JPWO2016039387A1 - 捲回型電極群、電極群及び非水電解質電池 - Google Patents
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Abstract
1つの実施形態によると、電極群が提供される。この電極群は、積層体を含む。積層体は、正極、一層又は複数層の負極、及びセパレータを具備する。負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。この電極群は、下記の関係式(I)〜(III)を満たす:10≦a1/b1≦16(1);0.7≦D1/E1≦1.4(2);E1≦85(3)。ここで、a1[mm]は積層体の厚みである。b1[mm]は、負極集電体の厚み又は厚みの合計である。D1[μm]は正極の厚みである。E1[μm]は負極の厚みである。
Description
本発明の実施形態は、捲回型電極群、電極群及び非水電解質電池に関する。
急速なエレクトロニクス機器の小型化技術の発達により、種々の携帯電子機器が普及しつつある。近年では、自動車などの移動体の電源としても電池が使用されており、長寿命であり安全性が高く、入出力特性に優れた電池が要求されている。
負極活物質にリチウムチタン複合酸化物を含む電池は、安全性に優れ、且つ長寿命である。しかしながら、リチウムチタン複合酸化物は低充電状態では絶縁体であるため、このような負極活物質を含む電池は、低充電状態での入出力特性が低いという課題を有する。
本発明は、低充電状態での入出力特性に優れた非水電解質電池を実現することができる捲回型電極群、低充電状態での入出力特性に優れた非水電解質電池、及び低充電状態での入出力特性に優れた非水電解質電池を実現することができる電極群を提供することを目的とする。
第1の実施形態によると、捲回型電極群が提供される。この電極群は、平坦部分を含む。平坦部分は、正極、負極及びセパレータを具備する。負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。第1の実施形態に係る捲回型電極群は、下記の関係式(1)〜(3)を満たす。
10≦a/b≦16 (1)
0.7≦D/E≦1.4 (2)
E≦85 (3)
ここで、a[mm]は電極群の平坦部分の厚みである。b[mm]は、電極群の平坦部分における負極集電体の厚みの合計である。D[μm]は正極の厚みである。E[μm]は負極の厚みである。
0.7≦D/E≦1.4 (2)
E≦85 (3)
ここで、a[mm]は電極群の平坦部分の厚みである。b[mm]は、電極群の平坦部分における負極集電体の厚みの合計である。D[μm]は正極の厚みである。E[μm]は負極の厚みである。
第2の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第1の実施形態に係る捲回型電極群と、非水電解質とを具備する。
第3の実施形態によると、電極群が提供される。この電極群は、積層体を含む。積層体は、正極、一層又は複数層の負極及びセパレータを具備する。一層又は複数層の負極は、それぞれ、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。第3の実施形態に係る電極群は、下記の関係式(I)〜(III)を満たす。
10≦a1/b1≦16 (I)
0.7≦D1/E1≦1.4 (II)
E1≦85 (III)
ここで、a1[mm]は積層体の厚みである。b1[mm]は、積層体が一層の負極を含む場合は一層の負極集電体の厚みであり、積層体が複数層の負極を含む場合は負極集電体の厚みの合計である。D1[μm]は正極の厚みである。E1[μm]は負極の厚みである。
0.7≦D1/E1≦1.4 (II)
E1≦85 (III)
ここで、a1[mm]は積層体の厚みである。b1[mm]は、積層体が一層の負極を含む場合は一層の負極集電体の厚みであり、積層体が複数層の負極を含む場合は負極集電体の厚みの合計である。D1[μm]は正極の厚みである。E1[μm]は負極の厚みである。
第4の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第3の実施形態に係る電極群と、非水電解質とを具備する。
以下に、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。
(第1の実施形態)
第1の実施形態によると、捲回型電極群が提供される。この電極群は、平坦部分を含む。平坦部分は、正極、負極及びセパレータを具備する。負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。第1の実施形態に係る捲回型電極群は、下記の関係式(1)〜(3)を満たす。
第1の実施形態によると、捲回型電極群が提供される。この電極群は、平坦部分を含む。平坦部分は、正極、負極及びセパレータを具備する。負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。第1の実施形態に係る捲回型電極群は、下記の関係式(1)〜(3)を満たす。
10≦a/b≦16 (1)
0.7≦D/E≦1.4 (2)
E≦85 (3)
ここで、a[mm]は電極群の平坦部分の厚みである。b[mm]は、電極群の平坦部分における負極集電体の厚みの合計である。D[μm]は正極の厚みである。E[μm]は負極の厚みである。
0.7≦D/E≦1.4 (2)
E≦85 (3)
ここで、a[mm]は電極群の平坦部分の厚みである。b[mm]は、電極群の平坦部分における負極集電体の厚みの合計である。D[μm]は正極の厚みである。E[μm]は負極の厚みである。
第1の実施形態に係る捲回型電極群が含む負極の負極層に含まれるリチウムチタン複合酸化物は、低充電状態での導電性が低い。しかしながら、第1の実施形態に係る捲回型電極群は、上記関係式(1)〜(3)を満たすおかげで、低充電状態における負極の抵抗を下げることができる。その結果、第1の実施形態に係る捲回型電極群を用いた非水電解質電池は、放電末期でも電流の取出しを容易にすることができ、容量の利用効率を高めることができる。そして、第1の実施形態に係る捲回型電極群を用いた非水電解質電池は、上記関係式(1)〜(3)を満たすおかげで、低充電状態の負極において、負極層のうち負極集電体に接している部分と負極集電体から最も離れた部分との間の抵抗の差を小さくすることができる。低充電状態において抵抗が平準化した負極を具備する非水電解質電池は、負極集電体への負荷を小さくすることができ、ひいては負極集電体の劣化を防ぐことができる。これらの結果、第1の実施形態に係る捲回型電極群を用いた非水電解質電池は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができ、更には優れた寿命特性を示すことができる。
比a/bが16よりも大きい捲回型電極群では、例えば、平坦部における負極集電体の厚さが小さ過ぎる場合、又は負極集電体に対する負極層の厚さが厚くなり過ぎている場合を含む。このような電極群では、低充電状態での負極の抵抗が高い。その結果、低充電状態での入出力特性が低下する。一方、比a/bが10より小さい捲回型電極群は、スラリーの塗工による負極層の形成が難しく、生産性に劣る。
比D/Eが1.4より大きいということは、正極の厚みが大き過ぎる場合を含む。この場合、正極の抵抗が高くなり過ぎてしまい、そのような捲回型電極群を用いた非水電解質電池の入出力特性が低下する。また、比D/Eが1.4より大きいということは、負極の厚みが小さ過ぎる場合も含む。この場合、電池容量が小さくなってしまう。
比D/Eが0.7より小さいということは、負極の厚みが大き過ぎる場合を含む。この場合、負極の抵抗が高くなり過ぎるだけでなく、低充電状態の負極において抵抗値のばらつきが生じる。その結果、そのような捲回型電極群を用いた非水電解質電池の入出力特性及び寿命特性が低下する。また、比D/Eが0.7より小さいということは、正極の厚みが小さ過ぎる場合も含む。この場合、電池容量が小さくなってしまう。
負極の厚みEが85μmよりも大きい場合、負極の抵抗が高くなり、そのような捲回型電極群を用いた非水電解質電池の入出力特性が低下する。
比a/bは、10以上14以下であることが好ましく、10以上13以下であることがより好ましい。比D/Eは、0.75以上1.4以下であることが好ましく、0.9以上1.3以下であることがより好ましい。正極の厚みDは、36μm以上78μm以下であることが好ましい。負極の厚みEは、40μm以上60μm以下であることが好ましい。
なお、負極活物質としての炭素材料は、充放電状態とは無関係に、優れた導電性を示すことができる。そのため、負極活物質として炭素材料を用いる非水電解質電池では、電極群の平坦部分の厚みa、負極集電体の厚みの合計b、正極の厚みD及び負極の厚みEを上記の如く制御しても、低充電状態での入出力特性を向上させることはできない。
また、第1の実施形態に係る捲回型電極群は、厚さの小さな負極層を含むことができる。そのため、この捲回型電極群を用いて非水電解質電池を作製すると、単位体積当たりの捲回数を増やすことができる。捲回数を増やすことにより、正極と負極とが対向する面積を増やすことができる。それにより、第1の実施形態の捲回型電極群によると、より優れた出力特性を示すことができる非水電解質電池を実現することができる。
