KR102107886B1 - 부극, 전지, 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템 - Google Patents

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Abstract

사이클 특성의 향상이 가능한 부극, 전지, 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템을 제공한다.

Description

부극, 전지, 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템
본 기술은, 부극, 전지, 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 휴대 전화 기기 등의 포터블 전자 기기가 널리 보급되고 있고, 그 소형화, 경량화 및 장수명화가 강하게 요구되고 있다. 이에 따라, 포터블 전자 기기의 전원으로서, 리튬 이온 이차 전지 등의 전지의 개발이 진행되고 있다.
리튬 이온 이차 전지에서는, 부극 활물질로서 탄소 재료가 널리 사용되고 있다. 최근에는, 포터블 전자 기기의 고성능화에 수반하여, 에너지 밀도를 더욱 향상시키는 것이 요구되고 있기 때문에, 부극 활물질로서, 탄소 재료 대신에 이론 용량이 큰 규소, 주석 등을 사용하는 것이 검토되고 있다.
하기 특허문헌1에는, Si 함유 부극 활물질 입자, 제1 도전제 및 섬유상의 제2 도전제를 포함하는 부극을 구비하고, 제1 도전제에 의해 표면이 덮인 적어도 2개의 Si 함유 부극 활물질 입자에, 제2 도전제가 접촉한 비수전해질 전지가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2008-117761호 공보
본 기술의 목적은, 사이클 특성의 향상이 가능한 부극, 전지, 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 기술은, 부극 활물질과, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함하고, 제1 탄소 섬유는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 것이며, 제2 탄소 섬유는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 것인 부극이다.
본 기술은, 정극과, 부극과, 전해질을 구비하고, 부극은, 부극 활물질과, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함하고, 제1 탄소 섬유는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 것이며, 제2 탄소 섬유는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 것인 전지이다.
본 기술의 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템은, 상술한 전지를 구비한 것이다.
본 기술의 부극에 의하면, 사이클 특성의 향상을 가능하게 한다. 본 기술의 전지, 전지 팩, 전자 기기, 전동 차량, 축전 장치 및 전력 시스템에 있어서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 기술의 실시 형태에 따른 전지의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 나타낸 권회 전극체의 일부를 확대해서 나타내는 단면도.
도 3은 본 기술의 실시 형태에 따른 전지의 일 구성예를 나타내는 분해 사시도.
도 4는 도 3에 나타내는 권회 전극체의 I-I선을 따른 단면 구성을 나타내는 단면도.
도 5는 본 기술의 실시 형태에 따른 전지 팩의 일 구성예를 나타내는 사시도.
도 6은 도 5에 나타낸 전지 팩의 일 구성예를 나타내는 블록도.
도 7은 본 기술의 실시 형태에 따른 전자 기기의 일 구성예를 나타내는 블록도.
도 8은 본 기술의 실시 형태에 따른 축전 시스템의 일 구성예를 나타내는 개략도.
도 9는 본 기술의 실시 형태에 따른 전동 차량의 일 구성예를 나타내는 개략도.
이하, 본 기술의 실시 형태에 대해서 설명한다. 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제1 실시 형태(원통형의 전지의 예)
2. 제2 실시 형태(라미네이트 필름형의 전지의 예)
3. 제3 실시 형태(전지 팩의 예)
4. 제4 실시 형태(전자 기기의 예)
5. 제5 실시 형태(축전 시스템의 예)
6. 제6 실시 형태(전동 차량의 예)
7. 다른 실시 형태(변형예)
또한, 이하에 설명하는 실시 형태 등은 본 기술의 적합한 구체예이며, 본 기술의 내용이 이들 실시 형태 등에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이며 한정되는 것은 아니고, 또한 예시한 효과와 상이한 효과가 존재함을 부정하는 것은 아니다.
1. 제1 실시 형태
(1-1) 비수전해질 전지의 구성예
본 기술의 제1 실시 형태에서는, 일례로서 원통형의 비수전해질 이차 전지(이하, 「비수전해질 전지」 또는 간단히 「전지」라고 함)에 대해서, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 이 비수전해질 전지는, 주로 거의 중공 원기둥 형상의 전지 캔(11)의 내부에, 권회 전극체(20) 및 한 쌍의 절연판(12, 13)이 수납된 것이다. 이러한 전지 캔(11)을 사용한 전지 구조는, 원통형이라고 불리고 있다.
전지 캔(11)은, 예를 들어 일단부가 폐쇄됨과 함께 타단부가 개방된 중공 구조를 갖고 있으며, 철(Fe), 알루미늄(Al) 또는 그들의 합금 등에 의해 형성되어 있다. 또한, 전지 캔(11)이 철을 포함하는 경우에는, 예를 들어 전지 캔에(11) 표면에 니켈(Ni) 등이 도금되어 있어도 된다. 한 쌍의 절연판(12, 13)은, 권회 전극체(20)를 상하로부터 사이에 끼우고, 그 권회 둘레면에 대하여 수직으로 연장되게 배치되어 있다.
전지 캔(11)의 개방단부에는, 전지 덮개(14), 안전 밸브 기구(15) 및 열감 저항 소자(Positive Temperature Coefficient: PTC 소자)(16)가 가스킷(17)을 개재해서 코오킹되어 있고, 그 전지 캔(11)은, 밀폐되어 있다. 전지 덮개(14)는, 예를 들어 전지 캔(11)과 마찬가지의 재료에 의해 형성되어 있다. 안전 밸브 기구(15) 및 열감 저항 소자(16)는, 전지 덮개(14)의 내측에 설치되어 있다.
안전 밸브 기구(15)는, 열감 저항 소자(16)를 통해서 전지 덮개(14)와 전기적으로 접속되어 있다. 이 안전 밸브 기구(15)에서는, 내부 단락 또는 외부로부터의 가열 등에 기인하여 내압이 일정 이상이 된 경우에, 디스크판(15A)이 반전해서 전지 덮개(14)와 권회 전극체(20) 사이의 전기적 접속을 절단하게 되어 있다.
열감 저항 소자(16)는, 온도의 상승에 따라서 저항이 증대함(전류를 제한함)으로써, 대전류에 기인하는 이상 발열을 방지하는 것이다. 가스킷(17)은, 예를 들어 절연 재료에 의해 형성되어 있고, 그 표면에는, 예를 들어 아스팔트가 도포되어 있다.
권회 전극체(20)는, 세퍼레이터(23)를 개재해서 정극(21)과 부극(22)이 적층 및 권회된 것이다. 이 권회 전극체(20)의 중심에는, 센터 핀(24)이 삽입되어 있어도 된다.
권회 전극체(20)의 정극(21)에는 정극 리드(25)가 접속되어 있고, 부극(22)에는 부극 리드(26)가 접속되어 있다. 정극 리드(25)는 안전 밸브 기구(15)에 용접됨으로써 전지 덮개(14)와 전기적으로 접속되어 있고, 부극 리드(26)는 전지 캔(11)에 용접되어 전기적으로 접속되어 있다.
정극 리드(25)는, 예를 들어 박판 형상의 도전 부재이며, 예를 들어 알루미늄 등에 의해 형성되어 있다. 부극 리드(26)는, 예를 들어 박판 형상의 도전 부재이며, 구리(Cu), 니켈 또는 스테인리스(SUS) 등에 의해 형성되어 있다.
(정극)
정극(21)은, 예를 들어 정극 집전체(21A)의 양면에 정극 활물질층(21B)이 형성된 것이다. 또한, 정극(21)은, 정극 집전체(21A)의 편면에만 정극 활물질층(21B)이 형성된 영역을 갖고 있어도 된다.
정극 집전체(21A)로서는, 예를 들어 알루미늄박, 니켈박 또는 스테인리스박 등의 금속박을 사용할 수 있다.
정극 활물질층(21B)은, 정극 활물질을 포함한다. 정극 활물질층(21B)은, 필요에 따라, 도전제, 결착제 등의 다른 재료를 포함하고 있어도 된다.
(정극 활물질)
정극 활물질로서는, 예를 들어 리튬을 흡장 및 방출 가능한 재료를 사용할 수 있다. 정극 활물질로서는, 예를 들어 리튬 함유 화합물을 사용할 수 있다.
리튬 함유 화합물로서는, 예를 들어 리튬과 전이 금속 원소를 포함하는 복합 산화물(「리튬 전이 금속 복합 산화물」이라고 함), 리튬과 전이 금속 원소를 포함하는 인산 화합물(「리튬 전이 금속 인산 화합물」이라고 함) 등을 들 수 있다. 리튬 함유 화합물로서는, 전이 금속 원소로서 코발트(Co), 니켈, 망간(Mn) 및 철 중 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다. 더 높은 전압이 얻어지기 때문이다.
리튬 전이 금속 복합 산화물로서는, 예를 들어 층상 암염형 구조의 리튬 전이 금속 복합 산화물, 스피넬형 구조의 리튬 전이 금속 복합 산화물 등을 들 수 있다.
층상 암염형 구조의 리튬 전이 금속 복합 산화물로서는, 예를 들어 일반식 LixM1O2(식 중, M1은 1종 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 원소를 나타낸다. x의 값은, 일례로서, 0.05≤x≤1.10이다. x의 값은 전지의 충방전 상태에 따라 상이하다. 또한, x의 값은 이것에 한정되는 것은 아니다.)로 표현되는 리튬 함유 화합물 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 리튬 코발트 복합 산화물(LixCoO2), 리튬 니켈 복합 산화물(LixNiO2), 리튬 니켈 코발트 복합 산화물(LixNi1 - zCozO2(0<z<1)), 리튬 니켈 코발트 망간 복합 산화물(LixNi(1-v-w)CovMnwO2(0<v+w<1, v>0, w>0)), 리튬 코발트 알루미늄 마그네슘 복합 산화물(LixCo(1-p-q)AlpMgqO2(0<p+q<1, p>0, q>0)) 등을 들 수 있다.
스피넬형 구조의 리튬 전이 금속 복합 산화물로서는, 예를 들어 리튬 망간 복합 산화물(LiMn2O4), 리튬 망간 니켈 복합 산화물(LixMn2-tNitO4(0<t<2)) 등을 들 수 있다.
리튬 전이 금속 인산 화합물로서는, 예를 들어 올리빈형 구조의 리튬 전이 금속 인산 화합물 등을 들 수 있다.
올리빈형 구조의 리튬 전이 금속 인산 화합물로서는, 예를 들어 일반식 LiyM2PO4(식 중, M2는 1종 이상의 전이 금속 원소를 포함하는 원소를 나타낸다. y의 값은, 일례로서, 0.05≤y≤1.10이다. y의 값은 전지의 충방전 상태에 따라 상이하다. 또한, y의 값은 이 범위에 한정되는 것은 아니다.)로 표현되는 리튬 함유 화합물 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 리튬 철 인산 화합물(LiyFePO4), 리튬 철 망간 인산 화합물(LiyFe1 - uMnuPO4(0<u<1)) 등을 들 수 있다.
정극 활물질로서는, 상술한 리튬 함유 화합물의 입자와, 리튬 함유 화합물의 입자 표면의 적어도 일부에 형성된 피복층을 갖는 피복 입자를 사용해도 된다. 이러한 피복 입자를 사용함으로써 전지 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
피복층은, 모재가 되는 리튬 함유 화합물의 입자(모재 입자) 표면의 적어도 일부에 형성된 것이며, 모재 입자와는 다른 조성 원소 또는 조성비를 갖는 것이다. 피복층으로서는, 예를 들어 산화물이나 전이 금속 화합물 등을 포함하는 것을 들 수 있다. 구체적으로는, 피복층으로서는, 예를 들어 리튬과 니켈 및 망간 중 적어도 한쪽을 포함하는 산화물 또는 니켈, 코발트, 망간, 철, 알루미늄, 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)으로 이루어지는 군 중 적어도 1종과, 산소(O)와, 인(P)을 포함하는 화합물 등을 포함한다. 피복층은, 불화 리튬 등의 할로겐화물 또는 산소 이외의 칼코겐화물을 포함하도록 해도 된다.
