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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】リチウムイオン電池の外表面に電解液が付着していた場合であっても、リチウムイオン電池の外面耐食性を保持すること。【解決手段】本発明は、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に関し、前記収容ケースの素材として、Niめっき鋼板又は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。【選択図】図1A

Description

本発明は、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に関する。
近年、リチウムイオン電池をはじめとする二次電池の用途が、太陽電池や風力発電などの新エネルギーシステムと組み合わせた電力貯蔵用蓄電装置や、自動車用蓄電池等に急速に拡大している。そのため、電力貯蔵用蓄電装置や、自動車用蓄電池等に搭載されるリチウムイオン電池についても、より高い安全性が求められるようになってきている。そこで、リチウムイオン電池の安全性をより向上させるために、近年、様々な技術が提案されている。
例えば、以下の特許文献1では、電極体を収容する外装部材の少なくとも一部の表面を、絶縁部材で被覆する技術が提案されている。かかる技術では、上記絶縁部材において、外装部材と接する側を、高温時に不燃性ガスを発生する不燃性ガス発生部材とし、最外装を絶縁樹脂層とすることで、電池の絶縁機能と、電池の発火防止機能と、を両立させている。
国際公開第2021/014996号
本発明者らは、上記のようなリチウムイオン電池において、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収容される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ることに着想した。
上記のようなNiめっき鋼板やラミネート鋼板を、収容ケースの本体部及び蓋部の素材として使用した際、電池ユニット及び電解液を収容した後の収容ケースの本体部と、蓋部とは、レーザ溶接等に代表される溶接処理、又は、かしめにより封止される。また、場合によっては、収容ケースの蓋部に、電解液を収容ケースの内部に注入するための注液口を設けておくことも想定される。かかる場合、電池ユニットが収容された本体部の内部に対し、蓋部に設けられた注液口を介して電解液を注入した後、蓋部に設けられた注液口は、注液口蓋を用いて、溶接処理又はかしめにより封止される。
ここで、上記のような電解液を注入する際に、電解液の一部が、収容ケースの本体部や蓋部の外表面に付着してしまうことが考えられる。リチウムイオン電池に用いられる電解液は、その成分として、リチウム塩(例えば、LiPF等のふっ素を含有するリチウム塩)を含有している。かか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(HF)が発生する。一方で、封止に用いられる溶接処理やかしめによって、Niめっき鋼板のNiめっき層や、ラミネート鋼板の表面処理層の一部が消失してしまい、母材鋼板が露出している可能性がある。また、収容ケースの構造によっては、Niめっき層や表面処理層が設けられていない母材鋼板の端部が、表面に露出していることも考えられる。
本発明者らは、このような母材鋼板の露出部においてふっ化水素酸(HF)が発生してしまうと、発生したふっ化水素酸が母材鋼板を腐食させて赤錆が発生し、収容ケースの外面耐食性が低下してしまうという課題を、新たに知見するに至った。かかる課題は、Niめっき鋼板やラミネート鋼板を収容ケースの本体部及び蓋部の素材として使用した場合に初めて生じる課題である。
上記のような、本発明者らが初めて知見した収容ケースの外面耐食性に関する課題は、例えば上記特許文献1に開示されている不燃性ガス発生部材のように、大気と接することのない部分に対していくら工夫を凝らしたとしても、解決することはできない。そのため、リチウムイオン電池の外表面に電解液が付着していた場合であっても、リチウムイオン電池の外面耐食性を保持可能な技術を、新たに実現することが必要となる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、リチウムイオン電池の外表面に電解液が付着していた場合であっても、リチウムイオン電池の外面耐食性を保持することが可能な、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を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、電解液の付着を完全に防止することは困難であると考えられること、及び、リチウムイオン電池と大気中の水分との接触も電池使用時を考慮すると不可避であることを踏まえ、生成するふっ化水素酸への対応が重要であることを知見した。その上で、大気中の水分との反応で生成されるふっ化水素酸を無効化する手段を、リチウムイオン電池の外表面に設けておくことができれば、リチウムイオン電池の外面耐食性を保持することが可能である旨に想到した。
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。
(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/m以上1000.000g/m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/m超0.200g/m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/m超0.200g/m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/m超0.200g/m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/m超0.200g/m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。
以上説明したように本発明によれば、リチウムイオン電池の外表面に電解液が付着していた場合であっても、リチウムイオン電池の外面耐食性を保持することが可能となる。
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。 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。 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。 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。 本発明の第1の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。 同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。 同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。 同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。 同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。 本発明の第2の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。 本発明の第3の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。 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。 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。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(リチウムイオン電池について)
