JP6634676B2 - Battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電池を特に過充電から保護する機能を備えた電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a battery having a function of protecting a battery, particularly, from overcharging, and a method for manufacturing the battery.
リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、エネルギー密度が高い、自己放電が小さい、長期信頼性に優れる等の利点により、ノート型パソコンや携帯電話などの電池としてすでに実用化されている。しかし、近年では電子機器の高機能化や電気自動車への利用が進み、よりエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が求められている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries have already been put into practical use as batteries for notebook computers and mobile phones due to their advantages such as high energy density, low self-discharge, and excellent long-term reliability. I have. However, in recent years, electronic devices have been improved in functionality and used for electric vehicles, and the development of lithium ion secondary batteries with higher energy density has been demanded.
一方、電池のエネルギー容量やエネルギー密度が高くなるほど、外部からの衝撃や回路の不具合により短絡が生じた際や、過充電状態になった場合、電池の温度上昇が起こる。過充電状態となると、電池が過剰に発熱して、活物質の酸素放出反応や電解液の熱分解反応が生じ、電池はさらに発熱するため、場合によっては、温度制御が不能となる熱暴走に至ることもある。 On the other hand, as the energy capacity or energy density of the battery increases, the temperature of the battery increases when a short circuit occurs due to an external impact or a circuit failure, or when the battery is overcharged. When the battery is overcharged, the battery generates excessive heat, causing an oxygen release reaction of the active material and a thermal decomposition reaction of the electrolytic solution, and the battery further generates heat. It can also lead.
そこで、過充電などによる電池の過剰な温度上昇を抑制するため、従来、様々な提案がなされている。例えば特許文献1(国際公開第2012/172592号)には、電解質中にレドックスシャトル剤を含む電池が記載されている。レドックスシャトル剤は、充電時に正極電位が、レドックスシャトル剤の反応電位を超えると、正極と負極との間で酸化還元反応を繰り返し、過充電電流を消費する。これにより、電池電圧がレドックスシャトル剤の反応電位に依存したある一定値以上となることが抑制され、結果的に過充電が防止される。 Therefore, various proposals have conventionally been made to suppress excessive temperature rise of the battery due to overcharging or the like. For example, Patent Literature 1 (WO 2012/172592) describes a battery including a redox shuttle agent in an electrolyte. When the positive electrode potential exceeds the reaction potential of the redox shuttle agent during charging, the redox shuttle agent repeats an oxidation-reduction reaction between the positive electrode and the negative electrode, and consumes an overcharge current. As a result, the battery voltage is prevented from reaching a certain value or more depending on the reaction potential of the redox shuttle agent, and as a result, overcharging is prevented.
特許文献1に記載の構造は、正負極間の電位差が所定の値を超えることによって酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤を用いており、過充電を効果的に抑制することができる。しかし、レドックスシャトル剤は、電極要素とともに電池ケース内に封入されていることから、電池特性の劣化や内部リーク電流の増加など、電池としての性能に影響を及ぼすおそれがあった。また、適切な酸化還元電位を持つレドックスシャトル剤は限られている。すなわち、電池電位よりも低い電位で作動するレドックスシャトル剤は、利用することが困難であることや、電池電位よりも高い電位で作動するレドックスシャトル剤は、高電位にさらされることからレドックスシャトル剤が劣化するおそれがあり、それに起因して電池性能が劣化するおそれがあるという課題があった。
The structure described in
そこで本発明は、電池としての性能に影響を及ぼすことなく、より確実に過充電を抑制できる電池を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a battery that can more reliably suppress overcharge without affecting the performance of the battery.
本発明の一態様によれば、正極端子および負極端子が接続された電池要素と、
前記正極端子と前記負極端子との間に並列接続された端子間セルと、
を有し、
前記端子間セルは、特定の電位以上で酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤が封入された容器と、
少なくとも一部が前記容器の内部に配置された、前記正極端子に接続された少なくとも1つの第1電極および前記負極端子に接続された少なくとも1つの第2電極と、
を有する電池が提供される。
According to one embodiment of the present invention, a battery element to which a positive electrode terminal and a negative electrode terminal are connected,
An inter-terminal cell connected in parallel between the positive terminal and the negative terminal,
Has,
The inter-terminal cell is a container in which a redox shuttle agent that causes an oxidation-reduction reaction at a specific potential or higher is enclosed,
At least a portion disposed inside the container, at least one first electrode connected to the positive electrode terminal and at least one second electrode connected to the negative electrode terminal;
A battery having:
上記電池において、前記端子間セルに直列接続された、非線形の電流電圧特性を持つ素子をさらに有することが好ましい。 It is preferable that the battery further includes an element having a non-linear current-voltage characteristic, which is connected in series to the inter-terminal cell.
本発明の他の態様によれば、電池要素に正極端子および負極端子を接続する工程と、
特定の電位以上で酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤が封入された容器と、少なくとも一部が前記容器の内部に配置された、前記正極端子に接続された少なくとも1つの第1電極および前記負極端子に接続された少なくとも1つの第2電極と、を有する端子間セルを作製する工程と、
前記端子間セルを前記正極端子と前記負極端子との間に並列接続する工程と、
を有する電池の製造方法が提供される。
According to another aspect of the present invention, a step of connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal to the battery element,
A container enclosing a redox shuttle agent that causes an oxidation-reduction reaction at a specific potential or higher, and at least one first electrode connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal at least partially disposed inside the container; Producing an inter-terminal cell having at least one second electrode connected to:
Connecting the inter-terminal cell in parallel between the positive terminal and the negative terminal,
A method for manufacturing a battery having the following is provided.
本発明によれば、電池の特性に影響を与えることなく、レドックスシャトル剤の反応を利用して電池の過充電を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the overcharge of a battery can be prevented using the reaction of a redox shuttle agent, without affecting the characteristics of a battery.
図1を参照すると、本発明の一実施形態による電池1が模式的に示されている。電池1は、電池要素10と、電池要素10を封止する外装体13と、電池要素10に電気的に接続されて外装体13の外部に延びる正極端子11および負極端子12と、を有している。外装体13は、可撓性を有する外装材、例えばラミネートフィルムで構成され、電池要素10を包囲した状態で外周部を熱溶着することによって電池要素10を封止している。電池要素10は、正極、負極、セパレータおよび電解液を含んで構成され、これら電池要素10、正極端子11、負極端子12および外装体13は、従来の電池と同様に構成することができる。
Referring to FIG. 1, a
電池1は、外装体13の外部に本発明における端子間セルであるレドックスシャトルセル15をさらに有している。レドックスシャトルセル15は、過充電状態にならないように電圧上昇を抑制する働きを有する。ここで、「過充電」とは、通常よりも多く充電をしたことにより電池が過剰に発熱し、場合によっては、温度制御が不能となる熱暴走に至るような状態となることを意味する。
The
レドックスシャトルセル15は、レドックスシャトル剤を封入した容器16と、容器16から延びてそれぞれ正極端子11および負極端子12に電気的に接続された、少なくとも1つの第1電極17aおよび少なくとも1つの第2電極17bを有する。第1電極17aおよび第2電極17bは、それぞれ一部が容器16内にて互いに離れて位置しており、通常は互いに絶縁された状態とされている。ここでいう絶縁された状態とは、該2つの電極が直接接触するなどにより、電子が直接行き来する、いわゆる「短絡」がおきていない状態をさし、レドックスシャトル剤や電解液分子、リチウムイオンなどは電極間電位や濃度差などに応じて比較的自由に行き来できてもよい。レドックスシャトル剤は、正極端子11に接続された第1電極17aの電位が、レドックスシャトル剤の種類に応じた酸化反応における酸化電位以上となると、第1電極17aでの酸化反応が顕著になる。レドックスシャトル剤から生成した反応生成物は、第2電極17bでの還元反応により元の化合物に戻るため、正極と負極との間で酸化還元反応を繰り返す。容器16としては、レドックスシャトル剤を封入することができるものであれば任意であってよく、例えば、電池要素10を封止する外装体13と同様、可撓性を有するラミネートフィルム等から形成することもできるし、缶体とすることもできる。
The
レドックスシャトル剤としては、芳香族化合物、複素環錯体、フェロセン等のメタロセン錯体、Ce化合物、ラジカル化合物などが挙げられる。また、レドックスシャトル剤は一種のみを単独で用いることができ、または二種以上を組み合わせて用いることもできる。 Examples of the redox shuttle agent include an aromatic compound, a heterocyclic complex, a metallocene complex such as ferrocene, a Ce compound, and a radical compound. In addition, as the redox shuttle agent, only one kind can be used alone, or two or more kinds can be used in combination.
