JPWO2015156399A1 - 電気デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の電池の一実施形態である非水電解質二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の概要を模式的に表した断面概略図であり、後述する図2に示すA−A線に沿った断面概略図である。なお、本明細書においては、図1に示す扁平型(積層型)の双極型でないリチウムイオン二次電池を例に挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。
図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体である電池外装材29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、セパレータ17と、負極とを積層した構成を有している。なお、セパレータ17は、非水電解質(例えば、液体電解質)を内蔵している。正極は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、セパレータ17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するとも言える。
正極は、正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された正極活物質層とを有するものである。
正極集電体を構成する材料に特に制限はないが、好適には金属が用いられる。具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅、その他合金等などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅が好ましい。
正極活物質層は、正極活物質を含む。本形態において、正極活物質は、一般式:[LiαNiβ]3a[NixMny−rMrCoz]3bO2(但し、式中、Mは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、AgおよびZnからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x+y+z≦1、β≦0.032、0.9≦α+β≦1.2、0<x<1、0<y<1、0<z<1、0≦r≦0.3を満たす)で表される組成を有し、リチウムイオンを挿入離脱可能な層状結晶構造のリチウムニッケル系複合酸化物を必須に含む。
う利点が得られる。
正極活物質層に用いられるバインダーとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびその塩、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのバインダーは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
負極活物質層は活物質を含み、必要に応じて、導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤については、上記正極活物質層の欄で述べたものと同様である。
セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
電池外装体29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体はアルミネートラミネートがより好ましい。
図2は、本発明の電池の代表的な実施形態である扁平な非水電解質二次電池の外観を表した斜視図である。この非水電解質二次電池のように、本発明における好ましい実施形態によれば、アルミニウムを含むラミネートフィルムからなる電池外装体に前記発電要素が封入されてなる構成を有する扁平積層型ラミネート電池が提供される。
一般的な電気自動車では、一回の充電による走行距離(航続距離)は100kmが市場要求である。かような航続距離を考慮すると、電池の体積エネルギー密度は157Wh/L以上であることが好ましく、かつ定格容量は20Wh以上であることが好ましい。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本発明の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
(1)NMC複合酸化物の調製
正極活物質として、従来公知の手法により、NMC複合酸化物(LiNi0.80Mn0.10Co0.10O2)を調製した。この際、得られたNMC複合酸化物の組成を本発明に係る一般式([LiαNiβ]3a[NixMny−rMrCoz]3bO2)に当てはめたときにβ=0.032となるように、焼成工程(仮焼成および本焼成)における降温過程での雰囲気中の酸素濃度および降温速度を調整した。
(1)で得られた正極活物質を90重量%、導電助剤としてケッチェンブラック(平均粒子径:300nm)5重量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5重量%、およびスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量混合して、正極活物質スラリーを調製し、得られた正極活物質スラリーを集電体であるアルミニウム箔(厚さ:20μm)に塗布し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形して、正極活物質層の片面塗工量18mg/cm2の正極を作製した。
負極活物質として天然黒鉛を用い、この負極活物質96.5質量%、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.5質量%およびスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス2.0質量%を精製水中に分散させて、負極活物質スラリーを調製した。
上記で得られた正極および負極をそれぞれセパレータ(ポリプロピレン微多孔膜、長さ230mm、幅210mm、厚さ25μm)を介して交互に積層(正極3層、負極4層)することで積層体を作製した。この積層体の正負極にタブ(集電板)を溶接し、これをアルミラミネートフィルムからなる外装材に格納した。その後、所定量の非水電解液を注入し、密封することで長さ275mm、幅230mm、厚み7mmのラミネート電池を作製した。
