WO2022172851A1 - 電池 - Google Patents

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WO2022172851A1
WO2022172851A1 PCT/JP2022/004213 JP2022004213W WO2022172851A1 WO 2022172851 A1 WO2022172851 A1 WO 2022172851A1 JP 2022004213 W JP2022004213 W JP 2022004213W WO 2022172851 A1 WO2022172851 A1 WO 2022172851A1
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active material
battery
electrode active
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学 加世田
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株式会社エンビジョンＡｅｓｃジャパン
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to batteries.
  • a battery comprises a positive electrode, a negative electrode and a separator.
  • the positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer.
  • the negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer.
  • a separator separates the positive and negative electrodes from each other.
  • Patent Document 1 describes an example of a lithium ion secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode are laminated.
  • the positive electrode active material layer contains a lithium-nickel-based composite oxide having a layered crystal structure with a composition ratio of nickel element to the sum of nickel element, cobalt element and manganese element of 0.4.
  • the length of the positive electrode in the longitudinal direction is 250 mm.
  • the ratio of output to battery capacity is less than 25 W/Wh.
  • Patent Document 2 describes an example of a lithium ion secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode are laminated.
  • the positive electrode active material contains a lithium-nickel-based composite oxide having a layered crystal structure with a composition ratio of nickel element to the sum of nickel element, cobalt element and manganese element of 0.8.
  • Patent Document 3 describes an example of a lithium-ion secondary battery in which a positive electrode, a negative electrode, and a separator are wound.
  • the positive electrode active material contains a lithium-nickel-based composite oxide having a layered structure with a composition ratio of nickel element to the sum of nickel element, cobalt element and aluminum element of 0.8.
  • JP 2017-33827 A WO2015/156399 JP 2017-63041 A
  • Batteries such as lithium-ion secondary batteries should have high capacity and high output. As a result of studies by the present inventors, it has become clear that the capacity and output of a battery are related to the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction. On the other hand, Patent Documents 1 to 3 do not describe the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction and the capacity and output of the battery.
  • One example of the object of the present invention is to provide a battery with high capacity and high output. Other objects of the present invention will become clear from the description herein.
  • the positive electrode has the general formula Li x Ni y Co z M 1-yz O 2 (0.80 ⁇ y ⁇ 0.93, M is a metal element containing at least one element of Mn and Al).
  • M is a metal element containing at least one element of Mn and Al.
  • FIG. 1 is a plan view of a battery according to an embodiment
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA′ of FIG. 1
  • It is a top view of the positive electrode which concerns on embodiment.
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 16 positive electrode layers.
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 23 positive electrode layers.
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 31 positive electrode layers.
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 42 positive electrode layers.
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 50 positive electrode layers.
  • 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 54 layers of positive electrode.
  • Relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction and the ratio of the output to the capacity of the battery when the laminate has 16 layers, 23 layers, 31 layers, 42 layers, 50 layers, and 54 layers of the positive electrode It is a graph which shows an example of.
  • An example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction and the cell temperature rise of the battery when the laminate has 16 layers, 23 layers, 31 layers, 42 layers, 50 layers, and 54 layers of the positive electrode. is a graph showing
  • FIG. 1 is a plan view of the battery 10 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA' of FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of the positive electrode 100 according to the embodiment.
  • the first direction X indicates the length direction of the battery 10.
  • the positive direction of the first direction X which is the direction indicated by the arrow indicating the first direction X, is the direction from the positive electrode lead 130 to the negative electrode lead 230, which will be described later.
  • the negative direction of the first direction X which is opposite to the direction indicated by the arrow indicating the first direction X, is the direction from the negative lead 230 toward the positive lead 130 .
  • the second direction Y intersects, or more specifically, is perpendicular to, the first direction X, and indicates the width direction of the battery 10 .
  • a third direction Z intersects both the first direction X and the second direction Y, more specifically, is orthogonal to both, and indicates the thickness direction of the battery 10 .
  • the white circle with a black dot indicating the third direction Z is the third direction Z positive direction from the back to the front of the paper, and the third direction is the direction from the front to the back of the paper. It indicates that it is in the negative Z direction.
  • the white circle with X indicating the second direction Y indicates that the direction from the front to the back of the paper is the positive direction of the second direction Y, and the direction from the back to the front of the paper is the negative direction of the second direction Y. It shows that
  • the battery 10 is arranged so that the thickness direction of the battery 10, that is, the third direction Z is parallel to the vertical direction. Also, the positive direction of the third direction Z, which is the direction indicated by the arrow indicating the third direction Z, is the upward direction in the vertical direction. On the other hand, the negative direction of the third direction Z, which is the opposite direction to the direction indicated by the arrow indicating the third direction Z, is downward in the vertical direction.
  • the battery 10 will be described with reference to FIG.
  • the battery 10 is a lithium ion secondary battery.
  • the battery 10 includes a positive electrode lead 130, a negative electrode lead 230 and an exterior material 400.
  • the positive lead 130 is electrically connected to the positive electrode 100 shown in FIG. 2 which will be described later.
  • the positive electrode lead 130 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy.
  • the negative electrode lead 230 is electrically connected to the negative electrode 200 shown in FIG. 2 which will be described later.
  • the negative electrode lead 230 is made of, for example, copper, copper alloy, or nickel-plated material.
  • the exterior material 400 has a rectangular shape with four sides.
  • the positive electrode lead 130 is provided on the side of the exterior material 400 located on the negative direction side in the first direction X
  • the negative electrode lead 230 is provided on the side of the exterior material 400 in the positive direction in the first direction X. It is provided on the side located on the side.
  • the positive electrode lead 130 and the negative electrode lead 230 may be provided on a common side of the exterior material 400 (for example, the side located on the positive direction side or the negative direction side in the first direction X).
  • the exterior material 400 accommodates the laminate 20 shown in FIG. 2, which will be described later, together with an electrolytic solution (not shown).
  • the exterior material 400 includes, for example, a heat-fusible resin layer and a barrier layer, and is, for example, a laminated film including a heat-fusible resin layer and a barrier layer.
  • the resin material that forms the heat-fusible resin layer is, for example, polyethylene (PE), polypropylene, or the like.
  • the thickness of the heat-fusible resin layer is, for example, 20 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the barrier layer has, for example, a barrier property such as prevention of leakage of an electrolytic solution or entry of moisture from the outside. It is a barrier layer formed by The thickness of the barrier layer is, for example, 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the heat-sealable resin layer of the laminated film may be one layer, or two or more layers.
  • the barrier layer of the laminated film may be one layer, or two or more layers.
  • the electrolyte is, for example, a non-aqueous electrolyte.
  • This non-aqueous electrolyte contains, for example, a lithium salt and a solvent that dissolves the lithium salt.
