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JP3544142B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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JP3544142B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯用電子機器、電気自動車、家庭用電力貯蔵などに用いられるリチウムイオン二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、また大気汚染や地球温暖化に対処するための電気自動車および電力貯蔵システムのキーエレメントとして、高性能二次電池の需要が近年著しく高まっている。二次電池の高容量化技術の進歩はめざましく、特に従来のニカドに代わるニッケル水素電池の容量は年毎に増大している。
【0003】
一方、水溶液電解質を用いたこれらの二次電池とは異なり、非水系電解質を用い高起電力を特徴とするリチウムイオン二次電池の開発も急速に進められている。
【0004】
リチウムイオン二次電池は、単位重量あたりの容量において原理的には従来の二次電池をはるかに凌駕している。しかし非水系電解質の伝導度が低いこと、起電力が高いため電解質の分解が起こりやすいことなどのため、その潜在能力が十分生かされておらず、さらなる容量の向上が求められている。
【0005】
さらに、充放電を繰り返すことによって電極内部で非水電解液の液枯れ現象が生じ、充放電サイクルを繰り返した際に生じる容量劣化が生じる点も問題となっていた。
【0006】
上記のリチウムイオン二次電池の容量の増加、及びサイクル寿命の長期化の大きな2つの課題について更に詳細に述べる。
【0007】
まず、リチウムイオン二次電池の容量の拡大について考察する。
【0008】
リチウムイオン二次電池の場合、エネルギー容量を増大させることを目的として厚い電極を用いた場合、ニッケル水素電池の場合と異なり、常用電流密度域に於いては、厚みと電流密度は比例しない。そのため、電池高容量化のためには、電極内の実効的な拡散係数を増大させることが必要である。
【0009】
従来のリチウムイオン二次電池の多くは、イオン拡散係数が大きな異方性を示す層状酸化物を活物質とする正極と、同様にイオン拡散係数が大きな異方性を示す炭素系化合物を活物質とする負極で構成されている。実用電極ではこれら活物質の粉末粒子(活物質グレイン)が導電助剤、バインダーポリマーと伴に支持導体上に塗布されている。電極内のリチウムイオンは活物質グレイン内および活物質グレイン間を移動することによって拡散する。すなわち電極内の実効イオン拡散係数は、物質定数である活物質グレイン内のイオン拡散係数だけでなく電極の形成法に依存する活物質グレイン間のイオン拡散によってもその値が影響されるため、活物質グレイン間のイオン拡散を改善し、実効イオン拡散係数の改善をする必要があるがその点について十分な改善がなされた電池は実現されていない。
【0010】
次にリチウムイオン二次電池のサイクル寿命の長期化について考察する。
【0011】
リチウムイオン二次電池においても、他の二次電池と同様に、充放電を繰り返すと容量は劣化していく。この主な原因は、充放電を繰り返すと、電極が膨張、収縮を繰り返すために、電極内部での非水電解液の分布に偏りを生じることである。これは液枯れ現象として知られており、一端液枯れを引き起こしたリチウムイオン二次電池は、容量が急激に劣化するため、液枯れ現象を生じさせない電池が求められるが未だ実現されていない。
【0012】
一方、リチウムイオン二次電池の安全性の問題も重要視されている。リチウムイオン二次電池は、起電力が高い、非水電解液の溶媒として引火性のある有機系溶媒を使用するため水溶液電解質を用いた電池よりも、強い振動や衝突による外部からの衝撃に耐え、引火等が生じにくくして安全性を高める必要がある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、容量が高く、かつ充放電サイクルを繰り返した際に容量劣化の少ない高容量リチウムイオン二次電池の提供を目的とする。
【0014】
また、本発明は外部からの衝撃に耐え、引火等が生じにくくした安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する材料を備える負極と、前記正極及び前記負極の間に位置するセパレータとから構成される電極群と;非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液と;前記電極群及び前記非水電解液を収納する内容器と;前記内容器を収納する外容器と;外容器から内容器に非水電解液を供給する手段を少なくとも備え、前記内容器と前記電極群との間に、前記セパレータに比較して多孔質で保液性の高い材料を挿入することを特徴とするリチウムイオン二次電池である。
【0017】
の発明は、正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する材料を備える負極と、前記正極及び前記負極の間に位置するセパレータとから構成される電極群と;非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液と;前記電極群及び前記非水電解液を収納する内容器と;前記内容器を収納する外容器と;内容器と外容器との間に挿入された衝撃吸収材とを備えること特徴とするリチウムイオン二次電池である。
【0018】
従来の技術でも述べた如く、電池容量を増大させるためには、電極を構成する活物質グレイン間のイオン拡散を改善することが必要となる。さらに活物質グレイン間のイオン拡散を改善する第一のキーポイントは電極内にしみこんだ非水電解液によって活物質グレインが覆われていることである。
【0019】
一般に微粒子表面に生じる結晶構造の乱れなどにより固相界面でのイオン拡散速度が減速されるため活物質グレイン内拡散係数に比べて実効イオン拡散係数は著しく低下してしまう。
【0020】
図1に電極内のリチウムイオン拡散を示す模式図を示す。図1に示されるように示されるように活物質グレイン表面が非水電解液によって覆われ、液相を介したイオン拡散が生じると実効イオン拡散係数は大幅に改善され、ひいては電池容量を大きくすることができる。
【0021】
また、電池のサイクル寿命を延ばすためには、非水電解液の液枯れを防止する必要がある。
【0022】
第1発明の如くの二重容器構造を用いれば、沸点が高く粘性の大きい有機溶媒を非水電解液の溶媒として用いても、電極に非水電解液を十分浸潤させることが可能になり、活物質グレイン表面が非水電解液によって覆われ、液相を介したイオン拡散が生じると実効イオン拡散係数は大幅に改善され、ひいては電池容量を大きくすることができる。
【0023】
さらには、外容器より内容器内の電極群に非水電解液が自然に補充されるために、液枯れ防止も可能になるため、サイクル寿命も高くなる。
【0024】
特に、電気自動車への応用が期待されている大型リチウムイオン二次電池に於いては、通常のパソコン常用域よりはるかに広範囲の電流領域でリチウムイオン二次電池が利用されるため、非水電解液の液枯れによる容量の劣化が著しいと考えられる。よって、第1発明の電池を用いれば、液枯れが防止され、サイクル寿命特性を改善でき、非常に有用である。
【0025】
また、第1発明によれば、沸点が高く粘性の大きい有機溶媒を非水電解液の溶媒として用いても電極に非水電解液を十分浸潤させることができるため、上述の如く容量の向上やサイクル寿命特性の向上とともに、非水電解液の気化が生じにくいことから、過充電や内部短絡等の時にも非水電解液の気化が生じにくく、電池内圧の上昇が抑えられ、電池の安全性の向上をも達成することができる。
【0026】
また、第1発明のリチウムイオン電池の製造方法によれば、リチウムイオン二次電池の放電容量を上げるだけでなく、充放電を繰り返すことによってしばしば生じる非水電解液の液枯れ現象などによる放電容量の劣化を防止することが可能になる。
【0027】
すなわち、電極群及び非水電解液を容器に密封した後に充放電を繰り返すと、電極内部での電解液の分布に偏りを生じてくる。これは電極が充放電により膨張収縮を繰り返すためである。そこで電極群及び非水電解液を容器に密封する前に電解液を浸漬した容器内部で電極群に充放電を行うことにより電極群内部に十分電解液を浸潤させてその後密封することにより、電池容量を向上させるだけでなく、密封後の充放電時に起こる液枯れを防止することが可能となり、サイクル寿命特性を向上させることができる。
【0028】
また、第1発明のリチウムイオン電池の製造方法によれば、沸点が高く粘性の大きい有機溶媒を非水電解液の溶媒として用いても電極に非水電解液を十分浸潤させることができるため、上述の如く容量の向上やサイクル寿命特性の向上とともに、非水電解液の気化が生じにくいことから、過充電や内部短絡等の時にも非水電解液の気化が生じにくく、電池内圧の上昇が抑えられ、電池の安全性の向上をも達成することができる。
【0029】
また、電気自動車に等にリチウムイオン二次電池を利用した場合、最も問題となるのが安全性である。第発明によれば、内容器と外容器の間に、衝撃吸収材が挿入されているため、強い振動や衝突時に於ける電池容器の押しつぶしが生じても、内容器内部の電極群を保護することが可能であり、発火を防止することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
まず、第1発明のリチウムイオン二次電池について説明する。
【0031】
図2に第1発明のリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す概略図を示す。
【0032】
図2(a)に示すように、内容器2中に正極、負極及びセパレータからなる電極群3が収納されている。電極群3は正極と負極と、正極及び負極の間に位置するセパレータが積層され、さらにコイル状になっていることが望ましい。内容器2には電極端子も兼ねる蓋1がされている。内容器2には底がついていない。
【0033】
内容器2は、通常の金属缶の他、樹脂で作られた缶を用いることも可能である。樹脂で作られた缶を用いることにより、電池全体の軽量化や非水電解液による腐食防止、酸化防止が可能になる。
