WO2019187128A1 - 電池及び電池パック - Google Patents
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Abstract
自己放電を抑制することができる電池、及びこの電池を具備した電池パックを提供することを目的とする。 実施形態によると、電池が提供される。電池は、炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備する。負極活物質含有層は、正極と対向した主面を含む。負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、上記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、上記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。
Description
本発明の実施形態は、電池及び電池パックに関する。
リチウムイオン二次電池は、携帯機器、自動車や蓄電池などに広く用いられている。リチウムイオン二次電池は、市場規模の拡大が見込まれている蓄電デバイスである。
リチウムイオン二次電池の負極として、カーボン系負極に代わりチタン酸化物を含む負極が使用されている。チタン酸化物を負極活物質として用いた電池は、安定的な急速充放電が可能である。
チタン酸化物の一例として、単斜晶系β型構造を持つチタン系酸化物又はリチウムチタン系酸化物は、理論容量335mAh/gと高容量であることから、注目されている。更に、TiとNbを含む新たな電極材料が検討されており、特にTiNb2O7で表される単斜晶系ニオブチタン複合酸化物は、リチウム挿入時にTiが四価から三価、Nbが五価から三価へと電荷補償することから、理論容量が387mAh/gと高容量となることから注目されている。
自己放電を抑制することができる電池、及びこの電池を具備した電池パックを提供することを目的とする。
実施形態によると、電池が提供される。電池は、炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備する。負極活物質含有層は、正極と対向した主面を含む。負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、上記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、上記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。
他の実施形態によると、電池パックが提供される。電池パックは、実施形態に係る電池を含んでいる。
以下に、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。
(第1の実施形態)
第1の実施形態によれば、電池が提供される。電池は、炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備する。負極活物質含有層は、正極と対向した主面を含む。負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、上記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、上記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。
第1の実施形態によれば、電池が提供される。電池は、炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備する。負極活物質含有層は、正極と対向した主面を含む。負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、上記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、上記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。
ニオブチタン複合酸化物は、充放電に伴ってリチウムイオンを吸蔵放出した場合にも絶縁性である。そこで、従来、ニオブチタン複合酸化物を含む負極には、電子導電性を高めるために炭素材料などの導電剤を添加することが行われている。
しかしながら、炭素材料はニオブチタン複合酸化物の充電状態に依らず電子伝導性を有しているため、例えばニオブチタン複合酸化物の充電状態(SOC:State of Charge)が100%の状態で長期間保存しておくと、自己放電が進みやすく、電池の残存容量が低下しやすいという問題がある。
実施形態に係る電池では、正極と対面している負極の表面、即ち負極活物質含有層の表面における炭素含有率が、負極活物質含有層の厚さ方向の中央付近における炭素含有率と比較して十分に小さい。具体的には、負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、正極と対向した負極活物質含有層の主面において、この主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、当該主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)が、2≦C2/C1≦30を満たす。このような電池によると、長期間の貯蔵においても自己放電を抑制することができる。
なお、炭素含有率C1及びC2の測定はX線光電子分光(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)にて行うが、XPSの詳細な分析方法は後述する。
以下、実施形態に係る電池について詳しく説明する。
実施形態に係る電池は、負極及び正極を具備する。実施形態に係る電池は、例えば、リチウムイオン二次電池又はリチウムイオン非水電解質二次電池であり得る。
実施形態に係る電池は、負極及び正極を具備する。実施形態に係る電池は、例えば、リチウムイオン二次電池又はリチウムイオン非水電解質二次電池であり得る。
電池は、負極と正極との間に配置されたセパレータを更に具備することができる。負極、正極及びセパレータは、電極群を構成することができる。電解質は、電極群に保持され得る。電極群において、正極活物質含有層と負極活物質含有層とは、セパレータを介して対向し得る。
電池は、電極群及び電解質を収容する外装部材と、負極に電気的に接続された負極端子と、正極に電気的に接続された正極端子とを更に具備することができる。
以下、負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装部材、負極端子及び正極端子について詳細に説明する。
(1)負極
負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質含有層とを含むことができる。負極活物質含有層は、負極活物質としてニオブチタン複合酸化物を含む。負極活物質含有層は、導電剤及び結着剤(バインダ)を含むことができる。
負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質含有層とを含むことができる。負極活物質含有層は、負極活物質としてニオブチタン複合酸化物を含む。負極活物質含有層は、導電剤及び結着剤(バインダ)を含むことができる。
負極集電体は、表面に負極活物質含有層を担持していない部分を含むことができる。この部分は、負極タブとして働くことができる。あるいは、負極は、負極集電体とは別体の負極タブをさらに具備することもできる。
図1は、実施形態に係る電池が具備する負極の一例を概略的に示す断面図である。
負極2は、負極集電体2aと負極活物質含有層2bとを含む。負極活物質含有層2bは、負極集電体2a上に積層された層状の第1領域20bと、第1領域20b上に積層された第2領域21bとを含む。負極集電体2aは、面内方向に伸びた矩形の箔の形態を有する。負極活物質含有層2bは、面内方向に伸びた矩形のシート状の形態を有する。図1には、負極集電体2aの両面上に負極活物質含有層2bが積層されている場合を示している。負極活物質含有層2bは、負極集電体2aの片面上に設けられていてもよい。
負極活物質含有層2bの主面は、負極活物質含有層2bが有する複数の面のうち、最大面積を有する面のことを指す。図1に示す負極2では、負極活物質含有層2bの主面は、負極集電体2aと接している第1面50と、この第1面に対向した第2面51とを指す。負極活物質含有層2bが含む第2面51の少なくとも一部は、図示していない正極と対向することができる。
図1では、負極活物質含有層2bにおいて、第1領域20bと第2領域21bとの間に明確な界面が存在する例を示している。これに限らず、実施形態に係る負極活物質含有層2bは、第1領域20bと第2領域21bとの間に明確な界面を持たず、第1領域20bから第2領域21bに亘って組成が連続的に変化していてもよい。
第1領域20bは、ニオブチタン複合酸化物、バインダ、及び、炭素材料を含む導電剤を含む。ニオブチタン複合酸化物は、例えば粒子形状を有している。ニオブチタン複合酸化物は、一次粒子を主に含んでいてもよく、二次粒子を主に含んでいてもよい。ニオブチタン複合酸化物粒子は、炭素含有層によって被覆されていてもよく、被覆されていなくてもよい。第1領域20bが含むニオブチタン複合酸化物粒子は、炭素含有層により被覆されていることが好ましい。この場合、第1領域20bの電子導電性を大きく高めることができる。また、この場合、第1領域20bにおいて、後述する炭素含有率C2を高めることができる。
第2領域21bは、ニオブチタン複合酸化物及びバインダを含む。第2領域21bは、ニオブチタン複合酸化物及びバインダからなっていてもよい。第2領域21bは、炭素材料を含む導電剤を含んでいない。また、第2領域21bが含むニオブチタン複合酸化物粒子は、炭素含有層により被覆されていない。このため、第2領域21bにおいて、後述する炭素含有率C1は第1領域20bの炭素含有率C2と比較して小さい。
負極活物質含有層2bの厚みをAとすると、第1領域20bは、第2面51から0.5Aの深さ部分を含む。また、第2領域21bは、第2面51から1μmの深さ部分を含む。
負極活物質含有層2bの厚みをAとすると、第1領域20bの厚みは、例えば、Aの0.88倍~0.97倍の範囲内にある。第2領域21bの厚みは、例えば、Aの0.03倍~0.12倍の範囲内にある。上記のように、第2領域21bの炭素含有率C1は第1領域20bの炭素含有率C2と比較して小さい。それ故、負極活物質含有層2bの厚みAに対して第2領域21bの厚みが過度に大きいと、電池の入出力特性が低下するため好ましくない。従って、第2領域21bの厚みはできるだけ薄い方が好ましい。
