JP7469733B1 - リチウムイオン電池及びリチウムイオン電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上記のような知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
(2)前記皮膜部における、前記Ca化合物、前記Al化合物及び前記La化合物の合計付着量は、前記Ca化合物の場合は金属Ca換算、前記Al化合物の場合は金属Al換算、前記La化合物の場合は金属La換算で、0.001g/m2以上1000.000g/m2以下である、(1)に記載のリチウムイオン電池。
(3)前記皮膜部において、前記Ca化合物、前記Al化合物及びLa化合物は、樹脂中に分散している、(1)に記載のリチウムイオン電池。
(4)前記皮膜部において、前記Ca化合物、前記Al化合物及びLa化合物は、樹脂中に分散している、(2)に記載のリチウムイオン電池。
(5)前記Ca化合物は、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、水酸化カルシウムの少なくとも何れかであり、前記Al化合物は、炭酸アルミニウム、酸化アルミニウム、又は、水酸化アルミニウムの少なくとも何れかであり、前記La化合物は、炭酸ランタン、酸化ランタン、又は、水酸化ランタンである、(1)~(4)の何れか1つに記載のリチウムイオン電池。
(6)前記Ca化合物のうち金属Ca換算で80質量%以上は、水酸化カルシウムである、(5)に記載のリチウムイオン電池。
(7)前記皮膜部は、前記Ca化合物、前記Al化合物又は前記La化合物として、ふっ化物を更に含有する、(5)に記載のリチウムイオン電池。
(8)前記皮膜部は、前記Ca化合物、前記Al化合物又は前記La化合物として、ふっ化物を更に含有する、(6)に記載のリチウムイオン電池。
(9)前記ふっ化物は、前記皮膜部の表面側よりも、前記Niめっき鋼板又は前記ラミネート鋼板を構成する前記母材鋼板との界面側により多く存在する、(7)に記載のリチウムイオン電池。
(10)前記ふっ化物は、前記皮膜部の表面側よりも、前記Niめっき鋼板又は前記ラミネート鋼板を構成する前記母材鋼板との界面側により多く存在する、(8)に記載のリチウムイオン電池。
(11)前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、(7)に記載のリチウムイオン電池。
(12)前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、(8)に記載のリチウムイオン電池。
(13)前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、(9)に記載のリチウムイオン電池。
(14)前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、(10)に記載のリチウムイオン電池。
(15)前記第1封止部、及び、前記第2封止部は、溶接、又は、かしめで構成されている、(1)に記載のリチウムイオン電池。
(16)正極、負極及びセパレータを有する電池ユニットと、リチウム塩を含む電解液とが、本体部と蓋部とを有する収容ケースの内部に収容されたリチウムイオン電池の製造方法であって、前記リチウムイオン電池は、前記本体部と前記蓋部との封止部である第1封止部、又は、前記蓋部に設けられた前記電解液を前記収容ケースの内部に注入するための注液口を封止するための注液口蓋と、前記蓋部との封止部である第2封止部、の少なくとも何れかが形成されるものであり、前記収容ケースの素材として、母材鋼板にNiめっき層が設けられたNiめっき鋼板、又は、母材鋼板に表面処理層が設けられたラミネート鋼板を用い、前記電池ユニットと前記電解液とが収容された前記収容ケースについて、前記本体部と前記蓋部、及び、前記注液口蓋と前記蓋部、を封止して、前記第1封止部及び前記第2封止部とする封止工程と、前記本体部と前記蓋部、及び、前記注液口蓋と前記蓋部の封止後に、前記第1封止部又は前記第2封止部においてFeの含有量が80質量%以上である部分上に、Ca化合物、Al化合物、又は、La化合物の少なくとも何れかを含有する塗料を塗布する塗布工程と、を含む、リチウムイオン電池の製造方法。
(17)前記封止工程は、露点-75℃以下の雰囲気下で実施される、(16)に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
<リチウムイオン電池の全体的な構成について>
まず、図1A~図2Bを参照しながら、本発明の各実施形態に係るリチウムイオン電池の全体的な構成について説明する。図1A~図2Bは、本発明の各実施形態にリチウムイオン電池について模式的に示した説明図である。