ここで、第1の実施形態に係る捲回型電極群における、平坦部分の厚みa、平坦部分における負極集電体の厚みの合計b、正極の厚みD及び負極の厚みEを、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、第1の実施形態に係る一例の捲回型電極群の概略斜視図である。図2は、図1のA方向から観察したときの電極群の概略図である。図3は、図1及び図2に示す電極群の一部の概略断面図である。具体的には、図3は、図2に示す電極群1の平坦部Fの一部の概略断面図である。また、図3に示す幾つかの厚みは、電極群1の平坦部Fにおける各層の厚みの平均値である。
図1及び図2に示す電極群1は、捲回型の構造を有している。電極群1には、その捲回状態を保持するために、絶縁テープ11が巻かれている。電極群1は、図3に示すように、正極2、負極3及びセパレータ4を含んでいる。電極群1は、図1及び図2に示すように、捲回軸wを中心にして、扁平形状に捲回されている。図1〜3に示す電極群1においては、正極2は、正極集電体21と、その両面上に形成された正極層22とを含んでいる。負極3は、負極集電体31と、その両面上に形成された負極層32とを含んでいる。図1〜3に示す電極群1においては、正極層22と負極層32とがセパレータ4を間に挟んで対向している。
電極群1の平坦部分Fの厚みaは、図2に示すように、電極群1において丸みを帯びた部分Rを除いた部分の厚みである。
負極集電体の厚みbは、図2に示す、電極群1の平坦部分Fにおける負極集電体31の厚みの合計である。すなわち、負極集電体31の厚みの合計bは、図3に示す負極集電体の厚みの平均値b’に、電極群1の平坦部Fに含まれる負極3の層数をかけたものである。図1〜図3に示す例の電極群1においては、負極集電体31の厚みの合計bは10b’である。
正極2の厚みDは、図2に示す電極群1の平坦部分Fにおける正極2の厚みの平均値である。
同様に、負極3の厚みEは、図2に示す電極群1の平坦部分Fにおける負極3の厚みの平均値である。
図1及び図2に示すように、電極群1は、捲回軸wに平行な幅W[mm]と、幅W及び厚みaの方向に垂直な高さH[mm]とを有している。
次に、非水電解質電池が具備した電極群の平坦部分の厚みa、負極集電体の厚みの合計b、正極の厚みD、及び負極の厚みEの測定方法について説明する。
まず、非水電解質電池を、SOC0%の状態まで放電する。続いて、電池充電深度がSOC0%となった非水電解質電池を、グローブボックス内、アルゴン雰囲気下で解体する。解体した非水電解質電池から、電極群を取り出す。
次に、取り出した電極群を展開し、電極群の平坦部に含まれる正極、負極及びセパレータのそれぞれの層数を判定する。具体的には、図4に示すように、電極群を半周ずつ展開し、半周(180°)展開するごとに、平坦部Fに正極が1層、負極が1層、セパレータが2層含まれているとカウントする。例えば、電極群を捲回中心まで10周展開できた場合、電極群の平坦部は、20層の正極、20層の負極及び40層のセパレータを含んでいると判定する。
次に、展開した電極群を、正極、負極及びセパレータに分解する。
次いで、分解した正極の任意の部位から、2×2cm2角の試料を5つ切り出す。切り出した5つの試料の中央の厚みを測定し、その平均値Dを求める。このようにして得られた正極の厚みの平均値を、正極の厚みDとする。また、この正極の厚みDに、先んじて判定した正極の層数を掛け合わせることにより、正極の厚みの合計Dtotalを算出する。
次いで、分解した負極の任意の部位から、2×2cm2角の試料を5つ切り出す。切り出した5つの試料の中央の厚みを測定し、その平均値Eを求める。このようにして得られた負極の厚みの平均値を、負極の厚みEとする。また、この負極の厚みEに、先んじて判定した負極の層数を掛け合わせることにより、負極の厚みの合計Etotalを算出する。
次いで、分解した負極の任意の部位から、2×2cm2角の試料を更に5つ切り出す。次に、切り出した5つの試料から負極層を除去し、負極集電体の5つの試料を作製する。負極集電体の5つの試料の中央の厚みを測定し、その平均値b’を求める。このようにして得られた負極集電体の厚みの平均値に、先んじて判定した負極の層数を掛け合わせて得られた積を、負極集電体の厚みの合計bとする。
次いで、分解したセパレータの任意の部位から、2×2cm2角の試料を5つ切り出す。切り出した5つの試料の中央の厚みを測定し、その平均値Sを求める。このようにして得られたセパレータの厚みの平均値Sに、先んじて判定したセパレータの層数を掛け合わせることにより、セパレータの厚みの合計Stotalを算出する。
以上のようにして求めた正極の厚みの合計Dtotal、負極の厚みの合計Etotal及びセパレータの厚みの合計Stotalとを合計し、その和を平坦部における電極群の厚みaとする。
上記厚みの測定には、最小0.5μm程度の測定が可能なデジマチックインジケータを使用する。
なお、上記方法により正極の厚みD及び負極の厚みEを算出する際に取り出す5つの試料は、それぞれ、正極の両面に正極層が形成されている部分、及び負極の両面に負極層が形成されている部分から切り出す。すなわち、正極の厚みD及び負極の厚みEの平均値は、片面のみに電極層が形成されている部分を用いずに算出する。
次に、第1の実施形態に係る捲回型電極群をより詳細に説明する。
第1の実施形態に係る捲回型電極群は、正極、負極及びセパレータを含む。
正極は、正極集電体と、その片面又は両面上に形成された正極層とを含むことができる。正極集電体は、表面に正極層が形成されていない部分を含むことができる。このような部分は、正極集電タブとして働くことができる。
正極層は、正極活物質を含むことができる。正極層は、必要に応じて、導電剤及び結着剤を含むことができる。
負極は、負極集電体と、その上に形成された負極層とを含んでいる。負極層は、負極集電体の片面に形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。
負極層は、リチウムチタン複合酸化物を含む。リチウムチタン複合酸化物は負極活物質として働くことができる。リチウムチタン複合酸化物は、例えばスピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi4+xTi5O12(xは、充放電状態により0≦x≦3の範囲内で変化し得る))、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi2+yTi3O7(yは、充放電状態により0≦y≦3の範囲内で変化し得る)等を挙げることができる。なお、上記一般式においては、酸素のモル比をスピネル型(Li4+xTi5O12)では12、ラムスデライト型(Li2+yTi3O7)では7と形式的に示しているが、酸素のモル比は酸素ノンストイキメトリー等の影響によって変化し得る。
また、本明細書においては、リチウムチタン複合酸化物は、リチウムチタン複合酸化物の構成元素の一部を異種元素で置換したリチウムチタン複合酸化物も包含する。
リチウムチタン複合酸化物は、Li吸蔵電位が0.4V(vs.Li/Li+)以上であることが好ましい。0.4V(vs.Li/Li+)よりも卑な電位でリチウムを吸蔵する負極活物質では、例えば黒鉛及びリチウム金属などと同様に、大電流での入出力を繰り返すと負極表面上に金属リチウムが析出し、これがデンドライド状に成長し得る。
正極、負極及びセパレータは、セパレータを介して正極層と負極層とが対向するように積層されている。また、このようにして形成された積層体は、捲回及びプレスされて、捲回型電極群を形成している。
以下、正極、負極及びセパレータについて説明する。
1)正極
正極集電体としては、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔を用いることが好ましく、平均結晶粒径は50μm以下、より好ましくは30μm以下、更に好ましくは5μm以下であることが望ましい。このような平均結晶粒径を有するアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔からなる集電体は、強度を飛躍的に増大させることができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。
正極集電体としては、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔を用いることが好ましく、平均結晶粒径は50μm以下、より好ましくは30μm以下、更に好ましくは5μm以下であることが望ましい。このような平均結晶粒径を有するアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔からなる集電体は、強度を飛躍的に増大させることができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。
アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は、材料組成、不純物、加工条件、熱処理履歴ならび焼なましの加熱条件など多くの因子に複雑に影響され、製造工程の中で、これらの諸因子を組み合わせて調整することができる。
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の厚さは、好ましくは20μm以下であり、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素、などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は1%以下にすることが好ましい。
正極活物質としては、特に限定されないが、例えば、高い電池電圧が得られるリチウムマンガン複合酸化物(LixMn2O4)とリチウムコバルト複合酸化物(LiyCoO2)との混合物を用いることができる。なお、上記一般式において、0≦x、y≦1.1の範囲内にあることが好ましい。また、電圧は低くなるが、高い容量を得られるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LizNi1-a-bCoaMnbMcO2)を用いる事もできる。なお、上記一般式において、0.9≦z≦1.25、0<a≦0.3、0<b≦0.45、0≦c≦0.1である事が好ましく、MはMg、Al、Si、Ti、Zn、Zr、Ca及びSnの郡から選ばれる少なくとも一つを含む。
結着剤は、正極活物質、導電剤、及び正極集電体を結着させるために必要に応じて用いられる。結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド、ポリアミドなどを挙げることができる。
正極導電剤は、集電性能を高め、且つ正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑えるために必要に応じて用いられる。正極導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレン等を挙げることができる。
正極は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁して、スラリーを調製する。この際、正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜18重量%、結着剤2〜17重量%にすることが好ましい。次に、調製したスラリーを、正極集電体に塗布し、塗膜を乾燥させて、正極層を得る。次いで、この正極層をプレスに供することにより、正極が得られる。
或いは、正極は、正極活物質、正極導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、正極活物質含有層として用いても良い。
正極密度は、2.8g/cc以上にすることが好ましい。
或いは、正極は、正極活物質、正極導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、正極活物質含有層として用いても良い。
正極密度は、2.8g/cc以上にすることが好ましい。
2)負極
負極集電体は、1.0Vよりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔であることが好ましい。
負極集電体は、1.0Vよりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔であることが好ましい。
結着剤は、負極活物質、導電剤、及び負極集電体を結着させるために必要に応じて用いられる。結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド、ポリアミドなどを挙げることができる。
負極導電剤は、集電性能を高め、且つ負極活物質と負極集電体との接触抵抗を抑えるために必要に応じて用いられる。負極導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレン等を挙げることができる。
負極は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、負極活物質、負極導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁して、スラリーを調製する。この際、負極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、負極活物質70〜96重量%、導電剤2〜28重量%および結着剤2〜28重量%にすることが好ましい。導電剤は、2重量%以上の割合で配合することにより高い集電性能による優れた大電流特性が得られる。また、結着剤量が2重量%未満であると、負極層と負極集電体の結着性が低下し、サイクル特性が低下する。一方、高容量化の観点から、負極導電剤及び結着剤は各々28重量%以下であることが好ましい。
ついで、このようにして調製したスラリーを、負極集電体に塗布し、塗膜を乾燥させて、負極層を得る。次いで、この負極層をプレスすることによって、負極を得ることができる。
或いは、負極は、負極活物質、負極導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、負極活物質含有層として用いることで作製することもできる。
負極密度は、2g/cc以上にすることが好ましい。
ついで、このようにして調製したスラリーを、負極集電体に塗布し、塗膜を乾燥させて、負極層を得る。次いで、この負極層をプレスすることによって、負極を得ることができる。
或いは、負極は、負極活物質、負極導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、負極活物質含有層として用いることで作製することもできる。
負極密度は、2g/cc以上にすることが好ましい。
3)セパレータ
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。
特に、第1の実施形態に係る捲回型電極群が含むリチウムチタン複合酸化物は、充放電時におけるリチウムデンドライドの析出を抑えることができる。そのおかげで、第1の実施形態に係る捲回型電極群は、薄く且つポロシティの高い不織布をセパレータとして用いることができる。薄く且つポロシティの高い不織布をセパレータとして用いることにより、第1の実施形態に係る捲回型電極群は、非水電解質電池の入出力特性の更なる向上を達成することができる。
第1の実施形態に係る捲回型電極群は、電極群の平坦部分の厚みa[mm]、平坦部分の負極集電体の厚みの合計b[mm]、正極の厚みD[μm]及び負極の厚みE[μm]が関係式(1)10≦a/b≦16、関係式(2)0.7≦D/E≦1.4及び関係式(3)E≦85を満たす。これらの結果、第1の実施形態に係る捲回型電極群は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第1の実施形態に係る捲回型電極群と、非水電解質とを具備する。
第2の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第1の実施形態に係る捲回型電極群と、非水電解質とを具備する。
第2の実施形態に係る非水電解質電池が具備する非水電解質は、電極群に含浸され得る。
第2の実施形態に係る非水電解質電池は、外装材を更に具備することができる。外装材は、電極群及び非水電解質を収容することができる。
外装材は、正極端子及び負極端子を備えることができる。正極端子は、例えば正極の正極集電タブに接続することができる。負極端子は、例えば負極の負極集電タブに接続することができる。正極集電タブは、先に説明したように正極集電体の一部であってもよいし、又は正極集電体とは別体でもよい。同様に、負極集電タブは、先に説明したように負極集電体の一部であってもよいし、又は負極集電体とは別体であってもよい。
以下に、非水電解質、外装材、正極端子及び負極端子について説明する。
1)非水電解質
非水電解質としては、電解質を非水溶媒に溶解し調整される液状非水電解質、液状電解質と高分子材料とを複合化したゲル状非水電解質等を挙げることができる。
非水電解質としては、電解質を非水溶媒に溶解し調整される液状非水電解質、液状電解質と高分子材料とを複合化したゲル状非水電解質等を挙げることができる。
電解質は、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒酸リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)などのリチウム塩を挙げることができる。これらの電解質は、単独または2種類以上を混合したものでもよい。
電解質は、有機溶媒に対して0.5〜2.5mol/Lの範囲で溶解させることが好ましい。
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)などの環状エーテル、ジメトキシエタン(DME)などの鎖状エーテル、γ−ブチロラクトン(BL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)等を挙げることができる。これらの有機溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。
