JPH11238528A

JPH11238528A - リチウム二次電池

Info

Publication number: JPH11238528A
Application number: JP10038639A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Kito; 賢信鬼頭; Hiroshi Nemoto; 宏根本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】特に電気自動車等のモータ駆動用電池として
好適に使用される内部抵抗の小さい、充放電特性の良好
なリチウム二次電池を提供する【解決手段】一表面を正極基材１１とし、他表面を負
極基材１２とした箔状あるいは板状のクラッド材１３
の、正極基材１１側の表面上に正極活物質層１４を形成
するとともに、負極基材１２側の表面上に負極活物質層
１５を形成してなる電極板１６を用いる。リチウム二次
電池は、電極板１６を正極活物質層１４の表面と負極活
物質層１５の表面とが、互いにセパレータ１７を介して
対向するように複数段に積層して構成される内部電極体
１９を、一つの電池ケース内に収容した構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に電気自動車
等のモータ駆動用電池として好適に使用される内部抵抗
の小さい、充放電特性の良好なリチウム二次電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護運動の高まりを背景と
して、二酸化炭素排出規制が切に望まれる中、自動車業
界ではガソリン車等の化石燃料を使用する自動車に替え
て、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（Ｈ
ＥＶ）の導入を促進すべく、ＥＶ実用化の鍵を握るモー
タ駆動用電池の開発が鋭意行われている。このＥＶ、Ｈ
ＥＶ用電池として、近年、エネルギー密度の大きいリチ
ウム二次電池が注目を集めており、これにより、従来の
鉛蓄電池やニッケル水素電池を使用した場合に比べて、
一充電当たりの走行距離を長くすることができる。

【０００３】リチウム二次電池は、正極活物質にリチ
ウム化合物を用い、一方、負極には種々の炭素質材料を
用いて、充電時には正極活物質中のリチウムイオンが負
極活物質中へ移動し、放電時には逆に負極に捕捉されて
いたリチウムがイオンとなって正極へ移動することで、
充放電が行われるものである。

【０００４】リチウム二次電池の構造は、大きく捲回
型と積層型とに分けられるが、基本的にこれらの構造に
おいては、一つの電池内において、対向する正・負極板
からなる複数の要素電池が並列に接続された構造であ
る。たとえば、捲回型は、図２に示すように正極板２と
負極板３とをセパレータ４を介して捲回して作製される
内部電極体１の正・負極板２・３にリード線５を設けて
電池ケースに収納して構成されるものであり、積層型は
図３に示すように、正極板８と負極板９とをセパレータ
１０を介しながら交互に積層した内部電極体７の正・負
極板８・９のそれぞれにリード線６を接続して電池ケー
スに収容したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した捲回型およ
び積層型のいずれの内部電極体においても、正・負極板
としては、金属箔の両面にそれぞれ電極活物質を塗布し
たものが使用され、これらがセパレータを隔てて密着さ
れた構造を有し、さらに、正・負極板に設けられたリー
ド線から集電を行う。したがって、このような内部電極
体を用いた電池は、一つの電池内において、複数の正・
負極板が対向した要素電池を並列に接続した内部電極構
造を有するといえる。

【０００６】ここで、たとえば、放電時の電子の動き
をみると、負極活物質中に保持された金属リチウムは、
電子を外部回路に放出するとともに、リチウムイオンと
なって正極活物質へ移動し、このリチウムイオンは、正
極活物質において外部回路から供給された電子を取り込
みながら、正極活物質を構成する成分となる。つまり、
電池内において、電子は正・負極板の基板であって正・
負極活物質と外部回路との中間に位置する金属箔および
リード線を経由して伝導しなければならない。