具体的な化合物としては、例えば、3,4−ジフルオロアニソール、2,4−ジフルオロアニソール、1−メトキシ−2,3,4,5,6−ペンタフルオロベンゼン、2,3,5,6−テトラフルオロアニソール、4−(トリフルオロメトキシ)アニソール、3,4−ジメトキシベンゾニトリル、1,2,3,4−テトラクロロ−5,6−ジメトキシベンゼン、1,2,4,5−テトラクロロ−3,6−ジメトキシベンゼン4−フルオロ−1,2−ジメトキシベンゼン、4−ブロモ−1,2−ジメトキシベンゼン、2−ブロモ−1,4−ジメチルベンゼン、1−ブロモ−3−フルオロ−4−メトキシベンゼン、2−ブロモ−1,3−ジフルオロ−5−メトキシベンゼン、4,5−ジフルオロ−1,2−ジメトキシベンゼン、2,5−ジフルオロ−1,4−ジメトキシベンゼン、1,2,3,4−テトラクロロ−5,5−ジメトキシシクロペンタジエン、1,2,4−トリメトキシベンゼン、1,2,3−トリメトキシベンゼン、2,5−ジ−tert−ブチル−1,4−ジメトキシベンゼン、4−tert−ブチル−1,2−ジメトキシベンゼン、1,4−ジテトラブチル−2,5−トリフルオロメトキシベンゼン、1,2−ジテトラブチル−4,5−トリフルオロメトキシベンゼン、等の1つ以上の電子吸引性もしくは電子供与性の置換基を有する単素環式化合物;4−クロロ−1,2−メチレンジオキシベンゼン、4−ブロモ−1,2−メチレンジオキシベンゼン、3,4−メチレンジオキシベンゾニトリル、4−ニトロ−1,2−メチレンジオキシベンゼン、2−クロロ−5−メトキシピラジン等の複素環式化合物;ニトロキシルラジカル化合物等のラジカル化合物;硝酸セリウム等のセリウム化合物;フェロセン錯体等のメタロセン錯体;等のうち、1種または2種以上を混合して用いることができる。 Specific compounds include, for example, 3,4-difluoroanisole, 2,4-difluoroanisole, 1-methoxy-2,3,4,5,6-pentafluorobenzene, 2,3,5,6-tetra Fluoroanisole, 4- (trifluoromethoxy) anisole, 3,4-dimethoxybenzonitrile, 1,2,3,4-tetrachloro-5,6-dimethoxybenzene, 1,2,4,5-tetrachloro-3 , 6-Dimethoxybenzene 4-fluoro-1,2-dimethoxybenzene, 4-bromo-1,2-dimethoxybenzene, 2-bromo-1,4-dimethylbenzene, 1-bromo-3-fluoro-4-methoxybenzene , 2-bromo-1,3-difluoro-5-methoxybenzene, 4,5-difluoro-1,2-dimethoxybenzene, 2,5-difluoro -1,4-dimethoxybenzene, 1,2,3,4-tetrachloro-5,5-dimethoxycyclopentadiene, 1,2,4-trimethoxybenzene, 1,2,3-trimethoxybenzene, 2,5 -Di-tert-butyl-1,4-dimethoxybenzene, 4-tert-butyl-1,2-dimethoxybenzene, 1,4-ditetrabutyl-2,5-trifluoromethoxybenzene, 1,2-ditetrabutyl-4, Homocyclic compounds having one or more electron-withdrawing or electron-donating substituents such as 5-trifluoromethoxybenzene; 4-chloro-1,2-methylenedioxybenzene, 4-bromo-1, 2-methylenedioxybenzene, 3,4-methylenedioxybenzonitrile, 4-nitro-1,2-methylenedioxybenzene, 2-chloro-5 A heterocyclic compound such as methoxypyrazine; a radical compound such as a nitroxyl radical compound; a cerium compound such as cerium nitrate; a metallocene complex such as a ferrocene complex; .
レドックスシャトル剤は、非水電解質中に均一に溶解もしくは分散し得る化合物であって、レドックスシャトルセル15にて必要とされる正極の最大電位に応じて適宜選択することができる。これらの化合物は、それぞれ化合物に応じた反応電位をもち、その電位より高くなると酸化反応速度が大幅に増大する。例えば、2,5−ジ−tert−ブチル−1,4−ジメトキシベンゼンは、約3.9V、4−ブロモ−1,2−ジメトキシベンゼンは約4.3V程度の反応電位を有する。
The redox shuttle agent is a compound that can be uniformly dissolved or dispersed in the non-aqueous electrolyte, and can be appropriately selected according to the maximum potential of the positive electrode required in the
定電流での充電時において、電池1の正負極間が高電圧となって、レドックスシャトルセル15の中にあるレドックスシャトル剤が反応電位よりも高い電位に曝された場合、レドックスシャトル剤が反応し、負極との間で酸化還元反応を繰りかえす。その反応量に応じて、電池1に流れる電流が抑制される。
At the time of charging with a constant current, when the voltage between the positive and negative electrodes of the
なお、1つ以上のアルコキシ基を有する芳香族化合物(メトキシベンゼン類やジメトキベンゼン類)は、酸化反応により生じる酸化体の化学的安定性が優れているため、副反応等で電池性能が低下することを抑制し得る。また、ハロゲン原子を有する化合物は、レドックス反応電位が高く、より酸化還元電位の高い正極、すなわちより高エネルギー密度の二次電池に適用することができる Aromatic compounds having one or more alkoxy groups (methoxybenzenes and dimethoxybenzenes) have excellent chemical stability of an oxidant generated by an oxidation reaction, and thus have a reduced battery performance due to a side reaction or the like. Can be suppressed. Further, a compound having a halogen atom has a high redox reaction potential and can be applied to a positive electrode having a higher oxidation-reduction potential, that is, a secondary battery having a higher energy density.
