WO2017212596A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の電池の一実施形態である扁平積層型電池の概要を模式的に表した断面概略図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1に示す扁平積層型の双極型でないリチウムイオン二次電池を例に挙げて詳細に説明する。
図1は、扁平積層型の双極型ではない非水電解質リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の基本構成を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、外装体である電池外装材29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。なお、電解質層17は、セパレータと、非水電解質(例えば、液体電解質)を内蔵している。正極は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。
正極は、正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層とを有するものである。
正極集電体を構成する材料に特に制限はないが、好適には金属が用いられる。具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、その他合金等などが挙げられる。また、後述の負極において、負極集電体を用いる場合も、上記と同様のもの、または銅などを用いることができる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点からは、正極集電体としてはアルミニウム、ステンレスが、負極集電体としては銅が好ましい。
正極活物質層15は、正極活物質を含み、必要に応じて、バインダー;導電助剤、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、およびイオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム-遷移金属リン酸化合物、リチウム-遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム-遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。
正極活物質層に用いられるバインダーとしては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびその塩、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのバインダーは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
負極は、負極集電体と、負極集電体の表面に形成された負極活物質層とを有するものである。
負極活物質層は負極活物質を含み、必要に応じて、導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤については、上記正極活物質層の欄で述べたものと同様である。
電解質層は、電解質塩を溶解させた電解液を含み、好ましくは上記の電解液がセパレータに保持される。
負極活物質層の空孔体積(m3)は、下記の方法で測定した値を用いる。
装置名:マイクロメリティクス製 オートポアIV 9510型
測定細孔径範囲:φ370μm~3nm
水銀接触角:130°
水銀表面張力:485dynes/cm
上記条件で得られたデータより、φ10~0.01μmの細孔径範囲に相当する空孔の容積分布から空孔体積を求める。
本実施形態の非水電解質二次電池において、負極活物質重量は、上記負極活物質層における空孔内の電解質塩重量を負極活物質重量で除した値が0.031以上となる重量であれば特に制限されないが、例えば、負極活物質層の面積1cm2あたりの重量が、6~15g/cm2であり、好ましくは7.5~14g/cm2である。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
電池外装体29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましく、軽量化の観点からアルミニウムラミネートフィルムがより好ましい。
本実施形態の非水電解質二次電池において、負極活物質層の空孔体積に対する定格容量の比は1.12Ah/cc以上である。負極活物質層の空孔体積に対する容量の比は、負極活物質層の高容量密度化を示す指標である。ここで、負極活物質層の活物質密度を示すg/ccでは、負極活物質自体の密度が考慮される必要がある。例えば、活物質の密度の小さい材料では、同じ容積中に同程度の活物質が充填されても、活物質の密度の大きい材料よりも、負極活物質層の密度が小さくなるため、密度が小さいのか、負極活物質の重量が小さいのかが把握できない。そのため、本明細書では、空孔体積あたりの容量を規定し、容量密度の高さの指標としている。さらに、空孔体積あたりの容量とすることで、どれだけ隙間なく負極活物質が充填されているかという密度の指標となる。さらに、充放電の際にリチウムイオンが移動する経路である電解液が存在する空孔の体積は、リチウムイオンの拡散性の指標となる。
一般的な電気自動車では、電池格納スペースが170L程度である。このスペースにセルおよび充放電制御機器等の補機を格納するため、通常セルの格納スペース効率は50%程度となる。この空間へのセルの積載効率が電気自動車の航続距離を支配する因子となる。単セルのサイズが小さくなると上記積載効率が損なわれるため、航続距離を確保できなくなる。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本実施形態の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
1.電解液の作製
エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(30:30:40(体積比))を溶媒とした。電解質塩(リチウム塩)にはLiPF6を用いた。さらに全体重量に対して2.0重量%のビニレンカーボネートを添加して電解液を作製した。LiPF6の濃度は、負極空孔内の電解液のLiPF6重量を単セルあたりの負極活物質重量で除した値が0.033となるように調製した。この電解液の0℃におけるワルデン積は2.9×10-6Pa・s・S・m2・mol-1であった。
正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(平均粒子径:15μm)90重量%、導電助剤としてアセチレンブラック5重量%、およびバインダーとしてPVdF5重量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量添加して、正極スラリー組成物を作製した。次に、正極スラリー組成物を、集電体であるアルミニウム箔(厚み20μm)の両面に塗布し、乾燥・プレスを行って、正極活物質層の密度3.4g/cm3、正極活物質層の片面塗工量15.0mg/cm2の正極を作製した。
