KR20180125142A - 전극, 이차 전지, 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기 - Google Patents

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게이이치 가가미
기미오 다카하시
고지로 기타
가즈히토 핫타
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

이차 전지는, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있다.
[화학식 1]
Figure pat00025

(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)

Description

전극, 이차 전지, 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기{ELECTRODE, SECONDARY BATTERY, BATTERY PACK, ELECTRIC VEHICLE, ELECTRIC POWER STORAGE SYSTEM, ELECTRIC POWER TOOL, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 출원은, 2013년 12월 19일 출원된 일본 특허 출원 제2013-262349호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에서 참조로 원용된다.
본 기술은 활물질층을 포함하는 전극, 그 전극을 이용한 이차 전지, 그 이차 전지를 이용한 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기에 관한 것이다.
최근, 휴대 전화기 및 휴대 정보 단말 기기(PDA) 등의 다양한 전자 기기가 널리 보급되고 있고, 그 전자 기기의 소형화, 경량화 및 장기 수명화가 요망되고 있다. 이것에 수반하여, 전원으로서, 전지, 특히 소형 및 경량의, 고에너지 밀도를 제공할 수 있는 이차 전지의 개발이 진척되고 있다.
최근에는, 이차 전지를 전자 기기에 한하지 않고, 다양한 다른 용도에 적용하는 것도 검토되고 있다. 그러한 다른 용도의 예는, 전자 기기 등에 착탈가능하게 탑재되는 전지 팩, 전기 자동차 등의 전동 차량, 가정용 전력 서버 등의 전력 저장 시스템, 전동 드릴 등의 전동 공구를 포함할 수도 있다.
전지 용량을 얻기 위해서 다양한 충방전 원리를 이용하는 이차 전지가 제안되어 있다. 특히, 전극 반응 물질의 흡장 및 방출을 이용하는 이차 전지가 주목받고 있는데, 보다 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다.
이차 전지는 정극, 부극 및 전해액을 포함하고 있다. 정극은 정극 활물질층을 포함하고 있고, 그 정극 활물질층은 전극 반응 물질을 흡장 및 방출하는 정극 활물질을 포함하고 있다. 부극은 부극 활물질층을 포함하고 있고, 그 부극 활물질층은 전극 반응 물질을 흡장 및 방출하는 부극 활물질을 포함하고 있다.
이러한 이차 전지에서는, 전지 용량 등의 전지 특성을 향상시키는 것이 중요하지만, 안전성을 확보하는 것도 중요하다. 따라서, 이차 전지의 구성에 관해서 다양한 검토가 이루어져 왔다.
구체적으로는, 충전 동작 후의 고온 보존 특성 등을 향상시키기 위해서, 정극의 혼합제 또는 부극의 혼합제에 폴리인산암모늄 등을 함유시키고 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공개 평10-255389호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2010-251217호 공보 및 일본 특허 출원 공개 제2001-015166호 공보 참조). 저온 특성 등을 개선하기 위해서, 전해액에 폴리인산암모늄 등을 함유시키고 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제2005-353579호 공보 참조). 발화 내성을 강화하기 위해서, 세퍼레이터의 일부에 인산에스테르 등을 준비하고 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제2009-301746호 공보 참조). 이상 사태의 발생 시에 이차 전지를 안전한 상태로 하기 위해서, 전지 케이스의 내부에 폴리인산암모늄 등을 수용하고 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공개 제2009-301798호 공보 참조). 내열성 등을 확보하기 위해서, 이차 전지용 전조의 수지 조성물에 멜라민 시아누레이트 등을 함유시키고 있다(예를 들면, 일본 특허 출원 공개 평10-214603호 공보 참조).
<선행기술문헌>
<특허문헌>
(특허문헌 1) 일본 특허 출원 공개 평10-255389호 공보
(특허문헌 2) 일본 특허 출원 공개 제2010-251217호 공보
(특허문헌 3) 일본 특허 출원 공개 제2001-015166호 공보
(특허문헌 4) 일본 특허 출원 공개 제2005-353579호 공보
(특허문헌 5) 일본 특허 출원 공개 제2009-301746호 공보
(특허문헌 6) 일본 특허 출원 공개 제2009-301798호 공보
(특허문헌 7) 일본 특허 출원 공개 평10-214603호 공보
이차 전지의 구성에 관해서는 다양한 제안이 이루어져 왔다. 그러나, 아직 전지 특성과 안전성을 양립시키고 있다고는 할 수 없기 때문에, 개선의 여지가 있다.
전지 특성과 안전성을 양립시키는 것이 가능한 전극, 이차 전지, 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기를 제공하는 것이 바람직하다.
본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있는 이차 전지가 제공된다.
[화학식 1]
Figure pat00001
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 활물질층과, 상기 활물질층에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 표면층을 포함하고, 상기 표면층은 상기 활물질층에 부분적으로 들어가는 전극이 제공된다.
[화학식 1]
Figure pat00002
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
여기서, "중간층이 부분적으로 정극에 들어간다"(또는, "중간층의 일부가 정극에 들어간다")라는 표현은, (정극의 내부를 향하는 방향으로) 정극의 표면의 내측에 중간층의 일부가 존재하고 있다(중간층의 일부가 정극으로 돌출하고 있다)는 것을 의미한다. "중간층이 부분적으로 부극에 들어간다"(또는 "중간층의 일부가 부극에 들어간다")라는 표현은, (부극의 내부를 향하는 방향으로) 부극의 표면의 내측에 중간층의 일부가 존재하고 있다(중간층의 일부가 부극으로 돌출하고 있다)는 것을 의미한다. 또한, "표면층이 부분적으로 활물질층에 들어간다"(또는, "표면층의 일부가 활물질층에 들어간다")라는 표현은, (활물질층의 내부를 향하는 방향으로) 활물질층의 표면의 내측에 표면층의 일부가 존재하고 있다(표면층의 일부가 활물질층에 돌출하고 있다)는 것을 의미한다. 이 "들어간다"의 상세한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.
"금속 수산화물"은 음이온으로서 1 이상의 수산화물 이온(OH-)을 포함하는 금속염의 총칭이다. "금속 수화물"은 1 이상의 물 분자(H2O)를 포함하는 금속 화합물의 총칭이다. 상기한 "금속 수산화물"에 해당하는 금속 화합물은 "금속 수화물"에서 제외된다.
본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 이차 전지와, 상기 이차 전지의 동작을 제어하도록 구성되는 제어부와, 상기 제어부의 지시에 따라서 상기 이차 전지의 동작을 스위칭하도록 구성되는 스위치부를 포함하는 전지 팩이 제공된다. 상기 이차 전지는, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있다.
[화학식 1]
Figure pat00003
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 이차 전지와, 상기 이차 전지로부터 공급된 전력을 구동력으로 변환하도록 구성되는 변환부와, 상기 구동력에 따라서 동작하도록 구성되는 구동부와, 상기 이차 전지의 동작을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는 전동 차량이 제공된다. 상기 이차 전지는, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있다.
[화학식 1]
Figure pat00004
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 이차 전지와, 상기 이차 전지로부터 전력이 공급되도록 구성되는 1 이상의 전기 기기와, 상기 이차 전지로부터 상기 1 이상의 전기 기기에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는 전력 저장 시스템이 제공된다. 상기 이차 전지는, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있다.
[화학식 1]
Figure pat00005
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 이차 전지와, 상기 이차 전지로부터 전력이 공급되도록 구성되는 가동부를 포함하는 전동 공구가 제공된다. 상기 이차 전지는, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있다.
[화학식 1]
Figure pat00006
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 이차 전지를 전력 공급원으로서 포함하는 전자 기기가 제공된다. 상기 이차 전지는, 정극과, 부극과, 전해액과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있다.
[화학식 1]
Figure pat00007
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 기술의 일 실시 형태의 이차 전지에 따르면, 1 이상의 폴리인산염 등을 포함하는 중간층이 정극과 부극 사이에 배치되고, 그 중간층의 일부가 정극, 부극 또는 양자 모두에 들어간다. 따라서, 뛰어난 전지 특성을 얻을 수 있다. 또한, 본 기술의 일 실시 형태의 전극에 따르면, 1 이상의 폴리인산염 등을 포함하는 표면층이 활물질층에 설치되어 있고, 그 표면층의 일부가 활물질층에 들어간다. 따라서, 뛰어난 전지 특성을 얻을 수 있다. 또한, 본 기술의 실시 형태에 따른 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기에서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 기술의 효과는 상기한 것에 한정되는 것은 아니고, 본 기술 중에 기재된 어떠한 효과일 수 있다.
전술한 전체적인 설명과, 아래의 상세한 설명은 예시적인 것으로, 청구된 본 기술의 추가적인 설명을 제공하기 위해 의도된 것임을 이해하여야 할 것이다.
첨부된 도면은 본 개시의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함된 것이며, 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성한다. 도면은 명세서와 함께 실시 형태를 설명하며, 본 기술의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 기술의 일 실시 형태의 제1 이차 전지(각형)의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 나타낸 II-II선을 따른 이차 전지의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 도 2에 나타낸 전지 소자의 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 4는 도 3에 나타낸 전지 소자의 일부를 모식적으로 나타내는 단면도.
도 5는 참고예의 전지 소자의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 6은 도 2에 나타낸 전지 소자의 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 7은 도 2에 나타낸 전지 소자의 또 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 8은 도 2에 나타낸 전지 소자의 또 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 9는 본 기술의 일 실시 형태의 제2 이차 전지(원통형)의 구성을 나타내는 단면도.
도 10은 도 9에 나타낸 권회 전극체의 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 11은 도 9에 나타낸 권회 전극체의 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 12는 도 9에 나타낸 권회 전극체의 또 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 13은 도 9에 나타낸 권회 전극체의 또 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 14는 본 기술의 일 실시 형태의 제3 이차 전지(라미네이트 필름형)의 구성을 나타내는 사시도.
도 15는 도 14에 나타낸 XV-XV선을 따른 권회 전극체의 단면도.
도 16은 도 15에 나타낸 권회 전극체의 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 17은 도 15에 나타낸 권회 전극체의 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 18은 도 15에 나타낸 권회 전극체의 또 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 19는 도 15에 나타낸 권회 전극체의 또 다른 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 20은 이차 전지의 적용예(전지 팩: 단전지)의 구성을 나타내는 사시도.
도 21은 도 20에 나타낸 전지 팩의 구성을 나타내는 블록도.
도 22는 이차 전지의 적용예(전지 팩: 조전지)의 구성을 나타내는 블록도.
도 23은 이차 전지의 적용예(전동 차량)의 구성을 나타내는 블록도.
도 24는 이차 전지의 적용예(전력 저장 시스템)의 구성을 나타내는 블록도.
도 25는 이차 전지의 적용예(전동 공구)의 구성을 나타내는 블록도.
이하, 본 기술의 실시 형태에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명한다. 설명의 순서는 하기와 같다.
1. 제1 이차 전지(각형)
1-1. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
1-2. 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
1-3. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층 및 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
1-4. 정극과 부극 사이에 형성된 세퍼레이터(난연층으로서 기능하는 세퍼레이터)
2. 제2 이차 전지(원통형)
2-1. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
2-2. 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
2-3. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층 및 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
2-4. 정극과 부극 사이에 형성된 세퍼레이터(난연층으로서 기능하는 세퍼레이터)
3. 제3 이차 전지(라미네이트 필름형)
3-1. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
3-2. 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
3-3. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층 및 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층
3-4. 정극과 부극 사이에 형성된 전해질층(난연층으로서 기능하는 전해질층)
4. 이차 전지의 용도
4-1. 전지 팩(단전지)
4-2. 전지 팩(조전지)
4-3. 전동 차량
4-4. 전력 저장 시스템
4-5. 전동 공구
[1. 제1 이차 전지(각형)]
[1-1. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
우선, 본 기술의 일 실시 형태의 제1 이차 전지(이하, 간단히 "이차 전지" 또는 "본 기술의 실시 형태의 이차 전지"라고 한다)에 대해서 설명한다. 또한, 본 기술의 일 실시 형태의 "전극"에 관해서도 이하에서 함께 설명한다.
[이차 전지의 전체 구성]
도 1 및 도 2는 각각 이차 전지의 단면 구성을 나타내고 있다. 도 2에서는 도 1에 나타낸 II-II 선을 따른 단면을 도시하고 있다. 도 3은 도 2에 나타낸 전지 소자(20)의 상세한 구성을 나타내고 있다. 도 4는 도 3에 나타낸 전지 소자(20)의 일부를 모식적으로 나타내고 있다. 도 5는 참고예의 전지 소자(20)의 구성을 모식적으로 나타내고 있고, 도 4에 대응하고 있다.
여기에서 설명하는 이차 전지는 전극 반응 물질의 흡장 및 방출에 의해 부극(22)의 전지 용량을 얻을 수 있는 이차 전지이며, 소위 각형의 전지 구조를 가지고 있다.
"전극 반응 물질"은 전극 반응에 관련된 물질이며, 예를 들면, 리튬(Li)의 흡장 및 방출에 의해 전지 용량을 얻을 수 있는 이차 전지(리튬 이온 이차 전지)에서는 리튬일 수 있다. 이하에서는, 본 기술의 실시 형태의 이차 전지가 리튬 이온 이차 전지일 경우에 대해서 설명한다.
이러한 이차 전지에서는, 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 전지 캔(11)의 내부에 전지 소자(20)가 수납된다. 전지 소자(20)는 세퍼레이터(23) 및 난연층(26)을 개재해서 정극(21)과 부극(22)이 적층되고 권회되어 구성된 것이다. 또한, 전지 소자(20)는 전지 캔(11)의 형상에 따라서 편평 형상이다. 이 전지 소자(20)에는 전해액이 함침된다.
전지 캔(11)은 각형의 외장 부재이다. 이 각형의 외장 부재는, 도 2에 도시한 바와 같이, 길이 방향에서의 단면이 구형 형상 또는 거의 구형 형상(형상의 일부가 곡선을 포함한다)이지만, 구형 형상에 한정되지 않고, 타원 형상을 가지고 있어도 된다. 구체적으로, 각형의 외장 부재는, 구형 형상의 개구부, 또는 원호와 그 원호를 연결하는 직선으로 구성된 대략 구형(타원) 형상의 개구부를 가지는 바닥을 가지는 구형 또는 바닥을 가지는 타원 형상의 용기 형상 부재이다. 또한, 도 2에서는, 전지 캔(11)이 구형의 단면 형상을 가질 경우를 나타내고 있다.
이 전지 캔(11)은, 예를 들면, 철(Fe), 알루미늄(Al) 및 그것들의 합금 등의 도전성 재료의 1 이상에 의해 형성되고 있다. 전지 캔(11)은 전극 단자로서 기능하는 경우도 있다. 특히, 충방전 동작을 수행할 때에 단단함(변형하기 어려움)을 이용해서 전지 캔(11)의 팽창을 억제하기 위해, 알루미늄보다 단단한 철이 바람직하다. 전지 캔(11)이 철제일 경우에는, 그 전지 캔(11)의 표면에 니켈(Ni) 등의 금속 재료가 도금되어 있어도 된다.
전지 캔(11)은, 전지 캔(11)의 일 단부가 개방됨과 동시에 타 단부가 폐쇄된 중공 구조를 가질 수도 있다. 전지 캔(11)은, 전지 캔(11)의 일 단부(개방 단부)에 부착된 절연판(12) 및 전지 덮개(13)에 의해 밀폐된다. 절연판(12)은 전지 소자(20)와 전지 덮개(13)의 사이에 배치되고, 예를 들면, 폴리프로필렌 등의 절연성 재료에 의해 형성될 수 있다. 전지 덮개(13)는, 예를 들면, 전지 캔(11)의 재료와 마찬가지의 재료에 의해 형성될 수 있다. 전지 캔(11)과 마찬가지로, 전지 덮개(13)는 전극 단자로서 기능해도 된다.
전지 덮개(13)의 외측에는 정극 단자가 되는 단자판(14)이 설치되어 있다. 단자판(14)은 절연 케이스(16)를 개재해서 전지 덮개(13)로부터 전기적으로 절연된다. 이 절연 케이스(16)는, 예를 들면, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등의 절연성 재료에 의해 형성된다. 전지 덮개(13)의 거의 중앙에 관통 구멍이 설치되어 있다. 그 관통 구멍에는 정극 핀(15)이 삽입된다. 이 정극 핀(15)은 단자판(14)과 전기적으로 접속되고, 개스킷(17)으로 전지 덮개(13)로부터 전기적으로 절연된다. 개스킷(17)은, 예를 들면, 절연성 재료에 의해 형성될 수 있다. 개스킷(17)의 표면에는, 예를 들면, 아스팔트가 도포될 수 있다.
전지 덮개(13)의 주연 부근에는 분리 밸브(18) 및 주입 구멍(19)이 설치되어 있다. 분리 밸브(18)는 전지 덮개(13)와 전기적으로 접속된다. 이 분리 밸브(18)는 내부의 회로 단락, 외부로부터의 가열 등에 기인해서 이차 전지의 내압이 일정 레벨 이상이 되면 전지 덮개(13)로부터 분리된다. 이에 의해, 내압을 개방한다. 주입 구멍(19)은, 예를 들면, 스테인레스 강 볼(stainless steel ball) 등의 밀봉 부재(19A)에 의해 막혀져 있다.
정극(21)의 단부(예를 들면, 내부 단자 단부)에는 알루미늄 등의 도전성 재료에 의해 형성된 정극 리드(24)가 부착된다. 부극(22)의 단부(예를 들면, 외부 단자 단부)에는 니켈 등의 도전성 재료에 의해 형성된 부극 리드(25)가 부착된다. 정극 리드(24)는 정극 핀(15)의 일 단부에 부착되고, 단자판(14)과 전기적으로 접속된다. 부극 리드(25)는 전지 캔(11)에 부착되고, 전지 캔(11)과 전기적으로 접속된다.
[정극]
정극(21)은, 예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 정극 집전체(21A)의 양 면에 정극 활물질층(21B)을 가질 수 있다. 단, 정극(21)은 정극 집전체(21A)의 한 면에만 정극 활물질층(21B)을 가지고 있어도 된다.
정극 집전체(21A)는, 예를 들면, 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 스테인레스 강 등의 도전성 재료 중 1 이상에 의해 형성될 수 있다.
정극 활물질층(21B)은 정극 활물질로서 리튬을 흡장 및 방출가능한 정극 재료 중 1 이상을 포함하고 있다. 또한, 정극 활물질층(21B)은 정극 결착제 및 정극 전기 도전제 등의 다른 재료 중 1 이상을 더 포함하고 있어도 된다.
정극 재료는 리튬 함유 화합물인 것이 바람직한데, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다. 리튬 함유 화합물의 예는, 리튬 변이 금속 복합 산화물 및 리튬 변이 금속 인산 화합물을 포함할 수 있다. 리튬 변이 금속 복합 산화물은, 리튬과 1 이상의 변이 금속 원소를 구성 원소로서 포함하는 산화물이다. 리튬 변이 금속 인산 화합물은, 리튬과 1 이상의 변이 금속 원소를 구성 원소로서 포함하는 인산 화합물이다. 특히, 변이 금속 원소는, 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe) 등 중 1 이상인 것이 바람직한데, 보다 높은 전압을 얻을 수 있기 때문이다. 그 화학식은, 예를 들면, LixM1O2 또는 LiyM2PO4로 나타낸다. 식에서, M1 및 M2의 각각은 1 이상의 변이 금속 원소를 나타낸다. x 및 y의 각각의 값은, 충방전 상태에 따라서 상이하지만, 통상적으로, 0.05≤x≤1.10, 0.05≤y≤1.10의 범위이다.
리튬 변이 금속 복합 산화물의 구체예는, LiCoO2, LiNiO2, 및 하기의 화학식 (20)으로 나타내는 리튬 니켈계 복합 산화물을 포함할 수 있다. 리튬 변이 금속 인산 화합물의 구체예는, LiFePO4 및 LiFe1 - uMnuPO4(u<1)를 포함할 수 있는데, 높은 전지 용량을 얻을 수 있고, 뛰어난 사이클 특성도 얻을 수 있기 때문이다.
LiNi1-zMzO2…(20)
(M은 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 티탄(Ti), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 이테르븀(Yb), 구리(Cu), 아연(Zn), 바륨(Ba), 붕소(B), 크롬(Cr), 규소(Si), 갈륨(Ga), 인(P), 안티몬(Sb) 및 니오븀(Nb) 중 1 이상이다. z는 0.005<z<0.5를 만족한다.)