上記のとおり構成された電池1では、電池1の充電中に電池電圧が上昇し、第1電極17aの電位がレドックスシャトル剤の反応電位以上となると、容器16内の第1電極17aと第2電極17bとの間で酸化還元反応を繰り返す。それにより、レドックスシャトルセル15の最大許容電流を超えない限り、容器16の両端の電極間(第1電極17aと第2電極17bとの間)の電圧を略一定に保つことができる。その際、レドックスシャトルセル15には電流が流れて、消費されるので、正極端子11と負極端子12間の電圧がレドックスシャトル剤の反応電位に依存したある一定値以上となることが抑制され、結果的に電池1の過充電が防止される。なお、最大許容電流とは、レドックスシャトルセル15に電流を流した場合に、第1電極17aと第2電極17bとの間の電圧が、時間軸上でほぼ一定値に収束しその電圧を保つことができる電流の最大値である。
In the
電池1の充電中、レドックスシャトルセル15内においてレドックスシャトル剤による酸化還元反応が生じているかどうかは、電池1を前記最大許容電流以下の電流にて充電し続けた場合でもレドックスシャトル剤の反応電位に応じたある一定の電圧よりも上昇しなくなることで確認することができる。具体的には、横軸を時間、縦軸を電池1の電圧としたグラフを描いたときに、描かれた電圧上昇カーブが横軸と平行になり、その状態が続けば、それはレドックスシャトルセル15内においてレドックスシャトル剤による酸化還元反応が生じていると考えてよい。電解液の分解が始まった場合も、電圧上昇が一旦止まる可能性があるが、この場合は、電解液の分解によってガスが発生したり、電解液の分解生成物が電極表面に付着したりするので、セル体積の増加や内部抵抗の増加が急激に起こる。よって、レドックスシャトル剤による酸化還元反応と電解液の分解による現象は区別ができる。したがって、充電を続けていても電池1の電圧が上昇しないという現象は、電池1の充電中における、レドックスシャトル剤による酸化還元反応が繰り返されることにより生じる特有の現象である。
Whether the oxidation-reduction reaction by the redox shuttle agent has occurred in the
ただし、電池要素10を充電する際の充電電流が大きい場合、レドックスシャトル剤が酸化還元反応を生じていても電圧の上昇がゼロにならないこともある。このように電圧の上昇が見られる場合は、レドックスシャトルセル15が電池1の正極端子11および負極端子12に接続された状態と、レドックスシャトルセル15を取り外した状態とで、電圧上昇カーブを比較すればよい。レドックスシャトル剤による酸化還元反応が生じている場合は、両者で電圧上昇カーブに違いが見られる。具体的には、レドックスシャトル剤による酸化還元反応が生じている場合は、レドックスシャトルセル15が接続された状態のほうが、電圧の上昇割合が小さい。
However, when the charging current when charging the
以上説明したように、正極端子11と負極端子12との間に、レドックスシャトル剤を含有するレドックスシャトルセル15を接続することで、電池1の過充電を防止することができる。しかも、レドックスシャトルセル15は、電池要素10を封止している外装体13の外側に設けられており、電池要素10とレドックスシャトル剤とが隔離されている。よって、電池要素10を構成する正極、負極、セパレータおよび電解液がレドックスシャトル剤の影響を受けることがないので、レドックスシャトル剤による電池特性の劣化は生じない。
As described above, by connecting the
レドックスシャトルセル15は、レドックスシャトル剤が酸化還元反応を繰り返し、電流を消費することで熱を発生する。この発熱を利用して、電池1が、レドックスシャトル剤の電流消費能力を超えてまで充電された場合、熱により正極端子11と負極端子12との間を短絡させ、電池1のエネルギーを放出させるようにレドックスシャトルセル15を構成することもできる。
The
図2に、そのようなレドックスシャトルセル15の一例を示す。図2に示すレドックスシャトルセル15は、容器16内に収容された絶縁部材19をさらに有する。第1電極17aおよび第2電極17bは、容器16内において互いに一部が重なり合う位置関係で対向配置されている。絶縁部材19は、シート状の部材であり、第1電極17aと第2電極17bとの間に配置されることで、両電極間を絶縁している。絶縁部材19の端部19aは容器16に固定されている。絶縁部材19は、熱収縮性または熱溶融性を持っており、容器18内に封入されているレドックスシャトル剤が酸化還元反応を繰り返すことにより発生する熱により収縮または溶融し、その収縮または溶融によって第1電極17aと第2電極17bとの間を短絡させることができる。第1電極17aと第2電極17bとの間でのレドックスシャトル剤の酸化還元反応を良好に生じさせるためには、絶縁部材19は、レドックスシャトル剤を含浸することなどによって保持できるものであることが好ましい。そのような絶縁部材19としては、電池要素10に用いられるセパレータと同様の構成を有するフィルム、例えば微多孔フィルムを用いることができる。
FIG. 2 shows an example of such a
絶縁部材19として、電池用セパレータと同様の微多孔フィルムの他に、レドックスシャトル剤がレドックスシャトルセル電極17の間を移動できるように、熱収縮性フィルムに穴やスリットを設けたものが使用できる。熱収縮性フィルムとしては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラートなどの、ガラス転移温度以上で延伸したフィルムを用いることができる。
As the insulating
あるいは、絶縁部材19として、所定の温度以上で引き延ばし、ひずみを保ったまま冷却することで形状を固定した、形状記憶ポリマーのフィルムを用いることができる。形状記憶ポリマーを再度加熱すると、引き伸ばし前の形状が復元される。形状記憶ポリマーのフィルムには、レドックスシャトル剤が第1電極17aと第2電極17bとの間を移動できるように、穴やスリットを設ける。形状記憶ポリマーは、引き延ばした形状に関わらずに元の形状に回復するので、延伸したフィルムと比べて、絶縁部材19と第1電極17a、第2電極17bとの位置関係を高い自由度で設計できる。形状記憶ポリマーには、ポリエステル、ポリウレタン、ポリイソプレン、スチレン‐ブタジエン共重合体、などによるものが開発されている。
Alternatively, as the insulating
形状記憶ポリマーを本発明に用いる場合、加熱された時に形状が復元する温度が、電池の上限使用温度よりも高く、かつ、電池部材の耐熱温度、特に、セパレータの耐熱温度よりも低いことが好ましく、具体的には90℃以上150℃以下が好ましい。例えば、特許第5522513号に、形状復元温度が90℃以上の形状記憶ポリマー材料が示されている。 When a shape memory polymer is used in the present invention, the temperature at which the shape is restored when heated is higher than the upper limit operating temperature of the battery, and the heat resistant temperature of the battery member, particularly, preferably lower than the heat resistant temperature of the separator. Specifically, the temperature is preferably from 90 ° C to 150 ° C. For example, Japanese Patent No. 5522513 discloses a shape memory polymer material having a shape recovery temperature of 90 ° C. or higher.
絶縁部材19はフィルム形状に限られない。例えば、対向する第1電極17aと第2電極17bとの間に配置した熱可塑性絶縁材料からなる複数の粒を絶縁部材19とすることもできる。これらの粒は、第1電極17aと第2電極17bとが互いに接触しないように両電極間の間隔を維持するスペーサとして働き、第1電極17aと第2電極17bとを絶縁する。レドックスシャトル剤は、粒の間を通って第1電極17aと第2電極17bとの間を移動できる。レドックスシャトル剤が酸化還元反応を繰り返すことで発生した熱により絶縁部材19である粒が加熱され、変形して高さが減ることによって、第1電極17aと第2電極17bとを短絡させることができる。
The insulating
絶縁部材19である粒は、電池が熱暴走する前に第1電極17aと第2電極17bとが短絡するように、90℃以上150℃以下の軟化点または融点を持つことが好ましい。絶縁部材19である粒として、例えば、ポリエチレンが使用できる。
The particles of the insulating
絶縁部材19である粒は、球状に限らず、多面体でも構わない。粒径は、確実な絶縁を保てるように、20μm以上が好ましい。また、大きな粒を用いると、第1電極17aと第2電極17bとの距離が大きくなって、後述するレドックスシャトル剤の酸化還元反応による発熱が減るため、粒径は0.1mm以下が好ましい。
The particles serving as the insulating
絶縁部材19である粒の変形により第1電極17aと第2電極17bとをより良好に短絡させるためには、第1電極17aと第2電極17bとの対向面の少なくとも一方が少なくとも1つの凸部を有し、粒が凸部以外の場所に配置されることが好ましい。第1電極17aおよび第2電極17bの少なくとも一方が凸部を有することにより、粒の高さがその凸部の高さ以下の高さになるまで変形すると、凸部が形成された箇所で第1電極17aと第2電極17bとを短絡させることができる。凸部の高さは、熱可塑性絶縁材料の粒が熱で軟化、変形したときに所定の温度で第1電極17aと第2電極17bとが接触するように、熱可塑性絶縁材料の粒の高さとの関係に応じて設定されるが、凸部が高くなると対向する第1電極17aと第2電極17bとの平均間隔が大きくなって、後述するレドックスシャトル剤の酸化還元反応による発熱が減るため、0.1mm未満が好ましい。
In order to better short-circuit the
