JPWO2015097952A1 - 電池、電解質、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本技術の理解を容易にするため、本技術の技術的背景について説明する。[背景技術]の欄で述べたように、特許文献1(特開2010−198757号公報)では、ゲル電解質中にアルミナ等の粒子を混ぜてゲル電解質の強度を向上することが提案されている。
1.第1の実施の形態(電池の第1の例および第2の例)
2.第2の実施の形態(電池パックの例)
3.第3の実施の形態(電池パックの例)
4.第4の実施の形態(蓄電システム等の例)
5.他の実施の形態(変形例)
なお、以下に説明する実施の形態等は本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施の形態等に限定されるものではない。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また例示した効果と異なる効果が存在することを否定するものではない。
本技術の第1の実施の形態では、ラミネートフィルム型の非水電解質電池(電池)について説明する。この非水電解質電池は、例えば充電および放電が可能な非水電解質二次電池であり、また、例えばリチウムイオン二次電池である。以下では、ラミネートフィルム型の非水電解質電池の2つの構成例(第1の例および第2の例)について説明する。
〔非水電解質電池の構成例〕
図1は、第1の実施の形態による非水電解質電池62の構成を表すものである。この非水電解質電池62は、いわゆるラミネートフィルム型といわれるものであり、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50をフィルム状の外装部材60の内部に収容したものである。
正極53は、正極集電体53Aの片面あるいは両面に正極活物質層53Bが設けられた構造を有している。
負極54は、負極集電体54Aの片面あるいは両面に負極活物質層54Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層54Bと正極活物質層53Bとが対向するように配置されている。
セパレータ55は、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を有する絶縁性の膜から構成される多孔質膜である。セパレータ55の空孔には、非水電解液が保持される。
ゲル電解質層56は、フィラーと樹脂であるマトリックス高分子化合物と溶媒および電解質塩を含む非水電解液(電解液)とを含む。ゲル電解質層56は、非水電解液がマトリックス高分子化合物により保持されたゲル状の電解質からなる層である。ゲル電解質層56は、例えば、マトリックス高分子化合物に電解液が含浸されてマトリックス高分子化合物が膨潤し、いわゆるゲル状となっている。ゲル電解質層56では、例えば、電解液を吸収してこれを保持したゲル状のマトリックス高分子自体がイオン伝導体として機能する。また、ゲル電解質層56には、フィラーが含まれているので、ゲル電解質層56の強度等が向上し、安全性等の特性を向上することができる。
ゲル電解質層56の厚みは、典型的には、例えば、1μm以上15μm以下であることが好ましく、2μm以上8μm以下であることがより好ましい。散乱は完全に消すことはできないので、ゲル電解質層56の厚みが厚いときには透明感が少なくなるため、電極の端部を浮き立たせるには、電極上の白濁を薄くしコントラストを確保する必要がある。したがって、ゲル電解質層56を薄く塗布形成することが好ましいが、ゲル電解質層56の厚みが1μmより小さくなると電池性能が低下する傾向にある。一方、ゲル電解質層56が、15μmを超えると電極間距離が広がるため、体積当たりのエネルギー密度が低下する傾向にある。
非水電解液は、電解質塩と、この電解質塩を溶解する非水溶媒とを含む。
電解質塩は、例えば、リチウム塩等の軽金属化合物の1種あるいは2種以上を含有している。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6H5)4)、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3SO3)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4)、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2SiF6)、塩化リチウム(LiCl)あるいは臭化リチウム(LiBr)等が挙げられる。中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムからなる群のうちの少なくとも1種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。
