JP7078682B2 - 高速充電リチウムイオン電池 - Google Patents

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Description

本開示は、概して、高速充電リチウムイオン電池(fast charging lithium ion battery)に関する。
現在、リチウムイオン電池(lithium ion battery)は極めて広範に使用されている。一般的なリチウムイオン電池の負極材料は、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン、Ｓｉ－ＣまたはＳｉＯｘ－Ｃ複合材料で形成される。しかしながら、上記の負極材料を含む電池は高速充電能力（例えば、３Ｃ－５Ｃの充電能力のみ）が限られており、リチウムイオン電池のリチウムメッキに起因して安全上の懸念が生じる。
したがって、高速充電リチウムイオン電池を提供することが産業界にとって大きな課題となっている。
例えば、米国特許第７，８０３，４８４Ｂ２号には、正極活物質の主成分としてＬｉＦｅＰＯ４を含むリチウムイオン二次電池が開示されている。また、米国特許第７，８０３，４８４Ｂ２号は、８０％を超える１０Ｃ／１Ｃ比率を有する高率放電能力を実現するために、コーティング厚さに対するコーティング面積の比率（Ａ／ｔ）が１．２×１０６（ｍｍ）を超える集電体上に正極を設計する。
一実施形態によれば、高速充電リチウムイオン電池が提供される。高速充電リチウムイオン電池は、正極板(positive electrode plate)、負極板(negative electrode plate)、セパレータおよび電解質を含む。正極板は正極活物質層(positive active material layers)と正極集電体を含む。負極板は負極活物質層(negative active material layers)と負極集電体を含む。負極活物質層の材料としては、チタンニオブ酸化物(titanium niobium oxide)、チタン酸リチウムまたはそれらの組み合わせが挙げられる。セパレータは、正極板と負極板との間に配置されている。電解質は正極板と負極板に接触する。負極活物質層は、正極板に対応する有効面積を有する。負極活物質層は、負極集電体の一方の表面上に厚さを有する。その厚さに対する有効面積の比率は２×１０５ｍｍより大きい。
以下、図面を参照して説明する。
本開示の第１の実施形態による高速充電リチウムイオン電池の正極板および負極板の上面図を示す。 本開示の一実施形態に係る、図１Ａの断面線Ｂ-Ｂ’に沿った断面図を示す。 本開示の他の実施形態に係る、図１Ａの断面線Ｂ-Ｂ’に沿った断面図を示す。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。 比較例１および実施例１～６で実施した充電能力試験から得られた容量維持率(capacity retention ratio)を示す図である。 比較例１および実施例１～６で実施した充電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。 比較例１および実施例１～６で実施した充電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。 比較例１および実施例１～６で実施した充電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。 比較例２および実施例７、８で実施した充電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。 比較例２および実施例７、８で実施した充電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。
図１Ａは、本開示の一実施形態による高速充電リチウムイオン電池１０の正極板１１０および負極板１３０の上面図を示す。図１Ｂは、一実施形態による、図１Ａの断面線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図を示す。
