WO2019182110A1 - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
外装体内の金属層の電位を貴に保ち、腐食を抑制できる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。 非水電解液二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して対向し、正極よりも外側に配置された負極を備える発電素子と、前記発電素子を被覆し、金属層と前記金属層の両面を被覆する樹脂層とを有する外装体とを備え、前記発電素子の積層方向の上面及び下面を被覆する前記外装体の第1部分の平均厚みt1と、前記発電素子の側面を被覆する前記外装体の第2部分の平均厚みt2とが、t2/t1<0.995の関係を満たす。
Description
本発明は、非水電解液二次電池に関する。
本願は、2018年3月23日に、日本に出願された特願2018-056887号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2018年3月23日に、日本に出願された特願2018-056887号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
電池の軽量化、電池デザインの自由度を高める等の目的で、外装体として金属層と樹脂層を積層して得られるラミネートフィルムを用いて、電極が積層や捲回された電池素子を密閉シールしたラミネートセルが実用化されている。
ラミネートフィルムは、金属層とその両面を被覆する樹脂層とを有する。ラミネートフィルムの樹脂層の一部に亀裂等が生じると、ラミネートフィルムを構成する金属層が電解質と反応することがある。例えば、伝導イオンが金属として析出する析出反応や、伝導イオンと金属層を構成する金属とが合金化する合金化反応等が生じる。これらの反応が生じると、外装体の金属層が腐食し、ラミネートフィルムのガスバリア性が低下する。ラミネートフィルムのガスバリア性の低下は、非水電解液二次電池の長期的な信頼性を低下させる。そのため、外装体の金属層の腐食を抑制できる方法が求められている。
特許文献1には、少なくとも、基材層、金属層、及びシーラント層が順に積層されたシート状の積層体が成形された電気化学素子用外装体であって、成形された金属層の角部を形成する各湾曲部a、cの厚みと、当該各湾曲部の中間に位置する部分bの厚みとが特定の関係(a≧b>cまたはa≧c>b)を満たす、電気化学素子用外装体が記載されている。
また特許文献2には、ラミネートフィルムの金属層と正極とを電気的に接続した非水電解液二次電池が記載されている。
特許文献1に記載の外装体は、湾曲部の形状を制御することで亀裂の発生を抑制している。しかしながら、亀裂が生じてしまった場合には、金属の腐食反応を防ぐことができない。
また特許文献2に記載の非水電解液二次電池は、ラミネートフィルムの金属層と正極とを電気的に接続することで、金属層の電位が低くなることを防止している。しかしながら、正極と金属層とを電気的に接続すると、金属層が外部電源と短絡すること等により正極に過電圧がかかってしまう場合がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、外装体内の金属層の電位を貴に保ち、腐食を抑制できる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。
発明者らは、鋭意検討の結果、外装体の厚みを制御することで、ラミネートフィルムの金属層と正極とを電気的に短絡させずに、金属層の電位を高く保つことができることを見出した。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
(1)第1の態様にかかる非水電解液二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して対向し、正極よりも外側に配置された負極を備える発電素子と、前記発電素子を被覆し、金属層と前記金属層の両面を被覆する樹脂層とを有する外装体とを備え、前記発電素子の積層方向の上面及び下面を被覆する前記外装体の第1部分の平均厚みt1と、前記発電素子の側面を被覆する前記外装体の第2部分の平均厚みt2とが、t2/t1<0.995の関係を満たす。
(2)上記態様にかかる非水電解液二次電池において、前記第1部分の平均厚みt1と、前記第2部分の平均厚みt2とが、0.750≦t2/t1<0.995の関係を満たしてもよい。
(3)上記態様にかかる非水電解液二次電池において、前記第1部分の平均厚みt1と、前記第2部分の平均厚みt2とが、t2/t1≦0.980の関係を満たしてもよい。
(4)上記態様にかかる非水電解液二次電池において、第1端部が前記負極に接続され、第2端部が前記外装体から延出する負極端子を備え、前記負極端子の少なくとも一部が絶縁テープで覆われていてもよい。
上記態様に係る非水電解液二次電池によれば、外装体内の金属層の電位を貴に保ち、腐食を抑制できる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
[非水電解液二次電池]
図1は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池の模式図である。図1に示す非水電解液二次電池100は、発電素子10と、二つの端子20(負極端子21と正極端子22)と、外装体30と、を備える。発電素子10は、外装体30に設けられた収容空間K内に収容される。図1では、理解を容易にするために、発電素子10が外装体30内に収容される直前の状態を図示している。
図1は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池の模式図である。図1に示す非水電解液二次電池100は、発電素子10と、二つの端子20(負極端子21と正極端子22)と、外装体30と、を備える。発電素子10は、外装体30に設けられた収容空間K内に収容される。図1では、理解を容易にするために、発電素子10が外装体30内に収容される直前の状態を図示している。
(発電素子)
