JPWO2018066184A1 - 電池、電動車両および蓄電システム - Google Patents
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Abstract
Description
<1.第1の実施形態>
[1.1 電池の構成]
[1.2 電池の製造方法]
<2.実施例>
<3.応用例1>
<4.応用例2>
[1.1 電池の構成]
図1Aに示すように、本開示の第1の実施形態に係る非水電解質二次電池(以下単に「電池」という。)10は、いわゆる扁平型または角型のリチウムイオンポリマー電池であり、正極リード14Aおよび負極リード14Bが取り付けられた電池素子11をフィルム状の外装材12の内部に収容したものであり、小型化、軽量化および薄型化が可能となっている。
図2に示すように、外装材12は、矩形状を有し、その中央部から各辺が重なるようにして折り返されている。折返しの境界には、切り込みなどが予め設けられていてもよい。折り返された外装材12の間には、電池素子11が挟み込まれ、電池素子11の周囲のうちトップ側およびサイド側にて外装材12が封止されている。封止の形態としては、例えば、熱融着などの接着が挙げられる。外装材12は、重ね合わされる一方の面に、電池素子11を収容するための収容部16を有している。この収容部16は、例えば、深絞り加工により形成される。
図2に示すように、電池素子11は、扁平形状を有するスタック型電極構造の電池素子である。正極リード14Aおよび負極リード14Bは、例えば電池素子11の一端から同一方向に導出されている。電池素子11は、いわゆるリチウムイオンポリマー二次電池である。
正極21は、正極集電体21Aの片面または両面に正極活物質層21Bおよび絶縁層30が設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bおよび絶縁層30を設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔またはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質を含んでいる。正極活物質層21Bは、必要に応じて添加剤をさらに含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、導電剤および結着剤のうちの少なくとも1種を用いることができる。絶縁層30は、樹脂材料としてのバインダーと無機粒子との混合物により構成されている。ただし、絶縁層30は、バインダーのみで構成することも可能である。ただし、絶縁性の観点から絶縁層30には無機粒子も用いたほうが好ましい。
(但し、式(A)中、M1は、ニッケル、マンガンを除く2族〜15族から選ばれる元素のうち少なくとも一種を示す。Xは、酸素以外の16族元素および17族元素のうち少なくとも1種を示す。p、q、y、zは、0≦p≦1.5、0≦q≦1.0、0≦r≦1.0、−0.10≦y≦0.20、0≦z≦0.2の範囲内の値である。)
(但し、式(B)中、M2は、2族〜15族から選ばれる元素のうち少なくとも一種を示す。a、bは、0≦a≦2.0、0.5≦b≦2.0の範囲内の値である。)
(但し、式(C)中、M3は、コバルト、マグネシウム(Mg)、アルミニウム、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄、銅、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。f、g、h、jおよびkは、0.8≦f≦1.2、0<g<0.5、0≦h≦0.5、g+h<1、−0.1≦j≦0.2、0≦k≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、fの値は完全放電状態における値を表している。)
(但し、式(D)中、M4は、コバルト、マンガン、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、鉄、銅、亜鉛、モリブデン、スズ、カルシウム、ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。m、n、pおよびqは、0.8≦m≦1.2、0.005≦n≦0.5、−0.1≦p≦0.2、0≦q≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、mの値は完全放電状態における値を表している。)
(但し、式(E)中、M5は、ニッケル、マンガン、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、鉄、銅、亜鉛、モリブデン、スズ、カルシウム、ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。r、s、tおよびuは、0.8≦r≦1.2、0≦s<0.5、−0.1≦t≦0.2、0≦u≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、rの値は完全放電状態における値を表している。)
(但し、式(F)中、M6は、コバルト、ニッケル、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、鉄、銅、亜鉛、モリブデン、スズ、カルシウム、ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。v、w、xおよびyは、0.9≦v≦1.1、0≦w≦0.6、3.7≦x≦4.1、0≦y≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、vの値は完全放電状態における値を表している。)
(但し、式(G)中、M7は、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、ニオブ(Nb)、銅、亜鉛、モリブデン、カルシウム、ストロンチウム、タングステンおよびジルコニウムからなる群のうちの少なくとも1種を表す。zは、0.9≦z≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、zの値は完全放電状態における値を表している。)