図１Ａ及び図１Ｂを同時に参照すると、高速充電リチウムイオン電池１０は、正極板１１０と、セパレータ１２０と、負極板１３０とを含む。正極板１１０は、正極集電体１１２と、正極集電体１１２の一方の表面または２つの表面上に配置された正極活物質層１１４とを含む。本実施形態において、正極活物質層１１４は、正極活物質層１１４ａ及び正極活物質層１１４ｂを含んでよい。正極活物質層１１４ａ及び１１４ｂは、正極集電体１１２の二つの反対表面上に配置されうるが、本開示はそれに限定されるものではなく、正極活物質層１１４は、正極集電体１１２の一方の表面上に配置することができる。図１Ａに示されるように、正極活物質層１１４ａおよび１１４ｂは、例示的に、正極集電体１１２の２つの対向する表面上に配置されるが、本開示はこれに限定されず、正極活物質層１１４は正極集電体１１２の一方の表面上に配置されてもよい。負極板１３０は、負極集電体１３２と、負極集電体１３２の一方の表面又は二つの表面上に配置された負極活物質層１３４とを含む。本実施形態において、負極活物質層１３４は、負極活物質層１３４ａ及び負極活物質層１３４ｂを含むことができる。負極活物質層１３４ａと負極活物質層１３４ｂは、それぞれ負極集電体１３２の二つの反対の表面上に配置することができるが、本開示はそれに限定されるものではなく、負極活物質層１３４は、負極集電体１３２の一方の表面上に配置することができる。セパレータ１２０は、正極板１１０と負極板１３０との間に配置されている。高速充電リチウムイオン電池１０は、さらに、電解質（図示せず）を含む。電解質は、正極板１１２及び負極板１３２とセパレータ１２０とに接触する。正極板１１０および負極板１３０は、それぞれ、フッ化ポリビニリデンジ（ＰＶＤＦ）（登録商標）または他の適切な材料を含む接着剤（図示せず）を含むことができる。
いくつかの実施形態において、正極活物質層１１４の材料は、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（lithium nickel cobalt manganate）、リン酸鉄リチウム（lithium iron phosphate）、リン酸鉄リチウムマンガン（lithium iron manganese phosphate）、または他の適切な正活性材料を含み得る。
負極活物質層１３４の材料としては、チタンニオブ酸化物（ＴＮＯ）、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）またはそれらの組み合わせを挙げることができる。ＴＮＯは、一連の化合物、例えば、ＴｉＮｂ２Ｏ７、Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９、ＴｉＮｂ２４Ｏ６２、Ｎｂ２Ｏ５およびカーボンで被覆された上記化合物を含み、これらの全てが負極活物質層の材料として使用され得る。いくつかの実施態様において、負極活物質層１３４は、チタンニオブ酸化物とチタン酸リチウムとの組み合わせを含むことができる。負極活物質層１３４に対するチタン酸リチウムの重量パーセンテージは、６０％未満でよい。
いくつかの実施形態では、負極活物質層１３４の片面の面積が負極板１３０の面積である。一般に、リチウムイオン電池の負極板１３０の面積は、正極板１１０の面積よりも大きくてもよい。すなわち、負極活物質層１３４の片側の面積は、正極板１１０の面積よりも大きくてもよい。リチウムイオン電池の電気特性に関して、負極活物質層の片側の有効面積は正極板の面積に対応する。すなわち、本開示では、負極活物質層１３４は、正極板１１０に対応する有効面積Ａを有する（すなわち、負極活物質層１３４が負極集電体の両面に配置された場合、有効面積Ａは正極板１１０の面積の２倍である）。負極活物質層１３４は、負極集電体１３２の一方の表面Ｓ１（例えば、正極板１１０に隣接する表面）上に厚さＴを有する。本実施形態では、負極活物質層１３４ａ及び１３４ｂは、それぞれ負極集電体１３２の一方の表面Ｓ１及び他の表面Ｓ２上に配置されている。換言すれば、厚さＴは、負極活物質層１３４ａ又は負極活物質層１３４ｂの厚さを表す。例えば、負極活物質層１３４ａは、厚さＴを有する。いくつかの実施形態では、厚さＴは１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲を有する。