【０００７】このような金属箔における電子伝導は、
金属箔の面内方向での伝導となるため、金属箔の厚さに
よる影響を受ける。つまり、金属箔を薄くすると電池全
体の重量が軽くなるため、エネルギー密度が大きくなる
利点があるが、反対に、金属箔の導電率が小さくなるた
めに内部抵抗が大きくなり、出力を低下させるといった
不都合が生ずる。したがって、金属箔の厚さは、所定の
形状において、エネルギー密度や内部抵抗といった諸特
性が最もバランスの取れた状態となるように、設定され
なければならない。

【０００８】また、ＥＶ用電池として捲回型の内部電
極体を用いる場合には、１枚の正・負極板の捲回方向の
長さが数メートル以上と長くなるために、正・負極板か
ら一定間隔ごとに複数のリード線を配設して集電抵抗を
なるべく小さくする必要がある。しかし、リード線の数
があまりに多くなると電池内部が複雑化する問題が生
じ、しかも、いくら数多くのリード線を設けても、正・
負極板の捲回方向に垂直な幅方向の抵抗は、基本的に上
述したように正・負極板における金属箔自体の特性に起
因するため、正・負極板の幅方向の集電抵抗を低減する
にも限度がある。このような問題は、積層型内部電極体
においても同様である。

【０００９】さらに、リチウム二次電池の実際の使用
に当たっては、電位を上げ、大きな電流を得るために、
複数の単電池を直並列に接続して組電池として使用する
必要がある。しかし、単電池を接続結線する際には、配
線抵抗、接触抵抗が各接続箇所で発生するため、組電池
としての低抵抗化を達成するには一定の限界がある。

【００１０】ところで、いずれの内部電極体を用いた
場合であっても、リチウム二次電池は端子電圧が約４Ｖ
あるために水溶液系電解液が使用できず、水溶液系電解
液に比べてリチウムイオン伝導度が低い有機系電解液を
使用する必要がある。そのため必然的に電池の内部抵抗
が大きくなり易いが、ＥＶあるいはＨＥＶ用電池におい
ては、電池の内部抵抗および出力特性が主に加速性能、
登坂性能を決定するため、電池の内部抵抗を小さくし、
出力特性を安定化を図ることが特に重要となる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した従
来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、すなわ
ち、本発明によれば、一表面を正極基材とし、他表面を
負極基材とした箔状あるいは板状のクラッド材の、当該
正極基材側の表面上に正極活物質層を形成するととも
に、当該負極基材側の表面上に負極活物質層を形成して
なる電極板を、当該正極活物質層の表面と当該負極活物
質層の表面とが互いにセパレータあるいは固体電解質を
介して対向するように複数段に積層して構成される内部
電極体を、一つの電池ケース内に収容したことを特徴と
するリチウム二次電池、が提供される。

【００１２】本発明のリチウム二次電池においては、
クラッド材として、アルミニウムを主成分とする正極基
材と銅もしくはニッケルを主成分とする負極基材とから
なるものが好適に使用される。このようなリチウム二次
電池は、電気自動車もしくはハイブリッド電気自動車用
として好適に用いられ、５Ａｈ以上の電池容量を有する
ことが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】上述の通り、本発明のリチウム
二次電池は、大容量であってしかも内部抵抗が小さいた
めに充放電特性が良好でパワーが大きいという特徴を有
するため、特にＥＶ、ＨＥＶ用電池として好適に使用さ
れる。以下、本発明のリチウム二次電池の実施形態につ
いて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定され
るものではない。

【００１４】本発明におけるリチウム二次電池の内部
構造を示す断面図を図１に示す。一表面を正極基材１１
とし、他表面を負極基材１２とした箔状あるいは板状の
クラッド材１３の、正極基材１１側の表面上に正極活物
質層１４が形成され、一方、負極基材１２側の表面上に
は負極活物質層１５が形成されて電極板１６が構成され
ている。この電極板１６を、正極活物質層１４の表面と
負極活物質層１５の表面とが互いにセパレータ１７ある
いは固体電解質１８を介して対向するように複数段に積
層して内部電極体１９が構成され、この内部電極体１９
を一つの電池ケース２０内に収容してリチウム二次電池
たる直列電池２１が形成される。なお、直列電池２１に
おいては、電池ケース２０の各端面に外部端子２２が配
設されているが、この場合には、電池ケース２０と外部
端子２２とは電気的には絶縁される。