【0034】
また、図2(b)に示すように外容器4は底を有している。外容器4は、通常の金属缶の他、樹脂で作られた缶を用いることも可能である。樹脂で作られた缶を用いることにより、電池全体の軽量化や非水電解液による腐食防止、酸化防止が可能になる。
【0035】
第1の発明のリチウムイオン二次電池は、図2(c)に示すように上記電極群が収納された内容器2が外容器4に収納されてなる。内容器2及び外容器4には非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液が充填されている。内容器2には底がついていないため、外容器4から内容器2に非水電解液を供給可能なように導通路5が形成されて外容器の非水電解液が容易に内容器2に侵入できる構造となっている。なお、内容器2には孔を設けた底が設けられていても良い。
【0036】
なお、内容器と外容器の間に、非水電解液が充填されていることにより、電解液の補充と同時に、衝撃吸収材として作用し、強い振動や衝突時に於ける電池容器の押しつぶしが生じても、内容器内部の電極群を保護することが可能であり、発火を防止することができる。
【0037】
第1発明のリチウムイオン二次電池はその製造に際し、予め内容器2内の正極、負極およびセパレータからなる電極群に十分非水電解液を浸潤させた後、内容器2を外容器4に挿入し、さらに非水電解液を注入して外容器を密閉することが望ましい。
【0038】
第1発明のリチウムイオン二次電池において、液枯れ現象の防止を徹底するためには、電極群と内容器の間にセパレータよりもより多孔質の保液性の高い層を挿入する方法、セル容器に非水電解液を再注入するための機構を設けるなどの方法が望ましい。
【0039】
次に第発明のリチウムイオン二次電池を製造する方法について説明する。
【0040】
上記製造方法の発明の如く、電極群と非水電解液を容器に密閉する前に、非水電解液を入れた容器内に電極群を一定時間収納し、充放電を繰り返した後電極群と非水電解液を容器に密閉する。充電条件としては4.2Vと3V間で充放電を繰り返すことが望ましい。
【0041】
さらに容器全体を加熱することにより粘性の下がった非水電解液に電池セルを収納すれば、浸潤に必要な時間を短縮することが可能になり、より効果的である。
【0042】
上記リチウムイオン二次電池の製造方法に於いて、第1発明の如くの二重容器構造を用いれば、この製造工程を容易にすることが可能になり、さらに有効である。
【0043】
次に第3発明のリチウムイオン二次電池について説明する。
【0044】
図3に第発明のリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す概略図を示す。
【0045】
図3(a)に示すように、内容器2中に正極、負極及びセパレータからなる電極群3が収納されている。電極群3は正極と負極と、正極及び負極の間に位置するセパレータが積層され、さらにコイル状になっていることが望ましい。内容器2は、通常の金属缶の他、樹脂で作られた缶を用いることも可能である。樹脂で作られた缶を用いることにより、電池全体の軽量化や非水電解液による腐食防止、酸化防止が可能になる。
【0046】
また、図3(b)に示すように外容器4は底を有している。外容器4は、通常の金属缶の他、樹脂で作られた缶を用いることも可能である。樹脂で作られた缶を用いることにより、電池全体の軽量化や非水電解液による腐食防止、酸化防止が可能になる。
【0047】
発明のリチウムイオン二次電池は、図3(c)に示すように上記電極群が収納された内容器2が外容器4に収納されてなる。内容器2及び外容器4には衝撃吸収材が充填されている。衝撃吸収材としては、SBR(スチレンブタジエンラバン)の様なゴム状物質をクッション材として用いる方法、内容器と外容器の間にスプリングを入れる方法及びゲル状物質を用いる方法などが考えられる。又、非水電解液を内容器と外容器の間に満たせば、非水電解液の補充を行えるだけでなく、内部を保護することも可能になる。
【0048】
さらには、衝撃吸収材は難燃性あるいは消火作用を示す物質であることが望ましい。前記物質としては一般に広く用いられているABC消火器用の粉末消火材などが挙げられる。
【0049】
図4に第発明のリチウムイオン二次電池の別の構成例を示す。図4はリチウムイオン二次電池を複数個のリチウムイオン二次電池を一つのパックに入れ、バッテリーパックとした構成の一例を示す概略図である。
【0050】
図4において、1つのリチウムイオン二次電池は、内容器32中に正極、負極及びセパレータからなる電極群33が収納されてなる。電極群33は正極と負極と、正極及び負極の間に位置するセパレータが積層され、さらにコイル状になっていることが望ましい。内容器32には電極端子も兼ねる蓋31がされている。さらに前記電極群が収納された内容器32は外容器34に収納されている。内容器と外容器の間には衝撃吸収材が挿入されていても良いし、第1の発明の如く電解液が充填され内容器と外容器間に導通路が設けられていても良い。それにより電池容量の向上及びサイクル寿命特性の向上を図ることができる。
【0051】
このようなリチウムイオン二次電池を直列に接続し、容器35内に入れ、容器35とリチウムイオン二次電池の間に衝撃吸収材を充填し、さらには、冷却材、消火材などを充填すれば、バッテリーパックとして用いた際も安全上有用になる。
【0052】
図5に第発明のリチウムイオン二次電池の別の構成例を示す概略図を示す。図5はリチウムイオン二次電池を複数個のリチウムイオン二次電池を一つのパックに入れ、バッテリーパックとした構成の一例を示す概略図である。図5において、1つのリチウムイオン二次電池は、内容器42中に正極、負極及びセパレータからなる電極群43が収納されてなる。電極群43は正極と負極と、正極及び負極の間に位置するセパレータが積層され、さらにコイル状になっていることが望ましい。このような内容器42を並列に接続し、それが外容器44に収納されている。このとき、衝撃吸収材を内容器42と外容器44間に充填しておく。外容器と内容器の間に非水電解液を満たし、衝撃吸収材と補充用電解液の貯蔵を兼ねても良い。それにより電池容量の向上及びサイクル寿命特性の向上を図ることができる。
【0053】
なお、第1から第発明のリチウムイオン二次電池において、正極の正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有コバルト化合物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。中でも、リチウム含有コバルト酸化物(例えば、LiCoO)、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.2)、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4、LiMnO2)を用いると、高電圧が得られるために好ましい。正極は正極活物質の他に導電剤、結着剤等を含んでいても良い。正極は正極活物質、導電剤、結着剤を含むスラリーを正極集電体に塗布、乾燥することにより得る事ができる。
【0054】
第1から第発明のリチウムイオン二次電池において、負極の負極材料としてはリチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物が挙げられる。炭素質物としては、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料、熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体など(特に、メソフェーズピッチ系炭素繊維が好ましい)に500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料等を挙げることができる。中でも、熱処理の温度を2000℃以上にすることにより得られ、(002)面の面間隔d002 が0.340nm以下である黒鉛結晶を有する黒鉛質材料を用いるのが好ましい。このような黒鉛質材料を炭素質物として含む負極を備えた非水電解液二次電池は、電池容量および大電流特性を大幅に向上することができる。面間隔d002は、0.336nm以下であることが更に好ましい。
【0055】
また、前記炭素質物としては特に2000℃以上で熱処理されたメソフェーズピッチ系炭素繊維が好ましい。これを用いると電極密度を1.3g/cm以上の高密度にしても負極とセパレータ間の界面インピーダンスが小さいため、大電流放電特性、急速充放電サイクル性能に優れる。
【0056】
負極材料としては、前述したリチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物の他に、金属酸化物か、金属硫化物か、もしくは金属窒化物を含むものや、リチウム金属またはリチウム合金からなるものを用いることができる。
【0057】
金属酸化物としては、例えば、スズ酸化物、ケイ素酸化物、リチウムチタン酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物等を挙げることができる。
【0058】
金属硫化物としては、例えば、スズ硫化物、チタン硫化物等を挙げることができる。
【0059】
金属窒化物としては、例えば、リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。
【0060】
リチウム合金としては、例えば、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。
【0061】
負極は負極材料の他に導電剤、結着剤等を含んでいても良い。負極は負極活物質、導電剤、結着剤を含むスラリーを負極集電体に塗布、乾燥することにより得る事ができる。
【0062】
第1から第3発明のリチウムイオン二次電池において、セパレータは多孔質セパレータを用いることが望ましい。セパレータの材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を用いることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、または両者からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため、好ましい。
