JP7462142B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
1.二次電池
1-1.構成
1-2.物性
1-3.動作
1-4.製造方法
1-5.作用および効果
2.変形例
3.二次電池の用途
まず、本技術の一実施形態の二次電池に関して説明する。
図1は、二次電池の斜視構成を表していると共に、図2は、図1に示した電池素子20の断面構成を表している。ただし、図1では、外装フィルム10と電池素子20とが互いに分離された状態を示している。図2では、電池素子20の一部だけを示していると共に、XZ面に沿った電池素子20の断面を破線で示している。
外装フィルム10は、図1に示したように、電池素子20を収納する可撓性の外装部材であり、その電池素子20が内部に収納された状態において封止された袋状の構造を有している。このため、外装フィルム10は、後述する正極21および負極22と共に電解液を収納している。
電池素子20は、図1および図2に示したように、正極21と、負極22と、セパレータ23と、電解液(図示せず)とを含む発電素子であり、外装フィルム10の内部に収納されている。
正極21は、リチウムニッケル複合酸化物を含んでいる。より具体的には、正極21は、図2に示したように、正極集電体21A、正極活物質層21Bおよび被膜21Cを含んでおり、その正極活物質層21Bは、リチウムニッケル複合酸化物を含んでいる。
(M1は、長周期型周期表の2族~15族に属する元素(ただし、Niを除く。)のうちの少なくとも1種である。xおよびyは、0.8≦x≦1.2および0≦y<1.0を満たす。)
(M5は、長周期型周期表の2族~15族に属する元素(ただし、Niを除く。)のうちの少なくとも1種である。xおよびyは、0.8≦x≦1.2および0≦y≦0.2を満たす。)
負極22は、リチウムチタン複合酸化物を含んでいる。より具体的には、負極22は、図2に示したように、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよび被膜22Cを含んでおり、その負極活物質層22Bは、リチウムチタン複合酸化物を含んでいる。
(M2は、Mg、Ca、Cu、ZnおよびSrのうちの少なくとも1種である。xは、0≦x≦1/3を満たす。)
(M3は、Al、Sc、Cr、Mn、Fe、GaおよびYのうちの少なくとも1種である。yは、0≦y≦1/3を満たす。)
(M4は、V、ZrおよびNbのうちの少なくとも1種である。zは、0≦z≦2/3を満たす。)
セパレータ23は、図2に示したように、正極21と負極22との間に介在している絶縁性の多孔質膜であり、その正極21と負極22との接触(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、ポリエチレンなどの高分子化合物を含んでいる。
電解液は、カルボン酸エステルを含んでおり、そのカルボン酸エステルは、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチルおよびプロピオン酸プロピルのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。この電解液は、正極21、負極22およびセパレータ23のそれぞれに含浸されている。電解液がカルボン酸エステルを含んでいるのは、充放電時において電解液の分解反応が抑制されるため、その電解液の分解反応に起因したガスの発生が抑制されるからである。
正極リード31は、図1に示したように、電池素子20(正極21)に接続された正極端子であり、より具体的には、正極集電体21Aに接続されている。この正極リード31は、外装フィルム10の内部から外部に導出されており、アルミニウムなどの導電性材料を含んでいる。正極リード31の形状は、特に限定されないが、具体的には、薄板状および網目状などのうちのいずれかである。
この二次電池では、上記したように、膨れ特性、サイクル特性および負荷特性のそれぞれを改善するために、正極21の物性および負極22の物性に関して、以下で説明する条件が満たされている。
正極21の物性に関して、所定の条件が満たされている。すなわち、以下で説明するように、X線光電子分光分析法(X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS))を用いた表面分析結果により規定される正極21の物性が適正化されている。
また、負極22の物性に関して、所定の条件が満たされている。
充電時には、電池素子20において、正極21からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時には、電池素子20において、負極22からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが電解液を介して正極21に吸蔵される。これらの充電時および放電時には、リチウムがイオン状態で吸蔵および放出される。
二次電池を製造する場合には、以下で説明する手順により、正極21および負極22を作製すると共に電解液を調製したのち、その正極21、負極22および電解液を用いて二次電池を作製する。
