リチウムイオン電池
【課題】
着目すべきリチウムイオン電池の性能に応じて、セパレータの配置を考慮することにより、より性能の向上を図ることが可能なリチウムイオン電池を提供すること。
【解決手段】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有し、セパレータの透気度の高い側が正極に対向して配置されるか、正極側から負極側への流れの方が、負極側から正極側への流れよりも、物質が流れやすいようにセパレータが配置されるリチウムイオン電池とする。
着目すべきリチウムイオン電池の性能に応じて、セパレータの配置を考慮することにより、より性能の向上を図ることが可能なリチウムイオン電池を提供すること。
【解決手段】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有し、セパレータの透気度の高い側が正極に対向して配置されるか、正極側から負極側への流れの方が、負極側から正極側への流れよりも、物質が流れやすいようにセパレータが配置されるリチウムイオン電池とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池に係り、特に、正極と負極との間に介在させるセパレータの配置を工夫したリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池に使用される電極群は、一般的に、捲回タイプと積層タイプとに大別される。捲回タイプの場合、電極群が収納される缶は円筒形や角形がある。いずれにしても、電池缶の内部に、正極、セパレータ、負極、セパレータが交互に重なるように捲回され、電解液が満たされる構造となっている。また、積層タイプの場合、電極群が収納される缶は角形である場合が多く、正極、負極の各電極群は、正極、セパレータ、負極、セパレータと交互に積層され、電解液と共に電池缶に収納される構造となっている。
【０００３】
従来は、セパレータの表裏面の性能の違いについて一切考慮しておらず、例えば特許文献１に開示されるように、セパレータは、単に正極と負極との間に介在するものでしかなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７２２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の通り、セパレータには表裏面で性能に違いがある。いずれの面が正極にまたは負極に接しているかによって、リチウムイオン電池の各種性能を左右する影響を及ぼすため、本発明においては、着目すべきリチウムイオン電池の性能に応じて、セパレータの配置を考慮することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、次に示すような構成が有効と考えられる。
【０００７】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有し、セパレータの透気度の高い側が、正極に対向して配置されるリチウムイオン電池。
【０００８】
または、正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有し、正極側から負極側への流れの方が、負極側から正極側への流れよりも、物質が流れやすいようにセパレータが配置されるリチウムイオン電池。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によって、正極側に依存する異物が溶解して負極側に拡散した後、正極側に再析出する短絡パスの形成を抑制することができるため、耐短絡性の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池の外観を示す図である。
【図２】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池に摘要することが可能な電極群を示す図である。
【図３】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池を保存する際の電圧推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１２】
＜リチウムイオン電池の作製＞
正極には、例えば正極活物質としてスピネル型結晶構造を有するリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）と、固体難燃剤としてホスファゼン化合物とを重量比８０：１０：５：５で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布し、その後、乾燥、プレス、裁断することにより所定の厚さ（例えば１７０μｍ）の正極を用いることができる。なお、アルミニウム箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を正極リード片９とした。
【００１３】
負極には、例えば負極活物質として非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてＰＶｄＦを負極活物質に対し１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの電解銅箔の両面に塗布し、その後乾燥プレス、裁断することにより所定の厚さ（例えば１３０μｍ）の負極を用いることができる。なお、電解銅箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を負極リード片９’とした。
【００１４】
正極と負極とを絶縁するセパレータは、厚さが２０μｍのものを使用し、表１に示す条件で正極負極に対向する透気度を変化させた。セパレータがある一定量（例えば１００ｃｃ）の空気を通す際にかかる時間が短い面を透気度の高い側とする。
【００１５】
電極群を作製する際に異物として約４０μｍの金属粉（例えばＦｅ）を正極とセパレータとの間に添加し、電池容量約７００ｍＡｈの電極群を作製した。その電極群を非水電解液と共に電池缶に収納した。
【００１６】
図１に、例として、角型積層タイプのリチウムイオン電池の外観を示す。
【００１７】
