JP7800534B2 - Energy storage element - Google Patents
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Description
本開示は、蓄電素子に関する。 This disclosure relates to an energy storage element.
リチウムイオン非水電解液二次電池に代表される非水電解液二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解液二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極を有する電極体、及び電極間に介在する非水電解液を備え、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解液二次電池以外の蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。Due to their high energy density, non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion non-aqueous electrolyte secondary batteries, are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, as well as automobiles. Non-aqueous electrolyte secondary batteries generally comprise an electrode assembly having a pair of electrodes electrically isolated by a separator, and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes. They are configured to charge and discharge by transferring ions between the electrodes. In addition to non-aqueous electrolyte secondary batteries, capacitors such as lithium-ion capacitors and electric double-layer capacitors are also widely used as energy storage elements.
このような蓄電素子としては、例えば正極板と負極板とをセパレータを介し捲回構成した電極群の下部に配備される絶縁板と、捲回構成により形成された電極群の中心に形成された空間部に配備される中芯とを備える構成が開示されている(特許文献1参照)。 As such a storage element, for example, a configuration has been disclosed that includes an insulating plate placed at the bottom of an electrode group formed by winding positive and negative electrode plates with a separator interposed therebetween, and a core placed in a space formed in the center of the electrode group formed by the winding configuration (see Patent Document 1).
本発明者らは、性能を向上する観点から蓄電素子の容器の内部を負圧状態にして電極間の隙間を低減することを検討している。しかしながら、巻回型の電極体の場合、蓄電素子の容器の内部が負圧状態であっても、電極間の隙間が十分低減されない事象が散見された。 With a view to improving performance, the inventors have been studying the possibility of reducing the gap between the electrodes by creating a negative pressure inside the container of the energy storage element. However, in the case of a wound electrode assembly, there have been cases where the gap between the electrodes is not sufficiently reduced even when the inside of the container of the energy storage element is under negative pressure.
本発明の目的は、電極間の隙間の低減効果に優れる蓄電素子を提供することである。 The object of the present invention is to provide an energy storage element that is excellent in reducing the gap between electrodes.
本発明の一側面に係る蓄電素子は、負極及び正極を有する巻回型の電極体と、上記電極体を収容するための密閉可能な扁平形状の容器とを備え、上記電極体が中央部に巻芯を有し、上記巻芯を構成する材料の圧縮強度が55MPa以上であり、上記容器の内部が負圧状態である。 An energy storage element according to one aspect of the present invention comprises a wound electrode assembly having a negative electrode and a positive electrode, and a sealable, flat container for housing the electrode assembly, the electrode assembly having a winding core in the center, the material constituting the winding core having a compressive strength of 55 MPa or more, and the interior of the container being under negative pressure.
本発明の一側面に係る蓄電素子は、電極間の隙間の低減効果に優れる。 The energy storage element according to one aspect of the present invention is excellent in reducing the gap between electrodes.
初めに、本明細書によって開示される蓄電素子の概要について説明する。 First, we will provide an overview of the energy storage element disclosed in this specification.
本発明の一側面に係る蓄電素子は、負極及び正極を有する巻回型の電極体と、上記電極体を収容するための密閉可能な扁平形状の容器とを備え、上記電極体が中央部に巻芯を有し、上記巻芯を構成する材料の圧縮強度が55MPa以上であり、上記容器の内部が負圧状態である。 An energy storage element according to one aspect of the present invention comprises a wound electrode assembly having a negative electrode and a positive electrode, and a sealable, flat container for housing the electrode assembly, the electrode assembly having a winding core in the center, the material constituting the winding core having a compressive strength of 55 MPa or more, and the interior of the container being under negative pressure.
当該蓄電素子は、上記構成を備えることで電極間の隙間の低減効果に優れる。この理由は定かでは無いが、例えば以下の理由が推測される。蓄電素子の容器の内部を負圧状態にすることで、容器を内側に向けて引く力が生じて電極体が圧迫されることにより、電極間の隙間が低減される。しかしながら、電極を巻回する際に圧縮強度の低い巻芯を用いると、外部からの荷重により巻芯が圧縮されることや、巻芯が歪むことによって、極板全体が歪むため、電極間の隙間の低減効果が小さくなることを本発明者らは知見した。当該蓄電素子は、上記容器の内部が負圧状態であるとともに、圧縮強度が55MPa以上である材料から構成される巻芯を用いることで、巻芯のたわみや変形を抑制しつつ電極間の隙間の低減効果を向上できる。さらに、容器を負圧にすることにより生じる電極体に対する圧迫は、大気圧によるものであるため、電極体への荷重変化が小さく、電極間の隙間が生じにくい。従って、当該蓄電素子は電極間の隙間の低減効果に優れると考えられる。ここで、「容器の内部が負圧状態である」とは、容器の外部の圧力と比較して容器の内部の余剰空間の圧力が低いことをいう。「容器の内部の余剰空間」とは、容器の内部の空間から電極体、電解液、及び集電体等の構造体が占める部分を差し引いた空間を意味する。The energy storage element, with the above-described configuration, exhibits excellent inter-electrode gap reduction effects. While the reason for this is unclear, the following is speculated: By creating a negative pressure inside the energy storage element's container, a force is generated that pulls the container inward, compressing the electrode assembly and thereby reducing the inter-electrode gap. However, the inventors have discovered that if a winding core with low compressive strength is used when winding the electrodes, the winding core may be compressed by an external load, and the winding core may distort, causing the entire electrode plate to distort, thereby reducing the inter-electrode gap reduction effect. By creating a negative pressure inside the container and using a winding core made of a material with a compressive strength of 55 MPa or more, the energy storage element can suppress deflection and deformation of the winding core while improving the inter-electrode gap reduction effect. Furthermore, because the compression on the electrode assembly caused by creating a negative pressure in the container is due to atmospheric pressure, the load change on the electrode assembly is small, making it less likely for gaps to form between the electrodes. Therefore, the energy storage element is considered to have excellent inter-electrode gap reduction effects. Here, "the inside of the container is in a negative pressure state" means that the pressure in the excess space inside the container is lower than the pressure outside the container. "Excess space inside the container" means the space inside the container minus the portions occupied by structures such as the electrode assembly, electrolyte, and current collector.
上記容器の内部を負圧状態にする方法としては、特に限定されない。上記容器の内部を負圧状態にする方法としては、例えば真空ポンプ等を用いて容器の内部の圧力を減圧した状態で封止する方法や、容器の内部に気体を吸着する部材を収容する方法、容器の内部に電解液に可溶な気体を収容する方法等を採用することができる。上記容器の内部を負圧状態にする方法は、単独であるいは組み合わせて使用することができる。 The method for creating a negative pressure inside the container is not particularly limited. Examples of methods for creating a negative pressure inside the container include using a vacuum pump or the like to reduce the pressure inside the container and then sealing it, placing a gas-adsorbing material inside the container, or placing a gas soluble in the electrolyte inside the container. The methods for creating a negative pressure inside the container can be used alone or in combination.
上記巻芯がポリアセタール、ポリイミド、塩化ビニル又はこれらの組み合わせを主成分とすることが好ましい。上記巻芯がポリアセタール、ポリイミド、塩化ビニル又はこれらの組み合わせを主成分とすることで、巻芯の変形の抑制効果及び電極間の隙間の低減効果をより高めることができる。ここでいう「主成分」とは、巻芯を構成する材料のうちの質量が最大の成分を意味する。特に限定されるものではないが、巻芯の主成分は、例えば、巻芯を構成する材料の全成分の50質量%以上を占め、好ましくは60質量%以上、より好ましくは75質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上(例えば98質量%以上)であり得る。It is preferable that the winding core is primarily composed of polyacetal, polyimide, vinyl chloride, or a combination thereof. By using polyacetal, polyimide, vinyl chloride, or a combination thereof as the primary component of the winding core, the effect of suppressing deformation of the winding core and the effect of reducing the gap between electrodes can be further enhanced. Here, "primary component" refers to the component with the largest mass among the materials constituting the winding core. While not particularly limited, the primary component of the winding core may, for example, account for 50% or more by mass of all components of the materials constituting the winding core, preferably 60% or more by mass, more preferably 75% or more by mass, even more preferably 90% or more by mass, and particularly preferably 95% or more by mass (e.g., 98% or more by mass).
当該蓄電素子は、上記容器の内部に電解液と該電解液に可溶な気体が収容されていることが好ましい。当該蓄電素子は、密閉された容器の内部に電解液と該電解液に可溶な気体が収容されていることで、上記気体が電解液に溶解する。その結果、容器の内部の圧力が下がるので、容器の内部をより確実に負圧状態にすることができる。また、上記容器の内部に電解液と該電解液に可溶な気体が収容されていることにより生じる電極体に対する圧迫は、大気圧によるものであるため、電極体の荷重変化が小さく、電極間の隙間が生じにくい。なお、本発明における「電解液に可溶な気体」とは、1気圧下、25℃の電解液1cm3に対する溶解度が1cm3以上の気体をいう。 The energy storage element preferably contains an electrolyte solution and a gas soluble in the electrolyte solution inside the container. The energy storage element contains an electrolyte solution and a gas soluble in the electrolyte solution inside a sealed container, and the gas dissolves in the electrolyte solution. As a result, the pressure inside the container decreases, making it possible to more reliably create a negative pressure state inside the container. Furthermore, since the pressure on the electrode body caused by containing the electrolyte solution and the gas soluble in the electrolyte solution inside the container is due to atmospheric pressure, the load change on the electrode body is small and gaps between the electrodes are less likely to occur. In the present invention, the term "gas soluble in the electrolyte solution" refers to a gas whose solubility in 1 cm3 of electrolyte solution at 25°C and 1 atmosphere is 1 cm3 or more.
上記巻芯が中空構造を有することが好ましい。上記巻芯が中空構造を有することで、電極体の中心に中空領域が形成された状態で上記電解液に可溶な気体が封入されるため、容器の内部の圧力をより効果的に下げることができる。 It is preferable that the winding core has a hollow structure. By having the winding core have a hollow structure, a hollow region is formed in the center of the electrode body and a gas soluble in the electrolyte is sealed in, thereby more effectively reducing the pressure inside the container.
本発明の一実施形態に係る蓄電素子の構成、蓄電装置の構成、及び蓄電素子の製造方法、並びにその他の実施形態について詳述する。なお、各実施形態に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称は、背景技術に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称と異なる場合がある。 The configuration of an energy storage element, the configuration of an energy storage device, and a method for manufacturing an energy storage element according to one embodiment of the present invention, as well as other embodiments, are described in detail below. Note that the names of the components used in each embodiment may differ from the names of the components used in the background art.