상기한 재료 외에, 정극 재료는, 예를 들면, 산화물, 이황화물, 칼코겐화물 및 도전성 고분자 등의 1 이상을 포함할 수 있다. 산화물의 예는, 산화티탄, 산화바나듐 및 이산화망간을 포함할 수 있다. 이황화물의 예는, 이황화티탄 및 황화몰리브덴을 포함할 수 있다. 칼코겐화물의 예는, 셀레늄화 니오븀을 포함할 수 있다. 도전성 고분자의 예는, 황, 폴리아닐린 및 폴리티오펜을 포함할 수 있다. 단, 정극 재료는 상기 이외의 재료라도 된다.
정극 활물질층(21B)은 복수의 입자 형상의 정극 활물질(정극 활물질 입자)을 포함하고 있다. 이것에 수반하여, 정극 활물질층(21B)은, 예를 들면, 도포법 및 소성법(소결법) 등 중 1 이상의 방법에 의해 형성될 수 있다. 도포법은, 예를 들면, 정극 활물질과 정극 결착제 등의 혼합물을 유기 용제 등의 용매에 분산 또는 용해시켜서 슬러리를 얻은 뒤, 그 슬러리를 정극 집전체(21A)에 도포하는 방법일 수 있다. 소성법은, 예를 들면, 도포법을 이용해서 슬러리를 정극 집전체(21A)에 도포한 뒤, 부극 결착제 등의 융점보다 높은 온도에서 열처리를 행하는 방법이다. 이 소성법은, 예를 들면, 분위기 소성법, 반응 소성법 및 핫 프레스 소성법 등의 1 이상일 수 있다.
정극 결착제는, 예를 들면, 합성 고무 및 고분자 화합물 등의 1 이상을 포함할 수 있다. 합성 고무의 예는, 스티렌 부타디엔계 고무, 불소계 고무 및 에틸렌 프로필렌 디엔을 포함할 수 있다. 고분자 화합물의 예는, 폴리불화비닐리덴, 폴리아크릴산 및 폴리이미드를 포함할 수 있다.
정극 전기 도전제의 예는, 탄소 재료 등의 1 이상을 포함하고 있다. 탄소 재료의 예는, 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙 및 케첸 블랙(Ketjen black)을 포함할 수 있다. 정극 전기 도전제는, 전기 도전성을 가지는 재료이면, 금속 재료 및 도전성 고분자 등이어도 된다.
[부극]
부극(22)은, 예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 부극 집전체(22A)의 양면에 부극 활물질층(22B)을 가질 수 있다. 단, 부극(22)은 부극 집전체(22A)의 한 면에만 부극 활물질층(22B)을 가지고 있어도 된다.
부극 집전체(22A)는, 예를 들면, 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 스테인레스 강 등의 도전성 재료 중 1 이상에 의해 형성될 수 있다. 이 부극 집전체(22A)의 표면은 조면화되어 있는 것이 바람직하다. 소위, 앵커 효과에 의해 부극 집전체(22A)에 대한 부극 활물질층(22B)의 밀착성이 향상되기 때문이다. 이 경우에는, 적어도 부극 활물질층(22B)과 대향하는 영역에서, 부극 집전체(22A)의 표면이 조면화되어 있으면 된다. 조면화의 방법의 예는, 전해 처리를 이용해서 미립자를 형성하는 방법을 포함할 수 있다. 이 전해 처리는 전해조에서 전해법을 이용해서 부극 집전체(22A)의 표면에 미립자를 형성함으로써, 그 부극 집전체(22A)의 표면에 요철을 마련하는 방법이다. 전해법에 의해 제작된 동박은 일반적으로 "전해 동박"이라고 부르고 있다.
부극 활물질층(22B)은 부극 활물질로서 리튬을 흡장 및 방출가능한 부극 재료 중 1 이상을 포함하고 있다. 단, 부극 활물질층(22B)은 부극 결착제 및 부극 전기 도전제 등의 다른 재료 중 1 이상을 더 포함하고 있어도 된다. 부극 결착제 및 부극 전기 도전제에 관한 상세 내용은, 예를 들면, 정극 결착제 및 정극 전기 도전제와 마찬가지이다.
단, 충전 동작 도중에 의도하지 않고 리튬 금속이 부극(22)에 석출되는 것을 방지하기 위해서, 부극 재료의 충전가능한 용량은 정극(21)의 방전 용량보다도 큰 것이 바람직하다. 구체적으로, 리튬을 흡장 및 방출가능한 부극 재료의 전기 화학 당량은 정극(21)의 전기 화학 당량보다 큰 것이 바람직하다.
부극 재료는, 예를 들면, 탄소 재료 중 1 이상인데, 탄소 재료에서는 리튬의 흡장 및 방출 시에 결정 구조의 변화가 대단히 적기 때문에 높은 에너지 밀도 및 뛰어난 사이클 특성을 얻을 수 있기 때문이다. 다른 이유는, 탄소 재료는 부극 전기 도전제로서도 기능하기 때문이다. 탄소 재료의 예는, 흑연화 탄소, 비흑연화 탄소 및 흑연을 포함한다. 단, 비흑연화 탄소에서의 (002) 면의 간격은 0.37 nm 이상인 것이 바람직하며, 흑연에서의 (002) 면의 간격은 0.34 nm 이하인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 탄소 재료의 예는, 열분해 탄소류, 콕스류, 글래스 형상 탄소 섬유, 유기 고분자 화합물 소성체, 활성탄 및 카본 블랙류를 포함한다. 이 콕스류의 예는, 피치 콕스, 니들 콕스 및 석유 콕스를 포함한다. 유기 고분자 화합물 소성체는 페놀 수지 및 푸란 수지 등의 고분자 화합물을 적당한 온도에서 소성(탄소화)함으로써 얻어진다. 그 밖에, 탄소 재료는, 약 1000℃ 이하의 온도에서 열처리된 저결정성 탄소이어도 되고, 비정질 탄소이어도 된다. 또한, 탄소 재료의 형상은 섬유 형상, 구형, 입상 및 비늘 조각 형상의 어느 것이라도 된다.
또한, 부극 재료는, 예를 들면, 금속 원소 및 반금속 원소 중 1 이상을 구성 원소로서 포함하는 재료(금속계 재료)일 수 있는데, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다. 이 금속계 재료는 단체, 합금 또는 화합물의 어느 것일 수도 있으며, 그것들의 2 이상이거나, 그것들의 1 이상의 상을 일부 또는 전부에 가지고 있어도 된다. "합금"은 2 이상의 금속 원소로 구성되는 합금 외에, 1 이상의 금속 원소와 1 이상의 반금속 원소를 포함하는 합금도 포함한다. 또한, "합금"은 비금속 원소를 포함하고 있어도 된다. 그 구성의 예는, 고용체, 공정(공융 혼합물), 금속간 화합물 및 그것들의 2 이상의 공존물을 포함한다.
상기한 금속 원소 및 상기한 반금속 원소의 예는, 리튬과 합금을 형성가능한 금속 원소 및 반금속 원소 중 1 이상을 포함한다. 그 구체적인 예는, 마그네슘(Mg), 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 납(Pb), 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 은(Ag), 아연(Zn), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)을 포함할 수 있다. 특히, 규소, 주석, 또는 이들 모두가 바람직한데, 리튬을 흡장 및 방출하는 능력이 뛰어나기 때문에, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다.
규소, 주석, 또는 이들 모두를 구성 원소로서 포함하는 재료는 규소의 단체, 규소의 합금, 규소의 화합물, 주석의 단체, 주석의 합금 및 주석의 화합물 중 어느 것이라도 되고, 그것들의 2 이상이라도 되고, 또는, 그것들의 1 이상의 상을 부분적으로, 또는 전부 가지고 있어도 된다. 또한, 여기서 사용된 "단체"는, 어디까지나 일반적인 의미에서의 단체(미량의 불순물을 포함하고 있어도 된다)이며, 반드시 순도 100%의 단체를 뜻하는 것은 아니다.
규소의 합금은, 예를 들면, 규소 이외의 구성 원소로서, 주석(Sn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 티탄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb) 및 크롬(Cr) 등의 1 이상을 포함하고 있다. 규소의 화합물은, 예를 들면, 규소 이외의 구성 원소로서, 탄소(C) 및 산소(O) 등의 1 이상을 포함하고 있다. 또한, 규소의 화합물은, 예를 들면, 규소 이외의 구성 원소로서, 규소의 합금에 관해서 상기 설명한 원소의 1 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 LiSiO를 포함한다. SiOv에서의 v는 0.2<v<1.4의 범위라도 된다.
주석의 합금은, 예를 들면, 주석 이외의 구성 원소로서, 규소(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 아연(Zn), 인듐(In), 은(Ag), 티탄(Ti), 게르마늄(Ge), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb) 및 크롬(Cr) 등의 1 이상을 포함하고 있다. 주석의 화합물은, 예를 들면, 주석 이외의 구성 원소로서, 탄소 및 산소 등의 1 이상을 포함하고 있다. 또한, 주석의 화합물은, 예를 들면, 주석 이외의 구성 원소로서, 주석의 합금에 관해서 상기 설명한 원소의 1 이상을 포함하고 있어도 된다.
주석의 합금 및 주석의 화합물의 구체예는, SnOw(0<w≤2), SnSiO3, LiSnO 및 Mg2Sn을 포함한다.
특히, 주석을 구성 원소로서 포함하는 재료는, 예를 들면, 주석(제1 구성 원소)에 추가하여 제2 구성 원소 및 제3 구성 원소를 포함하는 재료인 것이 바람직하다. 제2 구성 원소는, 예를 들면, 코발트, 철, 마그네슘, 티탄, 바나듐(V), 크롬, 망간, 니켈, 구리, 아연, 갈륨(Ga), 지르코늄, 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 은, 인듐, 세슘(Ce), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 비스무트 및 규소 등의 1 이상의 원소를 포함할 수도 있다. 제3 구성 원소는, 예를 들면, 붕소, 탄소, 알루미늄 및 인(P) 등의 1 이상을 포함하고 있다. 그 이유 중 하나는, 제2 및 제3 구성 원소를 포함함으로써, 높은 전지 용량 및 뛰어난 사이클 특성 등을 얻을 수 있기 때문이다.
특히, 주석, 코발트 및 탄소를 구성 원소로서 포함하는 재료(SnCoC 함유 재료)가 바람직하다. 이 SnCoC 함유 재료에서는, 예를 들면, 탄소의 함유량이 약 9.9 질량% 내지 약 29.7 질량%이고, 주석과 코발트의 함유량의 비율(Co/(Sn+Co))이 약 20 질량% 내지 약 70 질량%인데, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다.
SnCoC 함유 재료는 주석, 코발트 및 탄소를 포함하는 상을 가진다. 그러한 상은 저결정성 또는 비정질인 것이 바람직하다. 이 상은 전극 반응 물질과 반응가능한 반응 상이다. 따라서, 그 반응 상의 존재에 의해 뛰어난 특성을 얻을 수 있다. 이 반응 상의 X 선 회절에 의해 얻어지는 회절 피크의 반치폭(회절각 2θ)은, 특정 X 선으로서 CuKα 선을 이용하고, 삽입 속도를 1°/min으로 한 경우에, 1° 이상인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 전극 반응 물질이 보다 원활하게 흡장 및 방출되고, 전해액과의 반응성이 저감하기 때문이다. 또한, SnCoC 함유 재료는 저결정성 상 또는 비정질의 상 외에, 각 구성 원소의 단체 또는 일부를 포함하는 상을 포함하고 있을 경우도 있다.
X 선 회절에 의해 얻어진 회절 피크가 전극 반응 물질과 반응가능한 반응 상에 대응하는지의 여부는, 전극 반응 물질과의 전기 화학적 반응의 전후의 X 선 회절 차트를 비교하면 용이하게 판단할 수 있다. 예를 들면, 전극 반응 물질과의 전기 화학적 반응 후의 회절 피크의 위치가, 전극 반응 물질과의 전기 화학적 반응 전의 회절 피크의 위치로부터 변화하면, 얻어진 회절 피크는 전극 반응 물질과 반응가능한 반응 상에 대응하는 것이다. 이 경우에는, 예를 들면, 저결정성 반응 상 또는 비정질의 반응 상의 회절 피크가 2θ=약 20°내지 약 50°의 범위에서 보인다. 이러한 반응 상은, 예를 들면, 상기한 각 구성 원소를 포함하고 있고, 주로 탄소의 존재에 기인해서 저결정화 또는 비정질화된 구조로 생각된다.
SnCoC 함유 재료에서는, 구성 원소인 탄소 중 일부 또는 전부가 다른 구성 원소인 금속 원소 또는 반금속 원소와 결합하고 있는 것이 바람직한데, 주석 등의 응집 또는 결정화가 억제되기 때문이다. 원소의 결합 상태에 관해서는, 예를 들면, XPS를 이용해서 확인가능하다. 시판의 장치에서는, 예를 들면, 소프트 X 선으로서 Al-Kα 선, Mg-Kα 선 등을 이용할 수 있다. 탄소 중 일부 또는 전부가 금속 원소 또는 반금속 원소 등과 결합하고 있을 경우에는, 탄소의 1s 궤도(C1s)의 합성파의 피크가 284.5 eV보다 낮은 영역에 나타난다. 금 원자의 4f 궤도(Au4f)의 피크가 84.0 eV에서 얻어지도록 에너지 교정이 된 것이라고 한다. 이때, 통상적으로, 물질 표면에 표면 오염 탄소가 존재하기 때문에, 그 표면 오염 탄소의 C1s의 피크를 284.8 eV로 간주하고, 이것을 에너지 기준으로 한다. XPS 측정에서, C1s의 피크의 파형은, 표면 오염 탄소의 피크와 SnCoC 함유 재료 중 탄소의 피크를 포함하는 형태로서 얻어진다. 이 때문에, 예를 들면, 시판의 소프트웨어를 이용해서 해석함으로써 양자의 피크를 서로 분리한다. 파형의 해석에서는, 최저 속박 에너지 측에 존재하는 주 피크의 위치를 에너지 기준(284.8 eV)으로 한다.
이 SnCoC 함유 재료는 구성 원소가 주석, 코발트 및 탄소만으로 구성되는 재료(SnCoC)에 한정되지 않는다. 이 SnCoC 함유 재료는, 예를 들면, 주석, 코발트 및 탄소 외에, 규소, 철, 니켈, 크롬, 인듐, 니오븀, 게르마늄, 티탄, 몰리브덴, 알루미늄, 인, 갈륨 및 비스무트 등의 1 이상을 구성 원소로서 더 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 임의이다. 일례를 들면, 철의 함유량을 적게 설정하는 경우에는, 탄소의 함유량이 약 9.9 질량% 내지 약 29.7 질량%, 철의 함유량이 약 0.3 질량% 내지 약 5.9 질량%, 주석 및 코발트의 함유량의 비율(Co/(Sn+Co))이 약 30 질량% 내지 약 70 질량%이다. 또한, 철의 함유량을 크게 설정하는 경우에는, 탄소의 함유량이 약 11.9 질량% 내지 약 29.7 질량%, 주석, 코발트 및 철의 함유량의 비율((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))이 약 26.4 질량% 내지 약 48.5 질량%, 코발트 및 철의 함유량의 비율(Co/(Co+Fe))이 약 9.9 질량% 내지 약 79.5 질량%이다. 그 이유 중 하나는, 이러한 조성 범위에서 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있기 때문이다. SnCoFeC 함유 재료의 물성(반치폭 등)은 상기한 SnCoC 함유 재료의 물성과 마찬가지이다.
상기한 재료 이외에, 부극 재료는, 예를 들면, 금속 산화물 및 고분자 화합물 등의 1 이상이면 된다. 금속 산화물의 예는, 산화철, 산화루테늄 및 산화몰리브덴을 포함한다. 고분자 화합물의 예는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린 및 폴리피롤을 포함한다.
부극 활물질층(22B)은 복수의 입자 형상의 부극 활물질(부극 활물질 입자)을 포함하고 있다. 이것에 수반하여, 정극 활물질층(22B)은, 예를 들면, 도포법 및 소성법(소결법) 등의 1 이상의 방법에 의해 형성된다.
이 이차 전지에서는, 상기한 것과 같이, 충전 도중에 부극(22)에 리튬 금속이 의도하지 않고 석출되는 것을 방지하기 위해서, 리튬을 흡장 및 방출가능한 부극 재료의 전기 화학 당량이 정극의 전기 화학 당량보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 완전 충전 상태 시의 개방 회로 전압(즉, 전지 전압)이 4.25 V 이상이면, 개방 회로 전압이 4.20 V일 경우와 비교하여, 같은 정극 활물질을 이용하더라도 단위 질량 당의 리튬의 방출량이 많아진다. 이것에 수반하여, 높은 에너지 밀도를 얻기 위해서, 정극 활물질의 양과 부극 활물질의 양이 조정된다.
[세퍼레이터]
세퍼레이터(23)는 정극(21)과 부극(22)를 격리하여, 양 전극의 접촉에 기인하는 전류 단락 회로를 방지하면서 리튬 이온을 통과시킨다. 이 세퍼레이터(23)는, 예를 들면, 합성 수지, 세라믹 등의 다공질막이다. 세퍼레이터(23)는 2 이상의 다공질막이 적층된 적층막이어도 된다. 합성 수지의 예는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌을 포함한다.
특히, 세퍼레이터(23)는, 예를 들면, 상기한 다공질막(기재층)의 한 면 또는 양면에 고분자 화합물층을 가지고 있어도 된다. 그 이유 중 하나는, 정극(21) 및 부극(22)에 대한 세퍼레이터(23)의 밀착성이 향상하기 때문에, 전지 소자(20)의 왜곡이 억제되기 때문이다. 이에 의해, 전해액의 분해 반응이 억제되고, 기재층에 함침된 전해액의 누액도 억제된다. 이에 따라, 충방전 동작을 되풀이해도 저항이 상승하기 어려워지고, 이차 전지가 부풀기 어려워진다.
고분자 화합물층은, 예를 들면, 폴리불화비닐리덴 등의 고분자 화합물을 포함하는데, 그러한 고분자 화합물은 물리적 강도가 뛰어나고, 전기 화학적으로 안정적이기 때문이다. 단, 고분자 화합물은 폴리불화비닐리덴 이외의 화합물이어도 된다. 이 고분자 화합물층은, 예를 들면 다음과 같이 형성될 수 있다. 즉, 고분자 화합물이 분산 또는 용해된 용액을 준비한 뒤, 그 용액을 기재층에 도포한다. 또는, 용액 중에 기재층을 침지시키고 나서 건조시켜도 된다.
[전해액]
전지 소자(20)에 함침되어 있는 전해액은 용매 및 전해질염을 포함하고 있다. 전해액은 첨가제 등의 다른 재료 중 1 이상을 포함하고 있어도 된다.
용매는 유기 용매 등의 비수용매 중 1 이상을 포함하고 있다. 비수용매를 포함하는 전해액은, 소위 비수전해액이다.
비수용매의 예는, 고리 형상 탄산에스테르, 쇄상 탄산에스테르, 락톤, 쇄상카르복실산 에스테르 및 니트릴을 포함하는데, 뛰어난 전지 용량, 뛰어난 사이클 특성 및 뛰어난 보존 특성 등을 얻을 수 있기 때문이다. 고리 형상 탄산에스테르의 예는, 탄산에틸렌, 탄산프로필렌 및 탄산부틸렌을 포함한다. 쇄상 탄산에스테르의 예는, 탄산디메틸, 탄산디에틸, 탄산에틸메틸 및 탄산메틸프로필을 포함한다. 락톤의 예는, γ-부틸로락톤 및 γ-발레로락톤을 포함한다. 쇄상 카르복실산 에스테르의 예는, 아세트산 메틸, 아세트산 에틸, 프로피온산 메틸, 프로피온산 에틸, 부틸산 메틸, 이소부틸산 메틸, 트리메틸아세트산 메틸 및 트리메틸아세트산 에틸을 포함한다. 니트릴의 예는, 아세토니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴 및 3-메톡시프로피오니트릴을 포함한다.
