JP7024791B2 - 二次電池用負極、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

二次電池用負極、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 Download PDF

Info

Publication number
JP7024791B2
JP7024791B2 JP2019532620A JP2019532620A JP7024791B2 JP 7024791 B2 JP7024791 B2 JP 7024791B2 JP 2019532620 A JP2019532620 A JP 2019532620A JP 2019532620 A JP2019532620 A JP 2019532620A JP 7024791 B2 JP7024791 B2 JP 7024791B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
negative electrode
room temperature
secondary battery
active material
molten salt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019532620A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2019022044A1 (ja
Inventor
陽祐 古池
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Publication of JPWO2019022044A1 publication Critical patent/JPWO2019022044A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7024791B2 publication Critical patent/JP7024791B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386Silicon or alloys based on silicon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
    • H01M4/623Binders being polymers fluorinated polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • H01M2300/0045Room temperature molten salts comprising at least one organic ion
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

本技術は、二次電池に用いられる負極、その負極を用いた二次電池、ならびにその二次電池を用いた電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器に関する。
携帯電話機などの多様な電子機器が広く普及しており、その電子機器の小型化、軽量化および長寿命化が要望されている。そこで、電源として、小型かつ軽量であると共に高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。
二次電池は、電子機器に限らず、他の用途への適用も検討されている。一例を挙げると、電子機器などに着脱可能に搭載される電池パック、電気自動車などの電動車両、家庭用電力サーバなどの電力貯蔵システム、および電動ドリルなどの電動工具である。
この二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えており、その負極は、充放電反応に関与する負極活物質などを含んでいる。負極の構成は、二次電池の電池特性に大きな影響を及ぼすため、その負極の構成に関しては、さまざまな検討がなされている。
具体的には、優れたサイクル特性などを得るために、負極に常温溶融塩が含有されている(例えば、特許文献1~4参照。)。
特開2008-218385号公報 特開2009-193784号公報 特開2015-038870号公報 特開2016-048628号公報
二次電池が搭載される電子機器などは、益々、高性能化および多機能化している。これに伴い、電子機器などの使用頻度は増加していると共に、その電子機器などの使用環境は拡大している。そこで、二次電池の電池特性に関しては、未だ改善の余地がある。
本技術はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、優れた電池特性を得ることが可能である二次電池用負極、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を提供することにある。
技術の第の二次電池用負極は、炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、常温溶融塩組成物とを含み、その第2負極活物質がケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部とその中心部の表面に設けられると共にポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部とを含み、その被覆部が常温溶融塩組成物を含有し、その常温溶融塩組成物がケイ素を構成元素として含む材料と結合しているものである。
また、本技術の第の二次電池用負極は、炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、常温溶融塩組成物とを含み、その第2負極活物質がケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部とその中心部の表面に設けられると共にポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部とを含み、その被覆部が常温溶融塩組成物を含有し、さらに負極結着剤を含み、その負極結着剤がポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸のうちの少なくとも1種を含み、その常温溶融塩組成物が負極結着剤と結合しているものである。
本技術の第1の二次電池は、正極と負極と電解液とを備え、その負極が上記した本技術の第1の二次電池用負極と同様の構成を有するものである。
また、本技術の第2の二次電池は、正極と負極と電解液とを備え、その負極が上記した本技術の第2の二次電池用負極と同様の構成を有するものである
本技術の電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器のそれぞれは、二次電池を備え、その二次電池が上記した本技術の第1およびのいずれかの二次電池と同様の構成を有するものである。
技術の第の二次電池用負極または第の二次電池によれば、負極が炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質とケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と常温溶融塩組成物とを含んでおり、その第2負極活物質がケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部とポリアクリル酸塩などを含有する被覆部とを含んでおり、その被覆部が常温溶融塩組成物を含有しており、その常温溶融塩組成物がケイ素を構成元素として含む材料と結合しているので、優れた電池特性を得ることができる。また、本技術の電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具または電子機器のそれぞれにおいても、同様の効果を得ることができる。
また、本技術の第の二次電池用負極または第の二次電池によれば、負極が炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質とケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と常温溶融塩組成物とを含んでおり、その第2負極活物質がケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部とポリアクリル酸塩などを含有する被覆部とを含んでおり、その被覆部が常温溶融塩組成物を含有しており、その負極がさらに負極結着剤を含んでおり、その負極結着剤がポリフッ化ビニリデンなどを含んでおり、その常温溶融塩組成物が負極結着剤と結合しているので、優れた電池特性を得ることができる。また、本技術の電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具または電子機器のそれぞれにおいても、同様の効果を得ることができる。
なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるわけではなく、本技術中に記載されたいずれの効果であってもよい。
本技術の第1実施形態における二次電池用負極の構成を表す断面図である。 第1負極活物質および第2負極活物質のそれぞれの構成(第1態様)を表す断面図である。 第1負極活物質および第2負極活物質のそれぞれの構成(第2態様)を表す断面図である。 第1負極活物質および第2負極活物質のそれぞれの構成に関する変形例を表す断面図である。 本技術の一実施形態の二次電池(円筒型)の構成を表す断面図である。 図5に示した巻回電極体の一部の構成を表す断面図である。 本技術の一実施形態の他の二次電池(ラミネートフィルム型)の構成を表す斜視図である。 図7に示した巻回電極体のVIII-VIII線に沿った断面図である。 二次電池の適用例(電池パック:単電池)の構成を表す斜視図である。 図9に示した電池パックの構成を表すブロック図である。 二次電池の適用例(電池パック:組電池)の構成を表すブロック図である。 二次電池の適用例(電動車両)の構成を表すブロック図である。 二次電池の適用例(電力貯蔵システム)の構成を表すブロック図である。 二次電池の適用例(電動工具)の構成を表すブロック図である。 試験用の二次電池(コイン型)の構成を表す断面図である。 他の試験用の二次電池(コイン型)の構成を表す断面図である。
以下、本技術の実施形態に関して、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