  • Lithium salts are, for example, LiClO4, LiBF4 , LiBF6 , LiPF6 , LiCF3SO3 , LiCF3CO2 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiB10Cl10 , LiAlCl4 , LiCl , LiBr, LiB ( C2 H5 ) 4 , CF3SO3Li , CH3SO3Li , LiC4F9SO3 , Li ( CF3SO2 ) 2N , Li ( C2F5SO2 ) 2N , lower fatty acid carboxylic acid Lithium and the like.
  • Solvents that dissolve lithium salts include, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate.
  • EC ethylene carbonate
  • PC propylene carbonate
  • BC butylene carbonate
  • DMC dimethyl carbonate
  • EMC ethyl methyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • carbonates such as (MEC) and vinylene carbonate (VC); lactones such as ⁇ -butyrolactone and ⁇ -valerolactone; ethers such as trimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, tetrahydrofuran, and 2-methyltetrahydrofuran sulfoxides such as dimethylsulfoxide; oxolanes such as 1,3-dioxolane and 4-methyl-1,3-dioxolane; nitrogen-containing solvents such as acetonitrile, nitromethane, formamide, dimethylformamide; methyl formate, methyl acetate, acetic acid Organic acid esters such as ethyl, butyl acetate, methyl propionate, and ethyl propionate; phosphoric acid triesters and diglymes; triglymes; sulfolane such as sulfolane and methylsulfolane;
  • the laminate 20 will be described with reference to FIG.
  • the laminate 20 has a plurality of positive electrodes 100 , a plurality of negative electrodes 200 and separators 300 .
  • the plurality of positive electrodes 100 and the plurality of negative electrodes 200 are alternately arranged in the third direction Z.
  • the total number of positive electrodes 100 can be, for example, 16 or more and 54 or less.
  • the total number of the plurality of negative electrodes 200 may be, for example, one more than the total number of positive electrodes 100 .
  • the separator 300 separates the positive electrode 100 and the negative electrode 200 that are adjacent in the third direction Z from each other. In one example, the separator 300 is folded along the second direction Y and extended in a meandering manner so as to pass between the adjacent positive electrode 100 and negative electrode 200 . Alternatively, each of the plurality of separators 300 may be positioned between the adjacent positive electrode 100 and negative electrode 200 . Note that the laminate 20 may have only one positive electrode 100 and only one negative electrode 200 .
  • the cathode electrode 100 has a cathode current collector 110 , a first cathode active material layer 122 and a second cathode active material layer 124 .
  • the first positive electrode active material layer 122 is located on the upper surface of the positive electrode current collector 110 .
  • the second positive electrode active material layer 124 is located on the lower surface of the positive electrode current collector 110 .
  • the end of the positive current collector 110 on the negative side in the first direction X is connected to the positive lead 130 shown in FIG.
  • the positive electrode current collector 110 is made of, for example, aluminum, stainless steel, nickel, titanium, or alloys thereof.
  • the shape of the positive electrode current collector 110 is, for example, foil, flat plate, or mesh.
  • the thickness of the positive electrode current collector 110 is, for example, 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the first positive electrode active material layer 122 contains a positive electrode active material, a binder resin, and a conductive aid.
  • the details of the first positive electrode active material layer 122 are as follows. Unless otherwise specified, the following details describing the first positive electrode active material layer 122 also apply to the second positive electrode active material layer 124 .
  • the positive electrode active material has the general formula Li x Ni y Co z M 1-yz O 2 (0.80 ⁇ y ⁇ 0.93, M is a metal element containing at least one element of Mn and Al). There is.)
  • the composition ratio y is within the above range, the capacity per unit weight can be increased at low cost, and the crystal structure of the positive electrode active material can be stabilized.
  • the composition ratio y is within the above range, it is possible to suppress deterioration in thermal stability in a charged state, compared to when the composition ratio y is larger than the above range.
  • x is 1 ⁇ x ⁇ 1.2
  • y and z are positive numbers satisfying y+z ⁇ 1.
  • the positive electrode active material is, for example, a lithium-nickel-based composite oxide such as a lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide having a layered crystal structure represented by the above general formula.
  • the first positive electrode active material layer 122 contains, for example, 90% by weight or more and 99% by weight or less of the positive electrode active material with respect to 100% by weight of the total weight of the first positive electrode active material layer 122 .
  • the total basis weight of the first positive electrode active material layer 122 and the second positive electrode active material layer 124 is, for example, 25 mg/cm 2 or more and 50 mg/cm 2 or less.
  • the binder resin contained in the first positive electrode active material layer 122 is, for example, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethylcellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate Polymers, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene copolymers, styrene-butadiene-styrene block copolymers and hydrogenated products thereof, Thermoplastic polymers such as styrene/isoprene/styrene block copolymers and hydrogenated products thereof; polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer
  • binder resins are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable in both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer.
  • binder resins may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
  • the amount of the binder resin contained in the first positive electrode active material layer 122 can be determined as appropriate.
  • the first positive electrode active material layer 122 contains, for example, 0.1% by weight or more and 10.0% by weight or less of a binder resin with respect to 100% by weight of the total weight of the first positive electrode active material layer 122 .
  • the conductive aid contained in the first positive electrode active material layer 122 is, for example, carbon black, ketjen black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, carbon fibers such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns.
  • Graphite is, for example, flake graphite or spherical graphite. These substances may be used alone or in combination.
  • the amount of the conductive aid contained in the first positive electrode active material layer 122 can be determined as appropriate.
  • the first positive electrode active material layer 122 contains, for example, 0.1% by weight or more and 8.0% by weight or less of the conductive aid with respect to 100% by weight of the total weight of the first positive electrode active material layer 122 .
  • the first positive electrode active material layer 122 contains a pH adjuster (eg, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, and fumaric acid).
  • a pH adjuster eg, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, and fumaric acid.
  • the longitudinal length L of the first positive electrode active material layer 122 is within a predetermined range as described later. When the longitudinal length L of the first positive electrode active material layer 122 is within the predetermined range, high capacity and high output of the battery 10 can be achieved.
  • the length W of the first positive electrode active material layer 122 in the lateral direction is 70 mm or more and 120 mm or less.
  • the thickness of the first positive electrode active material layer 122 can be determined as appropriate.
  • the thickness of the first positive electrode active material layer 122 is, for example, 35 ⁇ m or more and 65 ⁇ m or less.
  • the negative electrode 200 has a negative electrode current collector 210 , a first negative electrode active material layer 222 and a second negative electrode active material layer 224 .
  • the first negative electrode active material layer 222 is located on the upper surface of the negative electrode current collector 210 .
  • the second negative electrode active material layer 224 is located on the lower surface of the negative electrode current collector 210 .
  • the end of the negative electrode current collector 210 on the positive side in the first direction X is connected to the negative electrode lead 230 shown in FIG.
  • the negative electrode current collector 210 is made of, for example, copper, stainless steel, nickel, titanium, or alloys thereof.
  • the shape of the negative electrode current collector 210 is, for example, foil, flat plate, or mesh.
  • the thickness of the negative electrode current collector 210 in the third direction Z (third direction Z) is, for example, 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the first negative electrode active material layer 222 contains a negative electrode active material and a binder resin.