<蓄電素子の構成>
本発明の一実施形態に係る蓄電素子は、正極、負極及びセパレータを有する電極体と、非水電解質と、上記電極体及び非水電解質を収容するための密閉可能な容器と、を備える。上記容器の内部は負圧状態である。電極体は、正極及び負極がセパレータを介して積層された状態で巻回された巻回型である。非水電解質は、正極、負極及びセパレータに含まれた状態で存在する。以下、図面を参照しながら、蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)について説明する。なお、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
<Configuration of Energy Storage Element>
An energy storage element according to one embodiment of the present invention includes an electrode assembly having a positive electrode, a negative electrode, and a separator, a non-aqueous electrolyte, and a sealable container for accommodating the electrode assembly and the non-aqueous electrolyte. The interior of the container is under negative pressure. The electrode assembly is a wound type in which the positive electrode and the negative electrode are wound in a stacked state with the separator interposed therebetween. The non-aqueous electrolyte is present in a state contained in the positive electrode, the negative electrode, and the separator. Hereinafter, a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter simply referred to as a "secondary battery") will be described as an example of an energy storage element with reference to the drawings. Note that the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
図1に角型電池の一例としての蓄電素子1を示す。図2は、上記図1における蓄電素子の模式的断面図である。図1に示すように、蓄電素子1は、セパレータを介して積層された負極及び正極を有する巻回型の電極体2と、電極体2の両端部にそれぞれ接続される正極集電体14及び負極集電体15と、これらを収容するための密閉可能な容器3とを備える。 Figure 1 shows a storage element 1 as an example of a prismatic battery. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the storage element in Figure 1. As shown in Figure 1, the storage element 1 comprises a wound electrode body 2 having a negative electrode and a positive electrode stacked with a separator interposed therebetween, a positive electrode current collector 14 and a negative electrode current collector 15 connected to both ends of the electrode body 2, respectively, and a sealable container 3 for containing these.
容器3は、有底角筒型の偏平形状の容器本体3aと、容器本体3aの細長い矩形状の開口部を閉鎖可能である細長い矩形板状の蓋体3bとを有している。上記電極体2は、上記容器本体3aの内表面に直接又は間接的に接触している。容器3としては、非水電解質二次電池の容器として通常用いられる公知の金属容器、樹脂容器等を用いることができる。上記金属としては、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が例示される。図2に示すように、負圧によって歪みやすい(ひいては容器の内部を負圧にして電極体に対する圧迫をより効果的に行う)等の観点から、アルミニウム若しくはアルミニウム合金製の容器3を用いることが好ましい。容器の板厚は特に限定されないが、概ね0.2mmから2mm(例えば0.3mmから1.5mm、典型的には0.35mmから1mm)であり得る。The container 3 has a flat, bottomed, rectangular tubular container body 3a and a slender rectangular plate-like lid 3b that can close the slender rectangular opening of the container body 3a. The electrode assembly 2 is in direct or indirect contact with the inner surface of the container body 3a. The container 3 can be made of a known metal container, resin container, or the like commonly used for containers of nonaqueous electrolyte secondary batteries. Examples of such metals include aluminum, stainless steel, and nickel-plated steel. As shown in Figure 2, a container 3 made of aluminum or an aluminum alloy is preferred because it is prone to distortion due to negative pressure (and thus creates a negative pressure inside the container, which more effectively compresses the electrode assembly). The container thickness is not particularly limited, but can be approximately 0.2 mm to 2 mm (e.g., 0.3 mm to 1.5 mm, typically 0.35 mm to 1 mm).
蓋体3bには、外部と通電する正極端子4及び負極端子5が設けられている。また、正極は、正極基材と接続される正極集電体14を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極基材と接続される負極集電体15を介して負極端子5と電気的に接続されている。The lid 3b is provided with a positive electrode terminal 4 and a negative electrode terminal 5 that are electrically connected to the outside. The positive electrode is electrically connected to the positive electrode terminal 4 via a positive electrode current collector 14 that is connected to the positive electrode substrate, and the negative electrode is electrically connected to the negative electrode terminal 5 via a negative electrode current collector 15 that is connected to the negative electrode substrate.
図2に示すように、電極体2は中央部に巻芯8を有し、正極、負極、及びセパレータを、巻芯8を中心として扁平状に巻回した巻回型電極体である。巻芯8は、中空構造及び中実構造のいずれを有していてもよいが、中空構造の巻芯が好ましい。この実施形態では、巻芯8は中空構造の巻芯である。この実施形態では、巻芯8は、筒状に形成された筒部と、該筒部の内側に形成された中空部(空洞部)とを備える。特に限定されるものではないが、巻芯8の筒部の厚さ(筒部を形成している巻芯の材料の厚さ)は、例えば0.01mmから1mm、典型的には0.05mmから0.5mmであり得る。中空部の幅(図2の蓋体3bの断面視における矩形の長辺方向に沿う長さ)は、例えば0.01mmから5mm、好ましくは0.1mmから3mmであり得る。上記巻芯8が中空構造を有することで、電極体2の中心に中空領域が形成された状態で上記電解液に可溶な気体が封入されるため、容器3の内部の圧力をより効果的に下げることができる。特に限定されるものではないが、容器の内部の余剰空間の体積のうち、巻芯8の中空部の体積の占める割合は、30体積%以上であることが好ましい。かかる中空部の体積の割合は、好ましくは50体積%以上、より好ましくは70体積%以上であり得る。中空部の体積の占める割合が上記下限以上であると、容器の内部に好適な負圧状態を形成することができる。ここで、「容器の内部の余剰空間の体積」とは、容器の内部の内容積から電極体、電解液、及び集電体等の構造体が占める体積を差し引いた体積を意味する。また、電極体の体積とは、電極体の構成要素(活物質、セパレータ等)の実体積を意味し、活物質間やセパレータ内に存在する空隙は含まれない。つまり、容器の内部の余剰空間の体積とは、25℃において、容器の内部の圧力が1気圧(0.1013MPa)のときの容器の内部に収容されている気体の体積を意味する。As shown in FIG. 2, the electrode assembly 2 has a winding core 8 in its center. The positive electrode, negative electrode, and separator are wound flat around the winding core 8, forming a wound electrode assembly. The winding core 8 may have either a hollow or solid structure, but a hollow core is preferred. In this embodiment, the winding core 8 has a hollow structure. In this embodiment, the winding core 8 has a cylindrically shaped tubular portion and a hollow portion (cavity) formed inside the tubular portion. Although not particularly limited, the thickness of the tubular portion of the winding core 8 (the thickness of the material of the winding core forming the tubular portion) can be, for example, 0.01 mm to 1 mm, typically 0.05 mm to 0.5 mm. The width of the hollow portion (the length along the long side of the rectangle in the cross-sectional view of the lid body 3b in FIG. 2) can be, for example, 0.01 mm to 5 mm, preferably 0.1 mm to 3 mm. The hollow structure of the winding core 8 allows a gas soluble in the electrolyte to be sealed in a hollow region formed at the center of the electrode assembly 2, thereby more effectively reducing the pressure inside the container 3. Although not particularly limited, the ratio of the volume of the hollow portion of the winding core 8 to the volume of the excess space inside the container is preferably 30% by volume or more. The volume ratio of the hollow portion is preferably 50% by volume or more, more preferably 70% by volume or more. When the volume ratio of the hollow portion is equal to or greater than the lower limit, a suitable negative pressure state can be created inside the container. Here, the "volume of the excess space inside the container" refers to the volume obtained by subtracting the volumes occupied by the electrode assembly, electrolyte, current collector, and other structural components from the internal volume of the container. The volume of the electrode assembly refers to the actual volume of the components of the electrode assembly (active material, separator, etc.) and does not include voids present between the active materials or within the separator. In other words, the volume of the excess space inside the container means the volume of gas contained inside the container when the pressure inside the container is 1 atmosphere (0.1013 MPa) at 25°C.
上記巻芯8を構成する材料の圧縮強度の下限は、55MPaであり、60MPaが好ましく、70MPaがより好ましい。上記巻芯8を構成する材料の圧縮強度が上記下限以上であることで、上記容器の内部が負圧状態において、巻芯8のたわみや変形が抑制され、電極間の隙間の低減効果を向上できる。一方、上記巻芯8を構成する材料の圧縮強度の上限は、特に限定されないが、例えば300MPaであり得る。上記巻芯8を構成する材料の圧縮強度の上限は、電極体2の製造容易性等の観点から150MPaが好ましい。いくつかの態様において、上記巻芯8を構成する材料の圧縮強度は、例えば110MPa以下であってもよく、105MPa以下であってもよい。上記巻芯8を構成する材料の圧縮強度(MPa)は、ASTM D-395に準拠した測定方法により測定される値である。 The lower limit of the compressive strength of the material constituting the winding core 8 is 55 MPa, preferably 60 MPa, and more preferably 70 MPa. When the compressive strength of the material constituting the winding core 8 is equal to or greater than the lower limit, deflection and deformation of the winding core 8 are suppressed when the interior of the container is in a negative pressure state, thereby improving the effect of reducing the gap between the electrodes. On the other hand, the upper limit of the compressive strength of the material constituting the winding core 8 is not particularly limited, but may be, for example, 300 MPa. From the viewpoint of ease of manufacturing the electrode body 2, the upper limit of the compressive strength of the material constituting the winding core 8 is preferably 150 MPa. In some embodiments, the compressive strength of the material constituting the winding core 8 may be, for example, 110 MPa or less, or 105 MPa or less. The compressive strength (MPa) of the material constituting the winding core 8 is a value measured using a measurement method in accordance with ASTM D-395.
巻芯8を構成する材料は、公知の巻芯を構成する材料の中から、適切な圧縮強度を有するものを適宜選択して使用することができる。巻芯8の材料としては、耐酸性が高い材料であることが好ましい。また、有機溶剤に対して高い耐性を示す材料を用いることが好ましい。さらに、製造加工性に優れた材料であることが好ましい。そのような巻芯を構成する材料の具体例として、例えばポリアセタール(PMC、103MPa)、ポリイミド(PI、111MPa)、塩化ビニル(PVC、83MPa)、ポリメチルメタアクリレート(PMMA、120MPa)、ポリエチレンテレフタレート(PET、97MPa)、ポリカーボネート(PC、77MPa)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK、119MPa)、ポリフェニレンサルファイド(PPS、148MPa)、ポリエーテルイミド(PEI、118MPa)、ポリアミドイミド(PAI、118MPa)、ポリベンゾイミダゾール(PBI、294MPa)等が挙げられる。また、これらの材料は、複数を組み合わせて用いてもよい。巻芯8を構成する材料としては、これらの中でも、耐酸性、耐有機溶剤および製造加工性の観点から、ポリアセタール、ポリイミド、塩化ビニル又はこれらの組み合わせを主成分とすることが好ましく、ポリアセタール、塩化ビニル又はこれらの組み合わせを主成分とすることが特に好ましい。The material constituting the winding core 8 can be appropriately selected from known winding core materials and can be used based on its appropriate compressive strength. The material for the winding core 8 is preferably highly acid-resistant. It is also preferable to use a material that is highly resistant to organic solvents. Furthermore, it is preferable to use a material that is easy to manufacture and process. Specific examples of materials constituting such winding cores include polyacetal (PMC, 103 MPa), polyimide (PI, 111 MPa), polyvinyl chloride (PVC, 83 MPa), polymethyl methacrylate (PMMA, 120 MPa), polyethylene terephthalate (PET, 97 MPa), polycarbonate (PC, 77 MPa), polyether ether ketone (PEEK, 119 MPa), polyphenylene sulfide (PPS, 148 MPa), polyetherimide (PEI, 118 MPa), polyamideimide (PAI, 118 MPa), and polybenzimidazole (PBI, 294 MPa). These materials may also be used in combination. Among these, from the viewpoints of acid resistance, organic solvent resistance, and manufacturing processability, it is preferable that the material constituting the winding core 8 be primarily composed of polyacetal, polyimide, vinyl chloride, or a combination thereof, and it is particularly preferable that the material be primarily composed of polyacetal, vinyl chloride, or a combination thereof.