図2は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池の断面模式図である。図2に発電素子10は、負極1と正極2とセパレータ3とを有する。図2に示す発電素子10は、負極1と正極2とが、セパレータ3を挟んで対向配置された積層体である。積層体における負極1、正極2及びセパレータ3の積層数は特に問わない。発電素子10は、負極1と正極2とが、セパレータ3を挟んで対向配置された積層体が捲回されてなる捲回体でもよい。正極の外側には負極1が配置されている。負極1の外側には、セパレータ3を配置することが、外装体の金属層の電位を貴に保つ観点から好ましい。
図2は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池の断面模式図である。図2に発電素子10は、負極1と正極2とセパレータ3とを有する。図2に示す発電素子10は、負極1と正極2とが、セパレータ3を挟んで対向配置された積層体である。積層体における負極1、正極2及びセパレータ3の積層数は特に問わない。発電素子10は、負極1と正極2とが、セパレータ3を挟んで対向配置された積層体が捲回されてなる捲回体でもよい。正極の外側には負極1が配置されている。負極1の外側には、セパレータ3を配置することが、外装体の金属層の電位を貴に保つ観点から好ましい。
負極1は、板状(膜状)の負極集電体1Aと負極活物質層1Bとを有する。負極活物質層1Bは、負極集電体1Aの少なくとも一面に形成されている。正極2は、板状(膜状)の正極集電体2Aと正極活物質層2Bとを有する。正極活物質層2Bは、正極集電体2Aの少なくとも一面に形成されている。負極活物質層1B及び正極活物質層2Bには、電解液が含浸されている。この電解液を介して、負極1と正極2とはイオンの授受を行う。
正極集電体2Aは、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。
正極活物質層2Bに用いる正極活物質は、イオンの吸蔵及び放出、イオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、イオンとカウンターアニオンのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能な電極活物質を用いることができる。イオンには、例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン等を用いることができ、リチウムイオンを用いることが特に好ましい。
例えばリチウムイオン二次電池の場合、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(x+y+z+a=1、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、0≦a<1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセンなどを、正極活物質として用いることができる。
また正極活物質層2Bは、導電材を有していてもよい。導電材としては、例えば、カーボンブラック類等のカーボン粉末、カーボンナノチューブ、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。正極活物質のみで十分な導電性を確保できる場合は、正極活物質層2Bは導電材を含んでいなくてもよい。
また正極活物質層2Bは、バインダーを含む。バインダーは、公知のものを用いることができる。例えば、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、が挙げられる。
また、上記の他に、バインダーとして、例えば、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を用いてもよい。
負極活物質層1Bに用いる負極活物質は、公知の非水電解液二次電池に用いられる負極活物質を使用できる。負極活物質としては、例えば、金属リチウム等のアルカリ又はアルカリ土類金属、イオンを吸蔵・放出可能な黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、カーボンナノチューブ、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、アルミニウム、シリコン、スズ等のリチウム等の金属と化合することのできる金属、SiOx(0<x<2)、二酸化スズ等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等を含む粒子が挙げられる。
負極集電体1A、導電材及びバインダーは、正極2と同様のものを用いることができる。負極に用いるバインダーは正極に挙げたものの他に、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂等を用いてもよい。
セパレータ3は、電気絶縁性の多孔質構造から形成されていればよく、例えば、ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いはセルロース、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
セパレータ3は、片面もしくは両面に無機粒子や耐熱樹脂を含む耐熱層や接着性樹脂を含む接着層などの機能層を積層してもよい。
電解液には、塩等を含む電解質溶液(電解質水溶液、非水電解液)を使用することができる。電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低く、充電時の耐用電圧が低くなる。そのため、非水電解液を用いることが好ましい。非水電解液は、有機溶媒等の非水溶媒を溶媒として用いる。
非水電解液は、塩(電解質)と非水溶媒とを含む。非水溶媒は、環状カーボネートと、鎖状カーボネートと、を含有してもよい。非水溶媒中の環状カーボネートと鎖状カーボネートの割合は体積にして1:9~1:1にすることが好ましい。安全性の観点から、非水溶媒の一部または全部をイオン液体に置き換えてもよい。