  • the first negative electrode active material layer 222 may further contain a conductive aid, if necessary. Details of the first negative electrode active material layer 222 are as follows. Unless otherwise specified, the following details describing the first anode active material layer 222 also apply to the second anode active material layer 224 .
  • negative electrode active materials include, but are not limited to, metals such as Si and Sn; metal oxides such as TiO, Ti2O3 , TiO2 , SiO2 , SiO, and SnO2 ; Composite oxides of lithium and transition metals such as Ti 5 O 12 and Li 7 MnN; Li—Pb alloys, Li—Al alloys, Li; carbon powder, graphite (natural graphite, artificial graphite), carbon black, activated carbon , carbon fiber, coke, soft carbon, hard carbon, and other carbon materials.
  • metals such as Si and Sn
  • metal oxides such as TiO, Ti2O3 , TiO2 , SiO2 , SiO, and SnO2
  • Composite oxides of lithium and transition metals such as Ti 5 O 12 and Li 7 MnN
  • These negative electrode active materials may be used singly or in combination of two or more.
  • Elements to be alloyed with lithium are not limited to the following, but specific examples include Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl and the like.
  • the first negative electrode active material layer 222 contains, for example, 90% by weight or more and 99% by weight or less of the negative electrode active material with respect to 100% by weight of the total weight of the first negative electrode active material layer 222 .
  • the total basis weight of the first negative electrode active material layer 222 and the second negative electrode active material layer 224 is, for example, 12 mg/cm 2 or more and 28 mg/cm 2 or less.
  • the binder resin contained in the first negative electrode active material layer 222 may be, for example, the binder resin exemplified for the binder resin contained in the first positive electrode active material layer 122. can be done.
  • the binder resin contained in the first negative electrode active material layer 222 is, for example, a styrene-based polymer (styrene-butadiene rubber, styrene-vinyl acetate copolymer, styrene -acrylic copolymer, etc.), acrylonitrile-butadiene rubber, methyl methacrylate-butadiene rubber, (meth)acrylic polymers (polyethyl acrylate, polyethyl methacrylate, polypropyl acrylate, polymethyl methacrylate (methyl methacrylate rubber), poly propyl methacrylate, polyisopropyl acrylate, polyisopropyl methacrylate, polybutyl acrylate, polybutyl methacrylate, polyhexyl acrylate, polyhexyl methacrylate, polyethylhexyl acrylate, polyethylhexyl acrylate, polyethyl
  • polyvinylpyrrolidone polyacrylic acid (salt), polyethylene glycol, copolymer of (meth)acrylamide and/or (meth)acrylic acid salt [(meth)acrylamide polymer, (meth)acrylamide-(meth)acrylic acid Salt copolymer, alkyl (meth)acrylate (C1-4) ester-(meth)acrylate copolymer etc.], styrene-maleate copolymer, Mannich-modified polyacrylamide, formalin condensation type resin (urea-formalin resin, melamine-formalin resin, etc.), polyamide polyamine or dialkylamine-epichlorohydrin copolymer, polyethyleneimine, Casein, soybean protein, synthetic protein, and water-soluble polymers such as mannangalactan derivatives can be used.
  • These water-based binder resins may be in the form of an emulsion.
  • these water-based binders may be used individually by 1 type, and may be used in combination
  • the amount of the binder resin contained in the first negative electrode active material layer 222 can be determined as appropriate.
  • the first negative electrode active material layer 222 contains, for example, 0.1% by weight or more and 10.0% by weight or less of binder resin with respect to 100% by weight of the total weight of the first negative electrode active material layer 222 .
  • the longitudinal length of the first negative electrode active material layer 222 can be appropriately determined according to the longitudinal length L of the first positive electrode active material layer 122 .
  • the length of the first negative electrode active material layer 222 in the short direction can be appropriately determined according to the length W of the first positive electrode active material layer 122 in the short direction.
  • the thickness of the first negative electrode active material layer 222 can be determined as appropriate.
  • the thickness of the first negative electrode active material layer 222 is, for example, 40 ⁇ m or more and 75 ⁇ m or less.
  • the separator 300 has a function of electrically insulating the positive electrode 100 and the negative electrode 200 and allowing ions (for example, lithium ions) to pass through.
  • Separator 300 can be, for example, a porous separator.
  • the shape of the separator 300 can be appropriately determined according to the shape of the positive electrode 100 or the negative electrode 200, and can be rectangular, for example.
  • the base material 310 includes a porous resin layer containing polyolefin as a main component.
  • the porous resin layer contains 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, and more preferably 90% by weight or more of polyolefin with respect to 100% by weight of the total weight of the porous resin layer. , may contain 100% by weight of polyolefin with respect to 100% by weight of the total weight of the porous resin layer.
  • the porous resin layer may be a single layer or two or more layers. Examples of polyolefin include polypropylene and polyethylene.
  • the thickness (third direction Z) of the separator 300 can be determined as appropriate, and can be, for example, 8.0 ⁇ m or more and 45.0 ⁇ m or less.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 16 positive electrode layers.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the longitudinal length of the positive electrode active material layer, the battery capacity, and the battery output when the battery has 23 positive electrode layers.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the longitudinal length of the positive electrode active material layer, the battery capacity, and the battery output when the battery has 31 positive electrode layers.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the longitudinal length of the positive electrode active material layer, the battery capacity, and the battery output when the battery has 42 positive electrode layers.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the longitudinal length of the positive electrode active material layer, the battery capacity, and the battery output when the battery has 50 positive electrode layers.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the relationship between the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the battery capacity, and the battery output when the battery has 54 layers of positive electrodes.
  • the horizontal axis of the graph indicates the length (unit: mm) of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction.
  • the vertical axis on the left side of the graph indicates the battery capacity (unit: Wh).
  • the vertical axis on the right side of the graph indicates battery output (unit: W).
  • the mixture was thoroughly mixed, heated at a temperature increase rate of 5°C/min, pre-fired at 700°C for 2 hours in an oxygen atmosphere, then heated at a temperature increase rate of 3°C/min, and fired at 750°C for 10 hours. Then, it was cooled to room temperature to obtain an NMC composite oxide as a lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide.
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • CMC carboxymethyl cellulose
  • a positive electrode was obtained by cutting out a part of the positive electrode plate produced as described above.
  • As the positive electrode 12 kinds of positive electrode having different longitudinal directions of the positive electrode active material layer were prepared as plotted in each graph of FIGS. For these positive electrodes, the length of the positive electrode active material layer in the lateral direction was 88 mm.
  • a negative electrode was obtained by cutting out a part of the negative electrode plate produced as described above.
  • As the negative electrode 12 types were prepared for each of the 12 types of positive electrode described above, the longitudinal direction of the negative electrode active material layer being 102% of the longitudinal direction of the positive electrode active material layer. For these negative electrodes, the length of the negative electrode active material layer in the lateral direction was 90 mm.