1.二次電池用負極(第1実施形態)
1-1.構成
1-2.製造方法
1-3.作用および効果
2.二次電池用負極(第2実施形態)
2-1.構成
2-2.製造方法
2-3.作用および効果
3.変形例
4.二次電池
4-1.リチウムイオン二次電池(円筒型)
4-2.リチウムイオン二次電池(ラミネートフィルム型)
5.二次電池の用途
5-1.電池パック(単電池)
5-2.電池パック(組電池)
5-3.電動車両
5-4.電力貯蔵システム
5-5.電動工具
<1.二次電池用負極(第1実施形態)>
まず、本技術の第1実施形態の二次電池用負極に関して説明する。
ここで説明する二次電池用負極(以下、単に「負極」と呼称する。)は、例えば、電極反応物質としてリチウムを用いた負極であり、二次電池に用いられる。この電極反応物質は、電極反応(いわゆる充放電反応)に関与する物質である。二次電池の種類は、特に限定されないが、例えば、リチウムイオン二次電池などである。
<1-1.構成>
まず、負極の構成に関して説明する。
図1は、負極の断面構成を表している。図2および図3のそれぞれは、第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの断面構成を表している。
この負極は、例えば、図1に示したように、負極集電体1と、その負極集電体1の上に設けられた負極活物質層2とを含んでいる。
なお、負極活物質層2は、負極集電体1の片面だけに設けられていてもよいし、負極集電体1の両面に設けられていてもよい。図1では、例えば、負極活物質層2が負極集電体1の両面に設けられている場合を示している。
[負極集電体]
負極集電体1は、例えば、導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。導電性材料の種類は、特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウム、ニッケルおよびステンレスなどの金属材料であり、合金でもよい。この負極集電体1は、単層でもよいし、多層でもよい。
負極集電体1の表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果を利用して、負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層2と対向する領域において、負極集電体1の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法は、特に限定されないが、例えば、電解処理を利用して微粒子を形成する方法などである。電解処理では、電解槽中において電解法を用いて負極集電体1の表面に微粒子が形成されるため、その負極集電体1の表面に凹凸が設けられる。電解法を用いて作製された銅箔は、一般的に、電解銅箔と呼ばれている。
[負極活物質層]
負極活物質層2は、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能である2種類の負極活物質(第1負極活物質200および第2負極活物質300)と、常温溶融塩組成物とを含んでいる。
ただし、負極活物質層2は、さらに、負極結着剤および負極導電剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。この負極活物質層2は、単層でもよいし、多層でもよい。
第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの構成に関しては、2種類の態様が挙げられる。図2では、第1態様における第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの断面構成を示していると共に、図3では、第2態様における第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの断面構成を示している。
(第1態様における第1負極活物質および第2負極活物質)
第1態様における第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの構成は、例えば、以下の通りである。
(第1負極活物質)
第1負極活物質200は、例えば、図2に示したように、複数の粒子状である。この第1負極活物質200は、炭素系材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この炭素系材料は、炭素を構成元素として含む材料の総称である。
第1負極活物質200が炭素系材料を含んでいるのは、リチウムの吸蔵時およびリチウムの放出時において炭素系材料が膨張収縮しにくいからである。これにより、炭素系材料の結晶構造が変化しにくいため、高いエネルギー密度が安定に得られる。しかも、炭素系材料は負極導電剤としても機能するため、負極活物質層2の導電性が向上する。
炭素系材料の種類は、特に限定されないが、例えば、炭素材料である。この炭素材料は、炭素だけを構成元素として含む材料の総称である。ただし、炭素材料の純度は、必ずしも100%に限られないため、その炭素材料は、微量の異種元素を含んでいてもよい。この異種元素は、炭素以外の元素のうちのいずれか1種類または2種類以上である。
具体的には、炭素材料は、例えば、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素および黒鉛などである。ただし、難黒鉛化性炭素に関する(002)面の面間隔は、0.37nm以上であることが好ましいと共に、黒鉛に関する(002)面の面間隔は、0.34nm以下であることが好ましい。
より具体的には、炭素材料は、例えば、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭およびカーボンブラック類などである。このコークス類は、ピッチコークス、ニードルコークスおよび石油コークスなどを含む。有機高分子化合物焼成体は、フェノール樹脂およびフラン樹脂などの高分子化合物が適当な温度で焼成(炭素化)された焼成物である。この他、炭素材料は、約1000℃以下の温度で熱処理された低結晶性炭素でもよいし、非晶質炭素でもよい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状および鱗片状のうちのいずれでもよい。
(第2負極活物質)
第2負極活物質300は、例えば、図2に示したように、複数の粒子状である。この第2負極活物質300は、ケイ素系材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。このケイ素系材料は、ケイ素を構成元素として含む材料の総称である。
第2負極活物質300がケイ素系材料を含んでいるのは、そのケイ素系材料が優れたリチウムの吸蔵放出能力を有しているため、高いエネルギー密度が得られるからである。
ケイ素系材料の種類は、特に限定されない。このため、ケイ素系材料は、ケイ素の単体でもよいし、ケイ素の合金でもよいし、ケイ素の化合物でもよいし、それらのうちの2種類以上でもよいし、それらのうちの1種類または2種類以上の相を少なくとも一部に含む材料でもよい。
ここで説明する単体は、あくまで一般的な意味合いでの単体であるため、微量の不純物を含んでいてもよい。すなわち、単体の純度は、100%に限られない。また、合金は、2種類以上の金属元素からなる材料でもよいし、1種類または2種類以上の金属元素と1種類または2種類以上の半金属元素とを含む材料でもよいし、1種類または2種類以上の金属元素と共に1種類または2種類以上の非金属元素を含んでいてもよい。ここで説明した単体および合金のそれぞれに関する定義は、以降においても同様である。ケイ素系材料の組織は、例えば、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物およびそれらの2種類以上の共存物などである。
ケイ素の合金は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、炭素および酸素などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金に関して説明した一連の元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
ケイ素の合金の具体例およびケイ素の化合物の具体例は、SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 Si、FeSi2 、MnSi2 、NbSi2 、TaSi2 、VSi2 、WSi2 、ZnSi2 、SiC、Si3 4 、Si2 2 O、SiOv (0<v≦2)、およびLiSiOなどである。なお、SiOv に関するvは、0.2<v<1.4でもよい。
ここで、負極活物質層2が第1負極活物質200(炭素系材料)および第2負極活物質300(ケイ素系材料)の双方を含んでいるのは、高い理論容量(すなわち電池容量)が得られると共に、充放電時において負極が膨張および収縮しにくくなるからである。
詳細には、ケイ素系材料は、理論容量が高いという利点を有する反面、充放電時において激しく膨張および収縮しやすいという懸念点を有する。これに対して、炭素系材料は、理論容量が低いという懸念点を有する反面、充放電時において膨張および収縮しにくいという利点を有する。よって、炭素系材料と金属系材料とを併用することにより、高い理論容量が担保されながら、充放電時における負極の膨張および収縮が抑制される。
第1負極活物質200と第2負極活物質300との混合比(重量比)は、特に限定されない。具体的には、第1負極活物質200の重量と第2負極活物質300の重量との総和に対して第2負極活物質300の重量が占める割合(混合割合)は、1重量%~99重量%である。混合比に依存せずに、上記した第1負極活物質200と第2負極活物質300とを併用する利点が得られるからである。
中でも、混合割合は、50重量%以下であることが好ましく、30重量%以下であることがより好ましい。負極の膨張および収縮を生じさせる主要な原因であるケイ素系材料の含有量が少なくなるため、その負極の膨張および収縮が十分に抑制されるからである。
(第2態様における第1負極活物質および第2負極活物質)
第2態様における第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの構成は、例えば、以下の通りである。
(第1負極活物質)
第1負極活物質200の構成は、例えば、上記した第1態様における第1負極活物質200の構成と同様である。
(第2負極活物質)
第2負極活物質300は、例えば、図3に示したように、中心部301と、その中心部301の表面に設けられた被覆部302とを含んでいる。
(中心部)
中心部301は、例えば、粒子状であり、ケイ素系材料を含んでいる。ケイ素系材料に関する詳細は、上記した通りである。すなわち、中心部301は、第1態様における第2負極活物質300と同様の構成を有している。
(被覆部)
被覆部302は、中心部301の表面を被覆することにより、その中心部301を保護する保護層である。この被覆部302は、中心部301の表面のうちの一部または全部に設けられている。このため、被覆部302は、中心部301の表面のうちの全部を被覆していてもよいし、その中心部301のうちの表面のうちの一部だけを被覆していてもよい。もちろん、後者の場合には、互いに物理的に分離された複数の被覆部302が中心部301の表面に存在していてもよい。
この被覆部302は、被覆材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この被覆材料は、例えば、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンなどである。
第2負極活物質300が被覆部302を含んでいるのは、その被覆部302により中心部301が保護されるため、高反応性のケイ素系材料を含む中心部301の表面において電解液が分解しにくくなるからである。また、被覆部302は結着剤としても機能するため、その被覆部302を介して第2負極活物質300同士が互いに結着されやすくなるからである。この場合には、負極活物質層2が負極結着剤を含んでいれば、第2負極活物質300の結着性がより向上する。
被覆部302が被覆材料を含んでいるのは、その被覆材料により形成される被膜がいわゆるSEI(Solid Electrolyte Interphase)膜と同様の機能を果たすからである。これにより、中心部301の表面に被覆部302が設けられていても、中心部301においてリチウムが吸蔵および放出されることを阻害せずに、被覆部302により中心部301の表面が保護される。この場合には、特に、放電末期においても、被覆材料により形成された被膜が存在することに起因して、SEI膜が分解しにくくなる。これにより、放電末期においても、被覆部302による中心部301の保護状態が維持されやすくなる。
ポリアクリル酸塩の種類は、特に限定されないが、例えば、金属塩およびオニウム塩などである。ただし、ここで説明するポリアクリル酸塩は、ポリアクリル酸中に含まれている全てのカルボキシル基(-COOH)が塩を形成している化合物に限らず、ポリアクリル酸中に含まれている一部のカルボキシル基が塩を形成している化合物でもよい。すなわち、後者のポリアクリル酸塩は、1個または2個以上の未反応基(カルボキシル基)を含んでいてもよい。
金属塩に含まれる金属イオンの種類は、特に限定されないが、例えば、アルカリ金属イオンなどであり、より具体的には、リチウムイオン、ナトリウムイオンおよびカリウムイオンなどである。オニウム塩に含まれるオニウムイオンの種類は、特に限定されないが、例えば、アンモニウムイオンおよびホスホニウムイオンなどである。ポリアクリル酸塩の具体例は、ポリアクリル酸ナトリウムおよびポリアクリル酸カリウムなどである。
なお、ポリアクリル酸塩は、1つの分子中に、金属イオンだけを含んでいてもよいし、オニウムイオンだけを含んでいてもよいし、金属イオンおよびオニウムイオンの双方を含んでいてもよい。
中心部301の重量と被覆部302の重量との総和に対して被覆部302の重量が占める割合(占有割合)は、特に限定されない。この占有割合は、占有割合(重量%)=[被覆部302の重量/(中心部301の重量+被覆部302の重量)]×100という計算式により算出される。この計算式中において、前者(分子)の被覆部302の重量は、被覆材料の重量であると共に、後者(分母)の被覆部302の重量も、被覆材料の重量である。ただし、占有割合は、あまり大きすぎないことが好ましい。被覆部302による中心部301の被覆量を適度に抑えることにより、その中心部301の表面におけるイオン伝導性を担保するためである。これにより、中心部301の表面が被覆部302により被覆されていても、その中心部301においてリチウムを吸蔵および放出しやすくなる。
被覆部302の厚さは、特に限定されないが、例えば、約1μm未満であることが好ましい。中心部301におけるリチウムの吸蔵および放出がより阻害されにくくなるからである。
ここで説明する被覆部302の厚さは、いわゆる平均厚さであり、例えば、以下の手順により算出される。最初に、電界放射型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)などの顕微鏡を用いて、第2負極活物質300(中心部301および被覆部302)の断面を観察する。この場合には、第2負極活物質300の全体像のうちの約1/3を観察できるように倍率を調整する。より具体的には、第2負極活物質300の平均粒径(メジアン径D50)が約20μmである場合には、倍率を約2000倍とする。続いて、観察結果(顕微鏡写真)に基づいて、等間隔で位置する5箇所において被覆部302の厚さを測定する。この間隔は、例えば、約0.5μmである。最後に、5箇所において測定された厚さの平均値を算出する。
被覆部302の被覆率、すなわち被覆部302により中心部301の表面が被覆されている割合は、特に限定されないが、例えば、50%以上であることが好ましい。被覆部302による中心部301の保護効果が十分に発揮されるからである。
ここで説明する被覆部302の被覆率は、いわゆる平均被覆率であり、例えば、以下の手順により算出される。最初に、電界放射型走査型電子顕微鏡(FE-SEM)などの顕微鏡を用いて、第2負極活物質300(中心部301および被覆部302)の断面を観察する。この場合には、第2負極活物質300の全体像のうちの約1/3を観察できるように倍率を調整すると共に、任意の10箇所(10視野)において被覆部302の断面を観察する。倍率に関する詳細は、例えば、被覆部302の平均厚さを算出する場合と同様である。続いて、観察結果(顕微鏡写真)に基づいて、視野ごとに被覆率を算出する。この場合には、中心部301の全体像の外縁(輪郭)の長さL1を測定すると共に、その中心部301のうちの被覆部302により被覆されている部分の外縁の長さL2を測定したのち、被覆率=(L2/L1)×100を算出する。最後に、10視野において算出された被覆率の平均値を算出する。
ただし、常温溶融塩組成物が後述する共重合体を含んでいる場合には、第2負極活物質300は被覆部302を含んでいなくてもよい。共重合体が中心部301の表面を被覆するため、その共重合体が被覆部302と同様の機能を果たすからである。なお、共重合体の詳細に関しては、後述する。
(常温溶融塩組成物)
常温溶融塩組成物は、上記した第1負極活物質200および第2負極活物質300と共に負極活物質層2中に含まれている。このため、常温溶融塩組成物は、第1負極活物質200および第2負極活物質300と同様に、負極活物質層2中において分散されている。
ただし、常温溶融塩組成物は、ケイ素系材料に対して高い親和性を有するため、負極活物質層2中において、第1負極活物質200(炭素系材料)の近傍よりも第2負極活物質300(ケイ素系材料)の近傍に多く存在するように分布している。
すなわち、第1負極活物質200の近傍に常温溶融塩組成物が存在する量と、第2負極活物質300の近傍に常温溶融塩組成物が存在する量とを比較すると、第2負極活物質300の近傍における常温溶融塩組成物の存在量は、第1負極活物質200の近傍における常温溶融塩組成物の存在量よりも大きくなっている。
負極活物質層2が常温溶融塩組成物を含んでいるのは、その負極活物質層2が第1負極活物質200(炭素系材料)および第2負極活物質300(ケイ素系材料)の双方を含んでいる混合系において、上記したように、その常温溶融塩組成物が第1負極活物質200の近傍よりも第2負極活物質300の近傍に存在しやすくなるからである。この場合には、第2負極活物質300の近傍においてイオン伝導性が優先的に向上するため、その第2負極活物質300においてリチウムが吸蔵および放出されやすくなる。これにより、炭素系材料とケイ素系材料とを併用した混合系において、上記したケイ素系材料の懸念点が抑制されながら、そのケイ素系材料の利点が増強される。よって、負極において充放電反応が円滑かつ安定に進行しやすくなると共に、充電状態の負極が高温環境中に晒されても熱的に安定になる。
常温溶融塩組成物は、例えば、常温溶融塩および共重合体のうちの一方または双方を含んでいる。常温溶融塩の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。同様に、共重合体の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。
常温溶融塩は、いわゆるイオン液体であり、優れた難燃性および高いイオン伝導性を有している。共重合体は、常温溶融塩と高分子化合物との共重合体である。高分子化合物と共重合される常温溶融塩の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。同様に、常温溶融塩と共重合される高分子化合物の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。
常温溶融塩は、1種類または2種類以上のカチオンと、1種類または2種類以上のアニオンとを含んでいる。
カチオンの種類は、特に限定されないが、例えば、アンモニウムカチオン、ホスホニウムカチオン、スルホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンおよびピロリジニウムカチオンなどである。中でも、第四級アンモニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオン、第三級スルホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンおよびピロリジニウムカチオンが好ましい。優れた熱安定性が得られると共に、常温溶融塩を容易に合成可能だからである。
第四級アンモニウムカチオンは、NR4 +で表される。Rは、1価の脂肪族炭化水素基、1価の芳香族炭化水素基および1価の複素環基などのうちのいずれかである。ただし、4つのRは、互いに同じ基でもよいし、互いに異なる基でもよい。もちろん、4つのRのうちの一部だけが互いに同じ基でもよい。
第四級ホスホニウムカチオンは、PR4 +で表される。4つのRに関する詳細は、第四級アンモニウムカチオンに関して説明した場合と同様である。
第三級スルホニウムカチオンは、SR3 +で表される。3つのRに関する詳細は、第四級アンモニウムカチオンに関して説明した場合と同様である。
イミダゾリウムカチオンは、C3 3 2 2 +で表される。2つのRに関する詳細は、第四級アンモニウムカチオンに関して説明した場合と同様である。このイミダゾリウムカチオンは、例えば、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムイオンなどである。
ピリジニウムカチオンは、C5 5 NR2 +で表される。2つのRに関する詳細は、第四級アンモニウムカチオンに関して説明した場合と同様である。
ピロリジニウムカチオンは、C4 8 NR2 +で表される。2つのRに関する詳細は、第四級アンモニウムカチオンに関して説明した場合と同様である。
アニオンの種類は、特に限定されないが、例えば、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン(CF3 -S(=O)2 -N- -S(=O)2 -CF3 )、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン(F-S(=O)2 -N- -S(=O)2 -F)、テトラフルオロボレートアニオン(BF4 -)、ヘキサフルオロホスフェートアニオン(PF6 -)およびハロゲン化物アニオンなどであり、そのハロゲン化物アニオンは、例えば、クロライドアニオン(Cl- )などである。中でも、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、テトラフルオロボレートアニオン、ヘキサフルオロホスフェートアニオンおよびクロライドアニオンが好ましい。優れた熱安定性が得られると共に、常温溶融塩を容易に合成可能だからである。
共重合体は、例えば、高分子化合物に対して常温溶融塩がグラフト重合されたグラフト共重合体である。このグラフト共重合体では、例えば、高分子化合物に対して1個または2個以上の常温溶融塩が側鎖として導入される。高分子化合物の種類は、特に限定されないが、例えば、後述する負極結着剤(高分子化合物)の種類と同様である。優れた熱安定性が得られるため、負極結着剤の熱安定性がより向上するからである。高分子化合物は、例えば、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリイミド、ポリアミック酸、ポリアミドイミド、ポリテトラフルオロエチレンおよびポリフッ化ビニリデンなどである。中でも、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリイミドおよびポリフッ化ビニリデンなどが好ましい。
特に、常温溶融塩組成物は、第2負極活物質300(ケイ素系材料)と反応しやすい反応基のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいることが好ましい。すなわち、常温溶融塩組成物が常温溶融塩を含んでいる場合には、その常温溶融塩は反応基を含んでいることが好ましい。また、常温溶融塩組成物が共重合体を含んでいる場合には、常温溶融塩が反応基を含んでいてもよいし、高分子化合物が反応基を含んでいてもよいし、双方が反応基を含んでいてもよい。常温溶融塩組成物が反応基を介してケイ素系材料と反応するため、その常温溶融塩組成物が第2負極活物質300に定着するからである。これにより、常温溶融塩組成物が第2負極活物質300の近傍により存在しやすくなる。
反応基の種類は、ケイ素系材料と反応しやすい官能基であれば、特に限定されないが、例えば、アルコキシ基、ヒドロキシ基、アクリロイル基およびメタクリロイル基などである。常温溶融塩組成物がケイ素系材料と十分に反応しやすくなるからである。
負極活物質層2中における常温溶融塩組成物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%~5重量%である。第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれの含容量が担保されるため、高い電池容量を維持しながら、上記した常温溶融塩組成物に起因する利点が得られるからである。
(他の材料)
他の材料は、例えば、上記した負極結着剤および負極導電剤の他、金属塩およびシランカップリング剤などである。
(負極結着剤)
負極結着剤は、主に、第1負極活物質200および第2負極活物質300などを結着させる。この負極結着剤は、例えば、合成ゴムおよび高分子化合物などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムおよびエチレンプロピレンジエンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸およびポリイミドなどである。中でも、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸などが好ましい。
(負極導電剤)
負極導電剤は、主に、負極活物質層2の電子伝導性を向上させる。この負極導電剤は、例えば、炭素材料などの導電性材料うちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この炭素材料は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバーおよびカーボンナノチューブなどである。ただし、負極導電剤は、導電性材料であれば、炭素材料に限られず、金属材料および導電性高分子などでもよい。
(金属塩)
金属塩は、主に、常温溶融塩組成物のイオン伝導性を向上させると共に、負極活物質層2のイオン伝導性を向上させる。金属塩の種類は、特に限定されないが、中でも、電極反応物質の塩であることが好ましい。すなわち、電極反応物質としてリチウムを用いる場合には、金属塩はリチウム塩であることが好ましい。リチウム塩の種類は、カチオンとしてリチウムイオンを含む塩のうちのいずれか1種類または2種類以上であれば、特に限定されない。リチウム塩に関する詳細は、例えば、後述する電解質塩に関する詳細と同様である。
(シランカップリング剤)
シランカップリング剤は、主に、負極結着剤に対して高い親和性を有するため、第1負極活物質200および第2負極活物質300などを互いに結着させる。なお、シランカップリング剤は、上記した第1負極活物質200および第2負極活物質300の他、負極集電体1および負極導電剤なども結着させる。
シランカップリング剤の種類は、負極結着剤に対して高い親和性を有する材料のうちのいずれか1種類または2種類以上であれば、特に限定されない。具体的には、シランカップリング剤は、例えば、アミノ基を含むシランカップリング剤、硫黄を構成元素として含むシランカップリング剤、およびフッ素を構成元素として含むシランカップリング剤などである。アミノ基を含むシランカップリング剤は、例えば、3-アミノプロピルメチルジエトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシランおよびN,N’-ビス[3-トリメトキシシリル]プロピルエチレンジアミンなどである。硫黄を構成元素として含むシランカップリング剤は、例えば、ビス[3-(トリエトキシシリル)プロピル]テトラスルファイド、ビス[3-(トリエトキシシリル)プロピル]ジスルファイド、3-メルカプトプロピルトリメトキシシランおよび3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシランなどである。フッ素を構成元素として含むシランカップリング剤は、例えば、(ヘプタデカフルオロ-1,1,2,2-テトラハイドロデシル)-トリメトキシシラン、(ヘプタデカフルオロ-1,1,2,2-テトラハイドロデシル)-トリス(ジメチルアミノ)シランおよび(ヘプタデカフルオロ-1,1,2,2-テトラハイドロデシル)-トリエトキシシランなどである。
(他の負極活物質)
なお、負極活物質層2は、例えば、上記した第1負極活物質200および第2負極活物質300と共に、他の負極活物質のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
他の負極活物質は、例えば、金属系材料である。この金属系材料は、金属元素および半金属元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含む材料の総称である。高いエネルギー密度が得られるからである。ただし、上記したケイ素系材料は、ここで説明する金属系材料から除かれる。である。
この金属系材料は、単体でもよいし、合金でもよいし、化合物でもよいし、それらのうちの2種類以上でもよいし、それらのうちの1種類または2種類以上の相を少なくとも一部に含む材料でもよい。金属系材料の組織は、例えば、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物およびそれらの2種類以上の共存物などである。
金属元素は、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素であると共に、半金属元素は、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な半金属元素である。具体的には、金属元素および半金属元素は、例えば、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)および白金(Pt)などである。
中でも、スズが好ましい。リチウムを吸蔵および放出する能力が優れているため、著しく高いエネルギー密度が得られるからである。
スズを構成元素として含む材料(以下、単に「スズ系材料」と呼称する。)は、スズの単体でもよいし、スズの合金でもよいし、スズの化合物でもよいし、それらのうちの2種類以上でもよいし、それらのうちの1種類または2種類以上の相を少なくとも一部に含む材料でもよい。
スズの合金は、例えば、スズ以外の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、炭素および酸素などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金に関して説明した一連の元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
スズの合金およびスズの化合物の具体例は、SnOw (0<w≦2)、SnSiO3 、LiSnOおよびMg2 Snなどである。
特に、スズ系材料は、例えば、第1構成元素であるスズと共に第2構成元素および第3構成元素を含む材料(以下、「スズ含有材料」と呼称する。)であることが好ましい。第2構成元素は、例えば、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、セシウム(Ce)、ハフニウム(Hf)、タンタル、タングステン、ビスマスおよびケイ素などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。第3構成元素は、例えば、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリンなどのうちのいずれか1種類または2種類以上である。高い電池容量および優れたサイクル特性などが得られるからである。
中でも、スズ含有材料は、スズとコバルトと炭素とを構成元素として含む材料(以下、「スズコバルト炭素含有材料」と呼称する。)であることが好ましい。このスズコバルト炭素含有材料では、例えば、炭素の含有量が9.9質量%~29.7質量%、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が20質量%~70質量%である。高いエネルギー密度が得られるからである。
スズコバルト炭素含有材料は、スズとコバルトと炭素とを含む相を有しており、その相は、低結晶性または非晶質であることが好ましい。この相は、リチウムと反応することが可能な相(反応相)であるため、その反応相の存在に起因して優れた特性が得られる。この反応相のX線回折により得られる回折ピークの半値幅(回折角2θ)は、特定X線としてCuKα線を用いると共に挿引速度を1°/minとした場合において、1°以上であることが好ましい。リチウムがより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解液との反応性が低減するからである。なお、スズコバルト炭素含有材料は、低結晶性または非晶質の相に加えて、各構成元素の単体または一部が含まれている相を含む場合もある。
X線回折により得られた回折ピークがリチウムと反応することが可能な反応相に対応する回折ピークであるか否かに関しては、リチウムとの電気化学的反応の前後におけるX線回折チャートを比較すれば容易に判断できる。例えば、リチウムとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムと反応可能な反応相に対応する回折ピークである。この場合には、例えば、低結晶性または非晶質の反応相に起因する回折ピークが2θ=20°~50°の範囲に検出される。この反応相は、例えば、上記した一連の構成元素を含んでおり、主に、炭素の存在に起因して低結晶化または非晶質化していると考えられる。
スズコバルト炭素含有材料では、構成元素である炭素のうちの少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。スズなどの凝集またはスズの結晶化が抑制されるからである。元素の結合状態に関しては、例えば、X線光電子分光法(XPS)を用いて確認可能である。市販の装置では、例えば、軟X線としてAl-Kα線またはMg-Kα線などが用いられる。炭素のうちの少なくとも一部が金属元素または半金属元素などと結合している場合には、炭素の1s軌道(C1s)の合成波のピークが284.5eVよりも低いエネルギー領域に現れる。なお、金原子の4f軌道(Au4f)のピークは、84.0eVに得られるようにエネルギー較正されているとする。この際、通常、物質の表面には表面汚染炭素が存在しているため、その表面汚染炭素に起因するC1sのピークのエネルギーを284.8eVとして、そのピークをエネルギー基準とする。XPS測定において、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素に起因するピークとスズコバルト炭素含有材料中の炭素に起因するピークとを含んでいる。このため、例えば、市販のソフトウエアを用いてピークを解析することにより、両者のピークを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。
このスズコバルト炭素含有材料は、構成元素がスズ、コバルトおよび炭素だけである材料に限られない。このスズコバルト炭素含有材料は、例えば、スズ、コバルトおよび炭素に加えて、さらにケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムおよびビスマスなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含んでいてもよい。
スズコバルト炭素含有材料の他、スズとコバルトと鉄と炭素とを構成元素として含む材料(以下、「スズコバルト鉄炭素含有材料」と呼称する。)も好ましい。このスズコバルト鉄炭素含有材料の組成は、任意である。一例を挙げると、鉄の含有量を少なめに設定する場合は、炭素の含有量が9.9質量%~29.7質量%、鉄の含有量が0.3質量%~5.9質量%、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が30質量%~70質量%である。また、鉄の含有量を多めに設定する場合は、炭素の含有量が11.9質量%~29.7質量%、スズ、コバルトおよび鉄の含有量の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))が26.4質量%~48.5質量%、コバルトおよび鉄の含有量の割合(Co/(Co+Fe))が9.9質量%~79.5質量%である。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。なお、スズコバルト鉄炭素含有材料の物性(半値幅など)は、上記したスズコバルト炭素含有材料の物性と同様である。
また、他の負極活物質は、例えば、金属酸化物および高分子化合物などである。金属酸化物は、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムおよび酸化モリブデンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンおよびポリピロールなどである。
<1-2.製造方法>
次に、負極の製造方法に関して説明する。この負極は、例えば、以下の手順により製造される。
最初に、負極合剤を準備する。
第1態様における第1負極活物質200および第2負極活物質300を用いる場合には、第1負極活物質200および第2負極活物質300を含む負極活物質と、常温溶融塩組成物と、必要に応じて負極結着剤および負極導電剤などとを混合することにより、負極合剤とする。
第2態様における第1負極活物質200および第2負極活物質300を用いる場合には、以下の手順により、第2負極活物質300を作製したのち、負極合剤を得る。