그 외에, 비수용매의 예는, 1, 2-디메톡시에탄, 테트라히드로푸란, 2-메틸테트라히드로푸란, 테트라히드로피란, 1, 3-디옥솔란, 4-메틸-1, 3-디옥솔란, 1, 3-디옥산, 1, 4-디옥산, N, N-디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, N-메틸옥사졸리디논, N, N'-디메틸이미다졸리디논, 니트로메탄, 니트로에탄, 술포란, 인산트리메틸 및 디메틸술폭시드를 포함하는데, 마찬가지의 이점을 얻을 수 있기 때문이다.
특히, 탄산 에틸렌, 탄산 프로필렌, 탄산 디메틸, 탄산 디에틸 및 탄산 에틸메틸의 1 이상이 바람직한데, 보다 뛰어난 전지 용량, 보다 뛰어난 사이클 특성 및 보다 뛰어난 보존 특성 등을 얻을 수 있기 때문이다. 이 경우에는, 탄산 에틸렌 또는 탄산 프로필렌 등의 고점도(고유전율) 용매(예를 들면, 비유전률 ε≥30)와, 탄산 디메틸, 탄산 에틸메틸 또는 탄산 디에틸 등의 저점도 용매(예를 들면, 점도≤1 mPa·s)의 조합이 보다 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 전해질염의 해리성 및 이온의 이동도가 향상되기 때문이다.
특히, 용매는, 불포화 고리 형상 탄산 에스테르, 할로겐화 탄산 에스테르, 술톤(고리 형상 술폰산 에스테르) 및 산 무수물 등의 1 이상을 포함하고 있어도 된다. 그 이유 중 하나는, 이 경우에, 전해액의 화학적 안정성이 향상되기 때문이다. 불포화 고리 형상 탄산 에스테르는, 1 이상의 불포화 탄소 결합(탄소간 이중 결합)을 포함하는 고리 형상 탄산 에스테르이다. 불포화 고리 형상 탄산 에스테르의 예는, 탄산 비닐렌, 탄산 비닐에틸렌 및 탄산 메틸렌에틸렌을 포함한다. 할로겐화 탄산 에스테르는, 1 이상의 할로겐을 구성 원소로서 가지는 고리 형상 또는 쇄상의 탄산 에스테르이다. 고리 형상의 할로겐화 탄산 에스테르의 예는, 4-플루오로-1, 3-디옥솔란-2-원 및 4, 5-디플루오로-1, 3-디옥솔란-2-원을 포함한다. 쇄상의 할로겐화 탄산 에스테르의 예는, 탄산 플루오로메틸메틸, 탄산 비스(플루오로메틸) 및 탄산 디플로오로메틸메틸을 포함한다. 술톤의 예는, 프로판 술톤 및 프로펜 술톤을 포함한다. 산 무수물의 예는, 무수 숙신산, 무수 에탄디술폰산 및 무수 술포벤조산을 포함한다. 단, 용매는 상기 재료에 한정되지 않고, 다른 재료이어도 된다.
전해질염은, 예를 들면, 리튬염 등의 염의 1 이상을 포함하고 있다. 단, 전해질염은, 예를 들면, 리튬염 이외의 염을 포함하고 있어도 된다. "리튬염 이외의 염"의 예는, 리튬 이외의 경금속의 염을 포함한다.
리튬염의 예는, 6불화인산 리튬(LiPF6), 4불화붕산 리튬(LiBF4), 과염소산 리튬(LiClO4), 6불화비산 리튬(LiAsF6), 테트라페닐붕산 리튬(LiB(C6H5)4), 메탄술폰산 리튬(LiCH3SO3), 트리불화메탄술폰산 리튬(LiCF3SO3), 테트라클로로알루미늄산 리튬(LiAlCl4), 6불화규산 디리튬(Li2SiF6), 염화리튬(LiCl) 및 브롬화 리튬(LiBr)을 포함하는데, 뛰어난 전지 용량, 뛰어난 사이클 특성 및 뛰어난 보존 특성 등을 얻을 수 있기 때문이다.
특히, LiPF6, LiBF4, LiClO4 및 LiAsF6의 1 이상이 바람직하고, LiPF6이 보다 바람직한데, 내부 저항이 저하하기 때문에, 보다 높은 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 단, 전해질염은 상기 언급된 것 이외의 염이라도 된다.
전해질염의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 특히, 용매에 대하여 약 0.3 mol/kg 내지 약 3.0 mol/kg인 것이 바람직한데, 높은 이온 전도성을 얻을 수 있기 때문이다.
[난연층]
정극(21)과 부극(22)의 사이에는 중간층인 난연층(26)이 배치되어 있다. 난연층(26)이 부분적으로 정극(21), 부극(22), 또는 양자 모두에 들어간다.
이 예에서는, 예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 정극(21)과 부극(22)의 사이에 세퍼레이터(23)가 개재하고 있고, 난연층(26)은 세퍼레이터(23)와 부극(22)의 사이에 배치된다. 이것에 수반하여, "난연층(26)이 부분적으로 부극(22)에 들어간다"(또는 "난연층(26)의 일부가 부극(22)에 들어간다")는 표현은, 부극(22)의 표면의 내측(부극(22)의 내부를 향하는 방향)에 난연층(26)의 일부가 존재하는 것을 뜻하고 있다. "들어간다"라는 표현의 상세에 관해서는 후술한다(도 4 참조).
바꿔 말하면, 구체적이지만, 본 기술의 전극을 제한하지 않는 예인 부극(22)에서는, 활물질층인 부극 활물질층(22B)에 표면층인 난연층(26)이 설치되어 있고, 그 난연층(26)의 일부는 부극 활물질층(22B)에 들어간다.
난연층(26)은 부극(22)(부극 활물질층(22B))의 표면을 피복하도록 형성된다. 단, 난연층(26)은 부극(22)의 표면 중 일부만을 피복하고 있어도 되고, 부극(22)의 표면의 전부를 피복하고 있어도 된다. 전자의 경우에는, 부극(22)의 표면에 복수의 난연층(26)이 존재하고 있어도 된다. 또한, 난연층(26)은 단층 또는 다층으로 구성될 수 있다.
난연층(26)은 난연성 재료 중 1 이상을 포함하고 있다. 보다 구체적으로는, 난연층(26)은 폴리인산염, 멜라민염, 하기의 화학식 1에서 나타내는 멜라민 유도체(이하, 간단히 "멜라민 유도체"라고 한다), 금속 수산화물, 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하고 있다.
[화학식 1]
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(R1 내지 R6 각각은 수소기, 1가의 탄화 수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 하나이다.)
난연성 재료를 포함하는 난연층(26)이 정극(21)과 부극(22)의 사이에 배치되어 있는 이유 중 하나는, 이차 전지가 고온 환경 중에 노출되어도, 그 난연성 재료에 의해, 리튬 이온의 이동을 저해하지 않고 열 폭주 등의 이상 발생이 억제되기 때문이다. 이에 의해, 충방전 동작을 되풀이해도, 방전 용량이 저하하기 어려워지고, 이차 전지의 발화 또는 파열 등의 불량이 발생하기 어려워진다. 따라서, 방전 용량 특성 및 사이클 특성 등이 확보되고, 뛰어난 안전성도 얻을 수 있다.
폴리인산염은, 예를 들면, 폴리인산 암모늄, 폴리인산 마그네슘, 폴리인산 바륨, 폴리인산 아연, 폴리인산 니켈, 폴리인산 알루미늄 및 폴리인산 멜라민 중 1 이상이다. 폴리인산 멜라민은 폴리인산염에 포함되고, 멜라민 염 및 멜라민 유도체에 제외된다. 단, 염이 폴리인산의 염이기만 하면, 상기 이외의 염이라도 이용될 수 있다.
멜라민 염은, 예를 들면, 멜라민 시아누레이트 및 황산 멜라민 등의 1 이상일 수 있다. 단, 염이 멜라민의 염이기만 하면, 상기 이외의 염이라도 이용될 수 있다.
멜라민 유도체에 관한 화학식 1에서, R1 내지 R6 각각의 종류는, 상기한 수소기 등의 어느 하나이면 특별히 한정되지 않는다. 또한, R1 내지 R6 각각은 같은 종류라도 되고, 다른 종류라도 된다. 또한, R1 내지 R6 중 일부가 같은 종류라도 된다. 그 이유 중 하나는, 멜라민 유도체가 화학식 1에 나타낸 멜라민형의 골격을 가지고 있음으로써, R1 내지 R6 각각의 종류에 의존하지 않고, 상기한 이점을 얻을 수 있기 때문이다. 이 멜라민 유도체에는 멜라민(R1 내지 R6의 모두가 수소기일 경우)도 포함된다.
"1가의 탄화수소기"는, 탄소(C) 및 수소(H)에 의해 구성되는 1가의 기의 총칭이다. 1가의 탄화수소기는, 직쇄상이어도 되고, 또는 1 이상의 측쇄를 가지는 분기 형상이어도 된다. 또한, 1가의 탄화수소기는, 포화 탄화수소기이어도 되고, 또는 불포화 탄화수소기이어도 된다. 또한, 탄소수는 특별히 한정되지 않는다.
특히, 1가의 탄화수소기는 알킬기인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 1가의 탄화수소기는 탄소수가 1 내지 5의 알킬기인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 탄소수가 지나치게 많지 않기 때문에, 멜라민 유도체의 상용성 등이 확보되기 때문이다. 구체예는, 메틸기(-CH3), 에틸기(-C2H5), 프로필기(-C3H7), 부틸기(-C4H9) 및 펜틸기(-C5H11)를 포함한다.
"1가의 수산기함유 탄화수소기"는 상기한 1가의 탄화수소기와 수산기(-OH)가 전체로서 1가로 되도록 결합된 기이다.
특히, 1가의 수산기 함유 탄화수소기는, 히드록시 알킬기인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 1가의 수산기 함유 탄화수소기는 탄소수 1 내지 5의 히드록시 알킬기인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 탄소수가 지나치게 많지 않기 때문에, 멜라민 유도체의 상용성 등이 확보되기 때문이다. 구체예는, -CH2-OH, -C2H4-OH, -C3H6-OH, -C4H8-OH 및 -C5H10-OH를 포함한다.
"1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기(이하, "제1 결합 기"라고 한다)"는, 상기한 1가의 탄화수소 기의 도중에 1 이상의 산소 결합이 도입된 기이다.
특히, 제1 결합기는 탄소수가 1 내지 5의 알킬기의 도중에 1 이상의 산소 결합이 도입된 기인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 탄소수가 지나치게 많지 않기 때문에, 멜라민 유도체의 상용성 등이 확보되기 때문이다. 구체예는, -CH2-O-CH3, -C2H4-O-CH3, -C3H7-O-CH3, -C4H8-O-CH3, -CH2-O-C2H5, -CH2-O-C3H7 및 -CH2-O-C4H9를 포함한다.
"1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기(이하, "제2 결합 기"라고 한다)"는, 상기한 1가의 수산기 함유 탄화수소기의 도중에 1 이상의 산소 결합이 도입된 기이다.
특히, 제2 결합기는 탄소수가 1 내지 5의 히드록시 알킬기의 도중에 1 이상의 산소 결합이 도입된 기인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 탄소수가 지나치게 많지 않기 때문에, 멜라민 유도체의 상용성 등이 확보되기 때문이다. 구체예는, -CH2-O-CH2-OH, -C2H4-O-CH2-OH, -C3H6-O-CH2-OH, -C4H8-O-CH2-OH, -CH2-O-C2H4-OH, -CH2-O-C3H6-OH 및 -CH2-O-C4H8-OH를 포함한다.
멜라민 유도체의 구체예는, 각각의 화학식 1-1 내지 1-4로 나타내는 멜라민 화합물 중 1 이상이다. 단, 상기 유도체가 멜라민의 유도체이면, 상기 이외의 유도체라 된다.
[화학식 1-1]
Figure pat00009
[화학식 1-2]
Figure pat00010
[화학식 1-3]
Figure pat00011
[화학식 1-4]
Figure pat00012
"금속 수산화물"은, 상기한 것 같이, 음이온으로서 1 이상의 수산화물 이온(OH-)을 포함하는 금속염의 총칭이다. 양이온의 종류가 1 이상의 금속 이온이면, 양이온의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 단, 조성식이 상동하는 금속 산화물의 수화물은 여기에서 설명하는 "금속 수산화물"에 포함된다.
금속 수산화물의 구체예는, 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2), 탈크(Mg3Si4O10(OH)2) 및 이모고라이트(Al2SiO3(OH)) 등의 1 이상이다. 단, 금속 화합물이 금속 수산화물이면, 상기 이외의 금속 화합물이 이용될 수도 있다.
"금속 수화물"은, 상기한 것 같이, 1 이상의 물 분자(H2O)를 포함하는 금속 화합물의 총칭이다. 금속 화합물의 종류는, 그 종류가 1 이상의 금속 원소를 구성 원소로서 포함하는 화합물이면 특별히 한정되지 않는다. 단, "금속 수산화물"과 "금속 수화물"의 혼동을 피하기 위해서, 상기한 "금속 수산화물"에 해당하는 금속 화합물은, 여기에서 설명하는 "금속 수화물"에서 제외된다.
금속 수화물의 구체예는, 보에마이트(Al2O3·H2O), 하이드로탈사이트(Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O), 세피오라이트(Mg9Si12O30(OH)6(OH2)4·6H2O), 세리사이트(K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O), 사포나이트((Ca/2, Na)0. 33(Mg, Fe2+)3(Si, Al)4O10(OH)2·4H2O), 아타풀자이트((Mg, Al)2Si4O10(OH)·6H2O), 및 몬트모릴로나이트((Na, Ca)0.33(Al, Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O, n은 1 이상의 정수) 중 1 이상이다. 단, 상기 수화물이 금속 수화물이면, 상기 이외의 금속 화합물의 수화물이 이용될 수 있다.
또한, 난연성 재료가 분말 형상(복수의 입자 형상)일 경우에는, 그 난연성 재료의 평균 입경(중앙치 D50)은 특별히 한정되지 않는다. 특히, 평균 입경은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 평균 입경이 지나치게 작으면, 열 폭주 등의 이상 발생을 억제하기 어려워지기 때문이며, 한편, 평균 입경이 지나치게 크면, 난연성 재료의 입자 간의 틈이 좁아지기 때문에, 리튬 이온이 난연층(26)을 통과하기 어려워지기 때문이다.
특히, 난연층(26)은 단지 부극(22)(부극 활물질층(22B))의 표면을 피복하고 있을 뿐만 아니라, 상기한 것과 같이, 난연층(26)의 일부는 부극(22)(부극 활물질층(22B))의 내부까지 들어가고 있다.
상세하게는, 도 4에 도시한 바와 같이, 부극 활물질층(22B)의 내부에는 복수의 입자 형상의 부극 활물질(22BR)이 존재하고, 인접하는 부극 활물질(22BR) 간에는 틈(22BK)이 형성된다. 난연층(26)은 부극 활물질층(22B)의 표면을 피복하고 있다. 게다가, 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))는 부극 활물질층(22B)에 들어가고 있다. 구체적으로, 2 이상의 부극 활물질(22BR)의 정점 X를 연결하여 규정되는 부극 활물질층(22B)의 표면 위치 Y를 기준으로 이용하면, 침입 부분(26P)은 표면 위치 Y보다 부극 활물질층(22B)의 내측(부극 활물질층(22B)의 내부를 향하는 방향)에 존재하고 있다. 도 4에서는, 표면 위치 Y를 파선으로 나타내고 있다.
또한, 도 4에서는, 도시 내용을 간략화하기 위해서, 부극 활물질층(22B) 및 난연층(26)의 각각의 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 이 때문에, 도 4에 나타낸 부극 활물질층(22B)의 구성, 보다 구체적으로는, 복수의 부극 활물질(22BR)의 개수 및 배열 상태 등은 어디까지나 일례이다. 또한, 도 4에서는, 부극 활물질(22BR) 이외의 구성 요소(부극 결착제 등)의 도시를 생략하고 있다.
난연층(26)의 일부가 부극 활물질층(22B)에 들어가 있는지의 여부를 조사하기 위해서는, 예를 들면, 주사형 전자 현미경(SEM) 등의 현미경을 이용하여, 부극(22) 및 난연층(26)의 단면을 관찰하면 된다. 현미경 사진 중에서, 표면 위치 Y보다 하측(부극 활물질층(22B)의 내부를 향하는 방향)에 난연층(26)이 존재하고 있다는 것은, 그 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))가 부극 활물질층(22B)의 내부까지 들어가고 있는 것을 나타내고 있다.
난연층(26)의 일부가 부극 활물질층(22B)에 들어가고 있는 이유는 아래와 같다.
난연층(26)의 형성 방법으로서 후술하는 도포법 및 가압법 등을 이용하고 있지 않을 경우에는, 도 5에 도시한 바와 같이, 난연층(26)이 부극 활물질층(22B)의 표면에 인접하고 있는 것에 지나지 않는다. 이 경우에는, 단지 난연층(26)이 부극 활물질층(22B)의 표면을 피복하고 있기 때문에, 그 난연층(26)의 일부는 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어가지 않는다. 이에 의해, 열 폭주 등의 이상 발생의 요인인 고활성의 부극 활물질(22BR)의 근방에 난연성 재료가 존재할 수 없다. 따라서, 난연성 재료가 이상 발생을 충분히 억제하는 것은 곤란하다. 또한, 부극 활물질층(22B)에 대한 난연층(26)의 밀착성이 충분하지 않으면, 충방전 동작 시에 부극 활물질층(22B) 중에 생기는 응력의 영향을 받아, 난연층(26)이 부극 활물질층(22B)으로부터 탈락하기 쉬워진다.
이것에 대하여, 난연층(26)의 형성 방법으로서 도포법 및 가압법 등을 이용했을 경우에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))가 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어간다. 이에 의해, 난연성 재료의 일부가 부극 활물질층(22B)의 내부까지 들어간다. 이 경우에는, 고활성의 부극 활물질(22BR)의 근방에 난연성 재료가 존재할 수 있다. 따라서, 난연층이 이상 발생을 충분히 억제가능하다. 게다가, 앵커 효과에 의해, 부극 활물질층(22B)에 대한 난연층(26)의 밀착성이 현저하게 향상하기 때문에, 충방전 동작 시에 발생한 응력의 영향을 받아도, 난연층(26)이 부극 활물질층(22B)으로부터 탈락하기 어려워진다. 따라서, 열 폭주 등의 이상 발생이 안정적으로 억제되기 때문에, 안전성이 보다 향상한다.
침입 부분(26P)이 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어가고 있는 거리(깊이), 바꿔 말하면, 침입 부분(26P)이 부극 활물질층(22B)의 내부에 어디까지 들어가고 있을지는 특별히 한정되지 않는다. 그 이유 중 하나는, 충방전 반응에 영향을 미치는 부극 활물질층(22B)의 내부에 난연성 재료가 들어가 있기만 하면, 상기한 이점을 얻을 수 있기 때문이다. 이 때문에, 침입 부분(26P)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 부극 활물질층(22B)의 표면 근방에 존재하는 틈(22BK)의 일부에 존재하고 있어도 되고, 틈(22BK)을 매설하도록 존재하고 있어도 되고, 혹은, 틈(22BK)을 매설할뿐만 아니라 부극 활물질층(22B)의 내부까지 존재하고 있어도 된다. 특히, 상기한 깊이는 될 수 있는 한 큰 것이 바람직하다. 따라서, 침입 부분(26P)은 될 수 있는 한 부극 활물질층(22B)의 깊숙하게까지 들어가고 있는 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 부극 활물질층(22B)의 깊숙하게까지 난연성 재료가 들어가기 때문에, 보다 높은 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 후술하는 바와 같이, 전해액은 전지 소자(20)에 함침된다. 이 때문에, 난연층(26)은 세퍼레이터(23)와는 다른 이차 전지의 구성 요소임과 동시에, 그 세퍼레이터(23)와는 다른 역할을 하고 있다.
이것에 수반하여, 난연층(26)은 상기한 난연성 재료와 함께, 고분자 화합물 등의 다른 재료 중 1 이상을 포함하고 있어도 된다. 그 이유 중 하나는, 도포법을 이용해서 부극 활물질층(22B)의 표면에 난연층(26)을 형성할 경우에는, 그 부극 활물질층(22B)에 대한 난연층(26)의 밀착성이 향상하기 때문이다. 또한, 가압법을 이용할 경우에는, 도포법을 이용해서 세퍼레이터(23)의 표면에 난연층(26)을 형성함으로써, 그 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(26)의 밀착성이 향상되기 때문이다.