非水溶媒としては、例えば、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトンあるいはε−カプロラクトン等のラクトン系溶媒、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチル等の炭酸エステル系溶媒、1,2−ジメトキシエタン、1−エトキシ−2−メトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフランあるいは2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、アセトニトリル等のニトリル系溶媒、スルフォラン系溶媒、リン酸類、リン酸エステル溶媒、またはピロリドン類等の非水溶媒が挙げられる。溶媒は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
樹脂としては、電解液を保持するマトリックス高分子化合物として、溶媒に相溶可能な性質を有するもの等を用いることができる。このような樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等の含フッ素樹脂、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等のゴム類、エチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミド(特にアラミド)、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリエーテル、アクリル酸樹脂またはポリエステル等の融点およびガラス転移温度の少なくとも一方が180℃以上の樹脂、ポリエチレングリコール等が挙げられる。
ゲル電解質層56に含まれるフィラーとしては、光の散乱を低減させてゲル電解質層56の透明性を向上できる観点から、所定範囲内の粒子径、且つ、所定範囲内の屈折率を有する粒子を用いる。
粒子の粒子径D50は、例えば、ゲル電解質層56からゲル電解質成分等を除去した後の粒子を、レーザー回折法により測定した粒度分布において、小さい粒子径の粒子側から起算した体積累計50%の粒子径である。また、上記測定した粒度分布から、体積累計40%の粒子径D40の値や体積累計60%の粒子径D60を得ることができる。
粒子の屈折率は、光の散乱を抑制して、ゲル電解質層56の透明性を確保できる観点から、1.3以上2.4未満であり、1.3以上2.1以下であることが好ましい。ゲル電解質と粒子との屈折率の違い(固体は屈折率が高く、液体は屈折率が低いという違い)からくる光の屈折による散乱による透明性の低下を抑えるためである。
粒子と樹脂との質量比(混合比)は、透明性を確保する観点から、質量比(粒子/樹脂)で粒子/樹脂=15/85以上90/10以下の範囲であり、透明性をより向上させる観点から、15/85以上80/20以下の範囲であることがより好ましい。なお、ゲル電解質層56の透明性を確保する観点からは粒子の比率が低い程好ましいが、粒子の比率が低すぎるとゲル電解質層56の強度が低下する傾向にあるため、上記質量比の下限値を設定している。
粒子と電解質塩との質量比(混合比)は、透明性を確保する観点から、質量比(粒子/電解質塩)で粒子/電解質塩=15/85以上90/10以下の範囲であり、透明性をより向上させる観点から、15/85以上80/20以下の範囲であることがより好ましい。なお、ゲル電解質層56の透明性を確保する観点からは粒子の比率が低い程好ましいが、粒子の比率が低すぎるとゲル電解質層56の強度が低下する傾向にあるため、上記質量比の下限値を設定している。
粒子の含有量は、ゲル電解質の屈折率を粒子に近づけ、透明性をより向上できる観点から、電解質の質量に対して、5.2質量%以上50.0質量%以下であることが好ましく、5.2質量%以上30.8質量%以下であることがより好ましい。
樹脂の含有量は、ゲル電解質の屈折率を粒子に近づけ、透明性をより向上できる観点から、電解質の質量に対して、5.6質量%以上30.8質量%以下であることが好ましく、7.7質量%以上30.8質量%以下であることがより好ましい。なお、樹脂の含有量が、30.8質量%より多いと、電池のイオン移動抵抗が増し出力が低下する傾向にある。
電解質塩の含有量は、ゲル電解質の屈折率をフィラー粒子に近づけ、透明性をより向上できる観点から、電解質の質量に対して、5.6質量%以上30.8質量%以下であることが好ましく、7.7質量%以上30.8質量%以下であることがより好ましい。なお、電解質塩の含有量が、30.8質量%より多いと、電池のイオン移動抵抗が増し出力が低下する傾向にある。
この非水電解質電池62は、例えば、以下のようにして、製造することができる。
正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドン等の溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーを作製する。次に、この正極合剤スラリーを正極集電体53Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機等により圧縮成型することにより正極活物質層53Bを形成し、正極53を作製する。