この場合には、最初に、ケイ素系材料を含む中心部301と、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちのいずれか1種類または2種類以上を含む被覆材料とを混合する。被覆材料としては、溶解物を用いてもよいし、非溶解物を用いてもよい。この溶解物は、例えば、純水などにより被覆材料が溶解された溶液であり、より具体的には、例えば、ポリアクリル酸塩水溶液およびポリアクリル酸水溶液などである。
続いて、溶媒に混合物を投入したのち、その溶媒を撹拌する。溶媒の種類は、任意の溶媒のうちのいずれか1種類または2種類以上であれば、特に限定されないが、例えば、被覆材料を溶解可能な水性溶媒および有機溶剤などである。水性溶媒は、例えば、純水などであると共に、有機溶剤は、例えば、N-メチル-2-ピロリドンなどである。溶媒を撹拌する場合には、例えば、スターラなどの撹拌装置を用いてもよい。撹拌時間などの条件に関しては、任意に設定可能である。これにより、溶媒中に中心部301が分散されると共に、その溶媒により被覆材料が溶解されるため、中心部301および被覆材料を含む分散液が調製される。
続いて、分散液中から第2負極活物質300を分離する。分離方法は、特に限定されないが、例えば、分散液を濾過することにより、濾過物を回収する。こののち、濾過物を乾燥させてもよい。乾燥温度および乾燥時間などの条件に関しては、任意に設定可能である。分散液中では、被覆材料を含む被覆部302が中心部301の表面に形成されるため、その中心部301および被覆部302を含む第2負極活物質300が形成される。よって、分散液を濾過することにより、濾過物である第2負極活物質300が得られる。
なお、分散液を濾過する代わりに、スプレードライ装置を用いて分散液を噴霧したのち、その分散液を乾燥させてもよい。この場合においても、中心部301の表面に被覆部302が形成されるため、第2負極活物質300が得られる。
最後に、第1負極活物質200および第2負極活物質300(中心部301および被覆部302)を含む負極活物質と、常温溶融塩組成物と、必要に応じて負極結着剤および負極導電剤などとを混合することにより、負極合剤とする。
なお、上記したように、常温溶融塩組成物として共重合体を用いる場合には、被覆部302を形成しなくてもよい。
続いて、溶媒に負極合剤を投入したのち、その溶媒を撹拌することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製する。溶媒の種類は、任意の溶媒のうちのいずれか1種類または2種類以上であれば、特に限定されないが、例えば、水性溶媒および有機溶剤などである。水性溶媒および有機溶剤に関する詳細は、上記した通りである。
最後に、負極集電体1の両面に負極合剤スラリーを塗布したのち、その負極合剤スラリーを乾燥させることにより、負極活物質層2を形成する。こののち、必要に応じて、ロールプレス機などを用いて負極活物質層2を圧縮成型する。この場合には、負極活物質層2を加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。
これにより、負極集電体1および負極活物質層2を含む負極が完成する。
<1-3.作用および効果>
本実施形態の負極によれば、負極活物質層2が第1負極活物質(炭素系材料)および第2負極活物質300(ケイ素系材料)と共に常温溶融塩組成物を含んでいる。この場合には、上記したように、炭素系材料とケイ素系材料との混合系において、常温溶融塩組成物が炭素系材料の近傍よりもケイ素系材料の近傍に存在しやすくなる。これにより、ケイ素系材料の近傍においてイオン伝導性が優先的に向上するため、そのケイ素系材料においてリチウムが吸蔵および放出されやすくなる。よって、負極において充放電反応が円滑かつ安定に進行しやすくなると共に、充電状態の負極が高温環境中に晒されても熱的に安定になるため、優れた電池特性を得ることができる。
特に、常温溶融塩組成物が常温溶融塩および共重合体のうちの一方または双方を含んでいれば、常温溶融塩組成物がケイ素系材料の近傍に十分に存在しやすくなるため、より高い効果を得ることができる。この場合には、常温溶融塩組成物が共重合体を含んでいれば、優れた熱安定性が得られることにより、負極結着剤の熱安定性がより向上するため、さらに高い効果を得ることができる。また、常温溶融塩がカチオンとして第四級アンモニウムカチオンなどを含んでおり、高分子化合物がポリアクリル酸塩などを含んでいれば、常温溶融塩組成物がケイ素系材料の近傍により存在しやすくなるため、さらに高い効果を得ることができる。
また、常温溶融塩がアニオンとしてビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオンなどを含んでいれば、常温溶融塩組成物がケイ素系材料の近傍により存在しやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、常温溶融塩組成物がアルコキシ基などの反応基を含んでいれば、その常温溶融塩組成物が反応基を介してケイ素系材料と反応しやすくなる。よって、常温溶融塩組成物がケイ素系材料の近傍により存在しやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、負極活物質層2が金属塩を含んでいれば、その負極活物質層2などのイオン伝導性が向上するため、より高い効果を得ることができる。
また、負極活物質層2が負極結着剤を含んでおり、その負極結着剤がポリフッ化ビニリデンなどを含んでいれば、第1負極活物質200および第2負極活物質300が負極結着剤を介して十分に結着される。よって、第1負極活物質200および第2負極活物質300のそれぞれにおいてリチウムが円滑かつ十分に吸蔵および放出されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
<2.二次電池用負極(第2実施形態)>
次に、本技術の第2実施形態の二次電池用負極に関して説明する。以下では、既に説明した第1実施形態の負極の構成要素を随時引用する。
<2-1.構成>
ここで説明する負極は、常温溶融塩組成物が負極活物質層2中に分散されている代わりに、その常温溶融塩組成物が被覆部302に含まれていることを除いて、上記した第1実施形態の負極(図3に示した第2態様)と同様の構成を有している。
具体的には、第2負極活物質300は、図3に示したように、中心部301および被覆部302を含んでおり、その被覆部302は、被覆材料と共に常温溶融塩組成物を含んでいる。被覆材料および常温溶融塩組成物のそれぞれに関する詳細は、上記した通りである。
被覆部302が常温溶融塩組成物を含んでいるのは、負極活物質層2が常温溶融塩組成物を含んでいる第1実施形態と同様に、ケイ素系材料の近傍に常温溶融塩組成物が存在しやすくなるからである。この場合には、特に、ケイ素系材料を含む中心部301の表面に常温溶融塩組成物を含む被覆部302が定着されるため、そのケイ素系材料に対して常温溶融塩組成物が強固に固定される。これにより、炭素系材料の近傍よりもケイ素系材料の近傍に常温溶融塩組成物がより多く存在しやすくなると共に、その状態は充放電を繰り返しても維持されやすくなる。
この場合には、常温溶融組塩成物はケイ素系材料と結合していることが好ましい。より具体的には、常温溶融塩組成物は、上記した反応基を介してケイ素系材料と結合していることが好ましい。ケイ素系材料に対して常温溶融塩組成物がより強固に固定されるため、そのケイ素系材料の近傍に常温溶融塩組成物がより多く存在している状態はより維持されやすくなるからである。
また、常温溶融塩組成物は、負極結着剤と結合していることが好ましい。より具体的には、常温溶融塩組成物は、上記した反応基を介して負極結着剤と結合していることが好ましい。常温溶融塩組成物が負極結着剤と結合することにより、その常温溶融塩組成物がケイ素系材料の表面に定着された状態は維持されやすくなるからである。
なお、被覆部302は、金属塩を含んでいてもよい。金属塩に関する詳細は、上記した通りである。負極活物質層2が金属塩を含んでいる第1実施形態と同様の利点が得られるからである。
また、被覆部302は、導電性材料を含んでいてもよい。導電性材料に関する詳細は、例えば、上記した負極導電剤に関する詳細と同様である。すなわち、導電性材料は、例えば、カーボンナノチューブなどである。被覆部302の導電性が向上するからである。
ここで、負極活物質層2は、例えば、追加の常温溶融塩組成物を含んでいてもよい。すなわち、常温溶融塩組成物は、例えば、被覆部302に含まれているだけでなく、負極活物質層2中に分散されていてもよい。第2負極活物質300の近傍における常温溶融塩組成物の存在量が増加するため、その第2負極活物質300の近傍におけるイオン伝導性がより向上するからである。
ただし、常温溶融塩組成物が共重合体を含んでいる場合には、第2負極活物質300は被覆部302を含んでいなくてもよい。上記したように、共重合体が被覆部302と同様の機能を果たすからである。
もちろん、第2負極活物質300が中心部301および被覆部302を含んでいる場合には、その被覆部302が被覆材料と共に常温溶融塩組成物(共重合体)を含んでいてもよい。
被覆部302が常温溶融塩組成物を含んでいる場合における占有割合は、上記した被覆部302が常温溶融塩組成物を含んでいない場合と同様に、中心部301の重量と被覆部302の重量との総和に対して被覆部302の重量が占める割合である。すなわち、占有割合は、占有割合(重量%)=[被覆部302の重量/(中心部301の重量+被覆部302の重量)]×100という計算式により算出される。ただし、上記した計算式中において、前者(分子)の被覆部302の重量は、被覆材料の重量であるのに対して、後者(分母)の被覆部302の重量は、被覆材料の重量と常温溶融塩組成物の重量と導電性材料の重量との総和である。
<2-2.製造方法>
この負極は、例えば、第2負極活物質300の形成手順が異なることを除いて、第1実施形態における負極の作製手順と同様の手順により製造される。以下では、第2負極活物質300の形成手順に関して言及する。
第2負極活物質300を形成する場合には、最初に、ケイ素系材料を含む中心部301と、常温溶融塩組成物と、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちのいずれか1種類または2種類以上を含む被覆材料とを混合する。続いて、溶媒に混合物を投入したのち、その溶媒を撹拌する。これにより、溶媒中に中心部301および常温溶融塩組成物が分散されると共に、その溶媒により被覆材料が溶解されるため、中心部301、常温溶融塩組成物および被覆材料を含む分散液が調製される。最後に、分散液中から第2負極活物質300を分離する。分散液中では、常温溶融塩組成物および被覆材料を含む被覆部302が中心部301の表面に形成されるため、その中心部301および被覆部302を含む第2負極活物質300が形成される。分散液を濾過することにより、濾過物である第2負極活物質300が得られる。もちろん、第2負極活物質300を得るためには、上記したように、スプレードライ装置を用いて分散液を噴霧したのち、その分散液を乾燥させてもよい。
なお、上記したように、常温溶融塩組成物として共重合体を用いる場合には、被覆部302を形成しなくてもよいし、被覆材料と共に共重合体を含むように被覆部302を形成してもよい。
また、上記した追加の常温溶融塩組成物を用いる場合には、負極合剤を調製する際に、第1負極活物質200および第2負極活物質300(中心部301および被覆部302)を含む負極活物質と、追加の常温溶融塩組成物と、必要に応じて負極結着剤および負極導電剤などとを混合してもよい。
<2-3.作用および効果>
本実施形態の負極によれば、負極活物質層2が第1負極活物質200(炭素系材料)および第2負極活物質300(ケイ素系材料を含む中心部301および被覆部302)を含んでおり、その被覆部302が常温溶融塩組成物を含んでいる。この場合には、第1実施形態と同様に、炭素系材料とケイ素系材料との混合系において、常温溶融塩組成物が炭素系材料の近傍よりもケイ素系材料の近傍に存在しやすくなるため、そのケイ素系材料においてリチウムが吸蔵および放出されやすくなる。よって、負極において充放電反応が円滑かつ安定に進行しやすくなると共に、充電状態の負極が高温環境中に晒されても熱的に安定になるため、優れた電池特性を得ることができる。
特に、中心部301の表面に設けられた被覆部302が常温溶融塩組成物を含んでいることにより、ケイ素系材料の表面に常温溶融塩組成物が定着されるため、そのケイ素系材料に対して常温溶融塩組成物が強固に固定される。よって、炭素系材料の近傍よりもケイ素系材料の近傍に常温溶融塩組成物がより多く存在している状態は充放電を繰り返しても維持されやすくなるため、第1実施形態よりも高い効果を得ることができる。
また、常温溶融塩組成物がケイ素系材料と結合していれば、そのケイ素系材料に対して常温溶融塩組成物がより強固に固定されるため、より高い効果を得ることができる。
また、常温溶融塩組成物が負極結着剤と結合していれば、その常温溶融塩組成物がケイ素系材料の表面に定着された状態は維持されやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、被覆部302が金属塩を含んでいれば、負極活物質層2などのイオン伝導性が向上するため、より高い効果を得ることができる。
本実施形態の負極に関するこれ以外の作用および効果は、第1実施形態の負極の作用および効果と同様である。
<3.変形例>
本技術の負極の構成に関しては、適宜、変更可能である。
具体的には、例えば、図3に対応する図4に示したように、第1負極活物質200が第2態様の第2負極活物質300(中心部301および被覆部302)と同様の構成を有していてもよい。
すなわち、第1負極活物質200は、例えば、中心部301に対応する中心部201と、被覆部302に対応する被覆部202とを含んでいる。中心部201の構成は、例えば、ケイ素系材料の代わりに炭素系材料を含んでいることを除いて、中心部301の構成と同様である。被覆部202の構成は、例えば、常温溶融塩組成物を含んでいないことを除いて、被覆部302の構成と同様である。すなわち、被覆部202は、被覆材料を含んでいる。
この第1負極活物質200は、例えば、中心部201の形成材料としてケイ素系材料の代わりに炭素系材料を用いると共に、被覆部202の形成材料として常温溶融塩組成物を用いないことを除いて、第2負極活物質300の作製手順と同様の手順により作製される。
この場合においても、第2負極活物質300が第1実施形態または第2実施形態において説明された構成を有していることにより、同様の効果を得ることができる。この場合には、特に、第1負極活物質200同士が被覆部202を介して互いに結着されやすくなるため、その第1負極活物質200の結着性を向上させることができる。
<4.二次電池>
次に、上記した本技術の負極を用いた二次電池に関して説明する。以下では、既に説明した本技術の負極の構成要素を随時引用する。
<4-1.リチウムイオン二次電池(円筒型)>
図5は、二次電池の断面構成を表しており、図6は、図5に示した巻回電極体20の断面構成のうちの一部を拡大している。
ここで説明する二次電池は、例えば、リチウムの吸蔵現象およびリチウムの放出現象を利用して電池容量(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。
[構成]
この二次電池は、図5に示したように、中空円筒状の電池缶11の内部に、電池素子である巻回電極体20が収納された円筒型の二次電池である。
具体的には、二次電池は、例えば、電池缶11の内部に、一対の絶縁板12,13と、巻回電極体20とを備えている。この巻回電極体20は、例えば、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層されたのち、その正極21、負極22およびセパレータ23が巻回されることにより形成されている。巻回電極体20には、液状の電解質である電解液が含浸されている。
電池缶11は、例えば、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有しており、例えば、鉄、アルミニウムおよびそれらの合金などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。電池缶11の表面には、例えば、ニッケルなどが鍍金されていてもよい。一対の絶縁板12,13のそれぞれは、互いに巻回電極体20を挟むと共にその巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、安全弁機構15と、熱感抵抗素子(PTC素子)16とがガスケット17を介してかしめられているため、その電池缶11は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11の形成材料と同様の材料を含んでいる。安全弁機構15および熱感抵抗素子16のそれぞれは、電池蓋14の内側に設けられており、その安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されている。この安全弁機構15では、内部短絡または外部加熱などに起因して電池缶11の内圧が一定以上になると、ディスク板15Aが反転する。これにより、電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続が切断される。大電流に起因する異常な発熱を防止するために、熱感抵抗素子16の抵抗は、温度の上昇に応じて増加する。ガスケット17は、例えば、絶縁材料を含んでおり、そのガスケット17の表面には、例えば、アスファルトなどが塗布されていてもよい。
巻回電極体20の巻回中心20Cには、例えば、センターピン24が挿入されている。ただし、センターピン24は、巻回中心20Cに挿入されていなくてもよい。正極21には、正極リード25が取り付けられていると共に、負極22には、負極リード26が取り付けられている。正極リード25は、例えば、アルミニウムなどの導電性材料を含んでいる。この正極リード25は、例えば、安全弁機構15に取り付けられているため、電池蓋14と電気的に接続されている。負極リード26は、例えば、ニッケルなどの導電性材料を含んでいる。この負極リード26は、例えば、電池缶11に取り付けられているため、その電池缶11と電気的に接続されている。
(正極)
正極21は、例えば、図6に示したように、正極集電体21Aと、その正極集電体21Aの両面に設けられた2つの正極活物質層21Bとを含んでいる。ただし、正極集電体21Aの片面に1つの正極活物質層21Bだけが設けられていてもよい。
(正極集電体)
正極集電体21Aは、例えば、導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。導電性材料の種類は、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ニッケルおよびステンレスなどの金属材料である。この正極集電体21Aは、単層でもよいし、多層でもよい。
(正極活物質層)
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能である正極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、正極活物質層21Bは、さらに、正極結着剤および正極導電剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
(正極活物質(正極材料))
正極材料は、例えば、リチウム含有化合物である。高いエネルギー密度が得られるからである。リチウム含有化合物の種類は、特に限定されないが、例えば、リチウム含有複合酸化物およびリチウム含有リン酸化合物などである。
リチウム含有複合酸化物は、リチウムと1種類または2種類以上の他元素とを構成元素として含む酸化物であり、例えば、層状岩塩型およびスピネル型などのうちのいずれかの結晶構造を有している。リチウム含有リン酸化合物は、リチウムと1種類または2種類以上の他元素とを構成元素として含むリン酸化合物であり、例えば、オリビン型などの結晶構造を有している。なお、他元素は、リチウム以外の元素である。
他元素の種類は、任意の元素のうちのいずれか1種類または2種類以上であれば、特に限定されない。中でも、他元素は、長周期型周期表における2族~15族に属する元素であることが好ましい。より具体的には、他元素は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)および鉄(Fe)などであることがより好ましい。高い電圧が得られるからである。
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物は、例えば、下記の式(1)~式(3)のそれぞれで表される化合物などである。
Lia Mn(1-b-c) Nib M1c (2-d) e ・・・(1)
(M1は、コバルト(Co)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a~eは、0.8≦a≦1.2、0<b<0.5、0≦c≦0.5、(b+c)<1、-0.1≦d≦0.2および0≦e≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
Lia Ni(1-b) M2b (2-c) d ・・・(2)
(M2は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a~dは、0.8≦a≦1.2、0.005≦b≦0.5、-0.1≦c≦0.2および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
Lia Co(1-b) M3b (2-c) d ・・・(3)
(M3は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a~dは、0.8≦a≦1.2、0≦b<0.5、-0.1≦c≦0.2および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物の具体例は、LiNiO2 、LiCoO2 、LiCo0.98Al0.01Mg0.012 、LiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 2 、LiNi0.8 Co0.15Al0.052 、LiNi0.33Co0.33Mn0.332 、Li1.2 Mn0.52Co0.175 Ni0.1 2 およびLi1.15(Mn0.65Ni0.22Co0.13)O2 などである。
なお、層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物がニッケル、コバルト、マンガンおよびアルミニウムを構成元素として含む場合には、そのニッケルの原子比率は、50原子%以上であることが好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物は、例えば、下記の式(4)で表される化合物などである。
Lia Mn(2-b) M4b c d ・・・(4)
(M4は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)のうちの少なくとも1種である。a~dは、0.9≦a≦1.1、0≦b≦0.6、3.7≦c≦4.1および0≦d≦0.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
スピネル型の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物の具体例は、LiMn2 4 などである。
オリビン型の結晶構造を有するリチウム含有リン酸化合物は、例えば、下記の式(5)で表される化合物などである。
Lia M5PO4 ・・・(5)
(M5は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)のうちの少なくとも1種である。aは、0.9≦a≦1.1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、aは完全放電状態の値である。)
オリビン型の結晶構造を有するリチウム含有リン酸化合物の具体例は、LiFePO4 、LiMnPO4 、LiFe0.5 Mn0.5 PO4 およびLiFe0.3 Mn0.7 PO4 などである。
なお、リチウム含有複合酸化物は、下記の式(6)で表される化合物などでもよい。
(Li2 MnO3 x (LiMnO2 1-x ・・・(6)
(xは、0≦x≦1を満たす。ただし、リチウムの組成は充放電状態に応じて異なり、xは完全放電状態の値である。)
(他の正極材料)
この他、正極材料は、例えば、酸化物、二硫化物、カルコゲン化物および導電性高分子などでもよい。酸化物は、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムおよび二酸化マンガンなどである。二硫化物は、例えば、二硫化チタンおよび硫化モリブデンなどである。カルコゲン化物は、例えば、セレン化ニオブなどである。導電性高分子は、例えば、硫黄、ポリアニリンおよびポリチオフェンなどである。
(正極結着剤および正極導電剤)
正極結着剤に関する詳細は、例えば、負極結着剤に関する詳細と同様である。また、正極導電剤に関する詳細は、例えば、負極導電剤に関する詳細と同様である。
(負極)
負極22は、上記した本技術の負極と同様の構成を有している。具体的には、負極22は、例えば、図6に示したように、負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bを含んでいる。負極集電体22Aの構成は、負極集電体1の構成と同様であると共に、負極活物質層22Bの構成は、負極活物質層2の構成と同様である。
この負極22では、充電途中において意図せずにリチウム金属が負極22の表面に析出することを防止するために、負極材料の充電可能な容量は、正極21の放電容量よりも大きいことが好ましい。すなわち、リチウムを吸蔵および放出することが可能である負極材料の電気化学当量は、正極21の電気化学当量よりも大きいことが好ましい。
特に、ここで説明する二次電池では、上記したように、充電途中において負極22の表面にリチウム金属が意図せずに析出することを防止するために、リチウムを吸蔵および放出することが可能である負極材料の電気化学当量は、正極の電気化学当量よりも大きい。また、完全充電時の開回路電圧(すなわち電池電圧)が4.25V以上であると、4.20Vである場合と比較して、同じ正極活物質を用いても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなることを考慮して、正極活物質の量と負極活物質の量とが互いに調整されている。これにより、高いエネルギー密度が得られる。
[セパレータ]
セパレータ23は、例えば、図6に示したように、正極21と負極22との間に配置されており、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。
このセパレータ23は、例えば、合成樹脂およびセラミックなどの多孔質膜のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、2種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。合成樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンおよびポリエチレンなどである。
特に、セパレータ23は、例えば、上記した多孔質膜(基材層)と、その基材層の片面または両面に設けられた高分子化合物層とを含んでいてもよい。正極21および負極22のそれぞれに対するセパレータ23の密着性が向上するため、巻回電極体20の歪みが抑制されるからである。これにより、電解液の分解反応が抑制されると共に、基材層に含浸された電解液の漏液も抑制されるため、充放電を繰り返しても抵抗が上昇しにくくなると共に、電池膨れが抑制される。
高分子化合物層は、例えば、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子化合物を含んでいる。物理的強度に優れていると共に、電気化学的に安定だからである。ただし、高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデン以外でもよい。この高分子化合物層を形成する場合には、例えば、有機溶剤などに高分子化合物が溶解された溶液を基材層に塗布したのち、その基材層を乾燥させる。なお、溶液中に基材層を浸漬させたのち、その基材層を乾燥させてもよい。
なお、高分子化合物層は、例えば、無機粒子などの絶縁性粒子のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。セパレータ23が酸化されにくくなるため、二次電池の安全性が向上するからである。無機粒子の種類は、例えば、酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムなどである。
(電解液)
巻回電極体20には、上記したように、電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒および電解質塩を含んでいる。ただし、電解液は、さらに、添加剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
溶媒は、有機溶媒などの非水溶媒のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。非水溶媒を含む電解液は、いわゆる非水電解液である。
非水溶媒は、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトン、鎖状カルボン酸エステルおよびニトリル(モノニトリル)化合物などである。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。
環状炭酸エステルは、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレンおよび炭酸ブチレンなどである。鎖状炭酸エステルは、例えば、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルおよび炭酸メチルプロピルなどである。ラクトンは、例えば、γ-ブチロラクトンおよびγ-バレロラクトンなどである。鎖状カルボン酸エステルは、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチルおよびトリメチル酢酸エチルなどである。ニトリル化合物は、例えば、アセトニトリル、メトキシアセトニトリルおよび3-メトキシプロピオニトリルなどである。
この他、非水溶媒は、例えば、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,3-ジオキサン、1,4-ジオキサン、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルピロリジノン、N-メチルオキサゾリジノン、N,N’-ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチルおよびジメチルスルホキシドなどでもよい。同様の利点が得られるからである。
中でも、環状炭酸エステルおよび鎖状炭酸エステルのうちのいずれか1種類または2種類以上が好ましく、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルなどのうちのいずれか1種類または2種類以上がより好ましい。高い電池容量、優れたサイクル特性および優れた保存特性などが得られるからである。この場合には、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば、比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルおよび炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば、粘度≦1mPa・s)との組み合わせがさらに好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
また、非水溶媒は、例えば、不飽和環状炭酸エステル、ハロゲン化炭酸エステル、スルホン酸エステル、酸無水物、ジシアノ化合物(ジニトリル化合物)、ジイソシアネート化合物、リン酸エステルおよび不飽和鎖状化合物などである。電解液の化学的安定性が向上するからである。
不飽和環状炭酸エステルは、1個または2個以上の不飽和結合(炭素間二重結合)を有する環状炭酸エステルの総称である。この不飽和環状炭酸エステルは、例えば、炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレンおよび炭酸メチレンエチレンなどである。非水溶媒中における不飽和環状炭酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%~10重量%である。
ハロゲン化炭酸エステルは、1個または2個以上のハロゲン元素を構成元素として含む環状または鎖状の炭酸エステルの総称である。ハロゲン化炭酸エステルが2個以上のハロゲン元素を構成元素として含む場合、その2個以上のハロゲン元素の種類は、1種類だけでもよいし、2種類以上でもよい。環状のハロゲン化炭酸エステルは、例えば、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オンおよび4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オンなどである。鎖状のハロゲン化炭酸エステルは、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)および炭酸ジフルオロメチルメチルなどである。非水溶媒中におけるハロゲン化炭酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%~50重量%である。
スルホン酸エステルは、例えば、モノスルホン酸エステルおよびジスルホン酸エステルなどである。非水溶媒中におけるスルホン酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.01重量%~10重量%である。
モノスルホン酸エステルは、環状モノスルホン酸エステルでもよいし、鎖状モノスルホン酸エステルでもよい。環状モノスルホン酸エステルは、例えば、1,3-プロパンスルトンおよび1,3-プロペンスルトンなどのスルトンである。鎖状モノスルホン酸エステルは、例えば、環状モノスルホン酸エステルが途中で切断された化合物などである。ジスルホン酸エステルは、環状ジスルホン酸エステルでもよいし、鎖状ジスルホン酸エステルでもよい。
酸無水物は、例えば、カルボン酸無水物、ジスルホン酸無水物およびカルボン酸スルホン酸無水物などである。カルボン酸無水物は、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸および無水マレイン酸などである。ジスルホン酸無水物は、例えば、無水エタンジスルホン酸および無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸スルホン酸無水物は、例えば、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸および無水スルホ酪酸などである。非水溶媒中における酸無水物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%~5重量%である。
ジニトリル化合物は、例えば、NC-R1-CN(R1は、アルキレン基およびアリーレン基のうちのいずれかである。)で表される化合物である。このジニトリル化合物は、例えば、スクシノニトリル(NC-C2 4 -CN)、グルタロニトリル(NC-C3 6 -CN)、アジポニトリル(NC-C4 8 -CN)およびフタロニトリル(NC-C6 4 -CN)などである。非水溶媒中におけるジニトリル化合物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%~5重量%である。
ジイソシアネート化合物は、例えば、OCN-R2-NCO(R2は、アルキレン基およびアリーレン基のうちのいずれかである。)で表される化合物である。このジイソシアネート化合物は、例えば、ヘキサメチレンジイソシアネート(OCN-C6 12-NCO)などである。非水溶媒中におけるジイソシアネート化合物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%~5重量%である。
リン酸エステルは、例えば、リン酸トリメチルおよびリン酸トリエチルなどである。非水溶媒中におけるリン酸エステルの含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%~5重量%である。
不飽和鎖状化合物は、1個または2個以上の炭素間三重結合を有する鎖状の化合物の総称である。この炭素間三重結合を有する鎖状化合物は、例えば、炭酸プロパルギルメチル(CH≡C-CH2 -O-C(=O)-O-CH3 )およびメチルスルホン酸プロパルギル(CH≡C-CH2 -O-S(=O)2 -CH3 )などである。非水溶媒中における炭素間三重結合を有する鎖状化合物の含有量は、特に限定されないが、例えば、0.5重量%~5重量%である。
電解質塩は、例えば、リチウム塩のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、電解質塩は、例えば、リチウム塩以外の塩を含んでいてもよい。このリチウム以外の塩は、例えば、リチウム以外の軽金属の塩などである。
リチウム塩は、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6 )、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 5 4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム(LiN(SO2 F)2 )、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 2 )、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)および臭化リチウム(LiBr)などである。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。