負極22は、負極集電体22Aの片面または両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層22Bと正極活物質層21Bとが対向するように配置されている。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、銅箔、ニッケル箔またはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどの樹脂製の多孔質膜によって構成されており、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は短絡防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池10の安全性向上を図ることができるので好ましい。特にポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、セパレータ23を構成する材料として好ましい。他にも、化学的安定性を備えた樹脂を、ポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合またはブレンド化した材料を用いることができる。あるいは、多孔質膜は、ポリプロピレン層と、ポリエチレン層と、ポリプロピレン層とを順次に積層した3層以上の構造を有していてもよい。
電解質層24は、非水電解液と、この非水電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、高分子化合物は非水電解液により膨潤されている。高分子化合物の含有比率は適宜調整可能である。特にゲル状の電解質とする場合には、高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池10の漏液を防止することができるので好ましい。
次に、本開示の第1の実施形態に係る電池10の製造方法の一例について説明する。
正極21を以下のようにして作製する。まず、例えば、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(NMP)など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帯状の正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより正極活物質層21Bを形成し、帯状の正極21を作製する。なお、正極活物質層21Bは第1正極部21Mの全域に設けられているのではなく、絶縁層30が形成される領域以外の領域に形成されている。
負極22を以下のようにして作製する。まず、例えば、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(NMP)またはメチルエチルケトン(MEK)など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帯状の負極集電体22Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより負極活物質層22Bを形成し、帯状の負極22を作製する。次に、負極22に、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層24を形成する。次に、この負極22を電池素子11に応じた形状に裁断する。なお、負極22を裁断後に電解質層24を形成するようにしてもよい。
電池素子11を以下のようにして作製する。まず、ポリプロピレン製微多孔フィルムなどを矩形状に切断し、セパレータ23を作製する。次に、上述のようにして得られた複数枚の正極21、負極22およびセパレータ23を、例えば図3に示すように、セパレータ23、正極21、セパレータ23、負極22、セパレータ23、・・・、セパレータ23、負極22、セパレータ23、正極21、セパレータ23の順で積層して、扁平形状を有する電池素子11を作製する。次に、積層した複数の正極21の第2正極部21N同士を接合するとともに、この接合した第2正極部21Nに対して正極リード14Aを電気的に接続する。また、積層した複数の負極22の第2負極部22N同士を接合するとともに、この接合した第2負極部22Nに対して負極リード14Bを電気的に接続する。接続の方法としては、例えば、超音波溶接、抵抗溶接、半田付けなどが挙げられるが、熱による接続部のダメージを考慮すると、超音波溶接、抵抗溶接などの熱影響の少ない方法を用いることが好ましい。
次に、外装材12の収容部16に電池素子11を収容した後、外装材12を中央から折り返して、外装材12の間に電池素子11を挟み込みつつ、外装材12を重ね合わせる。その際、正極リード14Aおよび負極リード14Bと外装材12との間には密着フィルム15A、15Bを挿入する。なお、正極リード14A、負極リード14Bにそれぞれ密着フィルム15A、15Bを予め設けておくようにしてもよい。次に、電池素子11の周囲のうちトップ側およびサイド側にて、重ね合わせた外装材12の熱融着樹脂層同士を熱融着により貼り合わせる。これにより、電池素子11が外装材12により封止され、電池10が得られる。
次に、必要に応じてヒートプレスにより電池10を成型する。より具体的には、電池10を加圧しながら、常温より高い温度で加熱する。これにより、電解質層24を構成する電解質などを正極活物質層21Bおよび負極活物質層22Bに含浸させるとともに、電解質層24と正極21および負極22との密着性を高めることができる。また、正極活物質同士および負極活物質同士の密着性を高め、正極活物質および負極活物質の接触抵抗を低下させることができる。
以下、実施例により本開示を具体的に説明するが、本開示はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
図6Aに示すように、正極21における絶縁層30は、第1正極部21M上における第2正極部21N側の一端(以下、第1絶縁層一端部と称する)から第1正極部21M上における絶縁層30の端(以下、絶縁層他端部と称する。)までの寸法を2mmとした。第2正極部21N上における絶縁層30の端(以下、第2絶縁層一端部と称する。)から絶縁層他端部までの寸法を4mmとした。そして、第1正極部21Mにおける第2正極部21Nが延出する側の一端(以下、正極縁部と称する。)と、第1負極部22Mにおける第2負極部22Nが延出する側の一端(以下、負極縁部と称する。)とのクリアランスが0mmである二次電池を作製した。