負極活物質含有層2bの厚みAは、例えば25μm~100μmの範囲内にある。負極活物質含有層2bの厚みAは、電池の用途に応じて適宜変更することができる。例えば、電池をエネルギー密度が要求される用途に使用する場合は、負極活物質含有層2bの厚みAを比較的厚くすることができる。また、電池を入出力特性が要求される用途に使用する場合は、負極活物質含有層2bの厚みAを比較的薄くすることができる。第1領域20bの厚みは、例えば22μm~40μmの範囲内にある。第1領域20bの厚みは、負極活物質含有層2bの厚みAから第2領域21bの厚みを差し引いた厚みである。第2領域21bの第2面51からの厚みは、例えば3μm以下である。第2領域21bの第2面51からの厚みは、例えば1μm~3μmの範囲内にある。第2領域21bの第2面51からの厚みは、1μm~2μmの範囲内にあることがより好ましい。
炭素含有率C1及びC2は、X線光電子分光(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)により分析される。炭素含有率C1は、負極活物質含有層2bの第2面51から第1面50に向かって1μmの深さ部分まで削った後に、この深さにおいてXPSで測定される炭素含有率(atm%)である。言い換えると、炭素含有率C1は、第2領域21b内又は第2領域21bの炭素含有率とも言える。炭素含有率C2は、負極活物質含有層2bの厚みをAとした場合に、負極活物質含有層2bの第2面51から第1面50に向かって0.5Aの深さ部分まで削った後に、この深さにおいてXPSで測定される炭素含有率(atm%)である。言い換えると、炭素含有率C2は、第1領域20b内又は第1領域20bの炭素含有率とも言える。
負極活物質含有層を削るには、サイカス(SAICAS:Surface And Interfacial Cutting Analysis System)を用いる。サイカスは、表面・界面切削試験装置である。
XPSは、以下の手順で電池から取り出した負極に対して実施する。まず、電池を25℃恒温槽内で、0.2C相当の電流値[A]にて1.5Vになるまで定電流放電する。その後、1.5Vにて定電圧放電を1時間に亘って行う。定電圧放電後、電池をアルゴングローブボックス内で解体する。グローブボックス内で外装部材から電極群を取り出し、負極を取り出す。このとき電池の負極端子に接続されている電極が負極と判断できる。取り出した負極をエチルメチルカーボネートに10分間浸漬させ、取り出して乾燥させる。
こうして準備した負極試料に対してXPSを実施する。
こうして準備した負極試料に対してXPSを実施する。
XPSを行うための装置として、PHI社製QuanteraSXM、又はこれと同様な機能を有する装置を用いることができる。励起X線源には単結晶分光Al-Kα(1486.6eV)を用い、光電子検出角度は45°とする。
炭素含有率C1に対する炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。比(C2/C1)が2以上であることにより、電極内部に比べて、表層の電気伝導性が低い状態であるため、二次電池の自己放電を抑制することができる。一方、比(C2/C1)が30を超えると、電極内部に含まれる炭素材料が過剰であり、充放電に伴う電解液分解反応が起こりやすくなることが懸念されるため、比(C2/C1)は30以下である。比(C2/C1)は8≦C2/C1≦21であることが好ましい。
ニオブチタン複合酸化物の例として、例えば単斜晶型ニオブチタン複合酸化物を挙げることができる。単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の例として、LixTi1-yM1yNb2-zM2zO7+δで表される化合物が挙げられる。ここで、M1は、Zr,Si,及びSnからなる群より選択される少なくとも1つである。M2は、V,Ta,及びBiからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の具体例として、LixNb2TiO7(0≦x≦5)が挙げられる。
単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の他の例として、LixTi1-yM3y+zNb2-zO7-δで表される化合物が挙げられる。ここで、M3は、Mg,Fe,Ni,Co,W,Ta,及びMoより選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦x≦5、0≦y<1、0≦z<2、-0.3≦δ≦0.3である。
ニオブチタン複合酸化物は、上記化合物から選択される1種を含んでいてもよく、2種以上を混合して含んでいてもよい。
ニオブチタン複合酸化物の平均一次粒子径は、例えば0.2μm~5μmの範囲内にあり、好ましくは0.5μm~2μmの範囲内にある。ニオブチタン複合酸化物の平均二次粒子径は、例えば6μm~25μmの範囲内にあり、好ましくは8μm~12μmの範囲内にある。第2領域21bの厚みを小さくし、滑らかな第2領域21bを形成するためには、第2領域21bが含むニオブチタン複合酸化物は一次粒子を主に含むものであることが好ましい。ニオブチタン複合酸化物の平均一次粒子径及び平均二次粒子径は、SEM-EDXとXRD(X-ray diffraction)により測定することができる。
先に説明した方法で取り出した負極試料の断面を、Arイオンミリングにより切り出す。切り出した断面において、測定対象の活物質粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察する。試料のサンプリングについても大気に触れないようにし、アルゴンや窒素など不活性雰囲気で行う。
3000倍のSEM観察像にて、幾つかの粒子をランダムに選定する。この際、選定した粒子の粒度分布ができるだけ広くなるように選定する。
次に、選定したそれぞれの粒子について、エネルギー分散型X線分光法(EDX)による元素分析を行う。これにより、選定したそれぞれの粒子に含まれる元素の種類及び量を特定することができる。
観察された粒子が、Ti、Nb及びOを含んでおり、更に、後述するXRD測定で測定対象の活物質からTiNb2O7に帰属されるX線回折パターンが得られた場合、測定対象の活物質はTiNb2O7であると特定される。
また、SEM観察像において、二次粒子が観察された場合、観察された二次粒子内をEDXにより組成分析を行う。
以上の方法により、測定対象の電池用活物質のSEM像において、TiNb2O7を含む一次粒子および二次粒子を特定することができる。
XRD回折パターンの解析と、SEM-EDXによる測定対象の活物質に含まれる各粒子の元素分析の結果を組み合わせることによって、観察された活物質粒子を推定することができる。
粒子径を求めるためにはSEM観察を用いる。先に説明した電池用活物質のSEM観察において、3000倍の倍率で、活物質粉末についての像を得る。得られた視野において、一次粒子が接触していることを確認できる粒子群を二次粒子とする。
一次粒子の大きさは一次粒子に対応する最少円の直径から求める。具体的には、3000倍の倍率のSEM像において、10回粒径測定を行い、それぞれにおいて得られた最少円の直径の平均を一次粒径とする。平均の算出には、10回測定した内、粒径の最大値及び最小値は用いない。
二次粒径も一次粒子と同様の方法で測定する。すなわち、二次粒子に対応する最少円の直径を求める。具体的には、3000倍の倍率のSEM像において、10回粒径測定を行い、それぞれにおいて得られた最少円の直径の平均を二次粒径とする。平均の算出には、10回測定した内、粒径の最大値及び最小値は用いない。
X線回折(XRD)測定は、CuKα線を線源として、2θ=10~90°の測定範囲で行う。この測定により、活物質粒子に含まれる化合物のX線回折パターンを得ることができる。
粉末X線回折測定の装置としては、Rigaku社製SmartLabを用いる。測定条件は以下の通りとする:Cuターゲット;45kV 200mA;ソーラスリット:入射及び受光共に5°;ステップ幅:0.02deg;スキャン速度:20deg/分;半導体検出器:D/teX Ultra 250;試料板ホルダ:平板ガラス試料板ホルダ(厚さ0.5mm);測定範囲:10°≦2θ≦90°の範囲。その他の装置を使用する場合は、粉末X線回折用標準Si粉末を用いた測定を行って、上記装置によって得られる結果と同等のピーク強度、半値幅及び回折角の測定結果が得られる条件を見つけ、その条件で試料の測定を行う。
電極についてのXRD測定は、先に説明した方法で取り出した負極を、広角X線回折装置のホルダの面積と同程度に切り出し、直接ガラスホルダーに貼り付けて測定することによって行うことができる。この際、集電体についてのXRDを測定しておき、どの位置に集電体由来のピークが現れるかを把握しておく。また、導電剤や結着剤といった合剤のピークの有無もあらかじめ把握しておく。集電体のピークと活物質のピークとが重なる場合、集電体から活物質含有層を剥離して測定することが望ましい。これは、ピーク強度を定量的に測定する際、重なったピークを分離するためである。もちろん、これらを事前に把握できているのであれば、この操作を省略することができる。活物質含有層を物理的に剥離しても良いが、溶媒中で超音波をかけると剥離しやすい。このようにして回収した活物質含有層を測定することで、活物質粒子の広角X線回折測定を行うことができる。
以上の手順により、活物質粒子に含まれる化合物のXRDパターンを得ることができる。得られたXRDパターンから、活物質粒子に含まれる化合物の結晶構造を同定することができる。
ニオブチタン複合酸化物の粒子のBET比表面積は、特に制限されないが、0.1m2/g以上100m2/g未満であることが好ましい。比表面積が0.1m2/g以上であれば、電解液との接触面積を確保することができ、良好な放電レート特性が得られやすく、また充電時間を短縮できる。一方、比表面積が100m2/g未満である場合、電解液との反応性が高くなり過ぎず、寿命特性を向上させることができる。また、比表面積が100m2/g未満である場合、後述する電極の製造に用いる、活物質を含むスラリーの塗工性を良好なものにすることができる。
負極活物質含有層は、ニオブチタン複合酸化物以外の活物質を更に含んでいてもよい。ニオブチタン複合酸化物以外の活物質としては、例えば、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi2+yTi3O7、0≦y≦3)、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えば、Li4+xTi5O12、0≦x≦3)、単斜晶型二酸化チタン(TiO2(B))、アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、ホランダイト型チタン複合酸化物及び直方晶型(orthorhombic)チタン含有複合酸化物を挙げることができる。