ゲル状非水電解質に用いる高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることが出来る。
2)外装材
外装材としては、肉厚0.2mm以下のラミネートフィルムや、肉厚0.5mm以下の金属製容器が挙げられる。肉厚0.2mm以下であるとより好ましい。形状としては、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、及び積層型等が挙げられる。なお、無論、携帯用電子機器等に積載される小型電池の他、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池でも良い。
外装材としては、肉厚0.2mm以下のラミネートフィルムや、肉厚0.5mm以下の金属製容器が挙げられる。肉厚0.2mm以下であるとより好ましい。形状としては、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、及び積層型等が挙げられる。なお、無論、携帯用電子機器等に積載される小型電池の他、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池でも良い。
ラミネートフィルムとしては、例えば、樹脂フィルム間に金属層を介在した多層フィルムが用いることができる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂フィルムは、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、又はポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装材の形状に成形することができる。
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から作られるものを用いることができる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金において鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属の含有量は100ppm以下にすることが、高温環境下での長期信頼性、放熱性を飛躍的に向上させる上で好ましい。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属製容器は、平均結晶粒径が50μm以下、より好ましくは30μm以下、さらに好ましくは5μm以下であることが望ましい。平均結晶粒径を50μm以下とすることによって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属製容器の強度を飛躍的に増大させることができ、容器のより一層の薄肉化が可能になる。その結果、軽量かつ高出力で長期信頼性に優れた車載等に適切な非水電解質電池を実現することができる。
3)正極端子及び負極端子
正極端子は、直接又は例えば正極リードを介して、正極に電気的に接続され得る。接触抵抗を低減するために、直接接続する部材の材料は同じものであることが好ましい。
正極端子は、直接又は例えば正極リードを介して、正極に電気的に接続され得る。接触抵抗を低減するために、直接接続する部材の材料は同じものであることが好ましい。
同様に、負極端子は、直接又は例えば負極リードを介して、正極に電気的に接続され得る。接触抵抗を低減するために、直接接続する部材の材料は同じものであることが好ましい。
次に、図面を参照しながら、第2の実施形態に係る非水電解質電池の幾つかの例を、より詳細に説明する。
まず、第2の実施形態に係る第1の例の非水電解質電池について、図5及び図6を参照しながら説明する。
図5は、第2の実施形態に係る第1の例の非水電解質電池の概略断面図である。図6は、図5のB部の拡大断面図である。
図5及び図6に示す非水電解質電池10は、捲回型電極群1と、図示しない非水電解質とを具備している。
捲回型電極群1は、図6に示すように、正極2、負極3及びセパレータ4を含んでいる。正極2は、正極集電体21とその上に形成された正極層22とを含んでいる。負極3は、負極集電体31とその上に形成された負極層32とを含んでいる。負極3の最外殻に位置する部分は、図6に示すように、負極集電体31の片面のみに負極層32が形成されている。負極3のその他の部分は、負極集電体31の両面に負極層32が形成されている。 図6に示すように、電極群1において、正極2と負極3とは、セパレータ4を介して層状に構成されている。具体的には、正極層22と負極層32とが、セパレータ4を間に挟んで対向している。
図5に示すように、捲回型電極群1の外周端近傍において、外側に位置する負極集電体31に負極端子7が接続されており、内側に位置する正極集電体21に正極端子6が接続されている。
図5に示すように、電極群1は、外装材5の中に収納されている。図示していないが、非水電解質も外装材5内に収納されており、電極群1に含浸されている。
電極群1に接続された正極端子6及び負極端子7は、それぞれの一部が、外装材5の外に引き出されている。
次に、第2の実施形態に係る第2の例の非水電解質電池について、図7及び図8を参照しながら詳細に説明する。
図7は、第2の実施形態に係る第2の例の非水電解質電池の概略透視斜視図である。図8は、図7のC部の拡大断面図である。
図7及び図8に示す非水電解質電池10は、捲回型電極群1と、図示しない非水電解質とを具備している。
捲回型電極群1は、図8に示すように、図5及び図6に示す非水電解質電池10が具備する捲回型電極群1と同様に、正極2、負極3及びセパレータ4が積層された構造を有する。正極2、負極3及びセパレータ4の詳細な説明については、第1の例の非水電解質電池の説明を参照されたい。
図7及び図8に示す捲回型電極群1においては、正極集電体21のうち表面に正極層22が形成されていない部分23が、電極群1から延出している。この部分23は、正極集電タブとして働く。同様に、負極集電体31のうち表面に負極層32が形成されていない部分33が、電極群1から延出している。この部分33は負極集電タブとして働く。正極集電タブ23と負極集電タブ33とは、互いに逆向きに電極群1から延出している。
図7及び図8に示す非水電解質電池10は、正極リード61及び負極リード71を更に具備している。図7に示すように、正極リード61は、正極集電タブ23を挟み込むようにして、これに電気的に接続されている。同様に、負極リード71は、負極集電タブ33を挟み込むようにして、これに電気的に接続されている。
図7及び図8に示す非水電解質電池10は、有底矩形筒体形状の外装材5を更に具備している。捲回型電極群1、正極リード61及び負極リード71は、この外装材5内に収容されている。
外装材5は、蓋体5aを含んでいる。蓋体5aには、正極端子6及び負極端子7が、それぞれ、ガラス材8を介在するハーメティックシールにより挿着されている。正極端子6は、正極リード61に電気的に接続されている。負極端子7は、負極リード71に電気的に接続されている。蓋体5aは、注液口5bを更に含んでいる。注液孔5bは、非水電解質を外装材5内に注入した後、図示しない封止材で封止される。
第2の実施形態に係る非水電解質電池は、第1の実施形態に係る捲回型電極群を具備するので、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができ、更には優れた寿命特性を示すことができる。
そして、第2の実施形態に係る非水電解質電池は、このように長寿命であり安全性に優れた非水電解質電池であるため、特に車載用電池として適している。
(第3の実施形態)
第3の実施形態によると、電極群が提供される。この電極群は、積層体を含む。積層体は、正極、一層又は複数層の負極及びセパレータを具備する。一層又は複数層の負極は、それぞれ、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。第3の実施形態に係る電極群は、下記の関係式(I)〜(III)を満たす。
第3の実施形態によると、電極群が提供される。この電極群は、積層体を含む。積層体は、正極、一層又は複数層の負極及びセパレータを具備する。一層又は複数層の負極は、それぞれ、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極層とを含む。負極層はリチウムチタン複合酸化物を含む。第3の実施形態に係る電極群は、下記の関係式(I)〜(III)を満たす。
10≦a1/b1≦16 (I)
0.7≦D1/E1≦1.4 (II)
E1≦85 (III)
ここで、a1[mm]は積層体の厚みである。b1[mm]は、積層体が一層の負極を含む場合は一層の負極集電体の厚みであり、積層体が複数層の負極を含む場合は負極集電体の厚みの合計である。D1[μm]は正極の厚みである。E1[μm]は負極の厚みである。
0.7≦D1/E1≦1.4 (II)
E1≦85 (III)