上記のように構成されたレドックスシャトルセル15によれば、レドックスシャトル剤により、過剰に充電された場合の電圧上昇を抑制し、かつ、充電エネルギーを熱エネルギーとして利用することで、電池要素10に含まれる活物質が過充電状態になる前に正極端子11と負極端子12とを短絡させることができる。それによって、電池要素10に蓄えられたエネルギーを放出させることができる。その結果、過度の発熱による発火や、電解液の気化に伴う外装体13の内圧上昇による電池1の破裂を生じにくくすることができる。
According to the
また、電池1の周囲の温度が上昇した際にも正極端子11と負極端子12とを短絡させることができるので、電池1が高温に晒される条件下においても、電池要素10のエネルギーを放出させることができる。結果として、電池1の熱暴走を生じにくくすることができる。
Further, even when the temperature around the
端子間の短絡機能を有するレドックスシャトルセル15においては、正極端子11と負極端子12との間に電気抵抗成分を有することが好ましい。レドックスシャトルセル15を流れる最大電流が、該レドックスシャトルセル15の持つ最大許容電流よりも小さくなるようにした場合において、電気抵抗成分の大きさを適宜設定することで、正極端子11と負極端子12間の最大電圧値、すなわち電池電圧の上限値を設定することができる。例えば、充電時の電流−電圧特性を、横軸を電圧、縦軸を電流としたグラフで表したとき、電気抵抗成分の値が小さいほど、グラフの傾きは大きくなる。よって、一定の電流値で充電する場合、電気抵抗成分の値をより小さくすれば最大電圧値はより小さくなり、電気抵抗成分の値をより大きくすれば最大電圧値はより大きくなる。
In the
また特に、レドックスシャトルセル15が絶縁部材19を備えている場合、絶縁部材19が熱収縮または熱溶融することによって生じる短絡経路中に電気抵抗成分を有することが好ましい。短絡経路中に電気抵抗成分を有することにより、短絡により電池要素10から放電される電流が過大にならないように制限することができる。電気抵抗成分は、第1電極17aおよび第2電極17bの少なくとも一方の表面に抵抗体を形成することによって付与することもできるし、第1電極17aおよび第2電極17bの少なくとも一方に抵抗体を直列接続することによって付与することもできる。
In particular, when the
図3に、図1に示すレドックスシャトルセル15が抵抗成分20を有する場合の等価回路を示す。図3において、直流電源が電池要素10に相当し、スイッチが第1電極17a、第2電極17bおよび絶縁部材19の組み合わせに相当する。
FIG. 3 shows an equivalent circuit when the
レドックスシャトルセル15には、非線形の電流電圧特性(IV特性)を持つ素子を直列接続することができる。その場合の等価回路図を図4に示す。
An element having a non-linear current-voltage characteristic (IV characteristic) can be connected in series to the
図4に示すレドックスシャトルセル15は、前述した第1電極17a、第2電極17b(場合によってはさらに絶縁部材19)および抵抗成分20に加えて、非線形のIV特性を持つ素子21が、これらに直列接続されている。そのような素子21としては、例えば、ダイオード、ツェナーダイオード、バリスタなど、非線形のIV特性を持つ任意の素子を用いることができる。また、素子21の数は任意であってよく、1つであってもよいし必要に応じて複数を直列に配置、あるいは、並列に配置することができる。
The
このように、非線形のIV特性を持つ素子21をレドックスシャトルセル15に接続することで、レドックスシャトル剤の酸化還元反応を、レドックスシャトル剤の持つ反応電位とは異なる電圧で生じさせることができる。よって、この素子21は、動作電圧調整素子ということもできる。このことは、例えば、反応電位が3.8Vのレドックスシャトル剤を用いた場合であっても、それよりも高い、例えば4.3V以上といった比較的高い電圧で動作する回路を構成することができることを意味する。これにより、様々な駆動電圧の電池に対応することが可能となり、また、レドックスシャトル剤の材料選択の自由度が高くなる。さらに、酸化還元電位が高いレドックスシャトル剤は劣化し易い傾向があるため、低い酸化還元電位を有するレドックスシャトル剤を使用できるということは、レドックスシャトルセル15の高寿命化の点でも有利である。
By connecting the
使用する素子21の特性は、目的とする動作電圧および回路を流れる電流の大きさなどに応じて決定することができる。例えば、素子21の特性として重要なことの一つは、想定している充電電流で動作可能なことである。また、素子21は、非線形性が高いこと、すなわち、IV特性が変化するある電圧(閾値電圧)以下では電流が十分に小さく、かつ、閾値電圧以上では電流が十分に高いことが好ましい。1個の素子21ではIV特性が変化する閾値電圧以上において十分な電流が得られない場合は、複数の素子21を並列に接続した回路を構成して最大電流を増やすことができる。また、素子21はレドックスシャトルセルに対して直列に接続されることを考慮し、設計に応じて適切な閾値電圧(通常は、1.5V程度以下)で動作するものを選択することが好ましい。また、必要に応じて素子21を複数直列に接続し、閾値電圧を高くすることができる。また、通常動作時でのリーク電流を小さくするためには、素子21は、閾値電圧以下でのリーク電流が小さいことが求められる。
The characteristics of the
以下に、レドックスシャトルセルに動作電圧調整素子としてダイオードを直列接続した場合の動作シミュレーション結果を説明する。 An operation simulation result when a diode is connected in series as an operating voltage adjusting element to the redox shuttle cell will be described below.
シミュレーションには、図4に示す、レドックスシャトルセル15と、2つの素子(ダイオード)21と、抵抗成分20とが直列に接続された回路を想定した。レドックスシャトルセル15は、図5に示すような、動作電圧が3.8Vの理想的なレドックスシャトルセルを仮定した。素子(ダイオード)21は、図6に示すIV特性を持つと仮定した。抵抗成分20の抵抗値は50mΩとした。
In the simulation, a circuit shown in FIG. 4 in which a
シミュレーションでは、共通の電流値での電圧降下を上記の各特性から算出し、回路全体での電圧を求め、この計算を、電流値を変化させて繰り返し、これによって、図4に示す回路における電流−電圧特性を算出した。算出した電流−電圧特性を図7のグラフに示す。図7の(A)は、算出結果全体を示し、図7の(B)は、電流値が1A付近までの算出結果を、縦軸のスケールを拡大して示している。なお、算出に際しては、回路に電流が流れることによる各素子の発熱は考慮していない。 In the simulation, a voltage drop at a common current value is calculated from each of the above characteristics, a voltage in the entire circuit is obtained, and this calculation is repeated while changing the current value, whereby the current in the circuit shown in FIG. -Voltage characteristics were calculated. The calculated current-voltage characteristics are shown in the graph of FIG. FIG. 7A shows the entire calculation result, and FIG. 7B shows the calculation result up to a current value of around 1 A, with the vertical axis scale enlarged. Note that the calculation does not take into account the heat generated by each element due to the current flowing through the circuit.
シミュレーション結果から、動作電圧が3.8Vのレドックスシャトルセルにて、5V前後で作動する回路が得られることがわかる。保護すべき電池に対してどの電圧まで充電されるかは、電池に対する充電電流に応じて決まる。上記のシミュレーションを行った回路の場合、5.86Vで10Aとなるため、10Aで充電していた場合は、5.86V以上に電圧は上がらない。1Aで充電していた場合には、5.2V以上に電圧は上がらないことになる。よって、10Ahの電池セルに上記の回路が並列に接続される場合には、充電時の最大電圧は、1C充電で5.86V、0.1C充電で5.2Vとなる。 The simulation results show that a redox shuttle cell having an operating voltage of 3.8 V can provide a circuit that operates at around 5 V. The voltage to which the battery to be protected is charged depends on the charging current for the battery. In the case of the circuit in which the above simulation is performed, the voltage is 10 A at 5.86 V. Therefore, when the battery is charged at 10 A, the voltage does not increase to 5.86 V or more. When the battery is charged at 1 A, the voltage does not rise to 5.2 V or more. Therefore, when the above-described circuit is connected in parallel to a 10 Ah battery cell, the maximum voltage at the time of charging is 5.86 V at 1 C charging and 5.2 V at 0.1 C charging.