電解質塩の含有量は、特に限定されないが、中でも、溶媒に対して0.3mol/kg~3.0mol/kgであることが好ましい。高いイオン伝導性が得られるからである。
[動作]
この二次電池は、例えば、以下のように動作する。
充電時には、正極21からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時には、負極22からリチウムイオンが放出されると共に、そのリチウムイオンが電解液を介して正極21に吸蔵される。
[製造方法]
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
正極21を作製する場合には、最初に、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤および正極導電剤などとを混合することにより、正極合剤とする。続いて、有機溶剤などに正極合剤を分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとする。最後に、正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥させることにより、正極活物質層21Bを形成する。こののち、必要に応じて、ロールプレス機などを用いて正極活物質層21Bを圧縮成型する。この場合には、正極活物質層21Bを加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。
負極22を作製する場合には、上記した本技術の負極の作製手順と同様の手順により、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを形成する。
二次電池を組み立てる場合には、溶接法などを用いて正極集電体21Aに正極リード25を取り付けると共に、溶接法などを用いて負極集電体22Aに負極リード26を取り付ける。続いて、セパレータ23を介して正極21と負極22とを積層させたのち、その正極21、負極22およびセパレータ23を巻回させることにより、巻回電極体20を形成する。続いて、巻回電極体20の巻回中心20Cにセンターピン24を挿入する。
続いて、一対の絶縁板12,13により巻回電極体20を挟みながら、その巻回電極体20を電池缶11の内部に収納する。この場合には、溶接法などを用いて正極リード25の先端部を安全弁機構15に取り付けると共に、溶接法などを用いて負極リード26の先端部を電池缶11に取り付ける。続いて、電池缶11の内部に電解液を注入することにより、その電解液を巻回電極体20に含浸させる。最後に、ガスケット17を介して電池缶11の開口端部に電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子16をかしめる。これにより、電池缶11の内部に巻回電極体20が封入されるため、円筒型の二次電池が完成する。
[作用および効果]
この円筒型の二次電池によれば、負極22が上記した本技術の負極と同様の構成を有しているので、上記したように、負極22において充放電反応が円滑かつ安定に進行しやすくなると共に、充電状態の負極22が高温環境中に晒されても熱的に安定になる。よって、優れた電池特性を得ることができる。
円筒型の二次電池に関するこれ以外の作用および効果は、本技術の負極に関する作用および効果と同様である。
<4-2.リチウムイオン二次電池(ラミネートフィルム型)>
図7は、他の二次電池の斜視構成を表しており、図8は、図7に示したVIII-VIII線に沿った巻回電極体30の断面構成を表している。なお、図7では、巻回電極体30と外装部材40とを互いに離間させた状態を示している。
以下の説明では、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。
[構成]
この二次電池は、例えば、図7に示したように、柔軟性(または可撓性)を有するフィルム状の外装部材40の内部に、電池素子である巻回電極体30が収納されたラミネートフィルム型の二次電池(リチウムイオン二次電池)である。
具体的には、二次電池は、例えば、外装部材40の内部に巻回電極体30を備えている。巻回電極体30は、例えば、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とが互いに積層されたのち、その正極33、負極34、セパレータ35および電解質層36が巻回されることにより形成されている。この電解質層36は、例えば、正極33とセパレータ35との間に配置されていると共に、負極34とセパレータ35との間に配置されている。正極33には、正極リード31が取り付けられていると共に、負極34には、負極リード32が取り付けられている。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。
正極リード31および負極リード32のそれぞれは、例えば、外装部材40の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード31は、例えば、アルミニウム(Al)などの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。負極リード32は、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)およびステンレスなどの導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。これらの導電性材料は、例えば、薄板状または網目状である。
外装部材40は、例えば、図7に示した矢印Rの方向に折り畳み可能な1枚のフィルムであり、その外装部材40には、巻回電極体30を収納するための窪み40Uが設けられている。この外装部材40は、例えば、融着層と、金属層と、表面保護層とがこの順に積層されたラミネートフィルムである。二次電池の製造工程では、例えば、融着層同士が巻回電極体30を介して対向するように外装部材40が折り畳まれたのち、その融着層の外周縁部同士が融着される。ただし、2枚のラミネートフィルムが接着剤などを介して貼り合わされていてもよい。融着層は、例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのフィルムのうちのいずれか1種類または2種類以上である。金属層は、例えば、アルミニウム箔などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。表面保護層は、例えば、ナイロンおよびポリエチレンテレフタレートなどのフィルムのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
中でも、外装部材40は、ポリエチレンフィルムと、アルミニウム箔と、ナイロンフィルムとがこの順に積層されたアルミラミネートフィルムであることが好ましい。ただし、外装部材40は、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムでもよいし、金属フィルムでもよい。
外装部材40と正極リード31との間には、例えば、外気の侵入を防止するために密着フィルム41が挿入されている。また、外装部材40と負極リード32との間には、例えば、上記した密着フィルム41が挿入されている。この密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32の双方に対して密着性を有する材料を含んでいる。この密着性を有する材料は、例えば、ポリオレフィン樹脂などであり、より具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンおよび変性ポリプロピレンなどのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
(正極、負極およびセパレータ)
正極33は、例えば、図8に示したように、正極集電体33Aおよび正極活物質層33Bを含んでいる。負極34は、例えば、図8に示したように、負極集電体34Aおよび負極活物質層34Bを含んでいる。正極集電体33A、正極活物質層33B、負極集電体34Aおよび負極活物質層34Bのそれぞれの構成は、例えば、正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bのそれぞれの構成と同様である。また、セパレータ35の構成は、例えば、セパレータ23の構成と同様である。
(電解質層)
電解質層36は、電解液と、高分子化合物とを含んでいる。ここで説明する電解質層36は、いわゆるゲル状の電解質であるため、その電解質層36中では、電解液が高分子化合物により保持されている。高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に、電解液の漏液が防止されるからである。なお、電解質層36は、さらに、添加剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
高分子化合物は、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリフッ化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン-ブタジエンゴム、ニトリル-ブタジエンゴム、ポリスチレンおよびポリカーボネートなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この他、高分子化合物は、共重合体でもよい。この共重合体は、例えば、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体などである。中でも、単独重合体は、ポリフッ化ビニリデンであることが好ましいと共に、共重合体は、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体であることが好ましい。電気化学的に安定だからである。
ゲル状の電解質である電解質層36において、電解液に含まれる「溶媒」とは、液状の材料だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有する材料も含む広い概念である。よって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
なお、電解質層36の代わりに電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液が巻回電極体30(正極33、負極34およびセパレータ35)に含浸される。
[動作]
この二次電池は、例えば、以下のように動作する。
充電時には、正極33からリチウムイオンが放出されると共に、その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。一方、放電時には、負極34からリチウムイオンが放出されると共に、その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。
[製造方法]
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。
[第1手順]
正極33を作製する場合には、最初に、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤および正極導電剤などとを混合することにより、正極合剤とする。続いて、有機溶剤などに正極合剤を分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製する。最後に、正極集電体33Aの両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥させることにより、正極活物質層33Bを形成する。こののち、必要に応じて、ロールプレス機などを用いて正極活物質層33Bを圧縮成型してもよい。この場合には、正極活物質層33Bを加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。
負極34を作製する場合には、上記した本技術の負極の作製手順と同様の手順により、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bを形成する。
電解質層36を形成する場合には、電解液と、高分子化合物と、有機溶剤などとを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、ゾル状の前駆溶液を調製する。この前駆溶液を正極33に塗布したのち、その前駆溶液を乾燥させることにより、電解質層36を形成すると共に、前駆溶液を負極34に塗布したのち、その前駆溶液を乾燥させることにより、電解質層36を形成する。
二次電池を組み立てる場合には、最初に、溶接法などを用いて正極集電体33Aに正極リード31を接続させると共に、溶接法などを用いて負極集電体34Aに負極リード32を接続させる。続いて、セパレータ35を介して、電解質層16が形成された正極33と電解質層16が形成された負極34とを互いに巻回させたのち、その正極33、負極34、セパレータ35および電解質層36を巻回させることにより、巻回電極体30を形成する。こののち、巻回電極体30の最外周部に保護テープ37を貼り付ける。続いて、巻回電極体30が窪み40Uに収納された状態において、その巻回電極体30を挟むように外装部材40を折り畳む。最後に、熱融着法などを用いて外装部材40の外周縁部同士を接着させることにより、その外装部材40の内部に巻回電極体30を収納する。この場合には、正極リード31と外装部材40との間に密着フィルム41を挿入すると共に、負極リード32と外装部材40との間に密着フィルム42を挿入する。
これにより、外装部材40の内部に巻回電極体30が封入されるため、二次電池が完成する。
[第2手順]
最初に、上記した第1手順と同様の手順により、正極33および負極34のそれぞれを作製したのち、溶接法などを用いて正極33に正極リード31を接続させると共に、溶接法などを用いて負極34に負極リード32を接続させる。続いて、セパレータ35を介して正極33と負極34と互いに積層させたのち、その正極33、負極34およびセパレータ35を巻回させることにより、巻回電極体30の前駆体である巻回体を作製する。こののち、巻回体の最外周部に保護テープ37を貼り付ける。
続いて、巻回体を挟むように外装部材40を折り畳んだのち、熱融着法などを用いて外装部材40のうちの一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を接着させることにより、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納する。
続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、電解質用組成物を調製する。続いて、袋状の外装部材40の内部に電解質用組成物を注入したのち、熱融着法などを用いて外装部材40を密封する。
最後に、電解質用組成物中のモノマーを熱重合させることにより、高分子化合物を形成する。これにより、電解液が高分子化合物により保持されるため、電解質層36が形成される。よって、外装部材40の内部に巻回電極体30が封入される。
[第3手順]
最初に、多孔質膜(基材層)の両面に2つの高分子化合物層が形成されたセパレータ35を用いることを除いて、上記した第2手順と同様の手順により、巻回体を作製する。続いて、袋状の外装部材40の内部に巻回体を収納する。続いて、外装部材40の内部に電解液を注入したのち、熱融着法などを用いて外装部材40の開口部を密封する。最後に、外装部材40に加重をかけながら、その外装部材30を加熱することにより、正極33に高分子化合物層を介してセパレータ35を密着させると共に、負極34に高分子化合物層を介してセパレータ35を密着させる。これにより、電解液が高分子化合物層に含浸すると共に、その高分子化合物層がゲル化することにより、電解液が高分子化合物により保持されるため、電解質層36が形成される。よって、外装部材40の内部に巻回電極体30が封入される。
この第3手順では、第1手順と比較して、二次電池が膨れにくくなる。また、第3手順では、第2手順と比較して、溶媒およびモノマー(高分子化合物の原料)などが電解質層36中に残存しにくくなるため、高分子化合物の形成工程が良好に制御される。これにより、正極33、負極34およびセパレータ35のそれぞれが電解質層36に対して十分に密着される。
[作用および効果]
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、負極34が上記した本技術の負極と同様の構成を有しているので、円筒型の二次電池の場合と同様に、優れた電池特性を得ることができる。ラミネートフィルム型の二次電池に関するこれ以外の作用および効果は、本技術の負極に関する作用および効果と同様である。
<5.二次電池の用途>
次に、上記した二次電池の適用例に関して説明する。
二次電池の用途は、駆動用の電源または電力蓄積用の電力貯蔵源などとして二次電池を利用可能である機械、機器、器具、装置およびシステム(複数の機器などの集合体)などであれば、特に限定されない。電源として用いられる二次電池は、主電源でもよいし、補助電源でもよい。主電源とは、他の電源の有無に関係なく、優先的に用いられる電源である。補助電源は、例えば、主電源の代わりに用いられる電源でもよいし、必要に応じて主電源から切り替えられる電源でもよい。二次電池を補助電源として用いる場合には、主電源の種類は二次電池に限られない。
二次電池の用途は、例えば、以下の通りである。ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノート型パソコン、コードレス電話機、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオ、携帯用テレビおよび携帯用情報端末などの電子機器(携帯用電子機器を含む)である。電気シェーバなどの携帯用生活器具である。バックアップ電源およびメモリーカードなどの記憶用装置である。電動ドリルおよび電動鋸などの電動工具である。着脱可能な電源としてノート型パソコンなどに搭載される電池パックである。ペースメーカおよび補聴器などの医療用電子機器である。電気自動車(ハイブリッド自動車を含む)などの電動車両である。非常時などに備えて電力を蓄積しておく家庭用バッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。もちろん、二次電池の用途は、上記以外の用途でもよい。
中でも、二次電池は、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などに適用されることが有効である。これらの用途では優れた電池特性が要求されるため、本技術の二次電池を用いることにより、有効に性能向上を図ることができるからである。なお、電池パックは、二次電池を用いた電源である。この電池パックは、後述するように、単電池を用いてもよいし、組電池を用いてもよい。電動車両は、二次電池を駆動用電源として作動(走行)する車両であり、上記したように、二次電池以外の駆動源を併せて備えた自動車(ハイブリッド自動車など)でもよい。電力貯蔵システムは、二次電池を電力貯蔵源として用いるシステムである。例えば、家庭用の電力貯蔵システムでは、電力貯蔵源である二次電池に電力が蓄積されているため、その電力を利用して家庭用の電気製品などを使用することが可能である。電動工具は、二次電池を駆動用の電源として可動部(例えばドリルなど)が可動する工具である。電子機器は、二次電池を駆動用の電源(電力供給源)として各種機能を発揮する機器である。
ここで、二次電池のいくつかの適用例に関して具体的に説明する。なお、以下で説明する適用例の構成は、あくまで一例であるため、その適用例の構成は、適宜変更可能である。
<5-1.電池パック(単電池)>
図9は、単電池を用いた電池パックの斜視構成を表している。図10は、図9に示した電池パックのブロック構成を表している。なお、図9では、電池パックが分解された状態を示している。
ここで説明する電池パックは、1個二次電池を用いた簡易型の電池パック(いわゆるソフトパック)であり、例えば、スマートフォンに代表される電子機器などに搭載される。この電池パックは、例えば、図9に示したように、ラミネートフィルム型の二次電池である電源111と、その電源111に接続される回路基板116とを備えている。この電源111には、正極リード112および負極リード113が取り付けられている。
電源111の両側面には、一対の粘着テープ118,119が貼り付けられている。回路基板116には、保護回路(PCM:Protection・Circuit・Module )が形成されている。この回路基板116は、タブ114を介して正極112に接続されていると共に、タブ115を介して負極リード113に接続されている。また、回路基板116は、外部接続用のコネクタ付きリード線117に接続されている。なお、回路基板116が電源111に接続された状態において、その回路基板116は、ラベル120および絶縁シート121により保護されている。このラベル120が貼り付けられることにより、回路基板116および絶縁シート121などは固定されている。
また、電池パックは、例えば、図10に示したように、電源111と、回路基板116とを備えている。回路基板116は、例えば、制御部121と、スイッチ部122と、PTC素子123と、温度検出部124とを備えている。電源111は、正極端子125および負極端子127を介して外部と接続されることが可能であるため、その電源111は、正極端子125および負極端子127を介して充放電される。温度検出部124は、温度検出端子(いわゆるT端子)126を用いて温度を検出する。
制御部121は、電池パック全体の動作(電源111の使用状態を含む)を制御する。この制御部121は、例えば、中央演算処理装置(CPU)およびメモリなどを含んでいる。
この制御部121は、例えば、電池電圧が過充電検出電圧に到達すると、スイッチ部122を切断させることにより、電源111の電流経路に充電電流が流れないようにする。また、制御部121は、例えば、充電時において大電流が流れると、スイッチ部122を切断させることにより、充電電流を遮断する。
一方、制御部121は、例えば、電池電圧が過放電検出電圧に到達すると、スイッチ部122を切断させることにより、電源111の電流経路に放電電流が流れないようにする。また、制御部121は、例えば、放電時において大電流が流れると、スイッチ部122を切断させることにより、放電電流を遮断する。
なお、過充電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、4.2V±0.05Vであると共に、過放電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、2.4V±0.1Vである。
スイッチ部122は、制御部121の指示に応じて、電源111の使用状態、すなわち電源111と外部機器との接続の有無を切り換える。このスイッチ部122は、例えば、充電制御スイッチおよび放電制御スイッチなどを含んでいる。充電制御スイッチおよび放電制御スイッチのそれぞれは、例えば、金属酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSFET)などの半導体スイッチである。なお、充放電電流は、例えば、スイッチ部122のON抵抗に基づいて検出される。
温度検出部124は、電源111の温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部121に出力する。この温度検出部124は、例えば、サーミスタなどの温度検出素子を含んでいる。なお、温度検出部124により測定される温度の測定結果は、異常発熱時において制御部121が充放電制御を行う場合、残容量の算出時において制御部121が補正処理を行う場合などに用いられる。
なお、回路基板116は、PTC素子123を備えていなくてもよい。この場合には、別途、回路基板116にPTC素子が付設されていてもよい。
<5-2.電池パック(組電池)>
図11は、組電池を用いた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、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。この筐体60は、例えば、プラスチック材料などを含んでいる。
制御部61は、電池パック全体の動作(電源62の使用状態を含む。)を制御する。この制御部61は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源62は、2個以上の二次電池を含む組電池であり、その2個以上の二次電池の接続形式は、直列でもよいし、並列でもよいし、双方の混合型でもよい。一例を挙げると、電源62は、2並列3直列となるように接続された6個の二次電池を含んでいる。
スイッチ部63は、制御部61の指示に応じて、電源62の使用状態、すなわち電源62と外部機器との接続の有無を切り換える。このスイッチ部63は、例えば、充電制御スイッチ、放電制御スイッチ、充電用ダイオードおよび放電用ダイオードなどを含んでいる。充電制御スイッチおよび放電制御スイッチのそれぞれは、例えば、金属酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSFET)などの半導体スイッチである。
電流測定部64は、電流検出抵抗70を用いて電流を測定すると共に、その電流の測定結果を制御部61に出力する。温度検出部65は、温度検出素子69を用いて温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部61に出力する。この温度の測定結果は、例えば、異常発熱時において制御部61が充放電制御を行う場合、残容量の算出時において制御部61が補正処理を行う場合などに用いられる。電圧検出部66は、電源62中における二次電池の電圧を測定すると共に、アナログ-デジタル変換された電圧の測定結果を制御部61に供給する。
スイッチ制御部67は、電流測定部64および電圧検出部66のそれぞれから入力される信号に応じて、スイッチ部63の動作を制御する。
このスイッチ制御部67は、例えば、電池電圧が過充電検出電圧に到達すると、スイッチ部63(充電制御スイッチ)を切断することにより、電源62の電流経路に充電電流が流れないようにする。これにより、電源62では、放電用ダイオードを介して放電だけが可能になる。なお、スイッチ制御部67は、例えば、充電時に大電流が流れると、充電電流を遮断する。
また、スイッチ制御部67は、例えば、電池電圧が過放電検出電圧に到達すると、スイッチ部63(放電制御スイッチ)を切断することにより、電源62の電流経路に放電電流が流れないようにする。これにより、電源62では、充電用ダイオードを介して充電だけが可能になる。なお、スイッチ制御部67は、例えば、放電時に大電流が流れると、放電電流を遮断する。
なお、過充電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、4.2V±0.05Vであると共に、過放電検出電圧は、特に限定されないが、例えば、2.4V±0.1Vである。
メモリ68は、例えば、不揮発性メモリであるEEPROMなどを含んでいる。このメモリ68には、例えば、制御部61により演算された数値、製造工程段階において測定された二次電池の情報(例えば、初期状態の内部抵抗など)などが記憶されている。なお、メモリ68に二次電池の満充電容量を記憶させておけば、制御部61が残容量などの情報を把握できる。
温度検出素子69は、電源62の温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部61に出力する。この温度検出素子69は、例えば、サーミスタなどを含んでいる。
正極端子71および負極端子72のそれぞれは、電池パックを用いて稼働される外部機器(例えばノート型のパーソナルコンピュータなど)、電池パックを充電するために用いられる外部機器(例えば充電器など)などに接続される端子である。電源62は、正極端子71および負極端子72を介して充放電される。
<5-3.電動車両>
図12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。
この電動車両は、例えば、エンジン75およびモータ77のうちのいずれか一方を駆動源として用いて走行することが可能である。エンジン75は、主要な動力源であり、例えば、ガソリンエンジンなどである。エンジン75を動力源とする場合には、例えば、駆動部である差動装置78、トランスミッション80およびクラッチ81を介して、エンジン75の駆動力(回転力)が前輪86および後輪88に伝達される。なお、エンジン75の回転力が発電機79に伝達されるため、その回転力を利用して発電機79が交流電力を発生すると共に、その交流電力がインバータ83を介して直流電力に変換されるため、その直流電力が電源76に蓄積される。一方、変換部であるモータ77を動力源とする場合には、電源76から供給された電力(直流電力)がインバータ82を介して交流電力に変換されるため、その交流電力を利用してモータ77が駆動する。このモータ77により電力から変換された駆動力(回転力)は、例えば、駆動部である差動装置78、トランスミッション80およびクラッチ81を介して前輪86および後輪88に伝達される。
なお、制動機構を介して電動車両が減速すると、その減速時の抵抗力がモータ77に回転力として伝達されるため、その回転力を利用してモータ77が交流電力を発生させるようにしてもよい。この交流電力はインバータ82を介して直流電力に変換されるため、その直流回生電力は電源76に蓄積されることが好ましい。
制御部74は、電動車両全体の動作を制御する。この制御部74は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源76は、1個または2個以上の二次電池を含んでいる。この電源76は、外部電源と接続されていると共に、その外部電源から電力供給を受けることにより、電力を蓄積させてもよい。各種センサ84は、例えば、エンジン75の回転数を制御すると共に、スロットルバルブの開度(スロットル開度)を制御するために用いられる。この各種センサ84は、例えば、速度センサ、加速度センサおよびエンジン回転数センサなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
なお、電動車両がハイブリッド自動車である場合を例に挙げたが、その電動車両は、エンジン75を用いずに電源76およびモータ77だけを用いて作動する車両(電気自動車)でもよい。
<5-4.電力貯蔵システム>
図13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、一般住宅および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。
ここでは、電源91は、例えば、家屋89の内部に設置された電気機器94に接続されていると共に、家屋89の外部に停車された電動車両96に接続されることが可能である。また、電源91は、例えば、家屋89に設置された自家発電機95にパワーハブ93を介して接続されていると共に、スマートメータ92およびパワーハブ93を介して外部の集中型電力系統97に接続されることが可能である。
なお、電気機器94は、例えば、1種類または2種類以上の家電製品を含んでおり、その家電製品は、例えば、冷蔵庫、エアコン、テレビおよび給湯器などである。自家発電機95は、例えば、太陽光発電機および風力発電機などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。電動車両96は、例えば、電気自動車、電気バイクおよびハイブリッド自動車などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。集中型電力系統97は、例えば、火力発電所、原子力発電所、水力発電所および風力発電所などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。
制御部90は、電力貯蔵システム全体の動作(電源91の使用状態を含む)を制御する。この制御部90は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源91は、1個または2個以上の二次電池を含んでいる。スマートメータ92は、例えば、電力需要側の家屋89に設置されるネットワーク対応型の電力計であり、電力供給側と通信することが可能である。これに伴い、スマートメータ92は、例えば、外部と通信しながら、家屋89における電力の需要と供給とのバランスを制御することにより、高効率で安定したエネルギー供給を可能とする。
この電力貯蔵システムでは、例えば、外部電源である集中型電力系統97からスマートメータ92およびパワーハブ93を介して電源91に電力が蓄積されると共に、独立電源である自家発電機95からパワーハブ93を介して電源91に電力が蓄積される。この電源91に蓄積された電力は、制御部90の指示に応じて電気機器94および電動車両96に供給されるため、その電気機器94が稼働可能になると共に、その電動車両96が充電可能になる。すなわち、電力貯蔵システムは、電源91を用いて、家屋89内における電力の蓄積および供給を可能にするシステムである。
電源91に蓄積された電力は、必要に応じて使用することが可能である。このため、例えば、電気使用料が安い深夜において、集中型電力系統97から電源91に電力を蓄積しておき、電気使用料が高い日中において、その電源91に蓄積された電力を用いることができる。
なお、上記した電力貯蔵システムは、1戸(1世帯)ごとに設置されていてもよいし、複数戸(複数世帯)ごとに設置されていてもよい。
<5-5.電動工具>
図14は、電動工具のブロック構成を表している。
ここで説明する電動工具は、例えば、電動ドリルである。この電動工具は、例えば、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。
工具本体98は、例えば、プラスチック材料などを含んでいる。制御部99は、電動工具全体の動作(電源100の使用状態を含む)を制御する。この制御部99は、例えば、CPUなどを含んでいる。電源100は、1個または2個以上の二次電池を含んでいる。この制御部99は、動作スイッチの操作に応じて、電源100からドリル部101に電力を供給する。
本技術の実施例に関して説明する。
(実験例1-1~1-29)
まず、上記した第1実施形態の負極を用いた二次電池を作製すると共に、その二次電池の電池特性を評価した。
[二次電池の作製]
以下の手順により、試験用の二次電池として、図15に示したコイン型の二次電池(リチウムイオン二次電池)を作製した。
この二次電池では、外装缶52の内部に収容された対極53と外装カップ54の内部に収容された試験極51とがセパレータ55を介して積層されていると共に、外装缶52と外装カップ54とがガスケット56を介してかしめられている。試験極51、対極53およびセパレータ55のそれぞれには、電解液が含浸されている。
(対極の作製)
対極53を作製する場合には、最初に、正極活物質(コバルト酸リチウム(LiCoO2 ))98質量部と、正極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)1質量部と、正極導電剤(ケッチェンブラック)1質量部とを混合することにより、正極合剤とした。続いて、有機溶剤(N-メチル-2-ピロリドン)と正極合剤とを混合したのち、自転公転式ミキサを用いて混合物を撹拌(混練)することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製した。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体(15μm厚のアルミニウム箔)の片面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥(乾燥温度=120℃)させることにより、正極活物質層を形成した。最後に、ハンドプレス機を用いて正極活物質層を圧縮成形したのち、その正極活物質層を真空乾燥させた。この場合には、正極活物質層の体積密度を3.6g/cm3 とした。
(試験極の作製)
試験極51を作製する場合には、最初に、ケイ素系材料と、被覆材料(ポリアクリル酸塩であるポリアクリル酸ナトリウム(SPA))の水溶液と、溶媒(純水)とを混合した。ケイ素系材料(メジアン径D50=3μm)としては、ケイ素の単体(Si)、ケイ素の合金(SiTi0.3 )およびケイ素の化合物(SiO)を用いた。続いて、スターラを用いて混合物を撹拌(撹拌時間=1時間)することにより、ケイ素系材料および被覆材料を含む分散液を得た。続いて、スプレードライ装置(藤崎電気株式会社製)を用いて分散液を噴霧したのち、その分散液を乾燥(乾燥温度=120℃)させた。これにより、ケイ素系材料を含む中心部の表面が被覆材料を含む被覆部により被覆されたため、第2負極活物質が得られた。被覆材料の占有割合(重量%)は、表1および表2に示した通りである。
続いて、第1負極活物質(炭素系材料であるメソカーボンマイクロビーズ(MCMB),メジアン径D50=21μm)と、上記した第2負極活物質と、負極結着剤と、負極導電剤と、常温溶融塩組成物と、必要に応じて金属塩と、溶媒とを混合したのち、自公転式ミキサを用いて混合物を撹拌(撹拌時間=15分間)した。これにより、第1負極活物質、第2負極活物質、負極結着剤および常温溶融塩組成物などを含む負極合剤スラリーが調製された。
負極結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびスチレンブタジエンゴム(SBR)を用いた。溶媒としては、負極結着剤としてポリフッ化ビニリデンを用いる場合には有機溶剤(N-メチル-2-ピロリドン)を用いると共に、負極結着剤としてスチレンブタジエンゴムを用いる場合には水性溶媒(純水)を用いた。
負極導電剤としては、繊維状カーボンおよび鱗片状黒鉛を用いた。この場合には、繊維状カーボンの混合比を1重量%、鱗片状黒鉛の混合比を0.5重量%とした。
常温溶融塩組成物としては、常温溶融塩および共重合体を用いた。この場合には、下記の18種類の常温溶融塩(塩A~塩R)を用いると共に、下記の3種類の共重合体(重A~重C)を用いた。なお、ポリフッ化ビニリデンとしては、株式会社クレハ製のクレハKFポリマーKF#9200を用いると共に、ポリアクリル酸塩としては、東亞合成株式会社製のアクリルポリマー アロンA-20Lを用いた。

