JP6065627B2 - リチウムイオン二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器 - Google Patents
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Description
1.二次電池
1−1.円筒型
1−2.ラミネートフィルム型
2.二次電池の用途
2−1.電池パック
2−2.電動車両
2−3.電力貯蔵システム
2−4.電動工具
<1−1.円筒型>
図1および図2は、本技術の一実施形態の二次電池の断面構成を表しており、図2では、図1に示した巻回電極体20の一部を拡大している。
ここで説明する二次電池は、電極反応物質であるLi(リチウムイオン)の吸蔵放出により負極22の容量が得られるリチウムイオン二次電池である。
正極21は、正極集電体21Aの片面または両面に正極活物質層21Bを有している。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルまたはステンレスなどの導電性材料により形成されている。
(MはCo、Mn、Fe、Al、V、Sn、Mg、Ti、Sr、Ca、Zr、Mo、Tc、Ru、Ta、W、Re、Yb、Cu、Zn、Ba、B、Cr、Si、Ga、P、SbおよびNbのうちの少なくとも1種であり、zは0.005<z<0.5を満たす。)
(a〜eは0<a<0.4、0.4<b<1、0≦c<0.4、0≦d<0.4、1.9<e<2.1およびa+b+c+d=1を満たす。)
負極22は、負極集電体22Aの片面または両面に負極活物質層22Bを有している。
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離して、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、合成樹脂またはセラミックなどの多孔質膜であり、2種類以上の多孔質膜が積層された積層膜でもよい。合成樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどである。
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、下記の式(1)で表される不飽和環状炭酸エステルのいずれか1種類または2種類以上(以下、単に「不飽和環状炭酸エステル」という。)を含んでいる。ただし、電解液は、溶媒および電解質塩などの他の材料を含んでいてもよい。
(mおよびnは1以上の整数である。)
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
この二次電池では、例えば、充電時において、正極21から放出されたリチウムイオンが電解液を介して負極22に吸蔵されると共に、放電時において、負極22から放出されたリチウムイオンが電解液を介して正極21に吸蔵される。
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
この円筒型の二次電池によれば、一対の正極21および負極22当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.3V以上であると共に、電解液が不飽和環状炭酸エステルを含んでいる。この場合には、上記したように、充電電圧の上限値が高くても電解液の化学的安定性が維持されるため、高い電池容量が得られると共に電解液の分解反応が抑制される。よって、優れた電池特性を得ることができる。
図3は、本技術の一実施形態の他の二次電池の分解斜視構成を表しており、図4は、図3に示した巻回電極体30のIV−IV線に沿った断面を拡大している。以下では、既に説明した円筒型の二次電池の構成要素を随時引用する。
ここで説明する二次電池は、例えば、いわゆるラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池である。この二次電池では、フィルム状の外装部材40の内部に巻回電極体30が収納されており、その巻回電極体30は、セパレータ35および電解質層36を介して正極33と負極34とが積層されてから巻回されたものである。正極33に正極リード31が取り付けられていると共に、負極34に負極リード32が取り付けられている。この巻回電極体30の最外周部は、保護テープ37により保護されている。
この二次電池では、例えば、充電時において、正極33から放出されたリチウムイオンが電解質層36を介して負極34に吸蔵されると共に、放電時において、負極34から放出されたリチウムイオンが電解質層36を介して正極33に吸蔵される。充電時には、円筒型と同様に、高いエネルギー密度を得るために、一対の正極33および負極34当たりの完全充電状態における開回路電圧(充電電圧の上限値)が4.3V以上となるように設定される。
ゲル状の電解質層36を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の手順により製造される。
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、一対の正極33および負極34当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.3V以上であると共に、電解質層36の電解液が不飽和環状炭酸エステルを含んでいる。よって、円筒型の二次電池と同様の理由により、優れた電池特性を得ることができる。これ以外の作用および効果は、円筒型と同様である。
次に、上記した二次電池の適用例について説明する。
図5は、電池パックのブロック構成を表している。この電池パックは、例えば、プラスチック材料などにより形成された筐体60の内部に、制御部61と、電源62と、スイッチ部63と、電流測定部64と、温度検出部65と、電圧検出部66と、スイッチ制御部67と、メモリ68と、温度検出素子69と、電流検出抵抗70と、正極端子71および負極端子72とを備えている。
