JP6738706B2 - Lithium ion battery - Google Patents
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Description
本発明は、第1極集電体、第1極活物質層、セパレータ、第2極活物質層及び第2極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池に関する。 The invention relates first electrode collector, the first active material layer, the separator, the lithium ion battery second active material layer and the second electrode current collector are stacked in this order.
リチウムイオン(二次)電池は、高容量で小型軽量な二次電池として、近年様々な用途に多用されている。一般的なリチウムイオン電池は、正極活物質及び電解液を含む正極電極組成物層を正極集電体の表面に形成した正極と、同様に負極活物質及び電解液を含む負極電極組成物層を負極集電体の表面に形成した負極とがセパレータを挾んで積層されてなる単電池が外装体たる容器に収納されて構成されている。 BACKGROUND ART Lithium-ion (secondary) batteries have been widely used in various applications in recent years as high-capacity, small-sized and lightweight secondary batteries. A general lithium-ion battery includes a positive electrode having a positive electrode composition layer containing a positive electrode active material and an electrolytic solution formed on the surface of a positive electrode current collector, and a negative electrode composition layer containing a negative electrode active material and an electrolytic solution. A unit cell formed by stacking a negative electrode formed on the surface of a negative electrode current collector with a separator interposed therebetween is housed in a container as an outer package.
一方、大型の発電所で発電した電力の余剰分を一時的に蓄電することの可能な、定置用蓄電池が注目されている。このような定置用蓄電池に用いられる蓄電池(二次電池)については、例えばナトリウム・硫黄電池のような、様々な種類の電池が検討、実用化されている。 On the other hand, a stationary storage battery that can temporarily store the surplus power generated by a large power plant is drawing attention. Regarding storage batteries (secondary batteries) used for such stationary storage batteries, various types of batteries such as sodium-sulfur batteries have been studied and put into practical use.
しかしながら、従来のリチウムイオン電池を上述した定置用蓄電池に適用する場合、正極及び負極の膜厚が100μm程度のものが一般的であるので、リチウムイオン電池を多数組み合わせて大型化する必要があり、生産性が低くコストが嵩むという課題があった。また、このように多数のリチウムイオン電池を組み合わせて定置用蓄電池を構成した場合、膜厚が薄いために単位体積当たりの電池容量を増やすことが困難であった。 However, when the conventional lithium-ion battery is applied to the stationary storage battery described above, since the positive electrode and the negative electrode generally have a film thickness of about 100 μm, it is necessary to combine a large number of lithium-ion batteries to increase the size. There was a problem of low productivity and high cost. In addition, when a stationary storage battery is configured by combining a large number of lithium ion batteries in this way, it is difficult to increase the battery capacity per unit volume because the film thickness is thin.
電池容量の増加を目的として、一方向に延びかつ対向する一対の電極バスから交互に略直方体状の正極及び負極を突出させ、これら正極及び負極の間にセパレータを配置したリチウムイオン電池が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、この特許文献1に提案されているリチウムイオン電池においても、数百μmの膜厚を有しているため、大型化するためにはこのリチウムイオン電池を、上述の一方向に直交する方向に数多く積層したスタック構造にしており、従って、依然として上述の課題を解決するには至っていない。 For the purpose of increasing the battery capacity, a lithium ion battery has been proposed in which a positive electrode and a negative electrode having a substantially rectangular parallelepiped shape are alternately projected from a pair of electrode buses extending in one direction and facing each other, and a separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. (See Patent Document 1). However, the lithium-ion battery proposed in Patent Document 1 also has a film thickness of several hundreds of μm, so in order to increase the size, the lithium-ion battery is arranged in a direction orthogonal to the above-mentioned one direction. Therefore, the above-mentioned problems have not been solved yet.
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、低コストで大型化を可能にし、かつ適切な電池容量を確保することの可能なリチウムイオン電池の提供を、その目的の一つとしている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and one of the objects thereof is to provide a lithium ion battery that can be made large at low cost and that can secure an appropriate battery capacity. ..
本発明は、第1極集電体、第1極活物質層、セパレータ、第2極活物質層及び第2極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池に適用される。そして、第1極集電体及び第2極集電体を、それぞれ、第1の方向に沿って所定間隔で周期的に形成され、第1の方向と異なる第2の方向に突出した複数の山部を有する、波形状断面を有する波形集電体とし、第1極集電体及び第2極集電体がそれぞれ有する複数の山部を、セパレータを介して、相対向する山部と交互かつ平行に第1の方向に沿って所定間隔で配置し、第1極集電体及び第2極集電体のそれぞれの断面において、山部の側面とこれに隣り合う山部の側面までの最大間隔(△L)と山部の頂点から山部の底部までの最短距離(Lh)との比(△L:Lh)を1:1〜1:4とし、セパレータの厚さ(Ts)と第1極活物質層または第2極活物質層の厚さ(Ta)の比(Ts:Ta)を1:100〜1:500とすることにより、上述の課題の少なくとも一つを解決している。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to a lithium ion battery in which a first electrode current collector, a first electrode active material layer, a separator, a second electrode active material layer, and a second electrode current collector are sequentially stacked. A plurality of first pole current collectors and a plurality of second pole current collectors are periodically formed along the first direction at predetermined intervals and project in a second direction different from the first direction. A corrugated current collector having a wave-shaped cross section having a mountain portion, and a plurality of mountain portions each of which the first pole current collector and the second pole current collector have are alternately arranged with the mountain portions facing each other through a separator. And in parallel with each other at a predetermined interval along the first direction, and in each of the cross sections of the first pole current collector and the second pole current collector, to the side surface of the mountain portion and the side surface of the mountain portion adjacent thereto. The ratio (ΔL:Lh) between the maximum distance (ΔL) and the shortest distance (Lh) from the top of the mountain portion to the bottom of the mountain portion is 1:1 to 1:4, and the thickness (Ts) of the separator is At least one of the above problems is solved by setting the ratio (Ts:Ta) of the thickness (Ta) of the first active material layer or the second active material layer to 1:100 to 1:500. There is.