塩A:AOEMA・BF4 (反応基としてアクリロイル基を有する(2-アクリロイルオキシエチル)トリメチルアンモニウム・テトラフルオロボレート)
塩B:AOEMA・TFSI(反応基としてアクリロイル基を有する(2-アクリロイルオキシエチル)トリメチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
塩C:BDP・TFSI(トリブチルドデシルホスホニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
塩D:MOA・TFSI(メチルトリオクチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
塩E:MSPBA・TFSI(反応基としてアルコキシ基を有する(3-トリメトキシシリルプロピル)トリブチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
塩F:ODMMSPA・Cl(反応基としてアルコキシ基を有するオクタデシルジメチル(3-トリメトキシシリルプロピル)アンモニウム・クロライド)
塩G:EMI・TFSI(1-エチル-3-メチルイミダゾリウム・ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド)
塩H:BMP・TFSI(トリブチルメチルホスホニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
塩I:EMMP・TFSI(トリエチルメトキシメチルホスホニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
塩J:EBP・TFSI(トリエチルブチルホスホニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
塩K:BDP・FSI(トリブチルドデシルホスホニウム・ビス(フルオロスルホニル)イミド)
塩L:BP・PF6 (テトラブチルホスホニウム・ヘキサフルオロホスフェート
塩M:HDP・Cl(トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム・クロライド
塩N:ES・TFSI(トリエチルスルホニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
塩O:EVI・FSI(1-エチル-3-ビニルイミダゾリウム・ビス(フルオロスルホニル)イミド)
塩P:EMI・FSI(1-エチル-3-メチルイミダゾリウム・ビス(フルオロスルホニル)イミド)
塩Q:MEMPry・TFSI(N-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
塩R:HMPy・TFSI(1-ヘキシル-4-メチルピリジニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
重A:ポリフッ化ビニリデンと反応基としてアクリロイル基を有するAOEMA・TFSIとの共重合体
重B:ポリアクリル酸ナトリウムと反応基としてヒドロキシ基を有するOHEMA・TFSI(N-オレイル-N,N-ジ(2-ヒドロキシエチル)-N-メチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドとの共重合体
重C:ポリアクリル酸ナトリウムと反応基としてアルコキシ基を有するMSPBA・BF4 ((3-トリメトキシシリルプロピル)トリブチルアンモニウム・テトラフルオロボレート)との共重合体
金属塩としては、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )およびトリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiTFSI)を用いた。
第1負極活物質、第2負極活物質、負極結着剤および常温溶融塩組成物のそれぞれの混合比(重量%)と、金属塩の含有量(mol/dm3 =(mol/l))とは、表1および表2に示した通りである。この金属塩の含有量は、常温溶融塩組成物に対する含有量である。
表1および表2に示したように、常温溶融塩組成物として共重合体(重A~重C)を用いる場合には、反応基を有する共重合体がケイ素系材料と結合することにより、その共重合体が被覆部と同様の機能を果たすため、被覆材料を用いなかった。
Figure 0007024791000001
Figure 0007024791000002
続いて、コーティング装置を用いて負極集電体(12μm厚の銅箔)の片面に負極合剤スラリーを塗布したのち、その負極合剤スラリーを乾燥(乾燥温度=120℃)させることにより、負極物質層を形成した。最後に、ハンドプレス機を用いて負極活物質層を圧縮成形したのち、その負極活物質層を真空乾燥させた。この場合には、負極活物質層の体積密度を1.8g/cm3 とした。
負極合剤スラリーを用いて形成された負極活物質層の構成は、表3および表4に示した通りである。
Figure 0007024791000003
Figure 0007024791000004
(電解液の調製)
電解液を調製する場合には、溶媒(炭酸エチレンおよび炭酸プロピレン)と電解質塩(六フッ化リン酸リチウム)とを混合したのち、その混合物を撹拌した。この場合には、溶媒の混合比(重量比)を炭酸エチレン:炭酸プロピレン=50:50とした。また、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/dm3 とした。
(二次電池の組み立て)
二次電池を組み立てる場合には、最初に、試験極51をペレット状に打ち抜くと共に、対極53をペレット状に打ち抜いた。続いて、電解液が含浸されたセパレータ55(微多孔性ポリエチレンフィルム,厚さ=5μm)を介して試験極51および対極53を積層させることにより、積層体を得た。最後に、外装カップ54の内部に積層物を収容したのち、ガスケット56を介して外装缶52および外装カップ54をかしめた。
これにより、外装缶52および外装カップ54の内部に試験極51、対極53、セパレータ55および電解液などが収納されたため、コイン型の二次電池が完成した。
[電池特性の評価]
二次電池の電池特性として負荷特性および発熱特性を調べたところ、表3および表4に示した結果が得られた。
(負荷特性)
負荷特性を調べる場合には、図15に示したコイン型の二次電池を用いて負荷試験を行うことにより、容量維持率(%)を求めた。
この場合には、最初に、電池状態を安定化させるために、常温環境中(23℃)において二次電池を1サイクル充放電させた。続いて、同環境中において二次電池を3サイクル充放電させることにより、2サイクル目の放電容量および4サイクル目の放電容量を測定した。
1サイクル目~4サイクル目の充電時には、0.2Cの電流で電圧が4.3Vに到達するまで定電流充電したのち、4.3Vの電圧で電流が0.025Cに到達するまで定電圧充電した。1サイクル目~4サイクル目の放電時には、所定の電流で電圧が2.5Vに到達するまで定電流放電した。この場合には、1サイクル目および2サイクル目の放電時における電流を0.2C、3サイクル目における放電時の電流を0.5C、4サイクル目における放電時の電流を2Cとした。0.2Cは電池容量(理論容量)を5時間で放電しきる電流値、0.025Cは電池容量を40時間で放電しきる電流値、0.5Cは電池容量を2時間で放電しきる電流値、2Cは電池容量(理論容量)を0.5時間で放電しきる電流値である。
最後に、容量維持率(%)=(4サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。ただし、表3および表4では、容量維持率の値として、常温溶融塩組成物を用いなかった場合(実験例1-27)の容量維持率の値を100%として規格化した値を示している。
(発熱特性)
発熱特性を調べる場合には、以下の手順により、示差走査熱量計(DSC)を用いて二次電池の充電容量当たりにおける発熱量(mW/mAh,以下、単に「発熱量」と呼称する。)を求めた。
この場合には、最初に、発熱量の測定に用いられる1つ目の簡易型の二次電池として、図16に示した試験用の二次電池であるコイン型の二次電池(対極リチウム金属二次電池)を作製した。この簡易型の二次電池を作製する場合には、試験極51として上記した対極53(正極活物質はコバルト酸リチウム)を用いたと共に、対極53としてリチウム金属板(厚さ=1mm)を用いたことを除いて、図15に示したコイン型の二次電池の作製手順と同様の手順を経た。
続いて、発熱量の測定に用いられる2つ目の簡易型の二次電池として、図16に示した試験用の二次電池であるコイン型の二次電池(対極リチウム金属二次電池)を作製した。この簡易型の二次電池を作製する場合には、試験極51として上記した試験極51(負極活物質は第1負極活物質および第2負極活物質)を用いたと共に、対極53としてリチウム金属板(厚さ=1mm)を用いたことを除いて、同様の作製手順を経た。
続いて、上記した2つの簡易型の二次電池のそれぞれを充電させた。充電条件は、上記した負荷特性を調べた場合の充電条件と同様にした。続いて、1つ目の簡易型の二次電池から充電状態の試験極51(正極活物質を含む。)を回収すると共に、2つ目の簡易型の二次電池から充電状態の試験極51(第1負極活物質および第2負極活物質を含む。)を回収した。続いて、2つの試験極51の間にセパレータ(微多孔性ポリエチレンフィルム,厚さ=5μm)を挟むことにより、その2つの試験極51がセパレータを介して互いに積層された電極サンプルを作製した。続いて、金鍍金されたSUS製の熱分析用サンプルパンの内部に電極サンプルを収容したのち、DSCを用いて電極サンプルを熱分析することにより、DSC曲線を取得した。この熱分析では、昇温速度を20℃/分とした。
最後に、DSC曲線に基づいて270℃近傍のピークの最大値(mW)を求めたのち、その最大値を充電容量(mAh)で割ることにより、発熱量(mW/mAh)を算出した。ただし、ここで説明する「充電容量」とは、上記した負荷試験時における2サイクル目の充電容量である。また、表3および表4では、発熱量の値として、常温溶融塩組成物を用いなかった場合(実験例1-27)の発熱量の値を100%として規格化した値を示している。
[考察]
表3および表4に示したように、容量維持率および発熱量のそれぞれは、常温溶融塩組成物の有無などに応じて大きく変動した。
具体的には、炭素系材料とケイ素系材料との混合系において常温溶融塩組成物を用いた場合(実験例1-1~1-26)には、その混合系において常温溶融塩組成物を用いなかった場合(実験例1-27,1-28)と比較して、容量維持率が増加すると共に、発熱量が減少した。
特に、炭素系材料とケイ素系材料との混合系において常温溶融塩組成物(常温溶融塩)を用いた場合(実験例1-1~1-21)には、その常温溶融塩組成物が反応基を有していると(実験例1-1~1-3,1-6,1-7)、発熱量がより減少した。
なお、炭素系材料の単独系において常温溶融塩組成物を用いた場合(実験例1-29)には、炭素系材料とケイ素系材料との混合系において常温溶融塩組成物を用いなかった場合(実験例1-27)と比較して、容量維持率は大幅に増加したが、発熱量は大幅に増加した。
(実験例2-1~2-16)
次に、上記した第2実施形態の負極を用いた二次電池を作製すると共に、その二次電池の電池特性を評価した。
[二次電池の作製]
以下で説明することを除いて同様の手順により、図15に示したコイン型の二次電池(リチウムイオン二次電池)を作製した。
試験極51を作製する場合には、最初に、ケイ素系材料と、被覆材料の水溶液と、常温溶融塩組成物と、必要に応じて金属塩(四フッ化ホウ酸リチウム)および導電性材料(シングルウォールカーボンナノチューブ(CNT),OCSiAl社製のTUBALL(登録商標))と、溶媒とを混合した。ケイ素系材料(メジアン径D50=3μm)としては、ケイ素の単体(Si)およびケイ素の化合物(SiO)を用いた。被覆材料として、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリアクリル酸塩であるポリアクリル酸ナトリウム(SPA)を用いた。溶媒としては、被覆材料としてポリビニルピロリドンおよびポリフッ化ビニリデンを用いる場合には有機溶剤(N-メチル-2-ピロリドン)を用いると共に、被覆材料としてポリアクリル酸ナトリウムを用いる場合には水性溶媒(純水)を用いた。続いて、スターラを用いて混合物を撹拌(撹拌時間=1時間)することにより、ケイ素系材料、被覆材料および常温溶融塩組成物などを含む分散液を得た。続いて、スプレードライ装置を用いて分散液を噴霧したのち、その分散液を乾燥(乾燥温度=120℃)させた。これにより、ケイ素系材料を含む中心部の表面が被覆材料および常温溶融塩組成物などを含む被覆部により被覆されたため、第2負極活物質が得られた。
常温溶融塩組成物および導電性材料のそれぞれの含有量(重量%)と、金属塩の含有量(mol/dm3 =(mol/l))と、被覆材料の占有割合(重量%)とは、表5および表6に示した通りである。この常温溶融塩組成物の含有量は、中心部の重量と被覆部の重量との総和に対する常温溶融塩組成物の重量の割合であると共に、導電性材料の含有量は、中心部の重量と被覆部の重量との総和に対する導電性材料の重量の割合である。ここで説明した被覆部の重量は、被覆材料の占有割合を算出するために用いられる被覆部の重量と同様に、被覆材料の重量と常温溶融塩組成物の重量と導電性材料の重量との総和である。金属塩の含有量は、常温溶融塩組成物に対する含有量である。
Figure 0007024791000005
Figure 0007024791000006
続いて、第1負極活物質と、上記した第2負極活物質と、負極結着剤と、負極導電剤と、必要に応じて追加の常温溶融塩組成物と、溶媒とを混合したのち、自公転式ミキサを用いて混合物を撹拌(撹拌時間=15分間)した。第1負極活物質(メジアン径D50=21μm)としては、炭素材料であるメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)および天然黒鉛(NGr)を用いた。これにより、第1負極活物質、第2負極活物質および負極結着剤などを含む負極合剤スラリーが得られた。
負極結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸ナトリウム(SPA)およびポリイミド(PI)を用いた。溶媒としては、負極結着剤としてポリフッ化ビニリデンを用いる場合には有機溶剤(N-メチル-2-ピロリドン)を用いると共に、負極結着剤としてスチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸ナトリウムおよびポリイミドを用いる場合には水性溶媒(純水)を用いた。
負極導電剤としては、繊維状カーボンおよび鱗片状黒鉛を用いた。この場合には、繊維状カーボンの混合比を1重量%、鱗片状黒鉛の混合比を0.5重量%とした。
常温溶融塩組成物としては、常温溶融塩および共重合体を用いた。この場合には、上記した2種類の常温溶融塩(塩Iおよび塩P)および下記の1種類の常温溶融塩(塩S)を用いると共に、上記した2種類の共重合体(重Aおよび重B)を用いた。追加の常温溶融塩組成物としては、上記した常温溶融塩(塩A)を用いた。