直方晶型チタン含有複合酸化物の例として、Li2+aM(I)2-bTi6-cM(II)dO14+σで表される化合物が挙げられる。ここで、M(I)は、Sr,Ba,Ca,Mg,Na,Cs,Rb及びKからなる群より選択される少なくとも1つである。M(II)はZr,Sn,V,Nb,Ta,Mo,W,Y,Fe,Co,Cr,Mn,Ni,及びAlからなる群より選択される少なくとも1つである。組成式中のそれぞれの添字は、0≦a≦6、0≦b<2、0≦c<6、0≦d<6、-0.5≦σ≦0.5である。直方晶型チタン含有複合酸化物の具体例として、Li2+aNa2Ti6O14(0≦a≦6)が挙げられる。
導電剤は、集電性能を高め、且つ、活物質と集電体との接触抵抗を抑えるために配合される。導電剤は、炭素材料を含む。炭素材料の例は、気相成長カーボン繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;VGCF)、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ及びフラーレンを含む。カーボンブラックの例は、アセチレンブラック及びケッチェンブラックを含む。これらの1つを導電剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて導電剤として用いてもよい。或いは、導電剤を用いる代わりに、活物質粒子の表面に、炭素含有層によるコートや電子導電性無機材料コートを施してもよい。
ここで、炭素含有層が含む炭素成分について説明する。
炭素含有層を532nmの測定光源を用いたラマン分光によって分析すると、炭素成分の結晶性を判断することができる。炭素成分についてのラマンチャートにおける、1580cm-1付近に観測されるGバンドは、グラファイト構造に由来するピークであり、1330cm-1付近に観測されるDバンドは、炭素の欠陥構造に由来するピークである。Gバンド及びDバンドは、様々な要因により、1580cm-1及び1330cm-1から、それぞれ±50cm-1程ずれることがあり得る。
炭素含有層を532nmの測定光源を用いたラマン分光によって分析すると、炭素成分の結晶性を判断することができる。炭素成分についてのラマンチャートにおける、1580cm-1付近に観測されるGバンドは、グラファイト構造に由来するピークであり、1330cm-1付近に観測されるDバンドは、炭素の欠陥構造に由来するピークである。Gバンド及びDバンドは、様々な要因により、1580cm-1及び1330cm-1から、それぞれ±50cm-1程ずれることがあり得る。
ラマンチャートにおけるGバンドのピーク強度IGとDバンドのピーク強度IDとの比IG/IDが0.8以上1.2以下である炭素材料は、グラファイトの良好な結晶性を有することを意味する。このような炭素成分は優れた導電性を有することができる。
(炭素含有層が含む炭素成分の確認方法)
炭素含有層が含む炭素成分の結晶性を定量評価する手法としては、顕微ラマン測定装置を用いることができる。顕微ラマン装置としては、例えば、Thermo Fisher Scientific ALMEGAを用いることができる。測定条件は、例えば、測定光源の波長532nm、スリットサイズ25μm、レーザー強度10%、露光時間5s、積算回数10回とすることができる。
炭素含有層が含む炭素成分の結晶性を定量評価する手法としては、顕微ラマン測定装置を用いることができる。顕微ラマン装置としては、例えば、Thermo Fisher Scientific ALMEGAを用いることができる。測定条件は、例えば、測定光源の波長532nm、スリットサイズ25μm、レーザー強度10%、露光時間5s、積算回数10回とすることができる。
ラマン分光測定は、例えば、以下に説明する手順により行うことができる。
電池に組み込まれた負極活物質粒子を評価する場合、まず、電池をリチウムイオンが完全に脱離した状態にするために、電池を完全に放電状態にする。但し、放電状態でも残留したリチウムイオンが僅かに存在することがあり得る。
次に、アルゴンを充填したグローブボックス中で電池を分解し、電極を適切な溶媒で洗浄する。この際、例えばエチルメチルカーボネートなどを用いると良い。次に、洗浄した電極から活物質含有層を剥離し、試料を採取する。
採取した試料を用いて、例えば先に説明した条件により、ラマン分光測定を行う。
測定に際しては、集電体、並びに導電剤及び結着剤といった合剤に含まれる他の成分のラマン活性の有無及びそのピーク位置を把握しておく。複数のピークが重なっている場合は活物質材料以外の成分に関するピークを分離する必要がある。
活物質含有層において活物質材料(例えば、ニオブチタン複合酸化物粒子の表面に炭素含有層がコートされている場合)が導電剤と混合されている場合、活物質材料に含まれる炭素材料と、導電剤として組み込まれた炭素材料を区別することが困難であることがあり得る。このような場合、両者を区別する方法の1つとして、例えば溶剤によって結着剤を溶解、除去した後、遠心分離を行なって、比重の大きい活物質材料を取り出す方法が考えられる。このような方法によると、活物質材料と導電剤とを分離することができるので、活物質材料に含まれていた炭素材料は、活物質材料に含まれた状態のまま、測定に供することができる。
或いは、顕微ラマン分光によるマッピングによって活物質材料由来のスペクトル成分からマッピングを実施して導電剤成分と活物質材料成分との切り分けを行い、その後活物質材料成分に対応するラマンスペクトルのみを抽出して評価する手法をとることもできる。
結着剤は、分散された活物質の間隙を埋め、また、活物質と負極集電体を結着させるために配合される。結着剤の例には、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoro ethylene;PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride;PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸化合物、イミド化合物、カルボキシルメチルセルロース(carboxymethyl cellulose;CMC)、CMCの塩、ポリイミド及びポリアミドが含まれる。これらの1つを結着剤として用いてもよく、或いは、2つ以上を組み合わせて結着剤として用いてもよい。
負極活物質含有層2bが含む第1領域20bにおける負極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、負極活物質70重量%以上96重量%以下、導電剤2重量%以上28重量%以下および結着剤2重量%以上28重量%以下にすることが好ましい。導電剤は、2重量%以上の割合で配合することにより高い集電性能による優れた大電流特性が得られる。また、結着剤量を2重量%以上にすることにより、負極活物質含有層と負極集電体の結着性を高くしてサイクル特性を向上することができる。一方、高容量化の観点から、導電剤および結着剤はそれぞれ28重量%以下であることが好ましい。
負極活物質含有層2bが含む第2領域21bにおける負極活物質及び結着剤の配合割合は、負極活物質90重量%以上98重量%以下、及び結着剤2重量%以上10重量%以下にすることが好ましい。
負極集電体は、1.0Vよりも貴である電位範囲において電気化学的に安定であるアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔であることが好ましい。
次に、実施形態に係る電池が含む負極の製造方法を説明する。
この負極は、例えば、負極活物質含有層2bが含む第1領域20bを形成するための第1スラリーと、第2領域21bを形成するための第2スラリーとを同時に集電体に塗布し、乾燥して製造することができる。本明細書では、この場合を二層同時塗工と呼ぶ。或いは、負極は、第1スラリーを集電体に塗布した後に乾燥して第1領域20bを形成した後に、更に第2スラリーを塗布した後に乾燥することにより、第1領域20b上に第2領域21bを形成することができる。本明細書では、この場合を逐次塗工と呼ぶ。
二層同時塗工の場合の製造方法の一例を、図2及び図3を参照しながら説明する。二層同時塗工によると、例えば、第1領域20bと第2領域21bとの間に明確な界面を持たない負極活物質含有層2bを製造することができる。
二層同時塗工では、負極集電体2aの表面及び裏面のうちの少なくとも一方に、第1領域20bを形成するための第1スラリーと、第2領域21bを形成するための第2スラリーを同時に塗工する。第1スラリーは、例えば、ニオブチタン複合酸化物、導電剤及び結着剤を適切な溶媒に懸濁して調製する。第2スラリーは、例えば、ニオブチタン複合酸化物及び結着剤を適切な溶媒に懸濁して調製する。
塗工工程の一例を図2及び図3に示す。塗工装置40は、第1スラリー(以下、スラリーIとする)を収容するタンク42と、第2スラリー(以下、スラリーIIとする)を収容するタンク43とを備え、集電体などの基材にスラリーI及びスラリーIIを同時に塗布する構成になっている。スラリーIの吐出口における塗工方向と直交する幅は、負極活物質含有層2bが含む第1領域20bの塗工幅と対応している。所定の寸法に裁断される前の長尺状の負極集電体2aを、搬送ローラ41によって、塗工装置40のスラリー吐出口に搬送する。図3において、スラリーI吐出口42aは、スラリーII吐出口43aよりも集電体の上流側に位置している。スラリーI吐出口42aの塗工方向と直交する幅は、スラリーII吐出口43aの塗工方向と直交する幅よりも狭くなっている。塗工装置40から負極集電体2a上に、短辺方向の両端部を除き、スラリーIが塗布される。これとほぼ同時期に、スラリーIIがスラリーIの塗布領域からはみ出すように重ね塗りされる。スラリーIが乾く前にスラリーIにスラリーIIが重ね塗りされているため、スラリーIの表面形状にスラリーIIが追従しやすくなる。その後、スラリーを乾燥させた後、乾燥後のものにロールプレスを施し、所定のサイズに裁断して負極を得ることができる。
逐次塗工の場合、例えば、上記第1スラリーを長尺状の負極集電体2aの片面又は両面に塗布する。次いで、塗布したスラリーを乾燥させて、負極集電体2a上に第1領域20bが積層された積層体を得る。次に、上記第2スラリーを、第1領域20b上に塗布する。このとき、第2スラリーを、既に形成された第1領域20bの短辺方向の長さよりも長い塗工幅で、第1領域20b上及び負極集電体2a上に塗布することができる。その後、塗布した第2スラリーを乾燥させて、負極集電体2a、第1領域20b及び第2領域21bからなる積層体を得る。この積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断して負極を得ることができる。
(2)正極