本開示においては、厚さＴに対する有効面積Ａの比率（Ａ／Ｔ）は、２．８×１０５ｍｍよりも大きいなど、２×１０５ｍｍよりも大きい。いくつかの実施形態では、厚さＴに対する有効面積Ａの比率（Ａ／Ｔ）は４×１０７ｍｍ未満である。いくつかの実施形態では、正極集電体１１２上の正極活物質層１１４のコーティングが単層または多層構造であってもよい。いくつかの実施形態では、負極集電体１３２上の負極活物質層１３４のコーティングが単層または多層構造であってもよい。
本開示の高速充電リチウムイオン電池１０は、負極活物質層１３４の厚さＴに対する正極板１１０に対応する負極活物質層１３４の有効面積Ａの比率（Ａ／Ｔ）を調整することにより、充電能力を制御することができる。また、厚さに対する有効面積の割合が２×１０５ｍｍ未満の比較例に比べて、負極活物質層１３４の厚さＴに対する正極板１１０に対応する負極活物質層１３４の有効面積Ａの割合（Ａ／Ｔ）は、２×１０５ｍｍよりも大きくてよい。その結果、電子／イオン透過能力（すなわち、電気伝導および電気化学反応能力）が増大する可能性があり、高速充電リチウムイオン電池１０は、より速い充電速度およびより速い放電速度を達成しうる。
図１Ｃは、本開示の他の実施形態による高速充電リチウムイオン電池１０’の断面図を示す。高速充電リチウムイオン電池１０’は、正極集電体及び負極集電体上の正極活物質層及び負極活物質層の配置それぞれにおいて高速充電リチウムイオン電池１０とは相違する。類似の又は同一の要素を示すために、類似の呼称又は同一の呼称が使用されている。
図１Ｃを参照する。正極板１１０’において、正極活物質層１１４’は、正極集電体１１２の一方の表面にコーティングされてもよい。負極板１３０’において、負極活物質層１３４’は負極集電体１３２の一方の表面にコーティングされてもよい。いくつかの実施形態では、正極活物質層１１４’および負極活物質層１３４’が単層または多層構造であってもよい。
本開示の詳細な説明は、実施形態を用いて以下に開示される。しかしながら、開示された実施形態は説明および例示の目的のためだけのものであり、開示の保護の範囲を限定するためのものではない。
高速充電リチウムイオン電池が比較例１および実施例１～６に例示される。以下に例示した高速充電リチウムイオン電池では、正極板、負極板とも両面活物質層を有していた。比較例１及び実施例１～６において、正極活物質層はいずれもニッケルコバルトマンガン酸リチウム（lithium nickel cobalt manganate）（例えば、ニッケル：マンガン：コバルト＝１：１：１）を含み、正極板の幅は５５ｍｍであった。全ての負極活物質層はチタンニオブ酸化物を含み、厚さ（Ｔ）は３８．３μｍであった。全ての負極板は５７ｍｍの幅を有していた。全てのセパレータは６０ｍｍ（幅）×１６μｍ（厚さ）の大きさであった。電解質は、エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）中の１．２Ｍリチウムヘキサフルオロホスフェート（ＬｉＰＦ６）塩であった。正極板および負極板の接着剤は、いずれもフッ化ポリビニリデンジ（ＰＶＤＦ）（登録商標）を含んでいた。
電池の充放電率は、Ｃレートによって制御される。例えば、Ｃレート「１Ｃ」とは、容量が１Ａｈの電池を完全に放電させるために１Ａｍｐｅｒｅの電流が供給された場合に１時間を要することを意味する。Ｃレート「０．５Ｃ」とは、容量が１Ａｈの電池を完全に放電させるために０．５Ａｍｐｅｒｅの電流が供給された場合に２時間を要することを意味する。Ｃレート「２Ｃ」とは、容量が１Ａｈの電池を完全に放電させるために２Ａｍｐｅｒｅの電流が供給された場合に０．５時間を要することを意味する。
比率較例１および実施例１～６において使用された、正極板および負極板の長さ、負極活物質層の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）、０．５Ｃ充放電能力が表１に列挙される。
Figure 0007078682000001
図２Ａ～図２Ｇは、比較例１及び実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図である。