【0063】
第1から第3発明のリチウムイオン二次電池において非水電解液は非水溶媒にリチウム塩を溶解することにより調製される。
【0064】
非水溶媒としては、リチウムイオン二次電池の溶媒として公知の非水溶媒を用いることができ、特に限定はされないが、プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)とPCやECより低粘度である非水溶媒(以下第2溶媒と称す)との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。
【0065】
第2溶媒としては、例えば鎖状カーボンが好ましく、中でもジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン(BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレンまたは、酢酸メチル(MA)などが挙げられる。これらの第2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。
【0066】
第2溶媒の粘度は、25℃において28mp以下であることが好ましい。混合溶媒中のエチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートの配合量は、体積比率で10〜80%であることが好ましい。より好ましいエチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートの配合量は体積比率で20〜75%である。
【0067】
非水電解液に含まれる電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、ホウフッ化リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]などのリチウム塩(電解質)が挙げられる。中でもLiPF、LiBFを用いるのが好ましい。
【0068】
電解質の非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.0モル/1とすることが望ましい。
【0069】
【実施例】
(実施例1)
<LiCoO粒子の作製>
Co2O3をLiOHと混合し酸素気流中で850(C、8時間加熱し、平均粒径3(mのLiCoO粉末を作製し、このLiCoO粉末を粉砕することによりLiCoO粒子を作製した。
<正極の作製>
集電体として厚さ20μmのAlフォイルを用い、上記LiCoO活物質に、導電助剤として平均粒径30nmのアセチレンブラックを5重量%、バインダーポリマーとしてポリフッ化ビニリデンを5重量%加えた。N−メチルピロリドンを溶媒に用いてスラリーを作製し集電体上に片面塗布後乾燥した。ローラーによるプレス(250kg/cm)後の正極の厚さは集電体を除いて100μmとなるようにした。
<窒素置換グラファイトの作製>
表面近傍の炭素原子の一部を窒素で置換したグラファイトの作製は、市販のCVD装置を利用して行った。まずニッケル金属容器に粒径が約15μmのグラファイト粉末を入れ、CVD反応器内にセットした。容器を真空中で850(Cに加熱した後、アルゴンをキャリアーガスに用いて分圧5mTorrのアセトニトリルを5分間流し、粒子表面近傍の数nmの厚さにわたって炭素原子の約三割を窒素原子で置換した。
<負極の作製>
集電体として厚さ12μmのCuフォイルを用いた。正極1と同様に上記負極活物質に導電助剤として平均粒径30nmのアセチレンブラックを5重量%、バインダーポリマーとしてポリフッ化ビニリデンを3重量%加えた。N−メチルピロリドンを溶媒に用いてスラリーを作製し集電体上に片面塗工後乾燥した。ローラーによるプレス(300Kg/cm)後の負極の厚さは集電体を除いて100(mとなるようにした。
<非水電解液の浸潤と二次電池の構成>
まず、平均直径0.1ミクロンの孔を持つ厚さ25μmの多孔質のポリエチレンセパレータと上記正極、負極で構成されるコイルを、図2に示したアルミニウム製の内容器内にセットし、リード端子を取り付けた。非水電解液は六フッ化リン酸リチウム塩(LiPF)をエチレンカーボネイト/ジメチルカーボネイト混合溶媒に1モル/リットルの濃度に溶解して得た。電極端子を取り付けたステンレス容器内に上記内容器をセットし乾燥した後アルゴンドライボックス内に導入した。容器内を真空引きの後、上記非水電解液を注入し、容器を密封した。続いてこの容器を50(Cに加熱し非水電解液を正負電極に浸潤させた。
【0070】
容器を室温に戻した後容器の電極端子を用いて、さらに充放電サイクルを行った。後者の操作は充放電により生じた微小なクラックに非水電解液を浸潤させるためのもので、電池の液枯れ現象防止に有効である。つづいて、十分に非水電解液を浸潤させた内容器を容器から取り出し、ステンレス製の外容器に挿入した。外容器にさらに非水電解液を満たした後封止して二次電池を完成させた。
<充放電特性>
上記の方法で得られた電池は、電極の単位面積当たり5mA/cmの電流密度で電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電を行い、その後4.2Vで電流値が初期の1/20になるまで定電圧で充電を行った。その後電流の向きを反転し、電池電圧が3Vになるまで放電を行った。この充放電を行わせたところ市販の18650型電池に換算して、1400mAh以上の高容量であった。さらに充放電の繰り返し特性を調べるために、上記の条件の下でこれら二次電池の充放電を100回繰り返した後の容量を測定したところ、容量低下は3%以内であった。さらに、500回充放電を繰り返しても、容量低下は、15%以内に抑えることが可能であることが分かった。
<化学的安定性>
電極活物質と非水電解液との反応を確かめる目的で充放電を100回繰り返した電池の電解質中に含まれる二酸化炭素の濃度を測定したところ、上記のいずれの電池についてもその濃度は、10ppm以下であり、電極活物質と電解質とはほとんど反応していないことが分かった。
(比較例1)
実施例1と同様にして形成された電極および実施例1と同じ非水電解液を用いて、通常の方法で電池を形成した。すなわち正極、負極およびセパレーターからなるコイルをステンレス製の電池容器内に収納した後、アルゴンドライボックス中で電解質を常温で注入し封止した。この電池の初期容量は18650型換算で、5mA/cmの電流密度に於いては1350mAhであった。しかしながら充放電サイクルとともに容量が低下し、充放電を100回繰り返した後の容量は8%低下した。さらに、500回充放電を行ったところ、容量低下が25%近くになった。電池を分解して調べたところ、電解質の分布にむらが見られ、液枯れ現象が発生したことが分かった。このことにより、本発明を用いたリチウムイオン二次電池は、初期状態に於ける容量の高容量化するだけでなく、充放電を繰り返すことによる容量低下も小さくすることができることが分かった。
(実施例2)
実施例1と同様に正極、負極を作成し、構成したコイルを内容器にセットし、リード線を取り付けた。電極端子を取り付けたステンレス容器内に上記内容器をセットし乾燥した後アルゴンドライボックス内に導入した。容器内を真空引きの後、非水電解液を注入し、容器を密封した。続いてこの容器を80(Cに加熱し非水電解液を正負電極に浸潤させた。容器を室温に戻した後容器の電極端子を用いて、さらに充放電サイクルを行った。続いて、十分に非水電解液を浸潤させた内容器を取り出し、ステンレス製の外容器に挿入した。この時外容器に非水電解液を注入する機構を取り付けた。外容器にさらに非水電解液を満たした後、封止して二次電池を完成させた。非水電解液には、実施例1と同様、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)をエチレンカーボネイト/ジメチルカーボネイト混合溶媒に1モル/リットルの濃度に溶解したものを用いた。実施例1と同様初期の放電容量を調べたところ、18650型電池に換算して、1400mAhの高容量であった。500回充放電を繰り返すと、容量は1200mAh(14.3%)まで低下していた。そこで、外容器に設けられた非水電解液注入機構より非水電解液を注入した。その後10回程度充放電を繰り返した後に、容量を調べると、1350mAhまで容量が回復していることが分かった。さらに100回充放電を繰り返すと、容量は1280mAh程度まで低下した。充放電を繰り返すと容量が低下するのは電極内部で非水電解液の液枯れが起きるためであることが立証され、さらに非水電解液を外部から補給することにより、容量を回復することができることが分かった。
(実施例3)
実施例1と同様の正極及び負極を作成した後、平均直径0.1ミクロンの孔を持つ厚さ25μmの多孔質のポリエチレンセパレータを用い、コイルを作成した。この時、さらにコイルと内容器の間には電解質保持用に、平均直径3ミクロンの孔を持つポリエチレンシートをコイルに巻き付けた。この様にして作成したコイルをアルミニウム性の内容器にセットし、リード端子を取り付けた。電極端子を取り付けたステンレス容器内に上記内容器をセットし乾燥した後アルゴンドライボックス内に導入した。容器内を真空引きの後、非水電解液を注入し、容器を密封した。続いてこの容器を80(Cに加熱し非水電解液を正負電極に浸潤させた。容器を室温に戻した後容器の電極端子を用いて、さらに充放電サイクルを行った。続いて、十分に非水電解液を浸潤させた内容器を容器から取り出し、ステンレス製の外容器に挿入した。外容器をさらに非水電解液を満たした後封止して二次電池を完成させた。非水電解液には、実施例1と同様、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)をエチレンカーボネイト/ジメチルカーボネイト混合溶媒に1モル/リットルの濃度に溶解したものを用いた。この様にして作成した電池の初期の放電容量を調べたところ、1400mAhの高容量であった。次に、100回充放電を繰りかえしたところ、容量は1350mAh(3.57%)に低下した。さらに、500回充放電を行ったところ、容量は1250mAh(10.7%)まで低下することが分かった。このことにより、実施例1の場合より、さらに容量低下を小さくすることが可能になることが分かった。
(実施例4)