図6Bに示すように、正極21における絶縁層30は、第1絶縁層一端部から絶縁層他端部までの寸法が2mmであり、第2絶縁層一端部から他端部までの寸法が4mmであり、正極縁部と負極縁部とのクリアランスが−2mmであり、負極22に対して正極21がはみ出た状態の二次電池を作製した。
図7に示すように、正極21における絶縁層30は、第1絶縁層一端部から絶縁層他端部までの寸法が2mmであり、第2絶縁層一端部から他端部までの寸法が4mmであり、正極縁部と負極縁部とのクリアランスが+2mmであり、正極21に対して負極22がはみ出た状態の二次電池を作製した。
図8Aに示すように、正極21における絶縁層30は、第1絶縁層一端部から絶縁層他端部までの寸法が2mmであり、第2絶縁層一端部から他端部までの寸法が4mmであり、正極縁部と負極縁部とのクリアランスが−3mmであり、負極22に対して正極21がはみ出た状態の二次電池を作製した。
図8Bに示すように、正極21に絶縁材層を形成せず、正極縁部と負極縁部とのクリアランスが−2mmであり、負極22に対して正極21がはみ出た状態の二次電池を作製した。
「応用例としての車両における蓄電システム」
本開示を車両用の蓄電システムに適用した例について、図10を参照して説明する。図10に、本開示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。
「応用例としての住宅における蓄電システム」
本開示を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図11を参照して説明する。例えば住宅9001用の蓄電システム9100においては、火力発電9002a、原子力発電9002b、水力発電9002c等の集中型電力系統9002から電力網9009、情報網9012、スマートメータ9007、パワーハブ9008等を介し、電力が蓄電装置9003に供給される。
これと共に、家庭内発電装置9004等の独立電源から電力が蓄電装置9003に供給される。蓄電装置9003に供給された電力が蓄電される。蓄電装置9003を使用して、住宅9001で使用する電力が給電される。住宅9001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。
(1)
第1正極部と該第1正極部から延出する第2正極部とを備え、正極活物質層が設けられた正極と、第1負極部と該第1負極部から延出する第2負極部とを備え、負極活物質層が設けられた負極とがセパレータを介して交互に積層され、
前記第1正極部における前記第2正極部側の全幅に絶縁層が形成されている
電池。
(2)
さらに前記第2正極部における前記第1正極側の一部に前記絶縁層が形成されている(1)に記載の電池。
(3)
前記絶縁層は、樹脂材料を含む(1)または(2)に記載の電池。
(4)
前記絶縁層は、無機粒子を含む(3)に記載の電池。
(5)
前記絶縁層は、塗布により形成される(1)から(4)のいずれかに記載の電池。
(6)
前記絶縁層の前記第1正極部上における前記第2正極部側の一端から前記絶縁層の前記第1正極部上の他端までの寸法が1mm以上である(1)から(5)のいずれかに記載の電池。
(7)
前記第1正極部における前記第2正極部が延出する側の一端と、前記第1負極部における前記第2負極部が延出する側の一端とのクリアランスが2mm以下である(1)から(6)のいずれかに記載の電池。
(8)
前記正極の前記第2正極部は、前記負極の前記第2負極部と同方向に延出している(1)から(7)のいずれかに記載の電池。
(9)
前記正極の前記第2正極部は、前記負極の前記第2負極部と異なる方向に延出している(1)から(7)のいずれかに記載の電池。
(10)
前記第1正極部および前記第1負極部の平面視形状は、三角形以上の多角形状である(1)から(9)のいずれかに記載の電池。
(11)
前記正極のうち前記正極活物質層が設けられた領域の対向部には、前記負極の負極活物質層が存在する(1)から(10)のいずれかに記載の電池。
(12)
(1)から(11)のいずれかに記載の電池を備える電動車両。
(13)
(1)から(11)のいずれかに記載の電池を備える蓄電システム。
11 電池素子
12 外装材
13 潤滑剤
14A 正極リード
14B 負極リード
21 正極
21A 正極集電体
21B 正極活物質層
22 負極
30 絶縁層
Claims (13)
- 第1正極部と該第1正極部から延出する第2正極部とを備え、正極活物質層が設けられた正極と、第1負極部と該第1負極部から延出する第2負極部とを備え、負極活物質層が設けられた負極とがセパレータを介して交互に積層され、
前記第1正極部における前記第2正極部側の全幅に絶縁層が形成されている
電池。 - さらに前記第2正極部における前記第1正極側の一部に前記絶縁層が形成されている
請求項1に記載の電池。 - 前記絶縁層は、樹脂材料を含む
請求項1に記載の電池。 - 前記絶縁層は、無機粒子を含む
請求項3に記載の電池。 - 前記絶縁層は、塗布により形成される
請求項1に記載の電池。 - 前記絶縁層の前記第1正極部上における前記第2正極部側の一端から前記絶縁層の前記第1正極部上の他端までの寸法が1mm以上である
請求項1に記載の電池。 - 前記第1正極部における前記第2正極部が延出する側の一端と、前記第1負極部における前記第2負極部が延出する側の一端とのクリアランスが2mm以下である
請求項1に記載の電池。 - 前記正極の前記第2正極部は、前記負極の前記第2負極部と同方向に延出している
請求項1に記載の電池。 - 前記正極の前記第2正極部は、前記負極の前記第2負極部と異なる方向に延出している
請求項1に記載の電池。 - 前記第1正極部および前記第1負極部の平面視形状は、三角形以上の多角形状である
請求項1に記載の電池。 - 前記正極のうち前記正極活物質層が設けられた領域の対向部には、前記負極の負極活物質層が存在する
請求項1に記載の電池。 - 請求項1に記載の電池を備える電動車両。
- 請求項1に記載の電池を備える蓄電システム。
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