ここで、a1[mm]は積層体の厚みである。b1[mm]は、積層体が一層の負極を含む場合は一層の負極集電体の厚みであり、積層体が複数層の負極を含む場合は負極集電体の厚みの合計である。D1[μm]は正極の厚みである。E1[μm]は負極の厚みである。
発明者らは、鋭意研究の結果、第1の実施形態に係る捲回型電極群についての上記式(1)〜(3)と同様の上記式(I)〜(III)が、捲回型構造に限られない電極群に適用できることが分かった。
すなわち、第3の実施形態に係る電極群は、第1の実施形態に係る捲回型電極群についての上記式(1)〜(3)と同様の上記式(I)〜(III)を満たすおかげで、低充電状態における負極の抵抗を下げることができる。その結果、第3の実施形態に係る電極群を用いた非水電解質電池は、放電末期でも電流の取出しを容易にすることができ、容量の利用効率を高めることができる。そして、第3の実施形態に係る電極群を用いた非水電解質電池は、上記関係式(I)〜(III)を満たすおかげで、低充電状態の負極において、負極層のうち負極集電体に接している部分と負極集電体から最も離れた部分との間の抵抗の差を小さくすることができる。低充電状態において抵抗が平準化した負極を具備する非水電解質電池は、負極集電体への負荷を小さくすることができ、ひいては負極集電体の劣化を防ぐことができる。これらの結果、第3の実施形態に係る電極群を用いた非水電解質電池は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができ、更には優れた寿命特性を示すことができる。
比a1/b1が16よりも大きい電極群では、例えば、積層体における負極集電体の厚さが小さ過ぎる場合、又は負極集電体に対する負極層の厚さが厚くなり過ぎている場合を含む。このような電極群では、低充電状態での負極の抵抗が高い。その結果、低充電状態での入出力特性が低下する。一方、比a1/b1が10より小さい電極群は、スラリーの塗工による負極層の形成が難しく、生産性に劣る。
比D1/E1が1.4より大きいということは、正極の厚みが大き過ぎる場合を含む。この場合、正極の抵抗が高くなり過ぎてしまい、そのような電極群を用いた非水電解質電池の入出力特性が低下する。また、比D1/E1が1.4より大きいということは、負極の厚みが小さ過ぎる場合も含む。この場合、電池容量が小さくなってしまう。
比D1/E1が0.7より小さいということは、負極の厚みが大き過ぎる場合を含む。この場合、負極の抵抗が高くなり過ぎるだけでなく、低充電状態の負極において抵抗値のばらつきが生じる。その結果、そのような電極群を用いた非水電解質電池の入出力特性及び寿命特性が低下する。また、比D1/E1が0.7より小さいということは、正極の厚みが小さ過ぎる場合も含む。この場合、電池容量が小さくなってしまう。
負極の厚みE1が85μmよりも大きい場合、負極の抵抗が高くなり、そのような電極群を用いた非水電解質電池の入出力特性が低下する。
比a1/b1は、10以上14以下であることが好ましく、10以上13以下であることがより好ましい。比D1/E1は、0.75以上1.4以下であることが好ましく、0.9以上1.3以下であることがより好ましい。正極の厚みD1は、36μm以上78μm以下であることが好ましい。負極の厚みE1は、40μm以上60μm以下であることが好ましい。
なお、負極活物質としての炭素材料は、充放電状態とは無関係に、優れた導電性を示すことができる。そのため、負極活物質として炭素材料を用いる非水電解質電池では、電極群の平坦部分の厚みa1、負極集電体の厚みの合計b1、正極の厚みD1及び負極の厚みE1を上記の如く制御しても、低充電状態での入出力特性を向上させることはできない。
第3の実施形態の電極群は、例えば、積層型の電極群でもよい。積層型の電極群は、例えば、一層又は複数層の正極、一層又は複数層の負極、及び一層又は複数層のセパレータを含む積層体を具備することができる。正極及び負極は、セパレータを間に挟んで、互いに対向することができる。
第3の実施形態の1つの態様である積層型電極群によると、厚さの小さな負極層を含むことができる。そのため、この態様の積層型電極群は、単位体積当たり、より多くの層の正極及び負極を積層体に含むことができる。したがって、第3の実施形態の1つの態様の積層型電極群によると、より優れた出力特性を示すことができる非水電解質電池を実現することができる。
或いは、第3の実施形態の電極群は、例えば、捲回型の電極群でもよい。
ここで、第3の実施形態に係る電極群の一態様である積層型電極群における、積層体の厚みa1、負極集電体の厚みの合計b1、正極の厚みD1及び負極の厚みE1を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図9は、第3の実施形態に係る一例の電極群の概略斜視図である。図10は、図9の電極群の線分X−Xでの概略断面図である。
図9及び図10に示す電極群1は、積層型の構造を有している。電極群1は、図10に示すように、2層の正極2、2層の負極3、及び5層のセパレータ4を含んでいる。
図9及び図10に示す電極群1の積層体12においては、一方の正極2は、正極集電体21と、その両面上に形成された正極層22とを含んでいる。他方の正極2は、正極集電体21と、その片面上に形成された正極層22とを含んでいる。また、一方の負極3は、負極集電体31と、その両面上に形成された負極層32とを含んでいる。他方の負極3は、負極集電体31と、その片面上に形成された負極層32とを含んでいる。図9及び10に示す電極群1の積層体12においては、正極層22と負極層32とがセパレータ4を間に挟んで対向するように、2層の正極2、2層の負極3、及び5層のセパレータ4が積層されている。また、図10に示すように、積層体の最上層及び最下層にセパレータ4が配されている。最下層のセパレータ4は、片面のみに正極層22が形成された正極2の正極集電体21に接している。最上層のセパレータ4は、片面のみに負極層32が形成された負極3の負極集電体31に接している。
図9及び図10に示す電極群では、負極集電体の厚みb1は、負極集電体31の厚みの合計である。すなわち、負極集電体31の厚みの合計b1は、図3に示す負極集電体の厚みの平均値b1’に、電極群1の積層体に含まれる負極3の層数をかけたものである。図9及び図10に示す例の電極群1においては、負極集電体31の厚みの合計b1は2b1’である。
正極2の厚みD1は、図10に示す電極群1の積層体12における正極2の厚みの平均値である。なお、先に説明したように、正極2の厚みは、正極のうち正極集電体の両面に正極層が形成されている部分の平均値である。そのため、例えば、図10に示す最下層の正極2は、厚みD1の算出には用いない。
同様に、負極3の厚みE1は、図10に示す電極群1の積層体12における負極3の厚みの平均値である。なお、先に説明したように、負極3の厚みは、負極のうち負極集電体の両面に負極層が形成されている部分の平均値である。そのため、例えば、図10に示す最上層の負極3は、厚みE1の算出には用いない。
図9及び図10に示す電極群1は、正極端子6及び負極端子7を更に具備している。正極端子6は、図示していないが、正極集電体21に電気的に接続されている。同様に、負極端子7は、図示していないが、負極集電体31に電気的に接続されている。
積層型の電極群については、断面から正極、負極及びセパレータの層数を判断すること以外は、第1の実施形態において先に説明したのと同様の方法で各寸法を測定することができる。
なお、第3の実施形態に係る電極群は、図9及び図10に示すように複数層の負極を含むものに限られない。例えば、第3の実施形態に係る電極群は、一層の負極を含むこともできる。この場合、負極集電体の厚みb1は、一層の負極集電体の厚み[mm]である。
第3の実施形態に係る電極群で用いることができる正極、負極及びセパレータは、第1の実施形態に係る捲回型電極群で用いることができるそれらと同様である。
第3の実施形態に係る電極群は、積層体の厚みa1[mm]、負極集電体の厚み又は厚みの合計b1[mm]、正極の厚みD1[μm]及び負極の厚みE1[μm]が関係式(I)10≦a1/b1≦16、関係式(II)0.7≦D1/E1≦1.4及び関係式(III)E1≦85を満たす。これらの結果、第3の実施形態に係る電極群は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができる。
(第4の実施形態)
第4の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第3の実施形態に係る電極群と、非水電解質とを具備する。
第4の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、第3の実施形態に係る電極群と、非水電解質とを具備する。
第4の実施形態に係る非水電解質電池が具備する非水電解質は、電極群に含浸され得る。
第4の実施形態に係る非水電解質電池は、外装材を更に具備することができる。外装材は、電極群及び非水電解質を収容することができる。