環状カーボネートは、電解質を溶媒和できるものが用いられる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネート等が、環状カーボネートとして用いられる。
鎖状カーボネートは、環状カーボネートの粘性を低下させる。例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等が、鎖状カーボネートとして用いられる。その他、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の鎖状エステル類、γ-ブチロラクトン等の環状エステル類、アセトニトリル、プロピオニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル等のニトリル類、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタンなどを混合して使用してもよい。
電解液には、適宜、添加剤を加えてもよい。添加剤としては、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、プロパンスルトン、ブタンスルトン、アジポニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、ジフェニルカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、tert-ブチルベンゼン、リチウムビスオキサレートボレート、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等を用いることができる。添加剤は1種でもよく、2種以上を混合して使用してもよい。
電解質としては、金属塩を用いることができる。例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等のリチウム塩が使用できる。なお、これらのリチウム塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。特に、電離度の観点から、電解質としてLiPF6を含むことが好ましい。
LiPF6を非水溶媒に溶解する際は、非水電解液中の電解質の濃度を、0.5~2.0mol/Lに調整することが好ましい。電解質の濃度が0.5mol/L以上であると、非水電解液のリチウムイオン濃度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすい。また、電解質の濃度が2.0mol/L以内に抑えることで、非水電解液の粘度上昇を抑え、リチウムイオンの移動度を充分に確保することができ、充放電時に十分な容量が得られやすくなる。
LiPF6をその他の電解質と混合する場合にも、非水電解液中のリチウムイオン濃度が0.5~2.0mol/Lに調整することが好ましく、LiPF6からのリチウムイオン濃度がその50mol%以上含まれることがさらに好ましい。
非水電解液は、高分子材料に保持させたゲル状電解質であってもよい。高分子材料としては、例えばポリフッ化ビニリデンおよびポリフッ化ビニリデンの共重合体が挙げられ、その共重合体モノマーとしてはヘキサフルオロプロピレンあるいはテトラフルオロエチレンなどが挙げられる。これらポリフッ化ビニリデンおよびその共重合体は高い電池特性を得ることができるので好ましい。
高分子材料としては、他にも、例えばポリアクリロニトリルおよびポリアクリロニトリルの共重合体を用いることができ、その共重合体モノマー、例えばビニル系モノマーとしては酢酸ビニル,メタクリル酸メチル,メタクリル酸ブチル,アクリル酸メチル,アクリル酸ブチル,イタコン酸,水素化メチルアクリレート,水素化エチルアクリレート,アクリルアミド,塩化ビニル,フッ化ビニリデンあるいは塩化ビニリデンなどが挙げられる。また他にも、アクリロニトリルブタジエンゴム,アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂,アクリロニトリル塩化ポリエチレンプロピレンジエンスチレン樹脂,アクリロニトリル塩化ポリエチレンプロピレンジエンスチレン樹脂,アクリロニトリル塩化ビニル樹脂,アクリロニトリルメタアクリレート樹脂あるいはアクリロニトリルアクリレート樹脂などを用いてもよい。
高分子材料としては、更に、例えばポリエチレンオキサイドおよびポリエチレンオキサイドの共重合体を用いてもよく、その共重合モノマーとしては、ポリプロピレンオキサイド,メタクリル酸メチル,メタクリル酸ブチル,アクリル酸メチルあるいはアクリル酸ブチルなどが挙げられる。また他にも、ポリエーテル変性シロキサンおよびその共重合体を用いてもよい。
(端子)
端子20は2つあり、一方が負極端子21、他方が正極端子22である。端子20の一端(第1端部)は発電素子10に接続され、他端(第2端部)は外装体30の外部に延出する。2つの端子20は、それぞれ同じ方向に延出してもよいし、異なる方向に延出してもよい。負極端子21は負極集電体1Aに接続され、正極端子22は正極集電体2Aに接続される。接続方法は特に問わず、溶接、ネジ止め等を用いることができる。端子20には、アルミニウム、ニッケル等の導電材料を用いることができる。
端子20は2つあり、一方が負極端子21、他方が正極端子22である。端子20の一端(第1端部)は発電素子10に接続され、他端(第2端部)は外装体30の外部に延出する。2つの端子20は、それぞれ同じ方向に延出してもよいし、異なる方向に延出してもよい。負極端子21は負極集電体1Aに接続され、正極端子22は正極集電体2Aに接続される。接続方法は特に問わず、溶接、ネジ止め等を用いることができる。端子20には、アルミニウム、ニッケル等の導電材料を用いることができる。
負極端子21及び正極端子22の外装体30とのシール部分には、樹脂からなるシーラントを設置してもよい。シーラントは、負極端子21及び正極端子22と、外装体30の金属層31とが、熱シール時に短絡することを防ぐ。樹脂は、外装体とのシール性を考慮し、ポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)を含むことが好ましい。
(外装体)