電池缶５に蓋部６が設けられた構造である。ここでは、一例として、角型積層タイプのリチウムイオン電池を示したが、本発明は、円筒形であっても、捲回形であってもよく、リチウムイオン電池の外観形状には限定されない。
【００１８】
また図２は、本発明に適用可能な電極捲回群展開図である。
【００１９】
本実施形態の捲回群は、帯状の負極３と帯状の正極１とをセパレータ２を介して軸芯４に捲回したものである。
【００２０】
図２では、捲回形のリチウムイオン電池を示したが、軸心を使用して捲回せずに、正極、セパレータ、負極、セパレータと積層していけば、積層タイプのリチウムイオン電池となる。本発明はリチウムイオン電池の電極構成には限定されない。
【００２１】
＜リチウムイオン電池の５０℃放置試験＞
４．２Ｖに充電したセルを環境温度５０℃にて放置し、放置期間中の電圧を測定し、電圧が４Ｖを下回った時点で解体調査を行った。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
表１に示す通り、正極および負極に対向するセパレータの透気度を変化させた。
【００２３】
【表１】
【００２４】
この結果に基づき、４．２Ｖ−５０℃での保存時の電圧推移を図３に示す。
【００２５】
実施例１で得られたリチウムイオン電池の耐短絡性が、比較例１および比較例２で得られたリチウムイオン電池と比較して、優れていることがわかる。比較例１および比較例２で得られたリチウムイオン電池は、負極へ析出された異物痕が大きかった。一方、実施例１で得られたリチウムイオン電池で確認された異物痕は小さかった。このことから、実施例１で得られたリチウムイオン電池は、短絡パスができにくくなっていることがわかる。
【００２６】
この要因については、酸化雰囲気にある正極の異物が溶解し、溶解した異物が拡散することによって負極側へ到達した後、還元雰囲気である負極で異物が析出し、析出した異物が成長することによって正極側へ到達して短絡パスが形成されることによって短絡が起きると考えられる。負極側の透気度が低いため、析出後の成長を妨げていると考えられる。正極側の透気度が高いため端面が鈍角な異物成長となり、セパレータの貫通が抑えられていると考えられる。
【００２７】
前述の正極活物質として、リチウムマンガン複酸化物に代えて、化学式ＬｉＭＯ２（Ｍは少なくとも１種の遷移金属）で表されるものを用いることができる。マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウムなどの正極活物質中のＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏなどの一部を１種あるいは２種以上の遷移金属で置換えして用いることができる。さらには遷移金属の一部をＭｇ、Ａｌなどの金属元素で置換えして用いることも可能である。
【００２８】
また導電剤は、鱗片状黒鉛に限らず、公知の導電剤、例えば黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、炭素繊維などの炭素系導電剤を用いればよく、特に限定されない。
【００２９】
そして結着剤は、ＰＶｄＦのほかにも、公知の結着剤、例えばフッ素ゴムなどを用いればよく、特に限定されない。本発明で好ましい結着剤は、例えばポリフッ化ビニリデンである。
【００３０】
さらに溶剤は、ＮＭＰに限ることなく、公知の種々の溶剤を適宜選択して使用することができる。
【００３１】
正極合剤における正極活物質、導電剤および結着剤の混合比は、特に限定されないが、例えば正極活物質を１とした場合、重量比で１：０.０５〜０.２０：０.０２〜０.１０が好ましい。また、前述の例では、固体難燃剤を使用しているが、難燃剤を使用するか否かは本発明の本質とするところではなく、難燃剤を使用する場合でも、その種類は限定されるものではない。
【００３２】
一方負極活物質については、非晶質炭素のほか、黒鉛などの炭素系の材料であればよい。結着剤としては、例えば上記正極と同様のものが用いられ、特に限定されない。好ましいものは、例えばポリフッ化ビニリデンである。好ましい溶剤は、例えばＮＭＰ等の有機溶剤である。負極活物質および結着剤の混合比は、特に限定されないが、例えば負極活物質を１とした場合、重量比で１：０.０５〜０.２０が好ましい。
【００３３】
また非水電解液としては、公知のものを用いれば良く、特に限定はされない。例えば非水溶媒としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジエトキシエタン、イオン液体等がある。これらの溶媒の１種以上に、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＣＨ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等から選ばれた１種以上のリチウム塩を溶解させて非水電解液を調整することができる。
【００３４】
さらにセパレータ、電池ケース等の構造材料等の他の要素についても従来公知の各種材料が使用でき、特に制限はない。セパレータは、一般的にポリオレフィン系多孔質膜が使用され、材質はポリエチレンとポリプロピレンとの複合膜が使用されている。
【００３５】
難燃化剤にホスファゼン化合物を使用した例を示したが、一般的な難燃化剤を用いてよく、難燃化剤は特に制限されない。例えば、リン酸トリエチル、リン酸エステル系、フッ化アルキル基を含む化合物、イオン液体などの難燃化剤またはこれらを２種類以上混合したものを使用してもよく、混合配合比についても限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３６】
１…正極、２…セパレータ、３…負極、４…軸心、５…電池缶、６…蓋部、９…正極リード片、９’…負極リード片。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池に係り、特に、正極と負極との間に介在させるセパレータの配置を工夫したリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池に使用される電極群は、一般的に、捲回タイプと積層タイプとに大別される。捲回タイプの場合、電極群が収納される缶は円筒形や角形がある。いずれにしても、電池缶の内部に、正極、セパレータ、負極、セパレータが交互に重なるように捲回され、電解液が満たされる構造となっている。また、積層タイプの場合、電極群が収納される缶は角形である場合が多く、正極、負極の各電極群は、正極、セパレータ、負極、セパレータと交互に積層され、電解液と共に電池缶に収納される構造となっている。
