JP7524971B2 - 電池 - Google Patents
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Description
1-1.第1の電池の例
1-2.第2の電池の例
1-3.第3の電池の例
2.一実施の形態
3.変形例
なお、第1から第3の電池の例では、電池内でのフィラーの配置などに関して述べ、一実施の形態では、電池内に配置されたフィラーについて述べる。
[電池の構成]
図1は、本発明の第1の電池の例に係る非水電解質二次電池(以下単に「電池」という。)の構成の一例を示す。電池は、いわゆるラミネート型電池であり、正極リード31および負極リード32が取り付けられ、扁平状を有する巻回型の電極体20と、この電極体20を収容するフィルム状の外装材10とを備えたものであり、小型化、軽量化および薄型化が可能となっている。
正極リード31および負極リード32はそれぞれ、外装材10の内部から外部に向かい、例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、薄板状または網目状を有している。正極リード31および負極リード32は、例えば、Al、Cu、Niまたはステンレス等の金属材料により構成されている。
図2は、外装材10の構成の一例を示す。外装材10は、例えば、柔軟性を有する矩形状のラミネートフィルムからなる。外装材10は、金属層11、金属層11の一方の面(第1の面)に設けられた樹脂層(第1の樹脂層)12と、金属層11の他方の面(第2の面)に設けられた樹脂層(第2の樹脂層)13とを備える。外装材10は、必要に応じて、金属層11と樹脂層12との間、および金属層11と樹脂層13との間のうちの少なくとも一方に接着層をさらに備えるようにしてもよい。なお、外装材10の両面のうち、樹脂層12側の面が外側の面となり、樹脂層13側の面が電極体20を収納する内側の面となる。
図3は、図1に示した電極体20のIII-III線に沿った断面図である。電極体20は、長尺状を有する正極21と、長尺状を有する負極22と、正極21および負極22の間に設けられ、長尺状を有するセパレータ23と、正極21およびセパレータ23の間および負極22およびセパレータ23の間に設けられた電解質層24とを備える。電極体20は、正極21と負極22とをセパレータ23および電解質層24を介して積層し、扁平状かつ渦巻状になるように長手方向に巻回された構成を有しており、最外周部は保護テープ25により保護されている。
正極21は、例えば、正極集電体21Aと、正極集電体21Aの両面に設けられた正極活物質層21Bとを備える。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔またはステンレス箔等の金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、リチウムを吸蔵および放出することが可能な1種または2種以上の正極活物質を含む。正極活物質層21Bは、必要に応じてバインダーおよび導電剤のうちの少なくとも1種をさらに含んでいてもよい。
正極活物質としては、例えば、リチウム酸化物、リチウムリン酸化物、リチウム硫化物またはリチウムを含む層間化合物等のリチウム含有化合物が適当であり、これらの2種以上を混合して用いてもよい。エネルギー密度を高くするには、リチウムと遷移金属元素と酸素とを含むリチウム含有化合物が好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物、オリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩等が挙げられる。リチウム含有化合物としては、遷移金属元素として、Co、Ni、MnおよびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むものであればより好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物、スピネル型の構造を有するリチウム複合酸化物、またはオリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩等が挙げられ、具体的には、例えば、LiNi0.50Co0.20Mn0.30O2、LiCoO2、LiNiO2、LiNiaCo1-aO2(0<a<1)、LiMn2O4またはLiFePO4等があり、その他、公知のものが利用可能である。
バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、およびこれら樹脂材料のうちの1種を主体とする共重合体等からなる群より選ばれる少なくとも1種を用いることができる。
導電剤としては、例えば、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブおよびグラフェン等からなる群より選ばれる少なくとも1種の炭素材料を用いることができる。なお、導電剤は導電性を有する材料であればよく、炭素材料に限定されるものではない。例えば、導電剤として金属材料または導電性高分子材料等を用いるようにしてもよい。また、導電剤の形状としては、例えば、粒状、鱗片状、中空状、針状または筒状等が挙げられるが、特にこれらの形状に限定されるものではない。
負極22は、例えば、負極集電体22Aと、負極集電体22Aの両面に設けられた負極活物質層22Bとを備える。負極集電体22Aは、例えば、銅箔、ニッケル箔またはステンレス箔等の金属箔により構成されている。負極活物質層22Bは、リチウムを吸蔵および放出することが可能な1種または2種以上の負極活物質を含む。負極活物質層22Bは、必要に応じてバインダーおよび導電剤のうちの少なくとも1種をさらに含んでいてもよい。