外装体30は、その内部に発電素子10及び電解液を密封する。外装体30は、金属層31と、金属層31の発電素子10側の内面を被覆する内面樹脂層32と、金属層31の発電素子10と反対側の外面を被覆する外面樹脂層33と、を有する。外装体30は、いわゆる金属ラミネートフィルムである。
外装体30は、その内部に発電素子10及び電解液を密封する。外装体30は、金属層31と、金属層31の発電素子10側の内面を被覆する内面樹脂層32と、金属層31の発電素子10と反対側の外面を被覆する外面樹脂層33と、を有する。外装体30は、いわゆる金属ラミネートフィルムである。
内面樹脂層32及び外面樹脂層33には、ポリプロピレン等の高分子膜を利用できる。内面樹脂層32を構成する材料と外面樹脂層33を構成する材料は異なっていてもよい。例えば、外面樹脂層33の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(PA)等を用い、内面樹脂層32の高分子膜の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等を用いることができる。
図1に示す外装体30は、凹部を有する第1面30Aと第2面30Bとが折りたたまれて収容空間Kを構成する。第1面30Aと第2面30Bとは、外周をシールして密着する。外装体30は、図1に示すように、第1面30Aと第2面30Bとが折りたたまれて収容空間Kを形成するものに限られず、二枚のフィルムを接合したものでもよい。凹部は、二枚のフィルムのそれぞれに設けてもよいし、一方のフィルムのみに設けてもよい。
「外装体と発電素子との関係」
図3は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池における外装体と発電素子との電位の関係を説明するための模式図である。図3では、簡単のため負極1と正極2との間のセパレータ3を省略し、負極1と正極2とを間隔をあけて図示している。
図3は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池における外装体と発電素子との電位の関係を説明するための模式図である。図3では、簡単のため負極1と正極2との間のセパレータ3を省略し、負極1と正極2とを間隔をあけて図示している。
発電素子10の積層方向の上面及び下面を被覆する外装体30の第1部分301の平均厚みt1と、発電素子10の側面を被覆する外装体30の第2部分302の平均厚みt2とは、t2/t1<0.995の関係を満たす。
「発電素子10の積層方向」とは、発電素子10が積層体の場合は積層体の積層方向であり、発電素子10が扁平な捲回体の場合は巻中心から外表面までの距離が最も短くなる方向である。また発電素子10が巻中心を基準に同心円状に巻回された捲回体の場合は、巻中心を基準としたいずれかの方向である。捲回体の場合は、巻中心を基準に負極1、正極2及びセパレータ3が積層されているためである。
「上面及び下面」は、発電素子10が積層体の場合は積層体の積層方向の両側の最表面を意味し、発電素子10が扁平形状の捲回体の場合は両側の平坦面を意味する。また発電素子10が巻中心を基準に同心円状に巻回された捲回体の場合は、捲回体を積層方向と直交し中心軸を通る面で切断した際の一方の円弧面が上面であり、他方の円弧面を下面である。
「側面」は、発電素子10が積層体の場合は積層体の面内方向に位置する面であり、発電素子10が捲回体の場合は捲回体の中心軸方向に位置する面である。
「第1部分301」は、上面30a及び下面30bのうち、それぞれ上面30aまたは下面30bと接線がなす角度が15°となる位置よりも内側の領域Rθ1と、負極1の投影面1sの端から0.5mm以上内側の領域とが重なる領域を意味する。「第2部分302」は、シール辺を除く側面のうち、上面30aまたは下面30bと接線がなす角度が75°以上となる位置よりも内側の領域Rθ2と、上面30a及び下面30bがなす平面から第1部分301の平均厚みt1+0.5mm内側の位置より内側にある領域とが重なる領域を意味する。すなわち、上下面および側面の両方からの距離が近い発電素子10の角部を被覆する湾曲部及びシール辺は、外装体30の金属層31の電位に対して実効的な寄与が小さく、含まない。
外装体30の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2とが上記の関係を満たすと、外装体30の金属層31の電位を貴に保つことができる。
外装体30の金属層31の電位V31は、以下の式(1)で表記される。
V31=Va+(Vc-Va)×1/(1+Rc/Ra)・・・(1)
ここで式(1)においてVaは負極1の電位であり、Vcは正極2の電位であり、Raは外装体30の金属層31と負極1との間の抵抗であり、Rcは外装体30の金属層31と正極2との間の抵抗である。式(1)は負極1の電位Vaを基準に、セル電圧(Vc-Va)と、金属層31と負極1又は正極2と間の抵抗Ra、Rcの比と、の積で求められる。式(1)においてRc/Raが小さいほど、外装体30の金属層31の電位V31は高くなる(貴になる)。
V31=Va+(Vc-Va)×1/(1+Rc/Ra)・・・(1)
ここで式(1)においてVaは負極1の電位であり、Vcは正極2の電位であり、Raは外装体30の金属層31と負極1との間の抵抗であり、Rcは外装体30の金属層31と正極2との間の抵抗である。式(1)は負極1の電位Vaを基準に、セル電圧(Vc-Va)と、金属層31と負極1又は正極2と間の抵抗Ra、Rcの比と、の積で求められる。式(1)においてRc/Raが小さいほど、外装体30の金属層31の電位V31は高くなる(貴になる)。
ここで外装体30の金属層31と負極1との間の抵抗Raは、第1部分301における金属層31と負極1との間の抵抗Ra1と、第2部分302における金属層31と負極1との間の抵抗Ra2と、に分けられる。また外装体30の金属層31と正極2との間の抵抗Rcは、第1部分301における金属層31と正極2との間の抵抗Rc1と、第2部分302における金属層31と正極2との間の抵抗Rc2と、に分けられる。
第1部分301における金属層31と正極2との間には負極1が存在する。したがって、第1部分301における金属層31と正極2との間の抵抗Rc1は、第1部分301における金属層31と負極1との間の抵抗Ra1より大きい。換言すると、第1部分301においてRc/Raを小さくすることは難しい。