【０００３】
従来は、セパレータの表裏面の性能の違いについて一切考慮しておらず、例えば特許文献１に開示されるように、セパレータは、単に正極と負極との間に介在するものでしかなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７２２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の通り、セパレータには表裏面で性能に違いがある。いずれの面が正極にまたは負極に接しているかによって、リチウムイオン電池の各種性能を左右する影響を及ぼすため、本発明においては、着目すべきリチウムイオン電池の性能に応じて、セパレータの配置を考慮することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、次に示すような構成が有効と考えられる。
【０００７】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有し、セパレータの透気度の高い側が、正極に対向して配置されるリチウムイオン電池。
【０００８】
または、正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有し、正極側から負極側への流れの方が、負極側から正極側への流れよりも、物質が流れやすいようにセパレータが配置されるリチウムイオン電池。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によって、正極側に依存する異物が溶解して負極側に拡散した後、正極側に再析出する短絡パスの形成を抑制することができるため、耐短絡性の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池の外観を示す図である。
【図２】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池に摘要することが可能な電極群を示す図である。
【図３】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン電池を保存する際の電圧推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１２】
＜リチウムイオン電池の作製＞
正極には、例えば正極活物質としてスピネル型結晶構造を有するリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）と、固体難燃剤としてホスファゼン化合物とを重量比８０：１０：５：５で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布し、その後、乾燥、プレス、裁断することにより所定の厚さ（例えば１７０μｍ）の正極を用いることができる。なお、アルミニウム箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を正極リード片９とした。
【００１３】
負極には、例えば負極活物質として非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてＰＶｄＦを負極活物質に対し１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの電解銅箔の両面に塗布し、その後乾燥プレス、裁断することにより所定の厚さ（例えば１３０μｍ）の負極を用いることができる。なお、電解銅箔の長手方向一側を矩形状に切り欠き、切り欠き残部を負極リード片９’とした。
【００１４】
正極と負極とを絶縁するセパレータは、厚さが２０μｍのものを使用し、表１に示す条件で正極負極に対向する透気度を変化させた。セパレータがある一定量（例えば１００ｃｃ）の空気を通す際にかかる時間が短い面を透気度の高い側とする。
【００１５】
電極群を作製する際に異物として約４０μｍの金属粉（例えばＦｅ）を正極とセパレータとの間に添加し、電池容量約７００ｍＡｈの電極群を作製した。その電極群を非水電解液と共に電池缶に収納した。
【００１６】
図１に、例として、角型積層タイプのリチウムイオン電池の外観を示す。
【００１７】
電池缶５に蓋部６が設けられた構造である。ここでは、一例として、角型積層タイプのリチウムイオン電池を示したが、本発明は、円筒形であっても、捲回形であってもよく、リチウムイオン電池の外観形状には限定されない。
【００１８】
また図２は、本発明に適用可能な電極捲回群展開図である。
【００１９】
本実施形態の捲回群は、帯状の負極３と帯状の正極１とをセパレータ２を介して軸芯４に捲回したものである。
【００２０】
図２では、捲回形のリチウムイオン電池を示したが、軸心を使用して捲回せずに、正極、セパレータ、負極、セパレータと積層していけば、積層タイプのリチウムイオン電池となる。本発明はリチウムイオン電池の電極構成には限定されない。
【００２１】
＜リチウムイオン電池の５０℃放置試験＞
４．２Ｖに充電したセルを環境温度５０℃にて放置し、放置期間中の電圧を測定し、電圧が４Ｖを下回った時点で解体調査を行った。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
表１に示す通り、正極および負極に対向するセパレータの透気度を変化させた。
【００２３】
【表１】
【００２４】
この結果に基づき、４．２Ｖ−５０℃での保存時の電圧推移を図３に示す。
【００２５】
実施例１で得られたリチウムイオン電池の耐短絡性が、比較例１および比較例２で得られたリチウムイオン電池と比較して、優れていることがわかる。比較例１および比較例２で得られたリチウムイオン電池は、負極へ析出された異物痕が大きかった。一方、実施例１で得られたリチウムイオン電池で確認された異物痕は小さかった。このことから、実施例１で得られたリチウムイオン電池は、短絡パスができにくくなっていることがわかる。
【００２６】