<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。
図1Aに模式的に示したように、本発明の各実施形態に係るリチウムイオン電池1は、正極、負極及びセパレータを有する電池ユニット3と、リチウム塩を含む電解液5とが、本体部11と蓋部13とを有する収容ケース10の内部に収容されたものである。
[電池ユニット3及び電解液5について]
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。
また、電池ユニット3の具体的な形状や大きさについても、特に限定されるものではない。図1Aでは、便宜的に、角型形状を有する電池ユニット3について図示しているが、電池ユニット3の形状は、円柱形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
また、電解液5についても、リチウムイオンを生じうるリチウム塩を含有するものであればよく、各種のリチウム塩(特に、ふっ素を含有するリチウム塩)を含む電解液を、適宜使用することが可能である。そのようなリチウム塩として、例えば、LiPF、LiBF、LiN(SOCF(LiFSIとも呼ばれる。)を挙げることができる。
[収容ケース10について]
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の本体部11は、電池ユニット3及び電解液5を収容可能な内部空間を有する中空の部材である。本体部11は、底面となる部分(図示せず。)及び側面となる部分から構成されている。図1Aでは、本体部11は、矩形状の底面(図示せず。)と、4つの側面とで、電池ユニット3及び電解液5を収容する内部空間が実現されている。本体部11の内部空間に、電池ユニット3及び電解液5が収容された後、本体部11の開口部分は、図1Aに示したように、蓋部13によって閉塞される。
ここで、図1Aでは、収容ケース10の本体部11は、角型形状を有している場合を図示している。ただし、本体部11の具体的な形状については、特に規定されるものではない。本体部11は、電池ユニット3及び電解液5を収容可能な形状であれば、任意の形状を有することができる。
また、例えば図1Bに示したように、蓋部13Aの一部に、電解液を収容ケースの内部に注入するための開口部である注液口15を設け、電解液の注入後に、注液口15を注液口蓋17で閉塞するという場合も考えられる。本実施形態に係る収容ケース10では、図1Aに示した蓋部13に換えて、図1Bに示したような蓋部13Aを用いることも可能である。
図1Aに示したような収容ケース10においては、電池ユニット3及び電解液5が本体部11の内部空間に収容された後、本体部11の開口部は、蓋部13により閉塞され、封止処理が施される。これにより、収容ケース10の本体部11と蓋部13とは、一体化される。その結果、図2Aに模式的に示したように、封止後の収容ケース10においては、本体部11と蓋部13との封止部が生じる。以下、かかる「本体部と蓋部との封止部(図2Aにおいて太線で示した部分)」を、第1封止部21と称する。
また、図1Bに示したような収容ケース10においては、電池ユニット3及び電解液5が本体部11の内部空間に収容された後に、本体部11の開口部は、蓋部13Aにより閉塞され、封止処理が施される。また、蓋部13Aに設けられた注液口15は、注液口蓋17により閉塞され、封止処理が施される。これにより、収容ケース10の本体部11と蓋部13Aとは、一体化される。その結果、本体部11と蓋部13Aとの封止部として、第1封止部21が生じるとともに、蓋部13Aと注液口蓋17との封止部が生じる。以下、かかる「注液口蓋と蓋部との封止部(図2Bにおいて太線で示した部分)」を、第2封止部23と称する。
ここで、図1Aに示したような収容ケース10にしろ、図1Bに示したような収容ケース10にしろ、本体部11の内部に電解液5を注ぐ際には、電解液5の一部が、本体部11や蓋部13、13Aの外表面(大気に曝される部分)に付着してしまう可能性がある。
なお、既に製造されているリチウムイオン電池について、収容ケース10における第1封止部21及び第2封止部23の位置を事後的に特定するためには、以下のようにすればよい。第1封止部21は、上記のように、収容ケース10の本体部11が、蓋部13、13Aにより封止された部位であるため、着目するリチウムイオン電池における、セルケースの胴体部と蓋部との接合箇所に着目すればよい。また、第2封止部23は、上記のように、蓋部13Aにおける注液口15が、注液口蓋17により封止された部位であるため、着目するリチウムイオン電池における、注液口と注液口蓋との接合箇所に着目すればよい。より詳細には、着目するリチウムイオン電池の全体を樹脂に埋め込んだ後に、リチウムイオン電池の短手側中央を通る箇所の位置で、注液口が存在する場合は注液口中央を通る箇所の位置で、リチウムイオン電池の全体をセルケースの長手方向に切断し、得られた断面において上記のような部位を、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)により観察すればよい。このとき、観察時の視野の大きさは、1000μm×1000μmとすればよい。
≪第1の実施形態≫
<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。
本実施形態に係る収容ケース10の素材としては、Niめっき鋼板、又は、ラミネート鋼板が用いられる。以下では、本実施形態に係る収容ケース10の素材として、Niめっき鋼板が用いられる場合について説明する。
図3は、Niめっき鋼板100の層構造を模式的に示したものである。
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。
母材鋼板101は、Niめっき鋼板100の基材となる鋼板である。かかる母材鋼板101の成分や金属組織等については、特に限定されるものではない。母材鋼板101として、例えば、低炭アルミキルド鋼やIF鋼(Interstitial Free Steel:極低炭素鋼)等といった、各種の鋼板を適宜用いることが可能である。
なお、母材鋼板101の種類を事後的に特定するためには、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分光分析法を用いて、JIS G 1258-1:2014に従って測定を実施すればよい。
また、母材鋼板101の厚みについても、収容ケース10に求められる機械的強度に応じて適宜設定すればよく、例えば、0.15~1.20mm程度とすればよい。
母材鋼板101の表面に位置するNiめっき層103は、Niを少なくとも含有するめっき層である。Niめっき層103は、Ni及び不純物で構成されていてもよいし、Niめっき層103を構成するNiの少なくとも一部は、母材鋼板101に由来するFeと合金化していてもよい。かかるNiめっき層103の平均組成等については、特に限定されるものではない。収容ケース10内に保持される電解液5に対して耐食性を示すものであれば、Niめっき層103として、各種のNiめっきやNi合金めっき等を採用することが可能である。