負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドン等の溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーを作製する。次に、この負極合剤スラリーを負極集電体54Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機等により圧縮成型することにより負極活物質層54Bを形成し、負極54を作製する。
非水電解液は、非水溶媒に対して電解質塩を溶解させて調製する。
正極53および負極54の少なくとも一方の両面に、非水電解液と、樹脂と、フィラーと、希釈溶媒(ジメチルカーボネート等)とを含む前駆溶液(塗料)を塗布した後、希釈溶媒を揮発させてゲル電解質層56を形成する。そののち、正極集電体53Aの端部に正極リード51を溶接により取り付けると共に、負極集電体54Aの端部に負極リード52を溶接により取り付ける。
上述の第1の例では、巻回電極体50が外装部材60で外装された非水電解質電池62について説明したが、図3A〜図3Cに示すように、巻回電極体50の代わりに積層電極体70を用いてもよい。図3Aは、積層電極体70を収容した非水電解質電池62の外観図である。図3Bは、外装部材60に積層電極体70が収容される様子を示す分解斜視図である。図3Cは、図3Aに示す非水電解質電池62の底面側からの外観を示す外観図である。
第2の実施の形態では、第1の実施の形態と同様のゲル電解質層を備えたラミネートフィルム型の電池(非水電解質電池)の電池パックの例について説明する
図6は、本技術の第1の実施の形態による電池(以下、二次電池と適宜称する)を電池パックに適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パックは、組電池301、外装、充電制御スイッチ302aと、放電制御スイッチ303a、を備えるスイッチ部304、電流検出抵抗307、温度検出素子308、制御部310を備えている。
上述した本技術の第1の実施の形態による電池およびこれを用いた第2の実施の形態および第3の実施の形態による電池パックは、例えば電子機器や電動車両、蓄電装置等の機器に搭載または電力を供給するために使用することができる。
本技術の電池を用いた蓄電装置を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図7を参照して説明する。例えば住宅401用の蓄電システム400においては、火力発電402a、原子力発電402b、水力発電402c等の集中型電力系統402から電力網409、情報網412、スマートメータ407、パワーハブ408等を介し、電力が蓄電装置403に供給される。これと共に、家庭内の発電装置404等の独立電源から電力が蓄電装置403に供給される。蓄電装置403に供給された電力が蓄電される。蓄電装置403を使用して、住宅401で使用する電力が給電される。住宅401に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
本技術を車両用の蓄電システムに適用した例について、図8を参照して説明する。図8に、本技術が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
[正極の作製]
正極活物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)91質量%と、導電剤であるカーボンブラック6質量%と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を分散媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて正極合剤スラリーとした。この正極合剤スラリーを厚さ12μmの帯状アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、正極集電体の一部が露出するようにして塗布した。この後、塗布した正極合剤スラリーの分散媒を蒸発・乾燥させ、ロールプレスにて圧縮成型することにより、正極活物質層を形成した。最後に、正極端子を正極集電体露出部に取り付け、正極を形成した。
負極活物質である平均粒子径20μmの粒状黒鉛粉末96質量%と、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体のアクリル酸変性体1.5質量%と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1.5質量%とを混合して負極合剤とし、さらに適量の水を加えて攪拌することにより、負極合剤スラリーを調製した。この負極合剤スラリーを厚さ15μmの帯状銅箔からなる負極集電体の両面に、負極集電体の一部が露出するようにして塗布した。この後、塗布した負極合剤スラリーの分散媒を蒸発・乾燥させ、ロールプレスにて圧縮成型することにより、負極活物質層を形成した。最後に、負極端子を正極集電体露出部に取り付け、負極を形成した。
炭酸エチレン(EC)と炭酸プロピレン(PC)と炭酸ビニレン(VC)とを、質量比49:49:2で混合した非水溶媒に対して、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/dm3の濃度で溶解させることにより、非水電解液を調製した。