正極は、正極集電体と、正極集電体の片面もしくは両面に担持され、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を含む正極活物質含有層(正極材料層)とを含む。
正極は、正極集電体と、正極集電体の片面もしくは両面に担持され、正極活物質、正極導電剤及び結着剤を含む正極活物質含有層(正極材料層)とを含む。
正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。例えば、LiCoO2、LiNi1-xCoxO2(0<x<0.3)、LiMnxNiyCozO2(0<x<0.5、0<y<0.5、0≦z<0.5)、LiMn2-xMxO4(MはMg、Co、Al及びNiからなる群より選択される少なくとも1種類の元素、0<x<0.2)、LiMPO4(MはFe,Co及びNiからなる群より選択される少なくとも1種類の元素)などである。
他の例として、層状構造を有するLiuMeO2(Meは、Ni、Co、及びMnからなる群より選択される少なくとも1種)が挙げられる。例えば、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiuNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiuCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiuNi1-sCosO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LiuMnsCo1-sO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えば、LiuNi1-s-tCosMntO2)、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(例えば、LiuNi1-s-tCosAltO2)、また、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiuMn2O4及びLiuMn2-sAlsO4)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えば、LiuFePO4、LiuMnPO4、LiuMn1-sFesPO4、LiuCoPO4)が挙げられる。上記において、0<u≦1であり、0≦s≦1であり、0≦t≦1であることが好ましい。活物質として、LiuMn2O4やLiuMn2-sAlsO4などのスピネル型リチウムマンガン複合酸化物を単独で用いてもよく、或いは、複数の化合物を組合せて用いてもよい。
高い入出力性能および優れた寿命性能を得やすいため、中でもスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiuMn2O4やLiuMn2-sAlsO4)、リチウムコバルト複合酸化物(LiuCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LiuNi1-sCosO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LiuMnsCo1-sO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLiuNi1-s-tCosMntO2)、又はオリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えば、LiuFePO4、LiuMnPO4、LiuMn1-sFesPO4、LiuCoPO4)を含むことが好ましい。上記において、0<u≦1であり、0≦s≦1であり、0≦t≦1であることが好ましい。
結着剤の例には、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド、ポリアミドなどを挙げることができる。結着剤の種類は1種類または2種類以上にすることができる。
正極導電剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを挙げることができる。導電剤の種類は1種類または2種類以上にすることができる。
正極活物質含有層における正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80重量%以上95重量%以下、導電剤3重量%以上18重量%以下および結着剤2重量%以上17重量%以下にすることが好ましい。
集電体は、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔が好ましく、平均結晶粒径は50μm以下、より好ましくは30μm以下、さらに好ましくは5μm以下であることが望ましい。このような平均結晶粒径を有するアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔からなる集電体は、強度を飛躍的に増大させることができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。
平均結晶粒径が50μm以下のアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔は、材料組成、不純物、加工条件、熱処理履歴ならび焼なましの加熱条件など多くの因子に複雑に影響され、前記結晶粒径(直径)は製造工程の中で、前記諸因子を組み合わせて調整される。
集電体の厚さは、20μm以下、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は1%以下にすることが好ましい。
正極は、例えば正極活物質、正極導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁させ、得られたスラリーを正極集電体に塗布して乾燥させることにより正極活物質含有層を作製した後、プレスを施すことにより作製される。その他、正極活物質、正極導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、正極活物質含有層として用いてもよい。
正極活物質含有層は、20%以上50%以下の気孔率を有することが好ましい。このような気孔率を有する正極活物質含有層を備えた正極は高密度で、かつ非水電解質との親和性に優れる。より好ましい気孔率は、25%以上40%以下である。
正極活物質含有層の密度は、2.5g/cm3以上にすることが好ましい。
(3)非水電解質
非水電解質は、電解質塩を非水溶媒に溶解し調整される液状非水電解質、液状非水電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質等が挙げられる。
非水電解質は、電解質塩を非水溶媒に溶解し調整される液状非水電解質、液状非水電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質等が挙げられる。
電解質塩は、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO2F2)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO2)2]などのリチウム塩を挙げることができる。これらの電解質塩は、単独または2種類以上を混合しても良い。
電解質塩は、有機溶媒に対して0.5mol/L以上2.5mol/L以下の範囲で溶解させることが好ましい。
非水溶媒は、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート;ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)などの環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)などの鎖状エーテル;γ-ブチロラクトン(BL)などの環状エステル;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などの鎖状エステル;アセトニトリル(AN);スルホラン(SL)等を挙げることができる。これらの有機溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。
ゲル状非水電解質に用いる高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキシド(PEO)等を挙げることができる。
(4)セパレータ
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布などを挙げることができる。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布などを挙げることができる。
(5)外装部材
外装部材は、ラミネートフィルムから形成しても金属製容器で構成してもよい。金属製容器を用いる場合、蓋は容器と一体または別部材にすることができる。金属製容器の肉厚は0.5mm以下、0.2mm以下であるとより好ましい。外装部材の形状としては、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、積層型などが挙げられる。携帯用電子機器などに積載される小型電池の他、二輪ないしは四輪の自動車に積載される大型電池でもよい。
外装部材は、ラミネートフィルムから形成しても金属製容器で構成してもよい。金属製容器を用いる場合、蓋は容器と一体または別部材にすることができる。金属製容器の肉厚は0.5mm以下、0.2mm以下であるとより好ましい。外装部材の形状としては、扁平型、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、積層型などが挙げられる。携帯用電子機器などに積載される小型電池の他、二輪ないしは四輪の自動車に積載される大型電池でもよい。
ラミネートフィルム製外装部材の肉厚は0.2mm以下であることが望ましい。ラミネートフィルムの例には、樹脂フィルムと樹脂フィルム間に配置された金属層とを含む多層フィルムが挙げられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂フィルムは、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形することができる。
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などから作られる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金が好ましい。アルミニウムまたはアルミニウム合金において、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は100ppm以下にすることが高温環境下での長期信頼性、放熱性を飛躍的に向上させる上で好ましい。