図6は、電動車両の一例であるハイブリッド自動車のブロック構成を表している。この電動車両は、例えば、金属製の筐体73の内部に、制御部74と、エンジン75と、電源76と、駆動用のモータ77と、差動装置78と、発電機79と、トランスミッション80およびクラッチ81と、インバータ82,83と、各種センサ84とを備えている。この他、電動車両は、例えば、差動装置78およびトランスミッション80に接続された前輪用駆動軸85および前輪86と、後輪用駆動軸87および後輪88とを備えている。
図7は、電力貯蔵システムのブロック構成を表している。この電力貯蔵システムは、例えば、一般住宅または商業用ビルなどの家屋89の内部に、制御部90と、電源91と、スマートメータ92と、パワーハブ93とを備えている。
図8は、電動工具のブロック構成を表している。この電動工具は、例えば、電動ドリルであり、プラスチック材料などにより形成された工具本体98の内部に、制御部99と、電源100とを備えている。この工具本体98には、例えば、可動部であるドリル部101が稼働(回転)可能に取り付けられている。
以下の手順により、図1および図2に示した円筒型のリチウムイオン二次電池を作製した。
表2に示したように溶媒の組成を変更したことを除き、実験例1−5と同様の手順により二次電池を作製して諸特性を調べた。
表3に示したように電解質塩の組成を変更したことを除き、実験例1−5と同様の手順により二次電池を作製して諸特性を調べた。
表4に示したように正極活物質の種類を変更したことを除き、実験例1−1〜1−20と同様の手順により二次電池を作製して諸特性を調べた。
表5〜表7に示したように、負極活物質として金属系材料(ケイ素)を用いたことを除き、実験例1−1〜1−20、2−1〜2−12,3−1〜3−3と同様の手順により二次電池を作製して諸特性を調べた。
表8および表9に示したように、正極活物質層21Bの厚さ(μm)および体積密度(g/cm3 )を変更したことを除き、実験例1−5,1−17と同様の手順により二次電池を作製して特性(サイクル特性)を調べた。表中の「増加量」とは、不飽和環状炭酸エステルの有無によるサイクル維持率の差異(変動量)である。なお、二次電池の定格容量(mAh)は、正極活物質層21Bの厚さ=80μmにおいて、2400mAh(体積密度=3.5g/cm3 )、2500mAh(体積密度=3.6g/cm3 )、2650mAh(体積密度=3.7g/cm3 )、2700mAh(体積密度=3.8g/cm3 )および2750mAh(体積密度=3.9g/cm3 )である。
表10に示したように、充電電圧(上限値)を変更したことを除き、実験例1−5,1−17等と同様の手順により二次電池を作製して特性(サイクル特性)を調べた。
表11および表12に示したように、負極活物質層22Bの厚さ(μm)および体積密度(g/cm3 )を変更したことを除き、実験例1−5,1−17と同様の手順により二次電池を作製して特性(サイクル特性)を調べた。なお、二次電池の定格容量(mAh)は、負極活物質層22Bの厚さ=50μmにおいて、2050mAh(体積密度=1.4g/cm3 )、2100mAh(体積密度=1.5g/cm3 )、2200mAh(体積密度=1.6g/cm3 )、2350mAh(体積密度=1.7g/cm3 )および2500mAh(体積密度=1.8g/cm3 )である。サイクル特性を調べる場合の手順は、高温環境中(45℃)において2サイクル目〜100サイクル目の充放電を行ったことを除き、実験例8−1〜8−18,9−1〜9−10と同様である。
(1)
正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は、下記の式(1)で表される不飽和環状炭酸エステルを含む、
二次電池。
(2)
前記ハロゲン基はフッ素基、塩素基、臭素基またはヨウ素基であり、
前記1価の炭化水素基、1価のハロゲン化炭化水素基、1価の酸素含有炭化水素基または1価のハロゲン化酸素含有炭化水素基は炭素数=1〜12のアルキル基、炭素数=2〜12のアルケニル基、炭素数=2〜12のアルキニル基、炭素数=6〜18のアリール基、炭素数=3〜18のシクロアルキル基、炭素数=1〜12のアルコキシ基、それらのうちの2つ以上が結合された基、またはそれらのうちの少なくとも一部の水素基がハロゲン基により置換された基である、
上記(1)に記載の二次電池。
(3)
前記不飽和環状炭酸エステルは下記の式(2)または式(3)で表される、
上記(1)または(2)に記載の二次電池。
(4)
前記不飽和環状炭酸エステルは下記の式(1−1)〜式(1−56)で表される、
上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の二次電池。
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%である、
上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の二次電池。
(6)
前記正極は下記の式(21)で表される化合物を含む、
上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の二次電池。
Li1+a Mnb Nic Cod Oe ・・・(21)
(a〜eは0<a<0.4、0.4<b<1、0≦c<0.4、0≦d<0.4、1.9<e<2.1およびa+b+c+d=1を満たす。)
(7)
前記正極は正極活物質層を含み、
前記正極活物質層の厚さは40μm以上である、
上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の二次電池。
(8)
前記負極は負極活物質層を含み、
前記負極活物質層の厚さは20μm以上である、
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の二次電池。
(9)
リチウムイオン二次電池である、
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の二次電池。
(10)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池の使用状態を制御する制御部と、
その制御部の指示に応じて前記二次電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と