ゲル電解質層が両面に形成された正極および負極と、セパレータとを、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に積層したのち、巻回装置を用いて、長手方向に多数回、扁平形状に巻回した。その後、巻き終わり部分を粘着テープで固定することにより巻回電極体を形成した。なお、正極幅38mm、負極幅40mm、セパレータ幅42mmとして、相互のクリアランスを1mmに設定した。巻回装置はカメラ撮影による画像データを画像処理装置に送り、画像データから正極、セパレータ、負極のエッジの位置を検出し、検出結果をフィードバックして、正極、セパレータ、負極の幅方向の位置を正しい位置に制御する機能を備えたものである。巻回装置において、正極、セパレータ、負極のエッジの位置の検出は、基準とする片側1辺のみ行った。誤検出により巻きずれが生じる場合、基準とする1辺の反対側の正負極のエッジが、セパレータからはみだすおそれがあり、短絡が生じるおそれがある。
実施例1−2〜実施例1−55では、下掲の表1に示すように、用いる粒子を変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
実施例1−56〜実施例1−57では、質量比(粒子/樹脂)、質量比(粒子/電解質塩)を下掲の表1に示すように変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
前駆溶液に粒子を混合せず、粒子を含有しないゲル電解質層を形成したこと以外は実施例1−1と同様にして、比較例1−1のラミネートフィルム型電池を作製した。
比較例1−2〜比較例1−10では、下掲の表1に示すように、用いる粒子の材料種を屈折率が異なるものまたは有色粒子に変え、粒子の形状も球状または多面体に変えたこと以外は、実施例1−57と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
比較例1−11では、下掲の表1に示すように、用いる粒子の材料種を屈折率が異なるものに変え、粒子の形状も多面体に変えたこと以外は、実施例1−56と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
比較例1−12では、正極として、実施例1−57の正極電極幅と比べて正極電極幅を6%細くしたものを用いた。以上のこと以外は、実施例1−57と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
質量比(粒子/樹脂)および質量比(粒子/電解質塩)を、下掲の表1に示すように変えたこと以外は、比較例1−7と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
質量比(粒子/樹脂)および質量比(粒子/電解質塩)を、下掲の表1に示すように変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
粒子の粒子径を下掲の表1に示すように変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
粒子の材料種を下掲の表1に示すように変え、粒子の粒子径D50も600nmに変えたこと以外は、比較例1−14と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
上述の実施例および比較例において、粒子の粒子径、ゲル電解質層の外観は以下のようにして測定または評価したものである。(後述の実施例および比較例も同様)
ゲル電解質層からゲル電解質成分等を除去した後の粒子を、レーザー回折法により測定した粒度分布において、小さい粒子径の粒子側から起算した体積累計50%の粒子径を、粒子の粒子径D50とした。なお、必要に応じて、上記測定した粒度分布から、体積累計40%の粒子径D40の値や体積累計60%の粒子径D60の値も得た。
視覚観察により、ゲル電解質層の外観を観察した。なお、透明性の程度で、さらに透明、透明、概ね透明、透明に近い、不透明の順に段階的に評価した。さらに透明、透明、概ね透明、透明に近い場合は、いずれも、ゲル電解質層を通して、塗布対象(電極またはセパレータ)の輪郭を完全に視認できた。また、不透明の場合は、ゲル電解質層56を通して、塗布対象(電極またはセパレータ)の輪郭を視認できなかった。
以下のようにして、巻きずれによる短絡が生じているかを確認するための短絡検査を行った。作製した電池について、電池の初回充電時の巻きずれによる短絡の有無を確認した。具体的には、電池の初回充電が終了してから24時間経過するまでの間に電圧の低下が0.5V以上になったものを短絡と判定することにより、短絡の有無を確認した。
短絡検査において、短絡が生じなかった電池について、以下のようにして電池容量の測定を行った。上記充電後の電池を1Cの放電電流で電池電圧3.0Vまで定電流放電を行い、このときの放電容量を測定して電池容量とした。電池容量は、作製した電池に求められる必要容量1000mAhを基準値として、必要な電池容量を満足しているかどうかを判断した。なお、比較例1−2〜比較例1−11、比較例1−14〜比較例1−16、比較例1−18では、短絡が生じたため、電池容量測定ができなかった。