外装材は、正極端子及び負極端子を備えることができる。正極端子は、例えば正極の正極集電タブに接続することができる。負極端子は、例えば負極の負極集電タブに接続することができる。正極集電タブは、先に説明したように正極集電体の一部であってもよいし、又は正極集電体とは別体でもよい。同様に、負極集電タブは、先に説明したように負極集電体の一部であってもよいし、又は負極集電体とは別体であってもよい。
第4の実施形態に係る非水電解質電池で用いることができる非水電解質、外装材、正極端子及び負極端子は、第2の実施形態に係る非水電解質電池で用いることができるそれらと同様である。
次に、図面を参照しながら、第4の実施形態に係る非水電解質電池の例を、より詳細に説明する。
図11は、第4の実施形態に係る一例の非水電解質電池の概略透視斜視図である。
図11に示す非水電解質電池10は、電極群1と、図示しない非水電解質と、外装体5とを具備している。
電極群1は、図9及び図10を参照しながら説明した積層型の電極群1である。
電極群1は、正極端子6及び負極端子7のそれぞれの一部が外装材5の外に引き出された状態で、外装体5に収容されている。図示していないが、非水電解質も外装材5内に収納されており、電極群1に含浸されている。
第4の実施形態に係る非水電解質電池は、図11に示す構造に限られない。例えば、第4の実施形態に係る非水電解質電池は、図5及び図6、並びに図7及び図8にそれぞれ示す構造と同様の構造を有することもできる。
第4の実施形態に係る非水電解質電池は、第3の実施形態に係る電極群を具備するので、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができ、更には優れた寿命特性を示すことができる。
そして、第4の実施形態に係る非水電解質電池は、このように長寿命であり安全性に優れた非水電解質電池であるため、特に車載用電池として適している。
[実施例]
以下に実施例を説明する。なお、以下の実施例及び比較例では、同じ質量の非水電解質電池を作製した。
以下に実施例を説明する。なお、以下の実施例及び比較例では、同じ質量の非水電解質電池を作製した。
(比較例1)
比較例1では、以下に示す手順で、図5及び図6に示す非水電解質電池10を作製した。
比較例1では、以下に示す手順で、図5及び図6に示す非水電解質電池10を作製した。
<正極の作製>
正極活物質としての75重量%のリチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)粉末、正極活物質としての18重量%のリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末、導電剤としての2重量%のアセチレンブラック、導電剤としての2重量%のグラファイト、及び結着剤としての3重量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に投入し混合して、スラリーを調製した。このスラリーを厚さが15μmであり、平均結晶粒子径が30μmであるアルミニウム箔からなる正極集電体21の両面に塗布した。塗膜の目付量は、片面あたり150g/m2とした。その後、塗膜を乾燥させて正極層22とし、この正極層22を正極集電体21と共にプレスした。かくして、圧延した正極2を作製した。
正極活物質としての75重量%のリチウムマンガン酸化物(LiMn2O4)粉末、正極活物質としての18重量%のリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末、導電剤としての2重量%のアセチレンブラック、導電剤としての2重量%のグラファイト、及び結着剤としての3重量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に投入し混合して、スラリーを調製した。このスラリーを厚さが15μmであり、平均結晶粒子径が30μmであるアルミニウム箔からなる正極集電体21の両面に塗布した。塗膜の目付量は、片面あたり150g/m2とした。その後、塗膜を乾燥させて正極層22とし、この正極層22を正極集電体21と共にプレスした。かくして、圧延した正極2を作製した。
<負極の作製>
負極活物質として、Li吸蔵電位が1.55V(vs.Li/Li+)であるスピネル構造を有するLi4Ti5O12で表されるチタン酸リチウムを用意した。91重量%のこの負極活物質、導電剤としての5重量%のグラファイト、及び結着剤としての4重量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さが15μmであり、平均結晶粒子径が30μmであるアルミニウム箔からなる負極集電体31の両面に塗布した。塗膜の目付量は、片面あたり80g/m2とした。その後、塗膜を乾燥させて負極層32とし、この負極層32を負極集電体31と共にプレスした。かくして、圧延した負極3を作製した。
負極活物質として、Li吸蔵電位が1.55V(vs.Li/Li+)であるスピネル構造を有するLi4Ti5O12で表されるチタン酸リチウムを用意した。91重量%のこの負極活物質、導電剤としての5重量%のグラファイト、及び結着剤としての4重量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さが15μmであり、平均結晶粒子径が30μmであるアルミニウム箔からなる負極集電体31の両面に塗布した。塗膜の目付量は、片面あたり80g/m2とした。その後、塗膜を乾燥させて負極層32とし、この負極層32を負極集電体31と共にプレスした。かくして、圧延した負極3を作製した。
<電極群の作製>
次いで、セルロース製の多孔質フィルムからなる、厚さが20μmである2枚の帯状のセパレータ4を用意した。セパレータ4は、不織布であった。
次いで、セルロース製の多孔質フィルムからなる、厚さが20μmである2枚の帯状のセパレータ4を用意した。セパレータ4は、不織布であった。
上記のようにして作製した正極2、一枚のセパレータ4、上記のようにして作製した負極3及びもう一枚のセパレータ4をこの順に積層して積層体12を得た。次いで、この積層体を渦巻き状に捲回した。この捲回体を約120℃で加熱プレスして、電極群1を作製した。得られた電極群1を、外装材5に収納し、約95℃で8時間真空乾燥を施した。
得られた電極群1は、図1に示す捲回軸wに平行な幅Wが108mmであり、図1に示す捲回軸w及び厚さaの方向に垂直な高さHが73.63mmであった。
<液状非水電解質の調製>
プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(体積比率30:70)に、電解質として、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.0mol/Lの濃度で、及び四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)を0.5mol/Lの濃度で溶解することにより、液状非水電解質を調製した。
プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(体積比率30:70)に、電解質として、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.0mol/Lの濃度で、及び四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)を0.5mol/Lの濃度で溶解することにより、液状非水電解質を調製した。
<非水電解質電池の作製>
液状非水電解質を注入した後、完全密閉することにより、比較例1の非水電解質電池10を作製した。
液状非水電解質を注入した後、完全密閉することにより、比較例1の非水電解質電池10を作製した。
なお、以上に説明した正極2のプレス、負極3のプレス及び電極群1のプレスでは、電極群1の平坦部Fの厚みa、平坦部分Fにおける負極集電体31の厚みの合計b、正極の厚みD及び負極の厚みEが以下の表1に示す値にとなるように条件を調整して圧延を行った。以下に説明する各実施例及び比較例においても、各厚みが以下の表1に示すそれぞれの値となるように、プレス条件を調整した。
(比較例2)
比較例2では、以下の点以外は比較例1と同様の手順で、比較例2の非水電解質電池10を作製した。比較例2では、正極活物質としての75重量%のリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物粉末、正極活物質としての18重量%のリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末、導電剤としての2重量%のアセチレンブラック、導電剤としての2重量%のグラファイト、及び導電剤としての3重量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーを調製した。また、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり100g/m2とした。そして、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり100g/m2とした。