【００１５】ここで、クラッド材１３としては、箔状
あるいは板状ものが好適に用いられるが、その平面形状
は、正方形、長方形、円形、多角形、長円形等、特に制
限はなく、直列電池２１あるいは直列電池２１の組電池
の用途と載置スペースを考慮して任意に選択される。

【００１６】本発明のおけるクラッド材１３とは、２
種類以上の金属を重ね合わせて一体化された構造を有す
るものを指し、一表面がアルミニウムを主成分とする正
極基材１１からなり、他表面が銅もしくはニッケルを主
成分とする負極基材１２とからなる。なお、負極基材１
２は、銅とニッケルの合金であってもかまわず、正・負
極基材１１・１２の中間にクラッド材１３の剛性を高め
ること等を目的として、他の金属を含ませてもよい。

【００１７】また、正・負極基材１１・１２は、電池
の電気化学反応による腐食による電池性能の低下を防止
するために、純度の高い素材を使用することが好まし
い。たとえば、純アルミニウムや純銅、純ニッケルを用
いる場合には、純度が９９％以上のものが好ましい。但
し、この純度に対する要求は、合金化するために添加さ
れる他の成分（合金成分）を排除するものではない。

【００１８】なお、後述するように、直列電池２１に
おいては、電子の流れが、クラッド材１３表面の法線方
向、すなわちクラッド材１３の厚み方向となる。したが
って、先に図２および図３に示した要素電池が並列接続
された内部電極体１・７の場合と異なり、クラッド材１
３の厚みが薄いことは電気抵抗（内部抵抗）の増加の原
因とはならず、逆に、クラッド材１３の厚みを厚くする
ことは内部抵抗の増大につながる。しかしながら、クラ
ッド材１３の厚みを薄くしすぎると機械的強度が小さく
なることから、充放電による内部応力や移動体に搭載さ
れた場合に加わる外力等によってもクラッド材１３が破
損しない、一定の厚みを確保することが好ましい。具体
的には、クラッド材１３の厚みは、２０〜５００μｍの
ものが、エネルギー密度を大きくとる面からも好まし
い。

【００１９】クラッド材１３における正極基材１１側
の表面に形成される正極活物質層１４としては、マンガ
ン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）やコバルト酸リチウム
（ＬｉＣｏＯ₂）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）
といったリチウム遷移金属化合物系の正極活物質に、ア
セチレンブラックやグラファイト粉末等のカーボン粉末
を混合して導電性を向上させたものが好適に用いられ
る。

【００２０】一方、クラッド材１３における負極基材
１２側の表面に形成される負極活物質層１５は、ソフト
カーボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素
質材料や天然黒鉛等の炭素質粉末といった負極活物質粉
末から構成される。特に、結晶内でのリチウムイオンの
拡散が容易であり、比重が大きく、単位重量当たりに保
持できる充放電に寄与するリチウムイオンの割合が大き
い黒鉛もしくは人造黒鉛等の高黒鉛化炭素材料を使用す
ることが特に好ましい。

【００２１】セパレータ１７としては、マイクロポア
を有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルム
を、多孔性のリチウムイオン透過性ポリプロピレンフィ
ルムで挟んだ三層構造としたフィルムが好適に用いられ
る。これは、内部電極体１９の温度が上昇した場合に、
ポリエチレンフィルムが約１３０℃で軟化してマイクロ
ポアが潰れてリチウムイオンの移動、すなわち電池反応
を抑制する安全機構を兼ねたものである。こうして、ポ
リエチレンフィルムをより軟化温度の高いポリプロピレ
ンフィルムで挟持することによって、セパレータフィル
ムと正・負極活物質層１４・１５との接触・溶着を防止
することができる。