さらに、第1極集電体及び第2極集電体を、それぞれ複数の山部を有する、波形状断面を有する波形集電体とすることによって、集電体と第1極活物質層及び第2極活物質層との接触面積が増加するために、集電体と活物質層との界面抵抗を低減でき、電池性能の向上にも寄与することができる。 Furthermore, by making the first-pole current collector and the second-pole current collector be corrugated current collectors each having a plurality of peaks and having a corrugated cross section, the current collector, the first-pole active material layer, and Since the contact area with the second electrode active material layer is increased, the interface resistance between the current collector and the active material layer can be reduced, which can also contribute to improvement in battery performance.
また、第1極集電体及び第2極集電体がそれぞれ有する複数の山部を、セパレータを介して、相対向する山部と交互かつ平行に第1の方向に沿って所定間隔で配置することによって、平板状のセパレータを用いた場合に比べて第1極と第2極との界面の面積を増大することができるので、界面抵抗が小さくなり、平板状のセパレータを用いた場合に比べて電池性能が向上することができる。なお、第1極と第2極との界面の面積は、波状のセパレータを用いることによって増大することができるが、集電体が平板状であった場合には、セパレータと集電体との距離が不均等になるために活物質層での電気化学反応が不均一になるために電池が劣化し易くなるが、本発明においては、第1極集電体及び第2極集電体とセパレータとの距離が均等になるので、活物質層での電気化学反応が均一になり電池の耐久性に優れるという効果も有する。 In addition, a plurality of peaks respectively included in the first pole current collector and the second pole current collector are arranged at predetermined intervals along the first direction in parallel and alternately with the peaks facing each other through the separator. By doing so, the area of the interface between the first pole and the second pole can be increased as compared with the case of using the flat plate-like separator, so that the interface resistance becomes small and when the flat plate-like separator is used. Compared with this, the battery performance can be improved. The area of the interface between the first pole and the second pole can be increased by using a corrugated separator. However, when the current collector is flat, the separator and the current collector are separated from each other. Since the distance is not uniform and the electrochemical reaction in the active material layer is not uniform, the battery is likely to deteriorate. However, in the present invention, the first pole current collector and the second pole current collector are Since the distance to the separator is uniform, the electrochemical reaction in the active material layer is uniform and the durability of the battery is excellent.
ここで、第1極集電体及び第2極集電体のそれぞれが有する山部の上部が、第1の側面から頂点を経て第2の側面にかけて連続した曲面を有することが好ましい。 Here, it is preferable that the upper portion of the mountain portion of each of the first-pole current collector and the second-pole current collector has a continuous curved surface from the first side surface to the apex to the second side surface.
本発明によれば、低コストで大型化を可能にし、かつ適切な電池容量を確保することの可能なリチウムイオン電池を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion battery that can be made large in size at low cost and that can secure an appropriate battery capacity.
(一実施形態)
図1及び図2を参照して、本発明の一実施形態であるリチウムイオン電池について詳細を説明する。図1は本発明の一実施形態であるリチウムイオン電池を示す一部破断斜視図、図2は一実施形態であるリチウムイオン電池の一部を取り出して示す一部破断斜視図である。
(One embodiment)
With reference to FIG. 1 and FIG. 2, details of a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a lithium ion battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a part of a lithium ion battery according to one embodiment.
これら図において、本実施形態のリチウムイオン電池Lは、外形略直方体状のリチウム二次単電池1と、このリチウム二次単電池1を収容する外装体たる筐体20とを備える。本実施形態のリチウムイオン電池Lは、長さ方向(図1においてX軸方向)には10m程度、厚さ方向(図1においてY軸方向)には10cm程度、高さ方向(図1においてZ軸方向)には1〜数m程度の大きさに形成されている。
In these figures, a lithium ion battery L of the present embodiment includes a lithium secondary cell 1 having a substantially rectangular parallelepiped shape, and a
ここで、本発明においてリチウム二次単電池1とは、正極電極活物質と電解液とを含む正極電極組成物層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極電極活物質と電解液とを含む負極電極組成物層を負極集電体の表面に形成した負極とを有し、正極電極組成物と負極電極組成物とがセパレータを介して積層された構造を有し、電池容器、端子配置及び電子制御装置等を備えていない電池である(参考:日本工業規格JIS C8715-2「産業用リチウム二次電池の単電池及び電池システム」)。なお、リチウム二次単電池1は単電池と略する場合がある。 Here, in the present invention, the lithium secondary battery 1 is a positive electrode in which a positive electrode composition layer containing a positive electrode active material and an electrolytic solution is formed on the surface of a positive electrode current collector, a negative electrode active material and an electrolytic solution. And a negative electrode having a negative electrode composition layer formed on the surface of a negative electrode current collector, having a structure in which a positive electrode composition and a negative electrode composition are laminated via a separator, a battery container, It is a battery that does not have terminal arrangements, electronic control devices, etc. (Reference: Japanese Industrial Standard JIS C8715-2 “Industrial lithium secondary battery cell and battery system”). The lithium secondary cell 1 may be abbreviated as a cell.