이 고분자 화합물의 종류는, 예를 들면, 상기한 부극 결착제의 종류와 마찬가지이다. 특히, 고분자 화합물의 종류는, 부극 결착제로서 이용하는 고분자 화합물의 종류와 동일한 것이 바람직한데, 부극 활물질층(22B)에 대한 난연층(26)의 밀착성이 보다 향상되기 때문이다. 또한, 충방전 동작 시의 부극 활물질층(22B)의 팽창 및 수축에 기인해서 침입 부분(26P)이 파손(붕괴 및 탈락 등)되는 것을 억제하기 위해서, 고분자 화합물의 종류 및 부극 활물질층(22B)에서의 고분자 화합물의 함유량 등은 적절히 설정되는 것이 바람직하다.
난연층(26)의 두께는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 난연층(26)의 두께는 1 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 난연층(26)의 두께가 지나치게 작으면, 열 폭주 등의 이상 발생을 억제하기 어려워지기 때문이며, 한편, 그 두께가 지나치게 크면, 이차 전지의 내부에서 부극 활물질층(22B) 등의 점유 체적이 감소함과 함께, 리튬 이온이 정극(21)과 부극(22)의 사이를 이동하기 어려워지기 때문에, 전지 용량 등이 저하할 수 있기 때문이다. 여기에서 설명하는 "두께"는, 상기한 표면 위치 Y와 난연층(26)의 최표면의 사이의 거리, 즉 도 4에 나타낸 T에 의해 규정되는 두께로 한다.
[이차 전지의 동작]
이차 전지는, 예를 들면, 아래와 같이 동작한다. 충전 동작 시에는, 정극(21)으로부터 방출된 리튬 이온이 전해액을 개재해서 부극(22)에 흡장된다. 방전 동작 시에는, 부극(22)으로부터 방출된 리튬 이온이 전해액을 개재해서 정극(21)에 흡장된다.
[이차 전지의 제조 방법]
이차 전지는, 예를 들면, 이하의 순서에 의해 제조된다.
정극(21)을 제작하는 경우에는, 먼저, 정극 활물질과, 정극 결착제 및 정극 전기 도전제 등을 혼합하여 정극 혼합제를 얻는다. 계속해서, 정극 혼합제를 유기 용제 등에 분산 또는 용해시켜서, 페이스트 형상의 정극 혼합제 슬러리를 얻는다. 마지막으로, 정극 혼합제 슬러리를 정극 집전체(21A)의 양면에 도포한 뒤, 그 정극 혼합제 슬러리를 건조시켜서 정극 활물질층(21B)을 형성한다. 그 다음에, 롤 프레스기 등을 이용하여 정극 활물질층(21B)을 압축 성형해도 된다. 이 경우에는, 정극 활물질층(21B)을 가열하면서 압축 성형 처리를 행하여도 되고, 또는, 압축 성형 처리를 복수 회 되풀이해도 된다.
부극(22)을 제작하는 경우에는, 상기한 정극(21)과 마찬가지의 제작 순서에 의해 부극 집전체(22A)의 양면에 부극 활물질층(22B)을 형성한다. 구체적으로는, 부극 활물질과 부극 결착제 및 부극 전기 도전제 등을 혼합하여 부극 혼합제 준비하고, 이를 유기 용제 등에 분산 또는 용해시켜서, 페이스트 형상의 부극 혼합제 슬러리를 얻는다. 계속해서, 부극 혼합제 슬러리를 부극 집전체(22A)의 양면에 도포하고나서 건조시켜서 부극 활물질층(22B)을 형성한다. 그 후에, 롤 프레스기 등을 이용해서 부극 활물질층(22B)을 압축 성형한다.
부극(22)의 표면에 난연층(26)을 형성할 경우에는 몇 개의 방법을 선택가능하다.
도포법을 이용할 경우에는, 먼저, 난연성 재료와 고분자 화합물 등을 혼합한 뒤, 그 혼합물을 유기 용매 등의 용매에 분산 또는 용해시켜서 슬러리를 얻는다. 계속해서, 슬러리를 부극 활물질층(22B)의 표면에 도포한 뒤, 그 슬러리를 건조시켜서 난연층(26)을 형성한다. 이 경우에는, 난연성 재료가 용매 중에 분산 또는 용해된 상태로 부극 활물질층(22B)의 표면에 공급되기 때문에, 그 난연성 재료의 일부가 부극 활물질층(22B)의 내부에 침투한다. 이에 의해, 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))가 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어간다.
침지법을 이용할 경우에는, 슬러리 중에 부극 활물질층(22B)을 침지시키고 그로부터 끌어올리고, 그 끌어올린 부극 활물질층(22B)을 건조시킨다. 이 경우에도, 도포법을 이용했을 경우와 마찬가지의 이유에 의해, 난연층(26)의 일부가 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어간다.
가압법을 이용할 경우에는, 세퍼레이터(23)의 표면에 슬러리를 도포한 뒤, 그 도포된 슬러리를 건조시켜서 난연층(26)을 형성한다. 계속해서, 세퍼레이터(23)에 형성된 난연층(26)을 부극(22)(부극 활물질층(22B))에 대향시킨 뒤, 그 세퍼레이터(23)를 부극(22)에 가압한다. 이 경우에, 난연층(26)은 부극(22) 및 세퍼레이터(23)의 쌍방에 밀착한다. 그러나, 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도(또는 접착 강도)는 부극(22)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도보다 큰 것이 바람직한데, 보다 높은 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
또한, 밀착 강도의 대소 관계를 조사하기 위해서는, 예를 들면, 완성된 이차 전지를 해체하여, 밀착 상태에 있는 부극(22), 난연층(26) 및 세퍼레이터(23)를 꺼낸 뒤, 그 세퍼레이터(23)를 부극(22)으로부터 박리시키면 된다. 세퍼레이터(23)의 박리 후에, 난연층(26)의 대부분이 세퍼레이터(23)에 부착되고 있을 경우에는, 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도가 부극(22)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도보다 큰 것을 나타내고 있다. 한편, 난연층(26)의 대부분이 부극(22)에 부착되고 있을 경우에는, 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도가 부극(22)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도보다 작은 것을 나타내고 있다. 박리 후의 부착에 주목하면서 밀착 강도의 대소 관계를 조사하는 순서는 이후에도 마찬가지로 적용가능하다.
가압 공정의 상세 내용은, 예를 들면, 아래와 같다. 먼저, 후술하는 순서에 의해 전지 소자(20)를 제작한다. 이 전지 소자(20)에서는, 난연층(26)이 부극(22)에 밀착하고 있다. 계속해서, 라텍스제의 자루에 전지 소자(20)를 넣는다. 그 후에, 그 자루를 탈기하고 개구를 밀봉한다. 계속해서, 가온 상태의 정수압 하에서 전지 소자(20)를 가압(유압 프레스)한다. 이 가압 공정에서는, 가압 시의 압력의 영향을 받아, 부극 활물질층(22B)에 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))가 돌출하기 때문에, 그 틈(22BK)에 난연성 재료의 일부가 들어간다. 이에 의해, 난연층(26)의 일부가 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어간다. 가압 시의 압력 등의 조건은, 난연층(26)의 일부가 틈(22BK)에 들어가게 하는 것이 가능한 조건이면, 특별히 한정되지 않는다.
가압 공정에서는, 가압 시에 난연층(26)에 인가되는 압력을 받아서 난연층(26)의 일부가 부극 활물질층(22B)에 돌출하기 때문에, 침입 부분(26P)이 형성된다. 이 경우에는, 도포법을 이용할 경우와 비교하여, 침입 부분(26P)에서의 난연성 재료의 밀도가 높게 되기 때문에, 이상 발생이 보다 억제됨과 동시에, 부극 활물질층(22B)에 대한 난연층(26)의 밀착성이 보다 향상된다.
또한, 가압법을 이용할 경우에는, 세퍼레이터(23)의 표면에 슬러리를 도포하는 대신에, 플라스틱 판 또는 글래스 판 등의 지지판의 표면에 슬러리를 도포해도 된다. 이 경우에는, 슬러리를 건조시켜서 난연층(26)을 형성한 뒤, 그 난연층(26)을 지지판으로부터 박리함으로써, 미리 시트 형상의 난연층(26)을 준비한다. 이 시트 형상의 난연층(26)을 부극 활물질층(22B)에 중첩시킨 후에, 그 시트 형상의 난연층(26)을 가압한다. 이에 의해, 난연층(26)의 일부가 부극 활물질층(22B)에 돌출한다.
특히, 도포법 및 침지법을 이용하는 것이 바람직한데, 난연층(26)의 형성 공정에서 부극 활물질층(22B)의 깊숙하게까지 난연성 재료가 들어가기 쉽기 때문이다.
또한, 침입 부분(26P)의 물리적 강도를 확보하기 위해서, 난연층(26) 자체의 물리적 강도는 충분히 높은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도포법을 이용해서 부극 활물질층(22B)의 표면에 난연층(26)을 형성할 경우에는, 이차 전지를 해체해서 부극(22)과 세퍼레이터(23)를 분리했을 때에, 그 난연층(26)의 대부분이 부극 활물질층(22B)의 표면에 고착(잔존)하고 있는 것이 바람직하다. 가압법을 이용할 경우에는, 도포법을 이용해서 세퍼레이터(23)의 표면에 난연층(26)을 형성함으로써, 이차 전지를 해체해서 부극(22)과 세퍼레이터(23)를 분리했을 때에, 그 난연층(26)의 대부분이 세퍼레이터의 표면에 고착(잔존)하고 있는 것이 바람직하다. 시트 형상의 난연층(26)을 이용할 경우에는, 가압 후에 난연층(26)을 부극(22)으로부터 분리했을 때에, 그 난연층(26)이 파손(붕괴 등)되지 않는 것이 바람직하다.
전지 소자(20)를 제작하는 경우에는, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 정극 집전체(21A)에 정극 리드(24)를 부착하고, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 부극 집전체(22A)에 부극 리드(25)를 부착하여도 된다. 계속해서, 세퍼레이터(23) 및 난연층(26)을 개재해서 정극(21)과 부극(22)를 적층시킨 뒤, 그 적층체를 길이 방향으로 권회시켜서 권회체를 형성한다. 계속해서, 편평한 형상으로 되도록 권회체를 성형한다.
이차 전지를 조립할 경우에는, 먼저, 전지 캔(11)의 내부에 전지 소자(20)를 수납한 뒤, 그 전지 소자(20) 위에 절연판(12)을 배치한다. 계속해서, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 정극 리드(24)를 정극 핀(15)에 부착하고, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 부극 리드(25)를 전지 캔(11)에 부착한다. 이 경우에는, 예를 들면 레이저 용접법 등을 이용해서 전지 캔(11)의 개방 단부에 전지 덮개(13)를 고정한다. 계속해서, 용매에 전해질 염이 분산된 전해액을 주입 구멍(19)으로부터 전지 캔(11)의 내부에 주입하여, 그 전해액을 전지 소자(20)에 함침시킨다. 마지막으로, 주입 구멍(19)을 밀봉 부재(19A)로 막는다.
[이차 전지의 작용 및 효과]
이러한 각형의 이차 전지에 따르면, 난연성 재료를 포함하는 난연층(26)이 정극(21)과 부극(22)의 사이에 배치되고, 그 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))가 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어가고 있다. 이 경우에는, 상기한 것과 같이, 리튬 이온의 이동이 저해되지 않고, 열 폭주 등의 이상 발생이 억제된다. 따라서, 충방전 동작을 되풀이해도 방전 용량이 저하하기 어려워지고, 이차 전지의 발화 및 파열 등의 불량이 발생하기 어려워진다. 따라서, 양호한 전지 특성과 안전성을 양립시킬 수 있다.
[1-2. 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
도 3에 대응하는 도 6에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(23)와 부극(22)의 사이에 형성된 난연층(26) 대신에, 세퍼레이터(23)와 정극(21)의 사이에 형성된 난연층(27)을 이용해도 된다.
도 6에 나타낸 전지 소자(20)의 구성 및 형성 방법은, 세퍼레이터(23)와 부극(22)의 사이에 난연층(26)이 형성되지 않고 있는 대신에, 세퍼레이터(23)와 정극(21)의 사이에 난연층(27)이 형성되어 있는 것을 제외하고, 도 3에 나타낸 전지 소자(20)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다.
구체적으로, 정극 활물질층(21B) 및 난연층(27)의 각각의 구성은, 상기한 부극 활물질층(22B) 및 난연층(26)의 각각의 구성과 마찬가지이다. 상세하게는, 본 기술의 전극의 특정한, 그러나 제한적이지 않은 예인 정극(21)에서는, 정극 활물질층(21B)에 중간층인 난연층(27)이 마련되어져 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 정극 활물질층(21B)에 복수의 정극 활물질(21BR) 및 틈(21BK)이 존재하고 있는 경우에, 난연층(27)은, 예를 들면, 도포법, 침지법 및 가압법 등에 의해 형성된다. 이에 의해, 난연층(27)의 일부(침입 부분(27P))는 정극(21)(정극 활물질층(21B))의 내부에 들어간다. 따라서, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(21B)의 내부에 들어가고 있다. "난연층(27)의 일부가 정극(21)에 들어간다" 등의 표현은, 정극(21)의 표면의 내측(정극(21)의 내부를 향하는 방향)에 난연층(27)의 일부가 존재하는 것을 뜻하고 있다.
이 난연층(27)에서도, 난연층(26)과 마찬가지의 작용을 얻을 수 있기 때문에, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다. 또한, 난연층(27)의 형성 방법으로서 가압법을 이용할 경우에는, 상기와 같이 형성된 난연층(27)은 정극(21) 및 세퍼레이터(23)의 쌍방에 밀착한다. 그러나, 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(27)의 밀착 강도는 정극(21)에 대한 난연층(27)의 밀착 강도보다 큰 것이 바람직한데, 보다 높은 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
[1-3. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층 및 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
도 3에 대응하는 도 7에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(23)와 부극(22)의 사이에 형성된 난연층(26)(제2 중간층) 외에, 세퍼레이터(23)와 정극(21)의 사이에 형성된 난연층(27)(제1 중간층)을 이용해도 된다.
도 7에 나타낸 전지 소자(20)의 구성 및 형성 방법은, 새롭게 세퍼레이터(23)와 정극(21)의 사이에 난연층(27)이 형성되어 있는 것을 제외하고, 도 3에 나타낸 전지 소자(20)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 난연층(26)의 일부(침입 부분(26P))는, 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어간다. 또한, 난연층(27)의 일부(침입 부분(27P))는, 정극 활물질층(21B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(21B)의 내부에 들어간다.
이 난연층(26, 27)의 쌍방에서, 상기한 이상 발생의 억제 작용 등이 얻어진다. 따라서, 열 폭주 등의 이상 발생이 현저하게 억제되어 보다 높은 효과를 얻을 수 있다. 또한, 난연층(26, 27)의 형성 방법으로서 가압법을 이용할 경우에는, 난연층(26)은 부극(22) 및 세퍼레이터(23)의 쌍방에 밀착하고, 난연층(27)은 정극(21) 및 세퍼레이터(23)의 쌍방에 밀착한다. 이 경우에, 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도는, 부극(22)에 대한 난연층(26)의 밀착 강도보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 세퍼레이터(23)에 대한 난연층(27)의 밀착 강도는 정극(21)에 대한 난연층(27)의 밀착 강도보다 큰 것이 바람직하다. 그 이유 중 하나는, 보다 높은 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
[1-4. 정극과 부극 사이에 형성된 세퍼레이터(난연층으로서 기능하는 세퍼레이터)]
도 3에 대응하는 도 8에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(23) 및 난연층(26) 대신에, 난연층으로서 기능하는 세퍼레이터(123)를 이용해도 된다. 이 세퍼레이터(123)는, 난연층으로서 기능하지 않는 세퍼레이터(23)와는 상이하게, 난연층으로서의 기능을 겸한다.
도 8에 나타낸 전지 소자(20)의 구성 및 형성 방법은, 난연층(26)이 형성되지 않고 세퍼레이터(23) 대신에 세퍼레이터(123)가 이용되어 있는 것을 제외하고, 도 3에 나타낸 전지 소자(20)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 세퍼레이터(123)는, 세퍼레이터(123)가 내부에 상기한 난연성 재료 중 1 이상을 포함하고 있는 것을 제외하고, 세퍼레이터(23)와 마찬가지의 구성을 가진다. 세퍼레이터(123)는 난연층(26)의 형성 방법과 마찬가지의 방법(가압법)에 의해 형성된다. 이것에 수반하여, 도 4에 도시한 바와 같이, 난연층으로서 기능하는 세퍼레이터(123)의 일부(침입 부분(123P))는 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(22B)의 내부에 들어가고 있다. 또한, 세퍼레이터(123)의 일부(침입 부분(123P))는 정극 활물질층(21B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(21B)의 내부에 들어가고 있다.
이 세퍼레이터(123)에서도 난연층(26)과 마찬가지의 작용을 얻을 수 있기 때문에 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
[2. 제2 이차 전지(원통형)]
[2-1. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
도 9는 제2 이차 전지의 단면 구성을 나타내고 있다. 도 10은, 도 9에 나타낸 권회 전극체(40)의 상세한 구성을 나타내고 있다. 이하에서는, 이미 설명한 각형의 이차 전지의 구성 요소를 적절히 인용한다.
[이차 전지의 전체 구성]
여기서 설명하는 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지이며, 소위 원통형의 전지 구조를 가지고 있다.
이 이차 전지에서는, 예를 들면, 도 9에 도시한 바와 같이, 중공 원주 형상의 전지 캔(31)의 내부에 한 벌의 절연판(32, 33)과, 권회 전극체(40)가 수납된다. 권회 전극체(40)는, 예를 들면, 세퍼레이터(43) 및 난연층(47)을 개재해서 정극(41)과 부극(42)이 적층되고 나서 권회된 것이다.
전지 캔(31)은, 예를 들면, 전지 캔(31)의 일 단부가 폐쇄되고, 전지 캔(31)의 타 단부가 개방된 중공 구조를 가진다. 전지 캔(31)은, 예를 들면, 철(Fe), 알루미늄(Al) 및 그것들의 합금 등의 1 이상에 의해 형성된다. 이 전지 캔(31)의 표면에는 니켈(Ni) 등이 도금되어 있어도 된다. 한 벌의 절연판(32, 33)은 권회 전극체(40)를 개재하여 배치되고, 그 권회 전극체(40)의 권회 주위면에 대하여 수직으로 연장하고 있다.
전지 캔(31)의 개방 단부에는 전지 덮개(34), 안전 밸브 기구(35) 및 열감 저항 소자(PTC 소자)(36)가 개스킷(37)으로 죄어져 부착되어 있다. 따라서, 그 전지 캔(31)은 밀폐된다. 전지 덮개(34)는, 예를 들면, 전지 캔(31)과 마찬가지의 재료에 의해 형성된다. 안전 밸브 기구(35) 및 열감 저항 소자(36)는, 전지 덮개(34)의 내측에 설치되어 있다. 안전 밸브 기구(35)는 PTC 소자(36)를 개재해서 전지 덮개(34)와 전기적으로 접속된다. 이 안전 밸브 기구(35)에서는, 내부 단락 회로, 또는 외부로부터의 가열 등에 기인해서 내압이 일정 이상이 되면, 디스크판(35A)이 반전하여 전지 덮개(34)와 권회 전극체(40)의 전기적 접속이 절단된다. PTC 소자(36)는 대전류에 기인하는 이상 발열을 방지한다. PTC 소자(36)의 저항은 온도의 상승에 따라서 증가한다. 개스킷(37)은, 예를 들면, 절연 재료에 의해 형성된다. 개스킷(37)의 표면에는 아스팔트가 도포되어 있어도 된다.
권회 전극체(40)의 권회 중심에는, 예를 들면, 센터 핀(44)이 삽입된다. 그러나, 권회 전극체(40)의 권회 중심에 센터 핀(44)이 삽입되지 않고 있어도 된다. 정극(41)에는, 예를 들면, 알루미늄 등의 도전성 재료에 의해 형성된 정극 리드(45)가 접속된다. 부극(42)에는, 예를 들면, 니켈 등의 도전성 재료에 의해 형성된 부극 리드(46)가 접속된다. 정극 리드(45)는, 예를 들면, 안전 밸브 기구(35)에 용접되어 있고, 전지 덮개(34)와 전기적으로 접속된다. 부극 리드(46)는, 예를 들면, 전지 캔(31)에 용접되어 있고, 그 전지 캔(31)과 전기적으로 접속된다.