ここで、電池ユニット3を構成する正極(図示せず。)、負極(図示せず。)、セパレータ(図示せず。)、及び、正極や負極に設けられる各種の活物質(図示せず。)については、特に限定されるものではない。これら電池ユニット3を構成する各部材については、リチウムイオン電池に用いられる各種のものを、適宜使用することが可能である。また、電池ユニット3の具体的な構造についても、特に限定されるものではなく、各種の構造を採用することが可能である。
図1Aに示したように、本実施形態に係るリチウムイオン電池1における収容ケース10は、上記のような電池ユニット3及び電解液5を、その内部に収容するものであり、本体部11と、蓋部13と、で構成されている。
<収容ケース10の素材について>
続いて、図3を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る収容ケース10の素材について、詳細に説明する。図3は、本実施形態に係るリチウムイオン電池の収容ケースの素材について模式的に示した説明図である。
収容ケース10の素材として用いられるNiめっき鋼板100は、図3に示したように、母材鋼板101と、母材鋼板101の表裏面に設けられたNiめっき層103と、を有している。
以下では、図4A及び図4Bを参照しながら、本実施形態に係るリチウムイオン電池1における封止処理と皮膜部による被覆対象部位について説明する。図4A及び図4Bは、本実施形態にリチウムイオン電池について模式的に示した説明図である。図4Aは、収容ケース10を、ケース高さ方向に切断した断面の一部を、模式的に示したものであり、図4Bは、収容ケース10の注液口蓋17の近傍を、ケース高さ方向に切断した断面の一部を、模式的に示したものである。
先程から言及しているように、ふっ素を含有するリチウム塩を含む電解液を注入する際に、電解液の一部が、上記のような鉄露出部に付着していた場合を想定する。かかる場合に、ふっ素を含有するリチウム塩と大気中の水分とが反応すると、ふっ化水素酸が発生し、発生したふっ化水素酸が鉄露出部を腐食させて、赤錆が発生してしまう。そこで、本実施形態に係るリチウムイオン電池では、このような封止部における鉄露出部を被覆対象部位201として取り扱い、かかる被覆対象部位201に対して、皮膜部30を設ける。従って、製造されたリチウムイオン電池1から見れば、皮膜部30が存在している部位が、リチウムイオン電池1の製造過程において、被覆対象部位201として取り扱われた部位であるといえる。
まず、サンプルとして、平面視したときの大きさが1mm×50mmである皮膜部30を、任意の5箇所から採取し、得られたサンプルのそれぞれを、硫酸で溶解する。かかる溶解の際に発生したガスを、それぞれ市販のガスクロマトグラフ(例えば、島津製作所株式会社製:Nexis GC-2030)により分析し、F量を測定する。得られたF量を、上述の面積で割ることにより、ふっ化物の付着量を求めることができる。得られた5つのふっ化物の付着量の平均値を、ふっ化物の付着量として取り扱う。これにより、ふっ素換算でのふっ化物の付着量を得ることができる。
すなわち、水酸化カルシウムを含有する皮膜部30を有するサンプルにおいて、FはすべてCaと結合すると仮定する。その上で、上記と同様にして採取したサンプルについて、F量の測定を行う。かかる測定により得られたF量に基づき、上記仮定のもとでCa量を換算する。Ca化合物の合計付着量と、換算したCa量との差が、水酸化カルシウムのCa量となる。得られた水酸化カルシウムのCa量を、Ca化合物の合計付着量で除することで、水酸化カルシウムが占める割合を算出することができる。
<収容ケース10の素材について>
続いて、図6を参照しながら、本発明の第2の実施形態に係る収容ケース10の素材について、詳細に説明する。図6は、本実施形態に係るリチウムイオン電池の収容ケースの素材について模式的に示した説明図である。
収容ケース10の素材として用いられるラミネート鋼板100Aは、図6に示したように、母材鋼板101と、母材鋼板101の表面に設けられた表面処理層105と、を有している。
<収容ケース10の素材について>
続いて、図7を参照しながら、本発明の第3の実施形態に係る収容ケース10の素材について、詳細に説明する。図7は、本実施形態に係るリチウムイオン電池の収容ケースの素材について模式的に示した説明図である。
次に、図8A及び図8Bを参照しながら、本発明の各実施形態に係るリチウムイオン電池の製造方法の一例を説明する。図8A及び図8Bは、本発明の各実施形態に係るリチウムイオン電池の製造方法の流れの一例を示した流れ図である。
以下に示す試験例では、収容ケースの本体部と、蓋部と、を準備するとともに、以下に示す電池ユニットを準備し、これらの部材を組み上げることで、リチウムイオン電池とした。収容ケースの本体部に設けられた開口部から電解液を注液した後、本体部を蓋部で封止し、完成したリチウムイオン電池について、その外面耐食性を評価した。
◇Niめっき鋼板
Niめっき鋼板として、日本製鉄株式会社製のニッケルめっき鋼板(スーパーニッケル(登録商標))を用いた。かかるニッケルめっき鋼板において、片面当たりのNi付着量は、2.0μmであった。