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属製容器は、平均結晶粒径が50μm以下、より好ましくは30μm以下、さらに好ましくは5μm以下であることが望ましい。平均結晶粒径を50μm以下とすることによって、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属製容器の強度を飛躍的に増大させることができ、容器のより一層の薄肉化が可能になる。その結果、軽量かつ高出力で長期信頼性に優れた車載などに適切な非水電解質電池を実現することができる。
(6)負極端子及び正極端子
負極端子は、その一部が負極の一部に電気的に接続されることによって、負極と外部端子との間で電子が移動するための導体として働くことができる。負極端子は、例えば、負極集電体、特に負極タブに接続することができる。同様に、正極端子は、その一部が正極の一部に電気的に接続されることによって、正極と外部回路との間で電子が移動するための導体として働くことができる。正極端子は、例えば、正極集電体、特に正極タブに接続することができる。負極端子及び正極端子は、電気伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。集電体に接続する場合、接触抵抗を低減させるために、これらの端子は、集電体と同様の材料からなることが好ましい。
負極端子は、その一部が負極の一部に電気的に接続されることによって、負極と外部端子との間で電子が移動するための導体として働くことができる。負極端子は、例えば、負極集電体、特に負極タブに接続することができる。同様に、正極端子は、その一部が正極の一部に電気的に接続されることによって、正極と外部回路との間で電子が移動するための導体として働くことができる。正極端子は、例えば、正極集電体、特に正極タブに接続することができる。負極端子及び正極端子は、電気伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。集電体に接続する場合、接触抵抗を低減させるために、これらの端子は、集電体と同様の材料からなることが好ましい。
次に、実施形態に係る電池の例を、図面を参照しながら更に詳細に説明する。
図4は、実施形態に係る電池の一例を示す一部切欠き斜視図である。図5は、図4に示す電池のA部の拡大断面図である。
図4及び図5に示す電池100は、扁平型の電極群1を具備する。扁平型の電極群1は、負極2と、正極3と、セパレータ4とを含む。電極群1は、負極2及び正極3をその間にセパレータ4を介在させて偏平形状となるように渦巻き状に捲回した構造を有する。なお、ここでは捲回型電極群について説明するが、電極群は、負極2とセパレータ4と正極3とを複数積層させた積層型電極群であってもよい。
負極2は、図5に示すように、負極集電体2aと、負極集電体2a上に担持された負極活物質含有層2bとを具備する。正極3は、図5に示すように、正極集電体3aと、正極集電体3a上に担持された正極活物質含有層3bとを具備する。図5に示すように、負極活物質含有層2bは、正極(正極活物質含有層3b)と対向した主面を含んでいる。
図4に示すように、電池100において、負極2には帯状の負極端子5が電気的に接続されている。より具体的には、負極端子5が負極集電体2aに接続されている。また、正極3には帯状の正極端子6が電気的に接続されている。より具体的には、正極端子6が正極集電体3aに接続されている。
また、電池100は、容器としてのラミネートフィルム製の外装容器7を更に具備している。即ち、電池100は、ラミネートフィルム製の外装容器7からなる外装部材を具備する。
電極群1は、ラミネートフィルム製の外装容器7内に収容されている。ただし、負極端子5及び正極端子6の端部が外装容器7から延出している。ラミネートフィルム製の外装容器7内には、図示しない非水電解質が収容されている。非水電解質は、電極群1に含浸されている。外装容器7は、周縁部がヒートシールされており、それにより、電極群1及び非水電解質が封止されている。
次に、第1の実施形態に係る電池の他の例を、図6を参照しながら詳細に説明する。図6は、第1の実施形態に係る電池の他の例を示す一部切欠き斜視図である。
図6に示す電池200は、外装部材が金属製容器17a及び封口板17bから構成されている点で、図4及び図5に示す電池100と異なる。
扁平型の電極群11は、図4及び図5に示す電池100における電極群1と同様に、負極と、正極と、セパレータとを含む。また、電極群11は、電極群1と同様な構造を有している。ただし、電極群11では、後述するとおり負極端子5及び正極端子6に代わって、負極タブ15a及び正極タブ16aが、それぞれ、負極及び正極に接続されている。
図6に示す電池200では、このような電極群11が、金属製容器17aの中に収容されている。金属製容器17aは、図示しない非水電解質をさらに収納している。金属製容器17aは、金属製の封口板17bにより封止されている。金属製容器17aと封口板17bとは、例えば外装部材としての外装缶を構成する。
負極タブ15aは、その一端が負極集電体に電気的に接続され、他端が負極端子15に電気的に接続されている。正極タブ16aは、その一端が正極集電体に電気的に接続され、他端が封口板17bに固定された正極端子16に電気的に接続されている。正極端子16は、封口板17bに絶縁部材17cを介して固定されている。正極端子16と封口板17bとは、絶縁部材17cにより電気的に絶縁されている。
第1実施形態に係る電池は、炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備する。負極活物質含有層は、正極と対向した主面を含む。負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、上記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、上記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。この電池は、長期間の貯蔵においても自己放電を抑制することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態によると、電池パックが提供される。この電池パックは、第1の実施形態に係る電池を含む。
第2の実施形態によると、電池パックが提供される。この電池パックは、第1の実施形態に係る電池を含む。
第2の実施形態に係る電池パックは、複数の電池を備えることもできる。複数の電池は、電気的に直列に接続することもできるし、又は電気的に並列に接続することもできる。或いは、複数の電池を、直列及び並列の組み合わせで接続することもできる。
第2の実施形態に係る電池パックは、例えば、電池を5つ具備することもできる。これらの電池は、直列に接続されることができる。また、直列に接続された電池は、組電池を構成することができる。即ち、第2の実施形態に係る電池パックは、組電池を具備することもできる。
第2の実施形態に係る電池パックは、複数の組電池を具備することができる。複数の組電池は、直列、並列、又は直列及び並列の組み合わせで接続することができる。
以下に、第2の実施形態に係る電池パックの一例を、図7及び図8を参照しながら説明する。図7は、第2の実施形態に係る電池パックの一例を示す分解斜視図である。図8は、図7に示す電池パックの電気回路の一例を示すブロック図である。
図7及び図8に示す電池パック20は、複数個の単電池21を備える。単電池21は、図4を参照しながら説明した第1の実施形態に係る一例の扁平型電池100であり得る。
複数の単電池21は、外部に延出した負極端子5及び正極端子6が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ22で締結されることにより、組電池23を構成している。これらの単電池21は、図8に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
プリント配線基板24は、単電池21の負極端子5及び正極端子6が延出する側面に対向するように配置されている。プリント配線基板24には、図8に示すようにサーミスタ25、保護回路26及び外部機器への通電用端子27が搭載されている。なお、プリント配線基板24には、組電池23と対向する面に、組電池23の配線との不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。
正極側リード28は、組電池23の最下層に位置する正極端子6に接続され、その先端はプリント配線基板24の正極側コネクタ29に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード30は、組電池23の最上層に位置する負極端子5に接続され、その先端はプリント配線基板24の負極側コネクタ31に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ29及び31は、プリント配線基板24に形成された配線32及び33を通して保護回路26に接続されている。
サーミスタ25は、単電池21の温度を検出し、その検出信号は保護回路26に送信される。保護回路26は、所定の条件で保護回路26と外部機器への通電用端子27との間のプラス側配線34a及びマイナス側配線34bを遮断できる。所定の条件の一例としては、サーミスタ25の検出温度が所定温度以上になったときを挙げられる。また、所定の条件の他の例とは、単電池21の過充電、過放電、又は過電流等を検出したときを挙げられる。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは組電池23全体について行われる。なお、個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位又は負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図7及び図8の電池パック20は、単電池21それぞれに電圧検出のための配線35が接続されている。これら配線35を通して検出信号が保護回路26に送信される。
正極端子6及び負極端子5が突出する側面を除く組電池23の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート36がそれぞれ配置されている。
組電池23は、各保護シート36及びプリント配線基板24と共に収納容器37内に収納される。即ち、収納容器37の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の一方の内側面それぞれに保護シート36が配置され、短辺方向の他方の内側面にプリント配線基板24が配置される。組電池23は、保護シート36及びプリント配線基板24で囲まれた空間内に位置する。蓋38は、収納容器37の上面に取り付けられている。