当該蓄電素子1においては、上記容器3の内部が負圧状態である。上記容器3の内部を負圧状態にすることで、容器3を内側に向けて引く力が生じて電極体2が圧迫される。従って、当該蓄電素子1は電極間の隙間の低減効果に優れる。この実施形態では、電極体2は、扁平形状の巻回電極体である。電極体2は、2つの巻回R部と、2つの平坦部とを有する。2つの平坦部は、電極体2を構成する外壁側面の扁平部分に相当し、それぞれ、容器本体を構成する内壁側面の幅広な側面に対向して配置されている。この実施形態では、2つの平坦部は、容器本体の幅広な側面と接するように配置されている。2つの巻回R部は、電極体2を構成する外壁側面の曲率部分(湾曲部分)に相当し、それぞれ、容器本体の底面および蓋体に面して配置されている。2つの巻回R部は、容器本体の幅広な側面と接しないように配置されている。かかる構成によると、上記容器3の内部を負圧状態にすることで、容器3を内側に向けて引く力が生じて容器本体の少なくとも一つの幅広な側面が撓み、扁平状の電極体2の平坦部(扁平面)が厚さ方向(矩形板状の蓋体3bにおける短辺方向であって、正極、負極及びセパレータの積層方向)に圧迫される。このように、電極体2の平坦部(扁平面)を厚さ方向に圧迫することで、電極間の隙間をより良く低減することができる。In the energy storage device 1, the interior of the container 3 is under negative pressure. By creating a negative pressure inside the container 3, a force is generated that pulls the container 3 inward, compressing the electrode assembly 2. Therefore, the energy storage device 1 is excellent at reducing the gap between the electrodes. In this embodiment, the electrode assembly 2 is a flat, wound electrode assembly. The electrode assembly 2 has two wound R portions and two flat portions. The two flat portions correspond to the flat portions of the outer wall side surfaces that make up the electrode assembly 2, and are each positioned opposite the wide side surfaces of the inner wall side surfaces that make up the container body. In this embodiment, the two flat portions are positioned so as to contact the wide side surfaces of the container body. The two wound R portions correspond to the curvature portions (curved portions) of the outer wall side surfaces that make up the electrode assembly 2, and are positioned facing the bottom surface and lid of the container body, respectively. The two wound R portions are positioned so as not to contact the wide side surfaces of the container body. According to this configuration, by creating a negative pressure inside the container 3, a force is generated that pulls the container 3 inward, causing at least one wide side surface of the container body to bend, and the flat portion (flat surface) of the flat electrode body 2 is compressed in the thickness direction (the short side direction of the rectangular plate-shaped lid body 3b, which is the stacking direction of the positive electrode, negative electrode, and separator). In this way, by compressing the flat portion (flat surface) of the electrode body 2 in the thickness direction, the gap between the electrodes can be further reduced.
上記容器3の内部の圧力(絶対圧)は、容器3の外部の圧力(典型的には大気圧=0.1013MPa)よりも小さければよく、特に限定されない。上記容器3の内部の圧力としては、電極間の隙間の低減効果をより良く発揮させる等の観点から、0.09MPa以下が好ましく、0.085MPa以下がより好ましく、0.075MPa以下がさらに好ましい。いくつかの態様において、上記容器3の内部の圧力は、0.07MPa以下であってもよく、0.065MPa以下(例えば0.055MPa)であってもよい。上記圧力の下限は特に限定されないが、例えば0.02MPaであり得る。上記容器3の内部の圧力は、容器の負圧耐性等の観点から、0.03MPa以上であってもよく、0.04MPa以上(例えば0.045MPa以上)であってもよい。ここに開示される技術は、上記容器3の内部の圧力が、0.02MPa以上0.09MPa以下(好ましくは0.03MPa以上0.07MPa以下)である態様で好ましく実施され得る。The pressure (absolute pressure) inside the container 3 is not particularly limited, as long as it is lower than the pressure outside the container 3 (typically atmospheric pressure = 0.1013 MPa). The pressure inside the container 3 is preferably 0.09 MPa or less, more preferably 0.085 MPa or less, and even more preferably 0.075 MPa or less, from the viewpoint of, for example, better achieving the effect of reducing the gap between the electrodes. In some embodiments, the pressure inside the container 3 may be 0.07 MPa or less, or may be 0.065 MPa or less (e.g., 0.055 MPa). The lower limit of the pressure is not particularly limited, but may be, for example, 0.02 MPa. The pressure inside the container 3 may be 0.03 MPa or more, or may be 0.04 MPa or more (e.g., 0.045 MPa or more), from the viewpoint of the container's resistance to negative pressure, etc. The technology disclosed herein can be preferably implemented in an embodiment in which the pressure inside the container 3 is 0.02 MPa or more and 0.09 MPa or less (preferably 0.03 MPa or more and 0.07 MPa or less).
当該蓄電素子1は、上記容器3の内部に電解液と該電解液に可溶な気体が収容されていることが好ましい。密閉された容器3の内部に電解液と該電解液に可溶な気体が収容されていることで、上記気体が電解液に溶解し、容器3の内部の圧力を効果的に下げることができ、容器の内部をより確実に負圧状態にすることができる。 The energy storage element 1 preferably contains an electrolyte solution and a gas soluble in the electrolyte solution inside the container 3. By containing an electrolyte solution and a gas soluble in the electrolyte solution inside the sealed container 3, the gas dissolves in the electrolyte solution, effectively reducing the pressure inside the container 3 and more reliably creating a negative pressure state inside the container.
上記電解液が非水電解液の場合、上記非水電解液に可溶な気体としては、例えば二酸化炭素ガス(1気圧下、25℃の非水電解液1cm3に対する溶解度5cm3)、亜酸化窒素ガス等が挙げられる。上記気体としては、取り扱い及び入手が容易な二酸化炭素が好ましい。二酸化炭素は、上記非水電解液に溶解し易いため、充放電による電極の膨張収縮によって容器の内部に存在しているガス(高濃度の二酸化炭素を含むガス)が電極間の隙間に流入して溜まったとしても、当該ガスが非水電解液に速やかに溶解し得、その結果、ガス溜まりが解消されやすくなる点でも好ましい。 When the electrolyte is a non-aqueous electrolyte, examples of gases soluble in the non-aqueous electrolyte include carbon dioxide gas (solubility of 5 cm3 per 1 cm3 of non-aqueous electrolyte at 1 atmosphere and 25°C) and nitrous oxide gas. Carbon dioxide is preferred as the gas, as it is easy to handle and obtain. Carbon dioxide is easily soluble in the non-aqueous electrolyte, and therefore, even if gas (gas containing a high concentration of carbon dioxide) present inside the container flows into and accumulates in the gap between the electrodes due to expansion and contraction of the electrodes during charging and discharging, the gas can be quickly dissolved in the non-aqueous electrolyte, making it easier to eliminate the gas accumulation.
上記非水電解液に可溶な気体として、二酸化炭素を用いる場合、容器の内部の余剰空間における二酸化炭素の含有量(濃度)は特に限定されないが、容器の内部を好適な負圧状態とする等の観点から、2体積%以上であることが好ましく、2.5体積%以上であることがより好ましく、3体積%以上であることがさらに好ましい。いくつかの態様において、上記二酸化炭素の含有量は、4体積%以上であってもよく、5体積%以上(例えば6体積%以上、典型的には7体積%以上)であってもよい。上記二酸化炭素の含有量の上限は特に限定されないが、概ね80体積%であり得る。上記二酸化炭素の含有量は、例えば50体積%以下であってもよく、30体積%以下(例えば20体積%以下、典型的には15体積%以下)であってもよい。二酸化炭素が非水電解液に溶解した後において、このような組成雰囲気となるように容器の内部に二酸化炭素を収容することにより、電極間の隙間をより良く低減することができる。When carbon dioxide is used as the gas soluble in the nonaqueous electrolyte, the carbon dioxide content (concentration) in the excess space inside the container is not particularly limited. However, from the viewpoint of maintaining a suitable negative pressure inside the container, it is preferably 2 vol.% or more, more preferably 2.5 vol.% or more, and even more preferably 3 vol.% or more. In some embodiments, the carbon dioxide content may be 4 vol.% or more, or even 5 vol.% or more (e.g., 6 vol.% or more, typically 7 vol.% or more). The upper limit of the carbon dioxide content is not particularly limited, but may be approximately 80 vol.%. The carbon dioxide content may be, for example, 50 vol.% or less, or 30 vol.% or less (e.g., 20 vol.% or less, typically 15 vol.% or less). By storing carbon dioxide inside the container so that the above-mentioned atmosphere is achieved after the carbon dioxide dissolves in the nonaqueous electrolyte, the gap between the electrodes can be further reduced.
上記非水電解液に可溶な気体として、二酸化炭素を用いる場合、容器の内部の非水電解液中における二酸化炭素の含有量(濃度)は特に限定されないが、容器の内部を好適な負圧状態とする等の観点から、0.001体積%以上であることが好ましく、0.003体積%以上であることがより好ましく、0.005体積%以上であることがさらに好ましい。 When carbon dioxide is used as the gas soluble in the non-aqueous electrolyte, the carbon dioxide content (concentration) in the non-aqueous electrolyte inside the container is not particularly limited, but from the viewpoint of maintaining a suitable negative pressure state inside the container, it is preferably 0.001% by volume or more, more preferably 0.003% by volume or more, and even more preferably 0.005% by volume or more.
一方、上記電解液が非水電解液の場合、上記非水電解液に難溶又は不溶な気体としては、例えば、酸素ガス、窒素ガス、メタンガス等が挙げられる。好ましい一態様では、上記容器の内部の余剰空間における窒素の含有量(濃度)は、50体積%以下(例えば45体積%以下)であり得る。いくつかの態様において、窒素の含有量(濃度)は、40体積%以下であってもよく、30体積%以下であってもよい。上記窒素の含有量の下限は特に限定されないが、概ね10体積%であり得る。上記窒素の含有量は、例えば15体積%以上であってもよく、20体積%以上であってもよい。非水電解液に可溶な気体が非水電解液に溶解した後において、このような窒素の濃度となるように容器の内部に非水電解液に可溶な気体を収容することにより、電極間の隙間低減に好適な負圧状態とすることができる。好ましい一態様では、上記容器の内部の余剰空間における窒素ガスおよび酸素ガス以外の気体(例えば、二酸化炭素ガス、メタンガス、一酸化炭素ガス、水素ガス等)の体積の合計量を100体積%とした場合に、二酸化炭素が占める割合は、4体積%以上(例えば4体積%以上20体積%以下)であり得る。上記二酸化炭素が占める割合は、6体積%以上(例えば6体積%以上18体積%以下)が好ましく、8体積%以上(例えば8体積%以上16体積%以下)がより好ましい。いくつかの態様において、上記二酸化炭素が占める割合は、10体積%以上であってもよく、12体積%以上であってもよい。このような二酸化炭素の割合となるように容器の内部に二酸化炭素を収容することにより、電極間の隙間低減に好適な負圧状態とすることができる。上記容器の内部の余剰空間における各ガスの含有量(濃度)は、ガスクロマトグラフによって測定できる。On the other hand, when the electrolyte is a nonaqueous electrolyte, examples of gases that are poorly soluble or insoluble in the nonaqueous electrolyte include oxygen gas, nitrogen gas, and methane gas. In a preferred embodiment, the nitrogen content (concentration) in the excess space inside the container may be 50% by volume or less (e.g., 45% by volume or less). In some embodiments, the nitrogen content (concentration) may be 40% by volume or less, or 30% by volume or less. The lower limit of the nitrogen content is not particularly limited, but may be approximately 10% by volume. The nitrogen content may be, for example, 15% by volume or more, or 20% by volume or more. After the gas soluble in the nonaqueous electrolyte dissolves in the nonaqueous electrolyte, the container may contain the gas soluble in the nonaqueous electrolyte so that the nitrogen concentration is such that a negative pressure state suitable for reducing the gap between the electrodes can be achieved. In a preferred embodiment, when the total volume of gases other than nitrogen gas and oxygen gas (e.g., carbon dioxide gas, methane gas, carbon monoxide gas, hydrogen gas, etc.) in the excess space inside the container is taken as 100% by volume, the proportion of carbon dioxide may be 4% by volume or more (e.g., 4% by volume or more and 20% by volume or less). The proportion of carbon dioxide is preferably 6% by volume or more (e.g., 6% by volume or more and 18% by volume or less), and more preferably 8% by volume or more (e.g., 8% by volume or more and 16% by volume or less). In some embodiments, the proportion of carbon dioxide may be 10% by volume or more, or may be 12% by volume or more. By storing carbon dioxide inside the container so that the proportion of carbon dioxide is such, a negative pressure state suitable for reducing the gap between the electrodes can be achieved. The content (concentration) of each gas in the excess space inside the container can be measured by gas chromatography.