実施例1と同様の正極及び負極を作成した後、平均直径0.1ミクロンの孔を持つ厚さ25μmの多孔質のポリエチレンセパレータを用い、コイルを作成した。この時、さらにコイルと内容器の間に多孔質のSBRシート厚さ1mmのものを巻き付けた。この様にして作成したコイルをアルミニウム性の内容器にセットし、リード端子を取り付けた。電極端子を取り付けたステンレス容器内に上記内容器をセットし乾燥した後アルゴンドライボックス内に導入した。容器内を真空引きの後、非水電解液を注入し、容器を密封した。続いてこの容器を80(Cに加熱し非水電解液を正負電極に浸潤させた。容器を室温に戻した後容器の電極端子を用いて、さらに充放電サイクルを行った。続いて、十分に非水電解液を浸潤させた内容器を容器から取り出し、ステンレス製の外容器に挿入した。外容器をさらに非水電解液を満たした後封止して二次電池を完成させた。非水電解液には、実施例1と同様、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)をエチレンカーボネイト/ジメチルカーボネイト混合溶媒に1モル/リットルの濃度に溶解したものを用いた。できた電池の放電容量は1250mAhであり、多孔質のSBRシートを用いたために、実施例3と同程度の放電容量が得られた。さらに、この電池について落下試験(高さ1.9mの所から10回落下)を行ったところ、SBRシートを巻かない電池では3/10の確率で内部短絡が発生したが、SBRシートを巻いた電池はすべて内部短絡が起きなかった。このことにより耐衝撃性が良くなかったことが確認された。
【0071】
【発明の効果】
本発明によれば、容量が高く、かつ充放電サイクルを繰り返した際に容量劣化の少ない高容量リチウムイオン二次電池を得ることができる。
【0072】
また、本発明によれば安全性の高いリチウムイオン二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電極内のリチウムイオン拡散を示す模式図。
【図2】第1発明のリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す概略図。
【図3】第発明のリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す略図。
【図4】第発明のリチウムイオン二次電池の別の構成例を示す略図。
【図5】第発明のリチウムイオン二次電池の別の構成例を示す略図。
【符号の説明】
1…蓋
2…内容器
3…電極群
4…外容器
31…蓋
32…内容器
33…電極群
34…外容器
35…容器
42…内容器
43…電極群
44…外容器。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium ion secondary battery used for portable electronic devices, electric vehicles, home power storage and the like. For batteries Related.
[0002]
[Prior art]
In recent years, demand for high-performance secondary batteries has been remarkably increased as a power source for portable electronic devices that support the information-oriented society, and as a key element of electric vehicles and power storage systems to cope with air pollution and global warming. The technology for increasing the capacity of secondary batteries has been remarkable, and the capacity of nickel-metal hydride batteries, which replace conventional NiCad batteries, is increasing every year.
[0003]
On the other hand, unlike these secondary batteries using an aqueous electrolyte, development of a lithium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte and featuring a high electromotive force is also rapidly progressing.
[0004]
Lithium-ion secondary batteries in principle far exceed conventional secondary batteries in capacity per unit weight. However, the non-aqueous electrolyte has a low conductivity, and the electromotive force is high, so that the electrolyte is likely to be decomposed. Therefore, the potential of the non-aqueous electrolyte is not sufficiently utilized, and a further improvement in capacity is required.
[0005]
Further, there has been a problem that the repetition of charge / discharge causes the non-aqueous electrolyte solution to dry out inside the electrode, resulting in capacity deterioration occurring when charge / discharge cycles are repeated.
[0006]
The two major problems of increasing the capacity of the lithium ion secondary battery and extending the cycle life will be described in more detail.
[0007]
First, the expansion of the capacity of the lithium ion secondary battery will be considered.
[0008]
In the case of a lithium ion secondary battery, when a thick electrode is used for the purpose of increasing the energy capacity, the thickness and the current density are not proportional in the normal current density region, unlike the case of the nickel hydride battery. Therefore, it is necessary to increase the effective diffusion coefficient in the electrode in order to increase the battery capacity.
[0009]
Many conventional lithium ion secondary batteries use a positive electrode that uses a layered oxide having a large anisotropic ion diffusion coefficient as an active material, and a carbon-based compound that also has a large anisotropic ion diffusion coefficient as an active material. And a negative electrode. In a practical electrode, powder particles (active material grains) of these active materials are applied on a supporting conductor together with a conductive aid and a binder polymer. Lithium ions in the electrode diffuse by moving in and between the active material grains. That is, the effective ion diffusion coefficient in the electrode is affected not only by the ion diffusion coefficient in the active material grains, which is a material constant, but also by the ion diffusion between the active material grains, which depends on the electrode formation method. It is necessary to improve the ion diffusion between the material grains and to improve the effective ion diffusion coefficient. However, a battery with sufficient improvement in this respect has not been realized.