  • a laminate was produced by alternately laminating a predetermined number of layers of the positive electrode and a predetermined number of layers of the negative electrode with separators interposed therebetween. 4, 5, 6, 7, 8 and 9, the total number of positive electrodes was 16, 23, 31, 42, 50 and 54, respectively. In any of FIGS. 4 to 9, the total number of negative electrodes is one more than the total number of positive electrodes.
  • This laminate was housed in a laminate film as an exterior material, and an electrolytic solution was injected into the laminate to fabricate a battery.
  • the capacity of the battery 10 was measured as follows. First, the battery was charged from 1/3C to 4.2V under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions at 25°C. After that, under constant current conditions, the battery was discharged to 2.5 V at 1/3 C and the capacity was measured.
  • CC-CV constant current-constant voltage
  • the output of the battery 10 was measured as follows. First, the battery was charged from 1/3C to 4.2V under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions at 25°C. After that, it was discharged at 1 C for 30 minutes under constant current conditions to adjust the charge depth to 50%. After that, it was discharged at 1C for 10 seconds.
  • V1 (unit: V) be the voltage immediately before discharging at 1 C for 10 seconds after adjustment to a charge depth of 50%.
  • the voltage after discharging at 1C for 10 seconds is assumed to be V2 (unit: V).
  • ⁇ V (unit: V1) be the difference between the voltage V1 and the voltage V2.
  • a DC resistance DCR (unit: ⁇ ) was calculated by dividing this difference ⁇ V by the discharged current value.
  • the capacity of the battery increases in proportion to the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction. Also, the constant of proportionality is constant regardless of the number of positive electrodes.
  • the output of the battery is maximized when the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction is 400 mm to 600 mm. is a concave function in the range of about 200 mm to 1000 mm.
  • the maximum value of the battery output and the longitudinal length of the positive electrode active material layer at which the battery output reaches the maximum value vary depending on the number of positive electrodes.
  • the battery output when the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction is 300 mm or more and 740 mm or less is about 80% or more of the maximum value of the battery output.
  • the output of the battery is about 90% or more of the maximum value of the output of the battery. Therefore, from the viewpoint of high capacity and high output of the battery, the longitudinal length of the positive electrode active material layer can be 300 mm or more and 740 mm or less, preferably 390 mm or more and 640 mm or less.
  • FIG. 10 shows the ratio of the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction and the output to the capacity of the battery when the laminate has 16 layers, 23 layers, 31 layers, 42 layers, 50 layers, and 54 layers of the positive electrode. , and is a graph showing an example of the relationship between .
  • the horizontal axis of the graph indicates the longitudinal length (unit: mm) of the positive electrode active material layer.
  • the vertical axis of the graph indicates the ratio (unit: W/Wh) of the output (unit: W) to the battery capacity (unit: Wh).
  • the ratio of output to battery capacity is approximately 3 W/ Wh or more and 17 W/Wh or less.
  • the ratio of output to capacity of the battery is less than 3 W/Wh, the resistance of the battery is too high, and the battery cannot follow the load characteristics when used as a vehicle battery.
  • the number of positive electrodes can be 23 or more, preferably 31 or more.
  • the ratio of output to capacity of the battery is greater than 17 W/Wh, the capacity per unit area of the battery may be insufficient.
  • the number of positive electrodes can be 54 or less, preferably 50 or less.
  • FIG. 11 shows the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction, the cell temperature rise of the battery, and the It is a graph which shows an example of the relationship of.
  • the horizontal axis of the graph indicates the length (unit: mm) of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction.
  • the vertical axis of the graph indicates the cell temperature rise (unit: K) of the battery.