単電池1は、図2に詳細を示すように、正極集電体(第1極集電体)7の表面に正極電極活物質と電解液とを含む略平板状の正極電極組成物層(第1電極組成物)5が形成された正極2と、同様に負極集電体(第2極集電体)8の表面に負極電極活物質と電解液とを含む略平板状の負極電極組成物層(第2極電極組成物)6が形成された負極3とが、セパレータ4を介して積層されて構成されている。
As shown in detail in FIG. 2, the unit cell 1 has a substantially flat plate-shaped positive electrode composition layer (containing a positive electrode active material and an electrolytic solution on the surface of a positive electrode current collector (first electrode current collector) 7 ( A substantially flat plate-shaped negative electrode composition containing a positive electrode 2 on which a
本実施形態の特徴である、正極集電体7及び負極集電体8の形状について、図2及び図4(a)を参照してより詳細に説明する。図4(a)は、本実施形態のリチウムイオン電池Lに用いられる正極集電体7及び負極集電体8を示す断面図である。本実施形態のリチウムイオン電池Lにおいて、正極集電体7及び負極集電体8の断面形状は略同一であるので、形状について説明する場合は代表して正極集電体7について説明を行う。
The shapes of the positive electrode
図2及び図4(a)に示すように、正極集電体7は、図2及び図4において第1の方向であるX軸に沿って所定間隔で周期的に形成され、X軸と異なる第2の方向、より詳細にはX軸と直交するY軸方向に突出した複数の山部7aを有する、波形状断面を有する波形集電体である。
As shown in FIGS. 2 and 4A, the positive electrode
より詳細には、図4(a)に最もよく示されるように、正極集電体7は、X軸方向に延在する、略平板状の基部7bと、X軸に沿って所定間隔で周期的に形成され、基部7bの一面からX軸と直交するY軸方向に突出した複数の山部7aとを備える。本実施形態の正極集電体7は、図2に最もよく示されるように、X軸及びY軸にそれぞれ直交する、正極集電体7の幅方向であるZ軸に沿って、図4(a)に示す断面形状を保ったまま延びて形成されている。
More specifically, as best shown in FIG. 4( a ), the positive electrode
好ましくは、正極集電体7の山部7aの上部7cは、図4(a)において右側面7dである第1の側面から、山部7aの頂点7eを経て、図4(a)において左側面7fである第2の側面にかけて連続した曲面を有するように形成されている。本実施形態の正極集電体7は、さらに、右側面7dと基部7bの一面、及び左側面7fと基部7bの一面にかけても連続した曲面を有するように形成されている。
Preferably, the upper portion 7c of the
正極集電体7は、図4(a)に示すように、その断面において、山部7aの側面7d、7fとこれに隣り合う山部7aの側面7d、7fまでの最大間隔(△L)と、山部7aの頂点7eから山部7aの底部、すなわち基部7bの一面までの最短距離(Lh)との比(△L:Lh)が1:1〜1:4となるように形成されている。△Lに対するLhが1に満たないと、正極集電体7と負極集電体8との間隔が小さくなりすぎてしまうため、正極電極組成物層5及び負極電極組成物層6を構成する十分な厚さの活物質層を形成することが困難となり、必要な電池容量の維持が困難となる。また、△Lに対するLhが4を超えると、山部7aの側面7d、7fの厚みを厚くして正極集電体7、負極集電体8の強度を確保する必要があり、正極電極組成物層5及び負極電極組成物層6を構成する十分な厚さの活物質層を同様に形成することが困難となり、必要な電池容量の維持が困難となる。一例として、ΔLは2〜3cm程度、Lhは5〜8cm程度であることが好ましい。
As shown in FIG. 4A, the positive electrode
本実施形態のリチウムイオン電池Lでは、図2に示すように、正極集電体7及び負極集電体8がそれぞれ有する複数の山部7a、8aは、セパレータ4を介して、相対向する山部7a、8aと交互かつ平行に第1の方向であるX軸に沿って所定間隔で配置されている。そして、これら正極集電体7及び負極集電体8の相対向する山部7a、8aの間に、正極電極組成物層5、セパレータ4及び負極電極組成物層6が順に積層されている。
In the lithium-ion battery L of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the plurality of
正極集電体7とセパレータ4との間の間隔、及び、負極集電体8とセパレータ4との間の間隔は単電池1の容量に応じて調整され、これら正極集電体7、負極集電体8及びセパレータ4の位置関係は必要な間隔が得られるように定められている。
The distance between the positive electrode
特に、本実施形態のリチウムイオン電池Lでは、セパレータ4の厚さ(Ts)と正極電極組成物層5または負極電極組成物層6の厚さ(Ta)の比(Ts:Ta)が1:100〜1:500とされている。
Particularly, in the lithium-ion battery L of the present embodiment, the ratio (Ts:Ta) of the thickness (Ts) of the
正極電極活物質は正極活物質粒子を含んでなり、正極活物質粒子としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物(例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、Li(Ni−Mn−Co)O2及びLiMn2O4並びにこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの)、遷移金属酸化物(例えばMnO2及びV2O5)、遷移金属硫化物(例えばMoS2及びTiS2)及び導電性高分子(例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン及びポリカルバゾール)等が挙げられる。これらは2種以上を併用してもよい。正極活物質粒子としては、容量及び出力特性等の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、好ましく用いられる。 The positive electrode active material contains positive electrode active material particles, and as the positive electrode active material particles, a composite oxide of lithium and a transition metal (for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , Li(Ni—Mn—Co)O is used. 2 and LiMn 2 O 4 and some of these transition metals replaced by other elements), transition metal oxides (eg MnO 2 and V 2 O 5 ), transition metal sulfides (eg MoS 2 and TiS). 2 ) and conductive polymers (for example, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, poly-p-phenylene, and polycarbazole). These may be used in combination of two or more. As the positive electrode active material particles, a lithium-transition metal composite oxide is preferably used from the viewpoint of capacity and output characteristics.