[정극, 부극, 세퍼레이터, 난연층 및 전해액]
도 10에 도시한 바와 같이, 정극(41)은, 예를 들면, 정극 집전체(41A)의 양면에 정극 활물질층(41B)을 가지고 있고, 부극(42)은, 예를 들면, 부극 집전체(42A)의 양면에 부극 활물질층(42B)을 가지고 있다. 정극 집전체(41A), 정극 활물질층(41B), 부극 집전체(42A) 및 부극 활물질층(42B)의 각각의 구성은 정극 집전체(21A), 정극 활물질층(21B), 부극 집전체(22A) 및 부극 활물질층(22B)의 각각의 구성과 마찬가지이다.
세퍼레이터(43)의 구성은 세퍼레이터(23)의 구성과 마찬가지이다. 또한, 권회 전극체(40)에 함침되어 있는 전해액의 조성은, 원통형의 이차 전지에 이용할 수 있는 전해액의 조성과 마찬가지이다.
난연층(47)의 구성은 난연층(26)의 구성과 마찬가지이다. 구체적으로, 난연층(47)은 정극(41)과 부극(42)의 사이에 배치된다. 보다 구체적으로는, 난연층(47)은 세퍼레이터(43)와 부극(42)의 사이에 배치된다. 또한, 난연층(47)은 난연성 재료 중 1 이상을 포함하고 있다. 이 난연층(47)의 일부(침입 부분)는 부극(42)(부극 활물질층(42B))에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있다.
[이차 전지의 동작]
이 이차 전지는, 예를 들면, 아래와 같이 동작한다. 충전 동작 시에는, 정극(41)으로부터 방출된 리튬 이온이 전해액을 개재해서 부극(42)에 흡장된다. 방전 동작 시에는, 부극(42)으로부터 방출된 리튬 이온이 전해액을 개재해서 정극(41)에 흡장된다.
[이차 전지의 제조 방법]
이 이차 전지는, 예를 들면, 이하의 순서에 의해 제조된다.
먼저, 정극(21) 및 부극(22)과 마찬가지의 제작 순서에 의해 정극(41) 및 부극(42)을 제작한다. 이 경우에는, 정극 집전체(41A)의 양면에 정극 활물질층(41B)을 형성하고, 부극 집전체(42A)의 양면에 부극 활물질층(42B)을 형성한다. 그 다음, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 정극 집전체(41A)에 정극 리드(45)를 부착하고, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 부극 집전체(42A)에 부극 리드(46)를 부착한다.
계속해서, 세퍼레이터(43) 및 난연층(47)을 개재해서 정극(41)과 부극(42)을 적층하고 나서 권회시켜서 권회 전극체(40)를 제작한다. 그 후에, 그 권회 전극체의 권회 중심에 센터 핀(44)을 삽입한다. 계속해서, 한 벌의 절연판(32, 33) 사이에 권회 전극체(40)를 개재하여 전지 캔(31)의 내부에 수납한다. 이 경우에는, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 정극 리드(45)의 선단부를 안전 밸브 기구(35)에 부착하고, 예를 들면 용접법 등을 이용해서 부극 리드(46)의 선단부를 전지 캔(31)에 부착한다. 계속해서, 전지 캔(31)의 내부에 전해액을 주입하고, 그 전해액을 권회 전극체(40)에 함침시킨다. 마지막으로, 개스킷(37)으로 전지 캔(31)의 개구 단부에 전지 덮개(34), 안전 밸브 기구(35) 및 PTC 소자(36)를 죄어 고정한다.
또한, 이차 전지를 제조하는 경우에는, 난연층(26)의 형성 순서와 마찬가지의 순서에 의해 도포법, 침지법 및 가압법 등을 이용해서 난연층(47)을 형성한다.
[이차 전지의 작용 및 효과]
이 원통형의 이차 전지에 따르면, 난연성 재료를 포함하는 난연층(47)이 정극(41)과 부극(42)의 사이에 배치되고, 그 난연층(47)의 일부(침입 부분)가 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있다. 따라서, 각형의 이차 전지와 마찬가지의이유에 의해, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
이 원통형의 이차 전지에 관해서도, 도 6 내지 도 8에 나타낸 각형의 이차 전지에 관한 것 이외의 양태에 적용가능하다.
[2-2. 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
구체적으로는, 도 10에 대응하는 도 11에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(43)와 부극(42)의 사이에 형성된 난연층(47) 대신에, 세퍼레이터(43)와 정극(41)의 사이에 형성된 난연층(48)을 이용해도 된다. 도 11에 나타낸 권회 전극체(40)의 구성 및 형성 방법은, 세퍼레이터(43)와 부극(42)의 사이에 난연층(47)이 형성되지 않고 있는 대신에 세퍼레이터(43)와 정극(41)의 사이에 난연층(48)이 형성되어 있는 것을 제외하고, 도 10에 나타낸 권회 전극체(40)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 구체적으로, 정극 활물질층(41B) 및 난연층(48)의 각각의 구성은, 상기한 부극 활물질층(42B) 및 난연층(47)의 각각의 구성과 마찬가지이다. 이에 의해, 난연층(48)의 일부(침입 부분)는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가고 있다.
이 난연층(48)에서도, 난연층(47)과 마찬가지의 작용을 얻을 수 있기 때문에, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
[2-3. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층 및 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
도 10에 대응하는 도 12에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(43)와 부극(42)의 사이에 형성된 난연층(47)(제2 중간층) 외에, 세퍼레이터(43)와 정극(41)의 사이에 형성된 난연층(48)(제1 중간층)을 이용해도 된다. 도 12에 나타낸 권회 전극체(40)의 구성 및 형성 방법은, 세퍼레이터(43)와 정극(41)의 사이에 난연층(48)이 새롭게 형성되어 있는 것을 제외하고, 도 10에 나타낸 권회 전극체(40)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 구체적으로, 난연층(47)의 일부(침입 부분)는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있다. 또한, 난연층(48)의 일부(침입 부분)는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가고 있다.
이 난연층(47, 48)의 쌍방에서 상기한 이상 발생의 억제 작용 등을 얻을 수 있다. 따라서, 열 폭주 등의 이상 발생이 현저하게 억제되어 보다 높은 효과를 얻을 수 있다.
[2-4. 정극과 부극 사이에 형성된 세퍼레이터(난연층으로서 기능하는 세퍼레이터)]
도 10에 대응하는 도 13에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(43) 및 난연층(47) 대신에 난연층으로서 기능하는 세퍼레이터(143)를 이용해도 된다. 이 세퍼레이터(143)는 난연층으로서 기능하지 않는 세퍼레이터(43)와는 상이하게, 난연층으로서의 기능을 겸한다.
도 13에 나타낸 권회 전극체(40)의 구성 및 형성 방법은, 난연층(47)이 형성되지 않고 있고 세퍼레이터(43) 대신에 세퍼레이터(143)가 이용되고 있는 것을 제외하고, 도 10에 나타낸 권회 전극체(40)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 세퍼레이터(143)는, 세퍼레이터(143)가 내부에 상기한 난연성 재료 중 1 이상을 포함하고 있는 것을 제외하고, 세퍼레이터(43)와 마찬가지의 구성을 가지고 있다. 세퍼레이터(143)는 난연층(47)의 형성 방법과 마찬가지의 방법(가압법)에 의해 형성된다. 이것에 수반하여, 난연층으로서 기능하는 세퍼레이터(143)의 일부(침입 부분)는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있다. 또한, 세퍼레이터(143)의 일부(침입 부분)는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가고 있다.
이 세퍼레이터(143)에서도, 난연층(47)와 마찬가지의 작용을 얻을 수 있기 때문에, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
[3. 제3 이차 전지(라미네이트 필름형)]
[3-1. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
도 14는 제3 이차 전지의 사시 구성을 나타내고 있다. 도 15는 도 14에 나타낸 XV-XV 선을 따른 권회 전극체(50)의 단면 구성을 나타내고 있다. 도 16은 도 15에 나타낸 권회 전극체(50)의 상세한 구성을 나타내고 있다. 이하에서는, 이미 설명한 각형의 이차 전지의 구성 요소를 적절히 인용한다.
[이차 전지의 전체 구성]
여기서 설명하는 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지이며, 소위 라미네이트 필름형의 전지 구조를 가지고 있다.
이 이차 전지에서는, 예를 들면, 도 14 및 도 15에 도시한 바와 같이, 필름 형상의 외장 부재(59)의 내부에 권회 전극체(50)가 수납된다. 이 권회 전극체(50)는, 예를 들면, 세퍼레이터(55), 전해질층(56) 및 난연층(58)을 개재해서 정극(53)과 부극(54)이 적층되고 나서 권회된 것이다. 정극(53)에는 정극 리드(51)가 부착되고, 부극(54)에는 부극 리드(52)가 부착된다. 권회 전극체(50)의 최외주부는 보호 테이프(57)에 의해 보호된다.
정극 리드(51) 및 부극 리드(52)는, 예를 들면, 외장 부재(59)의 내부에서 외부를 향해서 동일한 방향으로 도출된다. 정극 리드(51)는, 예를 들면, 알루미늄 등의 도전성 재료의 1 이상에 의해 형성된다. 부극 리드(52)는, 예를 들면, 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 스테인레스 강 등의 도전성 재료의 1 이상에 의해 형성된다. 이들 도전성 재료는, 예를 들면, 박판 형상 또는 메쉬 형상이다.
외장 부재(59)는, 예를 들면, 도 14에 나타낸 화살표 R의 방향으로 접기가능한 필름이다. 그 외장 부재(59)의 일부에는 권회 전극체(50)를 수납하기 위한 함몰부가 마련되어져 있다. 이 외장 부재(59)는, 예를 들면, 융착층과, 금속층과, 표면 보호층이 순서대로 적층된 라미네이트 필름이다. 이차 전지의 제조 공정은, 융착층이 권회 전극체(50)와 대향하도록 외장 부재(59)가 접어진 뒤, 대향하는 융착층의 외주 연부끼리 융착된다. 단, 외장 부재(59)는 2매의 라미네이트 필름이 접착제 등을 개재해서 서로 접합된 것이어도 된다. 융착층의 예는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등으로 이루어지는 필름을 포함한다. 금속층의 예는, 알루미늄 박을 포함한다. 표면 보호층의 예는, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등으로 이루어지는 필름을 포함한다.
특히, 외장 부재(59)는, 폴리에틸렌 필름과, 알루미늄 박과, 나일론 필름이 순서대로 적층된 알루미늄 라미네이트 필름인 것이 바람직하다. 단, 외장 부재(59)는 다른 적층 구조를 가지는 라미네이트 필름이어도 되고, 폴리프로필렌 등의 고분자 필름이어도 되고, 금속 필름이어도 된다.
외장 부재(59)와 정극 리드(51)의 사이, 외장 부재(59)와 부극 리드(52)의 사이에는, 예를 들면, 외기의 침입을 방지하기 위해서 밀착 필름(58)이 삽입된다. 이 밀착 필름(58)은 정극 리드(51) 및 부극 리드(52)에 대하여 밀착성을 가지는 재료에 의해 형성된다. 이 밀착성을 가지는 재료의 예는 폴리올레핀 수지를 포함한다. 보다 구체적으로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 변성 폴리에틸렌 및 변성 폴리프로필렌을 포함한다.
[정극, 부극, 세퍼레이터, 난연층 및 전해액]
도 15에 도시한 바와 같이, 정극(53)은, 예를 들면, 정극 집전체(53A)의 양면에 정극 활물질층(53B)을 가지고, 부극(54)은, 예를 들면, 부극 집전체(54A)의 양면에 부극 활물질층(54B)을 가지고 있다. 정극 집전체(53A), 정극 활물질층(53B), 부극 집전체(54A) 및 부극 활물질층(54B)의 각각의 구성은 정극 집전체(21A), 정극 활물질층(21B), 부극 집전체(22A) 및 부극 활물질층(22B)의 각각의 구성과 마찬가지이다. 세퍼레이터(55)의 구성은 세퍼레이터(23)의 구성과 마찬가지이다.
난연층(58)의 구성은 난연층(26)의 구성과 마찬가지이다. 구체적으로, 난연층(58)은 정극(53)과 부극(54)의 사이에 배치된다. 보다 구체적으로는, 난연층(58)은 세퍼레이터(55)와 부극(54)의 사이에 배치된다. 또한, 난연층(58)은 난연성 재료 중 1 이상을 포함하고 있다. 이 난연층(58)의 일부(침입 부분)는 부극(54)(부극 활물질층(54B))에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어가고 있다.
[전해질층]
전해질층(56)은 전해액 및 고분자 화합물을 포함하고 있고, 그 전해액은 고분자 화합물에 의해 유지된다. 즉, 전해질층(56)은, 소위 겔 형상의 전해질인데, 높은 이온 전도율(예를 들면, 실온에서 1 mS/cm 이상)을 얻을 수 있고, 전해액의 누액이 방지되기 때문이다. 이 전해질층(56)은 첨가제 등의 다른 재료 중 1 이상을 더 포함하고 있어도 된다.
고분자 화합물은, 예를 들면, 폴리아크릴로니트릴, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리포스파젠, 폴리실록산, 폴리불화비닐, 폴리초산비닐, 폴리비닐 알코올, 폴리메타크릴산 메틸, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴-부타디엔 고무, 폴리스티렌 및 폴리카보네이트 중 1 이상을 포함할 수 있다. 이 밖에, 고분자 화합물은 공중합체이어도 된다. 이 공중합체는, 예를 들면, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체이어도 된다. 특히, 단독 중합체로서는, 폴리불화비닐리덴이 바람직하고, 공중합체로서는 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체가 바람직한데, 이러한 공중합체가 전기 화학적으로 안정하기 때문이다.
전해액의 조성은, 예를 들면, 각형의 이차 전지의 전해액의 조성과 마찬가지이다. 단, 겔 형상의 전해질인 전해질층(56)에서 전해액의 용매는, 액상의 용매뿐만 아니라, 전해질 염을 분해시키는 것이 가능한 이온 전도성을 가지는 재료까지 포함하는 넓은 개념이다. 따라서, 이온 전도성을 가지는 고분자 화합물을 이용할 경우에는, 그 고분자 화합물도 용매에 포함된다.
또한, 겔 형상의 전해질층(56) 대신에 전해액을 그대로 이용해도 된다. 이 경우에는 전해액이 권회 전극체(50)에 함침된다.
[이차 전지의 동작]
이 이차 전지는, 예를 들면, 아래와 같이 동작한다. 충전 동작 시에는, 정극(53)으로부터 방출된 리튬 이온이 전해질층(56)을 개재해서 부극(54)에 흡장된다. 한편, 방전 동작 시에는, 부극(54)으로부터 방출된 리튬 이온이 전해질층(56)을 개재해서 정극(53)에 흡장된다.
[이차 전지의 제조 방법]
겔 형상의 전해질층(56)을 구비한 이차 전지는, 예를 들면, 이하의 3 종류의 순서에 의해 제조된다.
제1 순서에서는, 정극(21) 및 부극(22)과 마찬가지의 제작 순서에 의해 정극(53) 및 부극(54)을 제작한다. 구체적으로, 정극(53)을 제작하는 경우에는, 정극 집전체(53A)의 양면에 정극 활물질층(53B)을 형성하고, 부극(54)을 제작하는 경우에는, 부극 집전체(54A)의 양면에 부극 활물질층(54B)을 형성한다. 계속해서, 전해액과 고분자 화합물과 유기 용제 등의 용매를 포함하는 전구 용액을 조제한다. 그 후에, 그 전구 용액을 정극(53) 및 부극(54)에 도포하여, 겔 형상의 전해질층(56)을 형성한다. 계속해서, 예를 들면 용접법 등을 이용하여, 정극 집전체(53A)에 정극 리드(51)를 부착하고, 예를 들면 용접법 등을 이용하여, 부극 집전체(54A)에 부극 리드(52)를 부착한다. 계속해서, 세퍼레이터(55), 전해질층(56) 및 난연층(58)을 개재해서 정극(53)과 부극(54)을 적층하고 나서 권회시켜서 권회 전극체(50)를 제작한다. 그 후에, 그 권회 전극체(50)의 최외주부에 보호 테이프(57)를 부착한다. 계속해서, 필름 형상의 외장 부재(59)를 접고, 그 외장 부재(59)의 내부에 권회 전극체(50)를 수납한 뒤, 예를 들면 열 융착법 등을 이용해서 외장 부재(59)의 외주 연부끼리 접착시켜서, 그 외장 부재(59)의 내부에 권회 전극체(50)를 봉입한다. 이 경우에는, 정극 리드(51)와 외장 부재(59)의 사이, 및 부극 리드(52)와 외장 부재(59)의 사이에 밀착 필름(200)을 삽입한다. 또한, 이차 전지를 제조하는 경우에는, 난연층(26)의 형성 순서와 마찬가지의 순서에 의해, 도포법, 침지법 및 가압법 등을 이용해서 난연층(58)을 형성한다.
제2 순서에서는, 정극(53)에 정극 리드(51)를 부착하고, 부극(54)에 부극 리드(52)를 부착한다. 계속해서, 세퍼레이터(55) 및 난연층(58)을 개재해서 정극(53)과 부극(54)을 적층하고 나서 권회시켜서, 권회 전극체(50)의 전구체인 권회체를 제작한다. 그 후에, 그 최외주부에 보호 테이프(57)를 부착한다. 계속해서, 외장 부재(59)의 내부에 권회체를 수납한 뒤, 열 융착법 등을 이용해서 1변의 외주연부를 제외한 남은 외주연부를 접착시켜서, 자루 형상의 외장 부재(59)의 내부에 권회체를 봉입한다. 계속해서, 전해액과, 고분자 화합물의 원료인 모노머와, 중합 개시제와, 또한 중합 금지제 등의 다른 재료를 혼합하여, 전해질용 조성물을 조제한다. 계속해서, 자루 형상의 외장 부재(59)의 내부에 전해질용 조성물을 주입한다. 그 후에, 열 융착법 등을 이용해서 외장 부재(59)를 밀봉한다. 계속해서, 모노머를 열 중합시켜서, 고분자 화합물을 형성한다. 이에 의해, 고분자 화합물에 전해액이 함침되고, 그 고분자 화합물이 겔화되어, 전해질층(56)이 형성된다. 이 순서에서도, 난연층(26)의 형성 순서와 마찬가지의 순서에 의해, 도포법, 침지법 및 가압법 등을 이용해서 난연층(58)을 형성한다.
제3 순서에서는, 고분자 화합물이 양면에 도포된 세퍼레이터(55)를 이용하는 것을 제외하고, 상기한 제2 순서와 마찬가지로, 권회체를 제작해서 자루 형상의 외장 부재(59)의 내부에 수납한다. 이 세퍼레이터(55)에 도포하는 고분자 화합물의 예는, 불화비닐리덴을 성분으로 포함하는 중합체(단독 중합체, 공중합체 및 다원 공중합체)를 포함한다. 단독 중합체의 구체적인 예는, 폴리불화비닐리덴을 포함한다. 공중합체의 예는, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌을 성분으로 포함하는 이원 공중합체를 포함한다. 다원 공중합체의 예는, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌과 클로로트리플루오로에틸렌을 성분으로 포함하는 삼원 공중합체를 포함한다. 또한, 불화비닐리덴을 성분으로 포함하는 중합체에 추가하여, 다른 1 이상의 고분자 화합물을 이용해도 된다. 계속해서, 전해액을 조제해서 외장 부재(59)의 내부에 주입한다. 그 후에, 열 융착법 등을 이용해서 외장 부재(59)의 개구부를 밀봉한다. 계속해서, 고분자 화합물을 개재해서 세퍼레이터(55)를 정극(53) 및 난연층(58)에 밀착시킨다. 이에 의해, 고분자 화합물에 전해액이 함침되고, 그 고분자 화합물이 겔화된다. 이에 의해, 전해질층(56)이 형성된다. 이 순서에서도, 난연층(26)의 형성 순서와 마찬가지의 순서에 의해 도포법, 침지법 및 가압법 등을 이용해서 난연층(58)을 형성한다.