負極活物質としては、例えば、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維または活性炭等の炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスまたは石油コークス等がある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れたサイクル特性が得られるので好ましい。さらにまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。
バインダーとしては、正極活物質層21Bと同様のものを用いることができる。
導電剤としては、正極活物質層21Bと同様のものを用いることができる。
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による短絡を防止すると共に、リチウムイオンを透過させる絶縁性の多孔質膜である。セパレータ23の空孔には電解質が保持されるため、セパレータ23は、電解質に対する耐性が高く、反応性が低く、膨張しにくいという特性を有することが好ましい。
電解質層24は、電解液と、高分子化合物と、フィラーとを含み、電解質層24中において電解液とフィラーとが接触した状態となっている。後述するように、フィラーに対して本発明が適用される。電解質層24は、ゲル状を有していることが好ましい。電解質層24がゲル状を有していると、高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を抑制することができる。
電解液は、いわゆる非水電解液であり、有機溶媒(非水溶媒)と、この有機溶媒に溶解された電解質塩とを含む。電解液が、電池特性を向上するために、公知の添加剤を含んでいてもよい。
高分子化合物は、電解液を保持する保持体であり、電解液により膨潤されている。高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン-ブタジエンゴム、ニトリル-ブタジエンゴム、ポリスチレンまたはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の観点からは、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンまたはポリエチレンオキサイドが好ましい。
フィラーはSiを含むゼオライトとSiを含まないゼオライトである。Siを含むゼオライトとは、例えば、アルミノケイ酸塩であり、例えば、以下の組成式で表される組成を有するものが用いられる。
(M1,M21/2)m(AlmSinO2(m+n))・xH2O
M1は、Li+、Na+、K+等の1価のカチオンであり、M2は、Ca2+、Mg2+、Ba2+等の2価のカチオンである。
Siを含まないゼオライトとは、例えば、アルミノフォスフェートである。アルミノフォスフェートは、アルミノフォスフェート型ゼオライト、又は、AlPO型ゼオライトとも称され、組成式はAlPO4のように書くことができる。
満充電状態における正極電位は、好ましくは4.20V(vs. Li/Li+)を超え、より好ましくは4.25V(vs. Li/Li+)以上、さらにより好ましくは4.40V(vs. Li/Li+)を超え、特に好ましくは4.45V(vs. Li/Li+)以上、最も好ましくは4.50V(vs. Li/Li+)以上である。但し、満充電状態における正極電位が、4.20V(vs. Li/Li+)以下であってもよい。満充電状態における正極電位の上限値は、特に限定されるものではないが、好ましくは6.00V(vs. Li/Li+)以下、より好ましくは5.00V(vs. Li/Li+)以下、さらにより好ましくは4.80V(vs. Li/Li+)以下、特に好ましくは4.70V(vs. Li/Li+)以下である。
上述の構成を有する電池では、充電を行うと、例えば、正極活物質層21Bからリチウムイオンが放出され、電解質層24を介して負極活物質層22Bに吸蔵される。また、放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウムイオンが放出され、電解質層24を介して正極活物質層21Bに吸蔵される。
次に、本発明の第1の電池の例に係る電池の製造方法の一例について説明する。
正極21は次のようにして作製される。まず、例えば、正極活物質と、バインダーと、導電剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーを作製する。次に、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aの両面に塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機等により圧縮成型することにより正極活物質層21Bを形成し、正極21を得る。
負極22は次のようにして作製される。まず、例えば、負極活物質と、バインダーとを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN-メチル-2-ピロリドン等の溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーを作製する。次に、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aの両面に塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機等により圧縮成型することにより負極活物質層22Bを形成し、負極22を得る。