[0010]
Next, the prolongation of the cycle life of the lithium ion secondary battery will be considered.
[0011]
Similarly to other secondary batteries, the capacity of a lithium ion secondary battery deteriorates when charging and discharging are repeated. The main cause of this is that when charge and discharge are repeated, the electrode repeatedly expands and contracts, causing a non-aqueous electrolyte to be unevenly distributed inside the electrode. This is known as the liquid withdrawal phenomenon, and since the capacity of the lithium ion secondary battery that has caused liquid withdrawal is rapidly deteriorated, a battery that does not cause the liquid withdrawal phenomenon is required but has not been realized yet.
[0012]
On the other hand, safety issues of lithium ion secondary batteries are also regarded as important. Lithium ion secondary batteries have higher electromotive force and use a flammable organic solvent as the solvent for the non-aqueous electrolyte, so they are more resistant to external vibrations and collisions than batteries using aqueous electrolytes. It is necessary to increase the safety by preventing the occurrence of ignition or the like.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a high-capacity lithium-ion secondary battery having a high capacity and having little capacity deterioration when charge / discharge cycles are repeated.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a highly safe lithium-ion secondary battery that withstands external impact and is less likely to cause ignition or the like.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided an electrode group including a positive electrode, a negative electrode including a material that absorbs and releases lithium ions, and a separator located between the positive electrode and the negative electrode; and dissolving a lithium salt in a nonaqueous solvent. A non-aqueous electrolyte solution; an inner container for storing the electrode group and the non-aqueous electrolyte solution; an outer container for storing the inner container; and a means for supplying the non-aqueous electrolyte solution from the outer container to the inner container. At least prepared Between the inner container and the electrode group, a material having a high porosity and high liquid retention compared to the separator is inserted. A lithium ion secondary battery characterized in that:
[0017]
No. 2 The present invention provides an electrode group comprising a positive electrode, a negative electrode provided with a material that absorbs and releases lithium ions, and a separator located between the positive electrode and the negative electrode; and dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent. A non-aqueous electrolyte solution; an inner container for storing the electrode group and the non-aqueous electrolyte solution; an outer container for storing the inner container; and a shock absorbing material inserted between the inner container and the outer container. It is a lithium ion secondary battery provided with.
[0018]
As described in the related art, in order to increase the battery capacity, it is necessary to improve the ion diffusion between the active material grains constituting the electrode. Further, the first key point for improving the ion diffusion between the active material grains is that the active material grains are covered with a non-aqueous electrolyte that has permeated into the electrode.
[0019]
In general, the ion diffusion rate at the solid phase interface is reduced due to the disorder of the crystal structure generated on the surface of the fine particles, so that the effective ion diffusion coefficient is significantly lower than the diffusion coefficient in the active material grains.
[0020]
FIG. 1 is a schematic diagram showing lithium ion diffusion in the electrode. As shown in FIG. 1, when the surface of the active material grains is covered with a non-aqueous electrolyte and ion diffusion through the liquid phase occurs, the effective ion diffusion coefficient is greatly improved, thereby increasing the battery capacity. be able to.
[0021]
Further, in order to extend the cycle life of the battery, it is necessary to prevent the non-aqueous electrolyte from withering.
[0022]
If the double container structure as in the first invention is used, even if an organic solvent having a high boiling point and a large viscosity is used as a solvent for the non-aqueous electrolyte, it is possible to sufficiently infiltrate the electrode with the non-aqueous electrolyte, When the active material grain surface is covered with the non-aqueous electrolyte and ion diffusion occurs through the liquid phase, the effective ion diffusion coefficient is greatly improved, and the battery capacity can be increased.
[0023]
Further, since the non-aqueous electrolyte is naturally replenished from the outer container to the electrode group in the inner container, the liquid can be prevented from withering, so that the cycle life is increased.
[0024]
In particular, large lithium-ion rechargeable batteries, which are expected to be applied to electric vehicles, use lithium-ion rechargeable batteries in a much wider range of current than ordinary personal computers. It is considered that the capacity was significantly deteriorated due to the liquid withering. Therefore, the use of the battery of the first aspect of the present invention is very useful because it can prevent liquid withering and can improve cycle life characteristics.
[0025]
Further, according to the first aspect, even when an organic solvent having a high boiling point and a large viscosity is used as a solvent for the non-aqueous electrolyte, the non-aqueous electrolyte can be sufficiently infiltrated into the electrode. As the cycle life characteristics are improved and the non-aqueous electrolyte is less likely to evaporate, the non-aqueous electrolyte is less likely to evaporate even in the event of overcharge or internal short-circuit, etc. Can also be achieved.
[0026]
Also, According to the method for manufacturing a lithium ion battery of the first invention, In addition, it is possible to not only increase the discharge capacity of the lithium ion secondary battery, but also to prevent the deterioration of the discharge capacity due to the withdrawal phenomenon of the non-aqueous electrolyte often caused by repeated charging and discharging.
[0027]
That is, when charging and discharging are repeated after the electrode group and the non-aqueous electrolyte are sealed in a container, the distribution of the electrolyte inside the electrode is biased. This is because the electrodes repeatedly expand and contract due to charge and discharge. Therefore, before the electrode group and the non-aqueous electrolyte are sealed in the container, the electrode group is charged and discharged inside the container in which the electrolyte is immersed, so that the electrolyte is sufficiently infiltrated into the electrode group and the battery is sealed afterwards. In addition to improving the capacity, it is possible to prevent liquid withering occurring at the time of charge and discharge after sealing, and to improve cycle life characteristics.
[0028]
Also, The method for manufacturing a lithium ion battery of the first invention According to this, even if an organic solvent having a high boiling point and a large viscosity is used as the solvent of the non-aqueous electrolyte, the non-aqueous electrolyte can be sufficiently infiltrated into the electrode, and thus the capacity and cycle life characteristics can be improved as described above. Since the non-aqueous electrolyte is unlikely to evaporate, the non-aqueous electrolyte is also unlikely to evaporate even during overcharging or internal short-circuiting, thereby suppressing an increase in battery internal pressure and improving the safety of the battery. be able to.
[0029]
Further, when a lithium ion secondary battery is used in an electric vehicle or the like, safety is the most problematic. No. 2 According to the invention, since the shock absorber is inserted between the inner container and the outer container, it is possible to protect the electrode group inside the inner container even if strong vibration or crushing of the battery container at the time of collision occurs. Is possible, and ignition can be prevented.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the lithium ion secondary battery of the first invention will be described.
[0031]
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the lithium ion secondary battery of the first invention.
[0032]
As shown in FIG. 2A, an inner container 2 houses an electrode group 3 including a positive electrode, a negative electrode, and a separator. It is preferable that the electrode group 3 has a positive electrode, a negative electrode, a separator located between the positive electrode and the negative electrode, and a coil shape. The inner container 2 has a lid 1 also serving as an electrode terminal. The inner container 2 has no bottom.
[0033]
The inner container 2 can be a normal metal can or a can made of resin. By using a can made of resin, it is possible to reduce the weight of the entire battery, to prevent corrosion by a non-aqueous electrolyte, and to prevent oxidation.
[0034]
Further, as shown in FIG. 2B, the outer container 4 has a bottom. The outer container 4 can use a can made of resin in addition to a normal metal can. By using a can made of resin, it is possible to reduce the weight of the entire battery, to prevent corrosion by a non-aqueous electrolyte, and to prevent oxidation.