また、負極電極活物質は負極活物質粒子を含んでなり、負極活物質粒子としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体(例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等)、コークス類(例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等)、炭素繊維、導電性高分子(例えばポリアセチレン及びポリキノリン等)、スズ、シリコン、及び金属合金(例えばリチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金及びリチウム−アルミニウム−マンガン合金等)並びにリチウムと遷移金属との複合酸化物(例えばLi4Ti5O12等)等が挙げられる。これらの負極活物質は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Further, the negative electrode active material contains negative electrode active material particles, and as the negative electrode active material particles, graphite, non-graphitizable carbon, amorphous carbon, polymer compound fired body (for example, phenol resin and furan resin, etc. are fired). Carbonized), cokes (eg pitch coke, needle coke and petroleum coke), carbon fibers, conductive polymers (eg polyacetylene and polyquinoline), tin, silicon, and metal alloys (eg lithium-tin alloy) , Lithium-silicon alloys, lithium-aluminum alloys and lithium-aluminum-manganese alloys), and complex oxides of lithium and transition metals (eg Li 4 Ti 5 O 12 etc.). These negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
単電池1においては、正極活物質粒子及び負極活物質粒子は、耐久性等の観点から、表面の少なくとも一部が被覆用樹脂及び導電助剤を含む被覆剤で被覆されてなる被覆活物質粒子であることが好ましい。活物質粒子の周囲が被覆剤で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨脹を抑制することができ、更に腕装着した際に生じる振動等による劣化を抑制することができる。なお、正極活物質粒子及び負極活物質粒子の表面に被覆剤が付着している状態は、SEM等を用いて得られた被覆活物質粒子の拡大観察画像を観察することで確認することができる。 In the unit cell 1, the positive electrode active material particles and the negative electrode active material particles are coated active material particles in which at least a part of the surface is coated with a coating agent containing a coating resin and a conductive additive from the viewpoint of durability and the like. Is preferred. When the periphery of the active material particles is covered with a coating material, the volume change of the electrode can be alleviated, the expansion of the electrode can be suppressed, and further the deterioration due to vibration or the like generated when worn on the wrist can be suppressed. .. The state in which the coating material is attached to the surfaces of the positive electrode active material particles and the negative electrode active material particles can be confirmed by observing a magnified observation image of the coated active material particles obtained by using an SEM or the like. ..
被覆用樹脂としては、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂及びポリカーボネート等が挙げられる。これらの中ではビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂又はポリアミド樹脂が好ましい。 Examples of the coating resin include vinyl resin, urethane resin, polyester resin, polyamide resin, epoxy resin, polyimide resin, silicone resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, aniline resin, ionomer resin and polycarbonate. Among these, vinyl resin, urethane resin, polyester resin or polyamide resin is preferable.
導電助剤としては、導電性を有する材料から選択される。 The conductive additive is selected from materials having conductivity.
導電性を有する材料としては、金属[アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅及びチタン等]、導電性カーボン[グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ケッチェンブラック(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック、カーボンナノチューブ(単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブ等)、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、ハードカーボン及びフラーレン等]、及びこれらの混合物等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。 Materials having conductivity include metals [aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, titanium, etc.], conductive carbon [graphite, carbon black, acetylene black, Vulcan (registered trademark), Ketjen black (registered trademark) Trademark), Black Pearl (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, carbon nanotubes (single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes, etc.), carbon nanohorns, carbon nanoballoons, hard carbon and fullerenes, etc.], and these However, the mixture is not limited to these.
これらの導電助剤は1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物が用いられてもよい。電気的安定性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン、銀、金、銅、チタン及びこれらの混合物であり、より好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及びカーボンであり、更に好ましくはカーボンである。またこれらの導電助剤とは、粒子系セラミック材料や樹脂材料等の非導電性材料の周りに導電性材料(上記した導電助剤の材料のうち金属のもの)をメッキ等でコーティングしたものでもよい。 These conductive aids may be used alone or in combination of two or more. Moreover, these alloys or metal oxides may be used. From the viewpoint of electrical stability, it is preferably aluminum, stainless steel, carbon, silver, gold, copper, titanium and a mixture thereof, more preferably silver, gold, aluminum, stainless steel and carbon, further preferably carbon. is there. In addition, these conductive aids may be those obtained by coating a non-conductive material such as a particle-based ceramic material or a resin material with a conductive material (metal of the above-mentioned conductive aid materials) by plating or the like. Good.
