１７ｂが正極端子１３に電気的に接続されている。負極配線材１６を構成している配線材１７の第２の部分１７ｂが負極端子１４に電気的に接続されている。
配線材の横断面積は、非水電解質二次電池の容量等に応じて適宜設定される。通常、配線材の横断面積は、配線材により大きな電力ロスが生じないような値に設定される。この観点からは、配線材の横断面積は十分に大きいことが好ましいと考えられる。しかしながら、配線材の横断面積を大きくしすぎると、配線材が大型化すると共に重くなる。よって、非水電解質二次電池が大型化すると共に重くなる。従って、配線材は、配線材により大きな電力ロスが生じない範囲において、極力細く、小型に設計される。
例えば、本実施形態の非水電解質二次電池１のように、電池容量が５〜５０Ａｈであるような場合には、配線材の横断面積は、１．５〜１０ｍｍ２程度とするのが一般的である。
上述のように、非水電解質二次電池１においては、非水電解質がＬｉＢＯＢを含む。このため、改善されたサイクル寿命を実現することができる。しかしながら、本発明者らが鋭意研究した結果、非水電解質がＬｉＢＯＢを含む非水電解質二次電池は、外部からの衝撃による電池圧壊などの異常時に電池内部が発熱しやすいことが見出された。これは、上記のような異常時に電極体２０が加熱されることとなり、一定温度を超えるとＬｉＢＯＢに由来する反応生成物が新たな発熱反応が生じてしまうことが原因であると推察される。ここで、非水電解質二次電池１では、配線材１７の横断面積（詳細には、配線材１７の集電体２１ａ、２２ａと接続された部分と、端子１３，１４と接続された部分とを接続している接続部の最も細い部分の横断面積）が、１．５ｍｍ２以上である。このため、電極体２０の熱は、配線材１７及び容器１０を経由して発散しやすい。つまり上記のような異常時において、非水電解質二次電池１の電極体２０の温度上昇が抑制されるため、温度上昇に伴って生じる発熱反応を回避することができる。
非水電解質二次電池１がより発熱しにくくする観点からは、配線材１７の横断面積が１．５ｍｍ２以上であることが好ましく、３．０ｍｍ２以上であることがより好ましい。但し、配線材１７の横断面積が大きすぎると、非水電解質二次電池１が大型化しすぎたり、非水電解質二次電池１の重量が増大しすぎたりする場合がある。従って、配線材１７の横断面積は、１０ｍｍ２以下であることが好ましく、７ｍｍ２以下であることがより好ましい。同様に、配線材１７の厚みは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、０．６ｍｍ以上であることがより好ましい。配線材１７の厚みは、１．５ｍｍ以下であることが好ましく、１．０ｍｍ以下であることがより好ましい。
また、非水電解質二次電池１がより発熱しにくくする観点からは、配線材１７の熱伝導率が、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。
なお、上記構成によれば非水電解質二次電池が低温環境下に曝された場合、電池内部の温度も低下しやすくなるため、出力特性が低下してしまう。低温環境下においても出力特性の低下を抑制するために、非水電解質はジフルオロリン酸リチウムを含むことが好ましい。非水電解質におけるジフルオロリン酸リチウムの含有量は０．０１ｍｏｌ／Ｌ〜０．２０ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、０．０３ｍｏｌ／Ｌ〜０．１０ｍｏｌ／Ｌであることがより好ましい。ジフルオロリン酸リチウムの好ましい含有量の範囲は、組立後かつ初回充電前の非水電解質二次電池中の非水電解質を基準としたものである。このような基準を設けたのは、ジフルオロリン酸リチウムを含む非水電解質二次電池を充電すると、その含有量が徐々に低下してしまうためである。
ＬｉＢＯＢは、非水電解質二次電池を組み立てた直後において、電解液中に存在していればよい。例えば、組み立て後に充放電を行った後においては、ＬｉＢＯＢは、ＬｉＢＯＢの変成体として存在している場合もある。また、ＬｉＢＯＢまたはＬｉＢＯＢの変成体の少なくとも一部が負極活物質層上に存在している場合もある。そのような場合も、本発明の技術的範囲に含まれる。
１…非水電解質二次電池
１０…容器
１１…容器本体
１２…封口板
１３…正極端子
１４…負極端子
１５…正極配線材
１６…負極配線材
１７…配線材
１７ａ…第１の部分
１７ｂ…第２の部分
２０…電極体
２１…正極
２１ａ…正極集電体
２１ｂ…正極活物質層
２２…負極
２２ａ…負極集電体
２２ｂ…負極活物質層
２３…セパレータ
１０…容器
１１…容器本体
１２…封口板
１３…正極端子
１４…負極端子
１５…正極配線材
１６…負極配線材
１７…配線材
１７ａ…第１の部分
１７ｂ…第２の部分
２０…電極体
２１…正極
２１ａ…正極集電体
２１ｂ…正極活物質層
２２…負極
２２ａ…負極集電体
２２ｂ…負極活物質層
２３…セパレータ
Claims (4)
- 正極と、前記正極と対向している負極と、前記正極と前記負極との間に配されたセパレータとを有し、前記正極と前記負極と前記セパレータが巻回された扁平状の巻回体である電極体と、
リチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）を含む非水電解質と、
開口を有する角形の容器本体と、正極端子及び負極端子が取り付けられており前記開口を封口する封口板とを含み、前記電極体及び前記非水電解質を収納する容器と、