[0035]
As shown in FIG. 2C, the lithium ion secondary battery of the first invention has an inner container 2 in which the above-mentioned electrode group is stored in an outer container 4. The inner container 2 and the outer container 4 are filled with a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent. Since the inner container 2 does not have a bottom, a conduction path 5 is formed so that the non-aqueous electrolyte can be supplied from the outer container 4 to the inner container 2, and the non-aqueous electrolyte in the outer container can be easily transferred to the inner container 2. It has a structure that can penetrate. The inner container 2 may be provided with a bottom provided with a hole.
[0036]
Since the non-aqueous electrolyte is filled between the inner container and the outer container, it acts as a shock absorber at the same time as replenishment of the electrolyte, causing strong vibration and crushing of the battery container in the event of a collision. Even so, it is possible to protect the electrode group inside the inner container and prevent ignition.
[0037]
In manufacturing the lithium ion secondary battery of the first invention, the nonaqueous electrolyte is sufficiently infiltrated into the electrode group including the positive electrode, the negative electrode, and the separator in the inner container 2 in advance, and then the inner container 2 is inserted into the outer container 4. Further, it is desirable that the outer container is sealed by injecting a non-aqueous electrolyte.
[0038]
In the lithium ion secondary battery of the first invention, in order to thoroughly prevent the liquid withering phenomenon, a method of inserting a more porous liquid retaining layer than the separator between the electrode group and the inner container, A method such as providing a mechanism for re-injecting the non-aqueous electrolyte into the container is desirable.
[0039]
Next 1 Invention lithium ion secondary battery Manufacture The method will be described.
[0040]
Of the above manufacturing method Before sealing the electrode group and the non-aqueous electrolyte in the container, the electrode group is housed in the container containing the non-aqueous electrolyte for a certain period of time, and the electrode group and the non-aqueous electrolyte are repeatedly charged and discharged. Is sealed in a container. As a charging condition, it is desirable to repeat charging and discharging between 4.2V and 3V.
[0041]
Further, if the battery cells are housed in a non-aqueous electrolyte whose viscosity has been reduced by heating the entire container, the time required for infiltration can be reduced, which is more effective.
[0042]
the above In the method of manufacturing a lithium ion secondary battery, if the double container structure as in the first invention is used, this manufacturing process can be facilitated, which is more effective.
[0043]
Next, the lithium ion secondary battery of the third invention will be described.
[0044]
FIG. 2 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a lithium ion secondary battery of the invention.
[0045]
As shown in FIG. 3A, the inner container 2 houses an electrode group 3 including a positive electrode, a negative electrode, and a separator. It is preferable that the electrode group 3 has a positive electrode, a negative electrode, a separator located between the positive electrode and the negative electrode, and a coil shape. The inner container 2 can be a normal metal can or a can made of resin. By using a can made of resin, it is possible to reduce the weight of the entire battery, to prevent corrosion by a non-aqueous electrolyte, and to prevent oxidation.
[0046]
As shown in FIG. 3B, the outer container 4 has a bottom. The outer container 4 can use a can made of resin in addition to a normal metal can. By using a can made of resin, it is possible to reduce the weight of the entire battery, to prevent corrosion by a non-aqueous electrolyte, and to prevent oxidation.
[0047]
No. 2 As shown in FIG. 3 (c), the inner container 2 containing the above-mentioned electrode group is contained in the outer container 4 of the lithium ion secondary battery of the present invention. The inner container 2 and the outer container 4 are filled with a shock absorbing material. Examples of the shock absorbing material include a method using a rubber-like substance such as SBR (styrene butadiene lavane) as a cushion material, a method of inserting a spring between an inner container and an outer container, and a method of using a gel-like substance. If the non-aqueous electrolyte is filled between the inner container and the outer container, not only can the non-aqueous electrolyte be replenished, but also the interior can be protected.
[0048]
Further, it is desirable that the shock absorbing material is a substance exhibiting flame retardancy or fire extinguishing action. Examples of the substance include a powder fire extinguishing material for an ABC fire extinguisher that is generally widely used.
[0049]
FIG. 2 5 shows another configuration example of the lithium ion secondary battery of the invention. FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which a plurality of lithium ion secondary batteries are put in one pack to form a battery pack.
[0050]
In FIG. 4, one lithium ion secondary battery has an inner container 32 in which an electrode group 33 including a positive electrode, a negative electrode, and a separator is housed. It is desirable that the electrode group 33 is formed by laminating a positive electrode and a negative electrode, a separator located between the positive electrode and the negative electrode, and further has a coil shape. The inner container 32 is provided with a lid 31 also serving as an electrode terminal. Further, the inner container 32 in which the electrode group is stored is stored in an outer container 34. An impact absorbing material may be inserted between the inner container and the outer container, or a conductive path may be provided between the inner container and the outer container by filling with an electrolytic solution as in the first invention. Thereby, the battery capacity and the cycle life characteristics can be improved.
[0051]
Such lithium ion secondary batteries are connected in series, placed in a container 35, filled with a shock absorbing material between the container 35 and the lithium ion secondary battery, and further filled with a cooling material, a fire extinguishing material and the like. If it is used as a battery pack, it will be useful for safety.
[0052]
FIG. 2 FIG. 3 is a schematic diagram showing another configuration example of the lithium ion secondary battery of the invention. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which a plurality of lithium ion secondary batteries are put in one pack to form a battery pack. In FIG. 5, one lithium ion secondary battery includes an inner container 42 in which an electrode group 43 including a positive electrode, a negative electrode, and a separator is housed. The electrode group 43 is preferably formed by stacking a positive electrode and a negative electrode, and a separator located between the positive electrode and the negative electrode, and further has a coil shape. Such inner containers 42 are connected in parallel, and are stored in the outer container 44. At this time, the space between the inner container 42 and the outer container 44 is filled with the shock absorbing material. The space between the outer container and the inner container may be filled with a non-aqueous electrolytic solution to serve as both a shock absorber and a replenishing electrolytic solution. Thereby, the battery capacity and the cycle life characteristics can be improved.
[0053]
In addition, the first to the first 2 In the lithium ion secondary battery of the present invention, as the positive electrode active material of the positive electrode, various oxides, for example, manganese dioxide, lithium manganese composite oxide, lithium-containing nickel oxide, lithium-containing cobalt compound, lithium-containing nickel-cobalt oxide, Examples include lithium-containing iron oxides, vanadium oxides containing lithium, and chalcogen compounds such as titanium disulfide and molybdenum disulfide. Among them, lithium-containing cobalt oxides (for example, LiCoO 2 ), Lithium-containing nickel cobalt oxide (eg, LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 ) And lithium manganese composite oxide (eg, LiMn2O4, LiMnO2) are preferable because a high voltage can be obtained. The positive electrode may contain a conductive agent, a binder, and the like in addition to the positive electrode active material. The positive electrode can be obtained by applying a slurry containing a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder to a positive electrode current collector and drying the slurry.
[0054]
1st to 1st 2 In the lithium ion secondary battery of the present invention, examples of the negative electrode material of the negative electrode include carbonaceous materials that occlude and release lithium ions. Examples of the carbonaceous material include graphite materials such as graphite, coke, carbon fiber, and spherical carbon or carbonaceous materials, thermosetting resins, isotropic pitch, mesophase pitch, mesophase pitch-based carbon fiber, mesophase small spheres, and the like (especially, Graphite material or carbonaceous material obtained by subjecting mesophase pitch-based carbon fiber to heat treatment at 500 to 3000C. In particular, it is preferable to use a graphitic material having a graphite crystal having a (002) plane spacing d002 of 0.340 nm or less, which is obtained by setting the heat treatment temperature to 2000 ° C. or higher. A non-aqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode containing such a graphite material as a carbonaceous material can significantly improve the battery capacity and large current characteristics. More preferably, the plane distance d002 is 0.336 nm or less.