第1部分301における発電素子10と金属層31との間の抵抗が、第2部分302における発電素子10と金属層31との間の抵抗より小さい場合(発電素子10と金属層31とが、第2部分302より第1部分301で短絡しやすい場合)は、金属層31の電位V31は第1部分301における発電素子10と金属層31との間の抵抗の影響を強く受ける。上述のように、第1部分301においてRc/Raを小さくすることは難しいため、この場合は金属層31の電位V31を貴に保つことが難しい。
これに対して第2部分302では、負極1及び正極2と金属層31との関係は対等である。そのため、第1部分301と比較して第2部分302の方が、Rc/Raを小さくしやすい。第2部分302における発電素子10と金属層31との間の抵抗を、第1部分301における発電素子10と金属層31との間の抵抗より小さくすると、金属層31の電位V31に対する第2部分302における発電素子10と金属層31との間の抵抗の影響が強まる。
外装体30の第2部分302の平均厚みt2が第1部分301の平均厚みt1より薄いと、第2部分302における発電素子10と金属層31との間の抵抗が、第1部分301における発電素子10と金属層31との間の抵抗より小さくなる。第2部分302は、第1部分301と比較してRc/Raを小さくしやすい。すなわち、外装体30の第2部分302の平均厚みt2を第1部分301の平均厚みt1より薄くすると、Rc/Raを小さくでき、外装体30の金属層31の電位を貴に保つことができる。
第1部分301の平均厚みt1と、第2部分302の平均厚みt2とは、0.50V≦t2/t1<0.995の関係を満たすことが好ましく、0.750≦t2/t1<0.995の関係を満たすことがより好ましく、t2/t1≦0.980の関係を満たすことが更に好ましい。t2/t1が上記関係を満たすことで、発電素子10と金属層31との短絡を防ぎ、Rc/Raをより小さくできる。
第1部分301及び第2部分302の平均厚みt1、t2は、それぞれの領域内の任意の5点の厚みの平均値として求められる。
第1部分301における外装体30の厚みと金属層31の厚みとの比が、第2部分302における外装体30の厚みと金属層31の厚みとの比と等しい場合には、第1部分301における金属層31の厚みM1と、第2部分302における金属層31の厚みM2と、で代替できる。すなわち、第1部分301における金属層31の厚みM1と、第2部分302における金属層31の厚みM2とが、M2/M1の関係を満たせば、第1部分301の平均厚みt1と、第2部分302の平均厚みt2とが、t2/t1の関係を満たすといえる。なお、第1部分301における外装体30の厚みと金属層31の厚みとの比が、第2部分302における外装体30の厚みと金属層31の厚みとの比と等しい場合とは、一つのフィルムに凹部を形成して外装体30を作製した場合が該当する。
また負極端子21の少なくとも一部は、絶縁テープで覆うことが好ましい。負極端子21の一部を絶縁テープで覆うと、外装体30の金属層31と負極1との間の抵抗Raが大きくなる。すなわち、式(1)におけるRc/Raが小さくなり、外装体30の金属層31の電位V31は高くなる(貴になる)。
上述のように、本実施形態にかかる非水電解液二次電池によると、外装体30の金属層31の電位V31を高くできる。そのため、金属層31の腐食反応を抑制することができる。
[非水電解液二次電池の製造方法]
非水電解液二次電池100の製造方法は、外装体30の厚みを制御する点以外は、公知の方法で作製できる。以下、非水電解液二次電池100の製造方法の一例について具体的に説明する。
非水電解液二次電池100の製造方法は、外装体30の厚みを制御する点以外は、公知の方法で作製できる。以下、非水電解液二次電池100の製造方法の一例について具体的に説明する。
まず、負極1及び正極2を作製する。負極1と正極2とは、活物質となる物質が異なるだけであり、同様の製造方法で作製できる。
正極活物質、バインダー及び溶媒を混合して塗料を作製する。必要に応じ導電材を更に加えても良い。溶媒としては例えば、水、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド等を用いることができる。正極活物質、導電材、バインダーの構成比率は、質量比で80wt%~90wt%:0.1wt%~10wt%:0.1wt%~10wt%であることが好ましい。これらの質量比は、全体で100wt%となるように調整される。
塗料を構成するこれらの成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。上記塗料を、正極集電体2Aに塗布する。塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法が挙げられる。負極についても、同様に負極集電体1A上に塗料を塗布する。
続いて、負極集電体1A及び正極集電体2A上に塗布された塗料中の溶媒を除去する。除去方法は特に限定されない。例えば、塗料が塗布された負極集電体1A及び正極集電体2Aを、80℃~150℃の雰囲気下で乾燥させる。そして、負極1及び正極2が完成する。
発電素子10が積層体の場合は、負極1、正極2及びセパレータ3を積層する。また発電素子10が捲回体の場合は、負極1、正極2及びセパレータ3の一端側を軸として、これらを捲回する。いずれの場合でも、セパレータ3は、負極1と正極2との間に配設する。
次いで、外装体30を準備する。図4は、本実施形態にかかる非水電解液二次電池の外装体の製造方法の一例を模式的に示した図である。まず樹脂層で金属層を挟んだ一様な外装フィルム35を準備する。外装フィルム35は市販のものを用いることができる。
次いで外装フィルム35の所定の位置を抑え冶具50で抑える。そして、表面にゴム61が被覆された金型60を外装フィルム35に押し当て、外装フィルム35に凹部を形成する。なお、摩擦係数が大きくなるものであればゴムに変えて別の素材を用いてもよい。
金型60の表面をゴム61で被覆すると、外装フィルム35の金型押し当て面と非押し当て面とで、外装フィルム35の伸び具合が変わる。