図２Ａを参照し、比較例１で実施した充電能力試験の結果を示す図が示される。Ｘ軸は容量（ｍＡｈ）を表し、Ｙ軸は電圧（Ｖ）を表す。比較例１－１～１－８では同じ放電電流（０．５Ｃの放電電流など）を使用していたが、充電電流（０．５Ｃ～１５Ｃの充電電流など）が異なり、あらかじめ設定した電圧（３Ｖなど）に達すると充電プロセスが停止する。０．５Ｃは、理論的には完全に充電された電池を２時間で放電するように適合された電流値を表す。４Ｃは、理論的には０．２５（１／４）時間で完全に充電された電池を放電するように適合された電流値を表した。言い換えれば、４Ｃは０．５Ｃに比べて高電力充電を表す。比較例１－１では、０．５Ｃの充電電流を使用した。比較例１－２では、１Ｃの充電電流を用いた。比較例１－３では、３Ｃの充電電流を使用した。比較例１－４では、５Ｃの充電電流を使用した。比較例１－５では、７Ｃの充電電流を使用した。比較例１－６では、１０Ｃの充電電流を用いた。比較例１－７では、１２Ｃの充電電流を用いた。比較例１～８では、１５Ｃの充電電流を用いた。
図２Ｂ～２Ｇを参照して、実施例１～６で実施した充電能力試験の結果を示す図を示す。比較例１と同様に、実施例１－１～１－８、２－１～２－８、３－１～３－８、４－１～４－８、５－１～５－８、６－１～６－８においても、同様の放電電流（０．５Ｃの放電電流など）を用いたが、充電電流（０．５Ｃ～１５Ｃの充電電流など）は異なっており、予め設定した電圧（３Ｖなど）に達すると充電処理が停止する。実施例１－１、２－１、３－１、４－１、５－１および６－１では、０．５Ｃの充電電流を使用した。実施例１－２、２－２、３－２、４－２、５－２および６－２では、１Ｃの充電電流を使用した。実施例１－３、２－３、３－３、４－３、５－３および６－３では、３Ｃの充電電流を使用した。実施例１－４、２－４、３－４、４－４、５－４および６－４では、５Ｃの充電電流を使用した。実施例１－５、２－５、３－５、４－５、５－５および６－５では、７Ｃの充電電流を使用した。実施例１－６、２－６、３－６、４－６、５－６および６－６では、１０Ｃの充電電流を使用した。実施例１－７、２－７、３－７、４－７、５－７および６－７では、１２Ｃの充電電流を使用した。実施例１－８、２－８、３－８、４－８、５－８および６－８では、１５Ｃの充電電流を使用した。
図３Ａ～３Ｇは、比較例１及び実施例１～６で実施した放電性能試験の結果を示す図である。
図３Ａを参照して、比較例１で行った放電能力試験の結果を示す図を示した。Ｘ軸は容量（ｍＡｈ）を表し、Ｙ軸は電圧（Ｖ）を表す。比較例１－１～１－８では同じ充電電流（０．５Ｃの充電電流など）を使用し、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）モードで電池をフル充電したが、放電試験では異なる放電電流（０．５Ｃ～１５Ｃの放電電流など）を使用した。０．５Ｃは、理論的には完全に充電された電池を２時間で放電するように適合された電流値を表す。４Ｃは、理論的には０．２５（１／４）時間で完全に充電された電池を放電するように適合された電流値を表す。つまり、４Ｃは０．５Ｃに比べて高電力放電を表す。比較例１-１では、０．５Ｃの放電電流を用いた。比較例１-２では、１Ｃの放電電流を用いた。比較例１-３では、３Ｃの放電電流を用いた。比較例１-４では、５Ｃの放電電流を用いた。比較例１-５では、７Ｃの放電電流を用いた。比較例１-６では、１０Ｃの放電電流を用いた。比較例１-７では、１２Ｃの放電電流を用いた。比較例１-８では、１５Ｃの放電電流を用いた。
図３Ｂ～３Ｇを参照して、実施例１～６で実施した放電能力試験の結果を示す図を示す。比較例１と同様に、実施例１－１～１－８、実施例２－１～２－８、３－１～３－８、４－１～４－８、５－１～５－８、６－１～６－８においても、同様の充電電流（０．５Ｃの充電電流など）を用いたが、放電電流（０．５Ｃ～１５Ｃの放電電流など）は異なっていた。実施例１-１、２-１、３-１、４-１、５-１および６-１では、０．５Ｃの放電電流を使用した。実施例１-２、２-２、３-２、４-２、５-２および６-２では、１Ｃの放電電流を使用した。実施例１-３、２-３、３-３、４-３、５-３および６-３では、３Ｃの放電電流を使用した。実施例１-４、２-４、３-４、４-４、５-４および６-４では、５Ｃの放電電流を使用した。実施例１-５、２-５、３-５、４-５、５-５および６-５では、７Ｃの放電電流を使用した。実施例１-６、２-６、３-６、４-６、５-６および６-６では、１０Ｃの放電電流を使用した。実施例１-７、２-７、３-７、４-７、５-７および６-７では、１２Ｃの放電電流を使用した。実施例１-８、２-８、３-８、４-８、５-８および６-８では、放電電流１５Ｃを使用した。