短絡検査において短絡が生じなかった電池を電池容量の測定と同条件で放電した後、短絡検査と同様の条件で充電した。次に、図9および図10に示すように、30mmの間隔で並置された2本の丸棒S上に、充電した電池CELLを配置し、電池CELLのセンター位置に対して、上方から1本の丸棒Sを押し当てて、300Nまたは押し当てた部分が3mmたわむ(下方に3mm下がる状態になる)まで加圧した。その際、電圧計(テスター)600により電池CELLの電圧を確認し、1%以上の電圧低下を確認したら短絡判定を不合格とした。また短絡検査において短絡が生じたものを測定不能とし、不合格および測定不能以外を合格とした。
実施例1−1〜実施例1−57については、電極体作製工程において、カメラ撮影により取得した画像データから正極、負極およびセパレータの各エッジ間のクリアランスの測定値を得た。そして、これらのクリアランスの測定値のうちの最大値と相互クリアランスの設定値(1mm)との差(「前記最大値」―「1mm」)を算出して得た値を、巻きずれ量の最大値とした。
ゲル電解質の構成成分であるベーマイト粒子、樹脂(PVdF)、LiPF6および非水溶媒(溶媒)の各成分の量を下掲の表2に示すように変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。なお、表2中において、粒子、PVdF、LiPF6、溶媒の各成分の量は、ゲル電解質の全体量(構成成分の合計量)に対する質量百分率で示している。
ゲル電解質の構成成分であるタルク粒子(扁平状粒子(薄片状粒子))、樹脂(PVdF)、LiPF6および非水溶媒(溶媒)の各成分の量を下掲の表2に示すように変えたこと以外は、実施例1−2と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。なお、表2中において、粒子、PVdF、LiPF6、溶媒の各成分の量は、ゲル電解質の全体量(構成成分の合計量)に対する質量百分率で示している。
ゲル電解質の構成成分である酸化アルミニウム粒子、樹脂(PVdF)、LiPF6および非水溶媒(溶媒)の各成分の量を下掲の表2に示すように変えたこと以外は、実施例1−8と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。なお、表2中において、粒子、PVdF、LiPF6、溶媒の各成分の量は、ゲル電解質の全体量(構成成分の合計量)に対する質量百分率で示している。
作製した各実施例および各比較例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量の最大値の測定を行った。
実施例3−1〜実施例3−13では、ゲル電解質の構成成分であるベーマイト粒子の粒子径D50を下掲の表3に示すように変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
実施例3−14〜実施例3−26では、ゲル電解質の構成成分であるタルク粒子の粒子径D50を下掲の表3に示すように変えたこと以外は、実施例1−2と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
実施例3−27〜実施例3−39では、ゲル電解質の構成成分である酸化アルミニウム粒子の粒子径D50を下掲の表3に示すように変えたこと以外は、実施例1−8と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
作製した各実施例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量の最大値の測定を行った。
実施例4−1〜実施例4−8では、ゲル電解質の構成成分であるベーマイト粒子の粒子径D40、粒子径D50、粒子径D60を下掲の表4に示すように変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
作製した各実施例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量の最大値の測定を行った。
実施例5−1〜実施例5−3では、フィラーとして、下掲の表5に示す板状のタルク粒子を用いたこと以外は、実施例1−2と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
実施例5−4〜実施例5−6では、フィラーとして、下掲の表5に示す針状の酸化アルミニウム粒子を用いたこと以外は、実施例1−8と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
作製した各実施例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量の最大値の測定を行った。
実施例6−1〜実施例6−29では、下掲の表6に示すように、ゲル電解質層を構成するマトリックス高分子化合物(樹脂)の種類を変えたこと以外は、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
作製した各実施例および各比較例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量の最大値の測定を行った。