피복층의 존재는, 정극 활물질의 표면으로부터 내부를 향해서 구성 원소의 농도 변화를 조사함으로써 확인할 수 있다. 예를 들어, 농도 변화는, 피복층이 형성된 리튬 함유 화합물의 입자를 스퍼터링 등에 의해 절삭하면서 그 조성을 오제 전자 분광 분석(Auger Electron Spectroscopy: AES) 또는 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry: 2차 이온 질량 분석)에 의해 측정하는 것이 가능하다. 또한, 피복층이 형성된 리튬 함유 화합물의 입자를 산성 용액 중 등에서 천천히 용해시키고, 그 용출분의 시간 변화를 유도 결합 고주파 플라스마(Inductively Coupled Plasma: IPC) 분광 분석 등에 의해 측정하는 것도 가능하다.
그 밖에, 정극 활물질로서는, 예를 들어 산화물, 이황화물, 리튬을 함유하지 않는 칼코겐화물(특히 층상 화합물이나 스피넬형 화합물), 도전성 고분자 등을 사용할 수 있다. 산화물로서는, 예를 들어 산화바나듐(V2O5), 이산화티타늄(TiO2), 이산화망간(MnO2) 등을 들 수 있다. 이황화물로서는, 예를 들어 2황화철(FeS2), 이황화티타늄(TiS2), 이황화몰리브덴(MoS2) 등을 들 수 있다. 리튬을 함유하지 않는 칼코겐화물로서는, 예를 들어 2셀렌화 니오븀(NbSe2) 등을 들 수 있다. 도전성 고분자로서는, 황, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌 또는 폴리피롤 등을 들 수 있다.
정극 활물질은, 상기에서 예시한 정극 활물질 이외이어도 된다. 또한, 상기에서 예시한 정극 활물질은, 임의의 조합으로 2종 이상 혼합되어도 된다.
(도전제)
도전제로서는, 예를 들어 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 탄소 재료로서는, 예를 들어 그래파이트, 카본 블랙 또는 아세틸렌 블랙 등을 들 수 있다. 또한, 도전제는, 도전성을 갖는 재료라면, 금속 재료 또는 도전성 고분자 등이어도 된다.
(결착제)
결착제로서는, 예를 들어 수지 재료 등을 사용할 수 있다. 수지 재료로서는, 폴리불화비닐리덴(PVdF), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 스티렌부타디엔 고무(SBR) 또는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 등을 들 수 있다.
(부극)
부극(22)은, 부극 집전체(22A)의 양면에 부극 활물질층(22B)이 형성된 구조를 갖고 있다. 또한, 부극(22)은, 부극 집전체(22A)의 편면에만 부극 활물질층(22B)이 형성된 영역을 갖고 있어도 된다.
부극 집전체(22A)로서는, 예를 들어 구리박 등의 금속박을 사용할 수 있다.
부극 활물질층(22B)은, 적어도 부극 활물질 및 탄소 섬유를 포함한다. 부극 활물질층(22B)은, 필요에 따라, 도전제, 결착제 등의 다른 재료를 포함하고 있어도 된다. 도전제 및 결착제로서는, 정극(21)의 도전제 및 결착제와 마찬가지의 재료 등을 사용할 수 있다.
(부극 활물질)
부극 활물질로서는, 예를 들어 리튬을 흡장 및 방출 가능한 재료를 사용할 수 있다. 부극 활물질은, 탄소 재료 및 비탄소 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
(탄소 재료)
탄소 재료는, 예를 들어 흑연을 포함한다. 또한, 흑연의 종류는, 특별히 한정되지 않는다. 즉, 흑연의 종류는, 예를 들어 천연 흑연이어도 되고, 인조 흑연이어도 되고, 양쪽이어도 된다. 또한, 흑연의 형상은, 예를 들어 섬유상, 구상, 입상 및 인편상 등 중 1종 또는 2종 이상이어도 된다. 흑연의 표면은, 피치 및 수지 등 중 1종 또는 2종 이상에 의해 피복 또는 부분 수식되어 있어도 된다.
천연 흑연은, 예를 들어 인편상 흑연, 인상 흑연 및 토상 흑연 등 중 1종 또는 2종 이상이다. 인조 흑연은, 예를 들어 메소카본 마이크로 비드(MCMB) 등 중 1종 또는 2종 이상이다.
(비 탄소 재료)
비 탄소 재료는, 금속계 재료를 포함한다. 이 「금속계 재료」란, 전극 반응 물질과 반응 가능한 원소(이하, 「반응 원소」라고 함.) 중 1종 또는 2종 이상을 구성 원소로서 포함하는 재료이다. 단, 탄소는, 여기서 설명하는 반응 원소로부터 제외된다. 이 반응 원소의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는, 규소 및 주석 등 중 1종 또는 2종 이상이다.
「전극 반응 물질」이란, 활물질을 사용한 이차 전지에 있어서 전극 반응(충방전 반응)에 사용되는 물질이며, 예를 들어 리튬 이차 전지에서는 리튬(Li)이다.
금속계 재료는, 상기한 바와 같이, 반응 원소 중 1종 또는 2종 이상을 구성 원소로서 포함하는 재료이기 때문에, 단체이어도 되고, 합금이어도 되고, 화합물이어도 되고, 그들 중 2종 이상이어도 된다. 즉, 금속계 재료는, 규소의 단체, 규소의 합금 및 규소의 화합물 중 1종 또는 2종 이상이어도 된다. 또한, 금속계 재료는, 주석의 단체, 주석의 합금 및 주석의 화합물 중 1종 또는 2종 이상이어도 된다. 물론, 금속계 재료는, 상기한 일련의 금속계 재료의 후보 중 2종 이상이어도 된다. 또한, 본 기술에 있어서, 합금에는 2종 이상의 금속 원소를 포함하는 것 외에, 1종 이상의 금속 원소와 1종 이상의 반금속 원소를 포함하는 것도 포함한다. 또한, 비금속 원소를 포함하고 있어도 된다. 그 조직에는 고용체, 공정(공융 혼합물), 금속간 화합물 또는 그들 중의 2종 이상이 공존하는 경우가 있다.
그 중에서도, 금속계 재료는, 규소 및 주석 중 한쪽 또는 양쪽을 구성 원소로서 포함하는 재료인 것이 바람직하고, 규소를 구성 원소로서 포함하는 재료인 것이 보다 바람직하다. 높은 에너지 밀도가 얻어지기 때문이다.
규소의 합금 및 규소의 화합물에 관한 상세는, 이하와 같다.
규소의 합금은, 예를 들어 규소 이외의 구성 원소로서, 주석, 니켈, 구리, 철, 코발트, 망간, 아연, 인듐(In), 은(Ag), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb) 및 크롬(Cr) 등 중 1종 또는 2종 이상을 포함하고 있다. 규소의 화합물은, 예를 들어 규소 이외의 구성 원소로서, 탄소 및 산소 등 중 1종 또는 2종 이상을 포함하고 있다. 또한, 규소의 화합물은, 예를 들어 규소 이외의 구성 원소로서, 상기한 규소 이외의 구성 원소 중 1종 또는 2종 이상을 포함하고 있어도 된다.
규소의 합금 및 규소의 화합물의 구체예는, SiB4, SiB6, Mg2Si, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2, SiC, Si3N4, Si2N2O, SiOv(0<v≤2) 및 LiSiO 등이다. 또한, SiOv에 있어서의 v는, 0.2<v<1.4일 수도 있다. 또한, 규소의 합금은, 액상법, 기상법 및 고상법 등 중 1종 또는 2종 이상을 사용하여, 저결정 카본, 고결정 카본 및 흑연 등 중 1종 또는 2종 이상에 의해 피복 또는 부분 수식되어 있어도 된다. 이렇게 피복 또는 부분 수식되어 있어도 되는 것은, 규소의 화합물에 대해서도 마찬가지이다.
주석의 합금 및 주석의 화합물에 관한 상세는, 규소 대신에 주석을 사용함과 함께, 주석 이외의 구성 원소에 규소도 포함되는 것을 제외하고, 상기한 규소의 합금 및 규소의 화합물에 관한 상세와 마찬가지이다. 주석의 합금 및 주석의 화합물의 구체예는, SnOx(0<x≤2), SnSiO3, LiSnO 및 Mg2Sn 등이다.
단, 주석의 합금 및 주석의 화합물에는, 이하에서 설명하는 재료도 포함된다. 이 재료는, 예를 들어 제1 구성 원소인 주석과 함께 제2 및 제3 구성 원소를 포함하는 재료(Sn 함유 재료)이다. 제2 구성 원소는, 예를 들어 코발트, 철, 마그네슘, 티타늄, 바나듐(V), 크롬, 망간, 니켈, 구리, 아연, 갈륨(Ga), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은, 인듐, 세슘(Ce), 하프늄, 탄탈륨, 텅스텐, 비스무트 및 규소 등 중 1종 또는 2종 이상이다. 제3 구성 원소는, 예를 들어 붕소(B), 탄소, 알루미늄 및 인 등 중 1종 또는 2종 이상이다.
그 중에서도, Sn 함유 재료는, 주석, 코발트 및 탄소를 구성 원소로서 포함하는 재료(SnCoC 함유 재료)인 것이 바람직하다. 이 SnCoC 함유 재료에서는, 예를 들어 탄소의 함유량이 9.9wt％ 내지 29.7wt％, 주석 및 코발트의 함유량 비율(Co/(Sn+Co))이 20wt％ 내지 70wt％이다. 높은 에너지 밀도가 얻어지기 때문이다.
SnCoC 함유 재료는, 주석, 코발트 및 탄소를 포함하는 상을 갖고 있으며, 그 상은, 저결정성 또는 비정질인 것이 바람직하다. 이 상은, 전극 반응 물질과 반응 가능한 상(반응상)이기 때문에, 그 반응상의 존재에 의해 우수한 특성이 얻어진다. X선 회절에 의해 얻어지는 반응상의 회절 피크의 반값폭(회절각 2θ)은 특정 X선으로서 CuKα선을 사용함과 함께 삽입 속도를 1°/min으로 한 경우에 있어서, 1° 이상인 것이 바람직하다. 전극 반응 물질이 보다 원활하게 흡장 방출됨과 함께, 전해질과의 반응성이 저감되기 때문이다. 또한, SnCoC 함유 재료는, 저결정성 또는 비정질의 상 외에, 각 구성 원소의 단체 또는 일부가 포함되어 있는 상을 포함하고 있는 경우도 있다.
X선 회절에 의해 얻어진 회절 피크가 전극 반응 물질과 반응 가능한 상(반응상)에 대응하는지 여부는, 전극 반응 물질과의 전기 화학적 반응의 전후에 있어서의 X선 회절 차트를 비교하면, 용이하게 판단할 수 있다. 예를 들어, 전극 반응 물질과의 전기 화학적 반응의 전후에 있어서 회절 피크의 위치가 변화되면, 전극 반응 물질과 반응 가능한 상에 대응한다. 이 경우에는, 예를 들어 저결정성 또는 비정질의 반응상의 회절 피크가 2θ=20°∼50°의 범위에 검출된다. 이 반응상은, 예를 들어 상기한 각 구성 원소를 포함하고 있고, 주로, 탄소의 존재에 기인해서 저결정화 또는 비정질화되어 있다고 생각된다.
SnCoC 함유 재료에서는, 구성 원소인 탄소 중의 적어도 일부가 다른 구성 원소인 금속 원소 또는 반금속 원소와 결합하고 있는 것이 바람직하다. 주석 등의 응집 또는 결정화가 억제되기 때문이다. 원소의 결합 상태에 대해서는, 예를 들어 X선 광전자 분광(XPS)법을 사용해서 확인 가능하다. 시판되는 장치에서는, 예를 들어 연 X선으로서 Al-Kα선 또는 Mg-Kα선 등이 사용된다. 탄소 중 적어도 일부가 금속 원소 또는 반금속 원소 등과 결합하고 있는 경우에는, 탄소의 1s 궤도(C1s)의 합성파의 피크가 284.5eV보다도 낮은 영역에 나타난다. 또한, 금 원자의 4f 궤도(Au4f)의 피크는, 84.0eV에 얻어지도록 에너지 교정되어 있는 것으로 한다. 이때, 통상 물질 표면에 표면 오염 탄소가 존재하고 있기 때문에, 그 표면 오염 탄소의 C1s의 피크를 284.8eV로 하고, 그 피크를 에너지 기준으로 한다. XPS법을 사용한 분석 측정에 있어서, C1s의 피크의 파형은, 표면 오염 탄소의 피크와 SnCoC 함유 재료 중에 있어서의 탄소의 피크를 포함한 형태로 얻어진다. 이 때문에, 예를 들어 시판되는 소프트웨어를 사용해서 해석함으로써, 양자의 피크를 분리한다. 파형의 해석에서는, 최저 속박 에너지측에 존재하는 주 피크의 위치를 에너지 기준(284.8eV)으로 한다.