이 제3 순서에서는, 제1 순서에서보다 이차 전지의 팽창이 억제된다. 또한, 제3 순서에서는, 제2 순서에 비해 고분자 화합물의 원료인 모노머 및 용매 등이 전해질층(56)에 남기 어렵다. 따라서, 고분자 화합물의 형성 공정이 양호하게 제어된다. 이 때문에, 정극(53), 부극(54), 세퍼레이터(55) 및 난연층(58)이 전해질층(56)에 충분히 밀착된다.
[이차 전지의 작용 및 효과]
상기한 라미네이트 필름형의 이차 전지에 따르면, 난연성 재료를 포함하는 난연층(58)이 정극(53)과 부극(54)의 사이에 배치되고, 그 난연층(58)의 일부(침입 부분)가 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어간다. 따라서, 각형의 이차 전지와 마찬가지의 작용에 의해, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
상기한 라미네이트 필름형의 이차 전지에 관해서도, 도 6 내지 도 8에 나타낸 각형의 이차 전지에 관한 것 외의 양태를 적용가능하다.
[3-2. 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
구체적으로는, 도 16에 대응하는 도 17에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(55)와 부극(54)의 사이에 형성된 난연층(58) 대신에, 세퍼레이터(55)와 정극(53)의 사이에 형성된 난연층(59)을 이용해도 된다. 도 17에 나타낸 권회 전극체(50)의 구성 및 형성 방법은, 세퍼레이터(55)와 부극(54)의 사이에 난연층(58)이 형성되어 있지 않은 대신에 세퍼레이터(55)와 정극(53)의 사이에 난연층(59)이 형성되어 있는 것을 제외하고, 도 16에 나타낸 권회 전극체(50)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 구체적으로, 정극 활물질층(53B) 및 난연층(59)의 각각의 구성은, 상기한 부극 활물질층(54B) 및 난연층(58)의 각각의 구성과 마찬가지이다. 이에 의해, 난연층(59)의 일부(침입 부분)는 정극 활물질층(53B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(53B)의 내부에 들어가고 있다.
이 난연층(59)에서도 난연층(58)과 마찬가지의 작용을 얻을 수 있기 때문에, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
[3-3. 부극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층 및 정극과 세퍼레이터 사이에 형성된 난연층]
도 16에 대응하는 도 18에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(55)와 부극(54)의 사이에 형성된 난연층(58)(제2 중간층) 외에, 세퍼레이터(55)와 정극(53)의 사이에 형성된 난연층(59)(제1 중간층)을 이용해도 된다. 도 18에 나타낸 권회 전극체(50)의 구성 및 형성 방법은, 새롭게 세퍼레이터(55)와 정극(53)의 사이에 난연층(59)이 형성되어 있는 것을 제외하고, 도 16에 나타낸 권회 전극체(50)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 구체적으로, 난연층(58)의 일부(침입 부분)는 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어간다. 또한, 난연층(59)의 일부(침입 부분)는, 정극 활물질층(53B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(53B)의 내부에 들어가고 있다.
이 난연층(58, 59)의 쌍방에서, 상기한 이상 발생의 억제 작용 등을 얻을 수 있기 때문에, 열 폭주 등의 이상 발생이 현저하게 억제되어 보다 높은 효과를 얻을 수 있다.
[3-4. 정극과 부극 사이에 형성된 전해질층(난연층으로서 기능하는 전해질층)]
도 16에 대응하는 도 19에 도시한 바와 같이, 전해질층(56) 및 난연층(58) 대신에, 난연층으로서 기능하는 전해질층(156)을 이용해도 된다. 이 전해질층(156)은 난연층으로서 기능하지 않는 전해질층(56)과는 상이하게, 난연층으로서의 기능을 겸한다.
도 19에 나타낸 권회 전극체(50)의 구성 및 형성 방법은, 난연층(58)이 형성되어 있지 않고 전해질층(56) 대신에 전해질층(156)이 이용되어 있는 것을 제외하고, 도 16에 나타낸 권회 전극체(50)의 구성 및 형성 방법과 마찬가지이다. 이 전해질층(156)은 정극(53)과 부극(54)의 사이에 배치된다. 보다 구체적으로는, 전해질층(156)은 세퍼레이터(55)와 정극(53)의 사이에 배치되고, 전해질층(156)은 또한 세퍼레이터(55)와 부극(54)의 사이에 배치된다. 전해질층(156)은, 전해질층(156)이 상기한 난연성 재료 중 1 이상을 포함하고 있는 것을 제외하고, 전해질층(56)과 마찬가지의 구성을 가지고 있다. 전해질층(156)은 전해질층(56)의 형성 방법과 마찬가지의 방법에 의해 형성된다. 이것에 수반하여, 난연층으로서 기능하는 전해질층(156)의 일부(침입 부분)는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있다. 또한, 전해질층(156)의 일부(침입 부분)는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가기 때문에, 난연성 재료의 일부는 정극 활물질층(41B)의 내부에 들어가고 있다.
이 전해질층(156)에서, 상기한 이상 발생의 억제 작용을 얻을 수 있기 때문에, 열 폭주 등의 이상 발생이 현저하게 억제되어 보다 높은 효과를 얻을 수 있다. 이 경우에는, 특히, 4층(2 개의 전해질층(156) 및 난연층(58, 59))을 필요로 하지 않고, 2층(2 개의 전해질층(156))만 이용한다. 따라서, 권회 전극체(50)의 구성을 간략화하고, 그 권회 전극체(50)의 두께를 작게 할 수 있다.
또한, 도 19에서는 2 개의 전해질층(156)을 마련하고 있다. 그러나, 필요에 따라서, 2 개의 전해질층(156) 중 어느 한쪽만을 설치하여도 된다. 이 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
그 외에, 여기서는 구체적으로 도시하지 않았지만, 겔 형상의 전해질층(56) 대신에 전해액이 그대로 이용되는 경우에는, 도 8을 참조하면서 설명한 바와 같이, 난연성 재료를 포함하는 세퍼레이터(55), 즉 난연층으로서의 기능을 겸하는 세퍼레이터(55)를 이용해도 된다. 이 경우에는, 난연층으로서 기능하는 세퍼레이터(55)의 일부(침입 부분)가 정극 활물질층(53B) 및 부극 활물질층(54B)의 각각의 내부에 들어가고, 난연성 재료의 일부가 정극 활물질층(53B) 및 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어간다. 따라서, 이 경우에도, 난연층(58, 59)과 마찬가지의 작용을 얻을 수 있기 때문에, 양호한 전지 특성과 안정성을 양립시킬 수 있다.
[4. 이차 전지의 용도]
다음으로, 상기한 이차 전지의 적용예에 대해서 설명한다.
이차 전지의 용도는, 그 이차 전지를 구동용의 전원 또는 전력 축적용의 전력 저장원 등으로서 이용가능한 기계, 기기, 기구, 장치 및 시스템(복수의 기기 등의 집합체) 등에 적용하기만 하면, 특별히 한정되지 않는다. 전원으로서 사용되는 이차 전지는, 주 전원(우선적으로 사용되는 전원)이어도 되고, 보조 전원(주 전원 대신에, 또는 주 전원으로부터 변경되어 사용되는 전원)이어도 된다. 이차 전지를 보조 전원으로서 사용하는 경우에는, 주 전원의 종류는 이차 전지에 한정되지 않는다.
이차 전지의 용도의 예는, 비디오 캠코더, 디지털 스틸 카메라, 휴대 전화기, 노트북 컴퓨터, 코드리스 전화기, 헤드폰 스테레오, 휴대용 라디오, 휴대용 텔레비전 및 휴대용 정보 단말기 등의 전자 기기(휴대용 전자 기기를 포함한다)를 포함한다. 그 추가적인 예는, 전기 면도기 등의 휴대용 생활 기구, 백업 전원 및 메모리카드 등의 기억용 장치, 전동 드릴 및 전동톱 등의 전동 공구, 착탈가능한 전원으로서 노트북 컴퓨터 등에 이용할 수 있는 전지 팩, 심박 조율기 및 보청기 등의 의료용 전자 기기, 전기 자동차(하이브리드 자동차를 포함한다) 등의 전동 차량, 비상시 등에 대비해서 전력을 축적해 두는 가정용 배터리 시스템 등의 전력 저장 시스템을 포함한다. 물론, 상기 이외의 용도라도 된다.
특히, 이차 전지는 전지 팩, 전동 차량, 전력 저장 시스템, 전동 공구 및 전자 기기 등에 적용되는 것이 유효하다. 그 이유 중 하나는, 이러한 용도에서는 뛰어난 전지 특성이 요구되기 때문에, 본 기술의 실시 형태에 따른 이차 전지를 이용하여 유효하게 성능 향상을 꾀할 수 있기 때문이다. 또한, 전지 팩은 이차 전지를 이용한 전원이며, 소위 조전지(assembled battery) 등이다. 전동 차량은 이차 전지를 구동용 전원으로서 작동(주행)하는 차량이다. 상기한 것과 같이, 전동 차량은, 이차 전지 이외의 구동원을 포함하는 자동차(하이브리드 자동차 등)이어도 된다. 전력 저장 시스템은 이차 전지를 전력 저장원으로서 이용하는 시스템이다. 예를 들면, 가정용의 전력 저장 시스템에서는, 전력 저장원인 이차 전지에 전력이 축적되어 있기 때문에, 그 전력을 이용해서 가정용의 전기 제품 등을 사용가능하게 된다. 전동 공구는 이차 전지를 구동용의 전원으로서 이용하여 가동부(예를 들면, 드릴 등)가 가동하는 공구이다. 전자 기기는, 이차 전지를 구동용의 전원(전력 공급원)으로서 이용하여 각종 기능을 발휘하는 기기이다.
여기서, 이차 전지의 몇 개의 적용예에 대해서 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에서 설명하는 각 적용예의 구성은 어디까지나 일례이기 때문에, 적절히 변경가능하다.
[4-1. 전지 팩(단전지)]
도 20은 단전지를 이용한 전지 팩의 사시 구성을 나타내고 있다. 도 21은 도 20에 나타낸 전지 팩의 블록 구성을 나타내고 있다. 또한, 도 20에서는 전지 팩을 분해한 상태를 나타내고 있다.
여기에서 설명하는 전지 팩은, 1 개의 이차 전지를 이용한 간이형의 전지 팩(소위 소프트 팩)이며, 예를 들면, 스마트 폰 등의 대표되는 전자 기기에 내장된다. 이 전지 팩은, 예를 들면, 도 20에 도시한 바와 같이, 라미네이트 필름형의 이차 전지로 구성되는 전원(111)과, 그 전원(111)에 접속되는 회로 기판(116)을 포함하고 있다.
전원(111)의 양 측면에는 한 벌의 점착 테이프(118, 119)가 부착되어 있다. 회로 기판(116)에는 보호 회로(PCM: Protection Circuit Module)가 형성된다. 이 회로 기판(116)은 전원(111)의 정극 리드(112) 및 부극 리드(113)에 대하여 한 벌의 탭(114, 115)을 개재해서 접속되고, 외부 접속용의 리드선(117)에도 접속된다. 또한, 회로 기판(116)이 전원(111)에 접속된 상태에서, 그 회로 기판(116)은 라벨(120) 및 절연 시트(121)에 의해 상하 측으로부터 보호된다. 이 라벨(120)의 부착에 의해, 회로 기판(116) 및 절연 시트(121) 등은 고정된다.
또한, 전지 팩은, 예를 들면, 도 21에 도시한 바와 같이, 전원(111)과, 회로 기판(116)을 포함하고 있다. 회로 기판(116)은, 예를 들면, 제어부(121)와, 스위치부(122)와, PTC(123)와, 온도 검출부(124)를 포함하고 있다. 전원(111)은 정극 단자(125) 및 부극 단자(127)를 개재해서 외부와 접속가능하다. 따라서, 그 전원(111)은 정극 단자(125) 및 부극 단자(127)를 개재해서 충방전된다. 온도 검출부(124)는 온도 검출 단자(소위 T 단자)(126)를 이용해서 온도를 검출가능하다.
제어부(121)는 전지 팩 전체의 동작(전원(111)의 사용 상태를 포함한다)을 제어하는 것이며, 예를 들면, 중앙 처리 유닛(CPU) 및 메모리 등을 포함하고 있다.
이 제어부(121)는, 예를 들면, 전지 전압이 과충전 검출 전압에 도달하면, 스위치부(122)를 절단시킴으로써, 전원(111)의 전류 경로에 충전 전류가 흐르지 않도록 한다. 또한, 제어부(121)는, 예를 들면, 충전 동작 시에 대전류가 흐르면, 스위치부(122)를 절단시켜서 충전 전류를 차단한다.
그 외에, 제어부(121)는, 예를 들면, 전지 전압이 과방전 검출 전압에 도달하면, 스위치부(122)를 절단시킴으로써, 전원(111)의 전류 경로에 방전 전류가 흐르지 않도록 한다. 또한, 제어부(121)는, 예를 들면, 방전 동작 시에서 대전류가 흐르면, 스위치부(122)를 절단시킴으로써 방전 전류를 차단한다.
또한, 이차 전지의 과충전 검출 전압은, 예를 들면, 약 4.20 V±0.05 V이고, 과방전 검출 전압은, 예를 들면, 약 2.4 V±0.1 V이다.
스위치부(122)는 제어부(121)의 지시에 따라서 전원(111)의 사용 상태(전원(111)과 외부 기기의 접속의 가부)를 바꾼다. 이 스위치부(121)는, 예를 들면, 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치 등을 포함하고 있다. 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치는, 예를 들면, 금속 산화물 반도체를 이용한 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 등의 반도체 스위치이다. 또한, 충방전 전류는, 예를 들면, 스위치부(122)의 온(ON) 저항에 근거해서 검출된다.
온도 검출부(124)는 전원(111)의 온도를 측정하고, 그 측정 결과를 제어부(121)에 출력한다. 온도 검출부(124)는, 예를 들면, 서미스터 등의 온도 검출 소자를 포함하고 있다. 또한, 온도 검출부(124)에 의해 공급된 측정 결과는, 이상 발열 시에 제어부(121)가 충방전 제어를 행할 경우나, 제어부(121)가 잔류 용량의 산출 시에 보정 처리를 행할 경우 등에 이용할 수 있다.
또한, 회로 기판(116)은 PTC(123)를 구비하지 않고 있어도 된다. 이 경우에는, 별도로 회로 기판(116)에 PTC 소자가 부설되어 있어도 된다.
[4-2. 전지 팩(조전지)]
도 22는 조전지를 이용한 전지 팩의 블록 구성을 나타내고 있다. 이 전지 팩은, 예를 들면, 제어부(61)와, 전원(62)과, 스위치부(63)와, 전류 측정부(64)와, 온도 검출부(65)와, 전압 검출부(66)와, 스위치 제어부(67)와, 메모리(68)와, 온도 검출 소자(69)와, 전류 검출 저항(70)과, 정극 단자(71) 및 부극 단자(72)를 케이스(60) 내에 구비하고 있다. 케이스(60)는 플라스틱 재료 등에 의해 형성된다.
제어부(61)는 전지 팩 전체의 동작(전원(62)의 사용 상태를 포함한다)을 제어하고, 예를 들면, CPU 등을 포함하고 있다. 전원(62)은 본 기술의 실시 형태의 1 이상의 이차 전지(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 이 전원(62)은, 예를 들면, 2 이상의 이차 전지를 포함하는 조전지이다. 그 이차 전지의 접속 형식은 직렬 접속 형이라도 되고, 병렬 접속형이라도 되고, 그 쌍방의 혼합형이라도 된다. 일례를 들면, 전원(62)은 2 병렬 3 직렬의 방식으로 접속된 6 개의 이차 전지를 포함하고 있다.
스위치부(63)는 제어부(61)의 지시에 따라서 전원(62)의 사용 상태(전원(62)과 외부 기기의 접속의 여부)를 바꾼다. 이 스위치부(63)는, 예를 들면, 충전 제어 스위치, 방전 제어 스위치, 충전용 다이오드 및 방전용 다이오드(모두 도시하지 않음) 등을 포함하고 있다. 충전 제어 스위치 및 방전 제어 스위치는, 예를 들면, 금속 산화물 반도체를 이용한 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 등의 반도체 스위치이다.
전류 측정부(64)는 전류 검출 저항(70)을 이용해서 전류를 측정하고, 그 측정 결과를 제어부(61)에 출력한다. 온도 검출부(65)는 온도 검출 소자(69)를 이용해서 온도를 측정하고, 그 측정 결과를 제어부(61)에 출력한다. 이 온도 측정 결과는, 예를 들면, 이상 발열 시에 제어부(61)가 충방전 제어를 행할 경우나, 제어부(61)가 잔류 용량의 산출 시에 보정 처리를 행할 경우 등에 이용할 수 있다. 전압 검출부(66)는 전원(62) 내의 이차 전지의 전압을 측정하고, 그 측정 전압을 아날로그-디지털 변환해서 그 결과를 제어부(61)에 공급한다.
스위치 제어부(67)는 전류 측정부(64) 및 전압 검출부(66)로부터 입력되는 신호에 따라서 스위치부(63)의 동작을 제어한다.
이 스위치 제어부(67)는, 예를 들면, 전지 전압이 과충전 검출 전압에 도달했을 경우에, 스위치부(63)(충전 제어 스위치)를 절단하여, 전원(62)의 전류 경로에 충전 전류가 흐르지 않도록 제어한다. 이에 의해, 전원(62)에서는, 방전용 다이오드를 개재해서 방전 동작만이 가능하게 된다. 또한, 스위치 제어부(67)는, 예를 들면, 충전 동작 시에 대전류가 흘렀을 경우에, 충전 전류를 차단한다.
또한, 스위치 제어부(67)는, 예를 들면, 전지 전압이 과방전 검출 전압에 도달했을 경우에, 스위치부(63)(방전 제어 스위치)를 절단하여, 전원(62)의 전류 경로에 방전 전류가 흐르지 않도록 한다. 이에 의해, 전원(62)에서는, 충전용 다이오드를 개재해서 충전 동작만이 가능하게 된다. 또한, 스위치 제어부(67)는, 예를 들면, 방전 시에 대전류가 흘렀을 경우에 방전 전류를 차단한다.
또한, 이차 전지에서는, 예를 들면, 과충전 검출 전압은 약 4.20 V±0.05 V이며, 과방전 검출 전압은 약 2.4 V±0.1 V이다.
메모리(68)는, 예를 들면, 불휘발성 메모리인 EEPROM 등이다. 이 메모리(68)에는, 예를 들면, 제어부(61)에 의해 연산된 수치 및 제조 공정에서 측정된 이차 전지의 정보(예를 들면, 초기 상태의 내부 저항 등) 등이 기억된다. 또한, 메모리(68)에 이차 전지의 만충전 용량을 기억시켜 두면, 제어부(61)가 잔류 용량 등의 정보를 파악가능하게 된다.
온도 검출 소자(69)는 전원(62)의 온도를 측정하고, 그 측정 결과를 제어부(61)에 출력한다. 온도 검출 소자(69)는, 예를 들면 서미스터 등이다.
정극 단자(71) 및 부극 단자(72)는 전지 팩을 이용해서 가동되는 외부 기기(예를 들면, 노트북형의 퍼스널 컴퓨터 등)나, 전지 팩을 충전하기 위해서 이용할 수 있는 외부 기기(예를 들면, 충전기 등) 등에 접속되는 단자이다. 전원(62)의 충방전은 정극 단자(71) 및 부극 단자(72)를 개재해서 행하여진다.
[4-3. 전동 차량]
도 23은 전동 차량의 일례인 하이브리드 자동차의 블록 구성을 나타내고 있다. 이 전동 차량은, 예를 들면, 금속제의 케이스(73)의 내부에, 제어부(74)와, 엔진(75)과, 전원(76)과, 구동용의 모터(77)와, 차동 장치(78)와, 발전기(79)와, 트랜스미션(80)과, 클러치(81)와, 인버터(82, 83)와, 각종 센서(84)를 포함하고 있다. 이 밖에, 전동 차량은, 예를 들면, 차동 장치(78) 및 트랜스미션(80)에 접속된 전륜용 구동축(85) 및 전륜(86)과, 후륜용 구동축(87) 및 후륜(88)을 포함하고 있다.