以上、本発明について代表的な形態を挙げて説明した。本発明は、上述した形態に限定されるものではないが、好ましくはリチウムイオン二次電池に適用することができる。また、本発明におけるレドックスシャトルセルは、対となるレドックスシャトルセル電極を絶縁させた状態で対向配置しているという点で電池と共通の構成を有している。よって、本発明におけるレドックスシャトルセルも、以下に述べる二次電池の構成を利用することができる。具体的には、以下に述べる「セパレータ」、「正極集電体/負極集電体」および「外装体」の材料および構成などは、それぞれレドックスシャトルセルの「絶縁部材」、「第1電極/第2電極」および「容器」に利用するすることができる。この場合、レドックスシャトル剤は、以下に述べる「電解液」に含有されることができる。以下の説明から明らかなように、レドックスシャトルセルは、複数の第1電極および複数の第2電極を有することができる。この場合、絶縁部材を介して第1電極と第2電極が対向した構成であれば、第1電極の数と第2電極の数は異なっていてもよい。 The present invention has been described with reference to the typical embodiments. The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be preferably applied to a lithium ion secondary battery. Further, the redox shuttle cell of the present invention has the same configuration as the battery in that the redox shuttle cell paired with the redox shuttle cell is opposed to each other while being insulated. Therefore, the redox shuttle cell in the present invention can also use the configuration of the secondary battery described below. Specifically, the materials and configurations of the “separator”, “positive electrode current collector / negative electrode current collector”, and “exterior body” described below are the “insulating member”, “first electrode / It can be used for the “second electrode” and the “container”. In this case, the redox shuttle agent can be contained in the “electrolyte solution” described below. As will be apparent from the following description, a redox shuttle cell can have a plurality of first electrodes and a plurality of second electrodes. In this case, as long as the first electrode and the second electrode face each other via the insulating member, the number of the first electrodes and the number of the second electrodes may be different.
また、「絶縁部材」を間において対向する「第1電極」および「第2電極」は、それぞれ「正極活物質」および「負極活物質」が塗布されたものとすることもできる。セパレータは、レドックスシャトルセルが短絡機能を有さない場合は、以下に述べる任意のセパレータを使用できるが、熱収縮性または熱溶融性を有し、かつレドックスシャトル剤の酸化還元反応の繰り返しにより発生する熱により収縮または溶融する材料を用いることで、短絡機能を持たせることができる。 Further, the “first electrode” and the “second electrode” that face each other with the “insulating member” therebetween may be coated with a “positive electrode active material” and a “negative electrode active material”, respectively. If the redox shuttle cell does not have a short-circuit function, any of the separators described below can be used.The separator has heat shrinkability or heat fusibility, and is generated by repeated oxidation-reduction reactions of the redox shuttle agent. By using a material that shrinks or melts due to heat generated, a short-circuit function can be provided.
二次電池は、電極の構造や形状等により、円筒型、扁平捲回角型、積層角型、コイン型、扁平捲回ラミネート型および積層ラミネート型等、種々のタイプがある。本発明はこれらの何れのタイプにも適用可能である。これらのうち、本発明が適用される二次電池の形状は、電池要素が発熱したときの放熱性に優れている観点から、積層ラミネート型であることが好ましい。以下、積層ラミネート型の二次電池について説明する。 There are various types of secondary batteries, such as a cylindrical type, a flat wound square type, a laminated square type, a coin type, a flat wound laminated type, and a laminated laminated type, depending on the structure and shape of the electrode. The present invention is applicable to any of these types. Among these, the shape of the secondary battery to which the present invention is applied is preferably a laminate type from the viewpoint of excellent heat dissipation when the battery element generates heat. Hereinafter, the laminated battery of the laminated type will be described.
積層ラミネート型の二次電池は、電池要素と、電池要素を封止した外装体とを有する。図8に示すように、電池要素は、複数の負極aと複数の正極cとを、セパレータbを間に挟んで交互に積層した構成を有することができる。電解液は、これら負極a、正極cおよびセパレータbとともに、外装体内に封止される。負極aは、セパレータbから突き出ている延長部(タブともいう)を有している。延長部は、負極aが有する負極集電体dの正極活物質に覆われていない端部である。正極cも同様、正極cの正極集電体eの正極活物質に覆われていない端部である延長部(タブ)がセパレータbから突き出ている。正極cの延長部と負極aの延長部は、正極cと負極aとを積層したときに互いに干渉しない位置に形成されている。すべての負極aの延長部は一つに集められて、負極端子gに溶接により接続される。正極cも同様に、すべての正極cの延長部が一つに集められて、正極端子fに溶接によって接続される。 A stacked-laminated secondary battery has a battery element and an exterior body that seals the battery element. As shown in FIG. 8, the battery element may have a configuration in which a plurality of negative electrodes a and a plurality of positive electrodes c are alternately stacked with a separator b interposed therebetween. The electrolytic solution is sealed in the package together with the negative electrode a, the positive electrode c, and the separator b. The negative electrode a has an extension (also called a tab) protruding from the separator b. The extension is an end of the negative electrode current collector d of the negative electrode a that is not covered with the positive electrode active material. Similarly, in the positive electrode c, an extension (tab), which is an end of the positive electrode current collector e of the positive electrode c that is not covered with the positive electrode active material, protrudes from the separator b. The extension of the positive electrode c and the extension of the negative electrode a are formed at positions where they do not interfere with each other when the positive electrode c and the negative electrode a are stacked. The extensions of all the negative electrodes a are collected together and connected to the negative electrode terminal g by welding. Similarly, for the positive electrode c, the extensions of all the positive electrodes c are collected together and connected to the positive terminal f by welding.
以下、これらの各要素について、リチウムイオン二次電池を例に挙げて詳細に説明する。 Hereinafter, each of these elements will be described in detail by taking a lithium ion secondary battery as an example.
<セパレータ>
セパレータとしては、有機材料からなるウェブおよびシート、例えば、ポリアミド、ポリイミド、セルロースなどの織布、不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系、ポリアミド、ポリイミド、多孔性ポリフッ化ビニリデン膜等の多孔性ポリマー膜、またはイオン伝導性ポリマー電解質膜等を用いることができる。これらは単独または組み合わせで使用することができる。
<Separator>
Examples of the separator include webs and sheets made of organic materials, for example, woven fabrics of polyamide, polyimide, cellulose, etc., nonwoven fabrics, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyamides, polyimides, and porous polymer films such as porous polyvinylidene fluoride films. Alternatively, an ion-conductive polymer electrolyte membrane or the like can be used. These can be used alone or in combination.
また、セパレータとして、セラミックやガラスなどの無機材料からなるセパレータを使用することもできる。無機セパレータとしては、アルミナ、アルミナ−シリカ、チタン酸カリウム等のセラミック短繊維からなる不織布セパレータ、または、織物、不織布、または多孔質のフィルムからなる基材と耐熱性含窒素芳香族重合体およびセラミック粉末を含む層とからなるセパレータ、または、表面の一部に耐熱層が設けられており、この耐熱層が、セラミック粉末を含有する多孔質薄膜層、耐熱性樹脂の多孔質薄膜層、またはセラミック粉末と耐熱性樹脂の複合体からなる多孔質薄膜層セパレータ、または、セラミック物質の1次粒子の一部が焼結もしくは溶解再結晶結合されてなる2次粒子がバインダーによって結合されてなる多孔膜の層を備えるセパレータ、または、ポリオレフィン多孔質膜から成る基材層と、この基材層の片面又は両面に形成された耐熱絶縁層を備え、この耐熱絶縁層が、耐酸化性セラミックス粒子と耐熱性樹脂を含むセパレータ、または、セラミックス物質とバインダーが結合して形成される多孔性膜を含み、セラミックス物質として、シリカ(SiO2)、アルミナ(Al2O3)、ジルコニウム酸化物(ZrO2)、チタン酸化物(TiO2)、シリコン(Si)の窒化物、アルミニウム(Al)の水酸化物、ジルコニウム(Zr)のアルコキシド化物、チタン(Ti)のケトン化合物を用いたセパレータ、または、ポリマー基材と、このポリマー基材に形成されたAl2O3、MgO、TiO2、Al(OH)3、Mg(OH)2、Ti(OH)4のセラミック含有コーティング層を含むセパレータなどが挙げられる。 In addition, a separator made of an inorganic material such as ceramic or glass can be used as the separator. Examples of the inorganic separator include a nonwoven fabric separator made of ceramic short fibers such as alumina, alumina-silica, and potassium titanate, or a base material made of a woven fabric, a nonwoven fabric, or a porous film, and a heat-resistant nitrogen-containing aromatic polymer and ceramic. A separator comprising a layer containing a powder, or a heat-resistant layer is provided on part of the surface, and the heat-resistant layer is a porous thin film layer containing a ceramic powder, a porous thin film layer of a heat-resistant resin, or a ceramic. A porous thin-film layer separator composed of a composite of powder and heat-resistant resin, or a porous membrane formed by binding secondary particles obtained by sintering or dissolving and recrystallizing a part of primary particles of a ceramic substance with a binder Or a base layer composed of a polyolefin porous membrane, and formed on one or both sides of the base layer With a heat-resistant insulating layer, the heat-resistant insulating layer includes a separator containing oxidation-resistant ceramic particles and a heat-resistant resin, or a porous film formed by combining a ceramic material and a binder, as a ceramic material, Silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), nitride of silicon (Si), hydroxide of aluminum (Al), zirconium (Zr ), A separator using a titanium (Ti) ketone compound, or a polymer substrate, and Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , Al (OH) 3 , Mg ( And a separator including a ceramic-containing coating layer of OH) 2 and Ti (OH) 4 .