最初に、リチウムニッケル複合酸化物を含む正極活物質と、正極結着剤および正極導電剤などとの混合物(正極合剤)を溶媒に投入することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製する。続いて、正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを塗布することにより、正極活物質層21Bを形成する。こののち、ロールプレス機などを用いて正極活物質層21Bを圧縮成型してもよい。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。
上記した正極21の作製手順と同様の手順により、負極22を形成する。具体的には、最初に、リチウムチタン複合酸化物を含む負極活物質と、負極結着剤および負極導電剤などとの混合物(負極合剤)を溶媒に投入することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製する。続いて、負極集電体22Aの両面に負極合剤スラリーを塗布することにより、負極活物質層22Bを形成する。こののち、負極活物質層22Bを圧縮成型してもよい。
カルボン酸エステルを含む溶媒に電解質塩を投入する。これにより、溶媒中において電解質塩が分散または溶解されるため、電解液が調製される。
最初に、溶接法などを用いて、正極前駆体(正極集電体21A)に正極リード31を接続させると共に、負極前駆体(負極集電体22A)に負極リード32を接続させる。
組み立て後の二次電池を充放電させる。環境温度、充放電回数(サイクル数)および充放電条件などの各種条件は、任意に設定可能である。
この二次電池によれば、正極21がリチウムニッケル複合酸化物を含んでおり、負極22がリチウムチタン複合酸化物を含んでおり、電解液が酢酸エチルなどのカルボン酸エステルを含んでいる。また、XPSを用いた正極21の表面分析結果(正極強度比)に関して上記した条件(正極強度比=0.30~0.80)が満たされており、XPSを用いた負極22の表面分析結果(負極強度比)に関して上記した条件(負極強度比=0.82~1.35)が満たされている。
二次電池の構成は、以下で説明するように、適宜、変更可能である。ただし、以下で説明する一連の変形例のうちの任意の2種類以上は、互いに組み合わされてもよい。
多孔質膜であるセパレータ23を用いた。しかしながら、ここでは具体的に図示しないが、多孔質膜であるセパレータ23の代わりに、高分子化合物層を含む積層型のセパレータ23を用いてもよい。
液状の電解質である電解液を用いた。しかしながら、ここでは具体的に図示しないが、電解液の代わりに、ゲル状の電解質である電解質層を用いてもよい。
二次電池の用途(適用例)は、特に限定されない。電源として用いられる二次電池は、電子機器および電動車両などの主電源でもよいし、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、主電源の代わりに用いられる電源、または主電源から切り替えられる電源である。
以下で説明するように、図1および図2に示し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)を作製したのち、その二次電池の性能を評価した。
以下の手順により、二次電池を作製した。
最初に、正極活物質(リチウムニッケル複合酸化物(LiNi複合酸化物)であるLiNi0.86Co0.10Al0.03Mn0.01O2 (LNCAO),Ni割合=82%)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(カーボンブラック)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、溶媒(有機溶剤であるN-メチル-2-ピロリドン)に正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21A(厚さ=12μmである帯状のアルミニウム箔)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を形成した。続いて、ロールプレス機を用いて正極活物質層21Bを圧縮成型することにより、正極前駆体が得られた。最後に、後述する二次電池の安定化処理において正極活物質層21Bの表面に被膜21Cが形成されることにより、正極21が作製された。
最初に、負極活物質(リチウムチタン複合酸化物(LiTi複合酸化物)であるLi4 Ti5 O12(LTO))98質量部と、負極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)1質量部と、負極導電剤(カーボンブラック)1質量部とを混合することにより、負極合剤とした。続いて、溶媒(有機溶剤であるN-メチル-2-ピロリドン)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した。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体22A(厚さ=15μmである帯状の銅箔)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22Bを形成した。続いて、ロールプレス機を用いて負極活物質層22Bを圧縮成型することにより、負極前駆体が得られた。最後に、後述する二次電池の安定化処理において負極活物質層22Bの表面に被膜22Cが形成されることにより、負極22が作製された。