[電極体]
電極体2は、正極及び負極がセパレータを介して積層された状態で巻回された巻回型である。
[Electrode body]
The electrode assembly 2 is a wound type in which a positive electrode and a negative electrode are stacked with a separator interposed therebetween and wound.
(正極)
正極は、正極基材と、当該正極基材に直接又は中間層を介して配される正極活物質層とを有する。
(positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode substrate and a positive electrode active material layer disposed on the positive electrode substrate directly or via an intermediate layer.
正極基材は、導電性を有する。「導電性」を有するか否かは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cmを閾値として判定する。正極基材の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ、及びコストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。正極基材としては、箔、蒸着膜、メッシュ、多孔質材料等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、正極基材としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS-H-4000(2014年)又はJIS-H4160(2006年)に規定されるA1085、A3003、A1N30等が例示できる。 The positive electrode substrate is conductive. Whether or not a material is "conductive" is determined by a volume resistivity of 10 7 Ω·cm measured in accordance with JIS-H-0505 (1975). Metals such as aluminum, titanium, tantalum, and stainless steel, or alloys thereof, are used as the material for the positive electrode substrate. Among these, aluminum or aluminum alloys are preferred from the viewpoints of potential resistance, high conductivity, and cost. Examples of positive electrode substrates include foils, vapor-deposited films, meshes, and porous materials, with foil being preferred from the viewpoint of cost. Therefore, aluminum foil or aluminum alloy foil is preferred as the positive electrode substrate. Examples of aluminum or aluminum alloys include A1085, A3003, and A1N30 as specified in JIS-H-4000 (2014) or JIS-H4160 (2006).
正極基材の平均厚さは、3μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましく、8μm以上30μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下が特に好ましい。正極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。The average thickness of the positive electrode substrate is preferably 3 μm to 50 μm, more preferably 5 μm to 40 μm, even more preferably 8 μm to 30 μm, and particularly preferably 10 μm to 25 μm. By keeping the average thickness of the positive electrode substrate within the above range, the strength of the positive electrode substrate can be increased while also increasing the energy density per volume of the secondary battery.
中間層は、正極基材と正極活物質層との間に配される層である。中間層は、炭素粒子等の導電剤を含むことで正極基材と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば、バインダ及び導電剤を含む。 The intermediate layer is a layer disposed between the positive electrode substrate and the positive electrode active material layer. The intermediate layer contains a conductive agent such as carbon particles to reduce the contact resistance between the positive electrode substrate and the positive electrode active material layer. The composition of the intermediate layer is not particularly limited, and may include, for example, a binder and a conductive agent.
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質層は、必要に応じて、導電剤、バインダ(結着剤)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。 The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. If necessary, the positive electrode active material layer may contain optional components such as a conductive agent, a binder, a thickener, and a filler.
正極活物質としては、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LixNi(1-x)]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγCo(1-x-γ)]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixCo(1-x)]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγMn(1-x-γ)]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)、Li[LixNiγCoβAl(1-x-γ-β)]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LixMn2O4、LixNiγMn(2-γ)O4等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、Li2MnSiO4、Li2CoPO4F等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The positive electrode active material can be appropriately selected from known positive electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2 -type crystal structure, lithium transition metal composite oxides having a spinel-type crystal structure, polyanion compounds, chalcogen compounds, and sulfur. Examples of lithium transition metal composite oxides having α-NaFeO 2 type crystal structure include Li[Li x Ni (1-x) ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co (1-x-γ) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Co (1-x) ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Mn (1-x-γ) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Ni γ Mn β Co (1-x-γ-β) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), Li[Li x Ni Examples of lithium transition metal composite oxides having a spinel crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn (2-γ) O 4. Examples of polyanion compounds include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , and Li 2 CoPO 4 F. Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide, molybdenum disulfide, and molybdenum dioxide. The atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species of other elements. The surfaces of these materials may be coated with other materials. In the positive electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more of them may be used in combination.
正極活物質は、通常、粒子(粉体)である。正極活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。なお、正極活物質と他の材料との複合体を用いる場合、該複合体の平均粒径を正極活物質の平均粒径とする。「平均粒径」とは、JIS-Z-8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザ回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS-Z-8819-2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値を意味する。 The positive electrode active material is typically in the form of particles (powder). The average particle size of the positive electrode active material is preferably, for example, between 0.1 μm and 20 μm. Setting the average particle size of the positive electrode active material above the lower limit facilitates manufacturing and handling of the positive electrode active material. Setting the average particle size of the positive electrode active material below the upper limit improves the electronic conductivity of the positive electrode active material layer. When a composite of the positive electrode active material and another material is used, the average particle size of the composite is taken as the average particle size of the positive electrode active material. "Average particle size" refers to the value at which the volume-based cumulative distribution calculated in accordance with JIS-Z-8819-2 (2001) is 50%, based on the particle size distribution measured by laser diffraction/scattering in a diluted solution of particles diluted with a solvent in accordance with JIS-Z-8825 (2013).
粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 To obtain powders of a specified particle size, mills and classifiers are used. Grinding methods include, for example, using a mortar, ball mill, sand mill, vibrating ball mill, planetary ball mill, jet mill, counter jet mill, swirling air jet mill, or sieve. Wet grinding, in which water or an organic solvent such as hexane is present, can also be used. Sieves and air classifiers are used as classification methods, both dry and wet, as needed.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、50質量%以上99質量%以下が好ましく、70質量%以上98質量%以下がより好ましく、80質量%以上95質量%以下がさらに好ましい。正極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、正極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 50% by mass or more and 99% by mass or less, more preferably 70% by mass or more and 98% by mass or less, and even more preferably 80% by mass or more and 95% by mass or less. By keeping the content of the positive electrode active material within the above range, it is possible to achieve both high energy density and manufacturability of the positive electrode active material layer.
導電剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、炭素質材料、金属、導電性セラミックス等が挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛、非黒鉛質炭素、グラフェン系炭素等が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、カーボンナノファイバー、ピッチ系炭素繊維、カーボンブラック等が挙げられる。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。グラフェン系炭素としては、グラフェン、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレン等が挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。導電剤としては、これらの材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、これらの材料を複合化して用いてもよい。例えば、カーボンブラックとCNTとを複合化した材料を用いてもよい。これらの中でも、電子伝導性及び塗工性の観点よりカーボンブラックが好ましく、中でもアセチレンブラックが好ましい。The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material that is conductive. Examples of such conductive agents include carbonaceous materials, metals, and conductive ceramics. Carbonaceous materials include graphite, non-graphitic carbon, and graphene-based carbon. Non-graphitic carbon includes carbon nanofiber, pitch-based carbon fiber, and carbon black. Carbon black includes furnace black, acetylene black, and ketjen black. Graphene-based carbon includes graphene, carbon nanotubes (CNT), and fullerene. The conductive agent may be in the form of powder or fiber. As the conductive agent, one of these materials may be used alone, or two or more may be mixed. These materials may also be used in combination. For example, a composite of carbon black and CNT may be used. Among these, carbon black is preferred from the standpoints of electronic conductivity and coatability, and acetylene black is particularly preferred.
正極活物質層における導電剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。導電剤の含有量を上記の範囲とすることで、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。The content of the conductive agent in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. By keeping the content of the conductive agent within this range, the energy density of the secondary battery can be increased.
バインダとしては、例えば、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of binders include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, polyacrylic, and polyimide; elastomers such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber (SBR), and fluororubber; polysaccharide polymers, etc.
正極活物質層におけるバインダの含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。バインダの含有量を上記の範囲とすることで、活物質を安定して保持することができる。 The binder content in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. By keeping the binder content within the above range, the active material can be stably maintained.
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。増粘剤がリチウム等と反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させてもよい。 Examples of thickeners include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. If the thickener has a functional group that reacts with lithium or the like, this functional group may be deactivated in advance by methylation or the like.
フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、二酸化ケイ素、アルミナ、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。The filler is not particularly limited. Examples of fillers include polyolefins such as polypropylene and polyethylene; inorganic oxides such as silicon dioxide, alumina, titanium dioxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; hydroxides such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and aluminum hydroxide; carbonates such as calcium carbonate; sparingly soluble ionic crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, and barium sulfate; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; mineral-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica; and synthetic versions of these.
正極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The positive electrode active material layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I, typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba, and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb, and W as components other than the positive electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.
(負極)
負極は、負極基材と、当該負極基材に直接又は中間層を介して配される負極活物質層とを有する。中間層の構成は特に限定されず、例えば上記正極で例示した構成から選択することができる。
(Negative electrode)
The negative electrode has a negative electrode substrate and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode substrate directly or via an intermediate layer. The configuration of the intermediate layer is not particularly limited and can be selected from the configurations exemplified for the positive electrode above, for example.
負極基材は、導電性を有する。負極基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム等の金属又はこれらの合金、炭素質材料等が用いられる。これらの中でも銅又は銅合金が好ましい。負極基材としては、箔、蒸着膜、メッシュ、多孔質材料等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、負極基材としては銅箔又は銅合金箔が好ましい。銅箔の例としては、圧延銅箔、電解銅箔等が挙げられる。 The negative electrode substrate is electrically conductive. Materials used for the negative electrode substrate include metals such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, and aluminum, or alloys of these metals, and carbonaceous materials. Among these, copper or copper alloys are preferred. Examples of negative electrode substrates include foil, vapor-deposited film, mesh, and porous materials, with foil being preferred from a cost perspective. Therefore, copper foil or copper alloy foil is preferred as the negative electrode substrate. Examples of copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
負極基材の平均厚さは、2μm以上35μm以下が好ましく、3μm以上30μm以下がより好ましく、4μm以上25μm以下がさらに好ましく、5μm以上20μm以下が特に好ましい。負極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、負極基材の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the negative electrode substrate is preferably 2 μm or more and 35 μm or less, more preferably 3 μm or more and 30 μm or less, even more preferably 4 μm or more and 25 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 20 μm or less. By keeping the average thickness of the negative electrode substrate within the above range, the strength of the negative electrode substrate can be increased while also increasing the energy density per volume of the secondary battery.