を備えた、電池パック。
(11)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
その駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の使用状態を制御する制御部と
を備えた、電動車両。
(12)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備えた、電力貯蔵システム。
(13)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池と、
その二次電池から電力を供給される可動部と
を備えた、電動工具。
(14)
上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の二次電池を電力供給源として備えた、
電子機器。
Claims (8)
- 正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は下記の式(2)および式(3)のそれぞれで表される不飽和環状炭酸エステルのうちの少なくとも一方を含み、
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%であり、
前記正極は正極活物質層を含み、その正極活物質層の厚さは40μm以上であり、
前記負極は負極活物質層を含み、その負極活物質層の厚さは20μm以上である、
リチウムイオン二次電池。
- 前記正極は下記の式(21)で表される化合物を含む、
請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
Li1+a Mnb Nic Cod Oe ・・・(21)
(a〜eは0<a<0.4、0.4<b<1、0≦c<0.4、0≦d<0.4、1.9<e<2.1およびa+b+c+d=1を満たす。) - リチウムイオン二次電池と、
そのリチウムイオン二次電池の使用状態を制御する制御部と、
その制御部の指示に応じて前記リチウムイオン二次電池の使用状態を切り換えるスイッチ部と
を備え、
前記リチウムイオン二次電池は正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は、下記の式(2)および式(3)のそれぞれで表される不飽和環状炭酸エステルのうちの少なくとも一方を含み、
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%であり、
前記正極は正極活物質層を含み、その正極活物質層の厚さは40μm以上であり、
前記負極は負極活物質層を含み、その負極活物質層の厚さは20μm以上である、
電池パック。
- リチウムイオン二次電池と、
そのリチウムイオン二次電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
その駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記リチウムイオン二次電池の使用状態を制御する制御部と
を備え、
前記リチウムイオン二次電池は正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は、下記の式(2)および式(3)のそれぞれで表される不飽和環状炭酸エステルのうちの少なくとも一方を含み、
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%であり、
前記正極は正極活物質層を含み、その正極活物質層の厚さは40μm以上であり、
前記負極は負極活物質層を含み、その負極活物質層の厚さは20μm以上である、
電動車両。
- リチウムイオン二次電池と、
そのリチウムイオン二次電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記リチウムイオン二次電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と
を備え、
前記リチウムイオン二次電池は正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は、下記の式(2)および式(3)のそれぞれで表される不飽和環状炭酸エステルのうちの少なくとも一方を含み、
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%であり、
前記正極は正極活物質層を含み、その正極活物質層の厚さは40μm以上であり、
前記負極は負極活物質層を含み、その負極活物質層の厚さは20μm以上である、
電力貯蔵システム。
- リチウムイオン二次電池と、
そのリチウムイオン二次電池から電力を供給される可動部と
を備え、
前記リチウムイオン二次電池は正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は、下記の式(2)および式(3)のそれぞれで表される不飽和環状炭酸エステルのうちの少なくとも一方を含み、
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%であり、
前記正極は正極活物質層を含み、その正極活物質層の厚さは40μm以上であり、
前記負極は負極活物質層を含み、その負極活物質層の厚さは20μm以上である、
電動工具。
- リチウムイオン二次電池を電力供給源として備え、
前記リチウムイオン二次電池は正極および負極と共に電解液を備え、
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧は4.3V以上であり、
前記電解液は、下記の式(2)および式(3)のそれぞれで表される不飽和環状炭酸エステルのうちの少なくとも一方を含み、
前記電解液中における前記不飽和環状炭酸エステルの含有量は0.01重量%〜10重量%であり、
前記正極は正極活物質層を含み、その正極活物質層の厚さは40μm以上であり、
前記負極は負極活物質層を含み、その負極活物質層の厚さは20μm以上である、
電子機器。
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