<負極>
負極は、金属箔で形成される負極集電体と、負極集電体の両面に塗工された負極活物質とを有する。負極活物質は負極用結着材によって負極集電体を覆うように結着される。負極集電体は、負極端子と接続する延長部を有して形成され、この延長部には負極活物質は塗工されない。
<Negative electrode>
The negative electrode has a negative electrode current collector formed of a metal foil, and a negative electrode active material applied to both surfaces of the negative electrode current collector. The negative electrode active material is bound by a negative electrode binder so as to cover the negative electrode current collector. The negative electrode current collector is formed to have an extension connected to the negative electrode terminal, and the extension is not coated with the negative electrode active material.
本実施形態における負極活物質は、特に制限されるものではなく、例えば、リチウムイオンを吸蔵、放出し得る炭素材料、リチウムと合金可能な金属、およびリチウムイオンを吸蔵、放出し得る金属酸化物等が挙げられる。 The negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, for example, a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, a metal alloyable with lithium, a metal oxide capable of occluding and releasing lithium ions, and the like. Is mentioned.
炭素材料としては、例えば、炭素、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、カーボンナノチューブ、またはこれらの複合物等が挙げられる。ここで、結晶性の高い炭素は、電気伝導性が高く、銅などの金属からなる負極集電体との接着性および電圧平坦性が優れている。一方、結晶性の低い非晶質炭素は、体積膨張が比較的小さいため、負極全体の体積膨張を緩和する効果が高く、かつ結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する劣化が起きにくい。 Examples of the carbon material include carbon, amorphous carbon, diamond-like carbon, carbon nanotube, and a composite thereof. Here, carbon having high crystallinity has high electric conductivity, and has excellent adhesion to a negative electrode current collector made of a metal such as copper and excellent voltage flatness. On the other hand, amorphous carbon having low crystallinity has a relatively small volume expansion, so that the effect of alleviating the volume expansion of the entire negative electrode is high, and deterioration due to non-uniformity such as crystal grain boundaries and defects hardly occurs.
金属としては、例えば、Al、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La、またはこれらの2種以上の合金等が挙げられる。また、これらの金属又は合金は2種以上混合して用いてもよい。また、これらの金属又は合金は1種以上の非金属元素を含んでもよい。 Examples of the metal include Al, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, La, and alloys of two or more of these. These metals or alloys may be used as a mixture of two or more. Also, these metals or alloys may include one or more non-metallic elements.
金属酸化物としては、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化リチウム、またはこれらの複合物等が挙げられる。負極活物質として酸化スズ若しくは酸化シリコンを含むことが好ましく、酸化シリコンを含むことがより好ましい。これは、酸化シリコンは、比較的安定で他の化合物との反応を引き起こしにくいからである。また、その全部または一部がアモルファス構造を有することが好ましい。アモルファス構造は、結晶粒界や欠陥といった不均一性に起因する要素が比較的少ないと考えられる。なお、金属酸化物の全部または一部がアモルファス構造を有することは、エックス線回折測定(一般的なXRD測定)にて確認することができる。具体的には、金属酸化物がアモルファス構造を有しない場合には、金属酸化物に固有のピークが観測されるが、金属酸化物の全部または一部がアモルファス構造を有する場合が、金属酸化物に固有ピークがブロードとなって観測される。 Examples of the metal oxide include silicon oxide, aluminum oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, lithium oxide, and a composite thereof. The negative electrode active material preferably contains tin oxide or silicon oxide, and more preferably contains silicon oxide. This is because silicon oxide is relatively stable and hardly causes a reaction with another compound. Further, it is preferable that all or a part thereof has an amorphous structure. It is considered that the amorphous structure has relatively few elements caused by non-uniformity such as crystal grain boundaries and defects. Note that the whole or part of the metal oxide has an amorphous structure can be confirmed by X-ray diffraction measurement (general XRD measurement). Specifically, when the metal oxide does not have an amorphous structure, a peak specific to the metal oxide is observed. However, when all or a part of the metal oxide has an amorphous structure, , A broad characteristic peak is observed.
なお、炭素材料、金属、金属酸化物を単独で用いずに、混合して用いることもできる。例えば、黒鉛と非晶質炭素のように、同種の材料同士を混合しても良いし、黒鉛とシリコンのように、異種の材料を混合しても構わない。 Note that a carbon material, a metal, and a metal oxide can be used as a mixture without being used alone. For example, the same type of material may be mixed together such as graphite and amorphous carbon, or different types of materials such as graphite and silicon may be mixed.
負極用結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライド−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミドイミド等を用いることができる。使用する負極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、負極活物質100質量部に対して、0.5〜25質量部が好ましい。 As the binder for the negative electrode, polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, styrene-butadiene copolymer rubber, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, Polyimide, polyamide imide, or the like can be used. The amount of the binder for the negative electrode to be used is 0.5 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material from the viewpoint of “sufficient binding force” and “high energy” in a trade-off relationship. Is preferred.
負極集電体としては、電気化学的な安定性から、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、クロム、銅、銀、およびそれらの合金が好ましい。その形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。 As the negative electrode current collector, aluminum, nickel, stainless steel, chromium, copper, silver, and alloys thereof are preferable from the viewpoint of electrochemical stability. Examples of the shape include a foil, a flat plate, and a mesh.
<正極>
正極は、金属箔で形成される正極集電体と、正極集電体の両面に塗工された正極活物質とを有する。正極活物質は正極用結着剤によって正極集電体を覆うように結着される。正極集電体は、正極端子と接続する延長部を有して形成され、この延長部には正極活物質は塗工されない。
<Positive electrode>
The positive electrode has a positive electrode current collector formed of a metal foil and a positive electrode active material applied to both surfaces of the positive electrode current collector. The positive electrode active material is bound by a positive electrode binder so as to cover the positive electrode current collector. The positive electrode current collector is formed to have an extension connected to the positive electrode terminal, and the extension is not coated with the positive electrode active material.