この要因については、酸化雰囲気にある正極の異物が溶解し、溶解した異物が拡散することによって負極側へ到達した後、還元雰囲気である負極で異物が析出し、析出した異物が成長することによって正極側へ到達して短絡パスが形成されることによって短絡が起きると考えられる。負極側の透気度が低いため、析出後の成長を妨げていると考えられる。正極側の透気度が高いため端面が鈍角な異物成長となり、セパレータの貫通が抑えられていると考えられる。
【００２７】
前述の正極活物質として、リチウムマンガン複酸化物に代えて、化学式ＬｉＭＯ２（Ｍは少なくとも１種の遷移金属）で表されるものを用いることができる。マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウムなどの正極活物質中のＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏなどの一部を１種あるいは２種以上の遷移金属で置換えして用いることができる。さらには遷移金属の一部をＭｇ、Ａｌなどの金属元素で置換えして用いることも可能である。
【００２８】
また導電剤は、鱗片状黒鉛に限らず、公知の導電剤、例えば黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、炭素繊維などの炭素系導電剤を用いればよく、特に限定されない。
【００２９】
そして結着剤は、ＰＶｄＦのほかにも、公知の結着剤、例えばフッ素ゴムなどを用いればよく、特に限定されない。本発明で好ましい結着剤は、例えばポリフッ化ビニリデンである。
【００３０】
さらに溶剤は、ＮＭＰに限ることなく、公知の種々の溶剤を適宜選択して使用することができる。
【００３１】
正極合剤における正極活物質、導電剤および結着剤の混合比は、特に限定されないが、例えば正極活物質を１とした場合、重量比で１：０.０５〜０.２０：０.０２〜０.１０が好ましい。また、前述の例では、固体難燃剤を使用しているが、難燃剤を使用するか否かは本発明の本質とするところではなく、難燃剤を使用する場合でも、その種類は限定されるものではない。
【００３２】
一方負極活物質については、非晶質炭素のほか、黒鉛などの炭素系の材料であればよい。結着剤としては、例えば上記正極と同様のものが用いられ、特に限定されない。好ましいものは、例えばポリフッ化ビニリデンである。好ましい溶剤は、例えばＮＭＰ等の有機溶剤である。負極活物質および結着剤の混合比は、特に限定されないが、例えば負極活物質を１とした場合、重量比で１：０.０５〜０.２０が好ましい。
【００３３】
また非水電解液としては、公知のものを用いれば良く、特に限定はされない。例えば非水溶媒としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、１，２−ジエトキシエタン、イオン液体等がある。これらの溶媒の１種以上に、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＬｉＣＨ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等から選ばれた１種以上のリチウム塩を溶解させて非水電解液を調整することができる。
【００３４】
さらにセパレータ、電池ケース等の構造材料等の他の要素についても従来公知の各種材料が使用でき、特に制限はない。セパレータは、一般的にポリオレフィン系多孔質膜が使用され、材質はポリエチレンとポリプロピレンとの複合膜が使用されている。
【００３５】
難燃化剤にホスファゼン化合物を使用した例を示したが、一般的な難燃化剤を用いてよく、難燃化剤は特に制限されない。例えば、リン酸トリエチル、リン酸エステル系、フッ化アルキル基を含む化合物、イオン液体などの難燃化剤またはこれらを２種類以上混合したものを使用してもよく、混合配合比についても限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３６】
１…正極、２…セパレータ、３…負極、４…軸心、５…電池缶、６…蓋部、９…正極リード片、９’…負極リード片。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有するリチウムイオン電池であって、前記セパレータの透気度の高い側が、前記正極に対向して配置されることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項２】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有するリチウムイオン電池であって、前記正極側から前記負極側への流れの方が、前記負極側から前記正極側への流れよりも、物質が流れやすいように前記セパレータが配置されることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項１】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有するリチウムイオン電池であって、前記セパレータの透気度の高い側が、前記正極に対向して配置されることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項２】
正極、セパレータ、負極が順次重ねられた電極群を有するリチウムイオン電池であって、前記正極側から前記負極側への流れの方が、前記負極側から前記正極側への流れよりも、物質が流れやすいように前記セパレータが配置されることを特徴とするリチウムイオン電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２１６３９７（Ｐ２０１２−２１６３９７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８０４２３（Ｐ２０１１−８０４２３）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００１２０３）新神戸電機株式会社 (518)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００１２０３）新神戸電機株式会社 (518)
【Ｆターム（参考）】
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