[0055]
The carbonaceous material is preferably a mesophase pitch-based carbon fiber that has been heat-treated at 2000 ° C. or more. When this is used, the electrode density is 1.3 g / cm. 3 Even at the high density described above, the interface impedance between the negative electrode and the separator is small, so that it is excellent in large current discharge characteristics and rapid charge / discharge cycle performance.
[0056]
As the negative electrode material, in addition to the above-mentioned carbonaceous materials that occlude and release lithium ions, those containing metal oxides, metal sulfides, or metal nitrides, and those made of lithium metal or lithium alloy should be used. Can be.
[0057]
Examples of the metal oxide include tin oxide, silicon oxide, lithium titanium oxide, niobium oxide, and tungsten oxide.
[0058]
Examples of the metal sulfide include tin sulfide and titanium sulfide.
[0059]
Examples of the metal nitride include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, lithium manganese nitride, and the like.
[0060]
Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy.
[0061]
The negative electrode may contain a conductive agent, a binder, and the like in addition to the negative electrode material. The negative electrode can be obtained by applying a slurry containing a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder to a negative electrode current collector and drying the slurry.
[0062]
In the lithium ion secondary batteries of the first to third inventions, it is desirable to use a porous separator as the separator. As a material of the separator, for example, a porous film containing polyethylene, polypropylene, or polyvinylidene fluoride (PVdF), a synthetic resin nonwoven fabric, or the like can be used. Among them, a porous film made of polyethylene, polypropylene, or both is preferable because the safety of the secondary battery can be improved.
[0063]
In the lithium ion secondary batteries of the first to third inventions, the non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving a lithium salt in a non-aqueous solvent.
[0064]
As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent can be used as a solvent for a lithium ion secondary battery, and is not particularly limited. Propylene carbonate (PC) or ethylene carbonate (EC) has a lower viscosity than PC or EC. It is preferable to use a non-aqueous solvent mainly composed of a mixed solvent with a certain non-aqueous solvent (hereinafter, referred to as a second solvent).
[0065]
As the second solvent, for example, chain carbon is preferable. Among them, dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, γ-butyrolactone (BL), acetonitrile ( AN), ethyl acetate (EA), toluene, xylene or methyl acetate (MA). These second solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more.
[0066]
The viscosity of the second solvent at 25 ° C. is preferably 28 mp or less. The amount of ethylene carbonate or propylene carbonate in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume. A more preferred amount of ethylene carbonate or propylene carbonate is 20 to 75% by volume.
[0067]
As the electrolyte contained in the non-aqueous electrolyte, for example, lithium perchlorate (LiClO 4 ), Lithium hexafluorophosphate (LiPF) 6 ), Lithium borofluoride (LiBF 4 ), Lithium arsenic hexafluoride (LiAsF) 6 ), Lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), Lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] And lithium salts (electrolytes). Among them, LiPF 6 , LiBF 4 It is preferable to use
[0068]
The amount of the electrolyte dissolved in the nonaqueous solvent is desirably 0.5 to 2.0 mol / 1.
[0069]
【Example】
(Example 1)
<LiCoO 2 Preparation of Particles>
Co2O3 is mixed with LiOH and heated at 850 (C, 8 hours) in an oxygen stream to obtain an average particle size of 3 (m LiCoO3). 2 A powder is prepared and this LiCoO 2 LiCoO by grinding the powder 2 Particles were prepared.
<Preparation of positive electrode>
Using a 20 μm thick Al foil as the current collector, 2 To the active material, 5% by weight of acetylene black having an average particle size of 30 nm as a conductive aid and 5% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder polymer were added. A slurry was prepared using N-methylpyrrolidone as a solvent, applied on one side of a current collector, and dried. The thickness of the positive electrode after pressing with a roller (250 kg / cm) was adjusted to 100 μm excluding the current collector.
<Preparation of nitrogen-substituted graphite>
Production of graphite in which part of carbon atoms near the surface was replaced with nitrogen was performed using a commercially available CVD apparatus. First, graphite powder having a particle size of about 15 μm was put in a nickel metal container and set in a CVD reactor. After the vessel was heated to 850 (C) in vacuum, acetonitrile at a partial pressure of 5 mTorr was flowed for 5 minutes using argon as a carrier gas, and about 30% of carbon atoms were nitrogen atoms over a thickness of several nm near the particle surface. Replaced.
<Preparation of negative electrode>
A 12 μm thick Cu foil was used as a current collector. As in the case of the positive electrode 1, 5% by weight of acetylene black having an average particle diameter of 30 nm was added to the above-mentioned negative electrode active material as a conductive aid, and 3% by weight of polyvinylidene fluoride was added as a binder polymer. A slurry was prepared using N-methylpyrrolidone as a solvent, coated on one side of a current collector, and dried. The thickness of the negative electrode after pressing with a roller (300 kg / cm) was adjusted to 100 (m) except for the current collector.
<Infiltration of non-aqueous electrolyte and configuration of secondary battery>
First, a coil formed of a porous polyethylene separator having a thickness of 25 μm having an average diameter of 0.1 micron and the above-described positive electrode and negative electrode was set in an aluminum inner container shown in FIG. Was attached. The non-aqueous electrolyte is lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) Was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate / dimethyl carbonate to a concentration of 1 mol / liter. The inner container was set in a stainless steel container to which electrode terminals were attached, dried, and then introduced into an argon dry box. After the inside of the container was evacuated, the above-mentioned non-aqueous electrolyte was injected, and the container was sealed. Subsequently, the container was heated to 50 (C) to infiltrate the nonaqueous electrolyte into the positive and negative electrodes.
[0070]
After the container was returned to room temperature, a charge / discharge cycle was further performed using the electrode terminals of the container. The latter operation is for infiltrating the non-aqueous electrolyte into minute cracks generated by charging and discharging, and is effective in preventing the battery from draining. Subsequently, the inner container sufficiently infiltrated with the non-aqueous electrolyte was taken out of the container, and inserted into a stainless steel outer container. The outer container was further filled with a non-aqueous electrolyte, and then sealed to complete a secondary battery.
<Charging and discharging characteristics>
The battery obtained by the above method has a capacity of 5 mA / cm per unit area of the electrode. 2 The battery was charged at a constant current at a current density of 4.2 V until the battery voltage reached 4.2 V, and then charged at a constant voltage at 4.2 V until the current value became 1/20 of the initial value. Thereafter, the direction of the current was reversed, and discharging was performed until the battery voltage became 3 V. When the battery was charged and discharged, it had a high capacity of 1400 mAh or more in terms of a commercially available 18650 type battery. Further, in order to examine the charge / discharge repetition characteristics, the capacity of these secondary batteries after repeating charge / discharge 100 times under the above conditions was measured, and the decrease in capacity was within 3%. Further, it was found that even if charge / discharge was repeated 500 times, the capacity reduction could be suppressed within 15%.
<Chemical stability>
When the concentration of carbon dioxide contained in the electrolyte of the battery which was repeatedly charged and discharged 100 times for the purpose of confirming the reaction between the electrode active material and the nonaqueous electrolyte was measured, the concentration was 10 ppm for any of the above batteries. It was as follows, and it was found that the electrode active material and the electrolyte hardly reacted.
(Comparative Example 1)
Using the electrode formed in the same manner as in Example 1 and the same non-aqueous electrolyte as in Example 1, a battery was formed by a usual method. That is, the coil including the positive electrode, the negative electrode, and the separator was housed in a stainless steel battery container, and the electrolyte was injected at room temperature in an argon dry box and sealed. The initial capacity of this battery is 5 mA / cm in terms of 18650 type. 2 Was 1350 mAh. However, the capacity decreased with the charge / discharge cycle, and the capacity after repeating charge / discharge 100 times decreased by 8%. Further, when the charge and discharge were performed 500 times, the capacity reduction became nearly 25%. When the battery was disassembled and examined, it was found that the electrolyte distribution was uneven, and that a liquid withering phenomenon occurred. From this, it was found that the lithium ion secondary battery using the present invention can not only increase the capacity in the initial state, but also reduce the capacity decrease due to repeated charging and discharging.