導電助剤の形状に特に制限はなく、球状、不定形状、繊維状、単一粒子状、凝集体及びこれらの組み合わせ等の形状を有するものを用いることができ、なかでも、導電性等の観点から、一次粒子径が5〜50nmの微粒子の凝集体であることが好ましい。導電助剤の形状は、SEM等を用いて得られた導電助剤の拡大観察画像を観察し視野にある粒子を計測することで得ることができる。 The shape of the conductive additive is not particularly limited, and those having a shape such as a spherical shape, an irregular shape, a fibrous shape, a single particle shape, an aggregate, and a combination thereof can be used. Therefore, it is preferably an aggregate of fine particles having a primary particle diameter of 5 to 50 nm. The shape of the conduction aid can be obtained by observing a magnified observation image of the conduction aid obtained using SEM or the like and measuring particles in the visual field.
導電助剤としては、導電性繊維を用いることも可能である。導電性繊維としては、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。これらの導電性繊維の中では炭素繊維が好ましい。 It is also possible to use conductive fibers as the conductive additive. Examples of the conductive fibers include carbon fibers such as PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers, conductive fibers obtained by uniformly dispersing metal having good conductivity and graphite in synthetic fibers, and metals such as stainless steel. Examples include fibrous metal fibers, conductive fibers obtained by coating the surface of organic fibers with a metal, and conductive fibers obtained by coating the surface of organic fibers with a resin containing a conductive substance. Among these conductive fibers, carbon fiber is preferable.
被覆活物質粒子は、例えば、活物質粒子を万能混合機に入れて30〜500rpmで撹拌した状態で、被覆用樹脂及び必要により用いる導電助剤を含む樹脂溶液を1〜90分かけて滴下混合し、更に必要により用いる導電助剤を混合し、撹拌したまま50〜200℃に昇温し、0.007〜0.04MPaまで減圧した後に10〜150分保持することにより得ることができる。被覆活物質粒子が得られたことは、走査型電子顕微鏡(SEMともいう)等を用いて得られた被覆活物質粒子の拡大観察画像を観察することで確認することができる。 The coated active material particles are, for example, in a state where the active material particles are put in a universal mixer and stirred at 30 to 500 rpm, a resin solution containing a coating resin and a conductive additive used as necessary is dropped and mixed over 1 to 90 minutes. Then, a conductive auxiliary agent to be used is further mixed if necessary, the temperature is raised to 50 to 200° C. with stirring, the pressure is reduced to 0.007 to 0.04 MPa, and then the temperature is maintained for 10 to 150 minutes. The obtained coated active material particles can be confirmed by observing a magnified observation image of the coated active material particles obtained using a scanning electron microscope (also referred to as SEM).
電解液としては、リチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する電解液を使用することができる。 As the electrolytic solution, it is possible to use an electrolytic solution containing an electrolyte and a non-aqueous solvent, which is used for manufacturing a lithium ion battery.
電解質としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6及びLiClO4等の無機酸のリチウム塩、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2及びLiC(CF3SO2)3等の有機酸のリチウム塩等が挙げられ、これらの電解質は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはLiPF6である。 As the electrolyte, it is possible to use those which are used in a normal electrolytic solution, and for example, lithium salts of inorganic acids such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 and LiClO 4 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , lithium salts of organic acids such as LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 and the like, and these electrolytes may be used alone or in combination. You may use together the above. Of these, LiPF 6 is preferable from the viewpoint of battery output and charge/discharge cycle characteristics.
非水溶媒としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。 As the non-aqueous solvent, those which are used in ordinary electrolytic solutions can be used, and examples thereof include lactone compounds, cyclic or chain carbonic acid esters, chain carboxylic acid esters, cyclic or chain ethers, phosphoric acid esters, and nitriles. Compounds, amide compounds, sulfones, sulfolanes, etc. and mixtures thereof can be used.
本発明のリチウムイオン電池Lに用いる電解液としては、安全性の観点から、不燃性のイオン液体も好ましく用いることができる。なお、イオン液体とは、カチオンおよびアニオンのみから構成される塩であり、常温で液体である一連の化合物をいう。好ましいイオン液体の例としては、1−メチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、N−メチル−N−プロピルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドが挙げられる。 As the electrolytic solution used for the lithium ion battery L of the present invention, a nonflammable ionic liquid can be preferably used from the viewpoint of safety. The ionic liquid is a salt composed of only cations and anions, and refers to a series of compounds that are liquid at room temperature. Examples of preferable ionic liquids include 1-methyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and N-methyl-N-propylpyrrolidium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide.
非水溶媒は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more.
非水溶媒の内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのは、ラクトン化合物、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル及びリン酸エステルであり、より好ましいのはラクトン化合物、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルであり、更に好ましいのは環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルの混合液である。特に好ましいのはプロピレンカーボネート(PC)、又はエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合液である。 Among the non-aqueous solvents, lactone compounds, cyclic carbonic acid esters, chain carbonic acid esters and phosphoric acid esters are preferable from the viewpoint of battery output and charge/discharge cycle characteristics, and more preferable are lactone compounds, cyclic carbonic acid esters and chains. The carbonic acid ester is more preferable, and a mixed liquid of a cyclic carbonic acid ester and a chain carbonic acid ester is more preferable. Particularly preferred is propylene carbonate (PC) or a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC).
