JP6004088B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
負極は、負極集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる。本実施形態の非水電解質二次電池に用いられる負極は、図2のように、負極集電体11の表面に負極活物質層13が長さaの長辺と長さbの短辺とを有する矩形の形状に形成される。
負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料、リチウム合金系負極材料などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、炭素材料またはリチウム−遷移金属複合酸化物が、負極活物質として用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
集電体を構成する材料に特に制限はないが、好適には金属が用いられる。
本実施形態の非水電解質二次電池に用いられる正極は、正極集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる。正極の形状や大きさは特に制限されないが、正極活物質層が、短辺が100mm以上であり、アスペクト比が1〜1.25の形状に形成されることが好ましい。
正極活物質層は正極活物質を含み、必要に応じて、導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。
正極集電体については負極の構成要素である負極集電体として説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。
セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11、12と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
電池外装体29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
本実施形態において、平板積層型の電池の発電要素に掛かる群圧は、0.07〜0.7kgf/cm2(6.86〜68.6kPa)であることが好ましい。平板積層型の電池とすることで巻回型の電池と比較して電極の膨張・収縮に対して残留応力が発生しにくいが、上記範囲であれば、負極活物質層の膨張・収縮に集電体がより追随しやすく、電極が変形しにくい。そのため、集電体と負極活物質層との結着性が確保でき、耐振動性が高い電池が得られうる。より好適には、発電要素に掛かる群圧が0.1〜0.7kgf/cm2(9.80〜68.6kPa)である。ここで、群圧とは、発電要素に付加された外力を指し、発電要素にかかる群圧は、フィルム式圧力分布計測システムを用いて容易に測定することができ、本明細書においてはtekscan社製フィルム式圧力分布計測システムを用いて測定する値を採用する。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
上記非水電解質二次電池またはこれを用いた組電池は、出力特性に優れ、また長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池またはこれを用いた組電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
(正極の作製)
正極活物質としてLiMn2O4(平均粒子径:15μm)85質量%、導電助剤としてアセチレンブラック 5質量%、およびバインダーとしてPVdF 10質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、正極活物質スラリーを作製した。次に、正極活物質スラリーを、集電体であるアルミニウム箔(20μm)の両面に塗布し乾燥させた。その後、片面の正極活物質層の厚さが60μmになるようにプレスを行い、正極を作製した。ここで、片面塗工量(目付)は25mg/cm2とした。
負極活物質としてハードカーボン(平均粒子径:10μm)90質量%、バインダーとしてSBR2質量%、CMC1質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒である水を適量添加して、負極活物質スラリーを作製した。次に、負極スラリーを、集電体である銅箔(200mm×200mm、厚さ20μm)の両面に塗布し乾燥させた。ここで、片面塗工量(目付)は8mg/cm2とした。その後、片面の負極活物質層の厚さが50μmになるようにプレスを行い、負極を作製した。得られた負極活物質層の密度は、1.45g/cm3であった。
エチレンカーボネート(EC)と、ジエチルカーボネート(DEC)とを体積比1:1の配合比で混合した混合溶媒を溶媒とした。また1.0MのLiPF6をリチウム塩とした。さらに上記溶媒と上記リチウム塩との合計100質量%に対して2.0質量%のビニレンカーボネートを添加して電解液を作製した。なお、「1.0MのLiPF6」とは、当該混合溶媒およびリチウム塩の混合物におけるリチウム塩(LiPF6)濃度が1.0Mであるという意味である。