【００２２】このようなポリマーからなるセパレータ
１７を使用した場合には、リチウムイオン伝導体として
の電解液が必要とされる。この電解液としては、ＬｉＰ
Ｆ₆電解質をエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチル
カーボネート（ＤＥＣ）との混合溶液に溶解したもの等
が好適に使用される。なお、電解液を用いた場合には、
セパレータ１７を介して対向する一対の正・負極活物質
層１４・１５に接する電解液は、他の一対の正・負極活
物質層１４・１５に接する電解液と、それぞれ隔離され
ている必要がある。

【００２３】一方、電解液を用いる代わりに箔状ある
いは板状の固体電解質１８を用いることも可能である。
この場合、正極活物質層１４と負極活物質層１５のそれ
ぞれの表面が直接に固体電解質１８の表面に接し、固体
電解質１８がセパレータ１７の役割を兼ねる。したがっ
て、直列電池２１の構造が簡単となり、電解液を用いる
場合のように直列電池２１の内部において電解液を隔離
する必要がないので、電池の製造が容易となる。

【００２４】この固体電解質１８としては、上述した
電解液をポリマー化あるいはゲル化させた疑似固体電解
質や、リチウムイオン伝導性有機固体電解質、あるいは
リチウム硫化物ガラスといった無機固体電解質が挙げら
れる。

【００２５】なお、電解液または固体電解質１８のい
ずれを用いた場合であっても、電流はこれらの厚さ方向
に流れるために、電解液を用いた場合にはセパレータ１
７の厚さ、固体電解質１８を用いた場合にはそのものの
厚さが薄いものほど内部抵抗値を小さくすることができ
る。したがって、応力が印加されても破損等の起こらな
い程度に機械的強度が確保され、正・負極活物質層１４
・１５の短絡が起こらない範囲内で、できるだけセパレ
ータ１７あるいは固体電解質１８の厚さを薄くすること
が好ましい。

【００２６】こうしてセパレータ１７あるいは固体電
解質１８を介して電極板１６が複数段に積層された内部
電極体１９は、セパレータ１７等を介して対向する一対
の正・負極活物質層１４・１５からなる要素電池が、約
積層数ほど直列に接続されたものとなる。なお、電極板
１６の積層時に、内部電極体１９の積層方向の両端部に
は、一方の表面に電極活物質層を形成していない電極板
１６を配置し、この電極活物質層が形成されていない表
面から外部端子２２への導通路を形成する。

【００２７】この内部電極体１９は、一つの電池ケー
ス２０に納められて密閉され、直列電池２１が得られ
る。ここで、電池ケース２０としては、一般にアルミニ
ウムやステンレス、ニッケル、銅等の金属製のものの内
面をポリプロピレンフィルム等で絶縁被覆したものが好
適に用いられる。なお、電池ケース２０を電流路とし
て、外部端子２２を電池ケース２０の一端面に集積して
配設することも可能である。

【００２８】上述のような構造を有する本発明のリチ
ウム二次電池においては、電流はクラッド材１３の積層
方向、すなわち、正・負極活物質層１４・１５の表面に
垂直な方向に流れるために、充放電面積と集電面積とが
ほぼ等しくなり、かつ、電流は電池内の最短経路を通っ
て外部端子間を流れることとなるので、内部抵抗を低減
することが可能となる。さらに、正・負極基材１１・１
２としてクラッド材１３を用いることにより、正・負極
活物質層１４・１５を接触により電気的に接続した場合
と比較して、さらに低内部抵抗化を図ることが可能とな
る。