なお、組電池23の固定には粘着テープ22に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。
図7及び図8では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。さらに、組み上がった電池パックを直列及び/又は並列に接続することもできる。
また、第2の実施形態に係る電池パックの態様は用途により適宜変更される。第2の実施形態に係る電池パックの用途としては、大電流性能でのサイクル性能が望まれるものが好ましい。具体的な用途としては、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、及びアシスト自転車等の車載用が挙げられる。第2の実施形態に係る電池パックの用途としては、特に、車載用が好適である。
第2の実施形態に係る電池パックは、第1の実施形態に係る電池を備えている。したがって、第2の実施形態に係る電池パックは、長期間の貯蔵においても自己放電を抑制することができる。
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。
(実施例1)
<負極の作製>
(第1スラリー(第1領域形成用スラリー)の調製)
炭素コート処理
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシルメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1μm、平均二次粒子径が10μmであった。
<負極の作製>
(第1スラリー(第1領域形成用スラリー)の調製)
炭素コート処理
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシルメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1μm、平均二次粒子径が10μmであった。
スラリー調製
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で95:3:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で95:3:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(第2スラリー(第2領域形成用スラリー)の調製)
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7粒子は一次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7の平均一次粒子径は0.9μmであった。このTiNb2O7粒子と、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを用意した。これらを、95:5の重量比で混合して混合物を得た。得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散して、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第2スラリーを調製した。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7粒子は一次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7の平均一次粒子径は0.9μmであった。このTiNb2O7粒子と、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを用意した。これらを、95:5の重量比で混合して混合物を得た。得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散して、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第2スラリーを調製した。
(逐次塗工及びプレス)
厚さ15μmのアルミニウム箔の両面上に、第1スラリーを80g/m2の目付で塗布し、乾燥させた。次いで、乾燥後の第1スラリー上に第2スラリーを5g/m2の目付で塗布し、乾燥させた。乾燥後の積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断した後、更に真空乾燥を行って負極を得た。なお、集電体の一方の長辺に負極活物質含有層無担持の部分を設け、この箇所を負極集電タブとした。集電体の両面上に形成された負極活物質含有層の厚さは34μmであり、第1領域の厚さは32μmであり、第2領域の厚さは2μmであった。表3に示す通り、負極活物質含有層の厚さAに対する第1領域の厚さ比は0.94倍で、負極活物質含有層の厚さAに対する第2領域の厚さ比は0.06倍であった。
厚さ15μmのアルミニウム箔の両面上に、第1スラリーを80g/m2の目付で塗布し、乾燥させた。次いで、乾燥後の第1スラリー上に第2スラリーを5g/m2の目付で塗布し、乾燥させた。乾燥後の積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断した後、更に真空乾燥を行って負極を得た。なお、集電体の一方の長辺に負極活物質含有層無担持の部分を設け、この箇所を負極集電タブとした。集電体の両面上に形成された負極活物質含有層の厚さは34μmであり、第1領域の厚さは32μmであり、第2領域の厚さは2μmであった。表3に示す通り、負極活物質含有層の厚さAに対する第1領域の厚さ比は0.94倍で、負極活物質含有層の厚さAに対する第2領域の厚さ比は0.06倍であった。
<正極の作製>
正極活物質としてLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2粒子、導電剤としてカーボンブラック、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用意した。これらを、90:5:5の重量比で混合して混合物を得た。次に、得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散して正極スラリーを調製した。厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に正極スラリーを塗布し、乾燥を行った。その後、ロールプレスを施し、所定のサイズに裁断して正極を得た。
正極活物質としてLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2粒子、導電剤としてカーボンブラック、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用意した。これらを、90:5:5の重量比で混合して混合物を得た。次に、得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散して正極スラリーを調製した。厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に正極スラリーを塗布し、乾燥を行った。その後、ロールプレスを施し、所定のサイズに裁断して正極を得た。
正極活物質含有層それぞれの厚さは20μmであった。なお、集電体の一方の長辺に正極活物質含有層無担持の部分を設け、この箇所を正極集電タブとした。
<電極群の作製>
得られた正極及び負極の間に、厚さが15μmで、空隙率が70%のセルロース繊維不織布を介在させながら扁平の渦巻状に捲回することにより、捲回型電極群を製造した。
得られた正極及び負極の間に、厚さが15μmで、空隙率が70%のセルロース繊維不織布を介在させながら扁平の渦巻状に捲回することにより、捲回型電極群を製造した。
<非水電解質の調製>
プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比が1:2になるように混合して混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、電解質塩としてLiPF6を1Mの濃度で溶解させて液状非水電解質を調製した。
プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比が1:2になるように混合して混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、電解質塩としてLiPF6を1Mの濃度で溶解させて液状非水電解質を調製した。
<電池の作製>
作製した電極群を、厚さが0.25mmのアルミニウム合金(Al純度99%)からなる金属缶に挿入した。次に、液状非水電解質を容器内の電極群に注液し、容器を封止することにより、厚さ13mm、幅62mm、高さ96mmの角形の二次電池を作製した。
作製した電極群を、厚さが0.25mmのアルミニウム合金(Al純度99%)からなる金属缶に挿入した。次に、液状非水電解質を容器内の電極群に注液し、容器を封止することにより、厚さ13mm、幅62mm、高さ96mmの角形の二次電池を作製した。
(実施例2)
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は一次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子の平均一次粒子径は1μmであった。このTiNb2O7粒子は炭素含有層を含んでいない。
負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で90:6:4となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(実施例3)
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積5m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子の平均二次粒子径は12μmであった。このTiNb2O7粒子は炭素含有層を含んでいない。
負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で90:6:4となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(実施例4)