本発明において正極活物質層及び負極活物質層は、イオン抵抗を低減できる等の観点から、それぞれ前記の被覆活物質粒子と繊維状導電性物質を含むことが好ましい。繊維状導電性物質としては、前記の導電性繊維と同じものを用いることができ、なかでも炭素繊維が好ましい。 In the present invention, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer preferably contain the above-mentioned coated active material particles and the fibrous conductive material, respectively, from the viewpoint of reducing ionic resistance and the like. As the fibrous conductive substance, the same one as the above-mentioned conductive fiber can be used, and among them, carbon fiber is preferable.
正極電極組成物層5及び負極電極組成物層6の厚さは、1〜5mm程度であることが好ましい。この厚さであると、単位体積あたりの活物質量が多くなり、蓄電容量が大きい電池とできる。
The thickness of the positive
セパレータ4としては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)等の炭化水素系樹脂及びポリオレフィン(ポリエチレン及びポリプロピレン等)製の多孔性フィルム、多孔性フィルムの多層フィルム(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体等)、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる不織布からなる微多孔質フィルム並びにそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用セパレータ等を用いることができる。
As the
セパレータ4の厚みは、リチウムイオン電池の用途により調整することができるが、好ましくは数十μmである。
The thickness of the
前記多孔性フィルム又はその多層フィルムからなるセパレータ4の細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが好ましい。
The pore size of the
正極集電体7及び負極集電体8としては、公知の金属集電体又は樹脂集電体を用いることができ、なかでも樹脂集電体であると好ましい。樹脂集電体である正極集電体7、負極集電体8は、導電性高分子材料から構成された樹脂集電体であっても、導電性を付与した非導電性高分子材料から構成された樹脂集電体であってもよい。
As the positive electrode
金属集電体に用いる金属としては、リチウムイオン電池に一般に使用する金属集電体に使用される金属と同じものを用いることができ、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン及びこれらの一種以上を含む合金並びにステンレス合金等が挙げられる。 As the metal used for the metal current collector, the same metal as that used for the metal current collector generally used for lithium ion batteries can be used, and copper, aluminum, titanium, nickel, tantalum, niobium, hafnium, zirconium can be used. , Zinc, tungsten, bismuth, antimony, alloys containing one or more of these, and stainless steel alloys.
正極集電体7及び負極集電体8が樹脂集電体である場合、樹脂集電体を構成する高分子材料のうち、導電性高分子材料としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、及びポリオキサジアゾール等が挙げられる。
When the positive electrode
非導電性高分子材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリシクロオレフィン(PCO)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。 Examples of non-conductive polymer materials include polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP), polycycloolefin (PCO), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polytetrafluoroethylene. (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVdF), epoxy resin, silicone resin, or a mixture thereof. To be
電気的安定性の観点から、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)及びポリシクロオレフィン(PCO)が好ましく、更に好ましくはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)及びポリメチルペンテン(PMP)である。 From the viewpoint of electrical stability, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polymethylpentene (PMP) and polycycloolefin (PCO) are preferable, and polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polymethylpentene are more preferable. (PMP).
また、樹脂集電体は、導電性高分子材料から構成された樹脂集電体の導電性を向上させる目的、あるいは、非導電性高分子材料に導電性を付与する目的から、導電性フィラーを含んでいると好ましい。導電性フィラーは、導電性を有する材料から得られるフィラーから選択される。導電性を有する材料としては、好ましくは、集電体内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが好ましい。具体的には、カーボン材料、アルミニウム、金、銀、銅、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム、アンチモン、チタン、ニッケル及びステンレス(SUS)等の合金材などから得られるフィラー等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、耐食性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン材料、ニッケル、より好ましくはカーボン材料から得られるフィラーである。これらの導電性フィラーは1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。また、これらの導電性フィラーは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに、上記で示される金属をメッキ等でコーティングしたものであってもよい。 Further, the resin current collector, a conductive filler for the purpose of improving the conductivity of the resin current collector composed of a conductive polymer material, or for the purpose of imparting conductivity to the non-conductive polymer material. It is preferable to include it. The conductive filler is selected from fillers obtained from materials having conductivity. As the material having conductivity, it is preferable to use a material having no conductivity with respect to the ions used as the charge transfer medium, from the viewpoint of suppressing the permeation of ions in the current collector. Specific examples thereof include fillers obtained from carbon materials, alloy materials such as aluminum, gold, silver, copper, iron, platinum, chromium, tin, indium, antimony, titanium, nickel and stainless (SUS). However, the filler is not limited to these, and from the viewpoint of corrosion resistance, it is preferably a filler obtained from aluminum, stainless steel, a carbon material, nickel, and more preferably a carbon material. These conductive fillers may be used alone or in combination of two or more. Further, these conductive fillers may be obtained by coating the above-described metal with plating or the like around a particle-based ceramic material or a resin material.