このようなNiめっき層103の平均組成として、例えば、Ni:95~50質量%、Fe:5~50質量%、及び、不純物からなる組成を挙げることができる。また、Niめっき層103は、Niの一部に換えて、Co、Sn、Zn、W、Mo、Crの何れかの合金元素を更に含有していてもよい。かかるNiめっき層103の形成方法としては、例えば、めっき浴を用いた溶融めっき、電気めっき等といった各種のめっき方法や、溶射、蒸着を挙げることができる。
また、Niめっき層103の片面当たりの付着量は、例えば5~50g/mであることが好ましい。Niめっき層103の片面当たりの付着量が10g/m以上となることで、Niめっき鋼板100の耐食性を更に向上させることが可能となるため、より好ましい。一方、Niめっき層103の片面当たりの付着量が、30g/m以下となることで、Niめっき鋼板100の製造コストをより低減することが可能となるため、より好ましい。
なお、Niめっき鋼板100は、めっき後に熱処理を施さないものであってもよく、めっき後に熱処理を施したものであってもよい。めっき後に熱処理を施した場合には、母材鋼板101とNiめっき層103との界面に、拡散合金層が形成される。
なお、Niめっき層103の片面当たりの付着量は、例えばICP発光分光分析法によって測定可能である。まず、着目するリチウムイオン電池における収容ケースの底面の任意の5箇所から、平面視したときの大きさが30mm×30mmであるサンプルをそれぞれ切り出し、かかるサンプルに存在するNiめっき層103のそれぞれを、酸(より詳細には、19%塩酸)で溶解する。次に、各溶解液に含まれるTotal-Ni量を、ICP発光分光分析装置(例えば、島津製作所株式会社製:ICPS-8100)を用いて定量分析する。Total-Ni量が0超の値を示すということは、得られたサンプルにNiめっき層103が存在していることを意味している。得られたTotal-Ni量を、上述のサンプル面積で割ることにより、単位面積当たりのNi付着量を求めることができる。得られた5つのNi付着量の平均値を、Niめっき層103の片面当たりの付着量として取り扱う。また、Niめっき層103の平均組成についても、同様に、ICP発光分光分析法によって求めることが可能である。なお、着目した箇所からサンプルを切り出す際に、サンプルの何れかの辺の大きさが30mm未満となってしまう場合には、サンプルの面積が90mmとなるように、着目した箇所からサンプルを切り出せばよい。
また、上記のようなNiめっき鋼板100において、母材鋼板101と、Niめっき層103との間に、更に、各種の化成処理皮膜層(図示せず。)が存在していてもよい。かかる化成処理皮膜層が存在することで、母材鋼板101と、Niめっき層103との間の密着性を、より向上させることが可能となる。また、かかる化成処理皮膜層が存在することで、Niめっき鋼板100の耐食性を、更に向上させることが可能となる。
かかる化成処理皮膜層については、特に限定されるものではなく、各種の化成処理を利用して形成すればよい。このような化成処理として、例えば、クロメート系化成処理やノンクロメート系化成処理を挙げることができる。ノンクロメート系化成処理としては、例えば、バナジウム化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物、リン酸化合物のような無機化合物を用いた化成処理や、シリカ系化成処理を挙げることができる。
<封止処理と皮膜部による被覆対象部位について>
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。
図3に示したような素材を用いて、収容ケース10の本体部11、蓋部13、13A、注液口蓋17を製造した場合、素材とした各種鋼板において、Niめっき層103が設けられていない母材鋼板101の端面が、表面に露出する場合がある。また、収容ケース10の本体部11と蓋部13、13A、及び、蓋部13Aと注液口蓋17は、溶接処理又はかしめによって封止される。この際、かかる封止処理によって、Niめっき層103の一部が消失してしまい、母材鋼板101が露出する可能性もある。
図4Aは、第1封止部21の近傍の断面の一例を、模式的に示したものである。なお、図4Aに示した形状は、あくまでも一例に過ぎず、本実施形態に係るリチウムイオン電池1における第1封止部21近傍の形状が、かかる例に限定されるものではない。
図4Aに示した例では、本体部11の側面となっている部分の天面や、蓋部13の端部は、Niめっき層103が設けられていない母材鋼板101の端面が、大気に露出した状態となっている。
図4Bは、第2封止部23の近傍の断面の一例を、模式的に示したものである。なお、図4Bに示した形状は、あくまでも一例に過ぎず、本実施形態に係るリチウムイオン電池1における第2封止部23近傍の形状が、かかる例に限定されるものではない。
図4Bに示した例では、注液口蓋17の側端において、母材鋼板101の端面が大気に露出した状態となっている。
図4A及び図4Bに例示したような、母材鋼板101の端面が露出したような部位や、封止処理によってNiめっき層103の一部が消失してしまった部位は、母材鋼板101の一部が露出して、Feの含有量が80質量%以上となっている部位である。このような、リチウムイオン電池を製造するに際して、母材鋼板101の端面が露出したような部位や、封止処理によってNiめっき層103の一部が消失してしまった部位を、以下では、鉄露出部と称することとする。本実施形態では、このような母材鋼板101の一部が露出してFeの含有量が80質量%以上となった部位を、以下で詳述するような皮膜部30による被覆対象部位とする。
なお、鉄露出部において、Feの含有量が80質量%以上の部位としている理由は、以下の通りである。すなわち、例えば封止処理によってNiめっき層103の一部が消失した場合には、かかる部位にNiめっき層103に由来する、Fe以外の元素が存在している可能性があるからである。
リチウムイオン電池1を製造する際には、収容ケース10を構成する部材に対して溶接処理又はかしめという封止203が施される結果、大気と接触する可能性のある収容ケース10の表面において、鉄露出部が生じる。また、かかる封止処理により、収容ケース10の本体部11と蓋部13、13Aが一体化されるとともに、蓋部13Aと注液口蓋17が一体化される。
<皮膜部30について>
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。
以下、図5A及び図5B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における皮膜部30について、詳細に説明する。図5A及び図5Bは、本実施形態にリチウムイオン電池1について模式的に示した説明図である。図5A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5B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。
図5A及び図5Bに例示したように、本実施形態に係るリチウムイオン電池1において、皮膜部30は、被覆対象部位201(又は、被覆対象部位201に存在する封止203)を覆うように、被覆対象部位201上に設けられる。かかる皮膜部30は、Ca化合物、又は、Al化合物の少なくとも何れかを含有する。