【００２９】なお、クラッド材１３を構成するアルミ
ニウム、銅、ニッケルといった材料単体の抵抗率はそれ
ぞれ１０^-6Ω・ｃｍ台であるが、接触抵抗については、
たとえば、アルミニウムと銅との場合では１０^-3Ω・ｃ
ｍ²台と大きい。そこで、アルミニウムと銅、あるいは
アルミニウムとニッケルのクラッド材１３を使用するこ
とにより、これら各材料間の接触部分をなくし、各材料
の直列接続部分の抵抗率を各材料単体の抵抗率と同等と
することができる。したがって、本発明で使用されるク
ラッド材１３は、クラッド材１３を構成する各材料単体
と同等の低い抵抗率を有する。

【００３０】さて、前述した通り、本発明のリチウム
二次電池に使用するクラッド材１３形状は、任意に選択
することができるため、大面積のクラッド材１３を用い
てその表面に正・負極活物質層１４・１５を形成して得
られる電極板１６を、必要電圧が得られる程度に積層す
ると、薄板状の大容量電池を得ることができる。このよ
うな電池においては、内部抵抗が小さいのでパワーが大
きく、充放電特性が良好となることから、ＥＶもしくは
ＨＥＶ用として使用でき、さらに、自動車の床下に配置
するといったスペースユーティリティを向上させた電池
の配設が可能となる。

【００３１】なお、本発明のリチウム二次電池を、Ｅ
ＶあるいはＨＥＶ用に使用するにあたっては、なるべく
少数の直列電池２１を接続することで直列電池２１間の
接触抵抗や配線抵抗を小さくすることが好ましいこと、
また、上述した内部抵抗低減の効果が顕著に現れるよう
にするために、直列電池２１当たりの容量は少なくとも
５Ａｈ以上とすることが好ましい。

【００３２】

【発明の効果】以上、本発明のリチウム二次電池によ
れば、電流の流れる方向がクラッド材および正・負極活
物質層のそれぞれの表面に垂直な方向であるため、充放
電面積と集電面積とがほぼ等しく、かつ、電流は電池内
の最短経路を通って外部端子間を流れ、しかもクラッド
材を用いているために電極板における抵抗が極めて小さ
いために、電池の内部抵抗値が小さく、充放電特性に優
れた大容量の薄板状の電池を容易に得ることができると
いう優れた効果を奏する。また、ＥＶ等に搭載するにあ
たって、自動車のスペースユーティリティを高めた配設
を可能とする利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリチウム二次電池の構造の一実施形
態を示す断面図である。

【図２】従来の捲回型内部電極体の構造を示す斜視図
である。

【図３】従来の積層型内部電極体の構造を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１…内部電極体、２…正極板、３…負極板、４…セパレ
ータ、５…リード線、６…リード線、７…内部電極体、
８…正極板、９…負極板、１０…セパレータ、１１…正
極基材、１２…負極基材、１３…クラッド材、１４…正
極活物質層、１５…負極活物質層、１６…電極板、１７
…セパレータ、１８…固体電解質、１９…内部電極体、
２０…電池ケース、２１…直列電池、２２…外部端子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一表面を正極基材とし、他表面を負極基
材とした箔状あるいは板状のクラッド材の、当該正極基
材側の表面上に正極活物質層を形成するとともに、当該
負極基材側の表面上に負極活物質層を形成してなる電極
板を、当該正極活物質層の表面と当該負極活物質層の表面とが
互いにセパレータあるいは固体電解質を介して対向する
ように複数段に積層して構成される内部電極体を、一つ
の電池ケース内に収容したことを特徴とするリチウム二
次電池。
【請求項２】当該クラッド材が、アルミニウムを主成
分とする当該正極基材と、銅を主成分とする当該負極基
材とからなることを特徴とする請求項１記載のリチウム
二次電池。
【請求項３】当該クラッド材が、アルミニウムを主成
分とする当該正極基材と、ニッケルを主成分とする当該
負極基材とからなることを特徴とする請求項１記載のリ
チウム二次電池。
【請求項４】電気自動車もしくはハイブリッド電気自
動車用に用いられることを特徴とする請求項１〜３のい
ずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】５Ａｈ以上の電池容量を有することを特
徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のリチウム
二次電池。