樹脂集電体は、特開2012−150905号公報及び国際公開番号WO2015/005116号等に記載の公知の方法で得ることができ、具体例としては、ポリプロピレンに導電性フィラーとしてアセチレンブラックを5〜20部分散させた後、熱プレス機で圧延したものが挙げられる。また、その厚みも特に制限されず、公知のものと同様、あるいは適宜変更して適用することができる。
The resin current collector can be obtained by a known method described in JP 2012-150905 A, International Publication No. WO 2015/005116 or the like, and specific examples thereof include polypropylene and
本実施形態の正極集電体7及び負極集電体8は、図4(a)に示すように、全体が略均一な材質で形成されてもよいし、図4(b)に示すように、正極集電体7及び負極集電体8(図では正極集電体7のみ図示している)の表面に、正極電極組成物層5や負極電極組成物層6との電気的接触を高める等の理由で導電層10を形成してもよい。
The positive electrode
全体が略均一な材質で形成された正極集電体7及び負極集電体8は、金属集電体を構成する前記の金属又は樹脂集電体を構成する高分子材料を所定の形状を有する金型を用いて所定の形状に直接で成形する方法等で得ることができる。
The positive electrode
加えて、正極集電体7及び負極集電体8は、所定の厚さ、一例として数十μm〜数mm程度の厚さを有すれば本実施形態のリチウムイオン電池Lとして動作可能であるので、図4(c)に示すように、図4(a)に示す正極集電体7及び負極集電体8と断面形状が略同一の集電体支持体11の表面に絶縁層12を形成し、この絶縁層12の表面に、上述した厚さを有する正極集電体7及び負極集電体8(図では正極集電体7のみ図示している)を形成してもよい。
In addition, the positive electrode
図4(c)に示す集電体支持体11の一例を、図5(a)及び図5(b)に示す。図5(a)に示す集電体支持体11は、金属板等の薄板を所定形状に折曲して集電体支持体11が形成されている。一方、図5(b)に示す集電体支持体11は、平板状の支持板11aの図中上面に、正極集電体7の山部7aと略同一形状の山形部材11bを並列に配置し、さらに、この山形部材11bをボルト11c等により支持板11aに固定して形成されている。
An example of the
前記の方法で形成された集電体支持体11上には、絶縁層12が設けられている。絶縁層12は、前記の非導電性高分子材料からなる被膜を用いることができ、加熱溶融した非導電性高分子材料を塗布する方法及び非導電性高分子材料からなるフィルム状基材を積層する方法等で設けることができる。
The insulating
絶縁層12の表面には、上述の正極集電体7及び負極集電体8が形成されている。絶縁層12の表面に正極集電体7及び負極集電体8を形成する方法としては、金属集電体を構成する前記の金属又は樹脂集電体を構成する高分子材料をフィルム状に成形したフィルム状の集電体を絶縁層12の表面に配置する方法等が挙げられる。絶縁層12の表面に配置した正極集電体7及び負極集電体8は、公知の粘着剤または接着剤を用いて絶縁層12に固定してもよい。
The positive electrode
絶縁層12の表面に配置するフィルム状の集電体は、正極集電体7及び負極集電体8が金属集電体である場合には前記の金属を公知の方法で圧延すること得ることができる。また、正極集電体7及び負極集電体8が樹脂集電体である場合には、前記の導電性高分子材料または前記の導電性を付与した非導電性高分子材料を射出成形、圧縮成形、カレンダ成形、スラッシュ成形、回転成形、押出成形、ブロー成形、フィルム成形(キャスト法、テンター法、インフレーション法等)等の公知の方法によりフィルム状に成形することで得ることができる。
When the positive electrode
本実施形態のリチウムイオン電池Lを構成する筐体20は、中空な外形略直方体状に形成され、この筐体20の中空部に単電池1が収納されている。この筐体20は、図1に詳細を示すように、第1の筐体21及び第2の筐体22に分割されて構成されている。第1の筐体21及び第2の筐体22の両端部(図1において左手前端部及び右奥端部)には突出部21a、22aがそれぞれ形成され、この突出部21a、22aが図略のボルト等により互いに固定されることで、第1の筐体21及び第2の筐体22が互いに固定されている。
The
第1の筐体21、第2の筐体22を含む筐体20を構成する外装材の材料は、筐体20内に単電池1を収納しうる材料であれば、任意の材料が好適に適用可能である。但し、単電池1と筐体20とが接触する可能性があることを考慮して、筐体20を構成する材料は絶縁性を有する材料であることが好ましい。加えて、本実施形態のリチウムイオン電池Lは発電所等の近傍に長期間設置されることがありうることから、耐候性を有する材質から構成されることが好ましい。
As the material of the exterior material forming the
次に、本実施形態のリチウムイオン電池の製造方法について、図3を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the lithium-ion battery of this embodiment will be described with reference to FIG.