比較例2では、以下の点以外は比較例1と同様の手順で、比較例2の非水電解質電池10を作製した。比較例2では、正極活物質としての75重量%のリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物粉末、正極活物質としての18重量%のリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末、導電剤としての2重量%のアセチレンブラック、導電剤としての2重量%のグラファイト、及び導電剤としての3重量%のポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーを調製した。また、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり100g/m2とした。そして、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり100g/m2とした。
比較例2の非水電解質電池10の電極群1は、図1に示す捲回軸wに平行な幅Wが111mmであり、図1に示す捲回軸w及び厚さaの方向に垂直な高さHが95.66mmであった。
(実施例1)
実施例1では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり60g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり35g/m2としたことと以外は比較例1と同様の手順で、実施例1の非水電解質電池10を作製した。
実施例1では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり60g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり35g/m2としたことと以外は比較例1と同様の手順で、実施例1の非水電解質電池10を作製した。
実施例1の非水電解質電池10の電極群1は、図1に示す捲回軸wに平行な幅Wが111mmであり、図1に示す捲回軸w及び厚さaの方向に垂直な高さHが95.10mmであった。
(実施例2)
実施例2では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり60g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり40g/m2としたことと以外は比較例1と同様の手順で、実施例2の非水電解質電池10を作製した。
実施例2では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり60g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり40g/m2としたことと以外は比較例1と同様の手順で、実施例2の非水電解質電池10を作製した。
実施例2の非水電解質電池10の電極群1は、図1に示す捲回軸wに平行な幅Wが108mmであり、図1に示す捲回軸w及び厚さaの方向に垂直な高さHが73.58mmであった。
(実施例3)
実施例3では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり50g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり40g/m2としたことと以外は比較例2と同様の手順で、実施例3の非水電解質電池10を作製した。
実施例3では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり50g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり40g/m2としたことと以外は比較例2と同様の手順で、実施例3の非水電解質電池10を作製した。
実施例3の非水電解質電池10の電極群1は、図1に示す捲回軸wに平行な幅Wが111mmであり、図1に示す捲回軸w及び厚さaの方向に垂直な高さHが95.03mmであった。
(実施例4)
実施例4では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり80g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり75g/m2としたことと以外は比較例2と同様の手順で、実施例4の非水電解質電池10を作製した。
実施例4では、正極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり80g/m2としたことと、負極スラリーの塗膜の目付量を片面あたり75g/m2としたことと以外は比較例2と同様の手順で、実施例4の非水電解質電池10を作製した。
実施例4の非水電解質電池10の電極群1は、図1に示す捲回軸wに平行な幅Wが111mmであり、図1に示す捲回軸w及び厚さaの方向に垂直な高さHが95.27mmであった。
(低SOCでの出力試験)
実施例1〜4並びに比較例1及び2の非水電解質電池10に対して、以下の手順で、低SOC(低充電状態)での出力試験を行った。
実施例1〜4並びに比較例1及び2の非水電解質電池10に対して、以下の手順で、低SOC(低充電状態)での出力試験を行った。
まず、電池を25℃環境下にてSOC20%に調整した。次いで、このSOC20%の電池を、25℃の環境下で、1Cの電流値で1.8Vまで放電試験を行った。放電の最中、10秒間放電した際の電圧を測定した。ここで、25℃環境下で1.0Aの定電流で電池電圧が2.8Vになるまで充電し、その後2.8Vの定電圧で1時間充電した後、1.0Aの定電流で電池電圧が1.8Vになるまで放電した際の放電容量(Ah)を1時間で割った電流値を1C(A)と決めた。
次に、電池10を25℃環境下でSOC20%に再度調整した。次いで、この電池10に対して、先とは異なる電流値で実施した以外は先と同様の放電試験を行った。放電の最中、10秒間放電した際の電圧を測定した。
更に、放電試験における電流値を変更した以外は先と同様の手順を3回繰り返した。ここで、最大の電流値は、放電時間が20秒以上となる電流値とした。
以上のようにして、SOC20%の電池に対して、25℃の環境下で異なる5つの基準電流値での放電試験を行った。
次に、各試験における電流値をx座標とし、各試験における10秒後の電圧値をy座標として、各試験の結果をプロットした。これらのプロットに対して線形近似を行い、線形関数を求めた。求めた線形関数の傾きをセルの抵抗値T[Ω]とし、切片をSOC20%での0CV(開回路電圧)V0[V]とした。
次に、上記のようにして得られたセルの抵抗値T及びSOC20%での開回路電圧V0を式:(V0−1.8)/Tに代入し、SOC20%での最大放電電流値M[A]を算出した。
かくして得られた各電池10の最大放電電流値Mを、下限電圧である1.8Vと掛け合わせた。かくして得られた積を低SOCでの最大出力[W]とした。この最大出力を各電池10の重量で除することにより、低SOCでの単位重量当たりの出力P[W/kg]を算出した。
各電池10の低SOCでの単位重量当たりの出力P[W/kg]を、比較例1についての値を1とした相対値として、以下の表1に示す。
[電極群の平坦部分の厚みa、負極集電体の厚みの合計b、正極の厚みD、及び負極の厚みEの測定]
先に説明した方法に従って、電極群1の平坦部分Fの厚みa、負極集電体31の厚みの合計b、正極2の厚みD、及び負極3の厚みEを測定した。その結果を以下の表1にまとめる。なお、以下の表1には、「a/b」の値及び「D/E」の値も合わせて記載している。
先に説明した方法に従って、電極群1の平坦部分Fの厚みa、負極集電体31の厚みの合計b、正極2の厚みD、及び負極3の厚みEを測定した。その結果を以下の表1にまとめる。なお、以下の表1には、「a/b」の値及び「D/E」の値も合わせて記載している。
[結果]
表1から明らかなように、実施例1〜4の電池10は、比較例1及び2の電池10よりも低充電状態での出力特性に優れていた。
表1から明らかなように、実施例1〜4の電池10は、比較例1及び2の電池10よりも低充電状態での出力特性に優れていた。
実施例1〜4の非水電解質電池10は、低充電状態での出力特性に優れているので、低充電状態の負極3の抵抗が低いことが分かる。そのおかげで、実施例1〜4の非水電解質電池10は、低充電状態において、出力特性だけでなく、入力特性にも優れる。また、実施例1〜4の非水電解質電池は、低充電状態での出力が優れているので、低充電状態での負極3における抵抗が平準化していることが分かる。そのため、実施例1〜4の非水電解質電池10は、充放電に伴う負極集電体31への負荷を小さくすることができ、負極集電体31の劣化を防ぐことができる。これらのおかげで、実施例1〜4の非水電解質電池10は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができると共に、優れた寿命特性を示すことができる。
一方、比較例1は、Eの値が85μmよりも大きかった。そのため、比較例1の電池10では、負極3の抵抗が高くなり過ぎ、その結果、低充電状態での出力が低くなったと考えられる。また、比較例1は、a/bの値が16よりも大きかった。そのため、比較例1の電池10では、低充電状態での負極3の抵抗が高くなり、これが低充電状態での出力が低くなった更なる理由であると考えられる。