또한, SnCoC 함유 재료는, 구성 원소가 주석, 코발트 및 탄소만인 재료(SnCoC)에 한정되지 않는다. 이 SnCoC 함유 재료는, 예를 들어 주석, 코발트 및 탄소 이외에, 또한 규소, 철, 니켈, 크롬, 인듐, 니오븀, 게르마늄, 티타늄, 몰리브덴, 알루미늄, 인, 갈륨 및 비스무트 등 중 1종 또는 2종 이상을 구성 원소로서 포함하고 있어도 된다.
SnCoC 함유 재료 외에, 주석, 코발트, 철 및 탄소를 구성 원소로서 포함하는 재료(SnCoFeC 함유 재료)도 바람직하다. 이 SnCoFeC 함유 재료의 조성은, 임의이면 된다. 일례를 들면, 철의 함유량을 적게 설정하는 경우에는, 탄소의 함유량이 9.9wt％ 내지 29.7wt％, 철의 함유량이 0.3wt％ 내지 5.9wt％, 주석 및 코발트의 함유량 비율(Co/(Sn+Co))이 30wt％ 내지 70wt％이다. 또한, 철의 함유량을 많게 설정하는 경우에는, 탄소의 함유량이 11.9wt％ 내지 29.7wt％, 주석, 코발트 및 철의 함유량 비율((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))이 26.4wt％ 내지 48.5wt％, 코발트 및 철의 함유량 비율(Co/(Co+Fe))이 9.9wt％ 내지 79.5wt％이다. 이 조성 범위에서, 높은 에너지 밀도가 얻어지기 때문이다. 또한, SnCoFeC 함유 재료의 물성(반값폭 등)은 상기한 SnCoC 함유 재료의 물성과 마찬가지이다.
또한, 부극 활물질은 다른 재료를 1종 또는 2종 이상 더 포함하고 있어도 된다.
다른 재료는, 예를 들어 금속 산화물 및 고분자 화합물 등의 재료 중 1종 또는 2종 이상이다. 단, 금속계 재료는, 여기서 설명하는 금속 산화물로부터 제외된다. 금속 산화물은, 예를 들어 산화철, 산화루테늄 및 산화몰리브덴 등이다. 고분자 화합물은, 예를 들어 폴리아세틸렌, 폴리아닐린 및 폴리피롤 등이다. 단, 다른 재료는, 상기 이외이어도 된다.
부극 활물질은, 상기에서 예시한 부극 활물질 이외이어도 된다. 또한, 상기에서 예시한 부극 활물질은, 임의의 조합으로 2종 이상 혼합되어도 된다.
(탄소 섬유)
탄소 섬유는 섬유상의 탄소 물질이며, 적어도 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함한다. 부극 활물질과 함께 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 사용함으로써 부극 활물질 입자 근방 및 부극 활물질층 전체에 양호한 도전 네트워크를 형성할 수 있고, 부극 활물질의 충방전에 수반하는 팽창 수축에 의한 부극 활물질 입자간의 도전 패스의 붕락을 억제할 수 있다. 이 결과, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 부극 활물질로서, 규소를 포함하는 재료 및 주석을 포함하는 재료 중 적어도 하나 등을 사용한 경우에는, 충방전에 수반하는 팽창 수축이 심하기 때문에, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 사용하는 것이 특히 효과적이다.
(제1 탄소 섬유)
제1 탄소 섬유로서는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만, 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유를 사용할 수 있다.
이 제1 탄소 섬유는, 가는 직경(70㎚ 이상 150㎚ 미만) 또한 단척(1㎛ 이상 10㎛ 미만)이기 때문에, 부극 활물질의 입자 표면에 흡착되기 쉽다. 제1 탄소 섬유는, 부극 활물질(예를 들어, 규소를 포함하는 재료 등의 비탄소 재료) 입자 표면에 흡착되기 쉬워, 입자 표면 및 근방의 전자 패스를 확보할 수 있고, 사이클에 따른 부극 활물질의 팽창 수축에 추종하여, 입자 표면 및 근방의 전자 패스 붕락을 억제할 수 있다. 이러한 특성을 갖는 제1 탄소 섬유를 부극 활물질과 함께 부극 활물질층(22B)에 포함시킴으로써, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄소 섬유의 섬유 직경 및 섬유 길이는, 예를 들어 TEM(Transmission Electron Microscope)이나 SEM(Scanning Electron Microscope)과 같은 전자 현미경 등에 의해 임의의 개체수(예를 들어, 20개 등)의 탄소 섬유의 섬유 길이 및 섬유 직경을 측정하고, 평균값을 산출함으로써 규정할 수 있다.
(제2 탄소 섬유)
제2 탄소 섬유로서는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 탄소 섬유를 사용할 수 있다.
이 제2 탄소 섬유는, 굵은 직경 150㎚ 이상 또는 장척 10㎛ 이상이기 때문에, 장기적인 사이클 진행에 따라, 부극 활물질 입자간 거리가 보다 넓어진 환경 하에서도 입자간의 도전 네트워크에 기여할 수 있다. 이러한 특성을 갖는 제2 탄소 섬유를 부극 활물질 및 제1 탄소 섬유와 함께 사용함으로써, 한층 더 사이클 특성 개선을 실현할 수 있다. 또한, 제2 탄소 섬유의 섬유 직경 및 섬유 길이의 상한을 규정하는 경우에는, 제2 탄소 섬유로서는, 예를 들어 섬유 직경 150㎚ 이상 300㎚ 이하 또는 섬유 길이 10㎛ 이상 50㎛ 이하의 탄소 섬유가 바람직하다.
(제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유의 비표면적)
제1 탄소 섬유의 비표면적은 50㎡/g 미만인 것이 바람직하다. 마찬가지로, 제2 탄소 섬유의 비표면적은 50㎡/g 미만인 것이 바람직하다. 충전 시의 부극 반응 면적을 억제할 수 있고, 피막 형성 시에 소실되는 가역 Li량을 억제할 수 있기 때문에, 비표면적이 큰 도전제를 사용한 경우와 비교해서 첫회 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 재료의 저비표면적화에 의해, 부극합제 슬러리 제작시의 용매량을 억제할 수 있기 때문에, 건조 공정의 단축화나 건조 과정에서의 재료 편석 억제, 도포 시공성 개선에도 효과가 있다. 또한, 비표면적의 측정은 BET법을 사용할 수 있다.
(제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유의 함유량)
제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유의 합계 질량은, 보다 우수한 효과를 얻을 수 있다는 관점에서, 부극 구성 재료의 전체 질량에 대하여 0.1wt％ 이상 10wt％ 미만인 것이 바람직하다. 또한, 「부극 구성 재료의 전체 질량」이란, 부극 활물질층(22B)을 구성하는 재료의 전체 질량을 말하며, 예를 들어 부극 활물질, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유(도전제, 결착제 등의 다른 재료를 포함하는 경우에는 이것을 포함함)의 전체 질량을 말한다.
(세퍼레이터)
세퍼레이터(23)는, 정극(21)과 부극(22)을 격리하고, 양극의 접촉에 기인하는 전류의 단락(쇼트)을 방지하면서 리튬 이온을 통과시키는 것이다.
세퍼레이터(23)는, 예를 들어 수지를 포함하는 다공질막이다. 이 수지를 포함하는 다공질막은, 예를 들어 수지 재료를 연신 개공법, 상분리법 등으로 성형함으로써 얻어진다. 또한, 수지를 포함하는 다공질막의 제조 방법은, 이들에 한정되는 것은 아니다.
세퍼레이터(23)를 구성하는 수지 재료에는, 예를 들어 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀 수지, 아크릴 수지, 스티렌수지, 폴리에스테르 수지 또는 나일론 수지 등을 사용할 수 있다.
세퍼레이터(23)는, 수지를 포함하는 다공질막을 2 이상 적층한 구조를 갖는 것이어도 된다. 수지를 포함하는 다공질막은, 2종 이상의 수지 재료가 혼합된 것(2종 이상의 수지 재료를 용융 혼련해서 형성한 것)이어도 된다. 폴리올레핀 수지를 포함하는 다공질막은, 정극(21)과 부극(22)의 분리성이 우수하고, 내부 단락의 발생을 보다 저감할 수 있으므로, 바람직하다.
세퍼레이터(23)는, 부직포이어도 된다. 부직포는, 섬유를 직조하거나 뜨거나 하지 않고, 섬유간을 접합 또는 락합(絡合) 또는 접합 및 락합한 구조체이다. 부직포의 원료에는 섬유로 가공할 수 있는 대부분의 물질을 사용할 수 있고, 섬유 길이나 굵기 등의 형상을 조정함으로써, 목적, 용도에 따른 기능을 갖게 할 수 있다.
부직포로서는, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 사용한 투기성막(폴리에틸렌테레프탈레이트 부직포) 등을 들 수 있다. 또한, 투기성막이란, 투기성을 갖는 막을 말한다. 그 밖에, 부직포로서는, 아라미드 섬유, 유리 섬유, 셀룰로오스 섬유, 폴리올레핀 섬유 또는 나일론섬유 등을 사용한 것 등을 들 수 있다. 부직포는, 2종 이상의 섬유를 사용한 것이어도 된다.
세퍼레이터(23)는, 무기 입자, 유기 입자 등의 입자를 포함하는 것이어도 된다. 예를 들어, 이러한 세퍼레이터(23)로서는, 기재와, 기재 양쪽의 주면 중 적어도 한쪽에 표면층이 형성된 것 등이다. 기재는, 예를 들어 상기한 수지를 포함하는 다공질막, 부직포 등이다. 표면층은, 예를 들어 수지 재료와 입자를 포함하는 다공질층 등이다. 수지 재료는, 예를 들어 피브릴화하여, 피브릴이 상호 연속적으로 연결된 삼차원적인 네트워크 구조를 갖고 있어도 된다.
(입자)
입자로서는, 예를 들어 무기 입자 및 유기 입자 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 무기 입자로서는, 구체적으로는, 전기 절연성의 무기 입자인 금속 산화물, 금속 산화물 수화물, 금속 수산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 금속 황화물, 광물 등을 들 수 있다.
금속 산화물 또는 금속 산화물 수화물로서는, 산화 알루미늄(알루미나, Al2O3), 베마이트(Al2O3·H2O 또는 AlOOH), 산화마그네슘(마그네시아, MgO), 산화티타늄(티타니아, TiO2), 산화지르코늄(지르코니아, ZrO2), 산화규소(실리카, SiO2) 또는 산화이트륨(이트리아, Y2O3), 산화아연(ZnO) 등을 들 수 있다.
금속 질화물로서는, 질화규소(Si3N4), 질화알루미늄(AlN), 질화붕소(BN) 또는 질화티타늄(TiN) 등을 들 수 있다. 금속 탄화물로서는, 탄화규소(SiC) 또는 탄화 붕소(B4C) 등을 들 수 있다. 금속 황화물로서는, 황산바륨(BaSO4) 등을 들 수 있다.
금속 수산화물로서는 수산화알루미늄(Al(OH)3) 등을 들 수 있다. 광물로서는, 제올라이트(M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O, M은 금속 원소, x≥2, y≥0) 등의 다공질 알루미노 규산염, 탈크(Mg3Si4O10(OH)2) 등의 층상 규산염, 티타늄산바륨(BaTiO3) 또는 티타늄산스트론튬(SrTiO3) 등을 들 수 있다.
그 밖의 무기 입자로서는, 리튬 화합물의 입자, 탄소 재료의 입자 등을 들 수 있다. 리튬 화합물로서는, Li2O4, Li3PO4, LiF 등을 들 수 있다. 탄소 재료로서는, 흑연, 카본 나노 튜브, 다이아몬드 등을 들 수 있다.
이들 무기 입자는, 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 사용해도 된다. 무기 입자의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니라, 구상, 섬유상, 바늘 형상, 인편상 또는 판상 등이어도 된다.