負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質層は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上記正極で例示した材料から選択できる。 The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material. The negative electrode active material layer contains optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler as needed. The optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler can be selected from the materials exemplified for the positive electrode above.
負極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The negative electrode active material layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I, typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba, and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, and W as components other than the negative electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.
負極活物質としては、公知の負極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、金属Li;Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;Li4Ti5O12、LiTiO2、TiNb2O7等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of negative electrode active materials include metal Li; metals or semimetals such as Si and Sn; metal oxides or semimetal oxides such as Si oxide, Ti oxide, and Sn oxide; titanium-containing oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 2 , and TiNb 2 O 7 ; polyphosphate compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite and non-graphitic carbon (easily graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferred. In the negative electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more may be mixed and used.
「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 "Graphite" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.33 nm or more and less than 0.34 nm. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferred from the viewpoint of being able to obtain a material with stable physical properties.
「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチまたは石油ピッチ由来の材料、石油コークスまたは石油コークス由来の材料、植物由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 "Non-graphitic carbon" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.34 nm or more and 0.42 nm or less. Examples of non-graphitic carbon include non-graphitizable carbon and graphitizable carbon. Examples of non-graphitic carbon include resin-derived materials, petroleum pitch or petroleum pitch-derived materials, petroleum coke or petroleum coke-derived materials, plant-derived materials, and alcohol-derived materials.
ここで、「放電状態」とは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されるように放電された状態を意味する。例えば、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた単極電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態である。Here, "discharged state" refers to a state in which the negative electrode active material, a carbonaceous material, has been discharged so that lithium ions capable of being absorbed and released during charging and discharging are sufficiently released. For example, in a single-electrode battery using a negative electrode containing a carbonaceous material as the negative electrode active material as the working electrode and metallic Li as the counter electrode, this refers to a state in which the open circuit voltage is 0.7 V or higher.
「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。 The term "non-graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.
「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。 The term "easily graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm.
負極活物質は、通常、粒子(粉体)である。負極活物質の平均粒径は、例えば、1nm以上100μm以下とすることができる。負極活物質が炭素材料、チタン含有酸化物又はポリリン酸化合物である場合、その平均粒径は、1μm以上100μm以下であってもよい。負極活物質が、Si、Sn、Si酸化物、又は、Sn酸化物等である場合、その平均粒径は、1nm以上1μm以下であってもよい。負極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、活物質層の電子伝導性が向上する。粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法及び粉級方法は、例えば、上記正極で例示した方法から選択できる。負極活物質が金属Li等の金属である場合、負極活物質は、箔状であってもよい。The negative electrode active material is typically in the form of particles (powder). The average particle size of the negative electrode active material can be, for example, 1 nm to 100 μm. When the negative electrode active material is a carbon material, a titanium-containing oxide, or a polyphosphate compound, the average particle size may be 1 μm to 100 μm. When the negative electrode active material is Si, Sn, Si oxide, Sn oxide, or the like, the average particle size may be 1 nm to 1 μm. Setting the average particle size of the negative electrode active material to be above the lower limit facilitates the production and handling of the negative electrode active material. Setting the average particle size of the negative electrode active material to be below the upper limit improves the electronic conductivity of the active material layer. To obtain powder with a specified particle size, a pulverizer or classifier is used. The pulverization and classification methods can be selected from, for example, the methods exemplified for the positive electrode above. When the negative electrode active material is a metal such as metallic Li, the negative electrode active material may be in the form of a foil.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、60質量%以上99質量%以下が好ましく、90質量%以上98質量%以下がより好ましい。負極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、負極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably 60% by mass or more and 99% by mass or less, and more preferably 90% by mass or more and 98% by mass or less. By keeping the content of the negative electrode active material within this range, it is possible to achieve both high energy density and manufacturability of the negative electrode active material layer.
(セパレータ)
セパレータは、公知のセパレータの中から適宜選択できる。セパレータとして、例えば、基材層のみからなるセパレータ、基材層の一方の面又は双方の面に耐熱粒子とバインダとを含む耐熱層が形成されたセパレータ等を使用することができる。セパレータの基材層の形態としては、例えば、織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が挙げられる。これらの形態の中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。セパレータの基材層の材料としては、シャットダウン機能の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。セパレータの基材層として、これらの樹脂を複合した材料を用いてもよい。
(separator)
The separator can be appropriately selected from known separators. Examples of separators that can be used include separators consisting of only a substrate layer and separators in which a heat-resistant layer containing heat-resistant particles and a binder is formed on one or both surfaces of the substrate layer. Examples of the form of the substrate layer of the separator include woven fabric, nonwoven fabric, and porous resin film. Among these forms, porous resin films are preferred from the viewpoint of strength, and nonwoven fabrics are preferred from the viewpoint of non-aqueous electrolyte retention. Materials for the substrate layer of the separator are preferably polyolefins such as polyethylene and polypropylene from the viewpoint of shutdown function, and polyimide and aramid from the viewpoint of oxidative decomposition resistance. A composite material of these resins may also be used for the substrate layer of the separator.
耐熱層に含まれる耐熱粒子は、1気圧の空気雰囲気下で室温から500℃まで昇温したときの質量減少が5%以下であるものが好ましく、室温から800℃まで昇温したときの質量減少が5%以下であるものがさらに好ましい。質量減少が所定以下である材料として無機化合物が挙げられる。無機化合物として、例えば、酸化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の酸化物;窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物;炭酸カルシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム等の硫酸塩;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、チタン酸バリウム等の難溶性のイオン結晶;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶;タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。無機化合物として、これらの物質の単体又は複合体を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの無機化合物の中でも、蓄電素子の安全性の観点から、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はアルミノケイ酸塩が好ましい。The heat-resistant particles contained in the heat-resistant layer preferably exhibit a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 500°C in an air atmosphere at 1 atmosphere pressure, and more preferably exhibit a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 800°C. Examples of materials exhibiting a mass loss of less than the specified value include inorganic compounds. Examples of inorganic compounds include oxides such as iron oxide, silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; carbonates such as calcium carbonate; sulfates such as barium sulfate; sparingly soluble ionic crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, and barium titanate; covalently bonded crystals such as silicon and diamond; mineral-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica, as well as artificial products thereof. As the inorganic compound, these substances may be used alone or in the form of a complex, or two or more of them may be used in combination. Among these inorganic compounds, silicon oxide, aluminum oxide, or aluminosilicate is preferred from the viewpoint of the safety of the energy storage device.
セパレータの空孔率は、強度の観点から80体積%以下が好ましく、放電性能の観点から20体積%以上が好ましい。ここで、「空孔率」とは、体積基準の値であり、水銀ポロシメータでの測定値を意味する。 The porosity of the separator is preferably 80% by volume or less from the perspective of strength, and 20% by volume or more from the perspective of discharge performance. Here, "porosity" refers to a volume-based value measured using a mercury porosimeter.
セパレータとして、ポリマーと非水電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。ポリマーとして、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメチルメタアクリレート、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。ポリマーゲルを用いると、漏液を抑制する効果がある。セパレータとして、上述したような多孔質樹脂フィルム又は不織布等とポリマーゲルを併用してもよい。 A polymer gel composed of a polymer and a non-aqueous electrolyte may be used as the separator. Examples of polymers include polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, and polyvinylidene fluoride. Using a polymer gel has the effect of suppressing leakage. A polymer gel may also be used in combination with a porous resin film or nonwoven fabric, such as those described above, as the separator.
(非水電解質)
非水電解質としては、当該蓄電素子が非水電解液二次電池である場合、非水電解液が用いられる。非水電解液としては、公知の非水電解液の中から適宜選択できる。非水電解液は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩とを含む。
(Non-aqueous electrolyte)
When the energy storage element is a nonaqueous electrolyte secondary battery, a nonaqueous electrolyte solution is used as the nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte solution can be appropriately selected from known nonaqueous electrolyte solutions. The nonaqueous electrolyte solution includes a nonaqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the nonaqueous solvent.
非水溶媒としては、公知の非水溶媒の中から適宜選択できる。非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、リン酸エステル、スルホン酸エステル、エーテル、アミド、ニトリル等が挙げられる。非水溶媒として、これらの化合物に含まれる水素原子の一部がハロゲンに置換されたものを用いてもよい。The non-aqueous solvent can be appropriately selected from known non-aqueous solvents. Examples of non-aqueous solvents include cyclic carbonates, linear carbonates, carboxylic acid esters, phosphate esters, sulfonic acid esters, ethers, amides, and nitriles. Non-aqueous solvents in which some of the hydrogen atoms in these compounds have been substituted with halogens may also be used.
環状カーボネートとしては、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)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、スチレンカーボネート、1-フェニルビニレンカーボネート、1,2-ジフェニルビニレンカーボネート等が挙げられる。これらの中でもEC及びPCが好ましい。 Cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), chloroethylene carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), styrene carbonate, 1-phenylvinylene carbonate, 1,2-diphenylvinylene carbonate, etc. Of these, EC and PC are preferred.
鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート、トリフルオロエチルメチルカーボネート、ビス(トリフルオロエチル)カーボネート等が挙げられる。これらの中でもDMC及びEMCが好ましい。 Examples of chain carbonates include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate, trifluoroethyl methyl carbonate, bis(trifluoroethyl) carbonate, etc. Among these, DMC and EMC are preferred.
非水溶媒として、環状カーボネート又は鎖状カーボネートを用いることが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用することがより好ましい。環状カーボネートを用いることで、電解質塩の解離を促進して非水電解液のイオン伝導度を向上させることができる。鎖状カーボネートを用いることで、非水電解液の粘度を低く抑えることができる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用する場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比率(環状カーボネート:鎖状カーボネート)としては、例えば、5:95から50:50の範囲とすることが好ましい。It is preferable to use a cyclic carbonate or a chain carbonate as the non-aqueous solvent, and it is even more preferable to use a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate. The use of a cyclic carbonate promotes dissociation of the electrolyte salt, improving the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte. The use of a chain carbonate reduces the viscosity of the non-aqueous electrolyte. When a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination, the volume ratio of the cyclic carbonate to the chain carbonate (cyclic carbonate:chain carbonate) is preferably in the range of, for example, 5:95 to 50:50.
電解質塩としては、公知の電解質塩から適宜選択できる。電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等が挙げられる。これらの中でもリチウム塩が好ましい。The electrolyte salt can be appropriately selected from known electrolyte salts. Examples of electrolyte salts include lithium salts, sodium salts, potassium salts, magnesium salts, and onium salts. Of these, lithium salts are preferred.
リチウム塩としては、LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2F)2等の無機リチウム塩、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiFOB)、リチウムビス(オキサレート)ジフルオロホスフェート(LiFOP)等のシュウ酸リチウム塩、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等のハロゲン化炭化水素基を有するリチウム塩等が挙げられる。これらの中でも、無機リチウム塩が好ましく、LiPF6がより好ましい。 Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiPO2F2 , LiBF4 , LiClO4 , and LiN ( SO2F ) 2 ; lithium oxalate salts such as lithium bis(oxalate)borate (LiBOB), lithium difluorooxalateborate (LiFOB), and lithium bis( oxalate )difluorophosphate ( LiFOP ); and lithium salts having a halogenated hydrocarbon group such as LiSO3CF3 , LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN( SO2C2F5 ) 2 , LiN ( SO2CF3 ) ( SO2C4F9 ) , LiC( SO2CF3 ) 3 , and LiC( SO2C2F5 ) 3 . Among these, inorganic lithium salts are preferred, and LiPF6 is more preferred.