電解質層24は次のようにして形成される。まず、例えば、電解液と、電解液を保持する保持体としての高分子化合物と、フィラーと、有機溶剤とを混合することにより、混合溶液を得る。次に、例えばホモジナイザを用いて混合溶液を加熱撹拌し、高分子化合物を溶解させると共に、フィラーを分散させることで、ゾル状の前駆体溶液を調製する。次に、この前駆体溶液を正極21および負極22の両面に均一に塗布して含浸させる。その後、希釈溶剤を気化させて除去することにより、電解質層24を形成する。
電極体20は次のようにして作製される。まず、正極集電体21Aの端部に正極リード31を溶接により取り付けると共に、負極集電体22Aの端部に負極リード32を溶接により取り付ける。次に、電解質層24が形成された正極21と負極22とをセパレータ23を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ25を接着して電極体20を得る。
電極体20は外装材10により次のようにして封止される。まず、例えば、柔軟性を有する外装材10の間に電極体20を挟み込む。この際、外装材30と正極リード31の間、外装材30と負極リード32の間にそれぞれ密着フィルム33A,33Bを挿入する。なお、正極リード31、負極リード32にそれぞれ密着フィルム33A,33Bを予め取り付けておいてもよい。また、外装材10に予めエンボス成型を施し、電極体20を収容する収容空間としての凹部を形成しておいてもよい。次に、外装材10の外縁部同士を熱融着等により密着させて封止する。以上により、外装材10に電極体20が収容された電池が得られる。封止後、必要に応じて、ヒートプレスにより電池を成型等するようにしてもよい。
第2の電池の例では、フィラーを含むセパレータを備える電池について説明する。なお、第2の電池の例に係る電池は、電解質層24に代えてセパレータがフィラーを含むこと以外の点では、第1の電池の例に係る電池と同様の構成を有するので、以下では、フィラーを含むセパレータの構成についてのみ説明する。後述するように、フィラーに対して本発明が適用される。
図4は、フィラーを含むセパレータ26の構成の一例を示す。セパレータ26は、基材26Aと、基材26Aの両面に設けられた表面層26Bとを備える。セパレータ26には、電解質層24を構成する電解質の一部が含浸されており、フィラーと電解質が接触する状態となっている。
基材26Aとしては、上述したセパレータ23と同様のものを用いることができる。なお、基材26Aが、フィラーを含んでもよい。
表面層26Bは、フィラーと、フィラーを基材26Aの表面に結着すると共に、フィラー同士を結着する樹脂材料とを含む。フィラーは、第1の電池の例におけるフィラーと同様である。樹脂材料は、例えば、フィブリル化し、複数のフィブリルが繋がった三次元的なネットワーク構造を有していてもよい。この場合、フィラーは、この三次元的なネットワーク構造を有する樹脂材料に担持される。また、樹脂材料は、フィブリル化せずに、基材26Aの表面とフィラーを結着すると共に、フィラー同士を結着してもよい。この場合、より高い結着性を得ることができる。
第3の電池の例では、フィラーを含む外装材を備える電池について説明する。第3の電池の例に電池は、電解質として電解質層24に代えて電解液を備えると共に、電解質層24に代えて外装材がフィラーを含む点において、第1の電池の例に係る電池とは異なっている。後述するように、フィラーに対して本発明が適用される。
電解液は、第1の電池の例における電解質層24に含まれる電解液と同様である。
図5は、フィラーを含む外装材10Aの構成の一例を示す。外装材10Aは、樹脂層(第2の樹脂層)13上に設けられた粒子含有層14を備える点において、第1の電池の例における外装材10と異なっている。なお、第3の電池の例において、第1の電池の例と同様の箇所には同一の符号を付して説明を省略する。
本発明は、上述した第1から第3の電池の例におけるフィラーに関するものである。以下では、第1の電池の例におけるフィラーに対して本発明を適用した例について説明する。
一般的に、非水電解質二次電池では、電解質の中に電解液を用いている。電解液としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)を始めとした有機分子が用いられている。電池を使用して、充放電を繰り返していると、このECなどの電解液が分解して、炭酸ガス(CO2)、エチレンガスやメタンガスなどのガスが電池内で発生する。これらのガスが発生すると、ラミネート型電池の場合、電池の形状が膨れて変形してしまう。ラミネート型電池は、スマートフォンやタブレット端末等の薄型の機器の狭い空間に搭載されているため、電池の膨れにより、スマートフォンやタブレット端末等の筐体のカバーが開いてしまうことがあり、ユーザーの使用状況によっては、内部の電子部品が水に曝され易くなってしまう。つまり、電池の膨れは、外観の悪化を招くだけでなく、機器の故障の原因となることがある。
正極を以下のようにして作製した。まず、混合した正極活物質90重量%、アモルファス性炭素粉(ケッチェンブラック)5wt%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5wt%とを混合して正極合剤を調製した。この正極合剤をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させて正極合剤スラリーを作製した後、この正極合剤スラリーを帯状アルミニウム箔(正極集電体)の両面に均一に塗布して、塗膜を形成した。次に、この塗膜を温風乾燥した後、ロールプレス機で圧縮成型(ロール温度130℃、線圧0.7t/cm、プレス速度10m/min)し、正極シートを形成した。次に、この正極シートを48mm×300mmの帯状に切り出して、正極を作製した。次に、正極の正極集電体露出部分に正極リードを取り付けた。