溶媒に電解質塩(六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 ))を投入することにより、その溶媒を撹拌したのち、その溶媒に添加剤(不飽和環状炭酸エステルである炭酸ビニレン)を添加することにより、その溶媒を撹拌した。溶媒としては、環状炭酸エステルである炭酸プロピレン(PC)と、カルボン酸エステルであるプロピオン酸プロプル(PrPr)、プロピオン酸エチル(EtPr)、酢酸プロピル(PrAc)または酢酸エチル(EtAc)との混合物を用いた。溶媒の混合比(重量比)は、環状炭酸エステル:カルボン酸エステル=30:70(溶媒中におけるカルボン酸エステルの含有量=70重量%)とした。電解質塩の含有量は、溶媒に対して1mol/kgとした。電解液中における不飽和環状炭酸エステルの含有量は、1重量%とした。これにより、溶媒中において電解質塩が分散または溶解されたため、電解液が調製された。
最初に、正極21(正極集電体21A)にアルミニウム製の正極リード31を溶接したと共に、負極22(負極集電体22A)に銅製の負極リード32を溶接した。
最初に、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を充電させた。この場合には、0.5Cの電流で電圧が2.7Vに到達するまで、すなわち充電率(State Of Charge (SOC))が100%に到達するまで定電流充電した。続いて、高温環境中(温度=40℃)において充電状態の二次電池を保存(保存期間=7日間)した。最後に、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を放電させた。この場合には、0.2Cの電流で電圧が1.0Vに到達するまで定電流放電した。なお、0.5Cとは、電池容量(理論容量)を2時間で放電しきる電流値であると共に、0.2Cとは、電池容量を5時間で放電しきる電流値である。
二次電池の性能(膨れ特性、サイクル特性および負荷特性)を評価したところ、表1および表2に示した結果が得られた。
最初に、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を充電させたのち、その二次電池の厚さ(保存前の厚さ)を測定した。この場合には、0.5Cの電流で電圧が2.7Vに到達するまで定電流充電したのち、その2.7Vの電圧で電流が0.01Cに到達するまで定電圧充電した。なお、0.01Cとは、電池容量を100時間で放電しきる電流値である。続いて、高温環境中(温度=60℃)において充電状態の二次電池を保存(保存期間=1月間)したのち、その二次電池の厚さ(保存後の厚さ)を再び測定した。最後に、膨れ率(%)=[(保存後の厚さ-保存前の厚さ)/保存前の厚さ]×100を算出した。
最初に、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を1サイクル充放電させることにより、放電容量(1サイクル目の放電容量)を測定した。この場合には、0.5Cの電流で電圧が2.7Vに到達するまで定電流充電したのち、その2.7Vの電圧で電流が0.01Cに到達するまで定電圧充電した。また、0.5Cの電流で電圧が1.0Vに到達するまで定電流放電した。
最初に、常温環境中(温度=23℃)において二次電池を1サイクル充放電させることにより、放電容量(1サイクル目の放電容量)を測定した。この場合には、0.5Cの電流で電圧が2.7Vに到達するまで定電流充電したのち、その2.7Vの電圧で電流が0.01Cに到達するまで定電圧充電した。また、1.0Cの電流で電圧が1.0Vに到達するまで定電流放電した。なお、1.0Cとは、電池容量を1時間で放電しきる電流値である。
表1および表2に示したように、正極21がリチウムニッケル複合酸化物を含んでおり、負極22がリチウムチタン複合酸化物を含んでおり、電解液がカルボン酸エステルを含んでいる場合(実施例1~5,9~12および比較例1~8)において、膨れ率、サイクル維持率および負荷維持率のそれぞれは、正極強度比および負極強度比に応じて変動した。
表3に示したように、Ni割合を変更したことを除いて同様の手順により、二次電池を作製したと共に、その二次電池の性能(膨れ特性、サイクル特性および負荷特性)を評価した。ここでは、二次電池の性能として、さらに、電池容量(Ah)を測定した。
表4に示したように、溶媒中におけるカルボン酸エステルの含有量を変更したことを除いて同様の手順により、二次電池を作製したと共に、その二次電池の性能(膨れ特性、サイクル特性および負荷特性)を評価した。