比較例2は、a/bの値が16よりも大きかった。そのため、比較例2の電池では、低充電状態での負極3の抵抗が高くなり、その結果、低充電状態での出力が低くなったと考えられる。また、比較例2では、D/Eの値が1.4よりも大きかった。これは、比較例2の電池10における正極2の厚みが大き過ぎたことが原因であると考えられる。比較例2の電池10では、正極2の厚みが大き過ぎたため、正極2の抵抗が高くなり、その結果、出力が下がったと考えられる。
(比較例3)
比較例3では、以下に示す手順で、非水電解質電池を作成した。
比較例3では、以下に示す手順で、非水電解質電池を作成した。
まず、比較例1と同様の手順により作製した正極を、正極塗工部の幅が67mm、高さが87mm、集電部の幅が22mm、高さが10mmとなるように電極を打ち抜いた。また、比較例1と同様の手順により作製した負極を、負極塗工部の幅が68mm、高さが88mm、集電部の幅が22mm、高さが10mmとなるように電極を打ち抜いた。かくして、複数の正極及び複数の負極を作製した。
次に、比較例1で用いたのと同様の複数のセパレータを準備した。これらを、セパレータ、負極、セパレータ、正極、セパレータ、及び負極の順に積層させて、比較例3の積層体を含む電極群を作製した。積層体12の寸法は、67mm×97mm×2.7mmであった。
このようにして作製した比較例3の電極群を用いたこと以外は比較例1と同様の手順で、比較例3の非水電解質電池を作製した。
(実施例5)
実施例5では、以下に示す手順で、非水電解質電池を作成した。
実施例5では、以下に示す手順で、非水電解質電池を作成した。
まず、実施例1と同様の手順で作製した正極を、正極塗工部の幅が67mm、高さが87mm、集電部の幅が22mm、高さが10mmとなるように電極を打ち抜いた。また、実施例1と同様の手順により作製した負極を、負極塗工部の幅が68mm、高さが88mm、集電部の幅が22mm、高さが10mmとなるように電極を打ち抜いた。かくして、複数の正極及び複数の負極を作製した。
次に、実施例1で用いたのと同様の複数のセパレータを準備した。次に、これらを、セパレータ、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層させて、実施例5の積層体を含む電極群を作製した。積層体の寸法は、67mm×97mm×1.4mmであった。
このようにして作製した実施例5の電極群を用いたこと以外は比較例1と同様の手順で、実施例5の非水電解質電池を作製した。
(低SOCでの出力試験)
実施例5及び比較例3の非水電解質電池に対して、実施例1〜4並びに比較例1及び2と同様の手順で、低SOC(低充電状態)での出力試験を行った。その結果を以下の表2に示す。
実施例5及び比較例3の非水電解質電池に対して、実施例1〜4並びに比較例1及び2と同様の手順で、低SOC(低充電状態)での出力試験を行った。その結果を以下の表2に示す。
[積層体の厚みa1、負極集電体の厚みの合計b1、正極の厚みD1、及び負極の厚みE1の測定]
先に説明した方法に従って、電極群1の積層体12の厚みa1、負極集電体31の厚みの合計b1、正極2の厚みD1、及び負極3の厚みE1を測定した。その結果を以下の表2にまとめる。なお、以下の表2には、「a1/b1」の値及び「D1/E1」の値も合わせて記載している。
先に説明した方法に従って、電極群1の積層体12の厚みa1、負極集電体31の厚みの合計b1、正極2の厚みD1、及び負極3の厚みE1を測定した。その結果を以下の表2にまとめる。なお、以下の表2には、「a1/b1」の値及び「D1/E1」の値も合わせて記載している。
[結果]
表2から明らかなように、実施例5の非水電解質電池は、比較例3の非水電解質電池よりも低充電状態での出力特性に優れていた。つまり、実施例5と比較例3との関係は、実施例1〜4と、比較例1及び2との間の関係と同様であった。
表2から明らかなように、実施例5の非水電解質電池は、比較例3の非水電解質電池よりも低充電状態での出力特性に優れていた。つまり、実施例5と比較例3との関係は、実施例1〜4と、比較例1及び2との間の関係と同様であった。
実施例5の非水電解質電池は、低充電状態での出力特性に優れているので、低充電状態の負極の抵抗が低いことが分かる。そのおかげで、実施例5の非水電解質電池は、低充電状態において、出力特性だけでなく、入力特性にも優れる。また、実施例5の非水電解質電池は、低充電状態での出力が優れているので、低充電状態での負極における抵抗が平準化していることが分かる。そのため、実施例5の非水電解質電池は、充放電に伴う負極集電体への負荷を小さくすることができ、負極集電体の劣化を防ぐことができる。これらのおかげで、実施例5の非水電解質電池は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができると共に、優れた寿命特性を示すことができる。
一方、比較例3は、E1の値が85μmよりも大きかった。そのため、比較例3の電池では、負極の抵抗が高くなり過ぎ、その結果、低充電状態での出力が低くなったと考えられる。また、比較例3は、a1/b1の値が16よりも大きかった。そのため、比較例1の電池では、低充電状態での負極の抵抗が高くなり、これが低充電状態での出力が低くなった更なる理由であると考えられる。
以上述べた少なくとも1つの実施形態又は実施例によると、捲回型電極群が提供される。この電極群は、電極群の平坦部分の厚みa[mm]、平坦部分の負極集電体の厚みの合計b[mm]、正極の厚みD[μm]及び負極の厚みE[μm]が関係式(1)10≦a/b≦16、関係式(2)0.7≦D/E≦1.4及び関係式(3)E≦85を満たす。これらの結果、この捲回型電極群は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができる。
また、以上に述べた少なくとも1つの実施形態又は実施例によると、電極群が提供される。この電極群は、積層体の厚みa1[mm]、負極集電体の厚み又は厚みの合計b1[mm]、正極の厚みD1[μm]及び負極の厚みE1[μm]が関係式(I)10≦a1/b1≦16、関係式(II)0.7≦D1/E1≦1.4及び関係式(III)E1≦85を満たす。これらの結果、この電極群は、低充電状態で優れた入出力特性を示すことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…電極群、11…絶縁テープ、12…積層体、2…正極、21…正極集電体、22…正極層、23…正極集電タブ、3…負極、31…負極集電体、32…負極層、33…負極集電タブ、4…セパレータ、5…外装材、5a…蓋体、5b…注液口、6…正極端子、61…正極リード、7…負極端子、71…負極リード、8…ガラス材、10…非水電解質電池。
Claims (8)
- 正極と、
一層又は複数層の負極であって、それぞれが、負極集電体と、前記負極集電体上に形成された負極層とを含み、前記負極層がリチウムチタン複合酸化物を含む負極と、
セパレータと
を含む積層体を具備し、
下記の関係式(I)〜(III)を満たすことを特徴とする電極群。
10≦a1/b1≦16 (I)
0.7≦D1/E1≦1.4 (II)
E1≦85 (III)
ただし、前記a1[mm]は前記積層体の厚みであり、前記b1[mm]は、前記積層体が一層の前記負極を含む場合は一層の前記負極集電体の厚みであり、前記積層体が複数層の前記負極を含む場合は前記負極集電体の厚みの合計であり、前記D1[μm]は前記正極の厚みであり、前記E1[μm]は前記負極の厚みである。 - 前記負極集電体がアルミニウム又はアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項1に記載の電極群。
- 前記セパレータが不織布であることを特徴とする請求項2に記載の電極群。
- 請求項1〜3の何れか1項に記載の電極群と、
非水電解質と
を具備することを特徴とする非水電解質電池。 - 正極と、
負極集電体と、前記負極集電体上に形成された負極層とを含み、前記負極層がリチウムチタン複合酸化物を含む負極と、
セパレータと
を具備する平坦部分を含み、
下記の関係式(1)〜(3)を満たすことを特徴とする捲回型電極群。
10≦a/b≦16 (1)
0.7≦D/E≦1.4 (2)
E≦85 (3)
ただし、前記a[mm]は前記平坦部分の厚みであり、前記b[mm]は前記平坦部分における前記負極集電体の厚みの合計であり、前記D[μm]は前記正極の厚みであり、前記E[μm]は前記負極の厚みである。 - 前記負極集電体がアルミニウム又はアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項5に記載の捲回型電極群。
- 前記セパレータが不織布であることを特徴とする請求項6に記載の捲回型電極群。
- 請求項5〜7の何れか1項に記載の捲回型電極群と、
非水電解質と
を具備することを特徴とする非水電解質電池。
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