  • the cell temperature rise of the battery was measured as follows. First, the battery was charged from 1/3C to 4.2V under constant current-constant voltage (CC-CV) conditions at 25°C. After that, under constant current conditions, the maximum cell temperature was measured when the battery was continuously discharged at 6C to 2.5V. The difference between this maximum cell temperature and the cell temperature after charging and before continuous discharging was taken as the cell temperature rise.
  • CC-CV constant current-constant voltage
  • the cell temperature rise of the battery is approximately 230 K or less when the length of the positive electrode active material layer in the longitudinal direction is 300 mm or more and 740 mm or less.
  • the number of positive electrodes 100 can be 23 or more, preferably 31 or more.

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Abstract

正極電極（１００）は、一般式ＬｉｘＮｉｙＣｏｚＭ１－ｙ－ｚＯ２（０．８０≦ｙ≦０．９３、Ｍは、Ｍｎ及びＡｌのうちの少なくとも１つの元素を含む金属元素である。）によって示される正極活物質を含む第１正極活物質層（１２２）を有している。第１正極活物質層（１２２）の長手方向の長さが３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下となっている。

Description

電池
　本発明は、電池に関する。
　近年、リチウムイオン二次電池等の非水電解質電池が開発されている。電池は、正極、負極及びセパレータを備えている。正極は、正極集電体及び正極活物質層を有している。負極は、負極集電体及び負極活物質層を有している。セパレータは、正極及び負極を互いに隔てている。
　特許文献１には、正極電極及び負極電極が積層されたリチウムイオン二次電池の一例について記載されている。この電池において、正極活物質層は、ニッケル元素、コバルト元素及びマンガン元素の合計に対するニッケル元素の組成比が０．４であって層状結晶構造を有するリチウムニッケル系複合酸化物を含んでいる。正極の長手方向の長さは２５０ｍｍとなっている。また、電池の容量に対する出力の比が２５Ｗ／Ｗｈ未満となっている。
　特許文献２には、正極電極及び負極電極が積層されたリチウムイオン二次電池の一例について記載されている。この電池において、正極活物質は、ニッケル元素、コバルト元素及びマンガン元素の合計に対するニッケル元素の組成比が０．８であって層状結晶構造を有するリチウムニッケル系複合酸化物を含んでいる。
　特許文献３には、正極、負極及びセパレータが巻回されたリチウムイオン二次電池の一例について記載されている。この電池において、正極活物質は、ニッケル元素、コバルト元素及びアルミニウム元素の合計に対するニッケル元素の組成比が０．８であって層状構造を有するリチウムニッケル系複合酸化物を含んでいる。
特開２０１７－３３８２７号公報 国際公開第２０１５／１５６３９９号 特開２０１７－６３０４１号公報
　リチウムイオン二次電池等の電池においては、容量が高く、かつ出力が高いことが望ましい。本発明者が検討したところ、電池の容量及び出力は、正極活物質層の長手方向の長さと関係することが明らかとなった。一方、特許文献１～３には、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量及び出力と、の関係について記載されていない。
　本発明の目的の一例は、高容量かつ高出力の電池を提供することにある。本発明の他の目的は、本明細書の記載から明らかになるであろう。
　本発明の一態様は、
　正極電極を備え、
　前記正極電極は、一般式ＬｉｘＮｉｙＣｏｚＭ１－ｙ－ｚＯ２（０．８０≦ｙ≦０．９３、Ｍは、Ｍｎ及びＡｌのうちの少なくとも１つの元素を含む金属元素である。）によって示される正極活物質を含む正極活物質層を有し、
　前記正極活物質層の長手方向の長さが３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下である、電池である。
　本発明の上記一態様によれば、高容量かつ高出力の電池を提供することができる。
実施形態に係る電池の平面図である。 図１のＡ－Ａ´断面図である。 実施形態に係る正極電極の平面図である。 電池が１６層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。 電池が２３層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。 電池が３１層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。 電池が４２層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。 電池が５０層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。 電池が５４層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。 積層体が１６層、２３層、３１層、４２層、５０層及び５４層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量に対する出力の比と、の関係の一例を示すグラフである。 積層体が１６層、２３層、３１層、４２層、５０層及び５４層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池のセル温度上昇と、の関係の一例を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
　図１は、実施形態に係る電池１０の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ´断面図である。図３は、実施形態に係る正極電極１００の平面図である。
　図１～図３において、第１方向Ｘは、電池１０の長さ方向を示している。第１方向Ｘを示す矢印によって示される方向である第１方向Ｘの正方向は、後述する正極リード１３０から負極リード２３０に向かう方向である。第１方向Ｘを示す矢印によって示される方向の反対方向である第１方向Ｘの負方向は、負極リード２３０から正極リード１３０に向かう方向である。第２方向Ｙは、第１方向Ｘに交差、具体的には直交しており、電池１０の幅方向を示している。第３方向Ｚは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの双方に交差、具体的には直交しており、電池１０の厚み方向を示している。また、図１及び図３において、第３方向Ｚを示す黒点付き白丸は、紙面の奥から手前に向かう方向が第３方向Ｚ正方向であり、紙面の手前から奥に向かう方向が第３方向Ｚの負方向であることを示している。図２において、第２方向Ｙの示すＸ付き白丸は、紙面の手前から奥に向かう方向が第２方向Ｙの正方向であり、紙面の奥から手前に向かう方向が第２方向Ｙの負方向であることを示している。
　本実施形態において、電池１０は、電池１０の厚み方向、すなわち第３方向Ｚが鉛直方向と平行になるように配置されている。また、第３方向Ｚを示す矢印によって示される方向である第３方向Ｚの正方向は、鉛直方向の上方向となっている。一方、第３方向Ｚを示す矢印によって示される方向の反対方向である第３方向Ｚの負方向は、鉛直方向の下方向となっている。
　図１を用いて、電池１０について説明する。本実施形態において、電池１０は、リチウムイオン二次電池である。
　電池１０は、正極リード１３０、負極リード２３０及び外装材４００を備えている。
　正極リード１３０は、後述する図２に示す正極電極１００に電気的に接続されている。正極リード１３０は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。
　負極リード２３０は、後述する図２に示す負極電極２００に電気的に接続されている。負極リード２３０は、例えば、銅若しくは銅合金又はそれらにニッケルメッキを施したもので形成されている。
　外装材４００は、４辺を有する矩形形状を有している。本実施形態において、正極リード１３０は、外装材４００のうち第１方向Ｘの負方向側に位置する辺に設けられており、負極リード２３０は、外装材４００のうち第１方向Ｘの正方向側に位置する辺に設けられている。ただし、正極リード１３０及び負極リード２３０は、外装材４００の共通の辺（例えば、第１方向Ｘの正方向側又は負方向側に位置する辺）に設けられていてもよい。
　外装材４００は、後述する図２に示す積層体２０を電解液（不図示）とともに収容している。
　外装材４００は、例えば、熱融着性樹脂層及びバリア層を含み、例えば、熱融着性樹脂層及びバリア層を含む積層フィルムである。
　熱融着性樹脂層を形成する樹脂材料は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン等である。熱融着性樹脂層の厚さは、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下である。