正極活物質としては、LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)、Li2MnO3、LixMn1.5Ni0.5O4(0<x<2)等の層状構造を持つマンガン酸リチウムまたはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム、LiCoO2、LiNiO2またはこれらの遷移金属の一部を他の金属で置き換えたもの、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などの特定の遷移金属が半数を超えないリチウム遷移金属酸化物、これらのリチウム遷移金属酸化物において化学量論組成よりもLiを過剰にしたもの、LiFePO4などのオリビン構造を有するもの、等が挙げられる。また、これらの金属酸化物に、Al、Fe,P,Ti,Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等により一部置換した材料も使用することができる。特に、LiαNiβCoγAlδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.7、γ≦0.2)またはLiαNiβCoγMnδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6、γ≦0.2)が好ましい。正極活物質は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 As the positive electrode active material, a layered structure such as LiMnO 2 , LixMn 2 O 4 (0 <x <2), Li 2 MnO 3 , Li x Mn 1.5 Ni 0.5 O 4 (0 <x <2) is used. Lithium manganate having a spinel structure, lithium manganate having a spinel structure, LiCoO 2 , LiNiO 2, or a material obtained by replacing a part of these transition metals with another metal, such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 Lithium transition metal oxides in which the specific transition metal does not exceed 50%, those having an excess of Li over the stoichiometric composition in these lithium transition metal oxides, those having an olivine structure such as LiFePO 4 , and the like. Can be Further, these metal oxides were partially substituted with Al, Fe, P, Ti, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt, Te, Zn, La, and the like. Materials can also be used. In particular, Li α Ni β Co γ Al δ O 2 (≦ 1 ≦ α 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.7, γ ≦ 0.2) or Li α Ni β Co γ Mn δ O 2 (1 ≦ α ≦ 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.6, γ ≦ 0.2). As the positive electrode active material, one kind can be used alone, or two or more kinds can be used in combination.
正極用結着剤としては、負極用結着剤と同様のものと用いることができる。使用する正極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、正極活物質100質量部に対して、2〜15質量部が好ましい。 As the binder for the positive electrode, the same binder as the binder for the negative electrode can be used. The amount of the binder for the positive electrode to be used is preferably 2 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material from the viewpoint of “sufficient binding force” and “high energy” in a trade-off relationship. .
正極集電体24としては、例えば、アルミニウム、ニッケル、銀、又はそれらの合金を用いることができる。正極集電体の形状としては、例えば、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。正極集電体としては、アルミニウム箔を好適に用いることができる。 As the positive electrode current collector 24, for example, aluminum, nickel, silver, or an alloy thereof can be used. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a foil, a flat plate, and a mesh. An aluminum foil can be suitably used as the positive electrode current collector.
正極活物質の塗工層には、インピーダンスを低下させる目的で、導電補助材を添加してもよい。導電補助材としては、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子が挙げられる。 A conductive auxiliary material may be added to the coating layer of the positive electrode active material for the purpose of reducing impedance. Examples of the conductive auxiliary material include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black.
<電解液>
本実施形態で用いる電解液は、リチウム塩(支持塩)と、この支持塩を溶解する非水溶媒を含む非水電解液を用いることができる。
<Electrolyte>
As the electrolytic solution used in the present embodiment, a non-aqueous electrolytic solution containing a lithium salt (supporting salt) and a non-aqueous solvent that dissolves the supporting salt can be used.
非水溶媒としては、炭酸エステル(鎖状又は環状カーボネート)、カルボン酸エステル(鎖状又は環状カルボン酸エステル)、リン酸エステル等の非プロトン性有機溶媒を用いることができる。 As the non-aqueous solvent, an aprotic organic solvent such as a carbonic acid ester (chain or cyclic carbonate), a carboxylic acid ester (chain or cyclic carboxylic acid ester), and a phosphoric acid ester can be used.
炭酸エステル溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類;プロピレンカーボネート誘導体が挙げられる。 Examples of the carbonate solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC); dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate. (EMC), chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC); and propylene carbonate derivatives.
カルボン酸エステル溶媒としては、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類が挙げられる。 Examples of the carboxylic acid ester solvent include aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate, and ethyl propionate; and lactones such as γ-butyrolactone.
これらの中でも、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の炭酸エステル(環状または鎖状カーボネート類)が好ましい。 Among these, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate Carbonates (cyclic or linear carbonates) such as (DPC) are preferred.
リン酸エステルとしては、例えば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリオクチル、リン酸トリフェニル等が挙げられる。 Examples of the phosphate include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, trioctyl phosphate, triphenyl phosphate and the like.
また、非水電解液に含有できる溶媒としては、その他にも、例えば、エチレンサルファイト(ES)、プロパンサルトン(PS)、ブタンスルトン(BS)、Dioxathiolane−2,2−dioxide(DD)、スルホレン、3−メチルスルホレン、スルホラン(SL)、無水コハク酸(SUCAH)、無水プロピオン酸、無水酢酸、無水マレイン酸、ジアリルカーボネート(DAC)、2,5−ジオキサヘキサンニ酸ジメチル、2,5−ジオキサヘキサンニ酸ジメチル、フラン、2,5−ジメチルフラン、ジフェニルジサルファイド(DPS)、ジメトキシエタン(DME)、ジメトキシメタン(DMM)、ジエトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン、クロロエチレンカーボネート、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルブチルエーテル、ジエチルエーテル、フェニルメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeTHF)、テトラヒドロピラン(THP)、1,4−ジオキサン(DIOX)、1,3−ジオキソラン(DOL)、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、イソプロピルアセテート、ブチルアセテート、メチルジフルオロアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、メチルフォルメイト、エチルフォルメイト、エチルブチレート、イソプロピルブチレート、メチルイソブチレート、メチルシアノアセテート、ビニルアセテート、ジフェニルジスルフィド、ジメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、アジポニトリル、バレロニトリル、グルタロニトリル、マロノニトリル、スクシノニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、イソブチロニトリル、ビフェニル、チオフェン、メチルエチルケトン、フルオロベンゼン、ヘキサフルオロベンゼン、カーボネート電解液、グライム、エーテル、アセトニトリル、プロピオンニトリル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメチルスルホキシド(DMSO)イオン液体、ホスファゼン、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、又は、これらの化合物の一部の水素原子がフッ素原子で置換されたものが挙げられる。 In addition, examples of the solvent that can be contained in the nonaqueous electrolyte include, for example, ethylene sulfite (ES), propane sultone (PS), butane sultone (BS), dioxathiolane-2,2-dioxide (DD), and sulfolene. , 3-methylsulfolene, sulfolane (SL), succinic anhydride (SUCAH), propionic anhydride, acetic anhydride, maleic anhydride, diallyl carbonate (DAC), dimethyl 2,5-dioxahexanoate, 2,5 -Dimethyl dioxahexanoate, furan, 2,5-dimethylfuran, diphenyl disulfide (DPS), dimethoxyethane (DME), dimethoxymethane (DMM), diethoxyethane (DEE), ethoxymethoxyethane, chloroethylene carbonate , Dimethyl ether, methyl ether Ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, dipropyl ether, methyl butyl ether, diethyl ether, phenyl methyl ether, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF), tetrahydropyran (THP), 1,4-dioxane (DIOX), 1,3-dioxolane (DOL), methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, methyl difluoroacetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, methyl formate , Ethyl formate, ethyl butyrate, isopropyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl cyanoacetate, vinyl acetate, diphenyl Disulfide, dimethyl sulfide, diethyl sulfide, adiponitrile, valeronitrile, glutaronitrile, malononitrile, succinonitrile, pimeronitrile, suberonitrile, isobutyronitrile, biphenyl, thiophene, methyl ethyl ketone, fluorobenzene, hexafluorobenzene, carbonate electrolyte, glyme , Ether, acetonitrile, propionnitrile, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethylsulfoxide (DMSO) ionic liquid, phosphazene, methyl formate, methyl acetate, aliphatic carboxylic acid esters such as ethyl propionate, or compounds thereof In which some of the hydrogen atoms have been replaced by fluorine atoms.
本実施形態における支持塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2等の通常のリチウムイオン電池に使用可能なリチウム塩を用いることができる。支持塩は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 As the supporting salt in the present embodiment, LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN ( A lithium salt such as CF 3 SO 2 ) 2 which can be used for a normal lithium ion battery can be used. As the supporting salt, one kind can be used alone, or two or more kinds can be used in combination.
非水溶媒は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。 The non-aqueous solvents can be used alone or in combination of two or more.
<外装体>
外装体としては、電解液に安定で、かつ十分な水蒸気バリア性を持つものであれば、適宜選択することができる。例えば、積層ラミネート型の二次電池の場合、外装体としては、アルミニウムと樹脂のラミネートフィルムを用いることが好ましい。外装体は、単一の部材で構成してもよいし、複数の部材を組み合わせて構成してもよい。
<Outer body>
The exterior body can be appropriately selected as long as it is stable in the electrolytic solution and has a sufficient water vapor barrier property. For example, in the case of a laminate type secondary battery, it is preferable to use a laminate film of aluminum and resin as the outer package. The exterior body may be configured by a single member, or may be configured by combining a plurality of members.