非水電解液における電解質塩の含有量は、20℃1気圧下において、0.1mol/dm3以上2.5mol/dm3以下であると好ましく、0.3mol/dm3以上2.0mol/dm3以下であるとより好ましく、0.5mol/dm3以上1.7mol/dm3以下であるとさらに好ましく、0.7mol/dm3以上1.5mol/dm3以下であると特に好ましい。電解質塩の含有量を上記の範囲とすることで、非水電解液のイオン伝導度を高めることができる。 The content of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte solution at 20°C and 1 atmosphere is preferably 0.1 mol/dm3 or more and 2.5 mol/dm3 or less, more preferably 0.3 mol/dm3 or more and 2.0 mol/dm3 or less, even more preferably 0.5 mol/dm3 or more and 1.7 mol/dm3 or less , and particularly preferably 0.7 mol/dm3 or more and 1.5 mol/ dm3 or less. By setting the content of the electrolyte salt within the above range, the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be increased.
非水電解液は、非水溶媒と電解質塩以外に、添加剤を含んでもよい。添加剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)等のハロゲン化炭酸エステル;リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiFOB)、リチウムビス(オキサレート)ジフルオロホスフェート(LiFOP)等のシュウ酸塩;リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のイミド塩;ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2-フルオロビフェニル、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分ハロゲン化物;2,4-ジフルオロアニソール、2,5-ジフルオロアニソール、2,6-ジフルオロアニソール、3,5-ジフルオロアニソール等のハロゲン化アニソール化合物;ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物;亜硫酸エチレン、亜硫酸プロピレン、亜硫酸ジメチル、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、トルエンスルホン酸メチル、硫酸ジメチル、硫酸エチレン、スルホラン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、テトラメチレンスルホキシド、ジフェニルスルフィド、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4-メチルスルホニルオキシメチル-2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン、チオアニソール、ジフェニルジスルフィド、ジピリジニウムジスルフィド、1,3-プロペンスルトン、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,4-ブテンスルトン、パーフルオロオクタン、ホウ酸トリストリメチルシリル、リン酸トリストリメチルシリル、チタン酸テトラキストリメチルシリル、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム等が挙げられる。これら添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。In addition to the nonaqueous solvent and electrolyte salt, the nonaqueous electrolyte may contain additives. Examples of additives include halogenated carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC) and difluoroethylene carbonate (DFEC); oxalates such as lithium bis(oxalate)borate (LiBOB), lithium difluorooxalateborate (LiFOB), and lithium bis(oxalate)difluorophosphate (LiFOP); imide salts such as lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI); biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, and silyl. Aromatic compounds such as cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; partial halides of the above aromatic compounds such as 2-fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, and p-cyclohexylfluorobenzene; halogenated anisole compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, and 3,5-difluoroanisole; vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, and the like. Carbonate, succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride; ethylene sulfite, propylene sulfite, dimethyl sulfite, methyl methanesulfonate, busulfan, methyl toluenesulfonate, dimethyl sulfate, ethylene sulfate, sulfolane, dimethyl sulfone, diethyl sulfone, dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, tetramethylene sulfoxide, diphenyl sulfide, 4,4'-bis(2,2-dioxo-1 ,3,2-dioxathiolane), 4-methylsulfonyloxymethyl-2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane, thioanisole, diphenyl disulfide, dipyridinium disulfide, 1,3-propene sultone, 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,4-butene sultone, perfluorooctane, tristrimethylsilyl borate, tristrimethylsilyl phosphate, tetrakistrimethylsilyl titanate, lithium monofluorophosphate, lithium difluorophosphate, etc. These additives may be used alone or in combination of two or more.
非水電解液に含まれる添加剤の含有量は、非水電解液全体の質量に対して0.01質量%以上10質量%以下であると好ましく、0.1質量%以上7質量%以下であるとより好ましく、0.2質量%以上5質量%以下であるとさらに好ましく、0.3質量%以上3質量%以下であると特に好ましい。添加剤の含有量を上記の範囲とすることで、高温保存後の容量維持性能又はサイクル性能を向上させたり、安全性をより向上させたりすることができる。The content of additives contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or more and 7% by mass or less, even more preferably 0.2% by mass or more and 5% by mass or less, and particularly preferably 0.3% by mass or more and 3% by mass or less, based on the total mass of the non-aqueous electrolyte. By keeping the additive content within the above range, it is possible to improve capacity retention or cycle performance after high-temperature storage, and to further improve safety.
非水電解質には、固体電解質を用いてもよく、非水電解液と固体電解質とを併用してもよい。 A solid electrolyte may be used as the non-aqueous electrolyte, or a non-aqueous electrolyte solution and a solid electrolyte may be used in combination.
固体電解質としては、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオン伝導性を有し、常温(例えば15℃から25℃)において固体である任意の材料から選択できる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、及び酸窒化物固体電解質、ポリマー固体電解質、ゲルポリマー電解質等が挙げられる。The solid electrolyte can be selected from any material that has ionic conductivity, such as lithium, sodium, or calcium, and is solid at room temperature (e.g., 15°C to 25°C). Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, oxynitride solid electrolytes, polymer solid electrolytes, and gel polymer electrolytes.
硫化物固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の場合、例えば、Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2S5、Li10Ge-P2S12等が挙げられる。 In the case of a lithium ion secondary battery, examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , and Li 10 Ge-P 2 S 12 .
<蓄電装置の構成>
本実施形態の蓄電素子の形状については特に限定されるものではないが、例えば、偏平の角型電池が好ましい。当該蓄電素子の形状が偏平の角型電池であることで、容器の内部が負圧状態の場合、容器を内側に向けて引く力が生じることにより、容器本体の少なくとも一つの側面が凹みやすくなる。負圧により凹んだ容器本体の側面に対向する電極体の側面が厚さ方向に加圧されるので、電極間の隙間の低減効果を向上できる。
<Configuration of Power Storage Device>
The shape of the energy storage element of this embodiment is not particularly limited, but is preferably, for example, a flat prismatic battery. When the shape of the energy storage element is a flat prismatic battery, if the interior of the container is in a negative pressure state, a force pulling the container inward is generated, making at least one side surface of the container body more likely to become depressed. The side surface of the electrode body facing the depressed side surface of the container body due to the negative pressure is pressurized in the thickness direction, thereby improving the effect of reducing the gap between the electrodes.
<蓄電素子の製造方法>
本実施形態の蓄電素子の製造方法は、例えば負極及び正極が積層された電極体を容器に収容すること(以下、電極体収容工程ともいう。)、電解質を上記容器に収容すること(以下、電解質収容工程ともいう。)、上記容器の内部を負圧状態にすること(以下、負圧形成工程ともいう。)、及び、上記容器を密閉すること(以下、密閉工程ともいう。)を備える。この実施形態では、上記電解質収容工程として電解液を上記容器に収容すること(以下、電解液収容工程ともいう。)を備え、上記負圧形成工程は、上記電解液収容工程後かつ上記密閉工程前に、上記電解液に可溶な気体を上記容器に収容すること(以下、気体収容工程ともいう。)を備える。さらに、当該蓄電素子の製造方法は、その他の工程として、例えば、正極を形成すること(以下、正極形成工程ともいう。)、負極を形成すること(以下、負極形成工程ともいう。)電極体を形成すること(以下、電極体形成工程ともいう。)等を備えることができる。
<Method of manufacturing an energy storage element>
The manufacturing method of the energy storage element of this embodiment includes, for example, housing an electrode assembly in which a negative electrode and a positive electrode are stacked in a container (hereinafter also referred to as an electrode assembly housing step), housing an electrolyte in the container (hereinafter also referred to as an electrolyte housing step), creating a negative pressure inside the container (hereinafter also referred to as a negative pressure forming step), and sealing the container (hereinafter also referred to as a sealing step). In this embodiment, the electrolyte housing step includes housing an electrolyte solution in the container (hereinafter also referred to as an electrolyte solution housing step), and the negative pressure forming step includes housing a gas soluble in the electrolyte solution in the container after the electrolyte solution housing step and before the sealing step (hereinafter also referred to as a gas housing step). Furthermore, the manufacturing method of the energy storage element can include other steps, such as forming a positive electrode (hereinafter also referred to as a positive electrode forming step), forming a negative electrode (hereinafter also referred to as a negative electrode forming step), and forming an electrode assembly (hereinafter also referred to as an electrode assembly forming step).
(正極形成工程)
正極形成工程では、正極基材及び正極活物質層を有する正極を形成する。上記正極形成工程では、正極活物質を含有する正極合剤を正極基材へ塗工することにより正極合剤を正極基材の少なくとも一方の面に沿って配置することができる。具体的には、例えば正極基材に正極合剤を塗工して乾燥することにより正極活物質層を配置する。
(Positive electrode formation process)
In the positive electrode formation step, a positive electrode having a positive electrode substrate and a positive electrode active material layer is formed. In the positive electrode formation step, a positive electrode mixture containing a positive electrode active material is applied to the positive electrode substrate, so that the positive electrode mixture can be disposed along at least one surface of the positive electrode substrate. Specifically, for example, the positive electrode mixture is applied to the positive electrode substrate and dried to dispose the positive electrode active material layer.
上記正極合剤は、上述の任意成分以外に、さらに分散媒を含んだ状態である正極合剤ペーストであってもよい。この分散媒としては、例えば、水、水を主体とする混合溶媒等の水系溶媒;N-メチルピロリドン、トルエン等の有機系溶媒を用いることができる。正極活物質層は、正極基材に直接又は中間層を介して積層されてもよい。 The positive electrode mixture may be a positive electrode mixture paste containing a dispersion medium in addition to the optional components described above. Examples of the dispersion medium include aqueous solvents such as water and mixed solvents primarily containing water; and organic solvents such as N-methylpyrrolidone and toluene. The positive electrode active material layer may be laminated directly onto the positive electrode substrate or via an intermediate layer.
(負極形成工程)
負極形成工程では、負極基材及び負極活物質層を有する負極を形成する。上記負極形成工程では、負極活物質を含有する負極合剤を負極基材に塗工することにより負極合剤を負極基材の少なくとも一方の面に沿って配置することができる。具体的には、例えば負極基材に負極合剤を塗工して乾燥することにより負極活物質層を配置する。また、上記負極合剤は、上述の任意成分以外に、さらに分散媒を含んだ状態である負極合剤ペーストであってもよい。分散媒は、上記正極形成工程で例示したものから任意に選択できる。負極活物質層は、負極基材に直接又は中間層を介して積層されてもよい。
(Negative electrode formation process)
In the negative electrode formation step, a negative electrode having a negative electrode substrate and a negative electrode active material layer is formed. In the negative electrode formation step, a negative electrode mixture containing a negative electrode active material can be applied to the negative electrode substrate, so that the negative electrode mixture is disposed along at least one surface of the negative electrode substrate. Specifically, for example, the negative electrode mixture is applied to the negative electrode substrate and dried to form the negative electrode active material layer. Furthermore, the negative electrode mixture may be a negative electrode mixture paste that further contains a dispersion medium in addition to the optional components described above. The dispersion medium can be selected from any of the dispersion mediums exemplified in the positive electrode formation step. The negative electrode active material layer may be laminated directly on the negative electrode substrate or via an intermediate layer.