塩S:OHEMA・TFSI(反応基としてヒドロキシ基を有するN-オレイル-N,N-ジ(2-ヒドロキシエチル)-N-メチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)
第1負極活物質、第2負極活物質、負極結着剤および追加の常温溶融塩組成物のそれぞれの混合比(重量%)は、表5および表6に示した通りである。
表5および表6に示したように、常温溶融塩組成物として共重合体(重Aおよび重B)を用いる場合には、反応基を有する共重合体がケイ素系材料と結合することにより、その共重合体が被覆部と同様の機能を果たすため、必要に応じて、被覆材料を用いなかった。
負極合剤スラリーを用いて形成された負極活物質層の構成は、表7および表8に示した通りである。
Figure 0007024791000007
Figure 0007024791000008
[電池特性の評価]
二次電池の電池特性として負荷特性および発熱特性を調べたところ、表7および表8に示した結果が得られた。負荷特性および発熱特性のそれぞれを調べる手順は、上記した通りである。ただし、表7および表8では、表3および表4と同様に、容量維持率の値として規格化された値を示していると共に、発熱量の値として規格化された値を示している。
[考察]
表7および表8に示したように、被覆部などが常温溶融塩組成物を含んでいても(実験例2-1~2-14)、その被覆部などが常温溶融塩組成物を含んでいない場合(実験例2-15,2-16)と比較して、容量維持率が増加すると共に、発熱量が減少した。
特に、被覆部などが常温溶融塩組成物を含んでいる場合には、以下の傾向が得られた。第1に、被覆部が金属塩および導電性材料を含んでいると(実験例2-6,2-7)には、容量維持率がより増加した。第2に、追加の常温溶融塩組成物を用いると(実験例2-7)、発熱量がより減少した。第3に、被覆部が被覆材料と共に常温溶融塩組成物を含んでいると(実験例2-14)、高い容量維持率を維持しながら、発熱量が大幅に減少した。
[総括]
表1~表8に示したように、負極が第1負極活物質(炭素系材料)および第2負極活物質(ケイ素系材料)と共に常温溶融塩組成物を含んでいると、負荷特性および発熱特性がいずれも改善された。よって、二次電池において優れた電池特性が得られた。
以上、実施形態および実施例を挙げながら本技術を説明したが、その本技術に関しては、実施形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。
具体的には、円筒型の二次電池、ラミネートフィルム型の二次電池およびコイン型の二次電池に関して説明したが、これに限られない。例えば、角型の二次電池などでもよい。
また、電池素子が巻回構造を有する場合に関して説明したが、これに限られない。例えば、電池素子が積層構造などの他の構造を有していてもよい。
また、リチウムイオン二次電池に関して説明したが、これに限られない。例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質の容量を正極の容量よりも小さくすることにより、リチウムの吸蔵現象およびリチウムの放出現象に起因する容量とリチウムの析出現象およびリチウムの溶解現象に起因する容量との和に基づいて負極の容量が得られる二次電池でもよい。
また、電極反応物質としてリチウムを用いた二次電池に関して説明したが、これに限られない。電極活物質は、例えば、ナトリウムおよびカリウムどの長周期型周期表における他の1族の元素でもよいし、マグネシウムおよびカルシウムなどの長周期型周期表における2族の元素でもよいし、アルミニウムなどの他の軽金属でもよい。
また、例えば、本技術の二次電池用電解液は、二次電池に限定されず、他の電気化学デバイスに適用されてもよい。他の電気化学デバイスは、例えば、キャパシタなどである。
なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
なお、本技術は、以下のような構成を取ることも可能である。
(1)
正極と、
炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、常温溶融塩組成物と、を含む負極と、
電解液と
を備えた、二次電池。
(2)
前記常温溶融塩組成物は、常温溶融塩および前記常温溶融塩と高分子化合物との共重合体のうちの少なくとも一方を含み、
前記常温溶融塩は、第四級アンモニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオン、第三級スルホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンおよびピロリジニウムカチオンのうちの少なくとも1種を含み、
前記高分子化合物は、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリイミドおよびポリフッ化ビニリデンのうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)に記載の二次電池。
(3)
前記常温溶融塩は、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、テトラフルオロボレートアニオン、ヘキサフルオロホスフェートアニオンおよびクロライドアニオンのうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)または(2)に記載の二次電池。
(4)
前記常温溶融塩組成物は、アルコキシ基、ヒドロキシ基、アクリロイル基およびメタクリロイル基のうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の二次電池。
(5)
前記負極は、さらに、金属塩を含む、
上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の二次電池。
(6)
前記負極は、さらに、負極結着剤を含み、
前記負極結着剤は、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸のうちの少なくとも1種を含む、
上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の二次電池。
(7)
前記第2負極活物質は、
前記ケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部と、
前記中心部の表面に設けられると共に、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部と
を含む、上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の二次電池。
(8)
前記被覆部は、前記常温溶融塩組成物を含有する、
上記(7)に記載の二次電池。
(9)
前記常温溶融塩組成物は、前記ケイ素を構成元素として含む材料と結合している、
上記(8)に記載の二次電池。
(10)
前記負極は、さらに、金属塩を含み、
前記被覆部は、前記金属塩を含有する、
上記(8)または(9)に記載の二次電池。
(11)
前記負極は、さらに、負極結着剤を含み、
前記負極結着剤は、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸のうちの少なくとも1種を含み、
前記常温溶融塩組成物は、前記負極結着剤と結合している、
上記(8)ないし(10)のいずれかに記載の二次電池。
(12)
リチウムイオン二次電池である、
上記(1)ないし(11)のいずれかに記載の二次電池。
(13)
炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、
ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、
常温溶融塩組成物と
を含む、二次電池用負極。
(14)
上記(1)ないし(12)のいずれかに記載の二次電池と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と、
前記制御部の指示に応じて前記二次電池の動作を切り換えるスイッチ部と
を備えた、電池パック。
(15)
上記(1)ないし(12)のいずれかに記載の二次電池と、
前記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、
前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記二次電池の動作を制御する制御部と
を備えた、電動車両。
(16)
上記(1)ないし(12)のいずれかに記載の二次電池と、
前記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。
(17)
上記(1)ないし(12)のいずれかに記載の二次電池と、
前記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。
(18)
上記(1)ないし(12)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 (15)