이 전동 차량은, 예를 들면, 엔진(75) 및 모터(77)의 어느 한쪽을 구동원으로서 이용하여 주행 가능하다. 엔진(75)은 주요한 동력원이며, 예를 들면, 가솔린 엔진 등이다. 엔진(75)을 동력원으로 이용하는 경우, 그 엔진(75)의 구동력(회전력)은, 예를 들면, 구동부인 차동 장치(78), 트랜스미션(80) 및 클러치(81)를 개재해서 전륜(86) 또는 후륜(88)에 전달된다. 또한, 엔진(75)의 회전력은 발전기(79)에도 전달된다. 그 회전력을 이용해서 발전기(79)가 교류 전력을 발생시킨다. 발생된 교류 전력은 인버터(83)를 개재해서 직류 전력으로 변환되고, 그 변호나된 전력이 전원(76)에 축적된다. 한편, 변환부인 모터(77)를 동력원으로 이용하는 경우, 전원(76)으로부터 공급된 전력(직류 전력)이 인버터(82)를 개재해서 교류 전력으로 변환된다. 그 교류 전력을 이용해서 모터(77)가 구동한다. 이 모터(77)에 의해 전력을 변환하여 얻어진 구동력(회전력)은, 예를 들면, 구동부인 차동 장치(78), 트랜스미션(80) 및 클러치(81)를 개재해서 전륜(86) 또는 후륜(88)에 전달된다.
또한, 아래의 기구가 채용될 수도 있다. 그 기구에서, 도시하지 않은 제동 기구에 의해 전동 차량이 감속하면, 그 감속 시의 저항력이 모터(77)에 회전력으로서 전달되고, 그 회전력을 이용해서 모터(77)가 교류 전력을 발생시키도록 해도 된다. 이 교류 전력은 인버터(82)를 개재해서 직류 전력로 변환되고, 그 직류 회생 전력은 전원(76)에 축적되는 것이 바람직하다.
제어부(74)는, 전동 차량 전체의 동작을 제어하고, 예를 들면, CPU 등을 포함하고 있다. 전원(76)은 본 기술의 실시 형태의 1 이상의 이차 전지(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 또는, 이 전원(76)은 외부 전원과 접속되고, 그 외부 전원으로부터 전력 공급을 받아 전력을 축적해도 된다. 각종 센서(84)는, 예를 들면, 엔진(75)의 회전수를 제어하거나, 도시하지 않은 쓰로틀 밸브의 개방도(쓰로틀 개방도)를 제어하기 위해서 이용할 수도 있다. 이 각종 센서(84)는, 예를 들면, 속도 센서, 가속도 센서 및 엔진 회전수 센서 등을 포함하고 있다.
이상에서 전동 차량이 하이브리드 자동차일 경우에 대해서 설명했다. 그러나, 그 전동 차량의 예는, 엔진(75)을 이용하지 않고 전원(76) 및 모터(77)만을 이용해서 작동하는 차량(전기 자동차)을 포함한다.
[4-4. 전력 저장 시스템]
도 24는 전력 저장 시스템의 블록 구성을 나타내고 있다. 이 전력 저장 시스템은, 예를 들면, 일반 주택 및 상업용 빌딩 등의 가옥(89)의 내부에 제어부(90)와, 전원(91)과, 스마트 미터(92)와, 파워 허브(93)를 포함하고 있다.
여기에서는, 전원(91)은, 예를 들면, 가옥(89)의 내부에 설치된 전기 기기(94)에 접속되어 있어도 되고, 가옥(89)의 외부에 정차된 전동 차량(96)에 접속되어 있어도 된다. 또한, 전원(91)은, 예를 들면, 가옥(89)에 설치된 자가 발전기(95)에 파워 허브(93)를 개재해서 접속되어 있어도 되고, 스마트 미터(92) 및 파워 허브(93)를 개재해서 외부의 집중형 전력 계통(97)에 접속되어 있어도 된다.
또한, 전기 기기(94)는, 예를 들면, 냉장고, 에어 컨디셔너, 텔레비전 및 급탕기 등의 1 이상의 가전 제품을 포함하고 있어도 된다. 자가 발전기(95)는, 예를 들면, 태양광 발전기 및 풍력 발전기 등의 1 이상이다. 전동 차량(96)은, 예를 들면, 전기 자동차, 전기 모터 사이클 및 하이브리드 자동차 등의 1 이상이다. 집중형 전력 계통(97)은, 예를 들면, 화력 발전소, 원자력 발전소, 수력 발전소 및 풍력 발전소 등의 1 이상이다.
제어부(90)는 전력 저장 시스템 전체의 동작(전원(91)의 사용 상태를 포함한다)을 제어하고, CPU 등을 포함하고 있다. 전원(91)은 본 기술의 실시 형태의 1 이상의 이차 전지(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 스마트 미터(92)는, 예를 들면, 전력 수요 측의 가옥(89)에 설치되는 네트워크 대응형의 전력계이며, 전력 공급측과 통신가능하다. 이것에 수반하여, 스마트 미터(92)는, 예를 들면, 외부와 통신하면서, 가옥(89)에서의 수요 공급의 밸런스를 제어함으로써, 효율적으로 안정된 에너지 공급을 가능하게 한다.
이 전력 저장 시스템에서는, 예를 들면, 외부 전원인 집중형 전력 계통(97)으로부터 스마트 미터(92) 및 파워 허브(93)를 개재해서 전원(91)에 전력이 축적되고, 독립 전원인 자가 발전기(95)로부터 파워 허브(93)를 개재해서 전원(91)에 전력이 축적된다. 이 전원(91)에 축적된 전력은, 제어부(90)의 지시에 따라서 전기 기기(94) 및 전동 차량(96)에 공급된다. 따라서, 그 전기 기기(94)가 가동가능하게 되고, 전동 차량(96)이 충전가능하게 된다. 즉, 전력 저장 시스템은 전원(91)을 이용하여 가옥(89) 내에서의 전력의 축적 및 공급을 가능하게 하는 시스템이다.
전원(91)에 축적된 전력은 임의로 이용가능하다. 이 때문에, 예를 들면, 전기 사용료가 싼 심야에 집중형 전력 계통(97)으로부터 전원(91)에 전력을 축적해 놓고, 그 전원(91)에 축적해 둔 전력을 전기 사용료가 높은 낮에 이용할 수 있다.
또한, 상기한 전력 저장 시스템은 각 호(각 가구)마다 설치되어 있어도 되고, 복수 호(복수 세대)마다 설치되어 있어도 된다.
[4-5. 전동 공구]
도 25는 전동 공구의 블록 구성을 나타내고 있다. 이 전동 공구는, 예를 들면, 전동 드릴이며, 플라스틱 재료 등에 의해 형성된 공구 본체(98)의 내부에 제어부(99)와 전원(100)을 포함하여도 된다. 이 공구 본체(98)에는, 예를 들면, 가동부인 드릴부(101)가 가동(회전)가능하게 부착되어 있다.
제어부(99)는 전동 공구 전체의 동작(전원(100)의 사용 상태를 포함한다)을 제어하고, 예를 들면, CPU 등을 포함하고 있다. 전원(100)은 본 기술의 실시 형태의 1 이상의 이차 전지(도시하지 않음)를 포함하고 있다. 이 제어부(99)는, 도시하지 않은 동작 스위치의 조작에 따라서, 전원(100)으로부터 드릴부(101)에 전력을 공급할 수 있다.
[실시예]
본 기술의 구체적인 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.
[실험예 1-1 내지 1-30]
이하의 순서에 의해, 도 9 및 도 10에 나타낸 원통형의 이차 전지(리튬 이온 이차 전지)를 제작했다.
정극(41)을 제작하는 경우에는, 먼저, 정극 활물질(LiNi0 . 77Co0 . 20Al0 . 03O2) 94 질량부와, 정극 결착제(폴리불화비닐리덴) 3 질량부와, 정극 전기 도전제(흑연) 3 질량부를 혼합하여, 정극 혼합제를 얻었다. 계속해서, 정극 혼합제를 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈)에 분산되게 해서, 정극 혼합제 슬러리를 얻었다. 계속해서, 정극 혼합제 슬러리를 정극 집전체(41A)(20 ㎛ 두께의 띠 형상 알루미늄 박)의 양면에 도포한 뒤, 그 도포된 정극 혼합제 슬러리를 건조시켜서, 정극 활물질층(41B)을 형성했다. 이 경우에는, 정극 집전체(41A)의 한 면에서의 정극 활물질층(41B)의 면적 밀도를 40 mg/cm2로 했다. 마지막으로, 롤 프레스기를 이용해서 정극 활물질층(41B)을 압축 성형했다.
부극(42)을 제작하는 경우에는, 먼저, 부극 활물질(규소) 80 질량부와, 부극 결착제(폴리불화비닐리덴) 8.5 질량부와, 부극 도전제(흑연) 11.5 질량부를 혼합하여, 부극 혼합제를 얻었다. 계속해서, 부극 혼합제를 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈)에 분산되게 해서, 부극 혼합제 슬러리를 얻었다. 계속해서, 부극 혼합제 슬러리를 부극 집전체(42A)(15 ㎛ 두께의 띠 형상 동박)의 양면에 도포한 뒤, 그 도포된 부극 혼합제 슬러리를 건조시켜서, 부극 활물질층(42B)을 형성했다. 이 경우에는, 부극 집전체(42A)의 한 면에서의 부극 활물질층(42B)의 면적 밀도를 6 mg/cm2로 했다. 마지막으로, 롤 프레스기를 이용해서 부극 활물질층(42B)을 압축 성형했다.
전해액을 조제하는 경우에는, 용매(탄산 에틸렌 및 탄산 디메틸)에 전해질 염(LiPF6)을 용해시켰다. 이 경우에는, 용매의 조성을 중량비로 탄산 에틸렌:탄산 디메틸=50:50, 전해질 염의 함유량을 용매 전체에 대하여 1 mol/kg으로 했다.
이차 전지를 조립할 경우에는, 먼저, 정극 집전체(41A)에 알루미늄제의 정극 리드(45)를 용접하고, 부극 집전체(42A)에 니켈제의 부극 리드(46)를 용접했다. 계속해서, 세퍼레이터(43)(5 ㎛ 두께의 폴리에틸렌 필름) 및 난연층(47)을 개재해서 정극(41)과 부극(42)을 적층하고 나서 권회시켜서 권회 전극체(40)를 제작한다. 그 후에, 그 권회 전극체(40)의 권회 중심에 센터 핀(44)을 삽입했다. 계속해서, 권회 전극체(40)를 한 벌의 절연판(32, 33)에 의해 개재시키면서, 전지 캔(31)의 내부에 수납했다. 이 경우에는, 정극 리드(45)의 선단부를 안전 밸브 기구(35)에 용접함과 함께, 부극 리드(46)의 선단부를 전지 캔(31)에 용접했다. 계속해서, 전지 캔(31)의 내부에 전해액을 주입하고, 그 전해액을 권회 전극체(40)에 함침시켰다. 마지막에, 개스킷(37)에 의해 전지 캔(31)의 개구 단부에 전지 덮개(34), 안전 밸브 기구(35) 및 PTC 소자(36)를 죄여서 고정하였다.
이 이차 전지를 제작하는 경우에는, 이하의 순서에 의해 난연층(47)을 형성했다.
도포법을 이용해서 난연층(47)을 형성할 경우에는, 먼저, 난연성 재료 50 질량부와, 고분자 화합물(폴리불화비닐리덴) 5 질량부를 혼합한 뒤, 그 혼합물을 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈)에 분산되게 해서, 난연제 슬러리를 얻었다. 이 난연성 재료로서는, 폴리인산암모늄(PPA), 멜라민 시아누레이트(MC), 폴리인산멜라민(PPM), 멜라민(MEL), 화학식 1-1에 나타낸 멜라민 유도체(MMEL), 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)2), 보에마이트(Al2O3·H2O), 및 탈크(TAL)를 이용했다. 또한, 필요에 따라서, 2 종류의 난연성 재료(PPA+MC)를 혼합했다. 이 경우에는, 혼합비를 중량비로 PPA:MC=50:50으로 했다. 계속해서, 바 코터를 이용해서 부극(42)(부극 활물질층(42B))의 표면에 난연제 슬러리를 도포한 뒤, 그 도포된 난연제 슬러리를 건조시켜서, 난연층(47)을 형성했다. 이 경우에는, 난연층(47)의 두께를 10 ㎛로 했다.
가압법을 이용해서 난연층(47)을 형성하는 순서는 아래와 같다. 먼저, 부극(42) 대신에 세퍼레이터(43)에 난연제 슬러리를 도포해서 난연층(47)을 형성한다. 그 후에, 그 난연층(47)을 부극(42)의 표면에 가압했다. 다음으로, 난연성 재료가 내부에 함유되어 있는 세퍼레이터(43)를 준비하고, 그 세퍼레이터(43)를 부극(42)의 표면에 가압했다. 이 경우에는, 세퍼레이터(43)의 형성 과정에서, 그 형성 재료(후술하는 폴리에틸렌)에 난연성 재료를 첨가했다. 다음으로, 미리 시트 형상으로 성형된 난연층(47)을 준비하고, 그 난연층(47)을 부극(42)의 표면에 가압했다. 가압 시의 압력은 5 MPa로 했다. 이 경우에는, 지지판의 표면에 난연제 슬러리를 도포한 뒤, 그 도포된 난연제 슬러리를 건조시켜서 난연층(47)을 형성하였다. 그 후에, 그 형성된 난연층(47)을 지지판으로부터 박리시켰다. 이 가압법(유압 프레스)에 관한 상세 내용은 상기한 대로이다.
일 실시 형태에서는 비교를 위하여 난연층(47)을 형성하지 않았다. 또한, 어떤 실시 형태에서는 난연층(47)을 형성하는 대신에, 난연성 재료를 정극 혼합제, 부극 혼합제 및 전해액의 각각에 함유시켰다.
이 밖에, 몇몇 실시 형태에서는 비교를 위하여, 산화 알루미늄(Al2O3)을 이용해서 난연층(47)을 형성했다. 또한, 몇몇 실시 형태에서 가압하지 않은 것을 제외하고, 상기한 가압법을 이용했을 경우(3 가지의 순서를 이용했을 경우)와 마찬가지의 순서에 의해 난연층(47)을 형성했다.
이차 전지의 전지 특성으로서 초기 충방전 특성, 방전 용량 특성 및 사이클 특성을 조사함과 동시에, 안전성으로서 고온 내구성을 조사하였다. 이에 따라, 표 1 및 표 2에 나타낸 결과를 얻을 수 있었다.
초기 충방전 특성을 조사할 경우에는, 먼저, 전지 상태를 안정화시키기 위해서, 상온 환경 중(23 ℃)에서 이차 전지를 1 사이클 충방전시켰다. 계속해서, 동 환경 중에서 이차 전지를 한번 더 1 사이클 충전시켜서 충전 용량(mAh)을 측정하였다. 그 뒤에, 이차 전지를 방전시켜서 방전 용량(mAh)을 측정했다. 그 결과에 기초하여, 초기 효율(%)=(2 사이클째의 방전 용량/2 사이클째의 충전 용량)×100을 산출했다. 충전 동작 시에는, 전류를 0.2 C, 상한 전압을 4.2 V로 하여 이차 전지를 정전류 정전압 충전하였다. 방전 동작 시에는, 전류를 0.2 C, 종지 전압을 2.7 V로 하여 이차 전지를 정전류 방전했다. "0.2 C"은 전지 용량(이론 용량)을 5 시간 동안 완전히 방전한 전류값이다.
방전 용량 특성을 조사할 경우에는, 상기한 2 사이클째의 방전 용량(mAh)을 측정했다.
사이클 특성을 조사할 경우에는, 상기한 순서에 의해 전지 상태를 안정화시킨 이차 전지를 상온 환경 중(23 ℃)에서 충방전시켜서, 방전 용량을 측정했다. 계속해서, 동 환경 중에서 사이클 수(충방전 회수)의 합계가 300 사이클이 될 때까지 이차 전지를 충방전시켜서, 방전 용량을 측정했다. 그 결과에 기초하여, 용량 유지율(%)=(300 사이클째의 방전 용량/2 사이클째의 방전 용량)×100을 산출했다. 충방전 조건은 초기 충방전 특성을 조사했을 경우와 마찬가지이다.
고온 내구성을 조사할 경우에는, 상기한 순서에 의해 전지 상태를 안정화시킨 이차 전지를 충전시킨 뒤, 그 충전된 이차 전지를 항온조 내에 투입했다. 계속해서, 항온조 내의 온도를 승온시킨 뒤, 그 승온 후의 온도를 1 시간 유지하고, 이차 전지의 상태(발화 및 파열의 유무)를 관찰했다. 이차 전지의 상태에 변화가 없을 경우에는, 항온층 내의 온도를 5 ℃ 승온시키고 나서 다시 관찰을 행하였다. 이러한 순서를 되풀이하여 이차 전지의 상태에 변화가 생기지 않는 한계 온도(최고 온도: ℃)를 조사했다.
SEM을 이용해서 부극(42)의 단면을 관찰하여, 난연층(47)의 일부가 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가 있는지의 여부(침입 부분이 존재하는지의 여부)를 조사했다. 그 결과도 표 1 및 표 2에 나타내었다.
Figure pat00013
Figure pat00014
난연층(47)의 유무 및 그 구성에 따라서 전지 특성 및 안전성은 크게 변동했다. 이하에서는, 난연층(47)이 형성되지 않고 있을 경우(실험예 1-18)의 결과(초기 효율, 방전 용량, 용량 유지율 및 최고 온도)를 비교 기준으로 이용한다.
난연층(47)이 난연성 재료를 포함하고 있지만, 그 난연층(47)의 일부가 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가지 않고 있을 경우(실험예 1-22 내지 1-28)에는, 상기한 기준과 비교하여, 초기 효율은 거의 동등하고, 최고 온도도 경우에 따라서는 약간 상승했지만, 대부분의 경우에 방전 용량 및 용량 유지율은 감소했다.
난연층(47)을 형성하지 않고, 난연성 재료를 정극 혼합제 등에 함유시켰을 경우(실험예 1-19 내지 1-21)에는, 상기한 기준과 비교하여, 초기 효율, 방전 용량, 용량 유지율 및 최고 온도 중 일부는 거의 동일하거나 더 높았지만, 나머지는 저하했다.
산화 알루미늄을 이용했을 경우(실험예 1-29, 1-30)에는, 그 산화 알루미늄이 본질적으로 난연성이 없기 때문에, 난연층(47)이 열 폭주 등의 이상 발생을 억제하는 기능을 발휘할 수 없었다. 따라서, 난연층(47)의 유무 및 침입 부분의 유무에 따라서 전지 특성 및 안전성이 변화하지 않았다.
이것에 대하여, 난연층(47)이 난연성 재료를 포함하고 있고, 그 난연층(47)의 일부가 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있을 경우(실험예 1-1 내지 1-17)에는, 상기한 기준과 비교하여, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율은 경우에 따라서 약간 감소했지만, 최고 온도는 대폭 상승했다. 이 결과는, 난연성 재료를 포함하는 난연층(47)의 일부가 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있으면, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율의 감소를 최소한으로 억제하면서, 최고 온도가 현저하게 상승하는 것을 나타내고 있다.
[실험예 2-1 내지 2-5]
표 3에 도시한 바와 같이, 난연층(47)의 두께를 변경한 것을 제외하고, 마찬가지의 순서에 의해 이차 전지를 제작하고, 전지 특성 및 안전성을 조사했다.
Figure pat00015
난연층(47)의 두께를 변경했을 경우(표 3)에도, 표 1 및 표 2와 마찬가지의 결과를 얻을 수 있었다. 구체적으로, 난연층(47)이 난연성 재료를 포함하고 있고, 그 난연층(47)의 일부가 부극 활물질층(42B)의 내부에 들어가고 있을 경우(실험예 2-1 내지 2-5)에는, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율은 약간 감소했지만, 최고 온도는 대폭 상승했다.
[실험예 3-1 내지 3-30]
이하의 순서에 의해, 도 14, 도 15 및 도 19에 나타낸 라미네이트 필름형의 이차 전지(리튬 이온 이차 전지)를 제작했다.
정극(53)을 제작하는 경우에는, 먼저, 정극 활물질(LiCoO2) 91 질량부와, 정극 결착제(폴리불화비닐리덴) 3 질량부와, 정극 전기 도전제(흑연) 6 질량부를 혼합하여, 정극 혼합제를 얻었다. 계속해서, 정극 혼합제를 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈)에 분산되게 해서, 정극 혼합제 슬러리를 얻었다. 계속해서, 정극 혼합제 슬러리를 정극 집전체(53A)(20 ㎛ 두께의 띠 형상 알루미늄 박)의 양면에 도포한 뒤, 그 도포된 정극 혼합제 슬러리를 건조시켜서, 정극 활물질층(53B)을 형성했다. 이 경우에는, 정극 집전체(53A)의 양면에서의 정극 활물질층(53B)의 합계의 면적 밀도를 30 mg/cm2로 했다. 마지막으로, 롤 프레스기를 이용해서 정극 활물질층(53B)을 압축 성형했다.