・母材鋼板:日本製鉄株式会社製のティンフリースチール(キャンスーパー(登録商標))
・表面処理層:PP(電池内面側(電池ユニットと対向する側))/PET(電池外面側)
また、上記の日本製鉄株式会社製のニッケルめっき鋼板の表裏面に対し、上記ラミネート鋼板に設けた表面処理層と同様のものを同様にして形成し、表面処理鋼板とした。
◇正極板
正極活物質として、コバルト酸リチウムを用いた。かかる正極活物質と、アセチレンブラックとポリふっ化ビニリデン(PVDF)とを、質量比でコバルト酸リチウム:アセチレンブラック:PVDF=10:10:1となるように混合した。その後、水生ディスパージョンとしてAl箔に塗布した後、乾燥した。得られたものを、所定の厚みとなるよう圧延し、所定の大きさに切り出したものを、正極板とした。
負極活物質として、非晶質カーボンを用いた。非晶質カーボンを、導電材であるアセチレンブラックと乾式混合して混合物とした。その後、ポリふっ化ビニリデンを溶解させたN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を、混合物に均一に分散させて、質量比でカーボン:アセチレンブラック:PVDF=88:5:7となるペーストを作成した。得られたペーストを、Cu箔に塗布して乾燥した後、所定厚みとなるよう圧延してから、所定の大きさに切り出したものを負極板とした。
セパレータにはポリエチレン微多孔膜を用いた。
電解液として、エチレンカーボネート:ジエチルカーボネートを体積比で1:1混合したものに、6ふっ化リン酸リチウムを1mol/L添加した溶液(1M-LiPF6 EC/DEC(1/1))を用いた。
上記のようにして得られた正極板と負極板との間にセパレータを挟み込んだ後、捲回して、電極ユニットとした。かかる電池ユニットを、収容ケースの本体部の内部空間に挿入可能な形状につぶした後、正極板はAlリードに、負極板はNiリードに溶接した。Alリードを、収容ケースの蓋部に設けられた正極端子に溶接するとともに、Niリードを、収容ケースの蓋部に設けられた負極端子に溶接した。
◇評価用サンプルの準備
上記のようにして得られるリチウムイオン電池について、電解液が外表面に付着している状況を模擬するために、露点-75℃の雰囲気下において、本体部と蓋部との封止部分(すなわち、第1封止部)に対して、刷毛で、上記の電解液(LiPF6+EC/DEC)を塗布した。
露点-75℃の雰囲気下、又は、大気取り出し後なるべくはやく、上記の評価用サンプルの封止部分(第1封止部)に対し、以下の表1に示した「有機溶媒とCa化合物、Al化合物、La化合物の混合物」、「樹脂とCa化合物、Al化合物、La化合物の混合物」、又は、「樹脂のみ」を、防錆処理剤として刷毛で塗布し、乾燥させた。これにより、第1封止部上に、各防錆処理剤に対応した皮膜部が形成されることとなる。
Ca化合物:水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸水素カルシウム、酸化カルシウム
Al化合物:水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム
La化合物:水酸化ランタン、炭酸ランタン、酸化ランタン
有機溶媒:ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)
樹脂:PVDF、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂。
上記のような防錆処理後の評価用サンプルを、大気雰囲気下(すなわち、水分が存在する雰囲気下)で保持した。保持開始から1ヵ月後に外観を観察し、赤錆発生有無を観察した。第1封止部の面積と、観察から得られた赤錆発生状況とから、赤錆発生率を算出し、以下の評価基準に基づき評価を行った。以下の評点「A」~「C」を合格とした。
評点「A」:赤錆発生率0%
評点「B」:赤錆発生率0%超1%以下
評点「C」:赤錆発生率1%超5%以下
評点「D」:赤錆発生率5%超
赤錆発生有無を確認した後の評価用サンプルのそれぞれについて、皮膜部からサンプルを採取した。有機溶媒を用いた防錆処理剤に対応するサンプルについては、第1封止部から粉末を刷毛で回収した。また、樹脂を用いた防錆処理剤に対応するサンプルについては、第1封止部の一部を削り取って回収後、冷凍粉砕して粉末状にした。
◇分析用サンプルの作製
収容ケースの本体部、蓋部のそれぞれについて、上記の耐食性評価用のリチウムイオン電池の製造手順と同様に作製した後、上記と同様にして封止した。かかる製造手順により得られるリチウムイオン電池は、耐食性評価用のリチウムイオン電池と同様の第1封止部が形成されることとなる。
それぞれの封止部を、高速精密切断機で切断し、断面観察用サンプルを切り出した。得られた断面観察用サンプルを、樹脂埋め後、エメリー紙#1200まで湿式研磨し、更に、ダイアモンド研磨(Struers製:DP-懸濁液)することで鏡面に仕上げ、観察に供した。
(1)