負極を以下のようにして作製した。まず、負極活物質としての黒鉛粒子とポリイミドバインダーを20重量%含むNMP溶液とを重量比で9:1となるように混合して、負極合剤スラリーを作製した。次に、負極合剤スラリーをギャップ35μmのバーコーターを用いて15μm厚の銅箔(負極集電体)の両面に塗布して塗膜を形成し、この塗膜を80℃で乾燥させた。次に、ロールプレス機で塗膜を圧縮成型した後、700℃で3時間加熱して負極シートを形成した。この負極シートを50mm×310mmの帯状に切り出して、負極を作製した。次に、負極の負極集電体露出部分に負極リードを取り付けた。
作製した正極および負極を、厚み25μmの微孔性ポリエチレンフィルムよりなるセパレータを介して密着させ、長手方向に巻回して、最外周部に保護テープを貼り付けることにより、扁平形状の巻回電極体を作製した。次に、この巻回電極体を外装部材の間に装填し、外装部材の3辺を熱融着し、一辺は熱融着せずに開口を有するようにした。外装部材としては、最外層から順に25μm厚のナイロンフィルムと、40μm厚のアルミニウム箔と、30μm厚のポリプロピレンフィルムとが積層された防湿性のアルミラミネートフィルムを用いた。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを、質量比がEC:EMC=1:1となるようにして混合した混合溶媒を調製した。次に、この混合溶媒に、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/lとなるように溶解させて電解液を調製した。この電解液に以下の表1に示すフィラーを2wt%の濃度となるように混合し、フィラー含有電解液を作製した。この電解液を外装部材の開口から注入し、外装部材の残りの1辺を減圧下において熱融着し、密封した。これにより、目的とする非水電解質二次電池が得られた。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類をAlPO型ゼオライト(AlPO-18,構造コード:AEI)とした。フィラーのSi/Al比率(原子比)を0とした。フィラーの細孔径を3.8Åとした。なお、ゼオライトの構造コードは「国際ゼオライト学会(IZA:International Zeolite Association)」により規定されたコードを使用している。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類をAlPO型ゼオライト(AlPO-5,構造コード:AFI)とし、フィラーのSi/Al比率(原子比)を0とした。フィラーの細孔径を5.4Åとした。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類をAlPO型ゼオライト(AlPO-31,構造コード:ATO)とし、フィラーのSi/Al比率(原子比)を0とした。フィラーの細孔径を7.3Åとした。
電解液の調製の工程において、電解液にフィラーを全く混合しなかった。フィラーを無しとした。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類をアルミナとした。Si/Al比率を0とした。アルミナには細孔があいていないものとし、フィラーの細孔径を0Åとした。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類を4A型ゼオライト(構造コード:LTA)とした。4A型ゼオライトは元素記号がSiとAlを含むゼオライトであり、フィラーのSi/Al比率(原子比)を1とした。フィラーの細孔径を4.0Åとした。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類をZSM-5型ゼオライト(構造コード:MFI)とした。ZSM-5型ゼオライトはSiとAlを含むゼオライトであり、フィラーのSi/Al比率(原子比)を1500とした。フィラーの細孔径を5.8Åとした。
電解液の調製の工程において、フィラーの種類を13X型ゼオライト(構造コード:FAU)とした。13X型ゼオライトはSiとAlを含むゼオライトであり、フィラーのSi/Al比率(原子比)を1.23とした。フィラーの細孔径を10Åとした。
(容量維持率の評価)
まず、充電電流0.5Aで定電流充電したのち、電流値が1/10に絞られるまで定電圧充電した。その後、放電電流0.2Aでの放電容量を測定した。ここで得られた放電容量から1Cとなる放電電流の値を算出した。次に、上述の充電条件にて23℃、並びに45℃環境下恒温槽中にて充電を行い、その後、同環境下で放電電流0.5C、終止電圧3.0Vの条件で放電を行った。この充放電条件にて300サイクル充放電を行い、その際の容量維持率を算出した。容量維持率は初回充放電から求めた容量に対する300サイクル目の充放電から求めた容量の割合とした。
(電池の膨れの評価)
300サイクル後に電池の厚みを測定し、初回充電後のセル厚さから3%以上厚さが増加していた場合に、電池の膨れが「あり」とし、初回充電後のセル厚さから3%未満の厚さの増加の場合に、電池の膨れが「なし」とした。
以下の表1に、その結果を示す。
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく、各種の変形が可能である。
Claims (2)
- セパレータを介して正極と負極とを積層した電極体と、電解質と、外装材とから構成される電池であって、
前記電解質、前記セパレータ、又は、前記外装材のうち少なくとも一つにフィラーを含み、
前記フィラーは、アルミノフォスフェート型ゼオライトを含む電池。 - 前記アルミノフォスフェート型ゼオライトの細孔径は、3.8Å以上5.4Å以下である請求項1に記載の電池。
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