유기 입자를 구성하는 재료로서는, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소 함유 수지, 불화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 불소 함유 고무, 스티렌-부타디엔 공중합체 또는 그 수소화물, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체 또는 그 수소화물, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 또는 그 수소화물, 메타크릴산에스테르-아크릴산에스테르 공중합체, 스티렌-아크릴산에스테르 공중합체, 아크릴로니트릴-아크릴산에스테르 공중합체, 에틸렌프로필렌 러버, 폴리비닐알코올, 폴리아세트산 비닐 등의 고무류, 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스 유도체, 폴리페닐렌에테르, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌술피드, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 전방향족 폴리아미드(아라미드) 등의 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 폴리에테르, 아크릴산 수지 또는 폴리에스테르 등의 융점 및 유리 전이 온도 중 적어도 한쪽이 180℃ 이상의 높은 내열성을 갖는 수지 등을 들 수 있다.
이들 재료는, 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 혼합하여 사용해도 된다. 유기 입자의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니라, 구상, 섬유상, 바늘 형상, 인편상 또는 판상 등이어도 된다.
(전해액)
세퍼레이터(23)에는, 액상의 전해질인 전해액이 함침되어 있다. 전해액은, 예를 들어 전해질염과, 이 전해질염을 용해하는 비수 용매를 포함하는 비수 전해액이다. 비수 전해액은, 필요에 따라 첨가제 등을 포함하고 있어도 된다.
비수 용매로서는, 탄산에틸렌 또는 탄산프로필렌 등의 환상의 탄산에스테르를 사용할 수 있고, 탄산에틸렌 및 탄산프로필렌 중 한쪽, 특히 양쪽을 혼합해서 사용하는 것이 바람직하다. 사이클 특성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
비수 용매로서는 또한 이들 환상의 탄산에스테르 이외에, 탄산디에틸, 탄산디메틸, 탄산에틸메틸 또는 탄산메틸프로필 등의 쇄상의 탄산에스테르를 혼합해서 사용하는 것이 바람직하다. 높은 이온 전도성을 얻을 수 있기 때문이다.
비수 용매로서는 또한 2,4-디플루오로아니솔 또는 탄산비닐렌을 포함하는 것 바람직하다. 2,4-디플루오로아니솔은 방전 용량을 향상시킬 수 있고, 또한 탄산비닐렌은 사이클 특성을 향상시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 이들을 혼합해서 사용하면, 방전 용량 및 사이클 특성을 향상시킬 수 있으므로 바람직하다.
이들 이외에도, 비수 용매로서는, 탄산부틸렌, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, 1,2-디메톡시에탄, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 1,3-디옥솔란, 4-메틸-1,3-디옥솔란, 아세트산 메틸, 프로피온산 메틸, 아세토니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴, 3-메톡시프로피로니트릴, N,N-디메틸포름아미드, N-메틸피롤리디논, N-메틸옥사졸리디논, N,N-디메틸이미다졸리디논, 니트로메탄, 니트로에탄, 술포란, 디메틸술폭시드 또는 인산 트리메틸 등을 들 수 있다.
또한, 이들 비수 용매의 적어도 일부의 수소를 불소로 치환한 화합물은, 조합하는 전극의 종류에 따라서는, 전극 반응의 가역성을 향상시킬 수 있는 경우가 있으므로, 바람직한 경우도 있다.
전해질염은, 예를 들어 리튬염 등의 경금속 화합물의 1종 또는 2종 이상을 함유하고 있다. 이 리튬염으로서는, 예를 들어 육불화인산리튬(LiPF6), 사불화붕산리튬(LiBF4), 과염소산리튬(LiClO4), 육불화비산리튬(LiAsF6), 테트라페닐붕산리튬(LiB(C6H5)4), 메탄술폰산리튬(LiCH3SO3), 트리플루오로메탄술폰산리튬(LiCF3SO3), 테트라클로로알루민산리튬(LiAlCl4), 육불화규산이리튬(Li2SiF6), 염화리튬(LiCl) 또는 브롬화리튬(LiBr) 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 육불화인산리튬, 사불화붕산리튬, 과염소산리튬 및 육불화비산리튬으로 이루어지는 군 중 적어도 1종이 바람직하고, 육불화인산리튬이 보다 바람직하다.
(비수전해질 전지의 동작)
이 비수전해질 전지에서는, 충전 시에 있어서, 예를 들어 정극(21)으로부터 리튬 이온이 방출되고, 세퍼레이터(23)에 함침된 전해액을 통해서 부극(22)에 흡장된다. 한편, 방전 시에 있어서, 예를 들어 부극(22)으로부터 리튬 이온이 방출되고, 세퍼레이터(23)에 함침된 전해액을 통해서 정극(21)에 흡장된다.
이 비수전해질 전지는, 완전 충전 시에 있어서의 개회로 전압(즉 전지 전압)이, 예를 들어 3.60V 이상 6.00V 이하, 바람직하게는 4.25V 이상 6.00V 이하, 더욱 바람직하게는 4.30V 이상 4.50V 이하의 범위 내로 되도록 설계되어 있어도 된다. 완전 충전 시에 있어서의 개회로 전압이, 예를 들어 정극 활물질로서 층상 암염형 리튬 복합 산화물 등을 사용한 전지에 있어서 4.25V 이상으로 되는 경우에는, 4.20V의 전지와 비교하여, 동일한 정극 활물질이어도 단위 질량당의 리튬의 방출량이 많아지므로, 그에 따라 정극 활물질과 부극 활물질의 양이 조정되고, 높은 에너지 밀도가 얻어지게 되어 있다.
(1-2) 비수전해질 전지의 제조 방법
이 비수전해질 전지는, 예를 들어 이하의 수순에 의해 제조된다.
먼저, 정극(21)을 제작한다. 처음에, 정극 활물질과, 필요에 따라 결착제 및 도전제 등을 혼합해서 정극합제로 한 뒤, 예를 들어 유기 용제 등에 분산시켜서 페이스트상 또는 슬러리상의 정극합제 슬러리로 한다.
계속해서, 정극 집전체(21A)의 양면에 정극합제 슬러리를 균일하게 도포하고 나서 건조시켜서, 정극 활물질층(21B)을 형성한다. 마지막으로, 필요에 따라서 가열하면서, 롤 프레스기 등을 사용해서 정극 활물질층(21B)을 압축 성형한다. 이 경우에는, 복수회에 걸쳐서 압축 성형을 반복해도 된다.
이어서, 상기한 정극(21)과 마찬가지의 수순에 의해, 부극(22)을 제작한다. 처음에, 부극 활물질과, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유와, 필요에 따라 결착제 및 도전제 등을 혼합해서 부극합제로 한 뒤, 예를 들어 유기 용제 등에 분산시켜서 페이스트상 또는 슬러리상의 부극합제 슬러리로 한다. 또한, 이때, 탄소 섬유의 질량비를 부극합제에 대하여 10% 이상으로 하면 슬러리 성상 및 첫회 효율이 악화되는 경향이 있기 때문에, 10% 미만으로 하는 것이 바람직하다.
이후, 부극 집전체(22A)의 양면에 부극합제 슬러리를 균일하게 도포하고 나서 건조시켜서, 부극 활물질층(22B)을 형성한 뒤, 그 부극 활물질층(22B)을 압축 성형한다.
마지막으로, 정극(21) 및 부극(22)을 사용해서 비수전해질 전지를 조립한다. 처음에, 정극 집전체(21A)에 정극 리드(25)를 용접하거나 해서 부착함과 함께, 부극 집전체(22A)에 부극 리드(26)를 용접하거나 해서 부착한다. 계속해서, 세퍼레이터(23)를 개재해서 정극(21)과 부극(22)을 적층 및 권회시켜서 권회 전극체(20)를 제작한 뒤, 그 권회 중심에 센터 핀(24)을 삽입한다.
계속해서, 한 쌍의 절연판(12, 13) 사이에 끼우면서, 권회 전극체(20)를 전지 캔(11)의 내부에 수납한다. 이 경우에는, 정극 리드(25)의 선단부를 안전 밸브 기구(15)에 용접하거나 해서 부착함과 함께, 부극 리드(26)의 선단부를 전지 캔(11)에 용접하거나 해서 부착한다. 계속해서, 전지 캔(11)의 내부에 전해액을 주입하고, 세퍼레이터(23)에 함침시킨다. 마지막으로, 가스킷(17)을 개재해서 전지 캔(11)의 개구단부에 전지 덮개(14), 안전 밸브 기구(15) 및 열감 저항 소자(16)를 코오킹한다. 이에 의해, 도 1 및 도 2에 나타낸 비수전해질 전지가 완성된다.
(효과)
본 기술의 제1 실시 형태에 따른 전지에서는, 부극이, 부극 활물질과 함께 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함한다. 제1 탄소 섬유는, 부극 활물질 표면에 흡착되기 쉬워, 부극 활물질 표면 및 근방의 전자 패스를 확보할 수 있고, 사이클에 따른 부극 활물질의 팽창 수축에 추종하여, 부극 활물질 표면 및 근방의 전자 패스 붕락을 억제할 수 있다. 이에 의해, 사이클 특성을 향상시킬 수 있다. 제2 탄소 섬유는, 장기적인 사이클 진행에 따라, 부극 활물질간의 거리가 보다 넓어진 환경 하에서도 입자간의 도전 네트워크에 기여할 수 있다. 이에 의해, 한층 더 사이클 특성 개선을 실현할 수 있다.
또한, 상술한 특허문헌1(일본 특허 공개 제2008-117761호 공보)에 기재된 비수전해질 전지에서는, 제1 도전제가 평균 직경 5㎚ 이상 60㎚ 이하의 것이기 때문에, Si 함유 부극 활물질 입자 표면의 도전성은 향상될 수 있지만, 근방 입자간의 도전 네트워크에는 공헌할 수 없다. 또한, 제1 도전제는 비표면적이 200 내지 800㎡/g으로 매우 큰 것이기 때문에, 충전 손실 증가에 따른 용량 저하가 염려된다.
2. 제2 실시 형태
(2-1) 라미네이트 필름형의 전지의 구성예
본 기술의 제2 실시 형태에서는, 일례로서, 라미네이트 필름형의 전지에 대해서, 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한다.
비수전해질 전지는, 외장 부재(40)의 내부에, 권회 전극체(30)이 수납된 것이다. 권회 전극체(30)에는, 정극 리드(31) 및 부극 리드(32)가 부착되어 있다. 정극 리드(31) 및 부극 리드(32)는, 예를 들어 외장 부재(40)의 내부로부터 외부를 향해서 동일한 방향으로 도출되어 있다.
(외장 부재)
외장 부재(40)는, 필름 상태의 부재이다. 외장 부재(40)는, 예를 들어 융착층, 금속층 및 표면 보호층이 이 순서대로 적층된 라미네이트 필름이다. 융착층은, 예를 들어 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지 등을 포함한다. 금속층은, 예를 들어 알루미늄 등을 포함한다. 표면 보호층은, 예를 들어 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 등을 포함한다. 외장 부재(40)는, 다른 적층 구조를 갖는 라미네이트 필름이어도 되고, 고분자 필름 단체 또는 금속 필름 단체이어도 된다.
외장 부재(40)와 정극 리드(31) 사이에는, 밀착 필름(41)이 개재되어 있다. 마찬가지로, 외장 부재(40)와 부극 리드(32) 사이에는, 밀착 필름(41)이 개재되어 있다. 밀착 필름(41)은, 예를 들어 금속 재료와의 접착성이 높은 재료 등으로 형성되어 있다. 이 재료로서는, 예를 들어 폴리올레핀 수지 등의 수지 재료를 들 수 있다.
(정극, 부극 및 세퍼레이터)
권회 전극체(30)은, 세퍼레이터(35) 및 전해질층(36)을 개재해서 정극(33)과 부극(34)이 적층 및 권회된 것이며, 그 최외주부는, 보호 테이프(37)에 의해 보호되고 있다. 또한, 권회 전극체(30)는, 세퍼레이터(35)를 생략한 것이어도 된다.