(電極体形成工程)
電極体形成工程では、上記正極及び上記負極を用いて電極体を形成する。上記電極体は、巻回型電極体であり、対向する一対の巻回R部と、上記一対の巻回R部の間に位置する平坦部とを有する扁平形状の巻回型電極体であると好ましい。当該蓄電素子の電極体形成工程では、上述のセパレータを介して上記正極及び負極を積層及び巻回することにより、交互に重畳された電極体を形成する。
(Electrode body formation process)
In the electrode body forming step, an electrode body is formed using the positive electrode and the negative electrode. The electrode body is preferably a wound electrode body having a flat shape and a pair of opposing wound R portions and a flat portion located between the pair of wound R portions. In the electrode body forming step of the energy storage element, the positive electrode and the negative electrode are stacked and wound with the separator interposed therebetween to form an electrode body in which the positive electrode and the negative electrode are alternately stacked.
(電極体収容工程)
電極体収容工程では、負極及び正極が積層及び巻回された電極体を容器に収容する。
(Electrode body accommodation process)
In the electrode assembly housing step, the electrode assembly in which the negative electrode and the positive electrode are stacked and wound is housed in a container.
(電解質収容工程)
電解質収容工程では、上記電解質を上記容器に収容する。電解質の収容は、公知の方法により行うことができる。当該蓄電素子が非水電解液二次電池の場合は、電解液収容工程として、例えば容器に設けられた注入口から非水電解液を注入することで上記非水電解液を上記容器に収容する。
(Electrolyte containing step)
In the electrolyte containing step, the electrolyte is contained in the container. The containing of the electrolyte can be performed by a known method. When the energy storage element is a non-aqueous electrolyte secondary battery, the electrolyte containing step involves, for example, containing the non-aqueous electrolyte in the container by injecting the non-aqueous electrolyte through an inlet provided in the container.
(気体収容工程)
気体収容工程では、上記電解液収容工程の後、上記電解液に可溶な気体を容器に収容する。具体的には、上記電解液を上記容器に収容した後、上記容器に上記電解液に可溶な気体を上記注入口から注入することで上記電解液に可溶な気体を容器に収容する。上記電解液に可溶な気体の注入は、大気圧で実施してもよく、真空ポンプ等を用いて容器の内部の圧力を減圧した状態で実施してもよい。ここで、「減圧」とは、容器の内部の余剰空間の圧力が大気圧未満であることをいう。なお、気体収容工程を加圧した状態で実施すると、封口前の電解液に上記電解液に可溶な気体が溶けすぎるため、密閉工程の後に上記電解液に可溶な気体が上記電解液にさらに溶解することが困難になり、上記容器の内部が十分に負圧状態にならないおそれがある。また、上記注入口は、上記電解液を注入するための注入口と別に設けられていてもよい。
(Gas storage process)
In the gas containing step, after the electrolyte solution containing step, a gas soluble in the electrolyte solution is contained in the container. Specifically, after the electrolyte solution is contained in the container, the gas soluble in the electrolyte solution is injected into the container through the inlet, thereby containing the gas soluble in the electrolyte solution in the container. The injection of the gas soluble in the electrolyte solution may be carried out at atmospheric pressure, or may be carried out with the pressure inside the container reduced using a vacuum pump or the like. Here, "reduced pressure" refers to the pressure in the excess space inside the container being less than atmospheric pressure. Note that if the gas containing step is carried out under pressure, the gas soluble in the electrolyte solution will dissolve too much in the electrolyte solution before sealing, making it difficult for the gas soluble in the electrolyte solution to further dissolve in the electrolyte solution after the sealing step, and the inside of the container may not be sufficiently under negative pressure. In addition, the inlet may be provided separately from the inlet for injecting the electrolyte solution.
上述のとおり、当該蓄電素子は、上記容器の内部が負圧状態であり、かかる負圧状態を実現する好適な方法のーつとして、上記電解液を上記容器に収容した後、当該容器に上記電解液に可溶な気体を収容することが挙げられる。このように、電解液が収容された状態の容器に上記電解液に可溶な気体を注入することにより、密閉工程の後に上記気体が上記電解液に溶解することによって容器の内部の圧力が効果的に下がり、容器の内部が好適な負圧状態になり得る。一方、上記電解液に可溶な気体を上記容器に収容した後、当該容器に上記電解液を収容する態様では、上記電解液の収容時に上記電解液に可溶な気体の多くが電解液に溶解し、密閉工程の前に上記電解液に上記電解液に可溶な気体が溶けすぎる(例えば飽和溶解する)ため好ましくない。すなわち、密閉工程の前に上記電解液に上記電解液に可溶な気体が溶けすぎると、密閉工程の後に上記電解液に可溶な気体が上記電解液にさらに溶解することが困難になり、上記容器の内部の圧力を効果的に低減できない場合があり得る。好ましくは、上記電解液を上記容器に収容した後、予備充電を行い、真空ポンプ等を用いて上記容器の内部の圧力を減圧した後に、上記容器の内部の圧力が大気圧付近となるように上記電解液に可溶な気体を注入するとよい。この上記電解液に可溶な気体注入直後の上記容器の内部の圧力は、密閉工程の後に上記容器の内部を好適な負圧状態にする観点から一つの重要なファクターである。上記電解液に可溶な気体注入直後の上記容器の内部の圧力は、好ましくは0.1MPa以上0.2MPa以下、より好ましくは0.1MPa以上0.15MPa以下、さらに好ましくは0.1MPa以上0.12MPa以下、特に好ましくは0.1MPa以上0.11MPa以下である。このように上記電解液に可溶な気体注入直後の上記容器の内部の圧力が大気圧付近となるように上記電解液に可溶な気体を注入することにより、密閉工程の前に上記電解液に上記電解液に可溶な気体が溶けすぎる不都合を解消または緩和し得、密閉工程の後に上記容器の内部の圧力を効果的に下げることができる。As described above, the energy storage element has a negative pressure state inside the container. One suitable method for achieving this negative pressure state is to first fill the container with the electrolyte solution and then fill the container with a gas soluble in the electrolyte solution. In this way, by injecting a gas soluble in the electrolyte solution into a container containing the electrolyte solution, the gas dissolves in the electrolyte solution after the sealing process, effectively reducing the pressure inside the container and creating a suitable negative pressure state inside the container. On the other hand, in an embodiment in which a gas soluble in the electrolyte solution is filled into the container and then the electrolyte solution is filled into the container, this is undesirable because much of the gas soluble in the electrolyte solution dissolves in the electrolyte solution when the electrolyte solution is filled, resulting in excessive dissolution of the gas soluble in the electrolyte solution (e.g., saturation dissolution) in the electrolyte solution before the sealing process. In other words, if too much gas soluble in the electrolyte solution dissolves in the electrolyte solution before the sealing process, it becomes difficult for the gas soluble in the electrolyte solution to further dissolve in the electrolyte solution after the sealing process, which may prevent effective reduction of the pressure inside the container. Preferably, after the electrolytic solution is placed in the container, pre-charging is performed, the pressure inside the container is reduced using a vacuum pump or the like, and then a gas soluble in the electrolytic solution is injected so that the pressure inside the container is close to atmospheric pressure. The pressure inside the container immediately after the injection of the gas soluble in the electrolytic solution is an important factor from the viewpoint of maintaining a suitable negative pressure inside the container after the sealing step. The pressure inside the container immediately after the injection of the gas soluble in the electrolytic solution is preferably 0.1 MPa or more and 0.2 MPa or less, more preferably 0.1 MPa or more and 0.15 MPa or less, even more preferably 0.1 MPa or more and 0.12 MPa or less, and particularly preferably 0.1 MPa or more and 0.11 MPa or less. In this way, by injecting the gas soluble in the electrolyte so that the pressure inside the container immediately after injecting the gas soluble in the electrolyte is close to atmospheric pressure, the inconvenience of the gas soluble in the electrolyte being dissolved too much in the electrolyte before the sealing step can be eliminated or alleviated, and the pressure inside the container can be effectively reduced after the sealing step.
上記電解液に可溶な気体の収容量としては、上記容器の内部の圧力をより小さくする観点から、容器の内部の余剰空間の体積に対して40体積%以上であることが好ましく、70体積%以上であることがより好ましく、例えば95体積%以上であってもよい。上記電解液に可溶な気体の収容量としては、容器の内部の余剰空間の体積に対して100体積%であってもよい。ここに開示される技術は、上記電解液に可溶な気体の収容量が、容器の内部の余剰空間の体積に対して好ましくは70体積%以上100体積%以下、より好ましくは80体積%以上95体積%以下である態様で好ましく実施され得る。 From the viewpoint of further reducing the pressure inside the container, the amount of gas soluble in the electrolyte solution is preferably 40% by volume or more, more preferably 70% by volume or more, and may be, for example, 95% by volume or more, relative to the volume of the excess space inside the container. The amount of gas soluble in the electrolyte solution may be 100% by volume, relative to the volume of the excess space inside the container. The technology disclosed herein can be preferably implemented in an embodiment in which the amount of gas soluble in the electrolyte solution is preferably 70% by volume or more and 100% by volume or less, more preferably 80% by volume or more and 95% by volume or less, relative to the volume of the excess space inside the container.
容器の内部に収容される上記電解液に可溶な気体の含有量は、上記容器の内部の圧力をより小さくする観点から、容器の内部に収容される全気体の収容量に対して80体積%以上であることが好ましく、98体積%以上であることが好ましく、100体積%であることがさらに好ましい。上記電解液に可溶な気体の含有量は、上記気体の取り扱いやすさの観点から、容器の内部に収容される全気体の収容量に対して80体積%以下であってもよい。 From the viewpoint of reducing the pressure inside the container, the content of the gas soluble in the electrolyte solution contained inside the container is preferably 80% by volume or more, preferably 98% by volume or more, and more preferably 100% by volume, of the total amount of gas contained inside the container. From the viewpoint of ease of handling the gas, the content of the gas soluble in the electrolyte solution may be 80% by volume or less of the total amount of gas contained inside the container.
(密閉工程)
密閉工程では、上記電解液に可溶な気体が上記容器に収容された状態で上記容器を密閉する。具体的には、上記容器に上記気体を収容した後に注入口を封止することにより蓄電素子を得ることができる。注入口の封止は、例えば、上記注入口を封止部材で塞ぎ、上記封止部材をレーザ溶接等により固定することにより行われる。
(Sealing process)
In the sealing step, the container is sealed while the gas soluble in the electrolyte is contained in the container. Specifically, after the gas is contained in the container, the injection port is sealed to obtain an energy storage device. The injection port is sealed, for example, by closing the injection port with a sealing member and fixing the sealing member by laser welding or the like.