Ca化合物、Al化合物及びLa化合物は、ふっ化水素酸(HF)と反応してふっ化物(CaF、AlF、LaF)を形成することで、ふっ化水素酸を無害化することができる。そのため、被覆対象部位201上(又は、被覆対象部位201に存在する封止203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30を設けることで、被覆対象部位201に電解液が付着していた場合であっても、発生したふっ化水素酸を無害化することが可能となり、赤錆の発生を防止することができる。これにより、本実施形態に係るリチウムイオン電池1では、リチウムイオン電池1の外表面に電解液が付着していた場合であっても、リチウムイオン電池1の外面耐食性を保持することが可能となる。
ここで、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物は、ふっ化水素酸と反応してふっ化物を形成しうる化合物であり、かつ、その化合物自体がNiめっき鋼板100の腐食を促進しないものであれば、各種の化合物を用いることが可能である。化合物自体がNiめっき鋼板100の腐食を促進しない、という観点から、例えばCaCl、AlClは、かかる化合物の候補から除外される。
このようなCa化合物、Al化合物及びLa化合物として、例えば、Ca、AlもしくはLaの水酸化物、又は、強酸のアニオンではないアニオンと、Caイオン、AlイオンもしくはLaイオンと、の塩(例えば、Ca、AlもしくはLaの炭酸塩)、又は、Ca、AlもしくはLaの酸化物が挙げられる。このようなCa化合物、Al化合物及びLa化合物は、より好ましくは、ふっ化水素酸との反応生成物がFe及びNiに対して腐食性を有さないものである。
このようなCa化合物として、例えば、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化カルシウム(CaO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))を挙げることができ、Al化合物として、炭酸アルミニウム(Al(CO)、酸化アルミニウム(Al)、水酸化アルミニウム(Al(OH))を挙げることができ、La化合物として、例えば、炭酸ランタン(La(CO)、酸化ランタン(La)、水酸化ランタン(La(OH))を挙げることができる。これらの化合物は、単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
また、かかる皮膜部30において、含有される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ことが好ましい。Ca化合物における水酸化カルシウムの割合は、より好ましくは90質量%以上である。このような状態となることで、第1封止部21や第2封止部23における外面耐食性を、更に向上させることが可能である。
かかる皮膜部30は、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物の少なくとも何れかで構成されていてもよいし、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物の少なくとも何れかが、樹脂中に分散した状態で構成されていてもよい。Ca化合物やAl化合物やLa化合物を樹脂中に分散させる場合に、バインダーとして機能する樹脂としては、各種の樹脂を用いることが可能である。このような樹脂として、例えば、ポリふっ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride: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、ポリウレタン樹脂を挙げることができる。
本実施形態に係る皮膜部30は、上記のようなCa化合物、Al化合物又はLa化合物の少なくとも何れか、更に必要に応じて、上記のような樹脂を含む処理剤を準備し、かかる処理剤を被覆対象部位201(又は、封止203に存在する被覆対象部位201)に塗布し、乾燥させることで、形成することができる。なお、上記のような処理剤の塗布は、以下で改めて説明するように、収容ケース10内に電池ユニット3及び電解液5が収容されて、封止処理が施された後に実施することが重要であり、封止処理に先立って上記のような処理剤を塗布しておけばよい、というものではない。
なお、既に製造されているリチウムイオン電池1について、皮膜部30の設けられている部位を事後的に特定するには、以下のようにすればよい。まず、着目するリチウムイオン電池の全体を樹脂に埋め込んだ後に、リチウムイオン電池の短手側中央を通る箇所の位置で、注液口がある場合は注液口中央を通る箇所の位置で、リチウムイオン電池の全体を収容ケース10の長手方向に切断して、断面観察用サンプルを得る。得られた断面観察用サンプルについて、適切に研磨を行い、得られた断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察する。このとき、観察時の視野の大きさは、1000μm×1000μmとすればよい。このとき、視野中における各構造の視認のされ方の違いから、皮膜部30の有無を特定することができる。
また、上記のようにして特定された皮膜部30が、第1封止部21又は第2封止部23における、Feの含有量が80質量%以上の部位(すなわち、上記の被覆対象部位201)に設けられているかどうかを、事後的に検証するためには、以下のようにすればよい。すなわち、走査型電子顕微鏡に搭載されたエネルギー分散型X線分析装置(Energy Dispersive X-ray Spectrometry:EDS)(例えば、JEOL株式会社製JSM-7000F)により、上記のようにして得られた断面観察用サンプルの断面を観察して、各元素の分布状況に関するマッピング分析を実施すればよい。上記のような断面観察結果と、例えば元素Feに関するマッピング分析結果とを照らし合わせることで、上記のようにして特定された皮膜部30が、第1封止部21又は第2封止部23における、Feの含有量が80質量%以上の部位に設けられているかどうかを、判断することができる。ここで、上記のような断面観察及びマッピング分析のための測定条件は、加速電圧15kV、照射電流7.47500nAとする。
また、皮膜部30において、Ca化合物やAl化合物やLa化合物の有無を事後的に確認するためには、皮膜部30から粉末サンプルを採取し、得られた粉末サンプルをX線回折分析法により分析すればよい。より詳細には、皮膜部30の任意の位置から粉末サンプル5gを採取したのち、市販のX線回折分析装置(例えば、RIGAKU製 RINT-TTR3)により分析を実施して、Ca、Al、Laに由来するピークが測定結果に存在するか否かを確認すればよい。同様に、皮膜部30に樹脂が含まれているかについては、C(炭素)に由来するピークが測定結果に存在するか否かを確認すればよい。また、皮膜部30に含まれるCa化合物、Al化合物、La化合物の化合物名を事後的に特定するためには、測定に存在するピークを帰属することで、化合物名を特定すればよい。この際、X線源としては、Cuを使用し、測定条件は、X線出力は50kV、300mAとし、スキャンスピード1deg/minとし、ステップ幅0.01deg、スキャン軸2Theta/Theta、スキャン範囲5~100deg、入射スリット1/2°、長手制限スリット5mmとすればよい。
また、本実施形態に係る皮膜部30では、上記のように、Ca化合物やAl化合物やLa化合物とふっ化水素酸とを反応させることで、ふっ化水素酸を無害化するため、かかる反応の生成物として、Ca、Al又はLaのふっ化物(すなわち、CaF、AlF、LaF)が生成される。そのため、本実施形態に係るリチウムイオン電池1の皮膜部30は、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物として、ふっ化物を含有しうる。