　バリア層は、例えば、電解液の漏出又は外部からの水分の侵入防止といったバリア性を有しており、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）箔、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、チタン箔等の金属により形成されたバリア層である。バリア層の厚さは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下である。
　積層フィルムの熱融着性樹脂層は、１層であってもよいし、又は２層以上であってもよい。同様にして、積層フィルムのバリア層は、１層であってもよいし、又は２層以上であってもよい。
　電解液は、例えば、非水電解液である。この非水電解液は、例えば、リチウム塩及びリチウム塩を溶解する溶媒を含んでいる。
　リチウム塩は、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢＦ６、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）４、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ、低級脂肪酸カルボン酸リチウム等である。
　リチウム塩を溶解する溶媒は、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）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、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）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等のカーボネート類；γ－ブチロラクトン、γ－バレロラクトン等のラクトン類；トリメトキシメタン、１，２－ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２－メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類；ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類；１，３－ジオキソラン、４－メチル－１，３－ジオキソラン等のオキソラン類；アセトニトリル、ニトロメタン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド等の含窒素溶媒；ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の有機酸エステル類；リン酸トリエステルやジグライム類；トリグライム類；スルホラン、メチルスルホラン等のスルホラン類；３－メチル－２－オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類；１，３－プロパンスルトン、１，４－ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類等である。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。
　図２を用いて、積層体２０について説明する。
　積層体２０は、複数の正極電極１００、複数の負極電極２００及びセパレータ３００を有している。複数の正極電極１００及び複数の負極電極２００は、第３方向Ｚに交互に並んでいる。複数の正極電極１００の総数は、例えば、１６以上５４以下にすることができる。また、複数の負極電極２００の総数は、例えば、正極電極１００の総数より１つだけ多くてもよい。セパレータ３００は、第３方向Ｚに隣り合う正極電極１００と負極電極２００とを互いに隔てている。一例において、セパレータ３００は、第２方向Ｙに沿って折り返しながら、隣り合う正極電極１００と負極電極２００との間を通過するように、つづら折りに延伸している。或いは、複数のセパレータ３００の各々が隣り合う正極電極１００及び負極電極２００の間に位置していてもよい。なお、積層体２０は、１つのみの正極電極１００及び１つのみの負極電極２００を有していてもよい。
　正極電極１００の詳細を説明する。正極電極１００は、正極集電体１１０、第１正極活物質層１２２及び第２正極活物質層１２４を有している。
　第１正極活物質層１２２は、正極集電体１１０の上面上に位置している。第２正極活物質層１２４は、正極集電体１１０の下面上に位置している。
　正極集電体１１０の第１方向Ｘの負方向側の端部は、図１に示した正極リード１３０に接続されている。
　正極集電体１１０は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金で形成されている。正極集電体１１０の形状は、例えば、箔、平板又はメッシュである。正極集電体１１０厚さは、例えば、１μｍ以上５０μｍ以下である。
　第１正極活物質層１２２は、正極活物質と、バインダー樹脂と、導電助剤と、を含んでいる。第１正極活物質層１２２の詳細は以下のとおりである。第１正極活物質層１２２について説明する以下の詳細は、特に断らない限り、第２正極活物質層１２４についても同様である。
　正極活物質は、一般式ＬｉｘＮｉｙＣｏｚＭ１－ｙ－ｚＯ２（０．８０≦ｙ≦０．９３、Ｍは、Ｍｎ及びＡｌのうちの少なくとも１つの元素を含む金属元素である。）によって示される。組成比ｙが上記範囲にある場合、安価で重量当たりの容量を高くすることができ、正極活物質の結晶構造を安定させることができる。また、組成比ｙが上記範囲にある場合、組成比ｙが上記範囲より大きい場合と比較して、充電状態での熱安定性の低下を抑制することができる。当該一般式において、ｘは１≦ｘ≦１．２であり、ｙ及びｚはｙ＋ｚ＜１を満たす正の数である。マンガンの割合が大きくなると単一相の複合酸化物が合成されにくくなるため、１－ｙ－ｚ≦０．４とすることが望ましい。また、コバルトの割合が大きくなると高コストとなり容量も減少するため、ｚ＜ｙ、ｚ＜１－ｙ－ｚとすることが望ましい。高容量の電池を得るためには、ｙ＞１－ｙ－ｚ、ｙ＞ｚとすることが特に好ましい。正極活物質は、例えば、上記一般式で示される層状結晶構造を有するリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等のリチウムニッケル系複合酸化物である。
　第１正極活物質層１２２は、第１正極活物質層１２２の総重量１００重量％に対して、例えば、９０重量％以上９９重量％以下の正極活物質を含んでいる。
　第１正極活物質層１２２及び第２正極活物質層１２４の合計の目付量は、例えば、２５ｍｇ／ｃｍ２以上５０ｍｇ／ｃｍ２以下である。
　第１正極活物質層１２２に含まれるバインダー樹脂は、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）、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及びその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性高分子；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；エポキシ樹脂等である。これらの中でも、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリイミド、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）、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダー樹脂は、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位及び負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダー樹脂は、１種単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
　第１正極活物質層１２２に含まれるバインダー樹脂の量は、適宜決定することができる。第１正極活物質層１２２は、第１正極活物質層１２２の総重量１００重量％に対して、例えば、０．１重量％以上１０．０重量％以下のバインダー樹脂を含んでいる。
　第１正極活物質層１２２に含まれる導電助剤は、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人工黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン等の炭素繊維等である。黒鉛は、例えば、鱗片状黒鉛又は球状黒鉛である。これらの物質は、単独で使用されてもよいし、又は組み合わせて使用されてもよい。
　第１正極活物質層１２２に含まれる導電助剤の量は、適宜決定することができる。第１正極活物質層１２２は、第１正極活物質層１２２の総重量１００重量％に対して、例えば、０．１重量％以上８．０重量％以下の導電助剤を含んでいる。
　第１正極活物質層１２２は、スラリーのゲル化防止等の理由で正極活物質に含まれるアルカリ成分を中和するためのｐＨ調整剤（例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フタル酸、フマル酸）を適宜含んでいてもよい。
　第１正極活物質層１２２の長手方向の長さＬは、後述するように所定の範囲内にある。第１正極活物質層１２２の長手方向の長さＬが当該所定の範囲内にあることで、電池１０の高容量及び高出力を実現することができる。
　第１正極活物質層１２２の短手方向の長さＷは、７０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下である。
　第１正極活物質層１２２の厚さは、適宜決定することができる。第１正極活物質層１２２の厚さは、例えば、３５μｍ以上６５μｍ以下である。
　負極電極２００の詳細を説明する。負極電極２００は、負極集電体２１０、第１負極活物質層２２２及び第２負極活物質層２２４を有している。
　第１負極活物質層２２２は、負極集電体２１０の上面上に位置している。第２負極活物質層２２４は、負極集電体２１０の下面上に位置している。
　負極集電体２１０の第１方向Ｘの正方向側の端部は、図１に示した負極リード２３０に接続されている。