負極活物質として天然黒鉛(平均粒子径:20μm)94重量%、導電助剤としてアセチレンブラック2重量%およびバインダーとしてスチレン-ブタジエンゴム(SBR)3重量%、カルボキシメチルセルロース(CMC)1重量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるイオン交換水を適量添加して、負極活物質スラリー組成物を作製した。次に、負極活物質スラリー組成物を、集電体である銅箔(10μm)の両面に塗布し、乾燥・プレスを行って、負極活物質層の密度1.5g/cm3、片面塗工量7.3mg/cm2の負極を作製した。負極活物質層の比表面積は1.7m2/gであった。
上記で作製した正極を200mm×204mmの長方形状に切断し、負極を205×209mmの長方形状に切断した(正極24枚、負極25枚)。この正極と負極とを210×214mmのセパレータ(ポリプロピレン製の微多孔膜、厚さ25μm、空隙率55%)を介して交互に積層して発電要素を作製した。
定格容量は、温度25℃、3.0Vから4.15Vの電圧範囲で、次の手順1~2によって測定される。
実施例1において、0℃における電解液のワルデン積を3.2×10-6Pa・s・S・m2・mol-1となるように調製した。さらに、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例2において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例2において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例1において、0℃における電解液のワルデン積を3.6×10-6Pa・s・S・m2・mol-1となるように調製した。さらに、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例5において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例5において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例1において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例1において、0℃における電解液のワルデン積を3.1×10-6Pa・s・S・m2・mol-1となるように調製した。さらに、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例1において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例1において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
実施例1において、0℃における電解液のワルデン積を2.7×10-6Pa・s・S・m2・mol-1となるように調製した。さらに、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
比較例3において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
比較例3において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
比較例3において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整し、表1に示す非電解質二次電池を得た。
比較例3において、負極活物質層の密度、負極活物質層の片面塗工量、正極活物質層の密度、正極活物質層の片面塗工量を適宜調整した。負極活物質層の比表面積は1.8m2/gであった。
正極に対する電流密度を2mA/cm2として、各実施例および比較例で作製した電池をカットオフ電圧4.15Vまで充電して初期充電容量とし、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。この充放電サイクルを500回繰返した。初期放電容量に対する500サイクル目の放電容量の割合を容量維持率(%)とし、サイクル耐久性として評価した。
各実施例および比較例で作製した電池について、25℃でSOCを50%に調整した後、電池の温度が0℃になった状態で1Cで20秒間放電を行い、直流抵抗(DCR、オーム)を測定した。実施例1で作製した電池の値を100として相対値として表した。
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 セパレータ(電解質層)、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 電池外装材。
Claims (6)
- 正極集電体の表面に正極活物質を含む正極活物質層が形成されてなる正極と、
負極集電体の表面に負極活物質を含む負極活物質層が形成されてなる負極と、
電解質層と、
を含む発電要素を有し、
負極活物質層の空孔体積に対する定格容量の比が1.12Ah/cc以上であり、定格容量に対する電池面積の比が4.0cm2/Ah以上であり、かつ、定格容量が30Ah以上である扁平積層型の非水電解質二次電池であって、
前記電解質層が、電解質塩を溶解させた電解液を含み、負極活物質層における空孔内の電解質塩重量を負極活物質重量で除した値が0.031以上である、非水電解質二次電池。 - 前記電解液の0℃におけるワルデン積が、2.5×10-6~3.5×10-6Pa・s・S・m2・mol-1である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記負極活物質層の比表面積が1.5m2/g以上である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記負極活物質層における空孔内の電解質塩重量を負極活物質重量で除した値が0.034以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記定格容量に対する電池面積の比が10cm2/Ah以下であるか、または、前記定格容量が50Ah以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質がLiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrから選ばれる少なくとも1種類である)で表される組成を有するリチウム複合酸化物である、請求項1~5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
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