すなわち、本実施形態に係るリチウムイオン電池1の皮膜部30は、Ca、Al又はLaの少なくとも何れかのふっ化物以外の化合物で構成される場合もありうるし、Ca、Al又はLaの少なくとも何れかのふっ化物以外の化合物と、Ca、Al又はLaの少なくとも何れかのふっ化物と、で構成される場合もありうるし、Ca、Al又はLaの少なくとも何れかのふっ化物で構成される場合もありうる。ここで、Ca、Al又はLaのふっ化物の有無については、皮膜部30から粉末サンプルを採取し、得られた粉末サンプルをX線回折分析法により分析することで、確認することができる。より詳細には、皮膜部30の任意の部位から粉末サンプル5gを採取したのち、市販のX線回折分析装置(例えば、RIGAKU製RINT-TTR3)により分析を実施して、Ca、Al、La、Fに由来するピークが測定結果に存在するか否かを確認すればよい。この際、X線源としては、Cuを使用し、測定条件は、X線出力は50kV、300mAとし、スキャンスピード1deg/min、ステップ幅0.01deg、スキャン軸2Theta/Theta、スキャン範囲5~100deg、入射スリット1/2°、長手制限スリット5mmとすればよい。
Ca、Al又はLaのふっ化物は、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物とふっ化水素酸との反応生成物である。そのため、かかるふっ化物は、皮膜部30の表面側よりも、被覆対象部位201、又は、封止203との界面側により多く存在するようになる。換言すれば、本実施形態に係る皮膜部30において、Ca又はAlのふっ化物は、Niめっき鋼板100を構成する母材鋼板、又は、封止203との界面側により多く存在するように偏在するようになる。
かかる皮膜部30において、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、Ca化合物の場合は金属Ca換算、Al化合物の場合は金属Al換算、La化合物の場合は金属La換算としたときのそれぞれの換算値の合計で、0.001g/m以上であることが好ましい。Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量が0.001g/m以上となることで、上記のようなふっ化水素酸の無害化効果を安定して発現させることが可能となり、第1封止部21及び第2封止部23の外面耐食性を、より向上させることができる。Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、より好ましくは100.000g/m以上であり、更に好ましくは300.000g/m以上である。
一方、皮膜部30において、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、Ca化合物の場合は金属Ca換算、Al化合物の場合は金属Al換算、La化合物の場合は金属La換算としたときのそれぞれの換算値の合計で、1000.000g/m以下であることが好ましい。Ca化合物やAl化合物やLa化合物は、ペーストの状態で被覆対象部位201(又は、被覆対象部位201に存在する封止203)に塗布される場合もあるため、合計付着量は、1000.000g/m程度となりうる。また、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量が1000.000g/m以下となることで、製造コストの増加を抑制しながら、第1封止部21及び第2封止部23の外面耐食性を、より向上させることができる。Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、皮膜部30の構成や形成方法によっても異なる。
例えば、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物の少なくとも何れか(すなわち、Ca化合物やAl化合物やLa化合物のペースト)を塗布することで形成した皮膜部30の場合、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、より好ましくは800.000g/m以下であり、更に好ましくは500.000g/m以下である。また、樹脂中にCa化合物、Al化合物又はLa化合物が分散している塗料を塗布することで形成した皮膜部30の場合、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、より好ましくは800.000g/m以下であり、更に好ましくは500.000g/m以下である。
また、場合によっては、ふっ化水素酸との反応が終了した後の皮膜部30について、余剰な部分を除去した上で、リチウムイオン電池を出荷するような状況も考えうる。かかる場合においても、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、より好ましくは100.000g/m以下程度となりうる。
また、皮膜部30において、反応生成物であるふっ化物の付着量は、ふっ素換算で、0g/m超となりうる。一方、第1封止部21や第2封止部23に付着しうる電解液の量を考慮すると、皮膜部30に存在しうるふっ化物の付着量は、実質的に、ふっ素換算で、0.200g/m以下となる。
ここで、皮膜部30におけるCa化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量は、ICP発光分光分析法によって測定可能である。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、得られたサンプルを、それぞれ硫酸で溶解する。次に、各溶解液に含まれるCa量、Al量及びLa量を、市販のICP発光分光分析装置(例えば、島津製作所株式会社製:ICPS-8100)を用いて定量分析する。かかる定量分析により得られるCa量、Al量及びLa量は、それぞれ、Ca換算したときの換算量、Al換算したときの換算量、及び、La換算したときの換算量に対応する。そのため、得られたCa量、Al量及びLa量の合計を、上述の面積で割ることにより、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量を求めることができる。得られた5つのCa化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量の平均値を、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量として取り扱う。
皮膜部30におけるふっ化物の付着量は、以下のようにして測定可能である。
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。
また、皮膜部30が含有するCa化合物のうち、水酸化カルシウムが占める割合は、以下のようにして特定することが可能である。
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。
また、皮膜部30におけるふっ化物の偏在状態は、例えば以下のようにして確認することができる。まず、収容ケース10の長手部分の皮膜部30から、断面観察用サンプルを切り出す。この際、断面を得るための切断方向は、収容ケース10の長手方向に対して垂直な方向とする。得られた断面観察用サンプルを樹脂に埋め込んだ後、適切に研磨を行い、得られた断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察することで測定すればよい。このとき、観察時の視野の大きさは、1000μm×1000μmとすればよい。より詳細には、走査型電子顕微鏡に搭載されたエネルギー分散型X線分析装置(EDS)(例えば、JEOL株式会社製JSM-7000F)により、上記のようにして得られた断面観察用サンプルの断面を観察して、各元素の分布状況に関するマッピング分析を実施することで、ふっ化物の偏在状態を確認することが可能である。