　負極集電体２１０は、例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン又はこれらの合金で形成されている。負極集電体２１０の形状は、例えば、箔、平板又はメッシュである。負極集電体２１０の第３方向Ｚにおける厚さ（第３方向Ｚ）は、例えば、１μｍ以上５０μｍ以下である。
　第１負極活物質層２２２は、負極活物質と、バインダー樹脂と、を含んでいる。第１負極活物質層２２２は、必要に応じて、導電助剤をさらに含んでいてもよい。第１負極活物質層２２２の詳細は以下のとおりである。第１負極活物質層２２２について説明する以下の詳細は、特に断らない限り、第２負極活物質層２２４についても同様である。
　負極活物質としては、以下に制限されることはないが、例えば、Ｓｉ、Ｓｎ等の金属；ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｎＯ２等の金属酸化物；Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ７ＭｎＮ等のリチウムと遷移金属との複合酸化物；Ｌｉ－Ｐｂ系合金、Ｌｉ－Ａｌ系合金、Ｌｉ；炭素粉末、グラファイト（天然黒鉛、人造黒鉛）、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料等が好ましく挙げられる。このうち、リチウムと合金化する元素を用いることにより、従来の炭素系材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量及び優れた出力特性の電池を得ることが可能となる。これらの負極活物質は、１種単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。上記のリチウムと合金化する元素としては、以下に制限されることはないが、具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｈ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｇａ、Ｔｌ、Ｃ、Ｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃｌ等が挙げられる。
　第１負極活物質層２２２は、第１負極活物質層２２２の総重量１００重量％に対して、例えば、９０重量％以上９９重量％以下の負極活物質を含んでいる。
　第１負極活物質層２２２及び第２負極活物質層２２４の合計の目付量は、例えば、１２ｍｇ／ｃｍ２以上２８ｍｇ／ｃｍ２以下である。
　スラリーを得るための溶媒として有機溶媒を用いた場合、第１負極活物質層２２２に含まれるバインダー樹脂は、例えば、第１正極活物質層１２２に含まれるバインダー樹脂で例示したバインダー樹脂にすることができる。また、スラリーを得るための溶媒として水を用いた場合、第１負極活物質層２２２に含まれるバインダー樹脂は、例えば、スチレン系高分子（スチレン－ブタジエンゴム、スチレン－酢酸ビニル共重合体、スチレン－アクリル共重合体等）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム、メタクリル酸メチル-ブタジエンゴム、（メタ）アクリル系高分子（ポリエチルアクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリプロピルアクリレート、ポリメチルメタクリレート（メタクリル酸メチルゴム）、ポリプロピルメタクリレート、ポリイソプロピルアクリレート、ポリイソプロピルメタクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヘキシルアクリレート、ポリヘキシルメタクリレート、ポリエチルヘキシルアクリレート、ポリエチルヘキシルメタクリレート、ポリラウリルアクリレート、ポリラウリルメタクリレート等）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体、ポリブタジエン、ブチルゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、エチレン－プロピレン－ジエン共重合体、ポリビニルピリジン、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂；ポリビニルアルコール（平均重合度は、好適には２００～４０００、より好適には、１０００～３０００、ケン化度は好適には８０モル％以上、より好適には９０モル％以上）及びその変性体（エチレン／酢酸ビニル＝２／９８～３０／７０モル比の共重合体の酢酸ビニル単位のうちの１～８０モル％ケン化物、ポリビニルアルコールの１～５０モル％部分アセタール化物等）、デンプン及びその変性体（酸化デンプン、リン酸エステル化デンプン、カチオン化デンプン等）、セルロース誘導体（カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、及びこれらの塩等）、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸（塩）、ポリエチレングリコール、（メタ）アクリルアミド及び／又は（メタ）アクリル酸塩の共重合体［（メタ）アクリルアミド重合体、（メタ）アクリルアミド－（メタ）アクリル酸塩共重合体、（メタ）アクリル酸アルキル（炭素数１～４）エステル－（メタ）アクリル酸塩共重合体等］、スチレン－マレイン酸塩共重合体、ポリアクリルアミドのマンニッヒ変性体、ホルマリン縮合型樹脂（尿素－ホルマリン樹脂、メラミン－ホルマリン樹脂等）、ポリアミドポリアミン若しくはジアルキルアミン－エピクロルヒドリン共重合体、ポリエチレンイミン、カゼイン、大豆蛋白、合成蛋白、並びにマンナンガラクタン誘導体等の水溶性高分子等にすることができる。これらの水系バインダー樹脂は、エマルジョン形態にしてもよい。また、これらの水系バインダーは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
　第１負極活物質層２２２に含まれるバインダー樹脂の量は、適宜決定することができる。第１負極活物質層２２２は、第１負極活物質層２２２の総重量１００重量％に対して、例えば、０．１重量％以上１０．０重量％以下のバインダー樹脂を含んでいる。
　第１負極活物質層２２２の長手方向の長さは、第１正極活物質層１２２の長手方向の長さＬに応じて適宜決定することができる。
　第１負極活物質層２２２の短手方向の長さは、第１正極活物質層１２２の短手方向の長さＷに応じて適宜決定することができる。
　第１負極活物質層２２２の厚さは、適宜決定することができる。第１負極活物質層２２２厚さは、例えば、４０μｍ以上７５μｍ以下である。
　セパレータ３００の詳細を説明する。
　セパレータ３００は、正極電極１００及び負極電極２００を電気的に絶縁させ、イオン（例えば、リチウムイオン）を透過させる機能を有している。セパレータ３００は、例えば、多孔性セパレータにすることができる。
　セパレータ３００の形状は、正極電極１００又は負極電極２００の形状に応じて適宜決定することができ、例えば、矩形にすることができる。
　基材３１０は、ポリオレフィンを主成分として含む多孔性樹脂層を含んでいる。具体的には、多孔性樹脂層は、多孔性樹脂層の総重量１００重量％に対して、５０重量％以上、好ましくは７０重量％以上、より好ましくは９０重量％以上のポリオレフィンを含んでおり、多孔性樹脂層の総重量１００重量％に対して１００重量％のポリオレフィンを含んでいてもよい。多孔性樹脂層は、単層であってもよいし、又は二種以上の層であってもよい。ポリオレフィンとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等が挙げられる。
　セパレータ３００の厚さ（第３方向Ｚ）は、適宜決定することができ、例えば、８．０μｍ以上４５．０μｍ以下にすることができる。
　図４は、電池が１６層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。図５は、電池が２３層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。図６は、電池が３１層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。図７は、電池が４２層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。図８は、電池が５０層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。図９は、電池が５４層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量と、電池の出力と、の関係の一例を示すグラフである。
　図４～図９において、グラフの横軸は、正極活物質層の長手方向の長さ（単位：ｍｍ）を示している。グラフの左側の縦軸は、電池の容量（単位：Ｗｈ）を示している。グラフの右側の縦軸は、電池の出力（単位：Ｗ）を示している。
　図４～図９において、以下のようにして電池を製造した。
（正極活物質の作製）
　硫酸ニッケル、硫酸コバルト及び硫酸マンガンを溶解した水溶液（１．０ｍｏｌ／Ｌ）にｐＨ１１．０となるように水酸化ナトリウム及びアンモニアを連続的に共有し、共沈法によりニッケルとコバルトとマンガンとのモル比が８０：１０：１０で固溶してなる金属複合水酸化物を作製した。この金属複合酸化物と、水酸化リチウムと、を、Ｌｉ以外の金属（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ）の合計のモル数と、Ｌｉのモル数と、の比が１：１となるように秤量した後、充分混合し、昇温速度５℃／ｍｉｎで昇温し、酸素雰囲気で７００℃、２時間仮焼成した後、昇温速度３℃／ｍｉｎで昇温し、７５０℃で１０時間本焼成し、室温まで冷却して、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物としてＮＭＣ複合酸化物を得た。
（正極板の作製）