まず、図3(a)に示すように、第1の筐体21に所定の形状を有する正極集電体7を収容し、次いで、この第1の筐体21内に正極電極組成物層5を充填する。第1の筐体21内に正極電極組成物層5を充填する手法に限定はなく、一例として、図3(a)に示すように、正極電極組成物層5が格納されたタンクからノズル30を介して第1の筐体21内に正極電極組成物層5を充填する手法や、インクジェット装置により第1の筐体21内に正極電極組成物層5を充填する手法、周知の手法が好適に適用される。
First, as shown in FIG. 3A, the positive electrode
次いで、図3(b)に示すように、正極集電体7の表面形状に類似する、より詳細には、正極集電体7の表面から一定距離となる表面を有する型31を第1の筐体21内に挿入することで、この正極集電体7の表面に、一定厚さを有する正極電極組成物層5を形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a
さらに、正極電極組成物層5の上面に、平板状のセパレータ4を配置することで、図3(d)に示すように、この開口部21cをセパレータ4で覆う。セパレータ4を配置する手法は任意であり、一例として、図3(c)に示すように、所定の大きさに加工(切断を含む)されたセパレータ4を真空チャック32等により保持して正極電極組成物層5の上方に配置し、この真空チャック32を下降させて正極電極組成物層5の上面にセパレータ4を配置(載置)するような手法が挙げられる。
Furthermore, by disposing the flat plate-shaped
次いで、図3(e)に示すように、第2の筐体22に所定の形状を有する負極集電体8を収容し、次いで、この第2の筐体22内に負極電極組成物層6を充填する。第2の筐体22内に負極電極組成物層6を充填する手法についても限定はなく、正極電極組成物層5を収容する手法と同様に種々の手法が採用可能である。
Next, as shown in FIG. 3E, the negative electrode
次いで、図3(f)に示すように、負極集電体8の表面から一定距離となる表面を有する型33を第2の筐体22内に挿入することで、この負極集電体8の表面に、一定厚さを有する負極電極組成物層6を形成する。
Next, as shown in FIG. 3( f ), a
次いで、図3(g)に示すように、セパレータ4が下方に位置するように、つまり、図3(d)に示す状態から裏返して、正極電極組成物層5、正極集電体7が収容された第1の筐体21を配置し、この状態で、セパレータ4と負極電極組成物層6とが互いに接するように、負極電極組成物層6及び負極集電体8が収容された第2の筐体22内に第1の筐体21を収容する。これにより、正極電極組成物層5と負極電極組成物層6とがセパレータ4を介して相対する。
Next, as shown in FIG. 3(g), the positive
そして、図3(h)に示すように、第1の筐体21の突出部21aと第2の筐体22の突出部22aとをボルト34等により固定することで、内部に単電池1が収納された本実施形態のリチウムイオン電池Lを製造することができる。
Then, as shown in FIG. 3(h), by fixing the projecting
従って、本実施形態のリチウムイオン電池Lでは、正極電極組成物層5及び負極電極組成物層6の膜厚を十分厚くすることができるので、単位体積当たりの電池容量を増やすことができるとともに、多数の電極組成物層を形成する必要がないので、低コストで大型化が可能になる。以上から、本実施形態によれば、低コストで大型化を可能にし、かつ適切な電池容量を確保することの可能なリチウムイオン電池及びその製造方法を提供することができる。
Therefore, in the lithium-ion battery L of the present embodiment, the film thickness of the positive
L リチウムイオン電池
1 単電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
5 正極電極組成物層
6 負極電極組成物層
7 正極集電体
7a、8a 山部
7b 基部
7c 上部
7d 右側面
7e 頂点
7f 左側面
8 負極集電体
20 筐体
21 第1の筐体
22 第2の筐体
21a、22a 突出部
L Lithium ion battery 1 Single cell 2 Positive electrode 3
Claims (2)
前記第1極集電体及び前記第2極集電体は、それぞれ、第1の方向に沿って所定間隔で周期的に形成され、前記第1の方向と異なる第2の方向に突出した複数の山部を有する、波形状断面を有する波形集電体であり、
前記第1極集電体及び前記第2極集電体がそれぞれ有する複数の前記山部は、前記セパレータを介して、相対向する前記山部と交互かつ平行に前記第1の方向に沿って所定間隔で配置され、
前記第1極集電体及び前記第2極集電体のそれぞれの断面において、前記山部の側面とこれに隣り合う前記山部の側面までの最大間隔(△L)と前記山部の頂点から前記山部の底部までの最短距離(Lh)との比(△L:Lh)が1:1〜1:4であり、
前記セパレータの厚さ(Ts)と前記第1極活物質層または前記第2極活物質層の厚さ(Ta)の比(Ts:Ta)が1:100〜1:500であることを特徴とするリチウムイオン電池。 A lithium ion battery in which a first electrode current collector, a first electrode active material layer, a separator, a second electrode active material layer, and a second electrode current collector are sequentially laminated,
Each of the first pole current collector and the second pole current collector is periodically formed along the first direction at a predetermined interval and protrudes in a second direction different from the first direction. Is a corrugated current collector having a wave-shaped cross section,
The plurality of ridges that the first pole current collector and the second pole current collector have, respectively, are arranged in parallel with the ridge portions that face each other in an alternating manner in parallel with the first direction via the separator. It is arranged at a predetermined interval,
In each of the cross sections of the first pole current collector and the second pole current collector, the maximum distance (ΔL) between the side surface of the mountain portion and the side surface of the mountain portion adjacent thereto and the apex of the mountain portion. To the bottom of the mountain portion (Lh), the ratio (ΔL:Lh) is 1:1 to 1:4,
The ratio (Ts:Ta) of the thickness (Ts) of the separator and the thickness (Ta) of the first electrode active material layer or the second electrode active material layer is 1:100 to 1:500. And a lithium-ion battery.
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