정극(33)은, 예를 들어 정극 집전체(33A)의 양면에 정극 활물질층(33B)이 형성된 것이다. 정극 집전체(33A) 및 정극 활물질층(33B)의 구성은, 각각 제1 실시 형태의 정극 집전체(21A) 및 정극 활물질층(21B)과 마찬가지이다. 부극(34)은, 예를 들어 부극 집전체(34A)의 양면에 부극 활물질층(34B)이 형성된 것이다. 부극 집전체(34A) 및 부극 활물질층(34B)의 구성은, 각각 제1 실시 형태의 부극 집전체(22A) 및 부극 활물질층(22B)의 구성과 마찬가지이다. 세퍼레이터(35)의 구성은, 제1 실시 형태의 세퍼레이터(23)의 구성과 마찬가지이다.
(전해질층)
전해질층(36)은, 전해액이 고분자 화합물에 의해 보유 지지된 것이며, 필요에 따라, 각종 첨가제 등의 다른 재료를 포함하고 있어도 된다. 이 전해질층(36)은, 예를 들어 소위 겔상의 전해질이다. 겔상의 전해질은, 높은 이온 전도율(예를 들어, 실온에서 1mS/cm 이상)이 얻어짐과 함께 전해액의 누액이 방지되므로 바람직하다.
고분자 화합물로서는, 예를 들어 폴리아크릴로니트릴, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리에틸렌옥시드, 폴리프로필렌옥시드, 폴리포스파젠, 폴리실록산, 폴리불화비닐, 폴리아세트산 비닐, 폴리비닐알코올, 폴리메타크릴산메틸, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트 또는 불화비닐리덴과 헥사플루오로피렌과의 공중합체 등을 들 수 있다. 이들은 단독이어도 되고, 복수종이 혼합되어도 된다. 그 중에서도, 폴리불화비닐리덴 또는 불화비닐리덴과 헥사플루오로피렌과의 공중합체가 바람직하다. 전기 화학적으로 안정되기 때문이다.
전해액은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 단, 겔상의 전해질인 전해질층(36)에 있어서, 전해액의 용매란, 액상의 용매뿐만 아니라, 전해질염을 해리시키는 것이 가능한 이온 전도성을 갖는 것까지 포함하는 넓은 개념이다. 따라서, 이온 전도성을 갖는 고분자 화합물을 사용하는 경우에는, 그 고분자 화합물도 용매에 포함된다.
또한, 전해액이 고분자 화합물에 의해 보유 지지된 겔상의 전해질층(36) 대신에, 전해액을 그대로 사용해도 된다. 이 경우에는, 전해액이 세퍼레이터(35)에 함침된다.
(입자를 포함하는 전해질층)
전해질층(36)은, 입자를 포함하는 것이어도 된다. 입자로서는, 상술한 무기 입자, 유기 입자와 마찬가지의 것을 사용할 수 있다.
(2-2) 비수전해질 전지의 제조 방법
비수전해질 전지는, 예를 들어 이하의 3종류의 수순에 의해 제조된다.
(제1 제조 방법)
제1 제조 방법에서는, 처음에, 제1 실시 형태와 마찬가지로 하여, 정극(33) 및 부극(34)을 제작한다. 전해액을, 비수 용매에 대하여 전해질염을 용해시켜서 제조한다.
이어서, 전해액, 고분자 화합물 및 용제를 포함하는 전구 용액을 제조해서 정극(33) 및 부극(34)에 도포한 뒤, 그 용제를 휘발시켜서 겔상의 전해질층(36)을 형성한다. 계속해서, 정극 집전체(33A)에 정극 리드(31)를 용접하거나 해서 부착함과 함께, 부극 집전체(34A)에 부극 리드(32)를 용접하거나 해서 부착한다.
이어서, 전해질층(36)이 형성된 정극(33)과 부극(34)을 세퍼레이터(35)를 개재하여 적층 및 권회한 뒤, 그 최외주부에 보호 테이프(37)를 접착시켜서, 권회 전극체(30)를 제작한다.
마지막으로, 2매의 필름 상태의 외장 부재(40) 사이에 권회 전극체(30)를 끼워 넣은 뒤, 그 외장 부재(40)의 외측 테두리부끼리를 열 융착 등으로 접착시켜서, 권회 전극체(30)를 봉입한다. 이때, 정극 리드(31) 및 부극 리드(32)와 외장 부재(40) 사이에, 밀착 필름(41)을 삽입한다. 이에 의해, 도 3 및 도 4에 나타낸 비수전해질 전지가 완성된다.
(제2 제조 방법)
제2 제조 방법에서는, 처음에, 정극(33)에 정극 리드(31)를 부착함과 함께, 부극(34)에 부극 리드(32)를 부착한다. 계속해서, 세퍼레이터(35)를 개재해서 정극(33)과 부극(34)을 적층해서 권회시킨 뒤, 그 최외주부에 보호 테이프(37)를 접착시켜서, 권회 전극체(30)의 전구체인 권회체를 제작한다.
이어서, 2매의 필름 상태의 외장 부재(40) 사이에 권회체를 끼워 넣은 뒤, 한 변의 외주연부를 제외한 나머지의 외주연부를 열 융착 등으로 접착시켜서, 주머니상의 외장 부재(40)의 내부에 권회체를 수납한다. 계속해서, 전해액과, 고분자 화합물의 원료인 단량체와, 중합 개시제와, 필요에 따라 중합 금지제 등의 다른 재료를 포함하는 전해질용 조성물을 제조해서 주머니상의 외장 부재(40)의 내부에 주입한 뒤, 그 외장 부재(40)의 개구부를 열 융착 등으로 밀봉한다.
마지막으로, 단량체를 열 중합시켜서 고분자 화합물로 하고, 겔상의 전해질층(36)을 형성한다. 이에 의해, 비수전해질 전지가 완성된다.
(제3 제조 방법)
제3 제조 방법에서는, 처음에, 고분자 화합물이 양면에 도포된 세퍼레이터(35)를 사용하는 것을 제외하고, 상기한 제2 제조 방법과 마찬가지로, 권회체를 형성해서 주머니상의 외장 부재(40)의 내부에 수납한다.
이어서, 전해액을 제조해서 외장 부재(40)의 내부에 주입한 뒤, 그 외장 부재(40)의 개구부를 열 융착 등으로 밀봉한다. 마지막으로, 외장 부재(40)에 하중을 가하면서 가열하여, 고분자 화합물을 통해서 세퍼레이터(35)를 정극(33) 및 부극(34)에 밀착시킨다. 이에 의해, 전해액이 고분자 화합물에 함침되고, 그 고분자 화합물이 겔화해서 전해질층(36)이 형성되기 때문에, 비수전해질 전지가 완성된다.
(효과)
본 기술의 제2 실시 형태에 따른 전지에서는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
3. 제3 실시 형태
본 기술의 제3 실시 형태에서는, 전지 팩의 구성의 일례에 대해서, 도 5 및 도 6을 참조하면서 설명한다.
이 전지 팩은, 1개의 이차 전지(단전지)를 사용한 간이형 전지 팩(소위 소프트 팩)이며, 예를 들어 스마트폰으로 대표되는 전자 기기 등에 내장된다. 전지 팩은, 전지 셀(111)과, 전지 셀(111)에 접속되는 회로 기판(116)을 구비하고 있다. 전지 셀(111)은, 예를 들어 제2 실시 형태에 따른 라미네이트 필름형 이차 전지이다.
전지 셀(111)의 양측면에는, 한 쌍의 점착 테이프(118, 119)가 점착되어 있다. 회로 기판(116)에는, 보호 회로(PCM:Protection Circuit Module)가 형성되어 있다. 이 회로 기판(116)은, 전지 셀(111)의 정극 리드(112) 및 부극 리드(113)에 대하여 한 쌍의 탭(114, 115)을 통해서 접속되어 있음과 함께, 외부 접속용 커넥터가 부착된 리드선(117)에 접속되어 있다. 또한, 회로 기판(116)이 전지 셀(111)에 접속된 상태에 있어서, 그 회로 기판(116)은, 라벨(120) 및 절연 시트(131)에 의해 상하에서 보호되고 있다. 라벨(120)이 부착됨으로써, 회로 기판(116) 및 절연 시트(131) 등이 고정되어 있다.
또한, 전지 팩은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 전원에 상당하는 전지 셀(111)과, 회로 기판(116)을 구비하고 있다. 회로 기판(116)은, 예를 들어 제어부(121)와, 스위치부(122)와, PTC(123)와, 온도 검출부(124)를 구비하고 있다. 전지 셀(111)은, 정극 단자(125) 및 부극 단자(127)를 통해서 외부와 접속 가능하기 때문에, 그 전지 셀(111)은, 정극 단자(125) 및 부극 단자(127)를 통해서 충방전된다. 온도 검출부(124)는, 온도 검출 단자(소위 T 단자)(126)를 사용해서 온도를 검출 가능하다.
제어부(121)는, 전지 팩 전체의 동작(전지 셀(111)의 사용 상태를 포함함)을 제어하는 것이며, 예를 들어 중앙 연산 처리 장치(CPU) 및 메모리 등을 포함하고 있다.
이 제어부(121)는, 예를 들어 전지 전압이 과충전 검출 전압에 도달하면, 스위치부(122)를 절단시킴으로써, 전지 셀(111)의 전류 경로에 충전 전류가 흐르지 않도록 한다. 또한, 제어부(121)는, 예를 들어 충전 시에 있어서 대전류가 흐르면, 스위치부(122)를 절단시켜서, 충전 전류를 차단한다.
이 밖에, 제어부(121)는, 예를 들어 전지 전압이 과방전 검출 전압에 도달하면, 스위치부(122)를 절단시킴으로써, 전지 셀(111)의 전류 경로에 방전 전류가 흐르지 않도록 한다. 또한, 제어부(121)는, 예를 들어 방전 시에 있어서 대전류가 흐르면, 스위치부(122)를 절단시킴으로써, 방전 전류를 차단한다.
또한, 이차 전지의 과충전 검출 전압의 일례로서는, 4.20V± 0.05V 등이다. 과방전 검출 전압의 일례로서는, 2.4V±0.1V 등이다.
스위치부(122)는, 제어부(121)의 지시에 따라, 전지 셀(111)의 사용 상태(전지 셀(111)과 외부 기기와의 접속의 가부)를 전환하는 것이다. 이 스위치부(122)는, 예를 들어 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치 등을 포함하고 있다. 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치는, 예를 들어 금속 산화물 반도체를 사용한 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 등의 반도체 스위치이다. 또한, 충방전 전류는, 예를 들어 스위치부(122)의 ON 저항에 기초하여 검출된다.
온도 검출부(124)는, 전지 셀(111)의 온도를 측정하여, 그 측정 결과를 제어부(121)에 출력하는 것이며, 예를 들어 서미스터 등의 온도 검출 소자를 포함하고 있다. 또한, 온도 검출부(124)에 의한 측정 결과는, 이상 발열 시에 있어서 제어부(121)가 충방전 제어를 행하는 경우나, 제어부(121)가 잔류 용량의 산출 시에 있어서 보정 처리를 행하는 경우 등에 사용된다.
또한, 회로 기판(116)은, PTC(123)를 구비하고 있지 않아도 된다. 이 경우에는, 별도로 회로 기판(116)에 PTC 소자가 부설되어 있어도 된다.
4. 제4 실시 형태
본 기술의 제4 실시 형태에서는, 전자 기기의 구성의 일례에 대해서, 도 7을 참조하면서 설명한다.
전자 기기(300)는, 전자 기기 본체의 전자 회로(301)와, 전지 팩(200)을 구비한다. 전지 팩(200)은, 정극 단자(231a) 및 부극 단자(231b)를 통해서 전자 회로(301)에 대하여 전기적으로 접속되어 있다. 전자 기기(300)는, 예를 들어 유저에 의해 전지 팩(200)을 착탈 가능한 구성을 갖고 있다. 또한, 전자 기기(300)의 구성은 이것에 한정되는 것이 아니라, 유저에 의해 전지 팩(200)을 전자 기기(300)로부터 제거할 수 없도록, 전지 팩(200)이 전자 기기(300) 내에 내장되어 있는 구성을 가지고 있어도 된다.