　上記のようにして得られた正極活物質を９７重量％と、導電助剤であるカーボンナノチューブ１．２重量％と、バインダー樹脂であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）１．８重量％と、スラリー粘度調整溶媒であるＮ－メチル－２ピロリドン（ＮＭＰ）を適量と、混合して、正極活物質スラリーを作製した。この正極活物質スラリーを正極集電体であるアルミニウム箔の両面に塗布し乾燥させた。その後、プレス処理を行い、正極板を、正極板の両面における正極活物質層の目付量が３２．１ｍｇ／ｃｍ２となるように作製した。
（負極板の作製）
　負極活物質として、黒鉛粉末と、ＳｉＯ粉末と、を用いた。これらの粉末と、バインダー樹脂であるスチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）及びカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、を、黒鉛：ＳｉＯ：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝９４：３：２：１の割合となるように均一に混合し、溶媒であるＮＭＰに添加して負極活物質スラリーを作製した。この負極活物質スラリーを負極集電体である銅箔の両面に塗布し乾燥させた。その後、プレス処理を行い、負極板を、負極板の負極活物質層の目付量が１９．８ｍｇ／ｃｍ２となるように作製した。
（電池の作製）
　上記のように作製した正極板の一部を切り出して正極電極を得た。正極電極としては、図４～図９の各グラフでプロットされているように、正極活物質層の長手方向が異なる１２種類を用意した。これらの正極電極について、正極活物質層の短手方向の長さは、いずれも８８ｍｍとした。また、上記のように作製した負極板の一部を切り出して負極電極を得た。負極電極としては、上述した１２種類の正極電極の各々に対して、負極活物質層の長手方向が正極活物質層の長手方向の１０２％となる１２種類を用意した。これらの負極電極について、負極活物質層の短手方向の長さは、いずれも９０ｍｍとした。セパレータを介して所定の層数の正極電極及び所定の層数の負極電極を交互に積層することで積層体を作製した。図４、図５、図６、図７、図８及び図９において、正極電極の総数は、それぞれ、１６、２３、３１、４２、５０及び５４とした。図４～図９のいずれにおいても、負極電極の総数は正極電極の総数よりも１つだけ多くした。この積層体を外装材であるラミネートフィルムに格納し、電解液を注入することで電池を作製した。
　図４～図９において、電池１０の容量は次のようにして測定した。まず、２５℃で定電流－定電圧（ＣＣ－ＣＶ）の条件下で１／３Ｃから４．２Ｖの充電電圧に充電した。その後、定電流の条件下で、１／３Ｃで２．５Ｖまで放電して容量を測定した。
　図４～図９において、電池１０の出力は次のようにして測定した。まず、２５℃で定電流－定電圧（ＣＣ－ＣＶ）の条件下で１／３Ｃから４．２Ｖの充電電圧に充電した。その後、定電流の条件下で、１Ｃで３０分間放電して、充電深度５０％に調整した。その後、１Ｃで１０秒間放電した。充電深度５０％に調整した後１Ｃで１０秒間放電する直前の電圧をＶ１（単位：Ｖ）とする。１Ｃで１０秒間放電した後の電圧をＶ２（単位：Ｖ）とする。電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差をΔＶ（単位：Ｖ１）とする。この差ΔＶを放電した電流値で除して、直流抵抗ＤＣＲ（単位：Ω）を算出した。(Ｖ１－３．０)／ＤＣＲ＝Ｉとして最大電流値（単位：Ａ）を算出し、この最大電流値Ｉと電圧３．０Ｖの積を出力とした。
　図４～図９から明らかなように、電池の容量は、正極活物質層の長手方向の長さに比例して高くなっている。また、その比例定数は、正極電極の数によらずに一定となっている。
　図４～図９から明らかなように、電池の出力は、正極活物質層の長手方向の長さが４００ｍｍ～６００ｍｍのいずれかにおいて極大値をとるように、正極活物質層の長手方向の長さが約２００ｍｍ～１０００ｍｍの範囲において凹関数となっている。電池の出力の極大値と、電池の出力が極大値をとる正極活物質層の長手方向の長さとは、正極電極の数に依存して変動している。
　図４～図９の各々のグラフにおいて、正極活物質層の長手方向の長さが３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下における電池の出力は、電池の出力の極大値のおおよそ８０％以上となっている。また、正極活物質層の長手方向の長さが３９０ｍｍ以上６４０ｍｍ以下における電池の出力は、電池の出力の極大値のおおよそ９０％以上となっている。したがって、電池の高容量かつ高出力の観点からすると、正極活物質層の長手方向の長さは、３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下、好ましくは３９０ｍｍ以上６４０ｍｍ以下にすることができる。
　図１０は、積層体が１６層、２３層、３１層、４２層、５０層及び５４層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池の容量に対する出力の比と、の関係の一例を示すグラフである。
　図１０において、グラフの横軸は、正極活物質層の長手方向の長さ（単位：ｍｍ）を示している。グラフの縦軸は、電池の容量（単位：Ｗｈ）に対する出力（単位：Ｗ）の比（単位：Ｗ／Ｗｈ）を示している。
　図１０に示すように、正極電極の数が２３以上５４以下であるとき、正極活物質層の長手方向の長さが３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下において、電池の容量に対する出力の比は、おおよそ、３Ｗ／Ｗｈ以上１７Ｗ／Ｗｈ以下となる。電池の容量に対する出力の比が３Ｗ／Ｗｈ未満であるとき、電池の抵抗が高すぎるため、電池を車両用電池として用いる際に負荷特性に追従することができない。電池の抵抗の観点からは、正極電極の数は、２３以上、好ましくは３１以上にすることができる。また、電池の容量に対する出力の比が１７Ｗ／Ｗｈより大きいとき、電池の面積当たりの容量が不足し得る。電池の面積当たりの容量の観点からは、正極電極の数は、５４以下、好ましくは５０以下にすることができる。
　図１１は、積層体が１６層、２３層、３１層、４２層、５０層及び５４層の正極電極を有する場合における、正極活物質層の長手方向の長さと、電池のセル温度上昇と、の関係の一例を示すグラフである。
　図１１において、グラフの横軸は、正極活物質層の長手方向の長さ（単位：ｍｍ）を示している。グラフの縦軸は、電池のセル温度上昇（単位：Ｋ）を示している。
　図１１において、電池のセル温度上昇は次のようにして測定した。まず、２５℃で定電流－定電圧（ＣＣ－ＣＶ）の条件下で１／３Ｃから４．２Ｖの充電電圧に充電した。その後、定電流の条件下で、６Ｃで２．５Ｖまで連続放電した際のセル最大温度を測定した。このセル最大温度と、充電後かつ連続放電前のセル温度と、の差をセル温度上昇とした。
　図１１に示すように、正極電極の数が２３以上５４以下であるとき、正極活物質層の長手方向の長さが３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下において、電池のセル温度上昇は、約２３０Ｋ以下となる。セル温度上昇が２３０Ｋを超えると、電池の発火リスクが急激に上昇する。電池の発火リスクを低減する観点からすると、正極電極１００の数は２３以上、好ましくは３１以上にすることができる。
　以上、図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　この出願は、２０２１年２月１０日に出願された日本出願特願２０２１－０１９６２７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１０　電池
２０　積層体
１００　正極電極
１１０　正極集電体
１２２　第１正極活物質層
１２４　第２正極活物質層
１３０　正極リード
２００　負極電極
２１０　負極集電体
２２２　第１負極活物質層
２２４　第２負極活物質層
２３０　負極リード
３００　セパレータ
３１０　基材
４００　外装材
Ｘ　第１方向
Ｙ　第２方向
Ｚ　第３方向

Claims (8)

  1. 　正極電極を備え、
    　前記正極電極は、一般式ＬｉｘＮｉｙＣｏｚＭ１－ｙ－ｚＯ２（０．８０≦ｙ≦０．９３、Ｍは、Ｍｎ及びＡｌのうちの少なくとも１つの元素を含む金属元素である。）によって示される正極活物質を含む正極活物質層を有し、
    　前記正極活物質層の長手方向の長さが３００ｍｍ以上７４０ｍｍ以下である、電池。
  2. 　請求項１に記載の電池において、
    　１６枚以上５４枚以下の前記正極電極を備える、電池。
  3. 　請求項１又は２に記載の電池において、
    　２３枚以上５４枚以下の前記正極電極を備える、電池。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の電池において、
    　前記正極活物質層の短手方向の長さが７０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下である、電池。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の電池において、
    　前記正極活物質層は、前記一般式で示される層状結晶構造を有するリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を含む、電池。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載の電池において、
    　前記正極活物質層は、前記正極活物質層の総重量１００重量％に対して、９０重量％以上の前記正極活物質を含む、電池。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載の電池において、
    　前記正極活物質層の目付量が２５ｍｇ／ｃｍ２以上５０ｍｇ／ｃｍ２以下である、電池。
  8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載の電池において、
    　複数の前記正極電極と、複数の負極電極とが交互に積層されている、電池。
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