実施例7−1〜実施例7−6では、実施例1−2の同様の扁平状(薄片状)のタルク粒子を用い、ゲル電解質層の厚みを変えたこと以外は、実施例1−2と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
作製した各実施例および各比較例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量の最大値の測定を行った。
実施例8−1では、実施例1−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
正極および負極のそれぞれの両面にゲル電解質層を形成する代わりに、セパレータの両面にゲル電解質を形成した。すなわち、ゲル電解質層の形成を以下のように変えたこと以外は、実施例8−1と同様にして、ラミネートフィルム型電池を作製した。
炭酸エチレン(EC)と炭酸プロピレン(PC)と炭酸ビニレン(VC)とを、質量比49:49:2で混合した非水溶媒に対して、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/dm3の濃度で溶解させることにより、非水電解液を調製した。
正極および負極と、ゲル電解質層が両面に形成されたセパレータとを、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に積層したのち、実施例8−1と同様の巻回装置を用いて、長手方向に多数回、扁平形状に巻回した。その後、巻き終わり部分を粘着テープで固定することにより巻回電極体を形成した。
実施例8−1では、正極、負極、セパレータおよびゲル電解質層それぞれの構成およびゲル電解質の塗布対象が、実施例8−1と同様であり、積層電極体をラミネートフィルムで外装したラミネートフィルム型電池を作製した。
矩形状の正極および負極の両面に、実施例8−1と同様の前駆溶液を塗布し、乾燥させて希釈溶媒を除去し、正極および負極の表面にゲル電解質層を形成した。次に、矩形状の正極(両面にゲル電解質層が形成されたもの)および矩形状の負極(両面にゲル電解質層が形成されたもの)と、矩形状のセパレータとを、正極、セパレータ、負極、セパレータの順に、積層して積層電極体を形成した。
実施例8−4では、正極および負極のそれぞれの両面にゲル電解質層を形成する代わりに、セパレータの両面にゲル電解質を形成した。
実施例8−5では、実施例8−1と同様のラミネートフィルム型電池を用いた、図4、図5Aおよび図5Bに示す簡易型の電池パック(ソフトパック)を作製した。
作製した各実施例のラミネートフィルム型電池について、実施例1−1と同様にして、巻きずれまたは積層ずれ短絡検査、電池容量の測定、電池折曲げ試験、巻きずれ量または積層ずれ量の最大値の測定を行った。
以上、本技術を各実施の形態および実施例によって説明したが、本技術はこれらに限定されるものではなく、本技術の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
[1]
正極と、
負極と、
セパレータと、
粒子、並びに、溶媒および電解質塩を含む電解液、並びに、マトリックス高分子化合物を含む電解質と
を備え、
前記粒子の粒子径D50は、50nm以上450nm以下、または、750nm以上10000nm以下であり、
前記粒子の屈折率は、1.3以上2.4未満であり、
前記粒子と前記マトリックス高分子化合物との質量比(粒子/マトリックス高分子化合物)、および、前記粒子と前記電解質塩との質量比(粒子/電解質塩)の一方の質量比は、15/85以上90/10以下である電池。
[2]
前記マトリックス高分子化合物に前記電解液が含浸されて前記マトリックス高分子化合物が膨潤したゲル状の前記電解質が、前記正極および前記負極の少なくとも一方の電極の両面、または、前記セパレータの両面の少なくとも一方の面に形成された[1]に記載の電池。
[3]
前記質量比(粒子/マトリックス高分子化合物)および前記質量比(粒子/電解質塩)の両方の質量比は、15/85以上90/10以下である[1]〜[2]の何れかに記載の電池。
[4]
前記電解質は、透明である[1]〜[3]の何れかに記載の電池。
[5]
前記粒子は、無機粒子および有機粒子の少なくとも何れかである[1]〜[4]の何れかに記載の電池。
[6]
前記無機粒子は、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸ストロンチウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸リチウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化亜鉛、ベーマイト、ホワイトカーボン、酸化ジルコニウム水和物、酸化マグネシウム水和物、水酸化マグネシウム8水和物、炭化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、フッ化リチウム、フッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、リン酸トリリチウム、リン酸マグネシウム、リン酸水素マグネシウム、ポリリン酸アンモニウム、ケイ酸塩鉱物、炭酸塩鉱物、酸化鉱物からなる群から選ばれた少なくとも何れかの粒子であり、