第1スラリーの調製の際に、負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で95:3:2となるように配合したことを除いて、実施例3と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーの調製の際に、負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で95:3:2となるように配合したことを除いて、実施例3と同様に二次電池を作製した。
(実施例5)
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
炭素コート処理
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積8m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1.5μm、平均二次粒子径が20μmであった。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積8m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1.5μm、平均二次粒子径が20μmであった。
スラリー調製
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で97:1:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で97:1:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(実施例6)
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
炭素コート処理
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積8m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は0.8μm、平均二次粒子径が7μmであった。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積8m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は0.8μm、平均二次粒子径が7μmであった。
スラリー調製
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で90:6:4となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で90:6:4となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(実施例7)
第1スラリー及び第2スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリー及び第2スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
(第1スラリー(第1領域形成用スラリー)の調製)
炭素コート処理
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1μm、平均二次粒子径が10μmであった。
炭素コート処理
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子95重量%とカルボキシメチルセルロース(CMC)5重量%を混合し、これにエタノールを加えてボールミルを用いて粉砕、均一混合を行った。混合後の粒子を、窒素雰囲気下、700℃の温度で1時間に亘る熱処理に供して、TiNb2O7粒子の表面及び二次粒子の内部に炭素含有層を形成し、炭素コートされた負極活物質粒子を得た。炭素コートされた負極活物質粒子における炭素の含有量は1重量%であった。また、この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1μm、平均二次粒子径が10μmであった。
スラリー調製
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)とを重量比で94:2:2:2となるように配合して水溶媒に分散させ、プラネタリーミキサーを用いて回転数80rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
炭素コートされた負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)とを重量比で94:2:2:2となるように配合して水溶媒に分散させ、プラネタリーミキサーを用いて回転数80rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(第2スラリー(第2領域形成用スラリー)の調製)
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7粒子は一次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7の平均一次粒子径は0.9μmであった。このTiNb2O7粒子と、結着剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)を用意した。これらを、96:2:2の重量比で混合して混合物を得た。得られた混合物を水溶媒に分散して、プラネタリーミキサーを用いて回転数80rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第2スラリーを調製した。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7粒子は一次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7の平均一次粒子径は0.9μmであった。このTiNb2O7粒子と、結着剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)を用意した。これらを、96:2:2の重量比で混合して混合物を得た。得られた混合物を水溶媒に分散して、プラネタリーミキサーを用いて回転数80rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第2スラリーを調製した。
(実施例8)
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例7と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーを以下の通り調製したことを除いて、実施例7と同様に二次電池を作製した。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積5m2/gのTiNb2O7粒子を用意した。TiNb2O7は二次粒子を多く含んでいた。TiNb2O7粒子の平均一次粒子径は12μmであった。このTiNb2O7粒子は炭素含有層を含んでいない。
負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレンブタジエンゴム(SBR)とを重量比で90:5:2.5:2.5となるように配合して水溶媒に分散させ、プラネタリーミキサーを用いて回転数80rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(実施例9)
第1スラリー及び第2スラリーの塗布、乾燥を二層同時塗工で行ったことを除いて、実施例8と同様に二次電池を作製した。
第1スラリー及び第2スラリーの塗布、乾燥を二層同時塗工で行ったことを除いて、実施例8と同様に二次電池を作製した。
二層同時塗工は、図2及び図3を参照しながら上述した方法により行った。負極集電体として厚さ15μmのアルミニウム箔を使用した。このアルミニウム箔の両面上に、第1スラリーを80g/m2の目付で、第2スラリーを5g/m2の目付で二層同時に塗布し、乾燥させた。乾燥後の積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断した後、更に真空乾燥を行って負極を得た。
(実施例10)
第1スラリー及び第2スラリーの塗布、乾燥を二層同時塗工で行ったことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリー及び第2スラリーの塗布、乾燥を二層同時塗工で行ったことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
二層同時塗工は、図2及び図3を参照しながら上述した方法により行った。負極集電体として厚さ15μmのアルミニウム箔を使用した。このアルミニウム箔の両面上に、第1スラリーを80g/m2の目付で、第2スラリーを5g/m2の目付で二層同時に塗布し、乾燥させた。乾燥後の積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断した後、更に真空乾燥を行って負極を得た。
(実施例11)
(第1スラリー(第1領域形成用スラリー)の調製)
実施例1と同様の方法で炭素コートを施したLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子を用意した。Li2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子は二次粒子を多く含んでいた。この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1μm、平均二次粒子径が10μmであった。また、炭素コートされたLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子の炭素含有量は1重量%であった。炭素コートされたLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で95:3:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(第1スラリー(第1領域形成用スラリー)の調製)
実施例1と同様の方法で炭素コートを施したLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子を用意した。Li2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子は二次粒子を多く含んでいた。この負極活物質粒子の平均一次粒子径は1μm、平均二次粒子径が10μmであった。また、炭素コートされたLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子の炭素含有量は1重量%であった。炭素コートされたLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で95:3:2となるように配合してn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散させ、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第1スラリーを調製した。