図４Ａは、比較例１および実施例１～６で行った充電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。
図４Ａを参照して、Ｘ軸は、充電試験回数を表す。第１～第２回充電試験では０．５Ｃの充電電流を用いた。第３～第４回充電試験では１Ｃの充電電流を用いた。第５～第６回充電試験では３Ｃの充電電流を用いた。第７～第８回充電試験では５Ｃの充電電流を用いた。第９～第１０回充電試験では７Ｃの充電電流を用いた。第１１～第１２充電試験では１０Ｃの充電電流を用いた。第１３～第１４回充電試験では１２Ｃの充電電流を用いた。第１５～第１６回充電試験では１５Ｃの充電電流を用いた。Ｙ軸は、容量維持率（％）、特に、比較例１および実施例１～６において、電池を定電流（ＣＣ）で充電し、０．５Ｃに相当する容量を１００％とした場合の異なる充電電流により算出した容量維持率（％）を表す。試験結果は、１０Ｃ充電状態では比較例１の容量維持率は６０％未満であったが、実施例１～６の容量維持率は１０Ｃ充電状態で７０％を超えることを示した。実施例１～６における負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率はそれぞれ２×１０５ｍｍよりも大きいことから、電池は高レート（例えば１０Ｃ）充電能を有していた。
図４Ｂは、比較例１及び実施例１～６で行った放電能力試験から得られた容量維持率を示す図である。
図４Ｂを参照して、Ｘ軸は放電試験回数を表す。第１～第２回放電試験では０．５Ｃの放電電流を用いた。第３～第４回放電試験では１Ｃの放電電流を用いた。第５～第６回放電試験では３Ｃの放電電流を用いた。第７～第８回放電電流では５Ｃの放電電流を用いた。第９～第１０回放電試験では７Ｃの放電電流を用いた。第１１～第１２回放電試験では１０Ｃの放電電流を用いた。第１３～第１４回放電試験では１２Ｃの放電電流を用いた。第１５～第１６回放電試験では１５Ｃの放電電流を用いた。Ｙ軸は、容量維持率（％）、特に、比較例１および実施例１～６において、電池を定電流放電し、０．５Ｃに相当する容量を１００％とした場合の異なる放電電流で算出した容量維持率（％）を表す。試験結果は、１０Ｃに相当する放電状態では、比較例１の容量維持率は約７０％であったが、実施例１～６の容量維持率は８０％を超えていた。実施例１～６における負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率はそれぞれ２×１０５ｍｍよりも大きいことから、電池は高レート（例えば１０Ｃ）放電能を有していた。
図５Ａは、比較例１および実施例１～６で行った高速充電試験(fast charging test)の容量維持率の結果を示す図である。
図５Ａを参照して、Ｘ軸は、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）（ｍｍ）、すなわち、比較例１および実施例１～６における、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率を表す。Ｙ軸は、容量維持率（％）、特に電池を定電流充電し、０．５Ｃに相当する容量を１００％としたときの各グループの容量維持率を示す。グループＡ１では、充電電流１０Ｃで充電した場合の容量維持率を、比較例１および実施例１～６で行った高速充電試験から求めた。グループＢ１では、充電電流１２Ｃで電池を充電した場合の容量維持率を、比較例１および実施例１～６で行った高速充電試験から求めた。グループＣ１では、充電電流１５Ｃで電池を充電した場合の、比較例１および実施例１～６で行った高速充電試験から容量維持率を求めた。試験結果は、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）が２．８７×１０５以上（実施例１～６など）である場合、グループＡ１で得られた容量維持率は７０％を超え、電池は高レート（１０Ｃなど）充電能力を有することが示された。
図５Ｂは、比較例１及び実施例１～６で行った高速放電試験(fast discharging test)から得られた容量維持率を示す図である。