前記有機粒子は、メラミン、メラミンシアヌレート、ポリリン酸メラミン、架橋ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリド、ポリアミド、ポリイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂からなる群から選ばれた少なくとも何れかの粒子である[5]に記載の電池。
[7]
前記ケイ酸塩鉱物は、タルク、ケイ酸カルシウム、ケイ酸亜鉛、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、カオリナイト、セピオライト、イモゴライト、セリサイト、パイロフィライト、雲母、ゼオライト、ムライト、サポナイト、アタパルジャイト、モンモリロナイトからなる群から選ばれた少なくとも1種であり、
前記炭酸塩鉱物は、ハイドロタルサイト、ドロマイトからなる群から選ばれた少なくとも1種であり、
前記酸化鉱物は、スピネルである[6]に記載の電池。
[8]
前記マトリックス高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、エチルセルロース、セルロース誘導体、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリエーテル、アクリル酸樹脂、ポリエステル、ポリエチレングリコールからなる群から選ばれた少なくとも何れかである[1]〜[7]の何れかに記載の電池。
[9]
前記粒子の粒子径D50、粒子径D40および粒子径D60は、50nm以上450nm以下、または、750nm以下10000nm以下である[1]〜[8]の何れかに記載の電池。
[10]
前記粒子の含有量は、前記電解質の質量に対して、5.2質量%以上50.0質量%以下である[1]〜[9]の何れかに記載の電池。
[11]
前記マトリックス高分子化合物の含有量および前記電解質塩の含有量の少なくとも一方の含有量は、前記電解質の質量に対して、5.6質量%以上30.8質量%以下である[1]〜[10]の何れかに記載の電池。
[12]
前記粒子は、厚みが50nm以上450nm以下の板状の粒子または太さが50nm以上450nm以下の針状の粒子である[1]〜[11]の何れかに記載の電池。
[13]
前記ゲル電解質層の厚みは、1μm以上15μm以下である[2]〜[12]の何れかに記載の電池。
[14]
粒子、並びに、溶媒および電解質塩を含む電解液、並びに、マトリックス高分子化合物を含み、
前記粒子の粒子径D50は、50nm以上450nm以下、または、750nm以上10000nm以下であり、
前記粒子の屈折率は、1.3以上2.4未満であり、
前記粒子と前記マトリックス高分子化合物との質量比(粒子/マトリックス高分子化合物)、および、前記粒子と前記電解質塩との質量比(粒子/電解質塩)の一方の質量比は、15/85以上90/10以下である電解質。
[15]
[1]〜[13]の何れかに記載の電池と、
前記電池を制御する制御部と、
前記電池を内包する外装と
を有する電池パック。
[16]
[1]〜[13]の何れかに記載の電池を有し、前記電池から電力の供給を受ける電子機器。
[17]
[1]〜[13]の何れかに記載の電池と、
前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
を有する電動車両。
[18]
[1]に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
[19]
他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を備え、
前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う[18]に記載の蓄電装置。
[20]
[1]〜[13]の何れかに記載の電池から電力の供給を受け、または、発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される電力システム。
Claims (20)
- 正極と、
負極と、
セパレータと、
粒子、並びに、溶媒および電解質塩を含む電解液、並びに、マトリックス高分子化合物を含む電解質と
を備え、
前記粒子の粒子径D50は、50nm以上450nm以下、または、750nm以上10000nm以下であり、
前記粒子の屈折率は、1.3以上2.4未満であり、
前記粒子と前記マトリックス高分子化合物との質量比(粒子/マトリックス高分子化合物)、および、前記粒子と前記電解質塩との質量比(粒子/電解質塩)の一方の質量比は、15/85以上90/10以下である電池。 - 前記マトリックス高分子化合物に前記電解液が含浸されて前記マトリックス高分子化合物が膨潤したゲル状の前記電解質が、前記正極および前記負極の少なくとも一方の電極の両面、または、前記セパレータの両面の少なくとも一方の面に形成された請求項1に記載の電池。
- 前記質量比(粒子/マトリックス高分子化合物)および前記質量比(粒子/電解質塩)の両方の質量比は、15/85以上90/10以下である請求項1に記載の電池。
- 前記電解質は、透明である請求項1に記載の電池。