このとき、得られた元素Fに関するマッピング結果において、ふっ化物の濃度がピークとなる位置が、皮膜部30の厚みの半分の位置よりも母材鋼板側に位置するものを、「偏在状態にある」と判断する。ここで、マッピング分析のための測定条件は、加速電圧15kV、照射電流7.47500nAとする。また、皮膜部30の厚みは、得られたマッピング結果から、元素Fが存在している部分を特定し、特定した部分の長さを、画像解析アプリケーションに実装された測長機能を用いて測ればよい。このような測定を、着目した断面の任意の5箇所で実施し、得られた測定値を測定箇所数で平均して、皮膜部30の厚みとすればよい。
なお、上記のSEM-EDSを用いた分析方法により、皮膜部30の元素分析を実施することも可能である。
以上、図1A~図5B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について、詳細に説明した。
≪第2の実施形態≫
<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。
本実施形態に係る収容ケース10の素材としては、Niめっき鋼板、又は、ラミネート鋼板が用いられる。以下では、本実施形態に係る収容ケース10の素材として、ラミネート鋼板が用いられる場合について説明する。
図6は、ラミネート鋼板100Aの層構造を模式的に示したものである。
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。
ここで、母材鋼板101については、先だって説明したNiめっき鋼板100の母材鋼板101と同様のものを使用可能であるため、以下では詳細な説明は省略する。
表面処理層105は、母材鋼板101の表面を各種の樹脂でラミネートすることで形成された層である。かかる表面処理層105としては、収容ケース10内に保持される電解液5に対して耐食性を示すものであれば、各種の表面処理層を適用することが可能である。かかる表面処理層105を構成する樹脂としては、例えば、ポリプロピレン(PP)樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリエチレン(PE)樹脂を挙げることができる。これらの樹脂を、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。
表面処理層105の片面当たりの厚みは、例えば、10~150μmであることが好ましい。表面処理層105の片面当たりの厚みが、50μm以上となることで、ラミネート鋼板100Aの耐食性を更に向上させることが可能となるため、より好ましい。一方、表面処理層105の片面当たりの厚みが、100μm以下となることで、ラミネート鋼板100Aの製造コストをより低減することが可能となるため、より好ましい。
なお、表面処理層105の有無を事後的に判断するには、例えばICP発光分光分析法を用いればよい。まず、着目するリチウムイオン電池における収容ケースの底面の任意の5箇所から、平面視したときの大きさが30mm×30mmであるサンプルをそれぞれ切り出し、かかるサンプルに存在する表面処理層105のそれぞれを、酸(より詳細には、19%塩酸)で溶解する。次に、表面処理層105に含有されうる元素に着目し、ICP発光分光分析装置(例えば、島津製作所株式会社製:ICPS-8100)を用いて、各サンプルを定量分析する。例えば、表面処理層105を構成する樹脂が有している炭素(C)元素に着目し、溶解液に含まれるTotal-C量を定量分析する。例えば、得られた5つのTotal-C量の平均値が0超の値を示すことで、着目したラミネート鋼板100Aに表面処理層105が存在していたと判断することができる。なお、着目した箇所からサンプルを切り出す際に、サンプルの何れかの辺の大きさが30mm未満となってしまう場合には、サンプルの面積が90mmとなるように、着目した箇所からサンプルを切り出せばよい。
また、表面処理層105の厚みは、ラミネート鋼板100Aの断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察することで、特定することができる。すなわち、ラミネート鋼板100Aの任意の部位から、断面観察用サンプルを切り出す。この際、断面を得るための切断方向は、ラミネート鋼板100Aの板厚方向とする。得られた断面観察用サンプルを研磨した上で、かかる断面の任意の5箇所について、SEM写真を撮影する。得られた各SEM写真において測定される表面処理層105の厚みを、測定箇所数で平均し、得られた平均値を、表面処理層105の厚みとすればよい。
また、上記のようなラミネート鋼板100Aにおいて、母材鋼板101と、表面処理層105との間に、更に、各種の化成処理皮膜層(図示せず。)が存在していてもよい。かかる化成処理皮膜層が存在することで、母材鋼板101と、表面処理層105との間の密着性を、より向上させることが可能となる。また、かかる化成処理皮膜層が存在することで、ラミネート鋼板100Aの耐食性を、更に向上させることが可能となる。
収容ケース10の素材としてラミネート鋼板100Aを用いた場合における、封止処理と皮膜部による被覆対象部位との関係、及び、皮膜部30については、第1の実施形態における該当する部分の説明において、「Niめっき鋼板100」という記載を「ラミネート鋼板100A」と読み替え、「Niめっき層103」という記載を「表面処理層105」と読み替えればよい。そのため、以下では、収容ケース10の素材としてラミネート鋼板100Aを用いた場合における、封止処理と皮膜部による被覆対象部位との関係、及び、皮膜部30については、詳細な説明は省略する。
≪第3の実施形態≫
<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。
収容ケース10の素材として、図7に示したような、母材鋼板101の表面に、Niめっき層103及び表面処理層105を形成した表面処理鋼板100Bを用いることも可能である。
ここで、かかる表面処理鋼板100BにおけるNiめっき層103は、第1の実施形態に係るNiめっき鋼板100におけるNiめっき層103と同様の構成を有し、同様の効果を奏するものであるため、以下では詳細な説明は省略する。また、かかる表面処理鋼板100Bにおける表面処理層105は、第2の実施形態に係るラミネート鋼板100Aにおける表面処理層105と同様の構成を有し、同様の効果を奏するものであるため、以下では詳細な説明は省略する。
また、上記のような表面処理鋼板100Bにおいて、母材鋼板101と、Niめっき層103との間、又は、Niめっき層103と表面処理層105との間の少なくとも何れかに、更に、各種の化成処理皮膜層(図示せず。)が存在していてもよい。かかる化成処理皮膜層が存在することで、母材鋼板101と、Niめっき層103との間の密着性や、Niめっき層103と表面処理層105との間の密着性を、より向上させることが可能となる。また、かかる化成処理皮膜層が存在することで、表面処理鋼板100Bの耐食性を、更に向上させることが可能となる。