図５Ｂを参照して、Ｘ軸は、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）（ｍｍ）、すなわち、比較例１および実施例１～６における、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率を表す。Ｙ軸は、容量維持率（％）、特に電池を定電流充電し、０．５Ｃに相当する容量を１００％としたときの各グループで算出した容量維持率である。グループＡ２では、比較例１および実施例１～６において、放電電流１０Ｃで電池を放電させた場合の高速放電試験から容量維持率を求めた。グループＢ２では、１２Ｃの放電電流により電池を放電したときの比較例１及び実施例１～６で行った高速放電試験から容量維持率を求めた。グループＣ２では、１５Ｃの放電電流で電池を放電させたときの、比較例１および実施例１～６で行った高速放電試験から容量維持率を求めた。試験結果は、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）が２．８７×１０５以上（実施例１～６）である場合、グループＡ２で得られた容量維持率は８０％を超え、電池は高レート（１０Ｃ等）放電能力を有することが示された。
以上のように、実施例１～６における負極活物質層の片面の厚さ（ｍｍ）に対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）はいずれも２．８７×１０５以上であり、高レート（例えば１０Ｃ）充放電プロセスから得られた容量維持率は依然として非常に高い結果を示したことから、電池は高レート充放電能を有することが示された。
以下、比較例２、実施例７～８について説明する。比較例２及び実施例７～８において、正極活物質層はニッケルコバルトマンガン酸リチウム（例えば、ニッケル：マンガン：コバルト＝１：１：１）を含み、負極活物質層は例えば、チタンニオブ酸化物（ＴＮＯ）とチタン酸リチウム（ＬＴＯ）との重量比率が８：２の混合物を含んでいた。比較例２では、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積（Ａ／Ｔ）の比率が１．４４×１０５であった。実施例７において、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）は、２．８７×１０５であった。実施例８では、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）が４．３１×１０５であった。比較例２および実施例７～８の他の構造体の材料は、比較例１および実施例１～６の他の構造体の材料と同様であった。
図６Ａは、比較例２および実施例７～８で行った高速充電試験の容量維持率の結果を示す図である。
図６Ａを参照して、Ｘ軸は、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）（ｍｍ）、すなわち、比較例２および実施例７～８における、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率を表す。Ｙ軸は、容量維持率（％）、特に電池を定電流充電し、０．５Ｃに相当する容量を１００％としたときの各グループで算出した容量維持率を示す。グループＡ３では、比較例２および実施例７～８において、充電電流７Ｃで電池を充電した場合の高速充電試験から容量維持率を求めた。グループＢ３では、充電電流１０Ｃで充電した場合の容量維持率を、比較例２及び実施例７～８で行った高速充電試験から求めた。グループＣ３では、１２Ｃの充電電流で充電した場合の容量維持率を、比較例２および実施例７～８で行った高速充電試験から求めた。その結果、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）が２．８７×１０５以上（実施例７～８）の場合、グループＢ３で得られた容量維持率が７０％を超え、電池は高レート（１０Ｃ等）充電能力を有することが示された。
図６Ｂは、比較例２及び実施例７～８で行った高速放電試験の容量維持率の結果を示す図である。