  1. 正極と、
    炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、常温溶融塩組成物と、を含む負極と、
    電解液と
    を備え、
    前記第2負極活物質は、
    前記ケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部と、
    前記中心部の表面に設けられると共に、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部と
    を含み、
    前記被覆部は、前記常温溶融塩組成物を含有し、
    前記常温溶融塩組成物は、前記ケイ素を構成元素として含む材料と結合している、
    二次電池。
  2. 正極と、
    炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、常温溶融塩組成物と、を含む負極と、
    電解液と
    を備え、
    前記第2負極活物質は、
    前記ケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部と、
    前記中心部の表面に設けられると共に、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部と
    を含み、
    前記被覆部は、前記常温溶融塩組成物を含有し、
    前記負極は、さらに、負極結着剤を含み、
    前記負極結着剤は、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸のうちの少なくとも1種を含み、
    前記常温溶融塩組成物は、前記負極結着剤と結合している、
    二次電池。
  3. 前記常温溶融塩組成物は、常温溶融塩および前記常温溶融塩と高分子化合物との共重合体のうちの少なくとも一方を含み、
    前記常温溶融塩は、第四級アンモニウムカチオン、第四級ホスホニウムカチオン、第三級スルホニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンおよびピロリジニウムカチオンのうちの少なくとも1種を含み、
    前記高分子化合物は、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリイミドおよびポリフッ化ビニリデンのうちの少なくとも1種を含み、
    前記常温溶融塩は、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン、テトラフルオロボレートアニオン、ヘキサフルオロホスフェートアニオンおよびクロライドアニオンのうちの少なくとも1種を含む、
    請求項または請求項に記載の二次電池。
  4. 前記常温溶融塩組成物は、アルコキシ基、ヒドロキシ基、アクリロイル基およびメタクリロイル基のうちの少なくとも1種を含む、
    請求項1または請求項に記載の二次電池。
  5. 前記負極は、さらに、金属塩を含む、
    請求項1または請求項に記載の二次電池。
  6. 前記負極は、さらに、負極結着剤を含み、
    前記負極結着剤は、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸のうちの少なくとも1種を含む、
    請求項記載の二次電池。
  7. 前記負極は、さらに、金属塩を含み、
    前記被覆部は、前記金属塩を含有する、
    請求項または請求項に記載の二次電池。
  8. リチウムイオン二次電池である、
    請求項1または請求項に記載の二次電池。
  9. 炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、
    ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、
    常温溶融塩組成物と
    を含み、
    前記第2負極活物質は、
    前記ケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部と、
    前記中心部の表面に設けられると共に、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部と
    を含み、
    前記被覆部は、前記常温溶融塩組成物を含有し、
    前記常温溶融塩組成物は、前記ケイ素を構成元素として含む材料と結合している、
    二次電池用負極。
  10. 炭素を構成元素として含む材料を含有する第1負極活物質と、
    ケイ素を構成元素として含む材料を含有する第2負極活物質と、
    常温溶融塩組成物と
    を含み、
    前記第2負極活物質は、
    前記ケイ素を構成元素として含む材料を含有する中心部と、
    前記中心部の表面に設けられると共に、ポリアクリル酸塩、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルピロリドンのうちの少なくとも1種を含有する被覆部と
    を含み、
    前記被覆部は、前記常温溶融塩組成物を含有し、
    さらに、負極結着剤を含み、
    前記負極結着剤は、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、ポリイミド、ポリアクリル酸塩およびポリアクリル酸のうちの少なくとも1種を含み、
    前記常温溶融塩組成物は、前記負極結着剤と結合している、
    二次電池用負極。
  11. 請求項1または請求項に記載の二次電池と、
    前記二次電池の動作を制御する制御部と、
    前記制御部の指示に応じて前記二次電池の動作を切り換えるスイッチ部と
    を備えた、電池パック。
  12. 請求項1または請求項に記載の二次電池と、
    前記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、
    前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
    前記二次電池の動作を制御する制御部と
    を備えた、電動車両。
  13. 請求項1または請求項に記載の二次電池と、
    前記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。
  14. 請求項1または請求項に記載の二次電池と、
    前記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。
  15. 請求項1または請求項に記載の二次電池を電力供給源として備えた、電子機器。
JP2019532620A 2017-07-24 2018-07-24 二次電池用負極、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 Active JP7024791B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017142937 2017-07-24
JP2017142937 2017-07-24
PCT/JP2018/027613 WO2019022044A1 (ja) 2017-07-24 2018-07-24 二次電池用負極、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