ゴム61で被覆されていない金型60を用いた場合、外装フィルム35は金型60の表面を滑る。そのため、外装フィルム35の金型60を押し当てる第1部分にかかる張力TS1と、外装フィルム35の金型60を押し当てていない第2部分にかかる張力TS2と、は等しくなる。第1部分にかかる張力TS1と第2部分にかかる張力TS2とが等しいと、外装フィルム35の第1部分の厚み及び第2部分の厚みはほぼ等しくなる。なお、外装フィルム35の形状変化は、大きな応力が加わる金型60のエッジ部分と接する部分の外装フィルム35が薄くなることで補償される。
これに対し、ゴム61で被覆された金型60を用いると、外装フィルム35はゴム61で固定され、滑りにくくなる。そのため、外装フィルム35の金型60を押し当てる第1部分にかかる張力TS1は、金型60のエッジ部分と接する部分に働く摩擦力の分だけ外装フィルム35の金型60を押し当てていない第2部分にかかる張力TS2より小さくなる。その結果、外装フィルム35の第1部分の厚みは、第2部分の厚みに対して相対的に厚くなる。
上記の手順を経ることで、各部分における厚みが制御された外装体30が作製される。そして、作製された凹部に発電素子を嵌め、発電素子10を外装体30に封入する。
非水電解液は外装体30内に注入してもよいし、発電素子10を非水電解液に含浸させてもよい。そして外装体30に熱等を加えて封止して、非水電解液二次電池100を作製する。
以上、本実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
「実施例1」
まず、アルミ箔からなる正極集電体の両面に、正極活物質層を塗工して正極を作製した。正極活物質層は、94質量部のLiCoO2(活物質)と、2質量部のカーボン(導電材)と、4質量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF、バインダー)とを有する。
まず、アルミ箔からなる正極集電体の両面に、正極活物質層を塗工して正極を作製した。正極活物質層は、94質量部のLiCoO2(活物質)と、2質量部のカーボン(導電材)と、4質量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF、バインダー)とを有する。
同様に、銅箔からなる負極集電体の両面に、負極活物質層を塗工して負極を作製した。負極活物質層は、95質量部の黒鉛(活物質)と、1質量部のカーボン(導電材)と、1.5質量部のスチレンブタジエンゴム(SBR、バインダー)と、2.5質量部のカルボキシメチルセルロース(CMC、バインダー)とを有する。
またポリエチレン微多孔膜の片面に、耐熱層を塗工してセパレータを作製した。耐熱層は、97質量部のアルミナ(耐熱フィラー)と、3質量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF、バインダー)とを有する。そして、正極、負極及びセパレータを積層し積層体を作製した。積層体における負極の枚数は14とし、正極の枚数は13とした。そして、積層体の最外層は、負極とした。
次いで、外装体としてアルミラミネートフィルムを準備した。アルミラミネートフィルムは、ポリプロピレン(PP)からなる内側樹脂層と、アルミニウムからなる金属層と、ナイロンからなる外側樹脂層と、の3層構造とした。アルミラミネートフィルムの総厚は、110μmであった。
次いで、表面がゴムで被覆された金型をアルミラミネートフィルムに押し当て、凹部を作製した。凹部の成型は、深さ0.1mmずつ低速で段階的に行った。成型後の凹部の深さは、4.0mmであった。
外装体内に積層体を収納し、非水電解液を注入し、非水電解液二次電池を作製した。非水電解液は、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比で35:35:30とした溶媒中に、リチウム塩として1.0M(mol/L)のLiPF6が添加したものを用いた。
セルは同条件で2セル作製し、1セルは正極と外装体の金属層との間の電位差(IV)測定用に、もう1セルは外装体を取り出して、外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2の比t2/t1の測定に使用した。t2/t1を測定したところ、t2/t1=0.7の関係を満たした。
発電素子(積層体)と外装体の金属層とを入力抵抗が1MΩのオシロスコープを、減衰比10:1のプローブを介して接続し、金属層の電位を測定した。金属層の電位は、プローブ接続直後にピークに達し、その後、指数関数的に減少する。そのときの金属層の初期のピーク電位IV0を測定した。また、1秒経過後の金属層の電位IV1の測定を、セル作製直後と、上限4.2Vの0.5CCC充電と下限2.8Vの0.5CCC放電を繰り返すサイクル試験を500回繰り返した後との双方で行った。IV0及びIV1は、プローブの減衰比に応じ、測定値に対してそれぞれ10を乗じた値とした。金属層の電位は、セル電圧を3.75Vに調整して、正極と外装体の金属層との間の電位差(IV)として測定した。
「実施例2」
実施例2は、発電素子を捲回体にした点が実施例1と異なる。捲回体は、負極、セパレータ、正極、セパレータの順で積層された積層体を、負極が最外周となるように7周捲回して作製した。その他の条件は、実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
実施例2は、発電素子を捲回体にした点が実施例1と異なる。捲回体は、負極、セパレータ、正極、セパレータの順で積層された積層体を、負極が最外周となるように7周捲回して作製した。その他の条件は、実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「実施例3~9」
実施例3~9は、外装体の凹部を作製する際に金型表面に被覆するゴム素材を変えて、金型と外装フィルムとの摩擦力を調整した点が、実施例1または実施例2と異なる。また実施例7は、負極端子を絶縁性の保護フィルム(絶縁テープ)で被覆した点が実施例1と異なる。発電素子が積層体であるか捲回体であるか、外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2との厚みの関係は表1に記載の通りであった。その他の条件は、実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