前記正極端子又は前記負極端子と、前記電極体とを接続している配線材と、
を備え、
前記配線材の横断面積が、３．０ｍｍ２〜１０ｍｍ２であり、
前記配線材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
前記配線材の厚みが、０．５ｍｍ以上であり、
容量が５〜４０Ａｈであり、
前記非水電解質がジフルオロリン酸リチウムを含み、
前記正極は、正極集電体と、前記正極の端部に前記正極集電体の両面に正極活物質層が形成されていない部分が設けられるように前記正極集電体の両面に形成された前記正極活物質層を含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極の端部に前記負極集電体の両面に負極活物質層が形成されていない部分が設けられるように前記負極集電体の両面に形成された前記負極活物質層を含み、
前記正極の端部に設けられた前記正極集電体において前記正極集電体の両面に前記正極活物質層が形成されていない部分が、前記巻回体である電極体の巻回軸が延びる方向における一方の端部側に配置されると共に、前記容器本体において前記封口板に対して垂直に配置され且つ前記封口板の長手方向における一方の端部側に配置される側壁部側に配置され、
前記負極の端部に設けられた前記負極集電体において前記負極集電体の両面に前記負極活物質層が形成されていない部分が、前記巻回体である電極体の巻回軸が延びる方向における他方の端部側に配置されると共に、前記容器本体において前記封口板に対して垂直に配置され且つ前記封口板の長手方向における他方の端部側に配置される側壁部側に配置され、
前記配線材は、前記正極集電体において前記正極活物質層が形成されていない部分、又は、前記負極集電体において前記負極活物質層が形成されていない部分に接続され、
前記配線材は、前記電極体と前記封口板の間で前記正極端子又は前記負極端子に接続されている非水電解質二次電池。 - 正極と、前記正極と対向している負極と、前記正極と前記負極との間に配されたセパレータとを有し、前記正極と前記負極と前記セパレータが巻回された扁平状の巻回体である電極体と、
非水電解質と、
開口を有する角形の容器本体と、正極端子及び負極端子が取り付けられており前記開口を封口する封口板とを含み、前記電極体及び前記非水電解質を収納する容器と、
前記正極端子又は前記負極端子と、前記電極体とを接続している配線材と、
を備え、
前記配線材の横断面積が、３．０ｍｍ２〜１０ｍｍ２であり、
前記配線材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、
前記配線材の厚みが、０．５ｍｍ以上であり、
容量が５〜４０Ａｈであり、
前記正極は、正極集電体と、前記正極の端部に前記正極集電体の両面に正極活物質層が形成されていない部分が設けられるように前記正極集電体の両面に形成された前記正極活物質層を含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極の端部に前記負極集電体の両面に負極活物質層が形成されていない部分が設けられるように前記負極集電体の両面に形成された前記負極活物質層を含み、
前記正極の端部に設けられた前記正極集電体において前記正極集電体の両面に前記正極活物質層が形成されていない部分が、前記巻回体である電極体の巻回軸が延びる方向における一方の端部側に配置されると共に、前記容器本体において前記封口板に対して垂直に配置され且つ前記封口板の長手方向における一方の端部側に配置される側壁部側に配置され、
前記負極の端部に設けられた前記負極集電体において前記負極集電体の両面に前記負極活物質層が形成されていない部分が、前記巻回体である電極体の巻回軸が延びる方向における他方の端部側に配置されると共に、前記容器本体において前記封口板に対して垂直に配置され且つ前記封口板の長手方向における他方の端部側に配置される側壁部側に配置され、
前記配線材は、前記正極集電体において前記正極活物質層が形成されていない部分、又は、前記負極集電体において前記負極活物質層が形成されていない部分に接続され、
前記配線材は、前記電極体と前記封口板の間で前記正極端子又は前記負極端子に接続されている非水電解質二次電池の製造方法であって、
リチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）及びジフルオロリン酸リチウムを含む前記非水電解質を前記容器内に収納する工程を有する非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記非水電解質を前記容器内に収納する工程において、前記非水電解質中のリチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）の含有量が０．０５ｍｏｌ／Ｌ〜０．２０ｍｏｌ／Ｌである請求項２に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記非水電解質を前記容器内に収納する工程において、前記非水電解質中のジフルオロリン酸リチウムの含有量が０．０１ｍｏｌ／Ｌ〜０．２０ｍｏｌ／Ｌである請求項２又は３に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
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