전지 팩(200)의 충전 시에는, 전지 팩(200)의 정극 단자(231a), 부극 단자(231b)가 각각, 충전기(도시하지 않음)의 정극 단자, 부극 단자에 접속된다. 한편, 전지 팩(200)의 방전시(전자 기기(300)의 사용시)에는, 전지 팩(200)의 정극 단자(231a), 부극 단자(231b)가 각각, 전자 회로(301)의 정극 단자, 부극 단자에 접속된다.
전자 기기(300)로서는, 예를 들어 노트북형 퍼스널 컴퓨터, 태블릿형 컴퓨터, 휴대 전화(스마트폰 등), 휴대 정보 단말기(Personal Digital Assistants: PDA), 표시 장치(LCD, EL 디스플레이, 전자 페이퍼, 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 등), 촬상 장치(디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라 등), 오디오 기기(포터블 오디오 플레이어 등), 게임기기, 무선 전화기 핸드셋, 전자 서적, 전자 사전, 라디오, 헤드폰, 내비게이션 시스템, 메모리 카드, 페이스메이커, 보청기, 전동 공구, 전기면도기, 냉장고, 에어컨, 텔레비전, 스테레오, 온수기, 전자레인지, 식기세척기, 세탁기, 건조기, 조명기기, 완구, 의료 기기, 로봇, 로드 컨디셔너, 신호기 등을 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
(전자 회로)
전자 회로(301)는, 예를 들어 CPU, 주변 로직부, 인터페이스부 및 기억부 등을 구비하고, 전자 기기(300)의 전체를 제어한다.
(전지 팩)
전지 팩(200)은, 조전지(201)와, 충방전 회로(202)를 포함하는 조전지의 전지 팩이다. 조전지(201)는, 복수의 이차 전지(201a)를 직렬 및/또는 병렬로 접속해서 구성되어 있다. 복수의 이차 전지(201a)는, 예를 들어 n 병렬 m 직렬(n, m은 양의 정수)로 접속된다. 또한, 도 7에서는, 6개의 이차 전지(201a)가 2 병렬 3 직렬(2P3S)로 접속된 예가 나타나 있다. 이차 전지(201a)로서는, 제1 실시 형태에 따른 전지가 사용된다.
충전 시에는, 충방전 회로(202)는, 조전지(201)에 대한 충전을 제어한다. 한편, 방전시(즉 전자 기기(300)의 사용시)에는, 충방전 회로(202)는, 전자 기기(300)에 대한 방전을 제어한다.
전지 팩(200) 대신에, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 따른 전지 또는 제3 실시 형태에 따른 단전지의 전지 팩을 사용해도 된다.
5. 제5 실시 형태
본 기술의 제5 실시 형태에서는, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 따른 전지를 축전 장치에 구비하는 축전 시스템의 예에 대해서 설명한다.
이 축전 시스템은, 전력을 사용하는 것인 한, 어떠한 것이어도 되고, 단순한 전력 장치도 포함한다. 이 전력 시스템은, 예를 들어 스마트 그리드, 가정용 에너지 관리 시스템(HEMS), 차량 등을 포함하고, 축전도 가능하다.
축전 장치(축전 모듈)는, 예를 들어 주택을 비롯한 건축물용 또는 발전 설비용의 전력 저장용 전원 등에 적용되는 것이다. 축전 장치의 일례로서는, 복수의 전지가 병렬 및 직렬 중 적어도 하나로 접속된 전지 블록과, 이들 전지 블록의 충전 및 방전을 제어하는 제어부를 포함하는 축전 모듈을 들 수 있다. 축전 장치의 구성의 일례는, 예를 들어 복수의 전지 블록이 외장 케이스에 수납되는 것이다. 전지에는, 제1 실시 형태에 따른 전지를 사용할 수 있다.
축전 시스템의 예로서는, 예를 들어 이하의 제1 내지 제5 축전 시스템 등을 들 수 있다. 제1 축전 시스템은, 재생 가능 에너지로부터 발전을 행하는 발전 장치에 의해 축전 장치가 충전되는 축전 시스템이다. 제2 축전 시스템은, 축전 장치를 갖고, 축전 장치에 접속되는 전자 기기에 전력을 공급하는 축전 시스템이다. 제3 축전 시스템은, 축전 장치로부터, 전력의 공급을 받는 전자 기기를 포함하는 축전 시스템이다. 이들 축전 시스템은, 외부의 전력 공급망과 협동해서 전력의 효율적인 공급을 도모하는 시스템으로서 실시된다.
제4 축전 시스템은, 다른 기기와 네트워크를 통해서 신호를 송수신하는 전력 정보 송수신부를 구비하고, 송수신부가 수신한 정보에 기초하여, 상술한 축전 장치의 충방전 제어를 행하는 전력 시스템이다. 제5 축전 시스템은, 상술한 축전 장치로부터, 전력의 공급을 받아 또는 발전 장치 또는 전력망으로부터 축전 장치에 전력을 공급하는 전력 시스템이다. 이하, 주택 및 전동 차량에 적용되는 축전 시스템에 대해서 설명한다.
(축전 시스템의 구성)
이하, 도 8을 참조하여, 제5 실시 형태에 따른 축전 시스템(전력 시스템)(400)의 구성예에 대해서 설명한다. 이 축전 시스템(400)은, 주택용 축전 시스템이며, 화력발전(402a), 원자력 발전(402b), 수력 발전(402c) 등의 집중형 전력 계통(402)으로부터 전력망(409), 정보망(412), 스마트 미터(407), 파워 허브(408) 등을 통하여, 전력이 축전 장치(403)에 공급된다. 이것과 함께, 가정내 발전 장치(404) 등의 독립 전원으로부터 전력이 축전 장치(403)에 공급된다. 축전 장치(403)에 공급된 전력이 축전된다. 축전 장치(403)를 사용하여, 주택(401)에서 사용하는 전력이 급전된다. 주택(401)에 한하지 않고, 빌딩에 대해서도 마찬가지의 축전 시스템을 사용할 수 있다.
주택(401)에는, 가정내 발전 장치(404), 전력 소비 장치(405), 축전 장치(403), 각 장치를 제어하는 제어 장치(410), 스마트 미터(407), 파워 허브(408), 각종 정보를 취득하는 센서(411)가 설치되어 있다. 각 장치는, 전력망(409) 및 정보망(412)에 의해 접속되어 있다. 가정내 발전 장치(404)로서, 태양 전지, 연료 전지 등이 이용되고, 발전한 전력이 전력 소비 장치(405) 및/또는 축전 장치(403)에 공급된다. 전력 소비 장치(405)는, 냉장고(405a), 공조 장치(405b), 텔레비전 수신기(405c), 욕조(405d) 등이다. 또한, 전력 소비 장치(405)에는, 전동 차량(406)이 포함된다. 전동 차량(406)은, 전기 자동차(406a), 하이브리드 카(406b), 전기 바이크(406c) 등이다.
축전 장치(403)는, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 따른 전지를 1 이상 포함한다. 스마트 미터(407)는, 상용 전력의 사용량을 측정하고, 측정된 사용량을, 전력 회사에 송신하는 기능을 구비하고 있다. 전력망(409)은, 직류 급전, 교류 급전, 비접촉 급전 중 어느 하나 또는 복수의 조합이어도 된다.
각종 센서(411)는, 예를 들어 인체 감지 센서, 조도 센서, 물체 검지 센서, 소비 전력 센서, 진동 센서, 접촉 센서, 온도 센서, 적외선 센서 등이다. 각종 센서(411)에 의해 취득된 정보는, 제어 장치(410)에 송신된다. 센서(411)로부터의 정보에 의해, 기상의 상태, 사람의 상태 등이 파악되어 전력 소비 장치(405)를 자동으로 제어해서 에너지 소비를 최소로 할 수 있다. 또한, 제어 장치(410)는, 주택(401)에 관한 정보를, 인터넷을 통해서 외부의 전력 회사 등에 송신할 수 있다.
파워 허브(408)에 의해, 전력선의 분기, 직류 교류 변환 등의 처리가 이루어진다. 제어 장치(410)와 접속되는 정보망(412)의 통신 방식으로서는, UART(Universal Asynchronous Receiver-Transceiver: 비동기 시리얼 통신용 송수신 회로) 등의 통신 인터페이스를 사용하는 방법, Bluetooth(등록 상표), ZigBee, Wi-Fi 등의 무선 통신 규격에 의한 센서 네트워크를 이용하는 방법이 있다. Bluetooth(등록 상표) 방식은, 멀티미디어 통신에 적용되어, 1대 다접속 통신을 행할 수 있다. ZigBee는, IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4의 물리층을 사용하는 것이다. IEEE 802.15.4는, PAN(Personal Area Network) 또는 W(Wireless) PAN이라고 불리는 단거리 무선 네트워크 규격의 명칭이다.
제어 장치(410)는, 외부의 서버(413)와 접속되어 있다. 이 서버(413)는, 주택(401), 전력 회사 및 서비스 프로바이더 중 어느 하나에 의해 관리되고 있어도 된다. 서버(413)가 송수신하는 정보는, 예를 들어 소비 전력 정보, 생활 패턴 정보, 전력 요금, 날씨 정보, 천재 정보, 전력 거래에 관한 정보이다. 이들 정보는, 가정 내의 전력 소비 장치(예를 들어 텔레비전 수신기)로부터 송수신해도 되지만, 가정 밖의 장치(예를 들어, 휴대 전화기 등)로부터 송수신해도 된다. 이들 정보는, 표시 기능을 갖는 기기, 예를 들어 텔레비전 수신기, 휴대 전화기, PDA 등에, 표시되어도 된다.
각 부를 제어하는 제어 장치(410)는, CPU, RAM, ROM 등을 포함하고, 이 예에서는, 축전 장치(403)에 저장되어 있다. 제어 장치(410)는, 축전 장치(403), 가정내 발전 장치(404), 전력 소비 장치(405), 각종 센서(411), 서버(413)와 정보망(412)에 의해 접속되고, 예를 들어 상용 전력의 사용량과, 발전량을 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 그 밖에도, 전력 시장에서 전력 거래를 행하는 기능 등을 구비하고 있어도 된다.
이상과 같이, 전력이 화력 발전(402a), 원자력 발전(402b), 수력 발전(402c) 등의 집중형 전력 계통(402)뿐만 아니라, 가정내 발전 장치(404)(태양광 발전, 풍력 발전)의 발전 전력을 축전 장치(403)에 축적할 수 있다. 따라서, 가정내 발전 장치(404)의 발전 전력이 변동해도, 외부로 송출하는 전력량을 일정하게 하거나, 또는 필요한 만큼 방전한다고 하는 제어를 행할 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전에서 얻어진 전력을 축전 장치(403)에 축적함과 함께, 야간은 요금이 싼 심야 전력을 축전 장치(403)에 축적하고, 낮의 요금이 비싼 시간대에 축전 장치(403)에 의해 축전한 전력을 방전해서 이용한다고 하는 사용 방법도 가능하다.
또한, 이 예에서는, 제어 장치(410)가 축전 장치(403) 내에 저장되는 예를 설명했지만, 스마트 미터(407) 내에 저장되어도 되고, 단독으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 축전 시스템(400)은, 집합 주택에 있어서의 복수의 가정을 대상으로 해서 사용되어도 되고, 복수의 단독 주택을 대상으로 해서 사용되어도 된다.
6. 제6 실시 형태
본 기술의 제6 실시 형태에서는, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 따른 전지를 구비하는 전동 차량의 일례에 대해서 설명한다. 전동 차량으로서는, 철도 차량, 골프 카트, 전동 카트, 전기 자동차(하이브리드 자동차를 포함함), 농경용 작업 차량(트랙터, 콤바인 등) 등을 들 수 있다. 이하에서는, 전기 자동차의 예에 대해서 설명한다.
도 9를 참조하여, 본 기술의 제6 실시 형태에 따른 전동 차량의 구성예에 대해서 설명한다. 이 하이브리드 차량(500)은, 시리즈 하이브리드 시스템을 채용하는 하이브리드 차량이다. 시리즈 하이브리드 시스템은, 엔진에 의해 움직이는 발전기에서 발전된 전력, 또는 그것을 배터리에 일단 모아 둔 전력을 사용하여, 전력 구동력 변환 장치(503)로 주행하는 차이다.