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a positive electrode and a negative electrode were prepared, the formed coil was set in an inner container, and lead wires were attached. The inner container was set in a stainless steel container to which electrode terminals were attached, dried, and then introduced into an argon dry box. After evacuation of the inside of the container, a non-aqueous electrolyte was injected, and the container was sealed. Subsequently, the container was heated to 80 (C) to infiltrate the nonaqueous electrolyte into the positive and negative electrodes. After the container was returned to room temperature, a charge / discharge cycle was further performed using the electrode terminals of the container. The inner container impregnated with the non-aqueous electrolyte was taken out and inserted into an outer container made of stainless steel, at which time a mechanism for injecting the non-aqueous electrolyte into the outer container was attached. After that, the battery was sealed to complete the secondary battery, and the non-aqueous electrolyte contained lithium hexafluorophosphate (LiPF) as in Example 1. 6 ) Was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate / dimethyl carbonate at a concentration of 1 mol / liter. When the initial discharge capacity was examined in the same manner as in Example 1, it was found to be a high capacity of 1400 mAh in terms of a 18650 type battery. When charging and discharging were repeated 500 times, the capacity was reduced to 1200 mAh (14.3%). Therefore, a non-aqueous electrolyte was injected from a non-aqueous electrolyte injection mechanism provided in the outer container. After the charge and discharge were repeated about 10 times, the capacity was examined, and it was found that the capacity had recovered to 1350 mAh. When charge and discharge were repeated 100 more times, the capacity decreased to about 1280 mAh. It has been proved that the capacity decreases when charging and discharging are repeated because the non-aqueous electrolyte solution withers inside the electrode, and the capacity can be recovered by replenishing the non-aqueous electrolyte solution from the outside. I knew I could do it.
(Example 3)
After the same positive electrode and negative electrode as in Example 1 were prepared, a coil was formed using a 25 μm thick porous polyethylene separator having pores with an average diameter of 0.1 μm. At this time, a polyethylene sheet having a hole having an average diameter of 3 μm was wound around the coil between the coil and the inner container to hold the electrolyte. The coil thus prepared was set in an aluminum inner container, and a lead terminal was attached. The inner container was set in a stainless steel container to which electrode terminals were attached, dried, and then introduced into an argon dry box. After evacuation of the inside of the container, a non-aqueous electrolyte was injected, and the container was sealed. Subsequently, the container was heated to 80 (C) to infiltrate the nonaqueous electrolyte into the positive and negative electrodes. After the container was returned to room temperature, a charge / discharge cycle was further performed using the electrode terminals of the container. The inner container impregnated with the non-aqueous electrolyte was taken out of the container, inserted into a stainless steel outer container, and further filled with the non-aqueous electrolyte and sealed to complete the secondary battery. As in the case of Example 1, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) Was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate / dimethyl carbonate at a concentration of 1 mol / liter. When the initial discharge capacity of the battery thus prepared was examined, it was found to be a high capacity of 1400 mAh. Next, when charging and discharging were repeated 100 times, the capacity was reduced to 1350 mAh (3.57%). Further, when charging and discharging were performed 500 times, it was found that the capacity was reduced to 1250 mAh (10.7%). As a result, it has been found that the capacity reduction can be further reduced as compared with the case of the first embodiment.
(Example 4)
After the same positive electrode and negative electrode as in Example 1 were prepared, a coil was formed using a 25 μm thick porous polyethylene separator having pores with an average diameter of 0.1 μm. At this time, a porous SBR sheet having a thickness of 1 mm was further wound between the coil and the inner container. The coil thus prepared was set in an aluminum inner container, and a lead terminal was attached. The inner container was set in a stainless steel container to which electrode terminals were attached, dried, and then introduced into an argon dry box. After evacuation of the inside of the container, a non-aqueous electrolyte was injected, and the container was sealed. Subsequently, the container was heated to 80 (C) to infiltrate the nonaqueous electrolyte into the positive and negative electrodes. After the container was returned to room temperature, a charge / discharge cycle was further performed using the electrode terminals of the container. The inner container impregnated with the non-aqueous electrolyte was taken out of the container, inserted into a stainless steel outer container, and further filled with the non-aqueous electrolyte and sealed to complete the secondary battery. As in the case of Example 1, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) Was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate / dimethyl carbonate at a concentration of 1 mol / liter. The resulting battery had a discharge capacity of 1250 mAh. Since a porous SBR sheet was used, the same discharge capacity as in Example 3 was obtained. Further, when a drop test (dropping 10 times from a height of 1.9 m) was performed on this battery, an internal short circuit occurred with a probability of 3/10 in a battery not wound with an SBR sheet, but the SBR sheet was wound. All batteries did not have internal short circuits. This confirmed that the impact resistance was not good.
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a high-capacity lithium-ion secondary battery having a high capacity and having little capacity deterioration when charge / discharge cycles are repeated.
[0072]
Further, according to the present invention, a highly safe lithium ion secondary battery can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing lithium ion diffusion in an electrode.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a configuration of a lithium ion secondary battery of the first invention.
FIG. 3 2 1 shows an example of a configuration of a lithium ion secondary battery of the invention. Outline Schematic.
FIG. 4 2 3 shows another configuration example of the lithium ion secondary battery of the invention. Outline Schematic.
FIG. 5 2 3 shows another configuration example of the lithium ion secondary battery of the invention. Outline Schematic.
[Explanation of symbols]
1 ... Lid
2. Inner container
3. Electrode group
4: Outer container
31 ... lid
32 ... Inner container
33 ... electrode group
34 ... outer container
35… Container
42 ... Inner container
43 ... Electrode group
44 ... Outer container.

Claims (3)

正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する材料を備える負極と、前記正極及び前記負極の間に位置するセパレータとから構成される電極群と;非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液と;前記電極群及び前記非水電解液を収納する内容器と;前記内容器を収納する外容器と;外容器から内容器に非水電解液を供給する手段を少なくとも備え
前記内容器と前記電極群との間に、前記セパレータに比較してより多孔質で保液性の高い材料を挿入することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
Non-aqueous electrolysis comprising a lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent; an electrode group including a positive electrode, a negative electrode including a material that absorbs and releases lithium ions, and a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode. A liquid; an inner container for storing the electrode group and the non-aqueous electrolyte; an outer container for storing the inner container; and at least means for supplying the non-aqueous electrolyte from the outer container to the inner container ,
A lithium ion secondary battery , wherein a material that is more porous and has higher liquid retention properties than the separator is inserted between the inner container and the electrode group .
正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出する材料を備える負極と、前記正極及び前記負極の間に位置するセパレータとから構成される電極群と;非水溶媒にリチウム塩を溶解してなる非水電解液と;前記電極群及び前記非水電解液を収納する内容器と;前記内容器を収納する外容器と;内容器と外容器との間に挿入された衝撃吸収材とを備えること特徴とするリチウムイオン二次電池。A non-aqueous electrolysis comprising a lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent; an electrode group including a positive electrode, a negative electrode including a material capable of inserting and extracting lithium ions, and a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode. A liquid container; an inner container for storing the electrode group and the non-aqueous electrolyte; an outer container for storing the inner container; and a shock absorber inserted between the inner container and the outer container. Lithium ion secondary battery. 前記衝撃吸収材が、難燃性あるいは消火作用を示す物質であることを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン二次電池。3. The lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein the shock absorbing material is a substance exhibiting flame retardancy or fire extinguishing action.
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