表1~表4に示した結果から、正極21がリチウムニッケル複合酸化物を含んでおり、負極22がリチウムチタン複合酸化物を含んでおり、電解液が酢酸エチルなどのカルボン酸エステルを含んでいると共に、XPSを用いた正極21の表面分析結果(正極強度比)に関して適正条件(正極強度比=0.30~0.80)が満たされており、XPSを用いた負極22の表面分析結果(負極強度比)に関して適正条件(負極強度比=0.82~1.35)が満たされていると、膨れ率が減少したと共に、サイクル維持率および負荷維持率のそれぞれが増加した。よって、膨れ率、サイクル維持率および負荷維持率の全てが改善されたため、二次電池において優れた膨れ特性、優れたサイクル特性および優れた負荷特性が得られた。
Claims (9)
- リチウムニッケル複合酸化物を含む正極と、
リチウムチタン複合酸化物を含む負極と、
カルボン酸エステルを含む電解液と
を備え、
前記カルボン酸エステルは、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチルおよびプロピオン酸プロピルのうちの少なくとも1種を含み、
X線光電子分光分析法を用いた前記正極の表面分析において、結合エネルギーが528eV以上531eV以下である範囲内にピークを有する第1酸素スペクトルと、結合エネルギーが531eVよりも大きいと共に535eV以下である範囲内にピークを有する第2酸素スペクトルとが検出され、
前記第2酸素スペクトルの強度に対する前記第1酸素スペクトルの強度の比は、0.30以上0.80以下であり、
前記X線光電子分光分析法を用いた前記負極の表面分析において、結合エネルギーが528eV以上531eV以下である範囲内にピークを有する第3酸素スペクトルと、結合エネルギーが531eVよりも大きいと共に535eV以下である範囲内にピークを有する第4酸素スペクトルとが検出され、
前記第4酸素スペクトルの強度に対する前記第3酸素スペクトルの強度の比は、0.82以上1.35以下であり、
前記電解液は、溶媒および電解質塩を含み、
前記溶媒は、前記カルボン酸エステルを含み、
前記溶媒中における前記カルボン酸エステルの含有量は、50重量%以上90重量%以下である、
二次電池。 - 前記リチウムニッケル複合酸化物は、下記の式(1)で表される化合物を含む、
請求項1記載の二次電池。
Lix Ni(1-y) M1y O2 ・・・(1)
(M1は、長周期型周期表の2族~15族に属する元素(ただし、Niを除く。)のうちの少なくとも1種である。xおよびyは、0.8≦x≦1.2および0≦y<1.0を満たす。) - 前記Niのモル数と前記M1のモル数との和に対する前記Niのモル数の割合は、80%以上である、
請求項2記載の二次電池。 - 前記溶媒は、さらに、環状炭酸エステルを含む、
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の二次電池。 - 前記正極は、
前記リチウムニッケル複合酸化物を含む正極活物質層と、
前記正極活物質層の表面に設けられ、酸素を構成元素として含む正極被膜と
を含み、
前記X線光電子分光分析法を用いた前記正極の表面分析において、前記正極被膜が分析される、
請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の二次電池。 - 前記リチウムチタン複合酸化物は、下記の式(2)、式(3)および式(4)のそれぞれで表される化合物のうちの少なくとも1種を含む、
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の二次電池。
Li[Lix M2(1-3x)/2Ti(3+x)/2 ]O4 ・・・(2)
(M2は、Mg、Ca、Cu、ZnおよびSrのうちの少なくとも1種である。xは、0≦x≦1/3を満たす。)
Li[Liy M31-3yTi1+2y]O4 ・・・(3)
(M3は、Al、Sc、Cr、Mn、Fe、GaおよびYのうちの少なくとも1種である。yは、0≦y≦1/3を満たす。)
Li[Li1/3 M4z Ti(5/3)-z ]O4 ・・・(4)
(M4は、V、ZrおよびNbのうちの少なくとも1種である。zは、0≦z≦2/3を満たす。) - 前記負極は、
前記リチウムチタン複合酸化物を含む負極活物質層と、
前記負極活物質層の表面に設けられ、酸素を構成元素として含む負極被膜と
を含み、
前記X線光電子分光分析法を用いた前記負極の表面分析において、前記負極被膜が分析される、
請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の二次電池。 - さらに、前記正極、前記負極および前記電解液を収納する可撓性の外装部材を備えた、
請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の二次電池。 - リチウムイオン二次電池である、
請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の二次電池。
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