- 前記粒子は、無機粒子および有機粒子の少なくとも何れかである請求項1に記載の電池。
- 前記無機粒子は、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化マグネシウム、酸化アンチモン、酸化アルミニウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸ストロンチウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸リチウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化亜鉛、ベーマイト、ホワイトカーボン、酸化ジルコニウム水和物、酸化マグネシウム水和物、水酸化マグネシウム8水和物、炭化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、フッ化リチウム、フッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化マグネシウム、リン酸トリリチウム、リン酸マグネシウム、リン酸水素マグネシウム、ポリリン酸アンモニウム、ケイ酸塩鉱物、炭酸塩鉱物、酸化鉱物からなる群から選ばれた少なくとも何れかの粒子であり、
前記有機粒子は、メラミン、メラミンシアヌレート、ポリリン酸メラミン、架橋ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリド、ポリアミド、ポリイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂からなる群から選ばれた少なくとも何れかの粒子である請求項5に記載の電池。 - 前記ケイ酸塩鉱物は、タルク、ケイ酸カルシウム、ケイ酸亜鉛、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、カオリナイト、セピオライト、イモゴライト、セリサイト、パイロフィライト、雲母、ゼオライト、ムライト、サポナイト、アタパルジャイト、モンモリロナイトからなる群から選ばれた少なくとも1種であり、
前記炭酸塩鉱物は、ハイドロタルサイト、ドロマイトからなる群から選ばれた少なくとも1種であり、
前記酸化鉱物は、スピネルである請求項6に記載の電池。 - 前記マトリックス高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、エチルセルロース、セルロース誘導体、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリエーテル、アクリル酸樹脂、ポリエステル、ポリエチレングリコールからなる群から選ばれた少なくとも何れかである請求項1に記載の電池。
- 前記粒子の粒子径D50、粒子径D40および粒子径D60は、50nm以上450nm以下、または、750nm以下10000nm以下である請求項1に記載の電池。
- 前記粒子の含有量は、前記電解質の質量に対して、5.2質量%以上50.0質量%以下である請求項1に記載の電池。
- 前記マトリックス高分子化合物の含有量および前記電解質塩の含有量の少なくとも一方の含有量は、前記電解質の質量に対して、5.6質量%以上30.8質量%以下である請求項1に記載の電池。
- 前記粒子は、厚みが50nm以上450nm以下の板状の粒子または太さが50nm以上450nm以下の針状の粒子である請求項1に記載の電池。
- 前記ゲル電解質層の厚みは、1μm以上15μm以下である請求項2に記載の電池。
- 粒子、並びに、溶媒および電解質塩を含む電解液、並びに、マトリックス高分子化合物を含み、
前記粒子の粒子径D50は、50nm以上450nm以下、または、750nm以上10000nm以下であり、
前記粒子の屈折率は、1.3以上2.4未満であり、
前記粒子と前記マトリックス高分子化合物との質量比(粒子/マトリックス高分子化合物)、および、前記粒子と前記電解質塩との質量比(粒子/電解質塩)の一方の質量比は、15/85以上90/10以下である電解質。 - 請求項1に記載の電池と、
前記電池を制御する制御部と、
前記電池を内包する外装と
を有する電池パック。 - 請求項1に記載の電池を有し、前記電池から電力の供給を受ける電子機器。
- 請求項1に記載の電池と、
前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
を有する電動車両。 - 請求項1に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
- 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を備え、
前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う請求項18に記載の蓄電装置。 - 請求項1に記載の電池から電力の供給を受け、または、発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される電力システム。
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