正極、負極及びセパレータを有する電池ユニットと、リチウム塩を含む電解液とが、本体部と蓋部とを有する収容ケースの内部に収容されたリチウムイオン電池であって、
前記収容ケースの素材として、母材鋼板にNiめっき層が設けられたNiめっき鋼板、又は、母材鋼板に表面処理層が設けられたラミネート鋼板が用いられており、
前記収容ケースには、前記本体部と前記蓋部との封止部である第1封止部、又は、前記蓋部に設けられた前記電解液を前記収容ケースの内部に注入するための注液口を封止するための注液口蓋と、前記蓋部との封止部である第2封止部、の少なくとも何れかが存在しており、
前記第1封止部又は前記第2封止部においてFeの含有量が80質量%以上である部分上に、Ca化合物、Al化合物、又は、La化合物の少なくとも何れかを含有する皮膜部を有する、リチウムイオン電池。
(2)
前記皮膜部における、前記Ca化合物、前記Al化合物及び前記La化合物の合計付着量は、前記Ca化合物の場合は金属Ca換算、前記Al化合物の場合は金属Al換算、前記La化合物の場合は金属La換算で、0.001g/m2以上1000.000g/m2以下である、(1)に記載のリチウムイオン電池。
(3)
前記皮膜部において、前記Ca化合物、前記Al化合物及びLa化合物は、樹脂中に分散している、(1)又は(2)に記載のリチウムイオン電池。
(4)
前記Ca化合物は、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、水酸化カルシウムの少なくとも何れかであり、
前記Al化合物は、炭酸アルミニウム、酸化アルミニウム、又は、水酸化アルミニウムの少なくとも何れかであり、
前記La化合物は、炭酸ランタン、酸化ランタン、又は、水酸化ランタンである、(1)~(3)の何れか1つに記載のリチウムイオン電池。
(5)
前記Ca化合物のうち金属Ca換算で80質量%以上は、水酸化カルシウムである、(1)~(4)の何れか1つに記載のリチウムイオン電池。
(6)
前記皮膜部は、前記Ca化合物、前記Al化合物又は前記La化合物として、ふっ化物を更に含有する、(1)~(5)の何れか1つに記載のリチウムイオン電池。
(7)
前記ふっ化物は、前記皮膜部の表面側よりも、前記Niめっき鋼板又は前記ラミネート鋼板を構成する前記母材鋼板との界面側により多く存在する、(6)に記載のリチウムイオン電池。
(8)
前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、(6)又は(7)に記載のリチウムイオン電池。
(9)
前記第1封止部、及び、前記第2封止部は、溶接、又は、かしめで構成されている、(
1)~(8)の何れか1つに記載のリチウムイオン電池。
(10)
正極、負極及びセパレータを有する電池ユニットと、リチウム塩を含む電解液とが、本体部と蓋部とを有する収容ケースの内部に収容されたリチウムイオン電池の製造方法であって、
前記リチウムイオン電池は、前記本体部と前記蓋部との封止部である第1封止部、又は、前記蓋部に設けられた前記電解液を前記収容ケースの内部に注入するための注液口を封止するための注液口蓋と、前記蓋部との封止部である第2封止部、の少なくとも何れかが形成されるものであり、
前記収容ケースの素材として、母材鋼板にNiめっき層が設けられたNiめっき鋼板、又は、母材鋼板に表面処理層が設けられたラミネート鋼板を用い、
前記電池ユニットと前記電解液とが収容された前記収容ケースについて、前記本体部と前記蓋部、及び、前記注液口蓋と前記蓋部、を封止して、前記第1封止部及び前記第2封止部とする封止工程と、
前記本体部と前記蓋部、及び、前記注液口蓋と前記蓋部の封止後に、前記第1封止部又は前記第2封止部においてFeの含有量が80質量%以上である部分上に、Ca化合物、Al化合物、又は、La化合物の少なくとも何れかを含有する塗料を塗布する塗布工程と、
を含む、リチウムイオン電池の製造方法。
(11)
前記封止工程は、露点-75℃以下の雰囲気下で実施される、(10)に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
3 電池ユニット
5 電解液
10 収容ケース
11 本体部
13、13A 蓋部
15 注液口
17 注液口蓋
21 第1封止部
23 第2封止部
30 皮膜部
100 Niめっき鋼板
100A ラミネート鋼板
100B 表面処理鋼板
101 母材鋼板
103 Niめっき層
105 表面処理層
201 被覆対象部位
203 封止
Claims (17)
- 正極、負極及びセパレータを有する電池ユニットと、リチウム塩を含む電解液とが、本体部と蓋部とを有する収容ケースの内部に収容されたリチウムイオン電池であって、
前記収容ケースの素材として、母材鋼板にNiめっき層が設けられたNiめっき鋼板、又は、母材鋼板に表面処理層が設けられたラミネート鋼板が用いられており、