実施例3~9は、外装体の凹部を作製する際に金型表面に被覆するゴム素材を変えて、金型と外装フィルムとの摩擦力を調整した点が、実施例1または実施例2と異なる。また実施例7は、負極端子を絶縁性の保護フィルム(絶縁テープ)で被覆した点が実施例1と異なる。発電素子が積層体であるか捲回体であるか、外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2との厚みの関係は表1に記載の通りであった。その他の条件は、実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「実施例10」
実施例10は、発電素子(積層体)の最外層をセパレータとした点のみが実施例5と異なる。すなわち、実施例10は、実施例5の発電素子の両側にセパレータを配置した。実施例10の外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2との厚みの関係は表1にまとめた。その他の条件は、実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
実施例10は、発電素子(積層体)の最外層をセパレータとした点のみが実施例5と異なる。すなわち、実施例10は、実施例5の発電素子の両側にセパレータを配置した。実施例10の外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2との厚みの関係は表1にまとめた。その他の条件は、実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「実施例11」
実施例11は、負極活物質層に、66.5質量部の黒鉛(活物質)と、28.5質量部の酸化シリコン(活物質)と、1質量部のカーボン(導電材)と、1.5質量部のスチレンブタジエンゴム(SBR、バインダー)と、2.5質量部のカルボキシメチルセルロース(CMC、バインダー)を用いた以外は、実施例8と同様に作製した。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
実施例11は、負極活物質層に、66.5質量部の黒鉛(活物質)と、28.5質量部の酸化シリコン(活物質)と、1質量部のカーボン(導電材)と、1.5質量部のスチレンブタジエンゴム(SBR、バインダー)と、2.5質量部のカルボキシメチルセルロース(CMC、バインダー)を用いた以外は、実施例8と同様に作製した。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「実施例12」
実施例12は、負極活物質層に、88質量部の酸化シリコン(活物質)と、2質量部のカーボン(導電材)と、10質量部のポリアミドイミド(PAI、バインダー)を用い、完成した負極を、真空中、350℃で3時間熱処理した以外は、実施例8と同様に作製した。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
実施例12は、負極活物質層に、88質量部の酸化シリコン(活物質)と、2質量部のカーボン(導電材)と、10質量部のポリアミドイミド(PAI、バインダー)を用い、完成した負極を、真空中、350℃で3時間熱処理した以外は、実施例8と同様に作製した。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「実施例13」
実施例13は、負極活物質層に、金属リチウムを用いた以外は、実施例8と同様に作製した。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
実施例13は、負極活物質層に、金属リチウムを用いた以外は、実施例8と同様に作製した。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「比較例1」
比較例1は、外装体の凹部を作製する際に金型表面を被覆せずに行った点が実施例1と異なる。外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2とは、t2/t1=0.995の関係を満たした。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
比較例1は、外装体の凹部を作製する際に金型表面を被覆せずに行った点が実施例1と異なる。外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2とは、t2/t1=0.995の関係を満たした。その他の条件は実施例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「比較例2」
比較例2は、外装体の凹部を作製する際に金型表面を被覆せずに行った点が実施例2と異なる。外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2とは、t2/t1=0.995の関係を満たした。その他の条件は実施例2と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
比較例2は、外装体の凹部を作製する際に金型表面を被覆せずに行った点が実施例2と異なる。外装体の第1部分の平均厚みt1と第2部分の平均厚みt2とは、t2/t1=0.995の関係を満たした。その他の条件は実施例2と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「比較例3」
比較例3は、負極活物質層に、66.5質量部の黒鉛(活物質)と、28.5質量部の酸化シリコン(活物質)と、1質量部のカーボン(導電材)と、1.5質量部のスチレンブタジエンゴム(SBR、バインダー)と、2.5質量部のカルボキシメチルセルロース(CMC、バインダー)を用いた以外は、比較例1と同様に作製した。その他の条件は比較例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