収容ケース10の素材として表面処理鋼板100Bを用いた場合における、封止処理と皮膜部による被覆対象部位との関係、及び、皮膜部30については、第1の実施形態における該当する部分の説明において、「Niめっき鋼板100」という記載を「表面処理鋼板100B」と読み替え、「Niめっき層103」という記載を「表面処理層105、又は、Niめっき層103と表面処理層105の双方」と読み替えればよい。そのため、以下では、収容ケース10の素材として表面処理鋼板100Bを用いた場合における、封止処理と皮膜部による被覆対象部位との関係、及び、皮膜部30については、詳細な説明は省略する。
(リチウムイオン電池の製造方法について)
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。
以下の説明に先立ち、Niめっき鋼板100やラミネート鋼板100Aや表面処理鋼板100Bを用いて、所望の形状となるように、収容ケース10の本体部11及び蓋部13、13Aが製造されているものとする。
図8Aは、本体部11と蓋部13との封止部である第1封止部21、又は、蓋部13Aに設けられた注液口15を封止するための注液口蓋17と注液口15との封止部である第2封止部23のいずれかが存在する場合のリチウムイオン電池1の製造方法である。
図8Aに示したように、上記のようなリチウムイオン電池1の製造方法では、まず、収容ケース10内に電池ユニット3が収納され(ステップS11)、その後、収容ケース10内に、電解液5が注入される(ステップS13)。その後、溶接又はかしめといった封止方法を用いて、収容ケース10の本体部11と蓋部13、又は、注液口蓋17と注液口15との封止処理が行われる(ステップS15)。
図8Bは、本体部11と蓋部13Aとの封止部である第1封止部21、及び、蓋部13Aに設けられた注液口15を封止するための注液口蓋17と注液口15との封止部である第2封止部23が存在する場合のリチウムイオン電池の製造方法である。
図8Bに示したように、上記のようなリチウムイオン電池1の製造方法では、まず、収容ケース10内に電池ユニット3が収納され(ステップS21)、その後、溶接又はかしめといった封止方法を用いて、収容ケース10の本体部11と蓋部13Aとの封止処理が行われる(ステップS23)。その後、収容ケース10内に、注液口15を介して電解液5が注入される(ステップS25)。続いて、溶接又はかしめといった封止方法を用いて、注液口蓋17と注液口15との封止処理が行われる(ステップS27)。
これにより、収容ケース10の本体部11と蓋部13、13Aとが一体化され、先だって説明したような第1封止部21や第2封止部23が存在するようになる。
ここで、収容ケース10への電池ユニット3の収納方法や、収容ケース10内への電解液5の注入方法、及び、封止方法については、公知の各種の方法を適宜採用すればよい。
ただし、収容ケース10の外表面に付着しうる電解液と、大気中の水分との反応を考慮すると、上記のような封止処理を施す工程までの工程は、水分のなるべく少なくなるような雰囲気下(例えば、露点-75℃以下の雰囲気下)で実施されることが好ましい。換言すれば、収容ケース10は、少なくとも、上記のような雰囲気下における封止処理が終了した後に、大気中に取り出されることが好ましい。
次に、例えば図8Aや図8Bに即して形成された第1封止部21及び第2封止部23におけるFe含有率が80質量%以上である部位(すなわち、被覆対象部位201)に対して、皮膜部30を形成するための塗布処理を実施する(ステップS17、ステップS29)。かかる塗布処理を実施するに際して、先だって説明したような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準備し、乾燥後の付着量が先だって説明したような範囲となるように、塗料が塗布される。
かかる塗料は、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物の少なくとも何れかを各種の有機溶媒に溶解又は分散させた塗料であってもよいし、Ca化合物、Al化合物又はLa化合物の少なくとも何れかを各種の樹脂中に分散させた塗料であってもよい。なお、有機溶媒を用いる場合には、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)といった、電解液に含まれる炭酸エステル類を用いることが好ましい。
また、かかる塗布処理は、水分のなるべく少なくなるような雰囲気下(例えば、露点-75℃以下の雰囲気下)で実施されることが好ましい。かかる観点から、上記のような封止処理が行われた雰囲気下で、引き続いて、上記のような塗料の塗布処理が行われることがより一層好ましい。また、水分がある程度存在する雰囲気下で塗布処理を実施する場合(例えば、上記のような封止処理が終了した後、封止の完了した収容ケース10を大気中に取り出した場合)には、封止処理後なるべく早く、塗布処理を行うことが好ましい。
なお、被覆対象部位201への塗料の塗布方法については、公知の各種の塗布方法を適用することが可能である。
上記のような塗料の塗布後、塗布された塗料を乾燥・固化させることで、リチウムイオン電池1の被覆対象部位201に対し、皮膜部30が形成されることとなる。かかる皮膜部30が形成されることで、リチウムイオン電池1の外表面に電解液が付着しており、大気中にリチウムイオン電池1が曝された場合であっても、ふっ化水素酸に起因する赤錆の発生を防止することができる。
なお、塗料の乾燥・固化後に、必要に応じて、余剰な皮膜部30の除去処理等を実施してもよい。
以上、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1の製造方法について説明した。
以下、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係るリチウムイオン電池について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の係るリチウムイオン電池の一例に過ぎず、本発明に係るリチウムイオン電池が下記の例に限定されるものではない。
(試験例)
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。
<収容ケースの本体部及び蓋部>
◇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。
◇ラミネート鋼板
・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)
上記の樹脂からなる樹脂フィルムをそれぞれ準備し、200℃に加熱したティンフリースチールに樹脂フィルムを押し当て、融着させることで作製した。なお、熱融着後の表面処理層の厚みは、50μmであった。
◇表面処理鋼板
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。
上記のようなニッケルめっき鋼板、ラミネート鋼板及び表面処理鋼板を用いて、収容ケースの本体部及び蓋部を作製した。なお、収容ケースの本体部及び蓋部は、図1Aに例示した収容ケースと同様の形状とした。
<電池ユニット>
◇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。
◇負極板
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
セパレータにはポリエチレン微多孔膜を用いた。
<電解液>
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-LiPF EC/DEC(1/1))を用いた。
<リチウムイオン電池の製造手順>
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。