부극(54)을 제작하는 경우에는, 먼저, 부극 활물질(인조 흑연) 90 질량부와, 부극 결착제(폴리불화비닐리덴)(10)를 혼합하여, 부극 혼합제를 얻었다. 계속해서, 부극 혼합제를 유기 용제(N-메틸-2-피롤리돈)에 분산되게 해서, 부극 혼합제 슬러리를 얻었다. 계속해서, 부극 혼합제 슬러리를 부극 집전체(54A)(10 ㎛ 두께의 띠 형상 동박)의 양면에 도포한 뒤, 그 도포된 부극 혼합제 슬러리를 건조시켜서, 부극 활물질층(54B)을 형성했다. 이 경우에는, 부극 집전체(54A)의 양면에서의 부극 활물질층(54B)의 합계의 면적 밀도를 16 mg/cm2로 했다. 마지막으로, 롤 프레스기를 이용해서 부극 활물질층(54B)을 압축 성형했다.
도포법을 이용해서 전해질층(156)을 형성할 경우에는, 먼저, 용매(탄산 에틸렌 및 탄산 프로필렌)에 전해질 염(LiPF6)을 용해시켜서, 전해액을 조제했다. 이 경우에는, 용매의 조성을 탄산 에틸렌:탄산 프로필렌=60:40, 전해질 염의 함유량을 0.8 mol/kg으로 했다. 계속해서, 전해액 90 질량부와, 고분자 화합물(불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체) 10 질량부를 혼합한 뒤, 그 혼합물에 난연성 재료를 첨가했다. 이 경우에는, 불화비닐리덴과 헥사플루오로프로필렌의 중합비를 중량비로 불화비닐리덴:헥사플루오로프로필렌=93.1:6.9로 했다. 난연성 재료의 종류 및 함유량(중량%)은, 표 4 및 표 5에 도시한 바와 같다. 계속해서, 혼합물에 유기 용제(탄산 디메틸)를 첨가하여, 전구 용액을 조제했다. 이 경우에는, 전구 용액의 점도를 50 mPa·s로 했다. 계속해서, 바 코터를 이용해서 정극(53)(정극 활물질층(53B)) 및 부극(54)(부극 활물질층(54B))의 각각의 표면에 전구 용액을 도포했다. 그 후에, 도포된 그 전구 용액을 건조시켜서, 난연성 재료를 포함하는 겔 형상의 전해질인 전해질층(156)을 형성했다. 이 경우에는, 전해질층(156)의 두께를 10 ㎛로 했다. 계속해서, 정극 집전체(53A)에 알루미늄제의 정극 리드(51)를 용접하고, 부극 집전체(54A)에 니켈제의 부극 리드(52)를 용접했다. 계속해서, 세퍼레이터(55) 및 전해질층(156)을 개재해서 정극(53)과 부극(54)을 적층하고 나서 권회시켜서 권회 전극체(50)를 제작했다. 그 후에, 그 권회 전극체(50)의 최외주부에 보호 테이프(57)를 부착하였다. 계속해서, 2 매의 필름 형상의 외장 부재(59)의 사이에 권회 전극체(50)를 개재하였다. 그 후에, 그 외장 부재(59)의 외주 연부끼리 열 융착하고, 권회 전극체(50)를 외장 부재(59)의 내부에 봉입했다. 이 경우에는, 정극 리드(51)와 외장 부재(59)의 사이 및 부극 리드(52)와 외장 부재(59)의 사이에 밀착 필름(58)(폴리에틸렌 필름)을 삽입했다.
또한, 비교를 위하여, 표 5에 도시한 바와 같이, 원통형의 이차 전지를 제작했을 경우와 마찬가지로 전해질층(156)의 형성 방법 등을 변경했다.
이차 전지의 전지 특성으로서 초기 충방전 특성, 방전 용량 특성 및 사이클 특성을 조사하고, 안전성으로서 단락 회로 시의 상황을 조사하였다. 이에 따라, 표 4 및 표 5에 나타낸 결과를 얻을 수 있었다.
초기 충방전 특성, 방전 용량 특성 및 사이클 특성을 조사하는 순서는, 원통형의 이차 전지를 조사했을 경우와 마찬가지이다.
단락 회로 시의 상황을 조사할 경우에는, 이차 전지의 외부에서 단락 회로를 발생시킨 뒤, 그 이차 전지의 표면 온도(℃)의 최고값을 측정했다. 이 경우에는, 외장 부재(59)가 절단되고 이차 전지 내의 열분해 반응에 기인하는 가스 분출이 발생하였는지 여부를 조사했다.
Figure pat00016
Figure pat00017
난연성 재료를 포함하는 전해질층(156)을 이용한 라미네이트 필름형의 이차 전지(표 4 및 표 5)에서도, 난연성 재료를 포함하는 난연층(47)을 이용한 원통형의 이차 전지(표 1 및 표 2)와 마찬가지의 결과를 얻을 수 있었다.
상세하게는, 전해질층(156)이 형성되지 않고 있을 경우(실험예 3-18)의 결과(초기 효율, 방전 용량, 용량 유지율, 표면 온도 및 가스 분출)를 비교 기준으로 이용한다.
전해질층(156)은 난연성 재료를 포함하고 있지만, 그 전해질층(156)의 일부가 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어가지 않고 있을 경우(실험예 3-22 내지 3-28)에는, 표면 온도는 거의 동일했지만, 초기 효율은 다함께 감소하고, 방전 용량 및 용량 유지율도 경우에 따라서는 감소했다.
전해질층(156)을 형성하지 않고, 난연성 재료를 정극 혼합제 등에 함유시켰을 경우(실험예 3-19 내지 3-21)에는, 초기 효율, 방전 용량, 용량 유지율 및 표면 온도 중 일부는 거의 동일하거나 높았지만, 나머지는 저하했다.
한편, 상기한 일련의 경우에는, 모든 경우에 이차 전지의 내부에서 심한 열분해 반응이 발생했기 때문에 가스 분출이 발생했다.
산화 알루미늄을 이용했을 경우(실험예 3-29, 3-30)에는, 전해질층(156)의 유무 및 침입 부분의 유무에 따라서 전지 특성 및 안전성이 변화하지 않았다.
이것에 대하여, 전해질층(156)이 난연성 재료를 포함하고 있고, 그 전해질층(156)의 일부가 부극 활물질층(53B)의 내부에 들어가고 있을 경우(실험예 3-1 내지 3-17)에는, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율은 약간 감소했지만, 표면 온도는 대폭 저하했다. 게다가, 이차 전지의 내부에서 열분해 반응이 거의 발생하지 않았기 때문에 가스 분출이 발생하지 않았다. 이 결과는, 난연성 재료를 포함하는 전해질층(156)의 일부가 부극 활물질층(53B)의 내부에 들어가고 있으면, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율의 감소를 최소한으로 억제하면서, 표면 온도가 대폭 저하함과 함께 가스 분출의 발생이 억제되는 것을 나타내고 있다.
[실험예 4-1 내지 4-6]
표 6에 도시한 바와 같이, 전해질층(156)에서의 난연성 재료의 함유량(중량%)을 변경한 것을 제외하고, 마찬가지의 순서에 의해 이차 전지를 제작하고, 전지 특성 및 안전성을 조사했다.
Figure pat00018
전해질층(156)에서의 난연성 재료의 함유량을 변경했을 경우(표 6), 표 4 및 표 5와 마찬가지의 결과를 얻을 수 있었다. 구체적으로, 전해질층(156)이 난연성 재료를 포함하고 있고, 그 전해질층(156)의 일부가 부극 활물질층(54B)의 내부에 들어가고 있을 경우(실험예 4-1 내지 4-6)에는, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율의 감소를 최소한으로 억제하면서, 표면 온도가 대폭 저하하고, 가스 분출의 발생이 억제되었다.
특히, 난연성 재료의 함유량이 5 중량% 내지 30 중량%인 경우, 초기 효율, 방전 용량 및 용량 유지율이 보다 증가하고, 표면 온도가 보다 저하했다.
표 1 내지 표 6에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 난연층이 특정한 난연성 재료를 포함하고, 그 난연층의 일부가 정극 및 부극의 한쪽 또는 쌍방에 들어가고 있으면, 전지 특성을 확보하면서, 안전성이 대폭 향상했다. 따라서, 전지 특성과 안전성이 양립되었다.
이상, 실시 형태 및 실시예를 들면서 본 기술을 설명했다. 그러나, 본 기술은 실시 형태 및 실시예에서 설명한 양태에 한정되지 않고, 여러가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, 전지 구조가 원통형, 라미네이트 필름형 및 각형이고, 전지 소자가 권회 구조를 가질 경우를 특정 예로 들어서 설명하였다. 그러나, 적용가능한 구조는 이것들에 한정되지 않는다. 본 기술의 이차 전지는, 이차 전지가 코인형 및 버튼형 등의 다른 전지 구조를 가질 경우나, 전지 소자가 적층 구조 등의 다른 구조를 가질 경우에도 마찬가지로 적용가능하다.
또한, 전극 반응 물질은, 나트륨(Na) 및 칼륨(K) 등의 다른 1족 원소, 마그네슘 및 칼슘 등의 2족 원소, 및 알루미늄 등의 다른 경금속이라도 된다. 본 기술의 효과는, 전극 반응 물질의 종류에 독립적으로 얻을 수 있다. 따라서, 그 전극 반응 물질의 종류를 변경해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 명세서 중에 기재된 효과는 어디까지나 예시일 뿐이다. 본 기술의 효과는 이것에 한정되지 않고, 다른 효과를 포함할 수도 있다.
본 기술에 대한 상기 예시적인 실시 형태 및 그 변형으로부터 적어도 이하와 같은 구성을 취하는 것도 가능하다.
[1]
정극과,
부극과,
전해액과,
상기 정극과 상기 부극 사이에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 중간층을 포함하고,
상기 중간층은 상기 정극, 상기 부극, 또는 양자 모두에 부분적으로 들어가 있는, 이차 전지.
[화학식 1]
Figure pat00019
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
[2]
[1]에 있어서,
상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터를 더 포함하고,
상기 중간층은 상기 정극과 상기 세퍼레이터 사이에 배치되고, 상기 정극에 부분적으로 들어가는, 이차 전지.
[3]
[1]에 있어서,
상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터를 더 포함하고,
상기 중간층은 상기 부극과 상기 세퍼레이터 사이에 배치되고, 상기 부극에 부분적으로 들어가는, 이차 전지.
[4]
[1]에 있어서,
상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터를 더 포함하고,
상기 중간층은 제1 중간층 및 제2 중간층을 포함하고, 상기 제1 중간층은 상기 정극과 상기 세퍼레이터 사이에 배치되고, 상기 정극에 부분적으로 들어가고, 상기 제2 중간층은 상기 부극과 상기 세퍼레이터 사이에 배치되고, 상기 부극에 부분적으로 들어가는, 이차 전지.
[5]
[2]에 있어서, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 중간층의 밀착 강도는 상기 정극에 대한 상기 중간층의 밀착 강도보다 큰, 이차 전지.
[6]
[3]에 있어서, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 중간층의 밀착 강도는 상기 부극에 대한 상기 중간층의 밀착 강도보다 큰, 이차 전지.
[7]
[4]에 있어서, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 제1 중간층의 밀착 강도는 상기 정극에 대한 상기 제1 중간층의 밀착 강도보다 크고, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 제2 중간층의 밀착 강도는 상기 부극에 대한 상기 제2 중간층의 밀착 강도보다 큰, 이차 전지.
[8]
[1]에 있어서, 상기 중간층은 세퍼레이터인, 이차 전지.
[9]
[1]에 있어서, 상기 중간층은, 상기 전해액과, 상기 전해액을 유지하는 고분자 화합물을 포함하는 전해질층인, 이차 전지.
[10]
[1] 내지 [9] 중 어느 하나에 있어서,
상기 1가의 탄화수소기는 탄소수가 1 내지 5인 알킬기이며,
상기 1가의 수산기 함유 탄화수소기는 탄소수가 1 내지 5인 히드록시알킬기인, 이차 전지.
[11]
[1] 내지 [10] 중 어느 하나에 있어서,
상기 폴리인산염은, 폴리인산암모늄, 폴리인산마그네슘, 폴리인산바륨, 폴리인산아연, 폴리인산니켈, 폴리인산알루미늄 및 폴리인산멜라민 중 1 이상을 포함하고,
상기 멜라민 염은, 멜라민 시아누레이트 및 황산 멜라민 중 1 이상을 포함하고,
상기 멜라민 유도체는, 멜라민 및 화학식 1-1 내지 화학식 1-4의 각각으로 나타내는 화합물 중 1 이상을 포함하고,
상기 금속 수산화물은, Al(OH)3, Mg(OH)2, Mg3Si4O10(OH)2, 및 Al2SiO3(OH) 중 1 이상을 포함하고,
상기 금속 수화물은, Al2O3·H2O, Mg6Al2(CO3)(OH)16·4H2O, Mg9Si12O30(OH)6(OH2)4·6H2O, K2O·3Al2O3 ·6SiO2·2H2O, (Ca/2, Na)0. 33(Mg, Fe2+)3(Si, Al)4O10(OH)2·4H2O, (Mg, Al)2Si4O10(OH)·6H2O 및 (Na, Ca)0. 33(Al, Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O(n은 1 이상의 정수) 중 1 이상을 포함하는, 이차 전지.
[화학식 1-1]
Figure pat00020
[화학식 1-2]
Figure pat00021
[화학식 1-3]
Figure pat00022
[화학식 1-4]
Figure pat00023
[12]
[1] 내지 [11] 중 어느 하나에 있어서, 상기 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지인, 이차 전지.
[13]
[1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 이차 전지와,
상기 이차 전지의 동작을 제어하도록 구성되는 제어부와,
상기 제어부의 지시에 따라서 상기 이차 전지의 동작을 스위칭하도록 구성되는 스위치부를 포함하는, 전지 팩.
[14]
[1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 이차 전지와,
상기 이차 전지로부터 공급된 전력을 구동력으로 변환하도록 구성되는 변환부와,
상기 구동력에 따라서 동작하도록 구성되는 구동부와,
상기 이차 전지의 동작을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는, 전동 차량.
[15]
[1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 이차 전지와,
상기 이차 전지로부터 전력이 공급되도록 구성되는 1 이상의 전기 기기와,
상기 이차 전지로부터 상기 1 이상의 전기 기기에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는, 전력 저장 시스템.
[16]
[1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 이차 전지와,
상기 이차 전지로부터 전력이 공급되도록 구성되는 가동부를 포함하는, 전동 공구.
[17]
[1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 이차 전지를 전력 공급원으로서 포함하는, 전자 기기.
[18]
활물질층과,
상기 활물질층에 배치되고, 폴리인산염, 멜라민염, 화학식 1로 나타내는 멜라민 유도체, 금속 수산화물 및 금속 수화물 중 1 이상을 포함하는 표면층을 포함하고,
상기 표면층은 상기 활물질층에 부분적으로 들어가는, 전극.
[화학식 1]
Figure pat00024
(R1 내지 R6 각각은, 수소기(-H), 1가의 탄화수소기, 1가의 수산기 함유 탄화수소기, 1 이상의 1가의 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합(-O-)이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 1 이상의 1가의 수산기 함유 탄화수소기와 1 이상의 산소 결합이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기, 및 그것들의 2 이상이 전체로서 1가로 되도록 결합된 기 중 어느 하나이다.)
본 기술 분야의 당업자는, 첨부된 특허청구범위 또는 그 등가물의 범위에 속하는 한, 설계 요건 및 기타 요인에 따라 다양한 변경, 조합, 부조합 및 변형이 가능함을 이해하여야 한다.

Claims (15)

  1. 이차 전지로서,
    정극(cathode)과,
    부극(anode)과,
    상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 세퍼레이터 상에 배치된, 금속 수산화물을 포함하는 중간층을 포함하고,
    상기 중간층의 일부가 상기 정극 내 및 상기 부극 내 중 한쪽, 또는 양자 내로 돌출하고 있는, 이차 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 상기 정극과 상기 세퍼레이터 사이에 배치되고, 상기 중간층의 일부가 상기 정극 내로 돌출하고 있는, 이차 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 상기 부극과 상기 세퍼레이터 사이에 배치되고, 상기 중간층의 일부가 상기 부극 내로 돌출하고 있는, 이차 전지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 중간층의 밀착 강도는 상기 정극에 대한 상기 중간층의 밀착 강도보다 큰, 이차 전지.
  5. 제3항에 있어서, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 중간층의 밀착 강도는 상기 부극에 대한 상기 중간층의 밀착 강도보다 큰, 이차 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중간층은 제1 중간층 및 제2 중간층을 포함하는 것인, 이차 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 제1 중간층의 밀착 강도는 상기 정극에 대한 상기 제1 중간층의 밀착 강도보다 크고, 상기 세퍼레이터에 대한 상기 제2 중간층의 밀착 강도는 상기 부극에 대한 상기 제2 중간층의 밀착 강도보다 큰, 이차 전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중간층은, 전해액과, 상기 전해액을 유지하는 고분자 화합물을 포함하는 전해질층인, 이차 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지인, 이차 전지.
  10. 전지 팩으로서,
    이차 전지와,
    상기 이차 전지의 동작을 제어하도록 구성되는 제어부와,
    상기 제어부의 지시에 따라서 상기 이차 전지의 동작을 스위칭하도록 구성되는 스위치부를 포함하고,
    상기 이차 전지는,
    정극과,
    부극과,
    상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 세퍼레이터 상에 배치된, 금속 수산화물을 포함하는 중간층을 포함하고,
    상기 중간층의 일부가 상기 정극 내 및 상기 부극 내 중 한쪽, 또는 양자 내로 돌출하고 있는, 전지 팩.
  11. 전동 차량으로서,
    이차 전지와,
    상기 이차 전지로부터 공급된 전력을 구동력으로 변환하도록 구성되는 변환부와,
    상기 구동력에 따라서 동작하도록 구성되는 구동부와,
    상기 이차 전지의 동작을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 이차 전지는,
    정극과,
    부극과,
    상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 세퍼레이터 상에 배치된, 금속 수산화물을 포함하는 중간층을 포함하고,
    상기 중간층의 일부가 상기 정극 내 및 상기 부극 내 중 한쪽, 또는 양자 내로 돌출하고 있는, 전동 차량.
  12. 전력 저장 시스템으로서,
    이차 전지와,
    상기 이차 전지로부터 전력이 공급되도록 구성되는 1 이상의 전기 기기와,
    상기 이차 전지로부터 상기 1 이상의 전기 기기에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 이차 전지는,
    정극과,
    부극과,
    상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 세퍼레이터 상에 배치된, 금속 수산화물을 포함하는 중간층을 포함하고,
    상기 중간층의 일부가 상기 정극 내 및 상기 부극 내 중 한쪽, 또는 양자 내로 돌출하고 있는, 전력 저장 시스템.
  13. 전동 공구로서,
    이차 전지와,
    상기 이차 전지로부터 전력이 공급되도록 구성되는 가동부를 포함하고,
    상기 이차 전지는,
    정극과,
    부극과,
    상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 세퍼레이터 상에 배치된, 금속 수산화물을 포함하는 중간층을 포함하고,
    상기 중간층의 일부가 상기 정극 내 및 상기 부극 내 중 한쪽, 또는 양자 내로 돌출하고 있는, 전동 공구.
  14. 전자 기기로서,
    이차 전지를 전력 공급원으로서 포함하고,
    상기 이차 전지는,
    정극과,
    부극과,
    상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 세퍼레이터 상에 배치된, 금속 수산화물을 포함하는 중간층을 포함하고,
    상기 중간층의 일부가 상기 정극 내 및 상기 부극 내 중 한쪽, 또는 양자 내로 돌출하고 있는, 전자 기기.
  15. 전극으로서,
    활물질층과,
    상기 활물질층에 배치되고, 금속 수산화물을 포함하는 표면층을 포함하고,
    상기 표면층의 일부가 상기 활물질층 내로 돌출하고 있는, 전극.
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