また、電解液としては、1.0M LiPF6をエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との混合溶媒(体積比1:1)に溶解した溶液に、添加剤として環状スルホン酸エステルであるメチレンメタンジスルホン酸エステルを2重量%の濃度で添加したものを用いた。
(1)NMC複合酸化物の調製において、得られたNMC複合酸化物の組成を本発明に係る一般式([LiαNiβ]3a[NixMny−rMrCoz]3bO2)に当てはめたときにβ=0.025となるように、焼成工程(仮焼成および本焼成)における降温過程での雰囲気中の酸素濃度および降温速度を調整したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、NMC複合酸化物(LiNi0.80Mn0.10Co0.10O2)を調製し、これを正極活物質として含む正極、およびラミネート電池を作製した。
(1)NMC複合酸化物の調製において、得られたNMC複合酸化物の組成を本発明に係る一般式([LiαNiβ]3a[NixMny−rMrCoz]3bO2)に当てはめたときにβ=0.020となるように、焼成工程(仮焼成および本焼成)における降温過程での雰囲気中の酸素濃度および降温速度を調整したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、NMC複合酸化物(LiNi0.80Mn0.10Co0.10O2)を調製し、これを正極活物質として含む正極、およびラミネート電池を作製した。
(1)NMC複合酸化物の調製において、得られたNMC複合酸化物の組成を本発明に係る一般式([LiαNiβ]3a[NixMny−rMrCoz]3bO2)に当てはめたときにβ=0.035となるように、焼成工程(仮焼成および本焼成)における降温過程での雰囲気中の酸素濃度および降温速度を調整したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、NMC複合酸化物(LiNi0.80Mn0.10Co0.10O2)を調製し、これを正極活物質として含む正極、およびラミネート電池を作製した。
電解液に環状スルホン酸エステルを添加しなかったこと以外は、上述した比較例1と同様の手法により、NMC複合酸化物(LiNi0.80Mn0.10Co0.10O2)を調製し、これを正極活物質として含む正極、およびラミネート電池を作製した。
実施例1〜3および比較例1〜2で作製したラミネート電池を十分なエージング期間を置いた後(開回路電圧が安定した後)、25℃で、1Cレートで4.15Vまで充電し、初期充電容量とした。その後1時間休止し、1Cレートで3.0Vまで放電し、その際の容量を初期放電容量とした。さらに、この充放電サイクルを500回繰り返した後の容量維持率を求め、サイクル耐久性の指標として評価した。結果を下記の表1に示す。
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 セパレータ、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29、52 電池外装材、
58 正極タブ、
59 負極タブ。
Claims (10)
- 正極集電体の表面に正極活物質を含む正極活物質層が形成されてなる正極と、
負極集電体の表面に負極活物質を含む負極活物質層が形成されてなる負極と、
電解質を含むセパレータと、
を含む発電要素を有し、
前記正極活物質が、一般式:[LiαNiβ]3a[NixMny−rMrCoz]3bO2(但し、式中、Mは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、AgおよびZnからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、x+y+z≦1、β≦0.032、0.9≦α+β≦1.2、0<x<1、0<y<1、0<z<1、0≦r≦0.3を満たす)で表される組成を有し、リチウムイオンを挿入離脱可能な層状結晶構造のリチウムニッケル系複合酸化物を含み、
前記電解質が、環状スルホン酸エステルを含む、電気デバイス。 - 前記リチウムニッケル系複合酸化物の粉末X線回折測定により得られるc軸長が14.280Å以下であり、a軸長に対するc軸長の比の値(c/a)が4.969以下である、請求項1に記載の電気デバイス。
- 前記リチウムニッケル系複合酸化物の粉末X線回折測定により得られるc軸長が14.215Å以下であり、a軸長に対するc軸長の比の値(c/a)が4.946以下である、請求項2に記載の電気デバイス。
- 前記リチウムニッケル系複合酸化物の粉末X線回折測定により得られる(104)面に由来するピーク強度(I(104))に対する(003)面に由来するピーク強度(I(003))の比の値(I(003/104))が1.28以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気デバイス。
- 前記正極活物質がスピネル系マンガン正極活物質をさらに含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気デバイス。
- 前記負極活物質が黒鉛を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気デバイス。
- x≦0.8、y=z、またはy=2/3zである、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気デバイス。
- 定格容量に対する電池面積(電池外装体まで含めた電池の投影面積)の比の値が5cm2/Ah以上であり、かつ、定格容量が3Ah以上である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気デバイス。
- 矩形状の正極活物質層の縦横比として定義される電極のアスペクト比が1〜3である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電気デバイス。
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