前記収容ケースには、前記本体部と前記蓋部との封止部である第1封止部、又は、前記蓋部に設けられた前記電解液を前記収容ケースの内部に注入するための注液口を封止するための注液口蓋と、前記蓋部との封止部である第2封止部、の少なくとも何れかが存在しており、
前記第1封止部又は前記第2封止部においてFeの含有量が80質量%以上である部分上に、Ca化合物、Al化合物、又は、La化合物の少なくとも何れかを含有する皮膜部を有する、リチウムイオン電池。 - 前記皮膜部における、前記Ca化合物、前記Al化合物及び前記La化合物の合計付着量は、前記Ca化合物の場合は金属Ca換算、前記Al化合物の場合は金属Al換算、前記La化合物の場合は金属La換算で、0.001g/m2以上1000.000g/m2以下である、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記皮膜部において、前記Ca化合物、前記Al化合物及びLa化合物は、樹脂中に分散している、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 前記皮膜部において、前記Ca化合物、前記Al化合物及びLa化合物は、樹脂中に分散している、請求項2に記載のリチウムイオン電池。
- 前記Ca化合物は、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、又は、水酸化カルシウムの少なくとも何れかであり、
前記Al化合物は、炭酸アルミニウム、酸化アルミニウム、又は、水酸化アルミニウムの少なくとも何れかであり、
前記La化合物は、炭酸ランタン、酸化ランタン、又は、水酸化ランタンである、請求項1~4の何れか1項に記載のリチウムイオン電池。 - 前記Ca化合物のうち金属Ca換算で80質量%以上は、水酸化カルシウムである、請求項5に記載のリチウムイオン電池。
- 前記皮膜部は、前記Ca化合物、前記Al化合物又は前記La化合物として、ふっ化物を更に含有する、請求項5に記載のリチウムイオン電池。
- 前記皮膜部は、前記Ca化合物、前記Al化合物又は前記La化合物として、ふっ化物を更に含有する、請求項6に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ふっ化物は、前記皮膜部の表面側よりも、前記Niめっき鋼板又は前記ラミネート鋼板を構成する前記母材鋼板との界面側により多く存在する、請求項7に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ふっ化物は、前記皮膜部の表面側よりも、前記Niめっき鋼板又は前記ラミネート鋼板を構成する前記母材鋼板との界面側により多く存在する、請求項8に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、請求項7に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、請求項8に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、請求項9に記載のリチウムイオン電池。
- 前記ふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m2超0.200g/m2以下である、請求項10に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1封止部、及び、前記第2封止部は、溶接、又は、かしめで構成されている、請求項1に記載のリチウムイオン電池。
- 正極、負極及びセパレータを有する電池ユニットと、リチウム塩を含む電解液とが、本体部と蓋部とを有する収容ケースの内部に収容されたリチウムイオン電池の製造方法であって、
前記リチウムイオン電池は、前記本体部と前記蓋部との封止部である第1封止部、又は、前記蓋部に設けられた前記電解液を前記収容ケースの内部に注入するための注液口を封止するための注液口蓋と、前記蓋部との封止部である第2封止部、の少なくとも何れかが形成されるものであり、
前記収容ケースの素材として、母材鋼板にNiめっき層が設けられたNiめっき鋼板、又は、母材鋼板に表面処理層が設けられたラミネート鋼板を用い、
前記電池ユニットと前記電解液とが収容された前記収容ケースについて、前記本体部と前記蓋部、及び、前記注液口蓋と前記蓋部、を封止して、前記第1封止部及び前記第2封止部とする封止工程と、
前記本体部と前記蓋部、及び、前記注液口蓋と前記蓋部の封止後に、前記第1封止部又は前記第2封止部においてFeの含有量が80質量%以上である部分上に、Ca化合物、Al化合物、又は、La化合物の少なくとも何れかを含有する塗料を塗布する塗布工程と、
を含む、リチウムイオン電池の製造方法。 - 前記封止工程は、露点-75℃以下の雰囲気下で実施される、請求項16に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
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