密閉工程は、上記電解液に可溶な気体を封入後に、速やかに行う必要がある。上記電解液に可溶な気体を封入後に長時間放置した場合、密閉工程の前に電解液に上記電解液に可溶な気体が溶けすぎるため、密閉工程の後に上記電解液に可溶な気体が上記電解液にさらに溶解することが困難になり、上記容器の内部が十分に負圧状態にならないおそれがある。上記電解液に可溶な気体の収容後から注入口の封止までの経過時間としては、密閉工程の前に上記電解液に溶解したり、拡散によって上記注入口を介して上記容器の外部へ排出されたりする上記電解液に可溶な気体の量を小さくする観点から1時間以下が好ましい。当該経過時間は、好ましくは30分以下(例えば1分以上30分以下)、より好ましくは20分以下、さらに好ましくは15分以下、特に好ましくは10分以下(例えば5分以下)である。上記電解液に可溶な気体の収容後から注入口の封止までの経過時間を短くすることにより、密閉工程の前に上記電解液に上記電解液に可溶な気体が溶けすぎる(典型的には飽和溶解する)不都合を解消または緩和し得、密閉工程の後に上記容器の内部の圧力を効果的に下げることができる。The sealing process must be performed promptly after the electrolyte-soluble gas is sealed in. If the container is left for a long time after sealing in the electrolyte-soluble gas, the electrolyte-soluble gas may dissolve too much in the electrolyte before the sealing process, making it difficult for the electrolyte-soluble gas to further dissolve in the electrolyte after the sealing process, which could result in an insufficient negative pressure inside the container. The elapsed time from the time the electrolyte-soluble gas is sealed in until the injection port is sealed is preferably 1 hour or less, from the viewpoint of minimizing the amount of electrolyte-soluble gas that dissolves in the electrolyte or diffuses out of the container through the injection port before the sealing process. This elapsed time is preferably 30 minutes or less (e.g., 1 minute to 30 minutes), more preferably 20 minutes or less, even more preferably 15 minutes or less, and particularly preferably 10 minutes or less (e.g., 5 minutes or less). By shortening the time that elapses from the time the gas soluble in the electrolyte is placed in the container until the injection port is sealed, it is possible to eliminate or mitigate the inconvenience of the gas soluble in the electrolyte being dissolved too much (typically to saturation) in the electrolyte before the sealing step, and it is possible to effectively reduce the pressure inside the container after the sealing step.
上記容器に上記電解液に可溶な気体を収容した後、注入口を封止する工程までの間に、上記注入口を仮封止する工程を有してもよい。上記注入口を仮封止する工程は、例えば、ゴム製の栓部材等を用いて一時的に上記注入口を塞ぐ工程である。上記注入口を仮封止する工程を有することで、上記容器に収容された上記電解液に可溶な気体が拡散によって上記注入口を介して上記容器の外部に放出されることを抑制できる。この場合、上記注入口を封止する工程においては、栓部材等を取り外した後に上記注入口を封止部材で塞ぎ、上記封止部材をレーザ溶接等により固定すればよい。また、上記注入口を封止する工程においては、上記注入口を塞ぐ栓部材等ごと覆う封止部材を配置し、上記封止部材をレーザ溶接等により固定してもよい。After the gas soluble in the electrolyte solution is placed in the container, a step of temporarily sealing the injection port may be included before the step of sealing the injection port. The step of temporarily sealing the injection port is, for example, a step of temporarily blocking the injection port using a rubber stopper member or the like. By including the step of temporarily sealing the injection port, it is possible to prevent the gas soluble in the electrolyte solution placed in the container from diffusing to the outside of the container through the injection port. In this case, the step of sealing the injection port may involve removing the stopper member or the like and then blocking the injection port with a sealing member, which may then be fixed by laser welding or the like. Alternatively, the step of sealing the injection port may involve placing a sealing member that covers the stopper member or the like that blocks the injection port, and then fixing the sealing member by laser welding or the like.
密閉工程の後、上記電解液に可溶な気体の上記電解液への溶解が平衡状態になった際の上記容器の内部の圧力としては、電極間距離が大きくなることを効果的に抑制する観点から、25℃において0.02MPa以上0.09MPa以下が好ましい。なお、密閉直後における上記容器の内部の圧力は、0.1MPa以上0.2MPa以下が好ましい。つまり、密閉工程の直後は、上記電解液に可溶な気体の多くが上記電解液に溶解しておらず、密閉工程の後に上記電解液に可溶な気体を上記電解液に溶解させることで、上記容器の内部の圧力を小さくすることができる。After the sealing step, when the dissolution of the gas soluble in the electrolyte solution into the electrolyte solution reaches equilibrium, the pressure inside the container is preferably 0.02 MPa or more and 0.09 MPa or less at 25°C, from the viewpoint of effectively suppressing an increase in the distance between the electrodes. The pressure inside the container immediately after sealing is preferably 0.1 MPa or more and 0.2 MPa or less. In other words, immediately after the sealing step, most of the gas soluble in the electrolyte solution is not dissolved in the electrolyte solution, and by dissolving the gas soluble in the electrolyte solution into the electrolyte solution after the sealing step, the pressure inside the container can be reduced.
上記蓄電素子の製造方法における電極体、電解液、電解液に可溶な気体及び容器等についての詳細は上述したとおりである。 Details regarding the electrode body, electrolyte, gas soluble in the electrolyte, container, etc. in the manufacturing method of the above-mentioned storage element are as described above.
<その他の実施形態>
なお、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
<Other embodiments>
The energy storage device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment, and part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment or well-known technology. Furthermore, part of the configuration of one embodiment can be deleted. Also, well-known technology can be added to the configuration of one embodiment.
例えば、上述した実施形態では、上記容器の内部を負圧状態にする方法として、容器の内部に電解液に可溶な気体を収容する方法を採用する場合を例示したが、これに限定されない。例えば、上記容器の内部を負圧状態にする方法として、真空ポンプ等を用いて容器の内部の圧力を減圧した状態で封止する方法を採用してもよい。この場合、上記負圧形成工程は、上記気体収容工程に代えて、真空ポンプ等を用いて上記容器の内部の圧力を減圧する減圧工程を備えてもよい。かかる減圧工程は、上記電解質収容工程後かつ上記密閉工程前に実施することができる。ただし、上述した実施形態の如く、上記容器の内部に電解液に可溶な気体を収容する方法を採用した方が、容器の内部をより確実に負圧状態にすることができる点で好ましい。すなわち、容器の内部の余剰空間における電解液に可溶な気体の濃度が高まるため、充放電による電極の膨張収縮によって電極間に隙間が発生し、容器の内部に存在しているガスが電極間の隙間に流入して溜まったとしても、電解液に速やかに溶解し得、その結果、ガス溜まりが解消されて電極間の隙間が低減されやすくなる点で好ましい。For example, in the above-described embodiment, a method of creating a negative pressure inside the container was described in which a gas soluble in the electrolyte solution was placed inside the container. However, this is not limiting. For example, a method of creating a negative pressure inside the container may be used in which the pressure inside the container is reduced using a vacuum pump or the like and then sealed. In this case, the negative pressure creation process may include a decompression process of reducing the pressure inside the container using a vacuum pump or the like, instead of the gas containing process. This decompression process can be performed after the electrolyte containing process and before the sealing process. However, as in the above-described embodiment, a method of placing a gas soluble in the electrolyte solution inside the container is preferable because it more reliably creates a negative pressure inside the container. That is, because the concentration of the gas soluble in the electrolyte solution increases in the excess space inside the container, even if gaps form between the electrodes due to expansion and contraction of the electrodes during charging and discharging, and gas present inside the container flows into and accumulates in the gaps between the electrodes, it can quickly dissolve in the electrolyte solution, thereby eliminating the gas accumulation and making it easier to reduce the gaps between the electrodes.
上記実施形態では、蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類、形状、寸法、容量等は任意である。本発明は、種々の二次電池、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタにも適用できる。 In the above embodiment, the storage element is described as being used as a chargeable and dischargeable non-aqueous electrolyte secondary battery (e.g., a lithium-ion secondary battery), but the type, shape, dimensions, capacity, etc. of the storage element are arbitrary. The present invention can also be applied to various secondary batteries, electric double layer capacitors, lithium-ion capacitors, and other capacitors.
上記実施形態では、正極及び負極がセパレータを介して積層された電極体について説明したが、電極体は、セパレータを備えなくてもよい。例えば、正極又は負極の活物質層上に導電性を有さない層が形成された状態で、正極及び負極が直接接してもよい。 In the above embodiment, an electrode assembly in which a positive electrode and a negative electrode are stacked with a separator interposed therebetween was described, but the electrode assembly does not need to include a separator. For example, the positive electrode and the negative electrode may be in direct contact with each other, with a non-conductive layer formed on the active material layer of the positive electrode or negative electrode.
本実施形態の蓄電素子は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の質蓄電素子1を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電ユニットに含まれる少なくとも一つの蓄電素子に対して、本発明の技術が適用されていればよい。
図3に、電気的に接続された二以上の蓄電素子1が集合した蓄電ユニット20をさらに集合した蓄電装置30の一例を示す。蓄電装置30は、二以上の蓄電素子1を電気的に接続するバスバ(図示せず)、二以上の蓄電ユニット20を電気的に接続するバスバ(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット20又は蓄電装置30は、一以上の蓄電素子1の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。
The energy storage element of this embodiment can be mounted as an energy storage unit (battery module) configured by assembling a plurality of energy storage elements 1 in an automobile power source such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), or a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a power source for electronic devices such as a personal computer or a communication terminal, or a power storage power source, etc. In this case, the technology of the present invention may be applied to at least one energy storage element included in the energy storage unit.
3 shows an example of an energy storage device 30 in which energy storage units 20, each of which is an assembly of two or more electrically connected energy storage elements 1, are further assembled. The energy storage device 30 may include a bus bar (not shown) that electrically connects two or more energy storage elements 1, a bus bar (not shown) that electrically connects two or more energy storage units 20, etc. The energy storage unit 20 or the energy storage device 30 may include a status monitoring device (not shown) that monitors the status of one or more energy storage elements 1.
1 蓄電素子
2 電極体
3 容器
3a 容器本体
3b 蓋体
4 正極端子
5 負極端子
8 巻芯
14 正極集電体
15 負極集電体
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 Energy storage element 2 Electrode body 3 Container 3a Container body 3b Lid 4 Positive electrode terminal 5 Negative electrode terminal 8 Winding core 14 Positive electrode current collector 15 Negative electrode current collector 20 Energy storage unit 30 Energy storage device
Claims (8)
上記電極体を収容するための密閉可能な扁平形状の容器と
を備え、
上記電極体が中央部に巻芯を有し、
上記巻芯を構成する材料の圧縮強度が55MPa以上であり、
上記巻芯が筒状に形成された筒部と、該筒部の内側に形成された中空部とを有しており、
上記容器の内部の余剰空間の体積のうち上記中空部の体積が占める割合が30%以上であり、
上記容器の内部が負圧状態であり、上記容器によって上記電極体が圧迫されている蓄電素子。 a wound electrode body having a negative electrode and a positive electrode;
a sealable flat container for accommodating the electrode assembly,
The electrode body has a winding core in the center,
The compressive strength of the material constituting the core is 55 MPa or more,
The winding core has a cylindrical portion formed in a cylindrical shape and a hollow portion formed inside the cylindrical portion,
The volume of the hollow portion accounts for 30% or more of the volume of the excess space inside the container,
The inside of the container is in a negative pressure state , and the electrode body is pressed by the container .
上記容器は、偏平の有底角筒形状の容器本体と、該容器本体の開口部を閉塞する蓋体とを有し、
上記容器本体の少なくとも一つの側面が上記容器の内側に向けて凹んでいる、請求項1から7の何れか一項に記載の蓄電素子。 the electrode body is a flat wound electrode body obtained by winding the positive electrode and the negative electrode stacked with a separator interposed therebetween,
The container has a container body in the shape of a flattened rectangular cylinder with a bottom, and a lid body that closes an opening of the container body,
The energy storage device according to claim 1 , wherein at least one side surface of the container body is recessed toward the inside of the container.
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