図６Ｂを参照して、Ｘ軸は、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）（ｍｍ）、すなわち、比較例２および実施例７～８における、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率を表す。Ｙ軸は、容量維持率（％）、特に電池を定電流放電し、０．５Ｃに相当する容量を１００％としたときの各グループで算出した容量維持率を示す。グループＡ４では、比較例２および実施例７～８において、７Ｃの放電電流で電池を放電させた場合の高速放電試験から容量維持率を求めた。グループＢ４では、比較例２および実施例７～８において、放電電流１０Ｃで電池を放電した場合の高速放電試験から容量維持率を求めた。グループＣ４では、比較例２および実施例７～８において、１２Ｃの放電電流で電池を放電した場合の高速放電試験から容量維持率を求めた。試験結果から、負極活物質層の片面の厚さに対する負極活物質層の有効面積の比率（Ａ／Ｔ）が２．８７×１０５以上（実施例７～８）である場合、グループＢ４で得られた容量維持率は７５％を超え、電池は高レート（１０Ｃ等）放電能力を有することが示された。
以上のように、実施例７～８における負極活物質層の片面の厚さ（ｍｍ）に対する負極活物質層の有効面積の比（Ａ／Ｔ）はいずれも２．８７×１０５以上であり、高レート（例えば１０Ｃ）充放電プロセスから得られる容量維持率は依然として非常に高いことから、本開示に係る電池は高レート充放電能を有すると結論付けることができた。
本開示の一実施形態によれば、リチウムイオン電池が提供される。リチウムイオン電池は、正極板、負極板、セパレータおよび電解質を含む。正極板は正極活物質層と正極集電体を含む。負極板は負極活物質層と負極集電体を含む。負極活物質層は、チタンニオブ酸化物、チタン酸リチウム、またはそれらの組み合わせを含む。セパレータは、正極板と負極板との間に配置される。電解質は正極板と負極板に接触する。負極活物質層は、正極板に対応する有効面積を有する。負極活物質層は、負極集電体の一方の表面上に厚さを有する。その厚さに対する有効面積の比率は２×１０５ｍｍより大きい。
負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の割合が２×１０５ｍｍ未満である比較例に比べて、本開示の一実施形態では、負極活物質層の片側の厚さに対する負極活物質層の有効面積の割合は２×１０５ｍｍよりも大きい。その結果、電子／イオン透過能力（すなわち、電気伝導／電気化学反応能力）を高めることができ、リチウムイオン電池はより速い充電速度とより速い放電速度を達成することができる。従って、リチウムイオン電池の充電能力及び放電能力を高めることができ、本開示に係るリチウムイオン電池の市場競争力を高めることができ、リチウムイオン電池の応用分野を拡大できる。
当業者には、開示された実施形態に対して様々な修正および変形を行うことができることが明らかであろう。明細書および実施形態は単に例示的なものとみなされ、開示の真の範囲は以下の特許請求の範囲およびその均等物によって示されることが意図される。

Claims (3)

  1. １０Ｃ充電状態における容量維持率が、０．５Ｃにおける容量維持率の７０％を超える高速充電リチウムイオン電池であって、
    正極活物質層と正極集電体とを有する正極板と、
    チタンニオブ酸化物、チタン酸リチウム、またはそれらの組み合わせを含む負極活物質層と負極集電体とを有する負極板と、
    上記正極板と上記負極板との間に配置されるセパレータと、
    上記正極板と上記負極板とに接触する電解質と、を備え、
    上記負極活物質層は、上記正極板に対応し、かつ、上記正極板とオーバーラップする有効面積を有し、
    上記正極板に隣接する上記負極集電体の一方の表面（Ｓ１）上に配置されている上記負極活物質層は、厚さを有し、上記厚さに対する上記有効面積の比率は２×１０５ｍｍより大きい、高速充電リチウムイオン電池。
  2. 上記厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１に記載の高速充電リチウムイオン電池。
  3. 上記負極活物質層は、チタンニオブ酸化物とチタン酸リチウムとの組み合わせを含み、上記負極活物質層に対するチタン酸リチウムの重量パーセンテージが６０％未満である、請求項１に記載の高速充電リチウムイオン電池。
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