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2019022044A1 JPWO2019022044A1 (ja) 2020-07-02
JP7024791B2 true JP7024791B2 (ja) 2022-02-24

Family

ID=65041202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019532620A Active JP7024791B2 (ja) 2017-07-24 2018-07-24 二次電池用負極、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

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11404722B2 (ja)
JP (1) JP7024791B2 (ja)
CN (1) CN110959208B (ja)
WO (1) WO2019022044A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102254263B1 (ko) * 2017-10-16 2021-05-21 주식회사 엘지에너지솔루션 리튬 이차전지용 음극, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2023170457A1 (en) 2022-03-11 2023-09-14 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Estimating obstacle materials from floor plans
CN115090235B (zh) * 2022-08-09 2024-05-24 山西太谷明兴碳素玛钢有限公司 一种用于电池负极碳基材料制备的智能控制反应系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006077107A (ja) 2004-09-09 2006-03-23 Japan Carlit Co Ltd:The ゲル状電解質及びその製造方法
JP2008218385A (ja) 2006-09-19 2008-09-18 Sony Corp 電極およびその形成方法ならびに電池
JP2012226937A (ja) 2011-04-19 2012-11-15 Daiso Co Ltd 非水電解質二次電池
JP2013168254A (ja) 2012-02-14 2013-08-29 Sony Corp 電池、バッテリユニット、バッテリモジュール、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
JP2014139920A (ja) 2012-12-18 2014-07-31 Shin Etsu Chem Co Ltd 非水電解質二次電池用負極及びその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池
JP2015090845A (ja) 2013-11-07 2015-05-11 Tdk株式会社 リチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池
JP2015525437A (ja) 2012-05-25 2015-09-03 ネグゼオン・リミテッドNexeon Ltd 複合粒子

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7964299B2 (en) * 2005-10-18 2011-06-21 Enerdel, Inc. Method of recycling a battery
US8507132B2 (en) 2006-09-19 2013-08-13 Sony Corporation Electrode and method of fabricating it, and battery
JP4930403B2 (ja) 2008-02-13 2012-05-16 ソニー株式会社 非水電解質電池およびその製造方法
US8158304B2 (en) * 2008-07-22 2012-04-17 Institute Of Nuclear Energy Research Formulation of nano-scale electrolyte suspensions and its application process for fabrication of solid oxide fuel cell-membrane electrode assembly (SOFC-MEA)
JP5141572B2 (ja) * 2009-01-22 2013-02-13 ソニー株式会社 非水電解液二次電池
JP2014060143A (ja) * 2012-08-22 2014-04-03 Sony Corp 正極活物質、正極および電池、並びに電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
KR20140079281A (ko) * 2012-12-18 2014-06-26 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 비수전해질 2차전지용 부극과 그 제조방법 및 리튬 이온 2차전지
JP6410021B2 (ja) 2013-07-19 2018-10-24 パイオトレック株式会社 正極および/または負極に使用する導電性を有する結合剤
WO2015079624A1 (ja) * 2013-11-29 2015-06-04 ソニー株式会社 電極および電池
JP6706461B2 (ja) * 2014-07-18 2020-06-10 株式会社村田製作所 二次電池用負極活物質、二次電池用負極、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
JP2016048628A (ja) 2014-08-27 2016-04-07 株式会社豊田自動織機 シリコン材料−炭素層−カチオン性ポリマー層複合体
JP6239476B2 (ja) * 2014-09-25 2017-11-29 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池
JP6908058B2 (ja) * 2017-02-09 2021-07-21 株式会社村田製作所 二次電池、電池パック、電動車両、電動工具および電子機器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006077107A (ja) 2004-09-09 2006-03-23 Japan Carlit Co Ltd:The ゲル状電解質及びその製造方法
JP2008218385A (ja) 2006-09-19 2008-09-18 Sony Corp 電極およびその形成方法ならびに電池
JP2012226937A (ja) 2011-04-19 2012-11-15 Daiso Co Ltd 非水電解質二次電池
JP2013168254A (ja) 2012-02-14 2013-08-29 Sony Corp 電池、バッテリユニット、バッテリモジュール、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム
JP2015525437A (ja) 2012-05-25 2015-09-03 ネグゼオン・リミテッドNexeon Ltd 複合粒子
JP2014139920A (ja) 2012-12-18 2014-07-31 Shin Etsu Chem Co Ltd 非水電解質二次電池用負極及びその製造方法、ならびにリチウムイオン二次電池
JP2015090845A (ja) 2013-11-07 2015-05-11 Tdk株式会社 リチウムイオン二次電池用負極活物質、リチウムイオン二次電池用負極およびリチウムイオン二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20200161701A1 (en) 2020-05-21
JPWO2019022044A1 (ja) 2020-07-02
US11404722B2 (en) 2022-08-02
CN110959208A (zh) 2020-04-03
CN110959208B (zh) 2023-12-08
WO2019022044A1 (ja) 2019-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6908058B2 (ja) 二次電池、電池パック、電動車両、電動工具および電子機器
JP6809487B2 (ja) リチウムイオン二次電池用正極活物質、リチウムイオン二次電池用正極、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
WO2017026269A1 (ja) 二次電池用負極およびその製造方法、二次電池およびその製造方法、ならびに電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器
JP6908113B2 (ja) 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
WO2014112420A1 (ja) 二次電池用活物質、二次電池用電極、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
WO2017026268A1 (ja) 二次電池用負極およびその製造方法、二次電池およびその製造方法、ならびに電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器
US11695119B2 (en) Negative electrode for secondary battery, secondary battery, battery pack, electric vehicle, power storage system, power tool, and electronic device
US11404722B2 (en) Negative electrode for secondary battery, secondary battery, battery pack, electric vehicle, electric power storage system, electric tool, and electronic device
JP7056638B2 (ja) 二次電池用負極、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
JP6874777B2 (ja) 二次電池用負極、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
JP6597793B2 (ja) 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
JP6257087B2 (ja) 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
JP6849066B2 (ja) 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
JP6131868B2 (ja) リチウム二次電池用非水電解液、リチウム二次電池、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

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200120

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210302

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210430

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210810

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211007

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220111

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220124

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7024791

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150