比較例3は、負極活物質層に、66.5質量部の黒鉛(活物質)と、28.5質量部の酸化シリコン(活物質)と、1質量部のカーボン(導電材)と、1.5質量部のスチレンブタジエンゴム(SBR、バインダー)と、2.5質量部のカルボキシメチルセルロース(CMC、バインダー)を用いた以外は、比較例1と同様に作製した。その他の条件は比較例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「比較例4」
比較例4は、負極活物質層に、88質量部の酸化シリコン(活物質)と、2質量部のカーボン(導電材)と、10質量部のポリアミドイミド(PAI、バインダー)を用い、完成した負極を、真空中、350℃で3時間熱処理した以外は、比較例1と同様に作製した。その他の条件は比較例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
比較例4は、負極活物質層に、88質量部の酸化シリコン(活物質)と、2質量部のカーボン(導電材)と、10質量部のポリアミドイミド(PAI、バインダー)を用い、完成した負極を、真空中、350℃で3時間熱処理した以外は、比較例1と同様に作製した。その他の条件は比較例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
「比較例5」
比較例5は、負極活物質層に、金属リチウムを用いた以外は、比較例1と同様に作製した。その他の条件は比較例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
比較例5は、負極活物質層に、金属リチウムを用いた以外は、比較例1と同様に作製した。その他の条件は比較例1と同様にして、金属層の初期電位IV0及び電位IV1を測定した。
比較例1~比較例5のいずれも、初期状態における正極と外装体の金属層との間の電位差(IV0)が大きかった。初期状態における正極と外装体の金属層との間の電位差が大きいということは、外装体の金属層と正極との間の抵抗Rcが大きいことを意味する。すなわち、金属層の電位が正極と比較して低くなっている。また、500サイクル後の正極と外装体の金属層との間の電位差(IV1)が大きくなっている。このことから、金属層の電位が低いため、充放電を繰り返すうちに内面樹脂層にわずかに生じたクラックから侵入した電解液と金属層が反応し、金属層が腐食を起こしているといえる。
これに対し、実施例1~13のいずれも、初期電位IV0が、比較例1~比較例5のいずれの初期電位IV0より小さい。また、実施例1~実施例13のいずれも、セル作製直後の電位差(IV1)は、比較例1~5の電位差(IV1)と同じか若干高いものの、500サイクル後の電位差(IV1)が、比較例1~比較例6のいずれの電位差(IV1)よりも小さい。このことから、実施例1~13に示す外装体の金属層の電位が、正極と比較して高いため、充放電を繰り返すうちに内面樹脂層にわずかに生じたクラックから侵入した電解液と金属層は反応せず、金属層に腐食が起きていないといえる。
一方で、1秒経過後における正極と外装体の金属層との間の電位差(IV1)は、t2/t1が0.750を下回ると数値が大きくなっている(実施例1及び実施例2)。正極と外装体の金属層とをオシロスコープで繋ぐと、オシロスコープ内の内部抵抗を介して電流が流れ、電位差は解消される。1秒経過後においても電位差(IV1)が残存するということは、他に電位差を生み出す原因があることを示しており、外装体の内面樹脂層の一部に亀裂が生じ、金属層が電解液に接触している恐れを示唆している。なお、亀裂が生じていたとしても、初期電位IV0が低ければ直ちに腐食が発生することはなく、1秒経過後の電位差(IV1)が0.50V程度であれば許容できる。
1 負極
1A 負極集電体
1B 負極活物質層
2 正極
2A 正極集電体
2B 正極活物質層
3 セパレータ
10 発電素子
20 端子
21 負極端子
22 正極端子
30 外装体
30A 第1面
30B 第2面
31 金属層
301 第1部分
302 第2部分
32 内面樹脂層
33 外面樹脂層
35 外装フィルム
50 抑え冶具
60 金型
61 ゴム
100 非水電解液二次電池
301 第1部分
302 第2部分
K 収容空間
t1、t2、M1、M2 平均厚み
1A 負極集電体
1B 負極活物質層
2 正極
2A 正極集電体
2B 正極活物質層
3 セパレータ
10 発電素子
20 端子
21 負極端子
22 正極端子
30 外装体
30A 第1面
30B 第2面
31 金属層
301 第1部分
302 第2部分
32 内面樹脂層
33 外面樹脂層
35 外装フィルム
50 抑え冶具
60 金型
61 ゴム
100 非水電解液二次電池
301 第1部分
302 第2部分
K 収容空間
t1、t2、M1、M2 平均厚み
Claims (4)
- 正極と負極とがセパレータを介して対向し、正極よりも外側に配置された負極を備える発電素子と、
前記発電素子を被覆し、金属層と前記金属層の両面を被覆する樹脂層とを有する外装体とを備え、
前記発電素子の積層方向の上面及び下面を被覆する前記外装体の第1部分の平均厚みt1と、前記発電素子の側面を被覆する前記外装体の第2部分の平均厚みt2とが、t2/t1<0.995の関係を満たす、非水電解液二次電池。 - 前記第1部分の平均厚みt1と、前記第2部分の平均厚みt2とが、0.750≦t2/t1<0.995の関係を満たす、請求項1に記載の非水電解液二次電池。
- 前記第1部分の平均厚みt1と、前記第2部分の平均厚みt2とが、t2/t1≦0.980の関係を満たす、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池。
- 第1端部が前記負極に接続され、第2端部が前記外装体から延出する負極端子を備え、
前記負極端子の少なくとも一部が絶縁テープで覆われている、請求項1から3のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。
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