上記で得られた正極および負極をそれぞれ所定の大きさに切断した。この正極と負極をセパレータ(微多孔ポリエチレンフィルム、厚さ15μm)を介して積層し、15層の積層体を作製した。正極および負極それぞれにタブを溶接し、積層体をアルミラミネートフィルムからなる外装材に内包し、積層体の四方の一辺を開放し、その一辺から電解液を注入し、その後真空引きして電解液を注入した一辺を封止した。
(充放電性能試験)
充放電性能試験は、45℃に保持した恒温槽において、電池温度を45℃とした後、性能試験を行った。充電は1Cの電流レートで4.2Vまで定電流充電(CC)し、その後定電圧(CV)で、あわせて2.5時間充電した。その後、10分間休止時間を設けた後、1Cの電流レートで2.5Vまで放電を行い、その後に10分間の休止時間を設けた。これらを1サイクルとし、充放電試験を実施し、初回の放電容量(初期容量)を求めた。
電池の内部抵抗は以下のように測定した。
剥離強度はJISK6854−1(接着剤−はく離接着強さ試験方法−第1部:90度はく離)に準じて測定した。試料は、負極活物質層を塗工し、乾燥、プレスした後の負極を20mm×100mmの大きさに切断して用いた。
負極活物質層を集電体の両面に塗工し、乾燥、プレスした後の負極を用いて、150mm×10mmの大きさの試料を作製した。JIS2280(金属材料の高温ヤング率試験方法)に準じて引張試験機によりヤング率を測定した。
負極活物質層の長辺と短辺との長さの比(長辺/短辺)を下記表1のように変化させて電池を作製し、負極における負極集電体からの負極活物質層の90°剥離強度および直流抵抗を測定した。結果を下記表1および図4に示す。90°剥離強度および直流抵抗の値は、それぞれ実施例1−1および実施例1−3で得られた値を1としたときの相対値として表した。
活物質層の密度:1.45g/cm3
負極のヤング率:1.2GPa。
負極活物質層の水系バインダー含有量を下記のように変化させて電池を作製し、90°剥離強度、直流抵抗および初期容量を測定した。いずれも、水系バインダー中、SBR:CMCの比は2:1(質量比)とした。結果を下記表2および図5に示す。90°剥離強度および初期容量の値は、それぞれ実施例2−2で得られた値を1としたときの相対値として表した。直流抵抗の値は、実施例2−6で得られた値を1としたときの相対値で表した。
負極活物質中のバインダー含有量:3.0質量%
活物質層の密度:1.45g/cm3
負極のヤング率:1.2GPa。
負極のヤング率を下記のように変化させて電池を作製し、90°剥離強度、直流抵抗および初期容量を測定した。結果を下記表3および図6に示す。90°剥離強度および初期容量の値は、それぞれ実施例3−2で得られた値を1としたときの相対値として表した。
直流抵抗の値は相対値で表した。
負極活物質中のバインダー含有量:3.0質量%(SBR:CMC=2:1(質量比))
活物質層の密度:1.45g/cm3。
負極の密度を下記のように変化させて電池を作製し、90°剥離強度、直流抵抗および初期容量を測定した。結果を下記表4および図7に示す。90°剥離強度、直流抵抗、および初期容量の値は、それぞれ、実施例4−4、実施例4−5、および実施例4−2で得られた値を1としたときの相対値として表した。
負極活物質中のバインダー含有量:3.0質量%(SBR:CMC=2:1(質量比))
負極のヤング率:1.2GPa。
2 加圧部材、
3 固定部材、
4 電極タブ、
10 リチウムイオン二次電池、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 セパレータ、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 電池外装材、
a 長辺、
b 短辺。
Claims (4)
- 正極集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる正極と、
負極集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる負極と、
セパレータと、
を含む発電要素を有する平板積層型の非水電解質二次電池であって、
前記負極活物質層が、前記負極活物質層の総質量に対して2〜4質量%の水系バインダーを含み、
前記負極活物質層が長方形状であり、前記長方形の長辺と短辺との長さの比が1〜1.25であり、
前記負極のヤング率が、1.0〜1.4GPaであり、
前記負極活物質層の密度が、1.4〜1.6g/cm3であり、
定格容量に対する電池面積(電池外装体まで含めた電池の投影面積)の比が5cm2/Ah以上であり、かつ、定格容量が3Ah以上である、非水電解質二次電池。 - 前記負極活物質層の短辺の長さが100mm以上である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記水系バインダーは、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、メタクリル酸メチル−ブタジエンゴム、およびメタクリル酸メチルゴムからなる群から選択される少なくとも1つのゴム系バインダーを含む、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記水系バインダーは、スチレン−ブタジエンゴムを含む、請求項3に記載の非水電解質二次電池。
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