本発明の電池要素は、以上のリチウムイオン二次電池の電池要素に限られるものではなく、本発明はどのような電池にも適用可能である。但し、放熱の問題は、多くの場合、高容量化した電池において問題になることが多いため、本発明は、高容量化した電池、特にリチウムイオン二次電池に適用することが好ましい。 The battery element of the present invention is not limited to the above-described battery element of the lithium ion secondary battery, and the present invention is applicable to any battery. However, the problem of heat radiation often becomes a problem in a battery with a high capacity, and thus the present invention is preferably applied to a battery with a high capacity, particularly a lithium ion secondary battery.
以上説明したように、本発明の一形態による電池1は、
正極端子11および負極端子12が接続された電池要素10と、
正極端子11と負極端子12との間に並列接続されたレドックスシャトルセル(端子間セル)15と、
を有し、
レドックスシャトルセル15は、特定の電位以上で酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤が封入された容器16と、
少なくとも一部が容器16の内部に配置された、正極端子11に接続された少なくとも1つの第1電極17aおよび負極端子12に接続された少なくとも1つの第2電極17bと、
を有する。
As described above, the
A
A redox shuttle cell (inter-terminal cell) 15 connected in parallel between the
Has,
The
At least one
Having.
上記電池1において、レドックスシャトルセル15に直列接続された、非線形の電流電圧特性を持つ素子21をさらに有することが好ましい。
The
レドックスシャトルセル15は、一対の第1電極17aおよび第2電極17bが容器16の内部で少なくとも一部が対向配置され、一対の第1電極17aおよび第2電極17bの間に、熱収縮性または熱溶融性を持つ絶縁部材19が配置されていることが好ましい。
The
以下に、本発明の電池の製造方法の一形態について説明する。 Hereinafter, one embodiment of the method for producing a battery of the present invention will be described.
電池の製造方法の一形態は、
電池要素10に正極端子11および負極端子12を接続する工程と、
特定の電位以上で酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤が封入された容器16と、少なくとも一部が容器16の内部に配置されて正極端子11および負極端子12にそれぞれ接続されたレドックスシャトルセル電極(少なくとも1つの第1電極および少なくとも1つの第2電極)17と、を有するレドックスシャトルセル(端子間セル)15を作製する工程と、
レドックスシャトルセル(端子間セル)15を正極端子11と負極端子12との間に並列接続する工程と、
を有する。
One mode of a battery manufacturing method is as follows.
Connecting the
A
Connecting a redox shuttle cell (cell between terminals) 15 between the
Having.
上記の製造方法において、レドックスシャトルセル15に、非線形の電流電圧特性を持つ素子20を直列接続する工程をさらに含むことが好ましい。
In the above-described manufacturing method, it is preferable that the method further includes a step of connecting an
また、レドックスシャトルセル15を作製する工程は、一対のレドックスシャトルセル電極17の少なくとも一部を容器16の内部に配置した状態で容器16の内部にレドックスシャトル剤を封入する工程を含むことができる。この場合、レドックスシャトルセル15を作製する工程は、容器16の内部で一対のレドックスシャトルセル電極17の少なくとも一部を対向配置させ、一対のレドックスシャトルセル電極17の間に、熱収縮性または熱溶融性を持つ絶縁部材19を配置する工程を含むことが好ましい。
Further, the step of manufacturing the
本発明による電池は、例えば、電源を必要とするあらゆる産業分野、ならびに電気的エネルギーの輸送、貯蔵および供給に関する産業分野にて利用することができる。具体的には、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源;電気自動車、ハイブリッドカー、電動バイク、電動アシスト自転車などの電動車両を含む、電車や衛星や潜水艦などの移動・輸送用媒体の電源;UPSなどのバックアップ電源;太陽光発電、風力発電などで発電した電力を貯める蓄電設備;などに、利用することができる。 The battery according to the invention can be used, for example, in any industrial field that requires a power supply, and in the fields of transport, storage and supply of electrical energy. Specifically, power supplies for mobile devices such as mobile phones and notebook computers; power supplies for moving and transporting media such as trains, satellites, and submarines, including electric vehicles such as electric vehicles, hybrid cars, electric motorcycles, and electric assist bicycles. A backup power source such as a UPS; a power storage facility for storing power generated by solar power generation, wind power generation, or the like;
上記の各種機器および蓄電設備の一例として、図9および図10に、それぞれ電気自動車200および蓄電設備300の模式図を示す。電気自動車200および蓄電設備300は、それぞれ組電池210、310を有する。組電池210、310は、上述した電池1を複数、直列および並列に接続し、必要とされる容量および電圧を満たすように構成したものである。
FIGS. 9 and 10 are schematic diagrams of an
1 電池
10 電池要素
11 正極端子
12 負極端子
13 外装体
15 レドックスシャトルセル
16 容器
17 レドックスシャトルセル電極
19 絶縁部材
20 抵抗成分
21 (非線形の電流電圧特性を持つ)素子
200 電気自動車
210、310 組電池
300 蓄電設備
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記正極端子と前記負極端子との間に並列接続された端子間セルと、
前記端子間セルに直列接続された、非線形の電流電圧特性を持つ素子と、
を有し、
前記端子間セルは、酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤が封入された容器と、
少なくとも一部が前記容器の内部に配置された、前記正極端子に接続された少なくとも1つの第1電極および前記負極端子に接続された少なくとも1つの第2電極と、を有し、
前記レドックスシャトル剤が酸化還元反応を生じる前記端子間セルの動作電位および前記素子の動作電位は、前記正極端子の最大電位よりも低い電位であり、かつ、前記正極端子の最大電位に応じて選択されている電池。 A battery element to which the positive terminal and the negative terminal are connected,
An inter-terminal cell connected in parallel between the positive terminal and the negative terminal,
An element having a non-linear current-voltage characteristic, connected in series to the inter-terminal cell,
Has,
The inter-terminal cell, a container in which a redox shuttle agent that causes a redox reaction is enclosed,
At least a part disposed inside the container, having at least one first electrode connected to the positive electrode terminal and at least one second electrode connected to the negative electrode terminal,
Select the operating potential of the operating voltage and the element of the redox shuttle agent is the terminal between cells causing oxidation-reduction reaction, said a potential lower than the maximum potential of the positive electrode terminal, and, depending on the maximum potential of the positive electrode terminal Batteries.
酸化還元反応を生じるレドックスシャトル剤が封入された容器と、少なくとも一部が前記容器の内部に配置された、前記正極端子に接続された少なくとも1つの第1電極および前記負極端子に接続された少なくとも1つの第2電極と、を有する端子間セルを作製する工程と、
前記端子間セルに、非線形の電流電圧特性を持つ素子を直列接続する工程と、
直列接続された前記端子間セルおよび前記素子を前記正極端子と前記負極端子との間に並列接続する工程と、
を有し、
前記レドックスシャトル剤が酸化還元反応を生じる前記端子間セルの動作電位および前記素子の動作電位は、前記正極端子の最大電位より低い電位となるように、前記正極端子の最大電位に応じて選択されている電池の製造方法。 Connecting a positive terminal and a negative terminal to the battery element;
A container in which a redox shuttle agent that causes an oxidation-reduction reaction is enclosed, and at least a part disposed inside the container, at least one first electrode connected to the positive electrode terminal and at least one connected to the negative electrode terminal Producing an inter-terminal cell having one second electrode;
A step of serially connecting an element having a non-linear current-voltage characteristic to the inter-terminal cell,
A step of connecting the inter-terminal cell and the element connected in series between the positive terminal and the negative terminal in parallel,
Has,
Operating potential of operating potential and said element of said terminal between cells the redox shuttle agent cause oxidation-reduction reaction, such that the potential lower than the maximum potential of the positive electrode terminal, is selected according to the maximum potential of the positive electrode terminal Battery manufacturing method.
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