(第2スラリー(第2領域形成用スラリー)の調製)
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子を用意した。Li2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子は一次粒子を多く含んでいた。Li2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子の平均一次粒子径は0.9μmであった。このLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子と、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを用意した。これらを、95:5の重量比で混合して混合物を得た。得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散して、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第2スラリーを調製した。
負極活物質粒子として、N2吸着によるBET法による比表面積10m2/gのLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子を用意した。Li2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子は一次粒子を多く含んでいた。Li2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子の平均一次粒子径は0.9μmであった。このLi2Na1.6Ti5.6Nb0.4O14粒子と、バインダとしてポリフッ化ビニリデンを用意した。これらを、95:5の重量比で混合して混合物を得た。得られた混合物をn-メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散して、ボールミルを用いて回転数1000rpmで、かつ攪拌時間が2時間の条件で攪拌を行い、第2スラリーを調製した。
(二層同時塗工及びプレス)
負極集電体として厚さ15μmのアルミニウム箔を使用した。このアルミニウム箔の両面上に、第1スラリーを110g/m2の目付で、第2スラリーを5g/m2の目付で二層同時に塗布し、乾燥させた。乾燥後の積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断した後、更に真空乾燥を行って負極を得た。作製した負極を用いたことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
負極集電体として厚さ15μmのアルミニウム箔を使用した。このアルミニウム箔の両面上に、第1スラリーを110g/m2の目付で、第2スラリーを5g/m2の目付で二層同時に塗布し、乾燥させた。乾燥後の積層体にプレスを施し、所定のサイズに裁断した後、更に真空乾燥を行って負極を得た。作製した負極を用いたことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
(比較例1)
第1スラリーのみを使用したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーのみを使用したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
(比較例2)
第1スラリーの調製の際に、負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で80:17:3となるように配合したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
第1スラリーの調製の際に、負極活物質粒子と、導電剤としてカーボンブラック粉末と、結着剤としてPVdFとを重量比で80:17:3となるように配合したことを除いて、実施例1と同様に二次電池を作製した。
表1及び表2に、実施例1~11並びに比較例1及び2に係る二次電池の作製条件をまとめる。表1及び表2において、「負極活物質粒子形態」の列には、負極活物質粒子に占める一次粒子及び二次粒子の重量割合のうち、より割合が大きい方の粒子形態を記載している。「負極活物質平均粒子径(μm)」の列には、「負極活物質粒子形態」の列に記載した粒子形態に対応した平均粒子径を記載している。例えば、実施例2における「負極活物質平均粒子径(μm)」の列には負極活物質粒子の平均一次粒子径を示しており、実施例5における「負極活物質平均粒子径(μm)」の列には負極活物質粒子の平均二次粒子径を示している。「Cコート」の列には、該当するスラリーにおいて使用した負極活物質粒子が炭素含有層を含んでいるか否かを示している。
<XPS及び比(C2/C1)の算出>
実施例1~11並びに比較例1及び2に係る二次電池が備える負極について、第1の実施形態で説明した方法に従ってX線光電子分光を実施して、炭素含有率C1及びC2を決定した。また、得られた炭素含有率C1及びC2に基づいて比(C2/C1)を算出した。
実施例1~11並びに比較例1及び2に係る二次電池が備える負極について、第1の実施形態で説明した方法に従ってX線光電子分光を実施して、炭素含有率C1及びC2を決定した。また、得られた炭素含有率C1及びC2に基づいて比(C2/C1)を算出した。
<自己放電試験>
実施例1~11並びに比較例1及び2に係る二次電池について、以下の方法で自己放電試験を実施した。
実施例1~11並びに比較例1及び2に係る二次電池について、以下の方法で自己放電試験を実施した。
まず、電池をSOC100%まで充電し、25℃恒温槽内にて電池表面温度が25℃±3℃となった後、1C電流にて定電流放電を行って放電容量C0を測定した。次に、電池をSOC100%まで充電した後、60℃の恒温槽内にて4週間に亘って貯蔵を行った。貯蔵後に残存容量C4を測定した。残存容量C4は、25℃恒温槽内にて電池表面温度が25℃±3℃となった後、1C電流にて定電流放電を行って測定した。このとき、放電終止条件は電池電圧が1.8Vに到達した時点とした。貯蔵試験後に測定した残存容量C4を、貯蔵試験前に測定した放電容量C0で除して100を掛けた百分率を残存容量維持率(%)とする。
以上の結果を表3にまとめる。表3には、負極活物質含有層の厚さ、負極集電体上に形成された第1領域の厚さ、及び、第1領域上に形成された第2領域の厚さも記載している。なお、表3中の「第1領域厚さ(μm)」及び「第2領域厚さ(μm)」の列には、それぞれの領域の厚さを示すとともに、負極活物質含有層の厚さに対する倍率を括弧内に示している。
表1~表3から明らかなように、比(C2/C1)が2≦C2/C1≦30を満たす実施例1~11は、残存容量維持率が優れていた。一方、比(C2/C1)が2≦C2/C1≦30を満たさない比較例1及び2は、残存容量維持率が実施例1~11と比較して劣っていた。
実施例1~11の中でも、比(C2/C1)が8~21の範囲内にある実施例1~4及び7~11は、残存容量維持率が高く、自己放電を顕著に抑制できたことが分かる。比(C2/C1)が小さすぎると、例えば第2領域の電子導電性が高過ぎて、自己放電を十分に抑制できないと考えられる。比(C2/C1)が大きすぎると、炭素含有率C1が小さい第2領域を備えていても第1領域の電子導電性が高すぎるため、自己放電を十分に抑制できないと考えられる。
このことは、比較例2からも読み取ることができる。比較例2は、実施例1~6及び実施例10と同一の第2領域を備えていたが、第1領域の炭素含有率C2が高かったために比(C2/C1)が30を超えており、結果として残存容量維持率が劣っていた。
実施例5の第1領域に係る負極活物質粒子は炭素含有層を備えていたが、負極活物質含有層の重量に対して導電剤の重量が小さかったと考えられる。このため、第1領域における炭素含有率C2が比較的小さく、比(C2/C1)は3であった。
また、実施例6の第1領域に係る負極活物質粒子は炭素含有層を備えていることに加えて、負極活物質含有層の重量に対する導電剤の重量も大きかったと考えられる。このため、第1領域における炭素含有率C2が比較的大きく、比(C2/C1)が29であった。
以上に説明した少なくとも一つの実施形態及び実施例によると、電池が提供される。電池は、炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備する。負極活物質含有層は、正極と対向した主面を含む。負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、上記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、上記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす。このような電池によると、長期間の貯蔵においても自己放電を抑制することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (6)
- 炭素材料を含む導電剤、及び、ニオブチタン複合酸化物を含む負極活物質含有層を具備した負極と、正極とを具備し、
前記負極活物質含有層は、前記正極と対向した主面を含み、
前記負極活物質含有層の厚さをAとした場合に、前記主面から1μmの深さにおける炭素含有率C1に対する、前記主面から0.5Aの深さにおける炭素含有率C2の比(C2/C1)は、2≦C2/C1≦30を満たす電池。 - 前記比(C2/C1)は、8≦C2/C1≦21を満たす請求項1に記載の電池。
- 前記負極は負極集電体を更に含み、
前記負極活物質含有層は、前記負極集電体上に積層され、且つ前記主面から0.5Aの深さ部分を含む第1領域を含み、
前記第1領域が含む前記ニオブチタン複合酸化物は粒子であり、前記粒子は炭素含有層により被覆されている請求項1又は2に記載の電池。 - 前記負極活物質含有層は、前記主面から1μmの深さ部分を含む第2領域を更に含み、前記第2領域の前記主面からの厚さは3μm以下である請求項3に記載の電池。
- 前記第2領域は、前記ニオブチタン複合酸化物及びバインダからなる請求項4に記載の電池。
- 請求項1~5の何れか1項に記載の電池を備えた電池パック。
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