이 하이브리드 차량(500)에는, 엔진(501), 발전기(502), 전력 구동력 변환 장치(503), 구동륜(504a), 구동륜(504b), 차륜(505a), 차륜(505b), 배터리(508), 차량 제어 장치(509), 각종 센서(510), 충전구(511)가 탑재되어 있다. 배터리(508)로서는, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태에 따른 전지가 사용된다.
하이브리드 차량(500)은, 전력 구동력 변환 장치(503)를 동력원으로 해서 주행한다. 전력 구동력 변환 장치(503)의 일례는, 모터이다. 배터리(508)의 전력에 의해 전력 구동력 변환 장치(503)가 작동하고, 이 전력 구동력 변환 장치(503)의 회전력이 구동륜(504a, 504b)에 전달된다. 또한, 필요한 개소에 직류-교류(DC-AC) 또는 역변환(AC-DC 변환)을 사용함으로써, 전력 구동력 변환 장치(503)를 교류 모터에서도 직류 모터에서도 적용 가능하다. 각종 센서(510)는, 차량 제어 장치(509)를 통해서 엔진 회전수를 제어하거나, 도시하지 않은 스로틀 밸브의 개방도(스로틀 개방도)를 제어하거나 한다. 각종 센서(510)에는, 속도 센서, 가속도 센서, 엔진 회전수 센서 등이 포함된다.
엔진(501)의 회전력은 발전기(502)에 전달되고, 그 회전력에 의해 발전기(502)에 의해 생성된 전력을 배터리(508)에 축적하는 것이 가능하다.
도시하지 않은 제동 기구에 의해 하이브리드 차량(500)이 감속되면, 그 감속시의 저항력이 전력 구동력 변환 장치(503)에 회전력으로서 가해지고, 이 회전력에 의해 전력 구동력 변환 장치(503)에 의해 생성된 회생 전력이 배터리(508)에 축적된다.
배터리(508)는, 충전구(511)를 통해서 하이브리드 차량(500)의 외부 전원에 접속됨으로써, 그 외부 전원으로부터 충전구(511)를 입력구로 해서 전력 공급을 받고, 받은 전력을 축적하는 것도 가능하다.
도시하지 않지만, 전지에 관한 정보에 기초하여 차량 제어에 관한 정보 처리를 행하는 정보 처리 장치를 구비하고 있어도 된다. 이러한 정보 처리 장치로서는, 예를 들어 전지의 잔량에 관한 정보에 기초하여, 전지 잔량 표시를 행하는 정보 처리 장치 등이 있다.
또한, 이상은, 엔진에 의해 움직이는 발전기에서 발전된 전력 또는 그것을 배터리에 일단 모아 둔 전력을 사용하여, 모터로 주행하는 시리즈 하이브리드 카를 예로 해서 설명하였다. 그러나, 엔진과 모터의 출력을 모두 구동원으로 하고, 엔진만으로 주행, 모터만으로 주행, 엔진과 모터 주행이라고 하는 3개의 방식을 적절히 전환해서 사용하는 패러렐 하이브리드 카에 대해서도 본 기술은 유효하게 적용 가능하다. 또한, 엔진을 사용하지 않고 구동 모터만에 의한 구동으로 주행하는 소위, 전동 차량에 대해서도 본 기술은 유효하게 적용 가능하다.
<실시예>
이하, 실시예에 의해 본 기술을 상세하게 설명한다. 또한, 본 기술은, 하기 실시예의 구성에 한정되는 것은 아니다.
(탄소 섬유의 섬유 직경 및 섬유 길이)
이하의 실시예 및 비교예에 있어서의 탄소 섬유의 섬유 직경 및 섬유 길이는, 전자 현미경(TEM 또는 SEM)을 사용하여, 임의의 개체수(20개)의 탄소 섬유의 섬유 직경 및 섬유 길이를 측정함으로써 얻은 측정값으로부터 산출한 평균값이다. 또한, 섬유 길이에 대해서는, 예를 들어 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만 등과 같이 수치 범위로 나타내고 있지만, 이것은 측정값으로부터 산출한 섬유 길이의 평균값이 이 범위 내에 포함되어 있었던 것을 의미한다.
<실시예 1>
(정극의 제작)
정극 활물질(LiCoO2) 98질량부와, 도전제(카본 블랙) 1질량부와, 결착제(폴리불화비닐리덴: PVdF) 1질량부를 혼합하고, 정극합제로 하였다. 계속해서, 정극합제를 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈:NMP)에 분산시켜, 페이스트상의 정극합제 슬러리로 하였다. 계속해서, 코팅 장치를 사용해서 정극 집전체(알루미늄박)에 정극합제 슬러리를 도포하고 나서 건조시켜서, 정극 활물질층을 형성하였다. 마지막으로, 프레스기를 사용해서 정극 활물질층을 압축 성형하였다. 이상에 의해 정극을 얻었다.
(부극의 제작)
부극 활물질로서 규소 산화물 및 흑연과, 2종류의 탄소 섬유(제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유)와, 결착제로서 PVdF를 혼합한 뒤, 그의 혼합물을 NMP로 희석하여, 페이스트상의 부극합제 슬러리로 하였다. 계속해서, 코팅 장치를 사용해서 부극 집전체(구리박)의 양면에 부극합제 슬러리를 도포하고 나서 건조시켰다. 이상에 의해 부극을 얻었다.
또한, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유의 섬유 직경 및 섬유 길이, 및 각 재료의 배합비는, 하기와 같다.
제1 탄소 섬유:
섬유 직경 70㎚, 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 25㎡/g)
제2 탄소 섬유:
섬유 직경 150㎚, 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 1325㎡/g)
배합비(규소 산화물/흑연/제1 탄소 섬유/제2 탄소 섬유/결착제)=10/81/1/2/6(wt％)
(전해액의 제조)
용매(탄산에틸렌 및 탄산프로필렌)에 전해질염(LiPF6)을 용해시킴으로써, 전해액을 제조하였다. 또한, 용매의 조성을 질량비로 탄산에틸렌: 탄산프로필렌=50:50로 하고, 전해질염의 함유량을 용매에 대하여 1mol/㎏으로 하였다.
(평가용 셀의 제작)
평가용 셀은 이하와 같이 해서 제작하였다.
(전해질층의 형성)
먼저, 전해액과, 전해질용 고분자 화합물(PVdF)과, 용매로서 유기 용제(NMP)를 포함하는 전구 용액을 제조하였다. 이어서, 전구 용액을 정극 및 부극에 도포한 후 건조시키고, 이에 의해 정극 및 부극의 각각의 양면에 겔상의 전해질층을 형성하였다.
(권회 전극체의 제작)
이어서, 용접법을 사용해서 정극 집전체 및 부극 집전체의 각각에 리드를 부착하였다. 이어서, 세퍼레이터를 개재해서 전해질층이 형성된 정극과 부극을 적층하고 나서 권회한 뒤, 그 최외주부에 보호 테이프를 점착하였다. 이에 의해 권회 전극체를 얻었다.
(전지의 조립)
이어서, 2매의 필름 상태의 외장 부재에 권회 전극체를 끼워 넣은 뒤, 열 융착법을 사용해서 외장부의 외주연부끼리를 접착시켜서, 외장 부재의 내부에 권회 전극체를 봉입하였다. 이상에 의해, 목적으로 하는 평가용 셀(라미네이트 필형 전지)을 얻었다.
<실시예 2>
제2 탄소 섬유를 섬유 직경 70㎚, 섬유 길이 10㎛ 이상 50㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 28㎡/g)로 바꾸었다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 표적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<실시예 3>
부극 활물질을 규소 및 흑연으로 바꾸었다. 배합비(규소/흑연/제1 탄소 섬유/제2 탄소 섬유/결착제)=5/86/1/2/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<실시예 4>
부극 활물질을 규소 합금 및 흑연으로 바꾸었다. 배합비(규소 합금/흑연/제1 탄소 섬유/제2 탄소 섬유/결착제)=10/81/1/2/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<실시예 5>
부극 활물질을 규소로 바꾸었다. 결착제를 폴리아미드이미드로 바꾸었다. 배합비(규소/제1 탄소 섬유/제2 탄소 섬유/결착제)=89/1/2/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<실시예 6>
부극 활물질을 규소 산화물로 바꾸었다. 결착제를 폴리아미드이미드로 바꾸었다. 배합비(규소 산화물/제1 탄소 섬유/제2 탄소 섬유/결착제)=89/1/2/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<실시예 7>
부극 활물질을 규소 합금으로 바꾸었다. 결착제를 폴리아미드이미드로 바꾸었다. 배합비(규소 합금/제1 탄소 섬유/제2 탄소 섬유/결착제)=89/1/2/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 1>
제2 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제1 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/제1 탄소 섬유/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 2>
제1 탄소 섬유 대신에, 다른 탄소 섬유로서, 섬유 직경 20㎚, 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 250㎡/g)를 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/다른 탄소 섬유/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 3>
제1 탄소 섬유 대신에, 제2 탄소 섬유로서, 섬유 직경 150㎚, 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 13㎡/g)를 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/제2 탄소 섬유/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 4>
제1 탄소 섬유 대신에, 제2 탄소 섬유로서, 섬유 직경 70㎚, 섬유 길이 10㎛ 이상 50㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 28㎡/g)를 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/제2 탄소 섬유/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 5>
제1 탄소 섬유 대신에, 도전제로서, 평균 입경 40㎚의 카본 블랙(비표면적 50㎡/g)을 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/카본 블랙/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 6>
제1 탄소 섬유 대신에, 도전제로서, 평균 입경 3㎛(3000㎚)의 흑연계 도전제(비표면적 20㎡/g)를 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/흑연계 도전제/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 7>
제2 탄소 섬유 대신에, 도전제로서, 평균 입경 40㎚의 카본 블랙(비표면적 50㎡/g)을 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/제1 탄소 섬유/카본 블랙/결착제)=10/81/1/2/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 8>
제2 탄소 섬유 대신에, 도전제로서, 평균 입경 3㎛(3000㎚)의 흑연계 도전제(비표면적 20㎡/g)를 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/제1 탄소 섬유/흑연계 도전제/결착제)=10/81/1/2/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 9>
제1 탄소 섬유 대신에, 제2 탄소 섬유로서, 섬유 직경 150㎚, 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유(비표면적 13㎡/g)를 사용하였다. 즉, 제2 탄소 섬유로서, 섬유 직경 150㎚, 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 탄소 섬유 그 1(비표면적 13㎡/g) 및 섬유 직경 70㎚, 섬유 길이 10㎛ 이상 50㎛ 미만의 탄소 섬유 그 2(비표면적 28㎡/g)의 2종을 사용하였다. 배합비(규소 산화물/흑연/탄소 섬유 그 1/탄소 섬유 그 2/결착제)=10/81/1/2/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 10>
제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 사용하지 않았다. 배합비(규소 산화물/흑연/PVdF)=10/84/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 11>
부극 활물질을 규소 및 흑연으로 바꾸었다. 제2 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제1 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소/흑연/제1 탄소 섬유/결착제)=5/88/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 12>
부극 활물질을 규소 및 흑연으로 바꾸었다. 제1 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제2 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소/흑연/제2 탄소 섬유/결착제)=5/88/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 13>
부극 활물질을 규소 합금 및 흑연으로 바꾸었다. 제2 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제1 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소 합금/흑연/제1 탄소 섬유/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 14>
부극 활물질을 규소 합금 및 흑연으로 바꾸었다. 제1 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제2 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소 합금/흑연/제2 탄소 섬유/결착제)=10/83/1/6(wt％)으로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 15>
제2 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제1 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소/제1 탄소 섬유/결착제)=91/1/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 5와 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 16>
제1 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제2 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소/제2 탄소 섬유/결착제)=91/1/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 5와 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 17>
부극 활물질을 규소 산화물로 바꾸었다. 제2 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제1 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소 산화물/제1 탄소 섬유/결착제)=91/1/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 5와 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 18>
부극 활물질을 규소 산화물로 바꾸었다. 제1 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제2 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소 산화물/제2 탄소 섬유/결착제)=91/1/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 5와 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 19>
부극 활물질을 규소 합금으로 바꾸었다. 제2 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제1 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(K 합금/제1 탄소 섬유/결착제)=91/1/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 5와 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
<비교예 20>
부극 활물질을 규소 합금으로 바꾸었다. 제1 탄소 섬유를 사용하지 않고, 제2 탄소 섬유만을 사용하였다. 배합비(규소 합금/제2 탄소 섬유/결착제)=91/1/8(wt％)로 하였다. 이상의 것 이외는, 실시예 5와 마찬가지로 하여, 목적으로 하는 평가용 셀을 얻었다.