露点-75℃の雰囲気下で電池内を乾燥させ、水分を除去した。その後、同雰囲気下で、収容ケースの本体部に設けられた開口部より、上記の電解液を注入した。その後、蓋部を、溶接又は巻き締めにより、本体部に固定した。その後、同雰囲気下において、得られたリチウムイオン電池を、3.6Vで充電した。かかる処理により、電池内に残存した水分を電解除去した。その後、同雰囲気下において、注液口に対し、注液口蓋として、蓋部と同じ種類の金属を溶接して、リチウムイオン電池の完成体とした。
<耐食性評価>
◇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(LiPF+EC/DEC)を塗布した。
◇防錆処理:皮膜部の形成
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。
ここで、用いたCa化合物、Al化合物、La化合物、有機溶媒、樹脂は、それぞれ以下の通りであり、いずれも市販の一般試薬と同様のものである。
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。
◇評価方法
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
◇皮膜部についての分析
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。
上記のようにして採取した粉末のそれぞれについて、先だって説明した方法に即して、Ca化合物、Al化合物及びLa化合物の合計付着量、Ca化合物に占める水酸化カルシウムの割合、ふっ化物の有無、ふっ化物の付着量をそれぞれ分析した。用いたICP発光分光分析装置は、島津製作所株式会社製:ICPS-8100であり、用いたガスクロマトグラフは、島津製作所株式会社製:Nexis GC-2030である。
また、上記の粉末を取得した部位とは異なる部位から、断面観察用サンプルを切り出し、先だって説明した方法に即して、ふっ化物の分布状態を確認した。ふっ化物のピークが、皮膜部の厚みの半分の位置よりも鋼板側にあるものを、「偏在している」状態にあると評価した。以下に示す表1においては、「偏在している」状態にあるものを、「YES」と表記している。
なお、断面観察用サンプルは、上記の粉末を取得した部位とは異なる部位を、高速精密切断機で切断することで得た。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。
SEM(JEOL株式会社製JSM-7000F)を用い、先だって説明した方法に従って、反射電子を用いて、得られた断面を観察した。断面の元素分析には、SEM-EDS分析を用いた。
<各封止部のFe質量%分析>
◇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。
◇分析
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。
SEM(JEOL株式会社製JSM-7000F)を用い、先だって説明した方法に従って、反射電子を用いて、得られた断面を観察した。断面の元素分析には、SEM-EDS分析を用いた。
得られた結果を、以下の表1にあわせて示した。
Figure 0007469733000001
上記表1から明らかなように、本発明の実施例に該当するサンプルについては、優れた外面耐食性を示す一方で、本発明の比較例に該当するサンプルについては、優れた外面耐食性が得られなかった。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではない。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲、後述するような本発明の技術的範囲に属する構成及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。例えば、上記実施形態の構成要件は、その効果を損なわない範囲内で、任意に組み合わせることが可能である。また、当該任意の組み合せからは、組み合わせにかかるそれぞれの構成要件についての作用及び効果が当然に得られるとともに、本明細書の記載から当業者には明らかな他の作用及び他の効果が得られる。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的又は例示的なものであって、限定的ではない。つまり、本発明に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も、本発明の技術的範囲に属する。
(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/m以上1000.000g/m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/m超0.200g/m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。
1 リチウムイオン電池
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)

  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/m以上1000.000g/m以下である、請求項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、請求項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、請求項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、請求項1~4の何れか1項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、請求項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、請求項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、請求項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、請求項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、請求項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/m超0.200g/m以下である、請求項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/m超0.200g/m以下である、請求項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/m超0.200g/m以下である、請求項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/m超0.200g/m以下である、請求項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、請求項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、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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