(평가)
제작한 평가용 셀을 사용하여, 하기의 측정을 행하였다.
(첫회 효율의 측정)
23℃ 환경 하에서, 정전류 정전압 충전(조건:전류 0.2C, 충전 종지 전압 4.35V)으로 충전을 1회 행하고, 그 후, 정전류 방전(조건:전류 0.2C, 방전 종지 전압 3.0V)으로 방전을 1회 행하여, 충전 용량 및 방전 용량을 계측하고, (「방전 용량」/「충전 용량」)×100[%]로 계산되는 첫회 효율을 산출하였다.
(사이클 특성 평가)
23℃ 환경 하에서, 정전류 정전압 충전(조건:전류 0.5C, 충전 종지 전압 4.35V)과, 정전류 방전(조건:전류 0.5C, 방전 종지 전압 3.0V)을 반복하는, 사이클 시험을 행하고, 1 사이클 시의 방전 용량에 대한 10 사이클 시, 100 사이클 시 및 200 사이클 시의 방전 용량 유지율을 구하였다.
부극의 구성을 하기 표 1에 나타내고, 측정 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
Figure 112017102040414-pct00001
Figure 112017102040414-pct00002
측정 결과에 의하면, 첫회 효율에 대해서는, 비교예 2, 비교예 5, 비교예 7에서 저하 경향이 있었다. 이것은 탄소 섬유 또는 도전제의 비표면적이 크기 때문에, 충전 시의 부극 반응 면적이 증가하고, 피막 형성 시에 많은 가역 Li를 소실하는 것에 기인한다. 따라서, 첫회 효율의 관점에서는 탄소 섬유 및 도전제의 비표면적을 50㎡/g 미만으로 억제하는 것이 바람직하다.
사이클마다의 방전 용량 유지율에 대해서는, 먼저 사이클 초기인 10 사이클 시점에서는, 실시예 1 내지 실시예 7, 비교예 1 내지 비교예 2, 비교예 7 내지 비교예 8, 비교예 11, 비교예 13, 비교예 15, 비교예 17, 비교예 19가 양호하였다.
이들 실시예 및 비교예는, 섬유 직경 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 제1 탄소 섬유 또는 다른 섬유를 사용한 것이다. 측정 결과는, 가는 직경 또한 단척의 제1 탄소 섬유가, 규소 또는 그 화합물(규소 산화물, 규소 합금) 입자 표면에 흡착되기 쉬워, 입자 표면 및 근방의 전자 패스를 확보할 수 있고, 사이클에 따른 규소 또는 그 화합물의 팽창 수축에 추종하여, 입자 표면 및 근방의 전자 패스 붕락을 억제한 것에 기인하는 것이다.
이어서, 10 사이클 시점의 개선이 보인 것에 대해서, 사이클 중기인 100 사이클 시점을 비교하면, 비교예 2만 열화 경향이 있었다. 이것은 탄소 섬유의 섬유 직경이 20㎚로 매우 가는 다른 탄소 섬유를 사용하고 있기 때문에, 사이클 진행에 따라 활물질의 팽창 수축에 기인해서 입자 사이가 넓어져, 접촉 불량이 발생했을 때에 전자 패스를 유지하지 못하는 것에 기인한다. 또한 탄소 섬유의 섬유 직경이 가늘어지면 비표면적이 증대하고, 상기와 같이 첫회 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 평균 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 제1 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
마지막으로, 사이클 장기(長期)인 200 사이클 시점에서는, 실시예 1 내지 실시예 7이 높은 방전 용량 유지율을 나타냈다. 이것은, 사이클이 더욱 진행된 경우에는 입자간 거리가 보다 넓어지기 때문에, 굵은 직경이나 장척의 제2 탄소 섬유가 장거리의 전자 패스에 기여할 수 있는 것에 기인하는 것이다.
이상의 결과로부터, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 제1 탄소 섬유 및 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 제2 탄소 섬유를 사용하는 것이 최선인 것을 확인할 수 있었다.
7. 다른 실시 형태(변형예)
이상, 본 기술을 각 실시 형태 및 실시예에 의해 설명했지만, 본 기술은 이들에 한정되는 것이 아니라, 본 기술의 요지 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 상술한 실시 형태 및 실시예에 있어서 예로 든 수치, 구조, 형상, 재료, 원료, 제조 프로세스 등은 어디까지나 예에 불과하며, 필요에 따라서 이들과 다른 수치, 구조, 형상, 재료, 원료, 제조 프로세스 등을 사용해도 된다.
상술한 실시 형태 및 실시예의 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등은, 본 기술의 주지를 일탈하지 않는 한, 서로 조합하는 것이 가능하다.
본 기술에 관한 부극은, 각형 등의 다른 전지 구조를 갖는 경우에 대해서도, 마찬가지로 적용 가능하다. 제1 내지 제2 실시 형태에 있어서, 권회형의 전극체 대신에, 적층형의 전극체를 사용해도 된다. 본 기술에 관한 부극은, 예를 들어 스마트 시계, 헤드 마운트 디스플레이, iGlass(등록 상표) 등의 웨어러블 단말기에 탑재되는 플렉시블 전지 등에도 적용 가능하다. 본 기술에 관한 부극은, 예를 들어 항공기, 무인비행기 등의 비행체 등에 탑재되는 전지에도 적용 가능하다.
본 기술은 이하의 구성을 채용할 수도 있다.
[1]
부극 활물질과,
제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함하고,
상기 제1 탄소 섬유는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 것이며,
상기 제2 탄소 섬유는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 것인 부극.
[2]
상기 부극 활물질은, 비탄소 재료 및 탄소 재료 중 적어도 하나를 포함하는 [1]에 기재된 부극.
[3]
상기 비탄소 재료는, 규소를 포함하는 재료 및 주석을 포함하는 재료 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 탄소 재료는, 흑연을 포함하는 [2]에 기재된 부극.
[4]
상기 규소를 포함하는 재료는, 규소의 단체, 규소의 합금 및 규소의 화합물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 주석을 포함하는 재료는, 주석의 단체, 주석의 합금 및 주석의 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 [3]에 기재된 부극.
[5]
상기 제1 탄소 섬유의 비표면적은, 50㎡/g 미만이고,
상기 제2 탄소 섬유의 비표면적은, 50㎡/g 미만인 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 부극.
[6]
상기 제1 탄소 섬유 및 상기 제2 탄소 섬유의 합계 질량은, 부극 구성 재료의 전체 질량에 대하여 0.1wt％ 이상 10wt％ 미만인 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 부극.
[7]
정극과,
부극과,
전해질을 구비하고,
상기 부극은, 부극 활물질과, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함하고,
상기 제1 탄소 섬유는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 것이며,
상기 제2 탄소 섬유는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 것인 전지.
[8]
[7]에 기재된 전지와,
상기 전지를 제어하는 제어부를 갖는 전지 팩.
[9]
[7]에 기재된 전지로부터 전력의 공급을 받는 전자 기기.
[10]
[7]에 기재된 전지와,
상기 전지로부터 전력의 공급을 받아서 차량의 구동력으로 변환하는 변환 장치와,
상기 전지에 관한 정보에 기초하여 차량 제어에 관한 정보 처리를 행하는 제어 장치를 갖는 전동 차량.
[11]
[7]에 기재된 전지를 갖고, 상기 전지에 접속되는 전자 기기에 전력을 공급하는 축전 장치.
[12]
다른 기기와 네트워크를 통해서 신호를 송수신하는 전력 정보 제어 장치를 갖고,
상기 전력 정보 제어 장치가 수신한 정보에 기초하여, 상기 전지의 충방전 제어를 행하는 [11]에 기재된 축전 장치.
[13]
[7]에 기재된 전지로부터 전력의 공급을 받는 전력 시스템.
[14]
발전 장치 또는 전력망으로부터 상기 전지에 전력이 공급되는 [13]에 기재된 전력 시스템.
11 : 전지 캔
12, 13 : 절연판
14 : 전지 덮개
15A : 디스크판
15 : 안전 밸브 기구
16 : 열감 저항 소자
17 : 가스킷
20 : 권회 전극체
21 : 정극
21A : 정극 집전체
21B : 정극 활물질층
22 : 부극
22A : 부극 집전체
22B : 부극 활물질층
23 : 세퍼레이터
24 : 센터 핀
25 : 정극 리드
26 : 부극 리드
30 : 권회 전극체
31 : 정극 리드
32 : 부극 리드
33 : 정극
34 : 부극
35 : 세퍼레이터
36 : 전해질층
111 : 전지 셀(전원)
121 : 제어부
200 : 전지 팩
201 : 조전지
201a : 이차 전지
300 : 전자 기기
400 : 축전 시스템
403 : 축전 장치
404 : 발전 장치
406 : 전동 차량
409 : 전력망
410 : 제어 장치
412 : 정보망
503 : 전력 구동력 변환 장치
508 : 배터리
509 : 차량 제어 장치

Claims (14)

  1. 부극 활물질과,
    제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 제1 탄소 섬유는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 것이며,
    상기 제2 탄소 섬유는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 것이며,
    상기 부극 활물질은, 비탄소 재료 및 탄소 재료를 포함하고,
    상기 비탄소 재료는, 규소를 포함하는 재료 및 주석을 포함하는 재료 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 탄소 재료는, 흑연을 포함하고,
    상기 비탄소 재료는 부극 구성 재료의 전체 질량에 대하여 5wt％ 이상 10wt％ 이하인 부극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 규소를 포함하는 재료는, 규소의 단체, 규소의 합금 및 규소의 화합물 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 주석을 포함하는 재료는, 주석의 단체, 주석의 합금 및 주석의 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 부극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소 섬유의 비표면적은, 50㎡/g 미만이고,
    상기 제2 탄소 섬유의 비표면적은, 50㎡/g 미만인 부극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소 섬유 및 상기 제2 탄소 섬유의 합계 질량은, 부극 구성 재료의 전체 질량에 대하여 0.1wt％ 이상 10wt％ 미만인 부극.
  7. 정극과,
    부극과,
    전해질을 구비하고,
    상기 부극은, 부극 활물질과, 제1 탄소 섬유 및 제2 탄소 섬유를 포함하고,
    상기 제1 탄소 섬유는, 섬유 직경 70㎚ 이상 150㎚ 미만 또한 섬유 길이 1㎛ 이상 10㎛ 미만의 것이며,
    상기 제2 탄소 섬유는, 섬유 직경 150㎚ 이상 또는 섬유 길이 10㎛ 이상의 것이며,
    상기 부극 활물질은, 비탄소 재료 및 탄소 재료를 포함하고,
    상기 비탄소 재료는, 규소를 포함하는 재료 및 주석을 포함하는 재료 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 탄소 재료는, 흑연을 포함하고,
    상기 비탄소 재료는 부극 구성 재료의 전체 질량에 대하여 5wt％ 이상 10wt％ 이하인 전지.
  8. 제7항에 기재된 전지와,
    상기 전지를 제어하는 제어부를 갖는 전지 팩.
  9. 제7항에 기재된 전지를 갖고, 상기 전지로부터 전력의 공급을 받는 전자 기기.
  10. 제7항에 기재된 전지와,
    상기 전지로부터 전력의 공급을 받아서 차량의 구동력으로 변환하는 변환 장치와,
    상기 전지에 관한 정보에 기초하여 차량 제어에 관한 정보 처리를 행하는 제어 장치를 갖는 전동 차량.
  11. 제7항에 기재된 전지를 갖고, 상기 전지에 접속되는 전자 기기에 전력을 공급하는 축전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    다른 기기와 네트워크를 통해서 신호를 송수신하는 전력 정보 제어 장치를 갖고,
    상기 전력 정보 제어 장치가 수신한 정보에 기초하여, 상기 전지의 충방전 제어를 행하는 축전 장치.
  13. 제7항에 기재된 전지를 갖고, 상기 전지로부터 전력의 공급을 받는 전력 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    발전 장치 또는 전력망으로부터 상기 전지에 전력이 공급되는 전력 시스템.
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